TWI422288B - High dissociation rate plasma generation method and application device thereof - Google Patents

Description

高解離率電漿產生方法及其應用裝置

本發明係與電漿生成技術有關，特別是指一種具有高解離率的電漿產生方法及其應用裝置。

在半導體製造中，電漿製程廣泛應用如以各種摻雜劑對晶圓進行植入或者應用於導電材料、半導體材料或介電材料之沈積或蝕刻薄膜製程；尤其在元件尺寸愈驅小型化的製程條件下，以MOS元件結構為例，形成閘極介電層之製作品質是對元件電性表現的關鍵因素，若直接在矽晶材上以習用熱成長方式氧化形成閘極介電層，會因高溫沈積製程造成介電層下方元件通道結構內的摻雜物擴散；因此高溫沈積製程大多不能用來形成元件通道層上的沈積膜層，普遍需配合以電漿輔助方式(如PECVD)在大約350℃至約450℃的環境下加以沈積形成閘極介電層。

至於電漿的一般製造方式，可藉由直流(DC)偏壓或交流射頻(RF)偏壓下的電場形成。典型直流放電產生電漿方法係在一密封之反應室(chamber)充滿待要放電之氣體，並插入二金屬電極以提供相對的偏壓；當反應室內氣壓條件到達，且當直流電源電壓高於氣體之擊穿電壓時，電子通過氣體分子或原子時將原子中的電子解離出來，因此氣體發生電離製造出帶正電的離子電漿，且解離後之電子能量持續累積並繼續撞擊其他氣體分子或原子而製造出更多的離子電漿；如此對於PECVD製程而言，便可藉由電漿的撞擊能量提高製程元件表面的活性，以及使電漿反應生成的離子或中性原子參與沈積反應形成沈積物。直流放電法之優點在於設備結構簡單，造價較低；惟，其缺點係電離度低，當反應氣體與電漿的能量轉換過程中，反應室內壁同時因沈積反應的持續進行而形成一層氧化層薄膜，對於較不易解離的反應氣體分子而言，雖可使用較高偏壓產生更大電漿能量來進行如HDP-CVD之沈積步驟，然強烈的離子撞擊將肇使反應室內壁的氧化層更加容易剝落，從而造成嚴重的電漿污染；再者，電極容易受電漿中帶電粒子轟擊，使得電極使用壽命減少，並且從電極濺射出來之原子會對電漿產生污染。

若以交流射頻(RF)電場產生電漿氣體的方式而言，在射頻放電狀況下，大部份的電子由於高頻操作，使得在半個週期內沒有足夠的時間移動至電極板上，致使這些電子在電極板間作振盪，並與氣體分子發生碰撞，產生位於電極板間的電漿氣體；如此利用較為遠離電極位置的電漿來解離反應氣體分子，可避免發生如上述直流放電方式的電漿污染情形，產生較純凈之電漿。然，交流射頻之電場能量主要在提供電子與氣體分子發生碰撞，對於較難解離的氣體分子，則需額外提供加熱裝置輔助氣體分子碰撞以加速解離；如此應用於沈積製程時，等同於高溫輔助的解離沈積方式，一旦待沈積層下方的基底材料如同上述為介電層下方之元件通道結構，同樣發生通道結構內的摻雜物擴散問題。當然，若不另提供加熱裝置以輔助解離，則需等待較長的製程時間使更多的碰撞反應發生，因而降低製程效率。縱使不考慮製程效率因素，較早解離的電漿氣體於兩電極中央會形成高濃度的聚集，使電漿聚集所產生之阻抗(Impedance)大於兩端所產生之阻抗，如此因電漿阻抗不匹配而產生射頻條件的能量反射現象，則造成電漿能量損耗無法符合實際製程所需之電漿能量；或者因兩電極間無法產生均勻的電漿，致使在沈積製程反應中，製程元件之沈積表面形成不一致之沈積效果。

另有以微波放電產生電漿氣體的方式，可同樣提供於低溫環境產生電漿氣體；一般採用波導管或天線將微波電源產生之微波耦合至放電管內，使微波能量轉換為待解離氣體之內能，進而激發待解離氣體使之電離；且初始管內氣體經微波能量激發之少量解離電子被微波電場加速，得以與尚未解離之氣體分子發生非彈性碰撞，因此反應氣體在上述狀態下之微波電漿系統中可解離成高密度電漿，具有相當高的解離率。但此種微波電漿系統應用於沈積製程時，沈積面積卻受限於耦合微波電場的波導管或天線結構，僅波導管開口範圍產生的微波電場得以有效提供電子加速並解離反應氣體；一旦波導管口徑小於待沈積基底之面積時，遠離波導管口徑的基底表面則難有解離氣體的反應沈積物生成，同樣使製程元件有不一致之沈積效果；至於若以加寬波導管口徑或加大天線結構方式形成較大範圍的微波電場，除了增加系統成本外，更有高輻射的風險。

