用于等离子体腔室的充电格栅的制作方法

用于等离子体腔室的充电格栅的制作方法
【专利摘要】本发明公开了用于操作腔室的等离子体处理器腔室和方法。示例性的腔室包括用于接收衬底的静电夹盘以及与腔室的顶部连接的电介质窗。电介质窗的内侧面向位于静电夹盘的上方的等离子体处理区域，电介质窗的外侧位于等离子体处理区域的外部。内侧和外侧线圈被设置在电介质窗的外侧，并且内侧和外侧线圈与第一RF功率源相连。充电格栅被设置在电介质窗的外侧以及内侧和外侧线圈之间。充电格栅与第二RF功率源相连，该第二功率源独立于第一RF功率源。
【专利说明】用于等离子体腔室的充电格栅
【技术领域】
[0001]本发明通常涉及半导体制造，尤其涉及一种装置，其包含保持电感耦合等离子体蚀刻装置的电介质窗的状态的充电格栅。
【背景技术】
[0002]在半导体制造过程中，需要经常且重复地进行蚀刻处理。本领域技术人员熟知的蚀刻处理有两种:湿式蚀刻和干式蚀刻。干式蚀刻中的一种是利用电感耦合等离子体蚀刻装置进行的等离子体蚀刻。
[0003]等离子体包含各种类型的自由基、电子以及正、负离子。利用各种自由基、正离子和负离子的化学反应来蚀刻晶片的特征、表面以及材料。在蚀刻处理期间，腔室线圈执行类似于变压器中的初级线圈的功能，而等离子体则执行类似于变压器中的次级线圈的功能。
[0004]由蚀刻处理所生成的反应产物是挥发性或非挥发性的。挥发性的反应产物与使用过的反应气体通过排气口一起被排出。然而，非挥发性的反应产物则通常会在反应腔室中残留一定的量。非挥发性的反应产物可黏着在腔室壁和电介质窗上。非挥发性反应产物在窗的黏着会干扰蚀刻处理。过量的沉积会导致微粒从窗上脱落到晶片上，从而干扰蚀刻处理。因此，过量的沉积则需要更频繁地清洗腔室壁以及窗，这会不利于晶片的吞吐量。此外，如果窗变成覆盖有导电性的蚀刻副产物的话，那么腔室将足够的磁通量传递到等离子体的能力则会变弱，这会接着造成蚀刻操作的方向性的控制能力的降低，而这些在处理高深宽比轮廓(profile)特征时是非常关键的。
[0005]基于前述内容，需要一种用于保护处理腔室的电介质窗的装置和方法，同时保持将足够水平的磁通量传递到等离子体的能力。

【发明内容】

[0006]本发明公开了一种在半导体装置制造期间用于对半导体衬底以及形成在其上的各层进行蚀刻的装置。该装置由在其中进行的蚀刻的腔室来定义。该装置包括用于支撑要被蚀刻的衬底的夹盘，到RF功率及接地端的连接部，位于腔室的上层顶部的电介质窗，以及设置在电介质窗上方的射频(RF)线圈。
[0007]进一步设置在腔室中的是充电格栅。该充电格栅是这样一种结构，其从设置于该腔室外部并与独立于提供给线圈的功率的RF功率相连。在一个实施方式中，充电格栅是形成在衬底上的金属层。该衬底设置在窗的上方并且RF线圈设置在充电格栅的上方。
[0008]本发明提供了等离子体处理腔室。该腔室包括用于接收衬底的静电夹盘以及连接到腔室顶部的电介质窗。电介质窗的内侧面向静电夹盘上方的等离子处理区域，电介质窗的外侧位于等离子体处理区域的外部。内侧和外侧线圈被设置在电介质窗的外侧上方，并且该内侧和外侧线圈与第一 RF功率源相连。充电格栅设置在电介质窗的外侧与内侧和外侧线圈之间。该充电格栅与独立于第一 RF功率源的第二 RF功率源相连。
[0009]在另一个实施方式中，提供了用于等离子体处理的腔室。该腔室包括外壳以及位于外壳中用于支撑晶片的夹盘。外壳的顶部由电介质窗来界定，并且将充电格栅设置在电介质窗的上方。TCP线圈设置充电格栅上。RF功率与充电格栅相连，充电格栅独立于TCP线圈。
[0010]在另一个实施方式中，公开了一种用于处理等离子体蚀刻腔室中晶片的方法。该方法包括，将第一 RF功率施加到等离子体蚀刻腔室的顶部电介质窗上，其中，该第一 RF功率被施加到内侧和外侧线圈；以及，将第二 RF功率施加到等离子蚀刻腔室的顶部电介质窗上，其中，该第二 RF功率被施加到充电格栅，该充电格栅被设置在内侧和外侧线圈以及电介质窗之间；所述方法还包括将第一 RF功率的设定独立于第二 RF功率的设定。由第二 RF功率所施加的频率和功率水平不同于由第一 RF功率所施加的频率和功率水平。
[0011]在一个实施方式中，将第二 RF功率的频率设定在范围在1.5MHz和2.5MHz之间的低频率上，并且通过充电格栅从等离子体蚀刻腔室中处理的等离子体呈现的负载来调整第
二RF功率的频率。
[0012]在一个实施方式中，以瓦特为单位的第二 RF功率的功率水平与以瓦特为单位的第一 RF功率的功率水平彼此独立地被调节。
