TWI407844B - 藉由改良式射頻接地返回路徑而具有均勻製程速率分佈的電漿反應器 - Google Patents

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Description

藉由改良式射頻接地返回路徑而具有均勻製程速率分佈的電漿反應器
半導體晶圓或諸如電漿顯示器、太陽能面板或微影遮罩之其他類型工件的電漿處理，被用於進行例如蝕刻製程、沉積製程和電漿浸入離子佈植製程。電漿源可為具電容耦合電源施用器(如頂點電極)或感應耦合電源施用器(如線圈天線)之射頻(RF)源。電漿製程實行的速率在工件表面的不同位置通常有所不同。例如，電漿蝕刻製程在工件表面各處有不均勻的蝕刻速率分佈。遍及工件表面的製程速率分佈盡量均勻乃十分關鍵。此對半導體晶圓上之積體電路製造來說尤其如是，其中薄膜結構的關鍵尺寸已縮減成32奈米或以下。在如此小的特徵尺寸下，不均勻的蝕刻速率分佈可造成蝕刻終止於晶圓的某些部分，並在晶圓的其他部分過份蝕刻。
蝕刻速率分佈不均勻性可呈放射狀圖案，其中蝕刻速率遍及工件表面的空間分佈例如為中心高或中心低。藉由在相對電漿反應腔室的不同徑向位置採用獨立控制的RF源功率施用器，可改善或消除放射狀不均勻性。例如，就位於電漿腔室天花板的感應耦合RF源功率施用器而言，RF功率施用器可由徑向設於工件內部和外部區域上面的內部和外部線圈天線組成。藉由調整施加至內部和外部線圈天線的RF功率相對量，可去除或減少電漿製程速率分佈的放射狀不均勻性。
製程速率分佈也可呈不均勻的方位角圖案(azimuthal pattern)，其稱為”偏斜”，其中製程速率隨繞著工件和反應腔室之對稱中心軸的旋轉角度改變。因偏斜圖案本質上為不對稱，故提供可經調整以去除或減少電漿反應器所表現之特殊偏斜圖案的RF源功率施用器是一大挑戰。
電漿反應器包括由腔室側壁、地板和架空天花板圍繞的反應腔室。工件支撐基座(workpiece support pedestal)位於腔室內，且具有與腔室側壁同軸的基座側壁，及位於基座頂端並面對架空天花板的工件支撐面。腔室及基座側壁在其間界定抽取環形物(pumping annulus)，其從基座側壁的頂端延伸到地板。電漿源功率施用器(plasma source power applicator)鄰接天花板，射頻(RF)功率源耦接RF接地(RF ground)與電漿源功率施用器之間。電漿反應器更包括一體成型接地返回路徑襯墊(integrally formed ground return path liner)。一體成型接地返回路徑襯墊包括從基座側壁徑向往外延伸且鄰接工件支撐面或至少幾乎與工件支撐面共平面的電漿限制環，電漿限制環(plasma confinement ring)包含放射狀狹縫(radial slot)的環形陣列，每一狹縫具有對應電漿離子碰撞平均自由徑長度(ion collision mean free path length)的狹窄寬度(narrow width)。一體成型接地返回路徑襯墊更包括側壁襯墊，其覆蓋側壁內面並從接近工件支撐面高度的高度軸向延伸到天花板。一體成型接地返回路徑襯墊還包括中間區段(intermediate section)，其具有彎曲截面形狀並和電漿限制環的徑向往外端與可拆式側壁襯墊的底端整體結合在一起。一體成型接地返回路徑襯墊藉由提供RF源功率施用器最短的均勻RF接地返回給來自RF源功率施用器之RF功率，而消除或減少電漿製程分佈工件表面各處的偏斜和不對稱。
本發明發現電漿製程分佈在工件各處不對稱或偏斜不均勻的原因之一在於RF接地返回路徑的影響，其為於腔室天花板施加之RF電源所遵循，RF接地返回路徑延伸通過晶圓或工件，並經由腔室側壁抵達RF接地。本發明發現RF接地返回路徑的不當影響起因於其相對較長、迂迴且延伸通過數個腔室部件。此等腔室部件本身可能有不對稱性質。本發明進一步發現引用結構以提供經由工件返回之RF接地電流往RF接地最直接的路徑，可解決偏斜問題。本發明之實施例提供了減少或實質消除遍及工件表面的製程速率分佈不對稱或偏斜不均勻性，此將說明於下。
