TWI747837B - 用於電漿處理腔室的邊緣環組件及用於電漿處理的系統 - Google Patents

用於電漿處理腔室的邊緣環組件及用於電漿處理的系統 Download PDF

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塔馬洛克 潘得漢索朋
貝瑞特 Ｃ 理察森
詹姆士 Ｃ 維特
派崔克 鍾
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Abstract

提供一種邊緣環組件，其包含：配置成環繞一靜電夾盤(ESC)的一上 邊緣環，該ESC具有用於支撐一基板的一頂部表面、及環繞該頂部表面的一環形階，該環形階定義低於該頂部表面的一環形架，該上邊緣環係在該環形架上方加以配置；一下內邊緣環，配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下內邊緣環係由一導電材料加以定義，該下內邊緣環係與該ESC電絕緣；一下外邊緣環，環繞該內邊緣環，該下外邊緣環係配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下外邊緣環係由一電絕緣材料加以定義。

Description

用於電漿處理腔室的邊緣環組件及用於電漿處理的系統
本申請案主張於西元2015年8月18日申請之美國暫時申請案第62/206,753號的優先權，該美國暫時申請案的標題為“Edge Ring Assembly for Improving Feature Profile Tilting at Extreme Edge of Wafer”，其揭示內容於此藉由參照納入本案揭示內容。
本發明之實施例關於半導體晶圓處理設備工具，且更具體而言，關於在電漿處理腔室中使用的邊緣環組件。
當電漿蝕刻製程係在晶圓上加以執行時，電漿鞘往往在晶圓的斜邊周圍彎曲。由於此效應，在晶圓的極限邊緣處，蝕刻的特徵部輪廓朝晶圓的邊緣傾斜。此傾斜對於元件可為災難性的，且可能實際上使晶圓的極限邊緣區域無法使用。舉例而言，3D NAND結構可能由於特徵部輪廓傾斜而遺漏下方接觸部。MEMS元件可能特別容易受特徵部傾斜的影響，舉例來說，因為即使0.1-0.2度的特徵部傾斜可能使MEMS迴轉儀無法操作。在當前技術下，MEMS元件(諸如矽迴轉儀)係藉由電漿蝕刻製程加以製造。適於製造MEMS元件之電漿蝕刻腔室的一個例子係由Lam Research Corporation製造的TCP® 9400DSiETM(深矽蝕刻)。特徵部輪廓傾斜造成在基板邊緣區域所製作之Si迴轉儀中的正交誤差，且因而降低良率。由於每單位徑向距離增量的面積係在晶圓邊緣處最大，所以即使在可用半徑上的微幅增加可顯著地改善良率。
因此，這是本發明的實施例產生的背景。
本揭示內容的實施方式提供一種邊緣環組件，其係配置成降低在極限晶圓邊緣區域的特徵部輪廓傾斜。藉由降低在邊緣區域的特徵部輪廓傾斜，晶圓的更多可用面積變得可加以利用，從而提高所製造元件(例如MEMS Si迴轉儀)的良率。在所揭示內容的實施方式中，提供被動受電的邊緣環電極，其當RF功率係施加至ESC(作為底電極)時呈現對靜電夾盤(ESC)的電容式耦合。邊緣環的被動受電不需要獨立RF電源供應器的額外費用或增加的複雜性，且仍然提供在晶圓邊緣蝕刻的特徵部之輪廓傾斜的改善。
本揭示內容的實施例提供方法、設備、及系統以允許在極限晶圓邊緣的電漿鞘邊界上方獲得控制，以促進邊緣局部的離子軌跡控制且從而提供在通常包含徑向最外5-15mm(例如沿150mm晶圓半徑大約60-75mm、沿200mm晶圓半徑的85-100mm、沿300mm晶圓半徑的135-150mm等且超過(具有約1-5mm之範圍的邊緣排除部)之範圍)的極限晶圓邊緣處之晶圓輪廓的調整。在晶圓邊緣附近達成對離子軌跡的控制及將由於鞘彎曲造成之所得的離子聚焦效果最小化，不僅可操縱對晶圓的離子軌跡亦操縱離子對中性粒子的通量比例。
在極限晶圓邊緣附近的電漿鞘邊界可藉由允許在邊緣環組件上方的鞘連續性而加以修改。由於被動受電的邊緣環電極造成之修改的鞘邊界降低在晶圓邊緣的離子傾斜及離子聚焦。
在一實施方式中，提供一種用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其包含：配置成環繞一靜電夾盤(ESC)的一上邊緣環，該靜電夾盤係配置成電連接至一RF電源供應器，該ESC具有用於支撐一基板的一頂部表面、及環繞該頂部表面的一環形階，該環形階定義低於該頂部表面的一環形架，該上邊緣環係在該環形架上方加以配置，該上邊緣環係由一電絕緣材料加以界定；配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方的一下內邊緣環，該下內邊緣環係由一導電材料加以界定，該下內邊緣環係與該ESC電絕緣；環繞該下內邊緣環的一下外邊緣環，該下外邊緣環係配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下外邊緣環係由一電絕緣材料加以界定。
在一實施方式中，在該下內邊緣環和該ESC之間的一介電分離係配置成提供一預定電容，其中從該RF電源供應器傳遞至該ESC的功率係以由該預定電容決定之一預定相對量傳遞至該下內邊緣環。
在一實施方式中，該上邊緣環係由一石英材料加以界定。
在一實施方式中，該下外邊緣環係由一石英材料加以界定。
在一實施方式中，該下內邊緣環係由一鋁材料加以界定。
在一實施方式中，該下內邊緣環具有一陽極化的鋁表面，該陽極化的鋁表面提供與該ESC的電絕緣。
在一實施方式中，該下內邊緣環及該下外邊緣環係直接配置在該ESC的該環形架上方。
在一實施方式中，在電漿處理期間自該RF電源供應器施加RF功率至該ESC的操作提供該下內邊緣環對該ESC的電容式耦合。
在一實施方式中，在電漿處理期間的電容式耦合導致在該電漿處理期間形成的一電漿鞘在一空間區域內徑向地延伸，該空間區域係實質界定在該上邊緣環上方。
