CN101584031B - 用于晶片边缘处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于补救等离子体斜角刻蚀过程中对该基板造成的与电弧有关的损害的方法和装置。等离子体罩被置于该基板上方以防止在两个环形接地板之间产生的等离子体与该基板上的暴露的金属化相接触。附加地或替换地，可以使用无碳氟化工艺源气体或在等离子体产生过程中将RF偏置功率逐渐升高以减少在斜角刻蚀过程中的与电弧有关的损害。另外，附加地或替换的，氦和/或氢可以被添加到工艺源气体中以减少在斜角刻蚀过程中的与电弧有关的损害。

Description

用于晶片边缘处理的方法和装置
背景技术
很长时间以来，等离子体处理被用来处理基板并在该基板上形成器件。一般而言，该基板可以在等离子体处理室中通过多个步骤进行处理，这些步骤被设计来最终沉积并刻蚀该基板的选定区域以在其上形成电子器件，在任何给定的基板中，该基板的中央部分通常被分割成多个模片(die)，其中每个都代表一个电子器件，比如制造商希望在该基板上形成的集成电路。一般来说，在该基板的外围的那些区域不被处理成电子器件而是形成晶片边缘。
在等离子体处理室中的各种处理步骤可能形成不想要的残余或沉积，其需要在下一个处理步骤之前被清洁掉。例如，在金属化沉积步骤之后，该晶片的外围区域可能包含了不想要的溅射金属微粒，这些金属微粒需要在下一个处理步骤之前被清洁掉。作为再例如，刻蚀步骤可形成遍及该室的聚合物沉积，包括在该基板的外围区域上。此聚合物沉积，以及其它的不想要的残余，必须在下一个处理步骤之前被清洁掉，以保证这些残余不会污染后续的处理步骤。此处所用的围绕该基板的在器件区域以外的外围区域被用术语“晶片边缘”来表示。因此，晶片边缘表示在器件区域以外的围绕该晶片的同心的环样(ring-like)的区域。
为了便于讨论，图1显示了示例晶片102，其可代表，例如，300毫米晶片。为了便于描绘，仅仅显示了示例晶片102的一部分。当从上面看时，存在器件区域108，其延伸到参考标号104的左侧，在该处使用各种等离子体处理步骤在该晶片上形成器件。如上所述，该器件区域108一般存在于该晶片的中心部分。从该基板的上部的参考标号104的右侧延伸到该基板的下侧到参考标号110的右侧，存在这里称为晶片边缘106的区域。该晶片边缘区域106，代表在该晶片102的外围的区域，在该区域上不形成器件。
在现有技术中，提供了被配置为清洁该晶片边缘区域106的等离子体处理系统。在这些等离子体处理系统中，晶片边缘等离子体形成于该晶片边缘区域的地带以执行对该晶片边缘区域的清洁。其它的区域，比如在晶片102的参考标号104的左侧的器件区域108，在晶片边缘清洁过程中一般被保持原状。
然而，在某些等离子体晶片边缘清洁过程中，该基板上的器件被观察到遭到了过度的损害。进一步的调查显示，如果那里存在暴露的金属特征(feature)，比如金属连线或金属层构造(比如铜层、钛层、钛的亚硝酸盐(titanium nitride)层等)，该暴露的金属连线或金属层构造在等离子体晶片边缘清洁过程中会起到RF天线的作用，并将电弧(arcs)从该等离子罩吸引到该基板，然后暴露的金属连线起到导线的作用，将大电流电弧从该等离子体传导到器件区域108中的器件上，对该器件造成电性损害并导致产量降低。
尽管不希望受到理论的束缚，因为对在等离子体处理系统中的击穿(arcing)的机制还没有彻底的了解，人们相信，一个起作用的因素可能是该等离子罩(一般是正偏置的)和该基板(一般是负偏置的)之间的电势差。击穿的有利条件可以被暴露的金属层的存在进一步提高，该暴露的金属层可能是单一金属层或多个金属层，或金属导体或引起电弧的由不想要的溅射金属沉积的存在所产生的现象。等离子体处理过程中的电弧是一个问题，不仅因为它给器件带来了前述的电性损害，而且因为电弧代表了不可控的事件。一般来说，在等离子体处理过程中不可控的事件是不受欢迎的，因为参数是不可控的，而且不确定的结果通常是破坏性的。
发明内容
在一个实施方式中，本发明有关于一种具有被配置为处理基板的等离子体处理室的等离子体处理系统。该等离子体处理系统包括RF功率源。该等离子体处理系统还包括在该处理过程中，被配置为支撑该基板的下电极。该下电极从该RF功率源接收至少一个RF信号，以在该处理过程中在该等离子体处理室内生成等离子体。该等离子体处理系统进一步包括配置于该基板上方的第一环形接地电极。该等离子体处理系统还包括配置于该基板下方的第二环形接地电极。该第一环形接地电极和该第二环形接地电极如此配置使得该基板的圆周边缘以直接视线的方式暴露于该第一环形接地电极的至少一部分和该第二环形接地电极的至少一部分。该等离子体处理系统还进一步包括配置于该基板的至少一部分上方的等离子体罩。该等离子体罩被配置为在该处理过程中，防止该等离子体在该等离子体罩和该基板的该部分之间的区域中形成。
