JP6839789B2 - 原子保護層を有するセラミックペデスタル - Google Patents
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Description
「原子保護層を有するセラミックペデスタル（Ceramic Pedestal Having Atomic Protective Layer）」と題され、２０１７年１１月２１日に出願された米国仮出願第６２／５８９，０３８号の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、一般に、半導体処理装置に関し、より具体的には、ウエハーなどの基板をその上で支持し加熱するためのペデスタルに関する。
ここでの記述は、本開示に関連する背景情報を提供するだけであり、必ずしも公知技術を述べるものではない。
半導体処理用のペデスタルは、半導体処理チャンバ内に配置され、通常、ウエハー支持プレートと、ウエハー支持プレートの中央領域に固定された管状シャフトとを含む。ウエハー支持プレートは、熱を発生させるための抵抗加熱素子を含むことができる。加えて、ウエハー支持プレートは、温度センサー、またはＲＦアンテナ、およびウエハー支持プレートの基板内に一体的に設けられたＥＳＣ（静電チャック）電極をさらに含むことができる。ヒーター回路、センサーデバイス、ＲＦ（アンテナ）およびＥＳＣ電極は、管状シャフトで終端され、チャンバの外部の外部制御システムに繋がれる。
ペデスタルの外部は、一般に、半導体処理チャンバ内で真空封止されている。しかしながら、管状シャフトのチャンバは、外部環境と流体連通しており、したがって、大気圧および空気に曝されている。コンタクトピンとヒーター終端領域は、電気的に絶縁されるが、外部環境からの空気にさらされる。セラミック材料で作られたペデスタルは、通常４００°Ｃを超える温度で操作される。そのような高温での管状シャフト内部の酸素分圧が高いと、金属の酸化、腐食、および接触ピン上での及びヒーター終端領域での局所的な高い電気抵抗を生じる可能性がある。そのため、ペデスタルの性能が低下したり、ペデスタルの寿命が短くなったりする場合がある。
本開示の一形態では、ペデスタルを製造する方法は、基板、基板に埋め込まれた電気素子、および電気素子に接続された導電性部材を含む支持プレートを準備すること、チャンバを画定する管状シャフトを準備すること、該管状シャフトを支持プレートに結合し、導電性部材は管状シャフトのチャンバ内に露出された状態とすること、及び原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって導電性部材上に保護層を形成すること、を含む。
一態様では該保護層は、導電性部材上にその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）で形成される。
別の態様では、該電気素子は、抵抗加熱素子、温度センサー、ＲＦアンテナ、および静電チャック用の電極からなる群から選択される。導電性部材は、コンタクトピンおよびヒーター終端領域からなる群から選択するようにすることができる。
さらなる態様では、該ＡＬＤプロセスは、第１の前駆体（ｐｒｅｃｕｓｏｒ）を該管状シャフトのチャンバに導入して該導電性部材上に第１の単分子層を形成し、第２の前駆体を該管状シャフトのチャンバに導入して第１の単分子層上に第２の単分子層を形成することを含む。さらに、該ＡＬＤプロセスは、該第２の前駆体がチャンバに導入される前に、パージガスを該管状シャフトのチャンバに導入することようにすることができる。
別の態様では、この方法は、ＡＬＤプロセス中に管状シャフトの内部を加熱することをさらに含む。この態様では、管状シャフトの内側を加熱するための手段は、管状チャンバを加熱するためにプラズマチャンバを管状シャフトに接続すること、ペデスタル内部の抵抗加熱素子を作動させること、およびペデスタルを加熱するために加熱したチャンバで該ペデスタルを取り囲むことのうちの少なくとも１つを含む。
本開示の別の形態では、ペデスタルを製造するためのシステムが提供される。ペデスタルは、支持プレートと、支持プレートに固定された管状シャフトとを含む。システムは、管状シャフトのチャンバと流体連通している第１の前駆体源、管状シャフトのチャンバと流体連通している第２の前駆体源、および支持ペデスタルを加熱するための加熱手段を含む。
様々な態様によれば、加熱手段はプラズマチャンバを含むことができ、加熱手段はペデスタル内部の内部抵抗加熱素子であることができ、および／または加熱手段はペデスタルを囲む加熱したチャンバを含むことができる。
さらに別の形態では、ペデスタルは、支持プレート、チャンバを画定し支持プレートに固定された管状シャフト、および保護層を含む。支持プレートは、基板および電気素子を含む。電気素子の一部がチャンバ内に露出している。保護層は、チャンバ内で露出している電気素子の部分に形成される。
