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TW201714235A - 極限邊緣控制用磁化邊緣環 - Google Patents

極限邊緣控制用磁化邊緣環 Download PDF

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TW201714235A
TW201714235A TW105125099A TW105125099A TW201714235A TW 201714235 A TW201714235 A TW 201714235A TW 105125099 A TW105125099 A TW 105125099A TW 105125099 A TW105125099 A TW 105125099A TW 201714235 A TW201714235 A TW 201714235A
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普拉尚特 庫瑪
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蘭姆研究公司
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Abstract

一種設備，使用具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中的基板。邊緣環體圍繞基板。電磁體嵌入邊緣環體內或貼附於邊緣環體之表面，且其延伸超過一半圍繞著邊緣環的路徑，其中電磁體用於沿超過基板外緣的一半提供大於0.1mTesla之磁通量，其中電磁體包含至少一繞組，其中電磁體功率源的引線電性連接到至少一繞組。

Description

極限邊緣控制用磁化邊緣環
本揭露內容關於半導體元件的製造。更具體地，本揭露內容關於電漿處理室中半導體元件的製造。
在極限邊緣的電漿鞘與離子軌跡的控制係由邊緣環的機械設計所支配。在此區域(於晶圓懸掛部位之上)的輪廓為傾斜的。正是此斜率中的變化允許極限邊緣的均勻性控制。然而，斜率的改變僅可用於對有限數量製程加以控制均勻性。此外，顯著的缺點為邊緣環必須於每次製程狀態偏移時更換以提供不同的斜率。
在此揭露各種實施例，包括使用具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中的基板的設備。邊緣環體圍繞基板。電磁體嵌入邊緣環體內或貼附於邊緣環體之表面，且其延伸超過一半圍繞著邊緣環的路徑，其中電磁體用以沿超過基板外緣的一半提供大於0.1mTesla之磁通量，其中電磁體包含至少一繞組，其中電磁體功率源的引線電性連接到至少一繞組。
在另一操作中，提供處理具有區域之基板用的電漿處理室。提供處理室。基板支持件支撐處理室內的基板。氣體入口於基板表面上提供氣體至處理室中。邊緣環圍繞基板支持件。提供電磁體功率源。結合電磁體於基板支持件與邊緣環內，用以沿超過基板外緣的一半提供大於0.1mTesla之磁通量，其中該電磁體包圍至少一半基板面積之面積，及包含至少一繞組與電性連接至電磁體功率源的一對引線。
在另一操作中，提供電漿處理室中處理基板支持件上基板用的設備。於電漿處理室中提供環狀電磁體，並設置成在基板外緣提供大於0.1mTesla的環狀磁通量。
本發明的這些與其他特徵將於以下實施方式並結合後續圖式更詳細地描述。
現將參照如附圖中說明的一些本發明實施例詳細描述本發明。在以下說明中，提出許多特定細節以提供對所示的實施例之徹底了解。然而，本發明可在缺少一些或所有這些特定細節下實施，且本揭露內容包含可根據此技術領域內一般可得的知識所作的修正。為人熟知的製程步驟及/或結構並未詳加描述以免不必要地模糊本揭露內容。
半導體工業的成長係由電漿處理與腔室硬體設計的進步所驅動。元件製造商想要將良率最大化並且有效利用基板上可用的空間。此在晶圓不與ESC接觸的極限邊緣(在工業最常用的設計中)係最具挑戰性的。晶圓的此部分懸掛於所謂的邊緣環上。此邊緣環與ESC和晶圓兩者電性隔離。此區域中維持均勻性係由取決於用以處理基板的狀態的複數因子所支配。然而，在此極限邊緣之均勻性與電漿的控制目前僅可能藉由邊緣環的機械設計的改變，亦即，對於不同的製程狀態潛在地需要新邊緣環。本文獻描述了一種技術，其中磁場係於晶圓之非常邊緣以嵌入至邊緣環內之金屬線的方式提供。藉由控制電磁體中的電流，可潛在地獲得任意的磁場組態。這又允許極限邊緣之電漿鞘和離子軌跡的控制，且在不需為各種製程改變邊緣環的情況下提供極限邊緣之更精細的控制。
