專利名稱：場增強感應耦合等離子處理裝置及等離子形成方法
技術領域：
本發明實施例涉及半導體處理裝置，尤其涉及感應耦合等離子處理裝置及等離子形成方法。
背景技術：
一般而言，感應耦合等離子(ICP)工藝處理裝置，通過設置于工藝室外部的一條或兩條以上的感應線圈向工藝室內的工藝氣體施加電流，以形成等離子。感應線圈可通過例如電介質蓋等從工藝室設置于外部以實現電分離。在一定的等離子工藝中，加熱器元件可設置于電介質蓋上，以容易維持工藝期間或工藝之間的工藝室內的一定溫度。加熱器可為開放中斷型加熱器(open break heater)(例如，非閉合型電回路)或非中斷型加熱器(no break heater)(例如，閉合型電回路)。在加熱器元件為開放中斷型加熱器元件的實施例中，加熱器元件采用例如導致處理的基板的不均勻蝕刻速率或導致時 刻圖案的非對稱的等離子非-均勻度。這樣的等離子非均勻度可用非中斷型加熱器元件替代開放中斷型加熱器元件來消除。
發明內容
傳遞至感應線圈的RF能量也以非中斷型加熱器元件感應耦合，甚至減少工藝室內用于形成等離子的能量(例如，非中斷型加熱器元件減少等離子碰撞窗口(Plasmastrike window))。因此，需要經過改善的感應耦合等離子處理裝置。提供場增強感應耦合等離子處理裝置及等離子形成方法的實施例。在規定實施例中，本發明提供的場增強感應耦合等離子處理裝置，包括工藝室，具備電介質蓋；及等離子源組裝體，設置于電介質蓋上。等離子源組裝體，包括至少一個以上的水平感應線圈，向上述工藝室感應結合RF能量，以在工藝室內形成并維持等離子；至少一個以上的電力施加電極，電連接至上述水平感應線圈，以向上述工藝室內容量結合RF能量；第一位置調節機構，結合于上述電力施加電極并改變上述施加電極的水平位置；及RF發生器，結合于上述至少一個以上的電力施加電極。在規定實施例中，場增強感應耦合等離子處理裝置，包括垂直感應線圈，與水平感應線圈連接并設置于電介質蓋側面之上；及第二位置調節機構，整體移動垂直感應線圈的垂直位置或改變垂直感應線圈的間隔。在規定實施例中，本發明提供的等離子形成方法，包括如下步驟向工藝室的內部提供工藝氣體，其中，上述工藝室，包括至少一個以上的水平感應線圈，具備電介質蓋并設置于上述電介質蓋之上；至少一個以上的垂直感應線圈，與上述水平感應線圈結合；及至少一個以上的電力施加電極，與上述水平感應線圈電連接；
從RF電源向上述電力施加電極提供RF電力；利用通過上述水平感應線圈和上述垂直感應線圈供應、容量結合至上述工藝氣體的上述RF電力，從上述工藝氣體形成等離子 '及改變上述電力施加電極的水平位置、上述水平感應線圈的間隔、上述垂直感應線圈的垂直位置及上述垂直感應線圈的間隔中的至少一種，以控制等離子均勻度或離子密度中的至少一種。因此，本說明提供了場增強感應耦合等離子處理裝置及其利用方法。本發明的場增強感應耦合等離子處理裝置，在不改變等離子均勻度或離子密度等其他等離子特性的同時，改善用以與工藝室內的等離子發生碰撞的RF電力。本發明的場增強感應耦合等離子處理裝置，還在處理過程中控制和/或調節均勻度和/或密度等等離子特性。上述內容為與本發明的實施例相關的內容，而本發明的其他及追加實施例可在不 脫離本發明的基本范圍的前提下發明出來，而且，本發明的范圍由權利要求來限定。
圖I為本發明規定實施例的場增強感應耦合等離子處理裝置概略側面圖；圖2為本發明規定實施例的場增強感應耦合等離子處理裝置的水平感應線圈、垂直感應線圈及電力施加電極的概略平面圖；圖3為本發明規定實施例的場增強感應耦合等離子處理裝置的水平感應線圈及垂直感應線圈的概略示意圖；圖4為本發明規定實施例的場增強感應耦合等離子處理裝置的加熱器元件概略平面圖；圖5為本發明規定實施例的等離子形成方法流程圖。主要附圖標記說明100 :等離子處理裝置102、103 :電力施加電極104:電力分配器109:第一水平感應線圈110:工藝室111 :第二水平感應線圈113:垂直感應線圈114:基板116 :基板支撐基座118 :等尚子電源120:電介質蓋121 :加熱器元件122:偏置電源123:電源126:流入端口127 :節流閥130:導電性主體134:電接地部136 :真空泵138 :氣體板140 :控制器142:內存144 : CPU46:電路148 :氣體源155 :等離子160 :等離子源組裝體 300 :鉤形部分
