CN1812681B - 限界等离子体和增强流动导通性的方法和装置 - Google Patents

限界等离子体和增强流动导通性的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例一般地涉及在等离子体处理室中限界等离子体的方法和装置。该装置可以包括与室壁具有在约0.8英寸到约1.5英寸之间的间隙距离的圈形环。如果在处理期间存在衬底，除了圈形等离子体限界环，还可以通过在等离子体处理期间将供应到顶电极的电压降低电压比并将剩余电压以负相供应在衬底支撑和衬底。可以通过改变衬底支撑和围绕顶电极的电介质密封件的阻抗，可以调节电压比。将顶电极电压降低电压比并将供应到顶电极的剩余电压以负相供应到衬底支撑，这减少了被吸引到接地室壁的等离子体的量并因此改良了等离子体限界。这种等离子体限界的方法称作阻抗限界。可以通过所述的圈形环、阻抗限界方案或其两者结合来改良等离子体限界。

Description

限界等离子体和增强流动导通性的方法和装置
技术领域
本发明的实施例一般地涉及在等离子体处理反应器中限界等离子体和增强流动导通性的方法和装置。
背景技术
在微电子集成电路的制造中，半导体晶片的等离子体处理被用于电介质刻蚀、金属刻蚀、化学汽相沉积以及其他处理中。在半导体衬底处理中，逐渐减小的特征尺寸和线宽的趋势已经对在半导体衬底上以更高的精确度掩模、刻蚀、和沉积材料带来了额外费用。
通常，通过这样来实现刻蚀，即将射频(RF)功率施加到工作气体，该工作气体供应至由支撑构件支撑的衬底之上的低压处理区域。在处理区域中所导致的电场产生反应区域，其将工作气体激励为等离子体。支撑构件被偏压以吸引等离子体内的离子朝向其上支撑的衬底。离子朝向等离子体的与衬底相邻的边界层迁移并在离开边界层时加速。加速离子产生了从衬底表面移除或刻蚀材料所需的能量。由于加速离子可以刻蚀处理室内的其他部件，所以重要的是将等离子体限界到在衬底之上的处理区域。
未限界的等离子体引起在室壁上的刻蚀副产物(通常为聚合物)沉积并也可能刻蚀室壁。在室壁上的刻蚀副产物沉积可能使得处理漂移(drift)。来自室壁的被刻蚀材料可能通过沉积而污染衬底和/或可以对室产生微粒。此外，未限界的等离子体也可能引起下游区域中的刻蚀副产物沉积。所累积的刻蚀副产物可能剥落并导致微粒。为减少由下游区域中的刻蚀副产物的沉积引起的微粒问题，需要附加的下游清洁，其可能降低处理产量并增加处理成本。
限界的等离子体可以减少室污染、室清洁并提高处理可重复性(或减少处理漂移)。已经开发了诸如开槽等离子体限界环(下述)之类的等离子限界设备来限界等离子体。诸如接触刻蚀和大高宽比沟槽刻蚀之类的某些前段制程(FEOL)应用需要在相对高的总气体流率(例如，在约900sccm到约1500sccm之间)下相对低的处理压强(例如，≤30毫托)。诸如开槽等离子体限界环之类的等离子体限界设备可以引起对气流到下游的流动阻碍，并导致等离子室中对所述的FEOL应用不够低(例如，≤30毫托)的压强。
因此，存在对改良的方法和装置的需求，其不仅将等离子体限界在等离子室内部的处理区域内，而且还增强了流动导通性。
发明内容
本发明的实施例一般地涉及在等离子体处理反应器中限界等离子体和增强流动导通性的方法和装置。在一个实施例中，一种构造为在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的装置包括具有一个或多个电介质层的衬底支撑，围绕所述衬底支撑的顶部的圈形环，其中在所述圈形环与所述处理室壁之间存在间隙，所述间隙具有从约0.8英寸到约1.5英寸的间隙宽度，和布置在顶电极与处理室体之间的电介质密封件，其中在等离子体处理期间所述顶电极、所述电介质密封件、与所述衬底支撑一起的所述衬底、和等离子体的阻抗将供应到所述顶电极的电压降低了所述供应电压的电压比并将供应到所述顶电极的剩余电压以负相供应到所述衬底和所述衬底支撑。
在另一个实施例中，一种构造为在等离子体处理室中将等离子体限界在衬底处理区域内的装置包括围绕衬底支撑的顶部的圈形环，其中在所述圈形环与所述处理室壁之间存在间隙，所述间隙具有等于或大于约0.8英寸且不大约1.5英寸的间隙宽度。
在另一个实施例中，一种构造为在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的装置包括具有一个或多个电介质层的衬底支撑，围绕顶电极的电介质密封件，其中在等离子体处理期间所述顶电极、所述电介质密封件、与所述衬底支撑一起的所述衬底、和等离子体的阻抗将供应到所述顶电极的电压降低了所述供应电压的电压比并将供应到所述顶电极的剩余电压以负相供应到所述衬底和所述衬底支撑。
在另一个实施例中，一种在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法包括将衬底放置在具有顶电极的等离子体处理室中的衬底支撑上，圈形环围绕所述衬底支撑的顶部，其具有在所述圈形环与所述处理室壁之间的间隙，所述间隙具有从约0.8英寸到约1.5英寸的间隙宽度，将一种或多种处理气体流入到所述处理室中，和在所述等离子体处理室中产生等离子体。
