TWI466186B - 消除感應耦合電漿反應器中之ｍ形蝕刻速率分佈之方法 - Google Patents

Description

消除感應耦合電漿反應器中之M形蝕刻速率分佈之方法

本發明有關於一種基材處理腔室。更明確而言，本發明係有關於一種改善感應耦合電漿反應器中之蝕刻速率均勻度的方法。

用來製造半導體微電子電路的電漿反應器能利用射頻(RF)感應耦合磁場來維持由製程氣體所生成的電漿。此類電漿可用來執行蝕刻與沉積製程。通常將高頻RF源功率訊號施加於靠近反應器之腔室頂壁處的線圈天線。並且施加一偏壓射頻訊號給位於室內基座上的半導體晶圓或工件支撐件。施加於線圈天線上的訊號功率主要決定腔室中的電漿離子密度，同時施加於晶圓上的偏壓訊號功率則決定晶圓表面處的離子能量。此類線圈天線的其中一個問題是在整個線圈天線上具有相對較大的電壓降，而電壓降可能誘導出不良的電漿效應。由於線圈天線的電抗(reactance)與頻率成比例，因此當施加在線圈天線上之源功率訊號的頻率提高時，此類效應變得更嚴重。在某些反應器中，可藉著將頻率限制在例如約2MHz的低頻範圍來解決此問題。不幸的是，在此較低頻率下，射頻功率耦合至電漿的效率較低。在10MHz至20MHz的頻率範圍中通常較容易達到穩定的高密度電漿放電(plasma discharge)。在低頻範圍(例如2MHz)下操作的另一缺點是諸如阻抗匹配網路等 元件的元件尺寸會大上許多，也因此較為笨重與昂貴。

線圈天線的另一問題是通常藉著提高線圈匝數來產生較大的磁通量密度以提高對電漿的感應耦合效率。但此種方法會提高線圈的感應電抗，並且由於主要由電漿電阻所構成的電路電阻保持固定，因此電路Q值會升高，其中電路Q值是電路電抗與電阻的比值。因而導致當改變腔室條件時難以維持阻抗匹配或無法穩定維持阻抗匹配。特別是當線圈感應係數夠大時，不穩定性會升高，使得在接近施加於該線圈上之射頻訊號的頻率處發生自我共振現象並且伴隨著寄生電容產生。因此，線圈的感應係數必須加以限制，以避免發生這些後續問題。

位在腔室頂壁上方的線圈天線(兩者在傳統上為插入型)的其一限制是天線中兩相鄰導體之間的互相感應效應(mutual inductance)通常位於水平方向上，也就是通常與射頻功率感應耦合至電漿的垂直方向正交。此為用來限制電漿之功率沉積空間控制的重要因子。而本發明的其中一目標是要克服在感應耦合之空間控制上的限制。

處理腔室典型具有「內」線圈天線與「外」線圈天線，該等天線實質上呈徑向或水平分佈，而不是被侷限在一不連續的半徑範圍內，因此該等天線的徑向位置成散佈狀的。特別是對於水平式平盤狀配置設計而言更是如此。因此，藉著改變施加在內天線與外天線間之射頻功率的相對分配比例來改變電漿離子分佈之徑向分佈情形的能力將因而受到限制。此一問題在處理較大尺寸(例如300毫米)的 半導體晶圓時會特別明顯。這是因為當晶圓尺寸提升時，會更難以在整個晶圓表面上維持均勻的電漿離子密度。藉著調整由頂部天線所施加之磁場的徑向分佈可塑造電漿離子密度的徑向分佈。此磁場決定電漿離子密度。因此當晶圓尺寸增大，則需要更大的射頻磁場徑向塑形或調整能力。因此，期望能夠增進內天線與外天線之間的射頻功率分配效力，特別是希望能藉著將內外天線各自侷限在分離且非常窄的徑向位置處來達到此目的。

本發明提供一種處理基材的設備，其包含具有一頂壁的腔室、鄰近該頂壁的一外天線與一內天線、一電漿源功率源以及一基材支撐件，其中該外天線與該內天線同心設置；該電漿源功率源耦接至該外與內天線；以及該基材支撐件設置在該腔室中；其中該外天線的尺寸以及介於該基材支撐件與該頂壁之間的距離可使位於該基材支撐件上之基材的蝕刻速率實質均勻。

