TW201841300A - 離子方向性靜電夾頭 - Google Patents

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詹姆斯 Ｅ 卡朗
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Abstract

提供一種用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座。提供一基板支座本體。至少一電阻加熱元件嵌在該基板支座本體之內或之上，該至少一電阻加熱元件包含在該基板之內或之上的一第一加熱電流路徑以及在該基板之內或之上的一第二加熱電流路徑，其中該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑相距4 mm之內，且流過該第一加熱電流路徑的電流與流過該第二加熱電流路徑的電流為相反方向。

Description

離子方向性靜電夾頭
本發明係關於半導體元件的製造，具體而言，本發明係關於用以製造半導體元件的電漿處理腔室。
在半導體晶圓處理之期間，半導體晶圓係由夾頭所支撐，該夾頭可具有溫度控制。可藉由電阻加熱元件而提供該溫度控制。
為了達成前述內容，且依據本發明之目的，提供一種用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座。提供一基板支座本體。至少一電阻加熱元件嵌在該基板支座本體之內或之上，該至少一電阻加熱元件包含在該基板之內或之上的一第一加熱電流路徑以及在該基板之內或之上的一第二加熱電流路徑，其中該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑相距4 mm之內，且流過該第一加熱電流路徑的電流與流過該第二加熱電流路徑的電流為相反方向。
在另一表現形式中，提供一種用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座。提供一基板支座本體。至少一電阻加熱元件嵌在該基板支座本體之內或之上，該至少一電阻加熱元件包含在該基板之內或之上的一第一加熱電流路徑以及在該基板之內或之上的一第二加熱電流路徑，該第二加熱電流路徑與該第一加熱電流路徑為反向平行且相距4 mm之內。
本揭露內容之上述及其他特徵將在以下的實施方式中並結合以下圖式加以詳述。
本揭露內容將參照較佳實施例及舉例性附圖詳細敘述。為了提供對本揭露內容的徹底理解，在以下的敘述中，說明了大量的特定細節。然而對於熟悉本技藝者係可清楚了解，在毋須若干或全部此等特定細節之情況下即可實行本揭露內容。在其他的範例中，為了不使本揭露內容晦澀難懂，習知的製程步驟及/或結構不會有詳細敘述。
為了幫助理解，圖1示意性地說明一電漿處理系統100之範例，其可使用一實施例。依據本揭露內容之一實施例，該電漿處理系統可用於蝕刻具有一堆疊的基板140。該電漿處理系統100包含一電漿反應器102，其具有以腔室牆152包圍的電漿處理腔室104。藉由匹配網路108作調整的電漿電源供應器106， 供應電源給位於功率窗112附近的TCP線圈110，俾藉由提供感應耦合式電能以在電漿處理腔室104中生成電漿114。可配置該TCP線圈(上部電源)110以在電漿處理腔室104內產生均勻擴散輪廓。例如，可配置該TCP線圈110以在該電漿114內產生環狀功率分布。設置該功率窗112以將TCP線圈110與電漿處理腔室104分隔，同時容許能量經由TCP線圈110通過而到達電漿處理腔室104。藉由匹配網路118作調整之晶圓偏壓電源供應器116提供電能給靜電夾頭(ESC)120，以對支撐於該ESC 120上之基板140的偏壓作設定。控制器124設定電漿電源供應器106及晶圓偏壓電源供應器116之設定點。
電漿電源供應器106及晶圓偏壓電源供應器116可係配置以在如:13.56 MHz、27 MHz、40 MHz、60 MHz、2 MHz、400 kHz或其組合之特定射頻下操作。可適當地設定電漿電源供應器106及晶圓偏壓電源供應器116，以供應一功率範圍以達到所期望的處理性能。例如，在一實施例中，電漿電源供應器106可供應一範圍由50到5000瓦的功率，而晶圓偏壓電源供應器116可供應一範圍由20到2000 V的偏壓。此外， TCP線圈110可由二或更多的子線圈所組成，且ESC可由二或更多的子電極所組成，該等TCP線圈110及ESC可由單一電源供應器或由多個電源供應器供以電源。
如圖1所示，電漿處理系統100更包含一氣體源/氣體供應機構130。該氣體源/氣體供應機構130提供氣體到噴淋頭型的氣體進料器136。藉由壓力控制閥142及泵浦144將製程氣體及副產物由電漿處理腔室104中移除，該壓力控制閥142和泵浦144亦作為維持電漿處理腔室104內於特定壓力之用。該氣體源/氣體供應機構130係由控制器124控制。
