TWI358738B - Plasma reactor with reduced electrical skew using - Google Patents

Description

1358738 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭露有關於電漿反應器’更明確地，係有關於處理 例如半導體晶圓之工件的電漿反應器。 【先前技術】 電榮·反應器係用於在不同電漿處理中處理例如半導體 晶圓之工件，電漿處理讀如電漿钱刻處理、電漿沉積處理 與電漿浸没式離子植入法。減少半導體元件特徵尺寸需要 改良電漿反應器與處理以減少電漿處理結果中的不一致 性。例如，已經成功地將電漿蝕刻處理中整個晶圓上之蚀 刻速度的徑向分佈減少至低於約5%。隨著元件特徵尺寸持 續縮小成45 nm並接著至32 nm ’需要進一步改善電漿的 均勻性。 【發明内容】 本發明實施例有關於以提高的電漿均勻性處理半導體 工件（例如，晶圓）之設備與方法。一態樣中，提供處理工 件之電漿反應器。反應器包括真空腔室，其具有圓柱形側 壁、頂部與底部。腔室中之工件支撐底座在底座與側壁之 間界定泵送環形區’而工件支撐底座具有鄰近底部之接地 表面。RF功率應用器將RF功率耦接至界定於頂部與底座 間之處理區。真空泵透過穿越底部之泵送淬耦接至腔室》 反應器更包括介於底座之接地表面與底部間之介電元件。 6 反應器亦包括泵送環形區中之環狀導電格架（grill)，其以 一格架-至-底部間隙配置於底部上方。格架提供由側壁至 底座之接地表面的均勻電流路徑。格架通常係對稱於腔室 之對稱軸。 一實施例中，反應器更包括狭缝間開口 ，其穿過圓柱 形側壁之周、圍部分，狹縫闊係袖向局限於圓柱形側壁之環 狀部分中。至少一第一介電環係配置於圓柱形側壁中並鄰 近側壁之環狀部分的轴向邊界（axial boundary)β導電帶陣 列提供繞過圓柱形侧壁之環狀部分的軸向電流路徑。各個 導電帶具有一對末端，一端係電連接至高於環狀部分之側 壁而另一端係電連接至低於環狀部分之側壁。—實施例 中，帶係經繞置（routed)以避免妨礙進出狹縫閥開口。 一實施例十’第二介電環係配置於圓柱形側壁中，第 一介電環係鄰近側壁之環狀部分的軸向上邊界而第二介電 環係鄰近側壁之環狀部分的軸向下邊界。又一實施例中， 帶係以一致的間距週期性間隔圍繞側壁之周圍，且帶係經 配置以提供RF電流一致的電感，鄰近狭縫閥之帶係長到 足夠允許其圍繞狹缝閥之周圍而繞置，而剩餘帶之長度係 較短的。 【實施方式】 吾人已發現電漿反應器内電場中之方位偏斜 (azimuthal skew)可能為減少電漿處理不—致性低於3%的 限制因素。