專利名稱：具有單一平面天線的電感耦合雙區(qū)域處理室的制作方法
具有單一平面天線的電感耦合雙區(qū)域處理室
背景技術(shù)：
等離子體處理裝置通過包括刻蝕、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)離子 注入和光刻膠(resist)除去等的技術(shù)來處理襯底。等離子體處理中使用的一種等離子體 處理裝置包括外部感應天線。在天線下面的室中產(chǎn)生電磁場以將處理氣體激勵為等離子態(tài) 從而在該反應室中處理襯底。

發(fā)明內(nèi)容
提供一種雙區(qū)域等離子體處理室。該等離子體處理室包括具有適于在該處理室中
支撐第一襯底的第一支撐表面的第一襯底支柱和具有適于在該處理室中支撐第二襯底的 第二支撐表面的第二襯底支柱。流體連通于一個或多個氣體分配構(gòu)件的一個或多個氣體源
向毗鄰該第一襯底支柱的第一區(qū)域和毗鄰該第二襯底支柱的第二區(qū)域供應處理氣體。適于 將射頻能量電感耦合到該處理室內(nèi)部并將該處理氣體在該第一和第二區(qū)域中激勵到等離 子態(tài)的射頻(RF)天線。該天線位于該第一襯底支柱和該第二襯底支柱之間。
—種在等離子體處理室中同時處理第一和第二半導體襯底的方法。將第一襯底放 置在該雙區(qū)域等離子體處理室中的該第一襯底支柱上，將第二襯底放置在該雙區(qū)域等離子 體處理室中的該第二襯底支柱上。從該一個或多個氣體源向該天線和該第一襯底之間的該 第一區(qū)域中釋放處理氣體并向該天線和該第二襯底之間的該第二區(qū)域中釋放處理氣體。從 該第一區(qū)域中的處理氣體生成第一等離子體。從該第二區(qū)域中的處理氣體生成第二等離子 體。用該第一等離子體處理該第一襯底并用該第二等離子體處理該第二襯底。


圖1是用于處理單一襯底的電感耦合等離子體處理裝置的橫截面視圖。 圖2是用于在同樣的處理條件下處理橫向結(jié)構(gòu)中的兩個縱向間隔開的襯底的電
感耦合雙區(qū)域等離子體處理裝置的橫截面視圖。 圖3是用于在同樣的處理條件下處理縱向結(jié)構(gòu)中的兩個橫向間隔開的襯底的電 感耦合等離子體處理裝置的橫截面視圖。 圖4是用于在不同處理條件下處理在橫向結(jié)構(gòu)中的兩個縱向間隔開的襯底的電 感耦合等離子體處理裝置的橫截面視圖。
具體實施例方式
電感耦合等離子體處理室通常被用來通過將處理氣體供應到低壓(也就是說，低 于50毫托)下的真空室并向該氣體施加射頻(RF)能量，在襯底上沉積(例如，等離子體增 強化學氣相沉積或PECVD)和等離子體刻蝕材料。在處理過程中，可以通過襯底固定裝置將 該襯底固定就位，該襯底固定裝置包括機械夾具和靜電夾具(ESC)。對于電感耦合等離子體 (ICP)系統(tǒng)，射頻天線位于處理室外并且射頻能量通過電介質(zhì)窗被電感耦合到該室中。這種 處理系統(tǒng)可被用于各種半導體處理應用，比如刻蝕、沉積或光刻膠剝離。
4
圖1是ICP等離子體處理室10的一個實施方式的橫截面視圖。ICP等離子 體處理室的一個實施例是由加利福尼亞州弗雷蒙市的朗姆研究公司(Lam Research Corporation)制造的TCP⑧刻蝕或沉積系統(tǒng)。例如，在專利號為4， 948， 458的共同持有的 美國專利(其內(nèi)容通過參考全部并入此處)中，也描述了 ICP等離子體處理室。處理室IO 包括具有支撐表面14的襯底支柱12。支撐表面14適于支撐襯底16。真空泵18連接于泵 開口 20以將處理室10的內(nèi)部保持在低壓下(例如，在約1毫托到約50毫托之間)。氣體 源22通過氣體分配板、噴淋頭布置、注射器或其它合適的布置向處理室10的內(nèi)部供應處理 氣體。處理氣體可以由該氣體分配構(gòu)件24引入到毗鄰襯底16的區(qū)域。
