专利名称：在感应耦合等离子体腐蚀系统中有效地控制高频峰－峰电压的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体的制造，特别涉及用于控制等离子体腐蚀室内的等离子体特性的装置和方法。
背景技术：
在半导体制造工艺中，重复进行腐蚀工艺、绝缘膜形成和扩散工艺。本领域中的技术人员都知道，有两种类型的腐蚀工艺湿腐蚀和干腐蚀。通常使用例如图1A中所示的感应耦合等离子体腐蚀装置进行干腐蚀。
在图1A中所示的感应耦合等离子体腐蚀装置中，反应气体首先通过气体引入口(未示出)进入室20内。然后高频功率由电源(未示出)施加到线圈17。半导体晶片11安装在室20内提供的卡盘19上。线圈17由垫块13支撑在室的上部，垫块由绝缘材料形成。在操作中，流过线圈17的高频(RF)电流将在室20内感应出电磁电流，电磁电流作用在反应气体上以产生等离子体。
等离子体含有各种类型的游离基，使用正/负离子的化学反应腐蚀半导体晶片11自身或形成在晶片上的绝缘膜。在腐蚀工艺期间，线圈17起变压器原线圈的作用，而室20中的等离子体起变压器次线圈的作用。腐蚀工艺产生的反应产物通过排出口15排出。
当腐蚀一种新近开发的器件材料(例如，铂、钌等)时，产生的反应产物可能为不挥发性的物质(例如，RuO2)。有时，反应产物会粘附到TCP窗口10的表面10a上。如果反应产物导电，那么表面10a上的反应产物膜会电屏蔽室中的电磁电流。因此，在腐蚀几个晶片之后，等离子体不会放电，腐蚀工艺必须停止。
为了避免该问题，已开发一种通过使用等离子体溅射粘附到TCP窗口10的表面10a上的反应产物的方法。然而，在图1A所示的感应耦合等离子体腐蚀装置中，由RF电流感应的电磁电流在TCP窗口10的附近产生具有驻波的分布电压。由于它会使反应产物的淀积和溅射变得不均匀，因此很成问题。
图1B和1C示出了在图1A所示的感应耦合等离子体腐蚀装置中的TCP窗口上固有的不均匀淀积和溅射。在图1B中，线圈17由其内有“x”或“·”的方块表示。其内具有“x”的方块表示线圈延伸到页内。其内具有“·”的方块表示线圈延伸出页面。如图1B所示，对TCP窗口10的表面10a的一些部分进行过量溅射，对表面的其它部分进行过量淀积。在较大量的能量被添加到等离子体中离子的区域中发生过量溅射，因为在该位置处由驻波造成的加速电压的幅值高。如图1C下部的曲线图所示，驻波24的幅值在点24a和24b处高，分别对应于线圈17的端部17a和17b，如图1C上部的曲线图所示。在较少量的能量被添加到等离子体中离子的区域中发生过量淀积，因为驻波的幅值低。如图1C下部的曲线图所示，驻波24的幅值在点22，即驻波的波节，附近的区域中低。
由于多种原因不希望在TCP窗口上的不均匀淀积和溅射。如上所述，不希望过量淀积是由于在TCP窗口表面上存在的导电膜会电屏蔽该室中的电磁电流，由此使腐蚀工艺不能进行。此外，过量淀积经常产生微粒问题(晶片上的微粒剥落)，因此增加了必须对室进行干和湿清洁的频率。特别不希望频繁地清洁该室，是因为这样牺牲了设备的可使用时间，由此减少了产量。不希望过量溅射是由于离子轰击会磨损通常由石英或氧化铝制成的TCP窗口。这种磨损不仅缩短了TCP窗口的寿命，而且产生了微粒，这会污染晶片并将不希望的化学物质引入到工艺环境中。特别不希望在工艺环境中存在不希望的化学物质是因为它导致工艺条件的再现性差。
鉴于以上，需要一种能基本上防止导电反应产物淀积在TCP窗口表面同时不过量磨损TCP窗口的感应耦合等离子体腐蚀装置。
发明内容
总的来说，本发明提供一种感应耦合等离子体腐蚀装置，其将能量均匀地施加到产生等离子体的室的一个壁附近的等离子体中的离子。
根据本发明的一个方案，提供一种第一类型的感应耦合等离子体腐蚀装置。该感应耦合等离子体腐蚀装置包括一个室和一个用于密封该室的顶部开口的窗口。窗口具有暴露到该室的内部区域的内表面。一个起法拉第屏蔽作用的金属板设置在窗口上方并与窗口有一定的间距。一个线圈设置在金属板上方并与金属板有一定的间距。线圈在一个连接位置导电地连接到金属板，其连接位置使得在金属板上产生的峰-峰电压能最优地减少窗口的内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口的内表面上的淀积。
