一种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法

摘要

一种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法，属于等离子体刻蚀领域。该方法包括预先设置一个脉冲调制信号，脉冲上升沿时间t,t小于D×T(D为脉冲的占空比，T为脉冲的周期)；然后将此信号作为调制信号对基片偏置射频功率源进行脉冲调制，获得一个具有上升沿为t的射频调制功率。与现有的技术相比，本发明具有减少脉冲调制基片偏置电压初期的高能离子轰击材料造成的损伤，保护基片材料在刻蚀过程中的安全性，使得刻蚀器件获得更加良好的性能。同时，根据刻蚀需要的不同偏压参数，可以选择合适的t值，使之能够适用于各种基片材料的刻蚀要求。同时也可以和不同的线圈射频功率源的放电模式进行组合，使之能够适应于不同的等离子体放电条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法，属于等离子体刻蚀领域。

背景技术

等离子体刻蚀是采用射频放电使腔室的反应性气体产生解或者电离，产生活性粒子，如原子、离子或者自由基团，这些粒子扩散到基片的刻蚀部位，与基片的材料进行反应，在基片上得到需要获得的图案。等离子体刻蚀因其具有刻蚀速率快，刻蚀图案良好等优势被广泛的应用于材料的处理过程中。

目前，低温等离子体加工技术是半导体生产中非常重要的一部分，特别是在超大规模集成电路的制造工艺中，有将近三分之一的工序是需要借助等离子体技术来完成，如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀以及等离子体灰化基片掩膜等等。其中等离子体刻蚀需要用到等离子体中带电粒子，如电子、正离子和负离子。在刻蚀过程中，尤其是在线宽22nm及以下的刻蚀工艺中，刻蚀沟槽的深宽比越来越大。并且在刻蚀过程中，为了让带点粒子能够深入到刻蚀沟槽的底部与材料进行反应，需要在基片台上加上一定的偏置电压吸引带电粒子轰击到基片材料上。

连续波射频功率源是常用的施加在基片台射频电压的一种方式。连续波射频偏置电压在基片表面形成的偏压鞘层能够有效的将主等离子体区中的带电粒子吸引到材料的表面和刻蚀沟槽的内部，使其和刻蚀材料进行反应。但是同时会在刻蚀沟槽的侧壁和底部不同程度的附着上电荷，这些电荷在局部可能会形成较强的电场，这些电场会导致后续的离子轰击到沟槽中时不再是垂直入射，而是在这些电场的作用下发生偏转，从而造成刻蚀形貌的变形。尤其是沉积在沟槽底部的带电粒子，会造成沟槽底部出现底侧切或者旁刻，这些情况严重影响器件的性能，甚至使得刻蚀的器件直接报废。

脉冲调制基片偏置射频功率源是为了减少电荷在刻蚀过程中沉积的有效手段。因为，在脉冲调制后的基片偏置射频电压在后辉光期基片偏压鞘层很薄，甚至是直接塌缩消失，这样等离子体中的带电粒子就会直接轰击到材料的表面甚至是沟槽的底部中和在材料表面和沟槽中积累的电荷。使得在下一个脉冲辉光阶段能够继续进行材料的刻蚀过程。但是一般的脉冲调制基片偏置射频功率源的脉冲信号是将脉冲上升沿很小（小于5ns）的脉冲信号对源进行调制，脉冲调制后的基片偏置射频功率具有很小的上升沿，因此突然耦合到基片台上的功率会加诸在基片台上方的离子上，使其具有很高的离子能量，这些高能离子轰击在基片上会导致基片台上材料的损伤。由于随着刻蚀线宽越来越窄，在小于22nm及以下的线宽沟槽刻蚀过程中，材料基底的氧化物厚度仅有十几个纳米甚至是几个纳米，因此如此高能量的离子会直接导致氧化物的损伤甚至是击穿，从而导致刻蚀材料的损伤甚至是报废。

