CN103109342B - 用于等离子体处理衬底的技术 - Google Patents

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Abstract

揭示等离子体处理衬底的方法、处理衬底的方法及在设备中等离子体处理衬底的方法。在一个特定示范性实施例中，等离子体处理衬底的方法可用包括以下操作的方法来实现：在接近等离子体源处引入馈送气体，其中所述馈送气体可包括第一和第二物质，所述第一和第二物质具有不同的电离能量；向所述等离子体源提供多电平RF功率波形，所述多电平RF功率波形至少具有在第一脉冲持续时间期间的第一功率电平和在第二脉冲持续时间期间的第二功率电平，所述第二功率电平可不同于所述第一功率电平；在所述第一脉冲持续时间期间电离所述馈送气体的所述第一物质；在所述第二脉冲持续时间期间电离所述第二物质；以及在所述第一脉冲持续时间期间向所述衬底提供偏压。

Description

用于等离子体处理衬底的技术
技术领域
本申请案涉及用于处理衬底的技术，更明确地说，涉及用于使用等离子体处理衬底的技术。
背景技术
等离子体处理(Plasma processing)广泛用于半导体和其它行业中已有数十年。等离子体处理用于例如清洁、蚀刻、研磨和沉积等任务。最近，已将等离子体处理用于掺杂。已使用等离子体辅助型掺杂(Plasma assisted doping，PLAD)或有时称为等离子体浸没离子植入(plasma immersion ion implantation，PIII)来满足一些现代电子和光学装置的掺杂要求。等离子体掺杂(Plasma doping)不同于常规的射束线离子植入系统(beam-lineion implantation system)，该系统是用电场来加速离子且接着根据其质量电荷比(mass-to-charge ratio)来过滤所述离子以选择所要离子进行植入。不同于常规的射线束离子植入系统，PLAD系统将衬底浸没在含有掺杂剂离子的等离子体中且用一系列负电压脉冲(negative voltage pulse)来向衬底加偏压。等离子体鞘层(plasma sheath)内的电场使离子朝向衬底加速，进而将离子植入到衬底表面中。
用于半导体行业的等离子体掺杂系统通常需要非常高度的过程控制。半导体行业中广泛使用的常规射束线离子植入系统具有极佳的过程控制且还具有极佳的批次间均匀性(run-to-run uniformity)。常规的射束线离子植入系统在现有技术的半导体衬底的整个表面上提供高度均匀的掺杂。
一般来说，PLAD系统的过程控制不如常规射束线离子植入系统那么好。在许多等离子体掺杂系统中，电荷往往会积聚在正进行等离子体掺杂的衬底上。此电荷累积可能会导致在衬底上形成相对高电位的电压，其可能会造成无法接受的掺杂非均匀性(dopingnon-uniformities)和电弧(arcing)，这又可能会导致装置损坏。另外，等离子体的成分可能会影响所得的过程步骤。举例来说，大量惰性气体离子可对衬底造成比预期中更多的损坏。另外，电子温度可更改等离子体中的所要离子数目。
发明内容
揭示用于等离子体处理衬底的技术。在一个特定示范性实施例中，所述技术可用包括以下操作的方法来实现：在接近等离子体源处引入馈送气体，其中所述馈送气体可包括第一和第二物质，其中所述第一和第二物质具有不同的电离能量；向所述等离子体源提供多电平RF功率波形(multi-level RF power waveform)，其中所述多电平RF功率波形至少具有在第一脉冲持续时间期间的第一功率电平和在第二脉冲持续时间期间的第二功率电平，其中所述第二功率电平可不同于所述第一功率电平；在所述第一脉冲持续时间期间电离所述馈送气体的所述第一物质；在所述第二脉冲持续时间期间电离所述第二物质；以及在所述第一脉冲持续时间期间向所述衬底提供偏压。
根据此特定示范性实施例的另一方面，所述方法可进一步包括在所述第二脉冲持续时间期间向所述衬底提供偏压。
根据此特定示范性实施例的又一方面，所述第一功率电平可大于电离所述第一物质所需的功率电平，但小于电离所述第二物质所需的另一功率电平。
根据此特定示范性实施例的额外方面，可在未向所述衬底加偏压时施加所述第二功率电平。
根据此特定示范性实施例的又一额外方面，所述第一物质可包括处理物质。
根据此特定示范性实施例的再一方面，所述处理物质可包括B、P、Ge、As和Se中的至少一者，且所述第二物质可包括C、O、He、Ne和Ar中的至少一者。
根据此特定示范性实施例的又一方面，所述处理物质可为蚀刻剂以便蚀刻所述衬底。
根据此特定示范性实施例的另一方面，所述方法可进一步包括在所 述第二脉冲持续时间的至少一部分期间向所述衬底加偏压。
仍根据此特定示范性实施例的另一方面，所述方法可进一步包括：在所述第一脉冲持续时间期间选择性地朝向所述衬底引导所述处理物质的第一离子；以及在所述第二脉冲持续时间期间朝向所述衬底引导所述惰性物质的第二离子。
仍根据此特定示范性实施例的另一方面，所述第二RF功率电平可足以使所述等离子体稳定。
在另一特定示范性实施例中，所述技术可用包括以下操作的方法来实现：在等离子体源附近引入包括第一物质和第二物质的馈送气体，所述第一物质具有比所述第二物质低的电离能量；在第一周期期间向所述等离子体源施加第一功率电平以选择性地电离所述第一物质，其中所述第一功率电平可大于电离所述第一物质所需的功率电平，但小于电离所述第二物质所需的另一功率电平；在第二周期期间向所述等离子体源施加第二功率电平以电离所述第二物质，其中所述第二功率电平可大于电离所述第二物质所需的所述另一功率电平；以及在第一周期期间朝向衬底引导所述第一物质的离子。
根据此特定示范性实施例的另一方面，所述方法可进一步包括在第二周期期间朝向所述衬底引导所述第二物质的离子。
根据此特定示范性实施例的又一方面，所述方法可进一步包括：在所述第一周期期间将所述第一物质的离子植入到所述衬底中；以及在所述第二周期期间将所述第二物质的离子植入到所述衬底中。
根据此特定示范性实施例的额外方面，所述第一物质可包括P、B和As中的至少一者，且所述第二物质可包括C、O、He、Ne和Ar中的至少一者。
根据此特定示范性实施例的又一额外方面，所述方法可进一步包括在所述第一周期期间向所述衬底加偏压且在所述第二周期期间向所述衬底加偏压。
根据此特定示范性实施例的再一方面，所述方法可进一步包括在所述第一周期期间向所述衬底加偏压，而在所述第二周期期间不向所述衬底加偏压。
仍在另一特定示范性实施例中，所述技术可用一种方法来实现，所述方法可通过在设备中等离子体处理衬底来实现，所述设备包括接近于衬底的等离子体源、电耦合到所述等离子体源的RF电源、电耦合到所述衬底的偏压电源。在此实施例中，所述方法可包括在接近所述等离子体源处引入馈送气体，所述馈送气体至少包括第一和第二物质；用所述RF电源产生RF波形，所述RF波形具有在第一周期期间的第一功率电平和在第二周期期间的第二功率电平，其中所述第二周期可发生在所述第一周期之后；在所述第一和第二周期期间将所述RF波形施加到所述等离子体源以产生等离子体；用所述偏压电源产生偏压波形，所述偏压波形具有第一偏压电平和第二偏压电平，所述第一偏压电平为零偏压电平；以及向所述衬底施加所述偏压波形以朝向所述衬底引导来自所述等离子体的离子。
根据此特定示范性实施例的另一方面，所述第二功率电平可大于所述第一功率电平。
根据此特定示范性实施例的另一方面，可在所述第一周期期间将所述第一偏压电平施加到所述衬底。
根据此特定示范性实施例的又一方面，可在所述第二周期之后将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
根据此特定示范性实施例的额外方面，可在所述第二周期期间将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
根据此特定示范性实施例的又一额外方面，可在所述第一周期期间将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
根据此特定示范性实施例的再一方面，所述RF波形可进一步包括在第三周期期间的第三功率电平，其中所述第三功率电平可小于所述第一和第二功率电平，其中所述第三周期发生在所述第二周期之后，且其中可在所述第三周期期间将所述第一偏压电平施加到所述衬底。
根据此特定示范性实施例的又一方面，在所述第三周期期间不熄灭(extinguished)所述等离子体。
附图说明
为了促进更全面地理解本发明，现参看附图。这些图可能未必按比例绘制。另外，不应将这些图解释为限制本发明，而是希望其仅为示范性的。
图1A说明根据本发明的一个实施例的示范性等离子体处理系统。
图1B说明根据本发明的另一实施例的另一示范性等离子体处理系统。
图2A说明由RF源产生的具有单个振幅的现有技术波形。
图2B说明由偏置电压源产生的现有技术波形。
图3A说明根据本发明的一个实施例的由RF源产生的RF功率波形。
图3B说明根据本发明的另一实施例的由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图3C说明根据本发明的另一实施例的由偏置电压源产生的另一偏置电压波形。
图4A到4C说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图5A到5C说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图6说明根据本发明的另一实施例的多设定点RF功率与控制信号波形。
图7说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图8a和图8b说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图9a和图9b说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图10a到10d说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图11a到11e说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图12a到12d说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种 RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图13a到13e说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
图14a到14e说明根据本发明的另一实施例的由RF源产生的各种RF功率波形和由偏置电压源产生的偏置电压波形。
具体实施方式
本文中介绍用于使用基于等离子体的系统处理衬底的新技术的若干实施例。出于清楚和简明的目的，对衬底执行的处理可集中于掺杂、蚀刻和沉积过程。然而，本发明并不排除包含衬底表面钝化在内的其它类型的处理。因而，本发明中所揭示的系统无需限于执行特定过程的特定系统(例如，掺杂系统、蚀刻系统、沉积系统等)。
本文中所揭示的系统可包含一个或一个以上等离子体源(plasma source)以用于产生等离子体。出于清楚和简明的目的，本发明将集中于电感耦合式等离子体(inductively coupled plasma，ICP)源。然而，所属领域的技术人员将认识到，本发明并不排除包含电容耦合式等离子体(capacitively coupled plasma，CCP)源、螺旋(helicon)等离子体源、微波(microwave，MW)等离子体源、辉光放电(glow discharge)等离子体源和其它类型的等离子体源在内的其它源。等离子体源可靠近或接近于处理衬底所在的区域。或者，所述源可为远程等离子体源，其远离处理衬底所在的区域。施加于等离子体源的功率可为具有正或负偏压的连续或脉动DC或RF功率。出于清楚和简明的目的，本发明可集中于施加到ICP源的脉动RF功率。
