CN1481207A

CN1481207A - 组合有双层线圈型天线的感应耦合式等离子发生设备

Info

Publication number: CN1481207A
Application number: CNA031424449A
Authority: CN
Inventors: ��ڿ��; 吴在俊
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2004-03-10
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: CN1235449C; US6806437B2; US20040040939A1; KR100486712B1; KR20040021808A; JP2004111960A; JP3905502B2

Abstract

本发明提供了一种感应耦合式等离子体(ICP)发生设备。该设备包括被抽成真空的反应室；天线系统，安装在反应室的上部以感生一个电场，使供给到反应室中的反应气体电离并产生等离子体；和连接到天线系统的RF电源，对天线系统提供RF电源。天线系统包括一个邻近于反应室的上部安装的下天线和一个安装在下天线之上预定位置的上天线。上、下天线分别包括一个放置成与反应室内的衬底的边缘部分对应的外天线和一个放置在外天线以内形成预定间隔的内天线。在本发明的ICP发生设备中，可以通过调节上天线或者内天线的位置来控制反应室内衬底周围的等离子体密度的均匀性。

Description

组合有双层线圈型天线的感应耦合式等离子发生设备

技术领域

本发明涉及一种用于产生感应耦合式等离子(ICP)的设备，并尤其涉及一种组合有双层线圈型天线以提高反应室内衬底周围等离子密度均匀性的ICP产生设备。

背景技术

在半导体器件和平板显示屏的制造中采用低压高温等离子技术。等离子体用于在制作半导体器件的晶片表面或用于制作液晶显示(LCD)屏的基底上蚀刻或沉积特定的材料。特别是，在制作高集成半导体器件的蚀刻或薄膜沉积处理中，越来越广泛地使用等离子设备。因此，适于蚀刻、沉积或其它处理的等离子体发生设备的发展，对于半导体制造工艺和设备的发展很重要。用于半导体制造工艺的等离子设备在其开发中，最重要的因素是在大衬底上进行操作以提高产量的能力和完成制作高集成器件工艺的能力。具体地说，根据近来晶片尺寸从200mm～300mm的增大，提高晶片处理过程的均匀性以及保持高密度等离子体已变得非常重要。

在传统的半导体制造过程中已经使用了各种类型的等离子设备，如电容耦合式等离子(CCP)型、电子回旋加速器振荡(ECR)型、螺旋形极化天线型、感应耦合等离子(ICP)型和结合前述类型中两种或多种的混合型。在各种类型的等离子设备中，ICP型的设备被认为是对于300mm大小尺寸的晶片最佳的设备，因为ICP设备可以产生高密度及高均匀性的等离子，并且与其它类型的等离子设备相比，具有简单的结构。但是，通过简单地改变现存200mm晶片的ICP设备的尺寸来开发300nm晶片的ICP设备，是难以实现的。由于在设计对于ICP放电来说必须的天线方面的困难，存在着多种制约。

图1表示传统的ICP发生设备的结构。如图1所示，ICP发生设备包括一个反应室10，反应室10有一个用于产生等离子体的空间。在反应室10中的下部设置一个用于支撑衬底如晶片的静电卡盘12，并且在反应室10的上盖11中形成一个介电窗16。在反应室10的侧壁上形成有一个供气口14，用来将反应气体送进反应室10。反应室10内还设有多个与供气口14相连的配气口15。一个真空抽口18形成在反应室10的底部，并与真空泵19相连，以抽空反应室10内的气体。另外，在介电窗16的上方还设有一个线圈型天线20，用来在反应室10内产生等离子体。

线圈型天线20与用于提供射频(RF)电流的电源(未示出)连接。当RF电流在线圈型天线中流动时，在线圈型天线20的周围产生磁场，并且根据做为时间函数的磁场的变化，在反应室10中感应出一个电场。与此同时，反应气体经配气口15供给到反应室10中，并通过与受到感应电场加速的电子的碰撞而被电离，在反应室10中产生等离子体。产生的等离子体与晶片W表面化学反应，使得晶片W经受所需的处理，如蚀刻。通常同时把一个附加的RF电源(未示出)连接到静电卡盘12以提供偏置电压，增大来自于等离子体并与晶片W的离子的能量。