在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置进一步包括一个接收RF功率的线圈输入端和一个线圈输出端。在该实施例中，连接位置被限定在线圈输入端和线圈输出端之间。在一个实施例中，和线圈输入端相比，连接位置更靠近线圈输出端。在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置还包括RF发生器、耦合在RF发生器和线圈输入端之间的匹配电路网络、以及耦合在地和线圈输出端之间的可变电容器。
在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置还包括耦合到金属板的振荡电路。可以控制该振荡电路以调节金属板上的峰-峰电压。在一个实施例中，振荡电路包括一个可变电容器，可以调节可变电容器以控制沿一个调和点的峰-峰电压。在另一实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置还包括耦合到金属板的分压器电路。可以控制分压器电路以调节峰-峰电压。在一个实施例中，分压器电路包括一个可变电容器，可以调节可变电容器以控制沿一个曲线的峰-峰电压，随着可变电容器的电容增加，峰-峰电压降低。
在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置包括一个室盖，室盖连接到金属板和线圈。室盖可以通过能够打开和关闭室盖的铰链连接。当处于关闭位置时，室盖使金属板靠近窗口以准备操作。
在另一个实施例中，提供一种第二类型的感应耦合等离子体腐蚀装置。该感应耦合等离子体腐蚀装置包括一个室和一个用于密封该室的顶部开口的窗口。窗口具有暴露到该室的内部区域的内表面。一个起法拉第屏蔽作用的金属板设置在窗口上方并与窗口有一定的间距。一个线圈设置在金属板上方并与金属板有一定的间距。装置还包括一个控制器，用于将峰-峰电压外部地施加到金属板。控制器包括振荡电路、匹配电路、RF发生器、以及用于监控施加的峰-峰电压的反馈控制。
在一个实施例中，可以调节外部施加的峰-峰电压以减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置还包括一个接收RF功率的线圈输入端和一个线圈输出端。在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置还包括RF发生器、耦合在RF发生器和线圈输入端之间的匹配电路网络、以及耦合在地和线圈输出端之间的可变电容器。
在一个实施例中，金属板通过介质垫块连接到窗口。在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置包括一个室盖，室盖连接到金属板和线圈。室盖可以通过一个能够打开和关闭室盖的铰链连接。当处于关闭位置时，室盖使金属板靠近窗口以准备操作。当处于打开位置时，室盖使金属板远离窗口以目视检查该窗口并维护该室。
根据本发明的另一方案，提供一种用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置的操作的第一方法。在该方法中，提供一个用于腐蚀晶片的室。一个窗口连到该室的顶部开口。窗口具有一个外表面和一个暴露到该室的内部区域的内表面。一个线圈放置在窗口上方，一个金属板放置在窗口的外表面上方。金属板设置在线圈和窗口外表面之间，并具有一定的间距。金属板导电地连接到线圈上的一个连接位置。该连接位置位于一个输入端和一个输出端之间，并被优化地选择以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的入射离子能量。基本上均匀的入射离子能量被配置为减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
根据本发明的又一方案，提供一种用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置操作的第二方法。在该方法中，提供一个用于腐蚀晶片的室。一个窗口连到该室的顶部开口。窗口具有一个外表面和一个暴露到该室的内部区域的内表面。一个线圈放置在窗口上方，一个金属板放置在窗口的外表面上方。金属板设置在线圈和窗口外表面之间，并具有一定的间距。一个受控的峰-峰电压被施加到金属板，以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的入射离子能量。基本上均匀的入射离子能量被配置为减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
