CN104733278A - 等离子体处理装置及等离子体处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括等离子体处理腔室，其包括下电极以及与所述下电极分隔并与之相对设置的上电极；第一射频功率供应单元，与所述下电极电连接；第二射频功率供应单元，与所述上电极及所述下电极电连接，所述第二射频功率供应单元以脉冲的方式输出射频功率，其施加于所述上电极的射频功率与施加于所述下电极的射频功率为反相的脉冲信号；所述第射频功率供应单元和所述第二射频功率供应单元其中一个为等离子体射频功率源，另一个为偏置射频功率源。本发明能够有效提高等离子体工艺的效率。

Description

等离子体处理装置及等离子体处理方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种等离子体处理装置及等离子体处理方法。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子工艺被广泛应用于半导体器件的制造中。

通常，等离子体处理装置的处理腔室内配置上电极和下电极，在下电极之上载置待处理基板。进行如等离子体刻蚀的等离子体工艺时，通过在上电极或下电极施加等离子体射频功率源进行高频放电，使工艺气体生成等离子体，同时在下电极施加偏置射频功率源以提供负的偏置电压，使等离子体中的正离子向下电极加速。加速的正离子轰击基板表面以所期望的图形进行刻蚀。然而，正离子在轰击和刻蚀的过程中也滞留在刻蚀图形（如孔或沟槽）的底部。在这种状态下，如果进一步持续用正离子进行刻蚀，被引入到基板的正离子与滞留在刻蚀图形底部的正离子排斥而发生移动路线的扭曲，最终导致刻蚀图形的扭曲变形。

为了改善上述问题，近年来提出了通过脉冲射频输出功率控制等离子体工艺的方法。具体来说，用于生成等离子体的等离子体射频功率源和偏置用的偏置射频功率源以同步脉冲的方式（即相位、脉冲周期及占空比均相同）输出射频信号。当射频信号为高电平时，等离子体射频功率源产生等离子体，偏置射频功率源使得等离子体中的正离子向下电极加速，进行正离子刻蚀；当射频信号为低电平时，等离子体中失去能量的失活电子附着于中性的分子和原子或原子团等而生成负离子，该负离子与滞留在刻蚀图形底部的正离子电中和。

然而，由于失活电子向分子或原子或原子团的附着是通过电子撞击分子或原子团进行的，所以负离子的生成速度慢，此外负离子是通过热扩散和静电力扩散才能被引入到待处理基板，引入基板的时间较长，因此仍无法在低电平期间进行有效的正离子的电中和。若增加低电平时间，则意味着等离子体射频功率源关闭期间的增加，也可能会发生等离子体熄灭的情况。

因此，需要提供一种能克服上述缺陷的等离子体处理装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够提高正离子刻蚀效率，特别是提高高深宽比结构的刻蚀效率的等离子体处理装置和等离子体处理方法。

为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，包括等离子体处理腔室，其包括下电极以及与所述下电极分隔并与之相对设置的上电极；第一射频功率供应单元，与所述下电极电连接；第二射频功率供应单元，与所述上电极及所述下电极电连接，所述第二射频功率供应单元以脉冲的方式输出射频功率，其施加于所述上电极的射频功率与施加于所述下电极的射频功率为反相的脉冲信号；所述第一射频功率供应单元和所述第二射频功率供应单元其中一个为等离子体射频功率源，另一个为偏置射频功率源。

优选的，所述第二射频功率供应单元包括第二射频功率源及第三射频功率源，所述第二射频功率源与所述下电极相连以提供第二射频功率，所述第三射频功率源与所述上电极相连以提供第三射频功率。

优选的，还包括脉冲信号控制单元，其与所述第二射频功率源和所述第三射频功率源相连，并分别提供脉冲信号以控制所述第二射频功率与所述第三射频功率为反相的脉冲信号。

优选的，所述第二射频功率源包括第二射频功率产生器和与所述第二射频功率产生器相连的第二射频信号发生器，所述第三射频功率源包括与所述第二射频信号发生器相连的第三射频功率产生器，所述第二射频信号发生器提供脉冲信号以使所述第二射频功率与所述第三射频功率为反相的脉冲信号。

