TWI665710B - 在基板的電漿處理期間控制離子的方法及系統 - Google Patents

在基板的電漿處理期間控制離子的方法及系統 Download PDF

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Abstract

一可變電容設置在至偏壓電極之射頻(RF)電力傳輸路徑內部、設置於至該偏壓電極之該RF電力傳送路徑內部的阻抗匹配電路之外。以脈衝模式操作RF供電裝置，以發送RF電力脈衝通過RF電力傳輸路徑至該偏壓電極。設定該可變電容的電容值以在每一RF電力脈衝期間，控制直流(DC)偏壓在存在於該偏壓電極上方之基板上增加的速度。DC偏壓在基板上增加的速度控制電漿內部的離子能量分布及離子角分布，此電漿暴露於發自該基板的電磁場。

Description

在基板的電漿處理期間控制離子的方法及系統
本發明係關於基板的電漿蝕刻處理，尤其是對於電漿蝕刻處理中離子的控制。
在像是積體電路、儲存元件等的半導體元件製程中，進行一連串的製造工作以在像是半導體晶圓的基板上界定特徵部。例如，積體電路即由界定在一矽基板上的多層次結構所形成。在基板級製程，形成具有擴散區與閘電極導體的電晶體元件。在基板級以上的更高層級，互連的金屬化接線予以圖案化並電連接於電晶體元件以界定出需要的積體電路元件。並且，圖案化的導體結構/層體以介電材料絕緣於其他導體材料/層體。
作為半導體元件製程程序的一部分，電漿蝕刻程序經常用於移除先前沉積在基板上的選定材料，以便對基板上的材料圖案化、成形或運作，以成為形成積體電路元件之部件所需的結構。電漿蝕刻程序涉及產生包含反應性成分(像是自由基及離子)的電漿，以及將基板以受控制的方式暴露在電漿的自由基及離子下。本發明即產生於此等背景之中。
在一實施例中，揭露用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法。本方法包括在射頻(RF)電力傳輸至偏壓電極之路徑內設置一可變電容。該可變電容設置於至偏壓電極之RF電力傳輸路徑內的阻抗匹配電路之外。本方法也包括以脈衝模式操作RF供電裝置，以發送RF電力脈衝通過RF電力傳輸路徑至偏壓電極。本方法還包括設定可變電容的電容值，以在每一RF電力的脈衝期間控制直流(DC)偏壓於存在於偏壓電極上方之基板上增加的速度；此DC偏壓在基板上增加的速度藉以控制電漿內的離子能量分布與離子角分布，該電漿暴露於自該基板發出的電磁場。
在一實施例中，揭露用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統。本系統包括界定為支撐基板暴露於電漿的夾具。本系統也包括嵌入在夾具內部的偏壓電極。本系統還包括界定為在脈衝模式下操作以發送RF電力脈衝通過RF電力傳輸路徑至偏壓電極的RF供電裝置。本系統還包括電連接在RF電力傳輸路徑內、RF供電裝置與偏壓電極之間的阻抗匹配電路。本系統還包括電連接在RF電力傳輸路徑內的可變電容。該可變電容界定為在每一RF電力脈衝期間，控制DC偏壓在基板上增加的速度，此DC偏壓在基板上增加的速度藉以控制電漿內的離子能量分布與離子角分布，該電漿暴露於發自該基板的電磁場。
以範例方式說明本發明，則本發明的其他態樣及優勢可從下述的詳細描述配合所附圖式變得更為顯而易見。
100‧‧‧電漿處理系統
101‧‧‧腔室
103‧‧‧夾具
104‧‧‧偏壓電極
105‧‧‧基板
107‧‧‧介電窗
109‧‧‧變壓器耦合式電漿(Transformer Coupled Plasma,TCP)線圈
111‧‧‧偏壓射頻(RF)供電裝置
113‧‧‧偏壓匹配電路
115‧‧‧離子能量與角分布函數(ion energy and angular distribution function,IEADF)控制電路
117‧‧‧參考接地電位
119A‧‧‧電連接
119B‧‧‧電連接
119C‧‧‧電連接
121‧‧‧TCP RF供電裝置
123‧‧‧TCP匹配電路
125‧‧‧參考接地電位
127A‧‧‧電連接
127B‧‧‧電連接
127C‧‧‧電連接
129‧‧‧電漿
201‧‧‧虛線
203‧‧‧參考接地電位
401‧‧‧曲線
403‧‧‧曲線
501‧‧‧曲線
503‧‧‧曲線
601‧‧‧曲線
603‧‧‧曲線
701‧‧‧曲線
702‧‧‧曲線
703‧‧‧曲線
801‧‧‧曲線
802‧‧‧曲線
803‧‧‧曲線
901‧‧‧曲線
902‧‧‧曲線
903‧‧‧曲線
根據本發明的一實施例，圖1A顯示用於蝕刻操作的電漿處理系統架構圖。
根據本發明的一實施例，圖1B顯示電漿處理系統的設計圖。
根據本發明的一實施例，圖2顯示偏壓射頻(RF)供電電路的電子概要圖。
根據本發明的一實施例，圖3A顯示在不同頻率的連續波(Continuous Wave,CW)偏壓RF電力下，電漿內的離子能量分布曲線圖。
