专利名称：具有单一平面天线的电感耦合双区域处理室的制作方法
具有单一平面天线的电感耦合双区域处理室
背景技术：
等离子体处理装置通过包括刻蚀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)离子 注入和光刻胶(resist)除去等的技术来处理衬底。等离子体处理中使用的一种等离子体 处理装置包括外部感应天线。在天线下面的室中产生电磁场以将处理气体激励为等离子态 从而在该反应室中处理衬底。
发明内容
提供一种双区域等离子体处理室。该等离子体处理室包括具有适于在该处理室中
支撑第一衬底的第一支撑表面的第一衬底支柱和具有适于在该处理室中支撑第二衬底的 第二支撑表面的第二衬底支柱。流体连通于一个或多个气体分配构件的一个或多个气体源
向毗邻该第一衬底支柱的第一区域和毗邻该第二衬底支柱的第二区域供应处理气体。适于 将射频能量电感耦合到该处理室内部并将该处理气体在该第一和第二区域中激励到等离 子态的射频(RF)天线。该天线位于该第一衬底支柱和该第二衬底支柱之间。
—种在等离子体处理室中同时处理第一和第二半导体衬底的方法。将第一衬底放 置在该双区域等离子体处理室中的该第一衬底支柱上，将第二衬底放置在该双区域等离子 体处理室中的该第二衬底支柱上。从该一个或多个气体源向该天线和该第一衬底之间的该 第一区域中释放处理气体并向该天线和该第二衬底之间的该第二区域中释放处理气体。从 该第一区域中的处理气体生成第一等离子体。从该第二区域中的处理气体生成第二等离子 体。用该第一等离子体处理该第一衬底并用该第二等离子体处理该第二衬底。
图1是用于处理单一衬底的电感耦合等离子体处理装置的横截面视图。 图2是用于在同样的处理条件下处理横向结构中的两个纵向间隔开的衬底的电
感耦合双区域等离子体处理装置的横截面视图。 图3是用于在同样的处理条件下处理纵向结构中的两个横向间隔开的衬底的电 感耦合等离子体处理装置的横截面视图。 图4是用于在不同处理条件下处理在横向结构中的两个纵向间隔开的衬底的电 感耦合等离子体处理装置的横截面视图。
具体实施例方式
电感耦合等离子体处理室通常被用来通过将处理气体供应到低压(也就是说，低 于50毫托)下的真空室并向该气体施加射频(RF)能量，在衬底上沉积(例如，等离子体增 强化学气相沉积或PECVD)和等离子体刻蚀材料。在处理过程中，可以通过衬底固定装置将 该衬底固定就位，该衬底固定装置包括机械夹具和静电夹具(ESC)。对于电感耦合等离子体 (ICP)系统，射频天线位于处理室外并且射频能量通过电介质窗被电感耦合到该室中。这种 处理系统可被用于各种半导体处理应用，比如刻蚀、沉积或光刻胶剥离。
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图1是ICP等离子体处理室10的一个实施方式的横截面视图。ICP等离子 体处理室的一个实施例是由加利福尼亚州弗雷蒙市的朗姆研究公司(Lam Research Corporation)制造的TCP⑧刻蚀或沉积系统。例如，在专利号为4， 948， 458的共同持有的 美国专利(其内容通过参考全部并入此处)中，也描述了 ICP等离子体处理室。处理室IO 包括具有支撑表面14的衬底支柱12。支撑表面14适于支撑衬底16。真空泵18连接于泵 开口 20以将处理室10的内部保持在低压下(例如，在约1毫托到约50毫托之间)。气体 源22通过气体分配板、喷淋头布置、注射器或其它合适的布置向处理室10的内部供应处理 气体。处理气体可以由该气体分配构件24引入到毗邻衬底16的区域。
