具有独立等离子体源的等离子体反应器设备制造技术

本发明专利技术公开了一种用于处理工件的等离子体反应器，包括：构成反应器腔室的罩和所述腔室内的工件支架，所述罩包括面向所述工件支架的顶；环形等离子体源，包括中空凹角管道和靠近凹角外部管道的一部分的ＲＦ功率施加器，所述中空凹角管道在腔室外部并具有与腔室内部连接的一对端部同时形成经过管道延伸并贯穿工件支架直径的闭合环形路径；以及耦合至环形等离子体源的ＲＦ功率施加器的ＲＦ功率发生器。所述反应器进一步包括：具有源功率电极和ＶＨＦ功率发生器的电容耦合等离子体源功率施加器和包括偏压功率电极和至少第一ＲＦ偏压功率发生器的等离子体偏压功率施加器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种等离子体反应器，尤其涉及一种用于处理工件的等离子体反应器。
技术介绍
在半导体制造工艺中，传统的等离子体功率源，诸如电感耦合射频(RF)功率施加器或电容耦合射频功率施加器，将固有的等离子体密度不均匀性带入工艺中。尤其是，在半导体加工件或晶圆上方电容耦合等离子体源具有等离子体离子密度“M”形径向分布的特点。由于器件的几何结构已逐渐减小，这种非均匀性变得更加突出，要求更好的补偿。目前，通过优化线圈设计和顶到晶圆的距离、腔室的孔径比，减小或消除上方电容耦合等离子体源的非均匀性。该距离必须足够在离子到达晶圆之前扩散效应能克服离子产生区中的非均匀的离子分布的影响。对于晶圆上较小的器件几何结构和靠近顶设置的电感等离子体源，大的顶到晶圆的距离为有利的。然而，由于大距离上的扩散，因此大的顶到晶圆距离能避免顶气体分配喷头的有益气体分布效应到达晶圆表面。对于如此大的顶到晶圆的距离，现已发现不管是采用气体分配喷头或是采用少量的独立注入喷嘴，气体分布均匀性没有区别。总之，为了离子密度均匀性而优化晶圆到顶的距离不一定导致气体输送最优化。所述反应器的一个局限在于不能独立地控制所有的工艺参数。例如，在电感耦合的反应器中，为了增加反应(刻蚀)速率，必须增加等离子体功率源以增加离子密度。然而，这将增加等离子体的离解，在某些情况下，其可降低刻蚀选择性并增加刻蚀微负载问题。因此，刻蚀速率必须局限于所述刻蚀选择性或微负载为临界的情况。另一问题存在于处理(例如刻蚀)具有不同材料的不同层的多层结构中。这些层的每层在不同的等离子体条件下进行最优处理(例如，刻蚀)。例如，一些子层可在具有高离子密度和高离解(对于等离子体中低质量高反应性物质)的电感耦合等离子体进行最优刻蚀。其他层可在电容耦合的等离子体(低离解、高质量离子和游离基)中进行最优刻蚀，而另外层可在纯电感耦合源或电容耦合源的两个极端之间的等离子体条件中进行最优刻蚀。然而，为使进行刻蚀的结构的各子层的工艺条件理想化将要求不同的工艺反应器，而这是不实际的。
技术实现思路
一种用于处理工件的等离子体反应器，包括构成反应器腔室的罩和腔室内的工件支架，其中所述罩包括面向工件支架的顶；环形等离子体源，包括中空凹角管道和靠近凹角外部管道的一部分的RF功率施加器，所述中空凹角管道在腔室外部并具有与腔室的内部连接的一对端部同时形成经过管道延伸并且贯穿工件支架直径的闭合环形路径；以及耦合至环形等离子体源的RF功率施加器的RF功率发生器。所述反应器进一步包括电容耦合等离子体源功率施加器，包括位于(a)顶，或(b)工件支架处其中之一的源功率电极以及耦接至电容耦合功率源施加器的甚高频(VHF)功率发生器；等离子体偏压功率施加器，包括工件支架中的偏压功率电极以及耦合至等离子体偏压功率施加器的至少第一RF偏压功率发生器。工艺气体分配设备设置为在顶中的气体分配喷头以及用于从腔室抽气的真空泵。第一控制器调节通过环形等离子体源和电容耦合的等离子体源功率施加器同时耦合至腔室中的等离子体的功率的相对量。附图说明图1为根据本专利技术的实施方式的等离子体反应器的简化方框图；图2A和图2B一起组成的方框图描述本专利技术方法的一实施方式，以及这些图在下文共同称之为“图2”。图3A为描述电感耦合等离子体典型的等离子体离子密度的径向分布图；图3B为描述电容耦合等离子体典型的等离子体离子密度的径向分布图；图3C为描述根据本专利技术方法在图1的反应器中得到的等离子体离子密度的径向分布图； 图4示出了离子径向分布不均匀性(偏差)与电感耦合功率和电容耦合功率的功率级别之比的关系图；图5示出了离子径向分布不均匀性(偏差)关于电感耦合功率和电容耦合功率的脉冲工作周期之比的关系图；图6为成对的电感耦合功率级别值和电容耦合功率级别值的恒定等离子体离子密度的直线图；图7为成对的电感耦合功率脉冲工作周期和电容耦合功率脉冲工作周期值的恒定等离子体离子密度的直线图；图8为不同VHF频率的电容耦合功率的源功率级别与主等离子体中的电子密度的关系图；图9A和图9B一起构成的方框图描述了本专利技术方法的另一实施方式，并在下文共同称之为“图9”。