JP2005277442A - プラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウエハーの熱の均一性を得る。
【解決手段】 本発明のプラズマ反応器は、プラズマ反応チャンバ（１）と、正面部と背面部を備えたチャック（４２）であって、このチャックの正面部が処理されるウエハーを支持するように設けられているチャックと、チャックを加熱するように設けられた加熱要素７と、チャックを熱的に絶縁するためにチャックの周りにチャンバとは別に真空状態を生成する真空状態生成手段（２１）とを有し、真空状態生成手段がチャックの背面部と同一空間にある背面チャンバ（４８）を備え、さらに、真空状態生成手段が背面チャンバを真空状態にする真空発生器（２１）を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、改良されたプラズマ反応器に係わり、特に、エッチングの均一性を高め且つ生産性を向上させるように設計された反応器に関する。

プラズマエッチングは、集積回路の半導体デバイスを製造するときの重要なプロセスとなってきている。半導体デバイスの製造に使用されるあらゆるプラズマプロセスにおいて、主に要求されることは、形成されるデバイスがウエハー全体で均一で且つ一貫した電気特性を有することである。換言すれば、プラズマエッチングプロセスにより、厚さ、寸法、断面プロフィールに関して高均一なデバイス構造を形成することが出来なければならない。

しかしながら、ウエハーの直径が大きくなると共にデバイスの寸法がより小さくなってきているため、このようなデバイスの高均一性を得ることが困難になってきている。さらに、製造コストを低減させる必要があるため、プラズマエッチング装置は、均一性と生産性を改良しなければならなかった。

ウエハー上のデバイス構造体の均一性は、チャンバ内へのガスの導入の仕方及びウエハーを横切る温度勾配などのファクタにより決まる。ウエハー上で均一なエッチングを行うためには、エッチングガスをプラズマ反応器内に均一に導入する必要がある。従来は、複数の小さな入口孔を設け、これらの入口孔から反応チャンバ内にエッチングガスを流入させるようにしていた。このため、入口孔の機械加工が難しいのみでなく、ウエハーが不均一となる問題があった。即ち、入口孔から反応チャンバ内にガスを導入するが、このとき、孔の近傍の領域に高密度のガスが局所的に集まる。このようにガスが均一に導入されないので、ウエハー上のエッチングの均一性が、使用される入口孔の寸法と数により著しく変化する。

さらに、ガス送出装置によるウエハー上の温度勾配の値もエッチングの均一性に影響を与える。プラズマ処理の中には、あるメタルエッチングのように、プラズマ処理中にウエハーを加熱する必要があるものがある。ウエハー全体の温度を均一に保持するために、プラズマエッチング装置は、熱損失又はその上にウエハーが載せられているウエハーからの熱移動を少なくしなければならない。一般的には、プラズマ処理中には、プラズマ反応器のウエハーチャックの上面のみが真空状態となり、そのウエハーチャックの底面は一般的には大気圧状態となっている。ウエハーチャックの底面が通常は大気圧状態であるという事実により、そのチャックの下からの熱伝達により熱損失が生じる。この熱損失により、処理中にウエハーの熱の均一性が減少するのみでなく、ヒータによりエッチング前からウエハーをより長く加熱しなければならないために生産性も低下する。従って、エッチングの均一性と生産性を増大させるようにウエハーチャックの底面からの熱損失を減少させる手段を開発する必要がある。

本発明は、エッチングの均一性を高め且つ生産性を向上させる装置を提供するものである。本発明は、プラズマエッチンク装置内にエッチング用ガスを導入するための新規で改良された装置を開示している。

本発明においては、小さな入口孔の列を通ってチャンバ内にガスを導入する代わりに、連続する環状ギャップを通ってチャンバ内にガスされ、その結果、均一で且つ連続するシート状のガスがチャンバ内に流入する。これにより、エッチングの均一性に悪影響を与えていた局所的な圧力差が無くなるのである。この連続する環状ギャップにより、ガス流れの勾配が半径方向に滑らかとなり、ウエハーの周りのガスの密度が等しく分散され、高いエッチング均一性が得られる。

