TWI544106B - Electrolyte processing device - Google Patents

Description

電漿體處理裝置

本發明涉及半導體製造技術領域，尤其涉及一種應用於電漿體處理裝置的邊緣補償環。

用於積體電路的製造的半導體處理工藝包括化學氣相沉積工藝、和電漿體蝕刻工藝等，典型的如矽或絕緣材料氧化矽的蝕刻需要用到電漿蝕刻設備。如圖1所示的電漿蝕刻設備，電漿蝕刻設備包括一個反應腔1，反應腔底部包括基座33，基座上連接有射頻電源。基座上設置有靜電夾盤34用於固定靜電夾盤上方放置的待處理基片30。靜電夾盤週邊還包括一個均勻調節環36，通過對調節環材料、形狀甚至厚度的設計可以改善基片30邊緣區域相對中性區域的處理均勻性。反應腔內與基片相對的頂部包括一個氣體分佈裝置如氣體噴淋頭40，氣體噴淋頭連接到一個外部氣源50。在電漿蝕刻中調節環的設計對基片處理效果起非常重要的作用，比如調節環材料選擇不同，特別是導電特性的不同會導致饋入基座33中的射頻功率分配到基片中心區域和邊緣區域的比例不同，進一步的電漿分佈也會不同；

由於基片邊緣位置處，空間結構的原因，基片邊緣與調節環之間存在間隙，基座33和調節環36之間存在射頻電場強度和溫度也會不同。在靜電夾盤34上表面與基片30下表面之間存在流動的冷卻氣體如氦氣，所以基片30的具有穩定且合適的溫度。靜電夾盤34週邊由調節環36圍繞，調節環36受上方電漿體產生的熱量影響會上升到較高溫度，這一較高溫度會造成化學反應速率的 突變，也會造成反應產物如聚合物在基片邊緣區域聚集。同時由於習知技術中射頻電場只通過基座33通入反應腔，所以調節環36對應邊緣區域電場強度要低於中心反應區域，所以邊緣區域電漿濃度較低，而且電漿體形成的鞘層也較薄所以也會帶來在整個基片表面上電漿處理效果的不均勻。所以業界需要一種新的設計，該設計能夠在基片邊緣區域獲得與中心區域相同的處理效果，同時能夠有效控制邊緣區域的其溫度。

本發明解決的問題是提供一種電漿處理裝置，能夠補嘗基片邊緣區域的電漿濃度和鞘層厚度不均，同時還能調節環繞在基片週邊的調節環的溫度為解決上述問題，發明人提供了一種電漿體處理裝置，包括：反應腔，反應腔內包括一個基座，基座上設置有靜電夾盤，待處理基片設置在所述靜電夾盤上；一調節環圍繞在所述靜電夾盤週邊，一個邊緣補償環圍繞在所述基座或靜電夾盤的週邊，且位於調節環下方，其特徵在於：所述邊緣補償環內埋設有電極，一個功率分配電路通過第一、第二輸入端接收第一和第二射頻電源並通過第一輸出端輸出所述第一和第二射頻電源到所述基座，同時通過第二輸出端輸出第一或第二射頻電源到所述邊緣補償環內的電極，所述功率分配電路還包括一個第三輸入端接收第一直流電壓源，並通過所述第二輸出端輸出所述直流電壓到所述邊緣補償環內的電極。

其中功率分配電路包括第四輸入端接收第二直流電壓源並通過第一輸出端輸出所述第二直流電壓，所述第一和第二直流電壓可以分別實現對調節環和待處理基片的靜電夾持。

邊緣補償環中包括冷卻氣體通道，將冷卻氣體通入邊緣補償環與調節環之間的接觸面，以進一步改善調節環與邊緣補償環之間的熱量傳輸。

所述功率分配電路包括多個匹配電路實現所述第一、第二射頻電源與反應腔阻抗的匹配。所述第二輸出端與第一輸入端之間還包括一個切換電路，使第一射頻電源選擇性的通過一個電感連接到第二輸出端。

