CN101295629B - 消除感应耦合等离子体反应器中m形状蚀刻率分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种消除感应耦合等离子体反应器中M形状蚀刻率分布的方法。感应耦合等离子体处理室具有带顶的室。第一和第二天线与顶相邻布置。第一天线与第二天线同心。等离子源功率供应耦合到第一和第二天线。等离子源功率供应产生到第一天线的第一RF功率，和到第二天线的第二RF功率。衬底支撑设置在室内。第一天线的尺寸和衬底支撑之间的距离使衬底支撑上衬底的蚀刻率大致均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种衬底处理室。更具体地，本发明涉及用于改进在感应耦合等离子体反应器中的蚀刻率均匀性的方法。
背景技术
用来制造半导体微电子电路的等离子体反应器可以采用RF感应耦合场来保持从处理气体形成的等离子体。这样的等离子体在执行蚀刻和沉积处理中是有用的。通常，高频RF源功率信号施加到反应器室顶附近的线圈天线。偏压RF信号施加到室内基座上的半导体晶片或者工件支撑。施加到线圈天线的信号的功率主要确定室内等离子体离子密度，而施加到晶片的偏压信号的功率确定晶片表面处的离子能量。这种线圈天线的一个问题是在线圈天线上的电压降比较大，这会在等离子体中造成不利影响。这种影响随着施加到线圈天线的源功率信号的频率增大而变得更尖锐，因为线圈天线的电阻与频率成比例。在一些反应器中，通过将该频率限制到诸如2MHz的低范围来解决这个问题。遗憾的是，在这样低的频率下，RF功率耦合到等离子体的效果较差。经常在10MHz至20MHz的范围内的频率下更容易实现稳定的高密度等离子体排出。在更低频率范围(例如，2MHz)下工作的另一缺点是诸如阻抗匹配网络的这些元件的部件尺寸更大，因而更麻烦，成本更高。
线圈天线的另一问题是有效地感应耦合到等离子体一般通过增大线圈的匝数来实现，这形成了较大的磁束密度。这增大了线圈的感应电抗，并且由于电阻(主要由等离子体电阻组成)仍然不变，所以电路Q(电路电抗与电阻之比)增大。这又导致在改变室条件期间保持阻抗匹配的不稳定性和困难。不稳定性尤其在线圈感应系数足够大，使得在杂散电容组合的情况下，在施加到线圈的RF信号的频率附近发生自谐振。因而，必须限制线圈的感应系数，以避免这些后面的问题。
对室顶上的线圈天线(传统以及交错型)的一个限制是天线中相邻导体之间的相互感应系数一般在水平方向-与必须将RF功率感应耦合到等离子体的垂直方向大致正交。这是限制能量沉积到等离子体的空间控制的一个重要的因素。本发明的目的是在空间控制感应耦合中克服这个限制。
通常，对于“内”和“外”线圈天线，它们物理地径向或者水平分布(而不是限制到离散的半径)，使得它们的径向位置相应地扩散。这在水平“薄烤饼”构造尤其是这样。因而，限制了通过改变在内和外天线之间施加的RF功率的相对分配而改变等离子体离子分布的径向分布的能力。这问题在处理直径较大的(例如，300mm)的半导体晶片上尤其显著。这是因为随着晶片尺寸增大，变得更难以在整个晶片表面上保持均匀的等离子体离子密度。可以通过调节从顶上的天线施加的磁场的径向分布来容易地控制等离子体离子密度的径向分布。真是这个场确定了等离子体离子密度。因而，随着晶片尺寸增大，要求控制或者调节施加的RF场的径向分布的能力更大。因而，期望地提高内和外天线之间施加的RF功率的分配的效果，并且尤其是通过将内和外天线的每个限制到离散或者很窄的径向位置来将其完成。
发明内容
附图说明
本发明以示例的方式而不是限制的方式图示，在附图中：
图1是根据一个实施例的具有两个可不同调节的分别连接到内和外线圈天线输出的单个功率源的感应耦合等离子体反应器。
图2是图示根据一个实施例用于改进图1的反应器中蚀刻率均匀性的流程图。
图3是图示传统的反应器和根据一个实施例的反应器的蚀刻率的曲线图。
图4是图示根据一个实施例线圈直径不同的蚀刻率的曲线图。
图5是图示根据一个实施例室间隙为5”和室间隙为6”的蚀刻率的曲线图。
