JP4384359B2 - 半導体ウェーハ処理システムにおいてｒｆ戻り電流経路制御を行う装置 - Google Patents

Description

【０００１】
（開示の背景）
１．発明の分野
本発明は、半導体ウェーハ処理設備に関する。一層詳しくは、本発明は、このような設備内にＲＦ電流の戻り経路に関する。
【０００２】
２．背景技術の説明
薄膜蒸着を精密に制御するためのプラズマ強化反応およびプロセスは、半導体業界にとってますます重要になっている。
【０００３】
図１は、従来技術の普通の物理的蒸着式（ＰＶＤ）ウェーハ処理チャンバ１００の簡略断面図を示す。チャンバ１００は、内部に普通のペデスタル組立体１０２を設置したボリュームを構成する一組の壁を包含する。このペデスタル組立体１０２は、ペデスタル１０６とサセプタ１０７とを包含する。サセプタ１０７は、ウェーハ１０４を支える表面１１４を有する。チャンバ１００のトップにあるチャンバ蓋１１０は、蒸着ターゲット材料（たとえば、チタン）を含有しており、陰極を形成すべく直流電源１１９によって負バイアスをかけられている。あるいは、個別のターゲットが、チャンバ蓋１１０から懸架されている。チャンバ蓋１１０は、チャンバ１００の残りの部分から電気的に絶縁されている。具体的には、絶縁体リング１１２が、チャンバ蓋１１０を、陽極を形成する環状の接地シールド部材１３４から電気的に隔離している。ペデスタル組立体１０２は、ウェーハ移送を容易にすべくチャンバ１００内に上下運動範囲を有する。ペデスタル組立体は、図１において上昇位置（ウェーハ処理位置）にある。チャンバは、リング組立体１１８を包含し、このリング組立体１１８が、蒸着が望ましくない部位、たとえば、サセプタの側部、ペデスタル下方などで生じるのを防ぐ。具体的には、ウェイスト・リング１２０およびカバー・リング１２２が、スパッタされた材料が基板以外の表面に蒸着するのを防止する。
【０００４】
直流電源１１９がオンになったとき、電界が、陰極のチャンバ蓋１１０と陽極のシールド部材１３４との間の反応帯域１０８に生じる。アルゴンのようなプロセス・ガスが、作動プロセス・ガス供給源（図示せず）を経て反応帯域１０８に与えられる。ハイパワーの直流電源１１９によって生じた電界は、プロセス・ガスをイオン化し、均一で高密度の低電子温度プラズマ１１６を生じさせる。接地シールド部材１３４は、反応帯域１０８を取り囲んでおり、プラズマ１１６を閉じ込めて蒸着を強化する。
【０００５】
イオン・メタライゼーション・システムにおいて蒸着をさらに強化するために、或る特殊なタイプのＰＶＤシステム、基板１０４およびサセプタ１０７に、プラズマ１１６に関して負バイアスをかける。これは、ペデスタル組立体１０２内の電極１３０にＲＦパワーを与えることによって達成される。通常、４００ＫＨｚの交流電源１３６を使用して基板１０４にバイアスをかけるが、１３.５６ＭＨｚの周波数源のような他の周波数源も使用し得る。負直流電位（すなわち、バイアス電圧）が、プラズマ１１６における正イオンと比べてより高い速度の電子の結果として基板１０４上に蓄積する。或る種のＰＶＤプロセスにおいては、中立ターゲット材料がターゲットからスパッタリングされ、プラズマ１１６に入ると、ターゲット材料が正にイオン化される。基板のところに負のＤＣオフセットがあるので、正にイオン化されたターゲット材料が、高度の垂直度で基板に引きつけられ、そこに堆積する。すなわち、正イオンの加速および／または速度の水平成分が減少すると共に、垂直成分が強化される。このようにして、「段差被覆」として知られる蒸着特性が向上する。
【０００６】
理想的には、ターゲット材料が基板１０４上へ堆積するにつれて、基板１０４（すなわち、半導体ウェーハ）にかかるバイアス電圧が安定状態に留まることである。基板１０４での安定した電圧レベルは、イオン化蒸着材料を基板１０４に均一に引き寄せる。均一な蒸着フィルム層が、半導体ウェーハ製造業界では非常に望ましい特徴である。シールド部材１３４からアースに通じる戻り経路を流れる電流による電圧低下がそれほどないときには、電圧安定性が最適化される。
