電容耦合型等離子體處理反應器的制作方法

專利名稱：電容耦合型等離子體處理反應器的制作方法
電容耦合型等離子體處理反應器
技術領域：
本發明涉及基片微加工技術，尤其指一種等離子體輔助的電容耦合型等離子體處
理反應器和工藝。背景技術：
基片的微加工是一種為大家所熟知的技術，其被廣泛應用于制造例如半導體、平 板顯示器、發光二極體(LED)、太陽能電池等等。微加工步驟之一包括用不同的化學氣相沉 積(CVD)技術形成薄膜。所述技術中的一種是通常被稱為等離子體輔助氣相沉積(PECVD) 的技術。不同的反應腔技術已經被用于等離子體輔助化學氣相沉積加工，包括微波源型、電 感耦合型和電容耦合型。通常，傳統的反應腔設計是從遠離反應腔的位置或與基片相對的 位置將射頻功率輸送到等離子體。例如，在電感耦合型反應腔設計中，電感被放置于反應 腔的頂端上方，而在電容耦合型反應腔設計中，射頻能量通常被施加于嵌置于氣體噴淋頭 中或反應器頂部的陽極(上電極)。這種設計其背后的原因是在薄膜沉積過程中防止種類 (species)轟擊基片。 現有技術反應腔的另一種特點是運用遠程清潔。由于反應腔用來在基片上沉積不 同的材料，在沉積過程中，反應物材料也會在反應腔內的不同零部件上沉積。這樣出現的問 題是， 一旦這些在反應腔零部件上沉積的沉積物達到一定的厚度，也部分地由于反應腔內 熱循環的結果，這些涂附在反應腔零部件上的沉積物會剝落，而產生顆粒雜質落在被處理 的基片上，從而導致產品缺陷。因而，有必要將這些沉積物從反應腔中清潔掉。 一種清潔 反應腔的方法是利用等離子體刻蝕來刻蝕這些沉積物。現有技術中最常用的方法是采用遠 程等離子體源，例如位于Andover的MKS Instruments公司提供的Astron⑧，或位于Fort Collins,CO的Advanced Energy公司提供的類似設備。然而，這些解決方案需要將額外的 硬件安裝在反應器上，且用于清潔用的等離子體源的激勵與用于反應器反應用的等離子體 源的激勵是分離的。 近來，化學氣相沉積技術中所碰到的一個問題是收聚(pinching)。由于需要 被化學氣相沉積填充的溝槽的深寬比越來越大，當材料被沉積在溝槽的邊緣時，溝槽會在 頂端關閉，從而在溝槽內部形成孔洞。如圖l所示，基片IOO上有被刻蝕出來的溝槽IIO。 如圖中輪廓線102、104、106所示，當材料被化學氣相沉積至基片上時，它會在頂端收縮 (pinch) 108，從而形成一縫隙或孔洞120。即使在沉積后僅形成縫隙，在后續的退火步驟中， 縫隙通常會擴大而形成一孔洞。該孔洞是不期望出現的，被視為是工藝缺陷。

發明內容
本發明提供一種解耦的電容耦合型(即，平行板型)等離子體處理反應器，其提供
改進的化學氣相沉積性能、蝕刻性能和反應腔清潔性能，包括在低溫度下工藝，實現交替的
沉積和刻蝕步驟，和實現對反應腔原位(insitu)清潔，無需遠程等離子體源。 根據本發明方面，至少兩個射頻頻率源與基座相連接，而陽極接地。該結構提供一種高密度的等離子體反應腔，能夠分別控制等離子體密度(Plasma density)和種類能量 (species energy)，并可以對二者有效地控制和調諧。其中，高頻率射頻源用于控制等離子 體密度，而低頻率射頻源用于控制種類(species)轟擊基片，從而控制被沉積的薄膜的特 性。此外，兩個射頻源也是可以被控制的，同時可以有選擇性地向反應腔內輸入反應氣體， 使反應腔工作于或者沉積模式、或者部分刻蝕模式、或者刻蝕模式、或者清潔模式。通常，低 頻率射頻源的功率設置小于高頻率射頻源的功率設置。


本說明書中包含的附圖，作為本說明書的一部分，示出了本發明的實施方式，并與 說明書一起用于解釋和描述本發明的原理和實施。附圖旨在以一種概略的方式描繪所述實 施例的主要特征。附圖的目的并不在于描述實際實施方式的每一詳細特征，也不在于描繪 所述元件的真正尺寸，并且元件不是按比例繪制。