—旦处理气体被引入处理室10的内部之后，它们被能量源(其向处理室10内部 供应能量)激励为等离子态。优选地，该能量源是外部的平面天线(Planar antenna) 26，其 由射频电源28和射频阻抗匹配线路30加电以将射频能量电感耦合入处理室10中。由向 平面天线26施加射频电力所产生的电磁场激励该处理气体以在衬底上方形成高密度等离 子体30 (例如，1011-1012个离子/立方厘米)。 电介质窗32在平面天线26下面并形成等离子体处理室10的顶壁。气体分配构 件24被放置于电介质窗32下。高密度等离子体30在气体分配构件24和衬底16之间的 区域中产生，以进行衬底16的沉积或刻蚀。 为了提高生产效率，同时最小化功率需求，此处描述一种新型双区域等离子体处 理室，其可以在单一平面天线的相对侧上同时处理两块衬底。使由平面天线18产生的对称 的电磁场最大化的一种途径是图2的实施方式的双区域结构。图2是双区域ICP等离子体 处理室100的一个实施方式的横截面视图，其包括区域110、210。处理室100的区域110、 210分别包括电介质窗132、232和衬底支柱112、212(分别具有横向支撑表面114、214)之 间的空间。支撑表面114、214适于将衬底116、216支撑在水平位置。通过从各室壁延伸并 在处理室100的直径上彼此相对的支撑臂，可以以悬臂的方式支撑衬底支柱112、212。
真空泵118、218连接于泵开口 120、220以将处理室100内部保持在低压下(例 如，在约1毫托到约50毫托之间)。泵开口 120、220毗邻衬底支柱120、220并且可以在处 理室100的直径上彼此相对。 公共气体源122将处理气体供应到处理室100的内部，供应到区域110、210。处理 气体可以被引入任何合适的气体分配布置，例如分别毗邻衬底116、216的双末端气体注射 器或分配构件124。公共气体源122和气体分配构件124的使用确保了向区域110和210 传送同样的气体成分。该气体分配布置可以包括彼此流体连通并由公共通道125(其延伸 穿过电介质窗132、232中的开口 )连接的两个气体分配构件(例如，气体分配环、气体分配 板或者气体注入喷管)。例如，在专利号为6， 184， 158和6， 230， 651的共同持有的美国专 利(其内容通过参考全部并入此处)中，也描述了这种气体分配构件。泵开口 120、220和 真空泵118、218的位置在室100的相对端有助于在衬底116、216的整个表面上均匀地分配 处理气体。 衬底116、216被固定在衬底支柱112、212的合适位置上。衬底支柱可包括静电 卡盘(ESC)、机械夹具或其它夹持机构。例如，在专利号为5， 262， 029和5， 838， 529的共同 持有的美国专利(其内容通过参考全部并入此处)中，也描述了这种衬底支柱。衬底支柱 112、212还可以包括射频偏置电极(未示)。为了控制衬底116、216的温度，可以通过从衬底下方流过的氦气冷却衬底116、216，并且可以液体冷却衬底支柱112、212(未示)。在专 利号为6， 140，612的共同持有的美国专利(其内容通过参考全部并入此处)中，描述了这 种温度控制。 —旦处理气体被引入处理区域110U20内部之后，它们被单一的外部平面天线 126激励为等离子态，该单一外部平面天线126以相对的方向向处理室100内部的区域 110、 120中供应射频能量。该外部平面天线126是由单一射频源128和射频阻抗匹配线路 130加电的，以将射频能量电感耦合到处理室100中。通过施加射频电力在平面天线126的 上方和下方产生的对称的电磁场激励处理气体以在与衬底116、216纵向毗邻的区域中形 成高密度等离子体130、230 (例如10"-1012个离子/立方厘米)。处理室100的结构具有 在用于单一衬底处理的室的占地区域内使衬底处理能力加倍的潜力，而不需要运行两个处 理室所需的额外的射频能量花费。 该单一的外部平面天线126可以包含一个或多个平面螺旋线圈或者其它的结构， 比如一连串同心环。通过使用更长的导电元件来增加天线的直径可以扩展平面线圈，并因 此适应更大的衬底(比如300毫米晶圆)，或者可以使用以平面阵列排列的多个线圈以在很 宽的区域上产生均匀的等离子体，比如用来进行平板显示屏处理。 该外部平面天线126位于环境气压(也就是大气压)下的空间314中。空间134 在电介质窗132和电介质窗232之间。电介质窗132、232可以是由对射频能量透明的任何 电介质材料(比如石英)组成的。电介质窗132在平面天线126下面并相对于区域110形 成顶壁。同样地，电介质窗232覆盖平面天线126并相对于区域210形成下壁。在一个实 施方式中，空间134由金属隔室(其由电介质窗132、232作为该隔室的壁支撑)包围。
