(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電チャックを有し、該静電チャックの表面上にウエハを確実に保持する静電チャック・システムであって：
前記静電チャックの第１部分に結合され、該第１部分において交流信号を動的に検知し、動的に検知された前記交流信号に応答して、前記ウエハの直流バイアス・レベルを表す直流電圧レベルを出力するウエハ・バイアス・センサと；
前記ウエハ・バイアス・センサに結合された可変静電チャック電源であって、該可変静電チャック電源が前記静電チャックの前記第１部分に、前記直流電圧レベルに応答して動的に変更した第１電位レベルを与えて、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第１部分と該第１部分の上に位置する前記ウエハの第１領域との間の第１の所定の電位差をほぼ維持する、前記可変静電チャック電源と；
を備えることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項２】
請求項１の静電チャック・システムにおいて、前記静電チャックが更に前記第１部分から電気的に絶縁された第２部分を備え、前記第２部分が前記可変静電チャック電源に結合されて前記第１の電位レベルとは異なる第２の電位レベルを受け取り、前記第２の電位レベルが前記ウエハ・バイアス・センサからの前記直流電圧レベルに応答して調整されて、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの前記大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第２の部分と該第２の部分上に位置する前記ウエハの第２の領域との間の第２の所定の電位差をほぼ維持することを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項３】
請求項２の静電チャック・システムにおいて、前記可変静電チャック電源が、前記直流電圧レベルを受け取る平衡ブリッジを備え、該平衡ブリッジが直流電源と並列に結合されるとともに第２の抵抗と直列の第１の抵抗を含むことを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項４】
請求項３の静電チャック・システムにおいて、前記平衡ブリッジの前記第１の抵抗および前記第２の抵抗は、値が不同であるように選択されることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項５】
請求項１の静電チャック・システムにおいて、前記直流電圧レベルが前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの動的近似であることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項６】
請求項５の静電チャック・システムにおいて、前記可変静電チャック電源が第１供給ノードおよび第２供給ノードを有する直流電圧源を表し、前記第１供給ノードが前記ウエハ・バイアス・センサに結合されて前記直流電圧レベルを受け取り、前記第２供給ノードが前記静電チャックの前記第１部分に結合されていることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項７】
静電チャックの表面上にウエハをクランプする方法であって：
前記静電チャックの第１の部分において第１の交流信号を動的に検知するステップと；
動的に検知された前記第１の交流信号に応答して、前記ウエハの直流バイアス・レベルを表す直流電圧レベルを導出するステップと；
前記直流電圧レベルに応答して、直流電源によって前記静電チャックの前記第１の部分に供給される第１の電位レベルを動的に変更して、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第１の部分と該第１の部分の上に位置する前記ウエハの第１の領域との間の所定の電位差をほぼ維持するステップと；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７の方法であって：
前記直流電圧レベルに応答して、前記直流電源によって前記静電チャックの第２の部分に供給される第２の電位レベルを変更し、前記第２の部分が前記第１の部分から電気的に絶縁され、前記第２の電位レベルが前記第１の電位レベルとは異なり、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第２の部分と該第２の部分の上に位置する前記ウエハの第２の領域との間の所定の第２の電位差をほぼ維持するステップを更に備えることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７の方法において、前記第１の電位レベルを変更する前記ステップが：
