JP2013021151A - 静電チャック及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電チャックと半導体製造装置において、ウェハの温度を均一にすること。
【解決手段】表面に、ガス孔２０と、該ガス孔２０に連通する溝３０とが形成され、溝３０の開口端の幅Ｗ１が、前記開口端よりも下の前記溝３０の幅ＷＸよりも狭いことを特徴とする静電チャックによる。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電チャック及び半導体製造装置に関する。

半導体ウェハプロセスなどで使用されるドライエッチング装置やCVD(Chemical Vapor Deposition)装置などの半導体製造装置には、ウェハを静電吸着する静電チャックが備えらえている。

その静電チャックにはウェハの冷却機構が設けられることがある。その場合、ウェハ面内で温度むらが発生しないようになるべく均一にウェハを冷却するのが好ましい。

特開平９−１２９７１７号公報 特開２００３−２５８０７３号公報

静電チャックと半導体製造装置において、ウェハの温度を均一にすることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭い静電チャックが提供される。

また、その開示の他の観点によれば、チャンバと、前記チャンバに取り付けられた静電チャックとを有し、前記静電チャックの表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭い半導体製造装置が提供される。

以下の開示によれば、溝の開口端の幅を開口端よりも下の溝の幅よりも狭くしたので、開口端から伝熱ガスが上方に逃げ難くなる。これにより、開口端から吹き出す伝熱ガスの量が溝の延在方向に沿って一様となり、その伝熱ガスによって半導体ウェハを均一な温度に維持し易くなる。

図１（ａ）〜（ｃ）は予備的事項を説明する図である。 図２は実施形態の静電チャックを示す平面図である。 図３は実施形態の静電チャックの溝の様子を示す断面図である。 図４は図２の静電チャックの上に半導体ウェハを載置した様子を模式的に示す断面図である。 図５は実施形態の静電チャックの溝形状の変形例を示す断面図（その１）である。 図６は実施形態の静電チャックの溝形状の変形例を示す断面図（その２）である。 図７は実施形態の静電チャックの溝を別の方法で形成した形態を示す断面図である。 図８は実施形態の静電チャックを備えたドライエッチング装置（半導体製造装置）を示す断面図である。

実施形態の説明の前に、基礎となる予備的事項について説明する。

図１（ａ）の平面図に示すように、静電チャック１００には、表面に、冷却ガスを供給するためのガス孔２００とそれに連通して水平方向に延在する溝３００とが設けられている。静電チャック１００の上に載置される半導体ウェハの裏面全体に冷却ガスが均一に供給されるように、ガス孔２００に連通して溝３００が延在している。

図１（ａ）の点線円内に示すように、溝３００の底部にガス孔２００が配置される。

また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の領域Ａにおける溝３００の部分拡大断面図である。図１（ｂ）に示すように、溝３００の断面形状はＵ字状に形成され、両側面がストレート形状になっている。

図１（ｃ）の断面図に示すように、静電チャック１００の上に半導体ウェハ４００が載置される。そして、静電チャック１００の電極２４０に電圧を印加すると静電引力によって半導体ウェハ４００が静電チャック１００に吸着する。

静電チャック１００は、ドライエッチング装置などの冷却された不図示の支持台の上に取り付けられる。その支持台は下部電極としての機能も兼ねる。

各ガス孔２００はガス供給部２２０に繋がっており、冷却ガスがガス供給部２２０から各ガス孔２００及び溝３００に供給される。

このようにして、静電チャック１００と半導体ウェハ４００との隙間にガス孔２００及び溝３００を通って冷却ガスが供給されることにより、半導体ウェハ４００が冷却ガスによって効率よく冷却される。

しかしながら、図１（ｃ）の矢印で示すように、ガス孔２００の近傍では冷却ガスの吹き出し量が大きいのに対し、ガス孔２００から離れた溝３００においては冷却ガスが分散してしまってその吹き出し量が少なくなる傾向がある。

このため、ガス孔２００の近傍の半導体ウェハ４００では局所的に冷却効果が大きくなって温度が低くなり、ガス孔２００から離れた部分の半導体ウェハ４００では冷却効果が小さくなって温度が高くなる。

このように、静電チャック１００では、半導体ウェハ４００内で十分な温度の均一性が得られない問題がある。

静電チャック１００がドライエッチング装置に使用される場合は、半導体ウェハ４００内で温度がばらつくと、半導体ウェハ４００の面内でエッチングレートやエッチング選択比などが変動する。これに伴って、エッチング後のパターンの幅などのばらつきが大きくなり、半導体ウェハ４００から製造される半導体装置の歩留りが低下してしまう。

