場加強感應耦合等離子體(fe-icp)反應器的製作方法

2023-06-23 19:27:06 1

專利名稱：場加強感應耦合等離子體(fe-icp)反應器的製作方法
技術領域：
本發明的實施例大體上是關於半導體處理設備，且特別是關於感應耦合等離子體處理系統。
背景技術：
感應耦合等離子體(ICP)處理反應器一般是利用設在處理腔室外的一或多個感 應線圈來感應處理腔室內的處理氣體中的電流而產生等離子體。感應線圈可設於腔室外部 並例如通過電介質蓋而與腔室電氣分隔。對一些等離子體處理來說，加熱器組件設在電介 質蓋上方，以助於維持處理期間或之間的腔室中的恆定溫度。加熱器可為斷開式(open break)加熱器(如非閉合電迴路)或不斷式(nobreak) 加熱器(如閉合電迴路)。在加熱器組件為斷開式加熱器組件的實施例中，加熱器組件會引 起等離子體不均勻性，以致例如造成不均勻的處理基板蝕刻速度或不對稱的蝕刻圖案。以 不斷式加熱器組件取代斷開式加熱器組件可消除等離子體不均勻性。但在加熱器組件為不 斷式加熱器組件的實施例中，傳遞至感應線圈的射頻(RF)能量也會感應耦合至不斷式加 熱器組件，因而不當減少處理腔室內用於產生等離子體的能量(例如，不斷式加熱器組件 縮小等離子體點燃操作範圍(plasma strike window))0因此，需要改良的感應耦合等離子體反應器。

發明內容
在此提出場加強感應耦合等離子體反應器和其使用方法的實施例。在一些實施例 中，場加強感應耦合等離子體處理系統包括處理腔室，所述處理腔室具有電介質蓋和設於 電介質蓋上方的等離子體源組件。等離子體源組件包括一或多個線圈，配置以感應耦合射 頻(RF)能量至處理腔室內，以在其中形成及維持等離子體；一或多個電極，配置以電容耦 合RF能量至處理腔室內，以在其中形成等離子體，其中一或多個電極系電氣耦接至一或多 個線圈的一者；以及RF產生器，耦接至一或多個感應線圈和一或多個電極。在一些實施例 中，加熱器組件系設置在電介質蓋與等離子體源組件之間。在一些實施例中，形成等離子體的方法包括提供處理氣體至處理腔室的內容積， 所述處理腔室具有電介質蓋、以及設於蓋上方的一或多個線圈和一或多個電極，其中一或 多個電極系電氣耦接至一或多個線圈的一者。來自RF功率源的RF功率提供至一或多個線 圈和一或多個電極。利用RF功率源提供的RF功率而可由處理氣體產生等離子體，RF功率 源分別通過一或多個線圈和一或多個電極而感應及電容耦合至處理氣體。


為讓本發明的上述特徵更明顯易懂，可配合參考實施例說明，其部分如附圖所示。 須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其並非用以限定本發明的精神與範 圍，本領域技術人員當可作各種改變而得等效實施例。
圖1示出根據本發明一些實施例的場加強感應耦合等離子體反應器的側視圖。圖2A-B示出根據本發明一些實施例，場加強感應耦合等離子體反應器的線圈和 電極的俯視圖。 圖3示出根據本發明一些實施例，場加強感應耦合等離子體反應器的加熱器組件 的俯視圖。圖4A-B分別示出根據本發明一些實施例，圖1場加強感應耦合等離子體反應器的 等離子體源組件的不同配置的示意圖。圖5示出根據本發明一些實施例，形成等離子體的方法的流程圖。為助於了解，各圖中共通的組件以相同的組件符號表示。應理解某一實施例所揭 露的組件和特徵結構當可用於其它實施例，而不需特別提及。
