JP2023182644A - 複数の埋込電極を有する基板支持体 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマ支援処理チャンバ内の基板の領域にバイアスをかけるための方法及び装置を提供する。【解決手段】プラズマ処理チャンバ１００は、基板１１５又はその領域にバイアスをかけることで、基板と処理チャンバ内で形成されるプラズマ１３５との間の電位差を増加させ、これにより、プラズマから基板領域の活性表面に向かってイオンを加速させる。複数のバイアス電極２３８Ａ～２３８Ｃは、基板全体にわたって処理結果の均一性を管理するのに有利なパターンで基板支持体２２７にわたって空間的に配置される。【選択図】図１

Description

背景
（分野）
本明細書で説明する諸実施形態は、概して、半導体製造で用いられる処理チャンバに関し、具体的には、基板にバイアスをかけるように構成された基板支持アセンブリを有する処理チャンバ及び基板にバイアスをかける方法に関する。
（関連技術の説明）
高アスペクト比のフィーチャーを確実に作り出すことは、半導体デバイスの超大規模集積（ＶＬＳＩ）及び超超大規模集積（ＵＬＳＩ）という次世代に向けた重要な技術課題の１つである。高アスペクト比のフィーチャーを形成する、ある１つの方法では、プラズマ支援エッチング処理を用いて、基板の誘電体層などの材料層に高アスペクト比の開口部を形成している。典型的なプラズマ支援エッチング処理では、処理チャンバ内でプラズマを形成し、プラズマからのイオンを、基板とその上のマスクに形成された開口部とに向けて加速させて、マスク表面の下の材料層に開口部を形成する。通常は、４００ｋＨｚから２ＭＨｚの範囲の低周波ＲＦ電力を基板に結合させることにより、イオンは基板に向かって加速され、これにより、そこにバイアス電圧が発生する。しかしながら、ＲＦ電力を基板に結合すると、基板にはプラズマに対する単一の電圧が印加されない。一般的に用いられる構成では、基板とプラズマの間の電位差は、ゼロに近い値から最大となる負の値までＲＦ電力の周波数で振動する。プラズマから基板へイオンを加速させている電位が単一でないことにより、基板表面及びその材料層に形成される開口部（フィーチャー）では広範囲のイオンエネルギーがもたらされる。加えて、ＲＦバイアスに起因するイオン軌跡の相違により、基板表面に対するイオンの角度分布は大きくなる。アスペクト比の高いフィーチャーの開口部をエッチングする場合、イオンエネルギーの範囲が広いことは望ましくない。それは、イオンが、望ましいエッチング速度を維持するのに十分な高エネルギーを有してフィーチャーの底部にまで到達しないからである。基板表面に対するイオンの角度分布が大きいことも望ましくない。それは、大きな角度分布は、フィーチャープロファイルの変形（その垂直側壁のくびれや曲がりなど）を引き起こすからである。
したがって、当該技術分野では、プラズマ支援エッチング処理の間に、基板の材料表面において角度分布が小さく、エネルギー範囲も狭い高エネルギーイオンを供給できる機能が必要になっている。
概要
本開示は、概して、プラズマ支援又はプラズマ強化の処理チャンバに関する。より具体的には、本明細書の諸実施形態は、プラズマ支援又はプラズマ強化の半導体製造処理の間に、個々のパルス（周期的）ＤＣ電圧を基板の領域に供給するように構成された静電チャック（ＥＳＣ）基板支持体、及び基板の領域にバイアスをかける方法に関する。
一実施形態では、基板支持体を備える基板支持アセンブリが提供され、基板支持体は、基板支持体内の複数の第１電極であって、複数の第１電極の各電極は、複数の第１電極のうちの他のすべての電極から電気的に絶縁され、それらの電極と同一平面上にあり、複数の第１電極の各電極は、パルスＤＣ電力を、基板の領域に対してそれとの容量結合によって供給するように構成されている第１電極と、基板支持体内に配置され、複数の第１電極から電気的に絶縁された第２電極であって、基板を基板支持体に電気的にクランプする第２電極とを備える。
