CN105898977A - 等离子体生成设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明提供了一种用于对衬底进行等离子体处理的等离子体生成设备，包括腔室、等离子体产生装置、衬底支撑件和法拉第屏障，腔室具有内表面，等离子体产生装置用于在腔室内产生感应耦合等离子体，衬底支撑件用于在等离子体处理期间支撑衬底，法拉第屏障布置在所述腔室内以用于对内表面的至少一部分进行屏蔽以免受由等离子体处理从衬底移除的材料的影响，其中，等离子体产生装置包括天线和RF电源，RF电源用于将RF电能供应至具有极性的天线，该极性在小于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。

Description

等离子体生成设备
技术领域
本发明涉及一种等离子体生成设备以及对衬底进行等离子体处理的相关方法，该方法尤其但非排他地涉及溅射蚀刻。
背景技术
在半导体行业中，通常的做法是，在处理步骤之前对半导体晶圆进行预清洁。例如，对于具有金属层的半导体晶圆，通过溅射蚀刻工艺将材料从晶圆表面移除以确保高质量的金属/金属界面是常见并且理想的。人们希望产生可重复的低接触电阻和良好的粘合性。该步骤一般在溅射预清洁模块中进行，溅射预清洁模块包括被感应线圈天线围绕的真空室。待预清洗的衬底在腔室内被支撑在压板上。感应线圈天线被缠绕在腔室的外部，并且一端通过阻抗匹配网络连接到RF能源。天线的另一端被接地。此外，RF电源和相关的阻抗匹配电路连接到压板上以便对压板进行偏置。通常，在感应线圈天线的附近的腔室壁由诸如石英或陶瓷之类的电绝缘材料制成，以便使耦合至腔室内的RF电源的衰减最小化。
在工作时，适当的气体(通常是氩气)在低压下(通常约1-10毫乇)被导入至腔室，并且来自线圈天线的RF电能产生感应耦合等离子体(ICP)。压板偏置用于从等离子体朝向衬底加速离子。所得离子对衬底的表面进行轰击蚀刻。
然而，这会产生与材料的聚积相关的问题，材料从衬底溅射并被再沉积到腔室的盖和壁的周围。这种再沉积的材料能够作为颗粒进行积累并且随后变得松动。这导致颗粒有可能落到衬底上并污染衬底。另一个问题是，在半导体行业中通常使用的诸如铜、钛和铝之类的导电层的溅射刻蚀可导致导电材料聚集在腔室的壁上。腔室的壁上的这种导电涂层具有使通过线圈天线耦合到腔室中的RF电能衰减的效果。导电涂层的厚度随时间而增加。导电涂层的厚度可增加到严重影响溅射蚀刻工艺的程度。例如，可能会遇到蚀刻速率漂移或缺乏蚀刻均匀度的问题，或可观察到等离子体的点火或维持的问题。
为避免这些问题，有必要对处理模块进行频繁的维护。这不可避免地导致成本的显著升高和工具的停机时间的增加。这在产量和效率极其重要的生产环境中是极不可取的。
发明内容
本发明在其至少一些实施例中解决了上述问题。本发明在其至少一些实施例中能够延长腔室的维护清洗之间的时间，同时维持对衬底的衬底工艺重复。此外，本发明在其至少一些实施例中可改善蚀刻的均匀度。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于对衬底进行等离子体处理的等离子体生成设备，包括：
腔室，其具有内表面；
等离子体产生装置，其用于在腔室内产生感应耦合等离子体；
衬底支撑件，其用于在等离子体处理期间支撑衬底；
法拉第屏障，其布置在腔室内以用于对内表面的至少一部分进行屏蔽以免受等离子体处理而从衬底移除的材料的影响；
其中，等离子体产生装置包括天线和RF电源，RF电源用于将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在小于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。
RF电源可将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在大于或等于0.01Hz、优选地为0.05Hz、最优地为0.1Hz的频率下进行交替变化。
RF电源可将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在小于或等于100Hz、优选地为25Hz、最优地为10Hz的频率下进行交替变化。
