CN101389788A - 从基片边缘注入处理调谐气体 - Google Patents

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Abstract

大体而言，本发明的实施例提供了改进的等离子处理机构、设备和方法以提高基片边缘处的处理均匀性。在一个示范性实施例中，提供一种等离子处理室。该等离子处理室包括一个配置为容纳基片的基片支撑件。该等离子处理室还包括一个具有多个限定于其中的气体通道的环形圈。该环形圈邻近该基片支撑件的外部边缘且该环形圈与该基片支撑件耦合。该多个气体通道连接至一个围绕该基片支撑件的边缘气体室。该边缘气体室通过多个气体供应管道连接至一个设置在该基片支撑件内且靠近该基片支撑件中心的中央气体室。

Description

从基片边缘注入处理调谐气体
背景技术
在基于半导体的器件(如集成电路或平板显示器)的制作中，各种材料层可被交替沉积在基片表面并从基片表面蚀刻(如半导体晶片或玻璃面板)。本领域技术人员已知，材料层的沉积和材料层的蚀刻可由各种技术来完成，包括等离子增强沉积和蚀刻。在等离子增强沉积或蚀刻中，基片的实际沉积或蚀刻发生在等离子处理室的内部。在该沉积或蚀刻过程中，由合适的气源生成的等离子在基片上沉积为材料层或者蚀刻未被蚀刻掩模保护的基片区域，留下所需的图案。
为了保持基片中心到边缘的均匀性或者处理结果，在下一世代器件制作中，特征尺寸不断缩减和大基片尺寸上新材料的使用，对等离子蚀刻和等离子沉积处理器件提出了挑战。更大的基片尺寸和更小的器件尺寸导致大量的器件靠近基片(或晶片)的边缘。这使得控制基片边缘处的处理结果非常关键。
由于一些因素，在基片的边缘处，沉积或者蚀刻等离子的非均匀性增加。例如，等离子蚀刻期间，由于缺乏超出基片边缘的蚀刻副产物源，在基片边缘的蚀刻副产物浓度与基片中心处不同。较低的蚀刻副产物浓度能够影响基片边缘处的蚀刻均匀性。另外，在基片边缘处的基片温度不同。传统的等离子蚀刻系统通常在基片支撑件内具有一个基片冷却机构，用于在蚀刻处理期间冷却基片以保持基片在一定温度。有时基片边缘悬于基片支撑件外部，没有像基片其余部分一样，接收来自该基片支撑件内的该冷却机构的同等程度的冷却。基片边缘处的不同基片温度也能够增大基片边缘处的蚀刻非均匀性。另外，由于基片边缘处蚀刻气体的过载，基片边缘处的蚀刻气体浓度不同于基片其余部分的蚀刻气体浓度。该过负荷产生的原因是：相对于基片其余部分消耗的蚀刻气体而言，基片边缘处的蚀刻处理消耗了较少的蚀刻气体。蚀刻气体的过载也能够增大基片边缘处的蚀刻非均匀性。由于基片边缘悬在该支撑件上方，也由于围绕基片支撑件的边缘环(edge ring)所用的材料不同，基片边缘处的RF耦合效应也与基片其余部分不同。不同的RF耦合效应能够影响等离子生成效率和密度并因此能够增大基片边缘处的蚀刻非均匀性。
虽然没有受到与等离子蚀刻处理相同因素的影响，等离子沉积处理也显示了增大的边缘非均匀性。典型地，边缘非均匀性影响了相距基片边缘处多达20mm到30mm。在该区域(相距基片边缘处20mm到30mm)的等离子非均匀性使得该区域的沉积或蚀刻非均匀性比基片其余部分更糟糕，尤其在距离基片边缘处约10mm内。糟糕的边缘非均匀性致使距离基片边缘处约10mm内的器件不可用。
鉴于上述问题，需要一种方法和设备来提供改进的等离子处理机制以增加基片边缘处的处理均匀性，增大半导体基片的器件成品率。
发明内容
大体而言，本发明实施例通过提供较佳的等离子处理机制以增加基片边缘处的处理均匀性来满足上述需要。应当注意，本发明可以多种方式加以实施，包含处理、设备或系统。以下将叙述本发明的多个新颖性实施例。
