JP2014220408A - 静電チャック及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱して使用する静電チャックにおいて、ウェハの脱離を容易にすること。【解決手段】酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台２０と、載置台２０の中に配置された静電電極２２とを含む静電チャックであり、酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％に設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、ウェハなどを吸着する機構に使用される静電チャック及びそれを備えた半導体製造装置に関する。

従来、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などの半導体製造装置では、ウェハ処理時のウェハ温度を制御するためにウェハを静電吸着して載置する静電チャックが設けられている。

静電チャックには、ヒータで加熱した状態で使用する高温タイプのセラミックスチャックがある。

特開２００５−１０４７４６号公報 特開２００９−２１２４２５号公報

後述する予備的事項の欄で説明するように、高温タイプのセラミックス製の静電チャックでは、加熱するとセラミックスの体積抵抗率が低下するため、常温で使用する場合よりも強いクーロン力によってウェハが静電チャックに吸着する。

このため、静電チャックに印加した電圧をオフしても、すぐにはウェハを脱離することが困難になるため、ウェハ処理のスループットが低下する。

加熱して使用する静電チャック及びそれを備えた半導体製造装置において、ウェハなどの脱離を容易にすることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台と、前記載置台の中に配置された静電電極とを有し、前記酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％である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備え、前記静電チャックは、酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台と、前記載置台の中に配置された静電電極とを有し、前記酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％であること半導体製造装置が提供される。

以下の開示によれば、静電チャックは、酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台を備えている。静電チャックは加熱されて使用される高温タイプのものであり、酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％に設定している。

このようにすることにより、静電チャックを加熱してもセラミックスの体積抵抗率が大きく低下せず、スペック内の体積抵抗率に収めることができる。

これにより、加熱された静電チャックに印加した電圧をオフした後に、すぐにウェハを安定して脱離できるようになるため、ウェハ処理のスループットを向上させることができる。

図１は予備的事項に係る静電チャックの問題点を説明するための断面図である。 図２は実施形態の静電チャックを示す断面図である。 図３は図２の静電チャックを上側からみた平面図である。 図４は実施形態の静電チャックに係る加熱されたセラミックスの体積抵抗率の酸化イットリウムの含有率依存性を示すデータである。 図５は図４のデータをグラフ化したものである。 図６は実施形態の第１変形例の静電チャックを示す断面図である。 図７は実施形態の第２変形例の静電チャック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を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

実施形態を説明する前に、基礎となる予備的事項について説明する。静電チャックには、ヒータで加熱した状態で使用する高温タイプのものがある。

図１には、高温タイプの静電チャックの載置台１００にシリコンウェハ２００が載置された様子が部分的に示されている。載置台１００が１５０℃程度に加熱された状態で、その上にシリコンウェハ２００が載置される。

載置台１００の中には静電電極１２０が配置されている。載置台１００は酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスから形成される。

そして、静電電極１２０にプラス（＋）電圧が印加されると、静電電極１２０がプラス（＋）電荷に帯電し、シリコンウェハ２００にマイナス（−）電荷が誘起される。これにより、シリコンウェハ２００がクーロン力によって載置台１００に吸着する。

シリコンウェハ２００と静電電極１２０とその間に配置される載置台１００のセラミックス部Ｃをコンデンサとみなした場合、セラミックス部Ｃが誘電層に相当する。誘電層としてのセラミックス部Ｃの電気特性、特に体積抵抗率は、シリコンウェハ２００の吸着及び脱離の特性に大きな影響を与える。

一般的に、セラミックスは温度が上昇すると体積抵抗率が低下する電気特性を有する。図１において、加熱によってセラミックス部Ｃの体積抵抗率が低下すると、シリコンウェハ２００と静電電極１２０との間で帯電しやすくなるため、より強いクーロン力によってシリコンウェハ２００が載置台１００に吸着する。

