JP2004524677A - プラズマ処理用電極及びその製造方法並びにその使用 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
発明の背景
発明の分野
本発明は、シリコンウエハ等の半導体基板をプラズマ処理するための装置に関し、特に、低抵抗電極を有する電極アセンブリに関する。本発明は、また、電極アセンブリを有する半導体基板の処理に関する。
【背景技術】
【0002】
関連技術の説明
シリコンウエハ等の半導体基板を処理するためのプラズマ処理反応室に用いられる電極は、米国特許第5,074,456号及び同5,569,356号に開示されており、これらの開示は本願に参照により組み込まれる。特許'456は、上部電極が半導体純度で作られており、接着剤、はんだ又は蝋付け層に接合される平行平板反応室用の電極アセンブリを開示している。はんだ付け又は蝋付け層は、インジウム、銀及びこれらの合金であり、支持フレームの接合面及び電極は、接合層のぬれ性及び付着性を促進するためにチタン又はニッケル等の金属薄膜で被膜されうる。In結合等の冶金結合は、電極と電極が接合される部分の熱膨張/収縮の差によって、電極を歪ませることが分かっている。これらの冶金結合は、結合の熱疲労及び/又は融解によって、高いプラズマ処理電力で機能しなくなることも分かっている。
【0003】
ドライプラズマエッチング、反応性イオンエッチング、イオンミリング技術(ion milling techniques)は、半導体ウエハの化学エッチングに伴う多数の制限を克服するために開発された。プラズマエッチングは、特に、エッチングされたフィーチャ(feature)の結果として生じるアスペクト比(すなわち、結果として生じるノッチの高さと幅の比)が適切に制御されるように、垂直方向のエッチング速度が水平方向のエッチング速度よりもずっと速くすることができる。実際に、プラズマエッチングによって、厚さ1μm以上の膜中に高アスペクト比の非常に微細なフィーチャ(feature)が形成されうる。
【0004】
プラズマエッチング処理中では、プラズマは、比較的低い圧力で大きなエネルギをガスに与えることによって、ウエハのマスクされた表面の上方に形成される。エッチングされる基板の電気的ポテンシャルを調節することによって、プラズマ中の荷電した種(species)が実質的に垂直にウエハに向けられ得る。
【0005】
エッチング処理は、エッチングされる材料と化学反応するガスを用いることによって、多くの場合より効率化されうる。所謂"反応性イオンエッチング"は、プラズマのエネルギ的なエッチング効果とガスの化学的なエッチング効果とを結びつけたものである。しかしながら、多くの化学的に活性な物質は、過度な電極消耗を引き起こすことが分かっている。
【0006】
ウエハ全面にわたって均一なエッチング速度を得るために、ウエハ表面にわたって均一にプラズマを供給することが望ましい。例えば、米国特許第4,595,484号,同4,792,378号,同4,820,371号,同4,960,488号は、電極中の多数の孔を通してガスを供給するためのシャワーヘッド電極を開示している。これらの特許は、半導体ウエハにガス気体(gas vapor)の均一な流れを与えるよう合わせられた、開口部配置(arrangement of aperture)を持つガス供給プレートを一般的に示している。
【0007】
反応性イオンエッチングシステムは、その中に配置された上部電極又はアノード及び下部電極又はカソードを持つエッチングチャンバで典型的には構成される。カソードは、アノード及び容器の壁に対して負にバイアスされている。エッチングされるウエハは、適切なマスクによって覆われ、カソード上に直接配置される。CF4、CHF3、CClF3及びSF6又はこれらとO2、N2、He若しくはArとの混合物等の化学的に反応性のあるガスが、エッチングチャンバ内に導入され、典型的にはmTorrの範囲の圧力で維持される。上部電極は、電極を通してチャンバ内にガスを均一に分散させることを可能にするガス孔を備える。アノードとカソードとの間に作られる電界は、プラズマを生成する反応性ガスを解離するだろう。ウエハ表面は、活性化したイオンとの化学的相互作用及びウエハ表面に衝突するイオンの運動量の伝達によってエッチングされる。電極によって作られる電界は、イオンをカソードに引き寄せて、この処理によってはっきりと垂直にエッチングされたサイドウォールが形成されるように、イオンを主に垂直方向で表面に衝突させる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0008】
発明の概要
本発明は、半導体基板処理に用いられるプラズマ反応チャンバに実装されるように構成された低抵抗シリコン電極を提供する。この電極は、1Ωcm以下の電気抵抗及びその一面上にRF駆動されるか又は電気的に接地された表面を有し、この表面は電極を使用するときにプラズマ反応チャンバ内のプラズマに晒される。好適には、その抵抗率は、0.1Ωcm以下であり、更に好適には0.05Ωcm以下である。
