CN207503911U - 等离子体反应器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种等离子体反应器。在一个实施例中，等离子体反应器包含：工艺腔室主体，所述工艺腔室主体具有处理区，所述处理区由圆柱形侧壁、下顶板和底板包围；工件支座，所述工件支座用于在所述处理区域内支撑工件；真空泵，所述真空泵通过所述底板耦接至所述处理区域；气体出口孔的阵列，所述气体出口孔的阵列形成在所述下顶板中；圆柱形腔的阵列，所述圆柱形腔的阵列由电介质圆柱形腔壁包围，每一个圆柱形腔与所述气体出口孔中相应的一个对齐；电源；以及相应的功率施加器，所述相应的功率施加器配置成通过将功率从所述相应的功率施加器经所述电介质圆柱形腔壁而耦合到所述圆柱形腔中以在所述圆柱形腔中的相应的腔中产生等离子体。

Description

等离子体反应器
本申请是2016年9月27日提交的、优先权日为2015年9月28日、申请号为201621084463.1、题为“利用等离子体点源的阵列处理工件的等离子体反应器”的实用新型申请的分案申请。
上述实用新型申请要求由Kartik Ramaswamy等人于2015年9月28日提出的、标题为“利用等离子体点源的阵列处理工件的等离子体反应器(A PLASMA REACTOR FORPROCESSING A WORKPIECE WITH AN ARRAY OF PLASMA POINT SURFACES)”的美国申请No.14/867,240的优先权权益。
技术领域
本公开关于诸如半导体晶片的工件的等离子体处理，以及工艺不均匀性的降低。
背景技术
在传统的等离子体处理中，处理过的晶片可能由于不同的蚀刻环境而遭受不均匀应力造成的局部不均匀性、不均匀的膜组成物(对于沉积工艺)、不均匀的CD(特征的临界尺寸)。这可能是由于引入的晶片之间的差异或处理腔室的特性中的差异(例如，在转盘式处理腔室中，旋转的晶片经历前缘和后缘的自由基停留时间差异或不同的局部温度)。
实用新型内容
在一个实施例中，提供一种等离子体反应器，其特征在于，包含：工艺腔室主体，所述工艺腔室主体具有处理区，所述处理区由圆柱形侧壁、下顶板和底板包围；工件支座，所述工件支座用于在所述处理区域内支撑工件；真空泵，所述真空泵通过所述底板耦接至所述处理区域；气体出口孔的阵列，所述气体出口孔的阵列形成在所述下顶板中；圆柱形腔的阵列，所述圆柱形腔的阵列由电介质圆柱形腔壁包围，每一个圆柱形腔与所述气体出口孔中相应的一个对齐；电源；以及相应的功率施加器，所述相应的功率施加器配置成通过将功率从所述相应的功率施加器经所述电介质圆柱形腔壁而耦合到所述圆柱形腔中以在所述圆柱形腔中的相应的腔中产生等离子体。
在进一步的实施例中，所述相应的功率施加器包含电极，所述电极用于将RF功率电容耦合到所述腔中的相应的一个腔中。
在进一步的实施例中，所述电极围绕所述腔中的相应腔的一部分。
在进一步的实施例中，所述相应的功率施加器包含线圈天线，所述线圈天线用于将RF功率感应耦合到所述腔中的相应腔中。
在进一步的实施例中，所述线圈天线包含导体，所述导体盘绕所述腔中的相应腔的一部分。
在进一步的实施例中，所述相应的功率施加器包含用于直流放电的电极，并且其中所述腔壁中的每一个腔壁配置成使对应的电极暴露于所述腔中的相应的一个腔的内部。
在进一步的实施例中，进一步包含工艺气体源和气体分配器，所述气体分配器包含多个阀，所述多个阀耦接在所述工艺气体源与所述腔中的相应腔之间。
在进一步的实施例中，进一步包含多个气体供应器和气体分配器，所述气体分配器从所述多个气体供应器接收不同的气体物种并且依据用于不同圆柱形腔的不同的使用者特定的气体配方、通过相应的气体入口开口来将不同的气体混合物分配到圆柱形腔中的不同圆柱形腔。
在进一步的实施例中，多个功率导体耦接至所述功率施加器中的相应功率施加器，并且功率分配器耦接在所述电源与所述多个功率导体之间。
在进一步的实施例中，所述功率分配器控制单独地供应至每一个功率导体的功率。
在进一步的实施例中，所述功率分配器包括多个开关，所述多个开关耦接在所述电源的输出与所述功率导体中的相应功率导体之间
在进一步的实施例中，进一步包含处理器，所述处理器根据用户定义的指令单独地控制所述多个开关。
附图说明
因此，为了可以详细理解所得的本实用新型的示例性实施例的方式，可参照在所附附图中示出的本实用新型实施例得出以上简要概述的本实用新型的更具体的描述。应当理解的是，本文中未讨论某些众所周知的工艺，以免模糊本实用新型。
图1A为具有等离子体点源的阵列的第一实施例的简化图。
