專利名稱：具有采用vhf源的離子分布均勻性控制器的等離子體反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式關(guān)于用于處理諸如半導(dǎo)體晶圓的工件的電容性耦合等 離子體源。
背景技術(shù)：
電容性耦合等離子體源包含頂電極，其在高于110MHz的甚高頻(VHF) 頻率下驅(qū)動，能在相對低電壓下產(chǎn)生高密度等離子體。電容性耦合等離子體源 可進一步產(chǎn)生用于低電極侵蝕的低電極電勢，并且視需要，允許將在晶圓表面 的離子能量限制到低級別，同時在寬范圍的等離子體密度(甚低到甚高等離子 體離子密度)下進行操作。在該等離子體源中一個固有問題為.由于等離子體 的有效介電常數(shù)，頂電極展現(xiàn)出徑向傳輸線效應(yīng)和負載。例如，在150MHz， 自由空間四分之一波長大約為20英寸，其與頂電極直徑(約15英寸)類似。 因此，射頻(RF)場在整個頂電極表面上顯著變化，引起晶圓表面的處理不 均勻性。對于有效介電常數(shù)大于1的等離子體，有效波長降低到小于頂電極直 徑，加劇了RF場的不均勻性，使在整個晶圓表面上的處理不均勻性嚴(yán)重。對 于蝕刻工藝，這將在整個晶圓表面上產(chǎn)生不均勻邊緣低的蝕刻速度分布。采用各種方法以降低該不期望的效應(yīng)。在一個方法中，采用磁導(dǎo)向以改變 等離子體離子分布，例如，用于降低其中心高不均勻性，從而產(chǎn)生一定程度上 的平面分布。該方法的一個問題在于源的中心高不均勻性可能超過磁導(dǎo)向的校 正能力。該方法的另一問題為如果磁通量密度過高，則將產(chǎn)生對工件的電充 電破壞。在另一方法中，通過將更高的等離子體RF偏置功率施加到晶圓而增 加等離子體鞘(或偏置)電壓。這具有增加等離子體鞘厚度的效應(yīng)，其反過來通常降低整個頂-等離子體鞘上的電容以及降低整個晶圓-等離子體鞘上的電 容，從而形成串聯(lián)的三個電容器，包括頂鞘電容、等離子體電容和晶圓鞘電容。 凈效應(yīng)為降低等離子體介電常數(shù)的效應(yīng)，從而降低RF場的不均勻性。在一些 氧化蝕刻等離子體工藝菜單中，需要的高偏置電壓與后面的方法兼容。然而， 高等離子體偏置電壓在其它類型的等離子體工藝中是不期望的。最差的不均勻 性出現(xiàn)在采用最低等離子體偏置電壓的工藝中。在工藝菜單規(guī)定的其它工藝條件具有與任一磁導(dǎo)向或者偏置(鞘)電壓對 等離子體分布一樣大的效應(yīng)情形，這些方法復(fù)雜化。例如，增加腔室壓力產(chǎn)生 較低的中心高和更加中心低等離子體離子分布，而降低腔室壓力產(chǎn)生較中心高 分布。等離子體分布的其它變化由源功率(等離子體密度)、氣體化學(xué)組成、 氣體混合物的電負性、抽吸速度、氣流速度和工藝菜單的規(guī)定其它工參數(shù)而導(dǎo) 致。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種用于在反應(yīng)器的腔室中處理工件支撐底座上的工件的 等離子體反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括面向底座的頂電極和在底座中的底座電極，以 及耦接到頂電極和底座電極中的相同或不同電極的具有不同頻率的第一和第二VHF源。第一和第二VHF功率源分別具有充分高和充分低的頻率，以在腔 室內(nèi)分別生成中心高和中心低的等離子分布非均勻性。該反應(yīng)器還包括控制 器，其程序化以改變第一和第二VHF功率源的相對輸出功率電平以(a)當(dāng) 等離子體離子分布具有顯著的邊緣高非均勻性時，增加第一 VHF功率源的相 對輸出功率電平；以及(b)當(dāng)?shù)入x子體離子分布具有顯著的中心高非均勻性 時，增加第二VHF功率源的相對輸出功率電平。在一個實施方式中，該反應(yīng)器還包括工件升降機構(gòu)，用于改變工件到頂部 的間隙，該升降機構(gòu)耦接到控制器，控制器程序化以當(dāng)分布具有顯著的中心高 非均勻性時減小該間隙，以及當(dāng)分布具有顯著的中心低非均勻性時增加該間 隙。在另一個實施方式中，該反應(yīng)器還包括測量工具，其用于確定在腔室中處 理的工件的處理結(jié)果的非均勻分布，該工具連接到控制器。在又一個實施方式中，該反應(yīng)器還包括第一可變電抗，其耦接在RF接地與底座電極和頂電極的其中之一之間，該電極與第一 VHF功率源耦接的電極相反，該控制器程序化以改變第一可變電抗的阻抗，從而增強第一VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的中心高非均勻性的趨勢。在一個方案中，該實施方式可進一歩包括第二可變電抗，其耦接在RF接地與底座電極和頂電極的其中 之一之間，該電極與第二VHF功率源耦接的電極相反，該控制器程序化以改 變第二可變電抗的阻抗，從而增強第一 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的 邊緣高非均勻性的趨勢。


為了能獲得并能詳細理解本發(fā)明的以上所述實施方式，將參照在附圖中示 出的實施方式對以上的概述進行更加詳細的描述。然而，應(yīng)該注意到，附圖僅 示出了本發(fā)明的典型實施方式，并因此其不能被理解為是對本發(fā)明范圍的限 制，因為本發(fā)明可承認其它等效的實施方式。圖1A示出了具有施加到頂電極的多VHF源功率頻率的等離子體反應(yīng)器； 圖1B描述了在圖1A的反應(yīng)器中控制RF接地回路的阻抗的可變電抗或帶 通濾波器的元件；圖2示出了具有施加到相對電極的不同VHF頻率的等離子體反應(yīng)器； 圖3A和圖3B示出了具有施加到各個同心電極的不同VHF頻率的等離子 體反應(yīng)器；圖4示出了具有施加到陰極電極的不同VHF頻率的等離子體反應(yīng)器；圖5示出了具有兩個VHF源功率頻率的等離子體反應(yīng)器，其中高VHF源 功率頻率為利用低VHF頻率發(fā)生器和第三諧波諧振器而產(chǎn)生；圖6示出了等離子體反應(yīng)器，其在具有第三諧波諧振器的VHF頻段的低 部分(例如，50-60MHz)中具有單一VHF可變頻率發(fā)生器，從而在通過改變 發(fā)生器輸出頻率而確定的功率級別下而產(chǎn)生在VHF帶的高部分(例如，大于 100MHz)中產(chǎn)生VHF頻率組分；圖7示出了可利用圖1A的反應(yīng)器實施的工藝；圖8示出了可利用圖2的反應(yīng)器實施的工藝；圖9示出了可利用圖3A的反應(yīng)器實施的工藝；圖10示出了可通過將兩個VHF頻率fl和f2設(shè)置成彼此相等而可以在圖2的反應(yīng)器中實施的工藝；圖11示出了可利用圖5的反應(yīng)器實施的工藝；圖12示出了圖5的反應(yīng)器的變型中可實施的工藝，其中f2帶通濾波器254 和G發(fā)生器以及匹配242、 246的位置互換；圖13示出了僅使用單一低VHF頻率發(fā)生器可在圖6的反應(yīng)器中實施的工藝。為了有助于理解，盡可能使用相似的附圖標(biāo)記表示附圖中共有的相似元 件。在圖里面的附圖僅是示意性的并且沒有按比例繪制。
具體實施方式
