全部表面可偏壓和/或溫度控制的靜電屏蔽射頻等離子源的製作方法
2023-04-26 01:17:31
專利名稱：全部表面可偏壓和/或溫度控制的靜電屏蔽射頻等離子源的製作方法
本申請涉及並要求以1997年11月14日申請的序號為60／065，794的美國臨時申請文件為優先權文本。該臨時申請文件的內容在此作為參考。
本發明涉及一種改進的等離子體處理系統，特別是這樣一種等離子體處理系統，即在該等離子體處理系統中，可向系統的全部表面施加電偏壓和／或對其加熱或冷卻，以提高系統的總體清潔度。本發明還可控制形成適當量的壁塗層以便對該處理產生積極影響。本發明還涉及這種處理系統的清潔處理方法。
高密度等離子體處理系統用於等離子蝕刻和／或澱積薄膜。系統的等離子源的不同部分塗敷有可冷凝物質，該可冷凝物質在等離子蝕刻和澱積處理期間產生。在源的不同表面上澱積的物質以不同方式影響等離子源的氣體化學性質。例如，一些澱積物從等離子體中吸收(即從氣體中去除)活性物質，這樣降低了蝕刻和澱積率。在源表面上的其它物質儘管是可冷凝的，也具有足夠高的蒸汽壓力，以便從源表面解吸附，從而改變等離子體的氣體成分。在壁上吸附的氣體物質通常是基團，並且與現有的壁塗層聚合，以產生具有肯定不同的蒸汽壓力和／或反應性的物質。通過等離子體的電極、離子或光子通量，在壁上冷凝的氣體物質也可交聯，以產生具有更加不同的蒸汽壓力和／或反應性的物質。特別是以未調節方式，通過吸收、解吸附冷凝的物質或通過任何其它方法，因此，等離子體氣體成分變化，從而導致失去對總體處理的控制。這裡，由任何上述處理導致氣體成分的改變以下通常被描述為由於「壁對處理氣體所起的作用」造成的改變。
由於集成電路的複雜性增加和這些電路的形體尺寸減小，因此粒子汙染已成為一個日益嚴重的問題。雖然到1990年為止，利用清潔間已經大大減少了由於外界大氣產生的汙染，當時通常認為處理工具和處理過程本身是粒子汙染的主要來源。參見Selwyn等的Appl．Phys．Lett，57(18)1876—8(1990)。等離子體處理器已經被確定為主要的汙染源。見Selwyn等的真空科學與技術雜誌，A，7(4)2758—65(1989)；Selwyn等，1990；Selwyn等的真空科學與技術雜誌，A，9(5)2817—24(1991(a))；和Selwyn等的真空科學與技術雜誌，A，9(6)3487—92(1991(b))。到1990年為止，已經觀察到懸浮粒子，該懸浮粒子位於等離子體內的等離子體／等離子體包層的交界處，該等離子體用來蝕刻(見Selwyn等，1989)，澱積(見Spears等，電氣與電子工程師協會學報，等離子科學，PS—14(2)179—87(1986))和濺射(見Jellum等，應用物理雜誌，67(10)6490—6(1990(a)))。這些懸浮粒子在等離子體中成為負電荷(見Wu等，應用物理雜誌，67(2)1051—4(1990)和Nowlin，真空科學與技術雜誌，A，9(5)2825—33(1991))，並且在等離子體／等離子體包層的交界處被捕獲(Selwyn等，1990和Carlile，應用物理Lett．，59(10)1167—9(1991))。
當等離子體衰減時，粒子可落到晶片表面上，從而使晶片受到汙染。到1992年為止，人們相信晶片總汙染的70％到80％是由工具和製造裝置時的處理引起，並且等離子體處理器是現代生產線中「最髒」的工具。見Selwyn，真空科學與技術雜誌，A，10(4)1053—9(1992)。
