專利名稱：用于半導(dǎo)體處理等離子反應(yīng)器的多部分電極以及替換多部分電極的一部分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半導(dǎo)體處理等離子反應(yīng)器的多部分上電極和一種替換該多部分上電極的經(jīng)腐蝕部分的方法。
背景技術(shù)：
第5,074,456和5,569,356號美國專利中揭示了用于處理諸如硅晶圓的半導(dǎo)體基板的等離子處理反應(yīng)器中所使用的電極，該專利所揭示的內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
發(fā)展了干式等離子蝕刻、反應(yīng)性離子蝕刻和離子研磨(ion milling)技術(shù)以克服與半導(dǎo)體晶圓的化學(xué)蝕刻相關(guān)聯(lián)的眾多限制。詳細地說，等離子蝕刻允許垂直蝕刻率比水平蝕刻率大的多，從而使得可充分控制經(jīng)蝕刻特征部分的所得縱橫比(意即，所得槽的高度與寬度的比)。實際上，等離子蝕刻能夠使具有高縱橫比的非常精細的特征部分形成于厚度超過1微米的膜上。
在等離子蝕刻處理中，通過向相對低壓氣體添加大量能量，從而導(dǎo)致氣體電離，來使等離子體形成于晶圓的經(jīng)遮蔽表面上。通過調(diào)整待蝕刻基板的電勢可將等離子體中的帶電物質(zhì)導(dǎo)向成大體上垂直地撞擊晶圓，其中移除了晶圓的未經(jīng)遮蔽區(qū)域中的材料。
通過使用易于與被蝕刻材料起化學(xué)反應(yīng)的氣體可使蝕刻處理更有效。所謂“反應(yīng)性離子蝕刻”結(jié)合了等離子的能量蝕刻效應(yīng)與氣體的化學(xué)蝕刻效應(yīng)。然而，已發(fā)現(xiàn)許多化學(xué)活性劑導(dǎo)致過度電極磨損。
需要將等離子體均勻地分布于晶圓表面上以在晶圓整個表面上獲得均勻的蝕刻率。舉例而言，第4,595,484、4,792,378、4,820,371和4,960,468號美國專利中揭示了用于經(jīng)電極中的大量孔來分布氣體的蓮蓬頭電極。此等專利通常描述了氣體分布板，該氣體分布板具有調(diào)整成提供均勻氣體蒸汽流至半導(dǎo)體晶圓的孔隙排列。
反應(yīng)性離子蝕刻系統(tǒng)通常由一蝕刻腔室組成，其中一上電極或接地電極和一下電極或RF電極定位于該蝕刻腔室中。待蝕刻晶圓由一合適遮罩覆蓋且直接放置于RF電極上。由于與等離子體的相互作用，晶圓被施以負(fù)偏壓。將諸如CF4、CHF3、CClF3和SF6或其混合物與O2、N2、He或氬氣的化學(xué)反應(yīng)性氣體引入蝕刻腔室中且將其維持于通常微米汞柱(millitorr)范圍內(nèi)的壓力下。接地電極具有允許氣體經(jīng)該電極均勻地分散至腔室中的氣孔。在接地電極與RF電極之間所建立的電場將離解(dissociate)形成等離子體的反應(yīng)性氣體。通過與活性離子的化學(xué)反應(yīng)并通過撞擊晶圓表面的離子的動量轉(zhuǎn)移來蝕刻晶圓表面。由電極所建立的電場將離子吸引至晶圓，從而導(dǎo)致離子以主要垂直方向撞擊表面，從而使得該過程產(chǎn)生了良好界定的垂直蝕刻側(cè)壁。
在晶圓處理期間也蝕刻了上電極的暴露表面。電極損耗或蝕刻導(dǎo)致需要周期性替換上電極。因此需要使電極替換簡單且經(jīng)濟。
隨著基板尺寸增加，確保隨著增加的大晶圓尺寸和相應(yīng)大電極尺寸而使蝕刻和沉積均勻較為重要。從200mm變動至300mm晶圓的產(chǎn)業(yè)允許制造商將其晶圓面積和晶片產(chǎn)出增加一倍。晶圓尺寸的增加導(dǎo)致增加晶圓處理工具的某些難度。舉例而言，將用于制作一些上電極的單晶硅梨晶(boule)制成直徑高達15英寸。較大直徑的單晶硅電極難以制成具有所要低雜質(zhì)含量。因此，大直徑單晶硅電極耗費昂貴。
圖1中展示了用于單晶圓蝕刻腔室的上蓮蓬頭電極10和較小的下電極12。圖1的配置展示了一電容性耦合、限制的等離子蝕刻腔室，其中一電極由處于不同頻率的兩RF源提供功率且另一電極接地。下電極12為一扁平電極，其上支持有一晶圓W。下電極12位于上電極10下方間隔1至2cm處。在此配置中，上電極10具有一接入電極的臺階14，其提供具有一較薄內(nèi)部分、成傾斜臺階部分和一較厚外直徑的電極。已將臺階14設(shè)計成于晶片邊緣處提供蝕刻率均勻性。
電極10具有15″的直徑來容納300mm的晶圓。提供電極10的延伸物16，其使電極從15″延伸至17″，且其被建構(gòu)成復(fù)數(shù)個硅段。此配置需要直徑為15″的單晶硅電極10，其接著接地以形成臺階14。此大直徑電極10耗費相當(dāng)昂貴且由于磨損需要周期性替換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種具有一可替換部分的用于半導(dǎo)體處理反應(yīng)器的多部分上電極和一種替換該電極的一部分的方法。
