(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハを処理するためのプラズマリアクターであって、
プラズマ源パワーアプリケーターと、
ウエハ支持体と、
このウエハ支持体にほぼ対面する内面を備えたチャンバ包囲部材と、
このチャンバ包囲部材に支持され且つ前記ウエハ支持体の内面のエリアのほんの一部分をなす出口表面を備えた、前記プラズマリアクターにプロセスガスを導入するための少なくとも一つの小型ガス分配プレートと、を有し、
前記チャンバ包囲部材は、このチャンバ包囲部材を低温に維持するための冷却剤通路を有し、
更に、前記小型ガス分配プレートと前記チャンバ包囲体との間に配置された熱抵抗要素を有するプラズマリアクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、例えば、フルオロカーボンガスのようなポリマー前駆ガスを用いる半導体ウエハを処理するためのプラズマリアクターに関し、特に、そのガス分配プレートに関する。
【０００２】
〔背景技術〕
半導体超小型集積回路の製造に用いられるプラズマプロセスでは、半導体ウエハが、プラズマリアクターのチャンバ内部のプラズマの中に浸される。リアクターは、例えば、化学気相成長法(CVD)、リアクティブイオンエッチング(RIE)などのウエハの様々なプロセスの任意の一つを実行するのに用いられる。このようなリアクターで行われる一定のプラズマエッチングプロセスでは、最上層（被エッチング層）がその下に位置する層（多くの場合、エッチングすべきでない層）よりも遅いエッチング速度を有することがある。このことは、下層に対する上層のエッチング選択性（又は逆の選択性）が全く無いので、特に興味深い問題を提起する。この問題は、フッ素、フッ化化合物のようなエッチング剤を含有するプロセスガスを用いて、半導体層のような別の層の上に位置する誘電層（例えば、ポリシリコン層の上に位置する二酸化珪素層）をエッチングするためのプラズマプロセスに特有ものである。この問題は、電離の際に分解してフッ素含有エッチング種とポリマー前駆種とになり易いフルオロカーボンガス又はフルオロ炭化水素ガスのようなフッ化化合物を用いることによって解消されていた。ポリマー前駆種は、非酸素含有材料（例えば、下に位置するポリシリコン層）の上に硬いポリマーフィルムとして堆積し易いが、酸素含有材料（例えば、上に位置する二酸化珪素層）の上には堆積しないので、必要不可欠なエッチング選択性をもたらす。かくして、下層は、ポリマー層によってエッチング剤から保護され、上層は、エッチング剤に晒されたままであり、したがって、このプロセスは、上層の正味のエッチング選択性を有する。
【０００３】
問題は、チャンバの天井を含むリアクター内面にポリマーが堆積することである。天井は、典型的には、ガス分配入口即ちオリフィスを備えたガス分配プレートからなり、プロセスガスは、その均一な分配のためにガス分配入口即ちオリフィスからリアクターチャンバ内に噴霧されなければならない。このガス分配プレートは、エッチング剤含有プロセスガスを通すのに適している石英のような材料で作られなければならない。このような材料は、温度制御の役に立ち難く、ガス分配プレートの中心部は、プラズマ加熱によって非常に高温になり易く、他方、外周部は、冷たいままになり易い。ポリマーは、冷たい外周領域に硬いフィルムとして堆積し、高温の中心領域では堆積することができない。これら２つの領域間に移行領域があり、この移行領域では、ポリマーは、細かいパウダーとして堆積し易く、このパウダーは、薄片となってウエハの上に剥れ落ちて汚染を引き起こし易い。このことから、ガス分配プレートを定期的に交換することが必要となる。ガス分配プレートは、ウエハの直径（約９インチ（22.86cm）又は１４インチ（35.56cm））程度のものであり、その交換は、その部品コストのためだけでなく、ガス分配プレートを取り外して交換するのにリアクターを分解する間の非生産的な時間のため、高価である。しかしながら、ガス分配プレートの交換までの間にガス分配プレートからの堆積したポリマーの剥れ落ちが起こることがあるので、ガス分配プレートの定期的な取り外し及び交換は、上記問題に対する解決策ではない。
【０００４】