ペデスタルの様々な態様では、保護層は原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって形成することもでき、電気素子は抵抗加熱素子であり、電気素子の一部はコンタクトピンまたはヒーター終端領域を含み、保護層はＡｌ２０３層とすることができ、保護層は圧縮状態のものとすることができる。
本明細書の説明から、本開示のさらなる適用範囲が明らかになるであろう。本明細書における説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していない。
本開示は、本明細書の詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろう。
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
以下の説明は、実際には単なる例示であり、本発明、その用途、または使用を限定することを意図するものではない。
図１に示される本発明の教示に従って構成されたペデスタル１０は、半導体処理チャンバ内で、ウエハーなどの加熱ターゲットをその上に支持し加熱するために使用される。ペデスタル１０は、支持プレート１２と、支持プレート１２に取り付けられて中空空間またはチャンバ１６を有する管状シャフト１４であって、ペデスタル１０を半導体処理チャンバ（図示せず）内に位置決めして取り付けるための管状シャフト１４とを含む。支持プレート１２は、基板１８と、基板１８に埋め込まれた少なくとも１つの電子または電気素子２０とを含む。電気素子２０は、本発明に係るペデスタル１０の応用に応じて種々のものとすることができるが、抵抗加熱素子、温度センサー、静電チャック（ＥＳＣ）用の電極、または無線周波数（ＲＦ）アンテナなど、または本発明の教示が適用され得る他のデバイスとすることができる。
ペデスタル１０はさらに、少なくとも１つの電気素子２０を外部電源（図示せず）に接続するための、管状シャフト１４内に受け入れられた複数の電気ケーブル２２を含む。この少なくとも１つの電気素子２０は、支持プレート１２の中央領域まで延ばされて複数の導電性部材２４で終端し、電気ケーブル２２に接続される。導電性部材２４は、支持プレート１２の中央領域に隣接して配置され、管状シャフト１４のチャンバ１６内に露出されて、電気素子２０の電気ケーブル２２への接続を容易にしている。導電性部材２４は、抵抗性発熱体の終端領域、または温度センサー、静電チャック電極、またはＲＦアンテナに接続された接触ピンとすることができる。したがって、導電性部材２４が、例えば、電気素子２０の終端領域である場合、電気素子２０の一部（例えば、終端領域）を管状シャフト１４のチャンバ１６内に露出するようにすることができる。
本発明によるペデスタルを製造する方法は、図１に基づいて説明したペデスタル１０を準備することから始まる。ペデスタル１０は、支持プレート１２と管状シャフト１４とを含み、これらは、別々に製造され、次いで、様々な手段のいずれかによって一緒に固定され、一つの形態では、結合される。支持プレート１２は、セラミック材料である。ペデスタル１０、特に支持プレート１２は、製造中の電気素子２０の酸化を抑制するために、無酸素または真空環境で製造される。ペデスタル１０は、新しく製造されたペデスタルとすることも、または修理された再使用のペデスタルとすることもできる。次に、ペデスタル１０が半導体処理チャンバ内に取り付けられる。その後、ペデスタル１０の寿命および性能を改善するために、保護層２６がポストセラミックペデスタル製造における原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによってその場で導電性部材２４に形成される。一形態において、保護層２６の組成は、動作中の該層の性能を向上させるために圧縮応力状態に最適化される。さらに、ＡＬＤ保護層２６はまた、電気素子２０に直接形成されてもよい。
ＡＬＤプロセスは、基板の表面を別のガス種（前駆体と呼ばれる）に曝すことにより基板の表面上に膜が成長するようにする薄膜堆積プロセスである。前駆体分子は、順次、自己制限的な方法で一つずつ基板の材料と反応する。ＡＬＤプロセスは、コンフォーマルな堆積プロセスであり、任意の複雑で大きな基板上で材料を高精度で均一に成長させることができる。
図２Ａから図２Ｆを参照すると、導電性部材２４にその場で保護層２６を形成するプロセスは、ステップ３０において、水蒸気などの第１のガス４１を管状シャフト１４のチャンバ１６に導入して、第１の前駆体４２としてのＨ2Ｏまたは−ＯＨラジカルを生成するステップを有することができる。次にステップ３２において、第１の前駆体４２は、導電性部材２４の表面と反応して、自己制限的に第１の単分子層４４を形成する。第１の単分子層４４は、ヒドロキシル層であり得る。第１の単分子層４４が形成された後、Ｎ2などのパージガス４３が管状シャフト１４のチャンバ１６に導入され、導電性部材２４の材料と反応しない過剰な水分子をパージする。