他の諸実施形態では、処理容積を画定する１つ以上の側壁及び底部と、基板支持体とを備える処理チャンバが提供される。基板支持体は、基板支持体内の複数の第１電極であって、複数の第１電極の各電極は、複数の第１電極のうちの他のすべての電極から電気的に絶縁され、それらの電極と同一平面上にあり、複数の第１電極の各電極は、パルスＤＣバイアスを、基板の領域に対してそれとの容量結合によって供給するように構成されている第１電極と、基板支持体内に配置され、複数の第１電極から電気的に絶縁された第２電極であって、基板を基板支持体に電気的にクランプする第２電極とを備える。
別の一実施形態では、複数の周期的ＤＣ電圧で基板にバイアスをかける方法が提供される。この方法は、処理ガスを処理チャンバに流入させる工程と、処理ガスからプラズマを形成する工程と、処理チャンバに配置された基板支持体に基板を電気的にクランプする工程と、複数の領域にわたって基板にバイアスをかける工程とを含む。複数の領域にわたって基板にバイアスをかける工程は、基板支持体に配置された複数のバイアス電極にスイッチングシステムによって供給された複数の周期的ＤＣ電圧を、基板のそれぞれの領域に、基板支持体の第１誘電体層の静電容量によって容量結合する工程を含む。本明細書の複数の周期的ＤＣ電圧は、ある範囲の周波数及び／又は複数の極性を含む。
本開示の上記の構成を詳細に理解することができるように、上記に簡単に要約した本開示のより具体的な説明を、諸実施形態を参照して行う。そして、これら実施形態のいくつかは添付図面に示されている。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態を含み得るので、添付図面は本開示の典型的な実施形態を示しているに過ぎず、従ってこの範囲を制限していると解釈するべきではないことに留意すべきである。
一実施形態による、内部に静電チャック（ＥＳＣ）基板支持アセンブリが配置された処理チャンバの概略断面図である。 図１の処理チャンバで用いられる基板支持アセンブリの拡大断面図である。 図２Ａに示される基板支持アセンブリの上面図である。 本明細書に記載の諸実施形態による、プラズマ支援処理の間に基板の領域にバイアスをかける方法を示すフロー図である。
詳細な説明
本開示の諸実施形態は、概して、プラズマ支援又はプラズマ強化の処理チャンバなどのプラズマ処理チャンバに関する。より具体的には、本明細書の諸実施形態は、プラズマ支援又はプラズマ強化の半導体製造処理の間に、基板支持体の上に配置された基板に容量結合パルスＤＣ電圧を供給するように構成された静電チャック（ＥＳＣ）基板支持体に関する。周期的ＤＣ電源への基板の容量結合（基板にパルスＤＣバイアスをかけること）により、基板と処理チャンバに形成されたプラズマとの間の電位差を増加させ、これにより、プラズマから基板の活性表面に向かってイオンを加速させる。ＲＦバイアスとは対照的に、パルスＤＣバイアスは単一の電位をイオンに供給して、プラズマから基板まで加速させる。本明細書の基板支持体は複数のバイアス電極を備えており、この複数のバイアス電極は、パルスＤＣ電源スイッチングシステムの一部にそれぞれ独立して接続され、基板の領域の調整可能なバイアスを、それとの容量結合により供給するようにそれぞれ構成される。本明細書の複数のバイアス電極は、基板全体にわたって処理結果の均一性を管理するのに有利なパターンで基板支持体にわたって空間的に配置される。
図１は、一実施形態による、内部に静電チャック（ＥＳＣ）基板支持アセンブリ２００が配置された処理チャンバ１００の概略断面図である。この実施形態では、処理チャンバ１００はプラズマ処理チャンバであり、例えば、プラズマエッチングチャンバ、プラズマ強化堆積チャンバ（例えば、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバ又はプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ）チャンバ）、又はプラズマベースイオン注入チャンバ（例えばプラズマドーピング（ＰＬＡＤ）チャンバ）などである。
