使用双频率射频源的等离子体产生与控制

摘要

本申请提供一种用以控制一半导体基材处理室内的一等离子体的方法。该方法包含：施加第一频率的第一RF信号给在处理室内的第一电极，该第一频率是被选择以使得等离子体鞘层振荡第一频率；及由电源施加第二频率的第二RF信号给第一电极，该第二频率是被选择以使得等离子体鞘层振荡第二频率，其中第二频率是与第一频率差别有一等于想要频率的差值，该想要频率被选择以使得等离子体鞘层振荡于该想要频率。

说明书

技术领域

本发明是有关于半导体基材处理系统，更明确地说，有关于使用双频率射频源的等离子体产生与控制。

背景技术

等离子体加强半导体处理室已经被广泛用于制造集成电路装置。于多数等离子体加强室中，多个射频(radio frequency，RF)源被用以形成及控制等离子体。例如，具有高频的RF源典型被用于等离子体形成及离子解离。另外，具有较低频的RF源经常被用以调制等离子体鞘层，以控制直流电压(即偏压)的累积于基材上。各种来源与其相关匹配电路的成本很大并对制造集成电路所需的设备造成了高成本。降低RF基础结构，而不牺牲任何制程优点将造成显著的成本节省。

因此，在等离子体加强半导体基材处理中，有需要一种用于等离子体产生与控制的改良方法与设备。

发明内容

本申请提供一种控制半导体基材处理室内的等离子体的方法。该方法包含：施加在第一频率的第一RF信号给在处理室内的第一电极，该第一频率是被选择以使得等离子体鞘层振荡第一频率；及由来源施加在第二频率的第二RF信号给第一电极，该第二频率是被选择以使得等离子体鞘层振荡第二频率，其中第二频率是与第一频率间差别有一等于想要频率的差值，该想要频率被选择以使得等离子体鞘层振荡于该想要频率。

于另一实施例中，一种控制在等离子体加强半导体基材处理室中的等离子体的方法，包含步骤：供给分别在第一频率的第一RF信号与第二频率的第二RF信号给在处理室内的第一电极，该第一频率与第二频率被选择以使得一反应远快于离子被从等离子体体加速时越过等离子体鞘层的横过时间；及控制于第一与第二频率间的频率差值等于一想要频率，该想要频率被选择以控制等离子体内的离子能量分布。

附图说明

本发明的上述特性、优点及目的可以通过参考其显示于附图中的实施例加以取得并详细了解。然而，应注意的是，附图只例示本发明的典型实施例，因此，并不被认为是限定范围用，因为本发明可以适用至其他等效实施例。

图1为具有双频率RF源的等离子体加强半导体处理室的方块图；

图2为在电极上的输入波形的频谱图；

图3为鞘层电压的频谱图；

图4A为反射系数大小对频率的图；

图4B为用于匹配元件模型的史密斯图；

图5为具有双频率RF源的处理室的一实施例简化图；

图6为具有双频率RF源的处理室的另一实施例简化图；及

图7A及7B为图表，比较具有双频率源的处理室的一实施例的离子能量分布与耦合至室中的分开电极的分开频率源的另一处理室。

主要元件符号说明

100  等离子体加强处理室  102  室

104  RF电源              106  匹配电路

108  电极                110  接地电极

500  蚀刻反应器          502  处理室

512  支撑托架            514  基材

516  进入端口            518  气体面板

520  真空泵              534  导体

536  控制器              540  中央处理单元

542  存储器              544  支援电路

546  气体混合            548  等离子体

550  节流阀    552  电气接地

600  反应器    602  处理室

610  介电顶板  612  支撑托架

614  基材      616  进入端口

618  气体面板  620  真空泵

634  室壁      636  控制器

638  感应线圈  646  气体混合物

648  等离子体  650  节流阀

652  电气接地  660  匹配元件

662  电源

具体实施方式

本发明为一种在使用双频率RF源的等离子体加强半导体处理室中，形成及控制等离子体特性的方法与设备。等离子体加强半导体处理室一般利用以两频率馈入的功率：一用于等离子体激励及离子解离的高频；及一用于等离子体鞘层调制的低频。于一实施例中，本发明利用由单一RF源产生的两高频输入，来产生等离子体。等离子体的一或更多特性，例如鞘层调制是利用波包现象加以控制，该现象在等离子体鞘层造成等于两输入信号间的频率差值的低频成份。

