CN107849694B - 用于改良bcd及蚀刻深度性能的源rf功率分裂式内线圈 - Google Patents

Abstract

一种线圈组件，包含两个或更多个线圈，两个或更多个线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕到第二末端，两个或更多个线圈的第一末端接合在一起，并且两个或更多个线圈的第二末端以等间隔安置。也提供了包含线圈组件的蚀刻反应器和使用蚀刻反应器形成沟槽的方法。

Description

用于改良BCD及蚀刻深度性能的源RF功率分裂式内线圈

技术领域

本公开内容的实施方式涉及处理半导体基板的设备及方法。具体而言，本公开内容的实施方式涉及向半导体处理腔室提供RF(射频)功率以用于微电机系统(Micro-Electro-Mechanical System；MEMS)器件及类似器件的制造中的深沟槽及过孔蚀刻的设备及方法。

背景技术

对先进半导体器件(诸如微电机系统(MEMS)装置)的需求已为处理装备公司带来了新的挑战。一个挑战是提供适于制造MEMS结构所用材料的高效等离子体蚀刻的装备。举例而言，用于蚀刻的处理装备必须能够维持良好的临界尺寸(critical dimension；CD)控制及掩模选择性，以便在商业可行规模上成功制造MEMS结构。另外，对于意欲用于光学装置的MEMS结构，处理装备必须产生足够光滑的侧壁以获得性能目标。

硅是常用于MEMS结构的材料。通常在深反应性离子蚀刻(deep reactive ionetch；DRIE)反应器中实施用于MEMS制造的硅蚀刻。典型DRIE反应器一般具有源RF功率以在处理腔室中激励气体放电或等离子体并产生反应性离子。然而，已知DRIE反应器无法满足用于制造MEMS装置的高深宽比图案蚀刻工艺中对临界尺寸均匀性及蚀刻速率均匀性的增加的需求。

因此，需要一种具有改良均匀性的半导体处理腔室。

发明内容

本公开内容大体而言涉及使处理腔室中的电场、气流及热分布对称以实现工艺均匀性的设备及方法。本公开内容的实施方式包括具有分裂式(split)内线圈组件的径向频率等离子体源。在一个实施方式中，分裂式内线圈组件包含两个交结(intertwining)线圈。在另一实施方式中，分裂式内线圈组件包括形成圆顶的环形线圈。

一个实施方式提供线圈组件。线圈组件包括两个或更多个线圈。两个或更多个线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕至第二末端。两个或更多个线圈的第一末端接合在一起。两个或更多个线圈的第二末端以等间隔安置。

另一实施方式提供蚀刻反应器。蚀刻反应器包括界定处理容积的腔室主体及安置在腔室主体上方的内线圈组件。内线圈组件包含两个或更多个内线圈。两个或更多个内线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕至第二末端。两个或更多个内线圈的第一末端在腔室主体的中心轴附近接合在一起。两个或更多个线圈的第二末端以等间隔安置。

另一实施方式提供一种用于形成沟槽的方法。方法包括：向蚀刻反应器供应蚀刻剂；和通过向彼此并联连接的两个或更多个线圈供应射频功率来在蚀刻反应器中产生等离子体。两个或更多个线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕至第二末端。两个或更多个线圈的第一末端接合在一起。两个或更多个线圈的第二末端以等间隔安置。

附图说明

因此，为可详细理解本公开内容的上述特征的方式，可参照实施方式获得上文简要概述的本公开内容的更特定的描述，其中一些实施方式图示于所附附图中。然而，应注意，所附附图仅图示出示例性实施方式，且因此这些附图不应被视为对本公开内容保护范围的限制，因为本公开内容可允许其他同等有效的实施方式。

