TWI701704B - 電漿產生設備及電漿處理一基體之方法 - Google Patents
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Abstract
依據本發明，提供用以電漿處理一基體之一電漿產生設備，該電漿產生設備包含：一容室，其具有一內部表面；一電漿產生裝置，其用以在該容室之內產生一感應式耦合電漿；一基體支撐器，其用以在電漿處理期間支撐該基體；以及一法拉第屏障，其被配置在該容室內以供屏障該內部表面之至少一部份免於藉由該電漿處理而自該基體所移除之材料；其中該電漿產生裝置包含一天線以及一射頻(RF)電源供應器，該射頻(RF)電源供應器將具有在較少於或等於1000Hz之一頻率交互更動的一極性之射頻(RF)電源供應至該天線。
Description
本發明係關於一電漿產生設備並且係關於電漿處理一基體之相關聯方法，特別是，但非排除性地，關於濺射蝕刻之方法。
在半導體工業中，其是通常在一處理步驟之前先實行預清洗一半導體晶圓。例如，由於具有一金屬層之半導體晶圓，其是通常且需要藉由一濺射蝕刻處理自該晶圓表面移除材料以便確保高品質金屬/金屬介面。這是需要產生一可重複之低接觸阻力和良好的附著力。這步驟一般被進行於包含藉由一感應線圈天線所圍繞的一真空容室之一濺射預清洗模組中。將預清洗之基體被支撐在一台板上的容室內部。該感應線圈天線是纏繞在該容室外面周圍並且其之一端是經過一阻抗匹配網路而連接至一RF電源。該天線之另一端點是接地。此外，一RF電源供應器以及相關聯的阻抗匹配電路是連接至該台板以便偏壓該台板。一般，在感應線圈天線鄰近之容室壁面是由一電氣絕緣材料
所構成，例如，石英或陶瓷，以便最小化耦合進入該容室之RF電源的衰減。
當操作時，一適當的氣體(一般是氬氣)在一低壓力(一般大約為1-10毫托(mTorr))被引介進入容室並且來自線圈天線之RF電源產生一感應式耦合電漿(ICP)。該台板偏壓作用以將離子自電漿朝向基體加速。合成的離子轟擊蝕刻基體表面。
但是，其具有與材料積聚關聯的問題，該材料是自一基體被濺射並且重新沈積在蓋子和容室壁面附近。這再沈積的材料可累積如同微粒，其隨後成為鬆散的。這形成了微粒落至基體上且污染該基體之可能。另一問題是普遍地使用於半導體工業之內的導電層之濺射蝕刻，例如，銅、鈦元素和鋁，可能引發導電材料積聚在容室壁面上。在容室壁面上之這導電塗層具有衰減藉由線圈天線耦合進入容室之RF電源的效應。導電塗層厚度隨著時間的推移而增加。導電塗層厚度可以增加至濺射蝕刻處理嚴重地受損害之點。例如，可遭遇到蝕刻率漂移或蝕刻均勻性缺乏之問題，或點火或持續電漿之問題可以被觀察到。
為避免這些問題，必須進行常見的處理模組之維修。這必然引發停工期之一主要的成本和工具問題。這在生產量和效率是非常重要的一生產環境中是高度地非所需的。
本發明，在其之至少一些實施例中，針對上述之問題。本發明，在其之至少一些實施例中，可以延長在容室維修清洗之間的時間而至少維持基體至基體處理程序之反覆性。此外，本發明，在其之至少一些實施例中，導致改進之蝕刻均勻性。
依據本發明一第一論點，其提供用以電漿處理一基體之一電漿產生設備，該電漿產生設備包含：一容室，其具有一內部表面；一電漿產生裝置，其用以在該容室之內產生一感應式耦合電漿；一基體支撐器，其用以在電漿處理期間支撐該基體；以及一法拉第屏障，其被配置在該容室內以供屏障該內部表面之至少一部份免於藉由該電漿處理而自該基體所移除之材料；其中該電漿產生裝置包含一天線以及一射頻(RF)電源供應器，該射頻(RF)電源供應器將具有在較少於或等於1000Hz之一頻率交互更動的一極性之射頻(RF)電源供應至該天線。
