CN1655328A - 使用双重阴极频率混合的等离子体控制 - Google Patents

使用双重阴极频率混合的等离子体控制 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在使用双重频率射频电源的半导体基底制程腔体中，用于等离子体特性的控制的方法与设备。该方法包括，例如提供一第一射频信号到配置在一制程腔体中的一第一电极，以及提供一第二射频信号到该第一电极，其中介于第一与第二射频信号的一互动，被用于控制制程腔体中所形成等离子体的至少一特性。

Description

使用双重阴极频率混合的等离子体控制
技术领域
本发明涉及一种关于半导体基底制程系统中的等离子体控制，且特别是有关于使用一双重阴极频率混合技术的等离子体控制。
背景技术
传统上，等离子体辅助(plasma enhanced)半导体制程腔体大小的增加，会对将被处理基底的表面上的空间变异的效应(spatially variant effect)有所贡献。也就是说，当将被处理的基底的大小接近用于基底偏压频率的波长时，形成在基底的表面上(例如，接近该阴极所形成的一电极)的射频(RF)电源分布中的空间的变动(spatial variation)。此空间的变动经常与较高的频率(较短的波长)、较大的基底，或是二者的组合有关。此空间变异效应对于制程的均匀度(uniformity)有负面的影响。例如，在一蚀刻反应器中，驻波效应会对被蚀刻的基底表面造成不均匀度。
因此，一种用于半导体基底制程中，可以克服上述空间变异效应的方法与设备是有必要的。
发明内容
本发明是有关于一种在等离子体辅助半导体基底制程腔体中，用于等离子体特性的控制的方法与设备。该方法包括例如，提供一第一射频信号到配置在一制程腔体中的一第一电极，以及提供一第二射频信号到第一电极，其中介于第一与第二射频信号的一互动，被用于控制制程腔体中所形成等离子体的至少一特性。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明。
附图说明
图1是依据本发明的一实施例所绘示的等离子体辅助制程腔体的一部分的剖面示意图；
图2是一已知的离子能量分布作为一驱动频率一函数的图形；
图3是在各种射频电流比率下离子能量分布的一系列的图形；
图4是多频率混合的效应的说明的示意图；
图5是依据本发明的一实施例所绘示的使用频率混合原理来改善均匀度的图形。
符号说明
100：等离子体辅助制程腔体                          102：腔体本体
106：线圈段                                        108：气体源
110：等离子体                                      112：外围
114：基底                                          116：晶圆支撑底座
118：射频电源                                      119，124：匹配网络
120：直流电源供应器                                122，123：射频偏压源
126：静电吸盘                                      127：阴极
128：上电极                                        130：波
132：气体入口                                      2001，2002，...，2007：图形
2101，2102，...，2107：离子能量分布            3001，3002，...，3005：图形
302，304：轴                                       3101，3102，...，3105：离子能量分布
410，420，430：电源分布轮廓                        500：图
502，504：轴                                       512：长条
520，522：线
具体实施方式
本发明是有关于等离子体辅助制程腔体中半导体基底的处理。此外，本发明也是有关于等离子体辅助制程腔体中控制所形成的等离子体的特性的方法与设备。等离子体的特性的控制方法包括，例如，等离子体的电源分布或入射在组件上的等离子体的离子能量分布。等离子体的特性可以通过等离子体辅助制程腔体中具有比率控制的双重频率阴极(dual frequency cathode)来控制。
