TWI671784B - 電漿處理腔室 - Google Patents

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Abstract

提供設備之實施例，該設備具有改良的線圈天線組件，該改良的線圈天線組件有遠程電漿源與電子束生成系統，可在處理腔室提供增強的電漿。一個實施例中，一種電漿處理腔室包括：腔室主體、蓋、基材支撐件、雙電感耦合源、以及遠程電漿源，該蓋圍住該腔室主體的內部空間，該基材支撐件配置在該內部空間中，該雙電感耦合源包括透過該蓋耦接該腔室主體的線圈天線組件，而該遠程電漿源透過該蓋耦接該腔室主體。

Description

電漿處理腔室
實施例大體上關於半導體處理基材系統的設備。更詳言之，實施例關於用於電漿處理系統的遠程電漿生成組件以及電子束生成系統。
在積體電路的製造中，要求精確地控制各種製程參數以達成基材內有一致的結果，以及從基材至基材可再現的結果。隨著形成半導體元件的結構之幾何極限推抵技術的極限，對製造成功性而言，更嚴密的容忍度與精確的製程控制是至關重要的。然而，隨幾何形狀縮小，精確的臨界尺寸與蝕刻製程控制已變得逐漸困難。
許多半導體元件是在電漿的存在下進行處理。電漿可容易在處理腔室中點燃，該等處理腔室利用電感耦合電力以供能給形成電漿之氣體。然而其他類型的處理腔室中的電漿點燃可能非如此容易起始，經常需要電力的尖波以點燃腔室內的氣體。不幸的是，此類電力尖波經常造成對腔室部件生成過高的溫度，而減損腔室部件的服務壽命且非期望地在處理腔室內生成顆粒，而非期望地影響缺陷率。
再者，電漿源或點燃的不穩定來源亦造成離子/自由基分佈不均勻，造成在處理環境中形成離子/自由基比以及濃度梯度。離子/自由基比以及濃度梯度可能會非期望地產生遍及基材不均勻的電漿分佈，因此造成蝕刻速率不均勻，從而造成基材上形成的所得結構過度蝕刻或蝕刻不足。沉積製程中，非均勻的電漿分佈亦可能造成輪廓（profile）扭曲或形成不完整的結構。
因此，需要設備與方法以在處理腔室內於電漿製程期間改良自由基/離子比與分佈輪廓的控制。
實施例大體上提供一種改良的線圈天線組件，該改良的線圈天線組件有遠程電漿源，該遠程電漿源可提供處理腔室內的增強電漿點燃。此外，亦可在該處理腔室中實施電子束生成系統，以增強電漿分佈以及離子/自由基比控制，此舉特別可用在蝕刻、沉積、佈植、與熱處理系統中，亦可用在其他應用中。
一個實施例中，一種電漿處理腔室包括：腔室主體、蓋、基材支撐件、雙電感耦合源、以及遠程電漿源，該蓋圍住該腔室主體的內部空間，該基材支撐件配置在內部空間中，該雙電感耦合源包括透過該蓋耦接該腔室主體的線圈天線組件，而該遠程電漿源透過該蓋耦接該腔室主體。
另一實施例中，一種電漿處理腔室包括：腔室主體、蓋、基材支撐件、雙電感耦合源、以及電子束生成系統，該蓋圍住該腔室主體的內部空間，該基材支撐件配置在該內部空間中，該雙電感耦合源包括透過該蓋耦接該腔室主體的線圈天線組件，而該電子束生成系統配置在該腔室主體的該內部空間中且鄰近該腔室主體中的內壁。
尚有另一實施例中，一種用於操作處理腔室的方法包括：在內部空間中從雙電感耦合電漿源生成電漿，該雙電感耦合電漿源由線圈組件形成，該線圈組件配置在處理腔室中，該內部空間由該處理腔室界定；在生成該電漿的同時，於該處理腔室之該內部空間中生成電子束；以及在該處理腔室之該內部空間中生成該電子束的同時，將遠程電漿源引導至分佈在該處理腔室之該內部空間中的該電漿。