本發明提供一種在感應耦合處理腔室中處理基材的方法，該方法包括：將一外天線與一內天線設置在該腔室之頂壁的鄰近處，且該外天線與該內天線同心設置；在該腔室中提供一基材支撐件；以及調整該外天線的尺寸以及該腔室的體積，使得位在該基材支撐件上之基材的蝕刻速率實質均勻。

本發明還提供一種感應耦合電漿處理腔室，其包括一具有一頂壁的腔室、鄰近該頂壁的外天線與內天線、一基材支撐件、用以供應第一射頻功率給該外天線並且供應第二射頻功率給該內天線的裝置，以及用以調整該外天線的尺寸和該腔室之體積而使該基材支撐件上之基材蝕刻速率實質均勻的裝置，其中該外天線與該內天線同心設置，並且該基材支撐件設置在該腔室中。

以下說明提出多種特定細節，例如數種特定系統、部件和方法的範例等，以助於良好理解本發明的數個實施例。然而熟悉該項技術者將可了解到無需這些特定細節也可以實施本發明的至少某些實施例。在其他範例中，並未對已知的部件或方法做詳細描述或顯示在簡易方塊圖中，以避免不必要地模糊本發明焦點。因此，文中所述特定細節內容僅作為示範。並且可由這些示範細節做出變化而得出多種特定實施方式，並且該些實施例仍為本發明精神與範圍所涵蓋。

在此揭示一種處理基材的方法與設備。一感應耦合電漿處理反應器具有一內線圈天線與一外線圈天線，該等內外線圈天線設置在鄰近於腔室的頂壁處。單一功率源具有兩個差動調整(differentially adiustable)式輸出，且該兩輸出分別連接至內線圈天線與外線圈天線。外線圈天線的直徑以及介在腔室內之基材支撐件與腔室頂壁之間的間隙距 離可加以調整，以減小該感應耦何反應器中的「M形」蝕刻速率分佈。

第1圖是根據一實施例所做之感應耦合電漿反應器的方塊圖。圓柱狀側壁104以及平板頂壁106定義出一反應器腔室102。基材支撐件108可設置在反應器腔室102中，且定位成面對該腔室頂壁並置中地設置在該腔室的對稱軸上。基材支撐件108定位在頂壁106下方且間隔一距離h之處。

真空幫浦110與腔室102的排出口(未顯示)配合。製程氣體供應器112透過氣體入口114將製程氣體供應至腔室102內。該領域中具有通常知識者將理解到製程氣體可能包含多種不同成分，例如用來蝕刻多晶矽的鹵化物氣體、用來蝕刻二氧化矽的氟化碳氣體、用來進行矽類化學氣相沉積製程的矽烷類氣體，或是用來蝕刻金屬的含氯氣體。第1圖中顯示的氣體入口114是單一輸送管，但在實際應用中可能是更複雜的結構，例如有多個入口。

受到從天線130導入腔室102中之射頻功率的影響下，這些氣體將會形成電漿來處理基材116。使用適當前驅物氣體而執行的電漿製程可能包括蝕刻製程，以及諸如化學氣相沉積等沉積製程。

基座108可包含一導電電極118，該導電電極118透過一阻抗匹配網路120而耦接至一偏壓射頻功率源122。腔室側壁104可以是金屬，例如鋁；並且頂壁106可以是諸如石英等介電材料。在本發明的其他實施例中，頂壁106 可能非平坦狀，而是圓頂狀或圓錐形。

根據另一實施例，頂壁106可為半導體材料，而非介電材料。頂壁106的半導體材料可具有適當的導電性，使其能夠作為天線130之射頻感應場的窗口以及作為一電極。在頂壁106可作為電極的實施例中，該頂壁106可接地(未顯示)，或透過匹配網路(未顯示)連接至一射頻功率源(未顯示)。腔室102及/或天線130可具有除了圓柱形以外的造型，例如具有正方形剖面的矩形。基材116亦可具有除了圓形以外的形狀，例如方型或其他外觀造型。基材116可包括半導體晶圓，或例如光罩等其他物件。