本发明中对“一个实施例”或“一实施例”的参考是指结合所述实施例而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。在说明书的各处出现短语“在一个实施例中”不一定全部是指同一实施例。
应理解，本发明的方法的个别步骤可以任何次序和/或同时执行，只要本文中所揭示的系统或技术保持可操作。此外，应理解，本发明的系统和方法可包含所描述的实施例中的任何数目或全部的实施例，只要所述系统和方法保持可操作。
现将参看如附图中所显示的本发明的示范性实施例来更详细地描述本发明的教示。尽管结合各种实施例和实例来描述本发明的教示，但不希望本发明的教示限于此些实施例。相反，本发明的教示涵盖许多替代方案、修改和等效物，如所属领域的技术人员将了解。了解了本文教示的所属领域的技术人员将认识到额外的实施方案、修改和实施例以及其它使用领域，其均处于如本文所述的本发明的范围内。举例来说，应理解，根据本发明的用于在等离子体处理系统中中和电荷的方法可与任何类型的等离子体源一起使用。
许多等离子体处理系统以脉动操作模式来操作，其中将一系列脉冲施加到等离子体源以产生脉动等离子体。而且，可在等离子体源脉冲的接通周期期间将一系列脉冲施加到正进行等离子体处理的衬底，其向衬底加偏压以吸引离子进行植入、蚀刻或沉积。在脉动操作模式中，电荷往往会在等离子体源脉冲的接通周期期间积聚于正进行等离子体处理的衬底上。当等离子体源脉冲的工作周期相对低(即，小于约25％或有时小于2％，这取决于过程参数)时，电荷往往会有效地由等离子体中的电子中和且仅存在极小的充电效应。
然而，当前需要以具有相对高的工作周期(即，高于约2％的工作周期)的脉动操作模式来执行等离子体处理。此类较高工作周期是实现所要处理量且维持一些现代装置所需要的蚀刻速率、沉积速率和掺杂水平所必需的。举例来说，需要通过以大于2％的工作周期进行等离子体掺杂来执行多晶硅栅极掺杂(polysilicon gate doping)和对一些现有技术装置的反向掺杂(counter doping)。另外，需要以大于2％的工作周期执行许多等离子体蚀刻和沉积过程以使过程处理量增加到可接受的水平。
随着工作周期增加到高于约2％，可在等离子体源的脉冲断开周期(pulse-offperiod)期间中和正进行等离子体处理的衬底上的电荷的时期便相对短。因而，电荷积聚(charge accumulatio)或电荷累积(charge build up)可发生于正进行等离子体处理的衬底上，这导致在正进行等离子体处理的衬底上形成相对高电位的电压，其可能会造成等离子体处理非均匀性、电弧和衬底损坏。举例来说，含有薄栅极电介质的衬底可容易被过量电荷累积损坏。
本发明涉及用于在等离子体处理期间中和电荷的方法和设备。本发明的方法和设备通过降低充电效应所造成的损坏可能性来允许以较高的工作周期执行等离子体处理。明确地说，根据本发明的等离子体处理设备包含RF电源，其改变施加到等离子体源的RF功率以在等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。另外，可改变到正进行等离子体处理的衬底的偏置电压以至少部分地中和电荷积聚。此外，在本发明的一些实施例中，使施加于等离子体源的RF功率脉冲和施加于衬底的偏置电压在时间上同步，且改变施加于等离子体源的RF功率脉冲和施加于正进行等离子体处理的衬底的偏置电压的相对时序，以至少部分地中和衬底上的电荷积聚且/或实现某些过程目标。
更具体地说，在各种实施例中，使用单个或多个RF电源来独立地向等离子体源供电且向正进行等离子体处理的衬底加偏压，以便在等离子体处理期间至少部分地中和电荷。而且，在各种实施例中，在相对时间施加在等离子体处理期间施加于等离子体源的RF功率和施加于衬底的偏置电压，以在等离子体处理期间至少部分地中和电荷。
除了中和电荷之外，本发明的方法和设备可精确地控制在终止等离子体处理的周期(即，脉冲断开周期)期间用于RF源的功率和施加于衬底的偏压中的至少一者，以便实现某些过程目标。举例来说，本发明的方法和设备可精确地控制在脉冲断开周期期间用于RF源的功率和施加于衬底的偏置电压中的至少一者，以便允许在衬底表面上发生化学反应。这种能力可改进处理量且在一些蚀刻和沉积过程中提供更多过程控制。
另外，本发明的用于等离子体掺杂的方法和设备可精确地控制在脉冲断开期间用于RF源的功率和施加于衬底的偏置电压中的至少一者，以便改进在等离子体掺杂时所保留的剂量。所得的保留剂量的改进将减少植入时间且因此将增加等离子体掺杂处理量。除了中和电荷之外，本发明的方法和设备可精确地控制在终止等离子体掺杂的周期期间用于RF源的功率和施加于衬底的偏压中的至少一者，以便实现打击型离子植入机构(knock-ontype ion implant mechanism)，所述机构实现改进的侧壁等离子体掺杂分布(sidewallplasma doping profile)和退化掺杂分布 (retrograde doping profile)，如本文所描述。
参看图1A，显示根据本发明的一个实施例的等离子体处理系统(plasmaprocessing system)100。应理解，这仅是根据本发明的可执行等离子体处理(例如离子植入、沉积和蚀刻)的设备的许多可能设计中的一者。明确地说，应理解，存在可与本发明的等离子体处理系统一起使用的许多可能的等离子体源。图1中所示的等离子体源包含平面和螺旋RF线圈两者。其它实施例包含单个平面或螺旋RF线圈。另外其它实施例包含电容耦合式等离子体源或电子回旋谐振(electron cyclotron resonance)等离子体源。所属领域的技术人员将了解，存在许多类型的等效等离子体源。
等离子体处理系统100包含电感耦合式等离子体源101，其具有平面和螺旋RF线圈两者以及导电顶部区段。类似的RF电感耦合式等离子体源描述于2004年12月20日申请的题目为“具有导电顶部区段的RF等离子体源(RF Plasma Source with Conductive TopSection)”的第10/905,172号美国专利申请案中，所述美国专利申请案转让给本受让人。第10/905,172号美国专利申请案的整个说明书以引用的方式并入本文中。等离子体处理系统100中所示的等离子体源101非常适合于需要高度均匀处理的等离子体掺杂和其它精确等离子体处理应用，因为其可提供非常均匀的离子通量(ion flux)。另外，等离子体源101有用于高功率等离子体处理，因为其有效地耗散二次电子发射(secondary electronemission)所产生的热量。
更具体地说，等离子体处理系统100包含等离子体腔室(plasma chamber)102，其含有外部气体源(external gas source)104所供应的过程气体。外部气体源104(其通过比例阀(proportional valve)106耦合到等离子体腔室102)向腔室102供应过程气体。在一些实施例中，使用气体挡板(gas baffle)来使气体分散到等离子体源101中。压力计(pressure gauge)108测量腔室102内部的压力。腔室102中的排气端口(exhaust port)110耦合到真空泵(vacuum pump)112，其将腔室102排空。排气阀(exhaust valve)114控制穿过排气端口110的排气流导(exhaust conductance)。
气体压力控制器(gas pressure controller)116电连接到比例阀106、压力计108和排气阀114。气体压力控制器116通过控制响应于压力计108的反馈环路中的排气流导和过程气体流动速率来维持等离子体腔室102中的所要压力。用排气阀114来控制排气流导。用比例阀106来控制过程气体流动速率。
在一些实施例中，通过质量流量计(mass flow meter)向过程气体提供对痕量气体物质(trace gas species)的比率控制，所述质量流量计与提供主要掺杂剂物质的过程气体成直线耦合(coupled in-line)。而且，在一些实施例中，针对原位调节物质(in-situconditioning species)使用单独的气体注射构件。此外，在一些实施例中，使用多端口气体注射构件来提供造成产生跨衬底变化的中性化学效应的气体。
腔室102具有腔室顶部(chamber top)118，其包含由在大体上水平方向上延伸的电介质材料形成的第一区段120。腔室顶部118的第二区段122由在大体上垂直方向上从第一区段120延伸某一高度的电介质材料形成。第一和第二区段120、122在本文中有时一般称为电介质窗。应理解，存在腔室顶部118的众多变化形式。举例来说，第一区段120可由在大体上弯曲方向上延伸的电介质材料形成，使得第一和第二区段120、122并不正交，如第10/905,172号美国专利申请案中所描述，所述美国专利申请案以引用的方式并入本文中。在其它实施例中，腔室顶部118仅包含平面表面。
第一和第二区段120、122的形状和尺寸可经选择以实现特定性能。举例来说，所属领域的技术人员将理解，腔室顶部118的第一和第二区段120、122的尺寸可经选择以改进等离子体的均匀性。在一个实施例中，第二区段122在垂直方向上的高度与在水平方向上跨越第二区段122的长度的比率经调整以实现更均匀的等离子体。举例来说，在一个特定实施例中，第二区段122在垂直方向上的高度与在水平方向上跨越第二区段122的长度的比率在1.5到5.5的范围内。
第一和第二区段120、122中的电介质材料提供用于将来自RF天线的RF功率传送到腔室102内部的等离子体的媒介。在一个实施例中，用以形成第一和第二区段120、122的电介质材料为对过程气体具有抵化学性且具有良好热性质的高纯度陶瓷材料。举例来说，在一些实施例中，电介质材料为99.6％的Al2O3或AlN。在其它实施例中，电介质材料为氧化钇和YAG。
腔室顶部118的盖子(lid)124由在水平方向上跨越第二区段122延伸某一长度的导电材料形成。在许多实施例中，用以形成盖子124的材料的导电性足够高以耗散热负荷且使由二次电子发射引起的充电效应减到最小。通常，用以形成盖子124的导电材料对过程气体具有抗化学性。在一些实施例中，导电材料为铝或硅。
盖子124可借助由氟碳聚合物制成的抗卤素O形环(例如，由Chemrz和/或Kalrex材料形成的O形环)耦合到第二区段122。盖子124通常以某一方式安装到第二区段122，使得对第二区段122的挤压减到最小，但提供足够挤压以将盖子124密封到第二区段。在一些操作模式中，盖子124为RF和DC接地的，如图1所示。
在一些实施例中，腔室102包含衬垫(liner)125，其经定位以通过提供对等离子体腔室102的内部的直线对传式防护(line-of-site shielding)以避免由撞击等离子体腔室102的内部金属壁的等离子体中的离子所溅射的金属来防止或大大减少金属污染。此类衬垫描述于2007年1月16日申请的题目为“具有用于减少金属污染的衬垫的等离子体源(Plasma Source with Liner for Reducing Metal Contamination)”的第11/623,739号美国专利申请案中，所述美国专利申请案转让给本受让人。第11/623,739号美国专利申请案的整个说明书以引用的方式并入本文中。
在各种实施例中，所述衬垫为单件式或整体式等离子体腔室衬垫，或分段式等离子体腔室衬垫。在许多实施例中，等离子体腔室衬垫125由金属基础材料(例如铝)形成。在这些实施例中，至少等离子体腔室衬垫125的内表面125′包含硬涂层材料，其防止等离子体腔室衬垫基础材料的溅射。
一些等离子体过程(例如等离子体掺杂过程)由于二次电子发射而在等离子体源101的内表面上产生大量非均匀分布的热量。在一些实施例中，等离子体腔室衬垫125为温度受控的等离子体腔室衬垫125。另 外，在一些实施例中，盖子124包括冷却系统，其调节盖子124和周围区域的温度以便耗散在处理期间所产生的热负荷。冷却系统可为流体冷却系统，其包含位于盖子124中的冷却通道，所述冷却通道使来自冷却剂源的液体冷却剂循环。