上述之方位偏斜起因於電漿反應器本身不對稱 1358738 的特徵結構這些不對稱的特徵結構會在通過腔室壁與底 部之RF接地回流電流中產生不一致性。上述之不一致性 會反射在晶圓表面的電場分佈，這造成處理的不一致性。 例如，某一反應器腔室中，腔室在其泵送環形區之底部遷 過泵送埠而排空，泵送埠通常為泵送環形區之底部中的環 形開口。另一實例為某一反應器腔室中設有晶圓狹缝閥， 且圓柱形腔室側壁中之晶圓狹缝閥延伸圍繞約四分之一的 圓柱形側壁周圍。這些特徵結.構可造成腔室之導電底部與 壁的中斷，迫使RF接地回流電流以不一致方式分佈，而 引起晶圓表面之電場中的方位偏斜。這些偏斜相當於晶圓 上電漿處理結果中1 %至2%的不一致性。 本發明實施例有關於提供電流流動路徑，以致於—實 施例t，藉由提供旁通電流路徑而使RF接地回流電流偏 離反應器腔室的不對稱特徵結構。一旁通電流流動路徑避 開腔室底部中之泵送埠’且包括由側壁延伸至接地底座基 部之導電對稱格架。另一旁通電流流動路徑避開晶圓狹縫 閥’且包括橋接狭縫閥所佔據之側壁部分的導電帶陣列。 參照第1圖’電漿反應器包括圓柱形側壁1〇2、頂部 104與底部ι〇6封圍之腔室1〇〇。晶圓支撐底座ι〇8延伸穿 過底部並可藉由舉升機構11〇沿著垂直軸移動。上頭的Rf 功率應用器將RF功率耦接至腔室1〇〇之内容積。第1圖 之實例t ，上頭的RF功率應用器係頂部1〇4中之電極 112。電極ι12藉由介電環113而與頂部1〇4電性絕緣。另 一實施例中’上頭的rF功率應用器係覆蓋頂部或圍繞側 8 壁102放置之 有包圍陰極電 地之下導電基 將RF電漿功 為同轴調諧短 為同轴的，包 126(與内導體 電極1 ί2»及 導體係連接至 造124與126 縫閥1 2 8係形 之俯視圖所示 功率由RF產i 1 1 6° 腔室 1〇〇 1 6 2而排空。 與側壁1 0 2之 一實施例 電圓柱形中空 I 3 2 '冷卻劑f 放射光譜感應 線路138。第 括複數個氣餿 體分配喷頭。 II 2b。頂上電 線圈天線（未顯示）。晶圓支撐底座108可具 極Π6之上介電部分114以及連接至RF接 部118。RF產生器119透過RF阻抗匹配120 亭應用至頂上電極112。RF阻抗匹配120可 柱（未顯示）。頂上電極112之RF供給構造可 括中空環狀中心導體124與中空環狀外導體 124同軸）。中空中心導體124係連接至頂上 阻抗匹配120..之RF熱輸出（hot output)。外 RF接地以及頂部之接地部分。同軸供給構 可整合於同軸調諧短枉。促進晶圓進出之狹 成為穿過側壁1 〇 2之淺開口 ，開口如第2圖 心延伸圍繞約四分之一的側壁1〇2周圍eRF 匕器4〇透過RF阻抗匹配42耦接至陰極電極 糸藉由真空泵160透過腔室底部中之泵送埠 汞送環形區163係界定於晶圓支撐底座1〇8 間。

