CN112151343B - 一种电容耦合等离子体处理装置及其方法 - Google Patents

一种电容耦合等离子体处理装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容耦合等离子体处理装置及其方法，该电容耦合等离子体处理装置包括相对设置的上电极和下电极；射频功率源，施加于所述下电极或上电极；偏置功率源，施加于所述下电极；边缘电极，呈环形，设置于所述下电极外围，并与下电极同心，所述边缘电极沿圆周方向分割为至少两个部分；所述边缘电极的各部分通过一阻抗调节单元接地连接，以形成一个边缘射频电流接地通路。本发明通过将边缘电极设为从两段到多段的分段式，每段都连接到各自的阻抗调节单元，接地阻抗可独立调节，可以实现在圆周方向更精确的腔体局部阻抗调节，从而更有针对性的改善刻蚀速率的角向非均匀性。

Description

一种电容耦合等离子体处理装置及其方法
技术领域
本发明涉及用于加工半导体器件的电容耦合等离子体处理装置技术领域，特别涉及一种电容耦合等离子体处理装置及其方法。
背景技术
在半导体器件的制造过程中，为了在作为待处理基片的半导体晶片上的规定层上形成规定图案，大多采用以抗蚀剂作为掩模、利用等离子体进行刻蚀的等离子体刻蚀处理。能够使用各种等离子体刻蚀装置用于进行这样的等离子体刻蚀，其中，主流为电容耦合型等离子体处理装置。
在电容耦合型等离子体(CCP，Capacitively Coupled Plasma)刻蚀装置中，在腔室内配置一对平行平板电极(上电极和下电极)，将处理气体导入腔室内，并且向一个电极施加高频，在电极间形成高频电场，利用该高频电场形成处理气体的等离子体，对半导体晶片的规定层进行等离子体刻蚀。
如图1所示，是现有的常见的CCP刻蚀装置的结构示意图，其采用的是双频电容放电射频方式，双频指用于控制等离子体密度的射频功率(由射频功率源HF发生器和阻抗匹配单元HF匹配网络组成，为高频在40Mhz-200Mhz)以及用于控制等离子体的鞘层厚度和直流偏压的偏置功率(由偏置功率源LF发生器和阻抗匹配单元LF匹配网络组成，为低频在100kHZ-10MHZ)，图中，201’为腔体，202’为移动环，203’为约束环用于控制反应气体及其副产物的排出、中和其中的带电粒子，从而将等离子体放电基本约束在处理区域，204’为喷淋头，205’为待处理基片，206’为静电夹盘，207’为工艺套件，208’为绝缘环，209’为覆盖环用于隔离等离子体，避免等离子体直接与静电卡盘接触造成电流导通，从而避免静电夹盘206’被等离子体打坏。该CCP刻蚀装置中的电极结构为平行电极，射频功率源将高频施加在下(或上)电极上，通常施加在下电极上，偏置功率源施加到下电极上。主要的射频回路是电流从下电极通过等离子体耦合到上电极，通过反应腔体接地。由于电极边缘离腔体侧壁较远，所以从电极边缘直接耦合到腔体侧壁的射频电流很小，这样，等离子体中射频电流的分布主要由上下电极间隙和大小控制。
然而，在CCP等离子体刻蚀设备中，由于反应腔体设计的空间及材料的非对称性或加工公差的影响，会对射频电磁场在腔体中的传输及耦合带来方位角(azimuthal)不对称，从而造成刻蚀速率或关键尺寸的方位角不对称(偏边)，成为影响刻蚀效果及良率的主要因素之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种电容耦合等离子体处理装置及其方法，通过将边缘电极设为从两段到多段的分段式，每段都连接到各自的阻抗调节单元，接地阻抗可独立调节，可以实现在圆周方向更精确的腔体局部阻抗调节，从而更有针对性的改善刻蚀速率的角向非均匀性。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电容耦合等离子体处理装置，其特点是，包括：
相对设置的上电极和下电极；
射频功率源，施加于所述下电极或上电极；
偏置功率源，施加于所述下电极；
边缘电极，呈环形，设置于所述下电极外围，并与下电极同心，所述边缘电极沿圆周方向分割为至少两个部分；
多个阻抗调节单元，所述边缘电极的每个部分各自通过一个阻抗调节单元接地连接，以形成一个边缘射频电流接地通路；
静电夹盘，设置在所述下电极上方，用以固定待刻蚀的晶圆；
绝缘环，设置在所述下电极外围的延展部上方，所述边缘电极埋设在该绝缘环内。
所述多个阻抗调节单元中的每个阻抗调节单元包括：
串联的电容和电感。
优选地，还包括：
一第一控制单元，其连接于每个阻抗调节单元中的电容和/或电感，以调节每个阻抗调节单元的阻抗。
所述的电容和/或电感为可变的。
优选地，还包括：
一传感器，设置于边缘射频电流接地通路中，以采集射频参数。
优选地，还包括：
一第二控制单元，连接每个阻抗调节单元以及传感器，以监测射频参数的变化并根据变化情况对每个阻抗调节单元的阻抗进行在线调节。
优选地，还包括：
工艺套件，位于绝缘环上方，所述工艺套件环绕所述晶圆，其中边缘电极的内侧壁直径大于等于所述工艺套件的外侧直径。