RF天线定位于接近腔室顶部118的第一区段120和第二区段122中的至少一者处。图1中的等离子体源101说明彼此电隔离的两个单独的RF天线。然而，在其它实施例中，所述两个单独的RF天线电连接。在图1所示的实施例中，具有多匝的平面线圈RF天线126(有时称为平面天线或水平天线)定位于腔室顶部118的第一区段120邻近处。另外，具有多匝的螺旋线圈RF天线128(有时称为螺旋天线或垂直天线)包围腔室顶部118的第二区段122。
在一些实施例中，平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者与电容器129端接，所述电容器129降低有效天线线圈电压。术语“有效天线线圈电压”在本文中被定义以指跨越RF天线126、128的电压降。换句话说，有效线圈电压为“离子所见的”电压，或等效地，等离子体中的离子所经历的电压。
而且，在一些实施例中，平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者包含电介质层134，电介质层134具有与Al2O3电介质窗材料的介电常数相比相对低的介电常数。相对低的介电常数的电介质层134有效地形成电容性分压器(capacitive voltagedivider)，其也降低有效天线线圈电压。另外，在一些实施例中，平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者包含法拉第屏蔽(Faraday shield)136，其也降低有效天线线圈电压。
RF源130(例如RF电源)电连接到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者。在许多实施例中，RF源130通过阻抗匹配网络(impedance matching network)132耦合到RF天线126、128，所述阻抗匹配网络使RF源130的输出阻抗匹配于RF天线126、128的阻抗，以便使从RF源130传送到RF天线126、128的功率达到最大。从阻抗匹配网络132的输出到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128的虚线经显示以指示可形成从阻抗匹配网络132的输出到平面线圈 RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的任一者或两者的电连接。
在一些实施例中，平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者经形成以使得其可被液体冷却。冷却平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者将减少在RF天线126、128中所传播的RF功率所造成的温度梯度。
在一些实施例中，等离子体源101包含等离子体点火器(plasma igniter)138。可与等离子体源101一起使用众多类型的等离子体点火器。在一个实施例中，等离子体点火器138包含撞击气体储存器(reservoir)140，所述撞击气体是高度可电离的气体(例如氩气(Ar))，其辅助对等离子体进行点火。储存器140借助高流导气体连接耦合到等离子体腔室102。防爆阀(burst valve)142将储存器140与过程腔室102隔离。在另一实施例中，撞击气体源使用低流导气体连接直接垂直于(plumbed directly to)防爆阀142。在一些实施例中，储存器140的一部分被有限流导孔口(limited conductance orifice)或计量阀(metering valve)分离，所述有限流导孔口或计量阀在初始高流动速率爆发之后提供稳定流动速率的撞击气体。
台板(platen)144定位于过程腔室102中，处于低于等离子体源101的顶部区段118的高度处。台板144固持衬底146以进行等离子体处理。在许多实施例中，衬底146电连接到台板144。在图1所示的实施例中，台板144平行于等离子体源101。然而，在本发明的一个实施例中，台板144相对于等离子体源101倾斜以实现各种过程目标。
使用台板144来支撑衬底146或其它工件以进行处理。在一些实施例中，台板144以机械方式耦合到活动平台(movable stage)，所述活动平台在至少一个方向上平移、扫描或振动衬底146。在一个实施例中，活动平台为抖动产生器或者抖动或振动衬底146的振荡器。平移、抖动和/或振动运动可减少或消除遮蔽效应且可改进冲击衬底146的表面的离子束通量的均匀性。
偏置电压电源(bias voltage power supply)148电连接到台板144。偏置电压电源148用以向台板144和衬底146加偏压，使得等离子体中的离子被从等离子体中萃取出且冲击衬底146。在各种实施例中，所述 离子可为用于等离子体掺杂的掺杂剂离子或用于蚀刻和沉积的惰性或反应性离子。在各种实施例中，偏置电压电源148为DC电源、脉动电源或RF电源。在根据本发明的等离子体处理设备的一个实施例中，偏置电压电源148具有独立于向平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者供电的RF源130的输出波形的输出波形。在根据本发明的等离子体处理设备的另一实施例中，偏置电压电源148具有与向平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者供电的RF源130的输出波形同步的输出波形。偏置电压电源148和RF源130可在物理上为具有两个不同输出的同一电源或可为单独的电源。
控制器152用以控制RF电源130和偏置电压电源148产生等离子体以及向衬底146加偏压以便在根据本发明的等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。控制器152可为电源130、148的一部分或可为电连接到电源130、148的控制输入的单独控制器。控制器152控制RF电源130，使得以至少两个不同振幅将脉冲施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的任一者或两者。而且，控制器152控制RF电源130和偏置电压电源148，使得在相对时间将脉冲施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者而且还施加到衬底146，其在根据本发明的等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。
所属领域的技术人员将了解，存在可与本发明的特征一起使用的等离子体源101的许多不同可能变化形式。举例来说，参看2005年4月25日申请的题目为“倾斜式等离子体掺杂(Tilted Plasma Doping)”的第10/908,009号美国专利申请案中对等离子体源的描述。还参看2005年10月13日申请的题目为“共形掺杂设备和方法(Conformal DopingApparatus and Method)”的第11/163,303号美国专利申请案中对等离子体源的描述。还参看2005年10月13日申请的题目为“共形掺杂设备和方法(Conformal Doping Apparatusand Method)”的第11/163,307号美国专利申请案中对等离子体源的描述。另外，参看2006年12月4日申请的题目为“具有可电控的植入角度的等离子体掺杂(Plasma Doping withElectronically Controllable implant Angle)”的第11/566,418号美国专利申请案中对等离子体源的描述。第10/908,009号、第11/163,303号、 第11/163,307号和第11/566,418号美国专利申请案的整个说明书以引用的方式并入本文中。
在操作中，控制器152指示RF源130产生在RF天线126和128中的至少一者中传播的RF电流。也就是说，平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的至少一者为有源天线。术语“有源天线”在本文中被定义为由电源直接驱动的天线。在本发明的等离子体处理设备的许多实施例中，RF源130以脉动模式操作。然而，RF源130还可以连续模式操作。
在一些实施例中，平面线圈天线126和螺旋线圈天线128中的一者为寄生天线(parasitic antenna)。术语“寄生天线”在本文中被定义以指与有源天线电磁连通但并不直接连接到电源的天线。换句话说，寄生天线并不是由电源直接激励，而是由紧密靠近的有源天线激励，所述有源天线在图1A所示的设备中为平面线圈天线126和螺旋线圈天线128中的由RF源130供电的一者。在本发明的一些实施例中，寄生天线的一端电连接到接地电位以便提供天线调谐能力。在此实施例中，寄生天线包含线圈调整器(coil adjuster)150，其用以改变寄生天线线圈中的有效匝数。可使用众多不同类型的线圈调整器，例如金属短路(metal short)。
RF天线126、128中的RF电流接着将RF电流感应到腔室102中。腔室102中的RF电流激励并电离过程气体以便在腔室102中产生等离子体。等离子体腔室衬垫125防护等离子体中的离子所溅射的金属到达衬底146。
控制器152还指示偏置电压电源148用负电压脉冲向衬底146加偏压，所述负电压脉冲吸引等离子体中的离子朝向衬底146。在负电压脉冲期间，等离子体鞘层内的电场使离子朝向衬底146加速以进行等离子体处理。举例来说，等离子体鞘层内的电场可使离子朝向衬底146加速以将所述离子植入到衬底146的表面中，从而蚀刻衬底146的表面，在衬底146的表面上产生化学反应以进行蚀刻或沉积，或在衬底146的表面上生长薄膜。在一些实施例中，使用栅格来萃取等离子体中的离子朝向衬底146以便增加离子的能量。
图1B说明根据本发明的具有电荷中和的等离子体处理系统170的 另一实施例。等离子体处理系统170为电容性RF放电系统。电容性RF放电等离子体处理系统在业界中是众所周知的。等离子体处理系统170包含过程腔室172，过程腔室172具有过程气体入口(process gas inlet)174，所述过程气体入口174接纳流过等离子体放电区域的来自质量流量控制器的馈送气体。过程腔室172还包含排气端口(exhaust port)175，其耦合到移除流出气体的真空泵。通常，节流阀(throttle valve)定位于排气端口175中，所述气端口175耦合到真空泵以控制腔室172中的压力。通常，操作压力在10到1000mT的范围内。
等离子体处理系统170包含两个平面电极(planar electrode)，其通常称为平行板电极(parallel plate electrode)176。平行板电极176由RF源178驱动。平行板电极176由间隙(gap)分离，所述间隙在2到10cm的范围内。阻断电容器(blocking capacitor)180电连接于RF源178的输出与平行板电极176之间。阻断电容器180用以从驱动信号(drivesignal)移除DC和低频信号。RF驱动信号通常在100到1000V的范围内。平行板电极176通常由13.56MHz信号驱动，但其它频率也是合适的。
在常规的电容性RF放电等离子体处理系统中，衬底直接定位于底部平行板上。然而，等离子体处理系统170包含绝缘体(insulator)182，其定位于底部板与衬底184之间。绝缘体182允许以独立于由RF源178驱动的平行板电极176的方式向衬底184加偏压。单独的衬底偏置电压电源186用以向衬底184加偏压。衬底偏置电压电源186的输出电连接到定位于绝缘体182中的衬底184。
控制器188用以控制RF电源186和偏置电压电源186产生等离子体以及向衬底184加偏压，以便在根据本发明的等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。控制器188可为电源178、186的一部分或可为电连接到电源178、186的控制输入的单独控制器。控制器188控制RF电源178，使得以至少两个不同振幅将多电平RF脉冲施加到平行板电极176。而且，控制器188控制RF电源178和偏置电压电源186，使得在相对时间将RF脉冲施加到平行板电极176，所述相对时间在根据本发明的等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。
