使用多频率RF功率的混合RF电容和电感耦合等离子源及其使用方法

摘要

一种用于电感方式限制在等离子处理设备中形成的电容耦合RF等离子的装置。该设备包括上部电极和下部电极，该下部电极适于支撑基片并在该基片和该上部电极之间产生等离子。该装置包括同心围绕该上部电极的介电支撑环和多个安装在该介电支撑环上的线圈单元。每个线圈单元包括沿该介电支撑环径向设置的铁磁芯体以及至少一个围绕每个铁磁芯体缠绕的线圈。该线圈单元在接收来自RF电源的RF功率时产生电场和磁场，该电场和磁场减少该等离子中扩散出该等离子的带电粒子数量。

说明书

背景技术

[0001]由于低成本、高可靠性和速度，集成电路已经成为目前 大多数电子系统的基本部件。集成电路的制造开始于基片，每个基 片经过在该基片上形成各种电路结构的步骤。通常，等离子(或离 子化气体)用来执行包括在该基片表面上沉积及去除材料和在该表 面上选择性蚀刻图案的工艺步骤。

[0002]通常，通过在低压下向该工艺气体增加能量而在该基片 表面之上形成等离子。所得到的等离子可能包括具有高动能的离 子、自由基和中性物质。在等离子蚀刻中，可以引导等离子中带电 的粒子撞击在该基片无遮蔽的区域上，并由此从该基片去除原子或 分子。

[0003]等离子特性的任何不均一性会导致反应速率沿着该基片 表面不均匀，这会降低制造成品率。随着基片直径倾向于增加以及 形成在该基片上的晶体管尺寸减小，这个不均一性已经变成等离子 处理系统中主要复杂性之一。因此，对于等离子处理系统需要提高 在整个基片表面之上的等离子均匀度。

[0004]现代等离子蚀刻工具使用多个调节器以控制工艺参数， 如等离子密度和均匀度、等离子化学组成、离子能量以及基片表面 附近的离子能量分布。新一代等离子处理系统要求密切控制这些参 数以便满足技术挑战的要求，如收缩特征尺寸和新的堆栈材料。这 样，先进的等离子处理设备就需要允许用户对这些参数加强控制。

发明内容

[0005]按照一个实施例，一种用于限制在等离子处理设备中形 成的电容耦合RF等离子(CCP)的装置包括电感耦合RF等离子源， 其具有围绕该上部电极用于生成电容耦合RF等离子的介电支撑环， 和设在该介电支撑环上的线圈单元。该线圈单元可连接到RF源并且 产生围绕该电容耦合RF等离子的磁场和电场从而限制该等离子。该 电感耦合RF等离子源还有助于引发和维持该等离子。

[0006]在一个实施例中，该上部电极具有圆形端面，其与该支 撑基片的通电电极协同而在运行期间在该基片和该圆形端面之间 生成等离子。该装置可包括：介电支撑环，适于同心围绕该圆形端 面；和多个安装在该介电支撑环上的线圈单元，每个线圈单元包括 沿该介电支撑环径向设置的铁磁芯体和围绕该铁磁芯体缠绕并耦 接至第一射频(RF)电源的第一线圈。当接收来自该第一RF电源 的RF功率时，该线圈单元可产生电场和磁场。该电场和磁场可沿该 圆形端面的边缘围绕该等离子并且减少扩散出去的带电粒子数量 由此限制该等离子。

[0007]在另一实施例中，等离子处理设备可包括：第一射频 (RF)源；卡盘，设置在下部电极上并适于对安装在其上的基片产 生夹紧力；上部电极，设置在该卡盘之上并包括面向该基片的表面， 该下部电极和上部电极适于当从该第一RF源提供RF功率至该上或 下部电极时在该上部电极和该基片之间生成等离子；介电支撑环， 同心围绕该上部电极；以及多个安装在该介电支撑环上的线圈单 元，每个该线圈单元包括沿该介电支撑环径向设置的铁磁芯体和第 一线圈。该第一线圈可围绕该铁磁芯体缠绕并且耦接至第二射频 (RF)电源。在接收来自该第二RF电源的RF功率时，该线圈单元 可产生电场和磁场以减少从该等离子扩散出的带电粒子数量并由 此限制该等离子。

