TWI245333B - Method, apparatus and magnet assembly for enhancing and localizing a capacitively coupled plasma - Google Patents

Description

1245333 曰 j 號 9213R1R1 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種基板的電漿處理，尤其是半導體晶 圓基板之電漿處理，以及在此種製程中，尤其是電容耦合 電聚之電漿的產生、加強以及控制。 二、 【先前技術】 .電裝係使用在如電漿蝕刻、離子化物理蒸氣沈積法 (iPVD )以及電漿加強化學蒸氣沈積法（pECVD )等半導體 生產，程上。用於此類製程之電漿通常以下列方式產生， 先電谷轉合能量至位於真空室之一處理中氣體以便將該氣 體之分子分離成活性自由基以及原子，以激發該氣體之分 子、=由基以及離子至較高的電子態，並離子化該活性及 惰性氣體之分子及原子，且加速離子至垂直於該基板表面 之軌道上而撞擊到該基板上。 在PECVD電漿處理應用中，電容耦合可用來分離並激發 處理中氣體之分子而成為活性自由基，如此可在一基板上 ，出需要的薄膜。在電漿蝕刻應用中，電漿之電容耦合可 藉由週知之活性離子蝕刻（RIE )的方式於一製程中激發活 性原子或自由基，或是通稱為喷濺蝕刻的方式在一製程中 離子化h性氣體之原子，而用來活化一處理氣體以移除基 板上之物質。在iPVD中，一電容耦合電漿（ccp )可用來當 作一主要電漿源以產生塗覆物質之離子，或可用來與另一 基板^台偏壓相連接，以使該基板之塗覆物質離子流於基 板上平行或在後沈積喷濺蝕刻步驟時，離子化惰性氣體原 子並加速離子至該基板上。

第7頁 一單純之CCP製程應用包含將一基板放置在以一射頻 1245333 -^-^92136151 五、發明說明（2) "一· (RF)電源進行偏壓之一電 一用來當作外部電極之接地 且常過度之射頻（RF)電壓以 ，仃該項製程。此種高電壓 旎引起真空室内發生電弧。 勻性以及後續基板上蝕刻或 無法令人滿意。通常，蝕刻 遮罩的形狀、氣體喷入口的 製程環境細節的影響。且， 電極通常會引起過高之基板 試圖克服上述之CCPs限 基板支座電極之磁性強化。 (RF)偏壓之基板支座平行之 表面附近之電子於該電極平 而非遠離該電極平面，因為 離該電極平面。因此，該電 係與該射頻（RF)電漿鞘交互 閉的迴圈，該電子便沒有固 地被困住在該磁場底下。此 的情形將導致更大的能量被 電位的電子。因此，僅需要 漿濃度。 ^-3.-§___修正___ 二 極上。該電極及基板係封閉於 真空室中。此種配置需要高度 產生足夠的電漿濃度來有效地 可能傷害積體電路之裝置並可 且’在此等系統中，電聚的均 沈積的均勻性均無法預料且常 以及沈積的均勻性均受到例如 位置以及其他處理室特點等之 僅使用一靈敏之基板來當作一 溫度。 制的嘗試已經涉及使用對靠近 此種強化可經由使用與一射頻 適當強度的磁場來引起該電極 面旁之擺線執道的方式移動， 若非如此，該等電子則傾向遠 漿中的電子在消失於該室壁前 作用數次。若該磁場形成一封 定的磁場出口點而可能無限期 種把靠近電極表面的電子困住 送至該每一伏特的射頻（RF)鞘 較小的電壓便可達成所需之電 前項習知技術中，針對積體電路之電漿處理的電磁加 強’其主要缺點係因對該基板之不均勻電荷效應而造成設 備的損害。沿著一隔絕之基板表面的不均勻電荷分佈將引 1245333 案號 92136151

