(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の処理に有用なプラズマ処理システムであって、
チャンバー側壁によって境界が規定された内部空間を有するプラズマ処理チャンバーと、
基板支持体であって、前記内部空間内の当該基板支持体の上で基板が処理され、前記チャンバー側壁は当該基板支持体の周辺に対して外側に離隔されている、当該基板支持体と、
前記基板の処理中に、前記内部空間へプロセスガスを供給するガス供給部と、
前記基板の処理中に、前記内部空間中の前記プロセスガスにエネルギを与えてプラズマ状態にするエネルギ源と、
前記チャンバー側壁と前記基板支持体の前記周辺との間で支持されたセラミックライナと、
放射加熱によって前記ライナを加熱するヒータと、を備え、
前記ヒータは前記セラミックライナと前記チャンバー側壁との間の間隙中に設けられ、開口空間によって前記ライナの外側周辺から分離され、
前記ヒータは、開口空間によって前記ライナの外側周辺から分離された熱放射表面を有する熱放射体中に埋め込まれた抵抗発熱要素を有し、
前記セラミックライナは、湾曲可能な金属フレームによって支持され、前記湾曲可能な金属フレームは、当該湾曲可能な金属フレームを介して温度制御部材へ伸びる熱の経路を通して前記セラミックライナから熱が取り除かれるように、前記温度制御部材によって支持される、ことを特徴とするプラズマ処理システム。
【請求項２】
前記ヒータと前記チャンバー側壁との間に、熱放射シールドを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項３】
前記セラミックライナは、一体型セラミックライナ、または複数のセラミックタイルの組立部を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項４】
前記セラミックライナは、エラストマによって前記チャンバー側壁に接着された複数のセラミックタイルの組立部を有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項５】
前記ヒータを支持する少なくとも１つの弾性ヒータ支持体を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項６】
前記セラミックライナは、複数の連結されたＳｉＣタイル、または一体型ＳｉＣライナを含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項７】
前記セラミックライナは、前記セラミックライナの下端部から前記基板支持体に向かって内側に伸びるセラミックプラズマスクリーンを更に含み、
前記セラミックプラズマスクリーンは、基板の処理中に、前記チャンバーの前記内部からプロセスガス及び反応副生成物が取り除かれる通路を含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理システム。
【請求項８】
請求項１に記載のプラズマ処理システムを用いた基板の処理方法であって、
前記基板支持体上に個々の基板を支持する工程と、
ガス供給部を通して前記内部空間にプロセスガスを供給する工程と、
前記内部空間中の前記プロセスガスにエネルギを与えてプラズマ状態にする工程と、
放射加熱によって前記ライナを加熱する工程と、
前記チャンバー内で生成されるプラズマを用いて前記基板をエッチング処理する工程と、
を含むことを特徴とする基板の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［本発明の分野］
本発明は、半導体処理装置に係り、特に、プラズマエッチングチャンバーのような処理チャンバーのための加熱セラミックライナに関する。
【０００２】
［本発明の背景］