在另一个实施例中，一种在等离子体处理室中衬底处理期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法包括将衬底放置在具有顶电极和围绕所述顶电极的电介质密封件的等离子体处理室中的衬底支撑上，圈形环围绕所述衬底支撑的顶部，其具有在所述圈形环与所述处理室壁之间的间隙，所述间隙具有从约0.8英寸到约1.5英寸的间隙宽度，将一种或多种处理气体流入到所述处理室中，和通过将所供应电压的电压比供应到所述顶电极并将供应到所述顶电极的剩余电压以负相供应在所述衬底和所述衬底支撑，在所述等离子体处理室中产生等离子体。
在另一个实施例中，一种在等离子体处理室中衬底处理期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法包括将衬底放置在具有顶电极和围绕所述顶电极的电介质密封件的等离子体处理室中的衬底支撑上，将一种或多种处理气体流入到所述处理室中，和通过将所供应电压的电压比供应到所述顶电极并将供应到所述顶电极的剩余电压以负相供应在所述衬底和所述衬底支撑，在所述等离子体处理室中产生等离子体。
附图说明
因此，通过参考在附图中图示的其实施例，可以获得其中实现本发明的上述实施例并可以详细理解的方式，即以上简单总结的本发明的更具体描述。但是，应该注意的是，因为本发明可以包括其他等同效果的实施例，所以附图仅图示了此发明的典型实施例并因此不认为是其范围的限制。
图1A示出了在等离子体室中处理衬底的处理流程。
图1B示出了等离子体处理室的示意图。
图2(现有技术)示出了开槽等离子体限界环的示意图。
图3A示出了等离子体处理室的示意图，在处理室中具有圈形等离子体限界环的一个实施例。
图3B示出了等离子体处理室的示意图，在处理室中具有圈形等离子体限界环的另一个实施例。
图3C示出了作为间隙宽度函数的等离子体密度比和室压的模拟结果。
图3D示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是0.5英寸时在等离子体处理室中等离子体密度的模拟结果。
图3E示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是3英寸时在等离子体处理室中等离子体密度的模拟结果。
图4A示出了当电压比是1(或源电压完全供应在顶电极)时在顶电极与接地阴极之间的电压。
图4B示出了当电压比是1(或源电压完全供应在顶电极)时在顶电极与接地室壁之间的电压。
图4C示出了当电压比是0.5(或源电压的一半供应在顶电极)时在顶电极与阴极之间的电压。
图4D示出了当电压比是0.5(或源电压的一半供应在顶电极)时在顶电极与接地室壁之间的电压。
图5A示出了所模拟的作为电压比的函数的等离子体密度比。
图5B示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是1.5英寸且电压比是1时在等离子体处理室中的等离子体密度的模拟结果。
图5C示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是1.5英寸且电压比是0.5时在等离子体处理室中的等离子体密度的模拟结果。
图5D示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是1.5英寸且电压比是1时在等离子体处理室中的功率沉积的模拟结果。
图5E示出了当在圈形环与室壁之间的间隙宽度是1.5英寸且电压比是0.5时在等离子体处理室中的功率沉积的模拟结果。
图6示出了在顶电极、阴极和室壁之间的电路图。
为帮助理解，尽可能的使用了相同的标号以表示对多个图共同的相同元件。附图中的图都是示意性的且不一定按比例绘制。
具体实施方式
图1A中示出了在等离子体处理室中处理衬底的处理过程。处理在步骤201由将衬底放置在等离子体处理室中开始。接着，在步骤202，一种或多种处理气体流入等离子体处理室。然后，在步骤203，在等离子体处理室中产生等离子体。在步骤204，在等离子体处理室中处理衬底。在等离子体处理室中进行的处理可以是沉积、刻蚀、或等离子体处置(plasma-treatment)。本发明的构思可以应用到任何类型的等离子体处理。
