JP6325212B2 - 半導体ワークを処理する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ワークを処理する方法及び装置に関する。

半導体産業及び関連産業において金属膜のスパッタ堆積が広く利用されている。１時間あたり処理可能なウエハー数をできるかぎり大きくするように、スパッタ膜の堆積速度を最大化するのが通常望ましい。

Ｍ．Ｋｌｉｃｋ，Ｍ．Ｂｅｒｎｔ，ＪＶＡＣ２４（２００６）（『真空科学技術ジャーナル』２００６年２４号）

しかしながら、高堆積速度ＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理蒸着）プロセスの場合、ＩＣ(ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ：集積回路）の製造業者にとって統合化が問題となる。スパッタ目標物に供給される電力が増大するのに応じて高温プラズマ及び入射するエネルギー化学種がウエハーを加熱する能力も増大する。多くの用途においては、温度上昇に敏感な堆積済み物質（例えばポリマー、接着剤、誘電材料等）に影響が及ばないようにウエハー温度をできる限り低く保つ必要がある。

既存の解決手段には、低温の静電チャック（ＥＳＣ）上でウエハーを処理することが含まれる。処理圧力下でのウエハーと静電チャック（ＥＳＣ）との間の熱伝達は非常に低い（非特許文献１）。基板とチャックとの間の熱伝導性を改善する業界標準的なアプローチは裏面バス圧力を利用するというものである。しかしながら、薄型のウエハー、反りが激しいウエハー、損傷があるウエハー、テープがあるウエハー又は絶縁ウエハーの場合、堆積プロセスの間にガス背圧が利用されている場合にウエハーを固定した状態に保つのに充分な固定力を生成することには非常に問題がある。この種の問題があるウエハーはＩＣパッケージ産業において普通に遭遇するものである。例えば、厚さ１００ミクロン未満、典型的には厚さ３０から５０ミクロンの薄型ウエハーを利用することは一般的に行われている。この種のウエハーは壊れやすく、容易に反ってしまうことがある。相対的に厚さがある金属層がウエハー上に堆積される場合には特に問題に直面する。金属層はしばしば厚さ２から１０ミクロンであるので、壊れやすいウエハーに対して追加的な応力を作用させることになる。

本発明は、少なくともその幾つかの実施形態においては、低処理圧力を維持しつつ、薄型ウエハー、反りがあるウエハー、絶縁ウエハー又はその他の問題があるウエハーを高堆積速度で処理する方法を提供するものである。しかしながら、本発明は薄型ウエハー、反りがあるウエハー、絶縁ウエハー又はその他の問題があるウエハーに限定されるものではなく、また、ウエハーを支持及び／又は固定するためにＥＳＣデバイスを利用することに限定されるものではない。

本発明の第１の態様によれば、表面と裏面とを有する半導体ワークを処理する方法が提供される。この方法は以下の工程を有する。
ｉ）半導体ワークの裏面をチャンバのワーク支持部に配置し、それにより半導体ワークの表面が処理のためにチャンバに面する工程であって、チャンバは付随するチャンバガス圧力を有し、裏面は、付随するガス背圧を有する裏面領域に流体連通する、工程、
ｉｉ）第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び第１背圧Ｐ_b1にてワーク処理工程を行う工程であって、第１チャンバ圧力Ｐ_c1と第１背圧Ｐ_b1とが圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1を引き起こし、半導体ワークとワーク支持部との接触の圧力起因喪失を防止するために該圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1が維持される工程、及び、
ｉｉｉ）第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び第２背圧Ｐ_b2にてワーク冷却工程を行う工程であって、第２チャンバ圧力Ｐ_c2と第２背圧Ｐ_b2とは、それぞれ、第１チャンバ圧力Ｐ_c1と第１背圧Ｐ_b1とよりも大きく、少なくとも第２背圧Ｐ_b2は半導体ワークの冷却を促進するのに充分に大きく、第２チャンバ圧力Ｐ_c2と第２背圧Ｐ_b2とが圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2を引き起こし、半導体ワークとワーク支持部との接触の圧力起因喪失を防止するために該圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2が維持される工程。