このため、静電電極１２０に印加した電圧をオフしてもシリコンウェハ２００に電荷が残留した状態となり、すぐにはシリコンウェハ２００を脱離することが困難になる。

このとき、リフトピンによって無理やりシリコンウェハ２００を脱離させると、シリコンウェハ２００の飛び跳ねや割れが発生して搬送エラーとなりやすい。このため、シリコンウェハ２００の処理する毎に、静電チャックに印加した電圧をオフにしてから吸着力が弱くなるまで一定時間待つ必要があるため、ウェハ処理のスループットが低下する。

以下に説明する実施形態の静電チャックは、前述した不具合を解消することができる。

（実施の形態）
図２及び図３は実施形態の静電チャックを示す図である。図２に示すように、実施形態の静電チャック1では、アルミニウムベース１０の上に載置台２０が配置されている。載置台２０の中には静電電極２２及びヒータ２４が配置されている。載置台２０は酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とするセラミックスから形成される。

載置台２０を作成する方法としては、グリーンシートで静電電極２２用の金属材料及びヒータ２４用の電熱材料をそれぞれ挟み、その積層体を焼結することにより、静電電極２２及びヒータ２４が内蔵された載置台２０を得ることができる。静電電極２２及びヒータ２４の材料としては、タングステンペーストなどが使用される。

アルミニウムベース１０は、アルミニウムのみから形成されていてもよいし、あるいは、アルミニウム合金から形成されていてもよい。また、アルミニウムベース１０の代わりに、他の金属材料からなる金属ベースを使用してもよい。

そして、載置台２０の上に基板としてウェハ５が載置される。ウェハ５としては、シリコンウェハなどの半導体ウェハが使用される。

アルミニウムベース１０と載置台２０とは、接着層（不図示）で固定されていてもよいし、あるいは、ねじ止め（不図示）によって固定されていてもよい。

図３の平面図に示すように、図２の静電チャック１を上側からみると、円盤状のアルミニウムベース１０の上にその周縁部が露出するようにそれより小さな面積の円盤状の載置台２０が配置されている。

アルミニウムベース１０の露出する周縁部には、半導体製造装置のチャンバに取り付けるための取り付け穴１２がリング状に並んで設けられている。また、載置台２０及びアルミニウムベース１０の中央部には、ウェハ５を上下に移動するためのリフトピンが挿通されるリフトピン用開口部１４が３つ設けられている。リフトピンでウェハ５を上下に移動させることにより、搬送ロボットによってウェハ５を自動搬送することができる。

また、リフトピン用開口部１４からヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを載置台２０の上側に供給してもよい。載置台２０とウェハ５との間に不活性ガスを流すことにより、加熱された静電チャック１の熱を効率よくウェハ５に伝導することができる。あるいは、不活性ガスを供給するガス用開口部を別途設けるようにしてもよい。

図２及び図３の例では、載置台２０に内蔵される静電電極２２は双極タイプのものであり、第１静電電極２２ａ及び第２静電電極２２ｂに分割されている。あるいは、静電電極２２は、一つの静電電極からなる単極タイプのものを使用してもよい。

また、第１静電電極２２ａ及び第２静電電極２２ｂの下にヒータ２４が配置されている。ヒータ２４は、１つのヒータ電極として設けてもよいし、ヒータゾーンを複数に分割して加熱を独立して制御できるようにしてもよい。

そして、図２に示すように、実施形態の静電チャック１では、載置台２０の上にウェハ５が載置され、第１静電電極２２ａにプラス（＋）の電圧が印加され、第２静電電極２２ｂにマイナス（−）の電圧がそれぞれ印加される。

これにより、第１静電電極２２ａがプラス（＋）電荷に帯電し、第２静電電極２２ｂがマイナス（−）電荷に帯電する。これに伴って、第１静電電極２２ａに対応する部分のウェハ５にマイナス（−）電荷が誘起され、第２静電電極２２ｂに対応する部分のウェハ５にプラス（＋）電荷が誘起される。

このようにして、静電電極２２とウェハ５との間にセラミックス部Ｃを介して発生したクーロン力によってウェハ５が載置台２０の上に静電吸着される。

このとき、ヒータ２４に所定の電圧が印加されて載置台２０から熱が発生しており、ウェハ５が加熱されて所定の温度に制御される。静電チャック１の加熱温度は、１００℃〜２００℃、例えば１５０℃に設定される。

