TW202322178A - 用於半導體處理腔室組件的釔鋁鈣鈦礦（ｙａｐ）基塗層 - Google Patents

用於半導體處理腔室組件的釔鋁鈣鈦礦（ｙａｐ）基塗層 Download PDF

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臨 許
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Abstract

提供用於在半導體處理腔室中使用的組件。組件本體包含金屬材料或陶瓷材料。在組件本體的表面上配置塗層，其中塗層包含釔鋁氧化物之層，釔鋁氧化物層係由在至少90%的釔鋁氧化物層上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之莫耳比的組合物形成。

Description

用於半導體處理腔室組件的釔鋁鈣鈦礦(YAP)基塗層
本揭示內容大體上係關於半導體裝置的製造。更具體地，本揭示內容係關於在製造半導體裝置中使用的腔室組件。
本申請案主張於2021年8月9日申請之美國專利申請案第63/231,049號的優先權，基於所有目的該申請案乃藉由參照併入本文中。
於半導體晶圓處理期間，電漿處理腔室係用於處理半導體裝置。電漿處理腔室承受電漿鹵素及/或氧，其可能劣化電漿處理腔室中的組件。
本文所提供之先前技術說明係為了大體上呈現所揭示內容之脈絡。在此先前技術章節中所敘述之範圍內的本案列名之發明人的成果、以及在申請時可能不適格作為先前技術之說明書的實施態樣，皆非有意地或暗示地被承認為對抗本揭示內容之先前技術。
為達成前述及依據本揭示內容之目的，提供用於在半導體處理腔室中使用的組件。組件本體包含金屬材料或陶瓷材料。在組件本體的表面上配置塗層，其中塗層包含釔鋁氧化物之層，釔鋁氧化物層係由在至少90%的釔鋁氧化物層上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之莫耳比的組合物形成。
在另一實施態樣中，提供用於製造在半導體處理腔室中使用之組件之方法。組件本體包含金屬材料或陶瓷材料。在組件本體的表面上配置塗層，其中塗層包含釔鋁氧化物之層，釔鋁氧化物層係由在至少90%的釔鋁氧化物層上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之莫耳比的組合物形成。
以下在詳細說明內容中並結合隨附圖式將更詳細描述本揭示內容的此些和其他特徵。
現將參考如附圖中繪示之實施例中的些許較佳實施例來詳細描述本揭示內容。在以下說明內容中，為了提供對本揭示內容的透徹理解而提出許多具體細節。然而，對於熟悉本技術領域人士而言將顯見可在不具有部分或全部的此些具體細節下實現本揭示內容。在其他情況下，為避免不必要地混淆本揭示內容而沒有詳細描述已知的製程步驟及/或結構。
本文所述的諸多實施例提供耐抗經由例如電漿蝕刻之製程產生之電弧及/或腐蝕所造成之損害的半導體處理腔室組件，因而抑制或最小化組件的損耗或退化，組件的損耗或退化可能發生自例如電漿處理腔室之半導體處理系統中固有的電漿及蝕刻製程。
為便於理解，圖1為製造及使用用於例如電漿處理腔室之半導體處理腔室之組件的第一實施例之製程的高階流程圖。提供或形成(步驟104)用於半導體處理腔室組件的基板本體。參考圖2A至圖2D，所提供的基板本體204可形成為用於在電漿處理腔室中使用的組件200的形狀。示例性的半導體處理腔室組件包括尖塔(pinnacle)、襯墊、襯墊門、靜電卡盤(ESCs)、介電窗、腔體、或與其相似的組件。
在圖2A至2D所示的實施例中，組件200係形成為具有尖塔形式之基板本體而具有曝露至半導體處理腔室內之半導體製程的至少一表面(例如內表面208)。圖2A為組件200的俯視圖，且圖2B為組件200的剖面圖。圖2C顯示於基板本體204之內表面208處截面A-A的近視圖。
