CN1269178C - 晶片区域的压力控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体处理腔，其实现了改进的晶片区域压力控制。等离子体处理腔是真空腔，该真空腔带有与之相连的能产生和限制等离子体的装置。该装置的部件可以是刻蚀剂气源和排气孔。约束环限定了晶片上方的区域。晶片区域的压力取决于横跨约束环的压降。约束环是约束装置的一部分，它提供了高于40%的晶片区域压力控制。该约束装置除了约束环之外，还可以是固定的竖直限制环，其中约束环是可调的。在可选择的方案中，可以使用三个约束环来提供理想的晶片区域压力控制。

Description

晶片区域的压力控制
技术领域
本发明涉及基于半导体的装置的制造。具体而言本发明涉及控制等离子体处理腔室内压力的改进技术。
背景技术
在制造基于半导体的装置(例如集成电路或平板显示器)过程中，将材料层交替淀积到衬底表面(例如半导体晶片或玻璃板)上，然后从该衬底表面开始刻蚀。本领域公知的是，刻蚀淀积层可通过各种技术来完成，这其中包括了等离子体-增强刻蚀。在等离子体-增强刻蚀过程中，等离子体处理腔内会发生对衬底的实际刻蚀。刻蚀过程中，由适宜的刻蚀剂原料气形成等离子体，用以刻蚀衬底上不受掩膜保护的区域，于是留下理想图案。
在不同类型的等离子体刻蚀系统中，已经证明那些利用约束环的系统非常适合高效生产和/或在衬底上形成不断皱缩的面貌。在共同转让的美国专利5534751号中可以找到这种系统的例子，在此通过参照将其结合进来。虽然利用约束环为等离子体处理系统的性能带来了显著改进，但它同时也提高了电流执行要求。特别是，已经认识到可通过控制等离子体处理系统中压力的方式进行改进。
为了便于讨论，图1描述了示范性的等离子体处理腔100，它包括当前正在使用的约束环102。在等离子体处理腔100内示出了卡盘104，它代表刻蚀过程中用于在上面定位衬底106的工件保持器。卡盘104可通过适当的装卡技术实现，例如静电、机械夹持、真空等。在刻蚀过程中，RF电源110向卡盘104供应频率例如约为2MHz到27MHz的RF电能。在衬底106上方布置了反应器顶部112，它支持着带有RF电源126的上电极124。刻蚀剂气源120向约束环102内的区域供应气体。上电极124用于激励刻蚀剂气体产生等离子体并维持等离子体。气体和等离子体被排放到位于约束环102外部的区域中，然后进入排气孔122。
通过参考将经过共同转让的、于2000年2月1日授予Eric H.Lenz的、名称为“Cam-Based Arrangement For PositioningConfinement Rings In A Plasma Processing Chamber”的美国专利6019060结合进来，它的教导为，横跨约束环的压降大致与表达式1/(x2+y2+z2)成比例，其中如图1所示，x、y和z是约束环之间的距离。Lenz提供了单个可移动的约束环和固定约束环。按照Lenz的教导，通过移动那一个可移动约束环来调整约束环102之间的距离，可以获得17到30％的压力控制范围。利用上述30％的压力控制，等离子体就会因约束环之间的巨大间隙而变得不受约束。通过控制横跨约束环的压降，就可以控制约束环内、晶片区域的压力。
理想的是提高对横跨约束环的压力的控制。
发明内容
为了实现前述和其它目的，依照本发明目的，提供了一种等离子体处理装置。提供了一种带有排气孔的真空腔，所述排气孔与真空腔和气源流体连通。在真空腔内设置了约束装置，该约束装置能为晶片区域提供高于40％的压力控制。
具体而言，本发明提供一种等离子体处理装置，它包括：
真空腔；
与真空腔流体连通的排气孔；
与真空腔流体连通的气源；
约束装置，用以提供高于40％的晶片区域压力控制；以及
与竖直可调约束环相连的控制器，用以在等离子体处理过程中竖直调节等离子体处理腔内的约束环；
其中约束装置包括：
位于真空腔内的竖直限制环；以及
位于真空腔内的竖直可调约束环。
下面结合附图在本发明的详细说明中详细描述了本发明的这些和其它特征。
附图说明
在附图的视图中通过举例而不是限制方式描述了本发明，其中类似参考数字指示类似元件，其中：
图1是现有技术中等离子体处理腔的示意图。
图2是依照本发明一个实施例的等离子体处理腔的示意图。
图3是图2的约束环和竖直限制环的横截面放大图。
图4是在可调约束环降低到它的最低位置时，该可调约束环与竖直限制环的横截面放大图。
图5是依照本发明第二实施例的等离子体处理腔的示意图。
图6是图5的约束环和外部竖直限制环的横截面放大图。
图7是当可调约束环降低到它的最低位置时，该可调约束环与外部竖直限制环的横截面放大图。
