TWI604526B - Plasma processing device and adjustment method for improving etching symmetry - Google Patents

Description

改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置及調節方法

本發明有關於一種等離子刻蝕技術，特別是有關於一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置及調節方法。

公開號CN101568996A的中國申請案，揭示了一種用於控制電容耦合等離子體處理室內氣流傳導的方法和裝置，該裝置中包含有：旁路阻塞環；基礎環，基礎環同心圓地圍繞下電極且有形成於其中的第一組狹槽；覆蓋環，設置在基礎環與旁路阻塞環上，覆蓋環包括形成於其中的第二組狹槽。旁路阻塞環控制第一和第二組狹槽的開閉，控制氣體在第一或第二組狹槽中流動。該專利中公開了在處理室內設置環狀機構，但該機構不能改善刻蝕不對稱的問題。

公開號US2008/0314522的美國申請案，揭示了一種在等離子體反應器中限制等離子體和降低流阻的設備和方法，其在等離子體反應腔中設置有一種環，該環上設有若干放射狀排列的槽狀結構，用於將等離子體限制在反應腔中，即為一種限制環。另外，該申請中還公開了多種限制環的結構實施例，例如齒狀、曲線狀、葉片狀等，但是沒有公開改善刻蝕對稱性(業內通常也稱其為“刻蝕均勻性”)的技術方案。

專利號US7837825的美國申請案，揭示了一種等離子體反應裝置，其包含設置在反應裝置中的一個下電極、上電極、第一限制環、第二限制環，和一個接地裝置。第一限制環大體上平行於下電極和上電極，並圍繞該下電極和上電極之間的第一體積。第二限制環大體上平行於下電極和上電極，並 圍繞該下電極和上電極之間的第二體積。該第二體積至少比該第一體積大。接地裝置與下電極相鄰，並且環繞下電極設置。第一、第二限制環可以被抬升或下降，以延伸至接地裝置上方的區域。本專利中公開了限制環和接地裝置，但是沒有公開能通過限制環調節刻蝕對稱性的技術方案。

專利號US8512510的美國申請案，揭示了一種等離子體處理方法，該方法包含：將反應氣體輸入至放置有待刻蝕基底的等離子體產生空間中；將反應氣體激發至等離子體；基底通過等離子體進行等離子體處理過程；等離子體密度的空間分佈和等離子體中自由基密度的空間分佈，是分別由一個相對於基底的對向部進行獨立控制，從而在基底的整個目標表面獲得預先規定的處理狀態。該專利中公開有通過反應氣體激發為等離子體對晶圓進行刻蝕製程，但是沒有公開等離子體刻蝕過程中如何解決不對稱性的問題。

習知技術中存在諸多可能引起刻蝕不對稱的因素，如設置在腔體側壁的用於傳輸晶圓的門，下腔體各種接頭的非對稱分佈，限制環與接地環之間的空隙大小等，甚至還有些很多未知的接觸面電容的變化，都會對某些製程的刻蝕速率對稱性產生很大影響，有可能導致刻蝕結果的不對稱。一方面需要儘量改善對稱性以及穩定性，另一方面需要一個調節手段糾正一些目前無法完全避免的固定不對稱因素。

本發明提供一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置及調節方法，藉由調節限制環與接地環間間隙減小電容以及電容變化率，降低間隙帶來的刻蝕不穩定性，改善刻蝕對稱性。

為實現上述目的，本發明提供一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，裝置包含等離子體反應腔，等離子體反應腔內底部設有放置晶圓的基座，基座與等離子體反應腔內壁之間設有限制環，限制環下設有與限制環射頻耦合的接地環；其中，接地環與限制環之間設有間隔部件，間隔部件在限制環整體與接地環之間形成間隔距離。

上述接地環上表面設有孔槽，間隔部件固定在孔槽中，間隔部件的頂部高出接地環的上表面，並與限制環的下表面相抵，間隔部件頂部高出接地環上表面的距離即為限制環與接地環之間的間隔距離。