鉴于此，提供一种能够使得在脉冲调制基片偏置射频功率源后减少高能离子轰击基片材料造成损伤的方法显的尤为重要。

发明内容

针对现有方法中的缺陷，本发明提供一种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法。这种方法应解决了在深硅刻蚀领域，脉冲调制基片偏置功率后不能兼具减少刻蚀形貌变形和减少高能离子造成的材料损伤两方面的优点，使得在刻蚀过程中能够精确地控制材料的刻蚀形貌和保存材料的安全性。

本发明采用的技术方案是：一种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法，等离子体放电腔室具有线圈射频功率源信号和基片偏置射频功率源信号，通过改变基片偏置射频功率源信号的脉冲调制信号的上升沿，减少在基片材料刻蚀过程中脉冲调制偏置射频功率源初期产生的高能离子对基片上材料的损伤，所述方法包括如下步骤：

(a)产生一个脉冲上升沿的时间为t的脉冲信号，t小于D×T且大于零，其中D为脉冲的占空比，T为整个脉冲的周期；

(b)使用步骤(a)产生的脉冲信号调制基片偏置射频功率源的功率，使调制后的基片偏置射频功率源信号具有t的上升时间；

其中基片偏置射频功率源信号的射频频率为2MHz至60MHz，脉冲信号的频率范围是100Hz至100kHz，脉冲信号的占空比是10%至95%。

所述线圈射频功率源信号的频率为12MHz至14MMHz。

所述线圈射频功率源信号被频率为100Hz至100KHz的方波脉冲信号调制，调制后的线圈射频源功率信号与所述基片偏置射频功率源信号同步或者不同步。

所述线圈射频功率源信号的脉冲调制信号，其脉冲频率和所述基片偏置射频功率源信号的脉冲调制信号的频率相同或者小于所述基片偏置射频功率源信号的脉冲调制信号频率或者大于所述基片偏置射频功率源信号的脉冲频率。

本发明的有益效果是：这种减少基片材料受高能离子轰击损伤的方法，等离子体放电腔室具有线圈射频功率源信号和基片偏置射频功率源信号，通过改变基片偏置射频功率源信号的脉冲调制信号的上升沿，减少在基片材料刻蚀过程中脉冲调制偏置射频功率源初期产生的高能离子对基片上材料的损伤。这种方法解决了在深硅刻蚀领域，脉冲调制基片偏置功率后不能兼具减少刻蚀形貌变形和减少高能离子造成的材料损伤两方面的优点，使得在刻蚀过程中能够精确地控制材料的刻蚀形貌和保存材料的安全性。

附图说明

图1是一种脉冲调制基片偏置射频功率源的功率施加方式。

图2是另一种脉冲调制基片偏置射频功率源的功率施加方式。

图3是一种线圈射频功率源连续波形和基片偏置射频功率源进行脉冲调制的波形示意图。

图4是一种线圈射频功率源和基片偏置射频功率源同时进行脉冲调制的波形示意图。

图中：1、等离子体放电腔室，2、放电线圈，3、石英窗，4、基片台，5、进气口，6、抽气口，7、线圈射频功率源信号，8、基片偏置射频功率源信号，9、基片偏置射频功率源脉冲调制信号，10、调制后的基片偏置射频功率源射频信号，11、线圈射频功率源脉冲调制源信号，12、调制后的线圈射频功率源射频信号，t、脉冲信号的上升沿，T、脉冲的周期，Φ为9和11两信号之间的相位差。

具体实施方式

图1是一种脉冲调制基片偏置射频功率源的功率施加方式。其中包含了等离子体放电腔室1，放电线圈2，石英窗3，基片台4，进气口5和出气口6；还包含了施加于放电线圈2上的射频功率源A和放置于射频功率源A和放电线圈2之间的匹配网络A；也包含了施加于基片台4上的射频功率源B，这个射频功率源B通过匹配网络B和基片台4连接，并且射频功率源B被脉冲信号发射器B产生的脉冲信号调制。

