TW201805471A - 在半導體製造中使用電性不對稱效應以控制電漿處理空間之系統及方法 - Google Patents

在半導體製造中使用電性不對稱效應以控制電漿處理空間之系統及方法 Download PDF

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Abstract

揭示使用電漿在晶圓上沉積膜的系統及方法，其中電漿係使用多個頻率的射頻訊號加以產生，並其中相位角關係係在該多個頻率的射頻訊號之間加以控制。在該系統中，基座係加以設置以支撐晶圓。電漿產生區域係在該基座上方加以形成。電極係在該電漿產生區域附近加以設置，以將射頻訊號傳輸至該電漿產生區域中。射頻電源將不同頻率的多個射頻訊號提供至該電極。該等不同頻率中的最低者係基本頻率，且大於該基本頻率之該等不同頻率的每一者係該基本頻率的偶數諧波。該射頻電源提供在該多個射頻訊號之每一者之間之相位角關係的可變控制。

Description

在半導體製造中使用電性不對稱效應以控制電漿處理空間之系統及方法
本發明關於半導體裝置製造。
許多現代的半導體晶片製造製程包含產生電漿，離子及/或自由基成分係衍生自電漿以用於直接或間接影響曝露於電漿之晶圓表面上的變化。舉例而言，各種基於電漿的製程可用以自晶圓表面蝕刻材料、沉積材料至晶圓表面上、或改質已存在晶圓表面上的材料。產生電漿通常係藉由在受控環境中對處理氣體施加射頻（RF）功率，使得處理氣體變為受激發且轉變成期望的電漿。電漿的特性受許多製程參數影響，該等製程參數包含但不限於：處理氣體的材料組成、處理氣體的流率、電漿產生區域及周圍結構的幾何特徵、在電漿產生區域內的壓力、處理氣體及周圍材料的溫度、施加之RF功率的頻率及量值、及施加以將電漿的帶電成分朝晶圓吸引的偏電壓等。
然而，在一些電漿製程中，上述製程參數可能無法對所有電漿特性及行為提供充分的控制。尤其，在一些電漿製程中，稱為「電漿團」的不穩定性可能發生於電漿中，其中電漿團的特徵在於由較大體積的正常密度電漿圍繞之小區域的較高密度電漿。電漿團的形成可能導致在晶圓上之處理結果的不均勻性。因此，在電漿製程中緩和及/或控制電漿團的形成而沒有對電漿製程的效能造成不利的影響係受關注的。這是本發明產生的背景。
在一示例實施例中，揭示一種執行電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法。該方法包含將該晶圓配置在曝露於一電漿產生區域之一基座的一頂部表面上。該方法亦包含將一處理氣體成分供應至該電漿產生區域。該處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體。該方法亦包含產生至少兩個不同頻率的射頻訊號，其中，該至少兩個不同頻率的最低者係基本頻率，且其中，具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的該射頻訊號呈一偶數諧波關係，且其中，具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的該射頻訊號呈一固定相位關係。該方法亦包含將產生的射頻訊號供應至一電極，以傳輸進該電漿產生區域，使得該等射頻訊號在該電漿產生區域之內將該處理氣體成分轉變成電漿，其中該電漿在該晶圓上造成膜的沉積。該方法亦包含調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係，以控制在該晶圓上所沉積的膜之參數。
在一示例實施例中，揭示一種執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統。該系統包含一基座，其具有配置成支撐該晶圓的一頂部表面。該系統亦包含一電漿產生區域，其在該基座的該頂部表面之上加以形成。該系統亦包含一處理氣體供應部，其係配置成將一處理氣體成分供應至該電漿產生區域。該處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體。該系統亦包含設置在該電漿產生區域附近的一電極，以將來自該電極的射頻訊號傳送進該電漿產生區域。該系統亦包含一射頻電源，其係配置成將不同頻率的多個射頻訊號同時供應至該電極，其中該等不同頻率的最低者係基本頻率，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的該射頻訊號呈一偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的該射頻訊號呈一固定相位關係。該多個射頻訊號具有設定成將該處理氣體成分在該電漿產生區域之內轉變成電漿以在該晶圓上造成膜沉積的各個頻率。該射頻電源亦包含一相位控制器，該相位控制器係配置成提供在該多個射頻訊號之每一者之間之相位角關係的可變控制，其中該相位角關係的調整係用以控制在該晶圓上所沉積的膜之一參數。
本發明的其他實施態樣及優點將從以下詳細說明，特別是結合隨附圖式作為說明本發明的示例，將更容易理解。
為了透徹理解本發明，在以下的說明中說明眾多具體細節。然而，顯然地，對於精於本項技術之人士而言，本發明可不具有某些或全部這些具體細節而加以實施。另一方面，為了不要不必要地模糊本發明，未詳細說明眾所周知的製程操作。
在半導體晶圓上之膜的沉積可使用電漿加強化學氣相沉積（PECVD）製程及/或電漿加強原子層沉積（PEALD）製程加以達成。在PECVD及PEALD製程中使用的系統可採用許多不同的形式。舉例而言，該系統可包含一個以上腔室或「反應器」（有時包含多個工作站），其容納一個以上晶圓且係適合用於晶圓處理。每一腔室可容納一個以上晶圓進行處理。該一個以上腔室將晶圓維持在定義的一個以上位置中（在該位置中，具有或不具有諸如轉動、振動、或其他攪動的運動）。經歷沉積的晶圓可在製程期間在反應腔室之內自一個工作站轉移至另一者。當然，膜沉積可在單一工作站完整地發生，或膜的任何部分可在任何數目的工作站加以沉積。當在處理中，每一晶圓係由基座、晶圓卡盤及/或其他晶圓固持裝置固定在適當位置。對於某些操作，該裝置可包含加熱器（諸如加熱板）以加熱晶圓。
在一示例實施例中，本文使用的術語晶圓意指半導體晶圓。此外，在各種實施例中，本文指稱的晶圓可在形式、形狀、及/或尺寸上有所不同。舉例而言，在一些實施例中，本文指稱的晶圓可對應於200 mm（毫米）的半導體晶圓、300 mm的半導體晶圓、或450 mm的半導體晶圓。此外，在一些實施例中，本文指稱的晶圓可對應於非圓形的基板，諸如用於平板顯示器的矩形基板、或其他形狀等。
圖1A根據本發明的一些實施例說明晶圓處理系統100，其係配置成在晶圓101上執行電漿加強膜沉積製程。該系統包含腔室102，腔室102具有下腔部102b及上腔部102a。中心柱141係配置成支撐由導電材料形成的基座140。該導電的基座140係加以連接，以依據RF方向控制模組250的設定，經由匹配網路106接收來自RF電源104的RF訊號。此外，在圖1A的晶圓處理系統100中，噴淋頭電極150係加以配置及連接，以依據RF方向控制模組250的設定，經由匹配網路106接收來自RF電源104的RF訊號。在一些實施例中，RF方向控制模組250係配置成將來自RF電源104經由匹配網路106發送的RF訊號引導至噴淋頭電極150或基座140其中任一者。此外，RF方向控制模組250係配置成將當下未接收RF訊號的噴淋頭電極150與基座140之其中任一者電連接至參考接地電位。以此方式，在一給定時間，RF方向控制模組250運作以確保當基座140係電連接至參考接地電位時噴淋頭電極150將接收來自RF電源104的RF訊號，或當噴淋頭電極150係電連接至參考接地電位時基座140將接收來自RF電源104的RF訊號。
RF電源104係由控制模組110（例如控制器）加以控制。控制模組110係配置成藉由執行製程輸入及控制指令/程式108操作晶圓處理系統100。製程輸入及控制指令/程式108可包含具有用於參數之指示的製程配方，該等參數諸如：功率位準、時序參數、處理氣體、晶圓101的機械移動等，以諸如在晶圓101上沉積或形成膜。
