CN102820199A - 用于引燃低压等离子体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在等离子体处理系统中引燃等离子体的方法，该系统具有等离子体处理室、至少一个通电的电极和引燃电极。该方法包括将基片引入该等离子体处理室。该方法还包括将气体混合物流入该等离子体处理室；在激发频率激励该引燃电极；并且使用该引燃电极从该气体混合物激发等离子体。该方法进一步包括使用目标频率激励该至少一个通电电极，其中该激发频率高于该目标频率；并且当在该等离子体处理室中处理该基片时去激励该引燃电极。

Description

用于引燃低压等离子体的方法和装置

本申请是申请号为200680023828.2、申请日为2006年6月13日、发明名称为“用于引燃低压等离子体的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明总体上涉及基片制造技术，尤其涉及用于引燃（igniting）低压等离子体的方法和装置。

背景技术

在基片（例如，半导体晶片，MEMS器件或如在平板显示器制造中使用的玻璃平板）的处理过程中，通常使用等离子体。作为基片处理（化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积，物理气相沉积，蚀刻等）的一部分，例如，该基片被分为多个模片，或者矩形区域，其中每个将变为一个集成电路。然后该基片在一系列步骤中被处理，其中有选择地去除（蚀刻）和沉积（沉积）材料以在其上形成电气元件。

随着器件尺寸缩减以及使用更先进的材料，为保持均一的蚀刻率，减小基片污染等，对充分稳定的处理条件的要求变得更加迫切。这将被对基片上高电路密度的逐步上升的要求进一步加重，使用现有的等离子体处理技术会很难满足，在该技术中亚微米过孔接触和沟槽具有高纵横比。

通常，有三种蚀刻方法：纯化学蚀刻，纯物理蚀刻，以及反应性离子蚀刻。纯化学蚀刻通常不包括物理轰击，而是与基片上的材料发生化学反应。纯离子蚀刻，经常称为溅射，通常使用等离子体离子化的惰性气体，如氩，以从该基片移走材料。结合化学和离子两种方法的蚀刻被经常称为反应性离子蚀刻（RIE），或离子辅助蚀刻。

在这些和其他类型的等离子体方法中，在许多等离子体处理方法中经常要求的压力范围内很难引燃等离子体。通常，当RF功率施加在一组电极上时，在它们之间建立变化的电场。如果该RF功率足够高，自由电子可由该变化的电场加速，直到其获得足够的能量以碰撞该室内的原子或分子，以产生离子或另一个自由电子。因为该离子化碰撞的级联作用，整个等离子体室迅速充满电子和离子（如，等离子体）。在等离子体中，一些电子由与电极、等离子体室壁的碰撞所持续损失和消耗，并且还由电子和离子之间的碰撞重新组合、以及被中性物质附着所持续损失和消耗。因此，等离子体室的电离速率主要由电子能量确定，而该电子能量又由所施加的功率控制。

取决于许多额外的因素，包括等离子体气体化学性质、电极材料、等离子体室尺寸、RF传送方法（例如，电感耦合，电容耦合等）、电激发频率等，引燃和维持等离子体会有困难，如果该气体压力相对低（如，电容放电中<100mT等）。即，低于临界激发压力，等离子体不能被自维持（self-sustained）地引燃，因为由离子化碰撞导致的电子的生成率会低于电子的损失率。甚至这样的情形下也是如此，即预先建立的等离子体可转变为低于该临界激发压力的压力，而没有等离子体熄灭。

一种解决方案可以通过临时增加气体压力来维持等离子体，这从而也增加等离子体气体密度以及由此的与原子或分子的碰撞次数。即，将电子的生成率增加到高于电子的损失率。一旦该等离子体被引燃并稳定在较高压力，该等离子体室被转变到较低的目标压力，以处理该基片。目标是指在该等离子体处理方法中的可接受的数值范围（例如，目标压力、目标功率、目标气体流量等）。然而，将基片暴露于更高压等离子体（非稳定状态条件），即使是瞬时的，也可能在特定的基片上引入不需要的结果，或者引入基片之间不能接受的质量波动。