平衡ブリッジを用いて前記直流電圧レベルを受け取り、前記平衡ブリッジが前記直流電源と並列に結合されるとともに第２の抵抗と直列の第１の抵抗を含む、ステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９の方法において、前記平衡ブリッジの前記第１の抵抗および前記第２の抵抗は、値が不同であるように選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項７の方法において、前記直流電圧レベルが前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの動的近似であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１の方法において、変更するステップは、前記直流電源の第１の供給ノードに前記直流電圧レベルを供給し、これによって前記直流電源の第２の供給ノードにおいて前記第１の電位レベルを変更するステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
静電チャックを有し、該静電チャックの表面上にウエハを確実に保持する静電チャック・システムであって：
前記静電チャックの第１部分において第１の交流信号を動的に検知するための手段と；
動的に検知された前記第１の交流信号に応答して、前記ウエハの直流バイアス・レベルを表す直流電圧レベルを導出するための手段と；
前記直流電圧レベルに応答して、直流電源によって前記静電チャックの前記第１の部分に供給される第１の電位レベルを動的に変更して、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第１部分と該第１部分の上に位置する前記ウエハの第１領域との間の所定の電位差をほぼ維持するための手段と；
を備えることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１４】
請求項１３の静電チャック・システムにおいて、前記変更する手段が、更に、前記直流電圧レベルに応答して、前記直流電源によって前記静電チャックの第２の部分に供給される第２の電位レベルを変更し、前記第２の部分が前記第１の部分から電気的に絶縁され、前記第２の電位レベルが前記第１の電位レベルとは異なり、前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの前記第２の部分と該第２の部分の上に位置する前記ウエハの第２の領域との間の所定の第２の電位差をほぼ維持することを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１５】
請求項１３の静電チャック・システムにおいて、前記変更する手段が、前記導出手段に結合された、前記直流電圧レベルを受け取る平衡ブリッジを備え、該平衡ブリッジが直流電源と並列に結合されるとともに第２の抵抗と直列の第１の抵抗を含むことを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１６】
請求項１５の静電チャック・システムにおいて、前記平衡ブリッジの前記第１の抵抗および前記第２の抵抗は、値が不同であるように選択されることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１７】
請求項１３の静電チャック・システムにおいて、前記直流電圧レベルが前記ウエハの前記直流バイアス・レベルの動的近似であることを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１８】
請求項１７の静電チャック・システムにおいて、前記変更する手段が、前記導出手段と前記直流電源の第１の供給ノードとの間に直接接続を備え、前記直流電源の第２の供給ノードにおいて前記第１電位レベルを変更することを特徴とする静電チャック・システム。
【請求項１９】
前記ウエハ・バイアス・センサは、前記静電チャック・システムの設けられたプラズマ処理チャンバ内のプラズマに露呈されない位置に配置されていることを特徴とする請求項１の静電チャック・システム。
【請求項２０】
前記ウエハ・バイアス・センサは、前記静電チャック・システムの設けられたプラズマ処理チャンバ内のプラズマに露呈されない位置に配置されていることを特徴とする請求項１３の静電チャック・システム。
【請求項２１】
プラズマ処理チャンバ内において静電チャックの表面上に基板をクランプする方法であって：
前記静電チャックの第１の位置において第１の交流信号を動的に検知するステップであって、前記第１の位置は、前記動的に検知するために設けられたセンサが、前記基板の処理中に、前記プラズマ処理チャンバのプラズマに露呈しないように決められたものである、前記動的に検知するステップと；
動的に検知された前記第１の交流信号に応答して、前記基板の処理中において、前記基板の直流バイアス・レベルを近似的に表す直流電圧レベルを導出するステップと；
前記直流電圧レベルに応答して、可変直流電源によって前記静電チャックに供給される第１の電位レベルを動的に変更して、前記基板の処理中において、前記基板の前記直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に前記静電チャックの第１の部分と該第１の部分の上に位置する前記基板の第１の領域との間の所定の電位差をほぼ達成するステップと；
