TWI786464B

TWI786464B - 電感耦合等離子體系統

Info

Publication number: TWI786464B
Application number: TW109139175A
Authority: TW
Inventors: 李興存; 張受業
Original assignee: 大陸商北京北方華創微電子裝備有限公司
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-12-11
Also published as: TW202119465A; CN110911262A; CN110911262B

Abstract

一種電感耦合等離子體系統，其包括殼體、下部電極、射頻源、匹配器以及電流回流裝置。殼體接地並形成腔室。下部電極置於該腔室內，並用於承載工作件；匹配器的一端通過殼體的接口連接至下部電極，另一端連接至射頻源。射頻源用於向下部電極提供偏壓射頻功率，匹配器用於進行阻抗匹配。匹配器包括外殼及第一電容。外殼接地。第一電容的第一端連接至外殼且第二端連接至射頻源。電流回流裝置的一端連接至殼體，另一端連接至第一端。電流回流裝置用於提供電流路徑來使得電流自殼體的內壁經電流回流裝置、匹配器的外殼到射頻源。

Description

電感耦合等離子體系統

本發明是有關於一種半導體加工裝置，詳細來說，是有關於一種電感耦合等離子體系統。

伴隨著半導體工業的發展，感應耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma,ICP)是半導體領域對工作件(如晶圓)進行加工所常用的等離子體源。對於ICP源，施加在感應線圈表面的功率包含感性功率和容性功率兩部分，其中容性功率將通過等離子體傳導至腔室內表面並產生容性耦合電流，偏壓射頻源產生的容性耦合電流也會通過等離子體傳導至腔室內表面。ICP產生的容性耦合電流和偏壓射頻源產生的容性耦合電流沿著腔室內壁經偏壓電極的接地屏蔽內壁進入偏壓電極匹配器，沿著連接匹配器與偏壓射頻源的同軸電纜進入偏壓射頻源的接地系統。由於偏壓電極結構相對比較複雜，除了射頻饋入結構外，還包含溫度控制、基片升降等結構，這些機構的存在可能會增加分佈電容，在沒有固定電流回路路徑的情況下，射頻電流回路變相當得複雜，將會影響射頻電流的重複性和穩定性。

本發明公開一種電感耦合等離子體系統來解決先前技術中所提及的問題，如提供電流回路路徑解決射頻回路路徑的不唯一及其他分佈參數的影響問題，來提高射頻電流回路的可靠性和重複性。

依據本發明的一實施例，公開一種電感耦合等離子體系統。該電感耦合等離子體系統包括一殼體、一下部電極、一射頻源、一匹配器以及一電流回流裝置。該殼體內形成一腔室，其中該殼體接地。該下部電極置於該腔室內，並用於承載一工作件；該匹配器的一端通過該殼體的接口連接至該下部電極，該匹配器的另一端連接至該射頻源，其中該射頻源用於向該下部電極提供偏壓射頻功率，該匹配器用於進行阻抗匹配。該匹配器包括一外殼及一第一電容。該外殼接地。該第一電容的第一端連接至該外殼，該第一電容的第二端點連接至該射頻源。該電流回流裝置的一端連接至該殼體，該電流回流裝置的另一端連接至該第一端，該電流回流裝置用於提供電流路徑來使得電流自該殼體經該電流回流裝置、該匹配器的該外殼到該射頻源。

本發明所公開的電感耦合等離子體系統提供穩定的電流回路路徑，詳細來說，電感耦合等離子體系統的電流回流裝置的一端連接至該殼體而另一端連接至匹配器中的電容，通過電流回流裝置所提供的固定電流路徑，縮短了容性耦合電流回路的長度，降低回路阻抗，避免因為電流回路路徑不重複或者路徑複雜，導致等離子體系統的一致性和穩定性受影響，藉此提高電感耦合等離子體系統的效率。

1:等離子體系統

10:殼體

11:下部電極

12:下部射頻源

13:下部匹配器

14:電流回流裝置

15:上部射頻源

16:上部匹配器

17:感應線圈

18:介電窗

19:屏蔽殼

101:外壁

102:接口

103:內壁

111:電極

112:介質隔離組件

131:外殼

132,133:絕緣件

C1,C2,C₁₄:電容

CH:腔室

D,D’:距離

L1,L₁₄:電感

LN_a,LN_b,LN_c,LN’_a,LN’_b,LN’_c:連接線

N1:第一端

N2:第二端

T1:位置

當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據產業中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。事實上，為了論述的清楚起見可任意增大或減小各種構件之尺寸。

