TW201727692A - 脈衝式電漿半導體裝置製造中自由基密度、離子密度及離子能量之獨立控制用方法與系統 - Google Patents
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Abstract
針對第一時期，施加較高的射頻功率，俾產生電漿以暴露到基板，同時施加低偏壓至基板位準。針對第二時期，施加較低的射頻功率，俾產生電漿，同時施加高偏壓至基板位準。以交替且接續的方式重複執行第一時期與第二時期，達在基板上產生期望效果所必需的總時期。在一些實施例中，第一時期比第二時期短，使得在時間平均的基礎上，電漿具有比自由基密度大的離子密度。在一些實施例中，第一時期比第二時期長，使得在時間平均的基礎上，電漿具有比自由基密度小的離子密度。
Description
本發明係關於半導體裝置製程。
許多現代半導體晶片製程包括產生電漿，其中離子及/或自由基成分衍生自電漿中以直接或間接地影響基板暴露到電漿之表面上的改變。例如，以電漿為基礎的各種處理可用以從基板表面蝕刻材料、將材料沉積於基板表面上、或將已存在於基板表面上的材料改質。電漿通常係透過下列動作產生:在受控制的環境中施加射頻(RF)功率至處理氣體，使得處理氣體被賦能而轉變成期望的電漿。電漿的特性受許多製程參數影響，包括(但不限於)處理氣體的材料組成、處理氣體的流率、電漿產生區域與周圍結構的幾何特徵、處理氣體與周圍材料的溫度、所施加之RF功率的頻率與振幅、以及施加以將電漿之帶電成分吸引到基板的偏壓，諸如此類。吾人關注於理解並控制影響所產生之電漿如何與基板交互作用的若干製程參數。此為本發明產生的背景。
在一例示性實施例中，揭露用以控制半導體製程中的電漿的方法，以使電漿達成具有增加的離子密度及減少的自由基密度。該方法包括操作(a)設置一基板於一處理模組中的一基板固持器上。該方法包括操作(b)供應處理氣體組成物至該基板上方的一電漿產生區域。該方法包括操作(c)，其中針對第一時期，施加第一射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成，俾產生電漿以暴露到該基板。該第一射頻功率對應到一高射頻功率位準。並且，在操作(c)期間，以對應到一低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器。該方法亦包括操作(d)，其中針對第二時期，在該第一時期結束之後，施加第二射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成，俾產生電漿以暴露到該基板。施加該第二射頻功率，而非該第一射頻功率。該第二射頻功率對應到一低射頻功率位準。並且，在操作(d)期間，以對應到一高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器。該方法包括以交替且接續的方式重複執行操作(c)與操作(d)，達在該基板上產生期望效果所必需的總時期。在該方法中，操作(c)之該第一時期的持續期間比操作(d)之該第二時期的持續期間短，使得電漿中的時間平均離子密度大於電漿中的時間平均自由基密度。
在一例示性實施例中，揭露用以控制半導體製程中的電漿的方法，以使電漿具有減少的離子密度及增加的自由基密度。該方法包括操作(a)設置一基板於一處理模組中的一基板固持器上。該方法亦包括操作(b)供應處理氣體組成物至該基板上方的一電漿產生區域。該方法亦包括操作(c)，其中針對第一時期，施加第一射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成，俾產生電漿以暴露到該基板。該第一射頻功率對應到一高射頻功率位準。並且，在操作(c)期間，以對應到一低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器。該方法亦包括操作(d)，其中針對第二時期，在該第一時期結束之後，施加第二射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成，俾產生電漿以暴露到該基板。施加該第二射頻功率，而非該第一射頻功率。該第二射頻功率對應到一低射頻功率位準。並且，在操作(d)期間，以對應到一高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器。該方法包括以交替且接續的方式重複執行操作(c)與操作(d)，達在該基板上產生期望效果所必需的總時期。在該方法中，操作(c)之該第一時期的持續期間比操作(d)之該第二時期的持續期間長，使得電漿中的時間平均離子密度小於電漿中的時間平均自由基密度。
從以下結合以本發明之範例描繪的隨附圖式的詳細描述，本發明的其他態樣與優點將更為明顯。
在下列描述中闡述許多具體細節以提供本發明的全面性理解。然而，對於所屬技術領域中具有通常知識者而言明顯地，本發明毋須若干或全部的這些具體細節而可被實施。在其他例子中，為避免不必要地混淆本發明，未贅述熟知的處理操作。
本文中揭露的方法與系統係用以提供半導體裝置製程中基板之脈衝式電漿處理中的自由基密度、離子密度及離子能量之獨立控制。在各種實施例中，可執行本文中揭露用於基板之脈衝式電漿處理的方法，以選擇性地從基板移除/蝕刻材料、及/或將材料沉積在基板上、及/或清潔/灰化基板中的特定材料，諸如此類。在一例示性實施例中，如本文中使用的用語，基板，指涉半導體晶圓。然而，應知悉的係，在其他實施例中，如本文中使用的用語，基板，可指涉由藍寶石、GaN、 GaAs 、或 SiC、或其他基板材料所形成的基板，且可包括玻璃面板/基板、金屬箔、金屬片、聚合物材料等。此外，在各種實施例中，如本文中所稱之基板可改變形式、形狀、及/或尺寸。例如，在一些實施例中，如本文中所稱之基板可相當於200mm(毫米)的半導體晶圓、300mm的半導體晶圓、或450mm的半導體晶圓。此外，在一些實施例中，如本文中所稱之基板可相當於非圓形基板，例如用於平板顯示器的矩形基板等，諸如此類形狀。
