TWI549208B - 侷限製程空間之ｐｅｃｖｄ腔室 - Google Patents

Description

侷限製程空間之PECVD腔室

本文所述實施例係關於半導體製造設備和方法。特定言之，所述實施例係有關用於半導體基材的電漿處理腔室。

過去50年來，積體電路上的電晶體數量每兩年即約增加一倍。每兩年倍增趨勢亦稱為摩耳定律(Moore’s Law)，預計在半導體晶片上的裝置從目前20至30奈米(nm)的關鍵尺寸微縮成目前所設計未來製造製程的100埃以下時，仍延續此趨勢發展。當裝置幾何形狀縮小，製造幾何形狀將增大。數年前，200毫米(mm)晶圓才被300mm晶圓取代，300mm晶圓很快即被400mm晶圓取代。隨著大面積半導體基材的處理日益複雜，製造更大幾何形狀的邏輯晶片將指日可待。

處理條件均勻度對半導體製造而言一直很重要，隨著裝置關鍵尺寸持續縮小及製造幾何形狀增大，不均勻容限亦隨之下降。造成不均勻的原因很多，原因可能與裝置性質、設備特徵、和製造製程化性與物性有關。只要半導體製造產業遵循摩耳定律，就不斷有能均勻處理製造製程和設備的需求。

本發明的實施例提供處理半導體基材的設備，設備具有處理腔室，處理腔室具有具基材傳送開口的腔室主體、設於處理腔室內的基材支撐件，基材支撐件並定義處理腔室上部與處理腔室下部、蓋組件，蓋組件包含耦合射頻(RF)功率的導電氣體分配器和與導電氣體分配器隔絕的供電電極、以及設於處理腔室下部的屏蔽構件，屏蔽構件可由處理腔室外的屏蔽構件延伸部而定位至處理腔室內。

其他實施例提供用於半導體處理腔室的蓋組件，其中氣體分配器具有背部電極、氣箱和面板，絕緣環隔開環狀調整電極和氣體分配器的面板，蓋板耦接處理腔室的側壁，隔離器隔開側壁和調整電極。

其他實施例提供用於半導體處理腔室的屏蔽，屏蔽的特徵在於形狀類似處理腔室截面的平板，屏蔽具有位於平板中以容納處理腔室內之基材支撐件軸部的開口、位於平板中以容納基材支撐件之舉升銷部的開口、和附接平板且延伸到處理腔室外的延伸部，以於處理腔室內之基材處理位置與基材傳送位置間移動屏蔽。

其他實施例提供處理基材的方法，方法包括將基材放到處理腔室內的基材支撐件上、耦合射頻(RF)功率至基材支撐件對面的導電氣體分配器、於鄰近導電氣體分配器的腔室側壁提供電極、將基材支撐件移入鄰近電極的處理位置、使製程氣體流過氣體分配器而至導電氣體分配器與基材支撐件間的處理區域、由製程氣體形成電漿、以及施加電位至電極而塑形電漿。

所述實施例提供處理半導體基材的設備。第1圖為根據一實施例之設備100的截面圖。第1圖的設備100包含具導電腔室主體164的處理腔室104，腔室主體164的側壁設有基材傳送開口114。基材傳送開口114容許基材傳送進出處理腔室104。在許多實施例中，基材搬運裝置(如機器人；未圖示)經由基材傳送開口114進入處理腔室104，以將基材放入處理腔室104、或自處理腔室104移出基材。

腔室主體164包含導電側壁178和底壁146，側壁178和底壁146可為鋁或不銹鋼、或任何其他導電材料，例如金屬或金屬合金。腔室主體164的內面可塗覆耐蝕材料，以減少化學品侵蝕腔室主體164。亦可使用可拆式內襯。塗層或內襯可為陶瓷材料，例如金屬氧化物(如氧化鋁或氧化釔)或耐蝕金屬(如鈦)、或其任何合宜組合物。

