JP5405540B2 - 電極 - Google Patents

Description

本発明は、半導体処理プラズマ反応器用の多部品上部電極、および多部品上部電極の侵食部分を取り換える方法に関する。

本出願は、２００２年５月２３日に出願された米国仮特許出願番号６０／３８３，１６４について優先権を主張する。この出願を参照して本明細書に組み込む。

シリコンウェーハのような半導体基板を処理するプラズマ処理反応器で使用される電極は、米国特許第５，０７４，４５６号および同５，５６９，３５６号に開示されている。これらの開示を参照して本明細書に組み込む。

ドライプラズマエッチング、反応性イオンエッチングおよびイオンミリングの技術は、半導体ウェーハの化学エッチングに関連した多数の制限を克服するために開発された。特に、プラズマエッチングによって、垂直方向のエッチング速度を水平方向のエッチング速度よりも遥かに大きくすることができ、その結果、エッチングされた形状（features）の結果として得られるアスペクト比（すなわち、結果として生じた窪みの高さに対する幅の比）を適切に制御することができるようになる。実際、プラズマエッチングによって、高いアスペクト比を有する非常に微細な形状（features）を、厚さが１マイクロメートルを超える膜に形成することができる。

プラズマエッチングプロセス中に、比較的低圧でガスに大量のエネルギーを与え、その結果ガスをイオン化させることによって、ウェーハのマスクされた表面の上方にプラズマが形成される。エッチングされる基板の電位を調整して、プラズマ中の荷電種（charged species）をウェーハに実質的に垂直に衝突するように方向付けすることができる。ウェーハのマスクされていない領域の材料は除去される。

エッチングされる材料に対して化学的に反応性であるガスを使用することで、多くの場合、エッチングプロセスをより効果的にすることができる。いわゆる「反応性イオンエッチング」は、プラズマの活発なエッチング作用をガスの化学的なエッチング作用と組み合わせる。しかし、多くの化学的に活性な作用物質（agent）は、過剰な電極消耗を引き起こすことが分かっている。

ウェーハの表面全体にわたって一様なエッチング速度を得るために、ウェーハの表面全体にプラズマを均一に分布させることが望ましい。例えば、米国特許第４，５９５，４８４号、４，７９２，３７８号、４，８２０，３７１号、４，９６０，４６８号は、電極のいくつかの孔を通してガスを分布させるシャワーヘッド電極を開示している。これらの特許は、一般に、半導体ウェーハにガス蒸気の一様な流れを供給するように調整された開口の配列を有するガス分布板について述べている。

反応性イオンエッチングシステムは、一般に、その中に配置された上部電極または接地電極および下部電極またはＲＦ電極を有するエッチングチャンバデ構成される。エッチングされるウェーハは、適切なマスクで覆われ、ＲＦ電極上に直接配置される。ウェーハは、プラズマとの相互作用の結果として負にバイアスされる。ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＣｌＦ_３およびＳＦ_６またはそれらとＯ、Ｎ_２、ＨｅまたはＡｒとの混合物等の化学的に反応性のガスが、エッチングチャンバ内に導入され、典型的にはミリトールの範囲の圧力に維持される。接地電極はガス孔を備える。このガス孔によって、ガスが電極を通ってチャンバ内に一様に分散することができる。接地電極とＲＦ電極との間に生じた電界が、反応性ガスを分解し、プラズマを形成する。ウェーハの表面は、活性イオンとの化学的な相互作用およびウェーハの表面に衝突するイオンの運動量の伝達によってエッチングされる。電極によって形成された電界は、イオンをウェーハに引き付けて、イオンが、主に垂直方向で表面に衝突するようにする。その結果、このプロセスによって適切に画定された（well-defined）垂直にエッチングされた側壁が生成される。

ウェーハ処理中には、上部電極の露出面もエッチングされる。電極の減損またはエッチングによって、上部電極を定期的に取り換えることが必要になる。したがって、電極の取り換えを簡単かつ経済的に行うことが望ましいであろう。

