用于控制等离子体密度的系统和方法与流程

本申请依据37C.F.R.§1.78(a)(4)要求2013年12月17日提交的先前提交的共同未决临时专利申请序列第61/917,083号的权益和优先权，其通过引用明确地并入本文中。

技术领域

本发明涉及半导体加工技术，并且更具体地，涉及用于控制用于处理基底的加工系统的等离子体特性的装置和方法。

背景技术：

为了实现对基底上的结构进行图案化或者控制从基底上去除的或者沉积在基底上或沉积在基底中的材料的量，在用于处理半导体基底的等离子加工期间的等离子体均匀性控制是重要的。工艺性能的一个方面可以涉及能够确定遍及基底的等离子体处理的均匀性的遍及基底的等离子体密度。在一些情况下，与在基底的内部区域的等离子体密度相比，在基底边缘处或附近的等离子体密度以较快的速率变化。等离子体密度可能由于可能相邻于基底的聚焦环或者室壁的影响而变化。例如，由于在等离子体室内侧的内部部分与外部部分之间的电位差而引起等离子体离子可以被吸引或损失至外围部件(例如，室壁、聚焦环)。因此，能够控制或改变电位差以使在基底的边缘处的等离子体密度的改变最小化的系统和方法可能是期望的。

技术实现要素：

本公开内容涉及用于控制在靠近被处理的基底的边缘或周边的等离子体密度的等离子体加工系统。等离子体加工系统可以包括能够接纳和加工基底的等离子体室，其利用等离子体蚀刻基底、对基底进行掺杂或者在基底上沉积膜。

等离子体室可以包括能够发射电磁能以使经由气体输送系统输送的气体电离的一个或更多个等离子体源。遍及基底的等离子体密度可能被等离子体源、室壁、基底和/或与相邻于所述基底的其他部件(例如，聚焦环)之间的电位差影响。带电粒子可以被吸引至防止带电粒子到达基底的电位源(例如，室壁)。带电粒子损失到室壁会导致可能诱导基底加工非均匀性的等离子体密度非均匀性。

一种使带电粒子(例如，离子)损失最小化的方法可以是以可以增加在基底的边缘处的等离子体密度的方式来改变接近基底的边缘的边界电位。可以通过控制在基底之下的偏置电极与可能相邻于基底的聚焦环之间的电位差来改变接近基底的边界电位或等离子体鞘。聚焦环还可以提供对基底的支承或者与基底的边缘物理接触。然而，聚焦环和偏置电极可以彼此电隔离和/或可以不彼此直接物理接触。但是，在一些情况下，在偏置电极与聚焦环之间可以存在对偏置电极与聚焦环之间的电位差有最小的影响的非常小的电容。

在一个实施方案中，等离子体加工室可以包括可以用于用由耦合至室或在室内的一个或更多个电源生成的等离子体来处理基底的真空室。电源可以包括但是不限于可以用于支承基底并且向在室内的气体或等离子体施加电压的电极或偏置电极。聚焦环(例如，像石英、陶瓷等的介电材料)可以围绕设置在电极和/或基底周围。聚焦环和/或偏置电极可以用于支承基底。然而，聚焦环和偏置电极可以彼此电隔离和/或彼此不物理接触。在某些情况下，聚焦环和电极可在彼此之间具有对彼此的电性能没有影响或者具有最小的影响的非常小或最小的电容(例如，pF)。对电极可以与可以用于点燃或者撞击在等离子体加工室内的等离子体的偏置电极或者基底相对。所述一个或更多个电源可以用于控制在室内的至少一部分等离子体密度。在一个实施方案中，室可以包括耦合至偏置电极、聚焦环和至少一个电源的电位控制电路。电位控制电路可以包括可以用于在相同或相似的时间处向聚焦环和偏置电极施加不同的电压的控制部件。例如，在一种情况下，电位控制电路可以向聚焦环提供比偏置电极的电压更低的电压。控制部件可以包括但是不限于可以用于改变施加至聚焦环或电极的电压的一个或更多个可变电容器。控制部件还可以包括存储器和可以执行计算机可读指令以保持聚焦环与偏置电极之间的电压差的计算机处理器。计算机可执行指令可以控制电源和可变电容器以实现在聚焦环与偏置电极之间的电压差。