在一實施例中，用于等離子反應(yīng)腔室的多部分電極包括一電極頂板和一連接至該頂板的電極。電極包括一中心硅元件和圍繞該中心硅元件的復(fù)數(shù)個硅段。中心硅元件可獨立于硅段從頂板移除。
在另一實施例中，等離子處理系統(tǒng)包括一等離子處理腔室、一位于該等離子處理腔室中的基板支持件、一RF能量源、一下電極和一上電極。上電極包括一電極頂板、緊固至該頂板的中心電極元件，和緊固至該頂板的圍繞該中心電極元件的復(fù)數(shù)個電極段。該等電極段可由與中心電極元件相同的材料形成且將電極段與中心電極之間的接合定位于電極腐蝕從高磨損降至低磨損的地方。
在另一實施例中，用于等離子反應(yīng)腔室的多部分電極包括一電極頂板和一連接至該頂板的電極。電極包括一具有約13英寸或更小直徑的中心電極元件和復(fù)數(shù)個電極段，該等電極段圍繞該中心電極元件以產(chǎn)生至少16英寸的總電極直徑。中心電極元件可獨立于電極段從頂板移除。
在另一實施例中，一種替換等離子反應(yīng)腔室中的電極的一部分的方法包括以下步驟在等離子處理腔室中提供一上電極；當(dāng)中心電極腐蝕時將其從頂板移除；和以新中心電極替換該中心電極。上電極包含一中心電極元件和圍繞該中心電極元件的復(fù)數(shù)個電極段。中心電極和電極段獨立地緊固至電極的頂板。


現(xiàn)將參看隨附圖式中所說明的優(yōu)選實施例來更詳細地描述本發(fā)明，其中相似元件標(biāo)有相似參考數(shù)字，且其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)晶圓處理腔室中的上和下電極的一部分的側(cè)面截面圖。
圖2為一具有一多部分電極的晶圓處理腔室的一部分的側(cè)面截面圖，且該多部分電極具有一可替換中心電極元件。
圖3為扁平電極的硅損耗的圖表。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種具有一多部分電極的經(jīng)改進上電極系統(tǒng)，在該多部分電極中可獨立于電極的外周邊部分來替換具有高磨損的電極的中心部分。上電極可用于諸如通過蝕刻或CVD來處理半導(dǎo)體基板的等離子處理系統(tǒng)中。多部分上電極系統(tǒng)尤其適用于大尺寸晶圓處理腔室，諸如300mm晶圓處理腔室，市面上無用于其的單塊電極出售或該等單塊電極耗費昂貴。
圖2說明了等離子處理系統(tǒng)100的一部分，該處理系統(tǒng)具有一允許替換上電極的一部分的經(jīng)改進上電極系統(tǒng)。如圖2中所示，中心電極元件110通過導(dǎo)熱和導(dǎo)電彈性體而安裝在背襯板112上。復(fù)數(shù)個分段電極114形成一圍繞中心電極110的環(huán)且也安裝在背襯板116上。電極背襯板112、116以可移除的方式緊固至頂板118。經(jīng)頂板118中的通道122將經(jīng)處理氣體傳送至背襯板112上方的復(fù)數(shù)個通道124。經(jīng)蓮蓬頭電極形態(tài)的電極110和背襯板112中的復(fù)數(shù)個穿孔128而將處理氣體傳送至晶圓處理腔室。
在頂板118與背襯板112、116之間提供密封環(huán)120以防止氣體從通道124流入中心電極110與電極段114之間的環(huán)面中。密封環(huán)120具有O形環(huán)130于密封環(huán)的環(huán)形通道中以提供氣體緊密密封。
在電極段114中提供臺階140，已將該臺階設(shè)計成在晶圓W的邊緣處提供蝕刻率均勻性。臺階140大體上對準(zhǔn)于底部電極150的邊緣的上方并正好定位在晶圓W的邊緣外面。
電極段114可包括任意數(shù)目的電極段，例如可使用3至10段。
電極110、114通過螺釘134、136而緊固至頂板118，該等螺釘從頂板后側(cè)延伸入背襯板112、116中。螺釘134、136允許在需要時獨立移除中心電極110和電極段114。由于估計中心電極110的磨損為電極段114的磨損率的兩至三倍，所以可比外部電極段更頻繁地移除和替換中心電極。
圖3說明了具有扁平狀的硅上電極在不同直徑時的蝕刻率或硅損耗。如可從圖3中所見，硅電極的損耗或蝕刻率在距電極中心5″與6.5″之間的半徑處顯著減小。因此，可見，與電極的中心部分相比，可不經(jīng)常替換約6.5″直徑外的電極的一部分。
可用于中心電極110和圍繞電極段114的材料的實例包括SiC、SiN、AlN和Al2O3。已發(fā)現(xiàn)一種用于電極110和114的特別優(yōu)選材料為硅，這是因為其不會將額外的不想要的元素引入反應(yīng)且腐蝕較平滑從而產(chǎn)生非常少的粒子?？墒褂脝尉Ч杌蚨嗑Ч?。
背襯板112和116(電極110和114緊固至其)應(yīng)與反應(yīng)氣體化學(xué)相容、與電極的熱膨脹系數(shù)相匹配、導(dǎo)電和導(dǎo)熱，且具有足夠的機械強度以允許固定至傳導(dǎo)性頂板118。適于用作頂板的材料的實例包括石墨和SiC。
