CN101193490B - 等离子体的磁约束 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种约束等离子体的方法和装置。在本发明的一个实施方式中，用于约束等离子体的装置包括衬底架和形成磁场的器件，所述形成磁场的器件用于在处于靠近于至少衬底架上方的形成等离子体的第一区域和选择性限制等离子体的第二区域之间的边缘处形成磁场。该磁场具有垂直所需等离子体约束方向的b场部件以根据用于形成等离子体的工艺条件选择性限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动。

Description

等离子体的磁约束

技术领域

本发明的实施方式涉及一种衬底的等离子体辅助处理工艺，更具体地涉及一种在等离子体辅助工艺腔室中的等离子体的磁约束。

背景技术

等离子体辅助处理工艺是一种通用的技术，例如，在半导体器件和集成电路的制造中。这样的工艺通常包括将工艺气体引入到其中设置有衬底，如半导体晶圆的腔室中，并向工艺气体施加足够的能量以在衬底上形成等离子体。等离子体包含解离的和离子化的组分以及用于在衬底上执行辅助处理工艺(诸如沉积、蚀刻等)的中性组分。尽管等离子体的组成有益于在衬底上进行辅助工艺或执行工艺，对于等离子体组成而言，通常不期望其与工艺腔室中诸如衬底架(substrate support)、侧壁或腔室盖的其他部件相接触。因而，通常需要将等离子体包含或限制在要进行处理的衬底正上方的一个区域。

这个问题在现有技术中，通常是通过使用一机械结构在物理上将等离子体限定在所希望的区域来解决。例如，一些工艺腔室可以包含挡板，其在物理上可将等离子体包含在所希望的区域。然而，这些挡板的使用会将等离子体污染或冲击工艺腔室其中的一个问题转化成等离子体冲击或污染挡板自身的问题。因而，挡板会因此而变为耗材材料，导致衬底上的微粒缺陷并进而需要阶段性地维护或替换。另外，使用挡板的等离子体的物理约束限制了从腔室抽出等离子体流出物的能力，从而进一步降级工艺性能并潜在地将导致不合规格工艺生产量及增加衬底缺陷。

因此，需要一种改进的方法和装置以在工艺腔室中约束等离子体。

发明内容

在此，本发明提供一种用于约束等离子体的方法和装置。在本发明的一个实施方式中，用于约束等离子体的装置包括衬底架和形成磁场的器件，所述形成磁场的器件用于在设置靠近于至少衬底架上方的形成等离子体的第一区域和选择性限制等离子体的第二区域之间的边缘处形成磁场。该磁场具有垂直于所需等离子体约束方向的b场部件以根据用于形成等离子体的工艺条件选择性地限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动。

在另一实施方式中，用于约束等离子体的装置包括具有形成等离子体的第一区域和选择性限制等离子体的第二区域的工艺腔室。衬底架设置在工艺腔室中。提供用于在第一和第二区域之间的靠近边缘处形成磁场的磁场形成器件。该磁场适用于限制在第一套工艺条件下形成的等离子体的带电粒种在第一和第二区域之间的移动，但不限制在第二套工艺条件下形成的等离子体的带电粒种在第一和第二区域之间移动。

根据本发明的另一方面，约束等离子体的方法包括：提供具有形成等离子体的第一区域以及具有选择地限制等离子体的第二区域的工艺腔室；产生具有与从第一区域到第二区域方向相垂直的b场组件和一选用结构的磁场，所述的选用结构选择用于，在第一套工艺条件下形成等离子体时，限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动，并且，在第二套工艺条件下形成等离子体时，不限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动。可以使用在第一套工艺条件下形成的等离子体执行第一工艺，并因而限制等离子体的带电粒种的移动。可以使用在第二套工艺条件下形成的等离子体执行第二工艺，并因而不限制等离子体的带电粒种的移动。

附图说明

因此，为了可以详细理解本发明的以上所述特征，下面将参照附图中示出的实施例对本发明的以上简要叙述进行更具体的描述。然而，应该注意，附图中只示出了本发明典型的实施例，因此不能认为其是对本发明范围的限定，本发明可以允许其他等同的有效实施方式。

