专利名称：射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于大规模微电子集成电路芯片刻蚀工艺中的射频感性耦合等离子体源技术，采用平面法拉第屏蔽抑制或降低射频感性耦合放电中寄生的容性耦合，解决微电子芯片等离子体刻蚀工艺中介质耦合窗口溅射、电负性放电不稳定性、脉冲放电瞬间阻抗失配问题。
背景技术：
射频感性耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)源是一种重要的高密度等离子体源，在深亚微米/纳米微电子集成电路芯片的等离子体刻蚀工艺中得到了大规模应用。在ICP源的天线上，同时存在着射频电流和射频电压。前者通过感性耦合方式产生加速电子的涡旋电场，其能量大小和空间分布影响等离子体密度的高低及空间分布；后者通过容性耦合方式对放电的诸多方面产生重要的影响(1)在天线与地之间驱动电流，天线上的射频电流不遵守一般串联电路的等值传输规律，而是由容性耦合产生电流驻波效应，耦合天线的对称性不仅由其几何对称性决定，ICP源的等离子体密度均匀性也因此与容性耦合相关。强容性耦合天线中的电流驻波效应严重，采用简单天线时ICP源的感性耦合角向均匀性差，增加了天线优化设计的难度。
(2)在介质耦合窗口等固体表面形成射频振荡鞘层，由此导致窗口材料的离子溅射。在ICP刻蚀源中，腐蚀性自由基的存在提高了窗口的刻蚀速率，不但降低了窗口的使用寿命，而且刻槽的存在也带来了窗口破裂的隐患。在ICP光胶灰化装置中，由石英窗口溅射的SiO2沉积在光胶表面形成微掩膜，未刻净的光胶对芯片将造成污染。
(3)由于容性耦合的存在，ICP源在低功率区实际上产生E模式放电；在高功率区才产生感性放电(H mode)。随着放电参数(如放电功率等)的变化，E、H之间的模式转换通常为突变。在E-H放电模式转换中，等离子体阻抗经历由容抗变为感抗的大范围变化，由此要求阻抗匹配网络随之调节，以实现射频能量的最大传输效率/最低反射率。在电负性气体(典型的刻蚀或光胶灰化气体均为电负性气体，如HBr、Cl2、SF6、NF3、CxHyFz、O2等)ICP源中，不但存在由电子俘获效应与放电模式的耦合作用所产生的位于E、H模式之间的不稳定放电，而且达到稳定H模式放电的功率增大，阻抗迅速变化区域的增宽，阻抗匹配的调节范围随之增加，同时失配造成的反射功率水平提高。
(4)在容性耦合作用下产生的电负性气体ICP放电不稳定性与匹配网络、器壁条件等不能稳定重复控制的外部条件密切相关，由此导致电负性气体ICP放电加工的稳定性、重复性降低。
(5)在窗口附近的射频天线近场区中，源于容性耦合的静电场强度大于源于感性耦合的涡旋电场强度，击穿放电和低密度运行由容性耦合产生和维持。当容性耦合被减弱或消除后，需要更高的起始入射射频功率才能实现击穿放电。对于击穿电压高的电负性气体，起始击穿功率和反射功率相对较高，这对射频电源会造成损害。
脉冲等离子体工艺增加了脉冲频率、占空比两个控制参数，拓宽了工艺优化的参数空间，该技术具有一些重要的优点(1)提高等离子体加工的空间均匀性；(2)提高刻蚀选择比，降低电荷积累造成的氧化物损伤；(3)有效降低notch(局部旁刻)，提高深亚微米/纳米MOS器件的线宽控制；(4)降低ARDE(Aspect Ratio Dependent Etching)效应；(5)抑制反应等离子体中的颗粒生长，提高沉积薄膜的质量。
虽然脉冲等离子体技术具有上述诸多优点，但当采用ICP源进行脉冲运行时，其放电过程中也存在着与容性耦合相关的物理问题。在ICP源脉冲调制波的上升沿段，E-H放电模式转换使等离子体阻抗随功率增加快速变化，当采用机械传动的自动阻抗匹配器，由于其慢速响应不能实现实时匹配而造成高反射功率。另一方面，在放电达到H模式后，等离子体还存在一个建立过程，等离子体阻抗同时也应随之变化，要求固定式匹配网络具有宽泛的匹配能力。在采用脉冲ICP源进行加工时，需要解决与击穿、放电模式转换、阻抗匹配相关的问题，实现低功率击穿、无模式转换、动态阻抗匹配失配小等问题。