, $ I U頂上電極112之所有設備線路係由導 130所包圍’線路包括有冷卻劑入口線路

j 口 XfjU 路134、耦接至感應器137 (例如，光 尤感應器線路136以及處理氣體供應 圖所述之實施例中，頂上電極1 1 2亦為包 入孔11 2a與内部處理氣體歧管112b之氣 氣體相 ’、應線路138係耦接至内部氣體歧管 極 1 1 2 可具有内部冷卻劑罩（未顯示），其中 1358738 之 罐 體 部 來 而 面 支 大 > 泵 圓 為 在 述 結 的 可 的 部 間 之 冷卻劑由入口 132循環並返回至出口 134。第1圖所述 實施例中’所有設備線路132、134、136、138不僅位於 130内部且亦位於中心同軸導體124内。 電榮處理過程中’頂上電極/喷頭112注入之處理氣 係藉由耦接至腔室1〇〇中之RF功率而離子化，以在頂 電極112與晶圓支撐件1〇8間之處理區域中形成電漿。 自電漿的RF電流係由電漿流至側壁1 〇2與頂電極u 2 回至地面。電流流動至側壁丨〇2並接著沿著側壁1 〇2表 向下至底部1 06周圍，並沿著底部1 〇6徑向向内至晶圓 撐底座108之接地基部118。雖然第1與2圖之反應器 致為對稱的並因此促進圍繞晶圓支撐底座1〇8之均勻的 對稱的處理條件，但某些特徵結構（諸如，狹缝闊128與 送埠1 62)在沿著側壁丨〇2以及徑向路徑（底部邊緣至晶 支標底座之接地基部）之軸向向下之RF電流回流路徑中 中斷的。這會造成電場分佈不一致，上述之不一致不僅 腔室底部而且在底座上支撐之晶圓表面處影響電場。上 之不一致會在電漿處理結果中引出2%的不一致性，處理 果例如整個晶圓表面之蝕刻速度分佈。 —實施例中’完全對稱（且無不對稱的中斷）之提高 導電格架200 βχ置於栗送環形區163中。導電格架2〇〇 藉由提出沒有不對稱之替代電流路徑而排除泵送埠162 中斷（為RF接地回流電流路徑中方位偏斜之來源卜以底 -格架之間隙2〇1將導電格架2〇〇支撐於底部1〇6上，該 隙長到足以讓氣流通過格架2 〇 〇平順地流至間隙2 〇 1中 10 :达埠162。間隙2〇1亦長到足以避免rf產生器⑴之頻 F產生器4G之頻率下格架20 0與底部⑽間之可觀 的電容性耦接。 •電格架200提供由導電側帛1〇2 i晶圓支撐底座 ^之接地基冑118的電路徑。如第2圖所示，格架2〇〇 、句勻且對稱分散圖案之導電輪輻”〇與環狀導體 ’並因此提供由側壁.102至接地底座基部ιι8之接地回 流路徑’其不具任何方位偏 施例中，4 了確保所有接性^對稱…實 ' 回流電流流過導電格架200， 藉由介電環220 f第1 ϋΜϋΐ：播森 (第1圖）將導電腔室底部106與底座基部 118電性絕緣。環咖的徑向厚度足以避免RF產生器119 之頻率與RF產生器4〇之頻率下的電容性耦接。格架2⑽ 之輪輻210與導體215的格架圖案留下足夠的開放空間以 使腔室100至果160之氣流阻力達到最小。明確地說，輪 輻210與環狀導體215佔有的水平面積與格架佔有的總面 積之比例小到足以使通過格架2〇〇之氣流阻力達到最小。 另——方面，此比例大（格架之間距足夠小）到足以避免rf 接地回流電流中之格架圖案本身顯露於晶圓表面（工件支 撐底座108之頂表面）之電場中。為此目的，輪輻21〇間之 間距遠小於晶圓支撐底座108之頂表面與格架200間之轴 向距離。明確地說，例如輪輻21〇間之最大間距與底座1〇8 之頂部與格架200間之間距的比例係約3或更多。 另一實施例（如第3圖所示）中，在側壁丨02中提供高 於與低於狹縫閥128之上與下絕緣環240、245。一實施例 1358738 中’如第4圖所述般藉由複數個橫跨絕緣部分i〇2 a軸向連 接之導電帶230提供繞過電性絕緣之側壁部分i〇2a的電流 路徑。絕緣環240、245可排除狹缝閥128所引起之中斷（為 接地回流路徑電流分佈中之方位偏斜來源）。導電帶230 所提供之接地回流路徑繞過狹缝閥所佔據之側壁1〇2部 为。此旁通電流路徑係對稱分散地圍繞腔室。