本发明的装置和方法提供了许多优点。最重要的是，本发明的装置和方法均匀地防止了在感应耦合等离子体腐蚀系统中导电反应产物(例如，RuO2)淀积在室的上壁(例如TCP窗口)内表面上。这增加了近来开发的器件材料(例如Ru)的等离子体腐蚀的产量，因为不必在仅处理了几个晶片之后就停止等离子体腐蚀操作以清理室的各壁。此外，本发明的装置和方法也能均匀地防止在感应耦合等离子体腐蚀系统中室的上壁(例如TCP窗口)内表面上的溅射。通过避免了产生微粒和将不希望的化学物质引入到处理环境内，这增加了工艺条件的再现性。
应该理解以上概括的说明和以下详细的介绍都是示例性和说明性的，并不限制本发明。
在这里引入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的示例性的实施例并和说明书一起用于说明本发明的原理。
图1A是示出了现有技术感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意剖面图。
图1B是示出了图1A所示感应耦合等离子体腐蚀装置中TCP窗口上的固有不均匀淀积和溅射的简化示意图。
图1C是示出了图1A所示感应耦合等离子体腐蚀装置中线圈上Vpp与线圈长度的函数关系的曲线图。
图2A是示出了根据本发明的一个实施例的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意剖面图。
图2B是示出了根据本发明的一个实施例的感应耦合等离子体腐蚀装置中产生等离子体的简化示意剖面图。
图2C是示出了根据本发明一个实施例的感应耦合等离子体腐蚀装置得到的均匀窗口溅射的简化示意剖面图。
图3是根据本发明的一个实施例起法拉第屏蔽作用的金属板和将金属板固定的部件的立体分解图。
图4是根据本发明的一个实施例的线圈和将线圈固定的部件的立体分解图。
图5是示出了在确定用于钌(Ru)腐蚀时法拉第屏蔽板连接到线圈的最佳位置所进行的实验中使用的装置和连接位置的简化示意图。
图6A、6B和6C是示出了对于图5中示出的每个连接位置A、B和C测量的VPP与用于法拉第屏蔽板、线圈输入端以及线圈输出端的TCP功率的函数关系曲线图。
图7A是根据本发明的一个实施例包括外部地控制法拉第屏蔽板的VPP的振荡电路的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。
图7B是示出了图7A中所示感应耦合等离子体腐蚀装置的可变电容位置与VPP的函数关系曲线图。
图8A是根据本发明的另一个实施例包括外部地控制法拉第屏蔽板的VPP的分压器电路的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。
图8B是示出了图8A中所示感应耦合等离子体腐蚀装置的可变电容位置与VPP的函数关系曲线图。
图9A是根据本发明的又一个实施例的其中法拉第屏蔽板由不同频率驱动的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。
图9B是示出了图9A中所示感应耦合等离子体腐蚀装置的低频RF功率与VPP的函数关系曲线图。
图10是示出了钌腐蚀速率与在常规感应耦合等离子体腐蚀装置中和在根据本发明的具有耦合到线圈的法拉第屏蔽板的感应耦合等离子体腐蚀装置中处理的晶片数量的函数关系曲线图。
具体实施例方式
下面参考附图详细地介绍本发明的几个示例性实施例。图1A-1C在“发明背景部分”进行了介绍。
图2A是示出了根据本发明的一个实施例的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意剖面图。如图2A所示，半导体晶片11安装在设置在室100内的卡盘19上，室100由一个壳体的壁限定，卡盘靠近壳体的下壁。线圈117由垫块13支撑在室100的TCP窗口10上，垫块可以由绝缘材料形成。TCP窗口10优选由石英制成；然而，也可以使用其它材料，例如氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、以及硅(Si)。TCP窗口10的主要作用是提供室100的真空密封。在一个实施例中，TCP窗口10与晶片11隔开约2英寸和约8英寸之间的距离，优选在约4英寸和约5英寸之间。在操作中，反应气体通过气体引入口(未示出)送入室100内。然后把来自电源(未示出)的高频功率施加到线圈117。流过线圈117的高频(RF)电流将在室100内感应出电磁电流，电磁电流作用在反应气体上以产生等离子体。
