CN109462929B - 一种改善等离子体启辉及稳定性的方法及装置 - Google Patents

一种改善等离子体启辉及稳定性的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种改善等离子体启辉及稳定性的方法及应用该方法的装置，所述方法用于将气体稳定激发为等离子体，设置电感耦合线圈外圈到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈到接地端的距离；调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压。这种电感耦合线圈外圈和内圈间的电压差不仅有利于等离子体启辉，扩大工艺窗口；还有利于维持工艺过程中等离子体的稳定性，提高工艺重复性。同时由于高电压的区域位于电感耦合线圈的外圈，对晶圆表面以及刻蚀或沉积速度的影响最小。

Description

一种改善等离子体启辉及稳定性的方法及装置
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种改善等离子体启辉及稳定性的方法。
背景技术
在半导体加工制造中，电感耦合等离子体装置可以在较低的气压下获得较高密度的等离子体，被广泛应用于等离子体刻蚀或沉积等半导体加工设备。现有的半导体加工设备通常由反应腔、上电极系统和下电极系统组成。其中，上电极系统位于反应腔顶部的介质窗上方，由电感耦合线圈、匹配器和激励射频电源组成；下电极系统由位于反应腔中央的静电卡盘(用于承载晶圆)、匹配器和偏压射频电源组成。在不同的工艺气体种类和压力下，通过调节上电极和下电极的功率，使工艺气体维持在稳定的等离子体状态，等离子体与晶圆表面发生物理化学反应，从而达到对晶圆加工处理的目的。
然而，上述半导体加工设备在实际应用中存在以下问题。第一，选用某些种类的气体，或工艺压力过低，或射频功率加载时间较短，都会导致工艺气体启辉困难，甚至无法启辉，使工艺窗口较小。第二，等离子体在射频能量下启辉不稳定，产生的等离子体在工艺过程中发生震荡，使工艺均匀性差、结果重复性差。为解决上述问题，将工艺过程分为启辉与工艺两步，又会产生新的问题。首先，启辉步骤中的气体压力较大，等离子体的自由程较短且方向性差，造成沉积或刻蚀的均匀性差。同时，启辉瞬间的高电压也容易造成晶圆表面损伤。其次，工艺过程中的腔体压力通常比启辉时的低。因此在启辉完成后准备开始工艺时，反应腔内的气压会产生一个从大到小的变化过程，不利于等离子体的稳定性，甚至会出现灭火的情况。最后，由于工艺过程中的气体压力过低，等离子体容易发生震荡造成工艺不稳定。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种改善等离子体启辉及稳定性的方法。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压；电感耦合线圈外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到接地端的距离。
作为优选，射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从电感耦合线圈外圈端口流出；或者射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出。
作为优选，射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从电感耦合线圈外圈端口流出时，
当电感耦合线圈为单根线圈时：假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值。
作为优选，射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从电感耦合线圈外圈端口流出时；
当电感耦合线圈由两个或两个以上线圈并联而成时，则每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈总电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值。
作为优选，射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出时，
当电感耦合线圈为单根线圈时：假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值。
作为优选，射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出时，
当电感耦合线圈由两个或两个以上线圈并联而成时，每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈总电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值。
本发明还公开一种实现上述改善等离子体启辉及稳定性的方法的等离子体处理装置，该装置中电感耦合线圈的一端口与激励射频电源连接，另一端口与可调电容或定值电容串联，所述电感耦合线圈外圈端口到反应腔室接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到反应腔室接地端的距离，且电感耦合线圈外圈端口的电压高于电感耦合线圈内圈端口的电压。
作为优选，所述电感耦合线圈为平面结构或者立体结构；所述平面结构为平面螺旋线形或者圆形弧线，所述平面螺旋线为阿基米德螺旋线、渐开线或者涡状线；所述立体结构为立体螺旋形状，且沿上升方向立体螺旋线的直径相同、直径逐渐变小或直径逐渐变大。
作为优选，所述电感耦合线圈为单根线圈，或者所述电感耦合线圈为两个或两个以上线圈并联而成。
作为优选，两个或两个以上电感耦合线圈并联后，再与可调电容串联；或者两个或两个以上电感耦合线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个可调电容。有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈的电压始终高于电感耦合线圈内圈的电压，这种电感耦合线圈外圈和内圈间的电压差不仅有利于等离子体启辉，扩大工艺窗口；还有利于维持工艺过程中等离子体的稳定性，提高工艺重复性。同时由于高电压的区域位于电感耦合线圈的外圈(即远离晶圆的位置)，对晶圆表面以及刻蚀或沉积速度的影响最小。
