专利名称：场加强感应耦合等离子体(fe-icp)反应器的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大体上是关于半导体处理设备，且特别是关于感应耦合等离子体处理系统。
背景技术：
感应耦合等离子体(ICP)处理反应器一般是利用设在处理腔室外的一或多个感 应线圈来感应处理腔室内的处理气体中的电流而产生等离子体。感应线圈可设于腔室外部 并例如通过电介质盖而与腔室电气分隔。对一些等离子体处理来说，加热器组件设在电介 质盖上方，以助于维持处理期间或之间的腔室中的恒定温度。加热器可为断开式(open break)加热器(如非闭合电回路)或不断式(nobreak) 加热器(如闭合电回路)。在加热器组件为断开式加热器组件的实施例中，加热器组件会引 起等离子体不均勻性，以致例如造成不均勻的处理基板蚀刻速度或不对称的蚀刻图案。以 不断式加热器组件取代断开式加热器组件可消除等离子体不均勻性。但在加热器组件为不 断式加热器组件的实施例中，传递至感应线圈的射频(RF)能量也会感应耦合至不断式加 热器组件，因而不当减少处理腔室内用于产生等离子体的能量(例如，不断式加热器组件 缩小等离子体点燃操作范围(plasma strike window))0因此，需要改良的感应耦合等离子体反应器。
发明内容
在此提出场加强感应耦合等离子体反应器和其使用方法的实施例。在一些实施例 中，场加强感应耦合等离子体处理系统包括处理腔室，所述处理腔室具有电介质盖和设于 电介质盖上方的等离子体源组件。等离子体源组件包括一或多个线圈，配置以感应耦合射 频(RF)能量至处理腔室内，以在其中形成及维持等离子体；一或多个电极，配置以电容耦 合RF能量至处理腔室内，以在其中形成等离子体，其中一或多个电极系电气耦接至一或多 个线圈的一者；以及RF产生器，耦接至一或多个感应线圈和一或多个电极。在一些实施例 中，加热器组件系设置在电介质盖与等离子体源组件之间。在一些实施例中，形成等离子体的方法包括提供处理气体至处理腔室的内容积， 所述处理腔室具有电介质盖、以及设于盖上方的一或多个线圈和一或多个电极，其中一或 多个电极系电气耦接至一或多个线圈的一者。来自RF功率源的RF功率提供至一或多个线 圈和一或多个电极。利用RF功率源提供的RF功率而可由处理气体产生等离子体，RF功率 源分别通过一或多个线圈和一或多个电极而感应及电容耦合至处理气体。
为让本发明的上述特征更明显易懂，可配合参考实施例说明，其部分如附图所示。 须注意的是，虽然所附图式揭露本发明特定实施例，但其并非用以限定本发明的精神与范 围，本领域技术人员当可作各种改变而得等效实施例。
图1示出根据本发明一些实施例的场加强感应耦合等离子体反应器的侧视图。图2A-B示出根据本发明一些实施例，场加强感应耦合等离子体反应器的线圈和 电极的俯视图。 图3示出根据本发明一些实施例，场加强感应耦合等离子体反应器的加热器组件 的俯视图。图4A-B分别示出根据本发明一些实施例，图1场加强感应耦合等离子体反应器的 等离子体源组件的不同配置的示意图。图5示出根据本发明一些实施例，形成等离子体的方法的流程图。为助于了解，各图中共通的组件以相同的组件符号表示。应理解某一实施例所揭 露的组件和特征结构当可用于其它实施例，而不需特别提及。
具体实施例在此提出场加强感应耦合等离子体反应器和其使用方法的实施例。本发明的感应 耦合等离子体反应器有利于提供较高的射频(RF)能量来点燃等离子体(如提高的或加强 的等离子体点燃操作范围)。此外，本发明的感应耦合等离子体反应器有利于提供极佳的等 离子体点燃能力，又不会实质改变等离子体的均勻性、密度或其它预定等离子体特性。图1示出根据本发明一些实施例的场加强感应耦合等离子体反应器(反应器100) 的侧视图。反应器100可单独使用或做为集成式半导体基板处理系统或丛集工具(cluster tool)的处理模块，例如CENTURA 集成式半导体晶圆处理系统，其可取购于美国加州圣克 拉拉市的应用材料公司(Applied Materials, Inc.)