以下に、本実施形態について説明する。

（本実施形態）
図２〜図４は本実施形態の静電チャックを示す図である。

図２の平面図に示すように、本実施形態の静電チャック１には、表面に、冷却ガス等の伝熱ガスを供給するための複数のガス孔２０とそれに連通して水平方向に延在する溝３０とが設けられている。

図２の例では、静電チャック１の中心部に配置されたガス孔２０を取り囲むように直径の異なる２つの円状の溝３０が同心円状に配置されている。また、中心部のガス孔２０の近傍から４本の溝３０が放射状に延びて配置されている。

図２においては、ガス孔２０から離れた第１の領域Ａ１と、第１の領域Ａ１よりもガス孔２０に近い第２の領域Ａ２とをそれぞれ点線円内において拡大して示している。

このうち、第２の領域Ａ２では、ガス孔２０の直上の溝３０の開口端の幅Ｗ２がガス孔２０の直径Ｄより狭く設定される。

一方、ガス孔２０から離れた第１の領域Ａ１においては、溝３０の開口端の幅Ｗ１が上記の幅Ｗ２より広く設定されている。

図２の例では、幅Ｗ２はガス孔２０の直径Ｄの１／３程度に設定され、幅Ｗ１はガス孔２０の直径Ｄと略同一に設定されている。一例としては、幅Ｗ２は１〜１．５ｍｍであり、幅Ｗ１は２〜３ｍｍである。

次に、実施形態の静電チャック１に設けられた溝３０の断面形状について説明する。

図３（ａ）は、図２のＩ−Ｉに沿った断面図である。

図３（ａ）に示すように、静電チャック１は、アルミニウムなどの金属製の試料台４０と、その上に絶縁性接着剤３２で接着された誘電層５０とを備えている。誘電層５０としては、半導体ウェハとの密着性が優れたエポキシ樹脂などの樹脂フィルムが好適に使用される。

試料台４０の表面には凹部４０ａが形成されおり、凹部４０ａの底部にガス孔２０が配置されている。また、誘電層５０には厚み方向に貫通する開口部５０ａが形成されており、試料台４０の凹部４０ａの上に開口部５０ａが配置されている。

試料台４０の凹部４０ａと誘電層５０の開口部５０ａとにより溝３０が形成されている。誘電層５０の開口部５０ａの幅Ｗ２は、試料台４０の凹部４０ａの最大幅ＷＸより狭く設定される。

図３（ａ）の例では、凹部４０ａの断面形状は円の一部に等しい。そのような形状の凹部４０ａを形成する方法としては、アルミニウムなどの金属部材の表層を切削装置のブレードで切削する方法などがある。

誘電層５０に開口部５０ａを形成する方法としては、試料台４０の凹部４０ａに対応する位置の樹脂フィルムにパンチングなどによって開口部を形成する方法がある。

そして、凹部４０ａの上方に開口部５０ａが位置するように、試料台４０の上に絶縁性接着剤３２を介して誘電層５０を接着する。

図３（ｂ）は、図２のＩＩ−ＩＩに沿った断面図であり、ガス孔２０から離れた溝３０の断面形状を示す。

図３（ｂ）に示すように、ガス孔２０から離れた溝３０においても、凹部４０ａと開口部５０ａとにより溝３０が形成されている。

また、溝３０の開口端の幅Ｗ１は、その下の凹部４０ａの幅ＷＸより狭く設定される。

図４は、図２の静電チャックの上に半導体ウェハを載置した様子を模式的に示す断面図である。

図４に示すように、静電チャック１の上に半導体ウェハ４８が載置される。静電チャック１は、試料台４０に設けられた電極４６を備えている。電極４６はタングステンなどの金属から形成される。

そして、不図示の電源から静電チャック１の電極４６に電圧を印加すると、半導体ウェハ４８と電極４６との間に電荷が溜まり、その間に働く静電力によって半導体ウェハ４８が吸着保持される。

また、静電チャック１は、後述するように、ドライエッチング装置などの冷却された下部電極等の支持台の上に取り付けられる。各ガス孔２０はガス供給部２２に繋がっており、伝熱ガスがガス供給部２２から各ガス孔２０及び溝３０に供給される。

そして、静電チャック１と半導体ウェハ４８との隙間にガス孔２０及び溝３０を通って伝熱ガスが供給されることにより、半導体ウェハ４８が伝熱ガスによって所定の温度に維持される。

