CN102884610A - 局限工艺空间的pecvd腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于等离子体处理衬底的设备。所述设备包括处理腔室、设于处理腔室内的衬底支撑件、设于处理腔室内且在衬底支撑件下方的屏蔽构件、以及耦合至处理腔室的盖组件。所述盖组件包括耦合至功率源的导电气体分配器、以及电极，所述电极通过电气绝缘体与导电气体分配器和腔室主体隔开。电极还耦合至电功率源。衬底支撑件制作成具有容许偏离平行甚微的刚性。屏蔽构件热屏蔽腔室主体下部中的衬底传送开口。泵送气室位于衬底支撑件处理位置下方，且从所述衬底支撑件处理位置隔开。

Description

局限工艺空间的PECVD腔室

技术领域

本文所述实施例关于半导体制造设备和方法。特定言之，所述实施例有关用于半导体衬底的等离子体处理腔室。

背景技术

过去50年来，集成电路上形成的晶体管数量每两年即增加约一倍。每两年翻倍趋势亦称为摩耳定律（Moore’s Law），预计在半导体芯片上的器件从目前20至30纳米（nm）的关键尺寸微缩成目前所设计的未来制造工艺的100埃以下时，此趋势仍延续。当器件几何形状缩小，制造几何形状将增大。数年前，200毫米（mm）晶圆才被300mm晶圆取代，300mm晶圆很快即被400mm晶圆取代。随着大面积半导体衬底的处理日益复杂，制造更大几何形状的逻辑芯片将指日可待。

处理条件均匀度对半导体制造而言一直很重要，随着器件关键尺寸持续缩小及制造几何形状增大，对不均匀的容限亦随之下降。造成不均匀的原因很多，可能与装置性质、设备特征、和制造工艺的化学性质与物理性质有关。只要半导体制造产业遵循摩耳定律，就不断有对能均匀处理的制造工艺和设备的需求。

发明内容

本发明的实施例提供一种处理半导体衬底的设备，所述设备具有：处理腔室，处理腔室具有带有衬底传送开口的腔室主体；衬底支撑件，所述衬底支撑件设于处理腔室内并定义处理腔室上部与处理腔室下部；盖组件，盖组件包含耦合射频（RF）功率的导电气体分配器和与导电气体分配器隔绝的供电电极；以及设于处理腔室下部的屏蔽构件，屏蔽构件可通过处理腔室外的屏蔽构件延伸部而在处理腔室内定位。

其他实施例提供用于半导体处理腔室的盖组件，所述盖组件具有：气体分配器，具有背部电极、气箱和面板；环状调谐电极，通过绝缘环从气体分配器的面板隔开；以及盖板，耦合处理腔室的侧壁，并通过隔离器从调谐电极隔开。

其他实施例提供用于半导体处理腔室的屏蔽件，所述屏蔽件的特征在于：平板，所述平板的形状类似处理腔室的横截面；位于所述平板中用于容纳设置在处理腔室内的衬底支撑件的轴部的开口；位于所述平板中用于容纳衬底支撑件的举升销部的开口；以及附接至所述平板且延伸到处理腔室外的延伸部，以在处理腔室内的衬底处理位置与衬底传送位置之间移动所述屏蔽件。

其他实施例提供处理衬底的方法，所述方法包括：将衬底放到处理腔室内的衬底支撑件上；耦合射频（RF）功率至衬底支撑件对面的导电气体分配器；在邻近导电气体分配器的腔室侧壁提供电极、将衬底支撑件移入邻近电极的处理位置；使工艺气体流过气体分配器而至导电气体分配器与衬底支撑件之间的处理区域、从工艺气体形成等离子体；以及施加电压至电极而整形等离子体。

附图说明

为让本发明的上述发明内容更明显易懂，可配合参考实施例说明，部分实施例在附图中示出。然而，应注意附图仅说明本发明的典型实施例，而非用以限定本发明的精神与范围，因为本发明可接纳其他等效实施例。

图1为根据一个实施例的设备的横截面图。

图2为概括根据另一实施例的方法的流程图。

图3为根据再一实施例的设备的示意俯视图。

为助于理解，如有可能，各图中相同的元件符号代表相似的元件。应理解某一实施例中公开的要素可有利地并入其他实施例，在此不另外详述。

具体实施方式

所述实施例提供处理半导体衬底的设备。图1为根据一个实施例的设备100的横截面示意图。图1的设备100包含具有导电腔室主体164的处理腔室104，腔室主体164的侧壁设有衬底传送开口114。衬底传送开口114容许衬底传送进出处理腔室104。在许多实施例中，衬底搬运装置（如机械手，未图示）经由衬底传送开口114进入处理腔室104，以将衬底放入处理腔室104、或从处理腔室104移除衬底。

