TW202303676A - 電漿處理用快速中性粒子生成 - Google Patents

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Abstract

電漿處理方法包括在電漿處理腔室中產生正電性電漿的輝光相，該電漿處理腔室包含第一物種、第二物種及基板，該基板包括主表面；藉由將該正電性電漿的該等電子與該第二物種的原子或分子結合，而在該正電性電漿的後輝光相中在該電漿處理腔室中產生負電性電漿。該正電性電漿包括該第一物種的複數正性離子，以及複數電子。該負電性電漿包括該等正性離子，以及該第二物種的負性離子。該方法更包括在該後輝光相中循環執行下列步驟：藉由在該基板處施加負性偏壓而產生中性微粒；以及在該基板處施加非負性偏壓。該等中性微粒的平均速度朝向且實質垂直於該基板的該主表面。

Description

電漿處理用快速中性粒子生成
本揭露整體係關於電漿處理，且在特定實施例中係關於在基板處產生快速垂直中性粒子的電漿處理方法、設備及系統。 [相關申請案的交互參照]
本申請案係主張2021年3月25日提交的美國臨時申請案第17/212,038號之優先權，其整體揭露內容係作為參考文獻而引入本文中。
微電子工件內的裝置製造可涉及一系列的製造技術，包括形成、圖案化以及移除複數材料層在基板上。此處存在一致且連續的推進以改善微電子元件的製造處理、特徵及性能。這些改善可能需要新的化學品發展，以及新的先進處理控制方法。
電漿處理用於半導體裝置製造中以進行許多製造技術，例如沉積及蝕刻。脈衝電漿處理方法可使用源功率及/或偏壓功率的脈衝，以控制電漿處理期間的各種參數。舉例來說，射頻(RF)功率或直流(DC)功率可為脈衝的。RF功率亦可在例如施加偏壓脈衝至電極時與DC偏置(DC offset)結合。在某些情況下(例如，在阻抗匹配網路中使用阻隔電容器時)，經供電的電極上的負性DC自偏壓可隨時間增加。
電漿可包括在處理腔室內被混合在一起的各種物種。另外，該電漿內的各物種可產生各種電漿產物，例如離子、自由基、電子，以及分解產物。各物種的電漿產物可具有不同性質，且以不同目的而被包括在該電漿中。舉例而言，不同物種的電漿產物可具有不同化學性質，例如相對於正在處理中的基板的各種材料或該電漿內的物種的不同反應性。此外，該電漿內的各種物種可具有不同電負度及游離能，而造成離子形成的差異。物種得以不同方式接近表面。帶電微粒可經由鞘而被加速，且被導引垂直於該表面而具有提升的垂直性。這些物種被稱為具有非等向性的角分佈。相對地，中性物種以每單元立體角相等的機率而接近該表面。這些被稱為具有等向性的角分佈。
輪廓控制對於例如製造記憶體及邏輯裝置的高深寬比應用來說可為重要的。在高深寬比特徵部中的差異帶電可能會因為例如離子扇形展開的效應而降低離子垂直性並減少深寬比。另外，蝕刻輪廓可能會被自由基遮蔽而產生不良影響，其中該自由基遮蔽可能會在緩慢(等向性)的中性微粒被高深寬比特徵部自身遮蔽而不到特徵部的側部及底部時發生。
根據本發明的實施例，電漿處理方法包括在電漿處理腔室中產生正電性電漿的輝光相，該電漿處理腔室包含第一物種、第二物種及基板，該基板包括主表面；以及藉由將該正電性電漿的該等電子與該第二物種的原子或分子結合，而在該正電性電漿的後輝光相中在該電漿處理腔室中產生負電性電漿。該正電性電漿包括該第一物種的複數正性離子，以及複數電子。該負電性電漿包括該等正性離子，以及該第二物種的負性離子。該方法更包括在該後輝光相中循環執行下列步驟：藉由在該基板處施加負性偏壓而產生中性微粒；以及在該基板處施加非負性偏壓。該等中性微粒的平均速度朝向且實質垂直於該基板的該主表面。
根據本發明的另一實施例，電漿處理方法包括將至少二氣體流入電漿處理腔室，該電漿處理腔室包括射頻源功率電極、射頻偏壓功率電極，以及設置該射頻源電極與該射頻偏壓電極之間的基板。該等氣體包括第一物種及第二物種。該方法更包括將射頻源功率施加至該等氣體以產生該第一物種的複數正性離子及複數電子；將該射頻源功率從該等氣體移除，以藉由將該第一物種的電子與該第二物種的原子或分子結合而產生該第二物種的負性離子；以及在預定延遲後，且在移除該射頻源功率後，施加射頻偏壓功率至該基板以將中性微粒輸送至基板。該射頻偏壓功率包括在基板處少於約10 MHz的頻率。
根據本發明的仍另一實施例，電漿處理設備包括電漿處理腔室，配置以包含負電性電漿，該負電性電漿包括第一物種的複數正性離子及第二物種的複數負性離子；源電源，耦接至該電漿處理腔室，且配置以在該電漿處理腔室中產生正電性電漿；基板，包括被設置在該電漿處理腔室中的主表面；以及偏壓功率產生器電路，耦接在該基板與偏壓電源之間。該偏壓功率產生器電路配置以在該基板處施加射頻偏壓。該正電性電漿包括該第一物種的該等正性離子，以及複數電子，該等電子與該第二物種結合以形成該等負性離子。該射頻偏壓在負性電壓與非負性電壓之間交替。該負性電壓產生具有複數速度向量的複數第一中性微粒，該等速度向量指向該基板的該主表面的方向，且實質垂直於該基板的該主表面。
各種實施例的作成及使用係詳細描述於下。然而，應當理解到，本文所述的各種實施例能夠適用於各種特定背景中。所論述的特定實施例僅為說明作成及使用各種實施例的特定方式，而不應被視為限制範圍。
快速中性微粒可緩解基板帶電及自由基遮蔽的非期望效應。舉例而言，可透過使用不會將電荷傳遞至基板表面的中性微粒而緩解基板帶電。自由基遮蔽的效應可藉由提高中性自由基的垂直性而減低。換言之，背景中性粒子係緩慢(即，冷)的，且在隨機方向在移動；而快速中性粒子具有經界定的方向。舉例而言，快速中性粒子可而被導引朝向基板表面，其中該等快速中性粒子具有實質鉛直於基板表面(即，垂直)的平均速度。比起緩慢的背景中性粒子，較少的快速中性微粒接著被遮蔽而無法到達特徵部深處。
中性射束為快速中性微粒的其中一來源。中性射束係從通過孔口的電漿萃取離子而形成，而通過該孔口的離子係經中和的。然而，基於各種理由，中性射束可能是不切實際的解決方法，例如高成本，複雜性提高，以及相對於基板表面為遙遠的位置。因此，從基板表面附近的電漿而產生的快速中性微粒可能是所需要的。
本文所述的實施例方法及電漿處理設備提供於從電漿處理腔室中所含有的負電性電漿產生快速中性微粒。負電性電漿的其中一特定示例為「離子-離子」電漿，「離子-離子」電漿包括類似密度的正性離子及負性離子，但自由電子極少(例如，＜10^8cm -3或實質為0)而不會形成鞘。藉由將偏壓耦合至基板，快速中性微粒產生在電漿處理腔室中所設置的基板的表面處。由於不存在或幾乎不存在鞘，因此在整個腔室各處感測到所施加的電場。在各種實施例中，該偏壓係以合適頻率施加至該基板而作為偏壓功率脈衝的RF偏壓。該偏壓及因其產生的電場使負電性電漿中的離子加速朝向基板而造成電荷交換碰撞，該電荷交換碰撞產生快速中性微粒。由該偏壓而產生的快速中性微粒具有朝向表面且實質垂直於該表面的平均速度。
實施例方法及電漿處理設備可具優勢地提供勝過習知方法及設備的各種益處。舉例而言，快速中性微粒可具優勢地產生自包括該基板電漿處理腔室中既有的電漿。使用快速中性微粒可有益地在電漿處理期間減少基板帶電(例如，離子扇形展開)。此外，快速中性粒子的垂直性可具優勢地在電漿處理期間減少自由基遮蔽。減少基板帶電及/或自由基遮蔽可提供使特徵部輪廓改善的所欲優點。
