使用大于晶圆直径的等离子体排除区域环控制斜面蚀刻膜轮廓的制作方法

专利名称：使用大于晶圆直径的等离子体排除区域环控制斜面蚀刻膜轮廓的制作方法
使用大于晶圆直径的等离子体排除区域环控制斜面蚀刻膜
轮廓
背景技术：
集成电路是由晶圆或衬底形成的，在晶圆或衬底上形成图案化微电子层。在衬底处理中，经常使用等离子体以蚀刻在该衬底上沉积的膜的预定部分。通常，蚀刻等离子体密度在该衬底的边缘附近比较低，这可能导致多晶硅层、氮化物层、金属层等等(共同被称为副产物层)在该衬底的斜面边缘(bevel edge)的上下表面上的累积。当连续的副产物层由于一些不同的蚀刻工艺而沉积在该衬底斜面边缘的上下表面上时，该副产物层和该衬底之间的粘合会最终变弱而该副产物层在衬底转移过程中可能散裂或剥落，通常落在其它衬底上，从而污染其它衬底。

发明内容
在本发明的一个实施方式中，提供一种清洁半导体衬底的斜面边缘的方法。将半导体衬底放在等离子体处理装置的反应室中的衬底支架上。衬底具有覆盖该衬底的上表面和斜面边缘的电介质层，该层在该斜面边缘的顶点的上方和下方延伸。将工艺气体引入该反应室内并将其激励为等离子体。用该等离子体清洁该斜面边缘从而除去该顶点下方的该层而不除去该顶点上方的该层的全部。在另一个实施方式中，提供一种斜面蚀刻机，半导体晶圆的斜面边缘在该斜面蚀刻机中经受等离子体清洁。下支架具有圆柱形顶部。在该下支架的该顶部上支撑的下等离子体排除区域(PEZ)环。该下等离子体排除区域环具有上表面，该晶圆被支撑在该上表面上。上电介质元件被置于该下支架上方并具有对着该下支架的该顶部的圆柱形底部。上等离子体排除区域环围绕该电介质元件的底部并对着该下等离子体排除区域环，该下和上等离子体排除区域环之间的环形空间限制要用该等离子体清洁的该斜面边缘的范围。至少一个射频(RF)电源适于在清洁操作过程中将工艺气体激励为该等离子体。该下和上等离子体排除区域环适于在该清洁操作过程中分别保护该下支架和该上电介质元件免于该等离子体损害。最靠近该晶圆的该上等离子体排除区域环的一部分的外径至少等于该晶圆的外径。在另一个实施方式中，提供一种斜面蚀刻机的可配置部件。半导体晶圆的斜面边缘经受等离子体清洁。该斜面蚀刻机包括下电极组件和上电极组件，在该斜面清洁操作过程中该晶圆被支撑在该下电极组件上，该上电极组件包括面向该下支架并固定于上支架的电介质板，该上支架能够竖直移动以将该电介质板定位在离该晶圆的该上表面的小距离上。该上电极组件包括至少一个气体通道，在该斜面清洁操作过程中气体通过该上电极组件的该气体通道被流入到该斜面边缘的附近区域中。该电介质板具有至少一个气体通道， 在该斜面清洁操作过程中气体通过该电介质板的该气体通道被流到该晶圆的该表面上方。 该可配置部件包含上等离子体排除区域环，该上等离子体排除区域环是适于在该清洁操作过程中将该上电介质板从该等离子体屏蔽的导电、半导电或电介质材料的。最接近该晶圆的该上等离子体排除区域环的一部分的外径大于该晶圆的外径。


图1显示了斜面蚀刻室的横截面示意图。图2显示了依照一个实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图3显示了图2中的区域A的放大示意图。图4A-4B显示了图2中的可配置等离子体排除区域(PEZ)环的横截面示意图。图5A显示了依照另一个实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图5B显示了图5A中的区域B的放大示意图。图6显示了依照又一个实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图7显示了依照进一步的实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图8显示了依照另一个进一步实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图9显示了依照又一个进一步实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图10显示了依照再一个进一步实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。图11A-11E描绘了半导体衬底的部分横截面视图的各种清洁轮廓。图12A-12C描绘了使用上PEZ环的半导体衬底的部分横截面视图的清洁轮廓，其中该上PEZ环的下部的外径小于该衬底的外径。图13A-13C描绘了使用上PEZ环的半导体衬底的部分横截面视图的清洁轮廓，其中该上PEZ环的下部的外径大于该衬底的外径。图14描绘了使用上PEZ环的蚀刻速率对衬底的径向位置的函数的图表，其中该上 PEZ环的下部的外径小于该外径；以及其中该上PEZ环的下部的外径大于该衬底的外径。
