TWI746406B - 處理套件及包括處理套件之電漿腔室 - Google Patents

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Abstract

本文所述實施方式一般涉及適合在半導體處理腔室中使用的處理套件，與常規處理套件相比，所述處理套件用單個邊緣環減小邊緣效應並加寬處理視窗。所述處理套件一般包括設置為鄰近於並且圍繞在電漿腔室中的半導體基板周邊的邊緣環。所述基板和所述邊緣環之間的間隙的尺寸小於約1000 µm，並且所述基板和所述邊緣環之間的高度差小於約(+/-)300 µm。所述環的電阻率小於約50 Ohm-cm。

Description

處理套件及包括處理套件之電漿腔室
本揭示案的實施方式一般涉及半導體處理，並且更具體地涉及一種用於半導體處理腔室中的處理套件。
在電漿處理腔室中執行各種半導體製造製程，諸如電漿輔助的蝕刻或化學氣相沉積。基板支撐件在半導體處理腔室內的處理位置處支撐基板。在所述半導體處理腔室內維持包括一或多種處理氣體的電漿區域，以對設置在所述基板支撐件上的基板執行半導體製造製程。
電漿鞘是由空間電荷形成的強電場的薄區域，所述電漿鞘將電漿與材料邊界分隔。在電漿蝕刻期間，電漿鞘形成於電漿和正被蝕刻的基板、半導體處理腔室的壁以及半導體處理腔室的與所述電漿區域接觸的所有其他部分（包括所述處理套件）之間。 電漿鞘的厚度(d)由如下所示等式1表示：
Figure 02_image001
電漿鞘的厚度(d)由如下所示等式1表示：
Figure 02_image001
在等式1中，「i」為離子電流密度，「ε」為真空介電常數，「e」為元電荷，「m」為離子品質，以及「VP」為電漿電位。如圖所示，電漿鞘的厚度可藉由調整電漿參數（即源功率和偏壓功率）來增加或減小，所述源功率和偏壓功率分別影響離子電流「i」和「VDC」。在電漿區域中產生的離子沿垂直於所述電漿鞘的軌道在電漿鞘中加速。因為電漿鞘一般平行於基板的平面，所以穿過所述電漿鞘的離子一般沿垂直方向衝擊所述基板。相反地，電漿鞘形狀的擾動（例如由位於基板邊緣的處理套件的存在引起）局部地改變離子通量，使得穿過電漿鞘的離子沿非垂直方向衝擊基板，從而產生蝕刻不均勻性。
因此，本領域中需要改進的處理套件。
揭示了一種適合在半導體處理腔室中使用的處理套件。在一個實施例中，處理套件包括邊緣環。所述邊緣環包括內環和外環。所述內環包括具有與第二表面相對的第一表面的非金屬導電體。所述非金屬導電體具有小於約50 Ohm-cm的電阻率。所述內環進一步包括沿所述內環的內周邊設置的凹口。所述凹口具有上升小於約1200 µm的垂直分量和在約1300 µm與約2500 µm之間延伸的水平分量。所述外環耦接到所述內環並且環繞所述內環的周邊。所述外環包括具有與第四表面相對的第三表面的石英主體。
在另一實施例中，揭示了用於對基板執行半導體處理的電漿腔室。所述電漿腔室包括基板支撐組件和處理套件。所述處理套件適合於鄰近基板支撐組件使用並且耦接到所述基板支撐組件的凸緣。所述處理套件包括邊緣環和導電構件。所述邊緣環包括沿所述邊緣環的內周邊設置的凹口。所述凹口具有上升小於約1200 µm的垂直分量和在約1300 µm和約2500 µm之間延伸的水平分量。另外，所述導電構件耦接到所述邊緣環。
在又一實施例中，適合在處理腔室中使用的處理套件包括邊緣環、至少一個熱接觸墊和導電構件。所述邊緣環環繞基板支撐組件的周邊，所述基板支撐組件被設置在處理腔室中。所述邊緣環包括內環和外環。所述內環設置為鄰近於所述基板支撐組件並且包含非金屬導電材料。所述內環進一步包括沿所述內環的內周邊設置的凹口，其中所述凹口具有上升小於約1200 µm的垂直分量和在約1300 µm和約2500 µm之間延伸的水平分量。所述外環耦接到所述內環並且環繞所述內環的周邊。所述外環包含石英材料。所述至少一個熱接觸墊耦接到所述內環並且設置在形成於所述內環中的槽內。另外，所述導電構件耦接到所述外環。
