一种半导体设备及其射频加载方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体设备及其射频加载方法。

背景技术：

目前，在半导体行业中，随着电子器件的几何尺寸不断减小以及器件的密集度不断提高，特征尺寸和高宽比变得越来越有挑战性。原子层沉积(atomiclayerdeposition，以下简称ald)就是为了应对这种挑战而提出的一种新的沉积方法。ald以其独特的自限制性生长模式，使其具有薄膜生长厚度精确可控、优异的保形性、成分可控等优点，越来越受到全世界科技工作者的关注。

热ald过程是最普通的ald技术使用热量使两种反应物之间产生化学反应。尽管热ald过程有效地用于沉积一些材料，但是该过程具有沉积率低的特点。因此，加工产量可能缩到不能接受的水平。沉积率在更高的沉积温度下可能增加，但是许多化学先驱物，特别是金属有机化合物，在高温下会分解。

等离子体增强原子层沉积(plasmaenhancedatomiclayerdeposition，peald)是对ald技术的扩展，通过等离子体的引入，产生大量活性自由基，增强了前驱体物质的反应活性，从而拓展了ald对前驱源的选择范围和应用要求，缩短了反应周期的时间，同时也降低了对样品沉积温度的要求，可以实现低温甚至常温沉积，特别适合于对温度敏感材料和柔性材料上的薄膜沉积。另外，等离子体的引入可以进一步的去除薄膜中的杂质，可以获得更低的电阻率和更高的薄膜致密度等。此外，等离子体还可以对反应腔室进行清洗以及对基片进行表面活化处理等。

但是，等离子体是一把双刃剑，也会带来一些不良的效果，如降低三维贴合性，造成等离子体辐射损伤等。高功率下等离子体还会产生能量高达10ev的辐射，如此高的辐射易使薄膜中的电子产生激发辐射，在薄膜中产生较多的缺陷，因此如何恰当的利用等离子体来辅助原子层沉积，又不带来负面效果是现在急需解决的问题。

典型的peald过程一般分为四个步骤：第一步，载气携带前驱体进入反应腔室，前驱体吸附在衬底上；第二步，采用吹扫气体吹扫腔室及管路，保证多余的前驱体都吹扫干净；第三步，通入反应气体，同时开启射频电源激发产生等离子体，等离子体中的活性自由基与吸附在衬底上的前驱体发生反应形成生成物；第四步，断开射频电源，吹扫气体吹扫腔室及管路，重复以上四步直到生成物达到预期要求。

传统的peald设备采用的等离子体源的波形为正弦连续波。但在实际的工艺过程中，peald四步切换中射频等离子体的开与关的状态都是通过射频电源的开关来控制的，并且在一个循环中等离子体存在的时间一般在0.1s～1s的范围，甚至更短，这就需要射频电源非常频繁的开关。一般情况下射频电源在开启加载功率瞬间都存在一定程度的功率过冲现象。现有方案中的这种功率过冲现象是完全不可控的。当加载功率较小时，这种功率过冲的现象反而是有利的，有利于射频等离子体的顺利点火，甚至为了保证等离子体点火的稳定性，通常在开启时需要一定时长的功率过冲要求。但是当加载功率较大时，这种功率过冲现象反而会带来等离子体的不稳定性和等离子体诱导损伤等问题的发生。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体设备及其射频加载方法。

