專利名稱：感應(yīng)耦合式等離子體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)耦合式等離子體裝置(inductively coupled plasmasystem)，用于化學氣相沉積(CVD)之中。
背景技術(shù)：
半導體工件的等離子體處理具有的優(yōu)點是，處理溫度低和有效性高。比如SiO2的沉積可以采用O2等離子體源和SiH4氣體以大約100-500nm/min的沉積速率在低于200℃的溫度下進行。不過，為了以涂層的高均勻性在大面積(高達300mm直徑的晶片)上進行沉積，等離子體源必須具有很高的生產(chǎn)能力并以均勻的通量形成等離子體。這些要求可由幾種在本技術(shù)領(lǐng)域中可供使用的高密度等離子體源(HDP)予以滿足。
雖然在歷史上HDP的研制始自電子回旋共振(ECR)等離子體，但大多數(shù)近來的應(yīng)用基于射頻(RF)激發(fā)的感應(yīng)耦合式等離子體(ICP)。各種ICP源在設(shè)計上很簡單，具有一很寬的功率和壓力窗口，以及不需要各輔助磁鐵用于其運作。一種平的螺卷線圈感應(yīng)器已經(jīng)提高了其很高的沉積和蝕刻效率(參見比如美國專利第6184158號)。遺憾的是，存在一些這類ICP源固有的缺點。從一線圈的到一處理腔室的RF功率必須通過一一般由石英制成的介電窗口予以饋給。此窗口的厚度必須大到足以承受大氣壓力—若干cm。對于大型設(shè)備，窗口的厚度必須更大。介電窗口的真空一側(cè)會遭受由于線圈上的高壓和很大程度上的電容耦合所造成的濺蝕。
一螺旋共振器是一類ICP源，在一螺旋感應(yīng)線圈的共振條件下工作(美國專利第5965034號)。共振是通過把一感應(yīng)導線的長度L調(diào)節(jié)到一激發(fā)放電、關(guān)聯(lián)于一RF電磁場的波長λ而獲得的。共振條件L＝(λ/4)*m，其中m是一整數(shù)。不同的m值對應(yīng)于感應(yīng)器中不同的駐波模態(tài)。線圈的各端可以接地或浮置，這樣確定了電流和電壓波形的不同邊界條件。RF分接位置通常是中間的，在線圈各端之間。通過改變各邊界條件和感應(yīng)線長度，這種等離子體源可以平衡各種寄生電容耦合效應(yīng)。[G.K.Vinogradov.“Transmission linebalanced inductive plasma sources”。Plasma Sources Sci.Technol.9(2000)400-412]。這種等離子體源具有一圓筒幾何形狀并必須具有一介電封頭—等離子體—盛放容器。這通常是一圓筒形石英管(反應(yīng)器)，同時構(gòu)成一等離子體源真空腔室的側(cè)壁。
感應(yīng)線圈的平衡使相對于一接地表面的等離子體電勢和因而一反應(yīng)器材料的濺蝕達到最小。這類感應(yīng)線圈顯示出很高的有效性和用于在1Torr或更高壓力下從事干式蝕刻的徑向均勻性。不過，當壓力低于10mTorr時，帶有圓筒幾何形狀的HDP可能會由于導致在一軸向區(qū)域內(nèi)中性物質(zhì)耗盡的離子泵作用而失去氣體流動的徑向均勻性。這一效應(yīng)在低壓和高等離子體密度，亦即高濃度帶電粒子下，是比較顯著的。中性均勻性方面各種最為重大的變化可能出現(xiàn)在大區(qū)域等離子體源之中[G.R.Tynan.“Neutral depletion andtransport mechanisms in large-area high density plasma sources”J.Appl.Phys.86(1999)4356]。
在ICP源的大多數(shù)應(yīng)用中，一感應(yīng)器是在一真空腔室的外部。感應(yīng)器設(shè)置在腔室的外部具有某些缺點1.它需要一些巨大、復雜的介質(zhì)真空容器用于一螺旋形感應(yīng)器，或者在一扁平螺卷感應(yīng)器的情況下需要一些大面積介電孔口。