この問題に対する一つの解決策は、ガス分配プレートの上に堆積したポリマーが完全に硬凋度(hard consistency)のものであり且つ薄片となって剥れ落ちないように、ガス分配プレート全体を冷却することが考えられる。しかしながら、これは、事実上、ガス入口を塞いで、プロセスガスの流入を止めてしまうであろう。他の解決策としては、ガス分配プレート全体を、ポリマーが堆積することを防止するに十分加熱してもよい。しかしながら、これは、ガス分配プレート全体をプラズマからの攻撃に晒すので、ガス分配プレートは、より一層速く摩耗する。
【０００５】
したがって、ポリマーの堆積又は堆積したポリマーのウエハの上への剥れ落ちを許さないガス分配プレートにの要望がある。
【０００６】
〔発明の概要〕
本発明を具体化したプラズマリアクターは、ウエハ支持体と、このウエハ支持体にほぼ対面する内面を備えたチャンバ包囲部材とを含む。チャンバ包囲体には、リアクターにプロセスガスを導入するための少なくとも一つの小型ガス分配プレートが支持されており、この小型ガス分配プレートは、ウエハ支持体の内面の面積の一部である出口表面を有する。冷却システムはチャンバ包囲部材を低い温度に維持し、小型ガス分配プレートは、チャンバ包囲部材から少なくとも部分的に断熱されており、プラズマ加熱により高い温度に維持される。
【０００７】
〔好ましい実施例の詳細な説明〕
本発明を具体化したリアクターは、金属のような良好な熱伝導体で形成されるのが好ましい冷却された天井と、これに埋め込まれた小型ガス分配プレートのアレイとを有し、小型ガス分配プレートは、冷却された天井にから断熱されている。天井は、ポリマーが薄片になって剥がれ落ちる傾向がほとんどなく、或いは、その傾向が全くなく、ポリマーが固形フィルムとして天井に堆積するように十分に冷却され、その一方で、小型ガス分配プレートは、その上にポリマーが堆積しない十分に高い温度にプラズマ加熱によって達している。かくして、天井及び小型ガス分配プレートのアレイのいずれもが、薄片になり易いポリマーの隠れ場所を提供しない。その結果、(天井や小型ガス分配プレートのような)内部チャンバ部品の交換の必要性が、省略されないにしても、大幅に減じられる。
【０００８】
各小型ガス分配プレートは、この小型ガス分配プレート内の共通マニホールドに連なる複数のガス噴射孔を有する。小型ガス分配プレートの各々のプラズマに対面している面積部分又はエリアは、(1)このエリアが、入口近くに噴射されたガスに起因する乱流によりポリマーの堆積を防止し又は抑える領域内に包含されるように、(2)小型ガス分配プレートの寸法又は熱的マス(mass)が、この小型ガス分配プレートの迅速なプラズマ加熱を可能にするのに十分に小さいように制限される。この小型ガス分配プレートのエリアを横切るガス乱流を高めるために、各小型ガス分配プレートのガス噴射孔は、チャンバ内面に対面する小型ガス分配プレートの表面に対して傾斜されている。好ましくは、ガス噴射孔は、隣接する孔からのガス噴射流が互いに交差するように、或いは、渦パターンを形成するように傾斜されている。好ましい実施例では、小型ガス分配プレートのプラズマ加熱を高め且つガス噴射乱流を高めるために、小型ガス分配プレートは、天井の表面から僅かに外側に延びている。小型ガス分配プレートは各々、天井全体のエリアのほんの一部分であるのが好ましい。
【０００９】
図１は、大きなガス分配プレート１１５からなる天井１１０を支持する円筒状の側壁１０５を備えた在来のプラズマリアクターチャンバ１００を示す。ガス分配プレート１１５は、天井１１０の大部分を占めている。ガス分配プレート１１５は、ガスマニホールド１２０を有し、複数のガス入口１２５がガスマニホールド１２０からリアクターチャンバ内部に下方に延びている。ガス分配プレート１１５は、半導体ウエハ１３５が搭載されるウエハ支持体１３０の上を覆っている。ガス分配プレート１１５は、ウエハ１３５の直径にほぼ一致する直径を有し、その直径は、約９インチ（22.86cm）又は１４インチ（35.56cm）程度である。プロセスガスは、プロセスガス源１４０によりポンプ１４５を介してガス分配プレートマニホールド１２０に供給される。チャンバ内の圧力は、真空ポンプ１５０によって所望の真空レベルに維持される。チャンバ１００内のプラズマへのＲＦ出力の容量結合に関連して、ＲＦ出力がＲＦ発生器１６０によってインピーダンス整合回路１６５を通じてウエハ支持体１３０に供給される。天井１１０又はガス分配プレート１１５は、ＲＦ戻り部を提供するために接地された伝導材料を含んでいてもよい。
【００１０】
