CN103650098A - 具有磁局限以及法拉第屏蔽的感应耦合rf等离子体源 - Google Patents
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Abstract
本揭示是一种提供磁局限以减少等离子体流失和法拉第屏蔽以抑止寄生电容成份的感应耦合射频等离子体源。感应耦合射频等离子体系统包括一射频电源、一等离子体室、一永久磁铁数组以及一天线数组。等离子体室包括多面墙以及具有一内表面和一外表面的介电窗,其中内表面形成等离子体室的一墙。平行的导电永久磁铁的数组电性相互连接,并内嵌于接近内表面的介电窗墙且在一端耦接至接地面。永久磁铁数组组件于等离子体室内交替地朝向等离子体和远离等离子体被磁化,以形成一多尖点磁场。天线数组包括射频电流可通过且相互平行的长导管。天线数组与永久磁铁数组系相互垂直排列。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及半导体装置制造的领域,尤其涉及一种可提供磁局限(magnetic confinement)以及法拉第屏蔽(Faraday shielding)的感应耦合(inductively coupled)射频(radio frequency,RF)等离子体产生装置。
背景技术
等离子体以多种方式使用于半导体制程中,以将各种掺杂物(dopants)植入晶圆(wafers)或基板,以便进行沉积(deposit)或蚀刻(etch)薄膜(thin films)。这些制程有关于在目标基板的表面上方或下方的离子的定向沉积(directional deposition)或掺杂(doping)。其它制程包括等离子体蚀刻,其中蚀刻物种的定向性(directionality)将决定被蚀刻的沟槽(trenches)质量。
一般而言,藉由供应能量至处理室(chamber)内的中性气体(neutralgas)可形成带电载子(charged carriers)以产生等离子体,其中带电载子被植入于目标基板中。举例来说,等离子体掺杂(plasma doping,PLAD)系统通常使用于半导体装置制造时所需要的浅接面(shallowjunctions),其中离子植入的能量较低以使得掺质离子(dopant ion)受限于晶圆的表面附近。在这些情况下,植入的深度与施加到晶圆的偏压(bias voltage)有关。尤其是晶圆位在平台(platen)上,相对于接地的等离子体室(plasma chamber)而言,平台是被施加负压的偏压。含有所需掺质材料的气体被导入至等离子体室。等离子体可以经由气体原子以及/或分子的解离而产生。
一旦产生等离子体,在等离子体与周围表面(包含工件)之间将存在一等离子体鞘(plasma sheath)。相较于大量的电中性等离子体,上述等离子体鞘实质上为等离子体边缘处的薄层且带有高密度的正电离子(亦即,过多的正电荷)。接着,施加负电压的偏压至平台和基板(例如掺杂应用的晶圆)以使得等离子体中的离子跨越等离子体鞘。跨越等离子体鞘层时,离子将获得动能(kinetic energy),其中获得的动能与跨过鞘层的电压降(potential drop)相等。因此,离子植入至晶圆中的深度与所施加的偏压成正比。植入晶圆的离子剂量决定植入区域的电特性,而且横越晶圆表面的剂量均匀度可确保半导体晶圆上的所有装置在指定的限制下具有相同的运作特性。而为了确保所有装置能进行所需的运作特性,上述每一个因素对半导体制程来说皆是关键。
射频等离子体源可以是电容耦合(capacitively coupled)、感应耦合(inductively coupled)或是(螺旋)波耦合(wave coupled)。在电容耦合中,藉由射频电源于电极(electrode)表面产生区域电场以对等离子体内的电子直接进行加速,而射频电源一般可在兆赫(megahertz,MHz)范围(0.4至160MHz)内运作。由于电场的方位系正交于电极表面,所以电场亦可对离子进行加速,这使离子于电极表面或是在电极前的一介电(dielectric)表面产生撞击。离子撞击电极或介电会耗散能量,导致供给产生等离子体的能量减少。再者,离子撞击电极或介电会造成被撞击的表面产生不必要的溅镀(sputtering)。溅镀是经由高能量粒子对靶材进行轰击使得原子因而被撞击出固体表面。电容耦合射频等离子体源尚有其它缺点。举例来说,电极有时会释出不需要的杂质于等离子体内。此外,电容耦合射频等离子体源仅提供低等离子体密度,因此较不适用于离子源的应用。
