(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハ処理システムでウエハを支持するための装置であって、
ペデスタル組立体と、
前記ペデスタル組立体を外から取り囲む堆積リング組立体であって、導電性カバーリングを備え、前記導電性カバーリングは、導電性シャドウリングとオーバーラップし、その外側に半径方向に伸びている、前記堆積リング組立体と、
前記ペデスタル組立体と前記堆積リング組立体の間に配置され、前記ペデスタル組立体を前記堆積リング組立体から絶縁する、絶縁体と、
を備える装置。
【請求項２】
該絶縁体が、内面と外面を有する環状のリングであり、該絶縁体の内面がペデスタル組立体に接触し、該絶縁体の外面の一部が堆積リング組立体に接触する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
該絶縁体の前記環状のリングが更に、等高線状の上面を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
該絶縁体がクオーツである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
該絶縁体がアルミナである、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
該絶縁体が複雑な表面を備え、該複雑な表面は、ノッチ付きの開口と、これに対応するチャンネルを該絶縁体と該ペデスタル組立体の間に画成する、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
該絶縁体が更に、ノッチ付きの開口と、これに対応するチャンネルを有し、もって絶縁体とペデスタル組立体の間に迷路を形成する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
更に、高インピーダンスでＤＣレベルを与える経路を作るための、電気回路要素をペデスタル組立体と堆積リング組立体の間に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
該電気回路がインダクタである、請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、半導体ウエハのプラズマ励起による処理に関し、更に具体的には、半導体処理システムにおいて、ワークピースの電圧の安定性と、プラズマとワークピースの間の電気的な結合性を高めるための装置に関する。
プラズマ励起による反応及びプロセスは半導体産業において、薄膜の堆積の制御性を適正にするという点において、重要度が増している。例えば、高温物理気相堆積（ＰＶＤ）半導体ウエハ処理システムにおけるプラズマリアクタは、一般に反応チャンバをを有し、この中には、反応物ガス、高パワーのＤＣ電圧により駆動されチャンバ内に電界を発生させる１対の離間電極（カソードとアノード）、そしてチャンバ内で基板を支持するための基板支持体を有している。カソードは典型的には、基板上にスパッタないし堆積されるターゲット材料であり、アノードは典型的にはアースされたチャンバ部品である。電界が反応領域を形成し、電子を捕捉して反応ガスをイオン化しプラズマにする。プラズマは、可視的なグローにより特徴づけられるが、反応ガスイオン及び電子の正と負の混合体である。プラズマのイオンは、負のバイアスが与えられたターゲットに衝突し、電気的に中性の堆積材料を放出する。この場合、導電性の堆積膜が、ペデスタル上に支持され保持されている基板の上に形成される。更に、堆積リング組立体がペデスタルの外周に接して配置されている。このリング組立体は、ウエハ処理の機能を促進する同心円リングを数個有している。例えば、シャドウリングとカバーリングは、基板以外の表面に堆積材料が堆積されるのを防止する。
イオンメタライゼーションシステムにおける堆積を更に向上させるために、特定のタイプの、ＰＶＤシステム、基板及びペデスタルが、プラズマに対して負にバイアスされる。これは、ＲＦパワーをペデスタルに与えることにより実現される。プラズマ中の正のイオンに比べて電子の速度が高くなる結果、負のＤＣオフセットがペデスタルに蓄積する。ターゲットより中性のターゲット材料がスパッタにより放出されこれがプラズマに進入する際、ターゲット材料が正にイオン化するプロセスがある。ペデスタルに負のＤＣオフセットがあることにより、正にイオン化したターゲット材料がこれに引きつけられ、ペデスタルにバイアスを与えない場合に比べて容易に基板に堆積される。通常は、ペデスタルへのバイアスには４００ｋＨｚのＡＣソースが用いられるが、１３．５６ＭＨｚ等の他の周波数が用いられてもよい。