如第3圖所 不，藉由分別高於與低於狹缝閥1 28之側壁部分1 〇2έ的上 絕緣環240與下絕緣環245防止RF接地回流電流流入狹 缝閥128所佔據之側壁102的部分i〇2ae若不存在兩個介 電環240、245則至少有一個。一實施例中，如第4圖所示 般，複數個導電帶230以一致的間距圍繞側壁1〇2配置， 且具有一致的長度、寬度與厚度。如第5圖所示，帶23〇 足夠長以致這些與狹縫閥128重疊之帶23〇a、23〇b、23〇c、 2 3 0d在環繞狹縫閥！28之正面的路徑中繞置以便不干擾晶 圓進出。替代實施例中，帶之長度更接近地相對於其橫跨 之絕緣側壁部> 1〇2a的軸向長度，除了必須圍繞狹縫閥 128行進的帶230a_230d(其相對更長之長度）之外。一實施 例中，為了避免上述之帶長度差異所造成的不一致電流分 佈，提供所有的帶一致（或大約一致）的電感。此實例中， 較長之帶23〇a-230d與剩餘（較短）之帶的寬度與厚度不 同，寬度與厚度中的差異可經選擇以提供兩種長度之帶相 同的電感。這可藉由強迫下列方程式對兩種不同長度產生 相同的電感而達成： 12 1358738 方程式（1): Z = 00002H〇ge / 2 112 其中L係電感（Jt/H)、i係帶的長度（cm)、B係帶的寬 度（cm)而C係帶的厚度（cm)。 相鄰帶2 3 0間之間距d引起接地回流電流路徑分佈中 之中斷。一實施例中’為了避免帶之間距圖案施加類.似圖 案於晶圓支撐底座108之頂部處的電場中，帶-帶間距遠小 .於狹缝閥128頂部至晶圓底座1〇8頂部之距離約例如3 倍。相鄰帶230間之間距係由帶230之寬度以及週期間隔 之帶的數目所決定。帶的數目至少4個且可能高到1〇個或 更多》舉例而言，帶的寬度可約為圓柱形側壁1〇2之周圍 的十分之一。 一實施例中，可在側壁102上提供絕緣件4〇〇 (第3 圖）。本實施例中，絕緣件圍繞狹縫閱128。絕緣件4〇〇可 為結合至圓柱形側壁表面之介電好姐 「黾材枓。一實施例中，絕缘 件400避免當狹缝閥128接合外卹B間播 妖0外部晶圓傳送室（未顯示）之 埠時，橫跨狹缝閥所佔據之側壁部 那分102a可能發生之短 路》 一實施例中，如第3圖所示 吓丁般，k向的導電格架200 與周期性間隔的導電帶23〇陣 一 Μ~起包括於相同的反應器 中》此組合減少或排除工件電 之方位偏斜，而方位偏 斜起因於泵送埠！ 62與狹縫間 徑中斷。工件電場中其他的偏斜 —1… 8的RF接地回流電流路 或不一致性（起因於提供給 頂上電極112之設施)可藉由包含所有上述…供應線 13 丄獨738 路於圓柱形導體罐130中而避免。 • 另一實施例中，如第ό圖所示，導電腔室側 上部係由介電性側壁部分1〇2，所替代。如第6 般，整個頂部104係由介電性頂部丨〇4,所替代。 壁部分102’由頂部1〇4’向下延伸至高於電漿傾 的深度。此特徵可避免RF接地回流電流流過側， 底部106。因此’狹缝閥128與泵送埠162的中 φ 響電場。第6圖之實施例中，藉由導電環形擋板 地至工件支撐底座之外導電襯墊265)提供來自電 接地回流電流不同的路徑。擋板26〇係位於其可 … 顆層且可傳導來自電漿之RF接地回流電流的高 265本身係接地至底座基部118。擋板26〇與側壁 徑向間隙270允許氣流由高於底座之處理區進入 區163。由於電性側壁部分1〇2，阻播腔室之頂 部分間之電流流動，外同軸導體丨2 6必須接地至 部’即底座基部118。這可藉由連接外同軸導體 φ 地基部118間之同軸電纜的内導體164而達成。 更經濟的方式係保留第丨圖的整個導電側壁 提供第6圖之擋板26 0。此組合之一實施方式係描 與8圖中，其中擋板260橫跨至少幾乎整個底座 壁102間之距離。舉例而言，第7圖之擋板26〇 穿透的，且可形成氣體可穿透的格架。或者，可 穿過擋板260之轴向孔的陣列來實施擋板260的 透特徵。擋板260的氣體可穿透特徵允許氣流由 壁102之 圖中所示 介電性側 向被限制 壁102與 斷不會影 260(其接 :漿之RF 接觸電漿 度。襯塾 102間之 泵送環形 部與底部 腔室之底 126與接 102但亦 述於第7 1 0 8與側 係氣體可 藉由形成 氣體可穿 處理區域 14 1358738

