CN101821836B - 等离子体处理装置中的电荷中和 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体处理装置，包括：制程室；源，配置成在制程室内产生等离子体，以及压盘，配置成在制程室内支撑工件。压盘由具有脉冲ON时间周期及脉冲OFF时间周期的脉冲压盘信号来偏置，以在脉冲ON时间周期并且不在脉冲OFF时间周期内朝向工件加速来自等离子体的离子。板状物定位于制程室内。板状物由板状物信号来偏置，以在脉冲压盘信号的脉冲OFF时间周期之一的至少一部份周期内朝向板状物加速来自等离子体的离子，引起从板状物的二次电子发射，以至少部份地中和工件上的电荷积聚。
Description
技术领域
本发明是关于等离子体处理，并且特别是关于等离子体处理装置中的电荷中和。
背景技术
等离子体处理装置在制程室中产生等离子体以处理由制程室内的压盘所支撑的工件。等离子体处理装置可包括掺杂系统、蚀刻系统以及沉积系统，但并不局限于此。等离子体处理装置可进行脉冲模式操作，其中利用具有脉冲ON时间周期及脉冲OFF时间周期的脉冲压盘信号来偏置压盘。来自等离子体的离子在脉冲ON周期朝工件加速。随着离子冲击工件，电荷在脉冲ON周期积聚于工件上。
在持续具有等离子体的等离子体掺杂系统中，当脉冲压盘信号的任务周期(duty cycle)相对较低时，在脉冲ON周期内的所有正电荷积聚倾向于在脉冲OFF周期内被等离子体中的电子有效地中和。然而，需要增加脉冲压盘信号的任务周期来增加产量并且保持某些现代装置(modern device)所需的掺杂位准。例如，希望藉由任务周期大于40％的等离子体掺杂来进行某些最新装置的多晶硅栅极掺杂(poly gate doping)以及反向掺杂(counterdoping)。
随着脉冲压盘信号的任务周期增加到大约40％以上，用以在脉冲OFF周期中和积聚于工件上的电荷的时间周期较短。此外，在脉冲OFF周期不形成等离子体的等离子体系统中，不存在电子来中和积聚的电荷。因此，即便脉冲压盘信号的任务周期相对较低，电荷也会积聚于这种系统中。从而，在系统中出现过量的电荷积聚。这样就会在工件上形成相对较高的电位，引起掺杂不均、电弧放电、微负载(micro-loading)以及元件损坏。例如，薄栅极介质会被过量的电荷累积所损坏。
因此，需要提供一种能克服上述不适处及缺陷的等离子体处理装置中的电荷中和技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种等离子体处理装置。等离子体处理装置包括：制程室；源，配置成在制程室内产生等离子体；压盘，配置成在制程室内支撑工件，压盘由具有脉冲ON时间周期和脉冲OFF时间周期的脉冲压盘信号来偏置(biased)，以在脉冲ON时间周期且不在脉冲OFF时间周期朝向工件加速来自等离子体的离子；以及板状物，定位于制程室内。板状物由板状物信号来偏置，以在脉冲压盘信号的脉冲OFF时间周期之一的至少一部份周期内朝向板状物加速来自等离子体的离子，引起从板状物的二次电子发射来至少部份地(partially)中和工件上的电荷积聚。
根据本发明的另一方面，提供一种控制电荷积聚的方法。此方法包括在提供给压盘的脉冲压盘信号的脉冲ON周期且不在脉冲OFF周期内，朝向由制程室内的压盘支撑的工件加速来自制程室内的等离子体的离子，并且在脉冲压盘信号的脉冲OFF周期之一的至少一部份周期内朝向板状物加速来自等离子体的离子，以引起从板状物的二次电子发射来至少部份地中和工件上的电荷积聚。
附图说明
为了更佳地理解本发明揭露揭示的内容，参看附图，附图中同样的元件引用同样的数字，在附图中：
图1是根据本发明实施例的等离子体处理装置的方块图；
图2是图1的等离子体处理装置的脉冲压盘信号及不同板状物信号的曲线图；
图3是图1的等离子体处理装置的另一板状物信号的曲线图；
图4至6是图1的板状物的不同实施例的示意性横截面图。
具体实施方式
