TW201833965A - 產生離子能量分佈函數（iedf） - Google Patents

產生離子能量分佈函數（iedf） Download PDF

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Abstract

本案是使用成形脈衝偏壓產生任意形狀的離子能量分佈函數的系統和方法。在一實施例中，一種方法包括以下步驟：向處理腔室的電極施加正跳變電壓以中和晶圓表面，向電極施加負跳變電壓以設定晶圓電壓，及調變晶圓電壓的波幅以產生預定數量的脈衝以決定離子能量分佈函數。在另一實施例中，一種方法包括以下步驟：向處理腔室的電極施加正跳變電壓以中和晶圓表面，向電極施加負跳變電壓以設定晶圓電壓，及向電極施加過度補償晶圓上的離子電流之斜坡電壓或向電極施加對晶圓上的離子電流補償不足的斜坡電壓。

Description

產生離子能量分佈函數（IEDF）
本揭示的實施例一般係關於用於處理基板的系統和方法，具體言之，係關於用於基板的電漿處理的系統和方法。
典型的反應離子蝕刻（RIE）電漿處理腔室包括射頻（RF）偏壓產生器（其向「功率電極」提供RF電壓）、嵌入「靜電吸盤」（ESC）中的金屬底板（更常被稱為「陰極」）。圖1（a）繪示將供應給典型處理腔室中的功率電極的典型RF電壓的線圖。功率電極透過作為ESC組件的一部分的陶瓷層電容耦合到處理系統的電漿。電漿鞘的非線性、類二極體特性導致施加的RF場整流，使得在陰極和電漿之間出現直流（DC）電壓降或「自偏壓」。該電壓降決定往陰極加速的電漿離子的平均能量，及因此決定了蝕刻各向異性（anisotropy）。
更具體言之，離子方向性、特徵分佈和對遮罩與終止層的選擇性由離子能量分佈函數（IEDF）控制。在具有RF偏壓的電漿中，IEDF通常在低能量和高能量下具有兩個峰，且在其間有一些離子群。在IEDF的兩個峰之間離子群的存在反映陰極和電漿之間的電壓降以偏壓頻率振蕩的事實。當使用較低頻率（如2MHz）的RF偏壓產生器來獲得較高的自偏壓電壓時，這兩個峰之間的能量差異可能是顯著的，且由於離子在低能量峰，蝕刻為更具有均向性（isotropic），而可能導致特徵壁曲折（bowing）。相較於高能離子，在到達特徵底部的角落處（例如由於充電效應）低能離子的效率不佳，但使得有較少的遮罩材料的濺射。這在高深寬比蝕刻應用中是重要的，如硬遮罩開口。
隨著特徵尺寸繼續減小且深寬比增加，同時特徵分佈控制要求變得更加嚴格，在處理期間，更需要在基板表面具有良好控制的IEDF。單峰IEDF可以用於構建任何IEDF，包括具有獨立控制的峰高和能量的雙峰IEDF，這對於高精度電漿處理非常有益。產生單峰IEDF需要基板表面相對於電漿具有幾乎恆定的電壓，即決定離子能量的鞘電壓（sheath voltage）。假設時間常數的電漿電位（其通常接近零或處理電漿中的接地電位），則這需要基板相對於地面（即基板電壓）維持幾乎恆定的電壓。這無法簡單地將直流電壓施加到功率電極來實現，因為離子電流恆定地對基板表面充電。如此一來，所有施加的直流電壓將在基板和ESC的陶瓷部分（即吸盤電容）上降低（drop），而不是在電漿鞘（即鞘電容）。為了克服這個問題，已經開發了一種特殊的成形脈衝偏壓方案，其使得所施加的電壓在吸盤和鞘電容之間被分開（我們忽略了基板上的電壓降，因為它的電容通常遠大於鞘電容）。此方案為離子電流提供補償，允許鞘電壓和基板電壓在高達每個偏壓電壓週期的90％期間保持恆定。更準確地說，此偏壓方案允許保持特定的基板電壓波形，其可以被描述為負直流偏移（negative dc-offset，圖1（b））頂部上的一週期性系列的短正脈衝。