圖1示出現有技術中通過化學氣相沉積方法填充溝槽的橫截面示意圖。
圖2示出本發明一實施例化學氣相沉積反應腔的橫截面示意圖。 圖3A-3G示出運用反應器200以交替的化學氣相沉積_刻蝕模式進行間隙填充的工藝。 圖4示出本發明化學氣相沉積反應腔的另外一實施例，其中兩片基片能夠被同時 處理。 圖5示出本發明化學氣相沉積反應腔的再一種實施例，其中四片基片能夠被同時 處理。
具體實施方式

本發明提供一種等離子體處理裝置，其可以工作于四種處理模式化學氣相沉積 模式、部分刻蝕模式、刻蝕模式和清潔模式。在化學氣相沉積模式下，反應腔工作用來在基 片上沉積薄膜層。在部分刻蝕模式下，沉積工藝與部分刻蝕工藝同時并行進行，從而控制被 沉積薄膜層的特性。在刻蝕模式下，停止沉積工藝處理，被沉積的層被至少部分地刻蝕。在 清潔模式下，原位等離子體被用于有效地清潔反應腔。以下為一些本發明反應腔的實施例 舉例。 圖2示出根據本發明一個實施例提供的一種解耦的電容耦合型等離子體化學氣 相沉積反應器200的橫截面示意圖。反應器200包括反應腔主體205，反應腔主體205內包 括基座225和與基座相對的氣體噴淋頭260，氣體噴淋頭260也作用為一接地的陽極。基 座225和氣體噴淋頭260之間形成一空間210，其中等離子體215在空間210處被激勵和維 持。反應腔內的氣壓通過排氣泵220被控制。藉由本反應腔的設計，無需一渦輪分子排氣 泵。相反地，一簡單的機械排氣泵就足夠了，因為本發明反應腔可以工作于壓力在50mTorr 至10Torr之間的范圍，從而能夠實現化學氣相沉積、刻蝕、和清潔工藝。
應當理解，元件260也可以不用作為氣體噴淋頭，而僅僅作用為一接地的陽極，反 應氣體則是通過其他的反應氣體噴射器(injectors)輸送入反應腔的，例如，從反應腔205 的側壁輸入反應氣體。反應氣體由氣體控制器265控制輸送，其可以是任何是現有技術中 所習知的任何組合的"gassticks"，其中每一個gas stick可以包括過濾器、質量流量控制器(MFC)、閥，等等。控制器265能夠選擇性地傳輸沉積前驅氣體、刻蝕前驅氣體、和/或清 潔前驅氣體。清潔氣體可以與刻蝕氣體相同或不相同。 基座包括加熱器230，其由源240提供功率。加熱器230用來維持基片的溫度在 約IO(TC _5501:的范圍。基座也包括陰極(下電極)235，其由至少兩個射頻功率源(高頻 率射頻源250和低頻率射頻源255)通過頻率匹配器245饋入射頻能量。高頻率射頻源250 提供的射頻頻率可是以，例如，27MHz、60MHz、100MHz，或更高。通常，高頻率應當是27MHz或 更高。低頻率可以是在數百千赫茲到13. 56MHz的范圍。例如，可以是400KHz、2MHz、2. 2MHz 或13. 56MHz。本發明中，對下電極235施加射頻頻率，而不是如現有技術中將射頻頻率施加 于上電極，這種設計安排至少具有下列好處首先，將射頻頻率耦合至下電極能夠控制反應 過程中相對于刻蝕速率的沉積速率，即，可以控制沉積速率高于刻蝕速率；其次，將射頻頻 率耦合至下電極能夠實現沉積前驅反應氣體更有效地解離；再者，將射頻頻率耦合至下電 極不會發生等離子體轟擊反應腔的頂部，從而不會造成顆粒雜質。換言之，現有技術中，將 射頻頻率施加于上電極會發生等離子體轟擊反應腔的頂部，從而造成顆粒雜質。
