CN108878244A - 用于避免异常放电和等离子体聚集的绝缘体结构 - Google Patents

用于避免异常放电和等离子体聚集的绝缘体结构 Download PDF

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Abstract

一种绝缘体，用于包括上电极、下电极和反应腔室的加工设备，该绝缘体适于被布置在上电极周围，该绝缘体包括：适于面向反应腔室的底端部；和面向上电极的侧壁的侧壁，其中，绝缘体的底端部的边缘部分径向向内延伸，以形成突出部分，使得突出部分覆盖上电极的底表面的边缘以及介于上电极的侧壁和绝缘体的侧壁之间的间隙。

Description

用于避免异常放电和等离子体聚集的绝缘体结构
技术领域
本发明大体上涉及一种在半导体或液晶板制造工艺中使用的设备，具体地涉及一种等离子体沉积或刻蚀设备。
背景技术
作为半导体或液晶板制造工艺的一部分，通常使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和等离子体增强原子层沉积(PEALD)工艺在诸如半导体衬底的工件的图案化表面上沉积一个或多个薄膜。典型地通过将前驱体气体或气体混合物引入包含工件的腔室中来完成这些工艺。通常经由位于腔室顶部的喷淋板向下引导前驱体气体或气体混合物。
发明内容
图1示出了示例性PECVD设备1的总视图，该总视图示出了绝缘体结构。在图1中，上电极12和屏蔽板13通过一个或多个螺钉25相互固定，在上电极12和屏蔽板13之间设置O形环14。上电极12由绝缘体34以一定的间隙外围地(例如周向地)围绕。腔室壁11、上电极12的底端部和绝缘体34的底端部部分地限定了真空(反应)腔室10。通常，如图1所示，绝缘体34的底表面的边缘的位置被设置成在垂直于上电极12的底表面或下电极5的顶表面的方向上比上电极12的底表面的边缘的位置高3毫米或更多。
在沉积过程中，倾向于在上电极12的底端部的边缘、绝缘体34的底端部的边缘以及上电极12的侧壁和绝缘体34的侧壁之间的间隙附近发生异常放电和等离子体聚集。已经发现，那些边缘或间隙附近的这种异常放电和等离子体聚集实际上对将在衬底表面上沉积的薄膜的质量具有负面影响。图2示出了示例性PECVD设备的一部分的示意性放大图，其中，示出了在沉积过程中的异常放电和等离子体聚集60的区域以及正常放电(常规放电)70的区域以及鞘层(例如离子鞘层)80的区域。
已经发现，这种现象的发生至少在很大程度上是由于沿着从上电极12的底表面的边缘到绝缘体34的底表面的边缘的垂直方向上的位置的骤变(即3毫米或更多)引起，或由上电极12的侧壁和绝缘体34的侧壁之间的间隙引起，该间隙通常是必需的，以在沉积过程中补偿上电极12和/或绝缘体34的侧壁在较高温度下的膨胀。
本文描述的实施例的一个目的是提供一种绝缘体结构34(以及上电极12的边缘的形状)，其能够有效地减少或最小化在这些边缘和/或间隙周围的这种异常放电和等离子体聚集的发生，并由此减少对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
一方面，提供了一种绝缘体，用于包括上电极、下电极和反应腔室的加工设备，该绝缘体适于被布置在上电极周围，该绝缘体包括：适于面向反应腔室的底端部；和面向上电极的侧壁的侧壁，其中，绝缘体的底端部的边缘部分径向向内延伸，以形成突出部分，使得该突出部分覆盖上电极的底表面的边缘以及介于上电极的侧壁与绝缘体的侧壁之间的间隙。
在一些实施例中，提供了一种加工设备，包括：上电极；下电极；工件支承件；反应腔室；和布置在上电极周围的绝缘体，该绝缘体包括：适于面向反应腔室的底端部；和面向上电极的侧壁的侧壁，其中，绝缘体的底端部的边缘部分径向向内延伸，以形成突出部分，使得该突出部分覆盖上电极的底表面的边缘以及介于上电极的侧壁与绝缘体的侧壁之间的间隙。
为了概述本发明的多个方面以及在相关技术上实现的一个或多个优点，本公开描述了一些目的和优点。当然，应当理解，根据任何具体实施例，不一定可以实现所有或任何这种目的或优点。因此，例如，该领域的技术人员将意识到，本发明可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现如本文可能教导或建议的一个或多个其它目的或优点。本发明的其它方面、特征和优点将从下面的详细描述中变得显而易见。
当参考附图考虑下面的描述和随附权利要求时，本文所公开的系统和/或方法的这些和其它目的、特征和特性，与相关结构元件的操作方法和功能以及部件和制造经济的结合将变得更加显而易见，所有这些附图形成本说明书的一部分，其中，各附图中相似的附图标记表示相应的部分。然而，应当明确地理解，附图仅用于说明和描述的目的，不意在作为本发明的限制的定义。如说明书和权利要求中所使用的那样，除非上下文以其它方式明确指出，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代物。