具体实施例方式图1显示了用于蚀刻衬底110的斜面边缘的斜面蚀刻室100的横截面示意图。如图所示，该室100包括耦合于RF电源的阴极102 ；用于支撑衬底110的台116 ；围绕该台116 的绝缘材料114 ；顶部和底部环形电极104、106 ；和顶部绝缘体108。反应气体被吹过该一个或多个气体出口 120并被激励为等离子体，以清洁形成在该衬底110的斜面边缘上的副产物层112。该蚀刻室100在控制待清洁区域时可能遇到一些困难。例如，为了改变底部边缘排除122的尺寸，可能必需改变该绝缘材料114的厚度，而且因此可能需要改变该底部环形电极106的形状和/或位置。在一些情况下，可能需要改变整个台116的直径，这可能导致耗材成本(CoC)的增加。另一个缺点是该室100没有用于准确控制顶部边缘排除124的机构。为了改变该顶部边缘排除124的范围，可能必须改变该绝缘体108的外径以及该气体出口 120和顶部环形电极104的位置。如此，在这种蚀刻室中准确控制边缘排除的范围是非常昂贵的。现在参考图2，显示了依照一个实施方式的用于清洁衬底218的斜面边缘的衬底蚀刻系统或斜面蚀刻机200的横截面示意图。该斜面蚀刻机200 —般来说，但不限于，是轴对称形的，而且为了简便，在图2中仅仅显示了该横截面视图的一半。如图所示，该斜面蚀刻机200包括具有门(door)或门(gate)242的室壁202，衬底218通过该门装载/卸载; 上电极组件204 ；支架208，该上电极组件204悬挂于其上；以及下电极组件206。该支架 208上下移动该上电极组件204(在该双箭头方向上)以装载/卸载衬底218。精密驱动机构(图2未示)连接于该支架208，以便该上电极组件204和该衬底218之间的空隙可以被准确控制。金属波纹管250被用于在该室壁202和支架208之间形成真空密封，同时允许该支架208相对于该壁202垂直运动。该支架208具有中央气体进口(通道)212和边缘气体进口(通道)220。该气体进口 212、220提供工艺气体，以被激励为等离子体以清洁该斜面边缘。在操作过程中，在该衬底218的该斜面边缘形成等离子体，且该等离子体一般来说具有环形形状。为了防止该等离子体到达该衬底218的中央部分，该上电极上的绝缘体板 226和该衬底之间的空间很小，且该工艺气体是从该中央入口输入的，优选地，要穿过阶梯形的孔214。然后，该气体在该衬底的径向上穿过该上电极组件204和该衬底218之间的空隙。每个气体进口被用于提供相同的工艺气体或其它的气体，比如缓冲气体和/或冲洗气体(purge gas)。例如，该缓冲气体可以是通过该中央气体进口 212注入的，而该工艺气体可以是通过该边缘气体进口 220注入的。该等离子体/工艺气体被从该室内空间251通过多个孔(出口)241排出到该底部空间M0。在斜面清洁操作过程中，该室内气压通常在500 毫托到2托范围内，例如，在清洁操作过程中可以使用真空泵243来排空该底部空间M0。该上电极组件204包括上电介质板或上电介质元件216 ；和被合适的固定机构固定于该支架208并通过该支架208接地的上金属元件210。该上金属元件210是由比如铝等金属形成的，并且可以是阳极化的。该上金属元件210具有一个或多个边缘气体通路或透孔22h、222b和边缘气体增压室(plenum) 224，其中该边缘气体通路222耦合于该边缘气体进口 220，以在操作过程中流体连通。该上电介质板216被固定于该上金属部件210，并且是由电介质材料形成的，该电介质材料优选地，而不限于，是陶瓷的。如果需要，该上电介质板216可具有IO3涂覆。通常，难以在一些陶瓷材料(比如Al2O3)上钻出深的直孔，因此可以使用阶梯形的孔代替深的直孔。尽管该上电介质板216显示具有单一的中央孔，该上电介质板216也可以有任何合适数量的出口，例如，如果需要的话该出口可以被排列为喷淋头孑L (showerhead hole)模式。该下电极组件206包括具有上部226a和下部226b的加电电极226，且其可操作以起到真空卡盘的作用，以在操作过程中将该衬底218固定在适当的位置；用以上下移动该衬底218的升降针(lift pins) 230 ；针操作单元232 ；具有上部238a和下部23 的底部电介质环238。在下文中，该术语加电电极指的是该上部和下部226a、2^b中的一个或两个。同样地，该术语底部电介质环238指的是该上部和下部238a、238b中的一个或两个。 该加电电极2 耦合于射频(RF)电源270，以在操作过程中接收RF能量。该升降针230在圆柱形孔或路径231中纵向移动，并且被位于该加电电极226中的该针操作单元在上下位置之间移动。该针操作单元包括围绕每个升降针的外壳，以在该针周围保持真空密封环境。该针操作单元232包括任何合适的升降针机构，比如机械手 233(例如，水平臂，其具有延伸入各外壳中且连接各针的段)和臂致动装置(图2中未示)。 为了简洁，图2仅仅显示了该机械手的一段的末端部分。尽管可以使用三个或四个升降针来升高比如30毫米晶圆等晶圆，在该斜面蚀刻机200中可以使用任何合适数量的针230。而且，任何合适的机构，比如升降波纹管(lifter bellows)，也可以被用作该针操作单元232。依照一个优选实施方式，该针升降杆(pin lifter)是多位置(multi-position) 针升降杆，其可以将该升降针230移动到各种位置。例如，该升降针230可以通过该升降针操作单元232被纵向移动到下述四个位置(1)在第一位置， 该针230被移动以将其上端定位到该下电极226a的上表面下方，(2)在第二位置，该针230被移动以将其上端定位到与夹具的下表面接触，且该夹具的下表面与该环260支撑的晶圆在一个平面上，且此位置由位置传感器233a监视，该传感器233a会发送信号到控制器以将该位置记录为“零”位置， (3)在该第三位置，该针230被移动以将其上端定位到与该电介质板216接触，且此位置由该位置传感器233a监视，该传感器233a将信号输出至该控制器以确定空隙和平面度信息而无需打开该室，以及(4)在该第四位置，该针230被移动至其最高位置，以使得待清洁晶圆可被传送入该室或清洁过的晶圆可从该室传送出去。