專利名稱：改進(jìn)等離子均勻性和效率的電感耦合等離子裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子反應(yīng)器，特別是涉及電感耦合反應(yīng)器中的氣體均一分布的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
等離子反應(yīng)器或反應(yīng)腔在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，并廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、 平板顯示器，發(fā)光二極管(LED)，太陽(yáng)能電池等的制造工業(yè)內(nèi)。在等離子腔中通常會(huì)施加一個(gè)射頻電源以產(chǎn)生并維持等離子于反應(yīng)腔中。其中，有許多不同的方式施加射頻功率，每個(gè)不同方式的設(shè)計(jì)都將導(dǎo)致不同的特性，比如效率、等離子解離、均一性等等。其中，一種設(shè)計(jì)是電感耦合(ICP)等離子腔。在電感耦合等離子處理腔中，一個(gè)通常是線圈狀的天線用于向反應(yīng)腔內(nèi)發(fā)射射頻能量。為了使來(lái)自天線的射頻功率耦合到反應(yīng)腔內(nèi)，在天線處放置一個(gè)絕緣材料窗口。反應(yīng)腔可以處理各種基片，比如硅晶圓等，基片被固定在夾盤上，等離子在基片上方產(chǎn)生。因此， 天線被放置在反應(yīng)器頂板上方，使得反應(yīng)腔頂板是由絕緣材料制成或者包括一個(gè)絕緣材料窗口。在等離子處理腔中，各種氣體被注入到反應(yīng)腔中，以使得離子和基片之間的化學(xué)反應(yīng)和/或物理作用可被用于在所述基片上形成各種特征結(jié)構(gòu)，比如刻蝕、沉積等等。在許多工藝流程中，一個(gè)很重要的指數(shù)是晶圓內(nèi)部的加工均一性。也就是，一個(gè)作用于基片中心區(qū)域的工藝流程應(yīng)和作用于基片邊緣區(qū)域的工藝流程相同或者高度相近。因此，例如，當(dāng)執(zhí)行工藝流程時(shí)，晶圓中心區(qū)域的刻蝕率應(yīng)與晶圓邊緣區(qū)域的刻蝕率相同。一個(gè)有助于獲得較好工藝均一性的參數(shù)是在反應(yīng)腔內(nèi)均勻分布的處理氣體。要獲得這樣的均一性，許多反應(yīng)腔設(shè)計(jì)采用安裝在晶圓上方的氣體噴淋頭，以均勻的注入處理氣體。然而，如上所述，在電感耦合(ICP)反應(yīng)腔頂板必須包括一個(gè)使射頻功率從天線發(fā)射到反應(yīng)腔中的絕緣窗。因此，ICP的結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有給氣體噴淋頭留出相應(yīng)的空間來(lái)實(shí)現(xiàn)其氣體均勻注入的功能。圖1示出了現(xiàn)有電感耦合反應(yīng)腔設(shè)計(jì)的截面圖。ICP反應(yīng)腔100包括基本呈圓筒狀的金屬側(cè)壁105和絕緣頂板107，構(gòu)成可被抽真空器125抽真空的氣密空間?；?10支撐夾盤115，所述夾盤115支撐待處理的基片120。來(lái)自射頻功率源145的射頻功率被施加到呈線圈狀的天線140。來(lái)自氣源150的處理氣體通過(guò)管線155被供應(yīng)到反應(yīng)腔內(nèi)，以點(diǎn)燃并維持等離子，并由此對(duì)基片120進(jìn)行加工。在標(biāo)準(zhǔn)電感耦合反應(yīng)腔中，氣體通過(guò)在反應(yīng)腔周圍的注入器/噴頭130和中間的噴頭135之一或者兩者一同注入來(lái)供應(yīng)到真空容器內(nèi)的。從圖1可知，來(lái)自外圍噴頭130的氣體被大量抽出了 120的表面。因此，從外圍噴頭130注入的大量氣體可能實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓邊緣區(qū)域的處理，但是幾乎沒(méi)有能達(dá)到晶圓120的中心區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致不均一性。相反地，中心噴頭135注入的大量氣體集中在晶圓中心并沒(méi)有到達(dá)邊緣區(qū)域，也會(huì)造成不均一性。