图1示出了根据本发明实施方式的等离子体辅助工艺腔室的示意图。

图2A-B详细描述了图1中所示的磁约束装置的实施方式。

图3示出了相应于偏置功率和源功率的等离子体离子磁通率图。

图4示出了源自图3的与偏置功率和源功率相关的工艺空间图。

图5示出了根据本发明实施方式的具有工艺选择性磁约束装置的工艺腔室的示意图。

图6示出了用于等离子体选择性磁约束工艺的方法的一个实施方式。

尽可能采用相同的附图标记表示附图中共同的相同组件。为了示意目的简化图中的图像在此并没有描述其比例。

具体实施方式

本发明提供一种使用磁场约束等离子体的方法和装置。另外，本发明还提供一种使用磁场用于工艺选择性等离子体约束的方法和装置。在一个实施方式中，本发明的方法和装置通过使用与所要约束的方向相垂直的组件将等离子体外围电路暴露于磁场中来约束等离子体放电。选择磁场的强度、方向和位置来约束处于第一子集工艺条件下的等离子体，而不约束处于不同于第一子集的第二子集工艺条件下的等离子体。

图1示意性示出了根据本发明的具有等离子体约束装置的腔室100。腔室100通常是任意适用类型的工艺腔室，其适用于形成根据本文中公开内容的教导而改进的等离子体，所述的工艺腔室包括(但不仅限于)电容耦合的工艺腔室、电感耦合的工艺腔室等。适用于本发明的工艺腔室的实例包括(但不仅限于)eMax^TM、MXP

以及ENABLER^TM工艺腔室，这些工艺腔室都可以从位于SantaClara，California(加里福尼亚州，圣克拉拉)的Applied Materials，Inc.(应用材料股份有限公司)购买得到。eMax^TM工艺腔室描述在2000年9月5日授权给Shan等人  的美国专利No.6,113,731中。MXP^TM工艺腔室描述在1969年7月9日授权给Qian等人的美国专利No.5,534,108以及在1997年10月7日授权给Pu等人的美国专利No.5,674,321中。ENABLER^TM腔室描述在2003年3月4日授权给Hoffman等人的在美国专利No.6,528,751中。上面所提到的每一个专利都在此引入其全部内容作为参考。

在图1所描述的实施方式中，腔室100包括其中放置衬底架104的腔体102，用于支撑其上的衬底106。衬底架104可以是衬底架底座或其中的一部分，如静电吸附盘等。在腔室100的腔体102内，具有形成等离子体的第一区域110(例如，衬底工艺发生的区域)以及选择性限制等离子体的第二区域112。第一和第二区域110、112可以位于腔室100中任何所需的位置。在一个实施方式中，第一区域110对应于通常放置在衬底架104的支撑表面上方的上层区域，第二区域112对应于通常放置在衬底架104的衬底支撑表面下方的下层区域(例如，通常在工艺加工期间位于衬底106下面)。

第一电源120与腔室100的第一区域110附近的电极连接，例如腔室盖、气体分配喷发头(showerheader)、放置在腔室盖附近的电感圈等。第一电源120(通常指“顶部电源”或“源电源”)通常能够以适合于形成离子区的功率和频率由放置在腔室100的第一区域110中的工艺气体产生射频(RF)信号。在一个实施方式中，第一电源120通常能够以约100MHz的可调频率产生高达5,000瓦的射频(RF)功率(即，电源)。在一个实施方式中，第一电源120通常能够以约100KHz到200MHz之间的可调频率产生5,000瓦的射频(RF)功率。

第二电源122可以与放置在衬底架104内或下方的电极连接。第二电源122(通常指“偏置电源”)通常能够以约50KHz到13.6MHz之间的可调频率产生约高达5,000瓦RF功率(即，阴极偏置电源)。任选地，第二功率源122可以为DC(直流)或脉冲DC电源。可选地，第二功率源122可以包含双频RF电源(或两个RF功率源)，在这种情况下，第一电源120是任选的。预期第一电源120和第二电源122可以能够产生或多或少的功率即或大或小的频率。

