CN116631836A - 一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造工艺领域，公开了一种能够满足低刻蚀深度、高刻蚀精度以及低沉积厚度需求的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其包括真空放电腔室和自上而下依次间隔设置于真空放电腔室内的上电极板、中间电极板和下电极板；其中：上电极板与中间电极板之间形成上腔室，中间电极板与下电极板之间形成下腔室，且中间电极板上密布有若干连通上腔室和下腔室的孔洞。本发明结合射频电源更容易实现低气压放电、直流电压更容易调控的特点，通过将射频驱动和直流调节相结合的方式，设计了“上射频——下直流”可独立调控的双腔室等离子体源，可满足现代刻蚀或沉积工艺的对轰击极板离子能量和通量的高精度控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺领域，尤其涉及一种能够满足低刻蚀深度、高刻蚀精度以及低沉积厚度需求的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源。
背景技术
在目前的半导体加工设备中，高端工艺一般要求刻蚀设备具备比较良好的各向异性，为此常采用基于等离子体的刻蚀机刻蚀晶圆。等离子体与材料的接触区域会形成鞘层，鞘层能产生指向材料表面的电场，该电场可加速离子轰击材料表面，实现对材料表面的各向异性刻蚀。大部等离子体刻蚀设备采用由射频功率源驱动的容性耦合等离子体源(CCPs)。
在半导体工业中，为实现对刻蚀速度、刻蚀深度的独立调控，需要对轰击到晶圆表面的离子能量和通量进行独立控制。为此，常采用高频和低频电源共同驱动放电，通过调节高频电压控制等离子体的密度，实现对离子通量的控制，从而控制刻蚀速度；通过对低频电压的控制，调节鞘层的电势差，实现对轰击极板离子能量的调制，继而控制刻蚀深度。然而，双频驱动的等离子体源依然存在其固有问题：1)调节某个控制参数控制等离子体时，必定会对另一参数造成影响，参数控制无法做到完全独立；2)在一个供电体系中，双频之间会相互影响，致使匹配电路难以设计。由于等离子体放电所需功率由射频电源提供。在射频驱动下，等离子体鞘层有比较明显的振荡，鞘层电压降可达百伏并保持振荡，这将导致轰击极板的离子能量也高达数十至数百电子伏特，因此射频CCPs难以实现对轰击极板离子能量的精准控制和低能化调制。
随着半导体工艺的快速发展，在高端芯片的加工工艺中，刻蚀线宽被一步步缩短，刻蚀深度也逐渐降低，控制精度要求大幅提高。先进的原子层刻蚀工艺要求刻蚀机能在原子层面上实现对刻蚀速度、刻蚀方向和刻蚀深度的精确控制，这要求轰击极板刻蚀离子能量能降低至数电子伏特且能够精确调控。这对当前的等离子体源提出了极高要求，而传统的射频或直流驱动等离子体源已难以满足上述要求。
发明内容
本发明为满足现代刻蚀或沉积工艺的对轰击极板离子能量和通量的高精度控制要求，通过将射频驱动和直流调节相结合的方式，构建一种上射频—下直流可独立驱动的双腔室等离子体源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，包括真空放电腔室和自上而下依次间隔设置于所述真空放电腔室内的上电极板、中间电极板和下电极板；其中：
所述上电极板与中间电极板之间形成上腔室，所述中间电极板与下电极板之间形成下腔室，且所述中间电极板上密布有若干连通所述上腔室和下腔室的孔洞。
优选地，所述真空放电腔室的底部连接真空泵，顶部连接注气装置。
优选地，所述真空放电腔室内可形成压力低至1mTorr的真空环境。
优选地，所述上电极板、中间电极板和下电极板之间呈平行布置，且相邻之间的间距为1cm～10cm。
优选地，所述上电极板和所述下电极板的厚度为0.5～5cm；所述中间电极板的厚度为1～10mm，且其上所述孔洞的直径为0.01～4mm。
优选地，所述中间电极板上的若干孔洞呈径向密集分布，且相同半径处的孔洞直径相同，不同半径处的孔洞直径相同或不同。
优选地，所述上电极板通过匹配电路连接射频电源，所述下电极板连接直流电压源，以及所述中间电极板连接地线。
优选地，所述上电极板通过匹配电路连接射频电源，所述下电极板连接地线，以及所述中间电极板连接直流电压源。
