CN114351120A - 晶圆支撑装置及沉积薄膜厚度控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种晶圆支撑装置，包含一支撑盘，其具有一承载面，所述承载面提供有用于接触一晶圆底面的多个支撑柱，且这些支撑柱自承载面延伸至不同的高度，藉此可改善晶圆沉积厚度的均匀性。此外，本发明还揭示了一种沉积薄膜厚度控制的方法，其根据所述晶圆支撑装置进行沉积工艺。

Description

晶圆支撑装置及沉积薄膜厚度控制的方法

技术领域

本发明涉及一种用于半导体处理的晶圆支撑装置，尤其是指一种含有可替换陶瓷环的晶圆支撑装置以及以这种晶圆支撑装置控制沉积薄膜厚度的方法。

背景技术

电浆处理(或等离子处理)是用来沉积物质于一基板上以形成薄膜，像是利用已知的等离子化学气相沉积(PECVD)方法形成介电质薄膜于基板上。当然等离子处理也可应用在原子层沉积(ALD)以及蚀刻等处理。在等离子处理中，影响薄膜形成的等离子分布、均匀性和密度是关键的。这是因为这些因素会造成在基板中央的薄膜厚度和在基板边缘的薄膜厚度的差异。恰当的等离子分布、均匀性和密度可获得厚度均匀的薄膜。当然，这样的理想结果仰赖于对处理过程中等离子分布曲线的调节和控制。

当前使用腔内边缘调节环控制腔体中的等离子曲线。但随着工艺需求的改变，如此具有固定电气特性(如阻抗、等效电容、电导率)的调节环可能无法应付所有的处理。虽然目前已发展出使用透过电路连接调节环的方式应付各种工艺需求，成本支出也相对提高。

此外，以现有沉积工艺形成的薄膜，其厚度形貌边缘相对高于中央区域或者边缘相对低于中央区域，均是有可能发生的情况。这样的薄膜厚度差异，在薄膜厚度低于500A时，难以通过现有可调参数(如控制反应气体流量、反应腔体的压力和射频能量等)来解决以符合生产需求。所述「可调参数」是指通过半导体处理装置的控制单元所设定的参数，一般是半导体处理装置本身所提供的可调参数。因为，低于厚度500A的薄膜所需要的沉积时间较短，沉积控制相对于反应腔体中的各种硬件引起的导热以及电场变化变得更为敏感。在这样的情况中，沉积薄膜的高低落差受硬件直接影响，且到了难以用工艺参数来弥补的程度。

因此，针对沉积时间较短的薄膜，有必要发展出可降低薄膜高度落差的非可调参数控制手段，以获得较均匀的薄膜。

发明内容

为了解决前述问题，本发明提供了一种晶圆支撑装置及沉积薄膜厚度控制的方法。

本发明提供的所述晶圆支撑装置，包含一支撑盘，具有一承载面，其提供有用于接触一晶圆底面的多个支撑柱，且这些支撑柱自承载面延伸至不同的高度，藉此改善晶圆沉积厚度的均匀性。

本发明的所述晶圆支撑装置的有益效果在于：所述支撑柱自承载面延伸至不同的高度，藉此改善晶圆沉积厚度的均匀性。

可选地，所述晶圆支撑装置更包含一陶瓷环，套接于所述支撑盘的一边缘，所述陶瓷环具有非面对支撑盘的一外表面，所述外表面的表面平均粗糙度(roughness average，Ra)选自0.4至1.6的范围。

可选地，所述外表面为所述陶瓷环具有的一朝上水平面。

可选地，所述外表面为所述陶瓷环具有的一朝上水平面及一侧面。

可选地，这些支撑柱分别沿着所述承载面的一内圈路径和一外圈路径排列，所述内圈路径上的支撑柱的高度不同于所述外圈路径上的支撑柱的高度。

可选地，所述内圈路径的支撑柱高度为0.06至0.12mm。

本发明提供的沉积薄膜厚度控制的方法，包含：以所述的晶圆支撑装置进行沉积工艺。

可选地，所述沉积薄膜为氮氧化硅薄膜。

可选地，所述沉积薄膜的厚度小于500A。

可选地，所述方法提供所述多个支撑柱，用于接触一晶圆的底面以进行沉积工艺，且这些支撑柱自所述承载面延伸至不同的高度。

本发明主要从反应腔中的硬件着手改良，例如改变某个硬件暴露于腔体的表面粗糙度，以及微调整硬件与硬件之间的相对位置。这些改变分别会对腔体中的等离子(plasma)分布和晶圆导热产生些微影响。因此，通过硬件表面粗糙度的选择，甚至是硬件与硬件的相对距离微调，能微控反应腔体中的环境条件，进而提升薄膜均匀性。经实测，基于本发明手段进行的沉积工艺，硬件特征的替换可对应沉积薄膜局部厚度达1％至7.5％的改变。