图1是根据本发明的具有电荷中和能力的一等离子体处理装置100的方块图。于图1的实施例中，等离子体处理装置100是等离子体掺杂系统并且将在本案中进行描述。本案描述的电荷中和配置也可用于其他等离子体处理装置，包括但不限于其中电荷可积聚于工件上的蚀刻系统及沉积系统。此外，图1的等离子体掺杂系统仅是能够利用根据本发明的电荷中和来进行离子植入的许多可能等离子体掺杂系统之一。
等离子体掺杂系统包括定义封闭体积103的制程室102。可藉由温度调节系统(未图示)来对制程室102进行冷却或加热。压盘134可定位于制程室102内来支撑工件138。于一实例中，工件138可以是碟形半导体晶圆，例如直径300毫米(mm)的硅晶圆。工件138可藉由静电力或机械力钳夹于压盘134的平面。于一实施例中，压盘134可包括用以连接工件138的导电插脚(pins，未图示)。
气体源104经质量流控制器(mass flow controller，MFC)106提供主掺质气体到制程室102的内部体积103。可存在多个附加气体源来提供多种附加气体。于一实例中，二次气体源105可经质量流控制器107来提供二次气体到制程室102的内部体积103。
板状物170定位于制程室102内。板状物170偏置成在特定时间内至少部份中和该工件138上的电荷积聚。板状物170还可作为气体挡板来偏转来自气体源104和105的气体流。板状物170也可在如箭头197所示的垂直于压盘134的方向上移动。板状物170可具有任何所希望的形状，且于一实例中具有碟形。尽管绘示成具有平面表面，但板状物170还可具有弓形或其他形状表面。尽管板状物170绘示成直接定位于工件138上方，但是板状物170可定位于制程室102内的不同位置。板状物170还可任选包括温度调节系统来调节板状物170的温度。温度调节系统可以包括板状物170内的通路187来使流体循环。流体可以是冷却流体或加热流体。
压力计108量测制程室102内部的压力。真空泵112透过制程室102内的排气口110来对制程室102进行排空。排气阀114控制经排气口110的排气导通(exhaust conductance)。
等离子体掺杂系统还包括电性连接至质量流控制器106、107、压力计108以及排气阀114的气压控制器116。气压控制器116可配置成藉由响应于压力计108的反馈环(feedback loop)形式利用排气阀114来控制排气导通或者利用质量流控制器106来控制制程气体流速而在制程室102内保持所需的压力。
制程室102包括室顶118，其包括由在大致水平方向上延伸的介质材质形成的第一部份120。室顶118还包括第二部份122，其由在大致垂直方向上从第一部份120延伸一定高度的介质材质形成。室顶118还包括在水平方向上跨越第二部份122而延伸的导电且导热的材质形成的盖124。在某些实施例中，盖124包括冷却系统以发散处理过程中产生的热负载。
等离子体掺杂系统可还包括源101，其配置成在制程室102内产生等离子体140。源101可包括RF源150(例如，电源)以供应RF动力(power)到平面天线126及螺旋天线146中的一个或二个来产生等离子体140。RF源150可藉由将RF源150的输出阻抗匹配到RF天线126、146的输出阻抗的阻抗匹配网络152而耦接到天线126、146以使从RF源150传输到RF天线126、146的动力得以最大化。
等离子体掺杂系统还可包括电性耦接至压盘134的偏置(bias)电源148。偏置电源148配置成提供具有脉冲ON时间周期及脉冲OFF时间周期的脉冲压盘信号来偏置该压盘134，并且因而偏置该工件138，以在脉冲ON时间周期并且不在脉冲OFF周期朝向工件138而加速来自等离子体140的离子。偏置电源148可以是DC或RF电源。
另一偏置电源172电性耦接至板状物170以提供板状物信号到板状物170。板状物170由板状物信号偏置以如箭头193所示地朝向板状物170而加速来自等离子体140的离子。有利地，冲击板状物170的离子将引起二次电子发射(如箭头195所示)以至少部份地中和该工件138上的正电荷积聚。尽管绘示成不同电源，但电源172和148，甚至电源150可在实际上采用同一电源。