在一个实施方案中，基底可以设置在在等离子体加工系统内的基底保持器内。基底保持器可以或可以不包括偏置电极和聚焦环的组合，其中偏置电极可以支承基底的中心而聚焦环可以支承基底的边缘。在一些实施方案中，基底可以静电耦合至偏置电极并且不可以与聚焦环物理接触。

可以通过向可能在基底之上的供电电极施加电力(例如，0V至10000V)来在室内生成等离子体。电力可以利用在室内的保持在亚大气压的一种或更多种气体点燃或撞击等离子体。可以通过向偏置电极和聚焦环施加不同的电压来改变等离子体密度。在一组实施方案中，聚焦环电压可以小于偏压。例如，在一个实施方案中，偏压与聚焦环电压之差可以为基于偏压和聚焦环电压中至少之一的至少5％。这可以适用于可以施加至各个元件的任意电压范围。在另一实施方案中，聚焦环电压比偏压小至少50V。在另一具体实施方案中，聚焦环电压可以比偏压小100V至800V。

在这些实施方案中，等离子体加工系统可以接收可以由至少供电电极电离的不同类型的气体。该气体可以包括但是不限于含卤素的气体、含稀有气体的气体、含氧气体或其组合。

附图说明

附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方案并且与以上给出的本发明的一般描述和以下给出的详细描述一起用于解释本发明。另外，附图标记最左侧的数字标识改附图标记首次出现的附图。

图1是示出聚焦环、基底、偏置电极和电位控制电路的示意性实施方案的等离子体加工系统的代表性实施方案的示意图。

图2是用于实现等离子体加工系统的聚焦环与偏置电极之间的电位差的方法的流程图。

图3是用于等离子体加工系统的电位控制电路的另一实施方案的示意图。

具体实施方式

下面参照附图的详细描述说明了与本公开内容一致的示例性实施方案。在详细描述中引用“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案” 等表示所描述的示例性实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是每一个示例性实施方案并非一定包括特定的特征、结构或特性。此外，这样的表述不一定是指同一实施方案。另外，当结合实施方案对具体的特征、结构或特性进行描述时，不管是否明确描述，结合其他示例性实施方案来实现这种特征、结构或特性都在那些相关领域技术人员的知识范围内。

基底可以包括装置的任意材料部分或结构，特别是半导体器件或其他电子器件，并且例如可以是基础基底结构(例如半导体基底)或在基础基底结构上或覆盖在基础基底结构上的层如薄膜。因此，基底并不旨在限于任何具体的基础结构、下层或上覆层、图案化的或未图案化的，而是被解释为包括任意这样的层或基础结构、以及上述层和/或基础结构的任意组合。以下描述可能涉及具体类型的基底，但是这仅是为了说明的目的，而不是进行限制。基底可以包括直径为至少150mm的圆形基底，并且可以包括但不限于下列元素：硅、镓、镉或锌。

示例性实施方案的下面的详细描述将完全揭示本公开内容的一般性质，通过应用相关领域的技术人员的知识，其他人可以在不进行过度实验的情况下，容易地修改和/或适应这样的示例性实施方案的各种应用，而不脱离本公开内容的范围。因此，基于本文中所呈现的教导和指导，这样的适用和修改旨在在示例性实施方案的含义和多个等同内容内。但应该理解的是，本文中的措辞或术语是出于描述而非限制性目的，使得本说明书的术语或措辞应当由相关领域技术人员鉴于本文中的教导来解释。

