作為全平面源的集成式感應線圈和微波天線的製作方法

2023-10-09 15:30:34

本發明涉及半導體處理技術，更具體地，涉及用於控制用於處理半導體襯底的處理系統的等離子體性質的設備和方法。

背景技術：

在用於處理半導體襯底的等離子體處理期間，等離子體均勻性、離子與自由基通量的比率以及能量通量控制對於實現襯底上的圖案化結構或者控制從襯底移除的材料的量或沉積在襯底上或沉積到襯底中的材料的量而言是重要的。生成等離子體的常規方法是來自以射頻功率驅動的感應線圈的感應耦合或者微波的應用。每種方法都有不同的優點。感應耦合等離子體源(ICP)可以用於在相對低的壓力、高電子密度和高電子溫度下在等離子體的本體中生成等離子體。相比之下，微波源傾向於在較高壓力下操作。在過於密集的等離子體狀態或表面波模式下操作傾向於在等離子體體積中和在襯底附近生成相對較低的電子溫度(Te)同時還向晶片提供大的離子通量。這種類型的表面波微波等離子體源的示例是放射狀線有槽天線等離子體源。

通過受表面波驅動的微波源，難以在ICP源被典型地操作的低功率和低壓的狀態下控制等離子體均勻性。此外，低電子溫度並不總是期望的。硬掩模開口(HMO)工藝是其中進行下述步驟的工藝：氮化矽或二氧化矽掩模通過光阻而圖案化，然後在含有CF4或CHF3的等離子體中被蝕刻，使得新圖案化的二氧化矽或氮化矽可以是後續多晶矽柵極圖案化步驟所使用的掩模。HMO工藝受益於因前體比如在氧化物掩模開口的情況中的CF4充分分解所造成的大的氟通量(氟與碳氟化合物(CF2)的大比率)。在許多考慮中，對於掩模臨界尺寸(CD)控制而言必須避免在光阻上的過度的沉積作用。當電子溫度低並且室停留時間長時，雖然通過微波生成了充足的氟量，但是氟與碳氟化合物自由基一起或者在碳氟化合物自由基之中重組導致入射在襯底上的氟與碳氟化合物自由基的比率小。雖然均勻性在高壓下是優異的，但是對於該示例性HMO工藝而言等離子體化學條件並非最優的。低壓等離子體化學條件是期望的，但是難以實現良好的均勻性。對於HMO步驟之後的柵極堆疊蝕刻步驟而言，微波源操作在高壓下以及由此生成的低Te條件下對於輪廓控制和選擇性而言是期望的。在高壓下發生的大自由基通量(例如Cl)導致襯底上的自由基覆蓋物，這導致高度氯化的惰性副產物(例如SiCl4)，而非再沉積在側壁上導致錐形多晶矽輪廓的反應性副產物(例如SiCl)。如果電子溫度低，則避免了該副產物分解成不期望的低程度的滷化產物。高壓操作確保離子能量足夠低以在柵極被蝕刻至多晶矽之下的氧化物時提供足夠的選擇性以及對硬掩模的選擇性。

ICP源在低壓下運作良好，並且其特徵在於在包圍大部分等離子體體積的區域中的高Te。因此，這些條件對HMO而言是期望的。等離子體均勻性通常也是可接受的。與用於高壓驅動微波放電的柵極蝕刻工藝不同，具有低壓ICP操作的柵極蝕刻工藝需要多個工藝步驟以避免損壞、平面柵極中的凹部或者鰭狀結構的物理損壞，例如在鰭狀場效電晶體(FinFET)蝕刻中的物理損壞。損壞的來源與晶片附近的較大的等離子體電位有關，這是由在低壓下相對高的電子溫度所導致的。

因此，期望的是以使得能夠處理平面襯底的方式組合ICP的特徵與微波源的特徵。

技術實現要素：

本公開涉及一種使用感應耦合等離子體(ICP)與微波源的組合來控制襯底上的等離子體密度(中性自由基和離子物質和能量通量)的等離子體處理系統。等離子體處理系統可以包括等離子體室，等離子體室能夠接納襯底並使用等離子體處理襯底以蝕刻、摻雜或沉積膜於半導體襯底上。