在电负性气体ICP放电不稳定性的控制研究中，Lam和MKS公司的研究人员采用负反馈方法在多种情况下抑制了不稳定振荡[D.L.Goodmanl and N.M.P.Benjamin，J.Phys.D36Appl.Phys.2845(2003)]，但该方法存在以下缺点(1)控制系统复杂，成本高；(2)由于反馈电子器件的速度限制，该方法不能控制高频振荡和快速尖脉冲；(3)对SF6放电的稳定效果差；(4)不能稳定对等离子体阻抗影响小的局部不稳定模式；(5)没有消除容性耦合，容性耦合的不良影响仍然存在。
在阻断了容性耦合后ICP源放电只能运行于等离子体阻抗相对稳定的H模式，脉冲ICP调制波形上升沿期间等离子体阻抗由此可以得到稳定。法拉第屏蔽是阻断容性耦合的有效途径，但对于得到广泛使用的平面天线耦合ICP源而言，国际上现有的平面法拉第屏蔽[M.H.Khatera，L.J.Overzetb，J.Vac.Sci.Technol.A19，785(2001)，L.J.Mahoney，A.E.Wendt，E.Barriro，C.J.Richards，J.L.Shohet，J.Appl.Phys.76，2041(1994)，A.Schwabedissen，E.C.Benck，R.Roberts，Pyhs.Rev.E56，5866(1997)，U.S.Pat.No.5622635]存在以下问题(1)现有平面法拉第屏蔽为径向裂缝结构，金属部分的宽度随半径增大而增加，涡流损耗和对天线磁场的削弱作用也随之增大。由于结构的限制，所加工的金属条宽度(尤其是圆周处)难以降低，涡流损耗和磁场削弱效应较大。另一方面，平面径向裂缝式法拉第屏蔽通过闭合圆环接地，这进一步增加了涡流损耗和磁场削弱作用。因此，平面径向裂缝式法拉第屏蔽具有损耗大、磁场削弱大的缺点。
(2)为了避免射频天线与法拉第屏蔽导体之间的打火，需要在两者之间置入绝缘介质，有此产生了相互矛盾的选择(a)为了提高天线耦合效率需要在不产生打火的条件下尽可能地降低射频天线与接地屏蔽导体间的距离(实际上为了降低天线与等离子体电子环流之间的距离，以提高互感耦合系数)，但此时射频天线与接地法拉第屏蔽之间存在强烈的容性耦合，天线上的电流驻波效应因此增大，简单天线放电产生的等离子体角向均匀性降低[L.G.Peter et al.，J.Vac.Sci.Technol.B12，3118(1994)]；(b)当射频天线与接地屏蔽导体间的距离较小时，射频天线上的电流中有较大部分以容性耦合形式流向接地屏蔽导体，对应产生涡旋电场的天线电流降低，通过降低间距也难以提高能量耦合系数；(c)增加天线与屏蔽导体之间的距离以减弱射频天线电流驻波效应，但同时降低了射频能量耦合效率。
(3)在采用法拉第屏蔽阻断容性耦合后，ICP源的击穿放电出现困难。通常的方法是在法拉第屏蔽结构中的选定部位留出提供容性耦合的空隙，这同样带来了相互矛盾的选择(a)选定部位的空隙较大时，ICP源可以在低电压(低入射功率、低反射功率)下击穿放电，但在放电维持期间容性耦合仍然通过空隙耦合窗口的局部溅射严重，同时，容性、感性耦合放电空间区域重合，两者的非线性耦合仍然造成一定程度的E-H过渡，增加了脉冲ICP放电的阻抗失配程度。(b)采用小空隙可以缺点上述缺点，但又带来了击穿放电电压大的新问题，继而导致击穿放电前的高功率反射。
另一方面，直接采用天线上的容性耦合进行起始击穿时，射频天线电压随放电功率增加而提高，是增强窗口溅射的因素。如不采用射频天线的容性耦合引燃，而是使用另一独立电极，并且使引燃电极上的电压随放电功率增大而减小，则不仅可以减弱引燃电极介质的溅射，还可以降低容性耦合与感性耦合的正反馈作用。
