[发明专利]等离子体源的设计

说明书

发明背景

【发明所属领域】

本发明的实施例大体上关于等离子体处理系统与用于控制等离子体处理系统中等离子体均匀性的材料及设备。

【相关技术的描述】

等离子体处理腔室通常用在各种电子元件制造工艺中，诸如蚀刻工艺、化学气相沉积(CVD)工艺及其他与基片上制造电子元件相关的工艺。已利用许多方法生成及/或控制等离子体密度、形状以及处理腔室中的电气特征，诸如一般用在常规等离子体腔室中的电容性或电感性耦合RF源。例如，在等离子体辅助化学气相沉积工艺期间，处理气体透过电容性耦合喷头导入处理腔室，该喷头布置于由工艺配件环绕的半导体基片上方。一旦等离子体形成于PECVD腔室，等离子体与处理气体和基片反应以沉积期望的材料层于基片上。

常规等离子体处理腔室设计中，所生成的等离子体是布置在基片表面上方，该设计会引发非所求的溅射以及对基片表面的伤害，这是由于等离子体中所形成的电子与离子和基片表面的交互作用所致。暴露于所生成的等离子体的浮接及电气接地的部件大体上会累积净电荷。所形成的净电荷引发形成于等离子体中的电子及/或离子轰击基片或腔室部件的暴露表面，并且可能对基片或腔室部件的暴露表面造成伤害。因此，在一些应用中，期望形成具有足以易于与基片表面（或腔室部件表面）反应的能量的气体自由基，以强化反应速率同时不会有力地轰击基片或腔室部件表面，因为非离子化的气体自由基不受形成于基片或部件表面上的电荷所影响。

因此，为了防止或减少等离子体与基片及腔室部件之间的交互作用，已使用远端等离子体源(RPS)设计。典型的远端等离子体源设计包括等离子体生成区域，该区域定位在基片所处的处理腔室的处理区域的远端。以此方法，RPS装置的等离子体生成区域中生成的等离子体大体上不会与基片表面交互作用。

然而，当前的常规RPS设计一般利用微波、电容性耦合或电感性耦合能量源，所述能量源具有狭窄的等离子体生成区域，而将会引发这些装置具有小于期望的等离子体处理窗口，这限制了在常规RPS装置的等离子体生成区域中形成的气体自由基与气体离子的能量范围。在一个示例中（如图1所示，此示例为美国专利号6,150,628中的图3），常规RPS设计大体上包括金属等离子体腔室100的区域112、114，在该区域中，通过将能量传递至第一核心104与第二核心106而生成等离子体。本领域技术人员将认知到，传递至常规RPS设计的区域（等离子体生成于该区域中）的电磁能是不均匀的，且在等离子体生成装置（即线圈）所处的区域“PR”（图1）中具有高度活性或“热点”。区域112、114的所有其他部分在“PR”区域外侧有微弱的、或不存在电源耦合，这是由于它们相对等离子体感应元件（例如第一核心104、第二核心106）的距离及位置之故。如图1中所示意性例示，常规RPS设计传统上使用闭环RF源配置，该闭环RF源配置具有包裹封闭的磁通透核心周围的绕组，该核心环绕等离子体生成区域的一部分。由核心104、106相对于区域“PR”的位置与形状所汇聚而生成的场具有相对小的区域且具有非常局限的时间将RF能量传送给流过常规RPS装置的气体。因此，具有小型等离子体生成区域的常规RPS设计具有非常局限的生成及/或控制所形成的气体自由基及/或气体离子的能量的能力。

为了解决能量耦合效率的问题，一般而言，RPS装置制造者大体上会同时将负电型气体（例如氨气(NH₃)）以及正电型气体（例如氩(Ar)）流过等离子体生成区域，以更易于形成且保持形成的等离子体于该等离子体生成区域中。然而，在一些情况下，期望仅传递单一负电型气体或单一正电型气体以改善处理速度或等离子体处理结果。而且，经常期望使等离子体形成及保持于具有低的等离子体阻抗的范围中，诸如在等离子体生成区域中的低压力（例如小于200mTorr）之处。无法有效将等离子体能量耦合至处理气体的常规RPS设计不能够满足当前半导体处理工业的需求。因此，需要一种RPS设计以更有效地将所传递的RF能量耦合至处理气体、具有更宽广的处理窗口、并且能够在更大范围的等离子体阻抗中运作。