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混合 等离子体反应器

阅读：103发布：2023-01-11

专利汇可以提供混合等离子体反应器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种混合等离子体反应器。所述混合等离子体反应器包括ICP(感性耦合等离子体)源单元和偏移RF(射频)电源单元。所述ICP源单元包括腔室，天线线圈单元，以及源电源单元。所述腔室包括顶部开口的腔室主体以及覆盖所述腔室主体的开口顶部的介电窗口。所述天线线圈单元置于所述介电窗口的外侧。所述源电源单元提供源电源给所述天线线圈单元。所述偏移RF电源单元提供偏移RF功率给阴极。所述阴极安装在所述腔室内，并且在所述阴极的顶部上安装目标晶圆。，下面是混合等离子体反应器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种混合等离子体反应器，包括：
ICP源单元，所述ICP源单元包括：
腔室，所述腔室包括顶部开口的腔室主体以及覆盖所述腔室主体的开口顶部的介电窗口；
天线线圈单元，置于所述介电窗口外侧；和
源电源单元，用于提供源电源给所述天线线圈单元；以及
偏移RF电源单元，用于提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给阴极，所述阴极安装在所述腔室内，并且在所述阴极的顶部上安装目标晶圆，所述偏移RF电源单元包括：
高频RF电源单元，用于提供高频RF功率给所述阴极；和
低频RF电源单元，并行于所述高频RF电源单元连接到所述阴极，
并且提供低频RF功率给所述阴极；
其中当大于设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度大于当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度，
其中当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量大于当大于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量，以及
其中所述偏移RF电源单元提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给阴极，从而对当提供给所述天线线圈单元的源电源增加到大于所述设定功率时发生的所述腔室内的等离子体离子能量突然降低进行补偿，或者从而将所述腔室内的等离子体离子密度和能量保持在设定范围内。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中依赖于注入所述腔室内的反应气体的电离程度而在低电离区域提供蚀刻工艺和在高电离区域中提供蚀刻工艺，
其中当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时，所述等离子体反应器在所述低电离区域中执行蚀刻工艺，并且当大于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时，所述等离子体反应器在所述高电离区域中执行蚀刻工艺，并且当所述偏移RF电源单元提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给阴极时，所述设定功率提高并且所述低电离区域扩展。
3.根据权利要求1所述的反应器，其中当所述等离子体反应器对具有200mm直径的晶圆执行蚀刻工艺时，所述设定功率在500W至700W的范围内。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中当所述等离子体反应器执行实时腔室清洁操作时，所述源电源单元提供源电源给所述天线线圈单元，且所述偏移RF电源单元停止提供偏移RF功率给所述阴极，并且所述等离子体反应器在所述阴极上没有安装晶圆的情况下执行高密度等离子体腔室清洁过程。
5.根据权利要求1所述的反应器，其中所述偏移RF电源单元还包括：
源电源切换单元，并行于所述高频RF电源单元连接到所述阴极，
其中所述源电源切换单元切换开启以将所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地，从而通过所述源电源单元产生的源电源在所述源电源切换单元开启时被提供给所述阴极，并且
其中当所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地时形成闭合回路，该闭合回路包括所述源电源单元、所述天线线圈单元、所述阴极、所述源电源切换单元、以及所述接地。
6.根据权利要求5所述的反应器，其中所述源电源单元产生具有低于所述低频RF功率频率的频率的附加RF功率作为源电源，
其中所述偏移RF电源单元产生通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率进行混合而获得的偏移RF功率，并且
其中当所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地并且所述高频RF电源单元和低频RF电源单元工作时，所述附加RF功率以及通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率混合而获得的偏移RF功率被提供给所述阴极。
7.根据权利要求5所述的反应器，其中所述源电源单元产生具有高于所述低频RF功率频率并且低于所述高频RF功率频率的频率的附加RF功率作为源电源，
其中所述偏移RF电源单元产生通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率进行混合而获得的偏移RF功率，并且
其中当所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地并且所述高频RF电源单元和低频RF电源单元工作时，所述附加RF功率以及通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率混合而获得的偏移RF功率被提供给所述阴极。
8.根据权利要求5所述的反应器，其中所述源电源单元产生具有高于所述高频RF功率频率的频率的附加RF功率作为源电源，
其中所述偏移RF电源单元产生通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率进行混合而获得的偏移RF功率，并且
其中当所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地并且所述高频RF电源单元和低频RF电源单元工作时，所述附加RF功率以及通过将所述高频RF功率与所述低频RF功率混合而获得的偏移RF功率被提供给所述阴极。
9.根据权利要求5所述的反应器，其中所述源电源切换单元包括：
源电源滤波器，用于对通过所述阴极从所述天线线圈接收到的源电源进行滤波，排除除了源电源频率之外的其他频率信号；以及
 开关，用于将所述源电源滤波器电连接到接地或者与接地断开连接。

说明书全文

混合等离子体反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在半导体制造工艺中使用的设备，并且尤其涉及等离子体反应器。

