CN102931052A - 一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法，包括：在反应室内提供一待处理基片，所述基片上包括需刻蚀的材料层；通入刻蚀气体，对所述需刻蚀的材料层进行刻蚀；其中，所述刻蚀气体由以脉冲方式输出射频功率的射频功率源电离为等离子体；且所述射频功率在一个工作周期内的工作时间分为第一脉冲周期和第二脉冲周期，在所述第一脉冲周期内，所述射频功率分若干步阶梯式下降，在所述第二脉冲周期内，所述射频功率分若干步阶梯式上升，从而实现了射频功率在短时间内的稳定变化，避免了现有技术中因功率突变引起的电场中的湍流，从而保证了等离子体刻蚀的选择性和均一性。

Description

一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，特别涉及一种半导体器件制造过程中的等离子刻蚀方法。
背景技术
脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀工艺已广泛应用。其基本原理是射频功率源输出被脉冲调制的射频功率用于产生等离子体，所产生的等离子体的密度随脉冲发生变化，其中的带电粒子（电子及离子）数量间歇性变化，从而使等离子体的刻蚀作用得到控制和缓冲。在射频功率输出的脉冲周期内，包括射频功率输出期和停止期（如图1所示），由于功率输出期和停止期的转变过程是瞬间完成，为突变过程，会引起射频电场的湍流，导致产生的等离子体向各个方向流动，进而使得等离子体刻蚀芯片的选择性下降，等离子体刻蚀芯片的各向异性的特点减弱或消失。即使采用能够输出双功率的射频功率源，其在高低功率转变的过程中也是突变过程，仍无法避免引起射频电场的湍流，减弱等离子体刻蚀的各向异性的缺点。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法。为达到上述发明目的，本发明的技术方案为：
一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法，包括：
在反应室内提供一待处理基片，所述基片上包括需刻蚀的材料层；
通入刻蚀气体，对所述需刻蚀的材料层进行刻蚀；其中，所述刻蚀气体由以脉冲方式输出射频功率的射频功率源电离为等离子体；设定P、Q为连续的两个工作周期，所述射频功率源在第P个工作周期内的工作时间分为第一脉冲周期和第二脉冲周期，在所述第一脉冲周期内，所述射频功率分M1步阶梯式从第一最大值下降到第一最小值，在第二脉冲周期内，所述射频功率分M2步阶梯式从所述第一最小值上升到第二最大值；
所述射频功率源在所述第Q个工作脉冲周期内的工作时间分为第三脉冲周期和第四脉冲周期；在所述第三脉冲周期内，所述射频功率分N1步阶梯式从所述第二最大值下降到第二最小值，在所述第四脉冲周期内，所述射频功率分N2步阶梯式从所述第二最小值上升到第三最大值；
其中，P和Q均为自然数，且P不等于Q；M1、M2、N1、N2均为不小于2的整数。
优选地，所述射频功率恒大于零。
优选地，所述射频功率源在各步中的步长不相等；所述步长为所述射频功率相邻两次变化之间的时间间隔。
优选地，所述第一脉冲周期与所述第二脉冲周期相等。
优选地，所述第三脉冲周期与所述第四脉冲周期相等。
优选地，所述第一脉冲周期与所述第三脉冲周期相等。
优选地，所述第一最大值与所述第二最大值相等。
优选地，所述第一最大值与所述第三最大值相等。
优选地，所述第一最小值与所述第二最小值相等。
优选地，所述M1、M2、N1、N2均相等。
优选地，所述射频功率在各步中的步长相等；所述步长为所述射频功率相邻两次变化之间的时间间隔。
与现有技术相比，本发明将射频功率源在一个射频功率工作周期内的工作时间分为第一脉冲周期和第二脉冲周期，在所述第一脉冲周期内，所述射频功率分若干步阶梯式下降；在所述第二脉冲周期内，所述射频功率分若干步阶梯式上升，实现了射频功率的在短时间内的稳定变化，因而避免了现有技术中因功率突变引起的射频电场中的湍流，从而保证了等离子体刻蚀的选择性即各向异性和均一性的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中采用的脉冲射频功率输出方式示意图；
图2是本发明实施例一的脉冲射频功率输出方式示意图；
图3为本发明实施例二中的脉冲射频功率输出方式示意图。
具体实施方式
等离子刻蚀工艺是半导体制造技术中的重要工艺，例如对介质层的刻蚀、对金属层的刻蚀等等。刻蚀剂一般采用气体。在反应室内，通常在低压环境下，通入刻蚀气体，利用射频功率源产生射频电场使电子加速产生气体放电，从而使各个气体分子发生电离产生等离子体。
等离子体刻蚀属于干法刻蚀，使用气态化学刻蚀剂与材料发生反应并形成可从晶片上移除的挥发性副产物。等离子体作为一种带有等量的正电荷和负电荷的离子化气体，是由离子、电子与中性的原子或分子所组成的。等离子中三个重要的碰撞为离子化碰撞、激发-松弛碰撞和分解碰撞。这些碰撞分别会产生并且维持等离子体，并且会造成气体辉光放电以及制造出化学上易反应的自由基来加强化学反应。
