TWI501336B - 用以控制感應耦合電漿室中邊緣表現的設備與方法 - Google Patents
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Description
本發明之實施例大致關於處理半導體基材之方法與設備。更明確地，本發明之實施例提供利用一致性改善之感應耦合電漿技術來處理半導體基材之方法與設備。
用於製造半導體微電子電路之電漿反應器可應用RF(射頻)感應耦合場來維持處理氣體形成之電漿。傳統感應耦合電漿反應器通常包括具有側壁與頂板之真空室、位於室中且通常面對頂板之工件支撐底座、能夠供應處理氣體進入室中之氣體入口、及一或更多覆蓋頂板之線圈天線。一或更多線圈天線通常圍繞一大致垂直於頂板之對稱軸。RF電漿源功率提供器橫跨連接至各個線圈天線。有時，反應器可包括一覆蓋頂板且由外線圈天線圍繞之內線圈天線。
一般而言，將高頻率RF源功率信號施加至一或更多靠近反應器室頂板之線圈天線。配置在室中之底座上的基材具有施加於其之偏壓RF信號。施加至線圈天線之信號的功率主要確定室中的電漿離子密度，而施加至基材之偏壓信號的功率則確定晶圓表面處的離子能量。
線圈通常具有「內」與「外」線圈天線而徑向或水平地分散(而不是侷限於離散半徑範圍中)，以致因此分散其之徑向位置。藉由改變內與外天線間之施加RF功率的相對分配來改變電漿離子分佈之徑向分佈。然而，當晶圓變得較大時，較難以維持橫跨整個晶圓表面的均勻電漿離子密度。
第1圖示意性地描繪典型感應耦合電漿反應器所遭遇之基材邊緣附近的不均勻問題。第1圖顯示在典型感應耦合電漿反應器中執行氮化處理後橫跨基材的氮劑量。在形成於基材上之二氧化矽閘極介電膜上執行氮化處理。將基材置於能夠產生感應耦合電漿之真空室中。使氮氣流至電漿室並在流動持續時擊發(strike)電漿。氮電漿中的氮自由基與/或氮離子接著擴散並/或轟擊進入二氧化矽閘極介電膜。
第1圖係直徑掃描圖，其顯示在感應耦合電漿反應器中執行氮化後，橫跨300mm基材之整個表面直徑的氮劑量(Ndose)。第1圖中的直徑掃描圖描繪出不均勻問題的其中之一-邊緣區域附近的低劑量，通常稱為邊緣-降低。樂於在典型情況下減少邊緣降低以達成橫跨基材之均勻性。有時，樂於將邊緣效能調整為高點或低點以滿足特定需求。
因此，需要一種利用具有控制邊緣表現能力之感應耦合電漿技術來處理半導體基材的設備與方法。
本發明大致提供在處理過程中控制基材上之邊緣處理表現的方法與設備。
本發明之一實施例提供處理基材之設備，其包括界定處理空間之腔室主體、設置以將處理氣體流入處理空間之氣體入口、及配置於處理空間中之支撐底座，其中支撐底座包括頂部平板，其具有設置以於背側上接收並支撐基材之基材支撐表面、及設置以沿著基材之外邊緣圍繞基材之邊緣表面，其中基材之頂表面與邊緣表面間之高度差異係用來控制基材之邊緣區域對處理氣體的暴露。
本發明之另一實施例提供處理室中支撐底座所用之頂部平板，其包括具有實質平板外形之主體，其中主體具有設置以於背側上接收並支撐基材之基材支撐表面、及設置以沿著基材之外邊緣圍繞基材之邊緣表面，其中基材之頂表面與邊緣表面間之高度差異係經設計以達成基材之邊緣區域對流入處理室中之處理氣體的所欲之暴露。
本發明之又一實施例提供調整邊緣處理表現之方法，其包括在處理室中提供支撐底座，其中支撐底座具有設置以接收並支撐基材於其上之基材支撐表面、及設置以沿著基材之外邊緣圍繞基材之邊緣表面；將基材置於基材底座上；使處理氣體流至處理室；並以處理氣體處理基材，其中基材之頂表面與邊緣表面間之高度差異係用來控制基材之邊緣區域對流至處理室之處理氣體的暴露。
本發明大致提供利用感應耦合電漿來處理半導體基材之設備與方法。本發明之實施例提供具有提供改善均勻性之特徵的感應耦合電漿反應器。明確地說，本發明之感應耦合電漿反應器包括能夠調協邊緣表現分佈之基材支撐組件。
第2圖示意性描繪根據本發明一實施例之電漿反應器100的剖面側視圖。電漿反應器100通常包括反應器室101與位於反應器室101上之天線組件102。天線組件102係經設置以在反應器室101中產生感應耦合電漿。
反應器室101具有圓柱形側壁105與平坦頂板110界定之處理空間103。基材支撐底座115係配置於反應器室101中，以面對平坦頂板110且位於室之對稱軸中心之關係加以定位。基材支撐底座115係經設置以支撐基材106於其上。基材支撐底座115包括設置以在處理過程中接收並支撐基材106之支撐主體117。一實施例中，基材支撐底座115具有圍繞基材106之邊緣表面118。邊緣表面118與基材106間之相對高度係經設置以調整基材106邊緣附近的處理結果。