在各種實施例中，施予RF偏壓功率可具優勢地避免在產生快速中性微粒時形成鞘。缺乏顯著的鞘形成可防止電荷耗盡，而這有益地允許在電漿的主體各處保持實質均勻的電場。該RF偏壓功率還可具優勢地藉由限制單一方向中的所施予電壓的持續時間而避免基板帶電。對於未在基板處產生自偏壓的實施例來說，這些益處可被進一步增強。施予足夠低頻率的RF偏壓功率可具優勢地避免電子加熱。
在一些實施例中，低電子密度負電性電漿可具優勢地提高可對離子進行加速的時間，而不顯著形成鞘。因此，低電子密度可具優勢地提高對於該基板的快速中性微粒的通量。舉例而言，由於所施予偏壓的持續時間增加，在快速離子與背景中性微粒之間的複數電荷交換碰撞可發生自相同的初始離子。
缺乏顯著的鞘使較大體積的電漿經歷電場，而這可具優勢地造成較多的電荷交換碰撞。因此，經歷該電場的較大體積及各偏壓施加的增加持續時間可具優勢地提高快速中性粒子產生的機會，從而提高在基板處的快速中性粒子通量。
快速中性粒子通量可具優勢地與各種可控制參數(例如，RF偏壓頻率、偏壓功率、電漿密度等)耦合。在此方式中，本文所述的實施例方法的優點可在於能夠使用各種可控制參數而實現快速中性粒子通量的控制。快速中性粒子通量還可具優勢地相對於所關注的其他度量(例如，離子通量)而為可調整的。
下方提供的實施例描述用於電漿處理的各種方法、設備及系統，更具體而言為用於電漿處理的方法、設備及系統，其中被導引朝向基板表面且實質垂直於該基板表面的快速中性微粒係產生自負電性電漿。下方敘述係描述實施例。實施例電漿處理方法的示例性時序圖係使用圖1而加以描述。產生快速中性粒子複數實施例電荷交換碰撞係使用圖2–圖4而加以描述。圖5用於描述實施例電漿處理系統，該系統包括被設置在上電極與下電極之間的負電性電漿。與實施例電漿處理方法相應的二個示例定性圖表係使用圖6及圖7而加以描述，而圖8及圖9用於描述具有及不具有二示例性非期望情境的實施例蝕刻處理。實施例電漿處理設備係使用圖10而加以描述。電漿處理的二個實施例方法係使用圖11及圖12而加以描述。
圖1根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理方法的示意性時序圖及相應定性圖表。
請參照圖1，示意性時序圖100顯示脈衝序列的時序，其中該脈衝序列包括至少一源功率脈衝12及至少一偏壓功率脈衝14，該源功率脈衝12具有源功率持續時間11，而該偏壓功率脈衝14具有偏壓功率持續時間13。源功率脈衝12具有源功率 P S，而偏壓功率脈衝14具有偏壓功率 P B。在各種實施例中，源功率脈衝12係以源功率頻率 f S施予的RF源功率脈衝。源功率頻率 f S可為任何合適頻率，但在各種實施例中為高頻率(HF)RF。在一實施例中，源功率頻率 f S約為13.56 MHz。類似地，在一些實施例中，偏壓功率脈衝14係以偏壓功率頻率 f B施予的RF偏壓功率。偏壓功率頻率 f B可低於源功率頻率 f S。
如圖所示，可任選地藉由延遲持續時間15以將偏壓功率脈衝14與源功率脈衝12暫時分隔開。在延遲持續時間15期間並未施予源功率。同理，在各種實施例中，在延遲持續時間15期間並未施予偏壓功率。
脈衝序列可重複施予各循環16，其中該循環16包括至少一源功率脈衝及至少一偏壓功率脈衝。在各源功率脈衝12的施加期間， P S大於0。在一些實施例中，在源功率脈衝12期間 P B為0。或者，在源功率脈衝12期間，可施予些許偏壓功率( P B＞0)。類似地，在偏壓功率脈衝14期間， P B＞0而 P S是低的或為0。在偏壓功率脈衝14期間不施予源功率可具優勢地避免電子產生，並且保持低的電漿溫度。
定性圖表102對應於示意性時序圖100，且顯示電漿處理系統內的正性離子密度 n +、負性離子密度 n -及電子密度 n e的定性行為。在源功率持續時間11期間，源功率脈衝12產生電漿(例如，在電漿處理腔室中)。當施予源功率時，保持電漿的輝光相17，其中該電漿為正電性電漿41。該電漿可為離子-電子電漿，其具有可觀密度的正性離子及自由電子，如 n +及 n e的高值所示。換言之，雖然在離子-電子電漿中可能會存在一些負性離子(例如，甚至高達90%)，但仍會因為明顯的電子密度而存在著鞘。在離子-電子電漿中的負性離子數量取決於特定實行例的化學品。
在源功率脈衝12的末端將源功率移除後，隨著 n +及 n e因重新組合而降低，從而進入該電漿的後輝光相18。由於電子，以及電子與其他可能的負電性中性粒子組合所形成負性離子的較高移動性，電子密度 n e下降的速率比 n +快速。因此，在延遲持續時間15期間(即，在對系統施予極少或未施予功率時)，負性離子密度 n -急遽上升，同時保持該電漿的電中性。負電性電漿42(其隨著 n e趨近0而成為離子-離子電漿)在後輝光相18中形成。負電性電漿42包括正性離子及負性離子二者，但包括相對少或無自由電子。
術語「正電性電漿」及「負電性電漿」分別可被視為是比離子-電子電漿及離子-離子電漿更廣義的術語。舉例而言，負電性及正電性可用於描述電漿的電子密度會在該電漿內增加或下降的傾向。因此，在合適的時間週期後，淨正電性電漿可自然具有一個有意義數量的自由電子(離子-電子電漿)，而淨負電性電漿可產生足量的負性離子以產生離子-離子電漿。
電漿的電負度可與正電性及負電性物種的存在有關。舉例來說，淨正電性電漿或淨負電性電漿可同時包括正電性電漿(例如，Ar等)及負電性電漿(例如，Cl、O等)。在總電正度與電負度之間的平衡可取決於外部條件，例如該電漿內的物種的相對密度、壓力、所施予的功率及偏壓等。
在此方式中，可利用延遲持續時間15以在正電性電漿41的後輝光相18中產生負電性電漿42。在各種實施例中，延遲持續時間係落在給定正電性電漿的離子-電子     鬆弛時間 τ + 量級上，該量級可具優勢地能夠當正性及負性離子密度為高的且電子密度為低的(負電性電漿)時實現偏壓功率的施加。在一些實施例中，延遲持續時間15小於約5 µs。在一實施例中，延遲持續時間15約為10 µs。在另一實施例中，延遲持續時間約為50 µs。
如定性圖表104(其還相應於示意性時序圖100)所顯示，在輝光相17施予源功率脈衝12期間離子溫度 T i突起，接著保持在升高狀態。在移除源功率後， T i伴隨著而 n e降下。在負電性電漿42已充分形成時且在大量正性離子及負性離子彼此中和之前，施予偏壓功率脈衝14。在偏壓功率持續時間13期間所施予的偏壓功率產生快速中性粒子通量 Γ FN而不顯著提高 T i及 n e，同時 n +及 n -緩慢降低。
負電性電漿42可具優勢地由於後輝光相18中的低電子密度 n e而降低鞘形成的速率。換言之，鞘形成的時間尺度可被非常大的離子質量(相對於電子的低質量)及低離子溫度而主導。在這些狀態下，離子皆為重且冷的，使得重新組合時間比起包括高電子密度的電漿來說是增加的。此延長的鬆弛時間可足以在基板的方向中加速離子伴隨最少的鞘形成，而這有助益地產生在負電性電漿42內進行電荷交換碰撞的合適條件。
偏壓功率頻率 f B可被鬆弛時間直接影響。舉例而言，隨著鬆弛時間增加(可在較長的時間段中避免鞘形成)，較低偏壓功率頻率變成可行的。較高偏壓功率頻率 f B還可能造成非期望的電子加熱。因此，使用負電性電漿42而實現較低 f B的可能優點在於減少或防止由於升高的電子溫度所造成的二次發射。