本文所述實施方式一般涉及適合在半導體處理腔室中使用的處理套件，與常規處理套件相比，所述處理套件用單個邊緣環減小邊緣效應。所述處理套件一般包括設置為鄰近於並且圍繞在電漿腔室中的半導體基板的周邊的邊緣環。所述基板和所述邊緣環之間的間隙尺寸小於約1000 µm，並且所述基板和所述邊緣環之間的高度差小於約(+/-)300 µm。所述環的電阻率小於約50 Ohm-cm。
如本文所述，「基板」或「基板表面」一般指對其執行處理的任何基板表面。例如，根據應用，基板表面可包含矽、二氧化矽、摻雜矽、矽鍺、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石和任何其他材料（諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金和其他導電或半導電材料）。基板或基板表面亦可包含諸如二氧化矽、氮化矽、有機矽酸鹽和碳摻雜氧化矽或氮化物材料的介電材料。術語「基板」可進一步包括術語「晶圓」。基板本身不限於任何特定大小或形狀。儘管本文描述的實施方式一般參考圓形基板進行，但是根據本文描述的實施方式可以使用其他形狀，諸如多邊形、正方形、矩形、彎曲的或其他非圓形工件。 對處理腔室的一般描述
圖1圖示了在其中可使用本實施方式的半導體處理腔室100的一個實施例的示意性剖面圖。所圖示的半導體處理腔室100為適用於蝕刻或者化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)的磁性增強電漿腔室。
處理腔室100包括圓柱形側壁102、圓形底壁104和圓形頂壁106。陽極電極108安裝在頂壁106的底部並且可電接地。陽極電極108可經穿孔以充當氣體入口，處理氣體穿過所述氣體入口進入半導體處理腔室100。半導體處理腔室100的壁102、壁104和壁106的每一個都為金屬，儘管壁102、壁104、壁106的一些或全部可包括半導體或介電材料。不為介電質的任意壁102、壁104、壁106可電接地並且充當陽極電極108的部分。
基板支撐組件120設置在處理腔室100中。基板支撐組件120具有面向陽極電極108的基本上平坦的前表面140。基板支撐組件120的前表面140在處理期間支撐基基板110。基板支撐組件120可由半導體處理腔室100的底壁104支撐。基板支撐組件120具有金屬基板支撐主體122，所述金屬基板支撐主體122充當下文描述的陰極電極，但若設置在基板支撐組件120內的另一電極被配置成作為陰極電極進行操作，則基板支撐主體122不需要為金屬。
可通過機械夾具、真空、重力或通過靜電力將基板110固定在基板支撐組件120上的適當位置。在一個實施例中，基板支撐組件120包括靜電卡盤126，可激勵靜電卡盤126以在處理期間將基板110抵靠基板支撐組件120的前表面140牢固地固定。
靜電卡盤126包括由介電材料142圍繞的至少一個卡緊電極124。靜電卡盤126的介電材料142使卡緊電極124與基板110並且與金屬基板支撐主體122電絕緣，從而使得能夠當卡緊電極124通電時產生對基板110的靜電引力。用於操作靜電卡盤126的電力由電源128供應。
支撐基板110的靜電卡盤126的部分144的直徑可小於基板110的直徑（即，基板110略突出於支撐基板110的靜電卡盤126的部分144的周邊）。