複數個支撐梢116係可移動地配置於基材支撐底座115上並經設置以促進基材運送。真空泵120與反應器室101之真空埠121共同作用。狹縫閥埠104係形成於圓柱形側壁105上以讓基材運送進入與離開處理空間103。
處理氣體供應器125透過氣體入口130供應處理氣體進入處理空間103。氣體入口130可位於平坦頂板110中央並具有複數個氣體注射埠以引導氣體至處理空間103的不同區域。一實施例中，氣體入口130可經設置以分別供應可調節之處理氣體流至處理空間103的不同區域以達到處理空間103中所欲之處理氣體分佈。
天線組件102包括配置於反應器室之平坦頂板110上的圓柱形側壁126。線圈架設平板127係可移動地配置於側壁126上。側壁126、線圈架設平板127與平坦頂板110大致界定了線圈空間135。複數個線圈掛勾132自線圈架設平板127延伸於線圈空間135中。複數個線圈掛勾132係經設置以將一或更多線圈天線置於線圈空間135中。
一實施例中，內線圈131與外線圈129係配置於線圈空間135中以在處理過程中維持均勻的電漿離子密度橫跨整個基材表面。一實施例中，內線圈131的直徑約5英吋而外線圈129的直徑約15英吋。可在名稱為「Plasma Reactor Having a Symmetric Parallel Conductor Coil Antenna」之美國專利號6,685,798中發現不同設計之線圈天線的詳細描述，將其以參考資料併入本文中。
各個內線圈131與外線圈129可為螺線多導體插入式線圈天線，其界定垂直的正圓形圓柱體或虛構的圓柱形表面或位置，其之對稱軸實質重疊於反應器室101之對稱軸。樂於讓內線圈131與外線圈129之軸重疊於反應器室101中欲被處理之基材106的對稱軸。然而，內線圈131、外線圈129、反應器室101與基材106間之校準易受到造成偏斜之誤差的影響。線圈架設平板127係可移動地配置於側壁126上，以致內線圈131與外線圈129可一起或個別地傾斜於反應器室101。一實施例中，可旋轉線圈架設平板127與側壁126間之傾斜環128來調節線圈架設平板127。傾斜環128具有不同的厚度好讓線圈架設平板127傾斜架設。
電漿反應器100更包括功率組件134，其經設置以提供功率供應器給內線圈131與外線圈129。功率組件134通常包括RF功率供應器與匹配網路。一實施例中，功率組件134可置於線圈架設平板127上。
可在2007年12月19日申請名稱為「Apparatus and Method for Processing a Substrate Using Inductively Coupled Plasma Technology」之美國申請案號11/960,111中發現電漿反應器100的更詳細描述，將其以參考資料併入本文中。
第3A圖示意性地描繪根據本發明一實施例的支撐底座(例如，第2圖的基材支撐底座115)之頂部平板310的部分側視圖。
頂部平板310包括主體315，其具有設置以支撐基材301之背側303的基材支撐表面311。頂部平板310係經設置以接收並支撐基材301於基材支撐表面311上，以致基材301之元件側302暴露於處理氣體305之流動中。一實施例中，處理氣體305之流動可由射頻源擊發並於其中包括自由基。一實施例中，凹部314係形成於主體315中且位於基材支撐表面311中以減少頂部平板310與基材301間之接觸面積。因此，基材支撐表面311可具有環狀外形並支撐基材301之邊緣304附近的帶狀區域。一實施例中，頂部平板310係經設計以讓基材301之邊緣304沒有懸掛。
頂部平板310亦具有邊緣表面312，其位於基材支撐表面311徑向外側並經設置以圍繞基材301。一實施例中，邊緣表面312與基材301之元件側302間之高度差異313係經設計以控制進行中之處理的邊緣表現，更明確地說，高度差異313係用來控制處理過程中邊緣304對處理氣體305的暴露。因此，高度差異313可用來控制邊緣304約10mm區域中的表現。
第3B圖示意性地描繪根據本發明一實施例利用邊緣表面與欲被處理之基材頂表面間的高度差異來控制邊緣表現。第3B圖描繪常態化處理結果沿著欲被處理之基材徑向的表現分佈320a、320b、320c。處理結果可歸因於不同處理的不同參數，諸如摻雜處理的劑量、沉積厚度與電漿蝕刻的轟擊強度。
