(57)【要約】  本開示の実施形態は、高温でプラズマリアクタ内で処理されている基板の平坦性を維持するための静電チャックを提供する。一実施形態では、静電チャックは、支持ステムに結合されたチャック本体を備え、チャック本体は、基板支持面を有し、チャック本体は、体積抵抗率の値が約２５０℃〜約７００℃の温度で約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍであり、また静電チャックは、本体に埋め込まれた電極を備え、電極は電源に接続される。一例では、チャック本体は、堆積またはエッチングプロセス、または高い動作温度および基板クランプ特徴部の両方を使用する任意の他のプロセス中に約６００℃以上でチャッキング性能を最適化することができることが観察された窒化アルミニウム材料から成る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持ステムに結合され、基板支持面を有するチャック本体であって、体積抵抗率の値が、約２５０℃〜約７００℃の温度で約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍである、チャック本体と、
前記本体に埋め込まれ、電源に接続されている電極と
を備える静電チャック。
【請求項２】
前記チャック本体は、熱伝導率の値が約６０Ｗ／ｍ・Ｋ〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋである、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項３】
前記チャック本体の前記基板支持面は、
各々が約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの長さと約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有する複数の正方形の突起部を更に含む、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項４】
前記チャック本体は、比誘電率が８〜１０である窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項５】
前記チャック本体は、本開示の表１に記載された元素を含む窒化アルミニウムから成る、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項６】
前記チャック本体は、少なくともＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、及びＹを含む窒化アルミニウムから成り、Ｓｉの含有量は約３ｐｐｍ〜約４８ｐｐｍであり、Ｆｅの含有量は約２ｐｐｍ〜約１６ｐｐｍであり、Ｃａの含有量は約５〜約２２５であり、Ｙの含有量は約０．０１ｐｐｍ〜約８０５ｐｐｍである、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項７】
前記チャック本体は、Ｎａ及びＣｒを更に含み、Ｎａの含有量は約０．０１ｐｐｍ〜約５．４ｐｐｍであり、Ｃｒの含有量は約０．０１ｐｐｍ〜約３ｐｐｍである、請求項６に記載の静電チャック。
【請求項８】
前記チャック本体は、Ｍｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎを更に含み、Ｍｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの各々の含有量は、約１ｐｐｍ未満である、請求項６に記載の静電チャック。
【請求項９】
前記チャック本体の露出面が、酸化イットリウム、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、又は酸化アルミニウムシリコンマグネシウムイットリウムでコーティングされている、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項１０】
前記チャック本体の周縁部及び底面が、誘電体材料又はセラミック材料で作られた絶縁層でコーティングされている、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項１１】
前記チャック本体の周縁部が、誘電体材料又はセラミック材料で作られた誘電体リングによって覆われている、請求項１に記載の静電チャック。
【請求項１２】
支持ステムに結合され、基板支持面を有するチャック本体であって、体積抵抗率の値が、約２５０℃〜約７００℃の温度で約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍであり、熱伝導率の値が、約６０Ｗ／ｍ・Ｋ〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、少なくともＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、及びＹを含む窒化アルミニウムから成る、チャック本体
を備える、静電チャック。
【請求項１３】
基板支持面を有する窒化アルミニウム本体であって、体積抵抗率の値が、約４５０℃〜約６５０℃の温度で約１×１０９Ω・ｃｍ〜約１×１０１２Ω・ｃｍであり、少なくとも前記基板支持面が絶縁層でコーティングされている、窒化アルミニウム本体
を備える、静電チャック。
【請求項１４】
前記窒化アルミニウム本体は、熱伝導率の値が約１７０Ｗ／ｍ・Ｋである、請求項１３に記載の静電チャック。
【請求項１５】
前記窒化アルミニウム本体は、少なくともＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、及びＹを含む、請求項１３に記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、広くは、半導体基板を処理する装置及び方法に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、プラズマチャンバ内で用いられる静電チャックに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセス、高密度プラズマ化学気相堆積（ＨＤＰＣＶＤ）プロセス、プラズマ浸漬イオン注入プロセス（Ｐ３Ｉ）、及びプラズマエッチングプロセスなどのプラズマプロセスが、半導体処理において必須になって来た。プラズマは、半導体デバイスの製造において多くの利点を提供する。例えば、プラズマを使用することにより、処理温度が低下するため、広範囲の用途が可能になり、プラズマ堆積は、高アスペクト比間隙のための優れた間隙充填と高い堆積速度を有する。
【０００３】
プラズマ処理中に発生する１つの問題は、特に高温におけるデバイス基板、すなわちパターニングされた基板に対する、処理されている基板の変形である。半導体デバイスは、あるパターンで半導体基板上に材料の層を積層することによって形成される。パターニングされた基板は、特に基板が加熱されているときに、異なる材料の層の間の熱膨張の差に起因して、プロセス中に「撓む」ことがある。基板の撓みは、処理表面の不均一性を招き得る。撓んだ基板の側面および裏面が処理され得、このことは、プラズマ処理用の前駆体は通常非常に高価であるので、処理材料を浪費するだけでなく、後続の処理工程では汚染および他の問題を引き起こす。
【０００４】
静電チャック（ＥＳＣ）などの外部手段が、半導体処理中にＥＳＣ表面に対して基板を保持するために使用され、それにより、ウェハは移動せず、ＥＳＣに対して一貫した熱的および電気的接触を維持する。最も重要なことに、ＥＳＣは、半導体処理中に基板を平坦に保つ。基板温度と電圧がプロセス中および基板間で一貫していることは、ＰＥＣＶＤの応用にとって重要である。これは、入って来る基板がＥＳＣにクランプされる前にある程度の圧縮撓みまたは引張撓みを示すときに特に重要であり、高い動作温度はさらに撓みの変化を生じさせ、すなわち高温での基板表面の応力変化により、入って来る撓みよりも悪くなり得る。そのような場合、チャックされた基板は、高い動作温度のためにプラズマプロセスの間に依然として変形され得る。
【０００５】