基板支撐組件120進一步包括設置在靜電卡盤126下方的基板支撐主體122。基板支撐主體122可為圓柱形形狀並且可由諸如陽極化鋁的金屬材料組成。基板支撐主體122具有比靜電卡盤126更大的半徑以提供凸緣146來促進將靜電卡盤126緊固到基板支撐主體122。
真空泵（未圖示）將氣體從處理腔室通過排氣歧管130排出並且將腔室中的總氣壓維持在足夠低的程度以促進電漿的形成，例如在約10毫托至20托的範圍內，其中在所述範圍的下限端和上限端的壓力分別更適於蝕刻處理和CVD處理。
在基板110的處理期間，將電漿維持在被限定在基板110和陽極電極108之間的處理腔室100的區域148中。所述電漿藉由將處理氣體混合物激發至電漿狀態來形成。所述電漿可在處理腔室內產生（原位電漿），或在另一腔室中產生（遠端電漿源）並且被泵送到所述處理腔室內。
射頻(radio frequency, RF)電源132通過一或多個串聯耦合電容器134連接到以下腔室部件中的一或多個：基板支撐主體122、卡緊電極124或附加電極（諸如線網），所述附加電極嵌入在靜電卡盤126中。這些元件的任何一個連接到所述RF電源以共同組成所述處理腔室的陰極電極。在一個實施例中，基板支撐主體122連接到RF電源132以便充當陰極電極。
RF電源132在陰極電極和接地陽極電極108之間提供RF電壓，其說明供應用以維持電漿所需的激發電力。相對於陽極電極和電漿，施加到陰極的RF電壓也在陰極電極上產生時均負DC偏壓，這使離子化的處理氣體成分加速朝向陰極電極，從而促進對基板110的處理。
在一個示範性實施方式中，由基板支撐組件120支撐的基板110可為200 mm、300 mm或450 mm的矽晶圓。標準200 mm基板一般具有約725 µm的厚度。標準300 mm基板一般具有約775 µm的厚度。標準450 mm基板一般具有約925 µm的厚度。 通用處理套件
圖2A圖示了適合在圖1的半導體處理腔室100中使用的處理套件200的示意性剖面圖。圖3圖示了圖1的處理套件200的示意性俯視圖。參看圖2A和圖3兩者，處理套件200設置在半導體處理腔室100中以改進電漿處理並在處理期間保護腔室部件。在一些實施例中，處理套件200可耦接到基板支撐組件120和/或由基板支撐組件120支撐或可鄰近於基板支撐組件120使用。處理套件200進一步繞基板110的周邊延伸和/或設置為鄰近於基板110。
處理套件200包括邊緣環202。邊緣環202包括內環204和外環206。然而，可以預期的是，在一些實施例中，內環204和外環206可形成單個環。邊緣環202環繞基板支撐組件120的周邊150。邊緣環202包括沿邊緣環202和/或內環204的內周邊212設置的凹口210。
內環204設置為鄰近於基板支撐組件120。內環204包括第一表面214和第二表面216，其中第二表面216與第一表面214相對。內環204由非金屬和/或具有小於約100 Ohm-cm（例如，小於約50 Ohm-cm）的電阻率的導電材料製造。內環204可由碳化矽材料、矽材料、非金屬材料、和/或它們的混合物和組合製造。
內環204進一步包括凹口210。在一些實施例中，凹口210在內環204的內周邊212中形成。凹口210包括由圖2A中的參考箭頭「V」表示的垂直分量。垂直分量V可具有小於約1500 µm（例如，小於約1200 µm）的上升。凹口210進一步包括由圖2A中的參考箭頭「H」表示的水平分量。水平分量H可具有在約1000 µm和約3000 µm之間延伸（例如，在約1300 µm和約2500 µm之間，諸如約1800 µm）的長度(run)。凹口210可在處理期間支撐基板110和/或防止基板110運動。