附图说明
图1是本发明单根线圈与可调电容串联的电路原理图；
图2是本发明两个线圈并联后，再与可调电容串联的电路原理图；
图3是本发明两个线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个可调电容的电路原理图；
图4是本发明单根线圈，射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从外圈端口流出的结构示意图；
图5是本发明两个线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从外圈端口流出的结构示意图；
图6是本发明两个线圈并联后，再与电容串联，射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从内圈端口流出的结构示意图；
图7是本发明的改善等离子体启辉及稳定性的装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明公开一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，调节与电感耦合线圈2串联的电容值，使电感耦合线圈2外圈端口的电压始终高于电感耦合线圈2内圈端口的电压；电感耦合线圈2外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈2内圈端口到接地端的距离。
射频电流由电感耦合线圈2内圈端口流入，从电感耦合线圈2外圈端口流出；或者射频电流由电感耦合线圈2外圈端口流入，从电感耦合线圈2内圈端口流出。
第一种情况：采用射频电流由电感耦合线圈2内圈端口流入，从电感耦合线圈2外圈端口流出，
当电感耦合线圈2为单根线圈时：假设射频发生器即激励射频电源的频率为f，电感耦合线圈2电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
当电感耦合线圈2由两个或两个以上线圈并联而成时，则每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈2的总电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C应满足公式：
V出＞V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
第二种情况：射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出，
当电感耦合线圈为单根线圈时：假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出，
当电感耦合线圈由两个或两个以上线圈并联而成时，每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈总电感为L，则电容值C应满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C满足公式：
V出＜V进
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流出端口处的电压绝对值；
与电感耦合线圈串联的电容为可调电容，或者为满足上述公式关系的定值电容。
具体的实施例：
本实施例的电感耦合线圈2为平面单根螺旋形线圈。电感耦合线圈外圈端口接一个可调电容。射频电源经过匹配器后，由线圈内圈端口流入电感耦合线圈，由线圈外圈端口流出后，经过可调电容后流入地。其电路原理图如图1所示，结构示意图如图4所示。若射频电源频率为f，电感耦合线圈的电感为L，当可调电容值为C0且时，C0和L/2形成串联共振，线圈电感值为L/2处的电压为最低点，线圈外圈端口和内圈端口处的电压数值的绝对值相等，方向相反。当可调电容值为C且C<C0时，/>此时为达到共振平衡，共振点由L/2处向远离可调电容的方向偏移，即可调电容C与大于L/2的电感线圈形成串联共振，线圈外圈端口处的电压数值的绝对值V外圈大于线圈内圈端口处的电压数值的绝对值V内圈。
如图7所示，本发明还公开一种实现改善等离子体启辉及稳定性的方法的装置，主要包括激励射频电源1、电感耦合线圈2、反应腔室3、介质窗4、静电卡盘5和偏压射频电源6，电感耦合线圈2设置在介质窗4上方，介质窗4设置在反应腔室3上方，反应腔室3外壳接地；静电卡盘5设置在反应腔室内，待加工/处理的晶圆置于反应腔室3中央的静电卡盘上，静电卡盘5经第二匹配器8与偏压射频电源6相连后接地，电感耦合线圈2的一端口经第一匹配器7与激励射频电源1连接，另一端口串联有可调电容或者定值电容，电感耦合线圈2外圈端口到反应腔室3接地端的距离小于电感耦合线圈2内圈端口到反应腔室3接地端的距离，且电感耦合线圈2外圈端口的电压高于电感耦合线圈2内圈端口的电压。
射频电流流入电感耦合线圈2，使电感耦合线圈2周围产生随时间变化的磁场，变化的磁场在反应腔室3内感应产生电场。电子在高压电场作用下定向运动，撞击气体分子使之电离。产生的自由电子在射频电流感应的磁场作用下发生振荡，激发更多的等离子体电离。由于电感耦合线圈2外圈到反应腔室3接地端的距离小于电感耦合线圈2内圈到反应腔室3接地端的距离，且V外圈>V内圈，由电场强度E＝U/d可知，位于电感耦合线圈2外圈的区域电场强度更高，有利于等离子体电离，扩大工艺窗口；还有利于维持工艺过程中等离子体的稳定性，提高工艺重复性。同时由于高电压的区域位于电感耦合线圈2的外圈(即远离晶圆的位置)，对晶圆表面以及刻蚀或沉积速度的影响最小。
电感耦合线圈2的内端与激励射频电源1连接，外端与可调电容连接；或者感耦合线圈1的外端与激励射频电源1连接，内端与可调电容连接，使得射频电流可以由电感耦合线圈2内圈端口流入，从电感耦合线圈2外圈端口流出，或者射频电流也可以由电感耦合线圈2外圈端口流入，从电感耦合线圈2内圈端口流出。
本发明的电感耦合线圈2采用平面结构或者立体结构；平面结构可以是平面螺旋线形或者圆形弧线，平面螺旋线为阿基米德螺旋线、渐开线或者涡状线；立体结构为立体螺旋形状，且沿上升方向立体螺旋线的直径相同、直径逐渐变小或直径逐渐变大。