至泵送環形區16 3。替代實施方式中，底部i〇6可藉由絕 緣環220而與底座基板118電性絕緣，環220係第7圖實 施例中選擇性的特徵。這可避免RF接地回流電流由底部 1 0 6流至底座1 〇 8之接地基部118。根據一實施例，導電側 壁傳導來自電聚之接地回流電流至擋板260。為此目的， 檔板260係電性耦接至側壁。一實施例中，這不需擋板260 與側壁1 02間之機械接觸便可完成，係藉由導電側壁1 〇2 至擋板260的低阻抗電容式耦接路徑。此特徵允許工件支 撐底座108上下移動而不具有金屬-金屬上之摩擦以避免 污染。第7圖實施例中實施之側壁1 02至擋板260的電容 性耦接係透過導電轴向凸緣2 80(支撐於擋板260周園邊緣 上）與導電軸向凸緣285(支撐於側壁102之内表面上的導 電格架部287上）。軸向凸緣280、285彼此面對橫跨足夠 小的間隙290，以提供RF產生器119或RF產生器40任 一頻率下的非常低阻抗的電容性耦接。因此，RF接地回流

電流由腔室100内之電漿流至側壁102，並由此處流至擋 板260，並從擋板流至接地底座基部11 8。環狀絕緣體220 避免RF接地回流電流由側壁1 02流至接地底座基部11 8。 此方式中，RF接地回流電流分佈不會流過狹缝閥128且不 會流過泵送埠162,以致於不受到泵送埠163與狹縫閥128 存在的影響。 擋板260係透過高於狹縫閥128位置處緊密間隔之凸 緣280、285而耦接至側壁1〇2。一實施例中，狭缝閥128 係位於側壁1 02中低於擋板260高度的部分。由電漿至側 15 1358738

壁102之RF接地回流電流沿著側壁102 拖向（轉移）至擋板260(橫跨凸緣-凸緣間R 致上不會流過低於擋板260高度下的側壁 中，RF接地回流電流不會流過包含狹缝閥 的較低環狀部分。因此，橫跨擋板260至 2 90的耦接可避免RF接地回流電流到達独 施例避免或減少狭缝閥128在RF接地回 生方位偏斜的傾向。 可如第9圖所示般在狹縫閥128上安 進一步抑制在RF接地中產生方位偏斜之少 存在避免沿著側壁102向下流動之RF接 狹缝閥128所引起之中斷。介電環300避 響RF接地回流電流分佈。避免狹缝閥中 可避免其影響工件處的電場並避免電漿處 一致。 雖然上述有關於本發明之實施例，但 本範圍下發明本發明其他與更多的實施例 由下方之申請專利範圍所確定。 【圖式簡單說明】 爲了得到本發明上述實施例並更詳細 其之實施例（描述於附圖中）而得到本發 (簡短總結於上）。然而值得注意附圖僅描 實施例因此並不視為其範圍之限制，因為 向下流動，但被 ί 290)並因此大 1 0 2。一實施例 128之側壁102 側壁1 02之間隙 缝閥128。本實 流電流分佈t產 裝介電環3 00而 _向。介電環300 地回流電流到達 免上述之中斷影 斷影響電流分佈 理中之偏斜或不 可在不悖離其基 ，且其之範圍係 地了解，可參照 更特定的描述 本發明之典型 本發明允許其他 16 1358738 等效的實施例。 第1圖描述提高的導電格架配置於電漿反應器腔室底 部上的實施例。 第2圖係相對於第1圖之俯視圖。 第3圖描述複數個導電帶提供圍繞電聚反應器之狭缝 閥的旁通電流路徑之實施例。 第4圖係相對於第3圖之俯視圖，而第5圖係一相對 側視圖》

第6圖描述根據本發明另一實施例之電漿反應器，其 具有介電腔室主體以及圍繞底座之接地導電凸緣。 第7圖描述根據又一實施例之電漿反應器，其具有導 電腔室主體以及底座上並電耦接至側壁之接地導電凸緣。 第8圖係相對於第7圖之俯視圖。 第9圖描述第7圖實施例之改良，其中於側壁中提供 介電環。

