TW202412563A - 改善晶圓之電漿處理邊緣均勻性的設備及方法 - Google Patents

Abstract

描述一種用於電漿處理的設備，其包括：配置成固持晶圓的基座；與基座同心的包括絕緣體的聚焦環，當晶圓固持在基座上時，聚焦環位於靠近晶圓的邊緣區域；以及嵌入在聚焦環中的複數氣體放電裝置，其中每一氣體放電裝置配置成產生限制在聚焦環內的氣體放電電漿。

Description

改善晶圓之電漿處理邊緣均勻性的設備及方法

本申請案主張2022年6月9日申請的美國非臨時申請案第17/836,792號的權利，該申請案整體併入於此，以供參考。

本發明概括地關於用於電漿處理的系統和方法，且在特定實施例中，關於用於改善晶圓之邊緣區域範圍的電漿處理的均勻性的設備和方法。

積體電路(IC)是單結構中的電子元件的網路，該單結構包括半導體晶圓中的圖案化層的堆疊。藉由一系列圖案化位凖來處理晶圓，在每一晶圓上形成IC單元的矩陣。在每一位凖，IC元件的沉積層藉由分步及重複的微影技術進行圖案化，該技術在塗有光阻的晶圓上印刷輻射圖案的相同複製品。藉由遮罩蝕刻製程將圖案轉移到下方的層，以形成圖案化的元件層。犧牲遮罩層被蝕刻掉，且在下一位凖重複沉積和圖案化的序列。

IC製造中的許多沉積和蝕刻步驟涉及電漿製程，其中來自氣體放電的高能離子和自由基物理地及化學地改變晶圓表面。流向晶圓的離子和自由基的通量受到表面材料的電性和化學性質的影響。一般而言，由於表面材料不可避免地在晶圓的邊緣處突然地變化，因此在晶圓邊緣區域範圍內維持均勻的環境更加困難。材料的不連續性導致例如電阻抗和化學反應性之特性的不連續性，從而改變邊緣附近的離子和自由基通量。這導致局部不均勻的電漿處理，進而可能導致邊緣區域中功能IC單元的產量損失增加。因此，需要進一步創新，以改善電漿處理中的邊緣均勻性。

一種電漿處理設備，包括：基座，配置成固持晶圓；聚焦環，與該基座同心，該聚焦環包括絕緣體，當該晶圓被固持在該基座上時，該聚焦環位於該晶圓的邊緣區域附近；以及複數氣體放電裝置，嵌入在該聚焦環中，其中每一氣體放電裝置配置成產生限制在該聚焦環內的氣體放電電漿。

一種電漿處理系統，該系統包括：電漿製程腔室；基座，配置成將晶圓固持在該腔室內；第一射頻(RF)電源，耦接到第一RF電極，該第一RF電極配置成使用來自該第一RF電源的RF源功率在該基座上方產生直接電漿；自由基分佈充氣部，位於該腔室中，該自由基分佈充氣部具有複數出口孔，當該晶圓被固持在該基座上時，該複數出口孔圍繞該晶圓的邊緣呈圓形設置，其中該充氣部配置成接收自由基流，以及將該流透過該複數出口孔流出分佈到該腔室；以及自由基來源，耦接到該充氣部，該自由基來源配置成使自由基流入該充氣部，且其中該自由基來源不同於該直接電漿。

一種電漿處理方法，包括：從主要自由基來源產生自由基的主流，該主流被引導至設置在電漿製程腔室中的基座上的晶圓的主要表面；從次要自由基來源產生自由基的補充流，該補充流被引導至該主要表面的邊緣區域，產生該自由基的該補充流包括使自由基流過設置在該腔室中圍繞該晶圓的邊緣的環形自由基分佈充氣部；以及將該主要表面曝露於自由基的組合流，該組合流是該主流和該補充流的組合。

根據本發明的諸多實施例，本揭露內容中描述的電漿處理設備和方法提供當透過電漿處理步驟進行處理時，半導體晶圓邊緣區域範圍的改善的處理均勻性的優點。本申請中討論的實施例藉由以下方式達成這些和其他改善：在正在處理晶圓的電漿製程腔室中產生自由基的補充流，其被引導至晶圓邊緣區域。

在本揭露內容描述的實施例中，用於補充流的自由基透過環形充氣部的出口孔的圓形設置而引入，該環形充氣部位於腔室內部且圍繞晶圓定位在其邊緣附近。在離開充氣部之後，一部分自由基流向晶圓，且在晶圓邊緣區域中，補充流與被引導向晶圓頂部表面的自由基主流混合。這兩種獨立流動的組合有助於產生與邊緣區域的表面發生化學相互作用的自由基。藉由限制補充流相對於主流的強度，補充流顯著影響往表面之自由基通量的區域範圍可被粗略地限制於晶圓邊緣區域。因此，除主流之外，產生補充流還提供用於以下情形的機制：調整往晶圓邊緣區域上方之表面的自由基供應，其獨立於往晶圓中心區域上方之表面的自由基供應。

習知電漿處理設備和方法不包括自由基的額外獨立源來改變由主流提供的對晶圓邊緣區域上方的表面的自由基供應。自由基的主流可以建立到晶圓中心區域中的表面的大致均勻的自由基通量。然而，由於晶圓邊緣範圍內的表面材料的不連續性，自由基主流無法將均勻性一直延伸到晶圓邊緣。自由基通量可能偏離均勻中心值，且越靠近邊緣偏差變得越顯著。如背景技術部分所述，起因於邊緣範圍內材料不連續性的電性和化學性質的不連續性可能導致晶圓邊緣區域中自由基(以及離子和自由電子)之密度和能量分佈的徑向不均勻性。