上述发明内容仅仅有关于此处揭露的本发明的许多实施方式中的一个，且不是意在限制本发明的范围，该范围如权利要求所述。在下面的具体实施方式部分，结合附图，对本发明的这些和其他特征作出更加详细的描述。
附图说明
本发明是通过附图中的各图的实施例的方式进行说明的，而不是通过限制的方式说明的，其中同类的参考数字代表相似的元件，且其中：
图1显示了一个示例晶片，其可以代表，例如，300毫米晶片。
图2显示了，依照本发明的一个实施方式，等离子体晶片边缘清洁系统的相关部分的简图。
图3显示了，依照本发明的一个实施方式，在等离子体晶片边缘清洁系统中，用于大体上减少或消除击穿事件的各种技术。
具体实施方式
现在参考附图中描绘的一些实施方式，对本发明作出详细地描述。在以下描述中，提供了一些具体细节，以提供对本发明的完全理解。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，没有其中的一些或全部细节，本发明仍然能够实现。在其它情况下，没有对熟知的工艺步骤和/或结构进行详细描述，以免不必要地模糊本发明。
依照本发明的实施方式，通过向工艺工程师提供一个或多个用于减轻击穿的工具可以解决上述击穿问题。在一个实施方式中，在该晶片上提供等离子体罩并使该罩延伸出晶片边缘，以防止等离子体在该基板上方的区域中形成，在该处可能存在暴露的金属微粒或层。通过在该基板的上部水平面上方提供等离子体罩并使该等离子体罩延伸出该晶片边缘，本发明的实施方式保证了等离子体刻蚀仅仅发生在该晶片的暴露的边缘区域，在该区域中不包含暴露的金属层和/或金属微粒。用这种方式，从该等离子体罩到该晶片的击穿被大体上消除了，从而大体上消除了对该基板上的器件造成的与电弧相关的损害。
在另一个实施方式中，替代地或者附加地，通过使用不包括碳的刻蚀源气体，可以减轻上述的击穿问题。人们发现，使用无碳的刻蚀源气体形成等离子体晶片边缘清洁过程的等离子体可以大体上减少或消除从该等离子体罩到该基板的电弧的形成。
在另一个实施方式中，氦和/或氢可以被添加到该等离子体刻蚀源气体中，以大体上减少或消除从该等离子体罩到该基板的击穿。添加氦和/或氢可以替代地或附加地执行。
在另一个实施方式中，可以渐增地向该等离子体提供RF功率以在该晶片边缘区域激发并保持该等离子体。这与现有技术中使用阶梯函数提供RF功率是不同的。依照本发明的一个实施方式，功率是逐渐上升的，以消除反射功率中的尖峰脉冲(spike)，这被认为可以大体上减少或消除从该等离子体罩到该基板的电弧的形成。RF功率的逐步改变可以是通过与自动进程控制计算机集成的软件来执行的，该自动进程控制计算机被用来控制该晶片边缘清洁等离子体处理室。由软件控制的逐渐增加的RF功率可以对于先前的途径(例如，使等离子体罩延伸出该晶片边缘、使用无碳刻蚀源气体和/或增加氦/氢)替换地或附加地执行。
图2显示了，依照本发明的一个实施方式，等离子体晶片边缘清洁系统的相关部分的简图。在晶片边缘清洁系统200中，在等离子体晶片边缘清洁过程中，基板204被设置于卡盘206上。该卡盘206耦合于RF偏置功率供应210，其可以向卡盘206提供一个或多个RF信号以激发并保持等离子体以进行等离子体晶片边缘清洁，其中该RF信号可以是单一频率或多频率信号。基板204包括器件区域212，其一般被配置于朝着基板204的中央部分。在基板204的外围是同心的晶片边缘区域214，在该区域中不形成器件。
如前所述，在用来在器件区域212中形成器件的各种等离子体处理步骤中，不想要的材料沉淀，比如聚合物或金属残余可能粘着于晶片边缘区域214的表面，并可能需要被清洁掉以保证该不想要的沉淀不会污染后续的等离子体处理步骤。由合适的电介质材料形成的传统的电介质底环220围绕卡盘206。到目前为止，所述的布置都是传统的，且对于熟悉电容耦合等离子体处理系统的人来说是熟知的。
为了执行等离子体晶片边缘清洁，在期望等离子体形成的区域提供接地板。在图2的实施例中，可由铝等合适的导体形成的环形的接地板230和环形的接地板232，被配置在等离子体区域240的上方和下方。如图2中所示，这些环形的接地板230和232被这样配置：该基板的圆周边缘262对该第二环形接地板232的至少部分区域有直接的视线暴露。