伝熱ガスは特に限定されないが、半導体ウェハ４８を冷却するときには、伝熱ガスとしてヘリウムガスを使用するのが好ましい。

以上説明した本実施形態によれば、溝３０の開口端の幅Ｗ１、Ｗ２（図２参照）を、当該開口端よりも下の部分における溝３０の幅ＷＸより狭くした。

その結果、ガス孔２０から供給された伝熱ガスが溝３０の開口端から上方に逃げ難くなるため、図４の矢印で示すようにガス孔２０から離れた部分の溝３０にも十分な流量で伝熱ガスが供給され、その伝熱ガスで半導体ウェハ４８の全体を均一に冷却できる。

特に、図２に示したように、ガス孔２０の直上の溝３０の開口端の幅Ｗ２をガス孔２０の直径Ｄより狭くしたことにより、ガス孔２０の上方に吹き出す伝熱ガスの流れが抑制されるため、ガス孔２０の直上で半導体ウェハ４８が局所的に冷却されるのを防止できる。

しかも、本実施形態では、図２に示したように、第１の領域Ａ１における幅Ｗ１を第２の領域Ａ２における幅Ｗ２よりも広くした。そのため、ガス孔２０から離れた第２の領域Ａ２において溝３０から十分な量の伝熱ガスが吹き出すようになり、半導体ウェハ４８の冷却むらを効果的に防止できる。

なお、溝３０の断面形状は上記に限定されない。

図５〜図６は、溝の断面形状の他の例について示す断面図である。

このうち、図５（ａ）は、凹部４０ａの断面形状を楕円の一部にした例を示す。

また、図５（ｂ）〜図５（ｄ）、図６（ａ）〜図６（ｄ）は、凹部４０ａの断面形状を多角形の一部にした例を示す。

これらのいずれの例においても、試料台４０を切削することにより凹部４０ａを形成することができる。

次に、静電チャック１の別の例について説明する。

図７（ａ）は、本実施形態の別の例に係る静電チャック１の断面図である。

この例では、試料台４０を下側試料台４２及び上側試料台４４に分けて用意し、下側試料台４２に凹部４０ａを形成し、上側試料台４４に開口部５０ａを形成する。

なお、下側試料台４２と上側試料台４４とは不図示の接着剤により互いに固定される。また、下側試料台４２と上側試料台４４の材料としては、例えば、アルミニウム等の金属を採用し得る。

図７（ｂ）は、ガス孔２０から離れた部分における静電チャック１の断面図である。当該部分における溝３０の幅Ｗ１は、図３（ａ）、（ｂ）の場合と同様に、ガス孔２０上における幅Ｗ２よりも広い。

このような構造においても、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明したのと同じ理由によって、半導体ウェハ４８の冷却むらを防止することができる。

次に、本実施形態の静電チャック１をドライエッチング装置に適用する例について説明する。

図８は第１実施形態のドライエッチング装置を示す断面図である。

このドライエッチング装置５は、平行平板型ＲＩＥ装置であって、チャンバ６０とその中に設けられた下部電極７０とを有する。

下部電極７０の上には前述した静電チャック１が取り付けられており、静電チャック１の上に半導体ウェハ４８が載置される。なお、静電チャック１の周囲には、プラズマ雰囲気から下部電極７０を保護するための石英リング７２が配置されている。

下部電極７０及び静電チャック１には高周波電力を印加するための高周波電源７４が接続されている。

また、チャンバ６０内には、接地電位に維持された上部電極８０が下部電極７０と対向するように設けられる。その上部電極８０にはガス導入管８２が接続されており、エッチングガスがチャンバ６０内に導入される。

チャンバ６０の下部には排気管７６が接続され、排気管７６の末端には不図示の真空ポンプが取り付けられている。これにより、エッチングにより生成した反応生成物などが排気管７６を通して外部の排ガス処理装置に排気される。更に、排気管７６の途中にはバルブ７８が設けられており、チャンバ６０内が設定圧力になるようにそのバル７８の開度が自動調整される。

本実施形態のドライエッチング装置５では、ガス導入管８２から所定のエッチングガスがチャンバ６０に導入され、チャンバ６０内がバルブ７８の機能によって所定の圧力に設定される。そして、高周波電源７４から静電チャック１と下部電極７０に高周波電力が印加されることにより、チャンバ６０内にプラズマが生成される。

また、静電チャック１に高周波電力を印加することにより静電チャック１側に負のセルフバイアスが形成され、プラズマ中の正イオンが静電チャック１に引き付けられる。その結果、半導体ウェハ４８に形成された膜が異方的にエッチングされることになる。

前述したように、本実施形態の静電チャック１ではガス孔２０及びそれに連通する溝３０から均一に伝熱ガスが供給されるため、エッチング時に半導体ウェハ４８が効率よく均一に冷却されて半導体ウェハ４８の面内における温度のばらつきを抑えることができる。