在本发明的一实施例中，适用于本发明的等离子体辅助半导体制程腔体包括，例如Applied Materials，Inc.of Santa Clara，California的eMaxTM、MXP以及ENABLERTM等制程腔体。eMaxTM制程腔体的简介请参考公告于2000年9月5日Shan等人的美国专利第6,113,731号。MXP制程腔体的简介请参考公告于1996年7月9日Qian等人的美国专利第5,534,108号，以及公告于1997年10月7日Pu等人的美国专利第5,674,321号。ENABLERTM制程腔体的简介请参考2002年7月9日申请的美国专利申请案第10/192,271号。上述每一专利的内容在此一并列入作为参考。
图1为依据本发明的一实施例所绘示的等离子体辅助制程腔体100的一部分的剖面示意图。在一实施例中，制程腔体100包括，例如一接地的腔体本体102，以及配置于接近腔体本体102外侧的至少一线圈段(coilsegment)106。制程腔体100也包括，例如配置在腔体本体102中并且与一气体入口132相距一段距离的一晶圆支撑底座116。晶圆支撑底座116包括一阴极127以及一静电吸盘126，用以将一基底114固定吸附在一气体入口132下方。
静电吸盘126由一直流(DC)电源供应器120所驱动，以产生一静电力来维持基底在吸盘表面上。阴极127通过一匹配网络124被连接到一对射频(radiofrequency，RF)偏压源(bias source)122、123。偏压源122与123通常可以产生一频率为50kHz到100MHz以及电源为0W到10000W的一射频信号。匹配网络124可用于匹配电源122、123的阻抗与等离子体的阻抗。一单一馈电(feed)将能量从此二电源122、123输入到到支撑底座116。或者是，每一电源122、123也可以通过各别的馈电(feed)被连接到阴极127。
气体入口132包括，例如一或多个喷嘴或一喷洒头。气体入口132包括，例如若干个气体分布区域，因此各种气体可以从一气体源108被提供，而被点火以形成一等离子体110，并且通过一特定气体分布梯度被提供到腔体本体102中。气体入口132可以形成与支撑底座116相对的一上电极128。上电极128例如可以通过一匹配网络119被连接到一射频电源118，被终止于一特定阻抗，或是被接地。电源118通常可以产生频率为10Mhz到3GHz之间，而电源为0到10000W之间的一射频信号。在一实施例中，电源118可以产生一频率为60MHz的一射频信号。由电源所提供的射频能量通常可用于促进等离子体中气体的解离(dissociation)与离子化(ionization)。
在操作中，一基底114被配置在制程腔体100中，并且通过静电吸盘126被吸附在支撑底座116上。制程气体由气体源108通过气体入口132被导入到腔体本体102中。一真空帮浦(未绘示)可用以维持腔体本体102中的压力在一操作压力(operating pressure)，例如介于10mTorr到20Torr之间。
在一实施例中，射频电源118提供13.56MHz、1000W的射频电压到上电极128，借此可以激发(exciting)腔体本体102中的气体以形成一等离子体110。射频电源122可以被选择以产生频率为2MHz的电源，而射频电源123可以被选择以产生频率为13.56MHz的电源。射频电源122、123可以提供总共最大为10000W的射频电源，其中电源122对电源123的一预定的电源比率，大概在介于1∶0与0∶1之间。射频电源122与123可提供用于自我偏压该基底以及调变等离子体鞘(plasma sheath)的偏压电源。调整电源122与123之间的比率，可以控制以下所定义的等离子体特性。等离子体具有由偏压源的电源比率所定义的特性，用以促进基底表面上的一或多个材料的蚀刻。在一周期时间或者是一特定终点的侦测之后，等离子体被熄灭。
等离子体中离子能量分布的控制
在等离子体腔体中，离子能量分布与频率的关系是已知的。图2(例如摘录自IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.19，No.2，page 242)绘示一系列的已知的离子能量分布(沿着X轴)作为驱动频率(沿着Z轴)的统计图的图形2001-7(沿着Y轴)。如图形2001-7所示，与较低的频率相关的离子能量分布具有一较宽的能量频宽(例如，图形2001的分布2101)，而越高的频率则具有更凝聚的能量频宽(例如图形2007的分布2007)。上述的关系通常沿着光谱从低频离子能量分布到高频离子能量分布连续地移动(例如，比较图形2001-7的分布2101-7)。
