TWI625821B - 用於更均勻的層厚度的基板支撐環 - Google Patents

用於更均勻的層厚度的基板支撐環 Download PDF

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Abstract

在此提供基板支撐環的實施例，該等基板支撐環使基板上所沉積或生長的層有更均勻的厚度。一些實施例中，基板支撐環包括：內環，該內環具置中的支撐表面，以支撐基板；以及外環，該外環從該支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含反應表面區域，該反應表面區域配置在該支撐表面的支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的支撐平面，且其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約45mm。

Description

用於更均勻的層厚度的基板支撐環
本發明之實施例大體上關於半導體處理。
諸如半導體晶圓之基板可由支撐設備(諸如邊緣環)所支撐，以於處理腔室內處理。一些半導體製造製程(諸如沉積或生長氧化物層的製程)中，於處理腔室中啟動燃燒反應而生成氧物種，以貢獻氧化物之生長。然而，發明人已觀察到在一些製程中，製程的不均勻可能發生，而影響晶圓表面上層的厚度均勻度。特別是，已觀察到在基板邊緣有不同的沉積或生長速率，這導致基板邊緣有不均勻的層形成。
因此，發明人已提供基板支座的實施例，該等基板支座可助於在一些半導體製造製程期間改良製程均勻度。
在此提供基板支撐環的實施例，該等基板支撐環使基板上所沉積或生長的層有更均勻的厚度。一些實施例中，基板支撐環包括：內環，包括置中(centrally located)的支撐表面，該支撐表面適於支撐基板；以及外環，從該支撐表 面徑向向外延伸，其中該外環包含反應表面區域，該反應表面區域配置在該支撐表面的支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的支撐平面，且其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約45mm。
一些實施例中，基板支撐設備包括：內環，包含置中的支撐表面以支撐基板；以及外環，從該支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含反應表面區域，該反應表面區域位在該支撐表面的支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的支撐平面，其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約34mm，且其中該反應表面在該支撐表面上方約0.86mm至約0.97mm處。
一些實施例中，基板處理設備包括腔室主體與基板支撐設備，該腔室主體包圍處理空間，而該基板支撐設備配置且支撐在該處理空間內。基板處理設備包括：內環，包含置中的支撐表面，該支撐表面適於支撐基板；以及外環，從該基板支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含反應表面區域，該反應表面區域位在該支撐表面的支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的支撐平面，該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約45mm。
本發明之其他與進一步的實施例於下文中描述。
100‧‧‧邊緣環
102‧‧‧內環
104‧‧‧支撐表面
108‧‧‧外環
110‧‧‧外邊緣
112‧‧‧內邊緣
114‧‧‧反應表面
202‧‧‧突出部
204‧‧‧軸線
300‧‧‧處理腔室
301‧‧‧處理空間
302‧‧‧基板
304‧‧‧基板支座
306‧‧‧背側
308‧‧‧前側
310‧‧‧燈頭
312‧‧‧窗組件
314‧‧‧反射板
316‧‧‧基座
318‧‧‧循環線路
320‧‧‧反射表面塗層
322‧‧‧反射腔
324‧‧‧溫度探針
326‧‧‧高溫計
328‧‧‧溫度控制器
329‧‧‧氣體供應器
330‧‧‧入口
334‧‧‧旋轉管狀圓筒
336‧‧‧上軸承
338‧‧‧球狀軸承
340‧‧‧下軸承座
342‧‧‧升舉機構
344‧‧‧層
401‧‧‧箭號
402‧‧‧非旋轉基板
403‧‧‧圖線
404‧‧‧旋轉基板
405‧‧‧圖線
406、407‧‧‧峰
408‧‧‧最小生長厚度
409‧‧‧基板邊緣
410‧‧‧邊緣