工程ｉｉｉ）において、第２チャンバ圧力Ｐ_c2を、半導体ワークの冷却を促進するのに充分に大きいものとしてもよい。

本発明の第２の態様によれば、表面と裏面とを有する半導体ワークを処理する方法が提供される。この方法は以下の工程を有する。
ｉ）半導体ワークの裏面をチャンバのワーク支持部に配置し、それにより半導体ワークの表面が処理のためにチャンバに面する工程であって、チャンバは付随するチャンバガス圧力を有し、裏面は付随するガス背圧を有する裏面領域に流体連通する、工程、
ｉｉ）第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び第１背圧Ｐ_b1にてワーク処理工程を行う工程であって、第１チャンバ圧力Ｐ_c1と第１背圧Ｐ_b1とが圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1を引き起こし、該圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1が＋２Ｔｏｒｒ未満に維持される、工程、及び、
ｉｉｉ）第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び第２背圧Ｐ_b2にてワーク冷却工程を行う工程であって、第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び第２背圧Ｐ_b2は、それぞれ、第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び第１背圧Ｐ_b1より大きく、第２背圧Ｐ_b2は０．５Ｔｏｒｒ以上であり、かつ、第２チャンバ圧力Ｐ_c2と第２背圧Ｐ_b2とが圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2を引き起こし、該圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2は＋２Ｔｏｒｒ未満に維持される、工程。

工程（ｉｉ）及び工程（ｉｉｉ）は、反復して行われる処理／冷却サイクルを形成してよい。

圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1及び圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2は、それぞれ＋１Ｔｏｒｒ未満に維持されてよい。

圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1及び圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2は、それぞれ−０．５から＋０．５Ｔｏｒｒの範囲内に維持されてよい。

工程ｉｉｉ）の間において、圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2を約０Ｔｏｒｒに維持してもよい。幾つかの実施形態においては、少なくとも工程ｉｉｉ）の間において、チャンバが裏面領域と流体連通し、それにより第２背圧Ｐ_b2が実質的に第２チャンバ圧力Ｐ_c2と等しい。

工程ｉｉ）の間において、圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1を約０Ｔｏｒｒに維持してよい。工程ｉｉ）の間において、チャンバが裏面領域と流体連通してよく、それにより第１背圧Ｐ_b1が実質的に第１チャンバ圧力Ｐ_c1と等しくなる。

幾つかの実施形態においては、第２チャンバ圧力Ｐ_c2は０．５から２０Ｔｏｒｒの範囲内であり、好ましくは、約１Ｔｏｒｒである。

半導体ワークは、ワーク支持部によって定位置に固定されてもよい。

幾つかの実施形態においては、ワーク支持部は静電チャックを備える。典型的には、半導体ワークは静電チャックにより固定される。これにより冷却の改善及びスループットの向上をもたらすことができる。しかしながら、他の実施形態においては、半導体ワークは静電チャックによって固定されない。他の種類のワーク支持部及び固定方法例えばメカニカルクランプを用いることが可能である。

幾つかの実施形態においては、処理工程はＰＶＤ（物理蒸着）プロセスであってもよい。他の実施形態においては、処理工程は、化学蒸着プロセス（ＣＶＤ）等、例えばプラズマ強化化学蒸着プロセス（ＰＥＣＶＤ）、イオン注入又は反応性イオンエッチングといった、非ＰＶＤプロセスであってもよい。

処理工程はアルミニウムスパッタリングプロセス等の金属スパッタリングプロセスであってもよい。当該処理工程によって製造された金属層は、半導体ワーク、特に複数の薄型ウエハーを有する半導体ワークに対して応力を加えることができる。本発明に係る相対的に小さい圧力差は、半導体ワークを更なる望ましからざる応力に晒すことを防止する点で特に有利である。

半導体ワークは、少なくとも１つの半導体材料で構成されてよい。代替的に、半導体ワークは、少なくとも１つの半導体材料と、絶縁体及び金属といった１以上の非半導体材料とを備えてよい。前述した通り、金属といった非半導体材料はワークに対して応力を加えることができる。

典型的には、半導体ワークは半導体ウエハーである。半導体ウエハーは、薄型ウエハー、反りがあるウエハー、損傷があるウエハー、テープを施したウエハー又は絶縁ウエハーであるが、本発明はこの点で限定されるものではない。半導体ワークは、集積回路（ＩＣ）を製造するために処理されてもよい。

本発明の第３の態様によれば、チャンバと、チャンバに配置されたワーク支持部と、チャンバに所望のチャンバガス圧力を供給し、使用時に半導体ワークの裏面と流体連通する裏面領域に所望のガス背圧を供給するガス供給・ポンプ構造と、ガス供給・ポンプ構造を備える半導体処理装置を制御し、本発明の第１又は第２の態様による処理方法を実行するよう構成されている制御構造と、備える半導体処理装置が提供される。