附图说明

图1示意用于制造半导体的反应腔体。

图2例示本发明晶圆支撑装置的立体图。

图3例示本发明晶圆支撑装置的剖面图。

图4为分离的陶瓷环与支撑盘。

图5例示一支撑柱。

图6例示一支撑柱放置于支撑盘上。

图7A为测量数据，其显示不同平均粗糙度(Ra)陶瓷环对于沉积薄膜的影响。

图7B为测量数据，其显示外圈的支撑柱高度固定(0.08mm)，内圈的支撑柱高度对于沉积薄膜的影响。

具体实施方式

底下将参考图式更完整说明本发明，并且藉由例示显示特定范例具体实施例。不过，本主张主题可具体实施于许多不同形式，因此所涵盖或申请主张主题的建构并不受限于本说明书所揭示的任何范例具体实施例；范例具体实施例仅为例示。同样，本发明在于提供合理宽阔的范畴给所申请或涵盖之主张主题。除此之外，例如主张主题可具体实施为方法、装置或系统。因此，具体实施例可采用例如硬件、软件、韧体或这些的任意组合(已知并非软件)之形式。

本说明书内使用的词汇「一实施例」并不必要参照相同具体实施例，且本说明书内使用的「其他(一些/某些)实施例」并不必要参照不同的具体实施例。其目的在于例如主张的主题包括全部或部分范例具体实施例的组合。

图1示意用于半导体制造的反应腔体。此显示可同时处理两个晶圆的双腔体配置，但更少或更多的腔体配置也是可能的。各腔体负责一晶圆的处理，基本上含有喷淋组件11、抽气环12及晶圆支撑装置13。喷淋组件11与一或多个气体源流体连接以供应一或多个气体用于处理晶圆表面。在PECVD的应用中，喷淋组件11可电连接一射频讯号源以产生等离子体。抽气环12基本上环绕腔体以将多余的反应气体抽出腔体之外。晶圆支撑装置13承载一晶圆并升降于腔体中。通常晶圆支撑装置13还提供有加热的能力。在PECVD的应用中，晶圆支撑装置13还提供有一电极，其为射频讯号回路的一部分。本发明主要的改良在于晶圆支撑装置13的部分。

图2例示本发明晶圆支撑装置的实施例，包含一盘部21及一杆部22。盘部21用于承载待处理的晶圆，且本发明盘部21可以进一步含有一支撑盘211和套接于所述支撑盘211的一陶瓷环212。杆部22连接于盘部21的底部并至少包覆有多条导线，其可将盘部21中的加热线圈、电极或其他电子组件电连接至一控制单元。

支撑盘211具有朝上的承载面S，其形成有多个孔，含有用于容置转接晶圆的顶升销的孔213及用于容置多个支撑柱的孔214、215。所述支撑柱于反应期间将晶圆抬升于承载面S的上方。顶升销连接至一驱动器，使顶升销可被驱动而相对承载面S凸出或退回隐藏。支撑柱具有固定的高度且容置于孔214、215中，因此支撑柱相对于承载面凸出的高度是固定的。支撑柱可自孔214、215拆卸以进行更换。

在本实施例的孔214、215分别沿着承载面S上的一内圈路径C1和一外圈路径C2排列。如图标，内圈路径C1上排列有三个孔214而外圈路径C2排列有六个孔。此不意味内圈路径C1必须比外圈路径C2排列有较少的孔，亦不限于揭露的孔和路径数量。

并参图3和图4，其分别显示图2晶圆支撑装置的一剖面图和一分解图。支撑盘211与杆部22为一体成形，承载面S形成有用于容置支撑柱的孔215。陶瓷环212套接于支撑盘211的周围部以围绕承载面S。承载面S的周围与一阶面400相邻，如图4所示。阶面400为一环面且略低于承载面S，提供陶瓷环212的放置区域。在其他可能的实施例中，阶面400高于承载面S。

陶瓷环212可拆卸地连接至支撑盘211周围。陶瓷环212依据不同的设计可用于提供晶圆支撑或者可用于调节晶圆边缘射频场的强度及分布。本发明未限制陶瓷环212的具体实施例。在不同的工艺中，同一个支撑盘211可搭配不同设计的陶瓷环212以满足工艺需求。陶瓷环212主要由一第一环301和一第二环302连接而成，第一环301是沿一水平面延伸，而第二环302是沿着纵向方向延伸，使陶瓷环212藉由第一环301与阶面400的接触而套接至支撑盘211上，且以第二环302遮蔽支撑盘211的周围部。陶瓷环212具有一外表面，包含在第一环301上的一朝上水平面S1，及在第二环302上并自朝上水平面S1延伸的一侧面S2。所述外表面是指非面对支撑盘211且可暴露于腔体中的表面。朝上水平面S1和侧面S2具有足够的延伸使支撑盘211的阶面400和周围部能被遮蔽，避免反应物质堆积。

