CN103367206A - 用于等离子体均匀性调谐的多射频阻抗控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于等离子体均匀性调谐的多射频阻抗控制，具体提供了用于处理晶片的电路、方法、室、系统、和计算机程序。晶片处理装置包括在处理室内的上电极和下电极；第一、第二、第三、和第四射频（RF）功率源；和一个或多个谐振电路。第一、第二、和第三RF功率源被耦合到所述下电极。所述上电极可以耦合到第四RF功率源、电气接地，或所述一个或多个谐振电路。被耦合在所述上电极和电气接地之间的多个谐振电路中的每一个包括调谐元件，该调谐元件能操作以通过谐振电路改变频率相关的阻抗。所述晶片处理装置被配置为选择用于晶片处理操作的RF功率源，以及到所述上电极的连接件，以提供用于晶片的等离子体和蚀刻均匀性。

Description

用于等离子体均匀性调谐的多射频阻抗控制

相关申请的交叉引用

本申请主题涉及于2011年11月21日申请的，名称为“TRIODEREACTOR DESIGN WITH MULTIPLE RADIOFREQUENCY POWERS”的美国专利申请No.13/301,725，其所有内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施方式涉及晶片处理装置，更具体地涉及用于处理在晶片处理装置中的晶片的装置、方法、以及计算机程序。

背景技术

集成电路的制造包括插入含有掺杂的硅区域的硅衬底（晶片）到化学反应性的等离子体中，其中亚微米级的器件特征（例如，晶体管、电容器等）被蚀刻在表面上。一旦制造了第一层后，在该第一层之上构建一些绝缘（电介质）层，其中孔（也称为通孔）和沟槽被蚀刻到用于放置导电互连件的材料中。

目前在半导体晶片制造中使用的等离子体处理系统依赖于高度相互依存的控制参数来控制传递到晶片上的自由基分离、自由基通量、离子能量、以及离子通量。例如，目前的等离子体处理系统尝试通过在晶片的存在下控制产生的单个的等离子体来实现必要的自由基分离、自由基通量、离子能量、和离子通量。不幸的是，化学解离和自由基形成与离子产生和等离子体密度耦合，并往往不会为实现所需的等离子体处理条件而协同作用。

一些半导体处理设备可用于很广泛的应用范围。然而，这些应用中的每个的要求可能有很大差异，并且让没有足够的控制以配置晶片处理工艺（例如，以控制室中的等离子体化学物）的相同的处理设备适应所有的应用是困难的。缺乏室中的离子能量的控制限制了所需的处理化学物的控制。如果控制是不足够的，可能会导致晶片上的非均匀沉积以及非均匀蚀刻。

在这种背景下，出现了这些实施方式。

发明内容

本公开的实施方式提供了用于处理晶片的电路、方法、系统和计算机程序。应当理解的是，这些实施方式可以以多种方式实现，例如工艺、装置、系统、设备或在计算机可读介质上的方法。下面将描述若干实施方式。

在一种实施方式中，晶片处理装置包括处理室的上电极和下电极、第一射频（RF）功率源、第二RF功率源、第三RF功率源、第四RF功率源，和一个或多个谐振电路。所述第一、第二和第三RF功率源与所述下电极耦合。所述上电极可以耦合到第四RF功率源、电气接地，或该一个或多个谐振电路。该一个或多个谐振电路中的每个在与所述下电极耦合的RF功率源的频率中的一个频率下谐振。在一种实施方式中，第一谐振器耦合在所述上电极和电气接地之间，第一谐振电路包括调谐元件，该调谐元件能操作以改变所述第一谐振电路的频率相关的阻抗。所述晶片处理装置可以被配置为选择用于晶片处理操作的RF功率源，以及到上电极的连接件，以提供用于晶片的等离子体和蚀刻均匀性。

在另一实施方式中，晶片处理装置包括处理室的上电极和下电极、第一射频（RF）功率源、第二RF功率源、第三RF功率源、第四RF功率源，第一谐振电路、第一开关、第二开关和第三开关。所述第一、第二、和第三RF功率源耦合到所述下电极。此外，所述第一开关能操作以使所述上电极与所述第四RF功率源耦合，所述第二开关能操作以使所述上电极与所述第一谐振电路耦合，且所述第三开关能操作以使所述上电极与第一电压耦合。在一种实施方式中，所述第一电压是电气接地的。

在又一实施方式中，一种用于处理晶片处理装置中的晶片的方法，所述晶片处理装置包括处理室的上电极和下电极，所述方法包括接收用于处理所述晶片的配方的操作，以及根据所述配方启用或禁用第一射频（RF）功率、第二射频功率、第三射频功率和第四射频功率中的每个的操作。所述第一、第二和第三功率与所述下电极耦合。而且，根据所述配方设置第一开关的位置以使所述上电极与所述第四射频功率耦合或解耦，以及根据所述配方设置第二开关的位置以使所述上电极与所述第一谐振电路耦合或解耦。所述方法进一步包括根据所述配方设置第三开关的位置以使所述上电极与电气接地耦合或解耦的操作，以及处理所述晶片的操作。