以上、本発明を説明したが、本発明は前述した複数の特徴又は以下の明細書、図面又は請求項に記載した複数の特徴を適宜進歩的に組合せたものにも及ぶ。例えば、本発明の第１の態様又は第２の態様との関連で記載した任意の特徴は本発明の第３の態様に組み込まれてもよく、逆もまた同様である。

本発明は様々な方法にて行われることができるが、以下、具体的な実施形態について、専ら例示的であることを前提として、添付の図面を参照して説明する。

本発明とともに利用することができる装置の回路を示した概略図である。 アルミニウム堆積プロセスにおける異なる冷却工程について時間の関数としてのウエハー温度（℃）を示した図である。

堆積サイクルの間にウエハーから熱を除去することはＰＶＤツールにおける共通の課題である。ＰＶＤ堆積プロセスの間、ウエハーの温度をあらかじめ設定した温度値に維持するのが理想的である。

ウエハーから熱を除去する従来の手法は、メカニカルクランプ及び静電チャックのいずれかを用いてウエハーをプラテンの上面に保持して、ウエハーの裏面に存在するキャビティを、ヘリウムなどの不活性ガスで〜１−１５Ｔｏｒｒで加圧するというものである。相対的に高圧とされたヘリウムがウエハーからプラテンへの熱伝達を促進させる。

以下に示す図１は、静電チャック（ＥＳＣ）１２を有する公知のタイプのＰＶＤ堆積チャンバ１０を、単純化してその断面で示した図である。この装置１０はまた、プロセス導入ガス弁１を有するプロセスガス導入部と、高真空弁２及びポンプ（図示せず）を有するプロセスガス排出部と、背圧を供給する背圧供給弁５及びプロセスウエハーへの背圧を制御する背圧制御弁４を有する、静電チャック１２へ背圧を導入する背圧導入部と、を備えている。装置１０はさらに、静電チャック背圧ポンプ弁３を備えており、この静電チャック背圧ポンプ弁３により、高真空弁２及び静電チャック背圧ポンプ弁３を開放しかつプロセス導入ガス弁１を閉じたときに背圧ガスを排出することができるようになっている。

通常の（ウエハー）固定式の処理の間におけるバルブ・コンフィギュレーションは表１に示す通りである。ウエハー背面のキャビティは〜１０Ｔｏｒｒ（背圧）に維持される一方、ＰＶＤ堆積プロセスは〜２ｍＴｏｒｒで行われる。このバルブ・コンフィギュレーションにより、ウエハーと静電チャック（ＥＳＣ）との間の良好な熱伝達が可能となるが、特定のウエハー種別についてクランプ状態ないし固定状態からの離脱（ｄｅ−ｃｌａｍｐｉｎｇ）の傾向を増大させる顕著な圧力差（５×１０³）が存在している。而して、薄型ウエハーやキャリア上のウエハーなど用途数が増大する中、静電気に起因する固定状態からの離脱というリスクがあるために、このプロセスが生産環境において実行可能でなくなってしまう。メカニカルクランプを用いることもできるが、メカニカルクランプには微粒子の発生に関する深刻な問題があり、結局のところ代替的なアプローチが好まれるのが典型的といえる。

固定状態からの離脱のリスクがあるタイプのウエハーに係る代替的なアプローチは、堆積プロセス（の一部）に続いて専用の冷却工程を実施するというものである。表２にはチャンバ「バックフィル」プロセスがあるのが理解できるところ、このバックフィルプロセスにおいては、スパッタリングプロセスが停止した後、チャンバ圧力が〜１Ｔｏｒｒまで上昇する「バックフィル」冷却プロセス工程が続くことで、ウエハー温度は堆積工程の間に許容しうる値まで上昇することができる。熱はプラテン組立体及びチャンバ壁へと消散する。

堆積プロセスが停止された後で１Ｔｏｒｒのチャンバ圧力Ｐ_c2が達成されるまでプロセス導入ガス弁１を解放したままにすることで、このバックフィル圧力即ち１Ｔｏｒｒのチャンバ圧力Ｐ_c2が達成される。その上で、全ての弁が表２に記載の通りに操作される。

このアプローチによればウエハーを成功裏に処理することができるものの、このアプローチには生産性の点で重大な欠点がある。つまり、静電チャック（ＥＳＣ）によるクランプ力及び背圧が存在しないために、（ウエハーから）プラテンへの熱伝達は失われることになる。また、ウエハー温度を低温に維持するために堆積工程を短く、かつ、冷却工程を長く維持しなければならない。このことがプロセスのスループットに対して深刻な影響を及ぼす。

