专利名称：用于在等离子体处理装置中平衡返回电流的方法
技术领域：
本发明涉及用于处理例如半导体晶片等衬底的设备。更具体而言，本发明涉及一种产生等离子体的半导体处理装置。
背景技术：
气体等离子体广泛用于众多种集成电路制造工艺中，包括等离子体蚀刻及等离子体沉积应用中。一般而言，气体等离子体是通过如下方式形成于一处理腔内将一低压气体引入腔中并随后向腔中引入电能以产生一电场。所述电场在腔内产生电子流，所述电子流通过借助各个电子-气体分子碰撞而转移动能来电离各个气体分子。电子在电场内加速，从而产生气体分子的有效电离。气体的离子化粒子与自由电子共同形成所谓气体等离子体。
气体等离子体适用于众多种不同的集成电路制造工艺中。一种常用的等离子体工艺是其中将一材料层从一衬底的表面移除或“蚀刻掉”的等离子体蚀刻工艺。等离子体的离子化气体粒子通常带正电荷。在一蚀刻工艺内，对衬底施加负偏压，以便将正的离子化等离子体粒子吸引至衬底表面，以轰击所述表面并从而蚀所述衬底表面。
电感耦合的等离子体蚀刻系统可用于半导体器件的处理和制造。一相对于处理腔定位的成形线圈或天线将能量以电感方式耦合至腔中且因此在腔中产生并维持一高密度等离子体。电感耦合的等离子体蚀刻系统通常包括一为等离子体腔内的卡盘提供RF功率的RF功率产生器。
不过，在某些电感耦合的等离子体蚀刻系统中，RF返回电流可能不在正处理的晶片上沿径向方向均匀流动。图1图解说明一电感耦合的等离子体蚀刻系统100，其中RF返回电流不在正处理的晶片上沿径向方向均匀流动。一等离子体腔102容纳一定位于一支撑臂106上的静电卡盘(ESC)104。一绝缘体108使ESC 104与支撑臂106电绝缘。ESC 104接纳并支撑一要处理的晶片110。通过连接至一端壁(例如底腔102)中的大出口端口124的适当真空泵122，在腔102的内部120中保持真空。一沿与支撑臂106对置的侧壁的晶片输送件126使晶片能够进入及离开处理腔102。可通过一外部RF天线(例如一位于介电窗口130外的平面线圈128)为真空处理腔102提供RF功率。介电窗口130充当一端壁，例如腔102的顶部。
支撑臂106通过等离子体腔102的一侧壁中的开口以可移开方式安装至等离子体腔102。-RF电源产生器114通过一匹配网络电路116为ESC 104提供RF功率。RF电源产生器114所发生的输入RF电流流过一RF馈电棒118。因支撑臂106的非轴对称性，返回至产生器114的RF返回电流并非轴对称，并具有一最小路径长度及一最大路径长度。腔内壁上、通过该等离子体的RF电流的最小返回路径由标记为“A”的箭头表示。该RF电流的最大返回路径由标记为“B”的箭头表示。因该等返回电流路径的非轴对称性，晶片的蚀刻速率图案在整个晶片上可能是不均匀的。
通常，金属元件(例如晶片支撑臂106及真空腔102)由铝合金制成，而铝合金在低频情况下具有相当高的导电率。在变高的频率情况下，这些金属元件的阻抗变得越来越重要。因此，当自RF功率产生器114经由晶片110并返回的RF返回电流路径不是轴对称时，RF电流会在某一方位角位置处遇到比在其他方位角位置处更高的阻抗，从而导致处理的不均匀性。根据具体情况而定，可能会在整个晶片表面上出现不可接受的处理不均匀性。
为了保持等离子体处理腔的始终如一的结果，需要一种用于平衡RF返回电流以使晶片上的RF返回电流均匀从而能够均匀处理的方法及装置。本发明的一个主要目的是解决这些需求并提供进一步的相关优点。
发明内容
一种等离子体处理反应器包括一腔及一衬底支撑件。所述腔包括一贯穿所述腔的一侧壁的开口。所述衬底支撑件以可移开方式安装于所述腔内。所述腔的开口大到足以使所述衬底支撑件能够通过所述开口从所述腔中移除。所述腔内的内侧壁的一表面的一部分及所述衬底支撑件具有一涂层。所述涂层由一电阻材料制成。所述涂层沿所述内侧壁的所述表面的所述部分形成一阻抗，所述内侧壁的所述表面原本将比所述腔的对置面载送一更大部分的RF返回电流。所述涂层还沿所述衬底支撑件产生一阻抗，以使沿所述腔的所述内壁的所述表面的RF返回电流的密度明显地更加均匀。