根據本發明的一實施例，圖3B顯示在連續波偏壓RF供電的起動期間，於阻擋電容BC的不同電容值下，產生於基板上的DC偏壓以時間為函數的曲線圖。
根據本發明的一實施例，圖3C顯示在以RF頻率10MHz穩態連續波偏壓RF供電的期間，於阻擋電容BC的不同電容設定值下，電漿內的離子能量分布曲線圖。
根據本發明的一實施例，圖4A、5A與6A顯示在脈衝偏壓RF供電模式期間，於阻擋電容BC的不同電容設定值下，基板上增加的DC偏壓以及對應的電漿電位曲線圖。
根據本發明的一實施例，圖4B、5B及6B顯示分別對應於圖4A、5A及6A之脈衝偏壓RF電力操作的離子能量分布。
根據本發明的一實施例，圖4C、5C及6C顯示分別對應於圖4B、5B及6B之離子能量分布函數的離子角分布函數。
根據本發明的一實施例，圖7A、8A及9A顯示分別在1奈法拉(nF)、500nF及1000nF的阻擋電容BC電容值下，於脈衝偏壓RF供電模式下經過單一脈衝週期的電子密度、電漿電位(V)以及在基板上增加之DC偏壓的曲線圖。
根據本發明的一實施例，圖7B、8B及9B顯示分別對應於繪製在圖7A、8A及9A之脈衝偏壓RF電力操作的電漿內離子能量分布函數。
根據本發明的一實施例，圖7C、8C及9C顯示分別對應於圖7B、8B及9B之離子能量分布函數的離子角分布函數。
根據本發明的一實施例，圖10A顯示在RF頻率為2MHz之連續波偏壓RF電力施加下的離子能量分布函數。
根據本發明的一實施例，圖10B顯示對應於圖10A之離子能量分布函數的離子角分布函數。
根據本發明的一實施例，圖11顯示在脈衝偏壓RF供電模式下不同工作週期的若干離子能量分布函數曲線，以及在連續波偏壓RF供電模式下的離子能量分布函數曲線的標繪圖。
根據本發明的一實施例，圖12顯示用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法流程圖。
在以下的說明中，為提供對本發明的完善理解而列舉諸多特定細節。然而，對熟悉本技術領域者而言，本發明顯然可在沒有全部或部份此等特定細節下實施。在其餘情形下，廣為習知的程序操作不予詳細說明以避免對本發明的多餘混淆。
根據本發明的一實施例，圖1A顯示用於蝕刻操作的電漿處理系統100架構圖。根據本發明的一實施例，圖1B顯示電漿處理系統100的設計圖。本系統包括含有夾具103以及介電窗107的腔室101。夾具103界定為在電漿處理操作期間支撐基板105。本文內所指的基板可無所限制地代表實質上會出現在半導體元件製造過程中的任何其他類型的基板：半導體晶圓、硬式磁碟、光碟、玻璃基板、平面顯示器表面及液晶顯示器表面。一實施例中，夾具103係用於支撐和容置基板105的靜電夾具。另一實施例中，夾具103界定為以實體的約束來支撐基板105。夾具103包括與其連接並經由偏壓匹配電路113以及離子能量與角分布函數(ion energy and angular distribution function,IEADF)控制電路115而自偏壓射頻(RF)供電裝置111接收RF電力的一或更多偏壓電極104(自此為一偏壓電極104)。偏壓RF供電裝置111連接在參考接地電位117和偏壓匹配電路113之間，如電接線119A與119B所示。偏壓匹配電路113電連接於IEADF控制電路115，IEADF控制電路115依序電連接於偏壓電極104，如電接線119C所示。
在將夾具103界定為靜電夾具的實施例中，夾具103包括夾鉗電極(圖未示)以實現基板105的夾持與鬆持。又，在此實施例中，設置一濾波器與一DC夾鉗供電裝置，以經由夾鉗電極實現基板105在夾具103上的靜電夾鉗。又，夾具103可包括用於接收基板105、降下基板105至夾具103上以及抬升基板105離開夾具103的其他控制系統，像是昇降銷或其類似系統。此外，儘管未以圖示，幫浦連接至腔室101以用於在電漿處理操作期間控制腔室101內部的壓力以及自腔室101排放氣體副產物。
在各種實施例中，介電窗107由像是陶瓷材料或石英等諸如此類的介電材料所界定。應當理解到，只要介電窗107能耐受其於電漿處理操作期間 在腔室101內部所暴露的環境，則其他實施例中的介電窗107也可由其他介電材料所界定。在某些電漿處理操作中，腔室101操作在自約50℃延伸至約120℃之溫度範圍內的偏高溫度。通常，腔室101內部的溫度取決於所操作的特定蝕刻程序。腔室101亦可操作在自約1毫托(mTorr)延伸至約100mTorr之壓力範圍內的減壓狀態。
