CN107393799A - 控制在连续波和脉冲等离子体之间转换的方法和装置 - Google Patents

控制在连续波和脉冲等离子体之间转换的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及控制在连续波和脉冲等离子体之间转换的方法和装置。提供了用于在等离子体处理室中从第一等离子体条件平缓转换到第二等离子体条件的方法和装置。用于等离子体处理的装置可以配备有耦合到阻抗匹配网络的RF电源，以平缓地从连续波(CW)等离子体切换到脉冲等离子体(反向地或交替地)而不使等离子体猝灭。或者，等离子体处理室可以被配备在第一占空比的脉冲等离子体平缓地切换到第二占空比的脉冲模式而不使等离子体猝灭。这种转换可以通过使输送到等离子体处理室的RF电源的RF功率斜坡式变化、使占空比斜坡式变化和/或使脉冲频率斜坡式变化，使得阻抗可以在转换期间通过阻抗匹配网络平缓改变和匹配。

Description

控制在连续波和脉冲等离子体之间转换的方法和装置
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体而言涉及一种用于控制在连续波和脉冲等离子体之间转换的方法和装置。
背景技术
本公开一般涉及晶片的等离子体处理，更具体地，涉及其中电阻抗存在显著变化的等离子体之间的转换，例如在连续波(CW)等离子体和脉冲等离子体之间的转换，而不使等离子体猝灭。
等离子体处理可以用于半导体处理中的各种操作，包括蚀刻、清洁、处理和沉积。射频(RF)功率可以传送到等离子体处理室，在该等离子体处理室中RF功率可以以连续波(CW)模式或脉冲模式传送。这可以产生两种不同类型的等离子体：(1)CW等离子体或(2)脉冲等离子体。CW等离子体和脉冲等离子体都已经用于半导体工业中以获得期望的结果。
在CW模式下，RF电源提供连续且恒定量的功率来点燃或维持强等离子体，并且这种等离子体已经用于各种应用中。在CW模式下的RF功率可以表示为具有一定频率的正弦波。RF电源可以以任何合适频率在CW模式下传输功率，该合适频率可以在约200KHz至约200MHz之间。示例包括400KHz、2MHz、13.56MHz、27MHz、60MHz、100MHz和162MHz。
在脉冲模式下，RF电源调制输送到等离子体处理室的功率以点燃或维持等离子体，并且这种等离子体已经用于许多应用中。在脉冲模式下的RF功率在给定的时间段“T”期间提供脉冲形式的功率。通常，这样的脉冲可以是方波形式。占空比可以指在导通时间和关闭时间的总时间期间的开通时间百分比(Ton)，其中在给定周期内总时间T＝Ton+Toff。RF电源可以以任何合适的占空比(例如在1％至99％之间)以脉冲模式传递功率。RF功率可以在脉冲模式下以约10Hz到约100kHz之间的脉冲频率传送功率。
等离子体通常包括电子、离子、自由基和中性物质，它们都具有不同的驻留时间和寿命。例如，当在等离子体处理室中关闭RF功率时(例如，在Toff期间)，高能电子可以快速离开等离子体，同时离子和自由基可以在等离子体中保持较长时间，因为它们的扩散速度较低。这可以影响等离子体的各种特性(例如，电场电位、电子温度、物质密度等)，具体取决于等离子体的脉冲周期的导通时间和关闭时间。由于脉冲模式具有特定的占空比并且CW模式基本上以100％占空比工作，所以与CW模式下的等离子体相比，脉冲模式下的等离子体的性质可能非常不同。使用CW和脉冲模式可以提供不同类型的等离子体处理。因此，使用CW模式和脉冲模式两者的混合系统可以在等离子体处理室中处理晶片方面提供额外的益处。
可能期望从CW切换到期望的脉冲条件，或者相反地或者交替地切换。此外，可能期望从一个脉冲条件切换到另一个脉冲条件，其中电阻抗存在显著差异。
发明内容
本公开涉及从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的方法。该方法包括使用耦合到阻抗匹配网络的射频(RF)电源在等离子体处理室中点燃等离子体，其中所述RF电源以第一模式操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件。该方法还包括：在所述RF电源在第二模式下操作之前，进行以下一个或多个斜坡式变化(ramping)：(1)使所述RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率，(2)使所述RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比，以及(3)使所述RF电源的脉冲频率斜坡式变化到选定脉冲频率。该方法还包括：使用在第二模式下操作的所述RF电源将所述等离子体维持在所述等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中所述第二等离子体阻抗与所述第一等离子体阻抗基本上不同。
在一些实施方案中，该方法还包括在斜坡式变化期间将等离子体的阻抗从第一模式调谐到第二模式。在一些实施方案中，第一模式是连续波(CW)模式，第二模式是脉冲模式。在一些实施方案中，第一模式是具有第一占空比的脉冲模式，并且第二模式是具有第二占空比的脉冲模式，其中第一占空比不同于第二占空比。在一些实施方案中，所述等离子体在所述RF电源以所述第一模式操作和以所述第二模式操作之间保持而不使所述等离子体猝灭。在一些实施方案中，在约1秒或更短的时间内使所述RF功率、所述占空比和所述脉冲频率中的一个发生斜坡式变化。在一些实施方案中，阻抗匹配网络包括一个或多个机械可调元件，所述一个或多个机械可调元件在斜坡式变化期间同时匹配所述等离子体的阻抗。在一些实施方案中，该方法还包括通过将晶片暴露于所述等离子体来蚀刻所述等离子体处理室中的所述晶片上的钨(W)，其中所述等离子体是三氟化氮(NF3)或氮等离子体，所述第一模式是连续模式，所述第二模式是脉冲模式。