本发明延长了极性在包括上述的频率上限和频率下限的范围之间的交替变化。例如，极性交替变化的频率范围可包括0.1-1000Hz、0.1-100Hz、0.05-5Hz、0.1-10Hz以及所有其他结合。
法拉第屏障可接地。腔室的至少一部分也可接地。例如，腔室的盖可接地。法拉第屏障和腔室二者接地可用于在等离子体处理期间减少腔室上沉积的材料。
法拉第屏障可以是笼。
法拉第屏障可包括多个孔。孔可以是竖直对齐的槽。通常来说，天线水平地布置在腔室的周围，并且所提供的竖直对齐的槽可防止沉积连续水平金属带。这是有利的，因为沉积在腔室的内表面上的连续水平金属带会造成涡电流损耗，进而导致蚀刻速率降低。
天线可包括单匝线圈。这被证明可改善结果。然而，本发明还可扩展成天线为多匝线圈的实施例。
RF电源可包括RF能源和开关，所述开关使供应至天线的RF电源的极性产生交替变化。也可设置有诸如阻抗匹配电路之类的其他元件。
设备还可包括用于对衬底支撑件进行电偏置的衬底支撑件电源。衬底支撑件电源可以是用于在衬底支撑件上产生RF偏置的RF电源。
设备可被配置用于对衬底进行溅射蚀刻。通常来说，这种设备包括用于在衬底支撑件上产生RF偏置的RF电源。
设备可被配置用于对衬底进行预清洁。在这些实施例中，设备可被设置成处理工具中的模块。
衬底可包括半导体材料。衬底可以是半导体晶圆。
衬底可包括半导体材料，该半导体材料上形成有一个或多个金属层。
本发明不针对任何特定的等离子体。通过使用氩等离子体可得到优良的结果，但可以设想的是，可通过使用其他气体或气体混合物来产生等离子体。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于对衬底进行等离子体处理的方法，包括:
通过使用等离子体生产设备来在腔室中产生等离子体，等离子体生产设备包括天线和用于对天线供应RF电能的RF电源；以及
对衬底进行等离子体处理；
其中：
法拉第屏障被布置在腔室中，法拉第屏障对腔室的内表面的至少一部分进行屏蔽以免受由等离子体处理而从衬底移除的材料的影响；以及
RF电能被供给至具有极性的天线，所述极性可在低于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。
等离子体处理可以是溅射蚀刻工艺。衬底可包括半导体材料，该半导体材料上形成有一个或多个金属层，其中，溅射蚀刻工艺能够从一个或多个金属层上移除材料。
通过等离子体处理从衬底上移除的材料可包括金属、或由金属组成。
根据本发明的广义的第三方面，提供了一种用于对衬底进行等离子体处理的等离子体生成设备，包括：
腔室，其具有内表面；
等离子体产生装置，其用于在腔室内产生感应耦合等离子体；
衬底支撑件，其用于在等离子体处理期间支撑衬底；
其中，等离子体产生装置包括天线和用于将RF电能供应至具有极性的天线的RF电源，所述极性可在小于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。
尽管本发明已经在上面进行描述，其仍可扩展至上述列出的特征或下文中的描述、附图或权利要求的任何创造性的结合。例如，关于本发明的第一方面所描述的任何特征可被认为同样是本发明的第二方面和第三方面中公开的特征。
附图说明
现参照附图对根据本发明的装置和方法的实施例进行描述，在附图中：
图1是本发明的装置的横截面视图；
图2是法拉第屏障的立体视图；
图3示出了包括开关的RF电源，该开关用于使所施加的RF电压的极性进行交替变化；
图4示出了马拉松式(Marathon)晶圆刻蚀工艺的刻蚀速率；以及
图5示出了马拉松式晶圆刻蚀工艺上的蚀刻的不均匀性。
具体实施方式
图1示出了普遍描述为10的等离子体处理设备，等离子体处理设备包括腔室12和压板14，压板14置于腔室12中作为待处理晶圆16的支撑件。实线示出了在接收晶圆之前处于降低位置的压板14，而虚线示出了处于升起的使用位置的压板14。腔室12包括置于盖部分12b中的进气口12a，以及泵送口12c。气体通过被连接至适当的泵送装置上的泵送口12c从腔室12中排出。涡轮分子泵可被用于对腔室进行泵送。腔室12还包括由诸如石英或陶瓷之类的电绝缘材料形成的壁部分12d，以及晶圆加载槽12e。感应线圈天线18圆周地布置在腔室12的壁区域12d的周围。感应线圈天线18由RF电源和阻抗匹配单元22来供给RF电能。通过将RF电能从感应线圈天线18感应耦合至腔室12来在腔室12中产生等离子体22。腔室壁12d的电绝缘材料使耦合至腔室12的RF电能的衰减最小化。
