CN111837231A - 具有多个射频网孔以控制等离子体均匀性的静电卡盘 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于控制在基板边缘附近的等离子体壳层的方法和设备。改变跨在基板组件内的内部电极和外部电极的电压/电流分布促成等离子体跨基板的空间分布。所述方法包括：将第一射频功率提供到嵌入在基板支撑组件中的中心电极；将第二射频功率提供到嵌入在所述基板支撑组件中位于与所述中心电极不同的位置处的环形电极，其中所述环形电极周向地环绕所述中心电极；监测所述第一射频功率和所述第二射频功率的参数；以及基于所监测的参数来调整所述第一射频功率和所述第二射频功率中的一者或两者。

Description

具有多个射频网孔以控制等离子体均匀性的静电卡盘
背景技术
技术领域
本文中公开的实施例总体上涉及用于在半导体基板制造工艺中调谐等离子体的设备和方法，更具体地，涉及用于调谐在半导体基板的边缘附近的等离子体的设备和方法。
相关技术描述
在集成电路和其他电子器件的制造中，等离子体工艺通常用于沉积或蚀刻各种材料层。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺是其中将电磁能施加到至少一种前驱物气体或前驱物蒸气以将前驱物转化为反应性等离子体的化学工艺。等离子体可在处理腔室内(即，原位)产生，或者在远离处理腔室设置的远程等离子体发生器中产生。所述工艺广泛地用于在基板上沉积材料以生产高品质且高性能的半导体器件。
在当前的半导体制造工业中，随着特征大小持续减小，晶体管结构已经变得越来越复杂和越来越有挑战性。为了满足处理需求，先进加工控制技术对于控制成本并最大化基板和晶粒良率是有用的。通常，在基板边缘处的晶粒遭受良率问题，诸如经由失准造成的接触，以及对硬掩模的差敏感性。在基板加工层面上，需要在工艺均匀性控制上的进步以允许精细、局部的工艺调谐以及跨整个基板的全局加工调谐。
因此，需要允许在基板边缘处进行精细、局部的工艺调谐的方法和设备。
发明内容
本文中公开的实施例总体上涉及用于在基板边缘附近的等离子体调谐的设备和方法。在一个实现方式中，公开了一种用于在腔室中调谐等离子体的方法。所述方法包括：将第一射频功率提供到嵌入在基板支撑组件中的中心电极；将第二射频功率提供到嵌入在所述基板支撑组件中与所述中心电极不同的位置处的环形电极，其中所述环形电极与所述中心电极间隔开，并且所述环形电极周向地环绕所述中心电极；监测所述第一射频功率和所述第二射频功率的参数；以及基于所监测的参数来调整所述第一射频功率和所述第二射频功率中的一者或两者。
在另一个实施例中，公开了一种半导体处理腔室。所述半导体处理腔室包括：基座，所述基座设置在所述腔室中，所述基座具有第一电极和周向地环绕所述第一电极的第二电极；高频电源和低频电源，所述高频电源和所述低频电源耦接到所述第一电极和所述第二电极两者；功率分配器，所述功率分配器设置在所述高频电源和所述低频电源与所述第一电极和所述第二电极之间；以及电极调谐电路，所述电极调谐电路耦接到所述第一电极和所述第二电极两者。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征的方式，可参考实施例来进行上文简要地概述的本公开的更具体的描述，所述实施例中的一些在附图中进行例示。然而，应注意，附图仅示出了本公开的典型的实施例，并且因此不应视为对本公开的范围的限制，因为本公开可允许其他等效实施例。
图1示出了根据本公开的一个方面的处理腔室的截面图。
图2示出了根据本公开的一个方面的基板组件的俯视图。
图3示出了根据本公开的一个方面的基板组件的局部透视图。
图4是可与图1的处理腔室一起使用的功率滤波器的一个实施例的示意图。
图5是可与图1的处理腔室一起使用的功率滤波器的另一个实施例的示意图。
图6A至图6D是示出用于调谐第一基座电极和第二基座电极的调谐电路的各种实施例的示意图。
图7和图8A至图8C是描绘可与本文中所述的功率滤波器一起使用的各种功率分配电路的示意图。
图9是描绘配置成抵消基座的杆中的棒的电感的电路的示意图。
图10是根据另一个实施例的描绘功率分配器电路的示意图。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记指示各图共有的相同元件。设想的是，一个实施方式中公开的元件可有益地用于其他实施方式，而无需具体地叙述。
具体实施方式