图1描绘具有一双频率RF源的等离子体加强半导体处理室的简化方块图。依据本发明的等离子体加强处理室100包含：一室102、一双频率RF电源104、及单一匹配电路106。室102包含一经由匹配电路106连接至源104的通电电极108及一接地电极110。除了减少的RF基础结构外，室102是类似于传统等离子体加强处理室。

电源104为具有双频率激励的RF产生器。该电源104大致能产生范围由约100KHz至约200MHz的两频率。电源104一般能产生多达5000瓦的连续或脉冲功率。于一特定实施例中，电源产生约13MHz及约14MHz，每一频率于约3千瓦。

于操作中，为电源104所产生的两频率在电源104的输出大致具有相同的大小，并被选择使得每一个别频率控制预定次组的等离子体特性，例如高频等离子体激励、离子解离、离子能量分布函数等等。频率也被选择以彼此接近，以允许如下所述经由匹配电路106作共同匹配。于两选择频率间的差产生一波包效应，该效应可以被利用以控制第二次组的等离子体特性，例如，低频等离子体激励、鞘层电压调制等等。此波包效应是如图2与图3所示。或者，于电源104所产生的两频率信号的大小间的比可以加以变化，以控制为两频率间的差所建立的波包效应的大小。

由双频率所控制的等离子体特性与由其差所建立的波包效应可以重迭。(即部份或全部控制特性，例如等离子体激励、离子能量分布函数、鞘层调制等等可以至少部份为电源104所提供的双频率与两频率间的差所建立的所得波包效应所控制。)再者，相同或其他等离子体特性或次组等离子体特性可以为其他耦合至该等离子体的RF信号所控制。例如，第三次组的等离子体特性可以为耦合至另一安排在室内的电极的另一RF电源所提供的RF信号所控制，这将如下参考图6加以说明。

图2描绘入射在等离子体室102的通电电极108上的输入波形的傅氏成份的大小210成为频率220的函数，及图3描绘鞘层电压波形300的频率分析，显示在鞘层中的所得频率成份的振幅310成为频率320的函数。可以由图2看出，输入波形200的频谱包含两期待波峰202、204，对应于为电源104所产生的频率1与频率2。然而，可以由图3看出，除了来自电源104来的一主驱动频率(波峰302与304)与其期待谐波外，一低频项(波峰306)是产生于鞘层中。此鞘层具有非线性特性曲线，其如同RF混波二极体影响输入RF信号般地影响RF信号，即一内调制频率成份被形成，其等于两输入频率间的差值。因此，低频项(波峰306)等于为电源104所产生的两频率间的差值。

为电源104所产生的驱动频率的最大差值是由匹配电路106的特性所决定。更确地说，匹配电路106的谐振频宽是对中于驱动频率的间。匹配电路106必须具有一Q，其定义有效耦合两频率至电极108与等离子体的频宽。只要两驱动频率实质落在匹配电路的频宽内，则RF基础结构能支援两分开的频率。典型用于此制程加强的类似低频范围的频率差可以自现行匹配技术加以取得。

图4A显示以典型L形匹配的大小表示的反射系数的线图400，其沿着轴402描述以MHz为单位的频率，对上沿着轴404描述的以分贝为单位的反射系数大小。所选择的频率应使得反射系数大小很小并实质相等，对于电源104所产生的频率1与2，是如所绘的点406与408。

图4B显示用于典型L形匹配的实/虚空间中的频率位置。描绘于图4B中的例示史密斯图450指明一50欧姆负载，例如，于一般出现于标准RF电源中者。频率应加以选择，使得它们尽可能落于接近史密斯图450的中心452，以提供合理低的反射功率，如图4B中的例示频率454、456所绘。