等离子体掺杂系统可还包括电荷监控器192、控制器156以及用户接口系统158。电荷监控器192可监控电荷积聚或累积并且提供代表该工件138上的电荷积聚的电荷信号到控制器156。电荷监控器192可以是本领域公知的任意类型的电荷监控器，例如，电容式监控器。电荷监控器192可定位于工件138附近的遮蔽环194内。遮蔽环194在图1的实施例中设置于压盘134周围。如本领域公知者，遮蔽环194可偏置成改良该工件138边缘附近的植入离子分布的均匀性。一个或多个法拉第传感器(例如，法拉第杯)199也可定位于遮蔽环194内来感测离子束电流。法拉第传感器还可包括定位于工件138周围的环形法拉第感测传感器或者分段式环形法拉第传感器。在离子朝向板状物170加速时法拉第传感器所感测的电流位准代表从板状物170的二次电子发射速率并且可由控制器156用以监控二次电子发射的实际速率。控制器156可对此实际速率进行响应来调节板状物信号的一个或多个参数以增加或降低二次电子发射速率。
控制器156可以是或者包括通用型计算机(general-purpose computer)或者通用型计算机网络，其程序化为执行所希望的输入/输出功能。控制器156还可包括其他电子电路或元件，例如，特殊应用集成电路、其他硬件或可程序化电子装置、离散元件电路(discrete element circuit)等。控制器156还可包括通讯装置、数据储存装置以及软件。为了使描述更清楚，控制器156绘示成仅向电源148、150、172提供输出信号并且从电荷监控器192和法拉第杯199接收多种输入信号。本领域熟知此项技艺者应该意识到控制器156可向等离子体掺杂系统的其他元件提供输出信号并从其接收输入信号。用户接口系统158可包括诸如触摸屏、键盘、用户指向装置(userpointing device)、显示器、打印机等装置，以允许用户输入指令和/或数据和/或透过控制器156来监控等离子体掺杂系统。
操作时，气体源104供应一种包含对工件138进行植入所需的掺质(dopant)的主掺质气体。主掺质气体的实例包括BF3、BI3、N2、Ar、PH3、AsH3、B2H6、H2、Xe、Kr、Ne、He、SiH4、SiF4、GeH4、GeF4、CH4、CF4、AsF5、PF3以及PF5，但不局限于此。气压控制器116调节主掺质气体供应到制程室102的速率。源101配置成在制程室102内产生等离子体140。源101可由控制器156来控制。为了产生等离子体140，RF源150在RF天线126、146中的至少一个内使RF电流共振以产生振荡磁场。振荡磁场感应(induce)RF电流使流入到制程室102。制程室102内的RF电流激发并电离主掺质气体以产生等离子体140。
二次气体源105也可供应二次气体到制程室102。二次气体可以是对掺杂制程影响最小的惰性气体。二次气体可以是比主掺质气体更重的气体。此外，相较于提供的主掺质气体量，提供的二次气体量相对较小。二次气体可选择成改变从板状物170的二次电子发射。例如，在所有其他参数相同的情况下，某些二次气体可促进更大量的二次电子发射。
偏置电源148提供脉冲压盘信号来偏置该压盘134并且因而偏置该工件138，以在脉冲压盘信号的脉冲ON周期并且不在脉冲OFF周期内朝向工件138而加速来自等离子体140的离子。离子可以是正电离子并且因而使脉冲压盘信号的脉冲ON周期相对于制程室102为负压脉冲，以吸引正电离子。脉冲压盘信号的频率和/或脉冲的任务周期可选择成提供所需的剂量率(doserate)。脉冲压盘信号的幅度选择成提供所需能量。依据制程条件的类型，例如当脉冲压盘信号的任务周期相对较高时，在工件138上积聚过量的电荷。过量的电荷积聚会导致在工件138上形成相对较高的电位，其引起掺杂不均、电弧放电、微负载以及元件损坏。