【０００７】
従来技術において、ＲＦ電流のアース経路はむしろ遠回りである。たとえば、基板１０４は、シールド部材１３４と電気接触しているプラズマ１１６と電気接触している。シールド部材１３４は、チャンバ壁１０３に接続している。次いで、チャンバ壁１０３は、可撓性ベローズ１３８を通してペデスタル１０６に接続している。ペデスタルは、チューブ１４０を通してアースに接続しており、このチューブはベローズ１３６内を走行している。代表的には、ベローズ１３８は、相互に溶接した薄いステンレス鋼ディスクで作られている。こえらのディスクは、非常に薄く、ステンレス鋼は、導電率が比較的低い。このことは、戻り経路にわたる電圧低下が小さいので、ＤＣ電流にとって問題ではない。しかしながら、ＲＦ用途の場合、ほぼ２０〜３０アンペアの電流が普通である。ステンレス鋼ベローズ１３８は、高いＲＦインピーダンスを有する。こうしたわけで、大きい電圧低下が処理中にベローズを横切って発生するので、ＲＦ電流の戻り経路としてベローズは不適当である。戻り電流経路の大きいインピーダンスによって生じるこのような大きい電圧低下は、ペデスタル１０６の表面に高電圧が生じさせるる。プラズマは、かなり異なった電圧の２点間に衝突し、チャンバ内に漂遊プラズマを生じさせる可能性がある。たとえば、このような望ましくないプラズマは、高電位のペデスタル１０６と、他の任意のアースに近い部位、たとえば、シールド部材１３４、チャンバ壁１０１または焼出しランプ（図示せず）との間に衝突する可能性がある。漂遊プラズマは広がって、反応帯域１０９外側のスペースのすべて（すなわち、ペデスタル１０６、ベローズ１３８、シールド部材１３４およびチャンバ壁１０３間の領域）を満たす。漂遊プラズマは、ベローズ１３８、ペデスタル１０６からの材料をスパッタリングし、チャンバ環境に汚染物を導入すると共に、ペデスタル組立体の寿命を短縮させる可能性がある。
【０００８】
３００ｍｍウェーハ処理システムにおいては、アースに通じる経路は、特に長く、誘導される電圧は、非常に高い（たとえば、ピーク間電圧がほぼ７００ボルト）。この場合、ウェーハ１０４にかかる電圧が、不安定となり、非再現性となる。長い戻り経路は、また、再位置決め毎に変化する可変インピーダンスを生じさせる。アース経路を、シールド部材１３４とペデスタル１０６との間でウェイスト・リング１２０、カバー・リング１２２を経て設けてもよいが、この経路は、ウェーハ移送中にペデスタル組立体１０２が昇降する毎に壊れることになり、信頼性がない。
【０００９】
したがって、ウェーハ電圧安定性および蒸着の均一性を確保するためにＲＦ電流のための信頼できる低インピーダンス戻り経路についての必要性がこの技術分野に存在する。
【００１０】
（発明の概要）
従来技術に伴う欠点は、半導体ウェーハ処理チャンバのシールド部材、接地ペデスタル間の低インピーダンス電気接続を有するＲＦ戻り経路を提供する本発明の装置によって解消する。本発明の装置は、シールド部材とペデスタルとの間に直接電気接続部を形成する低インピーダンス戻り経路組立体を包含する。この戻り経路組立体は、ペデスタルに接続した導電性ストラップと、このストラップに接続した導電バーとを包含する。このバーは、ドーナツ型ばねを経てシールド部材と電気接触する。支持組立体が、戻り経路組立体の一部を機械的に支持している。具体的には、垂直バー、水平バーからなる支持組立体が、導電性バーを支持する。支持組立体は、チャンバ底壁に固着したカラーに取り付けられている。
【００１１】
したがって、戻り経路は、シールド部材からアースまで流れるＲＦ電流のための近道となる。この近道は、従来技術に存在した遠回り経路を避け、それによって、シールド部材とアース間のＲＦ電圧低下を低減する。アース経路は、ウェーハ・サイクリングを通じてそのままに留まり、シールド部材を取り外したときにのみ切断される。