设备10还包括置于腔室12中的法拉第屏障24。在图2中更具体地示出了法拉第屏障24。在图1和图2所示的实施例中，法拉第屏障是金属笼，该金属笼包括多个隔开的金属条24a，金属条24a限定出竖直对齐的槽24b。法拉第屏障还分别包括上缘部分和下缘部分24c、24d。优选地，上缘部分24c可被附接至盖部分12b以使得法拉第屏障24能够接地至盖部分12b。法拉第屏障的形状通常符合腔室12的壁部分12d的形状。在图1和图2所示的实施例中，法拉第屏障24是圆柱形的，该圆柱形的尺寸被设置成当置于腔室12中时，法拉第屏障24与壁部分12d的内表面隔开。
RF电源20通过施加具有相关极性的RF电压将RF电源供给至线圈天线18。根据本发明，极性以低频交替变化。低频交替变化可以为1000Hz或小于1000Hz。图3示出了一种装置，该装置使所施加的RF电压的极性能够以适当的低频切换。图3更详细地示出了图1的RF电源20。RF电源20包括RF能源(未示出)、RF阻抗匹配单元30和相关的RF天线电路。RF能源(未示出)通过阻抗匹配单元30供给RF能量，阻抗匹配单元30通过开关32被耦合至线圈天线18。开关32包括第一继电器34和第二继电器36，以及第一电容器38和第二电容器40。每个继电器34、36具有传递高RF电压的输入线以及接地的输入线。每个继电器具有被连接至第二电容器40的不同端子上的输出线。天线线圈18具有同样连接至第二电容40的不同端子上的两个端子。应当理解，继电器34、36能够轻易控制，以便将RF电能施加至线圈天线的所期望的端子上，并将线圈天线的其他端子保持为地电势。还能够轻易使所施加的RF电压的极性在线圈天线的两个端子之间以较低的频率进行交替变化。还应当理解的是，用于实现这种最终结果的其他合适的开关也可由本领域技术人员以明确的方式实施。
在标准现有技术的ICP装置中，线圈天线被配置成使得一个端子接地，并且其他端子被供应RF电能。该现有技术中的驱动ICP线圈天线的方法能够被表征为非对称的。以非对称的方式供应RF电能的结果在于这种非对称投射在所生产的等离子体上。尤其是，线圈的处于高RF电势的端部在其附近产生高能、“热”等离子体。相反的，线圈天线的接地的端部产生能量较少并且相对较“冷”的等离子体。发明人将非对称的现有技术ICP等离子体生产技术与图2中通常所示类型的开槽的法拉第屏障相结合来进行试验。结果发现，腔室的在“热”、高能等离子体附近(即，线圈天线的RF驱动端子的附近)的内壁大体上或完全没有沉积。与此相反，腔室的对应于法拉第屏障中的槽的处于“冷”、低能量等离子体附近(即在线圈天线的接地端子的附近)的内壁被涂覆有再沉积材料。在不希望被任何特殊理论或推测所束缚的前提下，相信这是由在线圈天线的一端部处的高电压引起的，该高电压使得能够通过离子轰击对腔室内部进行溅射烧蚀，即由强电场朝向腔室的壁加速的袋正电荷的离子对腔室内部进行溅射烧蚀。由于没有这种机制存在于线圈天线的接地端部的末端处，因此材料会在腔室的该区域中的内壁上聚积。由于RF电能到等离子体的电感耦合的局部阻塞，这将导致诸如蚀刻速率损失或蚀刻均匀度变差之类的工艺问题。此外，与在该区域中的松散粘合的颗粒材料的剥落相关的问题会缩短腔室的维修间隔。与现有技术相关的另一问题在于，以非对称方式驱动线圈天线产生偏离于腔室中心的等离子体。这显然是由于蚀刻断面不以衬底为中心的非均匀的蚀刻而造成的。
由本发明所教导的极性的低频切换将具有大量的实质性优点。通过使用一个极性和相反极性对线圈天线进行反复驱动，可达到关于等离子体的性质的平均效果。这使蚀刻断面居中，并改善了蚀刻均匀度。已进行了使用300mm晶圆的实验以证实对极性进行低频切换具有这些优点。将结果与仅通过一个极性驱动线圈天线和仅通过相反极性驱动线圈天线来进行蚀刻的试验进行比较。结果在表1中示出。这清楚地证实了通过使用极性的低频切换提高了刻蚀均匀度，同时至少维持了蚀刻速率。