為了促進瞭解， 圖1概略地說明可於實施例中使用的電漿處理室100的範例的橫剖面圖。電漿處理室100包括其中具有電漿處理限制室104的電漿反應器102。電漿電源106(以匹配網路108調節)供給電力至位於功率窗112附近的TCP線圈110，以藉由在電漿處理限制室104中提供感應耦合功率而產生電漿114。TCP線圈(上功率源)110可用以產生電漿處理限制室104內的均勻擴散輪廓。例如，可配置TCP線圈110以在電漿114中產生環狀功率分佈。功率窗112被用以使線圈110與電漿處理限制室104分離，且允許能量從TCP線圈100通過到電漿處理限制室104。晶圓偏壓電源116(以匹配網路118調節)提供電力至電極120，以設定由電極120所支撐的基板164上的偏壓。控制器124設定電漿電源106、氣體源/氣體供應機構130、與晶圓偏壓電源116用的點。
可配置電漿電源106與晶圓偏壓電源116以在特定射頻下操作，像是例如13.56MHz、27MHz、2MHz、60MHz、400kHz、2.54GHz、或其組合。可適當地調整電漿電源106與晶圓偏壓電源116之尺寸以供給為達期望的製程性能之功率範圍。例如，在本發明的一實施例中，電漿電源106可供給範圍介於50到5000Watts的功率，而晶圓偏壓電源116可供給範圍介於20到2000V的偏壓。此外，TCP線圈110及/或電極120可由兩或更多次線圈或次電極組成，其可藉由單電源或多重電源供電。
如圖1中所示，電漿處理室100更包括氣體源/氣體供應機構130。氣體源130透過氣體入口(如氣體注入器140)與電漿處理限制室104流體連接。氣體注入器140可位於電漿處理限制室104中任何優勢位置，且可為注入氣體採取任何形式。然而，較佳地是可配置氣體入口以產生「可調節的」氣體注入輪廓，其允許獨立調整至電漿處理限制室104之多重區域的氣體個別流動。製程氣體與副產物經由壓力控制閥142與泵144自電漿處理限制室104移除，該壓力控制閥142與泵144亦用以維持電漿處理限制室104內特定壓力。壓力控制閥142能在處理期間內維持小於1Torr的壓力。邊緣環160被設置在基板164周圍。氣體源/氣體供應機構130由控制器124控制。Lam Research Corp. of Fremont, CA的KIYO可用以實現實施例。在此實施例中，放置電磁體162於邊緣環160圓周的周圍。在此範例中，電磁體不被放置在邊緣環160之外或外圓周的周圍，而是被放置在邊緣環160內圓周的周圍。電磁體電源163電性連接至電磁體162且可控地連接至控制器124。
圖2A為邊緣環160的放大俯視圖。電磁體162被嵌入在邊緣環160或邊緣環體內，並因此以虛線表示。圖2B為電磁體162的放大剖面。在此實施例中，電磁體具複數繞組204，實質徑向於由電磁體162所形成的環以形成電磁圈環。第一引線208與第二引線212用以傳輸自電磁體電源的電力。電磁體162在其中心以圍繞著其圓周的方向(箭頭220所示)提供磁場，且在其外部以相反方向(箭頭224所示)提供磁場。此為環狀磁場。電磁體162為電磁圈環的形式，在電磁圈中央具有圍繞著電磁體圓周而延伸的電磁圈軸線。箭頭220可亦用以指示電磁圈軸線。因電磁圈環形成環形磁場，故其亦為環形電磁體。若電磁體電源供給直流電(DC)電壓，則磁場維持在相同方向。若電磁體電源供給交流電(AC)電壓，則磁場方向將不斷反轉。磁場(箭頭224)可用以改變近邊緣環160的電漿限制性質。藉由改變電磁體電源所提供的電壓，可改變與調節限制性質。
圖3A為另一實施例中邊緣環360的放大仰視圖。電磁體362係嵌入的，故因此以虛線表示。圖3B為電磁體362的放大剖面。在此實施例中，電磁體具有複數繞組304，實質平行於由電磁體362所形成的環的圓周，以形成線圈環。第一引線308與第二引線312用以傳輸自電磁體電源的電力。若電流在繞組304中以箭頭320所示的方向提供，則依據右手定則將產生磁場324，在此情況下磁場324於邊緣環360的外側進入頁面且於邊緣環360內側出頁面(如圖所示)。此為極向磁場，故線圈環為極向電磁體。磁場324可用以改變近邊緣環360的電漿限制性質。藉由改變由電磁體電源所提供的電壓，可改變與調整限制性質。