另一个解决方案可在较高频率下操作该等离子体室。通常，与由较低频率的信号以类似的功率水平激发（excite）相比，由于更有效的电子加热机制，较高频率易于更有效地产生等离子体密度。然而，增加等离子体处理频率也是有问题的。例如，由于电磁驻波和趋肤效应，较高的频率可导致较差的均一性（M.A.Lieberman等人，Standing wave and skin effects in large-area,high frequency capacitivedischarges,Plasma Sources Sci.Technol.11(2002)283-293）。其他的问题可能包括导致因为调整的电子温度而发生的等离子体化学性质和离子/自由基比率的改变，以及由于增加的灵敏度而很难匹配工具对工具的性能以偏离在该RF传送和接地返回系统中的电容和电感。

另一解决方案可在短激发步骤中将更高的压力与被优化用于引燃等离子体的不同的气体流率结合，之后，该等离子体室转变为较低的运行目标压力和合适的目标气体流率以处理该基片。然而，如前所述，大体上从该工艺方法的偏离会引入在特定的基片上的不需要的结果，或基片之间不能接受的质量波动。

又一个熟知的减小窄隙电容放电系统中临界激发压力的方法是增加电极间隙。通常，平均自由程（mean free path）定义为一个粒子在与另一个粒子碰撞之前行进的平均距离。随后，增加该电极间隙也可增加该平均自由程，通过增加该等离子体室的电离速率而稳定低压等离子体（例如，<100mT等）。然而，增加该间隙尺寸也会有问题。例如，较大的间隙会由于较低的功率密度而降低蚀刻率，会由于较长的气体停留时间而增加室条件记忆效应，以及当使用分区的气体引入时降低处理均一性。

例如，介电蚀刻反应器经常使用电容耦合RF激发源和相对窄的电极至电极间隙间距的组合。例如，与20至30cm基片尺寸相比，Lam Research Exelan^TM族通常使用1.3至2.5cm间隙。这个电容耦合与窄隙的组合易于导致相当高的临界激发压力，其往往超过所需的处理压力。

现在参考图1，显示出电感耦合等离子体处理系统的简化图。通常，在特定的压力下，并以特定的方法混合的适合的气体组可从气体分配系统122流入具有等离子体室壁117的等离子体室102。这些等离子体处理气体可随后以特定RF功率设置组在靠近喷射器109的区域上或之内被离子化，以形成等离子体110，以便处理（例如，蚀刻或沉积）该基片114（如半导体基片或玻璃平板）的暴露区域，基片114利用边缘环115安置在静电卡盘116上。

第一RF发生器134生成该等离子体，并且控制该等离子体密度，而第二RF发生器138生成偏置RF，通常用于控制该DC偏置和离子轰击能量。进一步连接到源RF发生器134的是匹配网络136a，并连接到偏置RF发生器138的是匹配网络136b，其试图将该RF功率源的阻抗与等离子体110的阻抗匹配。此外，真空系统113，包括阀门112和一组泵111，通常用来从等离子体室102排出周围空气，以实现维持等离子体110和/或去除处理副产物所需要的压力。

现在参考图2，显示出电容耦合等离子体处理系统的简化图。通常电容耦合等离子体处理系统可配置为具有单一的或多个独立的RF功率源。由源RF发生器234产生的源RF通常用于通过电容耦合生成该等离子体，以及控制该等离子体密度。由偏置RF发生器238生成的偏置RF，通常用以控制DC偏置和离子轰击能量。进一步连接到该源RF发生器234和偏置RF发生器238的是匹配网络236，其试图将该RF功率源的阻抗与等离子体220的阻抗进行匹配。其他形式的电容反应器具有连接到顶部电极204的RF功率源和匹配网络。另外，还有遵循类似的RF和电极布置的多阳极系统，如三极管。