圖1A是通過分配不同源功率頻率中的電容性耦合等離子體源功率而能控 制等離子體離子密度的徑向分布的等離子體反應(yīng)器的簡化示意性圖表。反應(yīng)器 具有通過柱狀側(cè)壁202和圓盤狀頂部204圍繞的真空腔室200。頂部204既為 導(dǎo)電頂電極又為氣體分布噴頭或板，并且在此將引用為頂電極204。頂電極可 可選地由導(dǎo)電、半導(dǎo)電或絕緣材料覆蓋。頂電極204包括在耦接到各個內(nèi)部和 外部氣體歧管210、212的底表面204c上的氣體注射孔的內(nèi)部和外部區(qū)域206、 208。內(nèi)部和外部區(qū)域工藝氣體供應(yīng)214、 216將工藝氣體配送到內(nèi)部和外部歧 管210、 212。晶圓支撐底座218可支撐諸如半導(dǎo)體晶圓220的工件。底座218 可具有靜電夾盤的部件，包括圍繞內(nèi)部電極226的底層222和絕緣頂層224。 真空泵228通過腔室200的底(floor) 230耦接。底座218被支撐在腿部件232 上，該腿部件232耦接到可提升或降低底座218高度的升降機構(gòu)。在一個實施 方式中，升降機構(gòu)234提供在大約0.3英寸到大約6英寸范圍內(nèi)的晶圓-到-頂 部間隙。晶圓通過施加到電極226的來自直流供應(yīng)236的直流鉗位電壓而夾持 到底座上。直流供應(yīng)236典型地包括低通濾波器，以將直流供應(yīng)與存在于電極 226上的RF電壓絕緣。RF偏置功率可直接耦接到內(nèi)部電極226，或者可通過 導(dǎo)電底層222間接耦接。底座218典型地包括導(dǎo)電接地外殼217，其通常利用 絕緣材料諸如石英、陶瓷或塑料而與導(dǎo)電底層222和內(nèi)部電極226絕緣?？蛇x 地，導(dǎo)電底層218可接地。在整個腔室200上的等離子體離子徑向分布均勻性通過提供一對VHF等 離子體源功率發(fā)生器240、 242來控制。在一個方案中，RF發(fā)生器240具有在VHF范圍的上部分中的頻率，在110和250MHz之間的大小，并且標(biāo)稱約為 162MHz，而其它RF發(fā)生器具有在VHF范圍較低部分中的頻率，在大約 40-90MHz的大小，并且標(biāo)稱為大約60MHz。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)來自發(fā)生器240(如 果僅應(yīng)用該發(fā)生器)的較高VHF頻率趨于產(chǎn)生中心高并且邊緣低的等離子體 離子密度徑向分布，而來自發(fā)生器242 (如果僅應(yīng)該該發(fā)生器)的較低VHF 頻率趨于產(chǎn)生中心低且邊緣高的等離子體離子密度徑向分布。在該方面，當(dāng)同 時使用時，這兩個發(fā)生器彼此互補。在一個實施方式中，發(fā)生器240、 242其 中之一的輸出功率彼此相應(yīng)地調(diào)整，以改變中心低圖案和中心高圖案之間的等 離子體離子密度徑向分布。選擇兩個發(fā)生器240、 242的RF功率(或電壓或 電流)級別的比率，以最小化中心高和中心低的非均勻性并建立幾乎沒有這兩 種非均勻性的更加接近均勻的等離子體離子分布，并因此接近或基本上均勻。 該均勻性可通過測量整個晶圓或工件上的蝕刻速度的徑向分布而確定。該分布 的變化隨著均勻性增加而降低。對于蝕刻速度的更均勻徑向分布的變化可以低 至4%或更低，例如。在一個實施方式中，較高VHF頻率發(fā)生器240通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)244耦 接到頂電極204，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)244可以為任一固定的或者為動態(tài)的并且可 以由集總元件或者分散元件形成。較低的VHF頻率發(fā)生器242通過阻抗匹配 網(wǎng)絡(luò)246耦接到頂電極204，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)246由集總元件或者分散的元件 形成并且可以為固定的或者動態(tài)的。高VHF匹配244的輸出通過陷頻濾波器 248與低VHF發(fā)生器242的輸出隔離，對該陷頻濾波器248調(diào)諧以阻擋圍繞 低VHF發(fā)生器242的頻率f2成中心的窄帶，或者可選地通過高通濾波器調(diào)諧 以阻抗低VHF發(fā)生器242的頻率G。低VHF匹配246的輸出通過陷頻濾波器 250與高VHF發(fā)生器240的輸出隔離，該陷頻濾波器250調(diào)諧以阻擋圍繞高 VHF發(fā)生器240的頻率fl呈中心的窄帶，或者可選地通過低通濾波器調(diào)諧以 阻擋高VHF發(fā)生器240的頻率fl 。根據(jù)傳統(tǒng)的實施并結(jié)合匹配網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計濾 波器電路，從而實現(xiàn)具有所需頻率隔離的期望匹配范圍。對于每個VHF頻率fl、 f2，提供兩個RF接地回路。通過將側(cè)壁202接 地，提供沿著腔室200側(cè)部的路徑，如在附圖中所示。沿著該路徑的VHF電 流促進邊緣高中心低的等離子體離子徑向分布，或者至少相對于通過腔室中心 的RF接地回路而促進較低中心高等離子體離子徑向分布。通過將底座電極226(或底層222)經(jīng)過各個調(diào)諧(可變)帶通濾波器252、 254耦接到地面而可 選地提供經(jīng)過腔室200中心的路徑，其中帶通濾波器252、 254彼此獨立受控。 可變帶通濾波器252具有窄通帶，其包括(或至少大約在其上呈中心)較高 VHF發(fā)生器240的頻率fl?？勺儙V波器254具有窄通帶，其包括(或至 少大約在其上呈中心)較低VHF發(fā)生器242的頻率f2。帶通濾波器252、 254 兩者都提供在各自的帶通頻率fl、 f2下的各自接地的阻抗。通過控制器270 改變這些阻抗，以確定來自底座電極226和側(cè)壁202之間的每個發(fā)生器240、 242的RF電流的分配。該電流的分配通過改變每個帶通濾波器252、 254的電 抗而控制?？刹捎秒娙莺碗姼薪M件的傳統(tǒng)RF濾波器電路，以實施可變的帶通 濾波器252、 254。根據(jù)傳統(tǒng)的實施，這些濾波器可實施為電容和電感組件的 集總元件或?qū)嵤榉稚⒌脑T如同軸的調(diào)諧元件或線腳(stub)。例如， 圖1B為可在圖1A的反應(yīng)器中采用的可變帶通濾波器類型的簡化示意圖。圖 1B的可變帶通濾波器可包括并聯(lián)電容器256、感應(yīng)器258和負載電容器260、 電容器256、 260的任一個或兩者都可變化。根據(jù)一個方案，濾波器252、 254 不必為帶通濾波器或具有帶通濾波器的頻率響應(yīng)。例如，濾波器252、 254的 其中之一或兩者可以為高通濾波器或低通濾波器，或者其響應(yīng)可改變以作為任 何類型的濾波器的反應(yīng)性元件?？蛇x地，通過將底座電極226接地，可提供 RF接地回路經(jīng)過腔室200的中心。這可經(jīng)過高通濾波器以允許RF偏置的有 效絕緣。RF偏置功率施加到ESC (靜電夾盤)電極226，包括通過LF (低頻)阻 抗匹配264來自低頻RF功率發(fā)生器262的LF功率(例如，大約2MHz), 和通過HF阻抗匹配268來自高頻RF功率發(fā)生器266的HF功率(例如，大 約13.56MHz)。典型地，選擇RF偏置頻率，使得LF功率級別控制峰值離子 能量，同時HF功率級別控制離子能量分布的中心寬度。對于施加到ESC電極 226的每個RF偏置源，提供RF電流接地路徑。通過將頂部經(jīng)過帶通或低通 濾波器將頂部耦接到地面，可選地提供通過頂部204的路徑。另外，可變的電 抗可插入在路徑中，以允許相對于到其它表面的偏置返回電流，即到壁202 和環(huán)219的電流，而控制到頂部的偏置返回電流。可增加插入電抗或阻抗，以 迫使更大的偏置返回電流到邊緣(環(huán)219或壁202)，其趨于促成邊緣高等離 子體離子密度均勻性條件?？