本公开总体涉及用于控制在基板边缘附近的等离子体壳层的方法和设备。本公开提供了射频(RF)电路和方法以将RF功率的分布调整到嵌入在还用作静电卡盘的基板支撑件或基座中的多于一个网孔。无论嵌入的网孔是否是RF功率源(例如，通电电极或多个通电电极)，或者无论所述网孔是否是RF功率的目的地(例如，接地电极或多个接地电极)，本文中所述的方法和设备都适用。本文中公开的实施例允许调制在基板上方的等离子体轮廓均匀性。改变等离子体分布导致改善的在基板上的膜参数的均匀性，所述膜参数例如沉积速率、膜应力、折射率以及其他参数。
用于调制等离子体的常规等离子体控制技术包括顶部调谐器和底部调谐器，这两种调谐器相对于基板的其他区域仅微弱地修改在基板边缘处的等离子体性质。本公开提供了调谐元件以影响在基板边缘处的等离子体轮廓以及影响除边缘外的基板的其他区域。用于调制在基板的边缘处的等离子体的先前的方法涉及不同的工艺配件或边缘环。然而，这些通常是特定于工艺的，并且当在同一腔室中沉积多于一个膜(例如，氧化硅和氮化硅)时，可能难以使用同一组硬件来优化两个工艺的均匀性。本公开提供了在不改变硬件的情况下改变等离子体轮廓的能力。
本公开提供了基座，所述基座具有嵌入在其中的多个网孔，并且网孔中的一个网孔用作吸附电极以吸附在所述网孔上的基板。分压器用于控制和/或调整到不同网孔的RF功率，或到不同网孔段的RF功率。分压用电容分压器、串联谐振分压器或并联谐振分压器完成。在电路中的可变元件是电容器，但基于谐振的分压器可使用固定电路元件并采用可变频率发生器来调制功率分配。接在分压器之后的不同支路可能需要附加的滤波元件以阻挡一个频率并使另一个频率通过，或者补偿基座配置所固有的后续电路元件。无论嵌入的网孔是否是RF功率源(例如，电极或多个电极)，或者无论网孔是否是RF功率的目的地(例如，接地)，功分硬件都适用。
图1是根据本公开的一个方面的处理腔室100的剖视图。如所示，处理腔室100是适于蚀刻基板(诸如基板125之类)的蚀刻腔室。可适配成从本公开的示例性方面受益的处理腔室的示例是可从加利福尼亚州圣克拉拉市(Santa Clara,California)的应用材料公司(Applied Materials,Inc.)购得的
Figure BDA0002671625790000041
蚀刻处理腔室和PrecisionTM处理腔室。设想的是，其他处理腔室(包括来自其他制造商的那些)可适配成从本公开的各方面受益。
处理腔室100可用于各种等离子体工艺。在一个方面，处理腔室100可用于使用一种或多种蚀刻剂执行干式蚀刻。例如，处理腔室可用于点燃来自前驱物CxFy(其中x和y表示已知化合物)、O2、NF3、以及它们的组合的等离子体。在另一个实现中，处理腔室100可用于使用一种或多种前驱物进行的等离子体增强化学气相沉积。
处理腔室100包括腔室主体102、盖组件106和基座104。盖组件106定位在腔室主体102的上部端部处。基座104设置在腔室主体102内，并且盖组件106耦接到腔室主体102并将基座104封闭在处理容积120中。腔室主体102包括传送端口126，所述传送端口可包括形成在其侧壁中的狭缝阀。传送端口126选择性地打开和关闭以允许基板传送机器人(未示出)进入处理容积120以进行基板传送。
电极108被提供为盖组件106的一部分。电极108还可用作气体分配器板112，所述气体分配器板112具有用于允许工艺气体进入到处理容积120中的多个开口118。工艺气体可经由导管114供应到处理腔室100，并且工艺气体可在流过开口118之前进入气体混合区域116。电极108耦接到电力源142，诸如RF发生器。也可使用DC功率、脉冲DC功率和脉冲RF功率。隔离器110(其可以是介电材料，诸如陶瓷或金属氧化物之类，例如氧化铝和/或氮化铝)接触电极108并将电极108与腔室主体102电分离和热分离。加热器119被示为耦接到气体分配器板112。加热器119耦接到AC电源121。
基座104通过轴144耦接到升降机构，所述轴延伸穿过腔室主体102的底表面。升降机构可通过波纹管柔性地密封到腔室主体102，这防止了从轴144周围发生真空泄漏。升降机构允许基板支撑件180在腔室主体102内在传送位置与多个处理位置之间竖直地移动，以将基板125放置在电极108附近。