图8是依照本发明第三实施例的等离子体处理腔示意图。
图9是图8约束环的横截面放大图。
图10表示距离最大时的约束环布置的例子。
具体实施方式
现在将参照本发明的附图所示的几个优选实施例详细描述本发明。在以下说明中，为了提供对本发明的全面理解而阐述了大量特定细节。但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，没有某些或完全没有这些特定细节也能实现本发明。在其它例子中，为了不多余地让本发明变得不清楚，就不再详细描述公知的工艺步骤和/或结构了。
为了便于讨论，图2是依照本发明一个实施例的等离子体处理腔200的示意图，它包括可调的约束环202和固定的内部竖直限制环203。内部竖直限制环具有一固定端，它与等离子体处理腔200的顶部212相连，该限制环还有一个自由端，它与约束环202相邻。在说明书和权利要求书中，将可调约束环定义为在等离子体处理过程中能沿轴向方向(上或下)调节或移动以便可调节地控制晶片区域压力的约束环。与约束环202相连的控制器252能在等离子体处理过程中实现对约束环202的调节。在等离子体处理腔200内示出了卡盘204，它代表刻蚀过程中要在上面放置衬底206的工件保持器。卡盘204可通过任何适宜的装卡技术来实现，例如静电、机械夹持、真空等。刻蚀剂气源220和排气孔222与处理腔200相连。还可以为等离子体处理腔设置上述以及图1所示的其它等离子体发生设备，但为了清楚而没有示出。该等离子体发生设备可以是图1所示的那种电容式的，或者是电感式的，或者是其它类型的等离子体发生装置。
刻蚀过程中，刻蚀剂气源220向约束环202内的区域供应气体。该气体被排放到位于约束环202外部的区域，然后进入排气孔222。衬底206(晶片)上方区域中的压力由以下因素决定：从刻蚀剂气源向约束环202内的衬底206上方的区域导入刻蚀剂气体的速度，通过排气孔222流到约束环202外部的气流流速，以及横跨约束环202的压降。横过约束环202的压降取决于通过约束环202的气体流量。
图3是图2的约束环202和竖直限制环203的横截面放大图。流经约束环202的气流有第一成分302和第二成分304，第一成分在约束环202与处理腔底部228之间流动，第二成分在约束环202与竖直限制环203之间流动。约束环202与处理腔底部228之间的距离用“x”表示。约束环202与竖直限制环203之间的距离用“y”表示，在该实施例中该距离基本不变。横跨约束环的压降将大致与表达式1/(x2+y2)成比例。当可调约束环202位于它的最高位置时，约束环202与底部228之间的距离“x”最大，于是1/(x2+y2)是它的最小值，由此横跨约束环的压降就是在它的最小值。在该结构中，第一成分302占气流流量的95％，第二成分占气体流量的5％。
图4是当可调约束环202降低到它的最低点时，该可调约束环202与竖直限制环203的横截面放大图。横跨约束环的压降再次基本上与表达式1/(x2+y2)成比例。当可调约束环202在它的最低位置时，约束环202与底部228之间的距离“x”最小，1/(x2+y2)处于它的最大值，这样横跨约束环的压降为它的最大值。在该结构中，第一成分302占气体流量的90％，第二成分304占气体流量的10％。在可调约束环202从图2和图3所示的最高位置移到图4所示的最低位置时，横跨约束环的压力变化约为90％，由此提供了90％的晶片区域压力控制。
图5是依照本发明第二实施例的等离子体处理腔500的示意图，它包括可调约束环502和固定的外部竖直限制环503。固定的外部竖直限制环503具有与等离子体处理腔500的顶部512相连的固定端和与约束环502相邻的自由端。与约束环502相连的控制器552在等离子体处理过程中对约束环502进行调节。在等离子体处理腔500中示出了卡盘504，它表示刻蚀过程中在上面放置衬底506的工件保持器。卡盘504可通过任何适宜的卡装技术来实现，例如静电、机械夹持、真空等。刻蚀剂气源520和排气孔522与处理腔500相连。还可以为等离子体处理腔设置诸如上述和图1所示的其它等离子体发生设备，但为了清楚起见没有示出。该等离子体发生设备可以是图1所示那种电容式的，或者是电感式的，或者是其它类型的等离子体发生装置。
在刻蚀过程中，刻蚀剂气源520向约束环502内的区域供气。气体被排放到位于约束环502外部的区域，然后进入排气孔522。衬底506(晶片)上方区域内的压力由以下因素决定：从刻蚀剂区域520向约束环502内衬底506上方的区域导入刻蚀剂气体的速度，通过排气孔522流到约束环502外部的气流流速，以及横跨约束环502的压降。横跨约束环502的压降取决于流经约束环502的气体流量。
