CN1867694A - 衬底加热器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种衬底加热器组件，用于在处理期间支撑预定标准直径的衬底。在一个实施例中，所述衬底加热器组件包括主体，其具有上表面、下表面以及嵌入加热器元件。衬底支撑表面形成在所述主体的所述上表面中，并界定了衬底接收袋的一部分。环形壁垂直于所述上表面取向，并具有所述衬底的厚度的至少一半的长度。所述壁限定了所述衬底接收袋的外周界，并具有比所述预定衬底直径大少于约0.5mm的直径。

Description

衬底加热器组件
技术领域
本发明一般的涉及半导体衬底处理系统。更具体的，本发明涉及半导体衬底处理系统中用于支撑及加热衬底的设备。
背景技术
在制造集成电路时，为了改善产能，衬底处理的精确再现性是很重要的因素。为了在衬底上获得一致的结果，并获得从衬底至衬底上可再现的结果，需要对各种处理参数的精确控制。更具体的，沉积材料层的均匀性是为了获得好的制造成品率的其中一个需要。
在化学气相沉积(CVD)处理室内，在处理期间衬底通常布置在加热的衬底支撑上。衬底支撑大体包括用于控制衬底温度的嵌入电加热器元件。衬底支撑还可以包括用于气体(例如，氦(He)、氩(Ar)等)的通道及槽，以方便在衬底支撑与衬底之间传导热量。此外，衬底加热器组件还可包括嵌入射频(RF)电极，用于在各种等等离子体增强处理期间施加RF偏压至衬底。
在沉积处理期间(例如，化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)等)，衬底的中心及外周暴露至不同的处理环境。处理环境的不同通常会导致沉积层较低的均匀性。例如，在传统加热衬底支撑上处理的衬底通常允许直接在衬底的边缘上进行沉积，且相对于沉积在衬底中心的材料，在邻近衬底的边缘的沉积层还会有较大的厚度。沉积层的不均匀性限制了沉积处理的成品率及产能，并限制了集成电路的整体性能。此外，沿衬底的边缘沉积的材料对在自动传输机构上正确定位衬底而言可能会产生问题。如果在自动传输机构上没有将衬底保持在预定的位置，则在传输期间衬底可能会损坏或掉落，或当放置在处理装备中时未对准，导致差的处理结果。
由此，本领域需要一种衬底加热器组件，以便于在半导体衬底处理系统中集成电路的制造期间，在衬底上沉积均匀的材料层，而不会沿衬底的边缘沉积材料。
发明内容
提供了一种衬底加热器组件，用于在处理期间支撑预定标准直径的衬底。在一个实施例中，所述衬底加热器组件包括主体，其具有上表面、下表面以及嵌入加热器元件。衬底支撑表面形成在所述主体的所述上表面中，并界定了衬底接收袋的一部分。环形壁垂直于所述上表面取向，并具有所述衬底的厚度的至少一半的长度。所述壁限定了所述衬底接收袋的外周界，并具有比所述预定衬底直径大少于约0.5mm的直径。
附图说明
通过结合附图考虑以下详细描述，可以容易的理解本发明的教导，其中：
图1示出了包括衬底支撑的示例处理反应器的示意性示图，该衬底支撑具有根据本发明的一个实施例的衬底加热器组件；
图2是根据本发明的一个实施例的图1的衬底加热器组件的示意性俯视图；
图3A-7A及图3B-7B示出了图1的衬底加热器组件的圆环的替换实施例的示意性立体及截面图；
图8是衬底加热器组件的另一实施例；
图9A-D是图8的衬底加热器组件的不同立体及部分截面图；及
图10是示出了使用传统的环及本发明的环衬底处理的沉积分布表。
为了便于理解，可能的话，使用相同的参考标号来表示图中共有的相同元件。
但是，应当注意的是，附图仅示出了本发明的示例性实施例，且由此不应被视为对本发明允许其他等同效果的实施例的范围的限制。
具体实施方式
本发明为衬底支撑的衬底加热器组件，用于在衬底处理系统的处理室(例如，化学气相沉积(CVD)室、等离子体增强CVD(PECVD)室等)中支撑衬底。可利用本发明的衬底加热器组件以便于要求在衬底(例如，硅(Si)晶片等)上及被处理的一批衬底中沉积较低厚度非均匀性的材料层。这里，CVD或PECVD室(或反应器)被称为CVD室(或反应器)。