在每個脈衝期間，基板電位達到電漿電位且鞘短暫崩潰（collapse），但是對於每個週期的90％左右，鞘電壓保持恆定且等於每個脈衝結束時的負電壓跳變，從而決定平均離子能量。圖1（a）繪示經發展產生此特定基板電壓波形的特殊成形脈衝偏壓電壓波形的線圖，且特殊成形脈衝偏壓電壓波形因而能夠保持鞘電壓幾乎恆定。如圖2所示，成形脈衝偏壓波形包括：（1）正跳轉，用於去除補償階段期間累積在吸盤電容上的額外電荷； （2）負跳變（VOUT ），用於設定鞘電壓（VSH ）的值-即，VOUT 在串聯連接的吸盤和鞘電容器之間分開，以及因此決定（但通常大於）基板電壓波形的負跳變；及（3）負電壓斜坡，用於在這個長的「離子電流補償階段」期間補償離子電流並保持鞘電壓恆定。我們強調，可以有其他的成形脈衝偏壓波形，其亦允許維持圖1（b）所示的特定基板電壓波形（以幾乎恆定的鞘電壓為特徵），及因此能夠產生單一能量IEDF。例如，若靜電吸盤電容遠大於鞘電容，則上面（3）所述的負電壓斜坡階段可以用恆定電壓階段代替。以下所提的部分系統和方法亦可以用這些其他的成形脈衝偏壓波形來實現，且我們將在適用的情況下對此進行特別說明。
儘管單峰IEDF被廣泛認為是改善選擇性和特徵曲線之非常理想的IEDF形狀，但是在一些蝕刻應用中，需要具有不同形狀的IEDF，例如更寬形狀的IEDF。
本說明書提供了使用成形脈衝偏壓來產生任意形狀的離子能量分佈函數的系統和方法。
在一些實施例中，一種方法包括以下步驟：將成形的脈衝偏壓施加到處理腔室的電極且以預定的方式調變負電壓跳變（VOUT ）的波幅以及因此調變鞘電壓（VSH ），使得在特定波幅的相對數量的脈衝決定與特定波幅對應之離子能量的相對離子比率。我們強調這個方案可以用允許維持圖1（b）所示的特定基板電壓波形（以幾乎恆定的鞘電壓為特徵）之任何成形脈衝偏壓波形（不一定是圖1（a）所示的），及因此能夠產生單一能量IEDF。
在一些其他實施例中，一種方法包括以下步驟：用圖1（a）中所示的電壓波形施加成形脈衝偏壓，以及在離子補償階段期間產生具有比維持恆定基板電壓所需的負斜率（dV/dt）更多負斜率（more negative slope）的電壓斜坡，即過度補償（overcompensate）離子電流。在一些其他實施例中，一種方法包括以下步驟：用圖1（a）中所示的電壓波形施加成形脈衝偏壓，以及在離子補償階段期間產生具有比維持恆定基板電壓所需的負斜率（dV/dt）較少負斜率（less negative slope）的電壓斜坡，即對離子電流補償不足（undercompensate）。
本揭示的其他和進一步的實施例描述如下。
本說明書提供了使用成形脈衝偏壓來產生任意形狀的離子能量分佈函數的系統和方法。本發明的系統和方法有利地藉由調變成形脈衝偏壓波形的波幅來產生任意形狀的離子能量分佈函數（IEDF）。本發明方法的實施例可以有利地提供電壓波形的成形，以提供任意的IEDF形狀，例如具有更寬輪廓的IEDF。在本說明書的描述中，術語晶圓和基板可以互換使用。
圖2繪示其中可以應用根據本原理的實施例之基板處理系統200的高階示意圖。圖2的基板處理系統200示例性地包括基板支撐組件205和偏壓供應230。在圖2的實施例中，基板支撐組件205包括基板支撐基座210、功率電極213和將功率電極213與基板支撐組件205的表面207分離的陶瓷層214。在各種實施例中，圖2的系統200可以包括電漿處理腔室的部件，如可從加利福尼亞州聖克拉拉的應用材料公司（Applied Materials，Inc.）取得的SYM3® 、DPS® 、ENABLER® 、ADVANTEDGETM 和AVATARTM 或其他處理腔室。