在一个实施例中，提供一种等离子处理室。该等离子处理室包括一个用以容纳基片的基片支撑件。该等离子处理室还包括具有多个限定于其中的气体通道的环形圈。该环形圈接近该基片支撑件的外部边缘并且该环形圈与该基片支撑件耦合。该多个气体通道连接至一个围绕该基片支撑件的边缘气体室。该边缘气体室通过多个气体供应通道连接至一个设置在基片支撑件内并且靠近其中心的中央气体室。
在另一个实施例中，提供一种用于等离子处理系统的调谐气体组件。该调谐气体组件包括一个具有多个限定于其中的调谐气体通道的多个环形圈。该环形圈接近该基片支撑件的边缘且该环形圈在等离子处理系统内与基片支撑件耦合。该多个调谐气体通道供应调谐气体至接近该基片支撑件的边缘。该调谐气体组件还包括一个边缘调谐气体室，其中多个调谐气体通道连接至围绕该基片支撑件的该边缘气体室。另外，该调谐气体组件包括一个通过多个调谐气体供应通道设置于该基片支撑件内且靠近该基片支撑件中心的中央调谐气体室。
在又一个实施例中，提供了提高等离子处理室内基片边缘处的等离子均匀性的方法。该方法包括从设于基片支撑件上方的气体分配板供应处理气体。该方法还包括从该等离子处理室的底部区域向基片边缘引入包含该处理气体的至少一种组分的调谐气体，同时供应处理气体。该调谐气体由设置在基片支撑件内的中央气体室供应。另外，该方法包括给处理室内的至少一个电极供电以生成等离子。
从下列的详细描述并且结合附图以本发明的原理示例的方式加以说明，本发明的其他方面和优点将更加清晰。
附图说明
从下面结合附图的详细描述，本发明将更容易理解。类似的参考标号是指类似的结构元件。
图1显示基片蚀刻系统的一个实施例的剖面示意图。
图2显示该调谐气体组件的一个实施例的俯视图。
图3A显示图1的放大区域125的一个实施例。
图3B显示使用在基片边缘应用调谐气体的处理流程以提高基片边缘处的蚀刻均匀性的处理流程。
图3C显示图1的放大区域125的另一实施例。
图3D显示在该基片边缘使用该调谐气体以防止基片背面蚀刻副产物沉积的处理流程。
具体实施方式
现在将描述改进的等离子蚀刻系统、方法以及设备的几个示范性实施例。本领域技术人员应当了解：在未使用本文中所述的部分或者全部特定细节的情况下，仍可实行本发明。本领域技术人员还应该了解：本发明可用于等离子沉积。
如前所述，由于基片尺寸的增大和特征尺寸的减小，大量器件出现在该基片的边缘。提高该基片边缘处的处理均匀性将提高该基片边缘的器件成品率。本发明的一个实施例在该基片边缘处提供一种处理调谐气体。在下面对本发明的不同实施例的描述中，我们将以蚀刻等离子为例。然而，该理念可用于等离子沉积和等离子沉积室。
对于等离子蚀刻处理，由于基片边缘处的不同蚀刻副产物浓度、不同基片温度、不同蚀刻气体浓度以及不同RF耦合效应等因素，蚀刻速率往往会在该基片边缘处显著地下降。为了增大基片边缘处的蚀刻速率，尝试了很多方案，包括使用双气体输送以从该气体分配板的中心和边缘供应不同浓度的反应气体。尽管双气体输送提高了基片边缘处的蚀刻速率，此处描述的实施例仍然提供了改进方案。双气体输送的进一步细节描述在2002年8月13日公告的共同受让美国专利NO.6,432,831，题目为”Gas Distribution Apparatus forSemiconductor Processing”中。
在一个实施例中，由紧邻基片边缘的调谐气体源提供一种处理调谐气体。图1显示一种包含围绕该基片支撑件的调谐气体源的等离子处理装置100的剖面示意图。该实施例包含一个基片支撑件145，其也为电极，并由电极材料构成且操作性地耦合至一电源(未示)。该RF电源可为多频率电源。例如，该电源可具有2MHz、27MHz和/或60MHz的混合频率。当RF能量传递到该电极(或基片支撑件145)到达处理室内的处理气体时，可生成等离子。该处理气体通过气体进口190被输送至处理室到达气体分配板120，其也可为电极。
