JP4007640B2 - 静電チャック用シールド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集積回路の製造技術に関する。特に、本発明は、改良型の静電チャック用シールド、及び静電チャック上の半導体ウェハを把持する方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックは、高密度プラズマ反応のような製造工程中に半導体ウェハをクランプする装置として、半導体産業では幅広く用いられている。静電チャックは、ウェハをチャックに固定するため、正負に帯電された表面間の静電気力を用いる。通常、静電チャックを製作する場合、アルミニウムのようなプロセスに適合した金属を適切な支持ペデスタルに機械加工し、その上面にグリットブラスト加工を施す。次に、セラミックのような誘電材料層を、ペデスタル上面に積層し、ウェハを支持する平滑面になるまで研削する。処理中、ウェハと金属ペデスタルとの間に電圧を印加し、誘電体層の一側に正電荷を、他側に負電荷を生じさせる。この電荷が、誘電体層の両側間に実質的に均一な吸引クーロン力を発生し、誘電体層にウェハを固定する。
【０００３】
ウェハ処理中、静電チャックはしばしば、処理チャンバからのイオン衝撃、及び高周波エネルギー又は無線周波（ＲＦ）エネルギーを受ける。時間が経つにつれて、イオン及びＲＦエネルギーはセラミック被覆静電チャックの各部を損傷させるおそれがある。チャックを保護してその寿命を延ばすために、「プロセスキット」と呼ばれるシールドを処理チャンバ内の静電チャック周りに配置することが多い。通常、シールドは、チャックを取り囲む、誘電性物質のような絶縁材料から成る環状カラーである。また、この絶縁カラーは、チャックを貫通してエネルギーを導くことによってウェハ上にエネルギーを集中するよう機能することもできる。加えて、絶縁カラーは一般に、静電チャックの誘電体層より上に配置されて、ウェハを受ける内側凹部を形成する。従って、チャックから与えられる静電気力が失われた場合、絶縁カラーは、（例えば、ウェハ下部の冷却ヘリウムガスの圧力によって）ウェハが誘電体層の上面を滑って離脱することを防止する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静電チャック用の従来のシールド、即ち絶縁カラーの欠点の一つとしては、通常、クリーニングには長い時間が必要で、ウェハ製造プロセスの処理量を低下させてしまうという点がある。処理チャンバ内の他の構成部品の露出面と同様に、絶縁カラーの露出面は、普通、処理ガスからＳｉＯ₂等の酸化物が堆積した後にクリーニングされる。これらの堆積物は定期的に除去しなければいけない。絶縁カラーの上面はウェハ近傍に位置するので、この上面は通常、処理チャンバ内の他の面と比べて多量の酸化物堆積を受ける。実際、絶縁カラーの上面の酸化物堆積物はしばしば多量となるので、処理チャンバ全体のクリーニング率（即ち、酸化物堆積物除去率）が絶縁カラーのクリーニング率に相当してしまう。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガス生成物の堆積を抑えるよう設計された、半導体処理チャンバ内の静電チャック用の改良型シールドを提供する。また、このシールドは、比較的迅速に酸化物の堆積物を除去することにより、ウェハ製造プロセスでの処理量を高めるよう設計されている。
【０００６】
本発明の装置には、導電性ペデスタルと、このペデスタルと半導体ウェハとの間に配設された、誘電体被膜のような絶縁層とを備える静電チャックが含まれる。シールドは、少なくとも部分的にペデスタルを取り囲む第１シールド部材と、第１シールド部材より上方で支持され、ウェハに隣接した露出上面を画成する、別体の第２シールド部材とを含む。第２シールド部材は、第１シールド部材と実質的に断熱されているので、例えば、処理中に、処理チャンバ内のＲＦエネルギーから実質的に大きな熱量を受ける。酸化物堆積率は通常、処理チャンバの表面温度に反比例するので、第２シールド部材が受ける熱は、露出上面への酸化物堆積を抑える。
