CN111937114A - 用于在加工等离子体时控制离子能量分布的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
在等离子体加工中，多个谐波频率分量用于等离子体激发。控制不同频率分量之间的相对幅度和/或相移，以便提供期望的离子能量等离子体属性。可以在不进行直接测量和/或手动离子能量测量的情况下控制相对幅度和/或相移。而是，可以通过监测该等离子体装置内的诸如例如阻抗水平等一个或多个电特性、该射频(RF)发生器中的电信号、匹配网络中的电信号、以及该等离子体加工装置的其他电路中的电信号来动态地控制该等离子体内的离子能量。可以在等离子体工艺期间动态地实现对该离子能量的监测和控制，以便维持期望的离子能量分布。
Description
本申请涉及Yoshida等人于2018年4月13日提交的名称为“Apparatus and Methodfor Controlling Ion Energy Distribution in Process Plasmas[用于在加工等离子体时控制离子能量分布的装置和方法]”的美国专利申请号62/657,301，以及Yoshida等人于2018年4月13日提交的名称为“Method for Ion Mass Separation and Ion EnergyControl in Process Plasmas[用于在加工等离子体时离子质量分离和离子能量控制的方法]”的美国专利申请号62/657,272，这些专利申请的披露内容通过引用以其全文明确结合在此。
背景技术
本披露内容涉及在等离子体工艺设备中对衬底进行的加工。具体地，本披露内容涉及一种用于控制在等离子体加工装置中生成的等离子体的装置和方法。
用于加工衬底的等离子体***的使用早已为人所知。例如，半导体晶片的等离子体加工是众所周知的。等离子体***通常可以用于等离子体刻蚀工艺和/或等离子体沉积工艺。等离子体加工提出了许多技术挑战，并且随着衬底上的结构和层的几何结构不断缩小，对等离子体的控制变得越来越重要。通常，通过向室中的气体混合物施加高频电功率来生成等离子体，该室将等离子体与周围环境分开。等离子体工艺的性能受多种因素变量的影响，包括离子的种类、密度和动能，反应中性物等。
为了实现期望的工艺性能，可以调整等离子体加工设备的可变设置，以改变等离子体的属性。这些设置包括但不限于气体流速、气体压力、用于等离子体激发的电功率、偏置电压等，所有这些在本领域中都是众所周知的。实现期望性能的挑战之一是等离子体属性的可控性。由于可变设置不直接与等离子体属性相关，因此控制存在局限性。由于对衬底加工的要求变得越来越具有挑战性，因此需要等离子体属性的更好的可控性。
发明内容
在一个示例性实施例中，本文描述了新颖的等离子体加工方法和***，其通过将多个谐波频率分量用于等离子体激发来对等离子体中的离子能量进行控制。更具体地，控制不同频率分量之间的相对幅度和/或相移，以便提供期望的离子能量等离子体属性。可以在不进行直接测量和/或手动离子能量测量的情况下控制相对幅度和/或相移。而是，可以通过监测该等离子体装置内的诸如例如阻抗水平等一个或多个电特性、该射频(RF)发生器中的电信号、匹配网络中的电信号、以及该等离子体加工装置的其他电路中的电信号来动态地控制该等离子体内的离子能量。因此，由于在用于大规模生产衬底的等离子体设备中通常无法直接测量离子能量，因此提供了一种在等离子体工艺***中提供对离子能量分布快速且准确的控制的技术。可以在等离子体工艺期间动态地实现对该离子能量的监测和控制，以便维持期望的离子能量分布。因此，本文所描述的技术可以有利地例如在没有离子能量传感器的多个谐波频率***中提供原位离子能量优化，并且可以提供例如动态控制能力，该动态控制能力在加工期间保持用于离子能量分布的最佳操作条件。受益于本文提供的披露内容，将认识到其他优点。
在一个实施例中，提供了一种能够对衬底进行等离子体加工的等离子体加工***。该***可以包括加工室和一个或多个RF源，该一个或多个RF源耦合至该加工室并且被配置成至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。该***可以进一步包括控制电路***，该控制电路***耦合至该等离子体加工***的至少一个其他部件，以在对该衬底进行等离子体加工期间接收该等离子体加工***的至少一个电特性。该***还包括该控制电路***的至少一个输出端，该至少一个输出端耦合至该一个或多个RF源中的至少一个RF源，该一个或多个RF源被配置成调整该基频电压和/或该第二频率电压的特性，以便在对该衬底进行等离子体加工期间能够获得期望的离子能量分布。
在另一实施例中，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。该方法可以包括：提供加工室；以及将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。该方法还包括：在对该衬底进行等离子体加工期间监测该等离子体加工***的至少一个电特性。该方法进一步包括：在该等离子体加工期间调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
在又另一实施例中，提供了一种用于加工衬底的方法。该方法可以包括：提供加工室；以及将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。该方法还包括将匹配网络耦合在该加工室与该一个或多个RF源之间。该方法进一步包括：在对该衬底进行等离子体加工期间，至少监测如通过该匹配网络所观察到的该加工室的阻抗。该方法还包括：在该等离子体加工期间，至少调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
