CN1663016A - 用于半导体处理等离子反应器的多部分电极以及替换多部分电极的一部分的方法 - Google Patents

用于半导体处理等离子反应器的多部分电极以及替换多部分电极的一部分的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种经改进的上电极系统,其具有一多部分电极,其中可独立于电极的外周边部分(114)来替换具有高磨损的电极的中心部分(110)。上电极可用于诸如通过蚀刻或CVD来处理半导体基板的等离子处理系统中。多部分上电极尤其适用于大尺寸晶圆处理腔室,诸如300mm晶圆处理腔室,市面上无用于其的单块电极出售或该等单块电极耗费昂贵。

Description

用于半导体处理等离子反应器的多部分电极以及替换多部分电极 的一部分的方法
本申请案主张2002年5月23日申请的美国临时专利申请案第60/383,16号的优先权,该案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于半导体处理等离子反应器的多部分上电极和一种替换该多部分上电极的经腐蚀部分的方法。
背景技术
第5,074,456和5,569,356号美国专利中揭示了用于处理诸如硅晶圆的半导体基板的等离子处理反应器中所使用的电极,该专利所揭示的内容以引用的方式并入本文中。
发展了干式等离子蚀刻、反应性离子蚀刻和离子研磨(ion milling)技术以克服与半导体晶圆的化学蚀刻相关联的众多限制。详细地说,等离子蚀刻允许垂直蚀刻率比水平蚀刻率大的多,从而使得可充分控制经蚀刻特征部分的所得纵横比(意即,所得槽的高度与宽度的比)。实际上,等离子蚀刻能够使具有高纵横比的非常精细的特征部分形成于厚度超过1微米的膜上。
在等离子蚀刻处理中,通过向相对低压气体添加大量能量,从而导致气体电离,来使等离子体形成于晶圆的经遮蔽表面上。通过调整待蚀刻基板的电势可将等离子体中的带电物质导向成大体上垂直地撞击晶圆,其中移除了晶圆的未经遮蔽区域中的材料。
通过使用易于与被蚀刻材料起化学反应的气体可使蚀刻处理更有效。所谓“反应性离子蚀刻”结合了等离子的能量蚀刻效应与气体的化学蚀刻效应。然而,已发现许多化学活性剂导致过度电极磨损。
需要将等离子体均匀地分布于晶圆表面上以在晶圆整个表面上获得均匀的蚀刻率。举例而言,第4,595,484、4,792,378、4,820,371和4,960,468号美国专利中揭示了用于经电极中的大量孔来分布气体的莲蓬头电极。此等专利通常描述了气体分布板,该气体分布板具有调整成提供均匀气体蒸汽流至半导体晶圆的孔隙排列。
反应性离子蚀刻系统通常由一蚀刻腔室组成,其中一上电极或接地电极和一下电极或RF电极定位于该蚀刻腔室中。待蚀刻晶圆由一合适遮罩覆盖且直接放置于RF电极上。由于与等离子体的相互作用,晶圆被施以负偏压。将诸如CF4、CHF3、CClF3和SF6或其混合物与O2、N2、He或氩气的化学反应性气体引入蚀刻腔室中且将其维持于通常微米汞柱(millitorr)范围内的压力下。接地电极具有允许气体经该电极均匀地分散至腔室中的气孔。在接地电极与RF电极之间所建立的电场将离解(dissociate)形成等离子体的反应性气体。通过与活性离子的化学反应并通过撞击晶圆表面的离子的动量转移来蚀刻晶圆表面。由电极所建立的电场将离子吸引至晶圆,从而导致离子以主要垂直方向撞击表面,从而使得该过程产生了良好界定的垂直蚀刻侧壁。
在晶圆处理期间也蚀刻了上电极的暴露表面。电极损耗或蚀刻导致需要周期性替换上电极。因此需要使电极替换简单且经济。
随着基板尺寸增加,确保随着增加的大晶圆尺寸和相应大电极尺寸而使蚀刻和沉积均匀较为重要。从200mm变动至300mm晶圆的产业允许制造商将其晶圆面积和晶片产出增加一倍。晶圆尺寸的增加导致增加晶圆处理工具的某些难度。举例而言,将用于制作一些上电极的单晶硅梨晶(boule)制成直径高达15英寸。较大直径的单晶硅电极难以制成具有所要低杂质含量。因此,大直径单晶硅电极耗费昂贵。