本公开还涉及一种用于从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的装置。该装置包括：等离子体处理室；耦合到所述等离子体处理室并被配置为将功率传送到所述等离子体处理室的射频(RF)电源；耦合到RF电源的阻抗匹配网络和控制器。控制器被配置为提供执行以下操作的指令：使用所述RF电源点燃在所述等离子体处理室中的等离子体，其中所述RF电源以第一模式操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件。所述控制器还被配置为在所述RF电源在第二模式下操作之前，进行以下一个或多个斜坡式变化：(1)使所述RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率，(2)使所述RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比，以及(3)使所述RF电源的脉冲频率斜坡式变化到选定脉冲频率。
在一些实施方案中，控制器还被配置为使用在第二模式下操作的所述RF电源将所述等离子体维持在所述等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中所述第二等离子体阻抗与所述第一等离子体阻抗基本上不同。在一些实施方案中，控制器还被配置为在斜坡式变化期间将所述等离子体的阻抗从第一模式调谐到第二模式。在一些实现方案中，所述第一模式是连续波(CW)模式，并且所述第二模式是脉冲模式。在一些实施方案中，在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使所述RF功率斜坡式变化，所述RF功率跨越多个增大或减小的RF功率电平而斜坡式变化，所述RF功率电平在约50W至约10000W之间。在一些实施方案中，在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使所述占空比斜坡式变化，所述占空比跨越多个增大或减小的占空比而斜坡式变化，所述占空比在约1％至约99％之间。在一些实施方案中，所述阻抗匹配网络包括一个或多个机械可调元件，所述一个或多个机械可调元件在斜坡式变化期间同时匹配所述等离子体的阻抗。
参照附图进一步描述这些和其它实施方式。
本发明的一些方面可描述如下：
1.一种从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的方法，所述方法包括：
使用耦合到阻抗匹配网络的RF电源在等离子体处理室中点燃等离子体，其中所述RF电源在第一模式下操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件；
在所述RF电源在第二模式下操作之前，进行以下一个或多个斜坡式变化：(1)使所述RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率，(2)使所述RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比，以及(3)使所述RF电源的脉冲频率斜坡式变化到选定脉冲频率；以及
使用在所述第二模式下操作的所述RF电源将所述等离子体维持在所述等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中所述第二等离子体阻抗与所述第一等离子体阻抗实质上不同。
2.根据条款1所述的方法，还包括：
在斜坡式变化期间将所述等离子体的阻抗从所述第一模式调谐到所述第二模式。
3.根据条款1所述的方法，其中所述第一模式是连续波(CW)模式，并且所述第二模式是脉冲模式。
4.根据条款1所述的方法，其中所述第一模式是具有第一占空比的脉冲模式，并且所述第二模式是具有第二占空比的脉冲模式，其中所述第一占空比不同于所述第二占空比。
5.根据条款1所述的方法，其中所述等离子体在所述RF电源以所述第一模式操作和以所述第二模式操作之间保持而不使所述等离子体猝灭。
6.根据条款1所述的方法，其中，在约1秒或更短的时间内使所述RF功率、所述占空比和所述脉冲频率中的一个或多个斜坡式变化。
7.根据条款1-6中任一项所述的方法，其中在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使RF功率斜坡式变化。
8.根据条款7所述的方法，其中，使所述RF功率斜坡式变化包括使所述RF功率跨越多个增大或减小的RF功率电平而斜坡式变化，所述RF功率电平在约50W至约10000W之间。
9.根据条款1-6中任一项所述的方法，其中在所述RF电源在所述第二模式操作之前，使占空比斜坡式变化。
10.根据条款9所述的方法，其中使所述占空比斜坡式变化包括使所述占空比跨越多个增大或减小的占空比而斜坡式变化，所述占空比在约1％至约99％之间。
11.根据条款1-6中任一项所述的方法，其中所述阻抗匹配网络包括一个或多个机械可调元件，所述一个或多个机械可调元件在斜坡式变化期间同时匹配所述等离子体的阻抗。
12.根据条款1-6中任一项所述的方法，还包括：
通过将晶片暴露于所述等离子体来蚀刻所述等离子体处理室中的所述晶片上的钨(W)，其中所述等离子体是三氟化氮(NF3)或氮(N2)等离子体，所述第一模式是连续模式，而所述第二模式是脉冲模式。
13.一种用于从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的装置，所述装置包括：
等离子体处理室；
耦合到所述等离子体处理室并被配置为将功率传送到所述等离子体处理室的射频(RF)电源；
耦合到所述RF电源的阻抗匹配网络；和
配置成提供指令以执行以下指令的控制器：
使用所述RF电源点燃在所述等离子体处理室中的等离子体，其中所述RF电源以第一模式操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件；和
