CN106992107B - 频率调制射频电源以控制等离子体不稳定性的系统和方法 - Google Patents

频率调制射频电源以控制等离子体不稳定性的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及频率调制射频电源以控制等离子体不稳定性的系统和方法。将晶片定位在电极下方的晶片支撑装置上，使得在晶片和电极之间存在等离子体产生区域。将第一信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域，以在等离子体产生区域内产生等离子体。基于将第一信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域来检测等离子体内的等离子体不稳定性的形成。在检测到等离子体不稳定性形成之后，将第二信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域来代替第一信号频率的射频信号以产生等离子体。第二信号频率大于第一信号频率，并被设定为导致等离子体内的离子能量的减少以及来自晶片的由离子与晶片的相互作用导致的二次电子发射的相应减少。

Description

频率调制射频电源以控制等离子体不稳定性的系统和方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造。
背景技术
许多现代半导体芯片制造工艺包括产生等离子体，来自等离子体的离子和/或自由基成分用于直接或间接影响暴露于等离子体的晶片表面上的变化。例如，各种基于等离子体的工艺可用于从晶片表面蚀刻材料，将材料沉积到晶片表面上，或修改已存在于晶片表面上的材料。通常通过向受控环境中的工艺气体施加射频(RF)功率来产生等离子体，使得工艺气体被激发并转变成期望的等离子体。等离子体的特性受许多工艺参数影响，所述工艺参数包括但不限于工艺气体的材料组成、工艺气体的流速、等离子体产生区域和周围结构的几何特征、工艺气体和周围材料的温度、施加的RF功率的频率和幅值、以及施加的将等离子体的带电成分朝向晶片吸引的偏置等。
然而，在一些等离子体工艺中，上述工艺参数可能不能提供对所有等离子体特性和行为的充分控制。具体地，在一些等离子体工艺中，在等离子体内可能发生称为“等离子体团(plasmoid)”的不稳定性，其中所述等离子体团的特征在于由较大体积的正常密度等离子体包围的小区域的较大密度等离子体。等离子体团的形成可导致晶片上的处理结果的不均匀性。因此，减轻和/或控制等离子体团的形成是有意义的。正是在这种背景下产生了本发明。
发明内容
在一示例性实施方式中，公开了一种用于晶片的等离子体处理的方法。该方法包括：将晶片定位在晶片支撑装置上。所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在晶片和电极之间存在等离子体产生区域。该方法包括：将第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域，以在等离子体处理操作的多个连续等离子体处理循环期间在所述等离子体产生区域内产生等离子体。该方法包括：基于将所述第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域来检测所述等离子体内的等离子体不稳定性的形成。该方法包括：在检测到所述等离子体不稳定性的形成之后，将第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域以在所述等离子体产生区域内产生所述等离子体。提供所述第二信号频率的所述射频信号来代替所述第一信号频率的所述射频信号。所述第二信号频率大于所述第一信号频率。所述第二信号频率导致所述等离子体内的离子能量的减少以及来自所述晶片的由离子与所述晶片的相互作用导致的二次电子发射的相应减少。
在一示例性实施方式中，一种方法被公开用于对晶片执行等离子体处理。该方法包括：将晶片定位在晶片支撑装置上。所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域。该方法包括：将具有大于13.56兆赫的信号频率的射频信号提供给所述电极，以在所述等离子体产生区域内产生等离子体。所述信号频率使所述等离子体内的离子能量保持足够低，以维持来自所述晶片的由离子与晶片的相互作用导致的可接受量的二次电子发射。来自所述晶片的所述可接受量的二次电子发射足够低，以防止在所述等离子体内形成二次电子诱导的不稳定性。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种用于晶片的等离子体处理的方法，其包括：
将晶片定位在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；
在等离子体处理操作的多个连续等离子体处理循环期间将第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域，以在所述等离子体产生区域内产生等离子体；
基于将所述第一信号频率的所述射频信号提供给所述等离子体产生区域来检测所述等离子体内的等离子体不稳定性的形成；以及
在检测到所述等离子体不稳定性的形成之后，将第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域以在所述等离子体产生区域内产生所述等离子体，提供所述第二信号频率的所述射频信号来代替所述第一信号频率的所述射频信号，所述第二信号频率大于所述第一信号频率，所述第二信号频率导致所述等离子体内的离子能量的减少以及来自所述晶片的由离子与所述晶片的相互作用导致的二次电子发射的相应减少。
2.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域由较大体积的正常密度的等离子体包围。
3.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性导致所述晶片上的所沉积的膜厚度的不均匀性。
4.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理操作是原子层沉积工艺。
5.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理操作是等离子体增强化学气相沉积工艺。
6.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第一信号频率为13.56兆赫。
7.根据条款6所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第二信号频率在从所述第一信号频率延伸到约60兆赫的范围内。
8.根据条款6所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第二信号频率为27.12兆赫。
9.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测在所述等离子体内所述等离子体不稳定性的形成在所述等离子体处理操作期间进行。
10.根据条款9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域包括向所述电极提供所述第一信号频率的射频信号，并且其中所述等离子体不稳定性的形成通过测量所述电极上的射频参数来检测。
11.根据条款10所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述射频参数是射频电压、射频电流、射频阻抗、射频信号相位角和射频功率中的一个或多个。
12.根据条款9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中通过测量来自所述等离子体的光发射来检测所述等离子体不稳定性的形成。
13.根据条款9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域在与检测到所述等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作相同的等离子体处理操作期间进行。
14.根据条款1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测在所述等离子体内的所述等离子体不稳定性的形成在所述等离子体处理操作之后进行。
15.根据条款14所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测所述等离子体内的所述等离子体不稳定性的形成通过测量所述晶片上的沉积的膜厚度的不均匀性来进行。