2.一種外部的感應(yīng)器不相容于超高壓(UHV)設(shè)計。
3.腔室導電部分對于一晶片基座的比例太小了，雖然希望具有比接地部分表面面積小得多的基座表面面積以取得控制一基底上的負偏壓而不施用高RF能量的機會。
4.難以按比例擴大此系統(tǒng)。
HDP源可以用于自由基加速式順序(RAS)CVD過程(美國專利第6200893號)。RAS CVD的概念類似于原子層沉積(ALD)，其中兩種母體以時間分段方式供給基底。這與ALD不同之處在于，各母體之一是自由基但非穩(wěn)定的化合物。此方法保證了具有完善厚度均勻性單層可控沉積。不過，如果各母體之一，亦即穩(wěn)定的化合物，具有低粘附概率，則這種處理是不很有效的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述各種問題，本發(fā)明的目的是提供一種高密度等離子體裝置，可以形成源自一等離子體源的自由基的一種均勻的徑向分布。
本發(fā)明的另一目的是提供一種高密度等離子體裝置，能夠消除感應(yīng)器的濺蝕并防止各氣體產(chǎn)物回流而接近感應(yīng)器。
因此，為了達到以上各目的，按照本發(fā)明，提供一種感應(yīng)耦合式等離子體裝置，包括一處理腔室、一頂部等離子體源腔室、一反應(yīng)器、一感應(yīng)器、一開孔和一擋板。處理腔室具有一晶片基座，上面裝設(shè)一基底。頂部等離子體源腔室裝設(shè)在處理腔室上。反應(yīng)器裝設(shè)在頂部等離子體源腔室之中，具有某一氣體流經(jīng)的通道，以及把等離子體反應(yīng)產(chǎn)物供給處理腔室。感應(yīng)器裝設(shè)在頂部等離子體源腔室與反應(yīng)器之間并纏繞反應(yīng)器。開孔設(shè)置在感應(yīng)器裝設(shè)其中的、反應(yīng)器的周邊空間與處理腔室之間。擋板可開啟和關(guān)閉開孔。
反應(yīng)器包括一內(nèi)部圓筒、一外部圓筒和一環(huán)形通道。外部圓筒圍繞內(nèi)部圓筒。環(huán)形通道設(shè)置在內(nèi)筒與外筒之間。最好是，環(huán)形通道的頂部連接于頂部等離子體源腔室外側(cè)的一氣體總匯。
按照本發(fā)明的一項實施例，內(nèi)部圓筒的底部變窄，以致內(nèi)筒與外筒之間的環(huán)形通道的底部變成一圓形。一種氣體分配板，具有許多孔眼，裝設(shè)在環(huán)形通道上方。更為詳細地說，多個氣體分配板在環(huán)形通道上方彼此間隔開來晶片基座以電氣方式浮置在處理腔室之中。具體地說，晶片基座由一陶瓷真空斷路器支承在處理腔室之中。
最好是，一種吹除惰性氣體供給頂部等離子體源腔室之中、其中裝設(shè)感應(yīng)器的感應(yīng)器周邊空間。另外，最好是，感應(yīng)器的長度等于一高頻電磁場的1/4波長。最好是，高頻能量(high frequency power)供給感應(yīng)器兩端之間的感應(yīng)器的多圈之一，而感應(yīng)器的兩端都是接地的或浮置的。最好是，高和低頻電磁場周期性地或按照某一給定順序接通和斷開。
最好是，一DC電壓的雙極脈沖施加于基底。最好是，電磁場的脈沖與氣源的脈沖同步，而各種氣體按順序供給，從而實現(xiàn)一種改進的自由基加速式順序沉積過程。


本發(fā)明的以上各項目的和優(yōu)點通過參照所附各圖詳細說明其各實施例將變得更加明顯，各圖中
圖1是本發(fā)明的一種感應(yīng)耦合式等離子體(ICP)裝置的一優(yōu)選實施例的剖面?zhèn)纫晥D；圖2A是示于圖1之中的ICP裝置中一頂部等離子體源腔室的示意圖；圖2B是示于圖1之中的ICP裝置中一頂部等離子體源腔室的剖面視圖；圖3是裝設(shè)在示于圖1之中的ICP裝置中頂部等離子體源腔室頂部處的一氣體分配板的平面視圖；圖4是符合本發(fā)明的一種自由基加速式順序(RAS)沉積過程的流程圖。
具體實施例方式
圖1表示本發(fā)明的一種感應(yīng)耦合式等離子體(ICP)裝置的一優(yōu)選實施例的剖面?zhèn)纫晥D。此ICP裝置包括一頂部等離子體源腔室1和一處理腔室2。
