等離子體處理室及具有傾斜上表面的熱邊緣環的制作方法

專利名稱：等離子體處理室及具有傾斜上表面的熱邊緣環的制作方法
技術領域：
本申請大體涉及等離子體處理裝置。更具體地說，本申請涉及在等離子體處理室中使用的熱邊緣環。
背景技術：
等離子體處理裝置被用于通過包括蝕刻、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積 (CVD)、離子注入和抗蝕劑(resist)去除等技術處理半導體襯底。等離子體處理中使用的一種類型的等離子體處理裝置包括包含上下電極的反應室。射頻(RF)電力被施加到電極之間以將工藝氣體激勵為等離子體以處理該反應室中的半導體襯底。等離子體處理室的設計人員所面臨的一個挑戰是，等離子體蝕刻狀況對暴露于該等離子體的處理室表面形成嚴重的離子轟擊。這種離子轟擊，與等離子體化學物質和 /或蝕刻副產品相結合，可能產生該處理室的等離子體暴露表面的明顯的侵蝕、銹蝕和銹蝕-侵蝕。另一個挑戰是控制跨越半導體襯底(例如硅襯底)的蝕刻速率一致性，尤其是， 以使得該襯底中心的蝕刻速率等于邊緣的蝕刻速率。為了減輕這種不一致性，熱邊緣環和下墊的射頻耦合環已被實現為圍繞該襯底貼合。熱邊緣環是一種易耗部件，并需要定期清潔或替換。理想情況是，延長熱邊緣環的壽命以增加清潔或替換間的平均時間并減少持有成本。本文描述了一種具有更長壽命的熱邊緣環。發明內容本實用新型提供了一種被配置為圍繞等離子體處理室中的半導體襯底的熱邊緣環，等離子體在所述等離子體處理室中產生并被用于處理所述半導體襯底，所述等離子體處理室包含包含在向外延伸的環形支撐表面和圓形襯底支撐表面之間延伸的豎直側壁的襯底支座，所述襯底支座被配置為所述半導體襯底被支撐在所述襯底支撐表面上而所述半導體襯底的伸出邊緣延伸超出所述外豎直側壁；支撐在所述環形支撐表面上的射頻(RF) 耦合環；以及支撐在所述射頻耦合環上的所述熱邊緣環；所述熱邊緣環包括環形本體，所述環形本體包含被配置為被支撐在所述射頻耦合環上的下表面；從所述下表面的內沿向上延伸并圍繞所述豎直側壁的內表面；從所述內表面的上沿向外延伸并從傾斜上表面的內沿向下延伸、并被配置為墊起所述半導體襯底的所述伸出邊緣的第一臺階；包含從所述第一臺階的上沿向外并向上延伸的截斷錐形表面的所述傾斜上表面；從所述傾斜上表面的外沿向下延伸的外表面；以及從所述外表面的下沿向內延伸并從所述下表面的外沿向上延伸的第二臺階。熱邊緣環適于圍繞在其中產生等離子體的等離子體處理室中支撐的半導體襯底， 該熱邊緣環包含具有內豎直表面和傾斜上表面的環形本體。該環形本體被配置為支撐在襯底支座的環形支撐表面上。該內豎直表面圍繞該襯底支座，而該傾斜上表面從該半導體襯底的邊沿向上并向外延伸。在優選實施方式中，該內表面具有約11. 7英寸的直徑，該傾斜上表面具有約0. 75 英寸的寬度，該第一臺階具有具有約11. 9英寸的外徑、基本上垂直于該熱邊緣環的中心軸并從該內表面的上沿向外延伸的水平表面，該第一臺階具有具有約0.075英寸的高度、基本上平行于該熱邊緣環的該中心軸并從該水平表面的外沿向上延伸到該傾斜上表面的內沿的豎直表面，且該傾斜上表面的該截斷錐形表面的張角是約175°到179°。在該優選實施方式中，該外表面具有約13. 4英寸的直徑，該第二臺階具有具有約 0. 11英寸的高度、基本上平行于該熱邊緣環的該中心軸并從該下表面的外沿向上延伸的豎直表面，該第二臺階具有具有約13. 3英寸的內徑，基本上垂直于該熱邊緣環的中心軸并從該豎直表面的上沿向外延伸到該外表面的下沿的水平表面。