[发明专利]电感耦合线圈及电感耦合等离子体发生装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体加工制造领域，特别涉及一种电感耦合线圈及电感耦合等离子体发生装置。

背景技术

目前，随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求也越来越高，这就要求生产集成电路的企业也得不断地提高半导体晶片的加工能力。等离子体发生装置被广泛地应用于集成电路或MEMS器件的制造过程中，因此，适用于刻蚀、沉积或其它加工工艺的等离子体发生装置的研发对于半导体制造工艺和设施的发展来说是至关重要的。在传统半导体制造工艺中已经使用了各种类型的等离子体发生装置，例如：电容耦合等离子体类型、电感耦合等离子体类型和电子回旋共振等离子体等类型。利用电容耦合方式产生的等离子体，其结构简单，造价低，但其产生的等离子体的密度较低，难以满足等离子体刻蚀速率和产率的需求；电子回旋共振等离子体虽然可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体，但是由于需要引入外磁场及微波管，因此造价相对较高；电感耦合等离子体发生装置被广泛应用于刻蚀等半导体加工工艺中，它可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，且其结构简单，造价低，同时还可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)和基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)进行独立控制。

图1示出了现有技术中的电感耦合等离子体发生装置的结构示意图，它由反应腔室94、静电卡盘96与电感耦合线圈93组成，其中，静电卡盘96位于反应腔室94内，与匹配器98和射频源97连接，静电卡盘96上安装有晶片95；电感耦合线圈93位于反应腔室94上方与匹配器92和电源91相连接。在半导体加工过程中，进入反应腔室94的工艺气体被从上方电感耦合线圈93耦合到反应腔室94的能量电离形成等离子体，生成的等离子体刻蚀晶片95表面的材质，使用分子泵抽出反应腔室94中的剩余工艺气体。在刻蚀晶片95表面的过程中，使气体电离形成等离子体的射频功率来自于电感耦合线圈93，电感耦合线圈93与用于提供射频电流的电源91通过匹配器92相连，随着射频电流流入电感耦合线圈93，在电感耦合线圈93的周围会产生磁场，并且随着磁场作为时间的函数变化，在反应腔室94内感生出电场；同时反应腔室94内的工艺气体通过与感应电场所加速的电子碰撞而被离子化，从而在反应腔室94内产生等离子体，产生的等离子体与晶片95表面进行化学反应，对晶片95进行一定的处理，例如刻蚀；另外，还需要在静电卡盘96上连接射频电源，用于提供偏置电压，以便增加等离子体与晶片95碰撞的离子的能量。图2示出了现有技术中的电感耦合线圈93的结构示意图，电感耦合线圈93为平面螺旋结构，一般由单根螺旋缠绕的导线构成，其输入端(input)与匹配器92的输出端相连，输出端(output)通过一个可调电容接地或者直接接地。

在用于半导体制造工艺的等离子体发生装置的研发中，最重要的因素是在大衬底上工作的能力，以便提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。随着近年来晶片尺寸从200mm增大到300mm，使得提高晶片处理工艺的均匀性及保持较高的等离子体密度变得非常重要。在电感耦合等离子体发生装置中，使气体电离形成等离子体所需要的射频功率来自于电感耦合线圈，目前从大多数工艺结果来看，电感耦合线圈产生的等离子体存在着很大的方位角的不对称性，导致等离子体密度的不均匀性，进而导致了刻蚀速率的不均匀，一般来说，硅片中间刻蚀速率慢，四周快，这就给半导体制造工艺带来了很不利的影响，其具体表现在如下方面：

1.当工艺气体的压力较高时，例如工艺气体的压力为10-100mTorr时，晶片95上方的环形区域等离子体密度较高，中心和边缘部分的等离子体密度较低，而这种在反应腔室94内的径向不均匀性无法依靠等离子体扩散而消除，进而导致了刻蚀速率的不均匀性；

2.当晶片尺寸从200mm增大到300mm时，需要增加反应腔室94的尺寸，为保持满足工艺要求的大面积高密度等离子体，就需要增加电感耦合线圈的长度和圈数，当电感耦合线圈的长度增加时，会引起传输线效应，即电感耦合线圈上各处电压电流的幅度是随着位置变化而变化的，由此导致电磁场分布的不均匀性，进而影响等离子体密度的均匀分布，更进一步地，还会导致电感耦合线圈的电感增加，过高的电感很难实现对电感耦合线圈的共轭匹配，难以获得用于半导体加工的大面积高密度均匀分布的等离子体；

3.当电感耦合线圈的输出端直接接地时，不能够对电感耦合线圈中的电流幅度进行调整；当电感耦合线圈输出端通过串联一个可调电容接地时，由于可调电容的范围是有限的，因此也很难通过调整可调电容的阻值来实现所需要的电压电流分布，进而无法得到密度均匀分布的等离子体。

发明内容