并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附解说明本发明的一个或多个实施例，并且与详细说明一起用以解释本发明的原理和实施方法。
附图中图1为一示意性地图解说明一根据现有技术的等离子体蚀刻系统的剖面图。
图2为一示意性地图解说明一根据本发明一实施例的等离子体蚀刻系统的剖面图。
图3为一根据本发明一实施例的一等离子体蚀刻系统的一衬底支撑件的透视示意图。
图4为一根据本发明一实施例的等离子体蚀刻系统的真空处理腔的透视示意图，其中没有衬底支撑件及顶壁安装的等离子体产生器件。图5为一图解说明一用于平衡根据本发明一实施例的等离子体蚀刻系统中的RF返回电流的方法的流程图。
具体实施例方式
本文就一等离子体蚀刻系统来说明本发明的各实施例。所属领域的技术人员将会意识到，关于本发明的下列详细说明仅是举例说明性的，并无意于在任何意义上加以限制。本发明的其他实施例对于这些得益于本揭示内容的技术人员将显而易见。现在将详细参照附图中图解说明的本发明的实施方式。在所有附图及下列详细说明中将采用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。
为清晰起见，并未显示及阐述本文所述实施形式的所有常规特征。当然，应了解，在任何实际实施形式的开发中，必须做出许多针对具体实施形式的决策以实现开发者的特定目标，例如，符合与应用及商业有关的限制条件，且这些特定目标将因实施形式不同及开发者不同而有所不同。而且，应了解，此一开发工作可能既复杂又耗时，但对于受益于该揭示内容的所属领域的技术人员而言仍是一项常规工程设计任务。
图2图解说明一根据本发明一实施例的等离子体处理系统200。等离子体处理系统200可用于诸如蚀刻、沉积、抗蚀剂剥离等各种半导体等离子体处理步骤。图2中显示一具有一电感耦合的等离子体源的真空处理腔202的实例，其中处理气体通过诸如气体分配环、气体分配板、喷嘴等适当装置(未显示)提供给处理腔202。通过连接至一端壁(例如处理腔202的底部)中的大出口端口208的适当真空泵装置206在腔202的内部204中保持真空。可经由一外部RF天线(例如一位于介电窗口212外的平面线圈210)为真空处理腔202提供RF功率。介电窗口212可充当一端壁，例如腔202的顶部。不过，所述等离子体产生源可为任一其他类型的等离子体产生设备，例如ECR反应器、平行板反应器、螺旋波反应器、螺旋形谐振器等。
一衬底214在腔202内支撑于一衬底支撑件216上，衬底支撑件216则由一模块式安装结构(例如来自腔202的一侧壁的支撑臂218)以可移开方式支撑。如图2所示，衬底支撑件216位于一以悬壁方式安装的支撑臂218的一端处，以便可通过使总成216/218穿过腔202的侧壁中的开口而从腔202中移出整个衬底支撑件/支撑臂总成216/218。衬底支撑件216可包括位于介电窗口212下面所述腔的一中心部分中的一卡装装置(例如机械环状夹，未显示)及一RF偏压电极(未显示)。或者，该卡装装置可包括任一适当的结构，例如一包含水冷却通道并接地至所述腔的一部分的由例如铝等导电材料制成的静电单极卡盘或一具有数个覆盖有一层绝缘材料(例如氧化铝)的导电电极的多极卡盘。
根据本发明的卡装结构可用于等离子体或非等离子体环境中。因此，虽然下文参照一用于在等离子体环境中固持半导体衬底的卡盘来说明本发明的一具体实施例，但根据本发明的衬底支撑总成216/218可用于其他处理腔中。此外，该卡装结构可包含(1)一机械夹；(2)一单极ESC或一双极、多极或磁力线ESC，其用于在等离子体、非等离子体、真空或非真空环境中固持半导体晶片或介电衬底；或(3)一单极ESC，其用于在一等离子体环境中固持介电衬底(例如用于制造平板显示器的玻璃面板)，其中等离子体不是用于向衬底表面提供离子来用于夹持目的，而是用于接通单极ESC与一接地表面(例如等离子体处理腔的壁的一部分)之间的电路。无论ESC是否提供衬底的下侧气体冷却，该衬底均可由衬底支撑件216的一由水冷却的部分来进行温度控制。衬底支撑件216可具有一矩形、正方形、圆形或其他适于夹持要夹持的特定衬底的形状。