在一實施方式中，在電漿處理期間的該電容式耦合降低在該基板之一邊緣區域的離子聚焦。
在一實施方式中，在電漿處理期間的該電容式耦合減少在該基板之該邊緣區域的離子軌跡自該基板的頂部表面的法線遠離之傾斜。
在一實施方式中，該上邊緣環係環形形狀，以在約190mm至230mm的範圍在內徑和外徑之間延伸，且其具有約15至25mm的徑向厚度/寬度及約2mm至5mm的高度。
在一實施方式中，該下內邊緣環係環形形狀，以在約190mm至225mm的範圍在內徑和外徑之間延伸，且其具有約15至20mm的徑向厚度/寬度及約8至15mm的高度。
在一實施方式中，該下內邊緣環的內徑係與由該ESC的該環形階定義之一側壁的直徑相比較大約0.5至1mm，以定義在該側壁和該下內邊緣環之間的一環形間隙。
在一實施方式中，該下外邊緣環係環形形狀，以在約220mm至245mm的範圍在內徑和外徑之間延伸，且其具有約10至15mm的徑向厚度/寬度及約8mm至15mm的高度。
在一實施方式中，該上邊緣環具有一頂部表面，該上邊緣環的該頂部表面具有於該上邊緣環的內徑處加以定義的一階梯邊緣，其中該階梯邊緣的一下部係配置成位在比該ESC的該頂部表面低的一高度，使得當該基板存在時，該基板延伸在該階梯邊緣的下部上方。
在一實施方式中，該下內邊緣環包含一氧化釔外塗層
在一實施方式中，提供一種用於電漿處理的系統，該系統包含：一處理腔室；在該處理腔室內設置的一靜電夾盤(ESC)，該ESC具有一頂部表面，該頂部表面係配置成用以在電漿處理期間支撐一基板，該ESC進一步包含環繞該頂部表面的一環形階，該環形階定義位在低於該頂部表面之高度的一環形架；配置在該環形架上方的一上邊緣環，該上邊緣環係由一電絕緣材料加以界定；一下內邊緣環，配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下內邊緣環係由一導電材料加以界定，該下內邊緣環係與該ESC電絕緣；環繞該下內邊緣環的一下外邊緣環，該下外邊緣環係配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下外邊緣環係由一電絕緣材料加以界定；在該ESC之內加以配置的一偏壓電極，該偏壓電極係配置成接收來自一第一RF電源供應器的RF功率以在該基板上產生一偏電壓。
100:電漿處理系統
101:腔室
103:夾盤(ESC)
104:偏壓電極
105:基板(晶圓)
107:介電窗
109:TCP線圈
111:RF電源供應器
113:偏壓匹配電路
115:IEADF控制電路
117:參考接地電位
119A:電連線
119B:電連線
119C:電連線
121:TCP RF電源供應器
123:TCP匹配電路
125:參考接地電位
127A:電連線
127B:電連線
127C:電連線
129:電漿
130:頂部表面
131:陶瓷頂部
132:環形階
134:環形架
136:側壁
200:SEM影像
202:SEM影像
204:SEM影像
206:SEM影像
208:SEM影像
210:SEM影像
212:SEM影像
214:SEM影像
216:SEM影像
218:SEM影像
400:邊緣環組件
402:石英邊緣環
404:氧化鋁邊緣環
406:接地環
408:氧化鋁間隔層
500:頂邊緣環
502:電極環
504:石英外環
506:接地環
508:間隔層
700:上邊緣環
702:電極環
704:下外環(下外邊緣環)
706:接地環
708:間隔層
800:絕緣外層
802:絕緣層
804:間隙
900:內表面
902:底表面
904:頂部表面
906:階梯邊緣
908:下部
1000:介電塗層
1200:曲線
1202:曲線
1500:控制模組
1502:閥
1504:過濾加熱器
1506:幫浦
1508:其他裝置
1510:壓力計
1512:流量計
1514:溫度感測器
1516:其他感測器
1518:顯示器
1520:輸入裝置
圖1A根據本發明的一實施例顯示用於蝕刻操作之電漿處理系統100的架構圖。
圖1B根據本發明的一實施例顯示電漿處理系統100的設計圖。
圖2說明幾個掃描式電子顯微鏡(SEM)的影像，該等影像顯示在晶圓的邊緣區域內受蝕刻之特徵部的傾斜。
圖3係說明特徵部輪廓傾斜的度數相對於自晶圓邊緣距離的圖。
圖4A根據本揭示內容的實施方式說明由Lam Research Corporation製造的TCP® 9400DSiETM(深矽蝕刻)工具的剖面透視圖。
圖4B說明包含既有之邊緣環組件400的工具之一部分的特寫橫剖面圖。
圖4C說明類似於圖4B之部分的特寫剖面圖
圖5根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件，其係配置成降低在晶圓邊緣的特徵部輪廓傾斜。
圖6根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件。
圖7A根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件的橫剖面。
圖7B根據本揭示內容的實施方式說明一實施方式，其中該電極環702的寬度與圖7A的寬度相比已經增加。
圖8A根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件的橫剖面，其概念性地說明對ESC的電容式耦合。
圖8B根據本揭示內容的實施方式對應於圖8A的配置說明功率隨徑向位置變化。
圖9根據本揭示內容的實施方式說明的一邊緣環組件的橫剖面。
圖10根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件。
圖11係一SEM影像，其顯示在執行基線製程之後一測試晶圓的徑向剖面透視圖，該基線製程包含氧化物突破(breakthrough)、沉積及蝕刻製程。
圖12A係顯示在自晶圓邊緣各種距離處之特徵部傾斜角度的圖，其比較來自標準設定(“STD”)及採用氧化釔塗佈之HAA電極環(“HAA Y”)之設定的結果。圖12B係圖12A顯示之數據的圖，其包含擬合曲線。