。适合受益于根据本发明实施例的修 改的等离子体反应器的例子包括感应耦合等离子体蚀刻反应器，例如半导体设备的DPS 线(如DPS 、DPS II、DPS AE, DPS G3多晶硅蚀刻机、DPS G5等)也可购自应用材 料公司。上列半导体设备仅为举例说明而已，其它蚀刻反应器和非蚀刻设备(如CVD反应 器或其它半导体处理设备)亦适合根据本发明教导而修改。反应器100 —般包括具有导电主体(壁)130与电介质盖120 (其一同定义处理容 积)的处理腔室110、设于处理容积内的基板支撑基座116、等离子体源组件160和控制器 140。壁130通常耦接至电气接地134。在一些实施例中，支撑基座(阴极)116经由第一匹 配网络124耦接至偏压功率源122。偏压源122例如为高达1000瓦(W)、频率约13. 56兆 赫(MHz)的来源，其可产生连续或脉冲功率，然而也可视特殊应用需求而采取其它频率和 功率。在其它实施例中，源122可为直流(DC)或脉冲式DC源。在一些实施例中，电介质盖120大体呈平坦。腔室110的其它变化例具有其它类 型的盖，例如圆顶状或其它形状的盖。等离子体源组件160 —般设在盖120上方，用以感应 耦合RF功率至处理腔室110内。等离子体源组件160包括一或多个感应线圈、一或多个电 极和等离子体功率源。一或多个感应线圈可设在电介质盖120上方。如图1所示，二线圈 (内部线圈109和外部线圈111)置于盖120上方。若设置多个线圈，则可按同心圆排列线 圈，例如将内部线圈109置于外部线圈111内。各线圈的相对位置、直径比及/或各线圈 中的匝数可依需求调整，以例如控制所形成的等离子体的分布或密度。一或多个感应线圈 (如图1所示的线圈109、111)经由第二匹配网络119耦接至等离子体功率源118。等离子 体源118例如可以50千赫(kHz)至13. 56MHz的变频产生高达4000W的功率，然而也可视特殊应用需求而采取其它频率和功率。在一些实施例中，功率分配器(power divider)(如分频电容器；dividing capacitor)设在一或多个感应线圈之间，用以控制等离子体功率源118供给各线圈的相对 RF功率量。例如，如图1所示，功率分配器104置于线路上，所述线路将内部线圈109和外 部线圈111耦接至等离子体功率源118，以控制供给各线圈的RF功率量(进而协助控制对 应于内部与外部线圈的区域中的等离子体特性)。 一或多个电极电气耦接至一或多个感应线圈的一者(如图1的内部线圈109或外 部线圈111)。在一示例的非限定实施例中，如图1所示，等离子体源组件160的一或多个 电极为二个电极112A、112B，其设在内部线圈109与外部线圈111之间且邻接电介质盖120。 每一电极112a、112b电气耦接至内部线圈109或外部线圈111。如图1所示，各电极112A、 11 分别经由电连接器1134、11%耦接至外部线圈111。1^功率可经由等离子体功率源118 和与之相连的感应线圈(如图1中的内部线圈109或外部线圈111)而提供至一或多个电 极。在一些实施例中，一或多个电极系可移动地耦接至一或多个感应线圈的一者，以 助于一或多个电极相对于电介质盖120的相对定位，及/或一或多个电极相对于彼此的相 对定位。例如，一或多个定位构件可耦接至至少一电极的一或多者来控制其位置。定位构 件可为任何能依需求而协助定位一或多个电极的手动或自动装置，例如包括导螺杆、线性 轴承、步进马达、楔等装置。耦接一或多个电极至特定感应线圈的电连接器可为弹性的，以 协助此种相对移动。例如，在一些实施例中，电连接器包括一或多个弹性构件，例如包线 (braided wire)或其它导体。在一些实施例中，如图1所示，定位构件115A、115B可耦接至各电极(如电极112A、 112B)，以独立控制其位置和定向(以垂直双箭头102和电极112a、112b的虚线延伸部分表 示)。