在另一示例性实施例中，本文描述了用于控制等离子体中的离子能量分布的技术，其中，通过控制所施加的RF功率的施加(具体是控制基本RF频率与谐波频率之间的关系)来同时控制具有不同质量的离子的离子能量分布。因此，这些技术允许对具有不同质量的离子进行离子能量控制。通过控制两个频率之间的RF功率分布，可以改变等离子体工艺的特性。例如，主导刻蚀的离子可以选择性地基于离子是比其他离子轻还是重。类似地，可以控制原子层刻蚀工艺，使得该工艺可以通过调整RF频率而在层改性步骤与层刻蚀步骤之间切换。这样的切换能够在等离子体工艺的相同气相内进行。因此，等离子体的共同气相可以用于层改性步骤和层刻蚀步骤两者，同时使用对RF源的调整来将***置于层改性步骤或层刻蚀步骤中。在一个实施例中，对RF功率的控制包括控制基本RF频率与谐波频率之间的相位差和/或幅度比。进一步地，对相位差和/或幅度比的控制可以依赖于对等离子体装置内的诸如例如阻抗水平等一个或多个电特性、该射频(RF)发生器中的电信号、匹配网络中的电信号、以及该等离子体加工装置的其他电路中的电信号的检测。
在一个实施例中，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。该方法可以包括：提供加工室；以及将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。该方法进一步包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量。该方法还包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布。
在另一实施例中，提供了一种用于对衬底进行等离子体刻蚀的方法。该方法可以包括：提供加工室；以及将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率。该方法进一步包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量。该方法还包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布。对该离子能量分布的控制允许选择性地控制该第一类型的离子和该第二类型的离子中的至少一者的刻蚀影响。
在又另一实施例中，提供了一种用于对衬底进行等离子体刻蚀的方法。该方法可以包括：提供加工室；以及将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率。该方法进一步包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量比该第二质量重。该方法进一步包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布。对该离子能量分布的控制生成第一类型的离子或第二类型的离子中的至少一者的不对称离子能量分布，并且该不对称离子能量分布用于相对于第一类型的离子来调整第二类型的离子的刻蚀影响。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以获取对本发明及其优点的更透彻的理解，其中，相似的附图标记指示相似的特征。然而，应当注意的是，这些附图仅展示了所披露的概念的示例性实施例，并且因此不被认为限制了范围，因为所披露的概念可以承认其他同等有效的实施例。
图1展示了用于实施本文描述的等离子体加工技术的示例性等离子体加工***。
图2展示了用于等离子体加工的现有技术的双峰离子能量分布曲线图。
图3展示了基频电源与谐波频率电源之间的相移和幅度差。
图4展示了可能是由除了基频电源之外还使用了谐波频率电源而产生的示例性离子能量分布曲线图。
图5展示了在不同相移下不使用谐波频率电源和使用谐波频率电源的示例性离子能量分布曲线图。
图6展示了随着偏置功率的变化谐波频率电源的不同相移对氧化硅刻蚀量和氮化硅刻蚀量的影响。
图7展示了随着偏置功率的变化谐波频率电源的不同相移对氧化硅刻蚀量与氮化硅刻蚀量之间的刻蚀选择比的影响。
图8展示了具有不同质量的离子的等离子体加工的典型的对称双峰离子能量分布曲线图。
图9展示了在利用本文所描述的谐波频率技术时的不对称离子能量分布曲线图，其中，包括了用于具有不同质量的离子的等离子体加工的刻蚀阈值。
图10展示了在利用本文所描述的谐波频率技术时的另一不对称离子能量分布曲线图，其中，包括了用于具有不同质量的离子的等离子体加工的刻蚀阈值。
图11A和图11B展示了图9和图10的不对称离子能量分布曲线图，其中，包括了用于在原子层刻蚀工艺中使用的不同刻蚀阈值。
图12A和图12B展示了图9和图10的不对称离子能量分布曲线图，其中，包括了用于在另一原子刻蚀层工艺中使用的不同刻蚀阈值。
图13至图17展示了用于使用本文所描述的等离子体加工技术的示例性方法。
具体实施方式
已经发现，可以通过控制基频RF功率和基频的谐波频率的RF功率的施加来获得改善的等离子体加工结果。在一个示例性实施例中，本文描述了新颖的等离子体加工方法，该方法通过将多个谐波频率分量用于等离子体激发来对等离子体中的离子能量进行控制。更具体地，控制不同频率分量之间的相对幅度和/或相移，以便提供期望的离子能量等离子体属性。可以在不进行直接测量和/或手动离子能量测量的情况下控制相对幅度和/或相移。而是，可以通过监测该等离子体加工***的诸如例如阻抗水平等一个或多个电特性、该射频(RF)发生器中的电信号、匹配网络中的电信号、和/或该等离子体加工装置的其他电路中的电信号来动态地控制该等离子体内的离子能量。因此，由于在用于大规模生产衬底的等离子体设备中通常无法直接测量离子能量，因此提供了一种在等离子体工艺***中提供对离子能量分布快速且准确的控制的技术。可以在等离子体工艺期间动态地实现对该离子能量的监测和控制，以便维持期望的离子能量分布。因此，本文所描述的技术可以例如在没有离子能量传感器的多个谐波频率***中有利地提供原位离子能量优化，并且可以提供例如动态控制能力，该动态控制能力在加工期间保持用于离子能量分布的最佳操作条件。受益于本文提供的披露内容，将认识到其他优点。