RF電源供應器可以供應RF電源至該天線，該RF電源具有在較大於或等於0.01Hz、更好是0.05Hz、最好是0.1Hz的一頻率交互更動之一極性。
RF電源供應器可以供應RF電源至該天線，該RF電源具有在較少於或等於100Hz、更好是25Hz、最好是10Hz的一頻率交互更動之一極性。
本發明延伸至包含上述之較高和較低頻率限定的任何組合之頻率範圍中之極性交互更動。例如，可以交互更動的極性之頻率範圍包括0.1-1000Hz、0.1-100Hz、
0.05-5Hz、0.1-10Hz以及所有的其他組合。
法拉第屏障可以是接地。同時該容室之至少一部份也可以是接地。例如，該容室之一蓋子可以是接地。該法拉第屏障和該容室兩者之接地可以在電漿處理期間作用以減低材料沈積至該容室上。
法拉第屏障可以是一籠檻結構。
法拉第屏障可以包含複數個隙縫。該等隙縫可以是垂直地對齊之溝槽。一般而言，該天線是水平地配置圍繞該容室，並且垂直對齊之溝槽的供應防止金屬之連續水平帶之沈積。這是有利的，因為沈積在容室內部表面上之金屬連續的水平帶致使導致蝕刻率中之減少的渦流電流損失。
天線可以包含一單匝線圈。這已被發現可改進結果。但是，本發明也延伸至天線是多數匝線圈之實施例。
RF電源供應器可以包含一RF來源以及一開關，該開關致使被供應至該天線之該RF電源的極性之交互更動。其他元件，例如，一阻抗匹配電路，也可以被提供。
設備可以進一步地包含一基體支撐器電源供應器，該基體支撐器電源供應器用以電氣地偏壓該基體支撐器。該基體支撐器電氣電源供應器可以是用以在該基體支撐器上產生一RF偏壓的一RF電源供應器。
設備係可以組配以供濺射蝕刻該基體。一般而言，這一類型之設備包含用以在該基體支撐器上產生一RF
偏壓之一RF電源供應器。
設備係可以組配以供預先清洗該基體。在這些實施例中，該設備可以被提供作為在一處理工具中之一模組。
基體可以包含一半導體材料。該基體可以是一半導體晶圓。
基體可以包含具有一個或多個被形成於其上之金屬層之一半導體材料。
本發明是不特定於任何特定的電漿。卓越的結果可使用一氬電漿被得到，但是其展望電漿可以使用許多其他氣體和氣態的混合而產生。
依據本發明一第二論點，其提供一種電漿處理一基體之方法，該方法包含下列步驟：使用一電漿產生裝置於一容室中產生一電漿，該電漿產生裝置包含一天線和用以供應RF電源至該天線的一RF電源供應器；及電漿處理該基體；於其中：一法拉第屏障被配置在該容室之內，該法拉第屏障用以屏障該容室的一內部表面之至少一部份免於藉由該電漿處理而自該基體被移除之材料；以及具有一極性之RF電源被供應至該天線，該極性是在較少於或等於1000Hz之一頻率交互更動。
電漿處理可以是一濺射蝕刻處理程序。該基體可以包含具有一個或多個被形成於其上之金屬層之一半導體材料，其中該濺射蝕刻處理程序自該等一個或多個金屬層移除材料。
藉由該電漿處理程序自該基體所移除的材料可以包含或含有一金屬。
依據本發明一第三廣泛論點，其提供用以電漿處理一基體之一電漿產生設備，該電漿產生設備包含：具有一內部表面之一容室；一電漿產生裝置，其用以在該容室之內產生一感應式耦合電漿；以及一基體支撐器，其用以在電漿處理期間支撐該基體；其中該電漿產生裝置包含一天線以及一射頻(RF)電源供應器，該射頻(RF)電源供應器將具有在較少於或等於1000Hz之一頻率交互更動的一極性之射頻(RF)電源供應至該天線。
