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TW201401367A - 於快速氣體切換有用之電漿蝕刻室用腔室塡充物套組 - Google Patents

於快速氣體切換有用之電漿蝕刻室用腔室塡充物套組 Download PDF

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TW201401367A
TW201401367A TW102109025A TW102109025A TW201401367A TW 201401367 A TW201401367 A TW 201401367A TW 102109025 A TW102109025 A TW 102109025A TW 102109025 A TW102109025 A TW 102109025A TW 201401367 A TW201401367 A TW 201401367A
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瓊 麥可卻斯尼
席爾 帕那格普洛斯
艾立克斯 派特森
克雷格 布雷爾
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蘭姆研究公司
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Abstract

一種用於感應耦合電漿處理室的腔室填充物套組，在該感應耦合電漿處理室中，半導體基板乃由通過一個面對由懸臂卡盤所支撐之基板的窗之感應耦合射頻(RF,radio frequency)能量進行處理。該套組包括至少一可減少腔室中卡盤下面的下部腔室容積的腔室填充物。套組中的填充物，可被安裝在一腔室容積超過60升(liters)的標準腔室，並藉由使用不同大小的腔室填充物，可以減小腔室的容積來提供所需的氣體流導並配合基板處理過程中真空壓力的變化。該套組可包括頂部、中間、以及底部填充物，其中該頂部填充物有一截頭圓錐形內壁，而提供在卡盤周圍之具有所需大小的環形間隙，並且該中間填充物有一水平表面，而提供在卡盤下方之具有所需大小的垂直間隙。該底部填充物有一與位在腔室底部之真空出口有流體連通的中心開口，處理氣體和副產物係通過該真空出口從腔室中排出。該腔室填充物套組可被用來調整一標準腔室以配合不同的處理體系，例如需要寬廣之壓力變化但不改變基板和窗間之間隙的快速交替處理程序。

Description

於快速氣體切換有用之電漿蝕刻室用腔室填充物套組
本發明係關於一種電漿蝕刻室用之腔室填充物套組，以利氣體之快速切換。
波希法(Bosch process)是一種電漿蝕刻程序，它被廣泛的應用在半導體工業中來製造深的、垂直的(高深寬比)特徵(具有例如幾十到幾百微米(micrometer)的深度)，譬如溝槽和穿孔。波希法包括交替的蝕刻步驟和沈積步驟的循環。波希法的細節，可以在美國專利第5,501,893號中找到，在此引入作為參考。波希法可以在配置有高密度電漿源以及一射頻(radio frequency,RF)偏壓基板電極的電漿處理裝置中進行，該高密度電漿源可以例如是一感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)源。用於蝕刻矽的波希法中使用的處理氣體在蝕刻步驟中可以是SF6，在沈積步驟中可以是C4F8。用於蝕刻步驟的處理氣體以及用於沈積步驟的處理氣體在以下分別被稱為「蝕刻氣體」以及「沈積氣體」。在一蝕刻步驟中，SF6可促進對矽(Si)之自發性、各向同性的蝕刻；在一沈積步驟中，C4F8可促進一保護性聚合物層沈積於蝕刻之結構的側壁以及底部。該波希法循環地交替蝕刻和沈積步驟，使深層的結構可界定於遮罩式矽基板內。在蝕刻步驟中受到高能量和定向的離子撞擊之後，之前的沈積步驟中覆蓋在蝕刻之結構的底部之任何聚合物薄膜都將被移除，以暴露矽表面來作進一步的蝕刻。在側壁上之聚合物薄膜將留下，因為它沒有受到直接的離子撞擊，因此，側向蝕刻便被抑制了。
波希法的一個限制是深層蝕刻特徵部的粗糙側壁。這個限制是由於波希法中之週期性的蝕刻/沈積方法所引起，並且在本領域中被稱為側壁「扇形邊」。對於許多裝置應用來說，是希望能將此側壁粗糙或扇形邊減到最小。扇形邊的程度，通常是以扇形的長度和深度來測量。扇形的長度是側壁粗糙處之波峰到波峰的距離，並且是與在一個單一的蝕刻循環中達到的蝕刻深度直接相關。扇形的深度是側壁粗糙處之波峰到波谷的距離，並且是與一個單一的蝕刻步驟之各向異性的程度相關。扇形邊形成的程度可以藉由縮短每一個蝕刻/沈積步驟的時間來減到最小(亦即，以較高的頻率重複進行較短的蝕刻/沈積步驟)。