在一些實施例中，中心柱141可包含升降銷，該等升降銷係由升降銷控制部122加以控制。該等升降銷係用以自基座140抬升晶圓101，以允許末端執行器拾取晶圓101，以及在晶圓101係由末端執行器加以置放之後降低晶圓101。晶圓處理系統100進一步包含氣體供應系統112，該氣體供應系統112係連接至處理氣體供應部114，例如：來自設施的氣體化學品供應部。依據正執行的處理，控制模組110控制經由氣體供應系統112之處理氣體114的遞送。所選擇的處理氣體係接著流進噴淋頭電極150，且在噴淋頭電極150與晶圓101之間的電漿處理區域內加以分布，該晶圓101係在基座140上加以配置。
此外，處理氣體可預混合或不預混合。適當的閥調節及質流控制機構可在氣體供應系統112之內加以使用，以確保正確的處理氣體係在製程的沉積及電漿處理階段期間加以遞送。處理氣體離開電漿處理區域且流經排氣出口143。真空幫浦（諸如一或二階段機械乾式幫浦以及其他類型者）將處理氣體自處理容積汲取出來，且藉由閉迴路反饋受控流量限制裝置（諸如節流閥或擺閥）而在處理容積之內維持適當低壓。
亦顯示承載環200，其圍繞基座140的外部區域。承載環200係配置成在晶圓101傳送往返基座140的期間支撐晶圓101。承載環200係配置成位在承載環支撐區域上方，該承載環支撐區域係從基座140之中心的晶圓支撐區域往下的一個台階。承載環200具有環形的盤狀結構，且包含其盤狀結構的外圍側（例如外半徑）及其盤狀結構的晶圓邊緣側（例如內半徑，其係最接近晶圓101所在之處）。承載環200的晶圓邊緣側包含複數接觸支撐結構，該複數接觸支撐結構係配置成當承載環200係藉由蜘蛛叉180加以舉升時將晶圓101升起。承載環200係因而與晶圓101一起升起，且可輪轉至另一工作站，例如在多工作站式系統中的情形。承載環升降及/或旋轉控制訊號124係由控制模組110加以產生，以控制蜘蛛叉180的操作以升降及/或旋轉承載環200。
圖1B根據本發明的一些實施例說明晶圓處理系統100A，該晶圓處理系統100A係建構成在晶圓101上執行原子層沉積（ALD）製程（例如ALD氧化物製程）。與關於圖1A描述之類似的元件係在圖1B中加以顯示。具體而言，晶圓處理系統100A亦包含上腔部102a、下腔部102b、控制模組110、RF電源104、匹配網路106、承載環200、及蜘蛛叉180。在晶圓處理系統100A中，基座140A係配置成包含介電體251。在一些實施例中，基座140A包含在介電體251的頂部表面上配置的導電層509，其中晶圓101係配置在導電層509上。然而，在一些實施例中不存在導電層509，且晶圓101係直接配置在介電體251的頂部表面上。在一些實施例中，介電體251係直接固定至柱141。而且，在一些實施例中，介電體251係藉由固定至柱141的導電結構252加以支撐。
在一些實施例中，加熱元件253（諸如電阻加熱元件）係與基座140A的介電體251一起設置。加熱元件253係連接至加熱器電源255，該加熱器電源255係又連接至控制模組110。在加熱元件253存在的情況下，在一些實施例中，加熱器電源255可根據如由製程輸入及控制指令/程式108提供且如由控制模組110執行之指定的配方加以操作。亦應理解溫度測量裝置可在基座140A上/內、及/或在基座140A周圍的其他位置加以安裝，以將溫度測量資料提供至控制模組110，從而允許操作在控制模組110與加熱器電源255之間的閉迴路溫度反饋控制電路。
基座140A的介電體251包含RF電極254，該RF電極254係加以配置及連接，以依據RF方向控制模組250的設定，經由匹配網路106接收來自RF電源104的RF訊號。此外，在圖1B的晶圓處理系統100A中，噴淋頭電極150A係加以配置及連接，以依據RF方向控制模組250的設定，經由匹配網路106接收來自RF電源104的RF訊號。在一些實施例中，RF方向控制模組250係配置成將來自RF電源104經由匹配網路106發送的RF訊號引導至噴淋頭電極150A或RF電極254其中任一者。此外，RF方向控制模組250係配置成將當下未接收RF訊號的噴淋頭電極150A與RF電極254之其中任一者電連接至參考接地電位。以此方式，在一給定時間，RF方向控制模組250運作以確保當RF電極254係電連接至參考接地電位時噴淋頭電極150A將接收來自RF電源104的RF訊號，或當噴淋頭電極150A係電連接至參考接地電位時RF電極254將接收來自RF電源104的RF訊號。
圖2根據本發明的一些實施例顯示包含四個處理工作站之多工作站式處理工具300的頂視圖。此頂視圖係下腔部102b的頂視圖（為了說明，上腔部102a係加以移除）。該四個處理工作站係由蜘蛛叉180加以接取。每個蜘蛛叉180、或叉包含第一及第二手臂，其中的每一者係配置在基座140/140A各側之一部分的周圍。使用接合及旋轉機構220的蜘蛛叉180係配置成自處理工作站以同時的方式抬起及升起該等承載環200（即，從承載環200的下表面），且接著在降低承載環200之前輪轉至少一個以上工作站的距離（其中，該等承載環的其中至少一者支撐晶圓101），使得進一步的電漿處理、處理、及/或膜沉積可在對應晶圓101上發生。
圖3根據本發明的一些實施例顯示多工作站式處理工具300之實施例的示意圖，該多工作站式處理工具300與入站裝載鎖定部302及出站裝載鎖定部304介接。在大氣壓力下的機器人306係配置成將晶圓101從卡匣（經由晶圓傳送盒（pod）308裝載）通過大氣埠310而移動進入入站裝載鎖定部302。入站裝載鎖定部302係耦接至真空源/幫浦，使得當大氣埠310係關閉時，入站裝載鎖定部302可加以抽氣。入站裝載鎖定部302亦包含與處理腔室102介接的腔室轉移埠316。因此，當腔室轉移埠316係開啟時，另一機器人312可從入站裝載鎖定部302將晶圓移動至用於處理之第一處理工作站的基座140/140A。
所描繪的處理腔室102包含四個處理工作站，在圖3顯示的示例實施例中編號為1至4。在一些實施例中，處理腔室102可配置成維持低壓環境，使得晶圓可使用承載環200在處理工作站1-4之間轉移而沒有經歷破壞真空及/或空氣曝露。在圖3中描繪的每個處理工作站1-4包含基座140/140A和噴淋頭電極150/150A、及相關的處理氣體供應連接件。此外，應理解在其他實施例中，處理腔室102可包含少於四個處理工作站或多於四個處理工作站。
圖3亦顯示在處理腔室102內用於傳遞晶圓的蜘蛛叉180。如上所述，該等蜘蛛叉180旋轉並允許晶圓自一處理工作站傳遞至另一者。該傳遞藉由允許蜘蛛叉180自外側底表面抬升承載環200，如此抬升晶圓101，以及將晶圓101及承載環200一起旋轉至下一處理工作站而發生。在一配置中，蜘蛛叉180係由陶瓷材料製成，以在處理期間承受高水平的熱。
圖4根據本發明的一些實施例顯示基座140/140A的示例，基座140/140A係配置成接收晶圓101進行沉積製程（諸如原子層沉積（ALD）製程）。在一些實施例中，基座140/140A包含在基座140/140A之中央頂部表面上加以配置的導電層509，其中該中央頂部表面係藉由自基座140/140A的中心軸420延伸至頂部表面直徑422的圓形區域加以界定，該頂部表面直徑422界定該中央頂部表面的邊緣。導電層509包含複數晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f，該等晶圓支座係在整個導電層509加以分布且係配置成支撐晶圓101。當晶圓101係置放在晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f上時，晶圓支撐水平面係由晶圓101之底部表面的垂直位置加以定義。在圖4的示例中，有六個晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f在導電層509的周緣附近對稱地加以分布。然而，在其他實施例中，在導電層509上可能有任何數目的晶圓支座，且該等晶圓支座可在沉積製程操作期間以任何適於支撐晶圓101的配置在整個導電層509加以分布。