为了最小化生产成本，优选地，该升降针由气缸或马达等通用提升装置移动。在这种情况下，当针与该上电极组件上的该电介质板接触时，可以决定该间隙距离。为了进行平面度测量，每个针相对于共同的升降轭(lifting yoke)可以被提供有一些柔性 (compliance)，例如，每个针可以装有弹簧，以允许各针相对于其它针运动，且与各针相关的单独的传感器可以输出相应于单独的针的位置的信息。通过移动各针与该电介质板接触，如果该电介质板不与该衬底支撑表面平行，由该升降针传感器测量到的各针相对于其它针的竖直偏移可以被用于确定该上电极组件的平面度的程度。优选地，各升降针上的弹簧载荷足以支撑晶圆的重量，也就是说，支撑该升降针的该弹簧不会在晶圆的重量下被压缩以便在晶圆传送过程中该升降针相对于彼此在同样的高度上。备选地，该针可以有独立的驱动。该衬底218被安装在下可配置等离子体排除区域(PEZ)环260上，其中该术语PEZ 指的是从该衬底的中心到用以清洁该斜面边缘的等离子体被排除的区域的外部边缘的径向距离。该加电电极226的上表面、该衬底218的下表面和该下可配置PEZ环260的内周形成了真空区域凹口(recess)(真空区域)219，该真空区域凹口 219与真空源，比如真空泵236流体连通。该升降针230的该圆柱形孔或路径还共享为气体通路，在操作过程中该真空泵236通过该气体通路抽空该真空区域219。该加电电极226包括增压室234以减少该真空区域219中的瞬间气压突变，并且，在使用多个升降针的情况下，向该圆柱形孔提供均勻的吸收速率。该衬底218的上表面上是由一系列处理形成的集成电路。该处理中的一个或多个是通过使用等离子体进行的，该等离子体可将热能转移至该衬底、在该衬底上衍生热应力并由此导致晶圆弯曲。在斜面清洁操作过程中，该衬底弯曲可以通过使用该衬底218的上下表面间的压强差来减少。在操作过程中，耦合于该增压室234的真空泵236将该真空区域219内的压强保持在真空。通过调整该上电介质板216和该衬底218的上表面之间的空隙，可以改变该空隙中的气压而不必改变工艺气体的总的流速。因此，通过控制该空隙中的气压，可以改变该衬底218的上下表面之间的压强差并由此控制施加在衬底218上的弯曲力。该底部电介质环238是由电介质材料(比如包括Al2O3的陶瓷)形成的，并且将该接电电极226与该室壁202电性隔离。优选地，该底部电介质环的下部238b具有形成于其上表面的内周的阶梯252，以与该接电电极226的下边缘上的凹口相匹配。优选地，该下部 238b具有形成于其外周的阶梯250，以与该底部电介质环(称为聚焦环)的上部238a的阶梯形表面相匹配。该阶梯250、252使得该底部电介质环238与该接电电极226对齐。该阶梯250还沿其表面形成曲折的空隙，以避免该接电电极2 和该室壁202之间的视线相通， 并由此减少在该接电电极2 和该室壁202之间出现次级等离子体激发的可能性。图3显示了图2中的区域A的放大的示意图。如图所示，该上电极组件204包括三个同心的放置的环上可配置PEZ环302 ；上电极环308 ；和外部上电介质环310。该上可配置PEZ环302和该上电极环308之间的该空隙304形成连接于该边缘气体通路224b的曲折的气体通路。该曲折的空隙304阻止该边缘气体通路224b直接暴露于等离子体中，并由此阻止在该边缘气体通路224b中的次级等离子体或等离子体闪光(light-up)的形成。 这种次级等离子体可以腐蚀该边缘气体通路224b的内壁并导致需要频繁的更换该上金属部件210并将腐蚀掉的材料引至该衬底218。该上可配置PEZ环302具有两个分别形成于其内部和外部的下边缘的台阶或凹口，其中在该内部的下边缘的阶梯啮合该上电介质板216的法兰(flange) 330以将该环302 夹紧到金属元件210。该上可配置PEZ环302可以有各种结构，以提供不同的顶部等离子体排除区域(顶部PEZ)。图4A显示了图3中所示的上可配置PEZ环302的放大的横截面示意图，其中该距离D1被称为顶部边缘排除区域，并随着该环302的下部30 的宽度的改变而改变。该PEZ环302的结构因此决定了该顶部PEZ 402，该顶部PEZ 402等于该衬底218 的半径减去该距离Dp由于等离子体侵蚀，该上可配置PEZ环302还必须比该上电极组件 204的其它部件更频繁地更换，并被认为是易耗元件。通常，工艺气体可包括含氧气体，比如 O20还添加少量的(比如< 10% )含氟气体，比如CF4、SF6或C2F6，以清洁该斜面边缘。包含这些活性气体的等离子体可腐蚀该上PEZ环302，并由此迫使要周期性地更换该上可配置PEZ环302。为了在更换过程中便于取得该上可配置PEZ环302，该上可配置PEZ环302 是被该上电介质板216固定在适当位置的，并且可以被更换而不必将该上电极组件204从该室壁202移除。例如，移除该板216使得环302可以被具有相同或不同结构的不同的环更换。该上可配置PEZ环302阻止了等离子体直接腐蚀该上电介质板216。该上可配置PEZ环302是由导电、半导体或电介质材料形成的，比如全部由氧化铝(Al2O3)、氮化铝 (AlN)、氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、氧化钇(Y2O3)或其它的材料制成的环，或者该支撑环124可以是由金属、涂覆了导电或电介质材料比如硅、SiC或IO3 的陶瓷或聚合物、陶瓷(优选为Al2O3)或纯的材料，比如CVD SiC(适度掺杂以提供高电阻率)制成的复合环，以减少操作过程中对该衬底218的污染。