除了有較平坦特徵之側壁，也希望能達成較高的總體蝕刻速率。該總體蝕刻速率是被定義為在一個處理過程中的總蝕刻深度除以處理的總時間。該總體蝕刻速率可以藉由增加每一處理步驟中的效率來提高(亦即，減少空滯時間)。
在一習知的電漿處理裝置中，基板是由處理腔室中的一基板支架所支撐，並且該基板可以是一具有例如4"、6"、8"、12"等之直徑的半導體晶片。該基板支架可包含例如一射頻(RF)供電電極，該電極可以是從腔室一下側端壁來支撐，或者以懸臂式方式支撐，例如從該腔室的一側壁延伸出來。該基板可藉由機械式或靜電式的方式夾到電極上。該基板在處理腔室中的處理乃係藉由激發處理腔室中之處理氣體而使其成為高密度電漿而進行。一能量源在腔室中維持高密度(例如，1011-1012ions/cm3)電漿，例如，一像是平面多圈螺旋線圈或具有另一種形狀的天線，由合適的RF源供電並且由合適的RF阻抗匹配電路以感應方式連接射頻能量到腔室以產生高密度電漿。施加於天線的射頻功率可以根據腔室中使用的不同之處理氣體(例如，含有SF6的蝕刻氣體和含有C4F8的沈積氣體)而改變。該腔室可包括一個合適的真空抽氣裝置來維持腔室內部在所需的壓力(例如，在5Torr以下，最好是在1到100mTorr)。例如均勻厚度的平面介電窗或非平面的介電窗(圖中未示出)的介電窗乃被配置在天線和處理腔室內部之間，並在處理腔室的頂部形成一真空壁。一氣體傳輸系統可用來供應處理氣體到腔室中。這樣的電漿處理裝置的詳細資料是被公開在共同擁有的美國專利公開號第2001/0010257號、2003/0070620號，美國專利第6,013,155號，或 美國專利第6,270,862號，上述每一件文獻的全部內容都以引用的方式併入本文。
設計來用於快速氣體切換的氣體傳輸系統是被公開在共同擁有的美國專利第7,459,100號和第7,708,859號、以及美國專利公開號第2007/0158025和第2007/0066038號中，其公開的內容在此引入作為參考。
該基板最好是包括一矽材料，例如矽晶片及/或多晶矽。例如孔、穿孔及/或凹槽等不同的特徵，可被蝕刻於矽材料中。具有用來蝕刻所需特徵之開放圖案的一圖案化遮罩層(例如光阻劑、氧化矽、及/或矽氮化物)是被設置在基板上的。
美國專利公開號第2009/0242512號公開了一個多步驟的波希類型處理的例子，其中在鈍化膜沈積過程中，腔室壓力是35mTorr歷時5秒、在一低壓蝕刻步驟中則是20mTorr歷時1.5秒、以及在一高壓蝕刻步驟中(見表4.2.1)，則是325mTorr歷時7.5秒，或在沈積過程中是35mTorr歷時5秒、在低壓蝕刻過程中是20mTorr歷時1.5秒、在高壓蝕刻過程中325mTorr歷時7.5秒以及在低壓蝕刻過程中(見表4.2.2)15mTorr歷時1秒。共同轉讓的美國專利公開號第2011/0244686號中公開了一種使用2300 SyndionTM電漿處理系統來蝕刻矽穿孔(TSV)和矽深溝槽的程序，以執行氣體調製週期性蝕刻步驟。
在其它處理中，例如原子層沈積、電漿輔助化學氣相沈積法(CVD,chemical vapor deposition)、在遮罩材料中之電漿蝕刻開口以及移除遮罩材料的多步驟程序、多步驟的電漿蝕刻程序，其中蝕刻氣體的濃度為週期性地變化或者不同的材料層是被依序蝕刻，，其腔室壓力的變化是必需的。為了減少整體處理時間，吾人希望能減少這種週期性程序中高壓及低壓相位之間的轉換期。例如，美國專利公開號第2009/0325386號揭露了一種在低流量真空室中可以在幾十毫秒(milliseconds)內達成快速壓力調整的電導限流元件。該'386公報指出，在處理過程中，一個單一的化學成份可以在數個壓力週期中被流入處理區域，或者不同的化學成份可以在數個壓力週期中被引入，其中在高或低壓的時間是在介於0.1到2秒的範圍。
使用感應耦合電漿室於快速交替處理程序的一個限制是腔室的容積大，並且由於腔室容積大導致腔室壓力變化不能迅速地達到。進一步 來說，希望能針對特定的處理體系定製一個腔室，其中腔室容積和電導可以改變，以達到所需的腔室壓力和氣體交換率。
本文所描述的是一種腔室填充物套組，它包括可更換式地配置在一感應耦合電漿腔室中之至少一腔室填充物，該感應耦合電漿腔室具有一位在底壁的真空出口以及一個被支持在腔室側壁上的懸臂卡盤。該至少一腔室填充物是被配置來提供一預定之下部腔室容積和電導率，以使一特定的程序可以在電漿腔室中進行。該至少一腔室填充物最好是包括一個與懸臂卡盤的一水平臂嵌合之水平延伸的側部開口、以及一個與卡盤的外部表面由一間隙所分開之內部截頭圓錐形表面。
