本發(fā)明涉及半導體處理設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種電感耦合等離子體處理系統(tǒng)及處理方法。

背景技術(shù)：

電感耦合等離子體處理系統(tǒng)包括射頻電源系統(tǒng)。其中，射頻電源系統(tǒng)包括源射頻電源系統(tǒng)和偏置射頻電源系統(tǒng)。其中，源射頻電源系統(tǒng)和偏置射頻電源系統(tǒng)均包括射頻電源和匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分。其中，匹配網(wǎng)絡(luò)在射頻電源和電感耦合等離子體處理設(shè)備的負載之間，用于根據(jù)負載阻抗的變化情況，快速調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，使射頻電源和變化的負載之間一直處于阻抗匹配狀態(tài)。在電感耦合等離子體處理設(shè)備中，負載為反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體。

對于現(xiàn)有的電感耦合等離子體處理設(shè)備的射頻電源系統(tǒng)來說，其中，源射頻電源和偏置射頻電源均為固定射頻頻率的電源，該固定射頻頻率通常為13.56MHz，并且源匹配網(wǎng)絡(luò)自動匹配網(wǎng)絡(luò)，該固定射頻頻率通常為13.56MHz。在該結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)中，該自動匹配網(wǎng)絡(luò)依靠兩個能夠做機械運動的可變真空電容器來實現(xiàn)射頻電源阻抗與等離子體阻抗相匹配。然而，對于快速的博世(Bosch)工藝過程或脈沖工藝過程，機械運動的可變電容器由于其較慢的響應(yīng)速度使得其不能很好地匹配快速變化的等離子體阻抗，因而，限制了該結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)在半導體處理過程的應(yīng)用。

為了克服上述匹配網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢的缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中，還設(shè)置了電感耦合等離子體處理設(shè)備的電源系統(tǒng)的匹配網(wǎng)絡(luò)的另外一種結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，源射頻電源和偏置射頻電源均為自動調(diào)頻的電源，其源匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置匹配網(wǎng)絡(luò)均為寬頻帶的固定匹配網(wǎng)絡(luò)。該結(jié)構(gòu)的匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對快速的博世(Bosch)工藝過程或脈沖工藝過程的快速匹配。并且，為了避免源射頻功率系統(tǒng)和偏置射頻功率系統(tǒng)之間的相互干擾，源射頻功率系統(tǒng)和偏置射頻功率系統(tǒng)通常工作在不同的頻率段，例如，400kHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、40MHz或60MHz頻率段。但是，當源射頻功率系統(tǒng)和偏置射頻功率系統(tǒng)除了需 要進行阻抗匹配以外，其中的源射頻功率施加到反應(yīng)腔頂部的電感線圈，這些線圈除了透過反應(yīng)器頂部的絕緣材料窗向下饋入交變的磁場外，還會有交變的電場進入，而這些電場耦合部分會對下方的反應(yīng)速度分布均一性以及電路系統(tǒng)的耐壓設(shè)計產(chǎn)生很大的影響，是需要盡量減小的?，F(xiàn)有技術(shù)中，源射頻電源輸出電流進入匹配器，匹配器調(diào)節(jié)阻抗后電流進入線圈的輸入端并從輸出端流出，電流輸出端和接地端之間設(shè)置一個電容，這個電容的數(shù)值需要精確控制的，這樣從電容上產(chǎn)生的反射的射頻電壓會與入射的射頻電壓疊加形成駐波，這些駐波沿著電感線圈輸入端和輸出端的分布，最佳的是從正的第一電壓峰值Vp到負的第一電壓峰值-Vp，也就是平衡狀態(tài)。相對的最差的分布會是從輸入端到輸出端形成2Vp到0這樣的分布，這種分布狀態(tài)下電感線圈兩端的電壓幅值嚴重不均衡，會對下方反應(yīng)腔內(nèi)的電磁場存在很大的影響，最終使得下方等離子處理效果的分布不均。而自動調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用到源射頻電源后輸出的頻率在運行過程中是經(jīng)常變化的，此時電感線圈輸出端上連接的電容無法跟上上述高速變化，最終使得線圈上的電壓分布無法實現(xiàn)平衡狀態(tài)。

