TWI388242B - 用以增強電槳徑向分佈之磁性控制的電漿限制擋件及流動等化件 - Google Patents

用以增強電槳徑向分佈之磁性控制的電漿限制擋件及流動等化件 Download PDF

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Description

用以增強電漿徑向分佈之磁性控制的電漿限制擋件及流動等化件
本發明的實施方式主要關於一種用於電漿的高流動傳導軸向限制和流動均衡的方法和裝置，該方法和裝置通過阻抗限制來增強電漿徑向分佈的磁性控制，並增強電漿的徑向限制。
在微電子積體電路的製造中，半導體晶圓的電漿處理用於介電質蝕刻、金屬蝕刻、化學氣相沈積和其他製程中。在半導體基板處理中，越來越小的部件尺寸和線寬發展的趨勢誘使在半導體基板上罩幕、蝕刻和沈積材料具有越來越高的精度。
通常，蝕刻通過將射頻(RF)功率施加到被供應到在由支撐構件所支撐的基板上方的低壓處理區域的工作氣體來完成。所產生的電場在處理區域內生成將工作氣體激發為電漿的反應區域。該支撐構件偏置以吸引朝向在其上支撐的基板的電漿。離子朝向鄰近基板的邊界層或電漿鞘遷移並在離開邊界層時加速。被加速的離子產生需要從基板表面去除或蝕刻材料的能量。由於被加速的離子能蝕刻處理腔室內的其他元件，所以將電漿限制到基板上方的處理區域且遠離腔室的側壁是很重要的。
無限制的電漿導致沈積在腔室壁上的蝕刻副產物(通常為聚合物)並同樣蝕刻腔室壁。沈積在腔室壁上的蝕刻 副產物能使製程漂移。來自腔室壁的蝕刻材料通過再沈積污染基板和/或產生腔室中的顆粒。另外，無限制的電漿還導致沈積在下游區域中的蝕刻副產物。積累的蝕刻副產物剝落並產生顆粒。為了減少由下游區域中蝕刻副產物的沈積引起的顆粒問題，需要額外的後蝕刻(下游)清洗步驟，其將降低製程產量並增加製程成本。
受限制的電漿將降低腔室污染、腔室清洗並改善製程可重復性(或減少製程漂移)。
在本發明的一個方案中，電漿反應器包含一腔室，該腔室具有腔室側壁、頂部和底部。工件支撐底座位於腔室內並包含工件支撐表面。底座側壁面對腔室側壁並從腔室底部延伸。工件支撐底座界定腔室側壁和底座側壁之間的抽吸環。抽吸口設置在腔室底部中。環形電漿限制擋件從底座側壁延伸並具有外部邊緣，其中外部邊緣界定在邊緣和腔室側壁之間的氣流間隙。該擋件降到工件支撐表面下的一段距離處，該距離對應於在工件支撐底座週邊處降低的電漿離子密度。該反應器進一步包含一氣流等化器，氣流等化器具有在擋件下並阻擋氣流通過抽吸環的阻擋板。該阻擋板界定在抽吸口附近一側的最小氣體傳導和在抽吸口相對一側上的最大氣體傳導的晶圓支撐底座周圍的偏心開口。阻擋板與腔室側壁隔開，以界定在該阻擋板與腔室側壁之間的足夠長的間隙，從而引起最小氣流阻力。
根據另一方案，氣流等化器進一步包含從阻擋板外部邊緣朝向擋件延伸的軸向壁；並且所述壁導引氣流到偏心開口。
根據又一方案，在擋件和腔室側壁之間的氣流間隙足夠小，以防止或降低電漿流動到抽吸環。
反應器進一步包含磁性電漿導向裝置。該磁性電漿導向裝置呈現一邊緣高電漿離子密度偏置。選擇擋件放置在工件支撐平面下的距離，以將底座邊緣處的電漿密度降低到補償所述磁性導向裝置的邊緣高電漿離子密度偏置的量。
本發明的實施方式係有關於軸向限制電漿，以防止電漿進入晶圓或工件下面的腔室區域，同時補償到排氣口的氣流不對稱圖案。在一個進一步方案中，本發明的實施方式係有關於以由磁性控制改善徑向電漿分佈均勻性的方式完成前述。在另一方案中，本發明的實施方式係有關於以通過阻抗限制改善徑向電漿限制的方法完成前述。在電漿製程腔室中執行的處理為沈積、蝕刻或電漿處理。本發明的實施方式可應用到任何類型的電漿處理，包括電漿蝕刻製程、電漿增強化學氣相沈積製程、物理氣相沈積製程等。
第1A圖示出了電漿反應器的實施例，諸如California的Santa Clara的應用材料有限公司製造的Enabler® 蝕刻系統，該蝕刻系統包括反應器腔室100，其可包括襯墊以保 護壁，在腔室底部具有支撐半導體晶圓110的基板支架(或底座)105。腔室100包括圓盤形頂部鋁電極125，其由介電質(石英)密封130支撐在接地腔體127上的晶圓110上方的預定間隙長度處。處理區域72被限定在頂電極125和基板支架105之間。功率產生器150施加甚高頻(very high frequency,VHF)功率到電極125。VHF通常在約30MHz至約300MHz之間並且其中一個RF帶，其在約10kHz到約10GHz之間變化。在一個實施方式中，對於300mm晶圓直徑，VHF源功率頻率為162MHz。來自產生器150的VHF功率通過匹配到產生器150的同軸電纜162耦合並耦合到與電極125連接的同軸短線(stub)135。短線135具有屬性阻抗和短線諧振頻率，並提供電極125和同軸電纜162或VHF功率產生器150之間的阻抗匹配。腔體連接到VHF產生器150的VHF回返(return)(VHF接地)。通過經由傳統阻抗匹配電路210耦接到晶圓支架105的偏置RF功率產生器200，偏置功率施加到晶圓。偏壓產生器200的功率電平控制晶圓表面附近的離子能量。偏置功率(通常在13.56MHz)通常用於控制離子能量，而VHF源功率施加到頂電極以管理電漿密度。真空泵系統111通過容室(plenum)112排空腔室100。
基板支架105包括支撐下絕緣層5510的金屬底座層5505、覆蓋下絕緣層5510的導電網格層5515和覆蓋導電網格層5515的薄頂絕緣層5520。半導體工件或晶圓110放置在頂絕緣層5520的頂部上。基板支架105和晶圓110 在基板處理期間形成陰極。如果不存在晶圓110，則在電漿處理期間基板支架105是陰極。導電網格層5515和金屬底座層5505可分別由諸如鉬和鋁的材料形成。絕緣層5510和5520可由諸如氮化鋁或氧化鋁的材料形成。導電網格層5515施加RF偏壓以控制晶圓110表面的離子轟擊能量。來自RF偏壓產生器200的RF功率從偏壓阻抗網格210通過在RF饋電點5525a連接到導電網格層5515的RF導體5525輸送到導電網格層5515。導電網格層5515還可用於靜電夾盤或脫夾盤(de-chuck)晶圓110，並且在情形下可以衆所周知的方式連接到夾盤電源。因此導電網格層5515不需要接地並可根據傳統的夾盤或脫夾盤操作可選具有浮動電勢或固定靜電電勢。晶圓支架105，特別地金屬底座層5505，通常(但不必要)連接到地面，並形成由頂電極125輻射的VHF功率的部分回路。
在一個實施方式中，介電質柱狀套5550提供並配置以圍繞RF導體5525。利用介電質套5550還增強了基板之間周圍的阻抗均勻性。軸長度和組成套5550的材料的介電常數決定由RF導體5525呈現的到VHF功率的饋點阻抗。通過調整軸長度和組成套5550材料的介電常數，由於VHF源功率的更均勻的電容耦合，可獲得更加均勻的阻抗徑向分佈。
在短線135遠端135a的終止導體165將內部和外部導體140、145短路在一起，從而短線135在其遠端135a短路。在短線135的近端135b(未被短路的端)，外部導體 145經由環形導電外殼或支架175連接到腔體，而內部導體140經由導電圓柱或支架176連接到電極125的中心。介電質環180固定在導電圓柱176和電極125之間，並與導電圓柱176和電極125分離。