附图说明

[0008]图1传统的平行板电容耦合等离子发生装置的局部剖视 图。

[0009]图2示出以图1所示的传统模式处理的基片的局部剖视 图。

[0010]图3示出按照本发明一个实施例制成的示范性等离子处 理设备的剖视图。

[0011]图4示出图3中设备上用于激励工艺气体生成等离子的电 路的示意图。

[0012]图5示出在图3的设备中使用的铁磁体芯体的可选实施 例。

[0013]图6示出电极间隙内沿着垂直于基片表面方向的按时间 平均值电势分布的曲线。

[0014]图7示出图3的设备中电感RF源的俯视图。

[0015]图8示出图7的电感RF源的局部剖视图，说明由该电感RF 源产生的电场和磁场。

[0016]图9示出图7描述的该电感RF源的备选实施例的俯视图。

[0017]图10示出图7中描述的该电感RF源的另一备选实施例。

[0018]图11示出图10中的电感RF源的局部剖视图，说明由该电 感RF源生成的电场和磁场。

具体实施方式

[0019]一种混合电容耦合等离子处理设备包括围绕电容耦合等 离子源的电感耦合RF源。某些实施例可提供，除了别的因素外，对 等离子边缘处径向和角向等离子密度的额外控制，并由此提供一种 机械装置，用于在基片边缘调节等离子均一性。电感耦合等离子源 可包括提升等离子限制的多个铁磁线圈。此外，该电感耦合等离子 源可增进该等离子处理室的清洁能力并且增加可消耗室内部件的 寿命。

[0020]在电容耦合等离子系统中，等离子由一对间隙很小的电 极板生成。在平行板等离子反应器中使用平面电极会导致纵贯基片 表面不均一的等离子密度，尤其是在靠近边缘的区域。这种类型的 不均一性可能是角对称的或者径向的，例如，中心附近的蚀刻速率 会不同于边缘附近的蚀刻速率。围绕该基片的边缘可安装边缘环， 从而提升边缘附近的等离子均一性。

[0021]图1示出按照一个实施例的平行板或电容耦合等离子装 置(示为100)的局部剖视图并且说明围绕基片108的边缘环110。 示为100的装置可包括：基片支撑件单元102，其包括电极104和用 于将基片108夹持在适当位置的静电卡盘106；以及上部喷头电极 116。该边缘环110可以是可替换部件，其在该基片处理过程中会变 热并且有时称为热边缘环(HER)。该边缘环110可由导电电极材料 (如SiC和硅)制成或由介电材料(如石英)制成。等离子118可在 该上部电极116和该基片108之间形成。等离子鞘114a和114b可分别 在该基片108和该上部电极116的表面上形成。在等离子蚀刻过程 中，来自等离子118的离子物质在撞击基片108的表面之前随着它们 穿过等离子鞘114a而获得能量，。

[0022]尽管该边缘环110会降低等离子非均一性，但是在该基片 108边缘附近的等离子鞘114a的厚度和外形会变形，如图1所示。如 结合图3详细说明，该装置100可与电感耦合RF等离子源协作运行， 该电感耦合RF等离子源在径向使等离子118延伸超出该边缘环110， 由此减小在该基片108边缘附近的等离子鞘114a-114b的变形。在运 行期间，图1中描述的该等离子118可以在该装置100运行在电感耦 合RF源(图3所示)没有打开的模式下时生成。

[0023]这些等离子鞘114a-114b会在基片108边缘附近变形。结 果，来自等离子118的离子物质会以相对于该基片108表面法线不同 的角度撞击该基片108的表面。图1中的箭头112表示该鞘114a内的离 子物质的运动方向。