如第1圖所示，天線130可包含內天線148與外天線150，兩者皆鄰近且位於腔室102的頂壁106上方。根據一實施例，內天線148與外天線150同心(concentric)設置。內天線148可以是與該腔室102同軸心的內線圈天線。外天線150可以是與該腔室102同軸心的外線圈天線。因此可如第1圖所示般，外天線150的直徑D2大於內天線148的直徑D1。

射頻功率源組件132可包含一射頻產生器134，期透過一阻抗匹配網路136來連接。根據一實施例，阻抗匹配網路136包含一串聯電容138與一可變並聯電容(variable shunt capacitor)140。該領域中具有通常知識者可了解到該阻抗匹配網路136不僅限於第1圖中所繪示的電路。其他電路亦可能達到從具有單一頻率的單一功率源產生兩種不同功率級別的類似效果。

阻抗匹配網路136可包含第一射頻輸出端144以及第二射頻輸出端146。第一射頻輸出端144可連接至該串聯電容138的輸入。該第二射頻輸出端146可連接至該串聯電容138的輸出。該領域中具有通常知識者將可了解第1圖所繪示阻抗匹配網路136的電路並非完整的匹配網路電路。圖中所繪者僅作為示範說明之用。根據調整作業，可調整該可變並聯電容140的比例使其中一個輸出端或另一個輸出端的功率較大。因此，該兩輸出端144與146的功率級別可做差動調整(differentially adjustable)。

第一射頻輸出端144可連接至外天線150，同時第二射頻輸出端146可連接至內天線148。因此，該等輸出端144與146分別連接至內天線148與外天線150。該雙輸出的射頻功率源組件132可與任何具有內天線及外天線的電漿反應器併用。

有數個因素可能影響基材116的蝕刻速率分佈。該些因素包含內天線148的直徑D1、外天線150的直徑D2，以及介於該基材116/基材支撐件108與該腔室102之頂壁106之間的間隙h。藉著調整直徑D1、直徑D2及/或間隙h，可消除或實質減小基材116的「M形」蝕刻分佈。根據一實施例，修改或調整直徑D2與腔室間隙h可改善基材的蝕刻速率分佈。

第2圖顯示出可改善第1圖反應器中之蝕刻速率均勻度且消除基材116之「M形」蝕刻速率分佈的方法流程圖。在步驟202中提供一感應耦合電漿反應器腔室。該腔室具 有一內天線及一外天線，兩天線可利用如第1圖所示之差動調整式功率源來供電。在步驟204中，一基材支撐件設置在該腔室內並且與該腔室頂壁距離一腔室間隙h。

在步驟206中，調整外天線的直徑，以提高腔室中置於基材支撐件上之基材的蝕刻速率分佈的均勻度。根據一實施例，外天線的直徑可例如從15英吋提高至17英吋。

在步驟208中，調整腔室間隙h，以提高基材之蝕刻速率分佈的均勻度。根據一實施例，腔室間隙h可從5英吋提高到6英吋。

根據另一實施例，可調整該直徑與該腔室間隙h並且使其達成平衡，使得基材的蝕刻速率分佈實質均勻，且實質消除「M形」的蝕刻分佈。

第3圖繪示使用傳統反應器以及根據本發明實施例之反應器所獲得之蝕刻速率分佈的比較圖。蝕刻速率分佈線302是具有15英吋外線圈天線直徑以及5英吋腔室間隙之傳統感應耦合腔室的實驗結果。蝕刻速率分佈線304則是根據本發明實施例之感應耦合腔室的實驗結果。例如，所使用的感應耦合腔室實施例可具有6英吋的腔室間隙以及17英吋的外線圈天線直徑。如第3圖所示，整個基材表面上的蝕刻速率分佈呈現實質均勻。先前所述的M形分佈已實質消除。