一绝缘体220使衬底支撑件216与支撑臂218电绝缘。一RF电源产生器222经由一匹配网络电路223向衬底支撑件216提供RF功率。一电导管224-即RF馈电棒-通过RF馈电棒224将RF电源产生器222耦合至衬底支撑件216。根据一实施例，处理腔202还包括一沿一与支撑臂218对置的侧壁的晶片输送开口226。晶片输送开口226使晶片能够进入和离开处理腔202。
图2根据等离子体腔的几何形状进一步图解说明RF返回电流的不对称性。箭头A表示较短的RF返回电流路径。箭头B表示较长的RF返回电流路径。为了平衡等离子腔周围的电流密度，可在等离子体腔202的内壁表面的若干部分上涂布由电阻率低于或高于基底材料(例如在本实例中为铝合金)的材料形成的薄膜228。所述薄膜会增加或减小较短RF返回电流路径的阻抗，以便平衡因等离子体腔202的物理结构所造成的不对称性。对沿较短及较长路径两者的RF返回电流的平衡使RF返回电流在晶片214上更加均匀，从而能够更加均匀地进行处理。
根据本发明的一实施例，一种使腔周围的RF电流密度均匀的方法是通过沿腔202的内侧壁表面在会影响较短RF电路返回路径的所选位置上应用一电阻率更高或更低的涂层(例如镀镍或镀铜)来改变沿腔202的内侧壁的金属表面阻抗。
腔202周围的总RF返回电流也可受薄膜厚度、薄膜材料类型及薄膜的布局与形状的影响。根据一实施例，对于一约13.56Mhz的RF频率，所涂布的薄膜可包括一厚度约小于.003″的镀镍层。所属领域的技术人员将会意识到，RF电流是在金属的表面中流动-所谓的集肤效应，且使用更低RF频率的实施例可利用比采用更高RF频率的实施例更厚的薄膜。该涂层可沿较短返回路径应用于内侧壁的一表面的一区域上以增加阻抗。例如，处理腔202可如图2所示包括沿支撑臂218的一内侧臂228沿RF电流的较短返回路径的涂层228。根据本发明的另一实施例，毗邻支撑臂218的内侧壁228的表面位于处理腔202内的上内侧壁230的表面也可涂有薄膜。或者，若使用一阻抗更低的薄膜，则可在较长路径内侧壁上应用一涂层。
图3为一根据本发明一实施例的等离子体蚀刻系统的一衬底支撑件的透视示意图。图3中显示一具有衬底支撑件302的悬壁式卡盘总成300的一实例。总成300包括一衬底支撑件302、一支撑臂304及一安装法兰306。安装法兰306包括一配合于图4所示处理腔400的侧壁404中的开口402内的部分308。在所示实施例中，支撑臂304的一端连接衬底支撑件302的一外表面，而支撑臂304的一对置端连接安装法兰306的所述部分308。此结构可采用各种形式，例如一其中衬底支撑件、支撑臂及法兰是由单件材料形成的单件式结构或者可将复数个单独部件附装在一起形成该悬壁式卡盘总成。衬底支撑件302可包括一具有诸如一ESC、一个或多个RF偏压电极、若干顶升销孔、He背侧冷却气体源等主动组件的可移式顶盖(未显示)。
如图4中所示，腔400包括一衬底传送槽406，可由一适当的传送机构通过该槽沿一方向(例如水平方向)将例如半导体晶片、平板等衬底传送进和传送出腔400的内部408。在所示的实施例中，腔400的内部408包括一圆柱形侧壁表面410及一环绕出口端口414的环形底面412。安装法兰306的所述部分308包括一具有边缘312的曲面310，当安装法兰306安装到腔400的外侧上时，边缘312会沿着圆柱形侧壁表面410中的开口402的边缘。支撑臂304包括一与衬底支撑件302的支撑表面垂直偏置的外周边。支撑臂304在腔400的内部408中支撑衬底支撑件302，以使衬底支撑件302的外周边位于圆柱形表面410的内侧。此外，所述部分308与形成开口402的表面可以一不大于15度的角度渐缩。
总的RF返回电流沿腔400的内侧壁410的表面及沿总成300的曲面310移动。根据本发明的一实施例，可在等离子体蚀刻工艺前在总成300的曲面310上的所选位置处涂布复数个薄膜条带314。因腔400的几何结构，RF返回电流也可受薄膜条带的厚度、薄膜条带的材料类型及薄膜条带的布局与形状的影响。可采用连续的薄膜以及条带，并且可局部改变薄膜厚度或电阻率来影响腔内侧壁周围所需的阻抗变化。根据一实施例，该涂布膜薄可包括(例如)一厚度约小于.003″的镀镍或镀铜层。可沿着较短返回路径有选择地将该涂层施加于总成300的曲面310上以增加阻抗。例如，图3图解说明一由数个具有矩形形状的薄膜条带314形成的涂层，所述矩形形状的长边垂直于衬底支撑件302的平面。各薄膜条带314之间可具有间隙以允许RF返回电流流过。所属领域的技术人员应了解，图3中所示的薄膜条带并非旨在加以限定，还可使用其他构造，此并不背离本文所揭示的发明概念。例如，可应用薄膜条带的其他厚度、材料类型及布局与形状，以沿较短返回路径形成一会使RF返回电流路径在腔周围变得明显更加均匀的阻抗。