[0013]如果没有本文所优选定义的充电格栅的话，由蚀刻材料和蚀刻化学剂所产生的沉积物将更易于附着在电介质窗的内表面上，其最终影响RF线圈提供足够的能量以及对腔室内生成的等离子体控制的能力。这种影响可包括等离子体中离子密度的降低，离子密度的径向控制的降低，以及其他处理降低的缺点。例如，耐火金属的蚀刻将导致在腔室的电介质窗上非常多的沉积物，并且这些导电性沉积物(随着它们的累积)将越来越妨碍磁场的耦合从而无法激励线圈以形成等离子体。这将使得等离子体密度的降低，处理的移位，以及最终造成无法激励感应等离子体。此外，尽管在处理性能方面的一些降低在过去的腔室构造中是可以接受的，但是缩减特征尺寸的驱动的需求已经持续在处理性能中要求了更严格的公差。相应于随着特征尺寸的缩小，将会导致蚀刻具有非常高的深宽比特征的需求。
[0014]因此，随着特征尺寸持续变小到低纳米处理节点以及更小时，蚀刻设备的性能随着时间的推移而发生移位将不再被允许。进一步影响这个问题的是，对高吞吐量以及执行设备清洗操作的较少时间的互补的制造需求。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]参照以下描述以及随后的附图将更好地理解本发明及其进一步的优点。
[0016]图1A显示了根据本发明的一个实施方式的用于蚀刻操作的等离子体处理系统；
[0017]图1B显示了根据本发明的一个实施方式的示例性的表示的内侧和外侧线圈的顶视图；
[0018]图2显示了根据本发明的一个实施方式的充电格栅的实施例；
[0019]图3显示了根据本发明的一个实施方式的包含充电格栅之前的电介质窗的实施例；
[0020]图4显示了根据本发明的一个实施方式的设置在电介质窗上的充电格栅；
[0021]图5显示了根据本发明的一个实施方式的设置在电介质窗和TCP线圈之间的充电格栅；
[0022]图6显示了根据本发明的一个实施方式的定义在TCP线圈下方的电介质窗和充电格栅的横截面图的实施例；
[0023]图7显示了根据本发明的一个实施方式与充电格栅连接的独立RF功率的实施例，RF功率是频率可调并且可根据特定的需求设定成不同的功率设定(不影响对独立的TCP功率的控制)；
[0024]图8A-11显示了根据本发明的一个实施方式，如何使得充电格栅不影响处理参数的控制，同时依然对减少或消除在怀疑的(doubt)窗的内侧上副产物的积累提供控制。
【具体实施方式】
[0025]本发明公开了在半导体装置的制造期间用于对半导体衬底及形成在其上的各层上进行蚀刻的装置。该装置由在其中进行蚀刻的腔室所定义。将TCP线圈设置在腔室的电介质窗上方，将充电格栅设置在电介质窗和TCP线圈之间。该充电格栅由提供给TCP线圈的功率分离且独立地来供电。在下文中，为了全面的理解本发明，阐述了很多特定的细节。然而，对本领域技术人员来说，很显然，本发明可以在不具有这些细节中的部分的环境之下实现。在其他实施方式中，未详细描述公知的工艺步骤和实现细节以免不必要地使本发明难以理解。
[0026]由于对长期数据保留、高速开启/关闭应用程序、更快的写入速度以及无限的读写耐久性的非挥发性随机存取存储器需求的不断增加，MRAM (MRAM:MagnetoresistiveRandom Access Memory，磁阻随机存取存储器)逐渐成为有望取代SRAM (静态随机存取存储器)、DRAM (动态随机存取存储器)、闪存存储器元件与电池的各种组合的候选者，从而为大型系统提供快速、低功率以及显著降低启动时间的非挥发性存储。尽管MRAM是非挥发性存储器，然而MRAM的等离子体蚀刻的副产物通常为非挥发性的，顾名思义，是导电的。当MRAM处理中的蚀刻副产物沉积在导体蚀刻腔室中的电介质窗时，TCP RF功率的效率将由于在电介质窗上通过副产物逐渐形成的导电膜的屏蔽效应而降低。TCP功率效率的降低导致等离子体密度的下降，在某些情况下，可造成从晶片到晶片的处理发生移位。因此，腔室清洗的平均时间(MTBC)是很短的。举例来说，在某些用于处理MRAM的蚀刻腔室中，当偏置RF功率在电压模式下降低约15%时，MTBC则为约5RF小时。
[0027]通过在等离子体蚀刻腔室中实现充电格栅108，在电介质窗上沉积物的影响将不再是确定MTBC的因素。如下图1A所示，当充电格栅108设置在电介质窗106上方时(夕卜部)，充电格栅将独立地由TCP线圈120/122所提供的功率来供电。该独立功率是在低功率下施加的并且被调整成等离子体，这将使得充电格栅108可以减少或消除在电介质窗内侧的非挥发性金属副产物的附着。
[0028]本文中所使用的术语“独立地”应该被理解为用来定义以下情况，施加在TCP线圈上的RF功率具有其自身的以瓦特为单位的功率水平和频率，同时施加在充电格栅108上的功率具有其自身的以瓦特为单位的功率水平和频率。因此，(施加于TCP线圈)第一 RF功率的设定与(施加于充电格栅)第二 RF功率设定的是独立的。在一个实施方式中，由第二 RF功率所施加的频率和功率水平与由第一 RF功率所施加的频率和功率水平不同。
[0029]因此，较不频繁的清洗电介质窗106则是必要的，并且这可以实现更长的MTBC，其提高蚀刻操作的一致性以及吞吐量。此外，当充电格栅108激活时，其将具有对窗106 (面对等离子体)进行在线清洗和/或离线清洗的作用，因此从晶片到晶片的处理性能将实质上相同。