从下面的结合附图进行的详细描述中，本发明的其它方面会变得显而易见。

附图说明

参考以下的结合附图进行的描述，可以最好地理解本发明的实施方式。

图1示出了根据一种实施方式的蚀刻室。

图2A-2E示出了具有一个或多个谐振电路的蚀刻室的一些实施方式。

图3A示出了根据一种实施方式的谐振电路。

图3B示出了用于计算根据一种实施方式的谐振电路的阻抗的公式。

图4A-4C显示了与根据一种实施方式的具有60MHz的谐振电路的处理装置的性能有关的图表。

图5A-5B显示了与根据一种实施方式的具有2MHz的谐振电路的处理装置的性能有关的图表。

图6A-6B显示了与根据一种实施方式的具有27MHz的谐振电路的处理装置的性能有关的图表。

图7示出了根据一种实施方式的半导体晶片处理装置。

图8A-8B显示了根据一种实施方式的用于处理包括处理室的上电极和下电极的晶片处理装置中的晶片的算法流程。

图9是用于执行本文所描述的实施方式的计算机系统的简化示意图。

具体实施方式

下面的实施方式描述了用于处理晶片处理装置中的晶片的装置、方法和计算机程序。本公开的实施方式使用了在三极管反应器配置中的多达四个不同的RF功率，以及一个或多个耦合到上电极的谐振电路。显而易见，在没有一些或所有的这些具体细节的情况下，也可以实施本实施方式。在其他情况下，不详细描述公知的处理操作，以便不会不必要地使本发明的实施方式不清楚。

图1示出了根据一种实施方式的蚀刻室。激励两个电极之间的电场是得到蚀刻室中的射频气体放电的方法之一。当在电极之间施加振荡电压时，得到的放电被称为电容耦合等离子体（CCP）放电。

利用稳定的原料气体可以产生等离子体，以获得由电子-中性物质的碰撞所造成的各种分子的离解产生的广泛的化学反应副产物。蚀刻的化学方面涉及中性气体分子及它们解离的副产物与要被蚀刻的表面的分子的反应，并产生可以被抽走的挥发性分子。当产生等离子体时，正离子从等离子体被加速穿过将等离子体从壁分离的空间电荷鞘（sheath），以用足够的能量撞击晶片表面，从而从晶片的表面去除材料。这就是所谓的离子轰击或离子溅射。然而，一些工业等离子体不产生有足够的能量的以通过纯物理手段有效地蚀刻表面的离子。

在一种实施方式中，由于它们的各向异性和选择性蚀刻能力，碳氟化合物气体（如CF₄和C-C₄F₈）用于电介质蚀刻工艺，但这里描述的原理可以应用于其它产生等离子体的气体。碳氟化合物气体容易解离成较小的分子和原子的基团。这些化学反应的副产物蚀刻掉介电材料，在一种实施方式中，对于低k器件该介电材料可以是SiO₂或SiOCH。

图1的室示出了具有上电极104和下电极108的处理室。上电极104可以接地或耦合到RF发生器120，且下电极108通过匹配网络114被耦合到RF发生器118。RF发生器118以1、2、或3个RF频率提供RF功率。根据用于特定操作的室的结构，可以开启或关闭第一、第二、或第三RF频率中的任一个。在图1所示的实施方式中，RF发生器118提供2MHz、27MHz和60MHz的频率，但也可以是其它频率。

图1中的室包括在上电极104上以输入气体到室中的气体喷头，和允许气体从该室被抽出的穿孔的限制环112。当衬底106存在于室中时，硅聚焦环110位置邻近该衬底，使得在等离子体102的底表面处有均匀的RF场以用于晶片的表面上的均匀蚀刻。

上电极104可被耦合到地或耦合到RF功率源120。开关122能操作以在其处于第一位置时，将上电极104连接到地，或在其处于第二位置时，将上电极104连接到RF功率源120。当开关122处于第二位置时，匹配网络116用于使RF功率源120耦合到上电极。

图1的实施方式中示出了三极管反应器装置，其中上电极由对称的RF接地电极124包围。绝缘体126是使接地电极124与上电极104隔离的电介质。在一种实施方式中，RF功率源120具有400kHz的频率，但也可以具有其他频率。上电极上的低频RF功率控制该顶室以及反应器壁上的离子能量。这提供了对室中的等离子体化学物的另一种控制，以能够逐个操作地调节用于晶片处理的配方中的功率设定。

在晶片制造工艺中对于特定的目的可以选择每个频率。在具有2MHz、27MHz、和60MHz的RF功率的图1的示例中，2MHz的RF功率提供离子能量的控制，而27MHz和60MHz的功率提供等离子体密度和化学物离解模式的控制。在该配置中，每个RF功率可以开启或关闭，使得在晶片上使用超低离子能量的某些工艺，和必需是低离子能量（在100或200电子伏特以下）的某些工艺（例如，用于低k材料的软蚀刻）能够实施。

在另一种实施方式中，在上电极使用60MHz RF功率以得到超低能量和非常高的密度。此配置允许当晶片不在室时用高密度等离子体清洁该室，同时最大限度地减少ESC（静电吸盘）表面上的溅射。当晶片不存在时，ESC表面是暴露的，并且必须避免表面上的任何离子能量，这就是在清洁过程中底部2MHz和27MHz的功率源是关闭的的原因。