したがって、高い動作温度の間に基板の平坦性を維持しながら基板をクランプするための装置および方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の実施形態は、広くは、静電チャック（ＥＳＣ）、および誘電体ＥＳＣ表面に対して基板をクランプし、その後、誘電体ＥＳＣ表面から同じ基板を解放する方法を提供し、ここで、基板が平坦であるか、またはＥＳＣによってクランプされる前に様々な程度の圧縮撓みまたは引張撓みを示したかにかかわらず、基板が実質的に平坦になり、ＥＳＣ表面に対して実質的に平行に維持される。
【０００７】
一実施形態では、静電チャックは、支持ステムに結合されたチャック本体を備え、チャック本体は、基板を支持するための上面を有し、チャック本体は、体積抵抗率の値が約２５０℃〜約７００℃の温度で約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍであり、また静電チャックは、本体に埋め込まれた電極を備え、電極は電源に接続される。
【０００８】
別の実施形態では、静電チャックは、支持ステムに結合されたチャック本体を備え、チャック本体は、基板を支持するための上面を有し、チャック本体は、体積抵抗率の値が約２５０℃〜約７００℃の温度で約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍであり、熱伝導率の値が約６０Ｗ／ｍ・Ｋ〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋであり、チャック本体は、本開示の表１に記載の不純物元素を含む窒化アルミニウムから成る。
【０００９】
さらに別の実施形態では、静電チャックは、基板支持面を有する窒化アルミニウム本体を含み、窒化アルミニウム本体は、体積抵抗率の値が約４５０℃〜約６５０℃の温度で約１×１０９Ω・ｃｍ〜約１×１０１２Ω・ｃｍであり、少なくとも基板支持面は絶縁層でコーティングされている。
【００１０】
大部分の実施形態において、本開示のＥＳＣは、薄膜堆積用途のために約１００℃〜約７００℃の温度範囲で動作するジョンソン・ラベック力型静電チャックである。動作温度は、任意の所与の時間における、または動作温度が実質的に一貫している期間にわたっての実時間温度測定に基づいて、閉ループで制御されてもよく、または所定の経過に従うように変化してもよい。ＥＳＣの表面にわたる温度変化は、実質的に小さく、例えば、平均動作温度に対して１０％未満である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ＥＳＣは、基板の裏側とＥＳＣの上面との間に反対の電荷極性を提供するために、閉ループ電気回路を形成する１つ以上の埋込み電極を組み込んでもよく、閉ループは、基板と、ＥＳＣ自体および他の支持部を含む導電性壁との間に維持されたプラズマを含むことができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ＥＳＣは、優れたチャッキング性能を提供するために、適切な熱的、機械的、および電気的特性のバルク誘電体材料から構成される。バルク誘電体材料は、１０００℃より高い温度で焼結された窒化アルミニウムを主に含み、所定の形状寸法のＥＳＣの本体を形成し得る。ＥＳＣ本体は、所定の形状寸法および表面状態に適合するように機械加工および研磨されてもよい。特に、電気的特性に関して、誘電体材料の体積抵抗率は、動作温度に依存して、約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１６Ω・ｃｍの範囲に収まるように制御される。体積抵抗率が低いほど、埋め込まれたチャッキング電極からＥＳＣの上面に向かって電荷が移動し、このような表面電荷が基板の裏側に同じ量の反対極性の電荷を誘導することが可能になる。反対極性の電荷は、ＥＳＣに対して基板をクランプする連続的なクーロン引力を発生させるように、放電に対して持続することができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ＥＳＣは、特定のパターン、またはＥＳＣ本体内部の異なるゾーンを占めるいくつかの特定のパターンを形成する埋め込みヒータ要素を組み込むことができる。ヒータ要素は、１つまたは複数のＤＣ電源で電力供給することができ、またはＡＣラインを使用して直接電力供給することができる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ＥＳＣは、ＥＳＣの近くに存在するか、または他の場所からＥＳＣに結合され得る無線周波数およびより低い周波数の電圧および電流に起因する潜在的な危害に対して電気的保護回路のネットワークを組み込むことができる。保護回路は、ヒューズ、スイッチ、グランドへの放電経路、電流制限デバイス、電圧制限デバイス、およびフィルタリングデバイスで構成され、１つの周波数内にのみ分布し得る、又はＤＣ、ＡＣライン周波数から、ＲＦ周波数、ＶＨＦ周波数までの広い周波数スペクトルにわたって広がり得る潜在的に有害な電圧および電流を十分に減衰させ得る。
【００１５】
いくつかの実施形態では、ＥＳＣの上面は、クランプ時に均一な、または不均一なパターンを形成する表面接触特徴部を含むことができる。パターンは、基板の裏側の全領域を完全にカバーする又は部分的にカバーするものとして基板の裏側に対して存在し得る。パターンの接触面は、機械加工および研磨の結果として微小な粗さを有してもよく、適切な厚さのＥＳＣ本体と実質的に同じ材料または異なる材料のコーティングを含むことができる。表面接触特徴部は、別個の島の形態、すなわち基板裏側と接触するように構成された上面を有するメサ構造であってよく、同一形状または異なる形状の島で、ＥＳＣ表面全体にわたって均一な密度又は不均一な密度で分布していてよい。上面はまた、処理中に基板と接触せず、ウェハの処理中、または基板がチャックされる前に、望ましくない基板の動きを防止するために、基板の高さと同等またはそれより高く上昇させることができる上面を有するブロッキング特徴部を含んでもよい。ブロッキング特徴部は、ＥＳＣ本体の周囲に等間隔で離間していてもよく、または、ＥＳＣに取り外し可能であり得る連続的なリングタイプの構造に延びていてもよい。
【００１６】
本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、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、実施形態の幾つかは添付の図面に示される。しかしながら、添付の図面は、本開示の代表的な実施形態のみを示しており、従って、その範囲を限定すると見なされるべきではなく、本開示は他の等しく有効な実施形態を許容しうることに、留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示による、ＰＥＣＶＤシステム１００の断面図を示す。
【図２】本開示の様々な実施形態による、静電チャックの概略断面図である。
【図３】特定の製造プロセスでの、材料１〜５から成る本体の温度と体積抵抗率の値との間の関係を示すグラフである。
【図４Ａ】本開示の実施形態による、異なる配置の絶縁層を有する静電チャックの概略断面図を示す。
【図４Ｂ】本開示の実施形態による、異なる配置の絶縁層を有する静電チャックの概略断面図を示す。
【図４Ｃ】本開示の実施形態による、異なる配置の絶縁層を有する静電チャックの概略断面図を示す。
【図４Ｄ】本開示の実施形態による、異なる配置の絶縁層を有する静電チャックの概略断面図を示す。
【図５】本開示の実施形態による、表面コンタクトの例示的な配置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。一つの実施形態に開示される要素は、明確な記載がなくても、他の実施形態で有益に利用され得るということも意図される。
【００１９】
例示的なチャンバハードウェア
図１は、本開示による、ＰＥＣＶＤシステム１００の断面図を示す。ＰＥＣＶＤシステムが、本出願に記載されているけれども、本開示の装置と方法は、静電チャックを用いる任意の適当なプラズマプロセスに適用され得るということに留意されたい。ＰＥＣＶＤシステム１００は、ヒンジによってチャンバ本体１０２に取り付けられ得るチャンバリッド１０４を支持するチャンバ本体１０２を一般に備える。チャンバ本体１０２は、処理領域１２０を画定する側壁１１２と底部壁１１６を備える。チャンバリッド１０４は、反応ガスおよび洗浄ガスを処理領域１２０に供給するためにそこを通って配置される１つ以上のガス分配システム１０８を備えることができる。側壁１１２に形成され、ポンピングシステム１６４に結合された円周ポンピングチャネル１２５は、処理領域１２０からガスを排気し、処理領域１２０内の圧力を制御するように構成される。２つの通路１２２及び１２４が、底部壁１１６に形成される。静電チャックのステム１２６が、通路１２２を通っている。基板リフトピン１６１を作動させるように構成されたロッド１３０が、通路１２４を通っている。