图1描绘根据本公开内容的一个实施方式的等离子体处理腔室的示意图。

图2A是根据本公开内容的一个实施方式的射频(radio frequency；RF)源的示意性透视图。

图2B是图2A的射频源中的线圈组件的示意性透视图。

图3A是根据本公开内容的一个实施方式的内线圈组件的示意性俯视图。

图3B是图3A的内线圈组件中的第一线圈的俯视图。

图3C是图3A的内线圈组件中的第二线圈的俯视图。

图3D是图3A的内线圈组件的电路的示意图。

图4A是根据本公开内容的一个实施方式的外线圈组件的示意性透视图。

图4B是图4A的外线圈组件的线圈的俯视图。

为了促进理解，已尽可能使用相同元件符号指示附图中共通的相同元件。应设想，一个实施方式的元件及特征可有益地并入其他实施方式，而无需赘述。

具体实施方式

本公开内容的实施方式涉及用于向半导体处理腔室提供RF功率的设备及方法。具体而言，本公开内容的实施方式涉及具有分裂式线圈组件的RF电源的设计。分裂式线圈组件包括两个或更多个线圈，这些线圈围绕处理腔室的中心轴对称排列。分裂式线圈组件中的两个或更多个线圈的每一个可从第一末端和第二末端缠绕，第一末端在中心轴附近安置，第二末端位于处理腔室的边缘附近。在一个实施方式中，分裂式线圈组件形成与腔室圆顶共形的交结交错状线圈环。在一个实施方式中，分裂式线圈组件包括内线圈组件及外线圈组件。在一个实施方式中，分裂式线圈组件中的每一个线圈可被独立调节以允许独立控制等离子体密度。分裂式线圈组件改良了跨越正在被处理的整个基板的毯覆临界尺寸(blanket critical dimension；BCD)及工艺均匀性。根据本公开内容的分裂式线圈组件也减小了对高能带电粒子的功率损耗和因不期望的电容耦合所引发的对装置及处理腔室硬件的负面影响，因此改良了功率效率及硬件可靠性。

图1是根据本公开内容的一个实施方式的蚀刻反应器100的剖视图。在一个实施方式中，蚀刻反应器100可用于制造微电机系统 (Micro-Electro-Mechanical System；MEMS)器件及类似器件。

蚀刻反应器100可包括下腔室主体102及安置在下腔室主体102上方的上腔室主体104。可在上腔室主体102上方安置顶板106。顶板106可由介电材料制成。下腔室主体102、上腔室主体104及顶板106可包围处理容积108。顶板106可以是扁平的或具有其他几何形状。在一个实施方式中，顶板106 为圆顶。可在顶板106上方安置屏蔽组件110。

可在顶板106与屏蔽组件110之间安置RF线圈组件112。在一个实施方式中，RF线圈组件112可包括内线圈组件128及外线圈组件130。根据本公开内容，内线圈组件120及外线圈组件130的至少一个包括并联连接的两个或更多个线圈。RF线圈组件112可经由连接器116、118耦接至电源114。在一个实施方式中，连接器116、118可为适于传导RF电流的导电杆。可在屏蔽组件110及电源114上方安置外罩134。电源114可包括RF源138及匹配网路136。

顶板106可透射RF功率，以使得施加到RF线圈组件112的功率可与蚀刻反应器100的处理容积108中安置的气体电感耦合，并可激励这些气体以维持处理容积内的等离子体132。已知地，施加到RF线圈组件112的功率被称为源功率。可由处于从约10瓦特至约5000瓦特范围内的功率并处于从约12 MHz至约13.5MHz范围内的射频的RF源138提供源功率。源功率可以是脉冲的。

蚀刻反应器100可包括与蚀刻反应器100耦接的气体交换系统124，此气体交换系统124经由喷嘴126向处理容积108提供处理气体及/或其他气体，喷嘴126围绕上腔室主体104的内部或其他适宜位置安置。气体交换系统124 选择性地允许将任何单一气体或气体的组合提供至处理容积108。