为了减少耗材成本(CoC)，优选地，该上可配置PEZ环302具有小而简单的横截面。通常，难以在一些陶瓷上钻出并旋塞 (tap)螺纹孔。由于用于将环302固定在适当的位置的压紧装置，该上可配置PEZ环302不需要螺纹孔以固定于该上电介质板216或金属元件210，从而在选择材料时提供了灵活性。 该上可配置PEZ环302可以是由具有高电阻率(优选，但不限于， 105ohm-cm)的材料形成的。因为该接电电极2 和该上电极环308之间的电性耦合是受该上可配置PEZ环302的电性能影响的，所以该斜面边缘附近的等离子体特征可以通过改变该上可配置PEZ环302 的材料和/或结构来控制。该上电极环308连接于该上金属元件210并通过该上金属元件210接地。优选地，该上电极环308是由该外部上电介质环310的夹持力固定在适当的位置的，而不是使用比如螺栓等螺纹固定机构。例如，电极环308可具有法兰308a，其与该电介质环310上的法兰310a相匹配。如此，原来暴露的固定机构的腐蚀会产生的等离子体污染物就可以被消除。优选地，该上电极环308是由比如阳极化铝等金属形成的。在需要更清洁的等离子体的情况下，该上电极环308可以是由纯的材料，比如硅(单晶或多晶硅)，CVD低阻SiC或任何合适的高纯度导电材料形成的。为了最小化使用高纯度材料对成本的影响，将该上电极环308的横截面尺寸最小化。尽管可以使用螺栓穿过(bolt-through)的设计，但夹紧固定 (clamp-in-place)的设计可以简化该上电极环308的结构，以由此降低CoC，并允许使用更宽范围的材 料以控制污染。还应当注意，该下和上电极环306、308可以是由石墨或各种碳基材料形成的，例如，该碳基材料包括SiN、BN和A1N。该外部上电介质环310是由比如Al2O3等电介质材料形成的，还可能涂有Y203。该外部上电介质环310在其上表面中包括周向间隔的螺纹孔318，以容纳螺栓316，从而将该外部上电介质环310固定于该上金属元件210。该外部上电介质环310包括突起或台阶(法兰)310，其被用于将该上电极环308的法兰308a夹紧到该上金属元件210。应当注意，每个螺栓316被用螺丝从该上电极组件204的顶部一侧拧紧，从而该螺栓不会暴露于该等离子体中并被该等离子体腐蚀。该外部上电介质环310的内部边缘直径决定了该环或环形等离子体的外径。该下电极组件206包括下金属衬管(metal liner)(颈圈)314，其围绕聚焦环238a 和三个同心放置的环下可配置PEZ环260 ；下电极环或箍环(hoop ring) 306 ；和外部下电介质环312。该下可配置PEZ环260、下电极环306和下金属衬管314是由该底部电介质环或聚焦环238 (更准确地说，该底部电介质环的上部238a)和衬管314支撑的。该下电极环 306被该外部下电介质环312夹紧于该下金属衬管314的上表面，其中该下金属衬管314连接于该室壁202以接地。该聚焦环238a将该下电极环306与该接电电极的该上部226a电性隔离。优选地，该接电电极226是由比如阳极化铝等金属形成的。在需要高清洁度的等离子体的情况下，如果该接电电极226被暴露于该等离子体中并被该等离子体腐蚀，需要对该电极226使用高纯度材料以满足清洁度要求。因为该下可配置PEZ环260是设计来保护该接电电极226免于等离子体腐蚀的，所以该接电电极226可以是由低纯度金属或材料形成的，而不必考虑清洁度要求。如图4B所示，该下可配置PEZ环260具有两个分别形成于其内部和外部边缘的凹口或阶梯，其中在下内部边缘上由竖直表面260a和水平表面260b形成的阶梯与该接电电极的上部226a的外部边缘的表面相匹配，且由水平表面260c和竖直表面260d形成的阶梯与该聚焦环238a的表面相匹配。该下可配置PEZ环260可以被提供不同尺寸的底部等离子体排除区域的PEZ环代替。该第二阶梯形成的距离D2被称为底部边缘排除区域，而且通过改变上表面260e的宽度，可能改变该底部PEZ 404，该底部PEZ 404等于该衬底218的半径减去距离D2。由于等离子体腐蚀，该下可配置PEZ环260会比该下电极组件206的其它部件更加频繁的更换，并被认为是易耗元件。通常，工艺气体可包括含氧气体，比如02。可以添加少量的(比如< 10% )的含氟气体，比如CF4、SF6, C2F6以清洁该斜面边缘。包含这些活性气体的等离子体可能腐蚀该下可配置PEZ环260，迫使要对该下可配置PEZ环260进行周期性地更换。在更换过程中，为了便于取得该下可配置PEZ环260，该下可配置PEZ环 260是可移除地安装在该接电电极的上部226a的阶梯和该聚焦环238a上的，并且可以被更换而不必将该下电极组件206从该室壁202移除。如上所述，该衬底218被安装于该下可配置PEZ环260的上表面206e (图4B)。该高度H1和吐决定了该衬底218和接电电极2 之间的垂直间隔。为了可重复地对齐，优选地，该高度H1和吐被精确控制。该下可配置PEZ环260保护该接电电极2 免于用于该斜面清洁的等离子体的攻击。