JP6861710B2 - 非対称なチャンバ環境における均一なウエハ温度の実現 - Google Patents
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Description
本書で開示されている実施形態は、概して半導体処理に関し、より具体的には、処理チャンバにおける均一な熱放射損失をもたらす装置に関する。
関連技術の説明
プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）は、半導体ウエハや透明基板などの基板に薄膜を堆積させるために使用される。ＰＥＣＶＤは通常、基板を包含する真空チャンバ内に前駆体ガス又は混合ガスを導入することによって、実現される。前駆体ガス又は混合ガスは、典型的には、チャンバの上部付近に置かれた分配プレートを通して、下向きに導かれる。チャンバ内の電極に、この電極に連結された一又は複数の電源から、高周波（ＲＦ）電力などの電力を印加することによって、チャンバ内の前駆体ガス又は混合ガスは、エネルギーを与えられて（例えば励起されて）プラズマになる。励起されたガス又は混合ガスは、反応して、基板の表面上に材料の層を形成する。この層は、例えば、パッシべーション層、ゲート絶縁体、緩衝層、及び／又はエッチング停止層でありうる。
プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）は、半導体ウエハや透明基板などの基板に薄膜を堆積させるために使用される。ＰＥＣＶＤは通常、基板を包含する真空チャンバ内に前駆体ガス又は混合ガスを導入することによって、実現される。前駆体ガス又は混合ガスは、典型的には、チャンバの上部付近に置かれた分配プレートを通して、下向きに導かれる。チャンバ内の電極に、この電極に連結された一又は複数の電源から、高周波（ＲＦ）電力などの電力を印加することによって、チャンバ内の前駆体ガス又は混合ガスは、エネルギーを与えられて（例えば励起されて）プラズマになる。励起されたガス又は混合ガスは、反応して、基板の表面上に材料の層を形成する。この層は、例えば、パッシべーション層、ゲート絶縁体、緩衝層、及び／又はエッチング停止層でありうる。
ＰＥＣＶＤ処理により、低温での堆積が更に可能になる。このことは、多くの場合、半導体の製造において重要になる。かかる低温により、ナノ粒子の表面機能化に使用されてきた有機コーティング（プラズマポリマーなど）の堆積も、可能になる。処理チャンバ関連の温度は、主としてスリットバルブ開口が存在することによって、非対称になることがある。基板は、このスリットバルブ開口を通って移送されて、処理チャンバに出し入れされる。この非対称性により、ヒータ及び基板からの不均一な放射熱損失が発生し、更に、基板における温度変動が大きくなる。放射熱損失をより均一にすることで、基板上の膜均一性が向上しうる。
したがって、当該技術分野において必要とされているのは、基板の温度均一性を向上させる放射シールドである。
本開示は概して、基板の温度均一性を向上させる、処理チャンバ向けの放射シールドに関する。この放射シールドは、処理チャンバのスリットバルブと、処理チャンバの中に配置された基板支持体との間に配置されうる。一部の実施形態では、放射シールドは、処理チャンバのヒータの下に配置されうる。更に、放射シールドは、処理チャンバから供給される放射及び／又は熱を遮断しうる。一部の実施形態では、放射シールドは、放射を吸収及び／又は反射し、ひいては、温度均一性の向上と共に、基板の平面プロファイルの改善をもたらしうる。
一実施形態では、処理チャンバ向けの放射シールドが開示される。この放射シールドは、ディスク状の放射プレートであってそれを貫通して配置された複数の孔を有する放射プレートと、放射プレートに連結された放射ステムとを含む。
別の実施形態では、処理チャンバが開示される。この処理チャンバは、処理チャンバの中の処理空間内に配置された、基板支持体と、 基板支持体に連結された基板支持ステムと、処理チャンバの壁の内部に配置されたスリットバルブと、基板支持ステムのベースに連結されたリフトシステムとを、含む。処理チャンバは、放射シールドを更に含む。放射シールドは、放射プレートと放射ステムとを含む。放射プレートは、スリットバルブと基板支持体との間に配置される。放射ステムは、放射プレートに連結され、かつ、リフトシステムと放射プレートとの間に配置される。
更に別の実施形態では、処理チャンバが開示される。この処理チャンバは、処理チャンバの処理空間内に配置された基板支持体と、基板支持体に連結された基板支持ステムと、処理チャンバの壁の内部に配置されたスリットバルブと、基板支持ステムのベースに連結されたリフトシステムとを、含む。処理チャンバは、放射シールドと、処理チャンバに連結されたプラズマ源とを更に含む。放射源は、放射プレートと放射ステムとを含む。放射プレートは、スリットバルブと基板支持体との間に配置される。放射ステムは、放射プレートに連結され、かつ、リフトシステムと放射プレートとの間に配置される。