在感应耦合中,根据马克士威-法拉第方程式(Maxwell-Faradayequation),
其中为电场和为磁场,感应磁场所产生的一电场使等离子体离子以平行于通过天线(antenna)中的电流的方向加速前进。天线中的电流是由射频电源所产生。感应耦合比电容耦合更为有效率是由于大部份的耦合能量会因电子碰撞中性电子而消耗。与天线长度和感应系数(inductance)成正比的电压于天线内产生以诱发耦合至等离子体的寄生(parasitic)电容。寄生电容是一种存在于两相邻的电子组件间不需要的电容。这会造成上述的多余不必要的功率消耗(power dissipation)和材料溅镀(material sputtering)。然而,可于天线和等离子体之间安插法拉第屏蔽以抑止寄生电容成份。
法拉第屏蔽的设计是用以阻挡和集中电场。这种法拉第屏蔽可包括垂直于天线电流的一接地导体数组。法拉第屏蔽的设计是在使磁场传递的同时用以阻止电场。
感应耦合等离子体产生器的配置可分为两种形式:一种是使用内嵌天线,另一种则是使用外部天线。内嵌天线的配置形式是将天线(即电感耦合器)浸于等离子体室且藉由区域化真空通孔通过等离子体室的墙。外部天线的配置形式则是将天线置于等离子体室外,且有一介电窗(dielectric window)将二者分隔。
提供磁局限至等离子体室的内表面有利于减低等离子体于墙上的流失,可用较少的射频电源驱动较高密度的等离子体,更可于较低的中性气体压力中提供运作和提供较高的等离子体均匀度。而磁局限一般可藉由于等离子体室墙外分布局多尖点(multi-cusp)磁铁来达成。内嵌天线的配置比外部天线的配置提供较佳的磁局限,却无法使用法拉第屏蔽。外部天线的配置方式是将天线置于一介电窗的后侧。此介电窗与多尖点磁局限在等离子体室的绝大部份的表面面积(即介电窗)产生干扰。
因此,内嵌天线和外部天线的配置方式存在取舍的关系。外部天线的配置方式允许在等离子体室内使用法拉第屏蔽,但不允许磁铁提供等离子体局限;而内嵌天线的配置方式允许使用磁铁达到有效的等离子体局限,但不提供法拉第屏蔽。
基此,以下的揭示和主张的实施例中,将改善上述技术并且说明一种提供具有磁局限以及法拉第屏蔽的感应耦合射频等离子体源的方法和装置。
发明内容
在一实施例中揭示一种可提供磁局限以减少等离子体损失以及法拉第屏蔽以抑止寄生电容成份的感应耦合射频等离子体系统。感应耦合射频等离子体系统包括用以产生射频电流的一射频电源、一等离子体室、一永久磁铁数组以及一天线(或一天线数组)。等离子体室包括多面墙以及具有一内表面和一外表面的介电窗,其中内表面形成等离子体室的一墙。相互平行且具导电性的永久磁铁的数组系电性相互连接,内嵌于介电窗而接近内表面并且于一端耦接至接地面。永久磁铁数组的组件于等离子体室内交替地接近等离子体和远离等离子体被磁化,以形成一多尖点磁场。天线数组包括射频电流可通过且相互平行的长管。天线数组系包含在垂直于永久磁铁的磁化向量(magnetization vector)的平面上。
在另一实施例中,一种可提供磁局限和法拉第屏蔽两者的感应耦合射频等离子体系统包括用以产生射频电流的一射频电源;以及一等离子体室,等离子体室可操作地抽真空后被注入有可被解离并转换成等离子体的反应性气体。等离子体室包括具有一内表面和一外表面的介电窗,其中内表面形成等离子体室的一墙。永久尖点磁铁数组系以电性相互连接并于一端耦接至接地面,且内嵌于一磁尖点几何(magnetic cuspgeometry)内的介电窗而磁尖点几何接近于内表面。天线系耦合射频电源,并包括射频电流可通过且相互平行的长管。天线系排列在垂直于永久磁铁的磁化向量的平面上。