背景技术

[0002] 通常地，使用等离子体执行干蚀刻工艺的等离子体反应器依赖于在腔室内产生等离子体的方法而被分类为容性耦合等离子体(CCP)类型等离子体反应器和感性耦合等离子体(ICP)类型等离子体反应器。如同本领域中所公知的，在CCP类型等离子体反应器中，等离子体腔室内的离子流能量随着提供给上电极或者阴极的射频(RF)功率的频率变低而成比例的提高。并且，在CCP类型等离子体反应器中，离子密度随着提供给上位电极或者阴极的RF功率的频率变高而增加。在ICP类型等离子体反应器中，随着提供给天线线圈的RF功率增加可以在腔室内提供低电离条件和高电离条件。反应气体的电离程度(degree of dissociation)在低电离条件中更低，并且在高电离条件中更高。在ICP类型等离子体反应器在各个低电离条件和高电离条件下执行蚀刻工艺时，目标晶圆显示出互不相同的物理属性。更具体的说，当ICP类型等离子体反应器在低电离条件下执行蚀刻工艺时，目标晶圆显示出类似于当CCP类型等离子体反应器执行蚀刻工艺时的物理属性。当ICP类型等离子体反应器在高电离条件下执行蚀刻工艺时，随着提供给阴极的偏移RF功率的频率变得更低，提供给天线线圈的RF功率的增加导致腔室内的等离子体离子能量的突然降低。 [0003] 对于使用等离子体实现的干蚀刻工艺，存在绝缘薄膜(氧化物)蚀刻工艺和聚乙烯(poly)/金属蚀刻工艺。绝缘薄膜蚀刻工艺主要基于物理蚀刻工艺。因此，绝缘薄膜主要使用窄隙CCP类型等离子体反应器进行蚀刻，其中多频率RF功率被提供给上电极或者阴极。这种CCP类型等离子体反应器的优点在于能够使用高电场产生高能量离子。然而，CCP类型等离子体反应器导致了由于离子碰撞引起的工艺装置损坏，并且导致了由于高等离子体电势的特性引发的电弧问题。低电离降低了实时腔室清洁(ICC)的效率，因此，腔室清洁之间平均时间(MTBC)实现为很短。CCP类型等离子体反应器在硬件设计和提供高频率功率给上电极或者阴极所需的成本方面存在问题。

[0004] 与绝缘薄膜蚀刻工艺不同，通常基于相对的化学蚀刻方式的聚乙烯/金属蚀刻工艺主要使用ICP类型等离子体反应器。这是因为ICP类型等离子体反应器可以独立控制腔室内的等离子体离子密度和能量，促进在低压下产生高密度和大规模的等离子体，并且通过小的等离子体离子能量而充分地蚀刻设备，从而降低设备损耗。

[0005] 实现ICP类型等离子体反应器的非常重要的参数为由于提供给天线线圈的高电压导致的介电窗口的损坏，高/低等离子体离子密度以及大范围区域中的均匀性，过量基团浓度控制，可调离子能量，以及宽的离子能量分布。

[0006] 然而，目前为止制造的ICP类型等离子体反应器可以产生高密度等离子体离子，但是不能控制过量基团的浓度，不能控制等离子体离子能量，并且不能扩展等离子体离子能量分布。因此，ICP类型等离子体反应器显示出了比CCP类型等离子体反应器更差的工艺性能，尽管它比CCP类型等离子体反应器更有效。因此，ICP类型等离子体反应器很难在保证很高的光敏(PR)选择性的同时执行高纵横比工艺。

[0007] 在ICP类型等离子体反应器执行干蚀刻工艺的情况下，在提供低频RF功率给阴极时反应气体的高电离和源电源功率增大导致等离子体离子能量的突然降低。因此会出现某些现象，例如蚀刻停止、腔室匹配、低PR选择性、以及窄的工艺窗口。发明内容

[0008] 本发明示例实施例的一个方面是为了至少解决所述问题和/或缺陷，并且至少提供下述优点。因此，本发明示例实施例的一个方面提供了一种混合等离子体反应器，用于提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给阴极并且控制提供给天线线圈的源电源，从而在提供低频RF功率给阴极时补偿由于源电源功率增大导致的等离子体离子能量的突然降低，并且将等离子体离子密度和能量维持在设定范围之内。 [0009] 根据本发明示例实施例的一个方面，提供了一种混合等离子体反应器。所述混合等离子体反应器包括ICP(感性耦合等离子体)源单元和偏移RF(射频)电源单元。所述ICP源单元包括腔室，天线线圈单元，以及源电源单元。所述腔室包括顶部开口(opened)的腔室主体以及覆盖所述腔室主体的开口顶部的介电窗口。所述天线线圈单元置于所述介电窗口外侧。所述源电源单元提供源电源给所述天线线圈单元。所述偏移RF电源单元提供偏移RF功率给阴极。所述阴极安装在所述腔室内，并且在阴极顶部上安装目标晶圆。当大于设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度大于当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度。当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量大于当大于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量。为了提高所述设定功率并且扩展所述源电源的可调范围，所述偏移RF电源单元提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给阴极，从而对当提供给所述天线线圈单元的源电源功率增加到大于所述设定功率时发生的所述腔室内的等离子体离子能量突然降低进行补偿，或者从而将所述腔室内的等离子体离子密度和能量保持在设定范围内。