16.根据条款14所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域在与检测到所述等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作不同的等离子体处理操作期间进行。
17.一种用于对晶片执行等离子体处理的方法，其包括：
将晶片定位在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；以及
将具有大于13.56兆赫的信号频率的射频信号提供给所述电极，以在所述等离子体产生区域内产生等离子体，所述信号频率使所述等离子体内的离子能量保持足够低，以维持来自所述晶片的由离子与所述晶片的相互作用导致的可接受量的二次电子发射，其中来自所述晶片的所述可接受量的二次电子发射足够低，以防止在所述等离子体内形成二次电子诱导的不稳定性。
18.根据条款17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理是原子层沉积工艺或等离子体增强化学气相沉积工艺。
19.根据条款17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域由较大体积的正常密度的等离子体包围。
20.根据条款17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述
信号频率在从13.56兆赫延伸到约60兆赫的范围内。
从通过示例示出本发明的以下详细描述中并结合附图，本发明的其它方面和优点将变得更加明显。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一些实施方式的晶片处理系统。
图1B示出了根据本发明的一些实施方式的晶片处理系统。
图2示出了根据本发明的一些实施方式的包括四个处理站的多站式处理工具的俯视图。
图3示出了根据本发明的一些实施方式的与入站装载锁和出站装载锁接口的多站式处理工具的实施方式的示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为接收晶片以进行沉积处理的基座的示例。
图5A示出了根据本发明的一些实施方式的基座的竖直截面图。
图5B示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域 501的近视图。
图5C也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。
图5D也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域503的近视图。
图5E也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域503的近视图。
图5F示出了根据本发明的一些实施方式的对应于如图5A所示的参考视图A-A的导电层的俯视图。
图5G示出了根据本发明的一些实施方式的对应于图5A中所示的参考视图A-A的导电层的俯视图。
图6示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源通过室的 DC电流的示意图。
图7示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源通过室的 DC电流的替代示意图。
图8示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。
图9示出了根据本发明的一些实施方式的在示例性等离子体工艺中比较使用较低RF频率(例如13.56MHz)和较高RF频率(例如 27.12MHz)的各个方面的图表。
图10示出了根据本发明的一些实施方式的在示例性等离子体工艺中对于所施加的13.56MHz和27.12MHz的RF频率，预测的归一化离子能量通量与RF功率的函数关系曲线图。
图11示出了根据本发明的一些实施方式的在示例等离子体工艺中针对13.56MHz和27.12MHz的RF频率的无等离子体团的工艺窗口的图表。
图12示出了根据本发明的一些实施方式的在13.56MHz和 27.12MHz的RF信号频率下，在示例性等离子体工艺中的归一化湿法蚀刻速率与用于不同工艺气体流率的RF功率(瓦特)的函数关系曲线图。
图13示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片执行等离子体处理的方法的流程图。
图14示出了根据本发明的一些实施方式的用于晶片的等离子体处理的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊本发明。
膜的沉积可在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中实施。PECVD系统可以采用许多不同的形式。PECVD系统包括容纳一个或多个晶片并且适于晶片处理的(有时包括多个站的)一个或多个室或“反应器”。每个室可容纳一个或多个晶片以进行处理。一个或多个室将晶片保持在限定的一个或多个位置(在该位置内有或没有运动，例如旋转、振动或其它搅动)。在处理期间，经历沉积的晶片可以在反应室内从一个站转移到另一个站。当然，膜沉积可以完全在单个站处发生，或者膜的任何部分可以在任何数目的站处沉积。在处理期间，每个晶片通过基座、晶片卡盘和/或其它晶片保持装置保持在适当位置。对于某些操作，装置可以包括加热器(例如加热板)以加热晶片。
在示例实施方式中，本文所使用的术语晶片是指半导体晶片。此外，在各种实施方式中，本文所提及的晶片可以在形式、形状和/或尺寸上变化。例如，在一些实施方式中，本文提到的晶片可以对应于200mm(毫米)半导体晶片、300mm半导体晶片或450mm半导体晶片。此外，在一些实施方式中，本文所涉及的晶片可以对应于非圆形衬底(诸如用于平板显示器的矩形衬底等其它形状)。
图1A示出了根据本发明的一些实施方式的用于处理晶片101 的晶片处理系统100。该系统包括具有下室部分102b和上室部分102a的室 102。中心柱141被配置为支撑由导电材料形成的基座140。根据RF方向控制模块250的设置，导电基座140被连接以通过匹配网络106从RF电源104 接收RF信号。此外，在图1A的晶片处理系统100中，根据RF方向控制模块250的设置，喷头电极150被配置并连接以通过匹配网络106从RF电源 104接收RF信号。在一些实施方式中，RF方向控制模块250被配置为将从 RF电源104经由匹配网络106传输的RF信号导向喷头电极150或基座 140。此外，RF方向控制模块250被配置为将喷头电极150和基座140中的当前不接收RF信号的任何一个电连接到参考接地电位。以这种方式，在给定时间，RF方向控制模块250操作以确保在基座140电连接到参考接地电位时喷头电极150将从RF电源104接收RF信号，或者在喷头电极150电连接到参考接地电位时基座140将从RF电源104接收RF信号。
RF电源104由控制模块110(例如，控制器)控制。控制模块 110被配置为通过执行处理输入和控制指令/程序108来操作晶片处理系统 100。处理输入和控制指令/程序108可以包括工艺配方，所述工艺配方具有用于诸如功率电平、定时参数、工艺气体、晶片101的机械运动之类的参数的指令，以在晶片101上沉积或形成薄膜。
在一些实施方式中，中心柱141可以包括由升降销控制件122 控制的升降销。升降销用于从基座140提升晶片101以使得端部执行器能拾取晶片101，以及用于在被端部执行器放置之后降低晶片101。晶片处理系统 100还包括连接到工艺气体供应源114(例如，来自设施的气体化学物质供应源)的气体供应系统112。根据正在执行的处理，控制模块110控制工艺气体114经由气体供应系统112的输送。所选择的工艺气体然后流入喷头电极 150中并且分布在限定在喷头电极150和放置在基座140上的晶片101之间的处理体积中。
此外，工艺气体可以是或不是预混合的。可以在气体供应系统 112内采用适当的阀门和质量流量控制机构，以确保在工艺的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的工艺气体。工艺气体离开处理体积并流过排气出口143。真空泵(例如尤其一级或两级机械干式泵等)将工艺气体从处理体积中抽出并通过闭环反馈控制的流量限制装置(例如，节流阀或摆动阀)在处理体积中保持适当的低压。