前述した予備的事項で説明したように、加熱によって体積抵抗率が大きく低下するセラミックスから製造される高温タイプの静電チャックでは、印加した電圧をオフにしても、すぐにはウェハを脱離できない問題がある。

そこで、本願発明者は、静電チャック１を１５０℃程度に加熱しても、体積抵抗率が大きく低下せずに、スペック内の体積抵抗率が得られるセラミックス材料を見出した。

静電チャックの使用時に、セラミックスの体積抵抗率が１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍの範囲であれば、ウェハ５が載置台２０に十分な吸着力で吸着すると共に、電圧をオフにした後にすぐにウェハ５を安定して脱離することができる。

本願発明者は、図４に示すように、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスにおいて、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）の含有率を０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％まで変化させてセラミックスのサンプル１〜７を作成した。

そして、各サンプル１〜７を１５０℃に加熱したときのセラミックスの体積抵抗率について調査した。また、各サンプル１〜７を１００℃に加熱したときのセラミックスの体積抵抗率についても同様に調査した。

各サンプル１〜７を作成する際に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及び酸化カルシウム（ＣａＯ）の各含有率を以下のように設定した。

Ａｌ₂Ｏ₃：９４．２ｗｔ％〜９６．１ｗｔ％
ＳｉＯ₂：２．６ｗｔ％
ＭｇＯ：１．０ｗｔ％〜１．１ｗｔ％
ＣａＯ：０．２ｗｔ％に固定
また、全てのサンプル１〜７において、それらの相対密度が９５．５％以上になるように作成した。なお、加熱時に、ウェハの脱離が問題にならないセラミックスの体積抵抗率のスペックは、１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍの範囲とする。

図５は図４の各サンプル１〜７の体積抵抗率のデータをグラフ化したものである。最初に、各サンプル１〜７を１５０℃で加熱した結果について説明する。その結果によれば、図４のサンプル１、２、及び図５に示すように、酸化イットリウムの含有率が０ｗｔ％〜０．３ｗｔ％の範囲では、セラミックスの体積抵抗率は２．８９Ｅ＋１５Ωｃｍ〜５．１４Ｅ＋１５Ωｃｍであった。

これは、スペックの体積抵抗率（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）よりもかなり低く、高温タイプの静電チャックのセラミックス材料としては好ましくないことが分かった。

サンプル３のように、酸化イットリウムの含有率をさらに上げて０．５ｗｔ％とすると、セラミックスの体積抵抗率も１．０３Ｅ＋１６Ωｃｍに上昇した。さらに、サンプル４のように、酸化イットリウムの含有率をさらに上げて１．０ｗｔ％とすると、セラミックスの体積抵抗率も２．０Ｅ＋１６Ωｃｍに上昇した。

また、サンプル５のように、酸化イットリウムの含有率をさらに上げて１．５ｗｔ％とすると、セラミックスの体積抵抗率も５．８２Ｅ＋１６Ωｃｍに上昇した。また、サンプル６のように、酸化イットリウムの含有率をさらに上げて２．０ｗｔ％とすると、体積抵抗率も８．６７Ｅ＋１６Ωｃｍに上昇した。

このように、酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲では、セラミックスの体積抵抗率が１．０３Ｅ＋１６Ωｃｍ〜８．６７Ｅ＋１６Ωｃｍであり、スペックの体積抵抗率（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）の範囲に収まることが分かった。

また、酸化イットリウムの含有率をさらに上げて２．５ｗｔ％とすると、セラミックスの体積抵抗率は７．９９Ｅ＋１５Ωｃｍとなり、スペックの体積抵抗率（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）から外れて逆に低下することが分かった。

図５を参照すると、酸化イットリウムの含有率が０ｗｔ％〜２．０ｗｔ％に上がるにつれて、セラミックスの体積抵抗率が直線状に上がることが分かった。この特性を利用することにより、酸化イットリウムの含有率を変えることによって、１５０℃でのセラミックスの体積抵抗率をスペック（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）内で狙い値に精度よく調整することができる。

