通过脉冲vhf操作的等离子体类型和均匀性控制的制作方法

专利名称：通过脉冲vhf操作的等离子体类型和均匀性控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及衬底处理室。尤其地涉及通过脉冲VHF (超高频)的等离 子体类型和均匀性的控制。
背景技术：
在半导体器件制造中，等离子体刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)在例如 衬底这样的特定工件的精密刻蚀中是重要的工艺。通常可在相同设备中进 行的等离子体刻蚀和反应离子刻蚀之间的区别，典型地为在处理室中产生 所受的不同压力范围和随之产生的反应物引起的自由路径上的不同。两种 工艺在此共称为等离子体刻蚀。等离子体刻蚀是一种"干法刻蚀"技术， 并且比通常样品浸入在液体刻蚀剂材料容器中的传统湿法刻蚀具有许多优 点。这些优点包括低成本、减少污染问题、减少与危险化学品的接触、增 加尺寸控制、增加均匀性、提高刻蚀选择率以及增加工艺灵活性。
随着集成电路密度的增加，当器件特征长宽比(即特征高度与特征宽 度的比)增加到10: l以上时，器件特征尺寸降低到0.25微米以下。需要 提高刻蚀工艺的精确度来形成这些具有高长宽比的小的器件特征。另外， 需要增加的刻蚀速率来提高生产集成电路的产量和降低成本。
一种等离子体刻蚀室利用两个平行的板电极产生和保持板电极之间的 工艺气体的等离子体。典型地，平行板等离子体刻蚀室包括顶电极和底电 极。底电极典型地当作衬底支持器，并且在底电极上设置衬底(或晶 片)。在暴露于等离子体的衬底表面上进行刻蚀工艺。
典型地，将一个或多个电极连接至功率源。在特定的平行板反应器 中，将这些电极连接至高频功率源。连接至顶电极的功率源典型地在比连 接至下电极的功率源高的频率下工作。这种配置被认为可在衬底上去耦离 子能量和离子通量以避免衬底损伤。
另一种平行板反应器具有连接至底电极的两个功率源。为了控制正在 处理衬底产生的刻蚀性能，每个功率源在不同的频率下工作。
然而，另一种平行板反应器包括三个电极。第一电极适于支撑衬底并 且连接至低频AC功率源。第二电极被设置为与第一电极平行并且连接至 地。设置在第一和第二电极之间的第三电极(即室本体)由高频AC功率 源供电。
另一种传统的装置提供一个独立供电的电极反应器。高和低频功率源 被耦合至该独立电极以尽力增加工艺的灵活性、控制和残余移除。该独立 电极反应器包括多级式无源滤波器网络。该网络用于执行将两个功率源耦 合至电极、将低频功率源与高频功率源隔离以及衰减产生自混合两个在由 反应器表示的非线性负载中的频率而得到的的不希望的频率的功能。
施加到该电极的频率可以是VHF。然而，随着衬底尺寸的增加，等离
子体反应器也变大到该反应器尺寸不再可忽略的程度。在等离子体环境
中，电磁波长以约5倍的因子从其自由空间波长减小，以便它的四分之一
波长可以接近等离子体室的尺寸。从而，穿过反应器的等离子体密度不再
均匀。随着自由空间激励频率增加，波长降低，驻波现象变得更加突出。
此外，在高等离子体密度中产生的高频可以减小相对于反应器间隙
(reactor gap)的尺寸变小的集肤深度(skin depth)。从而，集肤效应可 以发生在放电边缘可以看见最大等离子体加热的地方。
室中等离子体密度的不均匀引起室中工艺参数的变化，该变化将导致 衬底的不一致或不均匀的处理。因此，考虑到在高频时发生的电磁效应， 需要平行板等离子体刻蚀系统能基本上维持工艺的均匀性。


本发明通过实施例说明，并且在所附附图中的标记没有限制。
图1是显示衬底处理系统的一个实施例的原理图。
图2是显示衬底处理系统的另一个实施例的原理图。
图3是显示根据一个实施例的控制等离子体密度方法的流程图。