图1B为图1A的实施例中的等离子体点源的放大平面图。
图2A和图2B绘示等离子体点源的阵列的不同布置。
图3绘示其中等离子体点源采用等离子体直流放电的实施例。
图4绘示其中等离子体点源采用感应耦合的实施例。
图5绘示图1A的实施例采用远程等离子体源的变型。
图6绘示图4的实施例采用远程等离子体源的变型。
图7绘示图1A的实施例除了等离子体点源的阵列以外还具有腔室宽的感应耦合源的变型。
为了便于理解，已在可能处使用相同的附图标记来指附图共有的相同元件。构思的是，可以将一个实施例的元件和特征有益地并入其他实施例中而无需进一步详述。然而，应注意的是，附图仅示出本实用新型的示例性实施例，因此不应被视为限制本实用新型的范围，因本实用新型可认可其他等同有效的实施例。
具体实施方式
介绍：
等离子体源由大量的或一个阵列的单独受控的局部等离子体点源组成，这允许在用户界定的区域上在空间和时间上控制带电粒子物种(电子、负和正离子)和自由基。
使用能够在空间和时间上控制的等离子体源能够校正局部的不均匀性。这可以通过在产生带电粒子和自由基的不同等离子体点源中启动或关闭等离子体产生来实现。替代地或另外地，这可以通过改变至不同等离子体点源的工艺气流来实现。例如，气流可以被启动或关闭和/或可以改变用于每个等离子体点源的气体混合物。使用者可以选择在局部等离子体点源中被离子化或分解的气体。使用者可以进一步选择放电的时间或持续时间。
人们可以通过在不同的同时局部气体放电中并行操作不同的气体化学过程(空间控制)或通过在同一局部放电中局部交替气体化学过程来改变局部放电化学过程。
人们可以使整个工件(晶片)经受恒定的负直流偏压、但局部吸引离子来布植、或蚀刻或沉积。
可以将等离子体点源的阵列与传统非局部等离子体源(诸如电容耦合的大电极等离子体源或感应耦合的等离子体源)组合，并实时校正等离子体生成中的局部不均匀性。
可以将等离子体点源的阵列与远程等离子体源(例如远程自由基源)组合。自由基处理步骤之后可以接着等离子体处理步骤，在等离子体处理步骤中人们可以改变成分和局部停留时间。过去的解决方案通过改变经过基板支座中的局部加热元件的电流而着重于温度的局部变化。本文描述的实施例添加到现有的解决方案，并实现局部化学过程，并且影响带电粒子和自由基的产生，而不是只依赖温度来加速反应。
实施例：
图1A和图1B描绘具有使用RF频率电容耦合的多个等离子体点源90的实施例。点源90可被布置成各种配置，诸如圆形(图2A)或派形(图2B)。图1A的实施例包括具有处理区域92的工艺腔室主体100，处理区域92被圆柱形侧壁102、下顶板104以及底板106包围。工件支座94在处理区域92内支撑工件96。真空泵108可以通过底板106耦接到处理区域92。支撑在上圆柱形侧壁126上的上顶板110覆盖在下顶板104上方并支撑气体分配器112。下顶板104包括气体出口孔114的阵列。在图1A的实施例中，点源90是圆柱形腔115的阵列，圆柱形腔115被电介质圆柱形腔壁116包围，每个电介质圆柱形腔壁116都平行于圆柱形侧壁102的对称轴并与相应的一个气体出口孔114对齐。电介质圆柱形腔壁116被相应的圆柱形电极118环绕。
每个等离子体点源90都是局部的，其中每个气体出口孔114的面积相对于下顶板104或上顶板110的面积或相对于腔室主体100的直径是较小的。在一个实施例中，每个气体出口孔114的面积都不超过下顶板104或上顶板110的面积或腔室主体100的面积的5％。
在图1A和图1B的描绘的实施例中，每个气体出口开口114的形状都是圆形，并与圆柱形腔115的形状一致。然而，在其他实施例中，每个气体出口孔114都可以具有任意的形状，并且可以不与圆柱形腔115的形状一致。例如，每个气体出口孔114都可以具有非圆形的形状(例如椭圆形)，或可以具有多边形的形状或线性狭缝的形状或一些前述形状的组合。如果气体出口孔114的形状不与圆柱形腔115一致，则在一个实施例中，可以引入适配器(未示出)来提供气体出口孔114与圆柱形腔115之间的气体密封。
上顶板110具有气体入口开口119的阵列，每个气体入口开口119都与相应的一个圆柱形腔115对齐。气体分配器112通过气体入口开口119将工艺气体供应到圆柱形腔115中。单独的功率导体120将功率引导到相应的圆柱形电极118中的单独一个。功率分配器122将功率从电源124分配到功率导体120。在一个实施例中，电源124是交流(AC)发电机或具有射频(RF)阻抗匹配的RF发电机。在相关的实施例中，例如，电源124的频率可以是从直流(D.C.)到超高频(UHF)的任何频率。在一个实施例中，通过将RF功率从圆柱形电极118通过电介质圆柱形腔壁116电容耦合到圆柱形腔115中而在圆柱形腔115中产生等离子体。下顶板104将圆柱形电极118与等离子体隔离。