【0009】
本発明の好適な実施の形態によれば、電極はシャワーヘッド電極を使用するときにプラズマ反応チャンバ中に処理ガスを供給するように構成された複数のガスアウトレット(gas outlets)(例えば、このガスアウトレットは0.020〜0.030の直径を有し、露出面にわたって分布している)を有するシャワーヘッド電極を備え得る。この電極は、100万分の10以下の重金属汚染を有する無欠陥単結晶シリコン含むことが望ましい。好適な使用によれば、この電極は平行平板プラズマ反応室の電気的に接地された上部電極を備えてもよい。
【0010】
この電極は、プラズマエッチング反応室中の電極アセンブリの一部として設置されうる。例えば、この電極はエラストマー接合によって支持体に接合され、該エラストマー接合は該電極と該支持体との間に導電性のエラストマー材料を含み、該エラストマー材料は該電極と該支持体との間に電流経路を提供するように結合されうる。他の機構では、この電極はクランプ部材によって支持部材に弾性的にクランプされうる。必要に応じて、この電極は、プラズマ反応チャンバ内部の温度調節部材に接合又はクランプされたシャワーヘッド電極であってもよい。このプラズマ反応チャンバでは、この温度調節部材は、シャワーヘッド電極に処理ガスを供給するガス通路を含む。このような機構では、該ガス通路が該シャワーヘッド電極を通過する前に該バッフルを通過する処理ガスを供給するように、温度調節部材は、空洞と該空洞内に配置された1つのバッフルプレートを含みうる。
【0011】
本発明は、また、プラズマ反応チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、電極アセンブリがRF駆動されるか又は1Ωcm以下の抵抗を持つ電気的に接地されたシリコン電極を含む方法を提供する。本方法は、前記プラズマ反応チャンバに半導体基板を供給する工程と、前記プラズマ反応チャンバの内部に処理ガスを供給する工程と、前記処理ガスにエネルギを与えて前記半導体基板の露出面に接触するプラズマを形成する工程と、前記プラズマを用いて前記基板を処理する工程と、を含む。
【0012】
好適な実施の形態によれば、前記半導体基板は、シリコンウエハを含み、当該方法は該ウエハ上の材料の誘電層又は導電層をエッチングする工程を含む。一方、当該方法は、前記半導体基板上に材料の層を成膜する工程を含みうる。前記電極は、平行平板プラズマ反応室内に上部電極を含みうる。上部電極が設置されている場合では、下部電極は前記基板の処理中に少なくとも1つの周波数のRFエネルギが供給され得る。
【0013】
好適なプラズマエッチング装置によれば、前記電極は、温度調整部材に接合され又はクランプされた、RF駆動された単結晶シリコンシャワーヘッド電極を備えることができ、該シリコンシャワーヘッド電極を通して前記処理ガスが該シリコンシャワーヘッド電極に供給される。RF駆動されたシリコンシャワーヘッド電極は、処理ガスにエネルギを与えることによって前記プラズマを形成することができ、前記基板は前記プラズマによりエッチングされるシリコンウエハを備えることができる。前記電極は、また、温度調整部材に接合され又はクランプされた、電気的に接地されて電力が供給されない単結晶シリコンシャワーヘッド電極を備え、該シリコンシャワーヘッド電極を通して前記処理ガスが該シリコンシャワーヘッド電極に供給されうる。前記接地されたシリコンシャワーヘッド電極は、前記プラズマを効果的に閉じ込める接地経路を提供し、前記基板は前記プラズマによりエッチングされるシリコンウエハを備えうる。
【0014】
使用時には、本発明に係る電極は、RF電力をより効率的に前記プラズマに結合させることができ、10Ωcm又はそれ以上の電気抵抗を有する従来の電極と比較して加熱されにくい。更に、本発明に係る電極がガスアウトレットを含み、該ガスアウトレットを通して前記処理ガスが前記チャンバ内を通過する場合において、該ガスアウトレットは0.020〜0.030インチの直径を有し、前記処理ガスはエッチャントガスを含み、該電極は0.033インチの直径のガスアウトレットを有する従来の電極と比較して、該エッチャントガスを用いた前記基板をエッチングする間の該ガスアウトレットの内側及び前記電極の裏面上へのポリマー副生成物の堆積が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
本発明は、図面を参照して詳細に説明される。
【0016】
本発明の詳細な説明
本発明は、プラズマ閉じ込めを改善する接地への改善されたインピーダンス、エッチング速度の均一性を維持する間におけるエッチング速度の増加等の改善されたプラズマ処理、及び/又は、加熱を最小限に抑えてオーム損失を低減させて電力がより効率的にプラズマに結合されることによる改善された温度調節、を提供することによって、プラズマ反応室に用いられる従来のより高抵抗の電極に対して利点を有する低抵抗シリコン電極を提供する。
