针对可调整的间隙等离子体室中的双重限制和超高压的方法和设备

摘要

本发明提供的是一种具有用于加工衬底的等离子体处理室的等离子体处理系统。所述等离子体处理系统包括用于加工所述衬底的至少上电极和下电极。在等离子体处理过程中，所述衬底被置于所述下电极上，其中，所述上电极和所述衬底形成第一间隙。所述等离子体处理系统还包括上电极外围扩展部(UE-PE)。所述UE-PE机械地联接至所述上电极的外围，其中，所述UE-PE被配置成与所述上电极不共面。所述等离子体处理系统还包括盖环。所述盖环被配置成同中心地环绕所述下电极，其中，所述UE-PE和所述盖环形成第二间隙。

说明书

技术领域

等离子体处理中的进步促进了半导体工业的发展。半导 体工业是一个竞争激烈的市场。对于制造公司来说，能够在不同的 加工条件下加工衬底的能力可能是该制造公司优于竞争对手的优 势。因此，制造公司将时间和资源都用于确定改善衬底加工的方法 和/或装备。

背景技术

可被用来执行衬底加工的典型的处理系统可以是电容耦 合等离子体(CCP)处理系统。等离子体处理系统可以制造成能根 据一系列的工艺参数进行加工。但是，近几年，可被加工的器件的 类型变得越来越复杂，并且可能需要更精确的过程控制。例如，被 加工的器件变得更小，特征更细微，并且为了更好的产量可能需要 对等离子体参数(例如衬底上的等离子体密度和均匀度)进行更精 确的控制。在蚀刻室内对晶片区域的压力控制可能是工艺参数影响 等离子体密度和均匀度的一个例子。

半导体器件的制造可能需要在等离子体处理室内利用等 离子体进行的多步加工。在对半导体器件进行等离子体处理的过程 中，等离子体处理室一般可以针对处理的每一个步骤被维持在预先 限定的压力下。预先限定的压力可以通过使用机械真空泵、涡轮泵、 限制环(confinement ring)定位和/或其组合来获取，就像本领域技 术人员所熟知的那样。

按照惯例，阀组件可以被用于使排气涡轮泵节流，以便 为了在等离子体处理室内维持预先确定的压力条件而实现压力控 制。但是，由瓮阀(vat valve)控制的压力可能导致在整个室内都 发生全局性变化，而无法在室的不同区域内提供有差别的压力控 制。

现有技术中，在等离子体处理室的等离子体生成区(例 如由两个电极包裹并且由限制环包围的区域)中的压力可以通过调 节限制环组件的限制环之间的间隙来调整。间隙调整控制了来自等 离子体生成区的废气的流速，压力可能因此受到影响。等离子体生 成区之外的整体气流传导性(gas flow conductance)可能取决于几 个因素(包括但不限于)：限制环的个数和限制环之间的间隙的大 小。因此，针对压力范围的操作窗口可能受到室间隙和/或这些限制 环的间隙的约束。此外，由于这些限制环的固定直径，等离子体横 截面可以是针对上述工艺的固定直径。

现有技术中，配置成有能力维持多数个差别化等离子体 容量的等离子体处理室可以被用来解决等离子体关于固定横截面 的上述问题。在一个例子中，宽隙(wide-gap)结构可以被用来提 供具有相对低压力的、扩大了的等离子体横截面。在另一个例子中， 窄隙结构可以被用来提供传统的等离子体横截面，但获得的压力相 对高。然而，没有提供针对所述系统的灵敏差别化压力控制。

鉴于需要以多个步骤来处理衬底，每一个步骤都可能涉 及不同的压力，那么在等离子体处理系统中提升在很宽的压力范围 上提供差别化压力控制的能力是非常合乎需要的。

发明内容

在实施方式中，本发明涉及一种等离子体处理系统，所 述等离子体处理系统具有用于加工衬底的等离子体处理室。所述等 离子体处理系统包括用于加工衬底的至少上电极和至少下电极。在 等离子体处理过程中，衬底被置于下电极上，其中，上电极和衬底 形成第一间隙。等离子体处理系统还包括上电极外围扩展部 (UE-PE)。所述UE-PE机械地联接至上电极的外围，其中，所述 UE-PE被配置成与上电极不共面。等离子体处理系统还包括盖环。 所述盖环被配置成同中心地环绕下电极，其中，UE-PE和盖环形成 第二间隙。