系統100也包括設置在介電窗107上方、腔室101外部的變壓器耦合式電漿(Transformer Coupled Plasma,TCP)線圈109。經由TCP匹配電路123，連接TCP線圈109以自TCP RF供電裝置121接收RF電力。具體而言，TCP RF供電裝置121電連接於參考接地電位125與TCP匹配電路123之間，如電接線127A與127B所示。TCP匹配電路123電連接於TCP RF供電裝置121與TCP線圈109之間，如電接線127B與127C所示。TCP匹配電路123界定為控制RF電力傳輸至TCP線圈109之路徑的阻抗，以利RF電力至TCP線圈109的高效傳輸。
電漿處理操作期間，處理氣體流入腔室101，並且RF電力自TCP RF供電裝置121提供至TCP線圈109。通過TCP線圈109的RF電力在腔室101內誘發電磁流，此電磁流作用於處理氣體而產生電漿129。此方式中，TCP線圈109產生的作用如同變壓器的主線圈，而電漿129產生的作用如同變壓器的副線圈。電漿129包括像是自由基與離子(正離子或負離子)的反應成分，在接觸基板105時，此反應成分隨即作用而自基板105移除(亦即：蝕刻)材料。
應當理解到，當腔室101裝設於製程設備時，腔室101耦接至供提供處理氣體至腔室101、自腔室101排出處理氣體與副產物、監測及控制腔室101內部的壓力、監測及控制腔室101內部的溫度以及控制環境粒子所用的系統。
又，應當理解到，腔室101可耦接至界定成供以機器人傳送基板105進入腔室101以及自腔室101以機器人移出基板105所用的傳送腔室。
操作期間，RF電力經由偏壓匹配電路113與IEADF控制電路115自偏壓RF供電裝置111傳輸至偏壓電極104，以產生並控制存在於基板105上的DC偏壓，此DC偏壓轉而控制施加在電漿129內部之離子總體上的作用力，其中該電漿係產生於基板105的上方。傳輸至偏壓電極104的RF電力對應於施加至偏壓電極104的RF偏壓。由於RF電力的施加係經由偏壓匹配電路113與IEADF控制電路115而自偏壓RF供電裝置111至偏壓電極104，因此基板105上所增加的DC偏壓和施加於偏壓電極104上的RF偏壓兩者同時產生。因此，偏壓RF供電裝置與IEADF控制電路115影響基板105上的DC偏壓以及偏壓電極104上的RF偏壓兩者。
DC偏壓是基板105上在一特定點之離子能量平均值的表徵。當發生基板105的充電時，DC偏壓在基板105上增加。IEADF控制電路115控制DC偏壓在脈衝偏壓RF供電模式下逐步形成的速度。在連續波(Continuous Wave,CW)偏壓RF供電模式下，基板105上的DC偏壓得以達到穩態。因此，在連續波偏壓RF供電模式下，IEADF控制電路115對基板105上DC偏壓的效應無甚意義。亦應當理解到，在電漿129鞘邊緣所見的RF波形(經過偏壓匹配電路113與夾具103內的所有電容層後)將由IEADF控制電路115所控制。以及，當離子往基板105的方向加速時，離子對電漿129鞘邊緣的RF波形有所響應並因此而分布出IEADF。
在各種實施例中，RF供電裝置111可界定為包括單個RF產生器或多個RF產生器。又，RF供電裝置111可界定為以一或更多頻率產生RF電力。又，在多個RF產生器的情況下，RF供電裝置111能用同步的方式以多個頻率產生RF 電力。偏壓匹配電路113界定為控制RF電力傳輸至偏壓電極104路徑的阻抗，以利RF電力至偏壓電極104的高效傳輸。
電漿處理操作期間，電漿處理腔室101利用RF偏壓電力(此由RF供電裝置111以多個頻率產生)產生及控制抵達基板105之裸露表面的高能離子總數。取決於運作的特定蝕刻應用，控制抵達基板105之各種能量態的離子總數比例及其相關的IEADF可能至關重要。偏壓RF供電裝置111的脈衝(亦即偏壓脈衝)可用於在基板105處產生IEADF。在與所供應之偏壓RF電力的脈衝重複頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)及脈衝工作週期相關的一段時間內，偏壓脈衝操作引起來自各種能量態的離子群往基板105遷移。然而，在偏壓脈衝操作期間，也必須控制基板105所暴露的IEADF以便在基板105上獲得特定的電漿處理結果。根據本發明的各種實施例，為了控制基板105所暴露的高能量粒子數與低能量離子數，IEADF電路115界定為在偏壓脈衝操作期間運作以控制IEADF。
根據本發明的一實施例，圖2顯示偏壓RF供電電路的電子概要圖。如同關於圖1A-1B的討論，偏壓RF電力自偏壓RF供電裝置111、通過偏壓匹配電路113及通過IEADF電路115至偏壓電極104所供應。經由偏壓電極104，偏壓RF電力予以傳送通過電漿129至電性接地之腔室101的周圍結構，如線條201所示。在偏壓匹配電路113內部的電路元件提供了阻抗匹配，以實現偏壓RF電力通過電漿129的高效傳輸。偏壓匹配電路113包括以串聯方式電連接在偏壓RF電力傳輸線119B與參考接地電位203之間的第一電感L1與第一可變電容C1。偏壓匹配電路113也包括以串聯方式沿著延伸至偏壓電極104的偏壓RF電力傳輸線119B/119C電連接的第二電感L2與第二可變電容C2。操作期間，第一及第二可變 電容C1、C2可獨立地予以設定以獲得通過電漿129之偏壓RF電力的高效傳輸所必需的阻抗匹配。
