控制等离子密度分布的设备和方法

专利名称：控制等离子密度分布的设备和方法
控制等离子密度分布的设备和方法本申请是申请日为2006年12月8日，申请号为200680047507. 6，发明名称为“控 制等离子密度分布的设备和方法”的发明专利申请的分案申请。
背景技术：
半导体晶片(“晶片”)制造往往包括将晶片暴露于等离子以允许等离子的反应性 成分修改该晶片的表面，例如，从该晶片表面的未保护的区域去除材料。从该等离子制造工 艺产生的晶片特性依赖于工艺条件，包括纵贯该晶片表面的等离子密度分布。应当理解的 是不同晶片处理过程中等离子密度分布的差异将导致不同的晶片表面特性。因此，不同晶 片之间处理结果的漂移可能由等离子密度分布的变化导致。另外，因为该等离子和该晶片 表面特定部分之间的反应的量与该晶片表面特定部分之上的等离子密度成正比，等离子密 度分布的变化会导致从中间至边缘的晶片均一性问题。这种中间至边缘的晶片均一性问题 会对每个晶片的模片产量产生不利影响。晶片制造的一些目标包括优化每个晶片的模片产量以及以尽可能相同的方式将 每个晶片制造为共同的类型晶片。为了满足这些目标，期望能够控制纵贯单个晶片以及在 共同类型的不同晶片之间的特征的均一性。先前的等离子处理技术试图通过补偿该晶片表 面之上不受控制的等离子密度分布而以直接的方式控制晶片均一性。通过控制各种工艺参 数来提供这样的补偿，如反应气体流量和晶片温度，这些参数影响该等离子和该晶片之间 的反应，而不是直接控制该晶片表面之上的等离子密度分布。需要一种解决方案以能够更 直接的控制该晶片表面之上的等离子密度分布，从而可以更直接的方式控制晶片均一性。

发明内容
在一个实施方式中，公开一种用于半导体晶片处理的等离子处理系统。该系统包 括射频(RF)功率源和连接到该RF功率源的匹配网络。传输电极连接到该匹配网络并且限 定为将RF功率传输到在容积内将要生成的等离子。多个RF功率传输路径从该RF功率源 经过匹配网络、传输电极、该等离子延伸到多个回路电极。该系统还包括多个调谐元件，分 别设置在该多个RF功率传输路径内。该多个调谐元件的每个限定为调节将要通过设有该 调谐元件的RF功率传输路径传输的RF功率的量。在该等离子处理系统运行过程中，在特 定RF功率传输路径附近的等离子密度与通过该特定RF功率传输路径传输的RF功率的量 成正比。在另一个实施方式中，公开一种用于相对基片控制等离子密度分布的方法。该方 法包括将RF功率施加到反应气体以在该基片的顶部表面上生成等离子。该方法还包括控 制经过多个RF功率传输路径的每个传输的RF功率的量。该RF功率传输路径贯穿相对于 该基片顶部表面的该等离子在空间上分散。控制经过该特定RF功率传输路径传输的RF功 率的量使得在该特定RF功率传输路径附近的等离子密度能够成比例地控制。在另一个实施方式中，公开一种用于相对基片控制等离子密度分布的系统。该系 统包括等离子处理室，在该室中将RF功率施加到反应气体以在该基片的顶部表面生成等
4离子。该系统还包括用于产生RF功率的RF功率源。还提供匹配网络，用于匹配将要提供 到该等离子处理室的RF功率的阻抗。在该系统中，多个RF功率传输路径从该RF功率源经 过该匹配网络、该传输电极和该等离子延伸到多个回路电极。沿特定RF功率传输路径传输 的RF功率的量与该特定RF功率传输路径附近内的等离子密度成正比。该系统进一步包括 多个RF功率调谐元件，其分别设置于该多个RF功率传输路径内。每个RF功率调谐元件能 够调节沿设有该调谐元件的RF功率传输路径传输的RF功率的量。另外，该系统包括计算 系统，限定为接受来自该等离子室的等离子密度分布监测信号。该计算系统进一步限定为 生成控制信号并且传输给该RF功率调谐元件以调节每个RF功率传输路径附近内的等离子 密度。该计算系统控制该RF功率调谐元件，从而使在该基片顶部表面之上的等离子密度分 布保持为与目标等离子密度分布一致。从下面结合附图、作为本发明示例说明的描述中，本发明的其他方面和优点将更 加显而易见。