邊緣補償環設置在所述基座向外延伸部上，或者所述邊緣補償環固定在絕緣材料環(52)上，所述絕緣材料環(52)固定到基座向外延伸部上。邊緣補償環外側還可以依次設置包括絕緣環和導電遮罩層。所述邊緣補償環包括下方的垂直側壁和上方的圓環狀平板，所述埋設電極從圓環狀平板外側向內側延伸，所述調節環位於圓環狀平板上。

所述邊緣補償環由氧化鋁製成，在實現絕緣的同時具有較好的導熱性能，實現對調節環更好的溫度控制。

1‧‧‧反應腔

101‧‧‧圖形

103‧‧‧電漿體濃度分佈

20‧‧‧隔離電路

30‧‧‧基片

32‧‧‧邊緣補償環

321‧‧‧電極

33‧‧‧基座

34‧‧‧靜電夾盤

35‧‧‧覆蓋環

351‧‧‧電極

36‧‧‧調節環

37‧‧‧中間環

38‧‧‧絕緣環

39‧‧‧導電遮罩層

40‧‧‧氣體噴淋頭

50‧‧‧外部氣源

52‧‧‧絕緣材料環

58‧‧‧絕緣環

A‧‧‧輸出端

B‧‧‧輸出端

C1‧‧‧固定電容

C2‧‧‧第二電容

C3‧‧‧第三電容

Ca‧‧‧分配電容

Cv1‧‧‧可變電容

Cv2‧‧‧第二可變電容

DC1‧‧‧直流電源

DC2‧‧‧直流電源

L1‧‧‧電感

L2‧‧‧第二電感

L3‧‧‧第三電感

L4‧‧‧電感

Lp‧‧‧輸出端

M1‧‧‧匹配電路

M2‧‧‧匹配電路

RF filter‧‧‧射頻濾波電路

RF1‧‧‧射頻電源

RF2‧‧‧射頻電源

S0‧‧‧切換電路

圖1是習知技術半導體處理裝置的結構示意圖；圖2a是具有本發明邊緣補償環第一實施例的基座結構圖；圖2b是具有本發明邊緣補償環第二實施例基座結構圖；圖3是本發明給基座和邊緣補償環供應射頻和直流電源的電路結構圖；圖4是應用本發明後電漿濃度分佈圖。

請參考圖2a，2b理解本發明方案，圖2a所示為圖1中基座33的放大結構圖。本發明基座33內包括多個冷卻液管道以維持基座的溫度，基座33與圖3所示的電路中的A輸出端相連接。基座33頂部防置有靜電夾盤34，待處理基片30固定在靜電夾盤34上方。一個調節環36圍繞在靜電夾盤外周圍，並且與靜 電夾盤34和基片之間存在間隙。該調節環36的材料可以是石英或者矽、碳化矽、氧化鋁等，其形狀與材料的選擇以獲得更均一的電場分佈為目的，可以根據不同的應用場合具有不同的設計。調節環36通過一個邊緣補償環32放置在基座33的延展部上。圍繞在基座33和聚焦環外側的還包括絕緣材料製成的絕緣環38，絕緣環38之外還包括導電遮罩層39，通過絕緣層和導電遮罩層能夠限制射頻電場只在反應區域內擴散不會擴散到基座外側壁與反應腔內壁之間的區域。本發明邊緣補償環32可以有陶瓷材料製成，典型的如氧化鋁。邊緣補償環32內部還包括一個電極321，該電極321與圖3所示的電路中的B輸出端相連接。