还示出了环绕基座140的外部区域的承载环200。承载环200 被配置为在将晶片101往返基座140输送期间支撑晶片101。承载环200被配置为位于承载环支撑区域上，其是基座140的中心的晶片支撑区域下的台阶。承载环200具有环形盘结构，并且包括其盘结构的外边缘侧(例如外半径)，以及其盘结构的最靠近晶片101所处位置的晶片边缘侧(例如内半径)。承载环200的晶片边缘侧包括多个接触支撑结构，所述接触支撑结构被配置为当承载环200被蜘蛛叉180提升时提升晶片101。承载环200因此与晶片101一起被提升，并且例如能在多站系统中被旋转到另一个站。由控制模块110产生承载环升降和/或旋转控制信号124，以控制蜘蛛叉180升降和/ 或旋转承载环200的操作。
在一些实施方式中，电绝缘层507设置在基座140的顶表面上，而导电层509设置在电绝缘层507上。导电层509被配置为支撑晶片 101。此外，在这些实施方式中，导电层可以经由低通滤波器525电连接到直流(DC)电源521的正极端子。DC电源521还被连接以被控制模块110控制。因此，在一些实施方式中，根据由处理输入和控制指令/程序108提供并且由控制模块110执行的规定的配方，电流可以从DC电源521经由低通滤波器525传输到导电层509。
图1B示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为在晶片101 上执行原子层沉积(ALD)工艺(例如，ALD氧化物工艺)的晶片处理系统 100A。在图1B中示出了相对于图1A描述的部件相似的部件。具体地，晶片处理系统100A也包括上室部分102a、下室部分102b、控制模块110、RF电源104、匹配网络106、导电层509、DC电源521、低通滤波器525、承载环 200和蜘蛛叉180。在晶片处理系统100A中，基座140A被配置为包括电介质体251。在一些实施方式中，电介质体251直接固定到柱141。并且在一些实施方式中，电介质体251由固定到柱141的导电结构252支撑。导电层509 直接设置在基座140A的电介质体251的顶表面上。
在一些实施方式中，加热元件253(例如电阻加热元件)与基座140A的电介质体251一起布置。加热元件253连接到加热器电源255，加热器电源255又连接到控制模块110。在一些实施方式中，加热元件253存在时，加热器电源255可以根据规定的配方操作，规定的配方由处理输入和控制指令/程序108提供并且由控制模块110执行。还应当理解，温度测量装置可以安装在基座140A上/内和/或基座140A周围的其他位置处，以向控制模块110提供温度测量数据，从而使得能够操作在控制模块110和加热器电源255之间的闭环温度反馈控制电路。
基座140A的电介质体251包括RF电极254，根据RF方向控制模块250的设置，RF电极254被配置并连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号。此外，在图1B的晶片处理系统100A中，根据RF方向控制模块250的设置，喷头电极150A被配置和连接以通过匹配网络106从 RF电源104接收RF信号。在一些实施方式中，RF方向控制模块250被配置为将从RF电源104经由匹配网络106输送的RF信号引导到喷头电极 150A或RF电极254。此外，RF方向控制模块250被配置为将喷头电极 150A和RF电极254中的当前没有接收RF信号的任一个电连接到参考接地电位。以这种方式，在给定时间，RF方向控制模块250操作以确保在RF电极254电连接到参考接地电位的同时喷头电极150A将从RF电源104接收 RF信号，或者在喷头电极150A电连接到参考接地电位的同时RF电极254 将从RF电源104接收RF信号。
图2示出了根据本发明的一些实施方式的包括四个处理站的多站式处理工具300的俯视图。该俯视图是下室部分102b的视图(例如，为了说明，移除了上室部分102a)。四个处理站由蜘蛛叉180访问。每个蛛状叉 180或叉包括第一和第二臂，每个臂围绕基座140/140A的每一侧的一部分定位。使用接合和旋转机构220的蜘蛛叉180被配置为以同时的方式从处理站 (即，从承载环200的下表面)提升和举起承载环200，然后在降低承载环 200(其中承载环中的至少一个支撑晶片101)之前旋转至少一个或多个站的距离，使得可以在相应的晶片101上进行进一步的等离子体加工、处理和/或膜沉积。
图3示出了根据本发明的一些实施方式的与入站装载锁302和出站装载锁304接口的多站式处理工具300的实施方式的示意图。机械手 306在大气压力下被配置为将晶片101从通过箱308装载的盒经由大气端口 310移动到入站装载锁302中。入站装载锁302耦合到真空源/泵，使得当大气端口310关闭时，入站装载锁302可以被抽空。入口装载锁302还包括与处理室102接口的室传送端口316。因此，当室传送端口316打开时，另一个机械手312可将晶片从入站装载锁302移动到第一处理站的基座140/140A 以进行处理。
所示的处理室102包括四个处理站，在图3所示的示例性实施方式中编号为1至4。在一些实施方式中，处理室102可以被配置为保持低压环境，使得可以使用承载环200在处理站1-4之间传送晶片而不经历真空中断和/或空气暴露。图3中描绘的每个处理站1-4包括基座140/140A和喷头电极150/150A以及相关的工艺气体供应连接件。而且，应当理解，在其他实施方式中，处理室102可以包括少于四个处理站或多于四个处理站。
图3还示出了用于在处理室102内传送晶片的蜘蛛叉180。如上所述，蜘蛛叉180旋转并且能够将晶片从一个处理站传送到另一个处理站。该传送通过以下方式发生：使蜘蛛叉180能够从外部下表面提升承载环 200，从而提升晶片101，并且将晶片101和承载环200一起旋转到下一个处理站。在一种配置中，蜘蛛叉180由陶瓷材料制成，以在处理期间承受高水平的热量。
图4示出了根据本发明的一些实施方式的被配置为接收晶片101以进行诸如原子层沉积(ALD)工艺之类的沉积工艺的基座140/140A的示例。基座140/140A包括位于基座140/140A的中心顶表面上的导电层 509，其中中心顶表面由从基座140/140A的中心轴线420延伸到限定中心顶表面边缘的顶表面直径422的圆形区域限定。导电层509包括分布在整个导电层509上并且被配置为支撑晶片101的多个晶片支撑件404a、404b、 404c、404d、404e和404f。晶片支撑件水平由当晶片101位于晶片支撑件 404a、404b、404c、404d、404e和404f上时晶片101的底表面的竖直位置限定。在图4的示例中，围绕导电层509的外围对称地分布有六个晶片支撑件 404a、404b、404c、404d、404e和404f。然而，在其他实施方式中，在导电层509上可以存在任何数量的晶片支撑件，并且晶片支撑件可以以任何合适的布置分布在导电层509上以在沉积工艺操作期间支撑晶片101。图4还示出了被配置成容纳升降销的凹部406a、406b和406c。升降销可以用于从晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和404f提升晶片101，以允许通过端部执行器接合晶片101。
在一些实施方式中，每个晶片支撑件404a、404b、404c、 404d、404e和404f限定最小接触区域结构(MCA)。当需要高精度或公差和/或希望最小的物理接触以减少缺陷风险时，MCA用于改善表面之间的精确配合。系统中的其它表面也可以包括MCA，例如在承载环200支撑件上方，以及在承载环200的内部晶片支撑区域上方。
基座140/140A还包括从基座140/140A的顶表面直径422延伸到环形表面410的外径424的环形表面410。环形表面410限定围绕导电层 509的环形区域，但是在从导电层509向下的台阶处。也就是说，环形表面 410的竖直位置低于导电层509的竖直位置。多个承载环支撑件412a、412b 和412c基本上位于/沿着环形表面410的边缘(外径)，并且相对于环形表面410对称地分布。在一些实施方式中，承载环支撑件可以限定用于支撑承载环200的MCA。在一些实施方式中，承载环支撑件412a、412b和412c延伸超过环形表面410的外径424，而在其它实施方式中，承载环支撑件 412a、412b和412c不延伸超过环形表面410的外径424。在一些实施方式中，承载环支撑件412a、412b和412c的顶表面具有略高于环形表面410的高度的高度，使得当承载环200搁置在承载环支撑件412a、412b和412c上时，承载环200被支撑在环形表面410上方预定距离处。每个承载环支撑件 412a、412b和412c可包括凹部(例如，承载环支撑件412a的凹部413)，当承载环200由承载环支撑件412a、412b和412c支撑时，从承载环200的下侧突出的延伸部安置在凹部中。承载环延伸部与承载环支撑件412a、412b和412c中的凹部(413)的配合提供承载环200的安全定位，并防止承载环 200在安放在承载环支撑件412a、412b和412c上时移动。
