TW202110286A

TW202110286A - 一種電漿處理器及其處理方法

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Publication number: TW202110286A
Application number: TW109123970A
Authority: TW
Inventors: 圖強倪; 涂樂義
Original assignee: 大陸商中微半導體設備（上海）股份有限公司
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2021-03-01
Also published as: CN110310878A; CN110310878B; TWI829948B; US20210066043A1; US11545342B2

Abstract

本發明提供一種電漿處理器，包括：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有晶圓；源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；第一偏壓射頻電源和第二偏壓射頻電源，第一偏壓射頻電源輸出第一頻率射頻訊號，第二偏壓射頻電源輸出第二頻率射頻訊號，第一頻率小於第二頻率，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號疊加後形成週期性的第一疊加訊號，並施加到基座；控制器，用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段。

Description

一種電漿處理器及其處理方法

本發明涉及半導體加工設備領域，特別涉及一種電漿處理裝置以及處理方法。

真空處理設備廣泛應用於半導體工業，其中的電漿處理設備和化學氣相沉積設備是最主要的真空處理裝置。電漿處理裝置借助於射頻耦合放電產生電漿，進而利用電漿進行沉積、刻蝕等加工製程。

在電漿刻蝕過程中，通常會用到兩個射頻電源：源射頻電源和偏壓射頻電源。源射頻電源輸出高頻射頻訊號（例如60MHz）以激發氣體產生電漿，主要控制電漿的濃度。偏壓射頻電源輸出低頻射頻訊號（例如2MHz或13MHz），主要控制電漿中的離子轟擊基片的能量。電漿的濃度和離子轟擊能量對刻蝕速率會產生重要影響。因此，業界一直在尋找提高電漿的濃度和離子轟擊能量的方法。尤其在高深寬比（High Aspect Ratio，HAR）的刻蝕應用中，更突顯出重要性。電漿的濃度主要由源射頻電源控制，因此通常透過提高源射頻電源的功率來提高電漿的濃度。對於增強電漿中的離子轟擊基片的能量，主要透過增加基片表面的鞘層電壓來實現，有以下兩種方法：1）增加偏壓射頻電源的功率以提高基片表面的鞘層電壓。電漿中的離子在鞘層中獲得加速以轟擊基片，鞘層電壓越大則離子的轟擊能量越大。然而，增加偏壓射頻電源功率會產生一些負面影響，諸如腔體散熱系統會變得更加複雜，腔體零部件的壽命會因轟擊增強而縮短。2）增加腔體上下電極面積的比值。基片上的鞘層電壓與電漿處理腔體中的上下電極（即噴淋頭與靜電夾盤）的面積相關。上電極與下電極的面積比值越大，則鞘層電壓值也越大。然而，改變上下電極的尺寸會受到腔體體積的限制，尤其當腔體體積確定時，很難對上下電極的面積進行隨意的更改。因此，這種方法的靈活性較差。

因此，業內需要研發新的增強電漿中的離子轟擊基片能量的方法。這種方法在高深寬比的刻蝕過程具有特別的優勢。

本發明提供了一種電漿處理器，包括：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有晶圓；源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；第一偏壓射頻電源和第二偏壓射頻電源，第一偏壓射頻電源輸出第一頻率射頻訊號，第二偏壓射頻電源輸出第二頻率射頻訊號，第一頻率小於第二頻率，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號疊加後形成週期性的第一疊加訊號，並被施加到基座；控制器，用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的頻率，使得第二頻率是第一頻率的兩倍。

較佳地，第一頻率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，第二頻率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的相位，使得第二頻率射頻訊號與第一頻率射頻訊號的相位差在-75度至-105度之間。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值，使得第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值之比介於4:1~2.8:1。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的相位和幅值，使得第二頻率射頻訊號與第一頻率射頻訊號的相位差為-90度，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值之比是3:1。

較佳地，第一疊加訊號的下降階段的時長小於第一疊加訊號的週期總時長的35%。

較佳地，電漿處理器進一步包括第一匹配電路、第二匹配電路和濾波器，第一匹配電路設置在第一偏壓射頻電源和反應腔之間，第二匹配電路設置在第二偏壓射頻電源和反應腔之間，濾波器設置在第一匹配電路和第二匹配電路之間。

