CN106298418B - 电感耦合等离子体处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电感耦合等离子体的处理系统，其包括射频电源系统，所述射频电源系统包括源射频电源系统和偏置射频电源系统，所述源射频电源系统包括源射频电源和源匹配网络，所述偏置射频电源系统包括偏置射频电源和偏置匹配网络，其中，所述源匹配网络为具有宽频带工作的固定匹配网络，所述偏置匹配网络为自动匹配网络。源匹配网络能够使得源射频功率源的阻抗与等离子体阻抗的快速匹配，偏置匹配网络使得在低偏置射频功率下能够始终得到非常低的反射功率。因此，该处理系统能够实现射频电源和等离子体之间的阻抗快速准确地调整。此外，本发明还提供了电感耦合等离子体处理方法。

Description

电感耦合等离子体处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及半导体处理设备领域，尤其涉及一种电感耦合等离子体处理系统及处理方法。

背景技术

电感耦合等离子体处理系统包括射频电源系统。其中，射频电源系统包括源射频电源系统和偏置射频电源系统。其中，源射频电源系统和偏置射频电源系统均包括射频电源和匹配网络两部分。其中，匹配网络在射频电源和电感耦合等离子体处理设备的负载之间，用于根据负载阻抗的变化情况，快速调整相应的参数，使射频电源和变化的负载之间一直处于阻抗匹配状态。在电感耦合等离子体处理设备中，负载为反应腔内的等离子体。

对于现有的电感耦合等离子体处理设备的射频电源系统来说，其中，源射频电源和偏置射频电源均为固定射频频率的电源，该固定射频频率通常为13.56MHz，并且源匹配网络和偏置匹配网络均是自动匹配网络。在该结构的匹配网络中，该自动匹配网络依靠两个能够做机械运动的可变真空电容器来实现射频电源阻抗与等离子体阻抗相匹配。然而，对于快速的博世(Bosch)工艺过程或脉冲工艺过程，机械运动的可变电容器由于其较慢的响应速度使得其不能很好地匹配快速变化的等离子体阻抗，因而，限制了该结构的匹配网络在半导体处理过程的应用。

为了克服上述匹配网络响应速度慢的缺陷，现有技术中，还设置了电感耦合等离子体处理设备的电源系统的匹配网络的另外一种结构。在该结构中，源射频电源和偏置射频电源均为自动调频的电源，其源匹配网络和偏置匹配网络均为宽频带的固定匹配网络。该结构的匹配网络能够实现对快速的博世(Bosch)工艺过程或脉冲工艺过程的快速匹配。并且，为了避免源射频功率系统和偏置射频功率系统之间的相互干扰，源射频功率系统和偏置射频功率系统通常工作在不同的频率段，例如，400kHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz频率段。但是，当源射频功率系统和偏置射频功率系统工作在同一频率段时，需要将这个频率段进一步细分为两个更小的频率段，工作频率段的变小将会导致匹配网络匹配阻抗的范围变小而有可能不能满足实际工艺过程的要求。

另外，当工艺过程较长时，电感耦合等离子体处理设备的等离子体阻抗的电阻部分有时会发生一定的变化，但是由于固定匹配网络的匹配阻抗的电阻部分在整个工艺过程中是基本固定的，所以，针对自动调频射频电源的固定匹配网络不能对等离子体阻抗的电阻部分的变化进行很好的匹配，从而不能很好地对偏置射频电源和负载之间进行阻抗匹配的调整，进而会产生一定的反射功率。对于有些本身需要较小数值的偏置功率的工艺如Bosch刻蚀工艺，这样的反射功率会严重影响刻蚀形成通孔的形貌。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一方面提供了一种电感耦合等离子体处理系统，以实现射频电源和等离子体之间的阻抗快速准确地匹配。

基于本发明的第一方面，本发明的第二方面提供了一种电感耦合等离子体的处理方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种电感耦合等离子体的处理系统，所述处理系统包括：反应腔室、静电夹盘、阴极和电感耦合线圈，所述静电夹盘设置在所述反应腔室内的内部、所述阴极设置在所述静电夹盘的下方，所述电感耦合线圈设置在所述反应腔室顶盖上方或侧壁上，其中，所述源匹配网络的输入端连接所述源射频电源的输出端，所述源匹配网络的输出端连接所述电感耦合线圈的输入端，所述偏置匹配网络的输入端连接所述偏置射频电源的输出端，所述偏置匹配网络的输出端连接所述阴极；所述处理系统还包括射频电源系统，所述射频电源系统包括源射频电源系统和偏置射频电源系统，所述源射频电源系统包括源射频电源和源匹配网络，所述偏置射频电源系统包括偏置射频电源和偏置匹配网络，其中，所述源射频电源为调频电源，所述偏置射频电源为固定频率的电源，所述源匹配网络为具有宽频带工作的固定匹配网络，所述偏置匹配网络为自动匹配网络。

