TWI590294B

TWI590294B - Multi-frequency pulsed plasma processing device and its processing method and cleaning method

Info

Publication number: TWI590294B
Application number: TW105129646A
Authority: TW
Inventors: Jie Liang; Bing-Jie Du
Original assignee: Advanced Micro-Fabrication Equipment Inc
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2017-07-01
Also published as: CN106611691A; CN106611691B; TW201715563A

Description

多頻脈衝電漿處理裝置及其處理方法和清洗方法

本發明關於電漿處理領域，具體是指一種利用多頻脈衝進行電漿處理的裝置及其處理方法和清洗方法。

電漿處理設備，藉由向真空反應腔室引入含有適當刻蝕劑或澱積源氣體的反應氣體，然後再對該反應腔室施加射頻能量，以解離反應氣體生成電漿，用來對放置於反應腔室內的基片表面進行加工。

以進行蝕刻製程的電漿處理裝置為例，如圖1所示，包含反應腔1，其由位於頂端的頂蓋4，位於底端的底壁，以及連接在頂蓋4和底壁之間的側壁構成，形成氣密性的內部反應空間，並在進行電漿刻蝕處理及清洗的過程中處於真空狀態。其中，頂蓋4、底壁以及側壁均由金屬材料製成並接地。

在反應腔室1頂部用於引入反應氣體的噴淋頭3處設置第一電極，在反應腔室1底部用於承載及吸持基片的基座5處設置第二電極。在第二電極上施加射頻功率，從而在反應腔室1內得到激發電漿11所需的射頻能量。

具體的，在第二電極上施加有相隔一定頻率的第一射頻功率電源(HF)7和第二射頻功率電源(LF)8，且該第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8藉由一個匹配器連接到第二電極。其中頻率較高的第一射頻功率電源7，用以控制反應氣體中離子解離或電漿密度；而頻率較低的第二射頻功率電源 8又稱為偏置功率電源，用來引入偏壓以控制入射到基片的離子能量及其能量分佈。

基座5位於反應腔室1的底部，在基座5邊緣的外側設有聚焦環10(focus ring)，用於控制電漿均一性。進一步，在該聚焦環10的外側設有約束環6(confinement ring)，用於控制反應氣體的排出。該約束環6的上方還可以設置覆蓋環(cover ring，圖中未繪示)，用於阻擋電漿對約束環6的侵蝕。在頂蓋4的下方設有移動環2(moving ring)，且移動環2沿反應腔室1的側壁內側設置，並延伸至約束環6的邊緣外側；移動環2採用耐電漿腐蝕的絕緣材料(例如石英)製成，用來約束電漿的分佈，並將反應腔室1的金屬側壁與電漿隔開，以保護腔壁不受電漿的侵蝕。

在製程處理過程中，設置第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8的輸出為脈衝輸出是在高深寬比刻蝕中的一種常用的方式。兩個射頻功率電源輸出被脈衝調製的射頻功率用於產生電漿11，所產生的電漿11的密度隨脈衝發生變化，其中的帶電粒子(電子及離子)數量間歇性變化，從而使電漿的刻蝕作用得到控制和緩衝。

如圖2所示，頻率較高的第一射頻功率電源7和頻率較低的第二射頻功率電源8採用相同的時鐘脈衝進行控制。由於在刻蝕過程中不能讓電漿11熄滅，因此必須保持任何時刻都有一定的功率匯入；所以實際使用時，第一射頻功率電源7採用高低功率脈衝，而第二射頻功率電源8則採用高低功率脈衝或者開關脈衝。當第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8在高電位功率輸出時，電漿11對反應腔室1內的基片進行刻蝕；當第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8在低電位功率輸出時，電漿11維持放電。