熱電源供應器150係由控制器124控制。該熱電源供應器150係經由餽電線158而電氣連接至一或更多電阻加熱元件154。加州費利蒙的蘭姆研究公司之Kiyo型號可用於實行此實施例。
圖2為具有加熱元件154之ESC 120的俯視示意圖。此範例中的加熱元件154為單一導電元件，該導電元件形成將近兩個完整迴路，其具有形成一將近完整第一迴路的第一加熱電流路徑204以及形成一將近完整第二迴路的第二加熱電流路徑208。加熱元件154在以下各處電氣連接至餽電線：在加熱元件154的第一端的第一接點212、以及在加熱元件154的第二端(加熱元件154的第一端之相反端)的第二接點216。在此範例中，在第一電流路徑204與第二電流路徑208之間的標示為「D」的距離為小於4 mm。在此範例中，沿著第一電流路徑204之100%長度期間，第一電流路徑204與第二電流路徑208相距4 mm之內，且沿著第二電流路徑208之100%長度期間，第二電流路徑208與第一電流路徑204相距4 mm之內。在此範例中，由於第一電流路徑204之第二端係電氣連接至第二電流路徑208之第一端，且由於第二電流路徑208以與第一電流路徑204相反之方向形成環形，故電流以在第一電流路徑204中的電流與在第二電流路徑208中的電流為反向平行的方式流過加熱元件154。在此實施例中，第一加熱電流路徑204與在第二加熱電流路徑208為串聯連接。
在操作中，將基板140裝設於ESC 120之上。藉由熱電源供應器150提供電壓，以在加熱元件中建立電流，其具有以圖2中的箭頭表示之電流流動。將處理氣體流入處理腔室。提供RF功率以將處理氣體形成為電漿。藉由偏壓電源供應器116將偏壓提供至ESC 120，其促使來自電漿的離子加速至基板140，而因此處理該基板。
圖3為用於如圖1所示之熱電源供應器150中的電子控制件300的電路圖。電子控制件300被稱為降壓轉換器。降壓轉換器將DC電壓提供至加熱元件。降壓轉換器係用以降低DC電壓。在替代方案中，在施加DC電壓至加熱元件之前，若欲提升DC電壓，則可使用升壓轉換器。經由提供DC電壓，此實施例藉由利用固定極性之加熱器電壓與用以消除由加熱元件所產生之磁場的各別手段，以解決先前技術的問題。由加熱元件所產生之磁場係藉由以下方式而消除：將不同加熱元件中的電流定路徑為彼此緊密相鄰、且電流以相反方向流動。
先前技術之系統提供電流平行流動之加熱元件，而非反向平行。流動通過加熱元件的電流產生一磁場，當離子通過電漿鞘而加速至晶圓時，該磁場在該等離子上產生一作用力，該作用力與其行進方向垂直。此作用力傾向迫使離子軌道為非垂直於晶圓表面之方向，其會限制高深寬比之蝕刻。為了將離子軌道偏移為非垂直於表面之處理影響最小化，先前技術的加熱器係以高頻交流電供電。交變的加熱器電流使磁場方向倒轉，於是使作用力及離子軌道方向倒轉。淨效應為相對於未磁化或零電流之狀況，以來回推移離子軌道而改善均勻度。此方法之問題如下：1) 離子軌道被推移為非垂直於晶圓表面，潛在地影響該處理。2)在接近晶圓的中心及邊緣處，磁力線不平行於晶圓，其可能造成額外的中心及邊緣之均勻度問題。3)對於需要高離子方向性的處理，以DC供電之加熱器可能非選項之一，因為離子方向之偏移會係永遠向同一側。4)由交變的加熱器極性所產生的磁場不夠快速至足以平衡掉由該等力場所引起的所有的離子軌道偏移。雖然交流電係在一高於20千赫之高頻率，但為了平衡掉離子軌道之偏移，提供大於1 MHz之交變頻率係所期望的。
先前技術使用交變極性電壓，其中加熱器功率係透過50或60 Hz AC線電壓的相位角或週波跳越(cycle skipping)控制而加以控制。其他構造試圖使用高頻(300 Hz)可變工作週期、交變極性電壓，用以控制ESC加熱器之功率。高頻及可變工作週期係用以提供加熱器功率的更快之響應及更細微之控制。加熱器功率的交變極性係用以將由加熱器電流所產生的磁場對於處理均勻度的影響最小化。高頻交變極性之方法的問題在於：1) 交變極性之方法需要額外的切換元件以持續地切換加熱器電流的方向。2)若同時打開兩組切換裝置，則提高了裝置因擊穿(shoot through)而故障的風險。3) 交變極性之方法需要裝置、寄生及負載電容在每一週期中充電及放電，其導致較高的切換損耗、較低的可靠度及增加的射頻干擾。4)由於產生了複雜波形，加熱器的電壓及電流係更加難以判定(電壓及電流之量測對於計算加熱器功率及加熱器線圈之電阻可為有用的)。5)由交變的加熱器極性所產生的磁場不夠快速至足以平衡掉由該等力場所引起的所有的離子軌道偏移。