因此，業(yè)內(nèi)需要一種改進(jìn)電感耦合反應(yīng)腔設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化反應(yīng)腔內(nèi)的氣體分布以改進(jìn)加工工藝的均一性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容只提供一個(gè)對(duì)本發(fā)明部分方面和特點(diǎn)的基本理解。其不是對(duì)本發(fā)明的廣泛概述，也不是用于特別指出本發(fā)明的關(guān)鍵要素或者示意發(fā)明的范圍。其唯一的目的是簡(jiǎn)化的呈現(xiàn)本發(fā)明的一些概念，為后續(xù)詳細(xì)的描述本發(fā)明作鋪墊。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種等離子反應(yīng)器，其包括封閉殼體，絕緣窗，設(shè)置在絕緣窗上方的射頻天線，多個(gè)氣體注入器(gas injectors)向所述封閉殼體內(nèi)供氣，設(shè)置于所述封閉殼體內(nèi)的擋板，其用于限制或引導(dǎo)從氣體注入器中的氣體流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一個(gè)電感耦合等離子反應(yīng)器，其中，包括封閉殼體，其中所述封閉殼體頂板的至少一部分構(gòu)成一個(gè)絕緣材料窗?；窝b置設(shè)置于所述封閉殼體內(nèi)和所述絕緣材料窗的下方。射頻功率發(fā)射裝置設(shè)置于所述絕緣材料窗上，以發(fā)射射頻功率并使其穿過(guò)所述絕緣材料窗到封閉殼體內(nèi)。多個(gè)氣體注入器均勻分布在所述基片支撐裝置上方，以提供處理氣體到所述封閉殼體內(nèi)。設(shè)置于封閉殼體內(nèi)的環(huán)形擋板，其位于所述基片支撐裝置上方和多個(gè)氣體注入器下方，以引導(dǎo)處理氣體流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述擋板可由由導(dǎo)體或絕緣材料制成。比如擋板可由陽(yáng)極化的鋁，陶瓷，石英等制成。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，擋板可為帶中心開(kāi)口的環(huán)形平板。所述擋板也可包括分布在中心開(kāi)口周圍的次級(jí)開(kāi)口。所述擋板可以包括從所述中心開(kāi)口處開(kāi)始延伸的延伸部。所述延伸部可以是圓筒形的也可以是圓錐形的，等等。所述擋板可集成進(jìn)一個(gè)射頻天線。所述擋板可以是在絕緣材料中集成該射頻天線，擋板的一面也可以是導(dǎo)體材料制成的使得絕緣窗上的射頻功率發(fā)射裝置或者射頻天線產(chǎn)生的射頻能量無(wú)法穿過(guò)該導(dǎo)體層。所述擋板可以在所述基片支撐裝置上方垂直上下移動(dòng)，因而得以改變與基片之間的間隙。根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種在基片上制造半導(dǎo)體器件的方法，包括放置基片于等離子反應(yīng)器中的基片支撐裝置上，其中等離子反應(yīng)器包括封閉殼體，其包括圓柱形的側(cè)壁和頂板，其頂板的至少一部分構(gòu)成一絕緣材料窗，位于所述絕緣材料窗上方的射頻發(fā)射器，其用于發(fā)射射頻功率并使其穿過(guò)所述絕緣材料窗到達(dá)所述封閉殼體內(nèi)，多個(gè)在基片上方均勻分布的氣體注入器；在封閉殼體內(nèi)放置環(huán)形擋板，以使得所述擋板位于基片支撐裝置上方和多個(gè)氣體注入器的下方，從而在所述擋板和所述基片之間直接形成一個(gè)間隙；往氣體注入器提供反應(yīng)氣體；施加射頻功率到射頻發(fā)射器。


附圖作為本發(fā)明說(shuō)明書的一部分，例證了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書一起解釋和說(shuō)明本發(fā)明的原理。附圖用圖解的方式來(lái)解釋舉例實(shí)施例的主要特征。附圖不是用于描述實(shí)際實(shí)施例所有特征也不用于說(shuō)明圖中元素間的相對(duì)尺寸，也不是按比例繪出。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電感耦合反應(yīng)腔的截面圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電感耦合反應(yīng)腔的截面圖；圖3是本發(fā)明第二實(shí)施例的電感耦合反應(yīng)腔的截面圖4是本發(fā)明第三實(shí)施例電感耦合反應(yīng)腔的截面圖；圖5是本發(fā)明第四實(shí)施例電感耦合反應(yīng)腔的截面圖；圖6是本發(fā)明第五實(shí)施例電感耦合反應(yīng)腔的截面圖。