专利名称：用以控制等离子电位的设备及方法
技术领域：
半导体晶圆("wafer")制造经常包含暴露晶圓于等离子，以允许等离子的反应性成分来修饰晶圓表面。晶圆的等离子处理一般在室中执行，在其中，反应物气体暴露于射频(RF)电力以被转换进入等离子。 一般室内的等离子约束在高反应物气体流速时会丧失。我们相信该种等离子约束的丧失是由于在等离子和室之间的区域中的中白邢崩溃(Paschen breakdown)。如果存在充满中性气体的电场，则导入中性气体内的电子将获得能量。然而，这些相同的电子经过与中性气体分子的碰撞也将损失能量。平均而言，如果电子的能量增益大到足以离子化中性气体，等离子崩溃将发生。在Paschen模型中，电子和中性气体分子间的碰撞效果通过乘积(P》d)加以特征化，其中(P)为中性气体压力，且(d)为装置的特征标度长度(即较高电位区域与地面之间的距离)。Paschen模型针对等离子无约束定性地解释了许多观察到的反应物气体流速阈值趋势。因此，等离子约束的努力一般都集中在使(P氺d)的乘积最小化。然而'，乘积(P申d)的最小化经常需要现有等离子处理系统的实质再设计。因此，将找寻替代的方法以改善等离子约束，使等离子处理系统再设计最少化。
发明内容
在另一实施方式中，4皮露了半导体晶圆等离子处理的设备。该设备包含室、下电极、上电极以及阻抗控制装置。该下电极设置于室内且用于传送射频电流通过室。该下电极进一步用于支持暴露于等离子的半导体晶圓，等离子通过射频电流产生于室内。该上电招二没置于该下电才及上方，且与该下电+及具有分隔关系。等离子将产生并限制于该上下电极之间的空间。将阻抗控制装置连接于该上电极中心区域与参考地面之间。该阻抗控制装置用于控制通过该上电极的中心区域的射频电流传送路径。通过该阻抗控制装置控制射频电流传送路径可支持等离子的约束控制。
0006在另一实施方式中，4皮露了半导体晶圓等离子处理的设备。该设备包含设置于室内的下电极。该下电极用于传送射频电流通过该室。该下电才及进一 步用于支持暴露于等离子的半导体晶圓，等离子通过射频电流产生于室内。上电极i殳置于该下电4及上方，且与该下电才及具有分隔关系。该上电极通过掺杂半导体材料加以定义。该上电4及内的4参杂浓度由该上电极的中心至周围呈》文射状变化。为了提供关于本发明的全面了解，在接下来的叙述中提出 许多具体的细节。然而，本领域才支术人员应当了解无需部分或全 部该种特定的细节仍可实施本发明。在其它的情况下，为了避免产 生不必要的混淆，将不会详细叙述公知的处理操作。将一组约束环llli殳置于室101内部，以环绕位于该下电 极105与该上电才及103之间的该基底104上方的空间。应理解图 1表示约束环111的示范性数目。在其它实施方式中，可能会有比
图1所示的更多或更少的约束环111。约束环111用于将该等离子 109限制于该基底104上方的空间。更具体而言，等离子109会在 约束环11之间的狭缝中熄灭。介于约束环111之间的狭缝内外周 围的电位影响该狭缝限制等离子109的能力。因此，控制相对于该 约束环111外侧的区域的该等离子109的电位能够控制等离子109 约束。 一般来说，该等离子109相对于室101的电位较低，能够较 容易地限制等离子109。限制等离子处理系统的已知困难为在高反应物气体流速 下会丧失等离子约束。由该DC电压源123所^是供的该等离子109 的电位的控制能够减弱该约束环111与该室101之间的电场，因此 而扩展等离子约束窗。该扩展的等离子约束窗允许在较高的反应物 气体流速下限制等离子。因此，由该DC电压源123所提供的扩展 等离子约束窗使得在建立等离子处理参数(如气体流速)时能够增加 弹性。
0018I应了解提高等离子电位控制能提高处理控制，即使在允 许增加的气体流速范围外。举例来说，提高该等离子电位控制能调 节入射在该晶圆104表面上的离子能量分布。调节入射在高晶圆104 表面上的离子能量分布能影响横越该晶圆104的表面所得到的蚀刻 轮廓。更具体而言，该等离子109与该下电极103表面之间的电位决定了当离子经过该,离子109与该晶圓104之间的区域(亦即护套) 时所将获得的能量。通过等离子电位的操作，如由该DC电压源123 所提供，有可能控制横越护套的电位差。护套电位差的控制在接触 该晶圓104的离子能量分布上具有直接影响。图3为4艮据本发明另 一 实施方式的半导体晶圆处理的等离 子处理系统的图示。图3的该等离子处理系统一基本上与有关于图1 的前述相同，除了上电极105以及DC电压源123以外。在图3的 实施方式中，该上电极以掺杂半导体材料(如掺杂硅)形成，其中该 上电极内的掺杂浓度由该上电极中心至周围呈放射状变化。例如， 在一个实施方式中，该上电才及在中心部105B1内包含第一4参杂浓 度，在环状部105B2内包含第二掺杂浓度，在中心部105B3内包含 第三掺杂浓度，其中环状部同心设置在中心部外侧。