一等離子體源設(shè)置在頂部等離子體源腔室1內(nèi)部。此等離子體源包括一螺旋感應(yīng)線圈4和一等離子體反應(yīng)器3。等離子體反應(yīng)器3借助于一螺帽和一波紋管12連接于用于供應(yīng)O2、N2、Ar以及類似氣體的一氣體管線20。等離子體反應(yīng)器3中激發(fā)等離子體的RF能量經(jīng)由一RF電纜和一RF饋入裝置(feed through)(未畫出)被饋送給感應(yīng)線圈4的各圈之一。感應(yīng)線圈4的兩端都是接地的。感應(yīng)線圈4的整個長度等于一RF電磁場的全波長(fullwavelength)。在這些條件下，電壓和電流的駐波形成在感應(yīng)線圈4之中。最好是，感應(yīng)線圈4應(yīng)當具有共振長度，由于對于大型系統(tǒng)來說，難以使感應(yīng)線(inductor wire)短到足以消除沿著感應(yīng)線圈4的電流和電壓偏差。因此，較好的是將其調(diào)準于共振。
等離子體源的用途是，在選自O(shè)2、N2、C2F6、Ar、He等的氣體或氣體混合物通過等離子體反應(yīng)器3時生成一自由基束(flux of radicals)。
等離子體反應(yīng)器3的底端是敞開的，因而形成等離子體產(chǎn)物與處理腔室2的一種液流連通。另一試劑，按照一遠距離等離子體原理(remote plasmaprinciple)，直接供應(yīng)給處理腔室2而不經(jīng)受在等離子體中分解(decompositionin plasma)。這種反應(yīng)劑，比如SiH4，與惰性氣體混合，通過具有許多孔眼的一氣體噴射環(huán)5予以供給。氣體噴射環(huán)5形成氣流的一種方位均勻分布并防止各種反應(yīng)產(chǎn)物回流到氣體管線20里去。
一基底安放在一晶片基座上，后者包括一加熱板6、一波紋管7和一陶瓷真空斷路器(ceramic vacuum break)8。加熱板6做成是可動的，使得可以調(diào)節(jié)基底與氣體噴射環(huán)5之間的距離，以獲得更好的涂層徑向均勻性。
陶瓷真空斷路器8使晶片基座與處理腔室2絕緣，以致基底具有浮動電位。各種反應(yīng)產(chǎn)物通過一排出孔口10予以排空。等離子體反應(yīng)器3具有一環(huán)形內(nèi)部通道33，示于圖2B之中。等離子體反應(yīng)器3由具有不同直徑的兩個介電圓筒31和32構(gòu)成。其中之一的內(nèi)筒31自底部關(guān)閉而自頂部打開。相反，外筒32自底部打開而自頂部關(guān)閉。結(jié)果，形成了用于激發(fā)和輸送等離子體14的環(huán)形內(nèi)部通道33。底下部分中環(huán)形內(nèi)部通道33的截面逐漸從環(huán)形變?yōu)閳A形。內(nèi)筒31的一底部周邊18起到一折流板的作用，改變了等離子體源軸向部分中帶電和中性粒子(charged and neutral particles)的流動。這種反應(yīng)器的設(shè)計1)使有效等離子體容積最小，從而增大了比能量吸收(specific powerdeposition)；2)使各種反應(yīng)產(chǎn)物回流到等離子體里面最少；3)提高了中性物質(zhì)速度(neutral species velocities)的均勻性；以及4)使離子泵作用(ion pumping)所造成的中性耗盡效應(yīng)(neutral depletioneffect)最小，從而形成等離子體源出口處中性物質(zhì)的徑向均勻性。