蚀刻速率(A/分钟) 非均匀性(1s％)
线圈极性1 432 5.7
线圈极性2 435 7.1
组合蚀刻 434 4.6
表1
当极性根据本发明进行交替变化时，线圈天线的两个端部交替地为“热的”。线圈上所有的点因此将经受产生强电场所必需的高电压，该强电场通过电离轰击促进腔室的溅射式蚀刻。应当理解的是，这种方法从根本上不同于现有技术中的“平衡-不平衡”(balun)线圈技术，在现有技术中的“平衡-不平衡”线圈技术中，线圈被连接至在RF频率下工作的平衡驱动器上。在平衡-不平衡转换器线圈的情况下，建立虚拟接地，并且腔室中的离子蚀刻并不发生在虚拟接地的附近。在平衡-不平衡技术中，切换是在兆赫兹范围内的极高的频率下进行的。在这样的高频率下，诸如Ar+之类的溅射离子的相对移动性是相对较低的，这意味着腔室内部的轰击大量减少。这将导致再沉积材料在腔室壁上的不期望的聚积。本发明使用较低的切换频率。在这些低频下，存在于等离子体中的离子能够跟随电场，并且对腔室壁进行溅射式磨损，这可产生有效的清洁。
法拉第屏障作为物理屏障来保护腔室内的至少一部分免于不希望的材料的再沉积。尤其是，法拉第屏障能够作为溅射屏障来避免导电材料的再沉积，不然导电材料的再沉积会使线圈天线和等离子体之间的电感耦合衰减。法拉第屏障的尺寸可被设置成并被置于足够靠近腔室的壁，以使得从腔室的内部到法拉第屏障后面的腔室的壁之间不存在明显的视准线。法拉第屏障中的槽可形成有足够的长度以使得这些槽不会明显地影响由线圈天线产生的电场。这一举措使法拉第屏障对蚀刻工艺上的影响最小化。优选地，槽以竖直方式形成，以阻止水平涡电流在腔室中流动。优选地，法拉第屏障被接地至腔室，以使在等离子体处理期间腔室的表面上的溅射最小化。除了由法拉第屏障提供的物理屏障之外，另一优点在于法拉第屏障在能够有效地阻止电容耦合至等离子体。电容耦合能够有助于形成非均匀的等离子体密度。理想的是，将电感耦合的RF的任何损耗保持为最低，以使得不存在与离子撞击、工艺蚀刻速率或非均匀性有关的问题。
如上所述，线圈天线的极性以这种方式在低频下切换，以从各方面增加时间均匀的电场，同时通过形成于法拉第屏障中的槽来增加腔室壁的离子轰击。以这种方式，腔室的内壁的由法拉第屏障中的孔暴露出来的部分能够被有效地溅射蚀刻，以使得内壁的这些暴露的部分大体上保持为免于材料的再沉积，尤其免于金属材料的再沉积。可观察到，与法拉第屏障的使用与极性的低频切换相结合将导致在法拉第屏障的孔中产生极强的等离子辉。这种强辉根据其在孔中的位置大体上是均匀的。相比在适当的位置没有拉法地屏障，孔中的等离子体的强度具有使腔室的邻近孔的壁上的沉积材料被更有效地移除的效果。这至少部分地对材料能够通过法拉第屏障中的孔被溅射到腔室的壁上的事实进行补偿。
使用本发明的ICP溅射蚀刻设备以及使用现有技术中的ICP溅射蚀刻设备在300mm晶圆上进行马拉松测试。现有技术中仅由单个的、不变的极性来驱动线圈天线。具有60％的铜和40％的二氧化硅的表面区域的晶圆被蚀刻。在每个马拉松测试之后对腔室的陶瓷部分进行检查。可观察到，当线圈以具有单个极性的现有技术的方式被运行时，陶瓷在接近线圈的接地部分的区域中被完全涂覆有再沉积材料。被完全涂覆有再沉积材料的区域相当于陶瓷部分的整个区域的17％。该再沉积材料会阻塞电感耦合，以使得涡电流能够流动，并且是掉落到表面上的颗粒材料的电势源。与此相反，在使用本发明进行马拉松测试之后，可观察到，腔室中的陶瓷部分在各方面完全免于沉积。这导致了稳定的、均匀的蚀刻，并能够以较长周期进行维护。
图4和图5示出了与马拉松测试相关的定量结果。图4示出了作为不断增长的被刻蚀晶圆数量的函数来获得的蚀刻速率。图5示出了作为不断增长的被刻蚀晶圆数量的函数的蚀刻非均匀度。可以看到，通过使用本发明而达到的所有的蚀刻速率和蚀刻的非均匀度明显地优于现有技术的工艺。还可观察到，通过使用现有技术中的技术，仅能够按顺序对有限数量的晶圆进行蚀刻。这是因为每20个晶圆被蚀刻后都需要维护程序。
沉积材料在法拉第屏障自身上的聚积能够变成问题颗粒的电势源。该问题能够通过使用粘合技术为笼涂覆具有良好粘合力的低应力材料而被避免或至少被减小。这将用于在法拉第屏障上黏贴任何松散的颗粒材料，因此腔室的维护周期得以被延长。