结合本发明一同使用的CVD反应器的示例是Producer反应器或DXZ反应器(两者从California，Santa Clara的Applied Materials公司可购得)。但是，需要注意的是，也可以使用其他CVD反应器及/或处理室来实施本发明。Producer反应器或DXZ反应器分别在共同受让的公告于1999年1月5日的美国专利No.5,855,681及公告于2002年4月2日的美国专利No.6,364,954B2中被揭示，通过引用包含于此。Producer反应器包括具有两个隔离处理区域的CVD室，每个处理区域都可用于沉积薄的材料层。示例Producer反应器的突出特点简要介绍如下。
图1示出了作为处理室102的示例性Producer反应器100的一个处理区域。图1中的图像被简化以用于说明的目的，其并非按比例绘制。
反应器100包括处理室102及控制器110。处理室102一般包括具有盖组件118的主体(壁)130、衬底支撑底座126、真空泵104以及在CVD处理期间用于保护壁130的内表面的(多个)屏蔽114。壁130由导电材料(例如，铝(Al)、不锈钢等)制成，并耦合至处理室102的接地端176。
在一个实施例中，盖组件118经由端164耦合至气体面板108，并包括缓冲板146、淋浴头120以及隔离器174。缓冲板146便于在稳压腔184中混合各种处理气体。淋浴头120位于支撑底座126上方并将处理气体混合物142散布到处理室102的反应体积144内。淋浴头120还可具有不同的区域，使得各种气体可以各种流动速率释放至处理室102中。
支撑底座126包括衬底加热器组件148、基板152以及背板组件154。背板组件154耦合至衬底偏压功率源122、受控加热功率供应138及后侧气体(例如，氦(He))的源136，并且还耦合至提升销机构156。在衬底处理期间，支撑底座126支撑衬底112并控制衬底的温度及偏压。衬底112通常为标准的半导体晶片，例如200mm或300mm晶片。
衬底加热器组件148包括主体(加热器构件132)以及布置在加热器构件的凹入(衬底袋)150中的圆环134。加热器构件132还包括多个嵌入加热元件158、温度传感器(例如，热电偶)160以及多个射频(RF)电极162。嵌入加热元件158耦合至加热器功率供应138。以传统方式，温度传感器160监控加热器构件132的温度。测量的温度被用在反馈回路中以调节加热器功率供应138的输出。嵌入RF电极162将源122耦合至衬底112，并耦合至反应体积144中处理气体混合物142的等等离子体140。
衬底112的温度通过稳定加热器构件132的温度来控制。在一个实施例中，来自气体源136的氦气经由气体导管166而提供至形成在衬底112下方的加热器构件132中的槽(或者，可替换的，正向凹痕)230(在图2A下方用虚线示出)。氦气提供了加热器构件132与衬底112之间的热传输，并便于衬底的均匀加热。利用这种加热控制，衬底112可以维持在约200℃至800℃的温度之间。
源122一般包括RF发生器124及匹配网络128。发生器124一般能够在约50KHz至13.6MHz范围内的频率产生高达5000W的连续或脉冲功率。在其他实施例中，发生器124可以是脉冲DC功率发生器。
真空泵104维持室102中需要的气压，同时从室中排出CVD处理的处理后气体及副产品。利用压力传感器116来监控处理室102中的气压，且测量的压力可用在控制处理室中气压的反馈回路中。
在一个实施例中，淋浴头120耦合至包括RF发生器170及匹配网络172的源106。RF发生器170通常可以在50KHz至13.6MHz的频率内产生500W至3000W。淋浴头120与衬底支撑底座126一起形成一对分隔电极。当源106施加RF能量至该电极时，反应体积144中的处理气体混合物142可能会在等等离子体140中点燃。
提升销机构156用于将衬底112降低至衬底加热器组件148的衬底袋150中或将衬底从衬底加热器组件升起。加热器元件132包括多个开口232(如图2A下方所示)，用于提升机构156的销。
处理室102还包括传统的系统，用于进行内部诊断、处理控制、CVD处理结束检测等等。这些系统作为支持系统168共同的示于图1中。
控制器110包括中央处理单元(CPU)178、存储器180以及支持电路182。CPU178可以是任意的可用在工业环境中的通用电脑处理器。软件程序可储存在诸如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘驱动器、或其他形式的数字存储器的存储器180中。支持电路182传统地耦合至CPU178并可包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统以及功率供应等。