基座104可由金属或陶瓷材料形成，所述金属或陶瓷材料例如金属氧化物或氮化物或氧化物/氮化物混合物，诸如铝、氧化铝、氮化铝或氧化铝/氮化铝混合物。第一基座电极122和第二基座电极124设置在基座104中。第一基座电极122和第二基座电极124可嵌入在基座104内或耦接到基座104的表面。第一基座电极122和第二基座电极124可以是板、穿孔板、网孔、金属丝网或任何其他分配布置。第一基座电极122和第二基座电极124中的一者或两者可以是调谐电极，并且可通过导管146耦接到调谐电路136，例如设置在基座104的轴144中、具有所选择的电阻(诸如50Ω)的电缆。调谐电路136可具有传感器138和电子控制器140，其可以是可变电容器。传感器138可以是电压或电流传感器，并且可耦接到电子控制器140以提供对处理容积120中的等离子体条件的进一步控制。第一基座电极122也可以是吸附电极。
第一基座电极122和第二基座电极124耦接到电源150。功率源150可例示性地为在例如约13.56MHz的频率下高达约1000W(但不限于约1000W)的RF能量的源，但也可按照需要针对特定应用提供其他频率和功率。电源150能够在多个频率(诸如13.56MHz和2MHz)下产生AC功率。电源150还可产生连续或脉冲DC功率中的任一者或两者，其可用于吸附基板125。网孔调谐器148被示为耦接在电源150与第一基座电极122和第二基座电极124之间。
RF匹配152耦接到第一基座电极122和第二基座电极124以及电源150中的每一个。RF匹配152包括功率分配器154。RF匹配152和网孔调谐器148中的一者或两者包括用于控制到第一基座电极122和第二基座电极124的功率的功率滤波器(下文描述)。
图2示出了根据本公开的一个方面的基座104的顶视图。基座104包括多个电极。第一基座电极122和第二基座电极124是网孔或金属丝网。第一基座电极122和第二基座电极124可由铝或铜、或者其他导电金属或材料形成。
在一个实现中，第二基座电极124具有比第一基座电极122更大的表面面积。在一个实现中，第二基座电极124具有比第一基座电极122更大的直径。第二基座电极124可环绕第一基座电极122。在一个实现中，第一基座电极122可用作吸附电极，同时还用作第一RF电极。第二基座电极124可以是与第一基座电极122一起调谐等离子体的第二RF电极。第一基座电极122和第二基座电极124可以以相同频率或以不同频率产生功率。到第一基座电极122和第二基座电极124中的一者或两者的RF功率可变化，以便调谐等离子体。例如，可使用传感器(未示出)来监测来自第一基座电极122和第二基座电极124中的一者或两者的RF能量。来自传感器装置的数据可被传达并用于改变施加到第一基座电极122的RF电源和/或第二基座电极124的RF电源的功率。
图3示出了根据本公开的一个方面的基座104的局部透视图。在此实现中，第二基座电极124设置在基座104内横向上与基板125相邻。第二基座电极124设置在第一基座电极122上方，更靠近基板125。
图4是可与图1的处理腔室100一起使用的功率滤波器400的一个实施例的示意图。在此实施例中，从底部提供用于处理腔室的RF功率。例如，气体分配器板112接地，并且由第一基座电极122和第二基座电极124提供用于等离子体形成的RF功率。
功率滤波器400包括网孔调谐器148，所述网孔调谐器148可用作功率分配器。功率滤波器400包括第一电路405和第二电路410。第一电路405和第二电路410两者定位在电源150与第一基座电极122和第二基座电极124之间。在此实施例中，电源150包括高频RF发生器415和低频发生器420。
第一电路405包括电感器425，所述电感器425耦接在低频发生器420与滤波器主引线430之间。滤波器主引线430耦接到高频RF发生器415和低频发生器420两者，以及第一基座电极122和第二基座电极124中的每一个。滤波器主引线430还耦接到高频RF发生器415，并且第一电容器435定位在这两者之间。高频RF发生器415耦接到滤波器主引线430和第二电路410。低频发生器420和第一电路405通过电感器425耦接到滤波器主引线430。
第二电路410包括第二电容器440和第三电容器445。第三电容器445是可变电容器。第三电容器445用作调谐旋钮。第一电路405和第二电路410通过滤波器主引线430耦接到第一基座电极122。第一电路405和第二电路410在节点450处耦接到第二基座电极124。第二电路410还在节点452处耦接到滤波器主引线430。滤波器主引线430通过棒455耦接到第一基座电极122。第二基座电极124通过棒460耦接到功率滤波器400。棒455和棒460两者定位在轴144中。
图5是可与图1的处理腔室100一起使用的功率滤波器500的另一个实施例的示意图。在此实施例中，用于处理腔室的RF功率从顶部提供。例如，气体分配器板112通过RF匹配152耦接到高频RF发生器415和低频发生器420。在此实施例中，使用功率滤波器500来改变第一基座电极122和第二基座电极124两者的接地路径。功率滤波器500可用于通过改变其接地路径来改变第一基座电极122和第二基座电极124的等离子体性质，而气体分配器板112可以是电浮动的。