反應器200可以工作于化學氣相沉積模式來實現化學氣相沉積工藝，例如，間隙 填充工藝。傳統技術中，間隙填充是通過運用高密度等離子體化學氣相沉積(HDP-CVD)來 完成的，其運用電感耦合型射頻源。然而，本發明反應器200通過運用如下所述的反應器設 計實現間隙填充。排氣泵220用于維持反應腔內的壓力在1至10Torr。沉積氣體，可以包括 含娃氣體、含氧氣體、禾口 fluent氣體，例如，monosilane(SiH4) 、 molecular oxygen(02)禾口 helium，或Silane和Ozone。沉積氣體藉由氣體噴淋頭260通過氣體控制器265送入反應 腔。加熱器230維持基片溫度在例如200°C _4001:間。高頻率源250工作于約200W-1000W， 而偏置功率源(bias source) ，S卩，低頻率射頻發生器255，工作于約0-550W。特別地，當 低頻率射頻發生器255的能量被增加時，反應器200可以被切換成工作于部分刻蝕模式 (partialetch mode)。可選地，當反應器200工作于部分刻蝕模式時，氬氣體可以被加入。 氬氣種類(argon species)能夠被用來改變被沉積薄膜的密度和/或平坦度/ 一致度。
反應器200也可以通過設置控制器280的工作參數使反應器200工作于刻蝕模 式。控制器280能夠改變多個反應器組件的工作模式，例如，排氣泵220、射頻發生器250、 255以及氣體控制器265。在刻蝕時，排氣泵220處于工作狀態以維持反應腔約50mT到2T。 氣體控制器265停止注入沉積氣體，取代之注入刻蝕前驅氣體，例如，帶有或不帶有氬氣的 碳氟化學反應物。此外，射頻發生器能夠工作于不同的功率設置。例如，由于低射頻頻率控 制離子轟擊，射頻發生器255的功率可以被增加實現對基片更多的離子轟擊，從而增加離 子刻蝕。值得一提的是，刻蝕工藝模式可以與沉積工藝模式相互交錯在一起，從而控制所沉 積層的表面結構、平坦度和/或一致度。 圖3A-3G示出運用反應器200以交替的化學氣相沉積模式_刻蝕模式實現間隙填 充工藝。在圖3A中，第一層302通過運用反應器200工作于化學氣相沉積模式下所沉積。 然后，反應器200工作于刻蝕模式從而部分地刻蝕層302。如圖3B所示，在刻蝕時，角304 很自然地傾向于被優先刻蝕，從而擴大間隙的開口。然后進行進一步的沉積步驟來進一步 地填充間隙，如圖3C所示。當角304變得再次接近閉合或閉合時，反應器回復到工作于刻 蝕模式，從而部分地刻蝕所沉積層和打開角304，如圖3D所示。如圖3E所示，間隙基本上 被完全填充，此時，反應器回復到工作于刻蝕模式，從而平整化所沉積層的頂部，如圖3F所示。進一步的沉積和刻蝕工藝可以被用來提供一種平整的表面，如圖3G所示。
在另外一種實施例中，部分刻蝕持續地與化學氣相沉積一起進行，從而角304被 持續地轟擊和刻蝕。對于此種工藝，反應器工作于部分刻蝕模式(partial etch mode)，其 中控制器設置反應腔的各種工作參數使得沉積氣體被送入反應腔和加熱器被加熱至沉積 溫度。高頻率源被啟動工作，直至產生能滿足沉積工藝要求的可控的等離子體，而偏置功率 (bias power)則工作于低功率水平，例如，100_300W，用于對基片產生低水平的轟擊。可選 地，氬氣被增加至沉積氣體來增強濺射(sputtering)效果，從而物理地(physically)刻蝕 角304。 —旦工藝結束，基片可以被移出反應腔。通過控制器設置反應腔的各種工作參數
使得反應腔工作于原位清潔模式。例如，在清潔模式下，通過激勵高射頻源來產生等離子
體，使用例如，HF、F2、C2F6、C0F2等等清潔氣體來清潔反應腔。在清潔模式下，低頻率偏置
功率發生器(biasgenerator)255可以保持關閉，或工作于低能量水平從而減少對反應腔
內部元件的離子轟擊。另一方面，排氣泵220可以減少反應腔的壓力至低于1T。 圖4示出本發明反應腔405的另外一種實施例，通過隔離裝置414其被分成兩個
處理區域410、412。該兩個處理區域410、412與排氣泵420連通。每一個區域設置一基座