上述接地環與限制環之間間隔距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。

上述接地環與限制環之間設有三個或三個以上的間隔部件。

上述間隔部件均勻分佈於接地環與限制環之間的各個區域。

上述間隔部件採用高強度絕緣材料製成。

上述限制環上設有連通其上下面的槽口，槽口採用點狀、或環狀、或放射狀、或齒狀。

為實現上述目的，本發明再提供一種等離子處理裝置調節方法，等離子處理裝置包含一個等離子體反應腔，等離子體反應腔內底部設有一個放置晶圓的基座，基座與等離子體反應腔內壁之間設有限制環，限制環下設有與限制環射頻耦合的接地環，等離子處理裝置調節方法包含：限制環與接地環之間設置間隔部件。增加限制環與接地環之間的間距距離，減小限制環的對地電容和電容比變化率，或減小限制環與接地環之間的間距距離，提高限制環的對地電容和電容比變化率。

調節限制環與接地環之間的間距距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。

在限制環與接地環之間各個區域均勻分佈調節部件，分別設定各個區域的調節部件的高度，調節限制環與接地環之間各個區域的間隔距離，主動調節刻蝕對稱性。

本發明改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置及調節方法和習知技術的等離子刻蝕技術相比，其優點在於，本發明在限制環與接地環之間設置有間隔部件，增大限制環與接地環之間的間距距離，避免限制環與接地環之間間隙大小的輕微擾動對接觸電容產生的極大影響，提高了限制環與接地環之間接觸電容的穩定性，提高了刻蝕對稱性的穩定性，改善刻蝕對稱性； 本發明藉由調節分佈在限制環與接地環之間各個區域的間隔部件的高度，從而調節限制環與接地環之間各個區域的間隔距離，藉由對限制環與接地環之間接觸電容的主動調節，實現對等離子處理裝置刻蝕對稱性的主動調節，改善刻蝕不對稱性的問題，提高產品良率。

101‧‧‧等離子體反應腔

102‧‧‧晶圓

103‧‧‧靜電卡盤

104‧‧‧基座

105、401‧‧‧限制環

106、405‧‧‧接地環

107、406‧‧‧間隔部件

108、403‧‧‧支撐部

109、402‧‧‧限制環本體

110、404‧‧‧環狀結構槽口

S1至S3‧‧‧步驟

第1圖為本發明改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例一的結構示意圖。

第2圖為本發明改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例一的間隔裝置的結構示意圖。

第3圖為本發明改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例一的調節方法流程圖。

第4圖為本發明改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例二的間隔裝置的結構示意圖。

以下結合圖式，進一步說明本發明的實施例。

如第1圖所示，公開了一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例一，該等離子處理裝置包含有等離子體反應腔101，該等離子體反應腔101的形狀並非限定於圓筒狀，例如也可以是角筒狀。

在等離子體反應腔101的底部設有用於放置晶圓102的基座104，基座104中可根據需要設置有用於吸附晶圓102的靜電卡盤103，以及加熱器或製冷劑流路等的溫度調製機構等。

在進行等離子體刻蝕時，向等離子體反應腔101提供反應氣體，在等離子體反應腔101中設有對應的上電極和下電極，用於激發反應氣體從而產生等離子體，使製程過程中等離子體反應腔101內部充滿有等離子體(plasma)。在實際應用中，下電極可以設置在上述基座104中。

在基座104側壁外設有限制環105(FEIS ring)，限制環105的內圈與基座104連接，外圈連接至等離子體反應腔101的內側壁，填充基座104與等離子體反應腔101內側壁之間的空間，用於將等離子體限制在等離子體反應腔中，避免等離子體隨排出氣體從等離子體反應腔中外溢。

限制環105上設有連通限制環105上下面的槽口，該槽口的結構和分佈可以有多種實施例，例如：

1)點狀結構：若干點狀結構的槽口分佈設置於限制環105上，槽口的具體分佈情況和形狀可對應不同製程的製程要求進行設定。

2)環狀結構：限制環105上設置有一個或若干個環狀結構的槽口；當限制環105上設置一個環狀結構的槽口，該環狀結構的槽口沿限制環105的環形面設置，根據不同製程要求，該環狀結構的槽口可設為與限制環105同心或非同心設置；當限制環105上設置若干個環狀結構的槽口，該些環狀結構的槽口沿限制環105的環形面設置，環狀結構的槽口可設為與限制環105同心和/或非同心設置，調節限制環105單位面積內的槽口面積，以滿足不同製程要求。

3)放射狀結構：槽口採用條狀、柳葉狀等類條狀結構，槽口的軸向沿限制環105的徑向設置，使若干槽口呈放射狀分佈於限制環105上，相鄰槽口之間的間距可設為等間距或不等間距，調節限制環105單位面積內的槽口面積，以滿足不同製程要求。

