CN1802729A - 增强和定位电容耦合等离子体的方法、设备和磁性部件 - Google Patents

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Abstract

通过半导体晶片处理设备(10)的真空处理室(11)中射频(RF)偏置晶片支撑电极(24)邻近的永磁体部件(30)产生磁性增强的等离子体。在晶片支撑上待处理晶片(15)的周围设置了环形外围区域(24b)。使用多个磁体环(33－35)的磁体结构在外围区域上方形成磁通道，在该磁通道处产生离开晶片的等离子体。该磁场具有在环形外围区域上方平行于衬底支撑表面但是基本隔离于晶片的分量。优选地，该磁场具有在外围区域中平行于支撑表面的平坦部分。等离子体通过从外围区域向整个晶片表面扩散而传播。磁体可以被操控以优化邻近待处理的衬底的等离子体均匀性。

Description

增强和定位电容耦合等离子体的方法、设备和磁性部件
技术领域
本发明涉及衬底，尤其是半导体晶片衬底的等离子体处理，以及在所述处理中产生、增强和控制等离子体尤其是电容耦合等离子体。
本申请是2002年12月20日提交的美国专利申请序列号No.10,324,213的部分继续申请，其中所述内容作为引用而结合于此。
背景技术
等离子体用于半导体的生产中，例如等离子体蚀刻、离子化物理气相沉积(iPVD)和等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)等工艺中。在这些应用中，等离子体通常是通过电容耦合能量到真空室中的反应气体，以将所述气体的分子分解为活性自由基和原子，将所述气体的分子、基和离子激发到更高的能级，使活性和惰性气体的分子和原子电离化，并且将离子加速到垂直于衬底表面的轨道中并且击中衬底。
在PECVD等离子体工艺应用中，可以使用电容耦合以分解并激发反应气体的分子为活性自由基，从而可以在衬底上产生所需的薄膜。在等离子体蚀刻应用中，可以使用电容耦合等离子体来激发反应气体从而通过所谓的活性离子蚀刻(RIE)工艺中的离子化活性原子或基或者通过通常所称的溅射蚀刻(sputter etching)工艺中的惰性气体的离子化原子而除去衬底上的材料。在iPVD中，电容耦合等离子体(CCP)可以作为主要的等离子体源以产生涂层材料的离子或者可以用于校准衬底上涂层材料离子的流量(flux)或者离子化惰性气体原子和/或在沉积后溅射蚀刻步骤中将离子加速到衬底上。
简单的CCP工艺应用包括将衬底置于以射频(RF)能量偏置的电极上。所述电极和衬底封装在接地的真空室内，所述真空室作为相对的电极。这种结构通常需要过高的RF电压以产生足够的等离子体密度来有效的进行所述工艺。这样的高电压可能损坏集成电路中的设备以及可能引起真空室内的电弧。而且，在这种系统中，等离子体均匀性和接下来的衬底上的蚀刻或沉积均匀性不可预测并且通常不令人满意。典型的，蚀刻和沉积均匀性依赖于工艺环境的细节，例如罩的形状，气体注入口的位置，以及其他真空室的特点。而且，使用精细的衬底作为专有电极通常导致过高的衬底温度。
克服上述CCP的局限的尝试包括在衬底支持电极附近使用磁性增强。所述增强可以通过使用平行于RF偏置衬底的适当大小的磁场而实现，所述磁场使得电极表面附近的电子沿着邻近电极平面的摆线轨道移动而不是如同没有该磁场时那样离开所述电极平面。因此，与RF等离子体阳极作用的等离子体中的电子在被真空室壁俘获之前增长了数倍。如果所述磁场形成了闭合环路，则电子没有固定的磁场逃出点因此可能无限的被磁场捕获。电极表面附近的这种电子捕获使得每伏RF阳极电势中更多的能量传递给电子。因此，可以通过更低的电压实现所需等离子体密度。
现有技术中集成电路的等离子体工艺中磁性增强的主要缺陷是由于衬底的非均匀充电效应导致的设备损坏。沿着绝缘衬底表面的非均匀电荷分布导致衬底上设备的电压梯度，这可以导致电压击穿。所述非均匀电荷分布可能由于主要以正交入射角相交并穿过衬底表面的磁通线而引起。