【0017】
本発明に係るシリコン電極によってシリコンウエハ等の半導体基板のプラズマ処理、特に、従来の電極と比較してプラズマエッチング中に予想外の改善がもたらされることが分かった。説明のために、本発明の電極は、半導体基板のプラズマ処理に有用なシャワーヘッド電極を参照して説明される。
【0018】
本発明の好適な実施の形態によれば、低抵抗電極が半導体基板の処理のために平行平板プラズマ反応室の上部電極、例えば、200mm又は300mmのシリコンウエハ等のウエハが上部電極の1〜2cm下に支持されるウエハ上の平板下部電極を有する静電チャック上に支持された1枚のウエハのエッチャーの上部電極として用いられる。このようなシステムでは、電極は定期的に取り替えが必要な電極アセンブリの一部となりうる。したがって、電極又は電極アセンブリは、プラズマチャンバからの取り外しが容易な方法で設置される。例えば、電極は、本願と同じ出願人によるLenz他の米国特許第5,569,356号に記載されているような任意の適当な技術によって支持体に機械的にクランプされることができ、これらの開示は本願に参照により組み込まれる。一方、電極は、本願と同じ出願人によるDegner他の米国特許第5,074,456号に記載されているような任意の適当な技術によって支持体に冶金的に又は付着して接合されることができ、これらの開示は本願に参照により組み込まれる。依然として、電極は、本願と同じ出願人によるLilleland他の米国特許第6,073,577号に記載されているようなエラストマー接合によって支持体に接合されることができ、これらの開示は本願に参照により組み込まれる。
【0019】
本発明に係る低抵抗電極は、図1に示すプラズマエッチングシステムに用いられうる。このシステムでは、上部電極12を含む電極アセンブリ10がチャンバ52、インレットロードロック(inlet load lock)54及びアウトレットロードロック(outlet load lock)56を有する平行平板反応室システム50内に配置される。このシステムの詳細は、本願と同じ出願人による米国特許第4,340,462号に見出され、この開示は本願に参照により組み込まれる。チャンバ52は、その上面の上の1枚のウエハ基板を支えるように構成された下部電極プレート58を含む。電極アセンブリ10は、機構60によって垂直に動かされることができる上部筺体59内に配置され、これによって電極12と電極58との間のギャップが調節されうる。
【0020】
ロードロック54及び56は、ウエハをウエハ供給部62からチャンバ52を通してウエハ容器64に運び出す搬送装置を含む。エッチャントガス供給部70は、筐体59に接続されて、エッチャントガスを電極アセンブリ10に供給する。真空ポンプ機構72は、チャンバ内で所望の真空度、例えば、0.001〜10Torrを維持する。冷却水源74は、上部及び下部電極に接続されて、これらを所望の温度に保ち、ロードロックポンプ機構76は、ロードロック54及び56内に所望の真空圧力を提供する。電力源78は、高周波(RF)電力を上部電極12及び/又は下部電極58に与える。
【0021】
電極アセンブリ10の詳細は図2に示される。図2では円板形の電極プレート12が蝋付け(brazing)、はんだ付け(soldering)、接着剤(adhesives)等の適切な接合技術によって支持リング14に接合される。電極は、それを通して反応ガスを供給する孔(apertures)16を含むシャワーヘッド電極を備える。リング14は、シャワーヘッド12の上面にはまるサイズのフランジ(flange)及び延長部分(extension)を含む。リング14は、ファスナー(fasteners)(不図示)を介したアルミニウムプレート等の導電性バッキングプレート(electrically conductive backing plate)80に固定され、プレート64によって覆われた冷却チャネル(cooling channel)84は、水源74によって供給された冷却水を循環させるための冷却ダクトを形成する。供給源78からのRF電力は、プレート80に供給されて、チャンバ52内のプラズマにエネルギを与えるためにリング14からプレート12へ通電されうる。一方、電極12は、下部電極58によってチャンバ内に生成されるプラズマの接地経路を提供するために接地されうる。供給源70からの反応ガスは、通路86を通ってプレート80に入り、バッフルプレート87及び88を含むバッフル機構を通過する。2つのバッフルプレートが示されているが、任意の適切なバッフル機構が用いられるか又は除去されてもよい。リング14を取り囲むのは、内側の絶縁又は導電リング90及び外側の絶縁リング92であり、これらは共にリング14がプラズマと直接接触することを防止する。
