温度受控/电偏压晶片环绕
1.本技术主张2021年2月4日提出申请的序列号为17/167,416的美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的全部公开内容并入本案供参考。
技术领域
2.本公开的实施例涉及提高蚀刻速率均匀性且更确切来说提高通过带状离子束扫描的工件的蚀刻速率均匀性的系统及方法。
背景技术：
3.离子束可用于植入掺杂物、蚀刻材料或将工件(例如，硅衬底)非晶化。这些离子束可使用半导体处理系统来形成，所述半导体处理系统包括生成所期望物种的离子的离子源。在某些实施例中，通过选择所期望物种的多个组件来提取并操控这些离子且朝向工件引导所述离子。在其他实施例中，离子源被定位成靠近工件且从离子源朝向工件吸引离子。
4.在一些实施方案中，可需要严密地控制各种参数的均匀性。举例来说，在某些应用中，可期望晶片宽度(width in wafer，wiw)蚀刻速率在3％到5％(3σ值)内或更好。然而，由于束流在其整个宽度上的变化且由于其他现象，可能难以达成所述蚀刻速率。
5.举例来说，就带状离子束来说，这些带状束通常在x方向上具有不均匀束流，尤其是在带状束的末端处。
6.此外，可将工件设置在穿过带状离子束的工件固持器上。此工件固持器可包括延伸超出工件的一部分。此部分可被称为环绕件或环圈。工件与环圈之间的任何电不连续性或热不连续性均可能会导致蚀刻速率均匀性发生变化。
7.因此，如果存在使用扫描带状离子束达成所期望的蚀刻速率均匀性的系统及方法，则将是有益的。此外，如果所述系统可容易适应不同的蚀刻物种，则将是有益的。
技术实现要素：
8.公开一种用于均匀地蚀刻工件的系统及方法。所述系统包括：半导体处理系统，生成带状离子束；及工件固持器，使所述工件接受带状离子束的扫描。所述工件固持器包括延伸超出工件的一部分，所述部分被称为环圈。可独立地对所述环圈进行加热以补偿蚀刻速率不均匀性。在一些实施例中，可独立地对所述环圈加偏压以使得其电势不同于施加到工件的电势。在某些实施例中，所述环圈可被划分成可被单独控制的多个热区带。如此一来，可通过控制所述环圈的各个热的电势和/或温度来解决各种蚀刻速率不均匀性。
9.根据一个实施例，公开一种蚀刻系统。所述蚀刻系统包括：半导体处理系统，用于生成带状离子束；工件固持器；环圈，设置在所述工件固持器周围；以及扫描电动机，用于使所述工件固持器移动穿过所述带状离子束，其中所述环圈包括电阻加热器以修改所述环圈的温度。在某些实施例中，所述环圈包括导电框架及设置在所述导电框架上的保护覆盖层，且所述电阻加热器设置在所述保护覆盖层中或设置在所述保护覆盖层上。在某些实施例中，所述电阻加热器设置在所述保护覆盖层的面向所述导电框架的外表面上。在一些实施
例中，所述蚀刻系统包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述环圈上以监测所述环圈的温度。在某些实施例中，所述环圈包括导电框架及设置在所述导电框架上的保护覆盖层以及环圈偏压电力供应器，所述环圈偏压电力供应器用于以与施加到所述工件固持器的电压不同的电压对所述导电框架加偏压。在一些实施例中，所述环圈偏压电力供应器以所述工件固持器为参考，使得所述环圈维持与所述工件固持器的恒定电压偏移。在一些实施例中，使用绝缘材料将所述环圈与所述工件固持器电隔离。
10.根据另一实施例，公开一种蚀刻系统。所述蚀刻系统包括：半导体处理系统，用于生成带状离子束；工件固持器；环圈，设置在所述工件固持器周围；以及扫描电动机，用于使所述工件固持器移动穿过所述带状离子束，其中所述环圈包括多个热区带以补偿径向蚀刻速率不均匀性及线性蚀刻速率不均匀性两者。在一些实施例中，所述环圈包括框架及设置在所述框架上的保护覆盖层，且在所述保护覆盖层中或在所述保护覆盖层上设置有电阻加热器。在某些实施例中，所述电阻加热器设置在所述保护覆盖层的面向所述框架的外表面上。在一些实施例中，所述环圈被划分成多个热区带。在一些其他实施例中，所述多个热区带可被独立地控制。在一些实施例中，所述蚀刻系统包括热控制器及与所述热控制器连接的控制器，所述热控制器包括与所述多个热区带连接的多个电力供应器，其中将工件类型及蚀刻物种输入到所述控制器且所述热控制器将电力供应到所述多个热区带以达成所期望的温度轮廓(profile)。在某些实施例中，所述蚀刻系统包括温度传感器，所述温度传感器设置在至少一个热区带中以监测所述至少一个热区带的温度。