先前技術的問題係透過以下方式解決：1) 使用減低加熱器控制元件數的固定極性之加熱器，因已不再需要切換輸出電壓之極性之需求。此容許以簡易的降壓轉換器取代H電橋結構。2) 由於裝置並非與轉換器輸入電壓以串聯連接，故消除了裝置因擊穿(shoot through)而故障的風險。3) 由於裝置、寄生及負載電容不需在每一週期中充電及放電，故降低了切換損耗及RFI。4) 因單一極性的加熱器功率源而產生較簡單的電壓及電流波形，而簡化了加熱器電壓及電流之量測。5)為了使固定磁場對於高深寬比特徵部的影響最小化，緊密相鄰的兩加熱元件係以相反方向的電流流動供電，因此由各別加熱元件所產生的磁場被抵消。
上述之實施例藉著消除由電流流過加熱器所產生的磁場(其中用以消除磁場的方法為將加熱元件中的電流以相反(反向平行)方向流動)，而會大大地減少由加熱器電流所引起的離子軌道偏移。
當加熱元件與彼此緊密相鄰時，磁場之消除會係最有效的。上述之實施例中的功率源可為DC或AC，因若係提供交流電，加熱器元件仍會具有反向平行的電流。若使用AC，AC為在一低於10 KHz之低頻。低頻AC係較易於切換，且並不需高頻AC以消除磁效應。
藉由消除磁場及減少離子軌道偏移，上述之實施例提供：1)對於高深寬比處理的改善。2) 對於中心及邊緣均勻度的改善。3)使用可簡化控制電子元件的DC供電之加熱器的能力。
圖4為另一實施例中的具有加熱元件154之ESC 120的俯視示意圖。此範例中的加熱元件154為兩各別導電元件，該等導電元件形成將近兩個完整迴路，其具有形成一將近完整第一迴路的第一加熱電流路徑404以及形成一將近完整第二迴路的第二加熱電流路徑408。第一加熱電流路徑404在以下各處電氣連接至餽電線：在第一加熱電流路徑404的第一端的第一接點412、以及在第一加熱電流路徑404的第二端(第一加熱電流路徑404的第一端之相反端)的第二接點416。第二加熱電流路徑408在以下各處電氣連接至餽電線：在第二加熱電流路徑408的第一端的第三接點420、以及在第二加熱電流路徑408的第二端(第二加熱電流路徑408的第一端之相反端)的第四接點424。在此範例中，在第一電流路徑404與第二電流路徑408之間的標示為「D」的距離為小於4 mm。在此範例中，沿著第一電流路徑404之100%長度期間，第一電流路徑404與第二電流路徑408相距4 mm之內。在此範例中，導線連接至第一加熱電流路徑404及第二加熱電流路徑408，其連接方式使得電流以在第一電流路徑404中的電流與第二電流路徑408中的電流為反向平行的方式流過加熱元件154，如指示電流之流動的箭頭所示。此可藉由以下方式而達成：藉由將第一接點412及第三接點420連接至熱電源供應器150之相同的第一端子或相同的餽電線；以及藉由將第二接點416及第四接點424連接至熱電源供應器150之相同的第二端子或相同的餽電線。在此實施例中，第一加熱電流路徑404及第二加熱電流路徑408係具有反向平行電流的電氣平行電路。
在此實施例中，第二加熱元件具有第三電流路徑428及第四電流路徑432。第三及第四電流路徑428、432亦具有反向平行的電流路徑流動，因此其能夠充分抵消彼此的磁場。第一加熱元件154可在第一加熱區域中，而第二加熱元件可在第二加熱區域中。不同的加熱區域可具有不同的電流量，以提供獨立控制的兩溫度控制。在另一實施例中，可將第一、第二、第三、及第四電流路徑電氣連接以形成單一加熱元件，其係整體一起控制以提供單一溫度區域。
在其他實施例中，可以另一型式之轉換器取代降壓轉換器。較佳的情況為，針對第一電流路徑之至少50%長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內，且針對第二電流路徑之至少50%長度，第二加熱電流路徑與第一加熱電流路徑係相距於距離D之內。更佳的情況為，針對第一電流路徑之至少75%長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內，且針對第二電流路徑之至少75%長度，第二加熱電流路徑與第一加熱電流路徑係相距於距離D之內。最佳的情況為，針對第一電流路徑之100%長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內，且針對第二電流路徑之100%長度，第二加熱電流路徑與第一加熱電流路徑係相距於距離D之內。較佳的情況為，針對相等於ESC半徑之一長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內。更佳的情況為，針對相等於ESC直徑之一長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內。較佳的情況為，針對至少5 cm之長度，第一加熱電流路徑與第二加熱電流路徑係相距於距離D之內。D較佳為4 mm。D更佳為2 mm。
為了充分抵消相鄰電流路徑的磁場，電流必須係實質上相等。較佳的情況為，實質上相等之電流具有低於25%之差異。