10‧‧‧電漿處理設備
12‧‧‧容室
12a‧‧‧氣體入口
12b‧‧‧蓋子部份
12c‧‧‧泵埠口
12d‧‧‧壁面部份
12e‧‧‧溝槽
14‧‧‧台板
16‧‧‧晶圓
18‧‧‧感應線圈天線
20‧‧‧阻抗匹配單元
22‧‧‧電漿
24‧‧‧法拉第屏障
24a‧‧‧金屬條
24b‧‧‧溝槽
24c‧‧‧上方輪緣部份
24d‧‧‧下方輪緣部份
30‧‧‧RF阻抗匹配單元
32‧‧‧開關
34、36‧‧‧繼電器
38、40‧‧‧電容器
雖然本發明已在上面被敘述，其延伸至在上面所設定或在下面之說明、圖形或申請專利範圍中之本發明特點的任何組合。例如，關於本發明第一論點之所述任何特點係考慮也是關於所揭示之本發明的第二和第三論點。
依據本發明設備和方法之實施例，接著將參考附圖被說明，於其中；圖1是本發明一設備之橫截面圖；圖2是一法拉第屏障之透視圖；圖3展示一RF電源供應器，其包括用以交互更動被施加之RF電壓的極性之一開關；圖4展示一馬拉松晶圓蝕刻處理程序之蝕刻率；以及圖5展示在馬拉松晶圓蝕刻處理程序之上的蝕刻非均勻性。
圖1展示一電漿處理設備，其一般係以元件標號10展示，其包含一容室12和置放在容室12中之一台板14並且其作用如同供用於將被處理之一晶圓16的一支撐器。實線展示在接收該晶圓之前於一降低位置中之台板14，並且虛線展示正使用中的位置之提高的台板14。容室12包含置放在一蓋子部份12b中的一氣體入口12a以及一泵埠口12c。氣體經由連接到一適當的泵佈置之泵埠口12c自容室12被移除。一渦輪分子泵可以被使用以泵抽該容室。該容室12進一步地包含由一電氣絕緣材料(例如，石英或陶瓷)所組成的一壁面部份12d以及一晶圓裝載溝槽12e。一感應線圈天線18是沿圍繞容室12之壁面區域12d的周圍而配置。感應線圈天線18藉由一RF電源供應器和阻抗匹配單元20被供應RF電源。電漿22藉由自感應線圈天線18進入容室12之感應式耦合RF電源被產生於容室12中。容室壁面12d之電氣絕緣材料最小化耦合進入容室12的RF電源之衰減。
設備10進一步地包含一法拉第屏障24，其係置放在在容室12之內。該法拉第屏障24將更詳細展示於圖2中。在圖1和2展示之實施例中，該法拉第屏障是一金屬籠檻結構，其包含複數個分開的金屬條24a，其界定垂直對齊之溝槽24b。該法拉第屏障進一步地分別地包含上方和下方輪緣部份24c、24d。方便地，該上方輪緣部份24c可以被附連至蓋子部份12b以允許法拉第屏障24將接地至蓋
子部份12b。該法拉第屏障之形狀通常一致於容室12壁面部份12d之形狀。在被圖1和2展示之實施例中，該法拉第屏障24是為所需大小的一圓柱形之形狀，因而，當置放在容室12中時，該法拉第屏障24是與壁面部份12d內部表面分開的。
RF電源供應器20藉由施加具有一相關聯極性的一RF電壓而供應一RF電源至線圈天線18。依據本發明，該極性是在低頻率交互更動。該低頻率交互更動可以是1000Hz或較少。圖3展示一佈置，其致能被施加的RF電壓之極性將在一適當地低頻率被切換。圖3更詳細地展示圖1之RF電源供應器20。RF電源供應器20包含一RF電源(未展示於圖形中)、一RF阻抗匹配單元30以及相關聯的RF天線電路。RF電源(未展示於圖形中)經過阻抗匹配單元30(其經過一開關32而耦合至線圈天線18)以供應RF能量。該開關32包含第一和第二繼電器34、36，以及第一和第二電容器38、40。各繼電器34、36具有攜帶高RF電壓之一輸入線以及接地的一輸入線。各繼電器具有連接到第二電容器40之一不同端點的一輸出線。天線線圈18具有二個端點，其也是各連接至第二電容器40之一不同的端點。應了解，繼電器34、36可以容易地被控制，以便施加RF電源至線圈天線之一所需的端點，並且維持線圈天線之另一端點在接地電位。同時其也可能是容易地以一所需的低頻率在線圈天線的二個端點之間交互更動所施加的RF電壓之極性。同時也應了解，用以獲得這端點結果之許多其他適當的開關可以