其中，相同或相似的附圖標(biāo)記表示相同或相似的裝置(模塊)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及電感耦合等離子體腔的實(shí)施例改進(jìn)了均一性，特別是氣體分布的均勻性。本發(fā)明實(shí)施例中的反應(yīng)腔中添加了預(yù)設(shè)裝置使噴頭中流出的氣體被重新引導(dǎo)流動(dòng)方向，以改進(jìn)反應(yīng)腔中的氣體分布，從而使得晶圓上的均一性得到了改善。下文將結(jié)合圖2對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的等離子處理裝置200。除了 2XX系列附圖標(biāo)記外，圖2中示出的對(duì)應(yīng)于圖1中的要素具有相同的附圖標(biāo)記。應(yīng)當(dāng)理解，其中的反應(yīng)腔裝置200僅僅是示例性的，所述200裝置實(shí)際上也可以包括更少或額外的部件，部件的排列也可以不同于圖2中所示出。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的ICP反應(yīng)腔的截面圖，其執(zhí)行了氣體受控流動(dòng)的特點(diǎn)。ICP反應(yīng)腔200包括金屬側(cè)壁205和絕緣頂板207，構(gòu)成一個(gè)氣密的真空封閉殼體，并且由抽真空泵225抽真空。所述絕緣頂板207僅作為示例，也可以采用其它的頂板樣式，比如穹頂形狀的，帶有絕緣材料窗口的金屬頂板等?；?10支撐夾盤215，所述夾盤上放置著待處理的基片220。偏置功率被施加到所述夾盤215上，但是由于與揭露的本發(fā)明實(shí)施例無(wú)關(guān)，在圖2中未示出。所述射頻電源245的射頻功率被施加到天線M0，該天線基本是線圈狀的。處理氣體從氣源250經(jīng)過(guò)管線225被供應(yīng)到反應(yīng)腔內(nèi)，以點(diǎn)燃并維持等離子，從而對(duì)基片220進(jìn)行加工。在本實(shí)施例中，氣體通過(guò)外圍注入器或噴頭230被供應(yīng)到真空空間中，但是額外的氣體也可以選擇性的從中心噴頭235注入反應(yīng)腔。如果氣體從注入器230 和噴頭235同時(shí)供應(yīng)，每個(gè)的氣體流量都可獨(dú)立控制。任何這些用于注入氣體的設(shè)置可稱為等離子氣體注入器。在圖2中，擋板270設(shè)置于反應(yīng)腔中以限制和/或引導(dǎo)散發(fā)自氣體噴頭230的氣體流動(dòng)。根據(jù)附圖標(biāo)記所示，在上述實(shí)施例中擋板基本是中間帶孔或開(kāi)口的圓盤形。所述擋板位于氣體噴頭下方但是在基片所在位置上方。這樣，氣體在向下流向基片前被限制為進(jìn)一步流向反應(yīng)腔中間，如圖中虛線箭頭所示。通常地，所述擋板270可由金屬材料制成，如陽(yáng)極化的鋁。用金屬材料來(lái)制造擋板能夠有利于限制所述擋板上方的等離子，因?yàn)閬?lái)自線圈的射頻能量被所述擋板阻擋了傳播。另一方面，所述擋板270也可以是由絕緣材料制成，比如陶瓷或石英。在采用絕緣檔板的實(shí)施例中，來(lái)自線圈的射頻(RF)能量能夠穿過(guò)所述擋板，使得等離子體能夠被維持在所述擋板下方(虛線部分顯示)，其依賴于到達(dá)所述擋板下方的氣體量。在部分應(yīng)用場(chǎng)景下，需要進(jìn)一步限制氣體流動(dòng)使得氣體有更多時(shí)間位于晶圓中心位置上方，以保證在整個(gè)晶圓上方獲得足夠的等離子解離。得益于上述應(yīng)用的實(shí)施例在圖3 中示出。除了編號(hào)為3XX系列的附圖標(biāo)記外，圖3與圖2中相同的要素具有相同的附圖標(biāo)記。如圖3及圖3中附圖標(biāo)記所示，本實(shí)施例的擋板372具有圓盤形的外形并具有一個(gè)環(huán)形垂直方向延伸部373，基本呈一圓筒形狀。垂直延伸部與基片間構(gòu)成一個(gè)間隙374，通過(guò)該間隙氣體可以流到邊緣，比如流向腔體內(nèi)超過(guò)基片外圍的區(qū)域。所述間隙374的尺寸確定了基片上方氣體的流動(dòng)以及氣體流過(guò)所述基片所需的時(shí)間，以使得氣體被等離子解離。在圖3所示的實(shí)施例中，環(huán)形開(kāi)口的直徑d的尺寸可與基片直徑相同，或者大于或小于所述基片直徑。所述環(huán)形開(kāi)口的直徑取決于所需的氣體流動(dòng)限制。同時(shí)，因?yàn)榇怪狈较颦h(huán)形延伸部設(shè)置為與圓盤形基片呈直角，所述環(huán)形延伸部373的開(kāi)口直徑與環(huán)形盤372 本身的開(kāi)口直徑相同。