CN108269728A - 电容耦合等离子体处理装置与等离子体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容耦合等离子体处理装置与对应的等离子体处理方法，用于改善基片刻蚀的均匀性。其中，处理装置包括：相对设置的上电极与下电极，所述上、下电极之间为处理区域；射频功率源；偏置功率源，施加于所述下电极；环形件，环绕所述下电极设置，所述环形件沿圆周方向分割为至少两个部分，每一部分通过一阻抗调节装置接地。

Description

电容耦合等离子体处理装置与等离子体处理方法

技术领域

本发明涉及用于加工半导体器件的电容耦合等离子体(Capacitively CoupledPlasma)处理装置，如电容耦合等离子体刻蚀装置，还涉及利用上述装置加工半导体器件的方法。

背景技术

在半导体器件的制造过程中，为了在作为待处理基片的半导体晶片上形成的规定层上形成规定图案，大多采用以抗蚀剂作为掩模、利用等离子体进行刻蚀的等离子体刻蚀处理。作为用于进行这样的等离子体刻蚀的等离子体刻蚀装置，使用各种装置，其中，主流为电容耦合型等离子体处理装置。

在电容耦合型等离子体刻蚀装置中，在腔室内配置一对平行平板电极(上电极和下电极)，将处理气体导入腔室内，并且向一个电极施加高频，在电极间形成高频电场，利用该高频电场形成处理气体的等离子体，对半导体晶片的规定层进行等离子体刻蚀。

具体地说，已知有向上电极施加等离子体形成用的高频以形成等离子体、向下电极施加离子引入用的高频，由此形成适当的等离子体状态的等离子体刻蚀装置，由此，能够以高选择比进行再现性高的刻蚀处理(例如，美国专利US6423242号)。

但是，现有的电容耦合等离子体处理装置仍有改善空间，特别是在处理均匀性方面。以等离子体刻蚀装置为例，现有刻蚀装置中由于元件(如位于反应腔侧壁的基片传输门、位于反应腔底部的排气口等)几何结构不对称、元件(如静电夹盘、聚焦环)温度分布不均匀性以及元件电学性能不均匀性等均会影响均可导致刻蚀不均匀，进而对产品性能和良率产生很大的影响，亟需得到解决。另外，不同刻蚀装置的反应腔结构存在差异性，导致刻蚀工艺不均匀程度也各不相同。因此，亟需一种可在线(即不脱产，在加工过程中实现调节)主动连续调节的装置或手段，以最大程度减弱加工工艺的不均匀性。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

反应腔，设置有顶壁、侧壁与底壁；

上电极，位于所述反应腔内，设置在所述顶壁；

下电极，位于所述反应腔内，并与所述上电极相对设置；

射频功率源，施加于所述下电极；

偏置功率源，施加于所述下电极；

环形件，环绕所述下电极设置，并可上下移动；所述环形件沿圆周方向分割为至少两个部分，每一部分电连接至所述上电极。

可选的，所述环形件的各部分与所述上电极通过一阻抗调节装置电连接。

可选的，所述阻抗调节装置包括一可变电感器或一可变电阻或一可变电容。

可选的，所述阻抗调节装置包括可变电感器、可变电阻与可变电容中的任意两种，或同时包括可变电感器、可变电阻与可变电容。

可选的，所述环形件的材质包括硅。

可选的，所述上电极接地。

根据本发明的另一个方面，提供一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

相对设置的上电极与下电极，所述上、下电极之间为处理区域P；

射频功率源；

偏置功率源，施加于所述下电极；

环形件，环绕所述下电极设置，所述环形件沿圆周方向分割为至少两个部分，每一部分通过一阻抗调节装置接地。

可选的，所述阻抗调节装置包括一可变电感器或一可变电阻或一可变电容。

可选的，所述阻抗调节装置包括可变电感器、可变电阻与可变电容中的任意两种，或同时包括可变电感器、可变电阻与可变电容。

可选的，所述环形件的材质包括硅。

根据本发明的另一个方面，提供一种等离子体处理方法，包括：

将待处理基片放入如前所述的电容耦合等离子体处理装置内，并调节各阻抗调节装置；

通入处理气体至所述电容耦合等离子体处理装置，对待处理基片进行加工。

附图说明

图1是本发明一个实施例的电容耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图2是环形件另一实施方式的结构示意图；