一般而言，在不存在任何其他自由基流的情況下，主流建立往表面之自由基通量的徑向分佈，其在中心區域中大致均勻且在晶圓邊緣區域中隨著距離中心的徑向距離增加而示微。在本揭露內容中描述的電漿處理系統的實施例中，具有兩個獨立的(即，不同的)自由基來源：用於主流的主要自由基來源和用於補充流的次要自由基來源，已經減少電漿處理的結果邊緣不均勻性。在一組獨特的製程參數的情況下，其選擇性地改變對邊緣區域的自由基供應，從而提供額外的自由度來在整個表面上改變自由基分佈，以實現從中心到邊緣的更均勻的電漿處理。此外，如本揭露內容下文詳細解釋，補充流向晶圓所曝露的環境中增加可忽略數量的離子。因此，提供以下優點：獨立於離子通量來調整正在處理之晶圓的邊緣區域的自由基通量。

參考圖1描述配置成提供自由基補充流的例示性電漿處理設備，且參考圖2描述包括用於產生補充自由基的設備的例示性電漿處理系統。例示性氣體放電裝置參考圖1和圖3描述，其可用於次要自由基來源。圖4中所示的流程圖用於解釋例示性方法，其藉由在主流之外增加自由基補充流來改善晶圓範圍之電漿處理的均勻性。

圖1顯示包括基座120和聚焦環130的例示性電漿處理設備100的剖面圖和平面圖。基座120配置成將半導體晶圓固持在單晶圓工具的腔室中，該單晶圓工具用於處理晶圓的主要表面。例如，基座120可以是電漿處理設備100的靜電卡盤。在圖1中，晶圓110已經裝載在基座120上。一般而言，電漿製程腔室中的基座(例如，基座120)包括導體，該導體用作電極，其可以耦合到射頻(RF)電源、DC偏壓電勢或參考電勢(一般而言稱為地)。包括絕緣材料的聚焦環130設置在基座120周圍。

一般而言，使用直接電漿來處理晶圓(其固持在包括導電材料的基座上)的電漿設備包括絕緣的或摻雜的半導體聚焦環，以改善電漿製程之晶圓範圍內的製程均勻性。習知的聚焦環是與基座同心安裝且位於靠近晶圓邊緣的基座上/周圍的環形絕緣體或摻雜半導體。然而，例如摻雜半導體的導電材料可能不適合於本揭露內容中描述的實施例中的聚焦環，例如圖1中的聚焦環130。這是因為，如下文進一步詳細解釋，在一些實施例中，包括導電部分的RF諧振結構嵌入在聚焦環(例如，聚焦環130)中。安裝聚焦環的目的是改變晶圓邊緣區域內和周圍的電磁場和化學活動，以擾亂離子和自由基分佈，從而導致電漿沉積(或蝕刻)製程產生更均勻的沉積速率(或蝕刻速率)。可以選擇聚焦環設計的材料和幾何參數，以減少晶圓邊緣處的不連續性的效應。不連續性不僅包括物理和化學性質的不連續性(例如，介電常數和反應速率的不連續性)，還包括幾何不連續性。例如，在沒有環的情況下，電漿鞘可能不期望地繞線在晶圓的側面。

如本領域技術人員所知，可以使用諸多形狀和材料的聚焦環。該結構可以包括固體絕緣體、摻雜半導體或部分空心塊。聚焦環材料的組成可包括單一材料、塗覆有不同材料的芯部、或複數材料的區段。用於聚焦環的介電材料可以包括未摻雜的矽、石英、非晶氧化矽、氧化鋁、氧化鋯、氧化釔和聚四氟乙烯(PTFE，polytetrafluoroethylene)。摻雜半導體材料包括摻雜矽(儘管在本揭露內容描述的實施例中，聚焦環中沒有使用摻雜矽)。

設計用於固持300mm(直徑)晶圓的基座周圍的聚焦環可具有約290mm至約350mm的內徑、約350mm至約500mm的外徑、以及約2mm至約10mm的厚度。內徑小於晶圓直徑意味著聚焦環的一部分是晶圓下方的支撐環，而其他部分較厚且圍繞晶圓邊緣延伸到基座上方。聚焦環的上表面可以位於從晶圓頂部表面下方約3mm到晶圓表面上方約6mm處。一般而言，在晶圓和聚焦環之間允許約1mm至5mm的橫向間隙。

在圖1所示的例示性實施例中，聚焦環130已配置成提供上述自由基的補充流。複數氣體放電裝置150已嵌入設備100的聚焦環130中。複數氣體放電裝置150之一在設備100的剖面圖(X-Z平面)中顯示。圖1中的頂部平面圖(X-Y平面)中，僅出於說明性目的，顯示由三個虛線圓圈指示的三個嵌入式氣體放電裝置150。在諸多實施例中，氣體放電裝置150的數量可在約6個至約24個之間變化。

每一氣體放電裝置150包括空腔132。在例示性設備100中，每一空腔132的形狀類似於垂直定向的圓柱形。在諸多實施例中，氣體放電裝置的空腔可以具有諸多形狀。例如，空腔的形狀可以類似於柱，其具有橢圓形底部或多邊形底部(例如矩形或六邊形底部)。

除空腔132之外，每一嵌入式氣體放電裝置150還包括RF諧振結構，該RF諧振結構配置成產生限制在空腔132內的氣體放電電漿。下文參考圖3進一步詳細描述RF諧振結構。

包括源氣體(其用於補充自由基)及稀釋氣體的氣態混合物可以透過氣體入口142從氣體分佈通道136引入到空腔132中。氣體入口142(位於圖1圓柱形空腔132的底部中)將空腔132耦接到氣體分佈通道136。當耦和到RF電源(其調諧到諧振頻率)時，進入的氣體可以在空腔132中被RF諧振結構電離，從而激發氣體放電。氣體放電電漿被限制在空腔132內，且使用以諧振頻率供應的RF電源來維持。放電中產生的包括自由基的高能顆粒可以透過出口(例如，圖1中的圓柱形空腔132的頂部中的自由基出口146)以氣流的形式離開空腔132。自由基出口146將空腔132耦接到自由基分佈充氣部134。

如圖1所示，氣體分佈通道136和自由基分佈充氣部134是嵌入絕緣聚焦環130中的環形空間。氣體分佈通道136設置在空腔132下方之聚焦環130的下部中，而自由基分佈通道134設置在空腔132上方之聚焦環130的上部中，如圖1中之剖面圖所示。在一些實施例中，絕緣環(例如，絕緣聚焦環130)之上部中的環形充氣部(例如，充氣部134)包括在環中以方位角分佈的複數充氣部區段。每一充氣部區段可耦接到設置在該區段兩個相對側上的兩個相鄰的空腔132。

