CN105393344A - 用于更均匀的层厚度的基板支撑环 - Google Patents

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Abstract

本文提供基板支撑环的实施方式，所述基板支撑环使基板上所沉积或生长的层有更均匀的厚度。一些实施方式中，基板支撑环包括：内环，所述内环具有置中的支撑表面，以支撑基板；以及外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域设置在所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的支撑平面，且其中所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约45mm。

Description

用于更均匀的层厚度的基板支撑环
技术领域
本发明的实施方式大致关于半导体处理。
背景技术
诸如半导体晶片之类的基板可由支撑装置(诸如边缘环)所支撑，以在处理腔室内处理。一些半导体制造工艺(诸如沉积或生长氧化物层的工艺)中，在处理腔室中启动燃烧反应而生成氧物种(oxygenspecies)，以有助于氧化物层的生长。然而，发明人已观察到在一些工艺中，工艺的不均匀可能发生，这影响晶片表面上的层的厚度均匀度。特别是，已观察到在基板边缘有不同的沉积或生长速率，导致基板边缘有不均匀的层形成。
因此，发明人已提供基板支撑件的实施方式，所述基板支撑件可有助于在一些半导体制造工艺期间提高工艺均匀度。
发明内容
在此提供基板支撑环的实施方式，所述基板支撑环使基板上所沉积或生长的层有更均匀的厚度。一些实施方式中，基板支撑环包括：内环，所述内环包括置中(centrallylocated)的支撑表面，所述支撑表面适于支撑基板；以及外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域设置在所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的支撑平面，且其中所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约45mm。
一些实施方式中，基板支撑装置包括：内环，所述内环包含置中的支撑表面以支撑基板；以及外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域位于所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的支撑平面，其中所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约34mm，且其中所述反应表面在所述支撑表面上方约0.86mm至约0.97mm处。
一些实施方式中，基板处理装置包括腔室主体与基板支撑装置，所述腔室主体包围处理空间，而所述基板支撑装置设置且支撑在所述处理空间内。基板处理装置包括：内环，所述内环包含置中的支撑表面，所述支撑表面适于支撑基板；以及外环，所述外环从所述基板支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域位于所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的支撑平面，所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约45mm。
本发明的其他与进一步的实施方式于下文中描述。
附图说明
以上简短概述及以下更加详细讨论的本发明的实施方式，可通过参考附图中所描绘的本发明的说明性实施方式而理解。然而应了解，附图仅说明本发明的典型实施方式，且因此不应考虑为限制本发明的范围，因为本发明可认知有其它等同效果的实施方式。
图1描绘根据本发明的一些实施方式的基板支撑环的顶视图。
图2描绘沿II-II所截取的图1的基板支撑环的剖面视图。
图3描绘包括根据本发明的一些实施方式的基板支撑环的处理腔室的示意性剖面视图。
图4A与图4B描绘在相同腔室条件下处理的分别在非旋转晶片与旋转晶片上沉积或生长的层的所观察到的厚度。
