CN107305830A - 电容耦合等离子体处理装置与等离子体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容耦合等离子体处理装置与等离子体处理方法，用以改善半导体处理的均匀性。所述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，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；阻抗调节装置，所述阻抗调节装置的一端连接所述上电极或所述侧壁，另一端接地。

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(CapacitivelyCoupled Plasma)处理装置，如电容耦合等离子体刻蚀装置、电容耦合等离子体沉积装置等，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(上部和下部电极)，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，已知有向上部电极施加等离子体形成用的高频以形成等离子体、向下部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。

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，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；

阻抗调节装置，所述阻抗调节装置的一端连接所述上电极或所述侧壁，另一端接地。

可选的，所述阻抗调节装置包括一可变电容器。

可选的，所述阻抗调节装置包括一可变电感器。

可选的，所述阻抗调节装置包括并联的一可变电容器与一可变电感器。

可选的，所述阻抗调节装置包括一单刀双掷开关、一可变电容器与一可变电感器，所述单刀双掷开关的两输出端分别连接所述可变电容器与所述可变电感器。

可选的，上电极通过所述阻抗调节装置接地，所述侧壁直接接地；

或者，侧壁通过所述阻抗调节装置接地，上电极直接接地。

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：

相对设置的第一电极与第二电极，所述第一、二电极之间为等离子体处理空间；

射频功率源，施加于所述第二电极；

所述第一电极通过一阻抗调节装置接地，所述阻抗调节装置包括一可变电感器。

可选的，所述第二电极为下电极，所述第一电极为上电极。

根据本发明的又一个方面，提供一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

相对设置的第一电极与第二电极，所述第一、二电极之间为等离子体处理空间；

偏置功率源，施加于所述第二电极；

所述第一电极通过一阻抗调节装置接地，所述阻抗调节装置包括一可变电容器。

可选的，一射频功率源施加于所述第二电极。

可选的，所述阻抗调节装置包括并联的一可变电容器与一可变电感器。

可选的，所述阻抗调节装置包括一单刀双掷开关、一可变电容器与一可变电感器，所述单刀双掷开关的两输出端分别连接所述可变电容器与所述可变电感器。

可选的，所述第二电极为下电极，所述第一电极为上电极。

根据本发明的再一个方面，提供一种等离子体处理方法，包括：

将待处理基片放入如上所述的电容耦合等离子体处理装置内，并调节阻抗调节装置；

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是本发明另一实施例的电容耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图3是本发明再一实施例的电容耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图4所示是实测得的刻蚀速率径向分布曲线，用以说明本发明实施例的优异效果。

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。

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，反应腔的内部设置有空间。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。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，主要用来显示上、下电极与侧壁的位置关系以及高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之间为等离子体处理空间(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的下方还可设置气体喷淋头3，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，而待处理的基片W可被固定在静电夹盘的上表面。

射频功率源(通常为一高频功率发生器)(图中所示的HF发生器)施加于所述下电极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)(图中所示的HF匹配网络)。射频功率源的频率通常大于10M，比如可为60M或13.56M等。

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)(图中所示的LF发生器)同样施加于所述下电极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)(图中所示的LF匹配网络)。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。

在与图1类似的电容耦合等离子体处理装置(但其不包括连接在上电极与大地之间的阻抗调节装置)中，由高频功率源(射频功率源或偏置功率源)及阻抗匹配网络、下电极4、上电极2以及反应腔的侧壁6构成射频电流回路。即，射频电流(或射频功率)主要有两个路径：一个是经高频功率源、下电极、等离子体，而后自上电极入地；另一个路径是经高频功率源、下电极、等离子体，而后自侧壁入地。射频电流的大小主要由上、下电极、等离子体及反应腔侧壁的阻抗决定。射频电流在上述两个路径的电流分配主要由侧壁和上电极的阻抗决定。通常，这些部件的组成是固定不变的。这样，射频电流通过各路径的分配就只能是确定不变的。由于刻蚀制程条件的多样性，固定不变的腔体阻抗只能满足某些条件下的刻蚀均匀性要求，而在某些条件下刻蚀速率会变差从而达不到刻蚀速率均匀性要求。

图1的电容耦合等离子体处理装置通过在上电极2与大地(或接地电路)之间连入一阻抗匹配装置，可使得一个射频电流路径(通过上电极的电流路径)的阻抗可调节(即大小可改变)。通过该阻抗的重新调节，可对该两个路径的电流大小再次分配，从而改善加工的均匀性。比如，当基片中间区域的刻蚀速率较快而基片边缘区域的刻蚀速率较慢时，可增大该阻抗匹配装置的阻抗，从而减小上电极的射频电流、加大反应腔侧壁的射频电流，而减缓基片中央区域的刻蚀速率、加快基片边缘区域的刻蚀速率。又比如，当基片中间区域的刻蚀速率较慢而基片边缘区域的刻蚀速率较快时，可减小该阻抗匹配装置的阻抗，从而增加上电极的射频电流、减小反应腔侧壁的射频电流，而加快基片中央区域的刻蚀速率、减缓基片边缘区域的刻蚀速率。