11.根据另一实施例，公开一种蚀刻系统。所述蚀刻系统包括：半导体处理系统，用于生成带状离子束；工件固持器；环圈，设置在所述工件固持器周围，其中所述环圈包括导电框架及设置在导电框架上的保护覆盖层；扫描电动机，用于使所述工件固持器移动穿过所述带状离子束；以及环圈偏压电力供应器，用于以与施加到所述工件固持器的电压不同的电压对所述导电框架加偏压。在一些实施例中，所述环圈偏压电力供应器以所述工件固持器为参考，使得所述环圈维持与所述工件固持器的恒定电压偏移。在一些实施例中，使用绝缘材料将所述环圈与所述工件固持器电隔离。在某些实施例中，所述导电框架被划分成多个导电区，其中施加到每一导电区的电压被独立地控制。在某些实施例中，所述蚀刻系统包括与所述环圈偏压电力供应器连接的控制器，其中将工件类型及蚀刻物种输入到所述控制器且所述环圈偏压电力供应器将电力供应到所述导电框架以达成边缘蚀刻速率的所期望改变。
附图说明
12.参考附图以更好地理解本公开，附图并入本案供参考且在附图中：
13.图1是根据一个实施例的半导体处理系统。
14.图2a-2c示出使用环圈偏压电力供应器的三个实施例。
15.图3示出根据一个实施例的电阻加热器。
16.图4是具有多个热区带的环圈的第一实施例。
17.图5a-5e示出各种蚀刻物种及工件类型的蚀刻速率图。
18.图6a-6e说明用于图4的环圈的针对各种蚀刻速率图的加热图案。
具体实施方式
19.如上文所述，可使用本发明系统来提高采用工件的系统的蚀刻速率均匀性，所述工件是由带状离子束扫描。
20.半导体处理系统1包括离子源，所述离子源包括由多个腔室壁101构成的离子源腔室100。在某些实施例中，这些腔室壁101中的一者或多者可由例如石英等介电材料构造而成。第一介电壁102的外部表面上可设置有射频(radio frequency，rf)天线110。rf天线110可由rf电力供应器120供电。在离子源腔室100内辐射递送到rf天线110的能量以将经由气体入口130引入的进气离子化。
21.在其他实施例中，离子源可以是间接加热式阴极(indirectly heated cathode，ihc)离子源、电容耦合等离子体源或另一类型的源。
22.被称为提取板104的一个腔室壁包括提取孔105，离子束106可通过所述提取孔105离开离子源腔室100。离子束106在水平方向上可比在高度方向上宽，所述水平方向也被称为x方向。具有这些特性的离子束可被称为带状离子束。提取板104可由导电材料(例如钛、钽或另一金属)构造而成。提取板104的宽度可超过300毫米。此外，提取孔105在x方向上可比工件10的直径宽。可以提取电压对此提取板104加偏压。在其他实施例中，提取板104可接地。
23.除半导体处理系统1之外，还存在工件固持器155。工件固持器155可被设置成靠近提取孔105。举例来说，工件固持器155可与提取孔105相距0厘米(cm)与25cm之间。在某些实施例中，工件固持器155可位于提取孔105的约1cm内。
24.可将工件10设置在工件固持器155上。使用在垂直方向171上移动的扫描电动机160来使工件固持器155接受扫描。此方向也被称为y方向。因此，工件固持器155被配置成使得在离子束106与工件固持器155之间存在相对的垂直移动。
25.工件固持器155包括固持工件10的静电夹。静电夹使用静电力将工件保持到工件固持器155。所述静电夹可包括基座、介电顶表面和多个电极，所述多个电极设置在所述基座与所述介电顶表面之间。可将不同的电压施加到电极以生成所期望的静电力。