图6是图示根据一个实施例5线圈直径为12”和线圈直径为17”，且室间隙为6”的蚀刻率的曲线图。
具体实施方式
以下描述阐述许多具体的细节，诸如具体系统、部件、方法等的示例，以提供对本发明的若干实施例的良好理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，无需这些具体细节也可以实施本发明至少一些实施例。在其它情况下，没有详细描述或者在简单的框图中提供公知的部件或者方法，以避免不必要地使本发明不清楚。因而，所阐述的具体细节仅仅是示例性的。特定的实施例可以根据这些示例性的细节改变，并且还可以在本发明的精神和范围内想到。
描述用于处理衬底的方法和设备。感应耦合等离子体处理反应器具有与室顶相邻布置的内线圈天线和外线圈天线。单个功率源具有分别连接到内和外线圈天线的两个可不同调节的输出。对外线圈天线的直径和室中衬底支撑和室顶之间的间隙进行调节，以减小在感应耦合反应器中“M形状”蚀刻率分布。
图1是根据一个实施例的感应耦合等离子体反应器的框图。反应器室102由柱形侧壁104和平顶106限定。衬底支撑108可以设置在反应器室102内，其方位为面向室顶，并定心在室的对称轴线上。衬底支撑108可以定位在顶124下距离h处。
真空泵110与室102的排出出口(未示出)协作。处理气体供应112将处理通过气体入口114供应进入室102的内部。本领域的技术人员将认识到处理气体可以包括不同的成分，例如，用于多晶硅蚀刻的卤化物气体、用于二氧化硅蚀刻的碳氟化合物气体、或者用于硅化学蒸气沉积处理的硅烷气体、用于金属蚀刻的含氯气体。气体入口114在图1中图示为单个管，在实际应用中可以通过诸如多入口的复杂结构来实现。
在从天线130感应进入室102的RF功率的影响下，这些气体将支撑用于处理衬底116的等离子体。利用适合的前驱体气体，可以执行的等离子体处理不仅可以包括蚀刻，而且包括诸如化学蒸气沉积的沉积。
基座108可以包括导电电极118，其通过阻抗匹配网络120耦合到偏压RF功率源122。室侧壁104可以是诸如铝的金属，而顶106可以是诸如石英的介质。在本发明的其它实施例中，顶106可以是平的，但是也可以是穹状或者锥形。
根据另一实施例，顶106可以是半导体而不是介质。顶124的半导体材料可以具有最佳的导电性，使得其用作从天线130到RF感应场的窗口以及电极。在顶106可以采用作电极的情况下，它可以接地(未示出)或者可以通过匹配网络(未示出)连接到RF功率源(未示出)。室102和/或者天线130可以具有非柱状的形状(例如，具有方形截面的长方体形状)。衬底116还可以是非圆形(例如，方形或者其它外部形状)。衬底116可以包括半导体晶片、或者诸如掩膜光栅的其它物体。
如图1所示，天线130可以包括第一天线148和第二天线150，两者相邻并在室102的顶106上。根据一个实施例，第一天线148可以与第二天线150同心。第一天线148可以是轴线与室102相同的内线圈天线。第二天线150可以是轴线与室102相同的外线圈天线。外线圈天线150可以因而具有的直径D2大于图1中图示的内线圈天线148的直径D1。
RF功率源组件132可以包括连接到阻抗匹配网络136的一个RF发生器134。根据一个实施例，阻抗匹配网络136包括串联电容器138和可变并联电容器140。本领域的技术人员将认识到阻抗匹配网络126不限于图1所示的电路。实现以单个频率从单个功率源产生两个不同功率电平的类似效果的其它电路也是可以的。
阻抗匹配网络136可以包括第一RF输出端子144和第二RF输出端子146。第一RF输出端子144可以连接在串联电容器138的输入处。第二RF输出端子146可以连接到串联电容器138的输出处。本领域的技术人员将理解到图1中图示的匹配网络136的电路不是完整的匹配网络电路。它仅仅为了图示目的而示出。调节可变并联电容器140可以将更多功率分配到一个输出端子或者其它，这取决于该调节。因而，可以不同地调节在这两个输出端子144、146处的功率电平。