在一些实施方案中，承载环支撑件412a、412b和412c的顶表面与环形表面410齐平。在其他实施方案中，没有与环形表面410分开限定的承载环支撑件，使得承载环200可以直接放置在环形表面410上，并且使得在承载环200和环形表面410之间不存在间隙。在这种实施方案中，承载环200和环形表面410之间的路径被封闭，从而阻止前体材料经由此路径到达晶片101的背侧/下侧。
在图4的示例性实施方式中，存在沿着环形表面410的外边缘区域对称地定位的三个承载环支撑件412a、412b和412c。然而，在其他实施方案中，可以存在分布在沿着基座140/140A的环形表面410的任何位置处的三个以上承载环支撑件，以将承载环200支撑在稳定的静止构造中。
当晶片101由晶片支撑件404a、404b、404c、404d、404e和 404f支撑时，并且当承载环200由承载环支撑件412a、412b和412c支撑时，晶片101的边缘区域设置在承载环200的内部部分上。一般来说，晶片 101的边缘区域从晶片101的外边缘向内延伸约2毫米(mm)至约5mm。从而在晶片101的边缘区域和承载环200的内部部分之间限定竖直间隔。在一些实施方式中，该竖直间隔为约0.001英寸至约0.010英寸。可以控制承载环 200在环形表面410上方的预定距离处的支撑件以及晶片101的边缘区域和承载环200的内部部分之间的竖直间隔，以限制在晶片101的边缘区域中的晶片101的背侧/下侧上的沉积。
用于沉积薄膜或处理晶片表面的一些等离子体在从工艺观点来看是优选的条件下是不稳定的。作为示例，在1至3托压强范围内以及在高 RF功率(>200W每300mm直径的晶片处理站)下操作的Ar/O2电容耦合等离子体(CCP)放电显示等离子体内的不稳定性。一种这样的等离子体不稳定性，在本文中称为“等离子体团”，其特征在于由较大体积的正常密度等离子体包围小区域的较高密度(较亮)等离子体。当形成等离子体团时，由于膜与对应于等离子体团的局部高密度等离子体的相互作用，所沉积的膜在等离子体团附近局部致密化，这导致膜均匀性降低。等离子体团在晶片101 上的空间分布可以在处理之间以及在给定处理内变化。此外，等离子体团可以在给定的处理期间在晶片101上移动。应当理解，等离子体团例如通过改变晶片101上不同位置处的沉积膜的厚度而导致晶片101上的工艺均匀性的降低。由等离子体团引起的膜厚度的不均匀性可以是膜总厚度的约1％至 2％，这种不均匀性在需要超平坦膜轮廓的一些应用中可能是显著的。
在示例膜沉积工艺期间，执行操作以施加单层前体气体，而不施加任何RF功率。前体气体粘附到晶片101。在一些实施方式中，前体气体包括硅以使得能够在晶片上形成氧化硅。然后执行操作以将前体气体从晶片 101上方的处理体积冲走，从而在晶片101上留下前体气体的单层。然后在晶片101上执行氧化工艺。在氧化工艺中，工艺气体流入晶片101上方的处理体积中，并且将RF功率施加到工艺气体以在处理体积内产生等离子体。等离子体驱动晶片101上的氧化反应。在一些实施方式中，工艺气体将包含氧气加上一种或多种其它轰击气体(例如氩等)，其中轰击气体提供等离子体的充分致密化。轰击气体是有效地使沉积膜致密化的气体。使沉积膜致密化的轰击气体是能够有效地将能量转移到沉积膜的那些气体。在一些实施方式中，轰击气体是单原子惰性气体，例如氩等，其不与沉积膜发生化学反应，并且缺乏振动或旋转分子模式。例如，在示例性工艺中，工艺气体混合物可以包括约5％至约20％的氧气，其余工艺气体混合物是氩气。并且，在其他示例工艺中，工艺气体混合物中的氧气与轰击气体的百分比可以小于 5％或大于20％。
在氧化工艺中，当在晶片101上形成特定厚度的膜时，等离子体团可以开始出现在晶片101上。等离子体团的数量和尺寸与工艺气体混合物中的轰击工艺气体(例如氩)的量具有直接的相关性。因此，减少工艺气体混合物中的轰击工艺气体的量可用于降低等离子体团的强度。然而，较高百分比的轰击工艺气体通常也是必要的，以提供足够的等离子体密度以确保适当的膜形成。另外，需要大量的RF功率来产生等离子体，因为如果没有施加足够的RF功率，则等离子体密度将不足。然而，增加施加的RF功率导致形成更多的等离子体团。一些工艺应用使用约300W的施加的RF功率每 300mm直径的晶片处理站。然而，其他工艺应用可能需要更高的RF功率，例如400W，或甚至更高，每300mm直径的晶片处理站。
鉴于前述，抑制等离子体团形成的一种方法是降低施加的RF 功率和/或增加气体混合物内的氧气浓度。更具体地，较低的工艺功率(即，较低的所施加的RF功率)或工艺气体中(相对于氧气)较低的轰击气体 (通常为氩)浓度导致较低的等离子体密度，从而抑制等离子体团的形成。不幸的是，从沉积膜质量的角度来看，这些条件不是优选的。例如，当在较低工艺功率或工艺气体内的较低轰击气体浓度下来自等离子体的离子轰击不足时，膜质量下降。因此，通过降低工艺功率和/或降低工艺气体中的轰击气体浓度(例如氩浓度)可能不总是能够在抑制等离子体团形成的同时保持沉积膜质量。
本文公开了通过调节晶片101的电势来防止/抑制等离子体不稳定性的系统和方法。在一些实施方式中，将低正DC偏置施加到晶片101的背侧/下侧。该低正DC偏置在抑制等离子体团的形成方面是有效的。本文公开的用于抑制和/或防止等离子体不稳定性的系统和方法不需要改变其它工艺条件，例如工艺气体流速、压力和/或施加的RF功率。
图5A示出了根据本发明的一些实施方式的图1A的基座140的竖直截面图。在一些实施方式中，基座140由导电材料(例如铝等材料)形成。在一些实施方式中，基座140包括加热装置505，例如电阻加热器。基座140包括顶表面502。电绝缘层507设置在基座140的顶表面502上。电绝缘层507由介电材料形成，该介电材料与在晶片101的处理中使用的材料兼容并且在晶片101的处理期间对于热膨胀是稳定的。在各种实施方式中，在晶片101的处理期间，基座140可暴露于延伸至高达约100摄氏度(℃)的范围内的温度、或暴露于约20℃延伸至约100℃的范围内的温度、或暴露于延伸至高达约50℃的范围内的温度、或暴露于延伸至高达约250℃的范围内的温度。
在一些实施方式中，电绝缘层507由陶瓷材料形成，例如陶瓷板或陶瓷涂层。在一些实施方式中，电绝缘层507通过阳极氧化基座140的顶表面502而形成。在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座 140的顶表面502的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1毫米 (mm)的范围内、或在延伸直至约100微米的范围内、或在约10微米延伸至约50微米的范围内、或约30微米。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的电绝缘层507的竖直厚度可以不同于上述范围和值。电绝缘层507的竖直厚度被限定为确保电流不流过电绝缘层507到达基座140。
导电层509设置在电绝缘层507上。导电层509被配置为支撑晶片101。在一些实施方式中，导电层509形成为具有垂直于基座140的顶表面502的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1mm的范围内、或在延伸直至约0.25英寸的范围内、或在延伸直至约0.5英寸的范围内。然而，应当理解，在其它实施方式中，在垂直于基座140的顶表面502 的方向上测得的导电层509的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，导电层509形成为实心板。在一些实施方式中，导电层509形成为层压膜。在一些实施方式中，导电层509形成为喷涂金属涂层。在一些实施方式中，导电层509由铝形成。然而，应当理解，在其它实施方式中，导电层509可以由基本上任何类型的导电材料形成，该导电材料与在晶片101 的处理中使用的材料兼容，并且在晶片101的处理期间关于热膨胀是稳定的。
在一些实施方式中，导电层509包括被配置为接触和支撑晶片 101的MCA 511的分布。在这些实施方式中，MCA 511由导电材料形成，以使得电流能够从导电层509传输到晶片101。在一些实施方式中，MCA 511 由与导电层509相同的材料形成。在一些实施方式中，MCA511由与导电层 509不同的材料形成，只要MCA 511由导电材料形成即可。在一些实施方式中，MCA 511与导电层509一体形成。在一些实施方式中，MCA 511被物理地附接到导电层509。在一些实施方式中，MCA 511被配置为具有接触晶片 101的背侧/下侧的圆形顶表面。在一些实施方式中，MCA 511被配置为具有接触晶片101的背侧/下侧的基本平坦的顶表面。
