CN114556519A - 确定用于介电衬底的等离子体加工的最佳离子能量 - Google Patents

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Abstract

通过将介电衬底(109)暴露于等离子体放电并向该介电衬底施加脉冲电压波形来确定用于该介电衬底(109)的等离子体加工的离子能量。脉冲电压波形包括脉冲序列，每个脉冲包括较高的电压区间和具有电压斜率的较低的电压区间。进一步地，生成该序列的彼此之间具有不同电压斜率的第一脉冲，并将这些第一脉冲施加到该介电衬底。对于这些第一脉冲中的每一个，确定该电压斜率(S)和对应于该电压斜率的输出电流(IP)。对于这些第一脉冲中的每一个，仅基于为这些第一脉冲中的一个或多个确定的该电压斜率和该输出电流来确定该电压斜率与该对应的输出电流之间的数学关系的至少一个系数(k，b)。对该至少一个系数应用测试函数并且选择与该至少一个系数相对应的、使该测试函数为真的最佳电压斜率值。一种用于介电衬底的等离子体加工的设备实施以上方法。

Description

确定用于介电衬底的等离子体加工的最佳离子能量
技术领域
本发明涉及用于介电衬底的等离子体加工的方法和设备，比如用于等离子体辅助刻蚀和沉积的方法和设备。具体地，本发明涉及确定用于介电衬底的等离子体加工的最佳离子能量的方法以及对应的设备。
背景技术
比如反应离子刻蚀(RIE)、原子层刻蚀(ALD)和原子层沉积(ALD)等等离子体辅助刻蚀和沉积广泛用于半导体制造。以反应离子刻蚀为例，等离子体不仅用于提高材料的去除或者生长速率，而且还用于提高工艺的质量。等离子体由正离子、负电子和中性粒子组成。在刻蚀工艺期间，离子被材料表面的负电压电位加速并轰击材料，从而向表面提供额外的能量并加速化学反应。另外，离子轰击材料表面的法线方向还增强了刻蚀的各向异性。
离子能量被控制在有限的范围内。能量过低的离子会导致反应速率缓慢，而能量过高的离子会造成溅射，这降低了选择性。随着对更小半导体大小的需求不断增加，对离子能量的精确控制在等离子体增强沉积和刻蚀中都变得至关重要。通常，期望的是落在一定的能量值范围的窄离子能量分布(IED)，这需要在衬底材料表面上具有恒定的负电压电位。
离子能量由衬底表面的电压电位决定。对于导电衬底材料，可以将负直流偏置电压直接连接到反应器中的工作台。通过改变电压的直流值，可以相应地控制离子的能量。然而，对于介电衬底材料，存在等效的衬底电容。因为离子在刻蚀期间对衬底充电，导致衬底电压电位升高，所以简单的直流偏压不能很好地起作用。
为了控制介电衬底的离子能量，在常规反应器中通常使用射频(RF)正弦偏置电压。在这种情况下，RF偏置需要阻隔电容器，以便在鞘层上生成自偏置负直流电位。正弦电压波形在衬底表面产生变化的电压电位，因此产生宽的双峰IED。尽管增加频率有助于缩窄IED，但是它受到离子质量的限制，并且其对轻的离子(比如，氢)的效果要差得多。此外，足够大的偏置频率使RF波长与衬底尺寸相当，从而导致严重的不均匀性。最后，RF偏置会生成大量无功功率，导致低效率和高成本。
脉冲形状偏置也用于等离子体增强刻蚀和沉积。它由沉积和刻蚀阶段的宽负脉冲和放电阶段期间的短正脉冲组成。
正脉冲被施加到衬底电位上，以吸引电子并周期性地释放积聚的离子。然而，在刻蚀或沉积阶段期间，衬底电位仍旧被离子充电，因此用这种简单的波形不能获得窄的IED。与RF偏置一样，尽管在某些情况下增加频率能有效地缩窄IED，但是它会降低工艺质量。
从2014年3月6日的US 2014/0061156知道，施加定制的脉冲形状偏置以补偿在刻蚀或沉积阶段期间介电衬底上的离子积聚效应。偏置电压波形由用于补偿沉积和刻蚀阶段期间的衬底电位上升的减小的负电压斜率以及用于吸引电子以在放电阶段期间保持电荷平衡的正电压脉冲组成。这样的电压波形可以产生窄的离子能量分布。重复频率远低于传统的RF偏置和脉冲形状偏置。