本発明は、更に、熱的に絶縁され加熱されたチャックを開示しており、このチャックがエッチングの高い均一性及び生産性に貢献している。本発明においては、使用されているウエハーチャックの背面に真空絶縁が形成されているので、温度がより均一となり、そのためにウエハー全体に対してより良いエッチング均一性が得られる。大気圧状態とする代わりに、本発明によるプラズマエッチング装置においては、ウエハーチャックの背面に真空による熱絶縁を設け、これにより、ウエハー全体のより良い温度とエッチングの均一性が得られる。真空状態では、熱移動のための媒体が少ないため、良好な熱絶縁が形成されることは良く知られている。チャックの下方を弱い真空状態とすることにより、チャックの背面からの熱伝達による熱損失が無くなる。その代わりに、熱は、チャックの下方の真空ハウジングの薄い壁に沿う熱伝導により移動する。この熱移動の減少により、ウエハー処理中にチャックの温度を維持するために必要なエネルギーの量も減少し、それにより、エネルギーコストが節約され、さらに、チャックの温度変動を許容範囲内に保持するための時間が短くなる。熱移動が減少することにより、エッチング前にウエハーを加熱する時間が短くなり、ウエハーの生産性が向上する。

本発明の第１発明は、半導体ウエハーを処理するプラズマ反応器であって、プラズマ反応チャンバと、処理されるウエハーを支持するチャックと、及び環状の連続ギャップを通って上記チャンバ内にガスを導入するガス導入手段と、を有することを特徴としている。
第１発明において、上記ギャップは、調整可能である。
第１発明において、上記ガス導入手段は、それらにより適切な圧力差が維持される複数のガス用 プレナムを有する。

本発明の第２発明は、半導体ウエハーを処理するプラズマ反応器であって、プラズマ反応チャンバと、処理されるウエハーを支持するチャックと、及び 環状の連続ギャップを通って上記チャンバ内にガスを導入するガス送出装置と、を有することを特徴としている。
第２発明において、上記ギャップは、調整可能である。
第２発明において、上記ガス送出装置は、それらにより適切な圧力差が維持される複数のガス用プレナムを有する。

本発明の第３発明は、プラズマ反応チャンバと、処理されるウエハーを支持するチャックと、及びこのチャックの周りを真空状態とする真空手段と、を有することを特徴としている。

本発明の第４発明は、プラズマ反応チャンバと、処理されるウエハーを支持するチャックと、このチャックを加熱するヒータと、及び上記チャックの周りを真空状態とする囲い部と、を有することを特徴としている。

本発明の第５発明は、半導体ウエハーを処理する反応器であって、反応チャンバと、及び 上記チャンバ内にガスを導入するように設けられた環状ギャップと、を有することを特徴としている。
第５発明において、上記反応チャンバは、環状の外周壁を備え、上記環状ギャップがこの環状の外周壁に近接した位置にある。
第５発明は、更に、処理されるべきウエハーを保持するように設けられた装置を有し、上記環状ギャップはこの装置の上方に位置している。
第５発明において、上記環状ギャップは、上記チャンパ内に流入する連続シート状のガスを生成するような形状を有する。
第５発明において、上記反応チャンバは環状の外周壁を有し、上記環状ギャップはこの環状の外周壁に近接した位置にあり、更に処理されるべきウエハーを保持するように設けられた装置を有し、上記環状ギャップはこの装置の上方に配置され、上記環状ギャップは上記チャンパ内に流入する連続シート状のガスを生成するような形状を有する。
第５発明は、更に、外周壁を持つウエハーを保持するように設けられた装置を有し、上記環状ギャップはウエハーがこの装置に保持されたときにウエハーの外周壁の周りに位置している。
第５発明において、上記反応器は上部とこの上部に近接する位置に外周フランジを有し、上記環 状ギャップがこの上部と外周フランジとの間に位置している。
第５発明において、上記環状ギャップは、連続している。
第５発明において、上記装置は、チャックである。

本発明の第６発明は、反応チャンバと、処理されるウエハーを位置決めするように設けられたチャックと、及びこのチャックの周りを上記反応チャンバとは別に真空状態とすることが可能な真空発生器と、を有することを特徴としている。