【００２０】
セラミックなどで作られたチャンバライナ１２７が、腐食性の処理環境から側壁１１２を保護するために、処理領域１２０に配置される。チャンバライナ１２７は、側壁１１２に形成されたレッジ１２９によって支持され得る。複数の排気口１３１が、チャンバライナ１２７に形成され得る。複数の排気口１３１は、処理領域１２０をポンピングチャネル１２５に接続するように構成される。
【００２１】
ガス分配システム１０８は、反応ガスおよび洗浄ガスを供給するように構成され、処理領域１２０にガスを供給するためにチャンバリッド１０４を通して配置される。ガス分配システム１０８は、ガスをシャワーヘッドアセンブリ１４２に送るガス入口通路１４０を含む。シャワーヘッドアセンブリ１４２は、面板１４６との間に配置されるブロッカプレート１４４を有する環状ベースプレート１４８を含む。
【００２２】
ガス分配システム１０８のベースプレート１４８には、作動中にベースプレート１４８を冷却するための冷却チャネル１４７が形成されている。冷却入口１４５は、水などの冷却流体を冷却チャネル１４７に供給する。冷却流体は、冷却剤出口１４９を通って冷却チャネル１４７を出る。
【００２３】
チャンバリッド１０４は、ガスを１つ以上のガス入口１６８，１６３，１６９から遠隔プラズマ源１６２を通ってチャンバリッド１０４の上部に配置されたガス入口マニホールド１６７に送るためのマッチング通路を有する。ＰＥＣＶＤシステム１００は、１つ以上の液体供給源１５０並びにキャリアガスおよび／または前駆体ガスを提供するように構成された１つ以上のガス源１７２を備えることができる。
【００２４】
静電チャック１２８は、処理されている基板を支持して保持するように構成されている。一実施形態では、静電チャック１２８は、その上に基板を静電的に固定するために電圧が印加される少なくとも１つの電極１２３を備えることができる。電極１２３は、ローパスフィルタ１７７を介して電極１２３に接続された直流（ＤＣ）電源１７６によって給電される。静電チャック１２８は、単極、双極、三極、ＤＣ、互いにかみ合う、帯状などであってもよい。
【００２５】
一実施形態では、静電チャック１２８は、処理領域１２０内に移動可能に配置され、ステム１２６に結合された駆動システム１０３によって駆動される。静電チャック１２８は、その上に配置された基板を所望のプロセス温度に加熱するために、例えば抵抗素子などの加熱素子を含むことができる。代替的に、静電チャック１２８は、ランプアセンブリなどの、外部の加熱素子によって加熱されてもよい。駆動システム１０３は、処理領域１２０内で静電チャック１２８を下降又は上昇させるために、リニアアクチュエータ、またはモータおよび減速ギアアセンブリを含むことができる。
【００２６】
ＲＦ源１６５が、インピーダンス整合回路１７３を通ってシャワーヘッドアセンブリ１４２に結合される。シャワーヘッドアセンブリ１４２の面板１４６と、コンデンサ１７８などのハイパスフィルタを介して接地され得る電極１２３は、容量性プラズマ発生器を形成する。ＲＦ源１６５は、シャワーヘッドアセンブリ１４２にＲＦエネルギーを供給して、シャワーヘッドアセンブリ１４２の面板１４６と静電チャック１２８との間の容量性プラズマの生成を容易にする。したがって、電極１２３は、ＲＦ源１６５のグランド経路と、基板の静電クランプを可能にするＤＣ源１７６からの電気的バイアスとの両方を提供する。
【００２７】
ＲＦ源１６５は、例えば１３．５６ＭＨｚ ＲＦ発生器などの高周波無線周波数（ＨＦＲＦ）電源、および例えば３００ｋＨｚ ＲＦ発生器などの低周波無線周波数（ＬＦＲＦ）電源を含むことができる。ＬＦＲＦ電源は、低周波発生と固定マッチ要素の両方を提供する。ＨＦＲＦ電源は、固定マッチとともに使用するように設計されており、負荷に供給される電力を調整し、順方向電力および反射電力に関する懸念を除去する。
【００２８】
幾つかの実施形態では、静電チャック１２８上に固定された基板の特性が、プラズマプロセス中にモニタされてもよい。幾つかの実施形態では、静電チャック１２８上に固定された基板の平坦度が、プラズマプロセス中にモニタされてもよい。一実施形態では、静電チャック１２８上に固定された基板の平坦度は、基板がその上に固定された静電チャック１２８の特性を測定することによって、モニタすることができる。静電チャック１２８の特性は、面板１４６に接続されたセンサ１７４によって測定することができる。センサ１７４は、面板１４６とインピーダンス整合回路１７３との間に接続されたＶＩプローブであってもよい。幾つかの実施形態において、面板１４６と電極１２３との間の静電容量は、面板１４６と電極１２３との間に配置された基板１２１の平坦度によってもたらされるので、センサ１７４は、面板１４６と電極１２３との間の静電容量を測定するように構成することができる。静電チャック１２８などの静電チャックは、その上に配置された基板の平坦度が下がる場合、容量性リアクタンスが増加し得る。基板が平坦でなく、例えばプラズマの熱で変形した場合、基板と静電チャック１２８との間の空隙の不均一な分布が存在する。したがって、静電チャック内の基板の平坦度の変動は、静電チャックの虚数インピーダンスの変動によって測定され得るプラズマリアクタの静電容量の変動をもたらす。そのような場合、センサ１７４は、面板１４６と電極１２３によって形成されるコンデンサの電圧および電流を測定することによって、静電チャック１７４のインピーダンスを測定し、それによって、その上に固定された基板の平坦度をモニタするように構成されてもよい。
【００２９】
プラズマプロセスの間、静電チャック上に配置された基板は、加熱による変形、堆積膜の厚さ増加、チャッキング電力の喪失、またはそれらの組み合わせにより、湾曲が増加する可能性がある。基板の変形は、プロセスの不均一性を増加させる可能性がある。一実施形態では、処理されている基板の平坦度は、基板を固定する静電チャックの特性を測定することによって、モニタすることができる。所定の条件に応じて、静電チャックのチャッキング電圧を調整して、基板の変形を修正することができる。
【００３０】
図１に示すように、センサ１７４は、システムコントローラ１７５に接続することができる。システムコントローラ１７５は、ＰＥＣＶＤシステム１００において処理されている基板１２１の平坦度を計算し調整するように構成されてもよい。一実施形態では、システムコントローラ１７５は、静電チャック１２８の虚数インピーダンスなどの特性をモニタすることによって、基板１２１の平坦度またはチャッキング状態を計算することができる。虚数インピーダンスの測定が、基板１２１の平坦度が低下することを示す場合、システムコントローラ１７５は、ＤＣ源１７６を調整することによってチャッキング電力を増加させることができる。一実施形態では、基板１２１の平坦度の低下は、静電チャック１２８の虚数インピーダンスの負の増加によって示される。
【００３１】
例示的な静電チャック
図２は、本開示の様々な実施形態による、静電チャック１２８の概略断面図である。静電チャック１２８は、支持ステム２２６に結合されたチャック本体２２８を含む。本体２２８は、処理中に基板１２１を支持しクランプするように構成された上面２０２を有する。静電チャック１２８の本体２２８は、導電性部材２８６に結合された電極２２３を含む。電極２２３は、本体２２８の内部の基板に匹敵するサイズの金属電極であってもよく、本体２２８の上面２０２に対して保持される基板１２１とほぼ平行になるように作られてもよい。電極２２３は、電極が上面２０２にわたって一様に分布するような、任意の構成またはパターンで配列されてもよい。例えば、電極２２３は、格子状、画素状またはドット状の構成で配列されてもよい。導電性部材２８６は、ロッド、チューブ、ワイヤなどであってもよく、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、または本体２２８を構成する他の材料と実質的に同様の膨張係数を有する他の材料などの導電性材料で作られ得る。
【００３２】