—旦處理氣體被引入處理室10的內(nèi)部之后，它們被能量源(其向處理室10內(nèi)部 供應能量)激勵為等離子態(tài)。優(yōu)選地，該能量源是外部的平面天線(Planar antenna) 26，其 由射頻電源28和射頻阻抗匹配線路30加電以將射頻能量電感耦合入處理室10中。由向 平面天線26施加射頻電力所產(chǎn)生的電磁場激勵該處理氣體以在襯底上方形成高密度等離 子體30 (例如，1011-1012個離子/立方厘米)。 電介質(zhì)窗32在平面天線26下面并形成等離子體處理室10的頂壁。氣體分配構(gòu) 件24被放置于電介質(zhì)窗32下。高密度等離子體30在氣體分配構(gòu)件24和襯底16之間的 區(qū)域中產(chǎn)生，以進行襯底16的沉積或刻蝕。 為了提高生產(chǎn)效率，同時最小化功率需求，此處描述一種新型雙區(qū)域等離子體處 理室，其可以在單一平面天線的相對側(cè)上同時處理兩塊襯底。使由平面天線18產(chǎn)生的對稱 的電磁場最大化的一種途徑是圖2的實施方式的雙區(qū)域結(jié)構(gòu)。圖2是雙區(qū)域ICP等離子體 處理室100的一個實施方式的橫截面視圖，其包括區(qū)域110、210。處理室100的區(qū)域110、 210分別包括電介質(zhì)窗132、232和襯底支柱112、212(分別具有橫向支撐表面114、214)之 間的空間。支撐表面114、214適于將襯底116、216支撐在水平位置。通過從各室壁延伸并 在處理室100的直徑上彼此相對的支撐臂，可以以懸臂的方式支撐襯底支柱112、212。
真空泵118、218連接于泵開口 120、220以將處理室100內(nèi)部保持在低壓下(例 如，在約1毫托到約50毫托之間)。泵開口 120、220毗鄰襯底支柱120、220并且可以在處 理室100的直徑上彼此相對。 公共氣體源122將處理氣體供應到處理室100的內(nèi)部，供應到區(qū)域110、210。處理 氣體可以被引入任何合適的氣體分配布置，例如分別毗鄰襯底116、216的雙末端氣體注射 器或分配構(gòu)件124。公共氣體源122和氣體分配構(gòu)件124的使用確保了向區(qū)域110和210 傳送同樣的氣體成分。該氣體分配布置可以包括彼此流體連通并由公共通道125(其延伸 穿過電介質(zhì)窗132、232中的開口 )連接的兩個氣體分配構(gòu)件(例如，氣體分配環(huán)、氣體分配 板或者氣體注入噴管)。例如，在專利號為6， 184， 158和6， 230， 651的共同持有的美國專 利(其內(nèi)容通過參考全部并入此處)中，也描述了這種氣體分配構(gòu)件。泵開口 120、220和 真空泵118、218的位置在室100的相對端有助于在襯底116、216的整個表面上均勻地分配 處理氣體。 襯底116、216被固定在襯底支柱112、212的合適位置上。襯底支柱可包括靜電 卡盤(ESC)、機械夾具或其它夾持機構(gòu)。例如，在專利號為5， 262， 029和5， 838， 529的共同 持有的美國專利(其內(nèi)容通過參考全部并入此處)中，也描述了這種襯底支柱。襯底支柱 112、212還可以包括射頻偏置電極(未示)。為了控制襯底116、216的溫度，可以通過從襯底下方流過的氦氣冷卻襯底116、216，并且可以液體冷卻襯底支柱112、212(未示)。在專 利號為6， 140，612的共同持有的美國專利(其內(nèi)容通過參考全部并入此處)中，描述了這 種溫度控制。 —旦處理氣體被引入處理區(qū)域110U20內(nèi)部之后，它們被單一的外部平面天線 126激勵為等離子態(tài)，該單一外部平面天線126以相對的方向向處理室100內(nèi)部的區(qū)域 110、 120中供應射頻能量。該外部平面天線126是由單一射頻源128和射頻阻抗匹配線路 130加電的，以將射頻能量電感耦合到處理室100中。