分佈320a係邊緣強烈表現，其指出基材之邊緣區域相對於基材之中央部分而言接收更多的處理氣體/電漿暴露。本發明之一實施例中，基材301之頂表面與頂部平板310之邊緣表面間的正高度差異313a係用來達成類似320a之邊緣表現。
分佈320b係邊緣平坦表現，其指出基材之邊緣區域相對於基材之中央部分而言接收相似的處理氣體/電漿暴露。本發明之一實施例中，基材301之頂表面與邊緣表面間的少量正高度差異313b係用來達成類似320b之邊緣表現。一實施例中，可將所欲厚度的邊緣環312b置於頂部平板310上以得到少量的正高度差異313b。一實施例中，少量的正高度差異可小於約0.5英吋。
分佈320c係邊緣衰弱表現，其指出基材之邊緣區域相對於基材之中央部分而言接收較少的處理氣體/電漿暴露。本發明之一實施例中，基材301之頂表面與邊緣表面間的負高度差異313c係用來達成類似320c之邊緣表現。一實施例中，可將所欲厚度的邊緣環312c置於頂部平板310上以得到負的高度差異313c。
第4圖示意性描繪根據本發明一實施例之支撐底座300的剖面側視圖。支撐底座300係經設置以接收並支撐基材於處理室(例如，第2圖之電漿反應器100)中。
支撐底座300包括頂部平板330，其具有設置以接收並支撐基材301之背側303的基材支撐表面331。頂部平板330透過轉接平板340堆疊於設施平板350上。頂部平板330、轉接平板340與設施平板350之堆疊接著透過轉接器360耦接至腔室主體370(部分顯示)，以致頂部平板330係密封地配置於腔室主體370所界定之處理空間中。
設施平板350係經設置以容納複數個驅動機構351，其經設置以提高與降低複數個舉升梢341。複數個舉升梢341係可移動地配置於複數個形成在頂部平板330中之梢孔336中。如第4圖所示，可將複數個舉升梢341提升高於頂部平板330以促進以基材處理器(例如，機器人)運送基材。接收基材301之後，可藉由複數個驅動機構351將複數個舉升梢341降低坐落於基材支撐表面331下複數個梢孔336中，並將基材301配置於基材支撐表面331上。
頂部平板330具有圓盤外形的主體。一實施例中，頂部平板330可由石英所構成。頂部平板330係經設置以接收並支撐基材301於基材支撐表面311上，以致基材301之元件側302暴露於處理空間中之處理氣體流中。
第5A圖示意性描繪頂部平板330之一實施例而第5B圖示意性描繪頂部平板330的部分側視圖。一實施例中，凹部334係形成於基材支撐表面311中以減少頂部平板330與基材301間之接觸面積。因此，基材支撐表面331可具有環狀外形並支撐基材301之邊緣附近的帶狀區域。
頂部平板330具有形成邊緣表面332之凸緣，該邊緣表面332係位於基材支撐表面331徑向外側並經設置以圍繞基材301。一實施例中，邊緣表面332與基材支撐表面331間之高度差異333係經設計以控制進行中之處理的邊緣表現，更明確地說，高度差異313係用來控制處理過程中基材301之邊緣304對處理化學作用的暴露。
一實施例中，設定高度差異333以致基材301之頂表面高於邊緣表面332約0.5英吋，或足以達成橫跨基材徑向的均勻處理表現。一實施例中，高度差異333約為0.25英吋。
一實施例中，所欲厚度之選擇性邊緣環337可用來改變邊緣表面之高度以達到所欲之邊緣表現。
一實施例中，複數個支撐島335由基材支撐表面331外之頂部平板330突出。複數個支撐島335係高於基材支撐表面331並經設置以避免基材301在處理過程中滑走。
一實施例中，複數個舉升梢341可用來調整基材301的高度，藉此調整處理過程中基材301與邊緣表面332間之高度差異。
一實施例中，校準孔338係形成於頂部平板330之中心附近並經設置以促進組裝過程中頂部平板330的校準。一實施例中，參照第4圖，各個複數個舉升梢341可具有蘑菇形頭以避免複數個梢孔336受到處理空間中的處理氣體污染。一實施例中，複數個舉升梢341可由藍寶石所構成。
第6A-6B圖係顯示根據本發明一實施例之邊緣分佈控制的掃描圖。第6A-6B圖顯示在電漿反應器中執行氮化處理後橫跨基材直徑的氮劑量。氮化處理通常係執行於形成於基材上之二氧化矽閘極介電膜上。基材係置於電漿反應器(例如，第2圖之電漿反應器100)中。將氮氣流至電漿室並在氮氣流持續時藉由線圈組件(諸如，第2圖之線圈129、131)擊發電漿。電漿離子化氮氣，而離子化之氮氣接著擴散進入二氧化矽閘極介電膜。