例如，为了激励等离子体于60MHz及2MHz，在标准等离子体加强半导体处理室，通常将需要用于这些频率的两分离电源及匹配。然而，在本发明中，两个选择频率被对中于高频值附近，即两频率的平均将为高频成份，及两频率将分开一等于想要低频的间隔。于本例子中，在59MHz与61 MHz的频率将由共同电源104经由共同匹配电路106被馈送，因而，施加一等离子体激励(59及61Hz信号)及一2MHz调制信号于等离子体鞘层间。这架构降低了在现行双频率技术中的RF基础架构，从两个电源及两个独立匹配元件或单一双频率匹配元件至单一电源及单一频率匹配元件，显著降低系统成本，而不会牺牲制程优点。

于另一例子中，由电源104所馈自通电电极108的两频率可以被选择，以控制相同等离子体特性，如同为内调制频率元件所控制(即两主频率间的差调谐与电源104所产生的主频率相同的等离子体参数)。

于一实施例中，离子能量分布函数也可以为主频率与内调制频率元件所控制。即，离子能量分布函数可以为主频率的选择与主频率间的差的控制所加以控制。明确地说，由电源104馈到电极108的两频率造成鞘层分别振荡于该两频率。另外，鞘层振荡也在两频率间(即由于内调制频率成份)的差值，有一特性频率。

如果等离子体鞘层振荡较一离子可以反应的为快，则因为由于RF振荡，在鞘层的电位变化是等于鞘层频率的倒数(例如鞘层振荡频率愈高，则离子行进鞘层的速度调制愈少)，所以，离子对鞘层的时间平均或直流成份及离子经历的投射的偏折量作反应。通过选择频率，使得频率差值的倒数低于当离子由等离子体体加速行经鞘层所花的时间，则频率差值的鞘层振荡可以将时间可变性加入离子的最终能量。因此，离子能量分布函数可以通过控制鞘层中的振荡频率加以控制，该鞘层跨于鞘层中的离子横过时间(例如，在鞘层中的振荡频率大于及小于在鞘层中的离子横过时间的倒数)。

于一实施例中，主频率可以选择以大于离子横过时间的倒数。另外，在主频率间的差值可以被选择为小于离子横过时间的倒数。控制主频率与主频率间的差值允许了对离子能量分布函数的控制。

例如，于一实施例中，电源104可以产生具有约13.56MHz及约13.86MHz的主频率的两信号给电极108。这使得等离子体鞘层分别振荡于13.56及13.86MHz。另外，鞘层将由于产生于两主频率间的差值的内调制频率成份，而具有振荡于300KHz的特性振荡。

可以通过图7A及图7B所绘的图表间的比较看出，如上所述的具有约13.56MHz及约13.86MHz的主频率的双频率电源的处理室的离子能量分布函数700(描绘于图7A)是非常类似于具有两分开RF电源的处理室所造成的离子能量分布函数(描绘于图7B)。因此，本发明的双频率电源架构相较于具有分开RF电源连接至处理室中的上与下电极的室，对离子能量分布函数完成了类似控制，藉以显著减少有关于处理室复杂度与硬体的成本。

另外，主频率与内调制频率成份的相对大小可以进一步被用以控制离子能量分布函数。例如，两主频率的相对电流或相对功率也可以被选择地提供，以控制内调制频率成份的大小。明确地说，当两主频率被施加有相同电流时，内调制频率成份的大小可以为最大。降低彼此相关的两主频率的一的电流将降低内调制频率成份的大小，直到在零电流(即没有第二频率)，内调制频率成份消失为止。

内调制频率成份的相对大小面对主频率的电流或功率大小对离子能量分布增加可变性，因此，允许离子能量分布函数在相对大小范围上作控制。

可以适用以由本发明得到利益的等离子体加强半导体处理室的例子包含但并不限定于由美国加州圣塔卡拉的应用材料公司购得的DecoupledPlasma Source(DPS^，DPS^||)、EMAX^TM、MXP^及ENABLER^TM处理室。该EMAXTM处理室被描述于由Shan等人所领证于2000年九月5日的美国专利第6,113,731号案。MXP^处理室是描述于由Qian等人所领证于1996年七月9日的美国专利第5,534,108号案及由Pu等人所领证于1997年十月7日的美国专利第5,674,321号案中。ENABLERTM处理室被描述于由Hoffman等人所领证于2003年三月4日的美国专利第6,528,751号案中。前述专利案均并入本申请作为参考。