在另一示例性实施例中，本文描述了用于控制等离子体中的离子能量分布的技术，其中，通过控制所施加的RF功率的施加(具体是控制基本RF频率与谐波频率之间的关系)来同时控制具有不同质量的离子的离子能量分布。因此，这些技术允许对具有不同质量的离子进行离子能量控制。通过控制RF功率的频率，可以改变等离子体工艺的特性。例如，主导刻蚀的离子可以选择性地基于离子是比其他离子轻还是重。类似地，可以控制原子层刻蚀工艺，使得该工艺可以通过调整RF频率而在层改性步骤与层刻蚀步骤之间切换。这样的切换能够在等离子体工艺的相同气相内进行。在一个实施例中，对RF功率的控制包括控制基本RF频率与谐波频率之间的相位差和/或幅度比。进一步地，对相位差和/或幅度比的控制可以依赖于对等离子体装置内的诸如例如阻抗水平等一个或多个电特性、该射频(RF)发生器中的电信号、匹配网络中的电信号、以及该等离子体加工装置的其他电路中的电信号的检测。
本文描述的技术可以与各种不同的等离子体加工***一起使用。例如，这些技术可以与等离子体刻蚀工艺***、等离子体沉积工艺***或任何其他等离子体工艺***一起使用。图1仅出于说明目的展示了一个示例性等离子体加工***100。将认识到，其他等离子体工艺***可以等同地实施本文所描述的概念。例如，等离子体加工***100可以是电容耦合的等离子体加工装置、电感耦合的等离子体加工装置、微波等离子体加工装置、径向线隙缝天线(RLSA)微波等离子体加工装置、电子回旋共振(ECR)等离子体加工装置等。因此，本领域技术人员将认识到，本文所描述的技术可以与各种各样的等离子体加工***中的任何一种一起使用。等离子体加工***100可以用于各种各样的操作，包括但不限于刻蚀、沉积、清洁、等离子体聚合、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)等。等离子体加工***100的结构是公知的，并且本文所提供的特定结构仅是示例性的。
如图1的示例性***所示的，等离子体加工***100可以包括加工室105。如本领域中已知的，加工室105可以是受压力控制的室。衬底110(在一个示例中为半导体晶片)可以被固持在平台或吸盘115上。如所示的，可以设置上电极120和下电极125。上电极120可以通过上匹配网络155电耦合至上RF源130。上RF源130可以以较高频率fU提供较高频率电压135。下电极125可以通过下匹配网络157电耦合至下RF源140。下RF源140可以提供多个较低频率电压。例如，可以以第一较低频率f1提供第一较低频率电压145，并且可以以第二较低频率f2提供第二较低频率电压150。如以下更详细地讨论的，第二较低频率f2可以是第一较低频率f1的二次谐波或高次谐波。因此，f2可以等于n×f1，其中，n是大于1的整数。因此，第一较低频率电压145可以作为基频电压进行操作，而第二较低频率电压150可以作为第二频率下的第二电压进行操作，第二频率是基频的二次谐波或高次谐波。
可以提供反馈电路165。如所示的，反馈电路165在下匹配网络157与下RF源140之间提供反馈。具体地，在所示的示例中，反馈电路165从下匹配网络157接收输入，并且提供耦合至下RF源140的输出。将认识到，这种反馈的使用仅是示例性的，并且如以下所讨论的，可以将反馈从等离子体加工***100的各种不同的其他部件中的任何一个部件提供给下RF源140，因为用于控制谐波频率的幅度和相移的反馈(如以下所讨论的)不限于来自下匹配网络157的反馈。本领域技术人员将认识到，取决于利用等离子体加工***100的类型，许多其他部件(未示出)可以包括在等离子体加工***100中，或者可以不包括所示的部件。
等离子体加工***100的部件可以连接到控制单元170并由其控制，该控制单元进而可以连接至相应的存储器存储单元和用户界面(均未示出)。可以经由用户界面执行各种等离子体加工操作，并且可以将各种等离子体加工配方和操作存储在存储单元中。因此，可以利用各种微细加工技术在等离子体加工室内对给定的衬底进行加工。将认识到，由于控制单元170可以耦合至等离子体加工***100的各个部件以从中接收输入并向其提供输出，因此在一个实施例中，反馈电路165的功能可以直接并入控制单元170内，而无需附加的反馈电路165。
控制单元170可以以各种各样的方式实施。例如，控制单元170可以是计算机。在另一示例中，控制单元可以由被编程为提供本文所描述的功能的一个或多个可编程集成电路组成。例如，一个或多个处理器(例如，微处理器、微控制器、中央处理单元等)、可编程逻辑器件(例如，复杂可编程逻辑器件(CPLD))、现场可编程门阵列(FPGA)等)和/或其他可编程集成电路可以使用软件或其他编程指令进行编程，以实施所禁止的等离子体工艺配方的功能。进一步注意的是，可以将软件或其他编程指令存储在一个或多个非暂态计算机可读介质(例如，存储器存储设备、闪存、DRAM存储器、可重编程存储设备、硬盘驱动器、软盘、DVD、CD-ROM等)中，并且软件或其他编程指令当由可编程集成电路执行时使可编程集成电路执行本文所描述的过程、功能和/或能力。也可以实施其他变型。反馈电路165可以由类似于在控制单元中发现的电路***的电路***组成。可替代地，反馈电路165可以是被设计为实现对RF源的特定反馈控制的特定电路***，即，被设计为基于在等离子体加工***100中监测到的特定电特性的测量结果来向RF源提供输入，以便提供对在下RF源140的输出处发现的相移和幅度比的控制。
在操作中，当从上RF源130和下RF源140向***施加功率时，等离子体加工装置使用上电极和下电极在加工室105中生成等离子体160。进一步地，如本领域中已知的，在等离子体160中生成的离子可以被吸附到衬底110上。所生成的等离子体可以用于以各种类型的处理来加工目标衬底(诸如，衬底110或要被加工的任何材料)，该处理诸如但不限于对半导体材料、玻璃材料和大型板进行的等离子体刻蚀处理、化学气相沉积处理，该大型板诸如薄膜太阳能电池、其他光伏电池和用于平板显示器的有机/无机板等。