を備えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記静電チャックは、バイポーラ静電チャックであることを特徴とする請求項２１の方法。
【請求項２３】
前記プラズマ処理チャンバは、プラズマエッチング用に構成されたものであることを特徴とする請求項２１の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、半導体装置の製造に関する。更に特定すれば、本発明は、ウエハ処理の間、プラズマ処理チャンバの静電（ＥＳＣ）チャック上に半導体ウエハを確実にクランプする方法および装置に関するものである。
エッチング、酸化、陽極処理、化学気相成長（ＣＶＤ）等のためのプラズマ・エンハンス半導体プロセスは公知である。図示の目的のために、図１Ａは、プラズマ処理チャンバ１０２を有する代表的なプラズマ処理システム１００を示す。チャンバ１０２上に、第１図の例ではコイルによって履行されている電極１０３が配置されている。コイル１０３は、典型的に整合ネットワーク（図１Ａでは図示しない）を介してＲＦ発生器１０５によって付勢される。
チャンバ１０２内にはシャワー・ヘッド１０４が設けられており、該シャワー・ヘッド１０４は、それ自体とウエハ１０８との間のＲＦ誘導プラズマ領域内にガス源材料を放出する複数の穴を含むと好ましい。一実施形態ではシャワー・ヘッド１０４は水晶で形成されているが、他の適切な材料で形成しても良く、電気的に浮動状態としても、または接地しても良い。ウエハ１０８はチャック１１０上に配置されている。チャック１１０は第２の電極として作用し、好ましくは（これも典型的に整合ネットワークを介して）無線周波数発生器１２０によってバイアスされる。接地への経路を与えるために、チャンバ１０２のチャンバ壁は通常接地されている。
図１Ａをここに含めたのは、代表的な簡略型プラズマ・エンハンス処理システムを図示し、本発明の背景を紹介するためである。当業者には公知であるように、プラズマ処理システムの設計にはばらつきが存在する。一例として、図１Ｂは図１Ａのプラズマ処理システムの変形を示しており、これにおいては、単一のＲＦ発生器１５０を用いて、（スイッチング回路１５２を介して）チャック１１０またはシャワー・ヘッド１０４にＲＦ電力を供給する（更に他方を接地している）。図１Ｂの場合コイルは用いておらず、シャワー・ヘッド１０４は、ＲＦ発生器１５０によって付勢されると、電極として作用する。
材料の均一かつ反復可能なエッチングおよび堆積を保証するためには、プラズマ処理の間、ウエハ１０８の温度を精度高く制御することが望ましい。ウエハ温度の制御を達成するには、通常、熱交換ガス、典型的にヘリウム等の貴ガスの一つを、ウエハの下のウエハ／チャック界面へ流す。図１Ａおよび図１Ｂのプラズマ処理システムでは、例えば、ポート１１２を介して、ウエハ１０８とチャック１１０との間の領域にヘリウムが流される。
ウエハとチャックとの間に適切な熱伝達媒体を与えるためには、典型的に５ないし１５トルのヘリウム圧力が必要である。チャンバ１０２内の雰囲気圧は比較的低く、典型的に約５ミリトルないし５００ミリトル（ｍＴ）であるので、チャック１１０上にウエハ１０８を固定するためには通常クランプ機構が必要である。また、クランプは、ウエハ底面の周囲のヘリウム漏れを最小に抑え、許容ヘリウム圧力を維持するとともに充分な熱伝達を達成する。
チャック上にウエハをクランプする従来技術の方法の一つに、静電クランプがある。静電クランプでは、ウエハに対して静電チャックを電気的にバイアスし、チャックとウエハとの間に静電力を発生させる。この静電力がチャックに対しウエハを保持してヘリウム漏れを最小に抑えることによって、熱伝達が改善される。
図２は、単純な単極性すなわちユニポーラ静電チャック２００を示す。図２の静電チャックは、使用の間、単一の極性すなわち正または負のいずれかにバイアスされるので、単極性チャックと呼ばれている。ポリマーまたはセラミック等の適切な誘電材料で形成されている誘電層２０２が、単極性チャック２００上に配置され、通常は単一ユニットとしてチャック２００とともに設けられている。処理の間、ウエハ１０８はチャック２００上に配置され、誘電層２０２によってチャック２００から分離されている。
プラズマ処理チャンバ内においてプラズマを発生させると、周知のように、プラズマによってウエハ１０８は負に荷電される。電源２０１をオンにしてチャック２００と負に荷電されたウエハとの間に電位差を生成することで、例えばチャックを正にバイアスすることによって、静電力を生成し、チャック２００上にウエハ１０８を確実にクランプする。
図３Ａはバイポーラ静電チャックの断面図である。その名前が示す通り、図３Ａのバイポーラ静電チャック３０２は二つの極を有する。すなわち、正極３０４および負極３０６である。図示を容易にするため、バイポーラ・チャック３０２は、「ドーナツとベース」として一般に公知の構成に配置されている。図３Ｂにおいてこの構成を更に明確に図示している。しかしながら、ここに開示する本発明はこの構成に限定されるわけではなく、公知または適切なバイポーラ・チャック構成のいずれか一つを適用することに留意されたい。
バイポーラ静電チャックの極上には誘電層２０２が配置されている。これは、セラミック、ポリマー等のいずれかの適切な誘電材料で形成することができる。更に、処理のために、バイポーラＥＳＣチャックのこの誘電層２０２上にウエハ１０８が配置されている。
