TWI521559B

TWI521559B - Magnetic field distribution adjusting device for plasma processor and its adjusting method

Info

Publication number: TWI521559B
Application number: TW102139829A
Authority: TW
Inventors: Jie Liang
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2016-02-11
Also published as: TW201421528A; CN103839742A

Description

用於等離子體處理器的磁場分佈調節裝置及其調節方法

本發明係關於半導體領域等離子體的處理技術，特別是關於一種磁場分佈調節裝置，安裝該調節裝置的等離子體處理器，以及應用該調節裝置對磁場分佈進行調節的方法。

目前在對半導體器件的製造過程中，大量使用電容耦合式的等離子體處理器來產生反應氣體的等離子體，對晶片進行蝕刻、沉積等加工處理。

如圖1所示，是一種現有的電容耦合式等離子體處理器，分別在其真空的反應腔1內的頂部和底部，平行設置有一對平板式的上電極2和下電極3，將需要被蝕刻的晶片5放置在上電極2和下電極3之間並由基座4支撐；一般，在下電極3上連接至少一個射頻源，同時使上電極2接地(或者是使上下電極上分別接有射頻源)，來產生射頻電場，進而對引入所述反應腔1內的反應氣體電離，以生成蝕刻用的等離子體10。

然而，例如受到反應腔1內反應氣體引入或等離子體分佈不均勻的影響，往往會使晶片5表面上的不同區域具有不同的處理速率；對於沿晶片5徑向佈置的不同區域，這種不均勻處理尤其明顯，例如會使得晶片5中心區域上的處理速率較快，而晶片邊緣區域上的處理速率較慢，這樣會導致晶片5上不同區域形成的半導體器件的性能不同。這對半導體器件製造的工藝控制及成品品質都有很大影響。所以業內迫切需要能夠對等離子體均勻性進行調節的方法及裝置。

本發明的目的是提供一種磁場分佈調節裝置、安裝該調節裝置的電感耦合式的等離子體處理器，以及應用該調節裝置對磁場分佈進行調節的方法，通過產生晶片徑向分佈可調節的磁場，來實現對等離子體在晶片徑向分佈的控制，從而改善對晶片表面不同區域蝕刻處理的均勻性。

為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種磁場分佈調節裝置，另一個技術方案是提供一種設置該磁場分佈調節裝置的等離子體處理器。

其中，所述等離子體處理器包含一個反應腔，該反應腔的內部形成一個真空的密閉空間，在該反應腔內的頂部和底部平行設置有一對平板式的上電極和下電極，使得其中一個電極上連接有至少一個射頻源，從而在上電極和下電極之間產生射頻電場，將引入反應腔內的反應氣體電離形成等離子體，對放置在上電極和下電極之間並由基座支撐的晶片進行處理。

所述磁場分佈調節裝置包含至少兩組同圓心佈置的線圈，所述線圈位於所述等離子體處理器的反應腔的密閉空間外側；所述晶片及晶片上方沿徑向劃分有至少兩個同圓心佈置的調節區域，使得由各個線圈分別所圍成的區域與各個所述調節區域在晶片徑向上分佈的位置一一對應；較佳的，將各組線圈佈置在所述反應腔外、上電極的上方。

每組線圈各自與一個獨立的、電流可調節的直流電源連接，來產生能夠穿過反應腔的腔體進入真空側的低頻的靜磁場，通過各組線圈的所述磁場在各個調節區域中疊加以形成的複合磁場，對腔體內的等離子體在各個調節區域中的密度進行相應調整，從而實現對晶片徑向上不同位置的等離子體分佈進行控制及調整；其中，複合磁場強度大的調節區域等離子體的密度高，而複合磁場強度小的調節區域等離子體的密度低。

在一個較佳的實施例中，沿晶片徑向分佈的所述調節區域，包含一個中心區域和環繞在所述中心區域周圍的邊緣區域；同圓心佈置的所述線圈包含第一線圈和第二線圈；其中，所述第一線圈所圍成的區域與所述中心區域的位置相對應，該第一線圈上連接有一個電流可調的第一直流電源DC1；所述第二線圈所圍成的區域與所述邊緣區域的位置相對應，該第二線圈上連接有一個電流可調的第二直流電源DC2。

