CN101199036B - 具有可调电极面积比的受约束等离子体 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体反应器(200)，包括室(202)、底部电极(204)、顶部电极(206)、第一约束环组(208)、第二约束环组(210)、以及接地扩展部(212)。该顶部和底部电极、该第一和第二约束环组、以及该接地扩展部均封入该室内。该第一约束环组大体上平行于该底部电极和该顶部电极，并围绕该底部电极和顶部电极之间的第一体积。该第二约束环组大体上平行于该底部电极和该顶部电极，并围绕该底部电极和顶部电极之间的第二体积。该第二体积至少比该第一体积大。接地扩展部邻近并围绕该底部电极。该第一约束环组和该第二约束环组能够被独立地升高和降低，以延伸到该接地扩展部之上的区域内。

Description

具有可调电极面积比的受约束等离子体
技术领域
本发明涉及半导体制造。更具体地，本发明涉及等离子体蚀刻装置。
背景技术
典型的等离子体蚀刻装置包括反应器，在反应器中有一个一种或多种反应气体流过的室。在室内，气体典型地由射频能量离子化成等离子体。等离子体的高反应性离子能够与材料(例如在内部连线(interconnect)之间的介电层，或者在半导体晶片被处理成集成电路(IC)期间在半导体晶片表面上的聚合物掩模)反应。在蚀刻之前，晶片被置于室中并被卡盘或夹持件夹持在合适的位置，卡盘或夹持件将晶片的顶面暴露给等离子体。
在半导体处理中，在每个处理中，沿晶片的蚀刻或沉积率均一性直接影响器件产量。这已经成为对处理反应器的主要资质要求之一，因此在其设计和开发中被认为是非常重要的参数。随着晶片直径尺寸的每次增加，保证各批次集成电路均一性的问题变得更为困难。例如，随着晶片尺寸从200mm增加到300mm，以及每个晶片更小的电路尺寸，边缘排除区缩减到例如2mm。因此，在距晶片边缘2mm之外自始至终保持均一的蚀刻率、形貌以及临界尺寸变得非常重要。
在等离子体蚀刻反应器中，蚀刻参数(蚀刻率、形貌、CD等)的均一性受数种参数影响。保持均一的等离子体释放以及在晶片上的等离子体化学成分对提高均一性而言非常关键。已经设想了很多尝试，以通过操纵经过喷头注射的气流、修改喷头设计以及围绕晶片设置边缘环来改进晶片的均一性。
在具有不同尺寸电极的电容耦合蚀刻反应器中的一个问题是缺少均一的RF耦合，尤其在围绕晶片边缘的区域。图1显示了常规的电容耦合等离子体处理室100，其代表了典型地用于蚀刻基片的示范性等离子体处理室类型。现参考图1，卡盘102，其代表工件夹持件，在蚀刻期间基片(例如晶片104)置于该夹持件上。卡盘102可由任何合适的夹紧技术实现，例如，静电、机械、夹具、真空等。在蚀刻期间，卡盘102在蚀刻期间典型地由双频率源106同时提供双RF频率(低频率及高频率)，例如2MHz和27MHz。
上部电极108位于晶片104上方。上部电极108接地。图1显示了一个蚀刻反应器，其中上部电极108的表面面积比卡盘102和晶片104的表面面积大。在蚀刻期间，等离子体110由通过气体管路112提供的蚀刻剂源气体形成，并且通过排气管路114排出。
当RF功率从RF功率源106提供给卡盘102时，在晶片104上产生等位的场线。该等位场线为穿过晶片104和等离子体110之间的等离子体鞘(sheath)的电场线。
在等离子体处理期间，正离子穿过等位场线加速，以撞击晶片104表面，从而提供期望的蚀刻效果，例如改进蚀刻定向性。因上部电极108和卡盘102的几何形状，沿晶片表面的场线可能是不均一的，并且可在晶片104边缘显著变化。因此，通常提供聚焦环118，以改进沿整个晶片表面的处理均一性。
导电防护罩120大体上围绕聚焦环118。导电防护罩120配置为在等离子体处理室中接地。防护罩120防止了在聚焦环118外部不希望的等位场线的存在。
约束环116可设置于上部电极108和底部电极(例如图2中的卡盘102)之间。通常，约束环116帮助把蚀刻等离子体110约束到晶片104上的区域，以改进处理控制并保证再现性。约束环116以距晶片104预定的半径距离设置，对进一步等离子体扩张形成物理阻隔。但是，因为约束环116的直径不能改变，等离子体110的直径以及由此其横截面对所有处理几乎为固定值。因此，有效电极面积比(定义为接地电极的表面面积除以RF电极的表面面积)对于具有固定设置的约束环的等离子体反应器而言是固定的。
因此，需要一种方法和装置，用于约束具有可调电极面积比的等离子体。本发明的主要目的在于解决这些需要，并提供进一步相关的优点。