具體實施例在此提出場加強感應耦合等離子體反應器和其使用方法的實施例。本發明的感應 耦合等離子體反應器有利於提供較高的射頻(RF)能量來點燃等離子體(如提高的或加強 的等離子體點燃操作範圍)。此外，本發明的感應耦合等離子體反應器有利於提供極佳的等 離子體點燃能力，又不會實質改變等離子體的均勻性、密度或其它預定等離子體特性。圖1示出根據本發明一些實施例的場加強感應耦合等離子體反應器(反應器100) 的側視圖。反應器100可單獨使用或做為集成式半導體基板處理系統或叢集工具(cluster tool)的處理模塊，例如CENTURA 集成式半導體晶圓處理系統，其可取購於美國加州聖克 拉拉市的應用材料公司(Applied Materials, Inc.)。適合受益於根據本發明實施例的修 改的等離子體反應器的例子包括感應耦合等離子體蝕刻反應器，例如半導體設備的DPS 線(如DPS 、DPS II、DPS AE, DPS G3多晶矽蝕刻機、DPS G5等)也可購自應用材 料公司。上列半導體設備僅為舉例說明而已，其它蝕刻反應器和非蝕刻設備(如CVD反應 器或其它半導體處理設備)亦適合根據本發明教導而修改。反應器100 —般包括具有導電主體(壁)130與電介質蓋120 (其一同定義處理容 積)的處理腔室110、設於處理容積內的基板支撐基座116、等離子體源組件160和控制器 140。壁130通常耦接至電氣接地134。在一些實施例中，支撐基座(陰極)116經由第一匹 配網絡124耦接至偏壓功率源122。偏壓源122例如為高達1000瓦(W)、頻率約13. 56兆 赫(MHz)的來源，其可產生連續或脈衝功率，然而也可視特殊應用需求而採取其它頻率和 功率。在其它實施例中，源122可為直流(DC)或脈衝式DC源。在一些實施例中，電介質蓋120大體呈平坦。腔室110的其它變化例具有其它類 型的蓋，例如圓頂狀或其它形狀的蓋。等離子體源組件160 —般設在蓋120上方，用以感應 耦合RF功率至處理腔室110內。等離子體源組件160包括一或多個感應線圈、一或多個電 極和等離子體功率源。一或多個感應線圈可設在電介質蓋120上方。如圖1所示，二線圈 (內部線圈109和外部線圈111)置於蓋120上方。若設置多個線圈，則可按同心圓排列線 圈，例如將內部線圈109置於外部線圈111內。各線圈的相對位置、直徑比及/或各線圈 中的匝數可依需求調整，以例如控制所形成的等離子體的分布或密度。一或多個感應線圈 (如圖1所示的線圈109、111)經由第二匹配網絡119耦接至等離子體功率源118。等離子 體源118例如可以50千赫(kHz)至13. 56MHz的變頻產生高達4000W的功率，然而也可視特殊應用需求而採取其它頻率和功率。在一些實施例中，功率分配器(power divider)(如分頻電容器；dividing capacitor)設在一或多個感應線圈之間，用以控制等離子體功率源118供給各線圈的相對 RF功率量。例如，如圖1所示，功率分配器104置於線路上，所述線路將內部線圈109和外 部線圈111耦接至等離子體功率源118，以控制供給各線圈的RF功率量(進而協助控制對 應於內部與外部線圈的區域中的等離子體特性)。 一或多個電極電氣耦接至一或多個感應線圈的一者(如圖1的內部線圈109或外 部線圈111)。在一示例的非限定實施例中，如圖1所示，等離子體源組件160的一或多個 電極為二個電極112A、112B，其設在內部線圈109與外部線圈111之間且鄰接電介質蓋120。 每一電極112a、112b電氣耦接至內部線圈109或外部線圈111。如圖1所示，各電極112A、 11 分別經由電連接器1134、11%耦接至外部線圈111。1^功率可經由等離子體功率源118 和與之相連的感應線圈(如圖1中的內部線圈109或外部線圈111)而提供至一或多個電 極。在一些實施例中，一或多個電極系可移動地耦接至一或多個感應線圈的一者，以 助於一或多個電極相對於電介質蓋120的相對定位，及/或一或多個電極相對於彼此的相 對定位。例如，一或多個定位構件可耦接至至少一電極的一或多者來控制其位置。定位構 件可為任何能依需求而協助定位一或多個電極的手動或自動裝置，例如包括導螺杆、線性 軸承、步進馬達、楔等裝置。耦接一或多個電極至特定感應線圈的電連接器可為彈性的，以 協助此種相對移動。例如，在一些實施例中，電連接器包括一或多個彈性構件，例如包線 (braided wire)或其它導體。