具體實施方式
本發明感應耦合等離子處理裝置可提供用以撞擊等離子的增加了的無線頻率(RF)能量。例如，提供改善或增強的等離子撞擊窗口。另外，本發明感應耦合等離子處理裝置，在不改變等離子均勻度或離子密度等其他等離子特性的同時，提供優秀的等離子撞擊性能。圖I為本發明相同實施例的場增強感應耦合等離子處理裝置100概略側面圖。場增強感應耦合等離子處理裝置100直接為半導體基板處理系統的處理模塊，可單獨使用或與半導體晶片處理系統等整合設備一同使用。作為本發明實施例的變形，包括感應耦合等離子蝕刻反應器。上述所列半導體設備只是示例，可在其他蝕刻反應器及作為非蝕刻反應器的CVD反應器或其他半導體處理設備中適當變形使用。處理裝置100包括一同形成處理容積的導電性主體130及電介質蓋120、設置于處理容積內的基板支撐基座116、等離子源組裝體160及具備控制器140的工藝室110。導電性主體130結合于電接地部134。支撐基座(陰極)116可通過第一整合網絡124結合于偏 置電源122。雖然其他頻率及電力對特定領域較為適合，但偏置電源122可為生成連續或脈沖型電力的約13. 56MHz的頻率的1000W為止的電源。作為另一實施例，偏置電源122可為DC或脈沖型DC電源。在規定實施例中，電介質蓋120實際上可為平面形。場增強感應耦合等離子處理裝置100，可具有例如凸圓形蓋或其他形式的蓋。等離子源組裝體160通常設置于電介質蓋120之上，并向工藝室110內感應結合RF電力。等離子源組裝體160，包括至少一個以上的水平感應線圈、連接于至少一個以上的水平感應線圈的至少一個以上的垂直感應線圈、至少一個以上的電力施加電極及等離子電源。至少一個以上的水平感應線圈可設置于電介質蓋120之上。至少一個以上的垂直感應線圈與至少一個以上的水平感應線圈連接并設置于電介質蓋120側面之上。如圖I所示，在電介質蓋120上，示例性地設置至少一個以上的水平感應線圈109、111。多重水平感應線圈109、111，例如可設置為螺旋形。若第一水平感應線圈109的一端以中心為準位于左側，則另一端以中心為準位于右側。若第二水平感應線圈111的一端以中心為準位于左側，則另一端以中心為準位于右側。至少一個以上的水平感應線圈109、111相互保持一定的間距并吻合設置。可適當選擇第一水平感應線圈和第二水平感應線圈之間的間距、垂直感應線圈之間的間距、各線圈的纏繞數，以控制等離子密度或分布。第一水平感應線圈109和第二水平感應線圈111通過整合網絡119各結合于等離子電源118。雖然其他頻率及電力對特定領域是適合的，但等離子電源118在50kHz至13. 56MHz范圍內可調節的頻率上，最高生成4000W的電力。在規定實施例中，電力分配器104設置于至少一個以上的水平感應線圈之間，以通過電容器的結合向各線圈分配等離子電源118提供的RF電力的相對量。例如，如圖I所示，電力分配器104可設置于各連接于等離子電源118和第一水平感應線圈109及第二水平感應線圈111的電力施加電極102、103之間，以控制提供至各線圈的RF電力的量。如圖I所示，至少一個以上的電力施加電極102、103，例如可電結合于第一水平感應線圈109或第二水平感應線圈111。RF電力在等離子電源118，通過至少一個以上的電力施加電極102、103，各提供至
第一水平感應線圈和第二水平感應線圈。
在規定實施例中，至少一個以上的電力施加電極102、103可移動地與至少一個以上的水平感應線圈中的一個結合，以容易定位相互和/或對電介質蓋120的相對位置。例如，至少一個以上的第一位置調節機構(未圖示)結合于至少一個以上的電力施加電極102、103，以改變與第一水平感應線圈和第二水平感應線圈連接的水平位置。第一位置調節機構(未圖示)可為包括導向螺絲、線性軸承、步進電機、楔子等的手動或自動裝置，可改變電力施加電極102、103的水平位置設定。在規定實施例中，如圖I所示，第一位置調節機構(未圖示)各結合于電力施加電極102、103，以利用水平箭頭102獨立控制電力施加電極102、103的水平位置。