如图1所示，在实施例中，本发明包括适用于上述的等离子体辅助制程腔体100的一双重频率电极(阴极127)。在阴极127上的二频率通常被选择以适用于鞘调变(sheath modulation)，并且被选择在一足够低的频率以在上述电源表面上的等离子体放电中提供一较强的自我偏压鞘(self biasing sheath)。
第一频率可提供一宽的离子能量分布(也就是，较低的频率)。第二频率可提供一具有波峰的、已定义的离子能量分布(也就是，较高的频率)。传统地，第一频率的选择方式是，其周期时间大于该鞘中运送离子的时间，而第二频率的选择方式是，其周期接近或大于在该鞘中运送离子的时间。这些频率的选择方式也可以是，当其与由一独立驱动的电极(例如图1中所示的电极128)所提供的一第三电源相连接时，其并不作为用于等离子体离子化与解离的第一电源贡献者(primary power contributor)。
上述二频率电源所组合成的电压可以用来控制峰对峰(peak-to-peak)鞘电压以及自我偏压的直流电位，其可用于非等向性蚀刻(anisotropic etching)。二频率的混合可以用来调变与此直流电位所产生的平均加速有关的能量分布。因此，利用如上所述的具有双重频率阴极的等离子体辅助制程腔体，则等离子体中离子能量的分布可以被控制。
为了说明如何可以调变此离子能量分布，以下叙述一简单的鞘模型(sheathmodel)，其是通过一圆柱状等离子体放电所驱动的射频电流。所产生的等离子体鞘厚度会与所施加的电流作线性震荡：
s(t)＝ s-s0sin(ωt)                                           (1)
此处s为鞘厚度， s为鞘对时间的平均厚度，而s0为在频率ω/2π处由射频电源传递时所产生的调变的振幅。
当多个频率被施加时，对于鞘厚度的效应是可加成的，其结果是：
s ( t ) = s ‾ - s 0 xMHz sin ( ω x t ) - s 0 yMHz sin ( ω y t ) - - - ( 2 )
此处下标x与y各别与第一与第二射频电源有关。
假定一对称放电(此处只是为了简化讨论，对于不对称放电等也会有相类似的情形)，鞘调变与所施加的射频电流有以下的关系：
s ‾ = s 0 xMHz - s 0 yMHz - - - ( 3 )
s 0 xMHz = I xMHz en ω x A - - - ( 4 )
s 0 yMHz = I yMHz en ω y A - - - ( 5 )
此处I为在状态下的频率的电流振幅，e为电子的电荷，n为等离子体整体(bulk plasma)的电子密度，而A为加电源的表面(电极)的面积。
鞘上通过的电压与鞘调变有关，其方程式如下：
V sheath ( t ) = en 2 ϵ 0 s ( t ) 2 - - - ( 6 )
此处ε0为真空界电常数(permittivity of free space)。
以下，离子与电子的加速可以使用在一电磁场中带电粒子的移动的一组微分方程式来求解。
对于离子： d 2 x d t 2 = e M ion ( s xMHz + s yMHz ) 2 V ( t ) x = 0 - - - ( 7 )
对于电子： d 2 x d t 2 = - e M e ( s xMHz + s yMHz ) 2 V ( t ) x = 0 - - - ( 8 )
此处Mion与Me各别为一离子与一电子的质量，其中边界条件为在一个射频周期中电极表面上的净电荷为0，并且在离子进入鞘之前的最初速度会等于离子的波姆(Bohm)速度。求解上述该组方程式在电极表面的离子速度，可以得到离子能量分布的测量。
为了完全地在操作中控制等离子体的离子能量分布，在一操作条件的范围中所形成的等离子体中的被预期的离子能量分布通过一模型被分析并且被实验地改变。离子能量分布可以通过分析在如前述图1所示的具有双重频率阴极的eMaxTM制程腔体装备中，在各种的制程状态下，在一晶圆上的”晶圆上的电压”(on-wafer voltage)来估计。在此分析中，等离子体的二个基本组件与其加电源的电极之间的互动(鞘的峰对峰(peak-to-peak)电压与整体(bulk)电子密度)被固定成常数，并且二射频偏压源上所施加的电流的比率(其正比于所施加的电源)被改变，然而全部到阴极的电源被设成一常数。第一射频电源122被调成13.56MHz，而第二射频电源123被调成2MHz。