設由第一線圈上的電流作用形成一個強度為A的磁場，由第二線圈上的電流作用形成一個強度為B的磁場；則當所述第一線圈、第二線圈上具有相反的電流流動方向時，這兩個磁場疊加後，在中心區域形成一個強度為|B-A|的複合磁場，而在邊緣區域形成另一個強度為|A+B|的複合磁場，則所述邊緣區域的複合磁場強度大於中心區域的複合磁場強度，使得邊緣區域的等離子體密度高於中心區域的等離子體密度。

而當所述第一線圈、第二線圈上具有相同的電流流動方向時，則這兩個磁場疊加後，在中心區域形成一個強度為|A+B|的複合磁場，而在邊緣區域形成另一個強度為|B-A|的複合磁場，則所述邊緣區域的複合磁場強度小於中心區域的複合磁場強度，使得邊緣區域的等離子體密度低於中心區域的等離子體密度。

所述等離子體處理器的一個優選的實施例中，所述上電極接地；所述下電極與第一射頻源RF1連接，該第一射頻源RF1具有第一頻率，用以控制反應氣體中離子解離或等離子體密度；所述下電極還與第二射頻源RF2連接，該第二射頻源RF2具有第二頻率，用以引入偏壓來控制入射到晶片的離子能量和能量分佈；其中，第一頻率大於第二頻率。

本發明的第三個技術方案是提供一種用於等離子體處理器的磁場分佈調節方法，利用上述結構的磁場分佈調節裝置，對在等離子體處理器的反應腔內的等離子體在晶片徑向位置上的分佈進行調整。

所述磁場分佈調節方法包含：將晶片及晶片上方沿徑向被劃分為多個區域；在反應腔的真空密閉空間的外側，設置同圓心的至少兩組線圈，這些線圈各自圍成的區域與晶片上沿徑向劃分的各個調節區域一一對應；每組線圈各自與一個獨立的、電流可調節的直流電源連接，以對應形成一個能夠穿過反應腔的腔體進入真空側的低頻的靜磁場；通過調節各組線圈上的電流大小及電流方向，使得各組線圈對應的磁場在疊加後，在各個所述調節區域獲得對應的複合磁場強度，對腔體內的等離子體在各個調節區域中的密度進行相應調整，其中，複合磁場強度大的調節區域等離子體的密度高，而複合磁場強度小的調節區域等離子體的密度低，從而實現對晶片徑向上不同位置的等離子體分佈進行控制及調整。

較佳的實施例中，沿晶片徑向分佈的所述調節區域，包含一個中心區域和環繞在所述中心區域周圍的邊緣區域；同圓心佈置的所述線圈包含第一線圈和第二線圈；其中，所述第一線圈所圍成的區域與所述中心區域的位置相對應，該第一線圈上連接有一個電流可調的第一直流電源DC1；所述第二線圈所圍成的區域與所述邊緣區域的位置相對應，該第二線圈上連接有一個電流可調的第二直流電源DC2；所述第一線圈、第二線圈上具有相反的電流流動方向，設由第一線圈上的電流作用形成一個強度為A的磁場，由第二線圈上的電流作用形成一個強度為B的磁場，則這兩個磁場疊加後，在中心區域形成一個強度為|B-A|的複合磁場，而在邊緣區域形成另一個強度為|A+B|的複合磁場，則所述邊緣區域的複合磁場強度大於中心區域的複合磁場強度，使得等離子體從中心區域向邊緣區域方向聚集，以抵消不設置第一、第二線圈時等離子體在中心區域密度高、在邊緣區域密度低的不均勻分佈狀態，從而改善等離子體在晶片上沿徑向不同位置分佈時的均勻性。

與先前技術相比，本發明在同圓心佈置的線圈上分別施加直流電源，使其各自產生的磁場在疊加後，在沿晶片徑向位置劃分的不同區域能夠獲得強度不同的複合磁場，其中，複合磁場強度大的區域，等離子體的密度相對更高，而磁場強度小的區域，等離子體的密度就相對較低，從而對等離子體在晶片上徑向位置的分佈進行控制，進而可以在晶片上沿徑向的不同區域獲得不同的蝕刻處理效果。如果是針對原先由於反應氣體引入、氣體排放等原因導致等離子體分佈不均勻的問題，來調整各組線圈所圍成區域的大小、線圈上的電流方向及大小等，能夠進一步通過複合磁場的分佈來控制等離子體的分佈，從而抵消原先的影響，使得等離子體在晶片上沿徑向從中心到邊緣位置能夠均勻分佈，改善對晶片不同位置刻蝕處理的均勻性。由於線圈被設置在反應腔的真空密閉空間外的大氣側，不會產生顆粒或其他物質附著在線圈上的問題發生，因此，可以方便地將該磁場分佈調節裝置應用在刻蝕或其他工藝處理的等離子體處理器上。

