TWI386996B - 具有可調整電極區域比例之局限電漿 - Google Patents

Description

具有可調整電極區域比例之局限電漿

本發明係關於半導體製造。更特定言之，本發明係關於一種電漿蝕刻裝置。

典型的電漿蝕刻裝置包含一反應器，該反應器中存在一腔室，反應性氣體流經該腔室。在腔室內，通常藉由射頻能量將該等氣體離子化為電漿。在將一半導體晶圓製成積體電路(IC)期間，電漿之高反應性離子能夠與材料(諸如，互連件之間的介電質或該半導體晶圓之一表面上的一聚合物遮罩)反應。在蝕刻前，將晶圓置放於腔室內且藉由一使晶圓之一頂部表面曝露於電漿中之夾盤或固持器將晶圓固持於適當位置。

在半導體加工中，每一製程中的晶圓上之蝕刻率或沉積率一致性直接影響產品良率。此已成為一處理反應器的主要品質要求之一且因此被視為反應器之設計及開發期間的一非常重要的參數。隨著晶圓直徑之大小的每一增加，確保積體電路之每一批之一致性的問題變得更加困難。舉例而言，隨著晶圓大小及每一晶圓之較小電路大小自200 mm增加至300 mm，邊緣排除區域縮小至(例如)2 mm。因此，至距離晶圓邊緣2 mm為止始終保持一致的蝕刻率、輪廓及臨界尺寸已變得非常重要。

在一電漿蝕刻反應器中，蝕刻參數(蝕刻率、輪廓、CD等)的一致性受到若干參數影響。保持一致的電漿放電及因此晶圓上方的電漿化學對於改良一致性已變得至關重要。已設想出許多嘗試以藉由經由控制注入一噴頭之氣流、修改該噴頭之設計及在晶圓周圍置放邊緣環來改良晶圓的一致性。

在具有不同大小電極之電容耦合式蝕刻反應器中之一問題為缺乏一致的RF耦合，尤其在晶圓之邊緣周圍。圖1說明一習知的電容耦合式電漿處理腔室100，其代表通常用以蝕刻一基板之類型的例示性電漿處理腔室。現參看圖1，一代表工件固持器的夾盤102係於蝕刻期間定位，一基板(諸如晶圓104)位於夾盤102上。夾盤102可由任何適合的夾持技術(例如，靜電、機械、箝位、真空或類似者)實施。在蝕刻期間，夾盤102通常由一雙頻源106在蝕刻期間同時供應雙RF頻率(低頻及高頻)，例如2 MHz及27 MHz。

一上部電極108定位於晶圓104上方。上部電極108被接地。圖1說明一蝕刻反應器，其中上部電極108之表面面積大於夾盤102及晶圓104之表面面積。在蝕刻期間，電漿110係由經由一氣體管線112供應且經由一排氣管線114泵出之蝕刻劑源氣體形成。

當將RF功率自RF電源106供應給夾盤102時，在晶圓104上方產生等勢場線。該等等勢場線為穿過晶圓104與電漿110之間的電漿鞘的電場線。

在電漿處理期間，正離子加速穿過該等等勢場線以撞擊晶圓104之表面，藉此提供所需的蝕刻效果，諸如改良的蝕刻方向性。歸因於上部電極108及夾盤102的幾何形狀，晶圓表面上的該等場線可能不一致且可在晶圓104之邊緣處顯著變化。因此，通常提供一聚焦環118以改良整個晶圓表面上的處理均勻性。

一導電屏蔽體(shield)120大體上環繞聚焦環118。導電屏蔽體120經組態以在該電漿處理腔室內接地。屏蔽體120防止聚焦環118外部存在不需要的等勢場線。

限制環116可置放在上部電極108與一底部電極(諸如圖2中之夾盤102)之間。大體而言，限制環116幫助將蝕刻電漿110限制於晶圓104上方的區域中以改良處理控制及確保可重複性。限制環116以與晶圓104相距一預定徑向距離定位，從而為進一步的電漿膨脹提供一實體障壁。然而，因為不能限制環116之直徑不能改變，所以對所有製程而言，電漿110之直徑及因此之橫截面幾乎為一固定量。因此，主動電極面積比(其界定為接地電極之表面面積除以RF電極之表面面積)對一具有靜態定位之限制環的電漿反應器而言係固定的。