[0030]在一个实施方式中，将充电格栅108放置在腔室的电介质窗的顶部。在一个实施方式中，腔室为导体等离子体蚀刻腔室，例如，由加州费里蒙得的Lam ResearchCorporation所制造的Kiyo45?。然而，应该理解的是，充电格栅108可被增加到由任何厂商所制造的等离子体腔室中，从而提供在电介质窗上方的独立的RF功率。如图1A所示，将充电网络108定义在衬底107上。将充电格栅108和衬底107放置在TCP线圈的下方。尽管所示的构造是平面形状的，其他类型的顶部功率配置，如圆顶配置，也可以实现供电格栅108 (适当形状的)，从而提供增强的性能。
[0031]在一个实施方式中，通过匹配网络和RF生成器以2MHz来对充电格栅供电。将施加到充电格栅108的RF功率调整到适于宽处理窗的水平，使得撞击电介质口的离子具有适当的能量，可以在处理期间在线地保持电介质窗的清洁和/或在清洗步骤期间离线地溅射掉电介质窗上的蚀刻副产物。在这种方式下，电介质窗可被清洗到与每一个晶片相同的程度从而消除从晶片到晶片的处理过程的移位。通过物理的溅射进行在线和离线清洗时，也可以结合软着陆(soft-landing)步骤和某些/适当的化学剂从而来加速清洗结果，并且同时防止电介质窗被溅射并且防止微粒的产生。
[0032]利用充电格栅108优化等离子体蚀刻的腔室可用来蚀刻许多的材料。一些示例性的材料包括，但不限于，Pt, Ir, PtMn, PdCo, Co, CoFeB, CoFe, NiFe, W，Ag, Cu, Mo, TaSn, Ge2Sb2Te2, InSbTe Ag-Ge-S, Cu-Te-S, IrMn, Ru。概念可延伸至例如 e NiOx, SrTiOx,钙钛矿(CaTi03)，PrCAMn03, PZT (PbZrl-xTix03)，(SrBiTa) 03 等材料。
[0033]图1A显示了根据本发明的一个实施方式的用于蚀刻操作的等离子体处理系统。该处理系统包括腔室102，其包括夹盘104，电介质窗106，以及充电格栅108。夹盘104可以是用于支撑存在的衬底的静电夹盘。如图所示，环绕夹盘104的边缘环116，当晶片位于夹盘的上方时，该边缘环具有与晶片的顶部大概在一个平面上的上表面。腔室102也包括下衬110，其与上衬118耦合。上衬118也被叫做腔室的顶峰。上衬118被配置为支撑电介质窗106和充电格栅108。在一个实施方式中，上衬118耦合至接地端。
[0034]如图所示，充电格栅108具有格栅图案，从而使充电格栅由形成在衬底107上的金属材料来定义。衬底107是电介质，并且定义在衬底上的格栅图案可以采用任何数量的几何结构。如将在下面的图中所示出的，但不限于此，充电格栅108被定义为辐条的形式，其延伸至窗106的中心区域与外径之间。因此，窗与充电格栅在处理期间所形成的等离子体区域的上方延伸，并且被设置在设计为在处理期间用于支撑晶片的夹盘104的上方。辐条之间开口间距是没有充电格栅的非金属部分存在的区域。在其间具有开口间距的情况下，也可以设置除了辐条之外的任何金属几何图案。
[0035]此外，图中还显示了 RF生成器160，其可以由一个或多个生成器来定义。如果提供了多个生成器的话，则可利用不同的频率来达到各种调谐特性。将偏置匹配器162耦合在RF生成器160和定义夹盘140的组件的导电板之间(也称为底部电极)。夹盘140也包括静电电极来夹紧和放松晶片。更广泛地，系统还提供滤波器64和DC钳位电源。虽然图中未显示，但也提供用于冷却以及用于将晶片从夹盘140顶起离开的其他控制系统。尽管图中未显示，可将泵连接到腔室102上以在等离子体处理期间进行真空控制并且从腔室中排出气体的副产物。[0036]充电格栅108具有中央区域，该中央区域会允许喷头将处理气体输送到腔室102的处理空间中。此外，其他探测装置也可设置穿过充电格栅108附近的区域，其中设有通孔。可在操作期间提供探测装置来探测与等离子体处理系统相关的处理参数。探测处理可包括端点检查，等离子体密度测量，以及其他测量探测操作。由于常见的晶片几何形状通常为圆形，因此充电格栅108也被定义呈圆形。众所周知，晶片通常会呈现各种尺寸，例如200mm, 300mm, 450mm等等。此外,基于在腔室102内所进行的蚀刻操作,方形衬底或较小衬底也可以是其他形状。
[0037]电介质窗106可以由陶瓷或石英类材料所定义。电介质窗106具有面向等离子体处理区域的内侧和位于腔室外部的外侧。只要能够承受半导体蚀刻腔室的条件，也可以采用其他的电介质材料。通常来说，腔室在升高的温度，介于约在50摄氏度和120摄氏度之间或更高的温度之间的范围内进行操作。温度取决于蚀刻处理操作和特定的配方(recipe)。腔室102也可在真空状态下，介于约Im Torr和100m Torr的范围之间进行操作。尽管图中未示出，通常将腔室102耦合于装配在无尘室之中的设备、或制造设备。这些设备包括提供处理气体、真空、温度控制、以及环境微粒控制的管道。