另一偏置电源172提供板状物信号来偏置板状物170，以如箭头193所示地朝向板状物170而加速来自等离子体140的离子。冲击板状物170的离子如箭头195所示地引起二次电子发射来至少部份地中和该工件138上的正电荷积聚。从板状物170的二次电子发射是在脉冲压盘信号的脉冲OFF时间周期之一的至少一部份周期内发生。离子冲击板状物170的附带好处是其倾向于使得板状物170上的沉积层的形成得以最小化。因此，相较于未被离子冲击的板状物，板状物170的维护频率降低。此外，相较于未被离子冲击的板状物，可实现更好的离子性能以及制程控制。
转向图2，绘示了示范性脉冲压盘信号202的曲线图。在本实例中，脉冲压盘信号202是具有定义频率的周期T的脉冲DC信号。典型的频率范围在100Hz和10kHz之间。脉冲压盘信号202具有交替的脉冲ON时间周期和脉冲OFF时间周期。例如，脉冲ON时间周期出现于时间t0和t1，t2和t3等等之间，而脉冲OFF时间周期出现于时间t1和t2，t3和t4等等之间。脉冲压盘信号202的任务周期由脉冲ON时间周期与周期T的比率给出。因此，任务周期越高导致脉冲OFF时间周期越短。脉冲压盘信号202在脉冲ON时间周期具有相对制程室102的负幅度(-V1)以朝向工件138而加速来自等离子体140的离子。在脉冲ON时间周期中，过量的电荷可积聚于工件138内。
偏置板状物170的板状物信号的不同参数可改变，以改变从板状物170的二次电子发射量。这些参数可包括电压幅度、脉冲宽度、脉冲量等等。一般来说，增加电压幅度将增加二次电子的产量。当所有其他参数相同时，增加脉冲宽度和脉冲量一般也增加二次电子的产量。
图2中绘示了若干不同板状物信号以进一步绘示板状物信号的参数改变将如何改变从板状物170的二次电子发射。第一示范性板状物信号204绘示于与脉冲压盘信号202一致的时间轴上。如图2所示，板状物信号204是在脉冲压盘信号202的脉冲OFF时间周期之一的一部份周期内具有脉冲ON时间周期210的脉冲DC信号，例如于本实例中在时间t5和t6的脉冲OFF时间周期内。尽管绘示为脉冲DC信号，但本领域熟知此项技艺者应意识到板状物信号204也可以是脉冲RF信号。在脉冲ON时间周期210内，来自等离子体140的离子朝向板状物170加速以引起二次电子发射。脉冲ON时间周期210具有定义脉冲宽度(Δt2)的开始时间(t5a)和停止时间(t5b)。开始时间(t5a)可同步成在脉冲压盘信号202的前一脉冲ON时间间隔结束的特定时间间隔(Δt1)内开始。于一实施例中，本特定时间间隔(Δt1)可以是0.1微秒。开始时间(t5a)也可以与脉冲压盘信号202的前一脉冲ON时间间隔的结束一致。脉冲ON时间周期的数量，包括各脉冲ON周期的开始时间(t5a)、停止时间(t5b)以及脉冲宽度(Δt2)选择成提供所需的从板状物170的二次电子发射量。可响应于工件138在特定制程的预期电荷积聚或者代表电荷积聚的量测条件来调节这些参数。
图2还绘示了第二示范性板状物信号206。类似于第一板状物信号204，第二板状物信号206也是脉冲DC信号。相较于第一脉冲板状物信号204，第二脉冲板状物信号206配置成偏置该板状物170以在脉冲压盘信号202的各脉冲OFF时间周期内朝向板状物而加速离子。例如，第一脉冲ON周期212同步成在时间t1和t2之间的脉冲压盘信号202的第一脉冲OFF周期内出现。类似地，其他脉冲ON周期214、216同步成在脉冲压盘信号202的其他脉冲OFF周期内出现。相较于第一板状物信号204，第二板状物信号206可导致更多的二次电子发射来至少部份地中和相对更大的预期的、或量测的电荷积聚。脉冲ON周期212、214以及216可同步成在脉冲压盘信号202的前一脉冲ON周期结束的特定时间间隔(Δt3)内开始。于一实施例中，此特定时间间隔(Δt3)可为0.1微秒。也可改变诸如信号206的脉冲宽度(Δt4)以及幅度(-V3)等参数以控制从板状物170发射的二次电子的产量。
图2还绘示了第三示范性板状物信号224。相较于第二板状物信号206，第三板状物信号的脉冲ON周期略微提前开始于脉冲压盘信号202的脉冲OFF周期开始，并且持续至脉冲OFF周期的至少一部份。