圖1是依據本發明一實施例之電感耦合等離子體系統的示意圖。

圖2A至2B是依據本發明一實施例之電流回流裝置的示意圖。

圖3A至圖3D是依據圖2A所示之電流回流裝置與下部匹配器的相對位置示意圖。

圖4A至圖4D是依據圖2B所示之電流回流裝置與下部匹配器的相對位置示意圖。

圖5是依據本發明一實施例之電感耦合等離子體系統的操作示意圖。

圖6是依據本發明另一實施例之電感耦合等離子體系統的示意圖。

以下揭露提供用於實施本揭露之不同構件之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且非意欲限制。舉例而言，在以下描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成為直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各個實例中重複參考數字及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的且本身不指示所論述之各個實施例及/或組態之間的關係。

此外，為便於描述，諸如「下面」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及類似者之空間相對術語可在本文中用於描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中圖解說明。空間相對術語意欲涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且因此可同樣解釋本文中使用之空間相對描述詞。

儘管陳述本揭露之寬泛範疇之數值範圍及參數係近似值，然儘可能精確地報告特定實例中陳述之數值。然而，任何數值固有地含有必然由於見於各自測試量測中之標準偏差所致之某些誤差。再者，如本文中使用，術語「大約」通常意謂在一給定值或範圍之10%、5%、1%或0.5%內。替代地，術語「大約」意謂在由此項技術之一般技術者考量時處於平均值之一可接受標準誤差內。除在操作/工作實例中以外，或除非以其他方式明確指定，否則諸如針對本文中揭露之材料之數量、時間之持續時間、溫度、操作條件、數量之比率及其類似者之全部數值範圍、數量、值及百分比應被理解為在全部例項中由術語「大約」修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附發明申請專利範圍中陳述之數值參數係可根據需要變化之近似值。至少，應至少鑑於所報告有效數位之數目且藉由應用普通捨入技術解釋各數值參數。範圍可在本文中表達為從一個端點至另一端點或在兩個端點之間。本文中揭露之全部範圍包含端點，除非另有指定。

等離子體系統在對工作件(如晶圓)進行加工時，通常使用感應耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma,ICP)的方式將等離子體電離耦合。使用ICP的方式進行加工時，施加在感應線圈上的功率通常包括感性功率和容性功率，其中容性功率占總功率約三分之一，並且容性功率通過等離子體傳導至腔室內表面並產生容性耦合電流，所述容性耦合電流最終到達偏壓射頻源的接地端。所述偏壓射頻源所產生的射頻功率同樣通過等離子體傳導至腔室內表面並產生容性耦合電流，所述容性耦合電流同樣最終到達偏壓射頻源的接地端。ICP所產生的容性耦合電流以及偏壓射頻源所產生的容性耦合電流在同頻條件下會產生耦合作用，如果電流回路路徑不重複或者路徑複雜，將會影響設備的一致性和穩定性。本發明公開一種等離子體系統以及相關電流回流裝置來解決上述問題。

圖1是依據本發明一實施例之等離子體系統1的示意圖。等離子體系統1是一種通過ICP方式來對工作件(如晶圓)進行加工的裝置，換言之，等離子體系統1是一種電感耦合等離子體系統。舉例來說，等離子體系統1是一種蝕刻裝置，用於對工作件(如晶圓)進行蝕刻。等離子體系統1包括殼體10、下部電極11、下部射頻源12、下部匹配器13、電流回流裝置14、上部射頻源15、上部匹配器16、感應線圈17以及介電窗18。殼體10內形成腔室CH。殼體10包括接地的外壁101、設置於殼體10之上的接口102以及內壁103。下部電極11置於腔室CH中，並用於承載工作件(如晶圓)。下部電極11包括電極111及介質隔離組件112，其中工作件(如晶圓)放置於電極111之上。當等離子體系統1要對工作件(如晶圓)進行加工時，工作件(如晶圓)通過機械手臂傳遞至電極111之上，使得等離子體系統1能通過等離子體對電極111之上的工作件(如晶圓)進行加工。

下部射頻源12通過同軸電纜連接至下部匹配器13，並且通過下部匹配器13提供偏壓射頻功率至下部電極11之上並產生偏置電壓。下部匹配器13用於匹配下部射頻源12後方的阻抗，使得下部射頻源12輸出的射頻功率有最大的耦合效率。上部射頻源15通過上部匹配器16於感應線圈17之上加載射頻功率，感應線圈17將所述射頻功率耦合至介電窗18內，並將腔室CH中的反應氣體電離耦合成等離子體。在對工作件(如晶圓)進行加工前，所述反應氣體可以通過殼體10上方所開的孔洞以及噴嘴進入腔室CH之中。如上所述，下部射頻源12通過下部匹配器13連接至位於腔室CH下方的下部電極11，上部射頻源15通過上部匹配器16連接至位於腔室CH上方的感應線圈17。