当衬底116、216在处理室100中处理时，射频电源128向天线126供应射频电流， 优选地在100kHz-27MHz范围内，更优选地是13. 56MHz。 图3是双区域ICP等离子体处理室300的另一个实施方式的横截面视图，该双区 域ICP等离子体处理室300包括区域310、410。除了处理室100的方向之外，等离子体处理 室300的结构类似于图2的等离子体处理室100。处理室300的区域310、410分别包括电 介质窗332、432和衬底支柱312、412(分别具有竖直支撑表面314、414)之间的空间。支撑 表面314、414适于将衬底316、416支撑在竖直位置。优选地，衬底支柱312、412是在处理 室300的直径上彼此相对的。真空泵318、418连接于泵开口 320、420以使处理室300内部 保持在低压下(例如，在约1毫托到约50毫托之间)。泵开口 320,420毗邻衬底支柱312、 412并且优选地是在处理室300的直径上彼此相对的。 公共气体源322向处理室300内部供应处理气体。处理气体可以被引入任何合适 的气体分配布置，例如分别毗邻衬底316、416的双末端气体注射器或分配构件324。该气体 分配布置可以包括彼此流体连通并由公共通道325(其延伸穿过电介质窗332、432中的开 口 )连接的两个气体分配构件(例如，气体分配环、气体分配板或者气体注入喷管)。
衬底316，416被固定在衬底支柱312、412上的合适位置上。衬底支柱可包括静电 卡盘(ESC)、机械夹具或其它夹持机构。衬底支柱312、412还可以包括射频偏置电极(未 示)。为了控制衬底316、416的温度，可以通过从衬底下方流过的氦气冷却衬底316、416， 并且可以液体冷却衬底支柱316、416 (未示)。 —旦处理气体被释放到处理区域310、410中之后，它们被单一天线布置(其向处理室300供应能量)激励到等离子态。优选地，该能量源是外部平面天线326，其由射频电源328和射频阻抗匹配线路330加电以将射频能量电感耦合到处理室300中。通过施加射频电力由平面天线326产生的对称的电磁场激励该处理气体以形成横向毗邻衬底316、416的高密度等离子体330、430 (例如，IO"-IO12个离子/立方厘米)。类似于图2的处理室100，处理室300的结构具有加倍衬底处理能力的潜力，而不需要额外的射频能量花费。
外部平面天线326被支撑在电介质窗332和电介质窗432之间的空间334中(其在环境气压下)。电介质窗332、432可以是由对射频能量透明的任何电介质材料(比如石英)组成的。电介质窗332横向毗邻平面天线326并相对于区域310形成侧壁。同样地，电介质窗432(也横向毗邻平面天线326)相对于区域410形成侧壁。在一个实施方式中，空间334由金属隔室(其由电介质窗332、432作为该隔室的壁支撑)包围。
图4是具有子室500、600(其包括区域510、610)以在不同的处理条件下同时处理两块衬底的双区域ICP等离子体处理室的另一个实施方式的横截面视图。类似于图2的实施方式，处理子室500、600的结构包括横向支撑表面514、614。 子室500、600的区域510、610分别包括电介质窗532、632和衬底支柱512、612 (其具有横向支撑表面514、614)之间的空间。支撑表面514、614适于将衬底516、616支撑在横向位置。衬底支柱512、612可以在直径上彼此相对。真空泵518、618连接于泵开口 520，620以将处理室300内部保持在低压下(例如，在约1毫托到约50毫托之间)。泵开口 520、620毗邻衬底支柱512、612并可以在直径上彼此相对。 气体源522、622向处理室300内部供应处理气体。处理气体可以被引入毗邻衬底516、616的气体分配构件524、624。