第4圖顯示在腔室間隙h固定為5英吋的情況下使用不同之直徑D2所做出的不同蝕刻速率分佈。改變外天線150的直徑D2會影響M形波峰的位置。當腔室間隙h小， 有限的垂直腔室高度會造成短的水平擴散長度，使得外天線150之直徑D2的影響變得很明顯。增加直徑D2使M形波峰朝向基材邊緣移動，而提高基材116邊緣處的蝕刻速率，並且改善蝕刻速率均勻度。

第5圖顯示當外線圈天線直徑D2固定為15英吋的情況下，使用不同腔室間隙h(5英吋或6英吋)所獲得不同的蝕刻速率分佈。改變間隙h給予電漿更多的空間/與機會進行水平擴散。因此，當增加腔室間隙h時，M形的波峰會朝向中心處移動，到最後在中心處合併成單個波峰。另一方面，由於有較長的擴散長度，因而更有機會在腔室側壁104處造成表面再結合損失(surface recombination loss)。使得邊緣處的蝕刻速率快速減小。

第6圖顯示根據一實施例之具有6英吋間隙的腔室使用12英吋線圈直徑及17英吋線圈直徑時的蝕刻速率分佈情形。使用12英吋的外線圈直徑時，基材邊緣的蝕刻速率似乎沒有提高。但使用17英吋的外線圈直徑時，基材邊緣的蝕刻速率相當於該基材中心處的蝕刻速率。

雖然文中描述且顯示該些方法以特定的順序來操作，然而每個方法的操作順序可能可以改變，使得某些操作可以相反順序來執行，或者是某些操作至少某種程度上可與其他操作同時執行。在另一實施例中，不同操作步驟中的指令或子操作步驟可能以間歇或交替的方式執行。

上述說明內容以參照數個特定特定實施例來敘述本發明。然而在不偏離後附申請專利範圍所界定本發明廣義精 神與範圍的情況下，當可對做出各種修飾與變化態樣。因此文中說明內容與附圖僅作為示範，而非用來限制本發明。

102‧‧‧腔室

104‧‧‧側壁

106‧‧‧頂壁

108‧‧‧基材支撐件/基座

110‧‧‧幫浦

112‧‧‧氣體供應器

116‧‧‧基材

118‧‧‧電極

120‧‧‧阻抗匹配網路

130‧‧‧天線

122‧‧‧偏壓射頻功率源

132‧‧‧射頻功率源組件

136‧‧‧阻抗匹配網路

134‧‧‧射頻產生器

138‧‧‧串聯電容

140‧‧‧可變並聯電容

144‧‧‧第一射頻輸出端

146‧‧‧第二射頻輸出端

148‧‧‧內天線

150‧‧‧外天線

202、204、206、208‧‧‧步驟

本發明示範性地繪示於附圖中，其僅做示範而非用以限制本發明：

第1圖係一方塊圖，其繪示具有單個雙差動調整式輸出功率之功率源的感應耦合電漿反應器，其中該功率源分別連接至根據本發明所做之內外線圈。

第2圖係一流程圖，其顯示在根據實施例所做之第1圖反應器中的蝕刻速率均勻度改善方法。

第3圖繪示出傳統反應器以極根據本發明實施例之反應器的蝕刻速率。

第4圖繪示出根據實施例使用不同線圈直徑時的蝕刻速率。

第5圖顯示根據實施例之具有5英吋間隙的腔室及具有6英吋間隙之腔室的蝕刻速率。

第6圖顯示出根據實施例具有6英吋間隙之腔室使用12英吋線圈直徑及17英吋線圈直徑時的蝕刻速率。

102‧‧‧腔室

104‧‧‧側壁

106‧‧‧頂壁

108‧‧‧基材支撐件/基座

110‧‧‧幫浦

112‧‧‧氣體供應器

116‧‧‧基材

118‧‧‧電極

120‧‧‧阻抗匹配網路

130‧‧‧天線

132‧‧‧射頻功率源組件

136‧‧‧阻抗匹配網路

138‧‧‧串聯電容

140‧‧‧可變並聯電容

144‧‧‧第一射頻輸出端

146‧‧‧第二射頻輸出端

148‧‧‧內天線

150‧‧‧外天線

Claims (15)