图1B图示了等离子体反应器的示例，例如由美国加利福尼亚州圣塔克莱拉的应用材料有限公司制造的包括反应器室100的ENABLER_刻蚀系统，反应器室100可以包括保护壁的衬垫，在室的支撑半导体晶片110的底部处具有衬底支撑(或底座)105。室100在其顶部处由盘状架空铝电极125设界，该电极125在晶片110上方以预定的间隙长度通过电介质(石英)密封件130支撑在接地室体127上。功率发生器150将非常高频(VHF)的功率施加到电极125。VHF通常在约30MHz到约300MHz之间并且是RF波段之一，RF波段在从约10kHz到约10GHz之间的范围。在一个实施例中，来自发生器150的VHF功率耦合通过与发生器150匹配的同轴电缆162并耦合到与电极125连接的同轴短线135中。短线135具有特性阻抗、共振频率，并提供在电极125与同轴电缆162或VHF功率发生器150之间的阻抗匹配。室体连接到VHF发生器150的VHF返回端(VHF接地)。通过偏压功率RF信号发生器200将偏压功率施加到晶片，偏压功率RF信号发生器200通过传统阻抗匹配电路210耦合到晶片支撑105。偏压发生器200的功率水平控制晶片表面附近的离子能量，同时VHF源功率施加到架空电极(ovethead electrode)以调节等离子体密度。真空泵系统111通过通气室112来抽吸室100。
衬底支撑105包括支撑下绝缘层5510的金属基座层5505、在下绝缘层5510上的导电丝网层5515、和覆盖导电丝网层5515的薄顶绝缘层5520。半导体工件或晶片110放置在顶绝缘层5520的顶部上。衬底支撑105，特别是金属基座层5505通常(但不是必须)连接到地，并为由架空电极125辐射的VHF功率形成返回路径。
为了提高在衬底支撑之上阻抗的均匀性，设计了电介质圆筒形套筒5550以围绕RF导体5525。构成套筒5550的材料的轴向长度和介电常数确定了对VHF功率的由RF导体5525表现的馈电电阻抗。通过调节构成套筒5550的材料的轴向长度和介电常数，可以为了VHF源功率的更均匀的电容耦合而获得更均匀的阻抗径向分布。
在短线135的远端135a处的端接导体165将内导体140与外导体145短接在一起，使得短线135在其远端135a处短接。在短线135的近端135b(未短接端)处，外导体145经由圈形导电壳体或支撑175连接到室体，而内导体140经由导电筒或支撑176连接到电极125的中部。电介质环180夹持在导电筒176与电极125之间并将两者分离。
内导体140可以提供用于诸如处理气体和冷却剂之类的用途的管道。此特征的主要优点在于，与通常的等离子体反应器不同，气体管线170和冷却剂管线173并不跨越较大的电势差。因此它们可以由金属构成，对于这种用途是更便宜并更可靠的材料。金属气体管线170供给到架空电极125中或与架空电极125相邻的气体入口172，而金属冷却剂管线173供给到在架空电极125内的冷却剂通道或管套174。
如前所述，未限界的等离子体一起在室壁上的刻蚀副产物(通常为聚合物)沉积并也可以刻蚀室壁。在室壁上的刻蚀副产物沉积可能使得处理漂移。来自室壁的被刻蚀材料可能通过沉积而污染衬底和/或可以对室产生微粒。此外，未限界的等离子体也可能到达处理区域的下游区域并引起下游区域中的刻蚀副产物(通常为聚合物)沉积。所累积的刻蚀副产物可能剥落并导致微粒。为减少微粒问题和清洁时间以及由下游区域中的刻蚀副产物的沉积引起的微粒问题，先前已经提出了一种围绕晶片110布置并在架空电极125与衬底支撑105之间的开槽限界环50(见图2现有技术)。
图2(现有技术)图示了先前已经提出的用以限界等离子体的开槽限界环50的立体图。在于2003年4月17日递交的、题为“Apparatus AndMethod To Confine Plasma And Reduce Flow Resistance In A PlasmaReactor”的共同转让的美国专利申请号10/418,996中进一步描述了开槽限界环50的细节，其通过引用被结合于此。在限界环50中的槽允许处理气体混合物通过并减小了经过室100的流动阻力。限界环50包括栅板55和耦合到栅板55的底部的基板58。基板58通常构造成为限界环50提供电接地和机械强度。栅板55在其顶部处界定了开口70。开口70构造为容纳气体分配板125的喷头使得流动通过喷头的气体将限界在栅板55内部的处理区域72内。栅板55还包括围绕晶片110布置的多个槽57和多个指梁59。等离子体中的中心粒子(neutral)构造为通过槽57进入通气室112中。
虽然开槽限界环50提供了良好的等离子体限界，且限界环50中的槽57提供了对大多数应用来说足够低的经过室100的流动阻力，但是对于一些FEOL应用来说，流动阻力太大。如前所述，诸如接触刻蚀和大高宽比沟槽刻蚀之类的前端制程(FEOL)应用需要相对低的处理压强(例如，≤30毫托)和较高的总气体流率(例如，在约900sccm到约1500sccm之间)。由开槽限界环产生的流动阻力可以使得室压上升超过为这些应用所需的低压范围。因此，存在设计这种限界环的需求，其不仅限界等离子体而且还减小了流动阻力。
由于在壁附近，等离子体密度相对较低，以与内室壁128具有距离(或间隙)的状态围绕衬底110布置的圈形环很可能可以具有与限界环设计相同水平的等离子体限界，并因而减小流动阻力。在圈形环的边缘与内室壁128之间的距离(或间隙)不能太大。如果间距大于室壁附近的等离子体壳层厚度，其将增加被吸引离开晶片上方的反应区域并朝向室壁和下游的等离子体的量，其使得等离子体更少地被限界。在圈形环的边缘与内室壁128之间的距离(或间隙)也不能太小，因为影响室压的流动阻力将增加到不可接受的程度。因此，提出了以与内室壁128具有合适距离的状态围绕衬底110布置的圈形等离子体限界环来满足良好的等离子体限界和较小的流动阻力的需求。