電源３１０をオンすると、電源３１０によって、負極３０６は共通基準電位レベルに対して負にバイアスされる。また、電源３１０は、正極３０４を共通基準電位レベルに対して正にバイアスする。ｐ型半導体ウエハでは、負極３０６における負の電位の存在が、ウエハ１０８内の正電荷すなわちホールを、負極３０６上に位置するウエハ領域へ移動させるように静電によって誘発する。これに対して、ｎ型半導体ウエハでは、ウエハ１０８内の電子が、正極３０４上に位置するウエハ領域に移動する。結果として、極と各極の上に位置するウエハ領域との間に静電力が生成され、処理の間バイポーラ静電チャック３０２にウエハ１０８をクランプし続けるために必要なクランプ力が与えられる。
共通基準電圧レベルに対して対向する極性に、極が均等にバイアスされた場合、プラズマを発生させてウエハが負にバイアスされた状態になると、極上の静電力に不均衡が生じる場合がある。この状態を示すため、電源３１０が、共通基準電圧レベルに対して＋３５０Ｖに正極３０４をバイアスし、負極３０６を−３５０Ｖにバイアスする場合を考える。プラズマを発生させていない場合、ウエハ電位は共通基準電圧レベルに対して０Ｖであり、バイポーラ・チャック３０２とそれらの上に位置するウエハ領域との間の電位差は、それぞれ＋３５０Ｖおよび−３５０Ｖである。
しかしながら、プラズマの存在のためにウエハ１０８が負に荷電されると、ウエハとバイポーラ静電チャックの二つの極との間の電位差は非対称となる。例えば、プラズマを発生させると、ウエハのバイアス電圧は−１００Ｖとなることがある。この場合、正極と負にバイアスされたウエハとの間の電位差は、＋４５０Ｖすなわち（＋３５０Ｖ−（−１００Ｖ））まで増大する。しかしながら、負極と負にバイアスされたウエハとの間の電位差は、わずか−２５０Ｖすなわち（−３５０Ｖ−（−１００Ｖ））まで減少する。このため、負極とウエハとの間の静電保持力が弱くなる。結果として、熱交換ガスの一部が逃げ、不適切な温度制御および／またはプロセスばらつきを招く場合がある。
更に、プラズマ誘導によるウエハの負バイアスにより、負にバイアスされたウエハとバイポーラ・チャックの正極との間の電位差が過度に増大することがある。過剰に大きい電位差は、アーク、すなわちウエハの下面とチャックの上面との間でスパークを生じ、その結果ピット・マーク損傷を起こす場合がある。時間とともに、熱交換ガスを適当に封じておくのが不可能となるまでチャックの表面が損傷を受ける場合がある。なお、単極性チャック・システムにおいても、単極性チャックと負にバイアスされたウエハとの間の電位差が過剰に大きくなった場合に、このアークの問題が発生することがあることを注記しておく。
プラズマ処理の間、直流バイアス電位がほぼ一定であれば、チャックに供給される電圧レベルを静的に適切に変更することによって、この不均衡を補償することが可能な場合がある。例えば、共通基準電圧レベルに対するバイポーラ・チャックの正極の正バイアスを低下させて、上述の静電力の不均衡をほぼ解消するとともに、静電アークの危険性を低下させることができる。チャックに供給する電圧レベルを変更する技法は、１９９５年１０月３０日に出願され、本願とともに譲渡された米国特許出願である、「Negative Offset Bipolar Electrostatic Chucks（負オフセット・バイポーラ静電チャック）」と題する米国特許連番第０８／５５０，５１０号において開示されている（代理人整理番号第Ｐ１６８／ＬＡＭ１Ｐ００４）。単極性システム、例えば図２に示されるシステムでは、チャック全体の正バイアスを低下させて、プラズマが存在する場合のウエハの負バイアス・レベルを考慮することができる。
しかしながら、所与のウエハの直流バイアス電位は処理の間一定でなく、実際にはプロセス・ステップ毎に異なる場合がある。このため、静的にチャックの電源をバイアスすることによって、ウエハとチャックとの間の電位差のばらつきおよびそれによって発生する静電力のばらつきを解消することはできない。
前述の点に鑑み、要望されているのは、プラズマ・プロセスの動的性質にリアルタイムで応答することが可能な、プラズマ処理の間ウエハをその静電チャックにクランプする改良された方法および装置である。
発明の概要
本発明は、一実施形態において、静電チャックを有し、この静電チャックの表面上にウエハを確実に保持する静電チャック・システムに関する。静電チャック・システムは、静電チャックの第１の部分に結合されるとともにこの第１の部分において交流信号を検知するウエハ・バイアス・センサを備える。ウエハ・バイアス・センサは、交流信号に応答して、ウエハの直流バイアス・レベルを表す直流電圧レベルを出力する。
静電チャック・システムは、更に、ウエハ・バイアス・センサに結合された可変静電チャック電源を備える。可変静電チャック電源は、静電チャックの第１の部分に第１の電位レベルを与える。第１の電位レベルは、直流電圧レベルに応答して変更され、ウエハの直流バイアス・レベルの大きさとは無関係に、静電チャックの第１の部分とこの第１の部分の上に位置するウエハの第１の領域との間の第１の所定の電位差をほぼ維持する。
