JP4808330B2 - プロセスガス配給装置及び処理チャンバ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理装置に関する。特に本発明は、プラズマガスを処理チャンバの処理区域内に制限するための装置及び処理チャンバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路（ＩＣ）やその他の電子デバイスの製造では、電導性、半電導性、誘電性の多数の層が、基板の表面に堆積され、また除去される。集積回路デバイスは、水平及び垂直の導電経路を備えている。水平の導電路ないし相互接続部は典型的には線と呼ばれ、一方、垂直の導電路ないし相互接続部は典型的には、接点またはバイアと呼ばれる。接点は、下にある基板の上のデバイスに伸び、バイアは、下にあるメタル層に伸びる。
【０００３】
電導性、半電導性、誘電性の薄膜の形成、堆積、除去は、多種の技術による。最新の処理法における共通の堆積技術としては、スパッタリングとしても知られる物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、プラズマ励起化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、電気めっき等がある。
【０００４】
化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスでは、基板は前駆体ガスに曝露され、この前駆対ガスは基板の表面で反応し、基板の上に反応生成物を堆積して、この上に膜を成長させる。この表面反応は、少なくとも２つの異なる方法により行うことができる。熱プロセスでは、基板は十分に高い温度に加熱され、基板に接している前駆体ガスがを反応を引き起こして基板上に層を堆積するに必要な活性化エネルギーを提供する。ＰＥＣＶＤプロセスでは、前駆体ガスは、前駆体ガスを励起して、所望の材料を形成するために基板表面の上で反応するイオン及びラジカル等のエネルギーを得た状態にするに十分高い電磁界を受ける。
【０００５】
ＰＥＣＶＤは、様々な基板の上にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を堆積するため半導体デバイスの製造で用いられる１つのプロセスである。シリコンカーバイドはＩＣの用途では、バリア層及びエッチストップとして有用な１つ材料であり、また、プリメタル誘電体（ＰＭＤ）レベルをはじめとするマルチレベルの反射防止コーティング（アーク）として有用な材料である。ＳｉＣを堆積するためのＰＥＣＶＤプロセスでは、処理チャンバにシランガス（ＳｉＨ₄）及びメタンガス（ＣＨ₄）の導入操作を有し、そこでは、ガスが反応し、チャンバ内に配置される基板の上にシリコンカーバイドの膜層を形成する。ガス分配組立体は、チャンバにガスの導入において基板表面の上に均一にガスを配給するためにＰＥＣＶＤチャンバで一般に利用される。均一なガス配給は、基板の表面の上で均一なＳｉＣ堆積を形成することに優れている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１は、従来の誘電堆積チャンバ３０の横断面図を示す。堆積チャンバ３０は、ペデスタル３２と、チャンバ壁３４と、ガス配給組立体ないしシャワーヘッド４０を備えている。シャワーヘッド４０は、典型的にはチャンバ内で電極として機能する平坦な下面を示す。しかし、ＰＥＣＶＤプロセス及び図１に示したようなハードウェアでは、プロセスによっては、堆積の均一性、再現性や信頼性における問題を示してきた。例えば図２は、図１に示す従来のチャンバを用いて処理される基板上の典型的なプラズマ電荷密度を示す。図示のように、プラズマ電荷密度は、基板の全面について均一でない。さらに、参照番号７７で示すように、プラズマ密度は、中心よりも基板の端の方で大きくなっている。典型的には、堆積均一性は、電極の周囲のまわりでプラズマ密度が増大する結果、基板のエッジでは中心と比較してより厚いかより大きい。