支撑系统124也与工艺腔室100连接。支撑系统124包括用于执行和监测在工艺腔室100中预先确定的各工序(例如，等离子体辅助蚀刻、沉积、退火、清理等)的组件。这样的组件通常包括腔室100的不同子系统(例如，气体控制板、气体分配管道、真空和排气子系统)和器件(例如，附加电源、工艺控制仪器等)。这些组件为本领域的技术人员所熟知，为了清楚起见，在附图中省略。

提供用于沿第一和第二区域110，112边界形成磁场的磁场形成器件114，所述的磁场适用于至少部分选择性地约束或限制等离子体108的各组分在工艺处理期间在第一和第二区域110、112之间的移动。磁约束通过将带电粒子暴露到垂直其速度方向的磁场来减小带电粒子的移动性。在带电粒子上产生的作用力等于：

$\stackrel{\→}{F}=q(\stackrel{\→}{v}\×\stackrel{\→}{B})---\left(1\right)$

其中，F为外力，q为粒子所带电荷，v为粒子速率以及B为磁场强度。由于力的方向垂直于粒子所带电荷的速度，则垂直于磁场方向移动的带电粒子的净效应减小。从而，通过设计磁场使其垂直于带电粒子向着不需要等离子体的工艺腔室区域(如腔室100的第二区域112)流动方向，移动性的减小结果使得磁场的上游和下游区域之间的等离子体约束到一定等级。

在一个实施方式中，形成器件114的磁场可以形成部分或全部围绕衬底架104的磁场。磁场形成器件114可以形成部分或全部填充在侧面衬底架104和腔体102之间设置的区域118中的磁场。由磁场形成器件提供的磁场可以主要分布在腔室100的第二区域112中。在一个实施方式中，由磁场形成器件提供的磁场还可以主要分布在衬底架104的支撑表面下面。磁场形成器件可以设置在腔室100之内或之外以及可以集成到各种腔室组件中或成为一独立的装置。在图1所示的一个实施方式中，磁场形成器件设置在工艺腔室100内和设置在衬底架104内。

在图1的实施方式中，磁场形成器件114包含多个磁铁116。磁铁116可以是永久磁铁、电磁石等，或它们的组合。在图1的实施方式中，示出了两个磁铁116。应该认识到，可以使用两个以上的磁铁116。两个磁铁116彼此可以直接相连或相互间隔分开。当磁铁为相互间隔分开时，可以根据磁场配置(如，强度、排列等)来确定两个磁铁116之间的距离。在一个实施方式中，磁铁116相间隔的距离约为0.25-0.50英寸。多个磁铁116的极性可以朝着同一方向或可以交替。

为了减小对衬底工艺的影响，由磁场形成器件114提供的磁场可以主要沿等离子体外围分布。即，沿腔室的第一和第二区域110、112之间的边缘分布。因此，可以通过排列磁铁116或磁场形成器件114，使得由磁铁116或磁场形成器件114提供的磁场的主要分布在腔室100的第二区域112内(例如，主要在衬底架104的支撑表面下方)。在一个实施方式中，磁铁116的上表面放置在衬底架104的支撑表面下方约0-4英寸之间。在一个实施方式中，磁铁116的上表面放置在衬底架104的支撑表面下方4英寸处。

任选地，一个或多个永久磁铁或电磁石(未示出)还可以设置在腔室附近便于在执行工艺期间控制等离子体的特性(例如，控制粒子形成、密度、电离、分解、护套特性等)。由磁铁产生的磁场可以主要分布在腔室的第一区域110中且可以独立于由磁场形成器件114形成的磁场而被控制。在执行工艺期间用于控制等离子体的具有磁铁的腔室的实例包括上面所提到的eMax^TM、MXP