本開示の上述の特徴を詳しく理解しうるように、上記で簡単に要約した本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られる。一部の実施形態は、付随する図面に示されている。しかし、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容しうることから、付随する図面はこの開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではないことに、留意されたい。
理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうることが想定される。
本書で開示されている実施形態は概して、基板の温度均一性を向上させる、処理チャンバ向けの放射シールドに関する。この放射シールドは、処理チャンバのスリットバルブドアと、処理チャンバの中に配置された基板支持体との間に配置されうる。一部の実施形態では、放射シールドは、処理チャンバのヒータの下に配置されうる。更に、放射シールドは、処理チャンバから供給される放射及び／又は熱を遮断しうる。一部の実施形態では、放射シールドは、放射を吸収及び／又は反射し、ひいては、温度均一性の向上と共に、基板の平面プロファイルの改善をもたらしうる。
本書の実施形態について、カリフォルニア州Ｓａｎｔａ ＣｌａｒａのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から入手可能なＰＥＣＶＤシステムなどの、基板を処理するよう構成されたＰＥＣＶＤシステムの使用に言及しつつ、以下で例示的に説明する。しかし、開示されている主題は、エッチングシステム、他の化学気相堆積システム、及び、処理チャンバの中で基板が放射及び／又は熱に曝露される他の任意のシステムといった、その他のシステム構成における有用性も有することを、理解すべきである。本書で開示されている実施形態は、他の製造業者が提供する処理チャンバ、及び、様々な形状の基板を使用するチャンバを使用して実践されうることを、更に理解すべきである。本書で開示されている実施形態は、様々なサイズ及び寸法の基板を処理するよう構成された処理チャンバを使用して実践されうることも、理解すべきである。
図１は、電子デバイスを形成するためのチャンバ１００の一実施形態の、概略断面図である。チャンバ１００はＰＥＣＶＤチャンバである。図示しているように、チャンバ１００は、壁１０２と、底部１０４と、ディフューザー１１０と、基板支持体１３０とを含む。壁１０２と、底部１０４と、ディフューザー１１０と、基板支持体１３０とは、集合的に、処理空間１０６を画定する。基板１０５が移送されてチャンバ１００に出し入れされうるように、処理空間１０６には、壁１０２を通って形成された、密封可能なスリットバルブ開口１０８を通じてアクセスする。基板１０５の寸法は変わることがある。
一実施形態では、基板支持体１３０はセラミック材料を含む。例えば、基板支持体１３０は、酸化アルミニウム又は陽極酸化アルミニウムを含みうる。基板支持体１３０は、基板１０５を支持する基板受容面１３２を含む。ステム１３４は、一端部で基板支持体１３０に連結される。ステム１３４は、反対端部で、基板支持体１３０を上昇及び下降させるためのリフトシステム１３６に連結される。
稼働中、基板１０５の上面とディフューザー１１０の底面１５０との間の間隔は、約１０ｍｍから約３０ｍｍまででありうる。他の実施形態では、この間隔は、約１０ｍｍから約２０ｍｍまででありうる。更に別の実施形態では、間隔は、約１０ｍｍから約１５ｍｍまで（例えば約１３ｍｍ）でありうる。他の実施形態では、間隔が約１０ｍｍを下回るか、又は約３０ｍｍを上回ることもある。
一実施形態では、堆積中に、加熱要素及び／又は冷却要素１３９が、基板支持体１３０及びその上の基板１０５の温度を維持するために使用されうる。例えば、基板支持体１３０の温度は、約４００℃未満に維持されうる。一実施形態では、加熱要素及び／又は冷却要素１３９は、基板温度を約１００°Ｃ未満（例えば約２０°Ｃから約９０°Ｃまで）に制御するために、利用されうる。
基板１０５を、基板受容面１３２に近づくように、及び、基板受容面１３２から離れるように動かして、基板の移送を容易にするために、リフトピン１３８が、基板支持体１３０を通って可動式に配置される。基板支持体１３０は、基板支持体の周縁に、ＲＦ接地を設けるための接地ストラップ１５１も含みうる。