另外，當工藝過程較長時，電感耦合等離子體處理設(shè)備的等離子體阻抗的電阻部分有時會發(fā)生一定的變化，但是由于固定匹配網(wǎng)絡(luò)的匹配阻抗的電阻部分在整個工藝過程中是基本固定的，所以，帶自動調(diào)頻射頻電源系統(tǒng)的固定匹配網(wǎng)絡(luò)不能對等離子體阻抗的電阻部分的變化進行很好的匹配，從而不能很好地對偏置射頻電源和負載之間進行阻抗匹配的調(diào)整，進而會產(chǎn)生一定的反射功率。對于有些本身需要較小數(shù)值的偏置功率的工藝如Bosch刻蝕工藝，這樣的反射功率會嚴重影響刻蝕形成通孔的形貌。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的第一方面提供了一種電感耦合等離子體處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)射頻電源和等離子體之間的阻抗快速準確地匹配。

基于本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的第二方面提供了一種電感耦合等離子體的處理方法。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種電感耦合等離子體的處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)包括反應(yīng)腔室、靜電夾 盤、陰極和電感耦合線圈，所述靜電夾盤設(shè)置在所述反應(yīng)腔室內(nèi)的內(nèi)部、所述陰極設(shè)置在所述靜電夾盤的下方，所述電感耦合線圈設(shè)置在所述反應(yīng)腔室頂蓋上方或側(cè)壁上，其中，所述源匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接所述源射頻電源的輸出端，所述源匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端連接所述電感耦合線圈的輸入端，所述偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入端連接所述偏置射頻電源的輸出端，所述偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出端連接所述陰極，所述處理系統(tǒng)還包括射頻電源系統(tǒng)，所述射頻電源系統(tǒng)包括源射頻電源系統(tǒng)和偏置射頻電源系統(tǒng)，所述源射頻電源系統(tǒng)包括源射頻電源和源匹配網(wǎng)絡(luò)，所述偏置射頻電源系統(tǒng)包括偏置射頻電源和偏置匹配網(wǎng)絡(luò)，其中，所述源射頻電源為固定頻率的電源，所述偏置射頻電源為調(diào)頻電源，所述源匹配網(wǎng)絡(luò)為自動匹配網(wǎng)絡(luò)，所述偏置匹配網(wǎng)絡(luò)為具有寬頻帶工作的固定匹配網(wǎng)絡(luò)。

可選地，所述源匹配網(wǎng)絡(luò)為寬頻帶工作的自動匹配網(wǎng)絡(luò)。

可選地，還包括鎖相線，所述鎖相線的一端連接所述源射頻電源，所述鎖相線的另一端連接所述偏置射頻源。

可選地，所述電感耦合線圈至少包括一組射頻線圈。

一種電感耦合等離子體的處理方法，其特征在于，應(yīng)用上述任一項所述的處理系統(tǒng)，所述處理方法包括：

步驟a、向反應(yīng)腔室內(nèi)通入第一反應(yīng)氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)節(jié)可變電容或可變電感以實現(xiàn)阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第一頻率的第一偏置射頻功率到反應(yīng)腔室內(nèi)的陰極，將偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置為預設(shè)值；

步驟b、向反應(yīng)腔室內(nèi)通入第二反應(yīng)氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)節(jié)可變電容或可變電感以實現(xiàn)阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第二頻率的第二偏置射頻功率到反應(yīng)腔室內(nèi)的陰極，將偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置為預設(shè)值；

步驟c、交替執(zhí)行所述步驟a和所述步驟b。

可選地，所述偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與所述源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)中，源射頻電源為固定頻率的電源，其源匹配網(wǎng)絡(luò)為自動匹配網(wǎng)絡(luò)，該自動匹配網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)υ瓷漕l電源輸出的阻抗進行自動調(diào)節(jié)，以使源射頻電源輸出的阻抗與等離子體阻抗相匹配，從而得到非常低的反射頻率。另外，該源射頻電源為固定頻率的電源，其造成的電場不會耦合到下方陰極的阻抗匹配。