26.环圈165环绕静电夹及工件10且在其中心中具有开口，所述开口对应于工件固持器155的位置。环圈165包括框架168，框架168可由例如金属等导电材料构造而成。框架168可由钛、铝或另一材料制成。在某些实施例中，框架168可以是镀镍的铝、经阳极处理的铝、或镍。在某些实施例中，框架168的形状可以是矩形的，具有用于容纳工件固持器155的圆形开孔。举例来说，框架168可以是约600毫米(mm)宽且1000mm长，圆形开口具有约300mm的直径。在其他实施例中，框架168可以是圆形的或另一形状。
27.另外，环圈165可包括保护覆盖层166，所述保护覆盖层166可设置在框架168的前表面上。保护覆盖层166保护框架168不暴露于离子，从而延长框架168的寿命且将对工件10的污染最小化。保护覆盖层166可以是贴附到框架168的前表面的介电材料或硅衬底。在一个特定实施例中，多个硅贴片设置在框架168上且用作保护覆盖层166。保护覆盖层166可以是任何所期望的厚度，例如约3mm。保护覆盖层166的尺寸可定为覆盖整个框架168。
28.可使用工件偏压电力供应器170对工件固持器155加偏压。在某些实施例中，来自工件偏压电力供应器170的输出是频率在5khz与50khz之间且振幅为100伏特到5,000伏特的脉冲式直流(direct current，dc)电压。
29.可使用环圈偏压电力供应器175独立地对环圈165加偏压。举例来说，框架168可与环圈偏压电力供应器175连接。来自环圈偏压电力供应器175的输出也可以是频率在5khz与50khz之间且振幅为100伏特到5,000伏特的脉冲式dc电压。
30.在某些实施例中，环圈偏压电力供应器175以工件偏压电力供应器170为参考，以使得环圈165与工件固持器155存在恒定的电压偏移。举例来说，在此实施例中，可将环圈偏压电力供应器175的输出设定为恒定的dc电压。
31.举例来说，图2a-2c示出三个不同的实施例。图2a示出其中环圈165始终处于与工件固持器155相同的电压处的实施例。此可通过将以工件偏压电力供应器170为参考的环圈偏压电力供应器175设定到0伏特来达成。在图2b中，环圈165相对于工件固持器155始终具有正偏移。此可通过将以工件偏压电力供应器170为参考的环圈偏压电力供应器175设定到正电压来达成。在图2c中，环圈165相对于工件固持器155始终具有负偏移。此可通过将以工件偏压电力供应器170为参考的环圈偏压电力供应器175设定到负电压来达成。环圈偏压电力供应器175可能够相对于工件固持器155供应在-500v与 500v之间的电压。如此一来，在一些实施例中，环圈165相对于离子源腔室100的偏压是由环圈偏压电力供应器175供应的电压与由工件偏压电力供应器170供应的电压的和。
32.在其他实施例中，环圈偏压电力供应器175可以接地为参考且环圈偏压电力供应器175的输出可与工件偏压电力供应器170同相，以使得来自两个电力供应器的脉冲是同步的。此外，在某些实施例中，只有在这些脉冲期间，环圈偏压电力供应器175的输出才不同于工件偏压电力供应器170。
33.虽然以上公开内容阐述了来自工件偏压电力供应器170的输出是脉冲式dc电压，但应理解，工件偏压电力供应器170可以是恒定的，而对提取板104加偏压的提取电压电力供应器提供脉冲式dc输出。在此实施例中，环圈偏压电力供应器175可维持恒定的电压。
34.为了对工件固持器155与环圈165施加不同的电压，可在这两个组件之间设置电绝缘材料167以将工件固持器155与框架168电隔离。可使用例如聚醚醚酮(peek)等材料来提供此电绝缘。
35.注意，如果框架168与工件固持器155始终维持在相同的电压处，则可不利用电绝缘材料167。
