CN105190843A - 在处理室中使用调节环来调节等离子体分布的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例是关于在基板的等离子体处理期间用于改良等离子体分布的装置。根据实施例，该装置包括电耦接至可变电容器的调节环。该电容经控制以控制射频及所产生的等离子体与调节环的耦合。整个基板的等离子体分布及所产生的沉积薄膜厚度通过调整调节环处的电容及阻抗而得以相应地控制。

Description

在处理室中使用调节环来调节等离子体分布的装置和方法
技术领域
本发明的实施例一般是关于用于处理基板的装置和方法。更特定而言，本发明的实施例是关于具有用于改良中心至边缘的等离子体分布均匀性的调节环的等离子体处理室。
背景技术
诸如等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition；PECVD)的等离子体处理用以在诸如半导体晶片的基板上沉积诸如毯介电膜(blanketdielectricfilm)的材料。对于现今等离子体处理室及工艺的挑战包括在等离子体沉积工艺期间控制临界尺寸的均匀性。特定挑战包括使用现今的等离子体处理室及技术沉积的薄膜自基板中心至边缘的厚度均匀性。
由此，需要开发用于在等离子体处理期间改良沉积薄膜的自中心至边缘的厚度均匀性的装置及方法。
发明内容
在本发明的一实施例中，一种等离子体处理装置包括：腔室主体及加电气体分配歧管，该腔室主体及该加电气体分配歧管封闭一处理空间；安置在处理空间中以用于支撑基板的台座；及安置在腔室主体与加电气体分配歧管之间的导电调节环。
在另一实施例中，一种用于处理基板的方法包括：使用射频源为气体分配歧管加电，同时使一种或多种处理气体流入等离子体腔室内，以在腔室的处理空间内形成等离子体，及通过改变安置在加电气体分配歧管与腔室的腔室主体之间的导电调节环的电容来控制等离子体。
在又一实施例中，一种用于等离子体处理装置中的调节环组件包括导电调节环及电耦接至该导电调节环的可变电容器。
附图说明
为可详细理解上文列举的本发明的特征结构，可通过参考实施例对上文中简要汇总的本发明进行更为具体的描述，这些实施例中的一些实施例在附图中进行图示。然而，将注意，附图仅图示本发明的典型实施例，及因此将不被视作限制本发明的范畴，因为本发明可容许其他具有同等效力的实施例。
图1是根据本发明的一实施例的等离子体处理装置的截面示意图。
图2A至图2D是根据施加于图1的腔室中的调节环的变化电容，在整个基板上的电场量级分布的示例性图示。
图3A至图3D是在图1的腔室中处理的，在等离子体沉积处理期间使用施加于调节环的变化电容而在整个基板上产生的薄膜厚度分布的示例性图示。
图4A至图4D是在图1的腔室中处理的，在等离子体沉积处理期间使用施加于调节环的变化电容而在整个基板上产生的薄膜厚度分布的额外示例性图示。
具体实施方式
本发明的实施例是关于在基板的等离子体处理期间用于改良等离子体分布的装置。根据实施例，该装置包括电耦接至可变电容器的调节环。电容经控制以控制射频及所产生的等离子体与调节环的耦合。整个基板上的等离子体分布及所产生的沉积薄膜厚度通过调整调节环处的电容及阻抗而得以相应地控制。
图1是根据本发明的一实施例的等离子体处理装置的截面示意图。该装置包括腔室100，在该腔室中，一个或多个薄膜可沉积在基板110上。腔室包括腔室主体102及气体分配组件104，该气体分配组件将气体均匀地分配至处理空间106内。台座108安置在处理空间内并支撑基板110。台座108包括加热元件(未图示)及电极112。台座108通过杆114以可移动方式安置在处理空间中，该杆延伸穿过腔室主体102及在该腔室主体中连接至驱动系统103以用于升举、降低，及/或旋转台座108。
气体分配组件104包括进气通道116，该进气通道将气体自气流控制器120输送至气体分配歧管118内。气体分配歧管118包括数个喷嘴(未图示)，在处理期间，气体混合物经由这些喷嘴被注入。
射频(radiofrequency；RF)电源126提供电磁能以为气体分配歧管118加电，该气体分配歧管118充当加电电极以促进等离子体在气体分配歧管118与台座108之间产生。台座108包括电极112，该电极经电接地以便在腔室100中在加电气体分配歧管118与电极112之间产生电场。
陶瓷环122定位在气体分配歧管118下方。调节环124安置在陶瓷环122与绝缘体125之间，该绝缘体使调节环124与腔室主体102绝缘。调节环124由诸如铝的导电材料制成。如图1中所绘示，在基板110的处理期间，调节环124与台座108及基板110同心定位。调节环124电耦接至诸如可变真空电容器的可变电容器128，并端接到地。此外，诸如VI传感器的传感器130定位在调节环124与可变电容器128之间以用于控制通过调节环124及可变电容器128的电流。系统控制器134控制多个组件，例如射频电源126、驱动系统103，及可变电容器128的功能。系统控制器134执行储存在存储器138中的系统控制软件。
因此，额外的射频路径在加电气体分配歧管118与调节环124之间建立。而且，通过变更可变电容器128的电容，穿过调节环124的射频路径的阻抗变更，进而又导致耦合至调节环124的射频场的变更。例如，调节环124的最大电流及对应的最小阻抗可通过改变可变电容器128的总电容来达成。因此，在等离子体处理期间，处理空间106中的等离子体可在整个基板110表面上得以调制。