較佳地，電漿處理器進一步包括：第三偏壓射頻電源，用於輸出第三頻率射頻訊號，第三頻率大於第一頻率和第二頻率，第三頻率射頻訊號和第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號經疊加後形成第二疊加訊號，並被施加到基座；控制器，用於調節第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第二疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，第二疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號的頻率，使得第二頻率是第一頻率的兩倍，第三頻率是第一頻率的三倍。

較佳地，第一頻率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，第二頻率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz，第三頻率是1200kHz、1800kHz、2400kHz、3MHz。

較佳地，控制器用於調節第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號的相位和幅值，使得第二頻率射頻訊號與第一頻率射頻訊號的相位差為-90度，第三頻率射頻訊號與第一頻率射頻訊號的相位差為-180度，第一、二、三頻率射頻訊號的幅值之比是7：4：1。

本發明進一步提供了一種調節電漿處理器的輸出射頻訊號的方法，該方法在反應腔內進行，反應腔包括基座，其中該方法包括：輸出高頻射頻訊號到反應腔內；輸出第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號，第一頻率小於第二頻率，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號經疊加後形成第一疊加訊號，並被施加到電漿處理器中的基座；調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

較佳地，調節第二頻率射頻訊號的頻率是第一頻率射頻訊號的頻率的兩倍。

較佳地，該方法進一步包括：輸出第三頻率射頻訊號，第三頻率大於第一頻率和第二頻率，第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號經疊加後形成第二疊加訊號，並被施加到電漿處理器中的基座；調節第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第二疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，第二疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

較佳地，調節第二頻率射頻訊號的頻率為第一頻率射頻訊號的頻率的兩倍，調節第三頻率射頻訊號的頻率為第一頻率射頻訊號的頻率的三倍。

本發明進一步提供了一種電漿處理器，包括：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有晶圓；源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；第一偏壓射頻電源和第二偏壓射頻電源，第一偏壓射頻電源輸出第一頻率射頻訊號，第二偏壓射頻電源輸出第二頻率射頻訊號，第一頻率小於第二頻率，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號疊加後形成週期性的第一疊加訊號，並被施加到基座；控制器，用於調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：上升階段、平坦階段和下降階段，下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

本發明進一步提供了一種電漿處理器，包括：反應腔，反應腔內設置一個基座，基座上放置有晶圓；源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到反應腔內，以點燃並維持電漿；偏壓射頻電源，包括訊號發生器，用於生成週期性的近似方波，近似方波的各週期包括三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，平坦階段的時長大於週期的1/4；功率放大器，用於放大近似方波；第一濾波器，用於將放大的近似方波分離出具有第一頻率的第一射頻訊號；第二濾波器，用於將放大的近似方波分離出具有第二頻率的第二射頻訊號；第一匹配電路，用於匹配具有第一頻率的第一射頻訊號並將第一射頻訊號輸入至反應腔；第二匹配電路，用於匹配具有第二頻率的第二射頻訊號並將第二射頻訊號輸入至反應腔。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易見，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在下面的說明中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明可以進一步採用其他不同於在此書名的其它方式來實施，本領域具有通常知識者可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。

如圖1所示為一種先前技術的電容耦合電漿處理設備，包括反應腔100，反應腔100內包括導電基座22，基座作為下電極連接到兩個射頻電源32、31，其中源射頻電源32經過匹配器2輸出高頻射頻功率（HF）到基座22，偏壓射頻電源31經過匹配器1輸出偏壓/低頻射頻功率（LF）到基座22。其中源射頻電源32輸出的高頻射頻功率用於點燃並維持反應腔100內的電漿，偏壓射頻電源31輸出低頻射頻功率用於控制基片20上的偏壓電壓Vdc。基座22上的靜電夾盤21上固定有待處理的基片20，圍繞基片20和靜電夾盤21的進一步包括一個聚焦環10。與靜電夾盤21相對的反應腔100上方設置有一個圓盤形的氣體噴淋頭11，氣體噴淋頭11透過供氣管道與外部的反應氣源110連接。

