离子方向性ESC的制作方法

本申请要求2017年2月16日提交的美国申请no.15/435,046的优先权，其全部内容通过引用并入本发明。

本公开涉及半导体设备的制造。更具体地，本公开涉及用于制造半导体设备的等离子体处理室。

背景技术：

在半导体晶片处理期间，半导体晶片由卡盘支撑，卡盘可具有温度控制。温度控制可以由电阻加热元件提供。

技术实现要素：

为了实现上述目的并根据本公开的目的，提供了一种用于在半导体处理室内支撑衬底的衬底支撑件。提供了衬底支撑体。至少一个电阻加热元件嵌入在所述衬底支撑体中或所述衬底支撑体上，其包括在所述衬底内或所述衬底上的第一加热电流路径以及在所述衬底内或所述衬底上的第二加热电流路径，其中所述第一加热电流路径距所述第二加热电流路径在4mm内，并且流过所述第一电流路径的所述电流与流过所述第二加热电流路径的电流方向相反。

在另一种实现形式中，提供了一种用于在半导体处理室内支撑衬底的衬底支撑件。提供了衬底支撑体。至少一个电阻加热元件嵌入在所述衬底支撑体中或所述衬底支撑体上，其包括在所述衬底支撑体内或所述衬底支撑体上的第一加热电流路径以及在所述衬底内或所述衬底上的第二加热电流路径，所述第二加热电流路径反向平行于所述第一加热电流路径，并且所述第二加热电流路径距所述第一加热电流路径在4mm内。

本公开的这些和其他特征将下文在本公开的详细描述中并结合下面的附图更详细地描述。

附图说明

本公开在附图中的图形是通过举例的方式而不是通过限制的方式示出，其中相同的附图标记表示类似的元件，并且其中：

图1示意性示出了可使用一实施方案的等离子体处理系统的示例。

图2是根据一实施方案的具有加热元件的esc的顶部示意图。

图3是用于一实施方案的热电源的电子控制装置的电气示意图。

图4是在另一实施方案中具有加热元件的esc的顶部示意图。

图5是在另一实施方案中具有加热元件的esc的顶部示意图。

具体实施方式

现在将参照如附图中所示的其几个优选的实施方式详细描述本公开。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便彻底理解本公开。然而，对本领域的技术人员将显而易见的是，在没有部分或所有这些具体细节的情况下可以实现本公开。在其他情况下，没有详细描述众所周知的工艺步骤和/或结构从而避免不必要地使本公开难以理解。

为了便于理解，图1示意性地示出了可以使用一实施方案的等离子体处理系统100的示例。根据本公开的一实施方案，等离子体处理系统可用于蚀刻具有叠层的衬底140。该等离子体处理系统100包括具有由室壁152包围的等离子体处理室104的等离子体反应器102。通过匹配网络108调谐的等离子体电源106提供功率至靠近功率窗112定位的tcp线圈110，从而通过提供感应耦合功率在该等离子体处理室104中产生等离子体114。该tcp线圈(上电源)110可以被配置来在等离子体处理室104中产生均匀的扩散分布。例如，该tcp线圈110可以被配置来在等离子体114中产生环形功率分布。提供功率窗112以将等离子体处理室104与该tcp线圈110隔离，同时允许能量从tcp线圈110传递到等离子体处理室104。通过匹配网络118调谐的晶片偏压电源116提供功率至静电卡盘(esc)120以在被支撑在esc120上的衬底140上设置偏置电压。控制器124为等离子体电源106和晶片偏压电源116设定值(points)。

该等离子体电源106和该晶片偏压电源116可被配置以在特定的射频下进行操作，该射频如13.56mhz、27mhz、40mhz、60mhz、2mhz、400khz或它们的组合。该等离子体电源106和晶片偏压电源116可以是适当地设置大小以提供一定范围的功率，以实现所期望的工艺性能。例如，在一个实施方案中，该等离子体电源106可供应的功率的范围为50至5000瓦特，以及该晶片偏压电源116可供应的偏置电压的范围为20至2000伏。此外，该tcp线圈110可以包括两个或更多的子线圈，并且esc可以包括两个或更多子电极，其可以通过单个电源供电或通过多个电源供电。

