TWI769464B - 電容耦合電漿處理裝置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種電容耦合電漿處理裝置及其方法，電容耦合電漿處理裝置包括相對設置的上電極及下電極；射頻功率源，施加於下電極或上電極；偏置功率源，施加於下電極；邊緣電極，呈環形，設置於下電極外圍，並與下電極同心，邊緣電極沿圓周方向分割為至少兩個部分；邊緣電極的各部分透過一阻抗調節單元接地連接，以形成一個邊緣射頻電流接地通路。本發明透過將邊緣電極設為從兩段到多段的分段式，每段都連接到各自的阻抗調節單元，接地阻抗可獨立調節，可以實現在圓周方向更精確的腔體局部阻抗調節，從而更有針對性的改善蝕刻速率的角向非均勻性。
Description
本發明係關於一種用於加工半導體裝置的電容耦合電漿處理裝置的技術領域，特別涉及一種電容耦合電漿處理裝置及其方法。
在半導體裝置的製造過程中，為了在作為待處理基片的半導體晶片上的規定層上形成規定圖案，大多採用以抗蝕劑作為遮罩、利用電漿進行刻蝕的電漿刻蝕處理。能夠使用各種電漿刻蝕裝置用於進行這樣的電漿刻蝕，其中，主流為電容耦合型電漿處理裝置。
在電容耦合型電漿（CCP，Capacitively Coupled Plasma）刻蝕裝置中，在腔室內配置一對平行平板電極(上電極及下電極)，將處理氣體導入腔室內，並且向一個電極施加高頻，在電極間形成高頻電場，利用高頻電場形成處理氣體的電漿，對半導體晶片的規定層進行電漿刻蝕。
如第1圖所示，是現有的常見的CCP刻蝕裝置的結構示意圖，其採用的是雙頻電容放電射頻方式，雙頻指用於控制電漿密度的射頻功率（由射頻功率源HF產生器及阻抗匹配單元HF匹配網路組成，為高頻在40Mhz-200Mhz）以及用於控制電漿的鞘層厚度及直流偏壓的偏置功率（由偏置功率源LF產生器及阻抗匹配單元LF匹配網路組成，為低頻在100kHZ-10MHZ），圖中，201’為腔體，202’為移動環，203’為約束環用於控制反應氣體及其副產物的排出、中和其中的帶電粒子，從而將電漿放電基本約束在處理區域，204’為噴淋頭，205’為待處理基片，206’為靜電夾盤，207’為製程套件，208’為絕緣環，209’為覆蓋環用於隔離電漿，避免電漿直接與靜電卡盤接觸造成電流導通，從而避免靜電夾盤206’被電漿打壞。CCP刻蝕裝置中的電極結構為平行電極，射頻功率源將高頻施加在下（或上）電極上，通常施加在下電極上，偏置功率源施加到下電極上。主要的射頻回路是電流從下電極透過電漿耦合到上電極，透過反應腔體接地。由於電極邊緣離腔體側壁較遠，所以從電極邊緣直接耦合到腔體側壁的射頻電流很小，這樣，電漿中射頻電流的分佈主要由上下電極間隙及大小控制。
然而，在CCP電漿刻蝕設備中，由於反應腔體設計的空間及材料的非對稱性或加工公差的影響，會對射頻電磁場在腔體中的傳輸及耦合帶來方位角(azimuthal)不對稱，從而造成蝕刻速率或關鍵尺寸的方位角不對稱（偏邊），成為影響刻蝕效果及良率的主要因素之一。
本發明的目的是提供一種電容耦合電漿處理裝置及其方法，透過將邊緣電極設為從兩段到多段的分段式，每段都連接到各自的阻抗調節單元，接地阻抗可獨立調節，可以實現在圓周方向更精確的腔體局部阻抗調節，從而更有針對性的改善蝕刻速率的角向非均勻性。
為了實現以上目的，本發明是透過以下技術方案實現的：
一種電容耦合電漿處理裝置，其包括：
相對設置的上電極及下電極；
射頻功率源，施加於下電極或上電極；
偏置功率源，施加於下電極；
邊緣電極，呈環形，設置於下電極外圍，並與下電極同心，邊緣電極沿圓周方向分割為至少兩個部分；