そこで、表１の標準的ＥＳＣアプローチを用いることができないウエハーを安全に処理するとともに表２に記載の「バックフィル」アプローチと比較して生産性の増大をもたらす新規な処理方法を提案する。

表３に記載したプロセスは堆積サイクルの間に静電チャック（ＥＳＣ）を用いてウエハーをクランプないし固定するものである。しかしながら、従来のＥＳＣプロセス（表１）とは異なり、背圧制御弁４を開放する一方背圧供給弁５を閉じることにより圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1が最小化される。修正された「バックフィル」工程はまた、静電チャック背圧ポンプ弁３及び背圧制御弁４を開放することによりＰ_b2とＰ_c2との間の小さい圧力差を維持するために用いられる。この技術を用いることで、堆積工程を（ウエハー種別に応じて）顕著に長くするとともに冷却工程を短縮させて高スループットを実現することができる一方、ウエハーの表面と裏面との高圧力差があることに伴う固定状態からの離脱という問題を回避することができる。

弁１から弁５に対して適切な制御を提供することで、公知のタイプの堆積チャンバを本発明を行うように構成することができる。これは、適切なソフトウェアに従って動作する適切に構成された制御システム（図示せず）を用いて処理中に弁の動作を制御することによって快適に実現することができる。

図２において、より高出力１６ｋＷかつ２ミクロンのアルミニウム堆積プロセスについて、時間の関数としての様々な冷却工程の実績を認識することができる。冷却工程は、各堆積サイクルの後で実行される。プラテン／ＥＳＣは０℃で制御される一方、ウエハーは２０℃にてチャンバに進入する。

１Ｔｏｒｒでの１５秒間の冷却工程は、１０Ｔｏｒｒでのバックフィル工程よりもウエハーの温度を低減させる点で顕著により効率的であり、１６０℃対１８２℃である一方、基準圧でのクランプによって、クランプなしのプロセスに対して〜２１０−２１６℃という若干の改善が達成されることが理解できる。

高出力１６ｋＷ、３ミクロン及び２００℃未満の熱量でのアルミニウムプロセスについてのスループット比較を表４に認識することができる。表中の両ケースにおいて、プラテン組立体に接触したガラス面にポリイミド保護テープを有するところのガラスキャリアウエハー上にシリコンウエハーを接合した。従来のバックフィルプロセスは必要な膜形態と熱量制御とを維持するために多段の冷却工程を必要とする一方、新規プロセスは２つの相対的に短いバックフィル工程（ここでは堆積は行われない）を必要とするにとどまるので、より一層大きな生産性を提供する。

ＥＳＣによるクランプないし固定の利用と合わせて、ウエハーの表面と裏面とに均等化された圧力を利用することで、反りがあるウエハーに対してより一層安全なハンドリングを行うことができ、より一層良好な温度制御を提供することができ、従来型の非固定式バックフィルプロセスと比較してより一層長時間かつ連続的時間にわたって堆積を行うことができる。静電クランプと組み合わせて加圧バックフィルを用いることで、冷却の効率性を増大させることができ、より高いスループットをもたらすことができる。

操作上の観点からみると、堆積チャンバとウエハー裏側領域とが流体連通するように静電チャック背圧ポンプ弁３及び背圧制御弁４を開放してチャンバ圧力と背圧とを均等化させることが便利である。しかしながら、通常の知識を有する読者であれば、代替的実施形態においては、堆積チャンバとウエハー裏側領域とが流体連通されなくてもよく、その代わりにそれぞれが独立のガス供給システムの一部を形成してもよいことが理解できるであろう。これらの独立のガス供給システムのガス圧力は、ウエハーの表面と裏面とに作用する圧力が等しくなるように設定及び維持されることができ、あるいは、本発明に従って所望の圧力差を実現するように設定されてもよい。

Claims (20)