图IA是示出依照本发明一个实施方式的用于半导体晶片处理的等 离子处理系统的图解；图IB是示出依照本发明一个实施方式的等离子处理系统的RF功率 发生和传输元件的图解；图2A是示出依照本发明一个示例性实施方式的RF功率传输路径 的图解，这个路径受到控制以提供放射状增加的等离子密度分布；图2B是示出依照本发明 一个示例性实施方式的RF功率传输路径的图解，这个路径受到控制以提供放射状增加的 等离子密度分布；图3是示出依照本发明一个实施方式的用于控制相对基片的等离子密度 分布的系统的图解；图4是示出作为可调电容元件Cl设定值的函数的示例等离子工艺的结 果的图解；以及图5是示出依照本发明一个实施方式的用于控制与基片有关的等离子密度 分布的方法的流程图。
具体实施例方式在下面的描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，对本领 域的技术人员来说，显然，本发明可不利用这些具体细节的一些或全部来实施。在有的情况 中，公知的工艺操作没有详细描述以避免不必要的混淆本发明。图IA是示出依照本发明一个实施方式的用于半导体晶片处理的等离子处理系统 100。该系统100包括等离子处理室(“室〃)101，其中可生成暴露于基片104的等离子 109。应当理解，该基片104可代表半导体晶片或者任何其他类型的在其中形成电子元件的 基片。该室101包括下部电极103和上部电极105。在运行过程中，由RF功率源117产生 射频(RF)功率并且通过匹配网络115经由连接件118和127传输至该下部电极103。应当 理解，该匹配网络115限定为提供恰当的阻抗匹配以确保功率恰当地从源117传输至负载。 该在下部电极103接受的RF功率经过该室101容积传输到该上部电极105，该上部电极接 地，并且传输到位于该下部电极103周边的外侧的接地扩展部107。在运行过程中，反应气体以可控的方式提供到该室101容积。该RF功率从该下部 电极103经过该室101容积，即经过该反应气体，传输到该上部电极105，而且接地扩展部 107用来将该反应气体转换为等离子109。该等离子109在室101特定位置的密度与传输 通过该室101内该特定位置的RF功率的量成正比。所以，经过该室101内特定部分位置的 RF功率的增加会导致在室101内该特定位置的等离子109密度增加，反之亦然。一组限制 环111设置在该室101内以围绕该基片104之上的、在该下部和上部电极103/105的容积。该限制环111用来将等离子109限制在该基片104之上的容积内。另外，一些实施方式允 许该限制环111在运行过程中可控地移动，从而以朝向或者离开该基片104之上的容积的 方向，调节不同限制环111之间的反应气体流。应当理解的是该等离子处理室101和系统100包括许多其它特征和部件，在这里 面没有描述以避免不必要地混淆本发明。本发明主要涉及通过控制经过该室101的RF功 率传输路径来控制该室101内的等离子109密度的空间变化。通过控制该室101内等离子 109密度的空间变化，可以控制该等离子109与该基片104之间反应量的空间变化。更具 体地，通过控制等离子109密度在该基片104的特定区域之上增加，该等离子109和该基片 104特定区域之间的反应量将增加，反之亦然。此外，因为整个基片104上所限定的特征的 均一性，即整个基片104等离子处理结果的均一性，依赖于等离子与基片的反应量，这个反 应量是该基片104表面上的位置的函数，所以，整个基片104上所限定的特征的均一性可通 过控制该基片104之上等离子109密度的空间变化来直接控制。所以，通过控制经过该室 101的RF功率传输路径，可以直接控制整个基片104上所限定的特征的均一性。图IB是示出依照本发明一个实施方式的等离子处理系统100的RF功率发生和传 输部件。如关于图IA所描述的，该等离子处理系统100包括该室101、该下部电极103、该 上部电极105、该接地扩展部107和该限制环111。