JP2003503838A - 温度均一性が改良されたプラズマ反応チャンバ構成部品 - Google Patents
温度均一性が改良されたプラズマ反応チャンバ構成部品Info
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Abstract
Description
タの加熱される部材全体の温度分布を制御する構成部品に関する。
成長(CVD)などの付着工程、こうした層のエッチング、フォトレジスト・マ
スク層のアッシングなどが含まれる。エッチングの場合は、通常プラズマ・エッ
チングを用いて金属材料、誘電材料、および半導体材料をエッチングする。
れた米国特許第5,074,456号、第5,472,565号、第5,534
,751号、および第5,569,356号に開示されている。その他のシャワ
ーヘッド電極ガス分配システムが、米国特許第4,209,357号、第4,2
63,088号、第4,270,999号、第4,297,162号、第4,5
34,816号、第4,579,618号、第4,590,042号、第4,5
93,540号、第4,612,077号、第4,780,169号、第4,8
54,263号、第5,006,220号、第5,134,965号、第5,4
94,713号、第5,529,657号、第5,593,540号、第5,5
95,627号、第5,614,055号、第5,716,485号、第5,7
46,875号、および第5,888,907号に開示されている。
)などの開口をエッチングすることである。誘電材料には、フッ素化酸化ケイ素
(FSG)などのドープした酸化ケイ素、二酸化ケイ素などの非ドープの酸化ケ
イ素、ホウリンケイ酸ガラス(BPSG)やリンケイ酸ガラス(PSG)などの
ケイ酸ガラス、ドープまたは非ドープの熱成長させた酸化ケイ素、ドープまたは
非ドープのTEOS堆積酸化ケイ素などが含まれる。誘電性のドーパントには、
ホウ素、リン、および/またはヒ素が含まれる。多結晶シリコン、アルミニウム
、銅、チタン、タングステン、モリブデンなどの金属またはこれらの合金、窒化
チタンなどの窒化物、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシ
リサイド、モリブデンシリサイドなどの金属シリサイドなど導電層または半導体
層の上に、誘電体を重ねることができる。平行平板型プラズマ・リアクタを酸化
ケイ素の開口のエッチングに用いるプラズマ・エッチング技術が、米国特許第5
,013,398号に開示されている。
タライゼーション・プロセスを記載している。「シングル・ダマシン」手法では
、ヴィアおよび導線が別々のステップで形成される。すなわち、誘電層中に導線
またはヴィア用のメタライゼーション・パターンをエッチングし、誘電層にエッ
チングされた溝またはヴィア・ホール中に金属層を充填し、化学機械平坦化(C
MP)またはエッチ・バック工程によって過剰の金属を除去する。「デュアル・
ダマシン」手法では、ヴィアおよび導線用のメタライゼーション・パターンを誘
電層にエッチングし、一回の金属充填工程および過剰金属除去工程で、エッチン
グされた溝およびヴィア開口に金属を充填する。
で、温度が著しく異なることがある。シャワーヘッド電極の中心と端部では温度
差が約100℃以上、例えば200℃になることがある。不均一な温度分布によ
って、プラズマ密度および/またはプロセス・ガスの分配が不均一になり、ウエ
ーハのエッチングが不均一になる恐れがある。端部を冷却するシャワーヘッド装
置では、基板の寸法が大きくなるにつれて、この問題はより大きくなる。シャワ
ーヘッドの直径が増大するにつれて、シャワーヘッド電極の中心と端部の間の温
度差がより顕著になるからである。
グするときは、プロセス・ガスを制御してプラズマ分布を均一にすることは一層
困難になる。例えば、より大きな面積にエッチング・ガスを分配するためには、