複數個阻抗調節單元，邊緣電極的每個部分各自透過一個阻抗調節單元接地連接，以形成一個邊緣射頻電流接地通路；
靜電夾盤，設置在下電極上方，用以固定待刻蝕的晶圓；
絕緣環，設置在下電極外圍的延展部上方，邊緣電極埋設在絕緣環內。
複數個阻抗調節單元中的每一個包括：
串聯的電容及電感。
較佳地，還包括：
第一控制單元，其連接於每個阻抗調節單元中的電容及/或電感，以調節每個阻抗調節單元的阻抗。
電容及/或電感為可變的。
較佳地，還包括：
感測器，設置於邊緣射頻電流接地通路中，以採集射頻參數。
較佳地，還包括：
第二控制單元，連接每個阻抗調節單元以及感測器，以監測射頻參數的變化並根據變化情況對每個阻抗調節單元的阻抗進行在線調節。
較佳地，還包括：
製程套件，位於絕緣環上方，製程套件環繞晶圓，其中邊緣電極的內側壁直徑大於等於製程套件的外側直徑。
一種電漿處理方法，其包括：
將待處理的晶圓放入上述的電容耦合電漿處理裝置內，
通入處理氣體至電容耦合電漿處理裝置，同時將射頻功率源以及偏置功率源施加到下電極上以產生電漿對晶圓進行處理，
調節各阻抗調節單元，用以調節邊緣射頻耦合使得射頻耦合保持對稱狀態，進而調節晶圓蝕刻速率的角向均勻性。
較佳地，每個阻抗調節單元包括串聯的電容及電感，
阻抗調節單元的阻抗調節方法是：
對電容值及電感值進行調節，選擇電感值配合可變電容值，以實現對高頻40MHz-200MHz的高阻抗及對低頻100kHz-10MHz阻抗的調節。
本發明與現有技術相比，具有以下優點：
透過配置邊緣電極以及阻抗調節單元，以控制射頻接地回路阻抗，實現對邊緣射頻耦合的無源調節。
透過將邊緣電極設為從兩段到多段的分段式，每段都連接到各自的阻抗調節單元，接地阻抗可獨立調節，可以實現在圓周方向更精確的腔體局部阻抗調節，從而更有針對性的改善蝕刻速率的角向非均勻性。
以下結合附圖，透過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。
如第2圖所示，本發明提出了一種電容耦合電漿處理裝置，其為一種雙頻電漿系統，其包含：在腔體1內相對設置的上電極以及下電極；射頻功率源（通常在40MHz-200MHz），連接下電極，用來將上電極、下電極之間的反應氣體激發為電漿，其通常由HF產生器以及HF匹配網路組成；偏置功率源（通常在100kHz-10MHz），連接下電極或上電極，用來控制電漿能量的分佈即電漿鞘層厚度及直流偏壓，其通常由LF產生器以及LF匹配網路組成，本實施例是以連接下電極為例；邊緣電極10，設置在腔體1內，呈環形，設置在下電極外圍，並與下電極同心；阻抗調節單元11，一端連接邊緣電極10，另一端接地，以形成一個邊緣射頻電流接地通路，即從下電極到上電極到邊緣電極10再到地，以達到控制射頻接地回路阻抗，即藉由控制透過邊緣電極的接地射頻電流從而調節邊緣射頻耦合以達到調節電漿特性以及鞘層分佈的目的，通常上述控制方式可以透過增加一個控制單元12來實現。
通常電容耦合電漿處理裝置的腔體1內還包含：靜電夾盤6用於吸附待加工待處理基片5，將靜電夾盤6設置在下電極上方；絕緣環8，設置在下電極外圍的延展部上方，設置在腔體1內側壁上的移動環2、設置在上電極下方的用來噴射反應氣體的噴淋頭4、製程套件7、約束環3以及覆蓋環9，如第2圖所示，本實施例中，邊緣電極10可以埋設在絕緣環8內。
阻抗調節單元11是透過對阻抗的調節改變經過邊緣電極10流入接地端的電流，為了調節晶圓邊緣區域（也就是環形的製程套件7上方）的電漿分佈，需要足夠的射頻能量供應到製程套件7上方，所以邊緣電極10不適合設置在下電極與製程套件7之間，以防止大量射頻功率直接被導走，到不了製程套件7。因此，在一個實施例中，邊緣電極10需要位於製程套件7及反應腔側壁之間，也就是邊緣電極10的內側壁直徑需要大於等於製程套件7的外側壁直徑。