IEADF控制電路115包括沿著延伸至偏壓電極104的偏壓RF電力傳輸線119B/119C電連接的一或更多阻擋電容BC。為易於論述，IEADF控制電路115於此係參照單一阻擋電容BC說明。然而應當理解，在其他實施例中，IEADF控制電路115可包括多個阻擋電容BC，且此等多個阻擋電容能夠以串聯方式、並聯方式或其組合沿著延伸至(多個)偏壓電極104偏壓RF電力傳輸線119B/119C電連接。操作期間，係將阻擋電容BC予以設定以控制基板105所暴露的電漿129內部的IEADF。
圖2的偏壓RF供電電路可操作於連續波偏壓RF供電模式或脈衝偏壓RF供電模式。然而，如下所論述的，當偏壓RF供電電路操作在脈衝偏壓RF供電模式時，由IEADF控制電路115內部之阻擋電容BC所提供的IEADF控制效應將有所顯現。為解釋當偏壓RF供電電路操作在脈衝偏壓RF供電模式時，IEADF控制電路115內部之阻擋電容BC所提供的IEADF控制效應，先行解釋「在偏壓RF供電電路操作於連續波偏壓RF供電模式時，IEADF是如何運作」將具有啟發的作用。
根據本發明的一實施例，圖3A顯示在不同頻率的連續波偏壓RF電力下，電漿(如電漿129)內的離子能量分布曲線圖。應當理解，於此呈現之每一電漿內的離子能量分布或IEADF係對應於基板105上的一特定位置。電漿在10mT的壓力、每分鐘標準容積200立方公分(standard cubic centimeters per minute,sccm)的氬氣氣體流、500瓦(W)的感應線圈電力以及施加於偏壓電極104的400伏特(V)RF偏壓下產生。阻擋電容設定在500奈法拉(nF)。如圖示，較低的2MHz連 續波RF頻率具有涵蓋了自小於25電子伏特(eV)延伸至大於750eV之能量範圍的離子能量分布。其次較高的10MHz連續波RF頻率具有涵蓋自約125eV延伸至約650之較窄能量範圍的離子能量分布。再其次更高的12.5MHz連續波RF頻率具有涵蓋自約150eV延伸至約600eV之更窄能量範圍的離子能量分布。根據圖3A，應當理解到，在阻擋電容的一給定電容值下，離子能量分布隨著連續波RF頻率的增加而收斂至較窄的能量範圍。
根據本發明的一實施例，圖3B顯示在連續波偏壓RF供電的起動期間，於阻擋電容BC的不同電容值下，產生在基板上的DC偏壓以時間為函數的曲線圖。顯示於圖3B的曲線對應至以10MHz的頻率所供應的連續波偏壓RF電力。如圖示，阻擋電容BC的較大電容值有較長的放電時間。接著，阻擋電容BC的較大電容值對應於DC偏壓在基板105上增加的較長時間。因此，在DC偏壓產生的速度隨著阻擋電容的較低電容設定值而增加且反之亦然的情況下，當偏壓RF供電裝置111開啟時，阻擋電容BC的電容值可予以設定以控制DC偏壓在基板105上產生的速度。
根據本發明的一實施例，圖3C顯示以RF頻率10MHz穩態連續波偏壓RF供電期間，於阻擋電容BC的不同電容設定值下，電漿內的離子能量分布曲線圖。如圖示，在穩態連續波偏壓RF電力操作期間，無論阻擋電容BC的電容設定值為何，阻擋電容BC都已完全放電而對電漿內的離子能量分布無實質影響。因此應察知在達到穩態條件前基板上DC偏壓的增加期間，阻擋電容BC對離子的能量分布發揮了影響力。
在脈衝偏壓RF供電模式期間，基板105上的DC偏壓可能在RF電力脈衝期間未達到穩態。因此，在脈衝偏壓RF供電模式期間、RF電力脈衝起始時， 基板105上的DC偏壓即開始增加，如圖3B所描述。之後，當RF電力脈衝關閉，基板105上的DC偏壓迅速消失。因為在開始實施RF供電至偏壓電極104後，阻擋電容BC即會影響DC偏壓在基板105上增加的速度，故在脈衝偏壓RF供電模式期間，從每一RF電力脈衝的起點，阻擋電容BC將影響DC偏壓在基板105上增加的速度。因此應理解，藉由在脈衝偏壓RF供電模式下的每一RF脈衝期間，控制DC偏壓在基板105上的增加速度，阻擋電容BC的電容設定值即供在脈衝偏壓RF供電模式下的每一RF脈衝期間控制電漿內部的IEADF所對應的控制所用。
根據本發明的一實施例，圖4A、5A與6A顯示在脈衝偏壓RF供電模式期間，於阻擋電容BC的不同電容設定值下，基板上增加的DC偏壓以及對應的電漿電位曲線圖。根據本發明的一實施例，圖4A說明於阻擋電容BC的電容設定值為100nF(奈法拉)、在連續三個偏壓RF電力脈衝期間以時間為函數之基板105上的DC偏壓(上方曲線401)及對應的電漿電位(下方曲線403)。根據本發明的一實施例，圖5A說明於阻擋電容BC的電容設定值為500nF、在連續三個偏壓RF電力脈衝期間以時間為函數之基板105上的DC偏壓(上方曲線501)及對應的電漿電位(下方曲線503)。根據本發明的一實施例，圖6A說明阻擋電容BC的電容設定值為1000nF、在連續三個偏壓RF電力脈衝期間以時間為函數之基板105上的DC偏壓(上方曲線601)及對應的電漿電位(下方曲線603)。