本発明の第７発明は、反応チャンバと、処理されるウエハーを位置決めするように設けられたチャックと、及びこのチャックの周りに位置し、このチャックの近傍を真空状態に保持するような構造を有する囲い部と、を有することを特徴としている。

本発明の第８発明は、反応チャンバと、処理されるウエハーを位置決めするように設けられた装置であって、この装置が背面部を有する装置と、及びこの装置の背面部に近接する位置にある背面チャンバであって、この背面チャンバが真空状態を保持することができる背面チャンバと、を有することを特徴としている。
第８発明において、上記装置はチャックである。
第８発明において、上記チャックはチャックヒータを有する。

本発明の第９発明は、半導体ウエハーを処理する反応器であって、反応チャンバと、及びウエハーを位置決めするように配置された装置と、及びウエハーの周りの処理ガスの密度が均一に分散するように処理ガス流れを方向付ける方向付手段と、を有することを特徴としている。
第９発明において、上記方向付手段がガス流れの半径方向の勾配を作る。
第９発明において、上記方向付手段がウエハーの周りの局所的な圧力差を無くしたガス流れを作る。

図１は、本発明による装置の一実施形態を示す断面図である。この装置は、反応チャンバ１を備え、この反応チャンバ１は、上部石英ウインド４、円筒状チャンバ側壁４０及びウエハーチャック・底プレート組立体４２から構成されている。上部石英ウインド４の周囲の下側に沿って、ガス送出装置４１が設けられている。ガス入口１４が反応物質をチャンバに入れるために設けられている。反応物質は、このガス入口１４から装置内に侵入した後、Ｕ字形通路４４を通って図２に示すガス送出装置の一部である環状ガス用キャビディ２ａ内に流入する。図２に示すように、ガスは、環状ガス用キャビティ２ａを通って複数のスロット２ｂに移動し環状ガス用プレナム９ｂ内に侵入する。ガス用キャビティ２ａとガス用プレナム９ｂは、適当な圧力差を維持ために形成されている。ガスは、環状ガス用プレナム９ｂから上部石英ウインド４とガス用フランジ９の間にある連続する環状ギャップ９ａを通ってチャンバ１に流入する。この結果、ガスは、上部石英ウインド４とガス用フランジ９の間で途切れることがないガスの壁を形成する連続開口部を通ってチャンバ内に導入される。

図３は、ウエハーチャック組立体４２を示している。ウエハーチャック・底プレート組立体４２は、ウエハーチャック６、加熱要素７及び背面プレート８を有している。加熱要素７は、ウエハーチャック６と背面プレート８との間に挟まれている。容積部４８から真空発生器２１によりガス用継手１９から空気が抜かれる。容積部４８は真空状態であるため、熱移動のほとんどはウエハーチャック６の側壁４６に沿って起こる熱伝導である。

本発明による装置の実施形態を示す断面図である。 本発明によるガス送出装置の実施形態を示す断面図である。 本発明によるウエハーチャック組立体の実施形態を示す断面図である。

Claims (12)

