CN100550273C - 双频rf匹配 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于具有双频阴极的等离子增强型半导体处理腔的双频匹配电路(108)。该匹配电路包括具有结合到公共输出(212)的可变分路(C1、C4)的两个匹配电路(202-204)。在工作期间，匹配电路使独立RF源的负载与处理腔中的等离子体的负载相平衡。
Description
技术领域
本发明一般地涉及半导体衬底处理系统，更具体而言，涉及用于使耦合到单个电极的多个RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的匹配电路。
背景技术
等离子增强型半导体处理腔被广泛用于集成器件的制造。在大多数等离子增强型半导体腔中，多个射频(RF)生成器被用于形成和控制等离子体。某些等离子增强型处理腔将来自多个源的RF功率馈送到将功率耦合到等离子体的单个电极。但是，在这些实施例中，每个RF源一般要求单独的馈送结构(例如单独的RF生成器，匹配输出、到电极的同轴电缆等等)。
因此，需要一种用于半导体衬底处理的经改进的装置，其利用单个馈送结构来将来自多个RF源的RF功率耦合到一个电极。
发明内容
根据本发明第一方面，提供了半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：第一子电路，用于使由第一RF源生成的第一可变频率RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配；以及第二子电路，用于使由第二RF源生成的第二可变频率RF信号的阻抗与所述等离子的阻抗相匹配，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出；其中所述第一和第二子电路各自还包括至少一组固定的串联组件和至少一个连接到地的可变分路组件，并且其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
根据本发明第二方面，提供了半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：第一子电路，用于耦合到第一可变频率RF源并且具有第一组固定串联组件和接地的第一可变分路；第二子电路，用于耦合到第二可变频率RF源，并且具有第二组固定串联组件和接地的第二可变分路，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出；其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
根据本发明第三方面，提供了半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：至少包括第一电极的处理腔；第一可变频率RF源；第二可变频率RF源；以及双频匹配电路。该双频匹配电路包括：耦合到所述第一RF源的第一子电路；以及第二子电路，其耦合到所述第二RF源，并且连接到所述第一子电路以形成耦合到所述第一电极的公共输出；其中所述第一和第二子电路各自还包括至少一组固定的串联组件和至少一个连接到地的可变分路组件，并且其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
根据本发明第四方面，提供了半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：第一子电路，用于使由第一RF源生成的具有介于大约50KHz和大约14.2MHz之间的可变频率的第一RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配；以及第二子电路，用于使由第二RF源生成的具有介于大约50KHz和大约14.2MHz之间的可变频率的第二RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出，其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
附图说明
为了详细理解实现本发明的上述特征、优点和目的的方式，可以通过参考在附图中示出的本发明的实施例来更具体地描述本发明(发明内容在上文给出)。但是，要注意，附图仅仅示出本发明的典型实施例，因此不应被视为限制其范围，因为本发明可以允许其他同等有效的实施例。
图1示出本发明的RF结构的示例性框图；
图2是本发明的匹配电路的一个实施例的示意图；
图3A是示出由于互补频率元件的分路变动(shunt variation)引起的调谐空间移动的图；