另一方面，有時(shí)需要限制氣體從圓環(huán)向基片流出，但是一旦氣體向所述基片方向流動(dòng)，有時(shí)也需要強(qiáng)化氣體在水平方向上向腔體外圍流動(dòng)。一個(gè)得益于上述設(shè)置的設(shè)計(jì)由附圖4示出。在圖4中，擋板475由一個(gè)環(huán)型部和一個(gè)圓錐形延伸部476構(gòu)成，所述圓錐形延伸部476具有上開(kāi)口直徑d，其小于所述圓錐形延伸部476的下開(kāi)口直徑d’，其中所述下開(kāi)口靠近基片。設(shè)置了下開(kāi)口以定義間隙477，氣體通過(guò)該間隙在水平方向朝反應(yīng)腔側(cè)壁流動(dòng)。錐形部分的側(cè)壁與環(huán)形部之間構(gòu)成夾角Φ，其中該夾角Φ小于90度。在上述的任一實(shí)施例中，有時(shí)可能需要讓部分氣體在到達(dá)擋板中心開(kāi)口前流出。 圖5示出了第四實(shí)施例是對(duì)圖2所示實(shí)施例的部分修改。如圖5所示，擋板578是帶有一個(gè)中心開(kāi)口盤型結(jié)構(gòu)，有些類似于圖2所示的擋板272。所述中間開(kāi)口的直徑可與圖2中的相同或不同。此外，輔助/次級(jí)開(kāi)口 589設(shè)置在所述中心開(kāi)口邊，以使得部分氣體在到達(dá)所述中心開(kāi)口前下漏。所述次級(jí)開(kāi)口的直徑可小于所述中心開(kāi)口的直徑。所述次級(jí)開(kāi)口可以應(yīng)用到前述任一實(shí)施例，并且可在中心開(kāi)口周圍均勻設(shè)置。比如，圖5示出了與圖3中的擋板類似的改進(jìn)的擋板陽(yáng)8，除了在延伸部周圍添加了次級(jí)開(kāi)口的安排，以使得氣體在到達(dá)中心開(kāi)口前下漏并流向所述延伸部。 在上述實(shí)施例中，所述擋板用于控制處理氣體的流動(dòng)。此外，所述擋板也可用于被動(dòng)地控制等離子。通常，等離子可以通過(guò)所述擋板上的孔洞擴(kuò)散到反應(yīng)腔下部。所述孔洞越大，所述等離子濃度越高。通過(guò)改變所述孔洞的數(shù)量和位置，在反應(yīng)腔中分布的等離子濃度也可同時(shí)改變。所述擋板也可用于主動(dòng)控制所述等離子。圖6示出了上述實(shí)施例。在圖6所示的實(shí)施例中，擋板680用于主動(dòng)控制等離子。如圖所示，次級(jí)天線682 嵌入所述擋板680中。所述輔助天線可為線圈狀。如圖所示，所述天線可為單圈線圈的(圖中用虛線示出)，但也可采用其它設(shè)計(jì)。所述輔助天線可以同主天線一樣采用電源645 (虛線箭頭所示)供電，或者采用一個(gè)不同的射頻電源647供電。不管采用何電源供電，施加到所述輔助天線682上的功率幅度(amplitude)是獨(dú)立于施加到主天線640的電源功率之外來(lái)控制的。根據(jù)上述實(shí)施例，所述擋板680是由絕緣材料制成，且所述線圈嵌入該絕緣材料。 比如，擋板680可以是由燒結(jié)的陶瓷材料制成，其中金屬線圈嵌入所述陶瓷材料。如此，來(lái)自次級(jí)線圈的功率可施加于擋板上方和下方的等離子。另一方面，根據(jù)另一實(shí)施例，所述擋板680也可由一面是絕緣材料另一面是導(dǎo)體材料制成，以使得射頻功率只能施加到擋板的其中一面。比如，所述擋板680的上層可由導(dǎo)體材料制成，以便來(lái)自次級(jí)線圈682的射頻功率僅施加到所述擋板下方的等離子中。這種設(shè)計(jì)可由圖6示出，其中線圈682嵌入陶瓷盤 685，使得所述線圈中產(chǎn)生的射頻能量可施加到所述擋板下方的等離子，但導(dǎo)體盤683設(shè)置于所述陶瓷盤685上方，使得來(lái)自所述線圈682的射頻能量無(wú)法施加于所述擋板上方。此外，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也會(huì)阻擋主線圈640產(chǎn)生的射頻能量施加于所述擋板680下方。因此，所述主天線640的射頻能量可被調(diào)整(如頻率，功率等)以控制所述擋板680上方的等離子，同時(shí)次級(jí)天線680的射頻能量可調(diào)整來(lái)控制所述擋板下方的等離子。前述任何實(shí)施例都可作近一步改進(jìn)，使擋板成為可移動(dòng)的。這種設(shè)計(jì)由圖6示出。 圖6中的步進(jìn)電機(jī)690通過(guò)例如齒條和齒輪之類機(jī)構(gòu)耦合到擋板680，使得所述步進(jìn)電機(jī) 690能夠通電并垂直地驅(qū)動(dòng)所述擋板上下移動(dòng)，使得所述擋板680和基片620之間的空隙可