在一個較佳的實施例中，該腔室填充物套組包括一頂部填充物、一中間填充物、以及一底部填充物。該頂部填充物具有一個設計來抵靠著腔室側壁之外壁、一截頭圓錐形的內壁、從內壁沿伸至外壁的側部開口、一水平延伸的上端、以及一水平延伸的下端。該中間填充物具有一個設計來抵靠著腔室側壁之外壁、一包含一個延伸於一上側凹入部及一下側凸出部之間的水平延伸環形部的內壁，一水平延伸的上端和一水平延伸的下端，該中間填充物的上端具有與頂部填充物的下端相同的橫截面，使得中間填充物的內部表面與頂部填充物的內部表面相互配合，並且中間填充物的外壁與頂部填充物的外壁相互配合。該底部填充物具有一個設計來抵靠著腔室底壁之外壁、一圓柱形內壁、一水平延伸的上端和一水平延伸的下端，該底部填充物的上端具有與中間填充物的下端相同的橫截面，使得底部填充物的內壁與中間填充物的內壁相互配合，並且底部填充物的外壁與中間填充物的外壁相互配合。
在包含該腔室填充物套組之腔室中處理基板之一較佳的方法中，其步驟包括：以卡盤支撐一半導體基板；供應處理氣體到腔室內部中；以及將該處理氣體激發至電漿狀態；並且以該電漿處理半導體基板。該電漿處理可包含電漿蝕刻，其中該電漿處理包含快速交替的循環，該循環包括：將蝕刻氣體導入腔室中；激發該蝕刻氣體並使其進入電漿狀態；以及 將特徵蝕刻到該半導體基板中；接著將沈積氣體導入腔室中；激發該沈積氣體並使其進入電漿狀態；以及將鈍化材料沈積於該蝕刻的特徵上。
300‧‧‧電漿處理系統
301‧‧‧腔室填充物套組/腔室填充物
302‧‧‧電漿腔室
304‧‧‧窗
306‧‧‧天線
308‧‧‧電漿
310‧‧‧懸臂卡盤/卡盤
312‧‧‧基板/晶片
314‧‧‧氣體分配部件
316‧‧‧出口埠
318‧‧‧壓力控制閥組件
320‧‧‧幫浦
322‧‧‧電漿電源
324‧‧‧匹配網路
326‧‧‧晶片偏壓電源
328‧‧‧匹配網路
330‧‧‧導電層氣體蝕刻劑
332‧‧‧介電層氣體蝕刻劑
334‧‧‧矽基板氣體蝕刻劑
336‧‧‧控制器
340‧‧‧冷卻系統
342‧‧‧冷卻氣體入口
344‧‧‧氣體輸送導管
346‧‧‧氣體歧管
348‧‧‧氣體移除導管
350‧‧‧冷卻氣體源
400‧‧‧中間填充物
402‧‧‧圓柱形外壁
404‧‧‧上端
406‧‧‧下端
408‧‧‧內壁
410‧‧‧凹入部
412‧‧‧水平部/水平延伸表面/水平表面
414‧‧‧凸出部
416‧‧‧圓柱形部份
418‧‧‧上環形套筒
419‧‧‧螺紋孔
420‧‧‧下環形套筒
421‧‧‧定位孔
500‧‧‧頂部填充物
502‧‧‧外壁/外部表面
504‧‧‧截頭圓錐形內壁/內壁
506‧‧‧側部開口
508‧‧‧上端
510‧‧‧下端
516‧‧‧水平平面的表面
518‧‧‧垂直延伸的表面
519‧‧‧螺紋孔
520‧‧‧間隙
521‧‧‧定位孔
522‧‧‧環形間隙
524‧‧‧垂直間隙
600‧‧‧底部腔室填充物/底部填充物
602‧‧‧上端
604‧‧‧下端
606‧‧‧外壁/外部表面
608‧‧‧凸出部
610‧‧‧截頭圓錐形部分/外部表面
619‧‧‧螺紋孔
612‧‧‧圓柱形部份/外部表面
614‧‧‧內壁
621‧‧‧定位孔
圖1顯示一個如本文所述之具有一種用來減少下部腔室容積的腔室填充物套組之電漿處理腔室的例子。
圖2顯示在快速交替處理程序中腔室容積對氣體壓力的影響之曲線圖。
圖3顯示包含在腔室外組裝之一頂部填充物、一中間填充物、以及一底部填充物的腔室填充物套組。
圖4顯示一包含圖3所示之腔室填充物的電漿腔室的橫剖面圖。
圖5A是圖3所示之頂部填充物的立體俯視圖以及圖5B是頂部填充物的立體仰視圖。
圖6A是圖3所示之中間填充物的立體俯視圖以及圖6B是中間填充物的立體仰視圖。
圖7A是圖3所示之底部填充物的立體俯視圖以及圖7B是底部填充物的立體仰視圖。
本發明將參照附圖中所示的幾個較佳的實施例在此詳細描述。在以下的描述中，許多具體細節被列出以便提供對本發明的透徹暸解。然而，本領域的技術人員將會清楚，本發明可以在沒有一些或所有這些具體細節的情況下被實施。在其它情況下，為了避免不必要地混淆本發明，習知的程序步驟及/或結構沒有被詳細描述。在本文中所使用的術語「大約」應被解釋為包括所引述之數值的10%以上或以下的數值。
本文所描述的是一個感應耦合電漿處理腔室，在該處理腔室中，快速的壓力變化可以在快速交替處理程序中被達成。例如，半導體基板之深層特徵可藉由快速交替的蝕刻和鈍化(一保護層材料的沈積)階段在不同的腔室壓力下被處理。該電漿處理腔室包括腔室填充物，該填充物可減少位於支撐基板之卡盤下方的腔室之腔室容積，而將電漿處理室中改 變壓力所需的時間減到最小。波希法的一個限制是深層蝕刻特徵部的粗糙側壁。這個限制是由於波希法中的週期性的蝕刻/沈積方式引起，並且在本領域中被稱為側壁「扇形邊」。對於許多裝置應用來說，均是希望能將此側壁粗糙或扇形邊減到最小。扇形邊的程度，通常是以扇形的長度和深度來測量。扇形的長度是側壁粗糙處之波峰到波峰的距離，並且是與在一個單一的蝕刻循環中達到的蝕刻深度直接相關。扇形的深度是側壁粗糙處之波峰到波谷的距離，並且是與一個單一的蝕刻步驟之各向異性的程度相關。扇形邊形成的程度可以藉由縮短每一個蝕刻/沈積步驟的時間來減到最小(亦即，以較高的頻率重複進行較短的蝕刻/沈積步驟)。