可选地，所述偏置匹配网络的具有宽频带的自动匹配网络。

可选地，还包括锁相线，所述锁相线的一端连接所述源射频电源，所述锁相线的另一端连接所述偏置射频源。

可选地，所述电感耦合线圈至少包括一组射频线圈。

一种电感耦合等离子体的处理方法，应用上述任一项所述的处理系统，所述处理方法包括：

步骤a、向反应腔室内通入第一反应气体，源射频电源输出具有第一频率的第一源射频功率到电感耦合线圈，将源匹配网络的参数设置为预设值；

同时偏置射频电源输出固定频率的偏置射频功率到反应腔室内的阴极，偏置匹配网络自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配；

步骤b、向反应腔室内通入第二反应气体，源射频电源输出具有第二频率的第二源射频功率到电感耦合线圈，将源射频网络的参数设置为预设值；同时，偏置射频电源输出固定频率的偏置射频功率到反应腔室内的阴极，偏置匹配网络自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配；

步骤c、交替执行所述步骤a和所述步骤b。

可选地，所述偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率与所述源射频电源输出的源射频功率的频率同步。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的电感耦合等离子体处理系统，包括源射频电源系统和偏置射频电源系统，其源射频电源系统包括宽频带的固定匹配网络和可自动调频的源射频电源，由于这个源射频电源系统具有较快的自动频率调谐速率，所以，它能够实现对快速变化的博世工艺过程或脉冲工艺过程的快速变化阻抗的良好匹配。并且，由于源射频电源系统具有可调频的电源和宽频阻抗匹配网络，因此，它具有较宽的阻抗匹配范围。

进一步地，本发明提供的偏置射频电源为固定频率的电源，其匹配网络为自动匹配网络，因此，该自动匹配网络能够对偏置射频电源输出的阻抗进行自动调节，以使偏置射频电源输出的阻抗与等离子体阻抗相匹配，从而得到非常低的反射功率(通常小于1W)，非常低的反射功率有利于改善刻蚀形成的通孔的形貌，因此，本发明提供的电感耦合等离子体处理系统能够实现射频电源和等离子体之间的阻抗快速准确地匹配，而且能够提高刻蚀形成的通孔的形貌。

附图说明

为了清楚地理解本发明或现有技术的技术方案，下面将描述现有技术或本发明的具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本发明的部分实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的电感耦合等离子体处理系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电感耦合等离子体处理方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、有益效果更加清楚、完整，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

如背景技术部分所述，现有的匹配网络中要么存在响应速度慢的缺陷，要么在较低应用功率下时不能一直获得很小反射功率，由此得知的现有的电感耦合等离子体处理系统不能实现射频电源和等离子体之间的阻抗快速准确地匹配。为了克服上述缺陷，本发明提供了一种新的电感耦合等离子体处理系统。具体参见图1。

图1是本发明实施例提供的电感耦合等离子体处理系统的结构示意图。如图1所示，该电感耦合等离子体处理系统包括以下结构：

反应腔室01、静电夹盘02、电感耦合线圈03、源射频电源04、偏置射频电源05、源匹配网络06以及偏置匹配网络07。

其中，静电夹盘02设置于所述反应腔室01内部，电感耦合线圈03设置于所述反应腔室01的顶盖上，源匹配网络06设置在所述源射频电源04以及电感耦合线圈03之间，其中，所述源匹配网络06的输入端连接所述源射频电源04的输出端，所述源匹配网络06的输出端连接所述电感耦合线圈03的输入端。偏置匹配网络07设置在偏置射频电源05和静电夹盘02下方阴极(图1中未示出)之间。也就是说，偏置匹配网络07连接在静电夹盘02下方阴极上，其中，所述偏置匹配网络07的输入端连接所述偏置射频电源05的输出端，所述偏置匹配网络07的输出端连接所述阴极。