图3为此分析的一系列的图形3001-5，其绘示改变二个射频电源所施加的电流的比率的结果。这些图形绘示在晶圆上所测得的能量(轴304)的分布(轴302)。如标题为0％ 13MHz以及100％ 2MHz的图形3005所示，若阴极只有被低频射频电源所驱动，会获得非常宽广的离子能量分布3105。此结果类似于绘示在图2中(例如图形2001的分布2101)的低频离子能量分布。当只有高频射频电源被使用时，如标题为100％ 13MHz以及0％ 2MHz的图形3001则绘示了较窄的能量分布3101，其类似于绘示在图2中(例如，图形2005-6的分布2105与2106)的高频离子能量分布。
然而，其余的图形中，上述二个高射频与低射频频率被以其它比率混合，其显示了重要的结果。在这些图形中，当各别的中间频率(intermediatefrequency)被选择时，图形3001-5与图2中的图形2001-7中的图标会具有非常相同的趋势。此处绘示了如何只通过利用二个电源而不是多个电源，来获得所需要的沿着各别的低到高频的射频电源的一连续的分布。此结果可以增加在一腔体中实施更多制程的能力，也就是增加腔体的”制程窗口”(processwindow)。
虽然前述的讨论只是有关双重频率阴极所驱动的调变鞘特性，此处所讨论的原理也可以被应用在解离上。借此可以省略用于解离的上射频电源(例如图1中的射频电源118)。
此外，应当注意，在上述将频率选择成2MHz与13.56MHz只是用于说明，并不能用以限制本发明。这二个较高的与较低的频率可以被应用在本发明中。
等离子体中电源分布的控制
在另一实施例中，等离子体中电源分布可以利用如上述图1所绘示的具有双重频率阴极的等离子体辅助制程腔体来控制。在此实施例中，二个可以提供类似的等离子体激发性质但是具有不同的空间均匀度轮廓(spatialuniformity profile)的频率被组合在一起，以调整制程的均匀度。例如，在绘示在图1中的制程腔体100中，阴极127形成一径向传输线，其沿着静电吸盘126的外围112被终止。对于空间上的变异电源分布的生成的贡献，被绘示成虚线130(应当注意，驻波可以是所绘示的其中之一的反相(inverse))。空间上的变异电源分布，会影响等离子体110的电源分布，而在接近波的波峰处(图1所绘示关于波130的基底114接近中心之处)导致更大的功率，并且在波谷(trough)之处(图1中接近基底114的边缘处)导致较低的功率。在等离子体中此电源差异会影响基底上所实施的制程的均匀度。因此，在一蚀刻反应中，对蚀刻晶圆的均匀度会有负面的影响。
然而，因为在不同的频率之处，上述的空间上的变异电源效应会改变，具有不同的频率的二个射频电源可能被混合在一起，以驱动阴极127，因此其各别的驻波实质上会彼此相消。关于此点在图4中有绘示与说明，其中绘示二个相对的中心在一基底上的电源分布轮廓410与420，其最后会导致一平坦的组合后的结果430。应当注意的是，任何其它最后的电源分布轮廓，只要是确定对一特定制程有帮助的，都可使用此方法来以形成(例如，在某些化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)制程中，一边缘为高功率的沉积轮廓，较适合将在在被制造的组件上的高外观比(aspect ratio)特征的非方位角(non-azimuthally)的对称沉积的影响减到最小)。
此频率混合现象，可以被用来控制等离子体中电源的分布，以及借此来控制所需要的制程，例如蚀刻的均匀度。例如，要测量双重频率调变对制程均匀度的影响时，对于多个晶圆上的氧化层与光阻层，可以使用如上述图1所示的具有双重频率阴极的eMaxTM制程腔体装备的不同的阴极频率比率来蚀刻。第一射频电源可以被调到13.56MHz，并且第二射频电源可以被调到2MHz。在每一个蚀刻制程中，所施加的二个射频驱动电流的比率会被改变，而将阴极的电源的总和固定在2500W。氧化物与光阻的蚀刻率，以及每一层的均匀度会被测量。
图5绘示一组合的长条图(bar graph)与折线图(line graph)500，其绘示了上述的制程的蚀刻率与晶圆的均匀度。图形的x轴502绘示了由13.56MHz所提供的电源与由2MHz所提供的电源的电源的比率(例如，0∶2500表示13.56MHz的电源为0W而2MHz的电源为2500W)。如标示成OX ER的长条610(氧化物蚀刻率)以及标示成PR ER(光阻蚀刻率)的长条512所示，蚀刻率(轴504)相对地维持在一常数而与不同的频率处功率大小的混合无关。
然而，对于氧化物与光阻二者(在图5中各别被绘示成标示为”OX unif”的线520，以及标示成”PR unif”的线522)的晶圆均匀度(轴506)，实质上会随着电源的混合比率而改变。均匀度为线性的范围，从0W，13.56MHz以及2500W，2MHz的60％(表示中心较快的(center-fast)蚀刻)之处，到2500W，13.56MHz以及0W，2MHz的-50％(表示边缘较快的(edge-fast)蚀刻)之处，以及具有相当平坦的二频率的电源的比率接近0％之处。该些结果显示出，一被蚀刻表面上的均匀度，通过控制施加到双重频率阴极的每一频率的电源比率，可以被控制成与蚀刻率非常无关。