在規定實施例中，第一位置調節機構(未圖示)各結合于第一水平感應線圈109和第二水平感應線圈111，以改變第一水平感應線圈109和第二水平感應線圈111的間距。對電力施加電極的水平位置的獨立控制和/或水平感應線圈之間的間隔控制，使相對的RF電力的容量性結合變得容易，從而控制等離子的密度和/或等離子的面積。例如，電力施加電極的水平位置越靠近線圈的中心，等離子的密度越高，而水平感應線圈之間 的間距越大，等離子的密度越低，但等離子的面積增加。對等離子源組裝體160的RF電力的容量性結合的量的控制，使工藝室內的等離子特性的控制變得容易。例如，通過控制等離子源組裝體160的容量性結合，改變等離子撞擊窗口，從而維持所需感應耦合等離子的特性。對水平感應線圈之間的間距或對電力施加電極位置的選擇性控制，可在無需向形成一次充分的容量性結合的等離子內結合過多RF能量，也能使與等離子的撞擊變得容易，從而按需求改變等離子特性(例如，密度、解離比率、離子/中子比率等)。另外，通過這樣的改變，減少因非對稱氣體傳遞和/或抽吸引起的工藝室內的不均勻氣體速度等非均勻等離子的產生等。例如，對膏等離子密度的區域，增加低等離子密度的區域內的容量性結合，形成工藝室內整體等離子分布的均勻性，從而使均勻處理變得容易。等離子源組裝臺160的一個或兩個以上電極可在電介質蓋120的上部對稱設置，以增加向等離子的RF能量的均勻結合。在規定實施例中，一個或兩個以上電極，不提供可使電流感應至一個或兩個以上電極內的連續路徑。因此，在利用單一電極的實施例中，電極可包括介質斷點(dielectric break),從而不形成電極的介質性環。但是,這樣的特異性斷點，可能因形狀的非對稱而導致等離子的非均勻度。在利用單一電極的電極中，導電性斷點可位于補償工藝室內的自然等離子分布的位置，以接近工藝室的抽吸端口或對應于相對高的等離子密度的區域。在規定實施例中，兩個以上的水平感應線圈109、111相互吻合設置，以對稱分配在電介質空間產生的等離子的影響。例如，如圖2所示，包括實際上以均勻的間隔隔開的兩個螺旋形水平感應線圈109、111和兩個電力施加電極102、103。如圖I所示，垂直感應線圈113與水平感應線圈109、111中的至少一個連接。在規定實施例中，垂直感應線圈113可通過第二位置調節機構(未圖示)整體移動垂直方向的位置或改變之間的間距。例如，第二位置調節機構(未圖示)可為包括導向螺絲、線性軸承、步進電機、楔子等的手動或自動裝置，可改變垂直感應線圈113的位置或間距。如圖I所示，加熱器元件121設置于電介質蓋120上部，以使工藝室110的內部加熱變得容易。加熱器元件121可設置于電介質蓋120及水平感應線圈109、111及電力施加電極102、103之間。在規定實施例中，加熱器元件121可包括電阻性加熱元件，且可連接于可提供充分的能量的AC電源等電源123，以將加熱器元件121的溫度控制在約50至100°C。在規定實施例中，加熱器元件121可為開放中斷型加熱器。在規定實施例中，加熱器元件121可包括環形元件等非中斷型加熱器，以使工藝室110內的均勻等離子的形成變得容易。例如，圖3為本發明規定實施例的加熱器元件121的平面圖。加熱器元件121可包括具備向內側延長的銷302的鉤形部分300。在規定實施例中，鉤形部分300可沿如圖I所示的電介質蓋120的周邊而設。例如，鉤形部分300可具有與電介質蓋120的外徑實際上相同的外徑。在規定實施例中，鉤形部分300可具有與電介質蓋120的外徑大或小的外徑。還可利用實際上可均勻加熱電介質蓋120的鉤形部分300的其他適當的結構。銷302可相對于鉤形部分300具有適當的寬度、長度、數量和/或位置，以控制工藝室110所需的熱的量及分布。如圖3所示，銷302相對于加熱器元件121的鉤形部分300對車設置，從而可延長為內側放射狀。如圖I所示，在作業期間，基板114(適合于半導體晶片或等離子處理的適當的基 板等)可設置于基座上，而工藝氣體可通過流入端口 126從氣體板138供應，以形成工藝室110內的氣體狀態的混合物。如在圖5中還具體地示出，將電力從等離子電源118供應至水平感應線圈109、111及垂直感應線圈113，而氣體狀態的混合物150凈化至工藝室110的等離子155內。