以及ENABLER^TM工艺腔室，它们都可以从应用材料公司购买到。

控制器130连接到工艺腔室100并控制其操作(如，支撑系统124、电源120、122等)。在一些实施方式中，控制器130也可以用于控制磁场形成器件114(如当磁场形成器件114包括电磁石时)。控制器130可以是特定的或通用的计算机，通常含有CPU132、辅助电路134以及存储器136。软件程序(routine)138可以寄主(reside)在存储器136中，当执行时，根据在此公开的教导提供工艺腔室100的操作和控制。

图2A描述在图1中所描述的磁场形成器件114和磁铁116的一个实施方式的部分特写。在图2A的实施方式中，一对磁铁116设置在外围，即以彼此相间隔和基本平行地设置在衬底架104的两侧面。磁铁116可以有一个或多个部分完全围绕在衬底架104周围。可选地，一个或多个磁铁116可以包含多个在衬底架104的侧面沿圆周路径相间隔地设置的部分。

图2B描述了磁场形成器件114的一个实施方式的另一个实施例。在这个实施方式中，提供一对磁铁216，其中一个磁铁216设置在衬底架104附近，一个磁铁216设置在腔壁102附近。磁铁216可以形成于衬底架104中和/或腔壁102中或可以设置在邻近于衬底架104和/或腔壁102之处。另外，至于设置在腔壁102附近的磁铁216，磁铁216可以设置在腔室的里面或外面。磁铁216可以有一个或多个部分完全包围衬底架104和/或腔壁102。可选地，一个或多个磁铁216可以包括多个部分，所述的多个部分在衬底架104和/或腔壁102侧面沿圆周路径相间隔地设置。

图2A-B描述的磁铁116、216分别包括N极202和S极204。每一单个磁铁116、216的N极和S极，202和204可以相互反向(即，每一单个磁铁116、216的任一极都是与相邻磁铁的相反极毗邻)。可选地，每一单个磁铁116、216 N极和S极，202和204，可以是相同朝向。磁铁116、216形成磁场，如磁场200A和200B所示。为了清楚起见，在衬底架104和腔室的腔体102之间只示出了形成的部分磁场200A、200B。磁场200A、200B包含b场组件，其与来自等离子体108的带电粒种208的速度方向垂直(如图1所示)。这样的配置约束带电粒种208横跨磁场200A、200B到腔室第二区域112的能力，并且同样地，约束了第一区域110内的等离子体的带电粒种208。

对于等离子体的带电粒种的限制或约束不会影响中性粒种，因此，中性粒种210可以横跨磁场200A、200B进入腔室100的第二区域112。同样地，中性粒种的移动可以发生在极需要限制的工艺中，例如在使用高度聚合的化学物质的工艺中，其中限制或约束聚合物的产生和沉积可以有利地最小化周期性清理腔室的需求以及增加清理周期的时间。

因此，尽管在一些工艺期间对等离子体进行限制是有利的，也有一些工艺不需要对等离子体进行限制。例如，在腔室清理步骤期间，其中使用聚合物移除化学物质将腔室还原到原始状态。在这些工艺期间，允许等离子体填充整个腔室是有利的，例如，允许清洁化学物质填充整个腔室便于移除任何远离工艺区域的任何聚合体(例如，图1所示的工艺腔室100的第二区域112)。

根据影响等离子体的工艺参数(如源功率、偏置功率、源频率、偏置频率、工艺气体选择、腔室气压、腔室处理体积等)和/或影响磁场的工艺参数(如磁场强度、场方向、位置、外形、磁铁数量等)、数量或等级，在第一区域110中的对于等离子体的带电粒种的约束是可控的。

例如，测量磁场等级约束的一个方法是测量在工艺腔室100的第一区域110和第二区域120中(如图1所示)从等离子体108到腔体102的离子流，并计算上方离子流与下方离子流之间的比率，在此称为离子通量比。离子通量比越大，与第二区域112相比，第一区域110中等离子体组分的通量就越大，其表示在第一区域110中对等离子体的带电粒种的约束。随着离子通量比接近1，其表示在第一区域110中的离子通量等于在第二区域112中测量的离子通量，这意味着在第一区域110中没有对等离子体的带电粒种进行约束。