処理チャンバ１００は、処理容積１２０を画定するチャンバ蓋１０３、１つ以上の側壁１０２、及びチャンバ底部１０４を特徴として有する。複数の開口部１１８が貫通して配置されたシャワーヘッド１１２がチャンバ蓋１０３に配置され、処理ガスをガス入口１１４から処理容積１２０内に均一に分配するために用いられる。シャワーヘッド１１２はＲＦ電源１４２、又はいくつかの実施形態ではＶＨＦ電源に接続され、処理ガスからプラズマ１３５を容量結合によって形成する。処理容積１２０は、真空出口１５２を介して、１つ以上の専用真空ポンプなどの真空に流体接続されて、これにより、処理容積１２０は大気圧より低い圧力条件に維持され、そこから処理ガス及び他のガスが排出される。処理容積１２０内に配置された基板支持アセンブリ２００は、チャンバ底部１０４を通って密封状態で延びる支持シャフト１２４上に配置されている。支持シャフト１２４は、支持シャフト１２４及びその上に配置された基板支持アセンブリ２００を上下させるコントローラ１４０に接続されて、基板１１５の処理及び基板１１５の処理チャンバ１００内外への移送を容易にする。通常は、基板支持アセンブリ２００が上昇位置又は処理位置にあるとき、基板１１５は、シャワーヘッド１１２から約０．７５インチから１．７５インチの間（約１．２５インチなど）の間隙を介して離れている。
基板１１５は、１つ以上の側壁１０２のうちの１つにある開口部１２６を通して処理容積１２０内に装填される。この移送開口部１２６は、基板１１５の処理の間、ドア又は弁（図示せず）で従来通りに密封されている。リフトピンフープ１３４の上に配置された複数のリフトピン１３６は、基板支持アセンブリ２００を通して移動可能に配置されて、そこから及びそこへの基板１１５の移送を容易にする。リフトピンフープ１３４は、チャンバ底部１０４を通って密封状態で延びるリフトフープシャフト１３１に連結され、このリフトフープシャフト１３１は、アクチュエータ１３０によってリフトピンフープ１３４を上下させる。基板支持アセンブリ２００は基板支持体２２７を有し、処理のために基板がこの基板支持体２２７上に配置される。リフトピンフープ１３４が上昇位置にあるとき、複数のリフトピン１３６が、基板支持体２２７の表面の上にまで延びて、そこから基板１１５を持ち上げ、ロボットハンドラ（図示せず）による基板１１５へのアクセスを可能にする。リフトピンフープ１３４が下降位置にあるとき、複数のリフトピン１３６は、基板支持体２２７の表面と同じ高さに又はそれより下にあり、基板１１５は処理のためにその上に直接載っている。
本明細書の基板支持アセンブリ２００は、冷却ベース１２５を備える。基板支持体２２７は、冷却ベース１２５に熱的に結合されて配置されている。基板支持アセンブリ２００の冷却ベース１２５を用いて、処理の間に、基板支持体２２７の温度を調節し、これにより基板支持面２０３上に配置された基板１１５の温度を調節する。本明細書では、冷却ベース１２５は、その中に配置された１つ以上の流体導管１３７を備えてもよい。この流体導管１３７は、冷媒源又は水源などの冷却剤源１３３に流体的に接続され、かつ流体連通している。通常は、冷却ベース１２５は、耐食性の熱伝導性材料（アルミニウム、アルミニウム合金、又はステンレス鋼などの耐食性金属など）で形成され、接着剤又は機械的手段により、基板支持体２２７に熱的に結合される。
処理の間に、基板１１５へのイオン衝撃により、基板１１５は場合によっては望ましくない高温にまで加熱される。それは、処理容積１２０の圧力が低いと、基板１１５と基板支持面２０３との間の熱伝導が不十分になるためである。したがって、本明細書の諸実施形態では、処理の間、基板１１５と基板支持面２０３との間に背面ガスを供給して、この背面ガスによって、基板１１５を基板支持面２０３に熱的に結合し、それらの間の熱伝達を増進させる。通常は、基板支持面２０３は、そこから延びる複数の突起２２８を備え、この突起２２８によって、基板１１５がその上に配置されたときに、背面ガスが基板１１５と基板支持面２０３との間の空間を流れる又は占有することが、可能になる。背面ガスは、基板支持体２２７を通して配置された１つ以上のガス導管１４７を通って基板支持面２０３へ流れる。本明細書では、１つ以上のガス導管１４７は、ヘリウムガス源などの熱伝導性不活性背面ガス源１４６に接続されている。