低離子溫度 T i結合加長的偏壓施加(源自減少 f B)可具優勢地在偏壓功率脈衝14期間產生高指向性的離子。這些高指向性的離子與負電性電漿42內的電荷交換碰撞中的背景中性微粒(例如，自由基)產生交互作用。電荷交換碰撞產生與指向性離子具有實質相似速度的快速中性微粒。換言之，快速中性微粒可具優勢地具有朝向基板的主表面且實質垂直於該主表面的平均速度，其中該主表面係被施予偏壓功率。
從負電性電漿42產生快速中性微粒能夠使用快速中性粒子來對付非期望的效應(例如，基板帶電及自由基遮蔽)，而無習知中性射束的缺點。舉例而言，示意性時序圖100可用於從緊鄰基板表面的既有電漿產生快速中性微粒。相對地，習知中性射束源可能會因為高成本、與既有系統的不相容性，以及中性射束源(例如，孔口板)相對於基板的遙遠位置而為不切實際的。
偏壓功率持續時間13可為相對短的。舉例而言，該電漿可隨時間而變得更具電阻，電漿密度將持續降低，且快速中性粒子通量 Γ FN將隨時間降低。在一實施例中，偏壓功率持續時間13少於約50 µs。源功率持續時間11亦可被保持地越短越好，原因在於電漿密度可迅速地變平緩，且源功率脈衝12的目的僅在於產生後續使用的正性離子及電子。脈衝序列的循環16可因此為相對短的。舉例而言，該循環16可少於約200 µs。
圖2根據本發明的實施例繪示在正電第一物種離子與背景第一物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖。圖2的電荷交換碰撞可在本文所述電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)期間產生。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖2，電荷交換碰撞200包括正電第一物種離子21(A +)及背景第一物種中性粒子23(A)。在A +及A足夠靠近而彼此交互作用之前的第一時刻201時，A +在A的基準座標系中沿著A的方向具有速度 v(其中A為靜止的)。由於A係在具有低溫(低速度)的電漿背景中的中性微粒，因此這也是該系統的基準座標系的公正近似。
在第一時刻201期間，A +以速度 v移動朝向A。一個被稱為碰撞參數 β的量定義出A +及A彼此感測(例如，足夠靠近以產生交互作用)的距離。圖2中繪示的電荷交換碰撞200為對稱的，原因在於A +及A二者為彼此僅差異一電子的一些第一物種。因此，電荷交換碰撞200為對稱的正性離子電荷交換碰撞。
在第二時刻202時，A +及A足夠靠近而進行交互作用，且交換電子29。具體而言，電子29從A轉移至A +。其結果為在第三時刻203時產生緩慢正電第一物種離子26(A +)，以及具有速度 v的快速第一物種中性粒子25(A)。接著，電荷交換碰撞200的交互作用方程式可被寫成
Figure 02_image001
。
電荷交換碰撞200的總效應係將快速微粒的特性從正性離子「交換」至中性微粒。有利的是，由於電荷交換碰撞200是向前的散射碰撞，其中動量轉移是可忽視的，因此快速第一物種中性粒子25保持速度 v。藉由例如在圖1的偏壓功率脈衝14期間使用所施予偏壓將電漿中的正性離子加速至速度 v，可在電漿中產生例如電荷交換碰撞200的碰撞。
電荷交換碰撞事件的機率直接相關於微粒的密度及碰撞參數 β，且間接正比於離子與中性粒子之間的相對速度 v。因此，較低的相對速度 v將會產生較大量的快速中性微粒(由於增加的碰撞機率)，但快速中性微粒將具有較低的速度。在此方式中，在快速中性粒子能量與快速中性粒子通量之間可能存在取捨。
圖3根據本發明的實施例繪示在負電第一物種離子與背景第一物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖。圖3的電荷交換碰撞可在本文所述電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)期間產生。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖3，電荷交換碰撞300包括負電第一物種離子22(A -)及背景第一物種中性23(A)。類似於圖2的電荷交換碰撞200，A -在第一時刻301時具有相對於A的速度 v，以及碰撞參數 β。在第二時刻302時，電子29從A -轉移至A，而在第三時刻303時形成緩慢負電第一物種離子28(A -)，以及具有速度 v的快速第一物種中性25(A)。因此，電荷交換碰撞300的交互作用方程式可被寫成
Figure 02_image003
。
類似於圖2的電荷交換碰撞200，該碰撞為對稱的，且電荷交換碰撞300為對稱的負性離子電荷交換碰撞。電荷交換碰撞300的總效應係將快速微粒的特性從負性離子「交換」至中性微粒。藉由例如在圖1的偏壓功率脈衝14期間使用所施予偏壓將電漿中的負性離子加速至速度 v，可在電漿中產生例如電荷交換碰撞300的碰撞。
圖4根據本發明的實施例繪示在第一物種離子與背景第二物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖。圖4的電荷交換碰撞可在本文所述電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)期間產生。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖4，電荷交換碰撞400可包括正電第一物種離子21(A +)及背景第二物種中性粒子24(B)。與先前所述的電荷交換碰撞不同的是，帶電微粒A +是與中性微粒B不同的物種(例如，原子、分子、錯合物)。因此，電荷交換碰撞400為不對稱電荷交換碰撞。
在第一時刻401時，A +具有相對於B的第一速度 v 1 ，以及碰撞參數 β。在第二時刻402時，電子29從B轉移至A +，而在第三時刻403時形成緩慢正電第二物種離子27(B +)，以及具有速度 v 2 的快速第一物種中性25。然而，由於第一物種與第二物種之間的不對稱性，需要些許能量變化Δ E以促進從B至A +的電荷轉移。
舉例來說，在對稱的電荷交換交互作用中，初始狀態與最終狀態具有相同能量。換言之，如對稱交互作用圖404所示，其中顯示位能比上原子間距，不需要額外能量來獲得A+A +而不是A ++A的結果。相對地，對於不對稱的電荷交換交互作用，A+B +的最終狀態(即，電荷轉移已發生的狀態)的能量比A ++B的初始狀態更高，如不對稱交互作用圖405所繪示。
系統A ++B的交互作用位能係由實(底)線定性繪示，其中A +與B之間的距離隨著實線從右邊橫越至左邊而降低。在沿著位能曲線的一些點處(此處為最小值)，該系統處於暫時交互作用狀態，其中過量的正電荷共享於A與B之間，且被顯示為(AB) +。需要額外能量 E以將(AB) +激發至較高的能量狀態(AB) +*，從該能量狀態(AB) +*可得到所欲的最終狀態A+B +，這由虛(頂)線所繪示。因此，電荷交換碰撞400(不對稱正性離子電荷交換碰撞)的交互作用方程式可被寫成A ++B→A+B ++Δ E。
使不對稱電荷交換碰撞能夠進行電荷轉移的額外能量可來自任何合適來源。舉例而言，如圖所示，額外能量 E可來自A +的速度 v 1。在此情況下，雖然在碰撞後方向是保持的，但所得到的快速中性粒子A的速度 v 2小於 v 1。或者，其中一些或所有能量可來自其他來源，例如輻射能量(例如，來自電漿的光放射)，而 v 2將會等於或非常接近 v 1。