したがって、堆積プロセスにおけるプラズマエッジ効果を防止して、堆積均一性、再現性及び信頼性を大きく向上させるためのニーズが、コストに有効な解決法のために存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プラズマガスを基板処理チャンバの処理区域に制限するための装置を提供する。１つの側面では、プラズマを処理チャンバ内に制限するための装置が提供され、これは、環状の電極実装面を有する上側区分と、内側環状制限壁及び外側環状制限壁を有し、上側実装区分と一体的に形成される下側区分とを備えている。内側環状制限壁は、チョークアパーチャを形成するために外側環状の制限壁の方へ、垂直線からある角度で広がっている。別の側面では、環状の電極表面を有する上側区分と、内側制限壁及び外側制限壁を有し上側区分と一体的に形成される下側区分とを備える装置が提供される。さらに別の側面では、プロセスガスを供給するための装置が提供され、この装置は、ガス入口及びガス出口を有するガス配給組立体と、環状の部材とを備え、この環状の部材は、電極実装表面を有する上側区分と、内側環状制限壁及び外側環状制限壁を有し上側区分と一体的に形成される下側区分とを備える。
【０００８】
また別の側面では、プラズマを処理チャンバに制限するために処理チャンバはが提供される。処理チャンバは、処理キャビティを画するチャンバ本体と、処理キャビティ内に配置される基板支持部材と、少なくとも１つのガス入口及び少なくとも１つのガス出口を有するガス配給組立体と、環状の部材とを備え、この環状の部材は、電極実装表面を有している上側区分と、内側環状制限壁及び外側環状制限壁を有し上側区分と一体的に形成される下側区分とを備える。
【０００９】
上記に挙げた本発明の機能、利点及び目的を達し詳細に理解することができるよう、添付の図面で例示する本発明（簡潔に上に要約した）の特定の説明を、具体例を参照して行う。
【００１０】
しかし注意すべきは、添付の図面は本発明の典型的な実施例を例示するだけのものであり、従って範囲を限定するものではなく、本発明の他の等しく有効な具体例も許される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は一般に、基板処理チャンバのプラズマ区域内にチョークアパーチャを形成する電極延長部材に関する。チョークアパーチャは、より大きいプラズマ密度が典型的には形成される基板のエッジでプラズマ区域の容量を減らす。延長部材は、少なくともその一部がプラズマ区域の周囲に伸び、基板のエッジのまわりのプラズマの容量を減らす。さらに、電極延長部材は下方へ伸びる部分を提供し、これは、プラズマの横の境界を画する。従って、電極延長部材は処理チャンバの接地された制限壁から離れるようにプラズマを制限し、制限壁への損失を防止する。その結果、より均一な層堆積が基板の全面に対して得られる。
【００１２】
多くの基板処理チャンバは、商業的に入手可能である。説明の明瞭さ及び平易のため、以下の説明は主に、米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社より入手可能でありまた、Zao らの米国特許第５，５５８，７１７号に説明されるＣＶＤ ＤＸＺ チャンバとして知られる処理チャンバを参照する。
【００１３】
図３は、ＣＶＤ ＤＸＺ チャンバの断面図である。ＣＶＤ ＤＸＺ チャンバ２０は、チャンバ本体２２を備え、これは典型的にはアルミニウム製であり、プラズマ処理領域２４を有する内部の真空チャンバ２３を画している。チャンバ２０は、支持面３４を有するペデスタル３２を有し、その上で基板３６が所望の材料を化学気相堆積するために支持される。垂直に可動のリフトピン３８は、支持面３４に対しての基板３６の出し入れを容易にする。チャンバ２０は更に、チャンバ２０にプロセスガス及びパージガスを導入するガス送出組立体４０と、基板３６の上に堆積させるためのプロセスガスプラズマを生成し維持するためのＲＦ電源５０を更に有する。