导电层509通过延伸穿过低通滤波器525的电连接件523电连接到DC电源521。低通滤波器525防止RF信号进入和损坏DC电源521。 DC电源521的正极端子连接到电连接件523，使得直流电流经由电连接件 523(包括经由低通滤波器525)流到导电层509，然后经由晶片101流入位于晶片101上方的处理体积内的等离子体。DC电源521的负极端子连接到室内的电流返回结构，以提供完整的电路。在各种实施方式中，电连接件523 可以以不同的方式(例如，通过焊接连接、钎焊连接、压缩连接、螺纹连接等)连接到导电层509。形成电连接件523和/或与导电层509的接触的电导体通过一个或多个电绝缘结构527与基座140电绝缘。另外，如果基座140 包括加热装置505，例如电阻加热器，则电绝缘结构527被形成为使加热装置505与电连接件523电绝缘。
另外，在一些实施方式中，基座140内的升降销中的至少一个由导电材料形成，并且被配置为在基座140内缩回到其向下位置时电接触导电层509，并且通过电连接件523和低通滤波器525电连接到DC电源521。在这些实施方式中，代替或者除了在导电层509和电连接件523之间形成永久接触之外，至少一个DC供电的升降销可用于提供与导电层509的电连接。
图5A还示出了承载环200，承载环200位于承载环支撑表面 513上方的基座140的外部区域中。承载环200可以包括多个延伸部515，延伸部515固定承载环200以防止承载环200在晶片101的处理期间偏移。延伸部515被配置为位于承载环支撑件412a、412b和412c中，如图4所示。图5B示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。图5C也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中参考的区域501的近视图。在图5C的示例性实施方式中，基座140包括保持器结构142，保持器结构142被配置为从基座140的顶表面502向上延伸，并且被配置为围绕其中形成电绝缘层507和导电层509的区域。此外，在图5C的示例性实施方式中，电绝缘层507形成为沿保持器结构142的内表面向上延伸，以在保持器结构142和导电层509之间提供电绝缘。
图5D还示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中所参考的区域503的近视图。在图5D的示例性实施方式中，电连接件512被示为形成在导电层509和电连接件523之间。在各种实施方式中，电连接件523可以是焊接连接件、钎焊连接件、压缩连接件、螺纹连接件等。图5E也示出了根据本发明的一些实施方式的图5A中所参考的区域503的近视图。在图5E的示例性实施方式中，电连接件512形成为导电层509和电连接件523之间的较宽的衬垫型结构。在图5E的示例性实施方式中，电绝缘层507形成为环绕电连接件523。
在操作期间，DC电源521可以被操作以引起DC电流从DC电源521经由电连接件523(包括经由低通滤波器525)流到导电层509，经由支撑晶片101的MCA 511，经由晶片101流到覆盖晶片101的等离子体，并且经由等离子体流到与等离子体接触的导电返回结构。由DC电流引起的晶片101附近的正电荷用于排斥覆盖在晶片101上的等离子体内的带正电荷的离子，这用于抑制晶片101表面处的等离子体团的形成。在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流在延伸直至100毫安(mA)的范围内、或在从约30mA延伸至约70mA的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，由DC电源521施加到电连接件523的电压在延伸直至约+30伏 (V)的范围内、或在从约-10V延伸至约+50V的范围内、或在从约+20V延伸至约+40V延伸的范围内，或在从约+10V延伸至约+30V的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，由DC电源521施加的电压可以不同于上述范围和值。
因为从DC电源521供应的DC电流经由MCA 511流到晶片 101，所以MCA 511的空间布置可能对从晶片101流到等离子体的DC电流的空间分布具有影响并且进而对晶片101上的等离子体团形成的抑制具有空间效应。图5F示出了根据本发明的一些实施方式的对应于图5A中标识的参考视图A-A的导电层509的俯视图。在图5F的示例性实施方式中，MCA 511(对应于由511表示的小圆圈(典型的))以基本上均匀的方式分布在整个导电层509上，以便以基本均匀的空间布置接触晶片101的背侧/下侧。 MCA 511的空间布置可以用于在不同的空间区域中增加/减少到晶片101的电导，并且由此提供对等离子体团抑制的空间控制。例如，在一些实施方式中，可以在预期较高的等离子体团形成的位置处提供更多的MCA 511，以便增加在这些位置处通过晶片101的DC电流的流动。
图5G示出了根据本发明的一些实施方式的对应于如图5A所示的参考视图A-A的导电层509的俯视图。在图5G的示例性实施方式中， MCA 511的空间密度朝向导电层509的外径周边增加。因此，图5G的示例性实施方式中的MCA 511的空间布置可以用于其中增加的等离子体团形成预期在晶片101的外径区域附近这样的处理应用中。应当理解，提供图5F和5G的示例实施方式中描绘的MCA 511空间布置是用于描述的目的，并且不代表MCA 511在导电层509上的所有可能的空间布置。在其他实施方式中， MCA 511可以具有基本上任何空间布置，该空间布置提供对晶片101的足够的结构支撑，并且提供从导电层509流到晶片101的DC电流的合适分布。
图6示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源521流经室102的DC电流的示意图。图6示出了喷头电极150/150A，其被连接以通过匹配网络106从RF电源104接收RF信号，以在覆盖晶片101的区域内产生等离子体601。在图6的示例性实施方式中，喷头电极150/150A连接到 DC电源521的返回端(负极端子)，如电连接件605所示，其中DC电源 521的返回端(负极端子)电连接到参考接地电位。以这种方式，DC电流 (i)从DC电源521通过低通滤波器525流到导电层509，如电连接件523 所示，并且通过MCA 511流到晶片101，并且穿过晶片101流到等离子体 601，并且通过等离子体601流到喷头电极150/150A，并且从喷头电极150/150A通过电连接件605流到直流电源521的返回端(负极端子)。
图7示出了根据本发明的一些实施方式的从DC电源521流经室102的DC电流的替代示意图。图7的示例性实施方式对应于低压处理应用，其中等离子体601接触室102的壁。在图7的示例性实施方式中，室102 的壁用作从直流电源521流出的直流电流(i)的返回电极。更具体地，室 102的壁经由电连接件701电连接到直流电源521的返回端(负极端子)。在操作期间，DC电流(i)从DC电源521经由低通滤波器525流到导电层 509，如电连接件523所示，并且通过MCA 511流到晶片101，并且通过晶片101流到等离子体601，并且通过等离子体601流到室102的壁，并且从室 102的壁经由电连接件701流到DC电源521的返回端(负极端子)。
如上所述，在各种晶片101处理应用中，晶片101被装载到诸如沉积站之类的处理站上，并且被放置在基座140/140A的导电层509上。晶片101由与导电层509电连接的成组的导电销/结构(例如MCA 511)支撑。然后，从外部DC电源521经由导电层509以及经由导电销/结构(例如经由MCA 511)将DC电压施加到晶片101。所施加的DC电压用于减小入射在晶片101上的等离子体内的(正)离子的能量通量。来自等离子体的高能粒子可从沉积在晶片101上的膜材料中喷射二次电子。这些二次电子在通过等离子体鞘拉入体等离子体时可被加速到高能量。这些加速的电子可以形成高密度、不稳定的等离子体的区域，例如等离子体团。当放电与特定表面(例如，具有特定组成和厚度的膜)相互作用时，在富氩气体混合物中观察到这种行为。为了改变晶片电位，所施加的DC电压产生非零的DC电流流动。没有DC电流的非零流动，外部DC电压的施加可能是无效的，这是由于等离子体能用相反符号的电荷遮蔽晶片101表面电荷从而恢复晶片101的浮动电位。