图2A至图2D是根据施加于图1的腔室100中调节环124的变化电容，在整个基板110上的电场量级分布的示例性图示。图2A绘示当调节环124接地(亦即最小阻抗或等同于无限电容)时整个基板110上的电场分布200A。由此实例可见，由于在加电气体分配歧管118处产生的射频与调节环124之间的较高电耦合，电场在基板110的边缘处显著增强(亦即边缘高)。
图2B绘示当耦接至调节环124的可变电容器128处的电容介于约1200pF与约2000pF之间时整个基板110上的电场分布200B。由此实例可见，与图2A中的实例相比，因为电容减小及对调节环124的阻抗增大，电场在基板110边缘处降低。
图2C绘示当耦接至调节环124的可变电容器128处的电容介于约500pF与约800pF之间时整个基板110上的电场分布200C。由此实例可见，与图2B中的实例相比，通过进一步降低可变电容器128的电容(亦即增大阻抗)，电场在基板110的边缘处进一步降低。
图2D绘示当调节环124断开连接及电绝缘(亦即无限阻抗)时整个基板110上的电场分布200D。由此实例可见，由于在加电气体分配歧管118处产生的射频与调节环124之间的电绝缘，电场在基板110的边缘处显著减弱(亦即边缘降低)。
根据图2A图至图2D中所示的实例，显而易见，改变电耦接至调节环124的可变电容器128中的电容导致整个基板110表面上的电场的相应变动。具体而言，增大可变电容器128的电容及相应地减小穿过调节环124的阻抗，导致正在进行处理的基板110的边缘处的电场量级因加电气体分配歧管118与调节环124之间的射频耦合而增大。而且，由于电场是用于在腔室100中产生等离子体的功率驱动者，因此，增大基板110边缘处的电场量级后，由于等离子体与调节环124的耦合增强，也增大基板110的边缘处的等离子体密度。由此，通过改变电耦接至调节环124的可变电容器128中的电容，不仅正在进行处理的基板110的整个表面上的电场得以变化，整个基板110表面上的等离子体分布亦相应地变化。相应地，在基板110上所产生的沉积薄膜厚度分布与等离子体分布相关连，从而产生通过改变电耦接至调节环124的可变电容器128中的电容而改变沉积薄膜厚度分布的能力。
图3A至图3D是在腔室中处理的，在等离子体沉积处理期间使用施加于调节环124的变化电容而在整个基板110上产生的薄膜厚度分布的示例性图示。图3A绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的10％(亦即高阻抗)时整个基板110的薄膜厚度分布。由此实例可见，由于腔室100中的自然等离子体处理条件(例如在基板边缘处的等离子体峰)，薄膜厚度300A在基板110的边缘处自然高(亦即边缘高)及在基板110的中心处自然低(亦即中心低)。
图3B绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的25％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图3A中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度300B减小，而基板110中心处的薄膜厚度增大，彷佛厚度分布特性类似于S型线，及在增大电容时，该线的两端被向外牵拉。
图3C绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的35％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图3B中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度300C减小，而基板110中心处的薄膜厚度增大。
图3D绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的50％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图3C中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度300D进一步减小，而基板110中心处的薄膜厚度进一步增大。
根据图3A至图3D中所示的实例，显而易见，改变电耦接至调节环124的可变电容器128中的电容导致整个基板110表面的沉积薄膜厚度的相应变动。具体而言，在自然产生边缘高及中心薄的薄膜厚度分布的工艺中，增大可变电容器128的电容并相应地降低调节环124处的阻抗导致基板110的相应边缘薄膜厚度的降低及相应中心薄膜厚度的增大。此情况的原因在于：如图2A至图2D所图示，通过增大调节电容，调节环124的电场更强，从而产生与调节环124耦合的更多等离子体。因此，对于自然产生围绕基板110边缘的“等离子体峰”的工艺，增大调节环124的调节电容将“等离子体峰”拉向调节环124并将其拉离基板110的边缘。这使得等离子体分布被“拉长”，以便减小产生的薄膜在基板边缘周围的厚度并增大基板110中心处的厚度(彷佛厚度分布特性类似于S型线，及该线的两端被向外牵拉)，由此改良薄膜沉积均匀性。
图4A至图4D是在腔室100中处理的，在等离子体沉积处理期间使用施加于调节环124的变化电容而在整个基板110上产生的薄膜厚度分布的额外示例性图示。图4A绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的10％(亦即高阻抗)时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，由于腔室100中的自然等离子体处理条件，基板110边缘处的薄膜厚度400A自然小(亦即边缘薄)，而基板110中心处的薄膜厚度自然高(亦即中心高)。