上述内容只涉及在此公开的本发明众多实施方式中的一 种实施方式，并无意限制本发明在权利要求中阐明的范围。本发明 的这些特征和其他特征将在下面对本发明的详细描述中结合附图 更详细地加以说明。

附图说明

在附图中通过举例的方式而不是通过限制的方式来阐释 本发明，并且在附图中，相同的参考标记代表相似的元件，其中：

图1根据本发明的实施方式示出等离子体处理系统的简 化示意图，所述等离子体处理系统配置有在上电极组件与下电极组 件之间可调整的间隙，以便提供带有针对超高压和/或低传导性体系 (regime)的对称室的窄间隙结构。

图2根据本发明的实施方式示出等离子体处理系统的简 化示意图，所述等离子体处理系统配置有在上电极组件与下电极组 件之间可调整的间隙，以便提供带有针对低压和/或高传导性体系的 非对称室的宽间隙结构。

具体实施方式

现在将参考本发明的一些在附图中说明的实施方式来对 本发明进行详细描述。在下面的描述中，阐明了许多具体细节，以 便彻底理解本发明。然而，对本领域技术人员来说将是显而易见的 是，没有这些具体细节中的部分或全部，本发明也可以实施。在其 他实例中，为了避免不必要地使本发明不清晰，熟知的处理步骤和 /或结构不作详细描述。

根据本发明的实施方式，提供的是用于在相同的等离子 体处理室中提供宽范围的压力的方法和设备。在一些等离子体处理 系统中，室间隙(即上下电极之间的间隙)是方法参数(recipe  parameter)并且可以根据不同的步骤变化。在这些等离子体处理系 统中，可以提供有如下机构，所述机构被配置成移动下电极组件以 调整所述室间隙。在其他等离子体处理系统中，可以移动上电极组 件。在此公开文件中，假定所述室具有移动的下电极。但是，应该 理解的是，本发明在此的实施方式同样很好地用于其中上电极能移 动的室(可选地或附加地)。

在一种或多种实施方式中，上电极接地而下电极接电源。 在一种实施方式中，上电极的外围设有环形的即圆环状的环，所述 环环绕上电极。该环形的扩展部在这里被称为上电极外围扩展部 (UE-PE)。

UE-PE下面至石英盖环的间隙能够以如下方式来配置， 即，当上电极与下电极之间的间隙足够窄时，出现一个如下点，在 那里，UE-PE下面的间隙不足以在UE-PE下面维持等离子体，而在 UE-PE之内处于上电极下面的间隙仍然大得足以维持等离子体。在 该窄间隙情况中，UE-PE下面的间隙可以是有非常高流量限制的区 域。在一种实施方式中，UE-PE下面的间隙的高度可以被调整用于 控制压力，以在UE-PE之内处于上电极下面的间隙的区域内获得超 高压力和低传导性。

在一种实施方式中，当上电极与下电极之间的间隙逐渐 增大时，鉴于UE-PE下面的间隙不足以维持等离子体而在UE-PE之 内处于上电极下面的间隙仍然大得足以维持等离子体，可以针对窄 间隙结构获取较低压力和较高传导性。

当上电极与下电极之间的间隙进一步逐渐增大时，出现 一个如下点，在那里，UE-PE下面的间隙大得足以维持等离子体而 在UE-PE之内处于上电极下面的间隙也大得足以维持等离子体。在 该宽隙结构中，可以获取低压和高传导性。限制环可以被用来容纳 等离子体和/或控制压力。

就像可以从上述内容理解的那样，接电源的下电极的有 效射频耦合面积针对窄隙结构和宽隙结构都保持相同。但是，在宽 隙结构中，接地的电极的有效射频耦合面积扩大了。因此，针对射 频耦合的第一面积比提供窄隙结构，而针对射频耦合的第二面积比 (即更大的，由于更大的有效射频接地耦合面积)提供宽隙结构。

在一种实施方式中，间隙差异(即在上电极的中心区域 处上电极与下电极之间的间隙以及UE-PE下面的间隙)可以通过使 UE-PE与上电极不共面来实现。例如，UE-PE可以在上电极下面伸 出。在实施中，UE-PE与上电极一起移动，其中，上电极是可移动 的。