[0038]当装配在目标制造设备中时，将这些设备耦合到腔室102。此外，腔室102也可耦合到传送腔室，这将使得机械臂可以利用通常的自动化设备将半导体晶片传入和传出腔室102。
[0039]继续参考图1A，所示的TCP线圈包括内侧线圈122 (IC)和外侧线圈120 (OC)0TCP线圈被设置且配置在充电格栅108之上，充电格栅108相应位于电介质窗106上方。在相对于电介质窗106之上的径向位置处定义TCP线圈的内侧结构和外侧结构，并且TCP功率利用控制调谐电路单元124是可调谐的。
[0040]在一个实施方式中，TCP线圈与包括到内侧线圈120和外侧线圈122的连接件的控制调谐电路124耦合。如图所示，将外侧线圈120的外回路(loop)与节点146耦合，节点146依次连接到可变电容136。在使可变电容136连接到匹配部件128和RF生成器之前，可变电容136被设置在节点146和144之间。外侧线圈120的内回路与节点142连接，而节点142与电容器132连接。电容器132耦合在接地端和节点142之间。内侧线圈122具有连接到节点140的外回路，随后节点140连接到可变电容器134。
[0041]将可变电容器134耦合到节点140和节点144之间。内侧线圈122的内回路的内回路与节点148耦合。节点148与耦合到接地端的电感器130耦合。因此，控制调谐电路124能够对电容器134和136进行动态调谐，以调谐供应给放置在充电格栅108之上的内侧和外侧线圈的功率。
[0042]在一个实施方式中，控制调谐电路124被配置为调谐TCP线圈以向内侧线圈122和外侧线圈120提供更多的功率。在另一个实施方式中，控制调谐电路124被配置为调谐TCP线圈以向内侧线圈122和外侧线圈120提供更少的功率。在另一个实施方式中，提供给内侧线圈与外侧线圈的功率会是提供均匀分布的功率和/或控制在衬底(例如，当晶片存在时)的径向分布中离子密度的功率。还是在另一个实施方式中，在外侧线圈和内侧线圈之间功率的调谐将基于对设置在夹盘104之上的半导体晶片上执行的蚀刻操作所定义的处理参数来调整。
[0043]在一个实施方式中，具有两个可变电容的电路被配置为自动地调整从而使两个线圈中的电流达到预定的比率。在该实施方式中，比率可以为介于0.1到0.5之间。在另一个实施方式中，电流则大致相同。在另一个实施方式中，该比率为O，这样可仅将外侧线圈设定为操作状态。
[0044]在一个实施方式中，电容器134和136通过处理控制器来控制，该控制器与腔室102的电子面板相连。可将电子面板耦合到网络系统，根据在特定循环期间所期望的处理操作，网络系统可操作特定的处理例程。因此，电子面板可控制腔室102中执行的蚀刻操作，并且可以控制电容器134和136的特定设定。
[0045]在该实施方式中，将充电格栅108与其自身的独立RF功率相连。RF功率可从分离的生成器或者已经在腔室中使用的另一个生成器来获得，例如，通过将分离的可调谐的RF线路分割出去(splitting off)。分离的可调整的RF线路可提供适于充电格栅108的操作的特定频率。然而，通常来说，应该理解的是提供给充电格栅108的RF功率是分离于和/或独立于RF线圈120/122所提供的TCP功率以及还有RF线圈120/122所提供的TCP功率。在一个实施方式中，图1A显示了耦合到与节点214连接的匹配部件212的独立RF生成器210。节点214是连接到充电格栅108的连接点。此外，应该理解的是，提供给充电格栅108的功率与由TCP线圈所提供的功率相独立。在一个实施方式中，提供到内侧和外侧线圈的功率由第一 RF功率源提供，而提供给充电格栅108的功率则由第二 RF功率源提供，第二 RF功率源与第一 RF功率源相独立。
[0046]如本文所用的，腔室为由外壳所定义的处理腔室。外壳通常定义腔室的结构。外壳可以由金属材料制成，例如，铝或者不锈钢，或者其他已知的材料。外壳内为夹盘104以及外壳的顶部由电介质窗所定义。电介质窗可以是任何已知的形状，例如平坦的或者圆顶的形状。TCP线圈也可采用任意数量的形状来与平坦的或圆顶的形状或者充电格栅108相匹配。
[0047]图1B显示了根据本发明的一个实施方式的示例性的内侧线圈122和外侧线圈120的顶视图。作为一个实施例，图1B所示的截面图代表与图1A中的线圈的连接件。内侧线圈122可包括内侧线圈I和内侧线圈2，外侧线圈I和外侧线圈2。如图1A所示，在线圈端部之间的连接件被显示为相对于设置在控制电路124中的电路。根据本发明的一个实施方式，图1B显示了在腔室102中所利用的TCP线圈的内侧和外侧线圈相关的圆形绕线。应该理解的是，也可以是其他类型的线圈结构。可以具有提供圆顶式结构的三维线圈，以及不同于平坦的线圈分布的其他线圈类型的结构。因此，充电格栅108可以在不考虑所选形状的情况下被插入到线圈和窗之间。