可以通过将离子电流补偿(比如电流源)并入到耦合至衬底的开关模式电源来获得US 2014/0061156中的负电压斜率。脉冲电压波形的负电压斜率必须进行微调，以获得最窄的IED。US 2014/0061156提出基于电压斜率、衬底的有效电容和离子电流补偿来评估一个函数，并调整离子电流补偿直到该函数为真，这将对应于最窄的IED。当离子电流补偿等于离子电流时，该函数为真。为了确定等于离子电流的离子电流补偿，在一个实施例中，针对第一周期施加第一离子电流补偿，并测量脉冲电压波形的第一电压斜率。针对第二周期施加第二离子电流补偿，并测量第二电压斜率。由此，可以确定预计该函数为真、并且因此将产生窄IED时的第三离子电流补偿。
然而，上述方法的一个缺点是，使用非常简化的等效电气模型来合成函数，其中忽略了一些杂散电容，比如工作台电容。此外，为了能够评估该函数，必须确定衬底的有效电容，因而需要额外的测量。实时测量该电容执行起来非常困难。另一方面，测量电容一次并假设它是恒定的可能会导致错误的结果，因为有效电容可能是变化的并且与由工作台、等离子体室中的其他部件、衬底上的电压电位和等离子体鞘层引入的寄生电容有关。
等离子体鞘层(也简称为鞘层)是等离子体中靠近衬底表面并且可能是靠近等离子体加工室的壁的层，该层具有高密度的正离子并因此整体上正电荷过剩。鞘层所接触的表面通常具有大量的负电荷。鞘层的产生是由于电子的速度比正离子更快，从而导致更大比例的电子到达衬底表面或壁，因此降低了鞘层中的电子密度。
因此，在不同的刻蚀或沉积条件下，电容和离子电流是不同的。另外，鞘层电容还与电压有关。等离子体条件的微小差异或刻蚀反应器的变化可能需要重新计算。这些非理想因素在实践中带来了不准确性。
发明内容
本发明的目的是克服以上缺点。本发明的目的在于以自动化的方式高效地找到介电衬底的等离子体加工中的最佳操作条件，而不需要人工干预。本发明的目的还在于更准确地找到介电衬底的等离子体加工中的最佳操作条件，而不依赖于过度简化的等效电气模型。
根据本发明的第一方面，提供了一种如在所附权利要求中所阐述的确定用于介电衬底的等离子体加工的离子能量的方法。
根据本发明的方法包括：将介电衬底暴露于等离子体放电，并且特别地在暴露期间向该介电衬底施加由电源生成的脉冲电压波形。该脉冲电压波形包括脉冲序列，每个脉冲包括较高的(例如，正的)电压区间和较低的(例如，负的)电压区间，其中，该较低的电压区间包括电压斜率、特别地是负的电压斜率。
根据发明，该序列包括彼此之间具有不同电压斜率的第一脉冲。特别地在暴露于等离子体放电期间，将这些第一脉冲施加到该介电衬底。对于这些第一脉冲中的每一个，确定该电压斜率和在该电源的输出端处的对应于该电压斜率的输出电流。可以测量该电压斜率和对应的输出电流中的任一个或者两个，并且可以通过耦合至该电源的控制单元来设置另一个。
对于这些第一脉冲中的每一个，仅基于为这些第一脉冲中的一个或多个确定的该电压斜率和该输出电流来确定该电压斜率与该对应的输出电流之间的数学关系的至少一个系数。该数学关系是表达该电压斜率与该输出电流之间的关系的函数。该电压斜率和该输出电流中的任一个可以是该函数的变量，并且针对该变量评估该函数产生该电压斜率和该输出电流中的另一个。该函数包括至少一个系数，该至少一个系数可以随该电压斜率和/或该输出电流而变化。根据本发明，针对该至少一个系数求解数学关系(函数)，使得基于电压斜率和输出电流的已知(确定)值来确定该至少一个系数。
有利地，可以对该至少一个系数应用测试函数，以便确定最佳电压斜率。当该至少一个系数与使IED最窄的最佳电压斜率相关时，该测试函数为真。该测试函数有利地找到该至少一个系数的极值。