如图1所示，该等离子体处理系统100进一步包括气体源/气体供给机构130。该气体源/气体供给机构130提供气体至喷头形式的气体进给装置136。该处理气体和副产物经由压强控制阀142和泵144从等离子体处理室104去除，该压强控制阀142和泵144也可以起到维持等离子体处理室104内的特定压强的作用。该气体源/气体供给机构130由控制器124控制。

加热器电源150由控制器124控制。加热器电源150通过电源引线158电连接到一个或多个电阻加热元件154。lamresearch公司(fremont,ca)的kiyo系统可用于实施一实施方案。

图2是具有加热元件154的esc120的顶部示意图。该示例中的加热元件154是形成几乎两个完整回路的单个导电元件，其中第一加热电流路径204形成几乎完整的第一回路，而第二加热电流路径208形成几乎完整的第二回路。加热元件154在加热元件154的第一端处的第一接触点212处电连接到电源引线，并且在加热元件154的与加热元件154的第一端相对的第二端处的第二接触点216处电连接到电源引线。在该示例中，第一电流路径204和第二电流路径208之间标记为“d”的距离小于4mm。在该示例中，第一电流路径204沿着第一电流路径204的长度的100％距第二电流路径208在4mm内，并且第二电流路径208沿着第二电流路径208的长度的100％距第一电流路径204在4mm内。在该示例中，因为第一电流路径204的第二端电连接到第二电流路径208的第一端，并且因为第二电流路径208沿与第一电流路径204相反的方向循环，所以电流以使得第一电流路径204中的电流反向平行于第二电流路径208中的电流的方式流过加热元件154。在该实施方案中，第一加热电流路径204和第二加热电流路径208是串联的。

在操作中，衬底140安装在esc120上。由热电源150提供电压以在加热元件中产生电流，其中电流由图2中的箭头指示。处理气体流入处理室。提供rf功率以使工艺气体形成为等离子体。通过偏置电压电源116向esc120提供偏置电压，这使得来自等离子体的离子加速到达衬底140，从而处理衬底。

图3是用于如图1所示的热电源150的电子控制装置300的电气原理图。电子控制装置300被称为降压转换器。降压转换器向加热元件提供dc电压。降压转换器用于降低dc电压。在替代方案中，如果在将dc电压施加到加热元件之前要增加dc电压，则可以使用升压转换器。通过提供dc电压，该实施方案通过使用固定极性加热器电压和用于消除由加热器元件产生的磁场的单独装置解决了现有技术的问题。由加热器元件产生的磁场通过使不同加热元件中的电流彼此靠近流动而被消除，其中电流沿相反方向流动。

现有技术系统提供加热元件，其中电流平行流动，而不是反向平行流动。流过加热元件的电流产生磁场，当离子通过等离子体鞘加速到晶片时，该磁场在离子上产生垂直于它们的行进方向的力。该力将倾向于迫使离子轨迹在不垂直于晶片表面的方向上，这将限制高深宽比蚀刻。为了最小化离子轨迹不垂直于表面偏移的工艺影响，现有技术的加热器由高频交流电供电。交替的加热器电流反转磁场的方向，然后反转力和离子轨迹的方向。净效应是相对于未磁化或零电流条件来回扫描离子轨迹以改善均匀性。该方法的问题如下：1)不垂直于晶片表面扫描离子轨迹，这可能影响该工艺。2)磁场线在晶片中心和边缘附近与晶片不平行，这可能导致额外的中心和边缘均匀性问题。3)直流供电的加热器可能不适合需要高离子方向性的工艺，因为离子方向的偏移总是朝向一侧。4)由交替加热器极性产生的磁场没有快到足以平衡(averageout)由该磁场引起的离子轨迹的任何偏移。尽管交流电处于高于20千赫兹的高频下，但是希望提供大于1mhz的交变频率以平衡离子轨迹的偏移。