为了便于说明，该基片104未在图IB中 示出。然而，关于图IB以及这里提供的余下的描述，应当理解的是该基片104支撑在该下 部电极103上，在该等离子处理过程中暴露于该等离子109。在图IB的实施方式中，该RF功率源117有三个独立的RF功率源117A-117C表示， 形成这些功率源以分别产生频率在60MHz、27MHz以及2MHz的RF功率。应当理解，在其它 实施方式中，该RF功率源117可限定为产生与图IB的示例性实施方式中所表示的频率数 量或者频率值不同的RF功率。并且，应当理解在运行过程中，根据所必需满足的工艺要求， 不同的RF功率源117A-117C可以不同的组合来运行。另外，该RF功率源117A-117C的每 个可在特定的等离子处理过程中关闭。由该RF功率源117A-117C产生的RF功率通过该匹配网络115经由连接件 127传输至该下部电极103。该匹配网络115包括许多电阻元件125A-125E和电容元件 123A-123D，其每个可调节以为传输特定RF功率源而提供所要求的阻抗匹配。从该RF功 率源117A延伸到该连接件127的RF传输路径还包括可调节电容元件Cl。从该RF功率源 117B延伸到该连接件127的RF传输路径还包括可调节电容元件C2。从该RF功率源117C 延伸到连接件127的RF传输路径还包括可调节电容元件C3。另外，从该匹配网络115延伸 到该下部电极103的RF传输路径，即，沿该连接件127的路径，包括可调节电感元件L2和 L3。可调节电容元件C4和C5也连接在从该匹配网络115延伸到该下部电极103的RF传 输路径和接地电位之间。将从该RF功率源117A-117C到达该下部电极103的RF功率再从该下部电极103 经过该室容积传输到该室内一个或多个接地部件，如该上部电极105或者该接地扩展部 107。因此，该下部电极103限定为传输电极，而接地部件，即，上部电极105和接地扩展部 107限定为回路电极。当RF功率传输经过反应气体时，生成等离子109。该等离子109电 容分别耦合于该下部电极103、该上部电极105和该接地扩展部，如由电容113A-113C所示。 在运行中，接地回路限定为从该室101壁至基准接地电位。在一个实施方式中，在从该室101延伸到该基准接地电位的接地回路中提供可调节电感Li。而且，在一个实施方式中，在 该下部电极103和上面提到的该接地回路之间建立可调节的电容C6。应当理解因为传输 RF功率，各种可调节电感元件Li、L2、L3以及各种可调节电容元件C1、C2、C3、C4、C5、C6由 多个部件限定，这些部件在RF范围内提供相应的电感或电容效果。在运行过程中，各种可调节电感元件Ll、L2、L3和多个可调节电容元件Cl、C2、C3、 C4、C5、C6可设置为控制经过该室101内部容积的RF传输路径。多个可调节电感元件Li、 L2、L3和多个可调节电容元件Cl、C2、C3、C4、C5、C6总称为调谐元件。在运行过程中，可控 制每个调谐元件以控制经过设有该调谐元件的RF功率传输路径传输的RF功率的量。所 以，因为局部等离子密度正比于传输的局部RF功率，各种调谐元件可用来相对于基片操纵 等离子密度分布。更特别地，各种调谐元件可用来局部增加或者减少该基片之上沿该基片 中间延伸到该基片边缘的方向不同位置的等离子密度。对该等离子密度分布这样的操纵也 影响在该基片之上的等离子的形状。此外，对该等离子密度分布这样的操纵直接影响在从 该基片中间延伸到该基片边缘的各种径向位置的等离子与基片反应，并因此影响所产生的 基片的均一性。图2A是示出根据本发明的示例性实施方式的被控制以提供径向增加的等离子密 度分布的RF功率传输路径的图解。在图2A的示例实施方式中，控制从该下部电极103(传 输电极)衍生到该接地扩展部107(回路电极)的RF功率传输路径(RPl)以传输比其他从 下部电极103延伸到该上部电极105的RF传输路径所传输的更多的RF功率。