该下可配置PEZ环260是由导电、半导体或电介质材料形成的，比如全部由氧化铝 (Al2O3)、氮化铝(AlN)、氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)、氧化钇(Y2O3) 或其它的材料形成的环，或该支撑环1 可以是由金属、涂覆有导电或电介质材料，比如 Si、SiC或^O3等的陶瓷或聚合物，例如，陶瓷(优选为Al2O3)、或纯的材料，比如硅(单晶或多晶硅)、CVD高电阻率SiC等等形成的复合环，以减少清洁操作过程中对该衬底218的污染。通常，难以在一些陶瓷中钻出和旋塞(tap)螺纹孔。该下可配置PEZ环260不需要螺纹孔以被固定于该聚焦环238a，因此提供了选择材料的灵活性。该下可配置PEZ环260可能也是由高阻抗(优选，但不限于，105ohm-cm)的材料形成的。因为该接电电极2 和该下电极环306之间的电性耦合是受该下可配置PEZ环沈0的电特性影响的，所以可以通过改变该下可配置PEZ环沈0的材料和/或结构来控制该等离子体的特征。该下电极环306连接于该下金属衬管314并通过该下金属衬管接地。优选地，该下电极环306由该外部下电介质环312的夹持力固定在适当的位置而不是使用螺纹固定机构，比如螺栓。例如，在该电极环306上的外法兰306a可以啮合于该电介质环312上的内法兰312a，由此将该电极环306夹紧于该衬管314。如此，原本来自暴露的固定机构的腐蚀的等离子体污染物可以被消除。优选地，该下电极环306是由比如阳极化铝等金属形成的。在需要更清洁的等离子体的情况下，该下电极环306可以是由高纯度材料，比如纯净硅(例如，单晶或多晶硅)，CVD低阻SiC或任何合适的高纯度导电材料形成的。为了最小化使用高纯度材料对成本的影响，将该下电极环306的横截面尺寸最小化。使用夹紧固定 (clamp-in-place)的设计简化了下电极环306的结构并由此通过使用更宽范围的材料以进行污染控制而降低了 CoC。该外部下电介质环312是由比如Al2O3等电介质材料形成的，且可能涂覆有103。 该外部下电介质环312包括一系列螺纹孔320，其容纳螺栓322以将该外部下电介质环312 固定于该下金属衬管314。如上所述，该外部下电介质环312包括突起或阶梯(法兰)，其被用于将该下电极环306夹紧于该金属衬管314。应当注意，该螺栓322从该下电极组件 206的底部一侧拧紧以便该螺栓322不会暴露于该等离子体中并被该等离子体腐蚀。该外部下电介质环312的内部边缘直径决定了该环或环形等离子体的外径。图5A显示了依照另一个实施方式的斜面蚀刻机500的横截面示意图。图5B显示了图5A中的区域B的放大的示意图。如图所示，该斜面蚀刻机500的元件与图2所示的那些元件非常相似。区别在于下电极组件506包括下支架502来代替接电电极226，而下电极环504通过下金属衬管510耦合于RF电源508。该下支架502是由电介质材料形成的，并可起到真空卡盘的作用以在斜面清洁操作过程中将衬底518固定在适当的位置。在操作过程中，该RF电源508提供RF能量以将工艺气体激励为等离子体，该工艺气体是通过该气体进口 512、514中的至少一个提供的，其中该RF能量是以一个或多个范围为(但不限于) 2MHz到 13MHz的频率供应的。在一种变形中，该上电极环516耦合于RF电源而该下电极环504接地。图6显示了依照又一个实施方式的斜面蚀刻机600的横截面示意图。该斜面蚀刻机600的元件类似于图5A和图5B所示的那些元件。区别在于，下电极组件602包括由金属形成的下支架604，且下支架604的上表面是被电介质涂覆或层606覆盖的。在一种变形中，该上电极环608耦合于RF电源而该下电极环610接地。图7显示了依照进一步的实施方式的斜面蚀刻机700的横截面示意图。如图所示，该斜面蚀刻机700的元件类似于图2中所示的那些元件，其区别在于用静电卡盘702来代替该真空卡盘。该静电卡盘702设置于接电电极710上并在斜面清洁操作过程中将衬底 712固定在适当的位置。上下电极环704、706接地而接电电极710耦合于RF电源708以供应电能来产生等离子体。图8显示了依照另一个实施方式的斜面蚀刻机800的横截面示意图。如图所示， 斜面蚀刻机800的元件类似于图7所示的那些元件，也就是说，在斜面清洁操作过程中使用静电卡盘802将衬底812固定在适当的位置。区别在于上电极环804接地而下电极环806 耦合于RF电源808以供应RF电能以产生等离子体。在一种变形中，该上电极环804耦合于RF电源而该下电极806接地。图9显示了依照又一个进一步的实施方式的斜面蚀刻机900的横截面示意图。蚀刻机900的元件类似于图2所示的那些元件。区别在于，在此实施方式中，由比如铝等导电材料制成的空心阴极环904位于该外部上下电介质环912、914外。该空心阴极环904具有面向该斜面边缘的沟道906。应当注意，在装载/卸载衬底916的过程中，该空心阴极环904 由合适的装置(图9中未示)在竖直方向上移动。该空心阴极环904耦合于RF电源918而且下、上电极环908、910两者都接地。该 RF电源供应频率范围例如为 2MHz到 13MHz的RF能量。在一种变形中，该上电极环910 耦合于RF电源而该下电极环908和该空心阴极环904接地。在另一种变形中，该下电极环 908耦合于RF电源而该上电极环910和该空心阴极环904接地。在又一种变形中，该空心阴极环904也耦合于高频RF电源以产生等离子体以清洁该室902的内部和该真空卡盘920 的上表面，其中该高频RF电源提供范围例如为 27MHz到 60MHz的RF能量。