應注意到，在例如先前參照圖1所述的負電性電漿中，除了所授予的離子速度之外，可能會因為低離子溫度 T i及低電子溫度 T e而幾乎不存在可利用能量。因此，較慢的離子(較小 v 1)可能會較不易躍遷至激發態，從而可能較容易鬆弛回到初始態而產生原本的快速離子及緩慢中性粒子。當然，涉及締合及分解的較複雜電荷交換碰撞也是可行的，且其亦可用於從電漿內的經加速離子產生快速中性微粒。
圖5根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理系統的示意圖，該電漿處理系統包括被設置在上電極與下電極之間的負電性電漿，其中在下電極處所施予的電壓產生快速中性粒子的串列(cascade)，其中所述快速中性粒子具有朝向下電極的主表面且實質垂直於該主表面的平均速度。圖5的電漿處理系統可用於執行本文所述電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖5，電漿系統500包括在上電極31與下電極32之間形成的負電性電漿42。上電極31與下電極32隔開距離 L。在各種實施例中，距離 L落在數十公分的量級，且在一些實施例中少於約15 cm。在一實施例中，距離 L約為15 cm。負電性電漿42包括正性離子21及負性離子22。負電性電漿42還包括背景中性微粒，且可包括其他正性、負性及中性微粒。
上電極31保持在參考電位( V=0)。舉例而言，上電極31可耦接至接地電位。偏壓(± V B)產生於下電極32處。舉例而言，該偏壓可藉由使用例如先前參照圖1所述的偏壓功率脈衝將偏壓功率施加至下電極32而產生。
當偏壓相對於上電極31的參考電壓為負性(- V B)時，正性離子在該等電極之間產生的電場中加速。正性離子參加與背景中性微粒的電荷交換碰撞而產生快速中性微粒，快速中性微粒該具有朝向下電極32的表面且實質垂直於該表面的平均速度。
電荷交換碰撞可為對稱或不對稱的，且各正性離子可參加複數電荷交換碰撞。舉例而言，如圖所示，正性離子21可被加速朝向下電極32，並且與背景中性粒子23碰撞而產生快速中性微粒25及緩慢正性離子26。只要下電極32仍處於負性電壓，新的緩慢正性離子26仍會被加速，並且可與另一背景中性粒子23碰撞而產生另一快速中性微粒25及緩慢正性離子26。
在此方式中，電荷交換碰撞的串列可產生複數快速中性微粒25，該複數快速中性微粒25具有垂直於下電極32的表面(且例如垂直於設置在下電極32上的基板的表面)的速度。由於在將偏壓功率施加至負電性電漿42的期間的鞘形成是最小化的，本文所述的實施例可具有每一離子能產生複數碰撞的優點。可忽略的鞘還可具優勢地提高電漿經受電場的距離。這帶來加速更多離子且產生更多電荷交換碰撞的益處，而提高快速中性粒子產生的機會。
所產生的快速中性微粒25不會被下電極32處的電壓變化影響。換言之，當使用在負性電壓與非負性電壓之間震盪的RF偏壓功率脈衝而施予偏壓時，快速中性微粒25維持其軌跡朝向下電極32。這件事的能達到優點在於負電性電漿42的內部中產生的快速中性微粒25仍將到達下電極32。
類似地，在下電極處的偏壓變成正性(+ V B)的實施例中，負性離子22可被加速朝向下電極32，並且與背景中性粒子23碰撞而產生快速中性微粒25及緩慢負性離子28。該緩慢負性離子28可接著在下電極32處於正性電壓時，參加與背景中性粒子23的電荷交換碰撞的串列。
由於帶電微粒以頻率 f B來回移動而快速中性粒子不會被電場震盪影響，因此對下電極施加RF偏壓功率可具優勢地產生快速中性微粒而不使下電極32帶電。此事項可進一步提供在基板處輸送高的快速中性粒子通量 Γ FN(相對於離子通量 Γ i)的優點。
尤其，在一些實施例中，基板處的 Γ FN大於 Γ i。在各種實施例中， Γ FN: Γ i的比率大於約2:1。 Γ FN: Γ i的比率可與壓力，鞘厚度及偏壓等其他變數有關。在一情境(例如，較高壓力狀態)中，比率 Γ FN: Γ i可約為10:1。舉例而言，在100 mTorr壓力、5 mm鞘厚度及1 kV偏壓的情況下，可達成10:1的比率，然而其他變數亦可影響該比率。另外，由於鞘厚度為偏壓及電子密度的函數，對於較低壓力(例如，20 mTorr)的 Γ FN: Γ i的比率可為較低的。
下電極32處的電壓可在參考電壓( V=0)附近震盪。換言之，該電壓可重複循環從+ V B至– V B，而負電性電漿42內的帶電微粒可保持相對定量。因此，藉由在下電極32處避免自偏壓可進一步增強施加RF偏壓功率的益處。在一些實施例中，在施加RF偏壓功率期間，在下電極32處實質未產生自偏壓。這例如可歸因於電極的交替正性及負性電壓與離子-離子電漿的平衡電流的一些組合。換言之，可在循環的一部分期間注入正性離子，而該循環的剩餘部分中注入負性離子以減低或消除基板表面處的差異帶電，其中差異帶電為自偏壓產生的主要貢獻者。
圖6根據本發明的實施例繪示偏壓頻率對上電漿密度的定性圖表，其顯示鞘形成、電子加熱及帶電的狀態。圖6的定性圖表可對應於本文所述的電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)期間的條件。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖6，定性圖表600在複對數軸上顯示偏壓功率頻率 f B對上電漿密度 n。為了防止鞘形成，鞘形成時間 τ -應大於所施予RF偏壓功率的週期(1/ f B)。鞘形成時間 τ -係以下列方程式而與電漿密度 n及離子漂移速度 v相關
Figure 02_image005
其中 ε 0為自由空間的介電常數， e為基本電荷，而 Φ為鞘電位。
雖然未形成鞘，但由於複數電極之間的大致線性電位降(被負電性電漿所經受的恆定電場)，要在負電性電漿中進行大尺度的電荷交換是可能的。接著，下列條件可用於指示當給定負電性電漿系統處於電荷交換狀況中：
Figure 02_image007
在密度 n為2×10 16m -3且離子漂移速度 v為1000 m/s的負電性電漿中的鞘形成(此處例如界定為10 V的鞘電位)的代表性時間為 τ -=150 ns。定性圖表600以分界線602說明這兩種狀態，其中該分界線602代表上述不等式條件。
可利用的頻率的範圍延伸至較低頻率而用於較低密度的電漿。然而，快速中性粒子通量 Γ FN直接正比於電漿密度，故可能需要密度與頻率之間的平衡來達成給定通量。電漿密度可例如使用源功率而加以控制，而偏壓頻率 f B可被直接控制。
定性圖表600中亦繪示額外的非所欲效應。這些效應為電子加熱，對於高於約10 MHz的偏壓頻率來說可能很大程度會發生電子加熱，如圖所示。另外，隨著電子及離子到達基板而不是保留在電漿中，基板帶電可能會成為相當低頻率(例如，少於約1 MHz)的問題。因此，理想範圍可存在於偏壓頻率 f B介於約1 MHz與約10 MHz之間，而電漿密度 n在約1×10 17m -3之下，如圖所示。
上方條件是假設負電性電漿中的電子密度 n e係可忽略的而加以決定。任何電子密度 n e的提升將會造成較快速的鞘形成。因此，在施加偏壓功率期間的低電子密度 n e會使得可將離子進行加速的時間量增加，從而使快速中性粒子通量及快速中性微粒的平均速度二者均可能增加。