基板サイズが大きくなるにつれて、ますます大型化されるウェーハサイズおよびこれに対応した大型化される電極サイズについて、一様なエッチングおよびデポジションを確実にすることが重要である。２００ｍｍから３００ｍｍウェーハへの産業界の動きで、製造業者はウェーハ面積およびチップ生産量を２倍にすることができるようになる。ウェーハサイズの増大は、ウェーハ処理ツールの拡大においてある困難さをもたらす。例えば、いくつかの上部電極を作るために使用される単結晶シリコンの塊（boules）は、直径１５インチのサイズまで製造される。より大きな直径の単結晶シリコン電極は、所望の低い不純物レベルで製造するのが困難である。したがって、大口径の単結晶シリコン電極は高価である。

単一ウェーハのエッチングチャンバ用の上部シャワーヘッド電極１０およびより小型の下部電極１２を図１に示す。図１の構成は、容量結合閉じ込め型プラズマエッチングチャンバ用の電極構成を示し、一方の電極は異なる周波数の２つのＲＦ源によって電力供給され、他方の電極は接地されている。下部電極１２は平らな電極であり、その上にウェーハＷが支持される。下部電極１２は、上部電極１０の下方に１から２ｃｍの間隔を開けて配置される。この構成では、上部電極１０は、その内部にに研削された（ground into）ステップ１４を有し、より薄い内側部分、傾斜したステップ部分、およびより厚い外周部を有する電極を実現している。ステップ１４は、チップのエッジでエッチング速度均一性を実現するように設計されている。

電極１０は、３００ｍｍウェーハに対応するように１５”の直径を有する。電極を１５”から１７”に広げ、かつ複数のシリコンセグメントで組み立てられた電極１０の延長部１６が設けられている。この構成は、１５”の直径を有する単結晶シリコン電極１０を必要とする。単結晶シリコン１０は、その後段１４を形成するように研削される。この大きな直径の電極１０は、非常に高価であり、消耗のために定期的な取換えを必要とする。

米国仮特許出願番号６０／３８３，１６４ 米国特許第５，０７４，４５６号 米国特許第５，５６９，３５６号 米国特許第４，５９５，４８４号 米国特許第４，７９２，３７８号 米国特許第４，８２０，３７１号 米国特許第４，９６０，４６８号

本発明は、取換え可能な部分を有する半導体処理反応器用の多部品上部電極、およびこの電極の一部を取り換える方法に関する。

一実施形態では、プラズマ反応チャンバ用の多部品電極は、電極上板と、上板に接続された電極とを含む。電極は、中央シリコン部材およびこの中央シリコン部材を取り囲む複数のシリコンセグメントを含む。中央シリコン部材は、シリコンセグメントと無関係に上板から取り外すことができる。

他の実施形態では、プラズマ処理システムは、プラズマ処理チャンバ、プラズマ処理チャンバ内の基板支持体、ＲＦエネルギー源、下部電極、および上部電極を含む。この上部電極は、電極上板と、上板に固定された中央電極部材と、上板に固定され中央電極部材を取り囲む複数の電極セグメントとを備える。電極セグメントは中央電極部材と同じ材料で形成することができ、さらに、電極セグメントと中央電極との間の接続部は、電極の侵食が高消耗から低消耗に落ちるところに配置される。

他の実施形態では、プラズマ反応チャンバ用の多部品電極は、電極上板と、上板に接続された電極とを備える。電極は、約１３インチ以下の直径を有する中央電極部材および全体として少なくとも１６インチの電極直径をつくるように中央電極部材を取り囲む複数の電極セグメントを含む。中央電極部材は、電極セグメントと無関係に上板から取り外すことができる。

さらに他の実施形態では、プラズマ反応チャンバの電極の一部を取り換える方法は、プラズマ処理チャンバ内に上部電極を設けるステップと、中央電極が侵食されたとき、中央電極を上板から取り外すステップと、中央電極を新しい中央電極に取り換えるステップとを備える。上部電極は、中央電極部材および中央電極部材を取り囲む複数の電極セグメントを備える。中央電極および電極セグメントは、独立して電極の上板に固定される。