10‧‧‧等離子體

1‧‧‧反應腔

2‧‧‧上電極

3‧‧‧下電極

4‧‧‧基座

5‧‧‧晶片

61‧‧‧中心區域

62‧‧‧邊緣區域

71‧‧‧第一線圈

72‧‧‧第二線圈

73‧‧‧第三線圈

81‧‧‧第一線圈

82‧‧‧第二線圈

91‧‧‧第一線圈

92‧‧‧第二線圈

101‧‧‧第一線圈

102‧‧‧第二線圈

A‧‧‧磁場的強度

B‧‧‧磁場的強度

|A+B|‧‧‧複合磁場的強度

|B-A|‧‧‧複合磁場的強度

|A+B-C|‧‧‧複合磁場的強度

|B-A-C|‧‧‧複合磁場的強度

|-A-B-C|‧‧‧複合磁場的強度

DC1‧‧‧第一直流電源

DC2‧‧‧第二直流電源

RF1‧‧‧第一射頻源

RF2‧‧‧第二射頻源

圖1是先前一種電容耦合式等離子體處理器的結構示意圖；圖2是本發明在電容耦合式等離子體處理器中安裝的磁場分佈調節裝置的第一實施例結構的示意圖；圖3是本發明在圖2中所示磁場分佈調節裝置的俯視結構示意圖；圖4是本發明所述磁場分佈調節裝置的第二實施例結構的示意圖；圖5是本發明在圖4中所示磁場分佈調節裝置的俯視結構示意圖；圖6是本發明所述磁場分佈調節裝置的第三實施例結構的示意圖；圖7是本發明在圖6中所示磁場分佈調節裝置的俯視結構示意圖；圖8是本發明所述磁場分佈調節裝置的第四實施例結構的示意圖；圖9是本發明所述磁場分佈調節裝置的第五實施例結構的示意圖；圖10是本發明所述磁場分佈調節裝置的第六實施例的俯視結構示意圖。

以下結合附圖說明本發明的具體實施方式。

本發明所述的磁場分佈調節裝置，可以用於安裝在電容耦合式等離子體處理器中，也可以用於電感耦合的等離子反應器中。在應用於電感耦合型等離子反應器的時候相對于傳統的電感耦合反應器只有連接到射頻電源的線圈外，還可以在絕緣窗上放置多個連接到低頻或者直流電源的線圈，其中射頻線圈用於產生等離子體，低頻線圈用於限制等離子體的移動，從而調節等離子體濃度。

下面以電容耦合型等離子反應器為例來說明本發明實現方法和效果，如圖2所示，所述電容耦合式等離子體處理器中包含一個反應腔1，該反應腔1能夠密閉並在內部形成真空環境。一對平板式的上電極2和下電極3相互平行且相對佈置，上電極2設置在反應腔1內的頂部，下電極3設置在反應腔1內底部的一個基座4中。若干路反應氣體被輸送到該反應腔1內；在上電極2和下電極3中的一個電極上連接有至少一個射頻源，而在另一個電極上接地，或者在另外的實施例中，在兩個電極上分別連接射頻源，從而在上電極2和下電極3之間產生射頻電場，並生成反應氣體的等離子體，對放置在基座4上的晶片5進行蝕刻等處理。

例如，可以使上電極2接地，而在下電極3 上連接一個頻率較高的第一射頻源RF1(如60MHz)，用以控制反應氣體中離子解離或等離子體密度；同時，還可以在下電極3上連接一個頻率較低的第二射頻源RF2(如2MHz)引入偏壓來控制入射到晶片5的離子能量和能量分佈。而等離子體處理器中的其他部件，例如是氣體引入裝置、排氣裝置、加熱裝置等等，在圖中沒有示出，這些部件都可以根據本領域的常規手段來配置。

本發明所述的磁場分佈調節裝置，包含至少兩組同圓心佈置的線圈，這些線圈佈置在反應腔1外，即該反應腔1的真空密閉空間外側(該密閉空間外側可以是大氣側)，例如是位於上電極2的上方，或者是位於下電極3(或基座4)的下方等等，下文中都將以第一種情況為例進行說明。每組線圈各自與一個獨立的直流電源連接來產生靜磁場(或稱慢變磁場)；所述磁場是低頻的，其頻率應當足夠低，以使該磁場能夠穿過反應腔1的金屬腔體進入真空側，並對其中的等離子體進行約束。由於，在磁場強度大的區域，對等離子體約束的能力更強，則該區域的等離子體的密度相對較高；而磁場強度小的區域，等離子體的密度就相對較低。因而，通過改變施加到各組線圈的電流及正負極方向，使得各組線圈對應的磁場在疊加後，在沿晶片5徑向位置劃分的不同區域能夠獲得不同的磁場強度，進而對等離子體在晶片5上徑向位置的分佈進行控制。