在一些實施例中，如圖1所示，定位構件115A、115B可耦接至各電極(如電極112A、 112B)，以獨立控制其位置和定向(以垂直雙箭頭102和電極112a、112b的虛線延伸部分表 示)。在一些實施例中，定位構件可獨立控制一或多個電極的各電極的垂直位置。例如，如 圖4A所示，電極112a的位置受控於定位構件115A，而與電極112b的位置無關，其受控於定 位構件115b。此外，定位構件115a、115b還控制電極的角度或傾斜(或一或多個電極定義的 電極平面)。例如，如圖4B所示，電極1 12a、1 12b定義的平面404相對於參考平面402 (如平 行腔室蓋120)的角度受控於定位構件115Α、115Β&—個或二個。或者，不同的構件(未示 出)可設置來控制電極傾斜。針對一電極相對於其它電極的垂直位置的獨立控制，及/或 針對電極平面的傾斜或角度的控制可促進電極提供的相對的電容耦合量(例如，設置靠近 處理腔室的處理容積的電極引起較多電容耦合，設置遠離處理腔室的處理容積的電極引起 較少電容耦合)。例如，在一些實施例中，如圖1所示，電極設置鄰近線圈基底並位於大體平行於電 介質蓋120的平面，因而增強電極所提供的電容耦合。也可採用其它電極配置，例如電極相 對於電介質蓋120和相對於電極彼此而置於不同垂直距離及/或不同角度。控制等離子體 源組件160的一或多個電極所提供的RF功率的電容耦合量有助於控制腔室內的等離子體 特性。例如，增強等離子體源組件160的一或多個電極所提供的電容耦合可加大等離子體 點燃操作範圍(在更寬的處理條件下增強點燃等離子體的能力)，同時維持感應耦合等離 子體的預期特性。選擇性控制一或多個電極的位置容許產生剛好的電容耦合來點燃等離子 體，而不會耦合太多的RF能量至形成的等離子體內，以致不當改變其特性(如密度、解離比例、離子/中子比率等)。再者，控制一或多個電極的相對位置或傾斜還有助於對可能造成 不均勻等離子體的處理影響進行補償(如不對稱氣體輸送及/或抽吸所引起的不均勻氣體 速度)。例如，通過相對高等離子體密度區域增強低等離子體密度區域中的電容耦合，腔室 內的整體等離子體分布將更均勻，故有助於更均勻的處理。
等離子體源組件160的一或多個電極可對稱排列在電介質蓋120頂部，以促進RF 能量均勻耦合至等離子體。在一些實施例中，一或多個電極並非配置以提供連續路徑來感 應一或多個電極內的電流。故在採用單一電極的實施例中，電極包括介電斷路，如此電極不 會形成導電圓環。然此單一斷路可能因非對稱配置而造成等離子體不均勻性。在採用單一 電極的實施例中，電極中介電斷路布置為補償腔室內的自然等離子體分布，以符合較高等 離子體密度或鄰近腔室泵埠的區域。在一些實施例中，至少二個電極用來對稱分配任何由電極間的介電空間引起的等 離子體作用。例如，圖2A示出反應器100的一個示例實施例的示意俯視圖，反應器100具 有大體等距相隔且置於內部線圈109與外部線圈111間的二個拱形電極112a、112b。把電 極表面積作為因素而計入對電極所提供的電容耦合的控制。故電極可為平面或大體平面。 在一些實施例中，電極的弧長和寬度恰適合置於感應線圈間，並保持電極間的介電空間。寬 度則相應地選擇而用於定義各電極的表面積，從而定義電容耦合至處理腔室110內的RF能 量的大小。雖然圖1及圖2A顯示一對電極，但也可採用其它數量和形狀的電極，例如三、四或 更多個。例如，如圖28所示，四個四分之一環狀電極1仏、1仏、117。、1171)設置而沿著其周 長大體圍繞內部線圈109。四個四分之一環電極可大體彼此等距間隔設置，並且可設置在 內部線圈109與外部線圈111間。每一電極117A_D通過各電連接器125A_D耦接至外部線圈 111 (或內部線圈109)。電連接器125A_D基本上等同於如下參照圖1描述的電連接器113a_b。回到圖1，加熱器組件121設在電介質蓋120頂部，以協助加熱處理腔室110的內 部。