在該範例中，氣體分佈通道136和自由基分佈充氣部134被顯示為具有相等的寬度。因此，在平面圖(X-Y 平面)中，它們由重合的虛線環表示。在一些其他實施例中，氣體分佈通道136和自由基分佈充氣部134可具有不同的寬度。

氣體分佈通道136配置成透過耦接到外部補充氣體供應系統的氣體入口(未顯示)接收氣體，以及將氣體分佈到複數的氣體放電裝置150。自由基分佈充氣部134透過自由基出口146接收自由基流入通量，以及將自由基流分佈到充氣部134的複數出口孔144。圖1中的剖面圖顯示如此的出口孔144，且圖1中的平面圖顯示以方位角分佈在晶圓110周圍的複數出口孔144。出口孔144與自由基出口146間隔約厘米位凖的距離。因此，可透過自由基出口146離開的任何高能離子都可能與充氣部134的壁碰撞。作為這些碰撞的結果，一般而言，離子損失能量且藉由與充氣部壁中的電子重新結合而被中和。只有可忽略數量的離子可以到達出口孔144。

在圖1所示的例示性實施例中，在連續空腔132之間的每一弧區段中顯示充氣部134的三個出口孔144。在另一實施例中，可以有不同數量的出口孔144。在諸多實施例中，可以使用諸多形狀的出口孔。例如，可以用窄縫代替一組圓孔。

當操作電漿處理設備100時，補充自由基的羽流(plume)可以從圍繞晶圓110之出口孔144的圓形設置的每一出口孔144發射。在透過充氣部134的出口孔144離開之後，自由基的一部分可以流向晶圓110的環形邊緣區域112，以及與存在於整個晶圓110(包括中心區域114)上的自由基主流合併。環形邊緣區域112與環形中心區域114之間的邊界已藉由晶圓110表面上的虛線圓表示，其從中心延伸到距邊緣的距離E處。邊界距離邊緣的距離E係鬆散地定義，以指示邊緣附近區域的寬度，其中僅使用主要自由基來源，相對於晶圓中心附近所達成的均勻性而言，邊緣所達成的製程均勻性可能顯著更差。在沒有補充自由基流的情況下，邊緣區域112中的製程不均勻性可能超過公差限制，導致邊緣區域112中過度的良率損失。邊緣區域的尺寸E可取決於許多因素，例如電漿製程、腔室設計、RF電極設計、RF波形、以及被處理晶圓的表面材料。一般而言，對於300mm直徑的晶圓，E不超過20mm，且在一些情況下，E可以低於10mm，例如5mm。儘管小寬度為5mm至10mm，但邊緣區域可能具有印刷在300mm晶圓上的約1%至約3%的IC單元。在大量製造中，1%的良率損失是顯著的。從出口孔144朝向邊緣區域112的補充自由基流提供以下優點：減輕由於邊緣區域112中的不均勻處理而造成的良率損失。

接下來，描述電漿處理系統，其包括配置成提供自由基補充流的設備(例如，例示性設備100)。

圖2顯示使用例示性設備100 (上文參考圖1描述)的例示性電漿處理系統200的示意圖。如圖2所示，電漿處理系統200包括耦接到主氣流系統的電漿製程腔室210，該主氣流系統配置成使氣體流過腔室210。主氣流系統可以包括氣體容器、管道、閥、真空泵、感測器、及控制器，以透過氣體入口214供應包括製程氣體及稀釋劑的氣態混合物到腔室210，透過排出部216移除氣態副產物、以及維持電漿製程腔室210中期望的氣體壓力。

包括基座120和聚焦環130的例示性設備100顯示為將晶圓110固持在腔室210中以進行處理。如上所述，氣體分佈通道136配置成接收由補充氣體供應系統供應的氣體。圖2顯示補充氣體管道250，由彎曲的箭頭示意性地指示，其一端(由箭頭的頭部指示)耦接至氣體分佈通道136的氣體入口(未顯示)。補充氣體管道250的另一端可以耦接至補充氣體供應系統。

電漿處理系統還包括電極和耦合到電極和地的電源。如本領域技術人員所知，一般而言，向負載阻抗供應RF功率的RF電源經由靠近電極設置的阻抗匹配網路耦合到負載的電極。匹配網路用於抑制反射，以及達成最佳功率傳輸。

圖2所示的例示性電漿處理系統200配置成在晶圓110(其被固持在腔室210中的基座120上)上方產生直接電漿。在該實施例中，直接電漿是用於處理晶圓110之自由基主流(除作為離子流的來源之外)的主要自由基來源。圖2中示意性顯示的第一RF電源220耦接到第一RF電極，例如圖2所示實施例中的光碟形第一RF電極260。第一RF電極260配置成使用RF源功率在基座120上產生直接電漿，該RF源功率來自經由第一匹配網路222耦合的第一RF電源220。在圖2中，腔室210配置成電容耦合電漿(CCP，capacitively coupled plasma)反應器，其使用光碟形第一RF電極260。在一些其他實施例中，腔室210可以配置成電感耦合電漿(ICP，inductively coupled plasma)反應器，其從形狀類似平面線圈或螺旋諧振器的第一RF電極接收源功率。一般而言，螺旋諧振器是繞線在腔室210的圓柱形絕緣側壁上的螺旋線圈。平面線圈可以放置在腔室210的頂蓋上方，其中頂蓋包括絕緣窗，例如石英窗。

在一些實施例中，第二RF電源230可以耦合到第二RF電極，其中第二RF電極配置成從第二RF電源向電漿提供RF偏壓功率。在例示性電漿處理系統200中，基座120的導電部分被用作第二RF電極，其經由相應的第二匹配網路232接收偏壓功率。

圖2所示的示意圖顯示電漿處理系統200使用次要自由基來源是嵌入在絕緣聚焦環130中的複數氣體放電裝置150，如上文參考圖1所描述。如上所述，每一氣體放電裝置150包括空腔132和RF諧振器，該RF諧振器包括導電部分，其在下文參考圖3進一步詳細描述。