誘電層の上に行われるリアクティブイオンエッチング(RIE)プロセスについて、ガス源は、フルオロ炭化水素ガスを供給することがあり、この場合、ガス分配プレート１１５の大部分にポリマー層が生じる。プラズマによる加熱は、一般的には、ポリマーをガス分配プレート１１５の中心部分に堆積させるには余りにも高温に保ち、他方、ガス分配プレート１１５の周縁部分は、その上にポリマーの硬いフィルムを堆積させるのに十分に低温である。ガス分配プレート１１５の環状中間部分１７０は、典型的には、ポリマーが表面に堆積することはできるが、硬いフィルムを生成することはできない中間温度にある。その代わりに、中間領域１７０では、ポリマーは、粉になり易く且つ簡単に薄片になる傾向があり、ウエハ１３５の汚染を誘発する。したがって、ガス分配プレート１１５を頻繁に交換しなければならない。
【００１１】
上述した問題は、本発明で解決される。図２、図３を参照すると、本発明を具体化するプラズマリアクターは、水冷式天井２１０を有し、この天井２１０の中に、シャワーヘッドプラグ又は小型ガス分配プレート２２０のアレイが埋め込まれている。各小型ガス分配プレート２２０は、例えばシリコンのような半金属、或いは、二酸化珪素（石英）やサファイアのような誘電体で作られ、また、複数のガス入口２２５を有し、このガス入口２２５から、プロセスガスがリアクターチャンバ内部に噴霧される。小型ガス分配プレート２２０は、水冷式天井２１０から断熱されているのが好ましく、これにより、小型ガス分配プレート２２０は、チャンバ内のプラズマによって直ちに加熱される。各ガス分配プレート２２０は、プラズマ発生の際にプラズマによって迅速に加熱されるに十分、天井に対して小さく且つ小さな熱的マスを有する。例えば、天井２１０は、９インチ〜１４インチ（22.86cm〜35.56cm）の直径を有するのが良く、他方、ガス分配プレート２２０は、約0.25〜0.5インチ（0.635〜1.27cm）程度の露出した直径を有するのが良い。その結果、プラズマは、各小型ガス分配プレート２２０を、その上へのポリマーのいかなる堆積も防止するのに十分に高い温度まで加熱する。その利点は、各小型ガス分配プレート２２０のガス入口２２５をポリマーの無い状態に保つことができることである。
【００１２】
各小型ガス分配プレート２２０の直径は、ガス分配プレート２２０の底面２２０ａの全体が、ガス入口２２５からのプロセスガス噴霧のガス乱流の領域内に包囲されるに十分小さいのが好ましい。かくして、例えば、各小型ガス分配プレート２２０は、約0.25〜0.5インチ（0.635〜1.27cm）程度の露出した直径を有する。この領域は、表面２２０ａへのポリマーの堆積を遅延させる又は防止するのに十分なガス乱流を有する。
【００１３】
図４、図５を参照すれば、小型ガス分配プレート２２０の複数のガス入口２２５からのガス噴霧経路の交差パターンを導入することによって、底面２２０ａ回りのガスの乱流が高められる。図４、図５の実施例は、渦パターン（図４の矢印によって図示）を提供する。このことは、各ガス入口２２５を小型ガス分配プレート２２０の出口表面２２０ａに対して角度Ａで孔あけすることによって達成される。この角度Ａは、約２０度〜３０度であるのが好ましい。図６に示す変形例では、複数のガス入口２２５のガス噴霧経路は、ガス乱流を高めるために、他のガス入口に向って差し向けられる。
【００１４】
図７に示すように、小型ガス分配プレート２２０上へのポリマーの堆積を抑制する更なる助けとして、プレート２２０の出口表面２２０ａは、天井２１０の表面の僅か下に距離ｄだけ延びている。この距離ｄは、約0.02インチ〜0.03インチ（0.0508〜0.0762cm）又は小型ガス分配プレート２２０の厚さのほんの一部分であるのが好ましい。図７の拡大断面図は、一つの好ましい具体例を示し、この具体例では、ガス入口２２５は、小型ガス分配プレート２２０を完全に貫通する傾斜孔である。天井２１０に形成された共通マニホールド２３０によって、プロセスガスがガス入口２２５に供給される。水冷式天井２１０のウオータジャケット２４０も、図７の図面に示されている。例えば窒化アルミニウムであるのがよい断熱層２５０は、小型ガス分配プレート２２０と天井２１０との間に設けられている。
【００１５】