圖1顯示一電漿處理系統300的示意圖，該系統包括具有用來減少腔室容積之腔室填充物301的電漿腔室302。一電漿電源322，由匹配網路324調諧並提供電力給位於窗304附近的天線306，並在窗304和由懸臂卡盤310所支撐的基板312之間的間隙中來產生電漿308。天線306可被配置來在腔室302內產生一均勻的擴散輪廓；例如，天線306可以被配置來在電漿308中產生一環形配電。在天線306和電漿腔室302內部之間有一窗304，該窗是由介電材料製成，可允許射頻(RF)能量從天線306通入電漿腔室302。由匹配網路328調諧之晶片偏壓電源326提供電力給在懸臂卡盤310中的一電極，來設定晶片312中的偏壓，晶片312是由卡盤310所支撐。電漿電源322和晶片偏壓電源326的設定點是藉由控制器336來設定。該腔室302包括一連接到幫浦320、以及壓力控制閥組件318的出口埠316，壓力控制閥組件318控制腔室302的內部壓力。
處理氣體藉由氣體分配部件314被導入腔室，氣體分配部件314可以是一氣體環、位於腔室側壁或頂壁的一個或多個氣體注射器、位於窗304下方的噴淋頭、或其它合適的氣體分配裝置。該氣體分配部件從氣體來源接收氣體，氣體來源可以像是導電層氣體蝕刻劑330、介電層氣體蝕刻劑332、矽基板氣體蝕刻劑334、沈積氣體(圖中未示出)或其它氣體來源，取決於在腔室302中將進行的處理程序。該天線306是包含在一冷卻系統340之中，冷卻系統340包括從冷卻氣體源350接收冷卻氣體的冷卻氣體入口342、氣體輸送導管344、環繞天線306的氣體歧管346、以及氣體移除導管348。
圖2顯示腔室壓力相對於腔室容積的曲線圖。如圖2所示，大容積的腔室無法達到很大的腔室壓力變化。例如，對於一個100升(liter)的腔室，可以達到的最大壓力為200mTorr以下，並且最小壓力是接近100mTorr。相對來說，一個腔室容積為40升的腔室可達到超過300mTorr的最大壓力，以及50mTorr以下的最小壓力。如本文所述，一包含至少一腔室填充物的腔室填充物套組301可被用來減少在懸臂卡盤下面的下部腔室容積。該至少一腔室填充物最好是包括與一感應耦合電漿腔室的內部表面相配合之一頂部腔室填充物、一中間腔室填充物、以及一底部腔室填充物。該頂部腔室填充物包括與懸臂卡盤310之水平臂相嵌合之一水平延伸的側部開口。頂部腔室填充物的內壁是傾斜的(截頭圓錐形)，以提供頂部腔室填充物的內壁和卡盤主體的外部表面之間的間隙。該間隙最好是介於1到2英吋(inches)之間，最佳是大約1.5英吋。然而，不同組的腔室填充物可以被配置在一腔室容積超過60升之感應耦合電漿腔室中(例如，不包含腔室填充物時容積為90到100升的腔室)而提供不同的下部腔室容積。舉例來說，腔室填充物可以成套提供來降低下部腔室容積，使得總腔室容積可以被設定在20到60升之範圍內的任何所需的腔室容積。有了該腔室填充物，一個標準的腔室可以藉由移除一組腔室填充物並插入一組不同的腔室填充物而很快地被調整，俾使腔室容積適於在腔室中進行之特定的處理程序。
圖3是三個腔室填充物互相嚙合的立體側視圖，其中底部填充物600支撐中間填充物400，並且中間填充物400支撐頂部填充物500。圖4顯示腔室填充物可拆卸式地安裝在一個腔室302中。頂部填充物500、中間填充物400、以及底部填充物600的透視圖分別顯示於圖5A-B、6A-B、以及7A-B中。
該頂部填充物500具有一有均勻直徑的圓柱形外壁502以及一頂部較窄和底部較寬的截頭圓錐形的內壁504。一長方形的側部開口506從外壁502延伸到內壁504，該側部開口的大小可以容納懸臂卡盤的水平支撐臂。該內壁504從一水平平面之上端508延伸到一水平平面之下端510。當用在一個腔室中來處理300毫米(mm)晶片時，頂部填充物500具有大約5英吋的高度，位在內壁504之頂部的開口512具有約17.5英吋的直徑，位 在內壁底部的開口514具有約15英吋的直徑，外壁502是圓柱形的並具有大約21英吋的直徑，上端508具有一個大約1.7英吋的寬度，下端510具有一個大約3英吋的寬度，並且側部開口506是高度約為4.4英吋、寬度約為5.5英吋的長方形。