图3是图2中环形件的变更实施例。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图，对本发明电容耦合等离子体处理装置及方法进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

发明人研究发现，使用完全接地的环形件(尤其是可移动环形件)(其设置在基片的外周，邻近基片的边缘区域)可有效提升基片边缘的处理速率(比如，刻蚀速率)，利用此可显著改善工艺均匀性。接地的方式可以是环形件直接电性连接至地，也可以是通过将环形件电性连接至已接地的上电极来实现。进一步的，如果对环形件的接地程度(或者说阻抗，即环形件与地之间的阻抗)进行调节(具体可通过电阻或电容或电感或它们之间的任意组合对环形件的接地程度进行调控)，则可对基片边缘处理速率进行连续调节和控制，进而实现对工艺均匀性的在线调节。这种调节***对不同反应腔和不同等离子体处理工艺具有普遍适用性。

更优的方式为，将环形件分割为多段而形成多个(比如，两个、三个或更多个)独立的模块或者说弧形段(如半圆形的弧形段、三分之一圆形的弧形环等)，并对每一模块的阻抗(即每一模块与大地之间的阻抗)进行独立地调控，则可对基片边缘不同区域的刻蚀速率进行连续调节和控制，从而实现对刻蚀工艺均匀性和对称性的在先调节。这里所说的阻抗调控，可以是对电阻的调控，可以是对电容的调控，可以是对电感的调控，也可以是对它们中任意两种的组合的调控，还可以是同时对电阻、电容与电感的调控。只需使用对应的可变电阻、可变电容、可变电感器即可。

依据本发明的电容耦合等离子体处理装置包括由多个壁(如侧壁、顶壁与底壁)围合而成的反应腔，该反应腔通常可呈圆柱形，反应腔的侧壁可垂直于顶壁与底壁。反应腔的内部设置有空间，用于容纳基片。反应腔可被抽真空。除进气口、排气口以及基片进出通道外，反应腔的其它部分在处理过程中保持密闭、与外界隔离。进气口与外部的气源相连，用于在处理过程中持续向反应腔供应处理气体。排气口与外部的泵相连，用于将处理过程中产生的废气排出反应腔，也用于对反应腔内的气压进行控制。

所述处理装置还包括平行设置的上、下电极以及与它们相连的高频功率源(如，射频功率源与偏置功率源)，用于激发等离子体并对等离子体的能量进行控制。通常，在上电极与下电极之间的区域为处理区域，该处理区域将形成高频能量以点燃和维持等离子体。待处理的基片可设置于处理区域的下方，该基片可以是待刻蚀或加工的半导体基片或者待加工成平板显示器的玻璃平板等。上电极通常可设置为气体喷淋头的一部分，可用于将气体引导至反应腔(尤其是处理区域)内。下电极通常可设置于静电夹盘内，该静电夹盘可用于放置并固定/夹持待加工的基片。

一个或多个高频功率源(包括射频功率源与偏置功率源)可以被单独地施加在下电极上或同时被施加在上电极与下电极上，用以将射频功率输送到下电极上或上电极与下电极上，从而在反应腔内部产生强的电场。大多数电场线被限制在上电极和下电极之间的处理区域内，此电场对少量存在于反应腔内部的电子进行加速，使之与由气体喷淋头输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在处理腔体内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极方向加速，与被处理的基片中的中性物质结合，激发基片加工，即刻蚀、淀积等。

图1是本发明一个实施例的电容耦合等离子体处理装置(具体为电容耦合等离子体刻蚀装置)的结构示意图，主要用来显示高频功率(或者说射频功率)在反应腔内的传递路径，因而，它并未显示不太相关的结构(如顶壁、底壁、进气口、排气口、基片进出通道等)。