これにより、半導体ウェハ４８の面内において、エッチングレートやエッチング選択比等が変動するのを抑制できる。その結果、半導体ウェハ４８内においてエッチング後のパターンの幅などのばらつきが抑えられ、半導体ウェハ４８から製造される半導体装置の歩留りを向上させることができる。

また、半導体ウェハ４８の背面に伝熱ガスを流しているため、半導体ウェハ４８の熱を効率よく下部電極７０側に逃がすことができる。従って、微細加工を達成するために高密度プラズマを使用する場合であっても、半導体ウェハ４８を十分に均一性よく冷却することができる。

これにより、レジストマスクの軟化や変質を防止でき、パターン精度を向上させることができる。

なお、半導体ウェハ４８の冷却温度は特に限定されないが、本実施形態では例えば８０〜９０℃程度の温度に半導体ウェハ４８が均一性よく冷却される。

また、図８では、本実施形態の静電チャック１をドライエッチング装置に適用したが、プラズマＣＶＤ装置又はスパッタ装置などの半導体ウェハプロセスで使用される各種の半導体製造装置に静電チャック１を適用してもよい。

更に、静電チャック１に供給する伝熱ガスも冷却ガスに限定されず、半導体ウェハ４８を加熱するための加熱ガスを伝熱ガスとして静電チャック１に供給してもよい。

以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１） 表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、
前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭いことを特徴とする静電チャック。

（付記２） 試料台と、
前記試料台の上に形成された誘電体層とを更に備え、
前記溝は、前記試料台に設けられた凹部と、前記誘電層に設けられた開口部から形成されることを特徴とする付記１に記載の静電チャック。

（付記３） 前記凹部の断面形状は、円、楕円、及び多角形のいずれかの一部に等しいことを特徴とする付記２に記載の静電チャック。

（付記４） 前記試料台は、下側試料台と上側試料台とを有し、
前記下側試料台に前記凹部が設けられ、前記上側試料台にも前記開口部が形成されることを特徴とする付記２又は付記３に記載の静電チャック。

（付記５） 前記ガス孔から離れた第１の領域における前記溝の前記開口端の幅は、前記第１の領域よりも前記ガス孔に近い第２の領域の前記溝の前記開口端の幅より広いことを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の静電チャック。

（付記６) 前記ガス孔上の前記溝の前記開口端の幅は、前記ガス孔の直径より狭いことを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の静電チャック。

（付記７） 前記溝が同心円状に複数設けられたことを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の静電チャック。

（付記８） 前記ガス孔に冷却用ガスが供給されることを特徴とする付記１〜７に記載の静電チャック。

（付記９） チャンバと、
前記チャンバに取り付けられた静電チャックとを有し、
前記静電チャックの表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、
前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭いことを特徴とする半導体製造装置。

（付記１０） 前記チャンバはエッチングチャンバであることを特徴とする付記９に記載の半導体製造装置。

１…静電チャック、５…ドライエッチング装置、２０…ガス孔、２２…ガス供給部、３０…溝、３２…絶縁性接着剤、４０…試料台、４０ａ，４２ａ…凹部、４２…下側試料台、４４…上側試料台、５０ａ…開口部、４６…電極、４８…半導体ウェハ、５０…誘電層、６０…チャンバ、７０…下部電極、７２…石英リング、７４…高周波電源、７６…排気管、７８…ＡＰＣバルブ、８０…上部電極、８２…ガス導入管、Ｗ１，Ｗ２，ＷＸ…幅、Ａ１…第１の領域、Ａ２…第２の領域。

Claims (5)

1. 表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、
   前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭いことを特徴とする静電チャック。
2. 試料台と、
   前記試料台の上に形成された誘電体層とを更に備え、
   前記溝は、前記試料台に設けられた凹部と、前記誘電層に設けられた開口部から形成されることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記ガス孔から離れた第１の領域における前記溝の前記開口端の幅は、前記第１の領域よりも前記ガス孔に近い第２の領域の前記溝の前記開口端の幅より広いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電チャック。
4. 前記ガス孔上の前記溝の前記開口端の幅は、前記ガス孔の直径より狭いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の静電チャック。
5. チャンバと、
   前記チャンバに取り付けられた静電チャックとを有し、
   前記静電チャックの表面に、ガス孔と、該ガス孔に連通する溝とが形成され、
   前記溝の開口端の幅が、前記開口端よりも下の前記溝の幅よりも狭いことを特徴とする半導体製造装置。

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