バッフル内およびシャワーヘッド電極内の開口の数を著しく増大しなければなら
ない。さらに、バッフル内の開口数およびバッフルの数が増大するにつれて、こ
うしたガス分配装置を製造する複雑さとコストが非常に増大する。さらに、ウエ
ーハ表面積の増大に比例してプロセス・ガスの流速を増大しなければならないの
で、処理比率(processing ratio)、選択性、フィーチャ形状
および寸法に関する均一性を達成するのがより困難になる。さらに、シャワーヘ
ッドの寸法が増大すると、シャワーヘッド全体により大きな温度勾配がもたらさ
れ、不均一な基板処理の原因となるおそれがある。
少することができる。シャワーヘッド電極の場合には、電極全体の温度分布を制
御することによって半導体基板の一層均一な処理が可能になる。さらに、シャワ
ーヘッド電極が到達する最高温度を低下することができるので、電極の有効寿命
を長くすることができる。
ヒートシンク(例えば支持部材)、加熱部材(例えば電力式シャワーヘッド電極
)、およびヒートシンクと加熱部材の間の伝熱部材が含まれる。伝熱部材は、加
熱部材の高温領域からヒートシンクへの熱流路を提供する。
で発生した熱は、伝熱部材を通って支持部材へ伝わり、電極の中心と電極の周辺
部との温度差を小さくする。したがって、基板処理中、プラズマは制御されて、
および/またはほぼ均一に分布している。
理解されよう。
する。図面では、本発明の好ましい代表的実施形態を図示し記述する。また、図
面中の同様な要素を識別するために全体を通して同じ参照番号を使用する。
基板を処理するための、反応チャンバの構成部品の温度制御達成における改良を
提供する。こうした構成部品には、スパッタ・ターゲット、電力式シャワーヘッ
ド電極、シャワーヘッド、基板支持体などが含まれる。こうした構成部品は、冷
媒を通すことによって冷却できることもあり、または冷却できないこともある。
以下、本発明を、電力式シャワーヘッド電極に関して説明する。
シャワーヘッド電極の表面温度は、例えば電極に印加される電力から生じる抵抗
発熱のために上昇する。発生した熱は、ヒート・シンクの周辺部へ流れる(周辺
部で、電極とヒート・シンクは互いに固定されている)。しかし、電極中央部は
、ヒート・シンクと直接接触していないので、電極中央部の温度が電極周辺部よ
りずっと高くなることがあり、基板処理を十分に制御することが困難になる。さ
らに、シャワーヘッドの発熱のために、ターゲットまたは基板、シャワーヘッド
、あるいは基板またはターゲットの下の表面では、ある部分が他の部分より熱く
なることがある。本発明は、こうした表面の温度均一性を改良する機構を提供す
る。
体の温度分布制御に関して本発明を論ずる。ただし、本発明の原理は、半導体処
理用反応チャンバのその他の加熱部材の温度分布制御にも利用できる。
この図で、シャワーヘッド電極20は、冷却された支持部材22に固定されてガ
ス分配チャンバ23を画定している。支持部材22の温度は、支持部材22内の
冷却用チャネル24中に冷媒を循環させることによって制御することができる。
黒鉛、炭化ケイ素など適当な導電性材料から作ることができ、複数の開口26中
をガスが通過する。図1に示した装置では、シャワーヘッド電極20は、電極と
一体化した端部28を有する。ただし、図3に示すように、端部28に、円形の
シャワーヘッド板の外端部に接合した別の支持リングを備えることもできる。ど
ちらの場合も、外端部28は、熱的電気的に支持部材22と接触している。ガス
分配チャンバ23は、シャワーヘッド電極20の上面30、端部28、および支
持部材22の下面32によって画定される。プロセス・ガスを、中央ガス供給口
29からチャンバ23へ供給する。ただし、プロセス・ガスを、電極の周辺部へ
、かつ/または2つ以上のガス供給口から供給することもできる。ガスは、ガス
分配チャンバ内を下方へ流れ、シャワーヘッド電極20の開口26を通過する。
