CN109952636B - 等离子体点燃抑制 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于抑制等离子体处理室中的静电卡盘的氦分配通道中的电弧放电的方法，其中所述静电卡盘连接到用于提供夹持电压的电压源，并且其中所述等离子体处理室包括处理气体源，以及用于将处理气体转化为等离子体的等离子体电源。使气体流过静电卡盘的所述氦分配通道到达晶片的背面。所述气体包含氦气和电负性气体。

Description

等离子体点燃抑制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月11日提交的美国申请No.15/349,918的优先权，其通过引用并入本文以用于所有目的。
技术领域
本公开涉及用于在半导体晶片上形成半导体器件的方法和装置。更具体地，本公开涉及在半导体器件的形成期间在衬底支撑件中的点燃抑制。
背景技术
半导体处理系统用于处理诸如半导体晶片之类的衬底。可以在这样的系统上执行的示例性处理包括但不限于导体蚀刻、电介质蚀刻、原子层沉积、化学气相沉积和/或其他蚀刻、沉积或清洁处理。衬底可以布置在半导体处理系统的处理室中的衬底支撑件上，例如基座、静电卡盘(ESC)上。衬底支撑件可包括具有嵌入式加热器的陶瓷层、高压电极以及结合到陶瓷层的基板。衬底支撑件还可包括氦分配通道，其用于将氦供应到晶片的背面以控制衬底和衬底支撑件之间的热导率。半导体处理系统可以实现需要高RF功率的等离子体处理(例如，等离子体蚀刻处理)，所述高RF功率将导致在衬底支撑件处出现高电压。施加在衬底支撑件上的电压的增加可能导致不希望有的效果，例如在氦分配通道和/或衬底支撑件的其他腔中产生电弧或气体点燃。点燃可能损坏半导体器件和处理室、在晶片上产生颗粒缺陷、损坏晶片上的半导体器件等，从而增加成本和设备停机时间并降低产品产量。
发明内容
为了实现上述目的并根据本发明的目的，提供了一种用于抑制等离子体处理室中的静电卡盘的氦分配通道中的电弧放电的方法，其中所述静电卡盘连接到用于提供夹持电压的电压源，并且其中所述等离子体处理室包括处理气体源，以及用于将处理气体转化为等离子体的等离子体电源。使气体流过静电卡盘的所述氦分配通道到达晶片的背面。所述气体包含氦气和电负性气体。
在另一种表现形式中，提供了一种用于等离子体处理晶片的装置。提供静电卡盘以用于支撑晶片，其中静电卡盘具有用于向晶片的背面提供冷却气体的氦分配通道。氦气和电负性气体源与所述氦分配通道流体连接。
本发明的这些特征和其它特征将在下面在本发明的详细描述中并结合以下附图进行更详细的描述。
附图说明
在附图中以示例而非限制的方式示出了本公开，并且附图中类似的附图标记表示相似的元件，其中：
图1是一种实施方案的高级流程图。
图2是可以在一种实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。
图3是可以用于实施一种实施方案的计算机系统的示意图。
图4是另一实施方案中的ESC气体源的放大示意图。
具体实施方式
现在将参考附图中所示的几个优选实施方案来详细描述本发明。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，未详细描述公知的工艺步骤和/或结构，以免不必要地使本发明不清楚。
图1是一实施方案的高级流程图。在该实施方案中，将衬底放置在处理室中在静电卡盘上(步骤104)。使点燃抑制气体流过静电卡盘以冷却衬底的背面(步骤108)。施加夹持电压(112)。处理衬底(步骤116)。
实施例
在本发明的优选实施方案中，将衬底放置在处理室中在静电卡盘上(步骤104)。图2是可以在一个实施方案中使用的等离子体处理室的示意图。在一个或多个实施方案中，等离子体处理系统200包括在处理室249内的设置气体入口的气体分配板206和静电卡盘(ESC)208，处理室249由室壁250包围。在处理室249内，衬底212位于ESC 208的顶部。ESC208可以提供来自ESC源248的夹持电压。处理气体源210通过分配板206连接到处理室249。ESC气体源251提供ESC气体通过入口213到达氦分配通道214。氦分配通道与冷却剂端口216流体连接，以向衬底212的背面提供冷却剂，以控制衬底212和ESC 208之间的热导率。RF源230向下电极234提供RF功率。在该实施方案中，上电极是气体分配板206。在一优选实施方案中，400kHz、2MHz、60MHz和27MHz电源构成RF源230。在该实施方案中，针对每个频率提供一个发生器。在其他实施方案中，发生器可以在单独的RF源中，或者单独的RF发生器可以连接到不同的电极。例如，上电极可以具有连接到不同RF源的内电极和外电极。在其他实施方案中可以使用RF源和电极的其它布置，例如在另一个实施方案中，上电极可以接地。控制器235可控地连接到RF源230、ESC源248、排放泵220、ESC气体源251和处理气体源210。这种等离子体处理室的一个示例是由Lam Research Corporation(Fremont，CA)制造的ExelanFlexTM蚀刻系统。处理室可以是CCP(电容耦合等离子体)反应器或ICP(感应耦合等离子体)反应器。