半導体プロセスの分野では、真空チャンバーにエッチングまたは成膜用ガスを供給し、そのガスにRF場を印加してエネルギを与え、プラズマ状態にすることによって、基板上の材料をエッチングし及び基板上の材料を化学気相成長(CVD)させるために、真空プロセスチャンバーが一般的に用いられている。平行平板の例としては、誘導結合プラズマ(ICP)とも称されるトランスフォーマー結合プラズマ(TCPTM)、電子サイクロトロン共鳴(ECR)反応装置、及びその部品が、本出願人が所有する米国特許第4340462号、4948458号、5200232号、及び5820723号に開示されている。このような反応装置内のプラズマ環境の腐食性、及び、パーティクル及び／又は重金属汚染を最小化する要求のために、このような装置の部品は高い腐食耐性を示すことが強く望まれている。
【０００３】
チャンバー壁を保護するために、米国特許第5366585号、5556501号、5637237号、5788799号、5798016号、及び5885356号では、ライナ構造を提案している。例えば、'585号特許では、少なくとも0.005インチの厚さを持ち、固体アルミニウムから機械加工された独立のセラミックライナを開示している。'585号特許では、また、下地のアルミニウムを消耗することなく成膜されるセラミック層が、フレーム溶射またはプラズマ溶射された酸化アルミニウムによって提供されうることを述べている。'501号特許では、ポリマー、水晶またはセラミックのプロセス互換性のあるライナを開示している。'237号特許では、ライナ壁上への成膜を防ぐために、金属ライナを100〜600℃の温度まで加熱するためのヒータ構造を開示している。'799号特許では、内部に抵抗ヒータが埋め込まれた温度調整セラミックライナを開示しており、このセラミックはアルミニウム、シリカ、チタニア、ジルコニア、シリコンカーバイド、炭化チタニウム、炭化ジルコニウム、窒化アルミニウム、窒化ボロン、窒化シリコン、及び窒化チタニウムとすることができる。'106号特許では、セラミック、アルミニウム、鋼、及び／又は、アルミニウムを含む水晶が、機械加工の単純さから望ましく、かつ、Al2O3を含む、酸化アルミニウム、Sc2O3またはY2O3で被覆することが、プラズマからアルミニウムを保護するためのアルミニウム被覆に好適であることを開示している。'356号特許では、CVDチャンバー内に用いるウエハ基台用に、アルミニウムのセラミックライナ及び窒化アルミニウムのセラミックシールドを開示している。米国特許第5904778号では、ウエハ周辺のチャンバー壁、チャンバールーフ、または枠として用いる独立のSiC上におけるSiC CVD被覆を開示している。米国特許第5292399号では、ウエハ基台を取り囲むSiCリングを開示している。焼結SiCを作るための技術は米国特許第5182059号に開示されている。
【０００４】
従来の技術は、プラズマ処理反応装置内のライナの温度調整を試みるものであり、このプラズマ処理反応装置はその中でヒータがライナに埋め込まれるか、または、ヒータがライナに熱を通すように設計された構造を含む。しかしながら、このような構造は、ライナを均一に加熱することができず、そのために個々の基板の処理が不均一になったり、基板のバッチ処理を順次行う間にプロセスドリフトが生じたりする可能性がある。以上から、ライナの温度調整をより良く行うライナの加熱構造が必要である。
【０００５】
［発明の概要］
本発明は、プラズマ処理システムのための放射加熱を提供するものであり、このプラズマ処理システムでは、半導体基板は、基板支持体、ガス供給部、エネルギ源、及び放射加熱によって加熱されるセラミックライナを有するプラズマチャンバー中で処理される。プラズマチャンバーは、チャンバー側壁によって境界が規定される内部空間を有し、基板支持体は、チャンバー側壁が基板支持体の周辺に対して離隔されるように内部空間の内側に設けられる。エネルギ源は、ガス供給部によって、基板支持体上に支持される基板の処理中に、内部空間に供給されるプロセスガスにエネルギを与えてプラズマ状態にする。
【０００６】
一実施形態においては、放射ヒータは、ライナの外側周辺に面する加熱放射表面を含む金属本体に埋め込まれた抵抗ヒータを有する。他の実施形態においては、ヒータは、ライナの外側周辺から離隔された抵抗加熱コイルを有する。ライナに向かって熱を反射する加熱放射シールドは、チャンバーとヒータとの間に設けられうる。ヒータはハンガー、ストラップ、または他の手段等の１つまたは複数のヒータ支持体によって支持されうる。