通過施加射頻電力在平面天線126的 上方和下方產(chǎn)生的對稱的電磁場激勵處理氣體以在與襯底116、216縱向毗鄰的區(qū)域中形 成高密度等離子體130、230 (例如10"-1012個離子/立方厘米)。處理室100的結(jié)構(gòu)具有 在用于單一襯底處理的室的占地區(qū)域內(nèi)使襯底處理能力加倍的潛力，而不需要運行兩個處 理室所需的額外的射頻能量花費。 該單一的外部平面天線126可以包含一個或多個平面螺旋線圈或者其它的結(jié)構(gòu)， 比如一連串同心環(huán)。通過使用更長的導電元件來增加天線的直徑可以擴展平面線圈，并因 此適應更大的襯底(比如300毫米晶圓)，或者可以使用以平面陣列排列的多個線圈以在很 寬的區(qū)域上產(chǎn)生均勻的等離子體，比如用來進行平板顯示屏處理。 該外部平面天線126位于環(huán)境氣壓(也就是大氣壓)下的空間314中。空間134 在電介質(zhì)窗132和電介質(zhì)窗232之間。電介質(zhì)窗132、232可以是由對射頻能量透明的任何 電介質(zhì)材料(比如石英)組成的。電介質(zhì)窗132在平面天線126下面并相對于區(qū)域110形 成頂壁。同樣地，電介質(zhì)窗232覆蓋平面天線126并相對于區(qū)域210形成下壁。在一個實 施方式中，空間134由金屬隔室(其由電介質(zhì)窗132、232作為該隔室的壁支撐)包圍。
當襯底116、216在處理室100中處理時，射頻電源128向天線126供應射頻電流， 優(yōu)選地在100kHz-27MHz范圍內(nèi)，更優(yōu)選地是13. 56MHz。 圖3是雙區(qū)域ICP等離子體處理室300的另一個實施方式的橫截面視圖，該雙區(qū) 域ICP等離子體處理室300包括區(qū)域310、410。除了處理室100的方向之外，等離子體處理 室300的結(jié)構(gòu)類似于圖2的等離子體處理室100。處理室300的區(qū)域310、410分別包括電 介質(zhì)窗332、432和襯底支柱312、412(分別具有豎直支撐表面314、414)之間的空間。支撐 表面314、414適于將襯底316、416支撐在豎直位置。優(yōu)選地，襯底支柱312、412是在處理 室300的直徑上彼此相對的。真空泵318、418連接于泵開口 320、420以使處理室300內(nèi)部 保持在低壓下(例如，在約1毫托到約50毫托之間)。泵開口 320,420毗鄰襯底支柱312、 412并且優(yōu)選地是在處理室300的直徑上彼此相對的。 公共氣體源322向處理室300內(nèi)部供應處理氣體。處理氣體可以被引入任何合適 的氣體分配布置，例如分別毗鄰襯底316、416的雙末端氣體注射器或分配構(gòu)件324。該氣體 分配布置可以包括彼此流體連通并由公共通道325(其延伸穿過電介質(zhì)窗332、432中的開 口 )連接的兩個氣體分配構(gòu)件(例如，氣體分配環(huán)、氣體分配板或者氣體注入噴管)。
襯底316，416被固定在襯底支柱312、412上的合適位置上。襯底支柱可包括靜電 卡盤(ESC)、機械夾具或其它夾持機構(gòu)。襯底支柱312、412還可以包括射頻偏置電極(未 示)。為了控制襯底316、416的溫度，可以通過從襯底下方流過的氦氣冷卻襯底316、416， 并且可以液體冷卻襯底支柱316、416 (未示)。 —旦處理氣體被釋放到處理區(qū)域310、410中之后，它們被單一天線布置(其向處理室300供應能量)激勵到等離子態(tài)。優(yōu)選地，該能量源是外部平面天線326，其由射頻電源328和射頻阻抗匹配線路330加電以將射頻能量電感耦合到處理室300中。通過施加射頻電力由平面天線326產(chǎn)生的對稱的電磁場激勵該處理氣體以形成橫向毗鄰襯底316、416的高密度等離子體330、430 (例如，IO"-IO12個離子/立方厘米)。類似于圖2的處理室100，處理室300的結(jié)構(gòu)具有加倍襯底處理能力的潛力，而不需要額外的射頻能量花費。