また、上記した１５０℃でのセラミックスの体積抵抗率の結果を得るためには、各サンプル１〜７のセラミックの相対密度が９５．５％以上に設定されることが望ましい。

このように、１５０℃で加熱する場合は、酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲でスペック内のセラミックスの体積抵抗率が得られる。この条件でセラミックスから前述した載置台２０を作成することにより、電圧をオフした後に、すぐにウェハを安定して脱離できる高温タイプの静電チャックを得ることができる。

次に、各サンプル１〜７を１００℃で加熱した結果について説明する。その結果によれば、酸化イットリウムの含有率が０ｗｔ％〜２．５ｗｔ％の範囲で、セラミックスの体積抵抗率は２．３２Ｅ＋１６Ωｃｍ〜６．１７Ｅ＋１６Ωｃｍであった。つまり、１００℃で加熱する条件では、全てのサンプル１〜７においてスペック内の体積抵抗率（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）の範囲に収まっていた。

１００℃で加熱する条件では、酸化イットリウムの含有率に対するセラミックスの体積抵抗率が直線状に増加する特性は得られなかった。酸化イットリウムの含有率が２．５ｗｔ％のときに体積抵抗率が最小の２．３２Ｅ＋１６Ωｃｍとなり、酸化イットリウムの含有率が１、５ｗｔ％のときに体積抵抗率が最大の６．１７Ｅ＋１６Ωｃｍとなった。

また、特にデータとしては示されていないが、２００℃程度で加熱する場合は、１５０℃で加熱する場合よりもセラミックスの体積抵抗率が低下する。図５において、酸化イットリウムの含有率が１．０ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲では、１５０℃でのデータよりも体積抵抗率が低下するとしても、スペック内（１Ｅ＋１６Ωｃｍ〜１Ｅ＋１７Ωｃｍ）に収まるため、２００℃程度で加熱する場合も使用可能である。

従って、静電チャックを１５０℃〜２００℃程度で加熱する場合は、酸化イットリウムの含有率を１．０ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲に設定することが好ましい。

以上のように、酸化イットリウムの含有率を０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％の範囲に設定することにより、静電チャックが１００℃〜２００℃の温度で加熱されてもウェハを容易に脱離することができる。

図６には、実施形態の第１変形例の静電チャック１ａが示されている。図６の第１変形例の静電チャック１ａのように、アルミニウムベース１０と載置台２０との間にヒータ２４ａを配置してもよい。

あるいは、図７の第２変形例の静電チャック１ｂのように、アルミニウムベース１０内にヒータ２４ｂを内蔵させることも可能である。さらには、特に図示しないが、静電チャックのアルミニウムベースの下にヒータが外付けされていてもよい。

また、静電チャックがヒータを備えておらず、半導体製造装置のチャンバ内のステージにランプヒータなどからなるヒータ部材を設け、その上に静電チャックを取り付けてもよい。

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は実施形態のドライエッチング装置を示す断面図である。図８に示すように、ドライエッチング装置２として平行平板型ＲＩＥ装置が例示されている。

ドライエッチング装置２はチャンバ３０を備え、チャンバ３０の下側に下部電極４０が配置されている。下部電極４０の表面側には前述した実施形態の静電チャック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５０が載置される。静電チャック１の周囲には保護用の石英リング４２が配置されている。

下部電極４０及び静電チャック１にはＲＦ電力を印加するための高周波電源４４が接続されている。高周波電源４４にはＲＦ電力の出力のマッチングをとるためのＲＦマッチャ（不図示）が接続されている。

チャンバ３０の上側には下部電極４０の対向電極となる上部電極６０が配置されており、上部電極６０は接地されている。上部電極６０にはガス導入管６２が連結されており、所定のエッチングガスがチャンバ３０内に導入される。

チャンバ３０の下部には排気管４６が接続され、排気管４６の末端には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４６を通して外部の排ガス処理装置に排気されるようになっている。チャンバ３０の近傍の排気管４６にはＡＰＣバルブ４８（自動圧力コントロールバルブ）が設けられており、チャンバ３０内が設定圧力になるようにＡＰＣバル４８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２では、静電チャック１はヒータ２４（図２）によって１５０℃程度に加熱されており、その上に半導体ウェハ５０が搬送されて配置される。