图3A示出了具有圈形等离子体限界环115的处理室的实施例的示意图。圈形环115可以由诸如碳化硅(SiC)或铝(Al)之类的导电材料制成。圈形环115围绕晶片110。圈形环115耦合到接地室体127并通过电介质(石英)环120与衬底支撑105电分离，这是为了防止导电圈形环115接触衬底110和导电丝网5515以避免去除偏压功率的效果所需的。电介质环120的最低点应该低于导电丝网5515的最低点。圈形环115的顶表面应该在与衬底110大致相同的表面平面处以允许衬底110适当地布置在衬底支撑105上并最小化流动再循环(flow re-circulation)。如图3A中的实施例所示，电介质环120的顶表面应该在与衬底110的顶表面和圈形环115的顶表面相同的高度处。如图3B中的另一个实施例所示，电介质环120的顶表面也可以略低于衬底110的顶表面和圈形环115的顶表面。在如图3B所示的实施例中，等离子体限界圈形环115布置在电介质环120的顶部上。
圈形环115以间隙宽度117离开内室壁128。圈形环115的顶部分的厚度119不应该太厚，因为流动阻力将随着厚度119的增加而增大。在一个实施例中，厚度119在约1/8英寸到约1/4英寸的范围内。由于具有厚度119的顶部在其厚度和机械强度上受到限制，所以圈形环的角部118用于提供圈形环以机械强度。也可以使用不同于角部118的可以提供机械强度的结构。
为了更好地理解间隙宽度117对等离子体限界效果和室压的影响，已经进行了室等离子体密度和压强模拟用于圈形环设计和开槽环设计的比较。对于室压模拟，使用了由法国的ESI集团提供的计算流体动力学(CFD)软件CFD-ACE+。CFD-ACE+是用于包括流动、热传递、应力/形变、化学动力学、电化学等较宽物理学科范围的、通用的偏微分方程解算器。它以多维(0D到3D)、定常和瞬变的形式解决这些方程。对于目前的研究，使用了该软件的“流动”模块。通过使用CFD-ACE+的“流动”模块的压强模拟与实验结果匹配得相当好。表1示出了对于具有图2所述的开槽等离子体限界环的图1B所述的反应器的模拟和实验结果的比较。在表1中，泵压表示对图1B的泵111的压强设定值。室的内半径是27cm且在晶片110与顶电极125的下表面之间的距离是3.2cm。在晶片正上方并距晶片中心6.8cm处收集室压数据。在开槽限界环正下方收集环下压强数据。该结果示出了在模拟结果与实验结果之间良好的匹配。该结果也示出了开槽限界环具有相对高的流动阻力并使反应室内部的压强明显地增大到压强设定值之上。
  气体流率(sccm)   “设定”泵压(毫托)   测量室压(毫托)   模拟室压(毫托)   测量环下压强(毫托)   模拟环下压强(毫托)
  2000   40   55.6   58.8   40.2   43.5
  900   10   21.5   25.0   11.6   14.5
  900   40   46.5   49.3   40.2   41.6
表1实验和模拟的室压和环下压强比较
室等离子体密度模拟使用由美国伊利诺斯州的Urbana的Urbana-Champaign伊利诺斯州大学的电子和计算机工程系开发的混合等离子体设备模型(HPEM)。HPEM是用于低压(＜10’sTorr＝等离子体处理反应器的全面的模型平台。关于由此模拟器的等离子体密度模拟的细节可以在应用物理杂志(Journal of Applied Physics)1997年卷82(6)的2805-2813页中发表的题为“Argon Metastable Densities In Radio Frequency Ar.Ar/O2and Ar/CF4 Electrical Discharges”的文章中找到。等离子体模拟器广泛地用在半导体设备工业中。我们的实验表明了由HPEM进行的处理参数变量的等离子体模拟与处理结果匹配地相等好。
对于圈形环设计，该模拟包括从0.5英寸到3英寸的间隙宽度117。所模拟的处理条件类似先前提及的接触刻蚀和深沟槽刻蚀。使用1500sccm的较高气体流率来模拟较高的气体流率。处理气体仅包括O2来取代诸如C4F6和氩(Ar)之类的其他类型的处理气体以简化模拟。对于比较作为间隙宽度117函数的等离子体限界水平的等离子体限界研究，在模拟中仅使用O2气体可以提供气体距离117对等离子体限界影响的研究。所模拟的顶电极功率(或源功率)是1.85KW，且气体温度是80℃。总源功率是1.85KW。顶电极电压(或源电压)Vs通常在约100到约200伏之间。在模拟中使用了175伏的Vs。衬底(或晶片)的半径是15cm(或6英寸)其在顶电极到衬底之间的间距是3.2cm(或1.25英寸)。内室壁128的半径是27cm(或10.6英寸)。电介质环120的宽度是2.2cm(或0.87英寸)且所模拟的圈形等离子体限界环115的宽度在8.5cm(或3.3英寸)到2.2cm(或0.9英寸)之间变化。所模拟的在圈形限界环115与内室壁128之间的间距在1.3cm(或0.5英寸)到7.6cm(或3.0英寸)之间变化。