ガスコンファイナアセンブリ（ガス制限アセンブリ）１２９が、基板支持体１３０の周縁に沿って配置される。一実施形態では、ガスコンファイナアセンブリ１２９は、カバーフレーム１３３と、ガスコンファイナ１３５とを含む。図示しているように、ガスコンファイナアセンブリ１２９は、基板支持体１３０の周縁に形成された棚状部１４０及び棚状部１４１の上に位置付けられる。他の実施形態では、ガスコンファイナアセンブリ１２９は、代替的な様態で（例えば、ファスナ（図示せず）を使用するなどして）、基板支持体１３０に隣接して位置付けられうる。例えば、ファスナによって、ガスコンファイナアセンブリ１２９が基板支持体１３０に留め付けられうる。ガスコンファイナアセンブリ１２９は、基板１０５のエッジ領域における速い堆積速度を鈍化させるよう構成される。一実施形態では、ガスコンファイナアセンブリ１２９は、基板１０５の広範囲均一性プロファイルに影響を与えることなく、基板１０５のエッジにおける早い堆積速度を鈍化させる。
図示しているように、カバーフレーム１３３は、基板支持体１３０の基板受容面１３２の周縁に位置付けられ、この周縁に沿って配置される。カバーフレーム１３３は、ベース１４４とカバー１４３とを備える。一部の実施形態では、ベース１４４とカバー１４３とは別個の構成要素でありうる。他の実施形態では、ベース１４４とカバー１４３とは、一体型構造体を形成しうる。ベース１４４及びカバー１４３は、セラミック材料やガラス材料などの非金属材料を含みうる。ベース１４４及び／又はカバー１４３は、インピーダンスが低い材料で構成されうる。一部の実施形態では、ベース１４４及び／又はカバー１４３は、高い誘電率を有しうる。例えば、誘電率は約３．６を上回りうる。一部の実施形態では、誘電率は、約３．６から約９．５まで、例としては、約９．１から約９．５まででありうる。一部の実施形態では、誘電率は９．１以上でありうる。代表的なセラミック材料は、酸化アルミニウム、陽極酸化アルミニウムを含む。ベース１４４とカバー１４３は、同じ又は別々の材料で構成されうる。一部の実施形態では、ベース１４４及び／又はカバー１４３は、基板受容面１３２と同じ材料を含む。
一部の実施形態では、カバーフレーム１３３は、処理中に、重力によって基板支持体１３０に固定される。カバーフレーム１３３が重力によって固定される一部の実施形態では、カバーフレーム１３３の底面の一又は複数のノッチ（図示せず）が、基板支持体１３０から突出している一又は複数のポスト（図示せず）と位置合わせされる。代替的に又は追加的には、カバーフレーム１３３を基板支持体１３０に固定するために、基板支持体１３０の一又は複数のノッチ（図示せず）を、カバーフレーム１３３の底面から突出している一又は複数のポスト（図示せず）と位置合わせすることもある。他の実施形態では、カバーフレーム１３３は基板に留め付けられる。一実施形態では、カバーフレーム１３３は、ガスコンファイナ１３５と位置を合わせるための一又は複数の位置決めピン（図示せず）を含む。他の実施形態では、カバーフレーム１３３は、代替的な技法によって基板支持体に固定される。カバーフレーム１３３は、処理中に基板支持体１３０を覆うよう構成される。カバーフレーム１３３は、基板支持体１３０がプラズマに曝露されるのを防止する。
本書で開示されている実施形態は、オプションで、ガスコンファイナ１３５を含む。ガスコンファイナ１３５は、カバーフレーム１３３の上に位置付けられうる。図示しているように、ガスコンファイナ１３５は、カバーフレーム１３３の直上に、カバーフレーム１３３と接触するように、位置付けられる。ガスコンファイナ１３５は、非金属又はガラスを含みうる。例えば、ガスコンファイナ１３５は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックを含みうる。
ディフューザー１１０は、懸架部１１４によってバッキング板１１２の周縁に連結される。ディフューザー１１０は、ディフューザー１１０の下落の防止を支援し、かつ／又は真直度／湾曲を制御するための、一又は複数の中心支持体１１６によっても、バッキング板１１２に連結されうる。ガス源１２０が、バッキング板１１２に連結される。ガス源１２０は、ディフューザー１１０に形成された複数のガス通路１１１を通じて、処理空間１０６に一又は複数のガスを提供しうる。好適なガスは、ケイ素含有ガス、窒素含有ガス、酸素含有ガス、不活性ガス、又はその他のガスを含みうるが、それらに限定されるわけではない代表的なケイ素含有ガスはシラン（ＳｉＨ４）を含む。代表的な窒素含有ガスは、窒素（Ｎ２）、酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、及びアンモニア（ＮＨ３）を含む。代表的な酸素含有ガスは酸素（Ｏ２）を含む。代表的な不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）を含む。代表的なその他のガスは、例えば水素（Ｈ２）を含む。