加熱器組件121置於電介質蓋120與感應線圈109、111和電極112A_B之間。在一些實 施例中，加熱器組件121包括電阻式加熱組件，且可耦接至電源供應器123，例如交流(AC) 電源供應器，配置以提供充足的能量來將加熱器組件121的溫度控制在約50°C至約100°C 之間。在一些實施例中，加熱器組件121為斷開式加熱器。在一些實施例中，加熱器組件 121包含不斷式加熱器，例如環狀元件，以助於在處理腔室110內形成均勻等離子體。例如，圖3示出根據本發明一些實施例的加熱器組件121的平面視圖。加熱器組 件121包括環狀部分300，環狀部分300具有往內延伸的鰭狀物302。在一些實施例中，如 圖1及3所示，環狀部分300沿著電介質蓋120的周圍設置(例如，環狀部分300的外徑實 質等於電介質蓋120的外徑)。在一些實施例中，環狀部分300的外徑大於或小於電介質蓋 120的外徑。亦可採用其它適合的環狀部分300構造，以允許大體均勻加熱電介質蓋120。 鰭狀物302可具任何適當寬度、長度、數量及/或位於環狀部分300附近的任何位置，以向 處理腔室110提供預定的熱量和分布。如圖3所示，鰭狀物302對稱排列在加熱器組件121 的環狀部分300的四周，並由環狀部分300放射狀向內延伸。回到圖1，操作期間，基板114(如半導體晶圓或其它適合等離子體處理的基板)放 在基座116上，處理氣體從氣體分配盤(gas panel) 138經由入口 126供應，而於處理腔室 110內形成氣態混合物150。通過施加等離子體源118的功率至感應線圈109、111和一或多個電極(如電極112A、112B)，則可在處理腔室110中，將氣態混合物150點燃成等離子體 155，此將參照圖5詳述於後。在一些實施例中，偏壓源122的功率也可施加至基座116。腔 室110的內部壓力可利用節流閥127和真空幫浦136控制。腔室壁130的溫度可利用穿過 壁130的含液體導管(未示出)控制。通過穩定支撐基座116的溫度可控制晶圓114的溫度。在一實施例中，氦氣從氣 源148經由氣體導管149供給位於晶圓114背側與設置在基座表面內的溝槽(未示出)之 間的信道。氦氣用來促進基座116與晶圓114間的傳熱。處理時，基座116由基座內的電 阻式加熱器(未示出)加熱達穩態溫度，氦氣有助於均勻加熱晶圓114。通過此種熱控制， 晶圓114可例如維持在約0-500°C之間。控制器140包含中央處理單元(CPU) 144、用於CPU 144的內存142和支持電路 146，以協助控制反應器110的部件和所述的形成等離子體的方法。控制器140可為任一型 式的通用計算機處理器，其用於工業設定來控制不同的腔室和子處理器。CPU 144的內存 (或計算機可讀取媒體)142可為一或多種容易取得的內存，例如隨機存取內存(RAM)、只讀 存儲器(ROM)、軟盤、硬碟、或其它近端或遠程的數字儲存器。支持電路146耦接至CPU 144， 以通過傳統方式支持處理器。這些電路包括高速緩衝儲存器(cache)、電源供應器、時鐘電 路、輸入/輸出電路、次系統等。本發明的方法儲存於內存142中當作軟體例程(routine)， 其經執行或請求而依上述方式控制反應器100的運作。軟體例程亦可儲存及/或由第二 CPU(未示出)執行，其設置為遠離CPU 144控制的硬體。圖5示出根據本發明一些實施例，在類似上述反應器100的場加強感應耦合反應 器中形成等離子體的方法500。方法一般始於步驟502，其中處理氣體提供到處理腔室110。 處理氣體從氣體分配盤138經由入口 126供應，而於處理腔室110內形成氣態混合物150。 在提供處理氣體之前或之後，如上述加熱諸如壁130、電介質蓋120和支撐基座116的腔室 部件達預定溫度。施加功率源123的功率至加熱器組件121，藉以加熱電介質蓋120。控制 供應功率，以維持處理腔室110在處理時呈預定溫度。