【００１２】
本発明の教示は、添付図面に関連した以下の詳細な説明を考察することによって容易に理解することができる。
【００１３】
なお、理解し易くするために、可能な限り、図に共通の同じ構成要素を示すのに同じ参照符号を使用した。
【００１４】
（詳細な説明）
図２は、本発明のＲＦ戻り電流経路装置２０１を利用する半導体ウェーハ処理チャンバ２００の一部を示す横断面図である。チャンバ２００は、ボリュームを構成する一組の垂直壁２０３および底壁２１１を包含する。たとえば、チャンバ２００は、普通のペデスタル組立体２０２、リング組立体２１８および環状のシールド部材２３４を含有するＰＶＤウェーハ処理チャンバである。チャンバ２００の１例としては、カリフォルニア州、サンタクララのApplied Materials, Inc.の製造する３００ｍｍＰＶＤチャンバがある。本発明のＲＦ戻り電流経路装置２０１は、戻り経路組立体２５０および支持組立体２６０を包含する。チャンバ２００のトップにあるチャンバ蓋２１０は、蒸着ターゲット材料（たとえば、チタン）を含有しており、直流電源２１９によって負バイアスをかけられて陰極を形成している。環状のシールド部材２３４は、陽極を形成している。環状のシールド部材２３４は、垂直チャンバ壁から懸架されており、反応帯域２０８の側方境界を構成している。絶縁体リング２１２が、シールド部材２３４からチャンバ蓋２１０を電気的に絶縁している。
【００１５】
ペデスタル組立体２０２は、チャンバ２００内にウェーハ２０４を支持、保持する。ペデスタル組立体２０２は、ペデスタル２０６（時に「ドッグ・ディッシュ」と呼ばれる）、サセプタ２０７、ウェイスト・リング２２０、ベローズ２３８、チューブ２４０およびカラー２４８を包含する。サセプタ２０７は、代表的には、誘電材料（たとえば、ポリマーまたはセラミック）で作られている。サセプタ２０７は、ウェーハ２０４を支える表面２１４を有する。ペデスタルは、１つまたはそれ以上の電気抵抗型ヒータ２１３を包含する。サセプタ２０７内の電極２３０は、ウェーハ処理中に電力を導く付加的な陰極として作用する。さらに、サセプタ２０７は、オプションとして、ウェーハ２０４をサセプタ表面２１４に静電気的に引きつける（チャック把持する）電極（図示せず）を包含していてもよい。ウェイスト・リング２２０およびカバー・リング２２２からなるリング組立体２１８は、スパッタリングされた原子がペデスタル上またはその下方に偶発的に付着するのを防止する。ウェイスト・リング２２０は、ペデスタル２０６と当接し、ペデスタル２０６上に付着することになる漂遊ターゲット材料を捕獲する。ペデスタル組立体２０２は、チャンバ２００内の上下運動範囲を有する。ペデスタル組立体２０２は、図２では、下降位置において示されている。処理中、ペデスタル組立体２０２は、上昇位置（プロセス位置）に置かれる。この位置において、カバー・リング２２２は、僅かにウェイスト・リング２２０およびシールド部材２３４と重なり、ペデスタル下方の望ましくない蒸着を防いでいる。
【００１６】
可撓性のあるベローズ２３８は、ペデスタル２０６下方の雰囲気とその上方の真空との間に可撓性シールを与える。ベローズ２３８は、上端２４４のところで、ペデスタル２０６に取り付けてある。ベローズ２３８の下端２４６は、カラー２４８に取り付けてある。支持組立体２６０は、カラー２４８に取り付けてある。次に、カラー２４８は、チャンバ底壁２１１に取り付けてある。接地チューブ２４０は、ペデスタル２０６からベローズ２３２およびチャンバ壁２１１を貫いて延びている。チューブ２４０は、ペデスタル組立体２０２を機械的に支持しており、液体管路、ガス管路、電力リード線（たとえば、ヒータ２１３用）のための導管（すなわち、これらを囲むスペース用の導管）となる。たとえば、冷却チューブ２４５がチューブ２４０内を延び、ペデスタル１０６に冷却剤を与える。さらに、電極２３０は、チューブ２４０内部を延びる伝送線２３２を経てＲＦパワー源２３６に電気的に接続されている。