具有四个RF功率源的室提供用于等离子体化学物以及用于等离子体的密度和均匀性的硬件控制。例如，可以用在顶部的独立的RF源控制径向的均匀性。

图2A-2E示出了具有一个或多个谐振电路的蚀刻室的几个实施方式。这些实施方式提供了对在室中的等离子体的均匀性和蚀刻速率的控制，该室包括添加的一个或多个耦合到上电极的谐振电路。通过控制上电极上的RF阻抗，提供对在下电极（例如，2MHz、27MHz和60MHz）产生的RF频率的径向均匀性控制是可能的。

谐振是系统在某些频率下比其他频率以更大振荡幅度振荡的倾向。这些被称为系统的谐振频率（或谐频）。在这些频率下，因为系统存储振动能量，即使是小周期的驱动力也可以产生大振幅的振荡。如这里所使用的，谐振电路是包括一个或多个电感器和一个或多个电容器的电子电路，其显示随所施加的射频改变的阻抗，以及在该电路的谐振频率下的无穷大的阻抗。

在理想的谐振电路中，没有因电阻而产生的能量损耗，但在现实中电感器和电容器中的小的电阻元件产生小的能量损耗。这意味着，在谐振频率处的阻抗不会是无穷大的，但阻抗会有非常大的值。因此，在谐振频率处的阻抗将会是任何频率的电路的阻抗的最高值（即，最大值）。如果在谐振电路中的元件是完美的，那么阻抗将是无穷大的。

有时，由于在整个室的等离子体密度的变化，跨越整个的晶片表面的晶片蚀刻是不均匀的。控制均匀性的方法之一是改变间隙。然而，如果间隙缩短，则等离子体被压缩，并根据离开晶片的中心的距离在蚀刻比中有可能有W图案。另外，一些配方对间隙中的变化不敏感，改变该间隙不会提供对于这些配方的蚀刻均匀性的控制。

控制均匀性的另一种方法是改变外电极124的步进(step)，这可能影响在晶片边缘上的蚀刻。然而，由于不同的操作工艺步进可能需要多次调节，就产量方面而言，改变步进是昂贵的操作。

图2A是具有施加到下电极的三个RF功率118以及连接到上电极的三个相应的谐振电路202、204和206的蚀刻室的一种实施方式。每个谐振电路在施加到下电极108的RF功率的频率中的一个频率下进行谐振。由于每个谐振电路呈现高阻抗（完美的谐振电路的阻抗为无穷大），施加到下电极的RF功率可能正在“搜索”另一个接地通路，这意味着，上电极的RF功率可能会受到影响。在一种实施方式中，过滤器208被放置在上电极和匹配电路116之间，与耦合到上电极104的RF功率源120相关联，以阻止下电极的RF功率到达上电极的功率源。

每个谐振电路（202、204、或206）具有频率相关的阻抗，其中阻抗的最大值对应于谐振频率，例如，在下电极上的RF功率中的一个的频率。例如，谐振电路202表现出频率相关的阻抗，其中谐振电路202的频率相关的阻抗的最大值对应于下电极的RF功率（例如，2兆赫）。如果谐振电路202构建有理想的组件（例如，没有电阻元件），则谐振电路202在谐振频率（例如，2兆赫）会呈现无穷大的阻抗，下面参照图3A和图3B对有关谐振电路的阻抗的计算提供更多细节。

每个谐振电路被设计为在施加到下电极的频率中的一个进行谐振。谐振电路影响上电极的鞘、鞘的电压和鞘的相位。谐振电路也影响等离子体中的RF电流。

半导体处理系统可配置各自的半导体处理操作，其中可以施加不同的功率到上电极和下电极，以及可以耦合不同的谐振电路到上电极。这提供了晶片处理中的灵活性，从而对于每个晶片处理操作可以有不同的要求（例如，功率电平、蚀刻速率、电压电平、等）。

图2A-2E示出了半导体室的一些可能的配置。值得注意的是，图2A-2E中所示的实施方式是示例性的，并不代表详尽罗列了所有可能的室的配置。在特定的操作过程中，可以利用上部和下部的每个RF功率源，以及每个谐振电路。此外，在一些实施方式中，上电极也可以被耦合到电气接地。此外进一步地，施加到上电极和下电极的RF功率可以在这里所示的工作频率以外的其他频率操作。因此，图2A-2E中所示的实施方式不应被解释为排他性或者限制性的，而是示例性的或说明性的。

例如，图2B示出了具有施加到下电极的三个RF功率以及上电极上没有RF功率的室。另外，该室包括并联布置在上电极104和电气接地之间的三个谐振电路202、204和206。

当RF功率被施加到上电极（例如，图2A的室）时，比在图2B中上电极上不具有RF功率源的室的情况下有更多的施加到等离子体的RF功率。这会导致图2A和2B的室中的不同的操作方式。根据不同的工艺，该系统可以在上电极上利用或不利用RF功率。此外，在一些实施方式中，通过利用能够进一步控制在上电极的鞘的谐振电路来调节上电极的阻抗。