等离子体处理系统170的操作类似于等离子体处理系统100的操作。控制器188指示RF源178产生RF电流，所述RF电流传播到平行板电极176以从馈送气体在平行板之间产生等离子体。控制器188还指示偏置电压电源186用负电压脉冲向衬底184加偏压，所述负电压脉冲吸引等离子体中的离子朝向衬底184。在负电压脉冲期间，等离子体鞘层内的电场使离子朝向衬底184加速以进行等离子体处理。举例来说，等离子体鞘层内的电场可使离子朝向衬底184加速以将所述离子植入到衬底184的表面中，从而蚀刻衬底184的表面，在衬底184的表面上产生化学反应以进行蚀刻或沉积，或在衬底184的表面上生长薄膜。
当在一些处理条件下操作RF源178和偏置电压电源186时，电荷可能会积聚于衬底184上。衬底184上的电荷积聚可能会导致在正进行等离子体处理的衬底184上形成相对高电位的电压，这可能会造成处理非均匀性、电弧和装置损坏。衬底184上的电荷积聚可通过根据本发明用RF源178产生多电平RF波形且向衬底184加偏压而得以大大减少。另外，某些过程目标(例如过程速率和过程分布)可通过根据本发明用RF源178产生多电平RF波形且向衬底184加偏压来实现。
本发明的方法和设备可应用于众多其它类型的等离子体处理系统。举例来说，本发明的方法和设备可应用于ECR等离子体处理系统、螺旋等离子体处理系统和螺旋谐振器等离子体处理系统。在这些系统中的每一者中，RF源产生具有至少两个RF功率电平的多振幅脉动RF波形。而且，在许多实施例中，由偏置电压电源向衬底加偏压，所述偏置电压电源产生可用控制器与驱动等离子体源的RF波形同步的偏置电压波形。
参看图2A，显示由RF源130产生的常规波形200，其具有可能会在一些条件下造成电荷积聚于衬底146(图1)上的单个振幅。波形200处于接地电位，直到用具有功率电平PRF202的脉冲来产生等离子体为止。功率电平PRF 202经选择为适合于等离子体掺杂以及许多等离子体蚀刻和等离子体沉积过程。脉冲在脉冲周期TP 204之后终止且接着返回到接地电位。波形接着周期性地重复。
参看图2B，显示由偏置电压源148产生的常规波形250，所述偏置电压源在等离子体处理期间将负电压252施加到衬底146(图1)以吸 引等离子体中的离子。在当由RF源130产生的波形200具有等于功率电平PRF 202的功率时的周期T1 254期间施加负电压252。负电压252将等离子体中的离子吸引到衬底146以进行等离子体处理。波形200在当等离子体处理终止时的周期T2 256期间处于接地电位。在相对高的工作周期(即，大于约25％且在一些情况下大于约2％)下，电荷往往会在当由RF源130产生的波形250具有等于功率电平PRF 202的功率时的脉冲周期T1 254期间积聚于衬底146上。
本发明的方法和设备通过降低由充电效应造成的损坏可能性来允许在较高的工作周期下执行等离子体处理(例如等离子体掺杂、等离子体蚀刻和等离子体沉积)。存在向等离子体源101供电且对正进行处理的衬底146加偏压以至少部分地中和衬底146上的电荷积聚的众多根据本发明的方法。
参看图3A，显示根据本发明的由RF源130(图1)产生的RF功率波形300，其具有多个振幅以至少部分地中和衬底146(图1)上的电荷积聚。波形300为脉动的，且具有第一功率电平302和第二功率电平304，其在图中分别指示为PRF1和PRF2。然而，应理解，可在本发明的方法中使用具有两个以上振幅的波形以至少部分地中和衬底146上的电荷积聚。还应理解，波形可具有或可不具有离散振幅。举例来说，波形可连续变化。也就是说，在一些实施例中，波形可以正或负斜率倾斜。而且，波形可以线性或非线性速率倾斜。
第一功率电平PRF1 302经选择以在未向衬底146加偏压进行等离子体处理时提供足够的RF功率来至少部分地中和衬底146上的电荷积聚。第二功率电平PRF2 304经选择以适合于等离子体处理(例如等离子体掺杂、等离子体蚀刻和等离子体沉积)。在各种实施例中，将由RF源130产生的包含第一和第二功率电平PRF1 302、PRF2 304的波形300施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128(见图1)中的一者或两者。在一个具体实施例中，由RF源130产生的波形300在其处于第一功率电平PRF1 302时被施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的一者，且在其处于第二功率电平PRF2 304时被施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的另一者。在另一具体实施例中，由RF源130产生的波形300在其具有第一频率时被施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的一者，且在具有不同于第一频率的第二频率时被施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的另一者，如结合图5A到图5C所描述。
图3A所示的波形300指示第一功率电平PRF1302大于第二功率电平PRF2304。然而，在其它实施例中，第一功率电平PRF1302小于第二功率电平PRF2304。而且，在一些实施例中，当未向衬底146加偏压进行等离子体处理时，波形300包含为零的第三功率电平或某个相对低的功率电平，如结合图6所描述。
波形300还指示第一脉冲周期TP1306对应于其中波形300具有等于第一功率电平PRF1302的功率的时间周期且第二脉冲周期TP2308对应于其中波形具有等于第二功率电平PRF2304的功率的时间周期。波形300的总的多振幅脉冲周期T总310为第一脉冲周期TP1306与第二脉冲周期TP2308的组合。举例来说，在一个实施例中，第一和第二脉冲周期TP1306、TP2308均在30到500μs的范围内，且总的多振幅脉冲周期T总310在60μs到1ms的范围内。在其它实施例中，总的多振幅脉冲周期T总310可大约为1ms或更大。
图3A指示波形300在第一脉冲周期TP1306期间的频率与波形300在第二脉冲周期TP2308期间的频率相同。然而，应理解，在各种实施例中，波形300在第一脉冲周期TP1306期间的频率可不同于波形300在第二脉冲周期TP2308期间的频率，如结合图5A到5C所描述。另外，波形300的频率可在第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的至少一者内改变。
因此，在一些实施例中，波形300包含多个频率和多个振幅，其经选择以在等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。另外，在一些实施例中，波形300包含多个频率和多个振幅，其经选择以改进某些过程参数，例如用于等离子体掺杂的保留剂量。此外，在一些实施例中，波形300包含多个频率和多个振幅，其经选择以辅助实现某些过程目标。举例来说，波形300可包含多个频率和多个振幅以改进过程控制且增加过程速率。
而且，波形300可包含多个频率和多个振幅以实现打击型离子植入以形成退化掺杂分布。而且，波形300可包含多个频率和多个振幅以实现某些蚀刻分布和蚀刻过程目标，例如实现高纵横比(aspect-ratio)蚀刻分布。另外，波形300可包含多个频率和多个振幅以实现某些沉积分布和过程目标，例如将材料沉积为高纵横比结构、沉积共形或几乎共形涂层以及填充沟槽和其它装置结构中的间隙。
参看图3B，显示根据本发明的由偏置电压源148(图1)产生的偏置电压波形350，所述偏置电压源148在等离子体处理期间将负电压352施加到衬底146以吸引离子。偏置电压波形350与RF功率波形300同步。然而，应理解，偏置电压波形350中的脉冲不必与RF功率波形300中的脉冲对准。在当由RF源130产生的波形350具有等于第二功率电平PRF2304的功率时的第二脉冲周期TP2308期间施加负电压352。在当等离子体处理终止且波形300具有等于第一功率电平PRF1302的功率时的第一脉冲周期TP1306期间波形350处于接地电位。
以两个不同功率电平将波形施加到等离子体源101(图1)(其中在当由偏置电压源148(图1)产生的波形350处于接地电位时的周期TP1306期间由RF源130施加第一功率电平PRF1302)将辅助中和积聚于衬底146(图1)上的电荷。对应等离子体中的电子将中和积聚于衬底146上的至少一些电荷。
图3C说明根据本发明的由偏置电压源148(图1)产生的波形360，所述偏置电压源148在等离子体处理期间将负电压362施加到衬底146以吸引离子，且在等离子体处理终止之后将正电压364施加到衬底146以辅助中和衬底146上的电荷。在当由RF源130产生的波形300具有等于第二功率电平PRF2 304的功率时的第二脉冲周期TP2308期间施加负电压362。在当由RF源130产生的波形300具有等于第一功率电平PRF1302的功率时的第一脉冲周期TP1306期间，波形360处于正电位364。
以两个不同功率电平将波形施加到等离子体源101(图1)(其中在当由偏置电压源148(图1)产生的波形360处于正电位364时的第一周期TP1306期间由RF源130(图1)施加第一功率电平PRF1302)将辅 助中和积聚于衬底146(图1)上的电荷。对应等离子体中的电子将中和积聚于衬底146上的至少一些电荷。另外，施加于衬底146的正电压364也将中和积聚于衬底146上的至少一些电荷。
图4A到4C说明根据本发明的由RF源130(图1)产生的RF功率波形400和由偏置电压源148(图1)产生的偏置电压波形402、404，其类似于结合图3A到3C所描述的波形300、350和360，但在时间上相对于波形300、350和360移位，以便以第一功率电平PRF1302和第二功率电平PRF2304两者执行等离子体过程。在此实施例中，RF功率波形400与偏置电压波形402、404经同步，但RF功率波形400中的脉冲未与偏置电压波形402、404中的脉冲对准。
在等离子体处理期间改变由RF源130产生的功率允许用户更精确地控制在等离子体处理期间积聚于衬底146的表面上的电荷量，以实现某些过程目标和效应。举例来说，在第二脉冲周期TP2308的结束附近增加功率将增强对积聚于衬底146上的电荷的中和。
参看图5A到5C，显示根据本发明的另一实施例的由RF源130(图1)产生的具有可变频率的RF功率波形500和由偏置电压源148(图1)产生的对应偏置电压波形502、504。波形500类似于结合图3和图4所描述的波形300、400。然而，第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的RF功率为相同的，且第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的频率为不同的。改变波形500的频率会改变离子/电子密度，且因此改变电荷中和效率。
因此，在一个实施例中，波形500在第一脉冲周期TP1306中的频率不同于波形500在第二脉冲周期TP2308中的频率，且这些频率经选择以在等离子体处理期间至少部分地中和电荷积聚。波形502、504类似于结合图3所描述的波形350和360。在其它实施例中，波形502、504在时间上相对于波形500而移位，这类似于结合图4所描述的波形402、404的移位。
另外，在本发明的一个方面中，例如由RF源130产生的多个功率电平、波形500在第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的频率以及波形500相对于由偏置电压源148(图1)所产生的波形的相对 时序等参数经选择以实现某些过程目标。举例来说，用RF源130产生多个功率电平(其中当偏置电压处于接地电位时由RF源130产生一个功率电平)允许用户在等离子体处理期间使用较少功率且/或减少过程时间，因为一些等离子体处理将在偏置电压处于接地电位时进行。
