CN114188204A - 一种等离子体处理方法、射频发生器以及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理方法，包括：通过用户端设置针对处理工艺中的多个步骤的外部调频算法以及需调用的内部调频算法；在射频发生器的存储器中存储多组内部调频算法；以及在工艺处理中，运行所述外部调频算法并且同时在至少两个所述步骤中调用不同的所述内部调频算法，以使得射频发生器的频率匹配在不同步骤中的反应腔的阻抗。本发明还公开了一种用于等离子体处理装置的射频发生器以及等离子处理装置。

Description

一种等离子体处理方法、射频发生器以及装置

技术领域

本发明涉及等离子体处理方法，使用该方法的用于等离子体处理装置的射频发生器以及离子体处理装置。

背景技术

等离子体处理装置被广泛用于制造半导体器件的应用中。通过射频发生器在等离子体处理装置中激发等离子体可对基片进行多种处理，诸如刻蚀、沉积、清洗等。在先进的等离子体处理工艺中，往往需要对基片中的多层结构进行处理，因此需要设置多个连续的工艺步骤。为满足不同工艺步骤的要求，需设置不同的工艺参数，等离子体的阻抗也会随着不同的工艺步骤而发生改变。通常通过改变射频发生器的频率以及匹配电路的阻抗来匹配等离子体阻抗值的变化。但在一些工艺中，相邻步骤中的工艺参数变化较大，使得等离子体阻抗剧烈变化，难以快速地完成阻抗匹配。这会影响基片的处理效果，造成偏边、不均一等问题。并且，由于等离子阻抗的不匹配使得等离子熄灭，从而影响基片处理的产能。

发明内容

一方面，本发明提供了一种等离子体处理方法，包括：通过用户端设置针对处理工艺中的多个步骤的外部调频算法以及需调用的内部调频算法；在射频发生器的存储器中存储多组内部调频算法；以及在工艺处理中，运行所述外部调频算法并且同时在至少两个所述步骤中调用不同的所述内部调频算法，以使得射频发生器的频率匹配在不同步骤中的反应腔的阻抗。

可选地，在至少两个所述步骤中，设置不同的所述外部调频算法。

可选地，所述处理工艺中的多个步骤包括：第一等离子体处理步骤，在第一等离子体处理步骤中处理多层基底的第一层；第二等离子体处理步骤，在第二等离子体处理步骤中处理多层基底的第二层；过渡步骤，在过渡步骤中使得反应腔中的状态从第一等离子体处理过渡到第二等离子体。

可选地，所述外部调频算法设置为确定每个步骤的初始频率值。

可选地，所述内部调频算法设置为确定每个步骤的调节增益。

可选地，所述多个步骤包括多个主处理步骤和在主处理步骤之间的过渡步骤。

可选地，在主处理步骤中调用所述内部调频算法和/或在过渡处理步骤中调用所述内部调频算法。

可选地，所述多个步骤包括同一功率脉冲周期内的多个子步骤。

另一方面，本发明提供了一种用于等离子体处理装置的射频发生器，包括：接收端，用于接收针对处理工艺中的多个步骤的外部调频算法的指令以及调用内部调频算法的指令；存储器，用于存储多组内部调频算法；匹配单元，用于在工艺处理中，运行外部调频算法并且同时在至少两个所述步骤中运行不同的内部调频算法，以使得射频发生器的频率匹配在不同步骤中的反应腔的阻抗。

另一方面，本发明提供了一种等离子体处理装置，包括如上所述的射频发生器。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的等离子体处理装置的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的在多个等离子处理过程中第一射频功率源输出的频率波形图。

图3-图5是根据本发明的一个实施例的在等离子体处理过程中待处理半导体结构的截面结构示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的等离子体处理方法的流程示意图。

