TW202217912A - 使用短持續時間之偏壓脈衝的離子層化 - Google Patents

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Abstract

一種電漿處理方法包含在含有第一物種、第二物種、及基板的電漿處理腔室中產生電漿。電漿包含電漿鞘、第一物種離子、及第二物種離子。第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量。該方法更包含施加負偏壓脈衝之脈衝串至基板。負偏壓脈衝之各者具有小於10 µs的脈衝持續時間，且在電漿鞘中使第一物種離子及第二物種離子空間性層化。在各負偏壓脈衝後的脈衝延遲期間，不施加偏置電壓至基板。脈衝延遲為脈衝持續時間的至少五倍。

Description

使用短持續時間之偏壓脈衝的離子層化
本發明大致上有關電漿處理，且在特定實施例中有關使用短持續時間之偏壓脈衝在空間上使電漿中之離子物種層化的電漿處理方法及系統。 [相關申請案的交互參照]
本申請案主張於2020年7月21日提出申請的美國非臨時專利申請案第16/934,871號之申請日的優先權及權益，該申請案整體藉由參照併入本文。
微電子工件內的裝置製造可涉及一系列的製造技術，包含基板上之多個材料層的形成、圖案化及移除。對於改進微電子元件的製造程序、特性及能力有穩定且持續的推動。這些改進可能需要新的化學品發展以及製程控制的新穎先進方法。
電漿處理在半導體裝置製造中用於許多製造技術，例如沉積及蝕刻。脈衝式電漿處理方法可利用來源功率及/或偏壓功率的脈衝在電漿處理期間控制諸多參數。舉例而言，可使射頻(RF)功率或直流(DC)功率產生脈衝。RF功率亦可與DC偏移結合，例如在施加偏壓脈衝至電極時。
電漿可包含在處理腔室內混合在一起的諸多物種。此外，電漿內的各物種可產生各式各樣的電漿產物，例如離子、自由基、電子及解離產物。各物種的電漿產物可具有不同的性質，且出於不同的目的而被包含在電漿中。舉例而言，不同物種的電漿產物可具有不同的化學性質，例如相對於受處理基板之諸多材料具有不同的反應性。再者，除了許多其他區別性特徵之外，電漿內的諸多物種(及因此之相應電漿產物)還可具有不同的質量。
對於電漿內之個別物種及物種產物的控制可有利於在電漿處理期間使物種的各自作用最大化。舉例而言，可能期望控制基板處之諸多電漿產物的相對通量率，以進一步使例如選擇性、蝕刻輪廓、臨界尺寸等之期望參數最佳化。因此，可能期望用於電漿之個別物種及物種產物的先進製程控制之新穎電漿處理方法。
根據本發明之實施例，電漿處理方法包括在包含第一物種、第二物種、及基板的電漿處理腔室中產生電漿。電漿包括電漿鞘、第一物種離子、及第二物種離子。第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量。該方法更包括施加負偏壓脈衝的脈衝串至基板。負偏壓脈衝之各者具有小於10 µs的脈衝持續時間，並在電漿鞘層中使第一物種離子及第二物種離子空間性層化。在各負偏壓脈衝之後的脈衝延遲期間，不施加偏置電壓至基板。脈衝延遲為脈衝持續時間的至少五倍。
根據本發明的另一實施例，電漿處理方法包括在含有反應性較低之物種、反應性較高之物種、及包含可蝕刻表面之基板的電漿處理腔室中產生電漿，藉由施加負偏壓脈衝之脈衝串至基板而相對基板處反應性較高之物種的離子通量及能量增加了基板處反應性較低之物種的離子通量及能量，並使用反應性較高之物種的自由基蝕刻基板的可蝕刻表面。電漿包括反應性較低之物種的離子、以及反應性較高之物種的離子及自由基。反應性較低之物種的質量小於反應性較高之物種的質量。反應性較低之物種對可蝕刻表面的反應性小於反應性較高之物種對可蝕刻表面的反應性。各負偏壓脈衝的脈衝持續時間小於10 µs。
根據本發明的又另一實施例，電漿處理設備包括電漿處理腔室、設置在電漿處理腔室中的基板、及耦合至基板的短脈衝產生器。電漿處理腔室配置成容納包含電漿鞘、第一物種之離子、及第二物種之離子的電漿。第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量。短脈衝產生器配置成產生負偏壓脈衝的脈衝串。負偏壓脈衝之各者的脈衝持續時間小於10 µs。連續之負偏壓脈衝之間的脈衝延遲為脈衝持續時間的至少五倍。脈衝串在電漿鞘中使第一物種之離子及第二物種之離子空間性層化。
諸多實施例的製作及使用係於以下詳加討論。然而應察知，本文所述的諸多實施例適用於各式各樣的特定脈絡。所討論的具體實施例僅說明用以製作及使用諸多實施例的具體方式，且不應在受限範圍中將其加以解讀。
在用於半導體裝置製造中的電漿處理期間，各式物種可能出於諸多原因而存在於電漿中。舉例而言，惰性氣體(例如用作載氣)通常與電漿處理腔室內的一或更多反應性氣體混合。作為基本情況，在電漿處理腔室中混合的物種A及物種B可在電漿中離子化，以產生相應的例如離子A +及離子B +之帶正電離子、以及其他離子化裂化模式。可在偏壓電極處施加偏壓功率(例如施加至固定基板的基板固持器)以朝向基板加速離子。
當在相對大的時間尺度上施加偏壓(例如維持比離子之逆電漿頻率更大的持續時間 t： t＞＞ ω pi -1)時，可形成具有鞘電壓 V DC的穩態柴爾德－朗繆爾 鞘。舉例而言，可在相對大時間尺度下連續施加或足夠快地脈動具有 V DC之DC偏移的偏置電壓，以形成柴爾德－朗繆爾鞘，俾達到穩態鞘條件。