等離子體室可以包括兩個或更多個等離子體源，所述兩個或更多個等離子體源可以發射電磁能量以電離被輸送經由氣體輸送系統的氣體。兩個或更多個等離子體源可以以平面方式布置並且以能量傳輸部件對於兩個等離子體源共用的方式組合。例如，在組合的ICP和微波等離子體源中，傳輸部件既是用於生成微波等離子體的天線，又是用於生成ICP等離子體的感應線圈。在一個實施例中，平面ICP線圈和平面微波天線施加器共享用於將微波能量和RF能量傳輸到等離子體室中的同一物理硬體。

在一個實施例中，等離子體室可以包括功率源組件，功率源組件包括天線板或傳輸部件，天線板或傳輸部件用作微波功率源的槽(slot)天線和射頻(RF)功率源的ICP線圈。天線板可以設置在慢波板或微波波導與將微波波導和天線與提供給等離子體室的反應氣體隔離的阻擋部件之間。慢波片還用作介質，電磁能量通過介質耦合至等離子體。當電磁波的四分之一波長小於板中的最小尺寸時，電磁波可以形成駐波並且通過從板傳至等離子體空間的波的消散部分耦合至等離子體。阻擋部件可以包括但不限於可以由石英或陶瓷製成的介電材料。天線板可以包括橫跨表面的導電材料(例如，金屬)圖案並且可以與穿過天線板的開口或槽集成，天線板可以實現微波能量的傳輸。除了傳輸微波能量之外，天線板還可以傳輸RF能量。RF能量的波長大於慢波板或阻擋部件的厚度尺寸。導電材料可以以形成低阻抗路徑以使電流橫越等離子體室或圍繞等離子體室的方式被圖案化。RF功率源可以耦合至天線板並且可以將RF信號(例如，電流)通過導電材料傳輸至耦合至導電材料的地端子。RF信號可以通過由介電材料傳輸磁場以感應反應氣體的電離(等離子體)。因此，天線板可以用於同時使用對微波能量和RF能量均通用的傳輸部件來生成ICP等離子體和表面波等離子體。

附圖說明

併入本說明書且構成本說明書的一部分的附圖圖示了本發明的實施例，並且這些附圖連同以上給出的本發明的概括描述以及下面給出的詳細描述用於說明本發明。此外，附圖標記最左邊的數字表示該附圖標記首次出現的附圖。

圖1是等離子體處理系統的代表性實施例的圖示，其示出了包括使用天線板來傳輸微波和RF能量的功率源組件的等離子體室的示意性橫截面圖。

2是使用天線板在等離子體室內生成感應耦合等離子體和表面波等離子體的功率源組件的示意性橫截面圖。

圖3是結合有導電材料和開口/槽的天線板圖案的代表性實施例的圖示，該天線板圖案可以用於傳輸在等離子體室中生成等離子體的能量。

圖4是天線板圖案的另一代表性實施例的圖示，該天線板圖案可以是用於等離子體室的ICP線圈和槽天線。

圖5是使用天線板在等離子體室中生成等離子體的方法的流程圖。

具體實施方式

以下具體實施例參照用以說明與本公開一致的示例性實施例的附圖。具體實施例中對「一個實施例」、「實施例」、「示例性實施例」等的引用指示所描述的示例性實施例可以包括特定特徵、結構或特性，但每個示例性實施例不一定包括特定特徵、結構或特性。此外，這樣的短語不一定指的是相同的實施例。此外，當結合實施例來描述特定特徵、結構或特性時，相關領域技術人員可以了解，相關於其他示例性實施例而實施這樣的特徵、結構或特性，無論是否明確描述。

提供本文中所描述的示例性實施例是為了說明的目的，而非限制性的。其他實施例也是可能的，並且可以在本公開的範圍內對示例性實施例進行修改。因此，具體實施例不意味著限制本公開。相反，本公開的範圍僅根據所附權利要求及其等同物來限定。