在由CPU178执行时，软件程序将CPU转化为专用电脑(控制器)110，其控制反应器100，使得根据本发明来进行处理。软件程序还可以由远离反应器100定位的第二控制器(未示出)存储并/或执行。
图2A及2B分别示出了图1中的衬底加热器组件148的示意性截面图及俯视图。在一个实施例中，加热器构件132及圆环134由诸如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等的陶瓷材料形成。圆环134被对中布置并由重力保持在具有约0.5至2.5mm的深度204的衬底袋150中。
圆环134被形成这样的大小，其使得圆环134的凸缘226与加热器构件132的壁210之间的径向缝隙202为最小值，例如，小于约0.2mm。界定在环134的内边缘208与对中定位的衬底112的边缘之间的径向缝隙212小于0.5mm，且在一个实施例中，约为0.1至0.5mm。缝隙212的较小的距离与衬底相对于支撑的上表面240凹入的定位，在处理期间导致衬底112边缘上的材料沉积的显著减少。袋150的密封构造的壁210以及壁对衬底112的相对高度干扰了等离子场，使其远离衬底112的边缘(即朝向中心)，由此减少并/或消除了在衬底的边缘上的沉积。此外，壁210的构造干扰了在衬底边缘处反应气体及/或蒸汽的流动，使得气体的局部体积变成反应物耗尽，由此有利于减少及/或消除在衬底边缘上的沉积。此外，壁210的构造还干扰了衬底边缘的温度，使得沉积速率局部降低，由此更加有利于减少及/或消除在衬底边缘上的沉积。
圆环134的高度220一般介于0.7及7mm之间。选择圆环134的宽度206使得高度220比宽度206的比率介于0.05∶1及0.5∶1之间。圆环134的内边缘208包括壁214及斜面218。壁214被布置大致与衬底袋150的表面216成直角。壁214被构造为在竖直方向上延伸衬底的厚度的至少约一半。在一个实施例中，壁214具有约0.3至3mm的高度222，而斜面218可以从衬底112向外并向上以约10至20度的角度224倾斜。
图3A-7A及图3B-7B示出了圆环134的替换实施例的示意性立体图及截面图。图3B-7B中的截面图是分别沿图3A-7A中的立体图的中心线所取得的。图3A-7A及图3B-7B中的图像被简化以用于说明的目的，其并非按比例绘制。
图3A及3B示出了具有连续凸出部302的圆环134。在操作中，在提升销缩回且衬底下降至袋中时，凸出部302引导衬底112进入衬底袋150。凸出部302一般具有约0.5至5mm的高度304，而凸出部的高度304比宽度306的比率介于约0.3∶1与3∶1之间。
图4A及4B示出了具有多个(例如，3个至12个)凸部402的圆环134。每个凸部402都具有约0.5至5mm的高度404，且凸部的高度404比宽度406的比率介于约0.3∶1与3∶1之间。类似于突出部302(参考以上图3A-3B讨论)，在提升销缩回并将衬底下降至袋中时，凸部402可用于引导衬底112进入衬底袋150中。在一个实施例中，凸部绕圆环134的内边缘208被等距布置。这种凸部例如可通过从连续突出部302去除布置在相邻凸部之间的突出部部分而制成。
图5A及5B示出了具有多个(例如，3个至12个)周向槽510的圆环134。一般地，槽510被用于增强衬底偏压功率源122产生的RF能量与等离子体140的耦合。在一个实施例中，每个槽510都分别具有50至200mm以及8至12mm的长度512及宽度514。一般地，槽绕圆环134的凸缘226彼此大体等距布置。
图6A及6B示出了具有连续突出部302及多个(例如，3个至12个)槽510的圆环134。相应的，图7A及7B示出了具有多个(例如，3个至12个)凸部402及多个(例如，3个至12个)槽510的圆环134。类似于上述图5A及5B中的实施例，槽510被用于增强RF衬底偏压的源122与等离子体140之间的耦合。
在一个说明性实施例中，在碳掺杂氧化硅的层的沉积期间，具有圆环134的衬底加热器组件148可用在Producer反应器的处理室102中。碳掺杂氧化硅是具有低介电常数的介电材料(即，低k材料)，以BLACKDIAMONDTM或BLACK DIAMOND IITM的商标从California，Santa Clara的Applied Materials公司可购得。