这些环形的接地板在处理过程中起接地电极的作用。因此，当由RF偏置功率供应210向卡盘206提供RF功率，且向等离子体晶片边缘清洗系统200的室提供合适的刻蚀源气体时，等离子体在等离子体区域240中被激发和保持，以清洁晶片边缘区域214。例如，在一个实施方式中，由该RF偏置功率供应提供的该RF信号的频率是13.56兆赫。
在图2的结构中，由合适的电介质材料(比如石英或氧化铝(Al2O3))形成的等离子体罩250被提供并配置在基板204的水平面的上方。在一个实施方式中，该等离子体罩250可以是由与等离子体晶片边缘清洁系统兼容的任何合适的电介质材料形成的。而且，等离子体罩250在其下表面252和基板204的上表面之间形成有限的空隙。优选地，参考标号260所示的此有限的空隙的尺寸小于在等离子体区域240中形成的等离子体的罩的厚度。例如，在一个实施方式中，空隙260可小于大约1毫米。因为对于任何给定的等离子体，可以计算出该罩的厚度，所以空隙260的厚度可以根据给定的等离子体晶片边缘清洁系统的细节而变化。
而且，等离子体罩250延伸出基板204的边缘262。换句话说，等离子体罩250的外缘264延伸出基板204的外缘262一个给定的距离，在图2中该距离由X表示。该过伸尺寸X足够大以使得等离子体不存在于基板204的有暴露的金属化边缘或残余的区域。例如，如果在基板204的区域270中有金属化边缘，优选地，等离子体罩的外缘264延伸出基板204的外缘262足够的过伸尺寸X，以使得在等离子体晶片边缘清洁过程中，在基板204的区域270上不存在等离子体。在一个实施方式中，过伸尺寸X是大约0.5毫米。虽然此过伸尺寸X可以根据要执行的具体的等离子体晶片边缘清洁而改变。但是，依照本发明的实施方式，过伸X至少为0。由此，该电介质等离子体罩的过伸掩蔽了该晶片的金属化区域，以使得等离子体不能在被物理等离子体罩掩蔽的区域中形成。
在一个实施方式中，为了清洁基板204的背面，配置于基板204下方的接地板232，可与配置于基板204上方的接地板230偏离。如此，形成的等离子体相对于晶片边缘区域214是非对称的，且相对于基板204的上面(top side)，基板204的背部的更大的区域得到清洁。为了更加清楚，下方的接地板232朝基板204的中央进一步延伸，这样该基板的下表面外围的至少一部分与该下部接地板232重叠。
在一个实施方式中，需要清洁该晶片边缘的一个区域，该区域是，当沿着该基板的上面测量时距离基板204的外缘262达2毫米，当沿着该基板的背面测量时距离基板204的外缘262达5毫米。
如同前面提到过的，已经发现，使用无碳氟化化学物质大体上减少或除去了等离子体晶片边缘清洁室中的击穿事件。因此，替换地或者附加地，向等离子体晶片边缘清洁系统200提供不含碳氟化等离子体刻蚀源气体，以进一步减少或消除等离子体晶片边缘清洁过程中的击穿事件。替换地或者附加地，用来在等离子体晶片边缘清洁系统200的等离子体区域240中产生等离子体的等离子体刻蚀源气体可包括氦和/或氢，以进一步减少或大体上消除击穿事件。
替换地或者附加地，控制等离子体晶片边缘清洁系统200的该自动进程控制计算机可被编程，以使得由RF偏置功率供应210向卡盘206提供的功率逐渐上升，从而以渐增的方式提供RF功率以在等离子体区域240中激发并保持等离子体。据信，到等离子体晶片边缘清洁系统200的逐渐增加的功率减少了阻抗和/或等离子体电势的突变，从而大体上减少或消除了在等离子体晶片边缘清洁系统200中的击穿事件。注意，在不提供延伸出该基板204的等离子体罩的等离子体晶片边缘清洁系统中，使用不含碳氟化刻蚀源气体和/或在该刻蚀源气体中使用氦/氢和/或使用软件控制的RF功率的逐渐增加也是可能的。换句话说，此处所述的四种技术的每一种(该等离子体罩过伸出该基板、使用不含碳氟化等离子体刻蚀源气体、添加氦和/或氢到该等离子体刻蚀源气体、软件控制的RF功率的逐渐上升)可以彼此联合执行。
图3显示了，依照本发明的一个实施方式，在等离子体晶片边缘清洁系统中，用于大体上减少或消除击穿事件的各种技术。图3的步骤意在附加地执行或通过任何合适的联合方式来执行。在一个实施方式中，图3中的步骤可以以任何顺序执行。
在步骤302中，在基板上方提供过伸的等离子体罩，以便为执行该等离子体晶片边缘清洁而形成的等离子体不会在暴露的金属化区域上方存在。在这一步中，该物理等离子体罩的下边沿和该基板的上表面之间的空隙以及该过伸尺寸如此配置使得从该等离子体罩到该基板的暴露的金属化区域和/或器件形成区域的击穿被大体上减少或消除。