[0010] 根据本发明示例实施例的另一个方面，提供了一种混合等离子体反应器。所述混合等离子体反应器包括ICP源单元和高频RF电源单元。所述ICP源单元包括腔室，天线线圈单元，以及源电源单元。所述腔室包括顶部开口的腔室主体以及覆盖所述腔室主体的开口顶部的介电窗口。所述天线线圈单元置于所述介电窗口外侧。所述源电源单元提供源电源给所述天线线圈单元。所述高频RF电源单元提供高频RF功率给阴极。所述阴极安装在所述腔室内，并且在阴极顶部上安装目标晶圆。低频RF电源单元并行于高频RF电源单元连接到所述阴极，并且提供低频RF功率给所述阴极。当大于设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度大于当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度。当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量大于当大于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量。为了提高所述设定功率并且扩展所述源电源的可调范围，所述高频RF电源单元和低频RF电源单元一起工作并且提供混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率给所述阴极，从而对当提供给所述天线线圈单元的源电源功率增加到大于所述设定功率时发生的所述腔室内的等离子体离子能量突然降低进行补偿，或者从而将所述腔室内的等离子体离子密度和能量保持在设定范围内。

[0011] 根据本发明示例实施例的又一个方面，提供了一种混合等离子体反应器。所述混合等离子体反应器包括ICP源单元，高频RF电源单元，低频RF电源单元，以及源电源切换单元。所述ICP源单元包括腔室，天线线圈单元，以及源电源单元。所述腔室包括顶部开口的腔室主体以及覆盖所述腔室主体的开口顶部的介电窗口。所述天线线圈单元置于所述介电窗口外侧。所述源电源单元提供源电源给所述天线线圈单元。所述高频RF电源单元提供高频RF功率给阴极。所述阴极安装在所述腔室内，并且在阴极顶部上安装目标晶圆。低频RF电源单元并行于高频RF电源单元连接到所述阴极，并且提供低频RF功率给所述阴极。所述源电源切换单元并行于所述高频RF电源单元连接到所述阴极。所述源电源切换单元切换开启以通过所述源电源切换单元将所述阴极选择性地连接至接地，从而从所述源电源单元产生的高频RF功率被选择性地提供给所述阴极。

[0012] 当所述阴极通过所述源电源切换单元连接到接地时形成闭合回路，所述闭合回路包括所述源电源单元，所述天线线圈单元，所述阴极，所述源电源切换单元以及接地。所述源电源是具有高于所述高频RF功率频率的频率的RF功率、具有低于所述低频RF功率频率的频率的RF功率、以及具有所述低频RF功率频率和高频RF功率频率之间的频率的RF功率中的任何一者。

[0013] 当大于设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度大于当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子密度。当小于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量大于当大于所述设定功率的源电源被提供给所述天线线圈单元时所述腔室内的等离子体离子能量。

[0014] 为了提高所述设定功率并且扩展所述源电源的可调范围，所述高频RF电源单元、所述低频RF电源单元以及所述源电源切换单元一起工作并且提供通过将高频RF功率和低频RF功率与所述源电源混合而获得的偏移RF功率给所述阴极，从而对当提供给所述天线线圈单元的源电源功率增加到大于所述设定功率时发生的所述腔室内的等离子体离子能量突然降低进行补偿，或者从而将所述腔室内的等离子体离子密度和能量保持在设定范围内。附图说明

[0015] 结合附图帮助理解，本发明的上述和其他目标、特征和优点通过下面的结合附图的详细描述可以更加明白，其中：

[0016] 图1显示了根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的构造； [0017] 图2显示了图1所示的天线线圈单元的截面图，以及当提供源电源给天线线圈单元时在天线线圈单元周围产生的磁场的分布；

[0018] 图3是显示依赖于在图2所示的天线线圈单元中包含的初级天线线圈组和次级天线线圈组的各个半径(R)以及初级天线线圈组和次级天线线圈组之间的长度(L)的磁场强度的图示；

[0019] 图4为显示通过图1所示的等离子体反应器实现的蚀刻程序的流程图； [0020] 图5显示了根据本发明第二示例实施例的等离子体反应器的构造； [0021] 图6为显示通过图5所示的等离子体反应器实现的蚀刻程序的流程图； [0022] 图7显示了根据本发明第三示例实施例的等离子体反应器的构造； [0023] 图8为显示通过图7所示的等离子体反应器实现的蚀刻程序的流程图； [0024] 图9为显示依赖于源电源功率增加的等离子体离子密度特性的图示； [0025] 图10是显示根据本发明的当提供2MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示；

[0026] 图11是显示根据本发明的当提供12.56MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示； [0027] 图12是显示根据本发明的当提供27.12MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示； [0028] 图13是显示根据本发明的在分别提供单频率偏移RF功率和混合频率偏移RF功率给等离子体反应器的阴极的情况下阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示；

[0029] 图14是显示根据本发明的当提供600W的源电源功率给等离子体反应器的天线线圈单元时蚀刻速度变化相对于提供给阴极的偏移RF功率的频率混合比率的变化的图示；以及

[0030] 图15是显示根据本发明的当提供1500W的源电源功率给等离子体反应器的天线线圈单元时蚀刻速度变化相对于提供给阴极的偏移RF功率的频率混合比率的变化的图示。