第6A圖係顯示在電漿反應器中執行氮化處理後橫跨基材直徑之氮劑量的掃描圖，該電漿反應器具有邊緣表面稍微高於處理之基材頂表面的基材支撐件。第6A圖具有200sccm、400sccm、600sccm、800sccm與1000sccm氮流率之氮化處理的劑量結果。針對第6A圖中的所有結果，基材邊緣附近的劑量係實質低於橫跨基材其餘部分的平均劑量。
第6B圖係顯示在電漿反應器中執行氮化處理後橫跨基材直徑之氮劑量的掃描圖，該電漿反應器具有邊緣表面低於處理之基材頂表面的基材支撐件。這些特定實例中，邊緣表面與基材之頂表面間的高度差異約為0.5英吋。第6B圖顯示具有200sccm、400sccm、600sccm、800sccm與1000sccm氮流率之氮化處理的劑量結果。與第6A圖之結果相比，第6B圖之結果在基材邊緣附近具有增加的劑量。再者，第6B圖的結果具有實質接近於橫跨基材之平均劑量的邊緣劑量。
應注意第6A-6B圖之曲線圖亦顯示其他不均勻性，諸如中心附近的低劑量與不對稱的劑量。根據僅修正邊緣-降低來描述本發明。
第6A-6B圖中顯示之基材中心附近的低劑量係由於流量分佈所造成，而可藉由提供獨立可控制式流動至基材不同區域來修正中心附近的低劑量。可在2007年12月19日申請名稱為「Duel Zone Gas Injection Nozzle」之美國專利申請案11/960,166中發現修正中心附近低劑量的詳細描述，其以參考資料併入本文中。
橫跨基材的不對稱劑量通常稱為基線偏斜。可藉由調整相對於處理之基材的線圈組件來達成基線偏斜的修正。可在2007年12月19日申請名稱為「Method of Correcting Baseline Skew by a Novel Motorized Source Coil Assembly」之美國專利申請案11/960,246中發現修正基線偏斜的詳細描述，其以參考資料併入本文中。
雖然上述係關於本發明之某些實施例，但可在不悖離本發明基本範圍的情況下設計出本發明其他與進一步的實施例，而本發明之範圍係由隨後之申請專利範圍所確定。
100．．．電漿反應器
101．．．反應器室
102．．．天線組件
103．．．處理空間
104．．．狹縫閥埠
105、126．．．圓柱形側壁
106、301．．．基材
110．．．平坦頂板
115．．．基材支撐底座
116．．．梢
117．．．支撐主體
118、312、332．．．邊緣表面
120．．．真空泵
121．．．真空埠
125．．．處理氣體供應器
127．．．線圈架設平板
128．．．傾斜環
129．．．外線圈
130．．．氣體入口
131．．．內線圈
132．．．線圈掛勾
134．．．功率組件
135．．．線圈空間
300．．．支撐底座
302．．．元件側
303．．．背側
304．．．邊緣
305．．．處理氣體
310、330．．．頂部平板
311、331．．．支撐表面
312b、312c、337．．．邊緣環
313、313a、313b、313c、333．．．高度差異
314、334．．．凹部
315．．．主體
320a、320b、320c．．．分佈
335．．．支撐島
336．．．梢孔
338．．．校準孔
340．．．轉接平板
341．．．舉升梢
350．．．設施平板
351．．．驅動機構
360．．．轉接器
370．．．腔室主體
為了更詳細地了解本發明之上述特徵，可參照實施例(某些描繪於附圖中)來理解本發明簡短概述於上之特定描述。然而，需注意附圖僅描繪本發明之典型實施例而因此不被視為其之範圍的限制因素，因為本發明可允許其他等效實施例。
第1圖(先前技術)示意性描繪傳統感應耦合電漿反應器所遭遇稱為邊緣降低的不均勻問題。
第2圖示意性描繪根據本發明一實施例之電漿反應器的剖面側視圖。
第3A圖示意性描繪根據本發明一實施例之支撐底座之頂部平板的部分側視圖。
第3B圖示意性描繪根據本發明一實施例之利用邊緣表面與處理之基材頂表面間的高度差異控制邊緣表現。
第4圖示意性描繪根據本發明一實施例之支撐底座的剖面側視圖。
第5A圖示意性描繪第4圖之支撐底座的頂部平板。
第5B圖示意性描繪第5A圖之頂部平板的部分側視圖。
第6A-6B圖係顯示根據本發明一實施例之邊緣分佈控制的曲線圖。
為了促進理解，盡可能應用相同的元件符號來標示圖示中相同的元件。可以理解一實施例中揭露之元件可有利地應用於其他實施例而不須特定詳述。
301．．．基材
310．．．頂部平板
312b、312c．．．邊緣環
313a、313b、313c．．．高度差異
320a、320b、320c．．．分佈
Claims (18)