在一些實施例中，導電層509係不存在於基座140/140A的中央頂部表面上。而且，在這些實施例中，晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f係在基座140/140A的中央頂部表面上加以配置。圖4亦顯示凹部406a、406b、及406c，其係配置成容納升降銷。升降銷可用以自晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f抬升晶圓101，以允許藉由末端執行器接合晶圓101。
在一些實施例中，每一晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f定義最小接觸面積結構（MCA）。MCA結構係用以當需要高精度或允差時改善表面之間的精度配對，及/或最小的物理接觸係期望以降低缺陷風險。在系統中的其他表面亦可包含MCA結構，諸如在承載環200支座上的表面，及在承載環200之內晶圓支座區域上的表面。
基座140/140A進一步包含環形表面410，該環形表面410自基座140/140A的頂部表面直徑422延伸至環形表面410的外徑424。該環形表面410定義環繞導電層509的環形區域，但在從導電層509往下的一個台階。亦即，環形表面410的垂直位置係低於導電層509之垂直位置。複數承載環支座412a、412b、及412c係實質上設置在環形表面410的邊緣（外徑）/實質上沿環形表面410的邊緣（外徑）加以設置，且係繞環形表面410對稱地加以分布。承載環支座在一些實施例中可定義用於支撐承載環200的MCA結構。在一些實施方式中，承載環支座412a、412b、及412c延伸超出環形表面410的外徑424，而在其他實施方式中，承載環支座412a、412b、及412c未超出環形表面410的外徑424。在一些實施方式中，承載環支座412a、412b、及412c的頂部表面具有比環形表面410稍微高的高度，使得當承載環200係置放在承載環支座412a、412b、及412c上時，承載環200係在環形表面410之上的一預定距離處加以支撐。每個承載環支座412a、412b、及412c可包含凹部（諸如承載環支座412a的凹部413），當承載環200係藉由承載環支座412a、412b、及412c加以支撐時，自承載環200之底面突出的延伸部係在該凹部內加以安置。承載環延伸部與承載環支座412a、412b、及412c內之凹部（413）的配對提供承載環200之牢固的定位，且當安置在承載環支座412a、412b、及412c上時防止承載環200移動。
在一些實施方式中，承載環支座412a、412b、及412c的頂部表面係與環形表面410齊平。在其他實施方式中，沒有自環形表面410分離而界定的承載環支座，使得承載環200可直接置放在環形表面410上，且使得在承載環200與環形表面410之間不存在間隙。在此等實施方式中，在承載環200與環形表面410之間的路徑係封閉的，防止前驅物材料經由此路徑到達晶圓101的背側/底面。
在圖4的示例實施例中，有三個承載環支座412a、412b、及412c沿環形表面410的外邊緣區域對稱地加以設置。然而，在其他實施方式中，可能有多於三個承載環支座在沿基座140/140A之環形表面410的任何位置加以分布，以呈穩定靜止的配置支撐承載環200。
當晶圓101係藉由晶圓支座404a、404b、404c、404d、404e、及404f加以支撐時，且當承載環200係藉由承載環支座412a、412b、及412c加以支撐時，晶圓101的邊緣區域係在承載環200的內部上方加以配置。一般而言，晶圓101的邊緣區域自晶圓101的外邊緣向內延伸約2毫米（mm）至約5 mm。垂直間隔係從而在晶圓101的邊緣區域與承載環200的內部之間加以定義。在一些實施例中，此垂直間隔係約0.001英吋至約0.010英吋。在環形表面410之上一預定距離處之承載環200的支撐及在晶圓101的邊緣區域與承載環200的內部之間的垂直間隔可加以控制，以限制在晶圓101之邊緣區域內之在晶圓101之背側/底面上的沉積。
用以沉積薄膜或處理晶圓表面的一些電漿，在以製程觀點來看是較佳的條件下係不穩定的。作為一示例，在1至3托壓力範圍內及以高RF功率（每300 mm直徑的晶圓處理工作站＞200 W）運作的Ar/O2 電容耦合電漿（CCP）放電顯示在電漿之內的不穩定性。諸如這樣的電漿不穩定性（本文稱為「電漿團」）之特徵在於由較大體積的正常密度電漿圍繞之小區域的較高密度（較亮）電漿。當電漿團係加以形成時，由於膜與對應於電漿團之局部高密度電漿的交互作用，所以沉積的膜係在電漿團附近局部地緻密化，此導致劣化的膜均勻性。在晶圓101上方之電漿團的空間分布可逐製程及在一給定的製程中加以變化。此外，電漿團可在一給定製程期間移動跨越晶圓101。應理解電漿團導致整個晶圓101之製程均勻性的劣化（諸如藉由改變在整個晶圓101不同位置處之沉積的膜之密度及厚度）。由電漿團導致的膜厚度不均勻性可為總膜厚度的約1%至2%，其在需要極平坦的膜輪廓之一些應用中可為顯著的。
在一示例的膜沉積製程中，在沒有施加任何RF功率的情況下，執行一操作以塗佈單層前驅物氣體。該前驅物氣體黏至晶圓101。在一些實施例中，該前驅物氣體包含矽，以允許在晶圓上之氧化矽的形成。接著執行一操作，以將前驅物氣體從晶圓101上方的處理容積沖走，從而在晶圓101上留下單層的前驅物氣體。氧化製程係接著在晶圓101上加以執行。在該氧化製程中，處理氣體係流入晶圓101上方的處理容積，且RF功率係施加至處理氣體以在處理容積之內產生電漿。該電漿驅動在晶圓101上的氧化反應。在一些實施例中，處理氣體將包含氧及一個以上其他轟擊氣體（諸如氬等），其中該（等）轟擊氣體提供電漿的充分緻密化。在一些實施例中，轟擊氣體係有效地緻密化所沉積的膜之氣體。將所沉積的膜緻密化之轟擊氣體係那些可有效地將能量傳遞至所沉積的膜之氣體。在一些實施例中，轟擊氣體係單原子貴重氣體（諸如氬等），其不與所沉積的膜化學性地反應且其缺乏振動或旋轉的分子模式。例如，在一示例製程中，處理氣體混合物可包含約5%至約20%的氧，其中該處理氣體混合物的其餘者係氬。而且，在其他示例製程中，在處理氣體混合物中氧對轟擊氣體的百分比可為小於5%或大於20%。
在氧化製程期間，當一特定厚度的膜係在晶圓101上加以形成時，電漿團可能開始在整個晶圓101上出現。電漿團的數目及大小與處理氣體混合物中轟擊處理氣體（例如氬）的量有直接關聯。因此，減少處理氣體混合物中之轟擊處理氣體的量可用於降低電漿團的強度。然而，通常亦需要較高百分比的轟擊處理氣體提供足夠的電漿密度以確保適當的膜形成。此外，需要大量的RF功率以產生電漿，因為若沒有施加足夠的RF功率，電漿密度將為不足的。然而，增加所施加的RF功率導致更多電漿團的形成。一些製程應用使用每300 mm直徑的晶圓處理工作站約300 W之所施加的RF功率。然而，其他製程應用可能需要較高的RF功率，諸如每300 mm直徑的晶圓處理工作站400 W或甚至更高。
鑑於前述內容，用於抑制電漿團形成的一種方式係降低所施加的RF功率及/或增加在氣體混合物中的氧濃度。更具體而言，較低的製程功率（即，較低之施加的RF功率）或在處理氣體中較低的轟擊氣體（一般為氬）濃度（相對於氧）導致較低的電漿密度，從而抑制電漿團的形成。不幸地，這些條件從所沉積的膜之品質的角度來看是較不理想的。舉例而言，當來自電漿的離子轟擊在較低的處理功率或在處理氣體中之較低的轟擊氣體濃度下係不足夠時，膜的品質係劣化的。因此，可能永遠無法在藉由降低處理功率及/或降低處理氣體中之轟擊氣體濃度（例如氬濃度）而抑制電漿團形成的同時，維持所沉積的膜之品質。
電漿團可在晶圓101的邊緣或靠近晶圓101的中心出現。當幾個單獨的電漿團合併成較大的環狀結構時，電漿團亦可在晶圓101上方移動且產生高強度輝光的圖案。由於電漿團的本質，準確地控制電漿團的形成在晶圓101上方何時及何處發生係困難的。因此，抑制電漿團的形成而沒有損害晶圓上的膜厚度或其他特性（諸如濕蝕刻速率）係受關注的。