圖13A、13B、及13C係SEM影像，其顯示分別自晶圓邊緣大約0.5mm、0.7mm、及1.2mm之特徵部的橫剖面，該等特徵部已使用標準設定加以處理。圖13D、13E、及13F係顯示分別自晶圓邊緣大約0.5mm、0.7mm、及1.2mm的特徵部橫剖面之相對應的SEM影像，該等特徵部已使用採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定加以處理。
圖14A、14B、及14C係SEM影像，其顯示分別自晶圓邊緣大約1.7mm、2.2mm、及2.7mm之特徵部的橫剖面，該等特徵部已使用標準設定加以處理。圖14D、14E、及14F係顯示分別自晶圓邊緣大約1.7mm、2.2mm、及2.7mm的特徵部橫剖面之相對應的SEM影像，該等特徵部已使用採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定加以處理。
圖15顯示用於控制本揭示內容之系統的控制模組。
本揭示內容的實施例提供允許透過邊緣局部之離子軌跡控制與電漿操作的極限邊緣鞘和晶圓輪廓調整的方法、設備、及系統。應理解本發明的實施例可以多種方式(諸如製程、設備、系統、裝置、材料、或方法)加以實現。一些實施例係描述如下。
在一些實施方式中，離子通量及軌跡的極限晶圓邊緣控制係藉由被動受電的邊緣環組件加以達成，其中電容式耦合的邊緣環電極係被包含於環繞靜電夾盤(ESC)陶瓷的邊緣環組件。
透過邊緣環電極對ESC的電容式耦合，在極限晶圓邊緣附近的電漿鞘邊界可藉由在邊緣環組件上方允許鞘的連續性而加以修改。被動受電的邊緣環電極所造成之修改的鞘邊界之存在，減少在晶圓邊緣處的離子傾斜及離子聚焦。
被動受電的邊緣環組件係在主夾盤周圍的區域內加以配置，使得在晶圓邊緣及接近晶圓邊緣的電漿可被影響。對電漿的影響可協助在邊緣排除區附近以及向外至晶圓的物理邊緣之區域內提供電漿鞘的均勻性及連續性。提供均勻性到達且包含排除區之優點，係更多可用的裝置可在每塊晶圓加以定義，此增加製造良率。
圖1A根據本發明的一實施例顯示用於蝕刻操作之電漿處理系統100的架構圖。圖1B根據本發明的一實施例顯示電漿處理系統100的設計圖。該系統包括包含夾盤103及介電窗107的腔室101。夾盤103係被定義在電漿處理操作期間支撐基板105。本文所指的基板可無所限制地代表半導體晶圓、硬碟、光碟、玻璃基板、平版顯示器表面、液晶顯示器表面，以及實質上存在於半導體元件製造期間之任何其他類型的基板。在一實施例中，夾盤103係用於支撐及夾持基板105的一種靜電夾盤。在另一實施例中，夾盤103係被定義成藉由物理約束夾持基板105。夾盤103包含一個以上偏壓電極104(之後稱偏壓電極104)，連接成自偏壓RF電源供應器111經由偏壓匹配電路113、及離子能量與角分布函數(IEADF)控制電路115接收射頻(RF)功率。偏壓RF電源供應器111係在參考 接地電位117及偏壓匹配電路113之間加以連接，如電連線119A及119B所示。偏壓匹配電路113係電連接至IEADF控制電路115，該IEADF控制電路115接著電連接至偏壓電極104，如電連線119C所示。
在夾盤103係被定義為靜電夾盤的一實施例中，夾盤103包含夾持電極(未顯示)以允許基板105的夾持與釋放。此外，在此實施例中，濾波器及直流(DC)夾持電源供應器係加設置，以藉由該等夾持電極實現將基板105靜電夾持至夾盤103。此外，夾盤103可包含其他控制系統(諸如升降銷等)，用於接收基板105、將基板105降低至夾盤103之上、及抬升基板105離開夾盤103。此外，儘管未以圖示，幫浦係連接至腔室101以提供在腔室101之內壓力的控制，及在電漿處理操作期間將氣體副產物自腔室101排出。
在各種實施例中，介電窗107係自介電材料(諸如陶瓷材料或石英等)加以定義。應理解在其他實施例中介電窗107可自其他介電材料加以定義，只要介電窗107係能夠耐受其在電漿處理操作期間在腔室101之內所曝露的條件。在一些電漿處理操作中，腔室101係以自約50℃延伸至約130℃的溫度範圍之內的升高溫度加以操作。通常，腔室101之內的溫度將取決於所執行的特定蝕刻製程。此外，腔室101可在自約10毫托(mT)延伸至約500mT的壓力範圍之內的減壓狀態加以操作。
該電漿處理系統100亦包含TCP(變壓器耦合電漿)線圈109，該TCP線圈109係在腔室101外部之介電窗107上方加以配置。TCP線圈109係加以連接，自TCP RF電源供應器121經由TCP匹配電路123接收RF功率。具體而言，TCP RF電源供應器121係在參考接地電位125及TCP匹配電路123之間加以電連接，如電連線127A及127B所示。TCP匹配電路123係在TCP RF電源供應器121及TCP線 圈109之間加以電連接，如電連線127B及127C所示。TCP匹配電路123係定義以控制傳輸到TCP線圈109之RF功率傳輸路徑的阻抗，以便提供對於TCP線圈109之RF功率的高效傳輸。
在電漿處理操作期間，處理氣體係流進腔室101，且RF功率係自TCP RF電源供應器121供應至TCP線圈109。通過TCP線圈109的RF功率在腔室101內感應電磁流，該電磁流作用於處理氣體以產生電漿129。以此方式，TCP線圈109表現為變壓器的主線圈，而電漿129表現為變壓器的副線圈。電漿129包含反應性的成分，諸如自由基及離子(正離子及負離子)，其一旦接觸基板105則自基板105移除(即，蝕刻)材料。
應理解當腔室101係安裝在製造設施內時，腔室101係耦接至系統，該等系統設置以將處理氣體供應至腔室101，自腔室101將處理氣體及副產物排出，監控及控制腔室101之內的壓力，監控及控制腔室101之內的溫度，及控制環境粒子。此外，應理解腔室101可耦接至一轉移腔室，該轉移腔室定義以用於將基板105以機器人轉移進入腔室101，以及自腔室101將基板105以機器人移出。