- 一種處理一基材之設備，其包括：一腔室主體，界定一處理空間；一氣體入口，配置以將一處理氣體流入該處理空間中；及一支撐底座，配置於該處理空間中，其中該支撐底座包括一頂部平板，該頂部平板具有一基材支撐表面，其中該基材支撐表面係一環之一頂表面，該環的直徑係小於該基材的直徑，及一沿著該基材之一外邊緣圍繞該基材之邊緣表面，其中該基材之一頂表面與該邊緣表面間之一高度差異係控制該基材之一邊緣區域對該處理氣體的暴露。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基材支撐表面係小於該基材以致該背側之一邊緣係沒有懸掛(hanging)。
- 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該邊緣表面係低於該基材之頂表面。
- 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該基材之頂表面與該邊緣表面間之高度差異係介於約0.25英吋至約0.5英吋之間。
- 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該頂部平板包括複數個在該基材支撐表面徑向外從該頂部平板突出之指狀物，其中該複數個指狀物係經設置以避免該基材滑走。
- 如申請專利範圍第3項所述之設備，更包括一配置於該頂部平板之邊緣表面上且圍繞該基材之邊緣環，其中該邊緣環係經設置以調整該邊緣表面與該基材之頂表面間的高度差異。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包括複數個舉升梢，其中該複數個舉升梢係經設置以自該基材支撐表面舉起該基材，且該複數個舉升梢係經設置以縮回到該頂部平板之基材支撐表面下。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該頂部平板係由石英所構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之設備，更包括一電漿產生器，設置以在該處理空間中擊發(strike)一感應耦合電漿。
- 一種在一處理室中之一支撐底座所用之頂部平板，其 包括：一主體，具有一實質平板外形，其中該主體具有一基材支撐表面，其中該基材支撐表面係一環之一頂表面，該環的直徑係小於一基材的直徑，與一沿著該基材之一外邊緣圍繞該基材之邊緣表面，其中該基材之一頂表面與該邊緣表面間之一高度差異係經設計以達到該基材之一邊緣區域對該處理室中流動之一處理氣體的所欲之暴露。
- 如申請專利範圍第10項所述之頂部平板，其中該主體係由石英所構成。
- 如申請專利範圍第10項所述之頂部平板，其中該邊緣表面係低於該基材之頂表面，而該基材之頂表面與該邊緣表面間之高度差異係介於約0.25英吋至約0.5英吋之間。
- 一種調節一邊緣處理表現之方法，其至少包括：在一處理室中提供一支撐底座，其中該支撐底座具有一基材支撐表面，其中該基材支撐表面係一環之一頂表面，該環的直徑係小於一基材的直徑，與一沿著該基材之一外邊緣圍繞該基材之邊緣表面；將一基材置於該基材底座上；將一處理氣體流至該處理室；及 以該處理氣體處理該基材，其中該基材之一頂表面與該邊緣表面間之一高度差異係控制該基材之一邊緣區域對流至該處理室之處理氣體的暴露。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中以該處理氣體處理該基材的步驟包括降低該邊緣表面以提高該邊緣區域對該處理氣體的暴露。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中以該處理氣體處理該基材的步驟包括提高該邊緣表面以減少該邊緣區域對該處理氣體的暴露。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該基材之頂表面與該邊緣表面間之高度差異係介於約0.25英吋至約0.5英吋之間。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括配置一邊緣環於該邊緣表面上以調整該基材之頂表面與該邊緣表面間之高度差異。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括藉由利用舉升梢改變該基材之高度來調整該高度差異。
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