较为优选地，所述射频电源的可输出幅值为10～500V、频率为1～100MHz的在正弦波波形；所述直流电压源可提供-100～+100V直流电压。
优选地，所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，还包括待加工晶圆，所述待加工晶圆平放于所述下电极板表面。
本发明采用上述技术方案，与现有传统CCPs技术相比，具有如下技术效果：
(1)该等离子体源的主要优点在于下腔室的等离子体(与晶圆接触)极为稳定，轰击极板离子能量可低至数电子伏特，各参数几乎实现了独立调节；
(2)该等离子体源有三个极板、两个放电腔室，两个电极间距均可调节，可调参数大大增多，参数组更加多样，因此可用于不同用途的工艺需求；
(3)由于下腔室的等离子密度远低于上腔室，该型等离子体源很难用于需要高深宽比的刻蚀工艺和需要高填充率的沉积工艺；但对于低深度和高精度的刻蚀工艺以及低厚度的沉积工艺，采用该等离子体源具有明显优势。
附图说明
图1为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源的中间电极板连接地的剖面结构示意图；
图2为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源的中间电极板连接直流电压源的剖面结构示意图；
图3为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源在60MHz、200V射频，0V直流驱动下，腔室中的电子与离子的密度空间分布；
图4为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源在不同直流电压下电子与离子的密度空间分布；
图5为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源在不同直流电压下轰击到下板的离子能量分布函数；
图6为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源在不同射频频率下电子密度的空间分布；
图7为本发明一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源在不同射频频率下下极板离子通量随频率的变化趋势。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
在一些实施例中，该射频直流独立驱动的双腔室等离子体源的创新方案主要是结合射频电源更容易实现低气压放电、直流电压更容易调控的特点，通过将射频驱动和直流调节相结合的方式，设计了“上射频——下直流”可独立调控的双腔室等离子体源，以满足现代刻蚀或沉积工艺的对轰击极板离子能量和通量的高精度控制要求。
如图1和图2所示，该等离子体源主要包括真空放电腔室1、上电极板2、中间电极板3和下电极板4，其中，所述上电极板2、中间电极板3和下电极板4自上而下依次呈间隔布置在真空放电腔室1内。
具体地，所述上电极板2与中间电极板3之间形成上腔室5，所述中间电极板3与下电极板4之间形成下腔室6，上腔室5由射频电源11驱动，下腔室6由直流电压源14调节。且在所述中间电极板3上密布有若干连通所述上腔室5和下腔室6的孔洞。
通过将带有密集孔洞的中间电极板3固定于上下平行的上电极板2、和下电极板4之间，将原有腔室一分为二，上腔室由射频驱动，下腔室由直流电源调节，形成中间电极板3带孔洞的射频——直流双腔室等离子体源。
在其中的一些实施例中，如图1和图2所示，所述真空放电腔室1的底部连接真空泵8，顶部连接注气装置9。由真空放电腔室1、真空泵8注气装置9构成该双腔室等离子体源的真空及注气系统。
所述真空放电腔室1可由不锈钢壁和石英玻璃窗口构成。真空泵8包括机械泵和分子泵(图中已略去)，该真空及注气系统可提供低至1mTorr(毫托：压强单位，1mTorr＝0.133帕斯卡)的真空环境。注气装置9能实现一种或多种混合气体的注入并能调节气体压强和气体流速。
在其中的一些实施例中，如图1和图2所示，所述上电极板2、中间电极板3和下电极板4组成该双腔室等离子体源的电极。上电极板2、中间电极板3和下电极板4可由导电性能良好且结构紧密的材料制成，相互之间呈平行布置，且相邻之间的间距均可在1cm～10cm(cm：厘米，长度单位)范围内调节。