使用以其諧振頻率供應到RF諧振結構的RF源功率，可以在每一空腔132中產生氣體放電，以激發振盪電磁場，其獲得足夠高的幅度，以激發及維持空腔132中的電漿。藉由經由第三匹配網路242將諧振結構耦合到第三RF電源240來提供RF源功率。如圖2所示，RF訊號從第三匹配網路242的輸出被引導至基座120。在該實施例中，基座120處的RF訊號電容耦合至複數氣體放電裝置150的RF諧振器的導電板。RF諧振器的導電板和基座120的導電部分是耦合電容器的兩板部，且兩個電容器板部之間的電容器介電質是聚焦環130的絕緣材料。耦合電容器結構進一步參考圖3加以描述。

雖然在例示性電漿處理系統200中，RF源功率藉由電容耦合提供給氣體放電裝置的RF諧振器，但在一些其他實施例中，耦合可以是電感性耦合、或直接連接(或電阻性耦合)，或電感性耦合和電容性耦合的組合。

在第二RF電源230也經由匹配網路232耦合到基座120的實施例(例如，圖2所示的實施例)中，來自第二RF電源230的RF偏壓訊號和來自第三RF電源240的RF源訊號在基座120的導電部分處彼此疊加。疊加的訊號可用於向氣體放電裝置150的諧振結構提供RF源功率。一般而言，相對於RF源訊號(例如，來自第一RF電源220和第三RF電源240的訊號)，電漿處理中使用的RF偏壓訊號(例如，來自第二RF電源230的訊號)具有較低頻率。因此，如果第二RF電源230產生第一頻率的RF偏壓訊號且第三RF電源240產生第二頻率的RF源訊號，則第一頻率可以小於第二頻率。

在例示性電漿處理系統200中，自由基的次要來源是嵌入絕緣環(該絕緣環安裝在電漿製程腔室中)中的複數氣體放電裝置，例如嵌入在聚焦環130中的裝置150，如上參考圖1所述。被限制在裝置150的空腔132中的氣體放電電漿向環形自由基分佈充氣部134提供補充自由基。充氣部134接收自由基的流入通量以及將流動分佈到出口孔144，該出口孔144輸送補充自由基的流出通量到電漿製程腔室。藉由將氣體放電限制在聚焦環130內部的空腔132中以及將空腔132與充氣部出口孔144隔開，以提供以下優點：在不改變離子通量的情況下調整到晶圓110的邊緣區域112上方表面的自由基通量。

在一些其他實施例中，自由基的次要來源可以是遠端電漿源，其中用於補充自由基的氣體放電電漿在處理晶圓的電漿製程腔室外的位置處產生。使用遠端電漿源作為次要來源的一個優點在於，用於產生補充自由基的氣體放電電漿所在的空間的尺寸的限制比複數氣體放電裝置(例如，氣體放電裝置150)其中每一者的空腔(例如，空腔132)的限制更少，其中該複數氣體放電裝置嵌入絕緣環(例如，絕緣聚焦環130)中。一般而言，如果可用於限制放電的空間的尺寸限制放寬，則可以更可靠地達成激發和維持氣體放電。類似於充氣部134和出口孔144(參見圖1和圖2)，自由基分佈充氣部和出口孔可以容納在絕緣環(例如，絕緣聚焦環130)中。在該實施例中，自由基分佈充氣部接收來自遠端電漿源的補充自由基。相較而言，在例示性電漿處理系統200中，藉由嵌入聚焦環130中的複數氣體放電裝置150將補充自由基供應至充氣部134。當電漿處理系統的次要來源遠離固持晶圓的電漿腔室時(例如，遠端電漿源)，複數氣體放電裝置150以及氣體分佈通道136和相關的補充氣體供應不需要且可以被移除。

如上所述，例示性電漿處理系統200中的自由基的主要來源是在電漿製程腔室210中產生的直接電漿。直接電漿維持在基座120上方，其中晶圓110曝露於來自電漿的諸多顆粒的通量(例如，離子和自由基)。在一些其他實施例中，自由基的主要來源可以是遠端電漿源而不是直接電漿。因此，對於該實施例，電漿製程腔室必須配置成遠端電漿製程腔室。

在上述電漿處理系統的實施例中，包括例示性電漿處理系統200，晶圓(例如，晶圓110)曝露於自由基主流與自由基補充流的組合，其中自由基主流朝向晶圓的頂部表面，自由基補充流朝向晶圓的邊緣區域。自由基的組合流對邊緣區域上方的晶圓表面進行化學改變。如上所述，電漿製程腔室中的自由基補充流源於來自出口孔(例如，出口孔144)的補充自由基流出通量，該出口孔係容納在聚焦環(例如，聚焦環130)中的環形充氣部(例如，充氣部134)的出口孔，該聚焦環位於腔室中的晶圓110周圍。在另一實施例中，可以使用除聚焦環之外的絕緣環來容納自由基分佈充氣部。在一實施例中，除聚焦環之外的絕緣環可以設置在電漿腔室210的壁處。在最佳化環及嵌入環之元件的設計方面，具有專用於將補充自由基引入到電漿製程腔室的絕緣環提供較大的靈活性。

圖3顯示嵌入聚焦環130中的氣體放電裝置150的範例的立體圖。如上面參考圖1和圖2所描述，複數氣體放電裝置150的每一者包括空腔132和RF諧振結構。顯示嵌入式氣體放電裝置的例示性RF諧振結構。圖3中的RF諧振結構是包括例示性兩端電容性結構310(具有容值C)和例示性兩端電感性結構320(具有感值L)的導電結構。圖3中的插圖顯示RF諧振結構和耦合電容CP的電路表示。如下文進一步解釋，在該實施例中，電容性結構310和電感性結構320的端部連接成使得每一氣體放電裝置150的RF諧振結構具有並聯的LC諧振電路配置。此外，相鄰氣體放電裝置150的RF諧振結構並聯連接，從而複數氣體放電裝置150的複數RF諧振結構電性連接成形成組合併聯LC諧振電路，其具有共用頂板314及共用底板330。