所以，沿该 RF功率传输路径(RPl)传输的增加的RF功率导致在该下部电极103之上并且朝向其外围 的等离子密度大于在该下部电极103之上并且朝向其中间的等离子密度。所以，相对于该 基片的内部区域，在该基片的外部区域发生更多的等离子与基片的反应。图2B是示出根据本发明一个示例性实施方式的被控制以提供径向增加的等离子 密度分布的RF功率传输路径。在图2B的实施方式中，控制从该下部电极103(传输电极) 延伸至该上部电极105(回路电极)的RF功率传输路径(RP》以传输比从下部电极103延 伸至该接地扩展部107的RF传输路径所传输的更多的RF功率。所以，沿该RF功率传输路 径(RP2)传输的增加的RF功率在该下部电极103之上并且朝向其中间的等离子密度大于 在该下部电极103之上并且朝向其外围的等离子密度。所以，相对于该基片的外部区域，在 该基片的内部区域发生更多的等离子与基片的反应。应当理解在图2A和2B中描述的RF功率传输路径控制描绘了如何通过本发明操 纵该等离子密度分布的简化的极端例子。此外，应当理解，可控制在不同RF传输路径内的 调谐元件，如本发明所提供的，以相对于该基片以实质上任何可以接受的方式操纵该等离 子密度分布。为了增强操纵该等离子密度分布的灵活性，相对于传输电极在该容积(在该 容积内将生成等离子)周围设置不同回路电极，，从而不同RF功率传输路径相对该传输电 极并因此相对由该传输电极支撑的该基片而在空间上分布。如下面关于图3更详细描述的，图1A-2B的等离子处理系统100可进一步包括控 制系统，限定为控制这些不同的调谐元件，因此能够控制经过这些空间分布的RF功率传输 路径传输的RF功率。在一个实施方式中，可以控制该RF功率传输路径从而目相对于该传 输电极建立目标等离子密度分布。另外，指示存在的等离子密度分布的一个或多个控制信 号可用来确定维持该室内目标等离子密度分布所必需的调谐元件的调节量。在一个实施方式中，通过恰当限定的计量元件(metrology)获取和传输这些控制信号，该计量元件在容 积(在其中生成等离子)的许多空间上分散设置。图3是示出根据本发明一个实施方式的用于相对于基片控制等离子密度分布的 系统300的图解。该系统300包括该等离子室101、该匹配网络115和该RF功率源117，如 分别关于图1A-2B所描述的。如先前描述的，许多RF功率传输路径从该RF功率源117经 过该匹配网络115、经过该室101内的传输电极、经过该室101内的等离子延伸到该室101 内许多空间上分散的回路电极。沿特定RF功率传输路径传输的RF功率的量直接影响该特 定RF功率传输路径附近内的等离子密度。并且，许多RF功率调谐元件分别设置在该多个 RF功率传输路径内。能够操纵每个调谐元件以调节沿设有该调谐元件的RF功率传输路径 传输的RF功率的量。另外，该系统300包括计算系统301，限定为接受来自该等离子室101的等离子密 度监测信号，如箭头303所示。该计算系统限定为生成控制信号并传输至沿不同RF功率传 输路径的各个调谐元件。这些控制信号用来控制这些不同的调谐元件，从而调节在对应的 RF功率传输路径附近的等离子密度以将在该基片上的等离子密度分布保持为符合存储在 计算系统301的目标等离子密度分布。在一个实施方式中，提供计量元件用于直接测量在该基片顶部表面上各个空间上 分散的位置的等离子密度。这些直接测量得到的等离子密度表示从该室101提供到该计算 系统301的监测信号。在另一个实施方式中，提供计量元件以测量纵贯该基片顶部表面各 个空间上分散的位置的偏置电压。这些测得的偏置电压表示从该室101提供到该计算系统 301的监测信号。该计算系统301包括所测得的该基片上的偏置电压和该基片之上的等离 子密度之间的相互关系。该计算系统301限定为使用接收到的偏置电压和相互关系来确定 在该基片顶部表面上存在的等离子密度分布。例如，在一个实施方式中，提供对应目标等离 子密度分布所需的纵贯该基片的偏置电压分布作为该计算系统301的输入。