现有技术使用交替极性电压，其中通过50或60hzac线电压的相角或周期跳跃控制来控制加热器功率。其他配置尝试使用高频(300hz)可变占空比、交替极性电压来控制esc加热器上的功率。使用高频和可变占空比用于提供对加热器功率更快的响应和更精细的控制。加热器功率的交替极性用于最小化由加热器电流产生的磁场对工艺均匀性的影响。高频交变极性方法的问题是：1)交替极性方法需要额外的开关部件来连续地切换加热器电流的方向。2)如果同时打开两个串联开关设备，则由于击穿而导致设备故障的风险增加。3)交替极性方法要求器件、寄生和负载电容在每个周期充电和放电，从而导致更高的开关损耗、更低的可靠性和增加的rf干扰。4)由于产生复杂波形，因此加热器电压和电流更难以确定。(电压和电流的测量值可用于计算加热器功率和加热器线圈的电阻)。5)由交替加热器极性产生的磁场没有快到足以平衡由该磁场引起的离子轨迹的任何偏移。

通过以下方式解决现有技术的问题：1)使用固定极性加热器，其减少加热器控制部件数量，因为不再要求需要切换输出电压的极性。这使得能用简单的降压转换器替换h桥配置。2)由于器件未在转换器输入电压上串联连接，因此消除了由于击穿而导致器件故障的风险。3)开关损耗和rfi降低，因为器件、寄生和负载电容不需要在每个周期充电和放电。4)由于采用单极性加热器电源产生的电压和电流波形更简单，因此简化了加热器电压和电流的测量。5)为了最小化固定磁场对高深宽比特征的影响，两个靠近的加热元件由相反方向流动的电流供电，因此由单独的加热元件产生的磁场被抵消。

上述实施方案将通过抵消由流过加热器的电流产生的磁场来显著减少由加热器电流引起的离子轨迹的偏移，其中用于消除磁场的方法是使加热元件中的电流沿相反(反向平行)的方向流动。

当加热元件彼此非常接近时，磁场的取消将是最有效的。上述实施方案中的电源可以是dc或ac，因为如果提供交流电，则加热器元件仍然具有反向平行电流。如果使用ac，则ac将处于10khz以下的低频。低频ac将更容易切换，并且不需要高频ac来消除磁效应。

通过消除磁场并减少离子轨迹的偏移，上述实施方案提供：1)高深宽比处理的改进。2)中心和边缘均匀性的改善。3)使用可以简化控制电子设备的直流供电加热器的能力。

图4是在另一实施方案中具有加热元件154的esc120的顶部示意图。在该示例中，加热元件154是两个单独的导电元件，其形成两个几乎完整的回路，其中第一加热电流路径404形成几乎完整的第一回路，第二加热电流路径408形成几乎完整的第二回路。第一加热电流路径404在第一加热电流路径404的第一端处的第一接触点412处电连接到电源引线，并且在第一加热电流路径404的与第一加热电流路径404的第一端相反的第二端处的第二接触点416处电连接到第二接触点416。第二加热电流路径408在第二加热电流路径408的第一端处的第三接触点420处电连接到电源引线，并且在第二加热电流路径408的与第二加热电流路径408的第一端相对的第二端处的第四接触点424处电连接到电源引线。在该示例中，第一电流路径404和第二电流路径408之间标记为“d”的距离小于4mm。在该示例中，第一电流路径404沿着第一电流路径404的长度的100％距离第二电流路径408在4mm内。在该示例中，引线以一定方式连接到第一加热电流路径404和第二电流路径404，导致电流以一定方式流过加热元件154，使得第一电流路径404中的电流反向平行于第二电流路径408中的电流，如表示电流流动的箭头所示。这可以通过将第一接触点412和第三接触点420连接到热电源150的相同的第一端子或相同的电源引线或者通过将第二接触点416和第四接触点424连接到热电源150的相同的第二端子或相同的电源引线来实现。在该实施方案中，第一电流加热路径404和第二电流加热路径408是电并联电路，其电流在反向平行方向上。

在该实施方案中，第二加热元件具有第三电流路径428和第四电流路径432。第三电流路径428和第四电流路径432也具有反向平行的电流路径流，使得它们能够充分地抵消彼此的磁场。第一加热元件154可以位于第一加热区域中，而第二加热元件可以位于第二加热区域中。不同的加热区可具有不同的电流量以提供两个独立受控的温度控制。在另一实施方案中，第一、第二、第三和第四电流路径可以电连接以形成单个加热元件，这些加热元件全部被一起控制以提供单个温度区域。