圖2B為圖2A所示的邊緣環202的凹口210的放大剖面圖。為了不擾動在基板110的邊緣處的電漿鞘，處理套件200的尺寸可精確地形成在精密公差內。因而，基板110和邊緣環202的內環204之間的間隙E的尺寸小於約1000 µm，例如，小於約850 µm，諸如小於約800 µm。另外，邊緣環202的內環204的高度F經選擇成使得基板110的頂表面240和內環204的第一表面214大約位於相同的平面上。在一些實施例中，大約在相同平面中包括在由基板110的頂表面240形成的平面和由內環204的第一表面214形成的平面之間的垂直距離距彼此約(+/-)400 µm內，例如，距彼此約(+/-)300 µm內，諸如距彼此(+/-)200 µm內。
返回到圖2A和圖3，外環206耦接到內環204，並且可環繞內環204的外周邊218。在一些實施例中，外環206可經由沿外環的內周邊222形成的支撐凸耳220支撐內環204。另外，外環206包括第三表面224和第四表面226。第三表面224可與第四表面226相對。外環206可包含石英材料。
處理套件200可進一步包括至少一個熱接觸墊208。在一些實施例中，熱接觸墊208可為可選的。儘管在圖2A中僅圖示了一個熱接觸墊208的部分，但可預期的是，可使用多個熱接觸墊208，如圖2B中所示。熱接觸墊208可由矽樹脂（聚合物）材料製造。另外，熱接觸墊208和邊緣環202可各自共享類似的熱導率。熱接觸墊208的益處包括促進邊緣環202和靜電卡盤126之間良好的熱接觸。
熱接觸墊208可耦接到內環204。每個熱接觸墊208與內環204的第二表面216接觸，並且在一些實施例中，每個熱接觸墊208可具有不連續的（即，分段的）環形狀，如圖3所示。因而，熱接觸墊208可包括類似於邊緣環202的環形狀，然而，所述熱接觸可能不完全繞邊緣環202延伸。然而，可以預期的是，在一些實施例中為連續環並且具有連續環形狀的一個熱接觸墊208可完全繞邊緣環202延伸。然而，在其他實施例中，熱接觸墊208可為任何適合的形狀。
另外，如圖3所示，多個熱接觸墊208可與內環204接觸。如圖3中所示有四個熱接觸墊208，但可以預期，可以使用任意數目的熱接觸墊208。每個熱接觸墊208可促進在邊緣環202和靜電卡盤126之間的良好的熱接觸。
內環204的第二表面216可包括在第二表面中至少部分地形成的至少一個槽228。每個槽228可容納熱接觸墊208的相應一者。因而，在內環204的第二表面216中形成的熱接觸墊208的數目和槽228的數目可為相同的。每個熱接觸墊208可完全地容納在每個槽228內，然而，在一些實施例中，每個熱接觸墊208可部分地從相應的槽228延伸出而突出到內環204的第二表面216外。每個槽228保護相應熱接觸墊208並且最小化熱接觸墊208與其他部件的干擾。
在一些實施例中，處理套件200可進一步包括導電構件230。導電構件230可耦接到外環206的第四表面226。在一些實施例中，外環206可包括在第四表面226中形成的通道232。導電構件230可至少部分地設置在通道232內，使得外環206耦接到導電構件230。
執行測試並且結果指示經由使用本文揭示的處理套件最小化了離子聚焦和散焦效應，如圖4A和圖4B的示意圖所示。如進一步圖示，所述基板的表面相對於所述環的頂表面的位置對最小化基板邊緣處的電漿鞘的擾動是關鍵的。若將所述邊緣環加工為使得所述基板位於所述邊緣環的平面上方，則所述電漿鞘可向外彎曲。離子垂直於所述電漿鞘移動，並且因此偏離基板邊緣，這使得蝕刻速率減小。另一方面，若將所述邊緣環加工為使得所述基板位於所述環的平面下方，則所述鞘可向內彎曲從而將離子聚焦在所述晶圓的邊緣上，這使得蝕刻速率增大。使用本文揭示的處理套件將所述基板定位於與所述邊緣環相同的平面上，並且因此最小化電漿鞘的彎曲。此外，所述電漿鞘的彎曲能力取決於所述電漿鞘的厚度，以及因此取決於電漿條件－－主要為源功率和偏壓功率（參照等式1）。圖4A和圖4B圖示，當使用相對於偏壓功率（例如，在約50瓦特和約500瓦特之間）的高源功率（例如，約1000瓦特以上）或使用相對於偏壓功率（例如，在約50瓦特和約500瓦特之間）的低源功率（例如，約500瓦特以下）測試本揭示案的處理套件時，所述處理套件的幾何形狀最小化邊緣效應，而不管所述電漿條件如何。