此外，偏置射頻電源系統(tǒng)包括寬頻帶的固定匹配網(wǎng)絡(luò)和可自動調(diào)頻的偏置射頻電源，由于這個偏置射頻電源系統(tǒng)具有較快的自動頻率調(diào)諧速率，所以，它能夠?qū)崿F(xiàn)對快速變化的博世工藝過程或脈沖工藝過程的快速變化阻抗的良好匹配。并且，由于偏置射頻電源系統(tǒng)具有可調(diào)頻的電源和寬頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，因此，它具有較寬的阻抗匹配范圍。

因此，本發(fā)明提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)射頻電源和等離子體之間的阻抗快速準確地匹配。

附圖說明

為了清楚地理解本發(fā)明或現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù)方案，下面將描述現(xiàn)有技術(shù)或本發(fā)明的具體實施方式時用到的附圖做一簡要說明。顯而易見地，這些附圖僅是本發(fā)明的部分實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體處理方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案、有益效果更加清楚、完整，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述。

如背景技術(shù)部分所述，現(xiàn)有的匹配網(wǎng)絡(luò)不僅使得線圈上的電壓分布無法實現(xiàn)平衡狀態(tài)，而且在較低應(yīng)用功率下時不能一直獲得很小反射功率，由此得知的現(xiàn)有的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)不能實現(xiàn)射頻電源和等離子體之間的阻抗快速準確地匹配。為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種新的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)。具體參見圖1。

圖1是本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該電感耦合等離子體處理系統(tǒng)包括以下結(jié)構(gòu)：

反應(yīng)腔室01、靜電夾盤02、電感耦合線圈03、源射頻電源04、偏置射頻電源05、源匹配網(wǎng)絡(luò)06以及偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07。

其中，靜電夾盤02設(shè)置于所述反應(yīng)腔室01內(nèi)部，電感耦合線圈03設(shè)置于所述反應(yīng)腔室01的頂蓋上，源匹配網(wǎng)絡(luò)06設(shè)置在所述源射頻電源04以及電感耦合線圈03之間。偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07設(shè)置在偏置射頻電源05和靜電夾盤02下方陰極(圖1中未示出)之間。也就是說，偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07連接在靜電夾盤02下方陰極上。

由源射頻電源04產(chǎn)生的射頻功率經(jīng)過源匹配網(wǎng)絡(luò)06和電感耦合線圈03進入反應(yīng)腔室01的內(nèi)部，在反應(yīng)腔室01內(nèi)產(chǎn)生射頻電場，電離反應(yīng)腔室01內(nèi)的反應(yīng)氣體，從而產(chǎn)生等離子體，產(chǎn)生的等離子體用于對放置在靜電夾盤02上的晶片進行刻蝕等工藝。所以，由源射頻電源04產(chǎn)生的射頻功率會影響反應(yīng)腔體內(nèi)的等離子體密度分布，從而影響等離子體的阻抗。

偏置射頻電源05產(chǎn)生的偏置射頻功率用于影響反應(yīng)腔室內(nèi)的等離子體對處理晶圓的處理速率和刻蝕孔徑的形狀結(jié)構(gòu)。偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07用于調(diào)節(jié)偏置射頻電源05輸出的阻抗，使其與等離子體阻抗相匹配。

