TWI593011B - 用於電漿處理室之邊緣環組件及其製造方法 - Google Patents

Description

用於電漿處理室之邊緣環組件及其製造方法

本發明有關用於電漿處理室中的邊緣環組件。

電漿處理設備係用以藉由包含蝕刻、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、及光阻移除的技術來處理半導體基板。一類型的用於電漿處理之電漿處理設備包含容納頂部及底部電極之反應室。射頻(RF)功率係施加於電極之間，俾將製程氣體激發為電漿，以供處理反應室中之半導體基板。

電漿處理室之設計者所面臨的一挑戰為電漿蝕刻條件對暴露至電漿的處理室表面產生顯著的離子轟擊。在結合電漿化學及/或蝕刻副產物的情況下，此離子轟擊可產生明顯的處理室之電漿暴露表面的沖蝕、腐蝕及腐蝕-沖蝕。另一挑戰為控制半導體基板(例如矽基板)範圍的蝕刻率均勻性，尤其是使基板中央的蝕刻率等於邊緣的蝕刻率。為了減緩此不均勻性，邊緣環及下方支撐環已實施安裝於基板周圍。邊緣環為消耗性零件，且需要定期清理或更換。期望延長邊緣環的壽命，以增加清理或更換之間的平均時間、並減少持有成本。具有延長之RF壽命邊緣環組件係敘述於此。

於此敘述者為在電漿處理室中配置成圍繞半導體基板的邊緣環組件，其中使電漿產生並用以處理半導體基板。電漿處理室包含具有延伸於朝外延展環形支撐面與圓形基板支撐面之間之垂直側壁的基板支撐 件。基板支撐件受配置使得半導體基板被支撐於基板支撐面上，且半導體基板的突出邊緣延伸超過垂直側壁。支撐環係配置成被支撐在基板支撐件的周圍，且邊緣環組件係至少部份地被支撐在支撐環上方。邊緣環組件包含下環，其至少在下環的內表面及上表面之電漿暴露部份具有保護性外塗層；及上環，其至少在上環的內表面及上表面之電漿暴露部份具有保護性外塗層。下環具有配置成被支撐於基板支撐件周圍的下表面，內表面自該下表面之內周朝上延伸，並配置成為圍繞垂直側壁，上表面自該內表面朝外延伸、配置成位於半導體基板的突出邊緣下方，且外表面自該上表面之外周朝下延伸。上環具有配置成被支撐於下環的上表面之一外部份上的下表面，內表面自該下表面之內周朝上延伸，並配置成為圍繞半導體基板，上表面自該內表面朝外延伸，且外表面自該上表面之外周朝下延伸。上環係位於下環的上表面之一外部份上。

亦於此敘述者為用於電漿處理室中的邊緣環組件之製造方 法。該方法包含(a)利用保護性外塗層塗佈上環的上表面及內表面、(b)利用保護性外塗層塗佈下環的上表面及內表面、及(c)組合該等環，使得上環僅覆蓋下環的上表面之一外部份，且保護性塗層在上及下環的電漿暴露部份上。

110‧‧‧噴淋頭電極組件

112‧‧‧頂部電極

114‧‧‧支持構件

116‧‧‧熱控制板

118‧‧‧基板支撐件

118a‧‧‧支撐面

118b‧‧‧基板支撐面

118c‧‧‧垂直側壁

120‧‧‧基板

122‧‧‧基板支撐表面

138‧‧‧邊緣環組件

200‧‧‧下環

200a‧‧‧塗層

201‧‧‧上表面

202‧‧‧內表面

205‧‧‧上環

205a‧‧‧塗層

205b‧‧‧塗層間隙

205c‧‧‧內緣(角落)

207‧‧‧內角(階梯部)