來自電漿的高能離子可從在晶圓101上沉積的膜材料彈出二次電子。這些二次電子當通過電漿鞘而被拉進主體電漿時可被加速至高能量。這些加速的電子可形成高密度、不穩定之電漿的區域，諸如電漿團。此一行為係通常在富含氬的氣體混合物中當放電與特定表面（例如特定組成及厚度的膜）交互作用時被觀察到。因此，已確定電漿團的形成係某種程度取決於離子轟擊能量及/或離子能量通量。
PEALD係以連續單層在晶圓上沉積膜的一種製程。這些單層的每一者對離子轟擊的條件可為敏感的，因為其係以對最終沉積的膜之特性（諸如密度及/或厚度）有淨影響的方式加以沉積。就此而言，PEALD製程已觀察到產生具有取決於製程變數之特性的膜，該等製程變數係已知或相信可調節離子能量。此離子能量相依性可能與遞送的峰值離子能量或與離子能量通量相關。在PEALD製程中提供離子能量及離子能量通量之精確及獨立控制的方法可用於獲得允許實現製造未來先進半導體裝置結構所需之膜品質的處理空間。
除了PEALD之外，有其他「連續」的沉積製程，其產生具有對離子轟擊能量及/或離子能量通量敏感之特性的膜。尤其，藉由PECVD沉積之氮化物膜的最終膜應力，可取決於在處理期間施加之低頻（LF）RF訊號的RF功率位準。吾人相信該LF RF訊號的RF功率位準可調節離子能量。此外，其他應用（諸如非晶形硬遮罩（AHM）的應用）可展現相對於離子能量的膜應力及膜密度相依性。
一些PEALD製程（諸如涉及氧化物的那些製程）使用單一的高頻（HF）RF訊號，諸如：在一些實施例中的13.56 MHz，或在其他實施例中的27.12 MHz。在這些PEALD製程中，一般可用的製程變數（即，可加以調整以影響製程結果變化的製程參數）包含：HF RF功率、腔室壓力、處理氣體的成分、及處理氣體的流率。傳統上，PEALD製程係拘限在由這些一般可用之製程變數界定的處理空間/窗之內。然而，隨著半導體裝置結構持續縮小尺寸及增加設計複雜性，由這些一般可用的PEALD製程變數界定的處理空間/窗可能並非總是足以產生滿意的膜沉積結果。
在一些PECVD製程中，LF RF功率（即，頻率小於系統離子電漿頻率的RF功率）係加以調節，以實現被相信取決於電漿內之離子能量之沉積的膜之特性的變化。然而，LF RF功率的使用可抑制電漿密度、及/或使整個晶圓之電漿處理的均勻性變形、及/或增加在腔室內電弧的危險，因為LF的使用通常在電極導致較高的RF電壓。此外，在一些情況下，LF RF功率可與HF RF功率耦合以產生不期望之沉積的膜結果。因此，雖然LF RF功率調節的使用可能有助於控制所沉積的膜特性上之離子能量相依變化，但LF RF功率調節的使用具有一些可能令人望之卻步的副作用。
鑑於上述關於離子轟擊能量及/或離子能量通量如何在諸如PEALD及PECVD的製程中在晶圓上影響膜沉積結果的問題（無論透過與晶圓的直接離子交互作用或透過電漿不穩定性（諸如電漿團）的形成），本文揭示使用電性不對稱效應（EAE）以分別調節離子能量通量及峰值離子能量的系統及方法，以控制由電漿離子行為造成之膜沉積結果中的變化。EAE是一種技術，其中多個RF產生器在諧波關係的頻率下同時操作，且其中多個RF產生器係相位鎖定的，以便彼此在特定的相位角關係下加以操作。在一示例實施例中，EAE係藉由分別在13.56 MHz及27.12 MHz的頻率下、及彼此在特定的相位角關係下以同時的方式操作兩個RF產生器而在電漿沉積製程中加以使用。應理解在其他實施例中，多於兩個RF產生器可在具有諧波關係的各個頻率下加以操作，且該各個頻率可不同於13.56 MHz及27.12 MHz。此外，在EAE啟用之電漿沉積製程中之多個RF產生器之間的相位角關係之變化/控制，可用以抑制電漿不穩定性的形成（諸如電漿團的形成），及可提供ALD氧化物膜密度的控制，以及可提供在氮化物的PECVD沉積中之膜應力的控制。亦應理解，EAE的使用及其相關之相位角關係的變化/控制可提供其他電漿沉積製程的優點，且用於擴展PECVD及PEALD電漿沉積製程的有效處理空間/窗。
圖5根據本發明的一些實施例顯示一電漿處理系統，其係配置成實施EAE控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。圖5的系統包含腔室102及關於圖1A或圖1B描述的相對應元件。在一些實施例中，圖5的系統包含關於圖1A描述的噴淋頭電極150及基座140。而且，在一些實施例中，圖5的系統包含關於圖1B描述的噴淋頭電極150A及基座140A。圖5的系統包含RF電源104A，該RF電源104A係加以連接以將RF功率供應至噴淋頭電極150/150A。RF電源104A係亦加以連接以從控制模組110接收控制訊號。在圖5的系統中，在基座140A及/或基座140之內的RF電極254係電連接至參考接地電位。
RF電源104A包含多個（即，大於1的整數N）RF產生器501(1)-501(N)。每個RF產生器501(1)-501(N)係配置成輸出規定頻率的RF訊號。而且，每個RF產生器501(1)-501(N)係可獨立控制的，使得由RF產生器501(1)-501(N)之其中給定一者輸出之規定的RF訊號頻率可不同於由RF產生器501(1)-501(N)之其他者輸出的RF訊號頻率。每個RF產生器501(1)-501(N)係連接至相位控制器503。相位控制器503係配置成控制由RF產生器501(1)-501(N)輸出的RF訊號之間的相位角關係。更具體而言，相位控制器503係配置成在由RF產生器501(1)-501(N)的其中任兩者輸出的RF訊號之間建立規定的相位角關係，且只要在電漿沉積製程期間有需要，維持該建立之規定的相位角關係。此外，相位控制器503係配置成在電漿沉積製程期間提供由RF產生器501(1)-501(N)的其中任兩者輸出的RF訊號之間之任何規定的相位關係之受控的調整。以此方式，相位控制器503及多個RF產生器501(1)-501(N)提供額外的製程變數以擴展電漿沉積製程的處理空間/窗，包含所施加之RF訊號頻率的數目（大於1）、施加之每一RF訊號頻率的值、施加之每一RF訊號的振幅、及施加之在每一RF訊號之間的相位角關係。
每一RF產生器501(1)-501(N)係加以連接以將其產生的RF訊號輸出至多個匹配網路106(1)-106(N)的其中對應一者。該多個匹配網路106(1)-106(N)的每一者係配置成控制阻抗匹配，使得由對應的RF產生器501(1)-501(N)產生的RF訊號可有效地傳送至在腔室102之內的電漿負載。一般而言，多個匹配網路106(1)-106(N)的每一者包含匹配電路，該匹配電路係配置成作為電容器及電感器的網路，該網路可加調整以調節在腔室102之內RF訊號在其傳送至電漿負載中所遭遇的阻抗。
多個匹配網路106(1)-106(N)的每一者具有連接至組合器模組507的各別輸出。在一些實施例中，組合器模組507包含多個陷波濾波器505(1)-505(N)，其中每個陷波濾波器505(1)-505(N)係加以連接以接收來自匹配網路106(1)-106(N)之相應一者的RF訊號。應理解在一些實施例中，每個陷波濾波器505(1)-505(N)實際上可包含多個陷波濾波器。陷波濾波器505(1)-505(N)的每一者係配置成減少/消除在窄頻率範圍之外的訊號。對應於一給定RF產生器501(1)-501(N)的陷波濾波器505(1)-505(N)係配置成減少/消除在其他RF產生器501(1)-501(N)之頻率處的RF訊號。舉例而言，對應於RF產生器501(1)的陷波濾波器505(1)係配置成減少/消除在由其他RF產生器501(2)-501(N)輸出之頻率處的RF訊號，而對應於RF產生器501(2)的陷波濾波器505(2)係配置成減少/消除在由其他RF產生器501(1)及501(3)-501(N)輸出之頻率處的RF訊號等等。以此方式，組合器模組507用於，將作為來自與每一RF產生器501(1)-501(N)相關聯之每一匹配網路106(1)-106(N)的輸出之每一RF訊號的淨化版本，組合至單一輸出線510上，以傳送至腔室102之內的噴淋頭電極150/150A。此外，在一些實施例中，自各種陷波濾波器505(1)-505(N)之輸出延伸至單一輸出線510之傳輸線511(1)-511(N)的長度可個別地加以變化，以允許用於每一RF訊號頻率的獨立負載阻抗最佳化。此外，應理解在一些實施例中，組合器模組507可配置成將作為來自與每一RF產生器501(1)-501(N)相關聯的每一匹配網路106(1)-106(N)的輸出之每一RF訊號的淨化版本，使用不同於陷波濾波器505(1)-505(N)之濾波器電路，組合至單一輸出線510上。舉例而言，在兩個RF訊號頻率的情況下，一個以上高通濾波器及一個以上低通濾波器的配置可用以將兩個RF訊號的頻率淨化版本提供至單一輸出線510。