附图说明
现在将参考优选实施例的附图描述本发明的这些和其它特征，该附图意在说明而不是限制本发明。出于说明的目的，附图过于简化，而不一定按比例绘制。
图1是示例性PECVD设备的示意图，示出了基本的绝缘体结构。
图2是示例性PECVD设备的示意性放大图，示出了异常放电和等离子体聚集的发生。
图3是PECVD设备的示意图，示出了根据一个实施例的绝缘体结构。
图4是PECVD设备的示意图，示出了根据一个实施例的绝缘体结构。
图5是PECVD设备的示意图，示出了根据一个实施例的绝缘体结构。
图6是PECVD设备的示意图，示出了根据一个实施例的绝缘体结构。
图7是PECVD设备的示意图，示出了根据一个实施例的绝缘体结构。
图8是根据一个实施例的PECVD设备的绝缘体和一部分上电极的示意性放大图。
图9是示出根据传统的PECVD设备的绝缘体结构，异常放电和等离子体聚集的发生随着HRF和LRF功率中的每一个变化的曲线图。
图10是表示根据一个实施例的绝缘体结构，异常放电和等离子体聚集的发生随着HRF和LRF功率中的每一个变化的曲线图。
图11是表示根据一个实施例的绝缘体结构，异常放电和等离子体聚集的发生随着HRF和LRF功率中的每一个变化的曲线图。
具体实施方式
本发明包括但不限于以下实施例。
本发明的实施例大体上应用于执行半导体或液晶板制造工艺的设备的绝缘体结构。PECVD工艺作为这种制造工艺的一个示例而被解释，以更好地理解如何使用该设备来沉积薄膜以及绝缘结构如何减少、最小化或避免对将沉积在衬底上的薄膜的质量产生负面影响的异常放电和等离子体聚集的发生。勿庸置疑地，绝缘体结构可以可选择地或附加地被用于执行PEALD工艺、刻蚀工艺等的设备。因此，本发明的实施例不旨在将用途限于执行PECVD、PEALD等工艺的设备。下面，详细说明等离子体沉积设备的结构。
作为等离子体沉积装置的一个示例，图3示出了根据一个实施例的PECVD设备100的示意图。如图3所示，PECVD设备100包括真空(反应)腔室10，该真空腔室10至少部分地由腔室壁11、设置在真空腔室10顶部的上电极(第一电极)12和设置在上电极12周围的绝缘体34限定，该绝缘体34使上电极12与真空腔室10绝缘。在真空腔室10中设置有基本上平行于上电极12的下电极(第二电极)5。RF电源7和8连接到接附于上电极12的气管。真空腔室10在其侧部具有带排气阀(未示出)的开口，并且包括连接到排气泵(未示出)的排气管(未示出)。另外，真空腔室10接地，并且通过绝缘体34与上电极12绝缘。真空腔室10还在内侧壁上具有带有闸门阀(未示出)的开口，以用于工件(例如衬底)转移。
在上电极12的底表面上形成喷淋板结构。在喷淋板中，如图3所示，形成多个气体排出孔21(喷淋板结构的区域(例如圆形区域)20中的通孔或气孔)，使得从气体入口引入的源气体的射流从该孔朝向下电极5发射。下电极5具有基座50和加热器51，该加热器51在下电极5的下端部接附到基座50。基座50布置成基本上与上电极12平行，并且保持放置于其上表面上的工件(例如衬底)16。
在图3中，上电极12和屏蔽板13通过一个或多个螺钉25相互固定，在上电极12和屏蔽板13之间设置O形环14。在一个实施例中，上电极12被绝缘体34以例如介于上电极12和绝缘体34的相邻侧壁之间的一定的间隙外围地(例如周向地)围绕。腔壁11、上电极12的底端部和绝缘体34的底端部至少部分地限定真空(反应)腔室10。
在沉积过程中，倾向于在上电极12的底端部的边缘附近和介于上电极的侧壁和绝缘体34的侧壁之间的间隙处(以及在绝缘体34的底端部的边缘处)发生异常放电和等离子体聚集。该异常放电和等离子体聚集对将在衬底表面上沉积的薄膜的质量具有负面影响。然而，已经发现，通过形成由上电极12的底表面和绝缘体34的底表面构成的更平滑的表面，可以有效地减少或最小化这些边缘周围的这种异常放电和等离子体聚集的发生，由此减少对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
在一个实施例中，如图3所示，已经发现，如果绝缘体34的底表面的边缘的位置变成在垂直方向(例如，在垂直于上电极12的底表面或垂直于下电极5的顶表面的方向)上比上电极12的底表面的边缘的位置高少于3毫米(例如，约2毫米)，可基本上消除由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
在一个实施例中，如图4所示，已经发现，如果绝缘体34的底表面的边缘的位置变成在垂直方向(例如，沿着垂直于上电极12的底表面或下电极5的顶表面的方向)上比上电极12的底表面的边缘的位置低少于3毫米(例如，2毫米)，可基本上消除由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