、ただし直流電力も使用できる)をシャワーヘッド電極20に供給する。シャワ
ーヘッド電極20に電力を加えると、抵抗発熱が起こり、シャワーヘッド電極2
0の温度が上昇する。電極20の周辺だけから除熱した場合は、シャワーヘッド
電極20を通って端部28へ横方向に伝熱する速度が遅いので、シャワーヘッド
電極20の中央領域34の温度が速く上昇してしまう。その結果、シャワーヘッ
ド電極20の中央部34とシャワーヘッド電極20の周辺部28の間に、大きな
温度差(例えば約100〜300℃)が発生することがある。この大きな温度差
は、シャワーヘッド電極20を通るプロセス・ガスの均一な分配、および/また
はプラズマにするための電力の均一な分布を妨げる。
ワーヘッド電極20の上面30の中央領域34と温度制御された支持部材22の
底面32との間に、1個または複数の伝熱部材36を含む。プラズマ処理の間、
伝熱部材36を通して、温度制御された支持部材22へ熱が伝わる。このように
して、シャワーヘッド電極20の中央領域34と端部28との温度差を、著しく
減少させることができる(例えば、電極の端部と中央部の間で、温度差50℃未
満、好ましくは15〜20℃未満とすることができる)。この結果、ウエーハが
シャワーヘッド電極の下にある、単一ウエーハ・プラズマ・エッチングなどの半
導体処理で、より均一な処理を達成することができる。
し、導電性ではないが、熱伝導性の材料も使用できる。適当な材料には、SiC
、Si3N4、AlNなどのセラミック材料、Al、Cu、ステンレス鋼、Moな
どの金属、強化金属(例えば、炭素ファイバ−アルミニウムまたは銅、ホウ素フ
ァイバ−アルミニウム、SiC粒子−アルミニウムなど)などの金属複合材が含
まれる。例えば、伝熱部材36は、所望の形状に機械加工したアルミニウム鋳造
体とすることができる。
より均一に分配する役割を果たすバッフル・アセンブリを含む。バッフル・アセ
ンブリは、シャワーヘッド電極20と支持部材22の間に設置した、1個または
複数のバッフル・プレート40を含むことができる。バッフル・プレート40は
、アルミニウム製とすることができ、1個または複数の切り抜き部42を含み、
類似の形状の伝熱部材36を収容する。伝熱部材36は、支持部材22の底面3
2とシャワーヘッド電極上面の間の、切り抜き部が画定する空間内に嵌合する。
供給口29からバッフル・プレートが画定したプレナム中へ、プロセス・ガスが
流れることができる。その結果、入口29から供給されたガスは、バッフル・プ
レート40の表面全体に分配される。
、バッフル・プレート40を切り欠いて伝熱部材36を収容する必要はない。そ
の代わり、伝熱部材36は、支持部材22、バッフル・プレート40、およびシ
ャワーヘッド電極20の間に挟まれている。伝熱部材36は、貫通したガス流路
を含むことができ、入口29からのガスを、バッフル・プレート40が画定した
プレナム内に分配することができる。別法としては、伝熱部材36を中実とし、
バッフル・プレートに溝または流路を設けて、バッフル・プレートが画定したプ
レナム中を、プロセス・ガスが自由に循環できるようにすることもできる。
バは、支持部材22とシャワーヘッド電極20の間にバッフル・プレートを含ん
でいない。第3実施形態では、伝熱部材36は、シャワーヘッド電極20と支持
部材22の間に画定されたガス分配チャンバ中に配置されている。図4に示すよ
うに、伝熱部材36は切欠き部44を有しており、伝熱部材36の間、および支
持部材22の表面全体、シャワーヘッド電極20の表面全体をプロセス・ガスが
流れることができるようになっている。
部材22の底面32およびシャワーヘッド電極20の上面30のどちらとも熱接
触がきわめて良好であることが好ましい。伝熱部材36、加熱部材(例えばシャ
ワーヘッド電極20)、およびヒート・シンク(例えば支持部材22)の間には