內部導體140可提供用於諸如製程氣體和冷卻劑的管道。該部件的基本優點在於，不同於通常的電漿反應器，氣體管道170和冷卻劑管道173不相差大的電勢差。因此為了該目的它們可由金屬、較不貴且更可靠材料構成。金屬性氣體管道170在頂電極125中或附近供給氣體入口172(從而頂電極125是氣體分佈板)，而金屬冷卻劑管道173在頂電極125內供給冷卻劑通道或套174。
如前所述，無限制電漿使蝕刻副產物(通常為聚合物)沈積在腔室壁上並還能蝕刻腔室壁。沈積在腔室壁上的蝕刻副產物是製程漂移。來自腔室壁的蝕刻材料通過再沈積污染基板和/或引起腔室內的顆粒。另外，無限制電漿還到達處理區域的下游區域並在下游區域中沈積蝕刻副產物，其通常為聚合物。沈積在下游區域中的蝕刻副產物難以清洗。聚積的蝕刻副產物剝落並產生顆粒。
在一個實施方式中，在第1B圖中示出的槽形限制環可設置並放置在工件支架105周圍的第1A圖的腔室100內部，並在頂電極和基板支架105之間軸向延伸。槽形限制環可用於減少顆粒污染和腔室的清洗時間。第1B圖示出了根據一個實施方式的槽形限制環50的透視圖。限制環50配置以限定電漿並減少氣體流動阻力。限制環50包括 擋件55和耦接到擋件55底部部分的底座58。該底座58一般配置以提供電接地和用於限制環50的機械強度。擋件55在其頂部限定開口71。開口71配置以容納第1A圖的頂電極或氣體分佈板125的噴頭，從而氣流將被限定在擋件55內部。擋件55進一步包括多個槽57和多個指59。設計槽57使得電漿鞘的厚度或寬度大於每個槽的寬度。以這種方式，防止電漿中的離子和自由基經過限制環50。在一個實施方式中，設計每個槽57具有比電漿鞘的寬度或厚度小約兩倍的寬度。限制環50可由導電材料製成，以當電漿與限制環50接觸時提供RF功率供應和VHF功率供應的接地路徑。限制環50還可由導熱和耐蝕刻材料製成以最小化局部加熱、污染和製程漂移。例如，擋件55可由碳化矽(SiC)製成，而底座58可由鋁(Al)製成。
在一個實施方式中，採用在第1A圖中示出的平面環孔115。環孔115在與內部腔室側壁128隔開一距離(或間隙)放置在基板110周圍。環孔115配置並放置在腔室中，從而環孔115提供適當的電漿限制和低流動阻力。在環孔115的邊緣和內部腔室壁128之間的距離(或間隙)不應該過大。如果間隙距離大於腔室壁128附近的電漿鞘厚度，則它將增加從遠離晶圓上方的反應區域並朝向腔室壁和下游抽取的電漿量，其使電漿較少受限制。環孔115的邊緣和內部腔室壁128之間的距離(或間隙)也不能過小，原因在於流動阻力，其影響腔室壓力，將增加到不合格大小。環孔115，放置在與內部腔室壁128距離適當距 離的基板110周圍，滿足良好的電漿限制和低流動阻力的要求。
第2A圖示出了具有環形電漿限制環115的處理腔室的實施方式的示意性視圖。環孔115可由導電材料製成，諸如碳化矽(SiC)或鋁(Al)。環孔115圍繞晶圓110。環孔115耦接到接地腔體127並通過介電質(石英)環120與基板支架105典型分離，其防止導電環孔115與基板110和導電網格層5515接觸，從而防止消除偏置功率的影響。在一個實施方式中，介電質環120的最低點位於導電網格層5515的最低點下面。在一個實施方式中，環孔115的頂表面在與基板110大約相同的表面處以允許基板被放置在基板支架105上的適當位置並最小化流動再迴圈。介電質環120的頂表面可在與基板110的頂表面和環孔115的頂表面一樣的高度處，如在第2A圖的實施方式中示出。在又一實施方式中，介電質環120的頂表面還稍微低於基板110的頂表面和環孔115的頂表面，如在第2B圖中的另一實施方式中示出。在第2B圖中示出的實施方式中，電漿限制環孔115放置在介電質環120的頂上。
環孔115與內部腔室壁128隔開間隙寬度117。選擇環孔115的頂部分的厚度119以最佳化低流動阻力。環孔115的頂部分的厚度119不應該過厚，原因在於流動阻力將隨著逐漸增加的厚度119而增加。在一個實施方式中，厚度119在約1/8英吋到約1/4英吋之間的範圍內。環孔115的角落118用於提供環孔機械強度，原因在於具有厚 度119的頂部分受限於其厚度和機械強度。也可以使用除，了能提供機械強度的角落118之外的結構。
對於環孔設計和槽形環設計，通過使用各種模擬比較，已經分析了間隙寬度117對電漿限制和腔室壓力、腔室電漿密度和壓力的影響。對於腔室壓力模擬，使用法國ESIgroup的計算流體力學(computation fluid dynamics,CFD)軟體CFD-ACE+。CFD-ACE+是通用的，用於寬範圍的物理學科的偏微分方程(PDE)解算機包括：流量、熱傳遞、應力/變形、化學動力學、電化學等。軟體在多維(0D到3D)中解決這些計算，穩定並短暫形成。CFD-ACE+用於複雜多物理學和多學科應用。為了目前的研究，使用軟體的“流動”模型。通過使用CFD-ACE+模擬器的“流動”模型的壓力模擬與實驗結果匹配地相當好。表1示出了在第1A圖中掃描的具有第1B圖的槽形電漿限制環50的類型的反應器的模擬和實驗結果的比較。在表1中，泵壓力指第1A圖的泵111的壓力設定值。腔室內部半徑為27cm且晶圓110與頂電極125的下表面之間的距離為3.2cm。在距離晶圓中心和晶圓正上方6.8cm處收集腔室壓力資料。在槽形限制環正下面收集下環壓力資料。結果示出模擬和實驗結果之間的良好匹配。結果還示出槽形限制環具有相對高的流動阻力並顯著增加反應腔室內部的壓力高於壓力設定值。
腔室電漿密度模擬使用混合電漿設備模型(hybrid plasma equipment model,HPEM)，由Illinois的Urbana的Urbana-Champaign的Illinois的大學的電工和電腦工程學院開發。HPEM是用於低壓電漿處理反應器(<10’s Torr)的廣泛建模平臺。關於通過該模擬器的電漿密度模擬的具體內容將在1997年卷82(6)的Journal of Applied Physics中第2805-2813頁出版的題目為“Argon Metastable Densities In Radio Frequency Ar,Ar/O2 and Ar/CF4 Electrical Discharges”的論文中發現。電漿模擬器廣泛應用於半導體設備廠中。我們的實驗示出通過HPEM的製程參數變化的電漿模擬與製程結果匹配的相當好。
在一個實施方式中，第2A圖的環孔115包括從0.5英吋到3英吋的間隙寬度117。所使用的示例性製程條件是與之前所述的接觸蝕刻和深溝道蝕刻類似的之一。使用1500sccm的高氣流速度。在一個實施方式中，製程氣體僅包括O2 ，除了包括其他類型的製程氣體外，諸如C4 F6 和氬(Ar)，以簡化模擬。為了比較電漿限制的程度與間隙 寬度117函數關係的電漿限制研究，在模擬中僅使用O2 氣體可提供對氣體距離117對電漿限制的影響。所模擬的頂電極功率(或源功率)為1.85KW以及氣體溫度為80℃。總源功率為1.85KW。頂電極電壓(或源電壓)Vs 通常在約100至約200伏特之間。在模擬中使用175伏特的Vs 。基板(或晶圓)的半徑為15cm(或6英吋)且頂電極到基板之間的間隔為3.2cm(或1.25英吋)。內部腔室壁128的半徑為27cm(或10.6英吋)。介電質環120的寬度為2.2cm(或0.87英吋)且所模擬的環形電漿限制環115的寬度在8.5cm(或3.3英吋)到2.2cm(或0.9英吋)之間變化。所模擬的具有內部腔室壁128的環形限制環115之間的間隔在1.3cm(或0.5英吋)到7.6cm(或3.0英吋)之間變化。