在美国专利No.5,499,977中描述了现有技术中在衬底支撑处的磁性增强的示例。所述结构产生平行于衬底表面的磁场线并且在衬底支撑上被称为摆线区域的局部区域上感应出摆线轨道。通过在晶片工艺其间旋转所述结构可以使得产生的非均匀等离子体在时间平均意义上轴对称。这种方案的主要缺点是需要高成本而且复杂的旋转硬件。
因此，需要一种方法和设备以在等离子体工艺中在半导体晶片衬底附近保持大致均匀的低电压等离子体。
发明内容
本发明的一个目标是在工艺期间特别是半导体晶片制造的真空等离子体工艺期间为整个衬底表面上提供低电压等离子体的均匀分布。本发明更具体的目标是提供一种在处理的晶片表面上分布低电压高密度等离子体的方法、等离子源和处理设备，能够使整个晶片上的非均匀电荷分布最小并且避免晶片损坏。
本发明的进一步目标是在晶片表面提供磁性增强等离子体，所述磁性增强等离子体可以用于各种半导体制造工艺，包括但不限于PECVD、iPVD、RIE以及溅射蚀刻。
根据本发明原理，提供了磁性增强或者磁控(magnetron)等离子源，用于电容耦合RF能量到晶片周围的晶片支撑的环形外围区域周围的环形磁通道中，所述晶片置于所述支撑的中心区域，从而在环形外围区域形成等离子体，等离子体从该区域在晶片上向内扩散。所述通道是通过设置在所述外围区域邻近处的磁体而产生的，并且远离于支撑晶片的中心区域。所述磁体在所述环形外围区域上产生大致平行于或者主要分量平行于所述支撑表面的磁场。所述磁场在中心区域的中心处大致垂直于所述支撑并且在中心区域处隔离于所述支撑。
根据本发明一个实施例，提供了具有真空室的等离子体处理设备，所述真空室内设置了晶片支撑，所述晶片支撑具有晶片中心支撑表面和环绕所述晶片中心支撑表面的环形外围表面。RF发生器连接到所述晶片支撑。在邻近晶片支撑的环形外围表面处提供了环形永磁体部件。所述部件具有两个或更多的环形磁极并且设置为在邻近所述环形外围表面和环绕晶片中心支撑表面处产生环形磁通道，从而在该通道中捕获从所述晶片中心支撑表面上的晶片离开的用于产生等离子体的电子。在通道中产生等离子体，并且等离子体从该通道向内扩散到晶片中心支撑表面上支撑的晶片表面上。
在本发明的特定实施例中，环形永磁体部件位于所述晶片支撑的环形外围表面后，并且产生具有从磁极以弧线通过和跨越所述支撑表面的磁场的磁通道。在可替换实施例中，所述环形永磁体位于所述晶片支撑的环形外围表面相对处并有一定间距，并且产生具有从磁极向所述支撑表面发出弧线并穿过该表面的磁场的磁通道。优选地，所述环形永磁体部件设置为在所述晶片支撑表面上方产生磁场，该磁场包括大致平行于所述环形外围表面并位于其上方的磁通线，并且在中心处大致垂直于所述晶片支撑表面并穿过该表面，从而所述磁场在中心区域处隔离于所述支撑。
在本发明的特定实施例中，所述环形永磁体部件包括高磁导性材料，外层环形磁体环和内层环形磁体环，所述环具有与所述高磁导性材料接触或非常接近的相对极。
所述内层和外层环形磁体环可以具有垂直于所述晶片支撑表面并且相反朝向的极轴。可替换地，所述外层环形磁体环具有垂直于晶片支撑表面的极轴，并且一极面向晶片支撑的环形外围表面，而所述内层环形磁体环具有平行于晶片支撑表面的极轴，并且其对应极面向径向离开晶片中心支撑表面的方向。所述环形永磁体部件优选地还具有中间磁体环，所述中间磁体环具有平行于晶片支撑表面的极轴，其朝向外侧的极与面向所述支撑的外层环的极相对。
所述环形永磁体部件优选设置为产生一在所述环形外围表面的至少一部分上方大致平坦的磁场，该部分位于所述支撑上的晶片的外围的径向外侧。
在本发明的其他实施例中，所述晶片支撑可以包括多个环形区域，并且所述区域互相之间可以电绝缘，所述区域之间具有环形间隙或者电绝缘器。任何中心或环形区域可以包括或不包括磁体，并且任何中心或环形区域可以单独连接或不单独连接到偏置能量源，例如RF发生器或者DC能量源。
附图说明
本发明的这些和其他目标和优点可以通过下面对附图的详细描述而更清楚的理解。
图1是现有技术中在衬底支撑处采用等离子体磁性增强的晶片处理室的剖视图；
图2是根据本发明一个实施例在衬底支撑表面后使用磁体结构的、在衬底支撑处采用等离子体磁性增强的晶片处理室的剖视图；
图3是类似于图2的根据本发明另一个实施例在衬底支撑表面后使用磁体结构的在衬底支撑处采用等离子体磁性增强的晶片处理室的剖视图；