起k越該基板上設備之電壓梯度，而可導致擊穿、 五 、發明說明（3) 基板之不均勻電荷可由橫越該基板表面之強力^丨電壓。該 / 辰度而引起。此種電漿中之不均勻則可因以預定句2電漿 射角度及不同的強度而貫穿該基板表面或是在3之垂直入 產生的區域中與該基板表面相交之磁力線而弓丨S游離電子 習知技術之在該基板支座之磁性強化的， 專利第5, 449, 977號中描述。該種配置係產生與一係於美國 平行之磁場線並用來在該基板支座之稱為擺綠、一基板表面 化區域誘發擺線軌道。藉由在晶圓處理中旋轉ς域的局部 式，可使產生之不均勻電漿於時間平均之意二=置的方 對稱。此種方式的主要缺點係需要使用耗費日向 旋轉硬體。 、貝丑複雜的 因此，用於電漿處理中鄰接於一半導體晶圓基板之一 實質均勻之低電壓電漿的方法及維護的裝置仍有其需要。 三、【發明内容】 本發明之一目的係用以提供製程中之貫穿基板表面之 低電壓電漿之均勻分佈，尤其是用於製造半導體晶圓上之 真空電漿處理。本發明之更一特定目的係用以提供一用以 分佈一低電壓南濃度電漿於一處理中晶圓表面以產生貫穿 該晶圓之最低電荷分佈不均勻性並避免晶圓損害之方法、 電漿源以及製程裝置。 本發明之再另一目的係用以提供一於晶圓表面之磁性 強化電漿，其可用於各種半導體生產製程，包括PECVD、 i PVD、RE I以及喷濺蝕刻等等，但不限於此。 根據本發明的原理，一磁性強化或磁電管電漿源係供

1245333 修正

案號 92136151 五、發明說明（4) 電容麵合射頻（RF)能量至一環繞於一晶圓支座之環狀 區域之環狀磁性通道，該晶圓支座係環繞於一位於該^ a 之中心區域之晶圓，遂而於一環狀周圍區域上形成二座 漿’並從該環狀周圍區域向内而擴散於該晶圓上。該雨 係由鄰接於該周圍區域且遠離該晶圓設置處之中心區=t 磁鐵所產生。該磁鐵產生一磁場，其在該環狀周圍^域= 大致平行於該支座的表面，或有相當之分量平行於該 的表面。該磁場並大致垂直於該支座的中心區域。' 上 根據本發明之一實施例，係提供一具有一真空 漿處理裝置以及一位於該處理室内的晶圓支座了 = 更具有一中心晶圓支持表面及一環繞於該中心晶圓 = ，之環=周圍表面。一射頻（RF)產生器係連接於該晶圓 座。一 ％狀永久磁鐵組件係鄰接於該晶圓支座之環狀 二Ϊ組件具有兩個或多個環狀磁極，並設置而形成一 郇接於忒％狀周圍表面且環繞該中心晶圓支持表面的 f性通道，俾便將電漿形成電子困在遠離該中心晶圓支持 、甬Ϊ t :晶圓之通道中。電漿便形成於該通道+，並從兮 =向内而在支標於該中心晶圓支持表面之—晶圓表面二 置在it:某些實施例，，-環狀永久磁鐵組件係設 =在=回支座之環狀周圍表面的後方，並 隔開，並產mi面對於該晶圓支座之環狀周圍表面而 —.— ---L 道，該磁性通道具有一磁場，此磁場

