TWI416623B - 具有單一平面天線之電感耦合雙區域處理腔室 - Google Patents

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TWI416623B TW097124212A TW97124212A TWI416623B TW I416623 B TWI416623 B TW I416623B TW 097124212 A TW097124212 A TW 097124212A TW 97124212 A TW97124212 A TW 97124212A TW I416623 B TWI416623 B TW I416623B
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    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
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Description

具有單一平面天線之電感耦合雙區域處理腔室
本發明係關於一種電漿處理設備。具體而言，本發明係關於一種雙區域電漿處理設備。
藉著包括蝕刻、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、離子植入、及光阻剝除等技術，電漿處理設備可用來處理基板。用於電漿處理之電漿處理設備的其中一種型式包括外部電感天線。電磁場產生於天線之下的腔室中，用來激發處理氣體成為電漿狀態，以處理反應腔室中的基板。
本發明提出一種雙區域電漿處理腔室。電漿處理腔室包括第一基板支持台，第一基板支持台具有第一支持表面，用來支托位於處理腔室內的第一基板；以及第二基板支持台，第二基板支持台具有第二支持表面，用來支托位於處理腔室內的第二基板。一個以上的氣體源係與一個以上之氣體分配構件以流體連接，並供應處理氣體到鄰近第一基板支持台的第一區域與鄰近第二基板支持台的第二區域。射頻(RF)天線用來使RF能量電感耦合至處理腔室的內部，並在第一區域與第二區域中將處理氣體激發成為電漿狀態。天線係配置於第一基板支持台與第二基板支持台之間。
本發明提出一種同時處理位於電漿處理腔室中的第一和第二半導體基板之方法。在雙區域電漿處理腔室中，第一基板係置放在第一基板支持台上，而第二基板係置放在第二基板支持台上。處理氣體係來自一個以上的氣體源，並流入位於天線與第一基板之間的第一區域，以及流入位於天線與第二基板之間的第二區域。第一電漿係由第一區域中的第一處理氣體所產生。第二電漿係由第二區域中的第二處理氣體所產生。第一基板係以第一電漿加以處理，而第二基板係以第二電漿加以處理。
藉由供應處理氣體到低壓(例如，低於50 mTorr)的真空腔室之中，並施加射頻(RF)能量給該氣體，電感耦合電漿處理腔室通常用來在基板上沉積(例如電漿加強化學氣相沉積或PECVD)以及電漿蝕刻材料。在處理過程中，基板可利用基板支座支托在真空腔室中，基板支座包括機械夾盤與靜電夾盤(ESC)。對於電感耦合電漿(ICP)系統，RF天線係位於處理腔室外，而RF能量係通過介電窗而電感耦合至腔室中。這樣的處理系統可用於各種不同的半導體處理應用，例如蝕刻、沉積、或光阻剝除。
圖1係ICP電漿處理腔室10的一實施例之橫剖面圖。ICP電漿處理腔室的其中一例為TCP® 蝕刻或沉積系統，其係由Lam Research Corporation, Fremont, California所製造。ICP電漿處理腔室也描述於，例如，共同擁有之美國專利第4,948,458號，其全文被併入做為參考資料。處理腔室10包括基板支持台12，而基板支持台12具有支持表面14。支持表面14係用來支托基板16。真空幫浦18連接到幫浦開口20，以將內部處理腔室10保持在低壓(例如，介於約1 mTorr到約50 mTorr之間)。經由氣體分配板、噴淋頭裝置、注射器或其它合適的裝置，氣體源22供應處理氣體到處理腔室10的內部。利用氣體分配構件24，可將處理氣體引入鄰近基板16的區域。