图4是类似于图2和图3的根据本发明一个实施例在衬底支撑处采用等离子体磁性增强的晶片处理室的剖视图，其中在所述处理室外与衬底支撑表面相对处使用磁体结构；
图5是类似于图4的根据本发明又一个实施例在衬底支撑处采用等离子体磁性增强的晶片处理室的剖视图，其中在所述处理室外与衬底支撑表面相对处使用磁体结构；
图6是类似于图2的根据本发明再一个实施例的采用衬底支撑的晶片处理室的剖视图；以及
图7是类似于图2的根据本发明又一个实施例的采用衬底支撑的晶片处理室的剖视图。
具体实施方式
在图1中的现有技术中的等离子体处理设备中，等离子体处理室11通过室壁12和面向衬底支撑14的衬底支撑表面13的横截面显示，在衬底支撑14的中心安装了待处理的半导体晶片15。磁体结构19可以位于室11的外侧，产生大致平行于衬底支撑表面13的磁场16。RF发生器(未显示)连接到支撑14，电容耦合RF能量到室11内的气体中以激发等离子体。所述等离子体趋向于产生在摆线区域17中，其中在存在磁场16的情况下通过RF能量感应出电子的摆线轨道。等离子体为轴向非对称并且非均匀。在所述设备10中，所述等离子体通过使用以昂贵且复杂的旋转硬件而旋转的磁体结构在时间平均意义上通常是轴向对称的。
图2显示了在真空处理室21内具有磁性增强等离子体源22的等离子体处理设备20。所述源22被部分构建于半导体晶片衬底支撑24中，所述衬底支撑24显示为支撑半导体晶片25以在其支撑表面28上进行处理。衬底支撑表面28具有与其同心的中心表面区域38，在其上支撑晶片25，以及环绕中心表面区域38并与其同心的环形外围表面区域39。在支撑24和接地室壁27之间连接的RF发生器26将RF能量耦合到衬底支撑24，导致支撑24相对于等离子体产生一负的DC偏置。中心区域38和环形区域可以为单独的两片，二者连接在一起或者非常靠近的安装。所述两个单独片包括一其上具有中心区域38的圆形中心片24a，以及一其上具有环形外围表面区域39的环绕环形片24b。这样的两部分构造有利于阻抗匹配，从而能量通过衬底以及磁控放电而耦合。
源22的磁性增强通过设置在支撑24的晶片支撑表面28的环形外围区域39后面位于衬底支撑24中的环形永磁体部件30而提供。所述环形永磁体部件30实际上并不是连续环形环而是交替出现磁体的分成数段的环形环，这使得等离子体更容易的向晶片扩散。由高磁导性材料31，例如低碳钢形成的圆形片，具有设置为与多个环形磁体环连接的环形边缘部分32，所述多个环形磁体环包括内层环33，外层环35，以及中间环34。内层环33定向为使其N/S极轴在径向方向上平行于表面28而外层环35定向为使其N/S极轴垂直于表面28。磁体35最靠近表面28的磁极具有与磁体33面向支撑24中心的磁极相反的极性。一片磁性材料31设置为使得每个磁体33-35的极轴与其垂直。材料31在磁体环33和35之间建立磁性回路，产生磁场40，其磁通线41从磁体33和35各自的相反极投射到室11内的处理空间内。这些磁通线41具有平行于表面28并在其上方为弧形的分量。
中间磁体环34被设置在材料31上的磁体环33和35之间以使来自磁体环33和35的磁通线转向，产生大致平坦并且平行于表面28的磁通线42。中间磁体环34的极轴平行于表面28并且朝向支撑24上的径向方向，与磁体33的极轴方向相反。
图3显示了具有类似于源22的源22a的设备20a的实施例，其具有磁体部件30a而没有中间磁体环34。该实施例具有内层环33a，其极轴垂直于衬底支撑24的表面28。磁体环35和33a支撑在高磁导性材料31a上，所述高磁导性材料31a大致呈扁平盘状，具有共面的外层区域。磁体33a和35的N/S极轴通常为相反的。所述磁体产生磁场40a，所述磁场40a以磁通线41a弧线越过支撑24的外围表面区域29，所述磁通线41a具有平行于表面28的分量，但仅沿着线42a才是完全平行于表面28的。