一実施形態では、静電チャックは、電極２２３と基板１２１との間の実質的に均一な電圧を維持するために、一体成形の電極２２３を使用する。あるいは、静電チャックは、異なる電圧を有する複数のチャッキング電極が、クランプ力を生成するために使用される双極ＥＳＣを使用することができる。いくつかの実施形態では、静電チャック１２８は、基板の静電クランプを促進または強化するために、基板に電気的バイアスを提供するため、本体２２８に埋め込まれたまたは配置されたバイアス電極を有することができる。あるいは、電極２２３は、無線周波数（ＲＦ）電源（例えば、図１のＲＦ源１６５）用のグランド経路および基板の静電クランプを可能にするための基板２２１への電気的バイアスの両方を提供することができる。
【００３３】
基板１２１に電気的バイアスを提供するために、電極２２３は、電極２２３にバイアス電圧を供給する電源システム２８０と電子的に通信することができる。電源システム２８０は、電極２２３にＤＣ信号を供給するための直流（ＤＣ）電源であり得る電源２７６を含む。一実施形態では、電源２７６は２４ボルトＤＣ電源であり、電気信号が、正または負のバイアスを提供することができる。電源２７６は、電源２７６からの電気信号を増幅するための増幅器２７９に接続されてもよい。増幅された電気信号は、コネクタ２８２によって導電性部材２８６に伝わり、増幅された信号をフィルタリングしてノイズを除去し、および／または電源システム２８０からのバイアス電圧からＲＦ電流を除去するための電気回路網２７７を通って進んでもよい。増幅されフィルタリングされた電気信号は、電極２２３および基板１２１に供給され、基板１２１の静電クランプを可能にする。電極２２３は、ＲＦグランドとして機能することもでき、ＲＦ電源は、コネクタ２８１によってグランドに接続される。バイアス電圧がグランドに行かないように、コンデンサ２７８が、グランド経路に接続されてもよい。このように、電極２２３は、基板バイアス電極およびＲＦリターン電極として機能する。
【００３４】
いくつかの実施形態では、基板１２１は、本体２２８の上面２０２と部分的に接触して、事実上コンデンサである接触間隙２３０を形成することができる。チャッキング電圧が接触間隙２３０に印加され、必要なチャッキング力を効果的に発生させる。動作中、電源２７６は電荷の源として働き、電極２２３から、蓄積された電荷が、有限の導電率の（本体２２８の）バルク材料を通って本体２２８の上面２０２に移動することができる。次に、表面電荷は、等しい量であるが反対極性の電荷を基板１２１の底部に誘導し、反対の電荷の間のクーロン引力が、基板１２１を上面２０２に対して効果的に保持する。基板１２１の底部の誘導された表面電荷の一部は、基板２２１の上面２０２と電源２７６の他端との間の接触接続から、導電性のチャンバ壁である共通のグランド接続を通って来てもよい。このような接続は、導電性媒体としてふるまうチャンバ側壁（例えば、図１に示す側壁１１２）と基板１２１との間にプラズマを発生させて維持し、電流ループを閉じて、接触間隙２３０にチャッキング電圧と電荷を供給することによって形成されてもよい。静電チャックから基板を解放することは、本体２２８に含まれる電荷と共に、電極２２３に供給されるチャッキング電圧を除去することによって達成され、その間、プラズマは、基板１２１上の電荷が排出されるまで、動作し続ける。
【００３５】
本体２２８の上面２０２に蓄積された表面電荷に関しては、半導体性材料の有限の導電率による電荷移動の直接の結果である。これは、反対極性の電荷をより近づけ、接触間隙を有効に減少させる。静電チャッキング力は、接触間隙電圧の二乗に比例し、接触間隙高さの二乗に反比例することが、認められる。したがって、電荷移動は、さもなければ同等であろうＥＳＣ設計に対して、所定のチャッキング電圧でのチャッキング力を増加させるのに役立つことが期待される。言い換えれば、より高い導電率の材料（例えば、後述するＡｌＮ）は、より低い導電率におけるチャッキング力に比べて、高いチャッキング力を示すことができる。電荷移動のこの現象は、しばしばジョンソン・ラーベック（Ｊ−Ｒ）効果と呼ばれる。本開示に特有の温度レジームでは、ＡｌＮ誘電体材料は、高い導電率すなわち低い抵抗率を示し、開示された高温ＥＳＣ実施態様を、Ｊ−Ｒ効果チャックのカテゴリに置く。Ｊ−Ｒカテゴリとは対照的に、クーロン効果チャックでは、誘電体材料は導電性が非常に低く、又は導電性でないことさえあり、同等のチャッキング力に達するために高いチャッキング電圧を必要とする。
【００３６】
ＥＳＣ電圧のかなりの部分が接触間隙２３０に印加されて、必要なチャッキング力を有効に発生させるように、接触コンデンサ上の電荷量およびその分布を決定する上で、材料（例えば、ＡｌＮ）および基板の形状寸法、間隙高さ、有効接触面積、表面粗さ、および抵抗率がすべて重要な役割を果たすことが、意図される。十分なチャッキング力は、基板を最小の時間または数秒未満でクランプし、基板処理中にクランプ力を維持することができるものであってもよい。ほとんどの場合、十分なチャッキング力は、約１×１０−２トール〜１×１０２トールである。また、接触間隙コンデンサの充電および放電の時定数によって、基板を完全にチャッキングし、その後静電チャックから解放するまでの時間が決まる。ＥＳＣ電源電流は、基板処理全体の間、または必要に応じて処理レシピの特定のステップで一定のチャッキング電圧を維持するために必要である。ほとんどの場合、有利には、接触間隙電圧の波形は、最小の立ち上がり時間および立ち下がり時間を有し、その間に実質的に平坦な部分を有し、そこでは、値が、印加されたＥＳＣ供給電圧のかなりの部分に近づく。このタイプの波形は、同じグレードの材料を使用する場合、広い動作温度範囲（例えば、−２０℃〜約８５０℃）にわたって満足されないことがある。これは、本体２２８に使用される誘電体材料の温度依存性に起因する。図３に関して以下でより詳細に説明するように、特定の製造プロセスにおける特定のグレードのＡｌＮ材料の体積抵抗率は、室温から７５０℃までに数桁変化し得る。したがって、本体２２８の最適化が、例えば高温用途などの特定の動作温度レジームに対してある特性を有する適切なグレードの材料を選択するために必要である。
【００３７】
本開示の様々な実施形態において、本体２２８は、約−２０℃〜約８５０℃の温度範囲、例えば約３５０℃〜約７００℃、例えば約６５０℃で基板に十分なチャッキング力を提供することができるセラミック材料を含むか、又はそれから構成される。詳細には、本体２２８は、一般に、以下の特徴のうちの１つ以上を提供する：（１）高温プロセス中に熱膨張の差によって引き起こされる応力に耐える比較的高い機械的強度および剛性。（２）高温で本体２２８内の低いリーク電流を保証する高純度（≧９９ａｔｍ％）および約１×１０６Ω・ｃｍ〜約１×１０１７Ω・ｃｍの体積抵抗率値。並びに（３）優れた導電性を提供する約６０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率値。いくつかの実施形態では、本体２２８は、８〜１０の比誘電率を有することができる。適切なセラミック材料には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、または他のセラミック材料が含まれ得るが、これらに限定されない。
【００３８】
大部分の実施形態では、本体２２８は、ＡｌＮから構成される。一実施形態では、本体２２８は、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、およびＹなどの１つ以上の不純物元素を含む特定のグレードのＡｌＮで構成され、上記（１）〜（３）の特徴を有する。この特定のグレードのＡｌＮに含まれるＡｌＮの量は、一般に、９９ｗｔ％を超える。いくつかの実施形態では、本体２２８は、少なくともＳｉ、Ｆｅ、ＣａおよびＹを含むこの特定のグレードのＡｌＮから構成される。様々な例において、Ｓｉの含有量は、約３ｐｐｍ〜約４８ｐｐｍ、例えば約３ｐｐｍ〜約８ｐｐｍ、約８ｐｐｍ〜約１３ｐｐｍ、約１３ｐｐｍ〜約１８ｐｐｍ、約１８ｐｐｍ〜約２３ｐｐｍ、約２３ｐｐｍ〜約２８ｐｐｍ、約２８ｐｐｍ〜約３３ｐｐｍ、約３３ｐｐｍ〜約３８ｐｐｍ、約３８ｐｐｍ〜約４３ｐｐｍ、約４３ｐｐｍ〜約４８ｐｐｍであり得る。一例では、Ｓｉの含有量は、約７ｐｐｍ〜約３９ｐｐｍである。Ｆｅの含有量は、約２ｐｐｍ〜約１６ｐｐｍ、例えば約２ｐｐｍ〜約４ｐｐｍ、約４ｐｐｍ〜約６ｐｐｍ、約６ｐｐｍ〜約８ｐｐｍ、約８ｐｐｍ〜約１０ｐｐｍ、約１０ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍ、約１２ｐｐｍ〜約１４ｐｐｍ、約１４ｐｐｍ〜約１６ｐｐｍであり得る。