頂板118應(yīng)由一種與處理氣體化學(xué)相容、導(dǎo)電和導(dǎo)熱，且具有足夠機械強度以支持背襯板和電極的材料形成。用于頂板的材料的一實例為鋁。
密封環(huán)120可由鋁、SiC、硅、石墨或石英，或適用于等離子處理系統(tǒng)的其它材料形成。
除了以導(dǎo)熱且導(dǎo)電的彈性體將電極110和114黏結(jié)至相應(yīng)背襯板112和116之外，可在電極與背襯板之間提供諸如鋁網(wǎng)格的支持部件以確保在電極的壽命中的穩(wěn)定電和熱接觸。
電極段114可各自固定至背襯板116的一獨立部分，或所有電極段114可黏結(jié)至單個背襯環(huán)以允許在單一步驟中一起移除電極段114。
實例用于圖2的等離子處理系統(tǒng)100的配置的一實例包括切自一12″單晶硅梨晶的中心電極元件110。該中心電極元件110具有約0.25″的厚度和一完全平坦下表面。由于存在用于生產(chǎn)300mm晶圓的12″單晶硅梨晶的大量商業(yè)生產(chǎn)，所以制造此直徑遠不如制造15″單晶硅電極昂貴。電極的外分段部分由可切自12″單晶硅的單晶硅段制作且黏結(jié)至環(huán)形石墨背襯板116。在此實例中，六個電極段黏結(jié)至環(huán)形石墨背襯板116，其中電極段114具有約0.5″的厚度且以約45度角接地的臺階140在該等電極段的內(nèi)直徑處從0.5″的厚度減至0.25″的厚度。電極段114共同形成一具有約12″內(nèi)直徑和約17″外直徑的環(huán)。密封環(huán)120為一具有彈性O(shè)形環(huán)的石英環(huán)，且頂板118由鋁形成。
在上述實例中所描述的300mm晶圓處理系統(tǒng)(具有一扁平電極)中，已展示了硅上電極的腐蝕在約5″至約6.5″的半徑處急劇下降(見圖3)。因此，將中心電極110與電極段114之間的接合定位在距電極中心約5″至約6″處，優(yōu)選地約6″半徑處。在電極的內(nèi)與外部分之間約6″處斷開將允許獨立于電極段114來替換更高磨損的中心電極元件110。外電極段114應(yīng)經(jīng)受中心電極110壽命的2至3倍壽命，從而降低了電極替換的成本。將接合放置得沿臺階140的徑向內(nèi)還允許使用具有較小厚度的中心電極110且因此降低了成本。
盡管已參看本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將明顯看出，在不偏離本發(fā)明的情況下可做出各種改變和修改并可使用等效物。
權(quán)利要求
1.一種用于一等離子反應(yīng)腔室的多部分電極，其包含一電極頂板；及一連接至該頂板的電極，該電極包括一中心硅元件和圍繞該中心硅元件的復(fù)數(shù)個硅段，其中該硅元件可獨立于該等硅段從該頂板移除。
2.如權(quán)利要求1所述的電極，其中該中心硅元件和該等硅段由單晶硅、多晶硅，或碳化硅形成。
3.如權(quán)利要求1所述的電極，其進一步包含一通過一彈性接合而連接至該中心硅元件的背襯板。
4.如權(quán)利要求3所述的電極，其中該彈性接合由一導(dǎo)熱和導(dǎo)電的彈性體形成。
5.如權(quán)利要求1所述的電極，其中該電極包含一蓮蓬頭電極，其具有安置成將處理氣體分布于該等離子處理腔室中的復(fù)數(shù)個氣體出口。
6.如權(quán)利要求1所述的電極，其中該中心硅元件具有一約13英寸或更小的直徑。
7.如權(quán)利要求1所述的電極，其進一步包含一臺階在該電極的一表面上大體上于該中心硅元件與該等復(fù)數(shù)個硅段之間的一介面處。
8.如權(quán)利要求1所述的電極，其中該中心硅元件具有一小于該等復(fù)數(shù)個硅段的厚度的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的電極，其進一步包含一密封環(huán)以防止氣體在該中心硅電極與該等硅段之間的一環(huán)面中流動。
10.如權(quán)利要求1所述的電極，其中該中心硅元件具有一無臺階的大體上平坦的下表面。
11.一種等離子處理系統(tǒng)，其包含一等離子處理腔室；一基板支持件，其位于該等離子處理腔室內(nèi)；一RF能量源；一下電極；及一上電極，其包含一電極頂板；中心電極元件，其緊固至該頂板；及復(fù)數(shù)個電極段，其緊固至該頂板圍繞該中心電極元件，其中該等電極段與該中心電極之間的一接合定位在該電極的腐蝕從高磨損降至低磨損的地方。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該等電極段由與該中心電極元件相同的材料形成。