在某些實施例中，基板本體204包含例如鋁金屬或鋁合金(例如A16061-T6)或其他金屬合金的金屬材料。在某些實施例中，於任何塗層製程之前陽極化及/或密封基板本體204。陽極化可為II 型或 III 型(硬質)陽極化。可經由本技術領域中可用的任意數量的可用密封製程來執行密封，包括但不限於熱去離子水(DI)密封製程。
可經由些許的諸多生產製程來形成基板本體204，例如藉由機械加工、或鑄造鋁以形成特定組件形狀。在其他實施例中，基板本體204包含半導體或陶瓷材料，例如像是矽、碳化矽、氧化鋁或氧化釔穩定的氧化鋯。亦可使用燒結或多晶材料。
在一實施例中，可藉由鑄造半導體或陶瓷材料以形成特定組件形狀而形成基板本體204，例如藉由將熔融的半導體或陶瓷材料傾倒或注入模具中，其中熔融的半導體或陶瓷材料在模具中以硬化形式冷卻以形成所需的形狀。在其他實施例中，半導體或陶瓷材料係固化成圓柱狀，而後經由輪磨或其他機械加工技術加工成最終的幾何形狀。吾人亦理解可經由例如鑄造或燒結的諸多方法來形成、或經由諸多形式的積層製造來製成半導體或陶瓷材料。若有必要，這些主體材料產生方法而後可加工(或經由例如雷射消熔的諸多其他技術將材料移除)成所需的目標尺寸。
在步驟104之前、 之後或與步驟104同時地，提供或形成包含釔及鋁的塗層組合物(步驟108)。在一實施例中，釔鋁組合物包含1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁的莫耳比。在另一實施例中，釔鋁氧化物組合物包含1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之莫耳比的分散氧化釔及氧化鋁的粉末組合物。
參考圖1及圖2D，於提供基板本體204及釔鋁組合物之後，在基板本體204的一或更多表面208上沉積或以其他方法形成(步驟112)釔鋁氧化物層212(圖2D)以形成組件200。釔鋁氧化物層212提供特別適合作為面向半導體處理之表面而耐抗濺鍍及腐蝕的表面216，特別是來自半導體及/或電漿處理腔室中固有的氟和其他活性物種或侵蝕性蝕刻製程或環境的濺鍍及腐蝕。
在一實施例中，釔鋁氧化物層212係藉由在組件本體的一或更多表面208上噴塗釔鋁組合物來形成，而導致釔鋁氧化物層212具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁的莫耳比。在某些實施例中，釔鋁氧化物層212包含1.0至2.7比1.0至3.3的釔與氧之莫耳比。在另一實施例中，釔鋁氧化物層212包含YAlO 3，亦稱為釔鋁鈣鈦礦(YAP)。在某些實施例中，釔鋁氧化物層212之組合物係由至少70%(重量)的釔鋁鈣鈦礦(YAP)組成，且在替代的實施例中至少50%的釔鋁氧化物層212之組合物在如上所定義的化學計量下為非晶質。在其他實施例中，至少90%的釔鋁氧化物層212之組合物在如上所定義的化學計量下為非晶質。在進一步的實施例中，至少95%的釔鋁氧化物層212之組合物的材料在如上所定義的化學計量下為非晶質。
在某些實施例中，經由熱噴塗沉積技術塗敷釔鋁氧化物層212，熱噴塗沉積技術例如HVOF(高速氧氣燃料)、SPS(懸浮電漿噴塗)、APS(大氣電漿噴塗)、真空電漿噴塗、或與其相似的技術而提供基板本體204之表面208上的實質上均勻層。