施加功率导致在上电极120与下电极125之间生成高频电场。然后可以将输送到加工室105的加工气体离解并转化为等离子体。如图1所示的，所描述的示例性***利用上RF源和下RF源。例如，对于示例性电容耦合的等离子体***，可以从上RF源130施加大约3MHz至150MHz范围内的高频电功率，并且可以从下RF源施加大约0.2MHz至40MHz范围内的低频电功率。将认识到，本文所描述的技术可以与多种其他等离子体***一起使用。在一个示例***中，可以切换源(下电极处使用较高频率并且上电极处使用较低频率)。进一步地，双源***仅作为示例***示出，并且将认识到，本文所描述的技术可以与其中仅将频率电源提供给一个电极、利用直流(DC)偏置源或利用其他***部件等的其他***一起使用。
如图1所指出的，下RF源140分别以第一频率f1和谐波频率f2提供第一较低频率电压和第二较低频率电压。将认识到，下RF源140可以被认为是提供两个或更多个频率的单个RF源，或者可替代地，下RF源140可以被认为是具有各自提供RF电压的多个RF源的***。因此，下RF源140可以由一个或多个RF源组成。进一步地，如以上所讨论的，源用作上源和下源可以交换，并且因此谐波的使用不限于仅施加至下电极，而且还可以用于施加至上电极。
在本领域中已知，等离子体***中的常规离子能量分布通常采取双峰离子能量分布的形式。例如，图2展示了可能在等离子体刻蚀***中出现的常规双峰离子能量分布曲线图200。进一步地，已知的是在本领域中是已知的，例如，如U.Czarnetzki等人的“PlasmaSources[等离子体源]”Sci.Technol，第20卷，第2期，第024010页中所示的，可以通过在电源中施加谐波频率来控制等离子体中的离子能量分布。更具体地，对不同谐波频率之间的幅度比和相对相移的控制可能影响离子能量分布。因此，例如，在如图1所示的等离子体加工***100中，可以控制第一较低频率电压145和第二较低频率电压150，以提供频率之间的期望幅度比和相对相移，从而影响离子能量分布。图3展示了第一较低频率电压145和第二较低频率电压150的示例性幅度A1和A2。图3还展示了第一较低频率电压145与第二较低频率电压150之间的示例性相移θ。
因此，例如，如图4所示的，可以通过使用和控制谐波频率来改变(如图2所示的)常规双峰离子能量分布，以得出曲线图400。如图4所示的，已经经由对幅度比和相对相移的控制调整了离子能量分布。图5展示了三个示例性离子能量分布。曲线505指示使用单个较低频率RF源(例如，13.5MHz)的离子能量分布。曲线510指示除了13.5MHz RF源之外还使用第二(谐波)频率RF源的影响。曲线510指示当这两个源具有0度相移时产生的离子能量分布。曲线515也指示除了13.5MHz RF源之外还使用第二(谐波)频率RF源的影响，然而，在这种情况下，相移为180度。从图中可以看出，使用谐波并且改变相移可以影响离子能量分布。如图所示的，按照离子能量分布单位f(E)来绘制离子能量分布，该离子能量分布单位是特定能量的离子每时间单位到达表面积单位上的数量。
取决于特定的等离子体工艺，离子能量分布的变化可能导致等离子体工艺的刻蚀、沉积等特性的相应变化。图6和图7展示了示例性变化。在图6和图7中，总偏置功率是基频和谐波频率的功率之和。在所示的示例中，每个频率提供50％的功率。因此，例如，可以通过以13.56MHz提供200W并以27.12MHz提供200W来提供400W的总偏置功率。将认识到，功率的特定百分比分布和所选的特定频率仅是示例性的，并且本文所披露的技术不限于这样的示例。如图6所示，绘制了刻蚀量与总偏置功率的图形。更具体地，示出了在使用相对于基频在0度偏移下和在180度偏移下的附加谐波频率时的氧化物刻蚀速率和氮化硅刻蚀速率。因此，曲线605展示了在0度偏移下的氧化硅刻蚀量，而曲线610展示了在180度偏移下的氧化硅刻蚀量。类似地，曲线615展示了在0度偏移下的氮化硅刻蚀量，而曲线620展示了在180度偏移下的氮化硅刻蚀量。在图7中示出了对于这些相移所产生的氧化硅与氮化硅之间的选择比，其中，曲线图705是在0度相移下的选择比，而曲线图710是在180度相移下的选择比。将认识到，图5至图7仅是示例性的，并且等离子体加工***中RF源的谐波控制的使用可以用于各种不同的等离子体工艺中。
已经发现，期望实时地原位控制这种离子能量分布，以便更好地控制等离子体工艺的特性。更具体地，最佳操作条件(诸如，与等离子体工艺一起利用的多个频率的相移和/或幅度比)可以随着操作条件或等离子体条件的改变而改变。然而，如所提及的，在商业化的大批量制造等离子体设备中通常无法直接测量离子能量分布。如本文所描述的，可以通过监测其他***特性并向等离子体加工***提供反馈来选择最佳相移和/或幅度比，从而可以响应于监测那些其他***特性而实时调整离子能量分布。
所监测的其他***特性可以是各种不同特性中的任何一种。在一个示例中，参考图1，可以通过反馈电路165和/或控制单元170来监测如通过下匹配网络157所观察到的加工室的阻抗。然后，所检测到的阻抗条件可以被反馈电路165和/或控制单元170用来向下RF源140提供输入，从而调整第一较低频率电压145与第二较低频率电压150之间的相对幅度比和相移。因此，控制电路***(反馈电路***或控制单元)可以用于提供期望的调整。以这种方式，在等离子体加工期间，可以原位调整下RF源140，以便在等离子体加工期间实现期望的离子能量分布形状。尽管关于通过匹配网络所观察到的阻抗进行了描述，但是将认识到，也可以监测其他电信号。例如，可以监测匹配网络内的电信号，可以监测DC偏置电压，可以监测RF源中的各种电压水平，可以监测***内的各种电压和电流的电压水平和电流水平(例如，ac峰到峰电压(Vpp)水平、或者相对于彼此的电压相移和电流相移)等。