在一些实施例中，定位构件可独立控制一或多个电极的各电极的垂直位置。例如，如 图4A所示，电极112a的位置受控于定位构件115A，而与电极112b的位置无关，其受控于定 位构件115b。此外，定位构件115a、115b还控制电极的角度或倾斜(或一或多个电极定义的 电极平面)。例如，如图4B所示，电极1 12a、1 12b定义的平面404相对于参考平面402 (如平 行腔室盖120)的角度受控于定位构件115Α、115Β&—个或二个。或者，不同的构件(未示 出)可设置来控制电极倾斜。针对一电极相对于其它电极的垂直位置的独立控制，及/或 针对电极平面的倾斜或角度的控制可促进电极提供的相对的电容耦合量(例如，设置靠近 处理腔室的处理容积的电极引起较多电容耦合，设置远离处理腔室的处理容积的电极引起 较少电容耦合)。例如，在一些实施例中，如图1所示，电极设置邻近线圈基底并位于大体平行于电 介质盖120的平面，因而增强电极所提供的电容耦合。也可采用其它电极配置，例如电极相 对于电介质盖120和相对于电极彼此而置于不同垂直距离及/或不同角度。控制等离子体 源组件160的一或多个电极所提供的RF功率的电容耦合量有助于控制腔室内的等离子体 特性。例如，增强等离子体源组件160的一或多个电极所提供的电容耦合可加大等离子体 点燃操作范围(在更宽的处理条件下增强点燃等离子体的能力)，同时维持感应耦合等离 子体的预期特性。选择性控制一或多个电极的位置容许产生刚好的电容耦合来点燃等离子 体，而不会耦合太多的RF能量至形成的等离子体内，以致不当改变其特性(如密度、解离比例、离子/中子比率等)。再者，控制一或多个电极的相对位置或倾斜还有助于对可能造成 不均勻等离子体的处理影响进行补偿(如不对称气体输送及/或抽吸所引起的不均勻气体 速度)。例如，通过相对高等离子体密度区域增强低等离子体密度区域中的电容耦合，腔室 内的整体等离子体分布将更均勻，故有助于更均勻的处理。
等离子体源组件160的一或多个电极可对称排列在电介质盖120顶部，以促进RF 能量均勻耦合至等离子体。在一些实施例中，一或多个电极并非配置以提供连续路径来感 应一或多个电极内的电流。故在采用单一电极的实施例中，电极包括介电断路，如此电极不 会形成导电圆环。然此单一断路可能因非对称配置而造成等离子体不均勻性。在采用单一 电极的实施例中，电极中介电断路布置为补偿腔室内的自然等离子体分布，以符合较高等 离子体密度或邻近腔室泵端口的区域。在一些实施例中，至少二个电极用来对称分配任何由电极间的介电空间引起的等 离子体作用。例如，图2A示出反应器100的一个示例实施例的示意俯视图，反应器100具 有大体等距相隔且置于内部线圈109与外部线圈111间的二个拱形电极112a、112b。把电 极表面积作为因素而计入对电极所提供的电容耦合的控制。故电极可为平面或大体平面。 在一些实施例中，电极的弧长和宽度恰适合置于感应线圈间，并保持电极间的介电空间。宽 度则相应地选择而用于定义各电极的表面积，从而定义电容耦合至处理腔室110内的RF能 量的大小。虽然图1及图2A显示一对电极，但也可采用其它数量和形状的电极，例如三、四或 更多个。例如，如图28所示，四个四分之一环状电极1仏、1仏、117。、1171)设置而沿着其周 长大体围绕内部线圈109。四个四分之一环电极可大体彼此等距间隔设置，并且可设置在 内部线圈109与外部线圈111间。每一电极117A_D通过各电连接器125A_D耦接至外部线圈 111 (或内部线圈109)。电连接器125A_D基本上等同于如下参照图1描述的电连接器113a_b。回到图1，加热器组件121设在电介质盖120顶部，以协助加热处理腔室110的内 部。加热器组件121置于电介质盖120与感应线圈109、111和电极112A_B之间。在一些实 施例中，加热器组件121包括电阻式加热组件，且可耦接至电源供应器123，例如交流(AC) 电源供应器，配置以提供充足的能量来将加热器组件121的温度控制在约50°C至约100°C 之间。