示例性實施例的以下詳細描述將充分揭示本公開的一般性質，其他人可以通過應用相關領域的技術人員的知識，針對這種示例性實施例的各種應用進行容易地修改和/或適應，而不需要過度的實驗，也不背離本公開的範圍。因此，，這樣的適應和修改旨在落入基於本文中呈現的教示和指引的示例性實施例的意義和多個等同範圍內。應當理解，本文中的措辭或術語是為了描述而不是限制的目的，使得藉助於本文中的教示，本說明書的術語或措辭被相關領域的技術人員所揭示。

圖1描繪了用於使用在等離子體室102中生成的等離子體(未示出)處理襯底的等離子體處理系統100。可以通過電離由氣體輸送系統104提供的氣體並將氣體暴露於由微波功率源106和射頻(RF)功率源108提供的電磁能而在等離子體室102中生成等離子體。真空系統110也可以在等離子體生成期間在等離子體室102內維持負壓。氣體輸送系統104可以包括用於控制流動氣體進入等離子體室102中的質流控制器、止回閥等。真空系統110可以包括一個或更多個泵和控制系統(例如，N2壓載系統、蝶閥系統)用以控制等離子體室102內的壓力。

可以通過對電中性氣體施加電磁能量以使帶負電荷的電子從由於損失電子而帶正電荷的氣體分子釋放來進行等離子體生成。隨著時間的推移，電磁能量和氣體內增加的電子碰撞可能會增加氣體內的離子化分子的密度，使得離子化分子可能會受等離子體室102內的電位差的影響。例如，等離子體室102內的電位差可以將離子化分子(或原子，或自由基)引導朝著襯底(未示出)。離子化分子可以與襯底相互作用或者以可以移除襯底的一部分或可以沉積到襯底上的方式處理襯底。以此方式，圖案可以被蝕刻到襯底中或者膜可以被沉積到襯底上。

等離子體室102的橫截面圖112可描繪功率源組件114的一個實施例，功率源組件114使微波能量、RF能量和氣體能夠傳輸到靠近襯底保持器116的區域中。氣體可以沿著氣體通道118穿過功率源組件114的中心被引入靠近襯底保持器116的等離子體處理區域。在其他實施例中，氣體可以被從等離子體室102內的其他位置引入。等離子體處理區域也可以接收來自功率源組件114的能量以生成等離子體，該等離子體可以用於處理設置在襯底保持器116上的襯底(未示出)。能量可以包括微波能量和RF能量的組合，微波能量和RF能量兩者均以某種方式從天線板120傳輸，天線板120設置在微波波導122與同襯底保持器116相反的介電部件124之間。在該實施例中，天線板120、微波波導122和介電部件124可以圍繞氣體通道118設置使得在氣體通道118的每一側圖示的前述部件可以具有該部件的相同或連續布置。

天線板120可以以使電流能夠圍繞功率源組件114流動的方式布置在可基本上平行於襯底保持器116的平面中。該電流可以被感應以沿著低阻抗路徑(例如，金屬層)在RF功率源108與地端子126之間流動並且在低阻抗路徑周圍生成磁場(未示出)。在該實施例中，低阻抗路徑可以呈環狀並且可以以減小的半徑圍繞氣體通道設置，直到該低阻抗路徑靠近氣體通道118而結束。電氣地126可以在靠近氣體通道118處連接至低阻抗路徑，RF功率源108可以在靠近功率源組件114的外邊緣處連接至低阻抗路徑。低阻抗路徑的布置將在圖3和圖4的描述中更詳細地描述。低阻抗路徑可以由可以耦合至微波波導122或介電部件124的導電材料形成。導電材料可以包括但不限於鋁、鋼或銅。導電材料還可以是沉積在微波波導122的表面上的膜並且可以具有至少2mm的厚度。

低阻抗路徑的其中電流不能在低阻抗路徑的某些部分之間流動的部分之間的區域可以稱為微波間隙128。微波間隙128可以是開放區域或間隙，或者可以被防止電流離開低阻抗路徑的介電材料佔據。微波間隙128可以是連續的並且遵循與低阻抗路徑類似的模式。微波間隙128的間隙尺寸可以在5微米、金屬的表層深度和10mm之間變化，並且通常可以小於介電材料中的微波的四分之一波長，並且可以至少部分地基於在微波波導122中生成的駐波的類型而變化。微波間隙128可以被配置成或定向成使駐波(未示出)能夠傳輸到介電部件124中。以此方式，駐波可以對等離子體室102中的處理氣體進行賦能以生成用以處理襯底的等離子體。