蛇x地，可降低插入電抗或阻抗，以使較少的偏置返回電流到邊緣(環(huán)219或壁202)，其趨于促成中心高等離子體離子密度均勻性條件。兩個VHF源功率發(fā)生器240、 242可以連續(xù)波(CW)模式中操作或它們 可相對于彼此而同步或不同步地脈沖。然而，偏置功率發(fā)生器262、 266的任 一個或兩者可以CW模式操作或以脈沖模式操作。在脈沖模式中，可控制它們 的工作周期，以控制晶圓表面的時間平均RF偏置功率或電壓(并因此控制離 子能量)。偏壓發(fā)生器262、 266的脈沖可以相對于彼此和/或相對于源功率發(fā) 生器240、 242為同步的或不同步的。在脈沖模式中，任何成對的相對于彼此 脈沖同步的前述發(fā)生器可具有它們的RF包絡(luò)(envelope)與時間一致或者隨 時間偏移以及可重疊或不重疊。通過在底座218的晶圓支撐表面下方的高度處提供從底座218側(cè)部徑向向 外延伸的晶圓下方的接地回路219，在整個晶圓220的表面上的氣流均勻性和 晶圓邊緣附近的RF場的均勻性可得到改善。晶圓下方的接地回路219通常成 形為柱狀或朝向側(cè)壁202延伸的平面孔環(huán)，以形成間隙203，其部分限制來自 晶圓上方的工藝區(qū)域的氣流進入到通過真空泵228抽空的晶圓下方的抽吸環(huán) 面中。晶圓下方的接地回路的高度位于諸如晶圓狹口閥229或抽吸口的部件上 方，由于氣流圖案或靜電或電磁場中的不對稱而在等離子體分布中產(chǎn)生不期望 的不對稱。在側(cè)壁和晶圓下方的接地回路219的外邊緣之間的窄間隙部分地限 制氣流，使得晶圓220上方的區(qū)域相對地免受該不對稱性影響，從而改善工藝 均勻性。在一個實施方式中，晶圓下方的接地面219由導(dǎo)電材料形成并接地。 這因此提供在晶圓邊緣處更加均勻的接地參考，其使得磁場在那里更加均勻并 且更不易受到腔室內(nèi)部中導(dǎo)電表面分布中不對稱性影響。環(huán)219還可用作等離 子體邊界，以有助于將等離子體空間限制到環(huán)219上方的腔室區(qū)域。在可選的 實施方式中，環(huán)219不用作接地面，并且其替代地由不導(dǎo)電材料形成。在另一 可選實施方式中，接地返回環(huán)(或圓柱體)219位于工件處或晶圓高度處或工 件高度上方。其可以位于或接近頂部高度并同心式圍繞頂電極204。在另一實 施方式中，可利用升降機構(gòu)，相對于工件高度而選擇性地調(diào)整接地返回環(huán)219 的高度。例如，通過將環(huán)219粘結(jié)到底座218的外側(cè)，通過底座升降機構(gòu)而將 環(huán)219升起并降低。接地返回環(huán)219可與腔室中的其它接地表面(諸如ESC 底層224)絕緣，從而不直接耦接到地面，并且替代地通過可變的反應(yīng)性元件(例如，可變的濾波器252)而耦接到地面。在該情形下，對于VHF頻率f2， 接地返回環(huán)219用作邊緣接地回路。因此，該邊緣接地回路的高度是可變的， 并用作反應(yīng)器的可調(diào)參數(shù)的其中一個。
均勻性控制器270控制兩個VHF發(fā)生器240、 242的相對功率輸出級別并 且可選地控制可變的帶通濾波器252、 254的阻抗?？刂破?70可設(shè)置高VHF 頻率(fl)帶通濾波器的阻抗，以提供通過晶圓220的較低阻抗接地回路，其 比在較高VHF頻率fl下通過側(cè)壁202接地回路的阻抗低，使得來自fl發(fā)生 器240的功率產(chǎn)生更加顯著的中心高徑向分布。另外，控制器270可設(shè)定低 VHF頻率(f2)帶通濾波器的阻抗，以提供通過晶圓220接地回路較高的阻抗， 其比在較低VHF頻率f2下通過側(cè)壁202接地回路的阻抗低，使得來自f2發(fā) 生器242的功率產(chǎn)生更加顯著的中心低和邊緣高徑向分布?？刂破?70分配高 和低VHF頻率發(fā)生器240、 242的相對功率輸出級別，以或者抑制蝕刻速度分 布的中心高不均勻性(通過增加較低VHF頻率發(fā)生器242的功率輸出)或者 抑制蝕刻速度分布的邊緣高非均勻性(通過增加較高VHF頻率發(fā)生器240的 功率輸出)?？刂破?70可響應(yīng)通過下游或在線測量儀器272在前述處理的晶 圓上所測量的不均勻圖案而進行這些調(diào)整。在連續(xù)的晶圓處理中，可采用標(biāo)準(zhǔn) 的反饋控制校正技術(shù)，實施為控制器270中的程序化算法，以通過均勻性控制 器270進行連續(xù)的校正，從而最小化通過測量儀器272所感應(yīng)的蝕刻速度分布 中的不均勻性。測量儀器272可程序化，以通知控制器270等離子體離子密度 分布是否具有顯著地中心高非均勻性或顯著地邊緣高非均勻性。可選地，測量 儀器272可包含原位傳感器，以提供到控制器270的實施信號。OES(發(fā)光光 譜儀)傳感器可放置在頂部204上不同半徑處，提供徑向等離子體激勵的物質(zhì) 密度的指示。等離子體自身可用作光源，或可使用外部光源?？蛇x地，干涉測 量傳感器可放置在頂部204上不同半徑處，提供工件薄膜厚度變化速度隨半徑 的函數(shù)的指示?？蛇x地，離子通量傳感器可放置在頂部204不同半徑處，提供 徑向等離子體離子密度的指示?？蛇x地，電壓傳感器可放置在頂部204不同半 徑處，提供徑向電極電壓的指示?？蛇x地，絕緣的電壓傳感器可放置在頂部 204不同半徑處，提供徑向等離子體浮動電勢的指示。等離子體均勻性的實時 控制可通過控制器270利用傳感器輸入和傳統(tǒng)的技術(shù)來執(zhí)行。
均勻性控制器還可控制升降機構(gòu)234，以提供改善等離子體離子分布均勻性(或蝕刻速度分布均勻性)的另一控制因素。通過將底座218朝向頂電極
204提升，減小晶圓-到-頂部間隙，其抑制晶圓中心附近的等離子體離子密度 并促進晶圓邊緣附近的等離子體離子密度。相反地，通過降低底座218離開頂 電極204，增加晶圓-到-頂部間隙，其提高晶圓中心上方的等離子體離子密度， 同時晶圓邊緣的等離子體離子密度降低。因而，等離子體分布將通過分別提升 或降低底座218而表現(xiàn)出更加中心高或更加中心低的情形。如上所述，等離子 體分布可通過分別增加或降低較高VHF頻率功率與較低VHF頻率功率的比率 而表現(xiàn)出更加中心高或更加中心低的情形。因而，底座高度和VHF功率比率 是影響等離子體離子分布的兩個不同控制條件。均勻性控制器270可同時采用 這兩個控制條件以優(yōu)化等離子體離子分布均勻性。例如，可通過增加較高VHF 頻率發(fā)生器240的輸出功率而降低邊緣高等離子體非均勻性，其將趨于增加等 離子體離子分布的中心高峰值。通過提升底座218以降低晶圓-頂部間隙直到 實現(xiàn)優(yōu)化的等離子體分布，可抑制中心高峰值的所述增加，而不需要進一步改 變VHF功率分配。這對于要求低RF偏置和低腔室壓力的工藝菜單是有效的， 其中在該情形下等離子體離子分布的中心高峰值是尤其顯著的。VHF頻率分 配的控制與晶圓-頂部間隙的控制一起延伸控制器270能抵消的非均勻性范圍。 對于嚴(yán)重的中心高非均勻性，例如，控制器270可要求增加較高與較低VHF 頻率功率分配比率且要求較窄的晶圓-頂部間隙。
可變的晶圓-到-頂部間隙影響特定VHF頻率(例如fl或G)具有非均勻 等離子體離子密度分布的峰的位置。因此，控制器270可設(shè)定該間隙以優(yōu)化fl 的選擇，從而產(chǎn)生顯著的中心高非均勻性等離子體離子密度分布，以及優(yōu)選f2 的選擇，從而產(chǎn)生顯著的邊緣高非均勻性等離子體離子密度分布。例如，控制 器270設(shè)定晶圓-頂部間隙以優(yōu)化fl和f2的選擇，從而產(chǎn)生不同的非均勻性圖 案，并且控制器270改變在不同的頻率fl、 f2下RF功率(或電流或電壓)的 比率以控制等離子體離子分布并降低其非均勻性。