应了解如图 3所示的实施方式中该上电极的特定分段方式属示范性而不应成为 限制。在其它实施方式中，可将上电极分段，以使其本质上具有执 行等离子处理条件所必要的任意掺杂轮廓。图4为#4居本发明 一个实施方式的半导体晶圆处理的等离 子处理系统，其包含阻抗控制装置133。图4的该等离子处理系统 本质上与先前关于图1所述相同，除了 DC电压源123以外。图4 的实施方式不需要DC电压源123,然而，某些实施方式仍可装设 DC电压源123。图4的等离子处理系统包括连接在该上电极中心区 域与参考地面(如室101 )之间的阻抗控制装置133。阻抗控制装 置133用于控制通过该上电才及105的中心区域的RF电流传送3各径， 控制该RF电流传送i 各径以支持进行等离子的约束控制。[00241举例来"i兌，在一个实施方式中，我们控制了该下电才及以在 2MHz以及27MHz两个频率下传送RF功率。在该实施方式中，阻 抗控制装置133用以作为滤波网络，即并联的电感器和电容器，其 才是供高阻抗至通过该上电4及105的中心区i或的该2MHz RF电流。 因此，阻抗控制装置133使得2MHzRF电流优选该上电才及105周围 附近的传送路径，因而使得该上电极105周围附近的功率沉积增加。 该上电极105周围附近的功率沉积增加用于^是高(即加强)该等离 子109的限制。
[0025图5为才艮据本发明 一 个实施方式的控制等离子约束的方法 流程图。图5的方法可利用先前关于图1及图2所述的等离子处理 系统来批^亍。该方法包括、操作501，其用于在上电4及与下电才及之间 的室内产生等离子。此方法还包括操作503，其用于控制连接该上 电极与该室之间的电压源，从而控制该上电才及的电位。在一个实施 方式中，该电压源为对RF电流具有4氐阻抗的DC电压源。所生成 的等离子的电位会响应在该上电极上的电位控制。该等离子的电位 影响了该室内的等离子约束。
[0026在一个实施方式中，控制电压源以降低该等离子相对该室 的电位。降低等离子的电位用于支持等离子约束。该方法可进一步 包括用于建立电压源的才及性，以4吏该等离子与该室之间的电场强度 减弱的操作。电场强度的减弱用于支持等离子约束。在其它实施方 式中，操作503可包括独立控制多重电压源，其中，多重电压源中 的每一个用于控制该上电极的相应部分的电位。该上电极的各种不
同部分的电位的独立控制能够建立跨越整个上电才及的电位轮廓。所 建立的该上电极的电位轮廓可以用来对应地控制等离子的电位。
0027I在前述实施方式中的等离子处理室IOI设置约束环111以 作为限制才几构。然而，应理解等离子处理室101可包含除了约束
14环111以外的其它限制机构。不管在该等离子处理室101内所装设
的具体限制4几构，应了解当由该等离子通过该约束环111至室壁 的电位降为使得最后电场足以增加离子约束时，可改善等离子约 束。因此，不管该等离子处理室101内配制何种具体限制机构，应 iU只到i殳置于此处的DC电压源122用于通过影响由该等离子至 该室壁的电位降来改善等离子约束。
[0028虽然本发明已对凄t个实施方式加以描述，^旦应理解本 领域技术人员在阅读前述说明书以及研究图示时将可实现其许多 的修改、增添、变更以及等效物。因此，本发明应包含落入本发明 的真正精神及范围内的所有此类修改、增添、变更及等效物。
权利要求
1. 一种用于半导体晶圆等离子处理的设备，其包括室；下电极，其设置于该室内并用于传送射频电流通过该室，该下电极用于支持暴露于等离子的半导体晶圆，该等离子通过该射频电流而产生于该室内；上电极，其设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系，其中，该上电极与该室电隔离；以及电压源，其连接至该上电极，该电压源用于控制该上电极相对于该室的电位，其中，由该电压源所控制的该上电极的电位能够影响将产生于该上电极与该下电极之间的该等离子的电位。
2. 如权利要求1的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该电 压源为直;充电压源。
3. 如权利要求1的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中， 由该电压源所控制的该上电极的电位能够降低该等离子相对 于该室的电位，该等离子的电位降低可支持形成等离子约束。
4. 如权利要求1的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中该电 压源用于将该上电极的电位维持在小于该等离子电位的水平。
5. 如权利要求1的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中该电 压源用于4戈表对待传送通过该室的该射频电流的{氐阻抗。