【０００７】
本発明は、シールドを第１と第２の互いに実質的に断熱されたシールド部材に分割し、それによって第２シールド部材の、露出面対熱質量の比を向上する。第１と第２シールド部材は互いに接触状態にあるが、低圧処理チャンバ環境（普通は約５ｍＴｏｒｒのオーダー）においては両部材の熱伝導を効果的に防ぐ、狭い間隙によって分離されている。従って、第２シールド部材は、チャンバ内でのイオン衝撃により実質的に高温に加熱されるので、第２シールド部材の露出上面上への堆積率は低下する。加えて、シールドのクリーニング率つまり酸化物堆積物の除去率も普通は、その温度の関数である（即ち、シールドが熱い程、より速く洗浄される）。従って、第２シールド部材の熱質量が相対的に小さいと、プロセスでの処理量を高めるクリーニング率は向上する。
【０００８】
ある特定の構成においては、第２シールド部材の上面は、ウェハ上面よりも下に配置される。こうすることよって、第２シールド部材上での酸化物堆積率は更に低下し、ウェハ縁部の透視線を改善する。従って、ウェハ縁部は、第２シールド部材の方が高い位置にある場合よりも、高い堆積率を持つであろう。いくつかのプロセスにおいては、第２シールド部材のこの低位置は、処理中に普通生じるであろうウェハ中心での高い堆積率を修正するという利点がある。
【０００９】
第２シールド部材には更に、その上面から上方に延びる一つ以上のタブが含まれる。静電気力が、ウェハを静電チャックに保持するには十分ではない場合に、ウェハを静電チャックに保持するため、ウェハの周囲に間隔を空けてタブが設けられる。例えば、冷却ガスはしばしば、半導体ウェハとチャックとの間の隙間に送られて、ウェハ温度を下げる。この冷却ガスはウェハ裏面に当たり、ウェハをチャックから引き離す。例えば作業者によって偶発的に過剰な冷却ガスが、ウェハに送られた場合、タブは、静電チャックからウェハが落下するのを防ぐ。タブは、ウェハ上面よりわずかに上に延在する細長い部材であることが望ましい。この寸法形状により、タブの断面を小さくすることができるのでウェハ上へ堆積の均一性に対する影響を最小限にするとともに、細長いタブ上へ酸化物堆積量を最小限にする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って詳細に説明するが、図中、同一符号は同一要素を示すこととする。図示のウェハ処理装置２は静電チャック４が組み込まれている。この静電チャック４は、ウェハ処理装置２の高密度プラズマ反応チャンバ８内でペデスタルアセンブリ１４上に半導体ウェハＷを支持して、静電的に保持するためのものである。本発明の原理によれば、処理チャンバからのイオン衝撃及びＲＦエネルギーからペデスタルを保護するために、且つ、チャックを貫通してＲＦエネルギーを導きエネルギーをウェハ上に集中させるために、シールド５がペデスタルアセンブリ１４を取り囲んでいる。
【００１１】
図１において、ウェハ処理装置２は、プラズマ反応チャンバ８とペデスタルアセンブリ１４とを格納するエンクロージャアセンブリ１２を含む。エンクロージャアセンブリ１２は、電気機能、配管機能及びチャンバのための他のサポート機能を提供するメインフレームユニット（図示せず）に取り付けられている。装置２は通常、メインフレームユニットに、例えばボルトで脱着自在に取り付けられ、それによってプラズマ反応チャンバ８は、メンテナンスや修理の際の取外しが可能になり、また、別のチャンバと交換することが可能となる。ウェハ処理装置２の図示実施形態と互換性のあるメインフレームユニットは現在、アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サンタクララのアプライド・マテリアルズ・インコーポリイテッドからPrecision 5000（商標）並びにCentura 5200（商標）システムとして市販されている。しかし、本発明はマルチチャンバ処理システム中のプラズマ反応チャンバの一部として図示して説明されているが、これに限定されるものでないことは言うまでもない。即ち、本発明は、エッチング、堆積、その他の様々な処理チャンバで用いることができる。