第2C圖示出了具有在第2A圖中描述的環孔115的在第1A圖中所述的電漿腔室電漿模擬結果。在低壓電漿腔室中，壓力和電漿密度在整個腔室表面上不完全均勻。壓力通常在晶圓中心附近較高，在晶圓邊緣附近較低，並且在泵處達到泵壓力設定點。在第2C圖中的壓力資料是在腔室壁與晶圓頂表平面的交叉處，或者在第2A圖中的位置“P”處的壓力。為了量化限制級別的程度，電漿密度比率限定為在管道116下面的最大電漿密度的比率，其中管道沿著環孔115的頂部分的正下方延伸，至製程腔室中的最大電漿密度，其在晶圓表面和頂鋁電極125之間的體積中發生。電漿密度比率越低、電漿限制環執行限制電漿 越好。
在第2C圖中的虛線301示出了槽形限制環設計的35.3mTorr腔室壓力。在第2C圖中的虛線302示出由槽形限制環設計獲得的0.004電漿密度比率。35.3mTorr腔室壓力和0.004電漿密度比率都由模擬結果獲得。由於槽形環設計不改變間隙寬度117，所以虛線301和302是水平線。曲線311示出腔室壓力與間隙寬度117的函數關係，而曲線312示出電漿密度比率與間隙寬度117的函數關係。對於在0.5英吋間隙寬度處的環孔設計，發現腔室壓力為35.8mTorr，其高於槽形限制環設計，並且電漿密度比率為0.00013，其低於槽形限制環設計。儘管較低的電漿密度比率是需要的，但是不需要較高的腔室壓力。當間隙寬度117增加到1英吋時，腔室壓力降低到27.9mTorr，其低於槽形環設計並低於前端製程的<30mTorr的低壓需求，並且電漿密度比率為0.002，其仍然低於槽形環設計。隨著間隙寬度117增加超過1.5英吋，在逐漸降低的腔室壓力中的較高間隙寬度117的影響降低，然而，電漿密度比率持續增加。
表2示出了具有在第1B圖中的槽形電漿限制環50的在第1A圖中描述的反應器和具有在第2A圖中描述的環形電漿限制環115的反應器的模擬結果比較。在環孔和腔室壁128之間的間隙距離為1英吋。在表2中，泵壓力指第1A圖的泵111的壓力設定值。腔室內部半徑為27cm且晶圓110與頂電極125的下表面之間的距離為3.2cm。腔室 壓力資料在距離晶圓中心和晶圓正上方6.8cm處收集。環下壓力資料在槽形限制環或環孔的正下面收集。結果示出對於槽形電漿限制環，腔室壓力高於環形電漿限制環。另外，對於槽形環(△P=15.3mTorr)，腔室和限制環下面之間的壓差高於環孔(△P=9.4mTorr)。
第2D圖示出了當間隙寬度117為0.5英吋時製程腔室中的電漿密度的模擬結果，其中電漿密度比率為0.00013。水平軸對應於距離製程腔室中心的距離，而Z-軸對應於從基板支架105的頂表面下3.9cm的距離。結果示出電漿在基板上方的區域內部相對受限。腔室壓力為35.8mTorr，其高於<30mTorr的製程標準。第2E圖示出了當間隙寬度117為3英吋時在製程腔室中電漿密度的模擬結果，其中電漿密度比率為0.12。該結果示出在反應器下游存在重大電漿損失。
在第2C圖中的模擬結果示出隨著間隙寬度117增 加，對流動的阻力降低，因此晶圓壓力降低。同時，隨著間隙寬度117增加，更多的電漿穿過限制環下游，因此，電漿密度比率增加。為了保持腔室壓力<30mTorr，根據第2C圖中的模擬結果，間隙寬度117應該等於或大於約0.8英吋。然而，間隙寬度117不能過大，原因在於大的間隙寬度117導致下游較高的電漿損失。如之前所述，隨著間隙寬度117增加超過1.5英吋，較寬間隙寬度117在降低腔室壓力中的影響不顯著；然而，電漿密度比率持續增加。電漿密度比率在1.5英吋的間隙寬度117為0.023，其相當低。因此，間隙寬度117應該保持在1.5英吋下。
電漿徑向分佈的磁性控制：
在一個實施方式中，電漿離子密度的徑向分佈由磁導向控制，以增強徑向電漿離子密度分佈的均勻性並且，等效地，增強整個晶圓或工件上蝕刻速度徑向分佈的均勻性。為此，在第1A圖中描述的內部和外部線圈60、65放置在反應器頂電極125上方。(該電漿離子徑向分佈的控制的實施例可在授權給本專利權人的美國專利US6,853,141中發現，在此引入其全部內容作為參考)。每個線圈60、65分別由獨立的直流(D.C.)供應70、75驅動。這兩個D.C.供應70、75由電漿分佈/導向控制器90控制。該控制器可程式化以驅動每一個或同時驅動兩個供應70、75，利用相同或相反極性的D.C.電流。採用該控制器90以糾正電漿離子密度的徑向分佈，從而改進其均勻性。
在第1A圖中示出的兩個線圈60、65的設置，其中內部線圈60比外部線圈65較高地放置在頂部125上方，提供特定的優點。特別地，由每一個線圈提供的磁場梯度的徑向成分是，至少大略地，與線圈的半徑成正比並且與距離線圈的軸向位移成反比。因此，內部和外部線圈60、65將其不同的作用，原因在於它們的不同磁場和位移。外部線圈65將在晶圓110的整個表面上起主導作用，原因在於其較大的半徑且較接近於晶圓110，而內部線圈60將在晶圓中心附近具有最大的影響並且可認為是精細調整或磁場造型的微調線圈。其他配置也可能通過具有不同半徑且放置在距離電漿的不同位移處的不同線圈實現這該不同控制。如將在以下說明書中參照特定的構件實施例所述，不僅通過選擇在各個頂線圈(60、65)中流動的電流的不同量，而且通過選擇不同頂線圈的電流的不同極性或方向，而獲得對周圍電流圖離子密度的不同變化。
第3A圖示出了在第1A圖的反應器中由內部線圈60所產生的磁場的徑向(實線)和方位角(虛線)組分與晶圓110上徑向位置的函數關係。第3B圖示出了通過外部線圈65所產生的磁場的徑向(實線)和方位角(虛線)組分與晶圓110上徑向位置的函數關係。在第3A和3B圖中示出的資料在執行中獲得，其中晶圓為300mm直徑，內部線圈60為12英吋直徑且放置在電漿上方大約10英吋處以及外部線圈65為22英吋直徑且放置在電漿上方大約6英吋處。第3C圖是通過內部和外部頂線圈60、65產生的半 尖(half-cusp)形磁場線圖案的簡視圖。
在一個實施方式中，提供第1A圖的控制器90以改變供應到各個線圈60、65的電流，以調整在晶圓表面處的磁場，並從而改變電漿離子密度的空間分佈。在以下的實施例中，直接測量整個具有表面上的蝕刻速度空間分佈而不是電漿離子分佈。蝕刻速度分佈隨著電漿離子分佈的變化而直接改變並因此通過其他中的變化反射其中一個中的變化。
第4A、4B、4C和4D圖示出了在低腔室壓力(30mT)下使用內部線圈60實現的有益效果。第4A圖示出了所測蝕刻速度(垂直軸)與晶圓110表面上的位置(水平軸)的函數關係。第4A圖從而示出了在晶圓表面平面中蝕刻速度的空間分佈。在第4A圖中清晰地看到中心高非均勻性蝕刻速度分佈。第4A圖對應於其中沒有施加磁場的情形，並因此示出了反應器中固有且需要糾正的非均勻蝕刻速度分佈。蝕刻速度在該情形下具有5.7%的標準差。在第4A-4D圖和第5A-5D圖的以下描述中，所提到的磁場強度對應於晶圓中心附近的軸向場，儘管將理解徑向場為對電漿離子密度的徑向分佈其作用以改善均勻性的磁場。在本說明書中選擇軸向場，原因在於其更便於測量。在晶圓邊緣的徑向場通常為在該位置處軸向場的大約三分之一。