該邊緣環可以是由電阻率在約5和ΙΟΟπιΩ · cm之間的低電阻率硼摻雜單晶硅或者具有5000ohm-cm或更小電阻率的CVD SiC支撐的。在另一個實施方式中，該熱邊緣環包括在沿著該熱邊緣環的內沿的單個位置處的平直邊緣以及在該熱邊緣環的傾斜上表面和下表面之間延伸的單個孔。在此實施方式中， 該孔具有約0. 3英寸的直徑，該孔的中心離該熱邊緣環的中心約6. 4英寸，且該平直邊緣位于該熱邊緣環的與該孔的位置相對的側面上，該平直邊緣離該熱邊緣環的該中心約5. 8英寸而該平直邊緣位于與該熱邊緣環的中心軸平行的軸平面中，該軸平面垂直于穿過該熱邊緣環的該中心的徑向線。本實用新型還提供了一種等離子體處理室，包含包含在向外延伸的環形支撐表面和圓形襯底支撐表面之間延伸的豎直側壁的襯底支座，所述襯底支座被配置為半導體襯底被支撐在所述襯底支撐表面上而所述半導體襯底的伸出邊緣向外延伸超出所述豎直側壁；支撐在所述環形支撐表面上的射頻耦合環；以及支撐在所述射頻耦合環上的根據權利要求1所述的熱邊緣環。

圖1描繪了等離子體處理裝置的噴淋頭電極總成和襯底支座的一種實施方式的一部分。圖2顯示了圖1中的區域A的放大視圖。[0014]圖3A是圖2中的熱邊緣環的俯視圖。[0015]圖;3B是圖2中的熱邊緣環的立體圖。[0016]圖3C是圖2中的熱邊緣環的剖面視圖。[0017]圖4是圖3C中的區域A的放大視圖。[0018]圖5A是具有改版結構的熱邊緣環的俯視圖而圖5B是圖5A中顯示的邊緣環的剖面視圖。
具體實施方式
隨著集成電路器件在物理尺寸和工作電壓兩方面的不斷縮小，其相關制造成品率變得對微粒和金屬雜質污染越發敏感。因而，制造具有更小物理尺寸的集成電路器件要求微粒和金屬污染的水平比以前認為可接受的水平更少。集成電路器件的制造包括等離子體處理室的使用。等離子體處理室可以被配置為蝕刻半導體襯底的選定的層。這種處理室被配置為接收工藝氣體，同時向該處理室中的一個或更多電極施加射頻(RF)電力。還要對特定的工藝控制該處理室內部的壓強。在向該
5電極施加期望的射頻電力后，該室中的工藝氣體被激活從而形成等離子體。如此產生等離子體以執行對該半導體襯底的選定的層的所需的蝕刻。等離子體處理室的設計人員所面臨的一個挑戰是，等離子體蝕刻狀況對暴露于該等離子體的處理室表面形成嚴重的離子轟擊。這種離子轟擊，與等離子體化學物質和 /或蝕刻副產品相結合，可能產生該處理室的等離子體暴露表面的明顯的侵蝕、銹蝕和銹蝕-侵蝕。結果是，表面材料被物理和/或化學攻擊(包括侵蝕、銹蝕和/或銹蝕-侵蝕) 除去。這種攻擊帶來問題，包括很短的部件壽命、更長的部件成本、微粒污染、襯底上過渡金屬污染和工藝偏差。具有相對短的壽命的部件通常被稱為易耗品。易耗部件的短壽命增加了持有成本。另一個挑戰是控制跨越半導體襯底(例如，硅襯底)的蝕刻速率一致性，尤其是使得在該襯底中心的蝕刻速率等于在邊緣的蝕刻速率。因此，優選地設計襯底邊界條件以實現襯底上參數的一致性，這些參數比如是工藝氣體成分、工藝氣體壓強、襯底的溫度、射頻電力和等離子體密度。一些等離子體處理室被設計為具有施加到墊起靜電卡持電極的接電電極上，兩者都被結合到襯底支座中，該襯底支座支撐經受等離子體處理的半導體襯底。然而，因為該襯底的外緣可能伸出該下電極和/或從接電電極穿過該靜電卡持電極和襯底到該等離子體的射頻阻抗路徑可能不同于從該接電電極的外側部分到該等離子體的射頻阻抗路徑，在該襯底邊緣帶來的不一致的等離子體密度可能導致對該襯底的不一致的處理。為了減輕這種不一致性，熱邊緣環和下墊的射頻耦合環已經被實現為圍繞該襯底貼合。通過在經受等離子體處理的襯底的中心和邊緣提供類似的射頻阻抗路徑，可以實現更好的等離子體一致性。