本发明的等离子刻蚀方法用脉冲输出射频功率的方式来控制，且射频功率源在一个工作周期内的工作时间分为第一脉冲周期和第二脉冲周期，在第一脉冲周期内，该射频功率源输出的射频功率分若干步实现阶梯式降低；在第二脉冲周期内，该射频功率源输出的射频功率分若干步实现阶梯式提高，从而实现了射频功率的平稳变化，避免了现有技术中功率突变而引起的射频电场中的湍流，从而保证了等离子体刻蚀的选择性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
鉴于本发明的重点在于射频功率的脉冲输出方式，而等离子体刻蚀方法中的其它部分并非本发明的重点，且本领域技术人员通过本发明实施例的描述容易获得该部分内容，为简化起见，下述内容仅介绍本发明实施例提供的脉冲射频功率的输出方式。
实施例一
为简化起见，本发明实施例一仅以相邻的两个工作周期的情况为例进行说明，本领域技术人员可以根据将这两个脉冲周期的情况进行复制从而获得若干个脉冲周期。不应当不恰当地认为仅包括这两个工作周期。
图2（a）是本发明实施例一的射频功率输出方式示意图。图2（a）示例出了在两个连续的工作周期P和Q内射频功率的输出方式。在第P个工作周期内，射频功率源的工作时间分为第一脉冲周期T1和第二脉冲周期T2。在第一脉冲周期T1内，射频功率源分3步将射频功率第一最大值P1max下降到射频功率第一最小值P1min。第1步，射频功率源输出射频功率第一最大值P1max，且步长为t11；第2步，射频功率源降低输出射频功率，将其降低到射频功率P12，且步长为t12；第3步，射频功率源进一步降低输出射频功率，将其降低为第一最小值P1min；在第二脉冲周期T2内，射频功率源分3步将射频功率从第一最小值P1min提高到第二最大值P2max。第1步，射频功率源输出射频功率第一最小值P1min，且步长为t21；第2步，射频功率源提高输出射频功率，将其提高到射频功率p22，且输出射频功率P22的步长为t22；第3步，射频功率源继续提高输出射频功率，将其提高到第二最大值P2max。
在第Q个工作周期内，射频功率源的工作时间分为第三脉冲周期T3和第四脉冲周期T4。在第三脉冲周期T3内，射频功率源分3步将射频功率第二最大值P2max下降到射频功率第二最小值P2min。第1步，射频功率源输出射频功率第二最大值P2max，且步长为t31；第2步，射频功率源降低输出射频功率，将其降低到射频功率P32，且步长为t32；第3步，射频功率源进一步降低输出射频功率，将其降低为第二最小值P2min；在第四脉冲周期T4内，射频功率分4步从第二最小值P2min提高到第三最大值P3max。第1步，射频功率源输出第二最小值P2min，且步长为t41；第2步，射频功率源提高输出射频功率，将其提高到射频功率p42，且输出射频功率P42的步长为t42；第3步，射频功率源继续提高输出射频功率，将其提高到射频功率P43，且输出射频功率P43的步长为t43；第4步，射频功率源进一步提高输出射频功率，将其提高到第三最大值P3max。
其中，所述步长为所述射频功率相邻两次变化之间的时间间隔。
这样射频功率源将射频功率在第P个工作周期内分3步从第一最大值P1max下降到第一最小值P1min，然后分3步从第一最小值P1min提高到第二最大值P2max，在第Q个工作周期内，分3步从第二最大值P2max下降到第二最小值P2min，然后分4步从第二最小值P2min提高到第三最大值P3max。这种射频功率源逐步变化射频功率的输出方式，相较于现有技术中射频功率从最大值直接降到最小值，其变化趋势相对平缓，这样就避免了由于功率的突变而引起射频电场中的湍流，保证了等离子体流动方向的一致性，进而确保了等离子体刻蚀的各向异性和均一性的特点，对刻蚀的材料层来说，能够达到较好的表面粗糙度。当采用该方法刻蚀通孔、沟道等等时，均能达到理想的刻蚀效果。
该脉冲射频源形成了一个类似于电容器极板上充放电的机制，像电容器极板改变电荷密度一样灵活地控制激发产生的等离子体的数量。由此射频功率源输出的射频功率激发的等离子体的数量根据射频功率的大小而变化，当射频功率大时，激发的等离子体的数量较多，当射频功率小时，激发的等离子体的数量较少。因而，通过本实施例输出的射频功率激发的等离子体能够实现对被刻蚀材料有强有弱地刻蚀。
容易理解，射频功率源分得步数越多，连续的两步中的射频功率相差越小，得到的射频功率的变化趋势越平缓，射频电场变化越小，等离子体流动的方向越一致，使得等离子体刻蚀选择性和均一性特点越突出。
本发明实施例一中仅是本发明构思的一个示例，本发明对射频功率在各个时间段内变化的步数、步长不作限定。本发明在第一脉冲周期、第二脉冲周期、第三脉冲周期、第四脉冲周期内的射频功率变化的步数可以互不相等。本发明中射频功率变化过程中各步中的步长也可以互不相等。此外，本发明中每步输出的射频功率可以互不相等。因而，这样可以灵活地控制每一个射频功率的输出时间，从而克服了脉冲波射频功率源在一个脉冲周期内只有恒定的射频功率输出时间，而不能调控的缺点。
其它实施例中在第一脉冲周期的射频功率下降的步数不限定为3步，可以至少分2步使射频功率逐步下降，例如可以为100步、400步。同理，在第二脉冲周期和第三脉冲周期内的射频功率的变化步数也不限定为3步，可以至少分2步，例如可以为100步、300步、1000步等。同理，第四脉冲周期内的射频功率的上升步数不限定为4步，可以至少分2步使射频功率逐步上升、例如可以为30步、40步、500步等。其实现方法与实施例一相同，为了简便起见，未画出这些实施例的附图。