図２Ａは、図１の処理チャンバ１００で用いられる基板支持アセンブリ２００の拡大断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示される基板支持アセンブリ２００の上面図である。本明細書では、基板支持体２２７は、第１層２２７Ａ及び第２層２２７Ｂを含み、各層２２７ＡＢは、金属酸化物若しくは金属窒化物を含む誘電体材料、又は金属酸化物若しくは金属窒化物の混合物を含む誘電体層から形成されている。それらの金属酸化物又は金属窒化物とは、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｙ２Ｏ３、又はそれらの組み合わせなどである。いくつかの実施形態では、第１層２２７Ａは誘電体材料で形成されており、この誘電体材料は、約２０Ｖ／μｍから約２００Ｖ／μｍ（例えば、約１００Ｖ／μｍから約２００Ｖ／μｍ、又は約２０Ｖ／μｍから約１００Ｖ／μｍ）の絶縁破壊電圧を有する。一実施形態では、第１層２２７Ａは、約１６０μｍで約９ｋＶの絶縁破壊電圧を有する９９．５％アルミナから形成される。いくつかの実施形態では、バルク誘電体材料を第２層２２７Ｂ及びその中又はその上に配置された複数の電極に接合し、その後、バルク誘電体材料を所望の厚さＤへ研削して、第１層２２７Ａを形成することによって、基板支持体２２７を形成する。通常は、第１層２２７Ａの厚さＤは、約５μｍから約３００μｍの間（例えば、約１００μｍから約３００μｍの間、例えば、約１６０μｍ）である。他の諸実施形態では、第１層２２７Ａは、任意の適切なコーティング方法を用いて形成される。そのコーティング方法とは、ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ、ＡＬＤ、ＰＥＡＬＤ、蒸着、スパッタリング、プラズマアークコーティング、エアロゾルコーティング、又はそれらの組み合わせなどである。
本明細書の基板支持体に配置及び／又は埋め込まれた複数の電極は、複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃ及び単一のＥＳＣ電極２２２を含む。複数のバイアス電極の各電極は、複数のバイアス電極のうちの他のすべての電極及び単一のＥＳＣ電極２２２から電気的に絶縁されている。本明細書の複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃの各電極を構成して、１つ以上の独立したパルスＤＣバイアスを、基板１１５のそれぞれの領域に対してそれとの容量結合によって供給する。単一のＥＳＣ電極２２２は、基板１１５と基板支持面２０３との間に電位を与えることで、その間にクランプ力を提供している。通常は、ＥＳＣ電極は静的なＤＣ電源に接続されている。本明細書では、このＤＣ電源は、約－５０００Ｖから約５０００Ｖ（例えば、約１００Ｖから約４０００Ｖ、例えば、約１０００Ｖから約３０００Ｖ、例えば、約２０００Ｖ）を供給する。
本明細書の諸実施形態では、基板支持体２２７は、直径３００ｍｍの基板を支持するように構成されてもよく、２から２０個のバイアス電極（図示されている３つのバイアス電極２３８Ａ～Ｃなど）を備えてもよい。ただし、より大きな基板及び／又は種々の形状の基板を処理するためのより大きな基板支持体は、任意の数のバイアス電極を備えてもよい。複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃは、それぞれ１つ以上の電気伝導性材料部分（金属メッシュ、箔、プレート、又はそれらの組み合わせなど）で形成される。いくつかの実施形態では、複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃの各々は、２つ以上の不連続な電気伝導性材料部分（複数の金属メッシュ、箔、プレート、又はそれらの組み合わせなど）から形成され、これらの電気伝導性材料部分は、基板支持体２２７に配置された１つ以上のコネクタ（図示せず）と電気的に接続されることで、電気的に接続された不連続な材料部分は単一の電極（中央バイアス電極２３８Ａ、中間バイアス電極２３８Ｂ、又は外側バイアス電極２３８Ｃなど）を構成する。