因此，本發明之主要目的乃在於提供一種高解離率電漿產生方法，可提高電漿應用製程之製程效率，使反應氣體具有高解離度並產生高純度的電漿離子。

為達成前揭目的，本發明提供一種電漿產生方法，將反應氣體先後通入一直流電極裝置及一交流電極裝置，使反應氣體經該直流電極裝置之直流電壓解離產生電漿，該直流電極裝置未解離或未完全解離之反應氣體經該交流電極裝置之射頻交流電壓解離產生電漿。

本發明之另一目的乃在於提供一種電漿產生裝置，可以低成本的製程設備結構產生高效率的製程反應電漿。

為達成前揭目的，本發明提供一種電漿產生裝置，係於一反應腔體內設置一直流電極裝置及一交流電極裝置，該交流電極裝置設於該反應腔體周圍且對應位於該直流電極裝置下方；該直流電極裝置周圍設有至少一進氣管路，用以自該反應腔體外部導入反應氣體使反應氣體經該直流電極裝置之直流電壓解離，該直流電極裝置未解離或未完全解離之反應氣體向下流至該交流電極裝置經射頻交流電壓解離產生電漿。

本發明之另一目的乃在於提供一種電漿輔助氣相沈積裝置，使用以產生電漿之反應氣體有效完全解離，以獲得高均勻度的反應沈積物。

為達成前揭目的，本發明提供一種電漿輔助氣相沈積裝置，係於一反應腔體內設置一基板、一直流電極裝置及一交流電極裝置；該反應腔體周圍設有多數個進氣管路，用以自該反應腔體外部將反應氣體導入該直流電極裝置以進行直流電壓解離。該交流電極裝置用以將通過該二電極板未解離及未完全解離之反應氣體解離，解離後之電漿離子可先經該交流電極裝置之射頻電場橫向振盪位移，再以物理反應、化學反應或兩者混和之反應擇一者於該基板上形成均勻分佈之沈積物。

以下，茲配合若干圖式列舉對應之較佳實施例，用以對本發明之組成構件及功效作進一步說明，其中所用各圖式之簡要說明如下：第一圖係為本發明第一較佳實施例所提供之結構示意圖；第二圖A係為上述第一較佳實施例所提供之上電極板之底視圖，第二圖B為下電極板之底視圖；第三圖係為本發明第二較佳實施例所提供之結構示意圖。

請參閱如第一圖所示，為本發明第一較佳實施例所提供之一種電漿產生裝置1，係於一反應腔體10內設置一直流電極裝置20、一交流電極裝置30、一基板40以及多數個進氣管路50，其中：該直流電極裝置20提供反應氣體進行直流放電反應，以本實施例所提供之二電極板21、22為例，係鄰近該反應腔體10之一頂部101分別以上、下平行並列，且電性連接該電漿產生裝置1外部之一直流電壓源200；配合第二A及二B圖參照，該二電極板21、22穿設有多數個氣孔，其中穿設上電極板21的為進氣孔210，穿設下電極板22的為出氣孔220，進氣孔210用以連接該進氣管路50將反應氣體導入該二電極板21、22之間，經電離反應所產生的電漿離子可再撞擊陰極結構的下電極板22以產生二次電子提供反應氣體解離，或者直接經由下電極板22的周緣及出氣孔220向下流出。

該交流電極裝置30設於該反應腔體10相對之二側邊102鄰近該下電極板22與該基板40，係電性連接該電漿產生裝置1外部之一射頻交流電源300，可產生具有特定頻率以上之射頻交流電壓。當反應氣體於該直流電極裝置20中未經解離或未完全解離即流出至該交流電極裝置30時，該交流電極裝置30之射頻電場可將反應氣體進一步進行解離，射頻電場作用於解離反應所產生之電漿離子可使其限制於對應該直流電極裝置20下方的空間來回振盪；因此由該交流電極裝置30解離出的電漿以及經該直流電極裝置20解離產生的電漿，可於該交流電極裝置30中來回振盪產生橫向位移，因而使通過該交流電極裝置30之電漿具有均勻的分佈。