如圖1、2A和2B之中所示，一反應(yīng)器3周邊與一等離子體源腔室15的壁之間的空間用于裝設(shè)感應(yīng)線圈4。在低壓下，在此空間中有可能引起放電并可能出現(xiàn)感應(yīng)線圈4的濺蝕。不過，在許多情況下希望具有低至1-10mTorr的處理壓力。這一濺蝕問題通過采用示于圖1和2A之中的擋板9而予以解決。擋板9設(shè)置在等離子體源腔室1與處理腔室2之間，以便開啟(示于圖1之中)或關(guān)閉(示于圖2A之中)的開孔19。當擋板9打開時，等離子體源腔室1與等離子體反應(yīng)器3之間的等離子體源的整個容積全被排空。當一種惰性氣流通過等離子體反應(yīng)器3與等離子體源腔室1的壁之間的間隙時，則關(guān)閉的擋板9將造成壓力，高到足以消除感應(yīng)線圈4的濺蝕，而等離子體反應(yīng)器3中的壓力與處理腔室2之中的相同。擋板9還防止各種反應(yīng)產(chǎn)物回流到感應(yīng)線圈4附近。
等離子體源腔室1之中等離子體源中氣流的方位均勻性借助于兩塊氣體分配板13來形成。各氣體分配板13在等離子體反應(yīng)器3環(huán)形內(nèi)部通道33的上方彼此間隔開來，其示意結(jié)構(gòu)示于圖3之中。此圖表明一環(huán)形平板13，帶有許多對稱分布的孔眼17。各氣體分配板13連同擋板9一起形成一種壓力分布，可防止各種反應(yīng)產(chǎn)物回流到等離子體源和氣體管線20里面。
參照圖2，壓力關(guān)系是P＜P2＜P1＜P3，其中P是處理壓力而P3是感應(yīng)區(qū)域中的壓力。由于本實施例中晶片基座是浮置的，所以它可以連接于一輔助電源。這一輔助電源必須提供一低頻電壓或一電壓的雙極直流(DC)脈沖以實現(xiàn)晶片附近氣體的受控激發(fā)和離子化。在大多數(shù)情況下，這樣就大大地簡化了淀積工藝過程，在通常的遠距離等離子體CVD中，這些過程太慢了。通過使兩種電源發(fā)生脈動大功率電力(high power)—施用于高密度等離子體源，以及低功率電力(low power)—施用于晶片基座，就可以實現(xiàn)自由基加速式順序沉積(radical-assisted sequential deposition)。為此，大功率電力的脈沖與一種試劑源(比如O2)的脈沖同步，而低功率電力脈沖與另一試劑(比如SiH4)的脈沖同步。
這種改進的自由基加速式淀積工藝過程的簡圖示于圖4之中。它不同于先前技術(shù)中現(xiàn)有方法之處在于，通過施加于晶片基座的電壓脈沖來激發(fā)分子母體。
一如上述，實際的等離子體容積被減至最小，而因此比能量吸收增大了。另外，各種反應(yīng)產(chǎn)物的回流到等離子體里面被減至最小，而各中性物質(zhì)速度的均勻性提高了。其次，由離子泵作用造成的中性耗盡效應(yīng)被減至最小，而因此在等離子體源出口處形成了中性物質(zhì)的徑向均勻性。
雖然本發(fā)明已經(jīng)參照一具體實施例予以說明，但是，對于本技術(shù)領(lǐng)域中的一般熟練人員來說，顯然的是，可以作出已說明的實施例的多種修改而不偏離由所附各項權(quán)利要求確定的本發(fā)明的精神和范疇。本發(fā)明中所述的各項內(nèi)容的披露和出版只是一種示范而不得解釋為由所附各項權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范疇受到限制。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)耦合式等離子體裝置，包括一處理腔室，具有一其上裝設(shè)一基底的晶片基座；一頂部等離子體源腔室，裝設(shè)在處理腔室上；一裝設(shè)在頂部等離子體源腔室之中的反應(yīng)器，具有一氣體由之流過的通道，并把等離子體反應(yīng)產(chǎn)物供給處理腔室；一感應(yīng)線圈，裝設(shè)在頂部等離子體源腔室與反應(yīng)器之間并纏繞于反應(yīng)器；一開孔，設(shè)置在其中裝設(shè)感應(yīng)線圈的反應(yīng)器外圍空間與處理腔室之間；以及一開啟和關(guān)閉所述開孔的擋板。