在另一种实施方式中，可以使下电极外围扩展部 (LE-PE)与下电极不共面。例如，LE-PE可以被提升到所述电极 之上。在一个示例中，LE-PE可以是石英盖环。在实施中，LE-PE 与下电极一起移动，其中，下电极是可移动的。

根据附图和后续讨论(将本发明的机制和实施方式与现 有技术进行对比)可以更好地理解本发明的特征和优点。

图1根据本发明的实施方式示出等离子体处理系统的简 化示意图，所述等离子体处理系统配置有在上电极组件与下电极组 件之间可调整的间隙，以便提供带有针对超高压和/或低传导性体系 的对称室的窄间隙结构。等离子体处理系统100可以是单频、双频 或三频电容式放电系统或者可以是电感式耦合等离子体系统或采 用不同的等离子体生成和/或维持技术的等离子体系统。在图1的例 子中，无线电频率可以包括但不限于2.27至60MHz。

参看图1，在一种实施方式中，等离子体处理系统100可 以配置有上电极组件102和下电极组件104。上电极组件102和下电 极组件104可以由室间隙106彼此分离开。上电极组件102可以包括 至少上电极，所述上电极可以接地或者由射频电源(未示出)供电。

在图1的例子中，在一种实施方式中，上电极组件102可 以接地。此外，在一种实施方式中，上电极组件102可以配置有内 上电极部件102a和外上电极部件102b。在一种实施方式中，外电极 部件102b可以是内上电极102a的环形扩展部。在此，外电极部件 102b可以是指上电极外围扩展部(UE-PE)。

如图1中所示，内上电极部件102a和UE-PE102b可以由如 图1所示的不同部件形成。可供选择地，在一种实施方式中，内上 电极102a和UE-PE102b可以形成为整体式单元。此外，在一种实施 方式中，内上电极102a和/或UE-PE102b可以由多个部件形成。

在一种实施方式中，下电极组件104可以配置有静电夹头 (ESC)110、边缘环112、绝缘体环114、聚焦环116、石英盖环118、 限制环组件124和/或旁路环120。如图1中所示，旁路环120可以由铝 形成。在一种实施方式中，旁路环120可以配置有旁路腔122，以便 让气体穿过旁路腔122排出。如图1所示，将瓮阀134联接至涡轮分 子泵(TMP)136可以被用来将处理过的气体从等离子体处理系统 100中排出。上述部件的特征为本领域技术人员所熟知，为了简化 将不对其作详细讨论。

在一种实施方式中，UE-PE102b可以配置有台阶，即阻 塞点(choke point)126。作为所述台阶的结果，UE-PE102b的下表 面可以在内上电极102a的下表面之下延伸或伸出。如图1所示，在 一种实施方式中，UE-PE102b的下表面和石英盖环118的顶面可以通 过第二间隙128分离开。在一种实施方式中，间隙128的大小可以通 过移动上电极组件102和/或下电极组件来调整。

在一种实施方式中，阻塞点可以通过制造不共面的台阶 而形成。例如，UE-PE可以在上电极表面之下延伸或伸出。可选地 或附加地，可以使下电极外围扩展部(LE-PE)与下电极不共面。 例如，LE-PE可以被提升到所述电极之上。在一个例子中，LE-PE 可以是石英盖环118。

如图1中所示，等离子体处理系统100可以配置有两种可 能的等离子体维持区域：区域130a或者区域130a加128加130b。在一 种实施方式中，无论室间隙106是否大得足以维持等离子体，区域 130a都可以有能力维持等离子体。而在一种实施方式中，无论阻塞 区中的间隙128是否大得足以维持等离子体，区域130a加128加130b 都可以有能力维持等离子体。这是图2中所描述的。

在等离子体处理过程中，处理过的气体(未示出)可以 被供应给室间隙106。被供应给室间隙106的、处理过的气体可以通 过供应给下电极组件104的射频电源而被激发成等离子体状态。考 虑如下情况：其中，例如，下电极组件104可以被移动用于建立窄 间隙结构，其中，间隙128的大小可能不足(相对于平均自由程) 以维持等离子体。

在一种实施方式中，在图1的窄间隙结构中，等离子体可 以被维持在室间隙106的区域130a内。阻塞区的间隙128可能不足以 维持等离子体。因此，区域130b可能没有能力维持等离子体。在窄 间隙结构中，限制环组件124被拉起用于限制额外的流动障碍。