別の実施形態では、本発明は、静電チャックの表面上にウエハをクランプする方法に関する。この方法は、静電チャックの第１の部分において第１の交流信号を検知するステップと、この第１の交流信号に応答して、ウエハの直流バイアス・レベルを表す直流電圧レベルを導出するステップとを備える。更に、この方法は、直流電圧レベルに応答して、直流電源によって静電チャックの第１の部分に供給される第１の電位レベルを変更し、ウエハの直流バイアス・レベルとは無関係に、静電チャックの第１部分とこの第１部分の上に位置するウエハの第１領域との間の所定の電位差をほぼ維持するステップを備える。
本発明のこれらおよび他の利点は、以下の詳細な説明を読むことおよび図面の様々な図を調べることで明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１Ａおよび図１Ｂは、従来技術の代表的な、簡略型の代表的な、簡略型のプラズマ・エンハンス処理システムを示す。
図２は、簡単な単極性静電チャックを示す。
図３Ａは、バイポーラ静電チャックの断面図である。
図３Ｂは、バイポーラ静電チャックのドーナツとベース構成を示す。
図４は、本発明の一態様にしたがった、動的フィードバック・バイポーラ静電（ＥＳＣ）チャック・システムの例示的な実施形態を概略的に示す。
図５Ａは、ウエハ・バイアス・センサの一実施態様を示す。
図５Ｂは、ウエハ・バイアス・センサの他の実施態様を示す。
図６Ａ、図６Ｂ、図７および図８は、図５Ａのウエハ・バイアス・センサにおける異なる点で測定された信号を示すグラフである。
図９は、本発明の一態様にしたがった動的フィードバック単極性静電（ＥＳＣ）チャック・システムの例示的な実施形態を、一実施形態において概略的に示す。
好適な実施形態の詳細な説明
ウエハ直流バイアス・レベルを動的に推測し、推測したウエハ直流バイアス・レベルに応答して、静電チャック（ＥＳＣ）電源によってＥＳＣチャック極（群）に供給される電位レベルを変更するための発明を説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を得るために多数の具体的な詳細を述べる。しかしながら、本発明はこれらの具体的な詳細の一部または全てがなくとも実施可能なことは当業者には明らかであろう。他の例では、本発明を不必要に不明瞭としないために、周知のプロセス・ステップについては詳細に説明しない。
図４は、本発明の一態様にしたがった、動的フィードバック静電（ＥＳＣ）チャック・システムの例示的な実施形態を概略的に示す。図４のＥＳＣチャック・システムは、ウエハ直流バイアス・レベルを動的に推測し、ＥＳＣ電源によってＥＳＣチャック極に供給される電位レベルを変更するために用いるので、動的フィードバック構成であるといわれる。この概略図ではバイポーラＥＳＣチャックを示すが、後の図９で後に示すように、動的フィードバックの概念は単極性ＥＳＣチャックに等しく当てはまる。
ここで図４を参照すると、ドーナツ部３０４およびベース部３０６から成るバイポーラＥＳＣチャック３０２が示されている。従来のように、バイポーラＥＳＣチャック３０２は、整合回路４２４を介してＲＦ発生器４２０によって付勢される。整合回路４２４は、ＲＦ発生器４２０からプラズマへの電力伝達を最大にするよう機能する。導線４０３を介して、ＥＳＣチャック上の所定の測定点４０２で、ウエハ・バイアス・センサ（ＷＢＳ）４００によってＲＦピーク・ピーク電圧（ＶPK-PK）が検知される。点４０２は、バイポーラＥＳＣチャック３０２のベース部３０６に位置すると好ましいが、チャック上のどこに位置しても良く、例えばドーナツ部３０４であっても良い。好ましくは、点４０２は、プラズマ環境に露呈されないチャック位置に位置する。このようにして、導線４０３を高度な反応性プラズマ環境に露呈しないことによって、導線４０３の長期的な存続性を危険にさらすことなく、ＲＦピーク・ピーク電圧を検知することができる。また、プラズマ処理チャンバにウエハ・バイアス・センサのコンタクト例えば導線４０３がないことによって、汚染のいかなる可能性も最小に抑えられる。
本発明の一態様にしたがって、交流信号である測定されたＲＦピーク・ピーク電圧は、次いで、ウエハ・バイアス・センサ４００によって直流電圧レベルに変換される。ウエハの直流バイアス電圧ＶDC-Wは、以下の式によって、ＥＳＣチャックにおいて測定されたピーク・ピーク電圧（ＶPK-PK）に関係づけられることがわかっている。
ＶDC-W≡−（ＶPK-PK／２）＋２ＶPL      （式１）
ここで、ＶPLはプラズマ電圧を表し、ＶDC-Wは、チャックにＲＦ電力が印可され、プラズマ処理チャンバ内にプラズマが存在する場合のウエハの直流バイアス電圧を表す。
典型的なプラズマ処理環境では、プラズマ電圧ＶPLは約２０ないし７０ボルトである。これに対して、ＲＦ源によってチャックに供給されるピーク・ピーク電圧（ＶPK-PK）は通常はるかに大きく、例えば２，０００ボルトまでであり、更に典型的には約３００ないし１５００ボルトである。プラズマ電圧ＶPLは、チャック上で測定されるピーク・ピーク電圧（ＶPK-PK）よりもはるかに小さいので、プラズマ電圧ＶPLを無視すると、ウエハの近似直流バイアス電圧（ＶDC-WA）は、以下の関係によって近似的に表すことができる。
ＶDC-WA≡−（ＶPK-PK／２）      （式２）