优选的，所述第一射频功率供应单元包括第一射频功率源，其以脉冲的方式输出第一射频功率。

优选的，所述第一射频功率和所述第二射频功率为同步脉冲信号。

优选的，所述第二射频功率与所述第三射频功率为具有相位差的反相脉冲信号，所述第三射频功率延时于所述第二射频功率，延时时间为小于等于10us。

优选的，所述射频功率的脉冲频率为10-100000赫兹，信号占空比范围为10%～90%。

优选的，所述第一射频功率供应单元为偏置射频功率源，所述第二射频功率供应单元为等离子体射频功率源。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种等离子体处理方法，包括：提供待处理基板于一等离子体处理装置内，所述等离子体处理装置包括处理腔室，所述处理腔室内设有下电极以及与所述下电极分隔并与之相对的上电极；在所述处理腔室内通入反应气体，所述反应气体由第一射频功率供应单元或第二射频功率供应单元电离为等离子体，其中所述第一射频功率供应单元和所述下电极电连接，所述第二射频功率供应单元和所述下电极及所述上电极电连接；通过所述等离子体对所述待处理基板进行处理，其中，所述第二射频功率供应单元以脉冲的方式输出射频功率，且其施加于所述上电极的第二射频功率与施加于所述下电极的第三射频功率为反相的脉冲信号；所述第一射频功率供应单元和所述第二射频功率供应单元其中一个为等离子体射频功率源，另一个为偏置射频功率源。

优选地，所述第一射频功率供应单元以脉冲的方式输出第一射频功率。

优选地，所述第一射频功率和所述第二射频功率为同步脉冲信号。

优选地，所述第二射频功率与所述第三射频功率为具有相位差的反相脉冲信号，所述第三射频功率延时于所述第二射频功率，延时时间为小于等于10us。

优选地，所述第一射频功率供应单元为偏置射频功率源，所述第二射频功率供应单元为等离子体射频功率源。

本发明的有益效果在于通过在上电极和下电极施加反相的射频脉冲信号，使得负离子和二次电子能够充分与刻蚀图形底部积累的正离子中和，由此改善刻蚀图形的形貌，提高等离子体工艺的效率。

附图说明

图1为本发明一实施例等离子体处理装置的示意图；

图2a和图2b为图1所示的等离子体处理装置在等离子体刻蚀工艺中等离子体分布示意图；

图3为本发明另一实施例等离子体处理装置的示意图；

图4为图3所示的等离子体处理装置进行等离子体刻蚀工艺时射频功率的时序图；

图5为本发明的另一实施例等离子体处理装置进行等离子体刻蚀工艺时射频功率的时序图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“电连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1显示了本发明一种实施例提供的等离子处理装置。应该理解，等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图1所示不同。本实施例以及后续实施例中等离子体处理装置可以是电感耦合等离子体处理装置（ICP）也可以是电容耦合等离子体处理装置（CCP）。

等离子体处理装置包括处理腔室，其中引入有刻蚀气体；处理腔室下部设置有用于夹持基板W的夹盘（例如静电夹盘或机械夹盘），该基板W可以是待要处理的半导体基板或者待要加工成平板显示器的玻璃平板。夹盘中设置有下电极10。处理腔室顶部与下电极10相对的位置处，如反应气体喷淋头，设置有上电极11。此外，处理腔室内的其他结构可与现有技术的等离子体处理装置基本相同。

等离子体处理装置还包括第一射频功率供应单元和第二射频功率供应单元。第一射频功率供应单元通过射频匹配器与下电极10电连接，第二射频功率供应单元通过射频匹配器和上电极11及下电极10电连接。第一射频功率供应单元和第二射频功率供应单元的其中一个为等离子体射频功率源(source RF)，另一个为偏置射频功率源(bias RF)。

如图1所示，在本实施例中第二射频功率供应单元包括第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3，第二射频功率源RF2通过射频匹配器与下电极10电连接，第三射频功率源RF3通过射频匹配器与上电极11电连接。在本实施例中，第三射频功率源RF3为独立的射频功率源。当然，在其他实施例中，第三射频功率源RF3也可以不是独立的射频功率源，此时第二射频功率供应单元可包括第二射频功率源RF2及功率分配器，功率源RF2通过功率分配器分配施加到上电极11的射频功率源RF3。

在本发明中，第二射频功率供应单元是以脉冲的方式输出射频功率，并且其输出至上电极11的第二射频功率P2与输出至下电极10的第三射频功率P3为反相的脉冲信号。这里，“反相的脉冲信号”的含义为两个射频功率的脉冲信号周期相同，占空比之和为100%。