如圖2所示，在點燃電漿後，反應腔內的電漿電壓為Vp，基片上表面電壓為Vw，偏壓電壓為Vdc。在該處理設備中，高頻射頻功率（HF）的頻率為60Mhz，低頻射頻功率（LF）的頻率為2Mhz，相應的週期長度分別為P1、P2。可以看到高頻射頻電壓疊加在低頻射頻電壓上，一同被送入反應腔內。在電漿處理裝置運行中電漿的阻抗會在點燃前後、輸入射頻功率、氣壓等參數變化時刻發生劇烈變化，所以需要匹配器中的主動可調元件補償這些阻抗變化，使得源射頻電源和偏壓射頻電源輸出的射頻功率能被有效輸送到反應腔內，而不是被反射回到射頻電源中，當反射功率最小化時就是阻抗匹配狀態。在阻抗匹配狀態，除了一些線路上功率損耗，絕大部分的射頻電源的功率被饋送入腔體。射頻電源的輸出訊號的功率會影響到基片上表面電壓Vw。通常，射頻電源的輸出訊號的頻率等於基片上表面電壓的頻率。並且，輸出訊號的功率越大則基片上表面的電壓幅值（Vrf）pp越大。基片上表面電壓Vw的平均值即為偏壓電壓Vdc。由於上電極（如噴淋頭）的面積大於下電極（如靜電夾盤）的面積，會形成如圖2中所示的基片上表面電壓Vw，該電壓曲線並非相對於x軸上下對稱，而是整體沿y軸向下偏移，所以偏壓電壓Vdc為負值。腔體中產生的電漿電壓為Vp。因為產生的電漿中電子和離子的運動速度不同，所以在上下電極的表面會產生鞘層，在鞘層中幾乎不存在電子且電勢向著電極下降。電漿電壓Vp減去基片上表面電壓Vw就等於基片上的鞘層電壓，鞘層電壓主要具有加速帶電離子的作用。電漿電壓Vp與偏壓電壓Vdc滿足如下的關係式： 2Vp ≈（Vrf）pp / 2 – |Vdc|。

圖3a和圖3b為電容耦合電漿處理裝置中電漿分佈形態圖。圖3a和圖3b更具體地顯示了電漿分佈和鞘層分佈的變化狀態。隨著電漿處理製程的演進，大量製程需要應用超低頻的偏壓射頻電源，其輸出的低頻射頻功率頻率普遍低於1Mhz，特別是小於等於400Khz。在圖3a中，低頻射頻電源（400Khz）輸出的電壓隨著時間變化，在一個週期（2.5us）內輸出電壓值完成一個變化循環。低頻射頻電壓同步地影響基片上表面電壓。其中當低頻射頻電壓達到最小值，下電極上具有最低的電壓，基片上表面電壓也具有最低電壓值，如圖中的T（A）時刻，這使得下電極(基座22)上方的基片表面具有最厚的第一鞘層，相應的上電極表面（上電極11及部分周圍的輔助環）具有最薄的第二鞘層，電漿被向上抬升。如圖3b所示，低頻射頻功率輸出的電壓達到最大，基片上表面電壓也達到最大值，也就是T（B）時刻，基片表面的第一鞘層厚度變成最小，上電極表面的第二鞘層具有最大值，電漿被向下壓到最低位置。在T（A）到T（B）之間的任意時刻T（X）電漿也會隨著低頻射頻功率輸出電壓的變化連續變化。由於上下電極的面積不同，其中常見的上電極面積大於下電極面積，所以這些電漿不僅會發生上下移動，而且會發生分佈形態的變化。

鞘層的厚度隨著基片上表面電壓週期性變化。當鞘層的厚度達到最大時，電漿中的離子的加速度也最大，此時離子獲得最大的轟擊能量。而當鞘層的厚度達到最小時，基片上表面電壓達到最大值，此時離子的轟擊能量最小。基片上表面電壓為正值時會對電漿濃度的增加產生一定的貢獻。電漿鞘層的電壓和厚度呈現的這種週期性變化對離子的能量分佈會產生影響。圖4的上半部分大致示出了低頻情況下的離子能量分佈函數圖。分佈圖中橫軸表示離子能量；縱軸是離子能量分佈函數，表示對應能量的離子數。通常，離子能量分佈函數在低能和高能處具有雙峰結構，分別表示離子能量集中在相應的低能和高能範圍內。由圖4的上半部分所示，在高能處，離子能量分佈函數的峰寬較大，說明高能離子分佈在一個較大的能量範圍，並不集中。而高能離子的能量集中（即能譜較窄）能使刻蝕效果更好。