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。

在多层结构的等离子体刻蚀工艺中，需要设置多个前后连续的工艺步骤。通常相邻步骤的工艺参数(腔室压强、刻蚀气体种类和流速、射频功率等)变化较大，对等离子体的阻抗匹配提出更高的要求。一种解决方法是在改变工艺步骤前先熄灭等离子体，待工艺参数稳定后再重新点燃。但是，这种工艺步骤的切换方法有时候会带来一些负面效果。例如，前一步工艺中形成的悬浮等离子体颗粒未被及时抽走，在切换过程中由于等离子体熄灭而掉在晶圆上造成缺陷问题。此外，这种重新点燃的方法耗时相对较长，一定程度上限制了产能。另一种更好的方式是利用连续运行(back-to-back)的方法，在相邻主步骤(main step)间加入若干个过渡步骤(transition step)，平缓等离子体阻抗的剧烈变化，利用射频电源的自动频率匹配模式找到合适匹配频率，来维持等离子体的连续运行。射频电源的自动频率匹配是基于特定的调频算法，对于因等离子体阻抗变化引起的反射功率作出响应，重新搜寻更优化频率来降低反射功率的过程。但是，对于特定规格的射频电源来说，自动匹配模式下的内部调频算法(internal algorithm)是单一固定的，用户无法针对不同的工艺步骤改变该射频源的内部调频算法。在阻抗变化剧烈的多步骤刻蚀工艺中，这种固有的调频算法很难满足整个过程的频率匹配，尤其在某些过渡步骤的切换中，往往会出现等离子体参数如反射功率的尖峰(spike)现象。更糟糕的情况是在其中某些工艺步骤切换时因未能找到合适频率而失配，导致等离子体熄灭。

射频源的调频除了应用在上述的主步骤与主步骤之间，或者主步骤和过渡步骤之间，在先进制程中，主步骤的持续时间内也需要射频源的调频。

射频电源有两种功率输出模式：连续功率输出模式和脉冲式功率输出模式。脉冲式功率输出模式多用于高深宽比的刻蚀以及多层结构刻蚀中。对于脉冲式功率输出模式，一个主步骤中可能存在多个周期，同一个周期时间内具有多个射频功率不同的子时段。由于功率不同，这些子时段的等离子体阻抗也不相同，所以对这些时段也要进行调频以便匹配阻抗。同一周期内的多个子时段时间较短，因此射频源需要在更短的时间内达到阻抗匹配，对阻抗匹配产生更高的要求。

在射频电源频率匹配过程中，需要用到外部调频算法和内部调频算法。在射频源的用户端可以设置外部调频算法的参数以控制射频电源的调频。用户端与射频源通过通信电缆连接，所以该用时是通信级时间，约为100毫秒。通常可以设定外部调频算法的初始频率值，包括主步骤和过渡步骤的初始频率值。外部调频算法还能设定在某一工艺步骤中射频源的工作模式，如自动调频模式(调频取决于内部算法，时刻响应阻抗的变化)、锁频模式和手动模式(即射频源以固定频率工作，不响应阻抗的变化)通常，射频电源工作于自动模式，即通过外部调频算法设定初始频率值，由射频源通过内部调频算法自动调频以匹配负载阻抗。外部调频算法还可以通过外设判据来确定反射值是否收敛(如数个阶段的反射回读值小于某个设定值即判断反射值已收敛)。

内部调频算法一般是射频源自带的频率-反射运算法则，内置于射频源的硬件中，处理时间取决于电路硬件模块和固件，处理时间更短，约为微秒量级甚至更短。内部算法可以定义频率-反射的收敛关系，通过设置调频幅度和响应速度(类似于PID)，更好地匹配阻抗变化。通常在射频源的整个运行期间不能被更改。例如，内部调频算法可以改变自动模式下的调频幅度，可以根据不同需求快速或缓慢地调节到最佳匹配频率。然而，在现用的射频源中，内部调频算法在射频源的整个运行期间不能更改。这种单一固定的内部调频算法不能满足灵活不同工艺过程的需求。因此，本发明提出在射频源中内置多组内部调频算法，通过外部灵活调用不同的内部调频算法以满足不同半导体处理工艺的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本实施例的等离子体处理装置的截面结构示意图，图2是根据本发明的一个实施例的在多个等离子处理过程中第一射频功率源输出的频率波形图，图3-图5是根据本发明的一个实施例的在等离子体处理过程中待处理半导体结构的截面结构示意图。