如圖3所示為本發明可選的電源供應電路結構圖，本發明電源供應電路包括第一射頻電源如圖中RF1通過第一匹配電路M1和一個隔離電路20輸出射頻功率到A輸出端。第一匹配電路M1包括一個可變電容Cv1與固定電容C1，以及一個電感L1，通過調節可變電容Cv1使得射頻電源RF1輸出的射頻功率盡可能多的輸出到反應腔內的A或B輸出端。本發明還包括第二射頻電源RF2通過匹配電路M2連接到A輸出端。第二匹配電路M2包括一個第二可變電容Cv2和互相串聯的第二電感L2第二電容C2，第二匹配電路M2與第一匹配電路具有相類似的功能，只不過調節的是第二射頻電源的匹配阻抗。隔離電路20包括一個第三電感L3和第三電容C3，通過隔離電路可以防止第二射頻電源RF2的輸出功率反向流入第一射頻電源中造成過熱燒毀電源。一個第一直流電源DC1通過一個射頻濾波電路(RF filter)連接到A輸出端。第一射頻電源RF1還通過一個分配電容Ca連接到輸出端B，通過調節可變的分配電容可以分配輸出到A和B之間的射頻功率比例。第一射頻電源RF1和B輸出端之間還包括電感L4和切換電路S0，切換電路S0可以使電感L4的輸出端選擇性的連接到輸出端B和Lp之一，切換到輸出端Lp時可以使輸出到輸出端B的射頻電場相位與射頻電源RF1輸出的不同，實現輸出到A輸出端和B輸出端之間的射頻電場相位調節。電感L4的輸入端還通過一 個射頻濾波電路連接到第二直流電源DC2。其中第一直流電源DC1能夠提供高達幾百甚至上千伏特的直流電壓使得靜電夾盤34內的電極能夠在基片上感應出電荷，基片被靜電吸力牢固吸附在靜電夾盤上。第二直流電源DC2提供相似幅度的直流電壓，使得邊緣補償環32內的電極321產生足夠的直流電壓，調節環36被牢固的吸附在邊緣補償環32上。

本發明電源供應電路中第一射頻電源RF1可以供應具有較高頻率的射頻電場，比如13Mhz、27Mhz、60Mhz和100Mhz等用於產生並維持電漿體。第二射頻電源RF2可以提供具有較低頻率的射頻電場，比如可以是2Mhz，用於控制基座上表面或者基片上表面的鞘層厚度，最終控制入射離子的能量大小。也可以兩個射頻電源連接位置互換，射頻電源RF1連接到第二匹配電路M2的輸入端同時射頻電源RF2連接到第一匹配電路M1的輸入端，這並不影響本發明目的的實現。

如圖4所示中圖形101為習知技術中電漿濃度分佈曲線，從圖中可見在基片邊緣(150mm處)位置電漿濃度開始下降，這會影響電漿處理的均一性，本發明應用如圖3所示特殊的供電電路，不僅將具有較高頻率的源射頻功率和具有較低頻率的偏置射頻功率施加到基片下方的基座33，而且將其中之一的射頻電源，如源射頻電源施加到圍繞在基片週邊的邊緣補償環32中。通過調節分配電容的大小可以調節輸出到邊緣補償環內的功率大小，從而調節邊緣補償環內產生的電場形成的電漿濃度。如圖4中103所示為邊緣補償環產生的電漿體濃度分佈，與基座中產生的電漿體濃度分佈曲線互補，兩者的疊加能夠產生更均一的電漿體分佈。當施加偏置射頻電源到邊緣補償環中的電極時，雖然不能直接改變電漿體濃度分佈，但是由於能改變鞘層厚度，而鞘層厚度也能改變電漿體形態，所以在電漿體濃度不變的情況下也能部分改變電漿體的分佈。同時採用本發明方法時由於鞘層厚度可調，而且施加到邊緣補償環的射頻相位也可 與施加到基座的不同，所以可以大幅改變基片邊緣區域的離子入射角度和能量，從而可以改善基片邊緣區域蝕刻通孔不垂直等問題。

由於本發明在邊緣區域額外添加了一個射頻電極並通入射頻功率，所以在邊緣區域會比習知技術產生更多的熱量，邊緣區域更高濃度的電漿體也會加熱基座表面的調節環36，最終造成調節環36過熱影響電漿處理的均一性。本發明向調節環36下方的邊緣補償環內的的電極321同時通入高壓直流電源DC2，使邊緣補償環32形成一個靜電夾環，調節環36與邊緣補償環上表面緊貼，更多的熱量被傳導到下方的基座中被導走了。習知技術中由於沒有額外的夾緊裝置所以調節環36與邊緣補償環32之間只有重力使兩者的接觸面緊貼，但是由於調節環重量不大，所以實際兩者之間的接觸面上存在大量空隙，只有部分區域是直間接觸並具有較高導熱效率的。由於這些接觸區與調節環36和補償環32之間接觸面的平整度相關，而這兩個部件在加工過程中無法達到很均一的平整度，所以每個電漿處理裝置中兩者之間接觸區域在整個調節環36下表面的分佈是不一樣的，所以不同的電漿處理裝置上調節環的溫度分佈也略有不同。本發明在邊緣補償環中施加高壓直流電源能夠使得調節環與邊緣補償環32之間有很大的力緊貼，也就大幅增加了兩者之間的導熱效率。可選的為了進一步增加導熱效率可以在兩個貼合面之間通入冷卻氣體，如氦氣，由流動的冷卻氣體帶著多餘熱量。冷卻氣體可以由下向上穿過邊緣補償環32進入補償環32的上表面。由於有靜電吸力向下施壓所以冷卻氣體的氣壓可以選擇較大，而不會將上方設置的調節環36頂起。