在其他实施方案中，降压转换器可以用另一种类型的转换器代替。优选地，对于第一加热电流路径的长度的至少50％，第一加热电流路径距第二加热电流路径在距离d内，并且对于第二加热路径长度的至少50％，第二加热电流路径距第一加热电流路径在距离d内。更优选地，对于第一加热电流路径的长度的至少75％，第一加热电流路径距第二加热电流路径在距离d内，并且对于第二加热路径长度的至少75％，第二加热电流路径距第一加热电流路径在距离d内。最优选地，对于第一加热电流路径的长度的至少100％，第一加热电流路径距第二加热电流路径在距离d内，并且对于第二加热路径长度的至少100％，第二加热电流路径距第一加热电流路径在距离d内。优选地，第一加热电流路径对于等于esc的半径的长度，距第二加热电流路径在距离d内。更优选地，第一加热电流路径对于等于esc的直径的长度，距第二加热电流路径在距离d内。优选地，第一加热电流路径对于至少5cm的长度，距第二加热电流路径在距离d内。优选地，d为4mm。更优选地，d为2mm。

为了充分消除相邻电流路径中的磁场，电流必须基本相等。优选地，基本相等的电流具有小于25％的差异。

图5是在另一实施方案中具有加热元件154的esc120的顶部示意图。在该示例中，加热元件154是三个单独的导电元件，其形成几乎三个完整的回路，其中第一加热电流路径504形成几乎完整的第一回路，第二加热电流路径508形成几乎完整的第二回路，以及第三加热电流路径528形成几乎完整的第三回路。第一加热电流路径504具有第一端512和在第一加热电流路径504的与第一加热电流路径504的第一端512相对的第二端处的接触点516。第二加热电流路径508具有在第二加热电流路径508的第一端处的接触点520和与第二加热电流路径508的第一端相对的第二端524。第三加热电流路径528具有第一端532和在第三加热电流路径528的与第三加热电流路径528的第一端532相对的第二端处的接触点536。在该示例中，第一电流路径504、第二电流路径508和第三电流路径528沿着第一电流路径504的长度的100％彼此相距均在4mm内。在该示例中，引线以一定的方式连接到第一加热电流路径504、第二加热电流路径508和第三加热电流路径528，导致电流流过加热元件154，使得第一电流路径504中的电流反向平行于第二电流路径508中的电流，并且第二电流路径508中的电流反向平行于第三电流路径528中的电流，如表示电流的箭头所示。此外，第一电流路径504和第三电流路径528中的电流之和基本上等于第二电流路径508中的电流。这可以通过将接触点520连接到热电源150的第一端子，并且将接触点516和接触点536连接到热电源150的第二端子，且将第一加热电流路径504的第一端512、第二加热电流路径508的第二端524和第三加热电流路径528的第一端532连接在一起来实现。另外，第二加热电流路径的电流将等于第一加热电流路径的电流和第三加热电流路径的电流之和。

可以提供其他配置，其使用具有反向平行的电流的相邻电流路径，以便基本上消除由电流路径产生的磁场。这种系统通过减少由电阻加热元件产生的磁场来改善高深宽比蚀刻。在其他配置中，衬底支撑件可以用在电容耦合或其他动力等离子体处理室中。在其他实施方案中，第一和第二加热电流路径可以由多个导电路径构成，并且流过第一加热电流路径的电流之和是在流过第二加热电流路径的电流之和的25％之内，这样总和基本相等。可以使用其他衬底支撑件代替esc。例如，衬底支撑件可以使用机械卡盘系统。

在一些实施方案中，加热电流路径形成圆的大部分圆周或形成螺旋。这种配置使得能单独控制内部区域和外部区域。在其他实施方案中，加热电流路径可以是线性的或者可以具有其他配置。电阻加热元件可以嵌入在esc的衬底支撑体中或嵌入在衬底支撑体的表面上。

虽然本公开已根据几个优选的实施方式进行了描述，但是存在落入本发明的范围之内的变更、置换、修改和多种替代等同方案。还应当注意，有许多实现本公开的方法和装置的替代方式。因此，下面所附的权利要求意在被解释为包括落入本公开的真正的精神和范围之内的所有这些变更、置换和多种替代等同方案。