結果，人們將注意力主要集中在直接控制等離子體處理器中粒子的產生和這種反應器的清潔。然而，還考慮到處理參數和在壁澱積減少和原地反應器清潔兩方面的處理室設計(見Vogt等，表面與塗布技術，59(1—3)306—9(1993))；並且已經描述了通過設計自清潔工具來控制粒子的汙染(見Selwyn et al．，1992)。最近已經考慮到利用氟化反應氣體進行原地清潔過程的優化。見Sobelewski等，真空科學與技術學會雜誌，B，16(1)173—82(1998)；Ino等，日本應用物理雜誌，33篇，1(1B)505—9(1994)和Ino等，電氣與電子工程師協會學報，半導體製造，9(2)230—40(1996)。
Yoneda(4，430，547號美國專利)描述了一種原地自清潔平行板等離子體裝置，其中通過嵌入的加熱電阻絲或循環加熱流體來對電極加熱。Benzing(第4，657，616號美國專利)和Krucowski(第4，786，392號美國專利)描述了一套不方便的可移走的夾具，在必須清潔時，該夾具必須放置在處理室內部，當清潔完成時，該夾具必須移走。Benzing(第4786352號美國專利)包括在電介質處理室的外表面上的兩個或多個電極，並且，通過在兩個或更多個電極之間施加射頻電壓，從而在處理室內產生等離子體，以便原地清潔。Hayes(第4，795，880號美國專利)使用一個管式爐的加熱線圈作為感應加熱元件，通過該感應加熱元件在管中產生一種清潔用等離子體。在爐的工作溫度下完成清潔。Law(第4，960，488號美國專利)描述了一種單晶片處理室，該處理室能夠局部室自蝕刻和廣域室自蝕刻。由於處理室工作壓力的範圍較寬和電極間距可變化，這兩種蝕刻都可能發生。Aoi(第5，084，125號美國專利)描述了一種處理室，該處理室具有一個處理部分和一個清潔部分。一個可移動的壁交替地布置在處理部分和清潔部分中。處理室沒有必要拆卸和為了清潔而中斷處理。Moslehi(第5，252，178號和第5，464，499號美國專利)描述了一個多區和多電極等離子體處理系統。該裝置允許多等離子電極以連續或者多路傳送形式激發。處理氣流可以間歇方式中斷並且引入清潔氣體，這樣進行原地清潔處理。Sekiya(第5，269，881號美國專利)包括具有多傳導電極的平行板處理室的內表面，這些電極相互絕緣。隨後一個高頻電場施加在呈不同電排布方式的電極之間，以便原地清潔。Blalock(第5，514，246和第5，647，913號美國專利)描述了一種感應耦合等離子反應器，該等離子反應器包括一個電容耦合電極，該電容耦合電極位於室壁的外表面和用來激發等離子體的感應線圈之間。在電容耦合電極和處理室內的導體之間產生的射頻場用於產生清潔用等離子體。Sandhu(第5，523，261和第5，599，396號美國專利)描述了一種感應耦合的等離子反應器，與Blalock中一樣，其中的電容耦合電極用來方便清潔。但是，與Blalock相比，該電極包括一種導電液體或一種導電聚合物，該導電液體或導電聚合物充入處理室的內壁與外壁之間的空腔內，並且僅在處理室清潔期間激活。
Grewal(5，597，438號美國專利)描述了具有三個獨立控制電極的蝕刻室。它採用了感應耦合與電容耦合。Usami(申請號為2，308，231的英國專利)描述了一種電容激活反應器，其中極板不平。利用樣品座來激活清潔用等離子體，這樣可以進行清潔，該樣品座是供電電極或者是接地電極。在一個實施例中，在清潔過程中使用兩種頻率的電源。