應注意到，離子速度 v也存在於上述條件中。隨著 v增加， τ -會降低而推動偏壓頻率 f B以避免鞘形成地更高。偏壓功率可用於控制離子速度 v。因此，可能需要較低的偏壓功率而允許使用在約1 MHz至10 MHz的理想範圍內的頻率。在各種實施例中，偏壓功率 P B的峰值電壓小於約500 V。在一實施例中，偏壓功率 P B的峰值電壓約為400 V。在另一實施例中，偏壓功率 P B的峰值電壓約為100 V。
圖7根據本發明的實施例繪示對稱及不對稱電荷交換的交互作用的電荷交換橫截面對上離子能量的定性圖表。圖7的定性圖表可對應於本文所述的電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)期間的條件。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖7，定性圖表700在複對數軸上顯示對稱碰撞702，近似對稱碰撞703及不對稱碰撞704的電荷交換橫截面對上離子能量。通常，當不需要能量進行電荷轉移時(如對稱碰撞702)，則電荷交換橫截面隨著離子能量降低而增加，如圖所示。對於近似對稱碰撞703而言，只有最慢的離子無法轉移電荷，而這造成電荷交換橫截面從0到完全對稱曲線的急遽增加。
相對地，在不對稱碰撞704中需要較高速度以促進電荷轉移，而這在明顯高於0的速度值處產生離子能量的定義峰。因此，雖然基於上述理由而期望將偏壓功率(傳遞速度給離子)維持在低的，但在需要透過不對稱電荷交換碰撞而產生快速中性粒子的實行例中可能會存在偏壓功率的可實施下界。
由於在二種物種的性質差異(例如，電負度、游離電位、質量等的差異)，故各個不同的可能電荷交換碰撞反應具有給定的速率係數。不對稱的電荷交換碰撞反應可分為二種族群：放熱反應(在無額外離子能量的情況下進行)，以及吸熱反應(通常需要數eV用於電荷來進行)。吸熱反應可分為二個子群，該二個子群係提及於上且包括近似對稱碰撞702及不對稱碰撞704。放熱反應的速率係數是高的，而相較之下不對稱碰撞的速率係數是相對低的。電荷交換碰撞的近似對稱類別的速率係數是佔據中間地帶。
對於
Figure 02_image009
(氟碳化物物種的對稱電荷交換反應)的某些經實驗決定而選擇的速率係數為1.0×10 -9cm 3/s(其被視為高速率係數)，而對於
Figure 02_image011
(涉及締合及分解的不對稱電荷交換反應)的經實驗決定而選擇的速率係數為2.5×10 -12cm 3/s其被視為低速率係數)。對於
Figure 02_image013
(涉及分解的不對稱電荷交換反應)的落在中間的某些速率係數為5.0×10 -10cm 3/s，而對於
Figure 02_image015
(碳氧化物物種的不對稱電荷交換反應)的落在中間的某些速率係數為1.4×10 -10cm 3/s。
藉由將離子能量(即，速度)提高到足以克服反應勢壘，可提高給定不對稱反應的交互作用橫截面。由於電漿內的許多自由基/離子的不穩定本質，對於大多數電荷交換反應的反應勢壘可具優勢地為低的，而這允許這些反應在合適條件(例如，上述的電漿密度、偏壓功率頻率、偏壓功率)下從電漿產生快速中性微粒。對於其他離子-中性粒子電荷交換反應的速率係數的非窮舉式列表可見Vasenkov, et al., Properties of c-C 4F 8inductively coupled plasmas. II. Plasma chemistry and reaction mechanism for modeling of Ar/c-C 4F 8/O 2discharges , J. Vac. Sci. Technol., 2004的表IV，其係伴隨著第511-13及518頁的對應相關文字而作為參考文獻併入本文中。
圖8根據本發明的實施例繪示在具有及不具有差異帶電的電漿蝕刻處理期間的示例基板的橫截面圖。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖8，顯示基板843的橫截面圖。在第一情境801中，繪示從電漿蝕刻處理而得的理想蝕刻輪廓，該電漿蝕刻處理運用正電離子21且使用遮罩材料52而蝕刻基板材料51。該蝕刻處理在基板材料51中產生高深寬比凹陷部53，其中該凹陷部53具有完美垂直側壁(相對於基板843的主表面46)及平坦底表面。
在第二情境802中，繪示由於基板材料51及遮罩材料52(其中的一或二者可為介電質材料)中的差異帶電55而導致的蝕刻輪廓，其中該蝕刻輪廓呈現離子扇形54。當電荷積聚在基板843的表面上時，正電離子21會從完全垂直路徑偏轉，並透過加寬側壁、減少蝕刻深度，以及不均勻地蝕刻凹陷部的底部而造成特徵部輪廓扭曲。
透過增加被導引朝向且垂直於主表面46(例如，被設置在下電極上的基板843的暴露上表面)的快速中性粒子的使用，可減少或完全避免非期望的第二情境802。舉例而言，快速中性微粒的中性確保在對基板843施加快速中性粒子通量 Γ FN時基板材料51及遮罩材料52不會積聚電荷。另外，快速中性微粒對於在基板處發生的任何帶電效應所導致的偏移是免疫的。
快速中性粒子的垂直性及能量可促進與使用垂直離子的蝕刻具有同等或實質相似效率的蝕刻，但無非期望的基板帶電效應。另外，對於在給定蝕刻處理中需要快速離子以實現結果的程度，可藉由使用本文所揭示的方法在基板處以大的快速中性粒子通量 Γ FN補充離子通量 Γ i，而有具優勢地減低基板處所需的離子流。
圖9根據本發明的實施例繪示在具有及不具有自由基遮蔽的電漿蝕刻處理期間的示例基板的橫截面圖。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖9，顯示基板943的橫截面圖。在第一情境901中，繪示理想的蝕刻輪廓，其具有從中性微粒(例如，自由基)與基板材料51的交互作用而均勻形成在高深寬比凹陷部53的側壁及底表面上的均勻鑲邊層56。均勻鑲邊層56可運作以鈍化凹陷部53內的基板材料51的表面，並且促進僅被高能微粒(例如，被偏壓加速的正電離子21及/或具有足夠高能量的快速中性微粒25)進行的蝕刻，這進一步增強可達成的深寬比及蝕刻輪廓。
在第二情境902中，自由基遮蔽導致凹陷部53中的自由基的不均勻施加57。無指向性的冷中性自由基容易被特徵部本身所遮蔽，特別是在特徵部的深寬比增加時。因此，到達特徵部的底部的冷中性自由基的數量可能會遠少於撞擊特徵部側壁的上部的數量。這種不均勻的自由基施加可能會由於自由基所導致的鈍化而使基板材料51的一些區域蝕刻得比其他區域慢。結果可能會產生不均勻的特徵部表面及特徵部扭曲。
提高被導引朝向且垂直於主表面46的快速中性微粒25的使用可減少或完全避免非所欲的第二情境902。這些快速中性微粒25主要被輸送至凹陷部53的底部，原因在於其速度的主成分為垂直的。鑲邊層形成在凹陷部53的底部區域處，該底部區域後續被充分的高能微粒進行蝕刻。在快速中性微粒25保留在側壁上且凹陷部53的底部持續被蝕刻時，可有利地產生均勻鑲邊層56。均勻鑲邊層56可藉由防止側壁被低能量(例如，低速度)的微粒蝕刻而有效益地改善深寬比及蝕刻輪廓。