在具體實施例中，還可以在邊緣射頻電流接地通路中設置一個感測器，以採集射頻參數，並且，可以將控制單元連接阻抗調節單元以及感測器，以監測射頻參數的變化並根據變化情況對阻抗調節單元的阻抗進行在線調節。
需要說明的是，作為邊緣電極10的等效射頻回路的一種，其中，阻抗調節單元11包含：串聯的電容及電感，當然，電容及電感的數量不限，較佳的，電容及/或電感為可變的，將控制單元連接阻抗調節單元中的至少一個電容或電感，就可以達到調節阻抗調節單元的阻抗的目的，射頻元件的規格可以根據需求選擇不同的，以形成對低頻或高頻的不同阻抗，對電容值及電感值進行調節，選擇電感值配合可變電容值，以實現對高頻40MHz-200MHz的高阻抗及對低頻100kHz-10MHz阻抗的調節，從而控制不同頻率射頻功率在邊緣的對地耦合電流大小。
更進一步地，透過設置較大的電感值可以對高頻40MHz-200MHz產生較高阻抗，從而可以較好地調節低頻100kHz-10MHz的阻抗，另一方面，低頻射頻源可以只要調節電漿鞘層厚度。
第3A圖、第3B圖為本發明實施例中邊緣電極的結構示意圖，如圖所示，該邊緣電極為分段式結構，具體的將邊緣電極設為兩段101、102，更佳地，每段材料及幾何尺寸一致。邊緣電極101、102由銅或鎢製成。邊緣電極101、102可以埋設在單個絕緣環內。在另一實施例中，絕緣環也能分成兩段，每段絕緣環中分別埋設一段邊緣電極101或102。
第4圖為本發明分段式（兩段式）邊緣電極的阻抗調節示意圖，如第4圖所示，將每段邊緣電極的接地通道中都串入一個阻抗調節單元11，透過阻抗調節（比如，調節電感或調節電容或同時調節兩者），可分別調節反應腔中左右部分邊緣電極的接地阻抗，從而改善蝕刻速率的角向均勻性。
在具體實施例中，參見第5A圖，如果反應腔射頻耦合左右不對稱，此時刻蝕結果會左右偏邊。對應地，可以分別或同時調節左右的邊緣電極的接地阻抗，使兩邊的射頻耦合達到對稱，從而改善蝕刻速率左右分佈差異（參見第3B圖）。進一步地，阻抗越小，晶圓蝕刻速率增強的程度越大；阻抗越大，晶圓蝕刻速率提高的程度越小。對應於第5A圖中，晶圓的左半部分的蝕刻速率小於晶圓的右半部分的蝕刻速率，可以透過降低邊緣電極101的對地阻抗及/或提高邊緣電極102的對地阻抗來實現蝕刻速率的角向均勻。
第6A圖、第6B圖、第6C圖為多段式邊緣電極的結構圖，其作為第4圖中邊緣電極的變形實施例。邊緣電極沿圓周方向被分割成複數個獨立的部分，每一部分透過阻抗調節單元連接至接地電路。各個阻抗調節單元之間可相互獨立控制、調節。對邊緣電極各部分與上電極（或者地）之間的阻抗分別進行調節，相當於對邊緣電極的各個部分處的電場通道（電流通道）進行調節，改善電漿分佈。
如晶圓的某一片區的蝕刻速率明顯低於其它區域時，可調整該片區處的阻抗調節單元（該阻抗調節單元也是與該片區相對應的阻抗調節單元），降低其阻抗，從而加快該片區的蝕刻速率。反之，如晶圓的某一片區的蝕刻速率明顯高於其它區域時，可調整該片區處的阻抗調節單元（該阻抗調節單元也是與該片區相對應的阻抗調節單元），增加其阻抗，從而減緩該片區的蝕刻速率，從而可以針對性的改善晶圓蝕刻速率的角向非均勻性。
為達到盡可能精細調整的目的，可考慮將邊緣電極分割為更多數目（比如，3個、4個、6個等）的獨立部分。但不宜過多，否則將大幅提高成本，同時改善程度也沒有顯著提升。
需要說明的是，由邊緣電極分割出來的每一部分，應是大致均勻分割。但這並非必要。
這裡所說的阻抗調控，可以是對電容的調控，可以是對電感的調控，也可以是對它們中同時兩種的組合的調控。與第4圖中實施例類似，這裡不再贅述。