圖6根據本發明的一些實施例顯示另一電漿處理系統，其係配置成實施EAE控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。在圖6的系統中，RF電源104A係加以連接以將RF訊號供應至在基座140/140A之內的RF電極254，且噴淋頭電極150/150A係電連接至參考接地電位。圖6顯示的RF電源104A係與圖5描述的RF電源104A相同。
圖7根據本發明的一些實施例顯示另一電漿處理系統，其係配置成實施EAE控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。圖7的系統實施關於圖1A及1B描述的RF方向控制模組250。在一些實施例中，RF方向控制模組250係在RF電源104A與在基座/基座140/140A之內的RF電極254和噴淋頭電極150/150A兩者之間加以連接，以在一給定時間操作在基座/基座140/140A之內的RF電極254或作為RF供應電極的噴淋頭電極150/150A之任一者，而在該給定時間，在基座/基座140/140A之內的RF電極254和噴淋頭電極150/150A之另一者係作為RF返回電極（即，參考接地電極）加以操作。
RF電源104A的多個（N＞1）RF產生器501(1)-501(N)係設定成在N個頻率下加以操作，其中該N個頻率中的最低者係基本頻率（即基頻），且其中大於該基本頻率之該N個頻率的每一者係該基本頻率的偶數諧波。而且，相位控制器503運作以建立及控制在由RF產生器501(1)-501(N)產生的RF訊號之間的相位角關係，即RF電壓相位關係。該由RF產生器501(1)-501(N)產生的RF訊號之間的相位角關係在相位控制器503的控制下係確定的及可調整的。在該由RF產生器501(1)-501(N)產生的RF訊號之間的相位角關係中的變化提供直流（DC）自偏壓（self bias）及電漿電位兩者的變化，且從而提供入射晶圓之離子能量的變化。
應理解RF電源104A可包含任何數目N的RF產生器501(1)-501(N)，其中N係大於1。然而，在一些實施例中，RF電源104A係配置成包含兩個RF產生器501(1)及501(2)，即N=2。而且，這些實施例中，RF電源104A包含兩個匹配網路106(1)及106(2)，且在除了相位控制器503之外還包含兩個陷波濾波器505(1)及505(2)，諸如在圖5、6、及7中所顯示。亦應理解RF產生器501(1)-501(N)的每一者可設成基本上在任何頻率下加以操作，只要大於基本頻率之RF產生器501(1)-501(N)之不同頻率的每一者係該基本頻率的偶數諧波。當一偶數整數的諧波關係在較高頻率與基本頻率之間存在時，該較高頻率係該基本頻率的偶數整數倍。
在一些實施例中，在上述實施例中之兩個RF產生器的第一RF產生器501(1)係設定成在頻率13.56 MHz處產生RF訊號，而在上述實施例中之兩個RF產生器的第二RF產生器501(2)係設定成在頻率27.12 MHz處產生RF訊號，使得在這兩個頻率之間存在2的偶數整數諧波關係。
在上述實施例中，兩個RF產生器501(1)及501(2)係設定成分別在13.56 MHz及27.12 MHz的頻率下加以操作，功率電極電壓（V 電極 (t) ）係藉由方程式1加以給定，其中，A 13.56 係頻率13.56 MHz之RF訊號的振幅，f 13.56 係13.56 MHz的頻率，A 27.12 係頻率27.12 MHz之RF訊號的振幅，f 27.12係27.12 MHz的頻率，t 是時間，及φ是在13.56 MHz和27.12 MHz的RF訊號之間的EAE相位角關係。
方程式1：
Figure TW201805471AD00001
在使用兩個RF產生器501(1)及501(2)係設定成分別在13.56 MHz和27.12 MHz的頻率下操作以執行PEALD-氧化物膜沉積製程的上述實施例中，供電的電極電壓顯示良好的正弦調節及在兩個RF訊號之間之EAE相位角關係中的調整。供電電極電壓的調節顯示在約10°的EAE相位角關係附近的最小值及在約55°的EAE相位角關係附近的最大值。
為了探索此實施例的性能，第一晶圓係經歷使用約10°之EAE相位角關係的PEALD-氧化物膜沉積製程，而第二晶圓係經歷使用約55°之EAE相位角關係的PEALD-氧化物膜沉積製程。在使用約10°之EAE相位角關係的製程期間，在整個沉積製程沒有觀察到電漿團。然而，在使用約55°之EAE相位角關係的製程期間，電漿團在約50個循環處出現（即被開啟），且在製程的持續時間維持開啟，其係類似於僅使用13.56 MHz之RF訊號觀察到的電漿團行為。考慮到這些結果，顯示電漿團可藉由EAE相位角關係的調節（受控的變化）而加以控制（即開啟和關閉）。
圖8根據本發明的一些實施例顯示對應於使用約10°的EAE相位角關係及對應於使用約55°的EAE相位角關係之整個晶圓所沉積之膜厚度輪廓的圖。如圖8所示，使用約10°之EAE相位角關係的製程相較於使用約55°之EAE相位角關係的製程具有較低的膜沉積速率。此外，圖8顯示在使用約55°之EAE相位角關係的情況下，在位置點10以下之所沉積的膜厚度中有異常行為（aberration），其表示在沉積製程期間存在電漿團。相比之下，圖8顯示在使用約10°之EAE相位角關係的情況下，在整個輪廓之所沉積的膜厚度中沒有異常行為，其表示在沉積製程期間沒有電漿團形成。
此外，與使用約55°之EAE相位角關係獲得的膜密度相比，確定使用約10°之EAE相位角關係的沉積製程提供較大的膜密度，此表示在較低EAE相位角關係的情況下有較低的濕蝕刻速率（WER）。因此，已證明藉由使用較低的EAE相位角關係，可能透過較高密度電漿的產生結合較低的晶圓偏壓而獲得較緻密之所沉積的膜且沒有電漿團形成。僅使用單一RF頻率27.12 MHz無法藉由較高密度電漿的產生結合較低的晶圓偏壓而提供較緻密之沉積的膜且沒有電漿團形成。此外，基於沉積速率趨勢，與僅使用單一RF頻率13.56 MHz相比，僅使用單一RF頻率27.12 MHz可提供較高的電漿密度及較低的晶圓偏壓，但與僅使用13.56 MHz的單一RF頻率相比，對於一給定功率，僅使用單一RF頻率27.12 MHz的膜沉積速率係較高。
關於PECVD，確定氮化物膜的膜應力可隨著改變EAE相位角關係而加以變化。膜應力對EAE相位角關係的此相依性，為膜沉積製程開啟可用的處理空間/窗，且提供先前無法達到的製程及膜特性。更具體而言，本文揭示之方法及系統，針對同時使用多個RF訊號頻率（其中該多個RF訊號頻率中的最低者係基本頻率（即基頻），且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈固定相位關係）以產生用於膜沉積製程之電漿，結合在該多個RF訊號頻率之間之EAE相位角關係之受控的變化，藉由允許離子能量及離子能量通量的獨立控制及藉由提供抑制電漿團形成，擴展可用於PEALD及PECVD製程兩者的可用處理空間/窗。