该计算系统 301监测该基片上的偏置电压以确定所需要的偏置电压分布是否存在于该基片上。该计算 系统301传输适当的调谐元件控制信号来按需调节该RF功率传输路径，以将测得的该基片 上的偏置电压分布与所需偏置分布匹配。如果在整个基片上保持所需的偏置电压分布，在 该基片上的等离子密度分布将对应于该目标等离子密度分布。如先前所提到的，该RF功率传输路径内不同的调谐元件既可以是可调节电容元 件也可以是可调节电感元件。本领域的技术人员可以理解可以通过该RF传输通道内的物 理结构来提供RF功率传输中的电容和电感效应。因此，操纵该RF传输通道内的物理结构可 用来操纵由这些物理结构提供的对应的电容或电感效应。在一个实施方式中，由该计算系 统301产生和传输的该调谐元件控制信号发送到伺服机构，这些伺服机构限定为视情况以 机械方式调节在不同的RF传输路径内的可调节电容元件或可调节电感元件的物理结构。为了说明本发明的可操作性，执行示例的等离子工艺，其中图IB的该可调节电容 元件Cl是变化的，而其他的调谐元件基本保持为恒定值。应当理解，在这个示例等离子工 艺中使用的特定的工艺和调谐元件设置是仅仅为了说明的目的而选择的。在实际的实施 中，本发明可以用在实质上不受限制的工艺窗口中，其中各种处理参数，例如压力、气体混 合物、气体流率、偏置、调谐元件设置等，可以设为任何适于所执行的特定等离子工艺的值。 并且，还应当理解在实际的实施中，作为不同调谐元件函数的等离子工艺的结果，例如蚀刻率、均一性等，将依赖于其他处理参数设置的整体效果。 表1表示在该示例的等离子工艺过程中应用的各种工艺参数和调谐元件设置。在 表1中，不同的调谐元件由它们各自先前在图IB中表示的参考标号来标识。在该示例等离 子工艺过程中，该阻抗匹配电容123A-123D和电阻125A-125E设置为提供合适的阻抗匹配， 从而所产生的RF功率能够顺利地通过该等离子传输而没有反向的反射和干扰。图4是示出 作为该可调节电容元件Cl设定值的函数的该示例等离子工艺的结果的图解。在图4中，整 个测试晶片上的平均蚀刻率由曲线401表示。纵贯该测试晶片的3-西格玛(three-sigma) 均一性由曲线403表示。该测试晶片中间的蚀刻率由曲线405表示。根据作为该调谐元件 (Cl)电容的函数的平均蚀刻率、均一性和中间蚀刻率的变化，应当理解可以调节该调谐元 件(Cl)以影响整个晶片的蚀刻率结果。所以，该示例等离子工艺说明如何通过调节特定调 谐元件而控制该等离子密度分布，从而控制通过对应RF功率传输路径传输的RF功率的量。 表1.示例等离子处理设置
工艺参数/调谐元件设置值
权利要求
1.一种用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，包括向反应气体施加射频(RF)功率以在该基片顶部表面之上产生等离子；以及控制经过该多个RF功率传输路径的每个传输的RF功率的量，其中该RF功率传输路 径相对于该基片的顶部表面贯穿该等离子在空间上散开，其中控制经过特定RF功率传输 路径传输的RF功率的量使得该特定RF功率传输路径附近内的等离子密度能够成比例地控 制。
2.根据权利要求1所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，进一步包括在基片顶部表面之上的多个空间上散开的位置测量等离子密度；将该测得的等离子密度与相对于该基片顶部表面限定的目标等离子密度分布对比；以及根据要求确定对所控制的经过多个RF功率传输路径的每个传输的RF功率的量的调 节，以使由测得的等离子密度表示的等离子密度分布基本上匹配该目标等离子密度分布。
3.根据权利要求2所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中在基片顶 部表面之上的多个空间上散开的位置测量等离子密度包括在该基片的不同的位置测量存 在于该基片上的偏置电压，并且将该测得的偏置电压与在该基片顶部表面上的各自的等离 子密度相关联。