控制器270可響應(yīng)來自測量儀器272的等離子體離子密度分布中的顯著中 心高或邊緣高非均勻性指示，通過測量和控制(改變)以下任一因素以趨于降 低該非均勻性(a)在頻率fl、 f2下的RF電壓比率；(b)在頻率fl、 f2 下的RF電流比率；或(c)在頻率fl、 f2下的RF功率比率?？梢栽诶绺鱾€ 電極處或者另一適當(dāng)?shù)奈恢锰庍M行該測量。在一個交替模式中，控制器270改變等離子體離子密度分布而不必要改變
較高(fl)和較低(f2) VHF發(fā)生器240、 242中的功率分配。替代地，等離 子體離子密度分布由控制器270通過改變由fl和￡2可變帶通濾波器252、 254 所表示的到中心接地回路的阻抗而變化。例如，較高頻率(fl) VHF功率在等 離子體密度分布產(chǎn)生中心峰或抑制邊緣峰的趨勢可通過改變由可變帶通濾波 器252對fl功率提供的阻抗而增加或降低。類似地，較低頻率(f2) VHF功 率在等離子體離子密度分布中產(chǎn)生邊緣峰或抑制中心峰的趨勢可通過改變由 可變帶通濾波器254對f2功率提供的阻抗而增加或降低。該變化影響在每個 頻率fl 、 f2下在中心接地回路(頂部-到-晶圓)和側(cè)部接地回路(通過側(cè)壁202) 之間的VHF電流的分配。通過將更多的fl功率導(dǎo)引到中心接地回路，增加較 高VHF頻率(fl)功率產(chǎn)生中心高分布的趨勢。通過將更多的f2功率導(dǎo)引到 側(cè)壁接地回路，增加較低VHF功率(f2)功率產(chǎn)生邊緣高分布的趨勢。在一 些情形下，控制器可改變兩個頻率fl、 f2的僅其中之一的接地回路分配。
在圖1A的反應(yīng)器的另一交替模式中，僅其中一個VHF發(fā)生器(例如， 僅發(fā)生器240)提供RF功率，其它發(fā)生器(例如，發(fā)生器242)不使用或者 被除去。均勻性控制器270通過改變fl帶通濾波器252而改變等離子體離子 徑向分布，從而控制通過ESC電極226的接地回路的阻抗。這分配通過ESC 電極226的中心路徑與通過側(cè)壁202的側(cè)部路徑之間的接地返回電流。因此， 控制器270的該特征改變等離子體離子分布(或等效地在蝕刻速度分布中)的 中心高和中心低的非均勻性，以優(yōu)化均勻性。
雖然在圖1A中僅示出兩個VHF發(fā)生器240、 242，但是可采用具有不同 頻率的更多VHF發(fā)生器。例如，可采用具有高于兩個VHF發(fā)生器240、 242 任一個的頻率的第三VHF發(fā)生器。如上所述，高VHF頻率發(fā)生器(例如， 162MHz)產(chǎn)生等離子體離子分布中的中心峰，同時低頻率發(fā)生器242(60MHz) 產(chǎn)生邊緣峰?？赏ㄟ^引入具有更高頻率的第三VHF發(fā)生器而改善均勻性，其 中第三VHF發(fā)生器在中心和邊緣之間產(chǎn)生峰，該峰填充等離子體離子密度徑 向分布中的最小值。
圖1A的反應(yīng)器可用于再生等離子體工藝條件屬性，其具有由單一HF(高 頻)(13.56MHz)頻率源常規(guī)產(chǎn)生的僅甚低密度偏置的等離子體，以產(chǎn)生等 離子體離子并控制晶圓上的偏置電壓。該模擬可通過僅施加來自發(fā)生器264的LF (例如，2MHz)偏置功率而實現(xiàn)，并將兩個VHF發(fā)生器240、 242的每 一個的輸出功率設(shè)定到甚低級別(例如，10瓦特)，以建立所需的低等離子 體離子密度。其優(yōu)點在于可以輸出功率的極細微變化來調(diào)整兩個發(fā)生器240、 242，以在比由單一 HF (13.56MHz)頻率源實現(xiàn)的更寬的變化工藝條件范圍 下保持等離子體均勻性。
圖2描述了圖1A的反應(yīng)器的變型，其中較低VHF頻率(f2)發(fā)生器242 及其匹配246和陷頻濾波器250耦接到ESC電極226，而不是頂電極204。在 該情形下，f2接地回路通過頂電極204。因此，f2可變帶通濾波器254耦接到 頂電極204，而不是ESC電極226。陷頻濾波器255，其調(diào)諧以阻擋來自更高 VHF頻率(fl)發(fā)生器240的RF電流，可連接到f2帶通濾波器254。類似地， 陷頻濾波器253，其調(diào)諧以阻擋來自較低VHF頻率(f2)發(fā)生器242的RF電 流，可連接到fl帶通濾波器252。
在圖2的反應(yīng)器的一個可選模式中，分別應(yīng)用到頂(頂電極204)和底部 (ESC電極226)的VHF頻率fl和f2為相同的頻率(fl=f2)。在該情形下， 控制器270通過改變頂電極204的電壓(或電流)和ESC電極226的電壓(或 電流)之間的相位而改變離子密度(或蝕刻速度)的徑向分布。例如，通過改 變帶通濾波器252、 254的電抗而控制在頂電極204的電流和ESC電極226的 電流之間的相位。例如，如果帶通濾波器252、 254的電抗相同(并且如果沒 有其它差異)，則頂電極204的RF電流和ESC電極226的RF電流之間的相 位角是零。在180度相位處，本質(zhì)上頂電極204和ESC電極226之間的所有 電流，產(chǎn)生中心高分布的等離子體離子密度或蝕刻速度。在零度相位，本質(zhì)上 從頂電極204或ESC電極226任一到側(cè)壁202的所有電流，產(chǎn)生中心低邊緣 高分布。因此，控制器270可改變0和180度之間的相位角度，以獲得寬范圍 的結(jié)果。
在圖2的反應(yīng)器的另一交替模式中，只有其中一個VHF發(fā)生器(g卩，僅 f2發(fā)生器242)提供RF功率，其它發(fā)生器240不使用或者被去除。均勻性控 制器270通過改變f2帶通濾波器254而改變等離子體離子徑向分布，從而控 制通過頂電極204的接地回路的阻抗，使得其相對于通過側(cè)壁202的接地回路 的(固定)阻抗而增加或降低。這分配在通過頂電極204的中心路徑與通過側(cè) 壁202的側(cè)部路徑之間的接地返回電流。因此，控制器270的這個特征改變等離子體離子分布(或等效地蝕刻速度分布)中的中心高和中心低的非均勻性， 以優(yōu)化均勻性。
在圖2的反應(yīng)器的又一交替模式中，僅有其中一個VHF發(fā)生器(即，僅 fl發(fā)生器240)提供RF功率，其它發(fā)生器242不使用或者被去除。均勻性控 制器270通過改變f2帶通濾波器252而改變等離子體離子徑向分布，從而控 制通過ESC電極226的接地回路的阻抗，使得其相對于通過側(cè)壁202的接地 回路的(固定)阻抗而增加或降低。這分配在通過ESC電極226的中心路徑 與通過側(cè)壁202的側(cè)部路徑之間的接地返回電流。因此，控制器270的這個特 征改變等離子體離子分布(或等效地蝕刻速度分布)中的中心高和中心低的非 均勻性，以優(yōu)化均勻性。
圖3A和圖3B描述了圖1A的反應(yīng)器的變型，其中頂電極204被分成彼此 電絕緣的徑向內(nèi)部和外部區(qū)段204a、 204b，并且通過各自的發(fā)生器240、 242 單獨地驅(qū)動。雖然可選擇任一發(fā)生器以驅(qū)動內(nèi)部電極204a，留下其它發(fā)生器 以驅(qū)動外部電極204b，但是優(yōu)選地為較高VHF頻率發(fā)生器240耦接到內(nèi)部電 極204a而較低VHF頻率發(fā)生器242耦接到外部電極204b，以增強形成中心 高離子分布的較高頻率趨勢，并增強形成中心低離子分布的較低頻率趨勢。