因此，發明人想到了不同於先前技術中單純地透過增加基片表面的鞘層電壓來實現提高離子轟擊能量的方法，即透過調節離子能量分佈（特別是高能離子分佈）來提高離子能量，從而實現更好的刻蝕效果。發明人發現，當施加到基片上的偏壓射頻訊號為正弦訊號時，基片上表面電壓Vw隨著偏壓射頻電源電壓以正弦波緩慢變化，此時，電漿的離子能量分佈在高能區有較寬的能譜寬度。而如果施加到基片上的偏壓射頻訊號為高低電壓切換時間較短的方波或近方波，基片上表面電壓Vw隨著偏壓射頻訊號呈現快速的方波或近方波變化，電漿高能離子的能量分佈將會變得非常集中，如圖4的下半部分所示。這是因為基片上表面電壓快速從正值區域變換到負值區域時，離子在短時間內能獲得較大的加速度，從而獲得更大的轟擊能量。本發明透過組合不同射頻電源的輸出電壓訊號，使得疊加後施加到基座上的射頻訊號在高低幅值之間切換迅速，使得基片上表面電壓獲得方波或接近方波的形態。使得電漿高能離子的能量分佈集中，提高離子的轟擊能量。以下透過不同的實施例具體說明。

圖5是根據一個實施例的組合不同偏壓射頻電源所產生的基片上表面的電勢模擬圖。虛線是一個400kHz的偏壓射頻電源產生的在基片上表面電勢曲線，點實線是另一個800kHz的偏壓射頻電源產生的在基片上表面電勢曲線，實線是上述兩個電壓曲線疊加後形成的基片上表面總電勢曲線。在該實施例中，兩個偏壓射頻電源的頻率分別為400kHz和800kHz，則分別產生的在基片上表面的電勢曲線的頻率也為400kHz和800kHz。400kHz和800kHz的電勢曲線的相位差為-90度，並且幅值比為3：1。在圖5中可見的是，由上述特徵的兩個電勢曲線疊加而成的總電勢曲線具有三個相繼的階段：下降階段AB、平坦階段BC和上升階段CD。整個曲線呈現近似方波的形態。如圖5所示的總電勢曲線，在一個週期中，A點和D點為電勢的最大值，平坦階段BC是在一定時間段內（如大於400kHz射頻訊號的1/4週期，即大於約0.6us）總電勢維持在一個大致穩定的數值，在這個階段中電勢的變化幅度在一定的限度之內都是允許的，例如變化幅度在5%之內、或10%之內。由此，平坦階段BC具有第一平均電勢，在圖中以直線I示出。直線I與總電勢曲線的相交的點記為B和C。疊加後的總電勢曲線的下降階段AB比疊加前的任意一個電勢曲線的下降階段（400kHz或800kHz的電勢曲線的下降的半週期）更陡峭，即電勢的變化更迅速。如上所述，這將使得高能離子的分佈更加集中從而使得刻蝕效率更高。

從圖5所示的總電勢曲線中可知，平坦階段BC具有第一平均電勢，與之相對的在A、D處附近可以進一步定義一尖端階段，尖端階段中的輸出電壓具有最高電勢以及與最高電勢的差小於5%或10%的電勢所對應的輸出時間段。在尖端階段中電勢迅速達到最大值又迅速下降且具有第二平均電勢，其中第二平均電勢為正電勢且幅值最大，第一平均電勢為負且幅值最大，且輸出電勢也位於第一平均電勢和第二平均電勢之間過渡。尖端階段的時間長度明顯小於平坦階段，通常尖端階段的時間長度小於平坦階段的1/2。