第一输出端子144可以连接到外天线150，而第二输出端子146可以连接到内天线148。因而，端子144、146分别连接到内和外天线150、148。双输出功率源组件132可以用于任何具有内和外天线的等离子体反应器。
若干因素可以影响衬底16的蚀刻率分布。在这些因素中是内线圈天线148的直径D1、外线圈天线150的直径D2和衬底116/衬底支撑118和室102的顶106之间的间隙h。通过调节直径D、直径D2和/或者间隙h，衬底116的“M”形状蚀刻率分布可以被消除或者显著减小。根据一个实施例，可以修改/调节直径D2和室间隙h以改进衬底的蚀刻率分布。
图2是图示用于改进图1的反应器中的蚀刻率均匀性同时消除衬底116的“M”形状蚀刻率分布的方法的流程图。在202，提供感应耦合等离子体反应器。室具有内和外天线，两者由如图1所示的一个可不同调节的功率供应提供功率。在204，衬底支撑设置在室中距离室顶室间隙h处。
在206，调节外天线的直径以增大室中设置在衬底支撑上的衬底的蚀刻率分布均匀西。根据一个实施例，外天线的直径增大，例如，从15”到17”。
在208，调节室间隙h以增大衬底的蚀刻率分布的均匀性。根据一个实施例，室间隙h从5”增大到6”。
根据另一实施例，调节和平衡直径和室间隙h，使得衬底的蚀刻率分布大致均匀，从而显著地消除了“M”形状蚀刻率分布。
图3是图示来自传统反应器和来自根据一个实施例的反应器的蚀刻率分布比较的曲线图。蚀刻率分布302是传统的外线圈天线直径为15”和室间隙为5”的感应耦合室的结果。蚀刻率分布304是根据一个实施例的感应耦合室的结果。为了图示的目的，感应耦合室的一个实施例的室间隙为6”，外线圈天线直径为17”。如图3所示，在衬底的表面上蚀刻率分布大致均匀。显著消除了之前的M形状。
图4图示了基于恒定的室间隙h和不同的直径D2，不同的蚀刻3率分布。外线圈天线150的直径D2的变化影响M形状波峰位置。当室间隙h较小时，外线圈天线150的直径D2的影响由于有限的垂直室高度而引起的短的扩散水平长度而变得显著。M形状波峰随着直径D2增大而朝着衬底的边缘移动，从而增大了衬底116的边缘处的蚀刻率，并提高了蚀刻率均匀性。
图5图示了基于不同的室间隙h(5”和6”)和恒定外线圈天线直径D2(15”)不同的蚀刻率分布。间隙h的变化给予等离子体更多的水平扩散的空间/机会。因而，M形状峰值随着室间隙h增大而朝着中心移动，最终在中心融合形成单个的波峰。另一方面，由于更长的扩散长度在室壁104处存在更多用于表面重组损失的机会。在边缘处的蚀刻率快速地减小。
图6是图示根据一个实施例线圈直径12”和线圈直径为17”，且室间隙为6”的蚀刻率分布的曲线图。对于外线圈直径为12”，衬底边缘处的蚀刻率似乎没有增大。然而，对于外线圈直径为17”，蚀刻率相当于衬底中心处的蚀刻率。
尽管此处以特定的顺序描述和示出方法的操作，可以改变每个方法的操作顺序，使得可以以相反的顺序执行特定的操作，或者可以至少部分地将特定的操作和当前的其它操作一起执行。在另一实施例中，截然不同的操作的指令或者子操作可以以间歇的方式和/或者交替的方式。
在前述说明书中，已经参照具体示例性实施例描述本发明。然而，明显地，可以在不脱离在权利要求书中阐述的本发明的较宽精神和范围的情况下进行各种修改和改变。因而，说明书和附图可以视为图示性意义而非限制意义。
Claims (16)
1.一种用于处理衬底的设备，包括：
具有顶的室；
与所述顶相邻的第一和第二天线，所述第一天线与所述第二天线同心，其中，所述第一天线包括具有至少17”的直径的第一电磁线圈；
等离子体源功率供应，其耦合到所述第一和第二天线；以及
衬底支撑，其设置在所述室内，其中，所述衬底支撑和所述顶之间的距离至少是6”，