由於第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8的脈衝輸出週期通常為微秒量級，其在由高功率脈衝向低功率脈衝切換的過程中，切換速度極其快速，使得電漿11的殼層阻抗發生突變。由於進行RF匹配的匹配器是藉由藉由機械驅動其內部的可調電阻或電感來進行阻抗調節，以使其與電漿11的殼層阻抗相匹配。因機械驅動的局限性，其調節速度最快也只能達到毫秒量級。也就是說，當第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8在脈衝切換過程中發生的電漿11的殼層阻抗突變時，匹配器的阻抗調節速度是遠遠跟不上的，因此將會導致由第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8輸出的射頻能量無法正常藉由匹配器被饋入反應腔室1內，使得電漿11熄滅。

因此，理想的方式是將第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8的低電位輸出設置為0，即兩者的脈衝輸出設置為開-關-開-關的狀態。此時，匹配器無需進行兩個狀態的快速切換，可以更好的為真空反應腔提供最小的射頻功率。然而，當第一射頻功率電源7的低電位輸出設置為0時，反應腔室1內的電漿11將消失。但是當下一個高電位輸出開始後，由於電漿難以在瞬間被點燃，且高電位持續時間較短，導致反應腔室1內無法產生理想的電漿條件。因此，刻蝕製程難以正常進行。

另外，在電漿處理的過程中所產生的一些聚合物，會附著在反應腔室1內的各個裝置上。通常在從反應腔室1內取出完成處理的基片後，需要向反應腔室1引入清洗用的蝕刻氣體並將其解離生成清洗用的電漿，用來對反應腔室1的腔體及內部的各個裝置進行電漿清洗，以去除附著的聚合物，從而保持反應腔室1的穩定。

然而，由於第一電極、第二電極邊緣處的場強會受邊緣條件的影響，導致一部分電場線彎曲，造成電場邊緣部分場強不均勻，使得電漿受電場控制在反應腔室1邊緣的密度較低，難以形成足夠的電漿將腔室的邊緣部件(諸如上述的移動環、約束環、覆蓋環等)清洗乾淨，殘餘的沉積聚合物會帶來放電擊穿(arcing)影響，或形成顆粒(particle)對後續的基片處理造成潛在污染的風險。

本發明的目的在於提供一種多頻脈衝電漿處理裝置及其處理方法和清洗方法，在位於反應腔室邊緣區域處形成邊緣電漿，為同步開關脈衝放電提供穩定的電荷，防止基片上方的主電漿熄滅；並且能更有效的清洗到反應腔室內的各個部件，提高腔體穩定性。

為了達到上述目的，本發明的技術手段是提供一種多頻脈衝電漿處理裝置，包含：反應腔室；所述的反應腔室內的頂部設有噴淋頭，向反應腔室內引入製程處理用或清洗用的反應氣體；噴淋頭處設置有第一電極；反應腔室內的底部設有在製程處理時承載基片的基座；基座處設置有第二電極，且第二電極和第一電極之間上施加有第一射頻功率電源和第二射頻功率電源，所形成的射頻電場激發引入反應腔室的製程處理用或清洗用的反應氣體，在基座和噴淋頭之間形成主電漿；移動環，其沿反應腔室的側壁內側設置；移動環內垂直設置有第三電極，第三電極上施加有採用連續射頻功率持續供電的第三射頻功率電源，所形成的射頻電場激發引入反應腔室的製程處理用或清洗用的反應氣體，在反應腔室的由移動環限定的邊緣區域形成邊緣電漿。