需要注意的是，上述實施例僅給出了調節兩個偏壓射頻電源的輸出電壓以形成近似方波的基片上表面電勢的曲線的一種方式。透過調節兩個偏壓射頻電源的輸出電壓的頻率、相位或幅值也能使得基片上表面電勢的曲線呈現不同的近似方波的形態。例如，第一偏壓射頻電源的頻率是400kHz、600 kHz、800kHz、1MHz，相應地第二偏壓射頻電源的頻率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。當頻率固定為上述倍數關係時，調節兩個輸出電壓的不同幅值也能實現上述的近似方波的形態，只需該電勢曲線的平坦階段在可接受的範圍內即可。例如，兩個輸出電壓的幅值之比可以介於4:1~2.8:1之間。當頻率固定為上述倍數關係時，調節兩個輸出電壓的相位差也能實現上述的近似方波的形態。例如，相位差在-75度至-105度之間。此外，透過調節兩個偏壓射頻電源的輸出訊號的頻率、相位、平均電勢或幅值也可以改變該近似方波的特徵，例如近似方波的平坦階段的時長，處於平坦階段時的電勢的正負值。

在一個實施例中，兩個偏壓射頻電源產生的訊號的頻率分別是400kHz和800kHz，它們相位差為90度，並且幅值比為3：1，可以形成如圖6所示的電勢曲線圖。在圖6中，由上述兩個訊號的電勢曲線疊加而成的總電勢曲線也具有三個相繼的階段：上升階段、平坦階段和下降階段。整個曲線也呈現近似方波的形態。該三個階段的特徵與圖5中的類似。平坦階段是在一定時間段內（如大於400kHz射頻訊號的1/4週期，即大於約0.6us）總電勢維持在一個大致穩定的數值，在這個階段中電勢的變化幅度在一定的限度之內都是允許的，例如變化幅度在5%之內、或10%之內。上升階段比疊加前的任意一個電勢曲線的上升階段（400kHz或800kHz的電勢曲線的上升的半週期）更陡峭，即電勢的變化更迅速。透過對兩個偏壓射頻電源產生的訊號的調節，可以使得平坦階段的平均電勢為正值或負值。

圖7是根據另一個實施例的組合不同射頻電源所產生的基片上表面的電勢模擬圖。在該實施例中有三個偏壓射頻電源。圓點線、虛線和點實線分別是400kHz、800kHz和1200kHz的偏壓射頻電源產生的在基片上表面電勢曲線，在該實施例中，三個偏壓射頻電源的頻率分別為400kHz、800kHz（400kHz×2）和1200kHz（400kHz×3），則分別產生的在基片上表面電勢曲線的頻率也為400kHz、800kHz和1200kHz。400kHz和800kHz所產生的電勢曲線的相位差為-90度，400kHz和1200kHz所產生的電勢曲線的相位差為-180度。三條電勢曲線的幅值比為7：4：1。在圖6中可見，由具有上述特徵的三個電勢曲線疊加而成的總電勢曲線也具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段。整個曲線呈現近似方波的形態。疊加後的總電勢曲線的下降階段比疊加前的任意一個電勢曲線的下降階段更陡峭，即電勢的變化更迅速。這將使得高能離子的分佈更加集中。與圖5類似，平坦階段是在一定時間段內（如大於400kHz射頻訊號的1/4週期，即大於約0.6us）總電勢維持在一個大致穩定的數值，在這個階段中電勢的變化幅度在一定的限度之內都是允許的，例如變化幅度在5%之內、或10%之內。注意到，用三個射頻電源所產生的三個基片上表面電勢的曲線所疊加出的總電勢曲線比圖5中的總電勢曲線具有更近似方波的形態。其下降階段的曲線更加陡峭，因此高能離子的分佈相對於圖5中的實施例更加集中。