为实现本发明的目的而提供一种半导体设备，包括反应腔室、射频源和匹配器，所述射频源用于产生射频功率信号，还包括信号发生器和调制器，其中，

所述信号发生器用于产生脉冲信号；

所述调制器用于对所述射频功率信号和所述脉冲信号进行调制，并通过所述匹配器将调制后的射频功率加载到所述反应腔室，以获得理想的工艺结果。

优选地，所述脉冲信号包括：第一脉冲信号；

所述第一脉冲信号的高电平阶段包括：第一幅值阶段与第二幅值阶段；所述第一幅值阶段的幅值大于所述第二幅值阶段的幅值，所述第一脉冲信号用于使所述反应腔室起辉成功。

优选地，所述第一脉冲信号的占空比为d1，所述第一脉冲信号的周期为t1，所述第一幅值阶段的时间大于0且小于d1*t1。

优选地，所述

第一脉冲信号f(x)为；

其中，a与b为第一脉冲信号的幅值，a>b。

优选地，所述脉冲信号还包括：第二脉冲信号；

所述第二脉冲信号的高电平阶段包括：幅值上升阶段与幅值稳定阶段；

所述幅值稳定阶段的幅值大于或等于所述幅值上升阶段的幅值；所述第二脉冲信号用于使所述反应腔室的反射功率稳定。

优选地，所述第二脉冲信号的占空比为d2，所述第二脉冲信号的周期为t2，所述幅值上升阶段的时间大于0且小于d2*t2。

优选地，所述第二脉冲信号f(y)为；

其中，c与d为第二脉冲信号的幅值，d>c。

优选地，所述调制器包括：第一判断单元、第一控制单元以及第一调制单元；

所述第一判断单元，用于判断所述反应腔室是否起辉，并将判断结果传输至所述第一控制单元；

所述第一控制单元根据所述判断结果控制所述第一调制单元对所述射频功率信号和所述第一脉冲信号进行调制，并使所述第一调制单元通过所述匹配器将调制后的射频功率加载到所述反应腔室，从而使所述反应腔室起辉。

优选地，所述调制器包括：提取单元、第二判断单元、第二控制单元以及第二调制单元；

所述提取单元，用于获取所述反应腔室的反射功率，并将所述反射功率传输给所述第二判断单元；

所述第二判断单元，用于判断所述反射功率是否稳定，并将判断结果传输至所述第二控制单元；

所述第二控制单元控制所述第二调制单元对所述射频功率信号和所述第二脉冲信号进行调制，并使所述第二调制单元通过所述匹配器将调制后的射频功率加载到所述反应腔室，从而使所述反射功率稳定。

一种半导体设备射频加载方法，采用本申请中所述的半导体设备，所述方法包括：

控制信号发生器产生脉冲信号；

控制射频源产生射频功率信号；

对所述射频功率信号和所述脉冲信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以获得理想的工艺结果。

优选地，对射频功率信号和脉冲信号进行调制之前，所述方法还包括：

检测所述反应腔室是否起辉；

如果否，控制所述信号发生器产生第一脉冲信号，并对所述第一脉冲信号和所述射频功率信号进行调制，通过所述匹配器将调制后的射频功率加载到所述反应腔室，以使所述反应腔室起辉。

优选地，所述方法还包括：

当所述反应腔室起辉后，从所述反应腔室获取反射功率，并检测所述反射功率是否稳定；

如果否，控制所述信号发生器产生第二脉冲信号，并对第二脉冲信号和所述射频功率信号进行调制，通过所述匹配器将调制后的射频功率加载到所述反应腔室，以使所述反射功率稳定。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的半导体设备，包括反应腔室、信号发生器与调制器，调制器用于对射频功率信号和信号发生器产生的脉冲信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以获得理想的工艺结果。本发明可以在反应腔室初始加载功率较高时，通过调制后的射频功率的改变减小初始加载功率，避免功率过冲导致的反射功率不稳定；可以在反应腔室初始加载功率较低时，通过调制后的射频功率的改变增大初始加载功率，从而便于实现反应腔室的起辉成功；因此，通过本发明可以获得理想的工艺结果。

本发明还提供了一种半导体设备射频加载方法，其采用本申请中半导体设备，射频加载方法包括：控制信号发生器产生脉冲信号；控制射频源产生射频功率信号；对所述射频功率信号和所述脉冲信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以获得理想的工艺结果。本发明实施例提供的射频加载方法，有利于反应腔室的起辉以及反射功率稳定，保障了理想工艺的获得。