图2是另一种脉冲调制基片偏置射频功率源的功率施加方式。其中包含了等离子体放电腔室1，放电线圈2，石英窗3，基片台4，进气口5和出气口6；还包含了施加于放电线圈2上的射频功率源A和放置于射频功率源A和放电线圈2之间的匹配网络A，并且射频功率源A被脉冲信号发生器A产生的脉冲信号调制；也包含了施加于基片台4上的射频功率源B，这个射频功率源B通过匹配网络B和基片台4连接，并且射频功率源B被脉冲信号发射器B产生的脉冲信号调制。

图3是一种线圈射频功率源连续波形和基片偏置射频功率源进行脉冲调制的波形示意图。线圈射频功率源信号7是图1和图2中展示的射频功率源A产生的射频信号，基片偏置射频功率源信号8是图1和图2中射频功率源B产生的射频信号，基片射频功率源脉冲调制信号9是由图1和图2中脉冲信号发生器B产生的脉冲信号，调制后的基片射频功率源射频信号10是将基片偏置射频功率源脉冲调制信号9对基片脉冲调制射频信号8进行调制后的波形。

图4是一种线圈射频功率源和基片偏置射频功率源同时进行脉冲调制的波形示意图。线圈射频功率源信号7是图1和图2中展示的射频功率源A产生的射频信号，基片偏置射频功率源信号8是图1和图2中射频功率源B产生的射频信号，基片射频功率源脉冲调制信号9是由图1和图2中脉冲信号发生器B产生的脉冲信号，调制后的基片射频功率源射频信号10是将基片偏置射频功率源脉冲调制信号9对基片脉冲调制射频信号8进行调制后的波形，线圈射频功率源脉冲调制信号11对线圈射频功率源信号7进行调制后产生调制后的线圈射频功率源射频信号12。其中基片射频功率源脉冲调制信号9和线圈射频功率源脉冲充调制信号11的相位差为Φ。

实施方案中，基片射频功率源脉冲调制信号9的上升沿t大于零小于D×T(D为脉冲信号占空比，T为脉冲周期)。通过调节t的大小可以调整轰击到基片台4上的离子能量，从而达到在脉冲放电初期减少高能离子轰击材料造成的损伤。优选的线圈射频功率源信号7的频率为13.56MHz。优选的基片偏置射频功率源射频信号8频率为2MHz，13.56MHz，60MHz中的一种，基片偏置射频功率源脉冲调制信号9的脉冲频率为100Hz至100kHz，基片偏置射频功率源的脉冲调制信号9的占空比为10%至95%。线圈射频功率源脉冲调制信号11和基片偏置射频功率源脉冲调制信号9之间存在相位差Φ。Φ的值为0≤Φ<360o，可以根据工艺的需要调制Φ的值，以期获得更加良好的结果，其具体的实施方式参考图2。

实施方案如图1中所示，由于线圈射频功率源A是连续波功率耦合到等离子体腔室中，因此主等离子体区的等离子体状态是稳定的。在刻蚀过程中，对线圈射频功率源A也进行脉冲调制（如图2所示），主等离子体的状态就是脉冲调制等离子体，这样的脉冲调制等离子体有其特有的性质，其特征不影响本发明的实质内容。

总上所述，本发明通过调整基片偏置射频功率源脉冲调制信号9的上升沿的时间t，可以减少刻蚀过程中高能离子对基片材料的损伤。尤其是在芯片刻蚀沟槽小于22nm线宽的沟槽刻蚀中，沟槽底部的氧化硅层只有十几个纳米甚至是几个纳米，能量高的离子能够击穿氧化硅层，导致刻蚀器件的损伤甚至是报废。因此本发明使得材料在刻蚀过程中能够得到更加精确的控制和更加安全的刻蚀过程。这为22nm及以下的刻蚀工艺中应用脉冲调制基片偏置射频功率源提供了有力的帮助。