設備100進一步包含設於腔室內的基材支撐件106。基材支撐件106具有支撐面110，基材放在支撐面110上進行處理。一或更多舉升銷108延伸穿過基材支撐件106而至支撐面110，舉升銷108並從支撐面110底下延伸到基底166。基材支撐件106具有軸部122，軸部122延伸穿過腔室主體164之底壁146中的開口144而耦接致動器(未圖示)，致動器移動處理腔室104內的基材支撐件106，使支撐面110移動靠近或遠離底壁146。支撐面110移動靠近底壁146時，舉升銷108的基底166將嚙合底壁146，舉升銷108的頂部則延伸出支撐面110上方。通常，當舉升銷108延伸出支撐面110上方時，複數個舉升銷108會把基材抬起高於支撐面110。從第1圖的截面圖只能看見一個舉升銷108。基材支撐件106通常定義處理腔室104的上部168(包括處理區域)和處理腔室104的下部170。

設備100進一步包含設於處理腔室104之下部170的屏蔽構件116。屏蔽構件116包含隔熱材料，例如陶瓷、玻璃、石英、塑膠或類似材料，包括其混合物、複合物或組合物。屏蔽構件116包含延伸部118，延伸部118穿過底壁146中的第二開口120，延伸部118耦接第二致動器(未圖示)，以將屏蔽構件116定位於處理腔室104內。屏蔽構件116在處理區域112與基材傳送開口114間產生熱屏蔽，以免處理期間熱從基材傳送開口114損失，進而改善處理腔室104內的熱均勻度。屏蔽構件116通常遮蔽處理腔室104的整個下部170，以免處理區域112的熱擾動在處理腔室104的下部170造成任何熱損失。基材裝載或卸載操作期間，屏蔽構件116和基材支撐件106移入基材傳送開口114下方位置而接近支撐面110。處理時，基材支撐件106將支撐面110移向處理區域112，屏蔽構件116移到鄰近泵送氣室156的位置，泵送氣室156沿著處理腔室104的側壁178設置。

泵送氣室156為沿著處理腔室側壁178設置的環形通道。泵送氣室156之內延伸區158中的開口160容許製程氣體從腔室的處理區域112流向通道。製程氣體繞過通道流向泵送氣室156的入口162，入口162嚙合處理腔室104之側壁178的類似入口154，以將製程氣體排出腔室104。開口160可為沿著整個泵送氣室156的環狀溝槽或狹縫、或為等距圍繞泵送氣室156的一連串分離開口。開口160可為連續或不連續，且可調整開口160的大小，以提供壓降讓氣體均勻流入泵送氣室156。

屏蔽構件116包含平板部分172和牆壁部分174。平板部分172具有容納基材支撐件106之軸部122的第一開口176、和容納舉升銷108之基底部分166的第二開口124。處理基材時，牆壁部分174設置鄰接開口160的下延伸區，以有效保護處理區域112不受熱擾動影響。在一替代實施例中，屏蔽構件116沒有牆壁部分174。在此實施例中，屏蔽構件116可為隔熱板，隔熱板移動到鄰近泵送氣室156之下表面的位置，且在一些實施例中會接觸泵送氣室156的下表面。

設備100進一步包含蓋組件102，蓋組件102由蓋板126耦接至處理腔室104的側壁178。蓋組件102包含氣體分配器134，氣體分配器134具有一同定義氣箱138的背部電極184和面板136。面板136具有複數個開口140供製程氣體流入處理區域112。氣體分配器134具導電性，且可由鋁、不銹鋼、鈦或另一導電材料(如金屬或合金)組成。面板136面對處理區域112的表面可塗覆耐蝕材料，例如陶瓷或耐蝕金屬，以減少化學品侵蝕。氣體分配器134耦接射頻(RF)功率源148，以於氣箱138及/或處理區域112產生離子化氣體。面板136朝橫向方向延伸超過處理區域112，使暴露於處理區域112的面板136部分在整個處理區域112係均勻平坦的。平坦的面板136可改善耦合氣體分配器134的RF在處理區域112產生的電場均勻度。