4)齒狀結構：一個或若干個槽口以曲線或折線結構沿限制環105的環形面分佈，使槽口和限制環105呈相互嚙合的齒狀結構，通過齒狀結構中齒牙的寬度和密度分佈，可調節限制環105單位面積內的槽口面積，以滿足不同製程要求。

可以理解，限制環105上的槽口可以採用任何結構和分佈狀體，只需要滿足對等離子體的限制作用，以及等離子體反應腔所要進行的製程要求即可。

在限制環105下設有接地環106(MGR ring)，接地環106與限制環105之間的接觸面為絕緣接觸面。限制環105處於懸浮電位，接地環106處於零電位，接地環106與限制環105之間通過射頻耦合(無直流導通)的方式實現電學傳導，因此接地環106與限制環105之間的傳導阻抗主要由其絕緣接觸面間的電容決定。

在目前接地環106與限制環105之間間隔距離為零(或極接近於零)的面接觸狀態，限制環105的對地電容高達>5nf，而將接地環106與限制環105之間間隔距離增加至0.2mm甚至更高，限制環105的對地電容降至<2nf。可以看出，原設計下接地環106與限制環105之間間隔距離大小的輕微擾動(<0.2mm)都會對接觸電容影響極大，而當間隔距離大於0.2mm後，間隔距離範圍在<1mm內的擾動，已不會對的接觸電容造成顯著影響。因此，整個接地環106與限制環105之間增加適當間隔距離(0.Xmm)會對電學傳導對稱性的穩定性有很大幫助。

如第2圖所示，本實施例一中，限制環105包含有限制環本體109，限制環本體109上設有若干與其同心的環狀結構槽口110，在限制環本體109邊緣處設有支撐部108。限制環105的限制環本體109與支撐部108所採用的材質相同都是在鋁基材上塗覆絕緣層而形成，所塗的上絕緣層為抗等離子體腐蝕性極佳的氧化釔，下絕緣層為陽極氧化鋁。支撐部108的厚度大於限制環本體109，在限制環105設置於接地環106上時，支撐部108與接地環106接觸，並將限制環105架起，使限制環本體109不與接地環106接觸，限制環105通過支撐部108與接地環106相接觸，滿足接地環106與限制環105之間的接觸面為絕緣接觸面。

本發明公開了一種等離子體刻蝕製程中調節刻蝕對稱性的技術方案。具體為，在接地環106與限制環105之間設置由高強度絕緣材料製成的間隔部件107，通過該間隔部件107使限制環105整體與接地環106之間產生一間隔距離。

本實施例一中，間隔部件107設置於接地環106上，當限制環105設置於接地環106上，支撐部108架設於間隔部件107的頂部，在限制環105與接 地環106之間設置可控的間距距離，該間隔距離由間隔部件107的高度決定，間隔距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。

可以理解，通常接地環106與限制環105之間設置三個間隔部件107，即可實現接地環106與限制環105之間的接觸面完整分開。因為間隔部件107使接地環106與限制環105之間的間隔距離大於0.2mm，避免了現有技術中由於接地環106與限制環105各自表面的微小凹凸變化，引起對接觸電容造成極大影響。

為實現主動調節刻蝕對稱性，在接地環106與限制環105之間分佈若干間隔部件107，間隔部件107的數量大於3，若干間隔部件107分別均勻分佈於接地環106與限制環105之間的各個區域。通過對位於接地環106與限制環105之間各個區域的間隔部件107的高度進行分別設置，實現對刻蝕對稱性進行調節。

提高某間隔部件107的高度，增大該間隔部件107所在區域接地環106與限制環105之間的間距，該區域限制環105的對地電容降低；相對的，降低間隔部件107的高度，減小該間隔部件107所在區域接地環106與限制環105之間的間距，該區域限制環105的對地電容提高。

如第3圖並結合第2圖所示，為適用於上述等離子處理裝置實施例一的調節方法，該調節方法具體包含以下步驟：

S1、對需要進行刻蝕對稱性調節的等離子處理裝置進行刻蝕對稱性分佈的採集和分析，得出限制環105對地電容和電容比變化率需要調節的高低分佈，及對應限制環105與接地環106之間需要調節的間隔距離分佈。

S2、限制環105與接地環106之間的各個區域均勻分佈間隔部件107，將限制環105與接地環106之間的整體距離設定在大於等於0.2毫米，且小於 1毫米的範圍中，避免限制環105與接地環106之間的整體距離小於0.2毫米時，輕微距離擾動對限制環105對地電容產生劇烈影響的問題，提高限制環105對地電容調節的穩定性。