圖5為另一實施例中的具有加熱元件154之ESC 120的俯視示意圖。此範例中的加熱元件154為三個各別導電元件，該等導電元件形成將近三個完整迴路，其具有形成一將近完整第一迴路的第一加熱電流路徑504、形成一將近完整第二迴路的第二加熱電流路徑508、以及形成一將近完整第三迴路的第三加熱電流路徑528。第一加熱電流路徑504具有第一端512及在第一加熱電流路徑504的第二端(第一加熱電流路徑504的第一端512之相反端)的接點516。第二加熱電流路徑508具有在第二加熱電流路徑508的第一端的接點520及第二加熱電流路徑508的第一端之相反端的第二端524。第三加熱電流路徑528具有第一端532及在第三加熱電流路徑528的第二端(第三加熱電流路徑528的第一端532之相反端)的接點536。在此範例中，沿著第一電流路徑504之100%長度期間，第一加熱電流路徑504、第二加熱電流路徑508、以及第三加熱電流路徑528彼此間皆相距4 mm之內。在此範例中，導線連接至第一加熱電流路徑504、第二加熱電流路徑508、以及第三加熱電流路徑528，其連接方式使得電流以在第一電流路徑504中的電流與第二電流路徑508中的電流為反向平行、且在第二電流路徑508中的電流與第三電流路徑528中的電流為反向平行的方式流過加熱元件154，如指示電流之流動的箭頭所示。此外，在第一電流路徑504及第三電流路徑528中的電流之總和實質上等於在第二電流路徑508中的電流。此可藉由以下方式而達成：將接點520連接至熱電源供應器150之第一端子，並將接點516及接點536連接至熱電源供應器150之第二端子，且將第一加熱電流路徑504的第一端512、第二加熱電流路徑508的第二端524、以及第三加熱電流路徑528的第一端532連接在一起。此外，第二加熱電流路徑的電流會等於第一電流路徑及第三電流路徑的電流之總和。
為了實質上消除由電流路徑所產生的磁場，可提供利用具有反向平行之電流流動之相鄰電流路徑的其他構造。如此之系統藉由減低由電阻加熱元件所產生的磁場而改善高深寬比蝕刻。在其他構造中，基板支座可用於電容耦合式或其他供電方式的電漿處理腔室中。在其他實施例中，第一及第二加熱電流路徑可由複數之導電路徑所構成，且流過第一加熱電流路徑的電流之總和係在流過第二加熱電流路徑的電流之總和的25%之內，因此該等總和為實質上相等。用以替代ESC，可使用其他基板支座。例如，基板支座可使用機械式夾頭系統。
在一些實施例中，加熱電流路徑形成一圓之大部分圓周或形成一螺旋。如此之構造容許各別控制的內部區域及外部區域。在其他實施例中，加熱電流路徑可為直線形或可具有其他構造。電阻加熱元件可嵌於ESC的基板支座本體內或嵌於基板支座本體的表面上。
雖然本揭露內容已以數個較佳實施例敘述，但其變化、排列、修改和各種替代相等物均包含於本揭露內容之範圍內。應當注意的是，有很多替代方式以執行本揭露內容之方法及儀器。因此隨附的申請專利範圍應釋為包含所有變化、排列及各種替代均等物均包含於本揭露內容之精神及範圍之內。
100‧‧‧電漿處理系統
102‧‧‧電漿反應器
104‧‧‧電漿處理腔室
106‧‧‧電漿電源供應器
108‧‧‧匹配網路
110‧‧‧TCP線圈
112‧‧‧功率窗
114‧‧‧電漿
116‧‧‧偏壓電源供應器
118‧‧‧匹配網路
120‧‧‧靜電夾頭(ESC)
124‧‧‧控制器
130‧‧‧氣體源/氣體供應機構
136‧‧‧氣體進料器
140‧‧‧基板
142‧‧‧壓力控制閥
144‧‧‧泵浦
150‧‧‧熱電源供應器
152‧‧‧腔室牆
154‧‧‧電阻加熱元件
158‧‧‧餽電線
204‧‧‧第一加熱電流路徑
208‧‧‧第二加熱電流路徑
212‧‧‧第一接點
216‧‧‧第二接點
300‧‧‧電子控制件
404‧‧‧第一加熱電流路徑
408‧‧‧第二加熱電流路徑
412‧‧‧第一接點
416‧‧‧第二接點
420‧‧‧第三接點
424‧‧‧第四接點
428‧‧‧第三加熱電流路徑
432‧‧‧第四加熱電流路徑
504‧‧‧第一加熱電流路徑
508‧‧‧第二加熱電流路徑
512‧‧‧第一加熱電流路徑504的第一端
516‧‧‧接點
520‧‧‧接點
524‧‧‧第二加熱電流路徑508的第二端
528‧‧‧第三加熱電流路徑
532‧‧‧第三加熱電流路徑528的第一端
536‧‧‧接點
本揭露內容係藉由舉例的方式(且非限制性地)描繪於隨附圖式之圖形中，其中類似的參考符號代表相似的元件，及其中
圖1示意性地說明一電漿處理系統之範例，其可使用一實施例。
依據一實施例，圖2為具有加熱元件之ESC的俯視示意圖。
圖3為用於一實施例之熱電源供應器的電子控制件的電路圖。
圖4為另一實施例中的具有加熱元件之ESC的俯視示意圖。
圖5為另一實施例中的具有加熱元件之ESC的俯視示意圖。

Claims (18)