在等離子體蝕刻期間，在壁對處理氣體作用的情況下，蝕刻率以不受控制的方式變化，而且蝕刻的均勻性也大大降低。在等離子體澱積期間，由於壁對處理氣體的作用，澱積率、澱積膜的成分和膜澱積的均勻性都以不均勻並且不受控制的方式受到影響。由於在這些源中表面的化學性質不可預先控制，結果，利用源實施的整體處理也不可預先控制。在單晶片的處理期間，或者在從晶片到晶片產生變化的一個較長時間內，壁對處理氣體的作用發生了變化。
在蝕刻或澱積期間，對澱積和蝕刻處理室的壁加熱以便使冷凝降至最低是公知的。在澱積反應器內，使表面加熱到足以導致化學反應程度，因此，提高了欲澱積材料的澱積率，但是加熱到低於化學反應溫度閾值將促進廢氣解吸附。然而，加熱反應器的所有表面，與此同時，用壁所吸收的不需要物質的等離子物質形式的揮發性化合物轟擊這些表面，這不是我們在前面描述過的知識。而且，迄今為止，在反應器中，不可能與ESPF源不同。
利用Santa Clara材料，CA銷售一種蝕刻反應器，該蝕刻反應器利用氟的化學性質，並且使用一個加熱矽頂板，以便在蝕刻反應期間而不是反應器清潔期間將氟基團(F*)轉化為氟分子(F2)。一些其它已知的系統已試圖在處理期間控制各自表面的化學變化，例如在日本的標題為「乾式蝕刻」的申請文件61—289634中所公開的，其中通過把氧化鋁環裝在電極的外表面上，從而防止在電極上形成聚合物；日本的標題為「蝕刻裝置」的申請文件62—324404，其中熱水基加熱器安裝在氧化矽室上，以改善蝕刻性能；日本的標題為「蝕刻裝置」的申請文件63—165812，其中電加熱器安裝在室上，以防止反應產物附著在表面上。每一個這些申請文件的內容在此提供作為參考。然而，如果僅選擇的表面具有受控制的化學性質，那麼，由於其餘表面不太可靠地受到控制，因此，該其餘表面成為相應系統中存在壁對處理氣體起作用的總體控制因素。
已知的系統存在的另一個問題是，對於利用等離子蝕刻的源內的表面來說，其清潔很慢。事實上，在許多反應器中，清潔時間大大超過處理時間，特別是對厚澱積材料來說更是這樣。這種反應器本身花費不菲而且效率又低。
一些已知的系統已經採用在清潔期間對單獨部件施加電偏壓，例如在Sekiya等的標題為「等離子體處理裝置和等離子清潔方法」的第5，269，881號美國專利中所公開，其中，在清潔期間，給三個電絕緣的導電塊中的每一個分別施加高電壓；標題為「平行平板類型的乾式蝕刻裝置」的日本申請文件57—42131，其中電極的極性在噴射和清潔之間反轉；標題為「乾式清潔方法」的日本申請文件60—59739，其中高頻電源作用在一個基片電極和一個清潔電極之間，以便去除矽膜；標題為「半導體製造裝置」的日本申請文件61—10239，其中在等離子蝕刻／清潔處理期間，消除了陽極板的接地自偏壓。每一個這些申請文件的內容在此提供作為參考。然而，如上所述，通過控制表面上的化學性質，如果僅選擇的表面清潔，那麼由於其餘表面不太可靠地清潔，因此該其餘表面成為其相應系統的總體不潔度的控制因素。
本發明的第一目的是克服公知的等離子體處理系統的至少一個缺點。
本發明的第二目的是提供一種控制高密度等離子源的全部表面的化學性質的方法。
本發明的第三目的是提供清潔等離子體處理系統的一種改進的方法，該方法減少了等離子源的清潔時間。
通過提供既可調節源的每個表面的溫度又可調節其電偏壓的能力，可實現本發明的這些和其它目的。源內的所有表面使用一種材料，該材料有助於控制發生在每個表面的化學反應，這樣，就能實行這種調節。
結合附圖，並參考下面的詳細描述，就可以更完整的理解本發明及其許多優點，其中