在柴爾德－朗繆爾鞘於偏壓條件下形成後，穩態鞘電壓 V DC致使所有物種的離子以鞘中獲取的接近 eV DC之能量轟擊基板(例如一些能量由於鞘內可能之碰撞而較小)。亦即，取代離子轟擊能量由於離子起始位置之變化的顯著擴散，實質上所有到達基板的離子皆從本體電漿被拉入柴爾德－朗繆爾鞘中，且由鞘電壓 V DC完全加速而以能量 eV DC到達基板。再者，由於相對大的時間尺度，所以A +及B +離子兩者皆可在大約相同的能量下(例如在沒有鞘中之碰撞的情況下)到達基板。
然而，電漿中的不同物種可用於不同的目的。舉例而言，物種A可為前驅物氣體且物種B可為惰性氣體。在一些情形中，優先提供一物種的離子(例如較無反應性的離子B +)至基板，同時減少或防止其他物種的離子(例如較具反應性的離子A +)到達基板可為有益的。然而，習知電漿製程通常在形成電壓鞘於電漿與基板之間之介面處的時間尺度上運作。因此，習知電漿製程無法顯著區分物種A及B之離子的鞘層中或其通量組成中所獲得的能量。
本文所述的實施例方法及電漿處理設備提供電漿鞘中具有不同質量之離子的選擇性分離，以促進自單一電漿體積的選擇性離子轟擊(亦即具有目標質量之離子的優先能量轟擊)。選擇性分離及轟擊可有利地實現先進製程控制及製程彈性的改善。舉例而言，實施例方法及電漿處理設備可有利地使由透過適當製程化學品選擇之高能反應性物種造成的表面轟擊最小化，進而導致更大的製程選擇性。
在響應外部偏壓條件(例如外部偏置電壓 V DC)的鞘之穩態形成之前，電漿與電極之間的介面從壁鞘(例如當未在偏壓電極處施加電壓時)動態變化至離子基質，最終至柴爾德法則鞘。此由比離子之逆電漿頻率更短的時間尺度( t＜ ω pi -1)表示的動態中間相係以電子已排空的膨脹基質鞘為特徵。具體而言，對偏壓電極的負電壓初始施加排斥來自電極附近區域的電子，而將離子留在基質中(例如因為電子之比更大質量之離子大得多的遷移率)。
在所謂的基質鞘體系中(例如，在0 ＜ t＜ ω pi -1之範圍內的時間)，離子沒有足夠的時間完全穿過鞘的寬度。然而，類似於大質量離子與電子之間的遷移率差異，較輕(即質量較小)離子物種比較重(即質量較大)離子物種具有更高的遷移率，且在基質鞘內移動得更快。因此，質量較小的離子獲得更高的速度、行進更長的距離、通過更高的電位差。此可暫時導致偏壓電極處質量較小的離子之更高的離子能量及離子通量。在較大的時間尺度(例如 t＞ ω pi -1)，所有質量的離子都有足夠的時間到達基板，且基質鞘繼續膨脹，直到形成穩態柴爾德－朗繆爾鞘( t＞＞ ω pi -1)。
應注意，本文提及 ω pi -1旨在敘述定性時間尺度，因為具體值係相依於離子質量。出於本揭示內容的目的，使用質量最小之離子物種計算的 ω pi -1之下限可針對不等式 t＜ ω pi -1加以假定，而使用最大質量之離子物種計算的上限可針對於更大的例如 t＞＞ ω pi -1之不等式加以假定。
本文所述的實施例方法及電漿處理設備產生含有第一物種及質量小於第一物種之第二物種的電漿。藉由以小於第二物種離子之逆電漿頻率的脈衝持續時間(例如小於10μs)向偏壓電極施加負偏壓脈衝，第一物種離子及第二物種離子在電漿鞘中空間性層化。舉例而言，在基質鞘情形中，可使基板處第二物種的離子通量及能量相對於基板處第一物種的離子通量及能量增加(例如增加至大於50%、大於67%、及更高)。負偏壓脈衝後接脈衝延遲，在該脈衝延遲期間，維持脈衝持續時間之至少三倍時間不對偏壓電極施加偏壓。
在諸多實施例中，將多個負偏壓脈衝及相應的脈衝延遲作為脈衝串施加至偏壓電極，以選擇性地將第二物種離子遞送到偏壓電極(例如基板)。第二物種對於基板上的目標材料之反應性可不同於(例如低於)第一物種對於目標材料的反應性。舉例而言，第一物種可為前驅物氣體，而第二物種為惰性氣體，或者兩物種皆可為前驅物氣體。可使用耦接至偏壓電極的短脈衝產生器來施加脈衝串。
實施例方法及電漿處理設備可有利地提供優於習知方法及設備的諸多益處。施加到偏壓電極(例如基板)的短負DC偏壓脈衝可有利地達成由較輕離子造成基板的優選轟擊。此優選轟擊具有不需要電漿處理腔室內之物種的任何物理分離(亦即所有物種同時完全混合在單一容積中)的額外優點。相比之下，電極處之離子的選擇性分離係利用起因於離子質量差異之遷移率差異而有利地達成。再者，在電極處選擇性地提供特定離子物種的能力可有利地用以將具有特定反應性的離子選擇性地遞送至電極(例如較低反應性/非反應性相對於較高反應性)。
增加的控制基板處離子之能力可有利地實現新製程中增強的可控制性及靈活性。舉例而言，可藉由減少反應性離子的表面轟擊來達成改善對於諸多目標材料之蝕刻製程選擇性的好處。較大質量的物種可有利地用作反應性自由基的來源，而較小質量的物種可用作反應性較低或非反應性離子的來源(例如，相對於基材表面實質上化學中性)。
電漿內離子密度的額外靈活性可藉由增加在基板處分離離子物種的能力來實現。舉例而言，可在電漿處理腔室中有利地包含較高濃度的反應性物種，以增加基板處反應性自由基的數量，同時限制反應性離子的濃度。基質鞘電流亦可有利地在鞘轉變期間高於穩態柴爾德－朗繆爾鞘電流。
以下提供的實施例敘述諸多電漿處理用設備及方法，且尤其是其中不同質量的離子在電漿鞘中空間性層化的電漿處理用設備及方法。以下敘述內容說明實施例。圖1A、1B、及1C用以說明偏壓電極存在之情況下的實施例電漿。圖2用以說明實施例電漿處理設備。三個實施例脈衝串係利用圖3-5加以說明。實施例連續波脈衝串係利用圖6加以說明，而實施例調變波脈衝串係利用圖7加以說明。另一實施例電漿處理設備係利用圖8加以說明。兩實施例方法係利用圖9及10加以說明。