腔室主体164包含导电侧壁178和底壁146，侧壁178和底壁146可为铝或不锈钢、或任何其他导电材料，例如金属或金属合金。腔室主体164的内面可涂覆耐蚀材料，以减少化学品侵蚀腔室主体164。亦可使用可拆式内衬。涂层或内衬可为陶瓷材料，例如金属氧化物（如氧化铝或氧化钇）或耐蚀金属（如钛）、或上述材料的任何合宜的组合物。

设备100进一步包含设于腔室内的衬底支撑件106。衬底支撑件106具有支撑面110，衬底放在支撑面110上进行处理。一个或更多个举升销108延伸穿过衬底支撑件106而至支撑面110，并从支撑面110底下延伸到基底166。衬底支撑件106具有轴部122，轴部122延伸穿过腔室主体164的底壁146中的开口144，并耦合至致动器（未图示），所述致动器移动处理腔室104内的衬底支撑件106，使支撑面110移动靠近或远离底壁146。支撑面110移动靠近底壁146时，举升销108的基底166将接合底壁146，举升销108的顶部则延伸出支撑面110上方。通常，当举升销108延伸出支撑面110上方时，多个举升销108会把衬底抬起高于支撑面110。从图1的截面图只能看见一个举升销108。衬底支撑件106通常定义处理腔室104的上部168（包括处理区域112）和处理腔室104的下部170。

设备100进一步包含设于处理腔室104的下部170的屏蔽构件116。屏蔽构件116包含隔热材料，例如陶瓷、玻璃、石英、塑胶或类似材料，包括上述材料的混合物、复合物或组合物。屏蔽构件116包含延伸部118，延伸部118穿过底壁146中的第二开口120，延伸部118耦合至第二致动器（未图示），以将屏蔽构件116定位于处理腔室104内。屏蔽构件116在处理区域112与衬底传送开口114之间产生热屏蔽，以避免处理期间通过衬底传送开口114的热损失，进而改善处理腔室104内的热均匀度。屏蔽构件116通常遮蔽处理腔室104的整个下部170，以免处理区域112的热扰动在处理腔室104的下部170造成任何热损失。衬底装载或卸载操作期间，屏蔽构件116和衬底支撑件106移入衬底传送开口114下方的位置而允许接近支撑面110。在处理期间，衬底支撑件106将支撑面110移向处理区域112，屏蔽构件116移到邻近泵送气室156的位置，泵送气室156沿着处理腔室104的侧壁178设置。

泵送气室156为沿着处理腔室侧壁178设置的环形通道。泵送气室156的内延伸区158中的开口160容许工艺气体从腔室的处理区域112流向通道。工艺气体绕过通道流向泵送气室156的入口162，入口162啮合处理腔室104的侧壁178的类似入口154，以将工艺气体排出腔室104。开口160可为沿着整个泵送气室156的环状沟槽或狭缝、或为等距围绕泵送气室156的一连串分离开口。开口160可为连续或不连续，且可调谐开口160的大小以提供压降让气体均匀流入泵送气室156。

屏蔽构件116包含平板部分172和壁部分174。平板部分172具有容纳衬底支撑件106的轴部122的第一开口176、和容纳举升销108的基底部分166的第二开口124。在处理衬底时，壁部分174设置邻接开口160的下延伸区，以有效保护处理区域112不受热扰动影响。在替代实施例中，屏蔽构件116可没有壁部分174。在此实施例中，屏蔽构件116可为隔热板，隔热板移动到邻近泵送气室156的下表面的位置，且在一些实施例中会接触泵送气室156的下表面。

设备100进一步包括盖组件102，盖组件102通过盖板126耦合至处理腔室104的侧壁178。盖组件102包括气体分配器134，气体分配器134具有共同限定气箱138的背部电极184和面板136。面板136具有多个开口140供工艺气体流入处理区域112。气体分配器134是导电的，且可由铝、不锈钢、钛或另一导电材料（如金属或合金）组成。面板136面对处理区域112的表面可涂覆耐蚀材料，例如陶瓷或耐蚀金属，以减少化学品侵蚀。气体分配器134耦合至射频（RF）功率源148，以在气箱138和/或处理区域112中产生离子化气体。面板136朝横向方向延伸超过处理区域112，使暴露于处理区域112的面板136部分在整个处理区域112是均匀平坦的。平坦的面板136可改善通过耦合至气体分配器134的RF而在处理区域112产生的电场均匀度。