图1描述了用于利用在等离子体室102中生成的等离子体(未示出)来处理基底的等离子体加工系统100。可以在等离子体室102中通过电离由气体输送系统104提供的气体并且将所述气体暴露在由电源106提供的电磁能中来生成等离子体。真空系统108还可以在等离子体生成期间保持在离子体室102内的亚大气压。等离子体加工系统100的部件可以由控制器110管理或控制，所述控制器110可以包括一个或更多个计算机处理器112和存储部件116，所述储存部件116可以存储可以由计算机处理器或者其他逻辑/处理设备来执行的计算机可执行指令。控制器110可以存储可以通过控制或指导等离子体加工系统100的部件以获得在等离子体室102内的某些条件来实现的方案(recipe)或者工艺条件路径。在部件之间的通信可以通过本领域普通技术人员已知的处理和电子通信技术来实现，如虚线120所示。

计算机处理器可以包括一个或更多个处理核，并且被配置成访问和执 行(至少部分地)存储在一个或更多个存储器中的计算机可读指令。所述一个或更多个计算机处理器602可以包括但是不限于：中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)、微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)或其任意组合。计算机处理器还可以包括用于控制在等离子体加工系统100的部件之间的通信的芯片组(未示出)。在某些实施方案中，计算机处理器可以基于架构或者架构，并且处理器和芯片集可以形成一组处理器和芯片组。所述一个或更多个计算机处理器还可以包括用于处理特定的数据处理功能或任务的一个或更多个应用型专用集成电路(ASIC)或者应用型专用标准产品(ASSP)。

存储器可以包括一个或更多个计算机可读存储介质(“CRSM”)。在一些实施方案中，一个或更多个存储器可以包括非瞬时介质，例如随机存取存储器(“RAM”)、快闪RAM、磁介质、光介质、固态介质等。一个或更多个存储器可以是易失性的(在于当提供电力时保留信息)或者非易失性的(在于在不提供电力的情况下保留信息)。另外的实施方案还可以被提供为包括瞬时机器可读信号(以压缩或者非压缩的形式)的计算机程序产品。机器可读信号的实例包括但是不限于由因特网或其他网络传送的信号。例如，经由因特网的软件的分发可以包括瞬时机器可读信号。另外，存储器可以存储包括多个计算机可执行指令的操作系统，所述多个计算机可执行指令可以通过处理器执行操作等离子体加工系统100的多个任务来实现。

可以通过向电中性气体施加电磁能使得带负电的电子从气体分子释放来完成等离子体生成，气体分子由于丢失电子而带正电。随着时间推移，电磁能和在气体内增加的电子碰撞增加了在气体内的电离的分子的密度，使得电离的分子可以被等离子体室102内的电位差而影响。例如，在等离子体室102内的电位差可以使电离的分子(未示出)朝着基底122导向。电离的分子可以与基底122相互作用或者以去除基底的一部分或者可以在基底上沉积的方式处理基底。以这样的方式，可以将图案蚀刻到基底中或者可以将膜沉积在基底122上。

遍及等离子体室102的等离子体密度可以影响基底的等离子体处理的均匀性。等离子体密度可以是在等离子体室102内的体积内的离子分子密度。当遍及基底的等离子体密度变化时会影响等离子体加工均匀性，使得与在基底的边缘处的蚀刻速率相比，在基底的中心处的较高的等离子体 密度会引起较高的蚀刻速率。通常，这种处理的非均匀性可能是离子损失到室壁的结果。一种解决这种非均匀性的方法可以是改变或者生成边界电位，边界电位可以使离子108损失对降低遍及基底122的等离子体密度均匀性的影响最小化。等离子体室102的截面示意图124示出了这个方法的一个实施方案。

在图1的实施方案中，等离子体室102可以包括供电电极126、偏置电极128、聚焦环130和电力控制电路132。基底122可以设置在供电电极126与偏置电极128之间并且可以在基底122与供电电极126之间的区域中生成等离子体。可以通过向偏置电极128施加偏置电力或电压而使在等离子体中的离子朝着基底122导向。然而，离子的一部分还可以被吸引至室壁(未示出)，这可以降低在相邻于聚焦环130的基底122的边缘处的等离子体密度。一种补救非均匀性的方法可以是改变靠近基底122的边缘的电位以将更多的离子吸引至较低等离子体密度区域。在一个实施方案中，可以通过向聚焦环130施加比可以施加至偏置电极128的偏压更低的电压或电位来改变等离子体密度。在截面图124中所示出的实施方案仅是这种方案的一种实施方式并非将权利要求的范围限制为所示出的实施方案。