在操作期間，RF功率係自偏壓RF電源供應器111，經由偏壓匹配電路113及IEADF控制電路115傳輸至偏壓電極104，以產生及控制存在於基板105上的直流(DC)偏電壓，其從而控制施加在離子群的作用力，該離子群存在於在基板105上方產生的電漿129之內。傳輸至偏壓電極104的RF功率對應於施加至偏壓電極104的RF偏電壓。由於自偏壓RF電源供應器111經由偏壓匹配電路113及IEADF控制電路115施加RF功率至偏壓電極104，所以基板105上建立的DC偏電壓及施加於偏壓電極104上的RF偏電壓兩者同時產生。因此，在偏壓RF電源 供應器之內的IEADF控制電路115影響在基板105上的DC偏電壓及在偏壓電極104上的RF偏電壓兩者。
DC偏電壓係在基板105上的一特定點之平均離子能量的表徵。當基板105發生充電時，DC偏電壓係在基板105上建立。IEADF控制電路115控制DC偏電壓在脈衝偏壓RF供電模式下發展的速率。在連續波(CW)偏壓RF供電模式下，基板105上的DC偏電壓係允許達到穩定狀態。因此，在CW偏壓RF供電模式下，IEADF控制電路115對基板105上DC偏電壓的效應係不相關的。此外，應理解在電漿129鞘邊緣(在偏壓匹配電路113及夾盤103內的所有電容層之後)所見的RF波形將由IEADF控制電路115加以控制。此外，當離子朝基板105加速時，離子回應在電漿129鞘邊緣的RF波形以相對應地依IEADF加以分布。
在各種實施例中，RF電源供應器111可定義成包含單一RF產生器或多個RF產生器。此外，RF電源供應器111可定義成產生一個以上頻率的RF功率。又，在多個RF產生器的情況下，RF電源供應器111可用同時的方式以多個頻率產生RF功率。偏壓匹配電路113係定義以控制對於偏壓電極104之RF功率傳輸路徑的阻抗，以便提供對於偏壓電極104之RF功率的高效傳輸。
電漿處理腔室101利用由RF電源供應器111產生之各種頻率的RF偏壓功率，產生及控制於電漿處理操作期間抵達基板105之曝露表面的高能離子群。取決於執行之特定蝕刻應用，控制抵達基板105之各種能量之離子群的分率及相關的離子能量與角分布函數(IEADF)可為重要的。偏壓RF電源供應器111的脈衝(即，偏壓脈衝)可用以在基板105產生IEADF。在與供應之偏壓RF功率的脈衝重複頻率(PRF)及脈衝工作週期(D.C.)相關的一段時間內，偏壓脈衝操作造成各種能量的離子群朝基板105遷移。然而，在偏壓脈衝操作期間，亦需 要控制基板105所曝露的IEADF以在基板105上獲得特定的電漿處理結果。根據本發明的各種實施例，為了控制基板105所曝露的低能離子及高能離子之群體，IEADF控制電路115係加以定義及操作以在偏壓脈衝操作期間控制IEADF。
如上所討論，偏壓RF功率係自偏壓RF電源供應器111、經由偏壓匹配電路113、經由IEADF控制電路115供應至偏壓電極104。從偏壓電極104，該偏壓RF功率係通過電漿129傳送至電接地之腔室101的周圍結構。在偏壓匹配電路113之內的電路元件提供阻抗匹配，以實現偏壓RF功率通過電漿129的高效傳輸。偏壓RF電源供應器電路可以連續波偏壓RF電源供應模式或脈衝偏壓RF電源供應模式加以操作。
圖2說明幾個掃描式電子顯微鏡(SEM)的影像，該等影像顯示在晶圓的邊緣區域內受蝕刻之特徵部的傾斜。SEM影像200顯示在晶圓邊緣處之切除部分的透視圖。SEM影像202顯示自晶圓邊緣約0.5mm處之一個150微米(μ)溝槽的透視圖。SEM影像204顯示位於自晶圓邊緣約0.7mm處之幾個0.6μ溝槽的橫剖面。大約9.96度之特徵部的傾斜係相當明顯的。SEM影像206顯示自晶圓邊緣約1.2mm處之幾個1.0μ溝槽的橫剖面。特徵部的傾斜係大約6.47度。SEM影像208顯示自晶圓邊緣大約1.7mm處之幾個2μ溝槽的橫剖面，其展現約3.81度的傾斜。SEM影像210顯示自晶圓邊緣約2.2mm處之幾個5μ溝槽的橫剖面，其展現約2.4度的傾斜。SEM影像212顯示自晶圓邊緣約2.7mm處之幾個10μ溝槽的橫剖面，其展現約1.13度的傾斜。SEM影像214顯示自晶圓邊緣約3.2mm處之一個30μ溝槽的橫剖面，其展現約0.51度的傾斜。SEM影像216顯示自晶圓邊緣約4.2mm處之一個50μ溝槽的橫剖面。SEM影像218顯示自晶圓邊緣約5.2mm處之一個80μ溝槽的橫剖面。
圖3係說明特徵部輪廓傾斜的度數相對於自晶圓邊緣距離的圖。如圖所示，隨著自晶圓邊緣的距離減少，傾斜的量呈指數上升。在自晶圓邊緣的3.2mm處，觀察到0.51度的傾斜，此如上所述可能不適合用於諸如Si迴轉儀的MEMS裝置。
圖4A根據本揭示內容的實施方式說明由Lam Research Corporation製造的TCP® 9400DSiETM(深矽蝕刻)工具的剖面透視圖。圖4B說明包含既有之邊緣環組件400的工具之一部分的特寫橫剖面圖。圖4C說明類似於圖4B之部分的特寫剖面圖。如圖所示，靜電夾盤(ESC)103可具有陶瓷頂部131。此外，ESC 103具有環形階132，該環形階132定義環形架134。環形架134的高度係低於ESC 103之頂部表面130的高度。邊緣環組件400係至少部分地設置在由環形階132定義的環形架134上方。
邊緣環組件400包含環繞ESC 103之頂部表面130且配置在環形架134上方之環形階132內的石英邊緣環402。氧化鋁邊緣環404係在石英邊緣環下方及環形架134上方的環形階132內加以配置。氧化鋁間隔層408係定義成環繞氧化鋁邊緣環404。陽極化的鋁接地環406係定義成環繞石英邊緣環402及氧化鋁間隔層。接地環406係接地至腔室壁。
亦在概念上說明電漿129的電漿鞘。應注意電漿129的電漿鞘大致延伸至基板105的邊緣區域，但在此處由於電絕緣的石英邊緣環402而崩塌。結果是該鞘在基板105的周緣及周緣之外係不連續的，導致離子軌跡傾斜遠離晶圓頂部表面的法線，從而造成蝕刻之特徵部的傾斜。