图2表示传统的螺旋线圈型天线的例子，图3A和3B分别表示由图2所示的螺旋线圈型天线在图1所示反应室中产生的电场分布和等离子体密度。如图2所示，螺旋线圈型天线30一般地由单个螺旋形缠绕的导体线圈组成。但是，螺旋线圈型天线30有一个不利之处在于，其感应出的电场强度大小不均匀。即，如图3所示，在螺旋线圈型天线的边缘部分电场较弱，在中心部分电场较强。因此，产生的等离子体密度在反应室的中心部位最大。

在反应室中心部位产生的密度最大的等离子体向接近反应室的底部放置的晶片扩散。因此，在发生等离子体和晶片反应的接近晶片的区域中，在该接近晶片的区域的中心部分，等离子体的密度高，而在该接近晶片表面的区域的边缘部分密度低。等离子体密度的这种不规则分布导致一个问题是，晶片或衬底被蚀刻的深度，或是一种材料沉积在晶片或衬底表面上的厚度，在整个晶片或衬底表面上是不均匀的。随着反应室的直径增大以容纳更大的晶片，不均匀的问题变得更加严重。另外，为了将反应室中等离子体的密度保持在足够高，应该增大天线30的半径和线圈的匝数，以与ICP设备的增大的尺寸相符。但是，线圈匝数的增大导致另一个问题是，天线的自感增大，并且因而降低等离子体放电的效率。

图4A～4C表示的是提出用于解决线圈型天线的上述问题的各种天线。图4A表示美国专利US5,401,350中公开的一种天线40，它包括放置在反应室42上部的螺旋线圈型天线40a和缠绕在反应室42侧壁外表面上的附加的螺线管型天线40b。图4A中所示的天线40补偿反应室42边缘部分的低等离子体密度，以解决上述传统螺旋线圈型天线所遇到的等离子体分布不均匀的问题。但是，因为附加的天线40b缠绕在反应室42侧壁的外表面上，所以反应室42与天线40b对应的部分应该由介电物质制成。另外，应该提供附加的冷却剂通道以冷却天线40b。因此，图4A所示的天线的问题是设备的总体尺寸增大。

图4B表示的是美国专利US6,291,793中公开的另一种天线50。该天线中包括多个平行分路的螺旋线圈52、54和56。图4B中所示的多路并联式天线50的优点在于，随着分路线圈52、54和56数量的增加，可以减小天线50的自感。但是，这种多路并联式天线的不利之处在于，天线50中心部位产生的等离子体密度较低，控制等离子体密度分布的均匀性的参数有限。

图4C表示的是美国专利US6,080,271中公开的另一种天线60。其中电流在相邻线圈62和64中反方向流动。在每个线圈中的电流同方向流动的传统螺旋线圈型天线中，相邻线圈周围产生的磁场相互抵消。但在图4C所示的天线60中，相邻线圈62和64周围产生的磁场彼此增强。因此，图4C中的天线60的优点在于，天线的感应降低。但是，因为感应电场的强度降低，并且因此等离子体密度降低，所以存在的问题是应该使用磁芯来补偿降低的电场强度。

由于上述问题，到目前为止公开的传统天线存在的缺陷在于不能与工艺条件中的变化充分地相符以获得高均匀性的等离子体。特别是，当晶片变得更大时，更难利用传统的天线维持晶片边缘部分均匀的等离子体密度，结果，严重消减了半导体器件的质量和产量。

发明内容

本发明提供了一种感应耦合式等离子体发生设备，其包含有带上、下两个线圈型天线的双层天线系统，以提高反应室中衬底周围的等离子体密度。

根据本发明的感应耦合式等离子体发生设备，包括：一个反应室，反应室内有一个保持在真空态的内部空间；一个天线系统，安装在反应室的上部以感生一个电场，该电场用于使供入到反应室中的反应气体电离并产生等离子体；和一个连接到天线系统的RF电源，对天线系统提供RF电源，其中，天线系统包括一个邻近于反应室的上部安装的下天线，和一个安装在下天线之上预定距离的上天线。