[0031] 在所有附图中，相同附图参考数字表示相同元件、特征和结构。具体实施方式

[0032] 现在参考附图更加详细的描述本发明的示例实施例。在下面的描述中，为了简化起见省略在此包含的公知功能和结构的详细描述。

[0033] 本发明提供制造半导体、液晶二极管(LCD)以及其他集成电路的工艺所需的等离子体属性(例如可调等离子体离子密度，可调离子能量分布，可调离子能量，可调基团，以及低离子损耗等离子体)的混合类型等离子体生成设备以及方法。这些等离子体属性可以使用多天线线圈结构、柱体类型介电窗口、在腔室上方提供的感性耦合等离子体(ICP)源单元以及提供给阴极的混合频率偏移而控制。

[0034] 图1显示了根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的构造。参考图1，等离子体反应器包括感性耦合等离子体(ICP)源单元1，以及偏移RF电源单元，偏移RF电源单元包括低频射频(RF)电源单元20和高频RF电源单元30。ICP源单元1包括腔室5，天线线圈单元7，以及源电源单元10。腔室5包括腔室主体13，以及柱体类型介电窗口11。腔室主体13在其顶部开口。介电窗口11覆盖腔室主体13的开口顶部。天线线圈单元7包括初级天线线圈组21和次级天线线圈组23。初级天线线圈组21设置在介电窗口11外侧位于介电窗口11周围的上部。次级天线线圈组23设置在介电窗口11外侧位于介电窗口11周围的下部。屏蔽部分3依附到腔室主体13的外围侧壁的上部，环绕介电窗口11和天线线圈单元7以将介电窗口11和天线线圈单元7与外部屏蔽。

[0035] 介电窗口11在其顶部具有气体注入口31。气体注入系统(未显示)通过气体注入口31注入反应气体到腔室5中。阴极部件支撑15设置在腔室5内。阴极部件支撑15物理固定到腔室主体13，并且电接地。阴极17置于阴极部件支撑15上。绝缘体19置于阴极部件支撑15和阴极17之间。绝缘体19在阴极部件支撑15和阴极17之间进行电绝缘。晶圆(W)作为加工目标被安装在阴极17上。更具体的说，使用在阴极17上设置的陶瓷静电卡盘(CESC)对晶圆(W)进行固定。

[0036] 源电源单元10提供各个源电源给初级天线线圈组21和次级天线线圈组23。源电源单元10包括源阻抗匹配电路22用于源阻抗匹配，以及源高频发生器26。源阻抗匹配电路22将初级天线线圈组21和次级天线线圈组23与源高频发生器26连接。源高频发生器26连接到接地。当源电源单元10提供源电源给初级天线线圈组21和次级天线线圈组23，在初级天线线圈组21和次级天线线圈组23附近产生磁场。因此，在腔室5内感应RF电场。

[0037] 低频RF电源单元20是偏移RF电源单元，提供低频RF功率给阴极17。低频RF电源单元20包括偏移阻抗匹配电路/低通滤波器(LF匹配/LPF)24和偏移低频发生器27。LF匹配/LPF 24匹配阻抗并且选择性地仅通过低频RF功率。偏移低频发生器27产生低频RF功率。

[0038] 高频RF电源单元30包括偏移阻抗匹配电路/高通滤波器(HF匹配/HPF)25和偏移高频发生器28。HF匹配/HPF 25匹配阻抗并且选择性地仅通过高频RF功率。偏移高频发生器28产生高频RF功率。偏移RF功率是低频RF功率和高频RF功率的混合，在低频RF电源单元20和高频RF电源单元30一起工作时被提供给阴极17。

[0039] 当大于设定功率(下面称之为“转折点功率”)的源电源功率被提供给天线线圈单元7时腔室5内的等离子体离子密度远大于当提供小于设定功率的源电源功率给天线线圈单元7时腔室5内的离子密度。转折点功率是划分低电离区域和高电离区域的标准。参考图9，当大于转折点功率的源电源功率被提供给天线线圈单元7时的反应气体的电离程度远大于当提供小于转折点功率的源电源功率被提供给天线线圈单元7时的反应气体的电离程度。例如，在加工具有200mm直径的晶圆的等离子体反应器中，转折点功率可以设置在大约500W至700W的范围内。转折点功率依赖于等离子体反应器的尺寸、类型和工艺条件可以更大或者更小。

[0040] 当小于设定功率的源电源功率被提供给天线线圈单元7时腔室5内的等离子体离子能量远大于当提供大于设定功率的源电源功率给天线线圈单元7时腔室5内的离子能量。当包括低频RF电源单元20和高频RF电源单元30的偏移RF电源单元提供混合了低频RF功率和高频RF功率的偏移RF功率给阴极17时，设定功率可以提高。因此，低电离区域中源电源功率的可调范围可以进一步扩展。例如，当仅提供低频RF功率给阴极17并且提供大于设定功率的源电源功率给天线线圈单元7时会发生腔室5内的等离子体离子能量突然降低的现象。并且，当仅提供高频RF功率给阴极17时，腔室5内的等离子离子能量降低到使得尽管提高源电源功率仍然不能正常进行蚀刻工艺的程度。然而，当提供混合了低频RF功率和高频RF功率的偏移RF功率给阴极17时，腔室5内的等离子体离子能量的突降可以被补偿，并且等离子体离子能量可以保持在设定范围之内，能够正常进行蚀刻工艺。 [0041] 根据本发明，ICP等离子体源单元1包括天线线圈单元7。如图2和图3所示，天线线圈单元7提供了均匀磁场属性和图9所示的等离子体属性。这样可以选择性的使用低电离和高电离区域，以及稍后描述的均匀离子密度。