面板136可制作成能增进面板136的导热性的厚度。增进导热性可改善面板136各处和整个处理区域112的温度均匀度。在衬底支撑件被加热至300°C至500°C的温度的沉积工艺中，具有上述尺寸的铝制面板136从面板中心区至面板周边区的温差小于约20°C，例如小于约15°C，例如13°C。

盖组件102进一步包含通过绝缘体132与气体分配器电气隔绝的电极130。电极130为设于绝缘体132与第二绝缘体128之间的环状导电构件，绝缘体128使盖组件102与处理腔室104的侧壁178隔绝。电极130可为环状（annular）、环形（ring-like）或超环面，且通常具有均匀截面形状，使电极130产生的电场达到最佳均匀度。电极130耦合至电功率源142，在图1实施例中，显示电功率源142为直流（DC）电源，但电功率源142亦可为RF偏压源。电极130允许在处理区域112中产生电压来整形现存的离子化气体或等离子体。当电极130的电压改变时，有越来越多来自气体的离子或电子被电极130吸引，藉此可调谐衬底支撑件106的支撑面110各处的离子化气体或等离子体的密度分布，进而增进沉积均匀度。

处理区域112由衬底支撑件106的支撑面110、气体分配器134的面板136、和包含两个绝缘体132、128与电极130的侧环堆迭结构所限定。在处理期间，衬底支撑件106移动到邻接绝缘体128和/或电极130的位置，支撑面110则构成处理区域112的底部。工艺气体从支撑面110的边缘离开处理区域112并流向泵送气室156，泵送气室156位于支撑面110下方且彼此隔开。藉由将处理区域112移入盖组件102使处理区域112远离腔室主体164可减少工艺气体与腔室主体表面之间的接触，从而降低化学品侵蚀腔室主体表面的速度。减少等离子体或离子化气体接触导电腔室侧壁亦可减低放电至腔室侧壁而间歇接地的机会。

电极130具导电性，且电极130通常为金属或金属合金。虽然图式显示电极130具有面向处理区域112且接触工艺气体的表面的环形物，但也可提供具有连续面对处理表面的单一绝缘体来代替两个绝缘体128、132，并在单一绝缘体的内部通道中形成电极130或在单一绝缘体的外延伸区周围形成通道供电极插入，以遮蔽电极使之远离工艺环境。此实施例能利用电压来控制等离子体分布，又不会让电极暴露于工艺环境。在其他实施例中，电极130面对处理环境的表面可涂覆耐蚀材料，例如陶瓷或耐蚀金属。

衬底支撑件106经定向以使衬底支撑件106的中心轴180基本平行处理腔室104的中心轴182。衬底支撑件106的刚性将限制偏离轴平行度小于约1%，例如小于约0.5%，例如小于约0.1%、或约0.01%至约1%，例如约0.05%至约0.5%，例如约0.07%。因此，衬底支撑件106每行经1英寸的倾斜度不会超过0.01英寸（英寸/英寸），例如小于约0.005英寸/英寸，例如约0.0007英寸/英寸。

衬底支撑件106的刚性提供衬底支撑件106的支撑面110与气体分配器134的面板136之间均一距离。均一距离可增进面板136与衬底支撑件106的支撑面110之间形成的电场均匀度，进而改善整个处理区域112的等离子体密度均匀度。衬底支撑件106可耦合RF功率源150，以便于控制处理区域112的等离子体性质。可将两个等离子体源148、150例如调谐成两种不同频率，以促进处理区域112的多个物种的离子化。

藉由选择轴部122的厚度，可选择衬底支撑件106的刚性。在许多实施例中，衬底支撑件106的轴部122包含各种用于气体、液体或电子元件的导管。轴部122的刚性主要受轴部122的实心部分的宽度影响。因此，增加轴部122的质量可提高所述轴部122的刚性。

图1的盖组件102、衬底支撑件106和屏蔽构件116可用于任何进行等离子体或热处理的处理腔室。受益使用盖组件102、衬底支撑件106和屏蔽构件116的等离子体处理腔室的一实例为购自位于美国加州圣克拉拉市的应用材料公司的

