[发明专利]在电感耦合的等离子体内改善等离子体分布及性能的设备

说明书

发明领域

本发明一般涉及利用等离子体的半导体处理工艺，特别涉及在一个通过电感耦合产生并维持的等离子体内改善等离子体分布及处理性能。

发明背景：

气体等离子体的发生被广泛用于多种集成电路(IC)的制造过程，包括等离子蚀刻，等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)以及等离子体溅射沉积的运用。通常，等离子体产生的方法是在一个处理室内将一个低压气体引入其中然后再引入电能并产生一个电场。电场在室内产生一个电子流，它通过单个电子-气体分子之间的碰撞传递动能而电离单个的气体原子和分子。电子在电场中被加速，产生有效电离。气体的、被电离的粒子和自由电子共同形成被称为气体等离子体或放电体。该等离子体可能存在多种电离水平，从10^-6直到完全电离的等离子体(基于电离粒子相对总粒子数的比例)。

等离子体粒子一般都会带正电荷，并且普遍被用来在处理室内刻蚀一衬底的表面或者沉积一层材料到该衬底上。在刻蚀的过程中，衬底可负偏压，从而正的等离子体粒子被吸到衬底表面，并轰开表面，因而能去除表面粒子或刻蚀该衬底。在溅射沉积过程中，靶可置于处理室内相对于衬底的位置上。该靶然后被偏压以致等离子体粒子轰开靶，并且将靶粒子从其中移走或“溅射”。溅射的靶粒子然后沉积在衬底上，并在暴露的表面上形成一材料层。在等离子体增强化学汽相沉积(CVD)处理工艺中，电中性的活泼原子团在暴露表面形成一个沉积层。

通常，有许多种不同的方法在处理室内产生一个等离子体。例如，一对相反的电极可定位于处理室内，从而电容性耦合能量到等离子体上。也可使用一利用超高频微波场的微波共振室。另一方面，电子回旋加速共振(ECR)设备利用与微波能相关的控制磁场，在处理气体中感应出循环电子流来产生并保持等离子体。感应耦合处理应用也很普遍，它们尤其在产生高密度等离子体方面非常理想。电感耦合等离子体(ICP)一般利用在处理室设置的一定形状的线圈或天线去电感耦合能量进入处理室，从而在室内产生并保持等离子体。

例如，在一个特别设计的电感耦合等离子体(ICP)系统中，一个电感线圈或天线被置于接近处理室顶部的位置并在室内产生一个等离子体。更具体地说，该天线被置于处理室顶部一介质板或介电窗的一面，来自天线的电能被耦合穿过介电窗并且进入等离子体。这样的一个设计已由美国专利US 5,556,521阐述，本申请的申请人也是该专利的专利权人之一。

在另一种ICP处理系统中，一螺旋或圆筒形的线圈缠绕在处理室一侧壁部分的外面，从而通过处理室的侧壁而不是顶部来电感耦合能量到等离子体上。在这种系统中，室侧壁的一部分由一介电材料构成，电感耦合能可以经过它。一种用于窗或室侧壁的适合的介电材料是石英。在本技术领域，许多ICP系统是公知的，并且已被利用，这一点可以从许多涉及具体的ICP细节如等离子体的均匀性、射频的匹配性以及天线或别的电感元件性能特点的专利中得到证明。

ICP系统的几何形状在决定等离子体密度和均匀度，甚至最终决定衬底区域上的处理均匀度都是一个重要的因素。对于今天的处理工艺，比较理想的是在一个很大的面积上产生一个均匀的高密度等离子体，这样便可以适应大的衬底尺寸。例如，今天超大规模集成电路(ULSI)的生产便需要一个密集均匀的等离子体作用于直径接近200毫米的大衬底。

更具体地说，在ICP系统中，通过在处理室等离子体区域加热或激活电子而激活等离子体。加热等离子体电子的感应电流来自振荡磁场，该振荡磁场由电感天线或线圈内的射频电流产生并靠近介电窗或侧壁的里面。这些磁场的空间分布是天线或线圈导体每个部分或段所产生单个磁场总和的函数。因而，感应天线或线圈的几何形状很大程度上决定了等离子体的空间分布，尤其是处理室内等离子体离子密度的空间分布和均匀度。举例说明，如美国专利US 5,669,975所揭示，一个“S”型的天线在其中央区域形成一个很大的离子密度。在更高的射频水平上，天线的外面部分也会对等离子体的电离起重要作用。尽管采用这种天线结构的ICP系统有着一个很大优点，即，就传递到天线和处理室半径的能量来说，该系统是线性的，而且尽管当前ICP系统和所使用的天线结构已能够产生足够的等离子体产生，但是，这种系统还是有一些缺陷。