明確的方式藉由熟習本技術之讀者來實行。
於一標準先前技術ICP佈置中，線圈天線係組配以至於一端點是接地且其他者是饋送RF電源。這驅動一ICP線圈天線之先前技術方式可以具有不對稱之特徵。以一非對稱形式供應RF電源之結果是這非對稱性也被投射至所產生的電漿上。尤其是，在一高RF電位之線圈端點在其之鄰近中產生一有能量的“熱”電漿。相反地，接地的線圈天線端點引起較少能量之一電漿並且是相對地“冷”。本發明者使用非對稱的先前技術ICP電漿產生技術與通常展示於圖2中之一插槽式法拉第屏障類型組合而進行試驗。其發現在“熱”的有能量電漿鄰近中(亦即，在線圈天線之RF驅動端點鄰近中)之容室內部壁面實質上或完全地沒有沈積物。相對地，對應至“冷”電漿鄰近中之法拉第屏障中的溝槽之容室內部壁面，較少有能量電漿(亦即，在線圈天線之接地端點鄰近中)藉由再沈積材料變成被塗層。不希望受任何特定的理論或推測所束縛，相信這將在線圈天線之一端點藉由高電壓所致使，其藉由離子轟擊法(亦即，藉由利用強電場使正充電離子加速而朝向容室壁面)，因而致能在容室壁面內部之一濺射型式燒蝕。沒有此機構存在於線圈天線接地端點之端點，並且因此材料可能積聚在容室這區域中之內部壁面上。這可能導致處理上之問題，例如，由於進入電漿之RF電源的感應耦合之一部份阻塞的蝕刻率之損失或蝕刻均勻性之降低。此外，與使這區域中之鬆散地黏附微粒材料成為薄片相關聯的問題可能縮短容
室維修區間。與先前技術相關聯之進一步的問題是，不對稱地驅動線圈天線產生自容室中心被移位之電漿。這是指明如一蝕刻非均勻性，其中蝕刻概況是不集中在基體上。
藉由本發明所教示的極性之低頻率切換引起一些實質的優點。藉由使用一極性和相反極性而重複地驅動線圈天線，關於電漿性質之一平均效應被達成。這集中蝕刻輪廓且改進蝕刻均勻性。使用300mm晶圓之試驗被進行以展示所進行之低頻率的極性切換之這些優點。僅藉由一極性被驅動的線圈天線以及僅藉由相反極性被驅動的線圈天線之進行蝕刻試驗的結果被比較。該等結果被展示於列表1中。這清楚地展示使用低頻率極性切換而改進之蝕刻均勻性，而蝕刻率至少被保持。
依據本發明，當極性被交互更動時，線圈天線之兩端點是交替地“熱”。線圈上的所有點因此遭遇較高的電壓，其是產生一強電場所必須的，其將便利於藉由離子轟擊法之容室的濺射型式蝕刻。應注意到，這方法是根本地不同於先前技術“平衡-不平衡變換器(balun)”線圈技術，其中該線圈是連接到在RF頻率操作之平衡的驅動器。於平衡-不平衡變換器線圈之此情況中，一虛擬接地被產生並
且沒有容室之離子蝕刻將發生在虛擬接地鄰近。藉由該平衡-不平衡變換器技術，切換是在MHz範圍中之非常高的頻率。於此高頻率，濺射離子，例如，Ar+之相對的活動性是相對地低，其意謂著容室內部之轟擊被減低很多。這將導致在容室壁面上之再沈積材料非所需的積聚。本發明使用更低的切換頻率。在這些低頻率，呈現於電漿中之離子是能夠緊接在電場之後並且容室壁面之濺射-型式磨蝕被進行，其導致有效的清洗。