頂部填充物500的上端508最好是一連續的環形表面，側部開口506由一個水平平面的表面516和一對垂直延伸的表面518所界定，該對垂直延伸的表面518在頂部填充物500的下端510形成一間隙520。頂部填充物500的截頭圓錐形內壁504被配置來在截頭圓錐形內壁504和懸臂卡盤的外緣之間提供至少1英吋之環形間隙522。頂部填充物500的截頭圓錐形內壁504最好相對於上端508是傾斜大約是70到80度的角度。為了便於在腔室中插入和移除頂部填充物500，四個用來固定起重工具的螺紋孔519被設置在上端508之中，並且為了能與中間填充物對準，兩個用於容納定位銷的定位孔521被設置在下端510之中。
中間填充物400包括具有均勻直徑的圓柱形外壁402、一水平平面的上端404、一水平平面的下端406、以及一內壁408，內壁408包括一上端凹入部410、一從凹入部410的下端向內延伸的水平部412、一從水平部412的內端向下延伸的凸出部414、以及一從凸出部414的下端向下延伸並具有均勻直徑的圓柱形部份416。當用在一個腔室中來處理300毫米晶片時，該中間填充物400具有大約3英吋的高度，外壁402具有大約21英吋之均勻的直徑，由圓柱形部份416所形成的開口422具有大約8英吋的直徑，上端404具有大約15英吋的內徑，下端406具有大約8英吋的的內徑，凹入部410具有大約1.5英吋的半徑，凸出部414具有大約0.75英寸的半徑。
為了提供適當之腔室填充物的垂直對正，中間填充物400最好具有在上端404上之一上環形套筒418以及在下端406上之環形套筒420。上環形套筒418和下環形套筒420被加工成與彼此是高度平行的，並具有大約1英吋的寬度，以及大約0.05英吋的高度。上環形套筒418被調整來接觸並支撐頂部填充物500，並且下環形套筒420被調整來接觸並支撐在底部填充物600上。為了便於在腔室中插入和移除中間填充物400，四個用來固定起重工具的螺紋孔419被設置在上端404之中，並且為了能與頂部以及底 部填充物對準，兩個用於容納定位銷的定位孔421被設置在下端406之中，並且兩個定位孔421被設置在上端404之中。
該下部腔室填充物600包括一水平平面的上端602、一水平平面的下端604、一包含一個從上端602向下延伸之凸出部608的外壁606、一從凸出部608下端向下延伸的截頭圓錐形部分610、以及一從截頭圓錐形部分610的下端向下延伸之均勻直徑的圓柱形部分612、和一除了在它的底部向外擴口處之外有均勻直徑的圓柱形內壁614。為了便於在腔室中插入和移除底部填充物600，四個用來固定起重工具的螺紋孔619被設置在上端602之中，並且為了能與中間填充物對準，兩個用於容納定位銷的定位孔621被設置在上端602之中。
當用在一腔室中來處理300毫米晶片時，該底部填充物600最好具有大約4英吋的高度，上端602的外部直徑大約是21英吋，圓柱形部份612具有大約10英吋的均勻直徑，圓柱形部份612的高度大約是0.5英吋，內壁614具有大約8英吋的均勻直徑，除了在它的底部向外擴口處有大約1英吋的半徑，凸出部608具有大約3英吋的半徑，並且截頭圓錐形部分610相對於上端602是傾斜在大約20到30度的角度。
當頂部填充物500、中間填充物400以及底部填充物600的組件用在一腔室中來處理300毫米晶片時，上端508和下端604之間的垂直距離是大約12英寸。頂部填充物500的內壁504最好是與支撐一晶片之基板支架的外部表面傾斜相同的角度，來提供內壁504及卡盤的外部表面之間大約1.4至1.5英吋的環形間隙522(除了在懸臂卡盤的水平支撐臂所在的位置之外)。中間填充物400的水平部412最好是與卡盤的底部表面之間有一至少與環形間隙522相同大小的垂直間隙524。藉由選擇不同組的腔室填充物，頂部填充物、中間填充物和底部填充物的內部表面便可界定出一特別預設的下部腔室容積，俾便在腔室中進行的一個特定處理。
在晶片的處理過程中，可能需要改變腔室容積以允許快速氣體切換及/或改變氣流傳導性。有了腔室填充物500、400、600，使得藉由插入不同內部尺寸的腔室填充物來修改一標準電漿腔室的內部容積成為可能。藉著使用具有不同的內部尺寸和與外部表面502、402、606、610、612相同的外部尺寸之腔室填充物，一標準大小的腔室可以藉由插入較大或較小的 腔室填充物而調整，以增加或減少腔室容積。要增加腔室的容積，內壁504、408及/或614的尺寸可被修改來加大內壁504和卡盤之間的環形間隙522以及加大水平部412和卡盤底部之間的垂直間隙524。要降低腔室的容積，內壁504、408及/或614的尺寸可被修改以減少內壁504和卡盤之間的環形間隙522以及減少水平部412和基板支架底部之間的垂直間隙524。因此，如果需要快速氣體切換，可以在不改變窗和晶片間之最佳間隙的情況下，將腔室的容積減至最小。