【００１４】
ガス送出組立体４０は、チャンバ本体２２の上端でベースプレート６０の上に配置され、ガス配給フェースプレート４２（シャワーヘッドとしてたびたび参照される）と、電極延長部材４４と、ブロッカープレート４５と、ガス-フィードドラム４６とを有している。ガスは、ガス-フィードドラム４６に形成される中央ガス入口８０によって、ガス送出組立体４０に提供される。図示されないが、プロセスガス入口８０は、１つ以上の上流側ガスソース及びガスミクサー等他のガス送出部品の一方又は双方に結合される。プロセスガス入口８０は、ギャップ２６１と流体連絡し、このギャップはガスフィードドラム４６の下側の面２６３及びシャワーヘッド４２の上面２５５によって画される。
【００１５】
ブロッカープレート４５は、ギャップ２６１内に配置され、ガスフィードカバープレート４６に装着される。ブロッカープレート４５は好ましくは、アルミニウムアロイ製であり、そこに形成されてガス入口８０からシャワーヘッド４２までガスを分散させるように構成される通路ないしホール４７を有している。
【００１６】
シャワーヘッド４２は、プロセス領域２４に気体流を配給するために構成される複数のホール４８と、環状のフランジ４９とを有し、このフランジは、ガス送出組立体４０を支持するために絶縁リング７０の上に配置されるシャワーヘッド４０と一体の部品である。シャワーヘッド４２は、実質的にディスク形であり、高度に仕上げられた表面を有するアルミニウムアロイ等の熱伝導率が高く熱接触抵抗（Ｒｃ）の低い材料から造られる。絶縁リング７０と液体に対して緊密な接点を確保するため、シール２７５が環状の取付けフランジ４９に配置されることが好ましい。絶縁リング７０は、セラミックのポリマー材料等の非導電性の材料を備えており、接地されたベースプレート６０からＲＦ電力を絶縁する。
【００１７】
ガスフィードドラム４６は、ガスフィードドラム４６の周囲に形成される環状の取付けフランジ２７３を有する。環状の装着フランジ２７３のサイズは、シャワーヘッド４２の周囲の上に配置されるように設定される。シャワーヘッド４０と流体に対して緊密な接点を確保するために、環状の装着フランジ２７３にはシール２７１が配置されることが好ましい。ガスフィードドラムプレート４６は、アルミニウム又はアルミニウムアロイでできていることが好ましい。またガスフィードドラム４６は、ガス送出組立体４０を所望の温度に維持するための水又は他の流体を有するマルチターンの冷却／加熱チャンネル（図示されず）を有していてもよい。ガスフィードドラム４６は、シャワーヘッド４２の上に配置され、これに熱的に連絡する。電源５０は、プラズマの生成を容易にするため、シャワーヘッド４２へ直流（ＤＣ）や高周波（ＲＦ）等の電力を供給する。
【００１８】
電極延長部材４４は、環状の部材又はリング形の部材である。一具体例では、電極延長部材４４は、図３に示すシャワーヘッド４０の周囲に配置される。あるいは下記の図５の説明で述べられるように、電極延長部材４４は、基板の表面又はガス送出組立体の下面の一方又は双方に対して共形の形状であってもよい。
【００１９】
操作においては、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）膜等の膜が、ロボット（図示されず）とリフトピン３８の協働によりペデスタル３２上に配置される基板３６の上に堆積されてもよい。ペデスタル３２は、基板３６を上げて、シャワーヘッド４２に接近するようにする。例えばトリメチルシラン等を有するプロセスガスと希ガス（ヘリウムやアルゴン等）が、中央ガス入口８０を通してチャンバ２０内に注入され、そこでは、ガスがブロッカープレート４５のホール４７を通してシャワーヘッド４２の裏面に流入する。矢印で指示するように、プロセスガスは、シャワーヘッド４２のホール４８を通して処理領域２４へ進み、基板３６の方へと通過する。基板３６に達すれば、プロセスガスはその上面で反応する。