第10頁 支座表面並跨磁·’此磁場自磁極呈弧狀穿過該 久磁鐵組面上方。在其他實施例中’該環狀永 1245333 修正

案號 9213fi1M 五、發明說明（5) 自磁極朝向並穿過該晶圓支座 π 況是，該環狀永久磁鐵組件 ^ 呈弧狀。較佳的情 產生一合成磁場，此座表面上 平彳f且位於JL上、，^成磁％包含與該環狀周圍表面大致 十仃且位於具上，亚大致垂 八致 面之合成磁力線。 罝於又貝牙该中心晶圓支持表 之某些實施例令，該環 含-南導磁性材質、-外侧磁環以及-内側磁 具有相反磁極而相接於或非常接近於該高導磁性材質乂。衣 該内侧及外側磁環之極轴係與該 = 直並相對放置。可選擇性地，兮从μ a s度 < 表面相垂 禪〖地該外側磁環具有一垂直於哕 晶圓=表面之極轴’…磁極則面對 = 狀周圍表：’㈣内側磁環具有一平行於該晶圓支座：： 之極軸，/、一相對磁極則朝該中心晶圓支持表面向外放 射。該，狀永久磁鐵組件較好是亦具有—極 圓支座表面之中間磁環，而其面向外侧之—極則相對^ 面向該支座之外側磁環之磁極。 該環狀永久磁鐵組件之較佳構成係產生一磁場，使其 至少在該環狀周圍表面之一部份上大致呈扁平狀，而該環 狀周圍表面係於該支座上之一晶圓周圍向外放射。 四、【實施方式】 在圖1之習知技術之電漿處理裝置10中，一電漿處理室 11係以貫穿該室壁1 2之橫剖面方式說明，並面對一基板支 座14之基板支座表面13，而該基板支座η係置中裝設於一 硃處理之半導體晶圓1 5上。位於該腔室1 1外面之磁性結構 (未顯示）則產生一與該基板支座表面13大致平行的磁場 1245333 案號 92136151 月 曰 修正 五、發明說明（6) 16。一連接於該支座14的射頻（RF)產生器（亦未顯示）係 電容耦合射頻（RF)能量至該腔室1 1中的氣體以供給能量予 一電聚。該電漿傾向在擺線區域17中產生，該擺線區域17 中之電子擺線執道則在磁場1 6出現時由射頻（r f )能量誘發 之。該電聚係轴向不對稱或不均勻的情況。在此等裝置1 〇 中，至少在使用一用來被耗費金錢且複雜的旋轉硬體旋轉 之磁性配置時，該電漿常製成軸向對稱的情況。 圖2說明一在一真空製程室21中具有一磁性加強電漿來 源22之電漿處理裝置20。該電漿源22係部分建置在一半導 體晶圓基板支座2 4内，該基板支座2 4係用以支持一在該支 座表面28上處理之半導體晶圓25。該基板支座表面28具有 一與半導體晶圓2 5同一中心的中心區域3 8，而該晶圓2 5係 支持於該基板支座表面2 8上；以及一環繞於該中心表面區域 38的環狀周圍表面區域39並與該基板支座表面28具有同一 中心。一連接該支座24與接地室壁27之射頻（RF)產生器26 係麵合射頻（RF)能量至該基板支座24而引起該支座24產生 負電位。 該電漿源2 2之磁性加強係藉由位於該支座2 4之晶圓支 座表面28之環狀周圍區域39後方之該基板支座24内之環狀 永久磁鐵組件3 〇所產生。一例如軟鋼的高導磁性材質3丨之 圓形片’具有一與包括一内環33、一外環35以及一中間環 34等複數個環狀磁環相接之環狀邊緣部32。該内環33之以/^ 磁極軸向係平行於該表面28，而該外環35之N/S磁極軸向則 垂直於該表面28。當磁鐵33的磁極面向該支座24之中心 ^ 係、與最罪近表面28之磁鐵35的磁極極性相反。磁性材