图1所示的反应腔100是用于等离子体处理工艺的装置的一部分。本实施例中，所述等离子体处理装置具有双射频源，包括：反应腔100；位于所述反应腔100内的晶圆载台102，用于承载待处理基底101；设置于反应腔100顶部的上电极103，用于通过施加电场使反应气体激发为等离子体；与上电极103连接的第一射频功率源110，用于向所述上电极103提供射频功率；与晶圆载台102连接的第二射频功率源106，用于向晶圆载台102施加偏压。

其中，第一射频功率源110包括射频电源105和匹配单元104。本实施例中，所述射频电源105输出的射频功率通过匹配单元104提供到上电极103，使反应腔100内的反应气体等离子体化，所述射频功率为连续输出信号或脉冲输出信号，所述信号具有一定的射频频率。所述上电极103、反应腔100以及内部的等离子体为第一射频功率源110的负载，所述匹配单元104能够检测上电极103、反应腔100以及内部的等离子体的负载阻抗，使所述负载阻抗与匹配单元104的阻抗之和与射频电源105的输出阻抗相同，从而实现阻抗匹配。在另一个实施例中，所述第一射频功率源110也可以向晶圆载台102输出射频功率以激发等离子体。此外，所述第二射频功率源106能够向晶圆载台102施加偏压，则反应腔100内的等离子体受到所述偏压的电场力作用，能够向所述晶圆载台102移动，从而实现对待处理基底101的等离子体处理工艺。在本实施例中，所述等离子体处理工艺为等离子体刻蚀。

第一射频功率源110还包括包括存储器107，用于存储多组内部调频算法。该内部调频算法可具有多种设置。例如，内部调频算法可以改变自动模式下的调频幅度，可以根据不同需求快速或缓慢地调节到最佳匹配频率。用户端200与第一射频功率源110通信连接。通过用户端200可以设置第一射频功率源110的外部调频算法以及调用已存储在存储器107中的内部调频算法，以根据不同的工艺使用不同的调频算法从而较快地达到阻抗匹配。用户端200可以是台式计算机、便携式计算机、PDA等。

在另一实施例中，所述等离子体处理装置为电感耦合等离子体处理装置，包括反应腔、设置于反应腔顶部的电感耦合线圈以及设置于反应腔底部的晶圆载台，而本发明实施例所述的第一射频功率源能够被施加到电感耦合线圈。具体地，所述电感耦合线圈接收到射频功率之后，能够产生磁场，所述磁场能够使输入反应腔的气体电离为等离子体。在其他实施例中，所述电感耦合线圈还能够包围于所述反应腔的侧壁外表面，使通入反应腔内的反应气体电离成等离子体。第二射频功率源能够向晶圆载台施加偏压。其中，所述第一射频功率源的频率较高，而第二射频功率源的频率较低。

本实施例中，如图3所示，所述待处理基底包括：半导体衬底300，形成于半导体衬底300表面的第一介质层301，形成于第一介质层301表面的第二介质层302，形成于第二介质层302表面的掩膜层303，所述掩膜层303暴露出部分第二介质层302表面。本实施例的等离子体刻蚀工艺需要以所述掩膜层303为掩膜，刻蚀所述第二介质层302和第一介质层301直至暴露出半导体衬底300为止。所述第一介质层301、第二介质层302和掩膜层303的材料不同，因此第一介质层301、第二介质层302和掩膜层303之间均具有刻蚀选择性。在本实施例中，所述第一介质层301的材料为氧化硅、所述第二介质层302的材料为氮化硅，所述掩膜层303的材料为无定形碳(a-C)。

请参考图1、图2和图4，对所述待处理基底进行第一等离子体处理P1，通入第一反应气体到反应腔100，第一射频功率源110输出射频功率到反应腔100，自动调节所述第一射频功率源110的输出频率获得第一频率F1，使第一射频功率源110与反应腔100阻抗匹配。