在其他實施例中，微波間隙128可以不是連續的，並且可以使用天線板120內的多個開口或槽圍繞低阻抗路徑而形成。在某些情況下，開口或槽可以與低阻抗路徑相交，但是以不阻止電流流過低阻抗路徑的方式。

如將在圖2中更詳細地描述的，駐波(未示出)可以在微波波導122中生成，微波波導122使能量能夠經由天線板120傳輸。同時，歸因於由耦合至天線板120的RF功率源108感應出的電流(未示出)，磁場也可以被從天線板120傳輸。

圖2是功率源組件114的示意性橫截面圖200，功率源組件114使用天線板120在等離子體室102內生成感應耦合等離子體(ICP)202和表面波等離子體(SWP)204。通常，ICP 202可以由磁場206生成，磁場206可以由電流流過天線板120的低阻抗路徑而形成。SWP 204可以在等離子體室102中的氣體由介電駐波208賦能時生成，介電駐波208可以由微波功率源106所提供的微波波導122中的駐波210生成。儘管磁場206、介電駐波208和駐波210示出為在功率源組件114的相反兩側，但是，如ICP 202和SWP 204橫越功率源組件114的兩個部分證明的，這些特徵存在於功率源組件114的兩側。出於易於解釋和說明的目的，單獨地圖示出這些特徵，使得其右視圖和左視圖表示電場與磁場的場型呈圓柱形對稱。

轉到圖200的ICP 202部分，在該實施例中，天線板120可以在功率源組件114周圍形成低阻抗路徑，其可以以環狀方式從外邊緣朝著功率源組件114的中心承載電流。在這種情況下，環狀電流可以自圖200的表面的電流的向外方向212和向內方向214表示。向外方向212表示電流可以沿著導電材料的表面流動，其從圖2的頁面所形成的平面基本上正交向外延伸的方向上形成低阻抗路徑。向內方向214表示電流可以沿著導電材料的表面流動，其在以基本上正交的方式延伸進入由圖2的頁面形成的平面中的方向上形成低阻抗路徑。由於電流，磁場206可以在低阻抗路徑周圍形成。儘管路徑的部分可以生成磁場206的不同部分，但是出於易於說明的目的，磁場206示出在包圍低阻抗路徑的所有部分的單一圖示中。

通過在ICP 202等離子體內感應出的與天線板120中的電流基本上平行的電流，RF磁場206可以用於在等離子體室102中對電子(未示出)進行賦能。感應電流由ICP 202中的向外電流216和向內電流218來說明。電流可以使用ICP 202而圍繞氣體通道118旋轉，如圖中向外流動的電流216和向內流動的電流218所示。然而，在其他實施例中，ICP 202可以配置成以交替的方式向內或向外引導電流，使得ICP 202的最右邊的部分可以具有向內流動的電流，而ICP 202的緊鄰部分可以具有從圖向外流動的電流。電流的向內方向和向外方向可以沿著ICP 202的其餘部分交替。ICC環形電流212和214可以互為異相。自然地，感應電流(例如，電流216或218)可以互為異相，並且可以沿其相應的環形電流212和環形電流214的相反方向流動。

轉到圖200的SWP 204部分，介電駐波208可以由形成在微波波導122中的駐波210生成。介電駐波208的至少一部分可以被傳輸到等離子體室102的與襯底保持器116相對的部分(例如，在介電部件124的外部)以對氣體(未示出)進行賦能以形成SWP 204。ICP 202和SWP 204的組合可以用於處理放置在襯底保持器116中/上的襯底。等離子體密度和均勻性可以與天線板120的設計、施加的微波功率、施加的RF功率和等離子體室102中的氣體類型相關。

在一個實施例中，微波功率可以在500W至5000W之間變化，而偏壓功率可以在300W至500W之間變化並且可以在相對低的壓力(例如，100mTorr)，使用Ar/Cl2或Ar/HBr化學物，並且使用在200W至2000W之間的微波功率。