36.当进行脉冲发射时，施加到工件固持器155的电压是比施加到提取板104的电压更负的值。换句话说，如果将提取板104接地，则工件偏压电力供应器170生成负脉冲。在这些负脉冲期间，正离子被从离子源腔室100的内部吸引到工件10。如果对提取板104加正偏压，则工件偏压电力供应器170生成正性较小的脉冲或负脉冲，以使得在这些脉冲期间将正离子从离子源腔室100的内部吸引到工件10。
37.此外，虽然图1示出单个环圈偏压电力供应器175，但在某些实施例中，环圈165可被划分成几个导电区，其中可独立地控制每一导电区。举例来说，框架168可以是彼此使用电绝缘材料167分离的多个导电结构。因此，在此实施例中，环圈165的某些部分可处于大于工件固持器155的电压处，而环圈165的其他部分可处于与工件固持器155相同的电压处或比工件固持器155低的电压处。另外，在此实施例中，环圈165的某些部分可处于低于工件固持器155的电压处，而环圈165的其他部分可处于与工件固持器155相同的电压处或比工件固持器155高的电压处。如下文所述，施加到环圈165的每一区段的电压的选择可基于所采
用的蚀刻物种来进行。
38.热控制器190也可与环圈165连接。热控制器190可包括多个电力供应器，所述多个电力供应器将电压或电流供应到环圈165中的所述多个热区带中的每一者，如下文更详细地阐述。
39.控制器180可与工件偏压电力供应器170、环圈偏压电力供应器175、工件固持器155、热控制器190及其他组件进行连接。控制器180可包括处理单元181，例如微控制器、个人计算机、专用控制器或另一适合的处理单元。控制器180还可包括非暂时性存储元件182，例如半导体存储器、磁性存储器或另一适合的存储器。此非暂时性存储元件182可含有允许控制器180执行本文中所述的功能的指令183及其他数据。控制器180可能够经由扫描电动机160控制工件固持器155的移动。控制器180可能够分别经由热控制器190及环圈偏压电力供应器175控制环圈165的温度及电压。
40.可存在两种类型的蚀刻速率不均匀性。第一种被称为径向不均匀性，是工件的边缘处的不连续性所致。这些不连续性可以是化学不连续性、热不连续性或电不连续性。举例来说，如关于图1所述，在工件10周围可存在环圈165，环圈165包括框架168及保护覆盖层166。如果用于构造环圈165的材料比工件更能抵抗化学蚀刻，则此界面处可存在可用蚀刻物种的过剩，此可使得工件的外边缘被更快地蚀刻。反之，如果用于构造环圈165的材料不如工件能抵抗化学蚀刻，则环圈165可用作凹槽(sink)且此界面处可存在可用蚀刻物种的不足，此可使得工件的外边缘被更慢地蚀刻。如果环圈165的介电常数不同于工件，则在工件的边缘处可发生电场的畸变。当提取偏压是脉冲式的时，此畸变可吸引或拒斥来自工件10的边缘的离子。另外，如果环圈165比工件凉，则环圈165可以更快的速率从聚合气体化学品聚集沉积，此也可影响工件的边缘处的蚀刻速率。
41.第二类型的不均匀性被称为线性不均匀性。如上文所述，通过带状离子束在y方向上对工件10进行扫描。通常，带在x方向上的束流轮廓并不恒定。相反，通常，接近带状离子束的末端的电流轮廓可低于或大于接近带状离子束的中心的电流轮廓。
42.如图3中所示，可通过将电阻加热器335放置在环圈165的表面上或嵌置在环圈165内来控制环圈165的温度。当设置在表面上时，电阻加热器335可设置在保护覆盖层166的面向框架168的后表面上，以不暴露于离子束106。
43.在某些实施例中，电阻加热器335可包括沉积在环圈165的表面上的图案。举例来说，电阻加热器335可以是沉积在保护覆盖层166的后表面上的镍铬(nicr)图案。然后可使用绝缘材料(例如聚酰亚胺喷涂涂层或卡普顿胶带(kapton tape))来涂布此图案，以将所述图案与框架168绝缘。当然，可以其他方式实施电阻加热器。在此实施例中，所述图案设置在保护覆盖层166与框架168之间。此外，在某些实施例中，电阻加热器335可设置或嵌置在保护覆盖层166中。