與圖5中的使用兩個偏壓射頻電源類似，調節三個偏壓射頻電源的輸出電壓的頻率、相位或幅值也能使得基片上表面電勢的曲線呈現不同的近似方波的形態。

由上述圖5和圖7兩個實施例所示，本發明提供一種調節電漿處理器的輸出射頻訊號的方法，該方法在反應腔內進行，反應腔包括基座，該方法包括：輸出高頻射頻訊號到反應腔內；輸出第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號，第一頻率小於第二頻率，第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號經疊加後形成第一疊加訊號，並被施加到電漿處理器中的基座；調節第一頻率射頻訊號和第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。該方法進一步包括：輸出第三頻率射頻訊號，第三頻率大於第一頻率和第二頻率，第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號經疊加後形成第二疊加訊號，並被施加到電漿處理器中的基座；調節第一頻率射頻訊號、第二頻率射頻訊號和第三頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得第二疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，第二疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於第一頻率射頻訊號的半週期，平坦階段的時長大於第一頻率射頻訊號的週期的1/4。

圖8為根據本發明的一個實施例的一種電容耦合電漿處理設備，用於調節電漿離子能量密度分佈。電漿處理設備包括源射頻電源30和兩個偏壓射頻電源31、32。源射頻電源30輸出高頻射頻訊號到基座22以點燃和維持電漿，偏壓射頻電源31、32輸出低頻訊號到基座22以在基片20上表面產生偏壓電壓。控制器40與偏壓射頻電源31、32連接，用於控制兩個偏壓射頻的頻率、相位和幅值。例如，控制器40使得兩個偏壓射頻電源31、32的頻率成倍數關係：如400kHz和800kHz，或者1MHz和2MHz。又如，控制器40控制兩個偏壓射頻電源31、32的之間的相位差為90度並鎖定該相位差。控制器40可以進一步透過調節兩個偏壓射頻電源31、32的功率以調節所產生的基片上表面電壓的幅值。三個射頻電源30、31、32分別透過三個匹配器1、2、3與基座22相連，如圖所示。匹配器1、2、3使得射頻電源30、31、32的反射功率最小。如圖所示，在匹配器1、2的輸出端之間設置濾波器，用於隔離不同頻率的射頻訊號。較佳地，濾波器也可設置在匹配器1、2之間，如圖中虛框所示。並且，也可以在射頻電源31、32與匹配器1、2之間的A點和B點處設置濾波器。圖中的反應腔100、聚焦環10、基片20、靜電夾盤21、氣體噴淋頭11、反應氣源110等由於與本發明主題無直接關係所以不再贅述。

本發明中的兩個偏壓射頻電源可以集成為一個射頻電源，該射頻電源中包括一個訊號發生器，該訊號發生器產生圖5、圖6中的近似方波訊號，然後經過一個功率放大器的放大後的近似方波訊號，然後透過第一組濾波器和匹配器將近似方波訊號中的第一頻率成分（400KHz）的射頻功率分離並分別匹配，透過第二組濾波器和匹配器將近似方波訊號中的第二頻率成分（800KHz）的射頻功率分離並匹配，最終將整個近似方波訊號有效輸出到電漿處理器中的基座。

本發明的調節電漿離子能量密度分佈的裝置可以應用於上述電容耦合（CCP）電漿處理器，也可以應用於電感耦合型電漿處理器（ICP）。並且，本發明的調節電漿離子能量密度分佈的裝置的偏壓射頻電源不限於兩個，也可以為三個或多於三個偏壓射頻電源。理論上，當射頻電源越多，其輸出的經疊加的訊號也越接近方波。在一個實施例中，當使用三個偏壓射頻電源時，它們的射頻頻率比率關係為1:2:3，例如400kHz、800kHz、1200kHz，或者600kHz、1200kHz、1800kHz，或者800kHz、1600kHz、2400kHz，或者1MHz、2MHz、3MHz。

本發明的調節電漿離子能量密度分佈的裝置可以對不同刻蝕製程的電漿離子能量密度分佈進行動態調節，具有較強的靈活性。其優點在於：（1）該裝置使得高能離子能量密度分佈變得更加集中，離子對晶圓表面轟擊更加有效；（2）對超高深寬比刻蝕，該裝置優勢更加明顯；（3）理論上，該裝置可以有效降低所需總得射頻功率，可以減小腔體散熱系統的設計難度。

以上所述僅是本發明的較佳實施方式，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何的簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬本發明技術方案保護的範圍內。

