專利名稱：以雙頻射頻源產(chǎn)生與控制等離子體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種半導(dǎo)體基底處理系統(tǒng)，且特別是有關(guān)于一種使用雙頻射頻源來產(chǎn)生與控制等離子體的半導(dǎo)體基底處理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
等離子體增益(plasma enhanced)半導(dǎo)體制程腔體，被廣泛地應(yīng)用在制造集成電路裝置上。在大多數(shù)的等離子體增益腔體中，使用了許多射頻(radio frequency，RF)源來產(chǎn)生并控制等離子體。例如，具有高頻的射頻源經(jīng)常被用于產(chǎn)生等離子體以及離子的解離。而具有低頻的射頻源則經(jīng)常被用于調(diào)變等離子體鞘(plasma sheath)以控制直流電壓(例如偏壓電壓)在基底上的聚集。上述各種射頻源及其相關(guān)的匹配電路的成本是相當(dāng)昂貴的，因此制造集成電路所需要的成本也相對的提高了。因此，在不會降低制程品質(zhì)的條件下，若能簡化上述射頻裝置的基本結(jié)構(gòu)，則可以節(jié)省需多成本。
因此，一種改良的方法與設(shè)備，用以在等離子體增益半導(dǎo)體基底制程中等離子體的產(chǎn)生與控制是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是有關(guān)于一種在等離子體增益半導(dǎo)體基底制程腔體中，用于產(chǎn)生與控制等離子體的方法與設(shè)備。本方法包括，例如在一第一頻率下，由射頻源提供一第一射頻信號至制程腔體內(nèi)的一電極的步驟，以及在一第二頻率下，由射頻源提供一第二射頻信號到制程腔體內(nèi)的電極。其中第二頻率與第一頻率的差值等于一預(yù)定頻率，其中在預(yù)定頻率下，形成于制程腔體中的等離子體的特性由一等離子體鞘(plasma sheath)調(diào)變所建立。


圖1繪示具有一雙頻射頻源的一等離子體增益處理腔體的簡易方塊圖。
圖2為繪示在電極上一輸入波形的頻譜的圖標(biāo)。
圖3為繪示鞘電壓的波形的圖標(biāo)。
圖4A為繪示反射系數(shù)的量對頻率的圖標(biāo)。
圖4B為繪示用于匹配組件模型的史密斯圖表。
圖5為依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例所繪示的具有一雙頻射頻源的一反應(yīng)腔體的簡易示意圖。
圖6為依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例所繪示的具有一雙頻射頻源的一反應(yīng)腔體的簡易示意圖。
主要組件符號說明100等離子體增益處理腔體102腔體104雙頻射頻電源106匹配電路108電極110接地電極202、204波峰 210振幅220頻率300鞘電壓波形302、304、306波峰 310振幅320頻率402、404軸向400圖標(biāo)406、408圈點(diǎn)452中心點(diǎn) 454、456頻率500、600蝕刻反應(yīng)器 502、602制程腔體
512、612基板支撐座 514、614基底516、616入口端口 518、618氣體面板520、620真空泵 534、634器壁536、636控制器 540中央處理器542內(nèi)存544支持電路546、646氣態(tài)混合物 548、648等離子體550節(jié)流閥 552電性接地610介電頂蓋638感應(yīng)線圈650節(jié)流閥 652電性接地660第二匹配組件662第二電源為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是有關(guān)于在一使用雙頻射頻源的等離子體增益半導(dǎo)體處理腔體中，形成與控制一等離子體的方法與設(shè)備。等離子體增益半導(dǎo)體處理腔體經(jīng)常使用二個(gè)頻率輸入的電源，包括一用于等離子體激發(fā)與離子解離的高頻，以及一用于等離子體鞘(plasma sheath)調(diào)變的低頻。在一實(shí)施例中，本發(fā)明使用從單一射頻(RF)源所產(chǎn)生的二個(gè)高頻輸入來產(chǎn)生等離子體。等離子體鞘調(diào)變是通過利用一波形封包(wave packet)現(xiàn)象來控制，該波形封包現(xiàn)象在等離子體鞘中創(chuàng)造一個(gè)相當(dāng)于介于二輸入信號的頻率中的差異的一低頻成分。