在所述RF电源在第二模式下操作之前，进行以下一个或多个斜坡式变化：(1)使所述RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率，(2)使所述RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比，以及(3)使所述RF电源的脉冲频率斜坡式变化到选定脉冲频率。
14.根据条款13所述的装置，其中，所述控制器还被配置为：
使用在第二模式下操作的所述RF电源将所述等离子体维持在所述等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中所述第二等离子体阻抗与所述第一等离子体阻抗实质上不同。
15.根据条款13所述的装置，其中，所述控制器还被配置为：
在斜坡式变化期间将所述等离子体的阻抗从所述第一模式调谐到所述第二模式。
16.根据条款13所述的装置，其中所述第一模式是连续波(CW)模式，并且所述第二模式是脉冲模式。
17.根据条款13所述的装置，其中所述第一模式是具有第一占空比的脉冲模式，并且所述第二模式是具有第二占空比的脉冲模式，其中所述第一占空比不同于所述第二占空比。
18.根据条款13-17中任一项所述的装置，其中在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使所述RF功率斜坡式变化，所述RF功率跨越多个增大或减小的RF功率电平而斜坡式变化，所述RF功率电平在约50W至约10000W之间。
19.根据条款13-17中任一项所述的装置，其中在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使所述占空比斜坡式变化，所述占空比跨越多个增大或减小的占空比而斜坡式变化，所述占空比在约1％至约99％之间。
20.根据条款13-17中任一项所述的装置，其中所述阻抗匹配网络包括一个或多个机械可调元件，所述一个或多个机械可调元件在斜坡式变化期间同时匹配所述等离子体的阻抗。
附图说明
图1A示出了从CW模式到脉冲模式的常规转换的曲线图。
图1B示出了通过逐渐斜坡式降低(ramping down)功率从CW模式到脉冲模式的转换的曲线图。
图1C示出了通过逐渐斜坡式降低占空比而从CW模式到脉冲模式转换的曲线图。
图2示出了用于将等离子体从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的示例性过程的流程图。
图3示出了针对从CW等离子体到脉冲等离子体的常规转换的RF匹配电容器的测量功率和调谐位置相对于时间的曲线图。
图4示出了针对通过逐渐斜坡式降低占空比而从CW等离子体到脉冲等离子体的转换的RF匹配电容器的测量功率和调谐位置相对于时间的曲线图。
图5示出了描绘根据所公开的实施方式的包括等离子体处理室的装置的框图。
具体实施方式
介绍
在下面的描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对所呈现的理念的透彻理解。所呈现的理念可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践。在其他情况下，未详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊所述理念。虽然将结合具体实施方式描述一些理念，但应当理解，这些实施方式不旨在是限制性的。
阻抗匹配是设计电负载的输入阻抗或其相应信号源的输出阻抗以便最大化功率传输并使来自负载的反射最小化的做法。通常，阻抗匹配在电路中获得更有效的功率传输。通常，当源极的阻抗(Zsource)等于负载的阻抗(Zload)时，获得最大功率传输并发生最小反射。
在等离子体处理环境中，使用阻抗匹配来使从等离子体放电区(plasmadischarge)进入传输线(例如RF电缆)的反射功率最小化，并且使从RF发生器传送到等离子体放电区的功率最大化。另外，如果RF发生器不匹配，则得到在源(RF发生器)和负载(等离子体)之间的传输线上建立驻波的反射功率，这可能导致进一步的电力浪费并导致频率相关损耗。阻抗匹配网络(也称为“匹配单元”)耦合到RF发生器并放置在RF发生器和等离子体处理室之间。阻抗匹配网络可以变换从等离子体放电区产生的负载阻抗，以匹配RF发生器的源阻抗。否则，来自RF发生器的大量功率由于反射功率而不能达到等离子体放电区。
来自等离子体的负载阻抗或等离子体阻抗可以对应于其等离子体特性。等离子体的特性之一是其密度。因此，随着等离子体特性的变化，等离子体阻抗也发生变化。因此，阻抗匹配网络必须随着等离子体特性的变化而调整，以促进阻抗匹配。在一些实施方案中，阻抗匹配网络包括机械可调元件，例如电容器和/或电感器，以将RF能量耦合到等离子体。系统控制器可以监测来自阻抗匹配网络的反射功率，并且系统控制器可调谐阻抗匹配网络的电容或电感以实现更充分的匹配。然而，通过阻抗匹配网络的该调谐过程可能很慢。
CW等离子体和脉冲等离子体存在不同的等离子体特性，从而提供不同的等离子体阻抗。例如，CW等离子体可以在等离子体放电区中含有电子、离子、自由基和中性物质，并且脉冲等离子体可能具有不同的等离子体密度和电子温度，因此具有不同的自由基种类和密度。当等离子体特性变化时，阻抗匹配网络必须机械地响应匹配阻抗。
图1A示出了从CW模式到脉冲模式的常规转换的曲线图。幅度对应于从RF电源或RF发生器传送的输出功率。图1A中的CW模式显示恒定幅度，而脉冲模式随时间推移显示一系列脉冲。在图1A中，RF电源在一个操作中以CW模式输出功率，紧接着RF电源在随后操作中以脉冲模式传送功率。在CW模式和脉冲模式之间的转换期间，等离子体阻抗值可以显著变化。