第4B圖示出了當激發內部線圈60以產生9高斯的磁場時蝕刻速度分佈怎樣變化。非均勻性降低至4.7%的標準差。
第4C圖中，內部線圈60的磁場已經增加至18高斯，並且可以看到中心的峰已經顯著減少，結果整個晶圓上的蝕刻速度標準差降低至2.1%。
在第4D圖中，內部線圈60的磁場已經進一步降增加至27高斯，從而第4A圖的中心高圖案幾乎反轉至中心低圖案。在第4D圖的情形下，整個晶圓表面上的蝕刻速度標準差為5.0%。
第5A、5B、5C和5D圖示出了在較高腔室壓力(200mT)下兩個線圈60、65都使用的有益效果。第5A圖對應於第4A圖並描述了磁場為修正的反應器中心高蝕刻速度非均勻性。在該情形下，整個晶圓表面上的蝕刻速度標準差為5.2%。
在第5B圖中，已經激發外部線圈65以產生22高斯磁場，其稍微降低蝕刻速度分佈中的中心峰。在該情形下，蝕刻速度標準差已經降低至3.5%。
在第5C圖中，激發兩個線圈60、65以產生24高斯磁場。在第5C圖中看出的結果為蝕刻速度分佈中的中心峰已經顯著降低，而週邊附近的蝕刻速度增加。總效應為具有3.2%低標準差的更均勻蝕刻速度分佈。
在第5D圖中，激發兩個線圈以產生40高斯磁場，產生過修正，從而整個晶圓表面上的是蝕刻速度分佈已經轉換至中心低邊緣高的分佈。在後面情形中的蝕刻速度標準差已經稍微升高(相對於第5C圖的情形)至3.5%。
將在第4A-4D圖的低壓測試中獲得結果與第5A-5D圖 的高壓測試獲得結果相比，可以看出較高的腔室壓力非常高的磁場以實現與蝕刻速度非均勻性分佈的類似修正。例如，在30mT，僅使用在18高斯線圈60獲得最佳化修正，而在300mT，需要使用兩個線圈60、65的24高斯磁場實現最佳化修正。
通過啟動兩個線圈60、65的其中一個或兩個，電漿分佈的磁性控制或電漿均勻性的磁增強可使電漿離子密度在晶圓或工件的週邊或邊緣處增加。例如，對於中心高分佈的電漿離子密度(或者，等效地，中心高分佈的蝕刻速度)，磁性控制能通過降低晶圓中心的電漿離子密度而改進總均勻性。然而，該均勻性中的改進受限，原因在於由於磁性電漿分佈控制以產生邊緣高電漿分佈的趨勢，電漿離子密度在晶圓邊緣處增加。
根據本發明的一個方案，提供在第6A圖中並還在第1A圖中描述的導電擋件450。導電擋件450設置在晶圓110平面下。導電擋件450配置以改進整個工件上的電漿均勻性和/或提供電漿限制。在第6A圖的反應器中，平面下擋件450替代第2A圖的環孔115。擋件450可由導電(或半導電)材料形成，一個實施例使用陽極化鋁，或可選地，例如碳化矽，儘管該放置不限制於任何特定材料。擋件450接地以底座105的導電底5505。我們發現通過在晶圓平面下放置擋件450，由供應到頂電極125的VHF源功率產生的磁場在晶圓週邊附近降低。結果為電漿離子密度在晶圓週邊區域中降低。優點在於由線圈60、65實施的磁性控制 或電漿導向，其會在晶圓週邊處不期望地增加電漿離子密度，這種趨勢通過平面下擋件450的週邊離子密度降低而偏移或得到補償。擋件450在晶圓平面下降低至足夠距離，以適當地補償磁性電漿導向的邊緣高趨勢。這將在以下更詳細地解釋。
第6B圖描述了擋件450的可選方案，其中在內部和外部半徑之間的環形擋件450的中間部分升高至或者稍微高於晶圓平面上方，第6B圖的擋件450的殘留部分位於晶圓平面下。第6C圖描述了第6B圖的實施方式的三角形方案。在第6A、6B和6C圖中，以上所述的確定環115邊緣與側壁之間距離117相同的方式，確定擋件450的週邊邊緣和腔室側壁之間的距離。在第7圖中示出了在第1A圖的反應器中安裝的擋件450的平面視圖。
本發明的實施方式進一步包括降低或消除可能與在泵111輸入處的單一抽吸口111a有關的整個晶圓上的不對稱氣流圖案。最接近111a的晶圓邊緣上的氣流較快，而最遠離口111a的晶圓邊緣部分上的氣流較慢，並且該差別可能引起整個晶圓110上蝕刻速度分佈的進一步不均勻。在一個實施方式中，提供環形氣流等化器460。提供放置在抽吸環112內的環形氣流等化器460以消除或降低不均勻性。參照第8圖，等化器460具有偏心狀以形成偏心環形開口462，其內部半徑為陰極105且徑向外部限制由等化器的偏心內部邊緣460a確定。開口462在與抽吸口111a相對的陰極105一側上具有最大面積且在最臨近口111a 處具有最小面積。開口462的離心率導致氣流阻力，其分佈類似於存在與沒有等化器460的不對稱氣流相對的鏡子。因此，在整個晶圓上的氣流在晶圓110的整個週邊周圍是均勻的。在一個方案中，流動等化器460由導電材料諸如陽極化鋁形成。
在一個實施方式中，等化器460由從陰極105延伸的多個(例如，三個)拉長徑向支柱464支撐。等化器460支撐從等化器460的邊緣向上延伸的垂直壁466。在第6A圖中，選擇在擋件450的邊緣和垂直壁466之間的水平距離A以及擋件450與等化器460之間的距離B可以選擇僅利用到抽吸口111氣流的可忽略阻力。選擇擋件450降到晶圓平面下的距離C，以補償磁性電漿導向控制以提高晶圓邊緣局部電漿密度的趨勢。在一個方案中，支柱464是導電的，並且導電流動等化器460通過支柱464電耦合至底座105的接地導電底5505。
第9A圖描述了以隨半徑恒定增加的速度降低的中心高蝕刻速度分佈。第9B圖是描述磁導向裝置60、65對改進(修正)電漿離子密度分佈均勻性的效應的視圖。通過線圈60、65的磁導向迫使電漿分佈變得接***坦(均勻)，僅在晶圓徑向邊緣處具有稍微向上的偏差，如在第9B圖中所述。該偏差較小(約1%)並因此是可接受的。典型反應器諸如第1A圖的反應器的未修正電漿離子密度分佈並不像第9A圖所示的那樣理想。
第10A圖描述了在晶圓110的平面中具有電漿限制環 115的第2A圖的反應器中實際相遇的中心高蝕刻速度分佈類型。環115降低晶圓週邊附近的電漿空間並從而增加晶圓週邊處的電漿離子密度。在第10A圖的所產生的未修正蝕刻速度分佈並不在晶圓週邊處以恒定增加的速度降低，但是替代地在晶圓週邊處具有幾乎水平的區域D。在通過磁導向線圈60、65修正時，總分佈(第10B圖)更加均勻，而蝕刻速度分佈呈現在晶圓週邊處顯著增加(例如，5%或10%)，如在第10B圖的圖中所示，由於當修正中心高分佈時磁導向以增加晶圓週邊處電漿密度的趨勢。該升高，或邊緣高電漿離子密度分佈趨勢，為不期望的且限制了磁導向可實現的最大均勻性。在由第6A圖的晶圓平面下擋件450替代環孔115時，未修正的蝕刻速度分佈具有隨半徑降低的幾乎恒定速度，即使在晶圓週邊外，如在第11A圖的圖中所示。當通過啟動磁導向線圈60、65而修正分佈時，在晶圓週邊處蝕刻速度分佈中由非常小的增加，如在第11B圖中所示。改進了可由電漿的磁導向實現的總均勻性。