圖1A、1B及1C示意性顯示根據本發明之實施例、在偏壓電極存在之情況下的例示電漿。圖1A顯示未施加電壓時與偏壓電極介接的電漿之壁鞘。圖1B顯示施加脈衝電壓時與偏壓電極介接的電漿之基質鞘。圖1C顯示施加連續DC電壓時與偏壓電極介接的電漿之柴爾德－朗繆爾鞘。
參照圖1A、1B、及1C，與偏壓電極115介接的電漿110包含兩物種(物種A及物種B)。物種A(例如第一物種)比物種B(例如第二物種)質量更大。物種A及B亦可具有不同的反應性。亦即，物種A及B為化學性相異，且因此對於目標基板中包含的諸多材料具有不同的反應性。
電漿110包含由物種A產生的離子A +及自由基A •、及由物種B產生的離子B +及自由基B •、以及電子17。由於離子A +及B +係由於失去一或更多電子(亦即可忽略質量)而產生，所以維持離子B +之質量小於離子A +之質量的關係。離子A +及B +帶正電，而自由基A •及B •不具有淨電荷。再者，電漿110可包含諸多額外的解離產物、額外的前驅物、載體(例如惰性、緩衝)氣體、添加劑、帶負電的離子物種、及其他者(未示出)。雖然存在，但為了簡明起見而未在電漿110中顯示來源物種A及B。
現在具體參照圖1A，無外部電壓施加至偏壓電極115，橫跨電漿110之電漿鞘的電壓降小且突然，而導致壁鞘11。與外部電壓存在之情況下的鞘厚度相比，壁鞘11非常薄，且具有例如可以忽略的鞘厚度(例如德拜長度(Debye length) λ D的數倍)。
如圖1B所示，當將負脈衝電壓- V P施加至偏壓電極115時，電子17立即被負電位(- V P)排斥，並從偏壓電極115移動離開而擴張電漿鞘，以形成基質鞘112。舉例而言，在逆電子電漿頻率之數量級的時間尺度 ω PE -1，離子A +及B +已由於 V P而移動可忽略的距離，而電子17已經移動離開基質鞘112。基質鞘112具有從偏壓電極115測量的基質鞘厚度 s 0。
在大於 ω pe -1的時間尺度上，離子A +及B +在其到達偏壓電極115時從鞘耗盡，且基質鞘112從偏壓電極115向外擴張(由箭頭19顯示)。橫跨基質鞘112的電壓降為電漿電位與偏壓電極電位之間的差：鞘電位 V DC。雖然負脈衝電位 V P及鞘電位 V DC在許多情況中可能相似，但其也可取決於電漿電位而不同。
對於充足持續時間的時間尺度(亦即 t＞＞ ω pi -1)，電漿鞘成為柴爾德－朗繆爾鞘13，如圖1C所示。舉例而言，連續的負DC電壓- V CW被施加至偏壓電極115 。亦即， V P及 V CW的大小並非不同，但所施加之電壓的持續時間不同，造成兩個體系(基質鞘體系相對柴爾德體系)。電壓- V CW在足夠長以容許電漿鞘達到穩態的方面上為連續的。
柴爾德－朗繆爾鞘13具有從偏壓電極115測量的柴爾德－朗繆爾鞘厚度 s C。基質鞘厚度 s 0小於 s C(例如五分之一小)。舉例而言，基質鞘厚度可在數毫米(例如2.3mm)的數量級。
反之，如圖1B所示，對於時間 t＜ ω pi -1(例如基質鞘體系)，電漿110與偏壓電極115之間的介面是高度動態的。最初，在 t= ω pe -1，基質鞘112中的電子密度可視為零( n e= 0)，而離子密度 n i為恆定的，因為離子A +及B +移動得比電子17慢得多。
在基質鞘112初始產生之後，暴露的離子A +及B +從基質鞘112排出至偏壓電極115。基質鞘112內的電位呈二次方行為。離子能量分佈 E i可由基質鞘112中的電位分佈表示。
離子A +及B +中的每一者以取決於基質鞘112內之起始位置的轟擊能量到達偏壓電極115。具體而言，若 x為離子的起始位置，則離子將伴隨以下能量到達
Figure 02_image001
因此，所有離子A +及B +的轟擊能量小於 eV DC，因為時間 t小於任一離子物種完全穿過基質鞘112所花費的時間。
由於離子A +及B +之間的離子質量上之差異，所以離子以不同的速度穿過電漿鞘。通過電漿鞘層 s 0 的離子速度( v)可表示為：
Figure 02_image003
離子速度亦取決於離子質量 M i 。因此，與具有較重質量的離子相比，具有較輕質量的離子獲得較高的通過電漿鞘之速度。行進更遠的距離及跨過更大的電位差導致更高的能量。結果是，與較重的離子A +相比，較輕的離子B +獲得更多的能量，並在更短的時間內行進更大的距離(亦即，當兩者在距電極相同距離處開始時)。
如由A +行進距離 d A及B +行進距離 d B所示，較輕的離子B +在相同的時間量內行進更大的距離。由於物種A相對於物種B的質量增加，所以 d B＞ d A。 d A及 d B之間的差異隨著增加的質量差異而增加。舉例而言，對於分別具有4 amu(原子質量單位)及70.9 amu的氦(He)及氯(Cl 2)而言，He +離子(B +)可移動Cl 2 +離子(A +)的約三倍遠。然而，取決於所涉及的特定質量， d B： d A的比率可大於或小於3:1(但始終大於1:1)。
進一步的實施例為與質量較大的離子A +相比，質量較小的離子B +具有更高的遷移率。由於遷移率上的不同，基質鞘112中的離子A +及B +以不同的速率耗盡。因此，對於具有不同質量的離子而言，峰值電流的位置將出現在不同的時間(例如對於He +為在~50 ns)。以此方式，基質鞘112的產生有利地將電漿鞘中具有不同質量的離子(離子A +及B +)分離小於或相當於通過鞘的B +離子通過時間。
基質鞘112中的電流密度 j P為動態的，且高於實質上恆定的柴爾德－朗繆爾電流密度 j C。舉例而言，在離子開始移出基質鞘112後， j P迅速增加，在 t≈ ω pi -1附近達到峰值，且然後迅速降低到柴爾德法則體系( j C)中的穩態。因此， j P可具有比 j C高的優勢(例如5至10倍高或更高)。