因为该方法仅依赖于可以自动确定的电压值和电流值，本发明的方法允许以完全自动化的方式对该等离子体加工设备的操作参数进行调谐，而无需人工干预并且无需对其他电气量(对比如电容)进行耗时或繁琐的测量，这减少了成本和产出时间。附加地，根据本发明的自动化调谐允许对被加工的每个介电衬底进行自动调谐，从而得到更高的准确性。典型地，含10到50个第一脉冲的序列足以找到具有令人满意的准确性的最佳电压斜率。
此外，该至少一个系数有利地与系统电容相关。通过仅基于这些电压值和电流值来评估(多个)系数，隐含地考虑了该系统电容的电压相关和/或电流相关行为，而无需对其进行单独测量。因此，根据本发明的方法可以提供更准确的调谐以得到期望的(例如，最窄的)IED。
有利地，该数学关系是该输出电流与该电压斜率之间的多项式函数。该多项式函数可以是任意阶次，例如零、一、二、三等，具体取决于等离子体加工系统的等效电气模型。通过示例的方式，该多项式函数是一次多项式，特别地是以下类型的：IP＝k S+b，其中，IP表示输出电流，S表示电压斜率，并且其中，该至少一个系数是k和b中的至少一个。
这些第一脉冲可以形成具有单调递增的电压斜率的序列。通过示例的方式，该方法可以从非常小(例如，零)的电压斜率开始，并且系统性地增加该(负)电压斜率直到找到该至少一个系数的极值(例如，最大值)。连续脉冲之间的电压斜率步长可以是恒定的或可变的，并且该方法可以提供例如基于所确定的该至少一个系数的行为来自动调整这些第一脉冲之间的电压斜率步长。容易注意的是，可以使用任何其他合适的收敛算法来选择电压斜率以便收敛到该至少一个系数的极值。
根据本发明的第二方面，提供了一种如所附权利要求书中所阐述的用于介电衬底的等离子体加工的设备。
根据本发明的设备包括：用于生成等离子体的装置，例如，通过匹配网络耦合至外部电源的等离子体反应器；用于支撑该介电衬底并被配置用于暴露于该等离子体的加工平台；电源(功率放大器)；电压测量设备；以及电流测量设备。等离子体由该外部电源激发和维持。该功率放大器耦合至该加工平台和控制单元。该功率放大器被配置为输出可配置的定制脉冲形状电压波形。
有利地，该设备被配置为执行根据本发明的方法中的任何方法。本发明的方法可以在该控制单元中实施。
如本文所描述的方法和设备还可以用于计算和确定在实践中难以直接测量的电气参数，这些参数包括衬底电容、工作台电容和离子电流。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的方面，其中相同的附图标记展示了相同的特征，并且在附图中：
图1展示了根据本发明的用于等离子体加工的设备的框图；
图2表示了图1系统的简化电气模型；
图3描绘了输出电压、输出电流和衬底电压电位的典型波形；
图4展示了根据本发明的自动调谐方法的可能实施方式，包括施加具有不同电压斜率的第一脉冲序列；
图5表示了用于在图1设备中使用的电源的可能的实现方式；
图6示出了用于本发明方法的实验设置的输出电压、输出电流和所计算的系数值的曲线图；
图7示出了与图6的不同电压斜率相对应的所测量离子能量分布。
具体实施方式
在图1中示出了用于对介电衬底(比如半导体衬底)进行等离子体加工的设备。将气体注入反应器110。利用外部电源101点燃反应器110中的等离子体，该外部电源通过等离子体室外部的匹配网络105和线圈108与气体耦合。该电源连接到匹配网络105，并且该匹配网络连接到线圈108。电源101可以是任何合适的电源，包括射频(RF)电源、微波频率(MF)电源和脉冲直流电源。尽管如图1所示出的等离子体源是感应耦合的，但它可以是任何其他种类的，比如电容耦合等离子体源和螺旋波类型等离子体源。
图1的设备可以用于等离子体刻蚀或沉积。因此，将介电衬底材料109放置在反应器110内的工作台111上。反应器中的压力通过图1中描绘的(真空)泵保持为低(即，低于大气压)。功率放大器114通过电连接113连接到工作台111。
电压测量单元116可以连接到功率放大器114，以测量放大器的输出电压。电压测量单元116通过(数据)连接117耦合至控制器115，以将测量结果发送到控制器115。