實施例大體上提供一種改良的處理腔室，該改良的處理腔室具有遠程電漿源及/或電子束生成系統，該遠程電漿源及/或電子束生成系統可在處理腔室中提供增強的電漿分佈。遠程電漿源以及電子束生成系統增強電漿處理腔室中電漿位置與分佈的控制，且特別可用在蝕刻、沉積、佈植、與熱處理系統中，亦可用在期望有電漿位置控制的其他應用。
第1圖是示範性半導體基材處理設備100之示意圖，該設備100包括遠程電漿源120以及線圈天線組件104。一個實施例中，第1圖的半導體基材處理設備100可組裝成執行透過使用RF電感耦合電漿的反應性離子蝕刻製程，該RF電感耦合電漿是由配置在半導體基材處理設備100中的線圈天線組件104與遠程電漿源120所生成。亦考量，線圈天線組件104與遠程電漿源120可有利地用在其他類型的電漿處理腔室，所述其他類型的電漿處理腔室尤其包括化學氣相沉積腔室、物理氣相沉積腔室、佈植腔室、氮化腔室、電漿退火腔室、電漿處置（treatment）腔室、與灰化腔室。因此，提供第1圖的示範性半導體基材處理設備100的實施例以用於說明，不應將該實施例用於限定該等實施例之範疇。
半導體基材處理設備100包括腔室主體10，該腔室主體10包括蓋12與圓筒狀側壁14，蓋12與圓筒狀側壁14界定處理腔室16，圍住位在該處理腔室16中的處理區域21。該蓋12對RF電力具傳輸性，且容許定位在蓋12上方的雙電感耦合電漿源電力施加器71所提供的RF電力耦合至處理腔室16內的處理氣體。蓋12可由任何適合的材料製造，且在第1圖所描繪的實施例中，蓋12由介電材料製造，該介電材料諸如石英。
蓋加熱器62配置在蓋12上，位在處理腔室16外側。儘管第1圖中顯示僅只一部分的蓋加熱器62，但蓋加熱器62實質上延伸橫越整個蓋12且實質上覆蓋整個蓋12。蓋加熱器62控制蓋12之溫度，以控制副產物對蓋12之沉積與附著，而增強顆粒控制。蓋加熱器62可為電阻式加熱器或其他類型的加熱器，且在第1圖所描繪的實施例中，蓋加熱器62包括與加熱器電源66耦接的電阻式加熱元件64。
基材支撐基座18位在處理腔室16內側，該基材支撐基座18包括偏壓電極20。雙電漿偏壓生成器22、23為電感耦合電漿式或電容耦合電漿式，該雙電漿偏壓生成器22、23透過RF偏壓阻抗匹配24耦接偏壓電極20。儘管本文描繪之實施例包括雙電漿偏壓生成器，但應注意電漿偏壓生成器之數目與類型可為任意數目或任意形式。處理氣體供應源51透過處理氣體分配設備52提供處理氣體至處理腔室16中，該處理氣體分配設備52可設在側壁14中（如圖所示）或蓋12中，此為舉例。真空泵53透過泵送通口54抽空處理腔室16。
應注意，或者，雙電漿偏壓生成器22、23可為任何適合類型的偏壓源，依照需求，該偏壓源包括電感耦合偏壓源、電容耦合偏壓源、或是形狀偏壓源。
金屬形成的線圈天線包殼30設在蓋12上方，且包括金屬性接地基底圓筒狀側壁35與導電頂部圓筒狀側壁45，該金屬性接地基底圓筒狀側壁35具有支撐肩環40的頂部邊緣35a，該導電頂部圓筒狀側壁45從肩環40延伸並且支撐上方導電覆蓋件50。導電覆蓋件50與頂部圓筒狀側壁45可一起一體式（integrally）形成，且可耦接至接地端。浮置支撐板55位在肩環40上或在肩環40略上方，且以如下文所述之方式受支撐。