转向图3，在与图2的脉冲压盘信号202一致的时间轴上绘示了板状物信号302的另一曲线图。相较于图2的板状物信号，板状物信号302是相对于制程室102的恒定负电压(-V4)以持续地在脉冲压盘信号的脉冲ON时间周期以及脉冲OFF时间周期二者内均朝向板状物170而加速来自等离子体140的离子。电压幅度(V4)选择成远小于脉冲压盘信号的幅度(V4＜＜V1)。藉由这种方式，离子在脉冲压盘信号202的脉冲ON时间周期内仍加速到工件138。藉由控制板状物信号302的幅度(V4)，来自等离子体的离子朝向板状物170的加速度是可控制的，以在脉冲压盘信号202的脉冲ON时间周期内控制等离子体140的等离子体密度。一般来说，由于电子与制程气体的气体分子之间的电离化碰撞数量较大，相较于板状物信号204和206，利用板状物信号302在脉冲ON时间周期内能实现相对较高的等离子体密度。
转向图4至图6，绘示了根据本发明的板状物的不同实施例的横截面图。板状物470、570、670可具有不同的几何结构，并且于一实例中为碟形以配合同样为碟形的工件138。板状物材料如所需要地进行选择以增加或降低二次电子产量。
图4绘示了板状物470具有面向工件138的粗糙表面474以促进二次电子发射。相较于抛光表面，粗糙表面474提供较大的表面积以使离子与表面474进行相对更多的碰撞。
图5是由导体572制成的板状物570的另一实施例的横截面图，其中面向工件138的导体572的表面披覆有硅膜574。导体572可包括铝和镍，但并不局限于此。硅膜574还具有面向工件的粗糙表面576。
图6也是由导体572制造的板状物670的又一实施例的横截面图。相较于图5的实施例，硅膜674沉积于导体572的外表面周围。以这种方式，藉由面向工件的粗糙表面676来促进二次电子发射，并且封装整个导体572避免了导体572的任何金属污染。
因此，提供了一种电荷中和装置以及至少部份中和等离子体处理装置的工件上电荷积聚的方法。因而，可在不产生过量电荷积聚的情况下增加朝向工件而加速离子的脉冲压盘信号的任务周期。等离子体掺杂系统的过量电荷积聚会导致掺杂不均、电弧放电以及元件损坏。此外，这种电荷中和装置及方法特别适用于仅在特定的时间间隔产生等离子体的等离子体系统。这是因为这种系统不具有等离子体并且因而等离子体内的电子不会有助于其他时间间隔的电荷中和效果。
本发明并不局限于本案描述的特定实施例的范围。实际上，透过上述描述以及附图，除了本案描述的特定实施例以外，其他各种实施例以及修改对本领域熟知此项技艺者是显而易见的。因而，这些其他实施例和修改意图落在本发明的范围内。此外，尽管本发明在特定目的的特定情况下以特定实施方式为背景来进行描述，但本领域熟知此项技艺者应意识到其用途并未局限于此，并且本发明可在许多目的的许多情况下实施。因而，本案的申请专利范围应参照本案描述的本发明的范围和精神来解释。
Claims (18)
1.一种等离子体处理装置，包括：
制程室；
源，配置成在所述制程室中产生等离子体；
压盘，配置成在所述制程室内支撑工件，所述压盘由具有脉冲0N时间周期及脉冲OFF时间周期的脉冲压盘信号来偏置以在所述脉冲ON时间周期内并且不在所述脉冲OFF时间周期内朝向所述工件而加速来自所述等离子体的离子；以及
板状物，定位于所述制程室内，所述板状物由板状物信号来偏置，以朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子，而在所述脉冲压盘信号的所述脉冲OFF时间周期之一的至少一部份周期内从所述板状物引起二次电子发射来至少部份地中和所述工件上的电荷积聚。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物具有粗糙表面以促进所述二次电子发射。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物为碟形的形状。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物包括导体，所述导体的至少一表面披覆有硅膜，所述硅膜具有粗糙表面以促进所述二次电子发射。