在規定實施例中，電力還可從偏置電源122提供至基座116。工藝室110內部壓力可利用節流閥127及真空泵136控制。導電性主體130的溫度可利用沿導電性主體130形成的導管(未圖示)控制。晶片114的溫度可通過穩定支撐基座116的溫度控制。在一實施例中，來自氣體源148的氦氣通過氣體導管供應至設置于基座表面的晶片114后面和具備于槽(未圖示)之間的通道。氦氣使基座116和晶片114之間的熱傳遞變得容易。工藝處理期間，支撐基座116利用其內部的電阻性加熱器(未圖示)加熱至穩定狀態溫度，而氦氣使晶片114的均勻加熱變得容易。通過上述熱控制，晶片114的溫度可維持在O 500°C之間。控制器包括中央處理器化 山144、內存及用于0 仍44的支持電路146，并使處理裝置100部件和等離子形成方法的控制變得容易。控制器140用于工業設置，以控制各種工藝室及子進程。CPU144的內存或計算機可讀介質，可為隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、軟盤、硬盤或局部或遠程數據存儲的各種形式等的一種兩個以上的組合。支持電路146結合于CPU144，以通過現有的方式支持處理器。上述電路包括閃存(cache)、電源、時鐘電路、輸入/輸出電路及子系統等。本發明的可通過如下方式控制等離子處理裝置100運行的軟件程序并可保存于內存142內。軟件程序還可從被CPU144控制的硬盤，通過遠程的第二 CPU(未圖示)保存和/或運行。圖4表示根據固定實施例的，在與上述等離子處理裝置100類似的場增強感應耦合處理裝置內形成等離子的方法400。一般而言，上述方法從工藝氣體(或一些氣體)提供至工藝室110的“402”開始。工藝氣體或一些氣體通過流入端口 126從氣體板138供應，以在工藝室110內形成氣體狀態混合物150。導電性主體130、電介質蓋120及支撐基座116等工藝室部件，可通過上述方法在工藝氣體氣筒之前或之后加熱成所需溫度。可通過從電源123向加熱器元件121供應電力加熱電介質蓋120。供應的電力可在工藝處理時以所需溫度維持工藝室110。
接著，在“404”，來自RF電源118的RF電力提供至水平感應線圈及垂直感應線圈，以感應性、容量性結合至工藝氣體混合物150。雖然其他電力及頻率用于形成等離子，但RF電力可以最高4000W及50kHz至13. 56MHz的可調節的頻率提供。在規定實施例中，如“406”所示，第一量的RF電力經水平感應線圈和垂直感應線圈，與工程氣體感應結合。施加至水平感應線圈109的第一量的RF電力，因感應結合至加熱器元件121內的第一量的RF電力的一部分，由于非中斷型加熱元件(例如，加熱器元件121為非中斷型加熱元件)的存在而減少，從而更增加等離子撞擊的難度。但是，如“508”所示，施加至水平感應線圈11的第二量的RF電力容量性地結合至工藝氣體內并感應結合至加熱器元件121，從而不會減少，而第二量的RF等離子的性能經過改善可在更廣的范圍的狀態下與等離子撞擊。在“410”中，利用各提供至水平感應線圈109、111及垂直感應線圈的第一量的RF電力及第二量的RF電力，從工藝氣體混合物150形成等離子155。在通過與等離子的撞擊達到等離子穩定時，方法400 —旦結束，而等離子繼續按照需要被處理。例如，在標準工藝 方式中，利用當前RF電力設置及其他工藝變量，至少使一部分工藝繼續。連接至水平移動線圈的電力施加電極102、103，在工藝期間，選擇性地或組合地，水平移動以改變向工藝室內的RF電力的容量性結合，或由水平移動線圈改變其間距，垂直移動線圈改變其垂直位置或間距，以改變向工藝室110內的RF電力的容量性結合。因此，本說明書提供了場增強感應耦合等離子處理裝置及利用方法。本發明場增強感應耦合等離子處理裝置，在不改變等離子均勻度或離子密度等其他等離子特性的同時，改善用以與工藝室內的等離子發生碰撞的RF電力。本發明場增強感應耦合等離子處理裝置，還在處理過程中控制和/或調節均勻度和/或密度等等離子特性。上述內容為與本發明的實施例相關的內容，而本發明的其他及追加實施例可在不脫離本發明的基本范圍的前提下發明出來，而且，本發明的范圍由如下權利要求來限定。
權利要求