圖1根據本發明之各種實施例顯示例示性基板處理模組100。處理模組100包括基板固持器102，其配置以將基板101固持以暴露到電漿104在其中產生的電漿產生區域104A中。本發明主要關心方法與系統，透過該方法與系統，主要電漿功率與偏壓的製程參數受到系統化控制，以提供電漿104中的時間平均離子密度相對於電漿104中的時間平均自由基密度的控制。為提供例示性背景，將處理模組100描繪為感應耦合型電漿(ICP)處理模組。然而，應知悉的係，在其他實施例中，處理模組100可界定為半導體製程中使用的其他類型的處理模組。
為了以指定且受控制的方式改質基板101之特徵部，處理模組100配置以提供基板101暴露於以電漿為基礎的處理操作。處理模組100包括由周圍結構所界定之腔室103，其中周圍結構包括一或更多牆壁結構103A、底部結構103B、及頂部結構103C。在一些實施例中，頂部結構103C係由RF訊號可在其中傳遞的材料所形成，例如石英或陶瓷，諸如此類。腔室103可由電傳導性材料所形成，且具有連接至參考接地電位106的電氣連接件。
處理模組100包括設置在頂部結構103C之上方的線圈組件105。RF功率供應器107通過連接件109連接至線圈組件105以供應RF功率(RF訊號)。供應至線圈組件105的RF功率在本文中稱為主要電漿功率。在各種實施例中，主要電漿功率可上達約6000瓦(W)或甚至更高。在各種實施例中，RF功率供應器107包括一或更多RF產生器及相關的阻抗匹配電路，以提供適當的RF功率傳遞給線圈組件105。
在各種實施例中，RF功率供應器107可包括操作在一或更多頻率下的一或更多RF訊號產生器。複數RF訊號頻率可同時地供應到線圈組件105。在一些實施例中，由RF功率供應器107所輸出的訊號頻率被設定在從1kHz (千赫) 延伸至100 MHz (百萬赫)的範圍內。在一些實施例中，由RF功率供應器107所輸出的訊號頻率被設定在從400kHz延伸至60 MHz的範圍內。在一些實施例中，RF功率供應器107被設定成產生頻率為2 MHz、27 MHz、及 60 MHz的RF訊號。在一些實施例中，RF功率供應器107被設定成產生在從約1MHz延伸至約60 MHz的頻率範圍內的一或更多高頻RF訊號；並產生在從約100kHz延伸至約1 MHz的頻率範圍內的一或更多低頻RF訊號。應知悉的係，前面提及的RF訊號頻率範圍係以舉例的方式提供。在實作上，RF功率供應器107可配置以視所需產生具有實質上任何頻率的實質上任何RF訊號，以在電漿產生區域104A中產生電漿104。此外，RF功率供應器107可包括以頻率為基礎的濾波器，亦即高通濾波器及/或低通濾波器，以確保特定的RF訊號頻率被傳遞到線圈組件105。
在一些實施例中，處理模組100包括可關閉的進入埠111，例如閘閥或其他元件，基板101可通過進入埠111傳送進出腔室103。處理模組100亦包括複數處理氣體供應埠113A、113B、113C，一或更多處理氣體組成可通過處理氣體供應埠113A、113B、113C而被供應到腔室103的內部區域、基板固持器102的上方。在操作期間，處理氣體供應器115操作以將一或更多處理氣體組成通過一或更多連接管線117A、117B、117C分別地輸送到處理氣體供應埠113A、113B、113C，且RF功率從RF功率供應器107輸送到線圈組件105，使得RF功率在電漿產生區域(在頂部結構103C的下方及基板固持器102的上方)中產生電磁場，以將電漿產生區域104A中的一或更多處理氣體組成轉變成電漿104。然後，電漿104的反應性成分(例如離子及/或自由基)與基板101的部分暴露表面交互作用。處理模組100包括複數側孔結構119，氣體與副產物材料可通過側孔結構119而流到連接至排氣模組123的排氣埠121，排氣模組123配置以對腔室103之內部施加負壓以促進使用過的處理氣體與副產物材料之排氣。
此外，在一些實施例中，為了將離子從電漿104吸引到基板固持器102以及固持於其上方的基板101，基板固持器102經配置以通過連接件127從偏壓RF功率供應器125接收偏壓RF功率，以提供基板固持器102上的偏壓產生。在各種實施例中，在基板固持器102上產生的偏壓可上達5000伏特(V) 或甚至更高。在各種實施例中，RF功率供應器125包括一或更多RF產生器及相關的阻抗匹配電路，以提供適當的RF功率傳遞給基板固持器102。
在各種實施例中，RF功率供應器125可包括操作在一或更多頻率下的一或更多RF訊號產生器。複數RF訊號頻率可同時地供應到基板固持器102。在一些實施例中，由RF功率供應器125所輸出的訊號頻率被設定在從1kHz (千赫) 延伸至100 MHz (百萬赫)的範圍內。在一些實施例中，由RF功率供應器125所輸出的訊號頻率被設定在從400kHz延伸至60 MHz的範圍內。在一些實施例中，RF功率供應器125被設定成產生頻率為2 MHz、27 MHz、及 60 MHz的RF訊號。在一些實施例中，RF功率供應器125被設定成產生在從約1MHz延伸至約60 MHz的頻率範圍內的一或更多高頻RF訊號；並產生在從約100kHz延伸至約1 MHz的頻率範圍內的一或更多低頻RF訊號。應知悉的係，前面提及的RF訊號頻率範圍係以舉例的方式提供。在實作上，RF功率供應器125可配置以視所需產生具有實質上任何頻率的實質上任何RF訊號，以在基板101上產生指定的偏壓。此外，RF功率供應器125可包括以頻率為基礎的濾波器，亦即高通濾波器及/或低通濾波器，以確保特定的RF訊號頻率被傳遞到基板固持器102。