图10显示了依照进一步的实施方式的斜面蚀刻机的横截面示意图。该斜面蚀刻机1000的元件类似于图2中所示的那些元件。区别在于，一个或多个感应线圈1006围绕该衬底边缘和该外部下电介质环1016和该外部上电介质环1014之间的空间。该感应线圈 1012被嵌入耦合于电介质支架1004的电介质材料1006中。该电介质支架1004包括合适的机构(图10未示)以在装载/卸载衬底的过程中在竖直方向上移动该感应线圈1012。该感应线圈1012耦合于RF电源1018。在斜面边缘清洁处理过程中，该RF电源 1018供应范围是，但不限于 2MHz到 13MHz的RF能量以在该衬底边缘附近产生电感耦合等离子体。该上电极环1010和该下电极环1008接地以为该电感等离子体提供返回通路。 该感应线圈1012提供清洁等离子体以清洁该斜面边缘，在一种变形中，该感应线圈1012还耦合于高频RF电源以产生等离子体以清洁该室1002的内部和该真空卡盘1020的上表面， 其中该高频RF电源提供范围例如为 27MHz到 60MHz的RF能量。应当注意，图2和6-10中的实施方式具有一个中心气体进口和多个边缘气体进口。然而，气体进口的数量可以变化，以按照要求将气体分配到该衬底和/或该斜面边缘 附近。而且，该上电介质板可有任何合适数量和配置的孔。图IlA描绘了半导体衬底1100的部分横截面视图，该半导体衬底1100包括上表面1100A、背部表面1100B和斜面边缘1100C (通过虚线圆指示)。斜面边缘还包括顶点A (通过该箭头指示)。图IlB描绘了半导体衬底1100的示例性部分横截面视图，该半导体衬底1100包括卷绕层1100A，比如覆盖上表面1100A和斜面边缘1100C(包括顶点A)的极低k层间电介质材料层(ILD)。例如，层1110可以通过化学气相沉积或合适的旋涂技术沉积。层1110 还可以经受预先的等离子体蚀刻步骤以在层1110中形成开口(比如通孔或沟槽)(图IlA 中未示)。在一个实施方式中，层1110可以是层间电介质材料。另外，斜面边缘1100C可包括层1100A的未蚀刻沉积1100B或等离子体蚀刻副产物1120，比如聚合物沉积。层1100 不是从斜面边缘1100C向内蚀刻的。用于层1100的示例性层间电介质材料可以包括SiO2/硅氧烷衍生物，比如氟掺杂和碳掺杂有机硅酸盐玻璃(OSG)氧化物，比如FL0WFILL (由Trikon制造)、BLACK DIAMOND (由 Applied materials 制造)、C0RAL (由 Novellus 制造)、AUR0RA (由 ASMI制造)，有机聚合物，比如JSR (由JSR制造)和SiLK (由Dow Chemical制造)， 或中孔玻璃和/或纳米孔玻璃，它们被用致孔剂(porogen)加工过，该致孔剂在该电介质材料中形成孔以增强该低k特性。也可以使用更高介电常数的材料(k = 3. 8-4. 0)，包括硼磷硅玻璃(BPSG)和原硅酸四乙酯(TEOS)。例如，层1110可以是单层或多层低k电介质和/ 或光刻胶材料。图11C-11E描绘了衬底1100的斜面清洁的各种完成阶段的横截面蚀刻轮廓。图 lie描绘了未完成的斜面清洁的横截面蚀刻轮廓。如果斜面清洁过早结束，1110A沿着 1110C的这种未完成的蚀刻可能是有问题的，该问题来自沿着斜面边缘1100C的层1110B 的残余物的剥落。结果，这种散裂或剥落可能是潜在的微粒污染物的来源，这会减少在衬底 1100上形成的半导体器件的工艺成品率。图IlD描绘了横截面清洁轮廓，其中斜面边缘1100C已经被部分清洁。对于部分清洁后的轮廓，覆盖顶点A的层1110A已经被除去，然而，层1110A的一部分部分覆盖顶点 A上方的斜面边缘1100C。例如，部分斜面清洁可能除去斜面边缘1100C下部60%到90% 上的沉积材料，并留下该斜面边缘1100C的顶部10%到40%的ILD。图IlE描绘了该横截面蚀刻轮廓，其中斜面边缘1100C已经被完全清洁。对于这个轮廓，覆盖斜面边缘1100C的那部分层1110被完全除去。尽管图IlE的横截面清洁轮廓在以前被认为是最理想的，然而已经确定，用覆盖层1100A部分覆盖斜面边缘1100C(图11D)导致工艺良率相对于斜面边缘被完全清洁的情况提高多达5 %。据信，斜面边缘1100C的部分覆盖在后续衬底处理(例如，化学机械抛光) 中产生了更坚固的结构。通过使用不同的上PEZ环302配置可以控制斜面边缘清洁的程度。如图4A中所示，上PEZ环302的一个参数包括最接近衬底218的下部30 的外径。执行测试以确定改变上PEZ环302的下部30 的外径对该斜面边缘的清洁轮廓的影响。实例1第一组实验是在2300C0R0NUS 型基于等离子体的斜面清洁系统(能够从加利福尼亚弗雷蒙的Lam Research Corporation得到)中进行的，以确定对于第一种上PEZ环配置的斜面清洁轮廓。在一个配置中，D1在从大于0到2mm到范围内的上PEZ环302(即，图 4A)被安装以清洁300mm衬底晶圆。这种配置导致了上PEZ的下部的外径是从四6讓到小于300mm(即，该上PEZ环的外径比该衬底直径更小)。在清洁前，该硅衬底被热处理以形成