通常，在特定的压力和以特定的方式混合的适合的气体组穿过顶部电极204中的入口从气体分配系统222流入具有等离子体室壁217的等离子体室202。这些等离子体处理气体可随后以特定的RF功率设置组被离子化以形成等离子体220，以便处理（例如，蚀刻或沉积）基片214（如半导体晶片或玻璃平板）暴露的区域，基片214利用边缘环215安置在也作为电极的静电卡盘216上。此外，真空系统213，包括阀门212和一组泵211，通常用于从等离子体室202排出周围空气，以便实现保持等离子体220所要求的压力。

考虑到前述的，需要用于引燃低压等离子体的方法和装置。

发明内容

在一个实施例中，本发明涉及在等离子体处理系统中用于引燃等离子体的方法，该系统具有等离子体处理室、至少一个通电的电极和一个引燃电极。该方法包括在该等离子体处理室内引入基片。该方法还包括将气体混合物流入该等离子体处理室；以激发（strike）频率激励（energize）该引燃电极；以及使用该引燃电极从该气体混合物激发等离子体。该方法进一步包括使用目标频率激励该至少一个通电的电极，其中该激发频率大于该目标频率；并且当在该等离子体处理室中处理该基片时去激励该引燃电极。

在另一个实施例中，本发明涉及等离子体引燃装置，该装置配置为在等离子体处理室中激发等离子体。该装置包括引燃电极，该引燃电极配置为以激发频率从气体混合物激发等离子体。该装置也包括至少一个通电的电极，该通电的电极配置为以目标频率维持该等离子体，其中该激发频率比目标频率高，该引燃电极的第一表面积大体上低于该至少一个通电电极的第二表面积，并且当在该等离子体处理室中处理基片时去激励该引燃电极。

在另一个实施例中，本发明涉及一种等离子体处理系统中用于引燃等离子体的装置，该系统具有等离子体处理室、至少一个通电的电极和一个引燃电极。该装置包括用于将基片引入该等离子体处理室的装置。该装置还包括用于将气体混合物流入该等离子体处理室的装置；用于以激发频率激励该引燃电极的装置；以及用于使用该引燃电极从该气体混合物激发等离子体的装置。该装置进一步包括用于使用目标频率激励该至少一个通电电极的装置，其中该激发频率高于该目标频率；以及用于当在该等离子体处理室中处理该基片时去激励该引燃电极的装置。

本发明这些和其它特征将在下面的详细描述中结合附图详细描述。

附图说明

在附图中，通过实例而不是限定示出本发明，并且其中相同的标号代表相同的元件，并且其中：

图1示出了电感耦合的等离子体处理系统的简化图；

图2示出了电容耦合的等离子体处理系统的简化图；

图3A-C说示出了根据本发明一个实施例，带有引燃电极的电容耦合的等离子体处理系统的简化图组；

图4示出根据本发明一个实施例，图3A-C所示的引燃电极的简化图；

图5示出根据本发明的一个实施例，对于不同的RF频率对比电子温度与电子随机加热功率的简化图；

图6示出根据本发明一个实施例的用于在RF等离子体中氩和氦放电的击穿的帕邢（Paschen）曲线组的简化图表；

图7示出根据本发明的一个实施例，击穿RF功率对固定间隙的压力的依赖的简化图；

图8示出根据本发明一个实施例，一组简化的用于引燃等离子体的步骤。

具体实施方式

现在将关于附图中所说明的一些优选实施例详细描述本发明。在下面描述中，说明许多具体的细节以便提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域的技术人员来说，显然，本发明可以不使用这些具体细节中的一些或全部而实现。在其他的例子中，公知的处理步骤和/或结构并没有详细描述，以避免不必要地混淆本发明。