由源射频电源04产生的射频功率经过源匹配网络06和电感耦合线圈03进入反应腔室01的内部，在反应腔室01内产生射频电场，电离反应腔室01内的反应气体，从而产生等离子体，产生的等离子体用于对放置在静电夹盘02上的晶片进行刻蚀等工艺。所以，由源射频电源04产生的射频功率会影响反应腔体内的等离子体密度分布，从而影响等离子体的阻抗。

偏置射频电源05产生的偏置射频功率用于影响反应腔室内的等离子体对处理晶圆的处理速率和刻蚀孔径的形状结构。偏置匹配网络07用于调节偏置射频电源05输出的阻抗，使其与等离子体阻抗相匹配。

以上所述为电感耦合等离子体处理系统的结构。

需要说明的是，作为本发明的另一实施例，所述电感耦合线圈也可以设置于反应腔室的侧壁靠近顶部的位置处。

在本发明实施例中，源射频电源04为自动调频的射频发生器。也就是说，源射频电源04为调频电源，其输出的射频功率的频率可调。而偏置射频电源05为固定频率的射频发生器。也就是说，偏置射频电源05输出的射频功率的频率可调是固定的。

另外，本发明中的源射频电源系统中的源匹配网络为宽频带的固定匹配网络，偏置匹配网络为自动匹配网络。

源射频电源04和源匹配网络06构成源射频电源系统，偏置射频电源05和偏置匹配网络07构成偏置射频电源系统。源射频电源系统和偏置射频电源系统组成电感耦合等离子体处理系统的电源系统。

需要说明的是，固定匹配网络中包括可变电容，自动匹配网络中包括可变电容和可变电感。其中，固定匹配网络中的可变电容在进行等离子处理，如交替进行的刻蚀/沉积步骤前，需要进行调试以获得最佳参数，并在正式的等离子刻蚀/沉积步骤中保持这些参数不变。在正式等离子刻蚀/沉积步骤中通过源射频电源输出频率在小范围内的跳变，快速匹配高速切换的刻蚀/沉积步骤对应的跳变的阻抗，其中，这些等离子处理步骤的时长小于1秒，比如只有0.1秒甚至更低。

偏置射频电源系统在进行等离子处理步骤中保持稳定的输出频率，通过自动匹配网络中的可变电容或电感调节自动匹配输入到反应腔内阴极的阻抗，使得偏置射频功率被高效且精确的输入到反应腔内阴极也就是下电极。

需要说明的是，本发明中源射频电源04输出的源射频功率通过电感耦合线圈03产生磁场馈入反应腔室01，电感耦合线圈03产生的电场被位于反应腔室01顶部的法拉第屏蔽板屏蔽在反应腔室01外。馈入反应腔室01的交变磁场主要用于在反应腔室01内产生并维持等离子浓度，偏置射频电源05输出的偏置射频功率通过下电极以电场耦合的形式被馈入反应腔室01以控制晶圆上鞘层的厚度也就是离子入射的能量。可见，源射频功率和偏置射频功率的目的不同，一个是用于在反应腔室01内产生并维持等离子浓度，一个是控制晶圆上鞘层的厚度也就是离子入射的能量，送入的途径也不同，一个是磁场进入，一个是电场进入，所以两者虽然都能够影响反应腔内的等离子体浓度和分布，但是两者之间不会发生电耦合。因此，采用源射频电源快速变频的匹配方法，不会大幅度影响偏置匹配网络输入到下电极处的阻抗。

由于宽频带的固定匹配网络加上快速调频的源射频电源具有较快的自动调频匹配速率，所以，源匹配网络能够实现对快速的博世处理工艺过程或脉冲处理工艺过程的快速匹配，经由源射频电源输出的阻抗能够跟得上等离子体阻抗的快速变化。另外，该源匹配网络与调频的源射频电源一起具有较宽的阻抗调谐范围。

此外，本发明提供的偏置电源匹配网络为自动匹配网络，因此，该自动匹配网络能够对偏置射频电源输出的阻抗进行自动调节，以使偏置射频电源输出的阻抗与等离子体阻抗相匹配，从而得到非常低的反射功率(通常小于1W)，非常低的反射功率有利于改善刻蚀形成的通孔的形貌。