在图5中，该设备的基本结构与图3相同，除了上电极12的底表面的边缘是倒圆的或倒角的(倒圆的或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径)之外。半径的范围可以基于形成在上电极12和下电极5之间的鞘层(例如，离子鞘层80)的区域的厚度来确定。使该半径等于或大于鞘层区域的厚度(例如0.05毫米)。在一个实施例中，如图5所示，如果上电极12的底表面的边缘是倒圆的或倒角的，且倒圆或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径，并且绝缘体34的底表面的边缘的位置在垂直方向(例如，在垂直于上电极12的底表面或下电极5的顶表面的方向)上比上电极12的底表面的边缘的位置高少于3毫米(例如，约2毫米)，已经发现，它能够更充分地消除由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
在图6中，该设备的基本结构与图4相同，除了上电极的底表面的边缘是倒圆的或倒角的(倒圆或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径)之外。半径的范围可以基于形成在上电极12和下电极5之间的鞘层(例如，离子鞘层80)的区域的厚度来确定。使该半径等于或大于鞘层区域的厚度(例如0.05毫米)。在一个实施例中，如图6所示，如果上电极12的底表面的边缘是倒圆的或倒角的，且倒圆或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径，并且绝缘体34的底表面的边缘的位置在垂直方向(例如，在垂直于上电极12的底表面或下电极5的顶表面的方向)上比上电极12的底表面的边缘的位置低少于3毫米(例如，约2毫米)，已经发现，它能够更充分地消除由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
在图7中，该设备的基本结构基本上与图6相同，包括上电极的底表面的边缘是倒圆的或倒角的(倒圆或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径)，除了绝缘体结构之外。如图4那样，在该实施例中，可以不将上电极12的底表面的边缘那样倒圆或倒角，如图7所示。
在一个实施例中，如图7所示，不同于如图6所示的绝缘体34，与如图6所示的绝缘体34的底表面的边缘部分相比，绝缘体34的底表面的边缘部分径向向内延伸从约5mm至约25mm范围内选择的距离(L)，以形成突出部分341。图8示出了绝缘体34和一部分上电极12的示意性放大图。如图8所示，形成其边缘具有从约0.5至约2.0毫米的范围内选择的厚度(F)的突出部分341，使得突出部分341能够覆盖上电极12的底表面的边缘，并且在上电极12的侧壁和绝缘体34的侧壁之间具有间隙。在图8中，将上电极12的底表面和突出部分341的顶端部表面之间的距离(D)设置成从约0.1至约1.0毫米的范围内选择的距离。
在该实施例中，如图7所示，其中，上电极12的底表面的边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有从约0.05至约10毫米的范围内选择的半径，并且绝缘体34的底表面的边缘的位置变成在垂直于上电极12的底表面或下电极5的顶表面的方向上比上电极12的底表面的边缘位置低从约0.6至约3.0毫米的范围内选择的距离，已经发现，它能够几乎完全消除由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
将参考具体示例来详细说明本发明的实施例，该具体示例不旨在限制本发明。可以在至少±50％的范围内修改在具体示例中使用的数值，其中，可以包括或排除该范围的端点。
示例
现在将参考下列示例来说明本发明的一个实施例，该示例不旨在限制本发明的范围。
示例1
如图1、3和4所示的绝缘体结构。
图1、3和4示出了用于该示例的绝缘体结构的一个实施例的示意图。在图1中，绝缘体34的底表面的边缘的位置在垂直方向上比上电极12的底表面的边缘的位置高3毫米。
在该示例中，在具有凹部或凹槽的衬底上沉积SiOC薄膜，使用电容耦合等离子体(CCP)装置作为CVD设备。薄膜沉积条件如下：
薄膜沉积压力：480Pa
前驱体：含Si前驱体
沉淀时间：60秒
He的流量：300sccm
O2流量：40sccm
HRF功率(27MHz)：1000-1800W
LRF功率(300kHz)：0-100W
图9示出一个曲线图，该曲线图示出对于HRF(高频RF功率)和LRF功率(低频RF功率)中的每一个，异常放电和等离子体聚集的发生为零或在可接受的范围内。HRF功率范围从0[W]到2000[W]，LRF功率范围从0[W]到110[W]。其中示出的区域120表示异常放电和等离子体聚集的发生为零或足够低以至于对薄膜质量没有负面影响，其中示出的区域130表示其发生在可接受范围之外(例如，薄膜质量变得不稳定)，其中示出的区域140表示其发生显然在不可接受的范围内(例如，薄膜质量变得不可接受)。当绝缘体结构如图1所示时，存在发生异常放电和等离子体聚集的区域，即区域140。