尽管不希望受到理论的束缚，但此处，发明人相信，低压等离子体可由以一定频率（激发频率）传送引燃RF电压来引燃，该频率可高于运行频率（目标频率）组，其通常用于在处理过程中维持该低压等离子体压力。在一个实施例中，该引燃RF电压通过至少一个专门的电极（引燃电极）传送。在一个实施例中，该引燃电极与激发RF发生器相连接。在一个实施例中，与RF发生器组分开的RF发生器用来生成该目标频率。在一个实施例中，一旦引燃等离子体，其由等离子体室电极以低于或不同于该激发频率的目标频率组保持。在一个实施例中，一旦引燃等离子体，该引燃电极就去激励（de-energized）。在一个实施例中，该等离子体在目标压力下引燃以使稳定时间最小。在一个实施例中，利用目标气体流混合物引燃该等离子体以使稳定时间最小。在一个实施例中，该等离子体在目标功率下引燃以使稳定时间最小。

与现有技术不同，本发明不需要增加电极间隙，因为通常不要求改变间隙。一般而言，增加顶部和底部电极之间的间隙也会增加等离子体容积，其会进而消极影响该等离子体处理结果。例如，消极影响可包括由于较低的功率密度而减小的蚀刻率，由于较长气体停留时间而增加的等离子体室条件记忆效应，以及当使用分区的气体引入时对处理均一性不够有效的控制。

通常，在等离子体处理室中，当在电极之间间隙中的电子获得离子化气体分子所需的能量时，RF放电会引燃等离子体。随后，为了引燃放电，每个电子应当在损失于电极或室壁之前执行3-10次与气体分子的离子化碰撞（V.A.Lisovsky和V.D.Yegorenkov，Rfbreakdown of low-pressure gas and a novel method for determinationof electron-drift velocities in gases，J.Phys.D:Appl.Phys.31(19998)3349-3357）。在RF放电中，电子振动通常表现为在RF场中电子位移的幅度。这个幅度可与该放电驱动频率成反比并且必须可与用于有效RF击穿的电极间距相当或者较小。因此，对于给定的等离子体室条件组（固定的气体压力电极间距，电极材料，RF电压等），对于气体击穿，较高的RF频率通常比较低的RF频率更有效。

在一个实施例中，具有比顶部和底部电极表面积小的表面积的电极可用作引燃电极，以使在该基片上的有害影响最小，这些有害影响可包括在引燃电压去除之前，对稳定状态处理条件的初始部分的扰动。在实施例中，该引燃电极还可包括等离子体电探针。

例如，在Lam Research Exelan^TM上使用施加在该基片电极上的RF的测量已经表明该临界激发压力的频率依从关系。对于O₂灰化等离子体，该临界激发压力在28MHz为55mT，而在63MHz为3-5mT。对于典型的聚合过孔或沟槽条件，该临界激发压力在28MHz为23mT，而在63MHz为10mT。

在一个实施例中，引燃电极可独立于该等离子体处理系统的主RF系统，从而简化实施。也就是说，将引燃电极集成在该底部或顶部电极会有问题，因为该主RF系统的高功率要求和准确的再现性标准通常会使集成昂贵、复杂。另外，集成的引燃电极的存在会对该等离子体处理产生不利影响，该处理可能会对杂散阻抗（strayimpedance）的微小变化敏感。随后，为了引燃的目的而增加到这个主RF系统的引燃子系统会使随着时间以及在等离子体处理系统之间一致性地精确控制RF的任务复杂化，而该任务已经非常困难并且非常昂贵。

参考图3A-C，示出简化的图组，其示出了根据本发明一个实施例的简化的带有引燃电极的电容耦合的等离子体处理系统。图3A示出在等离子体引燃前的等离子体室。底部电极316通常地连接低频RF发生器338，而顶部电极304接地。另外，引燃电极305安装在该顶部电极304上，并且可由高频RF发生器334供电。

图3B示出已经引燃等离子体的图3A的等离子体室。在一个实施例中，当引燃等离子体时，低频RF发生器338在底部电极316和顶部电极304之间施加电压V_LF。图3C示出图3B中的等离子体室，其中，引燃电极305已经被去激励（de-energized）并且等离子体310已经在等离子体室内基本稳定。