較佳的，所述的第三射頻功率電源的頻率13.56MHz，功率在300W~500W的範圍內。

較佳的，所述的第三電極沿移動環的圓周方向設置，呈環狀。

較佳的，所述的第三電極與放置在基座上的基片之間具有10~20cm的間隔，使得主電漿與邊緣電漿之間不發生重疊。

較佳的，所述的第一射頻功率電源和第二射頻功率電源的功率800W。

較佳的，所述的第一射頻功率電源和第二射頻功率電源中的至少一個採用脈衝調製的射頻功率，該脈衝調製的射頻功率是高低功率脈衝，或是開關脈衝。

較佳的，所述的反應腔室由位於頂端的頂蓋，位於底端的底壁，以及連接在頂蓋和底壁之間的側壁構成；其中，所述的頂蓋、底壁以及側壁均由金屬材料製成並接地。

較佳的，所述反應腔室內進一步包含：聚焦環，位於所述基座邊緣的外側；約束環，位於所述聚焦環的外側；覆蓋環，位於所述約束環的上方。

本發明還提供一種多頻脈衝電漿處理裝置的處理方法，包含下列步驟：施加第一射頻功率電源和第二射頻功率電源至反應腔室內底部基座處的第二電極，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的製程處理用反應氣體進行激發，在基座與噴淋頭之間形成主電漿，以對反應腔室內的基片進行刻蝕處理；同時施加連續射頻功率的第三射頻功率電源至移動環內的第三電極，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的製程處理用反應氣體進行激發，在反應腔室的由移動環限定的邊緣區域處形成邊緣電漿，以提供主電漿放電所需的電荷，使主電漿始終存在。

較佳的，所述的第三電極垂直植入由絕緣材料製成的移動環內；且所述的第三電極沿移動環的圓周方向設置，呈環狀。

本發明還提供一種多頻脈衝電漿處理裝置的清洗方法，包含下列步驟：施加第一射頻功率電源和第二射頻功率電源至反應腔室內底部基座處的第二電極，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的清洗用反應氣體進行激發，在基座與噴淋頭之間形成主電漿，以對反應腔室內的部件進行清洗；同時施加連續射頻功率的第三射頻功率電源至移動環內的第三電極，對反應腔室內頂部噴淋頭引入的清洗用反應氣體進行激發，在反應腔室的由移動環限定的邊緣區域處形成邊緣電漿，以對反應腔室內的位於邊緣位置的部件進行清洗。

本發明提供之多頻脈衝電漿處理裝置及其處理方法和清洗方法，具有以下優點和有益效果：藉由第三射頻功率電源向位於移動環內的第三電極施加連續射頻功率，以較低的功率在反應腔室的邊緣區域處形成且始終存在的邊緣電漿；當第一射頻功率電源或第二射頻功率電源在脈衝由高到低切換時，邊緣電漿將提供主電漿放電所需的電荷，因此可避免主電漿熄滅，克服了同步開關脈衝放電穩定性問題，保證電漿處理製程的正常穩定進行。

移動環內的第三電極與放置在基座上的基片之間設置10~20cm左右的間隔，從而使得邊緣電漿與主電漿之間不會產生重疊，有效避免兩個電漿的殼層阻抗彼此影響。

在對反應腔室進行清洗的過程中，藉由第三射頻功率電源能夠清洗到移動環等位於反應腔室邊緣位置的部件，全面有效的清除沉積聚合物，使得反應腔室的穩定性得到提高。

1‧‧‧反應腔室

2‧‧‧移動環

3‧‧‧噴淋頭

4‧‧‧頂蓋

5‧‧‧基座

6‧‧‧約束環

7‧‧‧第一射頻功率電源

8‧‧‧第二射頻功率電源

9‧‧‧第三射頻功率電源

10‧‧‧聚焦環

11‧‧‧主電漿

12‧‧‧邊緣電漿

21‧‧‧第三電極

圖1為習知技術中的電漿處理裝置的結構示意圖；圖2為習知技術中的高頻和低頻射頻功率電源的脈衝控制示意圖；圖3為本發明之多頻脈衝電漿處理裝置的結構示意圖。

以下結合圖式對本發明的具體實施方式進行說明。

如圖3所示，本發明提供的多頻脈衝電漿處理裝置中，包含反應腔室1，其由位於頂端的頂蓋4，位於底端的底壁，以及連接在頂蓋4和底壁之間的側壁構成，形成氣密性的內部反應空間，並在進行電漿刻蝕處理及清洗的過程中處於真空狀態。其中，所述的頂蓋4、底壁以及側壁均由金屬材料製成並接地。