当RF电源在给定功率和压力下以CW模式点燃等离子体时，阻抗匹配网络可调谐以匹配来自等离子体处理室中的等离子体的阻抗。当RF电源切换到脉冲模式时，反射回RF电源的功率可以实质上是大的。阻抗匹配网络可能无法快速使在源(RF发生器)和负载(等离子体)之间的阻抗匹配，因此RF电源可以大大降低其输出功率。这通常导致等离子体的猝灭或熄灭。当RF电源的输出功率下降并且等离子体被猝灭时，该阻抗匹配网络停止调谐。然后打开脉冲模式以重新点燃等离子体，但仅在经过一秒或多秒之后并且仅在等离子体猝灭之后。
作为示例，阻抗匹配网络可以包括可变电容器和步进电机。步进电机可以机械调谐可变电容器的电容并且有效调谐阻抗以进行阻抗匹配。然而，在CW模式和脉冲模式之间的转换期间持续时间可以超过一秒。如果工艺配方需要在CW模式下操作20秒并且需要在脉冲模式下操作40秒，则猝灭和重新点燃等离子体以允许阻抗匹配的该转换时间仍然是可接受的。然而，对于持续时间更短的工艺配方，在许多等离子体处理应用中，这个时间量可能是不可接受的慢。例如，如果工艺配方需要在CW等离子体模式下操作少于10秒并且需要在脉冲等离子体模式下操作少于10秒，则用于猝灭和再次点燃等离子体以允许阻抗匹配的该转换时间可能是不可接受的。这可以用于各种应用，包括但不限于：等离子体蚀刻、化学气相沉积(CVD)、等离子体辅助离子注入、原子层外延(ALE)和原子层沉积(ALD)。应当理解，其他应用也可适用。
在一些实施方案中，在等离子体蚀刻操作中可以使用CW模式和脉冲模式的混合。作为实例，可以产生三氟化氮(NF3)或氮(N2)等离子体来蚀刻钨(W)。CW模式中的RF发生器可以产生强等离子体以均匀和有效地蚀刻W。RF发生器可以在操作即将结束时切换到脉冲模式，以产生具有较低电子能量的等离子体，从而产生较低浓度的氮自由基。电子能量和氮自由基的浓度可以取决于脉冲模式的脉冲条件。在一些实施方案中，可以在功率、脉冲长度和/或占空比的变化条件下使RF等离子体生成脉冲。可以相应地调节氟和氮自由基的比例。当在脉冲模式期间氮自由基的浓度降低时，这可以减轻氮化对晶片表面的影响。钨的氮化可以形成氮化钨，这可能导致随后的钨生长的蚀刻后孵育延迟并引起间隙填充问题。
然而，CW模式和脉冲模式的这种混合将很可能在两者之间没有平缓转换的情况下运行，从而潜在地猝灭等离子体。这意味着这种混合操作可能需要额外的等离子体点火以用于随后的脉冲模式，这对于涉及时间上非常短且准确的等离子体的过程可能是不期望的。CW模式和脉冲模式的混合也可能导致重复性和工具对工具(tool-to-tool)匹配问题。换句话说，以下因素有助于重复性和工具对工具匹配问题：猝灭的时机；重新点火的时机；以及重新点火之后再稳定的时机，在此期间有高的反射功率。所有这些差异可能对室内条件和RF硬件敏感。此外，CW模式可以在一个室中执行，并且脉冲模式可以在单独的室中执行，这可以进一步加剧延迟。因此，CW模式和脉冲模式的这种混合可能在处理中产生不一致的结果。
本公开涉及一种用于在等离子体处理室中从第一等离子体条件平缓过渡到第二等离子体条件的方法。该方法可以在集成的处理工具中执行，该工具允许CW模式和脉冲模式的混合以产生和维持等离子体而不猝灭等离子体，或者在第一占空比的第一脉冲模式和在第二占空比的第二脉冲模式的混合来产生和维持等离子体而不猝灭等离子体。集成的处理工具可以允许以最少停机时间在两种不同等离子体条件之间切换，这在涉及时间上非常短且准确的等离子体的工艺中可能是重要的。这可以导致更快的转换、用来消除工具对工具的匹配问题的集成工艺、以及更加可重复和一致的结果。
从第一等离子体条件切换到第二等离子体条件可能伴随着第一等离子体条件和第二等离子体条件之间的等离子体阻抗的显著变化。在一些实施方案中，等离子体阻抗的变化可能是显著的。例如，响应于等离子体阻抗差的调谐电容器的位置可以以等于或大于约50％、等于或大于约60％、等于或大于约70％、或等于或大于约80％而变化。在另外或替代的方案中，等离子体阻抗的差异可以在0-10V范围内变化几伏甚至更多伏，例如在0-10V范围内变化等于或大于3V，例如在0-10V范围内变化等于或大于4V，或在0-10V范围内变化等于或大于5V。调谐中的位置可以对应于等离子体阻抗的差异。如果差异太小，则频率调谐可以用于RF电源，可以快速匹配阻抗。然而，如果差异太大，则频率调谐可能不实际。此外，阻抗匹配网络的响应通常需要太长时间，并且可能导致等离子体在第一等离子体条件和第二等离子体条件之间转换的期间猝灭。本公开允许耦合到RF电源的阻抗匹配网络以快速时间匹配第二等离子体条件的等离子体阻抗，而不使等离子体猝灭。在一些实施方案中，第一等离子体条件与第二等离子体条件之间的转换可以等于或小于约2秒、等于或小于约1秒、或等于或小于约100毫秒。在一些实施方案中，通过以下方式实现这种更加平缓和更加快速的阻抗匹配而不使等离子体猝灭：(1)在第一等离子体条件和第二等离子体条件之间的持续时间内改变RF功率，或(2)在第一等离子体条件和第二等离子体条件之间的持续时间内改变占空比。
图1B示出了表示通过逐渐斜坡式降低RF功率而从CW模式到脉冲模式转换的曲线图。如图1B所示，在CW模式到脉冲模式之间的转换中，RF功率可以逐渐减小或斜坡式降低。当RF功率降低到第二等离子体条件下阻抗匹配的水平时，则RF电源可以切换到脉冲模式。这样，RF功率逐渐改变，以引导阻抗匹配网络匹配用于所期望的脉冲模式的等离子体阻抗。
本文所使用的“斜坡式变化”定义为在暴露于等离子体期间逐渐改变条件。在一些实施方案中，使RF功率斜坡式变化可以意味着在暴露于等离子体期间将RF功率从第一选定RF功率逐渐增大或减小到第二选定RF功率。例如，当从第一选定RF功率增大或减小RF功率到第二选定RF功率时，使RF功率斜坡式变化可以意味着具有三个或更多个中间RF功率。在一些实施方案中，选定RF功率可以在约0W至约20000W之间，或在约50W至约10000W之间。RF功率可以斜坡式变化，使得阻抗匹配网络被引导以使等离子体阻抗从第一等离子体条件匹配到第二等离子体条件。在图1B中，例如，RF功率可以斜坡式降低，使得阻抗匹配网络被引导以使等离子体阻抗从CW模式匹配到脉冲模式。如果RF功率在CW模式下为900W，则在将RF电源切换到脉冲模式之前，RF功率可以斜坡式降低到300W。在一些实施方案中，RF功率可以在小于约1秒内从第一选定RF功率斜坡式变化到第二选定RF功率，而不会使等离子体猝灭。一旦转换到第二等离子体状态，RF功率可以保持在相同RF功率下，无论是在脉冲模式还是CW模式。本公开中的电源不限于仅RF电源，也可以同样适用于直流电源。例如，相同的公开方法可以应用于等离子体从DC CW等离子体改变为DC脉冲等离子体的情况。