图3B是示出由于互补频率元件的串联组件变动引起的调谐空间移动的图；
图4是本发明的可变分路匹配电路的调谐空间的图；以及
图5是具有双频匹配电路的一个实施例的等离子增强型处理腔的说明性示意图。
为了帮助理解，在可能的情况下，使用相同的标号来标示附图中共有的相同元件。
具体实施方式
本发明一般地涉及等离子增强型半导体处理腔中的半导体衬底处理。更具体而言，本发明是等离子增强型半导体处理腔中的用于通过单个馈送装置将两个RF源耦合到一个电极的双频可变分路匹配电路。
图1示出具有双频可变分路匹配电路的等离子增强型半导体处理腔的简化框图。根据本发明的等离子增强型处理腔100包括腔102、两个RF功率源104、106和双频匹配电路108。腔102包括加电电极110和接地电极112。来自双频匹配电路108的单条馈送线路114将源104、106耦合到加电电极110。腔102在其他方面与传统的等离子增强型处理腔类似。
RF源104、106是独立的频率调谐RF生成器。RF源104、RF源106可以被配置为以任何所需频率向腔102提供RF功率，以控制等离子体的特性。两个频率可以被选择为控制相同的等离子体特性，或者控制不同的等离子体特性。例如，在一个实施例中，RF源104、106之一能够提供高频功率以激发等离子体并分离等离子中的离子，而RF源104、106中的另一个能够提供低频功率以调制等离子壳层(sheath)电压。例如，在一个实施例中，源104一般能够在高达5000W的连续或脉冲功率下生成处于约12.8MHz到约14.3MHz的范围内的频率。源106一般能够在高达5000W的连续或脉冲功率下生成处于约1.8MHz到约2.2MHz的范围内的频率。
双频匹配电路108一般包括两个匹配子电路，其中串联元件被固定，并且分路元件提供到地的可变阻抗。匹配电路108包括连接到处于两个不同频率的独立频率调谐RF功率源104、106的两个输入，并且提供到处理腔102的公共RF输出。匹配电路108执行操作，以使源104、106的阻抗(通过是50Ω)与腔102的阻抗相匹配。在一个实施例中，两个匹配子电路是L型电路，但是也可以采用其他常见匹配电路配置，例如π型和T型。
图2是具有双L型匹配拓扑的双频匹配电路108的一个实施例的代表性电路图。匹配电路108一般包括低频(第一)调谐子电路202、高频(第二)调谐b子电路204和生成器隔离子电路206。第一子电路202包括可变电容器C1、电感器L1和电容器C2。可变电容器C1分路横跨来自2MHz源的输入端210A、210B，电感器L1和电容器C2从输入端210A和210B串联连接到公共输出端212。在一个实施例中，可变电容器C1标称从约300pF到约1500pF可变，电感器L1约为30μH，电容器C2约为300pF。
生成器隔离子电路206包括具有三个电感器L3、L4和L5以及三个电容器C5、C6和C7的梯形拓扑。该子电路被调谐为阻止2MHz信号被耦合到13MHz源。电感器L5耦合横跨输入端214A、214B。电容器C7、C6和C5从输入端214A串联耦合到13MHz调谐电路204的输入216A。电感器L4和L3分别从电容器C7和C6的交点和电容器C6和C5的交点并联耦合。在一个实施例中，电感器L4和L5约为2μH，电感器L3约为1μH。电容器C6和C7约为400pF，电容器C5约为800pF。
第二子电路204包括电容器C3、电感器L2和可变电容器C4。可变电容器C4分路横跨在来自生成器隔离子电路206的输入端216A、216B上，电感器L2和电容器C3从输入端216A和216B串联连接到公共输出端212。在一个实施例中，可变电容器C4标称从约400pF到约1200pF可变，电感器L2约为2.4μH，电容器C3约为67pF。
通常，在当前的阻抗匹配技术中，或者串联和分路元件被改变，或者元件固定而源的频率被改变，以实现源和负载(例如等离子体)之间的阻抗匹配。在串联和分路元件被改变的情况下，负责匹配源频率之一的元件可能影响由负责匹配另一个源频率的元件所看到的负载阻抗。例如，图3A和图3B示出了当另一频率的匹配元件被改变时针对2MHz和13MHz的调谐空间是如何移动的。在图3A中，分路组件(例如图2中的电容器C1和C4)被示为对于另一频率的调谐空间影响很小或没有影响(由重叠的线302和线304以及线306和线308所示)。但是，当与一个频率源相对应的串联组件(例如图2中的电感器L1和电容器C2或电感器L2和电容器C3)被改变时，另一频率的调谐空间移动。图3B示出了改变13MHz下的串联组件的效果。当13MHz串联组件被改变时，2MHz调谐空间移动。这由不再重叠的线306和线308的移动示出。