如上所述，本发明中所讨论的原理，可以被应用于整体等离子体(bulkplasma)的解离或离子化，以及等离子体鞘的特性的调变。应当注意，所选择的2MHz与13.56MHz的频率只是用于举例说明本发明，而不应用以限制本发明。此二较高的与较低的频率可以用在本发明中。例如，驱动频率可通过其对等离子体的效应被群组化，而后依据需要来选择以控制特定的性质。例如，高频会造成离子化与解离，然而较低的频率会造成鞘调变。此外，此处所揭露的原理并不限于驻波的控制，而还有与频率相关的传播(propagation)的额外的理由。例如，对传输线提供一频率相关的终止(termination)，或对腔体的接地提供一频率相关的回传路径(return path)，其可以引导射频波形与其频率的相关。
因此，本发明中提供了使用一双重频率阴极来驱动的等离子体辅助制程腔体中的等离子体特性的控制方法与设备。驱动阴极的二频率的组合控制了该离子能量与等离子体的电源分布。
虽然本发明已以若干实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作部分的更动与润饰，因此本发明的保护范围当根据权利要所界定的为准。

Claims (32)

1.一种控制等离子体特性的方法，适用于使用双重频率的射频电源的半导体基底制程腔体，其特征在于，包括：
提供第一射频信号到配置在制程腔体中的第一电极；以及
提供第二射频信号到该第一电极，其中介于该第一射频信号与该第二射频信号之间的互动，被用于控制在该制程腔体中所形成等离子体的至少一特性。
2.如权利要求1所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，等离子体特性包括至少鞘调变。
3.如权利要求2所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号包括足够低的频率以在等离子体中提供强的自我偏压鞘。
4.如权利要求2所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，第一射频信号提供宽广的离子能量分布，而第二射频信号提供具有波峰的、已定义的离子能量分布。
5.如权利要求4所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，第一射频信号具有大于鞘中的离子的运送时间的周期时间，而第二射频信号具有实质上等于或大于该鞘中该离子的运送时间的周期。
6.如权利要求2所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，由第一射频信号与第二射频信号组合后所输出的电压，被用于控制峰对峰鞘电压，以及自我偏压的直流电位。
7.如权利要求6所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，介于第一射频信号与第二射频信号之间的互动，包括施加在第一射频信号的电源与第二射频信号的电源的比率。
8.如权利要求7所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，该比率被用于调变由该直流电位所产生的平均加速所相关的能量分布。
9.如权利要求1所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，还包括：
提供第三射频信号到第二电极以形成等离子体。
10.如权利要求1所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，等离子体特性包括该等离子体中至少一个电源分布。
11.如权利要求10所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号，各自提供相似的二个等离子体激发性质，以及不同的二个空间的均匀度轮廓。
12.如权利要求11所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，介于第一射频信号与第二射频信号之间的该互动，包括该等离子体中的电源分布中的变异效应。
13.如权利要求12所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号的选择方法，包括由第一射频信号与第二射频信号组合后的效果，会产生实质上平坦的电源分布。