雖然處理模組100描繪ICP處理模組之範例，在各種實施例中，處理模組100可為半導體裝置製造中使用的實質上任何類型的處理模組。例如，在一些實施例中，處理模組100可為電容耦合型(CCP)處理模組，取代ICP處理模組中使用的線圈組件105， CCP處理模組包括設置在腔室103中的一或更多電極，其中RF功率輸送到一或更多電極。在CCP處理模組中，一或更多電極可包括一或更多上電極(例如噴淋頭電極、固體電極，諸如此類)、下電極(例如靜電夾頭或基板固持器，諸如此類)、以及側電極(例如周部環狀電極，諸如此類)，其中上電極、下電極、以及側電極配置在電漿產生區域周圍。輸送至CCP處理模組的一或更多電極的RF功率從一或更多電極通過一或更多處理氣體組成(存在於電漿產生區域中)傳遞到參考接地電位，且這樣做使電漿產生區域104A中的一或更多處理氣體組成轉變成電漿104。因此，輸送至CCP處理模組的一或更多電極的RF功率為本文中所稱之主要電漿功率。
應知悉的係，前面提及的ICP與CCP處理模組範例為了描述的方便而以簡化的方式討論。實際上，處理模組100(無論ICP、CCP、或某些其他類型)為複雜的系統，其包括在本文未描述的許多元件。然而，針對本文討論應知悉的係，處理模組100(無論類型)包括基板固持器102，其配置以將基板101以固定的方式固持以暴露到電漿104，進而達成基板101之處理以得到特定結果。可由處理模組100執行的電漿處理操作之範例包括蝕刻操作、沉積操作、及灰化操作，諸如此類。
在半導體製程的基板電漿處理中，將離子與自由基行為控制在電漿中以及在基板層級上通常係有利/必須的。在電漿處理方法中，電漿中離子密度與電漿中自由基密度的產生耦合在一起，這係因為該者均與施加以產生電漿的RF功率(主要電漿功率)位準有直接關聯性。更具體而言，在習知電漿處理方法(例如電漿蝕刻)中，電漿中的離子密度與自由基密度兩者均由電漿中的電子密度與電子溫度所控制，故由主要電漿功率所控制。因此，當施加以產生電漿的RF功率增加時，電漿中的離子密度與電漿中的自由基密度同時地增加。且，當施加以產生電漿的RF功率減少時，電漿中的離子密度與電漿中的自由基密度同時地減少。鑒於上述，習知電漿處理方法未提供，電漿中的離子密度相對於電漿中的自由基密度的獨立控制，且這導致在控制基板的電漿處理方面某些根本的限制。
例如，在一些應用中，自由基用於沉積以保護遮罩材料，而高能量離子用以蝕刻通過上層遮罩材料中之開口而暴露的目標材料。由於前述電漿中離子密度與自由基密度的耦合，當主要電漿功率增加以增加自由基密度(俾通過沉積修復/重建遮罩材料)時，離子密度亦增加，這導致遮罩材料的損失增加，而因此不利於修復/重建遮罩材料的努力。因此，若主要電漿功率較高時，目標材料相對於遮罩材料的蝕刻選擇性通常較低。
此外，在一些例子中，電漿中自由基密度對離子密度的比例可用以提供改善的蝕刻輪廓控制。然而，使用習知電漿處理方法，為了得到電漿中自由基密度對離子密度的比例的改變，則必須改變處理氣體組成化學。也就是說，在使用給定的處理氣體組成化學的習知電漿處理方法中，不可能在不改變電漿中的離子密度的情況下改變電漿中的自由基密度，反之亦然。此外，必須在電漿處理操作期間在不同的處理氣體組成之間改變這件事情需要時間且可能不利地影響總製程產量。因此，在習知電漿處理方法中應用的各種類型的蝕刻輪廓控制對於電漿中自由基密度與離子密度產生混合/集體的效果。基於上述理由，應知悉的係，習知電漿處理方法通常包括蝕刻輪廓控制、遮罩選擇性、及總製程產量之間若干類型的權衡。
本文中揭露的方法與系統係用以提供基板之電漿處理期間自由基密度、離子密度及離子能量之有效獨立控制。本文中揭露的方法利用電漿中自由基的平均壽命以及電漿中離子的平均壽命之間的差異。當主要電漿功率減少，電漿中的離子密度將下降得比電漿中的自由基密度快許多(例如快若干數量級)。例如，在脈衝式電漿(其中主要電漿功率係以適當的循環頻率而循環性地增加及減少)中，若脈衝循環包括較高主要電漿功率位準的快速脈衝部分，之後接續較低主要電漿功率位準的脈衝部分，則電漿中的離子密度將快速地衰減至較低程度以跟隨主要電漿功率之改變，但電漿中的自由基密度將緩慢地衰減且在主要電漿功率隨著下一循環再次變高之前，不具有足夠的時間去跟隨主要電漿功率之改變。
在本文中揭露的方法中，主要電漿功率係以雙階方式脈衝/循環，亦即，在較高的主要電漿與較低的主要電漿功率之間脈衝/循環。依此方式，電漿中的自由基密度係由時間平均的主要電漿功率所設定。此外，在本文中揭露的方法中，施加至基板位準的偏壓係以雙階方式脈衝/循環，且與主要電漿功率之雙階脈衝/循環為顛倒同步的關係。依此方式，當偏壓開啟/施加至基板位準時，在基板位準的電漿中的離子密度係由所施加的主要電漿功率所控制，而離子能量係由施加至基板位準的偏壓功率位準所控制。就蝕刻結果而言，離子密度在偏壓關閉時無關緊要，因為當偏壓關閉時，離子能量接近零，且離子密度比自由基密度小若干數量級。因此在未施加偏壓的情況下，電漿行為係由自由基密度所主導。應知悉的係，離子效果係在偏壓開啟/施加時表現出來，而非當偏壓關閉時。所以，離子密度由主要電漿功率位準(當偏壓開啟/施加時存在)所控制，而自由基密度係由時間平均的主要電漿功率所控制。因此，使用主要電漿功率之合適脈衝/循環結合偏壓(相對於主要電漿功率顛倒同步的方式)之合適脈衝/循環，能夠得到電漿處理中自由基密度、離子密度及離子能量之有效獨立控制。