圖2b所示為本發明第二實施例的基座33放大結構圖，圖中絕緣材料環52和絕緣環58與第一實施例中材料相同有絕緣陶瓷材料製成，但是形狀不同，圍繞在基座33的突出部周圍，覆蓋突出部頂面和側面。一個覆蓋環35覆蓋在該絕緣材料環52和絕緣環58週邊，覆蓋環35係為邊緣補償環。覆蓋環35包括 位於下方垂直側壁352和上方向內延伸的圓環狀平板353，一個中間環37圍繞在覆蓋環35外側，一個導電遮罩層39環繞在基座外側。其中覆蓋環35內包括一個電極351在頂部平板內向內側延伸。調節環36放置在覆蓋環35上。在本發明第二實施例中邊緣補償的射頻電場和用於靜電吸附的直流電壓被施加到覆蓋環35內的電極351，由於電極351與基座33之間有絕緣材料環52和絕緣環58隔離所以電極351中電極不易受基座中產生的射頻電場的影響，更能夠實現對輸出射頻功率的單獨控制。

雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以請求項所限定的範圍為准。

30‧‧‧基片

32‧‧‧邊緣補償環

321‧‧‧電極

33‧‧‧基座

34‧‧‧靜電夾盤

36‧‧‧調節環

38‧‧‧絕緣環

39‧‧‧導電遮罩層

A‧‧‧輸出端

B‧‧‧輸出端

Claims (9)

1. 一種電漿體處理裝置，包括：反應腔，所述反應腔內包括一個基座，所述基座上設置有靜電夾盤，待處理基片設置在所述靜電夾盤上；一調節環圍繞在所述靜電夾盤週邊，一個邊緣補償環圍繞在所述基座或所述靜電夾盤的週邊，且位於調節環下方；其特徵在於：所述邊緣補償環內埋設有一個電極；一個功率分配電路通過第一、第二輸入端接收第一和第二射頻電源並通過第一輸出端輸出所述第一和第二射頻電源到所述基座，同時通過第二輸出端輸出第一或第二射頻電源到所述邊緣補償環內的電極；所述功率分配電路還包括一個第三輸入端接收第一直流電源，並通過所述第二輸出端輸出所述直流電壓到所述邊緣補償環內的電極，其中，所述功率分配電路包括第四輸入端接收第二直流電壓源並通過第一輸出端輸出所述第二直流電壓。
2. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述邊緣補償環中包括冷卻氣體通道，將冷卻氣體通入邊緣補償環與調節環之間的接觸面。
3. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述功率分配電路包括多個匹配電路實現所述第一、第二射頻電源與反應腔阻抗的匹配。
4. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述第二輸出端與第一輸入端之間還包括一個切換電路，使第一射頻電源選擇性的通過一個電感連接到第二輸出端。
5. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述邊緣補償環設置在所述基座向外延伸部上。
6. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述邊緣補償環由氧化鋁製成。
7. 如請求項1所述的電漿體處理裝置，其中，所述邊緣補償環固定在絕緣材料環上，所述絕緣材料環固定到基座向外延伸部上。
8. 如請求項5或7所述的電漿體處理裝置，其中，邊緣補償環外側還依次包括絕緣環和導電遮罩層。
9. 如請求項7所述的電漿體處理裝置，其中，所述邊緣補償環包括下方的垂直側壁和上方的圓環狀平板，所述埋設電極從圓環狀平板外側向內側延伸，所述調節環位於圓環狀平板上。