第一环301的内缘形成有斜坡，用于使晶圆的边缘滑落而避免晶圆倾斜摆放。朝上水平面S1与斜坡的高处衔接，而斜坡的低处与承载面S相邻或比承载面S更低。因此，朝上水平面S1基本上会等于或高于承载面S，但不一定高于晶圆的上表面。陶瓷环212可自支撑盘211移除并进行更换。

本发明陶瓷环212的外表面经处理而呈现一平均粗糙度(average roughness，Ra)，其数值会影响等离子处理期间射频电场于腔体中的分布，特别是陶瓷环212所靠近的晶圆边缘。有鉴于此现象，多个具有不同外表面平均粗糙度的陶瓷环可依不同沉积工艺的要求而相互替换使用。在一实施例中，尺寸和外形相同的两个陶瓷环，其外表面平均粗糙度分别为0.4和1.6，且这两者在相同的反应条件中可分别形成不同的腔内等离子分布，特别是指发生在陶瓷环外表面附近的分布，藉此影响晶圆边缘的沉积表现。所述相同的反应条件是指可调参数相同。在某些薄膜厚度低于500A的沉积工艺中，如沉积氮氧化硅薄膜(SION)，使用所述Ra为0.4的陶瓷环以及使用所述Ra为1.6的陶瓷环于相同或类似的反应条件下所分别获得的沉积薄膜，两者边缘厚度可达约1％的差异。然而，此并不意味本发明仅限于这两种Ra数值的陶瓷环替换手段，也不意味所述替换手段仅能使薄膜边缘厚度的控制达1％的程度。

在一实施例中，所述平均粗糙度的形成是至少在陶瓷环的朝上水平面S1，且可进一步包含侧面S2，其与朝上水平面S1为一致的平均粗糙度。在其他可能的实施例中，陶瓷环的朝上水平面S1和侧面S2可分别为不同的平均粗糙度。

图5例示可容置于图2的孔214、215中的支撑柱500。支撑柱500为纵向延伸的一长条体，其纵向的延伸长度大于图2中这些孔214、215的深度，使容置于这些孔214、215的支撑柱500自承载面S略为凸出至一高度H，但不超过陶瓷环212的朝上水平面S1，如图6所示。所述高度H是指自承载面S起所纵向延伸的长度，非指支撑柱的总长度。支撑柱500的材质可为陶瓷，且呈非圆柱结构，如图所示的支撑柱500的侧面具有一对切面501。图2中的这些孔214、215可为特定的形状，以防止容置的支撑柱500无法被转动，并限制支撑柱500仅能沿着孔214、215的延伸方向抽出。在其他可能的实施例中，所述支撑柱与孔可为斜置的方式。

本发明支撑柱高度H是依工艺需求而选择的。返参图2，承载面S至少形成有沿着内圈路径C1排列的孔214和沿着外圈路径C2排列的孔215。其中，容置于内圈路径C1上的支撑柱高度不同于容置于外圈路径C2上的支撑柱高度。支撑柱的尺寸可通过选择，使容置于孔214、215中的支撑柱自承载面S凸出达0.06mm至0.12mm的高度，例如0.06mm、0.08mm、0.10mm或0.12mm。

在一些配置中，外圈路径C2上的所有支撑柱高度H为0.08mm，而内圈路径C1上的所有支撑柱高度H选自0.06mm至0.12mm的范围。这样具有高低落差的配置，只能使部分支撑柱能接触晶圆的底面，但可使晶圆底面的局部面积与承载面S之间距离有所不同，从而影响腔体中等离子体和温度梯度分布，特别是位于晶圆周围附近，并藉此影响薄膜沉积速率。惟应注意的是，在这种高低落差的配置下，仍需维持晶圆的水平度。经观察，晶圆局部对应较高支撑柱的区域可形成有较大的薄膜厚度，晶圆局部对应较低支撑度的区域可形成有较薄的薄膜厚度。利用这样的现象，可决定薄膜的沉积趋势。

薄膜厚度低于500A的沉积工艺中，内圈路径C1的支撑柱高度H和外圈路径C2的支撑柱高度H可至少有两种组合，如外圈0.08mm搭配内圈0.06mm为一种组合，外圈0.08mm搭配内圈0.12mm为另一种组合。经观察，基于至少两种不同的组合，相同工艺条件下所获得的两组沉积薄膜，其局部对应这些支撑柱的薄膜厚度差异可达约7.5％。然而，此并不意味支撑柱高度H的选择仅限于上述范围，当然也不意味所述支撑柱高度组合的替换仅能达到控制局部薄膜厚度约为7.5％的程度。