如图1所示，在本实施例中，等离子体处理装置是通过脉冲信号控制单元12产生的脉冲的高低电平来控制第二射频功率供应单元射频功率的输出。具体来说，脉冲信号控制单元12与第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3电连接，分别提供脉冲信号来对第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3的开启时间和关闭时间进行控制，当脉冲为高电平时相应的射频功率源输出射频功率，低电平时停止输出射频功率，从而使得第二射频功率P2与第三射频功率P3为反相的脉冲信号。在本发明的其他实施例中，也可不设脉冲信号控制单元12，而是通过一个射频功率源对其他功率源的输出功率进行控制。例如第二射频功率源RF2可包括第二射频功率产生器和与第二射频功率产生器相连的第二射频信号发生器，第三射频功率源RF3包括与第二射频信号发生器相连的第三射频功率产生器，第二射频信号发生器对第二射频功率产生器提供脉冲信号，并对第三射频功率产生器提供反相的脉冲信号（如通过反相器），使得第二射频功率产生器和第三射频功率产生器产生的第二射频功率P2与第三射频功率P3为反相的脉冲信号。

第一射频功率供应单元包括第一射频功率源RF1，其可以是以脉冲的方式输出射频功率，也可以是以连续方式输出射频功率。当第一射频功率源RF1以脉冲的方式输出第一射频功率P1时，也可以通过脉冲信号控制单元12或第二射频信号发生器来控制其射频信功率产生器的输出。

如前所述，本发明的第一射频功率供应单元和第二射频功率供应单元的其中一个为等离子体射频功率源(source RF)，另一个为偏置射频功率源(bias RF)，以下将结合具体实施例对本发明的等离子体处理装置在第一射频功率供应单元为等离子体射频功率源(source RF)时以及第一射频功率供应单元为偏置射频功率源(bias RF)的情况进行详细说明。

第一实施例

请参考图2a和图2b，本实施例中第一射频功率供应单元为等离子体射频功率源(source RF)、第二射频功率供应单元为偏置射频功率源(bias RF)。

如图所示，第一射频功率源RF1与下电极10电连接，用以在上下电极之间形成射频电场，被该射频电场加速的电子与腔室内的反应气体的分子发生电离冲撞，对反应气体电离以生成等离子体。

第二射频功率源RF2与下电极10电连接，第三射频功率源RF3与上电极11电连接。脉冲控制单元12与第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3电连接，控制功率源所产生的第二射频功率P2和第三射频功率P3为同步反相脉冲信号。这里所说的“同步反相脉冲信号”的含义为，两个脉冲信号的相位、频率均相同，占空比之和为100%，简单来说，即射频功率P2为高电平时，射频功率P3为低电平，反之亦然。其中，第二、第三射频功率的脉冲频率可为10-100000赫兹，信号占空比范围为10%～90%。

如图2a所示，当第二射频功率P2为高电平时，第三射频功率P3为低电平，此时第二射频功率P2在待处理基板附近施加负的偏置电压，负的偏置电压在基板附近产生等离子体鞘层(plasma sheath)，造成体等离子体位置更接近上电极11。此外，负的偏置电压使正离子向下电极加速进入到待处理基板，从而进行正离子刻蚀。在正离子刻蚀过程中，部分正离子滞留在刻蚀图形的底部。

请参考图2b，当第二射频功率P2为低电平，第三射频功率P3为高电平时，第三射频功率P3在上电极11附近施加负的偏置电压，负的偏置电压在上电极附近产生等离子体鞘层，迫使等离子体位置更接近下电极。负的偏置电压施加在上电极11上，使正离子在等离子体鞘层中被加速而冲撞上电极11，正离子冲撞能量增加，产生的二次电子也增多。然后，二次电子在等离子体鞘层中向下电极加速，进入刻蚀图形的底部。此外由于等离子体位置更接近下电极，等离子体的失活电子附着于中性的分子和原子或原子团等所生成的负离子进入刻蚀图形的底部的速度也有所增加。如此，二次电子和负离子与底部的正离子中和。

由以上可知，通过将第二射频功率P2和第三射频功率P3为同步反相脉冲信号，当第二射频功率P2为高电平时，进行正离子刻蚀，当第三射频功率P3为高电平时，进行刻蚀图形底部的电中和，可改善刻蚀图形的扭曲变形。

第二实施例

本实施例中第一射频功率供应单元为等离子体射频功率源(source RF)、第二射频功率供应单元为偏置射频功率源(bias RF)。

如图3所示，第一射频功率源RF1与下电极10电连接，用以在上下电极之间形成射频电场，被该射频电场加速的电子与腔室内的反应气体的分子发生电离冲撞，对反应气体电离以生成等离子体。