但是，如上文参考图1和图2所述，本发明的设计产生了可以通过分路组件调谐来改变的匹配调谐空间，而不会对另一频率的调谐空间产生不利的副作用。因此，互补频率调谐空间保持不变，并且可以在大阻抗范围上实现零反射功率调谐空间。
例如，图4示出了利用图2的匹配电路108所看到的调谐空间的图。该配置或者可以包含在固定匹配状况中，其中组件值是在过程运行之前设置的并且在整个运行期间值是固定的，或者电路108可以在频率/分路自动调谐匹配配置中实现，其中生成器的频率被调谐以确立匹配电路的方位角调谐方向，而可变分路(电容器C2和C4)将会设置径向调谐方向。这两个调谐机制(频率调谐和分路调谐)在调谐空间中的垂直方向上工作，并且如果给定自动调谐算法的适当的时间响应就能独立地调谐到最佳状况。这样，这种形式的调谐防止了两个系统之间的可能导致不可调状况的不稳定反馈。
适合于从本发明中受益的等离子增强型半导体处理腔的示例包括但不局限于均可从Santa Clara，California的Applied Materials获得的eMaxTM、
和ENABLERTM。eMaxTM处理腔在2000年9月5日授予Shan等人的美国专利No.6,113,731中有所描述。
处理腔在1669年7月9日授予Qian等人的美国专利No.5,534,108和1997年10月7日授予Pu等人的美国专利No.5,674,321中有所描述。ENABLERTM处理腔在2003年3月4日授予Hoffman等人的美国专利No.6,528,751中有所描述。
图5示出了适合用于本发明的电容耦合等离子增强型处理腔500的部分示意性截面图。在一个实施例中，处理腔500包括接地腔体502和置于腔体502外附近的至少一个线圈段518。处理腔500还包括置于腔体502内并且与进气口532间隔开来的晶片支撑基座516。晶片支撑基座516包括阴极527和用于将衬底514保持在进气口532之下的静电卡盘526。
静电卡盘526由DC电源520驱动，以产生将衬底维持在卡盘表面上的静电力。阴极527通过双频可变分路匹配电路108耦合到一对RF偏置源104、106。偏置源104、106一般能够产生具有从约50kHz到约14.2MHz的频率和在约0到约5000瓦特之间的功率的RF信号。双频可变分路匹配电路108使源104、106的阻抗与等离子体阻抗相匹配。单个馈送装置114将来自两个源的能量耦合到支撑基座516。
进气口532可以包括一个或多个喷嘴或喷头。进气口532可以包括多个气体分配区，从而使得可以用特定的气体分配梯度将在被点燃时形成等离子体510的各种气体提供到腔体502。进气口532可以形成与支撑基底516相对的上部电极528。
在工作中，衬底514被置于处理腔500中，并且被静电卡盘526维持在支撑基座516上。处理气体被气体源508通过进气口532引入腔体502中。真空泵(未示出)将腔体502内的压力维持在工作压力-通常在10mTorr到约20Torr之间。
RF源104通过双频可变分路匹配电路108向阴极527提供约5000W的13.56MHz的RF电压，从而激发腔体502内的气体并形成等离子体510。RF源106通过双频可变分路匹配电路108向阴极527提供约5000W的频率约为2MHz的RF电压。RF源106提供不仅对衬底进行自偏置而且还调制等离子外壳(sheath)的偏置功率。在一段时间之后，或者在检测特定端点之后，等离子体被消灭。
虽然前述内容针对本发明的示例性实施例，但是在不脱离本发明的基本范围的情况下可以设计本发明的其他和进一步的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求书确定。
Claims (18)
1.半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：
第一子电路，用于使由第一RF源生成的第一可变频率RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配；以及
第二子电路，用于使由第二RF源生成的第二可变频率RF信号的阻抗与所述等离子的阻抗相匹配，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出；