覆盖氧化硅膜。图12A描绘了在斜面清洁以前具有覆盖氧化硅层1210的硅衬底1200的部分横截面视图。硅衬底1200包括上表面1200A、背部表面1200B、斜面边缘1200C(如虚线圆所指示的)和顶点A。氧化硅层1210覆盖上表面1200A、背部表面1200B并卷绕围绕斜面边缘 1200C。将工艺气体引入该斜面清洁系统的反应室中，然后用RF电力将其激励以用该等离子体清洁该斜面边缘。例如，该工艺气体是一种含氟气体(例如，CF4, SF6, NF3或C2F6)，流速为约10SCCM到约100SCCM。工艺气体的平衡是CO2W2和/或N2,总流速为约200SCCM到约500SCCM。室内压强是从约0. 5托到约2托。RF电力是从约400W到约800W。图12B描绘了在该斜面清洁已经部分完成后硅衬底1200的部分横截面视图。如图12B所示，斜面边缘1200C的上部和下部(由箭头指示)是硅衬底1200首先要暴露的区域。因此，根据这种清洁轮廓，确定蚀刻速率最大值出现在硅衬底1210上覆盖斜面边缘 1200C的上部和下部的位置上。氧化硅层1210的残留部分覆盖斜面边缘1200C的顶点A。图12C描绘了该斜面清洁完成后硅衬底1200的部分横截面视图。氧化硅层1210 已经从斜面边缘1200C上完全除去。因此，对于四6讓到小于300mm的上PEZ环的下部上的外径，D1在从大于0到2mm的上PEZ环302是实现具有被完全蚀刻的轮廓的斜面蚀刻的优选配置(即，图11E)。实例2第二组实验是在2300C0R0NUS 型基于等离子体的斜面清洁系统中执行的以确定第二上PEZ环配置的斜面清洁轮廓。在第二实施方式中，具有0. 25mm到1. 25mm的负D1值的上PEZ环302被安装以清洁300mm衬底晶圆。这种配置使得上PEZ环的下部上的外径是从300. 5mm到302. 5mm(及，该上PEZ环的下部的外径大于该衬底直径)。在清洁前，该硅衬底被原硅酸四乙酯(TE0S或Si (OC2H5)4)膜覆盖。将工艺气体引入该斜面清洁系统的反应室中，用RF电力激励该气体以用等离子体清洁该斜面边缘。例如，该工艺气体是一种含氟气体(例如，CF4、SF6、NF3或C2F6)，流速为约10SCCM到约100SCCM。工艺气体的平衡是C02、 O2和/或N2,总流速为约200SCCM到约500SCCM。室内压强是从约0. 5托到约2托。RF电力是从约400W到约800W。图13A描绘了在斜面清洁前具有覆盖的TEOS层1310的硅衬底1300的部分横截面视图。硅衬底1300包括上表面1300A、背部表面1300B、斜面边缘1300C(如虚线圆指示) 和顶点A。TEOS层1310覆盖上表面1300A并卷绕围绕斜面边缘1200C的一部分，覆盖顶点 A0图1 描绘了在该斜面清洁已经部分完成之后硅衬底1300的部分横截面视图。如图1 所示，TEOS层1310覆盖顶点A的那部分已经被除去。因此，根据这种清洁轮廓，确定蚀刻速率最大值出现在斜面边缘1300C的顶点A。图13C描绘了在该斜面清洁完成之后硅衬底1300的部分横截面视图。尽管TEOS 层1310已经被从斜面边缘1300C的顶点A上完全除去，然而TEOS 1310部分卷绕围绕斜面边缘1300C的上部。如上所述，结合图11D，图13C的蚀刻轮廓导致工艺陈频率相对于斜面边缘被完全清洁的情况(例如，图12C或图11E)增加多达5%。因此，对于300. 5mm到 302. 5mm的上PEZ的下部上的外径具有0. 25mm到1. 25mm的负D1值的上PEZ环302是实现部分清洁的轮廓的优选配置(即，图13C或图11D)。在另一个实施方式中，根据斜面边缘清洁的程度，该上PEZ环的半径的范围可以是从与该衬底具有相同直径到比该衬底的直径大多达10% (例如，直径大0. 5m m到5mm或中间任何值，以0. Imm为增量)。图14提供了蚀刻速率对径向位置的函数的比较，分别针对(1)上PEZ环的下部的外径是从296mm到小于300mm(小于该衬底直径)(实例1)；和(2)上PEZ环的下部的外径是从300. 5mm到302. 5mm (大于该衬底直径)(实例2)。如图14所示，对于实例1，最大蚀刻速率出现在约149. 8mm的径向位置处。然而，对于实例2，最大蚀刻速率出现在约150mm 的径向位置处。蚀刻速率是通过用于测量半导体衬底上存在的层的膜的性质(比如厚度和折射率)的双波束光谱测定法(DBS)和分光镜椭圆对称(SE) (KLA TENCOR型F5X，由位于加利福尼亚圣胡塞的KLA Tencor制造)测量覆盖层的厚度确定的。然而，因为这种技术限于特征化半径最大达149. 5mm的衬底，该衬底的最外面的剩余的0. 5mm是通过扫描电子显微镜(SEM)特征化的。图14描绘了，为了最大化该衬底的顶点处(即，150mm的径向位置) 的蚀刻速率，斜面蚀刻机可被配置有上PEZ环302，其具有0. 25mm到1. 25mm的负D1值。图14还描绘了实例2的实施方式具有实现对沿着衬底1300的径向位置具有不同清洁速率函数的能力，其中最大蚀刻速率在斜面边缘1300C的顶点A。从图14的实例2中， 该斜面边缘的顶点A附近的蚀刻速率(在150mm半径处是约7000埃/分钟)大于沿该斜面边缘上部的蚀刻速率(在约149. 8mm半径处是< 2000埃/分钟)。各优选实施方式仅仅是说明性的，不应当认为是在以任何方式加以限制。本发明的范围是由所附权利要求给出的，而不是前面的说明书，所有落入权利要求范围的变形和等同都意在包涵于其中。
权利要求
1.一种清洁半导体衬底的斜面边缘的方法，包括将半导体衬底放在等离子体处理装置的反应室中的衬底支架上，该衬底具有覆盖该衬底的上表面和斜面边缘的电介质层，该层在该斜面边缘的顶点的上方和下方延伸；将工艺气体引入该反应室内；将该工艺气体激励为等离子体；以及用该等离子体清洁该斜面边缘从而除去该顶点下方的该层而不除去该顶点上方的该层的全部。