1. 一種處理一基材的感應耦合處理腔室，其包含：一腔室，其具有一頂壁；鄰近該頂壁的一外天線與一內天線，該外天線與該內天線同心設置，其中該外天線包括具有至少17英吋直徑的一外側螺線管線圈；一電漿源功率源，其耦接至該外天線與該內天線；以及一基材支撐件，其設置在該腔室中，其中該基材支撐件與該頂壁之間的距離為至少6英吋；其中該外天線的直徑以及介於該基材支撐件與該頂壁之間的距離可讓該基材支撐件上具有約300mm直徑之一基材的蝕刻速率實質均勻且不具M形分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合處理腔室，其中該內天線包含一內側螺線管線圈。
3. 如申請專利範圍第2項所述之感應耦合處理腔室，其中該外側螺線管線圈的直徑大於該內側螺線管線圈的直徑。
4. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合處理腔室，其中該基材之內部區域的蝕刻速率實質上取決於該外天線的直徑。
5. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合處理腔室，其中該基材之外部區域的蝕刻速率實質上取決於該基材支撐件與該頂壁之間的距離。
6. 如申請專利範圍第1項所述之感應耦合處理腔室，其中該電漿源功率源更包括：一射頻功率源；以及一阻抗匹配網路，其耦接至該射頻功率源；其中該阻抗匹配網路包含一第一射頻輸出與一第二射頻輸出，該等輸出具有不同的可調功率級別，該第一射頻輸出連接至該外天線，該第二射頻輸出連接至該內天線。
7. 如申請專利範圍第6項所述之感應耦合處理腔室，其中該阻抗匹配網路產生一第一射頻功率級別給該外天線，以及產生一第二射頻功率級別給該內天線，其中施加至該外天線與該內天線的個別射頻功率級別可做差動性調整(differentially adiustable)，以控制來自該外天線與該內天線之施加的射頻場的徑向分佈。
8. 一種在一感應耦合處理腔室中處理一基材的方法，包括：將一外天線與一內天線設置在鄰近該腔室之一頂壁 處，且該外天線與該內天線同心設置，其中該外天線包括具有至少17英吋直徑的一外側螺線管線圈；在該腔室中提供一基材支撐件，其中該基材支撐件與該頂壁之間的距離為至少6英吋；以及調整該外天線的直徑以及該基材支撐件與該腔室的該頂壁之間的距離，使得位在該基材支撐件上具有約300mm直徑之一基材的蝕刻速率實質均勻且不具M形分佈。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括：將一電漿源功率源耦接至該外天線與該內天線；其中該電漿源功率源包含一第一射頻輸出以及一第二射頻輸出，且該第一射頻輸出與該第二射頻輸出具有差動調整式功率級別，該第一射頻輸出連接至該外天線，該第二射頻輸出連接至該內天線。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該內天線包含一內側螺線管線圈。
11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該外側螺線管線圈的直徑大於該內側螺線管線圈的直徑。
12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該基材之內部區域的蝕刻速率實質上取決於該外天線的直徑。
13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該基材之外部區域的蝕刻速率實質上取決於該基材支撐件與該頂壁之間的距離。
14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包括：使該外側螺線管線圈的直徑與介在該基材支撐件和該腔室之該頂壁之間的距離達成平衡，以實質均勻地蝕刻該基材。
15. 一種感應耦合電漿處理腔室，其包括：一腔室，該腔室具有一頂壁；鄰近該頂壁的一外天線與一內天線，該外天線與該內天線同心設置；一基材支撐件，其設置在該腔室中，用以支撐300mm的一基材；以及一用以供應一第一射頻功率給該外天線並且供應一第二射頻功率給該內天線的裝置；其中該頂壁以一距離與該基材支撐件隔開，其中該距離為可調整，以及該外天線具有一可調整的直徑；以及其中該外天線包括一外側螺線管線圈，以及該內天線包括一內側螺線管線圈，該外側螺線管線圈的直徑大於該內側螺線管線圈的直徑，該外側螺線管線圈的直徑為至少17英吋，該基材支撐件與該頂壁之間的距離為至少6英吋，以及其中該基材支撐件上之該300mm的基材的蝕刻 速率實質均勻且不具M形分佈。