因此，需要一種用於以可調整電極面積比限制電漿的方法及裝置。本發明之一主要目的係解決此等要求且提供進一步相關優勢。

一電漿反應器包含一腔室、一底部電極、一頂部電極、一第一限制環組、一第二限制環組及一接地延伸。該頂部電極及該底部電極、該第一限制環組及該第二限制環組及該接地延伸均封閉於腔室內。該第一限制環組大體上平行於該底部電極及該頂部電極且圍繞該底部電極與該頂部電極之間的一第一體積。該第二限制環組大體上平行於該底部電極及該頂部電極且圍繞該底部電極與該頂部電極之間的一第二體積。該第二體積至少大於該第一體積。一接地延伸鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極。該第一限制環組及該第二限制環組能夠升高及降低以延伸至該接地延伸上方的一區域中。

本發明之實施例在本文中描述具有可調整電極面積比之侷限電漿。普通熟習此項技術者將認識到，本發明之以下詳細說明僅為說明性的且不意欲以任何方式限制。擁有本揭示案之益處的此等熟習此項技術者將容易地想到本發明之其他實施例。現將詳細參考附圖中說明之本發明的實施例。在該等圖及以下詳細說明中將使用相同的參考指示符指示相同或類似部件。

為清楚起見，未展示及描述本文中描述之實施例的所有常規特徵。然而，應瞭解：在任何此種實際實施例之開發中，為達成開發者的具體目標(諸如符合與應用及商業化相關的約束)，必須進行許多的實施例具體決策，且此等具體目標將自一實施例變至另一實施例且自一開發者變至另一開發者。此外，應瞭解，此開發工作可能係複雜且耗時的，但對於擁有本揭示案之益處的普通熟習此項技術者而言，此仍為一常規的工程任務。

由於蝕刻製程中應用的較高RF功率及較高氣體流動速率，所以產生用於300 mm應用的侷限電漿很困難。熟習此項技術者應瞭解，本文描述之裝置及方法不限於300 mm應用。該裝置及方法可經調適以用於需要限制一使用高RF功率位準之高氣體流動環境中的電漿之應用。在本發明中，高氣體流動速率係指約2000 sccm的流動速率，且高RF功率位準係指每立方公分電漿體積約2W的功率位準。

圖2A、2B、2C及2D說明一具有可調整電極面積比之電漿反應器200之一實施例，電漿反應器200包含一腔室202、一底部RF電極204、一頂部接地電極206、一第一(內部)限制環組208、一第二(外部)限制環組210及一用於自電漿邊界排出電荷的接地延伸212。

電漿反應器200經組態以容納一藉由電漿反應器200轉換成一電漿214的氣體(未圖示)。舉例而言且無限制地，泵入腔室202中之相對高的氣體流動速率為1500 sccm。亦可應用小於1500 sccm以及大於1500 sccm的氣體流動速率。

底部RF電極204經組態以容納一工件216且具有一經調適以接收工件216之相關聯的底部電極.區域。底部RF電極204耦接至至少一電源供應器218。電源供應器218經組態以產生傳送至底部電極204的RF功率。

頂部接地電極206係安置在距底部RF電極204一距離之上方處。頂部接地電極206與接地延伸212一起組態以提供一完整電路給自底部RF電極204傳送的RF功率。另外，頂部接地電極206與接地延伸212一起具有一可分別基於內部限制環208及外部限制環210之位置而在大小上改變的接地電極區域。在一位置中，該接地電極區域大於該RF電極區域。在另一位置中，該接地電極區域大體上等於該RF電極區域。

為在腔室202內產生電漿214，使用電源供應器218且在底部RF電極204與頂部接地電極206之間傳送RF功率。接著氣體被轉換成用於處理工件216或一半導體基板的電漿214。舉例而言且無限制地，可應用每立方公分電漿體積2W的RF功率位準。亦可應用小於每立方公分電漿體積2W的RF功率位準。

內部限制環組及外部限制環組(分別為208及210)係接近該頂部電極區域及該底部電極區域安置。內部限制環組及外部限制環組(分別為208及210)經組態以幫助將電漿214大體上侷限在一由任一限制環組(208或210)界定的體積內。頂部電極206包括一第一凹口224及一第二凹口226，並且第一凹口224具有大於第二凹口226的徑向距離。第一凹口224及第二凹口226分別遮蔽第一限制環組208及第二限制環組210。利用頂部接地電極206與底部RF電極204之間傳送的RF功率產生電漿214。