在反應腔室1的頂部(頂蓋4的下方)設有噴淋頭3，用於將進行蝕刻處理的反應氣體引入反應腔室1內；該噴淋頭3處設置的第一電極接地。在反應腔室1內的底部設有基座5，用來對放置在該基座5上的基片進行承載及吸持。藉由反應腔室1內形成的射頻電場，將反應腔室1內的反應氣體解離，並在基座5與噴淋頭3之間的區域形成主電漿11，對基片表面進行蝕刻等製程處理。

所述基座5處設置有第二電極，該第二電極上施加有相隔一定頻率的第一射頻功率電源(HF)7和第二射頻功率電源(LF)8，且該第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8藉由一個匹配器連接到第二電極。其中頻率較高的第一射頻功率電源7(如60MHz)，用以控制反應氣體中離子解離或電漿密度；而頻率較低的第二射頻功率電源8(如2MHz)又稱為偏置功率電源，用來引入偏壓以控制入射到基片的離子能量及其能量分佈。

在本發明之另一個實施例中，所述的第一射頻功率源7也可以連接到第一電極，此時第一電極不接地，該第一射頻功率能夠藉由電容耦合傳遞到下方的第二電極，同樣能實現本發明目的。

所述的第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8的功率800W。

所述的第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8中的至少一個採用脈衝調製的射頻功率，該脈衝調製的射頻功率可以是高低功率脈衝，也可以是開關脈衝。

也就是說，在本發明的一個較佳實施例中，所述的第一射頻功率電源7採用脈衝調製的射頻功率，其可以是高低功率脈衝，也可以是開關脈衝；所述的第二射頻功率電源8採用連續射頻功率。

在本發明之另一個較佳實施例中，所述的第二射頻功率電源8採用脈衝調製的射頻功率，其可以是高低功率脈衝，也可以是開關脈衝；所述的第一射頻功率電源7採用連續射頻功率。

在本發明之又一個較佳實施例中，所述的第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8均採用相同時鐘脈衝調製的射頻功率；即，第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8均採用同步高低功率脈衝；或者第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8均採用同步開關脈衝；或者第一射頻功率電源7採用高低功率脈衝，第二頻功率電源8採用與其同步的開關脈衝；或者第一射頻功率電源7採用開關脈衝，第二頻功率電源8採用與其同步的高低功率脈衝。

在所述的基座5邊緣的外側設有聚焦環10(focus ring)，用於控制電漿的均一性。在聚焦環10的外側設有約束環6(confinement ring)，用於控制反應氣體的排出；該約束環6上方還可以設置覆蓋環(cover ring，圖中未示)，來阻擋電漿對約束環6的侵蝕。

在所述頂蓋4的下方設有移動環2(moving ring)，且該移動環2沿反應腔室1的側壁內側設置，並向下延伸至約束環6的外側邊緣。所述的移動環2採用耐等離子腐蝕的絕緣材料(例如石英)製成，用來對電漿在反應腔室1內的擴散範圍進行限定，並藉由該移動環2將電漿與反應腔室1的金屬側壁相互隔開，以保護其不受電漿的侵蝕。

在所述的移動環2內垂直設置有金屬製成的第三電極21，其沿移動環2的圓周方向設置，呈環狀。在該第三電極21上施加第三射頻功率電源(F1)9，其採用連續射頻功率持續供電，以在由移動環2、約束環6、頂蓋4和噴淋頭3限定的反應腔室1的邊緣區域處形成邊緣電漿12。所述的第三射頻功率電源9的頻率13.56MHz，功率在300W~500W的範圍內。