实施例一中当射频功率第一最小值P1min和/或第二最小值P2min为零时，即射频功率源停止输出功率，则射频功率源在时间段t21段和/或时间段t41处于射频功率停止期，图2（b）表示出该情形下的射频功率的输出方式。此时，因无输出功率，导致反应器内无法产生射频电场，因而，无法激发刻蚀气体产生等离子体，这样，反应器内的粒子就会附着在刻蚀材料层表面，这些附着在刻蚀材料层表面的粒子很难去除，加重了芯片的玷污，甚至会产生次品或废品。
实施例二
在实施例一的基础上，射频功率源恒处于射频功率输出期，且输出的射频功率恒大于零。图3为本发明实施例二中的脉冲射频功率输出方式示意图。这样，能够克服实施例一中当射频功率第一最小值P1min和/或第二最小值P2min为零，射频功率源处于射频功率停止期时，粒子附着在刻蚀材料表面的缺陷。本实施例中的射频功率第一最小值P1min和第二最小值P2min的设定值与实际值可以无限接近0，但不等于0，因而，该射频功率源工作时间内，输出的射频功率恒大于0。由此射频功率源输出的射频功率能够持续产生等离子体，因而，产生的等离子体能够对待刻蚀的材料进行连续而非间断地刻蚀。
此外，实施例一或实施例二中的第一脉冲周期和第二脉冲周期可以相等，第三脉冲周期和第四脉冲周期可以相等，第一脉冲周期和第三脉冲周期可以相等；输出功率第一最大值和第二最大值可以相等，第二最大值和第三最大值可以相等，第一最大值和第三最大值可以相等；输出功率第一最小值和第二最小值可以相等；射频功率在第一脉冲周期、第二脉冲周期、第三脉冲周期及第四脉冲周期内的变化步数和各步中的步长均可以相等。此时，射频功率的脉冲曲线类似于正弦曲线。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质上对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种脉冲射频输出功率控制反应等离子体刻蚀的方法，包括：
在反应室内提供一待处理基片，所述基片上包括需刻蚀的材料层；
通入刻蚀气体，对所述需刻蚀的材料层进行刻蚀；其中，所述刻蚀气体由以脉冲方式输出射频功率的射频功率源电离为等离子体；
其特征在于，设定P、Q为连续的两个工作周期，所述射频功率源在第P个工作周期内的工作时间分为第一脉冲周期和第二脉冲周期，在所述第一脉冲周期内，所述射频功率分M1步阶梯式从第一最大值下降到第一最小值，在第二脉冲周期内，所述射频功率分M2步阶梯式从所述第一最小值上升到第二最大值；
所述射频功率源在所述第Q个工作周期内的工作时间分为第三脉冲周期和第四脉冲周期；在所述第三脉冲周期内，所述射频功率分N1步阶梯式从所述第二最大值下降到第二最小值，在所述第四脉冲周期内，所述射频功率分N2步阶梯式从所述第二最小值上升到第三最大值；
其中，P和Q均为自然数，且P不等于Q；M1、M2、N1、N2均为不小于2的整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频功率恒大于零。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述射频功率源在各步中的步长不相等；所述步长为所述射频功率相邻两次变化之间的时间间隔。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一脉冲周期与所述第二脉冲周期相等。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第三脉冲周期与所述第四脉冲周期相等。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一脉冲周期与所述第三脉冲周期相等。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一最大值与所述第二最大值相等。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一最大值与所述第三最大值相等。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一最小值与所述第二最小值相等。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述M1、M2、N1、N2均相等。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述射频功率在各步中的步长相等；所述步长为所述射频功率相邻两次变化之间的时间间隔。
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Patentee after: China micro semiconductor equipment (Shanghai) Co.,Ltd.

Patentee after: Nanchang Medium and Micro Semiconductor Equipment Co.,Ltd.

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Patentee before: China micro semiconductor equipment (Shanghai) Co.,Ltd.