該基板40為待與電漿直接或間接反應的加工件，係設於一加工座41上，該加工座41可藉由數個控制線路42連接該電漿產生裝置1外部之自動控制系統做升降、傾斜或旋轉等位移，當然越多的控制線路可具有多維的控制精度，以提供該加工座41越高精密度的調整量，藉此得以調整該基板40以至最適之加工位置。

因此當該直流電壓源200所產生之高、低電位分別導通至該二電極板21、22後，待解離之反應氣體自該進氣管路50及上電極板21的進氣孔210流入該二電極板21、22之間；反應氣體分子或原子受到直流電壓的激發使氣體分子或原子中的電子產生電離反應，同時製造出帶正電的電漿離子。電漿離子經由下電極板22的周緣及氣孔220流出，在通過該交流電極裝置30時橫向來回振盪，可使電漿在抵達該基板40前分佈均勻，不會僅對應該電極板22的周緣及氣孔220的位置分佈；至於若原本輸入該直流電極裝置20的反應氣體因流量、流速過大等因素，而未來得及參與電離反應或未完全解離，同樣可經由下電極板22的周緣及氣孔220流出，在通過該交流電極裝置30時由射頻電場的作用得以完全解離為實際製程所需離子條件。

由上述可知，本發明所提供之電漿產生裝置1同時提供一種電漿產生方法，讓待解離之反應氣體先後藉由如該直流電極裝置20的直流電壓放電解離及該交流電極裝置30的射頻交流電壓解離，以產生高純度及均勻度的電漿離子，可應用至實際製程需求，例如於該電漿產生裝置1之基板40上進行如離子佈植、沈積或蝕刻等製程；或者可進一步加入其餘製程輔助設備或條件氣體，將電漿離子經物理或化學反應以進行如沈積或蝕刻等製程。如此之電漿產生方法在初步進行直流電壓放電解離時，所使用的電壓條件僅需達到反應氣體之擊穿電壓條件，而不需使用更大電漿能量而造成如習用般之反應室內壁受到強烈的離子撞擊，致使反應室內壁剝落；亦可避免電極受電漿中帶電粒子高能量的轟擊，致使電極使用壽命減少或從電極濺射出來之原子會對電漿產生污染。再者，已由直流電壓完全解離後之電漿經過交流電極裝置時，電漿分佈為重新均勻配置後再通過，因此當未解離或未完全解離的氣體進行射頻交流電壓的第二階段解離時，不致發生電漿高濃度的聚集於反應室中間，因而可避免產生如習用電漿阻抗不匹配或電漿濃度不均所造成的製程缺陷。

當然，本發明所提供之電漿產生方法並不限制以上述實施例之電漿產生裝置1為應用，除了以該直流電極裝置20及該交流電極裝置30進行二階段解離步驟所需，亦可如同前述之加入其餘製程輔助設備或條件氣體，將電漿離子經物理或化學反應處理以進行如沈積或蝕刻等製程。再者，以本發明之主要技術手段而言，該直流電極裝置20中該些氣孔210、220亦非必要的設置，請參照如第三圖所示，係為本發明第二較佳實施例所提供一種電漿產生裝置2，具有一直流電極裝置60、數個進氣管路70以及同於上述實施例之該交流電極裝置30，與上述第一較佳實施例所提供者差異在於：該些進氣管路70沿該直流電極裝置60邊緣設置，使反應氣體自該直流電極裝置60側邊直接流入該二電極板61、62之間，因此該直流電極裝置60省略了如上述實施例之進氣孔及出氣孔的額外加工需求；反應氣體於該直流電極裝置60產生直流放電解離後，電漿離子可順著氣流方向流出該二電極板61、62，至於未解離及未完全解離之反應氣體同樣可順著氣流方向流出該二電極板61、62。該交流電極裝置30具有同於上述實施例之功能，可藉由射頻電場作用，將已解離之電漿離子振盪為具有均勻的電漿濃度分佈，其餘未解離及未完全解離之反應氣體一旦解離為帶電離子同樣可受射頻電場作用振盪為具有均勻的電漿濃度分佈。