腔室填充物可以用任何合適的腔室材料製造。例如，填充物可以由像是鋁或陽極化鋁(anodized aluminum)的金屬、像是氧化鋁的陶瓷、像是LEXAN(一種聚碳酸酯位於Pittsfield,Massachusetts的GE Plastics製造)、TEFLON(聚四氟乙烯，位於Wilmington,Delaware的DuPont製造)、VESPEL(聚酰亞胺，Wilmington,Delaware的DuPont製造)的聚合物、或其它類似材料來製造。如果需要的話，腔室填充物可以用像是電漿噴塗氧化釔或氧化鋁的材料作表面塗層。另外，陽極化及/或塗層的表面可以用合適的密封劑密封。
許多用於在矽之中的高縱橫比特徵的快速交替處理在鈍化和蝕刻階段之間需要相當大的壓力變化。大多數的快速交替處理需要在小於300毫秒(millisecond)的時間內有介於50和250之間的節流閥動作數，而目前的真空系統的不能涵蓋這個要求的範圍。舉例來說，它可能是需要將一節流閥在300毫秒內從255計數的最大值移動到90計數的最低位置。但是，單擺節流閥只可將閥門在340毫秒內從最大235計數移動到最小90計數的位置(425計數/秒)。
在一種在感應耦合電漿處理室中處理半導體的方法中，半導體基板可以被放置在卡盤上，該處理可包括在導入第一處理氣體到腔室並激發第一氣體並使其成為第一電漿時，調節腔室壓力到較高的壓力。腔室的壓力可以在導入第二氣體到腔室並激發第二氣體至使其成為第二電漿時，而被調節到一個較低的壓力。在沒有腔室填充物時，該腔室容積超過60升，例如，80至100升，但有腔室填充物時腔室容積可以被減少到60升以下。
該電漿處理裝置可用來以至少10μm/min的速度，在一基板支架所支撐之半導體基板上蝕刻矽，並且該電漿處理裝置可以在處理腔室中之 電漿限制區(腔室間隙)內，在約500毫秒內交替提供蝕刻氣體和沈積氣體。在一個實施例中，該蝕刻氣體是例如SF6之含氟氣體，該沈積氣體是例如C4F8之含氟碳氣體。
在操作過程中，該氣體供給系統最好是在供給沈積氣體到腔室時不將蝕刻氣體轉向到真空管線，並且在供給蝕刻氣體到腔室時不將沈積氣體轉向到真空管線。上述之使用電漿處理裝置的基板處理最好是包括：(a)將該基板支撐在該腔室中，(b)供給該蝕刻氣體到該腔室中，(c)激發該腔室中的該蝕刻氣體並使其成為第一電漿，並以該第一電漿處理該基板，(d)供給該沈積氣體到該腔室中，(e)激發該腔室中的該沈積氣體，使其成為第二電漿，並以該第二電漿處理基板，(f)以不大於1.8秒的總週期時間重複步驟(b)-(e)。該蝕刻氣體最好能在步驟(b)中在約500毫秒的時間內取代至少90%的沈積氣體，並且該沈積氣體最好能在在步驟(d)中在約500毫秒的時間內取代至少90%的蝕刻氣體。在該處理中，腔室中的壓力在步驟(b)-(e)中從第一壓力設定值改變到第二壓力設定值。在一個供給蝕刻氣體和沈積氣體的循環中，供給蝕刻氣體的總時間可以是等於或少於1.5秒，並且供給沈積氣體的總時間可以是等於或少於1秒。例如，當使用SF6作為蝕刻氣體以及C4F8作為沈積氣體時，步驟(c)中的壓力可以保持在150mTorr以上，並且步驟(e)中的壓力可以保持在140mTorr以下。
藉由在步驟(c)中維持一個較高的腔室壓力以及在步驟(e)中維持一個較低的腔室壓力而可迅速地調整腔室壓力。因此，它能夠在供給蝕刻氣體的過程中保持腔室中的壓力大於70mTorr(例如80mTorr)或大於150mTorr(例如180mTorr)，並且在供給沈積氣體的過程中保持腔室中的壓力小於140mTorr(例如120mTorr)或小於60mTorr(例如50mTorr)。在一個較佳的處理中，該蝕刻氣體是以至少500sccm的流速被供給到腔室中，並且該沈積氣體是以小於500sccm的流速被供給到腔室中。供給蝕刻氣體和沈積氣體的交替步驟可以進行至少100個循環。
在蝕刻氣體的供給過程中，基板可接受高縱橫比開口的電漿蝕刻，在蝕刻步驟的聚合物清除階段，腔室內的壓力是維持在小於150mTorr，歷時200毫秒，在電漿蝕刻步驟的其餘部分，壓力是維持在大於150mTorr。 在沈積氣體的供給過程中，第二電漿可以沈積一聚合物塗層於開口的側壁，在整個沈積步驟中，腔室內的壓力是維持在小於150mTorr的。該蝕刻氣體可以是SF6、CF4、XeF2、NF3、像是CCl4的含氯氣體等其中的一個或數個，並且沈積氣體可以是含碳氟化合物氣體，像是C4F8、C4F6、CH2F2、C3F6、CH3F等其中的一個或數個。該蝕刻氣體可以經由任何合適的氣體輸送系統供給，包括速動閥，其中快速作用的電磁閥在接收到從控制器發送的信號後在10毫秒內傳送氣動空氣到一個快速開關閥，並且打開或關閉快速開關閥的總時間可以是30毫秒或更少。