圖1A是根據本發明的一等離子體處理室的側視圖；圖1B是根據本發明的等離子體處理室的俯視圖；圖1C是根據本發明的等離子體處理室的橫截面圖，其橫截面是從項部至底部截取；圖1D是根據本發明的等離子體處理室的橫截面視圖，其中橫截面是沿著平行於室的頂部和底部截取；圖1E是等離子體處理室的橫截面視圖，該等離子體處理室包括一個射頻源和一個感應源；圖2是在圖1C圈出的處理室的壁的一放大圖；圖3A是圍繞處理室的加熱元件的一示意圖；圖3B是圖3A的加熱元件的一個子部分圖；和圖4是根據本發明的清潔處理的流程圖。
現在參見附圖，在這幾幅圖中，同樣的數字標號代表相同或對應的部分，圖1A是利用等離子體來處理基片的錐形處理室的示意圖。處理室基本上可以是寬度大於高度，並且其外壁的一部分暴露，以便在圖中顯示裝在外壁和內壁之間的加熱元件的盤管110。圖1B表示與上述相同的處理室，其外壁完全移開，以顯示加熱元件的所有盤管110。盤管110直接與室壁接觸。為了防止出現明顯的環形電流通路，加熱器的幾何外形設計成使盤管沿室壁上下布設。這對於防止加熱器的元件屏蔽掉施加到等離子體上的感應射頻源來說十分重要。該處理室用於如圖1E所示的一個靜電射頻(ESRF)源中。
圖1C是處理室的橫截面圖，該圖顯示了外壁100和內壁105。內壁105可由形狀適合的任何電介質材料製成。該形狀並非一定是錐形，還可以是圓頂的、直的、筒狀的等形狀。目前最佳材料是融凝石英(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)。處理室內部是處於真空下的等離子區107。處理室還包括一個靜電吸盤120，該靜電吸盤與加熱和冷卻裝置125連接，以控制吸盤120的溫度。加熱和冷卻裝置125可以是氦氣源，該氦氣可被加熱或冷卻，並且在處理期間在基片的背側迅速流動。為了達到清潔的目的，僅僅使用氦來實現吸盤120上的基片間的熱傳導就已足夠。然而，為了處理，吸盤120與射頻電源耦合元件123連接，該射頻電源耦合元件123從射頻電源(未表示)接收射頻電能。因此，在整個操作期間，吸盤可以偏壓和／或溫度受到控制。類似的，電容耦合RF電源可以施加到處理室頂部的圓形氣體噴射板(未示出)，並且該板可配備加熱器。這樣，可採取與容器的筒狀部分的內壁105或吸盤120相同的方式對該板清潔和／或溫度控制。
圖1D是處理室的第二橫截面圖，圖中表示了夾在內壁105和外壁100之間的處理室的不同部件。加熱元件115的盤管110位於內壁105和偏壓屏蔽件之間。開槽偏壓屏蔽件的偏壓屏蔽元件130可控制地接地並與RF電源(未示出)連接。當等離子系統按處理模式操作時，這些屏蔽元件130接地。然而，在清潔期間，當偏壓屏蔽元件130與RF電源連接時，RF電源經過源的電介質壁電容耦合，從而在內壁105上產生脈衝負直流偏壓。該偏壓用來將大量反應離子射向內壁105上。通過仔細選擇所使用的氣體種類，並因此選擇所使用的離子種類，實際上可消除內壁105上的任何冷凝物。
另外，靜電屏蔽元件135夾在偏壓屏蔽元件130和外壁100之間。為了對等離子裝置感應場影響最小，如圖所示，靜電屏蔽元件135、偏壓屏蔽元件130和盤管110都對齊排列。偏壓屏蔽元件130也可以浸入可以加熱或冷卻的流體中。如果想促進冷凝物解吸附，那麼可加熱該流體。另一方面，如果想促進內壁與離子、基團或其它物質反應和／或使大功率耗散，那麼可冷卻該液體。靜電屏蔽射頻(ESRF)源是僅有的已知高密度等離子源，它可能提高加熱或冷卻和／或給源的所有表面施加負偏壓的能力，該靜電屏蔽射頻源是Wayne L．Johnson(本申請的發明人)於1993年8月10日公開發行的5，234，529號美國專利的主題。該專利的內容在此作為參考。