第二射频功率源RF2与下电极10电连接，第三射频功率源RF3与上电极11电连接。脉冲控制单元12与第一射频功率源RF1、第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3电连接。如图4所示，脉冲控制单元控制第二、第三功率源所产生的第二射频功率P2和第三射频功率P3为同步反相脉冲信号；同时控制第一射频功率源RF1也是以脉冲的方式输出射频功率P1，并且射频功率P1与第二射频功率P2为同步脉冲信号。这里所说的“同步脉冲信号”指的是相位，脉冲周期和脉冲占空比完全一致的脉冲信号。其中，第二、第三和第一射频功率的脉冲频率可为10-100000赫兹，信号占空比范围为10%～90%。将射频功率P1与第二射频功率P2控制为同步脉冲信号，则第三射频功率P3和第一射频功率P1也为反相脉冲。具体来说，若第三射频功率P3和第一射频功率P1在较长时间内同时为高电平，那么第一射频功率P1可能会在下电极上产生自偏置电压，该自偏置电压形成靠近基板W的等离子体鞘层。被靠近上电极的等离子体鞘层加速向下电极的二次电子在该靠近基板W的等离子体鞘层内，在相反方向的电场中被减速，会失去一部分电子能量。因此，通过将第一射频功率P1设为与第二射频功率P2完全一致的脉冲信号，使第三射频功率P3和第一射频功率P1也为反相脉冲，由此能够避免施加第三射频功率P3的同时，第一射频功率P1产生自偏置电压，从而确保二次电子以高能被打入基板表面。

第三实施例

本实施例中第一射频功率供应单元为偏置射频功率源(bias RF)、第二射频功率供应单元为等离子体射频功率源(source RF)。

等离子体处理装置的构成与图1类似，第一射频功率源RF1与下电极10电连接，用以提供偏置电压。第二射频功率源RF2与下电极10电连接，用于在上下电极之间形成射频电场，从而对反应气体电离以生成等离子体。第三射频功率源RF3与上电极电连接，同样是用于等离子体的产生。

脉冲控制单元12与第二射频功率源RF2和第三射频功率源RF3电连接，控制其所产生的第二射频功率P2和第三射频功率P3为同步反相的脉冲信号，因此能够在刻蚀工艺过程中创建和维持由反应气体所形成的等离子体，避免等离子体的熄灭。

在一较佳实施例中，第一射频功率源RF1也是以脉冲的方式输出射频功率P1。脉冲控制单元12与第一射频功率源RF1电连接（可参见图3），控制第一射频功率P1与第二射频功率P2为同步脉冲信号，即相位、脉冲周期和脉冲占空比完全一致的脉冲信号。第一射频功率P1为偏置射频功率源产生的功率，当其高电平时，在待处理基板附近施加负的偏置电压，负的偏置电压在基板附近产生等离子体鞘层，造成体等离子体位置更接近上电极。此外，负的偏置电压使正离子向下电极加速进入到待处理基板，从而进行正离子刻蚀。当第一射频功率P1为低电平时，等离子体中失去能量的失活电子附着于中性的分子和原子或原子团等而生成负离子，该负离子与滞留在刻蚀图形底部的正离子电中和。而通过将第一射频功率P1与第二射频功率P2控制为同步脉冲信号，也即是意味着第一射频功率P1与第三射频功率P3为反相脉冲，则第一射频功率P1为低电平时，施加于上电极的第三射频功率P3为高电平，通过对第三射频功率P3的功率调节，可使第三射频功率P3在上电极上产生自偏置电压，而形成靠近上电极的等离子体鞘层，进而使等离子体中的正离子在等离子体鞘层中被向上加速撞击产生二次电子，该二次电子向下电极加速与基板刻蚀图案底部的正离子电中和，由此提高了正离子电中和的效率。

在本实施例中，第二射频功率P2和第三射频功率P3的占空比互补，脉冲频率相等且同步变化，即第二射频功率源RF2、第三射频功率源RF3交替打开、关闭。在其他实施例中，第二射频功率P2和第三射频功率P3脉冲信号的占空比可以互补，脉冲频率可以相等，但不同步变化，即第二射频功率P2与第三射频功率P3为具有相位差的反相脉冲信号。