等离子体含有各种类型的游离基，使用正/负离子的化学反应腐蚀半导体晶片11自身或形成在晶片上的绝缘膜。在腐蚀工艺期间，线圈117起变压器原线圈的作用，而室100中的等离子体起变压器次线圈的作用。如果腐蚀工艺产生的反应产物易挥发，那么腐蚀工艺产生的反应产物通过排出口15排出。
起法拉第屏蔽作用的金属板217提供在线圈117和室100之间。为便于参考，这里金属板217也称作“法拉第屏蔽板”。在一个实施例中，金属板217以一定的间距设置在线圈117和TCP窗口10之间并基本平行于TCP窗口10。金属板217优选厚度在约20μm到约10mm的范围内，更优选厚度在约50μm到约5mm的范围内。在一个实施例中，金属板217的厚度约1.5mm。连接器207将金属板217电连接到线圈117的预定位置以确保施加到金属板217的面内RF电压均匀。由于施加到金属板217的面内RF电压均匀，因此能量被均匀地施加到TCP窗口10附近中的等离子体。由于所述均匀的能量分布，均匀地发生反应产物的淀积和溅射，由此在TCP窗口10上不会积累反应产物，或者被基本上去除。
在一个实施例中，连接器207将金属板217电连接到线圈117的一个位置，使足够的Vpp(峰值-峰值)施加到金属板。通过均匀地将Vpp施加到金属板217，等离子体中的离子被加速并均匀地撞击感应耦合等离子体腐蚀装置的室的一个壁的真空侧表面，以防止反应产物淀积其上。在一个实施例中，感应耦合等离子体腐蚀装置为TCP 9400 PTX等离子体腐蚀装置，从Lam Research Corporationof Fremont California购买，并且被加速的离子均匀地撞击TCP窗口的真空侧表面，以防止反应产物淀积其上。在另一实施例中，连接器207将金属板电连接到一个从阻抗匹配盒延伸到线圈的导体。
图2B和2C示出了根据本发明的一个实施例的感应耦合等离子体腐蚀装置得到的均匀窗口溅射。如图2B所示，通过连接器207将适当的Vpp施加到金属板217，其中连接器207在用于特定工艺的优化位置连接到线圈117，在室100内产生均匀地横跨在金属板217表面上的磁场。这些均匀的磁场进而在室100内感应出均匀的电磁电流，并且该感应电流作用在反应气体上以产生等离子体。由于感应电流均匀地横跨在金属板217的表面上，因此撞击TCP窗口10的表面10a的入射离子的能量也均匀，如图2C所示。
图3是根据本发明的一个实施例起法拉第屏蔽作用的金属板和将金属板固定的部件的立体分解图。如图3所示，金属板217通过螺钉205固定到一个连接框架201的下面，在连接框架的顶面提供有连接垫块13。连接框架201、连接垫块13以及螺钉205可以由任何合适的绝缘材料形成。
外环211、内环213以及中心盘215通过螺钉219固定到连接框架201，它们可以由任何合适的绝缘材料形成。在感应耦合等离子体腐蚀装置的操作期间，外环211、内环213以及中心盘215保持金属板217的形状。在金属板217中形成有多个径向槽221。径向槽221横向地延伸到线圈117部分(参见图4)，以中断由导体金属板217上流动的电流产生的内部感应电源。这很必要，是因为在金属板217上流动的电流使线圈117(例如参见图2A和4)和室100(例如参见图2A)电屏蔽。
继续参考图3，导体207电连接金属板217和线圈117(例如参见图2A和4)。使用两个金属螺钉209进行这种连接，一个金属螺钉将金属板217连接到导体207，另一个金属螺钉将线圈117连接到导体207。
图4是根据本发明的一个实施例的线圈和将线圈固定的部件的立体分解图。如图4所示，连接框架201和连接垫块13提供在金属板217和线圈117之间。通过支撑弹簧壳体301和金属螺钉303固定十字形线圈安装板305的四个端部以保持线圈117的形状。如图4所示，线圈117具有三匝。线圈117必须具有至少一匝，然而在此条件下可以具有任何合适数量的匝数。
如结合图3的说明所介绍的，连接器207将金属板217电连接到线圈117。如图4所示，U形垫块309定位线圈安装板305、线圈117以及金属板217。U形垫块309通过金属螺钉307连接到线圈117。一个金属螺钉209通过U形垫块309将连接器207电连接到线圈117，另一金属螺钉209将连接器207电连接到金属板217(参见图3)。如图4所示，构造线圈117使线圈输入端117a和线圈输出端117b靠近线圈117的中心。具体地，线圈117包括线圈端117a-1和线圈输出端117b。线圈延伸部分117a-2将线圈端117a-1连接到线圈延伸部分117a-4的线圈延伸端117a-3。线圈输入端117a在线圈延伸部分117a-4的另一端。对本领域的技术人员来说显然，当线圈输入端和线圈输出端不需要都靠近线圈117的中心时，线圈的构造可以与图4所示的不同。