在一个实施例中，该引燃电极可与V/I探针相结合。通常，V/I可测量电压（V）、电流（I）、等离子体电压（V）和电流（I）之间的相位角（θ）、阻抗（Z）、输出功率、正向功率、反射功率、无功功率、反射系数等。即，一旦引燃等离子体并且该引燃电极被去激励（de-energized），其仍可用来测量等离子体处理条件。

参考图4，示出根据本发明的一个实施例的如图3A-C所示的引燃电极305的简化图。如前所述，引燃电极305可安装在该顶部电极304中，并可由高频RF发生器334供电。另外，引燃电极305也可通过绝缘体404（如，陶瓷、石英等）与顶部电极304电绝缘。

现在参考图5，根据本发明的一个实施例，对比不同RF频率下的电子温度与电子随机加热功率（electro stochastic heating power）的简化图表。电子温度502在水平轴上示出，而每单位面积的电子随机加热功率（W/M²）504在垂直轴上示出。通常，在RF放电中，施加的RF功率大部分通过电子与移动等离子体鞘（例如，随即加热）相互作用而转移到电子。用于单一的碰撞鞘的电子随机加热可建立为：

$\stackrel{\&OverBar;}{S_{\mathrm{stoc}}}\&ap;0.61{\left(\frac{m}{e}\right)}^{1/2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&omega;}}^2{T}_e^{1/2}{V}_1$ [方程1]

其中，m是电子质量，e是元电荷，ε₀是真空介电常数，ω是RF驱动频率，T_e是电子温度，以及V₁是穿过一个鞘的RF驱动电压（Lieberman M.A.和Lichtenberg A.J.1994Principles of PlasmaDischarges and Materials Processing，New York:Wiley）。图5大体上示出使用方程1估算的电子随机加热对驱动频率依赖关系，其中固定电压V₁=500伏特。通常，由于较高的频率在电子加热处理中更有效，激发和维持等离子体要求较小的电压V₁。例如，在100MHz，随着该电子温度从1增加到10T_e，产生的相应的随机加热功率从大约2.5×10³W/M²增加至大约8×10³W/M²。相反，较低的频率通常在电子加热处理中是低效的。因此，激发和维持等离子体要求较大的电压V₁。例如，在1MHz，随着电子温度从1增加到10T_e，产生的相应的随机加热功率从大约0.0W/M²至大约0.6×10³W/M²。

现在参考图6，示出用于氩和氦在RF等离子体中放电的击穿的帕邢曲线（Paschen curve）组的简化图表。Moravej等人，Physicsof high-pressure helium and argon radio-frequency plasmas,Journal ofApplied Physics，卷96，N12，pp.7011-7017。在水平轴上示出中性气体压力和电极间隙的乘积，pd（Torr-cm）602，而在该垂直轴上示出击穿电压（V）604。一般而言，击穿该放电所要求的电压是该中性气体压力和电极间隙的乘积pd的强函数（strong function）。

氩等离子体曲线606和氦等离子体曲线608通过将压力在1至760Torr变化并使用三个不同间隙间距0.4、1.6和2.4mm而获得。氦等离子体606通常在大约4Torr-cm的pd表现出最小的击穿电压，而氩的最小值通常是不确定的。比较起来，在通过使用铝电极的直流（dc）放电产生的等离子体中，氦等离子体和氩等离子体的最小击穿电压通常分别为1.3Torr-cm和0.3Torr-cm。一般而言，为了以小电极间距在很低的压力下击穿放电要求较高的电压。相反，对于在较高频率的等离子体激发通常需要较低的电压。

现在参考图7，示出根据本发明的一个实施例，对于固定间隙，击穿RF功率对压力的依赖关系。压力702在水平轴示出。RF功率704在垂直轴示出。另外，示出不同频率的RF压力曲线组：1MHz706，50MHz 708，和100MHz 710。通常，对于给定的压力，较高频率的激发需要较低的功率。