在此说明性实施例中，使用Producer反应器将BLACK DIAMONDTM层沉积在200mm硅晶片上，其通过以400至3000sccm的速率提供三甲基硅烷(SiC3H10)、以50至1000sccm的速率提供氧(O2)(即，从1∶2.5至60∶1范围的SiC3H10∶O2的气流比率)，施加介于200与1500W之间的阴极偏压功率，并在2与10mTorr之间的处理室维持晶片温度在250℃与400℃之间。一个示例性沉积处理以1700sccm的速率提供SiC3H10、以750sccm的速率提供O2(即，约2.27∶1的SiC3H10∶O2的气流比率)，施加1100W的偏压功率，并维持晶片温度为335℃，压力为4mTorr。
壁210的竖直高度220以及壁210与衬底的边缘的邻近在防止衬底的边缘受到沉积外的同时还促进了衬底上的均匀沉积。在此实施例中，圆环134分别具有约1.5mm、13.5mm、0.4mm以及30度的高度220、宽度206、壁高度222以及角度224。环以约0.14mm的缝隙202及约0.14mm的缝隙212布置在衬底袋150中。使用这样的环，沉积的BLACKDIAMONDTM层的厚度不均匀性下降至约2.5-2.6％，且厚度不均匀性的衬底至衬底变化小于约2％。此外，被处理的衬底的边缘与圆环134之间缝隙212的较小距离保护了衬底的倾斜边缘及衬底袋150的表面216免受不希望的沉积，并且降低了衬底的倾斜边缘的上部的这种沉积的厚度。在一个示例中，图10的表1004中示出的沿使用按图7A构造的环所处理的衬底的倾斜边缘上的BLACK DIAMONDTM沉积分布大大少于表1002中示出的传统处理的衬底的沉积分布。
在本发明的替换实施例中，环可以一体的与加热器构件结合，作为单一的接触元件。具有一体结合在衬底支撑组件的主体中的环的有利的沉积处理增强特征通过减少部件的数量同时增加室至室处理均匀性提供了节约。
图8是衬底加热器组件800的另一实施例的截面图。衬底加热器组件800至少具有一个嵌入在主体804中的加热器元件802。主体804及加热器元件802可如上所述形成或制成。主体804包括上表面806及下表面808。下表面808通常由杆810耦合至处理室(未示出)。
主体804的上表面806包括形成在其中界定了衬底接收袋的一部分的衬底支撑表面816。接收袋812以从袋812的衬底支撑表面816向上延伸的壁214以及向外张开的斜面818为界。壁214与衬底袋812的支撑表面216大体成直角布置，并被构造为在到达斜面818之前在竖直方向至少延伸衬底衬底112的厚度的一半。壁214的直径被构造以将衬底衬底112与壁214之间的缝隙820界定为小于约0.5mm，且在一个实施例中，在约0.1至0.5mm的范围内，以最小化并/或消除在处理期间在衬底的边缘上的沉积。壁214及斜面818可按照上述各种环的实施例的壁及斜面来构造。
斜面818一般地在壁214上方限制接收袋812。在图9A-B所示的一个实施例中，类似于图3A-B所示的环134的突出部302，延伸超过上表面806的斜面818的一部分可以界定连续突出部902的内表面。在图9C-D所示的另一实施例中，类似于图4A-B所示的圆环134的凸部402，斜面818可以是不规则的，具有终止于上表面806的部分910，以及延伸超出上表面806以形成凸部914的内表面的部分912。
由此，所设置的加热器组件可促进沉积的均匀性同时限制沿衬底的边缘的沉积。在一个实施例中，本发明的有益的特征可被结合在加热器组件的主体中，由此减少了部件的数量及加热器组件的成本，同时改善了室至室的处理均匀性。
以上在于说明本发明的实施例，可以设计另外及其他实施例而不脱离其基本范围，且其基本范围由所附的权利要求所确定。

Claims (23)

1.一种衬底加热器组件，用于在处理期间支撑预定标准直径的衬底，所述衬底加热器组件包括：
主体，其具有上表面及下表面；
加热器元件，其被嵌入在所述主体中；
衬底支撑表面，其形成在所述主体的所述上表面中，并界定了衬底接收袋的一部分；以及
环形壁，其垂直于所述上表面取向，并具有所述衬底的厚度的至少一半的长度，所述壁限定了所述衬底接收袋的外周界，并具有比所述预定衬底直径大少于约0.5mm的直径。