在一些实施例中，加热器组件121为断开式加热器。在一些实施例中，加热器组件 121包含不断式加热器，例如环状元件，以助于在处理腔室110内形成均勻等离子体。例如，图3示出根据本发明一些实施例的加热器组件121的平面视图。加热器组 件121包括环状部分300，环状部分300具有往内延伸的鳍状物302。在一些实施例中，如 图1及3所示，环状部分300沿着电介质盖120的周围设置(例如，环状部分300的外径实 质等于电介质盖120的外径)。在一些实施例中，环状部分300的外径大于或小于电介质盖 120的外径。亦可采用其它适合的环状部分300构造，以允许大体均勻加热电介质盖120。 鳍状物302可具任何适当宽度、长度、数量及/或位于环状部分300附近的任何位置，以向 处理腔室110提供预定的热量和分布。如图3所示，鳍状物302对称排列在加热器组件121 的环状部分300的四周，并由环状部分300放射状向内延伸。回到图1，操作期间，基板114(如半导体晶圆或其它适合等离子体处理的基板)放 在基座116上，处理气体从气体分配盘(gas panel) 138经由入口 126供应，而于处理腔室 110内形成气态混合物150。通过施加等离子体源118的功率至感应线圈109、111和一或多个电极(如电极112A、112B)，则可在处理腔室110中，将气态混合物150点燃成等离子体 155，此将参照图5详述于后。在一些实施例中，偏压源122的功率也可施加至基座116。腔 室110的内部压力可利用节流阀127和真空帮浦136控制。腔室壁130的温度可利用穿过 壁130的含液体导管(未示出)控制。通过稳定支撑基座116的温度可控制晶圆114的温度。在一实施例中，氦气从气 源148经由气体导管149供给位于晶圆114背侧与设置在基座表面内的沟槽(未示出)之 间的信道。氦气用来促进基座116与晶圆114间的传热。处理时，基座116由基座内的电 阻式加热器(未示出)加热达稳态温度，氦气有助于均勻加热晶圆114。通过此种热控制， 晶圆114可例如维持在约0-500°C之间。控制器140包含中央处理单元(CPU) 144、用于CPU 144的内存142和支持电路 146，以协助控制反应器110的部件和所述的形成等离子体的方法。控制器140可为任一型 式的通用计算机处理器，其用于工业设定来控制不同的腔室和子处理器。CPU 144的内存 (或计算机可读取媒体)142可为一或多种容易取得的内存，例如随机存取内存(RAM)、只读 存储器(ROM)、软盘、硬盘、或其它近端或远程的数字储存器。支持电路146耦接至CPU 144， 以通过传统方式支持处理器。这些电路包括高速缓冲储存器(cache)、电源供应器、时钟电 路、输入/输出电路、次系统等。本发明的方法储存于内存142中当作软件例程(routine)， 其经执行或请求而依上述方式控制反应器100的运作。软件例程亦可储存及/或由第二 CPU(未示出)执行，其设置为远离CPU 144控制的硬件。图5示出根据本发明一些实施例，在类似上述反应器100的场加强感应耦合反应 器中形成等离子体的方法500。方法一般始于步骤502，其中处理气体提供到处理腔室110。 处理气体从气体分配盘138经由入口 126供应，而于处理腔室110内形成气态混合物150。 在提供处理气体之前或之后，如上述加热诸如壁130、电介质盖120和支撑基座116的腔室 部件达预定温度。施加功率源123的功率至加热器组件121，藉以加热电介质盖120。控制 供应功率，以维持处理腔室110在处理时呈预定温度。接着，在步骤504中，将来自RF功率源118的RF功率提供至一或多个感应线圈和 一或多个电极，进而分别感应及电容耦合至处理气体混合物150。RF功率例如以高达4000W 和50kH至13. 56MHz的变频提供，然而也可采用其它功率和频率来产生等离子体。