爲了助於理解，盡可能利用相同的元件符號來標示圖 示中相同的元件。附圖中之圖示均為示意性而非按比例繪 製。 【主要元件符號說明】 40、119 RF產生器 100 腔室 102a 絕緣部分 104 頂部 42 ' 120 RF阻抗匹配 102 側壁 102’ 介電性側壁部分 104’ 介電性頂部 17 1358738

106 底部 110 舉升機構 112a 注入孔 113、 220 ' 300 介電環 116 陰極電極 124 中心導體 128 狹缝閥 132 冷卻劑入口線路 136 光感應器線路 138 處理氣體線路 162 泵送埠 164 内導體 201 底部-格架之間隙 215 環狀導體 23 0、 230a、 230b、 230c 240 上絕緣環 260 環形擋板 270 徑向間隙 287 導電格架部 400 絕緣件 108 底座 112 頂部電極 112b 氣體歧管 114 上介電部分 118 底座導電基部 126 外導體 130 中空罐 134 冷卻劑出口線舆 137 光感應器 160 真空泵 163 泵送環形區 200 導電格架 210 導電輪輻 230d 導電帶 245 下絕緣環 265 導電襯墊 280 、28 5 軸向凸緣 290 間隙 18

Claims (1)

1358738 第Μ㈣叫號專利案|邡年?月修正/〇晬？月Μ日修正本 十、申請專利範圍： 1. 一種電漿反應器，其至少包括： 一真空腔室，具有一圓柱形側壁、一頂部與一底部； 一工件支撐底座，該工件支撐底座位於該腔室中且 在該底座與該側壁之間界定一泵送環形區，該工件支撐底 座包括一鄰近該底部之接地表面； 一 RF功率應用器，以及一界定於該頂部與該底座間 之處理區； 一泵送埠，穿過該底部； 一介電元件，介於該底座之接地表面與該底部之間； 一環狀導電格架（grill)，位於該泵送環形區中，以一 格架-至-底部間隙配置於該底部上方，並提供一由該側壁 至該底座之接地表面的電流路徑，該格架係大致對稱於該 腔室之一對稱軸； 一狹缝閥開口 ，穿過該圓柱形側壁之一周圍部分， 該狹缝閥開口係軸向局限於該圓柱形側壁之一環狀部 分中； 該圓柱形側壁中之至少一第一介電環，鄰近該側壁 之環狀部分的一轴向邊界；及 一導電帶陣列，提供繞過該圓柱形側壁之環狀部分 的軸向電流路徑，各個該導電帶具有一對末端，一端係 電連接至該環狀部分上方之側壁而另一端係電連接至 該環狀部分下方之側壁，該帶係經繞置（routed)以避免 19 1358738 妨礙進出該狹缝閥開口。 2. 如申請專利範圍第1項所述之反應器，其中該底 延伸穿過該底部中之一中心開口，該底座之接地表面包 該底座的一外圓柱形表面，其面對該底部由該中心開口 界定之一邊緣。 3. 如申請專利範圍第1項所述之反應器，更包括： 一第二介電環，位於該圓柱形側壁中，該第一介 環係鄰近該側壁之環狀部分的一軸向上邊界，而該第二 電環係鄰近該側壁之環狀部分的一轴向下邊界。 4. 如申請專利範圍第1項所述之反應器，其中該些 係以一致的間距週期性地間隔圍繞該側壁之周圍。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之反應器，其中： 該些帶係經配置以提供RF電流一致的電感；及 鄰近該狹縫閥之帶係長到足以允許其圍繞該狹縫 之一周圍而繞置，而剩餘帶之長度係較短的。 6.如申請專利範圍第1項所述之反應器，其中該些 係沿著該側壁之周圍彼此間隔一方位距離，該方位距離 小於該底座之一晶圓支撐表面與該複數個帶間之一軸向 座 括 所 電 介 帶 閥 帶 係 距 20 1358738 -. ► 離。 7.如申請專利範圍第6項所述之反應器，其甲該方位 距離係小於該軸向距離至少三倍。 21