412‧‧‧最小生長厚度
502、504、506‧‧‧曲線
C‧‧‧中心點
L‧‧‧距離
S‧‧‧基板表面
藉由參考附圖中所描繪的本發明之說明性實施例，可瞭解於上文中簡要總結且於下文中更詳加討論的本發明之實施例。然而應注意附圖僅繪示此發明之典型實施例，因而 不應將該等附圖視為限制本發明的範疇，因為本案發明可容許其他等效實施例。
第1圖描繪根據本發明之一些實施例的基板支撐環的頂視圖。
第2圖描繪沿II-II所截取的第1圖之基板支撐環的剖面視圖。
第3圖描繪包括根據本發明之一些實施例的基板支撐環的處理腔室之概略剖面圖。
第4A圖與第4B圖描繪在相同腔室條件下分別於非旋轉晶圓與旋轉晶圓上沉積或生長之層的所觀察到的厚度。
第5圖描繪使用根據本發明之實施例的基板支撐環於不同溫度下在基板上沉積或生長的示範性層厚度的圖表。
為了助於瞭解，如可能則已使用同一元件符號指定各圖共通的同一元件。該等圖式並未按照比例尺繪製且可能為了明確起見而經過簡化。應考量一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例而無需進一步記敘。
本發明之實施例提供基板支撐環(或邊緣環)，用於在腔室中支撐諸如半導體晶圓之基板以供處理。已觀察到根據本發明之實施例的基板支撐環有益地影響製程均勻度，特別是基板邊緣處的製程均勻度。所揭露的支撐環的實施例可有益地影響基板上沉積或生長的層。
第1圖描繪根據本發明之實施例的基板支撐環(或邊緣環100)之頂視圖。說明性質的邊緣環100包括內環102， 該內環102具有於中心點C置中的支撐表面104。支撐表面104經裝設以沿著基板之背側邊緣支撐給定直徑的基板，例如為200、300、450mm的半導體晶圓，或類似物。舉例而言，支撐表面104具有內徑與外徑，該內徑界定中央開口，該外徑界定內徑與外徑之間的支撐表面104之寬度。
支撐表面104僅支撐基板的外側部分，而維持基板背側的中央與主要部分暴露。一些實施例中，支撐表面104裝設成沿著基板直徑的約1.10%至約1.56%支撐基板。例如，對300mm的基板而言，支撐表面104在寬度上可為約3.3mm至約4.7mm。
外環108配置在內環102的徑向向外處。外環108包含外邊緣110與內邊緣112，以及介於該外邊緣110與內邊緣112之間的反應表面114。內邊緣112形成支撐表面104的徑向向外界限(即，支撐表面104的外徑)。
如第2圖所繪示，反應表面114可大體上平行支撐表面104且配置在支撐表面104上方達一距離，該距離為於該支撐表面104上所受處理的基板之厚度，使得該基板的上表面實質上與反應表面114齊平。例如，一些實施例中，反應表面114配置在支撐表面104上方達約0.86mm至約0.97mm之間，例如約0.91mm。於一些實施例中，當基板配置在支撐表面104上以供處理時，基板表面S可實質上與反應表面114同平面。其他實施例中，基板表面S可偏移於反應表面114上方或下方。例如，一些實施例中，基板表面S在反應表面114上方約0.5mm處。其他實施例中，基板表面S可 在反應表面114下方約0.5mm處。因此，當基板支撐於支撐表面104上受處理時，基板表面S可介於反應表面114上方約0.5mm至下方約0.5mm之間。反應表面實質上平行支撐表面104的支撐平面，即當基板安置於支撐表面104上時的基板之平面。邊緣環100可包含突出部202，該突出部202從外環108之底表面向下延伸。當配置在處理腔室內時，突出部202可提供腔室內的環的支撐，這將在下文中針對第3圖進行討論。
內環102與外環108可包含一或多種製程相容材料且可一體成形式(integrally)形成或者可分別形成且耦接在一起，而該等材料包括諸如陶瓷之非限制性範例，該陶瓷例如為碳化矽(SiC)。一些實施例中，內環102與外環108的多個部分可包含塗層，例如多晶矽塗層。內環102與外環108可以軸線204同心，該軸線204通過中心點C。
第2圖所繪示的非限制性實施例中，反應表面114徑向延伸超出內邊緣112一距離L。該距離L可為約24mm至約45mm，例如約24mm至約34mm。發明人已經觀察到，有益的功效可用徑向延伸超過內邊緣112實質上大於約24mm之任何距離的反應表面114而獲得，理由如下文所討論。發明人也已經觀察到，L尺寸大於一定量(例如大於約34mm)的邊緣環可提供次優的的處理量，需要更大的腔室容納該邊緣環，且需要額外的時間與能量加熱與冷卻。
所揭露的邊緣環可有利地用在任何裝設成執行至少快速熱處理製程的處理腔室中。適合用於執行本發明之方法 的處理腔室之範例包括RADLANCE®、RADLANCE® PLUS、或VANTAGE®處理腔室之任一者，或任何其他能夠執行熱製程的處理腔室，所述熱製程例如快速熱製程(RTP)，上述腔室皆可購自美國加州Santa Clara的應用材料公司。所揭露的邊緣環也可用於來自其他販售商的類似腔室。一些實施例中，適合的處理腔室可類似下文中針對第3圖所描述的處理腔室300。