附图说明

图1为本发明实施例射半导体设备的一种结构示意图；

图2为本发明实施例中第一脉冲信号的波形图；

图3为本发明实施例中第二脉冲信号的波形图；

图4为本发明实施例中调制器的一种结构示意图；

图5为本发明实施例中射频功率信号的波形图；

图6为本发明实施例中第一脉冲信号和射频功率信号调制后得到的射频功率波形图；

图7为本发明实施例中调制器的另一种结构示意图；

图8为本发明实施例中第二脉冲信号和射频功率信号调制后的射频功率波形图；

图9为本发明实施例半导体设备射频加载方法的一种流程图；

图10为本发明实施例半导体设备射频加载方法的另一种流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的半导体设备及其射频加载方法进行详细描述。

实施一

如图1所示为本发明实施例半导体设备的一种结构示意图，包括：反应腔室5、射频源1和匹配器2，射频源1用于产生射频功率信号，还包括信号发生器3和调制器4，其中，信号发生器3用于产生脉冲信号；调制器4用于对射频功率信号和脉冲信号进行调制，并通过匹配器2将调制后的射频功率加载到反应腔室5，以获得理想的工艺结果。

具体地，本发明实施例中，理想的工艺结果是指反应腔室在加载功率较高时避免功率过冲导致的等离子体不稳定和等离子体诱导损伤，在加载功率较低时通过设定特定的功率过冲强度和时间，能够更加容易地实现等离子体的点火成功。

本发明实施例提供的半导体设备，信号发生器产生脉冲信号，射频源产生射频功率信号，调制器对射频功率信号和脉冲信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，可以在反应腔室初始加载功率较高时，通过调制后的射频功率的改变减小初始加载功率，避免功率过冲导致的反射功率不稳定；可以在反应腔室初始加载功率较低时，通过调制后的射频功率的改变增大初始加载功率，从而便于实现反应腔室的起辉成功，因此，通过本发明可以获得理想的工艺结果。

需要说明的是，在图1中，反应腔室5中还设置有气体分配板6，气体分配板6位于反应腔室5上方，并且气体分配板6与匹配器2相连接；在图1中气体分配板6既是气体的匀流板，也作为射频上电极，调制后的射频功率通过匹配器2加载到气体分配板6上。进一步，反应腔室5中还设置有接地基座7，接地基座7位于反应腔室5下方，并且通过接地线保证接地良好；接地基座7用于承载晶片8。

具体地，如图2所示，脉冲信号包括：第一脉冲信号。

第一脉冲信号的高电平阶段包括：第一幅值阶段t与第二幅值阶段l；第一幅值阶段t的幅值大于第二幅值阶段l的幅值，第一脉冲信号用于使反应腔室起辉成功。

具体地，第一脉冲信号的占空比为d1，第一脉冲信号的周期为t1，第一幅值阶段的时间大于0且小于d1*t1。具体地，占空比d1＝(第一幅值阶段t+第二幅值阶段l)/t1。

进一步，第一脉冲信号f(x)为；

其中，a与b为第一脉冲信号的幅值，a>b。

进一步，本发明的另一个实施例中，如图3所示，脉冲信号还包括：第二脉冲信号；第二脉冲信号的高电平阶段包括：幅值上升阶段k与幅值稳定阶段p；幅值稳定阶段p的幅值大于或等于幅值上升阶段k的幅值；第二脉冲信号用于使反应腔室的反射功率稳定。

具体地，第二脉冲信号的占空比为d2，第二脉冲信号的周期为t2，幅值上升阶段的时间大于0且小于d2*t2。具体地，占空比d2＝(幅值稳定阶段p+幅值上升阶段k)/t2。

具体地，第二脉冲信号f(y)为；

其中，c与d为第二脉冲信号的幅值，d>c。

实施例二

当信号发生器3产生的脉冲信号包括第一脉冲信号时，如图4所示，调制器4包括：第一判断单元、第一控制单元以及第一调制单元；第一判断单元，用于判断反应腔室5是否起辉，并将判断结果传输至第一控制单元；第一控制单元根据判断结果控制第一调制单元对射频功率信号和第一脉冲信号进行调制，并使第一调制单元通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室5，从而使反应腔室5起辉。