[0048]图2显示了形成在衬底107之上的充电格栅108的立体图。在一个实施方式中，该衬底为介电材料。该介电材料可以是刚性介电体的形式，或者可以是典型地用于印刷电路板(PCB)技术的刚性材料。PCB能够对沉积在其表面上，且被蚀刻以定义特定图案的导电性材料提供机械支撑。在一个实施方式中所使用的特定图案是连接到充电格栅108的中心导电区域的辐条图案。因此，充电格栅则由开口区域(即，不包括金属材料的区域)所隔离开的多个金属特征所定义。在一个实施方式中，充电格栅为具有中心开口的盘状形状，中心开口是金属性的并且与多个导电的辐条或肋片连接(例如，几何特征部)。
[0049]在另一个实施方式中，PCT由层叠式的介电材料所组成以提供足够的强度来支撑定义辐条图案的表面上图案化的金属材料。替代地，除了 PCB材料之外，也可以使用陶瓷盘，或者陶瓷与其他介电材料的混合物，以及如TeflonTM的电介质来支撑用于定义充电格栅108的金属图形。又进一步地，不使用图2所示的辐条图案的话，充电格栅108可以由任意数量的图案所定义。基本上，只要介电材料之间的距离或空间已经被定义为使得由线圈所提供的TCP功率能够被传送到腔室内的等离子体的话，则图案可以采用任意数量的图形。
[0050]实质上，充电格栅是对电感式耦合透明的但控制电容式耦合的电极。这样的话，充电格栅108作为独立于腔室的TCP线圈的电容式耦合电极运作。应当理解的是，在某些情况下，充电格栅108被称谓法拉第(Faraday)屏蔽或充电法拉屏蔽的类型。然而，充电格栅108物理上并不作为法拉第屏蔽。然而，如果本领域技术人员所指的充电格栅是充电法拉第屏蔽的类型时，则应该将充电格栅的功能和物理操作视为惯例。也就是说，充电格栅是对电感式耦合透明的但控制电容式耦合的电极。
[0051]图2也显示了与充电格栅108的中心位置连接的带状部200。当安装有带状部时，中心位置使得RF功率分布到充电格栅108的整个表面，从而达到实质上覆盖到电介质窗106的表面的外直径。如下所示，带状部200提供有上面所述的独立的RF功率。在示例性的实施例中，定义格栅108的金属材料为铜，并且被图案化在衬底107上。应该理解的是，除了铜之外，也可以使用其他金属材料，只要使充电格栅108的表面各处能够具有足够的RF传导。在该实施方式中，带状部200也由铜所定义，从而在RF功率源和充电格栅108之间提供良好的电传导。
[0052]图3显示了在将充电格栅108安装在电介质窗106和线圈之前，电介质窗106的三维视图。如图所示，电介质窗106是如图1A所示的放置在腔室上的陶瓷介电体。将TCP线圈和相关的回路如图所不一样配置在电介质窗106的上方。外侧线圈120和内侧线圈122被显示为具有馈入到内侧线圈和外侧线圈的RF连接。同时也显示了用于连接RF功率的支撑结构。
[0053]图4显示了设置在电介质窗106上方的充电格栅108的立体图。如图所示，充电格栅108以及衬底107被设置在电介质窗之上并且实质上在平面的方向上。衬底107与充电格栅108直接接触。在另一个实施方式中，在衬底107和充电格栅108之间可以存在一定距离。在另一个实施方式中，充电格栅108可由金属材料定义而不需要衬底107。金属材料要有足够的强度可以以间隔开的方向被放置在电介质窗107上。替代地，如果充电格栅108由金属材料形成而不需要衬底时,充电格栅108可直接放置在电介质窗106上。因此，应该理解的是，充电格栅108可以采取任意数量的实体配置，只要充电格栅108可独立地充电，并且可放置、连接、附着、或者定位在电介质窗106之上。
[0054]图5显示了根据本发明的一个实施方式的当充电格栅108设置在电介质窗106之上并且放置在TCP线圈之下时充电格栅108的立体图。所示的充电格栅的照片是用来证明充电格栅有效性的测试平台(bench)。因此，显示了利用胶黏带将充电格栅108临时地附着在电介质窗106上。在商业实施中，不使用在测试平台中所利用的胶黏带而将充电格栅108与系统连接。然而，图5显示了充电格栅108相对于电介质窗106与TCP线圈122/120的相对位置。
[0055]图中也显示了与充电格栅108的带状部200连接的延长带状部201。延长带状部被配置为耦合到独立的RF功率，并且为了简单起见，显示为到RF的连接部。如上所述，电介质窗106位于腔室的上方，并且腔室的外部包括充电格栅108和TCP线圈。当操作时，电介质窗106的底部，即包含充电格栅108的面的反面，将面向腔室中的等离子体。这样的话，如同TCP线圈，充电格栅108位于处理腔室的外部。
[0056]图6显不了根据本发明的一个实施方式的电介质窗106和充电格栅108的一部分。如图所示，根据所使用的材料，窗106通常具有介于约IOmm到约50mm之间的厚度。设置在电介质窗上方的是衬底107,其为介于约0.5mm和约3mm之间，并且优选的是介于约Imm和约2mm之间，名义上为约1.5mm(例如，约60mil)。应该理解的是，衬底107可以由各种类型的材料定义而成，例如著名的(noted) PCB型材料、Teflon、陶瓷等等。