如圖1所示，下部匹配器13包括外殼131、電感L1、電容C1以及電容C2。外殼131接地，並且外殼131上具有絕緣件132及133，使得連接線可通過絕緣件132及133連接到其他組件。電容C1的第一端N1連接到外殼131，電容C1的第二端N2連接到下部射頻源12；電容C2的一端連接到第二端N2及下部射頻源12，電容C2的另一端連接電感L1的一端；電感L1的另一端通過絕緣件132以及接口102連接至電極111。

串聯連接的電感L1與電容C2組成串聯諧振電路，下部匹配器13通過調節電感L1的電感值或電容C2的電容值來達成阻抗匹配，使得下部射頻源12輸出的射頻功率有最大的耦合效率。詳細來說，調節電容C2的電容值相當於調節下部匹配器13的等效阻抗中的虛部阻抗；另外，若調節電容C1的電容值相當於調節下部匹配器13的等效阻抗中的實部阻抗。下部匹配器13與殼體10之間的連接線位於屏蔽殼19之中，避免外界干擾影響射頻功率的傳輸。

電流回流裝置14的一端通過絕緣件133連接至第一端N1，電流回流裝置14的另一端連接至殼體10。詳細來說，電流回流裝置14的所述另一端連接至殼體10的外壁101並且連接至接口102的外緣。在本實施例中，電流回流裝置14的所述另一端連接至外壁101上的位置與接口102的外緣的距離位於0至50毫米的範圍。優選地，電流回流裝置14的所述另一端連接至外壁101上的位置與接口102的外緣的距離為0，換言之，電流回流裝置14的所述另一端連接至外壁101上的位置緊鄰連接接口102。

電流回流裝置14用於提供電流路徑。ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流自殼體10的內壁103經過電流回流裝置14提供的電流路徑傳導至第一端N1，並通過第一端N1傳導至外殼131，最終傳輸到下部射頻源12的接地端。

通過本發明所公開的電流回流裝置14來提供ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流固定的電流路徑，避免因為電流回路路徑不重複或者路徑複雜，進而導致等離子體系統1的一致性和穩定性受影響。

需注意的是，在圖1的實施例中，電流回流裝置14位於下部匹配器13的外部，並連接於第一端N1以及殼體10(詳細來說是第一端N1與外壁101之間)。然而，此並非本發明的一限制，在某些實施例中，電流回流裝置14有部分位於下部匹配器13之中。在某些實施例中，電流回流裝置14位於下部匹配器13之中。只要電流回流裝置14連接於第一端N1以及外壁101之間，皆應隸屬於本發明的範疇。關於電流回流裝置14與下部匹配器13的相對位置將於後續段落說明。

另外，在圖1的實施例中，外壁101及外殼131的接地屬於保護接地而非射頻接地，並且，本技術領域具有通常知識者應能輕易理解，射頻電流是以趨附電流的形式傳輸。通過本發明所公開的電流回流裝置14，ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流在形成於內壁103後，將沿著電流回流裝置14、外殼131的內側、射頻源12與匹配器13之間的同軸電纜的路徑，最後傳輸至射頻源12的接地端。

電流回流裝置14具有可變阻抗，其中電流回流裝置14包括串聯連接的電感和電容，所述電感和所述電容組成串聯諧振電路。所述電感和所述電容的至少其中之一為可變。通過調節所述電感的電感值或所述電容的電容值可以調節所述可變阻抗的阻抗值。參考圖2A，圖2A是依據本發明一實施例之電流回流裝置14的示意圖。電流回流裝置14包括串聯連接的電感L₁₄和電容C₁₄，電感L₁₄的一端以連接線LN_a連接，連接線LN_a連接至殼體10的接口102的外緣；電感L₁₄的另一端以連接線LN_b連接，連接線LN_b連接至電容C₁₄的一端；電容C₁₄的另一端以連接線LN_c連接，連接線LN_c連接至第一端N1。

本發明通過調節電感L₁₄的電感值以及電容C₁₄的電容值，來使得電感值所對應的感抗與電容值所對應的容抗相等，如此一來，電流回流裝置14將達到串聯諧振狀態；另外，本發明通過調節電感L₁₄的電感值以及電容C₁₄的電容值，來使得電流回流裝置14的諧振頻率等同上部射頻源15以及下部射頻源12所產生的射頻功率的頻率。當諧振頻率與射頻功率頻率相同時，回路虛部阻抗等於0歐姆，此時接地阻抗最低，因此可以獲得穩定的唯一接地路徑。詳細來說，本發明通過調節電感L₁₄的電感值以及電容C₁₄的電容值，來使得電感值以及電容值符合下列公式(1)：