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物由所述板状物信号来偏置，以在所述脉冲压盘信号的各所述脉冲OFF时间周期的至少一部份周期内朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物信号是具有脉冲ON时间周期以及脉冲OFF时间周期的脉冲板状物信号，以在所述脉冲ON时间周期并且不在所述脉冲OFF时间周期朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子，并且所述脉冲板状物信号的脉冲ON时间周期同步成在所述脉冲压盘信号的所述脉冲OFF时间周期出现。
7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其中所述脉冲板状物信号的所述脉冲0N时间周期同步成在所述脉冲压盘信号的所述脉冲ON时间周期结束的0.1微秒内开始。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述板状物由所述板状物信号来偏置以在所述脉冲压盘信号的所述脉冲ON时间周期以及所述脉冲OFF时间周期内连续地朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其中来自所述等离子体的离子朝向所述板状物的加速度的速率是可控制的，以在所述脉冲压盘信号的所述脉冲ON时间周期内控制所述等离子体的等离子体密度。
10.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，还包括电荷监控器，配置成提供代表所述工件上的电荷积聚的电荷监控器信号；以及响应于所述电荷监控器信号的控制器，以响应于所述电荷监控器信号来控制所述板状物信号。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，还包括主气体源，配置成提供主掺质气体到所述制程室内；以及二次气体源，配置成提供二次气体到所述制程室内，其中所述二次气体选择成改变从所述板状物而来的所述二次电子发射。
12.一种控制电荷积聚的方法，包括：
在提供给压盘的脉冲压盘信号的脉冲ON周期并且不在脉冲OFF周期内朝向由制程室内的压盘所支撑的工件而加速来自所述制程室内的等离子体的离子；以及
在所述脉冲压盘信号的所述脉冲OFF周期之一的至少一部份周期内朝板状物而加速来自所述等离子体的离子以从所述板状物引起二次电子发射来至少部份地中和所述工件上的电荷积聚。
13.根据权利要求12所述的控制电荷积聚的方法，其中朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子的步骤发生于所述脉冲压盘信号的各所述脉冲OFF周期的至少一部份周期内。
14.根据权利要求13所述的控制电荷积聚的方法，其中朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子的步骤同步地在所述脉冲压盘信号的各所述脉冲ON周期的选定的时间周期内开始。
15.根据权利要求12所述的控制电荷积聚的方法，其中朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子的步骤在所述脉冲压盘信号的所述脉冲ON周期和所述脉冲OFF周期内连续发生。
16.根据权利要求15所述的控制电荷积聚的方法，还包括控制来自所述等离子体的离子朝向所述板状物的加速度的速率以在所述脉冲压盘信号的所述脉冲ON周期内控制所述等离子体的等离子体密度。
17.根据权利要求12所述的控制电荷积聚的方法，还包括监控代表所述工件上的电荷积聚的状况，并且响应于所述监控状况来控制所述朝向所述板状物而加速来自所述等离子体的离子。
18.根据权利要求12所述的控制电荷积聚的方法，还包括提供主掺质气体和二次气体到所述制程室内，其中所述二次气体选择成可改变从所述板状物的所述二次电子发射。
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