因此，基于上述源匹配网络和偏置匹配网络，本发明提供的电感耦合等离子体处理系统能够实现射频电源和等离子体之间的阻抗快速准确地匹配，而且能够提高刻蚀形成的通孔的形貌。

另外，在本发明实施例提供的电感耦合等离子体处理系统中，源射频电源04和偏置功率源05可以工作在同一频率段，例如都为13.56MHz+/-5％频段，这时可以将源射频电源04和偏置射频电源05同步锁相在一起，以去除两者之间可能的互扰影响。因此，作为本发明电感耦合等离子体处理系统的一优选实施方式，在所述源射频电源04和所述偏置射频源05之间设置有锁相线08，其中，所述锁相线08的一端连接所述源射频电源04，所述锁相线08的另一端连接所述偏置射频源05。通过该锁相线08可以将源射频电源04和偏置射频电源05同步锁相在一起，以去除两者之间可能的互扰影响。

进一步地，当偏置射频电源05输出到下电极的阻抗变化幅度较大，通过自动匹配无法在步骤S21和步骤S22中实现快速匹配时，优选偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率与所述源射频电源输出的源射频功率的频率同步。为了实现频率同步时进行的频率切换，本发明提供的偏置匹配网络优选为具有宽频带的自动匹配网络，由于自动匹配网络自己就具有较宽的阻抗调谐窗口，因此，加上其还有较宽的工作频率范围，所以其调谐的阻抗范围就更大，具有很强的射频阻抗匹配能力。因此，无论在何种等离子体条件下，均能对偏置功率源输出的阻抗进行调节，以使偏置射频电源输出的阻抗与等离子体阻抗获得很好的匹配，从而得到很低的反射功率。即使在低偏置功率下，当工艺过程较长，等离子体阻抗的电阻部分发生微小变化时，这个自动匹配网络也能够根据等离子体阻抗实数部分的变化而对偏置功率源输出的阻抗进行调谐，使调节后的偏置功率源输出的阻抗与变化的等离子体阻抗相匹配。当偏置功率源输出的阻抗与等离子体阻抗相匹配时，得到的反射功率很小，通常可以达到0-1w。

采用本发明实施例提供的匹配网络，提高了射频电源系统在各种等离子体条件下工作的稳定性和精准性。而且，采用该匹配网络的射频电源系统能够特别应用于快速博世工艺处理过程和脉冲工艺处理过程。

另外，设置在反应腔室01外壁顶盖上的电感耦合线圈03可以为一组射频线圈。进一步地，为了更好地控制反应腔室内的等离子体密度分布的均匀性，可选地，设置在反应腔室01外壁上的电感耦合线圈03可以为2组，当然也可以为多组射频线圈。这些不同组的射频线圈之间可以带有射频功率分配器，用来帮助调节各个耦合线圈的功率分配来达到均匀的等离子体刻蚀结果。

本发明提供的电感耦合等离子体处理系统特别适用于需要频繁切换处理步骤的等离子处理工艺，比如Bosch刻蚀工艺或者需要脉冲式射频功率输出的工艺。在进行这些工艺时需要快速切换射频功率参数，由于源射频功率需要长期保持在很高的数值，比如维持在1Kw以上以防止等离子体熄灭，偏置射频功率输出的功率需要很低且非常精确的控制以获得更好的处理效果。

本发明优化选择使得源射频功率源输出的频率在两个频率即第一源射频频率fs1和第二源射频频率fs2之间切换，进而使得快速匹配不同步骤中的阻抗，虽然匹配的精度不及传统的自动匹配，但也能够保证绝大部分射频功率被馈入反应腔中，而且对应大功率的源射功率输入来说少量的反射功率对功率输出的效率影响不大。下方的阴极由于输入的偏置射频功率本来数值就很低，所以需要精确控制才能实现刻蚀形貌的精确控制，所以本发明采用自动匹配的手段，通过调节偏置匹配网络中可变电容或电感的参数逐渐逼近最佳匹配点，最终实现精确的匹配。

应用上述实施例提供的电感耦合等离子体处理系统，本发明还提供了一种电感耦合等离子体的处理方法。图2是本发明实施例提供的电感耦合等离子体的处理方法。如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S21、向反应腔室01内通入第一反应气体，源射频电源04输出具有第一频率fs1的第一源射频功率到电感耦合线圈03，将源匹配网络06的参数设置为预设值；同时偏置射频电源05输出具有固定频率的偏置射频功率到反应腔室01内的阴极，偏置匹配网络07自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配：