图4是显示根据另一个实施例的控制等离子体密度方法的流程图。图5是显示仍然根据另一个实施例的控制等离子体密度方法的流程图。
图6是显示根据一个实施例的一个电极的rf脉冲的曲线图。
图7是显示根据另一个实施例的一个电极的rf脉冲的曲线图。
图8是显示关于空间离子密度的脉冲等离子体功率源效应(100MHZ、
100W平均功率、(100usec， 5%DC);氩气50mtorr)的曲线图。
图9是显示关于空间电子温度的脉冲等离子体功率源效应(100MHZ、
100W平均功率、(100usec， 5%DC);氩气50mtorr)的曲线图。
图10是显示关于等离子体电位的脉冲功率源效应(100MHZ、 100W
平均功率、(100lisec， 5%DC);氩气50mtorr)的曲线图。
图11是显示连续波和脉冲功率源的电子能量概率函数对比的曲线图 (100MHZ的2次导数CW和脉冲氩气50mT100W的比较(脉冲2kW、
5lisec启动、95ii sec关闭))。
具体实施例方式
下面的描述阐述了多个具体细节例如具体的系统、元件、方法等等的 例子，为了对本发明的几个实施例提供更好的理解。然而，本领域技术人 员显而易见的是没有这些具体的细节至少本发明的一些实施例是熟知的。 在其它情况下，为了避免不必要的干扰本发明，公知的元件或方法没有详 细描述或者以简单的框图形式介绍。因此，具体的细节阐述仅为示例性 的。特别的实现可以由这些示例性细节变化，并且仍然在本发明的精神和 范围内考虑。
介绍一种用于处理衬底的方法或装置。电容地耦合处理室具有第一电 极和第二电极。第二电极常常用于支撑衬底。第一电极可设置在与第二电 极平行的衬底之上。将高频功率源电耦合至第一或第二电极以提供第一 RF信号。将低频功率源电耦合至第一或第二电极以提供第二 RF信号。脉 冲启动或断路该第一 RF信号，以便在室中产生电子损失以控制室中的空 间等离子体的均匀性。
图1是一个平行板处理系统100的实施例的原理图。处理系统100可附着于一个处理系统平台，并且包括配置为进行例如刻蚀工艺的具体工艺 的多用途室。尽管关于具体的构造介绍了该发明，但是可以理解本发明可 应用在各种构造和设计中。此外，可以理解该系统是一种示意性的表达，
并且可以作为该处理系统100部分的某些方面未示出。例如，执行器、
阀、密封件等等没有示出。本领域技术人员可以容易地认识到这些和其它
的方面可合入到该处理系统100。
该处理系统100 —般包括具有至少部分是处理区域的空腔103的室 102。可在室102的壁上形成一个开口 (未示出)，以使衬底容易的进出 该处理系统100 。室102的底部可包括由室102排出气体的出口 130。排 气系统132可贴附于室102底部的出口 130。该排气系统132可包括例如 节流阀和真空泵的元件。 一旦密封该室102，排气系统132可运行来抽取 和保持空腔103内的真空。
在室102的上端处设置上板电极104。在一个实施例中，该板电极 104可包括保护覆层，该保护覆层可防止和减少由室中的等离子体引起的 板电极104材料侵蚀。该保护覆层可包括例如为石英、蓝宝石、氧化铝、 SiC、 SiN和Si的材料。
在一个实施例中，上板电极104可包括气体分配系统的喷嘴 (showerhead)。在这样的构造中，上板电极104可作为适于分配气体至 室103的盖部件。相应地，图1显示耦合至上板电极104的气体源124。 该气体源124可容纳用于在室102中处理衬底108的前体或工艺气体。该 气体源124可包括一个或多个容纳一种或多种液体前体的安瓿和一个或多 个蒸发液体前体成汽态的蒸发器。根据一个实施例，上板电极104和室 102可接地。