44.在其他实施例中，电阻加热器335可设置在框架168的后表面上，且与框架168电绝缘。在这些实施例中的每一实施例中，电阻加热器335可设置在允许对环圈165进行加热但不会将电阻加热器335暴露于离子束106的位置中。
45.在某些实施例中，电阻加热器335的末端与电力供应器连接，所述电力供应器(例如，dc电力供应器或交流(alternating current，ac)电力供应器)是热控制器190的一部分。举例来说，可针对每一电阻加热器335使用能够产生高达10a的208v的ac电力供应器。当
然，还可使用其他电力供应器，例如120v的ac电力供应器或dc电力供应器。在一些实施例中，电阻加热器335被设置成尽可能邻近内径，以影响接近工件10的环圈165的温度。
46.还可在环圈165的后表面上设置温度传感器336，例如热电偶或热敏电阻器。温度传感器336可与热控制器190连接，所述热控制器190基于温度传感器336测量的温度来调节供应到电阻加热器335的电压和/或电流。在另一实施例中，可采用开环控制以使得不使用温度传感器336。
47.图3示出两个电阻加热器335；一个位于左侧上，产生第一热区带且另一个位于右侧上，产生第二热区带。然而，本公开并不仅限于此实施例。此外，虽然图3示出电阻加热器335呈蜿蜒图案，但还可使用其他图案。环圈165可被分段成任何数目个热区带。在某些实施例中，电阻加热器335可能够将热区带的温度提高到高达100℃。
48.举例来说，如图4中所示，环圈165可被划分成四个热区带302、303、304、305。每一热区带包括独立受控的电阻加热器335。可选地，每一热区带可包括专用温度传感器336以独立地控制每一热区带的温度。通过利用四个热区带，径向不均匀性及线性不均匀性两者均可得到解决，如下文所述。
49.举例来说，图4中的热区带之间的边界呈45
°
、135
°
、225
°
及315
°
。然而，其他大小也是可能的。举例来说，两个热区带302、304可大于或小于另外两个热区带303、305。举例来说，如果两个热区带302、304将大于另外两个热区带，则热区带之间的边界可呈60
°
、120
°
、240
°
及300
°
。类似地，如果两个热区带302、304将小于另外两个热区带，则热区带之间的边界可呈30
°
、150
°
、210
°
及330
°
。
50.在某些实施例中，可独立地控制这些热区带302到305中的每一者。在其他实施例中，可共同地控制两个或更多个热区带。举例来说，可共同地控制与带状离子束的末端轰击工件的位置对应的两个热区带303、305。类似地，可共同地控制另外两个热区带302、304。
51.图5a-5e示出蚀刻物种与工件类型的五种不同组合的蚀刻速率图。这些蚀刻速率图是通过在蚀刻操作之前在多个位置处测量工件的厚度且在蚀刻操作之后在所述相同的位置处测量厚度来形成。区580被蚀刻的程度比其他区大。区582被蚀刻的程度比其他区小。区581是蚀刻速率介于这两个极端之间的那些区域。
52.注意，这些蚀刻速率图中的每一者显示径向不均匀性、线性不均匀性或所述两种类型的不均匀性的叠加。具体来说，图5a及5c示出主要呈线性的不均匀性。图5b及5d示出主要呈径向的不均匀性。图5e示出两种类型的不均匀性。具体来说，在图5e中，存在致使工件的外边缘受到的蚀刻比工件的中心多的径向不均匀性。另外，存在致使带状离子束的末端进行的蚀刻小于离子束的中心的线性不均匀性。当这两种不均匀性组合时，仅工件的顶部边缘及底部边缘受到比工件的其余部分多的蚀刻。
53.图6a-6e示出可用于补偿分别与图5a-5e对应的蚀刻速率图的温度轮廓。注意，在图5a及5c中，沿着左边缘及右边缘的蚀刻速率小于工件上的其他位置。因此，在此情况中，如图6a及6c中所示，热区带303、305被设定到与其他热区带不同的温度。对于诸多工件及蚀刻物种来说，蚀刻速率与温度成正比。因此，为了增大沿着工件的左边缘及右边缘的蚀刻速率，将热区带303、305设定到比其他热区带高的温度。当然，对于一些蚀刻化学品来说，可能蚀刻速率与温度具有反关系。在此种情形中，为了增大沿着工件的左边缘及右边缘的蚀刻速率，将热区带303、305设定到比其他热区带低的温度。