图1中展示了用于单晶圆蚀刻腔室的上莲蓬头电极10和较小的下电极12。图1的配置展示了一电容性耦合、限制的等离子蚀刻腔室,其中一电极由处于不同频率的两RF源提供功率且另一电极接地。下电极12为一扁平电极,其上支持有一晶圆W。下电极12位于上电极10下方间隔1至2cm处。在此配置中,上电极10具有一接入电极的台阶14,其提供具有一较薄内部分、成倾斜台阶部分和一较厚外直径的电极。已将台阶14设计成于晶片边缘处提供蚀刻率均匀性。
电极10具有15″的直径来容纳300mm的晶圆。提供电极10的延伸物16,其使电极从15″延伸至17″,且其被建构成复数个硅段。此配置需要直径为15″的单晶硅电极10,其接着接地以形成台阶14。此大直径电极10耗费相当昂贵且由于磨损需要周期性替换。
发明内容
本发明涉及一种具有一可替换部分的用于半导体处理反应器的多部分上电极和一种替换该电极的一部分的方法。
在一实施例中,用于等离子反应腔室的多部分电极包括一电极顶板和一连接至该顶板的电极。电极包括一中心硅元件和围绕该中心硅元件的复数个硅段。中心硅元件可独立于硅段从顶板移除。
在另一实施例中,等离子处理系统包括一等离子处理腔室、一位于该等离子处理腔室中的基板支持件、一RF能量源、一下电极和一上电极。上电极包括一电极顶板、紧固至该顶板的中心电极元件,和紧固至该顶板的围绕该中心电极元件的复数个电极段。该等电极段可由与中心电极元件相同的材料形成且将电极段与中心电极之间的接合定位于电极腐蚀从高磨损降至低磨损的地方。
在另一实施例中,用于等离子反应腔室的多部分电极包括一电极顶板和一连接至该顶板的电极。电极包括一具有约13英寸或更小直径的中心电极元件和复数个电极段,该等电极段围绕该中心电极元件以产生至少16英寸的总电极直径。中心电极元件可独立于电极段从顶板移除。
在另一实施例中,一种替换等离子反应腔室中的电极的一部分的方法包括以下步骤:在等离子处理腔室中提供一上电极;当中心电极腐蚀时将其从顶板移除;和以新中心电极替换该中心电极。上电极包含一中心电极元件和围绕该中心电极元件的复数个电极段。中心电极和电极段独立地紧固至电极的顶板。
附图说明
现将参看随附图式中所说明的优选实施例来更详细地描述本发明,其中相似元件标有相似参考数字,且其中:
图1为现有技术晶圆处理腔室中的上和下电极的一部分的侧面截面图。
图2为一具有一多部分电极的晶圆处理腔室的一部分的侧面截面图,且该多部分电极具有一可替换中心电极元件。
图3为扁平电极的硅损耗的图表。
具体实施方式
本发明提供一种具有一多部分电极的经改进上电极系统,在该多部分电极中可独立于电极的外周边部分来替换具有高磨损的电极的中心部分。上电极可用于诸如通过蚀刻或CVD来处理半导体基板的等离子处理系统中。多部分上电极系统尤其适用于大尺寸晶圆处理腔室,诸如300mm晶圆处理腔室,市面上无用于其的单块电极出售或该等单块电极耗费昂贵。
图2说明了等离子处理系统100的一部分,该处理系统具有一允许替换上电极的一部分的经改进上电极系统。如图2中所示,中心电极元件110通过导热和导电弹性体而安装在背衬板112上。复数个分段电极114形成一围绕中心电极110的环且也安装在背衬板116上。电极背衬板112、116以可移除的方式紧固至顶板118。经顶板118中的通道122将经处理气体传送至背衬板112上方的复数个通道124。经莲蓬头电极形态的电极110和背衬板112中的复数个穿孔128而将处理气体传送至晶圆处理腔室。
在顶板118与背衬板112、116之间提供密封环120以防止气体从通道124流入中心电极110与电极段114之间的环面中。密封环120具有O形环130于密封环的环形通道中以提供气体紧密密封。
在电极段114中提供台阶140,已将该台阶设计成在晶圆W的边缘处提供蚀刻率均匀性。台阶140大体上对准于底部电极150的边缘的上方并正好定位在晶圆W的边缘外面。
电极段114可包括任意数目的电极段,例如可使用3至10段。