在电负性气体ICP源中，放电不稳定性由电子俘获效应与E、H放电模式的耦合作用产生。在ICP放电中抑制容性耦合后，电负性气体ICP放电不稳定性可望消失，由此可以获得稳定、重复可靠的电负性气体ICP加工。因此，法拉第屏蔽不仅可以稳定脉冲ICP放电阻抗，而且可以用于抑制电负性气体ICP放电不稳定性。该方法具有以下优点(1)控制系统简单，成本低；(2)有望消除包括高频振荡和快速尖脉冲在内的所有振荡；(3)对各种电负性气体均具有稳定作用；(4)能消除局部不稳定模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统，抑制射频感性耦合等离子体刻蚀装置中耦合窗口内表面溅射，解决容性耦合阻断后的放电击穿困难问题，在此基础上解决脉冲工艺以及电负性气体放电时与容性耦合相关的瞬时阻抗失配、放电不稳定性等问题。
本发明的技术方案是，平面法拉第屏蔽系统由平面法拉第屏蔽和引燃击穿两部分组成。平面法拉第屏蔽采用两片分立式，每片单独接地，通过该设计切断沿圆周的涡流路径，降低对应的涡流损耗。在每片屏蔽金属中，透过交变射频磁场的裂缝采用梳状结构，通过线切割加工细密的直线裂缝，进一步降低涡流回路大小和相应的涡流损耗。法拉第屏蔽结构置于绝缘耦合窗口的内侧，在不增加射频耦合天线与等离子体间距的条件下，增大了射频耦合天线与屏蔽金属之间的距离，由此降低耦合天线与屏蔽结构之间的容性耦合电流。引燃击穿采用内置电极方式，电极由石英覆盖绝缘。引燃放电没有单独的电源，而是由耦合天线上取出引燃电压，并且通过共振网络或者开关加置到引燃电极上。共振网络由电感或电感和可变电容串联组成，用于射频感性耦合等离子体源的脉冲放电方式。在连续射频感性耦合等离子体源放电中，采用开关控制方式。在引燃放电区，采用永久磁钢构成非平衡磁控位形，用以增强引燃放电，并将引燃放电等离子体输运至感性耦合放电区。
本发明的效果和益处是，所提出的平面法拉第屏蔽系统具有涡流损耗低、射频能量传输效率高、天线电流驻波效应小、等离子体密度角向均匀好、易于起始击穿、脉冲放电方式下引燃电极溅射污染小的优点。本发明的法拉第屏蔽系统能提高等离子体刻蚀机耦合介质窗口的使用寿命，降低刻蚀工艺中的基片污染，提高刻蚀指标及刻蚀工艺稳定性。
在本发明涉及的
如下
图1采用法拉第屏蔽系统的射频感性耦合等离子体源的结构示意图；图2a感性耦合放电的Γ型阻抗匹配器示意图；图2b感性耦合放电的π型阻抗匹配器示意图，图3分立式梳状法拉第屏蔽结构示意图；图4基片射频偏置电源的阻抗匹配器示意图；图5a用于引燃放电的电感共振调谐网络；图5b用于引燃放电的电感、串联可变电容共振调谐网络；图5c用于引燃放电的开关控制示意图；图6内置引燃放电的非平衡磁控增强结构示意图。
附图中使用的标记如下1感性耦合射频电源；2感性耦合放电的阻抗匹配器；3射频耦合天线；4介质耦合窗口；5内置分立式法拉第屏蔽；6等离子体真空室；7基片电极偏置系统；8射频偏置电源；9射频偏置电源阻抗匹配器；10基片台；11基片；12内置引燃放电系统；13放电电极外导体；14引燃电极同轴电缆；15引燃电极共振网络、开关控制；16同轴电缆插座；17永久磁钢；18石英绝缘体；19抽气；20进气、21法拉第屏蔽的裂缝部分；22法拉第屏蔽的金属部分。
具体实施例方式
以下结合技术方案和
详细地说明本发明的具体实施方式
。
如图1所示，由射频电源1产生的能量经阻抗匹配器2到达射频耦合天线3，调节可变电容C1、C2(图2a)和C3使反射功率取得最小值。法拉第屏蔽5接地(图3)，射频天线电压驱动的容性耦合电流由法拉第屏蔽5到达地，等离子体内部的容性耦合被阻断。法拉第屏蔽采用裂缝结构，射频天线电流可以透过裂缝在真空室内产生交变磁场，变化磁场产生的涡旋电场加速电子电离中性粒子放电。