偏置电极128可以配置为向基底122施加偏压以与供电电极126相结合地影响生成的等离子体。另外，偏置电极128可以包括可以用于将基底122固定至偏置电极128和/或聚焦环130的静电耦合(ESC)部件(未示出)。ESC部件可以防止在处理期间基底122移动。偏置电极128可以具有与基底122接触或者在基底122下方的圆形的表面区域。偏置电极128可以分配遍及基底的偏压以生成遍及基底122表面区域的均匀电位。偏压可以将来自等离子体的离子吸引至基底122，其可用于蚀刻基底122或者在基底122上沉积膜。在一个实施方案中，偏压可以在0V与10000V之间变化并且可以根据对基底122的加工应用变化。然而，如上所述，施加在基底122的边缘处或附近的偏压可以被在等离子体室102内的其他的边界电位影响。因此，偏压的遍及基底122的均匀施加可能无法解决导致基底122的边缘处较不均匀的等离子体密度的基底122边缘处的边界电位。一种方法可以是在基底122的边缘处施加另一电位源以延伸遍及基底122的边缘的等离子体密度均匀性。在一种方法中，可以向围绕基底122的边缘的聚焦环130施加聚焦环电压。

聚焦环130相邻于基底122环形地设置并且可以足够靠近基底122 的边缘以影响在基底122的边缘处或附件的等离子体密度。聚焦环130可以由介电材料或介电材料的组合制成，介电材料可以包括但是不限于石英或陶瓷材料。聚焦环电压可以不同于施加在偏置电极128的偏压。聚焦环电压可以低于或高于偏压。

在图1的实施方案中，电力控制电路132可以利用偏置电源134向其各自的部件施加聚焦环电压和偏置电极电压。然而，在其他的实施方案中，电力控制电路132可以包括用于各个部件的单独的电源。但是在这个实施方案中，电力控制电路可以包括但是不限于至少偏置电源134、电力电容器136、分接电容器(tap-off capacitor)138、匹配电容器140和匹配电感器142。如在图1中所示出的，电容器可以是可以通过控制器110改变的可变电容器。电力电容器136可以用于调节由偏置电源134提供的电力信号的变化，偏置电源134可以但是不必是向偏置电极128和聚焦环电极130提供交变电力信号的射频电源。可以向两个电极施加相同的电力信号，但是分接电容器138可以用于将电力信号升高至较高电压。控制器110可以改变电容(例如，分接电容器138)以确保偏压比聚焦环电压高至少5％。在另一实施方案中，偏压可以比聚焦环电压高不超过50V。在另一实施方案中，偏压可以比聚焦环电压高至少100V并且不超过800V。然而，可以以多种方式施加或者提供不同的偏压并且权利要求的范围不限于图1的实施方案。控制器还可以监测和控制在偏置电源136与等离子体室102之间的阻抗。控制器可以利用匹配电感142和匹配电容器140来调整提供至偏置电极128和/或聚焦环电极130的信号的电压、电流和或相位。本领域技术人员应该理解控制器110是如何调整电力的电压、电流和/或相位以确保提供至等离子体室102的正向电力是与来自等离子体室102的反射的电力是匹配的。

供电电极126可以提供能量以使在等离子体室102内的气体电离。可以由可以包括直流(DC)源(未示出)或者交变频率源(未示出)的电源106提供能量。供电电极126可以位于与基底122相对。在一些实施方案中，供电电极126可以生成遍及基底122的非均匀的等离子体密度。在一种情况下，靠近基底122的中心的等离子体密度可以高于在基底122的边缘处的等离子体密度。因此，由损失在室壁的离子引起的等离子体密度非均匀性可以甚至由于供电电极126和/或电源106的设计的固有性能而更加显著。由供电电极126生成的等离子体可以被偏置电极128和/或聚焦环电极130影响。