理想的には、基板（半導体ウエハ等）における電圧の大きさは、処理中は安定して維持され、またプロセスサイクル全体にわたってウエハ間での再現性を有している。即ち、ターゲット材料がウエハ上に堆積される際のウエハにおける電圧レベルは、一定に維持されている。ウエハにおいて電圧のレベルが安定することにより、イオン化した堆積材料がウエハに対して均等に引き寄せられる。半導体ウエハ製造産業においては、堆積膜層が均一になる点が、望まれる特性である。更に、新たなウエハを処理する度に同じ安定した電圧の大きさを再現ないし発生させることが必要である。また、ウエハ毎に同じ安定した電圧の大きさを再現することは、不適に処理されたウエハの数を減らす上においても、またウエハのバッチの中での膜堆積の適正さを向上する上においても、望ましい。このように、製造品の全体の品質が向上する。
電圧の安定性及び再現性の特性は、ウエハがプラズマに直接接触する唯一の導電体である場合に最適化される。即ち、電圧の安定性及び再現性は、電力を結合させるための最低限の抵抗を有する経路をウエハが形成する場合に維持されるということである。既存のペデスタルの構成によれば、様々な電気的経路が可能となるが、電圧の安定性は妥協される。このような電気的経路の１つは、処理チャンバ内で前述したリングの中の１つにおいて形成される。ここでこれらリングは導電性材料（例えばステンレス鋼など）でできており、ペデスタル／ウエハの組み合わせのインピーダンスよりも低い瞬間インピーダンス値を有している。この場合に、電圧が高い場合には、この電圧は、ウエハ内の経路に代えてあるいはウエハ内の経路に加えて、１つ以上のリングの中を通って、プラズマへ導通する。リングが最小限の抵抗を有する瞬間的な経路である場合は、電圧の不安定化がウエハにおいて生じる。この結果生じたウエハ電圧の不安定化は、前述のウエハ上の膜堆積に対しての不均一さを引き起こす。
また、電圧の安定化は、ウエハのＤＣバイアスのレベルが、別の局部的な導電体（例えば堆積リング組立体等）へのＤＣバイアスのレベルと異なる場合に妥協される。プロセスチャンバ内のある２つの導電体のポテンシャルの差が大きすぎる場合、アークが発生し得る。アークが発生すれば、この非常に大きな放電によりチャンバ内に粒子が発生しこれがウエハ上に堆積され得るので、アーク発生は排除されるべきである。また、アーク発生により、別の一時的な導電経路を作りだし、これがプラズマをウエハから遠ざけウエハ表面にダメージを与えるため、アーク発生は望ましくない。
従って、ペデスタルからウエハを介してプラズマへの導電経路を電気的に絶縁する必要がある。電気的に絶縁することにより、ウエハ電圧を安定化し、ひいては堆積プロセスを安定化させるのである。
このため、従来技術においては、ペデスタルからウエハを通ってプラズマへの電力の導通を最適化し、ウエハ電圧及び再現性を最適化する装置が必要である。
発明の摘要
半導体ウエハ処理システム内でウエハに対する電力の結合を最適化する装置により、従来技術に関する不利益は克服される。本発明の装置は、ペデスタル組立体と、このペデスタル組立体を外から取り囲む堆積リング組立体と、ペデスタル組立体及び堆積リング組立体の間に配置される環状絶縁体とを備えている。環状絶縁体は、ペデスタル組立体を堆積リング組立体から絶縁する。環状絶縁体の内面がペデスタル組立体に接触してこれを支え、環状絶縁体の外面の一部が堆積リング組立体に接触する。この場合、ペデスタルとリングは導電性の接触をしていない。絶縁体内のアーク発生を防止するため、該装置はペデスタル組立体と堆積リング組立体の間に電気的接続部（例えばインダクタ等）を有することで、ＤＣ電力を導通させる高インピーダンス経路を形成する。
ここで纏めれば、絶縁体は、ウエハ処理中の電力結合に対する導通経路を画する。具体的には、電力結合がウエハの中だけに生じ、近隣の導電体間には生じない。この場合、ウエハにおける電圧の安定性及び再現性は維持され、プラズマからのイオン堆積が向上する。ペデスタルと堆積リング（インダクタ）の間の電気的接続部が追加されることにより、ＤＣ電力のみのための経路が与えられる。この場合、ＲＦエネルギーは容易に堆積リング組立体には導通しない。更に、ペデスタル組立体及び堆積リング組立体は、同じＤＣ電位（ＤＣポテンシャル）に維持されるので、アーク発生の可能性が低減される。
【図面の簡単な説明】
本発明の教示内容は、添付の図面に関連した下記の説明を考慮することで容易に理解されるものであり：
