[发明专利]用于提高衬底内处理均匀性的动态温度背部气体控制

说明书

技术领域

本发明涉及控制沿着衬底的处理均匀性。本发明特别涉及在衬底处理过程中控制衬底的温度和变形，并调整衬底背部上的气体压强。

背景技术

在半导体制造中，形成于半导体衬底上的器件的复杂性继续以高速增加，而例如晶体管门的特征尺寸继续减小至远低于93纳米(nm)技术节点。结果，制造过程需要愈发精细的单元操作和处理整合方案，以及处理和硬件控制策略来保证器件沿着衬底的均匀制造。例如，在晶体管器件中栅电极结构的制造过程中，需要图案化系统和蚀刻系统来实现和保持栅极结构的临界尺寸(Critical Dimension，CD)既在高深宽比器件内垂直又在器件之间横向穿过衬底，所述图案化系统和蚀刻系统促进了形成于衬底上的多层材料膜中的栅极结构的形成。减小衬底上CD的变化，以及轮廓和侧壁角度(Side-Wall Angle，SWA)的变化，能够改变高性能器件(即速度、能量消耗等)的均匀产率。而且，例如在复杂形貌上沉积保形薄膜的过程中，需要沉积系统不仅在全部平坦表面，例如结构的平场和底部，而且也沿着高深宽比结构的侧壁沉积均匀厚度的薄膜。

在材料加工方法中，利用图案化和蚀刻系统来执行图案蚀刻，所述图案蚀刻包括把例如光致抗蚀剂的辐射敏感材料薄层涂覆到衬底的上表面，利用光刻法图案化所述辐射敏感材料薄层而在其中形成图案，和利用蚀刻处理把图案转印到下面的材料膜。例如，图案化辐射敏感材料通常包括用辐射敏感材料(例如光致抗蚀剂)涂覆衬底的上表面，然后利用例如光刻系统使辐射敏感材料曝光于电磁(Electro-Magnetic，EM)辐射的几何图案，然后利用显影溶剂去除辐射敏感材料的已辐照区(像用正光致抗蚀剂的情形下)或未辐照区(像用负光致抗蚀剂的情形下)。其后，利用蚀刻处理把在辐射敏感材料薄膜中形成的图案转印至下面的多个层，例如等离子干法蚀刻处理。

在等离子干法蚀刻过程中，利用等离子和在等离子参与下的化学反应，沿着衬底上图案化的细线或在衬底上图案化的通孔或触点中来去除或蚀刻材料。等离子蚀刻处理通常包括在处理室中定位具有上覆的图案化保护层的半导体衬底，所述保护层例如上述光致蚀刻剂层。一旦衬底被定位在处理室中，电离游离气体混合物以预定义的流速进入处理室中，同时调整真空泵以达到环境处理压力。之后，  当一小部分现有气体物质在交变电场存在下被电子电离时形成等离子体，所述交变电场是利用例如电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance，ECR)经由电感的或电容的射频(Radio Frequency，RF)功率或微波功率传输产生的。此外，加热电子用来电离某些物质周围气体物质并产生适合于曝露面蚀刻化学反应的反应物物质。一旦形成等离子体，用等离子体蚀刻衬底的所选表面。调整所述处理以达到适当的条件，包括在衬底的所选区域中，适当浓度的所需反应物和离子组合来蚀刻各种特征(例如，沟槽、通孔、触点等)。需要蚀刻的这些衬底材料包括二氧化硅(SiO₂)、低介电系数材料、多晶硅和氮化硅。

在所述等离子蚀刻系统中，处理结果沿着衬底的均匀性受到衬底上方处理空间内等离子体密度空间变化的影响，一般表示为电子密度空间分布n_e(r，θ)、处理化学中的空间差异(例如，化学物质的空间分布)和衬底温度的空间差异。通常，在处理空间中化学物质的停留时间τ(r，θ)可以同等离子体电离数量相关，所述等离子体电离由于化学组分和高能电子之间的相互作用而产生，因此，停留时间可以同处理化学相关；即，停留时间越长，化学组分的电离数量越多，而停留时间越短，化学组分的电离数量越少。

在蚀刻处理中，处理结果的均匀性可以包括沿着衬底的特征临界尺寸(CD)或沿着衬底的侧壁角度(SWA)的空间分布的均匀性(或非均匀性)。例如，在栅极结构形成过程中，一种蚀刻处理或一系列蚀刻处理之后，希望实现沿着衬底的栅极宽度(在所蚀刻特征的顶部和底部上，以及之间的区域)的均匀分布。

因为蚀刻处理受衬底温度影响，所以衬底温度的分布可以直接影响处理结果的空间分布。而且，衬底温度的区域分布，如果可控，可以用来弥补其他处理或系统的非均匀性。在通常的处理系统中，影响衬底温度的一个要素是衬底和衬底支架之间的热接触。例如，当把衬底固定到衬底支架上，为了提高衬底与衬底支架之间的热导率，把例如氦气的传热气体进入到衬底背部与衬底支架顶部之间的微小空间。除了在衬底外边缘处传热气体的一小部分泄露，传热气体到衬底背部的净流量基本为零。