图2示出了用于控制遍及基底122的等离子体密度的方法的流程图200。一种增加遍及基底122的等离子体密度的方法可以是使损失在包围由供电电极126生成的等离子体的室壁的离子最小化。在一个实施方案中，在基底122的边缘处的等离子体密度相比于在基底122的中心处的等离子体密度较不均匀。因此，基底122的加工性能或处理可以在基底122的边缘与中心之间显著变化。一种提高在边缘处的等离子体密度非均匀性的方法可以是增加在边缘处的电位以将离子吸引至基底122的边缘而不是在等离子体室102内的周围环境。如图1的实施方案所示，聚焦环130被设置为相邻于基底122并且可以用于与偏置电极128结合以吸引离子。以这样的方式，在基底122的边缘处的等离子体密度可以与靠近基底122的中心的等离子体密度更加均一。

在框202处，等离子体室102可以接纳基底122并且将基底122固定或者设置在基底保持器中。等离子体室102可以是由真空系统108促成的亚大气压系统并且可以接收来自气体系统104的气体。气体的类型可以根据工艺变化。但是气体可以包括但是不限于含卤素的气体、含稀有气体的气体、含氧气体或其组合。在一个实施方案中，基底122可以通过由基底保持器引起的静电耦合被固定至基底保持器或偏置电极128。基底保持器可以包括能够产生电磁场的静电部件，所述电磁场施加可以防止处理期间基底122移动的力。

等离子体室102可以用于生成可以用于处理基底的等离子体。如上所述，可以通过使接纳在等离子体室102中的气体电离来生成等离子体。

在框204处，可以通过控制器110指导电源106向与基底122相对的供电电极126施加源电压来实现气体的电离。然而，在其他的实施方案中，可以使用超过一个电极来生成等离子体；在一些情况下，可以包括偏置电极128。等离子体的等离子体密度或离子密度可以获得可以表明用于该处理的电源106、供电电极126、工艺气体、压力和温度的类型的等离子体密度分布。例如，在一个实施方案中，电源106可以是直流(DC)源并且在另一实施方案中，电源106可以是交流(AC)源(例如，射频(RF)、微波等)。在DC实施方案中，等离子体密度分布可以是能够表明靠近基底122的中心的等离子体密度高于在基底122的边缘处的等离子体密度的中心高的分布。然而，等离子体密度分布还可以具有能够表明靠近基底122的边缘的等离子体密度高于在基底122的中心处的等离子体密度的边缘高的分布。但是，权利要求的解释不限于所提供的用于说明目的的这两 个分布。如上所述，可以通过改变在等离子体室102内的等离子体与不同部件之间的电位差来改变等离子体密度分布。一个方法可以是改变在等离子体室102内的不同部件之间的电位差。

在一组实施方案中，供电电极126可以接纳来自电源106的在0伏与10000伏之间的DC电压。电力可以在工艺与工艺之间变化或者可以在单个工艺内变化以应对用于蚀刻或处理基底122的不同的应用。

在框206处，控制器110可以指导电源134向可以在在基底122的下方的偏置电极128施加偏压。偏置电极电压可以朝着基底122吸引离子以对基底122进行蚀刻、沉积或掺杂。当施加偏压时，可以改变等离子体密度分布，但是在等离子体室102中的等离子体与其他部件之间的电位差仍可使等离子体密度偏移，使得处理可能无法遍及基底122均匀地施加。例如，在向偏置电极128施加偏压时，等离子体密度分布可以仍具有中心高的分布。然而，可以通过改变等离子体与靠近基底122的边缘的区域之间的电位差来调整中心高的分布。在一个方法中，聚焦环130可以具有施加用以改变在边缘区域处的电位差的电压。