发明内容
一种等离子体反应器，包括室、底部电极、顶部电极、第一约束环组、第二约束环组、以及接地扩展部。该顶部和底部电极、该第一和第二约束环组、以及该接地扩展部均封入该室内。该第一约束环组大体上平行于该底部电极和该顶部电极，并围绕在该底部电极和顶部电极之间的第一体积。该第二约束环组大体上平行于该底部电极和该顶部电极，并围绕在该底部电极和顶部电极之间的第二体积。该第二体积至少比该第一体积大。接地扩展部邻近并围绕该底部电极。该第一约束环组和该第二约束环组能够上升和下降，以延伸到该接地扩展部之上的区域内。
附图说明
被结合入并构成本说明书一部分的附图，示出了本发明的一个或多个实施例，并且与具体的描述一起用于解释本发明的原理和实施。
在附图中：
图1是示出根据现有技术的等离子体反应器的示意图；
图2A是显示出根据一个实施例的等离子体反应器的示意图，该等离子体反应器具有下降的内部约束环组以及上升的外部约束环组；
图2B是示出根据一个实施例的等离子体反应器的示意图，该等离子体反应器具有上升的内部约束环组以及下降的外部约束环组；
图2C是示出根据一个实施例的等离子体反应器的示意图，该等离子体反应器具有下降的内部和外部约束环组；
图2D是示出根据一个实施例的等离子体反应器的示意图，该等离子体反应器具有上升的内部和外部约束环组；
图3是示意性示出用于操作图2A、2B、2C、和2D中所示的等离子体反应器的流程图。
具体实施方式
此处就具有可调电极面积比的受约束等离子体，描述本发明的实施例。本领域的普通技术人员会意识到以下对本发明的具体描述仅是说明性的，并不打算以任何方式限制。本发明的其他实施例将容易地暗示给从本公开获益的技术人员。现在将详细参考如附图中所说明的本发明的实现。相同的参考标号将会始终在附图中和以下详细说明中使用，以代表相同或相似的部分。
为利于简洁，并非此处描述的实现的所有常规特征都被显示或描述。当然，容易理解，在任何这样的实际的实现的开发中，必须作出多个具体实现选择，以实现开发者的具体目的，例如依从有关应用和商业的限制，并且这些具体目的在各个实现之间以及各个开发者之间都不同。另外，应当理解，这样的开发努力可能复杂并且耗时，但对于从本公开受益的本领域的技术人员不过是工程上的常规任务。
因为在蚀刻处理中应用的较高的RF功率和较高的气体流率，所以产生用于300mm应用的受约束等离子体是困难的。本领域的技术人员应当理解，此处描述的装置和方法不局限于300mm应用。该装置和方法可适合于在使用高RF功率水平的高气体流量环境中需要等离子体约束的应用中使用。在本发明中，高气体流率指约为2000sccm的流率，高RF功率指每cm3等离子体体积大约2W的功率水平。
图2A、2B、2C和2D显示了具有可调电极面积比的等离子体反应器200的一个实施例，包括室202、底部RF电极204、顶部接地电极206、第一(内部)约束环组208、第二(外部)约束环组210、以及用于从等离子体边界排出电荷的接地扩展部212。
等离子体反应器200配置为用于接收气体(图未示)，该气体被等离子体反应器200转化为等离子体214。作为例子而不是限制，泵入到室202内的相对高的气体流率为1500sccm。也可应用小于1500sccm以及大于1500sccm的气体流率。
底部RF电极204配置为用于接收(receive)工件216并具有适于接收工件216的相关的底部电极面积。底部RF电极204连接到至少一个电源218。电源218配置为产生传递到底部电极204的RF功率。
顶部接地电极206设置在距底部RF电极204之上一段距离。顶部接地电极206与接地扩展部212一起配置为为从底部RF电极204传递的RF功率提供完整的电路。另外，顶部接地电极206和接地扩展部212一起具有其尺寸可根据内部和外部约束环208和210的位置而分别变化的接地电极面积。在一个位置中，该接地电极面积大于该RF电极面积。在另外一个位置中，该接地电极面积大体上等于该RF电极面积。
为在室202中产生等离子体214，使用电源218，并且RF功率在底部RF电极204和顶部接地电极206之间传递。然后，气体转化成等离子体214，用于处理工件216或者半导体基片。作为例子而不是限制，可应用每cm3等离子体体积2W的RF功率水平。也可应用小于每cm3等离子体体积2W的RF功率水平。