图10为不同混合的电容耦合功率和电感耦合功率得到的不同主等离子体电子能量分布函数；图11为当电容耦合功率与电感耦合功率相加时获得的不同源功率级别的电子能量分布函数中的变化；图12为不同离解度得到的不同发射光谱(电子能量分布)图；图13为随着电感耦合功率与电容耦合功率之比增加，离解度(例如，单体碳或游离氟的总量)如何增加的示意图；图14为随着电感耦合功率脉冲工作周期与电容耦合功率工作周期之比增加离解度(例如，单体碳或游离氟的总量)如何增加的示意图；图15A和图15B分别为脉冲电感耦合功率和电容耦合功率的同时波形图；图16为随着电容耦合功率的频率的增加，离解度如何降低的示意图；图17A、17B和17C分别为在仅施加低频率偏压功率、仅施加高频率偏压功率和都施加低和高频率偏压功率的情况下鞘离子能量分布图；图18为在图2或图9的工艺中待刻蚀的多层栅结构的示图；图19为根据第一实施方式的等离子体反应器的示图；图20和图21为图19的反应器中顶电极的不同实施方式的示意图；图22和图23为图19的反应器的电感天线的不同实施方式的示图；图24为根据另一实施方式的等离子体反应器的示图； 图25为根据另一实施方式的等离子体反应器的示图；图26为根据再一实施方式的等离子体反应器的示图；图27为根据再一实施方式的等离子体反应器的示图；以及图28为根据另一实施方式的等离子体反应器的示图。具体实施例方式图1为用于处理工件102的等离子体反应器的示意图，其中该工件102可为半导体晶圆，设置于可(可选地)利用升降伺服系统105提升和降低的工件支架103上。该反应器包括由腔室侧壁106和顶108限定的腔室104。顶108可包括在其内表面具有小的进气孔110的气体分配喷头109，喷头109接收来自工艺气源112的工艺气体。另外，工艺气体可通过进气喷嘴113导入。反应器包括电感耦合的RF等离子体源功率施加器114和电容耦合RF等离子体源功率施加器116。电感耦合RF等离子体源功率施加器114可为位于顶108上方的电感天线或线圈。为了使电感耦合至腔室104中，气体分配喷头109可由诸如陶瓷的介电材料组成。VHF电容耦合源功率施加器116为位于顶108内或位于工件103内的电极。在另一的实施方式中，电容耦合源功率施加器116可包括位于顶108内的电极和位于工件支架103内的电极，从而RF功率源可为从顶108和工件支架103都电容耦合。(如果电极在顶108内，则它可能具有多个狭缝以使来自上方线圈天线的电感耦合至腔室104中)。射频功率发生器118通过可选的阻抗匹配元件120将高频(HF)功率(例如，在约10MHz到27MHz的范围内)提供给电感耦合源功率施加器114。另一RF功率发生器122通过可选的阻抗匹配元件124将甚高频(VHF)功率(例如，在约27MHz到200MHz的范围内)提供给电容耦合功率施加器116。电容耦合功率施加器116产生等离子体离子的效率随着VHF频率增加而增加，并且频率范围优选地在用于产生合适的电容耦合的VHF区中。如图1示意性示出，来自本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在等离子体反应器的腔室中处理工件的方法，包括：将工艺气体导入腔室中；同时进行：ａ）电容耦合ＶＨＦ等离子体源功率至位于晶圆上方的所述腔室的工艺区中，以及ｂ）电感耦合ＲＦ等离子体源功率至所述工艺区中；以及通过调节耦合至所述工艺区中的所述电容耦合ＶＨＦ功率和所述电感耦合功率的比例，调节下述其中之一：ａ）所述工艺区中的等离子体离子密度的径向分布，以及ｂ）所述等离子体中物质的离解度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：亚历山大M帕特森，瓦伦丁N托多罗夫，西奥多洛斯帕纳戈波洛斯，布赖恩K哈彻，丹卡茨，爱德华P哈蒙德四世，约翰P荷文，亚历山大马特尤什金，
申请(专利权)人：应用材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]