在一个实施例中，可以在特定范围内扫描幅度比和相对相移，并且收集等离子体加工***100的电信号(诸如，例如但不限于阻抗)。取决于离子能量分布的期望形状，等离子体加工***100然后可以基于所收集的数据和用于离子能量分布与电信号之间的相关性的模型来计算多个频率之间的最佳幅度比和相对相移。该模型可以是理论模型、实验模型或这两者的组合。因此，将认识到，所获得的所监测电信号与所实现离子能量分布的相关性可能来自于从实验性使用、理论计算或其组合获得的相关性表或图形的形成。同样，可以获得理论和/或实验统计相关性。类似地，可以获得用于相关性的模拟和/或实验的函数或模型。因此，将认识到，可以以各种不同的方式获得***的一个或多个特性(例如，电特性)与针对这种特性产生的离子能量分布之间的相关性。以这种方式，可以例如通过响应于***电测量结果(例如，在一个实施例中为加工室阻抗)实时地调整幅度比和/相移来对下RF源140进行实时改变，以实现期望的离子能量分布。
以这种方式，可以提供一种***，该***允许在多个谐波频率***中进行原位离子能量优化，而无需在制造加工期间使用离子能量传感器。进一步地，动态控制能力可以允许即使在操作条件(例如压力、源功率、工艺化学等)可能在加工期间改变该形状时也能将期望的离子能量分布维持在期望的形状。尽管已经针对一个基频电压(第一较低频率电压145)和一个谐波频率电压(第二较低频率电压150)进行了以上所描述的示例，但是将认识到，本文所描述的概念可以与使用一个基频电压和两个或更多个谐波频率电压一起使用。
控制离子能量分布的能力在利用不同质量的多个离子的等离子体工艺中可能是特别有用的。图8展示了可能出现在具有不同质量的两个不同离子的等离子体刻蚀***中的常规的双峰离子能量分布。例如，曲线805指示离子M2的离子能量分布的曲线，而曲线810指示离子M1的离子能量分布的曲线，其中，离子M1的质量大于离子M2的质量。如以上所讨论的，RF谐波频率的使用以及对相移和幅度比的控制可以用于调整常规双峰离子能量分布，从而加强或增强离子能量分布的这些峰之一。例如，对谐波频率的控制可以提供离子M1和M2的离子能量分布，使得轻离子M2具有比重离子M1高的能量。因此，如图9中所看到的，曲线905指示轻离子M2的离子能量分布，而曲线910指示重离子M1的离子能量分布。在图9中可以看到，轻离子M2具有比重离子M1高的能量。图9包括示例性刻蚀阈值915，离子M1的能量需要高于该刻蚀阈值915才能进行刻蚀作用，并且还包括刻蚀阈值920，离子M2的能量需要高于该刻蚀阈值920才能进行刻蚀作用。将认识到，刻蚀阈值将取决于所利用的特定等离子体的化学和条件。类似地，对谐波频率的控制可以提供离子M1和M2的离子能量分布，使得轻离子M2具有比重离子M1低的能量。因此，如图10中所看到的，曲线1005指示轻离子M2的离子能量分布，而曲线1010指示重离子M1的离子能量分布。在图10中可以看到，轻离子M2具有比重离子M1低的能量。图10包括示例性刻蚀阈值1015，离子M1的能量需要高于该刻蚀阈值1015才能进行刻蚀作用，并且还包括刻蚀阈值1020，离子M2的能量需要高于该刻蚀阈值1020才能进行刻蚀作用。将认识到，刻蚀阈值将取决于所利用的特定等离子体的化学和条件。因此，如图所示，使用具有不同质量的两个不同离子的工艺的离子能量分布对于每个离子可以表现出至少两个峰，并且本文所描述的技术可以增强离子的至少一个峰(例如，离子的第一峰或第二峰)，从而改变等离子体工艺的性能特性。
因此，如图所示，可以获得不对称的离子能量分布。这种不对称性可以有利地用于利用具有不同质量的两个或更多个离子的等离子体工艺中。例如，在具有较轻离子M2和较重离子M1以及图9的刻蚀阈值的等离子体刻蚀工艺中，诸如图9中所看到的不对称离子能量分布将导致由较轻离子M2主导刻蚀。相反，不对称的离子能量分布和诸如图10中所看到的刻蚀阈值将导致由较重的离子M1主导刻蚀。一种示例性等离子体刻蚀工艺可以是基于氯(Cl2)/氦(He)的刻蚀。在这种情况下，较轻的离子He+可以在图9的条件下执行主导去除机制，而较重的离子Cl2 +或Cl+可以在图10的条件下执行主导去除机制。因此，如图9和图10所示的，可以以将影响等离子体的加工特性的方式在一个峰或另一峰处不对称地增强离子的离子能量分布峰值。以这种方式，对离子能量分布的控制可以用于影响所利用的等离子体工艺的加工特性(例如但不限于刻蚀特性)。进一步地，如以上所讨论的，对谐波频率的相移和幅度比的控制可以用于实现如图9和图10中所看到的离子能量分布的这种变化。如以上所讨论的，对相移和幅度的实时原位控制可以进一步基于等离子体加工***的电特性。
以这种方式，可以基于在谐波频率与基频之间施加相移和/或幅度比调整而在等离子体加工***中原位控制通过特定离子种类进行的选择性刻蚀，在这些频率下，将功率提供至等离子体加工室。进一步地，来自所监测的等离子体工艺***的电特性的反馈可以用于控制相移和/或幅度比调整。
以上所描述的用于利用和控制不同质量的离子的技术在原子层刻蚀(ALE)工艺中可能特别有用。众所周知，ALE工艺涉及通过一个或多个自限反应(self-limitingreaction)顺序地去除薄层的工艺。这样的工艺通常包括一系列循环的层改性步骤和层刻蚀步骤。改性步骤可以对暴露表面进行改性，并且刻蚀步骤可以去除经改性的层。因此，可能发生一系列自限反应。如本文所使用的，ALE工艺可以包括准ALE工艺。在这样的工艺中，仍然可以使用一系列的改性步骤和刻蚀步骤的循环，然而，去除步骤可能不是纯粹自限的，因为在去除经改性的层之后，刻蚀明显减慢，但它可能不会完全停止。在任一情况下，基于ALE的工艺包括一系列循环的改性步骤和刻蚀步骤。