圖2A根據本發明之若干實施例顯示一方法的流程圖，該方法用以控制半導體製程中的電漿以使電漿具有增加的離子密度及減少的自由基密度。該方法包括操作201，設置基板(101)於處理模組(100)中的基板固持器(102)上。該方法亦包括操作203，供應處理氣體組成物至基板(101)上方的電漿產生區域(104A)。該方法亦包括操作205，其中針對第一時期，施加第一射頻功率至電漿產生區域(104A)中的處理氣體組成，俾產生電漿(104)以暴露到基板(101)。操作205的第一射頻功率對應到高射頻功率位準。此外，在操作205期間，以對應到低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。
在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到高射頻功率位準的第一射頻功率係在從約500瓦(W)延伸至約6000W的範圍內。在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到高射頻功率位準的第一射頻功率係在從約1000W延伸至約4000W的範圍內。此外，在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定低於透過來自電漿(104)之離子與基板(101)上的材料之交互作用而從基板(101)移除材料所需的閾值電壓。更具體而言，在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定經設定成夠低，使得電漿(104)中的離子無法受所施加之偏壓的影響而得到足夠的動能量以傳遞到基板(101)，因此無法產生基板(101)中材料的離子引致濺射。在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定為零以上的正電壓。在一些實施例中，在操作205中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定為零。
從操作205，該方法繼續進行操作207，其中針對第二時期(長於操作205之第一時期)，且在操作205之第一時期結束之後，施加第二射頻功率至電漿產生區域(104A)中的處理氣體組成，俾產生電漿(104)以暴露到基板(101)。應知悉的係，在操作207中，施加第二射頻功率，而非在操作205中所施加之第一射頻功率。操作207的第二射頻功率對應到低射頻功率位準。此外，在操作207期間，以對應到高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。
在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到低射頻功率位準的第二射頻功率係在從約20W延伸至約1000W的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到低射頻功率位準的第二射頻功率係在從約100W延伸至約600W的範圍內。此外，在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在上達約5000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在上達約3000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在從約100V延伸至約5000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在從約200V延伸至約3000V的範圍內。
該方法從操作207返回到操作205(如箭頭209所指出)，以再次施加對應到高RF功率位準的第一RF功率來產生電漿(104)，同時亦以對應到低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。依此方式，以交替且接續的方式重複執行操作205與操作207，達在基板(101)上產生期望效果所必需的總時期。如指向終止操作213的箭頭211所指出，當已達成在基板(101)上的期望效果時，根據該方法的基板(101)的電漿處理可隨時終止(在操作205期間、或在操作205結束時、或在操作207期間、或在操作207結束時)。
在操作205與操作207兩者中產生的電漿(104)被產生而使得電漿(104)中自由基的平均壽命比電漿(104)中離子的平均壽命長約三個數量級。因此，透過具有比操作207之第二時期的持續期間短的操作205之第一時期的持續期間，電漿(104)中的時間平均離子密度大於電漿(104)中的時間平均自由基密度。在一些實施例中，操作205之第一時期的持續期間在從約0.001毫秒(ms)延伸至約1ms的範圍內，且操作207之第二時期的持續期間在從約0.009ms延伸至約100ms的範圍內。在一些實施例中，操作205之第一時期的持續期間及操作207之第二時期的持續期間的總合在從約0.01ms延伸至約100ms的範圍內。在一些實施例中，操作205之第一時期的持續期間短於或等於操作205之第一時期的持續期間及操作207之第二時期的持續期間的總合的約百分之十。
圖2B根據本發明之若干實施例顯示下列各者的例示性同步繪圖以隨時間演示圖2A之方法:所施加之主要電漿功率、所施加之偏壓、電漿(104)中的自由基密度、電漿(104)中的離子密度、及入射於基板(101)上的離子能量。主要電漿功率之繪圖顯示如何根據參考圖2A所述之以交替且接續的方式執行操作205與207來施加RF功率以產生電漿(104)。操作205之表現對應到處理階段A。此外，操作207之表現對應到處理階段B。圖2B顯示在處理階段A(操作205)中，主要電漿功率係以高RF功率位準施加，而偏壓係以低/零偏壓位準施加。此外，在處理階段B(操作207)中，主要電漿功率係以低RF功率位準施加，而偏壓係以高偏壓位準施加。