Claims (17)

1.一种用于对衬底进行等离子体处理的等离子体生成设备，包括：
腔室，其具有内表面；
等离子体产生装置，其用于在所述腔室内产生感应耦合等离子体；
衬底支撑件，其用于在等离子体处理期间支撑所述衬底；以及
法拉第屏障，其布置在所述腔室内以用于对所述内表面的至少一部分进行屏蔽以免受由所述等离子体处理从衬底移除的材料的影响；
其中，所述等离子体产生装置包括天线和RF电源，所述RF电源用于将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在小于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。
2.根据权利要求1所述的等离子体生成设备，其中，所述RF电源将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在大于或等于0.01Hz、优选地为0.05Hz、最优地为0.1Hz的频率下进行交替变化。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的等离子体生成设备，其中，所述RF电源将RF电能供应至具有极性的天线，所述极性在小于或等于100Hz、优选地为25Hz，最优地为10Hz的频率下进行交替变化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述法拉第屏障被接地。
5.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述法拉第屏障是笼。
6.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述法拉第屏障包括多个孔。
7.根据权利要求6所述的等离子体生成设备，其中，所述孔是竖直对齐的槽。
8.根据权利要求7所述的等离子体生成设备，其中，所述天线水平地布置在所述腔室的周围。
9.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述天线是单匝线圈。
10.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述RF电源包括RF源和开关，所述开关使供应至所述天线的所述RF电能的极性产生交替变化。
11.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，还包括用于对所述衬底支撑件进行电偏置的衬底支撑件电源。
12.根据权利要求11所述的等离子体生成设备，其中，所述衬底支撑件电源是用于在所述衬底支撑件上产生RF偏置的RF电源。
13.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体生成设备，其中，所述等离子体生成设备被配置用于对所述衬底进行溅射蚀刻。
14.根据权利要求13所述的等离子体生成设备，其中，所述等离子体生成设备被配置用于对所述衬底进行预清洁。
15.一种用于对衬底进行等离子体处理的方法，包括:
通过使用等离子体生产设备来在腔室中产生等离子体，所述等离子体生产设备包括天线和用于对所述天线供应RF电能的RF电源；以及
对所述衬底进行等离子体处理；
其中：
法拉第屏障被布置在所述腔室中，所述法拉第屏障对所述腔室的内表面的至少一部分进行屏蔽以免受由等离子体处理从所述衬底移除的材料的影响；以及
RF电能被供给至具有极性的所述天线，所述极性可在低于或等于1000Hz的频率下进行交替变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述等离子体处理是溅射蚀刻工艺。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述衬底包括半导体材料，所述半导体材料具有形成于其上的一个或多个金属层，其中，所述溅射蚀刻工艺从一个或多个金属层上移除材料。
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