在圖2、圖3所示的一個實施例中，將晶片5 及晶片5上方沿徑向劃分為中心區域61和環繞在中心區域61周圍的邊緣區域62，在反應腔1外、上電極2的上方，一組第一線圈71所圍成的區域與該中心區域61的位置相對應，該第一線圈71上連接有一個電流可調的第一直流電源DC1；還使一組第二線圈72所圍成的區域與該邊緣區域62的位置相對應，該第二線圈72上連接有一個電流可調的第二直流電源DC2。在附圖2、4、6中，以“叉”表示線圈中向紙面內流入的電流方向，以“點”表示線圈中向紙面外流出的電流方向，在附圖3、5、7中則以順時針或逆時針的箭頭方式表示電流的方向。因此，見圖2、圖3可知，在本實施例中，第一線圈71、第二線圈72上電流的流動方向相反。第一線圈71和第二線圈72上的電流大小可以根據具體應用情況，調節為相同或不相同。

則，由第一線圈71上的電流作用，形成了一個在中心區域61豎直向上、同時在邊緣區域62豎直向下的磁場(參見圖2中相應的箭頭標示)，設該磁場的強度為A；由第二線圈72上的電流作用，在中心區域61和邊緣區域62形成了一個豎直向下的磁場(參見圖2中相應的箭頭標示)，設該磁場的強度為B。這兩個磁場疊加，在中心區域61形成一個複合磁場的強度為|B-A|，而在邊緣區域62形成另一個複合磁場的強度為|A+B|，因此，邊緣區域62的複合磁場強度大於中心區域61的複合磁場強度，使得邊緣區域62的等離子體密度高於中心區域61的等離子體密度。

即是說，在本實施例中，等離子體能夠更多地從複合磁場強度較小的位置(即中心區域61)，向複合磁場強度更大的位置(即邊緣區域62)聚集，以此來抵消原先由於反應氣體輸送或排放不均勻等原因導致等離子體在中心區域61密度大，邊緣區域62密度小的不均勻分佈的問題，從而控制等離子體在中心區域61和邊緣區域62的均勻分佈，以改善晶片5徑向上不同位置的刻蝕處理的均勻性。

通過分別調節第一線圈71、第二線圈72上的電流大小，來改變各自產生的磁場強度及相應區域的複合磁場的強度，從而進一步對不同區域的等離子體密度進行調整。並且，如果使第一線圈71和/或第二區域所圍成的區域的直徑增大或減小，則還能夠對中心區域61及邊緣區域62的面積作出相應的調整。

在圖4、圖5所示的一個實施例中，對中心區域61、邊緣區域62的劃分、第一和第二線圈的佈置位置等，與上述實施例中基本相同，圖4中亦省略了對其他部件的描繪。本實施例中的不同點在於，使得第一線圈71和第二線圈72中的電流方向相同，即，由第一線圈71的電流作用，形成了在中心區域61豎直向下、在邊緣區域62豎直向上的強度為A的磁場；而由第二線圈72的電流作用，形成在中心區域61及邊緣區域62豎直向下的強度為B的磁場，則中心區域61的複合磁場的強度為|A+B|，邊緣區域62的複合磁場的強度為|B-A|，正好與上述實施例中的相反。因此，本實施例中等離子體會更多地聚集在中心區域61，從而在晶片5上獲得中心區域61速度較快，晶片5邊緣區域62速度較慢的刻蝕處理效果。