在一些實施例中，偏壓供應230包括用於儲存控制程式的記憶體和用於執行控制程式的處理器，以根據本說明書所述原理的實施例，控制由偏壓供應230將提供給功率電極213的電壓及至少調變晶圓電壓的波幅以產生預定數量的脈衝，以及或者或甚者，向電極施加負跳變電壓以設定晶圓的晶圓電壓，或向電極施加對晶圓上的離子電流過度補償或補償不足的斜坡電壓。在替代實施例中，圖2的基板處理系統200可以包括可選的控制器220，其包括用於儲存控制程式的記憶體和用於執行與偏壓供應230通信的控制程式的處理器，用於根據本說明書所述之本發明原理的實施例來至少控制由偏壓供應230將提供給功率電極213的電壓，以及至少調變晶圓電壓的波幅以產生預定數量的脈衝，以及或者或甚者，將負跳變電壓施加到電極以設定晶圓的晶圓電壓或向電極施加對晶圓上的離子電流過度補償或補償不足的斜坡電壓。
在操作中，待處理的基板定位在基板支撐基座210的表面上。在圖2的系統200中，來自偏壓供應230的電壓（成形脈衝偏壓）提供到功率電極213。電漿鞘的非線性、類二極體特性導致施加的RF場整流，使得在陰極和電漿之間出現直流（DC）電壓降或「自偏壓」。 該電壓降決定往陰極加速的電漿離子的平均能量。離子方向性和特徵曲線由離子能量分佈函數（IEDF）控制。根據本說明書所述之本原理的實施例，偏壓供應230可以向功率電極213供應特殊成形脈衝偏壓。此偏壓方案允許保持特定的基板電壓波形，其可以被描述為負直流偏移（negative dc-offset，圖1（b））頂部上的一週期性系列的短正脈衝。在每個脈衝期間，基板電位達到電漿電位且鞘短暫崩潰（collapse），但是對於每個週期的90％左右，鞘電壓保持恆定且等於每個脈衝結束時的負電壓跳變，從而決定平均離子能量。
重新參照圖1（a），成形脈衝偏壓信號的波幅以及晶圓電壓由Vout 表示。發明人決定，在根據本原理的至少一些實施例中，可以藉由調變成形脈衝偏壓信號的波幅和頻率來控制IEDF的形狀。該方法包括以下步驟：將成形的脈衝偏壓施加到處理腔室的電極且以預定的方式調變負電壓跳變（VOUT ）的波幅以及因此調變鞘電壓（VSH ），使得在特定波幅的相對數量的脈衝決定與特定波幅對應之離子能量的相對離子比率。每個波幅的脈衝數量必須足以引起從一個鞘電壓到下一個鞘電壓的轉換，在此期間建立相應的ESC電荷。接著在處理步驟的期間一次又一次重複包含具有給定波幅（圖3）的脈衝列（trains of pulses）之脈衝串（burst）。有效脈衝串（相位開啟（on-phases））可以與休止（silence）週期（相位關閉（off-phases））交錯。每個相位開啟持續時間相對於脈衝串的總持續時間（合併開啟與關閉相位）由工作週期決定，及脈衝串的總持續時間（週期）等於脈衝串頻率的倒數。或者，每個脈衝串可由具有給定（和相同）波幅的一系列脈衝組成，及接著使用具有不同波幅的脈衝列來界定IEDF。具有給定波幅的相對數量的脈衝串決定了在特定能量下離子的相對比例，及這些脈衝串中的脈衝的負跳變波幅（VOUT ）決定了離子能量。接著，在製作方法步驟的持續時間內反覆重複預定的脈衝列。例如，為了產生一個包含在低能量峰中有25％離子及包含在高能峰值中有75％離子的雙峰IEDF，該脈衝列需要由具有對應於高離子能量的負跳變波幅的3脈衝串以及具有對應於低離子能量的波幅的1脈衝串組成。此類脈衝列可以被稱為「HHHL」。反過來，為了產生具有相同高度的3個能量峰的IEDF（高（H）、中（M）和低（L）），需要具有對應於H、M和L離子能量的不同波幅的3個脈衝串之脈衝列，且可以被稱為「HML」。由具有預定負跳變波幅的單一脈衝串（具有開啟和關閉相位）組成的一脈衝列產生單峰IEDF。我們強調這個方案可以用允許維持圖1（b）所示的特定基板電壓波形（以幾乎恆定的鞘電壓為特徵）之任何成形脈衝偏壓波形（不一定是圖1（a）所示的），及因此能夠產生單一能量IEDF。