电极110、114通过螺钉134、136而紧固至顶板118,该等螺钉从顶板后侧延伸入背衬板112、116中。螺钉134、136允许在需要时独立移除中心电极110和电极段114。由于估计中心电极110的磨损为电极段114的磨损率的两至三倍,所以可比外部电极段更频繁地移除和替换中心电极。
图3说明了具有扁平状的硅上电极在不同直径时的蚀刻率或硅损耗。如可从图3中所见,硅电极的损耗或蚀刻率在距电极中心5″与6.5″之间的半径处显著减小。因此,可见,与电极的中心部分相比,可不经常替换约6.5″直径外的电极的一部分。
可用于中心电极110和围绕电极段114的材料的实例包括SiC、SiN、AlN和Al2O3。已发现一种用于电极110和114的特别优选材料为硅,这是因为其不会将额外的不想要的元素引入反应且腐蚀较平滑从而产生非常少的粒子。可使用单晶硅或多晶硅。
背衬板112和116(电极110和114紧固至其)应与反应气体化学相容、与电极的热膨胀系数相匹配、导电和导热,且具有足够的机械强度以允许固定至传导性顶板118。适于用作顶板的材料的实例包括石墨和SiC。
顶板118应由一种与处理气体化学相容、导电和导热,且具有足够机械强度以支持背衬板和电极的材料形成。用于顶板的材料的一实例为铝。
密封环120可由铝、SiC、硅、石墨或石英,或适用于等离子处理系统的其它材料形成。
除了以导热且导电的弹性体将电极110和114黏结至相应背衬板112和116之外,可在电极与背衬板之间提供诸如铝网格的支持部件以确保在电极的寿命中的稳定电和热接触。
电极段114可各自固定至背衬板116的一独立部分,或所有电极段114可黏结至单个背衬环以允许在单一步骤中一起移除电极段114。
实例
用于图2的等离子处理系统100的配置的一实例包括切自一12″单晶硅梨晶的中心电极元件110。该中心电极元件110具有约0.25″的厚度和一完全平坦下表面。由于存在用于生产300mm晶圆的12″单晶硅梨晶的大量商业生产,所以制造此直径远不如制造15″单晶硅电极昂贵。电极的外分段部分由可切自12″单晶硅的单晶硅段制作且黏结至环形石墨背衬板116。在此实例中,六个电极段黏结至环形石墨背衬板116,其中电极段114具有约0.5″的厚度且以约45度角接地的台阶140在该等电极段的内直径处从0.5″的厚度减至0.25″的厚度。电极段114共同形成一具有约12″内直径和约17″外直径的环。密封环120为一具有弹性O形环的石英环,且顶板118由铝形成。
在上述实例中所描述的300mm晶圆处理系统(具有一扁平电极)中,已展示了硅上电极的腐蚀在约5″至约6.5″的半径处急剧下降(见图3)。因此,将中心电极110与电极段114之间的接合定位在距电极中心约5″至约6″处,优选地约6″半径处。在电极的内与外部分之间约6″处断开将允许独立于电极段114来替换更高磨损的中心电极元件110。外电极段114应经受中心电极110寿命的2至3倍寿命,从而降低了电极替换的成本。将接合放置得沿台阶140的径向内还允许使用具有较小厚度的中心电极110且因此降低了成本。
尽管已参看本发明的优选实施例描述了本发明,但所属技术领域的技术人员将明显看出,在不偏离本发明的情况下可做出各种改变和修改并可使用等效物。

Claims (30)

1.一种用于一等离子反应腔室的多部分电极,其包含:
一电极顶板;及
一连接至该顶板的电极,该电极包括一中心硅元件和围绕该中心硅元件的复数个硅段,其中该硅元件可独立于该等硅段从该顶板移除。
2.如权利要求1所述的电极,其中该中心硅元件和该等硅段由单晶硅、多晶硅,或碳化硅形成。
3.如权利要求1所述的电极,其进一步包含一通过一弹性接合而连接至该中心硅元件的背衬板。
4.如权利要求3所述的电极,其中该弹性接合由一导热和导电的弹性体形成。
5.如权利要求1所述的电极,其中该电极包含一莲蓬头电极,其具有安置成将处理气体分布于该等离子处理腔室中的复数个气体出口。
6.如权利要求1所述的电极,其中该中心硅元件具有一约13英寸或更小的直径。
7.如权利要求1所述的电极,其进一步包含一台阶在该电极的一表面上大体上于该中心硅元件与该等复数个硅段之间的一介面处。