208‧‧‧內表面

209‧‧‧上表面

210‧‧‧支撐環

211‧‧‧外耦接環

212‧‧‧耦接環

220‧‧‧傾斜表面

221‧‧‧傾斜表面

230‧‧‧內角

231‧‧‧外角

圖1顯示用於電漿處理設備之噴淋頭電極組件及基板支撐件的實施例之一部分，其中可實施呈現於此之實施例。

圖2顯示邊緣環組件之實施例的剖面。

圖3A-D顯示邊緣環組件之較佳實施例的剖面。

圖4A、B顯示邊緣環組件之替代性較佳實施例的剖面。

圖5顯示邊緣環組件之替代性較佳實施例的剖面。

當積體電路元件在其物理尺寸及其操作電壓上持續縮小時，其相關製造產能變得更易受到顆粒及金屬雜質污染物的影響。因此， 製造具有更小物理尺寸之積體電路元件需要微粒及金屬污染物的程度低於先前認為可接受者。

積體電路元件的製造包含電漿處理室的使用。電漿處理室可 配置成蝕刻半導體基板的選定層。如此之處理室係配置成在射頻(RF)功率施加至處理室中之一或更多電極時接收製程氣體。處理室內的壓力亦針對特定製程加以控制。在施加期望之RF功率至(複數)電極之時，腔室中的製程氣體被活化而使電漿產生。電漿因此產生以執行半導體基板之選定層的期望蝕刻。

電漿處理室之設計者所面臨的一挑戰為電漿蝕刻條件對暴 露至電漿的處理室表面產生顯著的離子轟擊。在結合電漿化學及/或蝕刻副產物的情況下，此離子轟擊可產生明顯的處理室之電漿暴露表面的沖蝕、腐蝕及腐蝕-沖蝕。因此，表面材料藉包含沖蝕、腐蝕及/或腐蝕-沖蝕之物理及/或化學攻擊而被移除。此攻擊造成包括短零件壽命、增加之零件成本、微粒污染物、基板上過渡金屬污染物及製程偏移的問題。具有相對短壽命之零件通常稱為耗材。消耗性零件的短壽命增加持有成本。

另一挑戰為控制半導體基板(例如矽基板)範圍的蝕刻率均 勻性，尤其是使基板中央的蝕刻率等於邊緣的蝕刻率。因此，基板邊界條件較佳地為了達到基板範圍之均勻性而關於例如製程氣體組成、製程氣體壓力、基板溫度、RF功率、及電漿密度的參數加以設計。

一些電漿處理室係設計成具有施加至靜電夾持電極下方之 受供電電極的RF功率，該二電極係結合於支撐經受電漿處理之半導體基板的基板支撐件中。然而，由於基板之外緣可能突出於靜電夾持電極，且/或自受供電電極經由靜電夾持電極及基板至電漿的RF阻抗路徑可不同於自受供電電極之外部至電漿的RF阻抗路徑，所以在基板之邊緣產生的不均勻電漿密度可導致基板的不均勻處理。

為了減緩如此之不均勻性，故已在基板支撐件周圍實施安裝 邊緣環組件及下方支撐環、耦接環及/或接地環。改善的電漿均勻性可藉由提供在經受電漿處理之基板的中央及邊緣相近的RF阻抗路徑而達成。RF阻抗路徑可藉由支撐、耦接及/或接地環之材料及/或尺寸的選擇而加以操 縱。支撐環、耦接環、及/或接地環可由導體、半導體、或介電材料形成。在一實施例中，支撐環、耦接環、及/或接地環可由石英或氧化鋁形成。

邊緣環組件保護支撐環、接地環、及/或耦接環免受電漿攻擊。邊緣環組件為消耗性零件，且需要定期清理或更換。期望延長邊緣環組件的壽命，以增加清理或更換之間的平均時間、並減少持有成本、以及降低可能的來自可能在晶圓之電漿處理期間變得鬆動之顆粒的晶圓污染。於此敘述具有延長之RF壽命且降低晶圓污染的邊緣環組件。

圖1顯示用於電漿處理室之噴淋頭電極組件110的示範實施例，例如矽基板之半導體基板係於該電漿處理室中受處理，其中可使用於此討論之邊緣環組件的實施例。噴淋頭電極組件110包含噴淋頭電極(其包括頂部電極112)、固定至頂部電極112的支持構件114、及熱控制板116。如此之配置的細節可在併入於此作為參考的共同讓與之美國專利第7,862,682號、第7,854,820號及第7,125,500號中尋得。包括底部電極及靜電夾持電極(例如靜電夾盤)的基板支撐件118(圖1中僅顯示其一部分)係位於電漿處理室中的頂部電極112之下方。受到電漿處理之基板120係靜電夾持於基板支撐件118(例如靜電夾盤)之基板支撐表面122上。