[0042] 柱体介电窗口11保证了在主(bulk)等离子体和阴极17上的陶瓷静电卡盘(CESC)(未显示)之间的恒定距离从而放置作为工艺目标的晶圆，从而支持独立控制等离子体离子密度和能量。因此，柱体介电窗口11最小化了物理损耗，同时支持有效蚀刻加工目标。

[0043] 天线线圈单元7设置在柱体介电窗口11外侧。柱体介电窗口11具有顶部平坦表面的结构。气体注入系统设在介电窗口11中提供的气体注入口31处。气体注入系统通过排放孔有效排出蚀刻中产生的蚀刻副产品。因此，反应气体在加工目标的整个表面上可以具有恒定的驻留时间，从而保证宽范围的加工窗口。而且，由于监视系统可以安装在介电窗口11上方的空间中，硬件设计可以很灵活。

[0044] 如图2所示，天线线圈单元7包括初级天线线圈组21和次级天线线圈组23。初级天线线圈组21和次级天线线圈组23均具有并行连接的多个天线线圈。次级天线线圈组23定位于保持距离初级天线线圈组21的距离为线圈半径(R)或者小于或大于线圈半径(R)。当两个天线线圈组21和23之间的长度(L)被控制时，腔室5中产生的磁场强度可以适当被控制。这样提供了很灵活的腔室设计，用于获得离子密度均匀性/强度以及均匀蚀刻速度。图3是当天线线圈绕组21和23之间长度(L)小于线圈半径(R)、当其等于线圈半径(R)以及当其大于线圈半径(R)的情况下腔室5内产生的磁场强度的分布的图示。如图3所示，当长度(L)等于或者小于半径(R)时磁场强度增加。当天线线圈单元7满足上述条件并且各个天线线圈绕组21和23在电流方向上彼此相同时，可以产生相比传统的螺线管类型天线线圈具有更好的均匀性和更大的强度的磁场。这样可以在腔室5内实现均匀的并且很高的等离子体离子密度。

[0045] 分别由多个线圈组成的初级天线线圈组21和次级天线线圈组23具有低阻抗值。因此，相对很小的源电源电压被耗散，并且被提供给多个线圈。这样可以降低在腔室5内发生的溅射(sputtering)(即低溅射效应)，并且将由溅射导致的介电窗口11的损坏和污染最小化。

[0046] 在低于20W的低RF功率下产生并且保持等离子体是可能的。当混合了高频和低频RF功率的偏移RF功率被提供给阴极17时，设定电源功率(即转折点)作为划分低电离区域和高电离区域的标准，该点如图9所示从点(P1)移动到点(P2)。由于这种移动，可以在相对很宽范围内保证低电离和高电离区域，并且可以保证绝缘薄膜蚀刻工艺的灵活性。换言之，可以通过控制ICP类型等离子体反应器的高电离属性而控制基团浓度。可以实现低损耗和高效率的实时腔室清洁(ICC)，从而将腔室清洁之间平均时间(MTBC)最大化，因为可以在恒定RF功率(大约500W至700W或者更大)下获得高等离子体离子密度和高电离条件。并且，可以提供对慢性腔室电弧和容性耦合等离子体(CCP)类型等离子体反应器的工艺装置损坏问题的有效解决方案。

[0047] 图4是显示通过图1所示等离子体反应器实现的蚀刻工艺的流程图。 [0048] 参考图4，当等离子体反应器执行干蚀刻时，作为加工目标的晶圆(W)通过阴极17上提供的CESC(未显示)而固定。反应气体通过气体注入口31而提供到腔室5内。真空泵(未显示)和压力控制单元(未显示)将腔室5内的压力保持在工作压力。 [0049] 在物理/化学方面，通过ICP等离子体源单元1产生的等离子体可以获得两种模式：CCP模式和ICP模式。如图9所示，随着ICP源功率增加，在低电离区域(CCP模式)中特定等离子体离子密度不会显著增加，而在高电离区域(ICP模式)中突然发生电离。 [0050] 更具体的说，在恒定RF源电源功率(即转折点功率)以下不会发生突然电离，等离子体反应器显示出CCP属性。在恒定RF源电源功率之上发生突然电离，等离子体反应器显示出ICP的内部属性。当腔室5内的压力达到工艺所需压力时，等离子体反应器可以依赖于蚀刻模式的工艺特点选择性地工作在CCP模式和ICP模式中的任何一者中。 [0051] 当在低电离区域中进行蚀刻工艺时，源电源功率被设置在转折点功率之下。当在高电离区域中进行蚀刻工艺时，源电源功率被设置在转折点功率之上。一旦源电源设置完成，则源电源单元10、低频RF电源单元20，以及高频RF电源单元30开启。因此，源电源单元10提供恒定RF功率(也就是源电源)给天线线圈单元7，同时在腔室5内形成等离子体。低频/高频RF功率被混合并且提供给阴极17。

[0052] 换言之，上部ICP等离子体源单元1产生适合于工艺特性的等离子体，并且同时按照适合于工艺特性的混合频率方式提供高频/低频RF功率给阴极17，从而实现所需工艺。并且，离子能量强度的突降/离子密度/基团浓度可以通过适当控制ICP源电源和在低电离区域和高电离区域中提供给阴极的低频/高频RF功率而被控制。因此，可以保证高蚀刻速度、高光敏(PR)选择性、以及宽的工艺窗口。