可以(例如通过连接到电连接113和/或工作台111的接口112)提供电流测量单元119以测量功率放大器114的输出电流。电流测量单元119通过(数据)连接120耦合至控制器115，以将测量结果发送到控制器115。
控制器115实施根据本发明的自动控制算法，该算法基于所测量的电压值和/或电流值。控制器115通过(数据)连接118耦合至功率放大器114，以向功率放大器114发送控制信号从而调整输出(电压)波形。自动控制算法被配置为控制离子能量以获得最窄的IED。有利地，该控制算法被实施为具有电压和/或电流反馈的实时控制系统。
在图2中描绘了图1的系统的基础等效电气模型。在刻蚀或沉积阶段期间，可以假设等离子体是恒定的电压源Vp。在等离子体与材料表面之间形成离子鞘层。离子鞘层相当于与鞘层电容Csh和二极管D1并联的直流电流源II。衬底相当于电容器Csub。对于导电衬底，Csub是无限大的，该导电衬底可以看作是理想的导线。对于介电衬底，Csub具有有限值。工作台与其他部件(包括等离子体和反应器壁)之间存在寄生电容，该寄生电容由工作台电容Ct定义。工作台是导电的并且连接到功率放大器的输出端。
对于导电衬底，输出电压Vout是恒定的直流值。然后，鞘层电压Vsh由Vsh＝Vout定义。电压和电流测量单元用于监测直流值。Vout由反馈控制器调节。
如图3所描绘的，对于介电衬底，Vout的波形为定制的脉冲形状，其可以分为2个阶段，包括放电阶段和刻蚀或沉积阶段。放电阶段由持续T1的正脉冲V0组成，该正脉冲用于吸引电子并且对衬底进行周期性放电。T1只有在衬底表面完全放电时才会尽可能短。刻蚀或沉积阶段由V1、V2和T2所定义的负斜率组成。在衬底完全放电之后将负电压V1施加到工作台。刻蚀或沉积期间衬底表面上的电压电位Ve近似为
Ve≈V1-V0。
为了补偿衬底表面上的离子积聚，应该向工作台施加负电压斜率。电压斜率由V1、V2和T2这3个部分定义。斜率S定义为
Figure BDA0003573408070000061
为了在刻蚀或沉积阶段期间在衬底上获得恒定的负电压，应该将电压斜率调谐到精确的值，该值等于
Figure BDA0003573408070000062
然而，在实践中，II和Csub是未知的。在现有技术中，要么通过手动、要么通过理论计算对它进行调谐。这两种调谐方法都会导致与最佳电压斜率的偏差。另外，手动调谐方法需要大量时间和额外的减速场能量分析器或等效设备。此外，上述理论计算方法是基于过度简化的模型，并且依赖于预先测量的衬底电容，该衬底电容在工艺中可能会发生变化。
参考图4，根据本发明的对输出电压斜率进行自动调谐的算法仅基于输出电压和输出电流来工作。可以例如由控制器115设置任一个，并且可以例如由电压测量单元116和/或电流测量单元119来测量另一个。根据本发明的调谐算法可以由控制器115以完全自动的方式实施并且不需要任何人工干预或额外测量(例如电容值测量)。
在刻蚀或沉积阶段期间，输出电流为负直流值且等于-IP。IP的值由下式给出
Figure BDA0003573408070000063
如果所有电容和离子电流是恒定的并且与鞘层电压无关，则IP与电压斜率S具有线性关系。然而，在实践中，鞘层电容Csh与鞘层电压有关，因此会随着电压斜率S变化。然后，IP可以描述为
IP＝k(S)S+b(S)，
其中，k(S)和b(S)是电压斜率S的函数，并且分别由
Figure BDA0003573408070000071
和
Figure BDA0003573408070000072
给出。当电压斜率S被调谐到最佳值时，在此情况下获得最窄的IED，Vsh变为恒定的。IP然后由下式给出
IP＝-CtS+Ii。
由于电容Csh、Csub、Ct都是正的，因此在达到最窄的IED时函数k(S)和b(S)皆达到其最大值。当改变电压斜率S时，通过找到k(S)或b(S)的最大值，可以将IED调谐到最窄。