通過選擇該射頻耦合環的材料和/或尺寸，可以操控該射頻阻抗路徑。該熱邊緣環保護該射頻耦合環免受等離子體攻擊。熱邊緣環是一種易耗部件，并且需要定期清潔或替換。理想情況是，延長該熱邊緣環的壽命以增加清潔或替換間的平均時間并減少持有成本。本文描述了一種具有更長射頻壽命的熱邊緣環。圖1描繪了用于等離子體處理室的噴淋頭電極總成110的一個示例性實施方式， 半導體襯底(例如硅襯底)在該處理室中被處理。噴淋頭電極總成110包括噴淋頭電極， 噴淋頭電極包括上電極112、固定于上電極112的背襯元件114和熱控制板116。這種布置的細節可以在公開號為2008/03082觀、2008/0090417和2005/0733160的共同轉讓的美國專利公開中找到，將其通過參考并入本文。包括下電極和靜電卡持電極(例如，靜電卡盤) 的襯底支座118(圖1中只顯示了它的一部分)被定位在該等離子體處理室中的上電極112 下方。經受等離子體處理的襯底120被靜電卡持到襯底支座118(例如靜電卡盤)的襯底支撐表面122上。在圖示實施方式中，該噴淋頭電極的上電極112包括由任何合適材料或材料組合 (比如高純度單晶硅、多晶硅、碳化硅(SiC))制成的內部電極元件IM和可選的外部電極元件126。內部電極元件124優選地是圓柱板(例如，由硅組成的板)。該內部電極元件124 可具有小于、等于或大于待處理襯底的直徑，例如，直到12英寸(300毫米)或更大，如果該板是由硅組成的話。在一個優選實施方式中，噴淋頭電極總成110足夠大以處理很大的襯底，比如具有300毫米或更大直徑的半導體襯底。對于300毫米襯底，上電極112的直徑最小是300毫米。然而，該噴淋頭電極總成的尺寸可以適于處理其它襯底尺寸或具有非圓形結構的襯底。在圖示實施方式中，內部電極元件124比襯底120更寬。為了處理300毫米襯底， 提供外部電極元件126以將上電極112的直徑從約15英寸擴展到約17英寸。外部電極元件126可以是連續元件(例如，連續多晶硅環)，或分段元件(例如，包括布置成環形結構的 2-6個獨立的片段，比如由硅組成的片段)。在包括多個片段的外部電極元件126的上電極 112的實施方式中，各片段優選地具有邊緣，這些邊緣彼此重疊以保護下面的粘合材料免于暴露于等離子體。這種布置的細節可以在公開號為2007/0187038的共同轉讓的美國專利公開中發現，將其通過參考并入本文。內部電極元件1 優選地包括多個延伸穿過并對應于在該背襯元件114中形成的多個氣體通道130的多個氣體通道128以將工藝氣體注射到上電極112和襯底支座118之間的空間。背襯元件114包括多個氣室(plenum) 132以將工藝氣體分別分布到內部電極元件124和背襯元件114中的氣體通道128和130。硅是用于內部電極元件IM和外部電極元件126的等離子體暴露表面的優選材料。高純度、單晶硅最小化了等離子體處理過程中襯底的污染并且在等離子體處理過程中是平穩地磨損的，從而最少化了微粒。可用于上電極112的等離子體暴露表面的替代材料包括例如多晶硅、SiC或A1N。在圖示實施方式中，背襯元件114包括附著于內部電極124 的背襯板134和附著于外部電極1 的背襯環136，其圍繞背襯板134的外緣延伸。在該實施方式中，內部電極元件1 與背襯板134共同延伸，而外部電極元件1 與其周圍的背襯環136共同延伸。然而，背襯板134可以延伸超出內部電極元件IM從而單個背襯板可用于支撐內部電極元件1 和外部電極元件126。內部電極元件IM和外部電極元件1 優選地通過粘合材料和/或機械緊固件附著于背襯元件114。