在步骤304中，该刻蚀源气体代表不含碳的氟化刻蚀源气体。例如，除去该晶片边缘区域中的聚合物，可以使用等离子体刻蚀源气体比如SF6和/或NF3。在步骤306中，氦和/或氢可被添加到该刻蚀源气体中。在一个实施方式中，优选地，氦是总的刻蚀源气体流量的至少10％。在一个实施方式中，氢可以以总的刻蚀气体流量的任何百分比存在。
在步骤308中，用以激发和/或保持用于等离子体晶片边缘清洁的等离子体的RF功率是使用软件控制的过程逐渐升高的。正如前面提到的，该软件控制可以被集成到用于控制该等离子体晶片边缘清洁系统的该自动进程控制计算机中。
在等离子体晶片边缘清洁过程的一个实施例中，在电容耦合等离子体晶片边缘清洁系统中处理300毫米晶片。使用20sccm(标准立方厘米每分钟)的CF4和200sccm的CO2作为主要的晶片边缘刻蚀源气体。
在此实施例中，因为该等离子体晶片边缘清洁系统使用过伸的等离子体罩，甚至可以使用含碳的刻蚀源气体，而不会冒对基板上的这些器件造成与电弧有关的损害的危险。此实施例表明，不含碳的氟化刻蚀源气体的使用可以附加于过伸的等离子体罩的使用，也可以与之替换地执行。
在等离子体晶片边缘清洁的该实施例中，等离子体晶片边缘清洁室内的压力被维持在大约1.5托，RF偏置功率在大约700瓦，RF频率大约为13.56兆赫。而且将大约100sccm的氦/氢混合物添加到该刻蚀源气体中(以流量计，氢是该氦/氢混合物的4％)。已经发现，当该过伸的罩被配置为距离该基板表面大约1毫米且超出基板外缘的过伸尺寸为大约0.5毫米时，在该实施例边缘不会出现与电弧有关的损害。
由上可知，本发明的实施方式提供一个或多个工具或控制按钮，以使得制造商可以解决等离子体晶片边缘清洁过程中的与电弧有关的损害的问题。通过使用此处讨论的一种或多种技术，半导体器件制造商可以有效地执行等离子体增强的晶片边缘清洁，而不用冒损害基板上的器件的风险，即便在等离子体处理步骤中间存在暴露的金属化的时候。
尽管本发明是根据几个优选实施方式来进行描述的，然而，存在落入本发明的范围的变更、置换和等同替换。而且，此处所提供的名称、发明内容和摘要是为了方便，而不应当被用于解释此处权利要求的范围。应当注意，存在许多实现本发明的方法和装置的替代方式。虽然此处提供了各种实施例，这些实施例意在对本发明进行说明而非限制。因此，所附权利要求的范围意在被解读为包括所有这些落入本发明的真实精神和范围的变更、置换和等同替换。

Claims (23)

1.一种具有被配置为处理基板的等离子体处理室的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包含：
RF功率源；
在所述处理过程中，被配置为支撑所述基板的卡盘，所述卡盘从所述RF功率源接收至少一个RF信号，以在所述处理过程中在所述等离子体处理室内生成等离子体；
配置于所述基板上方和所述卡盘上方的第一环形接地电极，所述第一环形接地电极不与所述卡盘重叠；
配置于所述基板下方的第二环形接地电极，所述第二环形接地电极朝所述基板的中心延伸得比所述第一环形接地电极朝所述基板的中心延伸得更多；以及
配置于所述基板的至少一部分上方的等离子体罩，所述等离子体罩由所述第一环形接地电极围绕并且不在任何接地电极下方。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述第二环形接地电极相对于所述第一环形接地电极进一步朝所述基板的中央延伸，以使得所述基板下表面外围的至少一部分与所述第二环形接地电极重叠。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，进一步包含用于使供应到所述卡盘的RF偏置功率逐渐上升的装置。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中在所述处理过程中，所述等离子体罩被配置为与所述基板的上表面被空隙分隔开，该空隙小于所述等离子体的罩的厚度。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述等离子体罩表示在所述处理过程中，延伸出所述基板的外围的圆形结构。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述等离子体罩并未位于任何电极或卡盘下方。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述等离子体罩由石英构成。
8.一种用于在等离子体处理室中处理基板的方法，所述基板被配置在下电极上，该下电极在所述处理过程中形成卡盘，该方法包含：