【0022】
本発明に係る低抵抗電極は、図3、4に示す係留電極システム(captive electrode system)内で用いられ、このシステムでは、電極アセンブリは電極130と、支持部材132と、電極を部材132にクランプするプラズマ閉じ込めリング134とを含む。リング134は、部材132に差し込まれるボルト135によって部材132に取り付けられる。部材132は、3つのバッフルプレート140を含む凹部138に処理ガスを与えるガス通路136を含む。部材132の下面132aは、電極130と連結されて、これにRF電力を供給する。部材132の半径方向で外側の面132bはリング134の上面と接触する。部材132のフランジ146によってプラズマ反応チャンバの内部に電極アセンブリを取り付けることができる。部材132内の冷却チャネル152によって電極アセンブリを冷却することができる。リング134上のフランジ150によって電極130の露出面の外側部分に対して弾性的なクランプ力を与えることができる。閉じ込めリング134は、プラズマ環境下で安定である耐熱性・熱化性の(heat resistant thermoset)ポリマー(例えば、デュポン社によって作られたベスペル(登録商標))等の誘電体材料から好適には作られるか、リングがアルミナ、ジルコニア、チタニア、窒化シリコン、炭化シリコン等のセラミック材料から作られ得るか、或いは、誘電体が被覆された金属がリング134に用いられてもよい。リングが非弾性材料で作られるならば、ボルト135は電極130上に弾性的なクランプ力を与えるベスペル(登録商標)等の弾性的で変形可能な材料で作られてもよい。或いは、リング134及びボルトは、弾性的で変形可能な材料で作られてもよい。適切なクランプ機構の詳細は、上記参照により組み込まれたLenz他の特許により示されている。
【0023】
プラズマ反応チャンバ内の圧力は、リング134中のガス通路154を介してモニタされうる。通路154を取り囲むOリング144は、部材132とリング134との間のシールを提供する。電極130と部材132との間の熱伝導を良くするために、処理ガスが通路155を通して供給され、部材132内の環状チャネル内で圧力がかかった状態に維持され、チャネル(不図示)内で圧力がかかった状態にガスを維持するためにOリングシール142及び143が用いられる。
【0024】
図5〜図7を参照して、本発明に係る低抵抗電極210がエラストマー接合246によって支持リング212に接合されうる。図5、6に示すように、電極210は、その中央からエッジまで均一な厚さを持つ平面円板である。リング212上の外側フランジは、アルミニウムクランプリング216によって水冷チャネル213を有するアルミニウム温度調節部材214にクランプされる。水は、水インレット/アウトレット(water inlet/outlet)接続部213aによって冷却チャネル213内を循環する。プラズマ閉じ込めリング217は、電極210の外周を取り囲んだ、間隔を空けて配置された多数のクォーツリングで構成される。プラズマ閉じ込めリング217は、誘電体環状リング218にボルト留めされ、誘電体環状リング218はまた誘電体筐体218aにボルト留めされる。閉じ込めリング217の目的と機能は、反応室内に圧力差をもたらし、反応チャンバ壁とプラズマとの間の電気的な抵抗を増加させ、それによって上部電極と下部電極との間にプラズマを閉じ込めることである。半径方向で内向きに延びているクランプリング216のフランジは、グラファイト支持リング212の外側フランジと連結する。したがって、クランプ圧力が、電極210の露出面に直接加えられることがない。
【0025】
ガス供給部からの処理ガスは、温度調節部材214内の中心孔220を通して電極210に供給される。次に、ガスは、1つ又は複数の垂直方向に間隔を空けて配置されたバッフルプレート222を通して供給され、均一に処理ガスを反応チャンバ224に分散させる電極210中のガス供給孔(不図示)を通過する。電極210から温度調節部材214への熱伝導をより強化するために、処理ガスが温度調節部材214の対向面と支持リング212との間のオープンスペースを満たすために供給され得る。更に、環状リング218又は閉じ込めリング217内のガス通路(不図示)に接続されたガス通路227によって、反応チャンバ224内で圧力がモニタされ得る。温度調節部材214と支持リング212との間で処理ガスを圧力がかかった状態に維持するために、第1のOリングシール228が支持リング212の内面と温度調節部材214の対向面との間に設けられ、第2のOリングシール229が支持リング212上面の外側部分と部材214の対向面との間に設けられる。チャンバ224内で真空環境を維持するために、さらにOリング230、232が温度調節部材214と円筒型部材218bとの間及び円筒型部材218bと筐体218aとの間に提供される。
【0026】