基板302可包括配置在該基板上的一或多個層344(諸如介電層)，該基板302安裝在處理腔室300內側位於基板支座304上，且由輻射能量源加熱，該輻射能量源諸如為燈頭310，該燈頭310配置在與基板支座304相對的位置。燈頭310生成輻射，該輻射導向基板302之前側308。或者，該燈頭310可裝設成加熱基板302之背側306，舉例而言，諸如透過配置在基板302下方，或透過將輻射引導至基板302之背側306。在第3圖所描繪的說明性實施例中，輻射穿過水冷式石英窗組件312進入處理腔室300。在基板302下方的是反射板314，該反射板314安裝在水冷式不鏽鋼基座上，例如基座316。該基座316包括循環線路318，冷卻劑透過該循環線路318循環以冷卻反射板314。一些實施例中，反射板314由鋁製成且具有高反射性表面塗層320。水可循環通過基座316，以將反射板314之溫度維持在遠低於受熱之基板302的溫度。或者，可於相同或不同溫度提供其他冷卻劑。例如，抗凍劑(例如，乙二醇、丙二醇、或類似物)或其他熱傳流體可循環通過基座316，及/或該基座316可耦接致冷器 (chiller)(圖中未示)。基板302之下側或背側與反射板314之頂部形成反射腔322。該反射腔322促進基板302的有效發射率。
在基板320的局部區域之溫度由複數個溫度探針324所測量，該等溫度探針324耦接複數個高溫計326。複數個高溫計326連接溫度控制器328，該溫度控制器328回應測量到的溫度而控制供應至燈頭310之電力。燈可分成多個區塊。該等區塊可個別由控制器調整，以使基板302的不同區域有受控的輻射式加熱。
處理期間，第一氣體可由氣體分配盤(例如氣體供應器329)流動且於入口330(例如第一入口)進入處理腔室300，而至少部分填充處理空間301。例如，一些實施例中，氣體供應器329可以是遠端電漿源，以在提供電漿至處理腔室前由第一氣體形成電漿。入口330配置在處理腔室300之一側上，且助於第一氣體流過基板302之表面。燈頭310提供足夠能量以從第一氣體引燃電漿且在處理腔室300中將電漿維持在基板302上方的區域，或若氣體供應器為遠端電漿源時該能量足以維持電漿。燈頭310以一方式引燃及/或維持電漿，該方式足以在至少於基板302上方的處理空間301中維持氧化反應。
基板支座304可裝設呈靜態或可受支撐以在處理空間301中旋轉，以旋轉基板302。基板支座304包括邊緣環100，該邊緣環100於基板之外周邊周圍接觸基板302，從而除了外周邊周圍的小環狀區域之外，維持基板302的整個下 側暴露。
一些實施例中，邊緣環100的突出部202可安置在可旋轉管狀圓筒334上，該可旋轉管狀圓筒334塗佈有矽，而使其在高溫計326的頻率範圍內不透明。圓筒334上的塗層作為障礙物，以阻擋來自外部來源的輻射，這些輻射可能會污染強度測量。圓筒334的底部由環狀上軸承(bearing)336支托，該環狀上軸承336安置在複數個球狀軸承338上，該等球狀軸承338進而被支托在靜態環狀下軸承座(bearing race)340內。一些實施例中，球狀軸承338由鋼製成且塗佈有氮化矽，以減少操作期間顆粒形成。上軸承336耦接致動器(圖中未示)，該致動器於處理期間旋轉圓筒334、邊緣環100、與基板302。
基板支座304可耦接升舉機構342，該升舉機構342能夠相對於燈頭310抬升及降下(即提供垂直位移)基板302。舉例而言，基板支座304可耦接升舉機構342，使得基板302與反射板314之間的距離於升舉運動期間一致。
發明人已觀察到，在某些處理條件下，例如溫度介於約700℃至約900℃之間的快速熱處理(RTP)，基板上沉積或生長的層在基板邊緣處顯現厚度的不均勻。該條件存在於處理期間不旋轉的基板(產生非旋轉剖面)，也存在於處理期間旋轉的基板(產生旋轉剖面)。第4A圖與第4B圖是繪示非旋轉基板402上與旋轉基板404上沉積或生長之層的觀察到的厚度，該等基板是在相同腔室條件下使用習知邊緣環支撐基板而處理。
每一圖分別以圖線403、405表現在晶圓上方且對齊晶圓的習知邊緣環(圖中未示)支撐的基板402、404，表現出沿著各別晶圓直徑上的平均沉積或生長之層的厚度。零(0)點代表基板402、404的中心，且垂直軸可以是生長厚度的測量上的任何適當的尺度或單位，例如埃(Å)。在這兩幅圖中，處理氣體由左至右流過基板，如箭號401所繪示。