一例では、Ｆｅの含有量は、約４ｐｐｍ〜約１０ｐｐｍである。Ｃａの含有量は、約５ｐｐｍ〜約２２５ｐｐｍ、例えば、約５ｐｐｍ〜約２５ｐｐｍ、約２５ｐｐｍ〜約４５ｐｐｍ、約４５ｐｐｍ〜約６５ｐｐｍ、約６５ｐｐｍ〜約８５ｐｐｍ、約８５ｐｐｍ〜約１０５ｐｐｍ、約１０５ｐｐｍ〜約１２５ｐｐｍ、約１２５ｐｐｍ〜約１４５ｐｐｍ、約１４５ｐｐｍ〜約１６５ｐｐｍ、約１６５ｐｐｍ〜約１８５ｐｐｍ、約１８５ｐｐｍ〜約２０５ｐｐｍ、約２０５ｐｐｍ〜約２２５ｐｐｍであり得る。ほとんどの例において、Ｃａの含有量は、約１０ｐｐｍ〜約１８０ｐｐｍである。一例では、Ｃａの含有量は、約１５ｐｐｍである。別の例では、Ｃａの含有量は、約１７０ｐｐｍである。Ｙの含有量は、約０．０１ｐｐｍ〜約８０５ｐｐｍ、例えば、約０．０１ｐｐｍ〜約８５ｐｐｍ、約８５ｐｐｍ〜約１６５ｐｐｍ、約１６５ｐｐｍ〜約２４５ｐｐｍ、約２４５ｐｐｍ〜約３２５ｐｐｍ、約３２５ｐｐｍ〜約４０５ｐｐｍ、約４０５ｐｐｍ〜約４８５ｐｐｍ、約４８５ｐｐｍ〜約５６５ｐｐｍ、約５６５ｐｐｍ〜約６４５ｐｐｍ、約６４５ｐｐｍ〜約７２５ｐｐｍ、約７２５ｐｐｍ〜約８０５ｐｐｍであり得る。一例では、Ｙの含有量は、約１ｐｐｍ未満である。いくつかの例において、Ｙの含有量は、約１ｗｔ％〜約９ｗｔ％、例えば１ｗｔ％〜約３ｗｔ％、約３ｗｔ％〜約６ｗｔ％、約６ｗｔ％〜約９ｗｔ％であり得る。一例では、Ｙの含有量は、約３．３ｗｔ％である。
【００３９】
いくつかの実施形態では、本体２２８は、ＮａおよびＣｒをさらに含むことができる。そのような場合、Ｎａの含有量は、約０．０１ｐｐｍ〜約５．４ｐｐｍ、例えば約０．０１ｐｐｍ〜約０．９ｐｐｍ、約０．９ｐｐｍ〜約１．８ｐｐｍ、約１．８ｐｐｍ〜約２．７ｐｐｍ、約２．７ｐｐｍ〜約３．６ｐｐｍ、約３．６ｐｐｍ〜約４．５ｐｐｍ、約４．５ｐｐｍ〜約５．４ｐｐｍであり得る。一例では、Ｎａの含有量は、約２ｐｐｍである。別の例では、Ｎａの含有量は、約１ｐｐｍ未満である。Ｃｒの含有量は、約０．０１ｐｐｍ〜約３ｐｐｍ、例えば、約０．０１ｐｐｍ〜約０．６ｐｐｍ、約０．６ｐｐｍ〜約１．２ｐｐｍ、約１．２ｐｐｍ〜約１．８ｐｐｍ、約１．８ｐｐｍ〜約２．４ｐｐｍ、約２．４ｐｐｍ〜約３ｐｐｍであり得る。一例では、Ｃｒの含有量は、約１ｐｐｍである。本体２２８は、Ｍｇ、Ｋ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｕおよびＺｎなどの追加の不純物元素を含んでもよい。そのような場合、各追加の不純物元素の含有量は、約１ｐｐｍ未満であり得る。
【００４０】
本明細書に記載された材料および不純物元素の含有量から構成された本体２２８は、以下の機械的特性を提供することが期待される：（１）純度が、約９９ａｔｍ％以上；（２）かさ密度が、約３．１５ｇ／ｃｃ〜約３．４５ｇ／ｃｃ、例えば、約３．３３ｇ／ｃｃ；（３）熱伝導率が、約６０Ｗ／ｍ・Ｋ〜１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、例えば、約１７０Ｗ／ｍ・Ｋ；（４）ライナ熱膨張係数（１０００℃）が、約５．２×１０−６／℃〜約５．９×１０−６／℃、例えば、約５．７×１０−６／℃；（５）曲げ強度が、約２５０ＭＰａ〜約５００ＭＰａ、例えば、約４００ＭＰａ；（６）ヤング率が、約２５０ＧＰａ〜約３５０ＧＰａ、例えば、約３００ＧＰａ；（７）ビッカース硬さが、約９００Ｈｖ〜約１３００Ｈｖ、例えば、約９８７Ｈｖ
【００４１】
本体２２８に使用することができる例示的な特定のグレードのＡｌＮの組成が、以下の表１に列挙されている。
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【００４２】
図３は、特定の製造プロセスでの、材料１〜５から成る本体２２８の温度と体積抵抗率の値との間の関係を示すグラフである。理解され得るように、材料１〜５の体積抵抗率の値は、−１０℃から約７００℃までに、１×１０６Ω・ｃｍから約１×１０１７Ω・ｃｍの範囲で数桁変化する。具体的には、図３は、動作温度が直線的に増加すると、材料１〜５の体積抵抗率がほぼ指数関数的に低下することを示している。ＥＳＣ材料の体積抵抗率の値が１×１０１６Ω・ｃｍより大きい場合、電圧印加時のリーク電流が小さすぎて十分なチャッキング力（例えば、１×１０−３トール〜１×１０３トール）を得ることができず、他方、ＥＳＣ材料の体積抵抗率の値が１×１０６Ω・ｃｍ未満であると、リーク電流が過剰になり、チャックされた基板上の回路が破壊されることが、観察されている。したがって、充分なチャッキング力を提供するために、本体２２８の体積抵抗率の値を１×１０６Ω・ｃｍ〜約１×１０１６Ω・ｃｍの範囲にすることが有利である。静電チャックが材料１〜５から構成され、試験されたとき、材料１〜５が、約−５℃〜約７００℃の広い温度範囲でチャッキング力を生成することが観察された。詳細には、約１×１０７Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍ（約２５０℃〜約６５０℃）および約１×１０８Ω・ｃｍ〜約１×１０１５Ω・ｃｍ（約２５０℃〜約７００℃）の体積抵抗率の値をそれぞれ有する材料１および材料５からなる本体２２８は、約２５０℃〜約７００℃の高温範囲で十分なチャッキング力（例えば、１×１０−３トール〜１×１０２トール）を提供することができる。熱伝導率の値が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである材料１および材料５からなる静電チャックが、６５０℃の動作温度で５℃の温度範囲または変動を達成するのに役立つことも、本発明者らによって開発プロセスを通して認められた。材料１〜５からなる静電チャックのみが図示されているが、本開示の様々な実施形態で説明したような他の材料からなる静電チャックを使用して、ＰＥＣＶＤ半導体製造プロセスまたは他の類似の半導体製造プロセスにおいて、約２５℃〜約７００℃の広い温度範囲、特に約２００℃〜約６５０℃の高温で、有効なチャッキング力を提供することができる。
【００４３】
図２に戻って、いくつかの実施形態では、本体２２８は、本体２２８に熱を提供するための１つ以上の埋め込みヒータ２８８を含むことができる。次いで、ヒータ２８８からの熱が基板１２１に伝達されて、堆積プロセスなどの製造プロセスが強化される。ヒータ２８８は、電極２２３と平行に配置されてもよいし、配置されなくてもよい。ヒータ２８８は、電極２２３の下の位置に示されているが、電極は、ヒータ２８８と同じ平面に沿って、またはヒータ２８８の上方に配置されてもよい。ヒータ２８８は、単一の連続した金属線であってもよく、または別個の金属線の形態であってもよい。ヒータ２８８は、静電チャックに誘導加熱または抵抗加熱を提供するのに適した任意の加熱デバイスであってもよい。熱電対などの温度センサ（図示せず）を本体２２８に埋め込むことができる。温度センサは、本体２２８の温度を制御するために電源２８３に制御信号を送る温度コントローラ（図示せず）に接続されてもよい。
【００４４】
ヒータ２８８は、ヒータ２８８に電力を供給する電源２８３に支持ステム２２６を通って接続される。電源２８３は、直流（ＤＣ）電源、交流（ＡＣ）電源、または両方の組み合わせを含むことができる。一実施形態では、電源２８３は、ＡＣ信号をヒータ２８８に供給するための交流（ＡＣ）電源である。ヒータ２８８は、抵抗性金属、抵抗性金属合金、又はこれら２つの組み合わせで構成されてもよい。加熱素子に適した材料は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）などの高い耐熱性を有する材料を含むことができる。ヒータ２８８はまた、熱膨張の不一致によって引き起こされる応力を低減するために、本体２２８を構成する材料の熱特性と実質的に同様の熱特性、例えば熱膨張係数を有する材料で製造されてもよい。
【００４５】