雖然例示性諧振結構是並聯LC諧振電路，但是應當理解，其他電諧振器可以嵌入在聚焦環130中，以耦合RF功率以在空腔132中激發氣體放電。例如，電容性和電感性結構可以串聯LC諧振電路配置的方式連接，且相鄰氣體放電裝置的RF諧振結構可以串聯連接。

例示性電容性結構310是平行板電容器結構，其具有導電頂板314和平行於頂板314的導電底板312。聚焦環130的絕緣體(其中嵌有兩導電板(底板312及頂板314)係電容性結構310的電容介電質。

電感性結構320包括具有頂端和底端的連續導體。連續導體提供繞線路徑，電流可沿該繞線路徑從一端流至另一端，同時圍繞空腔132的垂直側壁環流，總是沿順時針或沿逆時針方向，如圖3中的實心白色箭頭所示。如圖3所示，空腔132的部分形狀類似穿過電感性結構320的圓柱形。流過導電電感性結構320的振盪RF電流可以產生電磁場，其可使空腔132中的氣體電離，以激發電漿。

圓柱形空腔132的頂部和底部在圖3中不可見。然而，如前文參考圖1所描述，氣體分佈通道136耦接至底部中的氣體入口142，且自由基分佈充氣部134耦接到空腔132的頂部中的自由基出口146。透過空腔132的氣流由圖3中的垂直箭頭指示。

常見的繞線電感器的形狀類似於圍繞芯部的螺旋線圈。然而，繞線在氣體放電空腔周圍的非平面螺旋線圈可能難以與平面平行板電容器整合以製造形成電性LC諧振電路的RF諧振結構。在圖3所示的例示性實施例中，聚焦環130可以是絕緣層的堆疊，其包括例如氧化鋁層。例如，可以在絕緣體的每一絕緣層的表面上形成包括例如鉑之金屬的圖案化導電膜，以形成平面導電元件。藉由用例如鉑的導電材料填充垂直通孔而形成的導電柱可以用作通孔，以連接位於垂直隔開層中的導電元件。

如圖3所示，用於電感性結構320的連續導體已經形成為具有複數導電區段的垂直設置。每一區段包括圍繞空腔132的側壁的部分平面環322。在圖3中的電感性結構320中可以看到三個部分平面環322。每一部分平面環322在部分環322的相對兩端處具有起始端及結束端。這些端的每一者連接至第一通孔324，該通孔324將部分環322的結束端連接至垂直相鄰部分環322的起始端。

電感性結構320的最頂部的部分環322藉由第一通孔324連接到電容性結構310的頂板314，形成RF諧振結構的第一端。最下部的部分環322藉由另一第一通孔324連接至底部導電板330，該底部導電板330為複數氣體放電裝置150的複數RF諧振結構所共用。電容性結構310的底板312也藉由第二通孔316(第二通孔316比第一通孔324高)連接至共用的底部導電板330。在並聯LC諧振電路配置中，圖3所示的這些連接將每一氣體放電裝置150的RF諧振結構的電容性結構310和電感性結構320的端部連接起來。

儘管不可見，圖3所示的導電結構的共用底部導電板330、底板312、和頂板314在兩側橫向延伸至類似的相鄰空腔132。因此，複數RF複數氣體放電裝置150的複數RF諧振結構電性連接以形成組合的併聯LC諧振電路。

在該實施例中，RF諧振器的導電元件都不與聚焦環130外的導電元件直接連接，複數氣體放電裝置150嵌入在該聚焦環130中。這包括電容器310、電感性結構320和共用底部導電板330的全部導電元件。然而，在共用底部導電板330的正下方存在基座120的導電部分。在這兩導體之間是絕緣聚焦環120的一部分。這是耦合電容器的平行板電容器結構，由圖3的插圖中的電容CP指示。來自第三RF源240的RF源訊號(或由RF源訊號與來自第二RF源230的RF偏壓訊號疊加形成的疊加訊號)被引導到基座。對於調諧到RF諧振器的高諧振頻率的RF源訊號而言，電容CP足夠高以藉由短路來近似，從而將RF源功率耦合到並聯LC之RF諧振結構。

另一方面，對於低頻RF偏壓訊號(或DC偏壓訊號)而言，CP相當於高阻抗絕緣體。絕緣體的一側是導電基座120(連接到RF偏壓訊號)，且相對側是共用底部導電板330(連接到電感性結構320的一端)。在低頻(或DC)下，電感性結構320是到頂板314的低阻抗連接。電容CP的介電質中的電場可以使導體極化，從而在在頂板314上方的絕緣區域中產生相應的電場。在聚焦環130的頂部處具有電場(該電場係施加到基座之偏壓場的反射)的一優點是該電場將偏壓場徑向延伸超出晶圓110的邊緣。這有助於減少電場中的邊緣不連續性。

在圖3中，包括空腔132、電容性結構310和電感性結構320的氣體放電裝置150顯示為以特定取向和幾何形狀嵌入在絕緣聚焦環130中。然而，應當理解，這僅是範例，且氣體放電裝置(例如氣體放電裝置150)可以諸多位置和方向嵌入。例如，儘管在圖3中，電容性結構310位於聚焦環130的上部，但是在其他實施例中，電容性結構310可以定位在聚焦環130的下部或中心部分中。類似地，在另一實施例中，平行板電容性結構(例如，電容性結構310)的兩導電板(例如，頂板312和底板314)垂直定向。類似地，在圖3的例示性實施例中垂直定向的電感性結構320和空腔132在一些其他實施例中可以水平定向。當然，在這樣的實施例中，氣體分佈通道136和自由基分佈充氣部134將必須在聚焦環130內呈不同的設置。應當注意，這些實施例中的每一者具有電容性結構和電感性結構，其耦合形成諧振結構。