本实施例中，所述等离子体处理工艺为等离子体刻蚀，在第一等离子体处理P1过程中，以所述掩膜层303为掩膜，刻蚀所述第二介质层302，直至暴露出第一介质层301为止，在第二介质层302内形成第一开口304。通入反应腔200内的第一反应气体能够用于刻蚀所述第二介质层302。

在本实施例中，所述第一射频功率源110用于使反应气体等离子体化，所述第一射频功率源110输出的射频功率具有一射频频率，且所述射频频率大于13MHz；所述第二射频功率源106输出的射频功率具有一射频频率，且所述射频频率小于13MHz，用于调节待处理基底的偏压。

在所述第一等离子体处理P1过程中，频率匹配方式为自动匹配模式。在进入第一等离子体处理P1时，反应腔200内的气体、气压等工艺条件已趋于稳定，所述匹配单元104对反应腔100以及等离子体的阻抗进行检测，并通过自动调节使匹配单元104和反应腔100以及等离子体的阻抗总和与射频电源105的输出阻抗相同，从而实现阻抗匹配。具体而言，在自动匹配模式时，通过第一射频功率源110的用户端200设定外部调频算法的第一初始频率F1₀，并且调用第一内部调频算法。此时，第一射频功率源110的匹配单元104可根据预先设定的第一内部调频算法自动地调节频率以匹配总负载阻抗。内部调频算法中的一个参数为调节增益(serve gain)，用于控制调频的幅度Δf。调频幅度是功率源调节频率以匹配负载的重要参数。调频幅度过小则需要较长时间才能到达匹配频率，这不利于脉冲式射频输出功率的工艺；而调频幅度过大虽能较快调节到匹配频率，但由于反射功率的剧烈变化会引起过冲现象，易于损坏设备。在本实施例中，通过外部调频算法(例如，其中第一初始频率为F1₀)和内部调频算法(例如，其中调节增益为Δf1)的共同运行，第一射频功率源110输出的射频频率经过自动调节，由一开始的波动直至达到匹配的第一频率F1。在本实施例中，所述第一频率F1为59.2兆赫兹。

在其他实施例中，等离子体处理装置具有单射频功率源，则所述第一射频功率源除了连接到等离子体发生器之外，还能够施加到反应腔内的电极上，所述电极设置于晶圆载台，使所述晶圆载台以及待处理基底具有偏压。

请参考图2，在所述第一等离子体处理P1之后，进行过渡步骤Pt，在所述过渡步骤Pt中，反应腔100内气体从第一反应气体转换为第二反应气体。

本实施例中，所述第一射频功率源110用于产生等离子体，所述第一射频功率源110输出的射频频率较高，从第一等离子体处理P1过渡到后续的第二等离子体处理的过程中，所述第一射频功率源110输出的第一频率F1、与后续第二等离子体处理中输出的第二频率F2之间的差异较大。若在后续的过渡步骤中依旧通过第一内部调频算法自动调节第一射频功率源110获得所需的输出频率，容易使匹配单元104难以捕捉到匹配条件，继而使第一射频功率源110无法输出射频功率，造成等离子体熄灭。并且，所述过渡步骤Pt为第一等离子体处理P1和后续的第二等离子体处理之间的过渡，需要将反应腔100内的第一反应气体转换为第二反应气体，所述第二反应气体能够用于刻蚀第一介质层301。然而，在所述过渡步骤Pt中，第一反应气体逐渐转换为第二反应气体，使得反应腔100内的气压和气体种类不断发生变化，因此在所述过渡步骤Pt中，所述反应腔100内的等离子体阻抗也不断变化。综上，需要第一射频功率源110能够快速地调节频率，即在过渡步骤Pt中，内部调频算法的调节增益Δft值要大于第一等离子体处理P1过程。