本揭示案的益處包括減小在基板邊緣處的電漿鞘的擾動的處理套件。所述邊緣環可包括導電環和非導電環，所述導電環和非導電環都可被加工為與基板齊平。因而，處理套件作用以減小歸因於不均勻的電漿鞘的電漿蝕刻中的變化，從而改進所述處理均勻性。
總體來說，本文描述的實施方式一般涉及適合在半導體處理腔室中使用的處理套件，與常規處理套件相比，所述處理套件使用單個邊緣環減小邊緣效應並加寬處理視窗。所述處理套件一般包括設置為鄰近於並且圍繞在電漿腔室中的半導體基板的周邊的邊緣環。所述基板和所述邊緣環之間的間隙的尺寸小於約1000 µm，並且所述基板和所述邊緣環之間的高度差小於約(+/-)300 µm。所述環的電阻率小於約50 Ohm-cm。
儘管上述內容針對本揭示案的實施方式，但也可在不脫離本揭示案的基本範圍的情況下設計本揭示案的其他和進一步的實施方式，並且本揭示案的範圍由隨附的申請專利範圍確定。
100:半導體處理腔室 102:圓柱形側壁 104:底壁 106:頂壁 108:陽極電極 110:基板 120:基板支撐組件 122:基板支撐主體 124:卡緊電極 126:靜電卡盤 128:電源 130:排氣歧管 132:射頻電源 134:串聯耦合電容器 140:前表面 142:介電材料 144:部分 146:凸緣 148:區域 150:周邊 200:處理套件 202:邊緣環 204:內環 206:外環 208:熱接觸墊 210:凹口 212:內周邊 214:第一表面 216:第二表面 218:外周邊 220:支撐凸耳 222:內周邊 224:第三表面 226:第四表面 228:槽 230:導電構件 232:通道 240:頂表面
因此，為了能夠詳細理解本揭示案的上述特徵結構所用方式，可以參考各個實施方式更具體的描述上文所簡要概述的本揭示案，所述實施方式中的一些圖示於附圖中。然而，應當注意，附圖僅圖示本揭示案的示例性實施方式，並且因此不應視為限制本揭示案的範圍，且本揭示案可允許其他等效實施方式。
圖1圖示了根據本文所述實施方式的電漿處理腔室的示意性剖面圖。
圖2A和圖2B分別圖示了圖1的處理套件的示意性剖面圖和示意性放大剖面圖。
圖3圖示了圖1的處理套件的示意性俯視圖。
圖4A和圖4B圖示了相對於偏壓功率使用高源功率執行的氮化物蝕刻速率和相對於偏壓功率使用低源功率執行的氮化物蝕刻速率的示意圖表。
為了便於理解，在儘可能的情況下，使用相同的附圖標記來標示圖中共有的相同元素。可以預期一個實施方式的元素和特徵可以有益地併入其他實施方式中而無須贅述。
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100:半導體處理腔室
102:圓柱形側壁
104:底壁
106:頂壁
108:陽極電極
110:基板
120:基板支撐組件
122:基板支撐主體
124:卡緊電極
126:靜電卡盤
128:電源
130:排氣歧管
132:射頻電源
134:串聯耦合電容器
140:前表面
142:介電材料
144:部分
146:凸緣
148:區域

Claims (20)