14.如权利要求12所述的控制等离子体特性的方法，其特征在于，介于第一射频信号与第二射频信号之间的该互动，可用于控制等离子体辅助蚀刻制程的均匀度。
15.一种控制等离子体特性的设备，适用于半导体基底制程系统，其特征在于，包括：
第一电极，配置在制程腔体中；
第一射频电源，用以提供通过匹配网络耦接到第一电极的第一射频信号；以及
第二射频电源，用以提供通过该匹配网络耦接到第一电极的第二射频信号，其中该匹配网络具有单一馈电到第一电极。而其中第一射频电源与第二射频电源可以提供用于控制至少等离子体特性的操作性互动。
16.如权利要求15所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，还包括：
第三射频电源，用以提供耦接接到配置在该腔体中的第二电极的第三射频信号。
17.如权利要求16所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一电极被配置在包含在制程腔体中的基底支撑底座，而第二电极被配置在该支撑底座上方接近该制程腔体的顶盖附近。
18.如权利要求16所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第三射频信号被耦接到第二电极以形成等离子体。
19.如权利要求15所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一电极被配置在包含在制程腔体中的基底支撑底座。
20.如权利要求15所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，制程腔体包括蚀刻反应器。
21.如权利要求15所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，该等离子体特性包括至少鞘调变。
22.如权利要求21所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号包括足够低的频率以在等离子体中提供强的自我偏压鞘。
23.如权利要求21所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一射频信号提供宽广的离子能量分布，而第二射频信号提供具有波峰的、已定义的离子能量分布。
24.如权利要求23所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一射频信号具有大于该鞘中的离子的运送时间的周期时间，而第二射频信号具有实质上等于或大于鞘中该离子的运送时间的周期。
25.如权利要求21所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，由第一射频信号与第二射频信号组合后所输出的电压，被用于控制峰对峰鞘电压，以及自我偏压的直流电位。
26.如权利要求25所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，介于第一射频信号与第二射频信号之间的操作性互动，包括施加在第一射频信号的电源与第二射频信号的电源的比率。
27.如权利要求26所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，该比率被用于调变由该直流电位所产生的平均加速所相关的能量分布。
28.如权利要求15所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，该等离子体特性包括等离子体中至少电源分布。
29.如权利要求28所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号，各自提供相似的二个等离子体激发性质，以及不同的二个空间的均匀度轮廓。
30.如权利要求29所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，其中介于第一射频信号与第二射频信号之间的操作性互动，包括等离子体中电源分布中的变异效应。
31.如权利要求30所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，第一射频信号与第二射频信号的选择方法，包括由该第一射频信号与第二射频信号组合后的效果，会产生实质上平坦的电源分布。
32.如权利要求30所述的控制等离子体特性的设备，其特征在于，介于第一射频信号与第二射频信号之间的操作性互动，可用于控制等离子体辅助蚀刻制程的均匀度。
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