专利名称：用以控制等离子电位的设备及方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体晶圆等离子处理的设备与方法，特别是通过控制等离子电位而改善等离子约束的设备与方法。
背景技术：
半导体晶圆(“wafer”)制造经常包含暴露晶圆于等离子，以允许等离子的反应性成分来修饰晶圆表面。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帕邢崩溃(Paschenbreakdown)。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*d)的乘积最小化。然而，乘积(P*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
在一个实施方式中，披露了用于半导体晶圆等离子处理的设备。该设备包含室、下电极以及上电极。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圆，等离子通过射频电流产生于室内。该上电极设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系。该上电极与该室电隔离。该设备还包含连接至该上电极的电压源。该电压源用以控制该上电极相对于该室的电压。该上电极的电位能够影响将产生于该下电极与该上电极之间的等离子电位。因此，通过支持控制该上电极的电位，该电压源也能够控制等离子的电位。在另一实施方式中，披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圆，等离子通过射频电流产生于室内。该上电极设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系。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。在另一实施方式中，披露了半导体晶圆等离子处理的设备。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。该下电极进一步用于支持暴露于等离子的半导体晶圆，等离子通过射频电流产生于室内。上电极设置于该下电极上方，且与该下电极具有分隔关系。该上电极通过掺杂半导体材料加以定义。该上电极内的掺杂浓度由该上电极的中心至周围呈放射状变化。在另一实施方式中，披露了等离子约束的控制方法。该方法包含用以在上下电极之间的室内产生等离子的操作。该方法还包括用于控制连接该上电极与该室之间的电压源的操作。控制该电压源转而可控制该上电极上的电位。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。本发明的其它方面和优点从以下的详细描述将更显而易见，请配合本发明范例的附图作为参考。·
图I为根据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的图示。
图2为根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为根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4为根据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。
图5为根据本发明一个实施方式的控制等离子约束的方法流程图。
发明详述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，本领域技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。图I为根据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100的图示。该系统100包含等离子处理室(“室”)101，等离子109可产生于该室内以便暴露于基底104。应理解基底104可代表半导体晶圆或将于其上定义电子元件的任何其它形式的基底。该室101包含下电极103以及上电极105。在操作期问，射频(RF)电力通过射频功率源117产生，并通过匹配网路115经连接线119及121传送到该下电极103。应了解匹配网路115用于提供适当的阻抗匹配，以保证RF功率可正确地由来源117传送至负载。在该下电极103处所接收的RF功率为经室101而传送至参考地面，且对应参考地面被维持在控制电位。在一个实施方式中，将该室101作为参考地面。该上电极105经过连接线125而连接至直流(DC)电压源123。DC电压源123转而经过连接线127连接到参考地面。滤波网络122连接介于该上电极105与该参考地面之间以提供将RF电流绕过DC电压源123直接传送到地面的方法。应了解该上电极105与室101电隔离。在一个实施方式中，该上电极105通过介电材料113从室101被电隔离。在该实施方式中，该上电极呈圆盘状，介电材料113可为环状。因为该上电极105为电隔离，故上电极105相对于地面(即相对该室101)的电位可通过DC电压源123加以控制。此外，由于等离子109的电位受到该上电极105的电位影响，因而通过DC电压源123控制该上电极105的电位便能控制该等离子109的电位。在操作期间，以受控制方式将反应物气体供应至室101空间。该RF功率从该下电极103经过室101空间，即经过反应物气体，传送到该上电极105，用于转换反应物气体进入该等离子109。在室101内的特定位置处的等离子109的密度与被传送经过室101内的特定位置处的RF功率大小成正比。因此，增加被传送经过室101内的转定位置处的RF功率将造成在室101内的特定位置处的等离子109的密度增加，反之亦然。将一组约束环111设置于室101内部，以环绕位于该下电极105与该上电极103之间的该基底104上方的空间。应理解图I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I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。 应了解等离子处理室101与系统100包含许多未在此说明以避免不必要地混淆本发明的其它特征与元件。本发明主要关系到通过控制该上电极105的电位以及/或通过室101的RF功率传送路径来控制在该室101内的该等离子109的电位。在图I的实施方式中，将该DC电压源123连接至该上电极105的中心附近。当该上电极105的电位受到DC电压源123控制时，可支持减少等离子109相对于室101的电位。因此，该DC电压源123能够对等离子109相对于该室101的电位(加偏压(biasing))。设定DC电压源123的极性以加偏压于等离子109的电位，使得存在于该约束环111与该室101之间的电场减弱。该约束环111以及该室101之间的电场强度减弱用以增加等离子约束能力。可设定该DC电压源123的电压水平，以使等离子约束最佳化。使等离子约束最佳化所需的电压水平，即最佳电压水平，可依据室特殊结构细节来改变。然而，该最佳电压水平应小于该等离子109相对于该室101的电位。在一个实施方式中，将该DC电压源123定义为呈现相对于RF电流的短路的“理想”电压源。在另一实施方式中，该DC电压源123并非“理想”，但被定义为代表对RF电流的低阻抗。在另一实施方式中，将该DC电压源123定义为代表对RF电流的固定阻抗。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所提供的该等离子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。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夕卜。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等离子109与该晶圆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圆104的离子能量分布上具有直接影响。