面板136可製作成能增進面板136之導熱性的厚度。增進導熱性可改善面板136各處和整個處理區域112的溫度均勻度。在基材支撐件加熱達300℃至500℃的沉積製程中，具上述尺寸的鋁製面板136從面板中心區至面板周邊區的溫差小於約20℃，例如小於約15℃，例如13℃。

蓋組件102進一步包含由絕緣體132與氣體分配器電氣隔絕的電極130。電極130為設於絕緣體132與第二絕緣體128間的環狀導電構件，絕緣體128隔開蓋組件102和處理腔室104的側壁178。電極130可為環狀(annular)、環形(ring-like)或超環面，且通常具有均勻截面形狀，使電極130產生的電場得以達最佳均勻度。電極130耦接電源142，在第1圖實施例中，顯示電源142為直流(DC)電源，但電源142亦可為RF偏壓源。電極130可於處理區域112產生電位來塑形現存離子化氣體或電漿。電極130的電位改變時，有越來越多來自氣體的離子或電子被電極130吸引，藉此可調整基材支撐件106之支撐面110各處的離子化氣體或電漿的密度輪廓，進而增進沉積均勻度。

處理區域112由基材支撐件106的支撐面110、氣體分配器134的面板136、和包含二絕緣體132、128與電極130的側環堆疊結構所定義。處理期間，基材支撐件106移動到鄰接絕緣體128及/或電極130的位置，支撐面110則構成處理區域112的地板。製程氣體從支撐面110的邊緣離開處理區域112並流向泵送氣室156，泵送氣室156位於支撐面110下方且彼此隔開。藉由將處理區域112移入蓋組件102使處理區域112遠離腔室主體164可減少製程氣體接觸腔室主體表面，從而降低化學品侵蝕腔室主體表面的速度。減少電漿或離子化氣體接觸導電腔室側壁亦可減低放電至腔室側壁而間歇接地的機會。

電極130具導電性，且電極130通常為金屬或金屬合金。雖然圖式顯示電極130係具有面向處理區域112且接觸製程氣體之表面的環形物，但也可提供具連續面對處理表面的單一絕緣體來代替二絕緣體128、132、及於單一絕緣體的內部通道中形成電極130或於單一絕緣體的外延伸區周圍形成通道供電極插入，以遮蔽電極使之遠離製程環境。此實施例能利用電位來控制電漿輪廓，又不會讓電極暴露於製程環境。在其他實施例中，電極130面對製程環境的表面可塗覆耐蝕材料，例如陶瓷或耐蝕金屬。

基材支撐件106經定向使基材支撐件106的中心軸180實質平行處理腔室104的中心軸182。基材支撐件106的剛性將限制偏離軸平行度小於約1%，例如小於約0.5%，例如小於約0.1%、或約0.01%至約1%，例如約0.05%至約0.5%，例如約0.07%。故基材支撐件106每行經1吋的傾斜度不會超過0.01吋(吋/吋)，例如小於約0.005吋/吋，例如約0.0007吋/吋。

基材支撐件106的剛性提供基材支撐件106的支撐面110與氣體分配器134的面板136間有均一距離。均一距離可增進面板136與基材支撐件106之支撐面110間形成的電場均勻度，進而改善整個處理區域112的電漿密度均勻度。基材支撐件106可耦接RF功率源150，以助於控制處理區域112的電漿性質。二電漿源148、150例如可調成兩種不同頻率，以促進處理區域112的多個物種離子化。

藉由選擇軸部122的厚度，可選擇基材支撐件106的剛性。在許多實施例中，基材支撐件106的軸部122包含各種用於氣體、液體或電子元件的導管。軸部122的剛性主要受軸部122的實心部分寬度影響。故增加軸部122的質量可提高其剛性。