本発明は、添付図面に示される好ましい実施形態を参照してより詳細に説明される。この図面において、同様な構成要素には同様な参照符号が付されている。

従来技術のウェーハ処理チャンバの上部および下部電極の一部を示す側面断面図である。 取換え可能な中央電極部材を有する多部品電極を有するウェーハ処理チャンバの一部の側面断面図である。 平らな電極全体にわたってシリコンの減損を示すグラフである。

本発明は、多部品電極を有する改良された上部電極システムを提供するものである。この電極システムでは、高い消耗を示す電極の中央部分が電極の外周部分と無関係に取換え可能である。上部電極は、エッチングまたはＣＶＤのような、半導体基板を処理するプラズマ処理システムで使用することができる。多部品上部電極システムは、一体構造の電極が入手できないまたは高価である３００ｍｍウェーハ処理チャンバのような、大型サイズのウェーハを処理するチャンバに特に有用である。

図２は、上部電極の一部の取換えを可能にする改良された上部電極を有するプラズマ処理システム１００の一部を示す図である。図２に示すように、中央電極部材１１０は、熱伝導性および導電性のエラストマでバッキングプレート１１２上に取り付けられている。複数のセグメント化された電極１１４が、中央電極１１０のまわりにリングを形成し、これらもバッキングプレート１１６に取り付けられている。電極バッキングプレート１１２、１１６は、取り外し可能な方法で上板１１８に固定されている。プロセスガスは、上板１１８のチャネル１２２を通して、バッキングプレート１１２の上方の複数のチャネル１２４に送り出される。プロセスガスは、シャワーヘッド電極の形をした電極１１０およびバッキングプレート１１２の複数の送り孔１２８を通して、ウェーハ処理チャンバに送り出される。

チャネル１２４から中央電極１１０と電極セグメント１１４との間の環状部へガスが流れることを防止するために、封止リング１２０が、上板１１８とバッキングプレート１１２、１１６との間に設けられる。封止リング１２０は、ガスを強固にシールできるように封止リングの環状チャネルにＯリング１３０を備える。

ウェーハＷのエッジでエッチング速度均一性を実現するように設計されたステップ１４０が、電極セグメント１１４に設けられている。ステップ１４０は、下部電極１５０のエッジの上方に実質的に位置合わせされ、かつウェーハＷのエッジのすぐ外側に配置される。

電極セグメント１１４は、任意の数のセグメントを含むことができ、例えば、３から１０のセグメントを使用することができる。

電極１１０、１１４は、上板の裏側からバッキングプレート１１２、１１６の中に延びるねじ込みねじ１３４、１３６で、上板１１８に固定されている。ねじ込みねじ１３４、１３６によって、必要があれば、中央電極１１０および電極セグメント１１４を独立して取り外すことができる。中央電極１１０の消耗は、電極セグメント１１４の消耗速度の２から３倍であると考えられるので、中央電極は、外側の電極セグメントよりも頻繁に取り外し及び取り換えがなされうる。

図３は、平らな形をしたシリコン上部電極のエッチング速度またはシリコン減損を、電極の様々な直径において示す図である。図３に示すように、シリコン電極の減損またはエッチング速度は、電極の中央から５”〜６．５”の間の半径のところで著しく減少する。したがって、直径が約６．５”から外側の電極の部分は、電極の中央部分よりも少ない頻度で取り換えがなされうることが分かる。

中央電極１１０および周囲の電極セグメント１１４に使用することができる材料の例としては、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３が挙げられる。電極１１０および１１４として特に好ましい１つの材料は、シリコンであることが分かっている。シリコンは、反応器内に他の不要な元素を持ち込まないし、滑らかに侵食されて殆んど粒子を生じさせないからである。単結晶シリコンか多結晶シリコンかいずれも使用することができる。

電極１１０および１１４が固定されるバッキングプレート１１２および１１６は、プロセスガスに化学的に適合し、電極の熱膨張係数と一致し、導電性かつ熱伝導性であり、伝導性の上板１１８への締結を可能にするのに十分な機械的強度を持つべきである。上板としての使用に適し得る材料の例として、グラファイトおよびＳｉＣが挙げられる。