其它靜電屏蔽元件公開在下列臨時申請文件中，即名稱為「調節等離子體密度分布的裝置和方法」，序號為60／061，856，委託人代碼為2312—544—6 PROV，1997年10月15日申請的申請文件；和名稱為「利用等離子密度梯度以產生粒子流的裝置和方法」，序號為60／061，857，委託人代碼為2312—547—6 PRO，1997年10月15日申請的申請文件。這些臨時申請文件的內容在此提供作為參考。提供作為參考的還有委託人代碼為2312—756—6YA WO和2312—757—6YA WO，1998年10月15日申請的相應的PCT申請。
圖2是如圖1C所示的處理室的室壁的圓周部分的放大圖。等離子區107位於處理室壁元件的內部，並且定向表示。下面從處理室的內部開始描述每一層。放大截面包括具有凹槽的陶瓷管140，盤管110嵌入該凹槽內。盤管110由陶瓷保護封裝145覆蓋。有機絕熱層150使陶瓷封裝145和加熱室與圍繞感應線圈的外部電介質冷卻流體160隔絕。有機絕熱層150必須能耐受冷卻劑。例如，優選的冷卻流體160是氟化物(fluorinert)，這樣絕熱層150必須是抗氟化物材料。
圖3A表示成形為環繞整個處理室的加熱元件115的盤管110。加熱元件可以分解成一系列子元件—例如三個子元件，子元件在圖3B中表示。這些子元件在處理步驟或清潔期間都可使用。這構成與電源較好的匹配和較好的均勻加熱。通常，每個子元件都是相同的。製造具有較好熱傳導的高電阻的加熱元件也很重要。另外，如果使用一種電阻取決於溫度的材料，那麼通過測量加熱元件的電阻就可以很容易地確定加熱元件的溫度。加熱元件既可以獨立製造並放置在上述凹槽中，也可以正好在使用濺射或蒸發膜的處理室上製造。在任一實施例中，重要的是能夠對處理室均勻地加熱。
因此，可以看到等離子澱積或蝕刻反應器的全部內表面可以受到溫度控制(熱或冷)和／或由與處理室的內表面電容耦合的RF電源偏壓。其它已知形式的高密度源(電子迴旋共振，螺旋波，變壓器耦合電源等)不可能具有如此性質。在這些情況下，電源都不可以經處理室的筒狀壁而電容耦合以清潔這些區域。在某些情況下，為了使電源與筒狀室的內壁耦合，一定有電磁場線圈佔用該空間，該空間必須由RF電極佔用。在其它情況下，處理室的筒狀壁是金屬(通常接地)，RF電源不能經過金屬壁耦合。出於基本相同的原因，對除了ESRF高密度源之外的處理室筒狀部分的內壁加熱或冷卻是不可能的或者非常難。在這方面，本發明的獨特之處在於以下方面的結合電介質壁，正好在內壁內側的可偏壓的屏蔽，和壁的外表面可以容易地加熱或冷卻的事實。通過使用內部加熱元件，壁對處理氣體作用的大量聚合(polymide)減少，因此進行清潔處理。清潔處理導致維護頻率降低。
在蝕刻和澱積系統中清潔的過程基本上相同。當然，根據要從內表面清除的不同物質，使用的氣體也將不同。圖4給出了一般過程的流程圖。在清潔第一步驟，對偏壓屏蔽件施加偏壓。施加的偏壓絕不應高到導致表面發生物理濺射。濺射使壁物質再分布，當壁清潔時，濺射還使處理室的壁材料沾汙。所有清除都應通過化學作用發生。化學清潔意味著汙染物質在廢蒸汽中排出處理室。同時，這也意味著清潔使用的氣體壓力應較高(大於100mTorr)。
第二，全部處理室內表面應加熱到使再冷凝降至最低。而且，表面加熱以便減少從一個表面去除的冷凝物再次澱積到另一個表面上的機會。汙染物不滅的原理可表述為「你無法使任何物質清潔的同時不使其它一些物質變髒；但你可以使任何物質變髒而不使任何物質潔淨。」這是該原理的一種應用。