[0057]图6也显示了相对于充电格栅108和窗106的TCP线圈120和122的通用布置。当操作时，在腔室的内部产生等离子体，并且在临近窗106的内表面处定义等离子体鞘(sheath)。同样地，放置在夹盘104上的晶片202将经历接近晶片202的表面的等离子体鞘。等离子体鞘的特定控制与蚀刻处理将取决于TCP线圈所提供的功率、供应给下电极(夹盘104)的功率、供应给腔室的压力、温度、供应给腔室的功率的频率、蚀刻化学剂以及其他操作所选出的配方的其他特定设定值。
[0058]在操作时，将会存在靠近窗106的等离子体鞘。在一个实施方式中，将等离子体鞘与充电格栅108之间的大约距离定义为Z。从充电格栅108所示，该距离为定义等离子体阻抗的一个变量。将充电格栅108独立地连接到分离的RF生成器，而从充电格栅108来看，该RF生成器与特定等离子体阻抗相匹配并且被调谐到该特定的阻抗。
[0059]在一个实施方式中，充电格栅108的金属材料的厚度介于约0.075mm和约0.5mm之间并且优选的是约0.3mm (例如,大约5mil)。在该实施例中，金属材料是铜。然而，也可以使用其他金属材料，例如，铝、黄铜、银、镀铜等等。
[0060]图7显示了 RF生成器210与充电格栅108之间的连接件。充电格栅108通过带状部200和延伸带状部201而电连接到生成器210。图中所示的匹配电路212示例性地连接到通过充电格栅108考虑的阻抗的负载，而将其表示为Z，即R-jXc。生成器210包括方向耦合器210a，其与调谐器210b耦合从而提供根据充电格栅108所呈现的负载来设置生成器210的频率。
[0061]在一个实施方式中，生成器210具有内部的50欧姆的阻抗，并且如果生成器看到了来自匹配212的点230处的50欧姆，则设定匹配。如果在操作期间，匹配212在点230处呈现为10欧姆时，则在生成器210的50欧姆阻抗和点230处的10欧姆的阻抗之间的匹配将不再存在。在这样一个实施例中，从充电格栅108来看，在点230处的10欧姆表示来自等离子体的高反射。方向耦合器210a接下来将感测由不匹配所引起的提供给调谐器210b的反射/前向功率232。50和10欧姆的实施例仅仅是举例说明。
[0062]因此，根据本实施例，反射/前向功率232是用于调谐生成器210的频率设定。因此，基于调谐器210b读取反射/前向功率232的调谐，生成器210的频率被动态地设定。通过改变可调谐的生成器210的频率，生成器210的阻抗与点230处的负载相匹配。因此，在本实施方式中，在约2MHz周围的低频率处充电格栅被充电，并且基于在匹配的输入侧从生成器所看到的阻抗来加以调整。在一个实施方式中，根据处理期间的负载，将生成器210的频率调谐设定为约1.5MHz和约2.5MHz之间，并且优选的是，设定在约1.9MHz和约2.1MHz之间。在一个实施方式中，基于从匹配器所看到的负载，将与充电格栅108相连的RF功率源的频率的设定自动调整。
[0063]在处理期间且基于等离子体蚀刻腔室中的环境，该自动的调整随时间进行。自动调整可以是向上调，向下调，或周期性的向上或向下调。例如，在2MHz周边的调整范围可以是介于约0.0I+/-MHz以及约1.0+/-ΜΗζ,并且优选的是，介于约0.05+/-MHz和约
0.5+/-MHZ之间。在一个实施方式中，由于RF功率(频率和以瓦特为单位的功率水平)完全独立于TCP线圈的RF功率(频率和以瓦特为单位的功率水平)的设定，因此该调谐是可能的。在一个实施方式中，用于充电格栅108的调谐可利用具有频率调节功能的市场上可用的生成器来进行设定。
[0064]在一个实施方式中，RF生成器210在约2MHz的低频率附近进行操作从而能使用较高能量的端部来提供改进的控制，通常称为低频率双峰离子能量分布。例如，关于离子能量分布函数(IEDF)，已知的是较低的频率提供具有双峰分布的较高的能量。在窗的内部观看时，这种较高能量运行以提供额外的能量到等离子鞘，从而控制靠近窗的等离子体的DC偏置来对非挥发性副产物在电介质窗表面的附着产生较小的影响。
[0065]在操作时，除了设定频率之外，还基于在等离子体腔室中执行的配方来选择施加于充电格栅108的功率的设定值。公知的是，配方将取决于许多因素以及将要执行的所期望的蚀刻操作。这些因素包括，但不限于，腔室压力、化学剂、温度、由RF线圈所提供功率等等。为了提供一个额外的控制，也需要基于特定的配方来设定提供给充电格栅108的特定功率。随着施加更多的功率，在设定频率处所传递的IEDF配置(profile)的大小也将增加。替代地，根据配方的期望设定，可施加更少的功率来减少能量的大小。提供给充电格栅108的示例性的功率其范围介于约5W到1000W之间。某些实施例则在介于50W到300W的范围之间操作，以及介于75W到150W之间操作。