背襯板130和背襯環136優選地是由與用于處理等離子體處理室中的半導體襯底的工藝氣體化學相容、并且導電導熱的材料制成的。可用于制造背襯元件114的示例性的合適材料包括鋁、鋁合金、石墨和SiC。上電極112可以通過合適的導電導熱彈性體(elastomeric)粘合材料附著于背襯板Π4和背襯環136，該粘合材料適應熱應力并在上電極112和背襯板134和背襯環136 之間傳遞熱和電能。使用彈性體將電極總成的表面粘合起來例如在共同擁有的美國專利 6，073，577中描述過，其內容通過參考全部并入本文。在電容耦合等離子體處理室中，除了接地電極之外還可以使用次級接地。例如，襯底支座118可以包括下電極，給該下電極供應一個或更多頻率的射頻能量，而工藝氣體可以通過噴淋頭電極112提供到該室的內部，其中噴淋頭電極112是接地上電極。次級地，位于襯底支座118中的下電極的外部，可包括電氣接地部分，該部分通常在包含待處理的襯底120但是由熱邊緣環138與該襯底120隔開的平面中延伸。熱邊緣環138可以是導電或半導電材料，其在等離子體產生過程中會被加熱。為了控制襯底120上的蝕刻速率的一致性并將該襯底中心的蝕刻速率與該襯底邊緣的蝕刻速率匹配，襯底邊界條件優選地被設計為確保在該襯底邊緣的化工品暴露、工藝壓強和射頻場強方面跨越整個襯底的連續性。為了最小化襯底污染，熱邊緣環138是用與該襯底本身相容的材料制成的。熱邊緣環138的材料主要是低電阻率的硼摻雜單晶硅，電阻率在約5和IOOmω · cm之間。圖2描繪了安裝在襯底支座218上的熱邊緣環238的附近區域。襯底支座218包括外豎直側壁218A、環形支撐表面218B和襯底支撐表面222。外豎直側壁218A從環形支撐表面218B向上延伸；而襯底支撐表面222是圓形的并從外豎直側壁218A向內延伸。當襯底120被放到襯底支撐表面222上，襯底120伸出襯底支撐表面222，從而襯底120的邊緣延伸超出外豎直側壁218A并在熱邊緣環238上方。熱邊緣環238被配置為被支撐在放置在環形支撐表面218B上的射頻耦合環240上。圖3A、3B、3C和4顯示了熱邊緣環238的一個實施方式的細節。熱邊緣環238是環形本體，該環形本體具有內表面238C、外表面238D、上表面238A、下表面238B、在上表面 238A和內表面238C之間的臺階238E，以及在下表面238B和外表面238D之間的臺階238F。 下表面238B是基本上垂直于熱邊緣環238的中心軸的環形表面。內表面238C基本上平行于熱邊緣環238的中心軸，從下表面238B的內沿向上延伸約0. 12英寸(本文使用的“約” 意思是士 10% )，并且具有約11. 7英寸的直徑。臺階238E具有水平表面238 和豎直表面238Eb。水平表面238 基本上垂直于熱邊緣環238的中心軸，從內表面238C的上沿向外延伸約0. 1英寸，并具有約11. 9英寸的外徑。豎直表面238 基本上平行于熱邊緣環 238的中心軸，從水平表面238Ea的外沿向上延伸約0. 075英寸。臺階238F具有水平表面 238Fa和豎直表面238! 。豎直表面238! 基本上平行于熱邊緣環238的中心軸，從下表面 238B的外沿向上延伸約0. 11英寸，并具有約13. 3英寸的直徑。水平表面238 基本上垂直于熱邊緣環238的中心軸，從豎直表面238! 的上沿向外延伸，并具有約13. 4英寸的外徑。外表面238D基本上平行于熱邊緣環238的中心軸，從水平表面238 的外沿向上延伸約0. 10英寸。