間隙がないことが理想的である。これら部品間の良好な熱接触は、シャワーヘッ
ド電極20、伝熱部材36、および支持部材22を、対合面を備えるように製作
すること、伝熱部材の両面にインジウム、銀などの金属材料のガスケットなど熱
伝導性材料を設けること、および/または、金属材料または、電気および/また
は熱伝導性の粒子を含有したエラストマなど導電性接着剤を、シャワーヘッド電
極20の上面30に結合することなど、様々な方法によって確実なものにするこ
とができる。
に挟まれた伝熱部材36は、同心円状に配置されたアニュラ・リングである。こ
のリングは、切欠き部44を含んでおり、プロセス・ガスがガス分配チャンバ全
体に流れることを可能にする。図4および図4Aには3個のリングが示されてい
るが、所望の伝熱効果を達成するために、リングの数を増加または減少すること
ができる。さらに、この1個または複数の伝熱部材は、リング以外の形状でもよ
い(例えば伝熱部材が、中心のハブと放射状に延在するアームの形状でも、また
は他の適当な形状でもよい)。伝熱部材36の配置は、シャワーヘッド電極20
の上面30の最小限を覆うだけであって、一方、所望の伝熱効果は今までどおり
達成されていることが理想である。
一にガスを分配するために、構成部品35は、複数のガス供給口39を含むこと
ができる。こうした装置では、ガス圧力は各ガス供給口39の出口で最高になる
ので、複数のガス供給口39を設けることによって、単一のガス供給口と比べて
、ガス圧力分布の一層均一な分配を得ることが可能になる。
36は、基板支持表面37と支持部材41の間に置かれている。表面37は、底
部電極の一部であってもよく、この電極は、付随する静電クランプ(ESC)を
備えていてもそうでなくてもよい。伝熱部材36を用いて、表面37の一部から
支持部材41へ熱を取り去って、表面37全体の温度分布を制御することができ
る。このような場合には、基板支持体では、Siウエーハなどの基板を冷却する
ために一般に用いられるHeバック冷却装置を省くことができる。
、加熱部材(例えばシャワーヘッド電極20)またはヒート・シンク(例えば支
持部材22)と一体化してもよい。図6は、シャワーヘッド電極と一体化した伝
熱部材36の例を示し、図7は、支持部材22と一体化した伝熱部材36の例を
示す。結合材料を使う場合は、この結合材料は、熱的な、および任意選択で電気
的な伝導性が良好で、かつ真空の環境に適合しているべきである(例えば、蒸気
圧が低く、この材料が半導体処理の環境を著しく汚染しないこと)。適当な結合
材料には、エラストマまたはエポキシなどの伝導性接着剤、およびはんだ材料ま
たはろう付け材料が含まれる。
極の中央領域34と温度制御された支持部材22との直接または間接の面対面接
触を達成することができる。それによって、本発明は、シャワーヘッド電極20
の中央領域34と端部28との温度差を制御することができる。シャワーヘッド
電極20全体のこうした温度制御によって、処理を受ける基板全体に、より制御
されたプラズマ密度および/またはガスの流れ/圧力を得ることができる。
脱することなく、上記以外の具体的な形態で本発明を実施できることを、当業者
なら理解するであろう。好ましい実施形態は例示的なものであり、いかなる点か
らも限定的なものとみなすべきではない。本発明の範囲は、上記の説明によって
ではなく、添付の特許請求の範囲によって与えられるものであり、特許請求の範
囲内に入るすべての変形形態および均等物はその中に含まれるものである。
Claims (22)
- 【請求項1】 半導体基板を処理するための反応チャンバにおいて有用な、
温度制御された構成部品であって、 ヒート・シンクと、 前記ヒート・シンクによって支持された加熱部材と、 ヒート・シンクと、および前記加熱部材中で温度上昇が最高である加熱部材の
局部領域とに熱接触している伝熱部材とを備える構成部品。 - 【請求項2】 前記ヒート・シンクが底面を有する支持部材であり、前記加