例如，圖3繪示根據本原理的實施例之將要由電源供應提供到處理腔室電極以設定基板電壓值的電壓脈衝的線圖。在圖3的實施例中，晶圓電壓的全跳決定離子能量，而對應於電壓跳變的脈衝數量（如總持續時間）決定在此能量下（即IEDF）的相對離子比率。
圖4繪示根據本原理的實施例之針對圖3的所選電壓脈衝得到的IEDF的圖形表示。如圖4所示，圖3的多個電壓脈衝導致更寬的IEDF，這在需要更寬離子能量分佈的硬遮罩開口高深寬比蝕刻的應用中可以是有利的。
根據本原理，由電源供應提供給處理腔室電極的電壓脈衝的波幅和頻率的控制能夠提供特定蝕刻製程與應用所需的良好控制及良好界定的IEDF形狀。
在根據本原理的另一個實施例中，一種方法包括以下步驟：用圖1（a）中所示的電壓波形施加成形脈衝偏壓，以及在離子補償階段期間產生具有比維持恆定基板電壓所需的負斜率（dV/dt）更多負斜率的電壓斜坡，即過度補償離子電流。這促成圖6所示的基板電壓波形，其中在離子電流補償階段期間基板電壓的波幅（以及鞘電壓和瞬時離子能量）增加。這產生圖7所示的離子能量擴展和非單能IEDF，其中IEDF寬度由施加的形狀脈衝偏壓波形的負斜率控制。例如，根據本原理的一個實施例，圖5繪示修改圖1（a）的特定成形脈衝以對為晶圓充電的離子電流過渡補償之線圖。如圖5所示，圖1（a）意欲對為晶圓充電的離子電流補償的電壓斜坡在本原理的圖5特定成形脈衝中被修改，以對為晶圓充電的離子電流作過度補償。如圖5所示，圖1意欲中和晶圓表面的正跳變不再中和本原理的圖5的特定成形脈衝中的晶圓表面。
圖6繪示由圖5的特定成形脈衝偏壓所得的晶圓上的感應電壓脈衝的圖。如圖6所示，電壓跳變決定離子能量，而能量寬度由循環期間的最小和最大晶圓電壓跳變決定。
圖7繪示根據本原理的實施例針對圖6的電壓脈衝的所得到的IEDF的圖形表示。如圖7所示，圖5過度補償的特定成形脈衝之施用所產生的IEDF包括更寬的雙峰分佈，其中Vmin 和Vmax 決定IEDF寬度，但是不一定與能量峰重合。根據本原理的過度補償能夠實現比藉由混合2個RF頻率（如2和13.56MHz）可以實現的更高的控制精度。
在根據本原理的另一個實施例中，一種方法包括以下步驟：用圖1（a）所示的電壓波形施加成形脈衝偏壓，以及在離子補償階段期間產生具有比維持恆定基板電壓所需的負斜率（dV/dt）較少負斜率的電壓斜坡，即對離子電流補償不足。這促成圖6所示的基板電壓波形，其中在離子電流補償階段期間基板電壓的波幅（以及鞘電壓和瞬時離子能量）減少。這產生圖7所示的離子能量擴展和非單能IEDF，其中IEDF寬度由施加的形狀脈衝偏壓波形的負斜率控制。例如，回到圖5，根據本原理的一個實施例，圖5繪示修改圖1的特定成形脈衝以對為晶圓充電的離子電流過渡補償之線圖。如圖5所示，圖1意欲對為晶圓充電的離子電流補償的電壓斜坡在本原理的圖5特定成形脈衝中被修改，以對為晶圓充電的離子電流補償不足。如圖5所示，圖1意欲中和晶圓表面的正跳變不再中和本原理的圖5的特定成形脈衝中的晶圓表面。
參考回圖7，繪示針對根據本原理的實施例補償不足所得的IEDF的圖形表示。如圖7所示，圖5補償不足的特定成形脈衝之施用所產生的IEDF包括更寬的單峰分佈。
圖8繪示根據本原理的實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。方法800可以在802開始，在此期間向處理腔室的電極施加正跳變電壓以中和晶圓表面。方法800接著可以進行到804。