第1圖的蓋組件102、基材支撐件106和屏蔽構件116可用於任何進行電漿或熱處理的處理腔室。受益使用蓋組件102、基材支撐件106和屏蔽構件116的電漿處理腔室一實例為購自位於美國加州聖克拉拉之應用材料公司的PRODUCER平臺與腔室。其他製造商製造的腔室也可使用上述部件。

第2圖為根據另一實施例之方法200的流程圖。第2圖方法可利用任何適於電漿處理的基材處理腔室進行，基材處理腔室包括第1圖實施例的設備100。在操作202中，將基材放到處理腔室內的基材支撐件上。在操作204中，提供具蓋子的腔室，蓋子包含導電氣體分配盤和設於氣體分配盤底下之蓋子側壁附近的電極。電極由絕緣環與氣體分配盤隔絕，且電極和氣體分配盤可呈環狀。

在操作206中，將基材放置靠近電極，以進行處理。基材支撐件可以任何習知方式移動。在一些實施例中，基材支撐件和氣體分配盤定義處理區域，處理區域保持遠離其他腔室部件，以減少電漿發弧與化學品侵蝕其他腔室部件的情況發生。在一些實施例中，第二絕緣環設置在蓋子與腔室主體之間。絕緣環通常構成處理區域的耐化學性側壁。在一些實施例中，氣體分配盤和電極亦可塗覆耐蝕材料。

基材係放置使基材的邊緣鄰近電極。從基材邊緣到電極的距離通常小於約10mm。距離可為約2mm至約10mm，例如約4mm至約6mm，例如約6mm。在一些實施例中，可調整基材邊緣與電極的間隙大小，以於沿著基材邊緣的所有位置提供均勻流動。

在操作208中，提供製程氣體(其可為混合物)至基材支撐件與氣體分配盤所定義的處理區域。製程氣體通常流過氣體分配盤中的開口，且製程氣體可以任何合宜方式塑形而得預定流動特性。在操作210中，耦合RF功率至氣體分配盤，以於處理區域中由製程氣體形成電漿。RF功率亦可耦合至基材支撐件，以於基材上產生電偏壓、或促進製程氣體進一步離子化。

在操作212中，施加電位至電極，以控制基材支撐件各處的電漿密度輪廓。調整電極相對基材支撐件與氣體分配盤的電位可調整電漿鞘與腔室側壁或處理區域間的距離，以將基材接觸電漿控制成接觸基材邊緣。最小化各種導電部件的幾何形狀不連續性亦可改善處理區域的電漿密度均勻度控制。

在操作214中，經由位於腔室下部之基材支撐件下方的泵送氣室均勻排放排氣。泵送氣室經建構以提供均勻氣體流過基材支撐件、流經基材支撐件邊緣而流入腔室下部、然後流入泵送氣室。因泵送氣室運作所致，故在基材支撐件下方設置泵送氣室可減少氣流異常。使處理腔室的蓋子相隔泵送氣室一預定距離，可調整處理區域與泵送氣室間的距離，接著將基材放置鄰近蓋子以進行處理。

第2圖的方法200可用於電容電漿腔室進行的任何電漿製程。例如，以電漿化學氣相沉積(CVD)形成含矽、氧、碳、氮或其他元素層的沉積製程將受惠方法200而增進均勻度。電漿可由含惰性或不反應氣體(如氬氣或氦氣)的製程氣體和含矽、碳、氧、氮或其他元素的氣體組成。約+10伏特(V)至+100V的DC電位可施加至電極，例如約+30V至約+70V，例如+50V，以吸引組成電漿鞘的電子朝向電極擴張。

在一些實施例中，方法200進一步包含熱屏蔽易發生熱損失的處理腔室部分。例如，熱屏蔽可設於腔室下部，以遮蔽室壁中的入口。熱屏蔽可減少熱從腔室經由任何屏蔽室壁部分損失。