法拉第屏障作用如同一實際屏障，其保護至少部份之容室內部免於非所要的材料再沈積。尤其是，該法拉第屏障可以作用如同一濺射屏障，其保護導電材料免於再沈積，否則其將衰減在線圈天線和電漿之間的感應耦合。該法拉第屏障可以具有所需大小並且將充分地接近至容室壁面而置放，在法拉第屏障背後自容室內部至容室壁面沒有主要的視域線存在。法拉第屏障中之溝槽可以被形成一充分地長度，以致它們不會重大地衝擊藉由線圈天線所產生之電場。這作用而最小化蝕刻處理程序上之法拉第屏障效應。較佳地是，溝槽垂直地被形成，因而水平渦流電流被防止在容室之內循環。方便地，法拉第屏障是接地至容室以在電漿處理期間最小化至容室表面上之濺射。除了藉由法拉第屏障所提供之實際的屏障之外，一進一步的優點是，法拉第屏障是有效地阻止電容式耦合進入電漿中。電容式耦合可以引發一非均勻電漿密度。其是需求，感應式耦合RF之任何損失維持最小，因而沒有與打擊電
漿、處理蝕刻率或非均勻性相關聯的問題存在。
如上所述，線圈天線極性以低頻率被切換之方式，使得當經過在法拉第屏障中被形成的溝槽而增加容室壁面之離子轟擊法的同時，也增加在所有點的時間平均電場。以此方式，藉由在法拉第屏障中之隙縫被曝露的容室內部壁面之部份可以被有效地濺射蝕刻，因而這些內部壁面之曝露部份實質上保持無材料之再沈積，尤其是金屬材料的再沈積。已經觀察到，與法拉第屏障之使用的組合之極性的低頻率切換在法拉第屏障隙縫中引起一特別強的電漿輝光。這強輝光實質上是均勻而如在隙縫內之位置的一函數。隙縫中之電漿強度具有一效應，即任何沈積在相鄰於隙縫之容室壁面上之材料是比如果沒有適當地法拉第屏障時將更有效地被移除。這至少部分地補償材料可能經過法拉第屏障中之隙縫被濺射至容室壁面上之事實。
馬拉松測試係使用本發明之一ICP濺射蝕刻設備以及使用一先前技術ICP濺射蝕刻設備(於其中該線圈天線藉由一單一、未改變的極性被驅動)在300mm晶圓上被進行。具有一60%銅和40%二氧化矽表面區域之晶圓被蝕刻。容室之陶瓷部份在各個馬拉松測試之後被觀察。其發現到，當線圈以先前技術方式藉由一單一極性進行時，在接近至接地的線圈部份中之一區域，陶瓷完全地被再沈積材料所塗層。完全以再沈積材料被塗層之區域對應至大約為陶瓷部份的總區域之17%。這再沈積材料作用以阻止感應耦合，允許渦流電流循環，並且是可能掉落在表面上之
微粒材料的可能來源。相反地，在使用本發明的馬拉松測試之後，其觀察到，容室陶瓷在所有點是完全地無沈積。這導致可以保持長週期之一穩定的、均勻的蝕刻。
圖4和5展示與馬拉松測試相關聯的定量結果。圖4展示以受蝕刻晶圓增加數目的一函數所得到的蝕刻率。圖5展示以受蝕刻晶圓增加數目的一函數之蝕刻非均勻性。可以見到，使用本發明所達成的蝕刻率和蝕刻非均勻性兩者是顯著地較優於先前技術處理程序。也可觀察到，當使用先前技術時，於一序列中僅一限定之晶圓數目可被蝕刻。這是因為在20個晶圓蝕刻之後需要一維修程序。
可能地，再沈積材料於法拉第屏障它本身上之一積聚可能成為問題微粒之可能來源。這問題可以藉由使用具有良好附著力的一低應力材料之一黏貼技術以塗層籠檻結構而被排除或至少被減低。這將作用以向下黏貼在法拉第屏障上之任何鬆散的微粒材料，因而容室維修可被延長。
10:電漿處理設備
12:容室
12a:氣體入口
12b:蓋子部份
12c:泵埠口
12d:壁面部份
12e:溝槽
14:台板
16:晶圓
18:感應線圈天線
20:阻抗匹配單元
22:電漿
24:法拉第屏障
Claims (15)