为了找到最佳电压斜率S，在不同的开关周期中将一系列电压斜率Sn(n＝1,2,3…)施加到工作台。然后，电流测量单元119记录刻蚀或沉积阶段期间的对应直流电流值In(n＝1,2,3…)。可替代地，由功率放大器114来设置一系列输出电流值In(n＝1,2,3…)，并且可以由电压测量单元116来测量对应的电压斜率Sn(n＝1,2,3…)。
可以基于输出电压和电流的实时测量结果来计算k(S)或b(S)的值。
k(S)近似为
Figure BDA0003573408070000073
b(S)近似为
Figure BDA0003573408070000074
如果Sn-Sn-1的步长值足够小，则该近似值是准确的。如图4所描绘的，当k(Sn)在Sn＝Sm处达到其最大值时，找到最佳输出电压斜率为Sm。对应的输出电流等于Im。b(Sn)的最大值也可以用于找到最佳电压斜率。
以上方法也可以用于计算未知的参数。找到工作台电容为
Ct＝k(Sm)。
找到离子电流为
Ii＝b(Sm)。
找到衬底电容为
Figure BDA0003573408070000075
应该注意，功率放大器114可以是任何种类的合适功率放大器。在一个实施例中，它可以是电压源放大器，包括开关模式电压放大器、线性放大器或者其任意组合。在另一实施例中，功率放大器可以由混合变流器来实现。
如图5中所描绘的，混合变流器包括两个可调直流电压源放大器V0和V1、两个开关S1和S2、以及可调直流电流源放大器IP。可以通过接通S1获得正脉冲V0。在放电阶段之后，通过关断S1并同步接通S2，输出电压vout变为V1。通过关断S2，获得负电压斜率，原因是电流源正在从电容性负载吸取电流。通过IP的大小来确定输出电压斜率。这样的混合变流器适合于执行本文所描述的调谐方法。通过改变IP的大小，可以如上所述找到k(S)或b(S)的最大值，从而允许获得最窄的IED。
本发明的方法不限于找到k(S)或b(S)的最大值。在其他实施例中，反应器的结构可能是不同的，从而产生不同的等效电气模型。由于当获得最窄的IED时鞘层电容实际上已从电气模型中移除，因此在数学关系中引入了异常行为，例如极值、奇点等。可以通过应用专用的测试函数来找到这样的行为，例如，通过改变输出电压斜率来找到系数k(S)或b(S)的最大值。
参考图6，在实验中实施了上述自动调谐方法。通过改变连续脉冲的电压斜率Sm-1、Sm、Sm+1并测量对应的输出电流Im-1、Im、Im+1，可以确定系数k(Sm-1)、k(Sm)、k(Sm+1)，并且发现最大值k(S)是k(Sm)。在图6中，直流电流以小步长变化，因此连续脉冲之间的电压斜率差异非常小并且很难从图中识别出来。因此，最佳电压斜率是Sm。对不同的电压斜率的离子能量分布进行了测量，如图7所描绘的。对应于Sm的IED有效地产生了最窄的宽度，从而证明了本发明的方法的可靠性。

Claims (15)

1.一种确定用于介电衬底(109)的等离子体加工的离子能量的方法，该方法包括：
将该介电衬底(109)暴露于等离子体放电，
对该介电衬底施加由电源(114)生成的脉冲电压波形，
其中，该脉冲电压波形包括脉冲序列，每个脉冲包括较高的电压区间和较低的电压区间，其中，该较低的电压区间包括电压斜率，
其特征在于，该方法包括：
生成该序列的彼此之间具有不同电压斜率的第一脉冲，并将这些第一脉冲施加到该介电衬底，
对于这些第一脉冲中的每一个，确定该电压斜率(S)和在该电源的输出端处的对应于该电压斜率的输出电流(IP)，
对于这些第一脉冲中的每一个，仅基于为这些第一脉冲中的一个或多个确定的该电压斜率和该输出电流来确定该电压斜率与该对应的输出电流之间的数学关系的至少一个系数(k，b)，