於沉積步驟112之前，可預處理基板本體204的一或更多表面(例如內表面208)，除了諸如蝕刻、陽極化、或密封等的化學處理以外，預處理例如為紋理化、粗糙化、或其他機械處理以增加表面粗糙度及/或最小化缺陷(例如裂痕)，以移除或實質上移除雜質或氧化物(例如氧化矽、氧化鋁)以及可能於生產製程期間發生的對基板內表面208的表面損傷或是基板內表面208上鬆散附著的微結構。例如，當初給矽基板時，可在基板本體204上執行去離子(DI)水清洗，隨後藉由混合酸蝕刻以移除任何的表面缺陷，且亦增加表面粗糙度(即以最小的機械力可控地紋理化表面或次表面損壞)以改善塗層的附著力。在一實施例中，基板本體204表面具有介於2至7 μm RA粗糙度之間的粗糙度。在另一實施例中，基板本體204表面具有介於4至6 μm RA粗糙度之間的粗糙度。紋理化/粗糙化表面的示例性方法可包括表面機械加工、噴粒或噴砂處理、雷射紋理化、或與其相似的處理。
在某些實施例中，至少5%(重量)的釔鋁氧化物層212包含非退火結晶結構。在其他實施例中至少15%的釔鋁氧化物層212包含非退火結晶結構。此處將「非退火」定義為在沒有額外退火以形成或增強結晶結構的情況下沉積步驟112之結果產生的結晶結構。
在諸多實施例中，釔鋁氧化物層212的厚度可依據一或更多因素而變化，包括組件的型式、組件的位置、組件的幾何形狀、基板材料性質、成本等。依據一實施例，釔鋁氧化物層212的厚度介於約50微米(μm)至600 μm。相對於通常極易受到腐蝕和氟侵蝕、且亦導致運行現代含鹵素製程的電漿反應器中侵蝕及/或反應副產物顆粒之生成的現有氧化釔塗層，本案技術的釔鋁氧化物層212提供顯著的進步。相對於由於較低分子量金屬成分及高位準的氟化鋁生成而具低濺鍍阻抗的現有氧化鋁塗層，本案技術的釔鋁氧化物層212亦提供顯著的進步。再者，儘管YAG(Y 3Al 5O 12)塗層似可提供極佳的氟與濺鍍阻抗，當使用熱噴塗製程塗敷時，如此塗層的諸多機械與結構特性並不理想。特別是，來自APS沉積期間之內在應力的局部相(玻璃/非晶形相對於結晶形)、化學、及顯微裂痕使得如此塗層不理想。本案技術的釔鋁氧化物層212亦提供對於基板本體204的改良附著力。總而言之，本文詳述的釔鋁氧化物層212，以及特別是在層之厚度與表面上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之莫耳比且由至少70%(重量)之釔鋁鈣鈦礦(YAP)組成的釔鋁氧化物層212，乃提供較高的結晶含量(5%以上)，從而相對於氧化釔、氧化鋁、或YAG之塗層改善了機械及結構特性，連同改善了濺鍍阻抗。此外，藉由具有接近1:1莫耳比的鋁與釔，該塗層將主要為YAP(超過95%(重量))與些許釔鋁石榴石(YAG)、釔鋁單協晶(YAM)、及氧化釔而幾乎沒有氧化鋁(少於0.1%(重量))。由於釔鋁氧化物及氧化釔較氧化鋁更為抗蝕刻，提供幾乎沒有氧化鋁或無氧化鋁的塗層乃提供更抗蝕刻之塗層。
在經由圖1的步驟104至112適當地處理組件200之後，接著將組件200安裝或以其他方式裝設於例如電漿處理腔室的半導體處理腔室內(步驟116，圖1)。圖1中繪示的製造過程特別有用於製造所使用之基板材料通常會被消耗或易受來自電漿處理腔室中常見之氧/鹵素活性物種腐蝕的電漿處理腔室組件。
在某些本文揭示的實施例中，從圖1、及圖2A至圖2D所繪示的製程中形成的組件200被導向至特定應用/裝設作為在電漿處理腔室(例如圖3的電漿處理腔室系統300)中使用的尖塔或相似組件(例如，尖塔372)。然而，吾人理解可將從圖1、及圖2A至圖2D所繪示的製程中形成的組件200實施作為電漿處理腔室系統300或其他半導體處理腔室中任意數量的組件，例如在具有電漿或其他面對半導體製程表面的其他腔室中的靜電卡盤(ESCs)、高流量襯墊、介電窗等。
在某些實施例中，組件200的整體外表面可被處理為包括如圖1、及圖2A至圖2D繪示的製程中所提供的釔鋁氧化物層212。然而，吾人理解僅一部分的組件之外表面需要被處理。例如，可僅將面對電漿表面(例如內表面208-參見圖2B)處理為具有釔鋁氧化物層212。如此部分塗層處理可能需要遮罩不被塗佈的部分。在某些實施例中，面對電漿表面或面對半導體製程表面係於電漿處理期間曝露至電漿的表面或者係於高溫及低壓下曝露至活性鹵素物種。活性鹵素物種可能從遠端電漿或熱活性氟中形成。