围绕该基片支撑件145的是一个边缘环(edge ring)160，其提供多个调谐气体注入通道151，该通道151是调谐气体组件150的一部分。该边缘环160可由半导体材料如硅制成，或由绝缘体制成。该边缘环160下方是一个耦合环162，其提供(house)边缘调谐气体室152和调谐气体供应通道154。该边缘调谐气体室152和该调谐气体供应通道也是该调谐气体组件150的一部分。该耦合环162可由介电材料(如石英)制成。该耦合环162提供该边缘环160与该基片支撑件145的下端的连接。
在一个实施例中，间隔环170被设置为与该边缘环160相邻。该间隔环170可由绝缘体(如石英)制成。该间隔环被设置在绝缘材料171的上方。该绝缘材料171可以由绝缘体(如石英)制成。该绝缘材料171与一个外围环172耦合，该外围环使得该绝缘材料171连接至该基片支撑件145。该外围环可以由绝缘体(如陶瓷)制成。该边缘环160、该耦合环162和该外围环172可以由一个固定装置161固定在一起。在一个实施例中该固定装置161可为一个螺栓。本领域技术人员应当清楚：只有适当的固定装置可以用于此处。
该调谐气体供应通道154与该边缘调谐气体室152相交于枢纽159。在该耦合环162和该基片支撑件145的下部的交界面处，会存在一个可选的界面室(interfacial plenum)157。该耦合环由一固定装置158固定在该基片支撑件145。调谐气体供应通道154连接至该一个设于该基片支撑件145内的中央调谐气体室153。通过一个调谐气体管线155，调谐气体被从一个或多个调谐气体容器156供应到该中央调谐气体室153。此处所述的调谐气体可为单一气体或者混合气体。应当知道：如果使用不止一种调谐气体，就会存在不止一个调谐气体容器。
该基片140可通过公知的系统或方法以静电方式夹紧(clamp)或者卡在(chuck)该基片支撑件145。这些公知的系统或方法包括为了卡住或松开目的而用结合了高电压电极(未示)的介电材料涂布该基片支撑件145(或电极)。
图2显示该调谐气体供应组件150的俯视示意图的一个实施例。该中央调谐气体室153容纳从该调谐气体容器156通过一个调谐气体管线155供应的调谐气体。该中央调谐气体室153通过六个调谐气体供应通道154将调谐气体供应至该边缘调谐气体室152，该六个调谐气体供应通道154绕该中央调谐气体室253均匀分布。应当知道：可以有多于六个或少于六个的调谐气体供应通道154。该调谐气体供应通道154绕该中央调谐气体室153圆周均匀分布。该调谐气体供应通道154与该边缘调谐气体室152相交于枢纽159。在边缘调谐气体室上表面和该调谐气体注入通道151的底部是调谐气体注入通道151B的底部。该调谐气体注入通道151T和该调谐气体注入通道151的顶部也显示在图2中。如图2所示，可以有多个调谐气体注入通道。在一个实施例中，调谐气体注入通道151的数量可在约12个到约1200个范围内。通常，该多个调谐气体注入通道是圆柱形的，直径从约0.3mm到约5mm。在一个实施例中，该注入通道151的直径是0.5mm。然而，该多个调谐气体注入通道不必是圆柱形，可以是其他形状，如圆锥体或者倒锥体。图2中的实施例显示该多个调谐气体注入通道151指向该基片的中心。然而，该多个调谐气体注入通道151不是非要指向该基片的中心。只要该多个通道151指向该基片的边缘(或圆周)，该调谐气体就可以被传输到所需的区域，即该基片的边缘。该调谐气体先被供应到中央调谐气体室153，以均匀分配该调谐气体至该边缘调谐气体室152。