在短於最輕物種之 ω pi -1的時間尺度上，可使偏壓電極115處的離子A +及B +的濃度之間的差異有利地最大化，因為B +離子的電流密度達到峰值，但A +的電流密度離峰值甚遠。
圖2示意性顯示根據本發明的實施例之例示電漿處理設備，該電漿處理設備包含與電漿處理腔室內之基板介接的電漿之基質鞘，該基板耦合至短脈衝產生器。舉例而言，圖2的電漿可用以產生如本文所述的實施例電漿，例如圖1A、1B、及1C的電漿。以類似方式標記的元件可以如先前所述。
參照圖2，電漿處理設備200包括電漿處理腔室220內所包含的電漿210 。應注意，此處及下文為了簡潔及清楚起見，已採用其中依照模式[x10]的元件可為諸多實施例中電漿之相關實施例的慣例。舉例而言，除非另有說明，否則電漿210可類似於電漿110。類似的慣例亦用於其他元件，藉由使用類似的用語並結合上述三位數編號系統可清楚表明。
電漿210包含藉由施加輸送至基板215之負脈衝電壓- V P形式的偏置電壓而產生之基質鞘212，基板215可為偏壓電極的具體實施例(例如藉由作為偏壓電極之基板固持器加以固定)。基板215包括暴露於電漿210的表面216，該電漿210在基質鞘212處與基板215介接。舉例而言，在一實施例中，表面216圍可蝕刻表面。
由短脈衝產生器222產生的負脈衝電壓- V P耦合至基板215(例如經由基板固持器)。如圖所示，短脈衝產生器傳送小於逆離子電漿頻率( t＜ ω pi -1)之持續時間的至少一負電壓脈衝。負電壓脈衝之後接著具有足夠持續時間的脈衝延遲，以容許電漿210恢復(例如返回到壁鞘狀態)。在諸多實施例中，使負電壓脈衝及脈衝延遲週期性重複，作為於表面216的期望處理之具有適當長度的脈衝串。
仍然參照圖2，所示的電漿210包括物種A及物種B、以及相應的離子A +及B +與自由基A •及B •。如先前所述，例如解離產物、添加劑等的許多其他物種亦可能存在於電漿210中。在諸多實施例中，物種B及其衍生物的反應性比物種A及其衍生物更低。基於此理由，在本文中，有時可將物種A稱為反應性物種，而可將物種B稱為非反應性物種。然而，當在基板215處需要反應性離子時，對於物種B而言亦可比物種A更具反應性。
在諸多實施例中，物種A為前驅物氣體，且在一實施例中為四氟甲烷(四氟化碳，CF 4)。在諸多實施例中，物種A亦可為氫氟碳化合物(C x H y F z )。在另一實施例中，物種A為氯氣(Cl 2)。在又另一實施方案中，物種A為溴化氫(HBr)。當然，其他前驅物亦有可能，且可取決於所執行的期望電漿製程之具體細節。在一些情形中，例如若在基板215處需要反應性離子，可將重惰性氣體用於物種A。
物種B可為質量小於物種A的惰性氣體或前驅物氣體。在一些實施例中，物種B為惰性氣體，且在一實施例中為氦氣(He)。其他可能的惰性氣體亦可用作物種B，例如氖氣(Ne)、氬氣(Ar)、及其他者(但增加的物種B質量限制了可用於A的更大質量物種)。在其他實施例中，物種B為前驅物氣體。在一實施例中，物種B為氫氣(H 2)。在另一實施例中，物種B為氧氣(O 2)。
負偏置電壓- V P在電漿鞘(基質鞘212)中使離子A +及B +在空間性層化。舉例而言，如定性層化線18所示，在時間 t＜ ω pi -1，B +離子已移動到基質鞘212的底部，而A +留在基質鞘212的頂部。以此方式，最初靠近基板215的少量A +離子撞擊表面216，而大量B +離子到達表面216。B +離子的通量因此有利地在基板215處增加。
電中性物種A、B、A •、及B •不受所施加之電壓- V P影響。因此，基片215處的自由基A •及B •之濃度保持相同。舉例而言，物種A可為蝕刻劑來源，其中A •自由基優選作為表面216處的蝕刻劑，而反應性A +離子在表面216處是不期望的。基板215處增加的B +離子通量優先以處於比A +離子更高能量下的B +離子轟擊表面216。
所以，此可有利地增加蝕刻製程中的選擇性。對於許多製程而言，選擇性可定義為反應性自由基的通量相對反應性離子的通量之比率。因此，反應性離子所造成的表面轟擊可能是不期望的，因為其可能導致選擇性損失。具有較大質量(即較重分子/原子量)的物種A可用作反應性自由基的來源，而物種B可用作非反應性離子的來源。
由短偏壓脈衝造成的電漿鞘中之電場調變可有利地導致由更高能非反應性離子B +造成較佳的表面轟擊，而電中性反應性自由基A •用作改善蝕刻選擇性的主要蝕刻劑。
在諸多實施例中，電漿蝕刻製程包括作為物種A的基於鹵素之前驅體氣體及作為物種B的惰性氣體。藉由向基板供給短脈衝偏壓，可使由鹵素離子造成的不期望表面轟擊減少或消除。在一實施例中，物種A為CF 4，且物種B為惰性氣體。舉例而言，惰性氣體可為He、Ar等。CF x +離子轟擊可有利地最小化，而惰性離子(例如He +離子)可在含氟電漿中執行離子輔助蝕刻。
存在許多其他基於鹵素之前驅物氣體及惰性氣體的可能組合。在另一實施例中，物種A為Cl 2且物種B為He。在又其他實施例中，物種A為溴化氫(HBr)而物種B為例如He或Ar的惰性氣體。
物種A及物種B亦可皆為前驅物氣體(例如，有或無額外惰性氣體)。在諸多實施例中，物種A為基於鹵素的前驅物氣體，而物種B為非基於鹵素的前驅物氣體。舉例而言，在一實施例中，物種A為氯化氫(HCl)且物種B為氫氣(H 2)。在此實例中，可優選藉由H +離子轟擊基板(例如針對離子輔助蝕刻)。