图3是示出适用于实现在本发明的实施方案中使用的控制器235的计算机系统300的高级框图。计算机系统可以具有从集成电路、印刷电路板和小型手持设备到超大型计算机的许多物理形式。计算机系统300包括一个或多个处理器302，并且还可以包括电子显示设备304(用于显示图形、文本和其他数据)、主存储器306(例如随机存取存储器(RAM))，存储设备308(例如，硬盘驱动器)、可移动存储设备310(例如，光盘驱动器)、用户界面设备312(例如，键盘、触摸屏、小键盘、鼠标或其他指点设备等)和通信接口314(例如，无线网络接口)。通信接口314允许通过链路在计算机系统300和外部设备之间传送软件和数据。系统还可以包括与上述设备/模块连接的通信基础设施316(例如，通信总线、交叉连接杆或网络)。
经由通信接口314传送的信息可以是例如电子、电磁、光学之类的信号形式或能够经由通信链路由通信接口314接收的其它信号，通信链路携带信号并可以使用导线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频链路和/或其他通信信道实现。利用这样的通信接口，可以预期一个或多个处理器302可以在执行上述方法步骤的过程中从网络接收信息，或者可以向网络输出信息。此外，本发明的方法实施方案可以仅在处理器上执行，或者可以通过诸如因特网之类的网络与共享处理的一部分的远程处理器一起执行。
术语“非瞬态计算机可读介质”通常用于指代介质，诸如主存储器、辅助存储器、可移动存储设备、和存储设备，诸如硬盘、闪存存储器、磁盘驱动存储器、CD-ROM以及其他形式的持久性存储器，并且不应当被解释为涵盖瞬态标的物，如载波或信号。计算机代码的示例包括机器代码(诸如由编译器产生的机器代码)和含有由计算机使用解释器执行的较高级代码的文档。计算机可读介质也可以是由包含在载波中的计算机数据信号发送的并且代表能由处理器执行的指令序列的计算机代码。
在该示例中，基本上由氦和氧组成的点燃抑制气体从ESC气体源251流到ESC 214中的氦分配通道(步骤108)。在该示例中，点燃抑制气体为1％至30％的氧气，其余气体为氦气。在一示例中，点燃抑制气体以10至80托的压强流过氦分配通道214。
施加夹持电压(步骤112)。在该示例中，提供了-2000到-2900伏的夹持电压。
处理衬底(步骤116)。在该示例中，该处理是电介质蚀刻处理。在该示例中，包含18sccm C4F8、19sccm O2和400sccm Ar的处理气体从处理气体源210流入处理室249，同时保持70mTorr至90mTorr的室压。提供RF功率以使处理气体形成为等离子体。在该示例中，以2MHz提供3000瓦特，以27MHz提供1500瓦特，以60MHz提供500瓦特。当等离子体自偏置电压增加时，使用高夹持电压。在该示例中，点燃抑制气体防止点燃。在处理的晶片的背面没有观察到电弧迹线。
为了测试氧气添加的有效性，使用纯He代替点燃抑制气体进行相同的处理。在这样的测试中，发生了点燃。这表明向氦分配气体中添加氧气对于抑制或消除点燃产生差异。
由于被添加有氦气时的氧气被认为是有害的，所以将氧气添加到氦气中并不是明显的，因为氧气减少了ESC与晶片之间的热接触，并且会泄漏到处理室中，这可能改变该处理。在各种实验中，发现与使用纯氦相比，添加氧气不会导致夹持和温度分布的任何损失。需要夹持以将衬底保持在静电卡盘上。由于热扩散率与分子量的平方根的倒数成比例，因此基本上由氧和氦组成的气体比单独的氦具有更小的热扩散率。各种实验已经发现，添加氧气不会影响热扩散性到足以影响晶片温度。另外，一些氧气可能会泄漏到处理室中。已发现少量的氧气泄漏对该处理没有显著的不利影响。
在现有技术中，使用极端电压值处理衬底在氦分配通道中引起电弧放电。这种电弧会损坏衬底和处理室。这除了修复损坏的处理室而损失时间之外，还导致设备缺陷。已经使用各种装置和方法来减少电弧放电。然而，这样的装置和方法不是完全有效的或可能干扰该处理。此外，这样的装置复杂且昂贵。
不受理论束缚，相信由于氧是电负性气体，所以添加的氧通过捕获自由电子来抑制放电，从而防止放电。气体中的自由电子是点燃等离子体所必需的；如果去除这些电子，则不会发生电弧放电。电负性气体(例如氧气、氟气、氯气等)被认为捕获自由电子，使它们附着在原子上。以前的自由电子一旦被束缚，就不能参与电弧放电事件。因此，将电负性气体引入主冷却气体流中使自由电子的数量减少到维持等离子体放电所需的阈值水平以下。在其他实施方案中，可以使用其他电负性气体，例如氟、氯和SiH4。然而，氧气是优选的，因为氧气危害较小且化学反应性较低。在说明书和权利要求书中，电负性的气体具有至少3.00的Pauline等级的电负性。
多种实施方案减少或消除由于点燃(氦分配通道中的电弧放电)引起的损坏，这减少了对晶片和器件缺陷的损坏。它还提高了生产率并提供更大的安全操作参数空间。提供更大的安全操作参数使得可由处理室执行的处理的范围更宽。处理室的寿命也延长了。
在一实施方案中，ESC气体源可以是氧气和氦气的单一来源，例如具有氦气和氧气的混合物的容器，其中按氧的摩尔数除以总摩尔数的比率计量，氧气是总气体的1％至30％。图4是另一实施方案中的ESC气体源的放大示意图。在该实施方案中，ESC气体源251包括氧源404和氦源408。氧源404连接到氧气阀412。氦源408连接到氦气阀416。氧气阀412和氦气阀416连接到入口213。在该示例中，由于存在单独的氧源404和氦源408，因此，氧气阀412和氦气阀416可用于提供所需的氦气与氧气的流量比。