根据本发明的实施例，优选地，上天线安装成与放置在反应室内的衬底的边缘部分对应。

在本发明的这个实施例中，优选地，上天线包括一个有一匝或两匝的单导线环形线圈。

另外，优选地，下天线包括一个具有预定匝数的螺旋线圈或多个同心连接的环形线圈。

还有，上、下天线最好与一个单个的电源并联连接。但是，上、下天线也可以有不同的RF电源。

根据本发明的另一实施例，优选地，上、下天线分别包括一个放置成与反应室内的衬底边缘部分对应的外部天线，和一个放置在外部天线以内与之有预定间隔的内部天线。

在本发明的这个实施例中，优选地，电流以相反的方向流经相邻的内、外天线，并以相同的方向流经相邻的上、下天线。

另外，两个单导线线圈彼此交叉放置并上下、内外延伸，而构成上外天线、下外天线、上内天线和下内天线。

还有，两个单导线线圈与单个电源并联连接。但是，这两个单导线线圈也可以有不同的RF电源。

根据本发明，可以通过调节上天线或内天线的位置来控制反应室中衬底周围的等离子体密度分布的均匀性。

附图说明

通过下面参考附图对实施例的详细描述，本发明的上述及其它目的和优点将变得更加清晰，其中：

图1表示的是传统感应耦合式等离子体(ICP)发生设备；

图2表示的是传统螺旋线圈型天线的一个实例；

图3A和3B分别表示的是由图2所示的螺旋线圈型天线在反应室内产生的电场分布和等离子体的密度；

图4A～4C表示的是传统线圈型天线的其他实例；

图5表示的是根据本发明实施例的包括双层线圈型天线的ICP发生设备；

图6是包括在图5所示实施例中的双层线圈型天线的透视图；

图7表示的是根据本发明另一实施例的包括双层线圈型天线的ICP发生设备；

图8是包括在图7所示实施例中的双层线圈型天线的透视图；和

图9是对于到内天线和外天线有不同距离的两种情况，等离子体通量对于到晶片中心的距离的曲线。

具体实施方式

下面参考附图5～9对根据本发明的感应耦合式等离子体(ICP)发生设备的实施例进行描述。

图5示意性地表示根据本发明实施例的组合有双层线圈型天线的ICP发生设备结构，图6是图5所示双层线圈型天线的透视图。图5中所示的ICP发生设备是一种半导体制造设备，用于精细加工衬底，即晶片W，如利用图6所示的天线系统120产生的等离子体蚀刻晶片W或在晶片W上沉积特定的材料。

参见图5，ICP发生设备包括一个用于产生等离子体的反应室110。反应室110的内部保持真空状态，并且为此目的，将真空抽口118设置在反应室110的底部并连接到真空泵119。在反应室110内的下部设置一个用于支撑衬底如晶片W的静电卡盘112，并且将RF电源138连接到静电卡盘112以施加偏压，使得反应室110内产生的等离子体的离子能够以足够高的能量与晶片W的表面碰撞。在反应室110的顶盖111之上安装一个介电窗116以传递RF电源。在反应室110的侧壁上形成一个供气口114以将反应气体供给到反应室110中。在反应室110中可以设置多个连接到供气口114的配气口115。

在反应室110的顶部、即介电窗116之上设置一个天线系统120。该天线系统120能够感生出一个电场，通过使供给到反应室110中的反应气体电离而产生等离子体。至少一个RF电源132连接到天线120以对其供给RF电源。当RF电流在形成天线系统120的线圈中流动时，按照安培右手法则产生磁场。并且当磁场做为时间函数变化时，根据法拉第电磁感应定律，在反应室120中产生感应电场。感生的电场加速电子，然后，加速的电子使经配气口115供给到反应室110中的反应气体电离，从而产生等离子体。

参见图6，天线系统120包括一个邻近反应室110的上部放置的下天线121，和一个放置在下天线121之上预定距离处的上天线122。换言之，天线系统120具有双层结构。

下天线121可以由一个数匝的螺旋线圈制成，如图6所示。虽然附图中未示出，但下天线可以由多个同心分布并彼此相连的环形线圈制成。另外，下天线121也可以由除螺旋线圈或同心分布的环形线圈以外的各种类型的线圈制成。此外，虽然图6中示出了下线圈121的导线具有圆形截面，但它也可以具有如图5所示的矩形截面。下天线121辐射RF功率以在反应室110中产生等离子体。