本发明的另一实施例中,一种提供磁局限和法拉第屏蔽给感应耦合射频等离子体源的方法包括:提供一射频电源,以产生射频电流;以及提供一等离子体室,等离子体室可操作地抽真空后被注入有可被解离并转换成等离子体的反应性气体。等离子体室包括多面墙以及具有一内表面和一外表面的介电窗,其中内表面成为等离子体室的一墙。导电的永久尖点磁铁数组系内嵌于介电窗而接近介电窗的内表面。此永久尖点磁铁数组在一端耦接至接地面,并且系交替地接近该等离子体和远离该等离子体被磁化,以形成一多尖点磁场。天线(或天线数组)系耦合射频电源,其中天线数组包括于介电窗外且相互平行的长管,使得天线数组排列垂直于永久多尖点磁铁的磁化向量。射频电流可由天线(或天线数组)通过,以在等离子体室内产生变化磁场(variable magnetic field),并且无疑地产生一可解离气体的电子磁场。
附图说明
图1a显示为根据本发明一实施例的等离子体源的立体剖面图。
图1b显示为根据本发明一实施例的介电窗的构造。
图1c显示为天线数组与磁铁数组的配置。
图2显示为图1a所示的等离子体源的剖面的还为详尽的第一立体剖面示意图。
图3显示为等离子体源的剖面的还为详尽的第二立体剖面示意图,其为图2旋转90度的示意图。
图4显示为一多尖点磁场在方向ψ衰减的示意图。
图5显示为介电窗的剖面的局部立体剖面图,其显示多尖点磁场配置的几何特征。
具体实施方式
本发明将于下文特举实施例,并配合所附图式作详细说明。然而,本发明的范围不限于本申请所描述的特定实施例,更甚者,提供以下实施例的目的是使本发明揭示内容更加完整详尽,对熟习本发明技艺者可了解其观念。相同参考数字将用于通篇图标中代表相同组件。
如前述,感应耦合等离子体的产生配置可分为两种形式:一种是使用内嵌天线,另一种则是使用外部天线。内嵌天线的配置形式则是将天线(即电感耦合器)浸于等离子体室且藉由区域的真空通孔通过等离子体室的墙。外部天线的配置形式则是将天线置于等离子体室外,且有一介电窗将二者分隔。
提供磁局限至等离子体室的内表面有利于减低等离子体于墙上的流失,可用较少的射频电源驱动较高密度的等离子体,更可于较低的中性气体压力中提供运作和提供较高的等离子体均匀度。而磁局限一般可藉由于等离子体室墙外布局多尖点磁铁来达成。
内嵌天线的配置比外部天线的配置提供较佳的磁局限,却无法使用法拉第屏蔽。外部天线的配置方式是将天线置于一真空窗的后侧。此真空窗与多尖点磁局限在等离子体室的绝大部份的表面面积(即介电窗)产生干扰。以下的实施例中,将说明一种利用外部天线数组以提供具有磁局限以及法拉第屏蔽的感应耦合装置。
图1a显示为根据本发明一实施例的等离子体源5的立体剖面图。等离子体室10是由被一介电窗12所封住的墙7而创造的体积所定义的。抽真空的方式可经缝隙8由包括涡轮分子帮浦(turbomolecular pumps)搭配粗抽帮浦(roughing pumps)的一抽真空系统(未显示)来完成。缝隙8亦可用以撷取离子束。于墙7上的气体注入口20可使工作气体(working gas)连续地被导入于等离子体室10内以维持等离子体且补足消耗的气体量。这些气体经过等离子体分解后的副产物会持续地由缝隙8抽出。工作气体根据所需的掺质性质,可以例如是三氟化硼(BF3)、硼乙烷(B2H6)、三氟化磷(PF3)、三氢化磷(PH3)、四氟化锗(GeF4)、三氟化砷(AsF3)等,
内嵌于介电窗12内的永久尖点磁铁数组(permanent cusp magnetarray)14垂直于安置于介电窗12外的天线数组(antenna array)16。具导电性且接地的永久多尖磁铁数组14形成一法拉第屏蔽。天线数组16是由射频电源9所驱动。射频电源9(包括一射频产生器和一批配的网络)一般可在0.4MHz至160MHz之间运作。射频电流(Irf)通过天线数组16而产生的变化磁场于等离子体室内产生一区域电场。自由电子(free electrons)因此获得能量且藉由解离碰撞(ionization collisions)将工作气体原子以及/或分子解离。永久尖点磁铁数组14中的磁铁包括但不限于铝镍钴(Al-Ni-Co)、钐钴(Sm-Co)或钕铁硼(Nd-Fe-B)的磁合金。若要产生高磁通量(magnetic flux-energy)产物,可使用含有稀土合金(rare earth alloys)组成的永久磁铁。永久磁铁的特性包括高磁场强度、耐高温以及具导电性。