本发明中的法拉第屏蔽结构(图3)采用两片独立的半圆形铝金属片，每片分别接地，不形成传统结构中的大涡流闭环，涡流损耗相应降低。在每个半圆形屏蔽结构中制作梳状直线裂缝，不受传统径向裂缝制作的限制，可以通过线切割方式制作细密的线(图3中21)、缝(图3中22)结构，降低涡流回路大小和对应的涡流损耗。内置法拉第屏蔽放入真空室内，紧靠射频耦合窗口的下端面，在圆周边缘处进行夹固。在面向耦合石英窗的一面镀银，另一面进行阳极氧化，以降低能量损耗和降低杂质污染。内屏蔽结构与射频天线间的距离比传统结构的对应间距大，由天线流向与接地屏蔽金属的容性电流小。内置法拉第屏蔽结构不仅降低了天线电流的驻波效应，提高了等离子体密度角向均匀性。不追求更大的天线/屏蔽间距，以获得高能量耦合效率。
基片射频偏置通过容性耦合方式实现，阻抗匹配采用如图4所的结构，电感取固定值，通过调节可变电容C4、C5使偏置射频电源的反射功率取得最小值。
引燃放电没有单独的射频电源供电，而是通过同轴电缆引线14从射频天线上取出射频电压，天线上的最佳接线位置由击穿时电源1的反射功率大小决定。在典型的脉冲放电条件下，每个脉冲放电均需要起始引燃击穿，要求引燃电压持续加置。为了优化引燃特性，击穿电压通过电感或LC串联网络后与引燃电极相连(图5a、b)，以实现共振击穿。在图5a中选择L的数值使之与引燃电极等离子体鞘层电容在低等离子体密度区达到串联共振，以利于低电压击穿。在引燃放电后的高等离子体密度区(电极鞘层电容大)，引燃电极分支处于阻抗相对高的感抗区，引燃电极的电压相应降低，由此抑制溅射污染。当采用图5b所示的网络，通过调节C6可以改变引燃放电分支的共振点，在不同的条件下获得最佳的引燃放电。
内引燃电极表面覆以石英，采用永久磁钢17构成非平衡磁控放电位形(图6)，磁约束作用降低引燃电压并易于低气压击穿。非平衡磁位形的磁场梯度力驱动引燃放电产生的电子、离子运动至射频天线边缘的涡旋电场区，进一步降低感性耦合主放电的起始电压和反射功率水平。在连续放电时，采用图5c中的结构，引燃放电完成后关断引燃电路，降低溅射污染。
在脉冲放电中，采用如图2b所示的阻抗匹配能力强的宽频匹配器，连同法拉第屏蔽对放电阻抗的稳定作用，进一步降低感性等离子体建立阶段的阻抗失配程度和反射功率水平。
权利要求
1.一种射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统，由屏蔽和引燃放电两部分组成，其特征是屏蔽部分采用内置方式，由两个分立的半圆形铝金属片组成，每个圆片分别接地，金属裂缝为梳状结构。
2.根据权利1所述的一种射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统，金属裂缝采用线切割方式加工，在面向石英窗的一面镀银，另一面进行阳极氧化。
3.根据权利1所述的一种射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统，其特征是引燃电极置于真空室内，用石英覆盖绝缘，引燃放电的射频电压取自感性耦合天线，引燃放电采用永久磁钢构成的非平衡磁控位形增强；在脉冲射频感性耦合放电时，引燃电压通过电感和可变电容组成的共振网络加置在引燃电极；在连续射频感性耦合放电时，引燃电压通过开关控制加置在引燃电极上。
全文摘要
本发明公开了一种用于射频感性耦合等离子体源的平面法拉第屏蔽系统，用于抑制射频感性耦合放电中的寄生容性耦合，解决脉冲工艺以及电负性气体放电时与容性耦合相关的瞬时阻抗匹配、放电不稳定性等问题。本发明的特征是法拉第屏蔽系统由内置平面法拉第屏蔽和内置引燃击穿两部分组成。法拉第屏蔽采用两片分立式，每片金属中的裂缝为梳状结构。引燃击穿电压由感性耦合天线取出，通过射频共振、控制网络加置在引燃电极上。一组永久磁钢构成的非平衡磁控位形增强引燃放电，并将引燃放电等离子体输运至感性耦合放电区。本发明提出的法拉第屏蔽系统具有能量效率高、耦合电流驻波效应小、等离子体密度角向均匀性好、易于起始击穿的优点。
文档编号H05H1/24GK1905777SQ200610200529
公开日2007年1月31日 申请日期2006年8月22日 优先权日2006年8月22日
发明者丁振峰 申请人:大连理工大学