根据本发明的另一实施例，可将由一其阻抗低于下伏基底材料阻抗的薄膜314形成的涂层沿“较长的”RF返回路径B涂布到腔400的内侧壁410上，以减少沿该路径的阻抗。
根据本发明的另一实施例，可将一由其阻抗高于下伏基底材料阻抗的薄膜314形成的涂层沿“较短的”RF返回路径A涂布到腔400的内侧壁410上，以增加沿该路径的阻抗。例如，图4图解说明一由数个具有矩形形状的薄膜条带416形成的涂层，所述矩形形状的长边垂直于衬底支撑件302的平面。各薄膜条带416之间可具有间隙以允许RF返回电流流过。
根据本发明的另一实施例，也可将薄膜条带314涂布于支撑臂304的表面的若干部分上。
根据本发明的另一实施例，也可将薄膜条带314涂布于支撑臂304(未显示)的外表面上。
对腔内侧壁表面上薄膜条带、薄膜涂层的数量及位置的确定必须是实验性的和反复性的。图5图解说明一种用于在一具有图2-4所述几何形状的腔中平衡RF返回电流的方法。在502处，为了建立一基线，在一未对内腔侧壁进行任何修改的腔中处理一晶片。在504处，在该晶片上测量蚀刻速率及/或其他性能指标并对其进行记录。在506处，通过检查该腔的几何形状来对该腔内侧壁周围的RF电流返回路径长度变化进行初步估算。在508处，通过添加涂布于该内腔壁周围的具有更高(相对于基底腔材料而言)电阻率的薄膜条带来增加沿较短RF电流返回路径的阻抗。根据本发明的另一实施例，通过添加涂布于内腔壁周围的具有更低电阻率(相对于下伏基底材料而言)的薄膜条带来减小沿较长RF电流返回路径的阻抗。
在510处，在与在基线情形中所采用的条件相同的条件下处理另一晶片。在512处，以同样的方式测量新处理的晶片并记录数据。在514处，逐一部位地减去这些额外数据并在516处检查一显示这些差别的图，以确定所已添加的阻抗是否过多或过少及方位角分布是否小于或大于最佳情形。在518处，然后通过添加或减去一薄膜涂层或若干薄膜条带来修改腔内壁，以便进一步优化阻抗分布。在510处，如在先前各情形中一样对另一晶片重复该过程，并与所述额外数据集合进行比较以确定是否已经达到最佳条件。
所属技术领域的技术人员知道，在晶片处理过程中，可能存在若干并非由RF返回电流中的不均匀性所引起的方位角变化源，且通过仔细分析和辅助实验可将这些变化的源与由非均匀RF电流流动所引起的变化源相区别。
虽然上文已对本发明的实施例和应用进行了显示和描述，但获益于本发明揭示内容的所属领域的技术人员可以明显地看出，在不背离本文发明性概念的前提下可以有比上述更多的修改。因此，只要不超出随附权利要求书的精神，本发明不会受到限制。
权利要求
1.一种等离子体处理反应器，其包括一腔，其具有一可移开式衬底支撑件，所述可移开式衬底支撑件并不以所述腔的一竖直轴为中心轴对称；一RF电源，其耦接至所述腔，所述RF电源适合于为所述腔的内部提供RF功率且由此在其中形成一等离子体；由一薄膜形成的一涂层，其在一处理前有选择地应用至所述腔的一内侧壁的一表面的一部分，所述涂层包括一电阻材料，所述电阻材料具有一明显不同于所述腔的一下层基底材料的RF阻抗。
2.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述薄膜以不同的成分应用于所述腔的所述内侧壁周围以便在方位角上改变所述RF阻抗。
3.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述薄膜以不同的厚度应用于所述腔的所述内侧壁周围以便在方位角上改变所述RF阻抗。
4.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述薄膜为各种在所述腔的所述内侧壁周围提供局部覆盖的形状以便在方位角上改变所述RF阻抗。