[0024]图2表示基片108靠近其边缘的放大局部剖视图，其中以 图1所描述的传统模式处理该基片。如图2所示，位于远离该边缘的 被蚀刻部116a在垂直于该基片108表面的方向形成，而位于边缘附 近的被蚀刻部116b在相对该表面法线一定角度的方向形成。这样， 基片108有缺陷的边缘部分会被丢弃，其转变成制造损耗。

[0025]图3示出按照一个实施例，用于处理基片310的示范性等 离子处理设备(示为300)的剖视图。该基片310可以是由各种材料， 如半导体、电介质和金属制成的晶片。如所描述的，示为300的该 设备可包括基本上呈圆柱形的室302，用于在其中提供低压。该示 为300的设备能够通过喷头电极332将工艺气体引入该室302并且引 发该工艺气体生成电容耦合RF等离子。该室压力通常在0.1到 1000mtorr的范围，其中真空泵333可从该室302底部抽出气体。

[0026]示为300的设备可包括：下部电极306；用于支撑该下部 电极306的基底304；围绕该基片310和该卡盘312的边缘环314；RF 电源供给单元308(详细的描述结合图4给出)，用于提供RF功率至 该下部电极306；介电环316，位于该边缘环314下方并构造为传导 等离子流(plasma current)；导体环318(如铝环)，与该介电环316 和地相连接，并且构造为排出从该介电环316传送来的等离子流。 该设备可进一步包括：上部电极332，具有大体上圆盘状的形状； 电感耦合RF等离子源(或，简称为电感RF源)330；温度可控顶板 334；以及限制环组件320，包括在运行期间围绕等离子并且将等离 子限制在所围绕的区域内并由此改进工艺控制的限制环324，和用 于调节这些限制环324之间间距的调节机构322。该电感RF源330的 详细描述参照图4给出。

[0027]示为300的设备可进一步包括耦接至该上部电极332的开 关338。在一个运行模式中，该开关338可将该上部电极332接地。 在这个模式中，该下部电极306可是通电电极并且在该上部电极332 和该基片310之间形成电容耦合等离子。在另一运行模式中，该开 关338可将该上部电极332耦接至另一RF电源单元336。该RF电源单 元336的详细描述结合图4给出。

[0028]这些等离子限制环324示为围绕在该上部电极332和该基 片310之间形成的等离子并且关于该基片310的中心轴340同心布 置。这些限制环324可包括设计为减少从该等离子流出的带电粒子 数目并且允许不带电气体分子在大体上水平的方向从该限制区域 流出的结构，如环状通气窗。在该限制区域的边缘附近，这些中性 气体分子可流过一个或多个这些限制环324之间的间隙。通过这些 间隙后，不带电气体会进入该限制区域和该室壁之间的室302的一 区域内，然后到连接真空泵333的室出口。这些限制环324可优选地 包括三个接地通气窗(未示)并且由掺杂以具有2×10³欧姆-厘米量 级高电导率的碳化硅制成并且能够经受严苛的等离子环境。这些限 制环324可由具有高电导率的其他材料制成，例如，铝或石墨。

[0029]为了有助于在不同压力以及该等离子区域和该室302其 余部分之间的气流条件下提供所需的等离子限制，这些限制环324 之间的间距可由该调节机构322改变。该调节机构322可以是耦接在 马达(未示)和该通气窗装置之间的传统的机械机构。可变的间距 可帮助确定等离子的气体压力和从等离子区域到该真空泵333的气 流速率，并由此有助于与控制该等离子压力、等离子限制程度和气 流速率。该调节机构322可由来自控制器(未示)的控制信号驱动。 等离子限制环装置的更多细节可在共同拥有的美国专利No.5,998， 932中找到，其整体通过引用结合在这里。