图3示出了在离子体辅助工艺腔室中根据偏压功率(轴304)和源功率(轴306)的离子通量比的图。图中所用数据从具有电容耦合的工艺腔室中获得，该腔室具有以变化功率等级连接到60MHz RF信号的顶(源)电极和连接到13.56MHz RF信号的底(偏压)电极。按照上面所述，离子通量比越大，就有更多的等离子体约束在腔室的第一区域。

图4示出了根据偏压功率(轴304)和源功率(轴306)的离子通量比图300的俯视图。如图4所示，区域410处离子通量比大于1，表明在腔室的第一区域改变等离子体约束等级。在第二区域412不存在等离子体约束。同样地，图4中的图300示出了用于获得选择性等离子体约束的工艺空间(关于顶部和底部RF功率)的工艺图。因此，通过控制在不同工艺期间施加的偏置功率和/或源功率，等离子体的磁约束同样是可控的，其有利于根据需要获得或得到用于不同等离子体工艺的磁约束。

根据影响等离子体和/或磁场的其他工艺参数可以制出类似的工艺图。用作替代或结合使用，可以通过使用变化场强的磁场来进行上述的方法用以构建三维工艺图来扩展工艺视窗以包含除了影响等离子体的工艺参数之外的参数即变化的磁场强度。另外，其他等离子体参数，如工艺密度、护套电压、电子温度、工艺化学等都可以受等离子体体积的影响，从而其也可以通过本文所公开的等离子体约束装置加以控制。因此，也可以映射这些参数来确定用于特定工艺所需的工艺条件来进一步有利地拓宽用于具有本发明的等离子体约束装置的等离子体工艺腔室的工艺视窗。

图5示出了在类似于上述工艺腔室100的腔室500中执行的两个工艺的并列图。腔室500的第一排530示意性描述了，在使用磁场520将腔室500中形成的等离子体508约束在腔室500的第一区域510的条件下，执行的工艺。腔室500的第二排532示意性示出了，在足以基本填充腔室500的条件下(如等离子体在腔室500的第一区域510和第二区域512都存在)形成的等离子体518。

在图5中，可以根据需要控制第二工艺的参数来实现对等离子体的选择性约束。例如，使用来自图3和图4的数据，如果在工艺中需要对等离子体进行约束，可以选择处于图4的区域410中的偏置功率和/或源功率。或者，如果在工艺中不需要对等离子体进行约束，可以选择处于图4的区域412中的偏置功率和/或源功率。

在另一实施例中，衬底工艺典型地发生在约0W-1000W之间的顶部源功率，以及约500W-5000W之间的偏置功率的条件下。在这种条件下的衬底处理期间通常需要对等离子体进行约束以提高工艺性能。然而，腔室清理工艺通常发生在大于约2000W的源功率以及约0W-100W之间的偏压功率的条件下。如上所述，在腔室清理工艺中通常不需要对等离子体进行约束。因此，使用诸如图4示出的工艺图，选择性地控制源功率和偏压功率以根据等离子体所需的约束等级来分别操作每一工艺。

图6示出了用于执行对等离子体进行选择性磁场约束工艺的方法600的一个实施方式。在一个实施方式中，方法600从步骤602开始，在该步骤中，沿形成等离子体的第一区域和选择性约束等离子体的第二区域之间的边界提供磁场。在一个实施方式中，围绕衬底架的外围来提供磁场。可以选择磁场的强度、方向和/或位置来产生垂直于所需约束的方向(例如，从第一区域到第二区域)的b场组件。

接下来，在步骤604，可以在腔室的第一区域使用第一套工艺参数形成等离子体，从而限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动。在一个实施方式中，带电粒种约束在腔室的上层区域。在一个实施方式中，第一套工艺参数包括源功率、偏置功率、源频率、偏置频率、工艺气体选择、腔室压强以及腔室压强体积中的至少一个。在一个实施方式中，第一套工艺参数包括源功率和偏置功率中的至少一个。