图6是图5的约束环502与外部竖直限制环503的横截面放大图。流经约束环502的气流具有在约束环502与处理腔底部528之间流动的第一成分602和在约束环502与外部竖直限制环503之间流动的第二成分604。将约束环502与处理腔底部528之间的距离表示为“x”。将约束环502和外部竖直限制环503之间的距离表示为“y”，在该实施例中它基本不变。横跨约束环的压降大致与表达式1/(x2+y2)成比例。当可调约束环502位于它的最高位置时，约束环502与处理器底部528之间的距离“x”最大，从而1/(x2+y2)最小，于是横跨约束环的压降为它的最小值。在该结构中，第一成分602占气体流量的95％，第二成分604占气体流量的5％。
图7是当可调约束环502降至它的最低位置时，可调约束环502与外部竖直限制环503的横截面放大图。同样，横跨约束环的压降大致与表达式1/(x2+y2)成比例。当可调约束环502在它的最低位置时，约束环502与处理腔底部528之间的距离“x”最小，从而1/(x2+y2)最大，于是横跨约束环的压降最大。在该结构中，第一成分602占气体流量的90％，第二成分604占气体流量的10％。随着可调约束环502从图5和图6所示的最高位置移到图7所示的最低位置，横跨约束环的压降变化也约达100％，于是就提供了100％的晶片区域压力控制。
在该实施例中，约束环502在凸缘704上有前缘702，它环绕约束环502的外表面延伸。类似地，外部竖直限制环503的凸缘708上有前缘706，它围绕外部竖直限制环503的内表面延伸。前缘702与706之间的距离决定了约束环502与竖直限制环503之间的距离“y”。这些前缘702和706用于为约束环502与竖直限制环503之间提供更加均匀和精确的距离。这些凸缘和前缘也可用于前面的实施例。
图8是依照本发明第三实施例的等离子体处理腔800的示意图，它包括三个可调的约束环802。在等离子体处理过程中，与三个可调约束环802中的每一个都相连的控制器852可对这三个可调约束环802进行调节。控制器852可包括三个小型控制器，其中每个小型控制器控制一个约束环，或者用一个大型控制器来控制所有的这三个约束环。在等离子体处理腔800中示出了卡盘804，其表示刻蚀过程中在上面放置衬底806的工具保持器。卡盘804可通过任何适宜的夹持技术来实现，例如静电、机械夹钳、真空等等。刻蚀剂气源820和排气孔822与处理腔800相连。还可为等离子体处理腔设置例如上述和图1所示的其它等离子体发生设备，但为了清楚起见都未示出。该等离子体发生设备还可以是图1所示的电容式，或者是电感式的，或者是其它类型的等离子体发生装置。
刻蚀过程中，刻蚀剂气源820向约束环802内靠近处理腔800的顶部812的区域提供气体。气体被排放到位于约束环802外部的区域中，进入排气孔822。衬底806(晶片)上方区域的压力由以下因素决定：从刻蚀剂气源820向约束环802内衬底806上方的区域导入刻蚀剂气体的速度，气流通过位于约束环802外部的排气孔822的流速，以及横跨约束环802的压降。横跨约束环802的压降取决于经过约束环802的气体流量。
图9是图8约束环802的横截面放大图。横跨约束环的压降大致与表达式1/(w2+x2+y2+z2)成比例，其中w、x、y和z是如图9所示的约束环之间的距离。在该例子中，w≌x≌y≌z。这使1/(w2+x2+y2+z2)最大，让压降达到最大。由于所有这三个约束环802都是独立可调的，因此移动约束环802能在让距离x、y、z和w中之一最大的同时，让其余距离最小。图10表示约束环布置的一个例子，其中距离z最大，而y最小。结果，与1/(w2+x2+y2+z2)大致成比例的横跨约束环802的压降最小。已计算出这两个压降极值之间的差值提供了40％的晶片区域压力控制。
在具有多个约束环的其它实施例中，可以使用更多的约束环，其中至少有两个约束环是可调的。优选的是，至少有三个约束环是可调的。在具有内部或外部竖直限制环的其它实施例中，可以使用更多约束环，其中至少一个约束环是可调的。
与现有技术相比，所有实施例都实现了较高的晶片区域压力控制下的约束。
具有内部竖直限制环的实施例的优点在于，可将等离子体限制在较小区域，并让它与较小的表面区域接触。较小的接触表面区域意味着仅需要清洁较小的表面区域。内部竖直限制环的缺点在于，由于内部竖直限制环靠近晶片处理区域，因此内部竖直限制环上的沉积物将引起污染。该实施例改进了WAP控制。
具有外部竖直限制环的实施例的优点在于，它能实现最好的WAP控制。另外，由于竖直限制环离晶片区域很远，因此竖直限制环实现了更少污染。但是，该实施例让较大表面区域暴露给等离子体，这增大了需要清洁的表面。利用竖直限制环的这两个实施例除了能改进WAP控制外，还能实现简单得多的控制。