上表面238A是從豎直表面238Eb的上沿延伸到外表面238D的上沿的截斷錐形表面。上表面238A的截斷錐形表面的張角是約177°。熱邊緣環238上的表面238A、 238D、238Fa、238Fb、238B、238C、238Ea 和 238Eb 之間的內和外拐角優選地是圓滑(rounded) 到半徑在約0. 002和0. 05英寸之間。熱邊緣環238的傾斜上表面238A使等離子體包層(plasma sheath)的形狀使得熱邊緣環238的壽命被最大地延長。上表面238A的截斷錐形表面的最優張角可以根據在該室中執行的等離子體工藝而變化。例如，在用于使用不同的蝕刻氣體化學物質進行等離子體蝕刻以蝕刻半導體襯底上的不同的層的各種功率級，該張角可以被設定在約175°到 179°的角度。在裝備有熱邊緣環238的等離子體處理室中處理半導體襯底的過程中，該襯底被支撐在襯底支座218上，襯底支座218由熱邊緣環238圍繞。工藝氣體被引入該等離子體處理室，被激勵到等離子態以處理該襯底。在一個實施方式中，該處理可包括導電或電介質材料的沉積。在另一個實施方式中，處理該襯底可以包括金屬、電介質的高密度等離子體蝕刻或光刻膠剝離。例如，處理該襯底可以包括使用碳氟化合物和/或碳氟氫化合物刻蝕氣體在電介質材料中蝕刻開口，然后進行原地等離子體清潔。根據進一步的實施方式，該熱邊緣環可以是由碳化硅(SiC)，優選地是用化學氣相沉積(CVD)形成的高純度SiC (純度大于99. 9%，優選地大于99. 9995% )制成的。該 CVD SiC的電阻率優選地小于5000ohm-cm。例如，該電阻率可以是l-5000ohm-cm，例如， 80-100ohm_cm、l-20ohm_cm 或小于 0. lohm—cm。[0040]如圖5A中所示，具有邊緣環238的尺寸和結構的熱邊緣環300可進一步包括在傾斜的上表面304和下表面306之間延伸的透孔(through hole)302。透孔302可有約0. 3 英寸的均勻直徑，該孔的中心離熱邊緣環300的中心約6. 4英寸。圖5B是熱邊緣環300在孔302的位置的剖面。孔302可以包括在其上緣的0. 005到0. 015英寸的半徑以及在其下緣的0.010英寸寬的45°倒角。熱邊緣環300還可包括在其內沿310上的平直邊緣308。 例如，內沿310可以有11. 6到11. 7英寸的直徑而平直邊緣308可位于離邊緣環300的中心約5. 8英寸處。孔302可以略微偏離平直邊緣308的中心。例如，孔302可以對著平直邊緣308的中心，其中孔302的中心從平直邊緣308的中心點偏離約2°。平直邊緣308位于與熱邊緣環300的中心軸平行的軸平面中，其中該軸平面垂直于穿過熱邊緣環300的中心的徑向線。孔302接收撿拾銷(pick-up pin)，該撿拾銷提供經受等離子體處理的晶圓上的電偏置的反饋。平直邊緣308用于對準具有平直邊緣的晶圓以進行晶圓的對準和精確的定向。盡管參考具體實施方式
對具有延長壽命的熱邊緣環進行了詳細描述，然而對本領域的技術人員來說，顯然，可以做出各種變化和修改，并使用等同，而不違背所附權利要求的范圍。