在 C x H y F z 電漿中，碳氟比(C:F)可藉由 x、 y及 z的適當選擇以及使用例如O 2或H 2之添加劑來改變。若干具有不同質量的物種可存在於如此系統中。限制由含氟物種(例如C x F y )引起的不期望表面轟擊可為有利的。具有不同質量之離子的分離不限於物種A及物種B的二元情況，而是可擴展為包含給定電漿中可存在的許多物種。例如，C x H y F z 電漿可包含若干質量較小的非基於鹵素物種，該等物種皆可比含氟物種優先遞送至基板表面。
應注意，雖然本文的實例指示由相對單一較重離子物種之單一較輕物種的較高能量離子造成之優先表面轟擊，但亦可以包括多於兩離子。例如，可包括具有不同質量的離子A +、B +、C +等，且具有較高能量的最小質量離子B +可優先轟擊表面。再者，可以將離子的子集(例如一或更多個)指向目標以優先利用較高能量轟擊表面。舉例而言，可將負偏置電壓 V P施加充足的時間量，以在若干離子物種之兩最輕離子物種的通量上產生增加。
圖3-7顯示諸多脈衝串，該等脈衝串可施加至偏壓電極，以產生具有基質鞘的電漿，並選擇性地將具有不同質量的離子彼此分離。舉例而言，可將圖3-7之脈衝串用以利用此處所述例如圖2之電漿處理裝置的電漿處理裝置產生電漿。以類似方式標記的元件可如先前所述。
諸多脈衝串包括具有足夠短到防止柴爾德法則電漿行為( t P＜ ω pi -1)之脈衝持續時間 t P的負偏壓脈衝。在諸多實施例中，脈衝持續時間 t P在數十奈秒至數十微秒的範圍內。在一些實施例中，脈衝持續時間 t P小於約100 ns，且在一實施例中為約75 ns。脈衝持續時間 t P的具體值將取決於具體實施例的操作條件。在一實施例中，負偏壓脈衝為DC偏壓脈衝。或者，脈衝串可藉由調變RF功率而產生。
每一負偏壓脈衝後接相應的脈衝延遲 t off ，在該脈衝延遲 t off期間不對偏壓電極施加偏置電壓，且具有足夠的長度 ( t off＞＞ ω pi -1)，以容許電漿從負偏壓脈衝恢復(例如重新獲得實質上一致的在電漿中物種分佈並形成壁鞘)。脈衝延遲 t off在長度上為 t P的數倍(例如3、5、及更高)。在諸多實施例中，脈衝延遲 t off大於約150 ns，且在一實施例中為約375 ns。在其他實施例中，脈衝延遲 t off可在從數十奈秒至數十毫秒的範圍內。
負偏壓脈衝之各者亦具有脈衝振幅 V P，其在電漿鞘範圍改變電壓降，並朝向偏壓電極加速離子。脈衝振幅 V P可為針對給定電漿製程及目標基板可期望的任何合適電壓。在諸多實施例中，脈衝振幅 V P小於約500 V，且在一實施例中介於約25 V與約150 V之間。在一實施例中，脈衝振幅度 V P為約50 V。在另一實施例中，脈衝振幅 V P為約100 V。
圖3顯示根據本發明實施例的負偏壓脈衝的例示脈衝串。參照圖3，脈衝串330包括具有脈衝持續時間334( t P)及脈衝振幅338( V P)的負偏壓脈衝332，後接脈衝延遲336( t off)。如圖所示，脈衝串330包括週期339。後接脈衝延遲的負偏壓脈衝之施加係依需要而循環式重複 。雖然脈衝持續時間334及脈衝延遲336顯示為保持恆定，但亦可能動態地改變這些參數，但仍然保持與離子電漿頻率的關係( t P＜ ω pi -1＜＜ t off)。
圖4顯示根據本發明實施例的負偏壓脈衝及正偏壓脈衝之例示脈衝串。參照圖4，脈衝串430包括具有負脈衝持續時間434( t P)及負脈衝振幅438( V P)的負偏壓脈衝432，後接脈衝延遲436( t off)。如圖所示，脈衝串430包括週期439。此外，脈衝串430亦包括具有正脈衝持續時間444及正脈衝振幅448的正偏壓脈衝442。
正偏壓脈衝442可用以有利地對指向偏壓電極的電漿電子施加力，以用於在負偏壓脈衝432之各者後更快恢復鞘。如圖所示，正脈衝持續時間444及正脈衝振幅448兩者可小於負脈衝持續時間434及負脈衝振幅度438，但此並非必需。在一些情況中，可適當地選擇正脈衝持續時間444及正脈衝振幅448，以有利地將電子從本體電漿加速進入基質鞘中，來允許鞘的更快恢復。
圖5顯示根據本發明實施例的各具有線性電壓斜坡的負偏壓脈衝之例示脈衝串。參照圖5，脈衝串530包括具有脈衝持續時間534( t P)及脈衝振幅538( V P)的負偏壓脈衝532，後接脈衝延遲536( t off)。如圖所示，脈衝串530包括週期539。與圖3的負偏壓脈衝之方波形狀相反，圖5的負偏壓脈衝532包括線性電壓斜坡52，其可具有使偏壓電極(例如包括介電材料的基板)處的不利充電效應減少或最小化的優點。
圖6顯示根據本發明實施例的包括負偏壓脈衝及正偏壓脈衝之例示連續波脈衝串。參照圖6，連續波脈衝串630包括負偏壓脈衝632及正偏壓脈衝642，後接脈衝延遲。如圖所示，後接脈衝延遲的負偏壓脈衝之施加係以週期639循環式重複許多個循環而不中斷。連續波脈衝串630可為本文所述其他脈衝串的具體實施例，例如圖3的脈衝串330、以及圖4-5的脈衝串。
圖7顯示根據本發明實施例的例示調變波脈衝串，其包括表面反應階段，後接化學改質階段。參照圖7，調變波脈衝串730包括後接脈衝延遲的負偏壓脈衝732及正偏壓脈衝742，其以週期739循環式重複。不同於圖6的連續波脈衝串630，調變波脈衝串730包括表面反應階段84，後接著期間不產生脈衝的化學改質階段86。
表面反應階段84可利用相對短時間尺度的表面反應，以在負偏壓脈衝期間處理基板的表面。反之，化學改質階段86可足夠長以容許相對長時間尺度的表面修復程序生效。舉例而言，化學改質階段86可為化學吸附階段。
