产生脉冲等离子体的方法及其等离子体设备与流程

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种产生脉冲等离子体的方法及其等离子体设备。

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越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶片的加工能力。等离子体装置广泛地被应用于制造集成电路(ic)或mems器件的制造工艺中。因此，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体发生设备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。在用于半导体制造工艺的等离子体设备的研发中，最重要的因素是增大对衬底的加工能力，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。

在传统半导体制造工艺中已经使用各种类型的等离子体设备，例如，电容耦合等离子体(ccp)类型，电感耦合等离子体(icp)类型以及表面波或电子回旋共振等离子体(ecr)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，容易产生大面积均匀分布的等离子体，适用于介质等类型膜的刻蚀。表面波或电子回旋共振等离子尽管可以在较低的工作气压下获得密度较高的等离子体，需要微波管，ecr则需要引入外磁场，造价相对较高。现今采用比较广泛的用于等离子体刻蚀设备的激发等离子体方式为电感耦合等离子体，这种方式可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，同时可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)独立控制，适用于金属和半导体等材料的刻蚀。目前各种类型等离子体源均在半导体工业中有应用。

传统的等离子体设备采用的等离子体源的波形为正弦连续波，如图1所示的电感耦合等离子体装置，此装置一般包括反应腔室1、静电卡盘2、电感耦合线圈3、第一阻抗匹配器4、第一射频电源5、第二阻抗匹配器6、第二射频电源7，电感耦合线圈3位于反应腔室1上方的介质窗口8上方，且电感耦合线圈3通过第一阻抗匹配器4与第一射频电源5电连接，静电卡盘2通过第二阻抗匹配器6与第二射频电源7电连接，静电卡盘2上安装晶片9。

当刻蚀工艺的特征尺度到20nm及以下时，采用连续波的等离子体进行刻蚀工艺时会对器件造成损伤，影响器件的电学性能，这种损伤称为等离子体诱导损伤(pid)，主要产生的原因包括：(1)由于高能离子轰击晶片引起的表面物理损伤；(2)光子辐射轰击晶片引起的损伤；(3)等离子体非均匀性引起的损伤：等离子体不均匀→晶片上的表面势不均匀→流到栅极氧化物上的电流不均匀→损伤或岛结构的局域电荷→破坏离子的轨迹和刻蚀剖面；(4)电荷分布的不均匀性引起的损伤：各向同性的电子在高深宽比沟槽的顶部积累负电荷，定向的离子在沟槽的底部积累正电荷，这样也会导致pid的产生。

目前通常采用解决pid的方案是对射频电源进行脉冲调制，如采用的第一射频电源5和第二射频电源7均为脉冲射频电源，或其中的一个电源是脉冲调制射频电源。如图2所示，目前采用的脉冲调制射频电源采用开关(on/off)模式，其中脉冲开启(on)的时间为t1，脉冲关闭(off)的时间为t2，脉冲周期t＝t1+t2，通过改变脉冲参数t1、t2以及t1阶段的射频功率来实现对等离子体参数的调节。现有技术的这种方法也存在缺点，如图2所示，在脉冲调制射频电源的脉冲on阶段，电子密度快速上升并到达稳定，维持等离子体放电；脉冲调制射频电源的脉冲off时，电子密度迅速下降，等离子体淹没不能维持放电。因此目前利用脉冲调制射频电源的方法来产生等离子体时遇到的比较大的挑战是在脉冲周期内等离子体状态不稳定，同时会造成脉冲射频阻抗匹配非常困难；同时在等离子体湮灭期间容易形成尘埃等颗粒，对工 艺过程及晶片处理的良率有较大影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种产生脉冲等离子体的方法及其等离子体设备，该方法使得在脉冲周期内等离子体状态稳定，从而使得脉冲射频阻抗匹配非常容易，减少等离子体诱导损伤，大大提高了工艺过程及晶片处理的良品率。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲电源向反应腔室输出功率,以产生脉冲等离子体,所述方法包括以下步骤：

所述脉冲电源输出第一脉冲信号，所述第一脉冲信号的功率为p1，持续时间为t1；

所述脉冲电源输出第二脉冲信号，所述第二脉冲信号的功率为p2，持续时间为t2，其中，p2≠p1≠0。

优选的是，所述脉冲电源的脉冲调整频率f＝1/(t1+t2),其中，f为10hz～20khz。

优选的是，所述第一脉冲信号的占空比d＝t1/(t1+t2)，其中，d为5％～95％。

优选的是，所述第一脉冲信号的功率p1与所述第二脉冲信号的功率p2的比为0.01～100。

本发明还提供一种等离子体设备，所述等离子体设备包括脉冲电源和反应腔室，所述等离子体设备采用上述的产生脉冲等离子体的方法,通过所述脉冲电源向所述反应腔室输出功率,以产生脉冲等离子体。