圖4描述了圖1A的反應(yīng)器的變型，其中VHF發(fā)生器240、 242驅(qū)動ESC 電極226，同時接地返回帶通濾波器252、 254耦接到頂電極204。
圖5描述了圖2的反應(yīng)器的變型，其中兩個頻率fl和12都在VHF帶較 低部分中。例如，fl和f2分別為54MHz和60MHz。這表示通過消除對具有 接近200MHz或大于150MHz的輸出頻率的高VHF頻率發(fā)生器的需要，節(jié)約 了大量成本。在圖5的反應(yīng)器中，缺失的高VHF頻率(例如，162MHz)，其 提供中心高響應(yīng)，是由耦接到頂電極204 (或可選地耦接到fl發(fā)生器240的輸 出端)的高VHF頻率(例如，162MHz)諧振器274所產(chǎn)生。優(yōu)選地，諧振器 274調(diào)諧，以在fl的奇數(shù)諧波下共振，諸如第三諧波。例如，如果f^54MHz， 則在諧振器274中所產(chǎn)生的第三諧波將為162MHz。通過反應(yīng)器腔室中等離子 體的非線性響應(yīng)而便于較高諧波的產(chǎn)生，其中該反應(yīng)器腔室與諧振器272協(xié)作 充當(dāng)為頻率倍增器。可變帶通濾波器252調(diào)諧至fl的第三諧波，使得來自發(fā) 生器240的在fl下的部分RF功率被轉(zhuǎn)換為fl的第三諧波。
在圖5的反應(yīng)器的另一交替模式中，僅有其中一個VHF發(fā)生器(即，僅發(fā)生器240)提供RF功率，其它發(fā)生器242不使用或被去除。均勻性控制器 270通過改變fl帶通濾波器252而變化等離子體離子徑向分布，從而控制通過 頂電極204的接地回路的阻抗，使得其相對于通過側(cè)壁202的接地回路的(固 定)阻抗而增加或降低。這分配在通過頂電極204的中心路徑與通過側(cè)壁202 的側(cè)部路徑之間的接地返回電流。因此，控制器270的這個特征改變等離子體 離子分布(或等效地蝕刻速度分布)中的中心高和中心低的非均勻性，以優(yōu)化 均勻性。
圖6描述了反應(yīng)器的變型，該反應(yīng)器同時采用高和低VHF頻率但是僅采 用單一低VHF頻率發(fā)生器以實現(xiàn)較大的成本節(jié)約。低VHF發(fā)生器240為可變 頻率振蕩器(VFO)，其頻率通過控制器270而在基本頻率f和f±Af之間變 化，其中Af為f的小偏差。諧振器274調(diào)諧到基本頻率f的第三諧波，F(xiàn) = 3-f。 通過變化發(fā)生器240的頻率，與發(fā)生器輸出頻率f士Af和第三諧波為諧振器274 的共振頻率的基本頻率f之間的差成反比，來增加或降低轉(zhuǎn)化為第三諧波F的 發(fā)生器的輸出功率的比例。結(jié)果為兩個頻率，即發(fā)生器輸出頻率f±Af和共振 頻率F，耦接到等離子體，并且通過改變發(fā)生器240的輸出頻率而控制它們的 相對功率級別。通過減小傳感器輸出頻率和基本頻率f之間的差，在第三諧波 下耦接到等離子體的功率增加而在基本頻率f下的功率降低，從而增加中心高 非均勻性或降低邊緣高非均勻性。相反，通過增加發(fā)生器輸出頻率與基本頻率 f之間的差，在第三諧波下耦接到等離子體的功率降低，而在基本頻率f下的 功率增加，從而增加邊緣高的非均勻性或降低中心高的非均勻性。因此，由控 制器270通過變化VFO或發(fā)生器240的頻率而調(diào)節(jié)等離子體均勻性。兩個可 變帶通濾波器252、 254具有分別在基本頻率f和第三諧波F下呈中心的帶通。
在一個方案中，內(nèi)部腔室元件由金屬諸如鋁形成。為了防止或最小化等離 子體處理期間的金屬污染，暴露于等離子體的金屬腔室元件表面，諸如側(cè)壁 202的內(nèi)部表面和底座218的暴露表面，由工藝兼容材料諸如例如氧化釔的薄 膜涂敷。該薄膜可以為等離子體旋涂氧化釔?？蛇x地，塊狀陶瓷材料諸如氧化 釔可粘結(jié)到下面的金屬內(nèi)部腔室元件。例如，頂部204可具有在暴露于等離子 體的側(cè)壁上的粘結(jié)的陶瓷板。側(cè)壁202可包括在暴露于等離子體的側(cè)壁上的粘 結(jié)的陶瓷柱體，或者環(huán)219可包括在暴露于等離子體的側(cè)部上的粘結(jié)的陶瓷 環(huán)。陶瓷材料可摻雜或者另外制造，使得它們的電阻率為半導(dǎo)電范圍內(nèi)(例如，在108到10"歐姆^m的范圍中的電阻率)，為施加到ESC電極226的ESC 鉗位電壓提供直流電流回路。這些腔室表面可加熱，以最小化諸如聚合物的材 料的不期望沉積或聚集，例如，或冷卻以最小化或消除蝕刻，或采用加熱和冷 卻的受控溫度。通過采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)物質(zhì)，可在等離子體蝕刻工藝中清洗腔室 的內(nèi)部表面。例如，在干法清洗步驟中，可將氧氣或含氧，或氯氣或含氯氣體 引入到腔室中，并且可使用VHF源功率發(fā)生器240、 242和/或偏置功率發(fā)生 器262、 266而產(chǎn)生等離子體。圖7示出了可使用圖1A的反應(yīng)器實施的工藝。在圖7的方塊300中，RF 等離子體源功率通過電極(頂部或晶圓)同時在兩個不同VHF頻率fl和f2 下電容性耦接，其中fl為VHF帶(例如，162MHz)的較高范圍中以及f2在 VHF帶(例如，50-60MHz)的較低區(qū)域中。在方塊302中，對于每個頻率fl 和f2，通過提供帶通濾波器252、 254到地面，各個中心接地回路經(jīng)過相反電 極(晶圓或頂部)提供，如圖1A所示。在圖7的方塊304中，對于每個頻率 fl和G，通過將側(cè)壁202接地，提供經(jīng)由側(cè)壁的邊緣回路，如圖1A所示。在 方塊306中，通過調(diào)節(jié)帶通濾波器252，相對于fl邊緣回路的阻抗而調(diào)節(jié)fl 中心回路的阻抗，以促進在fl頻率下到中心回路的電流流動。在方塊308中， 通過調(diào)節(jié)帶通濾波器254，相對于f2中心回路的阻抗而調(diào)節(jié)G邊緣回路的阻 抗，以促進在G頻率下到側(cè)壁的電流流動。在方塊310中，通過選擇在fl頻 率下的VHF功率與在f2頻率下的VHF功率之間的比率，均勻性控制器270 改善徑向等離子體離子密度分布的均勻性。通過降低在fl頻率下的VHF功率 相對于在f2頻率下的VHF功率之間的比率，可實施方塊310的步驟，來降低 中心高等離子體離子密度分布(方塊312)。或者，可通過降低在f2頻率下的 VHF功率相對于在fl頻率下的VHF功率之間的比率，可實施方塊310的步驟， 以降低邊緣高的等離子體離子密度分布不均勻性(方塊314)。作為影響或改 善離子密度分布的另一方式，控制器270可調(diào)整fl和f2任一或兩者的中心和 邊緣回路的阻抗(通過調(diào)整各自的帶通濾波器252、 254)，以達到以下任一 (a)朝向邊緣引導(dǎo)更多的電流，以抑制中心高的非均勻性或(b)朝向中心引 導(dǎo)更多的電流以抑制邊緣高的非均勻性(方塊316)。在本說明書中，均勻性可指關(guān)于徑向等離子體離子密度分布。應(yīng)該理解， 該分布是從蝕刻速度徑向分布推斷或等效于蝕刻速度徑向分布，其中蝕刻速度徑向分布可以在反應(yīng)器中通過等離子體蝕刻工藝處理的整個晶圓表面上進行圖8示出了可使用圖2的反應(yīng)器實施的工藝。在圖8的方塊31S的步驟中， RF等離子體源功率通過一個電極(頂部或晶圓)在較高VHF頻率fl (例如， 大約162MHz)下電容性耦接，同時RF等離子體源功率通過相反的電極(晶 圓或頂部)在較低VHF頻率f2 (例如，大約50-60MHz)下電容性耦接。在 方塊320中，對于頻率fl，提供經(jīng)過相反電極的中心回路。