その後プロセスガス副生成物は、基板３６のエッジを横切って半径方向外向きに流れ、ポンピングチャンネル２３に流入し、真空系（図示されず）によってチャンバ２０から排気される。ＳｉＣ膜の堆積中は、チャンバ圧力は３〜１０Ｔｏｒｒであり、更に好ましくは６〜１０Ｔｏｒｒである。単一の１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源は、約４．３〜１０ W/cm2の出力密度で約３００-７００ワット、また更に好ましくは約５．７〜８．６W/cm2の出力密度で約４００〜６００ワットでアノード及びカソードに印加し、シリコンベースのガスによりプラズマをチャンバ内に形成する。ＲＦ電源は、チャンバに導入される反応性の種の分解を促進するため、典型的には１３．５６ＭＨｚの高ＲＦ周波数及び３６０ｋＨｚの低ＲＦ周波数で電力を供給する混合周波数ＲＦ電源であってもよい。基板表面温度は、約２００℃〜４００℃、より好ましくは約３００℃〜４００℃である。
【００２０】
ここに説明される堆積ハードウェアは、ＳｉＣの堆積に加えて、任意の堆積材料に対して用いられてもよく、例えば他の誘電反射防止コーティング（ＤＡＲＣ）材料、酸化物（Ｓｉ_XＯ_Y）、炭素ドープ酸化シリコン（Ｓｉ_XＯ_Y：Ｃ）、炭素ドープ窒化シリコン（Ｓｉ_XＮ_Y：Ｃ）や低誘電物質等を挙げることができる。
【００２１】
図４は、図３に示すガス送出組立体４０の破断横断面図である。ガス送出組立体４０はシャワーヘッド４２を有し、これはその外周に配置される電極延長部材２８０を有している。電極延長部材２８０は、下側区分２８４と一体的に形成される上側区分２８２を有している。上側区分２８２は、上側実装表面２８３と、内側壁２８８と、外側壁２８６を有している。下側区分２８４は、内側制限壁２８９と、外側制限壁２８７とを備えている。外側制限壁２８７の直径は、上側区分２８２の外側壁２８６の直径と同じ又は実質的に同じである。内側制限壁２８９の直径は、上側区分２８２の内側壁２８８の直径と同じ又は実質的に同じであり、垂直線より下側区分２８２の外側制限壁２８７の寸法に向かって広がっている。内側制限壁２８９は、約３０度〜約７０度の角度で広がっている。好ましくは、内側制限壁２８９は、約４５度の角度で広がる。
【００２２】
上側区分２８２の内側制限壁２８８は、ファスナ２９８、２９９（好ましくはボルト）によってシャワーヘッド４２の周囲に結合し、良好な電気連絡を確保する。上側区分２８２は、絶縁リング７０の下側面２５６に適合させるほぼ平坦な上側実装面２８３を有する。隣接同士をかみ合わせれば、上側実装面２８３及び下側面２５６は、ガス送出組立体４０の半径方向軸２９１と平行である境界面を画する。
【００２３】
図５は、電極延長部材３８０の代替具体例を示す破断横断面図である。電極延長部材３８０は、横方向の拡張が制限される処理チャンバに用いられることが好ましい。電極延長部材３８０は、上側実装面３８６と、内側制限壁３８４と、外側制限壁３８２を有している。外側制限壁３８２の直径は、シャワーヘッド４２の直径と同じ又は実質的に同じである。内側制限壁３８４の直径は、基板（図示されず）の直径と同じ又は実質的に同じであり、垂直線から外側制限壁３８２の方へ広がる。内側制限壁３８４は、約３０度〜約７０度の角度で外側制限壁３８２の方へ広がっている。好ましくは、内側の制限壁３８４は、外側制限壁３８２に向かって約４５度の角度で広がる。
【００２４】
電極延長部材３８０は、シャワーヘッド４２の下側面３５４上に配置される。電極延長部材３８０のほぼ平坦な上側実装面３８６は、良好な電気的連絡を確保するため、ボルトまたは同様のファスナ（図示されず）によってシャワーヘッド４２の下側面３５４に結合する。隣接同士をかみ合わせれば、上側実装表面３８６と下側面３５４は、ガス送出組立体３４９の半径方向の軸３９１と平行である境界面を画する。
【００２５】
