TWI423736B

TWI423736B - A plasma processing apparatus and a processing method thereof

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Publication number: TWI423736B
Application number: TW99104621A
Authority: TW
Inventors: Tom Ni
Original assignee: Advanced Micro Fab Equip Inc
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2014-01-11
Also published as: TW201129258A

Description

一種等離子體處理裝置及其處理方法

本發明涉及一種等離子體處理裝置及其處理方法，特別涉及一種能夠調整等離子體均勻性的等離子體處理裝置及其處理方法。

目前在對半導體器件等的製造過程中，通常使用電容耦合式的等離子體處理裝置產生氣體的等離子體與半導體器件進行反應，實現對半導體器件的蝕刻等加工工藝。

一般情況下，電容耦合式的等離子體處理裝置在真空的處理腔室內平行設置上電極和下電極，將需要被蝕刻的基片放置在下電極上。在處理腔室內引入蝕刻氣體，通過在上電極或下電極上施加射頻、在對應的下電極或上電極上接地，使上、下電極間被射頻電場加速的電子、從電極釋放的二次電子等與蝕刻氣體的分子發生電離衝撞，產生蝕刻氣體的等離子體；利用上述等離子體的自由基、離子，對基片表面進行蝕刻。

然而，在等離子體處理裝置的處理腔室中，由於蝕刻氣體的種類、氣壓、高頻電壓的功率等工藝參數的不同，使產生的等離子體的密度十分容易發生變動，難以在基片的周圍均勻分佈，影響對基片蝕刻的均勻性。

本發明的目的在於提供一種等離子體處理裝置及其處理方法，產生氣體的等離子體與基片進行反應的同時，能夠穩定方便地改變等離子體的密度，進而調整等離子體的均勻性。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種等離子體處理裝置，其特徵在於，包含：引入有反應氣體的真空處理腔室；相對設置在上述處理腔室內側的上電極和下電極，上述下電極上放置有被處理的基片；與上述下電極連接的具有第一頻率的第一射頻功率源，用於在上述上電極和下電極之間形成上述反應氣體的等離子體；上述上電極包含相互電絕緣的若干個分區；以及與上述上電極上若干個分區中的至少一個分區連接的具有第二頻率的交流電源，上述第二頻率小於上述第一頻率。

在施加有上述交流電源的上電極的分區下方，對應形成一個附著於該分區下表面的第一等離子體鞘層。

上述施加於上電極的交流電源被設置成脈衝式的或可調製的。

上述施加於上電極的交流電源被設置成該交流電源的電壓、電流或功率是可調整變化的。

上述第一等離子體鞘層的厚度與相對應的上述交流電源的功率成正比；上述第一等離子體鞘層的厚度由上述相對應的交流電源的功率來調整。

上述下電極上還施加有具有第三頻率的第二射頻功率源產生射頻加速電場，來控制上述等離子體的離子入射到上述被處理的基片的速度；上述第一頻率大於上述第三頻率。

上述上電極上被連接有交流電源的分區之外的其他分區之一還施加有直流電源，並在該分區下方對應形成第二等離子體鞘層。

上述施加於上電極的直流電源被設置成該直流電源的電壓、電流或功率是可調整變化的。

上述第二等離子體鞘層的厚度與相對應的上述直流電源的功率成正比；上述第二等離子體鞘層的厚度由上述相對應的直流電源的功率來調整。

上述上電極的分區包含同圓心設置的內側上電極、外側上電極；上述內側上電極設在上電極的中心位置，上述外側上電極設在上述內側上電極的周圍。

上述交流電源與上述內側上電極連接，在上述內側上電極下方的處理腔室內形成向下凸起的第一等離子體鞘層；上述第一等離子體鞘層的厚度由上述施加在內側上電極的交流電源的功率調整。