應注意，可將使用圖3-7敘述之特徵中的一些或全部者加以組合。舉例而言，正偏壓脈衝及具有線性電壓斜坡之負偏壓脈衝可在藉由調變RF功率而產生的相同脈衝串中實施。再者，表面反應階段可包括在利用線性電壓斜坡但不實施正偏壓脈衝的脈衝串中。鑑於本揭示內容的整體，其他組合對於本領域技術人員來說將顯而易見。
圖8示意性顯示根據本發明實施例的實例電漿處理設備，其包括用以產生電漿的電漿耦合元件、第一氣體源、第二氣體源、及電漿處理腔室內的基板，該電漿包括與耦合至短脈衝產生器之基板介接的基質鞘。舉例而言，圖8的電漿處理設備可為本文所述其他電漿處理設備的具體實施例，例如圖2的電漿處理設備。以類似方式標記的元件可如先前所述。
參照圖8，電漿處理設備800包括含在電漿處理腔室820內的電漿810。電漿810係使用耦合至電漿耦合元件92之RF電源90而產生，且包含基質鞘812，具有基質鞘812之電漿810相似於本文所述的其它電漿。負脈衝電壓 V P係藉由短脈衝產生器822施加至基板815，該短脈衝產生器822耦合至基板815且受偏壓電源98供給。
電漿810可為如所顯示的RF電漿，或者可為任何其他合適類型的電漿。舉例而言，電漿810可為電容耦合電漿(CCP)、感應耦合電漿(ICP)、表面波電漿(SWP)、電子迴旋共振(ECR)電漿、螺旋諧振器(HR)電漿等。電漿耦合元件92的具體實施方式可取決於電漿810。在一實施例中，電漿810為CCP電漿，且電漿耦合元件92為上電極。在其他實施例中，電漿810為ICP電漿，且電漿耦合元件92為將來源功率經由電漿處理腔室820之介電材料耦合至電漿810的線圈或天線。
如前所述，電漿810包括至少兩物種：A及B，其可使用物種A來源氣體94及物種B來源氣體95輸送(例如經由電漿處理腔室820頂部處的噴淋頭或經由其他合適的手段)。舉例而言，氣體入口亦可包含在電漿處理腔室820的壁中。在一些實施例中，電漿耦合元件92亦可為具有多個氣體入口的噴淋頭，以使物種A及物種B的輸送均勻地分配到電漿處理腔室820中。或者，(例如針對ICP電漿)，亦可使用介電氣體輸送系統。
電漿處理腔室820內的氣體利用例如單級泵系統或多級泵系統(例如與一或更多渦輪分子泵結合的機械粗抽泵)的一或更多真空泵96加以排空。例如，真空泵96可配置成經由一或更多氣體出口97從電漿處理腔室820去除氣體。為了提升電漿處理期間的平均氣體流動，可將氣體從電漿處理腔室820中的多於一個氣體出口或位置(例如在基板815的相反側、基板815周圍的環等)移除。
電漿處理腔室820內的壓力可利用物種A來源氣體94及物種B來源氣體95的氣體流速加以控制，同時使用真空泵96將氣體泵送離開系統。不同物種類(A、B等)的絕對及相對離子密度影響基板處的反應性離子之濃度。離子密度可有利地使用物種A來源氣體94及物種B來源氣體95的氣體流速加以控制，以進一步改善給定電漿製程的選擇性。
圖9顯示根據本發明實施例的電漿處理之例示方法。圖9的方法可使用如本文所述的電漿處理設備、電漿、及脈衝串來執行。舉例而言，圖9的方法可與圖1-8之實施例的任何者組合。雖然以邏輯順序顯示，但並未意圖使圖9之步驟的安排及編號受限。如對於本領域技術人員可顯而易見，圖9的方法步驟可以任何合適的順序、或彼此同時執行。
參照圖9，電漿處理的方法900之步驟901為在電漿處理腔室中產生電漿。電漿處理腔室含有第一物種、第二物種、及基板。在電漿處理腔室中產生的電漿包括電漿鞘、第一物種離子、及第二物種離子。第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量。
步驟902為施加負偏壓脈衝的脈衝串至基板。負偏壓脈衝之各者在電漿鞘中使第一物種離子及第二物種離子空間性層化。在諸多實施例中，負偏壓脈衝之各者的持續時間小於10 μs，且在一些實施例中小於1 μs。在各負偏壓脈衝之後的脈衝延遲期間，不將偏置電壓施加至基板。在諸多實施例中，脈衝延遲為脈衝持續時間的至少三倍，且在一些實施例中為脈衝持續時間的至少五倍。
圖10顯示根據本發明實施例的電漿處理之另一例示方法。圖10的方法可使用如本文所述的電漿處理設備、電漿、及脈衝串來執行。舉例而言，圖10的方法可與圖1-8之實施例的任何者結合。此外，舉例而言，圖10的方法可與其他方法結合，例如圖9的方法。雖然以邏輯順序顯示，但並未意圖使圖10之步驟的排列及編號受限。如對於本領域技術人員可顯而易見，圖10的方法步驟可以任何合適的順序、或彼此同時執行。
參照圖10，電漿處理的方法1000之步驟1001為在電漿處理腔室中產生電漿，該電漿處理腔室含有反應性較低的物種、反應性較高的物種、及包括可蝕刻表面的基板。電漿包括反應性較低之物種的離子、以及反應性較高之物種的離子及自由基。反應性較低之物種的質量小於反應性較高之物種的質量。反應性較低之物種對可蝕刻表面的反應性小於反應性較高之物種對可蝕刻表面的反應性。
步驟1002為藉由將負偏壓脈衝的脈衝串施加至基板，而相對於基板處反應性較高之物種的離子通量及能量，增加基板處反應性較低之物種的離子通量及能量。在諸多實施例中，負偏壓脈衝之各者的持續時間小於10 μs。在步驟1003中，使用反應性較高之物種的自由基來蝕刻基板的可蝕刻表面。
本發明的例示性實施例係於此處總結。其他實施例亦可從說明書之整體內容以及在此提出的請求項而獲得理解。