水冷式天井２１０は、ポリマーが非常に硬いフィルムとして天井全体に堆積するに十分低い温度に維持され、この硬いフィルムは、事実上、薄片となって落下すること即ちチャンバ内部を汚染してしまうことから免れる。断熱された小型ガス分配プレート２２０は、その上にポリマーが堆積するのを阻止するのに十分に高い温度までプラズマによって加熱される。かくして、ガス入口２２５は、ポリマーの無い状態に保たれる。小型ガス分配プレート２２０の小さなサイズ又は寸法は、プラズマがこれらを要求温度まで加熱することを可能にするだけではない。これはまた、表面２２０ａ又はガス入口２２５にポリマーが堆積するのを更に抑えるに十分なガス乱流を提供するために、小さい表面２２０ａにわたるガス入口２２５の集中を可能にする。小型ガス分配プレート２２０のガス入口２２５の各々からのガス噴霧経路の交差パターン又は渦パターンを提供することによって、及び、出口表面２２０ａを天井２１０よりも下にすることによって、ガス乱流が高められる。上述した特徴の全ての組み合わせによって、小型ガス分配プレート２２０のいかなる部分においてもいかなる観察可能なポリマーの堆積も防止する。
【００１６】
好ましい実施例では、４つの小型ガス分配プレート２２０が、ウエハ１３５の外周の上に位置する４つの対称的に離間した位置で天井２１０に設けられている。勿論、他の実施例で、付加的な小型ガス分配プレート２２０が設けられていても良いし、図５に示した構成から変形させた配置であっても良い。
【００１７】
この利点は、天井と小型ガス分配プレートを、少なくとも従来技術ほど頻繁ではなく、定期的に交換する必要がないことであり、これこそが著しい利点である。更に、本システムは、天井及び小型ガス分配プレートを交換する頻度にかかわらず、ポリマーが薄片になって剥れ落ちることによる汚染から免れる。
【００１８】
図８は、天井２１０の所定の位置に小型ガス分配プレート２２０を機械的に保持するための一つの形態を図示する。小型ガス分配プレート２２０は、その外周から半径方向に延びる環状耳２８０を有する。天井２１０は孔２９０を有し、この孔２９０内に、小型プレート２２０が収められ、天井２１０は、ネジ付き締結具２９５によって互いに結合された上側セクション２１０−１及び下側セクション２１０−２を有する。セクション２１０−１、２１０−２はそれぞれ、環状棚２１０−１ａ、２１０−２ａを有し、これらの環状棚２１０−１ａ、２１０−２ａは、一緒になって、環状耳２８０を受け入れてこれを保持するための環状ポケット２９７を形成する。
【００１９】
好ましい実施例では、天井２１０から薄片となって落下するポリマーは、天井を冷却することによって阻止されるだけでなく、更に、天井の上に「格子」状の表面を設けることによっても阻止される。図３に部分的に示した格子状の表面は、約４mmだけ離間した１mm半球状「バンプ」３００のアレイからなる。バンプ３００は、天井２１０の内面全体にわたってこの方法で配列されている。バンプ３００は、この上に堆積した固形ポリマーフィルムに、大きな結晶質領域よりも割れ難い局所的な結晶質領域を形成させる傾向がある。
【００２０】
小型ガス分配プレートがリアクターチャンバの天井に設けられた好ましい実施例を参照して本発明を説明したが、変形例では、図９に図示するように、小型ガス分配プレートがチャンバ側壁のようなチャンバ内の他の位置に設けられてもよい。この変形例では、天井２１０が水冷される上述の理由と同じ理由で、側壁１０５が水冷されるのが好ましい。天井２１０のガス分配プレート２２０に加えて、又は、それに代えて、側壁１０５に小型ガス分配プレート２２０が設けられていてもよい。
【００２１】
好ましい実施例を特に参照することによって本発明を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、変形又は修正できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来のガス分配プレートを含む在来のプラズマリアクターを示す。
【図２】  本発明を具体化した水冷式天井及び断熱された小型ガス分配プレートのアレイを含むプラズマリアクターの断面図である。
【図３】  図２に対応する天井内面の平面図である。
【図４】  ガス噴霧の好ましい渦パターンを提供する傾斜したガス入口を備えた、本発明の個々のガス分配プレートの平面図である。
【図５】  図４に対応した部分断面図である。
【図６】  図４に対応した変形例の噴霧パターンを示す。
【図７】  図２に対応した拡大部分断面図である。
【図８】  天井に小型ガス分配プレートを締結する方法を示す、図７に対応した図である。
【図９】  リアクターチャンバの側壁に設けられた小型ガス分配プレートを備えた、本発明の他の実施例を示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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