接下来，在步骤606，可以在腔室的第一区域使用第二套工艺参数形成第二等离子体，从而不限制等离子体的带电粒种从第一区域到第二区域的移动。在一个实施方式中，不将带电粒种约束在腔室的上层区域。在一个实施方式中，第二套工艺参数包括源功率、偏置功率、源频率、偏置频率、工艺气体选择、腔室压强以及腔室压强体积中的至少一个。在一个实施方式中，第二套工艺参数包括源功率和偏置功率中的至少一个。

因此，现已提供了使用磁场来选择性约束等离子体的方法和装置的实施方式，本发明的方法和装置通过将等离子体的外围暴露于具有与所需约束方向垂直的组件的磁场中以约束等离子体放电。选择磁场的强度、方向和位置，从而在第一套工艺条件下约束等离子体，以及在不同与第一套的第二套工艺条件下不约束等离子体。

尽管前面涉及了本发明的实施方式，在不背离本发明基本范围以及权利要求的所要保护范围情况下，本发明可以具有其他的实施方式。

Claims (16)

1.一种用于磁场约束的装置，其特征在于，包括：

工艺腔室，所述工艺腔室具有形成等离子体的第一区域及选择性限制等离子体的第二区域；

设置在所述工艺腔室中的衬底架；

磁场形成器件，用于在所述第一区域和所述第二区域之间的边缘附近形成磁场；以及

控制器，连接到所述工艺腔室并控制其操作，从而使在第一套工艺条件下形成的等离子体的带电粒种在所述第一区域和所述第二区域之间的移动受限制，以及在第二套工艺条件下形成的等离子体的带电粒种在所述第一区域和所述第二区域之间的移动不受限制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件包括一个或多个电磁石。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件包括一个或多个永久磁铁。

4.根据权利要求1到3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件设置在所述衬底架上或连接到所述衬底架上。

5.根据权利要求1到3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件在所述衬底架的侧面附近以及主要在所述衬底架的支撑表面下方形成磁场。

6.根据权利要求1到3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一区域包含处于所述衬底架的支撑表面上方的所述工艺腔室的上层区域，其中所述第二区域包含处于所述衬底架的支撑表面下方的所述工艺腔室的下层区域。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件包含多个磁铁，所述多个磁铁沿所述衬底架的侧面的至少第一圆周路径以及沿所述工艺腔室侧壁的侧面的第二圆周路径设置。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件包含多个磁铁，所述多个磁铁沿所述衬底架的侧面的至少两个相间隔的圆周路径设置。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述圆周路径相间隔在0.25和0.5英寸之间。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述磁铁的最上层部分设置在距离所述衬底架的支撑表面下方4英寸处。

11.根据权利要求1到3中的任意一项所述的装置，其特征在于，所述磁场形成器件适用于在处于所述衬底架的侧面和所述工艺腔室的壁之间的区域形成磁场。

12.根据权利要求1到3中的任意一项所述的装置，其特征在于，还包含：

放置在所述工艺腔室周围并配置为可以控制所述等离子体的特性的一个或多个磁铁。

13.一种用于约束等离子体的方法，包括：

提供工艺腔室，所述工艺腔室具有形成等离子体的第一区域和选择性限制所述等离子体的第二区域；以及

产生具有垂直于从所述第一区域到所述第二区域方向的b场分量的磁场，以及具有一结构以选择用于当在第一套工艺条件下形成等离子体时限制等离子体的带电粒种从所述第一区域到所述第二区域的移动以及在第二套工艺条件下形成等离子体时不限制等离子体的带电粒种从所述第一区域到所述第二区域移动。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包含：

使用在所述第一套工艺条件下形成的等离子体执行第一工艺，从而限制所述等离子体的带电粒种的移动。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包含：

使用在所述第二套工艺条件下形成的等离子体执行第二工艺，从而不限制所述等离子体的带电粒种的移动。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，至少源功率和/或偏置功率对于所述第一套工艺条件和所述第二套工艺条件来说是不同的，所述源功率由第一电源提供，所述偏置功率由第二电源提供。

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