蚀刻反应器100可包括真空泵120以控制处理容积108内的压力。蚀刻反应器100也可包括耦接在泵120与处理容积108之间的节流阀122。

蚀刻反应器100可进一步包括安置在处理容积108中的基板支撑组件140。基板支撑组件140经构造以支撑基板142以用于处理。在一个实施方式中，基板支撑组件140可包括偏压电极144。偏压电极144可通过偏压匹配网路148 耦接至偏压RF源146。可将偏压RF功率施加到偏压电极144。偏压RF功率用来增强等离子体132中的等离子体物种至基板142的表面的输送。在一个实施方式中，偏压RF功率可处于小于5MHz的频率下。偏压RF功率可为至多10,000瓦特。

根据本公开内容的实施方式，RF线圈组件112为分裂式线圈组件。在一个实施方式中，内线圈组件128包括两个或更多个线圈128a、128b。每个线圈128a、128b从中心轴101径向向外缠绕至蚀刻反应器100的边缘区域。在一个实施方式中，线圈128a、128b可彼此交结并形成与顶板106共形的圆形。在图1中，顶板106具有圆顶形，且线圈128a、128b在顶板106上方形成圆顶形。替代的，线圈128a、128b可在扁平顶板上方形成平面形状。可彼此并联连接线圈128a、128b。可将线圈128a、128b连接至连接器116与外罩134 之间。将外罩134连接至RF接地。在一个实施方式中，连接器116与线圈128a、 128b在中心轴101附近接合以获得对称性。

在一个实施方式中，外线圈组件130可包括两个或更多个线圈130a、130b、 130c。两个或更多个线圈130a、130b、130c的每一个可为相同直径的单匝线圈。在一个实施方式中，线圈130a、130b、130c的末端可等间隔排列以使均匀RF场产生成为可能。每一线圈130a、130b、130c可具有第一末端和第二末端，第一末端延伸至中心轴101附近的连接器118，第二末端位于蚀刻反应器100的边缘附近。

在一个实施方式中，可围绕中心轴101对称安置连接器116、118以改良蚀刻反应器100的对称性。举例而言，每一连接器116、118可包括垂直区段和水平区段，垂直区段安置在中心轴101附近以与内线圈组件128及外线圈组件130连接，水平区段朝向电源114延伸。连接器116、118的水平区段处于相同水平位准上，并具有相同长度，但彼此相差约180度。

图2A是蚀刻反应器100中的射频(radio frequency；RF)源的示意性透视图。线圈组件112可被环组件200紧固。环组件200可包括基环202。可将多个内部托架204附接至基环202。多个内部托架204可从基环202向内径向延伸。在一个实施方式中，可沿基环202均匀分布内部托架204。内线圈128a、128b 被紧固至内部托架204。内部托架204维持内线圈128a、128b的缠绕。

可将多个外部托架206附接至基环202。可沿基环202均匀分布多个外部托架206。外线圈130a、130b、130c被紧固至外部托架206。外部托架206维持外线圈130a、130b、130c的缠绕。

连接器托架208、210可用于将连接器116、118紧固在适当位置中。如图 2A所示，连接器116、118可为L形杆。连接器托架208、210支撑连接器116、 118并大致彼此对称地定位连接器116、118。

在一个实施方式中，内线圈组件128及外线圈组件130可经由匹配网路 136连接至同一电源138。在一个实施方式中，内线圈组件128与外线圈组件 130之间的功率分布可被调节以实现处理容积108中的所需的RF功率分布。举例而言，可增加供应给外线圈组件130的功率以增加边缘区域附近的蚀刻速率。

在一个实施方式中，电容器212a、212b分别与内线圈128a、128b串联连接。电容器212a、212b可连接在内线圈128a、128b与RF接地之间。在一个实施方式中，电容器212a、210b可为固定电容器。在另一实施方式中，电容器212a、212b可为可变电容器，所述可变电容器可经独立调节以允许独立调节流动穿过每一内线圈128a、128b的RF电流。

图2B是线圈组件112的示意性透视图，其中未图示连接器116、118。如图2B所示，内线圈128a、128b在共用点214处连接，共用点214位于线圈组件112的中心附近的。内线圈128a、128b在共用点214处连接至RF源。类似地，外线圈130a、130b、130c在共用点216处连接。外线圈130a、130b、 130c在共用点216处连接至RF源。