如图1，平行的上电极(第一电极)2与下电极(第二电极)4相对设置，上、下电极2，4之间为处理区域P(激发产生的等离子体主要会集中在该空间内)。上电极通常可设置在反应腔的顶壁(未图示)上，或者也可将上电极看作顶壁的一部分。另外，上电极2本身也可看作是气体喷淋头的一部分，作为反应气体进入反应腔的通道。下电极4通常设置在静电夹盘(electrostatic chuck)上(可看作是静电夹盘的一部分)，而待处理的基片(图中未显示)可被固定在静电夹盘的上表面。

下电极4的外侧设置有环形件3。环形件的材质可以是硅或碳化硅等半导体材料也可以是金属等导体材料，用于改善基片边缘区域与基片中央区域上方的等离子体分布的均匀性。作为较佳实施方式的环形件可沿竖直方向(即，垂直上电极或下电极的方向)上下移动。所述环形件可从侧面局部地包围所述处理区域P。

射频功率源(通常为一高频功率发生器)6可施加于下电极4，用来将上下电极间的反应气体激发为等离子体。为提高馈入的效率，可在射频功率源与下电极4之间设置一阻抗匹配网络(impedance matching network)(图中未显示)。射频功率源的频率通常大于10M，比如可为60M或13.56M等。

等离子体处理装置还可设置偏置功率源(未图示)。偏置功率源通常为一高频功率发生器，其频率比射频功率源的频率低，因而可称为较低频的高频功率发生器。偏置功率源通常施加于所述下电极4，用来控制等离子体能量的分布。为提高其馈入的效率，可在偏置功率源与下电极4之间设置一阻抗匹配网络(impedance matching network)(图中未显示)。偏置功率源的频率通常小于5M，比如可选择为2M或500K等。

未被施加高频功率源(如，射频功率源与偏置功率源)的上电极通常可接地。反应腔的侧壁通常也接地。

在加工过程中，沿着基片(下电极4)-等离子体-上电极2路径存在交变电场分布，交变电场的分布反映了等离子体在反应腔内的分布。由于某些元件(如位于反应腔侧壁的基片传输门、位于反应腔底部的排气口等)几何结构不对称、某些元件(如静电夹盘、聚焦环)温度分布不均匀性以及元件电学性能不均匀性等因素的影响，交变电场并不是均匀分布的。通常，基片中央区域上方的等离子体较强(分布较密集)，基片边缘区域上方的等离子体较弱(分布较稀疏)，这使得基片中央区域刻蚀速率较快、边缘区域刻蚀速率较慢，出现刻蚀不均匀问题。

通过将环形件3接地，比如可将环形件3电性连接至已接地的上电极2，可明显提高基片边缘区域的刻蚀速率，改善基片中央区域与边缘区域的刻蚀均匀性。环形件3的接地，相当于在环形件3处增加了一条电场通道(电流通道)，即增强了基片边缘区域的等离子体浓度和强度，可以加快基片边缘区域的刻蚀速率。为达到更佳的效果，环形件在高度上可与基片(或下电极)平齐或高于基片(或下电极)。

更优的，可在环形件3的接地通道中串联入一阻抗调节装置8。通过阻抗调节(比如，调节电阻或调节电感或调节电容或同时调节它们中的任两个或同时调节三者)，可对基片边缘区域刻蚀速率的增强程度根据实际需要而进行不同程度的调节。

通常，阻抗越小，基片边缘区域刻蚀速率增强的程度越大；阻抗越大，基片边缘区域刻蚀速率提高的程度越小。对应的，阻抗调节装置8可以是或者可以包括一可变电阻或一可变电感器或一可变电容或它们中任两个的组合或三者的组合。实际实验的结果也验证了该效果。

图2所示为图1环形件的变更实施方式。环形件沿圆周方向被分割为多个独立的部分31、32、33，每一部分31、32、33通过一阻抗调节装置81、82、83连接至接地电路(比如，可通过电性连接至已接地的上电极2而实现接地)。各个阻抗调节装置81、82、83之间可相互独立控制、调节。对环形件各部分与上电极(或者地)之间的阻抗分别进行调节，相当于对环形件的各个部分处的电场通道(电流通道)进行调节，改善等离子体分布。