此外，可提供相同高度H的支撑柱于内圈路径C1和外圈路径C2上，亦可改变晶圆整个底面至承载面S的距离以及晶圆上表面与陶瓷环朝上水平面S1的落差，进而影响等离子场和热梯度于腔体中的分布。

图7A为测量数据，其显示不同平均粗糙度(Ra)陶瓷环对于沉积薄膜的影响。此数据是基于相同或相似的工艺条件并分别以两个具有不同Ra外表面的陶瓷环形成的薄膜厚度曲线，其中横轴显示薄膜的一横向位置，纵轴显示所述横向位置所对应的薄膜厚度。可看到，分别使用Ra为0.4和1.6的陶瓷环形成厚度低于500A的薄膜，两者较明显的厚度落差出现在薄膜的中央(约正负30mm)和边缘(约正负140mm)的区域。换言之，陶瓷环外表面粗糙度的选择可影响沉积薄膜于边缘和中央的沉积速率，藉此微幅决定薄膜厚度的趋势。本文所述的「中央」和「边缘」是依相对关系而定义的广义解释，非由特定的范围或结构所定义。

图7B为测量数据，其显示外圈的支撑柱高度固定为0.08mm，内圈的支撑柱高度H对于沉积薄膜厚度的影响。此数据是基于相同或相似的工艺条件并分别以相同数量且凸出高度为0.06mm、0.08mm、0.10mm和0.12mm的内圈支撑柱所获得的薄膜厚度曲线，其中横轴显示薄膜的一横向位置，纵轴显示所述横向位置所对应的薄膜厚度。可看到，分别使用0.06mm、0.08mm、0.10mm和0.12mm的内圈支撑柱形成厚度低于500A的薄膜，四者厚度差异较的七A图更为明显，较大的厚度落差出现在薄膜的中央(约正负30mm)，落差的程度往边缘而降低。这是因为内圈和外圈支撑柱所接触的晶圆位置所导致的局部影响，晶圆边缘的支撑相对不受支撑柱所影响。当然，若内圈路经C1和外圈路径C2相对安排在更靠近晶圆的边缘，则图7B的曲线分布也会有所改变。

据此可知，若能适当选择陶瓷环外表面的平均粗糙度，以及支撑柱的高低组合，沉积时间较短的薄膜厚度趋势可被控制，满足薄膜厚度均匀性的要求。

根据上述实施例说明，本发明提供陶瓷环和支撑柱的可替换手段，是以较轻微的硬件变动提供严苛工艺的调整，不但赋有工艺调整的灵活性，实现成本上也相对较低。

Claims (10)

1.一种晶圆支撑装置，包含：一支撑盘，具有一承载面，其特征在于：所述承载面提供有用于接触一晶圆底面的多个支撑柱，且这些支撑柱自承载面延伸至不同的高度，藉此改善晶圆沉积厚度的均匀性。

2.根据权利要求1所述之晶圆支撑装置，更包含：一陶瓷环，套接于所述支撑盘的一边缘，其特征在于，所述陶瓷环具有非面对支撑盘的一外表面，所述外表面的表面平均粗糙度(roughness average，Ra)选自0.4至1.6的范围。

3.根据权利要求2所述之晶圆支撑装置，其特征在于，所述外表面为所述陶瓷环具有的一朝上水平面。

4.根据权利要求2所述之晶圆支撑装置，其特征在于，所述外表面为所述陶瓷环具有的一朝上水平面及一侧面。

5.根据权利要求1所述之晶圆支撑装置，其中这些支撑柱分别沿着所述承载面的一内圈路径和一外圈路径排列，其特征在于，所述内圈路径上的支撑柱的高度不同于所述外圈路径上的支撑柱的高度。

6.根据权利要求5所述之晶圆支撑装置，其特征在于，所述内圈路径的支撑柱高度为0.06至0.12mm。

7.一种沉积薄膜厚度控制的方法，其特征在于，包含：以根据权利要求1-6任意一项所述的晶圆支撑装置进行沉积工艺。

8.根据权利要求7所述之方法，其特征在于，所述沉积薄膜为氮氧化硅薄膜。

9.根据权利要求7所述之方法，其特征在于，所述沉积薄膜的厚度小于500A。

10.根据权利要求7-9任意一项所述之方法，其特征在于，这些支撑柱自所述承载面延伸有不同的高度，且这些高度的不同组合形成多种支撑柱配置，以不同支撑柱配置进行沉积工艺所分别获得的薄膜边缘厚度具有差异。

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