由於電漿(104)中的離子需要偏壓高/開啟以得到足夠的能量去影響基板(101)上的改變，所以電漿(104)中有效的離子密度直接關聯於處理階段B(操作207)所消耗的時間。如圖2B所示，處理階段A(操作205)的持續期間短於處理階段B(操作207) 的持續期間。因此，在時間平均的基礎上，在處理階段B(操作207)中偏壓高/開啟的時間長於在處理階段A(操作205) 中偏壓低/關閉的時間。此外，因此，在圖2A之方法中用以產生基板(101)上的離子引致反應的電漿(104)中有效的離子密度增加。
此外，由於電漿(104)中的自由基產生直接關聯於所施加的主要電漿功率，且由於電漿(104)中自由基的平均壽命比電漿(104)中離子的平均壽命長約三個數量級，所以處理階段B(操作207) 相對於處理階段A(205) 更長的持續期間，以持續且穩定的方式提供電漿(104)中較低的時間平均自由基密度產生。因此，從時間平均的角度來看，如圖2B之繪圖中所解釋地，圖2A之方法提供對電漿(104)之控制以使電漿具有增加的離子密度及減少的自由基密度。
圖3A根據本發明之若干實施例顯示一方法的流程圖，該方法用以控制半導體製程中的電漿以使電漿具有減少的離子密度及增加的自由基密度。該方法包括操作301，設置基板(101)於處理模組(100)中的基板固持器(102)上。該方法亦包括操作303，供應處理氣體組成物至基板(101)上方的電漿產生區域(104A)。該方法亦包括操作305，其中針對第一時期，施加第一射頻功率至電漿產生區域(104A)中的處理氣體組成，俾產生電漿(104)以暴露到基板(101)。操作305的第一射頻功率對應到高射頻功率位準。此外，在操作305期間，以對應到低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。
在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到高射頻功率位準的第一射頻功率係在從約500W延伸至約6000W的範圍內。在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到高射頻功率位準的第一射頻功率係在從約1000W延伸至約4000W的範圍內。此外，在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定低於透過來自電漿(104)之離子與基板(101)上的材料之交互作用而從基板(101)移除材料所需的閾值電壓。更具體而言，在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定經設定成夠低，使得電漿(104)中的離子無法受所施加之偏壓的影響而得到足夠的動能量以傳遞到基板(101)，因此無法產生基板(101)中材料的離子引致濺射。在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定為零以上的正電壓。在一些實施例中，在操作305中所施加之對應到低偏壓位準的第一偏壓設定為零。
從操作305，該方法繼續進行操作307，其中針對第二時期(短於操作305之第一時期)，且在操作305之第一時期結束之後，施加第二射頻功率至電漿產生區域(104A)中的處理氣體組成，俾產生電漿(104)以暴露到基板(101)。應知悉的係，在操作307中，施加第二射頻功率，而非在操作305中所施加之第一射頻功率。操作307的第二射頻功率對應到低射頻功率位準。此外，在操作307期間，以對應到高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。
在一些實施例中，在操作307中所施加之對應到低射頻功率位準的第二射頻功率係在從約20W延伸至約1000W的範圍內。在一些實施例中，在操作307中所施加之對應到低射頻功率位準的第二射頻功率係在從約100W延伸至約600W的範圍內。此外，在一些實施例中，在操作307中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在上達約5000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在上達約3000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在從約100V延伸至約5000V的範圍內。在一些實施例中，在操作207中所施加之對應到高偏壓位準的第二偏壓設定係在從約200V延伸至約3000V的範圍內。
該方法從操作307返回到操作305(如箭頭309所指出)，以再次施加對應到高RF功率位準的第一RF功率來產生電漿(104)，同時亦以對應到低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至基板固持器(102)。依此方式，以交替且接續的方式重複執行操作305與操作307，達在基板(101)上產生期望效果所必需的總時期。如指向終止操作313的箭頭311所指出，當已達成在基板(101)上的期望效果時，根據該方法的基板(101)的電漿處理可隨時終止(在操作305期間、或在操作305結束時、或在操作307期間、或在操作307結束時)。
在操作305與操作307兩者中產生的電漿(104)被產生而使得電漿(104)中自由基的平均壽命比電漿(104)中離子的平均壽命長約三個數量級。因此，透過具有比操作307之第二時期的持續期間長的操作305之第一時期的持續期間，電漿(104)中的時間平均離子密度小於電漿(104)中的時間平均自由基密度。在一些實施例中，操作305之第一時期的持續期間在從約0.009ms延伸至約100ms的範圍內，且操作307之第二時期的持續期間在從約0.001ms延伸至約1ms的範圍內。在一些實施例中，操作305之第一時期的持續期間及操作307之第二時期的持續期間的總合在從約0.01ms延伸至約100ms的範圍內。在一些實施例中，操作307之第二時期的持續期間短於或等於操作305之第一時期的持續期間及操作307之第二時期的持續期間的總合的約百分之十。