【０００７】
［好適な実施の形態の詳細な説明］
本発明によれば、以下の１つまたは複数の目的を達成しうる放射加熱セラミックライナが提供される。すなわち、ライナを介してアースへの電気的な経路を提供することによって良好なプラズマ形成を維持すること、ライナの熱制御を提供することによってプロセスドリフトを避けること、処理される基板からAlチャンバ壁及び部品を遮蔽することによってAl汚染を防ぐことである。ライナの電気的な接地に関しては、セラミックライナは導電性材料で作られるのが好ましい。好適なセラミック材料は、Si、またはSiC等のカーバイドであって、高純度が得られ、プラズマエッチングチャンバー等のプラズマ反応装置中で見られる腐食性の条件に対し、高い耐性を示すと考えられる材料である。
【０００８】
本発明はプラズマチャンバーを提供するものであり、このプラズマチャンバーでは、セラミックライナを含めた様々な部品がSiまたはSiCで作られる。このような材料はプラズマ環境で使用可能である。これは、SiまたはSiCがプラズマに侵食されると、基板をパーティクル汚染することなく、チャンバーから排出可能なガス状のシリコンまたは炭素化合物を作り出すからである。熱制御に関しては、SiCはシリコンウエハ等の基板の処理中にライナを所望の温度範囲に加熱または冷却可能な極めて高い熱伝導率を示すことが分かっている。Al汚染の防止に関しては、セラミックライナはプラズマをライナの内側に閉じ込めるために、Al壁または部品がプラズマに攻撃されることを避ける。
【０００９】
本発明に係わる真空処理チャンバーは、エッチング、成膜、レジスト剥離等のように様々な半導体プラズマ処理ステップに用いられうる。誘導結合プラズマ源を備えた真空プロセスチャンバー２の一例が図１に示される。図１において、プロセスガスはガス分配リング、ガス分配板、及び射出ノズル等の適当な装置によって、プロセスチャンバー２に供給され、真空は適当な真空ポンプ装置によってチャンバーの内部４に維持される。チャンバー内で処理される基板は、基板支持体８上に支持されるシリコン半導体ウエハ６を含みうる。基板支持体８は静電チャック及びフォーカスリング１０を含みうる。真空ポンプは、チャンバー底部等の端壁で、大型の出力ポート１２に接続されうる。真空処理チャンバーは、誘電体ウィンドウ１４、ガス分配板１６を含み、RF電源はチャンバーの上部等の端壁上の誘電体ウィンドウ１４の外側で、プレーナコイル１８等の外部RFアンテナを通してチャンバーに供給されうる。しかしながら、プラズマ発生源は、ECR反応装置、平行平板反応装置、ヘリコン反応装置及びヘリカル共振器等などのプラズマ発生装置など、あらゆるタイプのプラズマ発生装置であってもよい。プラズマ発生源は、チャンバー端壁上に取り外し可能に取り付けられる環状取付フランジ等のモジュール式の取付構造に取り付けることができる。
【００１０】
取付フランジとチャンバー２との間に高い真空シールを維持するために、適当なＯリングシールがチャンバー２の端壁内の溝の内部にはめ込まれ、RFシールド部材がその真空シールを取り囲みうる。真空ポンプによって大きな真空引きの力が与えられる場合には、取付フランジをチャンバー２に取り付けるために締め具を用いる必要はない。その代わりに、取付フランジはチャンバー２の端壁上にただ置かれているだけでよい。必要であれば、取付フランジ、またはプラズマ発生源アセンブリーの他の部分は、チャンバー２の内部４を手入れするためにプラズマ発生源が垂直方向などの方向に回動されうるように、チャンバー２に蝶番で取り付けられてもよい。
【００１１】
チャンバーはシリコンまたはシリコンカーバイドライナ２０等のセラミックライナを含む。ウエハを取り囲む空間内にプラズマを閉じ込めるためのプラズマスクリーン22は、ライナ20の下端から内側に伸びている。ライナ２０は内側支持体フレーム24及び外側支持体フレーム26を含む弾性的に湾曲可能なフレームによって支持されうる。柔軟なライナ支持体の詳細は、1998年9月25日に出願され、本出願人が所有する米国特許出願第09/161074号に開示されており、この明細書の開示は参照により本明細書に組み込まれる。基板の処理中に所望の温度にライナを維持するために、放射ヒータ28が内側フレーム支持体24と外側支持体フレーム26との間に備えられる。動作中は、ヒータ28はライナ20を加熱するのに効果的であり、ライナ20からの熱の除去は、内側及び外側フレームを通した熱伝導を介してライナから熱を引き出す温度制御部材30によって実現されうる。