图5是示出了在确定用于钌(Ru)腐蚀时法拉第屏蔽板连接到线圈的最佳位置所进行的实验中使用的装置和连接位置的简化示意图。如图5所示，RF发生器400、匹配电路网络402以及VI探针412a耦合到线圈117的线圈输入端117a。接地的可变电容器401以及VI探针412b耦合到线圈117的线圈输出端117b。测试期间，金属板217，即法拉第屏蔽板，通过连接器207在位置A、B和C耦合到线圈117，用VI探针412a和412b在线圈输入端117a和线圈输出端117b分别测量这些连接位置的每一个的Vpp。此外，用VI探针412c测量每个连接位置A、B和C的金属板的Vpp。VI探针412a、412b和412c为容性探针，包括由介质材料例如聚酰亚胺隔开的金属探针和金属(例如铜)板。
图6A、6B和6C是示出了对于图5中示出的每个连接位置A、B和C测量的VPP与用于法拉第屏蔽板217、线圈输入端117a以及线圈输出端117b的TCP功率的函数关系曲线图。如图6A所示，对于连接位置A(靠近输出)，随着TCP功率增加，金属板217的VPP显著下降。对于连接位置B和C，随着TCP功率增加，金属板217的VPP稍微增加。如图6B所示，对于每个连接位置A、B和C，随着TCP功率增加，线圈输入端117a处的VPP显著增加。如图6C所示，对于连接位置A，随着TCP功率增加，线圈输出端处的VPP稍微降低。对于连接位置B和C，随着TCP功率增加，线圈输出端处的VPP显著增加。
再参考图6A，对于金属板217，连接位置A在800瓦产生676伏的VPP。在测试期间，TCP窗口保持干净，但存在太多的溅射。利用喷砂的石英窗口〔blastedquartz window〕可以观察到钌的微掩蔽，但是这可以通过用抛光的窗口代替喷砂的石英窗口来解决。连接位置B在800瓦产生464伏的VPP。测试期间，对相当于大约一批晶片进行钌腐蚀之后在TCP窗口上没有观察到腐蚀副产品淀积。连接位置C在800瓦产生373伏的VPP。测试期间，在腐蚀几个晶片之后在TCP窗口上观察到轻微的淀积。由此，对于钌腐蚀工艺，以上测试结果显示连接位置B优越于连接位置A和C。
本发明的法拉第屏蔽板非常适合于单步腐蚀方法，其中对于特定的腐蚀方法可以优化RF峰-峰电压和RF匹配。然而，许多腐蚀方法包括多个腐蚀步骤，例如，穿通步骤，体腐蚀步骤以及过腐蚀步骤，其中RF功率、压力和气体组分实质上不同。因此，对于给定的腐蚀步骤，法拉第屏蔽板(例如，连接位置)上特定设置的VPP在其它腐蚀步骤中可能并不是最佳的。此外，由于对于不同的腐蚀步骤，腐蚀室阻抗不同，很难调谐RF以满足各种阻抗。对于包括多个腐蚀步骤的腐蚀方法，通过仅选择右连接点以基本上消除石英窗口上的材料淀积，可以优化每个腐蚀工艺。例如，可以类似于以上参考图5介绍的选择连接位置B的方式达到这种优化。在该例中，选择点A、B和C分别距线圈输出端约25mm，距线圈输出端约80mm，距线圈输出端约140mm。当然，对于本领域的技术人员来说显然，这些位置可以并且将依据腐蚀一给定材料所使用的方法以及匹配网络元件设置的组合而改变。
图7A是根据本发明的一个实施例包括外部地控制法拉第屏蔽板的VPP的振荡电路的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。如图7A所示，RF发生器400和匹配电路网络402耦合到线圈117的线圈输入端117a。接地的可变电容器401耦合到线圈117的线圈输出端117b。金属板217连接到线圈117和屏蔽盒406，屏蔽盒406定义了一个包括可变电容器408和电感器409的振荡电路。可变电容器408和电感器409接地。采用该结构，通过调节振荡电路的可变电容器的位置可以控制金属板217的VPP。如图7B所示，最大VPP发生在调和点。
图8A是根据本发明的另一个实施例包括外部地控制法拉第屏蔽板的VPP的分压器电路的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。如图8A所示，RF发生器400和匹配电路网络402耦合到线圈117的线圈输入端117a。接地的可变电容器401耦合到线圈117的线圈输出端117b。金属板217通过分压器电路416连接到线圈117，分压器电路416包括耦合电容器416a和可变电容器416b。金属板217连接到分压器电路416，使耦合电容器416a设置在线圈117和金属板之间，并且可变电容器416b设置在金属板和地之间。采用该结构，通过调节分压器电路的可变电容器的位置可以控制金属板217的VPP。如图8B所示，VPP正比于分压器电路的分压比。