第12頁 1245333 ___案號 92136151_1 月日 铬^_ ’ 五、發明說明（7) 質31之圓形片係裝設於該磁鐵33-35之每一個的極軸均可與 之垂直的位置。該材質3 1在磁環3 3及3 5之間創造了 一磁性 電路，並產生一磁場40，其中該磁力線41分別由磁鐵33及 3 5的相對磁極投射入該腔室11中之處理空間。這些磁力線 41具有一平行於該表面28的分量，但於該表面上呈弧線 狀。 該中間磁環3 4係裝設於該材質3 1上之磁環3 3及3 5之間 以便將來自磁環33及35的磁力線轉向，並產生大致為扁平 且平行於該平面28之磁力線42。該中間磁環34之極軸軸向 係平行於平面28且以放射方向位於與磁鐵33之極軸軸向相· 反的支座24上。 圖3說明一裝置2 0 a之一實施例，該裝置2 〇 a具有一類似 於電漿源22之電漿源22a且包含一磁鐵組件3〇而沒有該中間 磁環34。本實施例具有一内環33a，其極軸係垂直於該基板 支座24之表面28。該磁環35及33a係設於一大致扁平盤狀物 且具有一共面外部區域之高導磁性材質31&上。磁鐵33a及 3 5之N/S極軸大致為相對的。該等磁鐵產生一於該支座24之 周圍表面區域39上呈弧線狀的磁場以及磁力線41a，磁 力線41a具有平行於表面28的分量，但僅在沿著一大致在一 圓柱表面之環繞線42 a時才完全平行於該表面28。 •圖4忒明一裝置2〇b之一實施例，其具有一類似於該電 衆源22的^電毁源22b但包含一位於該腔室11外側的磁鐵組件 3 〇\本貝知*例具有其極軸與該基板支座24之表面28垂直的 〇%3 3b。該磁環33b、34及35均設於一大致扁平盤狀的高 磁欧材質3lb上。磁鐵3 3a及35之N/S極軸大致為相對的-

第13頁 1245333 —案號 92136151 年 月 修正 五、發明說明（8) 該等磁鐵產生一由相對的室壁呈弧線狀且貫穿該周圍表面 區域39的磁場40b以及磁力線41b，磁力線41b具有平行於表 面2 8的分量。此種配置對蝕刻應用及其他在室壁中或該腔 至1 1外具有空間裝設該磁鐵組件的應用非常有用而與i PVD 製程設備不同。 圖5說明一裝置2 〇 c之一實施例，其具有一類似於該電 紫源2 2 a的磁鐵組件的電聚源2 2 c，但係如同該電聚源2 2 b般 的位於外部。 上面僅對本發明之某些實施例做說明。然而，熟習該丨蒙 員技藝者應瞭解，在不背離本發明之原理的情況下’ f進 行各種不同的增加及修改。

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1245333 案號 92136151 圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 藉由以下附圖.的詳細描述，本發明之目的及優點將變 付顯而易見。 圖1顯示一橫剖面圖，說明在一基板支座上使用一電漿 磁性加強之習知技術之一晶圓處理室。 圖2顯示一橫剖面圖，說明根據使用一位於該基板支座 表面後方之磁鐵配置之本發明之一實施例，而在一基板支 座上使用一電漿磁性加強之一晶圓處理室。 圖3顯示一橫剖面圖，類似於圖2，說明根據使用一位 於該基板支座表面後方之磁鐵配置之本發明之另一實施 例’而在一基板支座上使用一電漿磁性加強之一晶圓處理 室。 圖4顯示一橫剖面圖，類似於圖2及圖3，說明根據使用 一相對於該基板支座表面及該腔室外側的磁鐵配置之本發 明之一實施例，而在一基板支座上使用一電漿磁性加強之 一晶圓處理室。 圖5顯示一橫剖面圖’類似於圖4，說明根據使用一相 對於該基板支座表面及該腔室外側之磁鐵配置之本發明的 另一實施例，而在一基板支座上使用一電漿磁性加強之一 晶圓處理室。 元件符號說明 10 電漿處理裝置 11 電漿處理室

第15頁 1245333 _案號92136151_年月日 修正 圖式簡單說明 12 室壁 13 基板支座表面 14 基板支座 15 半導體晶圓 16 磁場 17 擺線區域 20 電漿處理裝置 20a電漿處理裝置 20b 電漿處理裝置 20c 電漿處理裝置 21 真空處理室 22 電漿源 22a 電漿源 22b 電漿源 22c 電漿源 2 4 基板支座 25 半導體晶圓 26 射頻（RF)產生器 27 接地室壁 28 支座表面 30 磁鐵組件 3 0b磁鐵組件 31 高導磁性材質 3 1 a 高導磁性材質