如圖所示，非旋轉基板402的生長層厚度的圖線403在朝向處理氣流首先接觸到的基板邊緣409處具有單一峰407(或局部最大值)。在峰407所代表的最大層厚度以及接近基板邊緣409的最小生長厚度408之間，生長層厚度快速減少，如峰407與最小生長厚度408之間的圖線403之斜率所指示。
旋轉基板404的層厚度的圖線405在朝向基板邊緣410處具有類似的峰406(或最大值)。在峰406所代表的最大層厚度以及接近基板邊緣410的最小生長厚度412之間，旋轉基板上的生長層厚度快速減少，如峰406與最小生長厚度412之間的圖線405之斜率所指示。
發明人已經觀察到，非旋轉剖面中的生長層厚度足以代表在相同腔室條件下處理的旋轉剖面之生長厚度。雖然在非旋轉與旋轉剖面中生長厚度可能並非相同，但旋轉晶圓上的生長層厚度在晶圓邊緣處顯現不均勻，該不均勻對應如第4A圖與第4B圖中繪示的旋轉晶圓邊緣處的不均勻。
局部最大值與生長層的外邊緣之間的生長層厚度的改變有時稱為邊緣滾落部(edge roll-off)。局部最大值(例 如峰406或407)與最小生長厚度408或412之間的層厚度的差距可視為邊緣滾落部的量值。因為邊緣滾落部效應在層於非旋轉及旋轉晶圓上生長時是類似的，所以除非內文中另外指示，否則邊緣滾落部的討論適用於旋轉及旋轉晶圓二者上生長的層。
對於一些應用而言，如第4A圖與第4B圖中所繪示的邊緣滾落部是非所期望的，且在一些應用中可能是不被接受的。發明人已經觀察到，外直徑在大於基板直徑的特定範圍內的邊緣環100提供實用機制以改善在某些處理條件下基板302上的生長層的均勻度。
第5圖中的圖表500描繪於不同溫度生長的示範性層厚度，同時維持其餘製程參數(例如壓力與處理氣體流速)基本上相同。第5圖中所代表的層厚度可代表基板上生長的層。該圖中，曲線502繪示製程期間於T1生長的層厚度。類似地，曲線504與506分別各繪示製程期間於T2與T3生長的層厚度。其中T1<T2<T3，例如，T1可以是800℃，Y2可以是900℃，且T3可以是1000℃。水平軸的原點代表生長層的邊緣，且對應於腔室中在基板上發生的有效燃燒反應的外邊緣，例如，邊緣環100的外邊緣110。有效燃燒反應區域的外邊緣內的區域生長可接受的均勻層厚度，而在外邊緣外的區域生長不充分的層厚度。原點也可對應晶圓的邊緣或是邊緣環的外邊緣。增加的水平尺度代表處理氣流的方向上的水平距離(以公尺計)。垂直軸可以是用於生長厚度測量上的任何適當的尺度或單位，例如埃(Å)。
發明人已觀察到，當距離以處理氣流之方向從生長層邊緣增加，則邊緣滾落部的量值減少。例如，在約0.05m(50mm)或更大的距離處，曲線502、504、與506顯現極微小的滾落部(若存在)。如所繪示，在約50mm處，曲線504與506處於各別曲線的大體向上傾斜線性部分。在50mm，曲線504在大約最大值處，對應第4A圖與第4B圖的406或407。發明人已經觀察到，當在自生長層之邊緣約10mm至約50mm(例如約10mm至30mm)的距離處測量生長層厚度時，對一些製程而言滾落部的量值在可接受範圍內。
發明人發現，處理基板使得晶圓周圍邊緣定位於約10mm至約50mm或約10mm至約30mm處(相對於腔室中發生的有效燃燒反應之外邊緣)是有利的。舉例而言，此處理可有利地產生強化的層生長，這是由於發生於基板上的邊緣滾落部減少所致。若基板經處理而使得該基板之周圍邊緣定位於離有效燃燒反應之邊緣超過0.05m，則該基板會顯現類似的期望特性，但基於下文所討論之理由，這樣的處理條件可能是次優的。
發明人在有利地操控有效燃燒反應區域之外邊緣位置方面已有所成功，該有效燃燒反應區域之外邊緣位置被操控在超出基板邊緣約10mm至約50mm或約10mm至約30mm，這是透過使邊緣環100具備比基板302之直徑大的外直徑而達成，且該外直徑大於基板302之直徑約24mm至約45mm之間，例如約24mm至約34mm之間。
如前文參考第1圖與第2圖所討論，邊緣環100包 含外環108，該外環108具有外邊緣110與內邊緣112，該內邊緣形成支撐表面104的外側界限。在內邊緣112與外邊緣110之間的是反應表面114。反應表面114是與支撐表面104同心的環狀環，且徑向延伸超出支撐表面104及支撐在該支撐表面上的基板302達約24mm至約45mm之間或約24mm至約34mm之間。邊緣環100的反應表面114貢獻於強化邊緣環表現。
發明人已觀察到，反應表面114延伸超出支撐表面104超過約45mm的邊緣環100增加生產與操作成本。例如，較大的反應表面需要額外材料來製造，需要更大的處理腔室，且提供更大的區域以支撐燃燒反應，消耗額外處理氣體與能量。雖然較大的反應表面可產生減少的邊緣滾落部，但達成減少所需的成本超過了效益。
發明人也已經觀察到，反應表面延伸超出支撐表面少於約24mm的邊緣環100無法適當操控有效燃燒反應區域的外邊緣以將邊緣滾落部減量至足以產生期望結果。