可以在原子层刻蚀工艺中利用本文所描述的技术的使用，以在层改性步骤与刻蚀步骤之间选择性地改变等离子体加工。在一个示例性工艺中，原子层刻蚀工艺可以将较重的离子M1用于层改性工艺，并且将较轻的离子M2用于层去除工艺。例如，为了与硅表面一起使用，离子M1可以是用于硅表面改性的Cl2 +或Cl+，并且离子M2可以是惰性气体离子或稀有气体离子，诸如，例如He。可替代地，取决于所涉及的材料和离子，工艺可以将较重的离子M1用于层去除工艺，并且将较轻的离子M2用于层改性工艺。在另一实施例中，为了与硅抗反射涂层表面一起使用，H+离子可以在高能量下用于硅抗反射涂层表面改性，而F化学可以用于其选择性去除。在又另一示例中，可以利用C4F8/He等离子体。在这种情况下，当He离子处于低能量时，可以在表面上形成CF膜，并且可以通过将He离子驱动至高能量来去除CF膜。在C4F8/He等离子体示例中，在不改变离子能量分布形状的情况下，将需要高偏置电压，并且将发生表面损坏和/或通过CF高能离子进行刻蚀的情况。如所指出的，图11A和图11B与图9和图10的M1和M2离子能量分布相对应，区别在于增加了不同的刻蚀阈值1105和1110。刻蚀阈值1105展示了离子能量阈值，高于该离子能量阈值，离子M2将提供刻蚀作用，而低于该离子能量阈值，离子M2将不提供刻蚀作用。刻蚀阈值1110展示了离子能量阈值，高于该离子能量阈值，离子M1将提供刻蚀作用，而低于该离子能量阈值，离子M1将不提供刻蚀作用。如果这些离子的能量低于发生刻蚀的阈值，则基本上将不会发生刻蚀，并且离子M1的层改性工艺将占主导。因此，如图11A所示的离子能量分布将主要在高于刻蚀阈值的较高离子能量下提供刻蚀离子(较轻的离子M2)，以提供原子层刻蚀工艺的刻蚀作用或去除作用。如图11B所示的离子能量分布将主要在低于刻蚀阈值的较低离子能量下提供刻蚀离子(较轻的离子M2)，因此该工艺将由较重的离子M1或等离子体中的自由基的改性工艺占主导。图12A和图12B展示了又另一原子层刻蚀工艺。在该工艺中，可以通过较轻的离子M2实现表面改性，并且通过较重的离子M1或等离子体中的自由基来执行对经改性的表面的刻蚀或去除。如图12A所示的，提供刻蚀阈值1205，低于该阈值，较轻的离子M2不参与刻蚀或去除。刻蚀阈值1210指示刻蚀阈值，高于该刻蚀阈值重离子M1将刻蚀或去除经改性的表面。
可以控制基本功率频率和谐波功率频率的使用，以便在图11A与图11B的状态之间以及12A与图12B的状态之间交替进行原子层刻蚀工艺。以这种方式，可以通过控制基频和谐波频率的关系的使用来分离和交替改性步骤和刻蚀/去除步骤。进一步地，可以在等离子体的相同气相内利用这种控制。将会认识到，如以上所讨论的，可以通过控制各种频率的相移和幅度比来原位获得对频率的控制。进一步地，对相移和幅度比的这种控制可以基于等离子体加工***的电特性，诸如以上更详细地描述的。因此，通过控制RF源，离子能量分布选择性地控制原子层刻蚀工艺的层改性步骤或层刻蚀步骤。
以这种方式，可以获得对不同质量的离子的离子能量的同时控制。进一步地，可以以允许对目标离子质量进行选择性能量调制的方式来实施控制，使得可以使用该控制来实施对原子层刻蚀的快速加工。这样的原子层刻蚀控制甚至可以在等离子体工艺的气相内实现。
将认识到的是，以上所述的应用仅仅是示例性的，并且许多其他工艺和应用也可以有利地使用本文所披露的技术。图13至图17展示了用于使用本文所描述的等离子体加工技术的示例性方法。将认识到的是，图13至图17的实施例仅仅是示例性的，并且其他方法也可以使用本文所描述的技术。进一步地，可以将附加的加工步骤添加到图13至图17所示的方法中，因为所描述的步骤并非旨在是排他的。此外，步骤的顺序不限于图中所示的顺序，因为可能出现不同的顺序和/或可以组合地或同时地执行各种步骤。
如图13所示，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。步骤1305包括提供加工室。步骤1310包括：将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。步骤1315包括：在对该衬底进行等离子体加工期间监测该等离子体加工***的至少一个电特性。步骤1320包括：在该等离子体加工期间，调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
如图14所示，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。步骤1405包括提供加工室。步骤1410包括：将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。步骤1415包括：将匹配网络耦合在该加工室与该一个或多个RF源之间。步骤1420包括：在对该衬底进行等离子体加工期间，至少监测从该匹配网络的角度观察到的该加工室的阻抗。步骤1425包括：在该等离子体加工期间，至少调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
如图15所示，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。步骤1505包括提供加工室。步骤1510包括：将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波。步骤1515包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量。步骤1520包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布。