在一個實施方式中，確定擋件450降到晶圓平面下的距離C(第6A圖)。第12圖是示出對於擋件450的三個不同高度整個晶圓上蝕刻速度的徑向分佈的圖。長虛線描述了使用第2A圖的環115的蝕刻速度分佈，其在晶圓110的平面上。虛線分佈類似與第10A圖的分佈。短虛線描述了使用降到晶圓110的平面下約0.5英吋的擋件450的蝕刻速度分佈。該情形表示蝕刻速度隨半徑降低的更均勻速 度。實線描述了蝕刻速度分佈，其中擋件450降到晶圓110平面下一英吋。後者情形顯示出在晶圓週邊處最大的蝕刻速度降低並最接近於第9A圖的理想情形或第11A圖的最佳實施情形。前述的比較示出將擋件450降到晶圓平面下約1英吋提供較好結果。擋件的最佳化水平取決於通過線圈60和/或65施加的磁導向或徑向分佈修正的量，其反過來取決於未修正的電漿離子密度徑向分佈。這些對於每個製程都有變化，從而對於不同的製程，擋件的最佳化估計可不同。因此，在另一方案中，擋件450的高度相對於晶圓110的平面可通過在第6A圖中示意性示出的升降機構470調整。
電漿的阻抗限制：
在一個實施方式中，通過採用阻抗限制實現電漿的徑向限制，其包括降低頂電極電壓以降低頂電極125和腔室壁128之間的電壓降。通常，VHF功率源主要通過頂電極125在VHF源電壓Vs 處供應。在實施阻抗限制中，頂電極電壓降低至源電壓的分數f，即fVs ，其中f是小於1的數。將陰極的電壓改變為-(1-f)Vs 的互補電壓，從而電極到陰極到電壓保持為的Vs 總源功率電壓，使得電漿離子密度不折衷。(其將記得在處理期間陰極包含基板支架105和晶圓110。當在處理期間腔室中不存在晶圓110時，基板支架105形成陰極。)從而，頂電極125和陰極之間的電壓差保持為VHF源電壓，Vs ，但是在頂電極125和接地 腔室壁128之間的電壓差有利地降至fVs 。在頂電極125和接地腔室側壁128之間的電壓差中的該降低側壁128附近所產生的電漿量並從而降低在晶圓週邊處所產生的電漿量。在較低頂電極電壓fVs 處供應源功率且在負性期保持陰極遠離在-(1-f)Vs 的頂電極的方式是通過調整與頂電極125、陰極(即，具有晶圓110的底座105的組合)和側壁128相關的腔室元件的阻抗。
在一個實施方式中，調整腔室元件的阻抗以分別實現前述fVs 和-(1-f)Vs 的陽極和陰極電壓，如下所述。第13A圖示出了頂電極125(或源)和接地陰極(在基板處理期間具有晶圓110的基板支架105)的相對電壓值。第13B圖示出了頂電極125和接地腔室壁128的相對電壓值。第13A圖的水平軸表示頂電極125和陰極之間的間隔。第13B圖中的水平軸表示頂電極125和接地腔室壁128之間的間隔。沒有按比例繪製水平軸的距離。頂電極在+Vs 和-Vs 之間的源功率VHF處振盪，而陰極和腔室壁保持在0(接地)。主電漿具有高於頂電極Vo 的電壓，其中Vo 遠小於Vs 。曲線401表示頂電極125和陰極之間的電壓，其通過基板處理期間當頂電極電壓在Vs 時基板之間105和晶圓110形成。當頂電極電壓在+Vs 時，頂電極125和陰極之間的電壓差411等於Vs 。虛線402表示當源電壓為-Vs 時源和陰極之間的電壓差。當頂電極電壓在-Vs 時，頂電極125和陰極之間的電壓差412等於-Vs 。
與第13B圖類似，曲線403表示當頂電極為在+Vs 時 源和腔室壁之間的電壓。當頂電極電壓在+Vs 時，頂電極125和腔室壁128之間的電壓差413等於Vs 。虛線404表示當源電壓為-Vs 時頂電極125和腔室壁128之間的電壓。當頂電極電壓在-Vs 時，頂電極125和腔室壁128之間的電壓差414等於-Vs 。
通過調諧基板支架105的阻抗和介電質密封130的阻抗，根據以下所述的方式，供應到頂電極的源電壓可降低至總源電壓的分數，諸如一半(Vs /2)，而陰極電壓保持在頂電極的負性期以彌補差別，諸如-Vs /2。實質上，分別獨立地調整以陽極電極125和陰極的接地電容以分在在陽極125和陰極上的VHF電壓之間引入180度相移。從而修正的陰極接地電容允許陰極電壓在與陽極電極125相反的相中在VHF頻率處振盪。電流圖離子密度不折衷，從而製程不變化，原因在於在源和陰極之間的總電壓差在VHF源電壓的每個半周期峰處保持為Vs 和-Vs 。第13C圖示出了沿著頂電極125和陰極之間的間隔的電壓。頂電極電壓在+Vs /2和-Vs /2之間振盪，而陰極電壓相應地在-Vs /2和+Vs /2之間振盪。曲線405表示當頂電極電壓為+Vs /2時，電極和陰極之間沿著軸的電壓。當頂電極125電壓為+Vs /2時，頂電極125和陰極105、110之間的電壓差415等於Vs 。虛線406表示當源電壓為-Vs /2時，在頂電極125和陰極之間沿著軸的電壓。當源電壓為-Vs /2時，頂電極125和陰極之間的電壓差416等於-Vs 。
在第13D圖中，曲線407表示當頂電極電壓為+Vs /2 時頂電極125和接地腔室壁128之間的電壓。當頂電極電壓為+Vs /2時，頂電極和腔室壁(接地)之間的電壓差417等於Vs /2。虛線408表示當頂電極電壓為-Vs /2時頂電極和腔室壁之間的電壓。當頂電極電壓為-Vs /2時，頂電極和腔室壁之間的電壓差418等於-Vs /2。如將在以下解釋的，通過調整接地陽極電極125的阻抗(電容)以及調整接地陰極陰極的阻抗(電容)而得到這些結果，從而得到分數f的期望值。在前述實施例中，f為二分之一，其中在該情形下頂電極125和腔室壁128之間的電壓差降低至源功率電壓Vs 的一半。由於頂電極和陰極之間的電壓差(Vs )大於頂電極和腔室壁之間的電壓差(Vs /2)，所以在側壁附近產生較少的電漿，並因此電漿更多地限制於頂電極125和陰極之間的區域中並遠離腔室側壁128。
另外，通過將陽極到壁電壓差降低分數到f(例如，二分之一)，可能由於無限制電漿降低到f2 (例如，1/4)而損失功率量。以下的公式1表示當頂電極電壓為Vs 時P(功率)與頂電極到腔室壁之間的電壓差之間的關係：P~(Vs )2 =Vs 2 (1)
以下的公式2表示當頂電極電壓僅為Vs /2時P(功率)與頂電極到腔室壁之間的電壓差之間的關係：P~(Vs /2)2 =Vs 2 /4 (2)
通過將頂電極電壓減少到1/2，不能到腔室壁的有效功率減少到1/4。
通過功率比率f減少頂電極電壓，並在負性期供應壓 差(1-f)Vs 到陰極105、110，而減少在接地側壁128處存在的電漿量，從而改進電漿限制。在本說明書中將該電漿限制的方法看作為阻抗限制。用於以上討論的總源電壓的分數為1/2；然而，其他分數值也可以被使用並也能改進電漿限制。在頂電極供應的源電壓的分數還可以限定為“電壓比率”。第14A圖是1、0.75、0.5和0.25的電壓比率的電漿密度模擬結果圖。在模擬製程的泵入口處的壓力為10mTorr，以及總源功率為1.85kW。在環形限制孔115和模擬的腔室壁之間的間隔為1.5英吋(或3.8cm)。曲線501示出隨著電壓比率從1降低，電漿密度比率也降低。當電壓比率為0.5時0.001的電漿密度比率最低。然而，當電壓比率為0.25時0.003的電漿密度比率和當電壓比率為0.75時0.008的電漿密度比率都低於當電壓比率為1時的電漿密度比率。