參照第1圖，電漿反應腔室100由圓柱形側壁102、天花板104和地板106所界定。圓柱形襯墊108具有置於側壁102之頂表面上的外肩部110和支撐天花板104的內肩部112。圓柱形襯墊為腔室的耗材部件，且很容易定期移除及更換。其通常由金屬組成。工件支撐基座116延伸通過地板106的開口118，並包括圓柱形基座壁120，其具被地板106支撐的外肩部122。基座116更包括支撐在基座壁120之內肩部126上的靜電夾盤(electrostatic chuck，ESC)124。ESC 124包括內部電極128和位於電極128上且與電極128絕緣的工件支撐面130。直流(DC)電壓源132提供靜電嵌位電壓(electrostatic clamping voltage)至ESC電極128，以將半導體工件或晶圓134托在支撐面130上。環形處理環135圍繞晶圓或工件134，且具有大致與工件134之頂表面共平面的頂表面135a。處理環135可由與工件134相同的材料組成。視情況，來自RF偏壓功率產生器136的RF偏壓功率經由阻抗匹配138和隔離電容器139施加至電極128。感應耦合RF源功率施用器140設於天花板104上面。視情況，RF源功率施用器可由放射狀內部與外部施用器部分140-1、140-2組成，其個別由各自的RF源功率產生器142-1、142-2透過各自的RF阻抗匹配144-1、144-2驅動。每一RF源功率施用器部分140-1、140-2為螺線管線圈天線。天花板104由介電或半導體材料組成，其能使來自RF源功率施用器140的感應RF場穿過天花板104。金屬屏蔽150圍繞線圈天線140-1、140-2，並由金屬圓柱形壁152和盤狀天花板154組成。屏蔽150置於圓柱形襯墊108的頂部，屏蔽150與圓柱形襯墊108間的連接提供了接地返回路徑，其軸向往上延伸圓柱形屏蔽長度且終止於屏蔽150與襯墊108之接觸面旁的天花板。基座壁120和腔室側壁102界定環形體積或抽取環形物156，真空幫浦158透過抽取環形物156排空腔室100。
一些電漿從工件134上面的處理區流失到抽取環形物中，因而影響製程速率並攻擊抽取環形物156中的腔室表面。
視情況，電漿限制格柵(plasma confinement grid)160從晶圓支撐基座116徑向延伸到抽取環形物156中。如第1圖所示，格柵160支撐在圓柱形基座壁120的上緣。電漿限制格柵160的頂表面與工件134或工件支撐面130共平面或幾乎共平面，或略低於工件134或工件支撐面130。格柵160減少或阻擋電漿流入抽取環形物156，又不致顯著阻擋氣體流入抽取環形物156，以容許真空幫浦158排空腔室100。在限制格柵160的外緣與圓柱形襯墊108之間提供間隙162。在一實施例中，間隙162確保足夠的氣流通過限制格柵160。最佳如第2圖所示，格柵160具有在二半徑R1、R2間延伸的放射狀狹縫164，其對應徑長R2-R1且配置呈環形圖案。放射狀狹縫164更增強氣體流入抽取環形物156。為把電漿限制在格柵160上方，各狹縫164的方位角寬度W小於工件134與天花板104間之處理區產生的電漿之離子碰撞平均自由徑長度(ion collision mean free path length)。在一實施例中，寬度W為約0.2吋。
本發明發現，藉由提供直接從格柵160之外緣160a到圓柱形襯墊108的RF電流路徑，不是可大幅減少、就是可消除電漿製程速率分佈工件表面各處的偏斜。為達此目的，金屬托架170固定在格柵160與襯墊108之間。各托架170，例如以螺栓，固定於格柵160的外圍和最近表面。如第2圖所示，托架170按均勻間隔配置在格柵160周圍。導入分離的托架170不會顯著干擾氣體流入抽取環形物156。