外部平面天線326被支撐在電介質(zhì)窗332和電介質(zhì)窗432之間的空間334中(其在環(huán)境氣壓下)。電介質(zhì)窗332、432可以是由對射頻能量透明的任何電介質(zhì)材料(比如石英)組成的。電介質(zhì)窗332橫向毗鄰平面天線326并相對于區(qū)域310形成側(cè)壁。同樣地，電介質(zhì)窗432(也橫向毗鄰平面天線326)相對于區(qū)域410形成側(cè)壁。在一個實施方式中，空間334由金屬隔室(其由電介質(zhì)窗332、432作為該隔室的壁支撐)包圍。
圖4是具有子室500、600(其包括區(qū)域510、610)以在不同的處理條件下同時處理兩塊襯底的雙區(qū)域ICP等離子體處理室的另一個實施方式的橫截面視圖。類似于圖2的實施方式，處理子室500、600的結(jié)構(gòu)包括橫向支撐表面514、614。 子室500、600的區(qū)域510、610分別包括電介質(zhì)窗532、632和襯底支柱512、612 (其具有橫向支撐表面514、614)之間的空間。支撐表面514、614適于將襯底516、616支撐在橫向位置。襯底支柱512、612可以在直徑上彼此相對。真空泵518、618連接于泵開口 520，620以將處理室300內(nèi)部保持在低壓下(例如，在約1毫托到約50毫托之間)。泵開口 520、620毗鄰襯底支柱512、612并可以在直徑上彼此相對。 氣體源522、622向處理室300內(nèi)部供應處理氣體。處理氣體可以被引入毗鄰襯底516、616的氣體分配構(gòu)件524、624。如果襯底516、616經(jīng)受不同的等離子體處理條件，那么氣體源522、622可以供應不同的氣體配方。例如，襯底516可以經(jīng)歷刻蝕處理，而襯底616經(jīng)歷化學氣相沉積處理，或者反過來?？涛g處理的例子包括導體刻蝕、電介質(zhì)刻蝕或光刻膠剝離。淀積處理的例子包括電介質(zhì)或?qū)щ姳∧さ幕瘜W氣相沉積。氣體分配構(gòu)件524、624可以包括氣體分配環(huán)、氣體分配板或氣體注入噴管。 一旦將射頻能量供應到平面天線526，那么區(qū)域510、610中的處理氣體就會被激勵，形成用于等離子體處理襯底516、616的等離子體530、630。 如果使用來自氣體源522、622的不同的處理氣體來產(chǎn)生等離子體530、630，那么就必須用隔斷536隔離子處理室500、600。因為使用不同的氣體化學物質(zhì)來產(chǎn)生等離子體530、630并產(chǎn)生不同的副產(chǎn)品，那么沒有隔斷536的話，從氣體分配構(gòu)件524、624釋放的不同的處理氣體和處理的副產(chǎn)品可能朝該處理室500、600的計劃外區(qū)域擴散，而不是均勻散布在襯底516、616的表面上。 襯底516，616被固定在襯底支柱512、612上的合適位置。襯底支柱可以包括靜電卡盤(ESC)、機械夾具或其它夾持機構(gòu)。襯底支柱512、612還可包括射頻偏置電極(未示)。為了控制襯底516、616的溫度，可以通過從襯底下方流過的氦氣冷卻襯底516、616，并且可以液體冷卻襯底支柱516、616 (未示)。 —旦處理氣體被釋放到處理區(qū)域510、610內(nèi)部之后，它們被單一天線布置(其向處理室500、600的內(nèi)部供應能量)激勵到等離子態(tài)。優(yōu)選地，該能量源是外部平面天線526，其由射頻電源528和射頻阻抗匹配線路530加電以將射頻能量電感耦合到處理室500、600中。