專利名稱：雙頻rf匹配的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體襯底處理系統，更具體而言，涉及用于使耦合到單個電極的多個RF源的阻抗與等離子體的阻抗相匹配的匹配電路。
背景技術：
等離子增強型半導體處理腔被廣泛用于集成器件的制造。在大多數等離子增強型半導體腔中，多個射頻(RF)生成器被用于形成和控制等離子體。某些等離子增強型處理腔將來自多個源的RF功率饋送到將功率耦合到等離子體的單個電極。但是，在這些實施例中，每個RF源一般要求單獨的饋送結構(例如單獨的RF生成器，匹配輸出、到電極的同軸電纜等等)。
因此，需要一種用于半導體襯底處理的經改進的裝置，其利用單個饋送結構來將來自多個RF源的RF功率耦合到一個電極。
為了詳細理解實現本發明的上述特征、優點和目的的方式，可以通過參考在附圖中示出的本發明的實施例來更具體地描述本發明(發明內容在上文給出)。但是，要注意，附圖僅僅示出本發明的典型實施例，因此不應被視為限制其范圍，因為本發明可以允許其他同等有效的實施例。
圖1示出本發明的RF結構的示例性框圖2是本發明的匹配電路的一個實施例的示意圖3A是示出由于互補頻率元件的分路變動(shunt variation)弓l起的調諧空間移動的圖3B是示出由于互補頻率元件的串聯組件變動引起的調諧空間移動的圖4是本發明的可變分路匹配電路的調諧空間的圖；以及圖5是具有雙頻匹配電路的一個實施例的等離子增強型處理腔的說明性示意圖。
為了幫助理解，在可能的情況下，使用相同的標號來標示附圖中共有的相同元件。
具體實施例方式
本發明一般地涉及等離子增強型半導體處理腔中的半導體襯底處理。更具體而言，本發明是等離子增強型半導體處理腔中的用于通過單個饋送裝置將兩個RF源耦合到一個電極的雙頻可變分路匹配電路。
圖1示出具有雙頻可變分路匹配電路的等離子增強型半導體處理腔的簡化框圖。根據本發明的等離子增強型處理腔100包括腔102、兩個RF功率源104、 106和雙頻匹配電路108。腔102包括加電電極IIO和接地電極112。來自雙頻匹配電路108的單條饋送線路114將源104、 106耦合到加電電極110。腔102在其他方面與傳統的等離子增強型處理腔類似。
RF源104、 106是獨立的頻率調諧RF生成器。RF源104、 RF源106可以被配置為以任何所需頻率向腔102提供RF功率，以控制等離子體的特性。兩個頻率可以被選擇為控制相同的等離子體特性，或者控制不同的等離子體特性。例如，在一個實施例中，RF源104、 106之一能夠提供高頻功率以激發等離子體并分離等離子中的離子，而RF源104、 106中的另一個能夠提供低頻功率以調制等離子殼層(sheath)電壓。例如，在一個實施例中，源104—般能夠在高達5000W的連續或脈沖功率下生成處于約12.8MHz到約14.3MHz的范圍內的頻率。源106 —般能夠在高達5000W的連續或脈沖功率下生成處于約1.8MHz到約2.2MHz的范圍內的頻率。
雙頻匹配電路108 —般包括兩個匹配子電路，其中串聯元件被固定，并且分路元件提供到地的可變阻抗。匹配電路108包括連接到處于兩個不同頻率的獨立頻率調諧RF功率源104、 106的兩個輸入，并且提供到處理腔102的公共RF輸出。匹配電路108執行操作，以使源104、 106的阻抗(通過是50Q)與腔102的阻抗相匹配。在一個實施例中，兩個匹配子電路是L型電路，但是也可以采用其他常見匹配電路配置，例如tt型和T型。
圖2是具有雙L型匹配拓撲的雙頻匹配電路108的一個實施例的代表性電路圖。匹配電路108 —般包括低頻(第一)調諧子電路202、高頻(第二)調諧b子電路204和生成器隔離子電路206。第一子電路202包括可變電容器Q、電感器L,和電容器C2。可變電容器d分路橫跨來自2MHz源的輸入端210A、 210B，電感器L!和電容器(:2從輸入端210A和210B串聯連接到公共輸出端212。在一個實施例中，可變電容器d標稱從約300pF到約1500pF可變，電感器約為30)UH，電容器C2約為300pF。
生成器隔離子電路206包括具有三個電感器L3、 U和L5以及三個電容器C5、 Q和C7的梯形拓撲。該子電路被調諧為阻止2MHz信號被耦合到13MHz源。電感器L5耦合橫跨輸入端214A、 214B。電容器C7、 Q和Cs從輸入端214A串聯耦合到13MHz調諧電路204的輸入216A。電感器
U和U分別從電容器C7和C6的交點和電容器C6和Cs的交點并聯耦合。
在一個實施例中，電感器U和Ls約為2pH，電感器Ls約為1aiH。電容器<:6和c7約為400pF，電容器Cs約為800pF。
