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

静電チャック及び半導体製造装置 Download PDF

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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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