而且，在本发明的一个实施例中，由RF源130(图1)产生的多个功率电平中的至少一者、波形500在第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的至少一者中的频率以及波形500相对于由偏置电压源148(图1)所产生的波形的相对时序经选择以在执行等离子体掺杂时改进衬底146(图1)上的保留剂量。举例来说，在等离子体处理期间使用较少功率将在衬底上产生较少沉积且因此产生较高保留剂量。操作压力、气体流动速率、稀释气体类型和等离子体源功率也可经选择以进一步针对这种方法改进保留剂量。
而且，在本发明的另一实施例中，由RF源130(图1)产生的多个功率电平中的至少一者、波形500在第一脉冲周期TP1306和第二脉冲周期TP2308中的至少一者中的频率以及波形500相对于由偏置电压源148所产生的波形的相对时序经选择以在等离子体处理期间改进侧壁覆盖。术语“改进侧壁覆盖”在本文中称为增加侧壁上的材料沉积速率与衬底表面的垂直于离子通量的表面上的材料沉积速率的比率。实现较好的侧壁覆盖对于许多应用(例如共形掺杂和共形沉积应用)来说是重要的。举例来说，许多三维和其它现有技术装置需要共形掺杂和共形沉积。
而且，在本发明的另一实施例中，由RF源130(图1)产生具有某些多个功率电平、多个频率和相对于由偏置电压源148(图1)产生的波形的相对时序的波形，以便形成打击型离子植入以进行等离子体掺杂。术语“打击型离子植入”在本文中被定义为反冲离子植入(recoil ion implant)，其中穿过衬底146的表面层植入离子以将掺杂剂材料驱动到衬底146中。
用于打击型离子植入的离子可为惰性离子物质，例如He、Ne、Ar、Kr和Xe，其可由惰性馈送气体形成。在一些实施例中，打击型离子的质量经选择为类似于所要掺杂剂离子的质量。RF源130(图1)产生足以用足够能量朝向衬底146(图1)引导打击型离子以在撞击后在物理 上将所沉积的掺杂剂材料打击到衬底146(图1)的平面和非平面特征中的RF功率。而且，例如腔室压力、气体流动速率、等离子体源功率、气体稀释和脉动偏压源的工作周期等操作参数可经选择以增强打击型离子植入。
打击型离子植入可用以形成退化掺杂分布。由RF源130(图1)产生具有某些多个功率电平、多个频率和相对于由偏置电压源148产生的波形的相对时序的波形以便形成退化分布，例如退化掺杂分布或退化沉积膜分布。术语“退化分布”在本文中被定义为其中分布的峰值浓度位于衬底表面下方的分布。举例来说，参看题目为“使用离子植入形成退化材料分布的方法(A Method of Forming a Retrograde Material Profile Using IonImplantation)”的第12/044,619号美国专利申请案，其转让给本受让人。第12/044,619号美国专利申请案的整个说明书以引用的方式并入本文中。
对于等离子体掺杂，有时需要形成退化离子植入掺杂剂分布，因为出于许多原因而难以精确地控制离子植入层的深度。举例来说，在等离子体掺杂期间，可能存在由物理溅射和化学蚀刻造成的对衬底表面的一些无意蚀刻。另外，可能在衬底表面上存在一些无意沉积。此外，可能归因于许多因素(例如多种离子物质的存在、离子之间的碰撞、等离子体鞘层中的非均匀性、二次电子发射的存在、由于寄生阻抗而形成的移位电流和非理想的偏压脉冲的施加)而存在显着的离子植入能量分布。
另外，有时需要形成退化离子植入掺杂剂分布，因为表面峰值掺杂剂分布对沉积后或植入后过程非常敏感，这是由于沉积或植入材料的最大峰值浓度的大部分位于衬底表面处或其附近。明确地说，通常在植入之后执行的光致抗蚀剂剥离过程将移除表面附近的大量掺杂剂材料。
在其它实施例中，由RF源130产生具有某些多个功率电平、多个频率和相对于由偏置电压源148产生的波形的相对时序的波形以便实现某些过程目标或过程分布(例如蚀刻分布)。举例来说，所述多个功率电平、多个频率和相对于由偏置电压源148产生的波形的相对时序可经选择以实现高纵横比蚀刻分布或某些类型的沉积分布。
所属领域的技术人员将了解，根据本发明的由RF源130(图1)产 生的波形可具有多个振幅和多个频率，且可具有相对于由偏置电压源148(图1)产生的波形的各种相对时序。事实上，存在具有可由RF源130(图1)产生的多个功率电平和多个频率以及相对于由偏置电压源148(图1)产生的波形的相对时序的几乎无穷数目个可能波形，其将至少部分地中和电荷且/或实现本文中所描述的过程目标。
参看图6，显示根据本发明的一个实施例的所测量的多设定点RF功率与控制信号波形600。波形600包含以在时间t0处开始的时间为函数的RF功率与控制信号波形。波形600显示离子植入周期602、电荷中和周期604和断电周期606。
参看图1和图6，在时间t0处，控制器152(图1)产生植入脉冲608，其指示偏置电压电源148(图1)用负电压脉冲向衬底146(图1)加偏压，所述负电压脉吸引等离子体中的离子朝向衬底146。植入脉冲602的上升时间为约30微秒。而且，在时间t0处，控制器152产生RF脉冲控制信号，其起始具有第一功率电平的RF功率波形610。在离子植入周期602中，控制器152产生第一RF脉冲控制信号612，其致使RF电流在RF天线126和128(图1)中的至少一者中流动，进而撞击等离子体。第一RF脉冲控制信号612的上升时间为约30微秒。
电荷中和周期604在第一RF脉冲控制信号612和植入脉冲信号608两者均返回到零时开始。第一RF脉冲控制信号和植入脉冲控制信号的下降时间为约20微秒。在电荷中和周期604中，控制器152产生第二RF脉冲控制信号614，其使RF功率波形610斜变(ramps)到第二功率电平。在许多实施例中，第二功率电平大于第一功率电平，如图6所示。然而，在其它实施例中，第二功率电平可为包含低于第一功率电平的功率电平的任何功率电平。第二RF脉冲控制信号的上升时间也为约30微秒。在电荷中和周期604中，衬底146上的至少一些电荷有效地由等离子体中的电子中和。此部分或完全的电荷中和减少衬底146上的不合意的充电效应。
断电周期606在第二RF脉冲控制信号614返回到零时开始。第二RF脉冲控制信号614的下降时间为约20微秒。在断电周期606中，熄灭RF功率，这终止了等离子体。根据本发明的具有增强型电荷中和的 等离子体处理方法可与许多不同多设定点RF功率与控制信号波形600一起使用。
应理解，根据本发明的用于电荷中和的方法可与众多其它类型的等离子体处理设备一起使用。举例来说，用于电荷中和的方法可与具有电感耦合式等离子体(ICP)源、螺旋谐振器等离子体源、微波等离子体源、ECR等离子体源和电容耦合式等离子体源的等离子体处理设备一起使用。事实上，可以脉动模式操作的任何类型的等离子体源可用以执行本发明的方法。
当脉动RF和偏压波形200和250用于植入离子时，难以准确地控制将要植入的离子的成分。举例来说，B2H6与氦气的混合物可用以形成等离子体。此混合物可形成p型掺杂剂离子以及氦离子。当衬底被加负偏压时，等离子体中所形成的正离子朝向衬底加速。氦离子可在衬底中造成较多损坏，且减缓衬底在退火过程期间的再生长速率。因此，将有益的是使氦离子的形成减到最少。然而，在传统的等离子体浸没植入中，不加选择地形成离子，因而植入了掺杂剂和氦离子两者。
下文中，揭示等离子体处理的各种实施例。如上文所提及，所述过程可为基于等离子体的离子植入过程、基于等离子体的蚀刻过程、基于等离子体的沉积过程或任何其它基于等离子体的过程。出于清楚和简明的目的，描述可集中于施加到等离子体源以产生并维持等离子体的RF波形以及施加到衬底以用等离子体或包含于其中的使用RF波形产生的粒子处理衬底的偏压波形。如下文所描述，RF波形和偏压波形可具有各种配置。
参看图7，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形700和对应的偏置电压波形701。如图中所说明，RF功率波形700和偏置电压波形701可包括具有不同振幅的多个脉冲。类似于早先实施例，可将RF功率波形700施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128(图1)中的一者或一者以上，而可将偏置电压701施加到衬底146(图1)。
RF功率波形700可包括第一到第三RF功率脉冲702、704和706，其在三个对应的RF功率周期tp1、tp2和tp3期间施加。如图中所说明，第一RF功率脉冲702可在第二RF功率脉冲704前面，且第二功率脉冲 704可在第三RF功率脉冲706前面。如果需要的话，可以所述次序或以不同次序提供额外的第一到第三RF功率脉冲702、704和706。
第一RF脉冲702可具有第一功率电平PRF1，第二RF功率脉冲704可具有第二功率电平PRF2，且第三脉冲706可具有第三功率电平PRF3。在本实施例中，第一功率电平PRF1可大致为0。或者，第一功率电平PRF1可大于0。同时，第二功率电平PRF2可大于第一功率电平PRF1，但小于第三功率电平PRF3。举例来说，第二RF功率电平PRF2的值可为约200瓦，且第三功率电平PRF3的值可为第二功率电平PRF2的150％到600％(大约600瓦)。在第二RF功率周期tp2和第三RF功率周期tp3期间，当施加第二RF功率脉冲704和第三RF功率脉冲706时，可产生等离子体。与借助施加第二RF功率脉冲704产生的等离子体相比，借助施加第三RF功率脉冲706产生的等离子体可具有不同性质。举例来说，借助第三RF功率脉冲706产生的等离子体可具有较大的离子和/或电子密度。
第三RF功率脉冲706的宽度(或第三RF功率周期tp3的持续时间)可为工作周期的约20％到50％。同时，第二RF功率脉冲704的宽度(或第二RF功率周期tp2的持续时间)可具有为工作周期的大约60％的上限。在特定实例中，第二RF功率脉冲704的宽度可为约30到100μs，但优选为大约90μs。同时，第三RF功率脉冲706的宽度可为约10到50μs，但优选为30μs。所属领域的技术人员将认识到，第二RF功率脉冲704和第三RF功率脉冲706的宽度中的至少一者可依据等离子体和/或衬底146的所要条件或性质而改变。
同时，偏置电压波形701可包括第一偏压脉冲703和第二偏压脉冲705。第一偏压脉冲703可具有第一偏压电平V1且在第一偏压周期tb1期间施加。同时，第二偏压脉冲705可具有第二偏压电平V2且在第二偏压周期tb2期间施加。在本实施例中，第二偏压电平V2可具有比第一偏压电平V1大的绝对值(即，更正或更负)。同时，第一偏压电平V1可为约0，其通过断开提供给衬底146(图1)的偏压来实现。或者，第一偏压电平V1可具有大于0的绝对值(即，更正或更负)。如果在离子接近于衬底146(图1)时提供第二偏压脉冲705，那么可吸引离子并将其植入到衬底146中。
如图中所说明，第一RF功率周期tp1和第三RF功率周期tp3可与第一偏压周期tb1重合。同时，第二RF功率周期tp2可与第一偏压周期tb1和第二偏压周期tb2两者重合。换句话说，第二偏置电压脉冲705施加到衬底146(图1)，而第二RF功率脉冲704施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128(图1)中的一者或一者以上。在所述图中，显示第三RF功率脉冲706和第一偏置电压703的同时施加。然而，所属领域的技术人员将认识到，可能存在一些延迟，且第三RF功率脉冲706和第一偏置电压703中的一者可在第三RF功率脉冲706和第一偏置电压703中的另一者之后施加。