鑑於上述，應理解本文揭示一種用於執行一電漿製程以在晶圓上沉積膜的系統。該系統包含基座（140/140A），該基座（140/140A）具有配置成支撐晶圓（101）的頂部表面。該系統亦包含在基座（140/140A）的頂部表面上方形成的電漿產生區域。該系統亦包含處理氣體供應部，其係配置成將處理氣體成分供應至該電漿產生區域。該處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體，其中該至少一轟擊氣體對於緻密化在晶圓上沉積的膜係有效的。該系統亦包含在電漿產生區域附近設置的電極（150/150A/254），以將來自電極（150/150A/254）的射頻訊號傳送進電漿產生區域。該系統亦包含射頻電源（104A），其係配置成將不同頻率的多個射頻訊號同時供應至電極（150/150A/254）。不同頻率的最低者係基本頻率（即基頻），且具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈固定相位關係。該多個射頻訊號具有設定成將處理氣體成分在電漿產生區域之內轉變成電漿以在晶圓上造成膜沉積的各個頻率。射頻電源（104A）亦包含相位控制器，該相位控制器係配置成提供在該多個射頻訊號之每一者之間之相位角關係的可變控制，以控制在晶圓上所沉積的膜之參數。在各種實施例中，藉由控制在多個射頻訊號之間的相位角關係所控制之膜的參數包含膜的密度、膜的應力、膜的折射率、及膜中之少數材料物種之含量等的其中一者以上。而且，在一些實施例中，相位控制器提供在多個射頻訊號之間之相位角關係的調整以抑制在電漿內的電漿團形成。
射頻電源（104A）包含多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)），用於分別產生多個射頻訊號的每一者。射頻電源（104A）亦包含連接至該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之每一者的相位控制器（503）。相位控制器（503）係配置成提供分別由多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）產生之多個射頻訊號之任一對之間之相位角關係的可變控制。
射頻電源（104A）亦包含分別連接至多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之輸出的多個匹配網路（106(1)-106(N)），使得該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）的每一者係連接至該多個匹配網路（106(1)-106(N)）其中的獨立一者。該射頻電源亦包含組合器模組（507），該組合器模組（507）具有連接至多個匹配網路（106(1)-106(N)）之輸出的輸入。組合器模組（507）係配置成，將作為來自對應於多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之多個匹配網路（106(1)-106(N)）的輸出之多個射頻訊號之每一者的淨化版本，組合至組合器模組（507）的單一輸出線510上，以傳送至電極（150/150A/254）。
在一些實施例中，組合器模組（507）包含多個陷波濾波器（505(1)-505(N)），其中該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的每一者係加以連接，以接收來自多個匹配網路（106(1)-106(N)）之相應一者的射頻訊號。該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的每一者係配置成減少及/或消除在窄頻範圍之外的訊號。該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的輸出係連接至組合器模組（507）的單一輸出線（510）。
多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的任何給定一者係配置成傳遞對應於多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之特定一者之頻率的訊號，該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的該給定者係藉由多個匹配網路（106(1)-106(N)）之其相應一者連接至該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）的該特定者。而且，該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）之該給定者係配置成減少及/或消除具有對應於與該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之該特定者不同之該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之其他者之頻率的訊號，該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）之該給定者係藉由該多個匹配網路（106(1)-106(N)）之其相應一者連接至該多個射頻訊號產生器（501(1)-501(N)）之該特定者。在一些實施例中，該多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的每一者包含在其之中的多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）。此外，應理解在一些實施例中，組合器模組（507）可配置成使用不同於陷波濾波器（505(1)-505(N)）的濾波器電路。舉例而言，在一些實施例中，組合器模組（507）係配置成使用一個以上的高通濾波器及一個以上的低通濾波器之配置，取代陷波濾波器或與陷波濾波器組合。
在一些實施例中，組合器模組（507）包含獨立的傳輸線（511(1)-511(N)），該等獨立的傳輸線（511(1)-511(N)）係加以配置以將多個陷波濾波器（505(1)-505(N)）的輸出分別連接至組合器模組（507）的單一輸出線（510）。而且，該等獨立的傳輸線（511(1)-511(N)）之每一者具有個別規定的長度，以允許特定射頻訊號頻率的獨立負載阻抗最佳化。
在一些實施例中，電極（150/150A）係位在電漿產生區域上方，且基座（140/140A）包含電連接至參考接地電位的接地電極，如圖5所示。在一些實施例中，電極（254）係位在基座（140A）之內或基座（140）本身作為電極，且系統包含位在電漿產生區域上方的接地電極（150/150A），其中電極（150/150A）係電連接至參考接地電位，如圖6所示。
圖9根據本發明的一些實施例顯示執行電漿製程以在晶圓上沉積膜之方法的流程圖。在一些實施例中，電漿製程係PEALD製程。在一些實施例中，電漿製程係PECVD製程。該方法包含操作901，用於將晶圓配置在曝露於電漿產生區域之基座的頂部表面上。該方法亦包含操作903，用於將處理氣體成分供應至電漿產生區域。處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體。在一些實施例中，該至少一轟擊氣體對於緻密化在晶圓上沉積的膜係有效的。在一些實施例中，該至少一轟擊氣體包含單原子貴重氣體。在一些實施例中，該至少一轟擊氣體缺乏振動或旋轉的分子模式。在一些實施例中，該至少一轟擊氣體係氬。