在某些状况下，期望有更多等离子电位的空间控制。通过支持整个该上电极105的等离子电位的空间控制增加，可增加等离子电位的空间控制。图2为根据木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2的该等离子处理系统基本上与前述的图I相同，除了该上电极105与DC电压源123以外。在图2的实施方式中，该上电极通过中心部105A1、环状部105A2以及环状部105A3形成，其中该环状部同心设置在该中心部外侧。该上电极的相邻部分通过介电材料区域129A及129B而彼此电隔离。应了解如图2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，该上电极部分的数量及大小以及对应的DC电压源可以执行等离子处理的任何必要条件所需要的方式来建立。该上电极的每一部分(105A1、105A2以及105A3)连接至相应的DC电压源(123A、123B及123C)。该DC电压源122A、123B及123C以先前提到的图I相关实施方式的DC电压源123相同的方法形成。滤波网络122连接到该上电极的各部(105A1、105A2以及105A3)与参考地面之间，以提供RF电流可被安排绕过DC电压源(123AU23B以及123C)而直接接 地的方法。可利用该DC电压源123A-123C将其上电极的相应部分维持在相对于室101的不同电位下。因此，该分段上电极能够在该等离子109上方建立电位分布。通过影响该等离子109内的电位分布，分段上电极的电位分布在整个晶圆104的蚀刻特征上具有关联影响。图3为根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基本上与有关于图I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，该上电极在中心部105B I内包含第一掺杂浓度，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。在图3的实施方式中，该上电极内的给定位置上的掺杂浓度用于控制通过该上电极的该给定位置的电阻。通过该上电极的给定位置的电阻能影响在给定位置上的上电极电位。因此，具有掺杂轮廓的该上电极能够在该等离子109上方建立电位分布。如前述，通过影响该等离子109内的电位分布，该上电极的电位分布在整个晶圆104的蚀刻特征上具有相关联效应。在一实施方式中，该上电极(105B1-105B3)与室101电隔离。在该实施方式中，可将一个或多个电压源连接到该上电极，以控制上电极的电位分布。图4为根据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I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极105的中心区域的RF电流传送路径，控制该RF电流传送路径以支持进行等离子的约束控制。举例来说，在一个实施方式中，我们控制了该下电极以在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，其提供高阻抗至通过该上电极105的中心区域的该2MHz RF电流。因此，阻抗控制装置133使得2MHzRF电流优选该上电极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提高(即加强)该等离子109的限制。图5为根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I及图2所述的等离子处理系统来执行。该方法包括操作501，其用于在上电极与下电极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，从而控制该上电极的电位。在一个实施方式中，该电压源为对RF电流具有低阻抗的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。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极性，以使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极的电位轮廓。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。在前述实施方式中的等离子处理室101设置约束环111以作为限制机构。然而，应理解等离子处理室101可包含除了约束环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机构，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，应认识到设置于此处的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。虽然本发明已对数个实施方式加以描述，但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；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。
2.如权利要求I的用于半导体晶圆等离子处理的设备，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极在该给定位置处的电位。
3.如权利要求I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。
4.如权利要求I的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该上电极与该室电隔离，该室代表电接地。
5.如权利要求4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位。
6.如权利要求5的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该电压源是直流电压源。
7.如权利要求5的用于半导体晶圆等离子处理的设备，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。
8.如权利要求5的用于半导体晶圆等离子处理的设备，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。
9.如权利要求5的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该电压源用于代表对待传送通过该室的该射频电流的低阻抗。
10.如权利要求I的用于半导体晶圆等离子处理的设备，进一步包含 一组约束环，其设置于该室内部，以环绕位于该下电极与该上电极之间覆盖下电极的空间。
11.如权利要求10的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该组限制环限定为使得限制环之间有狭缝，其中该狭缝从覆盖下电极的空间向该组限制环与该室之间的外空间延伸。
12.如权利要求11的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该电压源配置为维持该上电极的电位以确保该限制环之间的狭缝内的等离子熄灭。
13.如权利要求I的用于半导体晶圆等离子处理的设备，进一步包含 射频功率源；以及 匹配网络，其连接于该射频功率源与该下电极之间，使得射频功率通过该匹配网络传输到该下电极。
14.如权利要求13的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该匹配网络配置为提供阻抗匹配以确保射频功率从射频功率源传输到将在该室内产生的等离子。
15.如权利要求13的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该射频功率源配置为提供2兆赫兹和27兆赫兹的射频功率。
16.如权利要求I的用于半导体晶圆等离子处理的设备，其中该上电极包括在中心部分的第一掺杂浓度，在围绕该中心部分的第一环形部分的第二掺杂浓度，以及在围绕该第一环形部分的第二环形部分的第三掺杂浓度。
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C23C16/00GK102912313SQ20121039318
公开日2013年2月6日 申请日期2007年7月6日 优先权日2006年7月10日
发明者道格拉斯·凯尔, 李路明, 列扎·萨亚迪, 埃里克·赫德森, 埃里克·伦茨, 拉金德尔·德辛德萨 申请人:朗姆研究公司