图2C的室包括下电极上的三个RF功率和上电极上的一个RF功率，并具有耦合到上电极的一个60兆赫的谐振电路206。此配置允许2兆赫和27兆赫的RF功率有通路到上电极上的接地，但60兆赫的RF功率将不得不采用不通过上电极的到电气接地的不同通路。换句话说，图2C的室只对施加到下电极的RF功率中的一个提供等离子体的阻抗控制。

图2D示出了室的实施方式，其具有4个RF功率源（其中一个在上部且3个在下部），以及耦合到上电极的两个谐振电路202和206。在室中，对2兆赫兹的RF功率没有谐振电路。图2E是上电极上没有RF功率但具有27兆赫和60兆赫频率的谐振电路的半导体处理室。谐振电路204和206两个并联连接在上电极104和电气接地之间。在本实施方式中，没有RF功率被施加到上电极104。

图3A示出了根据一种实施方式的谐振电路。图3A示出了用于60兆赫的RF功率的谐振电路，以及相比于该谐振电路，用于其他频率的谐振电路可用类似的元件的配置构建，但具有不同的电感器和电容器的值。此外，应当注意，在图3A中示出的实施方式是示例性的。只要在所需的频率电路谐振（例如，如果利用完美的组件，该电路在所需的频率呈现无穷大的阻抗），其它实施方式就可利用电路元件的不同的配置以及电路元件的不同的值。因此图3A中示出的实施方式不应被解释为排他性或者限制性的，而是示例性的或说明性的。在一种实施方式中，利用具有两个或更多的谐振频率的电路，而不是具有分立的谐振电路。

由于在一些实施方式中上电极和下电极通过绝缘器与地隔离（参见例如图2A-2E）的，因此在接地和上电极之间有电容，这里被称为杂散电容C_s。所述谐振电路还包括电感器L和可变电容器C_x。

调节可变电容器C_x的电容值，以获得所希望的谐振电路的谐振频率。参照图3B，在下面给出C_x的值计算的详情。对于不同的C_x值计算该室的阻抗，并且利用使该电路在所需的频率谐振的C_x的值。换句话说，调节C_x的电容值，直到达到所需的谐振频率。参照图8B，在下面看到用于微调谐振电路的更多的细节。

此外，随着C_x的值变化，在上电极和下电极上的电压的值也发生变化。在一种实施方式中，电感L具有介于0.1UH和1UH之间的值，但其它的值也是可能的。在另一种实施方式中，C_x的值在3至34pF的范围内，但其它的值也是可能的。在一项实验中，杂散电容C_s被测定具有577pF的值。

图3B示出了根据一种实施方式用于计算谐振电路的阻抗的公式316。Z₁是杂散电容C_s的阻抗值，且Z₁是根据下面的公式计算的：

$Z_1=-j\frac{1}{{\mathrm{wC}}_s}---\left(1\right)$

Z₂是电感器L和可变电容器C_x的串联组合的阻抗。由于电容器和电感器串联连接，组合的阻抗Z₂可以根据下面的公式计算：

$Z_2=\mathrm{jLw}-j\frac{1}{{\mathrm{wC}}_x}---\left(2\right)$

Z₃是谐振电路的阻抗，并根据下面的公式，通过应用并联的两个阻抗Z₁和Z₂来计算：

$Z_3=\frac{Z_1{Z}_2}{Z_1{Z}_2}---\left(3\right)$

结合方程（1）、（2）和（3），Z₃的值可以计算如下：

$Z_3=\frac{j\frac{1}{{\mathrm{wC}}_s}(\mathrm{Lw}-\frac{1}{{\mathrm{wC}}_x})}{\frac{1}{{\mathrm{wC}}_s}-(\mathrm{Lw}-\frac{1}{{\mathrm{wC}}_x})}---\left(4\right)$

当方程的分母等于0时，那么Z₃具有无穷大的值（或因为电容和电感中的一些电阻而使元件不理想时的非常高的阻抗值）。值得注意的是，对于相同的谐振频率，L的较高的电感值转化成较低C_x的值。换言之，用于电感器L的值和电容器C_x所需的值之间存在权衡。

图4A-4C显示了根据一种实施方式的具有在下电极上的60MHz和上电极上的60MHz的谐振电路的处理装置的有关性能的图表。图4A是示出离子饱和电流密度（mA/cm²）作为离开衬底（半径）的中心的距离的函数的图。在一种实施方式中，衬底的直径为300毫米，但相同的原理适用于任何尺寸的晶片。图4A包括两条线：当上电极是电浮置时的第一条线，以及当上电极包括60兆赫的谐振电路时的第二条线。当上电极是浮置的时，离子密度从约100毫米增加至180毫米。然而，当上电极具有60MHz的谐振电路时，从0到超过150毫米离子浓度保持基本恒定。在150毫米以外离子密度降低，由于晶片具有150毫米的半径，因而这并不影响晶片上的蚀刻。因此，当使用谐振电路时，在晶片的表面上存在均匀性。

图4B示出了在上电极上使用60MHz谐振电路时或使用电浮置时的刻蚀速率。当上电极浮置，半径超出约75毫米时，蚀刻速率迅速增长，这意味着跨越衬底表面的刻蚀速率是不均匀的。然而，当60兆赫的谐振电路耦合到上电极时，蚀刻速率呈现跨越衬底的整个表面的大致均匀性。