在電容耦合電漿處理室中，除了接地電極之外，亦可使用第二接地。舉例來說，基板支撐件118可包含在一或更多頻率下被施加RF能量的底部電極，且製程氣體可經由其為接地上電極之噴淋頭電極112供應至腔室內部。自基板支撐件118中之底部電極朝外定位的第二接地可包含大致延伸於容納待處理之基板120的平面中、但藉由邊緣環組件138與基板120分隔的電接地部份。邊緣環組件138可為在電漿產生期間變熱的導電性或半導電性材料。

為了降低經處理基板的污染，邊緣環組件可利用例如熱噴塗氧化釔或氣膠沉積氧化釔之塗層加以塗佈。然而，在熱噴塗或氣膠沉積期間，粉末可能累積在內角上，且在晶圓之電漿處理期間導致鬆動顆粒及晶圓污染。

針對控制基板120上之蝕刻率均勻性及使在基板中央之蝕刻率與在基板邊緣之蝕刻率匹配，較佳地針對確保基板範圍中之連續性而 相關於基板邊緣之化學暴露、製程壓力、及RF場強度設計基板邊界條件。為了使基板污染減至最低，邊緣環組件138係由相容於基板本身的材料製成。邊緣環組件138之材料可由矽、矽碳化物、氧化鋁及/或該等材料之合成物所形成。較佳地，邊緣環組件138將具有接著至邊緣環組件之構件的保護性外塗層，以增加邊緣環組件138之腐蝕及磨損抗性。較佳地，外塗層將為釔氧化物噴塗層。為了避免源自例如內角之幾何特徵部中塗層的鬆動顆粒問題，邊緣環為如以下敘述之兩件式環。

圖2顯示邊緣環組件138之實施例的剖面。邊緣環組件138包含下環200及上環205。下及上環200、205各具有保護性外塗層200a、205a。下環200在剖面上可為矩形，且上環205在剖面上可為L形。在替代性實施例中，應察知下環200在剖面上可為L形。此外，應察知上環205在剖面上可為矩形。當組合時，上及下環在下環之上表面與上環之內表面之間的接合處形成內角207。至少該等環的電漿暴露內及上表面可利用例如氧化釔之保護性塗層加以塗佈，且當零件組合時，受塗佈之表面形成不具有在內角上有熱噴塗塗層之單件式邊緣環所顯現之顆粒問題的內角。

較佳地，上及下環205、200係各由氧化鋁形成，且各具有保護性外塗層205a、200a。保護性外塗層200a、205a較佳地可為釔氧化物層。在替代性實施例中，外塗層可由SiC、Si、SiO₂、ZrO₂、或Si₃N₄組成。此外，保護性外塗層200a、205a可藉由氣膠沉積(aerosol deposition,AD)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、熱噴塗方法、或原子層沉積(ALD)而施加。較佳地，外保護性塗層200a、205a係藉由氣膠沉積而施加。過去15年來，氣膠沉積已然發展俾提供一種薄膜沉積技術，該技術提供製造適當厚度之陶瓷塗層以完全封裝而仍維持成本效應的製造方法。製程典型地需要拋光步驟來消除表面上鬆散地接著的顆粒，而暴露高度緻密的塗層。近來此塗層已展現在噴塗層上提供顯著的顆粒改善。示範性氣膠沉積法可見於讓與Toto,Ltd.之美國專利第8,114,473號，其係整體併入於此作為參考。

各環200、205具有獨立施加之保護性塗層200a、205a。在一實施例中，保護性塗層200a、205a係施加至環200、205之所有表面。較 佳地，保護性塗層200a、205a係僅施加至下及上環200、205之電漿暴露表面。在更佳的實施例中，保護性塗層200a、205a不施加至下環200與上環205的結合面。然而，若需要，則該塗層可施加至該等結合面的一或兩者。