一方面，图7A和8A中所示的用于外部控制法拉第屏蔽板的VPP的结构是可取的，因为其结构简单和便宜。另一方面，这些结构可能影响TCP匹配。对此，图7A所示结构对TCP匹配的影响小于图8A所示结构的影响。
图9A是根据本发明的又一个实施例的其中法拉第屏蔽板由不同频率独立驱动的感应耦合等离子体腐蚀装置的简化示意图。如图9A所示，RF发生器400和匹配电路网络402耦合到线圈117的线圈输入端117a。接地的可变电容器401耦合到线圈117的线圈输出端117b。金属板217在连接点462耦合到法拉第屏蔽驱动器450。法拉第屏蔽驱动器450实质上是一个控制器，使得能够监视在不同的TCP功率设置处施加的峰-峰电压，并进行即时调节以获得最大的优化性能同时不依赖于线圈117的匹配电路。因为在本示例性实施例中线圈和金属板之间没有连接，因此可以实现上述功能。如图9A所示，法拉第屏蔽驱动器450包括匹配电路452、包括电感器454和可变电容器456的13.56MHz的振荡电路、RF发生器458、以及VPP反馈环路460。
在操作中，来自接地的RF发生器458的RF功率被施加到金属板217。RF功率优选在约50KHz到约50MHz的范围内，更优选约100KHz到刚刚小于13.56MHz的范围内。在一个实施例中，RF功率约2MHz。就13.56MHz点而言，耦合到金属板217的13.56MHz振荡电路起使金属板“接地”的作用。换句话说，13.56MHz振荡电路阻挡了由RF发生器400施加到金属板217的RF功率的中断。
VPP反馈460优选被反馈回RF发生器458与外部的VPP值比较。基于这种比较，对RF发生器458进行调节，使得可以把最优VPP电平施加到法拉第屏蔽板。在优选实施例中，借助计算机控制站可以监控施加的VPP。借助文本显示、图形用户界面(GUI)或打印，计算机控制站可以为用户提供统计的操作数据。基于这种统计数据，操作者可以进一步调节以获得最优化的性能，并由此消除了在室内壁(例如，TCP窗口内表面)上淀积副产品。因此，采用图9A的结构，通过调节施加到金属板的低频RF功率可以控制金属板217的VPP。如图9B所示，随着低频RF功率的增加，VPP增加。因此，在该示例性实施例中，不需要具有到线圈117的固定连接点。
图10是钌腐蚀速率与在常规感应耦合等离子体腐蚀装置中和在根据本发明的具有耦合到线圈的法拉第屏蔽板的感应耦合等离子体腐蚀装置中处理的晶片数量的函数关系曲线图。如图10所示，在常规的感应耦合等离子体腐蚀装置中，处理150个晶片之后，钌腐蚀速率减小约50％。相比之下，在根据本发明的具有耦合到线圈的法拉第屏蔽的感应耦合等离子体腐蚀装置中，处理150个晶片之后钌腐蚀速率基本上与初始腐蚀速率相同。因此，本发明的法拉第屏蔽板提供了高可再现的钌腐蚀速率。
本发明也提供了一种在感应耦合等离子体腐蚀装置中控制一个限定产生等离子体的室的壁的内表面的方法。在该方法中，一个金属板设置在一个用于接收高频(RF)功率的线圈和该室中产生的等离子体之间，使得金属板不接触线圈。金属板内形成有多个横向地延伸到线圈的金属槽，并电连接到线圈，如上所述。在感应耦合等离子体腐蚀装置中进行等离子体腐蚀操作。在等离子体腐蚀操作期间，位于金属板和等离子体之间的一个壁的内表面上淀积的反应产物和从该壁内表面上溅射的反应产物基本上均匀，使得在壁的内表面上不会积累使等离子体腐蚀操作停止的足够量的反应产物。在一个实施例中，位于金属板和等离子体之间的壁为室的上壁，例如TCP窗口。
本发明还提供了用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置的操作的方法。在这些方法中，提供一个用于腐蚀晶片的室。一个窗口连到该室的顶部开口。窗口具有一个外表面和一个暴露到该室的内部区域的内表面。一个线圈放置在窗口上方，一个金属板放置在窗口的外表面上方。金属板设置在线圈和窗口外表面之间，并具有一定的间距。根据第一优化方法，金属板连接到线圈上的一个连接位置。该连接位置位于一个输入端和一个输出端之间，并被优化地选择以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的入射离子能量。基本上均匀的入射离子能量被配置为减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。根据第二优化方法，控制施加到金属板的峰-峰电压，以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的离子能量入射。基本上均匀的入射离子能量被配置为减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