S3、根據等離子處理裝置刻蝕對稱性分佈情況，若干間隔部件107分別設定高度，以設定間隔部件107各自所在區域限制環105與接地環106之間的間隔距離，以調節等離子處理裝置刻蝕對稱性，具體為：

根據等離子處理裝置刻蝕對稱性分佈情況，判斷限制環105各個區域中對地電容和電容比變化率需要調節增大或減小的分佈情況，通過各個區域所在的間隔部件107，分別對各個區域進行調節。間隔部件107調節限制環105與接地環106之間的間距距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。

S3具體包含以下步驟：

S3.1、判斷是否完成限制環105上所有區域的間隔距離調整，若是則跳轉到步驟3.5，若否，則跳轉到步驟3.2。

S3.2、判斷限制環105某一個區域對地電容和電容比變化率需要調節增大或減小，若是需要增大，則跳轉到步驟S3.3，若是需要減小，則跳轉到步驟S3.4。

S3.3、需要增大限制環105該區域對地電容和電容比變化率，則需要減小該區域限制環105與接地環106之間的間隔距離，即設定減小該區域間隔部件107的高度，跳轉步驟S3.1，對限制環105的每個區域依次進行對地電容和電容比變化率的調節。

S3.4、需要減小限制環105該區域對地電容和電容比變化率，則需要增大該區域限制環105與接地環106之間的間隔距離，即設定增大該區域間隔 部件107的高度，跳轉步驟S3.1，對限制環105的每個區域依次進行對地電容和電容比變化率的調節。

S3.5、限制環105對地電容和電容比變化率的調節完成。

本發明還公開了一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例二，該等離子處理裝置包含有等離子體反應腔，該等離子體反應腔的形狀並非限定於圓筒狀，例如也可以是角筒狀。

在等離子體反應腔的底部設有用於放置晶圓的基座，基座中可根據需要設置有用於吸附晶圓的靜電卡盤，以及加熱器或製冷劑流路等的溫度調製機構等。

在進行等離子體刻蝕時，向等離子體反應腔提供反應氣體，在等離子體反應腔中設有對應的上電極和下電極，用於激發反應氣體從而產生等離子體，使製程過程中等離子體反應腔內部充滿有等離子體。在實際應用中，下電極可以設置在上述基座中。

在基座側壁外設有限制環，限制環的內圈與基座連接，外圈連接至等離子體反應腔的內側壁，填充基座與等離子體反應腔內側壁之間的空間，用於將等離子體限制在等離子體反應腔中，避免等離子體隨排出氣體從等離子體反應腔中外溢。

限制環上設有連通限制環上下面的槽口，該槽口的結構和分佈可以有多種實施例，如上述實施例一所述包含有：點狀結構、環狀結構、放射狀結構、齒狀結構等，可以理解，限制環上的槽口可以採用任何結構和分佈狀體，只需要滿足對等離子體的限制作用，以及等離子體反應腔所要進行的製程要求即可。

在限制環下設有接地環，接地環與限制環之間的接觸面為絕緣接觸面。限制環處於懸浮電位，接地環處於零電位，接地環與限制環之間通過射頻耦合(無直流導通)的方式實現電學傳導，因此接地環與限制環之間的傳導阻抗主要由其絕緣接觸面間的電容決定。

如第4圖所示，本實施例二中，限制環401包含有限制環本體402，限制環本體402上設有若干與其同心的環狀結構槽口404，在限制環本體402邊緣處設有環繞設置的支撐部403。限制環105的限制環本體109與支撐部108所採用的材質相同，都是在鋁基材上塗覆絕緣層而形成，所塗的上絕緣層為抗等離子體腐蝕性極佳的氧化釔，下絕緣層為陽極氧化鋁。支撐部403的厚度略大於限制環本體402，在限制環401設置於接地環405上時，支撐部403與接地環405接觸，並將限制環401架起，使限制環本體402與接地環405之間留有縫隙，不直接與接地環405接觸，滿足接地環405與限制環401之間的接觸面為絕緣接觸面。

在接地環405的上表面設置有孔槽，孔槽中嵌設有由高強度絕緣材料製成的間隔部件406，間隔部件406通過螺釘或其固定方式固定在接地環405的孔槽中。間隔部件406的頂部伸出孔槽，高於接地環405的上表面。