[0030]在图3中，该上部电极332示为具有基本上圆板状的形状。 该上部电极332可具有其他替代的形状。例如，该上部电极332可具 有形成在其边缘附近的凸台。在另一配置中，该上部电极332可包 括单晶硅制成的内部电极构件和整块材料(如化学气相沉积(CVD) 碳化硅、单晶硅或其他合适的材料)形成的外部电极构件。该外部 电极可以是连续构件或分段构件(例如，2-6个布置为环形构造的分 开的段)。该台阶状电极的更多细节可以在共同拥有的美国专利 No.6,824,627中找到，其整体通过引用结合在这里。

[0031]各种不同类型的气体喷射系统可用在示为300的设备中。 例如，喷头组件Exelan2300^TM(可从受让人Lam Research Corporation，Fremont，CA得到)可安装在该室302内部。另一示范 性的气体喷射系统可在共同拥有的美国专利No.6,508,913中找到， 其整体通过引用结合在这里。对于本领域普通技术人员来说，在设 备300中可以使用其他合适类型的气体喷射系统应当是显而易见 的。

[0032]该边缘环或聚焦环314是可替换部件，其可在基片处理过 程中变热，并且有时称为热边缘环(HER)。该边缘环314可由导电 电极材料(如SiC和硅)制成或由介电材料(如石英)制成。该边 缘环314的更多细节可在共同拥有美国专利No.5,998,932中找到， 其整体通过引用结合在这里。

[0033]该卡盘312可以是静电卡盘。或者，该下部电极306可布 置为连接到DC夹紧电压源(未示)的静电卡盘，在这个例子中，该 下部电极306可包括当在该室302中由等离子处理基片310时冷却该 基片310的装置(未示)。在这种情况下，该下部电极306和卡盘312 可形成为一个部件。如果需要，可以使用除了静电卡盘之外的其他 卡盘。

[0034]如上所讨论的，该上部电极332和下部电极306可通过激 发喷射进该室302的工艺气体而在该上部电极332和该基片310之间 生成电容耦合等离子。该等离子的不带电粒子(如离子和电子)可 通过这些限制环324并且在那里凭借该真空泵333从该室排出。这些 限制环324优选地降低从该等离子扩散出的带电粒子(即，通过这 些限制环324之间的间隙逸出的带电粒子)的数量。为了帮助将这 些带电粒子约束在该等离子区域内并由此降低从该等离子扩散出 的带电粒子的数量，该电感RF源330可围绕该等离子设置，详细细 节可参考图4-11。

[0035]图4示出该设备(示为400)的电路的示意图，该电路用 于激发工艺气体生成等离子并且限制该等离子。如所描述的，该下 部电极306可耦接该RF电源供给单元308。该RF电源供给单元308可 包括多频RF源406以及可选地包括电容402和/或匹配网络404。或 者，匹配网络可用于多个RF源406的每个。该工艺气体可响应电极 306和332以一个或多个频率耦合该激发区域所产生的电场而转换 为等离子408。该RF源406可以是运行在单一频率的单个RF源，或 是多个RF源，例如，运行在不同频率(例如，2、27和60MHz)的 三个RF源。通常，提供至该下部电极306的高频功率的量可主要控 制该等离子408的密度，而提供至该下部电极306的低频功率的量可 主要控制该等离子408中的离子能量。可以理解的是可通过RF源406 使用其他频率以控制该等离子密度和离子能量以及该等离子408的 其他参数。

[0036]该开关338可将该上部电极332连接至另一RF电源单元 336。该RF电源单元336可包括RF源424以及可选地包括电容420和/ 或匹配网络422。如在该RF功率源单元308的例子中，该RF源424可 具有一个或多个分别运行在一个或多个频率的源。在这种情况下， 匹配网络可安装在该上部电极332和每个RF源之间。