通過施加射頻電力由平面天線526產(chǎn)生的對稱的電磁場激勵該處理氣體以形成橫向毗鄰襯底516、616的高密度等離子體530、630 (例如，1011-1012個離子/立方厘米)。類似于圖2和圖3的處理室200、300，處理室500、600的結(jié)構(gòu)具有加倍襯底處理能力的潛力，而不需要額外的射頻能量花費。 外部平面天線526被支撐在電介質(zhì)窗532和電介質(zhì)窗632之間的空間534中(其在環(huán)境氣壓下)。電介質(zhì)窗532、632可以是由對射頻能量透明的任何電介質(zhì)材料(比如石英)組成的。電介質(zhì)窗532橫向毗鄰平面天線526并相對于區(qū)域510形成頂壁。同樣地，電介質(zhì)窗632(也橫向毗鄰平面天線526)相對于區(qū)域610形成底壁。在一個實施方式中，空間534由金屬隔室(其由電介質(zhì)窗532、632作為該隔室的壁支撐)包圍。
在用于在不同處理條件下同時處理兩塊襯底的另一個實施方式中，子處理室的結(jié)構(gòu)可包括豎直支撐表面，類似于圖3的實施方式。 盡管參考具體實施方式
對本發(fā)明進行了詳細描述，然而對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然，可以做出各種變化和修改，并使用等同替換，而不背離所附權(quán)利要求的范圍。
8
權(quán)利要求
一種雙區(qū)域等離子體處理室，包含具有適于在該處理室中支撐第一襯底的第一支撐表面的第一襯底支柱；具有適于在該處理室中支撐第二襯底的第二支撐表面的第二襯底支柱；一個或多個氣體源，其流體連通于一個或多個氣體分配構(gòu)件，該一個或多個氣體源向毗鄰該第一襯底支柱的第一區(qū)域和毗鄰該第二襯底支柱的第二區(qū)域供應處理氣體；以及適于將射頻能量電感耦合到該處理室內(nèi)部并將該處理氣體在該第一和第二區(qū)域中激勵到等離子態(tài)的射頻(RF)天線，其中該天線位于該第一襯底支柱和該第二襯底支柱之間。
2. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該天線是在環(huán)境氣壓下的隔室中的平面 線圈。
3. 如權(quán)利要求2所述的等離子體處理室，其中該隔室在第一和第二電介質(zhì)窗之間，該 第一電介質(zhì)窗位于該平面線圈和該第一支撐表面之間而該第二電介質(zhì)窗位于該平面線圈 和該第二支撐表面之間。
4. 如權(quán)利要求3所述的等離子體處理室，其中該平面線圈通過該第一電介質(zhì)窗電感耦 合射頻電力以在該第一電介質(zhì)窗和該第一支撐表面之間的該第一區(qū)域中形成第一等離子 體；并通過該第二電介質(zhì)窗電感耦合射頻電力以在第一電介質(zhì)窗和該第一支撐表面之間的 該第二區(qū)域中形成第二等離子體。
5. 如權(quán)利要求3所述的等離子體處理室，其中該第一和第二電介質(zhì)窗是對射頻能量透 明的。
6. 如權(quán)利要求3所述的等離子體處理室，其中該一個或多個氣體分配構(gòu)件包含延伸穿 過該第一電介質(zhì)窗和該第二電介質(zhì)窗的雙末端注射器，其中該一個或多個氣體源向該雙末 端注射器供應同樣的處理氣體。
7. 如權(quán)利要求3所述的等離子體處理室，其中該一個或多個氣體分配構(gòu)件包括毗鄰該 第一電介質(zhì)窗的第一氣體分配構(gòu)件和毗鄰該第二電介質(zhì)窗的第二氣體分配構(gòu)件，其中該一 個或多個氣體源包括第一氣體源和第二氣體源，該第一氣體源向該第一氣體分配構(gòu)件供應 第一處理氣體而該第二氣體源向該第二氣體分配構(gòu)件供應第二處理氣體。
8. 如權(quán)利要求7所述的等離子體處理室，其中該第一和第二氣體分配構(gòu)件是氣體分配 環(huán)、氣體分配板或氣體注入噴管。