複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃは、基板１１５全体にわたって処理結果の均一性を管理するのに有利なパターンで基板支持体２２７にわたって空間的に配置される。図２Ａに示す実施形態では、中央バイアス電極２３８Ａの円形プレート及びバイアス電極２３８Ｂ～Ｃの不連続な環状部は、複数の同心ゾーンを画定する。他の空間的配置には、スポークパターン、グリッドパターン、ラインパターン、スパイラルパターン、互いに組み合わせたパターン、ランダムパターン、又はそれらの組み合わせが含まれる。本明細書の複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃの各電極は、複数のバイアス電極のうちの他のすべての電極及び単一のＥＳＣ電極２２２と同一平面上にある。単一のＥＳＣ電極２２２は、基板支持体２２７と平面的に配置され、基板支持面２０３に平行である。複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃの各電極は、単一のＥＳＣ電極２２２から電気的に絶縁されており、そのために、単一のＥＳＣ電極２２２に開口部が形成されて、基板支持体２２７の誘電体材料がそれらの間に配置されている。他の諸実施形態では、複数のバイアス電極２０８Ａ～Ｃの各電極、又はその一部は、複数のバイアス電極のうちの他のすべての電極の少なくとも一部と同一平面上にあり、複数のバイアス電極２０８Ａ～Ｃは、単一のＥＳＣ電極２２２よりも基板支持面２０３の近くにある。
本明細書では、複数のバイアス電極２３８Ａ～Ｃの各々は、複数のソリッドステートパルサー／スイッチャを備えるＤＣ電源スイッチングシステム１５０の部分に独立して電気的に接続される。ここで、複数の第１スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５及び複数の第２スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６は、高電圧（ＨＶ）ＤＣ電力を、約１０Ｈｚ以下から約１００ｋＨｚの周波数を有する周期的ＤＣ電圧に変換し得る。複数の第１スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５及び複数の第２スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６はさらに、高電圧（ＨＶ）ＤＣ電力を、２％から９８％の範囲のデューティサイクルを有する周期的ＤＣ電圧に変換し得る。スイッチＳ１～Ｓ６は、ある周波数で周期的に動作するか、又は任意のパターンに従って、又はパターンなしで必要に応じて動作する。複数のバイアス電極の各々は、複数の第１スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５のうちの１つ、及び複数の第２スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６のうちの１つに電気的に接続される。
本明細書では、複数の第１スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５は、第１ＤＣ電圧源１５６Ｂに電気的に接続されており、この第１ＤＣ電圧源１５６Ｂは、例えば、正（＋ｖｅ）電圧源であってもよく、複数の第２スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ６は、第２ＤＣ電圧源１５６Ａに電気的に接続されており、この第２ＤＣ電圧源１５６Ａは、例えば、負（－ｖｅ）電圧源であってもよい。他の諸実施形態では、２つの電圧源１５６Ａ及び１５６Ｂは、電圧が異なる、両方とも正又は両方とも負の電源であってもよい。本明細書の第１ＤＣ電圧源１５６Ｂ及び第２ＤＣ電圧源１５６Ａは、それぞれの電圧の大きさが約０Ｖから約１０ｋＶの間の正又は負のＤＣバイアスを供給する。