一种等离子体处理方法，其特点是，包括：
将待处理晶圆放入上述的电容耦合等离子体处理装置内，
通入处理气体至所述电容耦合等离子体处理装置，同时将射频功率源以及偏置功率源施加到所述下电极上以产生等离子体对晶圆进行处理，
调节各阻抗调节单元，用以调节边缘射频耦合使得射频耦合保持对称状态，进而调节晶圆刻蚀速率的角向均匀性。
优选地，每个阻抗调节单元包括串联的电容和电感，
所述阻抗调节单元的阻抗调节方法是：
对电容值和电感值进行调节，选择电感值配合可变电容值，以实现对高频40MHz-200MHz的高阻抗和对低频100kHz-10MHz阻抗的调节。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、通过配置边缘电极以及阻抗调节单元，以控制射频接地回路阻抗，实现对边缘射频耦合的无源调节。
2、通过将边缘电极设为从两段到多段的分段式，每段都连接到各自的阻抗调节单元，接地阻抗可独立调节，可以实现在圆周方向更精确的腔体局部阻抗调节，从而更有针对性的改善刻蚀速率的角向非均匀性。
附图说明
图1为现有技术的CCP刻蚀装置的结构示意图；
图2为本发明一种电容耦合等离子体处理装置的结构示意图；
图3a、3b为本发明实施例中边缘电极的结构示意图；
图4为本发明分段式(两段式)边缘电极的阻抗调节示意图；
图5a、5b为刻蚀速率方位角对称性调节示意图；
图6a、6b、6c为多段式边缘电极的结构图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图2所示，本发明提出了一种电容耦合等离子体处理装置，其为一种双频等离子体系统，其包含：在腔体1内相对设置的上电极以及下电极6；射频功率源(通常在40MHz-200MHz)，连接所述下电极6，用来将上电极、下电极6之间的反应气体激发为等离子体，其通常由HF发生器以及HF匹配网络组成；偏置功率源(通常在100kHz-10MHz)，连接所述下电极6或上电极，用来控制等离子体能量的分布即等离子体鞘层厚度和直流偏压，其通常由LF发生器以及LF匹配网络组成，本实施例是以连接下电极6为例；边缘电极10，设置在腔体1内，呈环形，设置在所述下电极6外围，并与下电极6同心；阻抗调节单元11，一端连接边缘电极10，另一端接地，以形成一个边缘射频电流接地通路，即从下电极6到上电极到边缘电极10再到地，以达到控制射频接地回路阻抗，即通过控制通过边缘电极的接地射频电流从而调节边缘射频耦合以达到调节等离子体特性以及鞘层分布的目的，通常上述控制方式可以通过增加一个控制单元12来实现。
通常电容耦合等离子体处理装置的腔体1内还包含：静电夹盘用于吸附待加工待处理基片5，设静电夹盘置在所述下电极6上方；绝缘环8，设置在所述下电极6外围的延展部上方，设置在腔体1内侧壁上的移动环2、设置在上电极下方的用来喷射反应气体的喷淋头4、工艺套件7、限制环3以及盖环9，如图2所示，本实施例中，所述边缘电极10可以埋设在该绝缘环8内。
阻抗调节单元11是通过对阻抗的调节改变经过边缘电极10流入接地端的电流，为了调节晶圆边缘区域(也就是环形的工艺套件7上方)的等离子体分布，需要足够的射频能量供应到工艺套件7上方，所以边缘电极10不适合设置在下电极6与工艺套件7之间，以防止大量射频功率直接被导走，到不了工艺套件7。因此，在一个实施例中，边缘电极10需要位于工艺套件7和反应腔侧壁之间，也就是边缘电极10的内侧壁直径需要大于等于工艺套件7的外侧壁直径。
在具体实施例中，还可以在边缘射频电流接地通路中设置一个传感器，以采集射频参数，并且，可以将控制单元连接阻抗调节单元以及传感器，以监测射频参数的变化并根据变化情况对阻抗调节单元的阻抗进行在线调节。
需要说明的是，作为边缘电极10的等效射频回路的一种，其中，所述的阻抗调节单元11包含：串联的电容和电感，当然，电容和电感的数量不限，较佳的，所述的电容和/或电感为可变的，将控制单元连接阻抗调节单元中的至少一个电容或电感，就可以达到调节阻抗调节单元的阻抗的目的，射频元件的规格可以根据需求选择不同的，以形成对低频或高频的不同阻抗，对电容值和电感值进行调节，选择电感值配合可变电容值，以实现对高频40MHz-200MHz的高阻抗和对低频100kHz-10MHz阻抗的调节，从而控制不同频率射频功率在边缘的对地耦合电流大小。
更进一步地，通过设置较大的电感值可以对高频40MHz-200MHz产生较高阻抗，从而可以较好地调节低频100kHz-10MHz的阻抗，另一方面，低频射频源可以只要调节等离子体鞘层厚度。
图3a、3b为本发明实施例中边缘电极的结构示意图，如图所示，该边缘电极为分段式结构，具体的将边缘电极设为两段101、102，更优的，每段材料及几何尺寸一致。边缘电极101、102由铜或钨制成。边缘电极101、102可以埋设在单个绝缘环内。在另一实施例中，绝缘环也能分成两段，每段绝缘环中分别埋设一段边缘电极101或102。