又，電漿產生的規格條件在各個圖4A、5A及6A是相同的。具體而言，電漿在10mT的壓力、200sccm的氬氣氣體流、500W的TCP線圈電力、10MHz的RF電力頻率、5kHz的偏壓脈衝重複頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)以及25%的偏壓脈衝工作週期下產生。PRF定義出脈衝偏壓據以起始的速度。偏壓脈 衝工作週期定義在單一偏壓脈衝週期期間，施加(亦即啟動)偏壓RF電力的時間量。
因為電漿產生的規格條件在各個圖4A、5A及6A是相同的，因此如上方曲線401、501、601所示之基板上DC偏壓間的不同處是由阻擋電容BC之電容設定值的不同所致。同樣地，下方曲線403、503、603之電漿電位行為間的不同也是由阻擋電容BC之電容設定值的不同所致。上方曲線401、501及601的比較展現出：當阻擋電容BC的電容設定值增加時，則DC偏壓在基板105上產生的速度降低且反之亦然。同樣地，下方曲線403、503、603的比較展現出：阻擋電容BC的較大電容設定值對應至電漿電位增加的較低速度且反之亦然。
在每一偏壓RF電力脈衝期間，電漿電位增加的速度對於電漿內部的IEADF有對應的影響。因此，阻擋電容BC的電容設定值變化對應電漿內部的IEADF變化。因此，阻擋電容BC可用於控制電漿內部的IEADF。此等效應描述於分別對應至圖4A、5A及6A之脈衝偏壓RF電力操作的圖4B、5B及6B。根據本發明的一實施例，在阻擋電容BC的電容設定值為100nF時，圖4B展現對應至圖4A之脈衝偏壓RF電力操作的電漿內離子能量分布函數。根據本發明的一實施例，在阻擋電容BC的電容設定值為500nF時，圖5B展現對應至圖5A之脈衝偏壓RF電力操作的電漿內離子能量分布函數。根據本發明的一實施例，在阻擋電容BC的電容設定值為1000nF時，圖6B展現對應至圖6A之脈衝偏壓RF電力操作的電漿內離子能量分布函數。
圖4B、5B與6B之離子能量分布函數的比較展現出：隨著阻擋電容BC的較低電容設定值，在每一偏壓RF電力脈衝期間所對應之電漿電位的較高增加速度使離子能量分布函數產生往較高離子能量的偏移。此效應的發生係因 為在脈衝偏壓RF供電模式期間，由於DC偏壓在基板105上的較快增加使得電漿平均上經受較高的電位所致，而DC偏壓在基板105上的較快增加是由於在每一偏壓RF電力脈衝期間，較低電容值之阻擋電容BC的較快速放電所致。相應地，隨著較高的阻擋電容BC設定，在每一偏壓RF電力脈衝期間電漿電位的較低增加速度使離子能量分布函數產生往較低離子能量的偏移。而且，此作用的發生係因為在脈衝偏壓RF供電模式期間，由於DC偏壓在基板105上的較慢增加使得電漿平均上經受較低的電位所致，而DC偏壓在基板105上的較慢增加是由於在每一偏壓RF電力脈衝期間，較高電容值之阻擋電容BC的較慢放電所致。因此，應理解到，在脈衝偏壓RF電力操作期間，阻擋電容BC可予以設定以控制電漿內部的平均離子能量分布函數。且電漿內部的平均離子能量分布函數隨阻擋電容的電容值增加而往較低離子能量偏移，反之亦然。
離子的角分布函數與離子能量分布函數緊密相關，因為相較於較低能量的離子，較高能量的離子在往基板105的方向上受到較強地吸引。受較強吸引的較高能量離子以較為筆直的路徑朝基板105移動，以較為垂直的方向往基板105移動。因此，離子的角分布函數隨著離子能量分布函數往較高能量偏移而變得相對於基板105較為垂直(亦即：正交)。根據本發明的一實施例，此作用顯示圖4C、5C與6C中，這些圖表描述了分別對應於圖4B、5B與6B之離子能量分布函數的離子角分布函數。
因此應當理解，在脈衝偏壓RF電力操作期間，當阻擋電容BC設定為控制電漿內部的平均離子能量分布函數時，阻擋電容BC的設定相應地調節了平均離子角分布函數。而且，隨著離子能量分布函數因為阻擋電容BC的電容值增加而往較低的離子能量偏移，電漿內部的平均離子角分布函數變為相對於 基板105較不正交，反之亦然。然而，應察知電漿之離子角分布函數的改變是阻擋電容BC之電容值改變的從屬作用，而電漿內之離子能量分布函數的改變是阻擋電容BC之電容值改變的主要作用。
根據本發明的一實施例，圖7A、8A及9A顯示在分別為1nF、500nF及1000nF的阻擋電容BC電容值下，於脈衝偏壓RF供電模式下經過單一脈衝週期的電子密度、電漿電位(V)以及在基板105上增加之DC偏壓的曲線圖。電漿產生的規格條件在各個圖7A、8A及9A均相同。具體而言，電漿在10mT的壓力、200sccm的氬氣氣體流、500W的TCP線圈電力、10MHz的RF電力頻率、5kHz的偏壓PRF以及25%的偏壓脈衝工作週期下產生。因此，圖7A、8A及9A之給定曲線間的差異乃由IEADF控制電路115內部之阻擋電容BC的電容設定值變化所致。