图1C示出了表示通过逐渐斜坡式降低占空比从CW模式到脉冲模式转换的曲线图。如图1C所示，在CW模式和脉冲模式之间的转换中，占空比可以逐渐减小或斜坡式降低。脉冲模式可以具有在约1％和约99％之间的占空比。在使占空比斜坡式变化时，序列可以以CW模式开始，然后变为脉冲模式，但可以在最高占空比(例如，基于RF电源能量，在99％、95％或90％)，然后从最高占空比逐步减小到期望占空比。逐渐减小可以意味着在达到期望占空比之前具有三个或更多个中间占空比。这样，占空比逐渐改变，以引导阻抗匹配网络针对所期望的脉冲模式匹配等离子体阻抗。
在一些实施方式中，使占空比斜坡式变化可以意味着在暴露于等离子体期间从第一选定占空比逐渐增大或减小占空比到第二选定占空比。如果CW模式被视为基本上具有100％占空比的等离子体，则占空比可以从100％斜坡式变化到较小的占空比。例如，如果较小的占空比是25％占空比，则占空比可以从CW模式(100％占空比)斜坡式变化到90％占空比、到80％占空比、到60％占空比、到40％占空比并最终达到25％占空比的脉冲等离子体。或者，占空比可以从CW模式(100％占空比)斜坡式变化到95％占空比、到90％占空比、到85％占空比、到80％占空比并最终达到25％占空比的脉冲等离子体。可能有多个不同的逐渐变化的设定点，并且这些逐渐变化的设定点可以被编程。出现的情况是，在第一选定占空比与第二选定占空比之间存在多个在增大或减小的占空比。图1B中功率斜坡式变化也可以认为是一样的。在图1C中，从CW模式(100％占空比)到大约25％占空比的脉冲模式存在多个减小的占空比。这样，引导阻抗匹配网络将等离子体阻抗从CW模式匹配到25％占空比的脉冲模式。在一些实施方案中，占空比可以在小于约1秒内从第一选定占空比斜坡式变化到第二选定占空比，而不使等离子体猝灭。
图2示出了用于将等离子体从第一等离子体调件转换到第二等离子体条件的示例性过程的流程图。每个等离子体条件可以表示等离子体的多种条件，包括RF电源的RF功率、由RF电源操作的占空比、等离子体的等离子体阻抗和RF电源的频率、以及其他条件。第二等离子体条件具有与第一等离子体条件实质上不同的等离子体阻抗。在一些实施方案中，第二等离子体条件具有与第一等离子体条件相差等于或大于约50％的等离子体阻抗。
在过程200的框205处，通过耦合到阻抗匹配网络的RF电源在等离子体处理室中点燃等离子体，其中RF电源以第一模式操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件。在一些实施方案中，第一模式可以是CW模式或在选定占空比下的脉冲模式。RF电源可以在选定RF功率和选定频率的第一模式下工作。在一些实施方案中，RF功率可以在约50W和约10000W之间，并且选定频率可以在约2Hz和约100MHz之间，例如对于高频RF发生器在约1MHz和约100MHz之间，对于低频RF发生器在约2Hz和约100kHz之间。
用于产生等离子体的源可以是等离子体处理室中的任何合适的等离子体源。在一些实施方案中，源可以是电感耦合等离子体(ICP)源。在一些实施方案中，源可以是变压器耦合等离子体(TCP)源。在一些实施方案中，源可以是电容耦合等离子体(CCP)源。在一些实施方案中，源可以是DC等离子体源。在一些其他实施方案中，源可以是RF等离子体源。应当理解，用于等离子体产生的其它源也可以适用。
在一些实施方案中，阻抗匹配网络可以耦合到RF电源并且可以包括一个或多个机械可调元件，例如电容器和/或电感器。一个或多个机械可调元件可以手动或自动调谐以匹配等离子体阻抗的阻抗。在一些实施方案中，阻抗匹配网络可以包括用于确定阻抗匹配网络匹配到等离子体的有效性的一个或多个测量装置。例如，一个或多个测量装置可以测量反射功率，使得可调谐一个或多个机械可调元件以最小化到RF电源的反射功率。在一些实施方案中，阻抗匹配网络可以是市售的阻抗匹配网络，例如来自美国加利福尼亚州圣何塞(San Jose,CA.)的COMET Technologies USA,Inc.的模型。
RF电源可以是可以在CW模式或脉冲模式下操作的RF发生器。在一些实施方案中，RF电源可被配置用于快速频率调谐。例如，RF电源能够响应于感测到的反射功率测量而在大约+/-5％内改变频率，以使反射功率最小化。这种频率调谐可以在大约100毫秒或更短时间内快速发生，以使来自等离子体的反射功率最小化。虽然RF电源中的快速频率调谐可能能够调谐到不同的等离子体阻抗值，但它可能无法调整在等离子体阻抗值中的较大差异。因此，由频率调谐覆盖的等离子体阻抗值的窗(window)可能不够小。
可以将一种或多种气体物质输送到等离子体处理室中以处理晶片。RF电源可以激活一种或多种气体物质以点燃等离子体。在一些实施方案中，一种或多种气体物质可以包括用于等离子体蚀刻的NF3或N2。例如，如上所述，NF3或N2等离子体可用于蚀刻W。在一些实施方案中，一或多种气体物质可以包括用于ALE和ALD的气体物质，因为ALE和ALD工艺可能要求过程200能利用的短时间窗。过程200可以以不限于蚀刻、ALD和ALE工艺的方式实施，而且可以应用于CVD工艺以及等离子体辅助离子注入工艺以及其它可能的应用。