同时，上天线122可以由只有一匝的单根导线环形线圈制成，如图6所示。虽然图中未示出，但上天线也可以至少有两匝。另外，虽然图6中所示的上天线122的导线具有圆形截面，但它也可以有如图5所示的矩形截面。上天线122可以放置在按照置于反应室110中的衬底如晶片W的大小所需的地方。一般地，上天线122放置在下天线产生的等离子体密度较低的地方，如接近晶片W的边缘部分。通过如上所述地放置上天线122，可以增大晶片W边缘部分的等离子体密度，并且因此可以使整个晶片W上的等离子体密度均匀。

如上所述，根据本发明的实施例，可以通过调节上天线122的放置位置控制等离子体分布。另外，由于下天线121和上天线122的双层结构，可以无需单独的冷却剂通道或增大设备尺寸来实现等离子体均匀的分布。

同时，上、下天线121和122每一个的一端可以连接到单RF电源132。上、下天线121和122的另一端接地。但是，上、下天线121和122可以分别连接到不同的RF源，虽然附图中未示出。在上、下天线121和122连接到单RF电源132的情形中，希望将两天线121和122与RF电源132并联，使得每个天线的电感减小。当下天线121的电感为L1，上天线122的电感为L2时，则串联天线121和122的组合电感Ls由Ls＝L1+L2表示。但是，如果天线121和122并联连接，则组合电感Lp由1/Lp＝1/L1+1/L2表示。因此，并联连接天线121和122降低电感，并且因此增大等离子体的辐射效率。

另外，希望在耦合电路134中安置一个电容136，用于将RF电源132连接到上、下天线121和122。这种情况的一个益处是可以调节上下天线121和122中流动的RF电流的相位差。

图7表示根据本发明另一实施例的组合有双层线圈型天线的ICP发生设备，图8是图7所示的双层线圈型天线的透视图。在图7中，与图5中相同的标号表示相同的元件，在此省去对相同元件的重复描述。

参见图7和8，包括在本发明另一实施例中的天线系统200包括邻近反应室110的上部放置的下天线211和212，和在下天线211及212之上的预定距离处放置的上天线221和222。换言之，天线系统200也有双层结构。

下天线211和212由对应于反应室110内的晶片W边缘部分放置的下外天线211、放置在下外天线211内部与之有预定距离的下内天线212组成。与下天线211及212类似，上天线221和222由上外天线221及上内天线222组成。

在上述结构中，希望相邻的下外天线211和下内天线212中流动的电流方向相反。同样，希望在相邻的上外天线221和上内天线222中流动的电流方向相反。另一方面，在相邻的上外天线221及下外天线211中流动的电流方向可以相同，并且在相邻的上内及下内天线222和212中流动的电流方向也可以相同。

上述结构可以由彼此交叉放置并上下、内外延伸的两个单根导线线圈220a和220b组成。两个单根导线线圈220a和220b中的一个、即第一线圈220a有两匝，即内匝和外匝。第一线圈220a的外匝形成上外天线221的一半，并且向下弯曲形成下外天线211的一半。第一线圈220a的内匝形成上内天线222的一半，并且向下弯曲形成下内天线212的一半。此处第一线圈220外匝的缠绕方向与内匝的相反。同时，两个单根导线线圈220a和20b中的另一个、即第二线圈220b按照与上述相同的方式形成。即，第二线圈220b的外匝形成相应的上外天线221和下外天线211的其余一半，并且内匝形成相应的上内天线222和下内天线212的其余一半。如上所述形成的第一和第二线圈220a和220b放置成彼此交叉重叠。然后，获得图8所示的天线系统200的完整形式，并且因此电流可以如上所述地在天线系统200的各个部分中流动。图8中的箭头表示电流的方向。同时，虽然图8中所示的形成第一和第二线圈220a和220b的导线具有圆形截面，但也可以如图7所示的具有矩形截面。

虽然两个单根导线线圈220a和220b的每一个的一端可以与不同的RF电源连接，但最好两个线圈220a和220b与单根RF电源232并联连结。两个单根导线线圈220a和220b的另一端接地。如上所述，两个单根导线线圈220a和220b并联连接能减小电感。