1. 表面と裏面とを有する半導体ワークを処理する方法であって、
   ｉ）前記半導体ワークの裏面をチャンバのワーク支持部に配置し、それにより前記半導体ワークの表面が処理のために前記チャンバに面する工程であって、前記チャンバは付随するチャンバガス圧力を有し、前記裏面は付随するガス背圧を有する裏面領域に流体連通する、工程と、
   ｉｉ）第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び第１背圧Ｐ_b1にてワーク処理工程を行う工程であって、前記第１チャンバ圧力Ｐ_c1と前記第１背圧Ｐ_b1とが圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1を引き起こし、前記半導体ワークと前記ワーク支持部との接触の圧力起因喪失を防止するために該圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1が維持される、工程と、
   ｉｉｉ）第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び第２背圧Ｐ_b2にてワーク冷却工程を行う工程であって、前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2と前記第２背圧Ｐ_b2とは、それぞれ、前記第１チャンバ圧力Ｐ_c1と前記第１背圧Ｐ_b1とよりも大きく、少なくとも前記第２背圧Ｐ_b2は前記半導体ワークの冷却を促進するのに充分に大きく、前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2と前記第２背圧Ｐ_b2とが圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2を引き起こし、前記半導体ワークと前記ワーク支持部との接触の圧力起因喪失を防止するために該圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2が維持される工程と、
   を有する、方法。
2. 前記工程ｉｉｉ）において、前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2は前記半導体ワークの冷却を促進するのに充分に大きい、請求項１に記載の方法。
3. 表面と裏面とを有する半導体ワークを処理する方法であって、
   ｉ）前記半導体ワークの裏面をチャンバのワーク支持部に配置し、それにより前記半導体ワークの表面が処理のために前記チャンバに面する工程であって、前記チャンバは付随するチャンバガス圧力を有し、前記裏面は付随するガス背圧を有する裏面領域に流体連通する、工程と、
   ｉｉ）第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び第１背圧Ｐ_b1にてワーク処理工程を行う工程であって、前記第１チャンバ圧力Ｐ_c1と前記第１背圧Ｐ_b1とが圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1を引き起こし、前記圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1が＋２Ｔｏｒｒ未満に維持される、工程と、
   ｉｉｉ）第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び第２背圧Ｐ_b2にてワーク冷却工程を行う工程であって、前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2及び前記第２背圧Ｐ_b2は、それぞれ、前記第１チャンバ圧力Ｐ_c1及び前記第１背圧Ｐ_b1より大きく、前記第２背圧Ｐ_b2は０．５Ｔｏｒｒ以上であり、かつ、前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2と前記第２背圧Ｐ_b2とが圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2を引き起こし、前記圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2は＋２Ｔｏｒｒ未満に維持される、工程と、
   を有する、方法。
4. 前記圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1と前記圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2とは、それぞれ＋１Ｔｏｒｒ未満に維持される、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1と前記圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2とは、それぞれ−０．５から＋０．５Ｔｏｒｒの範囲内に維持される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記工程ｉｉｉ）において、前記圧力差Ｐ_b2−Ｐ_c2 は０Ｔｏｒｒに維持される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記工程ｉｉｉ）において、前記チャンバは前記裏面領域と流体連通し、それにより前記第２背圧Ｐ_b2が実質的に前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2と等しくなる、請求項６に記載の方法。
8. 前記工程ｉｉ）において、前記圧力差Ｐ_b1−Ｐ_c1 は０Ｔｏｒｒに維持される、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記工程ｉｉ）において、前記チャンバは前記裏面領域と流体連通し、それにより前記第１背圧Ｐ_b1が実質的に前記第１チャンバ圧力Ｐ_c1と等しくなる、請求項８に記載の方法。
10. 前記第２チャンバ圧力Ｐ_c2は０．５から２０Ｔｏｒｒの範囲内である、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第２チャンバ圧力Ｐ _c2 は１Ｔｏｒｒである、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記半導体ワークは前記ワーク支持部により定位置に固定される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ワーク支持部は静電チャックを備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記半導体ワークは前記静電チャック_により固定される、請求項１２に従属する請求項１３に記載の方法。
15. 前記処理工程は物理蒸着（ＰＶＤ：ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスである、請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記処理工程は金属スパッタリングプロセスである、請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記半導体ワークは半導体ウエハーである、請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記半導体ウエハーが、薄型ウエハー、反りがあるウエハー、損傷があるウエハー、テープを施したウエハー又は絶縁ウエハーである、請求項１７に記載の方法。
19. 前記半導体ワークは集積回路を製造するために処理される請求項１から１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 半導体処理装置であって、
    チャンバと、
    前記チャンバに配置されるワーク支持部と、
    前記チャンバに所望のチャンバガス圧力を供給し、使用時に半導体ワークの裏面と流体連通する裏面領域に所望のガス背圧を供給するガス供給・ポンプ構造と、
    前記ガス供給・ポンプ構造を備える前記半導体処理装置を制御し、請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成される制御構造と、
    を備える半導体処理装置。

Images