圖3是天線板120圖案的代表性實施例的俯視圖300，天線板120圖案可以是用於等離子體室102的ICP線圈和槽天線。天線板120可以包括低阻抗路徑302來承載電流作為如用於生成ICP等離子體202的ICP線圈那樣的操作的一部分。天線板120還可以通過具有第一槽開口304和第二槽開口306而作為槽天線操作以生成SWP 204，第一槽開口304和第二槽開口306可以圍繞天線板120形成低阻抗路徑302。第一槽開口304和第二槽開口306可以使沿著天線板120傳輸的微波能量能夠傳輸通過開口進入與天線板120相對的等離子體室102中，如圖1所示。

開口可以包括使能量能夠傳輸到等離子體室102中的厚度。開口厚度或距離可以根據由功率源108提供的能量的波長而變化。在一個實施例中，距離可以包括不超過由功率源108提供的能量的1/2波長的距離。

在另一實施例中，與圖3中示出的開口304、306相比，開口可以是非連續的。例如，開口可以由以圍繞天線板120的圖案布置的離散開口構成。開口之間的距離可以被布置成引導電流310沿期望的方向圍繞天線板120或氣體通道118。

開口可以包括矩形形狀、正方形形狀、三角形形狀或橢圓形形狀並且可以填充有氣體(例如，Ar、N2、He等)或介電材料(例如石英、陶瓷等)。矩形可以包括四個邊的物體，其中，四個邊中的兩個邊比另兩個邊長。正方形可以包括具有基本相似長度的四個邊的物體。三角形形狀可以包括三個邊的物體，其中，可以包括等長的邊或者比最長邊短的至少兩個邊。橢圓形物體可以類似於下述矩形：該矩形具有被倒圓的邊，使得邊與邊之間的角度小於九十度或者可以在形狀上比矩形或正方形更圓。

低阻抗路徑302可以由金屬(例如，銅)或者可以使電流流過RF功率源108與可以耦合至低阻抗路徑302的地端子126之間的任何其他導電材料製成。電流310可以沿著低阻抗路徑302振蕩，如箭頭306所示。

低阻抗路徑302和開口304、306的圖案可以在尺寸和取向上變化而不應限於圖3中示出的圓形圖案。在其他實施例中，低阻抗路徑302可以呈正方形或矩形並且使得電流以任何方式散布於整個天線板120。低阻抗路徑302可以在1mm與5cm之間改變寬度且在5微米與10mm之間改變厚度。寬度不應超過微波波長的1/2，該微波波長在2.45GHz時為3cm。

圖案還可以說明地端子126和RF功率源108的位置，因為它們的位置可以被優化以使電流的路徑延伸跨過功率源組件114的表面區域。在圖3的實施例中，地126可以靠近天線板120的中心設置，並且功率源設置在天線板120的邊緣附近。在這種情況下，電流可以沿著低阻抗路徑302在功率源108與地126之間流動或振蕩。以此方式，能量可以通過開口304、306傳輸進入等離子體室102的處理區域中或者經由處理區域中的處理氣體中感應出電流的磁場206傳輸。

在另一實施例中，天線板120可以在天線板120的邊緣處耦合至一個或更多個功率源。開口304、306可以被布置成驅動電流圍繞天線板120，使得低阻抗路徑302的可以被開口分離的相鄰部分可以具有與相鄰部分互為異相的電流。這種類型的實施例的一個示例在圖4中示出。

在一個具體實施例中，使用頻率為2.45GHz的表面波源，開口寬度可以大於5cm。然而，在使用RF-ICP源的另一實施例中，開口寬度可以大於1mm。

在另一實施例中，天線板120可以在天線板的中心處具有一個或更多個功率源。在一個實例中，開口304、306可以被布置成驅動電流圍繞天線板120並朝著位於天線板120的邊緣處的地。在該實施例中，低阻抗路徑302的可以被開口分離的相鄰部分可以具有與天線板的相鄰部分互為異相的電流。在另一實施例中，地也可以位於接近天線板120的中心，靠近功率源處。開口可以被布置成驅動電流圍繞天線板120並返回至天線板120的中心附近的地。