内部和外部约束环组(分别为208和210)设置在该顶部电极区域和该底部电极区域附近。内部和外部约束环组(分别为208和210)设置为帮助将等离子体214大体上约束在由任一约束环组(208或210)限定的体积中。顶部电极206包括第一凹槽224以及第二凹槽226，其中第一凹槽224具有大于第二凹槽226的径向距离。第一和第二凹槽224和226分别容纳第一和第二约束环组208和210。通过在顶部接地电极206和底部RF电极204之间传递的RF功率产生等离子体214。
接地扩展部212邻近底部RF电极204，并由第一介电环220和第二介电环222与底部RF电极204分开。第一介电环220配置为用于接收底部RF电极204和接地扩展部212。第二介电环222将底部RF电极204与接地扩展部212分开。第二介电环222位于与接地扩展部212和工件216相同的平面上。接地扩展部212将来自于等离子体边界的RF电流排出，并包括RF接地表面。作为例子，接地扩展部212可利用导电材料(例如铝)制成。第一和第二介电环220和222均可由石英制成。
为说明的目的，图2A和2B中描述的等离子体反应器200利用电容耦合以在处理室202中产生等离子体214。本领域的技术人员应当理解，本装置和方法可适用于使用感应耦合等离子体。
另外，仅为说明性目的，双频率电源218可用于产生高电位，其施加于气体以产生等离子体214。更具体地，该示出的电源218为双功率频率电源，其运行在2MHz和27MHz，并包括在由LamResearch制造的蚀刻系统中。本领域的技术人员应当理解，也可使用其他能够在处理室202中产生等离子体的电源。本领域的技术人员应当理解，本发明不局限于2MHz和27MHz的RF频率，而是可应用于广范的频率。本发明也不局限于双频率电源，其也可应用于具有三个或更多个RF电源的系统，这些RF电源具有多种频率。
第一(内部)约束环组208大体上平行于底部RF电极204和顶部接地电极206，并当第一(内部)约束环组208下降以及第二(外部)约束环组210上升时，围绕底部RF电极204和顶部接地电极206之间的第一体积(密封等离子体214)。当上升时，凹槽224容纳第一约束环组208。
第二(外部)约束环组210大体上平行于底部RF电极204和顶部接地电极206，并当第二(外部)约束环组210下降以及第一(内部)约束环组208上升时，围绕底部RF电极204和顶部接地电极206之间的第二体积。当上升时，凹槽226容纳第二约束环组210。
当第二组210下降时所限定的第二体积至少大于当第一组208下降时所限定的第一体积。图2B中的等离子体214的体积大于图2A中的等离子体214的体积。第二(外部)约束环组210的直径至少大于第一(内部)约束环组208的直径。每个约束环组还可包括悬置的单个环的可拆(collapsible)堆(stack)。每个单个环之间的间隙是可调的。为说明性的目的，图2A和2B显示了各具有四个平行环的约束环组。作为例子，约束环组208和210均可由石英制成。
每个约束环组208和210能够上升和下降，以延伸到接地扩展部212之上的区域。如图2A所示，当第二约束环组210上升时，第一约束环组208可下降。如图2B所示，当第二约束环组210下降时，第一约束环组208可上升。如图2C所示，第一和第二约束环组208和210均可下降。如图2D所示，第一和第二约束环组208和210均可上升。本领域的普通技术人员可以理解，有很多方法降低和升高该约束环组。例如，可使用机械或马达驱动的旋钮来上升或下降该约束环，而不必打开和进入室202的内部。
在图2A所示的构造中，等离子体214被约束至与工件216横截面相当的横截面。该接地顶部电极面积大约等于该RF底部电极面积，这使电极面积比接近于1。其结果是，在工件216的偏置电压和离子能量非常低。图2A中所示的约束环208及210的构造可尤其用于易损坏的处理中，例如剥除或阻挡部(barrier)开口。
在图2B所示的构造中，等离子体214能够向外扩张很多。图2B中所示的接地的顶部接地电极206的有效表面面积大体上大于图2A所示的顶部接地电极206的有效表面面积。另外，此时接地扩展部212接触等离子体214，这进一步有效地增加了该电极面积。在顶部接地电极206和底部RF电极204之间的电极面积比由图2A到2B增加。该增加的面积比导致在底部RF电极204上增加的偏置电压，以及在顶部接地电极206和外部约束环210上降低的偏置电压。图2B中约束环208和210的构造可尤其用于要求高离子能量进行蚀刻的过孔(Via)或高纵横比接触(HARC)。