圖1繪示具有一雙頻射頻源的一等離子體增益處理腔體的簡易方塊圖。依據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，一等離子體增益處理腔體100包括，例如一腔體102、一雙頻射頻電源104，以及一單一匹配電路106。腔體102包括一透過匹配電路106連接到電源104的電極108，以及一接地電極110。除了簡單化的射頻基本結(jié)構(gòu)之外，腔體102的其它部分與公知的等離子體增益處理腔體類似。
電源104為一具有雙頻激發(fā)的射頻產(chǎn)生器。電源104通?？蛇m用于產(chǎn)生范圍在100KHz到200MHz的二頻率。電源104也可以最大約5000W的連續(xù)或脈沖電源。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，電源產(chǎn)生大約13MHz與14MHZ的二頻率，而每一頻率約為3KW。
在操作時(shí)，射頻源104所產(chǎn)生的二頻率一般具有相同的輸出振幅并且選擇由等離子體特性的一定義子集所控制的每一頻率，例如是高頻等離子體激發(fā)、離子解離等等。所選擇的頻率也盡量相近以允許共同通過匹配電路106。所選擇的二頻率之間的差值所產(chǎn)生一波形封包效應(yīng)(wave packet effect)也可用以控制等離子體特性的一第二子集，例如是低頻等離子體激發(fā)、鞘電壓調(diào)變(sheath voltagemodulation)等等。波形封包效應(yīng)繪示于圖2及圖3中。此外，射頻源104所產(chǎn)生的二頻率信號的振幅比值可通過控制二頻率之間的差值所產(chǎn)生的波形封包效應(yīng)的大小來改變。
值得注意的是，等離子體特性由雙頻率所控制且由其差值所產(chǎn)生的波形封包效應(yīng)可相互重疊(overlap)(即部分或全部特性被控制，例如等離子體激發(fā)或鞘調(diào)變，也可至少部分特性被射頻源104所提供的雙頻率所控制以及被二頻率的差值所產(chǎn)生的波形封包所控制。)等離子體特性的其它子集也可被連接至等離子體的額外射頻信號所控制。例如，等離子體特性的第三子集例如由另一射頻源所提供的一射頻信號來控制，而此射頻信號連接制程腔體中的另一電極，如下圖6所示。
圖2繪示以一傅立葉(Fourier)函數(shù)的振幅210作為輸入波形入射至等離子體制程腔體102的電極108的頻率220的函數(shù)，而圖3繪示鞘電壓波形300的頻譜分析，并以等離子體鞘中的頻率的振幅310作為一頻率320的函數(shù)。如圖2所示，輸入波形220的頻譜包括二預(yù)期的波峰202與204，其對應(yīng)射頻源104所產(chǎn)生的第一與第二頻率。然而，在圖3中，低頻部分(波峰306)于等離子體鞘中由射頻源104的主要驅(qū)動頻率(波峰302、304)在其預(yù)期諧振(expectedharmonic)下所產(chǎn)生的。等離子體鞘具有非線性特性曲線，其影響射頻信號如同一射頻混合器二極管(RF mixer diode)對輸入射頻信號的影響，也就是說所形成的扣擊頻率等于二輸入頻率的差值。如此，低頻部分(波峰306)等于射頻源104所產(chǎn)生的二頻率的差值。
射頻源104所產(chǎn)生的驅(qū)動頻率的最大差值由匹配電路106的特性所決定。特別是，匹配電路106的共振頻帶寬(resonant bandwidth)介于驅(qū)動頻率的中間。匹配電路106必須具有一Q值，用以定義連接二頻率至電極108以及等離子體的有效頻帶寬。只要二驅(qū)動頻率實(shí)質(zhì)上位在匹配電路的頻帶寬之間，射頻裝置能支持二分離的頻率。低頻部分的頻率差值可利用電流匹配技術(shù)(current match technology)來提供所需的處理功效。
圖4A繪示一L型匹配的振幅的反射系數(shù)以MHz頻率的軸向402對反射系數(shù)振幅的軸向404的圖標(biāo)400。所選擇的頻率的反射系數(shù)振幅如同圖標(biāo)的圈點(diǎn)406、408所示較小且大致上相等，以作為射頻源104所產(chǎn)生的第一與第二頻率。
圖4B繪示一L型匹配的頻率在實(shí)數(shù)/虛數(shù)空間(real/imaginaryspace)的位置。圖4B所繪示的史密斯圖表450表示一般標(biāo)準(zhǔn)的RF射頻源的阻值為50Ω。所選擇的頻率應(yīng)盡量靠近史密斯圖表的中心點(diǎn)452，如圖4B所示的頻率454、456，其具有較佳的低反射能量。