平台与腔室。其他制造商制造的腔室也可使用上述部件。

图2为根据另一实施例的方法200的流程图。图2的方法可利用任何适于等离子体处理的衬底处理腔室进行，衬底处理腔室包括图1的实施例的设备100。在操作202中，将衬底放到处理腔室内的衬底支撑件上。在操作204中，提供具有盖子的腔室，盖子包含导电气体分配板和设于气体分配板底下的盖子侧壁附近的电极。电极通过绝缘环与气体分配板隔绝，且电极和气体分配板可呈环状。

在操作206中，将衬底放置靠近电极，以进行处理。衬底支撑件可以任何合宜方式移动。在一些实施例中，衬底支撑件和气体分配板限定处理区域，处理区域保持远离其他腔室部件，以减少等离子体起电弧与化学品侵蚀其他腔室部件的情况发生。在一些实施例中，第二绝缘环设置在盖子与腔室主体之间。绝缘环通常构成处理区域的耐化学性侧壁。在一些实施例中，气体分配板和电极亦可涂覆耐蚀材料。

衬底放置成使衬底的边缘邻近电极。从衬底边缘到电极的距离通常小于约10mm。距离可为约2mm至约10mm，例如约4mm至约6mm，例如约6mm。在一些实施例中，可调谐衬底边缘与电极的间隙大小，以在沿着衬底边缘的所有位置提供流动均匀性。

在操作208中，提供工艺气体（所述工艺气体可为混合物）至由衬底支撑件与气体分配板限定的处理区域。工艺气体通常流过气体分配板中的开口，且工艺气体可以任何合宜方式整形而得到预定流动特性。在操作210中，通过将RF功率耦合至气体分配板，在处理区域中从工艺气体形成等离子体。RF功率亦可耦合至衬底支撑件，以在衬底上产生电偏压、或促进工艺气体进一步离子化。

在操作212中，施加电压至电极，以控制衬底支撑件各处的等离子体密度分布。调谐电极相对于衬底支撑件与气体分配板的电压可调谐等离子体鞘与腔室侧壁或处理区域之间的距离，以将衬底接触等离子体控制成接触衬底边缘。最小化各种导电部件的几何形状不连续性亦可改善处理区域的等离子体密度均匀度控制。

在操作214中，经由位于腔室下部的衬底支撑件下方的泵送气室均匀排放排气。泵送气室经建构以提供均匀气体流过衬底支撑件、流经衬底支撑件边缘而流入腔室下部、然后流入泵送气室。因泵送气室运作所致，在衬底支撑件下方设置泵送气室可减少气流异常。使处理腔室的盖子相隔泵送气室预定距离，可调谐处理区域与泵送气室之间的距离，接着将衬底放置邻近盖子以进行处理。

图2的方法200可用于电容性等离子体腔室进行的任何等离子体工艺。例如，以等离子体化学气相沉积（CVD）形成含硅、氧、碳、氮或其他元素层的沉积工艺将受惠于方法200而增进均匀度。等离子体可由含惰性或不反应气体（如氩气或氦气）的工艺气体和含硅、碳、氧、氮或其他元素的气体组成。约+10伏特（V）至+100V的DC电位可施加至电极，例如约+30V至约+70V，例如+50V，以吸引组成等离子体鞘的电子朝向电极扩张。

在一些实施例中，方法200进一步包含热屏蔽易发生热损失的处理腔室部分。例如，热屏蔽件可设于腔室下部，以遮蔽腔室的一个壁中的入口。热屏蔽可减少从腔室经由腔室壁的任何屏蔽部分的热损失。

图3为根据再一实施例的设备300的俯视示意图。设备300包含多个处理腔室302、衬底传送室304、衬底搬运机310、和一个或更多个装载锁定室306。衬底搬运机310可为任何适当设计的机械手。在一个实施例中，衬底搬运机310包含两个连结串列叶片机械手，两个机械手同时进入两个相邻处理腔室302。设备300的一个或更多个处理腔室302类似于腔室100。每一处理腔室302具有与以上图1所述的设备相关的调谐电极130。设备300还包含多个排气导管308，导管308各自连通泵送气室，例如上述以上联系图1描述的泵送气室156，且每对处理腔室302共用一个导管308。除等离子体处理腔室（如腔室100）外，图3的设备300亦可包括其他类型腔室。例如，一个或更多个处理腔室302可为热处理室、清洁室、紫外线（UV）处理室、冷却室或静置室。