设置三个可调约束环的优点在于要延展约束视窗。该实施例能在控制特性曲线可能有显著变化之前承受得住更大量的部件磨损。
虽然以几个优选实施例的方式描述了本发明，但还存在落在本发明范围之内的改变、更改以及等效替换。还应当注意到，实现本发明方法和装置存在多种可选择的方式。因此试图将下面所附的权利要求书解释为，它包括所有落在本发明的真正精神和范围内的那些改变、更改和等效替换。

Claims (21)

1.一种等离子体处理装置，它包括：
真空腔；
与真空腔流体连通的排气孔；
与真空腔流体连通的气源；
约束装置，用以提供高于40％的晶片区域压力控制；以及
与竖直可调约束环相连的控制器，用以在等离子体处理过程中竖直调节等离子体处理腔内的约束环；
其中约束装置包括：
位于真空腔内的竖直限制环；以及
位于真空腔内的竖直可调约束环。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环具有第一端和第二端，第一端与等离子体处理装置相连，第二端是自由端，它与竖直可调约束环相邻。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环位于约束环外侧。
4.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环的自由端有一凸缘。
5.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其中所述约束环有一凸缘。
6.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环在约束环内侧。
7.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其还包括位于真空腔内部的卡盘，用以将衬底保持在真空腔内。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其中所述约束装置包括：
位于真空腔内的第一竖直可调约束环；以及
位于真空腔内的第二竖直可调约束环。
9.根据权利要求8所述的等离子体处理装置，其还包括与第一竖直可调约束环和第二竖直可调约束环相连的控制器，其中控制器能够在等离子体处理装置的等离子体处理过程中调节第一竖直可调约束环和第二竖直可调约束环。
10.根据权利要求8或9所述的等离子体处理装置，其还包括第三约束环。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理装置，其中第三约束环是竖直可调的。
12.根据权利要求11所述的等离子体处理装置，其中控制器与第三约束环相连。
13.一种控制等离子体处理装置内晶片区域的压力的方法，其包括：
为晶片区域设置刻蚀剂气源；
在晶片区域内由刻蚀剂气源产生等离子体；
将等离子体约束在竖直限制环内；以及
竖直调节与竖直限制环的自由端相邻的约束环。
14.一种等离子体处理装置，其包括：
真空腔；
与真空腔流体连通的排气孔；
与真空腔流体连通的气源；
约束装置，其中约束装置包括：
位于真空腔内的竖直限制环；以及
位于真空腔内的竖直可调约束环。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环具有第一端和第二端，第一端与等离子体处理装置相连，第二端是自由端，它与竖直可调约束环相邻。
16.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其还包括与竖直可调约束环相连的控制器，用以在等离子体处理腔的等离子体处理过程中调节约束环。
17.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环位于约束环外侧。
18.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环的自由端有一凸缘。
19.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其中所述约束环有一凸缘。
20.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其中竖直限制环位于所述约束环内侧。
21.根据权利要求14或15所述的等离子体处理装置，其还包括在真空腔内部的卡盘，用以将衬底保持在真空腔内。
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