在图2C中所示的构造中，等离子体214被约束至与工件216横截面相当的横截面，因为约束环208和210被降低，为等离子体214提供了双层阻隔部。该接地顶部电极面积大约等于底部RF电极面积，这使电极面积比接近于1。其结果是，在工件216的偏置电压和离子能量非常低。图2C中所示的约束环208及210的配置可尤其用于易损坏的处理中，例如剥除或阻挡部开口。
在图2D所示的构造中，因约束环208和210被升高，等离子体214能够扩张越过内部和外部约束环208和210。图2D中所示的顶部接地电极206的有效表面面积大体上大于图2A、2B和2C所示的顶部接地电极206的有效表面面积。另外，此时接地扩展部212接触等离子体214，这进一步有效地增加了该电极面积。在顶部接地电极206和底部RF电极204之间的电极面积比由图2A、2B、2C到图2D增加。该增加的面积比导致在底部RF电极204上增加的偏置电压，以及在顶部接地电极206上降低的偏置电压。图2D中内部和外部约束环208和210的构造也可尤其用于要求高离子能量进行蚀刻的过孔(Via)或高纵横比接触(HARC)。
本领域的普通技术人员可理解，图2A、2B、2C以及2D所示的上述构造不打算限制，并且可使用其它配置，而不背离此处公开的创造性概念。例如，至少两个或多个约束环组可被设置，以进一步控制电极面积比。
图3示出了使用附图2A、2B、2C和2D中所说明的等离子体反应器的方法。在302，选取用于各内部和外部约束环组的位置(升高的或降低的)。该内部和外部约束环组能够被升高和降低，以延伸入该接地扩展部之上的区域。该内部约束环组可配置为当该第二约束环组上升时下降，反之亦然。在304，该降低的约束环组(内部、外部、或没有)的每个约束环之间的间隙也是可调的。约束环组也可同时下降或上升，如图2C和2D所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例和应用，对于从本公开获益的本领域技术人员来说，显然，许多超出上述提及的修改是可能的，而不背离此处的创新的概念。所以，除了在所附权利要求的精神内，本发明并不被限制。

Claims (29)

1.一种等离子体反应器，包括：
室；
封入所述室内的底部电极和顶部电极；
大体上平行于所述底部电极和所述顶部电极的第一约束环组，并围绕所述底部电极和所述顶部电极之间的第一体积；
大体上平行于所述底部电极和所述顶部电极的第二约束环组，并围绕所述底部电极和所述顶部电极之间的第二体积，
所述第二体积大于所述第一体积；
邻近并围绕所述底部电极的接地扩展部，
其中，所述第一约束环组和所述第二约束环组被悬置，且能够被独立地升高和降低，以延伸到所述接地扩展部之上的区域内。
2.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时降低，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时升高。
3.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时升高，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时降低。
4.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组包括每个约束环之间的可调的间隙。
5.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第二约束环组包括每个约束环之间的可调的间隙。
6.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组邻近所述顶部电极，使得有效电极面积比大体上接近1，通过用由所述底部电极支撑的工件面积除所述第一体积中的等离子体的横截面而定义所述有效电极面积比。
7.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中，所述第二约束环组被设置成使得有效电极面积比大体上大于1，通过用由所述底部电极支撑的工件面积除所述第二体积中的等离子体的横截面而定义所述有效电极面积比。
8.根据权利要求1所述的等离子体反应器，进一步包括连接到所述底部电极的电源，所述底部电极配置为用于接收工件。
9.根据权利要求8所述的等离子体反应器，其中，所述电源产生到所述底部电极的多个频率。
10.根据权利要求8所述的等离子体反应器，其中，所述顶部电极接地。
11.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述接地扩展部电连接到所述顶部电极，并包括在有效电极面积比内，通过用由所述底部电极支撑的工件面积除等离子体的横截面而定义所述有效电极面积比。