图3C示出了对于具有图3A所述的圈形环115的图1所述的等离子体室的等离子体模拟结果。在低压等离子体室中，压强和等离子体密度在整个室之上并不完全均匀。压强通常在晶片中心附近较高，在晶片边缘附近较低，并在泵处达到泵压设定点。图3C中的压强数据是在室壁与晶片顶表面平面的交点，或图3A中的“P”处的压强。为了确定限界水平的程度量，等离子体密度比定义为在沿着环形圈115的顶部分正下方延伸的线116下方的最大等离子体密度与在处理室中的在晶片表面和架空铝电极125之间的容积中发生的最大等离子体密度的比。等离子体密度比越低，等离子体限界环在限界等离子体方面表现得越好。
图3C中的虚线301示出了对于开槽限界环设计的35.3毫托室压的情况。图3C中的虚线302示出了对于开槽限界环设计所获得的0.004的等离子体密度比。35.3毫托室压和0.004等离子体密度比两者均由模拟结果获得。由于开槽环设计不改变间隙宽度117，所以虚线301和302是水平线。曲线311示出了作为间隙宽度117的函数的室压，而曲线312示出了作为间隙宽度117的函数的等离子体密度比。对于0.5英寸间隙宽度的圈形环设计，所建立的室压是35.8毫托，其高于开槽限界环设计，且等离子体密度比是0.00013，其小于开槽限界环设计。虽然更小的等离子体密度比是所期望的，但是更高的室压是不期望的。当间隙宽度117增大到1英寸时，室压降低到27.9毫托，其低于开槽限界环设计并低于用于前段制程的＜30毫托的低压需求，且等离子体密度比是0.002，其也小于开槽环设计。当间隙宽度117增大到1.5英寸时，室压进一步降低到26.2毫托，且等离子体密度比是0.023，其大于开槽环设计但仍然相对较低。当间隙宽度117增加超过1.5英寸时，更宽的间隙宽度117对降低室压的效果减弱；但是等离子体密度比持续增大。
表2示出了对于具有图2所述开槽等离子体限界环和图3A所述圈形等离子体限界环的图1B所述反应器的模拟结果的比较。在圈形环到室壁128之间的间距是1英寸。在表2中，泵压表示为图1B的泵111的压强设定值。室的内半径是27cm且在晶片110与顶电极的下表面之间的距离是3.2cm。在晶片正上方并距晶片中心6.8cm处收集室压数据。在开槽限界环和圈形环正下方收集环下压强数据。该结果示出了室压对于开槽等离子体限界环比圈形等离子体限界环更高。此外，在室与限界环下方之间的压强差对于开槽环(ΔP＝15.3毫托)比圈形环(ΔP＝9.4毫托)更大。
  气体流率(sccm)   “设定”泵压(毫托)   室压(毫托)开槽环   室压(毫托)圈形环   环下压强(毫托)开槽环   环下压强(毫托)圈形环
  2000   40   58.8   54.1   43.5   44.7
表2对于开槽限界环和具有与室壁1英寸间距的圈形环的模拟室压和环下压强的比较
图3D示出了当间隙宽度117是0.5英寸时在处理室中的等离子体密度的模拟结果，其中等离子体密度比是0.00013。X轴是距处理室中心的距离，且Y轴是距衬底支撑105的顶表面之下3.9cm的距离。该结果示出了等离子体相对限界在衬底之上的区域中。但是，室压是35.8毫托，其高于≤30毫托的规格。图3E示出了当间隙宽度为3英寸时在处理室中的等离子体密度的模拟结果，其中等离子体密度比是2。该结果示出了存在明显的到反应器下游的等离子体损失。
图3C中的模拟结果示随着间隙宽度117增大，对流动的阻力减小，因此晶片压强降低。但是随着间隙宽度117增大，更多的等离子体向下游经过限界环，因此等离子体密度比增大。根据图3C中的模拟结果，为了保持室压≤30毫托，间隙宽度117应该等于或大于约0.8英寸。但是，间隙宽度117不能太大，因为较大的间隙宽度117导致到下游的更高的等离子体损失。如前所述，随着间隙宽度117增大超过1.5英寸，间隙宽度117对降低室压的效果并不明显；但是等离子体密度比持续增大。1.5英寸的间隙宽度117时的等离子体密度比是0.023，其合理地较低。因此，间隙宽度117应该保持在1.5英寸以下。
为进一步改良等离子体限界，已经研究了降低顶电极电压以降低在定电极125与室壁128之间的压降的构思。通常，源功率主要通过顶电极以源电压Vs供应。如果顶电极电压以源电压的比率f降低为fVs，且在衬底处理期间由衬底支撑105和晶片110形成的阴极维持-(1-f)Vs的电压，则在顶电极125与在衬底处理期间由衬底支撑105和晶片110形成的阴极之间的电压差保持在相同的电压值Vs，但是在顶电极125与接地室壁128之间的电压差将降低到fVs。在顶电极125与接地室壁128之间的降低的电压差将减少被吸引到室壁128的等离子体的量。以较低的顶电极电压fVs供应功率和将阴极以对顶电极的负相维持在-(1-f)Vs的方法是通过调节与顶电极125、在衬底处理期间由衬底支撑105和晶片110形成的阴极、和室壁128相关的室部件的阻抗。当在处理期间在室中不存在晶片110时，衬底支撑105形成阴极。将在以下描述如何调节室部件的阻抗以降低顶电极电压的细节。