上述外側上電極上還施加有直流電源，在其下方形成第二等離子體鞘層；上述第二等離子體鞘層的厚度由上述施加在外側上電極的直流電源的功率調整。

上述交流電源與上述外側上電極連接，在上述外側上電極下方的處理腔室內形成向下凸起的第一等離子體鞘層；上述第一等離子體鞘層的厚度由上述施加在外側上電極的交流電源的功率調整。

上述內側上電極上還施加有直流電源，在其下方形成第二等離子體鞘層；上述第二等離子體鞘層的厚度由上述施加在內側上電極的直流電源的功率調整。

上述第一等離子體鞘層的厚度大於上述第二等離子體鞘層的厚度。

上述上電極的每一個分區由導體材料或半導體材料製成。

上述上電極的若干分區之間由絕緣體分隔。

上述上電極的若干分區之一設有比其他分區更向下電極突出的突出部。

上述上電極上連接有交流電源的分區包含相互連接的上層上電極和下層上電極，其中上層上電極由導體材料或半導體材料製成，並與上述交流電源相連接；其中下層上電極由電介質材料製成，上述下層上電極的下表面朝向下電極。

一種等離子體處理方法，其特徵在於，運用於具有上電極和下電極的真空處理腔室，上述上電極包含相互電絕緣的若干個分區，上述下電極上放置有被處理的基片，上述處理方法包含：提供處理氣體至上述真空處理腔室內，並向上述下電極施加具有第一頻率的第一射頻功率源，用於在上述上電極和下電極之間形成等離子體來處理上述基片；以及在等離子體處理上述基片的過程中，選擇性地向上述上電極的若干分區的至少一個分區連續地或間隙地施加一具有第二頻率的交流電源，上述第二頻率小於上述第一頻率。

在施加有上述交流電源的上電極的分區下方，對應形成一層第一等離子體鞘層附著於該分區的下表面。

在上述等離子體處理基片的過程中，調整上述施加於上電極的交流電源的電壓、電流或功率，以控制分區下方的第一等離子體鞘層的厚度。

在上述等離子體處理基片的過程中，選擇性地向上述上電極上被連接有交流電源的分區之外的其他分區之一，連續地或間隙地施加直流電源，並在該分區下方對應形成一層第二等離子體鞘層。

在上述等離子體處理基片的過程中，調整上述施加於上電極的直流電源的電壓、電流或功率，以控制分區下方的第二等離子體鞘層的厚度。

上述施加於上電極的直流電源被設置成脈衝式的或可調製的。

上述下電極上還施加有具有第三頻率的第二射頻功率源產生射頻加速電場，來控制上述等離子體的離子入射到上述被處理的基片的速度；上述第三頻率小於上述第一頻率。

在上述等離子體處理基片的過程中，同時或不同時地選擇上述上電極的若干分區中的至少兩個分區分別施加第一交流電源和第二交流電源，上述第一交流電源的頻率和上述第二交流電源的頻率不同，且二者的頻率均小於上述第一頻率。

上述第一交流電源和第二交流電源的電壓、電流或功率被分別控制。

上述上電極被絕緣體分隔的若干分區包含同圓心設置的內側上電極和外側上電極。

上述上電極的內側上電極上施加上述交流電源，對應在其下方形成並附著有第一等離子體鞘層，該第一等離子體鞘層的厚度由上述交流電源的功率調整。

上述上電極的外側上電極上施加有直流電源，對應在其下方形成並附著第二等離子體鞘層，該第二等離子體鞘層的厚度由上述直流電源的功率調整。

上述上電極的外側上電極上施加上述交流電源，對應在其下方形成並附著有第一等離子體鞘層，該第一等離子體鞘層的厚度由上述交流電源的功率調整。

上述上電極的內側上電極上施加有直流電源，對應在該其下方形成並附著第二等離子體鞘層，該第二等離子體鞘層的厚度由上述直流電源的功率調整。

上述上電極的若干分區之一設有比其他分區更向下電極突出的突出部，在上述設有突出部的分區上施加交流電源或直流電源，對應在該分區下方形成並附著有與突出部形狀相同的第一或第二等離子體鞘層。