圖3B根據本發明之若干實施例顯示下列各者的例示性同步繪圖以隨時間演示圖3A之方法:所施加之主要電漿功率、所施加之偏壓、電漿(104)中的自由基密度、電漿(104)中的離子密度、及入射於基板(101)上的離子能量。主要電漿功率之繪圖顯示如何根據參考圖3A所述之以交替且接續的方式執行操作305與307來施加RF功率以產生電漿(104)。操作305之表現對應到處理階段C。此外，操作307之表現對應到處理階段D。圖3B顯示在處理階段C(操作305)中，主要電漿功率係以高RF功率位準施加，而偏壓係以低/零偏壓位準施加。此外，在處理階段D(操作307)中，主要電漿功率係以低RF功率位準施加，而偏壓係以高偏壓位準施加。
由於電漿(104)中的離子需要偏壓高/開啟以得到足夠的能量去影響基板(101)上的改變，所以電漿(104)中有效的離子密度直接關聯於處理階段D(操作307)所消耗的時間。如圖3B所示，處理階段D(操作307)的持續期間短於處理階段C(操作305) 的持續期間。因此，在時間平均的基礎上，在處理階段D(操作307)中偏壓高/開啟的時間短於在處理階段C(操作305) 中偏壓低/關閉的時間。此外，因此，在圖3A之方法中用以產生基板(101)上的離子引致反應的電漿(104)中有效的離子密度減少。
此外，由於電漿(104)中的自由基產生直接關聯於所施加的主要電漿功率，且由於電漿(104)中自由基的平均壽命比電漿(104)中離子的平均壽命長約三個數量級，所以處理階段C(操作305) 相對於處理階段D(307) 更長的持續期間，以持續且穩定的方式提供電漿(104)中較高的時間平均自由基密度產生。因此，從時間平均的角度來看，如圖3B之繪圖中所解釋地，圖3A之方法提供電漿(104)之控制以使電漿具有減少的離子密度及增加的自由基密度。
如前文中參考圖2A及3A所討論的，主要電漿功率以及偏壓兩者係在相同頻率以顛倒同步的方式脈衝/循環。主要電漿功率(亦即，施加以產生電漿的RF功率)界定電漿中的自由基密度與電漿中的離子密度兩者(該者耦合)，且所施加的偏壓控制離子能量，使得離子密度的有效性實質上侷限於當偏壓被施加/高/開啟時。主要電漿功率之單一脈衝/循環對應到當主要電漿功率高/開啟時的第一時期(分別為圖2A及3A之方法中的操作205及305)以及當主要電漿功率低/關閉時的第二時期(分別為圖2A及3A之方法中的操作207及307)之組合。在一些實施例中，主要電漿功率以上達約100kHz的循環頻率脈衝/循環。在一些實施例中，主要電漿功率以在從約0.1kHz延伸至約10kHz的範圍內的循環頻率脈衝/循環。在一給定的脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環中，控制主要電漿功率之脈衝/循環頻率、以及高主要電漿功率相對於低主要電漿功率的持續期間，以得到電漿中自由基密度對有效離子密度的期望比例。
在一給定的脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環中，當施加較高的主要電漿功率時，自由基密度高且離子密度高，但由於缺乏偏壓故離子能量實質上為零。在一給定的脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環中，當施加較低的主要電漿功率時，自由基密度低且離子密度低，且離子能量具有對應至所施加之偏壓的正位準。隨著脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環頻率提高至一操作性範圍(例如約0.1kHz至約10kHz)，電漿中離子的平均壽命(毫秒的等級)與電漿中自由基的平均壽命(秒的等級)之間的差異，提供電漿處理的工作狀態，其中電漿中的離子密度根據主要電漿功率之脈衝/循環而下降，但電漿中的自由基密度無法跟隨主要電漿功率之脈衝/循環。在此電漿處理的工作狀態中，在主要電漿功率之脈衝/循環期間的所有電漿狀態中，時間平均的自由基密度將幾乎不變，帶有關於時間平均自由基密度根據脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環頻率的相對較小的自由基密度波動。因此，時間平均自由基密度受到時間平均主要電漿功率所控制。
當電漿處理期間需要離子時，開啟偏壓以提高離子能量至一位準，離子在該位準可得到足夠的動能去引致基板上的離子交互作用。當偏壓開啟時，所施加之主要電漿功率與所施加之偏壓的組合提供電漿中有效離子密度的獨立控制，其中有效離子密度代表可用以確實引致與基板上之材料的反應的離子數量。依此方式，當給定的脈衝式電漿功率之脈衝/循環具有結合零偏壓之較高主要電漿功率之較長持續期間(相對於結合高偏壓之較低主要電漿功率之較短持續期間)，電漿中的有效離子密度低於施加連續波主要電漿功率時的有效離子密度。相對應地，當給定的脈衝式電漿功率之脈衝/循環具有結合零偏壓之較高主要電漿功率之較短持續期間(相對於結合高偏壓之較低主要電漿功率之較長持續期間)，電漿中的有效離子密度高於施加連續波主要電漿功率時的有效離子密度。