第二子電路204包括電容器C3、電感器L2和可變電容器Q。可變電容器C4分路橫跨在來自生成器隔離子電路206的輸入端216A、 216B上，電感器L2和電容器C3從輸入端216A和216B串聯連接到公共輸出端212。在一個實施例中，可變電容器C4標稱從約400pF到約1200pF可變，電感器L2約為2.4/xH，電容器Q約為67pF。
通常，在當前的阻抗匹配技術中，或者串聯和分路元件被改變，或者元件固定而源的頻率被改變，以實現源和負載(例如等離子體)之間的阻抗匹配。在串聯和分路元件被改變的情況下，負責匹配源頻率之一的元件可能影響由負責匹配另一個源頻率的元件所看到的負載阻抗。例如，圖
73A和圖3B示出了當另一頻率的匹配元件被改變時針對2MHz和13MHz 的調諧空間是如何移動的。在圖3A中，分路組件(例如圖2中的電容器 Ci和C4)被示為對于另一頻率的調諧空間影響很小或沒有影響(由重疊的 線302和線304以及線306和線308所示)。但是，當與一個頻率源相對 應的串聯組件(例如圖2中的電感器！^和電容器C2或電感器L2和電容器 C3)被改變時，另一頻率的調諧空間移動。圖3B示出了改變13MHz下的 串聯組件的效果。當13MHz串聯組件被改變時，2MHz調諧空間移動。這 由不再重疊的線306和線308的移動示出。
但是，如上文參考圖l和圖2所述，本發明的設計產生了可以通過分 路組件調諧來改變的匹配調諧空間，而不會對另一頻率的調諧空間產生不 利的副作用。因此，互補頻率調諧空間保持不變，并且可以在大阻抗范圍 上實現零反射功率調諧空間。
例如，圖4示出了利用圖2的匹配電路108所看到的調諧空間的圖。 該配置或者可以包含在固定匹配狀況中，其中組件值是在過程運行之前設 置的并且在整個運行期間值是固定的，或者電路108可以在頻率/分路自動 調諧匹配配置中實現，其中生成器的頻率被調諧以確立匹配電路的方位角 調諧方向，而可變分路(電容器C2和C4)將會設置徑向調諧方向。這兩 個調諧機制(頻率調諧和分路調諧)在調諧空間中的垂直方向上工作，并 且如果給定自動調諧算法的適當的時間響應就能獨立地調諧到最佳狀況。 這樣，這種形式的調諧防止了兩個系統之間的可能導致不可調狀況的不穩 定反饋。
適合于從本發明中受益的等離子增強型半導體處理腔的示例包括但不 局限于均可從Santa Clara, California的Applied Materials獲得的eMaxTM、 ]VDO^和ENABLER 。 eMax，處理腔在2000年9月5日授予Shan等人 的美國專利No. 6,113,731中有所描述。NDO^處理腔在1669年7月9日授 予Qian等人的美國專利No. 5,534,108和1997年10月7日授予Pu等人的 美國專利No. 5,674,321中有所描述。ENABLER頂處理腔在2003年3月4 日授予Hoffhian等人的美國專利No. 6,528,751中有所描述。
圖5示出了適合用于本發明的電容耦合等離子增強型處理腔500的部分示意性截面圖。在一個實施例中，處理腔500包括接地腔體502和置于 腔體502外附近的至少一個線圈段518。處理腔500還包括置于腔體502 內并且與進氣口 532間隔開來的晶片支撐基座516。晶片支撐基座516包 括陰極527和用于將襯底514保持在進氣口 532之下的靜電卡盤526。
靜電卡盤526由DC電源520驅動，以產生將襯底維持在卡盤表面上 的靜電力。陰極527通過雙頻可變分路匹配電路108耦合到一對RF偏置 源104、 106。偏置源104、 106 —般能夠產生具有從約50kHz到約 14.2MHz的頻率和在約0到約5000瓦特之間的功率的RF信號。雙頻可變 分路匹配電路108使源104、 106的阻抗與等離子體阻抗相匹配。單個饋 送裝置114將來自兩個源的能量耦合到支撐基座516。
進氣口 532可以包括一個或多個噴嘴或噴頭。進氣口 532可以包括多 個氣體分配區，從而使得可以用特定的氣體分配梯度將在被點燃時形成等 離子體510的各種氣體提供到腔體502。進氣口 532可以形成與支撐基底 516相對的上部電極528。
在工作中，襯底514被置于處理腔500中，并且被靜電卡盤526維持 在支撐基座516上。處理氣體被氣體源508通過進氣口 532引入腔體502 中。真空泵(未示出)將腔體502內的壓力維持在工作壓力-通常在10 mTorr到約20 Torr之間。
RF源104通過雙頻可變分路匹配電路108向陰極527提供約5000W 的13.56 MHz的RF電壓，從而激發腔體502內的氣體并形成等離子體 510。 RF源106通過雙頻可變分路匹配電路108向陰極527提供約5000W 的頻率約為2 MHz的RF電壓。RF源106提供不僅對襯底進行自偏置而且 還調制等離子外殼(sheath)的偏置功率。在一段時間之后，或者在檢測 特定端點之后，等離子體被消滅。