圖4A為另一實施例中邊緣環460的放大仰視圖。電磁體462為嵌入的，故因此以虛線表示。圖4B為沿切線4B之邊緣環460的橫剖面圖。在此實施例中，電磁體462係環繞線圈環電磁體476的電磁圈電磁體472的組合物，使得線圈環電磁體476的繞組沿電磁圈電磁體472之電磁圈軸線延伸。第一引線408與第二引線412用以將自電磁體電源的電力傳輸至螺線管電磁體472。第三引線416與第四引線418用以將自電磁體電源的電力傳輸至線圈環電磁體476。若電流在線圈環電磁體476中以箭頭420所示的方向提供，則依據右手定則將產生磁場424，在此情況下磁場424於邊緣環460的外側進入頁面且於邊緣環460內側出頁面(如圖所示)。此為極向磁場。電磁圈電磁體472中的電流於其中心以圍繞著其472圓周方向提供磁場448，且於其外部以相反方向提供磁場444。電磁體462係環狀電磁體與極向電磁體。與僅提供一類型的電磁體時相比，兩不同類型電磁體的使用提供兩倍的調節控制。加熱器元件484可貼附在邊緣環460或嵌入其中。這樣的加熱器元件直接貼附至控制器或透過加熱器控制器間接貼附至控制器。加熱器元件484可用以熱調節邊緣環460。
藉由提供電流至金屬線而產生極向與環狀磁場。這些場的強度直接為供給的電流、金屬線幾何形狀、與周圍介電介質的函數。當然，供給至金屬線兩者的電流量可為不同。如此做時，藉由電磁理論之疊加原理可產生延伸進入邊緣環外的空間中任意場組態。由於電漿遵循磁場線，故離子路徑遵循場組態。此允許在最邊緣處控制電漿鞘的形狀。應注意各種鞘輪廓可利用簡單地改變金屬線中的電流獲得，而不需更換邊緣環。
邊緣環可亦包含過濾供給的RF以產生電漿用的電路。此濾波器可為內部的(嵌入邊緣環內)或外部的。此為重要的，以確保場線不被可改變意欲的電漿鞘輪廓的外來電流破壞。濾波器可為簡單僅包含被動RLC(電阻、電感、電容)元件(將包括串聯版本)、或可包含如電晶體與二極體之主動元件。
其他實施例可亦使用永磁體作為邊緣環材料，但這樣的永磁體將無法提供可校正或可調節的磁場。
一些實施例所提供的一些優點可包括但不受限於以下：潛在的低成本 ：與針對各種製程使用具不同斜率之不同的邊緣環相比，上面概述的技術透過藉由簡單地改變金屬線中的電流允許改變極限邊緣均勻性而提供潛在更便宜的替代方案。對所有製程的適用性：技術適用於介電質與導體製程。其更可在既有系統上執行。極限邊緣輪廓之更精細控制：因透過電流控制磁場的能力，故在晶圓的極限邊緣獲得更精細之均勻性與輪廓的控制係可能的。
可亦供給交流電功率至電磁體。交流電的頻率應至少為0.01Hz。交流電夾合需重新設計邊緣環，其無法向後兼容於現存的邊緣環技術。交流電夾合需提供高電流與濾波電路以供電予邊緣環中的金屬線。
若晶圓需進行許多不同製程，則電磁體內電流可針對每一不同製程加以變化。純機械邊緣環將無法如此調整。一實施例可將控制器124程式化以具有不同步驟，使得每一不同製程步驟可提供不同製程氣體、不同電漿功率、與不同電磁功率。
較佳地，電磁體延伸至少一半圍繞著邊緣環圓周的路徑。 最佳地，電磁體延伸至少完全圍繞邊緣環的圓周。較佳地是，電磁體在20℃下具有小於10-4 ohm-m的電阻率。較佳地，電磁體在基板外緣產生至少0.1mT的磁通量密度。在此實施例中，由於電磁體鄰近基板的整個外緣，故電磁體在基板的整個外緣產生至少0.1mT的磁通量密度。 在其他實施例中，電磁體對基板外緣的一半以上產生至少0.1mT的磁通量密度。更佳地，電磁體在基板外緣產生介於10-1 mT與103 mT之間的磁通量密度。 若電磁體的阻抗太高，則電磁體中電流將下降至過低，將導致小於0.1mT的磁場而無法提供限制上的顯著改善。
在一些實施例中，將功率感應耦合至電漿。在其他實施例中，將功率電容耦合至電漿。在一些實施例中，邊緣環可為中空的。在其他實施例中，邊緣環可為實心的。在其他實施例中，邊緣環可為中空的且以介電材料填充，以最佳化磁場密度。在各種實施例中，邊緣環可由如矽、矽氮化物、或矽碳化物的各種介電材料製成。在各種實施例中，邊緣環可為絕緣陶瓷材料。在其他實施例中，可將電磁體綁至邊緣環的表面以取代嵌入邊緣環內。然而，若電磁體位在邊緣環的表面，則電磁體可能需要額外的屏蔽以免受RF功率和蝕刻條件的傷害。在邊緣環內具有電磁體的優點協助控制近晶圓邊緣的聚合物累積。實施例可亦使用控制器以提供反饋迴路而進一步調節電磁體。