其中f₀是上部射頻源15以及下部射頻源12所產生的射頻功率的頻率，L是電感L₁₄的電感值，C是電容C₁₄的電容值。藉由將電感值所對應的感抗調節至與電容值所對應的容抗相等，來使得電感L₁₄與電容C₁₄形成串聯諧振，並且，將電感L₁₄的電感值以及電容C₁₄的電容值調節至符合公式(1)，在如此設置下，電流路徑的阻抗最小。因此，ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流將通過電流回流裝置14傳導至第一端N1，並通過第一端N1傳導至外殼131，最終傳輸至下部射頻源12的接地端，避免因為電流回路路徑不重複或者路徑複雜，導致等離子體系統1的一致性和穩定性受影響。

上部射頻源15以及下部射頻源12所產生的射頻功率的頻率位於0.4MHz至60MHz的範圍。優選地，上部射頻源15以及下部射頻源12所產生的射頻功率的頻率是13.56MHz。當上部射頻源15以及下部射頻源12所產生的射頻功率的頻率是13.56MHz時，優選地，電感L₁₄的電感值位於100nH至1000nH的範圍，電容C₁₄的電容值位於137pF至1378pF的範圍。

本技術領域具有通常知識者應能輕易理解組成調諧電路的電感L₁₄以及電容C₁₄並不限定於圖2A的實施例。參考圖2B，在圖2B的實施例中，電流回流裝置14包括串聯連接的電感L'₁₄和電容C'₁₄，其中電容C'₁₄的一端以連接線LN'_a連接，連接線LN'_a連接至殼體10的接口102的外緣；電容C'₁₄的另一端以連接線LN'_b連接，連接線LN'_b連接至電感L'₁₄的一端；電感L'₁₄的另一端以連接線LN'_c連接，連接線LN'_c連接至第一端N1。本技術領域具有通常知識者應能輕易理解圖2B所示實施例與圖2A所示實施例的差異僅在於電感與電容的位置關係，其餘說明在此省略以省篇幅。

圖3A至圖3D是依據圖2A所示的電流回流裝置14與下部匹配器13的相對位置示意圖。參考圖3A，電容C₁₄與第一端N1之間的連接線LN_c通過絕緣件133。由於電容C₁₄與第一端N1之間的連接線LN_c通過絕緣件133，換言之，電感L₁₄與電容C₁₄位於下部匹配器13的外部。

參考圖3B，電感L₁₄與電容C₁₄之間的連接線LN_b通過絕緣件133。由於電感L₁₄與電容C₁₄之間的連接線LN_b通過絕緣件133，換言之，電流回流裝置14有部分位於下部匹配器13的內部。詳細來說，電感L₁₄位於下部匹配器13的外部，電容C₁₄位於下部匹配器13的內部。

參考圖3C，電感L₁₄與殼體10之間的連接線LN_a通過絕緣件133。由於電感L₁₄與殼體10之間的連接線LN_a通過絕緣件133，換言之，電感L₁₄與電容C₁₄位於下部匹配器13的內部。

在圖3C的實施例中，電容回流裝置14位於下部匹配器13之中，需注意的是，為了避免電感L₁₄與電感L1產生干擾，電感L₁₄的軸向與電感L1的軸向可以呈現一定角度的設置，換言之，電感L₁₄與電感L1並不限定平行排列。優選地，電感L₁₄的軸向與電感L1的軸向呈現90度夾角。另外，為了有效地避免電感L₁₄與電感L1產生干擾，電感L₁₄與電感L1可以相隔一定的距離。優選地，電感L₁₄與電感L1的距離大於25毫米。參考圖3D，圖3D與圖3C實施例相似，電流回流裝置14位於下部匹配器13之中，差異僅在於電感L₁₄的軸向與電感L1的軸向呈現90度夾角，並且，電感L₁₄與電感L1具有距離D，距離D大於25毫米。

圖4A至圖4D是依據圖2B所示的電流回流裝置14與下部匹配器13的相對位置示意圖。參考圖4A，電感L'₁₄與第一端N1之間的連接線LN'_c通過絕緣件133。由於電感L'₁₄與第一端N1之間的連接線LN'_c通過絕緣件133，換言之，電感L'₁₄與電容C'₁₄位於下部匹配器13的外部。