次に、ステップ３４において、トリメチルアルミニウムＴＭＡ(Ａｌ(ＣＨ３)３)などの第２のガス４５が、管状シャフト１４のチャンバ１６に導入されて、ＴＭＡおよび(Ａｌ(ＣＨ３)３)を第２の前駆体４６として生成する。ステップ３６において、第２の前駆体４６は、ヒドロキシル層４４と反応して、ヒドロキシル層４４の上にＡｌＯ−(ＣＨ３)２層４８を形成し、副生成物としてＣＨ４を生成する。ヒドロキシル層４４およびＡｌＯ−(ＣＨ３)２層４８は一緒にＡｌ２Ｏ３層５０を形成する。ステップ３６において、Ａｌ２Ｏ３層５０が形成された後、Ｎ２などのパージガス４３が管状シャフト１４のチャンバ１６に導入され、チャンバから過剰な第２の前駆体４６および副産物ＣＨ４をパージする。次に、ステップ３８において、ステップ３０からステップ３６が繰り返される。例えば、水蒸気が管状シャフト１４のチャンバ１６に再び導入され、Ａｌ２Ｏ３層５０の上に別のヒドロキシル単分子層４４を形成し、次にＴＭＡ(Ａｌ(ＣＨ３)３)が再び管状シャフト１４のチャンバ１６に導入されて、別のＡｌＯ−（ＣＨ３）２層４８を形成する。ヒドロキシル単分子層４４とＡｌＯ−（ＣＨ３）２層４８は一緒に別のＡｌ２Ｏ３層５０を形成する。ヒドロキシル単分子層４４を形成し、ＡｌＯ−(ＣＨ３)２層４８を形成してＡｌ２Ｏ３層５０を形成することは１つのサイクルを構成する。保護層２６／５０の厚さは、管状シャフト１４のチャンバ１６内で実行されるサイクルの数に基づいて決定される。ステップ４０で所定の厚さが達成されるまで、ステップ３０からステップ３６が繰り返される。図２Ｆの例示的な例では、保護層２６は、導電性部材２４上の４つのＡｌ２Ｏ３層を含む。
ＡＬＤプロセスにより、原子レベルのコンフォーマル(conformal)で選択的な保護層２６が、管状シャフト１４の内部、特に、チャンバ１６内に露出されて電気素子２０を電気ケーブル２２に接続する導電性部材２４上に堆積される。有利なことに、膜の堆積および形状適合性（conformity）は、形状またはサイズに依存しない。選択した領域に高品質の膜を堆積するために、反応性材料と前駆体の分圧、露出時間、温度などのＡＬＤプロセスパラメータを調整することができる。
図３を参照すると、導電性部材２４上に保護層２６を形成するためのＡＬＤシステム８０が示されている。ＡＬＤシステム８０は、第１の前駆体源８２、第２の前駆体源８４、および複数のパイプ８８によってペデスタル１０の管状シャフト１４に接続されたポンプ８６を含む。第１の前駆体源８２は水を含む。第１の前駆体源８２に熱が加えられると、水蒸気が発生する。第１の前駆体源８２の容器を囲むようにヒータージャケットを設けて、その中に含まれる水を加熱することができる。不活性ガス源９２は、反応ガスをチャンバ内に運ぶために、Ａｒなどの不活性ガスを第１の前駆体源８２に供給することができる。第２の前駆体源８４は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を含むことができる。
本実施形態では、ＡＬＤシステム８０は、堆積プロセス温度を６０℃未満に低下させる遠隔プラズマチャンバ９０をさらに含む。ペデスタル１０の管状シャフト１４の内部でＡＬＤプロセスを実行するために、外部または内部の加熱は必要としない。反応ガスと前駆体の分圧、パルス時間、プラズマパラメータなどのプロセスパラメータを最適化して、残留圧縮応力を持つ高品質の保護膜を堆積できる。圧縮応力は一般に、熱サイクルおよび環境に曝されている間の保護膜の性能と完全性を向上させる。
図４を参照すると、ペデスタル１０内部のその場堆積プロセスのためのＡＬＤシステム１００の変形が示されている。ＡＬＤシステム１００は、遠隔プラズマチャンバ９０を含まない点を除いて、図３のＡＬＤシステム８０と同様である。代わりに、ペデスタル１０内の内部抵抗加熱素子２０（図１）にエネルギーを与えることによるペデスタル１０の内部の自己加熱環境が利用される。したがって、プロセス温度は、内部抵抗加熱素子２０によって制御される。同様に、反応ガスと前駆体の温度、分圧、パルス時間などのプロセスパラメータを最適化して、残留圧縮応力のある高品質の保護膜を堆積することができる。
図５を参照すると、セラミックペデスタル１０内部のその場堆積プロセスのためのＡＬＤシステム１２０の別の変形が示されている。ＡＬＤシステム１２０は、図４のＡＬＤシステム１００に類似している。ただし、ＡＬＤシステム１２０は、ＡＬＤプロセスのためにペデスタル１０を加熱するための外部加熱チャンバ１２２を含む。したがって、プロセスの温度は、外部加熱チャンバ１２２によって制御される。同様に、反応ガスと前駆体の温度、分圧、パルス時間などのプロセスパラメータを最適化して、残留圧縮応力のある高品質の保護膜を堆積することができる
したがって、ＡＬＤプロセスのためのペデスタル１０の加熱のために、例えば、外部加熱チャンバ１２２、ペデスタル１０内の内部抵抗加熱素子２０（図１）、またはプラズマチャンバ９０などの様々な加熱手段を使用することができる。
図３に対する図４および図５における同じエレメントは同じ参照番号で示されており、したがって、同様の要素の詳細な説明は省略されている。