熱部材が、シャワーヘッド電極上面と支持部材底面との間にガス分配チャンバを
格納すべく、当該支持部材の周囲に固定された電力式シャワーヘッド電極であり
、前記伝熱部材が、前記シャワーヘッド電極上面の中央領域および前記支持部材
底面と熱接触している請求項1に記載の構成部品。 - 【請求項3】 プロセス・ガスが、1個または複数のガス供給口を通して前
記ガス分配チャンバへ供給される請求項2に記載の構成部品。 - 【請求項4】 前記伝熱部材が金属の一体構造を備える請求項2に記載の構
成部品。 - 【請求項5】 前記加熱部材が、シャワーヘッド、基板支持体、またはスパ
ッタ・ダーゲット支持体を備える請求項1に記載の構成部品アセンブリ。 - 【請求項6】 前記伝熱部材が鋳造金属体である請求項2に記載の構成部品
。 - 【請求項7】 前記伝熱部材がシリコンの成形体である請求項2に記載の構
成部品。 - 【請求項8】 前記伝熱部材が金属複合材である請求項2に記載の構成部品
。 - 【請求項9】 前記伝熱部材が電極上面に突起を備える請求項2に記載の構
成部品。 - 【請求項10】 前記伝熱部材が結合材料で電極上面に結合された成形体を
備える請求項2に記載の構成部品。 - 【請求項11】 前記結合材料が金属材料または熱伝導性接着剤である請求
項10に記載の構成部品。 - 【請求項12】 前記伝熱部材が前記支持部材底面に突起を備える請求項2
に記載のシャワーヘッド電極アセンブリ。 - 【請求項13】 前記伝熱部材が結合材料で支持部材底面に結合された成形
体を備える請求項2に記載の構成部品。 - 【請求項14】 前記結合材料が金属材料または熱伝導性接着剤である請求
項13に記載の構成部品。 - 【請求項15】 前記伝熱部材が同心円状に配置されたアニュラ・リングを
備える請求項2に記載の構成部品。 - 【請求項16】 前記リングが、その中を貫通するガス通路を備える請求項
15に記載の構成部品。 - 【請求項17】 冷媒が前記支持部材の流路を通過する請求項2に記載の構
成部品。 - 【請求項18】 前記支持部材とシャワーヘッド電極との間に設置され、第
1および第2バッフル・プレートを含むバッフル・アセンブリをさらに備える請
求項2に記載の構成部品。 - 【請求項19】 前記第1および第2バッフル・プレートが前記伝熱部材の
形状を有する成形開口を含み、当該成形開口が、前記伝熱部材の周囲に密に嵌合
している請求項18に記載の構成部品。 - 【請求項20】 前記伝熱部材が、第1、第2、および第3成形体を備え、
当該第1体は、前記シャワーヘッド電極上面の中央領域と前記第1バッフル・プ
レート下部に熱接触しており、当該第2体は、前記第1バッフル・プレート上部
と前記第2バッフル・プレート下部に熱接触しており、当該第3体は、前記第2
バッフル・プレート上部および前記支持部材底面に熱接触している請求項18に
記載の構成部品。 - 【請求項21】 プロセス・ガスが、バッフル・プレートを通り抜けて当該
バッフル・プレートとシャワーヘッド電極の間のガス・プレナム内へ入り、次い
で当該シャワーヘッド電極の開口を通り抜けてプラズマ・チャンバ内へ入るプラ
ズマ・チャンバ用構成部品において、 前記シャワーヘッド電極の中央部と前記バッフル・プレート上方の冷却された
支持部材との間に熱流路を設ける改良された伝熱部材を備える。 - 【請求項22】 請求項2に記載の構成部品を含むプラズマ・チャンバ内で
半導体基板を処理する方法であって、 前記シャワーヘッド電極中にプロセス・ガスを流すこと、 前記シャワーヘッド電極に高周波電力を供給することによって、当該プロセス
・ガスをプラズマ状態に励起すること、および 前記半導体基板の露出表面をプラズマと接触させることを含む方法。
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