图4A示出了顶电极125(或源)与接地的阴极(在衬底处理期间的衬底支撑105以及晶片110)的相对电压值。图4B示出了顶电极125与接地的室壁128之间的相对电压值。在两幅图中的X轴都表示在顶电极125与由衬底支撑105和衬底110、或内表面室壁128形成的阴极之间的间距。X轴的距离未按比例绘制。顶电极电压在+Vs与-Vs之间振荡，而阴极和室壁保持为0(接地)。等离子体团具有比顶电极高V0的电压，其V0比Vs小得多。曲线401表示当顶电极电压在+Vs时，在顶电极125与在衬底处理期间由衬底支撑105与晶片110形成的阴极之间的电压。当顶电极电压在+Vs时，在顶电极125与阴极之间的电压差411等于Vs。虚线曲线402表示当源电压在-Vs时在源与阴极之间的电压。当源电压在-Vs时，在顶电极125与阴极之间的电压差等于-Vs。
类似地，在图4B中，曲线403表示当顶电极125电压在+Vs时在源与室壁之间的电压。当顶电极125电压在+Vs时，在顶电极125与室壁128之间的电压差413等于Vs。虚线曲线404表示当源电压在-Vs时在顶电极125与室壁128之间的电压。当顶电极电压在-Vs时，在顶电极125与室壁128之间的电压差414等于-Vs。
通过调谐衬底支撑105的阻抗和电介质密封件130的阻抗(将在以下更深入描述)，施加到顶电极的源电压可以降低到总源电压的比率，例如一半(Vs/2)，而阴极电压维持在顶电极的负相以产生压差，例如维持在-Vs/2。因为在源与阴极之间的电压差仍然为Vs或-Vs，所以等离子体处理并未改变。图4C示出了顶电极125与阴极(未接地)的相对值。顶电极电压在+Vs/2与-Vs/2之间振荡，而阴极对应地在-Vs/2与Vs/2之间振荡。曲线405表示当顶电极电压在+Vs/2时在电极和阴极之间的电压值。当顶电极124电压在+Vs/2时，在顶电极125与由衬底支撑105与晶片110形成的阴极之间的电压差415等于Vs。虚线曲线406表示当源电压在-Vs/2时在顶电极125与阴极之间的电压。当源电压在-Vs/2时，在顶电极125与阴极之间的电压差416等于-Vs。
在图4D中，曲线407表示当顶电极电压在+Vs/2时在顶电极与室壁(接地)之间的电压。当顶电极电压在+Vs/2时，在顶电极与室壁(接地)之间的电压差417等于Vs/2。虚线曲线408表示当顶电极电压在-Vs/2时在顶电极与室壁(接地)之间的电压。当顶电极电压在-Vs/2时，在顶电极与室壁(接地)之间的电压差418等于-Vs/2。通过调谐阴极的阻抗以降低顶电极处的电压，在顶电极与室壁之间的电压差可以降低到初始值的一半。由于在顶电极与阴极之间的电压差(Vs)大于在顶电极与室壁之间的电压差(Vs/2)，所以等离子体离子相较于被吸引到室壁，更有可能停留在顶电极与阴极之间的区域。
除了降低电压差之外，由于未限界的等离子体导致损失的功率的量也减少到1/4。以下的方程1示出了当顶电极电压是Vs时在P(功率)和在顶电极到室壁之间的电压差之间的关系。
P∝(Vs)2＝Vs 2                 (1)
以下方程2示出了当顶电极电压是Vs/2时在P(功率)和在顶电极到室壁之间的电压差之间的关系。
P∝(Vs/2)2＝Vs 2/4             (2)
通过将顶电极电压降低到一半，损失到室壁的功率降低到初始值的四分之一。
使顶电极电压降低一定的电压比并将供应到顶电极的剩余电压以负相供应到衬底支撑，这样的情况减少了被捕获到接地的室壁的等离子体的量，并因此改良了等离子体限界。这种等离子体限界的方法称作阻抗限界。在上述讨论中使用的总源电压的比率是1/2；但是也可以使用其他比率值并也可以改良等离子体限界。施加在顶电极的源电压的比率也可以定义为“电压比”。图5A是1、0.75、0.5和0.25的电压比的等离子体密度模拟结果的图。在模拟处理的泵入口处的压强是10毫托且总源功率是1.85KW。在圈形限界环115与内室壁之间的间距是1.5英寸(或3.8cm)。曲线501示出了随着电压比从1减小，等离子体密度比减小。当电压比在0.5时，0.001的等离子体密度比是最小的。但是，当电压比在0.25时0.003的等离子体密度比和当电压比在0.75时0.008的等离子体密度比两者都比当电压比是1时的等离子体密度比更小。
图5B示出了当电压比是1(或源电压被完全供应在顶电极)时在处理室中0.023的等离子体密度比的模拟结果。该模拟结果示出了相当多量的等离子体在衬底以上区域的外部。图5C示出了当电压比减小到0.5时的模拟结果。该结果示出了等离子体被大部分限界在衬底表面上方的区域附近。再参考图3B，具有1.5英寸的间隙宽度，室压可以维持在约26.2毫托，其如所希望地低于30毫托。根据图5A，为实现与开槽限界环相同的等离子体限界结果(其实现了0.004的等离子体密度比)，电压比可以操作在约0.2到约0.6之间。但是，当等离子体密度比≤0.01时，认为等离子体限界相当合理。因此，根据图5A中的模拟结果，电压比可以操作在约0.1到约0.75之间。