图1b显示为根据本发明一实施例的介电窗12的构造。介电窗12可由两个层所构成。一个为宽度为w1的第一层12a具有多个平行沟槽(grooves)12b的设计。沟槽12b适于容纳包括于数组14的永久尖点磁铁。一个为较薄且宽度为w2的第二层12c。较薄的层12c与层12a接合,藉以分隔永久尖点磁铁数组14与等离子体11。介电材料可包括但不限于氧化铝(alumina)、氮化铝(aluminum nitride)、石英(quartz)与蓝宝石(sapphire)的其中一者。
图1c显示为天线数组16与永久尖点磁铁数组14的配置。天线数组16与永久尖点磁铁数组14交互垂直。未显示于图1c,天线数组16与永久尖点磁铁数组14实际上是以图1b所述的介电窗12所分隔。图1c仅是用于呈现配置方位。具导电性的永久尖点磁铁数组14形成一法拉第屏蔽。由于具导电性的永久尖点磁铁数组14系垂直于天线数组16而排列,以致于平行于天线数组16的方向无传导路径,因此不会对渗入等离子体的变化磁场产生干扰,而此等离子体是由射频电源9所驱动的天线数组16提供。
图2显示为图1a所示的等离子体源5的剖面的更为详尽的立体剖面示意图。在等离子体源5的剖面示意图中,通过天线数组16的射频电流(Irf)系垂直于纸平面,且永久尖点磁铁数组14系安置为具有在纸平面上的磁化向量方向。同样地,图3显示为图1所示的等离子体源5的剖面的更为详尽的第二立体剖面示意图,其为图2旋转90度的示意图。在此等离子体源5的剖面示意图中,永久磁铁数组14的磁化向量和通过天线数组16的射频电流(Irf)两者皆在纸平面上。
请参照图2和图3,天线数组1系安置于等离子体源外,且可以与等离子体室的介电窗12热接触。因为介电窗12可在正常操作期间藉由的离子轰击步骤(ion bombardment process)被加热,藉由天线数组16与介电窗12的热接触,天线数组16可帮助介电窗12散热而被视为一冷却机制。永久尖点磁铁数组14内嵌于介电窗12且垂直于天线数组16配置,并安置于接近等离子体室的内表面。如图1b显示所示,永久尖点磁铁数组14内嵌于第一介电窗层12a的沟槽12b,接着连接于第二介电窗层12c。此外,永久尖点磁铁数组14包括导电性强永久磁铁。天线数组16一般包括多个射频电流可通过且相互平行的管。在另一实施例中,天线数组16可包括单一管。射频电源9一般可在0.4MHz至160MHz之间运作以产生射频电流。
如图所示,天线数组16与等离子体11是由介电窗12所分隔。等离子体是以感应耦合的方式产生,根据
由感应的变化感应磁场所产生的一电场使等离子体电子以平行于通过天线数组16中的电流的方向加速。垂直于天线数组16的永久尖点磁铁数组14交的地接近等离子体和远离等离子体被磁化以形成一多尖点磁场13。当此磁场渗入于等离子体深度d时,磁场强度会随着减弱。永久尖点磁铁数组14亦具有导电性(或是经由金属镀层制做成以具有导电性)且交互电性连接,整个数组于一端耦接至接地面21形成一法拉第屏蔽以抑止寄生电容耦合成份。由于永久磁铁数组14在平行于天线数组16的方向中无提供传导路径,因此不会对渗入等离子体的变化磁场产生干扰。
在建构等离子体室时,最好避免永久尖点磁铁数组14与等离子体11的直接接触。永久尖点磁铁数组14与等离子体11的直接接触会导致等离子体污染以及永久尖点磁铁数组14过度地被加热。等离子体污染是指引入不需要的杂质至等离子体以至于要被沉积到工作件的等离子体离子的沉积遭受到中止。永久尖点磁铁数组14过度地被加热会造成磁性强度不均匀地减弱以及/或被永久消磁(demagnetization)。