图5描绘使用根据本发明的实施方式的基板支撑环于不同温度下在基板上沉积或生长的示范性层厚度的图表。
为了帮助理解，已尽可能地使用相同的元件符号以标示各图都有的相同元件。附图并非依比例绘制且为了清楚而可能简化。应考虑一个实施方式的元件及特征可有益地并入其它实施方式中而无须进一步说明。
具体实施方式
本发明的实施方式提供基板支撑环(或边缘环)，用于在腔室中支撑诸如半导体晶片之类的基板以供处理。已观察到根据本发明的实施方式的基板支撑环有益地影响工艺均匀度，特别是基板边缘处的工艺均匀度。所公开的支撑环的实施方式可有益地影响基板上沉积或生长的层。
图1描绘根据本发明的实施方式的基板支撑环(或边缘环100)的顶视图。说明性质的边缘环100包括内环102，所述内环102具有关于中心点C置中的支撑表面104。支撑表面104被配置以沿着基板的背侧边缘支撑给定直径的基板，例如为200、300、450mm的半导体晶片，或类似物。举例而言，支撑表面104具有内径与外径，所述内径界定中央开口，所述外径界定内径与外径之间的支撑表面104的宽度。
支撑表面104仅支撑基板的外侧部分，而维持基板背侧的中央与主要部分暴露。一些实施方式中，支撑表面104被配置为沿着基板直径的约1.10％至约1.56％支撑基板。例如，对300mm的基板而言，支撑表面104在宽度上可为约3.3mm至约4.7mm。
外环108从内环102径向向外设置。外环108包含外边缘110与内边缘112，以及介于所述外边缘110与内边缘112之间的反应表面114。内边缘112形成支撑表面104的径向向外界限(即，支撑表面104的外径)。
如图2所绘示，反应表面114可大致平行支撑表面104且配置在支撑表面104上方达一距离，所述距离为在所述支撑表面104上所处理的基板的厚度，使得所述基板的上表面实质上与反应表面114齐平。例如，一些实施方式中，反应表面114设置在支撑表面104上方达约0.86mm至约0.97mm之间，例如约0.91mm。在一些实施方式中，当基板设置在支撑表面104上以供处理时，基板表面S可实质上与反应表面114同平面。其他实施方式中，基板表面S可偏移至反应表面114上方或下方。例如，一些实施方式中，基板表面S在反应表面114上方约0.5mm处。其他实施方式中，基板表面S可在反应表面114下方约0.5mm处。因此，当基板支撑在支撑表面104上以供处理时，基板表面S可介于反应表面114上方约0.5mm至下方约0.5mm之间。反应表面实质上平行于支撑表面104的支撑平面(即当基板安置于支撑表面104上时的基板的平面)。边缘环100可包含突出部202，所述突出部202从外环108的底表面向下延伸。当设置在处理腔室内时，突出部202可提供腔室内的环的支撑，这将在下文中针对图3进行讨论。
内环102与外环108可包含一或多种工艺相容材料且可一体成形式(integrally)形成或者可分别形成且耦接在一起，而所述工艺相容材料包括诸如陶瓷之类的非限制性范例，所述陶瓷例如为碳化硅(SiC)。一些实施方式中，内环102与外环108的多个部分可包含涂层，例如多晶硅涂层。内环102与外环108可以以轴线204同心，所述轴线204通过中心点C。
图2所绘示的非限制性实施方式中，反应表面114径向延伸超出内边缘112一距离L。所述距离L可为约24mm至约45mm，例如约24mm至约34mm。发明人已经观察到，用径向延伸超过内边缘112实质上大于约24mm的任何距离的反应表面114可获得有益的效果，理由如下文所讨论。发明人也已经观察到，L尺寸大于一定量(例如大于约34mm)的边缘环可提供次优的(suboptimal)处理量，需要更大的腔室容纳所述边缘环，且需要额外的时间与能量加热与冷却。
所公开的边缘环可有利地用在任何配置为执行至少快速热处理工艺的处理腔室中。适合用于执行本发明的方法的处理腔室的范例包括 PLUS、或处理腔室的任一者，或任何其他能够执行热工艺的处理腔室，所述热工艺例如快速热工艺(RTP)，上述腔室皆可购自美国加州SantaClara的应用材料公司。所公开的边缘环也可用于来自其他制造商的类似腔室。一些实施方式中，适合的处理腔室可类似下文中针对图3所描述的处理腔室300。