一旦處理氣體被引入處理腔室10的內部之中，它們被供應能量到處理腔室10內部的能量源所激發成為電漿狀態。較佳地，能量源係外部平面天線26，其由RF源28與RF阻抗匹配電路30提供能量，以使RF能量電感耦合至處理腔室10中。施加RF功率給平面天線26而產生電磁場，該電磁場使處理氣體激發，而在基板16之上形成高密度電漿38(例如，1011 -1012 離子/立方公分)。
介電窗32位於平面天線26之下，並形成電漿處理腔室10的上壁。氣體分配構件24係配置於介電窗32之下。高密度電漿38形成於氣體分配構件24和基板16之間的區域，可用於基板16的 沉積或蝕刻。
為了增加生產效率，同時減少功率需求，本發明描述一種新穎的雙區域電漿處理腔室，可以在單一平面天線的相反側同時處理兩個基板。用來使平面天線18產生的對稱電磁場最大化的方法之一為圖2實施例的雙區域配置。圖2係雙區域ICP電漿處理腔室100的一實施例之橫剖面圖，其包括區域110、210。處理腔室100的區域110、210分別包括位於介電窗132、232與基板支持台112、212之間的空間，基板支持台112、212則具有水平的支持表面114、214。支持表面114、214用來將基板116、216支托於水平的位置。支臂係從腔室壁延伸出來，並以懸臂的方式支托基板支持台112、212，而基板支持台112、212係在處理腔室100中位於徑向相反側。
真空幫浦118、218連接到幫浦開口120、220，以使處理腔室100的內部保持在低壓(例如，介於約1 mTorr到約50 mTorr之間)。幫浦開口120、220鄰近於基板支持台112、212，並且可能在處理腔室100中位於徑向相反側。
共用氣體源122供應處理氣體到處理腔室100的內部之區域110、210。處理氣體可被引入任何合適的氣體分配裝置，例如鄰近於各別基板116、216的雙端氣體注射器或分配構件124。使用共用氣體源122和氣體分配組件124確保輸送到區域110和210的氣體成分係相同的。氣體分配裝置可包括二個氣體分配構件(例如氣體分配環、氣體分配板、或氣體注射噴嘴)，其係以流體互相連接，且利用共用通路125予以連接，共用通路125則延伸穿過介電窗132、232中的孔洞。這樣的氣體分配構件也說明於，例如，共同擁有的美國專利第6,184,158與6,230,651號，其全文被併入做為參考資料。幫浦開口120、220與真空幫浦118、218的位置係在腔室100的相對端，此有助於處理氣體的分佈能夠均勻地遍佈於基板116、216的表面。
基板116、216係支托在基板支持台112、212上。基板支持 台可能包括靜電夾盤(ESC)、機械夾盤、或其它夾盤機構。這樣的基板支持台也說明於，例如，共同擁有的美國專利第5,262,029與5,838,529號，其全文被併入做為參考資料。基板支持台112、212也可能包括RF偏壓電極(未顯示)。為了控制基板116、216的溫度，基板116、216可利用在基板下的氦氣流動而加以冷卻，而基板支持台112、212可以用液體加以冷卻(未顯示)。這樣的溫度控制係說明於，例如，共同擁有的美國專利第6,140,612號，其全文被併入做為參考資料。
單一外部平面天線126在相反的方向供應RF能量到位於處理腔室100內部的區域110、210之中，一旦處理氣體被引入處理區域110、210的內部之中，它們被單一外部平面天線126激發成電漿狀態。外部平面天線126係由單一RF源128與RF阻抗匹配電路130提供能量，以使RF能量電感耦合至處理腔室100中。藉由施加RF功率而在平面天線126之上和之下產生對稱的電磁場，該電磁場激發處理氣體，而在垂直鄰近於基板116、216的區域中形成高密度電漿138、238(例如，1011 -1012 離子/立方公分)。在用來處理單一基板的腔室之佔地面積中，這樣的處理腔室100之配置具有使基板處理產能加倍的潛力，且不需提供用來操作兩個處理腔室所需的額外RF能量。