實例1。一種電漿處理方法，包含：在含有第一物種、第二物種、及基板的電漿處理腔室中產生電漿，該電漿包括電漿鞘、第一物種離子、及第二離子物種，其中該第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量；及施加負偏壓脈衝的脈衝串至基板，其中負偏壓脈衝之各者具有小於10 μs的脈衝持續時間，且使電漿鞘中的第一物種離子及第二物種離子空間性層化，且其中在各負偏壓脈衝後之脈衝延遲期間不施加偏置電壓至基板，該脈衝延遲為該脈衝持續時間的至少五倍。
實例2。如實例1的方法，其中第一物種為前驅物氣體，且第二物種為惰性氣體。
實例3。如實例1及2其中一者的方法，其中第一物種為第一前驅物氣體，且第二物種為第二前驅物氣體。
實例4。如實例1至3其中一者的方法，其中脈衝持續時間小於約250 ns。
實例5。如實例1至4其中一者的方法，其中脈衝延遲大於約10 μs。
實例6。如實例1至5其中一者的方法，其中第一物種對基板之可蝕刻表面的反應性大於第二物種對基板之可蝕刻表面的反應性。
實例7。如實例1至6其中一者的方法，更包含：使用第一物種自由基蝕刻基板。
實例8。如實例1至7其中一者的方法，其中使步驟重複更包含：在負偏壓脈衝之各者後且在各脈衝延遲前施加正偏壓脈衝。
實例9。如實例1至8其中一者的方法，其中負偏壓脈衝之各者的前緣包含線性電壓斜坡。
實例10。如實例1至9其中一者的方法，更包含：在維持第一持續時間施加脈衝串之後，藉由維持第二持續時間不向基板施加偏置電壓而執行化學改質階段，第二持續時間大於脈衝持續時間及脈衝延遲之和的十倍；及在化學改質階段之後，繼續施加脈衝串維持第三持續時間。
實例11。一種電漿處理方法，包含：在電漿處理腔室中產生電漿，該電漿處理腔室含有反應性較低之物種、反應性較高之物種、及包括可蝕刻表面的基板，該電漿包含反應性較低之物種的離子、以及反應性較高之物種的離子及自由基，其中反應性較低之物種的質量小於反應性較高之物種的質量，且其中反應性較低之物種對可蝕刻表面的反應性小於反應性較高之物種對可蝕刻表面的反應性；藉由施加負偏壓脈衝的脈衝串至基板，而相對基板處的反應性較高之物種的離子之通量及能量，增加基板處反應性較低之物種的離子之通量及能量，各負偏壓脈衝具有小於10 µs的脈衝持續時間；及使用反應性較高之物種的自由基蝕刻基板的可蝕刻表面。
實例12。如實例11的方法，其中反應性較低之物種為惰性氣體，且反應性較高之物種為前驅物氣體。
實例13。如實例12的方法，其中惰性氣體為氦，且前驅物氣體為氟碳化合物。
實例14。如實例11至13其中一者的方法，其中反應性較低之物種為第一前驅物氣體，且反應性較高之物種為第二前驅物氣體。
實例15。如實例14的方法，其中第一前驅物氣體為氫(H 2)，且第二前驅物氣體為氯化氫(HCl)。
實例16。如實例11至15其中一者的方法，其中連續之負偏壓脈衝之間的脈衝延遲為脈衝持續時間的至少五倍。
實例17。一種電漿處理設備，包含：電漿處理腔室，配置成容納包含電漿鞘、第一物種之離子、及第二物種之離子的電漿，其中第一物種具有第一質量，且第二物種具有小於第一質量的第二質量；設置在電漿處理腔室中的基板；及耦合至基板的短脈衝產生器，該短脈衝產生器配置成產生負偏壓脈衝的脈衝串，其中負偏壓脈衝之各者具有小於10 µs的脈衝持續時間，其中連續之負偏壓脈衝之間的脈衝延遲為脈衝持續時間的至少五倍，且脈衝串使電漿鞘中的第一物種之離子及第二物種之離子空間性層化。
實例18。如實例17的電漿處理設備，其中脈衝持續時間小於約250 ns。
實例19。如實例17及18其中一者的電漿處理設備，其中脈衝延遲大於約10 μs。
實例20。如實例17至19其中一者的電漿處理設備，其中脈衝串更包含緊接在負偏壓脈衝之各者後的正偏壓脈衝、連續之負偏壓脈衝之間緊接在正偏壓脈衝之各者後的脈衝延遲。雖然本發明已參照說明性實施例加以敘述，但並未意圖以限制性方式來解讀此敘述內容。在參照敘述內容時，說明性實施例的諸多修飾及組合、以及本發明之其他實施例對於熟悉所屬領域者將顯而易見。因此，欲使隨附請求項涵蓋任何如此修飾或實施例。
11:壁鞘 13:柴爾德－朗繆爾鞘 17:電子 18:定性層化線 19:箭頭 52:線性電壓斜坡 84:表面反應階段 86:化學改質階段 90:RF電源 92:電漿耦合元件 94:物種A來源氣體 95:物種B來源氣體 96:真空泵 97:氣體出口 98:偏壓電源 110:電漿 112:基質鞘 115:偏壓電極 200:電漿處理設備 210:電漿 212:基質鞘 215:基板 216:表面 220:電漿處理腔室 222:短脈衝產生器 330:脈衝串 332:負偏壓脈衝 334:脈衝持續時間 336:脈衝延遲 338:脈衝振幅 339:週期 430:脈衝串 432:負偏壓脈衝 434:負脈衝持續時間 436:脈衝延遲 438:負脈衝振幅 439:週期 442:正偏壓脈衝 444:正脈衝持續時間 448:正脈衝振幅 530:脈衝串 532:負偏壓脈衝 534:脈衝持續時間 536:脈衝延遲 538:脈衝振幅 539:週期 630:連續波脈衝串 632:負偏壓脈衝 639:週期 642:正偏壓脈衝 730:調變波脈衝串 732:負偏壓脈衝 739:週期 742:正偏壓脈衝 800:電漿處理設備 810:電漿 812:基質鞘 815:基板 820:電漿處理腔室 822:短脈衝產生器 900:方法 901:步驟 902:步驟 1000:方法 1001:步驟 1002:步驟 1003:步驟
為了更完整地理解本發明及其優點，現結合隨附圖式參考以下敘述內容，其中：
圖1A、1B、及1C示意性顯示根據本發明之實施例、偏壓電極存在之情況下的例示電漿，其中圖1A顯示當不施加電壓時與偏壓電極介接的電漿之壁鞘(wall sheath)。圖1B顯示施加脈衝電壓時與偏壓電極介接的電漿之基質鞘(matrix sheath)，且圖1C顯示施加連續DC電壓時與偏壓電極介接的電漿之柴爾德－朗繆爾(Child-Langmuir)鞘；