如基片边缘区域的某一片区的刻蚀速率明显低于其它区域时，可调整该片区处的阻抗调节装置(该阻抗调节装置也是与该片区相对应的阻抗调节装置)，降低其阻抗，从而加快该片区的刻蚀速率。反之，如基片边缘区域的某一片区的刻蚀速率明显高于其它区域时，可调整该片区处的阻抗调节装置(该阻抗调节装置也是与该片区相对应的阻抗调节装置)，增加其阻抗，从而减缓该片区的刻蚀速率。

为达到尽可能精细调整的目的，可考虑将环形件分割为更多数目(比如，4个、5个、6个或8个等)的独立部分。但不宜过多，尽量不要超过24个，否则将大幅提高成本，同时改善程度也没有显著提升。

通常，由环形件分割出来的每一部分，如81、82、83等，应是大致均匀分割。但这并非必要。

这里所说的阻抗调控，可以是对电阻的调控，可以是对电容的调控，可以是对电感的调控，也可以是对它们中任意两种的组合的调控，还可以是同时对电阻、电容与电感的调控。只需使用对应的可变电阻、可变电容、可变电感器即可；与图1中实施例类似，这里不再赘述。

图3是环形件的另一种实施方式。除环形件外的其它结构均可与图1或图2实施例相同，这里不再详述。图3中，环形件包括竖直排列的多个环31、32、33、34，相邻的环之间留有空隙。该空隙可容气体通过，但基本不允许等离子体通过，因而该环形件可被视为等离子体约束环，作用为将等离子体约束、限制在上下电极2与4之间的处理区域。该环形件还可包括连接杆38，以将各个环31、32、33、34串成一个整体。该连接杆优选为导电性材料(包括导体与半导体)，以将各环31、32、33、34电性连接。

在图中的位置，该环形件能够从侧面完全包围处理区域P；待其向上或向下移动后，则其可能只能够局部包围处理区域P。但这并不妨碍其产生改善的效果。

与图2实施例相似，图3中的环形件亦可包括几个独立的部分。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (15)

1.一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

反应腔，设置有顶壁、侧壁与底壁；

上电极，位于所述反应腔内，设置在所述顶壁；

下电极，位于所述反应腔内，并与所述上电极相对设置；

射频功率源，施加于所述下电极；

偏置功率源，施加于所述下电极；

环形件，环绕所述下电极设置，并可上下移动；所述环形件沿圆周方向分割为至少两个部分，每一部分电连接至所述上电极。

2.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件的各部分与所述上电极通过一阻抗调节装置电连接。

3.如权利要求2所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗调节装置包括一可变电感器或一可变电阻或一可变电容。

4.如权利要求2所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗调节装置包括可变电感器、可变电阻与可变电容中的任意两种，或同时包括可变电感器、可变电阻与可变电容。

5.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件的材质包括半导体或导体。

6.如权利要求5所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件的材质包括硅或碳化硅或金属。

7.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述上电极接地。

8.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件包括竖直排列的多个环，相邻的环之间留有空隙。

9.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，上电极与下电极之间的区域为处理区域；移动至合适的位置时，所述环形件能够从侧面完全包围或局部包围所述处理区域。

10.一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

相对设置的上电极与下电极，所述上、下电极之间为处理区域；

射频功率源；

偏置功率源，施加于所述下电极；

环形件，环绕所述下电极设置，所述环形件沿圆周方向分割为至少两个部分，每一部分通过一阻抗调节装置接地。

11.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗调节装置包括一可变电感器或一可变电阻或一可变电容。

12.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述阻抗调节装置包括可变电感器、可变电阻与可变电容中的任意两种，或同时包括可变电感器、可变电阻与可变电容。

13.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件的材质包括半导体或导体。

14.如权利要求13所述的电容耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述环形件的材质包括硅或碳化硅或金属。

15.一种等离子体处理方法，包括：

将待处理基片放入如权利要求2至4与10至14任一项所述的电容耦合等离子体处理装置内，并调节各阻抗调节装置，用以调节基片边缘区域的处理速率；

通入处理气体至所述电容耦合等离子体处理装置，对待处理基片进行加工。