应当理解，本文公开的用于抑制等离子体不稳定性(例如等离子体团)的系统和方法向处理系统增加了最小扰动。施加到晶片101的背侧/ 下侧的DC偏置用作工艺调整参数，其可以被调整以消除等离子体团，同时对放电和工艺具有最小的影响。在向晶片101的背侧/下侧施加DC偏置时，流速、压力、RF功率和其它参数可以保持不变。
将DC偏置施加到晶片101的晶片背侧/下侧是不常见的。在一些情况下，可将DC偏置施加到RF供电电极，例如施加到喷头电极 150/150A，以调制全局等离子体结构。然而，向喷头电极150/150A施加DC 偏置不会抑制等离子体团，因为DC电流主要在喷头电极150/150A和室102 的壁之间流动，而对等离子体到晶片的界面具有最小的影响。与向喷头电极150/150A施加DC偏置相反，本文公开的系统和方法建立与晶片101的背侧/ 下侧的DC电连接。并且，在一些实施方式中，与晶片101的背侧/下侧的 DC电连接通过在晶片101的背侧/下侧空间分布的多个导电晶片支撑结构 (例如，MCA 511)建立。这些多个导电晶片支撑结构产生与晶片101的低电阻接触，并将DC电流传导到晶片101，以便改变晶片101的电位。一般来说，用于增加晶片101的电位的各种方法可以用于减少等离子体团形成的可能性。在替代实施方式中，与使晶片101处于浮动电位相反，甚至晶片101 的DC接地可用于减少一些等离子体不稳定性。这种替代实施方式可以被认为是具有零电压的DC偏置的特殊情况。
鉴于前述内容，应当理解，本文公开了一种用于在等离子体处理操作期间支撑晶片的装置。该装置包括被构造为具有底表面和顶表面的基座140/140A。该装置还包括被配置为在基座140/140A的底表面的中心区域处支撑基座140/140A的柱141。在一些实施方式中，柱141被配置成旋转。并且，在这些实施方式中，柱141固定到基座140/140A，使得柱141的旋转引起基座140/140A的相应旋转。该装置包括设置在基座140/140A的顶表面上的电绝缘层507。在一些实施方式中，电绝缘层507与基座一体形成，如图1B所示。该装置还包括设置在电绝缘层507的顶表面上的导电层509。该装置还包括分布在导电层509上的至少三个支撑结构511。至少三个支撑结构511中的每一个由导电材料形成并且被固定成与导电层509电接触。至少三个支撑结构511被配置为与晶片101的底表面配合以物理地支撑晶片101并电连接到晶片101。该装置还包括从导电层509延伸到基座140/140A外部的位置的电连接件523。电连接件523电连接到直流电源521的正极端子。
在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座140/140A 的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度至少足够大以防止电流从导电层509流向位于电绝缘层507下方的基座140/140A内的导电材料。在一些实施方式中，电绝缘层507具有在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸直至约1000微米的范围内、或在延伸直至约100微米的范围内、或在约10微米延伸至约50微米的范围内、或约30微米。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的电绝缘层507的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，导电层509具有在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的竖直厚度，该竖直厚度在延伸至大约1毫米的范围内、或在延伸至大约7 毫米的范围内、或在延伸至约13毫米的范围内。然而，应当理解，在其他实施方式中，在垂直于基座140/140A的顶表面的方向上测得的导电层509的竖直厚度可以不同于上述范围和值。在各种实施方式中，导电层509形成为板、或层压膜或喷涂涂层。
在一些实施方式中，例如，至少三个支撑结构511以基本均匀的方式分布在导电层509上，如图5F所示。在一些实施方式中，例如，至少三个支撑结构511以不均匀的方式分布在导电层509上，如图5G所示。在一些实施方式中，与导电层509的中心区域附近相比，至少三个支撑结构511 中的更多数量位于导电层509的外围区域附近。
在一些实施方式中，至少三个支撑结构511和导电层509都由相同的材料形成。并且，在一些实施方式中，导电层509由与形成至少三个支撑结构511的材料不同的材料形成，其中至少三个支撑结构511由导电材料形成。在一些实施方式中，至少三个支撑结构511和导电层509都形成为单个整体结构。在一些实施方式中，至少三个支撑结构511被附接到导电层 509。此外，在一些实施方式中，至少三个支撑结构511中的每一个被配置为具有圆形顶表面以与晶片101的底表面配合。
此外，鉴于前述，应当理解，本文公开了用于对晶片进行等离子体处理的系统。该系统包括具有正极端子和负极端子的直流电源521。该系统还包括具有输入连接件和输出连接件的低通滤波器电路，例如低通滤波器525，其中低通滤波器电路525的输入连接件电连接到直流电源521的正极端子。该系统还包括晶片支撑装置，晶片支撑装置包括分布为物理接触并支撑晶片101的底表面的至少三个支撑结构511。至少三个支撑结构511中的每一个由导电材料形成。并且，至少三个支撑结构511中的每一个电连接到低通滤波器电路525的输出连接件。
在一些实施方式中，晶片支撑装置包括导电层509，其中至少三个支撑结构511物理地和电连接到导电层509，并且导电层509电连接到低通滤波器电路525的输出连接件。此外，在一些实施方式中，晶片支撑装置包括被配置为具有底表面和顶表面的基座140/140A。并且，晶片支撑装置包括设置在导电层509下面的电绝缘层507。并且，在一些实施方式中，晶片支撑装置包括柱141，柱141被配置为在基座140/140A的底表面的中心区域处支撑基座140/140A。在一些实施方式中，柱141被配置成旋转，柱141 固定到基座140/140A，使得柱141的旋转引起基座140/140A的相应旋转。
该系统还包括例如位于晶片支撑装置上方的电极，例如喷头电极150/150A。等离子体产生区域位于电极150/150A和晶片支撑装置之间。该系统还包括被连接以向电极150/150A传送射频功率的射频电源104。该系统还具有直流电源521的负极端子，负极端子电连接到暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构。在一些实施方式中，例如图6所示，暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构是电极150/150A。在一些实施方式中，例如图7所示，暴露于等离子体产生区域的至少一个导电结构是室102的壁，室102中设置有电极150/150A和晶片支撑装置。
图8示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片进行等离子体处理的方法的流程图。该方法包括操作801，操作801用于将晶片 (101)放置在被分布以物理接触并支撑晶片(101)的底表面的至少三个支撑结构(511)上。至少三个支撑结构(511)中的每一个由导电材料形成。此外，至少三个支撑结构(511)中的每一个电连接到直流电源(521)的正极端子。
该方法还包括操作803，操作803用于提供从覆盖晶片(101) 的等离子体产生区域到直流电源(521)的负极端子的电流返回路径。在一些实施方式中，例如图6所示，例如，从等离子体产生区域经由电极(例如喷头电极150/150A)以及从电极(150/150A)到直流电源(521)的负极端子来提供电流返回路径。在一些实施方式中，例如如图7所示，例如，从等离子体产生区域经由其中形成等离子体产生区域的室(102)的壁以及从室 (102)的壁到直流电源(521)的负极端子来提供电流返回路径。
该方法还包括用于在覆盖晶片(101)的等离子体产生区域内产生等离子体(601)的操作805。在一些实施方式中，在操作805中在等离子体产生区域内产生等离子体(601)包括向覆盖等离子体产生区域的电极(例如喷头电极150/150A)供应射频功率。该方法还包括操作807，操作807用于操作直流电源(521)以驱动通过所述至少三个支撑结构(511)、以及从所述至少三个支撑结构(511)通过晶片(101)、以及从晶片(101)通过等离子体(601)，以及从等离子体(601)通过电流返回路径到达直流电源 (521)的负极端子的电流。在操作807中的驱动电流与在操作805中的产生等离子体(601)一起执行。
