离子能量控制装置及方法、半导体工艺设备与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种离子能量控制装置及方法、半导体工艺设备。

背景技术：

1、随着7nm、5nm、3nm等更高制程的发展，刻蚀工艺对深宽比、刻蚀均匀性等参数要求越来越高。为了优化刻蚀工艺中的深宽比参数，更窄的离子能量分布(ion energydistribution，ied)是必要的，例如获得图1示出的较理想的离子能量分布。通过向晶圆表面施加均匀稳定的负偏压，吸引正离子加速撞击晶圆表面，可以使这些撞击到晶圆表面的正离子拥有基本相同的能量，从而可以实现类似图1所示的离子能量分布。但是，如果晶圆不是导体，那么直流电压就不能加载到晶圆表面上。常见的方法是通过电容耦合方式向晶圆表面施加射频(rf)正弦波电压或者脉冲电压。

2、在将射频正弦波施加到晶圆表面时，会导致宽的离子能量分布，如图2所示的较宽的离子能量分布，其不利于实现更好的深宽比刻蚀。将脉冲电压耦合至晶圆表面的一种现有的离子能量控制装置，如图3所示，其包括开关模式电源01和控制器02，其中，控制器02控制开关模式电源01生成脉冲电压信号，并加载至工艺腔室03中的基座04上，基座04将该脉冲电压信号耦合至衬底05表面，脉冲电压信号采用如图4中的脉冲电压vout的波形。

3、现有的离子能量控制装置在实际应用中不可避免地存在以下问题：

4、其一，由于上述开关模式电源01设置于工艺腔室03的外部，其距离基座04较远，馈入引线较长，导致脉冲电压vout馈入回路中引线的杂散电感(例如图5中的电感l1)较大。杂散电感越大，加载至晶圆上的脉冲电压不一致的持续时间更长，就会导致形成更宽的离子能量分布，不利于实现更好的深宽比刻蚀。

5、其二，由于晶圆表面上形成的负偏压会吸引等离子体中的正离子，这会导致晶圆表面上的负偏压减小，且离子电流越大，负偏压减小的越快，而脉冲周期越长，脉冲间隔(即，off时段)形成的负电压减小的越多，也会导致形成更宽的离子能量分布。虽然可以通过脉冲整形的方式控制离子能量分布函数(ion energy distribution function，iedf)的形状，但是脉冲整形的方式较繁琐，而且需要频繁调试相关参数。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种离子能量控制装置及方法、半导体工艺设备，其可以减小脉冲馈入回路中的杂散电感，而且无需采用脉冲整形的方式抵消离子电流的影响，从而更容易获得更窄的晶圆表面离子能量分布。

2、为实现本发明的目的而提供一种离子能量控制装置，应用于半导体工艺设备，包括脉冲生成模块和控制单元；

3、所述脉冲生成模块设置于所述半导体工艺设备的工艺腔室中，且位于基座下方，用于生成脉冲电压信号，并加载至所述基座中的馈入电极；

4、所述控制单元用于根据预设的最大离子电流值、所述馈入电极与所述基座上晶圆构成电容的电容值和在所述脉冲电压信号的周期中的关闭时段晶圆表面负偏压的减小幅度值，计算获得所述脉冲电压信号的目标周期和目标脉宽，并控制所述脉冲生成模块输出的所述脉冲电压信号的周期和脉宽分别等于所述目标周期和目标脉宽，以获得所需的晶圆表面离子能量分布。

5、可选的，所述离子能量控制装置还包括用于将所述脉冲生成模块的输出端与所述馈入电极电连接的连接组件，其中，所述脉冲生成模块集成在电路板上，且所述电路板竖直设置。

6、可选的，所述连接组件包括导电部件和紧固件，且所述导电部件的一端与所述脉冲生成模块的输出端电连接，所述导电部件的另一端弯折，并延伸至所述馈入电极的接触端下方，所述紧固件穿过所述导电部件，并与所述馈入电极的接触端连接。

7、可选的，所述基座为静电卡盘，所述馈入电极为所述静电卡盘中的吸附电极，且所述吸附电极包括多个电极，且所述多个电极包括至少一个正电极和/或至少一个负电极。

8、可选的，所述脉冲生成模块为一个，且所述多个电极全部为所述正电极或负电极时，所述脉冲生成模块的输出端与所有的所述电极电连接；或者

9、所述脉冲生成模块为一个，且所述多个电极包括至少一个正电极和至少一个负电极，所述脉冲生成模块包括第一输出端和第二输出端，其中，所述第一输出端与所述至少一个正电极电连接；所述第二输出端与所述至少一个负电极电连接；或者