基板302可包括设置在所述基板上的一或多个层344(诸如介电层)，所述基板302安装在处理腔室300内侧位于基板支撑件304上，且由辐射能量源加热，所述辐射能量源诸如为灯头310，所述灯头310设置在与基板支撑件304相对的位置。灯头310产生辐射，所述辐射被导向基板302的前侧308。或者，所述灯头310可配置为加热基板302的背侧306，举例而言，诸如通过配置在基板302下方，或通过将辐射引导至基板302的背侧306。在3图所描绘的说明性实施方式中，辐射穿过水冷式石英窗组件312进入处理腔室300。在基板302下方的是反射板314，所述反射板314安装在水冷式不锈钢基座上，例如基座316。所述基座316包括循环线路318，冷却剂通过所述循环线路318循环以冷却反射板314。一些实施方式中，反射板314由铝制成且具有高反射性表面涂层320。水可循环通过基座316，以将反射板314的温度维持在远低于受热的基板302的温度。或者，可在相同或不同温度提供其他冷却剂。例如，抗冻剂(例如，乙二醇、丙二醇、或类似物)或其他热传流体可循环通过基座316，及/或所述基座316可耦接致冷器(chiller)(图中未示)。基板302的下侧或背侧与反射板314的顶部形成反射腔322。所述反射腔322提高基板302的有效发射率。
在基板302的局部区域的温度由多个温度探头324所测量，所述温度探头324耦接多个高温计326。多个高温计326连接温度控制器328，所述温度控制器328响应于测量到的温度而控制供应至灯头310的电力。灯可分成多个区。所述区可由控制器分别地调整，以使基板302的不同区域有受控的辐射式加热。
处理期间，第一气体可自气体面板(例如气源329)流动且在入口330(例如第一入口)进入处理腔室300，而至少部分填充处理空间301。例如，一些实施方式中，气源329可以是远程等离子体源，以在提供等离子体至处理腔室前由第一气体形成等离子体。入口330设置在处理腔室300的一侧上，且有助于第一气体流过基板302的表面。灯头310提供足够能量以从第一气体引燃等离子体且在处理腔室300中将等离子体维持在基板302上方的区域，或如果气源为远程等离子体源时所述能量足以维持等离子体。灯头310以足以在至少于基板302上方的处理空间301中维持氧化反应的方式引燃及/或维持等离子体。
基板支撑件304可配置为呈静态，或可被支撑以在处理空间301中旋转以旋转基板302。基板支撑件304包括边缘环100，所述边缘环100在基板的外周边周围接触基板302，从而除了外周边周围的小环状区域之外，维持基板302的整个下侧暴露。
一些实施方式中，边缘环100的突出部202可安置在可旋转管状圆筒334上，所述可旋转管状圆筒334涂布有硅，而使其在高温计326的频率范围内不透明。圆筒334上的涂层作为障碍物，以阻挡来自外部来源的辐射，这些辐射可能会污染强度测量。圆筒334的底部由环状上轴承(bearing)336保持，所述环状上轴承336安置在多个球状轴承338上，所述球状轴承338进而被保持在静态环状下轴承座(bearingrace)340内。一些实施方式中，球状轴承338由钢制成且涂布有氮化硅，以减少操作期间颗粒的形成。上轴承336耦接致动器(图中未示)，所述致动器在处理期间旋转圆筒334、边缘环100、与基板302。
基板支撑件304可耦接升降机构342，所述升降机构342能够相对于灯头310抬升及降下(即提供垂直位移)基板302。举例而言，基板支撑件304可耦接升降机构342，使得基板302与反射板314之间的距离在升降运动期间一致。
发明人已观察到，在某些工艺条件下，例如温度介于约700℃至约900℃之间的快速热处理(RTP)，基板上沉积或生长的层在基板边缘处显现厚度的不均匀。所述条件存在于处理期间不旋转的基板(产生非旋转外形(profile))，也存在于处理期间旋转的基板(产生旋转外形)。图4A与图4B是绘示非旋转基板402上与旋转基板404上沉积或生长的层的观察到的厚度，所述基板是在相同腔室条件下使用习知边缘环支撑基板而处理。
每一图分别以图线403、405表现在晶片上方且对齐晶片的习知边缘环(图中未示)支撑的基板402、404，表现出沿着各自晶片直径上的平均沉积或生长的层的厚度。零(0)点代表基板402、404的中心，且垂直轴可以是生长厚度的测量上的任何适当的尺度或单位，例如埃在这两幅图中，工艺气体由左至右流过基板，如箭头401所绘示。