在圖7A中，電子密度曲線701對應至圖表左側的刻度，而電漿電位曲線702與DC偏壓曲線703兩者對應至圖表右側的刻度。在圖8A中，電子密度曲線801對應至圖表左側的刻度，而電漿電位曲線802與DC偏壓曲線803兩者對應至圖表右側的刻度。在圖9A中，電子密度曲線901對應至圖表左側的刻度，而電漿電位曲線902與DC偏壓曲線903兩者對應至圖表右側的刻度。
分別比較圖7A、8A與9A的DC偏壓曲線703、803與903，可見在偏壓RF脈衝起始之後，DC偏壓增加的速度即取決於阻擋電容BC的電容設定值。在阻擋電容BC的較小電容設定值1nF下，由於阻擋電容BC的快速放電，DC偏壓增加的速度極為快速。接著，在阻擋電容BC的較高電容設定值500nF下，由於阻擋電容BC的較慢放電，DC偏壓增加的速度則稍緩。接著，在阻擋電容BC的更高電容設定值1000nF下，由於阻擋電容BC的低速放電，DC偏壓增加的速度更為緩慢。如先前所論述，對電漿電位的效應取決於偏壓電極104上DC偏壓的行 為，而此行為又受阻擋電容BC的電容設定所影響。因此，電漿電位曲線702、802及902分別關聯於DC偏壓曲線703、803及903。
根據本發明的一實施例，圖7B、8B及9B顯示分別對應於繪製在圖7A、8A及9A中脈衝偏壓RF電力操作的電漿內離子能量分布函數。圖7B、8B及9B之離子能量分布函數的比較展現出：因為阻擋電容BC的較低電容設定值，在偏壓RF電力脈衝期間所對應之電漿電位上升的較高速度使離子能量分布函數產生往較高離子能量的偏移。接著，當阻擋電容BC的電容設定值增加，離子能量分布函數往較低離子能量偏移。如同先前所論述，這是由於阻擋電容BC之較高電容值的較長放電時間所致，這因此在每一偏壓RF電力脈衝期間，減弱離子所暴露的整體偏壓，因而阻礙諸多離子達到較高的能量態。
根據本發明的一實施例，圖7C、8C及9C顯示分別對應於圖7B、8B及9B之離子能量分布函數的離子角分布函數。圖7C、8C及9C的比較展現出：離子的角分布函數隨著離子能量分布函數往較高離子能量移動而變為相對於基板105較為正交。再一次的，這是因為較高能量的離子在往基板105的方向上受到較強力地吸引，而以較為筆直的路徑往基板105移動。
根據本發明的一實施例，圖10A顯示在RF頻率為2MHz之連續波偏壓RF電力施加下的離子能量分布函數。除了連續波偏壓RF供電之外，相關於圖10A的電漿產生規格條件與圖7A-7C、8A-8C及9A-9C相同。因此，將圖10A的離子能量分布函數與圖7B相比，應察知在脈衝偏壓RF供電模式下，阻擋電容BC的適當設定能夠產生與連續波偏壓RF供電模式的離子能量分布函數雷同的離子能量分布函數。
根據本發明的一實施例，圖10B顯示對應於圖10A之離子能量分布函數的離子角分布函數。將圖10B的離子角分布函數與圖7C相比，應察知在脈衝偏壓RF供電模式下，阻擋電容BC的適當設定能夠產生與連續波偏壓RF供電模式的離子角分布函數雷同的離子角分布函數。
根據本發明的一實施例，圖11顯示在脈衝偏壓RF供電模式下不同工作週期的若干離子能量分布函數曲線，以及在連續波偏壓RF供電模式下的離子能量分布函數曲線圖。關於圖11中的該等曲線，電漿係於10mT的壓力、200sccm的氬氣氣體流、500W的TCP線圈電力、10MHz的RF電力頻率、5kHz的偏壓PRF下產生。如圖11所示，當脈衝偏壓RF供電模式操作中的工作週期增加時，則離子能量分布函數往較高能量移動，而最終會接近連續波偏壓RF供電模式操作的離子能量分布函數。
根據本發明的一實施例，圖12顯示用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法流程圖。本方法包括在RF電力傳輸至偏壓電極的路徑內部設置可變電容的操作1201。一實施例中，偏壓電極嵌入在靜電夾具內部。該可變電容設置在RF電力傳輸至偏壓電極之路徑內的阻抗匹配電路之外。一實施例中，此可變電容電連接於阻抗匹配電路與偏壓電極之間。本方法也包括操作RF供電裝置於脈衝模式以發送RF電力脈衝通過RF電力傳輸路徑至偏壓電極的操作1203。本方法也包括設定該可變電容之電容值的操作1205，以在每一RF電力脈衝期間控制基板上DC偏壓增加的速度，其中該基板存在於偏壓電極的上方，藉著基板上DC偏壓增加的速度以控制電漿內部的離子能量分布及離子角分布，其中該電漿係曝露於基板發出的電磁場。
本方法還可包括減少可變電容之電容值的操作，以在每一RF電力脈衝期間提高DC偏壓在基板上的增加速度，從而控制電漿內部的離子能量分布往較高能量偏移。控制電漿內部的離子能量分布往較高能量偏移使得電漿內部的離子角分布偏往相對於基板較為正交的軌跡。