值得注意的是，图4A和4B所示的测量是在预先确定的条件下的蚀刻室的某些配置的示例。将测量结果用来评估带有谐振电路和不带有谐振电路的室之间的差异。然而，当利用不同的工艺配方时由于其他有关的因素，在室的实际的密度和蚀刻速率可能会不同于图4A和4B中所示的图表。因此，图4A-4B中示出的实施方式不应被解释为排他性或者限制性的，而是示例性的或说明性的。

图4C示出了当上电极使用60兆赫的谐振电路时的上电极的阻抗。该图表显示了作为可调电容器C_X的电容值的函数的上电极的DC电位和在下电极使用60兆赫的功率源时的上电极的阻抗。

在一种实施方式中，当电容器有约30pF的值时，阻抗变得非常大。上电极的DC电位也下降到约-40伏。上电极阻抗的最小值表示在60兆赫的谐振点。还应该注意，在一种实施方式中，RF信号的相位也在谐振点改变。

当有谐振时，阻抗接近无穷大，这阻止RF达到上电极，且RF信号必须寻找不同的接地通路。应注意的是，因为刚好在谐振点之前和之后阻抗线的陡变斜率，因此，在谐振点操作是困难的。

为了在谐振点工作，改变电容C_x，直至发现达到最小的电压。但是，由于阻抗曲线的突变斜率，稳定性可能会出现问题。在一种实施方式中，降低曲线的Q值（涉及在谐振点的斜率），以使该电路在谐振点稳定。这是通过将一些有助于降低Q的电阻元件加入电路中实现。

图5A-5B示出了根据一种实施方式的具有在下电极上的2MHz的功率和2MHz的谐振电路的处理装置的性能相关的图表。图5A和图5B示出利用一个单个2兆赫的RF功率的室的结果。图5A示出了当在下电极使用2兆赫的RF功率时，等离子体密度与离开衬底中心的距离的函数关系。当上电极是浮置的（例如，不耦合到功率或电气接地）时，跨越衬底的表面的密度是均匀的。

当使用2兆赫兹的谐振电路在上电极上时，中心处密度较高，在50至150毫米几乎呈线性下降。通常上电极和下电极等离子体鞘没有相位。在2兆赫，在鞘上有高电压，当利用谐振电路时，在两个鞘的相位有变化，这可能导致一些物理效应。因为利用谐振电路时等离子体密度较高，这导致电子俘获等离子体和密度增大。当谐振时，在中心有高的蚀刻速率，因为两个鞘是同相的，或几乎同相的。这意味着2兆赫的谐振电路对一些工艺提供整个晶片的表面上的工艺均匀性可能不是有用的，但对其他工艺，它可以补偿中心慢的蚀刻速率。

图5B示出了当上电极浮置时，在晶片的中心的刻蚀速率是较高的，朝向晶片的边缘逐渐减小。然而，当谐振电路耦合到上电极时，效能大幅提高，在晶片边缘的蚀刻速率远小于在晶片的中心处的刻蚀速率。

当使用谐振电路时随着更多的电子从上鞘反射回等离子体中，由于密度增加，有更多的二次电子在底部产生。由于附加电离，这导致等离子体密度增加。此外，由于较高的鞘层电势和更负的上电极电压，在上电极产生更多的二次电子，从而导致额外的电离和等离子体密度的增加。

图6A-6B显示了根据一种实施方式的具有27MHz的谐振电路的处理装置的有关性能的图表。图6A和6B示出了当利用单个的27兆赫的RF功率在下电极时的在室中的性能测量的结果。正如图6A所示，当上电极接地时的等离子体密度比当上电极包括谐振电路时的等离子体密度较高。

当上电极是接地的时，密度基本上是均匀的，直到约130毫米，在130毫米之后密度迅速减小。当利用谐振电路时，密度提供了一些变化，但不存在象上电极接地的情况下那样的晶片的边缘处的急剧下降。

图6B示出在衬底的整个表面的蚀刻速率变化。上电极接地时在晶片的中心和边缘的蚀刻速率之间有显著的差异。当在上电极使用谐振电路时，蚀刻速率显示W形状，相比于在接地电极的情况下，其在整个晶片显得更均匀。据认为，显示W形的原因是，基本的频率（27兆赫）和其谐频对蚀刻均匀性都有影响。

如上参照图4A-6B所述，通过比较谐振电路的不同的影响，似乎60兆赫兹的谐振电路可被用来增加跨越晶片的蚀刻均匀性。27兆赫和60兆赫对于蚀刻速率没有呈现这样强的影响，因为当鞘电压较小时，在鞘中对于电极的捕获没有这样的影响。

图7示出了根据一种实施方式的半导体晶片处理装置。图7的室包括分别具有RF频率f₁、f₂、f₃的RF功率源720、722和724，分别通过相应的匹配网络M₁、M₂和M₃连接至下电极108。上电极104经由开关122和匹配网络116连接到具有RF频率f₄的第四RF功率源120。开关122使第四RF功率源与上电极104耦合或解耦。在一种实施方式中，过滤器208用于过滤掉其他RF频率，防止它们到达第四RF功率源120。