圖4顯示電漿處理方法400的流程圖，其利用電漿處理系統的實施例達成電漿製程的改善的邊緣均勻性，該電漿處理系統例如上文參考圖1~3所述的電漿處理系統200。

圖4中的流程圖描述本發明的方法400，用於藉由四個步驟來改善晶圓的中心到邊緣範圍內的製程均勻性。

如方法400的流程圖的框410所示，晶圓被固持在電漿腔室內的基座上。

在框420中，方法包括產生自由基主流，其引導至晶圓的主要表面。在一些實施例中，為主流提供自由基的主要來源是直接電漿。因此，產生自由基主流包括激發及維持位於基座上方的氣體放電。該製程將晶圓的整個主要表面曝露於來自放電的自由基主流。除自由基主流之外，直接電漿還將主要表面曝露於離子通量。在其他實施例中，產生主流可以包括引導來自遠端電漿源的自由基。遠端電漿源包括一腔室中的氣體放電，該腔室不同於其中處理晶圓的腔室。由遠端電漿源產生的自由基透過連接遠端電漿源的管道被傳輸至固持及處理晶圓的腔室的氣體入口。在運輸期間，與壁的碰撞導致自由基和離子的損失。一般而言，在遠端電漿處理中，大多數離子被中和，或失去動能。因此，到達晶圓的自由基與高能離子的比率非常高。

除了主要來源產生的自由基主流外，方法400還包括產生自由基補充流，其引導至主要表面的邊緣區域，如框430所指示。產生自由基補充流包括使自由基流過環形自由基分佈充氣部的複數出口孔，該環形自由基分佈充氣部設置在腔室中晶圓的邊緣周圍。來自出口孔之自由基的流出通量進入電漿製程腔室的周圍環境中，這可在晶圓的圓周周邊附近產生補充自由基的羽流。往邊緣區域擴散的補充自由基的部分係自由基補充流。

為了使自由基透過出口孔流出，從次要來源向自由基分佈充氣部供應補充自由基，該次要來源獨立於主要來源(即，與主要來源不同)。因此，產生自由基補充流包括產生氣體放電，其為合適的自由基的次要來源。在一些實施例中，次要自由基來源為複數氣體放電電漿，其被限制在絕緣環中，該絕緣環安裝於腔室中表面的邊緣區域周圍。例如，絕緣環可以是圍繞晶圓，與複數氣體放電裝置嵌入的絕緣聚焦環。然後，產生自由基補充流包括在複數氣體放電裝置的空腔中激發複數氣體放電，以及使自由基從氣體放電流入到充氣部中。在一些實施例中，環形充氣部和氣體放電裝置可以容納在同一絕緣環中。

在一些其他裝置中，二次來源可以是獨立於主要來源的遠端電漿源。然後，產生自由基補充流包括在遠端氣體放電中產生自由基，以及將自由基輸送到固持和處理晶圓之腔室的氣體入口。

範例1。一種電漿處理設備，包括：一基座，配置成固持晶圓；一聚焦環，與該基座同心，該聚焦環包括一絕緣體，當該晶圓被固持在該基座上時，該聚焦環位於該晶圓的一邊緣區域附近；以及複數氣體放電裝置，嵌入在該聚焦環中，其中每一氣體放電裝置配置成產生限制在該聚焦環內的氣體放電電漿。

範例2。範例1的設備，還包括：一電漿製程腔室，配置成在該腔室中激發及維持電漿；一第一射頻(RF)電源，耦合到一RF電極，該RF電極配置成使用來自該第一RF電源的RF源功率在該基座上方產生直接電漿；以及一第三RF電源，耦合到該複數氣體放電裝置，其中每一氣體放電裝置配置成使用來自該第三RF電源的RF源功率產生氣體放電電漿。

範例3。範例1或2其中一者的設備，還包括一第二RF電源，耦合到該基座，該基座配置成從該第二RF電源向該直接電漿提供RF偏壓功率，該第二RF電源配置成供應第一頻率的RF功率。

範例4。範例1至3其中一者的設備，其中該基座電性耦合到該複數氣體放電裝置，其中藉由將該第三RF電源耦合到該基座而將該第三RF電源電容耦合到該複數氣體放電裝置，且其中該第三RF電源配置成以不同於該第一頻率的第二頻率提供RF功率。

範例5。範例1至4其中一者的設備，其中該聚焦環還包括：一氣體分佈通道，設置在該聚焦環的一下部內，該氣體分佈通道具有一氣體入口，其中該氣體入口配置成接收來自一氣體供應系統的氣體；以及一自由基分佈充氣部，設置在該聚焦環的一上部內，該充氣部配置成接收來自該複數氣體放電裝置的一自由基流入通量，以及透過複數出口孔將一自由基流出通量輸送到該腔室，其中當該晶圓固持在該基座上時，該複數出口孔沿方位角分佈於該晶圓的一邊緣周圍。

範例6。範例1至5其中一者的設備，其中該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置包括：一空腔，在該聚焦環內，該空腔具有一側壁、耦接到該氣體分佈通道的一氣體入口、以及耦接到該自由基分佈充氣部的一自由基出口；以及一RF諧振結構，配置成產生限制在該空腔內的氣體放電電漿，其中該RF諧振結構是包括一電感性結構和一電容性結構的一導電結構。

範例7。範例1至6其中一者的設備，其中該電感性結構是兩端電感器(L)且該電容性結構是兩端電容器(C)，端部以並聯LC諧振電路配置連接。

範例8。範例1至7其中一者的設備，其中該電感性結構包括繞線在該空腔的該側壁周圍的一連續導體，該導體具有一頂端和一底端，且其中該電容性結構包括平行於一導電底板的一導電頂板，這些板嵌入設置在相鄰空腔之間的該聚焦環的該絕緣體中。

範例9。範例1至8其中一者的設備，其中該電感性結構的該連續導體包括複數導電區段的設置，其形狀為圍繞該空腔的該側壁的部分環，藉由導電通孔連接，每一區段具有位於該區段的兩個相對末端的一起始端和一結束端，以及一通孔，其將該區段的該結束端連接到相鄰區段的起始端。