電極延長部材２８０及び３８０は、高度に仕上げられた表面でアルミニウムアロイ等の高熱伝導率及び低熱接触抵抗（Ｒｃ）を有する材料から造られる。電極延長部材２８０及び３８０は典型的には、それに配置されるシャワーヘッド４２と同じ材料から造られる。あるいは、更なる具体例では、このに説明するように、シャワーヘッド４２は、電極延長部材２８０及び３８０の下方延長部分を有するよう、アルミニウム又はその他の適切な材料の単一体より削り出して作ってもよい。
【００２６】
図３、図４及び図５に示すガス送出組立体４０は、環状の部材又はリング形の部材であるように記述されている。しかし、本発明は特定の形状に限定されない。他の幾何学的構成、例えば環状、平行四辺形や他の形状が想定される。
【００２７】
本発明は、さらに以下の非限定的な実例で説明される。
【００２８】
実施例１
図３に示される処理チャンバを用いて、基板が処理された。９２３オングストロームの平均厚さを有するシリコンカーバイドの膜が、シリコン基板上に堆積された。堆積均一性は、ＵＶ―１４５ＳＥ薄膜測定システムにより測定された。堆積厚さは、基板の表面の端から端までで１．６％の測定標準偏差を有していた。図６から分かるように、基板はドーナツ型の構成を示さず、堆積は基板の表面の端から端まで均一であった。
【００２９】
比較例
図１に示す従来のチャンバを用いて、堆積プロセスが実施された。９７７オングストロームの平均厚さを有するシリコンカーバイドの膜が、シリコン基板上に堆積された。図２に示すように、符号７７で示される通り、基板表面の端から端までドーナツ型の構成が存在した。堆積均一性は、同じくＵＶ―１４５ＳＥ薄膜測定システムによって測定された。堆積厚さは、３．８％の測定標準偏差を有していた。
【００３０】
ここまで述べたことは、本発明の好ましい具体例に関するが、本発明の他の具体例や更に進んだ具体例を、基本範囲から離れずに工夫されてもよく、そしてその範囲は特許請求の範囲によって決められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、先行技術の従来の誘電堆積チャンバの横断面図である。
【図２】図２は、図１に示す従来の誘電堆積チャンバを用いて処理される基板のプラズマ電荷密度パターンである。
【図３】図３は、米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社より入手可能な電極延長部材を有するＣＶＤ ＤＸＺチャンバの横断面図である。
【図４】図４は、図３に示されるガス送出組立体の破断横断面図である。
【図５】図５は、電極延長部材の別の具体例を示すガス送出システムの横断面図である。
【図６】図６は、環状の電極延長装置を用いた場合の基板のプラズマ電荷密度パターンである。
【符号の説明】
２０…チャンバ、２２…チャンバ本体、２３…真空チャンバ、２４…プラズマ処理領域、３２…ペデスタル、３４…支持面、３６…基板、３８…リフトピン、５０…ＲＦ電源。

Claims (13)

1. 基板処理チャンバ内にプロセスガスを配給するための装置であって、
   上側取付面（２５６；３８６）と、内側環状制限壁（２８９；３８４）と外側環状制限壁（２８７；３８２）とを有し、内側環状制限壁（２８９；３８４）が、垂直線からある角度で外側環状制限壁（２８７；３８２）に向かって広がっている、環状部材（２８０；３８０）と、
   前記環状部材（２８０；３８０）を装着したガス配給アセンブリ（４０）と、
   を備え、
   前記環状部材（２８０；３８０）は、下端の位置が基板の位置に対応する高さになるように、下方に伸びている、
   装置。
2. 内側環状制限壁（２８９；３８４）が、垂直線から３０度〜７０度の角度で広がる請求項１に記載の装置。
3. 前記ガス配給アセンブリ（４０）は、少なくとも１つの通気孔（８０）が形成されているガスフィードドラム（４６）を備える請求項１に記載の装置。
4. 前記ガスフィードドラム（４６）に取り付けられ、複数の通気孔（４７）が形成されたブロッカープレート（４５）を更に備える請求項３に記載の装置。