图4显示了具有类似于源22的源22b的设备20b的实施例，具有位于室11外侧的磁体部件30b。该实施例具有内层环33b，其极轴垂直于衬底支撑24的表面28。磁体环33b、34和35被支撑在高磁导性材料31b上，所述高磁导性材料31b大致呈扁平盘状。磁体33a和35的N/S极轴为相反的。所述磁体产生磁场40b，所述磁场40b以磁通线41b从相反室壁弧线通过外围表面区域39，所述磁通线41b具有平行于表面28的分量。这种结构可以用于蚀刻应用和其他应用，与iPVD处理设备不同，其具有在室壁或者室11外侧安装磁体部件的空间。
图5显示了具有源22c的设备20c，源22c具有一类似于源22a中的磁体部件，但是所述磁体部件类似于源22b中是位于外侧的。
图6显示了在真空处理室21内具有源22d的设备20d的可替换实施例。源22d被部分构建于半导体晶片衬底支撑24内，类似于图2，但是其中圆形中心片24a通过间隙60电隔离于环绕环形片24b，所述间隙60可以包括或不包括电绝缘器。为这样的两部分结构提供单独可控的偏置电压源26a、26b。尽管显示了RF发生器，发生器26中的任何部分可以被略去或者以DC源代替。间隙60的半径可以大于或小于被支撑的晶片25的半径。对于在此讨论的该实施例和其他任何实施例，可以选择在任何区域24a、24b包括或省略磁体部件。
在图6所示的支撑24中，中心区域24a和环形周围区域24b显示为互相之间完全隔离，并且通过单独的RF发生器26a和26b而被独立地偏置。这种独立偏置(separate biasing)方案相对于前面描述的方案是更为复杂但是更为温和(softer)的产生等离子体的方法。该实施例特别适合用于关注场和零件底部之间的设备损坏、挖沟(trenching)、开槽(notching)和蚀刻选择性的蚀刻应用中。其优点在于撞击到衬底25上的离子的能量可以通过偏置电压进行控制，同时等离子体密度可以通过以任意高功率驱动外围区域24b而达到任意高。
区域24a、24b上的偏置功率可以为零频(DC)或者射频(RF)。在RF功率的情况下，间隙60的隔离可以由接地金属罩(未显示)以及绝缘介质例如陶瓷或真空组成。接地金属罩的目的是防止将RF功率从一个区域电容耦合到另一个区域，因此保持每个区域的独立偏置。接地金属罩可以通过由于非常小而不能容纳等离子体放电的小间隙或者暗区而隔离于偏置电极。
图7显示了采用多于两个区域24a、24b和24c的设备20e的另一个实施例。这些区域显示为使用所述独立偏置方案。在此情况下，存在两个环形外围区域24b和24c，每个区域通过来自发生器26b和26c的RF功率被独立偏置。区域24b和24c之间的偏置可以改为推-拉结构，但不是必须的。这种结构的优点在于绝缘等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)工艺，其中接地室被电介质涂覆并且不能作为电极。本发明的特定实施例可以包括任何数量的所述环形外围区域，并且每个区域可以通过DC或RF功率进行偏置。
上面描述了本发明的特定实施例。本领域技术人员可以理解，可以作出各种添加和修改而不背离本发明的实质。

Claims (30)

1.一种增强和定位电容耦合等离子体的方法，包括：
在真空处理室中围绕晶片支撑的周边形成环形磁通道，所述环形磁通道环绕被支撑在所述支撑的中心区域上的晶片的外侧边缘；
电容耦合RF能量到所述通道内，并且通过该能量在所述衬底支撑的环形外围区域上形成大致由所述通道限定的等离子体，其中所述形成于环形外围区域内的等离子体在被支撑在所述支撑的中心区域上的晶片上向内扩散，以对所述晶片进行等离子体处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述晶片支撑表面的周围邻近处设置磁体，以使在所述环形外围区域上生成的一定体积的等离子体成形，从而在邻近所述支撑的中心区域上的衬底处产生大致均匀的等离子体。
3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
在所述晶片支撑表面的周边邻近处设置磁体，以产生在所述环形外围区域上方大致平行于所述支撑的表面并且在所述中心区域处与所述支撑隔离的磁场。
4.一种等离子体处理设备，包括：
真空室；
位于所述真空室内的晶片支撑，所述晶片支撑具有晶片中心支撑表面和环绕所述晶片中心支撑表面的环形外围表面；