範例10。一種電漿處理系統，該系統包括：一電漿製程腔室；一基座，配置成將一晶圓固持在該腔室內；一第一射頻(RF)電源，耦接到一第一RF電極，該第一RF電極配置成使用來自該第一RF電源的RF源功率在該基座上方產生直接電漿；一自由基分佈充氣部，位於該腔室中，該自由基分佈充氣部具有複數出口孔，當該晶圓被固持在該基座上時，該複數出口孔圍繞該晶圓的邊緣呈圓形設置，其中該充氣部配置成接收自由基流，以及將該自由基流透過該複數出口孔流出分佈到該腔室；以及一自由基來源，耦接到該充氣部，該自由基來源配置成使自由基流入該充氣部，且其中該自由基來源不同於該直接電漿。

範例11。範例10的系統，還包括耦接到一第二RF電極的一第二RF電源，該第二RF電極配置成從該第二RF電源向該直接電漿提供RF偏壓功率。

範例12。範例10或11其中一者的系統，其中該自由基來源是一遠端電漿源，該來源配置成使用在該腔室外產生的電漿來產生自由基。

範例13。範例10至12其中一者的系統，還包括：一絕緣環，設置在該晶圓的該邊緣處且與該基座隔開，的該自由基分佈充氣部是該絕緣環的一部分。

範例14。範例10至13其中一者的系統，還包括一絕緣環，該環設置在該腔室壁，其中該自由基分佈充氣部是該絕緣環的一部分。

範例15。範例10至14其中一者的系統，其中該系統還包括一絕緣環，該環設置在該腔室中與該基座同心，其中該自由基來源包括嵌入在該環中的複數氣體放電裝置，每一氣體放電裝置包括一空腔和一RF諧振結構，該RF諧振結構配置成產生限制在該空腔內的氣體放電電漿，且其中具有複數出口孔的該充氣部是具有複數孔的該環的一部分。

範例16。範例10至15其中一者的系統，其中一氣體分佈通道設置在該環的一下部內，該通道具有一氣體入口，該氣體入口配置成接收來自一氣體供應系統的氣體，且其中複數氣體放電裝置的每一氣體放電裝置的該空腔具有耦接到該氣體分佈通道的一氣體入口和耦接到鄰近該空腔之該自由基分佈充氣部區段的一自由基出口。

範例17。範例10至16其中一者的系統，其中該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置的該RF諧振結構是兩端LC諧振電路，且其中該複數兩端LC諧振電路電性連接至彼此，以形成一組合兩端LC諧振電路。

範例18。範例10至17其中一者的設備， 還包括耦接到該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置的每一RF諧振結構的一第三RF電源。

範例19。一種電漿處理方法，包括：從一主要自由基來源產生自由基的一主流，該主流被引導至設置在一電漿製程腔室中的一基座上的一晶圓的一主要表面；從一次要自由基來源產生自由基的一補充流，該補充流被引導至該主要表面的一邊緣區域，產生該自由基的該補充流包括使自由基流過設置在該腔室中圍繞該晶圓的一邊緣的一環形自由基分佈充氣部的複數出口孔；以及將該主要表面曝露於自由基的一組合流，該組合流是該主流和該補充流的組合。

範例20。範例19的方法，其中該次要自由基來源是被限制在一絕緣環中的複數氣體放電電漿，該環圍繞該表面的該邊緣區域設置，且其中產生該自由基的該補充流包括激發相應的氣體放電，以形成複數氣體放電電漿以及使自由基從該氣體放電電漿流入該充氣部中。

範例21。範例19或20其中一者的方法，其中該主要自由基來源是一遠端電漿源，該來源配置成使用在該腔室外部產生的電漿來產生自由基。

雖然已經參考說明性實施例描述本發明，但是該描述不旨在被解釋為限制意義。參考本說明書，本領域技術人員將清楚例示性實施例以及本發明其他實施例的諸多改變和組合。因此，所附申請專利範圍旨在包括任何這樣的改變或實施例。

100:電漿處理設備 110:晶圓 112:邊緣區域 114:中心區域 120:基座 130:聚焦環 132:空腔 134:充氣部 136:通道 142:入口 144:出口孔 146:自由基出口 150:氣體放電裝置 200:電漿處理系統 210:腔室 214:氣體入口 216:排出部 220:RF電源 222:匹配網路 230:RF電源 232:匹配網路 240:RF 電源 242:匹配網路 250:氣體管道 260:RF電極 310:電容性結構 312:底板 314:頂板 316:通孔 320:電感性結構 322:環 324:通孔 330:導電板 400:方法 410~440:框

為更完整地理解本發明及其優點，現在結合附圖參考以下描述內容，其中：

圖1顯示根據一些實施例的用於電漿處理的設備的剖面圖和平面圖；

圖2顯示根據一些實施例的電漿處理系統的示意圖；

圖3顯示根據一些實施例的嵌入式氣體放電裝置的立體圖以及嵌入式氣體放電裝置的射頻(RF)諧振結構的電路表示；以及

圖4顯示根據一些實施例的電漿處理方法的流程圖。

100:電漿處理設備

110:晶圓

112:邊緣區域

114:中心區域

120:基座

130:聚焦環

132:空腔

134:充氣部

136:通道

142:入口

144:出口孔

146:自由基出口

150:氣體放電裝置

Claims (20)