図6は、シャワーヘッドアセンブリ240を更に詳細に示す図である。ここでは、図7に示すように、電極210が凹部248内に配置されうるエラストマー接合246によって導電性支持リング212に接合される。凹部248は、支持リング212の内側壁(不図示)と外側壁250との間の支持リング212の周囲に連続的に延びるのが好ましい。各々の壁250は、約30ミル幅などの出来るだけ薄いものでもよく、これによってエラストマーは、各々の壁250と接触する領域に薄層(例えば、エラストマーがアルミニウム、シリコン、炭化シリコン等の導電性粒子等の0.7〜2μmの大きさのフィラーを含む場合には、約2μmの厚さ)を形成し、凹部248内にはより厚い層(例えば、0.0025インチ)を形成することができる。壁によって形成される凹部は、約2ミルの深さなどの極めて浅いものであってよく、これによって電極を支持リングに接着接合させるのに十分な強度を持つ非常に薄いエラストマー接合を得ることができ、さらに、電極アセンブリの温度サイクル中に支持リングに対して電極を動かすことができる。更に、凹部の壁は、反応室内のプラズマ環境による攻撃からエラストマー接合を守ることができる。凹部248は省略可能であり、エラストマー接合は電極の合わせ平面(mating planar surface)と支持部材との間に分離した又は連続的な薄いエラストマーのビーズ(beads)が提供され得る。例えば、エラストマーは、電極と支持部材との間の1つ又は複数の薄い環状ビーズとして成膜されうる。
【0027】
従来のシャワーヘッド電極は、10Ωcm又はそれ以上の抵抗率を持つ単結晶シリコンから作られる。このような電極は、プラズマエッチング反応室で適切に動作する一方で、このような電極の動作は電極の抵抗率を下げることによって改善されうることを不意に発見した。例えば、本発明によれば、電極の低効率は1Ωcm以下、好ましくは0.005〜0.02Ωcmに減少される。電極の材料は、シリコンウエハを作るために用いられる無欠陥単結晶シリコンであるのが望ましい。さらに、低抵抗炭化シリコン等の他の材料が電極に用いられてもよい。
【0028】
本発明の第1の実施形態によれば、電極はプラズマが基板支持体に組み込まれた下部電極によって生成されるプラズマ反応室内に、接地されたシャワーヘッド電極を含む。必要に応じて、下部電極は二重の周波数電極が供給され、高い方の周波数はウエハを処理するために用いられるプラズマを生成し維持することに用いられ、低い方の周波数は所望のRFバイアスをウエハに与えるために用いられる。従来のシリコン電極と比較して、同じ処理パラメータを用いた場合、本発明に係る低抵抗電極によって、エッチング速度均一性を維持する一方で、5〜10%も不意に増加したエッチング速度を提供することができる。
【0029】
本発明に係る低抵抗電極で実現可能な改善されたエッチング速度は、プラズマ反応室内のRF接地/結合用の改善された低インピーダンス経路の結果であろう。また、閉じ込め窓(すなわち、電極に供給されるチャンバ圧力及び電力等の処理条件)は、低抵抗電極を用いて改善されうる。例えば、ラムリサーチコーポレーション社製のExelan(登録商標)及びExelan HP(登録商標)反応室では、低抵抗電極は接地された下部シャワーヘッド電極であり、低抵抗電極は10〜20Ωcmの抵抗率を持つ従来から用いられている電極と比較して、閉じ込め窓を著しく改善することができる。改善されたエッチング速度は、また、ラムリサーチコーポレーション社製4520Xle(登録商標)等の反応室内における、電力が供給される上部シャワーヘッド電極として用いられる場合にも実現され得る。
【0030】
低抵抗電極は、これを通過するRF電流からのIR損失による電力の消耗が高抵抗電極よりも少ない。これによって、プラズマによって吸収されるより多くの電力が、所定のRF発生器の電力出力に利用できるようになる。プラズマに供給される付加的な電力出力は、本発明に係る低抵抗電極で実現される改善されたエッチング速度が原因であろう。また、電力損失の低減によって、電極の温度が低下し、これによって電極の消耗を抑えて、取り替えが必要になるまで電極の耐用期間を延ばすことができる。
【0031】
Exelan(登録商標)、Exelan HP(登録商標)及び4520Xle(登録商標)反応室で用いられる従来の電極は、支持リングにエラストマー接合され、取り替え可能な電極アセンブリとして反応室に搭載されうる。本発明に係る低抵抗電極は同様にして搭載されるか、機械的クランプ機構等の他の適切な機構によって搭載されるか、又は、接着、はんだ付け若しくは蝋付け剤等の他の接合技術当によって搭載されうる。
【0032】
以下の例示的な実施の形態は、本発明に係る適切な低抵抗電極を示すことを目的として提供される。他の電極の設計もまた本発明に係る電極に適合することは、当業者にとって自明であろう。
【0033】