2.按照權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中反應(yīng)器包括一內(nèi)部圓筒；一圍繞內(nèi)部圓筒的外部圓筒；以及一環(huán)形通道，設(shè)置在內(nèi)筒與外筒之間，其中環(huán)形通道的頂部連接于頂部等離子體源腔室外面的一氣體管線。
3.按照權(quán)利要求2所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中內(nèi)部圓筒的底面變窄，使得內(nèi)部圓筒與外部圓筒之間的環(huán)形通道的底部變成為一圓形。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中一具有許多孔眼的氣體分配板裝設(shè)在環(huán)形通道的上方。
5.按照權(quán)利要求4所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中多個氣體分配板在環(huán)形通道上方彼此間隔開來。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中晶片基座以電氣方式浮置在處理腔室之中。
7.按照權(quán)利要求6所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中晶片基座在處理腔室中由一陶瓷真空斷路器支承。
8.按照權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中一吹掃用的惰性氣體被供入頂部等離子體源腔室中的、感應(yīng)線圈裝設(shè)在其中的反應(yīng)器外圍空間。
9.按照權(quán)利要求1所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中感應(yīng)線圈的長度等于一高頻電磁場的1/4波長。
10.按照權(quán)利要求9所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中高頻能量供給感應(yīng)線圈兩端之間的感應(yīng)線圈各圈之一，而感應(yīng)線圈的兩端是接地的或浮置的。
11.按照權(quán)利要求1或9所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中高和低頻電磁場周期性地或按照一給定順序接通和斷開。
12.按照權(quán)利要求1或9所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中一DC電壓的各雙極脈沖施加于基底。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的感應(yīng)耦合式等離子體裝置，其中電磁場的各脈沖與氣源的脈沖同步而各種氣體被順序供給，從而實施一種改進的自由基加速式順序沉積過程。
全文摘要
提供一種感應(yīng)耦合式等離子體裝置，此感應(yīng)耦合式等離子體裝置包括一處理腔室、一頂部等離子體源腔室、一反應(yīng)器、一感應(yīng)器、一開孔和一擋板。處理腔室具有一晶片基座，上面裝設(shè)一基底。頂部等離子體源腔室裝設(shè)在處理腔室。反應(yīng)器裝設(shè)在頂部等離子體源腔室之中；具有一通道，一種氣體流經(jīng)此通道；以及把等離子體各反應(yīng)產(chǎn)物供給處理腔室。感應(yīng)器裝設(shè)在頂部等離子體源腔室與反應(yīng)器之間并纏繞反應(yīng)器。開孔設(shè)置在其中裝設(shè)感應(yīng)器的、反應(yīng)器周邊空間與處理腔室之間。擋板可開啟和關(guān)閉開孔。因而，可以改進發(fā)自一等離子體源的各種自由基的均勻徑向分布。
文檔編號H05H1/46GK1426090SQ0212732
公開日2003年6月25日 申請日期2002年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者尤里·N·托爾馬加夫, 馬東俊, 文昌郁, 尹惠榮 申請人:三星電子株式會社