在其中的一些实施例中，如图1和图2所示，所述上电极板2和所述下电极板4的厚度为0.5～0.5cm。所述中间电极板3较薄，其厚度在数毫米，如中间电极板3厚度为1～10mm，且其上开设有孔径较小的密集孔洞，所述孔洞的直径为0.01～4mm。
所述中间电极板3上的若干孔洞呈径向密集分布，根据需要，其相同半径处的孔洞直径相同，不同半径处的孔洞直径可相同或不同，以此控制下腔室等离子体的径向分布。
在其中的一些实施例中，如图1所示，所述上电极板2通过匹配电路10连接射频电源11，射频电源可输出幅值为10～500V(V：伏特，电压单位)、频率为1～100MHz(MHz：兆赫兹，频率单位)的在正弦波波形。所述下电极板4连接直流电压源14，可提供-100～+100V直流电压。所述中间电极板3连接地线13。电极的固定和调节装置已略去，所有电源的接地线已略去。
在其中的另一些实施例中，如图2所示，根据需要，与上述不同的是，也可将所述下电极板4连接地线13，以及将所述中间电极板3连接直流电压源14。同样地，所述射频电源11的可输出幅值为10～500V、频率为1～100MHz的在正弦波波形；所述直流电压源14可提供-100～+100V直流电压。
在其中的一些实施例中，如图1和图2所示，该双腔室等离子体源还包括待加工晶圆7，在实际应用放电时，所述待加工晶圆7平放于所述下电极板4表面，待加工晶圆7的固定和降温装置已略去。
如图1和图2所示，该双腔室等离子体源的上电极板2接射频电源，中间电极板3接地线13(或者接直流电压源14)，下电极板4接直流电压源14(或者接地线13)。在上电极板2和中间电极板3之间构成与CCPs相同的真空放电腔室1，中间电极板3和下电极板4之间的下腔室6作为直流放电腔室用于材料加工。
由于中间电极板3带有密集孔洞，放电时，上腔室5内的部分带电粒子会穿过孔洞进入下腔室6。大量带电粒子的注入可直接引起下腔室6内部分气体的电离，在下腔室6产生低密度的等离子体。当下电极板4加直流电压时，在下腔室6的上下两电极表面会形成稳定的德朗缪尔鞘层。在稳定电场加速下，轰击下电极板4的离子能量也极为稳定，离子能量调制精度大幅提高。
而待加工晶圆7可平放于下腔室5的下电极板4上，通过调节直流电压源14的电压，实现对轰击下电极板4离子能量的精准独立调控；通过控制上电极板2上射频电源11的频率、电压，可实现对上腔室5等离子体密度控制，进而间接控制下腔室6的等离子体密度，从而控制轰击下电极板4的离子通量，控制刻蚀速度；通过控制间隙内的气体压强，实现对离子各向异性的控制。
综上，相对于传统CCPs，该等离子体源的主要优点在于下腔室5的等离子体(与待加工晶圆7接触)极为稳定，轰击极板离子能量可低至数电子伏特，各参数几乎实现了独立调节。此外，该等离子体源有三个极板、两个放电腔室。两个电极间距均可调节，可调参数大大增多，参数组更加多样，因此可用于不同用途的工艺需求。
值得注意的是，由于下腔室6的等离子密度远低于上腔室5，因此相对于传统CCPs，下电极板4的离子通量将远低于传统CCPs，因此，该型等离子体源很难用于需要高深宽比的刻蚀工艺和需要高填充率的沉积工艺，采用该型等离子体源刻蚀晶圆时，刻蚀速度要低于传统CCPs。但对于刻蚀深度需求较低，精度要求较高的工艺来说(如原子层刻蚀或沉积工艺)，离子能量的精准控制更加重要。而且，所需刻蚀深度或者沉积厚度较薄时，处理速度也不宜太快，该型等离子体源在时间上可满足上述工艺。因此，该双腔室等离子体源在低深度和高精度的刻蚀工艺以及低厚度的沉积工艺中具有明显优势。
如图1和图2所示，该射频直流独立驱动的双腔室等离子体源的工作原理为：
放电时，通过真空泵8对真空放电腔室1抽真空后，通过注气装置9注入放电气体(以氩气为例)。打开射频电源11并调节匹配电路参数，使射频输入功率达到最大。通过控制射频电源11的频率、电压、气压、极板间距等以调节上腔室5内等离子体密度和带电粒子通量。