本発明に係る低抵抗シャワーヘッド電極の製造中に、孔を超音波ドリルする際に形成される孔中の損傷を取除くことが望ましい。このような損傷は、強酸中でのエッチングや電極の研磨によって取除くことができる。これによってプラズマ反応室内に導入した後、電極の状態を速く整える(faster conditioning)ことができる。また、電極は、定期的なウェット洗浄による回復処理(recovery process)の際に、すなわち、所定枚数のウエハを処理した後に、より速く洗浄され得る。この電極によって示される他の利点は、従来の電極と比較して、改善された消耗特性を示すことである。
【0034】
プラズマエッチング中にシャワーヘッドの裏側のポリマー堆積物を低減するために、従来の電極で用いられるよりも小さいスルーホールが作られ、これによって電極の裏側の背圧(back pressure)が増加して逆流(back streaming)を低減しうる。更に、より小さいサイズの孔によって、シャワーヘッドの裏側の孔中でプラズマが放電する可能性が少なくなる。より小さい孔によって、シャワーヘッド近傍及び/又はシャワーヘッドの裏面のバッフルプレート上のポリマーの堆積をも低減することができる。0.033インチの直径の孔を持つ従来のシャワーヘッド電極と比較して、低抵抗シャワーヘッドは、0.030インチ以下、例えば0.020〜0.028インチ、好適には0.025インチの直径の孔で作られうる。
【0035】
ポリマー堆積物を更に低減するために、従来のシャワーヘッドと比較して孔の数が減少されうる。例えば、孔の数は、50%又はそれ以上まで、例えば、20〜40%まで、好適には25%まで減少されうる。したがって、従来のシャワーヘッドが2000〜4000個の孔を持つ場合、低抵抗シャワーヘッドは、200mmウエハ処理用のシャワーヘッドの場合では500〜1000個の孔を持ちうる。一例として、従来の電極は、約830個の孔を持つ低抵抗電極と比較して、約3250個の孔を持ちうる。孔の数が減少するにつれて、シャワーヘッドは、プラズマが電極を侵食して孔がつながるのにより多くの時間がかかると言う点で、より長持ちすると考えられる。
【0036】
低抵抗電極は、電極に渡った中心から端までの温度変化を減少させ、それによってより良い処理均一性を得ることができる。温度変化のこのような減少は、従来の電極よりも電極を厚くすることによって促進されるか、又は、温度調節部材へのより高い熱伝導を実現するアセンブリに電極を組み立てることによって、促進されうる。例えば、電極は、従来の0.25インチの厚さの電極と比較して、0.375又は0.50インチの厚さに増加されうる。また、電極は、支持部材(backing member)によって支持され(backed)、グラファイトリング及びバッフル機構等の支持リングの支持アセンブリに取り付けられうる。このような機構を用いて、電極は、アルミニウム又はその合金、SiC、グラファイト等の適切な熱伝導材料で作られるバッキングプレートで支持され(backed)、バッキングプレートは、支持アセンブリにボルト留めされうる。バッキングプレートは、プラズマチャンバのシャワーヘッド電極領域内の電圧ポテンシャル差を最小化するために、電極に優れたRF伝導力(good RF conductivity)を与えることもできる。バッキングプレートは、エラストマー接合等の接合を含む任意の適当な方法によって電極に取り付けることができる。
【0037】
低抵抗電極によって、従来の電極と比較してより優れたDC導電経路を提供することができる。したがって、DC導電経路を改善することによって、プラズマ閉じ込めも改善されうる。
【0038】
以下、直径0.025インチのガスアウトレットを持つ本発明に係る低抵抗電極が、直径0.25インチの厚さ、10〜20Ωcmの抵抗率及び直径0.033インチのガスアウトレットを有する従来の単結晶シリコン電極と比較される。低抵抗電極は、0.25インチの厚さを有し、0.005〜0.02Ωcmの抵抗率を得るためにボロンがドープされた単結晶シリコンで作製した。このような低抵抗シリコンは、オハイオ州のイートンに位置するBullen Ultrasonics社から、単結晶成長された無欠陥シリコンとして手に入れることができる。従来の電極は、数千のガスアウトレットを有するのに対して、低抵抗電極は、より小さい直径でより少ない個数のガスアウトレット(例えば、1000個以下)を備えることができ、その結果、プラズマによる侵食によって孔がつながる時間という点で、電極の寿命を延ばすことができる。このような孔は、スラリーを用いて超音波ドリルされ、電極は、ドリルのダメージを取除くために強酸で洗浄され、SiC研磨剤で包まれて、研磨されて、プラズマエッチングチャンバでウエハを処理するために設置される電極を用いる前に通常必要とされる条件付け時間を減少させることができる。
【0039】