在一些實施例中，基板具有較基板支持件大的直徑，使得基板外緣延伸出邊緣環。為了在基板邊緣提供至少0.1mTesla的磁通量密度，在一個實施例中，電磁體位在介於基板直徑內側10%與基板直徑外側10%之間。在這樣的實施例中，電磁體可能具有等同介於基板直徑的90%至110%之間的直徑。例如，若基板具有300mm直徑，則電磁體將具有介於270mm與330mm之間的直徑，且電磁體中心將與基板中心對準。因此，電磁體形成具有至少一半基板面積的內部面積的環。由於基板支持件具有小於基板直徑的直徑，故電磁體的直徑將介於基板支持件直徑的90%與110%之間。在一個實施例中，電磁體僅調節基板邊緣的限制。因此，在這樣的實施例中，來自電磁體的磁場顯著地朝向基板中心下降。例如，磁通量可能在基板邊緣與其到基板中心距離的一半之間下降大於80%。
提供環形電磁體的實施例可提供較基板外緣一半小的環形磁場。
雖然本發明已就數個較佳實施例加以描述，但有變更、置換、與各種替代等同物，其均落入本發明範疇內。執行在此揭露的方法與設備有許多替代方式。因此，欲使下列附加的申請專利範圍解釋為：包含所有這樣的變更、置換、與各種替代均等物皆落入本發明之真正精神與範疇內。
100‧‧‧電漿處理室
102‧‧‧電漿反應器
104‧‧‧電漿處理限制室
106‧‧‧電漿電源
108‧‧‧匹配網路
110‧‧‧線圈
112‧‧‧功率窗
114‧‧‧電漿
116‧‧‧偏壓電源
118‧‧‧匹配網路
120‧‧‧電極
124‧‧‧控制器
130‧‧‧氣體源
140‧‧‧氣體注入器
142‧‧‧壓力控制閥
144‧‧‧泵
160‧‧‧邊緣環
162‧‧‧電磁體
163‧‧‧電磁體電源
164‧‧‧基板
204‧‧‧繞組
208‧‧‧引線
212‧‧‧引線
220‧‧‧箭頭
224‧‧‧箭頭
304‧‧‧繞組
308‧‧‧引線
312‧‧‧引線
320‧‧‧箭頭
324‧‧‧磁場
360‧‧‧邊緣環
362‧‧‧電磁體
408‧‧‧引線
412‧‧‧引線
416‧‧‧引線
418‧‧‧引線
420‧‧‧箭頭
424‧‧‧磁場
444‧‧‧磁場
448‧‧‧磁場
460‧‧‧邊緣環
462‧‧‧電磁體
472‧‧‧電磁體
476‧‧‧電磁體
484‧‧‧加熱器元件
所揭發明係以隨附圖式之圖中的實例之方式而非以限制方式說明，其中類似的參考標號表示相似的元件，且其中：
圖1概略地說明可用於一實施例中的電漿處理室的範例的橫剖面圖。
圖2A為邊緣環的放大仰視圖。
圖2B為圖2A中電磁體的放大剖面。
圖3A為另一實施例中邊緣環的放大仰視圖。
圖3B為圖3A中電磁體的放大剖面。
圖4A為另一實施例中邊緣環的放大仰視圖。
圖4B為圖4A中電磁體的放大橫剖圖。
160‧‧‧邊緣環
162‧‧‧電磁體
204‧‧‧繞組
208‧‧‧引線
212‧‧‧引線
220‧‧‧箭頭
224‧‧‧箭頭

Claims (17)

  1. 一種以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，包含： 　　一邊緣環體，圍繞該基板；及 　　一電磁體，嵌入該邊緣環體內、或貼附於該邊緣環體之一表面，並延伸超過圍繞該邊緣環一半的路徑，其中電磁體用以沿超過該基板之外緣的一半提供大於0.1mTesla之磁通量，其中該電磁體包含至少一繞組；其中該電磁體功率源的引線電性連接到該至少一繞組。
  2. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該電磁體係一環狀電磁體。
  3. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該該電磁體係一極向電磁體。
  4. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該電磁體包含一環狀電磁體與一極向電磁體。
  5. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該邊緣環體具有一圓周，且其中該電磁體圍繞著該邊緣環體的圓周延伸。