1. プラズマ反応チャンバと、
   正面部と背面部を備えたチャックであって、このチャックの正面部が処理されるウエハーを支持するように設けられている上記チャックと、
   上記チャックを加熱するように設けられた加熱手段と、
   上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックの周りに上記チャンバとは別に真空状態を生成する真空状態生成手段とを有し、
   上記真空状態生成手段が上記チャックの背面部と同じ側に広がる背面チャンバを備え、さらに、上記真空状態生成手段が上記背面チャンバを真空状態にする真空発生器を備えていることを特徴とするプラズマ反応器。
2. プラズマ反応チャンバと、
   その正面部が処理されるウエハーを支持するように設けられているチャックであって、このチャックが背面部を備えている上記チャックと、
   上記チャックを加熱するヒータと、
   上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックの近傍を上記チャンバとは別に真空状態とする囲い部であって、この囲い部が上記チャックの背面部と同じ側に広がる上記囲い部と、
   上記囲い部に接続され上記囲い部を真空状態にする真空発生器と、
   を有することを特徴とするプラズマ反応器。
3. 反応チャンバと、
   その正面部が処理されるウエハーを位置決めするように設けられているチャックであって、このチャックが背面部を備えている上記チャックと、
   上記チャックに近接して配置された囲い部であって、この囲い部が上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックの近傍を真空状態に保持するように設けられており、この囲い部が上記チャックの背面部と同じ側に広がる上記囲い部と、
   上記囲い部に接続され上記囲い部を真空状態にする真空発生器と、
   を有することを特徴とするプラズマ反応器。
4. 反応チャンバと、
   その正面部が処理されるウエハーを位置決めするように設けられている装置であって、この装置が背面部を備えている上記装置と、
   上記装置の背面部に近接して配置された背面チャンバであって、この背面チャンバが、上記装置を熱的に絶縁するために真空状態に保持できるようになっており、さらに、上記装置の背面部と同じ側に広がる上記背面チャンバと、
   上記背面チャンバに接続され上記背面チャンバを真空状態にする真空発生器と、
   を有することを特徴とする反応器。
5. 上記装置は、チャックである請求項４記載の反応器。
6. 上記チャックは、チャックヒータを有する請求項５記載の反応器。
7. 反応チャンバと、
   処理されるウエハーを位置決めするように設けられた装置であって、この装置が背面部を備えている上記装置と、
   上記装置の背面部に近接して設けられた背面チャンバであって、この背面チャンバが、上記装置を熱的に絶縁するために真空状態に保持できるようになっている上記背面チャンバと、
   上記背面チャンバに接続され上記背面チャンバを真空状態にする真空発生器と、を有し、
   上記装置はチャックであり、このチャックがチャックヒータを備えていることを特徴とする反応器。
8. 反応チャンバを備えたプラズマ反応器のためのチャック装置であって、
   正面部と背面部を備えたチャックであって、このチャックの正面部が処理されるウエハーを支持するように設けられている上記チャックと、
   上記チャックを加熱するように設けられた加熱手段と、
   上記チャックの周りに真空状態を生成する真空状態生成手段であって、上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックとは別に設けられている上記真空状態生成手段と、を有し、
   上記真空状態生成手段が上記チャックの背面部と同じ側に広がる背面チャンバを備え、さらに、上記真空状態生成手段が上記背面チャンバを真空状態にする真空発生器を備えていることを特徴とするチャック装置。
9. 反応チャンバを備えたプラズマ反応器のためのチャック装置であって、
   その正面部が処理されるウエハーを支持するように設けられているチャックであって、このチャックが背面部を備えている上記チャックと、
   上記チャックを加熱するヒータと、
   上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックの近傍を上記チャンバとは別に真空状態とする囲い部であって、この囲い部が上記チャックの背面部と同じ側に広がる上記囲い部と、
   上記囲い部に接続され上記囲い部を真空状態にする真空発生器と、
   を有することを特徴とするチャック装置。
10. 反応器のためのチャック装置であって、
    その正面部が処理されるウエハーを位置決めするように設けられているチャックであって、このチャックが背面部を備えている上記チャックと、
    上記チャックに近接して配置された囲い部であって、この囲い部が上記チャックを熱的に絶縁するために上記チャックの近傍を真空状態に保持するように設けられており、この囲い部が上記チャックの背面部と同じ側に広がる上記囲い部と、
    上記囲い部に接続され上記囲い部を真空状態にする真空発生器と、
    を有することを特徴とするチャック装置。
11. 反応器のためのチャック装置であって、
    その正面部が処理されるウエハーを位置決めするように設けられているチャックであって、このチャックが背面部を備えている上記チャックと、
    上記チャックの背面部に近接して配置された背面チャンバであって、この背面チャンバが、上記チャックを熱的に絶縁するために真空状態に保持できるようになっており、さらに、上記チャックの背面部と同じ側に広がる上記背面チャンバと、
    上記背面チャンバに接続され上記背面チャンバを真空状態にする真空発生器と、
    を有することを特徴とするチャック装置。
12. 上記チャックはチャックヒータを備えている請求項１１記載のチャック装置。

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