连接到所述晶片支撑的偏置源；以及
在与所述晶片支撑的环形外围表面邻近处的环形永磁体部件，所述环形永磁体部件具有至少两个磁极，并且设置为在邻近所述环形外围表面和环绕所述晶片中心支撑表面处产生环形磁通道，以在该通道中捕获离开所述晶片中心支撑表面上晶片的用于产生等离子体的电子，从而在该通道中产生的等离子体从该通道向内扩散到被支撑在所述晶片中心支撑表面上的晶片表面上。
5.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述环形永磁体部件位于所述晶片支撑的环形外围表面后，并且产生所述磁通道，所述磁通道具有从所述部件的磁极沿弧线通过或跨越所述支撑表面的磁场。
6.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述环形永磁体部件位于与所述晶片支撑的环形外围表面相对处并具有一定间距，并且产生所述磁通道，所述磁通道具有从该部件磁极向所述支撑表面沿弧线穿过该表面的磁场。
7.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述环形永磁体部件设置为在所述晶片支撑表面上方产生合成磁场，该合成磁场包括在所述环形外围表面区域中大致与所述环形外围表面平行的磁通线，所述磁通线与所述晶片中心支撑表面区域大致隔离。
8.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述环形永磁体部件包括高磁导性材料片、外层环形磁体环和内层环形磁体环，每个所述环具有南北磁极，其相反磁极与所述高磁导性材料接触或非常接近。
9.根据权利要求8所述的设备，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴。
10.根据权利要求8所述的设备，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴；以及
所述内层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴，并且所述极轴与所述外层环形磁体环的极轴相反。
11.根据权利要求8所述的设备，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴，其第一极面向所述晶片支撑的环形外围表面；以及
所述内层环形磁体环具有平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极极性相同的磁极背对所述晶片中心支撑表面的方向。
12.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述环形永磁体部件具有中间磁体环，所述中间磁体环具有平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极极性相同的磁极面向所述晶片中心支撑表面。
13.根据权利要求8所述的设备，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴，并且其第一极面向所述晶片支撑的环形外围表面；以及
所述环形永磁体部件具有中间磁体环，所述中间磁体环具有平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极极性相同的磁极面向所述晶片中心支撑表面。
14.根据权利要求4所述的等离子体源，其中：
所述晶片支撑具有多个环绕所述晶片中心支撑表面的环形外围表面。
15.根据权利要求4所述的等离子体源，其中：
所述晶片支撑的表面互相之间电隔离。
16.根据权利要求4所述的等离子体源，其中：
所述等离子体源包括多个可独立控制的RF或DC偏置源；以及
所述晶片支撑的表面互相之间电隔离，并且每个均耦合到一个不同的所述偏置源。
17.一种等离子体源，包括：
晶片支撑，所述晶片支撑具有晶片中心支撑表面和环绕所述晶片中心支撑表面的环形外围表面；
连接到所述晶片支撑的偏置源；以及