圖5根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件，其係配置成降低在晶圓邊緣的特徵部輪廓傾斜。該邊緣環組件包含環繞ESC 103之頂部表面 的頂邊緣環500。在各種實施方式中，頂邊緣環500係由絕緣材料加以定義，諸如石英或氧化釔。頂邊緣環500係配置在環形階132的環形架134上方。在頂邊緣環500下方係被動受電的電極環502。
在一些實施方式中，電極環502係由硬質陽極化的鋁加以定義，使得在電極環502之表面上的陽極化層提供隔離ESC 103與電極環502的電絕緣。在一些實施方式中，接觸或毗鄰電極環502之ESC的外表面(諸如側壁136及環形架134)亦可加以陽極化以在ESC和電極環之間提供電絕緣。在又其他實施方式中，獨立的絕緣體(未顯示)係在ESC和電極環之間加以定義。電極環502係在該環形階內配置在該環形架134上方，且環繞由該環形階132定義之ESC的側壁136。
如下面進一步所討論，在電極環502和ESC 103之間有間隙。電極環502可加以配置使得當RF功率係施加至ESC時，該間隙對ESC提供期望水平的電容式耦合。該電容式耦合提供RF功率至電極環502，以將電漿鞘向外延伸至晶圓的邊緣或超出晶圓的邊緣，且改善在晶圓邊緣處的輪廓傾斜。
在所說明的實施方式中，石英外環504環繞頂邊緣環500及電極環502兩者。石英外環504將電極環502與接地環506分開。間隔層508(例如氧化鋁)將ESC與接地環506分開。
在一些實施方式中，頂/上邊緣環500係環形形狀，以在約190mm至230mm的範圍在內徑和外徑之間延伸。在一些實施方式中，頂邊緣環500的高度係約2至5mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的高度係約2至4mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的高度係約3mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的高度係約3.2mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的徑向厚度/寬度係約10至25mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的徑向厚度/寬度係約15至25mm。在 一些實施方式中，頂邊緣環500的徑向厚度/寬度係約11至14mm。在一些實施方式中，頂邊緣環500的徑向厚度/寬度係約12至13mm。
在一些實施方式中，下內邊緣環具有實質上矩形的橫截面形狀。在一些實施方式中，下內邊緣環係環形形狀，以在約190mm至225mm的範圍在內徑和外徑之間延伸。在一些實施方式中，電極環502的高度係約8至15mm。在一些實施方式中，電極環502的高度係約9至12mm。在一些實施方式中，電極環502的高度係約9.7mm。在一些實施方式中，電極環502的徑向厚度/寬度係約15至20mm。在一些實施方式中，電極環502的徑向厚度/寬度係約10至15mm。在一些實施方式中，電極環502的寬度係約11至14mm。在一些實施方式中，電極環502的寬度係約12至13mm。
圖6根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件。圖6所說明的實施方式係與圖5的實施方式類似，除了頂邊緣環已被去除且電極環502的高度已增加大約等於頂邊緣環500之高度的量。由於不存在額外覆蓋絕緣層(諸如頂邊緣環)，此配置提供改善的電性能。然而，電極環之曝露的表面(例如陽極化的鋁表面)可被濺射，且可能導致在晶圓邊緣處的良率損失。
在一些實施方式中，電極環502的高度係約10至16mm。在一些實施方式中，電極環502的高度係約12至14mm。在一些實施方式中，電極環502的高度係約12.9mm。在一些實施方式中，電極環502的寬度係約11至14mm。在一些實施方式中，電極環502的寬度係約12至13mm。在一些實施方式中，電極環502的寬度係約12.5mm。
圖7A根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件的橫剖面。在所說明的實施方式中，石英上邊緣環700係定義成環繞ESC的頂部表面。與其他 實施例相比，該上邊緣環700的厚度係加以減少以提供改善的電性能，但對於處理的目的仍提供適合的耐受性。在一些實施方式中，上邊緣環700的厚度係約2至3mm。在一些實施方式中，上邊緣環700的厚度係約2.5mm。
被動受電之硬質陽極化的鋁電極環702係配置在上邊緣環下方，在環形階132內的環形架134上方。電極環702環繞(且係徑向毗鄰)由環形階132定義的側壁136。石英下外環704環繞(且係徑向毗鄰)電極環702，且係亦配置在環形階132內的上邊緣環700下方，且配置在環形架134上方。陶瓷/氧化鋁間隔層708環繞(且係徑向毗鄰)該下外環704的下部。接地環706環繞(且係徑向毗鄰)上邊緣環700、下外環704、及間隔層708。
在一些實施方式中，電極環702的高度係約9至12mm。在一些實施方式中，電極環702的高度係約10至11mm。在一些實施方式中，電極環702的高度係約10.4mm。
在各種實施方式中，電極環702的寬度可加以變化。在圖7B顯示的實施方式中，電極環702的寬度與圖7A的寬度相比已經增加。在一些實施方式中，電極環702的寬度係約10至20mm。在一些實施方式中，電極環702的寬度係約15至18mm。在一些實施方式中，電極環702的寬度係約16mm。提供較寬之電極環的優點係提供更大的電容式耦合及在較寬的面積範圍傳遞來自ESC的功率，此可在上邊緣環區域上方提供更大的電漿鞘延伸。
圖8A根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件的橫剖面，其概念性地說明對ESC的電容式耦合。定義下內邊緣環的電極環702可由導電材料加以定義，且可包含絕緣外層800。在一些實施方式中，電極環702係硬質陽極化的鋁環，其中該絕緣外層800係由Al2O3的陽極化層加以定義。在一些實施方式中， ESC 103可包含絕緣層802，該絕緣層802係在毗鄰電極環702之側壁136及環形架134的外表面上加以定義。在一些實施方式中，ESC的絕緣層802係陽極化層(例如：鋁的陽極化層)。