9. 如權(quán)利要求7所述的等離子體處理室，其中該等離子體處理室包括多個獨立的子 室，該第一襯底支柱和第二襯底支柱位于該獨立的子室中。
10. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該第一支撐表面平行于該第二支撐表面。
11. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該天線位于該第一和第二襯底支柱的 中點。
12. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該第一支撐表面和第二支撐表面是縱 向間隔開的。
13. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該第一支撐表面和第二支撐表面是橫 向間隔開的。
14. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，其中該第一和第二襯底支柱包括靜電卡盤 或機械夾具。
15. 如權(quán)利要求1所述的等離子體處理室，進一步包含毗鄰該第一襯底支柱的第一泵 開口和毗鄰該第二襯底支柱的第二泵開口 ，該第一泵開口與該第二泵開口在直徑上相對。
16. —種在等離子體處理室中同時處理第一和第二半導體襯底的方法，包含 將第一襯底放置在權(quán)利要求1所述的等離子體處理室中的該第一襯底支柱上，將第二襯底放置在權(quán)利要求1所述的等離子體處理室中的該第二襯底支柱上；從該一個或多個氣體源向該天線和該第一襯底之間的該第一區(qū)域中釋放處理氣體并向該天線和該第二襯底之間的該第二區(qū)域中釋放處理氣體；從該第一區(qū)域中的處理氣體生成第一等離子體并從該第二區(qū)域中的處理氣體生成第二等離子體；以及同時用該第一等離子體處理該第一襯底并用該第二等離子體處理該第二襯底。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中向該第一區(qū)域和該第二區(qū)域中釋放同樣的處理氣體。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中處理該第一襯底和該第二襯底包括導電或電介質(zhì) 材料的沉積。
19. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中處理該第一襯底和該第二襯底包括金屬、電介質(zhì) 的高密度等離子體刻蝕或光刻膠剝離。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中向該第一區(qū)域中釋放第一處理氣體，向該第二區(qū) 域中釋放第二處理氣體，該第一襯底被等離子體刻蝕而該第二襯底經(jīng)受等離子體增強化學 氣相沉積。
全文摘要
提供一種雙區(qū)域等離子體處理室。該等離子體處理室包括具有適于在該處理室中支撐第一襯底的第一支撐表面的第一襯底支柱和具有適于在該處理室中支撐第二襯底的第二支撐表面的第二襯底支柱。流體連通于一個或多個氣體分配構(gòu)件的一個或多個氣體源向毗鄰該第一襯底支柱的第一區(qū)域和毗鄰該第二襯底支柱的第二區(qū)域供應處理氣體。適于將射頻能量電感耦合到該處理室內(nèi)部并將該處理氣體在該第一和第二區(qū)域中激勵到等離子態(tài)的射頻(RF)天線。該天線位于該第一襯底支柱和該第二襯底支柱之間。
文檔編號H01L21/3065GK101720500SQ200880022326
公開日2010年6月2日 申請日期2008年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者桑凱特·P·圣 申請人:朗姆研究公司