雙電感耦合電漿源電力施加器71配置在組裝成生成電感耦合電漿的半導體基材處理設備100中。雙電感耦合電漿源電力施加器71包括線圈天線組件104以及與該線圈天線組件104耦接的遠程電漿源120。線圈天線組件104由兩組托架60、65在支撐板55下方受支撐，該兩組托架60、65從支撐板55向下延伸。線圈天線組件104包括至少一個線圈天線，且在第1圖中所描繪的實施例中，該線圈天線組件104包括一或多個內線圈天線70與一或多個外線圈天線75。外線圈天線75可與內線圈天線70同心。於腔室蓋12上方，托架60支撐內線圈天線70，而托架65支撐外線圈天線75。線圈天線70、75可具有螺旋組裝方式。每一線圈天線75、70之第一端190、192透過RF阻抗匹配箱76耦接至雙（或多）RF電力生成器77、78，而每一線圈天線75、70之第二端194、196耦接至接地端。這樣會跨越線圈天線75、70產生電壓落差，使得相對於線圈天線75、70的第二端194、196，第一端190、192具有較大的電壓電位。
RF阻抗匹配箱76安置在支撐板55上。第一RF電力生成器77透過阻抗匹配箱76中的阻抗匹配元件（圖中未示）耦接內線圈天線70。第二RF電力生成器78透過阻抗匹配箱76中的其他阻抗匹配元件（圖中未示）耦接外線圈天線75。雙RF電力生成器77、78可於製程期間提供增強的電漿密度給處理腔室16。
電漿處理期間，以電力生成器77、78提供的RF電力使線圈天線組件104充有能量，以在腔室主體10之內部空間內維持由處理氣體形成之電漿。
可撓RF墊片57提供肩環40與浮置支撐板55間的RF遮蔽與電的連續性。RF墊片57可以是環形銅網格，且可中斷以容納下文所述之支撐伺服裝置。支撐板55是由三個支撐伺服裝置80、85、90所支撐，該等伺服裝置80、85、90以相等(120度)間隔放置在肩環40上。一個實施例中，支撐伺服裝置80、85、90是相同的。
遠程電漿源120透過RF饋通件(feedthrough)124耦接蓋12。RF饋通件124進一步耦接擋板126，該擋板126具有形成於該擋板126中的複數個孔隙122，該等孔隙122容許來自遠程電漿源120的離子/自由基得以通過擋板126而至處理腔室16。電漿可從遠程電漿源120遠程地生成，接著，在稍後透過擋板126供應至處理腔室16中，以供處理所用。擋板126平行基材支撐基座18的上表面且面向該上表面。
一個範例中，擋板126可旋轉，以助於使通過該擋板126的氣體或遠程電漿以更好的均勻性進行分配。擋板126可以任何所需之速度順時鐘或逆時鐘旋轉。
遠程電漿源120以及雙ICP源77、78可有效地控制電漿中形成的離子與自由基以供處理，而該電漿是分佈在處理腔室16中。
襯墊152形成於腔室主體10的內壁17上，延伸至基材支撐基座18之側表面19，且由配置在腔室主體10的內壁17與基材支撐基座18之側表面19之間的限制環154橋接。襯墊152可助於將腔室主體10與處理腔室16維持在期望的溫度範圍。此外，襯墊152亦可提供腔室主體10的內壁17保護，以防止腔室部件在處理期間受到電漿攻擊。一個實施例中，襯墊152可由對處理腔室16中生成的電漿呈惰性的任何絕緣材料形成。適合的用於襯墊152的材料包括：氮化鋁、氧化鋁、陽極氧化鋁、釔塗佈之材料、或任何適合的材料。
此外，限制環154亦可配置在處理腔室16中環繞基材支撐基座18的周圍區域。限制環154橋接在形成於腔室主體10之內壁17與基材支撐基座18的側表面19上的襯墊154之間。限制環154包括複數個狹槽156，該等狹槽156容許電漿或氣體得以通過該狹槽156。限制環154中之狹槽156容許處理氣體混合物得以通過且減少跨越處理腔室16的流動阻力。電漿中的中性物質設成通過狹槽156以透過真空泵53被泵送出處理腔室16。
限制環154提供良好的電漿限制且減少跨越處理腔室16的流動阻力。限制環154可由導電材料製成，該導電材料諸如碳化矽（SiC）或鋁（Al）。限制環154中狹槽之外156的結構以及有不同機械強度的材料亦可用於限制環154，以提供良好的流動導通性並且提供良好的機械強度，該良好的機械強度是供限制環154撐托抵住腔室主體10之內壁17以及基材支撐基座18的側表面19。