單一外部平面天線126可能包括一個以上的平面螺旋線圈、或是例如一組同心環的其它配置。使用較長的導體元件可加大平面線圈，以增加天線的直徑，因此符合例如300 mm晶圓的較大基板；或使用排列成平面陣列的複數線圈，以在寬廣的區域(例如用於平板顯示器處理)之上產生均勻的電漿。
外部平面天線126係配置在處於環境壓力(亦即大氣壓力)的空間134中。空間134係位於介電窗132和介電窗232之間。介電窗132、232可由任何RF能量可穿透的介電材料所組成，例如石英。介電窗132位於平面天線126之下，並形成相對於區域110之上壁。同樣地，介電窗232在平面天線126之上，並形成相 對於區域210之下壁。在一實施例中，空間134被圍在金屬製的隔間之中，該隔間支托介電窗132、232做為隔間壁。
在處理腔室100中處理基板116、216時，RF源128供應RF電流給天線126，較佳的RF電流係在大約100 kHz到27 MHz的範圍，更佳的RF電流係在13.56 MHz。
圖3係包括區域310、410之雙區域ICP電漿處理腔室300的另一實施例之橫剖面圖。除了處理腔室100的方向之外，電漿處理腔室300的配置係類似於圖2中的電漿處理腔室100。處理腔室300的區域310、410分別包括位於介電窗332、432和基板支持台312、412之間的空間，基板支持台312、412則具有垂直的支持表面314、414。支持表面314、414用來將基板316、416支托於垂直的位置。較佳地，基板支持台312、412係在處理腔室300中位於徑向相反側。真空幫浦318、418連接到幫浦開口320、420，以使處理腔室300的內部保持在低壓(例如，介於約1 mTorr到約50 mTorr之間)。幫浦開口320、420鄰近於基板支持台312、412，且較佳地，在處理腔室300中位於徑向相反側。
共用氣體源322供應處理氣體到處理腔室300的內部。處理氣體可被引入任何合適的氣體分配裝置，例如各別鄰近於基板316、416的雙端氣體注射器或分配構件324。氣體分配裝置可能包括二個氣體分配構件(例如氣體分配環、氣體內配板、或氣體注射噴嘴)，其係以流體互相連接，並且利用共用通路325予以連接，共用通路325則延伸穿過介電窗332、432中的孔洞。
基板316、416係支托在基板支持台312、412上。基板支持台可能包括靜電夾盤(ESC)、機械夾盤、或其它夾盤機構。基板支持台312、412也可能包括RF偏壓電極(未顯示)。為了控制基板316、416的溫度，基板316、416可利用在基板下的氦氣流動而加以冷卻，而基板支持台312、412可以用液體加以冷卻(未顯示)。
單一天線裝置供應能量到處理腔室300的內部之中，一旦處 理氣體流入處理區域310、320的內部之中，它們被單一天線裝置激發成電漿狀態。較佳地，能量源係外部平面天線326，而RF源328與RF阻抗匹配電路330則提供能量給外部平面天線326，以使RF能量電感耦合至處理腔室300中。藉由施加RF功率，平面天線326產生的對稱電磁場使處理氣體激發，而在側向鄰近於基板316、416處形成高密度電漿338、438(例如，1011 -1012 離子/立方公分)。與圖2的處理腔室100類似，處理腔室300的配置具有使基板處理產能加倍的潛力，且不需提供額外的RF能量。
外部平面天線326被支托在空間334之中，空間334係處於環境壓力，且位於介電窗332和介電窗432之間。介電窗332、432可由任何RF能量可穿透的介電材料所組成，例如石英。介電窗332係側向地鄰近於平面天線326，並形成相對於區域310之側壁。同樣地，介電窗432係側向地鄰近於平面天線326，並形成相對於區域410之側壁。在一實施例中，空間334被圍在金屬製的隔間之中，該隔間支托介電窗332、432做為隔間壁。