图3A是根据本公开内容的一个实施方式的内线圈组件128的示意性俯视图。图3B是图3A的内线圈组件中的第一内线圈128a的俯视图。图3C是图 3A的内线圈组件的第二内线圈128b的俯视图。第一内线圈128a及第二内线圈128b可具有相同长度。第一内线圈128a及第二内线圈128b可以相同形状从中心端302a、302b缠绕至外端304a、304b。第一内线圈128a及第二内线圈 128b可在中心端302a、302b处接合，并彼此相差180度安置。在图3A至图3C中，每个内线圈128a、128b具有约两匝。然而，内线圈128a、128b可根据工艺需要包括适宜匝数。

第一内线圈128a及第二内线圈128b形成大致对称图案，因此，与具有单线圈的传统线圈组件相比，改良了内线圈组件128的均匀性。与传统单线圈组件相比，分裂式线圈内线圈组件128也改良了等离子体效率。电感耦合等离子体产生器的效率可降低，这是因为对铜及不期望的电容耦合的功率损耗。不欲受理论束缚，对铜的功率损耗的量与单线圈的长度成比例。不期望的电容耦合的量随着线圈中的匝数的平方的增加而增加。举例而言，两匝线圈中对电容耦合的功率损耗的量为单匝线圈中的损耗量的约四倍。图2A至图2B所示的每个内线圈128a、128b具有两匝，而内线圈组件128具有四匝。因此，分裂线圈式线圈组件允许线圈匝数增加，从而增加均匀性，而不引入对电容耦合的额外功率损耗。

图3D是图3A的内线圈组件128的电路的示意图。可变电容器212a、212b 的每一个可为多个并联电容器306、308、310、312。可通过连接电容器306、 308、310、312的不同组合调节可变电容器212a、212b的电容。

尽管如此，但内线圈组件128包括两个内线圈。根据本公开内容的内线圈组件可包括形成对称图案的两个或更多个线圈。在一个实施方式中，两个或更多个线圈可具有相同长度并以相同形状从中心端缠绕至外端。两个或更多个线圈可在中心端处接合，并以不同角度安置，使得两个或更多个线圈的外端成等间隔角度。

图4A是外线圈组件130的示意性透视图。图4B是图4A的外线圈组件 130的一个外线圈130a的俯视图。外线圈组件130包括以对称图案排列的三个外线圈130a、130b、130c。外线圈130a、130b、130c可具有相同长度。外线圈130a、130b、130c可以相同形状缠绕。每个外线圈130a、130b、130c可具有中心端402以与电源连接。外线圈130a、130b、130c可在中心端402处接合并彼此相差120度安置。在图4A中图示每个外线圈130a、130b、130c 具有一匝。然而，根据工艺需要，每个外线圈130a、130b、130c可具有任何适宜匝数。

本公开内容的实施方式改良了蚀刻CD均匀性及蚀刻速率均匀性，尤其在深沟槽蚀刻期间。蚀刻反应器100可用于在改良的CD及蚀刻速率均匀性下在众多应用中蚀刻沟槽。举例而言，对于超接合蚀刻，蚀刻反应器100可用于蚀刻沟槽，这些沟槽具有约50微米至约100微米之间的深度及约0.5微米至约 1.0微米之间的宽度。跨越基板的临界尺寸的均匀性可处于约2％至约3％之间。中心至边缘之间的蚀刻速率变化小于1％。

蚀刻反应器100可用于执行单相蚀刻或环状蚀刻。在单相蚀刻中，一种或多种蚀刻气体可连续流向处理容积108，直至达到期望的蚀刻深度。在环状蚀刻中，可将蚀刻剂及钝化剂交替脉冲输送至处理容积108。

在一个实施方式中，蚀刻反应器100可用于借助环状蚀刻工艺蚀刻硅。在上述环状蚀刻工艺期间，可向内线圈组件128及外线圈组件130提供RF功率以在处理容积中产生等离子体。