另外，该室包括多个开关以配置到上电极104的连接件。开关726能操作以将2兆赫谐振电路202与上电极连接或断开。开关728能操作以将27兆赫谐振电路204与上电极连接或断开。此外，开关730能操作以将60兆赫兹谐振电路206与上电极连接或断开。此外，上电极可以通过开关732接地，开关732将上电极与电气接地连接或断开。

第一加热器718位于上电极104的上方，且第二加热器716位于接地电极124的上方。这些加热器通过氮化铝材料层与上电极和接地电极分离，但也可使用其他绝缘体。加热器716控制所述接地电极的外部区域中的温度，而加热器718控制上电极的温度。每个加热器能操作以在晶片处理操作期间独立地开启或关闭。

可以利用对上电极温度的控制来调节室的响应。然而，温度控制具有限制，即温度不能迅速改变。因此，温度控制对于室中的变化提供缓慢的响应。利用上电极的温度控制来控制每个晶片处理操作是困难的。此外，可以应用到在室的硅表面的温度有上限。

晶片处理装置还包括系统控制器702、上电极功率和阻抗控制器302、以及f₁、f₂和f₃各自的功率控制器710、712和714。系统控制器702接收等离子体配方704，其包括在室执行的不同操作的指令。晶片的处理可以在多个操作中完成，并且每个操作可能需要在室中不同的设置。例如，在一个操作中，开启全部的四个RF功率源，而在其他操作中，只开启有3个、或2个、或1个RF功率源。

上电极功率和阻抗控制器302可操作以设置耦合到上电极的开关122、726、728、730和732的位置，使上电极能够配置为在室中在不同的处理操作。此外，当对于给定的操作不需要RF功率时，上电极功率和阻抗控制器302可操作以关闭RF功率源120。系统控制器702与上电极功率和阻抗控制器302交互，以根据所接收的等离子体配方704设定室中适当的参数。

根据等离子体配方704，系统控制器设置室的操作参数，操作参数包括哪个RF功率源被开启或关闭，RF功率源的电压和它们的功率设置，开关122、726、728、730和732的设置，加热器316和318的度数的设置，在室中所用的气体，室中的压强，晶片处理操作的持续时间，等等。在一种实施方式中，系统控制器702发送指令到上电极功率和阻抗控制器302以配置上电极上的功率，其中包括设置开关的位置，RF功率源120开启或关闭，并设置在操作过程中用于RF功率源120的功率电平。

系统控制器702还与功率源控制器710、712和714接口，从而调节相应的RF功率源720、722和724是否开启或关闭，并且，如果功率源被开启，则设定什么样的功率。在一种实施方式中，RF功率源120的频率是400kHz。在另一实施方式中，频率是在从400kHz至2MHz的范围内，而在又一种实施方式中，频率是在从100kHz到10MHz的范围内。在某些操作中，三个下RF功率源不同时开启，从而使得在顶部的RF能有较高的频率。在一种实施方式中，RF功率源120的频率与在底部的频率f₁-f₃是不同的，以避免在室中的谐振。

在一种实施方式中，室中的压强具有介于20毫乇和60毫乇之间的值。在另一种实施方式中，上部功率源的电压可以是在数百伏的电压的范围内（例如，100伏至2000伏或更大），而下部RF功率源可以有高达6000V或以上的电压。在一种实施方式中，电压为1000伏。在另一种实施方式中，上部RF功率源的电压具有介于100伏和600伏之间的值，而下部RF功率源的电压具有介于1000V和6000V之间的值。顶室和底室中的压强可以有介于10毫乇和500毫乇之间的值。在一种实施方式中，室在15毫乇的压强下操作。

值得注意的是，图7示出的实施方式是示例性的。其它实施方式可利用不同类型的室、不同的频率、以及根据配方的室配置的其他类型的调节、在室中的不同的压强、等等。例如，在一种实施方式中，室是CCP等离子体室。此外，在半导体晶片处理装置中如上所述的一些模块可以被合并到单个模块中，或单个的模块的功能可以通过多个模块实现。例如，在一种实施方式中，功率控制器710、712和714被集成在系统控制器302内，但其他的配置也是可能的。因此，图7示出的实施方式不应被解释为排他性或者限制性的，而是示例性的或说明性的。

图8A示出了用于根据一种实施方式在包括处理室的上电极和下电极（例如图7的室）的晶片处理装置中处理晶片的算法流程。在操作802中，接收用于处理晶片的配方。方法从操作802流转到操作804，在操作804中进行检查以确定是否要启用第一RF功率。如果第一RF功率是要启用的，则方法流转到操作806，在操作806中开启第一RF功率，并且如果第一RF功率不是要启用的，则方法流转到操作808，在操作808中关闭所述RF功率。

在操作810中进行检查以确定是否要启用第二RF功率。如果第二RF功率是要启用的，则方法流转到操作812，在操作812中开启第二RF功率，并且如果第二RF功率不是要启用的，则方法流转到操作814，在操作814中关闭第二RF功率。

在操作816中进行检查以确定是否要启用第三RF功率。如果第三RF功率是要启用的，则方法流转到操作818，在操作818中，开启第三RF功率，并且如果第三RF功率不是要启动的，则方法流转到操作820，在操作820中关闭第三RF功率。