電気素子２０を管状シャフト１４のチャンバ１６内の電気ケーブル２２に接続する導電性部材２４上に保護層２６を設けることにより、導電性部材２４の酸化を抑制でき、それにより絶縁破壊とアーク放電の問題を低減できる。これは、複数のコンタクトピンが互いに近接して配置されている場合に特に有益である。保護層２６により、管状シャフト１４の内側に配置される接触ピンの数を増やして、ヒーターのより多くの加熱ゾーンを可能にすることができる。保護層２６はその場で形成されるので、保護層２６は、新しいペデスタルにでも修繕された再使用のペデスタルにでも適用することができる。成膜は、被成膜物の表面の大きさや形状に限定されない。したがって、ＡＬＤプロセスは、コンタクトピンまたはヒーター終端領域上に高品質の保護層２６を堆積して、ペデスタル１０の性能を向上し寿命を延ばす。
さらに、本発明は、典型的なペデスタルでは酸化を抑制するために必要とされる管状シャフト１４のチャンバ１６内のカバーガスパージの必要性を低減し、それにより製造プロセスを簡略化し、製造コストを削減する。
さらに、保護層２６の堆積のために、支持プレート１２は、固定／結合プロセス中に管状シャフト１４に真空封止される必要がない。製造プロセス中に空気／酸素に曝される可能性のある金属または導電性部材は、その場でＡＬＤプロセスを実行して金属または導電性部材上に保護層２６を形成することにより、酸化から保護することができる。このように、一例では、保護層２６は、ＡＬＤプロセスによって、チャンバ１６内に露出される電気素子２０の導電性部材２４（たとえば、終端領域２４）上に設けられ、それによって終端領域２４を酸化から保護する。
本開示は、例として説明および図示された様々な形態に限定されないことに留意されたい。多種多様な変更が説明されており、さらに多くの変更が当業者の知識の一部である。これらおよびさらなる修正ならびに技術的同等物によるあらゆる置換は、本開示および本発明の範囲を離れることなく、追加可能である。
Claims (13)
- ペデスタルを製造する方法であって、
基板と、前記基板に埋め込まれた電気素子と、前記電気素子に接続された導電性部材とを含む支持プレートを準備し；
チャンバを画定する管状シャフトを準備し；
前記管状シャフトを前記支持プレートに結合し、前記導電性部材は前記管状シャフトの前記チャンバ内に露出させ、
原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスによって前記導電性部材上に保護層をその場形成するようにした、
ペデスタルを製造する方法。 - 前記電気素子が、抵抗加熱素子、温度センサー、ＲＦアンテナ、静電チャック用の電極からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記導電性部材は、コンタクトピンおよびヒーター終端領域からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記導電性部材は、前記電気素子を電気ケーブルに接続する、請求項１に記載の方法。
- 前記保護層が、前記管状シャフト内の前記電気素子の一部にさらに形成される、請求項１記載の方法。
- 前記ＡＬＤプロセスが：
第１の前駆体を前記管状シャフトのチャンバ内に導入して前記導電性部材上に第１の単分子層を形成し、
前記管状シャフトの前記チャンバ内にパージガスを導入し、
第２の前駆体を前記管状シャフトの前記チャンバ内に導入して前記第１の単分子層上に第２の単分子層を形成する、
ことを含む、請求項１に記載の方法。 - 前記ＡＬＤプロセス中に前記管状シャフトの内部を加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記管状シャフトを加熱するために、プラズマチャンバを前記管状シャフトに接続することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
- 前記ペデスタルの内部の抵抗加熱素子を作動させることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
- 前記ペデスタルを加熱するために、加熱されたチャンバで前記ペデスタルを取り囲むことをさらに含む、請求項７に記載の方法。
- 前記保護層がＡｌ２０３材料である、請求項１に記載の方法。
- 前記保護層が、その形成後に圧縮状態にある、請求項１に記載の方法。
- 請求項１に記載の方法に従ってペデスタルを製造するためのシステムであって、
前記管状シャフトのチャンバと流体連通している第１の前駆体源と、
前記管状シャフトのチャンバと流体連通している第２の前駆体源と、
前記ペデスタルを加熱するための加熱手段、と
を有し、
前記加熱手段は、プラズマチャンバ、前記ペデスタル内部の内部ヒーター、および前記ペデスタルを取り囲む加熱チャンバのうちの少なくとも１つを含む、
ペデスタルを製造するためのシステム。
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