式２から、ウエハの近似直流バイアス電圧ＶDC-WAは、チャックの測定されたピーク・ピーク電圧ＶPK-PKから間接的にかつ相応の精度で推測可能であることになる。
ウエハ・バイアス・センサ回路（ＷＢＳ）４００の機能は、ＥＳＣチャック上で測定されたＲＦピーク・ピーク電圧から、前述の近似ウエハ直流バイアス電圧（ＶDC-WA）を導出することである。次いで、この近似ウエハ直流電圧（ＶDC-WA）を可変ＥＳＣ電源４１２へのフィードバック電圧として用いて、バイポーラＥＳＣチャックの二つの極、例えば極３０４および３０６に供給される電位レベルを変更することができる。
図４の例では、可変ＥＳＣ電源４１２の平衡ブリッジ４１０に近似ウエハ直流バイアス電圧（ＶDC-WA）が供給され、（それぞれ導線４１４および４１６を介して）ベース部３０６およびドーナツ部３０４に供給される電位レベルを調整する。平衡ブリッジ４１０は、直列に結合された二つの抵抗Ｒ１およびＲ２から成り、ノード４３０および４３２における電位レベルを変更するために用いられる。このようにして、近似ウエハ直流バイアス電圧ＶDC-WAに応答して、バイポーラＥＳＣチャックの極に供給される電位レベルが調整される。
例えば、近似ウエハ直流バイアス電圧ＶDC-WAが約−１００ボルトである場合、直流電圧源ＶSによってバイポーラＥＳＣチャック３０２の負および正の極（すなわち図４のベース部３０６およびドーナツ部３０４）に供給される電位レベルは、好ましくは、同一の大きさすなわち１００ボルトだけ低下する。このように、極と各極の上に位置するウエハ領域との間の電位差は、ウエハの直流バイアス・レベルとは無関係に、ほぼ不変のままである。
電圧源ＶSは、平衡ブリッジ４１０に並列に結合されており、バイポーラＥＳＣチャック３０２の極に直流バイアス電位レベルを供給する直流電圧源を表す。ＲＦ発生器４２０によって供給されるＲＦエネルギから電圧源ＶSを保護するため、図示のように、従来の性質のＲＦフィルタ４１７および４１８が設けられている。同様に、可変ＥＳＣ電源４１２が供給する直流電位レベルによってＲＦ発生器４２０が影響を受けることを防ぐために、直流阻止コンデンサ４２１および４２２が設けられている。ＲＦ整合回路４２４は従来の設計のものであり、ＲＦ発生器４２０とバイポーラＥＳＣチャック３０２との間に結合して、インピーダンス整合を与えることができる。
なお、ここでは、可変ＥＳＣ電源４１２は、直流供給源と直列に結合した平衡ブリッジによって履行されているが、直流入力信号に応答して出力を変更可能な他の従来の可変直流電源の使用も充分可能であることを注記しておく。
別の構成では、図４の平衡ブリッジ４１０を形成する抵抗、例えば抵抗Ｒ１およびＲ２は不均衡であり、すなわち値が等しくなく、極が対向しているだけでなく大きさが等しくない電位レベルをチャックの極に与えても良い。チャックの極に供給する相対電位レベルを変化させる機能は、所望のウエハ・クランプ力を得るために制御および調整可能な別のパラメータを表す。
図５Ａは、図４のウエハ・バイアス・センサ４００の一実施態様を示す。ウエハ・バイアス・センサ４００は、バイポーラＥＳＣチャック３０２上で得られた交流信号の負のピーク検出を行ってウエハ直流バイアス電圧を推測する。なお、図５Ａに示す特定の実施態様は例示のみであり、同様の負ピーク検出のタスクを行う従来の回路が存在することに留意されたい。ウエハ・バイアス・センサ４００は交流ＲＦ信号の負ピーク検出を行うように設計されているので、測定対象の高電圧高周波数交流信号を処理するように、その構成要素を選択すると好ましい。
ここで図５Ａを参照すると、ウエハ・バイアス・センサ４００は、導線５０２を介して、チャック上で測定されたＲＦピーク・ピーク交流信号ＶPK-PKを受信し、導線５０４を介して、可変静電チャック電源に近似ウエハ直流バイアス電圧ＶDC-WAを出力する。直流阻止コンデンサ５０６は、導線５０２上の直流電圧レベルを導体５０８から切り離す。
導線５０２上で見られるピーク・ピーク情報はノード５０８にも存在する。しかしながら、導線５０２上で見られる波形と比べると、ノード５０８で見られる波形は、ＲＦピーク電圧の大きさ（すなわちＲＦピーク・ピーク電圧の１／２）からダイオード・モジュール５１０の順方向バイアス電圧の大きさを引いたものと近似的に大きさが等しい値だけ、下方向にシフトされている。一例として、ＲＦピーク・ピーク電圧が約７００ボルトであり、ダイオード・モジュール５１０の順方向バイアス電圧が約３０ボルトである場合、前述の下方向へのシフトの大きさは約３２０ボルト（７００ボルトの１／２−３０ボルト）である。