圖2示意性顯示根據本發明之實施例的例示電漿處理設備，該電漿處理設備包含與電漿處理腔室內之基板介接的電漿之基質鞘，該基板耦合至短脈衝產生器；
圖3顯示根據本發明之實施例的負偏壓脈衝的例示脈衝串；
圖4顯示根據本發明之實施例的負偏壓脈衝及正偏壓脈衝的例示脈衝串；
圖5顯示根據本發明之實施例的負偏壓脈衝之例示脈衝串，其各具有線性電壓斜率；
圖6顯示根據本發明之實施例的包含負偏壓脈衝及正偏壓脈衝的例示連續波脈衝串；
圖7顯示根據本發明之實施例的例示調變波脈衝串，其包含表面反應階段、及後接的化學改質階段；
圖8示意性顯示根據本發明之實施例的例示電漿處理設備，其包含用以產生電漿的電漿耦合元件、第一氣體源、第二氣體源、及電漿處理腔室內的基板，電漿包括與耦合至短脈衝產生器之基板介接的基質鞘；
圖9顯示根據本發明之實施例的電漿處理之例示方法；及
圖10顯示根據本發明之實施例的電漿處理之另一例示方法。
除非另外指出，否則不同圖中對應的數字及符號一般指示對應的部件。圖式係為了清楚說明實施例的相關態樣而繪製，且未必按比例繪製。圖中繪示之特徵的邊緣未必表示特徵之範圍的終止。
900:方法
901:步驟
902:步驟

Claims (20)

  1. 一種電漿處理方法，包含： 在一電漿處理腔室中產生電漿，該電漿處理腔室含有一第一物種、一第二物種、及一基板，該電漿含有一電漿鞘、第一物種離子、及第二物種離子，其中該第一物種具有一第一質量，且該第二物種具有小於該第一質量的一第二質量；及 施加負偏壓脈衝的一脈衝串至該基板， 其中該負偏壓脈衝之各者具有小於10 µs的一脈衝持續時間，並在該電漿鞘中使該第一物種離子及該第二物種離子空間性層化；且 其中在各負偏壓脈衝後的一脈衝延遲期間，不施加偏置電壓至該基板，該脈衝延遲為該脈衝持續時間的至少五倍。
  2. 如請求項1之電漿處理方法，其中該第一物種係一前驅物氣體，且該第二物種係一惰性氣體。
  3. 如請求項1之電漿處理方法，其中該第一物種係一第一前驅物氣體，且該第二物種係一第二前驅物氣體。
  4. 如請求項1之電漿處理方法，其中該脈衝持續時間小於約250 ns。
  5. 如請求項1之電漿處理方法，其中該脈衝延遲大於約10 µs。
  6. 如請求項1之電漿處理方法，其中該第一物種對該基板之一可蝕刻表面的反應性大於該第二物種對該基板之該可蝕刻表面的反應性。
  7. 如請求項1之電漿處理方法，更包含： 使用第一物種自由基蝕刻該基板。
  8. 如請求項1之電漿處理方法，更包含： 在該負偏壓脈衝之各者後且在各脈衝延遲前，施加一正偏壓脈衝。
  9. 如請求項1之電漿處理方法，其中該負偏壓脈衝之各者的一前緣包含一線性電壓斜坡。
  10. 如請求項1之電漿處理方法，更包含： 在施加該脈衝串維持一第一持續時間後，藉由維持一第二持續時間不施加偏置電壓至該基板而執行一化學改質階段，該第二持續時間係大於該脈衝持續時間與該脈衝延遲之和的十倍。
  11. 一種電漿處理方法，包含： 在一電漿處理腔室中產生電漿，該電漿處理腔室含有一反應性較低之物種、一反應性較高之物種、及包含一可蝕刻表面的一基板，該電漿包含該反應性較低之物種的離子、以及該反應性較高之物種的離子及自由基， 其中該反應性較低之物種的質量小於該反應性較高之物種的質量，且 其中該反應性較低之物種對該可蝕刻表面的反應性小於該反應性較高之物種對該可蝕刻表面的反應性； 藉由施加負偏壓脈衝之一脈衝串至該基板，而相對該基板處的該反應性較高之物種的離子之通量及能量，增加該基板處的該反應性較低之物種的離子之通量及能量；及 使用該反應性較高之物種的自由基蝕刻該基板的該可蝕刻表面。
  12. 如請求項11之電漿處理方法，其中反應性較低之物種係一惰性氣體，且該反應性較高之物種係一前驅物氣體。
  13. 如請求項12之電漿處理方法，其中該惰性氣體為氦，且該前驅物氣體為氟碳化合物。
  14. 如請求項11之電漿處理方法，其中該反應性較低之物種係一第一前驅物氣體，且該反應性較高之物種係一第二前驅物氣體。
  15. 如請求項14之電漿處理方法，其中該第一前驅物氣體為氫(H2)，且該第二前驅物氣體為氯化氫(HCl)。
  16. 如請求項11之電漿處理方法，其中連續之負偏壓脈衝之間的一脈衝延遲為該脈衝持續時間的至少五倍。
  17. 一種電漿處理設備，包含： 一電漿處理腔室，配置成含有一電漿鞘、一第一物種之離子、及一第二物種之離子，其中該第一物種具有一第一質量，且該第二物種具有小於該第一質量的一第二質量； 一基板，設置在該電漿處理腔室中；及 一短脈衝產生器，耦合至該基板，該短脈衝產生器配置成產生負偏壓脈衝之一脈衝串， 其中該負偏壓脈衝之各者具有小於10 µs的一脈衝持續時間， 其中連續之負偏壓脈衝之間的一脈衝延遲為該脈衝持續時間的至少五倍，且 該脈衝串在該電漿鞘中使該第一物種之離子及該第二物種之離子空間性層化。
  18. 如請求項17之電漿處理設備，其中該脈衝持續時間小於約250 ns。
  19. 如請求項17之電漿處理設備，其中該脈衝延遲大於約10 µs。
  20. 如請求項17之電漿處理設備，其中該脈衝串更包含緊接在該負偏壓脈衝之各者後的正偏壓脈衝、連續之負偏壓脈衝之間緊接在該正偏壓脈衝之各者後的該脈衝延遲。
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