在方塊322中，對 于頻率f2，提供經(jīng)過電極的中心回路。在方塊324的歩驟中，對于每個頻率 fl和f2，提供經(jīng)過側(cè)壁的邊緣回路。在方塊326的步驟中，通過調(diào)節(jié)可變帶 通濾波器252，相對于fl邊緣回路的阻抗而調(diào)節(jié)fl中心回路的阻抗，以促進 到中心回路的在fl頻率下的電流。在方塊328的步驟中，通過調(diào)節(jié)可變帶通 濾波器254， f2側(cè)部回路的阻抗相對于f2中心回路的阻抗進行調(diào)節(jié)，以促進 在G頻率下流到側(cè)壁的電流。在方塊330的步驟中，通過選擇在fl頻率下的 VHF功率與在f2頻率下的VHF功率之間的比率，控制器270改善徑向等離子 體離子密度分布的均勻性。可通過降低在fl頻率下的VHF功率與在G頻率 下的VHF功率之間的比率，而實施該歩驟，從而降低中心高的等離子體離子 密度分布(方塊332)。通過降低在f2頻率下的VHF功率與在fl頻率下的 VHF功率之間的比率，實施該步驟，從而降低邊緣高的等離子體離子密度分 布的非均勻性(方塊334)。可選地或除了方塊330的步驟之外，通過調(diào)節(jié)fl 和f2任一或兩者的中心和邊緣回路的阻抗(通過調(diào)節(jié)各個帶通濾波器252、 254)，控制器270可改善均勻性，以實現(xiàn)以下任一個(a)朝向邊緣引導(dǎo)更 多的電流，以抑制中心高的非均勻性或(b)朝向中心引導(dǎo)更多的電流以抑制 邊緣高的非均勻性(圖8的方塊336)。圖9示出了可使用圖3A的反應(yīng)器實施的工藝。在圖9的工藝中，在較高 VHF頻率fl下經(jīng)過內(nèi)部頂電極的RF等離子體源功率，RF等離子體源功率經(jīng) 過外部頂電極在較低VHF頻率f2下電容性耦接(圖9的方塊338)。在方塊 340，對于頻率fl，通過提供耦接到地面的帶通濾波器252，提供經(jīng)過晶圓的 中心回路。在方塊342，對于頻率G，通過提供耦接到地面的帶通濾波器254， 提供經(jīng)過晶圓的中心回路。在圖9的方塊344中，對于每個頻率fl和f2，通 過將側(cè)壁202接地，提供經(jīng)過側(cè)壁202的邊緣回路，如圖3A中所示。在方塊346的步驟中，通過調(diào)節(jié)帶通濾波器252的電抗，相對于fl邊緣回路的阻抗而 調(diào)節(jié)fl中心回路的阻抗，以促進在fl頻率下流到中心回路的電流。在方塊348 的步驟中，通過調(diào)節(jié)帶通濾波器254的電抗，相對于f2中心回路的阻抗而調(diào) 節(jié)f2邊緣回路的阻抗，以促進在f2頻率下流到側(cè)壁的較大電流。在方塊350 中，通過選擇在fl頻率下的VHF功率與在f2頻率下的VHF功率之間的比率， 控制器270改善徑向等離子體離子密度分布(或晶圓上的蝕刻速度分布)的均 勻性。通過降低在fl頻率下的VHF功率與在f2頻率下VHF功率之間的比率， 可實施該步驟，以降低中心高等離子體離子密度分布(方塊352)?；蛘?，通 過降低在f2頻率下的VHF功率與在fl頻率下VHF功率之間的比率，可實施 該步驟，以降低邊緣高等離子體離子密度分布非均勻性(方塊354)。可選地， 或者除了方塊350的步驟之外，通過調(diào)節(jié)fl和f2任 一或兩者的中心和邊緣回 路的阻抗，控制器270可改善等離子體離子密度分布的均勻性(或者晶圓上的 蝕刻速度分布)以實現(xiàn)以下任一(a)朝向邊緣引導(dǎo)更多的電流，以抑制中 心高的非均勻性或(b)朝向中心引導(dǎo)更多的電流以抑制邊緣高的非均勻性(圖 9的方塊356)。圖10示出了可在圖2的反應(yīng)器中通過將兩個VHF頻率fl和f2設(shè)定成彼 此相等(或者至少幾乎彼此相等)而實施的工藝。帶通濾波器252、 254在該 情形下用作可變電抗，其可控制或改變在頂部和晶圓處VHF電壓(或電流) 之間的相位。在圖10的方塊358的步驟中，RF等離子體源功率經(jīng)過一個電極 (頂或晶圓)在VHF頻率下電容性耦接，同時經(jīng)過相反的電極(晶圓或頂部) 在相同的VHF頻率下而電容性耦接RF等離子體源功率。在方塊360中，在 圖2的相反電極226處提供控制元件諸如可變電抗(例如，可變帶通濾波器 252)，用于控制相位。在方塊362中，在電極204處提供控制元件諸如可變 阻抗(例如，可變帶通濾波器254)，用于控制相位。在方塊364的步驟中， 通過將側(cè)壁202接地而提供邊緣回路。在方塊366的步驟中，通過控制在電極 和相反電極處的VHF電流之間的相位差，控制器270改善徑向等離子體離子 密度分布的均勻性。通過將相位差移到180度，可實施該步驟，以降低中心高 等離子體離子密度分布(圖10的方塊367)?；蛘?，通過將相位差移到O度， 可實施方塊368的步驟，以降低邊緣高等離子體離子密度分布非均勻性。圖11示出了可使用圖5的反應(yīng)器實施的工藝。在圖11的方塊370中，RF等離子體源功率在兩個類似的VHF頻率fl和f2下，兩者都在VHF帶的 較低區(qū)域中，分別到電極(圖5的204)以及到相反的電極(圖5的226)。 這表示通過去除高VHF頻率(例如，160-200MHz)發(fā)生器的成本而節(jié)約了重 大成本。在圖11的方塊372中，電極204耦接到具有fl的奇數(shù)(例如，第三) 諧波并且位于VHF帶的較高區(qū)域中的共振頻率的諧振器(圖5的274)，從 而產(chǎn)生在奇數(shù)(例如，第三)諧波(例如，163MHz)下的VHF功率。在方塊 374，對于fl的第三諧波，提供經(jīng)過相反電極(圖5的266)的獨立的中心回 路，例如通過提供帶通濾波器252。在方塊376，對于VHF頻率f2，例如通過 提供帶通濾波器254，提供經(jīng)過電極204的獨立的中心回路。在方塊378，通 過將側(cè)壁(圖5的202)接地，對于f2和對于fl的奇數(shù)諧波，提供經(jīng)過側(cè)壁 的邊緣回路。在方塊380的步驟中，通過調(diào)節(jié)帶通濾波器252的電抗，控制器 270相對于fl諧波邊緣回路的阻抗而調(diào)節(jié)fl諧波中心回路的阻抗，從而促進 在fl諧波下流到中心回路的電流。在方塊382的步驟中，通過調(diào)節(jié)帶通濾波 器254的電抗，控制器270相對于f2中心回路的阻抗而調(diào)節(jié)Q邊緣回路的阻 抗，以促進在f2頻率下到側(cè)壁的電流。通過選擇fl和f2發(fā)生器之間的VHF 功率比率，控制器270改善徑向等離子體離子密度分布的均勻性，以控制fl 諧波功率與耦接到等離子體的f2功率之間的比率(方塊384)。通過降低在 fl頻率下所產(chǎn)生的VHF功率與在f2頻率下的VHF功率之間的比率，可實施 該歩驟，以減小中心高等離子體離子密度分布(方塊386)?；蛘?，通過降低 在f2頻率下的VHF功率與在fl頻率下所產(chǎn)生的VHF功率之間的比率，可實 施該歩驟，以減小邊緣高等離子體離子密度分布非均勻性(圖11的方塊388)。 可選地或除了方塊384的步驟之外，通過調(diào)節(jié)f2和fl的諧波的任一個或兩者 的中心和邊緣回路的阻抗，控制器270可改善等離子體離子密度分布均勻性， 以實現(xiàn)以下任一(a)朝向邊緣引導(dǎo)更多的電流，以抑制中心高的非均勻性 或(b)朝向中心引導(dǎo)更多的電流以抑制邊緣高的非均勻性(方塊390)。圖12示出了可在圖5的反應(yīng)器的變型中實施的工藝，其中在該反應(yīng)器的 變型中f2帶通濾波器254和G發(fā)生器的位置與匹配242、 246的位置互換， 使得兩個頻率fl、 f2驅(qū)動頂電極204。