[0037]如图4中所描述的，该电感RF源330可围绕该等离子408 的边缘产生电场442和磁场440。该电场442和磁场440优选地降低从 该等离子408通过这些限制环324之间的间隙扩散出的带电粒子数 量并由此进一步限制该等离子408。该等离子408的带电粒子可由该 电场442约束，这导致该等离子408延伸至该电感RF源330下方的区 域并由此降低该基片边缘附近该等离子408的非均一性。该电感RF 源330可包括：多个线圈单元416，每个线圈单元具有连接到RF源410 并且围绕铁磁芯体412缠绕的线圈414；和介电支撑环432，用于支 撑其上的线圈单元416。该介电支撑环432可通过任何合适的装置安 装到该电极332和/或该顶板334上。可选地，导体环430(其优选地 由金属形成)可形成在该介电环432上并且接地以当该开关338将上 部电极332接地时排出该等离子流。该导体环430更多的细节参照图 6给出。该RF源410用于这些线圈414的优选的频率范围可从10KHz 到1MHz。当通电时，这些线圈单元416可有助于点燃和维持该等离 子408，同时限制该等离子。

[0038]由该电场442限制的这些带电粒子可在该室内302低压下 提升等离子引发过程中的等离子触发(strike)。并且，该等离子限 制会减少在这些限制环324上的材料沉积，如聚合物副产物，因而 增加了这些限制环324的寿命和清洁这些限制环324的时间间隔。该 电感RF源330可用作清洁各种不同室部件的工具，如限制环324、边 缘环314、卡盘312等。通过将清洁气体注入该室302并且将该等离 子扩张到这些限制环324附近的区域，在这些部件表面上形成的化 学沉积物就可以有效去除。该电感RF源330会有助于保持带电粒子 以及该等离子中其他化学物质的密度，并由此有助于维持该等离 子。该电感RF源330还会有助于在该等离子内生成带电粒子和其他 化学物质。

[0039]该铁磁芯体412可由铁磁材料(如铁素体)制成以及具有 各种形状。图5示出可用于该电感RF源330的铁磁芯体502的可选实 施例，其具有半圆形状和围绕铁磁芯体502缠绕的线圈504。对于本 领域普通技术人员来说，还可使用具有其他合适形状的铁磁芯体应 当是显而易见的。

[0040]如上面结合图4所讨论的，可选的导体环430可形成在该 线圈单元416和介电支撑环432之间。当该开关338将该上部电极332 接地时，该导体环430也可接地以增加该上部电极或接地电极332的 有效面积。该上部电极332和该下部电极或通电电极306之间的面积 比(Ag/Ap)会对该等离子鞘区域内的电势能分布产生影响。图6 示出等离子608内沿垂直于该基片310方向的电势能分布图。图6中， 该Y-轴表示距该基片表面的距离以及X-轴表示在该接地电极322和 基片表面之间的等离子的电势。两个等离子鞘D1和D2可分别在该上 部电极332和基片310的表面形成。由于撞击该基片表面这些离子物 质主要在该等离子鞘D2区域中加速，所以纵贯该鞘D2的电势分布 会影响该等离子蚀刻的效能。该曲线604和606分别表示对于两种情 况的势能分布：A_g＝A_p，和A_g>A_p。如图6中描述的，纵贯该等离子 鞘D2的电势差在该上部电极面积A_g大于该通电电极面积A_p的情况 下较大。通常，较大的A_g/A_p比增加蚀刻速率。当该导体环430接地 时，会具有增加该上部电极面积A_g的效果，并由此增加示为300的 该设备的效率。该导体环430可由非铁磁体金属形成，如铝，其可 以被磁场穿过。

[0041]图7示出图3中的电感RF源330的俯视图。如所描述的， 每个线圈单元416可设置在该介电支撑环432上或可选地在该导体 环430上(图7中未示)，并且沿着该介电支撑环432的径向定向。这 些线圈414可围绕该铁磁芯体412缠绕并串联至该RF电源410。在图7 中，该电感RF源330示为具有八个线圈单元。然而，对于本领域普 通技术人员来说，在该电感RF源330中使用其他数目的线圈单元应 当是显而易见的。