圖4係雙區域ICP電漿處理腔室300的另一實施例之橫剖面圖，其具有包括區域510、610的次腔室500、600，以在不同的處理條件下同時處理兩基板。和圖2的實施例類似，處理次腔室500、600的配置包括水平的支持表面514、614。
次腔室500、600的區域510、610分別包括位於介電窗532、632與基板支持台512、612之間的空間，基板支持台512、612則具有水平的支持表面514、614。支持表面514、614用來將基板516、616支托於水平的位置。基板支持台512、612可能位於徑向相反側。真空幫浦518、618連接到幫浦開口520、620，以使處理腔室300的內部保持在低壓(例如，介於約1 mTorr到約50 mTorr之間)。幫浦開口520、620係鄰近於基板支持台512、612，並且可能位於徑向相反側。
氣體源522、622供應處理氣體到處理腔室300的內部。處理氣體可被引入鄰近於基板516、616的氣體分配構件524、624。如 果基板516、616係遭受不同的電漿處理條件，氣體源522、622可供應不同的氣體配方。例如，基板516可進行蝕刻處理，而基板616則進行化學氣相沉積處理，反之亦然。蝕刻處理的例子包括導體蝕刻、介電材質蝕刻、或光阻剝除。沉積處理的例子包括介電膜或導電膜的化學氣相沉積。氣體分配構件524、624可包括氣體分配環、氣體分配板、或氣體注射噴嘴。藉由供應RF能量給平面天線526，區域510、610中的處理氣體被激發而形成電漿538、638，可用於基板516、616的電漿處理。
如果電漿538、638係由來自氣體源522、622的不同處理氣體所產生，就需要利用分隔物536隔離處理次腔室。因為不同的氣體化學品被用來產生電漿538、638並且產生不同的副產物，若沒有分隔物536，來自氣體分配構件524、624的不同處理氣體與處理的副產物可能往非預期的處理次腔室500、600之區域擴散，而不是均勻地在基板516、616的表面之上。
基板516、616係支托在基板支持台512、612上。基板支持台可能包括靜電夾盤(ESC)、機械夾盤、或其它夾盤機構。基板支持台512、612也可能包括RF偏壓電極(未顯示)。為了控制基板516、616的溫度，基板516、616可利用在基板下的氦氣流動而加以冷卻，而基板支持台512、612可以用液體加以冷卻(未顯示)。
單一天線裝置供應能量到處理次腔室500、600的內部之中，一旦處理氣體流入處理區域510、620的內部中，它們被單一天線裝置激發成電漿狀態。較佳地，能量源係外部平面天線526，而RF源528與RF阻抗匹配電路530則提供能量給外部平面天線526，以使RF能量電感耦合至處理次腔室500、600中。藉由施加RF功率，平面天線526產生的對稱電磁場使處理氣體激發，而在垂直鄰近於基板516、616處形成高密度電漿538、638(例如，1011 -1012 離子/立方公分)。與圖2及圖3的處理腔室100及300類似，處理次腔室500、600的配置具有使基板處理產能加倍的潛力， 且不需提供額外的RF能量。
外部平面天線526被支托在空間534之中，空間534係處於環境壓力，且位於介電窗532和介電窗632之間。介電窗532、632可由任何RF能量可穿透的介電材料所組成，例如石英。介電窗532位於平面天線526之下，並形成相對於區域510之上壁。同樣地，介電窗632位在平面天線526之上，並形成相對於區域610之下壁。在一實施例中，空間534被圍在金屬製的隔間之中，該隔間支托介電窗532、632做為隔間壁。
在不同的處理條件下同時處理兩基板之另一實施例中，處理次腔室的配置可能包括類似於圖3的實施例之垂直支持表面。
雖然本發明已就特定實施例加以描述，熟悉此技藝者應當了解，在不偏離附加請求項的範圍下，可以據以做出各種的變化及修改、或使用其均等物。