在圖6、圖7所示的實施例中，除了與第一線圈71對應的中心區域61、與第二線圈72對應的邊緣區域62以外，還進一步設置了一個環繞在邊緣區域62周圍的極邊緣區域63，並且，由一個第三線圈73所圍成的區域與該極邊緣區域63的位置相對應，該第三線圈73還連接了一個電流可調節的第三直流電源。從而根據各個線圈的電流作用所產生的磁場，在各個區域進行疊加以形成相應的複合磁場對等離子體的分佈進行調節。以圖6中的電流方向為例，在中心區域61的複合磁場的強度為|A+B-C|，在邊緣區域62的複合磁場的強度為|B-A-C|，在極邊緣區域63的複合磁場強度為|-A-B-C|，則，根據各個區域產生的磁場強度的數值進行計算，上電極2和下電極3之間的等離子體在複合磁場強度最大的區域密度最高，在複合磁場強度最小的區域密度最低，從而在沿晶片5徑向的不同位置獲得不同的刻蝕處理速度。根據實際的應用需要，能夠以抵消原先不均勻分佈的影響，使等離子體在晶片5中心區域61、邊緣區域62到極邊緣區域63均勻分佈為目標，通過調整而使第一、第二、第三線圈具有相同或不同的電流方向，和/或將電流大小調整為具有相同或不同的數值等等來實現。設置更多組線圈及相應調節區域的情況，可以根據本實施例的描述進行配置。

而電容耦合式等離子體處理器中設置了上述任意一種磁場分佈調節裝置時，本發明對等離子體在晶片5徑向不同區域的分佈進行調節的方法如下：晶片5及晶片5上方沿徑向被劃分為多個區域；在反應腔1的大氣側，例如是上電極2的上方，設置了同圓心的多組線圈，這些線圈各自圍成的區域與晶片5徑向的各個區域相互對應，各組線圈分別與電流可獨立調節的直流電源連接；由每組線圈的電流作用，將對應形成一個低頻的靜磁場，使得該磁場能夠穿透反應腔1的腔體及電極進入真空側，並對上電極2和下電極3之間的等離子體進行約束。

通過改變施加到各組線圈的電流大小及正負極方向，使得各組線圈對應的磁場在疊加後，在沿晶片5徑向位置劃分的不同區域能夠獲得不同強度的複合磁場，其中，複合磁場強度大的區域，等離子體的密度相對更高，而磁場強度小的區域，等離子體的密度就相對較低，從而對等離子體在晶片5上徑向位置的分佈進行控制。

而等離子體密度大的區域，對晶片5的刻蝕處理速度快，反之，等離子體密度小的區域，刻蝕處理的速度就較慢，以此可以在晶片5上沿徑向的不同區域獲得不同的蝕刻處理效果。如果，針對原先由於反應氣體引入、氣體排放等原因導致等離子體分佈不均勻的問題，來調整各組線圈所圍成區域的大小、線圈上的電流方向及大小等，能夠進一步通過複合磁場的分佈來控制等離子體的分佈，從而抵消原先的影響，使得等離子體在晶片5上沿徑向從中心到邊緣位置能夠均勻分佈，改善對晶片5不同位置刻蝕處理的均勻性。

本發明在射頻電場激勵下產生原始的等離子分佈不受低頻磁場影響，產生後的離子運動會受到磁場限制無法逃逸(帶電粒子在磁場中運動會形成一個圓形運動軌跡)，所以對等離子濃度的影響來自於減少等離子向其它區域的擴散來實現。例如，電容耦合等離子體反應器中原始的等離子濃度分佈是中間高周圍低，此時通過控制靜磁場分佈使得周圍區域的磁場較強，周圍區域產生的等離子無法擴散，反之中心區域的等離子由於受磁場影響小所以會有更多等離子向周圍區域擴散，所以最終會達到均勻的等離子濃度。

儘管本發明的內容已經通過上述優選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。例如，對於上述各組線圈中電流的大小沒有固定限制，從幾十毫安培到幾十安培都可能，取決於需要產生多大的磁場強度。又例如，各組線圈也可以不是處在同一個水平面上：如在圖8所示的實施例中(圖中省略了對調節裝置中其他部件和線圈內電流方向的標示)，可以設置升降裝置來調整第一線圈81的位置，使得該第一線圈81到上電極的豎直距離，大於第二線圈82到上電極的豎直距離，則該實施例的效果與圖2或圖4中直接減小第一線圈71內的電流時相類似。或者，裝置中的某一組或幾組線圈可以是在豎直方向上繞有多匝而不僅僅是單匝的線圈：如圖9所示的實施例中，第二線圈92為單匝線圈，第一線圈91為多匝線圈，若其他條件不變，則線圈的匝數與其磁場強度成正比。又或者，裝置中的某一組或幾組線圈可以是在水準方向上繞有多圈而不僅僅是單圈的線圈：如圖10所示的實施例中，第一線圈101只有單圈，第二線圈102則設置為多圈的螺旋狀，則此時由於螺旋線中電流是同方向的，也只能使中心區域的磁場發生改變。因此，在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。