根据此实施例的功率滤波器500包括第一电容器505、第二电容器510和第三电容器515。第一电容器505和第二电容器510为可变电容器，而第三电容器515为固定电容器。第一电容器505和第二电容器510可用作改变第一基座电极122和第二基座电极124两者中的一者的接地路径的调谐旋钮。
功率滤波器500包括第一电路520，所述第一电路520包括第一电容器505和滤波器主引线430。滤波器主引线430通过棒455耦接到第一基座电极122。第一电容器505耦接到接地。功率滤波器500还包括第二电路525，所述第二电路525包括第二电容器510和第三电容器515。第二电路525通过节点450和棒460耦接到第二基座电极124。第二电路525还在节点452处耦接到滤波器主引线430。
图6A至图6D是示出用于调谐第一基座电极122和第二基座电极124的调谐电路的各种实施例的示意图。图6A至图6D中示出了图4的功率滤波器400的一部分。
在图6A中，来自高频RF发生器415和低频发生器420的信号被分离并随后独立地组合。在图6B中，来自高频RF发生器415和低频发生器420的信号被分离并随后相关地组合。
图6C和图6D示出了来自高频RF发生器415和低频发生器420的信号的施加，所述信号被分开并随后按照期望提供到第一基座电极122和第二基座电极124中的每一个。
在图6C中，高频信号被提供到第一基座电极122和第二基座电极124，而低频信号仅提供到第一基座电极122。因此，在图6C中，低频信号未提供到第二基座电极124。
在图6D中，低频信号被提供到第一基座电极122和第二基座电极124，而高频信号仅提供到第一基座电极122。因此，在图6D中,高频信号未提供到第二基座电极124。
图7和图8A至图8C是描绘如上所述可与的功率滤波器400或功率滤波器500以及功率分配器154一起使用的各种功率分配电路的示意图。
图7描绘了电容分压器700。图7的电容分压器700接收功率输入信号705，所述功率输入信号705是处于固定频率的RF功率。第三电容器445提供低阻抗，并且可被调整以向第一基座电极122和第二基座电极124提供相同电压。传感器710耦接到第一基座电极122和第二基座电极124两者。传感器710监测到第一基座电极122和第二基座电极124中的每一个的功率(例如，电压、电流和/或相位)。基于来自传感器710的信息来调整第一基座电极122和第二基座电极124的调谐。
图8A描绘了分压器电路800，所述分压器电路800包括串联地连接的第二电容器440和第三电容器445。电感器805定位在第二电容器440与第三电容器445之间。可调整第三电容器445以改变在第一基座电极122和第二基座电极124之间的电压。在一个实施例中，分压器电路800包括串联谐振电路。
图8B描绘了分压器电路810，所述分压器电路810包括第二电容器440和第三电容器445。电感器815并联地连接到第二电容器440和第三电容器445。可调整第三电容器445以改变在第一基座电极122和第二基座电极124之间的电压。在一个实施例中，分压器电路800包括并联谐振电路。电感器815可提供更高阻抗。
图8C描绘了分压器电路820，所述分压器电路820包括串联地连接的第二电容器440(第一固定电容器)和第四电容器825(第二固定电容器)。电感器805定位在第二电容器440与第四电容器825之间。
图8D描绘了分压器电路830，所述分压器电路830包括并联地连接的第二电容器440(第一固定电容器)和第四电容器825(第二固定电容器)。电感器815定位在第二电容器440与第四电容器825之间。
在图8C和图8D中，电路耦接到在各种频率下提供RF功率的功率输入信号835。分压器电路820和分压器电路830中的每一个不包含可变电容器，并且用于将RF频率调整到相应电路以调谐第一基座电极122和第二基座电极124。
图9是描绘配置成抵消棒455和460的电感的电路900的示意图。电路900设置在分压器(例如，上述功率分配电路)与第一基座电极122和第二基座电极124之间。电路900包括分别耦接到棒455和棒460的电感器910和电感器915。电路900还包括耦接到电感器中的每一个的互相结合电容器920。电路900还包括一对LC电路925，每个LC电路由电感器930和固定电容器935组成。LC电路925允许低频功率以低阻抗通过，但提供电容以抵消来自棒455和460中的一者或两者的电感。电路900可使用电容器中的一个来抵消棒455和460的电感以实现高频功率并阻挡低频功率。电感器可用于阻挡高频功率并使低频功率通过。