  6. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該電磁體功率源係一交流電流源。
  7. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該電磁體的電阻於20℃下小於10-4 ohm-m。
  8. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，其中該電磁體位在介於一基板半徑內側的10%與該基板半徑外側的10%之間。
  9. 如申請專利範圍第1項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，更包含： 一處理室，圍繞該邊緣環體； 一基板支持件，由該邊緣環體圍繞，該基板支持件用以支撐該處理室內的基板； 一氣體源； 一電漿功率源，用以使該處理室內的一氣體形成一電漿； 一氣體入口，用以將來自該氣體源的氣體於該基板的一表面上提供至該處理室中；及 一電磁體功率源，電性連接至該電磁體。
  10. 如申請專利範圍第9項之以具有引線的電磁體功率源處理電漿處理室中基板的設備，更包含一控制器，電性連接至該電磁體功率源、該電漿功率源、與該氣體源，該控制器包含： 至少一電腦處理單元；及 一電腦可讀取媒體，具有電腦可讀取編碼，該電腦可讀取媒體包含：               提供來自該電漿功率源之一第一電漿功率、來自該氣體源之一第一氣體、與一第一電磁體功率的電腦可讀取編碼；及                 提供來自該電漿功率源之一第二電漿功率、來自該氣體源之一第二氣體、與一第二電磁體功率的電腦可讀取編碼，其中該第一氣體不同於該第二氣體、該第一電漿功率不同於該第二電漿功率、且該第一電磁體功率不同於該第二電磁體功率。
  11. 一種處理具有面積之基板用的電漿處理室，包含：         一處理室；  一基板支持件，用以支撐該處理室內的基板；         一氣體入口，用以將氣體於該基板的一表面上提供至該處理室中；         一邊緣環，圍繞該基板支持件；         一電磁體功率源；及         一電磁體，結合至該基板支持件或該邊緣環內，其用以沿超過該基板外緣的一半提供大於0.1mTesla之一磁通量，其中該電磁體包圍該基板之面積至少一半之一面積，且包含：                 至少一繞組；及                 一對引線，電性連接至該電磁體功率源。
  12. 如申請專利範圍第11項之處理具有面積之基板用的電漿處理室，其中該電磁體形成具有一直徑的一環，其中該基板支持件具有一直徑，且其中該電磁體之一直徑係介於該基板支持件之該直徑的90%到110%之間。
  13. 如申請專利範圍第12項之處理具有面積之基板用的電漿處理室，其中該電磁體包含一電磁圈，該電磁圈具有延伸圍繞著該環之一圓周之一電磁圈軸，其中該電磁圈於該基板外緣產生一環狀磁場。
  14. 如申請專利範圍第13項之處理具有面積之基板用的電漿處理室，其中該電磁體包含一線圈，該線圈具有複數繞組與垂直於該基板支持件之一表面之一線圈軸，其中該線圈於該基板外緣產生一極向磁場。
  15. 一種在處理電漿處理室中處理基板支持件上基板的裝置，包含該電漿處理室中的一環狀電磁體，用以在該基板外緣提供大於0.1mTesla的一環狀磁通量。
  16. 如申請專利範圍第15項之在處理電漿處理室中處理基板支持件上基板的裝置，更包含該電漿處理室中的一極向電磁體，用以在該基板外緣提供大於0.1mTesla的一環狀磁通量。
  17. 如申請專利範圍第15項之在處理電漿處理室中處理基板支持件上基板的裝置，其中該環狀電磁體包含具有一中央軸且呈環狀以形成一電磁圈環之一環電磁圈，且該在處理電漿處理室中處理基板支持件上基板的裝置更包含： 一處理室； 一基板支持件，用以支撐該處理室內的該基板； 一氣體源； 一電漿功率源，用以使該處理室內的一氣體形成一電漿； 一氣體入口，用以將來自該氣體源的氣體於該基板的一表面上提供至該處理室中；及 一電磁體功率源，電性連接到至少一環狀電磁體。
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