雖前述內容涉及本發明之實施例，然可不背離本發明之基本範疇設計其他與進一步之本發明實施例。

Claims (20)

  1. 一種基板支撐設備，包括：一內環，包括置中(centrally located)的一支撐表面，以支撐一基板，其中該支撐表面裝設成沿著該基板的直徑的約1.10%至約1.56%支撐該基板；以及一外環，從該支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含一反應表面，該反應表面配置在該支撐表面的一支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的該支撐平面，且其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約45mm。
  2. 如請求項1所述之基板支撐設備，其中該內環與該外環一體成形式(integrally)形成。
  3. 如請求項1所述之基板支撐設備，其中該內環與該外環分別形成。
  4. 如請求項3所述之基板支撐設備，其中該內環與該外環耦接在一起。
  5. 如請求項1至4之任一項所述之基板支撐設備，其中該內環與該外環之至少一者是由一陶瓷材料形成。
  6. 如請求項5所述之基板支撐設備，其中該陶瓷材料包含碳化矽。
  7. 如請求項1至4之任一項所述之基板支撐設備，其中該反應表面在該支撐表面上方約0.86mm至約0.97mm。
  8. 如請求項1至4之任一項所述之基板支撐設備，其中該支撐表面裝設成支撐具有約300mm之一直徑的一基板。
  9. 一種基板支撐設備，包含：一內環，包含置中的一支撐表面以支撐一基板，其中該支撐表面裝設成沿著該基板的直徑的約1.10%至約1.56%支撐該基板；以及一外環，從該支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含一反應表面，該反應表面位在該支撐表面的一支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的該支撐平面，其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約34mm，且其中該反應表面在該支撐表面上方約0.86至約0.97mm處。
  10. 一種基板處理設備，包括：一腔室主體，包圍一處理空間；以及一基板支撐設備，配置且支撐在該處理空間內，該基板支撐設備包括：一內環，包含置中的一支撐表面，該支撐表面適於支撐一基板，其中該支撐表面裝設成沿著該基板的直徑的約1.10%至約1.56%支撐該基板；以及 一外環，從該支撐表面徑向向外延伸，其中該外環包含一反應表面，該反應表面配置在該支撐表面的一支撐平面上方且大體上平行該支撐表面的該支撐平面，且其中該反應表面延伸超出該支撐表面約24mm至約45mm。
  11. 如請求項10所述之基板處理設備，進一步包括：一氣體供應器，供應一處理氣體至該處理空間；以及一輻射能量源，配置在該基板支撐設備上方，其中該輻射能量源具足夠能量以供給該處理氣體能量，以於該基板支撐設備上方形成且維持一電漿。
  12. 如請求項10所述之基板處理設備，其中該基板支撐設備受支撐以在該處理空間內垂直位移。
  13. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該基板支撐設備受支撐以在該處理空間內旋轉。
  14. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該內環與該外環一體成形式形成。
  15. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該內環與該外環分別形成。
  16. 如請求項15所述之基板處理設備，其中該內環與該外環耦接在一起。
  17. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該內環與該外環之至少一者是由一陶瓷材料形成。
  18. 如請求項17所述之基板處理設備，其中該陶瓷材料包含碳化矽。
  19. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該支撐表面裝設成支撐具有約300mm之一直徑的一基板。
  20. 如請求項10至12之任一項所述之基板處理設備，其中該反應表面在該支撐表面上方約0.86mm至約0.97mm。
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