控制訊號纜線170供應來自第1圖之半導體基材處理設備100的中央控制器175的電控制訊號與電力。中央控制器175控制三個支撐伺服裝置80、85、90之各者。將該三個支撐伺服裝置80、85、90在肩環40周圍以相等的間隔放置能夠使控制器175繞任何傾斜軸旋轉浮置支撐板55，該傾斜軸是相對於處理腔室16的對稱軸沿著任何方位角0定向。
第2圖是半導體基材處理設備200的另一實施例的概略視圖，該半導體基材處理設備200有配置在在處理腔室16中的電子束生成系統230。電子束生成系統230配置在腔室主體10的內壁17周圍。電子束生成系統230包括電子束生成源231，該電子束生成源231配置在鄰近腔室主體10之內壁17處。電子束源氣體供應器202連接電子束生成源231，組裝成供應氣體至電子束生成源231以在處理期間於處理區域21中生成電子束電漿。
電子束生成源231包括輪廓提取柵極222與加速柵極224，該加速柵極位置在處理區域21中位在提取柵極222與腔室主體10之內壁17之間。輪廓提取柵極222與加速柵極224可形成為例如分開的導電薄片或網格，該等導電薄片具有穿過該等導電薄片形成的孔隙或孔洞。一個範例中，電子束生成源231界定薄寬電子束流徑208（即，y方向薄而z方向寬）以使電子束側向流入處理區域21。
電子束生成系統230進一步包括一對電磁鐵（圖中未示），該等電磁鐵對齊電子束生成源231以產生平行所生成之電子束方向（例如，x方向）的磁場。注意到電子束生成源231可透過任何適合方式生成電子束，該方式包括其他類型的電源。所生成之電子束可增強處理區域21中生成的電漿電子密度。電子束以x方向側向橫跨處理區域21流動，如流徑208所指示，於基材支撐基座18上配置的基材240上方的空間。
通過基材240上方的電子束隨後被電子束收集器235吸收且收集在處理區域21之相對於電子束生成源231的相對側上。電子束收集器235是導電主體，該導電主體的形狀與尺寸適於捕捉沿著路徑208的電子束的寬薄路徑。電子束收集器235可被固定在選定的電位，諸如接地。電子收集器電壓源237耦接電子束收集器235，組裝成當從電子束生成源231拉引電子時供應電壓給電子束收集器235。
往回參考處理腔室16的電子束生成源側，束電壓供應器210連接到電子束生成源231以當開啟電子束生成系統230時供應電壓。電子從電子束生成源230被提取通過提取柵極222與加速柵極224，以產生流進處理區域21的電子束。電子被加速至與束電壓供應器210提供之電壓相等的能量。
從電子束生成源23生成的電子束使處理氣體(從處理氣體供應器202供應)以及電漿(來自遠程電漿源120與處理氣體供應源51而進入處理區域21)離子化，而在處理區域21中形成電子束電漿。該電子束電漿包括不同電荷的離子。帶電荷之離子可朝向基材240加速，這是由於來自RF偏壓電源22、23的偏壓電力所致。帶電荷的離子隨後可與配置在基材240上的材料層反應，從而蝕刻及移除基材240上圖案化光阻層暴露的材料層。
第3圖描繪半導體基材處理設備300的另一實施例，該半導體基材處理設備300有配置在限制環154下方的額外過濾板302。配置在該限制環154下方的該過濾板302可助於補償通過限制環154到泵送通口54的不平衡的流動。過濾板302可與限制環154呈間隔開的關係定位，且環繞基材支撐基座18的周圍區域。過濾板302亦可包括複數個狹槽304，該等狹槽304與形成在限制環154中的狹槽156對齊，而容許來自處理區域21的氣體得以通過該等狹槽而至泵送通口54。