其中，所述第一天线的尺寸和所述衬底支撑和所述顶之间的距离使所述衬底支撑上的具有300mm直径的衬底的蚀刻率均匀，并且没有M形状分布。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二天线包括第二电磁线圈。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一电磁线圈的直径大于所述第二电磁线圈的直径。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底的内区域的蚀刻率取决于所述第一天线的尺寸。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述衬底的外区域的蚀刻率取决于所述衬底支撑和所述顶之间的距离。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述等离子体源功率供应还包括：
RF功率供应；以及
阻抗匹配网络，其耦合到所述RF功率供应，
其中，所述阻抗匹配网络包括具有可不同调节的功率电平的第一和第二RF输出，所述第一RF输出连接到所述第一天线，所述第二RF输出连接到所述第二天线。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述阻抗匹配网络产生到所述第一天线的第一RF功率电平和到所述第二天线的第二RF功率电平，
其中，可不同地调节所述分别施加到所述第一和第二天线的RF功率电平以控制从所述第一和第二天线施加到RF场的径向分布。
8.一种用于在感应耦合处理室中处理衬底的方法，包括：
定位与所述室的顶相邻的第一和第二天线，所述第一天线与所述第二天线同心，其中，所述第一天线包括具有至少17”的直径的第一电磁线圈；
在所述室中设置衬底支撑，其中，所述衬底支撑和所述顶之间的距离至少是6”；以及
调节所述第一天线的尺寸和所述室的体积，使得所述衬底支撑上的具有300mm直径的衬底的蚀刻率均匀，并且没有M形状分布。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
将等离子体源功率供应耦合到所述第一和第二天线，
其中，所述等离子体源功率供应包括具有可不同调节的功率电平的第一和第二RF输出，所述第一RF输出连接到所述第一天线，所述第二RF输出连接到所述第二天线。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，调节所述室的体积还包括：
调节所述衬底支撑和所述室的所述顶之间的距离。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二天线包括第二电磁线圈。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一电磁线圈的直径大于所述第二电磁线圈的直径。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述衬底的内区域的蚀刻率取决于所述第一天线的尺寸。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述衬底的外区域的蚀刻率取决于所述衬底支撑和所述顶之间的距离。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括：
平衡所述第一电磁线圈的直径和所述衬底支撑和所述室的顶之间的距离以对所述衬底进行均匀的蚀刻。
16.一种感应耦合等离体处理室，包括：
具有顶的室；
与所述顶相邻的第一和第二天线，所述第一天线与所述第二天线同心；
设置在所述室中的衬底支撑，所述衬底支撑用于支撑300mm的衬底；
用于将第一RF功率供应到所述第一天线以及将第二RF功率供应到所述第二天线的装置；以及
其中，所述顶与所述衬底分开一距离，并且其中，所述距离是可调节的，并且其中，所述第一天线具有可调节的直径；以及
其中，所述第一天线包括第一电磁线圈，并且所述第二天线包括第二电磁线圈，所述第一电磁线圈的直径大于所述第二电磁线圈的直径，所述第一电磁线圈的直径至少为17”，所述衬底支撑和所述顶之间的距离至少为6”，并且其中，所述衬底支撑上的300mm的晶片的蚀刻率均匀，并且没有M形状分布。
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