圈形等离子体限界环和阻抗限界的结合使用如所期望地为具有较宽处理窗口的前段制程处理实现了良好的等离子体限界和较低的室压。圈形环间隙宽度117可以在约0.8英寸到约1.5英寸之间，且用于阻抗限界的电压比可以在约0.1到约0.75之间，并优选地在约0.2到约0.6之间。
除了等离子体限界改良之外，降低电压比也降低了到处理区域外部的功率损失。图5D示出了当电压比维持在1时在处理室中的功率沉积的模拟结果，功率沉积被定义为每容积功率或功率密度。该结果示出了在处理区域外部相当大的功率沉积，其处理区域在衬底表面上方或在距反应器的中心15cm内的区域。相反，图5E示出了当电压比是0.5时处理室的功率沉积。与图5D相比，较大地减少了在处理区域外部的功率损失。
图6是表示图1的反应器100的阻抗部件的简化示意图，其示出了具有阻抗Z1架空电极125。电极125连接到电介质密封件130，其作用类似电容并具有阻抗Z6。
阴极在衬底处理期间由具有电介质层5520和5510的衬底支撑105和晶片110形成，且该阴极具有阻抗Z5。如果在处理期间不存在晶片110，则衬底支撑105是阴极。除了架空电极125阻抗Z1和阴极阻抗Z5，团等离子体也具有阻抗Z3。此外，还存在具有由串联在电极阻抗Z1与团等离子体阻抗Z3之间的具有阻抗Z2的等价电容表示的阳极等离子体壳层。而且，阴极等离子体壳层由串联在团等离子体阻抗Z3与阴极阻抗Z5之间的具有阻抗Z4的等价电容表示。
方程1示出了在阻抗(Z)、电阻(R)和电容电抗(Xc)之间的关系。方程1中的“i”是假想数字。
Z＝R-jXc                  (1)
方程2示出了在电容电抗(Xc)与电容C之间的关系。
Xc＝1/(2πfC)             (2)
其中f是源功率的频率且C是电容。
图6示出了顶电极125、阳极等离子体壳层、等离子体、阴极等离子体壳层、和阴极串联且这些阻抗部件与电介质密封件130平行的情况。方程3示出了总阻抗Ztotal。
Ztotal＝Z1+1/(1/(Z2+Z3+Z4+Z5)+1/Z6)(3)
由于顶电极通常由导电材料制成，所以其阻抗Z1主要由顶电极的电阻构成。Z2、Z3和Z4受等离子体的影响。但是，可以通过改变衬底支撑105的电介质层、和电介质密封件130的厚度和介电常数来调节阻抗Z5和Z6。阴极阻抗的量级可以受阴极电容的影响。可以调节Z5和Z6以允许以传统源电压的比率fVs供应顶电极125并将阴极维持在与顶电极负相的电极-(1-f)Vs。
虽然前述指向本发明的实施例，但是可以设计本发明的其他和进一步的实施例而不偏离其基本范围，且其范围由所附权利要求确定。

Claims (28)

1.一种构造为在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的装置，包括：
具有一个或多个电介质层的衬底支撑；
围绕所述衬底支撑的顶部的圈形环，其中，所述圈形环的顶部分的厚度在1/8英寸到1/4英寸之间，所述圈形环与所述处理室壁之间存在间隙，所述间隙宽度为0.8英寸到1.5英寸；
设置为与所述圈形环的内表面相邻接的电介质环，所述电介质环使得所述圈形环与所述衬底支撑电分离；和
围绕顶电极的电介质密封件，其中，在等离子体处理期间，所述电介质密封件和所述衬底支撑的阻抗将供应到所述顶电极的电压降低到占源电压预定比例的电压，并将所述源电压的剩余电压以负相供应在所述衬底支撑。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述预定比例在0.1到0.75之间。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述预定比例在0.2到0.6之间。
4.如权利要求1所述的装置，其中，通过调节所述电介质密封件、所述衬底支撑或其结合的阻抗，能够调节所述预定比例。
5.如权利要求1所述的装置，其中，在等离子体处理期间在所述等离子体处理室中的压强随着所述间隙宽度的增大而降低。
6.如权利要求1所述的装置，其中，在处理期间当总气体流率等于或小于1500sccm时，室压维持在小于30毫托。
7.如权利要求1所述的装置，其中，在等离子体处理期间通过所述圈形环或通过将供应到所述顶电极的电压降低到占所述源电压预定比例的电压，来改良所述等离子体限界。
8.一种构造为在等离子体处理室中将等离子体限界在衬底处理区域内的装置，包括：
具有一个或多个电介质层的衬底支撑；
围绕所述衬底支撑的顶部的圈形环，其中，所述圈形环的顶部分的厚度在1/8英寸到1/4英寸之间，所述圈形环与所述处理室壁之间存在间隙，所述间隙宽度为0.8英寸到1.5英寸；