電極環702係藉由環形間隙804與側壁136分開，該環形間隙804係配置成在電漿處理期間提供用於ESC的熱膨脹。此外，間隙804定義在側壁136和電極環702的內表面之間的另一氣體/空氣絕緣層。因此，第一電容C1係根據電極環702之內表面的面積、側壁136之相對應的面積、及沿這些面積將電極環和ESC之導電部分分開的距離(其定義介電分離)加以定義。該環形間隙可加以調整以修改在ESC上被動傳遞至電極環之預期的RF功率。電極環中的RF功率係藉由設定電容數值(如在電極環和ESC之間的距離加以設定)而被動地及動態地加以設定，使得傳遞至ESC的功率係以預定的相對量傳遞至電極環。因此，在供應至ESC的功率和被動傳遞至電極環的功率之間的相關性係加以達成，使得傳遞至電極環之所得的功率係基於ESC和電極環之相鄰導電部分的物理分隔(其係介電分離)加以預定，且該介電分離的量定義電容量，該電容量將傳遞至電極環的功率加以節流控制及設定。
在所說明的實施例中，電極環702的底表面接觸環形架134。在以與第一電容類似的方式和效果下，第二電容C2係根據電極環702之底表面的面積、及沿此面積之將電極環和ESC的導電部分分開的距離加以定義。在電極環702和ESC 103之間的總電容係由電容C1和C2二者加以定義。
應理解電容C1和C2可加以調整以達成期望的效果。例如：可能期望調整電容以當功率從ESC藉由電容式耦合傳遞至電極環702時實現預定功率下降。圖8B根據本揭示內容的實施方式對應於圖8A的配置說明功率隨徑向位置變 化。功率P1當透過ESC加以提供時係在基板的頂部表面加以產生。功率P2係在上邊緣環的頂部表面加以產生。因為功率P2係藉由電極環對ESC的電容式耦合加以產生，所以影響電容式耦合的參數可特別加以調整，以提供在功率P1之預定分率/百分比的功率P2。在一些實施方式中，功率P2係配置成功率P1之約50%至小於100%。在一些實施方式中，功率P2係配置成功率P1之約60%至90%。在一些實施方式中，功率P2係配置成功率P1的約70%至80%。
圖9根據本揭示內容的實施方式說明的一邊緣環組件的橫剖面。如圖所示，上邊緣環700係具有高度H1和徑向寬度W1的環形結構。該徑向寬度W1從上邊緣環的內徑延伸至上邊緣環的外徑。該上邊緣環具有頂部表面904，且該上邊緣環700的頂部表面904具有在該上邊緣環的內徑處定義的階梯邊緣906。該階梯邊緣906的下部908係配置成位在比該ESC的頂部表面130低的一高度，使得該基板在該階梯邊緣的下部上方加以延伸。該上邊緣環係由絕緣材料加以定義，諸如石英或氧化釔。
環形電極環702定義下內邊緣環，且對ESC 103電容式耦合。電極環係配置在環形階132內的上邊緣環下方，且直接在環形架134上方。電極環702具有內表面900，該內表面900係藉由環形間隙804與側壁136分開。該環形間隙804定義在內表面900和側壁136之間的徑向距離，其可配置成提供預定的電容。在一些實施方式中，環形間隙804定義約0.5至1mm的徑向間隔距離。電極環702的底表面902置於環形架134上。電極環702具有高度H2和徑向寬度W2。電極環702係由導電材料加以定義，且可包含絕緣表面材料。在一實施方式中，電極環702係由陽極化的鋁材料加以定義，該陽極化的鋁材料具有鋁芯及陽極化的表面。
下外邊緣環704環繞電極環702。該下外邊緣環704係具有高度H3及徑向寬度W3的環形結構。該下外邊緣環704係配置在上邊緣環700下方且直接在環形架134上方。該下外邊緣環704係由諸如石英的絕緣材料加以定義。
第一介電分離S1沿環形階132的側壁136及電極環702之相對應的內表面900將ESC 103和電極環702的導電部分分開。第二介電分離S2沿環形架134和電極環702之相對應的底表面902將ESC 103和電極環702的導電部分分開。介電分離S1和S2係可配置的，且基於絕緣層800和802(其可為陽極化層)的厚度及環形間隙804的徑向寬度(影響介電分離S1)加以定義。
應理解上述尺寸及參數之任一者可加以調整，以實現降低在基板邊緣區域之蝕刻特徵部的傾斜，此係藉由將功率自ESC 103被動傳遞至電極環702而達成。
圖10根據本揭示內容的實施方式說明一邊緣環組件。圖10的實施方式係類似於圖6的實施方式，除了保護電極環502免受濺射之外，其中氧化釔介電塗層1000係在該電極環之陽極化的鋁表面上加以提供。在各種實施方式中，氧化釔塗層可具有從約50μm至400μm範圍的厚度。
氧化釔塗佈之硬質陽極化的鋁(HAA)電極環的效果係相對於使用9400DSiE II工具之200mm的棋盤測試晶圓之標準硬體設定加以測試，該9400DSiE II工具係由Lam Research Corporation所製造。圖11係一SEM影像，其顯示在執行基線製程之後一測試晶圓的徑向剖面透視圖，該基線製程包含氧化物突破(breakthrough)、沉積及蝕刻製程。如圖所示，在自晶圓邊緣大約0.5mm處開始有一系列蝕刻的特徵部。
圖12A係顯示在自晶圓邊緣各種距離處之特徵部傾斜角度的圖，其比較來自標準設定(“STD”)及採用氧化釔塗佈之HAA電極環(“HAA Y”)之設定的結果。圖12B係圖12A顯示之數據的圖，其包含擬合曲線。曲線1200顯示對於標準設定，特徵部輪廓傾斜隨自邊緣的距離變化。如圖所示，當接近晶圓的邊緣時，特徵部輪廓傾斜呈指數地增加。曲線1202根據本揭示內容的實施方式顯示對於採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定，特徵部輪廓傾斜隨自邊緣的距離變化。如圖所示，此特徵部輪廓傾斜與標準設定相比係明顯地加以減少。