圖3A-D顯示用於電漿處理室中的邊緣環組件138之較佳實施例的剖面。圖3A顯示包含延伸於朝外延展環形支撐面118a與圓形基板支撐面118b之間之垂直側壁118c的基板支撐件118。基板支撐件118可配置成將半導體基板120支撐於基板支撐面118b上。基板120可具有延伸超過基板支撐件118之外垂直側壁的突出邊緣。支撐環210可被支撐於基板支撐件118之環形支撐面118a上。在一實施例中，邊緣環組件138可被支撐於支撐環210上。在一實施例中，支撐環210可電性接地。

較佳地，邊緣環組件138係由具凸緣下環200及具凸緣上環205組成，兩環在沿通過環之中心軸的平面所取之剖面上皆為L形。較佳地，配置下及上環200、205，使得下環200的上表面201之一內部份以及上環205之內表面208形成內角207。在一實施例中，上環205之上表面可朝上且朝外延伸，使得上環205之上表面形成斜坡狀(傾斜)表面。

圖3B顯示由下及上環200、205組成的邊緣環組件138之較佳實施例的剖面，下及上環200、205各具有個別的保護性外塗層200a、205a。下及上環200、205較佳地具有修圓的內及外角，且塗層200a、205a係施加至環200、205的平坦表面及修圓外角。在圖3B的實施例中，下及上環在個別垂直內表面208、202與個別上表面209、201之間具有修圓的角(例如半徑0.04-0.05英吋之修圓邊緣)，且在上環205之底部內緣205c具有較小半徑之角落(例如半徑0.01英吋邊緣)。較佳地，個別保護性塗層200a、205a係形成於個別下及上環200、205上，且下及上環200、205係受配置，使得邊緣環組件138之電漿暴露表面受到塗佈。儘管不希望被理論所約束，但據信待塗佈之本體的內角對於例如熱噴塗塗層及/或氣膠沉積塗層之噴塗塗層較不具接受性。內角可能難以噴塗，且可能導致降低的磨損及沖蝕抗性以及基板於電漿處理室中之處理期間增加的鬆散顆粒。因此，下及上環200、205之內角較佳地不以個別保護性外塗層200a、205a加以塗佈。上環205可包含位於內表面208與底部表面215之間之角落205c的小半徑。塗層 205a可不存在於角落205c，且在塗層200a與塗層205a之間形成塗層間隙205b。若存在，則塗層間隙205b係較佳地小於約0.01英吋。更佳地，施加塗層俾使無塗層間隙205b存在。

上環205在剖面上可為具有約0.05英吋與0.5英吋之間之高度的L形。例如，上環可在外周具有約0.15英吋之總高度，且在下環200上方之內部份中具有約0.08英吋之高度。下環200亦可為具有約0.05英吋與0.5英吋之間之高度的L形。例如，下環可在內周具有約0.15英吋之總高度，且在外周具有約0.08英吋之高度。外保護性塗層200a、205a可具有2至20μm、較佳地為5至15μm之厚度。

圖3C顯示具有與圖3A、B所示者相同配置的邊緣環138之替代性實施例。然而，在該替代性實施例中，下及上環200、205具有直角的內及外角。

圖3D顯示具有與圖3A-C所示者相同配置的邊緣環138之替代性實施例。然而，在該替代性實施例中，上環205具有呈斜面的內表面206。該呈斜面的內表面206之半徑可介於約0.04至0.045英吋之間。再者，下及上環200、205在其各自之結合面的內周上包含保護性外塗層200a、及205a。

圖4A、B顯示用於電漿處理室中的邊緣環組件138之替代性較佳實施例的剖面。圖4A顯示延伸於朝外延展環形支撐面118a與圓形基板支撐面118b之間之垂直側壁118c的基板支撐件118。基板支撐件118將半導體基板120支撐於基板支撐面118b上，使得基板120具有延伸超過基板支撐件118之外垂直側壁118c的突出邊緣。耦接環212的一部分可被支撐於基板支撐件118之環形支撐面118a上，而耦接環212之其餘部份可被支撐於支撐環210的一表面上。