如果衬底516、616经受不同的等离子体处理条件，那么气体源522、622可以供应不同的气体配方。例如，衬底516可以经历刻蚀处理，而衬底616经历化学气相沉积处理，或者反过来。刻蚀处理的例子包括导体刻蚀、电介质刻蚀或光刻胶剥离。淀积处理的例子包括电介质或导电薄膜的化学气相沉积。气体分配构件524、624可以包括气体分配环、气体分配板或气体注入喷管。 一旦将射频能量供应到平面天线526，那么区域510、610中的处理气体就会被激励，形成用于等离子体处理衬底516、616的等离子体530、630。 如果使用来自气体源522、622的不同的处理气体来产生等离子体530、630，那么就必须用隔断536隔离子处理室500、600。因为使用不同的气体化学物质来产生等离子体530、630并产生不同的副产品，那么没有隔断536的话，从气体分配构件524、624释放的不同的处理气体和处理的副产品可能朝该处理室500、600的计划外区域扩散，而不是均匀散布在衬底516、616的表面上。 衬底516，616被固定在衬底支柱512、612上的合适位置。衬底支柱可以包括静电卡盘(ESC)、机械夹具或其它夹持机构。衬底支柱512、612还可包括射频偏置电极(未示)。为了控制衬底516、616的温度，可以通过从衬底下方流过的氦气冷却衬底516、616，并且可以液体冷却衬底支柱516、616 (未示)。 —旦处理气体被释放到处理区域510、610内部之后，它们被单一天线布置(其向处理室500、600的内部供应能量)激励到等离子态。优选地，该能量源是外部平面天线526，其由射频电源528和射频阻抗匹配线路530加电以将射频能量电感耦合到处理室500、600中。通过施加射频电力由平面天线526产生的对称的电磁场激励该处理气体以形成横向毗邻衬底516、616的高密度等离子体530、630 (例如，1011-1012个离子/立方厘米)。类似于图2和图3的处理室200、300，处理室500、600的结构具有加倍衬底处理能力的潜力，而不需要额外的射频能量花费。 外部平面天线526被支撑在电介质窗532和电介质窗632之间的空间534中(其在环境气压下)。电介质窗532、632可以是由对射频能量透明的任何电介质材料(比如石英)组成的。电介质窗532横向毗邻平面天线526并相对于区域510形成顶壁。同样地，电介质窗632(也横向毗邻平面天线526)相对于区域610形成底壁。在一个实施方式中，空间534由金属隔室(其由电介质窗532、632作为该隔室的壁支撑)包围。
在用于在不同处理条件下同时处理两块衬底的另一个实施方式中，子处理室的结构可包括竖直支撑表面，类似于图3的实施方式。 尽管参考具体实施方式
对本发明进行了详细描述，然而对本领域的技术人员来说，显然，可以做出各种变化和修改，并使用等同替换，而不背离所附权利要求的范围。
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权利要求
一种双区域等离子体处理室，包含具有适于在该处理室中支撑第一衬底的第一支撑表面的第一衬底支柱；具有适于在该处理室中支撑第二衬底的第二支撑表面的第二衬底支柱；一个或多个气体源，其流体连通于一个或多个气体分配构件，该一个或多个气体源向毗邻该第一衬底支柱的第一区域和毗邻该第二衬底支柱的第二区域供应处理气体；以及适于将射频能量电感耦合到该处理室内部并将该处理气体在该第一和第二区域中激励到等离子态的射频(RF)天线，其中该天线位于该第一衬底支柱和该第二衬底支柱之间。
2. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该天线是在环境气压下的隔室中的平面 线圈。
3. 如权利要求2所述的等离子体处理室，其中该隔室在第一和第二电介质窗之间，该 第一电介质窗位于该平面线圈和该第一支撑表面之间而该第二电介质窗位于该平面线圈 和该第二支撑表面之间。
4. 如权利要求3所述的等离子体处理室，其中该平面线圈通过该第一电介质窗电感耦 合射频电力以在该第一电介质窗和该第一支撑表面之间的该第一区域中形成第一等离子 体；并通过该第二电介质窗电感耦合射频电力以在第一电介质窗和该第一支撑表面之间的 该第二区域中形成第二等离子体。