当一或 多个电极电气耦接至一或多个感应线圈之时，RF功率被同时供给一或多个感应线圈和一或 多个电极。 在一些实施例中，如步骤506所示，利用一或多个感应线圈，将第一 RF功率量感应 耦合至处理气体。设有不断式加热组件(如加热器组件121为不断式加热组件的实施例) 会因部分第一 RF功率量感应耦合至加热器组件121而不期望地减少第一 RF功率量，以致 难以点燃等离子体。然如步骤508所示，利用电极112A_B，将第二 RF功率量电容耦合至处理 气体。由于第二 RF功率量电容耦合至处理气体，且不会因感应耦合至加热器组件121而减 少，故第二 RF功率量可增强在更宽的条件范围内点燃等离子体的能力。电容耦合至处理气体的第二 RF功率量例如可通过加长(以减少电容耦合)或缩 短(以增加电容耦合)各电极(如电极112a、112b)与电介质盖120间的距离而控制。如上 所述，一或多个电极的位置经独立控制，使得电极和电介质盖为等距或不等距相隔。也可控 制各电极与加热器组件121间的距离，以免二者间产生电弧。
电容耦合至处理气体的第二 RF功率量例如可通过控制电极平面(如电极112a、 112b底部)与电介质盖120间的倾斜或角度而被控制。一或多个电极(如电极112a、112b) 的平面定向可被控制，以协助调整处理腔室110的特定区域中电容耦合至处理气体混合物 150的第二RF功率量(例如，当电极平面倾斜时，一或多个电极的某一部分将比其它部分更 靠近电介质盖120)。在步骤510中，利用感应线圈109、111和电极112A_B分别提供的第一和第二 RF功 率量，由处理气体混合物150产生等离子体155。一旦点燃等离子体并获得等离子体稳定 性，方法500通常将结束，等离子体处理则依需求持续进行。例如，至少部分处理可采用每 一标准处理配方的RF功率设定和其它处理参数而继续进行。或者或此外，一或多个电极可 进 一步移动远离电介质盖120，以减少处理期间RF功率电容耦合至处理腔室110。或者或 此外，一或多个电极可移动更靠近电介质盖120或倾斜呈一角度，以增加RF功率电容耦合 至处理腔室110、或控制电容耦合至处理腔室110区域的相对RF功率量。在此已提出场加强感应耦合等离子体反应器和其使用方法。本发明的场加强感应 耦合等离子体反应器有利于增加腔室内用来点燃等离子体的RF功率，又不会改变其它等 离子体特性，例如等离子体均勻性或离子密度。本发明的场加强集成式等离子体反应器更 有利于控制及/或调整处理时的等离子体特性，例如均勻性及/或密度。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人 员在不脱离本发明的精神和范围内，可进行其它和进一步的实施例，因此本发明的保护范 围当视后附的权利要求所界定为准。
权利要求
1.一种场加强感应耦合等离子体处理系统，包含 处理腔室，具有电介质盖；以及等离子体源组件，设于所述电介质盖上方，所述等离子体源组件包含 一或多个线圈，配置为将射频(RF)能量感应耦合至所述处理腔室内，以在其中形成及 维持等离子体；一或多个电极，配置为将RF能量电容耦合至所述处理腔室内，以在其中形成所述等离 子体，其中，所述一或多个电极电气耦接至所述一或多个线圈；以及 RF产生器，耦接至所述一或多个感应线圈和所述一或多个电极。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一或多个线圈还包括 外部线圈；以及内部线圈。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一或多个电极还包括二个电极，等距相隔且设置于所述内部线圈与所述外部线圈之间，其中，每一电极电气 耦接至所述外部线圈。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一或多个电极还包括四个四分的一环状电极，等距相隔且设置于所述内部线圈与所述外部线圈之间，其中， 每一电极电气耦接至所述外部线圈。