优选的是，所述等离子体设备为电感耦合等离子体设备，所述脉冲电源包括第一脉冲电源和第二射频电源，所述电感耦合等离子体设备在所述反应腔室顶壁上方设置有电感耦合线圈，所述电感耦合线圈通过第一阻抗匹配器与所述第一脉冲电源电连接。

优选的是，所述电感耦合等离子体设备在所述反应腔室底部 设置有静电卡盘，所述静电卡盘通过第二阻抗匹配器与所述第二射频电源电连接。

优选的是，所述等离子体设备为电容耦合等离子体设备，所述电容耦合等离子体设备在所述反应腔室内上方设置有上电极，所述上电极通过第一阻抗匹配器与所述脉冲电源电连接；在所述反应腔室底部设置有与所述上电极对应的下电极，所述下电极接地。

优选的是，所述上电极的顶部具有进气孔，底部分布有多个出气孔，所述上电极的内部具有匀气空间，用以向所述反应腔室内通入反应气体。

本发明中的产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲调制将功率输出调制成不同输出功率p1和p2的两个脉冲信号，其中，p2≠p1≠0，从而在整个脉冲周期内，可以始终维持等离子体放电，保持等离子体状态稳定，进而使得脉冲射频阻抗匹配非常容易，减少等离子体诱导损伤，大大提高了工艺过程及晶片处理的良品率。

附图说明

图1背景技术中的电感耦合等离子体装置结构示意图；

图2背景技术中的脉冲调制射频电源的脉冲调制射频功率的波形以及相对应的等离子体密度示意图；

图3本发明实施例1中的脉冲调制射频电源的脉冲调制射频功率的波形图；

图4本发明实施例2中的电感耦合等离子体装置结构示意图；

图5本发明实施例2中的脉冲调制射频电源的脉冲调制射频功率的波形以及相对应的等离子体密度示意图；

图6本发明实施例3中的电感耦合等离子体装置结构示意图；

图7本发明实施例3中的脉冲调制射频电源的脉冲调制射频功率的波形以及相对应的等离子体密度示意图。

图中：1-反应腔室；2-静电卡盘；3-电感耦合线圈；4-第一阻抗匹配器；5-第一脉冲电源；6-第二阻抗匹配器；7-第二射频电源； 8-介质窗口；9-晶片；10-脉冲电源；11-第一脉冲电源；12-上电极；13-下电极；14-进气孔；15-出气孔。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例提供一种产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲电源向反应腔室输出功率,以产生脉冲等离子体，所述方法包括以下步骤：

所述脉冲电源输出第一脉冲信号，所述第一脉冲信号的功率为p1，持续时间为t1；

所述脉冲电源输出第二脉冲信号，所述第二脉冲信号的功率为p2，持续时间为t2，其中，p2≠p1≠0。

具体的，上述方法为脉冲调制等离子技术，脉冲调制的射频功率输出为两个不同功率输出(level-level)的射频波形，这两个功率的大小和开启的时间可以根据需要单独调整。如图3所示，脉冲调制将射频功率输出调制成不同输出功率的两个level(l1和l2)，l1开启时间t1阶段，射频功率为p1；l2开启时间t2阶段，射频功率为p2。p1可以比p2大，也可以使p1比p2小。

优选的是，所述脉冲电源的脉冲调整频率f＝1/(t1+t2),其中，f为10hz～20khz。

优选的是，所述第一脉冲信号的占空比d＝t1/(t1+t2)，其中，d为5％～95％。

优选的是，所述第一脉冲信号的功率与所述第二脉冲信号的功率的比为pr，pr＝p1/p2＝0.01～100。

本实施例中的产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲调制将功率输出调制成不同输出功率p1和p2的两个脉冲信号，其中，p2≠p1≠0，从而在整个脉冲周期内，可以始终维持等离子体放电， 保持等离子体状态稳定，进而使得脉冲射频阻抗匹配非常容易，减少等离子体诱导损伤，大大提高了工艺过程及晶片处理的良品率。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种等离子体设备，所述等离子体设备包括脉冲电源和反应腔室1，所述等离子体设备采用实施例1中的产生脉冲等离子体的方法,通过所述脉冲电源向所述反应腔室1输出功率,以产生脉冲等离子体。所述等离子体设备为电感耦合等离子体设备，所述脉冲电源包括第一脉冲电源11和第二射频电源7，所述电感耦合等离子体设备在所述反应腔室1顶壁上方设置有电感耦合线圈3，电感耦合线圈3位于反应腔室1上方的介质窗口8上方，所述电感耦合线圈3通过第一阻抗匹配器4与所述第一脉冲电源11电连接。所述电感耦合等离子体设备在所述反应腔室1底部设置有静电卡盘2，所述静电卡盘2通过第二阻抗匹配器6与所述第二射频电源7电连接。