提供配置于所述基板上方和所述卡盘上方的第一环形接地电极，所述第一环形接地电极不与所述卡盘重叠；
提供配置于所述基板下方的第二环形接地电极；
将所述第二环形接地电极朝所述基板的中心延伸得比所述第一环形接地电极朝所述基板的中心延伸得更多；
提供配置于所述基板的至少一部分上方的等离子体罩，所述等离子体罩由所述第一环形接地电极围绕，并且并未位于任何接地电极下方；以及
在所述第一环形接地电极和所述第二环形接地电极之间生成等离子体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二环形接地电极相对于所述第一环形接地电极进一步朝所述基板的中央延伸，以使得所述基板下表面外围的至少一部分与所述第二环形接地电极重叠。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包含逐渐提高供应到所述卡盘的RF偏置功率，同时执行所述生成所述等离子体。
11.根据权利要求8所述的方法，其中在所述处理过程中，所述等离子体罩被配置为与所述基板的上表面被空隙分隔开，该空隙小于等离子体的罩的厚度。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体罩表示在所述处理过程中，延伸出所述基板的外围的圆形结构。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述等离子体罩延伸出所述外围一个过伸尺寸，所述过伸尺寸是选定的，以防止在所述基板表面的暴露的金属化被暴露于所述等离子体中。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述RF信号具有13.56MHz的频率。
15.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体罩是由氧化铝形成的。
16.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体罩并未在任何电极或卡盘下方。
17.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体是由包括氢和氦中的至少一种的工艺气体形成的。
18.一种具有被配置为处理基板的等离子体处理室的等离子体处理系统，所述等离子体处理系统包含：
RF功率源；
在所述处理过程中，被配置为支撑所述基板的卡盘，所述卡盘从所述RF功率源接收至少一个RF信号，以在所述处理过程中在所述等离子体处理室内生成等离子体；
基板边缘等离子体生成装置，至少包括第一环形接地电极和第二环形接地电极，所述第一环形接地电极配置于所述基板和所述卡盘的上方，其中所述第一环形接地电极不与所述卡盘重叠，第二环形接地电极被配置于所述基板下方，所述第一环形接地电极和所述第二环形接地电极如此配置使得所述基板的圆周边缘以直接视线的方式暴露于所述第一环形接地电极的至少一部分和所述第二环形接地电极的至少一部分；以及
被配置于所述基板的至少一部分上方的等离子体罩装置，所述等离子体罩装置由所述第一环形接地电极围绕，并且未在任何接地电极下方，在所述处理过程中，所述等离子体罩装置被配置为防止在所述基板上的暴露的金属化区域附近形成等离子体而导致所述暴露的金属化区域的击穿。
19.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中所述第二环形接地电极相对于所述第一环形接地电极进一步朝所述基板的中央延伸，以使得所述基板下表面外围的至少一部分与所述第二环形接地电极重叠。
20.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，进一步包含用于使供应到所述卡盘的RF偏置功率逐渐上升的装置。
21.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中在所述处理过程中，所述等离子体罩装置被配置为与所述基板的上表面被空隙分隔开，该空隙小于所述等离子体的罩的厚度。
22.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中所述等离子体罩装置并未在任何电极或卡盘下方。
23.根据权利要求18所述的等离子体处理系统，其中所述RF信号具有13.56MHz的频率。
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