唯，以上所述者，僅為本發明之較佳可行實施例而已，故舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

1、2．．．電漿產生裝置

10．．．反應腔體

101．．．頂部

102．．．側邊

20、60．．．直流電極裝置

21、22、61、62．．．電極板

210．．．進氣孔

220．．．出氣孔

30．．．交流電極裝置

300．．．射頻交流電源

40．．．基板

41．．．加工座

42．．．控制線路

50、70．．．進氣管路

第一圖係為本發明第一較佳實施例所提供之結構示意圖；

第二圖A係為上述第一較佳實施例所提供之上電極板之底視圖，第二圖B為下電極板之底視圖；

第三圖係為本發明第二較佳實施例所提供之結構示意圖。

1‧‧‧電漿產生裝置

10‧‧‧反應腔體

101‧‧‧頂部

102‧‧‧側邊

20‧‧‧直流電極裝置

21、22‧‧‧電極板

200‧‧‧直流電壓源

30‧‧‧交流電極裝置

300‧‧‧射頻交流電源

40‧‧‧基板

41‧‧‧加工座

42‧‧‧控制線路

50‧‧‧進氣管路

Claims (12)

1. 一種電漿產生方法，使反應氣體得以完全解離，包括有下述步驟：將反應氣體通入一直流電極裝置，使反應氣體經該直流電極裝置之直流電壓解離產生電漿；以及，將上述電漿及未解離或未完全解離之上述反應氣體通入一交流電極裝置，使電漿於該交流電極裝置中來回振盪分佈，且未解離及未完全解離之反應氣體經該交流電極裝置之射頻交流電壓解離產生上述電漿，其中，以該直流電極裝置解離反應氣體的方法係使反應氣體通過相互平行之二電極板之間，經解離產生的電漿係部分穿過其中一該電極板流至該交流電極裝置。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之電漿產生方法，反應氣體通入該直流電極裝置時的流向係垂直於該二電極板的平面方向。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之電漿產生方法，電漿於該交流電極裝置中的振盪方向係平行於該二電極板的平面方向。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之電漿產生方法，反應氣體通入該直流電極裝置時的流向係垂直於該直流電極裝置的電場方向。
5. 依據申請專利範圍第2或第4項所述之電漿產生方法，該交流電極裝置的電場方向係垂直於該直流電極裝置的電場方向。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之電漿產生方法，使反應氣體於該直流電極裝置解離的直流電壓係為使反應氣體中至少一分子或原子解離所需的擊穿電壓。
7. 一種電漿產生裝置，其包括：一反應腔體；一第一電極裝置，設於該反應腔體內且位電性連接一直流電壓源；至少一進氣管路，設於該第一電極裝置周圍，用以自該反應腔體外部導入反應氣體使反應氣體經該第一電極裝置之直流電壓解離；以及，一第二電極裝置，設於該反應腔體周圍且對應位於該第一電極裝置下方，該第二電極裝置電性連接一交流電源，該交流電源操作於特定頻率以上之射頻交流電壓，該第二電極裝置用以將通過該第一電極裝置未解離及未完全解離之上述反應氣體解離。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之電漿產生裝置，該第一電極裝置係具有二電極板，該進氣管路之一端設於該二電極板之間。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之電漿產生裝置，係設有多數個該進氣管路，其中一該電極板具有多數個進氣孔，分別供各該進氣管路穿設。
10. 依據申請專利範圍第8項所述之電漿產生裝置，該二電極板係為上、下相互平行並列，鄰近該第二電極裝置之其中一該電極板係穿設有多數個出氣孔，供反應 氣體或解離後之電漿流出。
11. 一種電漿輔助氣相沈積裝置，其包括：一反應腔體；一基板，設於該反應腔體內；二第一電極板，設於該反應腔體內，該二第一電極板係與該基板平行並列且設於該基板上，該二第一電極板電性連接一直流電源；多數個進氣管路，設於該反應腔體周圍，用以自該反應腔體外部將反應氣體導入該二第一電極板之間以進行直流電壓解離；以及，一第二電極裝置，設於該反應腔體周圍且位於該二第一電極板下方，該第二電極裝置電性連接一交流電源，該交流電源操作於特定頻率以上之射頻交流電壓，該第二電極裝置用以將通過該二第一電極板未解離及未完全解離之反應氣體解離，以及將解離後之電漿離子於該基板上產生橫向之位移，解離後之電漿離子經物理反應、化學反應或兩者混和之反應擇一者於該基板上形成沈積物。
12. 依據申請專利範圍第11項所述之電漿輔助氣相沈積裝置，該基板設於一加工座上，該加工座接設有多數個控制線路，該些控制線路用以控制該加工座具有至少二維向量的變化。