【００１２】
静電チャック４は、プラズマ反応チャンバ８用の周知の電気回路２２を含んでいる。回路２２は直流電源２４とＲＦ電源２７とを含む。直流電源２４は、例えば１０００ボルトの適切なクランプ電圧を、ウェハとペデスタルアセンブリ１４との間に供給し、当該電源２４とＲＦ電源２７とを絶縁させる低域フィルタを介してペデスタルアセンブリ１４に接続されている。各ＲＦソース電力及びＲＦバイアス電力は、インピーダンス整合ネットワーク２８を介してＲＦ電源２７に結合されており、ソース電力は誘導アンテナ３０に結合され、バイアス電力はペデスタルアセンブリ１４に結合される。ＲＦバイアス電力と直流電圧の両方のためのアース基準は、アースされた上部電極３２である。直流電源２４は、ウェハＷをペデスタルに静電的に保持する電界を生成するためのクランプ電圧を供給する。ウェハＷを解放（つまり、チャックを外す）したい時、ゼロ出力電圧側又は、ウェハの解放を加速させたい場合には対向電極電圧側の、どちらかへ電源２４を切り換えてもよい。
【００１３】
プラズマ反応チャンバは、高密度プラズマを発生させて、それを維持するために、誘導結合されたＲＦ電力を使用する。ＲＦバイアス電力は、バイアス電流用の戻り路を備えるプラズマソース領域内に位置するアース電極３２と共働して、ウェハＷとペデスタルアセンブリ１４を介してプラズマに容量的に結合される。図示実施形態のプラズマ反応チャンバ８のより詳細な説明、及びそのウェハ処理での動作は、Collins他に付与された米国特許第5,350,479号明細書に見出すことができる。なお、この米国特許明細書の内容は本明細書で援用する。
【００１４】
図３について説明する。ペデスタルアセンブリ１４は支持体４０から構成されており、この支持体４０は、上面で冷却するウェハからの熱の吸収を促進するよう、高い熱質量（high thermal mass）と良好な熱伝導性を有する導電材料から一体ブロックとして製作されるのが望ましい。アルミニウムや陽極酸化アルミニウムが、支持体４０にとって好適な材料である。なぜなら、これらは、約2.37Ｗ／ｃｍ−℃の高い熱伝導率を持ち、一般に半導体ウェハと処理適合性があるからである。支持体４０は、ステンレス鋼やニッケル等の他の金属からできていてもよく、支持体４０は、非伝導材料を添加してもよく、また支持体４０全体を、非伝導材料又は半導材料で構成してもよい。別の実施態様の支持体はセラミックのモノリシック板で構成している。この構成において、セラミックの内部には、埋め込んだ導体エレメントが組み込まれている。導体エレメントには、金属エレメント、未加工の印刷金属膜（green printed metalization）、メッシュスクリーン等を備えてもよい。支持体４０は、支持体４０の外周面から外方に延びる環状取付フランジ４２を形成している。好ましくは約７００ボルトの電圧が、直流電源２４（図１）によってペデスタルアセンブリ１４に印加され、支持体４０上面の近傍にウェハＷを保持する静電吸引力が生じる。
【００１５】
図２及び図３において、静電チャック４は、ウェハＷの下面を支持するため、支持体４０の上面４１を覆う誘電材料４６の平滑層を備えている。誘電体層４６は、４個のリフトピン穴４８（図２）の上側の範囲を除いて、支持体４０の上面全体を均一に覆う。誘電体層４６は、以下でより詳細に検討するように、支持体４０の上面４１をプラズマスプレーで被覆するアルミナ、酸化アルミニウム、又はアルミナ／チタニア組成物のセラミック誘電体薄膜層４６（通常、約０．１０インチ（２．５４ｍｍ）〜約０．３０インチ（７．６２ｍｍ））で構成するのが望ましい。
【００１６】
ウェハ処理装置２は、ウェハＷを冷却するためのガス分散システムを含むのが望ましい。そのために、装置２は、ペデスタルアセンブリ１４の支持体４０内に、軸方向に配設された複数のガス導管５４（図３）と連通するガス入口５２（図１）を備える。ヘリウム等の冷却ガスは、ガス導管５４を通して、ウェハと支持体４０の上面との間の間隙空間に送られる。適切なガス分散システムのより詳細な説明は、前記の米国特許第5,350,479号明細書に記載されている。