返回參考圖1中揭示的製程，在電漿處理腔室中使用組件200(步驟120)以促進加工晶圓366(圖3)上的半導體製造。電漿處理可為蝕刻、沉積、鈍化、或另一電漿製程中的一或更多製程。亦可結合非電漿處理執行電漿處理。
為加速理解，圖3示意性地繪示可在實施例中使用的電漿處理腔室系統300的範例。電漿處理腔室系統300包括於其中具有電漿處理腔室304的電漿反應器302。藉由功率匹配網路308調諧的電漿功率源306供應功率至位於介電感應功率窗312附近的變壓器耦合電漿(TCP)線圈310以藉由提供電感耦合功率而在電漿處理腔室304中產生電漿314。
尖塔372從電漿處理腔室304的腔室牆376延伸至介電感應功率窗312，而形成尖塔環形結構。尖塔372相對於腔室牆376及介電感應功率窗312成一角度。例如，尖塔372與腔室牆376之間的內角以及尖塔372與介電感應功率窗312之間的內角可各自大於90˚並小於180˚。如圖所示，尖塔372提供靠近電漿處理腔室304之頂部的斜角環狀結構。
可將TCP線圈(上功率源)310配置以產生電漿處理腔室304內的均勻擴散曲線。例如，可將TCP線圈310配置以產生電漿314中的環形功率分布。提供介電感應功率窗312以將TCP線圈310與電漿處理腔室304分隔同時允許能量從TCP線圈310通至電漿處理腔室304。藉由偏壓匹配網路318調諧的晶圓偏壓功率源316提供功率至ESC部件380以在當放置加工晶圓366於ESC部件380上時設定偏壓。控制器324控制電漿功率源306以及晶圓偏壓功率源316。
於電漿處理腔室304內可提供高流量襯墊或相似的襯墊，並亦可依據圖1中繪示的步驟形成、裝設及使用該些襯墊。高流量襯墊侷限來自氣體源330的氣體並可包括保持氣體之受控流動以從氣體源330通至泵344的複數槽(未顯示)。
可將電漿功率源306及晶圓偏壓功率源316配置以於特定射頻下操作，例如，像是13.56百萬赫(MHz)、27 MHz、1 MHz、2 MHz、60 MHz、400千赫(kHz)、2.54吉赫(GHz)、或以上之結合。可適當地調整電漿功率源306及晶圓偏壓功率源316以供應一定範圍的功率以便達成所需的處理效能。例如，在一實施例中，電漿功率源306可供應50至5000瓦特之範圍內的功率，且晶圓偏壓功率源316可供應20至3000伏特(V) 之範圍內的偏壓。此外，TCP線圈310及/或ESC部件380可包含二或更多子線圈或子電極。可藉由單功率源通電或藉由多功率源通電該些子線圈或子電極。
如圖3所示，電漿處理腔室系統300進一步包括氣體源/氣體供應機構330。氣體源330經由例如氣體注入器340的氣體入口與電漿處理腔室304流體連通。氣體注入器340具有至少一鑽孔341以允許氣體通過氣體注入器340進入電漿處理腔室304。氣體注入器340可位於電漿處理腔室304中任何有利的位置並可採取任何形式以注入氣體。然而，較佳地，可將氣體入口配置以產生「可調諧的」氣體注入曲線。可調諧的氣體注入曲線允許各氣體之流動至電漿處理腔室304中之多區域的獨立調整。更佳地，氣體注入器係安裝至介電感應功率窗312。氣體注入器係可安裝於功率窗上、安裝於功率窗內、或形成部分的功率窗。經由壓力控制閥342及泵344將處理氣體及副產物從電漿處理腔室304中移除。壓力控制閥342及泵344亦用作以維持電漿處理腔室304內的特定壓力。於處理期間壓力控制閥342可維持小於1托的壓力。可於ESC部件380之頂部周圍放置一或更多邊緣環。藉由控制器324控制氣體源/氣體供應機構330。