圖10根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理設備的示意圖，該電漿處理設備包括電漿處理腔室，該電漿處理腔室包含被設置上電極與下電極之間的負電性電漿。圖10的電漿處理設備可用於執行本文所述電漿處理方法(例如，圖1的電漿處理方法)。類似標示的元件可如先前所述。
請參照圖10，電漿處理設備1000包括電漿處理腔室30、上電極31及下電極32。偏壓功率產生器電路34耦接在下電極32與偏壓電源33之間。偏壓功率產生器電路34配置以將偏壓功率(例如，RF偏壓功率脈衝)施加至下電極32。源功率產生器電路36耦接在源電源35與上電極31或下電極32的任一者之間。偏壓電源33、源電源35及電漿處理腔室30可各自耦接至接地連接37，如圖所示。
源功率產生器電路36配置以提供源功率至電漿處理腔室30(使用上電極31或下電極32任一者)，以產生在上電極31與下電極32之間且被電漿處理腔室30包含的電漿的輝光相。在一實施例中，所產生的電漿為正電性電漿。在一些實施例中，電漿為電容耦合電漿，但其他類型的電漿可為合適的，例如感應耦合電漿、表面波電漿等。舉例而言，在使用個別的上電極供應偏壓功率時，共振器(例如，螺旋共振器或螺旋狀共振器)可用於產生感應耦合電漿。
第一物種23及第二物種24被引進電漿處理腔室30(例如，在氣相中)。舉例而言，可使用如圖所示的上電極31的噴淋頭配置而提供該第一物種23及第二物種24。用於將第一物種23及第二物種24引進物種的其他合適配置亦為可行的。
負電性電漿42係產生自介於上電極31與下電極32之間的第一物種23及第二物種24。舉例而言，所施加的源功率可用於產生正電性電漿的輝光相，其包括第一物種23的正性離子及電子。接著，可藉由將正電性電漿的電子與第二物種24結合以形成第二物種的負性離子，而在正電性電漿的後輝光相中產生負電性電漿42。
偏壓功率(例如，RF偏壓功率脈衝)可在正性偏壓 V B，以及數值與 V B相等的負性偏壓- V B之間交替(例如，在施加該偏壓功率期間在下電極32處不會有自偏壓積聚)。此外，偏壓功率的波形可為正弦的，或是還可為雙脈衝，三角脈衝或其他合適波形。基板43設置在下電極32上。基板43包括主表面46。從藉由施加偏壓功率而加速的負電性電漿的離子所產生的快速中性微粒25獲得平均速度，該平均速度朝向且實質垂直於基板43的主表面46。
藉由控制腔室抽真空的速率及該等物種的獨立流速，可調整第一物種23及第二物種24的總密度及相對密度。舉例而言，物種密度與源功率及源功率脈衝持續時間的組合可用於達成適合大規模產生電荷交換碰撞的負電性電漿42的電漿密度。
還可提供更多物種至電漿處理腔室30中，且該更多物種可取決於給定電漿處理的特定需求。快速中性微粒可在從第一物種23、第二物種24，以及從其他物種(例如，與第一物種及第二物種不同的第三物種)的對稱及不對稱電荷交換碰撞中而產生自負電性電漿42。
在各種實施例中，第一物種23為相對惰性物種，例如惰性氣體。在一實施例中，第一物種23為氬(Ar)。在其他實施例中，第一物種23為化合物，例如碳氫化合物、氟碳化物、碳氧化物等。在一實施例中，第一物種23為CH 4。在一些實施例中，第二物種24為相對負電性(例如反應性)物種，例如鹵素氣體。在一實施例中，第二物種24為氯(Cl)，其可作為二原子氣體(Cl 2)而被引進電漿處理腔室30。在其他實施例中，第二物種可為負電性化合物，例如SF 6。
第一物種23與第二物種24之間的游離能差異可具優勢地促進從所施加的源功率形成正電性電漿，隨後在將源功率移除後形成負電性電漿42。舉例而言，第二物種24可能相對不易捨棄電子(被源功率的RF場離子化)，但相對渴望獲得後輝光相中的正電性電漿的電子。
第一物種23還可為被源功率離子化的更具反應性物種(例如，蝕刻劑)。舉例而言，第一物種23可包括氫、碳、氟、氧等。惰性氣體還可與反應性第一物種一起被包括在內。在此情況下，惰性氣體可被視為第一物種，而反應性物種被視為與該第一物種具有不同電負度的第三物種。接著，快速中性微粒可經由例如反應性物種離子與背景反應性物種中性粒子，或惰性氣體離子與背景反應性物種中性粒子之間的碰撞而產生。
圖11根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理方法。圖11的方法可與使用本文所述的系統及設備而執行的其他方法結合。舉例而言，圖11的方法可與圖1–圖10的任何實施例結合。雖然顯示成邏輯順序，但圖11的步驟的安排及編號的用意並不在受限於此。如對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者所顯而易知的，圖11的方法步驟得以任何合適順序或彼此同時執行。
請參照圖11，電漿處理方法1100的步驟1101係在電漿處理腔室中產生正電性電漿的輝光相1102，該電漿處理腔室包含第一物種、第二物種及基板，該基板包括主表面。正電性電漿包括第一物種的正性離子，以及電子。
步驟1103係藉由將正電性電漿的電子與第二物種的原子或分子結合，而在正電性電漿的後輝光相1104中在電漿處理腔室中產生負電性電漿。負電性電漿包括該等正性離子，及第二物種的負性離子。
步驟1105係在後輝光相1104中循環執行步驟1106及步驟1107。在步驟1106中藉由在基板處施加負性偏壓而產生第一中性微粒，其中所述第一中性微粒具有朝向且實質垂直於基板的主表面的平均速度。步驟1107係在基板處施加非負性偏壓。接著，可依需求而任選地重複進行方法1100，如步驟1108所標示。
圖12根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理方法。圖12的方法可與使用本文所述的系統及設備而執行的其他方法結合。舉例而言，圖12的方法可與圖1–圖11的任何實施例結合。雖然顯示成邏輯順序，但圖12的步驟的安排及編號的用意並不在受限於此。如對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者所顯而易知的，圖12的方法步驟得以任何合適順序或彼此同時執行。
請參照圖12，電漿處理方法1200的步驟1209係將至少二氣體流入電漿處理腔室，該電漿處理腔室包括RF源功率電極、RF偏壓功率電極，以及設置該RF源電極與該RF偏壓電極之間的基板。該等氣體包括第一物種及第二物種。步驟1201包括將RF源功率施加至該等氣體，以產生第一物種的正性離子及電子。將RF源功率施加至該等氣體可被視為電漿的輝光相1202。
步驟1203係將RF源功率從該等氣體移除，以藉由將第一物種的電子與第二物種的原子或分子結合而產生第二物種的負性離子。舉例而言，第二物種的原子或分子可為中性負電性物種，該中性負電性物種在電子溫度下降時與電子結合。在步驟1206中，在預定延遲後且在移除RF源功率後將RF偏壓功率施加至基板，以輸送中性微粒至基板。RF偏壓功率包括在基板處少於約10 MHz的頻率。步驟1203及步驟1206可被視為電漿的後輝光相1204。當氣體保留或被流進電漿處理腔室中時，接著可依需求而任選地重複進行步驟1201，步驟1203及步驟1206(例如，輝光相1202及後輝光相1204)，如步驟1208所標示。
本發明的示例性實施例總結於此。從本說明書的整體及本文申請的申請專利範圍亦可理解其他實施例。