圖13A、13B、及13C係SEM影像，其顯示分別自晶圓邊緣大約0.5mm、0.7mm、及1.2mm之特徵部的橫剖面，該等特徵部已使用標準設定加以處理。圖13D、13E、及13F係顯示分別自晶圓邊緣大約0.5mm、0.7mm、及1.2mm的特徵部橫剖面之相對應的SEM影像，該等特徵部已使用採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定加以處理。
圖14A、14B、及14C係SEM影像，其顯示分別自晶圓邊緣大約1.7mm、2.2mm、及2.7mm之特徵部的橫剖面，該等特徵部已使用標準設定加以處理。圖14D、14E、及14F係顯示分別自晶圓邊緣大約1.7mm、2.2mm、及2.7mm的特徵部橫剖面之相對應的SEM影像，該等特徵部已使用採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定加以處理。
如SEM影像所示，採用氧化釔塗佈之HAA電極環的設定與標準設定相比，顯示顯著降低的特徵部輪廓傾斜。
圖15顯示用於控制上述系統的控制模組1500。例如，控制模組1500可包含處理器、記憶體、及一個以上介面。控制模組1500可用以部分基於感測值控制系統中的裝置。僅作為範例，控制模組1500可基於感測值及其他控制參 數控制一個以上的閥1502、過濾加熱器1504、幫浦1506、及其他裝置1508。僅作為範例，控制模組1500從壓力計1510、流量計1512、溫度感測器1514、及/或其他感測器1516接收感測值。控制模組1500亦可用以在前驅物遞送及電漿處理期間控制製程條件。控制模組1500一般包含一個以上記憶體裝置及一個以上處理器。
控制模組1500可控制前驅物遞送系統及電漿處理設備的活動。控制模組1500執行包含用於控制下述之指令集的電腦程式：處理時序、遞送系統的溫度、橫跨過濾器的壓差、閥的位置、氣體的混合、腔室壓力、腔室溫度、晶圓溫度、RF功率位準、晶圓夾盤或基座位置、及特定製程的其他參數。控制模組1500亦可監控壓差，並自動地將氣態前驅物的遞送從一個以上路徑切換至一個以上的其他路徑。儲存在關於控制模組1500之記憶體裝置的其他電腦程式可在一些實施例中加以使用。
通常有關於控制模組1500的使用者介面。該使用者介面可包含顯示器1518(例如：設備及/或製程條件的顯示螢幕及/或圖形軟體顯示器)、及使用者輸入裝置1520(諸如指向裝置、鍵盤、觸控螢幕、麥克風等)。
在製程序列中控制前驅物的遞送、電漿處理及其他製程的電腦程式可以任何傳統的電腦可讀程式設計語言撰寫：例如，組合語言、C、C++、巴斯卡(Pascal)、福傳(Fortran)、或其他。編譯的目的碼或腳本係由處理器實行以執行在程式中所確定的任務。
該控制模組參數係與製程條件相關，例如：過濾器的壓差、處理氣體成分及流率、溫度、壓力、電漿條件(諸如RF功率位準及低頻的RF頻率)、冷卻氣體壓力、及腔室壁溫度。
系統軟體可以許多不同的方式加以設計或配置。例如：各種腔室元件的副程式(subroutine)或控制物件可被撰寫，以控制執行本發明之沉積製程必須的腔室元件之操作。為了此目的之程式或程式部分的例子包含基板定位碼、處理氣體控制碼、壓力控制碼、加熱器控制碼、及電漿控制碼。
基板定位程式可包含控制腔室元件的程式碼，用以將基板裝載至基座或夾盤之上，及用以控制在基板及腔室其他部分(諸如進氣口及/或目標物)之間的間距。處理氣體控制程式可包含程式碼，用於控制氣體成分和流率，及選用性地用於在沉積之前流動氣體進入腔室以使腔室內的氣壓穩定。過濾器監控程式包含將測量的壓差與預定的數值相比較的程式碼，及/或用於轉換路徑的程式碼。壓力控制程式可包含程式碼，用於藉由調節如腔室排氣系統內的節流閥而控制腔室內的壓力。加熱器控制程式可包含控制電流流至加熱單元的程式碼，用於加熱在前驅物遞送系統內的元件、基板及/或系統其他部分。或者，該加熱器控制程式可控制諸如氦的加熱轉移氣體遞送至晶圓夾盤。
可在處理期間加以監控之感測器的例子包含但不限於質流控制模組、壓力感測器(諸如壓力計1510)、及位在遞送系統、基座或夾盤內的熱偶(例如溫度感測器1514)。適當編程的反饋及控制演算法可與來自這些感測器的資料一起使用以維持期望的製程條件。以上描述本發明的實施例在單一或多腔室半導體處理工具內的實施方式。
上述實施例的描述係提供為說明及描述的目的。其係非意欲為詳盡的或限制本發明。特定實施例的個別元件或特徵係通常不限於該特定的實施例，但在合適的情況下，即使未特別顯示或說明，係可互換的且可在所選定的實 施例中加以使用。上述元件或特徵亦可以許多方式加以變化。此等變化係非被視為背離本發明，且所有此等修改係意圖被包含在本發明的範圍之內。
雖然上述實施例為了清楚理解的目的已以一些細節加以描述，但顯然地，某些改變與修改可在隨附申請專利範圍的範疇內加以實施。因此，本發明實施例係被視為說明性而非限制性的，且該等實施例係非限制於此處提供的細節，而可在申請專利範圍的範疇及等同物之內加以修改。
103:ESC
130:頂部表面
132:環形階
134:環形架
136:側壁
700:上邊緣環
702:電極環
704:下外邊緣環
800:絕緣外層
802:絕緣層
804:間隙
900:內表面
902:底表面
904:頂部表面
906:階梯邊緣
908:下部

Claims (20)

  1. 一種用於電漿處理腔室的邊緣環組件，包含：一上邊緣環，配置成環繞一靜電夾盤(ESC)，該靜電夾盤係配置成電連接至一RF電源供應器，該ESC具有用於支撐一基板的一頂部表面、及環繞該頂部表面的一環形階，該環形階定義低於該頂部表面的一環形架，該上邊緣環係在該環形架上方加以配置，該上邊緣環係由一電絕緣材料加以界定；一下內邊緣環，配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上並與該環形架接觸，該下內邊緣環具有由一導電材料所界定的導電結構，該下內邊緣環更具有環繞該導電結構的陽極化層，使得該導電結構與該ESC電絕緣，該下內邊緣環具有實質上矩形的橫截面形狀，其中該下內邊緣環的底表面直接接觸該環形架，並且該下內邊緣環的側表面鄰近且圍繞由該環形階定義的側壁；一下外邊緣環，環繞該下內邊緣環，且該下外邊緣環係由一電絕緣材料加以界定。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，更包含：該下外邊緣環係至少部分配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方。