在过程200的框210a处，在RF电源在第二模式下操作之前，RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率。在过程200的框210b处，在RF电源在第二模式下操作之前，RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比。另外或替代地，RF电源的脉冲频率可以在RF电源在第二模式下操作之前斜坡式变化到选定脉冲频率。脉冲频率可以与每单位时间的脉冲个数相关。在一些实施方案中，脉冲频率可以斜坡式变化为在约10Hz和约200kHz之间的任何频率。在一个示例中，在RF电源操作在第二模式下之前，脉冲频率可以斜坡式变化到选定脉冲频率而不改变RF功率或占空比。在另一个示例中，在RF电源在第二模式下操作之前，脉冲频率可以斜坡式变化到选定脉冲频率并且RF功率可以斜坡式变化到选定RF功率。在另一示例中，在RF电源在第二模式下操作之前，脉冲频率可以斜坡式变化到选定脉冲频率并且占空比可以斜坡式变化到所选定占空比。
关于框210a，RF功率可以在达到选定RF功率之前跨越多个增大或减小的RF功率斜坡式变化。换句话说，RF功率可以在达到选定RF功率之前逐渐增大或逐渐减小。这样，可以平缓地改变等离子体的阻抗，而不是大幅度地改变该阻抗，并且可以同时调整阻抗匹配网络以匹配等离子体的阻抗。在一些实施方案中，阻抗匹配网络可以以机械可能的最大速度跟随等离子体的阻抗的变化。这可以实现最小过渡时间，具有可重复的结果，从而最小化室匹配问题。
关于框210b，RF电源的占空比可以在达到选定占空比之前跨越多个增大或减小的占空比斜坡式变化。换句话说，占空比可以在达到选定占空比之前逐渐增大或逐渐减小。这样，可以平缓地改变等离子体的阻抗，而不是大幅度地改变该阻抗，并且可以同时调整阻抗匹配网络以匹配等离子体的阻抗。在一些实施方案中，阻抗匹配网络可以以机械可能的最大速度跟随等离子体的阻抗的变化。
附加于或替代占空比或RF功率，脉冲频率可以在达到选定脉冲频率之前逐渐增大或逐渐减小，这也可以促进等离子体阻抗的平缓变化以便于阻抗匹配网络跟随。
可以手动或自动地实现RF功率、占空比和/或脉冲频率的斜坡式变化。在一些实施方案中，工具软件程序可以向RF电源发送逐渐增大或减小设定点的一系列命令。在一些实施方案中，可以提供在RF电源和工具软件程序之间的特殊接口/通信。例如，可以为工具软件程序提供数字通信(例如，以太网(EtherNet)、以太网控制自动化技术(EtherCAT)或串行(Serial))，使得可以将脉冲参数和转换参数发送到RF电源以及时执行。在一些实施方案中，可能需要与数字接口和模拟接口两者通信的混合模式以用于快速开/关切换。
在用于使RF功率、占空比和/或脉冲频率自动斜坡式变化的一些实施方案中，指令可以包含在RF发生器功能中，例如包含在固件中。这样，诸如占空比之类的脉冲参数可以在预先配置的持续时间内平缓地斜坡式变化。
在过程200的框215处，使用在第二模式下操作的RF电源将等离子体保持在等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中第二等离子体阻抗实质上不同于第一等离子体阻抗。实质上不同之处可以对应于机械可调元件(例如，电容器)的位置(position)，其中位置可以变化至少50％。例如，在RF匹配电路设计中，第一调谐电容器的位置可以是在第一等离子体条件的10V中的6V处，并且第二调谐电容器的位置可以是在第二等离子体条件的10V中的3V处。等离子体阻抗的差异可以与电容器调谐位置相关。在0-10V范围内等于或大于约2V的任何差异可能构成实质性差异，因为这样的差异可以潜在地猝灭等离子体或至少严重地引起匹配调谐过冲以导致不佳的重复性。
随着RF功率或占空比斜坡式变化，阻抗匹配网络被调谐以匹配来自第二模式的第二等离子体阻抗的阻抗。RF电源从第一模式转换到第二模式而不使等离子体猝灭，使得不需要再次点燃等离子体。在一些实施方案中，第一模式和第二模式之间的转换可以在两秒或更短时间内、在一秒或更短时间内或在100毫秒或更短时间内发生。
在一些实施方案中，第一模式可以是CW模式，并且第二模式可以是脉冲模式，反之亦然，其中脉冲模式可以具有在约1％和约99％之间的占空比。在一些实施方案中，第一模式可以是在第一占空比下的脉冲模式，并且第二模式可以是在第二占空比下的脉冲模式，其中第一占空比不同于第二占空比。过程200可以平缓且快速地完成从第一模式到第二模式的转换，这意味着存在最小的转换时间，且等离子体不被猝灭并随后重新点燃。
图3示出了从CW模式到脉冲模式的常规转换的RF匹配电容器的测量功率和调谐位置相对于时间的曲线图。正向功率是RF发生器正在产生并试图发送到等离子体的RF功率的量。反射功率是从等离子体“反弹回”的功率量。负载功率是实际输送到等离子体的功率量。当等离子体阻抗与源阻抗不匹配时，产生反射功率。在y轴上示出了从0W到1000W的范围的功率，并且在x轴上示出了跨越约20秒范围的时间。
如图3所示，阻抗匹配网络可以包括两个电容器C1和C2作为机械可调元件。当RF发生器在大约33秒的标记处从CW模式切换到脉冲模式时，负载功率显著下降到几乎零功率。大概在同一时间，反射功率达到尖峰。为了最小化反射功率，在脉冲模式下电容器C1和C2振荡变化直到它们最终稳定以匹配等离子体的阻抗。然而，该过程可能需要一秒钟，并且可能潜在地猝灭等离子体并需要重新点燃等离子体。
图4示出了通过逐渐斜坡式减小占空比而从CW模式向脉冲模式转换的RF匹配电容器的测量功率和调谐位置相对于时间的曲线图。在y轴上示出了从0W至1000W的范围的功率，在x轴上示出了跨越40秒的范围的时间。如图4所示，RF发生器将占空比从90％占空比逐渐斜坡式减小至30％占空比。每个步骤可以改变10％或更少。在这样做时，负载功率没有显著下降，且反射功率没有如图3所示产生尖峰。实际上，当占空比斜坡式减小时，反射功率保持较小。正向功率保持相对恒定。在图4中，可以通过使得匹配调谐能够平缓和快速地进行，而使CW模式和脉冲模式之间的转换平缓和快速地进行。图4中的C1和C2之间的匹配调谐可以相对平缓和快速地发生，而不会引起反射功率的尖峰。