舉例來說，在標(biāo)準(zhǔn)等離子體產(chǎn)生半導(dǎo)體制程腔體中，需要二個(gè)不同的電源以60MHz與2MHz來激發(fā)等離子體，且與上述的頻率相匹配。然而，在本發(fā)明中，所選擇的二頻率集中在高頻附近，即二頻率的平均值為高頻，而二頻率的差值介于一預(yù)定低頻之間。在本范例中，由一共同射頻源104通過匹配電路106所產(chǎn)生的頻率在59MHz以及61MHz，可提供等離子體激發(fā)之用且2MHz調(diào)變信號可通過等離子體鞘。此種型態(tài)可減少目前射頻裝置所使用的雙電源雙頻技術(shù)，利用二獨(dú)立匹配組件或單一雙頻匹配組件至單一電源以及單一頻率匹配組件，能明顯地減少系統(tǒng)的成本，且不會犧牲制程的功效。
本發(fā)明所產(chǎn)生的功效能適用在等離子體產(chǎn)生半導(dǎo)體制程腔體中，但不限制于此，其它如解耦合等離子體源(decoupled plasmasource)DPSDPSII EMAXTM，MXP以及ENABLERTM制程腔體，加州圣克拉拉(Santa Clara)市的應(yīng)用材料公司所有可利用的設(shè)備。EMAXTM制程腔體揭示于公元1669年7月9日公告的美國專利第5534108號(發(fā)明人Qian et al.)以及公元1997年8月7日公告的美國專利第5674321號(發(fā)明人Pu et al.)。ENABLERTM制程腔體揭示于公元2003年3月4日公告的美國專利第6528751號(發(fā)明人Hoffman et al.)。上述每一篇專利的具體內(nèi)容可由其全文得知。
圖5繪示本發(fā)明一實(shí)施例的一種蝕刻反應(yīng)器(etch reactor)500的簡易示意圖。在一實(shí)施例中，反應(yīng)器500包括一制程腔體502，而制程腔體502具有一基板支撐座512位在一導(dǎo)體(壁)534之內(nèi)，以及一控制器536。支撐座512經(jīng)過匹配電路106連接至雙頻射頻電源104。(電源104以及匹配電路106如圖1所示)控制器536包括一中央處理器540、一內(nèi)存542以及中央處理器540與用以促進(jìn)制程腔體502與例如，蝕刻制程的該些組件的控制的支持電路(support circuit)544，其將在以下被詳細(xì)敘述?？刂破?36可包括，任何一般用途的，可能被用于一工業(yè)設(shè)定以控制各種腔體的計(jì)算機(jī)處理器與子處理器。中央處理器540的內(nèi)存542或計(jì)算機(jī)可讀取媒體可包括，例如一或多個(gè)可讀取內(nèi)存，例如隨機(jī)存取內(nèi)存(randomaccess memory，RAM)，惟讀內(nèi)存(read only memory，ROM)、軟盤(floppydisk)、硬盤(hard disk)，或任何其它形式的局部或遠(yuǎn)程的數(shù)字儲存裝置。在一實(shí)施例中，支持電路544被連接到中央處理器540，用以支持處理器。支持電路544包括，例如高速緩存(cache)、電源供應(yīng)器、時(shí)脈(clock)電路、輸入/輸出電路與子系統(tǒng)等。本發(fā)明的制程方法，通常可被儲存在內(nèi)存542中以作為一軟件程序(software routine)。軟件程序也可以通過位于中央處理器540所控制硬件的遠(yuǎn)程的一第二CPU(未繪示)來儲存與/或來執(zhí)行。
在一基本蝕刻運(yùn)作中，一基底514被放置在底座512上，而制程氣體從一氣體面板518通過入口端口(entry port)516被導(dǎo)入以形成一氣態(tài)混合物546。通過從雙頻射頻源104輸入電源到基底支撐座512，氣態(tài)混合物546在腔體502中被解離成等離子體548。由射頻源104所產(chǎn)生的二頻率，一般被選擇在高頻范圍，以達(dá)成等離子體激發(fā)與離子解離。此外，由射頻源104所產(chǎn)生的二頻率，其差異值還可被控制在相當(dāng)于另一所需要的特定低頻的一預(yù)定區(qū)間內(nèi)，例如被用于調(diào)變鞘電壓。
一般而言，器壁534可以被連接到電性接地552。腔體502內(nèi)部的壓力可使用一節(jié)流閥(throttle valve)550與一真空泵520來控制。器壁534的溫度可使用穿過器壁534的含液態(tài)管路(liquid-containingconduit)(未繪示)來控制。