処理空間１０６の中の圧力を制御するために、真空ポンプ１０９がチャンバ１００に連結される。ディフューザー１１０にＲＦ電力を提供するために、ＲＦ電源１２２が、バッキング板１１２に連結され、かつ／又は、ディフューザー１１０に直接連結される。ＲＦ電源１２２は、ディフューザー１１０と基板支持体１３０との間に電場を生成しうる。生成された電場は、ディフューザー１１０と基板支持体１３０との間に存在するガスからプラズマを形成しうる。様々なＲＦ周波数が使用されうる。例えば、周波数は、約０．３ＭＨｚから約２００ＭＨｚまで（例えば約１３．５６ＭＨｚ）でありうる。
誘導結合された遠隔プラズマ源などの遠隔プラズマ源１２４も、ガス源１２０とバッキング板１１２との間に連結されうる。基板処理と基板処理との間に、遠隔プラズマ源１２４に洗浄ガス（ｃｌｅａｎｉｎｇ ｇａｓ）が提供されうる。洗浄ガスは、遠隔プラズマ源１２４の中で励起されてプラズマになり、遠隔プラズマを形成しうる。遠隔プラズマ源１２４によって生成された励起種は、チャンバ部品を洗浄するために、処理チャンバ１００内に提供されうる。洗浄ガスは、解離された洗浄ガス種の再結合を低減するために、設けられたＲＦ電源１２２によって更に励起されて、ディフューザー１１０を通って流れうる。好適な洗浄ガスは、ＮＦ３、Ｆ２、及びＳＦ６を含むが、それらに限定されるわけではない。
チャンバ１００は、ケイ素含有材料などの任意の材料を堆積させるために使用されうる。例えば、チャンバ１００は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、及び／又は酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）の一又は複数の層を堆積させるために使用されうる。
図２は、チャンバ１００などの処理チャンバ向けの放射シールド２００の平面図である。図示しているように、放射シールド２００は、放射プレート２０２と放射ステム２０４とを含みうる。放射プレート２０２は円形又はディスク状でありうるが、他の形状の放射プレート２０２が利用されうることも想定される。放射プレート２０２は、特定の処理デバイス又は処理チャンバの中で利用される基板支持体の形状に類似又は合致しうることが、更に想定される。一部の実施形態では、放射プレートは、約１０インチから約２０インチまで（例えば約１４インチ）の直径を有しうる。しかし、放射プレートは任意の好適な直径を有しうることが想定される。
放射プレート２０２は、酸化アルミニウム材料又は窒化アルミニウム材料を含みうる。放射プレート２０２は、それを貫通して配置された複数の孔２０６を更に含みうる。一部の実施形態では、複数の孔２０６は、上述のリフトピン１３８がこれらの穴を通り抜けることを可能にしうる。特定の実施形態では、複数の孔２０６の各々は、放射プレート２０２の中心軸の周囲に配置されうる。特定の実施形態では、複数の孔２０６は、均等に離間していることがある。放射プレート２０２は、放射プレート２０２の中心に配置された孔２０８を更に含みうる。孔２０８はステム１３４を取り囲み、ゆえに、ステム１３４がこの孔を通り抜けることが可能になりうる。
放射プレート２０２は均一な厚さを有しうる。一部の実施形態では、放射プレート２０２は、約２５ｍｍから約２５０ｍｍまで、例としては約５０ｍｍから約２００ｍｍまで（例えば約１００ｍｍ）の厚さを有しうる。特定の実施形態では、放射プレート２０２は、約２５ｍｍから約２５０ｍｍまで、例としては約５０ｍｍから約２００ｍｍまでの、変動可能な厚さを有しうる。
放射ステム２０４は、管状部材又は円筒状部材であってよく、一部の実施形態では、中空コアを有しうる。放射ステムは、放射プレート２０２に連結されうる。放射ステム２０４は、第１端部２１０で放射プレート２０２の孔２０８に連結されうる。放射ステム２０４は、石英材料、又は、半導体処理での使用に適する他の任意の材料を含みうる。
図３は、図１のチャンバ１００の処理空間１０６の概略断面図である。図示しているように、処理空間１０６は、内部に配置された放射シールド２００を含む。放射シールド２００は、基板支持体１３０の基板受容面１３２の下に配置されうる。一部の実施形態では、放射プレート２０２は、スリットバルブ開口１０８と基板支持体１３０との間に配置されうる。一部の実施形態では、放射ステム２０４は、リフトシステム１３６と放射プレート２０２との間に配置されうる。更に、一部の実施形態では、放射ステム２０４は、基板支持ステム１３４を支持し、かつ／又は収容しうる。