第16頁 1245333 _案號 92136151_年月日_修正 圖式簡單說明 31b 南 導 磁 性 材 質 32 環 狀 邊 緣 部 33 磁 環 33a 磁 環 33b 磁 環 34 磁 環 35 磁 環 38 中 心 區 域 39 環 狀 周 圍 表 面區域 40 磁 場 40a 磁 場 40b 磁 場 41 磁 力 線 41a 磁 力 線 41b 磁 力 線 42 磁 力 線 42a 環 繞 線

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Claims (1)

1245333 __m 六、申請專利範圍 d ) · — ϊ 圍表面，具 環繞該中心 漿形成電子 一晶圓，如 於支撐在該 5 ·如申 永久磁鐵組 方，並產生 自磁極呈弧 6. 如申 永久磁鐵組 而隔開，並 場自該組件 7. 如申 永久磁鐵組 場，此合成 垂直於該中 8. 如申 永久磁鐵組 一高導 一外側 該等磁 92136151_ 年月曰_^正 ί狀永久磁鐵組件，鄰接於該晶圓支座之環狀周 有至少兩個磁極以在鄰接於該環狀周圍表面且 晶圓支持表面處形成一環形磁性通道，俾使電 受困於該通道内而遠離該中心晶圓支持表面之 此該通道内形成之電漿便由該通道而向^擴散 中心晶圓支持表面之一晶圓的表面上。 請專利範圍第4項之電漿處理設備，其中該環狀 件係設置於該晶圓支座之環狀周圍表面的後 一磁性通道，該磁性通道具有一磁場，此磁場 狀穿過該支座表面並跨越該表面上方。 請專利範圍第4項之電漿處理設備，其中該環狀 件係配置成面對於該晶圓支座之環狀周圍表面 產生磁性通道，該磁性通道具有一磁場，此磁 之磁極朝向並穿過該晶圓支座之表面而呈弧 請專利範圍第4項之電漿處理設備，其中該環狀 件之構成係在該晶圓支座表面上產生一合成磁 磁場包含與該環狀周圍表面大致平行，並大致 1晶圓支持表面之合成磁力線。 请專利範圍第4項之電漿處理設備，其中該環狀 件包含： 磁性材質片； 磁環及一内側磁環， 裏之每一個均具有南北兩個磁極，其相反的磁 I245333 曰

、申請專利範圍 ^^J2136151 °人^接於或非常接近於該高導磁性材質片。 石兹環且=:請專利範圍第8項之電漿處理設備，其中該外側 长"有一垂直於該晶圓支座表面之極軸。 側磁1产0且如^申請專利範圍第8項之電漿處理設備，其中該外 環具I二有一垂直於該晶圓支座表面之極軸，真該内侧磁 "N 垂直於该晶圓支座表面之極軸並相對於該外側磁 如申請專利範圍第8項之電漿處理設備，其中： 而11·該外側礤環具有一垂直於該晶圓支座表面之極軸， 、 >磁極面對該晶圓支座之該環狀周圍表面；及 b)· 4内側磁環具有一平行於該晶圓支座表面之極軸， 、:該外側磁裱之第一磁極在未朝向該中心晶圓支持表面 具有一與其相同極性的磁極。 1 2 ·如申明專利範圍第丨丨項之電漿處理設備，其中該環 狀永久磁鐵組件具有一中間磁環，其具有一平行於該晶圓 支座表面之極軸，並在該外側磁環之第一磁極在朝向該中 心晶圓支持表面時具有一與其相同極性的磁極。 1 3 ·如申請專利範圍第8項之電漿處理設備，其中·· a)·該外側磁環具有一垂直於該晶圓支座表面的極轴， 並具有一面向該晶圓支座之環狀周圍表面的第一磁極·以及 b )·該環狀永久磁鐵組件具有一中間磁環，其具有一平 行於該晶圓支座表面之極軸，並在該外侧磁環^ 、 曰间 一磁極 在面向該中心0曰圓支持表面時具有一相同極性的磁極。 14· 一種電漿源，其中包含： 案號 92136151 1245333