图10是根据另一个实施例的描绘功率分配器电路1000的示意图。功率分配器电路1000包括电路900和第二电路410。功率分配器电路1000还包括滤波器电路1005。滤波器电路1005中的每一个包括电感器1020(用于使低频功率以低电感阻抗通过)和电容器1025(用于使高频功率以具有抵消棒455和460(未示出)的电感的电容通过)。滤波器电路1005中的每一个配置成并联LC电路。
本公开的益处包括对与基板的边缘相邻的等离子体的增加的控制。增加等离子体控制产生增加的等离子体均匀性。
尽管前述内容针对的是本公开的实施例，但在不脱离本公开的基本范围的情况下，可设想本公开的其他和进一步实施例，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种半导体处理腔室，包括：
基座，所述基座设置在所述腔室中，所述基座具有第一电极和周向地环绕所述第一电极的第二电极；
高频电源和低频电源，所述高频电源和所述低频电源耦接到所述第一电极和所述第二电极两者；
功率分配器，所述功率分配器设置在所述高频电源和所述低频电源与所述第一电极和所述第二电极之间；以及
电极调谐电路，所述电极调谐电路耦接到所述第一电极和所述第二电极两者。
2.如权利要求1所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述电极调谐电路包括多个电容器。
3.如权利要求2所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述多个电容器中的至少一个包括可变电容器。
4.如权利要求1所述的半导体处理腔室，其特征在于，传感器耦接到所述第一电极和所述第二电极中的每一个。
5.如权利要求1所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述电极调谐电路包括多个并联LC电路。
6.如权利要求1所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述电极调谐电路包括电感器和多个电容器。
7.如权利要求6所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述多个电容器中的一个直接地耦接到所述高频电源，并且所述电感器直接地耦接到所述低频电源。
8.如权利要求1所述的半导体处理腔室，其特征在于，所述第二电极与所述第一电极部分地重叠。
9.一种用于在腔室中调谐等离子体的方法，所述方法包括：
将第一射频功率提供到嵌入在基板支撑组件中的第一电极，所述基板支撑组件定位成与所述腔室中的喷头相邻；
将第二射频功率提供到嵌入在所述基板支撑组件中与所述第一电极不同位置处的第二电极，其中所述第二电极周向地环绕所述第一电极；
监测所述第一射频功率和所述第二射频功率的参数；以及
基于所监测的参数来调谐所述等离子体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，由第一电源提供所述第一射频功率，并且由第二电源提供所述第二射频功率。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一电极设置在所述第二电极下方。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二电极与所述第一电极部分地重叠。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调谐包括当所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者是射频功率源时，调谐所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述喷头电接地。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调谐包括当所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者是接地电极时，调谐所述第一电极和所述第二电极中的一者或两者。
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