425、427和氣體噴淋頭460、462。每一個基座包括加熱器430、432和電極435、437。電極
435、437與高射頻源(high RFsource)450通過其阻抗匹配器445相連接，電極435、437還
與低射頻bias(lowRF bias) 455通過其阻抗匹配器447相連接。每一個氣體噴淋頭與氣體
源控制器465相連接，氣體噴淋頭還包括接地電極464、466。每一個處理區域能夠工作于化
學氣相沉積模式、部分刻蝕模式、刻蝕模式、和清潔模式，與前述工作模式類似。 由前述描述可以理解，運用平行板電極結構加上至少兩個頻率從基座下方饋入射
頻能量，產生平坦的等離子體源，等離子體可以容易地被擴展至任何需要的地方，并維持相
對均勻的等離子體分布。因而，本結構能夠輕易地擴展至加工大尺寸的基片，從而制造大
尺寸的基片，例如液晶顯示器和薄膜太陽能面板。再者，本結構也能工作于例如2Torr到
5Torr范圍的區域，這不需要使用渦輪分子排氣泵，卻能通過使用一簡單的機械排氣泵維持
壓力，從而減少成本和復雜度。 需要說明的另一方面是，本發明所述的反應器不需要設置靜電夾盤。相反，僅需要 使用一簡單的基座即可以實現本發明目的。基座應當能夠工作于高溫度，比傳統的靜電夾 盤的溫度更高。夾盤的溫度水平取決于高頻率等離子體源的頻率。隨著源的頻率的增加， 對基座的溫度需求可以被緩解。例如，若源頻率是100MHz或以上時，可以減少基座的溫度； 或相反，當源工作在27MHZ時，可以增加基座的溫度。 圖5示出本發明另外一實施例，其中四片基片可以被同時處理。反應器40包括反 應腔主體45和腔蓋100。腔蓋包括四個氣體噴淋頭105，其也作為接地的陽極。每一個處 理區域包括基座44，當腔蓋100合上，四個處理區域用于同時處理四片基片。每一個基座 也包括嵌置于基座內的陰極。每一個陰極通過匹配器14與高頻率射頻發生器10和低頻率 射頻發生器12相連接。機械排氣泵62經由排氣槽55用于控制四片處理區域的壓力。基 片通過閥22傳送至反應腔或從反應腔內移開。在中心連接處51設置有一可旋轉的機械臂 (未圖示)，用于從閥22處接受基片和將基片放置于各自的處理區域。
本發明是參照具體實施方式
描述的，但其所有方面都應為示意性而非限定性的。此外，通過研究本專利所揭露的發明特征和實施，熟悉本發明領域的技術人員也可以較為 容易地想出其他實施方式。本專利所述實施方式的各種方面和/或元件可以在等離子體腔 室技術中單獨或以任意組合使用。說明書和附圖中的說明的特征和實施方式應僅理解為示 例性質，而本發明的真正范圍和精神則是由下列權利要求書中所定義的。
權利要求
一種電容耦合型等離子體處理反應器，包括反應腔主體；位于反應腔主體頂部的陽極，所述陽極接地；氣體注入裝置，其與反應氣體源相連接，用于選擇性地注入沉積氣體至反應腔；位于反應腔主體內部的基座；位于基座內部的加熱器；位于基座內部的電極；高頻率射頻發生器，與所述電極相連接；和低頻率射頻發生器，與所述電極相連接。
2. 如權利要求1所述的反應器，還包括與加熱器相連接的能量源，用于維持加熱器的 溫度在100°C -55(TC范圍。
3. 如權利要求1所述的反應器，其中高頻率射頻發生器工作在27MHz的頻率或更高頻率。
4. 如權利要求1所述的反應器，其中低頻率射頻發生器工作在13. 56MHz的頻率或更低 頻率。
5. 如權利要求1所述的反應器，其中氣體注入裝置進一步與刻蝕氣體源相連接。
6. 如權利要求1或5所述的反應器，其中氣體注入裝置進一步與反應腔清潔氣體源相 連接。