当上板电极104作为平行板电极等离子体反应器的顶电极时，衬底支 撑106作为底电极。该衬底支撑106设置在室103中，并且可以是适于支 撑衬底108 (例如晶片或掩膜)的任何结构，例如，电磁夹盘或真空夹 盘。该衬底支撑106可包括一个支撑板(未示出)，该支撑板定义一个通 常形成为与支撑在其上的衬底108的形状匹配的衬底支撑表面。说明性 的，该衬底支持表面通常为圆形以支撑一大体圆形的衬底。在一个实施例
中，衬底支撑表面热连接至衬底温度控制系统，例如连接至加热或冷却流 体系统的耐热线圈和/或流体通路。
将衬底支撑106连接至低频RF功率源118和高频RF功率源116上以 在室102中产生和维持等离子体128。根据另一个实施例，三个不同的频 率可耦合至阴极低频(LF)、中频(MF)和超高频VHF。该低频RF 功率源116可通过低频匹配网络122耦合至支撑衬底106，并且在衬底 108处增强辅助刻蚀的离子。高频RF功率源116或VHF功率源可通过高 频匹配网络120或VHF匹配网络耦合至支撑衬底106，并且增强工艺气体 的离解和等离子体密度。本领域技术人员会认识到每个匹配网络120、 122 可包括一个或多个电容器、电感器和其它电路元件。该低频RF功率源 118在一个频率或低于约20MHz的频率处可传递RF功率至支撑衬底 106，而该高频RF功率源116在一个频率或高于约13.56MHz的频率处可 传递RF功率至支撑衬底106。在一个实施例中，低频RF功率源122在大 约100kHz和大约20MHz之间的频率处传递RF功率至支撑衬底106，而 高频RF功率源116或VHF功率源在大约27MHz和大约200MHz之间的 频率处传递RF功率至支撑衬底106。优选地，运行期间高频和低频不会 重叠。也就是说，该低频RF功率源118在低于高频RF功率源116或 VHF功率源的频率下工作。
周期的高频脉冲源112可使高频RF功率源116的RF输出周期性地启 动或关闭。当该周期的高频脉冲源112使高频RF功率源116启动时，施 加到衬底支撑106的RF电压振幅足够高以产生激发气体从气体源124至 等离子体态128的电磁场。当该周期的高频脉冲源112使高频RF功率源 116关闭时，施加到衬底支撑106的RF电压振幅不足以激发气体从气体源 124至等离子体态128。
将控制器IIO连接至该高频脉冲源112。该控制器IIO发送信号至高 频脉冲源U2，以控制高频RF源116的运行信号。此外，该控制器110可 用于控制脉冲发生的时间周期和没有脉冲发生的时间周期。
根据另一个实施例，低频RF功率源118和低频匹配网络122可连接 至顶或底电极。图l示出了一个实施例，其中该低频RF功率源118和该
低频匹配网络122被连接至底电极，即衬底支撑106。
根据另一个实施例，高频脉冲源112、高频RF功率源116和高频匹配 网络120可连接至顶或底电极。图l示出了一个实施例，其中该高频脉冲 源112、该高频RF功率源U6和该高频匹配网络120被连接至底电极，即 衬底支撑106。
图2示出了另一个实施例，其中该低频RF功率源118和该低频匹配 网络122被连接至底电极，即衬底支撑106。该高频脉冲源112、该高频 RF功率源116和该高频匹配网络120被连接至顶电极104。
图3是显示根据一个实施例的控制等离子体密度的方法的流程图。在 302，提供一电容耦合的处理系统。室具有顶和底平面电极。电极之间彼 此平行。底电极用于支撑待处理的衬底。以上参考图l和2介绍了电容耦 合的处理系统的例子。在304，高频RF功率源被耦合至顶或底电极。在 306，低频RF功率源被耦合至顶或底电极。在308，启动由顶或底电极的 高频RF功率源提供的RF信号，以便控制室中等离子体的离子和电子密 度。下面介绍脉冲占空比的例子，并示出在图6和7。因此，等离子体中 电子的产生和损耗可通过控制顶或/和底电极提供的RF功率脉冲来操控。 通过促进电子损耗，当室在高频功率源下运行时，可基本上阻止驻波效 应。RF功率源脉冲的控制可引导等离子体刻蚀工艺的进一步控制(即， 空间等离子体均匀性的控制、等离子体类型和低能电子产生的控制、降低 等离子体电位的控制等等)。