六、申請專利範圍 a) · 一日日®支座，具有一中心曰/si古. ^ 0 η ^ ^ 甲心日日®支持表面以及一環繞 於該中心曰曰61支持表面之環狀周圍表面； b) · 一射頻（RF)產生器，土拿拔於兮Β 運接於該晶圓支座；以及 C ). 一衣狀永久磁鐵組件，郝垃私兮S η丄 科，且彳千鄰接於該晶圓支座之環狀周 圍表面，並具有至少兩個環狀磁極，其中包含一第一極性 之-内側環狀㉟極以及另—極性之一外側環狀磁極，其構 成係產生一磁場，使其平行且位於該環狀周圍表面上並垂 直於該中心晶圓支持表面。 Μ鐵？杜如：：專利祀圍第1 4項之電漿源，其中該環狀永久 磁鐵組件形成一磁性通道，俾便將纺 >命蔣π > + v m 1平便财该射頻（RF)產生器激發 之電漿形成電子困住在該诵憎Φ而、*她 、/ 、隹忑通道中而遂離該中心晶圓支持表 面上的日日圓’以形成一雷％，辞蕾將+ ☆丄 & 取冤泵，該電漿在受支撐於該中心晶 W支持表面之一晶圓上從該通道向内擴散。 16.如申請專利範圍第14項之電漿 磁鐵組件包含： 八Y 4衣狀水久 一高導磁性材質片； 一外側磁環；以及 一内側磁環， 該等磁環的每一個的且右南普兩技 相接於$非^ &個勺八有南北兩極，其相反的磁極係 於或非㊉接近於該高導磁性材質片。 17·如申請專利範圍第16項之電聚源，其中該 具有—垂直於該晶圓支座表面之極軸。 展 18.如申請專利範圍第16項之電漿源，其中： -&).該外側磁環具有一垂直於該晶圓支座表面之極軸；

I麵 第21頁 921 1245333

六、申請專利範圍 且 1 : · f申請專利範圍第1 6項之電漿源，其中·· 而豆V 側㈣具有—垂直於該晶圓支座表面之極軸， \ ·Λ 對該晶圓支座之該環狀周圍表面；及 if ^ 1側磁環具有一平行於該晶圓支座表面之極軸， 時且有一盘i相ίI 未朝向該中心晶圓支持表面 ^ ^ ^ 興其相同極性的磁極。 ^ ^如申請專利範圍第1 9項之電漿源，其中該環狀永久 、、且具有中間磁環，其具有一平行於該晶圓支座表 面之極軸，並當該外側磁環之第一磁極在面向該中心晶圓 支持表面時具有一與其相同極性的磁極。 21 ·如申請專利範圍第丨6項之電漿源，其中·· a) ·該外側磁環具有一與該晶圓支座表面垂直之極轴， 以及一面對，晶圓支座之環狀周圍表面的第一磁極；以及 b )·该環狀永久磁鐵組件具有一中間磁環，其具有一平 行於遠晶圓支座表面之極軸，並當該外側磁環之第一磁極 在面向該中心晶圓支持表面時具有與其相同的極性。 22·如申請專利範圍第14項之電漿源，其中該環狀永久 磁鐵組件之構成係用以產生一磁場，使其在位於至少該環 狀周圍區域之一部份上大致成扁平狀。 23.如申請專利範圍第14項之電漿源，其中該環狀永久 磁鐵組件係設置於該晶圓支座之環狀周圍表面的後方，並

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案號 92136151 六、申請專利範圍 產生一磁性通道，該磁性通道且右 成托5 π业办、Η # 士 — * ”有具有一磁場’此磁場自 24·如申請專利範圍第1 4項之電漿源；11其方 磁鐵組件係配置成面對於该晶圓支座之環狀 一 開，並產生磁性通道，該磁性通道具有一礎^， 該組件之磁極朝向#贫過該晶圓支座之表面而呈=“

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