【００１７】
本発明の戻り経路組立体２５０は、シールド部材２３４とペデスタル２０６とを直接的に低インピーダンス接続する。戻り経路組立体は、導電性接地ストラップ２５２および導電バー２５４を包含する。ストラップ２５２は、普通の手段、たとえば、１つまたはそれ以上のネジ２５３によってペデスタル２０６に取り付けてある。ストラップ２５２は、ベリリウム銅のような非常に導電性が高く、耐久性のある材料で作る。ストラップ２５２は、ほぼ矩形であり、充分に長くて可撓性があるので、ペデスタル・アセンブリ２０２の上下移動を許す。ストラップ２５２の長さは、このストラップが、ペデスタルの昇降時に、チャンバの任意他の部品、たとえば、ペデスタル２０６または支持組立体２６０をこすって粒子を放出したり、しかも膠着したり、伸びたりしないようにするという設計目標で決まる。一般的に、ストラップ２５２の幅は、導電バー２５４の直径と合致している。たとえば、ストラップは、約５インチの長さ、約０．５インチの幅、約０．００３〜０．００４インチの厚さである。ストラップ２５２は、導電バー２５４を経てシールド部材２３４に電気的に接続されている。導電バーは、代表的には、無酸素銅から作られる。軸部２５６および頭部２５７を有するボルト２５５が、ストラップ２５２を導電バー２５４に固定している。
【００１８】
戻り経路組立体２５０の詳細が、図３に示す展開図に示してある。ストラップ２５２は、ボルト２５５の軸部２５６を受け入れる穴２５９を有する。ボルト２５５は、導電バー２５４にあるねじ孔２５８に螺合する。導電バー２５４の環状溝２５３内に配置したドーナツ型ばね２５１が、導電バー２５４とシールド部材２３４との電気接触を強化している。ドーナツ型ばね２５１は、図４に斜視図で示してある。ドーナツ型ばね２５１は、任意の弾力的な導電性材料（たとえば、ステンレス鋼（Inconel^TM））または他の適切な材料から作ってもよい。Inconel^TMは、ウエスト・バージニア州、ハンティングトンのInco Alloys International, Inc.の登録商標である。ドーナツ型ばね２５１は、オプションとして、腐食（たとえば、酸化）を防ぐように金メッキし、良好な電気接触を確保できるようにしてもよい。ドーナツ型ばね２５１は、導電バー２５４とシールド部材２３４との間に多数の並列電気接続部を作る。戻り経路組立体２５０のこの設計は、組み立て・分解を簡単にする。
【００１９】
導電バー２５４は、構造的に支持組立体２６０で支えられている。絶縁体２７０が、戻り経路組立体を支持組立体２６０から電気的に隔離している。支持組立体２６０は、カラー２４８に取り付けた水平バー２６２を包含する。垂直バー２６４が、水平バー２６２の末端２６３に取り付けてある。垂直バー２６４の上端２６５は、突出部分２６６および環状の棚２６７とを有する。コイル状ばね２７２が、突出部分２６６上に嵌合している。コイル状ばね２７２は、環状の棚２６７に当接する第１の端２７１を有する。ばね２７２は、突出部分２６６の外径にぴったりと合致する内径を有する。
【００２０】
絶縁体２７０は、ほぼ円筒形であり、ボルト２５５の軸部２５６を受け入れる寸法の中央孔２７４を備えている。絶縁体は、２つのカウンターボア２７６、２７８を有する。カウンターボア２７６は、ボルト２５５の頭部２５７を受け入れる寸法となっている。カウンターボア２１８は、垂直バー２６４およびコイル状ばね２７２を受け入れる寸法となっている。第１のリップ２７５が、カウンターボア２７６、２７８の交点のところに形成されている。ばね２７２の第２端２７３が、第１リップ２７５と係合している。第２のリップ２７７が、中央孔２７４とカウンターボア２１６の交点のところに形成されている。ボルト２５５の軸部２５６は、ボア２７４およびストラップ２５２の穴２５９内に受け入れられている。ボルト２５５をねじ孔２５８内に固着したとき、絶縁体２７２は、ストラップ２５２を導電バー２５４に固着する。ボルト２５５の頭部２５７は、第２リップ２７７と係合し、それによって、絶縁体２７０を導電バー２５４に固着している。ばね２７２は、垂直バー２６４にある環状の棚２６７と絶縁体２７０の第１リップ２７５との間に捕獲されている。ばね２７２は、シールド部材２３４に対して導電バー２５４を押圧する機械的な片寄せ力を提供する。カウンターボア２７８は、垂直バー２６４の直径と比較して大きい長さを有し、戻り経路組立体２５０の良好な整合を確保しなければならない。