10、所述脉冲生成模块为多个，且每个所述脉冲生成模块的输出端均为一个，各个所述脉冲生成模块的输出端一一对应地与各个所述电极电连接。

11、可选的，所述减小幅度值小于等于所述脉冲电压信号的最小幅值的20％。

12、可选的，所述目标周期大于等于33ns，且小于等于1000ns。

13、可选的，所述目标脉宽小于等于所述目标周期的50％。

14、可选的，所述脉冲生成模块包括直流模块和转换单元，其中，

15、所述直流模块用于提供直流电压信号；

16、所述转换单元用于在所述控制单元的控制下，将所述直流模块提供的直流电压信号转换为所述脉冲电压信号。

17、可选的，所述脉冲生成模块还包括阻尼单元，

18、所述阻尼单元的输入端与所述转换单元的输出端电连接，所述阻尼单元的输出端与所述馈入电极电连接，用于抑制馈入到所述馈入电极的所述脉冲电压信号的波形震荡。

19、可选的，所述阻尼单元用于使脉冲馈入回路的等效电阻值为临界阻尼值的0.8-1.2倍。

20、可选的，所述脉冲生成模块还包括至少一个隔直单元，所述隔直单元的输入端与所述转换单元的输出端电连接，所述隔直单元的输出端与所述馈入电极电连接，用于隔离所述静电吸附电源输出的直流信号。

21、可选的，所述脉冲生成模块还包括第一电压采样单元和第一电流采样单元，其中，所述第一电压采样单元用于检测馈入到所述馈入电极的第一电压值，并发送至所述控制单元；所述第一电流采样单元用于检测馈入到所述馈入电极的第一电流值，并发送至所述控制单元；

22、所述控制单元还用于根据所述第一电压值和所述第一电流值，判断所述目标周期和所述目标脉宽是否超出各自的预设阈值，若是，则控制调节所述转换单元所输出的所述脉冲电压信号的周期和脉宽。

23、可选的，所述脉冲生成模块还包括隔离驱动单元，所述隔离驱动单元的输入端与所述控制单元的输出端电连接，所述隔离驱动单元的输出端与所述转换单元电连接，用于将所述控制单元向所述转换单元输出的控制信号进行隔离和放大。

24、可选的，所述直流模块包括直流电源、第二电压采样单元和第二电流采样单元，其中，所述第二电压采样单元用于检测所述直流电源输出的第二电压值，并发送至所述控制单元；所述第二电流采样单元用于检测所述直流电源输出的第二电流值，并发送至所述控制单元；

25、所述控制单元还用于判断所述第二电压值和所述第二电流值是否超出各自的预设阈值，若是，则控制所述转换单元关闭。

26、作为另一个技术方案，本发明还提供一种离子能量控制方法，应用于本发明提供的上述离子能量控制装置，所述方法包括：

27、生成脉冲电压信号；

28、根据预设的最大离子电流值、所述馈入电极与所述基座上晶圆构成电容的电容值和在所述脉冲电压信号的周期中的关闭时段晶圆表面负偏压的减小幅度值，计算获得所述脉冲电压信号的目标周期和目标脉宽；

29、控制所述脉冲生成模块输出的所述脉冲电压信号的周期和脉宽分别等于所述目标周期和目标脉宽，以获得所需的晶圆表面离子能量分布。

30、作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体工艺设备，包括：

31、工艺腔室，所述工艺腔室中设置有用于承载晶圆的基座，且所述基座中设置有馈入电极；

32、本发明提供的上述离子能量控制装置，用于向所述馈入电极加载脉冲电压信号。

33、可选的，所述基座为静电卡盘，所述馈入电极为所述静电卡盘中的吸附电极，所述半导体工艺设备还包括：

34、静电吸附电源，通过连接通路连接在所述吸附电极与所述脉冲生成模块之间，所述连接通路包括至少一个电阻器。

35、本发明具有以下有益效果：

36、本发明提供的离子能量控制装置及方法的技术方案，通过将脉冲生成模块设置于半导体工艺设备的工艺腔室中，且位于基座下方，可以减小脉冲生成模块与基座之间的距离，从而可以减小脉冲馈入回路中的杂散电感，从而可以减小晶圆表面上形成的脉冲偏压的震荡，同时杂散电感的减小能够提高脉冲频率(从兆赫兹至几十兆赫兹)，从而可以缩短脉冲周期中off时段的持续时间，降低负偏压减小幅度，进而有助于形成更窄的离子能量分布。在此基础上，控制单元根据预设的最大离子电流值、馈入电极与基座上晶圆构成电容的容值和在脉冲电压信号的周期中的关闭时段晶圆表面负偏压的减小幅度值，计算获得脉冲电压信号的目标周期和目标脉宽，并控制脉冲生成模块输出的脉冲电压信号的周期和脉宽分别等于目标周期和目标脉宽，以获得所需的晶圆表面离子能量分布。由此，无需采用脉冲整形的方式抵消离子电流的影响，从而更容易获得更窄的晶圆表面离子能量分布。

37、本发明提供的半导体工艺设备，其通过采用本发明提供的离子能量控制装置，可以减小脉冲馈入回路中的杂散电感，而且无需采用脉冲整形的方式抵消离子电流的影响，从而更容易获得更窄的晶圆表面离子能量分布。