其它形式的蝕刻腔體，包括例如具有遠(yuǎn)程等離子體源的腔體、微波等離子體腔體，以及電子回旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)等離子體腔體等也可以被用來實(shí)施本發(fā)明。而本發(fā)明的方法并不只限于蝕刻，也可以用于任何與等離子體有關(guān)的制程，包括例如沉積(deposition)、退火(annealing)、氮化(nitridation)，以及植入(implantation)等。
例如，圖6為依據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例所繪示的適用于本發(fā)明的一蝕刻反應(yīng)器600的示意圖。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，反應(yīng)器600包括，例如一制程腔體602(其中在其導(dǎo)體器壁634上具有一基底支撐座612)，以及一控制器636?？刂破?36可以類似于，例如上述圖5的控制器536。支撐座612透過匹配電路106被連接到雙頻射頻源104(射頻源104與匹配電路106可參考上述圖1)。腔體602還可包括，例如上方具有至少一感應(yīng)線圈638(圖6的實(shí)施例中繪示二線圈638)的一介電頂蓋(dielectric ceiling)610。感應(yīng)線圈638透過一第二匹配組件660連接到一第二電源662。電源662通常包括，例如在一可調(diào)頻率范圍為50kHz到13.56MHz中，可以產(chǎn)生最大約3000W的一單一射頻產(chǎn)生器。上述電源662的頻率范圍，是通常用于具有一感應(yīng)耦接上方源(inductively coupled top source)的制程腔體的范圍。在本發(fā)明中，也可以使用具有不同范圍的參數(shù)的其它種類的制程腔體。例如，在可以耦接上方源的一腔體中，該源通?？梢援a(chǎn)生具有高達(dá)200MHz的頻率的信號。此外，微波源也產(chǎn)生具有高達(dá)5GHz的頻率。
在一基本蝕刻運(yùn)作中，一基底614被放置在底座612上，而制程氣體從一氣體面板618通過入口端口616被導(dǎo)入以形成一氣態(tài)混合物646。通過從電源662輸入電源到感應(yīng)線圈638，以及從雙頻射頻源104輸入電源到基底支撐座612，氣態(tài)混合物646在腔體602中被解離成等離子體648。由射頻源104所產(chǎn)生的二頻率，一般被選擇在高頻范圍，以達(dá)成等離子體激發(fā)與離子解離。然而，此電源可能不夠高而無法完成此動作，因此射頻源104可能只能用于偏壓基底614。此外，由射頻源104所產(chǎn)生的二頻率，其差異值更可被控制在相當(dāng)于另一所需要的特定低頻的一預(yù)定區(qū)間內(nèi)，例如被用于調(diào)變鞘電壓。通過結(jié)合雙頻射頻源104與電源662，可以提供更多的制程控制變量，來控制腔體602中的半導(dǎo)體基底614的處理。
一般而言，器壁634可以被連接到電性接地652。腔體602內(nèi)部的壓力可使用一節(jié)流閥650與一真空泵620來控制。器壁634的溫度可使用穿過器壁634的含液態(tài)管路(liquid-containing conduit)(未繪示)來控制。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許之更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種以雙頻射頻源產(chǎn)生與控制等離子體于半導(dǎo)體基板制程腔體的方法，其特征在于，該方法包括在一第一頻率下，由該射頻源提供一第一射頻信號至該制程腔體內(nèi)的一電極；以及在一第二頻率下，由該射頻源提供一第二射頻信號至該制程腔體內(nèi)的該電極，該第二頻率與該第一頻率的差值等于一預(yù)定頻率，其中在該預(yù)定頻率下，形成于該制程腔體中的一等離子體的特性由一等離子體鞘調(diào)變所建立。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該第一與第二射頻信號經(jīng)過一共同匹配電路連接至該制程腔體，且該共同匹配電路輸出一信號至該制程腔體內(nèi)的該電極。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該第一與第二射頻信號控制該等離子體特性的一第一定義子集，而該第一與第二頻率的差值控制該等離子體特性的一第二定義子集。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該等離子體特性的該第一定義子集至少包括該等離子體的激發(fā)。