ヒータ２８８は、動作温度ならびに本体２２８の上面２０８および基板１２１にわたるその均一性を制御するために、任意の所定のパターンで配置することができる。例えば、ヒータ２８８は、本体２２８の上面２０２にわたって単一の加熱ゾーンまたは複数の独立して、方位的に制御可能な加熱ゾーンを提供するように配置されてもよい。ヒータ２８８の位置およびレイアウトは、動作温度およびチャック表面にわたる温度分布、または温度プロファイルに直接影響を及ぼす。このような温度プロファイルは、ある期間にわたって実質的に一貫していてもよいし、ヒータ素子の各々への電力を動的に調整することによって、異なるが有効なものに変更されてもよい。本体２２８内に埋め込まれたインシトゥ温度センサに基づく閉ループ温度制御を使用して、正確な動作温度および本体２２８と基板表面にわたる温度勾配を維持することができる。チャック機能と組み合わせた１つ、２つ、３つ、４つまたはそれ以上のゾーンヒータなどの異なるヒータゾーン構成が、プロセス要求に応じて可能であると考えられる。ヒータ２２８の位置およびレイアウトならびに膜堆積中の動作温度は、膜の厚さ、均一性、応力、誘電率または屈折率などを制御するために、当業者によって操作することができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、電気回路網２７７は、ＥＳＣおよびヒーター２８８の電源を、ＥＳＣ誘電体材料を介してチャッキング電極およびヒーター２８８に結合し得るＡＣおよび反応性ＲＦ電圧および電流から保護するように構成することができる。このような結合は、それぞれのＡＣおよびＲＦ負荷を処理するように設計されていないＤＣ電源またはＡＣ電源にとって有害であり得る。ＥＳＣ電源およびヒータ用のＡＣ電源ラインを保護するために、電気回路網は、ＲＦ電圧および電流が、保護する負荷に入るのを最小限に抑えるかまたは防止するために、入力インピーダンスが高いＲＦフィルター回路を含み得る。ＲＦフィルタ回路は、動作周波数に依存することがある。例えば、１３．５６ＭＨｚでは、単純なＬＣ並列共振回路が、高インピーダンス回路として高電圧側に対して存在し、したがって、ＲＦ周波数に対して開回路として働くが、他の周波数およびＤＣに対してパススルーとして働くことができる。複数のＲＦ周波数が含まれる場合、複数のフィルタ段を使用して、動作周波数のそれぞれで最小ＲＦインピーダンス要件を満たすことができる。
【００４７】
温度レジームの高温端（例えば、７００℃）付近で動作するＥＳＣに関する特定のフィルタ要件が存在することがある。前述したように、ＡｌＮ材料の抵抗率は、高温で非常に低くなり、埋め込まれたチャッキング電極２２３とヒータ２８８とが物理的に近接しているので、それらの間の結合が増加する可能性がある。したがって、主としてヒータ回路のＡＣライン側に現れるより低い周波数の信号は、ＡｌＮ誘電体チャッキング材料を介してチャッキング電極に結合し、チャッキング電圧に影響を及ぼす可能性がある。より低い周波数の信号の例は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのライン周波数である。場合によっては、ライン電圧のかなりの部分が、チャッキング電極に結合することがある。そのような場合、ＤＣ  ＥＳＣ電源は、ノイズに対して負荷として働くであろうが、これは、市販のＤＣ電源のほとんどが、ＡＣ負荷を取るように設計されていないため、望ましくないかもしれない。ＡＣ結合の問題は、ＡｌＮ材料の抵抗率がはるかに低い高温で厳しい可能性があるので、幾つかの実施形態では、５０Ｈｚまたは６０ＨｚのＡＣライン周波数用に設計されたＥＭＩフィルタなどの追加のＡＣラインフィルタを使用して、チャッキング電極への低周波ノイズカップリングを減少させ、ＥＳＣ電源を保護し得る。
【００４８】
場合によっては、必要に応じて各分岐回路上で、直列、並列、または任意の組み合わせの形式で、複数のＲＦ周波数および低周波数フィルタの実施態様が必要な場合がある。いくつかの実施形態では、２７ＭＨｚの高インピーダンスフィルタと直列の単一の１３．５６ＭＨｚの高インピーダンスフィルタが、埋め込みヒータ２８８へと作られた接続ラインのそれぞれの間に挿入されてもよく、一方、ＲＦフィルタと直列の１つの追加の低周波ＥＭＩフィルタが、埋め込まれたＥＳＣ電極２２３とＥＳＣ電源２７６との間に挿入されてもよい。任意の又は全ての適切な組み合わせにおける、入力インピーダンス値、帯域幅、カットオフ周波数、周波数応答曲線、及び減衰度等の様々なフィルタトポロジが、用途に応じて制御されてもよい。電気回路網２７７は、チャンバ環境の内部か外部か、近くか遠くか（それらが保護するように設計された電源からさらに遠く離れている）にかかわらず、静電チャックに対して任意の適切な位置に配置することができる。フィルタ要件および実施態様は、システム要件に大きく依存しており、上述の例に限定されないが、例外なく、現在開示されている方法および実施態様に基づく派生物とみなすべきであることが、更に認められる。
【００４９】
本開示のいくつかの実施形態は、ヒータがいかなる周波数のＲＦ電力によっても能動的に駆動されないＥＳＣの実施態様を説明しているが、上述した高温でのまさにそのチャッキングの原理は、チャンバのヒータ側から駆動される能動的なＲＦ電力があるかどうかにかかわらず同じままであるので、そのようなＲＦ駆動シナリオは、本開示の派生物であり得ると考えられる。セラミック材料の選択やＲＦフィルタの設計などの、ＥＳＣに関するすべての態様は、チャンバのヒータ側からのＲＦ駆動があるかないか（つまり、ＥＳＣにおけるメッシュ側からの能動的なＲＦ駆動の有無）にかかわらず、またはＤＣチャッキング電圧が同じメッシュ電極に同時に印加されている間にＲＦメッシュ上でどのようなＲＦ電圧および電流が流れているかにかかわらず、同じである、チャッキング電極上に存在するＲＦ電圧および電流のレベルの場合、ＲＦ電圧または電流、またはその両方が、ＲＦ駆動が底部且つヒータ側ではなく上部電極から来る場合と異なる又は高くなり得るということが考えられる。このように、前に説明した保護回路に対する要件は、それに応じて、同じレベルの分離に達するために、変わり得る。すなわち、特定の動作周波数（複数可）に対する入力インピーダンスが、上部駆動ＲＦ電極からのものに対応するリークＲＦ電圧または電流の同じレベルを達成するために、高くなり得る。
【００５０】
ＥＳＣチャッキングリーク電流経路は、ヒータ２８８を通ってグランドへ、および／または基板／本体２２８の表面を通ってプラズマおよびグランドへ確立され得ることが観察された。ＥＳＣ電流の全部または大部分が基板を介してグランドに流れると、基板上に存在するデバイス構造に電気的損傷を引き起こす可能性のある閾値を超える可能性がある。このような電気的損傷は、帯電損傷および／または絶縁層の破壊を含むことがある。高い動作温度の下でＥＳＣ電流を最適化する１つの手法は、より高い抵抗率の誘電体材料を使用することである。本体２２８を作製するための材料１〜５の集まりの電気的特性を含む図３に関して先に説明したように、材料５は、１×１０８Ω・ｃｍである材料１と比較して、約６００℃で１×１０１０Ω・ｃｍの体積抵抗率を有するようであり、それ故、材料５は材料１よりも低いＥＳＣ電流を示すであろう。全ＥＳＣ電流が、バルクのＡｌＮ材料を通って、そしてヒータ２８８へ、プラズマリターンパスを通ることなく、直接にグランドに流れ得る場合、プラズマを通ってグランドに流れる部分のみならず、ＥＳＣ電流のこの部分は、より高いＡｌＮ抵抗率において減少するであろう。
【００５１】
ヒータ２８８を通ってグランドに流れるＥＳＣチャッキングリーク電流を減少させる別の手法は、グランド電位に対してヒータ２８８を浮かせることである。この方法は、本体２２８のためのバルク誘電体材料の抵抗率にかかわらず、グランド電流のこの部分を完全に除去すると考えられる。このようなＤＣ絶縁を実施する例は、ヒータ２８８と電源２８３との間に配置された絶縁変圧器２４６を通して、５０Ｈｚまたは６０ＨｚのＡＣラインによってヒータ２８８に電力を供給することである。絶縁変圧器２４６は、グランド電流経路を遮断するために使用される。このような場合、絶縁変圧器２４６は、一次コイル巻線２４７と二次コイル巻線２４９とを含むことができる。一次コイル巻線２４７は電源２８３に接続され、二次コイル巻線２４９は保護しようとする電気負荷（すなわち、ヒーター２８８）に接続されてもよい。したがって、ヒータ２８８は、ＡＣ電圧源および外部電源からの任意の過渡電流から電気的に絶縁され、リーク電流を低減することができる。ほとんどの場合、絶縁変圧器２４６は、その一次および二次コイル巻線にＤＣ電流を流さずに、絶縁破壊することなく最大ＥＳＣ電圧に耐えるように設計されるべきである。しかしながら、一方で、ＡＣ電流は、絶縁変圧器２４６の一次コイル巻線と二次コイル巻線との間を自由に通過することができる。ヒーター２８８の構成に応じて、絶縁変圧器２４６は、単一ゾーンまたは複数ゾーンの絶縁変圧器であってもよい。静電チャックが複数の加熱ゾーンを含む場合、複数の変圧器又は複数の一次及び、若しくは二次コイル巻線を有する単一の変圧器が、ヒータとグランドの間のＤＣ絶縁を維持するために使用されてもよい。