【００１７】
ここで、本発明のシールド５を、図２〜図４を参照して詳しく説明する。シ−ルド５は、第２シールド部材６２の下に配置される第１シールド部材６０を備えている。第２シールド部材６２は、環状フランジ４２と外側支持リング６６とによって支持されている。支持リング６６は、支持体４０の側面を保護するためのセラミックＲＦシールドを備える。第１シールド部材６０は、当該シールド部材６０を所定位置に保持するよう、カラー６８と係合する外側環状フランジ６３を有している。カラー６８は、チャンバクリーニングに必要とされる時間を短縮するようエンクロージャアセンブリ１２の底壁の一部を覆う石英製のアウタージャケットであることが望ましい。第２シールド部材６２は、両シールド部材６０，６２が、僅かな間隙ギャップ１００によって互いに分離されるよう、第１シールド部材６０によって支持されるのが望ましい。ギャップ１００は、それぞれ、第１シールド部材６０と第２シールド部材６２の上下面が本来有する表面粗さによって形成される。普通、ギャップ１００の厚さは、約０．５ｍｉｌ〜約５ｍｉｌである。処理チャンバの、相対的に低圧の環境（通常、約５ｍＴｏｒｒのオーダー）において、ギャップ１００は、第１と第２シールド部材６０，６２間の熱伝導を抑制する熱バリアーとなる。もちろん、所望であれば、第２シールド部材６２は更に、シールド部材６０，６２間に配置される支持部材（図示せず）によって第１シールド部材６０から更に隔離されてもよい。
【００１８】
図２及び図３に示すように、第１及び第２シールド部材６０，６２の内径を支持体４０の直径よりも大きくして、それらの間にギャップ６４を画成するのが望ましい。ギャップ６４は、支持体４０が処理チャンバ８内で加熱される時、支持体４０の膨張のための空間を提供し、更にシールド部材６０，６２内で、チャックやシールド部材を損傷することなく、静電チャックを挿入したり、取り外すことができることも確実にする。シールド部材６０，６２は、チャンバ８内のウェハＷ上方の高温プラズマが静電チャック４の一部と接触することによってそこを腐蝕させないようにする絶縁材料、又は少なくとも抑制する絶縁材料（すなわち誘電材料）を備えるのが望ましい。しかし、シールド部材６０，６２を絶縁材料に必ずしも限定する必要がないことに留意すべきであり、実際、本出願人は、半導体材料で構成したシールド部材６０，６２は、チャンバ８内のプラズマからチャック４を効果的に保護できることを見いだした。
【００１９】
第２シールド部材６２は、実質的に平面である上面７２を有する薄いリング７０であり、この上面７２は、処理チャンバ８内でガスによる堆積をうける。第１シールド部材６０は、第２シールド部材６２とカラー６８とによってチャンバ８と隔離されており、従って、通常その上に酸化物の堆積を受ることはない。第２シールド部材６２の熱質量は、第１シールド部材６０の熱質量よりも実質的に少さい。通常、第１と第２シールド部材６０，６２間の熱質量比（thermal mass ratio）は、約２対１〜１０対１の範囲にあり、好ましくは約４対１〜７対１である。加えて、シールド部材６２の熱質量に対する露出上面７２の表面積比は相対的に高く、普通は約０．１〜５ｃｍ²Ｋ／Ｊであり、好ましくは１〜１．６ｃｍ²Ｋ／Ｊである。
【００２０】
シールド部材６０，６２は、互いに効果的に隔離されているので、第２シールド部材６２の熱質量に対する露出表面積の高い比により、シールド部材６２は、チャンバ内のＲＦエネルギーによって相当の高温まで加熱される。酸化物堆積率は普通、処理チャンバ内の表面温度に反比例するので、第２シールド部材が受け取る熱は、露出上面上への酸化物堆積を抑制する。従って、シールド部材６２の寸法形状（即ち、熱質量に対する露出面の高い比）は、上面７２上の堆積率を最小化する。加えて、普通は、シールドのクリーニング率つまり堆積物除去率はその温度の関数である（即ち、処理中にシールドが高温になればなるほど、速くクリーニングできる）。従って、第２シールド部材６２のクリーニング率は高まり、装置２の中断時間が短縮され、それによってプロセス処理量が高まる。