电感耦合线圈2为单根线圈，或者电感耦合线圈2为两个或两个以上线圈并联而成。两个或两个以上电感耦合线圈并联后，再与可调电容串联；或者两个或两个以上电感耦合线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个可调电容。
以上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 (8)

1.一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，其特征在于：调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压绝对值始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压绝对值；电感耦合线圈外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到接地端的距离；
射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从电感耦合线圈外圈端口流出；当电感耦合线圈为单根线圈时：假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈电感为L，则电容值C应满足公式：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值。
2.一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，其特征在于：调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压绝对值始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压绝对值；电感耦合线圈外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到接地端的距离；
射频电流由电感耦合线圈内圈端口流入，从电感耦合线圈外圈端口流出；
当电感耦合线圈由两个或两个以上线圈并联而成时，则每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈总电感为L，则电容值C应满足公式：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C应满足公式：式中：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值。
3.一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，其特征在于：调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压绝对值始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压绝对值；电感耦合线圈外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到接地端的距离；
射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出；当电感耦合线圈为单根线圈时：假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈电感为L，则电容值C应满足公式：式中：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值。
4.一种改善等离子体启辉及稳定性的方法，其特征在于：调节与电感耦合线圈串联的电容值，使电感耦合线圈外圈端口的电压绝对值始终高于电感耦合线圈内圈端口的电压绝对值；电感耦合线圈外圈端口到反应腔室的接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到接地端的距离；
射频电流由电感耦合线圈外圈端口流入，从电感耦合线圈内圈端口流出；当电感耦合线圈由两个或两个以上线圈并联而成时，每个线圈的电感值相同；
若两个或两个以上线圈并联后，再与电容串联，假设射频发生器频率为f，电感耦合线圈总电感为L，则电容值C应满足公式：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值；
若两个或两个以上线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个电容，则每个并联支路中的电容值相等，假设射频发生器频率为f，单个并联支路中的线圈电感为L，则单个并联支路中的电容值C满足公式：
；
式中：V出为线圈流出端口处的电压绝对值；
V进为线圈流入端口处的电压绝对值。
5.一种改善等离子体启辉及稳定性的装置，应用权利要求1～4中任一项所述的改善等离子体启辉及稳定性的方法而实现，其特征在于：电感耦合线圈的一端口与激励射频电源连接，另一端口与可调电容或定值电容串联，所述电感耦合线圈外圈端口到反应腔室接地端的距离小于电感耦合线圈内圈端口到反应腔室接地端的距离，且电感耦合线圈外圈端口的电压高于电感耦合线圈内圈端口的电压。
6.根据权利要求5所述的改善等离子体启辉及稳定性的装置，其特征在于：所述电感耦合线圈为平面结构或者立体结构；所述平面结构为平面螺旋线形或者圆形弧线，所述平面螺旋线为阿基米德螺旋线、渐开线或者涡状线；所述立体结构为立体螺旋形状，且沿上升方向立体螺旋线的直径相同、直径逐渐变小或直径逐渐变大。
7.根据权利要求5所述的改善等离子体启辉及稳定性的装置，其特征在于：所述电感耦合线圈为单根线圈，或者所述电感耦合线圈为两个或两个以上线圈并联而成。
8.根据权利要求5所述的改善等离子体启辉及稳定性的装置，其特征在于：两个或两个以上电感耦合线圈并联后，再与可调电容串联；或者两个或两个以上电感耦合线圈并联，且每个并联支路里均串联有一个可调电容。
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