【００５２】
ＥＳＣチャッキングリーク電流を減少させる更に別の手法は、本体２０８の上面２０２上に高抵抗または絶縁材料の層を設けることであり、これは、プラズマを介してチャンバのグランドに漏れるＤＣ電流を遮断または著しく減少させるであろう。このような絶縁層は、動作温度において本体２０８のバルク誘電体材料と比較して非常に高い抵抗率、並びに動作温度での及び任意の可能な熱サイクルにも耐えるバルク誘電体材料への良好な接着性を示す必要があり、またグランドへのＤＣ電流経路になる可能性があるボイドやピンホールがない必要がある。このような絶縁層は、より高い周波数の電圧、すなわち、ＡＣライン電圧および単一または複数のＲＦ周波数のＲＦ電圧との任意の可能な重ね合わせを伴う又は伴わない最大ＤＣチャッキング電圧にさらされたときに、同じ又は十分な絶縁状態を維持する必要があり得る。このような絶縁層は、限定されたコーティングプロセスによって永久的にＥＳＣ内に製造されてもよく、あるいは堆積プロセスが開始される前に、チャンバ環境の内部で１回または繰り返してインシトゥで生成されてもよい。ＤＣ絶縁のインシトゥ層の場合、時間の経過とともに摩耗又は劣化しうる場合には、厚さ、被覆領域、および膜組成が、十分な時間にわたり十分な絶縁が達成されるように制御されてもよい。
【００５３】
絶縁層は、絶縁材料、例えば誘電体材料またはセラミック材料から製造することができる。セラミック材料又は誘電体材料の適当な例は、石英又はガラスなどの酸化ケイ素、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、イットリウム含有材料、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＡＳＭＹ（酸化アルミニウムシリコンマグネシウムイットリウム）、Ｙ４Ａｌ２Ｏ９（ＹＡＭ）の化合物及びＹ２−ｘＺｒｘＯ３  の固溶体（Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２固溶体）から構成される高性能材料（ＨＰＭ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ホウ素（ＢｘＣｙ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、並びに同じ絶縁要件を満たすことができる他の同様のまたは異なる特性を含み得る。チタニアがドープされたアルミナまたはカルシウムがドープされたアルミニウム窒化物などのドープされたセラミックも使用され得る。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｄは、本開示の実施形態による、異なる配置の絶縁層２３２を有する静電チャック１２８の概略断面図を示す。図４Ａは、絶縁層２３２が本体２２８全体の外面にコーティングされていることを示す。図４Ｂは、絶縁層２３２が本体２２８の底面２３４全体にコーティングされていることを示す。一例では、絶縁層２３２は、本体２２８の肩部２３６および周縁部２３８を覆うように、底面２３４から上方に延在することができる。周縁部２３８は、上面２０２の表面積の約２％〜約１５％を覆うことができる。図４Ｃは、絶縁層２３２が本体２２８の底面２３４全体および側面２４０にコーティングされていることを示している。一例では、本体２２８の周縁部２３８は、誘電体リング２４２によって覆われてもよい。いくつかの実施形態では、図４Ａおよび図４Ｃの支持ステム２２６の露出した表面は、任意選択で、絶縁層２３２でコーティングされてもよい。図４Ｄは、絶縁層２３２が本体２２８の底面２３４全体と支持ステム２２６の露出した表面にコーティングされていることを示している。一例では、絶縁層２３２は、本体２２８の肩部２３６および周縁部２３８を覆うように、底面２３４から上方に延在することができる。誘電体リング２４２は、上述したように、絶縁層２３２と同じ材料で作ることができる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、本体２２８の上面２０２は、チャッキング力およびタイミング性能に影響を及ぼすために、基板１２１の裏側領域に近接しておよび／または接触して配置され得る様々なパターンの表面コンタクト２９０を有することができる。上面２０２上の表面コンタクト２９０は、直径３００ｍｍの基板の裏側領域との、約４５％〜約７０％（高接触面積）、例えば約６５％、での密な接触、約１５％〜約４５％（中間接触面積）、例えば約３０％、および約０．０１％〜約１５％（低接触面積）、例えば約０．３％、での接触を行うことができる。バルクペデスタル材料特性、表面接触面積、同じまたは同じではない接触島（しばしばメサ島と呼ばれる）を含む任意の特定の接触パターン、メサ島のそれぞれの形状および高さ、並びにＥＳＣ表面の一部または全部に関する均一または不均一な個数密度でのＥＳＣ表面にわたる集合的分布、並びに上部接触表面仕上げの粗さＲａなどの様々なパラメータが、任意の特定のまたはすべての用途に対して望ましいチャッキング力を達成するように最適化されてもよい。ＥＳＣ接触表面最適化プロセスは、動作温度、ＥＳＣ電圧、ＥＳＣ電流、及びチャックまたは解放する時間に応じて、１つの用途要件のためのＥＳＣ設計、又は広範囲の用途要件のための設計を生成し得る。例えば、１つの最適化プロセスは、最大接触面積を使用する最小チャッキング電圧を目標とすることができ、別の最適化プロセスは、ＥＳＣ電源のＤＣチャッキング電流を最小化することを含むことができる。ＥＳＣアセンブリに容易に組み込むことができる小さなフォームファクタのＥＳＣ電源を必要とするため、チャッキング電流を下げる要件は、電源パッケージの観点から有利である。低いチャッキング電流を維持するさらなる利点は、チャッキングに関連するＤＣ抵抗加熱が、高温のＥＳＣ表面上の全体的な温度分布に影響を及ぼす要因として考慮されない場合に、チャッキング中の過剰な抵抗加熱を減少させるために、ＥＳＣバルク材料に加えられる過剰なＤＣ電力を最小化することである。言い換えると、ＥＳＣ表面温度の平均および分布は、ＤＣチャッキング電力の印加の有無に応じて変化し、基板温度のドリフトにつながる可能性がある。
【００５６】
図５は、本開示の実施形態による、表面コンタクト２９０の例示的な配置を示す。表面コンタクト２９０は、基板の裏側にわたる実質的に均一な圧力を可能にするとともに、表面コンタクト２９０と基板１９１との間のチャッキング力の実質的に均一な分布を可能にするように、示されているようなドット状の構成で配置することができる。あるいは、表面コンタクト２９０は、格子状、画素状構成、複数リングの同心円状構成、またはそれらの任意の組み合わせ（ドット状構成を含む）などの他の適切な構成で配置されてもよい。表面コンタクト２９０は、矩形アレイ、六角形アレイ、またはハニカムアレイに配置することもできる。表面コンタクト２９０は、プロセスレジームに応じて、対称または非対称に配置されてもよい。一実施形態では、表面コンタクト２９０は、特定の表面粗さを有する正方形の島である。表面コンタクト２９０は、基板支持表面、すなわち本体２２８の上面２０２の表面積の約１５％〜約４５％、例えば約３０％を占める。したがって、表面コンタクト２９０は、均一な仕方で基板裏側領域の約１５％〜約４５％、例えば約３０％と接触する。幾つかの例では、表面コンタクト２９０は、均一な仕方で、基板裏側領域の約５０％〜約８５％、例えば約６５％で密な接触を行う。幾つかの例では、表面コンタクト２９０は、基板裏側領域の約０．１％〜約３０％、例えば約０．３％で疎な接触を行う。
【００５７】
表面コンタクト２９０は、矩形、菱形、正方形、半球形、六角形、三角形の突起または異なる形状の突起の混合などの任意の適切な形状の隆起または突出部であってもよいと考えられる。多くの場合、表面コンタクト２９０は、それぞれ、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍ、例えば約０．５ｍｍの高さと、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍ、例えば約１．５ｍｍ〜約３．５ｍｍの長さ「Ｄ１」と、約０．０５ｍｍ〜約５ｍｍ、例えば約１．５ｍｍ〜約３．５ｍｍの幅「Ｄ２」とを有し得る。隣接する２つの表面コンタクト２９０の間の距離「Ｄ３」は、約０．１ｍｍ〜約０．６ｍｍ、例えば約０．５ｍｍとすることができる。全チャッキング力は、所与のクランプ圧力に対して有効接触面積に比例するので、要求される温度均一性の仕様を達成するためには、高温ＥＳＣの熱特性を考慮する必要がある。