処理中、熱損失を避けるために、放射シールド２００は、スリットバルブ開口１０８と基板支持体１３０との間に配置されうる。放射シールド２００自体は、基板支持体１３０の下に配置されうる。また、基板支持体１３０が上昇及び／又は下降する時に放射シールドも上昇及び／又は下降するように、放射シールド２００は、基板支持体１３０と係合し、基板支持体１３０に連結されうる。したがって、基板支持体１３０が処理位置（例えば上昇位置）にある時に、スリットバルブ開口１０８は放射プレート２０２の下に配置され、ゆえに、熱損失が回避される。
加えて、一部の実施形態では、放射ステム２０４は、冷却ハブ１５６とスリットバルブ開口１０８との間に配置されうる。冷却ハブ１５６は、基板支持ステム１３４の下に配置されてよく、処理空間１０６を冷却しうる。更に、パージバッフル１５８が処理空間１０６の中に配置されうる。パージバッフル１５８は、流体又はガスの流れを制限しうる。
試験が実施され、結果は、上述の放射シールド２００を使用することで、処理チャンバ内の前部から後部までの温度が６°Ｃから１°Ｃに低下したことを示した。更に、結果は、処理される基板の温度プロファイルがほぼ対称になることを示した。また、２ｍｍＥＥにおける周方向温度（ａｚｉｍｕｔｈａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）も、５．９°Ｃから４．１°Ｃに低下した。
放射シールド２００の試験中、ヒータ温度は９０°Ｃ上昇し、かつ、基板温度は６０°Ｃ上昇した。底部構成要素（ライナ、ポンピングプレート、スリットバルブ開口、及びシャフトなど）への熱損失は、およそ１５％減少した。更に、上部及び／又は側部の構成要素（ＦＰとＰＰＭのスタックなど）への熱損失は、ヒータ温度及び基板温度の上昇により、およそ４０％増加した。
放射シールド２００の試験により、放射シールドを備える半導体処理チャンバにおける基板の最高到達温度は約５８４°Ｃであった一方、放射シールドを有さない、類似の基板処理チャンバにおける基板の最高到達温度は約５２３°Ｃであったことが、更に示された。放射シールドを備える半導体処理チャンバにおけるヒータの最高到達温度は約７４２°Ｃであった一方、放射シールドを有さない、類似の基板処理チャンバにおけるヒータの最高到達温度は約６５４°Ｃであった。
本開示の利点は、開示されている放射シールドが、スリットバルブ開口ではなく基板支持体に連結されることを更に含む。放射シールドは、ヒータの下に配置され、したがって、より均一な放射及び加熱をもたらすと共に、基板の平面プロファイルを改善する。加えて、本開示は、様々な製造業者によるものを含む、いかなる熱遮断装置及び／又はＰＥＣＶＤ処理チャンバにも、利用されうる。
追加の利点は、基板における温度変動を少なくすることだけでなく、均一な熱損失を促進し、ひいては基板の膜均一性を向上させることも含む。
前述の利点は、例示的なものであって、限定的なものではない。全ての実施形態が前述の利点を有することが、必要なわけではない。上記の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
Claims (8)
- 処理チャンバの中の処理空間内に配置された基板支持体と、
前記基板支持体に連結された基板支持ステムと、
前記基板支持ステムに連結されたリフトシステムと、
放射シールドであって、
前記基板支持体の下に配置された放射プレート、及び、
前記放射プレートに連結され、前記リフトシステムと前記放射プレートとの間に配置されている、放射ステムを備える、放射シールドと、
を備え、
前記放射ステムが、中空コアを有する管状部材であり、前記基板支持ステムを取り囲んでいる、処理チャンバ。 - 前記放射プレートがディスク状である、請求項１に記載の処理チャンバ。
- 前記放射プレートが、前記放射プレートを貫通して配置された複数の孔を有する、請求項１又は２に記載の処理チャンバ。
- 前記放射プレートが、酸化アルミニウム又は窒化アルミニウムの材料を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
- ＰＥＣＶＤ処理チャンバである、請求項１から４のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
- プラズマ源が連結されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
- 前記放射ステムが石英材料を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
- 前記放射プレートが、５０ｍｍから２００ｍｍまでの範囲内の厚さを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の処理チャンバ。
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