そして、静電チャック１の第１、第２静電電極２２ａ，２２ｂ（図２）に最大で±３０００Ｖの電圧を印加することにより、半導体ウェハ５０を静電チャック１に吸着させる。これにより、半導体ウェハ５０が１５０℃の温度で加熱された状態となる。

その後に、ガス導入管６２から塩素系やフッ素系などのハロゲンガスがチャンバ３０に導入され、チャンバ３０内がＡＰＣバルブ４８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４４から下部電極４０及び静電チャック１にＲＦ電力が印加されることにより、チャンバ３０内にプラズマが生成される。

静電チャック１にＲＦ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、その結果プラズマ中の正イオンが静電チャック１側に加速される。これに基づいて、半導体ウェハ５０に形成された被エッチング層が１５０℃以上の高温雰囲気で異方性エッチングされてパターン化される。

高温エッチングが適用される被エッチング層としては、銅（Ｃｕ）層などがある。銅の塩化物は揮発性が低いため、高温にすることで揮発しやすくなり、エッチングが容易に進むようになる。

前述したように、本実施形態の静電チャック１では１５０℃程度に加熱された状態でも、セラミックス部Ｃ（図２）の体積抵抗率が大きく低下せずにスペック内の体積抵抗率が得られるようになっている。

このため、エッチングが終了し、静電チャック１に印加した電圧をオフした後に、すぐにリフトピン（不図示）を上昇させることで、半導体ウェハ５０を静電チャック１から安定して脱離することができる。本実施形態では、静電チャック１に印加した電圧をオフした後に、半導体ウェハ５０の吸着力が弱くなるまで一定時間待つ必要がないので、ウェハ処理のスループットを向上させることができる。

また、半導体ウェハ５０の飛び跳ねや割れによる搬送エラーも発生しずらくなるため、半導体デバイスの製造歩留りを向上させることができる。

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適用してもよい。

１，１ａ，１ｂ…静電チャック、２…ドライエッチング装置、５…ウェハ、１０…アルミニウムベース、１２…取り付け穴、１４…リフトピン用開口部、２０…載置台、２２…静電電極、２２ａ…第１静電電極、２２ｂ…第２静電電極、２４，２４ａ，２４ｂ…ヒータ、３０…チャンバ、４０…下部電極、４２…石英リング、４４…高周波電源、４６…排気管、４８…ＡＰＣバルブ、５０…半導体ウェハ、６０…上部電極、６２…ガス導入管、Ｃ…セラミックス部。

Claims (9)

1. 酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台と、
   前記載置台の中に配置された静電電極と
   を有し、
   前記酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする静電チャック。
2. 前記酸化イットリウムの含有率が１．０ｗｔ％〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記静電チャックは、１００℃〜２００℃の温度で加熱されて使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック。
4. 前記セラミックスは、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、及び酸化カルシウムを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電チャック。
5. 前記酸化アルミニウムの含有率は９４．２ｗｔ％〜９６．１ｗｔ％であり、前記二酸化ケイ素の含有率は２．６ｗｔ％であり、前記酸化マグネシウムの含有率は１．０ｗｔ％〜１．１ｗｔ％であり、前記酸化カルシウムの含有率は０．２ｗｔ％であることを特徴とする請求項４に記載の静電チャック。
6. 前記セラミックスの相対密度は、９５．５％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の静電チャック。
7. 前記静電チャックは、ヒータを備えていることを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
8. 前記静電チャックが１５０℃で加熱される場合、前記酸化イットリウムの含有率が上がるにつれて、前記セラミックスの体積抵抗率が直線状に上がり、
   前記酸化イットリウムの含有率によって前記セラミックスの体積抵抗率を調整することを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
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備え、
   前記静電チャックは、
   酸化アルミニウム及び酸化イットリウムを含むセラミックスから形成された載置台と、
   前記載置台の中に配置された静電電極と
   を有し、
   前記酸化イットリウムの含有率が０．５ｗｔ％〜２．０ｗｔ％であることを特徴とする半導体製造装置。

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