如上所述，根据本发明的第二实施例，两个单根导线线圈220a和220b彼此交叉放置，使得电流以相反的方向流经外部天线211、221以及内部天线212、222。而且下天线211、212和上天线221、222并联连结。因此，可以减小天线的自感。另外，由于下天线211、212和上天线221、222之间的交叉耦合，可以增强感应电场。另外，由于下天线211、212以及上天线221、222的双层结构，可以无需单独的冷却剂通道或增大设备尺寸，就能实现等离子体的均匀分布。

图9是等离子体通量-到晶片中心的距离曲线，分两种情况：到内天线和外天线的不同距离。曲线上的数据是氩(Ar)离子通量模拟数据。在情形1中，内外天线之间的距离较窄，在情形2，内外天线之间的距离较宽。

如图9所示，与内部天线接近晶片的中心部位放置的情形2相比，内部天线接近反应室的边缘部分放置的情形1表示在晶片的中心部位周围等离子体密度稍低，晶片边缘部分周围的等离子体密度显著较高。即，可以通过调节内外天线之间的距离而将晶片周围的等离子体密度控制为均匀。

如上所述，根据本发明的第二实施例，可以通过调节内外天线之间的距离，具体地说，通过根据晶片的大小调节内天线的位置而获得整个晶片上均匀的等离子体密度。

从以上所述可以知道，根据本发明的组合有一个双层线圈型天线的感应耦合式等离子体(ICP)发生设备具有下列特点。

首先，可以通过根据晶片的大小调节上天线或内天线的位置将等离子体密度控制为均匀。即，不仅可以获得中心部位周围均匀的等离子体密度，而且也可以获得边缘部分均匀的等离子体密度，甚至当晶片或衬底较大时也是如此，因此，可以提高半导体器件的质量和产量。另外，由于上下天线的双层结构，可以无需单独的冷却剂通道或增大设备尺寸，就能够实现等离子体密度的均匀性。

其次，可以通过使电流以相反的方向流经相邻的内、外天线、并且并联连结上、下天线来有效地减小天线的自感。另外，由于双层天线的耦合效应，可以增强感应电场。因此，随着天线系统RF功率辐射效率的提高，可以有效地产生高密度的等离子体。

虽然以上以参考优选实施例对本发明进行了图示和描述，但本领域的技术人员会知道，在不脱离由所附的权利要求限定的本发明实质和范围的前提下，可以对本发明的形式和细节做各种改变。

Claims

1.一种感应耦合式等离子体发生设备，包括：

被抽空的反应室；

天线系统，安装在反应室的上部以感生一个电场，使供给反应室中的反应气体电离并产生等离子体；和

连接到天线系统的RF电源，对天线系统提供RF电源，

其中，天线系统包括一个邻近于反应室的上部安装的下天线和一个安装在下天线之上预定距离的上天线。

2.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上天线安装成与放置在反应室内的衬底的边缘部分对应。

3.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上天线包括一个有一匝或两匝的单根导线环形线圈。

4.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上天线包括一个至少有两匝的单根导线环形线圈。

5.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上、下天线与单个电源连接。

6.如权利要求5所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上、下天线并联连接到单个电源。

7.如权利要求5所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，在耦合电路中设置一个电容，用于连结RF电源和上、下天线。

8.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上、下天线每个连结到不同的RF电源。

9.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，下天线包括一个具有几匝的螺旋线圈。

10.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，下天线包括多个同心的、相互连接的环形线圈。

11.如权利要求1所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，上、下天线分别包括一个放置成与反应室内的衬底边缘部分对应的外部天线，和一个放置在外部天线以内与之有预定间隔的内部天线。

12.如权利要求11所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，电流以相反的方向流经相邻的内、外天线。

13.如权利要求11所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，电流以相同的方向流经相邻的上、下天线。

14.如权利要求11所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，两个单根导线线圈彼此交叉放置并上下、内外延伸，而构成上外天线、下外天线、上内天线和下内天线。

15.如权利要求14所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，两个单根导线线圈分别包括内匝和外匝，外匝构成相应的上外天线和下外天线的一半，而内匝构成相应的上内天线及下内天线的另一半。

16.如权利要求15所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，内匝和外匝按相反的方向缠绕。

17.如权利要求14所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，两个单根导线线圈并联连结到单个电源。

18.如权利要求14所述的感应耦合式等离子体发生设备，其特征在于，两个单根导线线圈各自连结到不同的RF电源。