具体实施时脉冲调整频率100hz，占空比为50％。如图5所示，脉冲调制的射频功率输出为两个不同功率输出(level-level)的射频波形，这两个功率的开启的时间可以根据需要单独调整，脉冲调制将射频功率输出调制成不同输出功率的两个level(l1和l2)，l1开启时间t1阶段，t1＝5ms，射频功率p1为500w；l2开启时间t2阶段，t2＝5ms，射频功率p2为1000w，l1和l2的射频功率比pr为0.5。如图5所示为脉冲调制第一脉冲电源11的脉冲调制射频功率的波形以及相对应的等离子体密度示意图，射频刚开启，l1阶段加载射频功率p1为500w，等离子体电子密度迅速上升至n1并维持放电，l2阶段加载射频功率p2为1000w，等离子体电子密度又快速上升至n2并维持放电；下一个脉冲周期，l1阶段对应的等离子体电子密度迅速下降至n1并维持放电，l2阶段对应的等离子体电子密度上升至n2并维持放电，如此反复。从图5所示可以看出整个脉冲周期内能够始终维持等离子体放电，保持 等离子体稳定性，相对现有技术的脉冲调制等离子体源，本实施例中的等离子体设备降低脉冲匹配的难度。

本实施例中的等离子体设备使用实施例1中的产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲调制将功率输出调制成不同输出功率p1和p2的两个脉冲信号，其中，p2≠p1≠0，从而在整个脉冲周期内，可以始终维持等离子体放电，保持等离子体状态稳定，进而使得脉冲射频阻抗匹配非常容易，减少等离子体诱导损伤，大大提高了工艺过程及晶片9处理的良品率。

实施例3

如图6所示，本实施例提供一种等离子体设备，所述等离子体设备包括脉冲电源10和反应腔室1，所述等离子体设备采用实施例1中的产生脉冲等离子体的方法,通过所述脉冲电源10向所述反应腔室1输出功率,以产生脉冲等离子体。所述等离子体设备为电容耦合等离子体设备，所述电容耦合等离子体设备在所述反应腔室1内上方设置有上电极12，所述上电极12通过第一阻抗匹配器4与所述脉冲电源10电连接；在所述反应腔室1底部设置有与所述上电极12对应的下电极13，所述下电极13接地。所述上电极12的顶部具有进气孔14，底部分布有多个出气孔15，所述上电极的内部具有匀气空间，用以向所述反应腔室1内通入反应气体。上电极12和下电极13之间受射频电场激励产生和维持等离子体，一般情况下上电极3作为等离子体产生的电极，待处理的晶片9放置于下电极13上。

具体实施时脉冲调整频率为1000hz，占空比为20％，如图7所示，脉冲调制的射频功率输出为两个不同功率输出(level-level)的射频波形，这两个功率的开启的时间可以根据需要单独调整，脉冲调制将射频功率输出调制成不同输出功率的两个level(l1和l2)，l1开启时间t1阶段，t1＝0.2ms，射频功率p1为5000w，l2开启时间t2阶段，t2＝0.8ms，射频功率p2功率为1000w，l1和l2的射频功率比pr为5。如图7所示为脉冲调制脉冲电源10的脉 冲调制射频功率的波形以及相对应的等离子体密度示意图，射频刚开启，l1阶段加载射频功率p1为5000w，等离子体电子密度迅速上升至n1并维持放电，l2阶段加载射频功率p2为1000w，等离子体电子密度又快速下降至n2并维持放电；下一个脉冲周期，l1阶段对应的等离子体电子密度迅速上升至n1并维持放电，l2阶段对应的等离子体电子密度下降至n2并维持放电，如此反复。从图示7所示可以看出整个脉冲周期内能够始终维持等离子体放电，保持等离子体稳定性，相对现有技术的脉冲调制等离子体源，降低脉冲匹配的难度。

本实施例中的等离子体设备使用实施例1中的产生脉冲等离子体的方法，通过脉冲调制将功率输出调制成不同输出功率p1和p2的两个脉冲信号，其中，p2≠p1≠0，从而在整个脉冲周期内，可以始终维持等离子体放电，保持等离子体状态稳定，进而使得脉冲射频阻抗匹配非常容易，减少等离子体诱导损伤，大大提高了工艺过程及晶片9处理的良品率。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。