一個範例中，過濾板302可具有不同的狹槽304的分佈，該等狹槽304形成在該過濾板302的不同位置/區域處。因泵送通口54可形成在處理腔室10的某側上，所以造成通過泵送通口54所定位的處理腔室10之某側的流動增強。於是，不平衡的氣流經常導致蝕刻製程期間在處理區域21中有不均勻的蝕刻速率。因此，藉由在過濾板302中形成狹槽304的不同尺寸、幾何形狀之直徑，可平衡透過該等狹槽304的不均勻氣流，以改善蝕刻製程期間橫跨基材表面的氣流分佈及/或電漿分佈。
一個實施例中，過濾板302可由石英材料或任何適合的抗電漿材料製造。過濾板302接近泵送通口54的第一區域中的狹槽304的密度可低於過濾板302遠離泵送通口54的第二區域中的狹槽304的密度，以有效減少直接從過濾板302之第一區域抵達的氣流/電漿流離開處理區域21的泵送速率。應注意，過濾板302中形成的狹槽304可為任何形式，諸如孔洞、孔隙、方形開口、或具不同幾何形狀的任何適合開口。
因此，藉由在處理腔室中利用遠程電漿源、電子束生成系統、及/或視情況任選的額外過濾板302，可有效控制電漿中的離子密度、離子分佈、離子/中性物質/自由基比，而改善蝕刻效能與表現。因電漿以及電漿中生成的離子/中性物質/自由基比可定位在更期望的位置且以充分功率密度進行更好的管理，所以可實現更均勻且可預測的處理要求。
儘管上述內容是針對本文所述之實施例，但可設計其他與進一步的實施例而不偏離本申請案的基本範疇，且本申請案的範疇由下文的申請專利範圍所決定。
10‧‧‧腔室主體
12‧‧‧腔室蓋
14‧‧‧圓筒狀側壁
16‧‧‧處理腔室
18‧‧‧基材支撐基座
20‧‧‧偏壓電極
22‧‧‧電漿偏壓電力生成器
24‧‧‧RF偏壓阻抗匹配
30‧‧‧線圈天線包殼
35‧‧‧圓筒狀側壁
35a‧‧‧頂部邊緣
40‧‧‧肩環
45‧‧‧頂部圓筒狀側壁
50‧‧‧導電覆蓋件
51‧‧‧處理氣體供應器
52‧‧‧處理氣體分配設備
53‧‧‧真空泵
54‧‧‧泵送通口
55‧‧‧支撐板
57‧‧‧RF墊片
60‧‧‧托架
62‧‧‧蓋加熱器
64‧‧‧加熱元件
65‧‧‧托架
66‧‧‧加熱器電源
70‧‧‧線圈天線
71‧‧‧電漿源電力施加器
75‧‧‧線圈天線
76‧‧‧阻抗匹配箱
77‧‧‧第一RF電力生成器
78‧‧‧第二RF電力生成器
80、85、90‧‧‧支撐伺服裝置
100‧‧‧基材處理設備
104‧‧‧線圈天線組件
120‧‧‧遠程電漿源
122‧‧‧孔隙
126‧‧‧擋板
152‧‧‧襯墊
154‧‧‧限制環
170‧‧‧控制訊號纜線
175‧‧‧中央控制器
190、192‧‧‧第一端
194、196‧‧‧第二端
200‧‧‧處理腔室
202‧‧‧處理氣體供應器
208‧‧‧流徑
210‧‧‧束電壓供應器
222‧‧‧提取柵極
224‧‧‧加速柵極
231‧‧‧電子束生成源
235‧‧‧電子束收集器
237‧‧‧電子收集器電壓源
240‧‧‧基材
300‧‧‧處理腔室
302‧‧‧過濾板
304‧‧‧狹槽
可透過參考實施例（其中一些實施例繪示於附圖中），可得到上文簡要總結的實施例之更詳細之敘述，如此可得到詳細地瞭解所提供之該等實施例之上述特徵的方式。然而，應注意附圖所說明的僅為本文所述的典型實施例，因此不應被視為限制本申請案之範疇，因為本案可容許其他等效實施例。
第1圖是根據一個實施例的示範性半導體基材處理設備的示意圖，該設備包括遠程電漿源；
第2圖是根據一個實施例的示範性半導體基材處理設備的示意圖，該設備包括電子束生成系統；以及
第3圖是根據一個實施例的示範性半導體基材處理設備的示意圖，該設備包括電子束生成系統與電漿限制板。