以下の表は、本発明に係る1Ωcm以下の抵抗率を有する低抵抗シリコン電極と、10Ωcm又はそれ以上の抵抗率を持つ高抵抗シリコン電極とを比較した試験結果を示す。試験では、コンタクト、ビア及びスペーサ等のフィーチャ(feature)は、同じガス化学反応及び反応室条件を用いてエッチングされた。
【0040】
【表1】
【0041】
本発明に係る電極は、半導体ウエハをエッチングするためのシャワーヘッド電極として用いられうる。しかしながら、必要に応じて、電極アセンブリは、電極がシャワーヘッド電極ではなく及び/又は支持部材がリング以外の形で作られうる他の機構を有することができる。例えば、電極は、バッキングプレートに結合されたシャワーヘッド電極であってもよい。このバッキングプレートはガス供給孔を有し、電極内でこれらの孔と通じている。他の可能性としては、電極が支持部材にベース部材上のプレート、シリンダ、プロジェクションの形で接合されているところである。更に、電極は、プラズマチャンバ内で電極が接地されるか又は電力が与えられる電極の場合には、ガスアウトレットが無くてもよい。
【0042】
電極は、その中央から外縁まで均一な厚さを有するプレーナシリコン(例えば、単結晶シリコン)又は炭化シリコン電極円板等の導電性材料で構成されるのが望ましい。しかしながら、均一な厚さ、異なる材料を持ち及び/又は処理ガス供給孔を持たない電極が、本発明に係る電極アセンブリに用いられてもよい。好適な実施の形態では、電極は、電極及び/又は他の電極又は電源によって電力が与えられる処理ガスを、反応チャンバ内のプラズマに供給するために適したサイズと分布を持った、間隔を空けて配置される複数のガス放電通路を備えるシャワーヘッド電極である。しかしながら、本発明に係る電極は、プラズマ反応室又は真空環境で有用な任意のタイプの電極で用いることができ、このような電極はスパッタ電極を含む。
【0043】
本発明に係る電極は、複数又は1枚のウエハ処理において、プラズマエッチング、成膜等のウエハ処理に用いられうる。例えば、電極は、BSPG、熱シリコン酸化物(thermal silicon dioxide)等の酸化物又は熱分解酸化物(pyrolytic oxides)及びフォトレジスト材料等のエッチング又は成膜に用いられうる。本装置は、望ましいレベルのサブミクロンコンタクトプロファイル、CD及び低パーティクル汚染を維持することができる。エッチングBPSGに関しては、毎分3000Åのオーダーのエッチング速度が得られ、エッチングの均一性が約3%に維持されうる。
【0044】
前述のものは、本発明に係る原理、好適な実施の形態及び動作モードを示したものである。しかしながら、本発明は、前述した特定の実施の形態に限定するように解釈すべきではない。したがって、上述の実施形態は、限定的ではなく例示的なものであると考えるべきであり、特許請求の範囲に定義されるように、本発明の範囲を逸脱しない限り、当業者によって変形なされうると認識すべきである。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】図1は、本発明に係る低抵抗電極が用いられるプラズマ反応室システムを示す図である。
【図2】図2は、本発明の第1の実施形態に係る低抵抗シャワーヘッド電極アセンブリの側面断面図である。
【図3】図3は、本発明の第2の実施形態に係る低抵抗シャワーヘッド電極アセンブリの側断面図である。
【図4】図4は、図3に示す機構の詳細なIVの側断面図である。
【図5】図5は、本発明の第3の実施形態に係る低抵抗シャワーヘッド電極アセンブリの側断面図である。
【図6】図6は、図5に示す電極アセンブリの詳細図である。
【図7】図7は、図3に示す機構の一部の側断面図である。
Claims (20)
- 半導体基板処理に用いられるプラズマ反応チャンバに取り付けられるよう構成された低抵抗シリコン電極であって、1Ωcm以下の電気抵抗を有するシリコン電極を備え、該電極は、その片側にRF駆動されるか又は電気的に接地された面を有し、該面は、該電極の使用中に該プラグマ反応チャンバ内のプラズマに露出していることを特徴とする低抵抗シリコン電極。
- 前記電極は、複数のガスアウトレットを持つシャワーヘッド電極を有し、該ガスアウトレットは、該シャワーヘッド電極の使用中に該プラズマ反応チャンバ内に処理ガスを供給するように構成されていることを特徴とする電極。
- 前記ガスアウトレットは、0.020〜0.030インチの直径を有し、該ガスアウトレットは前記露出面にわたって分布していることを特徴とする請求項2に記載の電極。
- 前記電極は、100万分の10以下の重金属汚染を有する単結晶シリコン又は炭化シリコンを含むことを特徴とする請求項1に記載の電極。
- 前記電極は、平行平板プラズマ反応室の電気的に接地された上部電極を有することを特徴とする請求項1に記載の電極。
- 前記電極の前記電気抵抗は、0.1Ωcm以下であることを特徴とする請求項1に記載の電極。
- 前記電極の前記電気抵抗は、0.05Ωcm以下であることを特徴とする請求項1に記載の電極。