[0066]在一个实施方式中，可以调谐充电格栅108的开槽(开口)的设计(即，衬底207上未被金属化的部分)，从而允许来自TCP RF系统的有效的功率分配。在一个实施方式中，将TCP RF功率设定为约13.56MHz来触发等离子体。在一个实施方式中，在设计所有从中心到边缘的开槽的开口的百分比时，优选的是使开口实质一致，这样的话内侧-外侧线圈功率沉积图案可尽可能地维持在未设置充电格栅的状态。在一个实施方式中，靠近中心以及周围的开口区域的百分比(即，无金属材料的区域)约大于50%，而在靠近外径及其周围的开口区域的区域，开口区域的百分比则约小于30%。在本实施例中，靠近中心区域的开口百分比比较大，并且随着半径达到充电格栅108的边缘时该开口百分比逐渐增大。在一个实施方式中进行该最优化这样使得开口百分比能够确定穿过充电格栅108的磁通量的大小，这样的话使TCP功率分布成等离子体。
[0067]也可以通过调整施加在充电格栅108上的2MHz功率来控制在线和离线清洗。在一个实施方式中，在线清洗需要实质上较低的功率提供给格栅以在常规的晶片处理期间保持电介质窗的清洁。但离线清洗需要更高的功率或更高的离子能量从而溅射掉在晶片处理期间已经沉积在电介质窗内侧表面的金属材料。也可以提供处理所需的大约13.56MHz功率的TCP等离子体密度以及清洗所需的2MHz的离子能量的独立控制。根据一个实施方式，对等离子体的生成来说，施加在TCP线圈上的13.56MHz功率比电容耦合的2MHz功率更有效，而2MHz功率可以更有效率地提高到电介质窗内侧表面的离子能量，从而保持窗的基本上的清洁。[0068]图8A-8C显示了根据本发明的一个实施方式，当充电格栅108被安装时，向腔室提供的示例性控制。图8A显示了施加于充电格栅108的RF电压独立地由其自身的功率控制。图8B显示了施加于充电格栅108的RF电压并不会受TCCT比率的显著影响。图8C显示了施加于充电格栅108的RF电压并不会受PCP功率的显著影响。进行测试的环境被如下配置,通以200sccm的気气,将腔室的压力设定约为IOmTorr,当无清洗(sweeping)时将TCCT设定为约0.8。
[0069]图9A显示了当利用充电格栅108进行实验时，DC偏压相对于TCP功率仍为可控的情况。在将充电格栅108设定在大约2MHz和900W时进行试验。图9B显示了，当在运行充电格栅108的情况下进行实验时，DC偏置也对应于腔室压力。在该实验中，将充电格栅108设置在2MHz和750W。根据所选处理中所期望的配方，通过运行图9A和图9B中的这些实验，可以收集数据以确定供给充电格栅108的功率的优选设定。实际上，可以进行许多更多的实验来限定出充电格栅108的功率设定值的范围，从而使得系统的使用者可以根据配方所需的处理条件来选择最接近的功率进行施加。
[0070]图1OA和IOB提供的数据表明，当充电格栅108连接到系统时，对DC偏置仍然施加控制。由于施加于充电格栅108的功率独立于RF TCP线圈上的功率，因此可以进行该控制。图9A-9B中所示的数据是通过操作包括有100M欧姆的探测器与连接到窗的电线来收集的。图11显示了实施充电格栅108时等离子体密度的图形。对腔室进行该实验的测试条件为:将TCP功率设定为500W，氩气为200sccm，SF6为50sccm，并且TCCT为I。
[0071]因此，上述示例性实施例中的充电格栅108非常适用于防止或控制在等离子体蚀刻操作期间沉积在电介质窗106的内侧上的副产物。对供给充电格栅108具有独立的RF功率的控制使得可以利用标准的配方设定值而进行完整的处理与配方控制，例如TCP功率、压力以及其他变量。这样的话，将充电格栅108安装在106处的样式(style)属性窗和TCP线圈之间不会影响正规操作或用以达成特定配方所预期的性能所需要的处理设定值。
[0072]在低频率下(B卩，大约2MHz)，对功率的独立控制将使得期望的设定能够有助于减少在电介质窗106上的蚀刻副产物的沉积，并且将因此减少待处理的晶片所必须的清洗操作的次数。此外，如上所述，通过减少在电介质窗106上的蚀刻副产物的沉积，能够保证在处理晶片到晶片期间更高的一致性以及更少的用以清洗电介质窗的关机(shutdown)。也就是说，可以显著提高腔室清洗的平均时间(MTBC)。
[0073]如本文所述，对供给充电格栅108的RF功率的独立控制指的是使得本架构能够与金属结构耦合的由RF线圈提供的相同的功率的实施例相区分。因此，在不考虑供给充电格栅108的功率是如何设定的情况下，将可对RF线圈所提供的功率(TCP功率)加以控制。
[0074]尽管已通过若干个实施方式来描述本发明，但应该了解的是，本领域技术人员通过阅读说明书内容并参考附图，将可以得到本发明的各种变形、附加、置换及其等同方案。因此，只要在本发明的实际主旨和范围之内，本发明旨在包括所有此类的变形、附加、置换及其等同方案。