图4为本发明分段式(两段式)边缘电极的阻抗调节示意图，如图4所示，将每段边缘电极的接地通道中都串入一个阻抗调节单元11，通过阻抗调节(比如，调节电感或调节电容或同时调节两者)，可分别调节反应腔中左右部分边缘电极的接地阻抗，从而改善刻蚀速率的角向均匀性。
在具体实施例中，参见图5a，如果反应腔射频耦合左右不对称，此时刻蚀结果会左右偏边。对应的，可以分别或同时调节左右的边缘电极的接地阻抗，使两边的射频耦合达到对称，从而改善刻蚀速率左右分布差异(参见图5b)。进一步的，阻抗越小，晶圆刻蚀速率增强的程度越大；阻抗越大，晶圆刻蚀速率提高的程度越小。对应于图5a中，晶圆的左半部分的刻蚀速率小于晶圆的右半部分的刻蚀速率，可以通过降低边缘电极101的对地阻抗和/或提高边缘电极102的对地阻抗来实现刻蚀速率的角向均匀。
图6a、6b、6c为多段式边缘电极的结构图，其作为图4中边缘电极的变形实施例。边缘电极沿圆周方向被分割成多个独立的部分，每一部分通过一阻抗调节单元连接至接地电路。各个阻抗调节单元之间可相互独立控制、调节。对边缘电极各部分与上电极(或者地)之间的阻抗分别进行调节，相当于对边缘电极的各个部分处的电场通道(电流通道)进行调节，改善等离子体分布。
如晶圆的某一片区的刻蚀速率明显低于其它区域时，可调整该片区处的阻抗调节单元(该阻抗调节单元也是与该片区相对应的阻抗调节单元)，降低其阻抗，从而加快该片区的刻蚀速率。反之，如晶圆的某一片区的刻蚀速率明显高于其它区域时，可调整该片区处的阻抗调节单元(该阻抗调节单元也是与该片区相对应的阻抗调节单元)，增加其阻抗，从而减缓该片区的刻蚀速率，从而可以针对性的改善晶圆刻蚀速率的角向非均匀性。
为达到尽可能精细调整的目的，可考虑将边缘电极分割为更多数目(比如，3个、4个、6个等)的独立部分。但不宜过多，否则将大幅提高成本，同时改善程度也没有显著提升。
需要说明的是，由边缘电极分割出来的每一部分，应是大致均匀分割。但这并非必要。
这里所说的阻抗调控，可以是对电容的调控，可以是对电感的调控，也可以是对它们中同时两种的组合的调控。与图4中实施例类似，这里不再赘述。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，包括：
相对设置的上电极和下电极；
射频功率源，施加于所述下电极或上电极；
偏置功率源，施加于所述下电极；
边缘电极，呈环形，设置于所述下电极外围，并与下电极同心，所述边缘电极沿圆周方向分割为至少两个部分；
多个阻抗调节单元，所述边缘电极的每个部分各自通过一个阻抗调节单元接地连接，以形成一个边缘射频电流接地通路；
静电夹盘，设置在所述下电极上方，用以固定待刻蚀的晶圆；
绝缘环，设置在所述下电极外围的延展部上方，所述边缘电极埋设在该绝缘环内；
工艺套件，位于绝缘环上方，所述工艺套件环绕所述晶圆，其中边缘电极的内侧壁直径大于等于所述工艺套件的外侧直径。
2.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述多个阻抗调节单元中的每个阻抗调节单元包括：
串联的电容和电感。
3.如权利要求2所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，还包括：
一第一控制单元，其连接于每个阻抗调节单元中的电容和/或电感，以调节每个阻抗调节单元的阻抗。
4.如权利要求3所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述的电容和/或电感为可变的。
5.如权利要求3所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，还包括：
一传感器，设置于边缘射频电流接地通路中，以采集射频参数。
6.如权利要求5所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，还包括：
一第二控制单元，连接每个阻抗调节单元以及传感器，以监测射频参数的变化并根据变化情况对每个阻抗调节单元的阻抗进行在线调节。
7.一种等离子体处理方法，其特征在于，包括：
将待处理晶圆放入如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置内，
通入处理气体至所述电容耦合等离子体处理装置，同时将射频功率源以及偏置功率源施加到所述下电极上以产生等离子体对晶圆进行处理，
调节各阻抗调节单元，用以调节边缘射频耦合使得射频耦合保持对称状态，进而调节晶圆刻蚀速率的角向均匀性。
8.如权利要求7所述的等离子体处理方法，其特征在于，
每个所述的阻抗调节单元包括串联的电容和电感，
所述阻抗调节单元的阻抗调节方法是：
对电容值和电感值进行调节，选择电感值配合可变电容值，以实现对高频40MHz-200MHz的高阻抗和对低频100kHz-10MHz阻抗的调节。
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