儘管本發明的內容已經透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。在發明所屬技術領域通常知識者閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改及替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附之申請專利範圍來限定。
1,201’:腔體
10,101,102:邊緣電極
11:阻抗調節單元
12:控制單元
2,202’:移動環
3,203’:約束環
4,204’:噴淋頭
5,205’:待處理基片
6,206’:靜電夾盤
7,207’:製程套件
8,208’:絕緣環
9,209’:覆蓋環
第1圖為現有技術的CCP刻蝕裝置的結構示意圖；
第2圖為本發明一種電容耦合電漿處理裝置的結構示意圖；
第3A圖、第3B圖為本發明實施例中邊緣電極的結構示意圖；
第4圖為本發明分段式（兩段式）邊緣電極的阻抗調節示意圖；
第5A圖、第5B圖為蝕刻速率方位角對稱性調節示意圖；
第6A圖、第6B圖、第6C圖為多段式邊緣電極的結構圖。
101,102:邊緣電極
11:阻抗調節單元
12:控制單元
Claims (9)
- 一種電容耦合電漿處理裝置，其包括： 相對設置的一上電極及一下電極； 一射頻功率源，施加於該下電極或該上電極； 一偏置功率源，施加於該下電極； 一邊緣電極，呈環形，設置於該下電極外圍，並與該下電極同心，該邊緣電極沿圓周方向分割為至少兩個部分； 複數個阻抗調節單元，該邊緣電極的每個部分各自透過該複數個阻抗調節單元的其中一個接地連接，以形成一邊緣射頻電流接地通路； 一靜電夾盤，設置在該下電極上方，用以固定待刻蝕的一晶圓； 一絕緣環，設置在該下電極外圍的延展部上方，該邊緣電極埋設在該絕緣環內。
- 如請求項1所述之電容耦合電漿處理裝置，其中該複數個阻抗調節單元中的每一個包括： 串聯的一電容及一電感。
- 如請求項2所述之電容耦合電漿處理裝置，其中還包括： 一第一控制單元，其連接於該複數個阻抗調節單元中的每一個中的該電容及/或該電感，以調節該複數個阻抗調節單元中的每一個的阻抗。
- 如請求項3所述之電容耦合電漿處理裝置，其中該電容及/或該電感為可變的。
- 如請求項3所述之電容耦合電漿處理裝置，其中還包括： 一感測器，設置於該邊緣射頻電流接地通路中，以採集一射頻參數。
- 如請求項5所述之電容耦合電漿處理裝置，其中還包括： 一第二控制單元，連接該複數個阻抗調節單元中的每一個以及該感測器，以監測該射頻參數的變化並根據變化情況對該複數個阻抗調節單元中的每一個的阻抗進行在線調節。
- 如請求項1所述之電容耦合電漿處理裝置，其中還包括： 一製程套件，位於該絕緣環上方，該製程套件環繞該晶圓，其中該邊緣電極的內側壁直徑大於等於該製程套件的外側直徑。
- 一種電漿處理方法，其包括： 將待處理的一晶圓放入如請求項1所述之電容耦合電漿處理裝置內， 通入處理氣體至該電容耦合電漿處理裝置，同時將一射頻功率源以及一偏置功率源施加到一下電極上以產生電漿對該晶圓進行處理， 調節各阻抗調節單元，用以調節邊緣射頻耦合使得射頻耦合保持對稱狀態，進而調節晶圓蝕刻速率的角向均勻性。
- 如請求項8所述之電漿處理方法，其中 各該阻抗調節單元包括串聯的一電容及一電感， 該阻抗調節單元的阻抗調節方法是： 對電容值及電感值進行調節，選擇電感值配合可變電容值，以實現對高頻40MHz-200MHz的高阻抗及對低頻100kHz-10MHz阻抗的調節。
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