以上所述為電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

需要說明的是，作為本發(fā)明的另一實施例，所述電感耦合線圈也可以設(shè)置于反應(yīng)腔室的側(cè)壁靠近頂部的位置。

在本發(fā)明實施例中，源射頻電源系統(tǒng)和偏置射頻電源系統(tǒng)構(gòu)成電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的射頻電源系統(tǒng)。其中，所述源射頻電源系統(tǒng)包括源射頻電源和源匹配網(wǎng)絡(luò)，所述偏置射頻電源系統(tǒng)包括偏置射頻電源和偏置匹配網(wǎng)絡(luò)，其中，源射頻電源為固定頻率的射頻電源，偏置射頻電源為調(diào)頻電源，并且所述源匹配網(wǎng)絡(luò)為寬頻帶的固定匹配網(wǎng)絡(luò)，所述偏置匹配網(wǎng)絡(luò)為自動匹配網(wǎng)絡(luò)。

由于源射頻電源為固定頻率的射頻電源，有利于電感耦合等離子體處理系統(tǒng)上方的電感耦合線圈中的電壓分布均勻，因此，有利于減少較多的電場耦合到下方的陰極上，從而減少對下方的偏置射頻電源系統(tǒng)的阻抗的影響。因此， 采用源射頻電源固定頻率的匹配方法，不會大幅度影響偏置匹配網(wǎng)絡(luò)輸入到下電極處的阻抗。

需要說明的是，固定匹配網(wǎng)絡(luò)中包括可變電容，自動匹配網(wǎng)絡(luò)中包括可變電容和可變電感。

其中，固定匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變電容在進行等離子處理，如交替進行的刻蝕/沉積步驟前，需要進行調(diào)試以獲得最佳參數(shù)，并在正式的等離子刻蝕/沉積步驟中保持這些參數(shù)不變。在正式等離子刻蝕/沉積步驟中通過偏置射頻電源輸出頻率在小范圍內(nèi)的跳變，快速匹配高速切換的刻蝕/沉積步驟對應(yīng)的跳變的阻抗，其中這些等離子處理步驟的時長小于1秒，比如只有0.1秒甚至更低。

源射頻電源系統(tǒng)在進行等離子處理步驟中保持穩(wěn)定的輸出頻率，通過自動匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變電容或電感調(diào)節(jié)自動匹配輸入到電感耦合線圈，使得源射頻功率被高效且精確的輸入到反應(yīng)腔內(nèi)。

需要說明的是，本發(fā)明中源射頻電源04輸出的源射頻功率通過電感耦合線圈03產(chǎn)生磁場饋入反應(yīng)腔室01，電感耦合線圈03產(chǎn)生的電場被位于反應(yīng)腔室01頂部的法拉第屏蔽板屏蔽在反應(yīng)腔室01外。饋入反應(yīng)腔室01的交變磁場主要用于在反應(yīng)腔室01內(nèi)產(chǎn)生并維持等離子濃度，偏置射頻電源05輸出的偏置射頻功率通過下電極以電場耦合的形式被饋入反應(yīng)腔室01以控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量。可見，源射頻功率和偏置射頻功率的目的不同，一個是用于在反應(yīng)腔室01內(nèi)產(chǎn)生并維持等離子濃度，一個是控制晶圓上鞘層的厚度也就是離子入射的能量，送入的途徑也不同，一個是磁場進入，一個是電場進入，所以兩者雖然都能夠影響反應(yīng)腔內(nèi)的等離子體濃度和分布，但是兩者之間不會發(fā)生電耦合。

因此，采用本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)有助于減少源電源系統(tǒng)和偏置電源系統(tǒng)之間的射頻電場的感擾。

另外，需要說明的是，本發(fā)明實施例中，偏置射頻電源系統(tǒng)采用調(diào)頻電源和固定匹配網(wǎng)絡(luò)，雖然當偏置射頻功率較低時，可能不能實現(xiàn)下方阻抗間的匹配，可能會存在較高的反射功率，但是，當偏置射頻功率較高時，能夠?qū)崿F(xiàn)等離子體處理系統(tǒng)下方的阻抗的快速匹配，因此本發(fā)明提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)特別適用于在偏置射頻功率較高的應(yīng)用場合下。