图5示出了描述为实现本文所述的方法而布置的各种反应器部件的简单框图。如图所示，装置500包括等离子体处理室524，该室包围装置500的各种部件并且用于容纳由包括与接地模块520一起工作的喷头514的电容放电型系统产生的等离子体。电源504可以连接到匹配网络506和喷头514。在一些实施方案中，RF电源504包括高频(HF)射频(RF)发生器和低频(LF)RF发生器，使得RF电源504可以彼此独立地控制高频和低频电源。由匹配网络506提供的功率和频率可足以从提供给等离子体处理室524的工艺气体产生等离子体。例如，匹配网络506可提供50W至10000W的功率。在一些实施方案中，RF电源504的HFRF分量通常可以具有在1MHz至100MHz之间的频率，例如为13.56MHz的频率。在一些实施方案中，RF电源504的LFRF分量通常可以具有小于约1MHz，例如为100kHz的频率。等离子体功率可以在脉冲等离子体下被间歇地施以脉冲，或者可以在连续波等离子体下被连续供电。在一些实施方案中，等离子体激励可以持续几毫秒或几秒的量级。短的等离子体激励可能需要等离子体的快速稳定，这可能需要来自匹配网络506的快速阻抗匹配。
在等离子体处理室524内，基座518可以支撑基板516。基座518可以包括卡盘、叉或提升销(未示出)，以在沉积和/或等离子体处理反应的期间和之间保持和传送衬底。卡盘可以是可用于工业和/或研究的静电卡盘、机械卡盘或各种其他类型的卡盘。
可以经由入口512引入各种工艺气体。多个源气体管线510连接到歧管508。气体可以是预混合的或不是预混合的。可以采用合适的阀门和质量流量控制机构来确保在该过程的沉积和等离子体处理阶段期间输送正确的工艺气体。在以液体形式输送一或多种化学前体的情况下，可以采用液体流动控制机构。然后在到达沉积室之前，在加热到以液体形式供应的化学前体的蒸发点之上的歧管中运输期间，这样的液体可以被蒸发并与工艺气体混合。
工艺气体可以经由出口522离开等离子体处理室524。可以使用真空泵例如一级或两级机械干式泵和/或涡轮分子泵526来将工艺气体从等离子体处理室524引出并且通过使用闭环控制的流量限制装置(例如节流阀或摆阀)在等离子体处理室524内保持适当的低压。
在一些实施方案中，可以提供被配置为执行本文描述的技术的装置500。合适的装置可以包括根据所公开的实施方式的用于执行各种处理操作的硬件以及具有用于控制处理操作的指令的控制器530。控制器530通常将包括一个或多个存储器设备和与各种过程控制设备(例如阀、RF发生器、衬底处理系统等)通信连接的一个或多个处理器，并被配置为执行指令使得装置500将执行根据所公开的实施方式的技术，例如执行诸如在图2的操作中提供的技术。包含用于控制根据本公开的处理操作的指令的机器可读介质可以耦合到控制器530。控制器530可以与诸如质量流量控制器、阀门、RF电源、真空泵等各种硬件设备通信地连接，以有助于控制与本文所述的沉积操作相关联的各种过程参数。
在一些实施方案中，控制器530可以控制装置500的所有动作。控制器530可以执行存储在大容量存储设备中的、加载到存储器设备中并在处理器上执行的系统控制软件。系统控制软件可以包括用于控制气流定时、衬底移动、RF发生器激活、RF功率电平、占空比、脉冲频率等的指令以及用于控制气体混合物、室和/或站的压力、室和/或站的温度、衬底温度、目标功率水平、衬底基座、卡盘和/或基座位置以及由装置500执行的特定处理的其他参数的指令。例如，各种处理工具组件子程序或控制对象可以被编写以控制处理工具组件的执行各种处理工具处理所需的操作。系统控制软件可以以任何合适的计算机可读编程语言进行编码。
控制器530通常可以包括配置成执行指令以使得装置将执行根据本公开的技术的一个或多个存储器设备和一个或多个处理器。包含用于控制根据所公开的实施方式的处理操作的指令的机器可读介质可以耦合到控制器530。
装置可以包括等离子体处理室、耦合到等离子体处理室并被配置为向等离子体处理室输送功率的RF电源、耦合到RF电源的阻抗匹配网络和控制器。控制器可以被配置为提供用于执行操作的指令，所述操作包括在图2的过程200中描述的操作。控制器可以是系统的一部分，其可以是装置的一部分，诸如图5的装置500。这样的系统可以包括半导体处理设备，其包括一或多个处理工具、一或多个室、用于处理的一或多个平台和/或特定的处理部件(晶片支撑件，气体流动系统等)。这些系统可以与电子器件集成，电子器件用于在晶片的处理之前、期间和之后控制它们的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部件。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程为控制本文公开的任何处理，该处理包括处理气体的输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、RF发生器设置、阻抗匹配网络设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片的进出工具和其他传输工具和/或连接到特定系统或与特定系统接口的负载锁的传送。
控制器可以提供用于实现上述处理的程序指令。这些程序指令可以控制各种工艺参数，例如RF功率电平、占空比和脉冲频率。例如，控制器可以包括用于在第一模式和第二模式之间转换期间使RF功率斜坡式变化、使占空比斜坡式变化和/或使脉冲频率斜坡式变化的指令。当斜坡式变化到选定的RF功率、占空比和/或脉冲频率时，程序指令可以包括在一定时间帧(time frame)内执行以达到选定的RF功率，占空比和/或脉冲频率的各种设定点。
从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是传送各种单个的设置(或程序文件)形式的控制器或系统的指令，该设置(或程序文件)定义在半导体晶片上或针对半导体晶片进行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、表面、电路和/或管芯的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。