避免永久尖点磁铁数组14与等离子体11的直接接触可藉由建构真空介电窗12来完成,此真空介电窗12利用两个层来分隔永久尖点磁铁数组14与等离子体11。第一层刻划有多个沟槽,用以容纳永久尖点磁铁数组14而与第一层接合的第二层用以分隔永久尖点磁铁数组14与等离子体11。永久尖点磁铁数组14理想地被冷却因为在正常操作期间介电窗12会被等离子体11加热。
冷却永久尖点磁铁数组14可以藉由冷却的的天线数组16和介电窗12的热接触来完成排放热量。由安置使天线数组16和介电窗12热接触,天线数组16可散溢介电窗12内的永久尖点磁铁数组14部分热量而被视为一冷却机制。
磁局限最好是发生在接近于介电窗12的内表面,且磁局限与内表面的距离d范围是在小于等离子体趋肤深度(plasma skin depth)δ之间,使射频能量能释放于图2至图5显示的受限制的等离子体体积中。图2至图5显示的等离子体趋肤深度δ是以直线15为基线,表示为最大射频电源可传送至等离子体的深度。等离子体最好是磁性地被局限,因为可减少等离子体于墙上的流失且无疑增加离子化的效率。尖点磁场最好不要过深地渗入等离子体以保持等离子体的均匀性。磁尖点几何应有一小间距以维持磁局限接近于介电窗12的内表面。
另一方面,为了具有有效的磁局限,重要的是将永久尖点磁铁数组14尽可能地放置于接近介电窗12的内表面。接近于介电窗12产生的大磁场梯度(magnetic field gradient)将不会干扰于等离子体11较深层(约在趋肤深度δ)的射频功率沉积(power deposition)。
磁场由永久尖点磁铁数组14的具有特征距离约为间距的1/π的表面间呈现指数衰减。图4显示为一多尖点磁场沿垂直于等离子体室的墙的方向(ψ)的衰减,其中(d)为尖点磁场不再对带电的粒子产生任何影响力的距离,而δ为等离子体趋肤深度,亦即最大功率沉积所在处的距离。
依经验法则,最合适的磁局限会是在当尖点磁铁配置的间距等于磁铁宽度时。举例来说,当磁铁宽度为3/8时和间距为3/8时时,在一范例中,具有磁能积(field-energy)为的钐钴磁铁于距离磁铁表面约2.5公分处产生约500高斯(Gauss)的磁场强度。上述是由以下方程序推导而来:
其中B为垂直于窗的方向中距离ψ处的磁场强度,B0为磁铁表面的磁场强度,Δ为尖点磁铁配置的间距,w为永久磁铁的宽度。
图5显示为驱动磁场强度和渗入深度有关的几何参数。距离(ψ)处的磁场强度可以使用连续放置的数个永久磁铁14的间距(Δ)而计算出来,其中每个永久磁铁14的宽度为w。在连续配置的永久磁铁14的不同轴之间表示有磁场方向线17,其将穿过介电窗12而渗入等离子体10。
虽然本发明已以实施例揭示如上,但其并非用以限定本发明,任何所属技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作适当的改动和同等替换,故本发明的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。
Claims (19)
1.一种提供磁局限和法拉第屏蔽的感应耦合射频等离子体系统,该感应耦合射频等离子体系统包括:
射频电源,以产生射频电流;
等离子体室,可操作地注入有用以产生等离子体的工作气体;
介电窗,具有内表面和外表面,其中该内表面形成该等离子体室的墙;
永久尖点磁铁数组,包括相互平行的组件,该些组件电性相互连接且于一端耦接至接地面,且该端内嵌于在磁尖点几何的该介电窗中并接近于该内表面尖点;以及
天线数组,耦合该射频电源且包括射频电流可通过且相互平行的长管,其中该天线数组垂直于该永久尖点磁铁数组。
2.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该永久尖点磁铁数组的该些组件于该等离子体室内交替地朝向该等离子体和远离该等离子体被磁化,以形成多尖点磁场。
3.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该永久尖点磁铁数组的该些组件包括永久磁铁,且该些永久磁铁包括含铝镍钴、钐钴或钕铁硼的磁合金。