本方法還可包括增加可變電容之電容值的操作，以在每一RF電力脈衝期間降低DC偏壓在基板上的增加速度，從而控制電漿內部的離子能量分布往較低能量偏移。控制電漿內部的離子能量分布往較低能量偏移使得電漿內部的離子角分布偏往相對於基板較為較不正交的軌跡。
操作1203中，「將RF供電裝置操作於脈衝模式以發送RF電力脈衝」包括根據PRF及工作週期產生RF電力脈衝。增加工作週期將使得電漿內部之離子能量分布的時間平均值往較高能量偏移。減少工作週期將使得電漿內部之離子能量分布的時間平均值往較低能量偏移。增加脈衝PRF將使得電漿內部之離子能量分布的時間平均值往較高能量偏移。減少脈衝PRF將使得電漿內部之離子能量分布的時間平均值往較低能量偏移。
如本文所論述，偏壓RF供電路徑內之IEADF控制電路115的實施，特別是作為阻擋電容BC的可變電容，係供用於在脈衝偏壓RF供電模式操作時控制離子能量及角分布函數。又，阻擋電容BC的電容設定值、所供應之偏壓RF電力的PRF及脈衝工作週期的組合可予以界定，以在電漿內部達到需求的離子能量及角分布函數。而且，在電漿處理操作期間，阻擋電容BC的電容設定值可予以調節以產生電漿離子能量與角分布函數的變化。
如本文所論證，當以正弦母頻率(parent sinusoidal frequency)操作脈衝偏壓RF電力時，可調阻擋電容BC能夠產生和其他正弦母頻率的連續波偏壓 RF電力模式下可產生之IEADF極為相似的IEADF，但此IEADF具有高能量離子數與低能量離子數的明顯分隔。由於阻擋電容BC的充放電及其有關偏壓脈衝重複時間週期的相關時間尺度，可調阻擋電容BC可顯著地改變基板的DC偏壓(往基板加速之離子所具有的能量)及其時間上的進展，使得離子總數在低能量態與高能量態有不同的分布。這實現了控制入射在基板上的IEADF以及基板上予以蝕刻所導致之特徵部剖面的獨特方式。
如本文所揭露之阻擋電容BC的實施及操作，係在脈衝偏壓RF電力操作期間及不使用特殊RF或波形產生器的情況下，供電漿內IEADF的控制及抵達基板之低能量和高能量的相對離子數所用。又，藉著使用具有偏壓RF供電路徑(連接至偏壓匹配電路113的電路系統)的可調阻擋電容BC，基板偏壓及自低至高的離子能量相對總數等兩者皆可能予以控制。這也導致自偏壓RF供電模式產生的IEADF與另一RF母頻率之連續波偏壓RF供電模式的IEADF雷同。
鑒於本文的揭露，應理解到配合脈衝偏壓RF供電模式的可調阻擋電容使用乃供基板附近離子能量與角分布的控制所用。可調(亦即：可變)阻擋電容係供基板附近的電荷分布、基板上的DC偏壓、鞘坍塌及IEADF的控制所用。又，基板上DC偏壓的時間行為取決於阻擋電容的電容值大小。同樣地，應當察知揭露於此之在脈衝偏壓RF供電模式操作期間使用阻擋電容BC以控制IEADF的方法及系統不需要特殊RF或波形產生器的使用。
儘管本發明已根據數個實施例予以說明，熟悉本技術領域者在閱讀上述說明書及研讀圖式後將可領會及了解其各種替換、擴增、變型及等同的手段。因此，本發明包括合乎落入本發明之精神及範疇的所有此等替換、擴增、 變型及等同的手段。

Claims (20)

  1. 一種用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，包括： 將一可變電容設置於至一偏壓電極之一射頻(RF)電力傳輸路徑內部，該可變電容設置於至該偏壓電極之該RF電力傳輸路徑內部的一阻抗匹配電路之外； 以一脈衝模式操作一RF供電裝置操作，以發送RF電力脈衝通過該RF電力傳輸路徑至該偏壓電極；以及 設定該可變電容之一電容值，以在每一RF電力脈衝期間，控制一直流(DC)偏壓在存在於該偏壓電極上方之一基板上增加的速度，該DC偏壓在該基板上增加的速度藉以控制一電漿內的一離子能量分布及一離子角分布，該電漿暴露於該基板所發出的一電磁場。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中該可變電容電連接於該阻抗匹配電路及該偏壓電極之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制離子的方法，其中該偏壓電極嵌入在一靜電夾具的內部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，更包含： 降低該可變電容的該電容值，以在每一RF電力脈衝期間，提高該DC偏壓在該基板上增加的速度，並從而控制該電漿內部的該離子能量分布往較高能量偏移。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中控制該電漿內部的該離子能量分布往較高能量偏移導致該電漿內部的該離子角分布往相對於該基板較為正交的路徑偏移。