- 請求項1に記載の電極を含む電極アセンブリを有するプラズマエッチング反応室であって、該電極はエラストマー接合によって支持体に接合され、該エラストマー接合は該電極と該支持体との間に導電性のエラストマー材料を含み、該エラストマー材料は該電極と該支持体との間に電流経路を提供する導電性フィラーを含むことを特徴とするプラズマエッチング反応室。
- 請求項1に記載の電極を含む電極アセンブリを有するプラズマエッチング反応室であって、該電極はクランプ部材によって支持体に弾性的にクランプされていることを特徴とするプラズマエッチング反応室。
- 請求項2に記載のシャワーヘッド電極を含むプラズマ反応チャンバであって、前記シャワーヘッド電極は前記プラズマ反応チャンバの内部で温度調節部材に接合又はクランプされ、該温度調節部材は該シャワーヘッド電極に処理ガスを供給するガス通路を含み、該温度調節部材は空洞と該空洞内に配置された少なくとも1つのバッフルプレートとを含み、該ガス通路は該シャワーヘッド電極を通過する前に該バッフルを通過するように処理ガスを供給することを特徴とするプラズマ反応チャンバ。
- プラズマ反応チャンバ内で半導体基板を処理する方法であって、電極アセンブリが1Ωcm以下の抵抗を持ったRF駆動されるか又は電気的に接地されたシリコン電極を含む方法において、
前記プラズマ反応チャンバに半導体基板を供給する工程と、
前記プラズマ反応チャンバの内部に処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスにエネルギを与えて前記半導体基板の露出面に接触するプラズマを形成する工程と、
前記プラズマを用いて前記基板を処理する工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記半導体基板は、シリコンウエハを含み、当該方法は、該ウエハ上の材料の誘電層又は導電層をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 当該方法は、前記半導体基板上に材料の層を成膜する工程を含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極は、平行平板プラズマ反応室の上部電極を含み、該電極は前記基板の処理中にRF電力が供給されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極は、平行平板プラズマ反応室の上部電極と、少なくとも1つの周波数のRFエネルギが供給される該平行平板プラズマ反応室の下部電極とを備え、該上部電極は前記基板の処理中に電気的に接地されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極は、温度調整部材に接合され又はクランプされた、電気的に接地されて電力が供給されない単結晶シリコンシャワーヘッド電極を備え、該シリコンシャワーヘッド電極を通して前記処理ガスが該シリコンシャワーヘッド電極に供給され、該接地されたシリコンシャワーヘッド電極は前記プラズマを効果的に閉じ込める接地経路を提供し、前記基板は前記プラズマによりエッチングされるシリコンウエハを含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極は、温度調節部材に接合され又はクランプされた、RF駆動される単結晶シリコンシャワーヘッド電極を備え、該シリコンシャワーヘッド電極を通して前記処理ガスが該シリコンシャワーヘッド電極に供給され、該シリコンシャワーヘッド電極は前記処理ガスにエネルギを与えることによって前記プラズマを形成し、前記基板は前記プラズマによりエッチングされるシリコンウエハを含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極の前記電気抵抗は、0.1Ωcm以下であり、該電極は100万分の10以下の重金属汚染を有する無欠陥単結晶シリコン又は炭化シリコンを含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極は、RF電力をより効率的に前記プラズマに結合させて、10Ωcm又はそれ以上の電気抵抗を有する従来の電極と比較して加熱されにくいことを特徴とする請求項11に記載の方法。
- 前記電極はガスアウトレットを有し、該ガスアウトレットを通して前記処理ガスが前記チャンバ内を通過し、該ガスアウトレットは0.020〜0.030インチの直径を有し、前記処理ガスはエッチャントガスを含み、該電極は0.033インチの直径のガスアウトレットを有する従来の電極と比較して、該エッチャントガスを用いた前記基板をエッチングする間における、該ガスアウトレットの内側及び前記電極の裏面上へのポリマー副生成物の堆積が少ないことを特徴とする請求項11に記載の方法。
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