54.图5b及5d示出其中外边缘具有比工件的其余部分低的蚀刻速率的径向不均匀性。在这些情形中，如图6b及6d中所示，所有的热区带302到305皆维持在不同的温度。如果蚀刻速率与温度成正比，则将热区带302到305设定到比工件高的温度。如果蚀刻速率与温度成反比，则将热区带302到305设定到比工件低的温度。
55.图5e示出其中工件的顶部边缘及底部边缘具有比工件的其余部分高的蚀刻速率的实例。因此，如图6e中所示，如果蚀刻速率与温度成正比，则将热区带302、304设定到比所述热区带的其余部分低的温度。如果蚀刻速率与温度成反比，则将热区带302、304设定到比所述热区带的其余部分高的温度。
56.因此，图4的环圈165可用于补偿径向不均匀性及线性不均匀性两者。
57.因此，在一个实施例中，控制器180接收关于正在使用的蚀刻物种以及工件类型的信息。此信息可经由输入装置(例如，键盘或触摸屏)来键入。基于此信息，控制器180向热控制器190指示环圈165中的热区带中的每一者的所期望温度。然后，热控制器190将电力供应到每一热区带以达成所期望的温度轮廓。
58.热控制器190可以若干种方式来实施。在一个实施例中，工件固持器中的每一热区带具有对应的专用电力供应器。在其他实施例中，某些热区带可被始终设定到相同的温度。在这些实施例中，可使用单个电力供应器将电力供应到一个以上热区带。
59.在另一实施例中，热控制器190可具有达到每一功率电平的一个电力供应器。这些电力供应器的输出用作多个开关或多路复用器的输入，其中每一开关用于选择将哪一输出施加到每一热区带。
60.此外，由于环圈165也与环圈偏压电力供应器175连接，因此可通过操控施加到环圈165的电压来修改蚀刻图案。举例来说，如上文所述，图5b及5d的蚀刻速率图案示出径向不均匀性。此可通过将与施加到工件固持器155的电压不同的电压施加到环圈165来校正。
61.在这些实施例中，控制器180接收关于正在使用的蚀刻物种以及工件类型的信息。此信息可经由输入装置(例如，键盘或触摸屏)来键入。基于此信息，控制器180向环圈偏压电力供应器175指示将被施加以达成边缘蚀刻速率的所期望改变的电压。
62.最后，在某些实施例中，可对环圈利用电压操控及温度操控来解决不均匀性。举例来说，控制器180可更改施加到环圈165的电压以补偿径向不均匀性，而控制器180可利用不同的热区带来补偿线性不均匀性。
63.本技术中在上文所述的实施例可具有诸多优点。如上文所述，某些工艺对整个工件利用非常严格的蚀刻速率容差，例如3％或小于3％的3σ值。
64.通过操控环圈165的电压，可使沿着工件的边缘的蚀刻速率发生变化。举例来说，在一项测试中，环圈偏压电力供应器175输出100v的电压。与使环圈保持与工件固持器155相同的电压的蚀刻工艺相比，沿着工件的边缘的蚀刻速率改变了2％。来自环圈偏压电力供应器175的较高输出电压可使得沿着工件的边缘的蚀刻速率发生较大的改变。
65.类似地，通过操控工件的各个区的温度，可更改与每一区相关联的蚀刻速率以在整个工件上达成更均匀的结果。
66.本公开的范围不受本文中所述的具体实施例限制。实际上，除本文中所述的实施例及修改之外，所属领域的技术人员从前述说明及附图将明白本公开的其他各种实施例及修改。因此，这些其他实施例及修改旨在处于本公开的范围内。此外，尽管本文中已在特定
实施方案的上下文中在特定环境中出于特定的目的阐述了本公开，但所属领域的技术人员将认识到其有用性并不仅限于此且可在任何数目个环境中出于任何数目个目的有益地实施本公开。因此，应鉴于本文中所述的本公开的全范畴及精神来解释上文所述的权利要求。