图3A显示图1中圆圈125的放大示意图的一个实施例。在该实施例中，将该调谐气体注入通道151A以与纵轴X呈一α角钻孔。该α角可约介于0度到约60度，优选地介于约10度到约30度。该调谐气体注入通道151A的α角影响该调谐气体在该基片表面的传输方向，且因此影响该调谐气体在该基片边缘附近如何分布。将该调谐气体向位于该基片边缘表面上方的区域175引导。以高纵横比接触(HARC)蚀刻为例，该用于HARC的处理气体包括如O2、CF4、C4F6、C4F8和Ar气体。C4F6和C4F8是聚合气体，其帮助产生侧壁聚合物以保护该被蚀刻的接触侧壁。额外的调谐气体，如O2、CF4、C4F6、C4F8、Ar或者上述气体的混合物，可以被供应到该基片的边缘以提高在该基片边缘处的蚀刻均匀性。在一个实施例中，流量可以介于约1sccm到约20sccm。另一个示例是光刻胶灰化，其中在光刻胶灰化中氧气是主要的反应气体。因此，在此处所述的实施例中O2可用作调谐气体。在一个实施例中O2调谐气体的流量可以介于约1sccm到约20sccm。该O2调谐气体也可以被惰性气体如氦气(He)稀释。
图3B显示在该基片边缘应用调谐气体以提高该基片边缘处的蚀刻均匀性的处理流程。在操作301，从该主要气源(如从该气体分配板)以及还从这些调谐气体注入孔，供应一种蚀刻气体(或气体混合物)至该等离子处理室。在操作303，通过向该一个或者多个电极供电而产生蚀刻等离子。随着该调谐气体的引入，基片边缘的蚀刻速率增大且在基片边缘处的蚀刻均匀性提高。通常，该蚀刻非均匀性致使距离该基片边缘处约10mm范围内的器件不可用。然而，边缘非均匀性影响距该基片边缘20mm至30mm。由于引入该调谐气体，该边缘非均匀性得到极大地改善，甚至完全消除。
图3C显示图1中圆圈125的放大示意图的另一个实施例。该多个调谐气体注入通道可被用于供应惰性气体至该基片140下方的区域126以防止蚀刻副产物沉积在该基片140下方的暴露区域126。在此实施例中，该多个调谐气体注入注入通道151B以与纵轴X呈一β角钻孔。该β角可介于约0度到约90度，优选地介于约30度到约60度。该调谐气体注入通道151B的β角影响该惰性气体在该基片表面的传输方向，且因此影响该惰性气体在该基片边缘背面附近如何分布。该调谐气体注入通道151BT的顶部位于该基片140的下方。该调谐气体注入通道的顶部引导该惰性气体朝向在该基片边缘且恰好在该基片边缘下方的该暴露区域127，以防止蚀刻副产物进入位于该基片140边缘下方的该暴露区域126，以由此阻止背面沉积。沉积在该基片背面的蚀刻副产物(聚合物)，也称为斜面聚合物，非常难于清洗且能产生粒子。惰性气体(如He或Ar)可供应至该调谐气体注入通道151B。在一个实施例中，该惰性气体以介于约10sccm到约200sccm的总流率流动。
图3D显示在该基片边缘应用该调谐气体以防止基片背面蚀刻副产物沉积的处理流程。在操作305，从该主气源(如从该气体分配板)供应一种蚀刻气体(或气体混合物)至该等离子处理室，以及从这些调谐气体注入孔供应惰性气体至该基片边缘下方的暴露区域。在操作307，通过向该一个或者多个电极供电而产生蚀刻等离子，且该惰性气体被注入到该基片边缘下方的暴露区域，以防止该蚀刻副产物沉积在该基片边缘下方的暴露区域。随着该惰性气体引入该基片边缘下方的暴露区域中，极大地降低或者完全消除了在该暴露区域内蚀刻副产物的沉积。
调谐气体从该处理室底部区域向该基片边缘注入的理念可以用于任何处理室。即使用于沉积或蚀刻基片的非等离子处理室也可以运用该理念。对于等离子处理室，该等离子源可以是电感的、电容的或者电感与电容两者的结合。本发明的理念可以用于处理任何类型的基片，包括但不限于半导体基片、平板显示器和太阳电池板。
虽然为了清楚了解本发明，前面已就某些细节进行了叙述，但应注意：在所附权利要求的范围内可对本发明实行某些改变及修正。因此，本实施例应当看做说明性而非限制性，且本发明并不应受限于上述细节，在权利要求的范围及等同方式内可对本发明进行变化。