上述上電極施加有交流電源的分區，包含相互連接的上層上電極和下層上電極，在上述導體材料或半導體材料製成的上層上電極上施加上述交流電源；使在上述由電介質材料製成的下層上電極下方形成並附著有第一等離子體鞘層。

本發明提供的一種等離子體處理裝置及其處理方法，與現有技術相比，其優點在於：本發明由於在上電極上設有若干電絕緣的分區，並在其中至少一個分區上施加功率可變的交流電源，在其下方形成厚度與功率成正比的等離子體鞘層，使等離子體更多地向等離子體鞘層較薄的位置流動，增加該位置的等離子體密度，進而能夠穩定地調整處理腔室中等離子體的均勻性，改善了對基片表面蝕刻的均勻性；本發明由於在上電極的另一些分區上，特別是上電極邊緣的一些分區還施加有功率可變的直流電源，使對邊緣位置的等離子體密度的均勻性具有良好的調整性能；本發明由於在上電極的一些分區，還設有比其他分區更向下電極突出的突出部，通過將分區與交流電源LF或直流電源DC連接，在其下方形成並附著有與突出部形狀相同的等離子體鞘層，以此調整等離子體鞘層的形狀，來進一步調整處理腔室中等離子體的均勻性，改善對基片表面蝕刻的效果。

以下結合附圖說明本發明的若干具體實施方式。

請配合參見圖1和圖2所示，係本發明之第一實施例，本發明提供的一種等離子體處理裝置，用來產生氣體的等離子體與基片50進行反應，實現對基片50的蝕刻等加工。該電容耦合式的等離子體處理裝置包含處理腔室10、平行設置在處理腔室10內的上電極20和下電極30、與上電極20連接的交流電源LF、與下電極30連接的第一射頻功率源HF1。

處理腔室10內是真空的，其中引入了用於對基片50蝕刻的反應氣體，該反應氣體是包含氧氣O₂ 或氮氣N₂ 的蝕刻氣體。下電極30水準設置在處理腔室10的內部下方，在下電極30上放置待處理的基片50。

與下電極30對應，在處理腔室10的內部上方平行設置有上電極20。上電極20被分隔成若干分區，每個分區由導體材料或半導體材料製成，相互之間是電絕緣的。如本實施例中，上電極20的相互電絕緣的分區包含同心設置的內側上電極21和外側上電極22，其中內側上電極21與放置在下電極30上的基片50相對應，設置在上電極20的中心位置；外側上電極22設置在內側上電極21的周圍，與內側上電極21通過設置的絕緣體23進行分隔。

第一射頻功率源HF1與下電極30連接，在內側上電極21施加脈衝式的或可調製的交流電源LF，該交流電源LF的電壓、電流或功率可調。由於分別施加了第一射頻功率源HF1和交流電源LF，使得在上、下電極間形成射頻電場，被電場加速的電子等與蝕刻氣體的分子發生電離衝撞，產生蝕刻氣體的等離子體。其中具有第一頻率的第一射頻功率源HF1用來控制生成的等離子體的密度，該第一頻率要大於施加在上電極20的交流電源LF具有的第二頻率，其中一個優選的參考比例是第一頻率與第二頻率的比為2：1。

內側上電極21與上述電壓、電流或功率可調的交流電源LF連接，在處理腔室10中、貼近內側上電極21下表面的位置形成一層第一等離子體鞘層41。交流電源LF的功率越高，該第一等離子體鞘層41就越厚。

在一些實施例中，還可以設置與下電極30連接的第二射頻功率源HF2。第二射頻功率源HF2與等離子體密度調整無關，第二射頻功率源HF2通過控制射頻電場的加速電壓，來控制入射到基片50的離子速度。第一射頻功率源HF1的第一頻率要大於第二射頻功率源HF2具有的第三頻率，而交流電源LF與第二射頻功率源HF2的頻率是相互獨立設置的。