13.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該中心電極元件具有一側(cè)表面，其在該接合處鄰接該等電極段的側(cè)表面。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該電極接合大體上對準(zhǔn)于該下電極的一外邊緣上方。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該電極接合在一晶圓定位于該下電極上時大體上對準(zhǔn)于該晶圓的一外邊緣上方。
16.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中該下電極具有一約12英寸的直徑且該上電極具有一大于12英寸的直徑。
17.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中在不替換該等電極段的情況下可替換該中心電極元件。
18.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中該中心電極元件和該等電極段由單晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
19.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該中心電極元件具有一平坦下表面且該等電極段各自具有一形成于鄰近該接合的臺階，從而使得該中心電極元件凹入該等電極段內(nèi)部。
20.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其進一步包含一密封環(huán)以防止氣體在該中心電極元件與該等電極段之間的一環(huán)面中流動。
21.一種用于一等離子反應(yīng)腔室的多部分電極，其包含一電極頂板；及一連接至該頂板的電極，該電極包括一具有一約13英寸或更小的直徑的中心電極元件和圍繞該中心電極元件的復(fù)數(shù)個電極段以產(chǎn)生一為至少16英寸的總電極直徑，其中該中心電極元件可獨立于該等電極段從該頂板移除。
22.如權(quán)利要求21所述的電極，其進一步包含一密封環(huán)以防止氣體在該中心電極元件與該等電極段之間的一環(huán)面上流動。
23.如權(quán)利要求21所述的電極，其中該中心電極元件由單晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
24.如權(quán)利要求23所述的電極，其中該等電極段由單晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
25.如權(quán)利要求21所述的電極，其中該中心電極元件具有一平坦下表面且該等電極段各自具有一形成于鄰接該中心電極與該等電極段之間的一接合的臺階，從而使得該中心電極元件凹入該等電極段內(nèi)部。
26.一種替換一等離子反應(yīng)腔室中的一電極的一部分的方法，該方法包含以下步驟在一等離子處理腔室中提供一上電極，該上電極包含一中心電極元件和圍繞該中心電極元件的復(fù)數(shù)個電極段，該中心電極和該等電極段獨立地緊固至該電極的一頂板；當(dāng)該中心電極腐蝕時將其從該頂板移除；及以一新中心電極替換該中心電極。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該中心電極和該等電極段由單晶硅、多晶硅或碳化硅形成。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該中心電極與該等電極段之間的一接合定位于該電極的腐蝕從高磨損降至低磨損的地方。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中周期性地替換該中心電極并在該中心電極的每第二或第二次替換時替換該等電極段。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中該中心電極具有一大體上平坦的下表面且該等電極段包括一臺階狀下表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)改進的上電極系統(tǒng)，其具有一多部分電極，其中可獨立于電極的外周邊部分(114)來替換具有高磨損的電極的中心部分(110)。上電極可用于諸如通過蝕刻或CVD來處理半導(dǎo)體基板的等離子處理系統(tǒng)中。多部分上電極尤其適用于大尺寸晶圓處理腔室，諸如300mm晶圓處理腔室，市面上無用于其的單塊電極出售或該等單塊電極耗費昂貴。
文檔編號C25B11/00GK1663016SQ03814065
公開日2005年8月31日 申請日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月23日
發(fā)明者安德烈亞斯·菲舍爾, 威廉·S·肯尼迪, 彼得·勒文哈爾特, 戴維·特呂塞爾 申請人:藍姆研究公司