在本实施例中，在过渡步骤Pt中，用户端200可以设定与第一等离子体处理P1步骤相同的外部调频算法并且调用存储在第一射频功率源110中的第二内部调频算法。该第二内部调频算法中，参数调节增益Δft要大于第一内部调频算法的调节增益Δf1。在其他实施例中，外部调频算法也可以改变。例如，在过渡步骤Pt的外部调频算法中可以设定不同于第一等离子体处理P1步骤的初始频率，使得第一射频功率源110在过渡步骤Pt中能够更快速地调节到匹配频率。在所述过渡步骤Pt中，通过调用不同的第二内部调频算法，能够保持反应腔100内的等离子体处于点燃状态，从而保证了反应腔100内的等离子体稳定，使得等离子体处理的效果良好，避免了所形成的半导体结构的特征尺寸发生变化、或刻蚀产生的聚合物在待处理基底表面堆积的问题。

请参考图1、图2和图5，在所述过渡步骤Pt之后，对所述待处理基底进行第二等离子体处理P2，通入第二反应气体到反应腔100，所述第一射频功率源110输出射频功率到反应腔100，自动调节所述第一射频功率源110的输出频率获得第二频率F2，使第一射频功率源110与反应腔100阻抗匹配。

本实施例中，所述等离子体处理工艺为等离子体刻蚀，在第二等离子体处理P2过程中，以所述掩膜层303为掩膜，刻蚀第一开口304底部的第一介质层301，直至暴露出半导体衬底300为止，在第二介质层302和第一介质层301内形成第二开口305。其中，通入反应腔100内的第二反应气体用于刻蚀所述第一介质层301。

由于所述第一介质层301和第二介质层302的材料不同，刻蚀所述第一介质层301和第二介质层302的反应气体也不相同，而且刻蚀第一介质层301和第二介质层302的工艺也不相同；其中，第一介质层301和第二介质层302的反应气体不同包括：所述第一等离子体处理P1与第二等离子体处理P2的反应气体的种类不同，所述第一等离子体处理P1与第二等离子体处理P2的反应腔100内气压不同；而刻蚀第一介质层301和第二介质层302的工艺包括：所述第一等离子体处理P1与第二等离子体处理P2的第一射频功率源105的射频功率不同。

在所述第二等离子体处理P2过程中，确定所述第二频率F2的自动频率匹配方式为阻抗匹配。自过渡步骤Pt进入第二等离子体处理P2时，反应腔100内的气体、气压等工艺条件已趋于稳定，所述匹配单元104对反应腔100以及等离子体的阻抗进行检测，并通过自动调节使匹配单元104和反应腔100以及等离子体的阻抗总和与射频电源105的输出阻抗相同，实现阻抗匹配。具体地，在第二等离子处理P2过程中，通过第一射频功率源110的用户端200设定外部调频算法的第而初始频率F2₀，并且调用第三内部调频算法。此时，第一射频功率源110的匹配单元104可根据寄存在射频功率源110中的第三内部调频算法自动地调节频率以匹配总负载阻抗。根据实际的处理工艺，第三内部调频算法可以与第一内部调频算法相同或部分相同，或者，第三内部调频算法与第一内部调频算法完全不同。在本实施例中，第三内部调频算法中的调节增益Δf2等于第一内部调频算法的调节增益Δf1，并且小于第二内部调频算法的调节增益Δft。在另一实施例中，第三内部调频算法中的调节增益Δf2大于第一内部调频算法的调节增益Δf1。自过渡步骤Ft进入第二等离子体处理P2工艺之后，反应腔100内的气体、气压等工艺条件逐渐趋于稳定，使等离子体的阻抗变化也趋于稳定，所以，第二等离子体处理P2过程中等离子体并非一直剧烈变化，第三内部调频算法中的调节增益Δf2可以小于第二内部调频算法的调节增益Δft。在本实施例中，通过外部调频算法(例如，其中第二初始频率为F2₀)和内部调频算法(例如，其中调节增益为Δf2)的共同运行，第一射频功率源110输出的射频频率经过自动调节，由一开始的波动直至达到匹配的第一频率F2。在本实施例中，所述第二频率F2为59.8兆赫兹。