示例性實施例及最佳模式已經在此公開，所公開的實施例可以在以下申請專利範圍所定義之本發明的主題和精神之範圍內被修改和變化。
300‧‧‧電漿處理系統
301‧‧‧腔室填充物套組/腔室填充物
302‧‧‧電漿腔室
304‧‧‧窗
306‧‧‧天線
308‧‧‧電漿
310‧‧‧懸臂卡盤/卡盤
312‧‧‧基板/晶片
314‧‧‧氣體分配部件
316‧‧‧出口埠
318‧‧‧壓力控制閥組件
320‧‧‧幫浦
322‧‧‧電漿電源
324‧‧‧匹配網路
326‧‧‧晶片偏壓電源
328‧‧‧匹配網路
330‧‧‧導電層氣體蝕刻劑
332‧‧‧介電層氣體蝕刻劑
334‧‧‧矽基板氣體蝕刻劑
336‧‧‧控制器
340‧‧‧冷卻系統
342‧‧‧冷卻氣體入口
344‧‧‧氣體輸送導管
346‧‧‧氣體歧管
348‧‧‧氣體移除導管
350‧‧‧冷卻氣體源
522‧‧‧環形間隙
524‧‧‧垂直間隙

Claims (20)

  1. 一種腔室填充物套組，包含配置成可更換式地安裝在一感應耦合電漿腔室中的至少一腔室填充物，該感應耦合電漿腔室具有一位於底壁的真空出口和一支撐在腔室側壁上的懸臂卡盤，該至少一腔室填充物的配置係用以提供一預定的下部腔室容積和電導，使得要在該電漿腔室中執行之特定程序可以進行，該至少一腔室填充物包括一與該懸臂卡盤的水平臂嵌合之水平延伸的側部開口、以及一與該卡盤的外部表面由一間隙分開的內部截頭圓錐形表面。
  2. 如申請專利範圍第1項的腔室填充物套組，包含：一頂部填充物，具有一配置來與該腔室的該側壁嵌合的外壁、一截頭圓錐形內壁、從該內壁延伸到該外壁的側部開口、一水平平面的上端、以及一水平平面的下端；一中間填充物，具有一配置來與該腔室的該側壁嵌合的外壁、一包含從一上側凹入部延伸至一下側凸出部之間的水平平面環形部的內壁、一水平平面的上端以及一水平平面的下端，該中間填充物的該上端與該頂部填充物的該下端有相同的橫截面，使得該中間填充物的內部表面與該頂部填充物的內部表面相配合，並且該中間填充物的該外壁與該頂部填充物的該外壁相配合；一底部填充物，具有一配置來與該腔室的底壁嵌合的外壁、一圓柱形內壁、一水平平面的上端以及一水平平面的下端，該底部填充物的該上端與該中間填充物的該下端有相同的橫截面，使得該底部填充物的該內壁與該中間填充物的該內壁相配合，並且該底部填充物的該外壁與該中間填充物的該外壁相配合。
  3. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該頂部填充物的該上端是一連續的環形表面，該側部開口是由一水平平面的表面和一對垂直延伸的表面所定義，該對垂直延伸的表面於該頂部填充物之該下端形成一間隙，並且該頂部填充物的該截頭圓錐形內壁的配置係用以在介於該截頭圓錐形內壁和該懸臂卡盤的一外緣之間提供一至少1英寸的開放空間。
  4. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該頂部填充物的該截頭圓錐形內壁相對於該上端是傾斜在一大約70到80°的角度。
  5. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該頂部填充物之該上端的寬度大約是1.7英吋，該頂部填充物的該外壁是圓柱形並具有一大約21英吋的均勻直徑以及大約5英吋的高度，該頂部填充物之該下端的寬度大約是3英吋，該側部開口是高度大約為4.4英吋以及寬度大約為5.5英吋的矩形。
  6. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該中間填充物具有一位於該上端的上部環形套筒和位於該下端的下部環形套筒，該上部環形套筒和該下部環形套筒是互相平行地，並具有約1英吋的寬度和約0.05英吋的高度，該上部環形套筒被調整來接觸和支撐該頂部填充物，並且該下部環形套筒被調整來接觸和被支撐在該底部填充物上。
  7. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該中間填充物具有大約3英吋的高度，該中間填充物之該上端的內部直徑大約是15英吋，該中間填充物的該下端的內部直徑大約是8英吋，該中間填充物的該外壁具有大約21英寸的均勻直徑，該凹入部的半徑大約是1.5英吋，該凸出部具有大約0.75英寸的半徑。
  8. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該底部填充物具有大約4英吋的高度，該底部填充物的該上端具有大約21英吋的外部直徑以及大約8英吋的內部直徑，該底部填充物的該內壁除了在下端向外擴口處具有大約1英寸的半徑之外具有大約8英吋的均勻直徑，該底部填充物的該外壁具有藉由一截頭圓錐形部分連接到一下側圓柱形部分的一上側凸出部，其中該凸出部的半徑大約是3英吋，該截頭圓錐形部分相對於該底部填充物的該水平上端是傾斜大約20至30°的角度，並且該下側圓柱形部分具有一大約10英吋的外部直徑。