第14B圖示出了當電壓比率為1時(或在頂電極處源電壓完全供應)在製程腔室中0.023的電漿密度的模擬結果。模擬結果示出大部分電漿量在基板上方的區域外。第14C圖示出當電壓比率降低至0.5時的模擬結果。該結果示出電漿大部分限制在基板表面上方的區域附近。返回參照第2B圖，具有1.5英吋間隙寬度腔室中的壓力可以維持在大約26.2mTorr，其低於目標30mTorr。根據第14A圖，為了實現與繪製的限制孔相同的電漿限制結果，其實現0.004的電漿密度比率，電壓比率可在約0.2至約0.6之間操作。然而，當電漿密度比率為0.01時，電漿限制被認 為非常合理。因此，根據第14A圖的模擬結果，電壓比率可在大約0.1到大約0.75之間。
環形限制孔和阻抗限制的結合使用達到良好的電漿限制和對於具有寬製程窗口的前端製程期望的較低腔室壓力。環孔間隙寬度117可在約0.8英吋到約1.5英吋之間，以及阻抗限制的電壓比率可在約0.1至約0.75之間以及較佳為在約0.2到約0.6之間。
除了電漿限制改進之外，降低電壓比率也降低了製程區域外部的功率損失。第14A圖示出了當電壓比率為在1時製程腔室中的能量沈積的模擬結果，其定義為每體積的功率或功率密度。該結果示出製程區域外部的大量能量沈積，其中製程區域在基板表面上方或在距離反應器中心15cm的區域中。相反，第14E圖示出了當電壓比率為0.5時製程腔室的能量沈積。與第14D圖相比，製程區域外部的能量損失較大程度的減少。
第15圖是示出第1A圖或第6圖之反應器100的阻抗成分的簡要示意圖，示出了頂電極125，其具有Z1 的接地阻抗。電極125連接到介電質密封130，其與電容器相似的作用並具有Z6 的接地阻抗。
陰極通過基板支架105形成，該基板支架105具有介電質層5520和5510，並且在基板處理期間與晶圓110一起形成陰極，以及陰極具有Z5 的接地阻抗。如果在處理期間不存在晶圓110，則僅有基板支架105用作陰極。除了頂電極125阻抗Z1 和陰極阻抗Z5 外，主體電漿還具有阻 抗Z3 。此外，存在陽極電漿鞘，其通過串聯在電極阻抗Z1 和主體電漿阻抗Z3 之間的具有阻抗Z2 的等效電容器表示。另外，陰極電漿鞘通過串聯在主體電漿阻抗Z3 和陰極阻抗Z5 之間的具有阻抗Z4 的等效電容器表示。
公式1示出了阻抗(Z)、電阻(R)和電容容抗(Xc )之間的關係。公式1中的“j”為虛數。
Z=R-jXc (1)
公式2表示電容容抗(Xc )和電容C之間的關係。
Xc =1/(2 π f C) (2)
其中f為源功率的頻率以及C為電容。
第15圖是等效電路的簡要示意圖，其中頂電極125、陽極電漿鞘、電漿、陰極電漿鞘和陰極串聯，並且這些阻抗組分與介電質串130平行。公式3表示總阻抗，Ztotal 。
Ztotal =Z1 +1/(1/(Z2 +Z3 +Z4 +Z5 )+1/Z6 ) (3)
由於頂電極通常由導電材料形成，所以其阻抗Z1 主要由頂電極的電阻組成。Z2 、Z3 、和Z4 受電漿影響。然而，然而，阻抗Z5 和Z6 可以通過改變基板支架105和介電質密封130的厚度和介電質層的介電常數調整。陰極阻抗的大小受陰極電容影響。可調整Z5 和Z6 以允許以傳統源電壓的分數fVs 供應頂電極125，並允許保持陰極在從頂電極的負性期電壓處，-(1-f)Vs 。調整陰極阻抗Z5 和陽極阻抗Z6 以在陽極125和陰極105/110處的VHF電壓之間引起所需相移，從而實現所需分數，f。可通過例如選擇介電常數和絕緣環130的厚度進行陽極阻抗的選擇或調整。 可通過例如選擇介電常數和絕緣層5510的厚度進行陰極阻抗的選擇或調整。在前述實施例中，f=0.5並所需相移大約為180度。該情形在高度簡要示意性圖第16圖中進行了概念性描述，其中可調陽極和陰極阻抗Z5 和Z6 分別類比為電極125和陰極105的接地電容，電容器Z5 、Z6 在中心錐(tap)點480處接地。通過兩個電容器Z5 和Z6 的不同阻抗確定分數f，其通過熟練工人適當選擇以實現根據前述新技術的所需分數值f。
電漿限制孔115的存在諸如在第2A圖中所述的可降低前述阻抗限制方法實際上限制電漿遠離腔室側壁128的能力。這是因為晶圓平面限制孔115的存在實際上促進週邊和側壁128附近電漿離子密度。
可通過由第2A圖的晶圓平面限制孔115替代第6圖的晶圓平面下電漿限制擋件450而實施第13-16圖的阻抗限制方法的實施方式。擋件450降低到晶圓110平面下的程度通過第13-16圖的阻抗限制方法增強了對遠離側壁128的電漿的限制。因此，在本發明的一個方案中，晶圓平面下的擋件與第13-16圖的阻抗限制結合。在第17圖中描述了該方案，其中方法根據阻抗限制技術首先通過調整陽極接地阻抗Z6 (方塊1701)以及調整陰極接地阻抗Z5 (方塊1702)實施以實現用於陽極電壓降低和在VHF源功率頻率處以及電壓相移的所需分數f。該方法進一步包括通過阻抗限制技術，設置擋件450至低於晶圓平面(方塊1703)足夠高度處，以通過擋件450避免或至少減少對 來自側壁128的電漿的所需限制的抵抗。在第1A圖的反應器的實施例中，該距離與約一英吋的類似。
雖然前述針對本發明的實施方式，但是在不脫離本發明的基本範圍的下，也承認本發明的其他和進一步的實施方式，並且本發明的範圍由以下的申請專利範圍確定。
50‧‧‧槽形限制環
55‧‧‧擋件
57‧‧‧槽
58‧‧‧底座
59‧‧‧指
60‧‧‧內部線圈
65‧‧‧外部線圈
70‧‧‧D.C.供應
71‧‧‧開口
72‧‧‧處理區域
75‧‧‧D.C.供應
90‧‧‧電漿控制器
100‧‧‧反應器腔室
105‧‧‧支架
110‧‧‧晶圓
111‧‧‧泵
111a‧‧‧抽吸口
112‧‧‧容室(plenum)/抽吸環
115‧‧‧環孔
116‧‧‧管道
117‧‧‧間隙寬度
118‧‧‧角落
119‧‧‧厚度
120‧‧‧介電質環
125‧‧‧頂部鋁電極
127‧‧‧腔體
128‧‧‧腔室側壁
130‧‧‧介電質密封
135‧‧‧同軸短線(stub)
135a‧‧‧短線的遠端
135b‧‧‧短線的近端
140‧‧‧內部導體
145‧‧‧外部導體
150‧‧‧功率產生器
162‧‧‧同軸電纜
165‧‧‧終止導體
170‧‧‧氣體管道
172‧‧‧氣體入口
173‧‧‧冷卻劑管道
174‧‧‧冷卻劑通道
175‧‧‧導電外殼
176‧‧‧導電支架
180‧‧‧介電質環
200‧‧‧RF功率產生器
210‧‧‧阻抗匹配電路
301‧‧‧虛線
302‧‧‧虛線
311‧‧‧曲線
312‧‧‧曲線
401‧‧‧曲線
402‧‧‧虛線
403‧‧‧曲線
404‧‧‧虛線
405‧‧‧曲線
406‧‧‧虛線
407‧‧‧曲線
408‧‧‧虛線
411‧‧‧電壓差
412‧‧‧電壓差
413‧‧‧電壓差
414‧‧‧電壓差
415‧‧‧電壓差
416‧‧‧電壓差
417‧‧‧電壓差
418‧‧‧電壓差
450‧‧‧電壓差
460‧‧‧氣流等化器
460a‧‧‧偏心內部邊緣
462‧‧‧開口
464‧‧‧徑向支柱
466‧‧‧垂直壁
470‧‧‧升降機構
480‧‧‧中心錐(tap)點
501‧‧‧曲線
1701‧‧‧調整陽極阻抗(Z6)以降低陽極之VHF電壓
1702‧‧‧調整陰極阻抗(Z5)以增加陰極之負VHF電壓
1703‧‧‧降低擋件至低於晶圓平面
5505‧‧‧金屬底座層
5510‧‧‧絕緣層