2.根据权利要求1所述的组件，还包括：
布置在所述衬底接收袋中的环，其中所述壁是所述环的内径的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的组件，其中所述环还包括：
从所述环的所述壁向外张开的斜面。
4.根据权利要求3所述的组件，其中：
所述斜面是连续突出部，所述突出部延伸超出所述上表面并限制所述壁。
5.根据权利要求3所述的组件，其中所述斜面还包括：
多个不连续凸部，所述突部延伸超出所述上表面并限制所述壁。
6.根据权利要求3所述的组件，其中所述环还包括：
从所述壁径向向外的多个环形凸缘。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述凸缘还包括：
多个形成在其中的槽。
8.根据权利要求2所述的组件，其中所述圆环由陶瓷材料形成。
9.根据权利要求2所述的组件，其中所述圆环还包括：
约0.7至7mm的高度；且
所述圆环的高宽比介于约0.05∶1与0.5∶1之间。
10.根据权利要求3所述的组件，其中所述斜面向外并向上以约10至40度的角度倾斜。
11.根据权利要求4所述的组件，其中所述突出部还包括：
约0.5至5mm的高度；
所述唇缘的高宽比介于约0.3∶1与3∶1之间；及
以约10至40度的角度向外并向上倾斜的内部部。
12.根据权利要求5所述的组件，其中所述多个不连续凸部的至少一个还包括：
约0.5至5mm的高度；
所述凸部的高宽比介于约0.3∶1与3∶1之间；及
以约10至40度的角度向外并向上倾斜的内部分。
13.根据权利要求1所述的组件，其中所述加热器元件由陶瓷材料形成。
14.根据权利要求1所述的组件，其中所述壁将所述上表面耦合至所述主体的所述衬底支撑表面。
15.根据权利要求14所述的组件，其中所述主体还包括：
从所述主体的所述壁向外张开的斜面。
16.根据权利要求15所述的组件，其中：
所述斜角是连续突出部，所述突出部延伸超出所述上表面并限制所述壁。
17.根据权利要求15所述的组件，其中所述斜面还包括：
多个不连续凸部，所述突部延伸超出所述上表面并限制所述壁。
18.根据权利要求15所述的组件，其中所述斜面向外并向上以约10至40度的角度倾斜。
19.根据权利要求16所述的组件，其中所述突出部还包括：
约0.5至5mm的高度；
所述突出部的高宽比介于约0.3∶1与3∶1之间；及
以约10至40度的角度向外并向上倾斜的内部分。
20.根据权利要求17所述的组件，其中所述多个不连续凸部的至少一个还包括：
约0.5至5mm的高度；
所述凸部的高宽比介于约0.3∶1与3∶1之间；及
以约10至40度的角度向外并向上倾斜的内部分。
21.一种设备，用于处理预定标准直径的衬底，所述设备包括：
化学气相沉积室，其具有布置在其中的陶瓷衬底加热器组件，其中所述加热器组件包括：
主体，其具有上表面及下表面；
加热器元件，其被嵌入在所述主体中；
衬底支撑表面，其形成在所述主体的所述上表面中，并界定了衬底接收袋的一部分；以及
环形壁，其垂直于所述上表面取向，并具有所述衬底的厚度的至少一半的长度，所述壁限定了所述衬底接收袋的外周界，并具有比所述预定衬底直径大少于约0.5mm的直径。
22.一种设备，用于处理预定标准直径的衬底，所述设备包括：
化学气相沉积室，其具有布置在其中的陶瓷衬底加热器组件，其中所述加热器组件包括：
主体，其具有上表面及下表面；
加热器元件，其被嵌入在所述主体中；
衬底支撑表面，其形成在所述主体的所述上表面中，并界定了衬底接收袋的一部分；
环形壁，其耦合在所述衬底支撑表面与所述上表面之间，所述壁具有所述衬底的厚度的至少一半的长度，以及比所述预定衬底直径大少于约0.5mm的直径，以及
多个凸部，其从所述上表面突起，每个所述凸部都具有与所述斜面连接的内部分。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述多个不连续凸部的至少一个还包括：
约0.5至5mm的高度；
所述凸部的高宽比介于约0.3∶1与3∶1之间；及
以约10至40度的角度向外并向上倾斜的所述内部分的取向。
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