如图5所示，各射频功率源均是以脉冲的方式输出射频功率，其中第一射频功率P1与第二射频功率P2为同步脉冲信号，第三射频功率P3延时于第二射频功率P2，由此，存在三个射频功率均为低电平的时段，在此时间段可便于等离子体中正负离子的自由扩散。较佳的，延时的时间不宜过长，如小于10us，以避免发生等离子体熄灭。第三射频功率P3延迟于第二射频功率P2同样也适用于本发明的第一实施例和第二实施例中第一射频功率供应单元为等离子体射频功率源(source RF)、第二射频功率供应单元为偏置射频功率源(bias RF)的情况。

需要注意的是，本实施例及前述实施例所述的“低电平”既包括功率源关闭时功率的脉冲信号为0的情况，也包括脉冲信号为低功率的情况。

综上所述，本发明所提出的等离子体处理装置通过在上电极和下电极施加反相的射频脉冲信号，使得负离子和二次电子能够充分与刻蚀图形底部积累的正离子中和，后续的正离子的轰击轨道将不会因正离子互相排斥而弯曲，由此防止刻蚀图形扭曲变形，改善刻蚀图形的形貌，提高整体的刻蚀效率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (14)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

等离子体处理腔室，其包括下电极以及与所述下电极分隔并与之相对设置的上电极；

第一射频功率供应单元，与所述下电极电连接；

第二射频功率供应单元，与所述上电极及所述下电极电连接，所述第二射频功率供应单元以脉冲的方式输出射频功率，其施加于所述上电极的射频功率与施加于所述下电极的射频功率为反相的脉冲信号；

所述第射频功率供应单元和所述第二射频功率供应单元其中一个为等离子体射频功率源，另一个为偏置射频功率源。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二射频功率供应单元包括第二射频功率源及第三射频功率源，所述第二射频功率源与所述下电极相连以提供第二射频功率，所述第三射频功率源与所述上电极相连以提供第三射频功率。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包括脉冲信号控制单元，其与所述第二射频功率源和所述第三射频功率源相连，并分别提供脉冲信号以控制所述第二射频功率与所述第三射频功率为反相的脉冲信号。

4.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二射频功率源包括第二射频功率产生器和与所述第二射频功率产生器相连的第二射频信号发生器，所述第三射频功率源包括与所述第二射频信号发生器相连的第三射频功率产生器，所述第二射频信号发生器提供脉冲信号以使所述第二射频功率与所述第三射频功率为反相的脉冲信号。

5.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一射频功率供应单元包括第一射频功率源，其以脉冲的方式输出第一射频功率。

6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一射频功率和所述第二射频功率为同步脉冲信号。

7.根据权利要求6所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二射频功率与所述第三射频功率为具有相位差的反相脉冲信号，所述第三射频功率延时于所述第二射频功率，延时时间为小于等于10us。

8.根据权利要求1或5任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频功率的脉冲频率为10-100000赫兹，信号占空比范围为10%～90%。

9.根据权利要求1至7任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一射频功率供应单元为偏置射频功率源，所述第二射频功率供应单元为等离子体射频功率源。

10.一种等离子体处理方法，包括：

提供待处理基板于一等离子体处理装置内，所述等离子体处理装置包括处理腔室，所述处理腔室内设有下电极以及与所述下电极分隔并与之相对的上电极；

在所述处理腔室内通入反应气体，所述反应气体由第一射频功率供应单元或第二射频功率供应单元电离为等离子体，其中所述第一射频功率供应单元和所述下电极电连接，所述第二射频功率供应单元和所述下电极及所述上电极电连接；

通过所述等离子体对所述待处理基板进行处理，其中，所述第二射频功率供应单元以脉冲的方式输出射频功率，且其施加于所述上电极的第二射频功率与施加于所述下电极的第三射频功率为反相的脉冲信号；所述第一射频功率供应单元和所述第二射频功率供应单元其中一个为等离子体射频功率源，另一个为偏置射频功率源。

11.根据权利要求10所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述第一射频功率供应单元以脉冲的方式输出第一射频功率。

12.根据权利要求11所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述第一射频功率和所述第二射频功率为同步脉冲信号。

13.根据权利要求12所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述第二射频功率与所述第三射频功率为具有相位差的反相脉冲信号，所述第三射频功率延时于所述第二射频功率，延时时间为小于等于10us。

14.根据权利要求10至13任一项所述的等离子体处理方法，其特征在于，所述第一射频功率供应单元为偏置射频功率源，所述第二射频功率供应单元为等离子体射频功率源。