虽然以上内容涉及本发明的实施例，然而可设计本发明的其他和进一步的实施例而不脱离其基础范围。

Claims (16)

1.一种用于处理半导体衬底的设备，所述设备包括：

处理腔室，所述处理腔室具有带有衬底传送开口的腔室主体；

衬底支撑件，所述衬底支撑件设于所述处理腔室内，并限定所述处理腔室的上部和所述处理腔室的下部；

盖组件，所述盖组件包括耦合至射频（RF）功率的导电气体分配器和与所述导电气体分配器隔绝的供电电极；以及

屏蔽构件，所述屏蔽构件设于所述处理腔室的所述下部，所述屏蔽构件能通过所述屏蔽构件的在所述处理腔室外的延伸部而在所述处理腔室内定位。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述盖组件进一步包括衬底处理区域。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述屏蔽构件能在衬底处理位置与衬底传送位置之间移动，且当所述屏蔽构件处于所述衬底处理位置时，所述屏蔽构件覆盖所述衬底传送开口。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述衬底支撑件倾斜小于约0.1%。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述盖组件进一步包括邻接所述供电电极的处理区域，且所述屏蔽构件可在衬底处理位置与衬底传送位置之间移动，其中当所述屏蔽构件处于所述衬底处理位置时，所述屏蔽构件覆盖所述衬底传送开口。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述屏蔽构件包括介电材料，且所述盖组件进一步包括在所述供电电极与所述导电气体分配器之间、且在所述供电电极与所述腔室主体之间的隔离器。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括泵送气室，所述泵送气室设于所述腔室主体的壁附近，且所述泵送气室包括具有下表面与上表面的环状开口，其中当所述屏蔽构件处于衬底处理位置时，所述屏蔽构件的上表面与所述泵送气室的所述下表面基本齐平。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述衬底传送开口在所述泵送气室下方，且当所述屏蔽构件处于衬底传送位置时，所述屏蔽构件会使所述衬底传送开口露出。

9.一种用于半导体处理腔室的盖组件，所述盖组件包括：

气体分配器，所述气体分配器具有背部电极、气箱和面板；

环状调谐电极，所述环状调谐电极通过绝缘环与所述气体分配器的所述面板隔开；以及

盖板，所述盖板耦合所述处理腔室的侧壁，并通过隔离器与所述调谐电极隔开。

10.如权利要求9所述的盖组件，其特征在于，所述盖组件进一步包括邻接所述环状调谐电极的衬底处理区域。

11.如权利要求9所述的盖组件，其特征在于，所述气体分配器和所述环状调谐电极各自耦合至电功率源。

12.如权利要求11所述的盖组件，其特征在于，所述气体分配器耦合至射频（RF）功率源，所述环状调谐电极耦合至直流（DC）功率源。

13.一种用于半导体处理腔室的屏蔽件，所述屏蔽件包括：

平板，所述平板具有类似所述处理腔室的横截面形状的形状；

位于所述平板中以用于容纳设于所述处理腔室内的衬底支撑件的轴部的开口；

位于所述平板中以用于容纳所述衬底支撑件的举升销部的开口；以及

延伸部，所述延伸部附接至所述平板，并延伸到所述处理腔室外，以在所述处理腔室内的衬底处理位置与衬底传送位置之间移动所述屏蔽件。

14.如权利要求13所述的屏蔽件，其特征在于，所述平板包括隔热材料，且从所述平板的中心到边缘的距离基本等于所述处理腔室的中心轴到泵送气室的内缘的距离，所述泵送气室设于所述处理腔室的壁附近。

15.如权利要求14所述的屏蔽件，其特征在于，所述屏蔽件进一步包括致动器和从所述平板的边缘延伸的壁，所述致动器耦合至所述延伸部以在所述处理腔室内移动所述屏蔽。

16.一种处理衬底的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述衬底放到处理腔室内的衬底支撑件上；

将射频（RF）功率耦合至所述衬底支撑件对面的导电气体分配器；

在邻近所述导电气体分配器的所述腔室的侧壁提供电极；

将所述衬底支撑件移入邻近所述电极的处理位置；

使工艺气体流过所述气体分配器而至所述导电气体分配器与所述衬底支撑件之间的处理区域；

从所述工艺气体形成等离子体；以及

施加电压至所述电极而整形所述等离子体。

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