7. —種電容耦合型等離子體處理反應器，可切換地工作于等離子體化學氣相沉積模式 和刻蝕模式來處理基片，所述反應器包括反應腔主體；位于反應腔主體頂部的陽極，所述陽極接地；氣體注入裝置，其與反應氣體源相連接，用于選擇性地向反應腔主體內注入沉積氣體、 刻蝕氣體、或沉積氣體與刻蝕氣體的混合氣體； 位于反應腔主體內部的基座； 位于基座內部的加熱器； 位于基座內部的電極；高頻率射頻發生器，與所述電極相連接；禾口 低頻率射頻發生器，與所述電極相連接；其中，所述反應器在工作過程中可切換所述氣體注入裝置、高頻率射頻發生器、低頻率 射頻發生器的工作參數，從而選擇性地使反應腔工作于沉積模式、刻蝕模式或沉積和刻蝕 混合模式。
8. 如權利要求7所述的反應器，還包括控制器，用于控制所述反應器的氣體注入裝置、 高頻率射頻發生器、低頻率射頻發生器的工作參數。
9. 如權利要求7所述的反應器，所述加熱器使基片溫度維持在IO(TC -550°C。
10. 如權利要求8所述的反應器，還包括機械排氣泵，所述控制器進一步控制該機械排 氣泵使反應器內的壓力維持在50mTorr至10Torr。
11. 如權利要求7所述的反應器，所述低頻率射頻發生器提供一小于27MHz的射頻能量 至電極。
12. 如權利要求7所述的反應器，所述高頻率射頻發生器提供27MHz或更高的射頻能量 至電極。
13. 如權利要求7所述的反應器，所述氣體注入裝置還與清潔氣體源相連接，用于實現 反應器的原位清潔工藝。
14. 如權利要求7所述的反應器，所述氣體注入裝置間隙性地向反應腔內注入沉積氣 體和刻蝕氣體，從而實現間隙性的沉積反應和刻蝕反應步驟。
15. 如權利要求14所述的反應器，在所述刻蝕反應步驟中，所述低頻率射頻發生器的功率被增大。
16. 如權利要求15所述的反應器，還包括機械排氣泵，在所述刻蝕反應步驟中，所述機 械排氣泵的排氣功率被增大。
17. 如權利要求14所述的反應器，在刻蝕反應步驟中，基片的溫度被減少。
18. —種電容耦合型等離子體處理反應器，可工作于沉積模式和反應器原位清潔模式， 所述反應器包括反應腔主體；位于反應腔主體頂部的陽極，所述陽極接地；氣體注入裝置，其與反應氣體源和清潔氣體源相連接，用于在沉積模式和原位清潔模 式時選擇性地分別注入沉積氣體和清潔氣體至反應腔； 位于反應腔主體內部的基座； 位于基座內部的加熱器； 位于基座內部的電極；高頻率射頻發生器，與所述電極相連接；禾口 低頻率射頻發生器，與所述電極相連接。
19. 如權利要求18所述的反應器，所述高頻率射頻發生器工作在27MHz或更高的射頻 頻率；所述低頻率射頻發生器工作在13. 56MHz或更低的射頻頻率。
20. 如權利要求18所述的反應器，還包括與加熱器相連接的能量源，用于維持加熱器 的溫度在IO(TC -55(TC范圍。
21. 如權利要求18所述的反應器，還包括機械排氣泵，用于控制反應器內的壓力維持 在50mTorr至10Torr。
全文摘要
本發明公開一種電容耦合型等離子體處理反應器，其提供改進的化學氣相沉積性能、蝕刻性能和反應腔清潔性能，包括在低溫度條件下進行工藝處理，能夠實現交替的沉積和刻蝕步驟，并實現對反應腔的原位清潔，而無需使用遠程等離子體源。所述反應器包括至少兩個射頻頻率與基座相連接，并使陽極接地。其中，高頻率射頻源用于控制等離子體密度，而低頻率射頻源用于控制種類對基片的轟擊，從而控制被沉積薄膜的特性。此外，所述至少兩個射頻源是可以控制的，加上可以選擇性地向反應腔輸入不同的反應氣體，使反應腔工作在或者沉積模式、或者部分刻蝕模式、或者刻蝕模式、或者清潔模式。
文檔編號C23F4/00GK101736326SQ20081020340
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者倪圖強, 尹志堯, 陳金元 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司