本发明的感应耦合等离子体腐蚀装置很适合于新近开发的能产生不挥发性导电反应产物(例如，RuO2)的器件材料(例如，铂、钌等)的等离子体腐蚀。对本领域的技术人员来说，显然本发明的感应耦合等离子体腐蚀装置也可以用于对如金属和多晶硅等的标准材料进行等离子体腐蚀。在金属和多晶硅的等离子体腐蚀中，调节Vpp以实现均匀和最少量的淀积。以此方式，可以改善清洁之间平均晶片(MWBC)和TCP窗口的寿命。
对于本领域中的技术人员来说显然，本发明的装置和方法提供的VPP精确控制和TCP窗口上溅射和淀积的平衡提供了许多其它优点，包括减少了与微粒和污物、腐蚀轮廓控制(通过控制来自等离子体和TCP窗口的腐蚀侧壁淀积)、腐蚀选择率控制以及选择性腐蚀副产品淀积有关的问题。对于选择性腐蚀副产品淀积，可以如下实现上述优点假设TCP窗口的表面保持在相对恒定的温度，通过调谐Vpp，使得可以在TCP窗口上捕获具有特定粘着系数和溅射系数的材料以控制腐蚀。
总之，本发明提供了一种感应耦合等离子体腐蚀装置和用于优化感应耦合等离子体腐蚀装置中的操作的方法。这里就几个优选实施例介绍了本发明。从说明书考虑和本发明的实施中，对于本领域中的技术人员来说本发明的其它实施例显然可以得到。例如，可以把法拉第屏蔽板连接到线圈的位置从此处显示和描述的示例性位置改变为另一个位置以优化一个特定腐蚀工艺。以上介绍的实施例和优选特征为示例性的，本发明的范围由附带的权利要求书以及它们的等效范围限定。
权利要求
1.一种感应耦合等离子体腐蚀装置，包括一个室；一个用于密封该室的顶部开口的窗口，窗口具有一个暴露到该室的内部区域的内表面；一个设置在窗口上方并与窗口有一定间距的金属板；一个设置在金属板上方的线圈，线圈与金属板有一定的间距，并且线圈在一个连接位置导电地连接到金属板上，其连接位置使得在金属板上产生的峰-峰电压能最佳地减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
2.根据权利要求1的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中线圈还包括用于接收RF功率的线圈输入端；以及线圈输出端，连接位置限定在线圈输入端和线圈输出端之间。
3.根据权利要求2的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中和线圈输入端相比，连接位置更靠近线圈输出端。
4.根据权利要求2的感应耦合等离子体腐蚀装置，还包括RF发生器；耦合在RF发生器和线圈输入端之间的匹配电路网络；以及耦合在地和线圈输出端之间的可变电容器。
5.根据权利要求1的感应耦合等离子体腐蚀装置，还包括耦合到金属板的振荡电路，可以控制该振荡电路以进一步调节金属板上的峰-峰电压。
6.根据权利要求5的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中振荡电路包括可变电容器，可以调节可变电容器以控制沿调和点的峰-峰电压。
7.根据权利要求1的感应耦合等离子体腐蚀装置，还包括耦合到金属板的分压器电路，可以控制分压器电路以进一步调节金属板上的峰-峰电压。
8.根据权利要求7的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中分压器电路包括可变电容器，可以调节可变电容器以控制沿一个曲线的峰-峰电压，随着可变电容器的电容增加，峰-峰电压降低。
9.根据权利要求1的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中该室还包括室盖，室盖连接到金属板和线圈，室盖通过一个能够打开和关闭室盖的铰链连接。
10.根据权利要求9的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中处于关闭位置时，室盖使金属板靠近窗口以准备操作。