【权利要求】
1.一种等离子体处理腔室，其包括: 静电夹盘，其用于接收衬底； 电介质窗，其与所述腔室的顶部相连，电介质窗的内侧面向位于所述静电夹盘上方的等离子体处理区域，所述电介质窗的外侧位于所述等离子体处理区域的外部； 内侧和外侧线圈，其设置在所述电介质窗的外侧，所述内侧和外侧线圈与第一 RF功率源相连； 充电格栅，其设置在所述电介质窗的所述外侧与所述内侧和外侧线圈之间，所述充电格栅与独立于所述第一 RF功率源的所述第二 RF功率源相连。
2.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其中所述充电格栅是从多个由开口区域所分隔的金属特征来定义的。
3.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其中与所述内侧和外侧线圈相连的所述第一RF功率源提供变压器耦合等离子体(TCP)功率。
4.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其中所述充电格栅由具有金属特征的衬底来定义。
5.如权利要求4所述的等离子体处理腔室，其中所述充电格栅的所述衬底与所述电介质窗的外侧接触。
6.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其中所述第二RF功率源是频率能调的以在操作时与所述腔室中的等离子体的负载相匹配。
7.如权利要求1所述的等离子体处理腔室，其中所述充电格栅是具有中央开口的盘形形状，所述中央开口是金属性的且与导电的多个辐条相连接。
8.一种腔室，其包括: 外壳; 夹盘，其用于支撑所述外壳中的晶片； 所述外壳的顶部，其由电介质窗定义； 充电格栅，其设置在所述电介质窗的上方； TCP线圈，其设置在所述充电格栅的上方；以及 RF功率，其与所述充电格栅相连，所述充电格栅独立于所述TCP线圈。
9.如权利要求8所述的腔室，其中所述充电格栅包括多个由开口区域所分隔的导电特征。
10.一种腔室，其包括: 夹盘，其用于支撑所述腔室中的晶片； 所述腔室的顶部，其由所述电介质窗定义； 充电格栅，其设置在所述电介质窗的上方； TCP线圈，其设置在所述充电格栅的上方；以及 RF功率，其与所述充电格栅相连，所述充电格栅独立于所述TCP线圈。
11.如权利要求10所 述的腔室，其中所述充电格栅包括多个由开口区域分隔的导电特征。
12.如权利要求10所述的腔室，其中与所述充电格栅相连的所述RF功率独立于与所述TCP线圈相连的所述RF功率。
13.一种用于在等离子体蚀刻腔室中处理晶片的方法，其包括: 将第一 RF功率施加到所述等离子体蚀刻腔室的顶部电介质窗上，所述第一 RF功率被施加到内侧和外侧线圈； 将第二 RF功率施加到所述等离子蚀刻腔室的所述顶部电介质窗上，所述第二 RF功率被施加到充电格栅上，该充电格栅被设置在所述内侧和外侧线圈与所述电介质窗之间；并且 将所述第一 RF功率的设定独立于所述第二 RF功率的设定，其中由所述第二 RF功率所施加的频率和功率水平不同于由所述第一 RF功率所施加的频率和功率水平。
14.如权利要求13所述的方法，其中将所述第二RF功率的所述频率设定在介于1.5MHz和2.5MHz之间的范围的低频率，并调谐到通过所述充电格栅呈现的来自所述等离子体蚀刻腔室中处理的等离子体的负载。
15.如权利要求13所述的方法，其中以瓦特为单位的所述第二RF功率的所述功率水平与以瓦特为单位的所述第一 RF功率的所述功率水平能彼此独立地调节。
16.如权利要求13所述的方法，其中将施加于所述TCP线圈的所述第一RF功率的所述频率设定在约13.56MHz ο
17.如权利要求13所述的方法，其中将所述充电格栅配置为覆盖所述电介质窗的外表面。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述覆盖所述电介质窗的外表面包括定义所述充电格栅的导电特征之间的距离。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述第二RF功率源为具有用于在所述等离子体蚀刻腔室的处理期间基于通过匹配器呈现的负载而自动调整所述第二 RF功率的频率的调谐的生成器。
20.如权利要求19所述的方法，其中该自动调整在处理期间是随着时间推移自动地基于所述等离子体腔室中的条件而进行的。
【文档编号】H01L21/3065GK103918064SQ201280029581
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2011年6月15日
【发明者】龙茂林, 亚历克斯·帕特森, 理查德·马什, 吴英 申请人:朗姆研究公司