设置为与所述圈形环的底表面相邻接的电介质环；和
围绕顶电极的电介质密封件，其中，在等离子体处理期间所述电介质密封件和所述衬底支撑的阻抗将供应到所述顶电极的电压降低到占源电压预定比例的电压，并将所述源电压的剩余电压以负相供应在所述衬底支撑。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述预定比例在0.1到0.75之间。
10.如权利要求8所述的装置，其中，所述预定比例在0.2到0.6之间。
11.如权利要求8所述的装置，其中，通过调节所述电介质密封件和所述衬底支撑的阻抗，能够调节所述预定比例。
12.如权利要求8所述的装置，其中，在等离子体处理期间通过将供应到所述顶电极的电压降低到占所述源电压预定比例的电压，来改良所述等离子体限界。
13.一种在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法，包括：
将衬底放置在具有顶电极的等离子体处理室中的衬底支撑上，其中，所述衬底支撑具有围绕其的圈形环，并且，所述圈形环的顶部分的厚度在1/8英寸到1/4英寸之间，且在所述圈形环与所述处理室壁之间存在间隙，所述间隙宽度在0.8英寸到1.5英寸之间，其中，电介质环设置为与所述圈形环的内表面相邻接，所述电介质环使得所述圈形环与所述衬底支撑电分离；
将一种或多种处理气体流入到所述等离子体室中；
将占源电压预定比例的电压供应到所述顶电极，并将所述源电压的剩余电压以负相供应在所述衬底支撑；和
在所述等离子体处理室中产生等离子体。
14.如权利要求13所述的方法，其中，在所述等离子体处理室中的压强随着所述间隙宽度的增大而降低。
15.如权利要求13所述的方法，其中，当总气体流率等于或小于1500sccm时，室压维持在小于30毫托。
16.如权利要求13所述的方法，其中，通过所述圈形环改良所述等离子体限界。
17.一种在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法，包括：
将衬底放置在具有顶电极的等离子体处理室中的衬底支撑上，其中，所述衬底支撑具有围绕其的圈形环，并且，所述圈形环的顶部分的厚度在1/8英寸到1/4英寸之间，且在所述圈形环与处理室壁之间存在间隙，所述间隙宽度在0.8英寸到1.5英寸之间，且存在围绕所述顶电极的电介质密封件，其中，电介质环设置为与所述圈形环的内表面相邻接，所述电介质环使得所述圈形环与所述衬底支撑电分离；
将一种或多种处理气体流入到所述等离子体室中；和
通过将占源电压预定比例的电压供应到所述顶电极，并将所述源电压的剩余电压以负相供应在所述衬底支撑，而在所述等离子体处理室中产生等离子体。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述预定比例在0.1到0.75之间。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述预定比例在0.2到0.6之间。
20.如权利要求17所述的方法，其中，通过调节所述电介质密封件和所述衬底支撑的阻抗，能够调节所述预定比例。
21.如权利要求17所述的方法，其中，在等离子体处理期间在所述等离子体处理室中的压强随着所述间隙宽度的增大而降低。
22.如权利要求17所述的方法，其中，在处理期间当总气体流率等于或小于1500sccm时，室压维持在小于30毫托。
23.如权利要求17所述的方法，其中，在等离子体处理期间通过所述圈形环和/或通过将供应到所述顶电极的电压降低到占所述源电压预定比例的电压，来改良所述等离子体限界。
24.一种在等离子体处理室中处理衬底期间将等离子体限界在衬底处理区域内的方法，包括：
将衬底放置在具有顶电极和围绕所述顶电极的电介质密封件的等离子体处理室中的衬底支撑上，其中，所述衬底支撑由圈形环所围绕，所述圈形环与处理室壁之间存在间隙，所述间隙宽度为0.8英寸到1.5英寸，所述圈形环的顶部分的厚度在1/8英寸到1/4英寸之间，其中，电介质环设置为与所述圈形环的底表面相邻接，所述电介质环使得所述圈形环与所述衬底支撑电分离；
将一种或多种处理气体流入到所述等离子体室中；和
通过将占源电压预定比例的电压供应到所述顶电极，并将所述源电压的剩余电压以负相供应在所述衬底支撑，而在所述等离子体处理室中产生等离子体。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述预定比例在0.1到0.75之间。
26.如权利要求24所述的方法，其中，所述预定比例在0.2到0.6之间。
27.如权利要求24所述的方法，其中，通过调节所述电介质密封件和所述衬底支撑的阻抗，能够调节所述预定比例。
28.如权利要求24所述的方法，其中，在等离子体处理期间通过将供应到所述顶电极的电压降低到占所述源电压预定比例的电压，来改良所述等离子体限界。
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