1. 一種電漿處理設備，包括： 一基座，配置成固持晶圓； 一聚焦環，與該基座同心，該聚焦環包括一絕緣體，當該晶圓被固持在該基座上時，該聚焦環位於該晶圓的一邊緣區域附近；以及 複數氣體放電裝置，嵌入在該聚焦環中，其中每一氣體放電裝置配置成產生限制在該聚焦環內的氣體放電電漿。
2. 如請求項1的電漿處理設備，還包括： 一電漿製程腔室，配置成在該電漿製程腔室中激發及維持電漿； 一第一射頻(RF)電源，耦合到一RF電極，該RF電極配置成使用來自該第一RF電源的RF源功率在該基座上方產生直接電漿；以及 一第三RF電源，耦合到該複數氣體放電裝置，其中每一氣體放電裝置配置成使用來自該第三RF電源的RF源功率產生氣體放電電漿。
3. 如請求項2的電漿處理設備，還包括： 一第二RF電源，耦合到該基座，該基座配置成從該第二RF電源向該直接電漿提供RF偏壓功率，該第二RF電源配置成供應第一頻率的RF功率。
4. 如請求項3的電漿處理設備，其中該基座電性耦合到該複數氣體放電裝置，其中藉由將該第三RF電源耦合到該基座而將該第三RF電源電容耦合到該複數氣體放電裝置，且其中該第三RF電源配置成以不同於該第一頻率的第二頻率提供RF功率。
5. 如請求項1的電漿處理設備，其中該聚焦環還包括： 一氣體分佈通道，設置在該聚焦環的一下部內，該氣體分佈通道具有一氣體入口，其中該氣體入口配置成接收來自一氣體供應系統的氣體；以及 一自由基分佈充氣部，設置在該聚焦環的一上部內，該自由基分佈充氣部配置成接收來自該複數氣體放電裝置的一自由基流入通量，以及透過複數出口孔將一自由基流出通量輸送到該電漿製程腔室，其中當該晶圓固持在該基座上時，該複數出口孔沿方位角分佈於該晶圓的一邊緣周圍。
6. 如請求項5的電漿處理設備，其中該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置包括： 一空腔，在該聚焦環內，該空腔具有一側壁、耦接到該氣體分佈通道的一氣體入口、以及耦接到該自由基分佈充氣部的一自由基出口；以及 一RF諧振結構，配置成產生限制在該空腔內的氣體放電電漿，其中該RF諧振結構是包括一電感性結構和一電容性結構的一導電結構。
7. 如請求項6的電漿處理設備，其中該電感性結構是兩端電感器(L)且該電容性結構是兩端電容器(C)，端部係以並聯LC諧振電路配置加以連接。
8. 如請求項7的電漿處理設備，其中該電感性結構包括繞線在該空腔的該側壁周圍的一連續導體，該連續導體具有一頂端和一底端，且其中該電容性結構包括平行於一導電底板的一導電頂板，這些板嵌入設置在相鄰空腔之間的該聚焦環的該絕緣體中。
9. 如請求項8的電漿處理設備，其中該電感性結構的該連續導體包括： 複數導電區段的配置，其形狀為圍繞該空腔的該側壁的部分環，藉由導電通孔連接，每一區段具有位於該區段的兩個相對末端的一起始端和一結束端，且一通孔將該區段的該結束端連接到相鄰區段的該起始端。
10. 一種電漿處理系統，該系統包括： 一電漿製程腔室； 一基座，配置成將一晶圓固持在該電漿製程腔室內； 一第一射頻(RF)電源，耦接到一第一RF電極，該第一RF電極配置成使用來自該第一RF電源的RF源功率在該基座上方產生直接電漿； 一自由基分佈充氣部，位於該電漿製程腔室中，該自由基分佈充氣部具有複數出口孔，當該晶圓被固持在該基座上時，該複數出口孔圍繞該晶圓的邊緣呈圓形設置，其中該自由基分佈充氣部配置成接收自由基流，以及將該自由基流透過該複數出口孔流出而分佈到該電漿製程腔室；以及 一自由基來源，耦接到該自由基分佈充氣部，該自由基來源配置成使自由基流入該自由基分佈充氣部，且其中該自由基來源不同於該直接電漿。
11. 如請求項10的電漿處理系統，還包括耦接到一第二RF電極的一第二RF電源，該第二RF電極配置成從該第二RF電源向該直接電漿提供RF偏壓功率。
12. 如請求項10的電漿處理系統，其中該自由基來源是一遠端電漿源，該自由基來源配置成使用在該電漿製程腔室外產生的電漿來產生自由基。
13. 如請求項10的電漿處理系統，還包括設置在該晶圓的該邊緣處且與該基座隔開的一絕緣環，該自由基分佈充氣部是該絕緣環的一部分。
14. 如請求項10的電漿處理系統，其中該系統還包括一絕緣環，該絕緣環設置在該電漿製程腔室中而與該基座同心，其中該自由基來源包括嵌入在該絕緣環中的複數氣體放電裝置，每一氣體放電裝置包括一空腔和一RF諧振結構，該RF諧振結構配置成產生限制在該空腔內的氣體放電電漿，且其中具有複數出口孔的該自由基分佈充氣部是具有複數孔的該絕緣環的一部分。
15. 如請求項14的電漿處理系統，其中一氣體分佈通道設置在該絕緣環的一下部內，該氣體分佈通道具有一氣體入口，該氣體入口配置成接收來自一氣體供應系統的氣體，且其中該複數氣體放電裝置的每一氣體放電裝置的該空腔具有耦接到該氣體分佈通道的一氣體入口和耦接到鄰近該空腔之該自由基分佈充氣部的區段的一自由基出口。
16. 如請求項14的電漿處理系統，其中該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置的該RF諧振結構是兩端LC諧振電路，且其中該複數兩端LC諧振電路電性連接至彼此，以形成一組合的兩端LC諧振電路。
17. 如請求項14的電漿處理系統，還包括耦接到該複數氣體放電裝置中的每一氣體放電裝置的每一RF諧振結構的一第三RF電源。
18. 一種電漿處理方法，包括： 從一主要自由基來源產生自由基的一主流，該主流被引導至設置在一電漿製程腔室中的一基座上的一晶圓的一主要表面； 從一次要自由基來源產生自由基的一補充流，該補充流被引導至該主要表面的一邊緣區域，產生自由基的該補充流的步驟包括使自由基流過設置在該電漿製程腔室中圍繞該晶圓的一邊緣的一環形自由基分佈充氣部的複數出口孔；以及 將該主要表面曝露於自由基的一組合流，該組合流是該主流與該補充流的組合。
19. 如請求項18的電漿處理方法，其中該次要自由基來源是被限制在一絕緣環中的複數氣體放電電漿，該絕緣環圍繞該表面的該邊緣區域設置，且其中產生自由基的該補充流的步驟包括激發相應的氣體放電，以形成該複數氣體放電電漿以及使自由基從該氣體放電電漿流入該充氣部中。
20. 如請求項18的電漿處理方法，其中該主要自由基來源是一遠端電漿源，該遠端電漿源配置成使用在該電漿製程腔室外部產生的電漿來產生自由基。

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