5515‧‧‧導電網格層
5515a‧‧‧RF饋電點
5520‧‧‧薄絕緣層
5525‧‧‧RF導體
5550‧‧‧介電質柱狀套
為了獲得並能詳細理解本發明的以上概述實施方式，以下將參照附圖中示出的其實施方式對以上的概述進行更具體的描述。然而，應該理解，附圖僅示出了本發明的典型實施方式，並因此不應被視為對本發明範圍的限制，因為本發明承認其他等效實施方式。
第1A圖是電漿處理腔室的示意性視圖；第1B圖示出了可在圖第1A圖的實施方式中使用的槽形限制環；第2A圖示出了具有在製程腔室中的環形電漿限制環的一個實施方式的電漿處理腔室的示意性視圖；第2B圖示出了具有在製程腔室中的環形電漿限制環的另一個實施方式的電漿處理腔室的示意性視圖；第2C圖示出了電漿密度比率和腔室壓力與縫隙寬度的函數關係的模擬結果；第2D圖示出了當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為0.5英吋時電漿處理腔室中的電漿密度的模擬結果；第2E圖示出當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為3 英吋時電漿處理腔室中的電漿密度的模擬結果；第3A和3B圖是頂部線圈的磁場的圖示，而第3C圖是相同磁場的空間視圖；第4A、4B、4C和4D圖是對於第1A圖反應器操作的各種模式在晶圓表面上的蝕刻速度(垂直軸)與徑向位置(水平軸)的函數關係的視圖；第5A、5B、5C和5D圖是第1A圖反應器操作的進一步模式在晶圓表面上的蝕刻速度(垂直軸)與徑向位置(水平軸)的函數關係的視圖；第6A圖是第1A圖的反應器的簡要示意性視圖，其描述了用於電漿軸限制的改進的擋件和用於補償到抽吸口的不均勻氣流圖案的流動等化器；第6B圖是改進擋件的另一實施方式的橫截面視圖；第6C圖是改進擋件的再一實施方式的橫截面視圖；第7圖是示出擋件的第1A圖的反應器的另一橫截面平面視圖；第8圖是第1A圖的反應器的平面橫截面視圖，其示出了流動等化器的結構；第9A和9B圖分別是在磁性增強之前和磁性增強之後用於徑向均勻性磁性增強的理想徑向蝕刻速度分佈的視圖；第10A和10B圖分別是在磁性增強之前和磁性增強之後第1A圖的反應器的典型徑向蝕刻速度分佈的視圖；第11A和11B圖分別是在磁性增強之前和磁性增強之 後具有本發明的改進擋件的第1A圖的反應器中徑向蝕刻速度分佈的視圖；第12圖是比較在晶圓平面下不同高度的擋件在第1A圖的反應器中所獲得的蝕刻速度分佈的視圖；第13A圖示出了當電壓比率是1(或在頂電極處完全施加源電壓)時在頂電極和接地陰極之間的電壓；第13B圖示出了當電壓比率是1(或在頂電極處完全施加源電壓)時在頂電極和接地腔室壁之間的電壓；第13C圖示出了當電壓比率是0.5(或在頂電極處施加一半源電壓)時在頂電極和陰極之間的電壓；第13D圖示出了當電壓比率是0.5(或在頂電極處施加一半源電壓)時在頂電極和接地腔室壁之間的電壓；第14A圖示出了模擬電漿密度比率與電壓比率的函數關係；第14B圖示出了當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為1.5英吋而電壓比率為1時在電漿處理腔室中電漿密度的模擬結果；第14C圖示出了當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為1.5英吋而電壓比率為0.5時在電漿處理腔室中電漿密度的模擬結果；第14D圖示出了當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為1.5英吋而電壓比率為1時在電漿處理腔室中的能量沈積的模擬結果；第14E圖示出了當在環孔和腔室壁之間的縫隙寬度為 1.5英吋而電壓比率為0.5時在電漿處理腔室中的能量沈積的模擬結果；第15圖示出了在頂電極、陰極和腔室壁之間的電路圖；第16圖是示出用於實施阻抗限制方法的電路的指導模型的簡要示意圖；第17圖是描述其中通過改進擋件增強電漿的徑向阻抗限制程度的方法的視圖。
為了便於理解，盡可能使用相同的附圖標記表示附圖中公用的相同元件。附圖中的圖全是示意性並且沒有按照比例繪製。
60‧‧‧內部線圈
65‧‧‧外部線圈
70‧‧‧D.C.供應
75‧‧‧D.C.供應
111‧‧‧泵
111a‧‧‧抽吸口
112‧‧‧容室(plenum)/抽吸環
125‧‧‧頂部鋁電極
135‧‧‧同軸短線(stub)
150‧‧‧功率產生器
200‧‧‧RF功率產生器
210‧‧‧阻抗匹配電路
450‧‧‧電壓差
460‧‧‧氣流等化器
464‧‧‧徑向支柱
466‧‧‧垂直壁
470‧‧‧升降機構

Claims (27)

  1. 一種電漿反應器，包含：一腔室，該腔室包含一腔室側壁、一頂部和一底部；在該腔室內的一工件支撐底座，該工件支撐底座具有一工件支撐表面和一底座側壁，該底座側壁面向該腔室側壁並從該腔室底部延伸，並且界定該腔室側壁和該底座側壁之間的一抽吸環；在該腔室底部中的一抽吸口；一環形電漿限制擋件，該環形電漿限制擋件從該底座側壁延伸並具有一外部邊緣，該外部邊緣界定該外部邊緣和該腔室側壁之間的一氣流間隙，該擋件降低到該工件支撐表面下一段距離，該距離相應於在該工件支撐底座的週邊處降低的電漿離子密度，該距離超過半英吋；一氣流等化器，該氣流等化器包含在該擋件下面並阻擋氣流通過該抽吸環的一阻擋板，該阻擋板界定在該抽吸口附近一側上為最小氣體傳導和在該抽吸口相對一側上為最大氣體傳導的該晶圓支撐底座周圍的一偏心開口，該阻擋板與該擋件隔開以界定在該阻擋板與該擋件之間的一足夠長的間隙，從而引起最小氣流阻力；以及一磁性電漿導向裝置，該磁性電漿導向裝置包含：一內部線圈和一外部線圈，該內部線圈和該外部線圈覆蓋該頂部且彼此同心；耦接到各個該內部線圈和該外部線圈的各個直流供應；以及 一控制器，該控制器管理來自該等直流供應的電流大小和極性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該氣流等化器進一步包含從該阻擋板的一外部邊緣朝向該擋件延伸的一軸向壁，該壁導引氣流到該偏心開口。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該擋件和該腔室側壁之間的該氣流間隙足夠小，以防止或降低電漿流到該抽吸環。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該擋件由導電材料形成。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該擋件由陽極化鋁形成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該擋件由碳化矽形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中該磁性電漿導向裝置呈現一邊緣高電漿離子密度分佈偏置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的反應器，其中，該擋 件降到該工件支撐平面下面的該距離足以將該底座之邊緣處的電漿密度降低，該降低的量補償該磁性導向裝置的該邊緣高電漿離子密度分佈偏置。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的反應器，其中，該控制器係程式化以控制該等直流供應，從而改進電漿離子密度的徑向分佈的均勻性。