如图所示，非旋转基板402的生长层厚度的图线403在朝向处理气流首先接触到的基板边缘409处具有单一峰407(或局部最大值)。在峰407所代表的最大层厚度以及接近基板边缘409的最小生长厚度408之间，生长层厚度快速减少，如峰407与最小生长厚度408之间的图线403的斜坡(slope)所指示。
旋转基板404的层厚度的图线405在朝向基板边缘410处具有类似的峰406(或最大值)。在峰406所代表的最大层厚度以及接近基板边缘410的最小生长厚度412之间，旋转基板上的生长层厚度快速减少，如峰406与最小生长厚度412之间的图线405的斜坡所指示。
发明人已经观察到，非旋转外形中的生长层厚度足以代表在相同腔室条件下处理的旋转外形的生长厚度。虽然在非旋转与旋转外形中生长厚度可能并非相同，但旋转晶片上的生长层厚度在晶片边缘处显现不均匀，所述不均匀对应如图4A与图4B中绘示的旋转晶片边缘处的不均匀。
局部最大值与生长层的外边缘之间的生长层厚度的改变有时称为边缘滚落部(edgeroll-off)。局部最大值(例如峰406或407)与最小生长厚度408或412之间的层厚度的差距可视为边缘滚落部的量值(magnitude)。因为边缘滚落部效应在层于非旋转及旋转晶片上生长时是类似的，所以除非内文中另外指示，否则边缘滚落部的讨论适用于旋转及旋转晶片二者上生长的层。
对于一些应用而言，如图4A与图4B中所绘示的边缘滚落部是非所期望的，且在一些应用中可能是不被接受的。发明人已经观察到，外直径在大于基板直径的特定范围内的边缘环100提供实用机制以改善在某些处理条件下基板302上的生长层的均匀度。
图5中的图表500描绘于不同温度生长的示范性层厚度，同时维持其余工艺参数(例如压力与工艺气体流速)基本上相同。图5中所代表的层厚度可代表基板上生长的层。所述图中，曲线502绘示在T1的工艺期间生长的层厚度。类似地，曲线504与506分别各绘示在T2与T3的工艺期间生长的层厚度。其中T1<T2<T3，例如，T1可以是800℃，T2可以是900℃，且T3可以是1000℃。水平轴的原点代表生长层的边缘，且对应于腔室中在基板上方发生的有效燃烧反应的外边缘，例如，边缘环100的外边缘110。有效燃烧反应区域的外边缘内的区域生长可接受的均匀层厚度，而在外边缘外的区域生长不充分的层厚度。原点也可对应晶片的边缘或是边缘环的外边缘。增加的水平尺度代表处理气流的方向上的水平距离(以米计)。垂直轴可以是用于生长厚度测量上的任何适当的尺度或单位，例如埃
发明人已观察到，当距离从生长层边缘起在处理气流的方向上增加，则边缘滚落部的量值减少。例如，在约0.05m(50mm)或更大的距离处，曲线502、504、与506显现极微小的滚落部(若存在)。如所绘示，在约50mm处，曲线504与506处于各自曲线的大体向上倾斜的线性部分。在50mm，曲线504在大约最大值处(对应图4A与图4B的406或407)。发明人已经观察到，当在自生长层的边缘约10mm至约50mm(例如约10mm至30mm)的距离处测量生长层厚度时，对于一些工艺来说滚落部的量值在可接受范围内。
发明人发现，处理基板使得晶片周围边缘定位于相对于腔室中发生的有效燃烧反应的外边缘约10mm至约50mm或约10mm至约30mm处是有利的。举例而言，此处理可有利地产生强化的层生长，这是由于发生于基板上的边缘滚落部减少所致。若基板经处理而使得所述基板的周围边缘定位于离有效燃烧反应的边缘超过0.05m，则所述基板会显现类似的期望特性，但基于下文所讨论的理由，这样的处理条件可能是次优的。
发明人在有利地操控有效燃烧反应区域的外边缘位置方面已有所成功，所述有效燃烧反应区域的外边缘位置被操控在超出基板边缘约10mm至约50mm或约10mm至约30mm，这是通过使边缘环100具备比基板302的直径大的外直径而达成，且所述外直径大于基板302的直径约24mm至约45mm之间，例如约24mm至约34mm之间。
如前文参考图1与图2所讨论，边缘环100包含外环108，所述外环108具有外边缘110与内边缘112，所述内边缘形成支撑表面104的外侧界限。在内边缘112与外边缘110之间的是反应表面114。反应表面114是与支撑表面104同心的圆形环，且径向延伸超出支撑表面104及支撑在所述支撑表面上的基板302达约24mm至约45mm之间或约24mm至约34mm之间。边缘环100的反应表面114有助于强化边缘环表现。