1,2,3:匹配器 10:聚焦環 11:氣體噴淋頭 20:基片 21:靜電夾盤 22:基座 30,31,32:射頻電源 40:控制器 100:反應腔 110:反應氣源 Vrf:電壓幅值 Vw:基片上表面電壓 Vdc:偏壓電壓 Vp:電漿電壓

為了更清楚地說明本發明實施例或先前技術中的技術方案，下面將對實施例或先前技術說明中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面說明中的附圖僅是本發明的一些實施例，對於本領域具有通常知識者而言，在不付出創造性勞動的前提下，可以進一步根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為先前技術中電容耦合電漿處理設備的結構示意圖；圖2為電容耦合電漿處理裝置中電漿和基片電壓波形示意圖；圖3a為電容耦合電漿處理裝置中電漿的第一分佈形態；圖3b為電容耦合電漿處理裝置中電漿的第二分佈形態；圖4為400Hz射頻電源產生的離子能量以及400Hz射頻電源和800Hz射頻電源疊加後產生的分佈函數圖；圖5為根據一個實施例的兩個射頻電源所產生的基片上表面的電勢模擬圖；圖6為根據另一個實施例的兩個射頻電源所產生的基片上表面的電勢模擬圖；圖7為根據另一個實施例的三個射頻電源所產生的基片上表面的電勢模擬圖；圖8為根據本發明一個實施例的電容耦合電漿處理設備的結構示意圖。