本发明还能适用于更多步骤的等离子刻蚀处理。在另一实施例中，待处理的基底包括三层介质层，对每一层介质层的等离子体都需要不同的等离子体处理工艺。由于三个处理工艺的状态及参数各不相同，他们之间需要过渡步骤衔接。当等离子处理装置的匹配单元104无法在一个过渡步骤期间匹配阻抗或者因阻抗变化剧烈而有可能熄灭时，则需要在不同的处理工艺之间插入多个过渡步骤，以使等离子体不熄灭。然而，如果通过外部用户端200可以任意地调用射频功率源的内部调频算法，则可根据实际工艺找出最佳的调频算法以便迅速地匹配负载阻抗。

本发明还提出一种等离子体处理的方法。请参考图6，图6是本发明的一个实施例的等离子体处理方法的流程示意图，包括：

步骤S601，提供待处理基片到一个反应腔；

步骤S602，对所述待处理基底进行第一等离子体处理，通入第一反应气体到反应腔，第一射频功率源输出射频功率到反应腔，通过用户端设置第一外部调频算法以及调用第一射频功率源的存储器中的第一内部调频算法，调节第一射频功率源的输出频率获得第一频率，使第一射频功率源与反应腔阻抗匹配；

步骤S603，在所述第一等离子体处理之后，进行过渡步骤，在所述过渡步骤中，反应腔内气体从第一反应气体转换为第二反应气体，通过用户端设置第一外部调频算法以及调用射频功率源的存储器中的第二内部调频算法，调节所述第一射频功率源的输出频率使过渡步骤中等离子保持点燃；

步骤S604，在所述过渡步骤之后，对所述待处理基底进行第二等离子体处理，通入第二反应气体到反应腔，所述第一射频功率源输出射频功率到反应腔，通过用户端设置第一外部调频算法以及调用第一射频功率源的存储器中的第一内部调频算法，调节第一射频功率源的输出频率获得第二频率，使第一射频功率源与反应腔阻抗匹配。

在另一实施例中，在步骤S604，用户端可以设置为调用不同于第一、二内部调频算法的第三内部调频算法以更快地调节频率匹配阻抗。

在另一实施例中，在步骤S602、S603和S604，根据不同的半导体处理工艺，可以通过用户端分别设置不同的第一外部调频算法以更快地调节匹配频率。

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改动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种等离子体处理方法，包括：

通过用户端设置针对处理工艺中的多个步骤的外部调频算法以及需调用的内部调频算法；

在射频发生器的存储器中存储多组内部调频算法；以及

在工艺处理中，运行所述外部调频算法并且同时在至少两个所述步骤中调用不同的所述内部调频算法，以使得射频发生器的频率匹配在不同步骤中的反应腔的阻抗。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在至少两个所述步骤中，设置不同的所述外部调频算法。

3.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述处理工艺中的多个步骤包括：

第一等离子体处理步骤，在第一等离子体处理步骤中处理多层基底的第一层；

第二等离子体处理步骤，在第二等离子体处理步骤中处理多层基底的第二层；过渡步骤，在过渡步骤中使得反应腔中的状态从第一等离子体处理过渡到第二等离子体。

4.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述外部调频算法设置为确定每个步骤的初始频率值。

5.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述内部调频算法设置为确定每个步骤的调节增益。

6.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述多个步骤包括多个主处理步骤和在主处理步骤之间的过渡步骤。

7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，在主处理步骤中调用所述内部调频算法和/或在过渡处理步骤中调用所述内部调频算法。

8.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述多个步骤包括同一功率脉冲周期内的多个子步骤。

9.一种用于等离子体处理装置的射频发生器，包括：

接收端，用于接收针对处理工艺中的多个步骤的外部调频算法的指令以及调用内部调频算法的指令；

存储器，用于存储多组内部调频算法；

匹配单元，用于在工艺处理中，运行外部调频算法并且同时在至少两个所述步骤中运行不同的内部调频算法，以使得射频发生器的频率匹配在不同步骤中的反应腔的阻抗。

10.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的射频发生器。

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