當限制環401設置在接地環405上，間隔部件406頂部與限制環401的支撐部403相抵，使限制環401整體與接地環405之間產生一可控的間隔距離，間隔部件406頂部高出接地環405上表面的距離即為限制環401與接地環405之間的間隔距離。間隔距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。

可以理解，通常接地環405與限制環401之間設置三個間隔部件406，即可實現接地環405與限制環401之間的接觸面完整分開。

進一步的，為實現主動調節刻蝕對稱性，在接地環405上表面均勻分佈孔槽，從而在接地環405與限制環401之間均勻分佈若干間隔部件406，間隔部件406的數量大於3，若干間隔部件406分別均勻分佈於接地環405與限制環401之間的各個區域。通過對位於接地環405與限制環401之間各個區域的間隔部件406的高度進行分別設置，實現對刻蝕對稱性進行調節。

提高某間隔部件406的高度，增大該間隔部件406所在區域接地環405與限制環401之間的間距，該區域限制環401的對地電容和電容比變化率降低；相對的，降低間隔部件406的高度，減小該間隔部件406所在區域接地環405與限制環401之間的間距，該區域限制環401的對地電容和電容比變化率提高。

進一步的，本發明還公開了一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置的實施例三，該等離子處理裝置包含如上述實施例一和實施例二的等離子體反應腔、基座、上電極、下電極、溫度調製機構、限制環和接地環。限制環和接地環之間設有間隔裝置，該間隔裝置設置在接地環的上表面上或設置於接地環上表面的孔槽中。實施例三特點在於，該間隔裝置中設有升降機構，該升降機構採用液壓驅動、或電子驅動、或氣壓驅動，升降機構通過外接的控制端，可自由控制升降機構的高度，從而調節升降機構所在間隔裝置的高度，實現根據製程要求，自由控制分佈於限制環和接地環之間各個區域的間隔裝置的高度，從而更便捷的實施刻蝕對稱性的調節。

儘管本發明的內容已經通過上述較佳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。在本發明所屬領域具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所附的申請專利範圍來限定。

105‧‧‧限制環

106‧‧‧接地環

107‧‧‧間隔部件

108‧‧‧支撐部

109‧‧‧限制環本體

110‧‧‧環狀結構槽口

Claims (9)

1. 一種改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，該改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置裝置包含等離子體反應腔，該等離子體反應腔內底部設有放置晶圓的基座，該基座與該等離子體反應腔內壁之間設有限制環，該限制環下設有與該限制環射頻耦合的接地環；其中，該接地環與該限制環之間設有間隔部件，該間隔部件使該限制環整體與該接地環之間形成一間隔距離；其中該接地環與該限制環之間設有三個或三個以上的該間隔部件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，其中該接地環上表面設有孔槽，該間隔部件固定在該孔槽中，該間隔部件的頂部高出該接地環的上表面，並與該限制環的下表面相抵，該間隔部件頂部高出該接地環上表面的距離即為該限制環與該接地環之間的該間隔距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，其中該接地環與該限制環之間該間隔距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，其中該間隔部件均勻分佈於該接地環與該限制環之間的各個區域。
5. 如申請專利範圍第1項所述之改善刻蝕對稱性的等離子處理裝置，其中該間隔部件採用高強度絕緣材料製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之改善刻蝕對稱性的等離子處理 裝置，其中該限制環上設有連通其上下面的槽口，該槽口採用點狀、環狀、放射狀或齒狀。
7. 一種等離子處理裝置調節方法，該等離子處理裝置包含一個等離子體反應腔，該等離子體反應腔內底部設有一個放置晶圓的基座，該基座與該等離子體反應腔內壁之間設有限制環，該限制環下設有與該限制環射頻耦合的接地環，該等離子處理裝置調節方法包含：該限制環與該接地環之間設置間隔部件；以及增加該限制環與該接地環之間的間距距離，減小該限制環的對地電容和電容比變化率或減小該限制環與該接地環之間的該間距距離，提高該限制環的對地電容和電容比變化率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之等離子處理裝置調節方法，其中調節該限制環與該接地環之間的該間距距離的範圍為：大於等於0.2毫米，且小於1毫米。
9. 如申請專利範圍第7或8項所述之等離子處理裝置調節方法，其中在該限制環與該接地環之間各個區域均勻分佈調節部件，分別設定各個區域的該調節部件的高度，調節該限制環與該接地環之間各個區域的該間隔距離，主動調節刻蝕對稱性。