1,2,3:匹配器

10:聚焦環

11:氣體噴淋頭

20:基片

21:靜電夾盤

22:導電基座

30,31,32:源射頻電源

40:控制器

100:反應腔

110:反應氣源

Claims

一種電漿處理器，包括：一反應腔，該反應腔內設置一基座，該基座上放置有晶圓；一源射頻電源，用於輸出一高頻射頻訊號到該反應腔內，以點燃並維持電漿；一第一偏壓射頻電源和一第二偏壓射頻電源，該第一偏壓射頻電源輸出具有一第一頻率的一第一頻率射頻訊號，該第二偏壓射頻電源輸出具有一第二頻率的一第二頻率射頻訊號，該第一頻率小於該第二頻率，該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號疊加後形成週期性的一第一疊加訊號，並施加到該基座；一控制器，用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢、及相位中至少一者，使得該第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，該第一疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於該第一頻率射頻訊號的半週期，該第一疊加訊號的平坦階段的時長大於該第一頻率射頻訊號的週期的1/4。
如請求項1所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的頻率，使得該第二頻率是該第一頻率的兩倍。
如請求項2所述的電漿處理器，其中該第一頻率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，該第二頻率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。
如請求項1至請求項3中任一項所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的相位，使得該第二頻率射頻訊號與該第一頻率射頻訊號的相位差在-75度至-105度之間。
如請求項4所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值，使得該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值之比介於4:1~2.8:1。
如請求項5所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的相位和幅值，使得該第二頻率射頻訊號與該第一頻率射頻訊號的相位差為-90度，該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值之比是3:1。
如請求項1所述的電漿處理器，其中該第一疊加訊號的該第一疊加訊號的下降階段的時長小於該第一疊加訊號的週期總時長的35%。
如請求項1所述的電漿處理器，其進一步包括一第一匹配電路、一第二匹配電路和一濾波器，該第一匹配電路設置在該第一偏壓射頻電源和該反應腔之間，該第二匹配電路設置在該第二偏壓射頻電源和該反應腔之間，該濾波器設置在該第一匹配電路和該第二匹配電路之間。
如請求項1所述的電漿處理器，其進一步包括：一第三偏壓射頻電源，用於輸出一第三頻率射頻訊號，該第三頻率射頻訊號的一第三頻率大於該第一頻率和該第二頻率，該第三頻率射頻訊號和該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號經疊加後形成一第二疊加訊號，並被施加到該基座；一控制器，用於調節該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號和該第三頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得該第二疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，該第二疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於該第一頻率射頻訊號的半週期，該第二疊加訊號的平坦階段的時長大於該第一頻率射頻訊號的週期的1/4。
根據請求項9所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號和該第三頻率射頻訊號的頻率，使得該第二頻率是該第一頻率的兩倍，該第三頻率是該第一頻率的三倍。
根據請求項10所述的電漿處理器，其中該第一頻率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，該第二頻率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz，該第三頻率是1200kHz、1800kHz、2400kHz、3MHz。
根據請求項9至請求項11中任一項所述的電漿處理器，其中該控制器用於調節該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號和該第三頻率射頻訊號的相位和幅值，使得該第二頻率射頻訊號與該第一頻率射頻訊號的相位差為-90度，該第三頻率射頻訊號與該第一頻率射頻訊號的相位差為-180度，該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號、該第三頻率射頻訊號的幅值之比是7：4：1。
一種調節電漿處理器的輸出射頻訊號的方法，該方法在一反應腔內進行，該反應腔包括一基座，其中該方法包括：輸出一高頻射頻訊號到該反應腔內；輸出具有一第一頻率的第一頻率射頻訊號和具有一第二頻率的一第二頻率射頻訊號，該第一頻率小於該第二頻率，該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號經疊加後形成一第一疊加訊號，並被施加到一電漿處理器中的該基座；調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得該第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，該第一疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於該第一頻率射頻訊號的半週期，該該第一疊加訊號的平坦階段的時長大於該第一頻率射頻訊號的週期的1/4。
如請求項13所述的方法，其中調節該第二頻率射頻訊號的頻率是該第一頻率射頻訊號的頻率的兩倍。
如請求項13所述的方法，其進一步包括：輸出一第三頻率射頻訊號，該第三頻率射頻訊號的一第三頻率大於該第一頻率和該第二頻率，該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號和該第三頻率射頻訊號經疊加後形成一第二疊加訊號，並被施加到該電漿處理器中的該基座；調節該第一頻率射頻訊號、該第二頻率射頻訊號和該第三頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得該第二疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：下降階段、平坦階段和上升階段，該第二疊加訊號的下降階段在各週期所占時間小於該第一頻率射頻訊號的半週期，該第二疊加訊號的平坦階段的時長大於該第一頻率射頻訊號的週期的1/4。
如請求項15所述的方法，其中調節該第二頻率射頻訊號的頻率為該第一頻率射頻訊號的頻率的兩倍，調節該第三頻率射頻訊號的頻率為該第一頻率射頻訊號的頻率的三倍。
一種電漿處理器，包括：一反應腔，該反應腔內設置一基座，該基座上放置有晶圓；一源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到該反應腔內，以點燃並維持電漿；一第一偏壓射頻電源和一第二偏壓射頻電源，該第一偏壓射頻電源輸出具有一第一頻率的一第一頻率射頻訊號，該第二偏壓射頻電源輸出具有一第二頻率的一第二頻率射頻訊號，該第一頻率小於該第二頻率，該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號疊加後形成週期性的一第一疊加訊號，並被施加到該基座；一控制器，用於調節該第一頻率射頻訊號和該第二頻率射頻訊號的幅值、頻率、平均電勢或相位中的至少一項，使得該第一疊加訊號在各週期中具有三個相繼的階段：一上升階段、一平坦階段和一下降階段，該下降階段在各週期所占時間小於該第一頻率射頻訊號的半週期，該平坦階段的時長大於該第一頻率射頻訊號的週期的1/4。
一種電漿處理器，包括：一反應腔，該反應腔內設置一基座，該基座上放置有晶圓；一源射頻電源，用於輸出高頻射頻訊號到該反應腔內，以點燃並維持電漿；一偏壓射頻電源，包括一訊號發生器，用於生成週期性的一近似方波，該近似方波的各週期包括三個相繼的階段：一下降階段、一平坦階段和一上升階段，該平坦階段的時長大於該近似方波的週期的1/4；一功率放大器，用於放大該近似方波；一第一濾波器，用於將放大的該近似方波分離出具有一第一頻率的一第一射頻訊號；一第二濾波器，用於將放大的該近似方波分離出具有一第二頻率的一第二射頻訊號；一第一匹配電路，用於匹配具有該第一頻率的該第一射頻訊號並將該第一射頻訊號輸入至該反應腔；一第二匹配電路，用於匹配具有該第二頻率的該第二射頻訊號並將該第二射頻訊號輸入至該反應腔。