接著，在步驟504中，將來自RF功率源118的RF功率提供至一或多個感應線圈和 一或多個電極，進而分別感應及電容耦合至處理氣體混合物150。RF功率例如以高達4000W 和50kH至13. 56MHz的變頻提供，然而也可採用其它功率和頻率來產生等離子體。當一或 多個電極電氣耦接至一或多個感應線圈之時，RF功率被同時供給一或多個感應線圈和一或 多個電極。 在一些實施例中，如步驟506所示，利用一或多個感應線圈，將第一 RF功率量感應 耦合至處理氣體。設有不斷式加熱組件(如加熱器組件121為不斷式加熱組件的實施例) 會因部分第一 RF功率量感應耦合至加熱器組件121而不期望地減少第一 RF功率量，以致 難以點燃等離子體。然如步驟508所示，利用電極112A_B，將第二 RF功率量電容耦合至處理 氣體。由於第二 RF功率量電容耦合至處理氣體，且不會因感應耦合至加熱器組件121而減 少，故第二 RF功率量可增強在更寬的條件範圍內點燃等離子體的能力。電容耦合至處理氣體的第二 RF功率量例如可通過加長(以減少電容耦合)或縮 短(以增加電容耦合)各電極(如電極112a、112b)與電介質蓋120間的距離而控制。如上 所述，一或多個電極的位置經獨立控制，使得電極和電介質蓋為等距或不等距相隔。也可控 制各電極與加熱器組件121間的距離，以免二者間產生電弧。
電容耦合至處理氣體的第二 RF功率量例如可通過控制電極平面(如電極112a、 112b底部)與電介質蓋120間的傾斜或角度而被控制。一或多個電極(如電極112a、112b) 的平面定向可被控制，以協助調整處理腔室110的特定區域中電容耦合至處理氣體混合物 150的第二RF功率量(例如，當電極平面傾斜時，一或多個電極的某一部分將比其它部分更 靠近電介質蓋120)。在步驟510中，利用感應線圈109、111和電極112A_B分別提供的第一和第二 RF功 率量，由處理氣體混合物150產生等離子體155。一旦點燃等離子體並獲得等離子體穩定 性，方法500通常將結束，等離子體處理則依需求持續進行。例如，至少部分處理可採用每 一標準處理配方的RF功率設定和其它處理參數而繼續進行。或者或此外，一或多個電極可 進 一步移動遠離電介質蓋120，以減少處理期間RF功率電容耦合至處理腔室110。或者或 此外，一或多個電極可移動更靠近電介質蓋120或傾斜呈一角度，以增加RF功率電容耦合 至處理腔室110、或控制電容耦合至處理腔室110區域的相對RF功率量。在此已提出場加強感應耦合等離子體反應器和其使用方法。本發明的場加強感應 耦合等離子體反應器有利於增加腔室內用來點燃等離子體的RF功率，又不會改變其它等 離子體特性，例如等離子體均勻性或離子密度。本發明的場加強集成式等離子體反應器更 有利於控制及/或調整處理時的等離子體特性，例如均勻性及/或密度。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本領域技術人 員在不脫離本發明的精神和範圍內，可進行其它和進一步的實施例，因此本發明的保護範 圍當視後附的權利要求所界定為準。
權利要求
1.一種場加強感應耦合等離子體處理系統，包含 處理腔室，具有電介質蓋；以及等離子體源組件，設於所述電介質蓋上方，所述等離子體源組件包含 一或多個線圈，配置為將射頻(RF)能量感應耦合至所述處理腔室內，以在其中形成及 維持等離子體；一或多個電極，配置為將RF能量電容耦合至所述處理腔室內，以在其中形成所述等離 子體，其中，所述一或多個電極電氣耦接至所述一或多個線圈；以及 RF產生器，耦接至所述一或多個感應線圈和所述一或多個電極。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述一或多個線圈還包括 外部線圈；以及內部線圈。
3.根據權利要求2所述的系統，其中，所述一或多個電極還包括二個電極，等距相隔且設置於所述內部線圈與所述外部線圈之間，其中，每一電極電氣 耦接至所述外部線圈。