1.一種場增強感應耦合等離子處理裝置，包括 工藝室，具備電介質蓋； 至少一個以上的水平感應線圈，包括設置于上述電介質蓋之上的等離子源組裝體， 并向上述工藝室感應結合RF能量，以在工藝室內形成并維持等離子； 至少一個以上的電力施加電極，電連接至上述水平感應線圈，以向上述工藝室內容量結合RF能量； 第一位置調節機構，結合于上述電力施加電極并改變上述施加電極的水平位置；及 RF發生器，結合于上述至少一個以上的電力施加電極。
2.根據權利要求I所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于上述第一位置調節機構用以改變上述電力施加電極的水平位置。
3.根據權利要求I所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于上述第一位置調節機構結合于上述水平感應線圈，以改變上述水平感應線圈的間距。
4.根據權利要求2或3所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于 上述水平感應線圈，包括 第一水平感應線圈，呈螺旋形，一端以中心為準位于左側，另一端以中心為準位于右側； 第二水平感應線圈，呈螺旋形，一端以中心為準位于右側，另一端以中心為準位于左側。
5.根據權利要求4所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于還包括通過電容器結合分配提供至上述第一水平感應線圈和上述第二水平感應線圈的RF電力的相對量。
6.根據權利要求I至3任一項所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于還包括與上述水平感應線圈連接并設置于電介質蓋側面之上的垂直感應線圈。
7.根據權利要求6所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于還包括用以整體移動上述垂直感應線圈的垂直位置或改變上述垂直感應線圈的間距的第二位置調節機構。
8.根據權利要求7所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于上述第一位置調節機構和上述第二位置調節機構包括導向螺絲、線性軸承、步進電機及楔子中的至少一種。
9.根據權利要求I至3任一項所述的場增強感應耦合等離子處理裝置，其特征在于還包括設置于上述等離子源組裝體的一個或兩個以上電極和上述電介質蓋之間的加熱器元件。
10.一種等離子形成方法，包括如下步驟 向工藝室的內部提供工藝氣體， 其中，上述工藝室，包括 至少一個以上的水平感應線圈，具備電介質蓋并設置于上述電介質蓋之上； 至少一個以上的垂直感應線圈，與上述水平感應線圈結合；及 至少一個以上的電力施加電極，與上述水平感應線圈電連接； 從RF電源向上述電力施加電極提供RF電力；利用通過上述水平感應線圈和上述垂直感應線圈供應、容量結合至上述工藝氣體的上述RF電力，從上述工藝氣體形成等離子 '及 改變上述電力施加電極的水平位置、上述水平感應線圈的間隔、上述垂直感應線圈的垂直位置及上述垂直感應線圈的間隔中的至少一種，以控制等離子均勻度或離子密度中的至少一種。
11.根據權利要求10所述的等離子形成方法，其特征在于上述工藝室還包括設置于上述電介質蓋上部的非中斷型加熱器元件，而且，還包括向上述加熱器元件供應電力，以控制上述工藝室溫度的步驟。
全文摘要
本發明提供一種場增強感應耦合等離子處理裝置及等離子形成方法，該處理裝置包括工藝室，具備電介質蓋；及等離子源組裝體，設置于電介質蓋上。等離子源組裝體包括至少一個以上的水平感應線圈，向上述工藝室感應結合RF能量，以在工藝室內形成并維持等離子；至少一個以上的電力施加電極，電連接至上述水平感應線圈，以向上述工藝室內容量結合RF能量；第一位置調節機構，結合于上述電力施加電極并改變上述施加電極的水平位置；及RF發生器，結合于上述至少一個以上的電力施加電極。
文檔編號H01J37/32GK102810444SQ20111024916
公開日2012年12月5日 申請日期2011年8月26日 優先權日2011年6月3日
發明者李秀賢 申請人:斯馬特克有限公司