6. 如权利要求1的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该上 电才及通过一个中心部及i殳置在该中心部外侧的一个或多个同心环;R部力口以定义，其中该上电才及的邻才妄部分通过介电才才泮牛而 彼此电隔离，其中该上电极的每一部分连^t妄到相应的电压源。
7. 如权利要求6的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中每个 电压源用于控制该上电才及部分的电位，该电压源连^妄至该上电 极部分以期能够建立跨越整个该上电极的电位轮廓。
8. —种用于半导体晶圓等离子处理的设备，其包括 室；下电才及，其i殳置于该室内并用于传送射频电流通过该室，该下 电极用于支持暴露于等离子的半导体晶圓，该等离子通过该射 频电《u而产生于该室内；上电极，其设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系， 其中，该等离子将产生并限制于该上电才及与该下电才及之间的空 间内；以及阻抗控制装置，连4妄于该上电极的中心区域与参考地面之间， 该阻抗控制装置用于控制通过该上电才及的中心区域的射频电 流传送路径，其中控制该射频电流传送路径可支持形成等离子 约束控制。
9. 如权利要求8的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中该阻 抗控制装置用于增加低频阻抗。
10. 如权利要求8的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该阻 抗控制装置用于支持形成在该上电极周围附近的功率沉积增 力口，该上电才及周围附近的功率沉积增加强^匕该等离子约束。
11. 一种用于半导体晶圆等离子处理的设备，其包括室；下电极，其设置于该室内并用于传送射频电流通过该室，该下 电极用于支持暴露于等离子的半导体晶圓，该等离子通过该射 步贞电;危而产生于i亥室内；以及上电极，其设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系， 其中该上电极由掺杂半导体材料加以定义，其中该上电极内的 掺杂浓度由该上电极的中心至周围呈放射状变化。
12. 如权利要求11的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中在 该上电极内的给定位置处的该掺杂浓度用于控制通过该上电 极的该给定位置的电阻，通过该上电极的该给定位置的该电阻 能够影响该上电才及在该给定位置处的电位。
13. 如权利要求11的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该 上电极定义为掺杂硅材料。
14. 如权利要求11的用于半导体晶圓等离子处理的设备，其中该 上电才及与该室电隔离，该室^表电4妄J也。
15. 如权利要求14的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其进一 步包括电压源，其连接到该上电极，该电压源用于控制该上电极相对 于该室的电4立。
16. —种控制等离子约束的方法，其包括以下步骤在上电极与下电极之间的室内产生等离子以及控制连接于该上电极与该室之间的电压源，使得在该上电极上 的电位受到控制，其中该等离子的电位响应在该上电极上的该
17. 如4又利要求16的控制等离子约 到 控制，使该等离子的该电位相对于该室降低，该等离子降低的 电位用于支持该等离子的约束。
18.
19. 如权利要求16的控制等离子约束的方法，其进一步包含以下 步骤建立该电压源的极性，使得该等离子与该室之间的电场强度减 弱，该电场强度的减弱用于支持该等离子的约束。
20. 如权利要求16的控制等离子约束的方法，其中控制该电压源 的步骤包括独立地控制多重电压源，其中每 一 电压源用于控制 该上电极的相应部分的电位，以期能够建立跨越整个该上电极 的电位4仑>熟。
全文摘要
一种用于半导体晶圆等离子处理的设备。该设备包含室，其中设有下电极和上电极。该下电极用于传送射频电流通过该室，以在该室内产生等离子。该上电极形成于下电极上方且与该室电隔离。将电压源连接到上电极。该电压源用以控制上电极相对于该室的电压。受到该电压源控制的上电极的电位能够影响将产生于上下电极之间的等离子的电位。
文档编号C23C16/00GK101490306SQ200780026149
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月6日 优先权日2006年7月10日
发明者列扎·萨亚迪, 埃里克·伦茨, 埃里克·赫德森, 拉金德尔·德辛德萨, 李路明, 道格拉斯·凯尔 申请人:朗姆研究公司