另一方面，如果绝缘体结构如图3或图4所示，即，如果绝缘体34的底表面的边缘的位置在垂直方向上比上电极12的底表面的边缘的位置高或低2毫米，则区域120扩大，区域130缩小，区域140消失。尽管未以曲线图的形式示出，在上述两种情况(即图3或图4的实施例)中的任一种情况下，都证明它基本上消除了由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
示例2
如图5和6所示的绝缘体结构。
图5和图6示出了用于该示例的绝缘体结构的一个实施例的示意图。在该示例中，将绝缘体34的底表面的边缘的位置设置成在垂直方向上比上电极12的底表面的边缘的位置高或低2毫米，且上电极12的底表面的边缘在两种情况下都是倒圆的或倒角的，在例子中倒圆或倒角具有5毫米的半径。
在该示例中，在具有凹部或凹槽的衬底上沉积氮化硅薄膜，使用电容耦合等离子体(CCP)装置作为ALD设备。薄膜沉积条件如下：
膜沉积压力：480Pa
前驱体：含Si前驱体
沉积时间：60秒
He的流量：300sccm
O2流量：40sccm
HRF功率(27MHz)：1000-1800W
LRF功率(300kHz)：0-100W
图10示出一个曲线图，该曲线图示出对于HRF和LRF功率中的每一个，异常放电和等离子体聚集的发生为零或在可接受的范围内。HRF功率范围从0[W]到2000[W]，LRF功率范围从0[W]到110[W]。同样，其中示出的区域120表示异常放电和等离子体聚集的发生为零或足够低以至于对薄膜质量没有负面影响，区域130表示其发生在可接受范围之外(例如，薄膜质量变得不稳定)。尽管未在图10中示出，区域140表示其发生显然在不可接受的范围内(例如，薄膜质量由此变得不可接受)。
在该示例中，与图3或图4中的绝缘体结构相比，区域120扩大得更多，区域130缩小得更多，区域140完全消失。因此，证明它更充分地消除了由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
示例3
如图7所示的绝缘体结构。
图7示出了用于该示例的绝缘体结构的一个实施例的示意图。在该示例中，上电极12的底表面的边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有5毫米的半径，突出部分341的底表面的边缘的位置在垂直方向上比上电极12的底表面的边缘的位置低1.2毫米，绝缘体34的底侧的边缘部分从绝缘体34的底表面的边缘径向向内延伸5.5毫米(如图8所示)，以形成突出部分341。
突出部分341具有约1毫米的厚度(F)，其被形成为使得突出部分341覆盖上电极12的底表面的边缘，并且在上电极12的侧壁和突出部分341的侧壁之间具有间隙。将上电极12的底表面和突出部分341的顶端部表面之间的距离(D)设置为约0.2毫米。
在该示例中，在具有凹部或凹槽的衬底上沉积氮化硅薄膜，使用电容耦合等离子体(CCP)装置作为ALD设备。薄膜沉积条件如下：
膜沉积压力：480Pa
前驱体：含Si前驱体
沉积时间：60秒
He的流量：300sccm
O2流量：40sccm
HRF功率(27MHz)：1000-1800W
LRF功率(300kHz)：0-100W
图11示出一个曲线图，该曲线图示出对于HRF和LRF功率中的每一个，异常放电和等离子体聚集的发生为零或在可接受的范围内。HRF功率范围从0[W]到2000[W]，LRF功率范围从0[W]到110[W]。其中示出的区域120表示异常放电和等离子体聚集的发生为零或足够低以至于对薄膜质量没有负面影响。
如图11所示，对于全部HRF和LRH范围，异常放电和等离子体聚集的发生几乎为零，因此仅形成区域120，没有区域130和区域140。因此，证明它几乎完全消除了由那些边缘周围的异常放电和等离子体聚集导致的对将沉积的薄膜的质量的负面影响。
关于本文使用的任何复数和/或单数术语，该领域技术人员可以根据上下文适当地将复数转化为单数和/或将单数转化为复数。
本公开已经包括的对背景技术的任何讨论仅仅是为了为本发明提供语境，其不应当视为承认任何或全部讨论构成现有技术的一部分，或在本发明形成时在本领域中是已知的。
尽管已经基于目前被认为是最实际和优选的实施方式，出于示意性的目的，详细描述了本公开的系统和/或方法，但是应当理解，这种细节仅仅是出于该目的，并且本公开不限于所公开的实施方式，而是相反地旨在覆盖在随附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应当理解，本公开设想，在可能的范围内，任何实施方式的一个或多个特征可以与任何其它实施方式的一个或多个特征组合。