如图16所示，提供了一种用于对衬底进行等离子体刻蚀的方法。步骤1605包括提供加工室。步骤1610包括：将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率。步骤1615包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量。步骤1620包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布。如在步骤1620处所指示的，对该离子能量分布的控制允许选择性地控制该第一类型的离子和该第二类型的离子中的至少一者的刻蚀影响。
如图17所示，提供了一种用于对衬底进行等离子体加工的方法。步骤1705包括提供加工室。步骤1710包括：将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率。步骤1715包括：在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量比该第二质量重。步骤1720包括：通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布。如在步骤1725所指示的，对该离子能量分布的控制生成该第一类型的离子或该第二类型的离子中的至少一者的不对称离子能量分布。如在步骤1730所指示的，该不对称离子能量分布用于相对于该第一类型的离子来调整该第二类型的离子的刻蚀影响。
鉴于该描述，本发明的进一步修改和替代性实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，该描述将被解释为仅是说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施本发明的方式。应当理解的是，在本文示出和描述的本发明的形式和方法将被视为目前的优选实施例。等效的技术可以代替本文展示和描述的技术，并且可以独立于其他特征的使用来使用本发明的某些特征，所有这些对于受益于本发明的描述的本领域技术人员而言都是显而易见的。
Claims (40)
1.一种能够对衬底进行等离子体加工的等离子体加工***，该等离子体加工***包括：
加工室；
一个或多个RF源，该一个或多个RF源耦合至该加工室并且被配置成至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波；
控制电路***，该控制电路***耦合至该等离子体加工***的至少一个其他部件，以在对该衬底进行等离子体加工期间接收该等离子体加工***的至少一个电特性；以及
该控制电路***的至少一个输出端，该至少一个输出端耦合至该一个或多个RF源中的至少一个RF源，该一个或多个RF源被配置成调整该基频电压和/或该第二频率电压的特性，以便在对该衬底进行等离子体加工期间能够获得期望的离子能量分布。
2.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该基频电压和/或第二频率电压的特性是该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比。
3.如权利要求2所述的等离子体加工***，其中，该等离子体加工***的该至少一个电特性包括该加工室的阻抗。
4.如权利要求3所述的等离子体加工***，其中，该等离子体加工***的另一部件是耦合在该加工室与该一个或多个RF源之间的匹配网络。
5.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该等离子体加工***的该至少一个电特性包括该加工室的阻抗。
6.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该一个或多个RF源是提供两个或更多个频率下的RF电压的单个RF源，该两个或更多个频率包括该基频和该第二频率。
7.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该第二频率是该基频的二次谐波频率。
8.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该基频电压和/或第二频率电压的电特性是该基频电压与该第二频率电压之间的相位差。
9.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该控制电路***是耦合在该另一部件与该一个或多个RF源之间的反馈电路。
10.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该控制电路***是该等离子体加工***的控制单元。
11.如权利要求1所述的等离子体加工***，其中，该一个或多个RF源包括下RF源。
12.一种用于对衬底进行等离子体加工的方法，该方法包括：
提供加工室；
将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波；
在对该衬底进行等离子体加工期间，监测该等离子体加工***的至少一个电特性；以及
在该等离子体加工期间，调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
13.如权利要求12所述的方法，其中，该等离子体加工***的该至少一个电特性包括该加工室的阻抗。
14.如权利要求13所述的方法，其中，匹配网络耦合在该加工室与该一个或多个RF源之间。
15.如权利要求12所述的方法，其中，该调整包括调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差。
16.如权利要求12所述的方法，其中，该等离子体加工是等离子体刻蚀工艺，并且该调整改变了该等离子体刻蚀工艺的刻蚀特性。
17.一种用于对衬底进行等离子体加工的方法，该方法包括：
提供加工室；
将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波；
将匹配网络耦合在该加工室与该一个或多个RF源之间；