在一些实施方式中，操作807包括操作直流电源(521)以产生电流，该电流在延伸直至约100毫安的范围内、或者从约30毫安延伸至约 70毫安的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，从DC电源521传输的DC电流可以不同于上述范围和值。在一些实施方式中，操作807包括操作直流电源(521)以产生电压，该电压在延伸直至约+30伏特的范围内、或在从约-10伏特延伸至约+50伏特的范围内、或在从约+20伏特延伸到约+ 40伏特的范围内、或在从约+10伏特延伸到约+30伏特的范围内。然而，应当理解，在一些实施方式中，由DC电源521施加的电压可以不同于上述范围和值。
许多PECVD/ALD等离子体工艺使用以13.56MHz的频率提供的RF功率。来自等离子体的以13.56MHz的频率施加的RF功率冲击晶片的离子的能量分布会是宽的。来自等离子体的轰击晶片的高能离子可导致来自晶片表面的较高速率的二次电子发射。在富氩工艺中，来自晶片表面的二次电子发射可以引发和维持等离子体团的形成。此外，等离子体团可以在利用除了氩之外的相对重的工艺气体的其他类型的等离子体工艺操作中形成。为了抑制等离子体团形成，可以降低RF功率和/或可以降低工艺气体混合物中较重的工艺气体浓度。但是，当工艺气体离子的能量通量降低时，沉积膜质量(例如，湿法/干法蚀刻速率)降低。结果，使用频率为13.56MHz的RF 功率的等离子体增强沉积工艺可能不能提供足够宽的工艺窗口来实现无等离子体团的处理(无等离子体不稳定性)和所需的膜质量(即，低湿法/干法蚀刻速率)两者。
因为等离子体不稳定性可以通过轰击晶片的高能量离子来驱动，所以本文公开了用于减少离子能量并随后减少从晶片表面产生二次电子的方法。该方法包括使用较高的RF频率(例如，27.12MHz)以实现离子能量的减少，同时保持入射在晶片表面上的足够高的离子通量。图9示出了根据本发明的一些实施方式的在示例等离子体工艺中比较使用较低RF频率 (例如13.56MHz)和较高RF频率(例如27.12MHz)的各个方面的图表。
图9的比较基于针对每个RF频率维持向等离子体输送固定量的RF功率。如图9所示，较高RF频率的等离子体活化导致较高的等离子体密度和较低的鞘电势。由于撞击晶片的离子的能量近似等于鞘电势和离子电荷的乘积，所以鞘电势的降低导致较低的离子能量。在通过高能离子与晶片表面的碰撞而从晶片表面发射的足够的二次电子通量缺少的情况下，等离子体不稳定性(例如等离子体团)被快速淬灭和/或不会形成。
本文公开了使用高于13.56MHz的RF频率以减少入射在晶片上的离子能量通量并由此抑制等离子体不稳定性(例如等离子体团)的形成的方法。在一些实施方式中，使用27.12MHz的RF频率来产生等离子体。然而，在一些实施方式中，可以使用除27.12MHz之外的并大于13.56MHz的 RF频率来产生等离子体。在一些实施方式中，所施加的RF频率可以高得多，例如60MHz或甚至更高。
图10示出了根据本发明的一些实施方式的在示例性等离子体工艺中对于所施加的13.56MHz和27.12MHz的RF频率，预测的归一化离子能量通量与RF功率的函数关系曲线图。如图9和10所示，当RF频率从 13.56MHz增加到27.12MHz时，离子的能量减小，而离子通量增大。这种效应归因于电子加热的效率的提高以及等离子体电势的下降，电势的下降对应于所施加的RF电压的减小。较低的离子能量减少来自晶片表面的二次电子的发射，从而抑制等离子体不稳定性(例如等离子体团)的形成。
图11示出了根据本发明的一些实施方式的在示例等离子体工艺中用于13.56MHz和27.12MHz的RF频率的无等离子体团的工艺窗口的图表。对应于图11的图表的等离子体工艺在从约1托至约3托的范围内的压强下进行。此外，利用在氩气流中混合的约10％-40％的O2进行对应于图11的图表的等离子体工艺。对于每个频率，该图表显示了等离子体团的形成是否随O2流率(以标准立方厘米每分钟(sccm))和RF功率(以瓦特(W)) 而变化地发生。在图11中，对于给定的O2流率和RF功率，词语“否”表示没有发生等离子体团的形成。此外，在图11中，对于给定的O2流率和RF 功率，词语“是”表示发生了等离子体团的形成。如图11所示，随着RF频率从13.56MHz增大到27.12MHz，无等离子体团的工艺窗口显著扩大。例如，在1500sccm的O2流率下和在13.56MHz的RF频率下，没有提供无等离子体团的工艺窗口的RF功率。然而，在1500sccm的O2流率下和在RF频率为 27.12MHz的情况下，无等离子体团的工艺窗口扩大到包括从约250W到约 600W的RF功率范围。而且，在O2流率范围从约3000sccm延伸到约 8000sccm内，从13.56MHz的RF频率改变到27.12MHz的RF频率使无等离子体团的工艺窗口扩展到包括从约250W延伸到约500W的RF功率范围。因此，图11表明，就工艺气体流率和RF功率而言，通过增大RF频率，可以扩展无等离子体的工艺窗口。
图12示出了根据本发明的一些实施方式的在13.56MHz和 27.12MHz的RF信号频率下，在示例性等离子体工艺中的归一化湿法蚀刻速率与用于不同工艺气体流率的RF功率(瓦特)的函数关系曲线图。图12还显示了对于27.12MHz的较高RF信号频率的关于湿法蚀刻速率和RF功率以及工艺气体流率的无等离子体团的工艺窗口。如图12所示，在与具有13.56MHz的较低RF信号频率相比，具有27.12MHz的较高RF信号频率时，关于湿法蚀刻速率和RF功率以及工艺气体流率的无等离子体团的工艺窗口显著地加宽。
图13示出了根据本发明的一些实施方式的用于对晶片执行等离子体工艺的方法的流程图。应当理解，图13的方法可以使用图1A/1B的晶片处理系统100/100A来实现。在一些实施方式中，等离子体工艺是原子层沉积工艺。在一些实施例中，等离子体工艺是等离子体增强化学气相沉积工艺。该方法包括用于将晶片(101)定位在晶片支撑装置(140/140A)上的操作 1501。晶片支撑装置(140/140A)定位于电极(150/150A)的下方，使得在晶片(101)和电极(150/150A)之间存在等离子体产生区域。该方法还包括用于将具有大于13.56兆赫的信号频率的射频信号提供给电极(150/150A) 以在等离子体产生区域内产生等离子体的操作1503。大于13.56兆赫的信号频率保持等离子体中的离子能量足够低，以保持由离子与晶片的相互作用导致的来自晶片的可接受量的二次电子发射。来自晶片的可接受的二次电子发射量足够低，以防止在等离子体内形成二次电子诱导的不稳定性。在一些实施方式中，等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域被较大体积的正常密度等离子体包围。在一些实施方式中，信号频率在从13.56兆赫延伸到约60兆赫的范围内。在一些实施例中，信号频率为 27.12兆赫。
图14示出了根据本发明的一些实施方式的用于晶片的等离子体处理的方法的流程图。应当理解，图14的方法可以使用图1A/1B的晶片处理系统100/100A来实现。在一些实施方式中，等离子体工艺是原子层沉积工艺。在一些实施方式中，等离子体工艺是等离子体增强化学气相沉积工艺。该方法包括用于将晶片(101)定位在晶片支撑装置(140/140A)上的操作 1601。晶片支撑装置(140/140A)定位于电极(150/150A)的下方，使得在晶片(101)和电极(150/150A)之间存在等离子体产生区域。该方法还包括操作1603，其用于在等离子体处理操作的多个连续等离子体处理循环期间向等离子体产生区域提供第一信号频率的射频信号，以在等离子体产生区域内产生等离子体。
该方法还包括用于基于将第一信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域来检测等离子体内的等离子体不稳定性的形成的操作1605。在一些实施方式中，等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域被较大体积的正常密度的等离子体包围。在一些实施方式中，等离子体不稳定性导致晶片上的沉积膜厚度的不均匀性。
该方法还包括操作1607，其用于在操作1605中检测到形成等离子体不稳定性之后，向等离子体产生区域提供第二信号频率的射频信号，以在等离子体产生区域内产生等离子体。在操作1607中，提供第二信号频率的射频信号以代替第一信号频率的射频信号。第二信号频率大于第一信号频率。第二信号频率导致等离子体内的离子能量的减少以及由离子与晶片的相互作用导致的来自晶片的二次电子发射的相应减少。在一些实施方式中，第一信号频率为13.56兆赫。在一些实施方式中，第二信号频率在从第一信号频率延伸到约60兆赫的范围内。在一些实施方式中，第一信号频率为13.56 兆赫，而第二信号频率为27.12兆赫。然而，应当理解，在其他实施方式中，第一信号频率可以小于13.56兆赫或大于13.56兆赫，并且第二信号频率可以小于27.12兆赫或大于27.12兆赫。