【００２１】
図２に目を転じて、直流電源２１９がオンになると、電界が、チャンバ蓋２１０とシールド部材２３４との間の反応帯域２０８に発生し、プロセス・ガスをイオン化し、均一で高密度の低電子温度プラズマを生じさせる。イオン金属プラズマ（IＭＰ）として知られるコイル２３７が反応帯域２０８を取り囲んでいる。コイルＲＦ電源２３９（コイル２３７に接続）が、反応帯域２０８に付加的なＲＦパワーを与える。ＲＦ電源２３６が、ウェーハにバイアスをかけるのに必要な電力を与え、フィルム蒸着を向上させる。すなわち、先に説明したように、ウェーハに負直流バイアスが生ずる。ウェーハに印加されたＲＦ電力電圧は、ＲＦ電界を生じさせ、これが、ＲＦ電流を基板２０４からシールド部材２３４およびアースに通じるプラズマまで流れさせる。この電流は、次に、ドーナツ型ばね２５２を経てシールド部材２３４から導電バー２５４までの最低抵抗経路をたどり、次いで、ストラップ２５２を経てペデスタル２０６に流れる。電流は、ペデスタル１０６からチューブ２４０を経てアースに流れる。
【００２２】
本発明の戻り電流経路制御装置２０１は、経路の長さが短く、ストラップ２５２および導電バー２５４の導電率が高いことにより、従来技術よりも低いインピーダンスを有する。
【００２３】
したがって、ペデスタル２０６は、処理中、低い電圧にある。さらに、ウェーハが循環しているとき、アース経路組立体はそのままである。シールド部材２３４を取り出したときにのみ、この接続が壊れる。
【００２４】
したがって、戻り電流経路制御装置２０１のインピーダンスは、多数の基板がチャンバ２００を通して循環しているとき安定状態に留まる。その結果、蒸着は、基板が変わっても均一である。したがって、生産性が増大すると共に、欠陥基板の数および基板あたりのコストが低減する。
【００２５】
本発明の教示を取り入れた種々の実施例を詳細に図示し、説明してきたが、当業者であれば、これらの教示をなお取り入れた多くの他の変形実施例をように案出することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、ウェーハ処理チャンバにおける従来技術による基板支持体の横断面図である。
【図２】は、本発明のＲＦ戻り経路装置を使用する半導体ウェーハ処理チャンバの一部についての詳細横断面図である。
【図３】は、本発明の戻り経路組立体の一部の展開図である。
【図４】は、本発明の戻り経路組立体において使用するドーナツ型ばねの斜視図である。

Claims (15)

1. シールド部材とペデスタル組立体との間にＲＦ電流用の戻り電流経路を設ける装置であって、
   前記シールド部材及び前記ペデスタル組立体は、半導体ウェーハ処理チャンバ内に配置され、
   前記ペデスタル組立体は、内部に配置されたＲＦ電極を有し、
   前記装置は、前記ペデスタル組立体に前記シールド部材を電気的に接続する低インピーダンス戻り経路組立体を備え、
   前記低インピーダンス戻り経路組立体は、前記ペデスタル組立体に接続されかつ前記シールド部材に電気的に接続されたストラップを有し、前記ＲＦ電極及び前記シールド部材から前記ペデスタル組立体及び接地への経路を有するＲＦ電流を提供することを特徴とする装置。
2. 請求項１の装置において、前記低インピーダンス戻り経路組立体は、前記ストラップと前記シールド部材とに接続された導電バーをさらに包含し、前記導電バーが、前記ストラップと前記シールド部材とを電気的に接続することを特徴とする装置。