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括一或多个位置控制构件，耦接至所述一或多个电极，用以独立地控制限定于所述电介 质盖与所述一或多个电极之间的垂直距离。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述一或多个电极所定义的电极平 面相对于所述电介质盖的角度是可调整的。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，还包括加热器组件，设置在所述电介质盖与所述等离子体源组件的所述一或多个电极之间。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括交流(AC)电源供应器，耦接至所述加热器组件。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述加热器组件为不断式加热器组件。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，还包括支撑基座，设置在所述处理腔室内，所述处理腔室具有耦接至所述支撑基座的偏压功 率源。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的系统，其中，所述一或多个电极还包括 二个电极，等距相隔设置。
12.—种形成等离子体的方法，包含将处理气体提供至处理腔室的内容积，所述处理腔室具有电介质盖，并且具有设置于 所述电介质盖上方的一或多个线圈和一或多个电极，其中，所述一或多个电极电气耦接至 所述一或多个线圈的一者；将来自射频(RF)功率源的RF功率提供至所述一或多个线圈和所述一或多个电极；以及利用所述RF功率源提供的所述RF功率，由所述处理气体形成等离子体，所述RF功率源分别通过所述一或多个线圈和所述一或多个电极而感应及电容耦合至所述处理气体。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述RF功率提供至所述一或多个线圈和所 述一或多个电极的步骤包含通过所述一或多个线圈而将来自RF功率源的第一 RF功率量感应耦合至所述处理气 体；以及通过所述一或多个电极而将来自所述RF功率源的第二 RF功率量电容耦合至所述处理 气体。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述处理腔室还包括设置在所述电介质 盖顶部的不断式加热器组件，并且还包括向所述加热器组件供应功率，以控制所述处理腔室的温度。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括调整所述一或多个电极的至少一个与所述电介质盖之间的垂直距离、或调整所述一或 多个电极所限定的电极平面相对于所述电介质盖的角度，以控制等离子体的均勻性或离子 密度的至少一者。
全文摘要
本发明提出场加强感应耦合等离子体反应器和其使用方法的实施例。在一些实施例中，场加强感应耦合等离子体处理系统包括处理腔室，所述处理腔室具有电介质盖和设置于电介质盖上方的等离子体源组件。等离子体源组件包括一或多个线圈，配置为将射频(RF)能量感应耦合至处理腔室内，以在其中形成及维持等离子体；一或多个电极，配置为将RF能量电容耦合至处理腔室内，以在其中形成等离子体，其中一或多个电极电气耦接至一或多个线圈的一者；以及RF产生器，耦接至一或多个感应线圈和一或多个电极。在一些实施例中，加热器组件设置在电介质盖与等离子体源组件之间。
文档编号H05H1/34GK102106192SQ200980129618
公开日2011年6月22日 申请日期2009年7月17日 优先权日2008年7月30日
发明者卡尔蒂克·拉马斯瓦米, 瓦伦汀·N·图杜罗, 萨姆尔·班纳, 迈克尔·D·威尔沃斯 申请人:应用材料公司