  1. 一種適合在一半導體處理腔室中使用的內環，該內環包括： 一非金屬導電體，該非金屬導電體具有與一第二表面相對的一第一表面，該第二表面具有部分在該第二表面中鏜過的至少一個槽，該非金屬導電體具有小於50 Ohm-cm的一電阻率， 其中該內環具有沿該內環的一內周邊設置的一凹口， 其中該凹口具有上升小於1200 µm的一垂直分量及在1300 µm與2500 µm之間延伸的一水平分量，及 其中該至少一個槽在一徑向方向上設置於該凹口與該內環的一外周邊之間。
  2. 如請求項1所述的內環，進一步包含至少一個熱接觸墊，該至少一個熱接觸墊容納在該至少一個槽內。
  3. 如請求項2所述的內環，其中，該至少一個熱接觸墊具有一不連續的環形狀。
  4. 如請求項2所述的內環，其中，該至少一個熱接觸墊包含一矽樹脂材料。
  5. 如請求項1所述的內環，該內環包含一矽材料。
  6. 如請求項1所述的內環，該內環包含一碳化矽材料。
  7. 一種適合在一半導體處理腔室中使用的一處理套件，該處理套件包括： 一邊緣環，該邊緣環限定一徑向方向，該邊緣環包括： 一內環，該內環包括： 一非金屬導電體，該非金屬導電體具有與一第二表面相對的一第一表面，該第二表面具有部分在該第二表面中鏜過的至少一個槽，該非金屬導電體具有小於50 Ohm-cm的一電阻率， 其中該內環具有沿該內環的一內周邊設置的一凹口，及 其中該凹口具有上升小於1200 µm的一垂直分量及在1300 µm與2500 µm之間延伸的一水平分量；及 一外環，該外環耦接到該內環並且環繞該內環的一外周邊，該外環包含： 一支撐凸耳，該支撐凸耳沿該外環的一內周邊形成， 其中該至少一個槽在該徑向方向上設置於該凹口與該支撐凸耳之間。
  8. 如請求項7所述的處理套件，進一步包含至少一個熱接觸墊，該至少一個熱接觸墊容納在該至少一個槽內。
  9. 如請求項8所述的處理套件，其中，該至少一個熱接觸墊具有一不連續的環形狀。
  10. 如請求項8所述的處理套件，其中，該至少一個熱接觸墊包含一矽樹脂材料。
  11. 如請求項8所述的處理套件，進一步包括一第二熱接觸墊、一第三熱接觸墊及一第四熱接觸墊，其中每個熱接觸墊都被設置在形成於該內環中的一槽中。
  12. 如請求項7所述的處理套件，其中，該內環包含一矽材料。
  13. 如請求項7所述的處理套件，其中，該內環包含一碳化矽材料。
  14. 一種用於對一基板執行一半導體處理的電漿腔室，該電漿腔室包括： 一基板支撐組件；及 一內環，該內環設置成鄰近該基板支撐組件，該內環包括： 一非金屬導電體，該非金屬導電體具有與一第二表面相對的一第一表面，該第二表面具有部分在該第二表面中鏜過的至少一個槽，該非金屬導電體具有小於50 Ohm-cm的一電阻率， 其中該內環具有沿該內環的一內周邊設置的一凹口， 其中該凹口具有上升小於1200 µm的一垂直分量及在1300 µm與2500 µm之間延伸的一水平分量，及 其中該至少一個槽在徑向方向上設置於該凹口與該內環的一外周邊之間。
  15. 如請求項14所述的電漿腔室，進一步包含至少一個熱接觸墊，該至少一個熱接觸墊容納在該至少一個槽內。
  16. 如請求項15所述的電漿腔室，其中，該至少一個熱接觸墊具有一不連續的環形狀。
  17. 如請求項15所述的電漿腔室，其中，該至少一個熱接觸墊包含一矽樹脂材料。
  18. 如請求項15所述的電漿腔室，進一步包括一第二熱接觸墊、一第三熱接觸墊及一第四熱接觸墊，其中每個熱接觸墊都被設置在形成於該內環中的一槽中。
  19. 如請求項14所述的電漿腔室，該電漿腔室包含一矽材料。
  20. 如請求項14所述的電漿腔室，該電漿腔室包含一碳化矽材料。
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