Claims (18)

1.一种等离子处理室，包括:
用于容纳基片的基片支撑件；以及
具有多个限定于其中的气体通道的环形圈，该环形圈接近该基片支撑件的外部边缘且该环形圈与该基片支撑件耦合，该多个气体通道连接至围绕该基片支撑件的边缘气体室，该边缘气体室通过多个气体供应通道连接至中央气体室，该中央气体室设于该基片支撑件内且靠近该基片支撑件的中心。
2.如权利要求1所述的等离子处理室，其中该多个气体通道是圆柱形的且该多个气体通道的直径介于约0.3mm到约5mm。
3.如权利要求1所述的等离子处理室，其中该多个气体通道的每个以与该多个气体通道中每个的纵轴呈介于约0度到约60度的角度指向该基片的中心。
4.如权利要求1所述的等离子处理室，其中有至少12个气体通道。
5.如权利要求1所述的等离子处理室，其中有至少6个气体供应通道。
6.如权利要求1所述的等离子处理室，其中该多个气体通道配置为引导待传输至该基片边缘表面上方的区域的处理调谐气体。
7.如权利要求1所述的等离子处理室，其中该处理调谐气体包括至少一种处理气体。
8.如权利要求1所述的等离子处理室，其中该多个气体通道配置为引导待传输至该基片边缘下方的暴露区域的惰性气体。
9.一种用于等离子处理系统的调谐气体组件，包括:
环形圈，其具有多个限定于其中的调谐气体通道，该环形圈接近该基片支撑件的外部边缘且该环形圈与等离子处理系统内的基片支撑件耦合，其中该多个调谐气体通道供应调谐气体至接近该基片支撑件的边缘；
边缘调谐气体室，其中该多个调谐气体通道连接至该围绕该基片支撑件的该边缘气体室；和
中央调谐气体室，其设置于该基片支撑件内且靠近该基片支撑件的中心，通过多个调谐气体供应通道。
10.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中该多个调谐气体通道是圆柱形的且该多个调谐气体通道的直径介于约0.3mm到约0.5mm。
11.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中该多个调谐气体通道的每个以与该多个调谐气体通道中每个的纵轴呈介于约0度到约60度的角度指向该基片的中心。
12.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中有至少12个调谐气体通道。
13.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中有至少6个调谐气体供应通道。
14.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中该多个调谐气体通道配置为引导待传输至由该基片支撑件支撑的基片边缘表面上方的一个区域的处理调谐气体。
15.如权利要求9所述的调谐气体组件，其中该多个调谐气体通道配置为引导待传输至由该基片支撑件支撑的基片边缘下方的一个暴露区域的惰性气体。
16.如权利要求10所述的调谐气体组件，其中该多个调谐气体注入孔配置为引导待传输至在该基片边缘且恰好该基片边缘下方的一个暴露区域的该调谐气体。
17.一种提高等离子处理室内基片边缘处的等离子均匀性的方法，包括如下方法操作:
从设置于基片支撑件上方的气体分配板供应处理气体；
在供应该处理气体同时，从该等离子处理室的底部区域向该基片的外部边缘引入包含该处理气体的至少一种组分的调谐气体，其中该调谐气体通过设于该基片支撑件内的中央气体室供应；和
通过向该处理室内的至少一个电极供电生成等离子。
18.如权利要求17所述的方法，其中该调谐气体提高了该基片末端处的该等离子的密度。
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