在804，向該電極施加負跳變電壓以設定晶圓電壓。方法800接著可以進行到806。
在806，調變晶圓電壓的波幅以產生預定數量的脈衝以決定離子能量分佈函數。接著可以退出方法800。
圖9繪示根據本原理的另一實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。方法900可以在902開始，在此期間向處理腔室的電極施加正跳變電壓以中和晶圓表面。方法900接著可以進行到904。
在904，向該電極施加負跳變電壓以設定晶圓電壓。方法900接著可以進行到906。
在906，向該電極施加過度補償晶圓上的離子電流之一斜坡電壓。接著可以退出方法900。
圖10繪示根據本原理的另一實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。方法1000可以在1002開始，在此期間向處理腔室的電極施加正跳變電壓以中和晶圓表面。方法1000接著可以進行到1004。
在1004，向該電極施加負跳變電壓以設定晶圓電壓。方法1000接著可以進行到1006。
在1006，向該電極施加對晶圓上的離子電流補償不足的一斜坡電壓。接著可以退出方法1000。
儘管前面所述係針對本揭示的實施例，但在不背離本發明基本範圍下，可設計本揭示揭露的其他與進一步的實施例。
200‧‧‧處理系統
205‧‧‧基板支撐系統
207‧‧‧表面
210‧‧‧基板支撐基座
213‧‧‧功率電極
214‧‧‧陶瓷
220‧‧‧控制器
230‧‧‧偏壓供應
800‧‧‧方法
802‧‧‧步驟
804‧‧‧步驟
806‧‧‧步驟
900‧‧‧方法
902‧‧‧步驟
904‧‧‧步驟
906‧‧‧步驟
1000‧‧‧方法
1002‧‧‧步驟
1004‧‧‧步驟
1006‧‧‧步驟
本揭示之實施例已簡要概述於前，並在以下有更詳盡之論述，可以藉由參考所附圖式中繪示之本揭示實施例以作瞭解。然而，所附圖式僅繪示了本揭示的典型實施例，而由於本揭示可允許其他等效之實施例，因此所附圖式並不會視為本揭示範圍之限制。
圖1（a）繪示經發展能夠保持鞘電壓恆定的特殊成形脈衝的線圖。
圖1（b）繪示由圖1（a）的偏壓方案所產生的特定基板電壓波形的線圖，其允許鞘電壓和基板電壓在高達每個偏壓電壓週期的90％期間保持恆定。
圖1（c）繪示由圖1（a）的偏壓方案所得到的單峰IEDF的線圖。
圖2繪示在可以應用根據本原理的實施例中的基板處理系統。
圖3繪示根據本原理的實施例用於設定基板電壓的值的電壓脈衝的線圖。
圖4繪示根據本原理的實施例之圖3的所選電壓脈衝得到的IEDF的圖形表示。
圖5繪示根據本原理的實施例修改圖1的特殊成形脈衝以對離子電流過度補償及補償不足之線圖。
圖6繪示由圖5的特定成形脈衝偏壓所得的晶圓上的感應電壓脈衝的圖。
圖7繪示根據本原理的實施例針對圖6的電壓脈衝的所得到的IEDF的圖形表示。
圖8繪示根據本原理的實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。
圖9繪示根據本原理的另一實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。
圖10繪示根據本原理的另一實施例的用於產生任意形狀的離子能量分佈函數的方法的流程圖。
為便於理解，在可能的情況下，使用相同的數字編號代表圖示中相同的元件。為求清楚，圖式未依比例繪示且可能被簡化。一個實施例中的元件與特徵可有利地用於其他實施例中而無需贅述。
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Claims (20)