本文中揭露之在基板的電漿蝕刻期間用以獨立控制自由基密度、離子密度及離子能量的方法與系統，提供由於電漿中的自由基密度與有效離子密度去耦合而產生的若干益處，包括改善目標材料相對於遮罩材料的蝕刻選擇性、改善特徵輪廓控制、並改善控制深寬比相關蝕刻問題，諸如此類。應知悉的係，使用如本文中揭露之方法所提供的主要電漿功率及偏壓的高頻率顛倒同步脈衝/循環，能夠得到具有獨立控制之自由基密度、離子密度及離子能量的電漿處理窗。為了去耦合自由基密度與離子密度，脈衝式主要電漿功率之脈衝/循環頻率經設定以允許離子密度衰減，同時維持自由基密度之指定程度。本文中揭露之方法所提供的自由基密度、離子密度及離子能量的獨立控制用以緩和與習知電漿處理方法併存的蝕刻輪廓控制、蝕刻選擇性、及總製程產量之間的權衡。此外，應知悉的係，本文中揭露的方法可與現存及/或新的處理氣體組成化學一起使用，藉此延伸可與現存處理氣體組成一起使用的電漿處理能力並提供使用新的處理氣體組成的新的電漿處理能力的發展。
雖然為了理解的明確性， 以詳加描述上述發明，但顯然在隨附申請專利範圍之範疇內可實施某些改變與修改。因此，本案實施例應被視為說明性而非限制性，且本發明不限於本文中給定的細節，而可在所述實施例的範疇與等效應用中加以修改。
100‧‧‧處理模組
101‧‧‧基板
102‧‧‧基板固持器
103‧‧‧腔室
103A‧‧‧牆壁結構
103B‧‧‧底部結構
103C‧‧‧頂部結構
104‧‧‧電漿
104A‧‧‧電漿產生區域
105‧‧‧線圈組件
106‧‧‧參考接地電位
107 ‧‧‧RF功率供應器
109‧‧‧連接件
111‧‧‧進入埠
113A-C‧‧‧處理氣體供應埠
115‧‧‧處理氣體供應器
117A-C連接管線
119‧‧‧側孔結構
121‧‧‧排氣埠
123‧‧‧排氣模組
125‧‧‧RF功率供應器
127‧‧‧連接件
201‧‧‧操作
203‧‧‧操作
205‧‧‧操作
207‧‧‧操作
209‧‧‧箭頭
211‧‧‧箭頭
213‧‧‧操作
301‧‧‧操作
303‧‧‧操作
305‧‧‧操作
307‧‧‧操作
309‧‧‧箭頭
311‧‧‧箭頭
313‧‧‧操作
A‧‧‧處理階段
B‧‧‧處理階段
C‧‧‧處理階段
D‧‧‧處理階段
101‧‧‧基板
102‧‧‧基板固持器
103‧‧‧腔室
103A‧‧‧牆壁結構
103B‧‧‧底部結構
103C‧‧‧頂部結構
104‧‧‧電漿
104A‧‧‧電漿產生區域
105‧‧‧線圈組件
106‧‧‧參考接地電位
107 ‧‧‧RF功率供應器
109‧‧‧連接件
111‧‧‧進入埠
113A-C‧‧‧處理氣體供應埠
115‧‧‧處理氣體供應器
117A-C連接管線
119‧‧‧側孔結構
121‧‧‧排氣埠
123‧‧‧排氣模組
125‧‧‧RF功率供應器
127‧‧‧連接件
201‧‧‧操作
203‧‧‧操作
205‧‧‧操作
207‧‧‧操作
209‧‧‧箭頭
211‧‧‧箭頭
213‧‧‧操作
301‧‧‧操作
303‧‧‧操作
305‧‧‧操作
307‧‧‧操作
309‧‧‧箭頭
311‧‧‧箭頭
313‧‧‧操作
A‧‧‧處理階段
B‧‧‧處理階段
C‧‧‧處理階段
D‧‧‧處理階段
圖1根據本發明之各種實施例顯示例示性基板處理模組。
圖2A根據本發明之若干實施例顯示一方法的流程圖，該方法用以控制半導體製程中的電漿以使電漿具有增加的離子密度及減少的自由基密度。
圖2B根據本發明之若干實施例顯示下列各者的例示性同步繪圖以隨時間演示圖2A之方法:所施加之主要電漿功率、所施加之偏壓、電漿中的自由基密度、電漿中的離子密度、及基板上伴隨而來的離子能量。
圖3A根據本發明之若干實施例顯示一方法的流程圖，該方法用以控制半導體製程中的電漿以使電漿具有增加的離子密度及減少的自由基密度。
圖3B根據本發明之若干實施例顯示下列各者的例示性同步繪圖以隨時間演示圖3A之方法:所施加之主要電漿功率、所施加之偏壓、電漿中的自由基密度、電漿中的離子密度、及基板上伴隨而來的離子能量。
201‧‧‧操作
203‧‧‧操作
205‧‧‧操作
207‧‧‧操作
209‧‧‧箭頭
211‧‧‧箭頭
213‧‧‧操作
Claims (20)
- 一種用以控制半導體製程中的電漿的方法，以使電漿具有增加的離子密度及減少的自由基密度，該方法包含下列步驟: (a) 設置一基板於一處理模組中的一基板固持器上； (b) 供應處理氣體組成物至該基板上方的一電漿產生區域； (c) 針對第一時期，施加第一射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成物，俾產生電漿以暴露到該基板，該第一射頻功率對應到一高射頻功率位準；並且以對應到一低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器； (d) 針對第二時期，在該第一時期結束之後，施加第二射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成物，俾產生電漿以暴露到該基板，其中施加該第二射頻功率，而非該第一射頻功率，該第二射頻功率對應到一低射頻功率位準；並且以對應到一高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器；並且 (e) 以交替且接續的方式重複執行操作(c)與操作(d)，達在該基板上產生期望效果所必需的總時期； 其中操作(c)之該第一時期的持續期間比操作(d)之該第二時期的持續期間短，使得電漿中的時間平均離子密度大於電漿中的時間平均自由基密度。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該高射頻功率位準的該第一射頻功率係在從約500 瓦(Watts)延伸至約6000瓦的範圍內，或在從約1000瓦延伸至約4000瓦的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低射頻功率位準的該第二射頻功率係在從約20瓦延伸至約1000瓦的範圍內，或在從約100瓦延伸至約600瓦的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低偏壓位準的該第一偏壓設定低於透過來自該電漿之離子與該基板上的材料之交互作用而從該基板移除材料所需的一閾值電壓。