在一种实施方式中，以如下方式来确定上电极和下电极 的大小，即，使得在窄间隙结构中能够实现1∶1的面积比，使所述室 成为窄间隙结构中的对称室。

在一种实施方式中，可以在窄间隙结构中获得和控制区 域130a与等离子体处理系统的其他部分之间的差别压力。在一个例 子中，室间隙106的压力可以通过有效反馈回路来控制。在一种实 施方式中，可以测量区域130a内的压力，并且可以调整间隙128、 瓮阀134和/或气流速度，以控制区域130a内的压力。

考虑如下情况：其中，例如，在对衬底108进行等离子体 处理的过程中可能在区域130a内需要超高压，例如在托(Torr)范 围内。下电极组件104可以被移动至降低的高度，以使间隙128形成 为很窄的间隙。间隙128的阻塞区可以是具有很强节流作用的、显 著阻塞气流的区域。在一种实施方式中，间隙128的高度不足以在 间隙128和/或区域130b内维持等离子体。

通过上述有效压力反馈回路，区域130a内的压力可以通 过调整间隙128的高度来控制。例如，区域130a内的压力可以通过 进一步降低间隙128的高度来提高。在一种实施方式中，遍及通过 调节间隙128来控制的整个压力范围，间隙128仍然不足以在区域 130b内维持等离子体。

可供选择地和/或附加地，在一种实施方式中，区域130a 内的压力可以通过调整穿过区域130a的、处理过的气体的流量来控 制。在一个示例中，可以增加处理过的气体的流量，以增加区域130a 内的压力，从而增加压力以在区域130a内获得超高压力。

可供选择地和/或附加地，在一种实施方式中，对区域 130a的压力控制可以通过调整在TMP136上游的瓮阀134来实现。在 一个示例中，瓮阀134可以是关闭以阻止等离子体腔区域压力的减 少的节流阀，以增加压力，从而在区域130a内获得超高压力。

参考图1，限制环组124可以不被用在对超高压体系的压 力控制中，因为与来自间隙128的流量限制相比，该流量限制微不 足道。此外，限制环组124是旁路环120的平行环，该旁路环具有甚 至高于限制环组124之间的间隙的传导性。例如，限制环组124可以 被配置成处于在旁路环120的肩台132上的套缩(collapsed)状态， 或者也可以被拉起到晶片运输位置中，如图1所示。穿过旁路环120 的旁路腔122的气体传导性使来自限制环组124的压力控制无关紧 要。

因此，由于高流速和/或高流量限制，区域130a可能能够 获得超高压力，例如高达约5托。因此，在一种实施方式中，具有 窄间隙结构的对称室可以不依赖于处理室的其他部分而获得超高 压力和/或低传导性。

在现有技术中，间隙128可以被用来使区域130b内的等离 子体熄灭，方法是：使间隙128的大小变窄而不足以维持等离子体。 相比之下，间隙128不仅仅可以被用来区域130b内的等离子体熄灭， 也可以调节间隙128，以控制区域130b内的压力。因此，可以为了 压力控制而使间隙128变窄到超过使等离子体熄灭的点。

考虑另一种情况：其中，例如，在区域130a内，在等离 子体加工过程中针对带有对称室和窄间隙的结构可以期望获得低 压力和/或高传导性。图1被用来说明带有对称室的低压和/或高传导 性体系的例子。例如，在一种实施方式中，可以使下电极组件104 以如下方式移动，即，使得间隙128大到足以减弱流量限制，但仍 然能够防止等离子体在区域130b内着火。

参考图1，在区域130a内维持等离子体。间隙128变窄得 足以使等离子体熄灭，并且在区域130b内不维持等离子体。在一种 实施方式中，间隙128可以大得足以提高气体传导性，并导致在区 域130a内出现低压力。在一种实施方式中，对区域130a的压力控制 可以通过调节间隙128来实现。在一种实施方式中，间隙128大小的 上限可以被限制成用于维持等离子体的间隙128大小(相对于平均 自由程)。

可供选择和/或附加地，在一种实施方式中，区域130a内 的压力可以通过调整通过区域130a的处理过的气体流来控制。在一 个示例中，可以减少处理过的气体流，以降低区域130a内的压力。

可供选择和/或附加地，在一种实施方式中，区域130a的 压力控制可以通过调整在TMP136上游的瓮阀134来实现。在一个示 例中，瓮阀134可以是打开以降低区域130a内的压力的节流阀。