在上腔室5内射频电压的驱动下，可产生离子体，大量带电粒子通过中间电极板3上的密集孔洞进入下腔室6，并在下腔室6内产生密度约为1015m-3～1016m-3(m-3：每立方米，单位体积倒数，本文表示数量密度，读作“个每立方米”)的等离子体。由于离子质量远大于电子，导致孔洞内的离子密度将远高于电子，因此中间电极板3上的孔洞要求足够小(小于4毫米量级)，且中间电极板3应足够薄(数毫米量级)，以提升带电粒子穿透率，避免形成孔隙等离子体或造成下腔室的等离子体分布不均。
性能测试：
如图3所示，为当上电极板所加射频为60MHz、200V，下极所加直流为0V的情况下，经过时间平均后得到的等离子体密度分布(通过粒子模拟完成)。从图3中可以看出，腔室2(即下腔室6)内的等离子体由腔室1(即上腔室5)中的带电粒子通过中心极板孔隙的扩散过程完成，因此其密度仅为腔室1的1/5，且呈非对称分布。等离子体与边界接触的区域将形成鞘层，鞘层内电子密度低于离子密度，可形成由垂直于电极表面的鞘层电场，该电场可约束间隙内的电子，加速正离子轰击电极，实现对材料的处理。
一般来说，等离子体密度越高，鞘层越薄。但由于射频振荡电场的存在，射频驱动下鞘层厚度(腔室1)远低于未加电压时的鞘层厚度(腔室2)，因此腔室1中鞘层的电压降也将远高于腔室2。由于下腔室两电极所加的直流电压为0，下腔室等离子体边缘处形成了稳定的德拜鞘层，该鞘层极薄，其电压降仅为数伏。正离子通过该鞘层加速轰击下极板时，其能量也将只有数电子伏特，能量极低，可用于刻蚀深度低但需要精准调控的刻蚀工艺，也可用于原子层沉积工艺。
如图4和图5所示，为下极板加不同直流电压时，等离子体密度分布(图4)和轰击到下极板的离子能量分布函数(图5)。
从图4中可以看出，改变下腔室直流电压可实现对腔室2鞘层厚度的明显调制。当电极加直流电压时，其鞘层结构将由理想的德拜鞘转变为稳定的直流朗缪尔鞘层。随着下极板电压的升高，鞘层厚度将逐渐变薄，可以以此实现对轰击晶圆离子能量的精确控制，从而实现对刻蚀深度的控制。
如图(5)所示，当电压从0V升至+20V时，轰击下极板离子能量峰值由4eV降低至1eV(eV：电子伏特，能量单位)，表明低能离子的调控精度极高。当放电气体为刻蚀气体时，几eV低能离子可用于刻蚀精度要求较高的原子层刻蚀。在此前的容性耦合等离子体源中，轰击极板的离子能量在数十至百eV等，无法用于浅层高精度的刻蚀。当下极板电压从0V降至-20V时，轰击极板的离子能量由4eV升至23eV，表明该等离子体源同样能通过控制下极板直流电压实现高轰击离子能量的选择和调制。由于下腔室只有直流控制，其控制精度将远高于传统的射频等离子体。
如图6和图7所示，为不同频率的射频电源驱动下，电子的密度空间分布(图6)和轰击到下极板的离子通量随频率的变化(图7)。从图中可以看出，射频的引入能提高电子对能量的吸收效率，使低气压小间隙的辉光放电成为可能，频率的升高能显著提升等离子体密度。通过调节射频源的驱动频率，可实现对上腔室等离子体密度的控制，从而间接控制通过中间极的离子通量，实现对下腔室等离子体的密度控制，进而实现对离子通量的独立控制，以控制刻蚀速度。
由图(6)知，射频频率的升高极大地提升了腔室1的电子密度，腔室2的电子密度也随之提高，表明通过控制频率可同时实现腔室1和腔室2的密度控制。由图(7)知，通过下极板的离子通量基本与驱动频率保持正相关，且接近线性关系，表明通过改变射频源频率完全可以实现对下极板离子通量的控制。
除通过调节射频频率外，还可通过调节射频电压幅值(或者功率)实现对等离子体密度的控制，从而改变轰击下极板的离子通量，实现对刻蚀/沉积速度的控制。此外，可通过调节气压，实现对离子与背景气体碰撞频率的调制，离子碰撞频率的提高将改变离子轰击极板的各向异性，从而实现对轰击极板离子各向异性的控制，控制刻蚀方向。与此同时，气压的改变也将改变电子与背景气体的碰撞频率，改变电离率，从而改变等离子体密度。此外，两腔室的放电间隙、中间极孔洞均可作为可调参数。在实际放电中，可通过调节这些参数控制等离子体放电，以满足多样化的工艺需求。