雖然前述內容針對本發明的示例性實施例，但是在不脫離本發明的基 本范圍的情況下可以設計本發明的其他和進一步的實施例，并且本發明的 范圍由所附權利要求書確定。
權利要求
1.半導體襯底處理腔中的一種用于使耦合到單個電極的一對RF源的阻抗與等離子體的阻抗相匹配的裝置，包括第一子電路，用于使由第一RF源生成的第一可變頻率RF信號的阻抗與所述等離子體的阻抗相匹配；以及第二子電路，用于使由第二RF源生成的第二可變頻率RF信號的阻抗與所述等離子的阻抗相匹配，所述第二子電路連接到所述第一子電路以形成耦合到所述電極的公共輸出；其中由所述第一子電路限定的第一匹配調諧空間可以在不影響由所述第二子電路限定的第二匹配調諧空間的情況下被改變。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二子電路各自還包括 一組具有固定值的串聯組件和連接到地的可變分路組件。
3. 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二 RF源的第一和第 二匹配調諧空間可以由所述分路組件控制。
4. 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二 RF源的匹配調諧 空間可以通過改變分別由所述第一和第二 RF源生成的信號的第一和第二 頻率中的至少一個來控制。
5. 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二 RF源各自具有50 歐姆的輸出阻抗。
6. 如權利要求1所述的裝置，其中在處理期間所述第一和第二 RF源 的阻抗可以通過以下步驟被匹配到所述處理腔的阻抗在所述處理腔的工作期間改變所述第一和第二子電路的組件的至少一 個值。
7. 如權利要求1所述的裝置，其中在處理期間所述第一和第二 RF源 的阻抗可以通過以下步驟被匹配到所述處理腔的阻抗改變所述第一和第二RF源中至少一個的頻率。
8. 如權利要求1所述的裝置，還包括隔離子電路，用于防止從所述第一和第二 RF源中任何一個提供的S 率被耦合到所述第一和第二RF源中的另一個。
9. 如權利要求1所述的裝置，其中所述第一子電路和所述第二子電路 都被配置為與頻率在大約50KHz和大約14.2MHz之間的RF信號的阻抗相 匹配。
10. 半導體襯底處理腔中的一種用于使耦合到單個電極的一對RF源的阻抗與等離子體的阻抗相匹配的裝置，包括至少包括第一電極的處理腔； 第一可變頻率RF源；第二可變頻率RF源；以及雙頻匹配電路，包括耦合到所述第一RF源的第一子電路；以及第二子電路，其耦合到所述第二 RF源，并且連接到所述第一子 電路以形成耦合到所述第一電極的公共輸出；其中由所述第一子電路限定的第一匹配調諧空間可以在不影響由所述 第二子電路限定的第二匹配調諧空間的情況下被改變。
11. 如權利要求IO所述的裝置，其中所述第一和第二子電路各自還包 括至少一組具有固定值的串聯組件和至少一個連接到地的可變分路組件。
12. 如權利要求IO所述的裝置，其中所述第一和第二 RF源的第一和 第二匹配調諧空間可以由所述分路組件控制。
13. 如權利要求10所述的裝置，其中所述第一和第二 RF源的匹配調 諧空間可以通過改變分別由所述第一和第二 RF源生成的信號的第一和第 二頻率中的至少一個來控制。
14. 如權利要求10所述的裝置，其中在處理期間所述第一和第二 RF 源的阻抗可以通過以下步驟而被匹配到所述處理腔的阻抗在所述處理腔的工作期間改變所述第一和第二子電路的組件的至少一 個值。
15. 如權利要求10所述的裝置，其中在處理期間所述第一和第二 RF 源的阻抗可以通過以下步驟而被匹配到所述處理腔的阻抗改變所述第一和第二RF源中至少一個的頻率。
16. 如權利要求IO所述的裝置，其中所述雙頻匹配電路還包括隔離子電路，用于防止從所述第一和第二 RF源中任何一個提供的功 率被耦合到所述第一和第二RF源中的另一個。
17. 如權利要求10所述的裝置，其中所述第一RF源和第二RF源都被 配置為提供頻率在大約50KHz和大約14.2MHz之間的RF信號。
全文摘要
本發明用于雙頻RF匹配。具體講，提供了一種用于具有雙頻陰極的等離子增強型半導體處理腔的雙頻匹配電路(108)。該匹配電路包括具有結合到公共輸出(212)的可變分路(C1、C4)的兩個匹配電路(202-204)。在工作期間，匹配電路使獨立RF源的負載與處理腔中的等離子體的負載相平衡。
文檔編號H01J37/32GK101630624SQ20091015929
公開日2010年1月20日 申請日期2004年11月19日 優先權日2003年12月18日
發明者史蒂文·C·香農, 約翰·霍蘭德 申請人:應用材料公司