具体地，如图5所示为本发明实施中射频功率信号的波形图，图6所示为本发明实施例中第一脉冲信号和射频功率信号调制后得到的射频功率波形图。进一步，第一控制单元可以根据匹配器的电容变化确定反应腔室5是否起辉。

具体地，第一判断单元可以为比较器，本发明实施例中，第一判断单元可以将反应腔室5的加载功率与第一设定功率进行比较，如果加载功率小于第一设定功率确定反应腔室5未起辉，或者加载功率大于或等于第一设定功率则确定反应腔室已起辉，第一设定功率可以根据不同工艺需求得出，比如，在peald工艺下，当加载功率小于70w时，反应腔室5无法起辉，因此将第一设定功率设置为70w。本发明的另一个实施例中，第一判断单元还可以将匹配器的电容值与起辉电容进行比较，并检测匹配器的电容是否在起辉电容范围之内，进一步，起辉电容可以根据不同的工艺需求得出，比如，在peald工艺下，将起辉电容设置为70％*匹配器电容，匹配器电容可以由不同型号的匹配器确定。当匹配器的电容为70％*匹配器电容时，确定反应腔室5起辉，否则，反应腔室5未起辉。因此，第一判断单元的判断结果包括：反应腔室起辉与反应腔室未起辉；第一控制单元可以在反应腔室未起辉时，控制第一调制单元对射频功率信号和第一脉冲信号进行调制，并使第一调制器通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以帮助反应腔室起辉。具体地，第一控制单元可以是单片机、可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，以下简称plc)等控制器，用于在反应腔室未起辉时控制信号发生器3、射频源1以及第一调制单元工作。

针对peald工艺在反应腔的加载功率较低时(一般小于80w)，需要加载较高的脉冲过冲功率和较长的脉冲过冲时间才能点火成功。当如果加载功率过小，例如加载功率小于70w时，在连续波的条件下很难点火成功，这种情况下就需要加载的过冲功率足够大和过冲时间足够长也才能获得脉冲点火成功。在本实施例中，调制器4可以通过调节信号发生器3的信号波形，即调节第一脉冲信号的第一幅值阶段t的幅值和时间，可以保证脉冲点火更加容易实现。具体地，第一控制单元通过第一判断单元确定加载功率小于70w时，控制信号发生器3产生第一脉冲信号，第一脉冲信号参见图2所示；并且第一控制单元在加载功率小于70w时，控制射频源1产生射频信号，射频信号参见图5所示。第一调制单元以第一脉冲信号为基波，以射频信号为载波，将第一脉冲信号调制到射频信号上，即载波实时传递基波的信息，然后第一调制单元向反应腔室5发射调制后的射频功率，调制后的射频功率参见图6所示。在该实施例过程中，第一控制单元可以通过信号发生器3调节第一脉冲信号的信号波形，从而调节第一幅值阶段t的幅值和时间，保证脉冲点火更加容易，即本实施例中，通过调节第一幅值阶段t的幅值和时间可以促进脉冲点火更加容易成功。

本发明实施例提供的半导体设备，调制器首先判断反应腔室是否起辉，并在反应腔室未起辉时，对射频源产生的射频功率信号和信号发生器产生的第一脉冲信号进行调制，并将调制后的射频功率加载到反应腔室，从而有效地保证了反应腔室的起辉。

实施例三

当信号发生器3产生的脉冲信号包括第二脉冲信号时，如图7所示，调制器包括：提取单元、第二判断单元、第二控制单元以及第二调制单元；提取单元，用于获取反应腔室的反射功率，并将反射功率传输给第二判断单元；第二判断单元，用于判断反射功率是否稳定，并将判断结果传输至第二控制单元；第二控制单元根据判断结果控制第二调制单元对射频功率信号和第二脉冲信号进行调制，并使第二调制单元通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，从而使反射功率稳定。