示例1。一種電漿處理方法包括：在電漿處理腔室中產生正電性電漿的輝光相，該電漿處理腔室包含第一物種、第二物種及基板，該基板包括主表面，該正電性電漿包括該第一物種的複數正性離子，以及複數電子；藉由將該正電性電漿的該等電子與該第二物種的原子或分子結合，而在該正電性電漿的後輝光相中在該電漿處理腔室中產生負電性電漿，該負電性電漿包括該等正性離子，以及該第二物種的負性離子；以及在該後輝光相中循環執行下列步驟：藉由在該基板處施加負性偏壓而產生複數第一中性微粒，該等第一中性微粒具有朝向且實質垂直於該基板的該主表面的平均速度；以及在該基板處施加非負性偏壓。
示例2。如示例1之方法，其中產生該等第一中性微粒包括：將該等正性離子加速朝向該基板以促進該負電性電漿內的複數電荷交換碰撞，該等電荷交換碰撞產生具有該平均速度的該等第一中性微粒。
示例3。如示例2之方法，其中該負電性電漿內的該等電荷交換碰撞包括在其中一些該等正性離子與該第一物種的中性背景微粒之間的碰撞。
示例4。如示例2之方法，其中該負電性電漿內的該等電荷交換碰撞包括在其中一些該等正性離子與第三物種的中性背景微粒之間的碰撞，該第三物種包括與該第一物種不同的電負度。
示例5。如示例1至4的其中一者之方法，其中在該基板處施加該非負性偏壓包括：藉由在該基板處施加正性偏壓而產生複數第二中性微粒，該等第二中性微粒具有朝向且實質垂直於該基板的該主表面的平均速度。
示例6。如示例1至5的其中一者之方法，其中該第二物種為氯。
示例7。如示例6之方法，其中該第一物種為氬。
示例8。如示例6之方法，其中該第一物種包括氫及碳。
示例9。一種電漿處理方法包括：將至少二氣體流入電漿處理腔室，該電漿處理腔室包括射頻(RF)源功率電極、RF偏壓功率電極，以及設置該RF源電極與該RF偏壓電極之間的基板，該等氣體包括第一物種及第二物種；將RF源功率施加至該等氣體以產生該第一物種的複數正性離子及複數電子；將該RF源功率從該等氣體移除，以藉由將該第一物種的電子與該第二物種的原子或分子結合而產生該第二物種的負性離子；以及在預定延遲後，且在移除該RF源功率後，施加RF偏壓功率至該基板以將中性微粒輸送至基板，該RF偏壓功率包括在基板處少於約10 MHz的頻率。
示例10。如示例9之方法，其中該頻率介於約1 MHz與約10 MHz之間。
示例11。如示例9或10之方法，其中在施加該RF偏壓功率時在該基板處未產生自偏壓(self-bias)，該RF偏壓功率在該基板處產生正性電壓，及數值與該正性電壓相等的負性電壓，且該RF偏壓功率在該正性電壓與該負性電壓之間交替。
示例12。如示例9至11的其中一者之方法，其中該RF偏壓功率的峰值電壓的絕對值小於約500 V。
示例13。如示例9至12的其中一者之方法，其中在施加該RF偏壓功率的持續時間內，該電漿處理腔室中的電漿密度少於約1×10 17m -3。
示例14。如示例9至13的其中一者之方法，更包括：循環執行下列步驟：施加及移除該RF源功率，隨後在該預定延遲後在該電漿處理腔室中施加RF偏壓功率。
示例15。電漿處理設備包括：電漿處理腔室，配置以包含負電性電漿，該負電性電漿包括第一物種的複數正性離子及第二物種的複數負性離子；源電源，耦接至該電漿處理腔室，且配置以在該電漿處理腔室中產生正電性電漿，該正電性電漿包括該第一物種的該等正性離子，以及複數電子，該等電子與該第二物種結合以形成該等負性離子；基板卡盤，包括被設置在該電漿處理腔室中的主表面；以及偏壓功率產生器電路，耦接在該基板與偏壓電源之間，該偏壓功率產生器電路配置以在該基板處施加射頻(RF)偏壓，其中該RF偏壓在負性電壓與非負性電壓之間交替，該負性電壓產生具有複數速度向量的複數第一中性微粒，該等速度向量指向該基板的該主表面的方向，且實質垂直於該基板的該主表面。
示例16。如示例15之電漿處理設備，其中該偏壓功率產生器電路配置以施加頻率介於約1 MHz與約10 MHz之間的該RF偏壓。
示例17。如示例15或16之電漿處理設備，更包括：上電極，耦接至該電漿處理腔室，且配置以在施加該RF偏壓期間被保持在接地電壓；以及下電極，耦接至該基板及該偏壓功率產生器電路，該下電極配置以在該基板處施加該RF偏壓。
示例18。如示例17之電漿處理設備，更包括：源功率產生器電路，耦接在該電漿處理腔室與該源電源之間，該源功率產生器電路配置以施加高頻RF源功率至該上電極而產生該正電性電漿，其中該正電性電漿為電容耦合電漿。
示例19。如示例18之電漿處理設備，其中該源功率產生器電路耦接至該上電極或該下電極。
示例20。如示例17至19的其中一者之電漿處理設備，其中該上電極與該下電極以小於約15cm的距離而分隔開。
雖然已參照複數說明性實施例來描述本發明，但本實施方式並不被視為限制意圖。這些說明性實施例的各種修改例及結合例，以及本發明的其他實施例對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者在參照本實施方式後將為顯而易知的。因此，隨附申請專利範圍係含括任何此樣的修改例或實施例。
11:源功率持續時間 12:源功率脈衝 13:偏壓功率持續時間 14:偏壓功率脈衝 15:延遲持續時間 16:循環 17:輝光相 18:後輝光相 21:正電第一物種離子 22:負電第一物種離子 23:背景第一物種中性粒子 24:背景第二物種中性粒子 25:快速第一物種中性粒子 26:緩慢正電第一物種離子 27:緩慢正電第二物種離子 28:緩慢負電第一物種離子 29:電子 30:電漿處理腔室 31:上電極 32:下電極 33:偏壓電源 34:偏壓功率產生器電路 35:源電源 36:源功率產生器電路 37:接地連接 41:正電性電漿 42:負電性電漿 43:基板 46:主表面 51:基板材料 52:遮罩材料 53:凹陷部 54:離子扇形 55:差異帶電 56:鑲邊層 57:不均勻施加 100:時序圖 102:定性圖表 104:定性圖表 200:電荷交換碰撞 201:第一時刻 202:第二時刻 203:第三時刻 300:電荷交換碰撞 301:第一時刻 302:第二時刻 303:第三時刻 400:電荷交換碰撞 401:第一時刻 402:第二時刻 403:第三時刻 404:對稱交互作用圖 405:不對稱交互作用圖 500:電漿系統 600:定性圖表 602:分界線 700:定性圖表 702:對稱碰撞 703:近似對稱碰撞 704:不對稱碰撞 801:第一情境 802:第二情境 843:基板 901:第一情境 902:第二情境 943:基板 1000:電漿處理設備 1100:電漿處理方法 1101:步驟 1102:輝光相 1103:步驟 1104:後輝光相 1105,1106,1107,1108:步驟 1200:電漿處理方法 1201:步驟 1202:輝光相 1203:步驟 1204:後輝光相 1206,1208,1209:步驟 f B:偏壓功率頻率 f S:源功率頻率 n +:正性離子密度 n -:負性離子密度 n e:電子密度 P B:偏壓功率 P S:源功率 T i:離子溫度 Γ FN:快速中性粒子通量 v:速度 v 1 :第一速度 v 2 :速度 β:碰撞參數 Δ E:能量變化 L:距離
為了更完整理解本發明及其優點，現在將參照下方的實施方式並結合隨附圖式，其中：