  3. 如申請專利範圍第2項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中該下外邊緣環之一部分環繞該上邊緣環。
  4. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該陽極化層之底部在該導電結構之底部和該環形架之間界定一介電分離，該介電分離係配置成提供一預定電容，其中從該RF電源供應器傳遞至該ESC的功率係以由該預定電容決定之一預定相對量經由該環形架而傳遞至該下內邊緣環。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該上邊緣環係由一石英材料加以界定。
  6. 如申請專利範圍第2項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下外邊緣環係由一石英材料加以界定。
  7. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該導電結構係由一鋁材料加以界定。
  8. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該陽極化層界定一陽極化的鋁表面，該陽極化的鋁表面提供與該ESC的電絕緣。
  9. 如申請專利範圍第2項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下內邊緣環及該下外邊緣環係直接配置在該ESC的該環形架上方。
  10. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，在電漿處理期間自該RF電源供應器施加RF功率至該ESC的操作提供該下內邊緣環對該ESC的電容式耦合。
  11. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，在電漿處理期間的電容式耦合導致在該電漿處理期間形成的一電漿鞘在一空間區域內徑向地延伸，該空間區域係實質界定在該上邊緣環上方。
  12. 如申請專利範圍第11項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，在電漿處理期間的該電容式耦合降低在該基板之一邊緣區域的離子聚焦。
  13. 如申請專利範圍第12項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，在電漿處理期間的該電容式耦合減少在該基板之該邊緣區域的離子軌跡自該基板的頂部表面的法線遠離之傾斜。
  14. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該上邊緣環係環形形狀，具有約15至24mm的徑向厚度及約2mm至5mm的高度。
  15. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下內邊緣環係環形形狀，具有約15至20mm的徑向厚度及約8至15mm的高度。
  16. 如申請專利範圍第15項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下內邊緣環的內徑係與由該ESC的該環形階定義之該側壁的直徑相比較大約0.5至1mm，以定義在該側壁和該下內邊緣環之間的一環形間隙。
  17. 如申請專利範圍第2項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下外邊緣環係環形形狀，具有約10至15mm的徑向厚度及約8mm至15mm的高度。
  18. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該上邊緣環具有一頂部表面，該上邊緣環的該頂部表面具有於該上邊緣環的內徑處加以定義的一階梯邊緣，其中該階梯邊緣的一下部係配置成 位在比該ESC的該頂部表面低的一高度，使得當該基板存在時，該基板延伸在該階梯邊緣的下部上方。
  19. 如申請專利範圍第1項之用於電漿處理腔室的邊緣環組件，其中，該下內邊緣環包含一氧化釔外塗層。
  20. 一種用於電漿處理的系統，包含：一處理腔室；一靜電夾盤(ESC)，在該處理腔室內加以配置，該ESC具有一頂部表面，該頂部表面係配置成用以在電漿處理期間支撐一基板，該ESC進一步包含環繞該頂部表面的一環形階，該環形階定義位在低於該頂部表面之高度的一環形架；一上邊緣環，配置在該環形架上方，該上邊緣環係由一電絕緣材料加以界定；一下內邊緣環，配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上並與該環形架接觸，該下內邊緣環具有由一導電材料所界定的導電結構，該下內邊緣環更具有環繞該導電結構的陽極化層，使得該導電結構與該ESC電絕緣，該下內邊緣環具有實質上矩形的橫截面形狀，其中該下內邊緣環的底表面直接接觸該環形架，並且該下內邊緣環的側表面鄰近且圍繞由該環形階定義的側壁；一下外邊緣環，環繞該下內邊緣環，該下外邊緣環係至少部分配置在該環形階內於該上邊緣環下方且配置在該環形架上方，該下外邊緣環係由一電絕緣材料加以界定； 一偏壓電極，在該ESC之內加以配置，該偏壓電極係配置成接收來自一第一RF電源供應器的RF功率以在該基板上產生一偏電壓。
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