【００５８】
いくつかの実施形態では、本体２２８は、ヘリウムなどの冷却ガスを基板の裏側に分配するための、本体２２８の上面２０２にわたって又は周縁部に向かって配置されたガス入口、ガスチャネルなどを含み得る。ガス入口／チャネルのサイズ、位置およびパターンは、接触間隙２３０内でガスを分配し、圧力勾配を最小にし、基板１２１から本体２２８への熱の移動を容易にする。ガス入口／チャネルによって供給されるガス圧は、約１トールから約２０トールの間、または基板を保持するクランプ力が著しく減少しないように十分に低い圧力であってもよい。
【００５９】
いくつかの実施形態では、本体２２８は、チャッキングの前に基板の動きがある場合に備えて、物体またはタブ２９２内に基板を収容するために、基板エッジの外側に配置された直立した物体またはタブ２９２のグループを含むことができる。ＥＳＣ表面に対するこのような基板の動きは、異なる温度またははるかに高い温度のＥＳＣ表面との接触時の熱衝撃、または基板の瞬間的な熱膨張によって、可能であり得る。基板寸法の瞬間的および部分的な機械的膨張は、実質的な基板の変形をもたらし、ＥＳＣペデスタルに対する基板の変位をもたらす可能性がある。このような基板の変位は、基板が堆積プロセス中に変位したままである場合には、プロセス結果が一貫しないか、または最悪の場合に基板が破損するため、望ましくない。物体またはタブ２９２の数は、約３と６の間、例えば約４であり得るが、より多い又は少ない数の物体またはタブ２９２が考えられる。物体またはタブ２９２は、本体２２８の周囲に等間隔で離間していてもよい。
【００６０】
上述したように、基板は、より高い温度のＥＳＣ表面と接触した際の基板の熱衝撃または熱膨張により、ＥＳＣ表面（すなわち、上面２０２）に対して動き得る。基板をＥＳＣ表面温度と同じまたは実質的に近い温度に予熱することは、熱衝撃を最小にすることができることが、本発明者らによって観察されている。一実施形態では、基板を予熱する方法は、基板をプロセスチャンバに移送する前に、または堆積プロセスの前にプロセスチャンバを加熱することを含むことができる。プロセスチャンバは、熱伝達の源としてプラズマ衝撃を使用して、インシトゥの予熱プロセスによって加熱することができる。インシトゥの予熱プロセスを実施する一例は、不活性ガスをプロセスチャンバに導入し、低ＲＦ電力を用いて不活性ガスからプラズマを形成することである。プロセスチャンバの圧力は、約１トール〜約１５トール、例えば約２トール〜約１０トールに維持されてもよい。予熱プロセスは、約１秒〜約１８０秒間行うことができる。その後、静電チャックの電極にチャッキング電圧を印加して、ＰＥＣＶＤプロセスを行うことができる。約０．５ワット〜約９５０ワットのＲＦ電力レベルが、不活性ガスの低密度プラズマを点火および維持するために使用され得る。適切な不活性ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ２、またはそれらの混合物を含むことができる。不活性ガスは、約１００ｓｃｃｍ〜約８０００ｓｃｃｍ、例えば約２５０ｓｃｃｍ〜約６０００ｓｃｃｍの流量で流すことができる。一実施形態では、予熱プロセスは、低密度ヘリウムプラズマを用いて、プロセスチャンバを加熱する。予熱プロセスがＰＥＣＶＤプロセスの前に実施される場合、凸状または凹状基板などの非平面基板をしっかりとチャックして、２又は３秒以内に平坦にすることができることが観察されている。基板の中心とエッジの両方がチャックされると、基板は平坦化され、静電チャックとのより均一な連通状態になり、堆積材料の全体的な厚さ均一性が増加する。予熱プロセス後の基板温度が、熱衝撃を排除または最小化するために、ＥＳＣ表面温度に達するかまたは無視できる温度差を有するように、ガス種、ＲＦ電力、および予熱時間を最適化し得ることが、考えられる。
【００６１】
あるいは、接触熱伝達または放射熱伝達による適切な加熱方法を用いて、基板をＥＳＣ動作温度に予熱し、同じ結果をもたらす別の予熱チャンバを使用してもよい。このような予熱チャンバは、加熱機構が実装されている、基板移送のための既存のロードロックチャンバであってもよい。
【００６２】
温度、ＥＳＣ電圧、電流などのＥＳＣ動作パラメータ、ガス化学、流量、圧力、ＲＦ電力などのプロセスパラメータ、及び特に各パラメータに関するタイミング制御が、所望の膜特性およびスループット要件を得るために選択され得ることが、理解されるだろう。上述したように、タイミング制御の一例は、ＥＳＣ電圧をオンにする前に、プロセスチャンバ内でヘリウムプラズマをＲＦ電力で生成して維持し、基板を（ヘリウムプラズマ衝撃によって）ＥＳＣ表面温度に匹敵する高温に加熱し、熱衝撃を最小限に抑え、チャッキングが起こる前に表面応力を減少させることである。例示的なチャッキングシーケンスは、最適な膜堆積結果のための所定のレシピに従って異なるＥＳＣ電圧を供給することを含むことができ、そこでは、湾曲している基板を素早くチャッキングし平坦化するために、チャッキングステップの開始時にスパイクＥＳＣ電圧が用いられ、一方、クランプ力を維持し、低いチャッキング電圧から基板を解放する準備をするために、後のプロセスステップにおいて、より低いＥＳＣ電圧が用いられ得る。例えば、約８００ＶのスパイクＥＳＣ電圧が、チャッキングステップの開始時に、プレチャッキングステップのために、約１秒〜約４５秒間用いられ、続いてＰＥＣＶＤプロセスのために、約３５秒〜約６５秒間、約２００Ｖ〜約７００Ｖの、より低いＥＳＣ電圧が用いられ得る。いくつかの例では、チャッキングシーケンスは、３ステップのチャッキングシーケンスであってもよく、最初の２つのチャッキングステップがそれぞれ約１秒〜約４５秒間約８００ＶのＥＳＣ電圧を使用し、続いて、第３のチャッキングステップが、約３５秒〜約６５秒間、約２００Ｖ〜約７００ＶのＥＳＣ電圧を使用する。より低いＥＳＣ電圧または第３のチャッキングステップの処理時間は、ＰＥＣＶＤプロセスに応じて、より短くても長くてもよい。
【００６３】
本開示に記載の装置は、半導体製造プロセスにおけるリソグラフィ用途のための誘電体材料のハードマスクに使用される、典型的にはＡＰＦと呼ばれるアドバンストパターニングフィルムを生成するために使用されてもよい。この装置はまた、メモリデバイス用の誘電体材料のゲートスタックに使用される、階段状の膜と一般に呼ばれる多層の膜堆積を生成するために使用することもできる。１つの例示的なゲートスタック膜は、酸化物およびポリシリコン膜の複数の交互の層を有する。別の例示的なゲートスタック膜は、酸化物および窒化物膜の複数の交互の層を有する。各層が前の層または複数の層の上に堆積されて累積された応力のために、プロセス中またはプロセスの終了時にシリコン基板が湾曲して、必要な湾曲仕様を満たさなくなる可能性があることが、認識される。ゲートスタックの理想的な湾曲仕様は、高温下で多数の交互層が堆積された後の中立的な湾曲または中立的な応力である。例えば、６０層ゲートスタックプロセスが中立的な応力に達することができる場合、より多くの層では、特定のプロセス条件に応じてウェハ湾曲を悪化させることがあることが、普通である。このように、本開示で開示されるような静電チャックを使用する堆積装置は、プロセスの終わりに制御されたウェハの湾曲または応力を有するように処理できる層の数を拡張するのに役立つ。
【００６４】
本開示の実施形態は、高温でプラズマリアクタ内で処理されている基板の平坦性を維持するための改良された静電チャック（ＥＳＣ）を提供する。改良された静電チャックは、堆積若しくはエッチングプロセス、または高い動作温度および基板クランプ特徴部の両方を用いる任意の他のプロセス中に約６００℃以上で最適化されたチャッキング性能を提供する特定のグレードの窒化アルミニウム材料から成る。改良された静電チャックは、前記基板が平坦であるか、または処理前に様々な程度の湾曲を示したかにかかわらず、基板が実質的に平坦になり、前記ＥＳＣ表面に対して実質的に平行に維持されるように基板に作用するのに十分なクランプ力を発生させることができることが、証明された。
【００６５】
上記は本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく、考え出すことができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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