CN101465189A - 一种电感耦合线圈及等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在半导体加工过程中电感耦合线圈及采用所述电感耦合线圈的等离子体装置，其设计要点在于电感耦合线圈至少包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈(7)和外线圈(8)组成，内、外线圈的绕向相反且内线圈(7)的末端与外线圈(8)的始端通过连接段(9)串联连接，各个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。工作中，流过这种线圈内圈的RF电流与流过外圈的RF电流反向，于是在反应室里产生分布均匀的电磁场，从而获得分布均匀的等离子体；根据晶片尺寸可以很容易地通过增加线圈的长度和圈数来获得大面积的等离子体和改善大面积工艺中等离子体的均匀性，使晶片表面发生的化学反应速率差异较小，提高晶片产品的质量。

Description

一种电感耦合线圈及等离子体装置

技术领域

本发明涉及一种电感耦合线圈及等离子体装置，具体地说是涉及半导体加工过程中的技术领域。

背景技术

目前，随着电子技术的飞速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置广泛地被应用于制造集成电路(IC)或MEMS器件的制造工艺中。因此，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体装置的研发对于半导体制造工艺和设备的发展来说是至关重要的。在用于半导体制造工艺的等离子体装置的研发中，最重要的因素是满足在大衬底上工作的能力，以便提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。具体地说，随着近年来晶片尺寸从200mm增大到300mm，提高晶片处理工艺的均匀性以及保持较高的等离子体密度变得非常重要。

在传统半导体制造工艺中已经使用了各种类型的等离子体装置，例如，电容耦合等离子体(CCP)类型，电感耦合等离子体(ICP)类型以及电子回旋共振等离子体(ECR)等类型。利用电容耦合方式的等离子体装置，其结构简单，造价低，但这种方式产生的等离子体密度较低，难以满足等离子体刻蚀速率和生产率的需求。利用电子回旋共振方式的等离子体装置尽管可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体，但是需要引入外磁场，需要微波管，造价相对较高。现今应用比较广泛的用于等离子体刻蚀设备的等离子体发生方式为电感耦合等离子体发生方式，这种方式可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，同时可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)独立控制，适用于金属和半导体等材料的刻蚀。在上述各种类型的等离子体装置中，对于300mm的大尺寸晶片，由于ICP装置可以高密度和高均匀性产生等离子体并且与其他类型的等离子体装置相比具有简单的结构，因此ICP类型装置被认为是最佳设备。然而，用于300mm晶片的ICP装置的研制并非是简单地改变现有的用于200mm晶片的ICP装置的尺寸就可以实现的。由于在ICP放电中起至关重要的线圈设计中的诸多困难，使得这种设备的研制受到多种限制。

图1所示的电感耦合等离子体装置是目前大多数半导体刻蚀设备中采用的结构。一般由反应腔室4、静电卡盘6与电感耦合线圈3组成，静电卡盘6位于反应腔室4内，与匹配器10和射频源11连接，静电卡盘6上安装晶片5。电感耦合线圈3位于反应腔室4上方与匹配器2和射频源1相连接。在半导体加工过程中，进入反应腔室4的工艺气体被其上方的电感耦合线圈3电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀晶片5表面的材质。首先，系统中分子泵抽出反应腔室4中的气体，在这一过程中，使气体产成电离形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈3，线圈3与用于提供射频电流的电源7通过匹配器8相连。随着RF电流流入线圈3，围绕线圈3产生磁场，并且磁场随着时间的成函数变化，在反应室4内感生出电场。同时反应室里的反应气体通过与感应电场所加速的电子碰撞而离子化，从而在反应室4内产生等离子体。所产生的等离子体与晶片5的表面进行化学反应，从而使晶片5经历所需的处理，例如刻蚀。同时在静电卡盘6上连接RF电源，用于提供偏置电压，以便增加等离子体与晶片5碰撞的离子的能量。

图2是目前大多数等离子体装置中采用的电感耦合线圈3的结构，电感耦合线圈3结构为平面螺旋结构。电感螺旋线圈3一般由单匝螺旋缠绕的导电线圈构成。此结构线圈存在以下问题：(1)由于RF电流流过线圈的方向相同，于是反应室内靠近线圈中心部分感应的电磁场强度比反应室内其他部分(如反应室内边缘部分)要大，因此产生的等离子体会存在中心密度高，边缘低的现象，这种在反应室内径向不均匀性紧紧依靠等离子体扩散是很难消除的。于是，当等离子体扩散到晶片表面时，在靠近晶片表面区域的中心部分等离子体的密度高，而在靠近晶片表面区域的边缘部分密度低；(2)当处理工件从200mm增大到300mm时，增加反应室内部尺寸的同时，为保证满足工艺需求的大面积高密度等离子体，就需要增加线圈的长度和圈数，线圈的长度增大则需要考虑由线圈引起的传输线效应，另外线圈长度的增加导致线圈电感也增加，过高的电感很难实现对线圈的共轭匹配，难以获得用于半导体加工的大面积高密度均匀分布的等离子体。