环状蚀刻工艺包括向处理容积108提供含氟气体。适宜的含氟气体包括 SF₆、NF₃、CF₄、CHF₃、ClF₃、BrF₃、IF₃或上述的衍生物。可供应含氟气体达小于约七秒的持续时间。在一个实施方式中，可供应含氟气体达约一秒至三秒之间的持续时间。

环状蚀刻工艺进一步包括向处理容积108提供聚合物形成气体。聚合物形成气体可包括含碳气体(诸如C₄F₈)。可使用其他适宜的聚合物形成气体。可提供聚合物形成气体达小于约七秒的持续时间。在一个实施方式中，可供应聚合物形成气体达约一秒至三秒之间的持续时间。

在一个实施方式中，环状蚀刻工艺进一步包括在提供聚合物形成气体后使含氧气体流入，以从正在被蚀刻的特征的底部、水平表面蚀刻聚合物，来曝露硅材料以用于利用含有流体的气体的随后蚀刻。

尽管前文针对本公开内容的实施方式，可在不脱离公开内容的保护范围的情况下设计出本公开内容的其他及进一步实施方式，并且本公开内容的保护范围由所附权利要求书所确定。

附图标记

Claims (9)

1.一种线圈组件，包含：

内线圈组件，包含：

两个或更多个内线圈，所述两个或更多个内线圈交结并形成圆顶形，其中所述两个或更多个内线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕至第二末端，所述两个或更多个内线圈的所述第一末端并联连接，且所述两个或更多个内线圈的所述第二末端以等间隔安置；和

第一导电杆，所述第一导电杆具有垂直区段，所述垂直区段安置在所述两个或更多个内线圈公用的中心轴上，所述垂直区段耦接至并联连接的所述两个或更多个内线圈的所述第一末端；和

外线圈组件，包含：

两个或更多个外线圈，所述两个或更多个外线圈交结并形成圆顶形，其中所述两个或更多个外线圈的每一个从第一末端径向向外缠绕至第二末端，所述两个或更多个外线圈的所述第一末端并联连接，且所述两个或更多个外线圈的所述第二末端以等间隔安置；和

第二导电杆，所述第二导电杆具有垂直区段，所述垂直区段安置在所述中心轴附近，所述垂直区段耦接至并联连接的所述两个或更多个外线圈的所述第一末端。

2.根据权利要求1所述的线圈组件，其中所述两个或更多个内线圈的每一个具有相同长度。

3.根据权利要求2所述的线圈组件，其中所述两个或更多个内线圈的每一个缠绕成相同形状。

4.根据权利要求1所述的线圈组件，进一步包含两个或更多个电容器，其中所述两个或更多个电容器的每一个串联连接至所述两个或更多个内线圈的相应线圈。

5.根据权利要求4所述的线圈组件，其中所述两个或更多个电容器的每一个被连接在所述两个或更多个内线圈的每一个与RF（射频）接地之间。

6.根据权利要求1所述的线圈组件，其中所述第一导电杆和所述第二导电杆彼此基本对称。

7.一种蚀刻反应器，包含：

腔室主体，所述腔室界定处理容积，其中所述腔室主体包含腔室盖；和

根据权利要求1至6中任一项所述的线圈组件，所述线圈组件安置在所述腔室盖上方。

8.根据权利要求7所述的蚀刻反应器，其中在所述腔室盖中具有所述圆顶形，并且所述线圈组件与所述腔室盖的所述圆顶形共形。

9.一种用于使用权利要求1所述的线圈组件形成沟槽的方法，所述方法包含以下步骤：

向蚀刻反应器供应蚀刻剂，所述蚀刻反应器具有所述线圈组件；和

通过向所述线圈组件供应射频功率来在所述蚀刻反应器中产生等离子体，所述向所述线圈组件供应所述射频功率的步骤包括：

经由与所述两个或更多个内线圈耦接的所述第一导电杆向所述内线圈组件供应所述射频功率；和

经由与所述两个或更多个外线圈耦接的所述第二导电杆向所述外线圈组件供应所述射频功率。

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