參考圖4B，電感L'₁₄與電容C'₁₄之間的連接線LN'_b通過絕緣件133。由於電感L'₁₄與電容C'₁₄之間的連接線LN'_b通過絕緣件133，換言之，電流回流裝置14有部分位於下部匹配器13的內部。詳細來說，電容C'₁₄位於下部匹配器13的外部，電感L'₁₄位於下部匹配器13的內部。

參考圖4C，電容C'₁₄與殼體10之間的連接線LN'_a通過絕緣件133。由於電容C'₁₄與殼體10之間的連接線LN'_a通過絕緣件133，換言之，電感L'₁₄與電容C'₁₄位於下部匹配器13的內部。

在圖4C的實施例中，電流回流裝置14位於下部匹配器13的內部，類似於圖3C的實施例，為了避免電感L'₁₄與電感L1產生干擾，電感L'₁₄的軸向與電感L1的軸向可以呈現一定角度的設置，換言之，電感L'₁₄與電感L1並不限定平行排列。優選地，電感L'₁₄的軸向與電感L1的軸向呈現90度夾角。另外，為了有效地避免電感L'₁₄與電感L1產生干擾，電感L'₁₄與電感L1可以相隔一定的距離。優選地，電感L'₁₄與電感L1的距離大於25毫米。參考圖4D，圖4D與圖4C實施例相似，電流回流裝置14位於下部匹配器13之中，差異僅在於電感L'₁₄的軸向與電感L1的軸向呈現90度夾角，並且，電感L'₁₄與電感L1具有距離D'，距離D'大於25毫米。

參考圖5，圖5是依據本發明一實施例之等離子體系統1的操作示意圖。當等離子體系統1開始對工作件(如晶圓)進行加工時，開啟上部射頻源15，上部射頻源15通過上部匹配器16於感應線圈17上加載射頻功率，感應線圈17將所述射頻功率通過ICP的方式耦合至介電窗18內，借此將腔室CH內的反應氣體耦合電離成等離子體。關於ICP源，施加在感應線圈17表面的功率包括感性功率和容性功率兩部分，容性功率通過等離子體傳導至內壁103來產生容性耦合電流(圖5中以黑色箭頭表示)。同樣地，開啟下部射頻源12，下部射頻源12通過下部匹配器13產生偏壓射頻功率，所述偏壓射頻功率於下部電極11的電極111之上產生偏置電壓，並通過等離子體傳導至內壁103來產生容性耦合電流(圖5中以白色箭頭表示)。

如同在圖2A實施例中所述，藉由電感L₁₄的電感值所對應的感抗調節至與電容C₁₄的電容值所對應的容抗相等，來使得電感L₁₄與電容C₁₄形成串聯諧振，進而使得電流回流裝置14所提供的電流路徑的阻抗最小。另外，將電感(如電感L₁₄或L'₁₄)的電感值以及電容(如電容C₁₄或C'₁₄)的電容值調節至符合公式(1)，ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流的加總(圖5中以點狀箭頭表示)將通過電流回流裝置14傳導至第一端N1，並通過第一端N1及外殼131進入至下部射頻源12的接地端。

需注意的是，為求更加有效地縮短電流回路長度，本發明並不限定電容C1的第一端N1連接至外殼131的位置。參考圖6，圖6是依據本發明一實施例之等離子體系統1'的示意圖。等離子體系統1'與圖1所示的等離子體系統1大致相似，差異僅在電容C1的第一端N1連接至外殼131的位置T1臨近下部射頻源12連接至下部匹配器13的位置。在如此設置下，ICP所產生的容性耦合電流以及下部射頻源12所產生的容性耦合電流的加總將通過電流回流裝置14傳導至第一端N1，並通過第一端N1及外殼131上的位置T1進入至下部射頻源12的接地端。如此一來，電流回流裝置14所提供的電流回路長度最短，更能有效地避免電流回路路徑不重複或者路徑複雜，進而提高等離子體系統1'的效率。

簡單歸納本發明，通過本發明所公開的電流回流裝置，可提供穩定的電流回路路徑，並且縮短了電流回路長度，降低回路阻抗，避免因為電流回路路徑不重複或者路徑複雜，導致等離子體系統的一致性和穩定性受影響，藉此提高等離子體系統的效率。

前述內容概括數項實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其等可容易地使用本揭露作為用於設計或修改用於實行本文中介紹之實施例之相同目的及/或達成相同優點之其他製程及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應瞭解，此等等效構造不背離本揭露之精神及範疇，且其等可在不背離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中作出各種改變、置換及更改。