在带有对称室的低压体系中，限制环组124可以被用来控 制压力。参考图1，可以使限制环组124降低，并且区域130a内的压 力可以通过调整限制环组124之间的间隙来控制。使用限制环组来 控制压力的方法由本领域技术人员所熟知，为了简化不作详细讨 论。

因此，通过调节间隙128能够获得带有对称室结构的低压 体系，以在防止外部区域130b维持等离子体的同时提高传导性。区 域130a内的压力可以通过调节间隙128、限制环组124、气体流速和 /或瓮阀134来控制。

图2根据本发明的实施方式示出等离子体处理系统的简 化示意图，所述等离子体处理系统配置有在上电极组件102与下电 极组件104之间可调整的间隙，以便提供带有针对低压和/或高传导 性体系的非对称室的宽间隙结构。为了便于理解，与图1有关地讨 论图2。

考虑如下情况：其中，例如，如图2所示，在等离子处理 系统200中为了处理衬底108可能期望获得低压(例如低至约5毫 托)。在一种实施方式中，沿箭头240的方向移动低电极组件104以 增加间隙128的高度，可以获得低压和/或高传导性。间隙128高度的 增加可能会导致更高的传导性。在一种实施方式中，间隙128足够 大，并且等离子体可以在区域230内得以维持。区域230可以从室的 中心延伸出去至限制环组124的内边缘。如图2所示，限制环组124 可以被用来在特定区域之内限制等离子体。

在图2的宽隙结构中，接地的上电极与接电源的下电极 之间的面积比可以高，即比例可以大于1∶1，使室不对称。与对称结 构相反地，针对非对称结构等离子体维持在区域230内(如图2所 示)，而不是像图1中所示的那样等离子体仅被维持在区域130a内。 例如，接地电极区域相对于接电源的射频电极区域的高比例可能导 致在衬底108上针对宽隙结构的高偏置电压和高离子能量。

如图2所示，气体可以流出区域230穿过旁路环120的旁路 腔122，有助于非对称结构获得低压。由于旁路腔122以及间隙128 的增加的高度，在非对称结构中可以获得的高压可能受到限制。

在低压力非对称结构中，区域230内的压力可以通过调节 限制环组124的间隙来控制，如图2所示。可以使限制环组124降低， 并且压力可以通过调整限制环组124之间的间隙来控制。

可供选择地和/或附加地，在一种实施方式中，区域230 内的压力可以通过调整穿过区域130的、处理过的气体的流量来控 制。在一个示例中，可以减少处理过的气体的流量，从而减少区域 230内的压力。

可供选择地和/或附加地，在一种实施方式中，对区域230 的压力控制可以通过调整在TMP136上游的瓮阀134来实现。在一个 示例中，可以将瓮阀134调节成打开的，以降低区域230内的压力。

因此，带有增加的传导性的低压体系可以在带有非对称 室的间隙128宽隙结构中实现。区域230内的压力可以通过调节限制 环组124之间的间隙、气体流速和/或瓮阀134来控制。

如从前述内容中可以理解的那样，本发明的实施方式允 许差异压力控制，以便在等离子体处理系统中提供宽范围的压力和 /或传导性。能获得的压力范围可以从约5毫托至约5托。在超高压力 范围内，可以在伽玛模式(gamma mode)中实现等离子体处理。 此外，不同间隙结构可以允许对接地的上电极与接电源的下电极的 面积比的控制，允许对晶片偏差和离子能量以及离子能量分布的控 制。因此，要求有宽范围的压力和/或偏置和离子能量或离子能量分 布的不同制法的衬底可以使用相同的等离子体处理室来制备，从而 降低因采用多个等离子体处理室而引起的成本和/或时延。

已根据几个实施方式对本发明进行了描述，但还有更改 方案、置换方案和等同方案，这些方案都落入本发明的保护范围。 还应指出的是，存在很多可供选择的方式来实现本发明的方法和设 备。此外，本发明的实施方式可以用于其它申请。摘要部分在此供 方便之用，并且由于字数限制，摘要部分因此是为了方便阅读而撰 写的，不应被用来限制本发明的范围。因此，本发明目的被解释为 包括所有落入本发明的实质精神和范围内的这些更改方案、置换方 案和等同方案。