運用於上述等離子體處理裝置的等離子體處理方法，首先在對應設置上、下電極的真空處理腔室10內引入用於蝕刻的反應氣體，並在放置待處理基片50的下電極30上施加具有第一頻率的第一射頻功率源HF1，使在上電極20和下電極30之間形成反應氣體的等離子體，用來對基片50進行蝕刻處理。

在下電極30上還施加具有第三頻率的第二射頻功率源HF2產生射頻加速電場，來控制等離子體的離子入射到基片50的速度；設置該第三頻率小於第一射頻功率源HF1的第一頻率。

在等離子體處理基片50的過程中，選擇性地在上電極20的若干電絕緣的分區中的至少一個分區，連續地或間隙地施加具有第二頻率的脈衝式或可調製的交流電源LF，設置該第二頻率小於第一射頻功率源HF1的第一頻率，使在該分區的下表面，對應形成並附著一層第一等離子體鞘層41。

調整施加於該分區的交流電源LF的電壓、電流或功率，控制第一等離子體鞘層41的厚度隨交流電源的功率成正比變化，即交流電源LF的功率越高，該第一等離子體鞘層41就越厚。

在本實施例中，在上電極20中心位置的內側上電極21施加該電壓、電流或功率可調的交流電源LF，使在處理腔室10中、貼近內側上電極21下表面的位置形成一層第一等離子體鞘層41。上電極20中間位置的、內側上電極21下方的第一等離子體鞘層41向下凸起，與放置在下電極30上的基片50的位置相對應，使高頻電流更多地通過外側上電極22後接地，因而改變了處理腔室10中等離子體的流動路徑，使其集中向外側上電極22的下方流動，即增加了基片50邊緣位置的等離子體密度。

因此可以在上電極20的若干電絕緣的分區其中的一些分區施加功率不同的交流電源LF，使在分區下方形成厚度不同的等離子體鞘層，則使等離子體更多地向等離子體鞘層較薄的位置流動，增加該位置的等離子體密度，進而調整處理腔室10中用來蝕刻基片50的等離子體的均勻性，從而調整了基片50表面蝕刻的均勻性。

請參見圖3所示，係本發明之第二實施例，本實施例與第一實施例中提供的等離子體處理裝置總體結構相類似，包含平行對應設置上、下電極的處理腔室10；在下電極30與第一射頻功率源HF1連接，也可以同時施加第二射頻功率源HF2。上電極20設有的若干電絕緣分區中，分別在至少一個分區上施加電壓、電流或功率可調的交流電源LF，在分區下方的處理腔室10內對應形成第一等離子體鞘層41，並能通過調整交流電源LF頻率控制生成的第一等離子體鞘層41厚度。

唯一不同點在於，本實施例在上電極20設有的、不施加交流電源LF的其餘若干電絕緣分區中的一些分區上，還施加有電壓、電流或功率可調的直流電源DC，使在分區下方的處理腔室10內對應形成第二等離子體鞘層42。與實施例1中類似，該脈衝式或可調製的直流電源頻率與生成的第二等離子體鞘層42厚度成正比。因而等離子體能夠更多地向第一等離子體鞘層41或第二等離子體鞘層42較薄的位置流動，增加該位置的等離子體密度。

本實施例的一個較優方案是，上電極20的分區如實施例1中所述，包含同心設置的內側上電極21和外側上電極22，在內側上電極21與交流電源LF連接，外側上電極22與直流電源DC連接，內側上電極21下方的第一等離子體鞘層41厚度大於外側上電極22下方第二等離子體鞘層42的厚度。

運用於本實施例所述等離子體裝置的等離子體處理方法，與實施例1中類似，首先在真空處理腔室10內引入反應氣體；在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，生成引入氣體的等離子體；也可以施加第二射頻功率源HF2，加速等離子體的離子入射到基片50的速度；在內側上電極21施加交流電源LF，調整其功率來控制內側上電極21下方的第一等離子體鞘層41厚度。