該方法亦包含操作905，用於產生至少兩個不同頻率的射頻訊號。該至少兩個不同頻率的最低者係基本頻率（即基頻），且具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈固定相位關係。該方法亦包含操作907，用於將產生的射頻訊號供應至電極，以傳輸進電漿產生區域。該射頻訊號在電漿產生區域之內將處理氣體成分轉變成電漿，而該電漿在晶圓上造成膜的沉積。該方法亦包含操作909，用於調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係，以控制在晶圓上所沉積之膜的參數。在一些實施例中，藉由調整在操作909中之射頻訊號之間的相位角關係所控制之膜的參數，包含膜的密度、膜的應力、膜的折射率、及膜中之少數材料物種之含量等的其中一者以上。例如，關於控制在膜內之少數材料物種之含量，在一些實施例中，該少數材料物種可為氫，而在膜上的離子轟擊自膜移除氫。而且，在這些實施例中，在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係可加以調整以控制膜上的離子轟擊，其從而控制在膜內的氫含量。應理解控制膜內的氫含量係操作909的相位角調整方式可用以控制膜內之少數材料物種之含量的許多例子之一。此外，在一些實施例中，在操作909中調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係係加以執行，以抑制電漿內的電漿團形成。而且，此種電漿團形成的抑制可結合沉積的膜之一給定參數的控制而加以實現。
該方法亦可包含針對產生之射頻訊號的每一者提供單獨的阻抗匹配。而且，該方法可包含將至少兩個不同頻率的射頻訊號組合至單一輸出線上以傳輸至電極。在一些實施例中，組合射頻訊號的步驟包含在將所處理的射頻訊號傳輸至單一輸出線之前，處理該等射頻訊號的每一者以將頻率不同於所處理之射頻訊號之頻率的訊號濾出。
在一些實施例中，在操作903中產生至少兩個不同頻率之射頻訊號的步驟包含：產生具有約13.56 MHz之頻率的第一射頻訊號，及產生具有約27.12 MHz之頻率的第二射頻訊號。而且，在這些實施例中，在操作905中控制該至少兩個不同頻率之每一者之射頻訊號之間的相位角關係之步驟包含：控制在該第一射頻訊號與該第二射頻訊號之間的相位角關係至約10度。然而，應理解在其他實施例中，圖9的方法可包含產生不同於13.56 MHz及27.12 MHz之頻率的射頻訊號，且可包含將該相位角關係以不同於10度加以控制。
本文揭示之用於控制在不同頻率之射頻訊號之間的EAE相位角關係的系統及方法，對於控制膜緻密化及在各種電漿加強沉積製程（諸如PEALD和PECVD製程）期間抑制電漿團形成係有效的。然而，亦應理解本文揭示之用於控制在不同頻率之射頻訊號之間的EAE相位角關係的系統及方法，在許多不同的電漿加強膜沉積製程中提供離子能量控制與電漿密度控制的分離。本文揭示的系統及方法提供基本上任何製程膜參數的控制，該任何製程膜參數係藉由使用相位角調整而非藉由改變施加至電漿的總功率而相依於離子能量。藉由相位角調整而非藉由總功率調整之製程膜參數的此控制，可基本上在任何基於電漿的膜沉積製程中加以使用。舉例而言，一些半導體裝置（諸如VNAND裝置）的製造需要沉積交替材料（諸如氧化物及氮化物）之大量（可能為50或更多）相繼的膜，其中每一膜層需要加以應力調節，使得整個膜堆疊滿足一給定的膜應力規格。在這樣的實施例中，本文揭示之用於使用相位角調整以控制與電漿密度獨立之離子能量的系統及方法，可用以基於所沉積的膜層之特定特性以控制每一所沉積膜層的應力。應理解本文揭示之用於使用相位角調整以控制與電漿密度獨立之離子能量的系統及方法，可用以基本上控制相依於離子能量之所沉積的膜之任何參數。
雖然上述本發明為了清楚理解的目的已以一些細節加以描述，但顯然地，某些改變與修改可在隨附申請專利範圍的範疇內加以實施。因此，本發明的實施例係被視為說明性而非限制性的，且本發明係非限制於此處提供的細節，而是可在描述之實施例的範疇及等同物之內加以修改。
1‧‧‧處理工作站
2‧‧‧處理工作站
3‧‧‧處理工作站
4‧‧‧處理工作站
100‧‧‧晶圓處理系統
100A‧‧‧晶圓處理系統
101‧‧‧晶圓
102‧‧‧腔室
102a‧‧‧上腔部
102b‧‧‧下腔部
104‧‧‧RF電源
104A‧‧‧RF電源
106‧‧‧匹配網路
106(1)‧‧‧匹配網路
106(N)‧‧‧匹配網路
108‧‧‧製程輸入及控制指令/程式
110‧‧‧控制模組
112‧‧‧氣體供應系統
114‧‧‧處理氣體（處理氣體供應部）
122‧‧‧升降銷控制部
124‧‧‧承載環升降及/或旋轉控制訊號
140‧‧‧基座
140A‧‧‧基座
141‧‧‧柱
143‧‧‧排氣出口
150‧‧‧電極
150A‧‧‧電極
180‧‧‧蜘蛛叉
200‧‧‧承載環
220‧‧‧接合及旋轉機構
250‧‧‧RF方向控制模組
251‧‧‧介電體
252‧‧‧導電結構
253‧‧‧加熱元件
254‧‧‧電極
255‧‧‧加熱器電源
300‧‧‧多工作站式處理工具
302‧‧‧入站裝載鎖定部
304‧‧‧出站裝載鎖定部
306‧‧‧機器人
308‧‧‧晶圓傳送盒
310‧‧‧大氣埠
312‧‧‧機器人
316‧‧‧腔室轉移埠
404a‧‧‧晶圓支座
404b‧‧‧晶圓支座
404c‧‧‧晶圓支座
404d‧‧‧晶圓支座
404e‧‧‧晶圓支座
404f‧‧‧晶圓支座
406a‧‧‧凹部
406b‧‧‧凹部
406c‧‧‧凹部
410‧‧‧環形表面
412a‧‧‧承載環支座
412b‧‧‧承載環支座
412c‧‧‧承載環支座
413‧‧‧凹部
420‧‧‧中心軸
422‧‧‧頂部表面直徑
424‧‧‧外徑
501(1)‧‧‧RF產生器（射頻訊號產生器）
501(N)‧‧‧RF產生器（射頻訊號產生器）
503‧‧‧相位控制器
505(1)‧‧‧陷波濾波器
505(N)‧‧‧陷波濾波器
507‧‧‧組合器模組
509‧‧‧導電層
510‧‧‧單一輸出線
511(1)‧‧‧傳輸線
511(N)‧‧‧傳輸線
圖1A根據本發明的一些實施例說明晶圓處理系統，其係配置成在晶圓上執行電漿加強膜沉積製程。
圖1B根據本發明的一些實施例說明晶圓處理系統，該晶圓處理系統係建構成在晶圓上執行原子層沉積（ALD）製程（例如ALD氧化物製程）。
圖2根據本發明的一些實施例顯示包含四個處理工作站之多工作站式處理工具的頂視圖。
圖3根據本發明的一些實施例顯示多工作站式處理工具之實施例的示意圖，該多工作站式處理工具與入站裝載鎖定部及出站裝載鎖定部介接。
圖4根據本發明的一些實施例顯示基座的一示例，該基座係配置成接收晶圓進行沉積製程（諸如原子層沉積（ALD）製程）。
圖5根據本發明的一些實施例顯示一電漿處理系統，其係配置成實施電性不對稱效應（EAE）控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。
圖6根據本發明的一些實施例顯示另一電漿處理系統，其係配置成實施EAE控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。
圖7根據本發明的一些實施例顯示另一電漿處理系統，其係配置成實施EAE控制以提供離子能量通量及峰值離子能量的獨立調節，以控制由電漿離子行為造成之在膜沉積結果中的變化。
圖8根據本發明的一些實施例顯示對應於使用約10°的EAE相位角關係及對應於使用約55°的EAE相位角關係之整個晶圓所沉積之膜厚度輪廓的圖。
圖9根據本發明的一些實施例顯示執行電漿製程以在晶圓上沉積膜之方法的流程圖。

Claims (24)

  1. 一種執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，包含： 將該晶圓配置在曝露於一電漿產生區域之一基座的一頂部表面上； 將一處理氣體成分供應至該電漿產生區域，該處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體； 產生至少兩個不同頻率的射頻訊號，其中該至少兩個不同頻率的最低者係基本頻率，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈一偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈一固定相位關係； 將產生的射頻訊號供應至一電極，以傳輸進該電漿產生區域，該等射頻訊號在該電漿產生區域之內將該處理氣體成分轉變成電漿，該電漿在該晶圓上造成膜的沉積； 調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係，以控制在該晶圓上所沉積的膜之參數。