第3圖為根據再一實施例之設備300的上視圖。設備300包含複數個處理腔室302、基材移送室304、基材搬運機310、和一或更多裝載鎖定室306。基材搬運機310可為任何適當設計的機器人。在一實施例中，基材搬運機310包含兩個連結串列葉片機器人，二機器人同時進入兩個相鄰處理腔室302。設備300的一或更多處理腔室302類似腔室100。每一處理腔室302具有上述第1圖設備的調整電極130。設備300還包含複數個排氣導管308，導管308各自連通泵送氣室，例如上述第1圖的泵送氣室156，且每對處理腔室302共用一導管308。除電漿處理腔室(如腔室100)外，第3圖的設備300亦可包括其他類型腔室。例如，一或更多處理腔室302可為熱處理室、清潔室、紫外線(UV)處理室、冷卻室或靜置室。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然本發明其他和進一步的實施例亦不脫離其基礎範圍。

100．．．設備

102．．．蓋組件

104．．．處理腔室

106．．．基材支撐件

108．．．舉升銷

110．．．支撐面

112．．．處理區域

114．．．基材傳送開口

116．．．屏蔽構件

118．．．延伸部

120、124、140、144、160、176．．．開口

122．．．軸部

126．．．蓋板

128、132．．．絕緣體

130．．．電極

134．．．氣體分配器

136．．．面板

138．．．氣箱

142．．．電源

146．．．底壁

148、150．．．功率源

154、162．．．入口

156．．．泵送氣室

158．．．延伸區

164．．．腔室主體

166．．．基底

168．．．上部

170．．．下部

172．．．平板部分

174．．．牆壁部分

178．．．側壁

180、182．．．中心軸

184．．．背部電極

200．．．方法

202、204、206、208、210、212、214．．．操作

300．．．設備

302．．．處理腔室

304．．．移送室

306．．．裝載鎖定室

308．．．導管

310．．．搬運機

為讓本發明的上述概要特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，部分實施例乃圖示在附圖。然須注意所附圖式僅說明本發明的典型實施例，而非用以限定本發明的精神與範圍，因為本發明可接納其他等效實施例。

第1圖為根據一實施例之設備的截面圖。

第2圖為根據另一實施例之方法的流程圖。

第3圖為根據再一實施例之設備的上視圖。

為助於理解，各圖中相同的元件符號盡可能代表相似的元件。應理解某一實施例的元件當可有利地併入其他實施例，在此不另外詳述。

100．．．設備

102．．．蓋組件

104．．．處理腔室

106．．．基材支撐件

108．．．舉升銷

110．．．支撐面

112．．．處理區域

114．．．基材傳送開口

116．．．屏蔽構件

118．．．延伸部

120、124、140、144、160、176．．．開口

122．．．軸部

126．．．蓋板

128、132．．．絕緣體

130．．．電極

134．．．氣體分配器

136．．．面板

138．．．氣箱

142．．．電源

146．．．底壁

148、150．．．功率源

154、162．．．入口

156．．．泵送氣室

158．．．延伸區

164．．．腔室主體

166．．．基底

168．．．上部

170．．．下部

172．．．平板部分

174．．．牆壁部分

178．．．側壁

180、182．．．中心軸

184．．．背部電極

Claims (15)