權利要求1.一種被配置為圍繞等離子體處理室中的半導體襯底的熱邊緣環，等離子體在所述等離子體處理室中產生并被用于處理所述半導體襯底，所述等離子體處理室包含包含在向外延伸的環形支撐表面和圓形襯底支撐表面之間延伸的豎直側壁的襯底支座，所述襯底支座被配置為所述半導體襯底被支撐在所述襯底支撐表面上而所述半導體襯底的伸出邊緣延伸超出所述外豎直側壁；支撐在所述環形支撐表面上的射頻(RF)耦合環；以及支撐在所述射頻耦合環上的所述熱邊緣環；所述熱邊緣環包括環形本體，所述環形本體包含被配置為被支撐在所述射頻耦合環上的下表面； 從所述下表面的內沿向上延伸并圍繞所述豎直側壁的內表面； 從所述內表面的上沿向外延伸并從傾斜上表面的內沿向下延伸、并被配置為墊起所述半導體襯底的所述伸出邊緣的第一臺階；包含從所述第一臺階的上沿向外并向上延伸的截斷錐形表面的所述傾斜上表面；從所述傾斜上表面的外沿向下延伸的外表面；以及從所述外表面的下沿向內延伸并從所述下表面的外沿向上延伸的第二臺階。
2.如權利要求1所述的熱邊緣環，其中 所述內表面具有11. 7英寸的直徑； 所述傾斜上表面具有0. 75英寸的寬度；所述第一臺階具有外徑為11. 9英寸、基本上垂直于所述熱邊緣環的中心軸并從所述內表面的上沿向外延伸的水平表面；所述第一臺階具有高度為0. 075英寸、基本上平行于所述熱邊緣環的所述中心軸并從所述水平表面的外沿向上延伸到所述傾斜上表面的內沿的豎直表面； 所述傾斜上表面的所述截斷錐形表面的張角是175°到179°。
3.如權利要求1所述的熱邊緣環，其中 所述外表面具有13. 4英寸的直徑；所述第二臺階具有高度為0. 11英寸、基本上平行于所述熱邊緣環的所述中心軸并從所述下表面的外沿向上延伸的豎直表面；所述第二臺階具有內徑為13. 3英寸、基本上垂直于所述熱邊緣環的中心軸并從所述豎直表面的上沿向外延伸到所述外表面的下沿的水平表面。
4.如權利要求1所述的熱邊緣環，其中所述傾斜上表面的所述截斷錐形表面的張角是 177°。
5.如權利要求1所述的熱邊緣環，主要由電阻率在5和ΙΟΟπιΩ之間的低電阻率的硼摻雜單晶硅組成。
6.如權利要求1所述的熱邊緣環，主要由碳化硅組成。
7.如權利要求1所述的熱邊緣環，由具有5000ohm-Cm或更小的電阻率的CVDSiC組成。
8.如權利要求1所述的熱邊緣環，進一步包含在沿著所述熱邊緣環的內沿的單個位置處的平直邊緣和在所述熱邊緣環的所述傾斜上表面和所述下表面之間延伸的單個孔。
9.如權利要求8所述的熱邊緣環，其中所述孔具有0.3英寸的直徑，所述孔的中心離所述熱邊緣環的所述中心6. 4英寸，且所述平直邊緣位于所述熱邊緣環的與所述孔的位置相對的側面上，所述平直邊緣離所述熱邊緣環的所述中心5. 8英寸而所述平直邊緣位于與所述熱邊緣環的中心軸平行的軸平面中，所述軸平面垂直于穿過所述熱邊緣環的所述中心的徑向線。
10.一種等離子體處理室，包含包含在向外延伸的環形支撐表面和圓形襯底支撐表面之間延伸的豎直側壁的襯底支座，所述襯底支座被配置為半導體襯底被支撐在所述襯底支撐表面上而所述半導體襯底的伸出邊緣向外延伸超出所述豎直側壁；支撐在所述環形支撐表面上的射頻耦合環；以及支撐在所述射頻耦合環上的根據權利要求1所述的熱邊緣環。
11.如權利要求10所述的等離子體處理室，其中所述襯底支座進一步包含能操作以卡持所述襯底支撐表面上的所述半導體襯底的靜電卡盤。
專利摘要一種具有延長壽命的熱邊緣環，包含具有傾斜上表面的環形本體。該熱邊緣環包括墊起在其中使用等離子體處理該襯底的等離子體處理室中支撐的半導體襯底的外緣的臺階。該臺階包括圍繞該襯底的該外緣的豎直表面和從該豎直表面的上沿向上和向外延伸的該傾斜表面。
文檔編號H01J37/32GK202076225SQ20102060108
公開日2011年12月14日 申請日期2010年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者格雷果里·R·貝當古, 桑迪·晁, 莎蒂亞·馬尼, 輿石公, 高塔姆·巴塔查里亞 申請人:朗姆研究公司