对该至少一个系数应用测试函数并且选择与该至少一个系数相对应的、使该测试函数为真的最佳电压斜率值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该至少一个系数是由以下各项组成的表达式：一个或多个数学运算符、这些电压斜率的一个或多个值和该输出电流的一个或多个值。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，该数学关系是该输出电流与该电压斜率之间的多项式函数。
4.如权利要求3所述的方法，其中，该多项式函数是一次多项式IP＝k S+b，其中，IP表示输出电流，S表示电压斜率，并且其中，该至少一个系数是k和b中的至少一个。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该至少一个系数表示该等离子体放电与该介电衬底之间的相互作用的一个或多个电容，该至少一个系数仅基于为这些第一脉冲中的一个或多个确定的该电压斜率和输出电流来求解。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，这些第一脉冲具有单调递增的电压斜率。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括对于这些第一脉冲中的每一个，测量以下中的至少一个：该相应的电压斜率和对应于该电压斜率的该输出电流。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该测试函数被配置为确定该至少一个系数的极值。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括生成该序列的第二脉冲，这些第二脉冲具有对应于该最佳电压斜率值的电压斜率，以及将这些第二脉冲施加到该介电衬底以执行等离子体加工。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，等离子体加工选自以下中的一个或组合：等离子体辅助刻蚀和等离子体辅助沉积。
11.一种用于介电衬底(109)的等离子体加工的设备，该设备包括：
用于生成等离子体的装置(101，105，108)，
用于支撑该介电衬底的加工平台(111)，
电源(114)，该电源包括耦合至该加工平台的输出端(113)，
以下中的至少一个：耦合至该输出端的电压测量单元(116)和电流测量单元(119)，以及
耦合至该电源(114)的控制单元(115)，其中，该控制单元和该电源被共同配置为生成脉冲电压波形，其中，该脉冲电压波形包括脉冲序列，每个脉冲包括较高的电压区间和较低的电压区间，其中，该较低的电压区间包括电压斜率(S)，
其特征在于：
该控制单元(115)和该电源(114)被共同配置为生成该序列的彼此之间具有不同电压斜率的第一脉冲，
对于这些第一脉冲中的每一个，该控制单元被配置为确定该电压斜率和在该输出端处的该对应的输出电流，并且仅基于为这些第一脉冲中的一个或多个确定的该电压斜率和该输出电流来评估该电压斜率(S)与该输出电流(IP)之间的数学关系的至少一个系数(k，b)，其中，该控制单元进一步被配置为对该至少一个系数应用测试函数。
12.如权利要求11所述的设备，其中，该控制单元和该电源被共同配置为生成该序列的第二脉冲，这些第二脉冲具有表示该至少一个系数的、使该测试函数为真的电压斜率。
13.如权利要求11或12所述的设备，其中，该控制单元被配置为执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。
14.如权利要求13所述的设备，其中，该控制单元被配置对经处理的每个介电衬底执行如权利要求1至8中任一项所述的方法。
15.如权利要求11至14中任一项所述的设备，其中，该电源是包括开关模式电源和可调电流源的混合变流器。
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