Ｓ１とＳ２、Ｓ３とＳ４、又はＳ５とＳ６などのスイッチの各組は独立して動作して、正又は負の極性の周期的ＤＣ電圧の個々の周波数、パターン又は動作を、基板支持体２２７の各バイアス電極２３８Ａ～Ｃに供給し、それとの容量結合により、基板支持体２２７上に配置された基板１１５のそれぞれの領域に個々のパルスＤＣバイアスを供給する。通常は、負のＤＣパルスを基板領域に接続すると、基板領域とプラズマ１３５の間の電位差が増加し、パルスの間、基板領域はプラズマよりも負の電位になる。この負のＤＣバイアスの場合、プラズマ内で正に帯電している化学種が、基板領域の表面に向かって加速して、基板領域の処理が達成される。正のＤＣパルスを基板領域に接続すると、基板領域とプラズマ１３５の間の電位差が増加し、パルスの間、基板領域はプラズマよりも正の電位になる。この正のＤＣバイアスの場合、プラズマ内で負に帯電している化学種が、基板領域の表面に向かって加速して、基板領域の処理が達成される。正と負の両方のＤＣバイアス条件に対して、種々の基板領域に供給される周期的ＤＣ電圧の周波数、デューティサイクル、及び／又は持続時間を調節する機能により、基板全体の処理の均一性の調整とその改善が可能になる。他にも有用な特性として、正と負の両方のＤＣバイアスパルスを印加する機能により、基板領域の電荷中和が提供されて、基板領域の表面は、定期的に中性電荷状態になり得る。
図３は、本明細書に記載の諸実施形態による、プラズマ支援処理の間に基板の領域にバイアスをかける方法３００を示すフロー図である。ステップ３１０で、方法３００は、処理ガスを処理チャンバに流入させる工程を含み、ステップ３２０で、この方法は、処理ガスからプラズマを形成する工程を含む。
ステップ３３０で、方法３００は、処理チャンバに配置された基板支持体に、基板支持体に配置されたチャック電極を用いて基板を電気的にクランプする工程を含む。ここで、この基板支持体は第１誘電体層及び第２誘電体層を含んでいる。
ステップ３４０で、方法３００は、基板支持体内に配置された複数のバイアス電極に複数の周期的ＤＣ電圧を供給する工程を含む。ここで、それぞれの周期的ＤＣ電圧は、個々のパルスＤＣバイアスを、基板の領域に対してそれとの容量結合によって供給する。いくつかの実施形態では、複数の周期的ＤＣ電圧は、複数の極性、複数の周波数、複数のデューティサイクル、及び／又は複数の持続時間を含む。パルスＤＣバイアスは、ステップ３３０で形成されたプラズマ内のイオンを基板に向かって加速させて、基板上で堆積や除去などの材料処理を実行する。ステップ３２０の後、ステップ３３０の後、ステップ３４０の後、又はステップ３５０の後にプラズマを形成してもよいことに留意すべきである。
本明細書に記載の基板支持アセンブリ及び方法により、静電クランプ力の使用に適合する、プラズマ支援処理の間の個々の基板領域の容量結合パルスＤＣバイアスが可能になる。パルスＤＣバイアスにより、基板表面及び／又はその領域、並びにその中に形成されたフィーチャー開口部におけるイオンのエネルギー及び角度の分布の制御が向上する。制御の向上は、少なくとも高アスペクト比のフィーチャー及び／又は直角なエッチングプロファイルを必要とするフィーチャーの形成において望ましい。そのような例には、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）への適用のための、又はＦｉｎＦＥＴ技術で用いられるシリコンフィンのためのシリコンエッチングなどがある。さまざまな周波数、デューティサイクル、極性、及び／又は持続時間のＤＣパルスを基板の種々の領域に印加する機能により、基板全体の処理の均一性の調整とその改善が可能になる。
上記は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他のさらなる実施形態を、その基本的な範囲から逸脱することなく創作することができ、その範囲は以下の特許請求の範囲に基づいて定められる。

Claims (1)

  1. 基板を処理するための方法であって、
    処理チャンバの処理容積内に配置された基板支持体上に基板を配置する工程と、
    処理ガスを処理容積に流す工程と、
    処理ガスのプラズマを形成する工程と、
    対応する複数の周期的ＤＣ電圧を使用して、基板の複数の領域にバイアスをかける工程を含み、
    複数の周期的ＤＣ電圧の各々は、複数の対応するスイッチ対を含むパルスＤＣバイアススイッチングシステムを使用して独立して制御され、
    各々のスイッチ対の第１のスイッチは第１のＤＣ電源に電気的に接続され、各々のスイッチ対の第２のスイッチは第２のＤＣ電源に電気的に接続される方法。
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