图1中，该阻抗匹配装置为一可变电感器80。由于电感的阻抗为Z_L＝jωL，在一个双频(或多频)等离子体系统中，其对高频(>10MHz)的阻抗远大于对低频(<10MHz)的阻抗，所以其主要限制通过上电极到地的较高频电流(与射频功率源相对应的射频功率电流)。因而，采用可变电感器，可调节通过上电极到地及通过侧壁接地的高频电流(与射频功率源相对应的射频功率电流)分配。这样，可产生不同密度分布的等离子体，调节刻蚀速率分布均匀性。

图2是本发明另一实施例的电容耦合等离子体处理装置的结构示意图。其与图1实施例的唯一区别仅在于，图2中，阻抗调节装置为一可变电容器82。由于电容的射频阻抗为Z_C＝1/jωC，其主要对低频电流有限制作用。这样，原来通过上电极到地的部分低频电流就会从下电极边缘耦合到侧壁，从而影响电极及晶圆表面的鞘层分布。因而，采用可变电容器，可调节等离子体鞘层分布的均匀性，从而调节刻蚀速率的均匀性以及离子入射的角度分布。另外，通过调节上电极阻抗，可以调节上、下电极的射频电压及直流偏压幅度，从而调节进行刻蚀的离子能量分布。进而改善刻蚀的均匀性。

图3是本发明再一实施例的电容耦合等离子体处理装置的结构示意图。其与图1、图2实施例的区别仅在于，图3中，阻抗调节装置包括一单刀双掷开关K、一可变电容器82’与一可变电感器80’，所述单刀双掷开关K的两输出端分别连接所述可变电容器82’与所述可变电感器80’。通过该单刀双掷开关，可使得该阻抗调节装置在可变电容器与可变电感器之间切换，从而使得其兼具两者的优点，从而更加扩展等离子体均匀性分布及刻蚀速率调节范围。另外，在其它实施例中，并联的可变电容器与可变电感器也可不局限于只能以择一的方式被连通至上电极，而是均以常通地方式与上电极连接。也就是说，可不设置开关，而是以可变电容器与可变电感器的并联电路直接连接上电极与大地。

图4所示是实测得的刻蚀速率径向分布曲线，用以说明本发明实施例的优异效果。其中，带矩形的曲线(图中较靠上的曲线)表示的是不带阻抗调节装置的刻蚀设备(该设备与图1装置的唯一区别就在于缺少了阻抗调节装置)对基片不同区域的刻蚀速率。它为一个中间明显凸起的曲线，说明该设备对基片中间区域的刻蚀速率明显超出基片边缘区域。带圆形的曲线(图中较靠下的曲线)表示的是图1装置对基片不同区域的刻蚀速率。它是一个平整得多的曲线，表明该装置的刻蚀均匀性明显改善。

上述各实施例中的各阻抗调节装置也可不设置在上电极与地之间，而是设置在反应腔的侧壁与大地之间，相应的，上电极可直接接地。通过调节侧壁路径的射频电流同样可实现刻蚀均匀性的改善。其原理与前述各实施例类似。

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 (14)

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，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；

阻抗调节装置，所述阻抗调节装置的一端连接所述上电极或所述侧壁，另一端接地。

2.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括一可变电容器。

3.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括一可变电感器。

4.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括并联的一可变电容器与一可变电感器。

5.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括一单刀双掷开关、一可变电容器与一可变电感器，所述单刀双掷开关的两输出端分别连接所述可变电容器与所述可变电感器。

6.如权利要求1所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，上电极通过所述阻抗调节装置接地，所述侧壁直接接地；

或者，侧壁通过所述阻抗调节装置接地，上电极直接接地。

7.一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

相对设置的第一电极与第二电极，所述第一、二电极之间为等离子体处理空间；

射频功率源，施加于所述第二电极；

所述第一电极通过一阻抗调节装置接地，所述阻抗调节装置包括一可变电感器。

8.如权利要求7所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述第二电极为下电极，所述第一电极为上电极。

9.一种电容耦合等离子体处理装置，包括：

相对设置的第一电极与第二电极，所述第一、二电极之间为等离子体处理空间；

偏置功率源，施加于所述第二电极；

所述第一电极通过一阻抗调节装置接地，所述阻抗调节装置包括一可变电容器。

10.如权利要求9所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，一射频功率源施加于所述第二电极。

11.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括并联的一可变电容器与一可变电感器。

12.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述阻抗调节装置包括一单刀双掷开关、一可变电容器与一可变电感器，所述单刀双掷开关的两输出端分别连接所述可变电容器与所述可变电感器。

13.如权利要求10所述的电容耦合等离子体处理装置，其中，所述第二电极为下电极，所述第一电极为上电极。

14.一种等离子体处理方法，包括：

将待处理基片放入如权利要求1至13任一项所述的电容耦合等离子体处理装置内，并调节阻抗调节装置；

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。