12.根据权利要求1所述的等离子体反应器，进一步包括邻近并围绕所述底部电极的介电环。
13.一种使用等离子体反应器的方法，所述等离子体反应器具有室，所述室带有：顶部电极；底部电极；具有第一直径的第一约束环组；具有第二直径的第二约束环组，所述第二直径大于所述第一直径；邻近并围绕所述底部电极的接地扩展部；所述方法包括：
悬置所述第一约束环组和所述第二约束环组；
为所述第一约束环组和所述第二约束环组选择位置，所述第一约束环组和所述第二约束环组能够被独立地升高和降低，以延伸到所述接地扩展部之上的区域内。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时降低，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时升高。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时升高，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时降低。
16.根据权利要求13所述的方法，进一步包括调整所述第一约束环组内的每个约束环之间的间隙。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括调整所述第二约束环组内的每个约束环之间的间隙。
18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括设置邻近所述顶部电极的所述第一约束环组，使得有效电极面积比大体上接近1，通过用由所述底部电极支撑的工件面积除在所述第一约束环组、所述顶部电极、和所述底部电极内的体积中的等离子体的横截面而定义所述有效电极面积比。
19.根据权利要求13所述的方法，进一步包括提供功率到所述底部电极，所述底部电极配置为用于接收工件。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括产生到所述底部电极的多个频率。
21.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述顶部电极接地。
22.根据权利要求13所述的方法，进一步包括用平行于所述底部电极的邻近的介电环围绕所述底部电极。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括用接地扩展部围绕所述介电环。
24.一种等离子体反应器，包括：
室；
封入所述室内的底部电极和顶部电极；
具有第一直径的第一约束环组，大体上平行于所述底部电极和所述顶部电极；
具有第二直径的第二约束环组，大体上平行于所述底部电极和所述顶部电极，所述第二直径大于所述第一直径；以及
邻近并围绕所述底部电极的接地扩展部，
其中，所述第一约束环组和所述第二约束环组被悬置，且能够被升高和降低，以延伸到所述接地扩展部之上的区域内。
25.根据权利要求24所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时降低，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时升高。
26.根据权利要求24所述的等离子体反应器，其中，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时升高，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时降低。
27.一种等离子体反应器，包括：
室；
封入所述室内的底部电极和顶部电极；
邻近并围绕所述底部电极的接地扩展部，
至少两个同心的约束环组，每个约束环组被悬置，并配置为被独立地升高和降低，以延伸到所述接地扩展部之上的区域内。
28.根据权利要求27所述的等离子体反应器，其中所述至少两个同心的约束环组包括第一约束环组和第二约束环组，所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被升高时降低，并且所述第一约束环组配置为当所述第二约束环组被降低时升高。
29.根据权利要求27所述的等离子体反应器，其中，所述至少两个同心的约束环组配置为被一起升高和降低。
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