根据一个实施例，通过施加启动的高频功率源到室中的电极，可在室 中优化等离子体的均匀性。该启动的高频可从大约27MHz至大约 200MHz。脉冲周期从大约1/xsec至大约1000Msec。占空比从约1%至约 100%。占空比用于控制室中等离子体的等离子体密度均匀性。启动的高 频电容性等离子体产生新的等离子环境，其不能用传统的连续波使用获 得。
图4是显示根据另一个实施例的控制等离子体密度方法的流程图。在 402，提供一电容耦合的处理系统。室具有顶和底平面电极。电极之间彼 此平行。底电极用于支撑待处理的衬底。以上参考图l和2介绍了电容耦合的处理系统的例子。在404，高频RF功率源被耦合至顶或底电极。在 406，低频RF功率源被耦合至顶或底电极。在408，向用于室的气体配方 中加入一种添加剂。该添加剂可以是任何能在室中产生等离子体的电子损 耗的组分。例如，该添加剂可以是电子负气体添加物，例如苯巴比通 (SF6)或三氟甲烷(CF4)。在410，启动由顶或底电极的高频RF功率 源提供的RF信号，以便控制室中等离子体的离子和电子密度。下面介绍 脉冲占空比的例子，并示出在图6和7。因此，等离子体中电子的损耗可 通过控制顶或/和底电极提供的RF功率脉冲和控制供应到室的气体来加 强。通过促进电子损耗，当室在高频功率源下运行时，可基本上阻止驻波 效应。随着气体供应的变化高频RF功率源脉冲的控制可引导等离子体刻 蚀工艺的进一步控制(即，空间等离子体均匀性的控制、等离子体类型和 低能电子产生的控制、降低等离子体电位的控制等等)。
图5是显示根据还是另一个实施例的控制等离子体密度的方法的流程 图。在502，提供一电容耦合的处理系统。室具有顶和底平面电极。电极 之间彼此平行。底电极用于支撑待处理的衬底。以上参考图l和2介绍了 电容耦合的处理系统的例子。在504，高频RF功率源被耦合至顶或底电 极。在506，低频RF功率源被耦合至顶或底电极。在508，在第一时间周 期时高和低频RF功率源可提供一连续波RF信号至室中的电极。在510， 启动由顶或底电极的高频RF功率源提供的RF信号，以便在第二时间周期 控制室中等离子体的离子和电子密度。图5中介绍的实施例示出了在相同 配方中连续波和脉冲高频RF信号的运行组合。例如，利用连续波在第一 时间周期可完成一个突破或主要刻蚀工艺。利用脉冲高频RF信号在第二 时间周期可完成一个过刻蚀工艺。
图6是显示电容耦合的等离子体刻蚀室中电极的高频RF功率源脉冲 的曲线图。开循环602由没有RF功率提供给电极的闭循环604隔开。在 开循环602期间，在限定的时间量tl向电极提供高频RF功率。闭循环 604持续限定的时间量t2。占空比可定义为tl和t2的比值。
图7是显示根据另一个实施例电极的高频RF功率源脉冲的曲线图。 在第一时间周期Tl期间，向电容耦合的等离子体刻蚀室中的电极提供连
续波信号702。在第二时间周期T2期间，向该电极提供脉冲RF信号 704。
图8是显示关于空伺离子密度的脉冲功率源效应曲线图。
图9是显示关于电子温度的脉冲功率源效应曲线图。利用脉冲高频 RF信号操控和降低电子温度，以进一步控制任何等离子体损伤。
图10是显示关于等离子体电位的脉冲功率源效应的曲线图。为了轻 度刻蚀的需要，利用脉冲高频RF信号可操控和减小等离子体电位。这对 于低k刻蚀是重要的。
图11是显示连续波和脉冲功率源的电子能量概率函数(eepf)的对比 曲线图。利用脉冲高频RF信号可操控该电子能量概率函数(eepf)，以控 制室中等离子体的离解水平。
尽管按照具体的顺序在此显示和介绍了操作方法，每个方法的操作顺 序也可以改变，以致按照相反顺序的特定操作可完成或者至少部分同其它 操作同时进行的特定操作可完成。在另一个实施例中，不同操作的指令或 次操作可以是间隔的和/或替代的方式。