需要说明的是，在进行等离子体处理之前，对电感耦合等离子体处理系统中的偏置匹配网络的可变电容进行调试，最终得到的可变电容的最佳参数即所述源匹配网络06的参数的预设值。

步骤S22、向反应腔室01内通入第二反应气体，源射频电源04输出具有第二频率fs2的第二源射频功率到电感耦合线圈03，将源射频网络06的参数设置为预设值；同时，偏置射频电源07输出固定频率的偏置射频功率到反应腔室01内的阴极，偏置匹配网络07自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配；

在上述步骤S21和步骤S22中虽然位于电感耦合等离子体处理系统上方的源射频电源输出的频率和功率均会突变，但是对偏置射频电源05的输出到下电极的阻抗的影响很微弱，所以位于电感耦合等离子体处理系统下方的偏置匹配网络07中的可变电容或电感的参数作微量调整或者不需要调整就能实现自动匹配。

当偏置射频电源05输出到下电极的阻抗变化幅度较大，通过自动匹配无法在步骤S21和步骤S22中实现快速匹配时，优选偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率与所述源射频电源输出的源射频功率的频率同步。

由于在步骤S21中，源射频电源输出具有第一频率fs1的源射频功率，所以，此时偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率也为第一频率fs1。同理，在步骤S22中，源射频电源输出具有第二频率fs2的源射频功率，所以，此时偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率也为第二频率fs2。因此，为了实现偏置射频功率的频率与源射频功率的频率同步，偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率在所述第一频率fs1和所述第二频率fs2之间跳变，在频率跳变完成后仍然需要进行自动匹配以获得精确的匹配效果。

需要说明的是，步骤S21至步骤S22为一个循环过程执行的步骤，实际上，在本发明提供的等离子体处理方法中，需要执行多次交替执行所述步骤S21和所述步骤S22实现阻抗匹配，完成整个处理过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电感耦合等离子体的处理系统，其特征在于，所述处理系统包括：反应腔室、静电夹盘、阴极和电感耦合线圈，所述静电夹盘设置在所述反应腔室内的内部、所述阴极设置在所述静电夹盘的下方，所述电感耦合线圈设置在所述反应腔室顶盖上方或侧壁上，

所述处理系统还包括射频电源系统，所述射频电源系统包括源射频电源系统和偏置射频电源系统，所述源射频电源系统包括源射频电源和源匹配网络，所述偏置射频电源系统包括偏置射频电源和偏置匹配网络，

所述源匹配网络的输入端连接所述源射频电源的输出端，所述源匹配网络的输出端连接所述电感耦合线圈的输入端，所述偏置匹配网络的输入端连接所述偏置射频电源的输出端，所述偏置匹配网络的输出端连接所述阴极；其中，所述源射频电源为调频电源，所述偏置射频电源为固定频率的电源，所述源匹配网络为具有宽频带工作的固定匹配网络，所述偏置匹配网络为自动匹配网络；

所述固定匹配网络中包括可变电容，所述自动匹配网络中包括可变电容和可变电感。

2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述偏置匹配网络的具有宽频带的自动匹配网络。

3.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，还包括锁相线，所述锁相线的一端连接所述源射频电源，所述锁相线的另一端连接所述偏置射频电 源。

4.根据权利要求1-3任一项所述的处理系统，其特征在于，所述电感耦合线圈至少包括一组射频线圈。

5.一种电感耦合等离子体的处理方法，其特征在于，应用权利要求1-4任一项所述的处理系统，所述处理方法包括：

步骤a、向反应腔室内通入第一反应气体，源射频电源输出具有第一频率的第一源射频功率到电感耦合线圈，将源匹配网络的参数设置为预设值；

同时偏置射频电源输出固定频率的偏置射频功率到反应腔室内的阴极，偏置匹配网络自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配；

步骤b、向反应腔室内通入第二反应气体，源射频电源输出具有第二频率的第二源射频功率到电感耦合线圈，将源射频网络的参数设置为预设值；同时，偏置射频电源输出固定频率的偏置射频功率到反应腔室内的阴极，偏置匹配网络自动调节可变电容或可变电感以实现阻抗匹配；

步骤c、交替执行所述步骤a和所述步骤b。

6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述偏置射频电源输出的偏置射频功率的频率与所述源射频电源输出的源射频功率的频率同步。