在方塊392， RF等離子體源功率在兩 個類似的較低VHF頻率fl和f2下同時被提供到電極(例如，圖5的頂電極 204)。在方塊394，諧振器(圖5的274)耦接電極204，諧振器具有為fl的奇數(shù)諧波的共振頻率，以產(chǎn)生在奇數(shù)諧波下的VHF功率。通過提供倍頻效應(yīng)的等離子體的非線性響應(yīng)有助于該頻率增頻變頻。在圖12的方塊396中， 通過提供耦接到地面的帶通濾波器252，對于fl的諧波，提供經(jīng)過相反電極(圖 5的226)的單獨的中心回路。在圖12的方塊398中，通過提供耦接到地面的 圖5的帶通濾波器254，對于VHF頻率f2，提供經(jīng)過相反電極的單獨的中心 接地回路。在方塊400中，通過將圖5的側(cè)壁202接地，對于fl的諧波和f2， 提供經(jīng)過側(cè)壁的邊緣回路。在方塊402中，通過調(diào)節(jié)圖5的帶通濾波器252， 控制器270相對于fl諧波邊緣回路的阻抗而調(diào)節(jié)fl諧波中心回路的阻抗，以 促進在fl諧波下經(jīng)過中心回路的電流。在圖12的方塊404中，通過調(diào)節(jié)圖5 的帶通濾波器254的電抗，控制器270相對于￡2中心回路的阻抗而調(diào)節(jié)f2邊 緣回路的阻抗，以促進在G頻率下到測量的電流。在方塊406，通過旋轉(zhuǎn)在 fl和f2發(fā)生器之間的VHF功率比率，控制器270改善徑向等離子體離子密度 分布的均勻性，以控制fl諧波功率和耦接到等離子體的G功率之間的比率。 通過降低在fl諧波下的VHF功率與在f2功率下的VHF功率之間的比率，可 實施該步驟，以降低中心高等離子體離子密度分布(方塊408)?；蛘?，通過 降低在f2頻率下的VHF功率與在fl諧波下的VHF功率之間的比率，可實施 該步驟，以降低邊緣高等離子體離子密度分布非均勻性(方塊410)?？蛇x地 或除了在方塊408的工藝之外，通過調(diào)節(jié)fl諧波和f2的任一個或兩者的中心 和邊緣回路的阻抗，控制器270可改善均勻性，以實現(xiàn)以下任一(a)朝向 邊緣引導(dǎo)更多的電流，以抑制中心高的非均勻性或(b)朝向中心引導(dǎo)更多的 電流以抑制邊緣高的非均勻性(圖12的方塊412)。圖13示出了可在圖6的反應(yīng)器中實施的工藝，僅使用單一的較低VHF頻 率發(fā)生器(在大約50-60MHz之間)，以實現(xiàn)在以上所述的反應(yīng)器中需要兩個 發(fā)生器的功能性。在圖13的方塊414中，RF等離子體源功率經(jīng)過電極(例如， 圖6的頂電極204)從具有包括基本較低VHF頻率f的頻率范圍的可變頻率 VHF發(fā)生器240電容性耦接。在方塊416中，諧振器274耦接到電極204，該 諧振器具有共振頻率F，其為基本頻率F的奇數(shù)諧波，從而使用在腔室中的等 離子體作為非線性混合元素產(chǎn)生在奇數(shù)諧波下的VHF功率。在方塊418中， 通過提供耦接到地面的帶通濾波器252，對于諧波頻率F，提供經(jīng)過相反電極 (例如，圖6的ESC電極226)的單獨的中心回路。在方塊420中，通過提供耦接到地面的帶通濾波器254，對于基本VHF頻率F，提供經(jīng)過相反電極(圖 6的226)的單獨的中心回路。在圖12的方塊422中，通過將圖6的側(cè)壁202 接地，對于兩個頻率f和F，提供經(jīng)過側(cè)壁的邊緣回路。在圖12的方塊424 中，通過調(diào)整可變帶通濾波器252，控制器270相對于F邊緣回路的阻抗而調(diào) 整F中心回路的阻抗，以促進在F下流到中心回路的電流。在方塊426中，通 過調(diào)整可變帶通濾波器254，控制器270相對于f中心回路的阻抗而調(diào)整f邊 緣回路的阻抗，以促進在f下流到側(cè)壁的電流。在方塊428中，通過控制在(或 臨近)基本頻率f下的VHF功率與在諧波F下VHF功率之間的比率，控制器 270改善等離子體離子密度分布均勻性。這通過控制從f到F功率向上轉(zhuǎn)換的 比例而完成。該比例通過控制VHF發(fā)生器的可變輸出頻率與基本頻率f之間 的差而受到控制。隨著發(fā)生器輸出頻率接近基本頻率，由可變頻率發(fā)生器240 所產(chǎn)生的VHF功率轉(zhuǎn)換為(第三)諧波F的比例增加，例如。當(dāng)發(fā)生器頻率 等于基本頻率f時，獲得在F下的VHF功率與在f下的VHF功率之間的最大 比率。通過降低在F下的VHF功率與在f下的VHF功率之間的比率，可實施 方塊428的步驟，以減小中心高的等離子體離子密度分布(圖13的方塊430)。 或者，通過降低在f下的VHF功率與在F下的VHF功率之間的比率，可實施 方塊428的步驟，以減小邊緣高的等離子體離子密度分布不均勻性(圖13的 方塊432)?？蛇x地或者除了方塊428的步驟之外，通過調(diào)整F和f任一或者 兩者的中心和邊緣回路的阻抗控制器270可改善均勻性，通過調(diào)節(jié)各個帶通濾 波器252、 254，以實現(xiàn)以下任一(a)朝向邊緣引導(dǎo)更多的電流，以抑制中 心高的非均勻性或(b)朝向中心引導(dǎo)更多的電流以抑制邊緣高的非均勻性。 靜電夾盤218的使用有利于高的熱傳遞速率進出晶圓220，甚至在甚低 (mT)腔室壓力下，在該壓力下熱傳遞在沒有靜電夾盤下比較差。該部件使 真空泵228成為高強渦輪分子泵，以運行需要極低腔室壓力的腔室菜單。這些 部件，與VHF功率源240、242 —起可以產(chǎn)生甚低到甚高等離子體離子密度(例 如，1(^到10"離子/立方厘米)，提供新容量的低腔室壓力(在mT范圍內(nèi))， 在高偏壓或者高熱負載下的高等離子體離子密度(在101()到10"離子/立方厘 米范圍內(nèi))，同時保持對晶圓溫度和等離子體離子密度分布均勻性的完全控制。 這些部件，包含于圖1A-6的反應(yīng)器中，滿足了特定工藝諸如介電蝕刻等離子 體工藝和等離子體沉浸離子注入工藝的特定工藝的需求，其施加高熱負載同時需要低腔室壓力和高等離子體離子密度。然而，這些反應(yīng)器能在寬范圍的腔室壓力(mT到Torr)、寬范圍的晶圓熱負載和寬范圍的等離子體離子密度(例 如，109到10"離子/立方厘米)下執(zhí)行。因此，圖1A-6的反應(yīng)器還可在實施 其它工藝中在或者高或者低腔室壓力以及在或高或低等離子體離子密度下被 采用，諸如等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、等離子體增強物理氣相 沉積(PEPVD)、等離子體摻雜和等離子體增強材^1"改性。雖然前述針對本發(fā)明的實施方式，但是在不脫離本發(fā)明的基本范圍下，本 發(fā)明還承認本發(fā)明的其它和進一步的實施方式，并且本發(fā)明的范圍由以下的權(quán) 利要求書所確定。
權(quán)利要求