在一些实施方案中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前处理，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些参数和/或设置然后从远程计算机传送到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，这些指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，这些参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本发明所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的在室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内工艺。
示例的系统可以包括但不限于，等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。
光刻图案化
本文描述的装置/工艺可以与光刻图案化工具或工艺结合使用，例如用于制造或生产半导体器件、显示器、LED、光伏面板等。通常但不是必需，这样的工具/工艺将在共同的制造设备中一起使用或一起进行。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或全部，每个步骤都能够使用许多可能的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件(即，衬底)上施加光致抗蚀剂；(2)使用热板或炉或UV固化工具固化光刻胶；(3)用诸如晶片步进曝光机之类的工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或UV或X射线光；(4)显影抗蚀剂以选择性地除去抗蚀剂，从而使用诸如湿式台架之类的工具进行图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助式的蚀刻工具将抗蚀剂图案平移到下面的膜或工件；和(6)使用诸如RF或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。
其他实施方式
尽管在本文中示出和描述了本发明的说明性实施方式和应用，但仍然可以在本发明的构思、范围和精神内进行许多变化和修改，并且这些变化对于本领域普通技术人员而言在阅读本申请后将变得显而易见。因此，本发明的实施方式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给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同内容内进行修改。

Claims (10)

1.一种从第一等离子体条件转换到第二等离子体条件的方法，所述方法包括：
使用耦合到阻抗匹配网络的RF电源在等离子体处理室中点燃等离子体，其中所述RF电源在第一模式下操作以提供具有第一等离子体阻抗的第一等离子体条件；
在所述RF电源在第二模式下操作之前，进行以下一个或多个斜坡式变化：(1)使所述RF电源的RF功率斜坡式变化到选定RF功率，(2)使所述RF电源的占空比斜坡式变化到选定占空比，以及(3)使所述RF电源的脉冲频率斜坡式变化到选定脉冲频率；以及
使用在所述第二模式下操作的所述RF电源将所述等离子体维持在所述等离子体处理室中，以提供具有第二等离子体阻抗的第二等离子体条件，其中所述第二等离子体阻抗与所述第一等离子体阻抗实质上不同。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在斜坡式变化期间将所述等离子体的阻抗从所述第一模式调谐到所述第二模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一模式是连续波(CW)模式，并且所述第二模式是脉冲模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一模式是具有第一占空比的脉冲模式，并且所述第二模式是具有第二占空比的脉冲模式，其中所述第一占空比不同于所述第二占空比。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述等离子体在所述RF电源以所述第一模式操作和以所述第二模式操作之间保持而不使所述等离子体猝灭。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在约1秒或更短的时间内使所述RF功率、所述占空比和所述脉冲频率中的一个或多个斜坡式变化。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中在所述RF电源在所述第二模式下操作之前，使RF功率斜坡式变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，使所述RF功率斜坡式变化包括使所述RF功率跨越多个增大或减小的RF功率电平而斜坡式变化，所述RF功率电平在约50W至约10000W之间。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中在所述RF电源在所述第二模式操作之前，使占空比斜坡式变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中使所述占空比斜坡式变化包括使所述占空比跨越多个增大或减小的占空比而斜坡式变化，所述占空比在约1％至约99％之间。
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