接地延伸212鄰近於底部RF電極204且藉由一第一介電環220及一第二介電環222與底部RF電極204分離。第一介電環220經組態以容納底部RF電極204及接地延伸212。第二介電環222使底部RF電極204與接地延伸212分離。第二介電環222位於與接地延伸212及工件216相同的平面內。接地延伸212自電漿邊界排出RF電流且包括一RF接地表面。舉例而言，接地延伸212可由一導電材料(諸如鋁)製成。第一介電環220及第二介電環222皆可由石英製成。

出於說明性目的，圖2A及2B中描述之電漿反應器200使用電容耦合以在處理腔室202內產生電漿214。熟習此項技術者應瞭解，本裝置及方法可經調適以與電感耦合電漿一起使用。

另外，且僅出於說明性目的，一雙頻電源供應器218可用以產生施加至一氣體以產生電漿214之高電位。更特定言之，所說明之電源供應器218為一工作於2 MHz及27 MHz下的雙電源頻率電源供應器，該電源包括於由Lam Research製造的蝕刻系統中。熟習此項技術者應瞭解，亦可使用能夠在處理腔室202中產生電漿的其他電源供應器。熟習此項技術者應瞭解，本發明不限於2 MHz及27 MHz之RF頻率，而可應用於一廣泛的頻率範圍。本發明亦不限於雙頻電源供應器，而是亦可以一廣泛的頻率範圍應用於具有三或三個以上RF電源的系統。

第一(內部)限制環組208大體上平行於底部RF電極204及頂部接地電極206，且在第一(內部)限制環組208降低及第二(外部)限制環組210升高時圍繞底部RF電極204與頂部接地電極206之間的一第一體積(封閉電漿214)。凹口224在第一限制環組208升高時遮蔽第一限制環組208。

第二(外部)限制環組210大體上平行於底部RF電極204及頂部接地電極206，且在第二(外部)限制環組210降低及第一(內部)限制環組208升高時圍繞底部RF電極204與頂部接地電極206之間的一第二體積。凹口226在第二限制環組210升高時遮蔽第二限制環組210。

在第二組210降低時界定的該第二體積至少大於在第一組208降低時界定的該第一體積。圖2B中之電漿214的體積大於圖2A中之電漿214的體積。第二(外部)限制環210之直徑至少大於第一(內部)限制環組208之直徑。每一限制環組亦可包括個別環之懸浮的可收縮堆疊。每一個別環之間的間隙係可調整的。出於說明之目的，圖2A及圖2B說明具有四個平行環的每一限制環組。舉例而言，限制環組208及210兩者皆可由石英製成。

每一限制環組208及210能夠升高及降低以延伸至接地延伸212上方的一區域中。如圖2A中所說明的，在第二限制環組210升高時，第一限制環組208可降低。如圖2B中所說明的，在第二限制環組210降低時，第一限制環組208可升高。如圖2C中所說明的，第一限制環組208及第二限制環組210兩者皆可降低。如圖2D中所說明的，第一限制環組208及第二限制環組210兩者皆可升高。普通熟習此項技術者將瞭解，存在降低及升高限制環組的許多方法。舉例而言，一機械或電動旋鈕可用以升高或降低該等限制環而無需打開且進入腔室202的內部。

在圖2A中說明的配置中，電漿214被侷限在一與工件216之橫截面相當的橫截面。接地頂部電極區域約等於RF底部電極區域，從而導致一電極面積比接近1。因此，工件216處的偏壓及離子能量非常低。圖2A所示之限制環208及210的配置對於損壞敏感性製程(諸如條帶或障壁斷開)特別有用。

在圖2B中說明的配置中，電漿214可向外膨脹更遠。圖2B所示之接地的頂部接地電極206之有效表面面積大體上大於圖2A所示之頂部接地電極206之有效表面面積。另外，接地延伸212現與電漿214接觸，從而進一步有效地增加電極區域。頂部接地電極206與底部RF電極204之間的電極面積比已自圖2A增加至圖2B。此增加的面積比導致底部RF電極204上的偏壓增大，及頂部接地電極206及外部限制環210上的偏壓減小。圖2B所示之限制環208及210的配置對於需要高離子能量以用於蝕刻的Via或高縱橫比接觸(HARC)特別有用。

在圖2C中說明的配置中，由於兩個限制環208及210被降低以為電漿214提供一雙層障壁，所以電漿214被侷限在一與工件216之橫截面相當的橫截面。接地的頂部電極區域約等於底部RF電極區域，從而導致一電極面積比接近1。因此，工件216處的偏壓及離子能量非常低。圖2C所示之限制環208及210的配置亦對於損壞敏感性製程(諸如條帶或障壁斷開)特別有用。