図１は、ウエハ処理チャンバの従来技術のペデスタル断面図であり；
図２は、本発明の装置の断面図であり；
図３は、本発明の別の装置の詳細な断面図である。
理解を促進するためには、図間で共通する同一の要素に対しては可能な限り同一の参照符号を付した。
詳細な説明
図１は、従来技術のＰＶＤプロセスチャンバ１００の真ん中の簡略化図である。チャンバ１００は、従来技術のペデスタル組立体１０２を有し、これはチャンバ１００内でウエハ１０４を支持し保持するために用いられる。ペデスタル組立体１０２は、ウエハ１０４を支持する面１１４を有するペデスタル１０６を備えている。具体的には、ウエハは、ディスク状の面の上に支持され、その面には、ウエハ１０４が座れるようなボタンの列１２６がある。チャンバ１００の上にはチャンバリッド１１０があり、これは堆積ターゲット材料（例えばチタン等）を有し、高圧の負のＤＣソース１１９に電気的に接続されており、カソードをなしている。チャンバリッド１１０は、チャンバ１００のその他の部分に対して絶縁されている。具体的には、絶縁体リング１１２が、アノードをなしているアースされた環状シールド部材１３４からチャンバリッド１１０を絶縁している。高圧ＤＣソース１１９のスイッチがオンになれば、カソードのチャンバリッド１１０とアノードのシールド部材１３４の間の反応領域１０８に電界を発生させる。プロセスガス供給部（図示されず）を通じてこの反応領域内に、プロセスガスが供給される。高圧ＤＣソース１１９により発生した電界は、プロセスガスをイオン化し、均一、高密度で電子温度の低いプラズマ１１６を生成する。この場合、ＤＣ電流は、カソードチャンバリッド１１０からプラズマ１１６を抜けてアノードシールド部材へ至る導通経路を流れる。
更に、電極１３０は、ウエハ処理中に更に電力を導通させる付加的なカソードとして作用する。理想的には、ペデスタル組立体の全体がカソードとして作用する。あるいは、電極はペデスタル１０６の誘電材料の中に埋め込まれた導電材料であってもよく（例えば、ポリイミド内にシールされてペデスタル１０６の表面１１４に接着された薄い銅の層など）、あるいはペデスタルは、埋め込み電極を有している誘電材料（セラミック等）で作られてもよい。電極１３０（又はペデスタル１０２自身）は、コネクタ１３２を介してＲＦ電力ソース１３６へ電気的に接続される。ＲＦ電力ソース１３６は、膜堆積の向上に必要なバイアスをウエハに与えるための電力を与える。即ち、負のＤＣバイアスにより、前述のウエハへの負のＤＣバイアスが形成される。このＤＣバイアスは、ウエハ上に堆積されるターゲット材料のスパッタイオンを引きつける局所的な効果を有している。
また、チャンバ１００は、スパッタイオンがチャンバの部品（例えばペデスタル１０６等）へ堆積される不利益を防止するための、リング組立体１１８を有している。具体的には、１つ以上のリングがペデスタル組立体１０２を外から取り囲んでいる。例えば、シャドウリング１２０は、ペデスタル１０６に接しそこから半径方向に伸びている。シャドウリング１２０は、ペデスタル１０６上に不適切に堆積されることになるような迷走するターゲット材料を捕捉する。カバーリング１２２は、シャドウリング１２０に少しだけオーバーラップし、そこから半径方向に伸びている。カバーリング１２２は、チャンバ１００の下側領域及び表面１２４上への堆積物を防止する。更に、環状シールド部材１３４は、チャンバリッド１１０から懸架され、反応領域１０８の横方向の先端を画している。
これらリングは、電力ソースからＲＦ電力をプラズマ１１６へ結合する別の導電経路を与える導電材料（例えば、ステンレス綱など）で作られている。ウエハ１０４がペデスタル１０６の上に配置されれば、ウエハ１０４の外側エッジ１２８がシャドウリング１２０の上にオーバーハングされる。最もインピーダンスの低い経路がウエハ１０４内ではなかった場合、ＲＦ電力が別の経路を介してプラズマに結合される。この場合、ウエハ１０４における電圧は不安定になり再現性がなくなる。プラズマ中のスパッタイオンは、ウエハから遠ざかる方向に向けられ、その結果、ウエハ上に堆積される膜が非均一になってしまう。
本発明の装置が図２に示される。ここで高密度プラズマ励起反応チャンバ２００は、半導体ウエハの処理に必要な、従来技術のチャンバ１００で説明された全ての部品を有している。