3. 請求項２の装置において、さらに、前記導電バーとシールド部材との間で配置したドーナツ型ばねを包含することを特徴とする装置。
4. 請求項２の装置において、さらに、前記導電バーを支持する支持組立体包含し、前記支持組立体が、さらに、水平バーに取り付けられる垂直バーを包含し、前記水平バーが、ペデスタル組立体に取り付けてあることを特徴とする装置。
5. シールド部材とペデスタルとの間にＲＦ電流用の戻り電流経路を提供する装置であって、
   前記シールド部材およびペデスタルが半導体ウェーハ処理チャンバ内に配置され、
   前記ペデスタルは、前記ペデスタル上に配置された基板にＲＦバイアスパワーを供給するための内部に配置されたＲＦ電極を有し、
   前記装置は、
   前記ペデスタルに接続したストラップと、
   前記ストラップに接続してあり、前記シールド部材と前記ストラップとを電気接続する導電バーと、
   前記導電バーの下方に配置してあり、前記導電バーを機械的に支持する支持組立体とを包含することを特徴とする装置。
6. 請求項５の装置において、前記ストラップが、前記ペデスタルが前記シールド部材とかみ合っている上昇位置と、前記ペデスタルが前記シールド部材とかみ合っていない下降位置との間における前記ペデスタルの上下運動を許すように充分に長いことを特徴とする装置。
7. 請求項５の装置において、さらに、前記導電バーと前記シールド部材との間に配置したドーナツ型ばねを包含することを特徴とする装置。
8. 請求項５の装置において、前記支持組立体が、水平バーに取り付けた垂直バーを包含し、前記水平バーが前記ペデスタルに取り付けてあることを特徴とする装置。
9. 請求項８の装置において、さらに、前記導電バーと前記垂直バーとの間で配置した絶縁体を包含することを特徴とする装置。
10. 請求項９の装置において、さらに、前記垂直バーと前記絶縁体との間に配置したばねを包含することを特徴とする装置。
11. 半導体ウェーハ処理チャンバであって、
    一組の側壁、底壁および蓋を有するチャンバと、
    前記側壁から懸架された環状のシールド部材と、
    ペデスタル、ＲＦ電極およびウェーハ支持体を有するペデスタル組立体と、
    前記ＲＦ電極に接続されたＲＦパワー源と、
    前記シールド部材を前記ペデスタルに電気的に接続する低インピーダンス戻り経路組立体とを包含し、
    前記低インピーダンス戻り経路組立体は、前記ペデスタルに接続されかつ前記シールド部材に電気的に接続されたストラップを有し、前記ＲＦ電極によって生成されたＲＦ電流が、前記シールド部材から前記ペデスタルを通って接地へ流れる経路を提供することを特徴とする半導体ウェーハ処理チャンバ。
12. 請求項１１の半導体ウェーハ処理チャンバにおいて、さらに、前記戻り経路組立体の一部を機械的に支持する支持組立体を包含することを特徴とする半導体ウェーハ処理チャンバ。
13. 請求項１１の半導体ウェーハ処理チャンバにおいて、前記戻り経路組立体が、前記ストラップと前記シールド部材とに接続された導電バーをさらに包含し、前記導電バーが、前記ストラップと前記シールド部材とを電気的に接続することを特徴とする半導体ウェーハ処理チャンバ。
14. 請求項１３の半導体ウェーハ処理チャンバにおいて、さらに、前記導電バーと前記シールド部材との間に配置したドーナツ型ばねを包含することを特徴とする半導体ウェーハ処理チャンバ。
15. 請求項１２の半導体ウェーハ処理チャンバにおいて、さらに、前記底壁に取り付けたカラーを包含し、前記支持組立体が、前記カラーに取り付けた水平バーと、前記水平バーに取り付けた垂直バーとを包含することを特徴とする半導体ウェーハ処理チャンバ。

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