本发明通过引入一种中间带密集孔洞的电极，构建了一种射频—直流独立驱动的双腔室等离子体源。该型等离子体源具有轰击极板离子能量低、且具有更多独立可调参数的优点。可用于刻蚀深度要求较低、但控制精准度高的刻蚀工艺。通过控制下腔室直流电源，可实现对轰击到极板能量的独立精确控制，从而控制刻蚀深度；通过控制射频源的频率(或者电压)，可实现对等离子体密度的控制，从而控制刻蚀或沉积速度；通过控制气压，控制轰击极板离子的各向异性，从而控制刻蚀方向。此外，本套放电体系有更多可调参数(除了传统气压外，两腔室的电极距离、中间极孔洞分布等)，通过采用上述不同放电参数组合，可实现该型等离子体源的多样化应用。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，包括真空放电腔室和自上而下依次间隔设置于所述真空放电腔室内的上电极板、中间电极板和下电极板；其中：
所述上电极板与中间电极板之间形成上腔室，所述中间电极板与下电极板之间形成下腔室，且所述中间电极板上密布有若干连通所述上腔室和下腔室的孔洞。
2.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述真空放电腔室的底部连接真空泵，顶部连接注气装置。
3.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述真空放电腔室内可形成压力低至1mTorr的真空环境。
4.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述上电极板、中间电极板和下电极板之间呈平行布置，且相邻之间的间距为1cm～10cm。
5.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述上电极板和所述下电极板的厚度为0.5～5cm；所述中间电极板的厚度为1～10mm，且其上所述孔洞的直径为0.01～4mm。
6.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述中间电极板上的若干孔洞呈径向密集分布，且相同半径处的孔洞直径相同，不同半径处的孔洞直径相同或不同。
7.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述上电极板通过匹配电路连接射频电源，所述下电极板连接直流电压源，以及所述中间电极板连接地线。
8.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述上电极板通过匹配电路连接射频电源，所述下电极板连接地线，以及所述中间电极板连接直流电压源。
9.根据权利要求7或8所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，所述射频电源的可输出幅值为10～500V、频率为1～100MHz的在正弦波波形；所述直流电压源可提供-100～+100V直流电压。
10.根据权利要求1所述的射频直流独立驱动的双腔室等离子体源，其特征在于，还包括待加工晶圆，所述待加工晶圆平放于所述下电极板表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310588268.0A CN116631836A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310588268.0A CN116631836A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116631836A true CN116631836A (zh) | 2023-08-22 |
Family
ID=87612816
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310588268.0A Pending CN116631836A (zh) | 2023-05-24 | 2023-05-24 | 一种射频直流独立驱动的双腔室等离子体源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116631836A (zh) |
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310588268.0A patent/CN116631836A/zh active Pending
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