具体地，如图5所示为本发明实施中射频功率信号的波形图，图8所示为本发明实施例中第二脉冲信号和射频功率信号调制后得到的射频功率波形图。具体地，提取单元可以为功率传感器，用于获取反应腔室的反射功率并将反射功率传输给第二判断单元。

具体地，第二判断单元可以为比较器，本发明实施例中，第二判断单元可以将反应腔室的加载功率与第二设定功率进行比较，如果加载功率大于第二设定功率确定反应腔室反射功率不稳定，或者加载功率小于或等于第二设定功率时确定反应腔室反射功率稳定，第二设定功率可以根据不同工艺需求得出，比如，在peald工艺下，将第二设定功率设置为2500w。本发明的另一个实施例中，第二判断单元还可以计算反射功率的变化速率，并在单位时间内比较反射功率的变化速率是否大于设定速率，设定速率可以由不同的半导体设备得出，比如，单位时间内设定速率为5％；其中单位时间为0.1s；当单位时间内反射功率的变化速率大于设定速率则确定反射功率不稳定；当单位时间内反射功率的变化速率未大于设定速率，则确定反射功率稳定。因此，判断结果有反射功率稳定与反射功率不稳定，第二控制单元可以在反射功率不稳定时控制第二调制单元对射频功率信号和第二脉冲信号进行调制，并使第二调制单元通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以使反应腔室的反射功率趋于稳定。具体地，第二控制单元可以是单片机或plc等控制器，第二控制单元用于在反射功率不稳定时控制信号发生器3、射频源1以及第二调制单元工作。

针对peald工艺在加载功率较高时(一般大于2500w)，需要避免功率过冲导致的等离子体不稳定和等离子体诱导损伤。在本实施例中，调制器4通过即调节第二脉冲信号的幅值上升阶段k的幅值和时间，可以调整轰击到晶片8表面的粒子能量，从而避免在反应腔室中高能离子轰击造成晶片8损伤。具体地，第二控制单元通过第二判断单元确定加载功率大于2500w时，控制信号发生器3产生第二脉冲信号，第二脉冲信号参见图3所示；并且第二控制单元在加载功率大于2500w时，控制射频源1产生射频信号，射频信号参见图5所示；第二调制单元以第二脉冲信号作为基波，以射频信号为载波，将第二脉冲信号调制到射频信号上，即载波实时传递基波的信息，然后第二调制单元向反应腔室发射调制后的射频功率，调制后的射频功率参见图8所示。在该实施例过程中，第二控制单元可以通过信号发生器3调节第二脉冲信号的信号波形，从而调节第二脉冲信号的幅值上升阶段k的幅值和时间，以调制轰击到反应腔室中晶片8表面的粒子能量，最终避免高能离子轰击造成晶片8损伤。

本发明实施例提供的半导体设备，调制器在反应腔室起辉成功后，获取反应腔室的反射功率，判断发射功率是否稳定；当反射功率不稳定时，对射频功率信号和第二脉冲信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，从而可以在反应腔室初始加载功率较高时，通过调制减小加载功率，从而避免了功率过冲导致的反射功率不稳定。

实施例四

针对上述半导体设备，本发明还提供了一种半导体设备射频加载方法，如图9所示为本发明实施例射频加载方法的一种流程图，包括以下步骤：

步骤100：开始。

步骤101：控制信号发生器产生脉冲信号。

步骤102：控制射频源产生射频功率信号。

步骤103：对射频功率信号和脉冲信号进行调制，得到调制后的射频功率。

步骤104：通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以获得理想的工艺结果。

本发明实施例提供的半导体设备射频加载方法，控制信号发生器产生脉冲信号；控制射频源产生射频功率信号；对射频功率信号和脉冲信号进行调制，得到调制后的射频功率，通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以获得理想的工艺结果。通过本发明，通过改变调制后的射频功率，可以避免功率过冲导致的反射功率不稳地，还可以便于实现反应腔室的起辉。