在前述的说明书中，关于发明的具体示范性实施例已经介绍了。然 而，在不脱离本发明如所附权利要求所述的广泛的精神和范围情况下对其 作出各种修改和变化是显然的。相应地，说明书和附图作为示意性的宣告 而不是限制性的宣告。
权利要求
1.一种用于处理衬底的装置，包括具有设置在其中的第一和第二电极的室；电性耦合至第一或第二电极的高频功率源，以提供第一RF信号；电性耦合至第一或第二电极的低频功率源，以提供第二RF信号；其中该第一RF信号具有变化的振幅。
2. 权利要求1所述的装置，其中该变化的振幅是以脉冲的形式。
3. 权利要求1所述的装置，其中该高频功率源的范围从约27MHz到 约200MHz。
4. 权利要求2所述的装置，其中脉冲周期的范围从约lgsec至约 1000/^sec。
5. 权利要求2所述的装置，其中脉冲占空比的范围从约1%到约100%。
6. 权利要求1所述的装置，其中启动或关闭该第一 RF信号，以便在 室中增强电子损耗来基本上阻止室中的驻波效应。
7. 权利要求6所述的装置，进一步包括耦合至该室的气体供应室，该气体供应室包括电子负气体添加剂，以 进一步增强电子损耗。
8. 权利要求1所述的装置，其中该第一电极平行于该第二电极，该第 二电极支撑该衬底。
9. 一种用于控制电容耦合的处理室中等离子体的方法，包括 提供具有设置在其中的第一和第二电极的室； 耦合高频功率源至第一或第二电极； 耦合低频功率源至第一或第二电极；以及 改变该高频功率源的振幅，以控制等离子体的离子和电子密度。
10. 权利要求9所述的方法，其中改变该振幅进一步包括启动或关 闭该高频功率源。
11. 权利要求9所述的方法，其中该高频功率源的范围从约27MHz到 约200MHz 。
12. 权利要求10所述的方法，其中脉冲周期的范围从约1/xsec至约 1000)Usec。
13. 权利要求IO所述的方法，其中脉冲占空比的范围从约1%到约 100%。
14. 权利要求10所述的方法 等离子体的均匀性。
15. 权利要求10所述的方法 离子体类型。
16. 权利要求10所述的方法 能电子。
17. 权利要求10所述的方法 离子体电位。
18. 权利要求10所述的方法 至第一或第二电极。
19. 权利要求9所述的方法，进一步包括引入电子负气体添加剂至 耦合至该室的气体供应室，以便进一步在该室中加强电子损耗来基本上阻 止驻波效应。
20. —种用于在电容耦合的处理室中控制等离子体的系统，包括 内部具有第一和第二电极的室；和在该室中产生电子损耗从而由于将超高频施加到第一或第二电极而基 本上消除该室中的驻波效应的装置，且该装置耦合至该室。
21. 权利要求20的系统，其中用于产生电子损耗的装置包括 耦合至该室中的第一 电极或第二电极的超高频脉冲源。，进一步包括利用脉冲控制该室中空间 ，进一步包括利用脉冲控制该室中的等 ，进一步包括利用脉冲在该室中产生低 ，进一步包括利用脉冲在该室中降低等 ，进一步包括除了脉冲之外施加连续波
全文摘要
本发明提供通过脉冲VHF操作的等离子体类型和均匀性控制。一种用于处理衬底的装置具有室、高频功率源和低频功率源。该室内具有第一和第二电极。该高频功率源电性耦合至第一或第二电极，以提供第一RF信号。该低频功率源电性耦合至第一或第二电极，以提供第二RF信号。启动或关闭该第一RF信号，以便增强该室中的电子损耗。
文档编号H01J37/32GK101369518SQ20081009518
公开日2009年2月18日 申请日期2008年3月20日 优先权日2007年3月21日
发明者丹·卡兹, 亚历山大·帕特森, 布莱恩·K·海彻尔, 爱德华·P·哈蒙德四世, 瑟多若斯·帕纳果泊洛斯, 瓦伦顿·N·图杜罗, 约翰·P·霍兰德 申请人:应用材料公司