4.根据权利要求1所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中控制经过 该多个RF功率传输路径的每个传输的RF功率的量自动执行以保持相对于该基片顶部表面 的实际等离子密度分布和目标等离子密度分布之间的大体匹配。
5.根据权利要求1所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中控制经过 该多个RF功率传输路径的每个传输的RF功率的量通过控制该多个RF功率传输路径的每 个内的一个或多个调谐元件来执行，每个调谐元件是可调节电容元件或者是可调节电感元 件。
6.根据权利要求1所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中将多个固 定频率的RF功率施加到该反应气体，该多个固定频率的RF功率的每个可通过该多个RF功 率传输路径的每个独立地控制。
7.一种用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，包括将射频(RF)功率从传输电极传输到反应气体、再到多个回路电极，借此从RF功率到该 反应气体的传输将该反应气体在基片的顶部表面转变为等离子，由此建立从该传输电极到 该多个回路电极的多个RF功率传输路径；以及控制该多个RF功率传输路径的每个内的多个调谐元件以控制通过该多个RF功率传输 路径的每个传输的RF功率的量，其中该多个调谐元件包括至少一个可调电容元件和至少 一个可调电感元件。
8.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中该多个回 路电极电气连接到基准接地电势。
9.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中该RF功率 传输路径相对该基片的顶部表面贯穿该等离子在空间上分散。
10.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，其中控制特 定RF功率传输路径传输的RF功率量使得在该特定RF功率传输路径附近的等离子密度被按比例控制。
11.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，控制从该传 输电极延伸到室壁的RF功率传输路径的一部分内的该至少一个可调电容元件的一个或多 个，其中室壁电气连接到基准接地电势。
12.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，控制从匹配 网络延伸到该传输电极的RF功率传输路径的一部分内的该至少一个可调电容元件的一个 或多个。
13.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，控制从室壁 延伸到基准接地电势的RF功率传输路径的该至少一个可调电感元件的一个或多个。
14.根据权利要求7所述的用于相对于基片控制等离子密度分布的方法，控制从匹配 网络延伸到该传输电极的RF功率传输路径的该至少一个可调电感元件的一个或多个。
全文摘要
多个RF功率传输路径限定为从RF功率源经过匹配网络、传输电极和该等离子延伸到多个回路电极。多个调谐元件分别设置在该多个RF功率传输路径内。每个调谐元件限定为调节将经过设有该调谐元件的该RF功率传输路径传输的RF功率的量。特定RF功率传输路径附近内的等离子密度与经过该特定RF功率传输路径传输的RF功率成正比。所以，对经过该RF功率传输路径传输的RF功率的调节，如该调谐元件所做的，能够控制整个基片的等离子密度分布。
文档编号H01J37/32GK102097273SQ20101060992
公开日2011年6月15日 申请日期2006年12月8日 优先权日2005年12月16日
发明者戴夫·特拉塞尔, 拉金德尔·德辛德萨, 费利克斯·科扎克维奇, 路民·李 申请人:朗姆研究公司