图5描绘适用于本发明的蚀刻反应器500的例示实施例的示意图。于一实施例中，反应器500包含一处理室502与控制器536，处理室502在一导电主体(壁)534内具有基材支撑托架512。支撑托架512是经由匹配电路106耦合至双频率RF电源104。(电源104与匹配电路106是参考图1说明如上。)

控制器536包含一中央处理单元(central processing unit，CPU)540、一存储器542及用于CPU540的支援电路544，并促成处理室502的元件控制，即如下所详述的蚀刻制程。控制器536可以为一般目的电脑处理器的任一形式之一，其可以用于工业设定中，用以控制各种室与子处理机。CPU540的电脑可读取媒体542或存储器可以为现行存储器的一或多个，例如随机存取存储器(random access memory，RAM)、唯读存储器(readonly memory，ROM)、软碟、硬碟、或其他数位储存形式，远端或本地的。支援电路544被连接至CPU540，用以传统方式支撑处理机。这些电路包含快取、电源、时钟电路、输入/输出电路与次系统等等。本发明的方法大致储存于存储器542中作为软体常式。软体常式也可以被第二CPU(未示出)所储存及/或执行，该第二CPU是远离为CPU540所控制的硬体的执行。

于基本蚀刻操作中，基材514被放置于托架512上，处理气体被由气体面板518经由进入端口516供给并形成气体混合物546。通过自双RF电源104供给功率给基材支撑托架512，气体混合物546在室502中被激励成为等离子体548。为电源104所产生的两频率大致被选择于高频范围中，以提升等离子体激励及离子解离。为电源104所产生的两频率进一步被分隔开一预定间隔，该间隔等于用于调制等离子体鞘层的一特定低频。

典型地，室壁534被耦接至一电气接地552。在室502内部的压力是使用一节流阀550及真空泵520加以控制。壁534的温度使用含液体导管(未示出)加以控制，导管流穿过壁534。

其他形式的蚀刻室也可以用以实施本发明，包含具有远端等离子体源的室、微波等离子体室、电子回旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)等离子体蚀刻机等等。此技术同样地也不限定于蚀刻，可以适应至其他等离子体协助制程，包含沉积、退火、氮化、布植等等。

例如，图6描绘适用于本发明的蚀刻反应器600的另一例示实施例的示意图。于一实施例中，反应器600包含一处理室602与一控制器636，处理室602在导体(壁)634内具有基材支撑托架612。控制器636是类似于上述参考图5所述的控制器536。支撑托架612是经由一匹配电路106连接至双频率RF电源104。(电源104与匹配电路106是参考图1加以描述。)室602更包含一介电顶板610，其上，安置至少一感应线圈638(两线圈638是被描绘于图6的实施例中)。感应线圈638是经由第二匹配元件660被连接至一第二电源662。电源662大致为一单一RF产生器，其能在范围由约50KHz至约13.56MHz的可调频率下，产生多达3000瓦。给定用于电源662的频率范围是一般用于处理室的范围，该处理室具有电感耦合的顶电源。其他范围也是适当并可以在其他类型的处理室中与本发明一起使用。例如，在具有电容耦合顶电源的室中，电源大致产生具有频率高达200MHz的信号。或者，微波电源可以产生高达5GHz的频率。

于基本蚀刻操作中，基材614被放置在托架612上及处理气体被由气体面板618经过进入端口616供给并形成气体混合物646。通过施加来自源662的功率至感应线圈638与通过施加来自双RF电源104的功率至基材支撑托架612，在室602中的气体混合物646被激励成为等离子体648。为电源104所产生的两频率大致被选择于高频范围，以提升等离子体激励及离子解离。然而，功率可能不够高，而不能完成此功能，及电源104可被用以偏压基材614。为电源104所产生的两频率进一步被分隔开一预定间隔，该预定间隔等于用以调制等离子体鞘层的特定低频。双频率RF电源104的利用配合上电源662提供更多处理控制变数，以控制半导体基材614在室602中的处理。

典型地，室壁634是连接至电气接地652。在室602内部的压力是使用节流阀650及真空泵620加以控制。壁634的温度是使用含液体导管(未示出)加以控制，导管穿过该壁634。

虽然前述是有关于本发明的例示实施例，但本发明的其他实施例也可以在不脱离本申请的基本范围下加以想出。