参考图8，根据本发明一个实施例，一组简化的用于引燃等离子体的步骤。开始，在步骤802，在该等离子体处理室中引入基片。接着，在步骤804，气体混合物流入该等离子体处理室。在步骤806，以激发频率激励（energize）引燃电极。在步骤808，使用该引燃电极从该气体混合物激发等离子体。在步骤810，以目标频率激励至少一个该通电的电极，其中该激发频率高于该目标频率。最后，在步骤812，当在该等离子体处理室中处理该基片时，该引燃电极被去激励。

尽管根据多个优选的实施例描述了本发明，还是存在改变，置换和等同物，其落入本发明的范围之内。例如，尽管本发明结合LamResearch等离子体处理系统来描述（例如，Exelan^TM，Exelan^TMHP，Exelan^TMHPT，2300^TM，Versys^TMStar等），但也可使用其它的等离子体处理系统。本发明也可与各种尺寸（例如，200mm，300mm等）的基片一起使用。并且，可使用包括除氧气之外气体的光刻胶等离子体蚀刻剂。另外，其它类型基片材料的蚀刻可使用本发明来优化。还应当注意的是，有许多实现本发明的可选的方法。此外，这里使用的术语组包括一个或多个该组中指定的元素。例如，一组“X”表示一个或多个“X”。

本发明的优点包括用于引燃低压等离子体的方法和装置。额外的优点包括避免与集成的引燃电极的有关的费用、复杂性和质量问题，制造产率问题的最小化，以及等离子体处理产量的最优化。

已经公开了示范性实施例和最佳模式，可对公开的实施例进行修改和变化，而仍在由权利要求所限定的本发明的主旨和精神内。

Claims (15)

1.一种等离子体引燃装置，其配置为在等离子体处理室中激发等离子体，所述装置包括：

引燃电极，其配置为以激发频率从气体混合物激发等离子体；

至少一个通电电极，其配置为以目标频率维持所述等离子体，其中，所述激发频率大于所述目标频率，所述引燃电极的第一表面面积大体上小于所述至少一个通电电极的第二表面面积，以及当在所述等离子体处理室中处理基片时所述引燃电极被去激励。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，仅使用所述激发频率足够长时间以形成所述等离子体。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述等离子体处理系统代表电感耦合等离子体处理系统和电容耦合等离子体处理系统之一。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基片代表用于制造集成电路的半导体晶片和平板基片之一。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述引燃电极由激发RF发生器供电。

6.一种用于在等离子体处理系统中引燃等离子体的装置，所述等离子体处理系统具有等离子体处理室、至少一个通电的电极和引燃电极，所述装置包括：

用于将基片引入所述等离子体处理室的装置；

用于在一定压力下将气体混合物流入所述等离子体处理室的装置；

用于以激发频率激励所述引燃电极的装置；

用于利用所述引燃电极从所述气体混合物激发等离子体的装置；

用于利用目标频率激励所述至少一个通电电极的装置，其中，所述激发频率大于所述目标频率；

用于当在所述等离子体处理室中处理所述基片时去激励所述引燃电极的装置。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述引燃电极的第一表面积大体上小于所述至少一个通电电极的第二表面积。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，仅使用所述激发频率足够长时间以形成所述等离子体。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述等离子体处理系统是电感耦合等离子体处理系统和电容耦合等离子体处理系统之一。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述基片代表用于制造集成电路的半导体晶片和平板基片之一。

11.根据权利要求6所述的装置，其中，所述引燃电极由激发RF发生器供电。

12.根据权利要求6所述的装置，其中，以低于100mT的压力维持所述等离子体。

13.根据权利要求6所述的装置，其中，所述压力是目标压力。

14.根据权利要求6所述的装置，其中，所述至少一个通电电极的功率为目标功率。

15.根据权利要求6所述的装置，其中，所述气体混合物是目标气体混合物。

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