第3及4圖繪示實施例，其中托架170提供的直接RF電流路徑，以藉由將第1圖電漿限制格柵160與第1圖圓柱形襯墊108構成整個一體成型的格柵襯墊180所提供的路徑代替。第3及4圖的格柵襯墊180具有對應第1及2圖電漿限制格柵160的徑向區段182、對應圓柱形襯墊108的軸向區段184，以及結合徑向與軸向區段182、184的中間區段186。中間區段186由金屬組成，故可於徑向與軸向區段182、184間提供傳導路徑，其並具拱形截面形狀，而可提供平滑的表面轉變，並使與電漿的不當交互作用降至最低。徑向區段182包括放射狀狹縫188的環形陣列，其對應第1及2圖的放射狀狹縫164，且尺寸也可與其相當。彎曲的中間區段186之存在可消除第1及2圖的間隙162，迫使真空幫浦158抽取的所有氣體流過放射狀狹縫188。為補償間隙消除及避免氣流阻力增加，可在其寬度W不增大超過離子碰撞平均自由徑長度的情況下，增加其徑長，以提高各放射狀狹縫188的面積。為達此目的，第3及4圖實施例的狹縫188位於二半徑R3、R4之間，以定義大於第1及2圖實施例(即R2-R1)的徑長R4-R3。如此增大相當於使徑長，例如增加5%至20%。
第5A圖繪示半導體晶圓上的蝕刻速率二維分佈，其在第1圖反應腔室缺少托架170之陣列的情況下，經電漿蝕刻處理。第5A圖繪示很大的蝕刻速率分佈偏斜300。第5B圖繪示半導體晶圓上的蝕刻速率二維分佈，其在第1圖反應腔室安裝托架170的情況下，經同樣的電漿蝕刻處理。第5B圖顯示當托架170安裝時，有相當小的蝕刻速率分佈偏斜。
本發明涉及RF接地返回電流路徑的影響。第1圖箭頭200指出缺少托架170將存在迂迴的RF接地返回路徑。RF源功率施用器140輸送的RF功率發展成接地返回電流，其在晶圓134和格柵160的頂表面上徑向往外流動，接著在底下盤繞而沿著格柵160的底表面徑向往內流動，然後沿著基座壁120的外面軸向往下、沿著地板106徑向往外及沿著側壁102的內面垂直往上並沿著襯墊105的內面往上流動。第3圖箭頭205指示直接路徑，其提供給RF接地返回電流，第3圖直接路徑沿著晶圓134的頂表面徑向往外流動，接著沿著襯墊格柵180的內面流動。此短又較直接的路徑分佈明顯更均勻，故不會引起第5A圖的資料所顯示的不對稱。
第6A、6B及6C圖比較利用及未利用第1圖托架170所得之測量資料。第6A圖各點為在內徑範圍朝特殊方位角測量的蝕刻速率。菱形點對應缺少托架170時的資料，圓形點對應利用第1圖托架170所得的資料。第6B圖繪示與第6A圖相同類型的資料，除了第6B圖是在中間半徑範圍處進行測量。第6C圖繪示與第6A圖相同類型的資料，除了第6C圖是在外徑範圍處進行測量。第6A至6C圖資料的分析結果如下：在內徑範圍中(第6A圖)，未利用托架170時，蝕刻速率變量為48.2埃/分鐘(/min)而方差為7.06%，引用托架170則使變量降低成28.4/min而方差為4.29%。在中間半徑範圍中(第6B圖)，未利用托架170時，蝕刻速率變量為55.7/min而方差為7.71%，引用托架170則使變量降低成26.4/min而方差為3.75%。在外徑範圍中(第6C圖)，未利用托架170時，蝕刻速率變量為59.1/min而方差為7.75%，引用托架170則使變量降低成36.4/min而方差為4.84%。此結果表示將接地返回路徑從第1圖迂迴路徑改成第3圖直接路徑的改良方式可減少1.5倍或以上的不對稱或偏斜。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．反應腔室
102．．．側壁
104．．．天花板
106．．．地板
108．．．襯墊
110、112．．．肩部
116．．．基座
118．．．開口
120．．．基座壁
122、126．．．肩部
124．．．靜電夾盤
128．．．電極
130．．．支撐面
132．．．電壓源
134．．．工件/晶圓
135．．．處理環
135a．．．頂表面
136．．．RF偏壓功率產生器
138．．．阻抗匹配
139．．．電容器
140．．．RF源功率施用器
140-1、140-2．．．部分
142-1、142-2．．．產生器
144-1、144-2．．．匹配
150．．．屏蔽
152．．．側壁
154．．．天花板
156．．．抽取環形物
158．．．真空幫浦
160．．．格柵
160a．．．外緣
162．．．間隙
164、188．．．狹縫
170．．．托架
180．．．格柵襯墊