- 一種用以電漿處理一基體之電漿產生設備，該設備包含：一容室，其具有一內部表面；一電漿產生裝置，其用以在該容室之內產生一感應式耦合電漿；一基體支撐器，其用以在電漿處理期間支撐該基體；以及一法拉第屏障，其被配置在該容室內以供屏障該內部表面之至少一部份免於藉由該電漿處理而自該基體所移除之材料，並且其中該法拉第屏障包含複數個隙縫；其中該電漿產生裝置包含一天線以及一射頻(RF)電源供應器，該射頻(RF)電源供應器將具有在較小於或等於1000Hz之一頻率交互更動的一極性之射頻(RF)電源供應至該天線，並且其中該天線是一單匝線圈。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其中該RF電源供應器供應RF電源至該天線，該RF電源具有在大於或等於0.01Hz、更好是大於或等於0.05Hz、最好是大於或等於0.1Hz的一頻率交互更動之一極性。
- 依據請求項1或請求項2之電漿產生設備，其中該RF電源供應器供應RF電源至該天線，該RF電源具有在較小於或等於100Hz、更好是小於或等於25Hz、最好是小於或 等於10Hz的一頻率交互更動之一極性。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其中該法拉第屏障被接地。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其中該法拉第屏障是一籠檻結構。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其中該等隙縫是垂直地對齊之溝槽。
- 依據請求項6之電漿產生設備，其中該天線是水平地配置圍繞該容室。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其中該RF電源供應器包含一RF來源以及一開關，該開關致使被供應至該天線之該RF電源的極性之交互更動。
- 依據請求項1之電漿產生設備，其進一步地包含一基體支撐器電源供應器，該基體支撐器電源供應器用以電氣地偏壓該基體支撐器。
- 依據請求項9之電漿產生設備，其中該基體支撐器電源供應器是用以於該基體支撐器上產生一RF偏壓之一RF電源供應器。
- 依據請求項1之電漿產生設備，該電漿產生設備係組配以供濺射蝕刻該基體。
- 依據請求項11之電漿產生設備，該電漿產生設備係組配以供預先清洗該基體。
- 一種電漿處理一基體之方法，該方法包含下列步驟：使用一電漿產生裝置於一容室中產生一電漿，該電 漿產生裝置包含一天線和用以供應RF電源至該天線的一RF電源供應器；以及電漿處理該基體；於其中：一法拉第屏障被配置在該容室之內，該法拉第屏障用以屏障該容室的一內部表面之至少一部份免於藉由該電漿處理而自該基體所移除之材料，並且其中該法拉第屏障包含複數個隙縫；以及具有一極性之RF電源被供應至該天線，該極性是在較小於或等於1000Hz之一頻率交互更動，並且其中該天線是一單匝線圈。
- 依據請求項13之方法，其中該電漿處理是一濺射蝕刻處理程序。
- 依據請求項14之方法，其中該基體包含一半導體材料，其具有一個或多個被形成於其上之金屬層，其中該濺射蝕刻處理程序自該等一個或多個金屬層移除材料。
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- 2022-05-17 JP JP2022080620A patent/JP7279236B2/ja active Active
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