為了助於瞭解，在可能之處已使用相同的元件符號指定各圖共通的相同元件。亦應考量，一個實施例的元件與特徵可有利地併入其他實施例，而無需進一步記敘。
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Claims (18)

  1. 一種電漿處理腔室，包括：一腔室主體；一蓋，圍住該腔室主體的一內部空間；一基材支撐件，配置在該內部空間中；一雙電感耦合源(dual inductively coupled source)，包括透過該蓋耦接該腔室主體的一線圈天線組件，其中該線圈天線組件包括一外線圈，該外線圈與一內線圈同心；一遠程電漿源，透過該蓋耦接該腔室主體；一限制環，環繞該基材支撐件的一周圍區域；以及一過濾板，配置在該限制環下方，與該限制環呈間隔開的關係，且環繞該基材支撐件的該周圍區域。
  2. 如請求項1所述之腔室，進一步包括：一雙偏壓電源，耦接該基材支撐件。
  3. 如請求項2所述之腔室，其中該雙偏壓電源包括電容耦合電漿源。
  4. 如請求項1所述之腔室，進一步包括：一形狀偏壓源，耦接該基材支撐件。
  5. 如請求項1所述之腔室，進一步包括：一電子束生成系統，配置在該腔室主體的該內部空間中。
  6. 如請求項5所述之腔室，其中該電子束進一步包括：一電子束生成源；以及一電子束收集器，定位在該內部空間中的該電子束生成源的相對處且面向該電子束生成源。
  7. 如請求項6所述之腔室，進一步包括：一電子收集器電壓源，耦接該電子束收集器。
  8. 如請求項6所述之腔室，進一步包括：一束電壓供應器，耦接該電子束生成源。
  9. 如請求項1所述之腔室，其中該過濾板由石英製造。
  10. 如請求項1所述之腔室，進一步包括：一襯墊，形成在該腔室主體的一內壁上。
  11. 如請求項1所述之腔室，進一步包括：一擋板，配置在該蓋下方且透過一RF饋通件耦接該遠程電漿源。
  12. 如請求項11所述之腔室，其中該擋板具有一表面，該表面平行該基材支撐件的一上表面。
  13. 一種電漿處理腔室，包括：一腔室主體；一蓋，圍住該腔室主體的一內部空間；一基材支撐件，配置在該內部空間中；一雙電感耦合源，包括透過該蓋耦接該腔室主體的一線圈天線組件；以及一電子束生成系統，配置在該腔室主體的該內部空間中且鄰近該腔室主體中的一內壁，其中該電子束生成系統進一步包括：一電子束生成源；一電子束收集器，定位在該內部空間中的該電子束生成源的相對處且面向該電子束生成源；一限制環，環繞該基材支撐件的一周圍區域；以及一過濾板，配置在該限制環下方，與該限制環呈間隔開的關係，且環繞該基材支撐件的該周圍區域。
  14. 如請求項13所述之腔室，進一步包括：一遠程電漿源，透過該蓋耦接該腔室主體。
  15. 如請求項13所述之腔室，進一步包括：一雙偏壓電源，耦接該基材支撐件。
  16. 如請求項13所述之腔室，進一步包括：一襯墊，襯於該腔室主體之該內壁上。
  17. 如請求項14所述之腔室，進一步包括：一擋板，配置在該蓋下方，透過一RF饋通件耦接該遠程電漿源。
  18. 一種電漿處理腔室，包括：一腔室主體；一蓋，圍住該腔室主體的一內部空間；一基材支撐件，配置在該內部空間中；一雙電感耦合源，包括透過該蓋耦接該腔室主體的一線圈天線組件；一遠程電漿源，透過該蓋耦接該腔室主體；一限制環，環繞該基材支撐件的一周圍區域；以及一過濾板，配置在該限制環下方，與該限制環呈間隔開的關係，且環繞該基材支撐件的該周圍區域。
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