4.根據權利要求2所述的系統，其中，所述一或多個電極還包括四個四分的一環狀電極，等距相隔且設置於所述內部線圈與所述外部線圈之間，其中， 每一電極電氣耦接至所述外部線圈。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的系統，還包括一或多個位置控制構件，耦接至所述一或多個電極，用以獨立地控制限定於所述電介 質蓋與所述一或多個電極之間的垂直距離。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的系統，其中，所述一或多個電極所定義的電極平 面相對於所述電介質蓋的角度是可調整的。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的系統，還包括加熱器組件，設置在所述電介質蓋與所述等離子體源組件的所述一或多個電極之間。
8.根據權利要求7所述的系統，還包括交流(AC)電源供應器，耦接至所述加熱器組件。
9.根據權利要求7或8所述的系統，其中，所述加熱器組件為不斷式加熱器組件。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的系統，還包括支撐基座，設置在所述處理腔室內，所述處理腔室具有耦接至所述支撐基座的偏壓功 率源。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的系統，其中，所述一或多個電極還包括 二個電極，等距相隔設置。
12.—種形成等離子體的方法，包含將處理氣體提供至處理腔室的內容積，所述處理腔室具有電介質蓋，並且具有設置於 所述電介質蓋上方的一或多個線圈和一或多個電極，其中，所述一或多個電極電氣耦接至 所述一或多個線圈的一者；將來自射頻(RF)功率源的RF功率提供至所述一或多個線圈和所述一或多個電極；以及利用所述RF功率源提供的所述RF功率，由所述處理氣體形成等離子體，所述RF功率源分別通過所述一或多個線圈和所述一或多個電極而感應及電容耦合至所述處理氣體。
13.根據權利要求12所述的方法，其中，將所述RF功率提供至所述一或多個線圈和所 述一或多個電極的步驟包含通過所述一或多個線圈而將來自RF功率源的第一 RF功率量感應耦合至所述處理氣 體；以及通過所述一或多個電極而將來自所述RF功率源的第二 RF功率量電容耦合至所述處理 氣體。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述處理腔室還包括設置在所述電介質 蓋頂部的不斷式加熱器組件，並且還包括向所述加熱器組件供應功率，以控制所述處理腔室的溫度。
15.根據權利要求12至14中任一項所述的方法，還包括調整所述一或多個電極的至少一個與所述電介質蓋之間的垂直距離、或調整所述一或 多個電極所限定的電極平面相對於所述電介質蓋的角度，以控制等離子體的均勻性或離子 密度的至少一者。
全文摘要
本發明提出場加強感應耦合等離子體反應器和其使用方法的實施例。在一些實施例中，場加強感應耦合等離子體處理系統包括處理腔室，所述處理腔室具有電介質蓋和設置於電介質蓋上方的等離子體源組件。等離子體源組件包括一或多個線圈，配置為將射頻(RF)能量感應耦合至處理腔室內，以在其中形成及維持等離子體；一或多個電極，配置為將RF能量電容耦合至處理腔室內，以在其中形成等離子體，其中一或多個電極電氣耦接至一或多個線圈的一者；以及RF產生器，耦接至一或多個感應線圈和一或多個電極。在一些實施例中，加熱器組件設置在電介質蓋與等離子體源組件之間。
文檔編號H05H1/34GK102106192SQ200980129618
公開日2011年6月22日 申請日期2009年7月17日 優先權日2008年7月30日
發明者卡爾蒂克·拉馬斯瓦米, 瓦倫汀·N·圖杜羅, 薩姆爾·班納, 麥可·D·威爾沃斯 申請人:應用材料公司