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低偏壓位準的該第一偏壓設定為零。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該高偏壓位準的該第二偏壓設定係在上達約5000伏(Volts)的範圍內，或在上達約3000伏的範圍內，或在從約100伏延伸至約5000伏的範圍內，或在從約200伏延伸至約3000伏的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(c)之該第一時期的持續期間在從約0.001毫秒延伸至約1毫秒的範圍內，且其中操作(d)之該第二時期的持續期間在從約0.009毫秒延伸至約100毫秒的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(c)之該第一時期的持續期間與操作(d)之該第二時期的持續期間的總合在從約0.01毫秒延伸至約100毫秒的範圍內。
- 如申請專利範圍第8項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(c)之該第一時期的持續期間短於或等於操作(c)之該第一時期的持續期間與操作(d)之該第二時期的持續期間的總合的約百分之十。
- 如申請專利範圍第1項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中該電漿被產生而使得該電漿中自由基的平均壽命比該電漿中離子的平均壽命長約三個數量級。
- 一種用以控制半導體製程中的電漿的方法，以使電漿具有減少的離子密度及增加的自由基密度，該方法包含下列步驟: (a) 設置一基板於一處理模組中的一基板固持器上； (b) 供應處理氣體組成物至該基板上方的一電漿產生區域； (c) 針對第一時期，施加第一射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成物，俾產生電漿以暴露到該基板，該第一射頻功率對應到一高射頻功率位準；並且以對應到一低偏壓位準的第一偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器； (d) 針對第二時期，在該第一時期結束之後，施加第二射頻功率至該電漿產生區域中的該處理氣體組成物，俾產生電漿以暴露到該基板，其中施加該第二射頻功率，而非該第一射頻功率，該第二射頻功率對應到一低射頻功率位準；並且以對應到一高偏壓位準的第二偏壓設定將偏壓施加至該基板固持器；並且 (e) 以交替且接續的方式重複執行操作(c)與操作(d)，達在該基板上產生期望效果所必需的總時期； 其中操作(c)之該第一時期的持續期間比操作(d)之該第二時期的持續期間長，使得電漿中的時間平均離子密度小於電漿中的時間平均自由基密度。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該高射頻功率位準的該第一射頻功率係在從約500 瓦(Watts)延伸至約6000瓦的範圍內，或在從約1000瓦延伸至約4000瓦的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低射頻功率位準的該第二射頻功率係在從約20瓦延伸至約1000瓦的範圍內，或在從約100瓦延伸至約600瓦的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低偏壓位準的該第一偏壓設定低於透過來自該電漿之離子與該基板上的材料之交互作用而從該基板移除材料所需的一閾值電壓。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該低偏壓位準的該第一偏壓設定為零。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中對應到該高偏壓位準的該第二偏壓設定係在上達約5000伏(Volts)的範圍內，或在上達約3000伏的範圍內，或在從約100伏延伸至約5000伏的範圍內，或在從約200伏延伸至約3000伏的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(c)之該第一時期的持續期間在從約0.009毫秒延伸至約100毫秒的範圍內，且其中操作(d)之該第二時期的持續期間在約0.001毫秒延伸至約1毫秒的範圍內。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(c)之該第一時期的持續期間與操作(d)之該第二時期的持續期間的總合在從約0.01毫秒延伸至約100毫秒的範圍內。
- 如申請專利範圍第18項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中操作(d)之該第二時期的持續期間短於或等於操作(c)之該第一時期的持續期間與操作(d)之該第二時期的持續期間的總合的約百分之十。
- 如申請專利範圍第11項之用以控制半導體製程中的電漿的方法，其中該電漿被產生而使得該電漿中自由基的平均壽命比該電漿中離子的平均壽命長約三個數量級。
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