圖1根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理方法的示意性時序圖及相應定性圖表；
圖2根據本發明的實施例繪示在正電第一物種離子與背景第一物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖；
圖3根據本發明的實施例繪示在負電第一物種離子與背景第一物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖；
圖4根據本發明的實施例繪示在第一物種離子與背景第二物種中性粒子之間的示例性電荷交換碰撞而產生快速第一物種中性粒子的示意圖；
圖5根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理系統的示意圖，該電漿處理系統包括被設置在上電極與下電極之間的負電性電漿，其中在下電極處所施予的電壓產生快速中性粒子的串列(cascade)，其中所述快速中性粒子具有朝向下電極的主表面且實質垂直於該主表面的平均速度；
圖6根據本發明的實施例繪示偏壓頻率對上電漿密度的定性圖表，其顯示鞘形成、電子加熱及帶電的狀態；
圖7根據本發明的實施例繪示對稱及不對稱電荷交換的交互作用的電荷交換橫截面對上離子能量的定性圖表；
圖8根據本發明的實施例繪示在具有及不具有差異帶電的電漿蝕刻處理期間的示例基板的橫截面圖；
圖9根據本發明的實施例繪示在具有及不具有自由基遮蔽的電漿蝕刻處理期間的示例基板的橫截面圖；
圖10根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理設備的示意圖，該電漿處理設備包括電漿處理腔室，該電漿處理腔室包含被設置上電極與下電極之間的負電性電漿；
圖11根據本發明的實施例繪示出示例電漿處理方法；以及
圖12根據本發明的實施例繪示出另一示例電漿處理方法。
除非另有說明，否則不同圖式中對應的數字和符號一般是指對應的部分。繪製附圖是為了清楚地說明實施例的相關態樣，且不一定按比例繪製。圖中繪製的特徵部邊緣不一定表示特徵部範圍的終端。
1100:電漿處理方法
1101:步驟
1102:輝光相
1103:步驟
1104:後輝光相
1105,1106,1107,1108:步驟
f B:偏壓功率頻率

Claims (20)

  1. 一種電漿處理方法，包括： 在電漿處理腔室中產生正電性電漿的輝光相(glow phase)，該電漿處理腔室包含第一物種、第二物種及基板，該基板包括主表面，該正電性電漿包括該第一物種的複數正性離子，以及複數電子； 藉由將該正電性電漿的該等電子與該第二物種的原子或分子結合，而在該正電性電漿的後輝光相(afterglow phase)中在該電漿處理腔室中產生負電性電漿，該負電性電漿包括該等正性離子，以及該第二物種的負性離子；以及 在該後輝光相中循環執行下列步驟： 藉由在該基板處施加負性偏壓而產生複數第一中性微粒，該等第一中性微粒具有朝向且實質垂直於該基板的該主表面的平均速度；以及 在該基板處施加非負性偏壓。
  2. 如請求項1之電漿處理方法，其中產生該等第一中性微粒包括： 將該等正性離子加速朝向該基板以促進該負電性電漿內的複數電荷交換碰撞，該等電荷交換碰撞產生具有該平均速度的該等第一中性微粒。
  3. 如請求項2之電漿處理方法，其中該負電性電漿內的該等電荷交換碰撞包括在其中一些該等正性離子與該第一物種的中性背景微粒之間的碰撞。
  4. 如請求項2之電漿處理方法，其中該負電性電漿內的該等電荷交換碰撞包括在其中一些該等正性離子與第三物種的中性背景微粒之間的碰撞，該第三物種包括與該第一物種不同的電負度。
  5. 如請求項1之電漿處理方法，其中在該基板處施加該非負性偏壓包括： 藉由在該基板處施加正性偏壓而產生複數第二中性微粒，該等第二中性微粒具有朝向且實質垂直於該基板的該主表面的平均速度。
  6. 如請求項1之電漿處理方法，其中該第二物種為氯。
  7. 如請求項6之電漿處理方法，其中該第一物種為氬。
  8. 如請求項6之電漿處理方法，其中該第一物種包括氫及碳。
  9. 一種電漿處理方法，包括： 將至少二氣體流入電漿處理腔室，該電漿處理腔室包括射頻(RF)源功率電極、RF偏壓功率電極，以及設置該RF源電極與該RF偏壓電極之間的基板，該等氣體包括第一物種及第二物種； 將RF源功率施加至該等氣體以產生該第一物種的複數正性離子及複數電子； 將該RF源功率從該等氣體移除，以藉由將該第一物種的複數電子與該第二物種的原子或分子結合而產生該第二物種的負性離子；以及 在預定延遲後，且在移除該RF源功率後，施加RF偏壓功率至該基板以將中性微粒輸送至該基板，該RF偏壓功率包括在基板處少於約10 MHz的頻率。
  10. 如請求項9之電漿處理方法，其中該頻率介於約1 MHz與約10 MHz之間。
  11. 如請求項9之電漿處理方法，其中在施加該RF偏壓功率時在該基板處未產生自偏壓(self-bias)，該RF偏壓功率在該基板處產生正性電壓，及數值與該正性電壓相等的負性電壓，且該RF偏壓功率在該正性電壓與該負性電壓之間交替。
  12. 如請求項9之電漿處理方法，其中該RF偏壓功率的峰值電壓的絕對值小於約500 V。
  13. 如請求項9之電漿處理方法，其中在施加該RF偏壓功率的持續時間內，該電漿處理腔室中的電漿密度少於約1×10 17m -3。
  14. 如請求項9之電漿處理方法，更包括： 循環執行下列步驟：施加及移除該RF源功率，隨後在該預定延遲後在該電漿處理腔室中施加RF偏壓功率。
  15. 一種電漿處理設備，包括： 電漿處理腔室，配置以包含負電性電漿，該負電性電漿包括第一物種的複數正性離子及第二物種的複數負性離子； 源電源，耦接至該電漿處理腔室，且配置以在該電漿處理腔室中產生正電性電漿，該正電性電漿包括該第一物種的該等正性離子，以及複數電子，該等電子與該第二物種結合以形成該等負性離子； 基板，包括被設置在該電漿處理腔室中的主表面；以及 偏壓功率產生器電路，耦接在該基板與偏壓電源之間，該偏壓功率產生器電路配置以在該基板處施加射頻(RF)偏壓，其中 該RF偏壓在負性電壓與非負性電壓之間交替，以及 該負性電壓產生具有複數速度向量的複數第一中性微粒，該等速度向量指向該基板的該主表面的方向，且實質垂直於該基板的該主表面。
  16. 如請求項15之電漿處理設備，其中該偏壓功率產生器電路配置以施加頻率介於約1 MHz與約10 MHz之間的該RF偏壓。
  17. 如請求項15之電漿處理設備，更包括： 上電極，耦接至該電漿處理腔室，且配置以在施加該RF偏壓期間被保持在接地電壓；以及 下電極，耦接至該基板及該偏壓功率產生器電路，該下電極配置以在該基板處施加該RF偏壓。
  18. 如請求項17之電漿處理設備，更包括： 源功率產生器電路，耦接在該電漿處理腔室與該源電源之間，該源功率產生器電路配置以施加高頻RF源功率至該上電極而產生該正電性電漿，其中該正電性電漿為電容耦合電漿。
  19. 如請求項18之電漿處理設備，其中該源功率產生器電路耦接至該上電極或該下電極。
  20. 如請求項17之電漿處理設備，其中該上電極與該下電極以小於約15cm的距離而分隔開。
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