在对该衬底进行等离子体加工期间，至少监测如通过该匹配网络所观察到的该加工室的阻抗；以及
在该等离子体加工期间，至少调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差，以便在对该衬底进行等离子体加工期间获得期望的离子能量分布。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该一个或多个RF源包括一个或多个下RF源。
19.如权利要求17所述的方法，其中，该第二频率是该基频的二次谐波频率。
20.如权利要求17所述的方法，其中，该等离子体加工是等离子体刻蚀工艺，并且该调整改变了该等离子体刻蚀工艺的刻蚀特性。
21.一种用于对衬底进行等离子体加工的方法，该方法包括：
提供加工室；
将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波；
在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量；以及
通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布。
22.如权利要求21所述的方法，该调整包括调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比。
23.如权利要求22所述的方法，该调整包括调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差。
24.如权利要求22所述的方法，该等离子体加工是等离子体刻蚀工艺，其中，对该离子能量分布的控制提供了基于该第一质量与该第二质量的不同而对该第一类型的离子和该第二类型的离子的刻蚀影响的选择性控制。
25.如权利要求24所述的方法，其中，该等离子体刻蚀工艺是原子层刻蚀工艺，并且对该离子能量分布的控制选择性地控制该原子层刻蚀工艺的层改性步骤或层刻蚀步骤。
26.一种用于对衬底进行等离子体刻蚀的方法，该方法包括：
提供加工室；
将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率；
在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量和该第二质量是不同的质量；以及
通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的关系来控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，以便允许基于该第一质量和该第二质量来选择性的控制该离子能量分布，
其中，对该离子能量分布的控制允许选择性地控制该第一类型的离子和该第二类型的离子中的至少一者的刻蚀影响。
27.如权利要求26所述的方法，其中，该第一类型的离子比第二类型的离子重，并且对该离子能量分布的控制提供了由该第二类型的离子主导刻蚀。
28.如权利要求26所述的方法，其中，该第一类型的离子比第二类型的离子重，并且对该离子能量分布的控制提供了由该第一类型的离子主导刻蚀。
29.如权利要求26所述的方法，其中，该控制可以发生在等离子体加工期间，使得该离子能量分布可以在该等离子体刻蚀的共同气相内改变。
30.如权利要求26所述的方法，其中，该等离子体刻蚀是原子层刻蚀工艺。
31.如权利要求30所述的方法，其中，该控制可以发生在等离子体加工期间，使得该离子能量分布可以在该等离子体刻蚀的共同气相内改变。
32.如权利要求30所述的方法，其中，利用对该离子能量分布的控制以将该原子层刻蚀工艺置于层改性步骤中。
33.如权利要求32所述的方法，其中，该控制可以发生在等离子体加工期间，使得该离子能量分布可以在该等离子体刻蚀的共同气相内改变。
34.如权利要求30所述的方法，其中，利用对该离子能量分布的控制以将该原子层刻蚀工艺置于层刻蚀步骤中。
35.如权利要求34所述的方法，其中，该控制可以发生在等离子体加工期间，使得该离子能量分布可以在该等离子体刻蚀的共同气相内改变。
36.一种用于对衬底进行等离子体刻蚀的方法，该方法包括：
提供加工室；
将一个或多个RF源耦合至该加工室，以至少通过基频下的基频电压和第二频率下的第二频率电压来向该加工室提供RF功率，该第二频率是该基频的二次谐波频率或高次谐波频率；
在该加工室中至少提供第一类型的离子和第二类型的离子，该第一类型的离子具有第一质量并且该第二类型的离子具有第二质量，该第一质量比该第二质量重；以及
通过调整该基频电压与该第二频率电压之间的相位差和/或该基频电压与该第二频率电压的幅度比，控制该第一类型的离子和该第二类型的离子的离子能量分布，
其中，对该离子能量分布的控制生成该第一类型的离子或该第二类型的离子中的至少一者的不对称离子能量分布，并且
其中，该不对称离子能量分布用于相对于该第一类型的离子来调整该第二类型的离子的刻蚀影响。
37.如权利要求36所述的方法，其中，该等离子体刻蚀是原子层刻蚀工艺，并且利用对该离子能量分布的控制来在层刻蚀步骤与层改性步骤之间切换该原子层刻蚀工艺。
38.如权利要求37所述的方法，其中，对该离子能量分布的控制是在该原子层刻蚀工艺的相同气相内执行的。
39.如权利要求36所述的方法，其中，对于该第二类型的离子，该离子能量分布具有至少两个峰：低于该第一类型的离子的至少一个峰的能量的第一峰以及高于该第一类型的离子的至少一个峰的能量的第二峰，使用对该离子能量分布的控制来增强该第二类型的离子的第一峰。
40.如权利要求36所述的方法，其中，该离子能量分布具有该第二类型的离子的至少两个峰：低于该第一类型的离子的至少一个峰的能量的第一峰以及高于该第一类型的离子的至少一个峰的能量的第二峰，使用对该离子能量分布的控制来增强该第二类型的离子的第二峰。
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