[0053] 在蚀刻工艺期间，蚀刻副产品通过排放系统而排放出腔室5外，并且其部分沉积在腔室5的内壁上。沉积在腔室5的内壁上的蚀刻副产品改变了工艺特性并且同时作为杂质，导致加工对象的严重污染问题，从而降低质量和生产率。为了解决该问题，对等离子体反应器实现使用等离子体的ICC。

[0054] 当等离子体反应器处于ICC清洁模式中时，它仅使用ICP源电源即使用来自源电源单元10的RF功率执行无晶圆的高密度干清洁过程(recipe)。更具体的说，当等离子体反应器工作在ICC清洁模式中时，源电源单元10提供源电源给天线线圈单元7，并且偏移RF电源单元(即低频RF电源单元20和高频RF电源单元30)停止提供偏移RF功率给阴极17。由此，等离子体反应器在目标晶圆(W)没有安装在阴极17上的情况下使用高密度等离子体执行ICC工艺。

[0055] 图5显示了根据本发明第二实施例的等离子体反应器的构造。

[0056] 参考图5，基于若干差异而描述等离子体反应器的构造和详细操作，因为它们几乎与根据本发明第一实施例的等离子体反应器相同。一个差异是RF电源单元50仅产生高频RF功率和低频RF功率中的一者，连接到阴极17。换言之，高频RF电源单元或者低频RF电源单元连接到阴极17。另一个差异是源电源切换单元42并行于RF电源单元50连接到阴极17。源电源切换单元42支持阴极17通过源电源切换单元42选择性地连接到接地，从而通过源电源单元40产生的高频或者低频RF功率被选择性地提供给阴极17。当阴极17通过源电源切换单元42连接到接地时，形成包括源电源单元40、天线线圈单元7、阴极17、源电源切换单元42以及接地在内的闭合回路。源电源切换单元42包括源电源滤波器37和开关39。源电源滤波器37通过阴极17对从天线线圈单元7接收到的源电源进行滤波，由此具有不同于源电源频率的其他频率的信号被排除在源电源之外。开关39将源电源滤波器37电连接到接地，或者与接地断开连接。当阴极17通过源电源切换单元42连接到接地并且偏移RF电源单元50和源电源单元40工作时，混合了高频RF功率和低频RF功率的偏移RF功率被提供给阴极17。因此，包括低频或者高频RF电源单元的偏移RF电源单元50和源电源切换单元42提供偏移RF功率给阴极17。

[0057] 在偏移RF电源单元50包括低频RF电源单元并且提供低频RF功率给阴极17的情况下，源电源单元40包括高频RF电源单元并且通过源电源切换单元42选择性地提供高频RF功率给阴极17。

[0058] 在偏移RF电源单元50包括高频RF电源单元并且提供高频RF功率给阴极17的情况下，源电源单元40包括低频RF电源单元并且通过源电源切换单元42选择性地提供低频RF功率给阴极17。

[0059] 源电源滤波器37被调谐到通过源电源单元40产生的源电源频率。 [0060] 图6是显示通过如图5所示的等离子体反应器实现的蚀刻程序的流程图。参考图6，当腔室5内的压力达到工艺所需压力时，等离子体反应器可以依赖于蚀刻模式的工艺特性，按照与根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的类似方式，选择性地工作在CCP模式和ICP模式中任何一者。

[0061] 当在低电离区域中进行蚀刻工艺时，提供给天线线圈单元7的源电源功率被设置在转折点功率以下。当在高电离区域中进行蚀刻工艺时，提供给天线线圈单元7的源电源功率被设置在转折点功率之上。一旦源电源设置完成，源电源单元40、源电源切换单元42以及偏移RF电源单元50开启。因此，当RF电源单元50提供高频或者低频偏移RF功率给阴极17时，源电源单元40通过天线线圈单元7提供源电源给阴极17。此时，阴极17通过源电源切换单元42连接到接地。

[0062] 当等离子体反应器处于蚀刻模式中时，源电源切换单元42切换开启并且执行蚀刻工艺。当等离子体反应器处于ICC清洁模式中时，源电源切换单元42切换关断并且源电源仅被提供给天线线圈单元7。根据本发明第二示例实施例的等离子体反应器提供了降低成本和设备尺寸的优点，因为它可以获得对应于根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的性能，同时通过两个RF功率发生器33和35以及两个阻抗匹配电路/滤波器29和31替代三个RF发生器和三个阻抗匹配电路/滤波器。

[0063] 转折点功率大于第一示例实施例的转折点功率，因为它支持ICP源电源被双重提供给ICP源单元1的天线线圈单元7和阴极17。

[0064] 图7显示了根据本发明第三示例实施例的等离子体反应器的构造。参考图7，等离子体反应器具有与根据本发明第一和第二示例实施例的等离子体反应器的组合类似的结构。该等离子体反应器与根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的类似之处在于偏移RF电源单元包括低频RF电源单元20和高频RF电源单元30。该等离子体反应器与根据本发明第二示例实施例的等离子体反应器的类似之处在于它进一步包括源电源切换单元42以选择性地提供源电源给阴极17。