其中所述第一和第二子电路各自还包括至少一组固定的串联组件和至少一个连接到地的可变分路组件，并且其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二RF源的匹配调谐空间可以由所述分路组件控制。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二RF源的匹配调谐空间可以通过改变分别由所述第一和第二RF源生成的信号的第一和第二频率中的至少一个来控制。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二RF源各自具有50欧姆的输出阻抗。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二子电路在在所述处理腔中执行特定过程之前被固定在预定配置中。
6.如权利要求1所述的装置，其中在处理期间所述第一和第二RF源的阻抗可以通过以下步骤中的至少一种被匹配到所述处理腔的阻抗：
在所述处理腔的工作期间改变所述第一和第二子电路的组件的至少一个值；或者
改变所述第一和第二RF源中至少一个的频率.。
7.如权利要求1所述的装置，还包括：
隔离子电路，用于防止从所述第一和第二RF源中任何一个提供的功率被耦合到所述第一和第二RF源中的另一个。
8.半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：
第一子电路，用于耦合到第一可变频率RF源并且具有第一组固定串联组件和接地的第一可变分路；
第二子电路，用于耦合到第二可变频率RF源，并且具有第二组固定串联组件和接地的第二可变分路，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出；
其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
9.半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：
至少包括第一电极的处理腔；
第一可变频率RF源；
第二可变频率RF源；以及
双频匹配电路，包括：
耦合到所述第一RF源的第一子电路；以及
第二子电路，其耦合到所述第二RF源，并且连接到所述第一子电路以形成耦合到所述第一电极的公共输出；
其中所述第一和第二子电路各自还包括至少一组固定的串联组件和至少一个连接到地的可变分路组件，并且其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述第一和第二RF源的匹配调谐空间可以由所述分路组件控制。
11.如权利要求9所述的装置，其中所述第一和第二RF源的匹配调谐空间可以通过改变分别由所述第一和第二RF源生成的信号的第一和第二频率中的至少一个来控制。
12.如权利要求9所述的装置，其中所述第一和第二子电路在在所述处理腔中执行特定过程之前被固定在预定配置中。
13.如权利要求9所述的装置，其中在处理期间所述第一和第二RF源的阻抗可以通过以下步骤中的至少一种而被匹配到所述处理腔的阻抗：
在所述处理腔的工作期间改变所述第一和第二子电路的组件的至少一个值；或者
改变所述第一和第二RF源中至少一个的频率.。
14.如权利要求9所述的装置，其中所述双频匹配电路还包括：
隔离子电路，用于防止从所述第一和第二RF源中任何一个提供的功率被耦合到所述第一和第二RF源中的另一个。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述第一子电路和所述第二子电路都被配置为与频率在大约50KHz和大约14.2MHz之间的RF信号的阻抗相匹配。
16.如权利要求9所述的装置，其中所述第一RF源和所述第二RF源都被配置为提供频率在大约50KHz和大约14.2MHz之间的RF信号。
17.半导体衬底处理腔中的一种用于使耦合到单个电极的一对RF源的阻抗与等离子体的阻抗相匹配的装置，包括：
第一子电路，用于使由第一RF源生成的具有介于大约50KHz和大约14.2MHz之间的可变频率的第一RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配；以及
第二子电路，用于使由第二RF源生成的具有介于大约50KHz和大约14.2MHz之间的可变频率的第二RF信号的阻抗与所述等离子体的阻抗相匹配，所述第二子电路连接到所述第一子电路以形成耦合到所述电极的公共输出，其中由所述第一子电路限定的第一匹配调谐空间可以在不影响由所述第二子电路限定的第二匹配调谐空间的情况下被改变。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述第一和第二子电路各自还包括：
至少一组固定的串联组件；以及
至少一个连接到地的可变分路组件。
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