在一些实施方式中，在操作1605中检测等离子体内的等离子体不稳定性的形成发生在等离子体处理操作期间。在这些实施方式的一些中，操作1603包括向电极提供第一信号频率的射频信号，其中在操作1605中通过测量电极上的射频参数来检测等离子体不稳定性的形成。在一些实施方式中，射频参数是射频电压、射频电流、射频阻抗、射频信号相位角和射频功率中的一个或多个。此外，在其中在操作1605中的等离子体内的等离子体不稳定性的检测发生在等离子体处理操作期间这样的一些实施方式中，通过测量来自等离子体的光学发射来检测等离子体不稳定性的形成。另外，在操作 1605中的等离子体内的等离子体不稳定性的检测发生在等离子体处理操作期间这样的一些实施方式中，在操作1607中将第二信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域发生在与检测到等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作相同的等离子体处理操作期间。
在一些实施方式中，在操作1605中检测等离子体内的等离子体不稳定性的形成在等离子体处理操作之后发生。在这些实施方式中的一些中，在操作1605中检测等离子体内的等离子体不稳定性的形成通过测量晶片上的所沉积的膜厚度的不均匀性来完成。此外，在操作1605中的检测等离子体内的等离子体不稳定性发生在等离子体处理操作之后这样的一些实施方式中，在操作1607中将第二信号频率的射频信号提供给等离子体产生区域发生在与检测到等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作不同的等离子体处理操作期间。
本文公开的用于使用较高频率的射频信号以产生等离子体的方法被提供来抑制等离子体不稳定性(例如等离子体团)的形成，并被提供来维持膜质量，例如用于维持足够低的湿法/干法蚀刻速率。同时抑制等离子体团形成和维持膜质量的能力是本文公开的使用较高频率的射频信号来产生等离子体的方法的明显的结果。因此，应当理解，使用用于产生等离子体的较高频率的射频信号对于在基于等离子体的沉积工艺期间的等离子体团抑制而言打开了新的工艺窗口。
虽然为了清楚理解的目的，前述发明已经在一些细节进行了描述，但明显的是，某些变化和修改可在所附权利要求的范围内实施。因此，本发明的实施方式应被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明并不限于本文所给出的细节，而是可以在所描述的实施方式的范围和等同方案内进行修改。

Claims (20)

1.一种用于晶片的等离子体处理的方法，其包括：
将晶片定位在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；
在等离子体处理操作的多个连续等离子体处理循环期间将第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域，以在所述等离子体产生区域内产生等离子体；
基于将所述第一信号频率的所述射频信号提供给所述等离子体产生区域来检测所述等离子体内的等离子体不稳定性的形成；以及
在检测到所述等离子体不稳定性的形成之后，将第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域以在所述等离子体产生区域内产生所述等离子体，提供所述第二信号频率的所述射频信号来代替所述第一信号频率的所述射频信号，所述第二信号频率大于所述第一信号频率，所述第二信号频率导致所述等离子体内的离子能量的减少同时维持入射在所述晶片表面的现有的离子通量以及来自所述晶片的由离子与所述晶片的相互作用导致的二次电子发射的相应减少。
2.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域由较大体积的正常密度的等离子体包围。
3.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性导致所述晶片上的所沉积的膜厚度的不均匀性。
4.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理操作是原子层沉积工艺。
5.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理操作是等离子体增强化学气相沉积工艺。
6.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第一信号频率为13.56兆赫。
7.根据权利要求6所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第二信号频率在从所述第一信号频率延伸到60兆赫的范围内。
8.根据权利要求6所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述第二信号频率为27.12兆赫。
9.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测在所述等离子体内所述等离子体不稳定性的形成在所述等离子体处理操作期间进行。
10.根据权利要求9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第一信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域包括向所述电极提供所述第一信号频率的射频信号，并且其中所述等离子体不稳定性的形成通过测量所述电极上的射频参数来检测。
11.根据权利要求10所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中所述射频参数是射频电压、射频电流、射频阻抗、射频信号相位角和射频功率中的一个或多个。
12.根据权利要求9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中通过测量来自所述等离子体的光发射来检测所述等离子体不稳定性的形成。
13.根据权利要求9所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域在与检测到所述等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作相同的等离子体处理操作期间进行。
14.根据权利要求1所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测在所述等离子体内的所述等离子体不稳定性的形成在所述等离子体处理操作之后进行。
15.根据权利要求14所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中检测所述等离子体内的所述等离子体不稳定性的形成通过测量所述晶片上的沉积的膜厚度的不均匀性来进行。
16.根据权利要求14所述的用于晶片的等离子体处理的方法，其中将所述第二信号频率的射频信号提供给所述等离子体产生区域在与检测到所述等离子体不稳定性的形成的等离子体处理操作不同的等离子体处理操作期间进行。
17.一种用于对晶片执行等离子体处理的方法，其包括：
将晶片定位在晶片支撑装置上，所述晶片支撑装置位于电极下方，使得在所述晶片和所述电极之间存在等离子体产生区域；
将具有大于13.56兆赫的信号频率的射频信号提供给所述电极，以在所述等离子体产生区域内产生等离子体；以及
调节所述信号频率使所述等离子体内的离子能量保持足够低，以维持来自所述晶片的由离子与所述晶片的相互作用导致的可接受量的二次电子发射，其中来自所述晶片的所述可接受量的二次电子发射足够低，以防止在所述等离子体内形成二次电子诱导的不稳定性，以及其中调节所述信号频率被执行以使入射在所述晶片上的离子通量保持在足以维持在所述晶片上沉积的膜的所要求质量的水平。
18.根据权利要求17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述等离子体处理是原子层沉积工艺或等离子体增强化学气相沉积工艺。
19.根据权利要求17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述等离子体不稳定性是等离子体团，其特征在于较高密度的等离子体的区域由较大体积的正常密度的等离子体包围。
20.根据权利要求17所述的用于对晶片执行等离子体处理的方法，其中所述信号频率在从13.56兆赫延伸到60兆赫的范围内。
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