10‧‧‧ICP電漿處理腔室
12‧‧‧基板支持台
14‧‧‧支持表面
16‧‧‧基板
18‧‧‧真空幫浦
20‧‧‧幫浦開口
22‧‧‧氣體源
24‧‧‧氣體分配構件
26‧‧‧平面天線
28‧‧‧RF源
30‧‧‧RF阻抗匹配電路
32‧‧‧介電窗
38‧‧‧電漿
100‧‧‧雙區域ICP電漿處理腔室
110、210‧‧‧區域
112、212‧‧‧基板支持台
114、214‧‧‧支持表面
116、216‧‧‧基板
118、218‧‧‧真空幫浦
120、220‧‧‧幫浦開口
122‧‧‧氣體源
124‧‧‧氣體分配構件
125‧‧‧共用通路
126‧‧‧平面天線
128‧‧‧RF源
130‧‧‧RF阻抗匹配電路
132、232‧‧‧介電窗
134‧‧‧空間
138、238‧‧‧電漿
300‧‧‧雙區域ICP電漿處理腔室
310、410‧‧‧區域
312、412‧‧‧基板支持台
314、414‧‧‧支持表面
316、416‧‧‧基板
318、418‧‧‧真空幫浦
320、420‧‧‧幫浦開口
322‧‧‧氣體源
324‧‧‧氣體分配構件
325‧‧‧共用通路
326‧‧‧平面天線
328‧‧‧RF源
330‧‧‧RF阻抗匹配電路
332、432‧‧‧介電窗
334‧‧‧空間
338、438‧‧‧電漿
500、600‧‧‧次腔室
510、610‧‧‧區域
512、612‧‧‧基板支持台
514、614‧‧‧支持表面
516、616‧‧‧基板
518、618‧‧‧真空幫浦
520、620‧‧‧幫浦開口
522、622‧‧‧氣體源
524、624‧‧‧氣體分配構件
526‧‧‧平面天線
528‧‧‧RF源
530‧‧‧RF阻抗匹配電路
532、632‧‧‧介電窗
534‧‧‧空間
536‧‧‧分隔物
538、638‧‧‧電漿
圖1係用來處理單一基板的電感耦合電漿處理設備之橫剖面圖。
圖2係電感耦合雙區域電漿處理設備之橫剖面圖，用來在相同的處理條件下，處理兩個水平配置且垂直分隔的基板。
圖3係電感耦合電漿處理設備之橫剖面圖，用來在相同的處理條件下，處理兩個垂直配置且水平間隔的基板。
圖4係電感耦合電漿處理設備之橫剖面圖，用來在不同的處理條件下，處理兩個水平配置且垂直間隔的基板。
100‧‧‧雙區域ICP電漿處理腔室
110、210‧‧‧區域
112、212‧‧‧基板支持台
114、214‧‧‧支持表面
116、216‧‧‧基板
118、218‧‧‧真空幫浦
120、220‧‧‧幫浦開口
122‧‧‧氣體源
124‧‧‧氣體分配構件
125‧‧‧共用通路
126‧‧‧平面天線
128‧‧‧RF源
130‧‧‧RF阻抗匹配電路
132、232‧‧‧介電窗
134‧‧‧空間
138、238‧‧‧電漿

Claims (20)

  1. 一種雙區域電漿處理腔室，包括：一第一基板支持台，具有一第一支持表面，用來支托該處理腔室內的一第一基板；一第二基板支持台，具有一第二支持表面，用來支托該處理腔室內的一第二基板；一個以上的氣體源，與一個以上的氣體分配構件以流體連接，供應處理氣體到鄰近於該第一基板支持台的一第一區域與鄰近於該第二基板支持台的一第二區域；及一射頻(RF)天線，用來使RF能量電感耦合至該處理腔室的內部，並且在該第一與第二區域中激發處理氣體，其中該天線係配置於該第一基板支持台與該第二基板支持台之間。
  2. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該天線係一平面線圈，位於一處於環境壓力的隔間中。
  3. 如申請專利範圍第2項之雙區域電漿處理腔室，其中該隔間係位於第一與第二介電窗之間，該第一介電窗係配置於該平面線圈與該第一支持表面之間，該第二介電窗係配置於該平面線圈與該第二支持表面之間。