  10. 一種在一電漿反應器腔室中處理一工件的方法，該腔室包括一頂部、一底部和一側壁、在該腔室內具有一工件支撐表面的一工件支撐底座、在該底座和該側壁之間具有一抽吸口的一抽吸環，以及在該底座和該頂部之間所提供的一電漿處理區域，該方法包含以下步驟：限制該腔室中的電漿遠離該底部，該限制步驟包括提供一環形擋件，該環形擋件具有導電或半導電的表面，且該環形擋件從該底座延伸到該抽吸環中且與該側壁之間形成一環形間隙並壓縮經過該環形間隙而通過該抽吸環的氣體和電漿的流動；補償可歸於該抽吸口的氣流不對稱性，該補償步驟包括在該擋件下面提供一氣流等化器及圍繞該底座的偏心分佈氣流開口；修正該底座上方的電漿離子密度之徑向分佈，該修正步驟包括提供對具有一邊緣高電漿離子密度分佈趨勢的一磁性電漿導向場的控制；以及 將該擋件放置在該工件支撐表面下一段距離處，該距離超過半英吋，該距離提供一邊緣低電漿離子密度分佈趨勢，該邊緣低電漿離子密度分佈趨勢係補償該磁性電漿導向場的該邊緣高電漿離子密度分佈趨勢。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，進一步包含以下步驟：限制該腔室中的電漿遠離該側壁並提供一阻抗限制條件，其中該側壁具有分別在該工件和該頂部電極上的VHF電壓之間的一VHF電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中，該擋件在該工件支撐表面下的該距離對於該阻抗限制條件是足以降低在該工件支撐底座之週邊上方或附近的電漿離子密度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的方法，其中，該提供阻抗限制條件包含分別地選擇或調整：(a)該頂部電極的接地電容，以及(b)該工件支撐表面的接地電容。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中，在該側壁上的該VHF電壓為零，且在該頂部電極上的該VHF電壓與在該工件上的該VHF電壓屬於不同相。
  15. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中，在該頂部電極上的該VHF電壓和在該工件上的該VHF電壓屬於相反相。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的方法，其中，在該頂部電極上的該VHF電壓和在該工件上的該VHF電壓為來自該供應的VHF電壓的分數f和(1-f)，其中f是由該頂部電極的接地電容和該晶圓支撐表面的接地電容所確定的小於1的數。
  17. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該控制磁性導向場包含分別地控制覆蓋該頂部的一內部線圈和覆蓋該頂部的一外部線圈的每一個中直流電流的大小和方向。
  18. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該擋件包含由一導電材料形成的一環形圓盤，並且該方法進一步包含將該環形圓盤接地。
  19. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中，該氣流等化器包含一導電板，並且該方法進一步包含將該導電板接地。
  20. 一種在一電漿反應器腔室中處理一工件的方法， 該腔室包括一頂部、一底部和一側壁、在該腔室內具有一工件支撐表面的一工件支撐底座、在該底座和該側壁之間具有一抽吸口的一抽吸環，以及在該底座和該頂部之間所提供的一電漿處理區域，該方法包含以下步驟：限制該腔室中的電漿遠離該底部，該限制步驟包括提供一環形擋件，該環形擋件具有連續的表面，該環形擋件從該底座延伸到該抽吸環以限制通過該抽吸環的氣體和電漿的流動；補償可歸於該抽吸口的氣流不對稱性，該補償步驟包括在該擋件下面提供一氣流等化器，該擋件具有圍繞該底座的一偏心氣流開口；限制該腔室中的電漿遠離該側壁，該限制電漿之步驟包括提供一阻抗限制條件，其中該側壁具有位於該工件和該頂部電極上的VHF電壓之間的一VHF電壓；以及將該擋件放置在該工件支撐表面下一段距離處，該距離超過二分之一英吋，其中該擋件在該工件支撐表面下面的該距離對於該阻抗限制條件是足以降低該工件支撐底座之週邊上方或附近的電漿離子密度。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中，該提供阻抗限制條件包含分別地選擇或調整：(a)該頂部電極的接地電容，以及(b)該工件支撐表面的接地電容。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中，在該 側壁上的該VHF電壓為零，且在該頂部電極上的該VHF電壓與在該工件上的該VHF電壓屬於不同相。
  23. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中，在該頂部電極上的該VHF電壓和在該工件上的該VHF電壓屬於相反相。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的方法，其中，在該頂部電極上的該VHF電壓和在該工件上的該VHF電壓為來自該供應的VHF電壓的分數f和(1-f)，其中f是由該頂部電極的接地電容和該晶圓支撐表面的接地電容所確定的小於1的數。
  25. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中，該擋件包含由一導電材料形成的一環形圓盤，該方法進一步包含將該環形圓盤接地。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，該氣流等化器包含一導電板，該方法進一步包含將該導電板接地。
  27. 一種在一電漿反應器腔室中處理一工件的方法，該腔室包括一頂部和一側壁、在該腔室內具有一工件支撐表面的一工件支撐底座、在該底座和該側壁之間的一抽吸 環，以及在該底座和該頂部之間所提供的一電漿處理區域，該方法包含以下步驟：將一工件放置在該底座上；提供一環形擋件，該環形擋件具有一圓形邊緣而與該側壁之間形成一環形間隙，且該環形擋件從該底座徑向延伸到該抽吸環，以限制通過該抽吸環的氣體和電漿的流動；在該擋件下面提供一氣流等化器，該擋件具有圍繞該底座的一偏心分佈的氣流開口；提供對具有一邊緣高電漿離子密度分佈趨勢的一磁性電漿導向場的控制；提供一阻抗限制條件，其中該側壁具有在該工件上和該頂部電極上的VHF電壓之間的一VHF電壓；以及將該擋件放置在該工件支撐表面下的一軸向距離處，該軸向距離超過半英吋，以將該底座之邊緣處的電漿密度降低，該降低的量補償該邊緣高電漿離子密度分佈趨勢。
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