如圖3中所示，放置加工晶圓366於電漿處理腔室304中，並特別放置於ESC部件380之上或之內。施加電漿製程至加工晶圓366(例如圖1的步驟120)。於此範例中，加工晶圓366之電漿處理係用於提供加工晶圓366上之堆疊之部分的蝕刻，例如用於蝕刻堆疊中的含鎢層。於此實施例中，電漿製程加熱至高達550℃以上的溫度。此外，電漿製程於電漿處理腔室304之內部上沉積殘留物。於加工晶圓366的電漿處理之後，將加工晶圓366自電漿處理腔室304中移除。清潔電漿處理腔室304以移除所沉積的殘留物。於此實施例中，使用來自遠端氟電漿的活性氟來清潔電漿處理腔室304的內部。提供在1毫托(m托)至10托之範圍內的壓力。ESC部件380沒有充分冷卻而維持在500℃以上的溫度。於完成清潔之後，可放置新的加工晶圓366於電漿處理腔室304中以開始新的循環。在另一範例中，電漿處理係用以提供包含碳層、多晶矽層、或氧化物/氮化物層的蝕刻。於如此範例中，將晶圓溫度控制在0℃至150℃的範圍內並於晶圓處理之後藉由原位氧(O 2)及三氟化氮(NF 3)電漿來清潔腔室。
儘管於圖3的實施例中參考用於電漿處理腔室系統300之感應耦合電漿(ICP)反應器內的使用而顯示組件200，吾人理解可使用其他的組件及/或電漿處理腔室的型式。可使用由加州弗里蒙特(Fremont, CA)的科林研發公司(Lam Research Corp.)製造的Kiyo或Sense.i電漿處理腔室以實行實施例。可於其中使用組件200的其他型式之電漿處理腔室的範例為電容式耦合電漿處理腔室(CCP’s)、斜角電漿處理腔室、及與其相似的處理腔室。在另一範例中，電漿處理腔室可為介電質處理腔室或導體處理腔室。
在某些實施例中，塗層具有30 nm至2 μm之範圍內的厚度。在某些實施例中，塗層具有50 nm至500 nm之範圍內的厚度。在某些實施例中，塗層具有50 nm至250 nm之範圍內的厚度。在某些實施例中，塗層具有30 nm至600 μm之範圍內的厚度。可藉由化學氣相沉積(CVD)及原子層沉積(ALD)的至少其中之一或結合來塗敷如此塗層。在某些實施例中，使用部分ALD及部分CVD製程，其中在未達到完美平衡的情況下於每一步驟使用ALD製程以便提供更快的處理。
在某些實施例中，藉由將組件本體陶瓷粉末及塗層陶瓷粉末共燒結在一起以形成不同陶瓷層的陶瓷層壓板而形成組件本體及塗層。在某些實施例中，藉由共燒結形成的塗層具有100 μm至1 cm之範圍內的厚度。在某些實施例中，塗層具有500 μm至5 mm之範圍內的厚度。
儘管已依照些許較佳實施例來描述本揭示內容，仍有更改、排列、修改、及諸多替代同等方式而落入本揭示內容之範圍內。應注意的是，存在許多實施本揭示內容之方法及設備的替代方式。因此，旨在將隨附申請專利範圍解釋為包括落入本揭示內容之真實精神及範圍內的所有如此之更改、排列及諸多替代同等方式。
104,108,112,116,120:步驟 200:組件 204:基板本體 208:內表面 212:釔鋁氧化物層 216:表面 300:電漿處理腔室系統 302:電漿反應器 304:電漿處理腔室 306:電漿功率源 308:功率匹配網路 310:變壓器耦合電漿(TCP)線圈 312:介電感應功率窗 314:電漿 316:晶圓偏壓功率源 318:偏壓匹配網路 324:控制器 330:氣體源 340:氣體注入器 341:鑽孔 342:壓力控制閥 344:泵 366:加工晶圓 372:尖塔 376:腔室牆 380:ESC部件
在附圖的圖示中藉由範例的方式而非限制的方式說明本揭示內容，且其中相似參考符號涉及相似的元件，且其中：
圖1為實施例的高階流程圖。
圖2A至圖2D顯示用於製造在電漿處理腔室中使用之組件之方法的實施例。圖2A為尖塔形式之組件基板的俯視圖。圖2B為圖2A之組件基板的剖面圖。圖2C為圖2A之基板之表面的細部剖面圖。圖2D為塗佈至圖2A之基板的釔鋁氧化物層的細部剖面圖。