所述的移動環2內的第三電極21與放置在基座5上的基片之間具有10~20cm的間隔，以使所形成的邊緣電漿12與主電漿11之間不會重疊。

所述的反應腔1的側壁上還設置有用於基片移入移出的基片進出口，反應腔1內的基片在完成電漿處理後，可下移移動環2，從而露出基片進出口，進而可將基片由基片進出口處移出。下一個處理過程中的待處理基片也可緊接著從基片進出口移入反應腔1內。基片移入後，可上移移動環2，將基片進出口遮蓋。

利用本發明所提供的多頻脈衝電漿處理裝置進行刻蝕製程的方法，包含：施加第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8至反應腔室1內底部基座5處的第二電極，對反應腔室1內頂部噴淋頭3引入的製程處理用反應氣體進行激發，在基座5與噴淋頭3之間形成主電漿11，以對反應腔室1內的基片進行刻蝕處理；同時施加連續射頻功率的第三射頻功率電源9至移動環2內的第三電極21，對反應腔室1內頂部噴淋頭3引入的製程處理用反應氣體進行激發，在由移動環2、約束環6和頂蓋4限定的反應腔室1的邊緣區域處形成邊緣電漿12，以提供主電漿11放電所需的電荷，使主電漿11始終存在。

在對基片進行電漿處理的過程中，頻率較高的第一射頻功率電源7和頻率較低的第二射頻功率電源8藉由位於基座5處的第二電極向反應腔室1內饋入射頻能量，從而在第一電極和第二電極之間形成主電漿11，用以對基片表面進行刻蝕處理。在此過程中，第三射頻功率電源9向位於移動環2內的第三電極21上施加連續射頻功率，以較低的功率在由移動環2、約束環6和頂蓋4限定的反應腔室1的邊緣區域處形成且始終存在邊緣電漿12。在這種情況下，因為邊緣電漿12始終存在，其帶電粒子(電子及離子)會向主電漿11的區域運動擴散，當第一射頻功率電源7或第二射頻功率電源8在脈衝由高到低切換時，邊緣電漿12將提供主電漿11放電所需的電荷，因此將不會發生主電漿11熄滅的情況，使得反應腔室1內用於進行刻蝕製程的主電漿11也始終存在，克服了同步開關脈衝放電穩定性問題，保證電漿刻蝕製程的正常穩定進行。

並且，在第三射頻功率電源9向第三電極21上施加連續射頻功率的基礎上，頻率較高的第一射頻功率電源7和頻率較低的第二射頻功率電源8中，只需要至少一個採用脈衝調製的射頻功率即可，並且該脈衝調製的射頻功率可以是高低功率脈衝，也可以是開關脈衝，將沒有更多的限定。

另外，由於移動環2設置在反應腔室1的邊緣位置，因此其內部的第三電極與放置在基座5上的基片之間具有較遠距離的間隔，一般為10~20cm左右，從而使得邊緣電漿12與主電漿11之間不會產生重疊，避免兩個電漿的殼層阻抗彼此影響。

利用本發明所提供的多頻脈衝電漿處理裝置進行清洗製程的方法，包含：施加第一射頻功率電源7和第二射頻功率電源8至反應腔室1內底部基座5處的第二電極，對反應腔室1內頂部噴淋頭3引入的清洗用反應氣體進行激發，在基座5與噴淋頭3之間形成主電漿11，以對反應腔室1內的部件進行清洗；同時施加連續射頻功率的第三射頻功率電源9至移動環2內的第三電極21，對反應腔室1內頂部噴淋頭3引入的清洗用反應氣體進行激發，在由移動環2、約束環6和頂蓋4限定的反應腔室1的邊緣區域處形成邊緣電漿12，以對反應腔室1內的位於邊緣位置的部件(包括移動環2、約束環6、覆蓋環以及頂蓋4等)進行清洗。

在對反應腔室1進行清洗的過程中，藉由第三射頻功率電源9能夠清洗到移動環2等位於邊緣位置的部件，全面有效的清除沉積聚合物，使得反應腔室1的穩定性得到提高。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當理解到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，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申請專利範圍來限定。