【００１２】
図２に示すように、チャンバーは様々なプラズマ発生源をその上に搭載できるモジュール設計を備えうる。このようなシステムの詳細は、本出願人が所有する米国特許第5820723号に開示されており、この明細書の開示は参照により本明細書に組み込まれる。さらに、基板支持体8は、基板支持体/支持体アームアセンブリをチャンバーの側壁中の開口部32を通すことによって、該アセンブリ全体をチャンバーから取り外すことができるように、片持ち梁式で取り付けられた支持体アーム(不図示)の一端で支持されうる。
【００１３】
プラズマチャンバーライナ20は、円筒型の殻またはフラットタイルのような互いに連結するセラミックライナの部品等の単一または複数の部品を含みうる。このようなタイル化されたライナは、1999年9月23日に出願され、本出願人が所有する米国特許出願09/401193号(代理人Docket番号015290−364)で述べられており、この明細書の開示は参照により本明細書に組み込まれる。プラズマに対して電気的な接地経路を提供するために、ライナまたはライナ要素は、シリコンまたはシリコンカーバイド等の導電性材料であるのが好ましい。このような材料は、アルミニウムを含まないという点で付加的な利点を備えており、その結果、処理されるウエハのアルミ汚染を低減することができる。反応装置中のライナ及び/又はプラズマスクリーン、そして他のセラミック部分は、セラミックまたはアルミニウムのような金属で作られる適当な支持体部材に結合されうる。結合材料は、SiCとAlとの異なる熱膨張係数によって生じる横方向ストレスを吸収可能な導電性エラストマであるのが好ましい。ライナの温度調整は、適当な導線によって放射ヒータ供給電源により得られ、ライナから熱を引き出すために温度調整部材が用いられうる。
【００１４】
エラストマ接合は、真空環境に対応し、２００℃以上のような高温での熱による劣化が少ないポリマー材料等のあらゆる適当なエラスト材料を含みうる。エラストマ材料は、ワイヤメッシュ、織られた又は織られていない伝導性織物等の電気的及び／又は熱的伝導性粒子のフィラーまたは他の形のフィラーを任意に含みうる。１６０℃を超えるプラズマ環境で用いられうる高分子材料は、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタル酸塩、フルオロエチレンプロピレンコポリマー、セルロース、トリアセテート、シリコーン、及びゴムを含む。高純度エラストマ材料の例としては、General Electric社からＲＴＶ１３３及びＲＴＶ１６７として販売されている一成分室温硬化接着剤、General Electric社からTSE3221として販売されている一成分流動性熱硬化（例えば１００℃を超えた）接着剤、及びDow Corning社から“SILASTIC”として販売されている二液型添加硬化エラストマを含む。特に好適なエラストマは、Rhodia社からV217として販売されている触媒硬化（例えばPt硬化）エラストマ等の250℃以上の温度で安定なエラストマを含むポリジメチルシロキサンである。
【００１５】
エラストマが導電性エラストマである場合、この導電性フィラー材料は導電性金属または金属合金の粒子を含んでもよい。プラズマ反応チャンバーの不純物の影響を受けやすい環境内で用いる好適な金属は、５〜２０重量パーセントのシリコンを含むアルミニウムベースの合金のような、アルミニウム合金である。例えば、アルミニウム合金は、約１５重量パーセントのシリコンを含みうる。しかしながら、シリコンまたはシリコンカーバイド等の他の伝導性材料のフィラー粒子を用いてもよい。
【００１６】