发明人已观察到，反应表面114延伸超出支撑表面104超过约45mm的边缘环100增加生产与操作成本。例如，较大的反应表面需要额外材料来制造，需要更大的处理腔室，且提供更大的区域以支撑燃烧反应，消耗额外工艺气体与能量。虽然较大的反应表面可产生减少的边缘滚落部，但达成减少所需的成本超过了效益。
发明人也已经观察到，反应表面延伸超出支撑表面少于约24mm的边缘环100无法适当操控有效燃烧反应区域的外边缘以将边缘滚落部减量至足以产生期望结果。
尽管以上针对本发明的实施方式，但可在并未背离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其它及进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种基板支撑装置，包括：
内环，所述内环包括置中(centrallylocated)的支撑表面，以支撑基板；以及
外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域位于所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的所述支撑平面，所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约45mm。
2.如权利要求1所述的基板支撑装置，其中所述内环与所述外环一体成形式(integrally)形成。
3.如权利要求1所述的基板支撑装置，其中所述内环与所述外环分别形成。
4.如权利要求3所述的基板支撑装置，其中所述内环与所述外环耦接在一起。
5.如权利要求1至4的任一项所述的基板支撑装置，其中所述内环与所述外环的至少一者是由陶瓷材料形成。
6.如权利要求5所述的基板支撑装置，其中所述陶瓷材料包含碳化硅。
7.如权利要求1至4的任一项所述的基板支撑装置，其中所述反应表面在所述支撑表面上方约0.86mm至约0.97mm。
8.如权利要求1至4的任一项所述的基板支撑装置，其中所述支撑表面配置成支撑具有约300mm的直径的基板。
9.一种基板支撑装置，包含：
内环，所述内环包含置中的支撑表面以支撑基板；以及
外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域位于所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的所述支撑平面，其中所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约34mm，且其中所述反应表面在所述支撑表面上方约0.86至约0.97mm处。
10.一种基板处理装置，包括：
腔室主体，所述腔室主体包围处理空间；以及
基板支撑装置，所述基板支撑装置设置且支撑在所述处理空间内，所述基板处理装置包括：
内环，所述内环包含置中的支撑表面，所述支撑表面适于支撑基板；以及
外环，所述外环从所述支撑表面径向向外延伸，其中所述外环包含反应表面区域，所述反应表面区域位于所述支撑表面的支撑平面上方且大致平行所述支撑表面的所述支撑平面，所述反应表面延伸超出所述支撑表面约24mm至约45mm。
11.如权利要求10所述的基板处理装置，进一步包括：
气源，所述气源供应工艺气体至所述处理空间；以及
辐射能量源，所述辐射能量源设置在所述基板支撑装置上方，其中所述辐射能量源具足够能量以供给所述工艺气体能量，以在所述基板支撑件上方形成且维持等离子体。
12.如权利要求10所述的基板处理装置，其中所述基板支撑装置受支撑以进行在所述处理空间内垂直位移和在所述处理空间内旋转中的至少一者。
13.如权利要求10至12的任一项所述的基板处理装置，其中所述内环与所述外环一体成形式形成。
14.如权利要求10至12的任一项所述的基板处理装置，其中所述内环与所述外环的至少一者是由陶瓷材料形成。
15.如权利要求10至12的任一项所述的基板处理装置，其中所述支撑表面配置成支撑具有约300mm的直径的基板，并且其中所述反应表面在所述支撑表面上方约0.86mm至约0.97mm。
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