【００２１】
図４に明示するように、第１と第２シールド部材６０，６２は、ウェハが誘電体層４６の上面に載置されているか、又はその近傍にある時、シールド部材６２の上面７２が、ウェハの上面より下に位置するような大きさを取ることが望ましい。ウェハ上面より下の位置にシールド５を配置することは、上面７２への酸化物堆積率を更に低下させ、ウェハ縁部に対して改善されたラインを提供する。従って、ウェハ縁部は、シールド５がウェハより上に延在している場合よりも高い堆積率を得るであろう。いくつかのプロセスで、このことは、処理中に普通生じるウェハ中心での高い堆積率を修正するという利点がある。
【００２２】
第２シールド部材６２は更に、上面７２の周に沿って円周方向に間隔を空けて設けられた多数の、好ましくは少なくとも３個の細長いタブ７４を有している。上面７２がウェハの表面より下に位置決めされるので、電気回路２２及びチャック４により与えられる静電気力がウェハを保持する目的に十分ではない場合（（例えば、ウェハ下部への過剰なヘリウム冷却ガスによる圧力が原因である場合等）、タブ７４は誘電体層４６上のウェハを保持するのに役立つ。タブ７４の長手方向軸線は、チャック４の中心に向かって径方向内方に向けられるのが望ましい。この比較的薄い外形は、タブ７４上への堆積を最小化して、ウェハ上へのガス流との干渉を抑え、タブ７４上の堆積率を減少させる。タブ７４は、誘電体層４６上のウェハを適切に保持してその上への堆積を最小化するよう選択された、ウェハ表面を超える高さを有するのが望ましい。タブ７４は、ウェハ表面より上に約０ｍｉｌ〜３０ｍｉｌ程度高いことが望ましい。
【００２３】
ここで、図１〜図４を参照して、ウェハＷの処理方法について述べる。ウェハＷは最初に、ロボットウェハ搬送システム（図示せず）の支持ブレードにより、誘電体層４６の平坦な上面上に配置される。次いで、支持体４０及び誘電体層４６の穴４８（図２を参照）にリフトフィンガー（図示せず）を通して伸長させることによって、このリフトフィンガーでウェハＷの下面を係合する。リフトフィンガーを更に伸ばすと、リフトフィンガーはウェハＷをロボット搬送システムから持ち上げ、支持ブレードは後退する。ウェハＷはその後、誘電体層４６の上面へと下降し、支持体４０がウェハＷを支持する。
【００２４】
支持体４０にウェハＷを固定するには、誘電体層４６（図１）の上面上、又は近傍にウェハＷを保持する静電吸引力を生じるよう、電源２４からペデスタル１４にクランプ電圧として約７００ボルトを印加する。その後、チャンバ８の内部を適切な真空圧まで排気し、処理ガスをチャンバ８内に導入し、シャワーヘッド（図示せず）を介して従来の方法で処理ガスをウェハＷ上に均一に分散させる。ＲＦ電源２７は、ウェハ上に例えばＳｉＯ₂等の層を堆積させ且つ／又はエッチングするために、誘電的に結合されたＲＦ電力を発生させチャンバ８内に高密度プラズマを生成する。ＲＦ電源は、処理の間、ウェハＷとシールド部材６０，６２に大きな熱的負荷を与える。
【００２５】
堆積処理中、ウェハＷの上に、及び、エンクロージャ１２の内壁と第２シールド部材６２の上面７２のようなチャンバ露出面の一部の上に、処理ガスからの酸化物が堆積される。シールド部材６２の熱質量は、上面７２の表面積と比べて相対的に小さいため、第２シールド部材６２は、ＲＦ電源から相対的に大きい熱量を受け取る。このことにより、上面７２上への酸化物堆積率は低下する。加えて、上面７２は、ウェハ上面（図４）での堆積を更に減少させるため、その上面よりも下に位置決めされている。クリーニング中、第２シールド部材６２の相対的に小さな熱質量によりそのクリーニング率が向上して、プロセスでの処理量が高まる。
【００２６】
