[发明专利]测量晶片偏压的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及晶片处理腔。本发明尤其涉及在等离子体处理期间测量晶片直流偏压的装置。

背景技术

在惯用的晶片处理系统中，通过由静电卡盘(ESC)提供的静电吸引力将晶片固定到下电极基座是普遍的。静电卡持通常是通过在位于基座上表面上的两个绝缘膜之间提供导电膜来实施的。一旦半导体晶片被固定到ESC，晶片就可以被处理。

在半导体集成电路的常规生产中，等离子体被用于促进用于刻蚀、化学气相淀积或溅射晶片的处理气体的离子化。在惯用的电容式等离子体处理系统中，例如大面积平行板等上、下电极互相面对，设置在压强可控的处理腔中。

在该等离子体处理系统中，位于腔顶部或上部的电极被连接到地电位，而高频率电压被施加到腔底部或下部的电极。下电极也用作基座。通过上电极与下电极之间的放电处理气体被转化为等离子体。

在电极与等离子体之间产生了强电场区域。这些强电场区域被称为等离子体鞘。该强电场区域使电子与离子从电极到等离子体加速，反之亦然。

通过电场力将等离子体中的电子和离子吸引到位于基座上的半导体晶片。离子与半导体的表面反应。

在惯用的等离子体处理装置中，通过电容器将高频率电压施加到下电极，而作为结果高频率电压也被施加到位于基座上的晶片。该结构在基座与晶片上产生了大体上为负的直流电势。该负的直流电势通常被称为直流偏压。

在高频率电压为正的半个循环期间，等离子体中带负电的电子被吸引到了晶片，但在高频率电压为负的另外半个循环期间，等离子体中带正电的离子被吸引到了晶片。

因为电子比离子具有的更小的重量，所以电子比离子更容易被转移到晶片。因此晶片变为带负电，因为与离子相比更多的电子被吸引到晶片。因此，晶片形成了大体上为负的直流偏压。

直流偏压增加了出现在晶片的离子的能量且因此改变了晶片处理系统的效果。400V到500V范围的极大偏压会损坏晶片表面上的氧化膜。因此在晶片处理系统中能够监控并控制晶片的直流偏压或晶片电势是至关重要的。直接测量晶片电势是非常困难的。将探针附加或连接到晶片用于直接测量晶片电势几乎是不可能的，因为探针不能承受晶片周围恶劣的环境。

若干惯用方法已经被开发用于在半导体处理系统中估算晶片电势。虽然这些惯用方法能够估算晶片电势，但每种方法都有精确性、寿命、维护、结构和/或电势误差方面的问题。

一种估算晶片电势的惯用方法使用了位于等离子体处理系统腔壁内的探针。现在将参照图1描述该惯用方法。

图1示出了惯用晶片处理系统100的范例。如图所示，晶片处理系统100包括通讯通道104、用户界面106、2MHz的RF发生器110、27MHz的RF发生器112、60MHz的RF发生器114、阻抗匹配电路116、ESC118、ESC基板120、晶片处理腔122、陶瓷耦合环126、热缘环(HER)128、电压测量仪130以及探针132。

晶片102位于ESC 118上并由静电吸引力将其夹持到ESC 118。HER 128围绕ESC 118并在晶片102的边缘附近提供一致的刻蚀率与降低的刻蚀率偏移。陶瓷耦合环126围绕ESC 118并位于HER 128的下方。ESC基板120位于ESC 118与陶瓷耦合环126的下方。

阻抗匹配电路116接收来自2MHz的RF发生器110、27MHz的RF发生器112以及60MHz的RF发生器114的驱动信号并将合适的RF信号124提供到ESC基板120。阻抗匹配电路116被配置为其阻抗是晶片处理腔122阻抗的复共轭，因此其最小化了被反射能量并能使由2MHz的RF发生器110、27MHz的RF发生器112以及60MHz的RF发生器114提供到晶片处理腔122的信号的RF能量转移最大化。

由RF信号124供应RF能量的结果是在晶片102上产生了等离子体108。使用等离子体108通过用带正电的离子轰击晶片102转化或处理晶片102。等离子体鞘136位于等离子体108与晶片102、HER 128之间。由于等离子体108与晶片102、HER 128之间的强电场区域，带正电的离子被推动跨越等离子体鞘136。

通过通讯通道104将有关涉及晶片处理腔122状态的信息通讯到用户界面106。进一步地，用户(未示出)经由用户界面106与通讯通道136可操作地控制2MHz的RF发生器110、27MHz的RF发生器112以及60MHz的RF发生器114。