5. 前記上側取付面（３８６）は平らであり、前記ガス配給アセンブリ（４０）の下面に合わせられて、電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
6. 前記環状部材（２８０；３８０）が、ガス配給アセンブリ（４０）の一体化部分である請求項１に記載の装置。
7. 処理チャンバであって、
   処理キャビティを画すチャンバ本体と、
   処理キャビティ内に配置される基板支持部材と、
   上側取付面（３８６）と、内側環状制限壁（３８４）と外側環状制限壁（３８２）とを有し、内側環状制限壁（３８４）が、垂直線からある角度で外側環状制限壁（３８２）に向かって広がっている、環状部材（３８０）と、
   複数の通気孔が形成されたガス配給アセンブリ（４０）であって、縁部に前記環状部材（３８０）の上側取付面（３８６）が実装され、外径が前記外側環状制限壁（３８２）の外径に略等しい、ガス配給アセンブリ（４０）と、
   前記ガス供給アセンブリ（４０）を支持する絶縁リング（７０）であって、絶縁リング（７０）の上部は、チャンバ本体とガス配給アセンブリ（４０）の外縁部との間に介挿され、絶縁リング（７０）の下部は前記外側環状制限壁（３８２）に連結される、絶縁リング（７０）と、
   を備え、
   前記環状部材（３８０）は、下端の位置が基板の位置に対応する高さになるように、下方に伸びている、
   処理チャンバ。
8. 前記環状部材（３８０）の内側環状制限壁（３８４）が、垂直線から３０度〜７０度の角度で広がる請求項７に記載の処理チャンバ。
9. 処理チャンバであって、
   処理キャビティを画するチャンバ本体と、
   処理キャビティ内に配置される基板支持部材と、
   複数の通気孔が形成されたガス配給アセンブリ（４０）と、
   前記ガス供給アセンブリ（４０）を支持する絶縁リング（７０）であって、絶縁リング（７０）の一部は、チャンバ本体とガス配給アセンブリ（４０）の外縁部との間に介挿される、絶縁リング（７０）と、
   前記絶縁リング（７０）の下面に連結する上側取付面（２５６）を有する環状部材（２８０）であって、前記ガス配給アセンブリ（４０）の底面の下方へ延長している、環状部材（２８０）と、
   を備え、
   前記環状部材（２８０）は、下端の位置が基板の位置に対応する高さになるように、下方に伸びている、
   処理チャンバ。
10. 前記環状部材（２８０）は、さらに、内側環状制限壁（２８９）と外側環状制限壁（２８７）とを有し、内側環状制限壁が、垂直線から３０度〜７０度の角度で広がる、請求項９に記載の処理チャンバ。
11. 基板処理チャンバ内にプロセスガスを配給するための装置であって、
    ガス配給アセンブリ（４０）と、
    前記ガス配給アセンブリ（４０）の底面の一部に連結された環状部材（３８０）であって、内側環状制限壁（３８４）と外側環状制限壁（３８２）とを有し、前記ガス配給アセンブリ（４０）の外径が前記外側環状制限壁（３８２）の外径に略等しい、環状部材（３８０）と、
    前記ガス供給アセンブリ（４０）を支持する絶縁リング（７０）であって、絶縁リング（７０）の上部は、前記ガス配給アセンブリ（４０）の外縁部と前記基板処理チャンバの側壁部との間に介挿され、絶縁リング（７０）の下部は前記環状部材（３８０）の外側環状制限壁（３８２）に連結される、絶縁リング（７０）と、
    を備え、
    前記環状部材（３８０）は、下端の位置が基板の位置に対応する高さになるように、下方に伸びている、
    装置。
12. 前記内側環状制限壁（３８４）が垂直線から３０度〜７０度の角度で外側環状制限壁（３８２）に向かって広がっている、請求項１１に記載の装置。
13. 前記環状部材（３８０）の上側取付面（３８６）は、前記ガス配給アセンブリ（４０）の縁部に連結される、請求項１に記載の装置。

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