[0042]图8示出图7的该电感RF源330运行期间的局部剖视图， 说明由围绕该上部电极332的该电感RF源330生成的电场和磁场。如 所描述的，该电场和磁场442、440可在围绕该上部电极332且在该 介电支撑环432下的环形区域802中形成。该电场442可定向为在该 环形区域802的圆周方向。由于带电粒子可沿着该电场442运动，所 以该环形区域802中的离子和电子会被限制在该环形区域内，而不 是在该介电支撑环432径向扩散出该环形区域。因此，该等离子可 由该电感RF源330产生的磁场和电场440、442限制。

[0043]图9示出图7的该电感等离子源的可选实施例900的俯视 图。该电感等离子源900可围绕该上部电极设置并包括：一个RF电 源916；多个线圈单元906，每个单元具有铁磁芯体908和两个围绕 该芯体908缠绕的线圈910a-910b；和介电支撑环904，用于支撑该线 圈单元908。该电感源900可选地包括设置在该介电支撑环904上的 导体环(图9中未示)。该RF源916的优选频率范围可从10KHz到 1MHz。这些线圈910a-910b的每个可与相邻的线圈单元的另一线圈 串联，其以相同方向(外部线圈910a)或相反方向(内部线圈910b) 缠绕并且通过开关装置920耦接到该RF电源916，该开关装置向该内 部线圈910b或该外部线圈910a之一提供RF功率。如图7中的例子， 该电感RF源900可包括其他数目的线圈单元906。

[0044]图10示出图3中的该电感RF源330的另一可选实施例 1000的俯视图。如所描述的，该电感RF源1000可包括：RF源1016； 多个线圈单元1006，每个线圈单元具有铁磁芯体1008和围绕该芯体 缠绕的并且连接至该RF源1016的线圈1010；和介电支撑环1004，用 于支撑该线圈单元1006并且围绕该上部电极1002设置。该电感RF 源1000可选地包括设置在该介电支撑环1004上的导体环(图10中未 示)。该RF源1016的优选频率可从10KHz到1MHz。该电感等离子源 1000可类似于该电感等离子源330，不同之处在于，在两个相邻的 铁磁芯体1108中的线圈1010可以彼此相反的方向缠绕，其产生具有 交替方向的电场磁场，如图11中所描述的。该电感RF源1000可包括 其他合适数量的线圈单元1006。

[0045]图11示出图10中的该电感RF源1000在运行期间的局部剖 视图，说明由该电感RF源1000产生的电场和磁场。如所描述的，该 磁场1104可形成在围绕该上部电极1002并且位于该介电支撑环 1004下面的环形区域1102中。该电感RF源1000可产生内部电场 1106a和外部电场1106b。如图11中所描述的，两个相邻磁场1104的 方向可定向为相反方向。类似地，两个相邻的内部(或外部)电场 1106a(1106b)可定向为相反方向。该内部电场1106a的构造可减少 在该区域1102向外部扩散的带电粒子数量，而该外部电场1106b可 增加在该区域1102外的电子扩散，这形成了用于工艺可调节性的额 外的调节器。该外部电场1106b配置可适用于基片边缘高蚀刻速率 的等离子工艺中，其中在该边缘处的等离子密度通常高于该基片中 心。

[0046]如图7，9和10所描述的，围绕铁磁芯体缠绕的线圈可串 联至相邻的线圈。当该等离子的电子数量密度在环形区域(如802) 的位置扰动时，在该位置的电场密度也会改变。随后，围绕该位置 的磁场强度会被扰动，这可能在流过该线圈电流中引起与该扰动的 磁场对应的变化。那么，该电流中的变化会改变在某个方向流过该 线圈的电流以补偿该电子数量密度的扰动，由此形成瞬间反馈机制 以稳定该电子数量密度波动。见V.Godyak，V.Lee，C.Chung的 “Characterization of Inductively Coupled Plasma Driven with Ferrite Cores at 400kHz”，2005IEEE等离子科学国际研讨会，June20-23， Monterey，CA。

[0047]尽管本发明已经参照其具体实施例详细描述，但是对于 本领域技术人员，显然，可进行各种改变和修改，以及采用等同方 式，这并不背离所附权利要求的范围。