图4B绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的25％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图4A中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度400B增大，而基板110中心处的薄膜厚度400B减小，彷佛厚度分布特性类似于S型线，及该线的两端被向外牵拉。
图4C绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的35％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图4B中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度400C增大，而基板中心处的薄膜厚度400C减小。
图4D绘示当可变电容器128经设定在其最大电容的50％时整个基板110上的薄膜厚度分布。由此实例可见，与图4C中的实例相比，通过增大可变电容器128的电容(亦即降低阻抗)，基板110边缘处的薄膜厚度400D进一步增大，而基板110中心处的薄膜厚度进一步减小。
根据图4A至图4D中所示的实例，显而易见，改变电耦接至调节环124的可变电容器128的电容导致整个基板110表面上的沉积薄膜厚度的相应变动。具体而言，对于自然产生边缘薄及中心高的薄膜厚度分布的工艺，增大可变电容器128的电容及相应地降低调节环124处的阻抗导致基板110的相应边缘薄膜厚度的增大及相应中心薄膜厚度的减小。此情况的原因在于：如图2A至图2D所图示，通过增大调节电容，调节环124的电场更强，从而产生与调节环124耦合的更多等离子体。因此，对于自然产生围绕基板110边缘的低等离子体密度的工艺，增大调节环124的调节电容将等离子体拉向调节环124并将其自基板110中心拉向基板110边缘。此举使得等离子体分布被“拉长”，以便增大产生的薄膜在基板110边缘周围的厚度并减小基板110中心处的厚度，由此改良薄膜沉积均匀性。
尽管前述内容是针对本发明的实施例，但可在不脱离本发明的基本范畴的情况下设计本发明的其他及更多实施例，及本发明的范畴由权利要求决定。

Claims (15)

1.一种等离子体处理装置，包括：
腔室主体及加电气体(poweredgas)分配歧管，该腔室主体及该加电气体分配歧管封闭一处理空间；
台座，安置在该处理空间中以用于支撑基板；及
导电调节环，安置在该腔室主体与该加电气体分配歧管之间。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其中，该导电调节环电耦接至可变电容器。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，进一步包括陶瓷环，该陶瓷环安置在该加电气体分配歧管与该调节环之间，其中该导电调节环与该腔室主体电绝缘。
4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，该可变电容器耦接至传感器及控制器，该控制器经配置以控制该可变电容器的电容。
5.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，该可变电容器耦接至传感器及控制器，该控制器经配置以控制流经该可变电容器的电流。
6.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，该导电调节环包括铝。
7.如权利要求2所述的等离子体处理装置，进一步包括驱动系统以用于升举该台座，以使得该导电调节环与由该台座支撑的基板同心。
8.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其中，该可变电容器是可变真空电容器。
9.一种用于处理基板的方法，包括：
使用射频源为气体分配歧管加电，同时使一或多种处理气体流入等离子体腔室内，以在该腔室的处理空间内形成等离子体；及
通过改变导电调节环的电容来控制该等离子体，该导电调节环安置在该加电气体分配歧管与该腔室的腔室主体之间。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括通过改变该导电调节环的电容来控制该导电调节环的阻抗至最小值。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括通过改变该导电调节环的电容来控制该导电调节环的电流至最大值。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
使用基板支撑台座将基板定位在该处理空间内；以及
通过增大该可变电容器的电容来增大该基板的边缘处的等离子体密度。
13.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
使用基板支撑台座将基板定位在该处理空间内；以及
通过增大该可变电容器的电容来减小该基板的边缘处的等离子体密度。
14.一种调节环组件，用于等离子体处理装置中，该调节环组件包括：
导电调节环；及
可变电容器，电耦接至该导电调节环。
15.如权利要求14所述的调节环组件，进一步包括传感器，该传感器耦接至该导电调节环。
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