ダイオード・モジュール５１０はＲＣ回路５２０と並列に結合されており、好ましくは、直列に結合された複数のダイオードを表し、それらの総合順方向バイアス電圧はプラズマ電位ＶPLに近似する。直列の多数のダイオードを用いることは、ノード５０８に存在する高電圧ピークにダイオード・モジュール５１０が耐えることを可能とするために有用である。一例では、この総合順方向バイアス電圧値は約３０ボルトであり、これは充分にプラズマ電圧ＶPLに一次近似する。ダイオード・モジュール５１０内のダイオード（群）は、容量性分圧回路の形成を防止するとともにノード５０８で交流信号の正確なピーク検出を保証するように、キャパシタンスを小さく選択すると好ましい。一実施形態では、ダイオード・モジュール５１０は直列の約４２個のダイオードから成り、各々が約２ないし４ｐＦのキャパシタンス値を有する。好ましくは、ダイオード・モジュール５１０は、約４ｐＦ未満、一層好ましくは約０．５ｐＦの総合キャパシタンス値を有する。更に、ダイオード・モジュール５１０は、好ましくは約１５ナノ秒未満の応答時間を有し、ピーク検出回路内に誤差を招く、ノード５０８における交流信号の位相のずれを最小に抑える。加えて、ダイオード・モジュール内の各ダイオードは、炭素組成を有し得る電圧平衡抵抗と並列に結合されていると好ましい。更に、電圧平衡抵抗は、一例では例えば２ｐＦ未満の低い寄生容量および、例えば３０ないし５０ｎＨ未満の低い寄生インダクタンスを有すると好ましい。ダイオード・モジュール内でダイオードが直列に結合されている場合、このため電圧平衡抵抗は直列に結合されて、ダイオード間に均一に逆電圧を分配し、過剰な逆電圧によるダイオードの逆方向ブレークダウンを防止する。
抵抗５１２が示されており、これはダイオード・モジュール５１０と接地との間に結合されてダイオード・モジュール５１０への電流サージを制限するとともに、コンデンサ５０６を充電するための時定数を与えるように選択する。一例では、抵抗５１２の値は、コンデンサ５０６が約８００ナノ秒で充電可能となるように選択する。
ノード５０８に存在する波形から直流情報を得るために、ロー・パス・フィルタが用いられる。本好適実施形態では、このロー・パス・フィルタは、抵抗５１４およびコンデンサ５１６から成るＲＣネットワーク５２０によって履行されている。ノード５０８における信号は比較的高電圧の交流信号であるため、抵抗５１４は好ましくは低インダクタンス抵抗であり、電力損失を最小に抑えるとともに並列共振を与える。一実施形態では、抵抗５１４は、例えば約５０ｎＨ未満のインダクタンスを有する。
更に、抵抗５１４は、ノード５０８における全ピーク・ピーク電圧に耐えるため高電圧高電力抵抗であると好ましい。一例として、約３Ｋボルトを超える、好ましくは約６Ｋボルトの電圧定格を有する抵抗が適切であり得る。この抵抗５１４の電力定格は、一実施形態では約１５ワットである。
抵抗５１４とコンデンサ５１６との間で、ノード５１８が導線５０４に結合されており、ウエハ直流バイアス電圧すなわちＶDC-WAを近似する負直流電圧を、可変ＥＳＣチャック電源、例えば図４のＥＳＣ電源４１２の平衡ブリッジ４１０に与える。
このように、本発明は、ＥＳＣチャックからＲＦピーク・ピーク電圧を検出し、それからウエハの近似直流バイアス・レベルを推測するという利点がある。次いで、この推測された近似直流バイアス・レベルをフィードバック電圧として用いて、可変ＥＳＣチャック電源によって供給される電位レベルを変更し、プラズマが誘発したウエハ直流バイアス・レベルのばらつき、すなわち異なるプラズマ状態下でのウエハの直流電圧レベルのばらつきを動的に考慮する。
動的フィードバックの特徴のために、プロセス実行の間、ＥＳＣチャックの極とそれらの上に位置するウエハ領域との間に比較的一定の電位差が維持される。このように、チャックとウエハとの間の保持力を狭い許容範囲内に収めて、アークまたはチャック離れの可能性を低減するようにしなければならない。
図５Ｂは、図４のウエハ・バイアス・センサ４００の別の実施態様を示す。導線５０２は、チャック上で測定されたＲＦピーク・ピーク交流信号ＶPK−ＶPKを図５Ｂのウエハ・バイアス・センサに供給する。導線５０４を介して、可変静電チャック電源、例えば図４の可変静電チャック電源４１２に、近似ウエハＤＣバイアス電圧ＶDC-WAを出力する。
図５Ｂのウエハ・バイアス・センサでは、回路ブロック５５０がＲＦ信号低減ブロックを表し、好ましくは、コンデンサ５５１ａの値がコンデンサ５５１ｂの値の約９９倍である１００：１の容量性分圧回路である。回路ブロック５５２は負ピーク検出回路を表し、好ましくは図示の構成中に２個の高速ダイオード（５６０および５６２）および抵抗５６４を備えている。回路ブロック５５４は、回路ブロック５５２の負ピーク検出回路の出力から直流信号を得るためのフィルタである。図５Ｂの実施形態では、回路ブロック５５４はＲＣフィルタによって履行されている。
回路ブロック５５６は信号増幅回路であり、回路ブロック５５４のフィルタによって出力された小さい直流信号を増幅する。この実施形態では、回路ブロック５５６は１００：１の利得を与え、高電圧可変浮動電源５７２と直列に結合されたバッファ回路５７０を備えている。なお、回路ブロック５５０の低減値およびそれに伴う回路ブロック５５６の増幅値は、ここに特定した好適な値に限定されるわけではなく、適宜変えても良いことに留意されたい。高電圧可変浮動電源５７２の正端子は、直接に、または漏れ電流を制限するために任意選択的に抵抗５７４を介して接地することができる。回路ブロック５５６の出力は、次いで導線５０４を介して、可変静電チャック電源、例えば図４の電源４１２に与えられる。