較佳地，邊緣環組件138係由下環200及上環205組成。下環200可由耦接環212支撐，而上環205可部份由下環200支撐，且部份由外耦接環211支撐，外耦接環211係支撐於支撐環210上。在替代性實施例中，上環205可部份由支撐環210支撐。在替代性實施例中，可省略耦接環212及211，且支撐環210可配置成支撐邊緣環組件138。

下環200可具備帶有自上表面201之暴露部份的外周朝外朝下延伸之傾斜表面220的大致L形剖面。上環205可具備帶有與下環200之傾斜表面220配對之傾斜表面221的大致矩形剖面。較佳地，下及上環200、205係受配置，使得下及上環200、205之結合面包含互相接觸的水平及傾斜表面。下環的暴露上表面及上環的暴露內表面形成內階梯部207(如圖4B所示)。若需要，上環205之上表面209可朝上及朝外呈斜坡狀。

圖4B顯示由下及上環200、205組成的邊緣環組件138之較佳實施例的剖面，下及上環200、205各具有個別的保護性外塗層200a、205a。下及上環200、205較佳地在其上內周具有修圓的內及外角230、231，且塗層200a、205a係施加至環200、205的平坦表面及修圓外角。在圖4B的實施例中，上環在垂直內表面208與上表面209之間具有修圓的角(例如半徑0.04-0.05英吋)，且在沿下表面之角落205c具有較大半徑之角落。較佳地，個別保護性塗層200a、205a係形成於個別下及上環200、205上，使得邊緣環組件138之電漿暴露表面受到塗佈。在一實施例中，環200、205的一或更多結合面可具有個別保護性塗層200a、205a，且在替代性實施例中，結合面可為未受塗佈的表面。

圖5顯示用於電漿處理室中的邊緣環組件138之替代性較佳實施例的剖面。基板支撐件118包含延伸於朝外延展環形支撐面118a與圓形基板支撐面118b之間的垂直側壁118c。基板支撐件118將基板120支撐於基板支撐面118b上，使得基板之突出邊緣延伸超過基板支撐件118之垂直側壁118c。支撐環210可配置成圍繞基板支撐件118，且邊緣環組件138可部份支撐於支撐環210上方，並部份支撐於基板支撐面118a上。

較佳地，邊緣環組件138係由下環200及上環205組成。下環200可具備帶有自暴露上表面的外周朝外朝下延伸之傾斜表面220的大致矩形剖面。上環205可具備帶有自暴露內表面朝下朝外延伸之傾斜表面221的大致矩形剖面。此外，上環205可具有沿下表面、自下表面之外部份延伸至外表面的階梯部。較佳地，下及上環200、205係受配置，使得下及上環200、205之結合面為傾斜表面220、221。下及上環200、205較佳地形成階梯部207，而形成直角、延伸於下環200之暴露上表面與上環205之暴露 內表面之間。若需要，上環205之上表面可為朝上及朝外延伸的傾斜表面。

在此額外呈現的是利用保護性外塗層塗佈包含上及下環之邊緣環組件的方法。該方法包含(a)利用保護性外塗層塗佈上環的上及內表面、(b)利用保護性外塗層塗佈下環的上及內表面、及(c)組合該等環，使得上環僅覆蓋下環的上表面之外部份。較佳地，保護性外塗層係施加至上及下環的電漿暴露表面。

儘管已參照邊緣環組件之具體實施例詳細敘述邊緣環組件，但對於熟悉本技藝者將顯而易見的，在不背離隨附請求項的範圍之情況下，可作成各種變更及修改，並使用均等物。

138‧‧‧邊緣環組件

200‧‧‧下環

200a‧‧‧塗層

205‧‧‧上環

205a‧‧‧塗層

207‧‧‧內角(階梯部)

Claims (19)