1、一種用于在反應(yīng)器的腔室中處理工件支撐底座上的工件的等離子體反應(yīng)器，其包括面向底座的頂電極和在底座中的底座電極；具有不同頻率的第一和第二VHF功率源，其耦接到所述頂電極和所述底座電極中的相同或不同電極，所述第一和第二VHF功率源分別具有充分高和充分低的頻率，以在所述腔室內(nèi)分別生成中心高和中心低的等離子分布非均勻性；以及控制器，其程序化為改變所述第一和第二VHF功率源的相對輸出功率電平以(a)只要等離子體離子分布具有顯著的邊緣高非均勻性，增加所述第一VHF功率源的相對輸出功率電平；以及(b)只要等離子體離子分布具有顯著的中心高非均勻性，增加所述第二VHF功率源的相對輸出功率電平。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括用于改變工件到 頂部的間隙的工件升降機構(gòu)，所述升降機構(gòu)耦接到所述控制器，所述控制器程 序化以當(dāng)所述分布具有顯著的中心高非均勻性時就減小所述間隙，并且當(dāng)所述 分布具有顯著的中心低非均勻性就增加所述間隙。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括測量工具，其用于確定在所述腔室中處理的工件的處理結(jié)果的非均勻分 布，所述工具連接到所述控制器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括 第一可變電抗，其連接在RF接地與所述底座電極和頂電極的其中之一之間，該電極與所述第一VHF功率源耦接的電極相反，所述控制器程序化以改 變所述第一可變電抗的電阻，從而增強所述第一 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離 子分布的中心高非均勻性的趨勢。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括耦接到RF接地 返回電勢的所述腔室的側(cè)壁。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括第二可變電抗，其耦接在RF接地與所述底座電極和頂電極其中之一之間，該電極與所述第二VHF功率源耦接的電極相反，所述控制器程序化以改變所述第二可變電抗的 電阻，從而增強所述第一 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的邊緣高非均勻 性的趨勢。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括第一可變電抗， 其連接在RF接地與所述底座電極和頂電極其中之一之間，該電極與所述第一 VHF功率源耦接的電極相反，所述控制器程序化以改變所述第一可變電抗的 電阻，從而通過增加所述第一 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的中心高非 均勻性的趨勢而減小等離子體離子密度分布中的邊緣高非均勻性。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括第二可變電抗， 其耦接在RF接地與所述底座電極和頂電極其中之一之間，該電極與所述第二 VHF功率源耦接的電極相反，所述控制器程序化以改變所述第二可變電抗的 電阻，從而通過增加所述第二 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的邊緣高非 均勻性的趨勢而減小等離子體離子密度分布中的中心高非均勻性。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一 VHF功率源的 頻率大于110 MHz，并且所述第二 VHF功率源的頻率小于90 MHz。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一VHF功率源 包括與所述腔室中等離子體耦接的諧振器，其用于將基頻向上轉(zhuǎn)換為充分高的 所述頻率，以產(chǎn)生等離子體離子密度分布中的中心高非均勻性。
11 、 一種用于在反應(yīng)器的腔室中處理工件支撐底座上的工件的等離子體反 應(yīng)器，其包括面向底座的頂電極和底座中的底座電極；耦接到所述頂電極和所述底座電極中的相同或不同電極的具有不同頻率 的第一和第二 VHF功率源，所述第一和第二 VHF功率源分別具有充分高和充 分低的頻率，以在所述腔室內(nèi)分別產(chǎn)生中心高和中心低的等離子分布非均勻 性；第一可變電抗，其耦接在RF接地與所述底座電極和頂電極其中之一之間， 該電極與所述第一VHF功率源耦接的電極相反；以及控制器，其程序化以改變所述第一可變電抗的電阻，以 (a)通過增加所述第一VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的中心高非均勻性的趨勢，來響應(yīng)等離子體離子密度分布中的邊緣高非均勻性的檢測；以及 (b)通過減小所述第一 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子密度分布的中心高 非均勻性的趨勢，來響應(yīng)等離子體離子密度分布中的中心高非均勻性的檢測。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括 第二可變電抗，其耦接在RF接地與所述底座電極和頂電極的其中之一之間，該電極與所述第二VHF功率源耦接的電極相反；所述控制器程序化以改變所述第二可變電抗的阻抗，從而(a) 通過增加所述第二 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的邊緣高非均勻性的趨勢，來響應(yīng)等離子體離子密度分布中的中心高非均勻性的檢測；以及(b) 通過減小所述第二 VHF功率源產(chǎn)生等離子體離子分布的邊緣高非均勻性的趨勢，來響應(yīng)等離子體離子密度分布中的邊緣高非均勻性的檢測。
13、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括:-工件升降機構(gòu)，用于改變工件到頂部的間隙，所述升降機構(gòu)耦接到所述控 制器，所述控制器程序化以當(dāng)所述分布具有顯著的中心高非均勻性時而減小所 述間隙，以及當(dāng)所述分布具有顯著的中心低非均勻性時而增加所述間隙。
14、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括測量工具，其用于檢測在所述腔室中處理的工件的處理結(jié)果的非均勻分布，所述工具連接到 所述控制器。
15、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的反應(yīng)器，其特征在于，還包括耦接到RF接 地回路電勢的所述腔室的側(cè)壁。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種等離子體反應(yīng)器，其包括面向工件支撐底座的頂電極和在底座中的底座電極，以及耦接到所述頂電極和所述底座電極中的相同或不同電極的具有不同頻率的第一和第二VHF功率源。所述第一和第二VHF功率源分別具有充分高和充分低的頻率，以在腔室內(nèi)分別生成中心高和中心低的等離子分布非均勻性。所述反應(yīng)器還包括控制器，該控制器程序化以改變第一和第二VHF功率源的相對輸出功率電平以(a)當(dāng)?shù)入x子體離子分布具有顯著的邊緣高非均勻性時，增加第一VHF功率源的相對輸出功率電平；以及(b)當(dāng)?shù)入x子體離子分布具有顯著的中心高非均勻性時，增加第二VHF功率源的相對輸出功率電平。
文檔編號H05H1/46GK101242702SQ20081000027
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月30日
發(fā)明者凱洛·貝拉, 勞倫斯·黃, 卡提克·雷馬斯瓦米, 史蒂文·C·香農(nóng), 塙廣二, 安德魯·阮, 沃爾特·R·梅麗, 沙?！だ? 特洛伊·S·德里克, 珍妮弗·Y·孫, 肯尼思·S·柯林斯, 蘇比哈什·德什穆赫, 詹姆斯·P·克魯茲, 詹姆斯·卡爾杜齊, 道格拉斯·A·小布赫伯格, 馬修·L·米勒 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司