11.一种感应耦合等离子体腐蚀装置，包括一个室；一个用于密封该室的顶部开口的窗口，窗口具有一个暴露到该室的内部区域的内表面；一个设置在窗口上方并与窗口有一定间距的金属板；一个设置在金属板上方并与金属板有一定间距的线圈；和一个控制器，用于将峰-峰电压外部地施加到金属板，控制器包括振荡电路、匹配电路、RF发生器、以及用于监控施加的峰-峰电压的反馈控制。
12.根据权利要求11的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中可以调节外部施加的峰-峰电压以减少窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
13.根据权利要求12的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中线圈还包括用于接收RF功率的线圈输入端；以及线圈输出端。
14.根据权利要求13的感应耦合等离子体腐蚀装置，还包括RF发生器；耦合在RF发生器和线圈输入端之间的匹配电路网络；以及耦合在地和线圈输出端之间的可变电容器。
15.根据权利要求13的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中金属板通过介质垫块连接到窗口。
16.根据权利要求11的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中该室还包括室盖，室盖连接到金属板和线圈，室盖通过一个能够打开和关闭室盖的铰链连接。
17.根据权利要求16的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中当处于关闭位置时，室盖使金属板靠近窗口以准备操作。
18.根据权利要求16的感应耦合等离子体腐蚀装置，其中当处于打开位置时，室盖使金属板远离窗口以目视检查窗口并维护该室。
19.一种用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置的操作的方法，包括提供一个用于腐蚀晶片的室；把一个窗口连到该室的顶部开口，窗口具有一个外表面和一个暴露到该室的内部区域的内表面；把一个线圈放置在窗口上方；把一个金属板放置在窗口的外表面上方，金属板设置在线圈和窗口外表面之间，并具有一定的间距；把金属板连接到线圈上的一个连接位置，该连接位置位于一个输入端和一个输出端之间，并被最优地选择以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的入射离子能量，基本上均匀的入射离子能量被配置为减少了窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
20.一种用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置的操作的方法，包括提供一个用于腐蚀晶片的室；把一个窗口连到该室的顶部开口，窗口具有一个外表面和一个暴露到该室的内部区域的内表面；把一个线圈放置在窗口上方；把一个金属板放置在窗口的外表面上方，金属板设置在线圈和窗口外表面之间，并具有一定的间距；以及把受控峰-峰电压施加到金属板，以在窗口的内表面附近产生基本上均匀的入射离子能量，基本上均匀的入射离子能量被配置为减少了窗口内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。
全文摘要
一种感应耦合等离子体腐蚀装置包括室(100)和用于密封该室的顶部开口的窗口(10)。窗口(10)具有暴露到室(100)内部区域的内表面。起法拉第屏蔽作用的金属板(217)设置在窗口(10)上方并与窗口(10)有一定的间距。线圈(117)设置在金属板(217)上方并与金属板有一定的间距。线圈(117)在一个连接位置导电地连接到金属板(217)上，其连接位置(参见连接器207)使得在金属板上产生的峰－峰电压能最优地减少窗口(10)内表面的溅射，同时基本上同时防止了腐蚀副产品在窗口内表面上的淀积。在另一个实施例中，装置包括一个控制器，用于将峰－峰电压外部地施加到金属板(217)。控制器包括振荡电路、匹配电路、RF发生器、以及用于监控施加的峰－峰电压的反馈控制。还介绍了一种用于优化一个感应耦合等离子体腐蚀装置的操作的方法。
文档编号H01J37/32GK1422434SQ01807672
公开日2003年6月4日 申请日期2001年3月28日 优先权日2000年3月31日
发明者中嵨州 申请人:拉姆研究公司