  4. 如申請專利範圍第3項之雙區域電漿處理腔室，其中該平面線圈穿過該第一介電窗而與RF功率電感耦合，以在位於該第一介電窗與該第一支持表面之間的該第一區域形成一第一電漿；以及穿過該第二介電窗而與RF功率電感耦合，以在位於該第二介電窗與該第二支持表面之間的該第二區域形成一第二電漿。
  5. 如申請專利範圍第3項之雙區域電漿處理腔室，其中RF能量可穿透該第一與第二介電窗。
  6. 如申請專利範圍第3項之雙區域電漿處理腔室，其中該一個以上的氣體分配構件包括一延伸通過該第一介電窗與該第二介電窗的雙端注射器；且其中該一個以上的氣體源供應相同的處理氣體到該雙端注射器。
  7. 如申請專利範圍第3項之雙區域電漿處理腔室，其中該一個以上的氣體分配構件包括一鄰近於該第一介電窗的第一氣體分配構件與一鄰近於該第二介電窗的第二氣體分配構件，其中該一個以上的氣體源包括一第一氣體源與一第二氣體源，該第一氣體源供應一第一處理氣體到該第一氣體分配構件，而該第二氣體源供應一第二處理氣體到該第二氣體分配構件。
  8. 如申請專利範圍第7項之雙區域電漿處理腔室，其中該第一與第二氣體分配構件係氣體分配環、氣體分配板、或氣體注射噴嘴。
  9. 如申請專利範圍第7項之雙區域電漿處理腔室，其中該電漿處理腔室包括分隔的複數次腔室，該第一基板支持台與第二基板支持台係配置於不同的該些次腔室中。
  10. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該第一支持表面係平行於該第二支持表面。
  11. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該天線係配置於該第一與第二基板支持台的中點。
  12. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該第一支持表面與第二支持表面係垂直分隔的。
  13. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該第一支持表面與第二支持表面係水平分隔的。
  14. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，其中該第一與第二基板支持台包括靜電夾盤或機械夾盤。
  15. 如申請專利範圍第1項之雙區域電漿處理腔室，更包括一鄰近於該第一基板支持台的第一幫浦開口與一鄰近於該第二基板支持台的第二幫浦開口，該第一幫浦開口係與該第二幫浦開口位於徑向相反側。
  16. 一種同時處理位於電漿處理腔室中的第一與第二半導體基板之方法，包括：在如申請專利範圍第1項的該電漿處理腔室中，放置一第一基板在該第一基板支持台上，與放置一第二基板在該第二基板支持台上；使處理氣體從該一個以上的氣體源流入位於該天線與該第一基板之間的該第一區域，以及流入位於該天線與該第二基板之間的該第二區域；由該第一區域中的處理氣體產生一第一電漿，並且由該第二區域中的處理氣體產生一第二電漿；及同時利用該第一電漿處理該第一基板與利用該第二電漿處理該第二基板。
  17. 如申請專利範圍第16項之同時處理位於電漿處理腔室中的第一與第二半導體基板之方法，其中相同的處理氣體流入該第一區域與該第二區域之中。
  18. 如申請專利範圍第16項之同時處理位於電漿處理腔室中的第一與第二半導體基板之方法，其中處理該第一基板與該第二基板包括導體或介電材料的沉積。
  19. 如申請專利範圍第16項之同時處理位於電漿處理腔室中的第一與第二半導體基板之方法，其中處理該第一基板與該第二基板包括金屬及介電質的高密度電漿蝕刻、或光阻剝除。
  20. 如申請專利範圍第16項之同時處理位於電漿處理腔室中的第一與第二半導體基板之方法，其中使一第一處理氣體流入該第一區域，並使一第二處理氣體流入該第二區域，該第一基板係以電漿蝕刻，而該第二基板係遭受電漿加強化學氣相沉積。
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