本発明を更に説明するため、図６Ａは、図４の点４２３で測定された交流ＲＦ信号を示すグラフである。ピーク・ピーク情報がこの波形に含まれており、図５Ａ内ではＶPK-PKでラベル付けされている。直流阻止コンデンサ、例えば図４のコンデンサ４２１および４２２によって直流成分が除去されているため、この波形は電圧軸の水平０ボルト線を中心にほぼ対称であることを注記しておく。図６Ｂは、ＥＳＣチャック上、例えば図４の点４０２で測定された交流ＲＦ信号を示すグラフである。図６Ｂに示す波形は図６のものとほぼ同一の形状およびピーク電圧（ＶPK-PK）を有するが、概ね、供給電圧ＶSの半分の値にウエハ直流バイアスの大きさを加えた分だけ、下方にシフトしている。すなわち、約ＶS／２＋｜ＶDC-W｜だけ下方にシフトしている。
図７は、図５Ａの負ピーク検出器のノード５０８で得られた交流ＲＦ信号を示すグラフである。図７に示す波形は図６のものとほぼ同一の形状およびピーク・ピーク電圧（ＶPK-PK）を有するが、概ね、ピーク電圧の値（すなわちＲＦピーク・ピーク電圧の１／２）からダイオード・モジュールの順方向電圧の大きさＶDを引いた分だけ、下方にシフトしている。このため、０ボルトを超える波形部分はダイオード・モジュールの順方向バイアス電圧を近似的に表し、図７においてＶDでラベル付けされている。一実施形態では、ダイオード・モジュール５１０の順方向バイアス電圧は、プラズマ電圧ＶPLを近似するように選択され、これは一例では約３０ボルトである。
図８は、例えば図５Ａの導線５０４上にウエハ・バイアス・センサ回路が出力する直流フィードバック信号を示す。この直流バイアスは負の値であり、動的に推測されたウエハ直流バイアスを表すことを注記しておく。この直流フィードバック信号は、静電チャックの極に供給される電位レベルを変更するため用いられる信号である。
初めの方で述べたように、動的フィードバックの概念は単極性静電チャックにも等しく充分に適用される。図９は、一実施形態において、本発明の動的フィードバック技法を用いる単極性チャック・システムを概略的に示す。図９では、単極性チャック２００を正にバイアスして所望のクランプ力を与えるが、公知のように、負にバイアスすることも可能である。図９の回路を変形して、負にバイアスした単極性チャックに動的検知を実施することは、当業者の能力内である。
ここで図９を参照すると、単極性チャック２００の誘電層２０２上にウエハ１０８が配置されている。チャック上の点９０２でチャックのピーク・ピーク電圧を検出し、ウエハ・バイアス・センサ（ＷＢＳ）４００によって処理して、近似ウエハ直流バイアス電圧を推測する。図４の点４０２と同様、捕捉点９０２は、好ましくは、プラズマ環境に露呈されないチャックの位置に配置されて、センサの残存性を最大に高めるとともに、ウエハ処理チャンバ内に汚染が入る危険性を最小に抑える。
一実施形態では、ウエハ・バイアス・センサ４００は図５Ａの負ピーク検出回路によって履行されている。ウエハ・バイアス・センサ４００によって出力された推測ウエハ直流バイアス電圧を、次いでフィードバック電圧として用いて、直流電圧源９０４によって単極性チャック２００に供給される電位レベルを変更する。例えば、ウエハが負にバイアスされるほど、ウエハ・バイアス・センサ４００から出力される推測ウエハ直流バイアス電圧は一層負になる。この推測直流バイアス電圧に応答して、直流電圧源９０４は、チャック２００に供給する正の直流電位レベルをそれに応じて低下させる。ＲＦフィルタ４１７、ＲＦ発生器４２２、ＲＦ整合４２４および直流阻止コンデンサは、図４に関連して既に論じた。
動的フィードバックの特徴は、単極性チャックとそのウエハとの間の電位差を、プロセス・ステップ毎にほぼ不変のままにするという利点がある。したがって、ウエハと単極性チャックとの間に過剰に大きい電位差を偶発的に生成する危険性は最小に抑えられ、このため誘電層２０２への絶縁破壊損傷またはチャックもしくはウエハの上面への（アークによる）ピット・マーク損傷の可能性が低下する。
本発明をいくつかの好適実施形態の点から説明したが、本発明の範囲内に該当する代替、置換、および均等物がある。また、本発明の方法および装置を実施する代替的な方法もあることを注記しておく。したがって、以下の添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲に該当する、全てのかかる代替、置換、および均等物を含むものとして解釈されることを意図するものである。
【図１Ａ】
0004299368.tif 000002
【図１Ｂ】
0004299368.tif 000003
【図２】
0004299368.tif 000004
【図３Ａ】
0004299368.tif 000005
【図３Ｂ】
0004299368.tif 000006
【図５Ａ】
0004299368.tif 000007
【図４】
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【図５Ｂ】
0004299368.tif 000009
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0004299368.tif 000011
【図７】
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【図８】
0004299368.tif 000013
【図９】
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