在操作822中进行检查以确定是否要启用第四RF功率。如果第四RF功率是要启用的，则方法转到操作824，在操作824中开启第四RF功率，并且如果第四RF功率是不要启用的，则方法转到操作826，在操作826中关闭第四RF功率。

开启或关闭四个RF功率之后，方法流转到操作828，在操作828中根据配方设置所述第一开关的位置，以使得上电极与第四RF功率耦合或解耦。方法从操作828流转到操作830，在操作830中根据配方设置第二开关的位置，以使得上电极与第一谐振电路耦合或解耦。

方法从操作830继续到操作832，在操作832中根据配方设置所述第一开关的位置，以使得上电极与电气接地耦合或解耦。在操作834中处理晶片。

图8B示出了调谐根据一种实施方式（例如，参见图3A中的具有可变电容器C_x的谐振电路）的谐振电路的方法。在操作852中，在处理室中等离子体被激发。在等离子体已被激发后，在操作854中调节谐振电路中的可变电容器，直到获得最小的上电极的电压。可变电容器的第一调节被称为粗调。

方法从操作854流转到操作856，在操作856中调节可变电容器以改变上电极的电压使其远离谐振点，以便在稳定的体系中运行。由于谐振电路靠近谐振点，用于谐振的RF频率的阻抗将仍然是非常高的，但该电路会是更稳定的，因为阻抗的任何小的变化不会引起上电极的电压的大的变化。可变电容器的第二调节被称为微调。

在粗调和微调的操作期间设定可变电容器的值后，在具有微调的谐振电路的室中处理衬底。

图9是用于执行本文所描述的实施方式的计算机系统的简化示意图。应当理解，这里描述的方法也可以与如常规的、通用计算机系统之类数字处理系统一起执行。可以在替代方案中使用被设计或编程来执行仅一个功能的特殊用途的计算机。该计算机系统包括中央处理单元（CPU）904，通过总线910中央处理单元（CPU）904被耦合到随机存取存储器（RAM）928、只读存储器（ROM）912和大容量存储设备914。功率和阻抗控制程序908驻存在随机存取存储器（RAM）928中，但也可以驻存在大容量存储器914或ROM912中。

大容量存储设备914表示可以是本地或远程的持久性数据存储设备，如软盘驱动器或固定盘驱动器。网络接口930通过网络932提供连接，以允许与其他设备通信。应当理解的是，CPU904可以被体现为通用处理器、专用处理器、或专门的编程逻辑器件。通过总线910，输入/输出（I/O）接口提供了与不同的外围设备之间的通信，并与CPU904、RAM928、ROM912和大容量存储设备914连接。外围设备的示例包括显示器918、键盘922、光标控制924、可移动媒体设备934等等。

显示器918被配置为显示本文所描述的用户界面。键盘922、光标控制924、可移动媒体设备934和其他外围设备耦合到I/O接口920以传达命令选择中的信息到CPU904。应当理解的是，到外部设备和来自外部设备的数据可通过I/O接口920传达。这些实施方式也可以在分布式计算环境中实行，在该环境中任务由通过基于有线网络的或无线网络的远程处理设备执行。

本文所描述的实施方式可以用各种计算机系统配置实施，该计算机系统配置包括手持设备、微处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子器件、微型计算机、大型主机等。该实施方式也可以在分布式计算环境中实行，在该环境中任务由通过网络链接的远程处理设备执行。

注意，对于上述实施方式，应当理解，这些实施方式可以采用涉及存储在计算机系统中的数据的各种计算机执行的操作。这些操作是那些需要物理量的物理处理的操作。组成这些实施方式中的部分的本文所描述的任何操作是有用的机器操作。这些实施方式还涉及用于执行这些操作的设备或装置。该装置可以被特别地构造用于诸如特殊用途计算机之类的所需用途的计算机。当定义为特殊用途计算机时，该计算机还可以进行不属于特殊用途的其他处理、程序执行或例程，同时仍然能够操作用于特殊用途。可替代地，这些操作也可以由通过存储在计算机存储器、高速缓存中的，或通过网络获得的一个或多个计算机程序选择性地激活或配置的通用计算机来处理。当数据在网络上获得时，该数据可由网络上的其他计算机进行处理，例如，由云计算资源处理。

也可以将一个或多个实施方式制作为在计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是可以存储数据的任何数据存储设备，该些数据之后能够由计算机系统读取。计算机可读介质的示例包括硬盘驱动器、网络附加存储（NAS）、ROM、RAM、光盘只读存储器（CD-ROM）、可录光盘（CD-R）、可重写CD（CD-RW）、磁带和其他光学和非光学数据存储设备。计算机可读介质可包括分布在与网络耦合的计算机系统中的计算机可读有形介质，使得计算机可读代码以分布的方式存储和执行。

尽管以特定的顺序描述了这些方法操作，但应理解，只要以所需的方式执行叠加操作的处理，其他内务操作可以在操作之间执行，或操作可以进行调节，以使操作在稍微不同的时间发生，或者可以被分布在允许处理操作在与该处理相关的不同的时间间隔发生的系统中。

虽然为了清晰理解的目的，已经描述了上述实施方式中的一些细节，但显而易见，可以在所附权利要求的范围内实行某些变化和改进。因此，本发明的实施方式应被视为说明性的，而不是限制性的，并且这些实施方式并不限于本文给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同方案内进行修改。