气体分配器112从多个气体供应器250接收不同的气体物种，并依据用于不同圆柱形腔115的不同的使用者特定的气体配方通过相应的气体入口开口119将不同的气体混合物分配到不同的圆柱形腔115。例如，气体分配器112可以包括由处理器254依据用户定义的指令单独控制的气体阀252的阵列，该指令限定用于单独圆柱形腔115的气体混合物。气体阀252的阵列在多个气体供应器250与气体入口开口119之间耦接到圆柱形腔115。
在一个实施例中，功率分配器122单独地控制供应到每个功率导体120的功率。例如，功率分配器122可以包括电开关262的阵列，电开关262由处理器254依据用户定义的指令独立地控制。可以通过脉宽调制来控制功率，并且用户定义的指令可以限定用于单独圆柱形腔115的功率的单独开/关持续时间(或工作周期)。电开关262的阵列耦接在电源124与功率导体120之间。
在第一实施例中，下顶板104由电介质材料形成，而上顶板110由导电材料形成。在第二实施例中，下顶板104邻接由导电材料形成的下板190，并且下板190和上顶板110都接地。以这种方式，等离子体源位于两个接地的板(即下板190与上顶板110)之间。
图3描绘其中等离子体由直流放电产生并且电源124是直流发电机的实施例。每个电介质圆柱形腔壁116都终止于对应的圆柱形电极118上方。这个特征可以使每个圆柱形电极118直接暴露于等离子体，以促进直流放电。
图4描绘图1A的实施例的变型，其中圆柱形电极118被单独的感应线圈210取代，以在每个圆柱形腔115内产生感应耦合的等离子体。每个感应线圈210都缠绕在对应的圆柱形电介质壁116的底部部分，如图4所描绘。在图4的实施例中，变化的磁场在圆柱形腔115中产生变化的电场，这进而产生封闭转动的振荡的等离子体电流。
图5描绘图1A的实施例的另一个变型，其中包括远程等离子体源220和自由基分配板280。自由基分配板280从远程等离子体源220将自由基引导到单独的圆柱形腔115中。远程等离子体源220可以包括由电源224驱动的等离子体源功率施加器222。远程等离子体源220可以进一步包括含有期望自由基物种的前驱物的受控气源226。还有一些远程产生的化学活性自由基在晶片的处理中发挥关键作用的工艺。然而，可能需要遵循使用等离子体处理步骤的自由基处理。具有在空间上和时间上可控制的等离子体源有助于解决自由基的不均匀性。在自由基寿命短(重新结合成为惰性中性粒子)的情况下，具有可控制的等离子体密度可以有助于再生重要的自由基。
图6描绘图4的实施例的变型，其中包括远程等离子体源220和自由基分配板280。在图6的实施例中，将远程等离子体源220与图4的感应耦合的等离子体源(即感应耦合的线圈210)组合。与图1A的实施例的电容耦合的等离子体源相比，感应耦合的等离子体源(线圈210)能够在不同的(较低的)压力状态(例如低于25毫托)下操作。
图7描绘图1A的实施例的变型，其中将等离子体点源90的阵列与较大的非局部感应耦合的等离子体源组合。图7的非局部感应耦合的等离子体源包括围绕圆柱形侧壁102的螺旋状缠绕的线圈天线240。螺旋状缠绕的线圈天线240由RF发电机242通过RF阻抗匹配244驱动。在图7的实施例中，圆柱形侧壁102由非金属材料形成，以使RF功率能够通过圆柱形侧壁102感应地耦合。下板190保护单独的等离子体点源(对应于单独的圆柱形腔115)免受较大的感应耦合的等离子体源(对应于螺旋状缠绕的线圈天线240)破坏。
单独的等离子体点源90(对应于单独的圆柱形腔115)是可单独控制的。这使得能够在空间和时间上控制等离子体分布。可以以降低等离子体分布不均匀性的方式运用这种控制。
控制模式：
电源124可以以不同的模式对每个等离子体点源90供电。在第一模式中，每个等离子体点源90消耗固定量的功率，并且控制***使用电开关262的阵列接通或断开供应到等离子体点源的功率。在一个示例中，每个点源在接通时消耗约3瓦特的恒定量。电开关262的阵列基本上依命令将功率施加到单独的等离子体点源90。等离子体密度与被接通的等离子体点源90的数量有关。以这种方式，被递送到每个等离子体点源90的净功率可以通过脉宽修改来控制。