[0065] 更具体的说，低频RF电源单元20和高频RF电源单元30并行地电连接到阴极17，从而低频/高频RF功率被混合并且提供给阴极17。源电源切换单元42被构造为选择性地提供源电源给阴极17。

[0066] 在包含在偏移RF电源单元中的低频RF电源单元20和高频RF电源单元30分别提供低频RF功率和高频RF功率给阴极17的情况下，源电源单元10可以通过源电源切换单元42选择性地提供低频RF功率，该功率低于提供给阴极17的低频RF功率。 [0067] 在包含在偏移RF电源单元中的低频RF电源单元20和高频RF电源单元30分别提供低频RF功率和高频RF功率给阴极17的情况下，源电源单元10可以使用源电源切换单元42选择性地提供低频RF功率，该功率大于提供给阴极17的低频RF功率并且低于提供给阴极17的高频RF功率。

[0068] 在包含在偏移RF电源单元中的低频RF电源单元20和高频RF电源单元30分别提供低频RF功率和高频RF功率给阴极17的情况下，源电源单元10可以使用源电源切换单元42选择性地提供高频RF功率，该功率大于提供给阴极17的高频RF功率。 [0069] 图8是显示通过图7所示等离子体反应器实现的蚀刻程序的流程图。 [0070] 参考图8，当腔室5内的压力达到工艺所需压力时，等离子体反应器可以依赖于蚀刻模式的工艺特性，按照与根据本发明第一示例实施例的等离子体反应器的类似方式，选择性地工作在CCP模式和ICP模式中任何一者。

[0071] 当在低电离区域中进行蚀刻工艺时，提供给天线线圈单元7的源电源功率被设置在转折点功率以下。当在高电离区域中进行蚀刻工艺时，提供给天线线圈单元7的源电源功率被设置在转折点功率之上。一旦源电源功率设置完成，则源电源单元10、低频RF电源单元20和高频RF电源单元30以及源电源切换单元42开启。因此，低频RF电源单元20和高频RF电源单元30提供低频/高频RF功率的混合给阴极17，并且源电源单元40通过天线线圈单元17提供源电源功率给阴极17。此时，阴极17通过源电源切换单元42连接到接地。

[0072] 当等离子体反应器处于蚀刻模式中时，源电源切换单元42切换开启并且执行蚀刻工艺。当等离子体反应器处于ICC清洁模式中时，在源电源切换单元42切换关断并且源电源仅被提供给天线线圈单元7的状态下执行无晶圆的高密度ICC过程。根据本发明第三示例实施例的等离子体反应器是为了扩展大规模晶圆(300mm，450mm)的目的而提供。该等离子体反应器可以降低成本和设备尺寸，因为它通过三个RF发生器26、27和28以及三个阻抗匹配电路/滤波器22、24和25替代四个RF功率发生器和四个阻抗匹配电路/滤波器。

[0073] 该转折点功率比第一示例实施例中的转折点功率更大，因为它支持ICP源电源被双重地提供给ICP源单元1的天线线圈单元7和阴极17。

[0074] 图9中显示了ICP属性的图示，从而详细描述本发明的操作。参考图9，提供了低电离区域和高电离区域。随着提供给天线线圈单元7的RF源电源功率提高，反应气体在低电离区域中不会突然电离，并且在高电离区域中突然电离。更具体的说，等离子体反应器在低于恒定RF源电源功率时不发生突然电离的情况下显示出CCP属性。并且等离子体反应器在高于恒定RF源电源功率时发生突然电离的情况下显示出ICP内部属性。 [0075] 除了ICP源电源功率，偏移功率应当提供给阴极17以加工置于阴极17上的晶圆。在具有互不相同的频率(低频/中频/高频)的偏移功率和具有混合频率的偏移功率分别被提供给阴极17的情况下，ICP等离子体的两个属性即确定低电离区域和高电离区域中离子能量的自偏移(-VDC)的属性被比较，并且预测在各种情况下是否获得任何加工结果。这样，可以理解为什么作为采用传统ICP类型等离子体反应器的一种蚀刻设备的绝缘薄膜蚀刻设备不能提供良好结果，以及为什么很多系统从生产线上被撤下。

[0076] 图10是显示根据本发明的当提供2MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示。图11是显示根据本发明的当提供12.56MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示。图12是显示根据本发明的当提供27.12MHz的偏移RF功率给等离子体反应器的阴极时阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示。

[0077] 图10至图12的图示表示在将反应气体CF4以150标准立方厘米/分钟(SCCM)的速度注入腔室5并且腔室5具有大约50毫托的内部压力的加工条件下测量的值。 [0078] 低电离区域

[0079] 在图9中的低于恒定ICP源RF功率(大约500W至700W)的区域中，离子密度不会随着RF功率增加而突然增加。在此区域中，不会突然发生电离。

[0080] 确定等离子体离子能量的自偏移(-VDC)属性可以依赖于提供给阴极的偏移功率的低频2.0MHz、中频12.56MHz以及高频27.12MHz而变化，从而加工置于阴极上的晶圆。这些属性显示于图10至图12中。通过这些图示，可以理解，自偏移(-VDC)随着低于恒定ICP源电源功率(大约500W至700W)的区域中源电源功率增加而增加。并且，等离子体离子能量随着提供给阴极的偏移功率的频率的降低而增大。等离子体离子能量随着提供给阴极的偏移功率的频率升高而减小。