  2. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，進一步包含： 針對該等產生的射頻訊號之每一者，提供一獨立的阻抗匹配。
  3. 如申請專利範圍第2項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，進一步包含： 將至少兩個不同頻率的該等射頻訊號組合至一單一輸出線上以傳輸至該電極。
  4. 如申請專利範圍第3項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，將該等射頻訊號組合的步驟包含：在將該等射頻訊號每一者傳輸至該單一輸出線之前，處理該等射頻訊號的每一者，以將頻率不同於所處理之射頻訊號之頻率的訊號濾出。
  5. 如申請專利範圍第4項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，產生至少兩個不同頻率之射頻訊號的步驟包含：產生具有約13.56 MHz之頻率的第一射頻訊號，及產生具有約27.12 MHz之頻率的第二射頻訊號，且其中，控制該至少兩個不同頻率之每一者之射頻訊號之間的相位角關係之步驟包含：控制在該第一射頻訊號與該第二射頻訊號之間的相位角關係。
  6. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該至少一轟擊氣體包含一單原子貴重氣體。
  7. 如申請專利範圍第6項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該至少一轟擊氣體缺乏振動或旋轉的分子模式。
  8. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該至少一轟擊氣體係氬。
  9. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該電漿製程係一使用電漿的原子層沉積製程。
  10. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該電漿製程係一使用電漿的化學氣相沉積製程。
  11. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，藉由調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係而加以控制之膜的參數，包含膜的密度、膜的應力、膜的折射率、及膜中之少數材料物種之含量的其中一者以上。
  12. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，調整在該至少兩個不同頻率之每一者的射頻訊號之間的相位角關係係加以執行，以抑制在電漿內的電漿團形成。
  13. 如申請專利範圍第1項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的方法，其中，該至少一轟擊氣體對於緻密化在該晶圓上所沉積的膜係有效的。
  14. 一種執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，包含： 一基座，具有配置成支撐該晶圓的一頂部表面； 一電漿產生區域，在該基座的該頂部表面之上加以形成； 一處理氣體供應部，配置成將一處理氣體成分供應至該電漿產生區域，該處理氣體成分包含氧及至少一轟擊氣體； 一電極，在該電漿產生區域附近加以設置，以將來自該電極的射頻訊號傳送進該電漿產生區域；及 一射頻電源，配置成將不同頻率的多個射頻訊號同時供應至該電極，其中該等不同頻率的最低者係基本頻率，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈一偶數諧波關係，且其中具有大於該基本頻率之頻率的每一射頻訊號係與該基本頻率的射頻訊號呈一固定相位關係，具有各別頻率的該多個射頻訊號設定成將該處理氣體成分在該電漿產生區域之內轉變成電漿以在該晶圓上造成膜沉積，該射頻電源亦包含一相位控制器，該相位控制器係配置成提供在該多個射頻訊號之每一者之間之相位角關係的可變控制，其中該相位角關係的調整係用以控制在該晶圓上所沉積的膜之一參數。
  15. 如申請專利範圍第14項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該射頻電源包含多個射頻訊號產生器，用於分別產生該多個射頻號的每一者。
  16. 如申請專利範圍第15項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該相位控制器係連接至該多個射頻訊號產生器的每一者，該相位控制器係配置成提供在分別由該多個射頻訊號產生器產生之該多個射頻訊號之任一對之間之相位角關係的可變控制。
  17. 如申請專利範圍第15項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該射頻電源包含分別連接至該多個射頻訊號產生器之輸出多個匹配網路，使得該多個射頻訊號產生器的每一者係連接至該多個匹配網路其中的獨立一者。
  18. 如申請專利範圍第17項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該射頻電源包含一組合器模組，該組合器模組具有複數輸入連接至該多個匹配網路之輸出，該組合器模組係配置成，將作為來自對應於該多個射頻訊號產生器之該多個匹配網路的輸出之該多個射頻訊號之每一者的淨化版本，組合至該組合器模組的一單一輸出線上以傳送至該電極。
  19. 如申請專利範圍第18項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中該組合器模組包含多個陷波濾波器，其中該多個陷波濾波器的每一者係加以連接，以接收來自該多個匹配網路之相應一者的射頻訊號，其中該多個陷波濾波器的每一者係配置成減少及/或消除在一窄頻範圍之外的訊號，且其中該多個陷波濾波器的輸出係連接至該組合器模組的該單一輸出線。
  20. 如申請專利範圍第19項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中該多個陷波濾波器的任何給定一者係配置成傳遞對應於該多個射頻訊號產生器之特定一者之頻率的訊號，該多個陷波濾波器的該給定一者係藉由該多個匹配網路之其相應一者連接至該多個射頻訊號產生器的該特定一者，且其中該多個陷波濾波器之該給定一者係配置成減少及/或消除具有對應於與該多個射頻訊號產生器之該特定一者不同之該多個射頻訊號產生器之其他者之頻率的訊號，該多個陷波濾波器之該給定一者係藉由該多個匹配網路之其相應一者連接至該多個射頻訊號產生器的該特定一者。
  21. 如申請專利範圍第20項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該多個陷波濾波器的每一者包含多個陷波濾波器。
  22. 如申請專利範圍第19項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中，該組合器模組包含獨立的傳輸線，該等獨立的傳輸線係加以配置以將多個陷波濾波器的輸出分別連接至該組合器模組的該單一輸出線，且其中，該等獨立的傳輸線之每一者具有個別規定的長度，以允許一特定射頻訊號頻率的獨立負載阻抗最佳化。
  23. 如申請專利範圍第14項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中該電極係位在該電漿產生區域上方，且其中該基座包含電連接至一參考接地電位的一接地電極。
  24. 如申請專利範圍第14項之執行一電漿製程以在一晶圓上沉積一膜的系統，其中該電極係位在該基座之內，且其中該系統包含位在該電漿產生區域上方的一接地電極，該接地電極係電連接至一參考接地電位。
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