如果在第二RF功率周期tp2期间用第二RF功率脉冲704产生等离子体，那么将第二偏压脉冲705施加到衬底146(图1)将把来自等离子体的离子吸引到衬底146中。举例来说，施加负偏压V2将吸引带正电的离子，且带正电的离子将植入到衬底146中。因而，衬底146和安置或沉积于其上的任何其它材料也可成为带正电的。因而，可能发生电弧。如果工作周期或过程系统内部的压力增大，那么电弧可能会恶化。通过施加RF功率波形700和偏置电压波形701，即使工作周期或压力增大也可避免电弧。在特定实例中，已将具有300瓦的第二脉冲704和600瓦的第三脉冲706的RF功率波形700施加到天线126和128(图1)以将离子植入到衬底146中。已在系统100内建立6毫托的压力。尽管使植入的持续时间(即，tb2)从30μs增加到80μs，但未观测到电弧。在另一实例中，在系统中处理衬底146，其中系统100内的压力为约10毫托。在此实例中，增加压力以进一步增加处理量。将具有第二脉冲704和第三脉冲706的RF功率波形700施加到天线126和128中的至少一者。第二脉冲704具有200瓦的功率电平，而第三脉冲706具有600瓦的功率电平并持续30μs。尽管植入的持续时间(即，tb2)增加了90μs，但未观测到电弧。
参看图8a，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形800和对应的偏置电压波形801。在本实施例中，RF功率波形800和对应的偏置电压波形801可分别施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的一者或一者以上和衬底146(见图1)，以减少PLAD过程所引 发的损坏和缺陷。如图中所说明，RF功率波形800和偏置电压波形801可包括具有离散且不同的振幅的多个脉冲。然而，应理解，可使用拥有具有或不具有离散振幅的三个以上脉冲的RF功率波形。举例来说，还可使用具有连续变化的振幅的波形。而且，波形可以线性或非线性速率倾斜。此外，应注意，所述波形描绘RF功率信号的振幅，而非其频率。任何合适的频率或频率集合可用以向天线126和128(图1)供电。
在本实施例中，RF功率波形800可包括第一到第三RF功率脉冲802、804和806，其在三个对应的RF功率周期tp1、tp2和tp3期间施加。如图中所说明，第一RF功率脉冲802可在第二RF功率脉冲804前面，且第二功率脉冲804可在第三RF功率脉冲806前面。如果需要的话，可以所述次序或以不同次序提供额外的第一到第三RF功率脉冲802、804和806。
第一RF脉冲802可具有第一功率电平PRF1，第二RF功率脉冲804可具有第二功率电平PRF2，且第三脉冲806可具有第三功率电平PRF3。在本实施例中，第一功率电平PRF1可实质上为0。或者，第一功率电平PRF1可大于0。同时，第二功率电平PRF2可大于第一功率电平PRF1，但小于第三功率电平PRF3。
同时，偏置电压波形801可包括第一偏压脉冲803和第二偏压脉冲805。第一偏压脉冲803可具有第一偏压电平V1且在第一偏压周期tb1期间施加。同时，第二偏压脉冲805可具有第二偏压电平V2且在第二偏压周期tb2期间施加。在本实施例中，第二偏压电平V2可具有比第一偏压电平V1大的绝对值(即，更正或更负)。同时，第一偏压电平V1可为约0，其通过断开提供给衬底146(图1)的偏压来实现。或者，第一偏压电平V1可具有大于0的绝对值(即，更正或更负)。如果在离子接近于衬底146(图1)时提供第二偏压脉冲805，那么可吸引离子并将其植入到衬底146中。
如图中所说明，第一RF功率周期tp1和第三RF功率周期tp3可与第一偏压周期tb1重合。同时，第二RF功率周期tp2可与第二偏压周期tb2重合。换句话说，第二偏置电压脉冲805与第二RF功率脉冲804同步。在施加第二RF功率脉冲804以及第二偏置电压脉冲805之后的某个时 间处，施加第三RF功率脉冲806以及第一偏置电压脉冲803。在所述图中，显示第三RF功率脉冲806和第一偏置电压803的同时施加。然而，所属领域的技术人员将认识到，可能存在一些延迟，且第三RF功率脉冲806和第一偏压脉冲803中的一者可在施加第三RF功率脉冲806和第一偏压脉冲803中的另一者之后施加。
在操作中，将衬底146(见图1)放置于基于等离子体的系统100内。此后，可将馈送气体引入到系统100中。馈送气体可为一种或一种以上掺杂剂气体与一种或一种以上惰性气体的混合物。掺杂剂气体可具有包含硼(B)、磷(P)、砷(As)、锗(Ge)、硅(Si)、硒(Se)或氮(N)在内的掺杂剂物质或可更改衬底146的性质的任何其它物质。惰性气体可具有包含氢(H)、氧(O)、碳(C)在内的惰性物质或任何稀有气体(noble gas)物质。在本实施例中，掺杂剂气体可为乙硼烷(B2H6)，且惰性气体可为氦气(He)。
在将馈送气体引入到系统100中之后，将具有第二RF功率电平PRF2的第二RF功率脉冲施加到天线126和128(见图1)中的至少一者。在本实施例中，第二RF功率电平PRF2的振幅可大于B2H6的电离能量，但小于He的电离能量。电离能量是致使中性分子失去电子以成为离子所需要的能量。惰性气体(例如He)具有比包含B2H6在内的其它物质高的电离能量。通过施加振幅大于B2H6的电离能量但小于He的电离能量的第二RF脉冲804，可形成硼基离子。同时，可产生仅少量He离子。
如果施加到衬底146的第二偏压脉冲805为负电压，那么施加第二偏压脉冲805可导致植入带正电的硼离子和其它硼基分子离子。但是，因为产生仅少量He离子，所以仅少量He离子可植入到衬底146中。
此后，可将具有较高RF功率电平PRF3的第三RF功率脉冲806施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128(见图1)中的一者或一者以上。同时或几乎那时，将第一偏压脉冲803施加到衬底146。在本实施例中，第三RF功率脉冲806的第三功率电平PRF3可大于He的电离能量。此时，额外的B2H6可电离以形成额外的带正电的硼基离子。另外，可形成带正电的He离子。因而，可产生更多的离子和电子。此增大的功率电平也可维持等离子体稳定性。
如上文所提及，将带正电的离子植入到衬底中可使衬底146带正电。如果断开偏压(例如，第一偏压脉冲803的振幅为0电压)，那么额外的带正电的离子将不太可能植入到衬底146中。而是，将吸引等离子体中的电子并将其植入到衬底146中。所述电子将电中和所述衬底146。同时，可修复在植入带正电的离子期间所引发的衬底146上的一些残留损坏。此循环可在需要时重复。
包含P、As和B在内的某些掺杂剂物质可增强在退火步骤期间的衬底再结晶率，所述退火步骤在离子植入过程之后执行。在一些情况下，增强可高达一个数量级。然而，例如O、C和惰性气体等其它物质可减小再结晶率。通过使在植入B基离子期间植入到衬底146中的He离子的量减到最小，本实施例的技术可增强可在后续退火过程期间发生的再结晶率。另外，可减少在植入过程期间所引发的残留损坏。尽管本描述揭示了选择掺杂剂而非惰性气体来进行植入，但本发明不限于此实施例。本方法可用以选择性地引入一种物质的离子。
选择性离子植入和对衬底再结晶的增强还可通过修改波形800和801来实现。参看图8b，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形810和对应的偏置电压波形811。在本实施例中，RF功率波形810和偏置电压波形811可分别类似于图8a中所示的RF功率波形800和偏置电压波形801。然而，第二RF功率脉冲814和第三RF功率脉冲816与第二偏压脉冲815同步。换句话说，随着将第二偏压脉冲815施加到衬底146(见图1)，将第二RF功率脉冲814和第三RF功率脉冲816依序施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的一者或一者以上。
在本实施例中，与图8a所示的实施例相比，可将用第三RF功率脉冲816产生的更多He离子植入到衬底146中。然而，所述量可小于在使用常规单个RF脉冲的情况下植入到衬底中的量。尽管图8b说明特定波形配置，但本发明不限于此。可基于待植入的物质和其它参数来选择脉冲的持续时间。在另一实施例中，可在第二偏压脉冲815的一部分期间停用RF功率。另外，RF功率波形810可经修改以使得在施加第一偏压脉冲803期间保持施加较高的RF功率电平(PRF3)。
如上文所提及，施加第二RF功率脉冲804和814可选择性地引入离子，而施加第三RF功率脉冲806和816可维持等离子体状态。第二RF功率脉冲804和814的振幅可经选择以仅电离馈送气体中所含有的物质的一部分。同时，第三RF功率脉冲806和816还可帮助修复衬底146中的残留损坏。可基于等离子体中的各种物质的电离能量来选择功率电平。因此，这些功率电平中的每一者的振幅和持续时间可经改变以在任何时间点修改等离子体中的离子成分，同时确保其稳定性。通过使这些RF功率脉冲与偏压脉冲同步，可修改被植入的那些物质的选择和浓度。如此，可减轻在衬底中造成的损坏。在其它实施例中，可使用额外的功率电平，其中每一者可引起等离子体内的特定物质发生电离。
应注意，图8a和图8b显示较低功率电平紧接在较高功率电平前面。这并不是要求。举例来说，较高功率电平可在较低功率电平前面，以便形成稳定的等离子体。在其它实施例中，可在较低功率电平与较高功率电平之间停用功率。
参看图9a和图9b，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形900和910以及对应的偏置电压波形901和911。在本实施例中，RF功率波形900和910可施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128(见图1)中的一者或一者以上。同时，对应的偏置电压波形901可施加到衬底146(见图1)。在所述过程中，可控制等离子体中的电子温度。
参看图9a，RF波形900可包括第一和第二RF功率脉冲902和904，其在第一和第二RF功率周期tp1和tp2期间施加。如图中所说明，第一RF功率脉冲902可在第二RF功率脉冲904前面。如果需要的话，可以所述次序或以不同次序提供额外的第一和第二RF功率脉冲902和904。
第一RF脉冲902可具有第一功率电平PRF1，而第二RF功率脉冲904可具有第二功率电平PRF2。在本实施例中，第一功率电平PRF1可大于0。同时，第二功率电平PRF2可大于第一功率电平PRF1。与用第一RF功率脉冲902产生的等离子体相比，用第二RF功率脉冲904产生的等离子体可具有不同性质。举例来说，用第二RF功率脉冲904产生的等离子体可具有离子密度Ni1和电子密度Ne1，且所述离子密度Ni1和电子 密度Ne1可大于用第一RF功率脉冲902产生的等离子体中的那些Ni2和Ne2。另外，用第二RF功率脉冲904产生的等离子体可具有电子温度Te1，其可大于用第一RF功率脉冲902产生的等离子体中的电子温度Te1。
同时，偏置电压波形901可包括第一偏压脉冲903和第二偏压脉冲905。第一偏压脉冲903可具有第一偏压电平V1且其在第一偏压周期tb1期间施加。同时，第二偏压脉冲905可具有第二偏压电平V2且其在第二偏压周期tb2期间施加。在本实施例中，第二偏压电平V2可具有比第一偏压电平V1大的绝对值(即，更正或更负)。同时，第一偏压电平V1可为约0或接地电压，其通过断开提供给衬底146(图1)的偏压来实现。或者，第一偏压电平V1可具有大于0的绝对值(即，更正或更负)。如果在离子接近于衬底146(图1)时提供第二偏压脉冲905，那么可吸引离子并将其植入到衬底146中。
如图中所说明，第二RF功率脉冲904可在第一偏压周期tb1期间施加。同时，第一RF功率脉冲902可在第二偏压周期tp2期间施加。换句话说，当向衬底146施加第一电压电平V1时，施加第二RF功率脉冲904。同时，当向衬底146施加第二电压电平V2时，施加第一RF功率脉冲902。