プラズマスクリーン２２は、ライナ２０の下端から内側に伸びる。プラズマスクリーン２２は、シリコンまたはシリコンカーバイド等の導電性セラミック材料であるのが好ましく、プラズマを閉じ込めるには十分小さく、プロセスガスやプロセス副生成物が真空ポンプによって除去可能である開口部（不図示）を含む。
【００１７】
ヒータ２８は、アルミ鋳造部品に埋め込まれた電気抵抗発熱体を含みうる。従って、発熱体に電流を流すことによってアルミ鋳造部品に熱が供給される。このアルミ鋳造部品は今度はライナ２０に向かって熱を放出する。ヒータ２８は、内側及び外側フレーム部材２４、２６の間の空間部分に取り付けられ、それによってヒータのアルミニウム本体の加熱及び冷却の間に、ヒータは自由に膨張及び収縮できる。ライナ２０の膨張及び収縮に対応するために、内側及び外側支持体フレームは弾性的に湾曲可能に構成されうる。例えば、フレームは、連続した軸方向に伸びる下端部が、軸方向に伸びるスリットによって分離されるように分割されうる。さらに、内側及び外側フレームは、所望の大きさの熱伝導が得られるように構成されうる。例えば、外側フレーム２６がアルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属であり、下端部はライナから熱を取り除くのに十分な厚さを持ち、薄い上端部は半導体基板の処理中に熱応力によって外側フレームが適当に湾曲することを許容する。
【００１８】
セラミックライナ２０は、導電性・熱伝導性エラストマによって受板に接着される連続した独立の円筒型ライナをも含む。外側フレーム２６は軸方向に伸びる連続したスロットによって分離された断片部を含み、内側フレーム２４は軸方向に伸びる連続したスロットによって分離された断片部を含みうる。この分離された断片部は、円周方向において個々の受板と同じ幅を持ちうる。
【００１９】
本発明のもう１つの実施形態によれば、図３に示すように、フランジ７２は連続した円筒型セラミックライナ７０の外側に、導電性・熱伝導性エラストマを用いて接着される。薄いライナの場合、このフランジはライナの外側を実質的に覆う長さであるのが好ましい。しかしながら、厚いライナの場合、フランジの長さは短くてもよく、例えば、厚いライナに対するフランジは図３に示すウエハ搬送スロット７１の下に設けたフランジ７３の長さのように比較的短くてもよい。フランジはアルミニウム等の金属であるのが好ましく、弾性的に湾曲可能な支持体フレーム等の支持体構造に取り付けられるので、その底面で外側に曲げられるのが好ましい。
【００２０】
ライナから熱を取り除くために、支持体フレームと熱的に接触する温度調整部材は、フランジ及び支持体フレームを介して温度調整部材に進む熱流路を通して、ライナから熱を引き出すための放熱板として用いられうる。フランジは互いに結合されない個々の部品であるか、または、分割されたリングの一部でもよい。従って、フランジは弾性支持体及とライナとの間の熱膨張の差に適応するように設計されうる。ライナ上に積み重なって吸収されたイオンエネルギにより発生した熱は、フランジ及びフランジをライナに接合する支持体を通してチャンバーへ流れうる。支持体が分割された内側及び外側金属フレームを含む場合、分割された外側支持体はチャンバーに取り付けられる部分に対して放射状に移動することができる。しかしながら、この弾性支持体構造を用いることによって、このような放射状の動きは、フランジとセラミックライナとの間のエラストマ結合に過度の圧力を与えることなく、十分に小さな放射力を発生する。
【００２１】
図４及び図５は、チャンバーライナが熱放射によって加熱されるヒータの設計を示す図である。チャンバーライナは、円柱形の一体型SiまたはSiC等のセラミックライナであるのが好ましい。さらに、プラズマスクリーン及び／又はガス分配板は、SiまたはSiCであってもよい。SiCはライナ、プラズマスクリーン及びガス分配板に好適な材料であるが、これはプラズマにスパッタされるときに汚染物質を出さないからである。さらに、ライナ及びプラズマスクリーンのSiCは、プラズマの閉じ込めを促進する高い導電性を備えうる。プラズマ発生源がアンテナ等のように誘導結合源である場合、ガス分配板は非導電性のSiCで作られうる。このような伝導性または非伝導性SiC材料は、ライナ、プラズマスクリーン、またはガス分配板を含むカーボン基板上に所望の厚さにSiCを成膜することによって、独立した形の部分として提供されうる。完全にSiCで形成された部分を提供するためには、カーボンは全体がCVD SiCで作られた形の部分を提供するために機械加工されうる。