  1. 一種用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該基板支座包含： 一基板支座本體；以及 至少一電阻加熱元件，其嵌在該基板支座本體之內或之上，該至少一電阻加熱元件包含在該基板支座本體之內或之上的一第一加熱電流路徑以及在該基板支座本體之內或之上的一第二加熱電流路徑，其中該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑相距4 mm之內，且流過該第一加熱電流路徑的電流與流過該第二加熱電流路徑的電流為相反方向。
  2. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一加熱電流路徑具有一長度，且其中針對該第一加熱電流路徑的至少一半之該長度，該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑相距4 mm之內。
  3. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一加熱電流路徑具有一長度，且其中針對該第一加熱電流路徑的至少一半之該長度，該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑相距2 mm之內。
  4. 如申請專利範圍第3項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一加熱電流路徑及該第二加熱電流路徑係配置以承載實質上相等的電流量。
  5. 如申請專利範圍第4項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一DC功率源。
  6. 如申請專利範圍第5項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含一降壓轉換器或升壓轉換器，該降壓轉換器或升壓轉換器係電氣連接於該DC功率源與該電阻加熱元件之間。
  7. 如申請專利範圍第4項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一AC功率源。
  8. 如申請專利範圍第3項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一及第二加熱電流路徑係由一或更多導電路徑所構成，且流過該等第一加熱電流路徑的電流之總和係在流過該等第二加熱電流路徑的電流之總和的25%之內。
  9. 如申請專利範圍第2項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一低頻AC功率源。
  10. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一加熱電流路徑及該第二加熱電流路徑係配置以承載實質上相等的電流量。
  11. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一DC功率源。
  12. 如申請專利範圍第11項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含一降壓轉換器或升壓轉換器，該降壓轉換器或升壓轉換器係電氣連接於該DC功率源與該電阻加熱元件之間。
  13. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一AC功率源。
  14. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一及第二加熱電流路徑係由一或更多導電路徑所構成，且流過該等第一加熱電流路徑的電流之總和係在流過該等第二加熱電流路徑的電流之總和的25%之內。
  15. 如申請專利範圍第1項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一低頻AC功率源。
  16. 一種用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該基板支座包含： 一基板支座本體；以及 至少一電阻加熱元件，其嵌在該基板支座本體之內或之上，該至少一電阻加熱元件包含在該基板支座本體之內或之上的一第一加熱電流路徑以及在該基板支座本體之內或之上的一第二加熱電流路徑，該第二加熱電流路徑與該第一加熱電流路徑為反向平行且相距4 mm之內。
  17. 如申請專利範圍第16項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，其中該第一加熱電流路徑具有一長度，且其中針對該第一加熱電流路徑的至少一半之該長度，該第一加熱電流路徑與該第二加熱電流路徑為反向平行且相距4 mm之內。
  18. 如申請專利範圍第17項之用以在一半導體處理腔室內支撐一基板的基板支座，更包含電氣連接至該電阻加熱元件的一DC功率源。
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