因此，目前大多数的刻蚀设备都存在着刻蚀速率不均匀的问题，这对半导体加工工艺造成了很大的不利影响。

发明内容

为解决半导体加工过程中等离子体密度分布不均匀的问题，本发明提供了一种电感耦合线圈及采用所述电感耦合线圈的等离子体装置。

本发明所述技术方案是这样实现的：所述电感耦合线圈至少包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈和外线圈组成，内、外线圈的绕向相反且内线圈的末端与外线圈的始端通过连接段串联连接；各个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。

本发明还提供了一种电感耦合等离子体装置，它包括反应室，反应室上部设有介电窗，所述的介电窗的上部设有上述的电感耦合线圈，电感耦合线圈通过匹配器与射频RF源连接；所述电感耦合线圈中的各个分支并联连接后与匹配器连接。

采用此结构线圈的等离子体发生装置优点如下：

1、流过内、外圈的RF电流反向，因此内、外圈产生的电磁场也是反向的，从而削弱了反应室内中心处电磁场的强度，使得电磁场在整个反应室内部径向分布均匀。

2、由于本明中的两个或两个以上分支形状完全相同，且对称布置，因此可以产生方位角向分布均匀的电磁场。利用此结构的线圈可以改善等离子体在反应室内部的分布均匀性。

3、采用此结构的线圈能够减小电感耦合线圈的电感，即使处理晶片尺寸增加，仍可以很容易地通过增加线圈的长度和圈数来获得大面积的等离子体和改善大面积工艺中等离子体的均匀性，从而使晶片表面发生的化学反应速率差异较小，提高晶片的质量，满足当今晶片加工过程中加工尺寸要求越来越大的发展趋势的需要。

附图说明

图1是现有技术中电感耦合等离子体装置结构示意图；

图2是现有技术中所使用的电感耦合线圈结构示意图；

图3是本发明实施例1电感耦合线圈结构示意图；

图4是本发明实施例2电感耦合线圈结构示意图；

图5是本发明实施例3电感耦合线圈结构示意图；

图6是本发明实施例4电感耦合线圈结构示意图；

图7是本发明实施例5电感耦合线圈结构示意图；

图8是本发明实施例6所述电感耦合等离子体装置的结构示意图；

图9是本发明实施例7所述电感耦合等离子体装置的结构示意图；

图10是本发明实施例8所述电感耦合等离子体装置的结构示意图；

图11是本发明实施例9所述电感耦合等离子体装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图作进一步详述：

实施例1

如图3电感耦合线圈结构示意图所示，电感耦合线圈包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈7和外线圈8组成，内线圈7的末端与外线圈8的始端通过连接段9串联连接；两个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。各个分支的内线圈7和外线圈8均为螺旋线形且绕向相反，即当内线圈7绕向为顺时针时，外线圈8绕向为逆时针，或者是当内线圈7绕向为逆时针时，此时外线圈8绕向为顺时针。线圈整体是平面线圈。

实施例2

如图4电感耦合线圈结构示意图所示，电感耦合线圈包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈7和外线圈8组成，内线圈7的末端与外线圈8的始端通过连接段9串联连接。两个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。各个分支的内线圈7为弧形，外线圈8为螺旋线形，内线圈7和外线圈8的绕向相反，即当内线圈7绕向为顺时针时，外线圈8绕向为逆时针，或者是当内线圈7绕向为逆时针时，此时外线圈8绕向为顺时针。线圈整体是平面线圈。

实施例3

如图5电感耦合线圈结构示意图所示，电感耦合线圈包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈7和外线圈8组成，内线圈7的末端与外线圈8的始端通过连接段9串联连接。两个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。各个分支的线圈中的内线圈7为弧形，外线圈8由多段曲率半径依次增大的弧形线圈通过外线圈连接段15串接而成。内线圈7和外线圈8的绕向相反，即当内线圈7绕向为顺时针时，外线圈8绕向为逆时针，或者是当内线圈7绕向为逆时针时，此时外线圈8绕向为顺时针。线圈整体是平面线圈。