前述のように、プラズマは反応領域１０８内のプロセスガスがイオン化することにより生成する。このイオン化を促進するため、イオン化促進回路が反応領域１０８に与えられる。具体的には、シングルターンコイル２０２が反応領域を取り囲んでいる。シングルターンコイル２０２は、高周波（２ＭＨｚであることが好ましい）の電力ソース２０４に接続されている。この電力ソースを付加することにより、プラズマ１１６のイオン化のレベルが高められ、これは堆積プロセスにおいては非常に好ましいことである。ここでシングルターンコイルについて説明したが、高いレベルのイオン化を実現するためには様々なタイプの部品が使用可能であり、これにはマルチターンコイルが含まれるがこれに限定されるものでもない。
ペデスタル組立体１０２の周縁には、環状絶縁体２２６が与えられ、最適な導電経路（即ちカソードペデスタル組立体、ウエハ、プラズマ及びアノードシールド部材を備える導電経路）を他のインピーダンスが低くなる可能性のある経路から絶縁する。具体的には、絶縁材料の環状リングの内面２３６は、ペデスタル１０６に接触している。環状リングの外面２３８の一部は、カバーリング１２２に接触してこれを支持している。絶縁体２２６の上面２３０には、等高線が形成され、絶縁体２２６の上面全体に対して導電体の膜を形成する迷走堆積物を防止する。上述のように、ウエハ１０４はボタン１２６の上にのみ着座する。ウエハは、絶縁体２２６の上面２３０には接触しない。シャドウリング１２０は、ペデスタル１０６に接触し、絶縁体２２６よりも低く配置され、カバーリング１２２から電気的に絶縁される。ペデスタル１０６とカバーリング１２２の間（あるいはペデスタルに隣接する同様の導電体などの間）に配置される絶縁体２２６を用いることで、ＲＦ電力がリング組立体１１８を通ってアノードシールド部材１３４への導電経路を有することはない。絶縁材料は、電荷の導通や容量結合を防止するために適した材料であればいかなる材料でもよく、クオーツやアルミナが好ましい。更に、絶縁体を別個の部材とし、堆積プロセスを開始する前にこれをペデスタル１０６上に取り付けてもよい。ここでこれら部材は高密度プラズマプロセスに用いる場合を説明してきたが、不要な導電経路を防止する必要がある限りにおいて、あらゆるタイプのプロセスに適用が可能である。
図２に示して上述した絶縁体は、等高線状の上面とおよそステップ状の環状リングを有しているが、絶縁体は、別の導電経路への電力の結合を防止するような、あらゆる形状や構成が可能である。例えば、絶縁体は複雑な面を形成してもよい。図３には、好ましい構成の拡大図が示される。迷路状の上面の構成により、絶縁体リングの表面全体への不要な膜堆積によって生じる導電経路形成の可能性を低減する。具体的には、ノッチ付きの開口３０２とこれに対応する絶縁体とペデスタル組立体の間のチャンネル３０４が、膜成長を促進しないような複雑な表面を形成する。膜の形成は、ごく小さい部分に限られ、しかもこの部分は、ウエハの下からリング１２０、１２２への連続した導電経路は形成しない。
図２に戻り、該装置はまた、堆積リング組立体１１８へのＲＦ電力の結合を制限する回路要素を具備している。具体的には、インダクタ２３４が、電極１３０（又はペデスタル１０６）とカバーリング１２２の間に電気的に接続されている。インダクタ２３４は、ＲＦ電力ソース１３６から堆積リング組立体１１８への高インピーダンス経路を与えている。この場合、ＲＦ電力はこの経路に容易に導通しない。インダクタ２３４の定常状態における特性が既知であることは、堆積リング組立体１１８及びペデスタル１０６が同じＤＣポテンシャルに対して「フロート」していることを意味している。ウエハとペデスタル１０６が容量結合しているため、これらの間のポテンシャル降下は無視できる程度に小さい。ウエハ及び堆積リング組立体がほぼ同じＤＣポテンシャルである場合は、アーク発生は生じないだろう。
このように、本発明により、一定でなく不均一な電圧レベルがウエハに結合されるという問題点が解決され、また、その結果生じていた堆積膜成長の非均一性も解決される。ＲＦ電力をプラズマに結合させる最適な経路は、本発明によって、電気的に絶縁され十分に画される。更に、高インピーダンス経路が、ウエハとその他の経路（例えば堆積リング組立体等）の間に作られる。これにより、近隣する面に対し、ＲＦ電力の結合を防止し、ＤＣバイアスレベルをイコライズする。近隣の面の間（ウエハと堆積リングの間など）の電位の差が無視できる程度であるため、アーク発生への電力の結合が排除される。
ここまで、本発明の教示内容に含まれる様々な具体例を詳細に説明してきたが、この教示内容の中に止まりつつも様々な変形例を、当業者は容易になすことができるだろう。
【図１】
0004334621.tif 000002
【図２】
0004334621.tif 000003
【図３】
0004334621.tif 000004