【００２２】
加熱時及び冷却時に、ライナ上に損傷を与える機械的ストレスを与えることなくセラミックライナを加熱するために、ヒータは弾性ヒータ支持体によってライナから独立して支持される。例えば、図４に示すように、ヒータはその中に抵抗ヒータ１００が埋め込まれた環状の金属部材１０２を含み、この環状の金属部材は金属ストラップ等の複数の弾性ハンガーによって支持されうる。もう１つの構造では、図５に示すように、ヒータはライナの外側周辺を取り囲むヒータコイル９０の複数の曲線部を含み、このコイルは、１つまたは複数のコイルの曲線部が支持されるか、或いは、加熱及びコイルを加熱する温度サイクル中に所望の構成となるよう、コイルの曲線部を維持する間隙を介したコイル接触部分を取り付け用金具が有するように、導線やチャンバー壁から伸びる支持体ピン９２等のあらゆる適当な構造で支持されうる。
【００２３】
図４及び図５に示す構造では、薄い陽極酸化アルミ薄等の放射シールド９４は、ライナの内側に向かって熱を反射する。弾性支持体９６は、その上端で温度調整部材３０に取り付けられ、その下端で周辺に離隔された複数の受板９８に取り付けられる。
【００２４】
シリコンウエハのプラズマエッチング等の半導体基板の処理中に、エッチング処理中に作られたガス状副生成物からのポリマー付着を最小化するために、プラズマにさらされるチャンバー表面を約８０℃、好適には１１０〜１３０℃に保持することが望ましい。さらに、これらの表面をこのような温度に保つことによって、個々のウエハを順次処理する間のプロセスドリフトを抑えることができる。
【００２５】
図４に示す構造では、ヒータは熱放射体１０２に埋め込まれたニクロムワイヤ１００等の抵抗発熱体を含む。熱放射体１０２はセラミックライナ２０と向かい合う熱放射表面１０４を含む。好適な実施の形態によれば、発熱体はアルミ鋳造部品内に設けられる。例えば、ヒータは熱放射体の形状を有し、融解したアルミニウムを用いて型穴を埋める型穴の中に発熱体を設けることによって作られうる。熱放射表面１０４は、アルミ鋳造部品の熱放射率を高くする陽極酸化等によって処理される表面でもよい。外側表面１０６等のアルミ鋳造部品の他の表面は、低い放射率を持たないようにするために陽極酸化されないのが好ましく、その結果、セラミックライナと向かい合わない方向への熱放射を最小限に抑える。図５に示す加熱コイル９０は、ニクロム線等の抵抗発熱体と、セラミックコーティング等の電気的に絶縁され、かつ、熱を放射する材料の外部被覆とを有する。図４及び図５に示すヒータは、ライナまたはライナ支持体をモニターした温度を関数としてヒータへの電力を調整するコントローラによって、セラミックライナの所望の温度が得られるように制御されうる。
【００２６】
本発明は特定の実施の形態に関して詳細に記載されているが、付加された請求項の範囲を逸脱しない限りにおいて、様々な変更や修正が行われうることは当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の好適な実施の形態に係る、弾性フレーム上に支持されたセラミックライナが基板支持体を取り囲んだプラズマ反応チャンバーを示す図である。
【図２】  ライナを含む様々な部品を除いた図１のプラズマ反応チャンバーを示す図である。
【図３】  図１の円筒型ライナの下端に取り付けられる分割された金属フレームの詳細を示す図である。
【図４】  本発明の好適な実施の形態に係るヒータ構造を示す図である。
【図５】  本発明の他の好適な実施の形態に係るヒータ構造を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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