在第二模式中，所控制的是被递送到每个等离子体点源90的功率的水平。并且，至单独等离子体点源90(或等离子体点源90的组)的气体成分可以被气体分配器112改变。因此，不同的等离子体点源90不必具有相同的气体放电成分。每个等离子体点源90都具有固定的地址。至每个等离子体点源90的功率和/或气流可以被有针对性地单独接通或断开。
依据一个方法，测量横跨工件表面的工艺速率的空间分布。工艺速率分布中的不均匀性是通过建立供应到等离子体点源90的阵列的功率的开/关工作周期的空间分布来补偿，功率的开/关工作周期的空间分布实际上是测得的工艺速率空间分布的倒数。换句话说，开/关功率工作周期的分布在测得的工艺速率分布具有极小值的位置具有极大值，并且在测得的工艺速率分布具有极大值处具有极小值。
依据另一个方法，工艺速率分布中的不均匀性通过建立供应到等离子体点源90的阵列的工艺气流的开/关工作周期的空间分布来补偿，工艺气流的开/关工作周期的空间分布实际上是测得的工艺速率空间分布的倒数。换句话说，开/关气流工作周期的分布在测得的工艺速率分布具有极小值的位置具有极大值，并且在测得的工艺速率分布具有极大值处具有极小值。
优点：
主要的优点是空间上和时间上完全控制带电粒子和活性自由基的产生。这使得能够对局部带电粒子和活性自由基的分布进行空间上和时间上的控制。
虽然前述是针对本实用新型的实施例，但仍可以在不偏离本实用新型的基本范围的情况下设计出本实用新型的其他和进一步的实施例，而且本实用新型的范围是由所附权利要求书确定。

Claims (12)

1.一种等离子体反应器，其特征在于，包含：
工艺腔室主体，所述工艺腔室主体具有处理区，所述处理区由圆柱形侧壁、下顶板和底板包围；
工件支座，所述工件支座用于在所述处理区域内支撑工件；
真空泵，所述真空泵通过所述底板耦接至所述处理区域；
气体出口孔的阵列，所述气体出口孔的阵列形成在所述下顶板中；
圆柱形腔的阵列，所述圆柱形腔的阵列由电介质圆柱形腔壁包围，每一个圆柱形腔与所述气体出口孔中相应的一个对齐；
电源；以及
相应的功率施加器，所述相应的功率施加器配置成通过将功率从所述相应的功率施加器经所述电介质圆柱形腔壁而耦合到所述圆柱形腔中以在所述圆柱形腔中的相应的腔中产生等离子体。
2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述相应的功率施加器包含电极，所述电极用于将RF功率电容耦合到所述腔中的相应的一个腔中。
3.如权利要求2所述的等离子体反应器，其特征在于，所述电极围绕所述腔中的相应腔的一部分。
4.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述相应的功率施加器包含线圈天线，所述线圈天线用于将RF功率感应耦合到所述腔中的相应腔中。
5.如权利要求4所述的等离子体反应器，其特征在于，所述线圈天线包含导体，所述导体盘绕所述腔中的相应腔的一部分。
6.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述相应的功率施加器包含用于直流放电的电极，并且其中所述腔壁中的每一个腔壁配置成使对应的电极暴露于所述腔中的相应的一个腔的内部。
7.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，进一步包含工艺气体源和气体分配器，所述气体分配器包含多个阀，所述多个阀耦接在所述工艺气体源与所述腔中的相应腔之间。
8.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，进一步包含多个气体供应器和气体分配器，所述气体分配器从所述多个气体供应器接收不同的气体物种并且依据用于不同圆柱形腔的不同的使用者特定的气体配方、通过相应的气体入口开口来将不同的气体混合物分配到圆柱形腔中的不同圆柱形腔。
9.如权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，多个功率导体耦接至所述功率施加器中的相应功率施加器，并且功率分配器耦接在所述电源与所述多个功率导体之间。
10.如权利要求9所述的等离子体反应器，其特征在于，所述功率分配器控制单独地供应至每一个功率导体的功率。
11.如权利要求10所述的等离子体反应器，其特征在于，所述功率分配器包括多个开关，所述多个开关耦接在所述电源的输出与所述功率导体中的相应功率导体之间。
12.如权利要求11所述的等离子体反应器，其特征在于，进一步包含处理器，所述处理器根据用户定义的指令单独地控制所述多个开关。
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