实施例五

针对上述半导体设备，本发明又提供了一种半导体设备射频加载方法，如图10所示为本发明实施例射频加载方法的另一种流程图，包括以下步骤：

步骤200：开始。

步骤201：检测反应腔室是否起辉；如果是，执行步骤202；否则，执行步骤205。

具体地，本发明实施例中可以将反应腔室中的加载功率与第一设定功率进行比较，以检测反应腔室是否起辉；如果加载功率小于第一设定功率确定反应腔室5未起辉；如果加载功率大于或等于第一设定功率则确定反应腔室已起辉；第一设定功率可以根据不同工艺需求得出，比如，在peald工艺下，将第一设定功率设置为70w。本发明的另一个实施例中，还可以根据匹配器的电容变化确定反应腔室是否起辉。

步骤202：获取反射功率。

步骤203：检测反射功率是否稳定；如果是，执行步骤204；否则，执行步骤209。

具体地，本发明实施例中，可以将反应腔室的加载功率与第二设定功率进行比较，以检测反射功率是否温度；如果加载功率大于第二设定功率确定反应腔室反射功率不稳定；如果加载功率小于或等于第二设定功率时确定反应腔室反射功率稳定；第二设定功率可以根据不同工艺需求得出，比如，在peald工艺下，第二设定功率为2500w。本发明的另一个实施例中，还可以通过检测反射功率的变化速率检测反射功率是否稳定，比如，在0.1s时间内反射功率变化速率超过5％，则确定反射功率不稳定。

步骤204：结束。

步骤205：控制信号发生器产生第一脉冲信号。

步骤206：控制射频源产生射频功率信号。

步骤207：对第一脉冲信号和射频功率信号进行调制，得到调制后的射频功率。

步骤208：通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以使反应腔室起辉，执行步骤204。

步骤209：控制信号发生器产生第二脉冲信号。

步骤210：对第二脉冲信号和射频功率信号进行调制，得到调制后的射频功率。

步骤211：通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以使反射功率稳定，执行步骤204。

本发明实施例提供的半导体设备射频加载方法，检测反应腔室是否起辉，在反应腔室未起辉时，控制信号发生器产生第一脉冲信号，控制射频源产生射频功率信号，对第一脉冲信号和射频功率信号进行调制，通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以使反应腔室起辉。在反应腔室未起辉时，获取反射功率，并检测反射功率是否稳定，当反射功率不稳定时，控制信号发生器产生第二脉冲信号，并对第二脉冲信号和射频功率信号进行调制，并通过匹配器将调制后的射频功率加载到反应腔室，以使反射功率稳定。通过本发明，达到了获得理想工艺结果的目的。

综上，本申请提供的半导体设备以及其射频加载方法，可以应用在peald工艺中，根据不同的peald工艺需求，通过信号发生器产生脉冲信号，调制产生的射频等离子体；进一步，在peald工艺中，当反应腔室加载功率过小时，在点火阶段通过脉冲调制来增加功率过冲的强度或时间，促使易于脉冲点火的成功实现；而在加载功率过大时，通过脉冲调制防止功率过冲现象的发生，进而保证脉冲等离子的稳定性和重复性，防止高能离子的轰击造成基片的损伤。

进一步，针对电容耦合(capacitivelycoupledplasma，以下简称ccp)等离子体源加载功率一般小于80w时，优选小于50w时，需要通过本申请的功率过冲来实现等离子体点火。

进一步，针对ccp等离子体源加载功率一般大于2500w时，优选大于3000w时，需要通过本申请的脉冲调制避免功率过冲现象。

更进一步，本申请不局限于应用于peald工艺，也可应用于等离子体增强化学的气相沉积法、等离子体刻蚀等工艺。本申请也不局限于应用于ccp等离子体源，也可应用于icp(inductivecoupledplasmaemissionspectrometer，电感耦合)等其它射频等离子体源。

进一步，本发明的射频频率可以为13.56mhz，但不局限于13.56mhz，也可以是400khz、2mhz、40mhz、60mhz、80mhz和100mhz及其它射频频率。

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。