唯一不同點在於，本實施例所述等離子體處理方法，還在外側上電極22施加直流電源DC，在外側上電極22下方對應形成一層第二等離子體鞘層42。調整直流電源DC的功率，以此控制第二等離子體鞘層42的厚度，使該第二等離子體鞘層42厚度小於第一等離子體鞘層41的厚度。

由於在電容耦合式的等離子體處理裝置中，交流電源LF對等離子體密度的調整更穩定，而施加在上電極20邊緣位置的直流電源DC，對邊緣位置的等離子體密度的均勻性會具有更好的調整性能。

因而下電極30上的高頻電流能夠更多地通過外側上電極22上的直流電源DC接地，進而增加了外側上電極22下方的等離子體密度，以此調整基片50周圍的等離子體的均勻性，從而調整了基片50表面蝕刻的均勻性。

請參見圖4所示，係本發明之第三實施例，本實施例與第一實施例、第二實施例中提供的等離子體處理裝置總體結構相類似，包含平行設有上、下電極的處理腔室10，在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，也可以同時施加第二射頻功率源HF2，上電極20分成相互電絕緣的內側上電極21和外側上電極22。

本實施例的不同點在於，外側上電極22與實施例1所述電壓、電流或功率可調的交流電源LF連接，在外側上電極22下方形成第一等離子體鞘層41。

在一些實施例中，還可以選擇在內側上電極21上施加如實施例2所述電壓、電流或功率可調的直流電源DC(如圖4中虛線所示)，使外側上電極22下方第一等離子體鞘層41的厚度大於內側上電極21下方的第二等離子體鞘層42的厚度。

運用於本實施例所述等離子體裝置的等離子體處理方法，與實施例1、實施例2中類似，首先在真空處理腔室10內引入反應氣體；在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，生成引入氣體的等離子體；也可以施加第二射頻功率源HF2，加速等離子體的離子入射到基片50的速度。

唯一不同點在於，本實施例所述等離子體處理方法，在外側上電極22施加交流電源LF，調整其功率來控制外側上電極22下方的第一等離子體鞘層41厚度。

還可以在內側上電極21施加直流電源DC，在內側上電極21下方對應形成一層第二等離子體鞘層42。

調整直流電源DC的功率，以此控制第二等離子體鞘層42的厚度，使該第二等離子體鞘層42厚度小於第一等離子體鞘層41的厚度。即在整個上電極20下方附有一層邊緣凸起，中間下凹的等離子體鞘層，進而增加了上電極20下方中間位置、內側上電極21下方的等離子體密度，以此調整用來蝕刻基片50的等離子體的均勻性，從而調整了基片50表面蝕刻的均勻性。

請參見圖5所示，係本發明之第四實施例，本實施例與上述第一實施例中提供的等離子體處理裝置總體結構相類似，包含對應設置有上、下電極的處理腔室10，在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，也可以同時施加第二射頻功率源HF2，上電極20分成若干電絕緣的分區，並在其中至少一個分區施加交流電源。

本實施例的唯一不同點在於，所述上電極20的形狀不限於上述各個實施例中涉及的中心和邊緣厚度相等的平板狀。本實施例中，上電極20的若干個電絕緣分區其中的一個分區，其設有比其他分區更向下電極30突出的突出部24。所述具有突出部24的分區主要與交流電源連接，使在該分區下方形成並附著有與突出部24形狀相同的第一等離子體鞘層。該交流電源的功率可不同於施加在其他分區上的交流電源功率，以生成不同厚度的第一等離子體鞘層。與上述實施例中類似，該具有突出部的也可以與直流電源連接，使在該分區下方形成並附著有與突出部24形狀相同的第二等離子體鞘層。