被調(diào)整。應(yīng)該理解，本發(fā)明提到的處理流程和技術(shù)并不限于提到的特定裝置，也可以是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的多個(gè)部件的組合。進(jìn)一步地，各種類型的通用設(shè)備也可以在本發(fā)明技術(shù)中被采用。本發(fā)明描述了多個(gè)特定實(shí)施例，這些實(shí)施例都在各個(gè)方面說(shuō)明了本發(fā)明的內(nèi)容，其并不是對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，除了本發(fā)明所舉例子，還有很多不同的組合可以適用本發(fā)明。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)對(duì)本發(fā)明說(shuō)明書的理解和對(duì)本發(fā)明的實(shí)踐，能夠容易地想到其它實(shí)現(xiàn)方式。本文所描述的多個(gè)實(shí)施例中各個(gè)方面和/或部件可以被單獨(dú)采用或者組合采用。需要強(qiáng)調(diào)的是，說(shuō)明書和實(shí)施例僅作為舉例，本發(fā)明實(shí)際的范圍和思路通過(guò)下面的權(quán)利要求來(lái)定義。
權(quán)利要求
1.一種等離子反應(yīng)器，其中，包括封閉殼體，其包括頂板，所述頂板構(gòu)成一絕緣材料窗； 基片支撐裝置，設(shè)置于所述封閉殼體內(nèi)的絕緣材料窗下方；射頻功率發(fā)射裝置，設(shè)置于所述絕緣材料窗上方，以發(fā)射射頻能量到所述封閉殼體內(nèi)；氣體注入器，用于向所述封閉殼體內(nèi)供應(yīng)處理氣體，擋板，設(shè)置于所述封閉殼體內(nèi)以及所述基片支撐裝置上方和所述氣體注入器下方，以限制處理氣體的流動(dòng)。所述擋板包括嵌入其中的次級(jí)射頻天線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板是一個(gè)帶有中心開(kāi)口的圓盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板進(jìn)一步地包括一個(gè)從所述中心開(kāi)口處向所述基片支撐裝置處延伸的垂直方向的延展部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板和所述基片支撐裝置之間的間隙的寬度是可調(diào)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板由絕緣材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述絕緣材料包括陽(yáng)極化的鋁、 陶瓷和石英的任一項(xiàng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板包括嵌入次級(jí)射頻天線的絕緣盤，還包括一設(shè)置于擋板的其中一面的導(dǎo)體盤，以阻擋射頻能量穿過(guò)所述導(dǎo)體盤。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子反應(yīng)器，其特征在于，施加到射頻功率發(fā)射裝置和所述輔助射頻天線的電源功率是相互獨(dú)立控制的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電感耦合等離子反應(yīng)器，其中，包括封閉殼體，其中所述封閉殼體的至少部分頂板由絕緣材料制成的絕緣材料窗?；窝b置，設(shè)置于所述封閉殼體中的所述絕緣材料窗的下方。射頻功率發(fā)射裝置位于所述絕緣材料窗上方，以發(fā)射射頻功率穿過(guò)所述絕緣材料窗進(jìn)入到所述封閉殼體中。多個(gè)氣體注入器均勻分布在所述基片支撐裝置上方，以提供處理氣體到所述封閉殼體。環(huán)形擋板，設(shè)置于所述封閉殼體內(nèi)以及所述基片支撐裝置的上方和所述多個(gè)氣體注入器的下方，以引導(dǎo)所述處理氣體的流動(dòng)。
文檔編號(hào)H05H1/46GK102395243SQ20111031925
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者倪圖強(qiáng), 石剛, 許頌臨 申請(qǐng)人:中微半導(dǎo)體設(shè)備(上海)有限公司