182、184、186．．．區段
200、205．．．箭頭
300．．．偏斜
R1-R4．．．半徑
W．．．寬度
為獲得及更清楚了解本發明之示例實施例，可配合參考實施例說明，其部分乃繪示如附圖式。應理解在此不再贅述某些熟知製程，以免讓本發明變得晦澀難懂。
第1圖為根據第一實施例之電漿反應腔室的截切側視圖。
第2圖為第1圖之實施例的一部份之平面圖。
第3圖為根據第二實施例之電漿反應腔室的截切側視圖。
第4圖為第3圖之實施例的一部份之透視圖。
第5A圖為利用傳統RF接地返回路徑得到之蝕刻速率的二維空間分佈圖。
第5B圖為利用根據一實施例之均勻RF接地返回路徑得到之蝕刻速率的二維空間分佈圖。
第6A、6B及6C圖為利用傳統RF接地返回路徑和利用根據一實施例之均勻RF接地返回路徑得到之蝕刻速率在各徑向位置隨方位角變化的比較圖。
為助於了解，各圖中共通的元件儘可能以相同的元件符號表示。應理解某一實施例所揭露的元件和特徵結構當可併入其他實施例，而不需特別提及。須注意的是，雖然所附圖式揭露本發明特定實施例，但其並非用以限定本發明之精神與範圍，任何熟習此技藝者，當可作各種之更動與潤飾而得等效實施例。
100．．．反應腔室
102．．．側壁
104．．．天花板
106．．．地板
110、112．．．肩部
116．．．基座
118．．．開口
120．．．基座壁
122、126．．．肩部
124．．．靜電夾盤
128．．．電極
130．．．支撐面
132．．．電壓源
134．．．工件
135．．．處理環
136．．．RF偏壓功率產生器
138．．．阻抗匹配
139．．．電容器
140．．．RF源功率施用器
140-1、140-2．．．部分
142-1、142-2．．．產生器
144-1、144-2．．．匹配
150．．．屏蔽
152．．．側壁
154．．．天花板
156．．．抽取環形物
158．．．真空幫浦
180．．．格柵襯墊
182、184、186．．．區段
188．．．狹縫
205．．．箭頭
R3、R4．．．半徑

Claims (4)

  1. 一種電漿反應器，包含：一反應腔室，由一腔室側壁、一地板以及一架空天花板所圍繞；一工件支撐基座，位於該腔室內，且包含與該腔室側壁同軸的一基座側壁，以及位於該基座之一頂端並面對該架空天花板的一工件支撐面，該腔室側壁及該基座側壁在其間界定一抽取環形物，該抽取環形物從該基座側壁之該頂端延伸到該地板；一電漿源功率施用器，鄰接該天花板，並且一射頻(RF)功率源耦接一RF接地與該電漿源功率施用器之間；一電漿限制環，從該基座側壁徑向往外延伸且與該工件支撐面共平面或低於該工件支撐面，該電漿限制環包含多個放射狀狹縫的一環形陣列，每一該等狹縫具有一狹窄寬度，該狹窄寬度對應一電漿之一離子碰撞平均自由徑長度；一可拆式側壁襯墊，覆蓋該側壁的一內面並從一高度軸向延伸到該天花板，該高度接近該工件支撐面的高度；一直接傳導路徑元件，位於該電漿限制環的一放射狀外緣與該可拆式側壁襯墊的一底端之間；其中該直接傳導路徑元件包含複數個金屬托架，各自固定於該可拆式側壁襯墊的一底端和該電漿限制環的一徑向往外端，該等托架係沿著該電漿限制環的一周長散 佈；以及一周圍氣流間隙(circumferential gas flow gap)，位於該可拆式側壁襯墊的該底端與該電漿限制環的該徑向往外端之間，該等金屬托架橫跨該周圍氣流間隙。
  2. 如申請專利範圍第1項之電漿反應器，其中該直接傳導路徑元件包含一連續金屬環形物，該連續金屬環形物與該可拆式側壁襯墊的一底端和該電漿限制環的一徑向往外端一體成型。
  3. 如申請專利範圍第2項之電漿反應器，其中該連續金屬環形物沿著該電漿限制環之該徑向往外端的一整體周長延伸。
  4. 如申請專利範圍第3項之電漿反應器，其中該可拆式側壁襯墊耦接該RF接地。
TW099123006A 2009-07-13 2010-07-13 藉由改良式射頻接地返回路徑而具有均勻製程速率分佈的電漿反應器 TWI407844B (zh)

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