[0081] 图13是显示根据本发明的在分别提供单频率偏移RF功率和混合频率偏移RF功率给等离子体反应器的阴极的情况下阴极中形成的自偏移变化(-VDC)相对于源电源功率变化的图示。在图13中，“◆”标记线表示在低频偏移RF功率被提供给阴极时自偏移(-VDC)(对应于等离子体离子能量)的变化。“▲”标记线表示当高频偏移RF功率被提供给阴极时自偏移(-VDC)的变化。“X”标记线表示当混合了低频和高频RF功率的偏移RF功率被提供给阴极时自偏移(-VDC)的变化。通过各个线条可以理解，当混合频率偏移 RF功率被提供给阴极时，离子能量大约等于低频/高频RF功率被提供给阴极时的能量值的平均值。 [0082] 在图13的图示中，测量值未显示，但是等离子体离子密度可以依赖于频率大小和低电离区域中的偏移功率量而具有更大值。

[0083] 因此，反应气体不会随着低电离区域中源电源功率的增加而突然电离。由于离子能量强度和离子密度相对依赖于频率和偏移功率量，可以对过量基团进行浓度控制。并且可以获得宽的工艺窗口和稳定的工艺。

[0084] 在显示绝缘薄膜(Si02)的蚀刻速度的图14中，当提供相同的偏移功率量时，蚀刻速度在混合频率下最高。这是由于提供给阴极的低频导致的高离子能量和高频导致的高离子密度而产生的。在此条件下，蚀刻速度和蚀刻速度不均匀性更加依赖于偏移功率。 [0085] 高电离区域

[0086] 在图9中高于恒定ICP源RF功率(大约500W至700W)的区域中，离子密度随着RF功率提高而突然增大。在该区域中，突然发生电离。

[0087] 图10至图12是显示依赖于施加给阴极以加工安装在阴极上的晶圆的偏移功率的低频2.0MHz、中频12.56MHz以及高频27.12MHz而确定等离子体离子能量的自偏移(-VDC)的属性的图示。通过这些图示，可以理解，自偏移(-VDC)随着在高于恒定ICP源功率(大约500W至700W)的区域中源电源功率增加而大大改变。换言之，可以理解，随着该区域中源电源功率增加，自偏移(-VDC)突然变得更小。并且，随着频率变小，自偏移突然变得更小。随着频率变得更大，自偏移逐渐变得更小。

[0088] 图13是显示自偏移(-VDC)之间关系的图示，即离子能量和单个以及混合频率。混合频率下的离子能量强度大约等于低频/高频下离子能量强度的平均值。在低频2.0MHz下离子能量的突降可以通过添加高频27.12MHz而很大程度上被平滑。

[0089] 此处，测量值未显示，但是等离子体离子密度可能依赖于频率大小和高电离区域中偏移功率量而具有更大值。

[0090] 因此，随着高电离区域中源电源功率增大，反应气体突然电离。添加并且施加高频率以保证稳定并且宽的处理窗口，因为随着提供给阴极的频率变低离子能量强度突然改变。

[0091] 在显示绝缘薄膜(SiO2)的蚀刻速率的图15中，当施加相同量的偏移功率时，蚀刻速率在低频和混合频率下几乎相同。可以理解，高电离区域中的蚀刻速率变化与低电离区域中蚀刻速率变化大大不同。这是因为等离子体反应器的离子密度更加依赖于ICP源电源功率。突然降低的离子能量强度/离子密度/基团浓度可以通过适当控制ICP源功率和在高电离区域中提供给阴极的低频/高频RF功率而被控制。因此，可以保证高蚀刻速率、高选择性以及宽的处理窗口。

[0092] 如上所述，本发明提供了混合等离子体反应器用于同时实现容性和感性耦合功能，从而加倍提高工艺性能和生产率。更具体的说，本发明可以通过混合频率偏移RF功率而适当协调具有高离子密度属性以及低离子能量属性的ICP源电源，从而改善工艺性能，例如可调离子密度，可调离子能量以及离子能量分布，基团浓度控制以及提高生产率，例如MTBC的显著改善。

[0093] 根据本发明，当ICP类型反应器实现干蚀刻工艺时，高频率被附加添加，从而补偿当施加低频率给阴极时在高电离区域中随着ICP源功率提高而发生的离子能量强度突降。这样，本发明可以提供对ICP类型反应器的蚀刻停止、腔室匹配、低PR选择性以及窄工艺窗口等缺陷的解决方案。本发明可以在低电离区域中添加高频率到低频率，从而保证高离子能量和离子密度，并且提高蚀刻速度。

[0094] 本发明可以最大限度的利用ICP类型反应器的优点，例如高效率，低离子损耗，以及解耦(decoupled)效果，并且与CCP类型反应器相比可以有效执行无晶圆ICC。本发明可以提供对在CCP类型等离子体反应器中发生的慢性电弧问题的解决方案。 [0095] 本发明的等离子体反应器可以抑制反应气体的过度电离，保持高等离子体离子密度，并且在低频率被提供给阴极时在恒定ICP源功率以上补偿离子能量强度的突然降低。 [0096] 尽管参考特定优选实施例显示并且描述了本发明，本领域技术人员可以理解，可以对其作出各种形式和细节上的改变而不背离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围。

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