在圖2D中說明的配置中，由於兩個限制環208及210被升高，所以電漿214可膨脹超過內部限制環208及外部限制環210。圖2D所示之頂部接地電極206的有效表面面積大體上大於圖2A、2B及2C所示之頂部接地電極206的有效表面面積。另外，接地延伸212現與電漿214接觸，從而進一步有效地增加電極區域。頂部接地電極206與底部RF電極204之間的電極面積比已自圖2A、2B、2C增加至圖2D。此增加的面積比導致底部RF電極204上的偏壓增大，及頂部接地電極206上的偏壓減小。圖2D所示之內部限制環208及外部限制環210的配置對於需要高離子能量以用於蝕刻的Via或高縱橫比接觸(HARC)亦特別有用。

普通熟習此項技術者將瞭解，圖2A、2B、2C及2D所示之以上配置不意欲限制，且在不偏離本文中揭示之發明性概念的情況下，可使用其他配置。舉例而言，可定位至少兩或兩個以上的限制環組以進一步控制電極面積比。

圖3說明一種使用圖2A、2B、2C及2D中說明之電漿反應器的方法。在302中，選擇每一內部限制環組及外部限制環組的位置(升高或降低)。該內部限制環組及該外部限制環組能夠升高及降低以延伸至接地延伸上方的一區域中。該內部限制環組可經組態以在該第二限制環組升高時降低，且反之亦然。在304中，亦可調整降低的限制環組(內部、外部或無)之每一限制環之間的間隙。如圖2C及圖2D所說明的，亦可同時降低及升高兩個限制環組。

儘管已展示及描述了本發明之實施例及應用，但擁有本揭示案之益處的熟習此項技術者將顯而易見：在不偏離本文中之發明概念之情況下，可能有比上文提及之修改多許多的修改。因此，除非在附加申請專利範圍之精神中，否則本發明不受限制。

100．．．電漿處理腔室

102．．．夾盤

104．．．晶圓

106．．．雙頻源/RF電源

108．．．上部電極

110．．．電漿

112．．．氣體管線

114．．．排氣管線

116．．．限制環

118．．．聚焦環

120．．．導電屏蔽體

200．．．電漿反應器

202．．．腔室

204．．．底部RF電極

206．．．頂部接地電極

208．．．第一(內部)限制環組

210．．．第二(外部)限制環組

212．．．接地延伸

214．．．電漿

216．．．工件

218．．．電源供應器

220．．．第一介電環

222．．．第二介電環

224．．．第一凹口

226．．．第二凹口

圖1為示意性說明一根據一先前技術之電漿反應器的圖解；圖2A為示意性說明一根據一實施例之具有一降低的內部限制環組及一升高的外部限制環組之電漿反應器的圖解。

圖2B為示意性說明一根據一實施例之具有一升高的內部限制環組及一降低的外部限制環組之電漿反應器的圖解。

圖2C為示意性說明一根據一實施例之具有降低的內部限制環組及外部限制環組之電漿反應器的圖解。

圖2D為示意性說明一根據一實施例之具有升高的內部限制環組及外部限制環組之電漿反應器的圖解。

圖3為示意性說明一用於操作圖2A、2B、2C及2D中說明之電漿反應器之方法的流程圖。

200．．．電漿反應器

202．．．腔室

204．．．底部RF電極

206．．．頂部接地電極

208．．．第一(內部)限制環組

210．．．第二(外部)限制環組

212．．．接地延伸

214．．．電漿

216．．．工件

218．．．電源供應器

220．．．第一介電環

222．．．第二介電環

224．．．第一凹口

226．．．第二凹口

Claims (31)