1. 一種邊緣環組件，配置成在一電漿處理室中圍繞一半導體基板，其中使電漿產生並用以處理該半導體基板，該電漿處理室包含：一基板支撐件，該基板支撐件包含延伸於朝外延伸之一環形支撐面與圓形之一基板支撐面之間的一垂直側壁，該基板支撐件受配置使得該半導體基板被支撐於該基板支撐面上，且該半導體基板之一突出邊緣延伸超過該垂直側壁；一支撐環，配置成被支撐於該基板支撐件周圍；及該邊緣環組件，至少部份地受支撐於該支撐環上方，該邊緣環組件包含：一下環，在最內表面及從最內表面水平延伸至該下環之外表面的最上表面的至少一電漿暴露部份上具有保護性外塗層，該下環具有配置成被支撐於該基板支撐件周圍的下表面，最內表面自下表面的內周朝上延伸，且配置成圍繞該垂直側壁，最上表面配置成在該半導體基板之該突出邊緣下方，且外表面自最上表面之外周朝下延伸；及一上環，在最內表面及最上表面的至少一電漿暴露部份上具有保護性外塗層，該上環具有配置成被支撐於該下環之最上表面之一外部份上的下表面，最內表面自下表面的內周朝上延伸，且配置成圍繞該半導體基板，最上表面在最內表面與最外表面之間延伸，且最外表面自最上表面之外周朝下延伸，其中該上環之最內表面係位於該下環的最內表面與外表面之間且配置成與該下環之最上表面形成電漿暴露內角，其中在該下環之最上表面上的該保護性外塗層在該上環之最下表面下方延伸。
2. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環在剖面呈L形，且該下環在剖面呈矩形。
3. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環在剖面呈L形，且該下環在剖面呈L形。
4. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該下環具有從最上表面垂直 偏移的外水平上表面，且該上環具有用以與該下環之外水平上表面結合的外水平表面。
5. 如申請專利範圍第4項之邊緣環組件，其中該上環及該下環在每一個別最內垂直表面及每一最上表面之間具有複數圓角，該等圓角具有約0.04至0.05英吋之半徑，且該上環在最內表面與下表面之間具有修圓之底部角，該底部角具有約0.01英吋的半徑。
6. 如申請專利範圍第5項之邊緣環組件，其中該底部角未受塗佈，且於該上環之下表面係支撐於該下環之最上表面的外部分上時在該上環及該下環個別的保護性外塗層中形成一間隙，其中該間隙小於約0.01英吋。
7. 如申請專利範圍第5項之邊緣環組件，其中該底部角係利用保護性外塗層加以塗佈。
8. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環及該下環係由矽碳化物、矽、或氧化鋁形成。
9. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該保護性外塗層為釔氧化物、矽碳化物、矽、矽氧化物、鋯氧化物、或矽氮化物。
10. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中其中該保護性外塗層係藉由氣膠沉積(aerosol deposition)、化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、或熱噴塗而施加。
11. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該保護性外塗層不施加於該上環及該下環的結合面。
12. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該保護性外塗層係施加於該 上環及該下環的至少一結合面。
13. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環及該下環的結合面包含水平及傾斜表面，該上環的下表面包含傾斜部份，其與該下環的上表面之傾斜部份配對。
14. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環及該下環受配置，使得該上環的下表面之外部份及該下環的外表面形成一階梯部。
15. 如申請專利範圍第1項之邊緣環組件，其中該上環及該下環受配置，使得該上環的下表面之外部份及該下環的外表面形成一階梯部。
16. 一種申請專利範圍第1項之邊緣環組件的製造方法，該方法包含：利用保護性外塗層塗佈該下環的最內表面及最上表面；及利用保護性外塗層塗佈該上環的最內表面及最上表面。
17. 如申請專利範圍第16項之申請專利範圍第1項之邊緣環組件的製造方法，其中該等保護性外塗層為釔氧化物。
18. 如申請專利範圍第16項之申請專利範圍第1項之邊緣環組件的製造方法，其中該等保護性外塗層係藉由氣膠沉積而施加。
19. 如申請專利範圍第16項之申請專利範圍第1項之邊緣環組件的製造方法，其中該等保護性外塗層係施加於該上環及該下環的至少一結合面上。