5.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述涂层包括复数个薄膜条带，所述复数个薄膜条带的厚度沿所述侧壁的所述表面的所述部分及沿所述衬底支撑件变化。
6.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述涂层包括复数个以方位角定位的薄膜条带。
7.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其进一步包括由所述薄膜形成的所述涂层，由所述薄膜形成的所述涂层在所述处理前有选择地应用至所述腔内所述可移开式衬底支撑件的一表面的一部分上。
8.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述电阻材料包括镍。
9.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述电阻材料包括铜。
10.如权利要求1所述的等离子体处理反应器，其中所述涂层电镀到所述腔的所述内侧壁的所述表面的所述部分上。
11.一种等离子体处理反应器，其包括一腔，其包括一贯穿所述腔的一内侧壁的开口；一以可移开方式安装于其中的衬底支撑件，所述开口大到足以使所述衬底支撑件能够通过所述开口从所述腔中移走；一由复数个薄膜条带形成的涂层，其应用至所述腔内所述内侧壁及所述衬底支撑件的一表面的一部分上，所述涂层包含一电阻材料，所述电阻材料具有一明显不同于所述腔的下层基底材料的RF阻抗。
12.一种用于在一等离子体处理反应器中平衡返回电流的方法，所述等离子体处理反应器具有一腔，其包括一贯穿所述腔的一内侧壁的开口；一以可移开方式安装于其中的衬底支撑件，所述开口大到足以使所述衬底支撑件能够通过所述开口从所述腔中移走，所述方法包括有选择地将一由一薄膜形成的涂层应用至所述腔的所述内壁的一表面的一部分上，所述涂层包含一电阻材料，所述电阻材料具有一明显不同于所述腔的一下层基底材料的RF阻抗。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括有选择地将由所述薄膜形成的所述涂层应用至所述腔内所述衬底支撑件的一表面的一部分上。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述应用由所述薄膜形成的所述涂层进一步包括电镀由所述薄膜形成的所述涂层。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述涂层具有一可变厚度。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述电阻材料包括镍。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述电阻材料包括铜。
18.如权利要求12所述的方法，其中所述涂层包括复数个薄膜条带。
19.如权利要求12所述的方法，其进一步包括垂直定位所述复数个薄膜条带。
20.如权利要求12所述的方法，其进一步包括水平定位所述复数个薄膜条带。
全文摘要
本发明揭示一种等离子体处理反应器(200)，其包括一腔(202)及一衬底支撑件(216)。所述腔包括一贯穿所述腔的一侧壁的开口。所述衬底支撑件以可移开方式安装于所述腔内。所述腔的开口大到足以使所述衬底支撑件能够通过所述开口从所述腔中移除。所述腔内的内侧壁及所述衬底支撑件的一表面的一部分具有一涂层(228)。所述涂层由一电阻材料制成。所述涂层沿所述内侧壁的所述表面的所述部分形成一阻抗，所述内侧壁的所述表面的所述部分原本将比所述腔的对置面载送一更大部分的RF返回电流。所述涂层还沿所述衬底支撑件形成一阻抗，以使沿所述腔的所述内壁的所述表面的RF返回电流的密度明显地更加均匀。
文档编号C23C16/44GK1846293SQ200480025466
公开日2006年10月11日 申请日期2004年7月7日 优先权日2003年7月29日
发明者罗伯特·J·斯蒂格 申请人:蓝姆研究公司