現在，表面開始清潔。清潔的順序很重要。最大的表面應首先清潔。通常這是筒狀真空容器的內壁105。接著，處理次大的表面。通常這是氣體噴射板。對逐漸小的表面持續進行清潔處理，直到所有表面已清潔。這個周期可以重複以提高清潔的程度。通常當基片吸盤已清潔時，處理過程結束。
即使對於表面加熱，在某些情況下也可能發生再冷凝。在這些情況下，就必須重複的清潔不同的表面。如果重複清潔必不可少，那麼，就應該按相同順序進行，即從最大表面至最小表面清潔。
構成室壁和氣體噴射板的材料也很重要。例如，融凝石英壁與氟基團和離子反應。如果在例如蝕刻處理中所用的反應氣體是F2，氟基團或離子的反應能夠改變氣體的化學性質。這有可能是需要的，也可能是不需要的。如果是不需要的，應使用不與氟化物質反應的氧化鋁管。根據在壁處發生的化學反應是否合乎需要來選擇材料。
壁的化學性質的控制是下列三方面作用的結合(1)催化增強反應；(2)離子，基團，高能中性粒子的轟擊；和(3)壁材料經過抽氣或吸氣來吸附。對這些作用的控制有助於從整體上控制處理。
顯然，考慮到上述教導，本發明可作許多修改和變化。因此，可以理解在附屬的權利要求書的範圍內，本發明不受上面描述的限制。
權利要求
1．一種等離子體處理系統，包括一包括一個內壁和一個外壁的處理室；一與處理室內壁熱耦合的加熱元件；一靜電屏蔽件；和一插入靜電屏蔽件與加熱元件之間的偏壓屏蔽件。
2．如權利要求1所述的等離子體處理系統，其特徵在於還包括一感應耦合元件，該感應耦合元件用於使射頻電源與處理室內的氣體感應耦合，以便產生等離子體。
3．如權利要求2所述的等離子體處理系統，其特徵在於感應耦合元件是一螺旋線圈。
4．如權利要求2所述的等離子體處理系統，其特徵在於加熱元件是盤管加熱元件，以避免屏蔽掉由感應耦合元件施加的射頻源。
5．如權利要求1所述的等離子體處理系統，其特徵在於還包括一個溫度調節和電偏壓基片座。
6．一種清潔等離子體處理系統的方法，該等離子體處理系統具有一個處理室，還包括偏壓屏蔽件和與處理室的內壁耦合的加熱元件，該方法的步驟包括向偏壓屏蔽件施加偏壓，以便在內壁上產生脈動負直流偏壓；利用加熱元件加熱處理室的內壁；向處理室內噴射一種清潔氣體；和清潔數個內表面中的每一個，清潔順序是按尺寸減小方向從數個表面中最大的表面開始一直清潔到尺寸最小的內表面為止。
7．如權利要求6所述的方法，其特徵在於其步驟還包括在清潔步驟之後測量處理室的清潔度。
8．如權利要求7所述的方法，其特徵在於其步驟還包括如果測量步驟顯示處理室還不夠清潔時，至少重複清潔步驟一次，以便在添加新的基片之前進一步清潔處理室。
9．如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在通過處理來控制壁澱積期間，施加偏壓和對內壁加熱的步驟相結合進行。
全文摘要
一種等離子體處理系統和方法,它們用來提供更清潔和更易控制的環境以便處理基片例如半導體晶片。該等離子體處理系統包括:一個處理室,該處理室包括一個內壁和一個外壁;與處理室內壁熱耦合的加熱元件;偏壓屏蔽件;和靜電屏蔽件。處理系統還包括圍繞處理室的感應線圈,該感應線圈用於使射頻電源與處理室內的氣體耦合,以便產生等離子體。射頻電源還可作用在晶片座上,例如也可加熱或冷卻的靜電吸盤。清潔該等離子體處理系統的方法包括向偏壓屏蔽施加偏壓,利用加熱元件加熱處理室,以及清潔內表面,其中清潔順序是從最大的表面開始依次清潔到尺寸最小的表面。
文檔編號H01L21/302GK1278750SQ98811137
公開日2001年1月3日 申請日期1998年11月13日 優先權日1997年11月14日
發明者韋恩·L·約翰松 申請人:東京電子株式會社