Claims (20)

1.一种绝缘体，适于被安装在等离子体沉积或等离子体刻蚀设备中，所述设备包括上电极、下电极和反应腔室，所述绝缘体适于被布置在所述上电极周围，并且所述绝缘体包括：
底端部，适于面向所述反应腔室；和
侧壁，面向所述上电极的侧壁，
其中，所述绝缘体的所述底端部的边缘部分径向向内延伸以形成突出部分，使得所述突出部分覆盖所述上电极的底表面的边缘以及介于所述上电极的所述侧壁与所述绝缘体的所述侧壁之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的绝缘体，其中，所述突出部分具有选自约0.5毫米至约2.0毫米的范围内的厚度。
3.根据权利要求1所述的绝缘体，其中，当安装所述绝缘体时，所述上电极的所述底表面与所述突出部分的顶端部表面之间的距离选自约0.1毫米至约1.0毫米的范围。
4.根据权利要求1所述的绝缘体，其中，当安装所述绝缘体时，所述突出部分的底表面的位置在垂直于所述上电极的所述底表面的方向上比所述上电极的所述底表面的位置低约0.6毫米至约2.9毫米。
5.根据权利要求1所述的绝缘体，其中，当安装所述绝缘体时，所述突出部分的底表面的位置在垂直于所述上电极的所述底表面的方向上比所述上电极的所述底表面的位置低约1.2毫米。
6.根据权利要求1所述的绝缘体，其中，所述突出部分径向向内突出约5毫米-约25毫米，使得所述突出部分覆盖所述上电极的所述底表面的所述边缘。
7.一种衬底加工设备，包括根据权利要求1所述的绝缘体。
8.根据权利要求7所述的衬底加工设备，其中，所述上电极的所述底表面的所述边缘是倒圆的或倒角的。
9.根据权利要求7所述的衬底加工设备，其中，所述上电极的所述底表面的所述边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有等于或大于所述反应腔室中产生的鞘层区域的厚度的半径。
10.根据权利要求7所述的衬底加工设备，其中，所述上电极的所述底表面的所述边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有选自从约0.05毫米至约10毫米的范围内的半径。
11.根据权利要求7所述的衬底加工设备，其中，所述上电极的所述底表面的所述边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有约5毫米的半径。
12.一种加工设备，包括：
上电极；
下电极；
工件支承件；
反应腔室；和
被布置在所述上电极周围的绝缘体，所述绝缘体包括：
底端部，适于面向所述反应腔室；和
侧壁，面向所述上电极的侧壁，
其中，所述绝缘体的所述底端部的边缘部分径向向内延伸以形成突出部分，使得所述突出部分覆盖所述上电极的底表面的边缘以及介于所述上电极的所述侧壁与所述绝缘体的所述侧壁之间的间隙。
13.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述突出部分的底表面的位置在垂直于所述上电极的所述底表面的方向上比所述上电极的所述底表面的位置低约0.6毫米至约2.9毫米。
14.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述突出部分的底表面的位置在垂直于所述上电极的所述底表面的方向上比所述上电极的所述底表面的位置低约1.2毫米。
15.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述加工设备被构造成用于在工件上沉积或刻蚀材料。
16.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述突出部分具有选自约0.5毫米至约2.0毫米的范围内的厚度。
17.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述上电极的所述底表面和所述突出部分的顶端部表面之间的距离选自约0.1毫米至约1.0毫米的范围。
18.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述突出部分的底表面的位置在垂直于所述上电极的所述底表面的方向上比所述上电极的所述底表面的位置低约0.6毫米至约2.9毫米。
19.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述突出部分径向向内突出约5毫米-约25毫米，使得所述突出部分覆盖所述上电极的所述底表面的所述边缘。
20.根据权利要求12所述的加工设备，其中，所述上电极的所述底表面的所述边缘是倒圆的或倒角的，倒圆或倒角具有选自从约0.05毫米至约10毫米的范围内的半径。
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