上板１１８は、プロセスガスと化学的に適合し、導電性かつ熱伝導性であり、バッキングプレートおよび電極を支持するのに十分な機械的強度を持つ材料で形成すべきである。上板用の材料の１つの例とては、アルミニウムが挙げられる。

封止リング１２０は、アルミニウムＳｉＣ、シリコン、グラファイト若しくは石英またはプラズマ処理システムで使用可能な他の材料で形成されてもよい。

熱伝導性かつ導電性のエラストマを用いて電極１１０および１１４を対応するバッキングプレート１１２および１１６に結合することに加えて、アルミニウムメッシュのような支持部材を電極とバッキングプレートとの間に設けて、電極の寿命の終りまで安定な電気的かつ熱的な接触を確保することができる。

電極セグメント１１４の各々をバッキングプレート１１６の独立したセグメントに固定してもよいし、電極セグメント１１４の全てを単一のバッキングリングに結合し、１つの手順（１ステップ）で電極セグメント１１４を一緒に取り外すことができるようにしてもよい。

図２のプラズマ処理システム１００の構成の一例は、１２”単結晶シリコンの塊から切り出された中央電極部材１１０を含む。中央電極部材１１０は、約０．２５”の厚さおよび全体として平面の下面を有する。３００ｍｍウェーハの生産用の１２”単結晶シリコンの塊の大量生産によって、この直径は、１５”単結晶シリコン電極に比べて製造するのが遥かに安い。電極の外側セグメント部分は、１２”直径単結晶シリコンから切り出すことができる単結晶シリコンセグメントで作り、リング状のグラファイトバッキングプレート１１６に結合する。この例では、６個の電極セグメントがリング状のグラファイトバッキングプレート１１６に結合され、電極セグメント１１４は約０．５”の厚さを有し、さらに、０．５”の厚さからセグメントの内径のところで０．２５”の厚さに下がる約４５の角度に研削された傾斜したステップ１４０を有する。電極セグメント１１４は、一体になって、約１２”の内径および約１７”の外径を有するリングを形成する。封止リング１２０は、エラストマのＯリングを有する石英リングであり、上板１１８はアルミニウムで形成されている。

上述した（平らな電極を有する）３００ｍｍウェーハ処理システムでは、シリコン上部電極の侵食は約５”から約６．５”の半径のところで急に落ちることを示した（図３を参照）。したがって、中央電極１１０と電極セグメント１１４との間の接続部は、電極の中央から約５”から６１／２”のところに、好ましくは約６”の半径のところに配置される。電極の内側部分と外側部分との間の切れ目を約６”のところに置くことで、より消耗の大きい中央電極部材１１０を電極セグメント１１４と無関係に取り換えることができる。外側電極セグメント１１４は、中央電極１１０の２〜３倍の寿命があり、電極取換えのコストが減少する。また、接続部を半径方向でステップ１４０の内側に置くことで、より薄い厚さの中央電極１１０を使用することが可能になり、したがって、さらにコストが減少する。

本発明は、好ましい実施形態を参照して詳細に説明したが、本発明から逸脱することなく、様々な変化物および修正物を作ることができ、また同等物を使用できることは、当業者には明らかであろう。

Claims (4)

1. 取り換え可能な電極であって、
   リング状のバッキングプレートと、
   リング状の電極を形成する複数の電極セグメントと、
   前記複数の電極セグメントを前記リング状のバッキングプレートに固定する導電性のエラストマと、
   を備え、前記複数の電極セグメントは、内径が少なくとも１２インチ（３０．４８センチメートル）のリングと、傾斜した面を有する内側エッジとを形成し、
   前記リング状のバッキングプレートは、ねじ込みねじでプラズマ反応チャンバの上板に取り付け可能であり、
   前記ねじ込みねじは、前記上板の裏面から前記リング状のバッキングプレートの上板側の孔の中に延びることを特徴とする電極。
2. 複数のねじ込みねじを受けてプラズマ反応チャンバ内の上板の上に前記電極を固定するために、前記リング状のバッキングプレート内に孔を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電極。
3. 前記複数の電極セグメントは、単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは炭化ケイ素で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
4. 前記バッキングプレートは、グラファイトまたは炭化ケイ素で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。

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