在本实施例中，可施加波形900和901以优化等离子体中的粒子(例如，离子、电子、中性粒子、原子团等)的成分。举例来说，具有第一电子密度Ne1和离子密度Ni1以及第一电子温度Te1的等离子体可在施加第一RF功率脉冲902期间实现。在施加第二RF功率脉冲904期间，离子密度Ni、电子密度Ne的值可增加到较高的离子密度Ni2、电子密度Ne2和电子温度Te2。同时，原子团的密度可较小。如果施加额外的第一RF功率脉冲902，那么电子密度Ne和离子密度Ni以及电子温度Te的值可返回到第一电子密度Ne1和离子密度Ni1以及第一电子温度Te1。通过优化第一RF功率脉冲902和第二RF功率脉冲904的功率电平且连续施加第一RF功率脉冲902和第二RF功率脉冲904，还可优化Ne、Ni和Te的值，因此优化离子和中性粒子的成分。
在操作中，将衬底146(见图1)放置于基于等离子体的系统100内。此后，可将馈送气体引入到系统100中。馈送气体可为一种或一种以上掺杂剂气体与一种或一种以上惰性气体的混合物。掺杂剂气体可具有包含硼(B)、磷(P)、砷(As)在内的掺杂剂物质或可更改衬底146的电性质的任何其它物质。惰性气体可具有包含氧(O)、碳(C)在内的惰性物质或任何其它稀有气体物质。在本实施例中，掺杂剂气体可为乙硼烷(BF3)。
在tp1期间，可在等离子体中优先产生带单电荷的、未离解的分子离子(例如，BF3 +)。同时，可在tp2期间产生更多的分裂的分子离子(例如，BF2 ++、BF+++等)。通过在tp1期间施加第二偏压脉冲905，当施加第一RF脉冲902时，可用更多的带单电荷的、未离解的分子离子对衬底146进行植入或处理。因而，可优化所述过程。举例来说，可实现植入离子的较好的且较受控制的深度分布。虽然未图示，但本发明并不排除其中通过在较高功率RF电平PRF2期间施加偏置电压来用更多的分裂的分子离子处理衬底的情形(如果需要此过程的话)。除了优化离子植入之外，波形900和901可当在蚀刻过程期间施加时改进蚀刻选择性。如果执行沉积，那么也可优化沉积速率。
另外，在两个第二RF功率脉冲904之间施加第一RF功率脉冲902可产生较均匀且稳定的等离子体。在常规的脉动RF功率波形中，可在两个RF功率脉冲之间施加具有0振幅或功率的功率脉冲。在施加具有0振幅的RF脉冲期间，可能会发生等离子体“余辉(afterglow)”。在此余辉期间，电子温度Te可衰减到低得多的水平且等离子体鞘层可崩溃。因而，电子和离子密度以及电子温度可快速波动，从而产生较不稳定且较不均匀的等离子体。通过在两个具有较高功率电平的第二RF功率脉冲904之间施加具有大于0的功率电平的第一RF功率脉冲902，可维持较稳定的等离子体。另外，可在不增加等离子体中的离子浓度的情况下优化离子和中性成分。
其它控制电子温度Te的方法也是可能的。参看图9b，RF波形910可包括第一到第四RF功率脉冲912、914、916和918，其在对应的第一到第四RF功率周期tp1、tp2、tp3和tp4期间施加。如图中所说明，第一RF功率脉冲912可在第二RF功率脉冲914前面，第二RF功率914可在第三RF功率脉冲916前面，且第三RF功率916可在第四RF功率脉冲918前面。
在此实施例中，第一RF功率脉冲912的功率电平可为0，其通过断开耦合到天线126和128的电源130来实现。同时，第二RF功率脉冲914可具有第二功率电平PRF2，第三RF功率脉冲916可具有第三功率电平PRF3，且第四RF功率脉冲918可具有第四功率PRF4。第二功率电平PRF2可小于第三功率电平PRF3，且第三功率电平PRF3可小于第四RF功率脉冲918。通过在非常短的持续时间内施加第一功率脉冲912，可在不破坏等离子体的稳定性的情况下控制电子温度Te。应理解，其中使用各种功率电平来升高和降低电子温度的其它可能情形是可能的且处于本发明的范围内。
下文中，提供施加到天线126和128中的至少一者以及衬底146的波形的额外实例。尽管以上实施例主要集中于施加不同波形来执行离子植入的技术，但以其它等离子体处理为背景来描述以下技术。明确地说，出于清楚和简明的目的，以下描述集中于蚀刻和/或沉积。然而，本发明并不排除将以下方法应用于离子植入。
在许多等离子体处理操作中，需要在低温下共形地处理衬底。共形处理可被定义为均匀地处理以不同角度或定向来定向的衬底表面。具有多个处于不同定向的表面的衬底的实例包含鳍式FET结构以及具有水平延伸和垂直延伸表面的双镶嵌结构(dualdamascene structures)。在对此类结构进行离子植入、蚀刻或沉积中，需要均匀地对不同定向的表面进行植入、蚀刻或沉积。
可通过在低RF功率/低等离子体密度操作点下进行操作来改进PECVD过程的共形性。低离子通量和低沉积速率的组合导致改进的共形性，因为膜形成以与3D结构中的扩散速率相当的速率进行。然而，低RF功率通常与等离子体和过程不稳定性相关联。通过使用多个RF功率电平，处于较高功率电平的脉冲可用以稳定等离子体。这允许在较宽过程窗中进行操作。
另外，共形沉积过程最好在缺少等离子体鞘层的情况下执行，等离子体鞘层会校准衬底上的离子。此校准致使以相同角度朝向衬底引导所有离子，这使得共形沉积出现问题。一种解决方案是在缺少等离子体鞘层的情况下执行沉积。换句话说，在没有功率施加到RF天线时，向衬 底加偏压。如上文所提及，此周期称为等离子体余辉。此方法的主要缺点在于，在余辉期间，离子密度和电子密度减小，这又导致低过程速率，进而使得过程不可行。
在一个实施例中，可采用具有多个RF功率电平的RF功率波形以改进上文所述的过程速率。使用高功率电平形成较多离子和电子，其中一些可在等离子体余辉期间保留。
参看图10a到10d，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形1000和对应的偏置电压波形1001。在本实施例中，RF功率波形1000和对应的偏置电压波形1001可施加到平面线圈RF天线126和螺旋线圈RF天线128中的一者或一者以上和衬底146。
参看图10a，RF功率波形1000包括第一到第三RF功率脉冲1002、1004和1006，其在tp1、tp2和tp3期间施加到RF天线126和128中的至少一者。第一RF功率脉冲1002在第二RF功率脉冲1004前面，且第二RF功率脉冲1004在第三RF功率脉冲1006前面。如果需要的话，可以所述次序提供额外的第一到第三RF功率脉冲1002、1004和1006。
第一RF脉冲1002可具有第一功率电平P1，第二RF功率脉冲1004可具有第二功率电平P2，且第三脉冲1006可具有第三功率电平P3。在本实施例中，第一功率电平P1的值可为零或大于零。同时，第二功率电平P2可大于第一功率电平P1，但小于第三功率电平P3。
在第二RF功率周期tp2和第三RF功率周期tp3期间，当施加第二RF功率脉冲1004和第三RF功率脉冲1006时，可产生等离子体。与借助施加第二RF功率脉冲1004产生的等离子体相比，借助施加第三RF功率脉冲1006产生的等离子体可具有不同性质。举例来说，借助第三RF功率脉冲706产生的等离子体可具有较大离子和/或电子密度。因此，在施加第一到第三脉冲1002、1004和1006的情况下，波形包含从P1到P2到P3的功率电平升高。如果以所述次序重复所述脉冲，那么功率电平可从第三功率电平P3减小到第一功率电平P1。
同时，偏置电压波形1001可包括第一脉冲1003和第二脉冲1005。第一偏压脉冲1003可具有第一偏压电平V1且其在第一偏压周期tb1期间施加到衬底146(见图1)。第二偏压脉冲1005可具有第二偏压电平V2 且其在第二偏压周期tb2期间施加到衬底146。在本实施例中，第二偏压电平V2的绝对值可大于第一偏压电平V1的绝对值。如图中所说明，第二偏压脉冲1005的脉冲宽度tb2可大于第三RF功率脉冲1006的脉冲宽度tp3。
如图10a中所说明，第二RF功率脉冲1004和第三RF功率脉冲1006施加到线圈126和128中的至少一者以产生等离子体。在tp3期间，当施加第三RF功率脉冲1006时，等离子体密度可随功率电平从P2增加到P3而增加。此后，施加第一RF脉冲1002，从而使功率电平从P3减少到P1。如果在tp1期间P1接近零且不施加RF功率或施加最小的RF功率，那么可减小或移除等离子体中的等离子体鞘层。此时，将第二偏压脉冲1005施加到衬底146(图1)。保留于等离子体“余辉”中的离子可被吸引到衬底。如果第二偏压脉冲1005带负电，那么通过施加第二RF功率脉冲1004和第三RF功率脉冲1006而留在等离子体中的带正电粒子可被吸引朝向衬底146。如果第二偏压脉冲1005带正电，那么留在等离子体中的包含带负电离子和电子的带负电粒子可被吸引朝向衬底146。通过在第二RF功率脉冲1004和第三RF功率脉冲1006之后施加第二偏压脉冲1005，等离子体鞘层可能不再存在。衬底146附近的离子不再被校准，而是以较随机的方式安置。此循环可在必要时重复。
在本发明中，可以许多方式修改RF功率脉冲波形和偏置电压波形。举例来说，可修改所述波形的同步。参看图10b到10d，显示对图10a中所说明的RF功率波形1000与偏置电压波形1001的同步的修改。图10b到10d中所示的每一RF功率波形彼此相同且与图10a所示的波形相同。另外，图10b到10d中所示的每一偏置电压波形也彼此相同且也与图10a所示的波形相同。然而，RF功率波形与偏置电压波形的同步可为不同的。
在图10b中，偏置电压波形1001的第二偏压脉冲1005与第三RF功率脉冲1006同步。然而，第二偏压脉冲1005不与第二RF功率脉冲1004同步。如此，在施加具有最高RF功率P3的第三RF功率脉冲1006时，施加第二偏置电压脉冲1005。在施加第二RF功率脉冲1004时，不施加第二偏置电压脉冲1005。
在图10c中，第二偏置电压脉冲1005与第二RF功率脉冲1004和第三RF功率脉冲1006同步。在图10d中，第二偏置电压脉冲1005仅与第二RF功率脉冲1004同步。
参看图11a到11e，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形1100和对应的偏置电压波形1101。在此实施例中，RF功率波形1100可包括第一到第三RF功率脉冲1102、1104和1106。应理解，可以所述次序在波形1100中提供额外的第一到第三RF功率脉冲1102、1104和1106。同时，偏置电压波形1101可包括第一偏压脉冲1103和第二偏压脉冲1105。应理解，可以所述次序在波形1101中提供额外的第一偏压脉冲1103和第二偏压脉冲1105。
与图10a所示的RF功率波形1000相比，本实施例的RF功率波形具有许多相似之处。举例来说，所述脉冲的次序可与图10a所示的RF功率波形1000中的脉冲的次序相同。另外，脉冲1102、1104和1106的相对功率电平可类似于图10a所示的脉冲1002、1004和1006的相对功率电平。同时，偏压波形1101的偏压脉冲1003和1005的次序和相对功率电平可类似于图10a所示的偏压脉冲1003和1005的次序和相对功率电平。
然而，第三RF功率脉冲1106的脉冲宽度可为不同的。举例来说，第三RF功率脉冲1106可具有比图10a所示的第三RF功率脉冲1106的脉冲宽度大的脉冲宽度tb3。与第二偏置电压脉冲1105的脉冲宽度tb2相比，本实施例的第三RF功率脉冲1106的脉冲宽度tp3可更大。
在图11b到11d中，显示相同的RF功率波形和相同的偏置电压波形。图11b到11d所示的RF功率波形中的每一者彼此相同且与图11a所示的RF波形相同。图11b到11d所示的偏置电压波形中的每一者彼此相同且与图11a所示的偏置电压波形相同。一个不同之处可在RF功率脉冲1102、1104和1106相对于偏置电压脉冲1103和1105的同步中。
在图11b中，第三RF功率脉冲1106与第二偏压脉冲1105同步，使得同时或几乎同时施加所述两个脉冲。在图11c中，第二偏压脉冲1105与第二RF功率脉冲1104和第三RF功率脉冲1106的一部分同步。在图11d中，第二偏压脉冲1105与第二RF功率脉冲1104同步，但不与第三 RF功率脉冲1106同步。在图11e中，第二偏压脉冲1105与第一RF功率脉冲1102同步。虽然图中未显示，但应理解，与第一RF功率脉冲1102同步的第一RF功率脉冲1102可跟随在第三RF功率脉冲1106之后。使用这些波形，在等离子体余辉期间和在等离子体辉光期间的离子可用以处理衬底(见图1)。