  1. 一種方法，包括以下步驟： 向一處理腔室的一電極施加一負跳變電壓來為一晶圓設定一晶圓電壓；及 調變該晶圓電壓的一波幅以產生一預定數量的脈衝，其中一特定波幅的一相對數量的脈衝決定與該特定波幅對應之一離子能量的一相對離子比率。
  2. 如請求項1所述之方法，包括以下步驟： 向該處理腔室的該電極施加一正跳變電壓以中和該晶圓的一表面。
  3. 如請求項2所述之方法，其中在施加該負跳變電壓之前，將該正跳變電壓施加到該處理腔室的該電極。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該晶圓電壓的該波幅的該調變控制一所得到的離子能量分佈函數的一特徵分佈。
  5. 如請求項1所述之方法，其中調變該晶圓電壓的波幅以產生一所需的離子能量分佈函數。
  6. 如請求項5所述之方法，其中產生該所需的離子能量分佈函數以在該晶圓上感應一特定的偏壓電壓波形。
  7. 如請求項1所述之方法，包括以下步驟： 在不同的時間點調變該晶圓電壓以產生具有多於一個能量峰值的一離子能量分佈函數。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該等能量峰值的各者之一離子比率是由在該等不同時間點該晶圓電壓的一相應調變期間所產生的數個脈衝所決定。
  9. 如請求項1所述之方法，包括以下步驟： 以不同波幅調變晶圓電壓以產生具有不同波幅的多於一個能量峰值的一離子能量分佈函數。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該等能量峰值的各者之一離子比率是由以該等不同波幅之該晶圓電壓的一相應調變期間所產生的數個脈衝所決定。
  11. 一種方法，包括以下步驟： 向一處理腔室的一電極施加一正跳變電壓以中和一晶圓的一表面； 向該電極施加一負跳變電壓來為該晶圓設定一晶圓電壓；及 向該電極施加過度補償該晶圓上的離子電流之一斜坡電壓。
  12. 如請求項11所述之方法，其中向該電極施加過度補償該晶圓上的離子電流之一斜坡電壓的步驟包括以下步驟：向該電極施加一斜坡電壓，該斜坡電壓包括比維持該晶圓上的一恆定電壓所需的負斜率更多負斜率的一斜率。
  13. 如請求項11所述之方法，其中在該晶圓上感應的一電流的一最小電壓和一最大電壓決定一所得到的離子能量分佈函數的一寬度。
  14. 如請求項11所述之方法，包括以下步驟： 調整該斜坡電壓的一斜率以產生一所需的離子能量分佈函數。
  15. 如請求項14所述之方法，其中產生該所需的離子能量分佈函數以在該晶圓上引起一特定的偏壓電壓波形。
  16. 一種方法，包括以下步驟： 向一處理腔室的一電極施加一正跳變電壓以中和一晶圓的一表面； 向該電極施加一負跳變電壓來為該晶圓設定一晶圓電壓；及 向該電極施加對該晶圓上的離子電流補償不足的一斜坡電壓。
  17. 如請求項16所述之方法，其中向該電極施加對該晶圓上的離子電流補償不足的一斜坡電壓的步驟包括以下步驟：向該電極施加一斜坡電壓，該斜坡電壓包括比維持該晶圓上的一恆定電壓所需的負斜率較少負斜率的一斜率。
  18. 如請求項16所述之方法，其中在該晶圓上感應的一電流的一最小電壓和一最大電壓決定一所得到的離子能量分佈函數的一寬度。
  19. 如請求項16所述之方法，包括以下步驟： 調整該斜坡電壓的一斜率以產生一所需的離子能量分佈函數。
  20. 如請求項19所述之方法，其中產生該所需的離子能量分佈函數以在該晶圓上感應一特定的偏壓電壓波形。
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