1. 一種電漿反應器，其包含：一腔室；封閉於該腔室內的一底部電極及一頂部電極；一第一限制環組，其大體上平行於該底部電極及該頂部電極，且圍繞該底部電極與該頂部電極之間的一第一體積；一第二限制環組，其大體上平行於該底部電極及該頂部電極，且圍繞該底部電極與該頂部電極之間的一第二體積，該第二體積大於該第一體積；一接地延伸，其鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極，其中該第一限制環組及該第二限制環組能夠獨立地升高及降低以延伸至該接地延伸上方的一區域中。
2. 如請求項1之電漿反應器，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時降低，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時升高。
3. 如請求項1之電漿反應器，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時升高，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時降低。
4. 如請求項1之電漿反應器，其中該第一限制環組及該第二限制環組係懸浮的。
5. 如請求項1之電漿反應器，其中該第一限制環組包括每一限制環之間的一可調整間隙。
6. 如請求項1之電漿反應器，其中該第二限制環組包括每一限制環之間的一可調整間隙。
7. 如請求項1之電漿反應器，其中該第一限制環組鄰近於該頂部電極，以使得一主動電極面積比大體上接近1，該主動電極面積比藉由將該第一體積中之一電漿之一橫截面除以由該底部電極支撐之一工件面積而界定。
8. 如請求項1之電漿反應器，其中該第二限制環組經定位，以使得一主動電極區域大體上大於1，該主動電極面積比藉由將該第二體積中之一電漿之一橫截面除以由該底部電極支撐之一工件面積而界定。
9. 如請求項1之電漿反應器，其進一步包含一耦接至該底部電極的電源供應器，該底部電極經組態以容納一工件。
10. 如請求項9之電漿反應器，其中該電源供應器產生至該底部電極之複數個頻率。
11. 如請求項9之電漿反應器，其中該頂部電極被接地。
12. 如請求項1之電漿反應器，其進一步包含一鄰近於該底部電極的接地延伸環，該接地延伸電連接至該頂部電極且包括在一主動電極面積比中，該主動電極面積比藉由將一電漿之一橫截面除以由該底部電極支撐之一工件面積而界定。
13. 如請求項1之電漿反應器，其進一步包含一鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極的介電環。
14. 一種使用一電漿反應器之方法，該腔室具有一腔室及一頂部電極、一底部電極、一具有一第一直徑之第一限制環組、一具有一第二直徑之第二限制環組，該第二直徑大於該第一直徑，及一鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極的接地延伸，該方法包含：選擇該第一限制環組及該第二限制環組之一位置，該第一限制環組及該第二限制環組能夠獨立地升高及降低以延伸至該接地延伸上方的一區域中。
15. 如請求項14之方法，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時降低，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時升高。
16. 如請求項14之方法，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時升高，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時降低。
17. 如請求項14之方法，其進一步包含使該第一限制環組及該第二限制環組懸浮。
18. 如請求項14之方法，其進一步包含調整該第一限制環組中之每一限制環之間的一間隙。
19. 如請求項14之方法，其進一步包含調整該第二限制環組中之每一限制環之間的一間隙。
20. 如請求項14之方法，其進一步包含鄰近於該頂部電極安置該第一限制環組，以使得一主動電極面積比大體上接近1，該主動電極面積比藉由將該第一限制環組、該頂部電極及該底部電極內的一體積中之一電漿之一橫截面除以由該底部電極支撐之一工件面積而界定。
21. 如請求項14之方法，其進一步包含將電源供應給該底部電極，該底部電極經組態以容納一工件。
22. 如請求項21之方法，其進一步包含產生至該底部電極之複數個頻率。
23. 如請求項14之方法，其進一步包含將該頂部電極接地。
24. 如請求項14之方法，其進一步包含以一平行於該底部電極之鄰近介電環圍繞該底部電極。
25. 如請求項24之方法，其進一步包含以一接地延伸圍繞該介電環。
26. 一種電漿反應器，其包含：一腔室；封閉於該腔室內的一底部電極及一頂部電極；一第一限制環組，其具有一第一直徑、大體上平行於該底部電極及該頂部電極；一第二限制環組，其具有一第二直徑、大體上平行於該底部電極及該頂部電極，該第二直徑大於該第一直徑；及一接地延伸，其鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極，其中該第一限制環組及該第二限制環組能夠升高及降低以延伸至該接地延伸上方的一區域中。
27. 如請求項26之電漿反應器，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時降低，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時升高。
28. 如請求項26之電漿反應器，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時升高，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時降低。
29. 一種電漿反應器，其包含：一腔室；封閉於該腔室內的一底部電極及一頂部電極；一鄰近於該底部電極且圍繞該底部電極的接地延伸；及至少兩個同心的限制環組，每一限制環組經組態以獨立地升高及降低以延伸至該接地延伸上方的一區域中。
30. 如請求項29之電漿反應器，其中該第一限制環組經組態以在該第二限制環組升高時降低，且該第一限制環組經組態以在該第二限制環組降低時升高。
31. 如請求項26之電漿反應器，其中該等至少兩個中心的限制環組經組態以共同升高及降低。