与所述晶片支撑的环形外围表面相邻近的环形永磁体部件，所述环形永磁体部件具有至少两个环形磁极，包括具有第一极性的内层环形磁极和具有相反极性的外层环形磁极，所述磁极设置为在所述环形外围表面上方形成平行于所述环形外围表面且垂直于所述晶片中心支撑表面的磁场。
18.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件形成一环形磁通道，所述环形磁通道可以捕获在该通道中被激励而离开所述晶片中心支撑表面上的晶片的用于产生等离子体的电子，从而形成从该通道向内扩散到被支撑在所述晶片中心支撑表面上的晶片表面上的等离子体。
19.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件包括高磁导性材料片、外层环形磁体环和内层环形磁体环，所述每个环具有南北磁极，其相反磁极与所述高磁导性材料片接触或非常接近。
20.根据权利要求19所述的等离子体源，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴；
21.根据权利要求19所述的等离子体源，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴；以及
所述内层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴，并且所述极轴与所述外层环形磁体环的极轴相反。
22.根据权利要求19所述的等离子体源，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴，并且其第一极面向所述晶片支撑的环形外围表面；以及
所述内层环形磁体环具有平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极极性相同的磁极背对所述晶片中心支撑表面的方向。
23.根据权利要求22所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件具有一中间磁体环，所述中间磁体环具有一平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极极性相同的磁极面向所述晶片中心支撑表面。
24.根据权利要求19所述的等离子体源，其中：
所述外层环形磁体环具有垂直于所述晶片支撑表面的极轴并且其第一极面向所述晶片支撑的环形外围表面；以及
所述环形永磁体部件具有中间磁体环，所述中间磁体环具有平行于所述晶片支撑表面的极轴，并且其与所述外层环形磁体环的第一极相同极性的磁极面向所述晶片中心支撑表面。
25.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件设置为产生在所述环形外围表面的至少一部分上方大致平坦的磁场。
26.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件位于所述晶片支撑的环形外围表面后，并且产生一具有从该部件磁极以弧线穿过和跨越所述支撑表面的磁场的磁通道。
27.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述环形永磁体部件位于与所述晶片支撑的环形外围表面相对处并有一定间距，并且产生一具有从该部件磁极朝向所述支撑表面以弧线穿过该表面的磁场的磁通道。
28.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述晶片支撑具有多个环绕所述晶片中心支撑表面的环形外围表面。
29.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述晶片支撑的表面互相之间电隔离。
30.根据权利要求17所述的等离子体源，其中：
所述等离子体源包括多个可独立控制的RF或DC偏置源；以及
所述晶片支撑的表面互相之间电隔离，并且每个均耦合到一个不同的所述偏置源。
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