以上、特定の実施形態について詳細に説明したが、様々な修正、代替構成、及び相当品を用いることもできる。従って、上記説明及び図面を、特許請求の範囲によって特定される本発明の適用範囲を限定するものとして捉えるべきではない。例えば、本発明は、上記の単体ウェハチャンバに限定されないことを留意すべきである。実際、静電チャック及びシールドは、複数のウェハに同時処理が行われるバッチチャンバ内に設置されてもよい。加えて、本発明は、各ウェハに個々の処理ステップを連続して行う、マルチウェハチャンバに用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理に従う静電チャックと絶縁カラー（シールド）を組み込んだ高密度プラズマ反応チャンバを示す概略図である。
【図２】図１の静電チャックと絶縁カラーの平面図である。
【図３】図２に示す静電チャックの３−３線に沿っての断面図である。
【図４】図２の絶縁カラーと静電チャックの一部分を示す断面図である。
【符号の説明】
２…ウェハ処理装置、４…静電チャック、５…シールド、８…チャンバ、１２…エンクロージャアセンブリ、１４…ペディスタルアセンブリ、２２…電気回路、２４…直流電源、２７…ＲＦ電源、２８…整合回路、３０…アンテナ、３２…上部電極、４０…支持体、４１…上面、４６…誘電体層、６０…第１シールド部材、６２…第２シールド部材、６４…ギャップ、６６…支持リング、６８…カラー、７０…リング、７２…上面、７４…タブ、１００…ギャップ。

Claims (11)

1. 処理チャンバ内に配置され、ウェハを受ける実質的に平坦な面を有する絶縁要素と、
   前記実質的に平坦な面と対向する前記絶縁要素の表面に隣接する導電要素と、
   前記導電要素を少なくとも部分的に取り囲む第１シールド部材と、
   前記第１シールド部材より上方に支持され、少なくとも部分的に前記絶縁要素を取り囲むように配置された別個独立の第２シールド部材とを備え、
   前記第１シールド部材の上面全体が前記処理チャンバに露出していないウェハ処理装置。
2. 前記第１シールド部材及び前記第２シールド部材は互いに実質的に断熱されている、請求項１に記載のウェハ処理装置。
3. 前記第１シールド部材及び前記第２シールド部材は、互いに固体対固体の接触を形成し、前記第１シールド部材及び前記第２シールド部材は間に隙間を画成し、前記隙間が低圧環境での前記第１及び第２シールド部材間に実質的な熱バリアを形成している、請求項２に記載のウェハ処理装置。
4. 前記第２シールド部材が前記第１シールド部材よりも実質的に小さい熱質量を有する、請求項１に記載のウェハ処理装置。
5. 前記第２シールド部材は所定の表面積を持つ露出上面を画成しており、前記第２シールド部材の前記熱質量に対する前記露出上面の前記表面積の比は約１ｃｍ^２Ｋ／Ｊ〜約１．６ｃｍ^２Ｋ／Ｊである、請求項２に記載のウェハ処理装置。
6. 前記第１シールド部材及び前記第２シールド部材は、前記絶縁要素及び前記導体要素を実質的に取り囲む環状リングである、請求項１に記載のウェハ処理装置。
7. 前記第２シールド部材は、露出上面と、前記露出上面から延びる複数の突出部とを画成しており、
   前記突出部は、その間で半導体ウェハを保持するようになっている、請求項１に記載のウェハ処理装置。
8. 前記第２シールド部材の上面は、前記ウェハの厚さよりも小さい距離だけ前記絶縁要素の前記平坦な面より上に延在する、請求項１に記載のウェハ処理装置。
9. 前記第２シールド部材は約０ｍｍ〜約５ｍｍだけ、前記絶縁要素の前記平坦な面より上に延在する、請求項１に記載のウェハ処理装置。
10. 前記ウェハを前記絶縁要素に保持するよう前記ウェハと前記導体要素との間に静電気力を生じる手段を更に備える、請求項１に記載のウェハ処理装置。
11. 集積回路デバイスの製造方法であって、
    電極を覆うよう配置された絶縁要素における実質的に平坦な面に隣接して、処理チャンバ内で半導体ウェハを位置決めするステップと、
    互いに別個独立の第１部分及び当該第１部分よりも上方に配置された第２部分からなり前記電極を実質的に取り囲むシールド部材により、前記電極をシールドするステップと、
    前記第１部分の上面全体が前記処理チャンバに露出しないように、前記第１部分の上面全体をシールドするステップとを備える集積回路デバイス製造方法。

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