Claims (20)

1.一种晶片处理装置，其包括处理室的上电极和下电极，所述晶片处理装置包括：

第一射频（RF）功率源，第二射频功率源，和第三射频功率源，所述第一、第二、和第三射频功率源与所述下电极耦合；

第四射频功率源，其与所述上电极耦合；以及

第一谐振电路，其耦合在所述上电极和电气接地之间，所述第一谐振电路包括能操作以改变所述第一谐振电路的频率相关的阻抗的调谐元件。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述调谐元件能操作以设置所述第一谐振电路的所述频率相关的阻抗，使得所述频率相关的阻抗的最大值对应于所述第一射频的频率。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一谐振电路包括：

电感器；以及

可变电容器，其串联连接在电气接地和所述电感器之间，其中，所述室中的杂散电容存在于所述电感器和地之间。

4.如权利要求1所述的装置，其进一步包括：

第二谐振电路，其耦合在所述上电极和电气接地之间。

5.如权利要求4所述的装置，其进一步包括：

第三谐振电路，其耦合在所述上电极和电气接地之间。

6.如权利要求1所述的装置，其进一步包括：

系统控制器，其中，所述系统控制器能操作以在晶片处理操作期间设置所述第一、第二、第三、和第四射频功率中的每个为独立地开启或关闭的一个，且其中，所述系统控制器能操作以使所述第一谐振电路与所述上电极耦合或解耦。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述系统控制器进一步能操作以使所述上电极与电气接地耦合或解耦。

8.如权利要求1所述的装置，其中所述晶片处理装置根据包括以下配置的配置被配置：

能设置为60MHz的频率的所述第一射频功率源；

能设置为27MHz的频率的所述第二射频功率源；

能设置为2MHz的频率的所述第三射频功率源；以及

能设置为400KHz的频率的所述第四射频功率源。

9.一种晶片处理装置，其包括处理室的上电极和下电极，所述晶片处理装置包括：

第一射频（RF）功率源，第二射频功率源，第三射频功率源，和第四射频功率源，所述第一、第二、和第三射频功率源与所述下电极耦合；

第一谐振电路；以及

第一开关、第二开关、以及第三开关，所述第一开关能操作以使所述上电极与所述第四射频功率源耦合，所述第二开关能操作以使所述上电极与所述第一谐振电路耦合，且所述第三开关能操作以使所述上电极与第一电压耦合。

10.如权利要求9所述的装置，其进一步包括：

第二谐振电路；以及

第四开关，其能操作以使所述上电极与所述第二谐振电路耦合。

11.如权利要求10所述的装置，其进一步包括：

第三谐振电路；以及

第五开关，其能操作以使所述上电极与所述第三谐振电路耦合。

12.如权利要求9所述的装置，其中，所述第一射频功率的频率为60MHz，其中，所述第二射频功率的频率是27MHz，其中，所述第三射频功率的频率为2MHz，并且其中所述第四射频功率的频率为400kHz。

13.如权利要求9所述的装置，其进一步包括：

第一功率控制器，其能操作以根据用于处理晶片的配方来激活所述第一射频功率。

14.如权利要求9所述的装置，其进一步包括：

系统控制器，其能操作以设置所述第一、第二、第三、和第四射频功率源的功率电平。

15.如权利要求9所述的装置，其中，所述第四射频功率的频率在从0.1到10MHz的范围内。

16.一种在包括处理室的上电极和下电极的晶片处理装置中处理晶片的方法，所述方法包括：

接收处理所述晶片的配方；

根据所述配方启用或禁用第一射频（RF）功率、第二射频功率、第三射频功率和第四射频功率中的每个，所述第一射频功率、所述第二射频功率、和所述第三射频功率耦合至所述下电极；

根据所述配方设置第一开关的位置以使所述上电极与所述第四射频功率耦合或解耦；

根据所述配方设置第二开关的位置以使所述上电极与第一谐振电路耦合或解耦；

根据所述配方设置第三开关的位置以使所述上电极与电气接地耦合或解耦；以及

处理所述晶片。

17.如权利要求16所述的方法，其进一步包括：

设置所述第一谐振电路的频率相关的阻抗，使得所述频率相关的阻抗的最大值对应于所述第一射频功率的频率，其中，设置所述频率相关的阻抗包括调节所述第一谐振电路中的调谐元件。

18.如权利要求16所述的方法，其进一步包括：

确定用于处理所述晶片的所述配方中的下一个操作；

根据所述下一个操作启用或禁用所述第一射频功率、所述第二射频功率、以及所述第三射频功率中的每个；以及

根据所述下一个操作设置所述开关的位置。

19.如权利要求16所述的方法，其进一步包括：

在处理所述晶片之前根据所述配方设置所述第一、第二、第三、和第四射频功率的功率电平；以及

设置所述第一谐振电路中的可变电容的电容的值以实现所述第一射频功率源的频率处的谐振。

20.如权利要求16所述的方法，其中，所述方法的操作在由一个或多个处理器执行时是通过计算机程序执行的，所述计算机程序嵌入在非瞬态计算机可读存储介质中。

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