1. 一種處理一半導體基材的設備，該設備包含：一處理腔室，該處理腔室具有一腔室主體；一基材支撐件，該基材支撐件設於該處理腔室內，該基材支撐件並定義該處理腔室的一上部與該處理腔室的一下部；一蓋組件，該蓋組件耦接該腔室主體，該蓋組件包含耦合射頻(RF)功率的一導電氣體分配器和與該導電氣體分配器隔絕的一供電電極；以及一屏蔽構件，該屏蔽構件設於該處理腔室的該下部，該屏蔽構件可在該處理腔室內於一基材處理位置與一基材傳送位置間移動，該屏蔽構件具有在該處理腔室外的一延伸部。
2. 如請求項1之設備，其中該蓋組件定義一基材處理區域。
3. 如請求項1之設備，其中該腔室主體具有一基材傳送開口；且其中當該屏蔽構件處於該基材處理位置時，該屏蔽構件會覆蓋該基材傳送開口。
4. 如請求項1之設備，其中該基材支撐件傾斜小於約0.1%。
5. 如請求項1之設備，其中該蓋組件定義鄰接該供電電極的一處理區域；其中該腔室主體具有一基材傳送開口；且其中當該屏蔽構件處於該基材處理位置時，該屏蔽構件會覆蓋該基材傳送開口。
6. 如請求項5之設備，其中該屏蔽構件包含一介電材料，且該蓋組件在該供電電極與該導電氣體分配器間、和該供電電極與該腔室主體間進一步包含一隔離器。
7. 如請求項1之設備，該設備進一步包含一泵送氣室，該泵送氣室繞該腔室主體的一牆壁而設置，且該泵送氣室包含具一下表面與一上表面的一環狀開口，其中當該屏蔽構件處於一基材處理位置時，該屏蔽構件的一上表面係與該泵送氣室的該下表面實質齊平。
8. 如請求項7之設備，其中該腔室主體具有一基材傳送開口，且其中該基材傳送開口係在該泵送氣室下方，且當該屏蔽構件處於一基材傳送位置時，該屏蔽構件會露出該基材傳送開口。
9. 一種用於一半導體處理腔室的蓋組件，該蓋組件包含：一氣體分配器，該氣體分配器具有一背部電極、一氣箱 和一面板；一環狀調整電極，該環狀調整電極設於一絕緣環與一第二絕緣體之間，其中該絕緣環隔開該環狀調整電極和該氣體分配器的該面板，及其中該氣體分配器耦接一射頻(RF)功率源，且該環狀調整電極耦接一直流(DC)功率源。
10. 如請求項9之蓋組件，其中該蓋組件定義鄰接該環狀調整電極的一處理區域。
11. 如請求項9之蓋組件，其中該氣體分配器和該環狀調整電極各自耦接一電源。
12. 一種處理腔室，該處理腔室包含：一屏蔽，該屏蔽設於該處理腔室的一下部，其中該屏蔽包含：一平板，該平板具有類似該處理腔室之一截面的一形狀；一第一開口，該第一開口位於該平板中以容納設於該處理腔室內之一基材支撐件的一軸部；一第二開口，該第二開口位於該平板中以容納該基材支撐件的一舉升銷部；以及一延伸部，該延伸部附接該平板，該延伸部並延伸到該處理腔室外，以於該處理腔室內的一基材處理 位置與一基材傳送位置間移動該屏蔽。
13. 如請求項12之處理腔室，其中該平板包含一隔熱材料，且從該平板之中心到邊緣的一距離實質等於該處理腔室之一中心軸到一泵送氣室之一內緣的一距離，該泵送氣室繞該處理腔室的一牆壁而設置。
14. 如請求項13之處理腔室，該處理腔室進一步包含一致動器與從該平板之一邊緣延伸的一牆壁，該致動器耦接該延伸部，以於該處理腔室內移動該屏蔽。
15. 一種處理一基材的方法，該方法包含以下步驟：將該基材放到一處理腔室內的一基材支撐件上；耦合射頻(RF)功率至該基材支撐件對面的一導電氣體分配器；於鄰近該導電氣體分配器之該腔室的一側壁提供一電極；將該基材支撐件移入鄰近該電極的一處理位置；使一製程氣體流過該氣體分配器而至該導電氣體分配器與該基材支撐件間的一處理區域；由該製程氣體形成一電漿；以及施加一直流(DC)電位至該電極而塑形該電漿。