实施例4

如图6电感耦合线圈结构示意图所示，电感耦合线圈包括三个完全相同的分支，每个分支由内线圈7和外线圈8组成，内线圈7的末端与外线圈8的始端通过连接段9串联连接。三个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。各个分支的内线圈7为弧形，外线圈8为螺旋线形，内线圈7和外线圈8的绕向相反，即当内线圈7绕向为顺时针时，外线圈8绕向为逆时针，或者是当内线圈7绕向为逆时针时，此时外线圈8绕向为顺时针。线圈整体是平面线圈。

实施例5

如图7电感耦合线圈结构示意图所示，电感耦合线圈包括四个完全相同的分支，每个分支由内线圈7和外线圈8组成，内线圈7的末端与外线圈8的始端通过连接段9串联连接。四个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。各个分支的内线圈7为弧形，外线圈8为螺旋线形，内线圈7和外线圈8的绕向相反，即当内线圈7绕向为顺时针时，外线圈8绕向为逆时针，或者是当内线圈7绕向为逆时针时，此时外线圈8绕向为顺时针。线圈整体是平面线圈。

实施例6

如图8所示，本实施例所述电感耦合等离子体装置，它包括反应室4，固定在反应腔室4内部下表面的静电卡盘6以及固定在反应腔室4上部外表面的电感耦合线圈3，反应室4上部设有介电窗12，所述的介电窗的上部设有电感耦合线圈，其中，所述电感耦合线圈采用上述实施例所述的电感耦合线圈。静电卡盘6与第一匹配器10和第一射频源11通过导线依次串联连接；所述电感耦合线圈的各分支的输入端并联后接可变电容14，之后与第二匹配器2和第二射频源1通过导线依次串联连接，各分支的输出端分别通过接地电容13接地；其中第一匹配器10和第一射频源11以及第二匹配器2和第二射频源1分别接地。

实施例7

如图9所示，本实施方式与实施例6的不同点在于，所述电感耦合线圈的各分支的输入端分别串联有可变电容14和15，之后并联连接；输出端通过接地电容13接地。其它组成和连接关系与实施例6相同。

实施例8

如图10所示，本实施方式与实施例6的不同点在于，所述电感耦合线圈的各分支的输入端并联后与第二匹配器2和第二射频源1通过导线依次串联连接，输出端分别串联可变电容14和15后再并联接地。其它组成和连接关系与实施例6相同。

实施例9

如图11所示，本实施方式与实施例8的不同点在于，所述电感耦合线圈的各分支的输出端并联后接可变电容14再接地。其它组成和连接关系与实施例6相同。

可以理解地是，本实施例所述等离子体装置，不局限于等离子体刻蚀设备，上述实施例中所述的电感耦合线圈，也可以应用于等离子体物理汽相沉积，等离子体化学汽相沉积，等离子体表面清洗等设备；使用过程中均可获得较高的等离子体密度，从而大大提高产品加工精度。

以上关于本发明所述用于等离子体装置的电感耦合线圈及采用所述电感耦合线圈的等离子体装置的具体描述，仅用以说明本发明而并非限制本实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，比如说，所述弧形内线圈7可为圆弧段或者椭圆弧段，也可以为任意曲率的弧形段，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本专利的保护范围中。

Claims (10)

1、一种电感耦合线圈，其特征在于所述电感耦合线圈至少包括两个完全相同的分支，每个分支由内线圈(7)和外线圈(8)组成，内、外线圈的绕向相反且内线圈(7)的末端与外线圈(8)的始端通过连接段(9)串联连接，各个分支的内、外线圈分别对称嵌套且共面。

2、根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述每个分支的内线圈(7)和外线圈(8)均为螺旋线形。

3、根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述每个分支的内线圈(7)为弧形，外线圈(8)为螺旋线形。

4、根据权利要求1所述的电感耦合线圈，其特征在于所述每个分支的内线圈(7)为弧形，外线圈(8)由多段曲率半径依次增大的弧形线圈通过外线圈连接段(15)串接而成。

5、一种电感耦合等离子体装置，它包括反应室，反应室上部设有介电窗，所述的介电窗的上部设有电感耦合线圈，电感耦合线圈通过匹配器与射频RF源连接，其特征在于所述电感耦合线圈采用权利要求1、2、3或4所述的电感耦合线圈。

6、根据权利要求5所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于所述电感耦合线圈中的各个分支并联连接后与匹配器连接。

7、根据权利要求6所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述电感耦合线圈的各分支的输入端并联后接可变电容，输出端通过接地电容接地。

8、根据权利要求7所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述电感耦合线圈的各分支的输入端分别串联有可变电容，之后并联连接；输出端通过接地电容接地。

9、根据权利要求7所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述电感耦合线圈的各分支的输出端分别串联可变电容后再并联接地。

10、根据权利要求7所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述电感耦合线圈的各分支的输出端并联后接可变电容再接地。

Images