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，更包含： 增加該可變電容的該電容值，以在每一RF電力脈衝期間，降低該DC偏壓在該基板上增加的速度，並且從而控制該電漿內部的該離子能量分布往較低能量偏移。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中控制該電漿內部的該離子能量分布往較低能量偏移導致該電漿內部的該離子角分布往相對於該基板較非正交的路徑偏移。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中以該脈衝模式操作該RF供電裝置以發送RF電力脈衝包括根據一脈衝重複頻率及一工作週期產生RF電力脈衝。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中增加該工作週期導致該電漿內之該離子能量分布的一時間平均值往較高能量偏移，以及其中減少該工作週期導致該電漿內之該離子能量分布的該時間平值往較低能量偏移。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的方法，其中增加該脈衝重複頻率導致該電漿內之該離子能量分布的一時間平均值往較高能量偏移，以及其中減少該脈衝重複頻率導致該電漿內之該離子能量分布的該時間平均值往較低能量偏移。
  11. 一種用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，包含： 一夾具，界定為支撐暴露於一電漿的一基板； 一偏壓電極，嵌入於該夾具內部； 一射頻(RF)供電裝置，界定為以一脈衝模式加以操作以發送RF電力脈衝通過一RF電力輸送路徑至該偏壓電極； 一阻抗匹配電路，電連接在該RF電力輸送路徑內部、介於該RF供電裝置與該偏壓電極之間；以及 一可變電容，電連接在該RF電力輸送路徑內部，該可變電容界定為在每一RF電力脈衝期間，控制一DC偏壓在該基板上增加的速度，該DC偏壓在該基板上增加的速度藉以控制該電漿內部的一離子能量分布及一離子角分布，該電漿暴露於該基板發出的一電磁場。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該可變電容電連接於該阻抗匹配電路及該偏壓電極之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的控制離子的系統，其中該夾具界定為一靜電夾具。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該可變電容電連接於該RF電力輸送路徑內部，使得在每一RF電力脈衝期間，該可變電容之電容值的減少導致該DC偏壓在該基板上增加的速度提高，並從而控制該電漿內部之該離子能量分布往較高能量偏移。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中控制該電漿內部之該離子能量分布往較高能量偏移導致該電漿內部之該離子角分布往相對於該基板較為正交的軌跡偏移。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該可變電容電連接於該RF電力輸送路徑內部，使得在每一RF電力脈衝期間，該可變電容之電容值的增加導致該DC偏壓在該基板上增加的速度降低，並從而控制該電漿內部之該離子能量分布往較低能量偏移。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中控制該電將內部之該離子能量分布往較低能量偏移導致該電漿內部之該離子角分布往相對於該基板較為非正交的軌跡偏移。
  18. 如申請專利範圍第11項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該RF供電裝置界定為根據一脈衝重複頻率及一工作週期產生RF電力脈衝。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該RF供電裝置界定成供該工作週期的調整所用，其中該工作週期的增加導致該電漿內部之該離子能量分布的一時間平均值往較高能量偏移，以及其中該工作週期的減少導致該電漿內部之該離子能量分布的該時間平均值往較低能量偏移。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的用於在基板的電漿處理期間控制離子的系統，其中該RF供電裝置界定成供該脈衝重複頻率的調整所用，其中該脈衝重複頻率的增加導致該電漿內部之該離子能量分布的一時間平均值往較高能量偏移，以及其中該脈衝重複頻率的減少導致該電漿內部之該離子能量分布的該時間平均值往較低能量偏移。
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