圖3為可在實施例中使用的電漿處理腔室的示意圖。
104,108,112,116,120:步驟

Claims (20)

  1. 一種在一半導體處理腔室中使用的組件，包含： 一組件本體，包含一金屬材料或陶瓷材料；及 一塗層，配置於該組件本體的一表面上； 其中該塗層包含一釔鋁氧化物層，該釔鋁氧化物層係由在至少90%的該釔鋁氧化物層上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之一莫耳比的一組合物形成。
  2. 如請求項1之組件，其中該組件本體包含鋁金屬。
  3. 如請求項1之組件，其中該組件本體包含矽、碳化矽、氧化鋁、或氧化釔穩定的氧化鋯。
  4. 如請求項1之組件，其中該釔鋁氧化物層包含至少70%(重量)的釔鋁鈣鈦礦(YAP)。
  5. 如請求項1之組件，其中至少5%(重量)的該釔鋁氧化物層包含一非退火結晶結構。
  6. 如請求項1之組件，其中該組件包含以下半導體處理腔室組件中的一或更多者：一尖塔、一襯墊或一靜電卡盤(ESC)。
  7. 如請求項1之組件，其中該組件包含一介電窗。
  8. 如請求項1之組件，其中經由包含釔及鋁的一粉末組合物之熱噴塗而於該表面上形成該塗層。
  9. 如請求項8之組件，其中該粉末組合物包含莫耳比為1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁的分散氧化釔及氧化鋁。
  10. 如請求項1之組件，其中該表面包含一面向半導體處理表面且為抗濺鍍及腐蝕。
  11. 一種用於製造在一半導體處理腔室中使用的一組件的方法，包含： 形成包含一金屬材料或陶瓷材料的一組件本體；以及 於該組件本體的一表面上沉積一塗層； 其中該塗層包含一釔鋁氧化物層，該釔鋁氧化物層係由在至少90%的該釔鋁氧化物層上具有1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁之一莫耳比的一組合物形成。
  12. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該組件本體包含鋁金屬或金屬合金。
  13. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該組件本體包含矽、碳化矽、氧化鋁、或氧化釔穩定的氧化鋯。
  14. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該釔鋁氧化物層包含至少70%(重量)的釔鋁鈣鈦礦(YAP)。
  15. 如請求項11之製造該組件的方法，其中至少5%(重量)的該釔鋁氧化物層包含一非退火結晶結構。
  16. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該組件包含以下半導體處理腔室組件中的一或更多者：一尖塔、一襯墊或一靜電卡盤(ESC)。
  17. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該組件包含一介電窗。
  18. 如請求項11之製造該組件的方法，其中經由包含釔及鋁的一粉末組合物之熱噴塗而於該表面上形成該塗層。
  19. 如請求項18之製造該組件的方法，其中該粉末組合物包含莫耳比為1.0至0.9釔比1.0至1.1鋁的分散氧化釔及氧化鋁。
  20. 如請求項11之製造該組件的方法，其中該表面包含一面向半導體處理表面且為抗濺鍍及腐蝕。
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