5. 如权利要求3所述的等离子体处理室，其中该第一和第二电介质窗是对射频能量透 明的。
6. 如权利要求3所述的等离子体处理室，其中该一个或多个气体分配构件包含延伸穿 过该第一电介质窗和该第二电介质窗的双末端注射器，其中该一个或多个气体源向该双末 端注射器供应同样的处理气体。
7. 如权利要求3所述的等离子体处理室，其中该一个或多个气体分配构件包括毗邻该 第一电介质窗的第一气体分配构件和毗邻该第二电介质窗的第二气体分配构件，其中该一 个或多个气体源包括第一气体源和第二气体源，该第一气体源向该第一气体分配构件供应 第一处理气体而该第二气体源向该第二气体分配构件供应第二处理气体。
8. 如权利要求7所述的等离子体处理室，其中该第一和第二气体分配构件是气体分配 环、气体分配板或气体注入喷管。
9. 如权利要求7所述的等离子体处理室，其中该等离子体处理室包括多个独立的子 室，该第一衬底支柱和第二衬底支柱位于该独立的子室中。
10. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该第一支撑表面平行于该第二支撑表面。
11. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该天线位于该第一和第二衬底支柱的 中点。
12. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该第一支撑表面和第二支撑表面是纵 向间隔开的。
13. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该第一支撑表面和第二支撑表面是横 向间隔开的。
14. 如权利要求1所述的等离子体处理室，其中该第一和第二衬底支柱包括静电卡盘 或机械夹具。
15. 如权利要求1所述的等离子体处理室，进一步包含毗邻该第一衬底支柱的第一泵 开口和毗邻该第二衬底支柱的第二泵开口 ，该第一泵开口与该第二泵开口在直径上相对。
16. —种在等离子体处理室中同时处理第一和第二半导体衬底的方法，包含 将第一衬底放置在权利要求1所述的等离子体处理室中的该第一衬底支柱上，将第二衬底放置在权利要求1所述的等离子体处理室中的该第二衬底支柱上；从该一个或多个气体源向该天线和该第一衬底之间的该第一区域中释放处理气体并向该天线和该第二衬底之间的该第二区域中释放处理气体；从该第一区域中的处理气体生成第一等离子体并从该第二区域中的处理气体生成第二等离子体；以及同时用该第一等离子体处理该第一衬底并用该第二等离子体处理该第二衬底。
17. 如权利要求16所述的方法，其中向该第一区域和该第二区域中释放同样的处理气体。
18. 如权利要求16所述的方法，其中处理该第一衬底和该第二衬底包括导电或电介质 材料的沉积。
19. 如权利要求16所述的方法，其中处理该第一衬底和该第二衬底包括金属、电介质 的高密度等离子体刻蚀或光刻胶剥离。
20. 如权利要求16所述的方法，其中向该第一区域中释放第一处理气体，向该第二区 域中释放第二处理气体，该第一衬底被等离子体刻蚀而该第二衬底经受等离子体增强化学 气相沉积。
全文摘要
提供一种双区域等离子体处理室。该等离子体处理室包括具有适于在该处理室中支撑第一衬底的第一支撑表面的第一衬底支柱和具有适于在该处理室中支撑第二衬底的第二支撑表面的第二衬底支柱。流体连通于一个或多个气体分配构件的一个或多个气体源向毗邻该第一衬底支柱的第一区域和毗邻该第二衬底支柱的第二区域供应处理气体。适于将射频能量电感耦合到该处理室内部并将该处理气体在该第一和第二区域中激励到等离子态的射频(RF)天线。该天线位于该第一衬底支柱和该第二衬底支柱之间。
文档编号H01L21/3065GK101720500SQ200880022326
公开日2010年6月2日 申请日期2008年6月24日 优先权日2007年6月29日
发明者桑凯特·P·圣 申请人:朗姆研究公司