4.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该天线数组与该介电窗的该外表面热接触。
5.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该介电窗还包括:
第一介电层,包括多个平行的沟槽用以容纳该永久尖点磁铁数组的该些组件;
第二较薄的介电层,与该第一层接合,藉以分隔该永久尖点磁铁数组与该等离子体。
6.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中构成该介电窗的介电材料包括氧化铝、氮化铝、石英与蓝宝石的其中一者。
7.根据权利要求1所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该磁尖点几何具有小间距。
8.一种提供磁局限和法拉第屏蔽的感应耦合射频等离子体系统,该感应耦合射频等离子体系统包括:
射频电源,用以产生射频电流;
等离子体室,可操作地注入有用以产生等离子体的工作气体;
介电窗,具有内表面和外表面,其中该内表面形成该等离子体室的墙;
永久尖点磁铁数组,包括相互平行的组件,该些组件电性相互连接且于一端耦接至接地面,且该端内嵌于在磁尖点几何的该介电窗中并接近于该内表面;以及
天线,耦合该射频电源且包括该射频电流可通过的长管,且该天线垂直于该永久尖点磁铁数组。
9.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该永久尖点磁铁数组的该些组件于该等离子体室内交替地接近该等离子体和远离该等离子体被磁化,以形成多尖点磁场。
10.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该永久尖点磁铁数组的该些组件包括永久磁铁,且该些永久磁铁包括含铝镍钴、钐钴或钕铁硼的磁合金。
11.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该天线与该介电窗的该外表面热接触。
12.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该介电窗还包括:
第一介电层,包括多个平行的沟槽用以容纳该永久尖点磁铁数组的该些组件;
第二较薄的介电层,与该第一层接合,藉以分隔该永久尖点磁铁数组与该等离子体。
13.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中该尖点磁几何具有小间距。
14.根据权利要求8所述的感应耦合射频等离子体系统,其中构成该介电窗的介电材料包括氧化铝、氮化铝、石英与蓝宝石的其中一者。
15.一种提供磁局限和法拉第屏蔽给感应耦合射频等离子体源的方法,该方法包括:
提供射频电源,以产生射频电流;
提供等离子体室,可操作地注入有用以产生等离子体的工作气体;
提供介电窗,该介电窗有内表面和外表面,其中该内表面形成该等离子体室的墙;
内嵌包括相互平行组件的导电永久尖点磁铁数组于该介电窗内并接近于该藉电窗的该内表面;
于一端耦接该永久尖点磁铁数组至接地面;
交替地接近该等离子体和远离该等离子体磁化该永久尖点磁铁数组的该些组件,以形成多尖点磁场;以及
耦合天线数组至该射频电源,该天线数组包括于该介电窗外且相互平行的长管,使得该天线数组垂直于该永久尖点磁铁数组。
16.根据权利要求15所述的方法,还包括使该射频电流通过该天线数组,以在该等离子体室内诱发电磁场。
17.根据权利要求15所述的方法,还包括安置该天线数组以与该介电窗的该外表面热接触。
18.根据权利要求15所述的方法,其中该永久尖点磁铁数组的该些组件包括永久磁铁,且该些永久磁铁包括含铝镍钴、钐钴、钕铁硼或其它稀土磁合金的磁合金。
19.根据权利要求15所述的方法,其中构成该介电窗的介电材料包括氧化铝、氮化铝、石英与蓝宝石的其中一者。
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