圖4是可以用作用於等離子體室102的ICP線圈和槽天線的天線板120圖案的另一代表性實施例的圖示400。導電路徑403(例如，類似於低阻抗路徑302)也可以在RF功率源108與地端子126之間承載或振蕩電流。在該實施例中，導電路徑402可以被布置成將RF功率源108接頭和地端子接頭126靠近功率源組件114的邊緣定位。地126的放置可以以使低阻抗路徑302的相鄰部分之間的電流能夠互為異相的方式改變電流路徑或振蕩，使得電流可以在相鄰部分之間為相反方向。在這種情況下，低阻抗路徑302可以開始於功率源108接頭處並且遵循基本上圓形的路徑朝著天線板120的中心。與圖3相比，地126位於天線板120的邊緣處，並且開口304、306可以引導電流沿基本上圓形的路徑朝著邊緣往回流。

在其他實施例中，開口304、306可以以任何其他圖案布置以將能量引入等離子體室102的處理區域中。例如，開口可以布置為橫過天線板120的基本上線性的路徑並且可以延伸橫過天線板120往返數次。

圖5是用於在等離子體室102中生成等離子體的方法的流程圖500，其使用天線板120作為RF源和微波源以生成ICP 202和SWP 204。如圖1所示的天線板120可以在等離子體室102中與襯底保持器116相對。該處理可以是針對用於構建在計算機、行動電話等中使用的集成電路或微電子裝置的半導體襯底。

在框502，襯底保持器116可以接納待在等離子體室102中處理的半導體襯底。半導體襯底可以包括但不限於矽鍺、砷化鎵、銦等並且可以包括取決於半導體襯底中的材料的類型和濃度的導體或絕緣體特性。半導體襯底還可以包括沉積在可以用於形成電晶體、二極體或集成電路裝置的表面上的膜。等離子體處理室102可以用於形成前述部件。

等離子體處理室102還可以接收來自氣體輸送系統104的氣體，該氣體用於在由真空系統110控制的負壓條件下施加能量時生成等離子體。能量可以由功率源組件114使用下面描述的一種或更多種技術而被施加。

在框504，功率源組件114或傳輸組件可以接收來自微波功率源106的微波功率。傳輸組件可以包括微波波導122、介電部件124和設置在微波波導122與介電部件124之間的天線板120。天線板120可以包括開口304(例如，微波間隙128)或槽，所述開口304或槽可以用於通過天線板120將微波能量傳輸至介電部件124。開口或槽可以鄰近金屬電極302或者在金屬電極302中，金屬電極302可以包括微波波導122中的駐波210的一部分。當微波功率被施加於微波波導122時，該能量可以用於對設置在等離子體處理室102內的氣體進行賦能。然而，微波等離子體(例如，SWP 204)可以不是由功率源組件114生成的唯一等離子體。同時或基本上同時，天線板120也可以用作ICP線圈以生成ICP 202等離子體。

在框506，RF功率可以被施加於天線板120以從RF功率源108流動電流至電氣地端子126。如圖2所示，ICP 202等離子體可以由流動或振蕩電流306通過天線板120(例如，導電路徑402)感應出的磁場而生成。在一個實施例中，RF功率和微波功率可以在襯底處理期間被同時施加於天線板120。

在一個實施例中，導電路徑402可以沿著微波波導122形成基本上同心或矩形的形狀，並且位於靠近導電路徑402的第一端的RF功率源108端子與靠近導電路徑402的第二端的電氣地端子126之間。

應當理解，具體實施例部分而非摘要部分旨在用於解釋權利要求。摘要部分可以闡述本公開的一個或更多個示例性實施例而非所有示例性實施例，因而，摘要部分並非旨在以任何方式限制本公開和所附權利要求。

儘管已通過本公開的一個或更多個實施例的描述說明了本公開，並且儘管已相當詳細地描述了實施例，但是它們並非旨在限制所附權利要求的範圍或將所附權利要求的範圍以任何方式限制於這樣的細節。其他優點和修改對本領域技術人員而言將是顯而易見的。因此，本發明在其廣義方面並不限於所示和所述的具體細節、代表性設備和方法以及說明性示例。因此，在不背離本發明總體構思的範圍的情況下，可以對這些細節進行修改。