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該等離子體特性的該第二定義子集至少包括該等離子體鞘的調(diào)變。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該第一與第二射頻信號的平均頻率為13.5MHz。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，該頻率差值介于100kHz～1MHz之間。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該第一與第二射頻信號的平均頻率為60MHz。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，該頻率差值介于1MHz～2MHz之間。
10.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，該頻率差值介于100KHz～2MHz之間。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括連接一第三射頻信號至一氣體以形成該等離子體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該第一與第二射頻信號控制該等離子體特性的一第一定義子集，而該第一與第二頻率的差值控制該等離子體特性的一第二定義子集，且該第三射頻信號控制該等離子體特性的一第三定義子集。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該電極配置于一基板支撐座的內(nèi)部。
14.一種半導(dǎo)體基板蝕刻用的裝置，其特征在于，包括一第一電極，位于一制程腔體之中；以及一雙頻射頻電源，具有一第一輸出以及一第二輸出，該第一輸出用以供給一第一射頻信號，而該第二輸出用以供給一第二射頻信號，該第一與第二射頻信號的差值等于一預(yù)定頻率，而該電源適于在該預(yù)定頻率建立一等離子體鞘的調(diào)變。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括一匹配電路，其具有一共同輸出連接至該第一電極，用以匹配該射頻電源的該第一與第二輸出的阻抗至該制程腔體中的負(fù)載。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括一第二射頻源連接至該制程腔體中的一第二電極。
17.一種半導(dǎo)體基板等離子體處理的裝置，其特征在于，包括一制程腔體；一基板支撐座，配置于該處理器；一第一電極，配置于該基板支撐座內(nèi)；一雙頻射頻電源，連接至該第一電極，該電源適于提供一第一射頻信號與一第二射頻信號；以及一等離子體，形成于該制程腔體中并具有一等離子體鞘，其中該第一與第二射頻信號的差值等于一預(yù)定頻率，而該等離子體鞘調(diào)變于該預(yù)定頻率下。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，還包括一匹配電路，其具有一共同輸出連接至該第一電極，用以匹配該射頻電源的一第一輸出與一第二輸出的阻抗至該制程腔體中的負(fù)載。
19.如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，還包括一第二射頻源連接至該制程腔體中的一第二電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種產(chǎn)生與控制在使用雙頻射頻源的半導(dǎo)體基底處理腔體中的等離子體的方法與設(shè)備。本方法包括，例如在一第一頻率下，由射頻源提供一第一射頻信號至制程腔體內(nèi)的一電極的步驟，以及在一第二頻率下，由射頻源提供一第二射頻信號到制程腔體內(nèi)的電極。其中第二頻率與第一頻率的差值等于一預(yù)定頻率，其中在預(yù)定頻率下，形成于制程腔體中的等離子體的特性由一等離子體鞘(plasma sheath)調(diào)變所建立。
文檔編號H01J37/32GK1620219SQ20041005818
公開日2005年5月25日 申請日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月15日
發(fā)明者史蒂芬·C·雪農(nóng), 艾力克斯·派特森, 斯而多洛斯依·派納購波洛斯, 約翰·P·后蘭, 丹尼斯·格理瑪, 高倉靖 申請人:應(yīng)用材料有限公司