  9. 如申請專利範圍第1項的腔室填充物套組，其中該至少一腔室填充物包括數個腔室填充物，該等腔室填充物的配置係用以被放入一具有約90到100升的腔室容積之電漿腔室中，而將該腔室容積減少至大約20到大約60升。
  10. 如申請專利範圍第2項的腔室填充物套組，其中該頂部填充物、該中間填充物和該底部填充物之該上端中具有安裝孔，該安裝孔係適用於與起重工具配合，該起重工具乃用於從該電漿腔室插入和移除該等腔室填充物。
  11. 一種感應耦合電漿腔室，包括一具有從該腔室的一側壁向內延伸之懸臂卡盤的腔室、一形成該腔室之頂壁的介電窗、一將射頻能量通過該窗而感應耦合到該腔室中的射頻(RF)能量源、一供給處理氣體到該腔室中的處理氣體源、一在該腔室之底壁的真空出口、以及安裝在該腔室中之如申請專利範圍第1項的腔室填充物套組，俾使該懸臂卡盤的一支撐臂延伸穿過該至少一腔室填充物的該側部開口。
  12. 如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室，其中該至少一腔室填充物包含一頂部填充物、一中間填充物以及一底部填充物，該側部開口延伸於該頂部填充物的外壁和內壁之間，該頂部填充物之該內壁是傾斜的並使得該內壁的一上端是比該內壁的一下端寬，該頂部填充物的一上端位在該卡盤的一上部表面的下方，該中間填充物支撐該頂部填充物並且該底部填充物支撐該中間填充物，以便提供與該頂部填充物的該內壁間的一環形間隙以及與該中間填充物的水平表面間的一垂直間隙，並且該底部填充物在一下端具有一開口而與一真空出口之間相通。
  13. 一種在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其步驟包括：在該卡盤上支撐一半導體基板；供給處理氣體到該腔室的內部；激發該處理氣體至一電漿狀態並且以該電漿處理該半導體基板。
  14. 如申請專利範圍第13項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中該電漿處理包括電漿蝕刻。
  15. 如申請專利範圍第13項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中該電漿處理包括下列程序的快速交替循環：供給蝕刻氣體到該腔室中、激發該蝕刻氣體至其成為電漿狀態、以及將特徵部蝕刻到該半導體基板中、接著供給沈積氣體到該腔室中、激發該沈積氣體至其成為電漿狀態以及將鈍化材料沈積到該蝕刻之特徵部上。
  16. 如申請專利範圍第13項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中該電漿處理的步驟包括：(a)在供給該處理氣體到該腔室中時，將腔室壓力從一較低的壓力調到一較高的壓力以及(b)在供給該相同或不同之處理氣體到該腔室中時，將腔室壓力從一較高的壓力調到一較低的壓力。
  17. 如申請專利範圍第16項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中該處理步驟包括在供給一蝕刻氣體到該腔室中時，使用交替的蝕刻步驟在矽上電漿蝕刻開口，以及在供給一沈積氣體到該腔室中時進行沈積，該蝕刻氣體包括一含氟氣體，在小於1.3秒的時間內供給，並在保持一第一壓力高於150mTorr的同時激發該蝕刻氣體而使其成為電漿狀態，並且該沈積氣體包括一含氟碳氣體，在小於0.7秒的時間內供給，並在保持一第二壓力低於130mTorr的同時激發該沈積氣體而使其成為電漿狀態。
  18. 如申請專利範圍第17項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其步驟更包括一在該蝕刻步驟之前的聚合物清理步驟，該聚合物清理步驟的實現是藉由供給一聚合物清理氣體至少歷時200毫秒，並且在保持該腔室壓力低於150mTorr的同時激發該聚合物清理氣體而使其成為電漿狀態。
  19. 如申請專利範圍第16項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中快速交替進行步驟(a)及(b)至少100個循環。
  20. 如申請專利範圍第19項的在如申請專利範圍第11項的感應耦合電漿腔室中處理半導體基板的方法，其中腔室壓力在步驟(a)及(b)之間在300毫秒內改變。
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