优选地，提供大于3000瓦特的RF平均功率。在一些实施方案中，RF功率以7000至40000瓦特提供。更优选地，RF功率以5000至20000瓦特提供。在多种实施方案中，夹持电压具有至少500伏的幅值。更优选地，夹持电压具有至少2000伏的幅值。更优选地，多种实施方案具有-2000伏至-3000伏之间的夹持电压。
其他实施方案可以用于电感耦合的处理室中。其他实施方案可以使用具有内加热区域和外加热区域的静电卡盘。为了提供内部区域和外部区域，密封带可以是凸起的脊部，其隔离内部区域和外部区域。另外，台面可以放置在密封带之间并且可以提供额外的支撑。
虽然已经根据几个优选实施方案描述了本发明，但是存在落在本发明的范围内的改变、修改、置换和各种替代等同方案。还应当注意，存在实现本发明的方法和装置的许多替代方式。因此，以下所附权利要求旨在被解释为包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这样的改变、修改、置换和各种替代等同方案。

Claims (18)

1.一种用于抑制等离子体处理室中的静电卡盘的氦分配通道中的电弧放电的方法，其中所述静电卡盘连接到用于提供夹持电压的电压源，并且其中所述等离子体处理室包括处理气体源，以及用于将处理气体转化为等离子体的等离子体电源，所述方法包括：
使气体流过所述静电卡盘的所述氦分配通道到达晶片的背面，其中所述气体包含：
氦气，其用于冷却所述晶片的所述背面；和
电负性气体，其用于抑制所述等离子体处理室中的所述静电卡盘的所述氦分配通道中的电弧放电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电负性气体包括O2、F2、Cl2或SiH4中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其还包括：
施加来自所述电压源的夹持电压；
使处理气体从所述处理气体源流到所述晶片的正面；以及
使所述处理气体形成等离子体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述夹持电压具有至少500伏的幅值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述使所述处理气体形成等离子体包括从所述等离子体电源向所述处理气体提供超过3000瓦特的RF平均功率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的使气体流过所述静电卡盘的所述氦分配通道到达晶片的背面包括使基本上由He和O2组成的气体流过。
7.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
施加来自所述电压源的夹持电压；
使处理气体从所述处理气体源流到所述晶片的正面；以及
使所述处理气体形成等离子体。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述使所述处理气体形成等离子体包括从所述等离子体电源向所述处理气体提供超过3000瓦特的RF平均功率。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述夹持电压具有至少500伏的幅值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述的使气体流过所述静电卡盘的所述氦分配通道到达晶片的背面包括使基本上由He和O2组成的气体流过。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述电负性气体包含氧气，其中按摩尔比计量，所述氧气是所述气体的1％至30％。
12.一种用于等离子体处理晶片的装置，其包括：
用于支撑晶片的静电卡盘，其中所述静电卡盘具有用于向所述晶片的背面提供冷却气体的氦分配通道；和
氦气和电负性气体源，其与所述氦分配通道流体连通；
其中所述氦气和电负性气体源包括：
氦源；和
电负性气体源，所述电负性气体源供应电负性气体，用于抑制所述静电卡盘的所述氦分配通道中的电弧放电。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述电负性气体源是氧气体源。
14.根据权利要求13所述的装置，其还包括：
围绕所述静电卡盘的等离子体室；
与所述等离子体室流体连接的处理气体源；以及
等离子体电源，其耦合到所述等离子体室，以用于将所述处理气体转变成等离子体。
15.根据权利要求14所述的装置，其还包括静电夹持电压源，该静电夹持电压源能够提供幅值为至少2000伏的偏置电压。
16.根据权利要求12所述的装置，其还包括：
围绕所述静电卡盘的等离子体室；
与所述等离子体室流体连接的处理气体源；以及
等离子体电源，其耦合到所述等离子体室，以用于将所述处理气体转变成等离子体。
17.根据权利要求12所述的装置，其还包括静电夹持电压源，该静电夹持电压源能够提供幅值为至少2000伏的偏置电压。
18.根据权利要求12所述的装置，其中所述氦气和电负性气体源包括容器，所述容器包含氦气和氧气的混合物，其中按摩尔比计量，所述氧气是所述混合物的1％至30％。
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