另外，在本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)中，源射頻電源04和偏置功率源05可以工作在同一頻率段，例如都為13.56MHz+/-5％頻段，這時可以將源射頻電源04和偏置射頻電源05同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。因此，作為本發(fā)明電感耦合等離子體處理系統(tǒng)的一優(yōu)選實施方式，在所述源射頻電源04和所述偏置射頻源05之間設(shè)置有鎖相線08。通過該鎖相線08可以將源射頻電源04和偏置射頻電源05同步鎖相在一起，以去除兩者之間可能的互擾影響。具體地，所述鎖相線08的一端連接源射頻電源04，另一端連接所述偏置射頻電源05。

采用本發(fā)明實施例提供的匹配網(wǎng)絡(luò)，提高了射頻電源系統(tǒng)在各種等離子體條件下工作的穩(wěn)定性和精準性。而且，采用該匹配網(wǎng)絡(luò)的射頻電源系統(tǒng)能夠特別應(yīng)用于快速博世工藝處理過程和脈沖工藝處理過程。

另外，設(shè)置在反應(yīng)腔室01頂蓋上的電感耦合線圈03可以為一組射頻線圈。進一步地，為了更好地控制反應(yīng)腔室內(nèi)的等離子體密度分布的均勻性，可選地，設(shè)置在反應(yīng)腔室01外壁上的電感耦合線圈03可以為2組，當然也可以為多組射頻線圈。這些不同組的射頻線圈之間可以帶有射頻功率分配器，用來幫助調(diào)節(jié)各個耦合線圈的功率分配來達到均勻的等離子體刻蝕結(jié)果。

應(yīng)用上述實施例提供的電感耦合等離子體處理系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種電感耦合等離子體的處理方法。圖2是本發(fā)明實施例提供的電感耦合等離子體的處理方法。如圖2所示，該方法包括以下步驟：

步驟S21、向反應(yīng)腔室內(nèi)通入第一反應(yīng)氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)節(jié)可變電容或可變電感以實現(xiàn)阻抗匹配；同時偏置射頻電源輸出具有第一頻率的第一偏置射頻功率到反應(yīng)腔室內(nèi)的陰極，將偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置為預設(shè)值：

需要說明的是，在進行等離子體處理之前，對電感耦合等離子體處理系統(tǒng)中的偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的可變電容進行調(diào)試，最終得到的可變電容的最佳參數(shù)即所述偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07的參數(shù)的預設(shè)值。所述可變電容的最佳參數(shù)為反射功率最小時對應(yīng)的參數(shù)值。

步驟S22、向反應(yīng)腔室內(nèi)通入第二反應(yīng)氣體，源射頻電源輸出固定頻率的源射頻功率到電感耦合線圈，源匹配網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)節(jié)可變電容或可變電感以實現(xiàn) 阻抗匹配；同時，偏置射頻電源輸出具有第二頻率的第二偏置射頻功率到反應(yīng)腔室內(nèi)的陰極，將偏置匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置為預設(shè)值；

在上述步驟S21和步驟S22中由于位于電感耦合等離子體處理系統(tǒng)上方的源射頻電源輸出的頻率固定不變，所以其對偏置射頻電源05的輸出到下電極的阻抗的影響很微弱，所以位于電感耦合等離子體處理系統(tǒng)下方的偏置匹配網(wǎng)絡(luò)07中的可變電容或電感的參數(shù)作微量調(diào)整或者不需要調(diào)整就能實現(xiàn)自動匹配。

當偏置射頻電源05輸出到下電極的阻抗變化幅度較大，通過自動匹配無法在步驟S21和步驟S22中實現(xiàn)快速匹配時，優(yōu)選偏置射頻電源輸出的偏置射頻功率的頻率與所述源射頻電源輸出的源射頻功率的頻率同步。

需要說明的是，步驟S21至步驟S22為一個循環(huán)過程執(zhí)行的步驟，實際上，在本發(fā)明提供的等離子體處理方法中，可能需要執(zhí)行多次交替執(zhí)行所述步驟S21和所述步驟S22實現(xiàn)阻抗匹配，完成整個處理過程。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。