8.如权利要求1所述的电极,其中该中心硅元件具有一小于该等复数个硅段的厚度的厚度。
9.如权利要求1所述的电极,其进一步包含一密封环以防止气体在该中心硅电极与该等硅段之间的一环面中流动。
10.如权利要求1所述的电极,其中该中心硅元件具有一无台阶的大体上平坦的下表面。
11.一种等离子处理系统,其包含:
一等离子处理腔室;
一基板支持件,其位于该等离子处理腔室内;
一RF能量源;
一下电极;及
一上电极,其包含:
一电极顶板;
中心电极元件,其紧固至该顶板;及
复数个电极段,其紧固至该顶板围绕该中心电极元件,其中该等电极段与该中心电极之间的一接合定位在该电极的腐蚀从高磨损降至低磨损的地方。
12.如权利要求11所述的系统,其中该等电极段由与该中心电极元件相同的材料形成。
13.如权利要求11所述的系统,其中该中心电极元件具有一侧表面,其在该接合处邻接该等电极段的侧表面。
14.如权利要求13所述的系统,其中该电极接合大体上对准于该下电极的一外边缘上方。
15.如权利要求13所述的系统,其中该电极接合在一晶圆定位于该下电极上时大体上对准于该晶圆的一外边缘上方。
16.如权利要求14所述的系统,其中该下电极具有一约12英寸的直径且该上电极具有一大于12英寸的直径。
17.如权利要求11所述的系统,其中在不替换该等电极段的情况下可替换该中心电极元件。
18.如权利要求12所述的系统,其中该中心电极元件和该等电极段由单晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
19.如权利要求11所述的系统,其中该中心电极元件具有一平坦下表面且该等电极段各自具有一形成于邻近该接合的台阶,从而使得该中心电极元件凹入该等电极段内部。
20.如权利要求11所述的系统,其进一步包含一密封环以防止气体在该中心电极元件与该等电极段之间的一环面中流动。
21.一种用于一等离子反应腔室的多部分电极,其包含:
一电极顶板;及
一连接至该顶板的电极,该电极包括一具有一约13英寸或更小的直径的中心电极元件和围绕该中心电极元件的复数个电极段以产生一为至少16英寸的总电极直径,其中该中心电极元件可独立于该等电极段从该顶板移除。
22.如权利要求21所述的电极,其进一步包含一密封环以防止气体在该中心电极元件与该等电极段之间的一环面上流动。
23.如权利要求21所述的电极,其中该中心电极元件由单晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
24.如权利要求23所述的电极,其中该等电极段由单晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
25.如权利要求21所述的电极,其中该中心电极元件具有一平坦下表面且该等电极段各自具有一形成于邻接该中心电极与该等电极段之间的一接合的台阶,从而使得该中心电极元件凹入该等电极段内部。
26.一种替换一等离子反应腔室中的一电极的一部分的方法,该方法包含以下步骤:
在一等离子处理腔室中提供一上电极,该上电极包含一中心电极元件和围绕该中心电极元件的复数个电极段,该中心电极和该等电极段独立地紧固至该电极的一顶板;
当该中心电极腐蚀时将其从该顶板移除;及
以一新中心电极替换该中心电极。
27.如权利要求26所述的方法,其中该中心电极和该等电极段由单晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
28.如权利要求26所述的方法,其中该中心电极与该等电极段之间的一接合定位于该电极的腐蚀从高磨损降至低磨损的地方。
29.如权利要求26所述的方法,其中周期性地替换该中心电极并在该中心电极的每第二或第二次替换时替换该等电极段。
30.如权利要求26所述的方法,其中该中心电极具有一大体上平坦的下表面且该等电极段包括一台阶状下表面。
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