2.根据权利要求1所述的方法，其中用该等离子体清洁该斜面边缘进一步包括蚀刻该层，其中在该顶点的蚀刻速率比沿着该斜面边缘的上部由该顶点向内的蚀刻速率更高。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该层是层间电介质材料；以及该等离子体处理装置是斜面蚀刻机，其中在从该斜面边缘向内延伸的、该衬底的该上表面上的部分不被蚀刻。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该工艺气体包含从O2和CO2中选出来的基于氧的气体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该工艺气体进一步包含基于氟的气体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该基于氟的气体包括CF4、SF6,NF3或C2F6。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该清洁除去该斜面边缘上和/或该衬底背部上的蚀刻副产物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中该衬底是半导体晶圆且该清洁是用斜面蚀刻等离子体处理装置进行的，其中最靠近该晶圆的上等离子体排除区域环的一部分的外径等于或大于该晶圆的外径。
9.根据权利要求8所述的方法，其中该衬底是300mm直径的硅晶圆。
10.根据权利要求1所述的方法，其中该层是低k或高k电介质层。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该层是氧化硅、有机硅酸盐玻璃(OSG)、氟化石英玻璃(FSG)、碳掺杂氧化物、中孔和/或纳米孔玻璃、有机聚合物、硼磷硅玻璃(BPSG)或原硅酸四乙酯(TEOS)。
12.—种斜面蚀刻机，其中半导体晶圆的斜面边缘在该斜面蚀刻机中经受等离子体清洁，该斜面蚀刻机包含具有圆柱形顶部的下支架；在该下支架的该顶部上支撑的下等离子体排除区域(PEZ)环，该下等离子体排除区域环具有上表面，该晶圆被支撑在该上表面上；上电介质元件，置于该下支架上方并具有对着该下支架的该顶部的圆柱形底部；围绕该电介质元件的底部并对着该下等离子体排除区域环的上等离子体排除区域环， 该下和上等离子体排除区域环之间的环形空间限制要用该等离子体清洁的该斜面边缘的范围；以及至少一个适于在清洁操作过程中将工艺气体激励为该等离子体的射频(RF)电源；其中该下和上等离子体排除区域环适于在该清洁操作过程中分别保护该下支架和该上电介质元件免于该等离子体损害；以及其中最靠近该晶圆的该上等离子体排除区域环的一部分的外径至少等于该晶圆的外径。
13.根据权利要求12所述的斜面蚀刻机，其中该晶圆是300mm直径的晶圆而最靠近该晶圆的该上等离子体排除区域环的该部分的外径比该晶圆的外径大0. 5mm到5mm。
14.根据权利要求12所述的斜面蚀刻机，其中该下等离子体排除区域环具有上表面， 该晶圆被支撑在该上表面上从而该衬底的该斜面边缘延伸超出该上表面的外缘。
15.一种斜面蚀刻机的可配置部件，其中半导体晶圆的斜面边缘在该斜面蚀刻机中经受等离子体清洁，该斜面蚀刻机包括下电极组件和上电极组件，在该斜面清洁操作过程中该晶圆被支撑在该下电极组件上，该上电极组件包括面向下支架并固定于上支架的电介质板，该上支架能够竖直移动以将该电介质板定位在离该晶圆的上表面的小距离上，该上电极组件包括至少一个气体通道，在该斜面清洁操作过程中气体通过该上电极组件的该气体通道被流入到该斜面边缘的附近区域中，该电介质板具有至少一个气体通道，在该斜面清洁操作过程中气体通过该电介质板的该气体通道被流到该晶圆的表面上方，该可配置部件包含上等离子体排除区域环，该上等离子体排除区域环是适于在该清洁操作过程中将该上电介质板从该等离子体屏蔽的导电、半导电或电介质材料制成的，最接近该晶圆的该上等离子体排除区域环的一部分的外径大于该晶圆的外径。
16.根据权利要求15所述的可配置部件，其中该上等离子体排除区域环包括具有下表面的内法兰，该下表面啮合该电介质板上的外法兰的上表面从而当安装在该斜面蚀刻机中时在该下和上等离子体排除区域环之间形成限制要由该等离子体清洁的该斜面边缘的范围；阶梯状内表面在其上和下表面之间竖直延伸，该上和下表面彼此平行；外表面是阶梯状的从而当该衬底被支撑在该下等离子体排除区域环上时开放空间覆盖该晶圆，且最靠近该晶圆的该上等离子体排除区域环的该部分的外径比该晶圆的外径大0. 5mm到5mm。
全文摘要
提供一种清洁半导体衬底的斜面边缘的方法。将半导体衬底放在等离子体处理装置的反应室中的衬底支架上。衬底具有覆盖该衬底的上表面和斜面边缘的电介质层，该层在该斜面边缘的顶点的上方和下方延伸。将工艺气体引入该反应室内并将其激励为等离子体。用该等离子体清洁该斜面边缘从而除去该顶点下方的该层而不除去该顶点上方的该层的全部。
文档编号H01L21/3065GK102160153SQ200980109919
公开日2011年8月17日 申请日期2009年3月10日 优先权日2008年3月14日
发明者乔治·斯托亚科维奇, 方同, 金允尚, 金基灿 申请人:朗姆研究公司