運用於本實施例所述等離子體裝置的等離子體處理方法，與實施例1中類似，首先在真空處理腔室10內引入反應氣體；在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，生成引入氣體的等離子體；也可以施加第二射頻功率源HF2，加速等離子體的離子入射到基片50的速度。在上電極20的若干電絕緣的分區中的至少一個分區施加交流電源LF，在其下方產生第一等離子體鞘層41；調整交流電源LF功率，控制第一等離子體鞘層41厚度；可以在施加交流電源LF的分區之外的一些分區上施加直流電源DC，在其下方生成第二等離子體鞘層42；調整直流電源的電壓、電流或功率，控制第二等離子體鞘層42厚度。

唯一不同點在於，上述交流電源LF或直流電源DC可以施加在具有突出部24的上電極20分區上，使在該分區下方形成並附著有與突出部24形狀相同的等離子體鞘層，因而能夠通過調整等離子體鞘層的形狀，進一步調整等離子體的密度，以此調整處理腔室10內等離子體的均勻性，從而調整了基片50表面蝕刻的均勻性。

請參見圖6所示，係本發明之第五實施例，本實施例與上述第一實施例中提供的等離子體處理裝置總體結構相類似，包含對應平行設置有上、下電極的處理腔室10，在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，也可以同時施加第二射頻功率源HF2，上電極20分成若干相互電絕緣的分區，並在其中至少一個分區施加交流電源LF。

本實施例的唯一不同點在於，上述施加有交流電源的分區分成相互連接的上層上電極25和下層上電極26。如圖6中所示是本實施例的一種實施方式，上電極20分為電絕緣的內側上電極21和外側上電極22，在內側上電極21施加交流電源LF，該內側上電極21的上層上電極25由導體材料或半導體材料製成，並與上述交流電源相連接；內側上電極21的下層上電極26由電介質材料製成，使上層上電極25施加的交流電源的射頻能量，能夠通過該下層上電極26，在下層上電極26的下表面形成並附著第一等離子體鞘層41。同時該下層上電極26使用的電介質材料選擇相對耐等離子體腐蝕的材料，能夠保護上層上電極25不被刻蝕或是被生成的等離子體腐蝕。

運用於本實施例所述等離子體裝置的等離子體處理方法，與實施例1中相同，首先在真空處理腔室10內引入反應氣體；在下電極30上施加第一射頻功率源HF1，生成引入氣體的等離子體；也可以施加第二射頻功率源HF2，加速等離子體的離子入射到基片50的速度。在上電極20的若干電絕緣的分區中的至少一個分區施加交流電源LF，在其下方產生第一等離子體鞘層41；調整交流電源LF功率，控制第一等離子體鞘層41厚度。也可以在施加交流電源LF的分區之外的一些分區上施加直流電源DC，在其下方生成第二等離子體鞘層42；調整直流電源的電壓、電流或功率，控制第二等離子體鞘層42厚度。

因而等離子體能夠更多地向第一等離子體鞘層41或第二等離子體鞘層42較薄的位置流動，增加該位置的等離子體密度，以此調整處理腔室10內等離子體的均勻性，從而調整了基片50表面蝕刻的均勻性。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。

10．．．處理腔室

20．．．上電極

21．．．內側上電極

22．．．外側上電極

23．．．絕緣體

24．．．突出部

25．．．上層上電極

26．．．下層上電極

30．．．下電極

41．．．第一離子體鞘層

42．．．第二離子體鞘層

50．．．基片

圖1是本發明提供的等離子體處理裝置之第一實施例的結構示意圖。

圖2是本發明提供的等離子體處理裝置的上電極在第一實施例中的俯視圖。

圖3是本發明提供的等離子體處理裝置之第二實施例的結構示意圖。

圖4是本發明提供的等離子體處理裝置之第三實施例的結構示意圖。

圖5是本發明提供的等離子體處理裝置之第四實施例的結構示意圖。

圖6是本發明提供的等離子體處理裝置之第五實施例的結構示意圖。