控制器110还可以通过利用电力控制电路132控制偏压以利用分接电容器138改变偏压的幅值和/或频率来调整偏压或信号。以这样的方式，偏压可以高于或低于由偏置电源134提供的电压。偏压可以形成在基底122的表面处的鞘电位或德拜鞘(Debye sheath)。可以通过形成从等离子体到固体表面(例如，基底122)的过渡的较高密度的正离子来形成德拜鞘。遍及基底122的鞘电位的均匀性可以促进基底的更均匀的等离子体处理。然而，鞘电位可以在基底122的边缘附近下降。一种提高边缘均匀性的方法可以以更均匀的方式延伸遍及基底的边缘的鞘电位。在一个实施方案中，可以向聚焦环电极130施加聚焦环电压以提高边缘均匀性。

在框208处，控制器110可以指导电力控制电路132向相邻于基底122的聚焦环130施加聚焦环电压。在一个实施方案中，聚焦环电压可以小于偏压以提高在基底122的边缘处的鞘电位均匀性。在聚焦环电压与偏压之间的差可以基于期望的加工条件变化。在一个特定的实施方案中，无论可以在0V与10000伏之间变化的偏压为何，聚焦环电压均可以比偏压小至少50V。在另一特定的实施方案中，无论偏压为何，聚焦环电压均可以比偏压小100V与800V。然而，在另一实施方案中，聚焦环电压可以取决于偏压的幅值。在这种情况下，聚焦环电压可以比偏压小至少5％。

聚焦环电压可以增加在基底122的边缘处的鞘电位均匀性，使得与没 有聚焦环电压的情况相比，等离子体处理特性(例如，蚀刻速率)在基底122的中心与边缘之间更均匀。

在框210处，可以利用施加至供电电极126的至少电力通过点燃在等离子体加工室内的气体来生成等离子体。可以通过施加的偏压和/或聚焦环电压的幅值和/或均匀性来改变形成在基底122的表面处的鞘电位以优化等离子体处理特性。在一个实施方案中，等离子体处理特性可以包括但是不限于遍及基底122的蚀刻速率均匀性。特别是，改善从基底122的边缘的5mm至15mm内的蚀刻速率均匀性。

图3是可以包括电位控制电路302的等离子体加工系统300的另一实施方案的示意图。电位控制电路302可以与聚焦环电极130和偏置电极128集成以控制两个电极之间的电位差。控制器110可以用于调整电位差，例如聚焦环电极130的电位可以低于或高于偏置电极128的电位。在图3的实施方案中，分接电容器304可以设置在聚焦环电极130与偏置电源134之间。

分接电容器304可以是可以改变电容以使得在聚焦环电极130与偏置电极128之间的电位差改变的可变电容器。可以以与图2的描述中相似的方法实现等离子体加工系统300。控制器110可以将在偏置电极与聚焦环电极之间的电位差控制在基于所施加的偏压差至少5％。在其他的实施方案中，控制器110可以将电位差控制为至少50V或者100V至800V。如上所述，电位差可以用于改善在基底122的边缘处的等离子体处理结果，使得在基底122的边缘处的等离子体密度或处理性能与靠近基底122的中心处的等离子体密度或处理性能更加均匀。

应该理解的是，详细描述部分而不是摘要部分旨在用于解释权利要求。摘要部分可以陈述本公开内容的一个或更多个实施方案，但是不是所有的示例性的实施方案。因而，摘要部分不旨在以任何方式限制本公开内容以及所附权利要求。

虽然已经通过描述一个或更多个实施方案说明本公开内容，并且虽然已经相当详细地描述了实施方案，但是它们不旨在限制或以任何方式将所附权利要求限制为这样详细。另外的优点和改变对本领域的技术人员将是容易理解的。因此，在更广泛的方面，本发明不限于所示出和描述的具体细节、代表性的装置和方法以及示例性的实施例。因此，在不脱离总的发明构思的范围的情况下，可以根据这样的细节做出修改。