参看图12a到12d，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形1200和对应的偏置电压波形1201。在此实施例中，RF功率波形1200可包括第一到第三RF功率脉冲1202、1204和1206。应理解，可以所述次序在波形1200中提供额外的第一到第三RF功率脉冲1202、1204和1206。同时，偏置电压波形1201可包括第一偏压脉冲1203和第二偏压脉冲1205。应理解，可以所述次序在波形1101中提供额外的第一偏压脉冲1203和第二偏压脉冲1205。
在本实施例中，第一RF功率脉冲1202的功率电平大于第二功率脉冲1204和第三功率脉冲1206的功率电平。另外，第二RF功率脉冲1204的功率电平大于第三RF功率脉冲1206的功率电平。如此，在第二RF功率脉冲1204前面的是具有最高功率电平P3的第一RF功率脉冲1206。同时，第二RF功率脉冲1204在具有最低功率电平P3的第三RF功率脉冲1206前面。
电压波形1201的第二电压脉冲1205具有脉冲宽度tb2和电压电平V2。类似于早先实施例的第一偏压脉冲，第一偏压脉冲1203的电压电平的绝对值可为0或大于0(例如，更负或更正)。
如图12a中所说明，第二偏压脉冲1205与具有最低功率电平P1的第三RF功率脉冲1206同步。同时，具有较高RF功率电平P3和P2的第一RF功率脉冲1202和第二RF功率脉冲1204可与第一偏压脉冲1203重合。
在图12b到12d中，显示相同的RF功率波形和相同的偏置电压波形。图12b到12d所示的RF功率波形中的每一者彼此相同且与图12a所示的RF波形相同。图12b到12d所示的偏置电压波形中的每一者彼此相同且与图12a所示的偏置电压波形相同。图12a到12d所示的波形之间的一个不同之处可在RF功率脉冲1202、1204和1206相对于偏置 电压脉冲1203和1205的同步中。
在图12b中，第二偏压脉冲1205与第二RF功率脉冲1204和第三RF功率脉冲1206的一部分同步。在图12c中，第二偏压脉冲1205与第二RF功率脉冲1204和第一RF功率脉冲1202的一部分同步。在图12d中，第二偏压脉冲1205与第一RF功率脉冲1202同步。
参看图13a到13e，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形1300和对应的偏置电压波形1301。在此实施例中，RF功率波形1300可包括第一到第三RF功率脉冲1302、1304和1306。应理解，可以所述次序在波形1300中提供额外的第一到第三RF功率脉冲1302、1304和1306。同时，偏置电压波形1301可包括第一偏压脉冲1303和第二偏压脉冲1305。应理解，可以所述次序在波形1301中提供额外的第一偏压脉冲1303和第二偏压脉冲1305。
在本实施例中，第一RF功率脉冲1302的功率电平大于第二功率脉冲1304和第三功率脉冲1306的功率电平。另外，第二RF功率脉冲1304的功率电平小于第三RF功率脉冲1306的功率电平。如此，具有最低功率电平的RF功率脉冲安置在具有最高功率电平P3的第一功率脉冲1302与具有中间功率电平P2的第三RF功率脉冲1306之间。类似于图10a到10d、图11a到11e和图12a到12d所示的RF功率波形的功率电平，具有最低功率电平的RF脉冲的功率电平可为零功率或更大。
电压波形1301的第二电压脉冲1305具有脉冲宽度tb2和电压电平V2。类似于早先实施例的第一偏压脉冲，第一偏压脉冲1203的电压电平的绝对值可为0或大于0(例如，更负或更正)。
如图13a中所说明，第二偏压脉冲1305与具有中间功率电平P2的第三RF功率脉冲1306同步。同时，分别具有RF功率电平P3和P1的第一RF功率脉冲1302和第二RF功率脉冲1304可与第一偏压脉冲1303重合。
在图13b到13e中，显示相同的RF功率波形和相同的偏置电压波形。图13b到13e所示的RF功率波形中的每一者彼此相同且与图13a所示的RF波形相同。图13b到13d所示的偏置电压波形中的每一者彼此相同且与图13a所示的偏置电压波形相同。图13a到13e所示的波形 之间的一个不同之处可在RF功率脉冲1302、1304和1306相对于偏置电压脉冲1303和1305的同步中。
在图13b中，第二偏压脉冲1305与分别具有最低RF功率P1和中间RF功率P2的第二RF功率脉冲1204和第三RF功率脉冲1206的一部分重合。在图13c中，第二偏压脉冲1305与第二RF功率脉冲1304和第一RF功率脉冲1302的一部分重合。在图13d和图13e中，第二偏压脉冲1305与第一RF功率脉冲1302重合。
参看图14a到14e，显示根据本发明的另一实施例的RF功率波形1400和对应的偏置电压波形1401。在此实施例中，RF功率波形1400可包括第一到第三RF功率脉冲1402、1404和1406。应理解，可以所述次序在波形1400中提供额外的第一到第三RF功率脉冲1402、1404和1406。同时，偏置电压波形1401可包括第一偏压脉冲1403和第二偏压脉冲1405。应理解，可以所述次序在波形1301中提供额外的第一偏压脉冲1403和第二偏压脉冲1405。
与图13a所示的RF功率波形1300的RF功率脉冲1302、1304、1306相比，脉冲1402、1404和1406可具有相同的相对功率电平。如此，第一RF功率脉冲1402的功率电平大于第二功率脉冲1404和第三功率脉冲1406的功率电平。另外，第二RF功率脉冲1404的功率电平小于第三RF功率脉冲1406的功率电平。如此，具有最低功率电平的RF功率脉冲安置于具有最高功率电平P3的第一功率脉冲1402与具有中间功率电平P2的第三RF功率脉冲1306之间。类似于图10a到10d、图11a到11e和图12a到12d所示的RF功率波形的功率电平，具有最低功率电平的RF脉冲的功率电平可为零功率或更大。
电压波形1301的第二电压脉冲1305具有脉冲宽度tb2和电压电平V2。类似于早先实施例的第一偏压脉冲，第一偏压脉冲1203的电压电平的绝对值可为0或大于0(例如，更负或更正)。
图14a所示的RF功率波形1400的脉冲与图13a所示的波形的脉冲之间的一个不同之处在于，第二RF脉冲1404的脉冲宽度tp2大于第二偏压脉冲1405的脉冲宽度tb2。
如图14a中所说明，第二偏压脉冲1405与具有最低功率电平P1的 第二RF功率脉冲1404重合。同时，分别具有RF功率电平P3和P2的第一RF功率脉冲1402和第三RF功率脉冲1406可与第一偏压脉冲1403重合。
在图14b到14e中，显示相同的RF功率波形和相同的偏置电压波形。图14b到14e所示的RF功率波形中的每一者彼此相同且与图14a所示的RF波形相同。图14b到14d所示的偏置电压波形中的每一者彼此相同且与图14a所示的偏置电压波形相同。图14a到14e所示的波形之间的一个不同之处可在RF功率脉冲1402、1404和1406相对于偏置电压脉冲1403和1405的同步中。
在图14b中，第二偏压脉冲1405与第二RF功率脉冲1404重合。在图14c中，第二偏压脉冲1405与第一RF功率脉冲1402的一部分和第二RF功率脉冲1404的一部分重合。在图14d中，第二偏压脉冲1405与第一RF功率脉冲1402重合。且，在图14e中，第二偏压脉冲1405可与第三RF功率脉冲1406和第一RF功率脉冲1402的一部分同步。
除了掺杂之外，本文中所示的波形配置也可用于蚀刻过程。举例来说，蚀刻速率通常受等离子体化学成分控制。因此，可有益的是调整活性自由基物质(active radicalspecies)浓度、压力、电子温度和等离子体密度来实现蚀刻速率、选择性、均匀性和/或蚀刻特征分布的改变。如上文所描述，施加到RF天线的功率电平的改变可影响变成电离的物质、离子和电子的数目、电子温度和等离子体密度。因此，上文所描述的多设定点RF产生器还可用以控制与化学蚀刻过程相关联的各种参数。
等效物
参看如附图中所示的本发明的示范性实施例来详细描述本发明。尽管结合各种实施例和实例来描述本发明，但不希望本发明的教示限于此些实施例。相反，本发明涵盖各种替代方案、修改和等效物，如所属领域的技术人员将了解。了解了本文教示的所属领域的技术人员将认识到额外的实施方案、修改和实施例以及其它使用领域，其均处于如本文所描述的本发明的范围内。举例来说，应理解，根据本发明的等离子体处理方法可与任何类型的等离子体源一起使用。

Claims (13)

1.一种等离子体处理衬底的方法，所述方法包括：
在接近等离子体源处引入馈送气体，所述馈送气体包括第一和第二物质，所述第一和第二物质具有不同的电离能量；
向所述等离子体源提供多电平RF功率波形，所述多电平RF功率波形至少具有在第一脉冲持续时间期间的第一功率电平和在第二脉冲持续时间期间的第二功率电平，所述第二功率电平大于所述第一功率电平；
在所述第一脉冲持续时间期间电离所述馈送气体的所述第一物质；
在所述第二脉冲持续时间期间电离所述第二物质；以及
在所述第一脉冲持续时间期间向所述衬底提供偏压且在所述第二脉冲持续时间期间未向所述衬底加偏压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一功率电平大于电离所述第一物质所需的功率电平，但小于电离所述第二物质所需的另一功率电平。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一物质包括处理物质。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述处理物质包括磷、硼、锗、硅、氮和砷和硒中的至少一者，且所述第二物质包括氢、碳、氧、氦、氖和氩中的至少一者。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述处理物质为蚀刻剂以便蚀刻所述衬底。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二功率电平足以使所述等离子体稳定。
7.一种在设备中等离子体处理衬底的方法，所述设备包括接近于衬底的等离子体源、电耦合到所述等离子体源的RF电源、电耦合到所述衬底的偏压电源，所述方法包括：
在接近所述等离子体源处引入馈送气体，所述馈送气体至少包括第一和第二物质；
用所述RF电源产生RF波形，所述RF波形具有在第一周期期间的第一功率电平、在第二周期期间的第二功率电平及在第三周期期间的第三功率电平，其中所述第二功率电平大于所述第一功率电平及所述第三功率电平小于所述第一功率电平及所述第二功率电平，其中所述第二周期发生在所述第一周期之后，并且所述第三周期发生在所述第二周期之后；
在所述第一和第二周期期间将所述RF波形施加到所述等离子体源以产生等离子体；
用所述偏压电源产生偏压波形，所述偏压波形具有第一偏压电平和第二偏压电平，所述第二偏压电平比所述第一偏压电平更负；以及
向所述衬底施加所述偏压波形以朝向所述衬底引导来自所述等离子体的离子。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第一周期期间将所述第一偏压电平施加到所述衬底。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第二周期之后将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第二周期期间将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述第一周期期间将所述第二偏压电平施加到所述衬底。
12.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第三周期期间将所述第一偏压电平施加到所述衬底。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述第三周期期间不熄灭所述等离子体。
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