使用雙頻率射頻源的等離子體產生與控制的製作方法

2023-10-18 02:34:09 1

專利名稱：：使用雙頻率射頻源的等離子體產生與控制的製作方法
技術領域：
：本發明是有關於半導體基材處理系統，更明確地說，有關於使用雙頻率射頻源的等離子體產生與控制。
背景技術：
：等離子體加強半導體處理室已經被廣泛用於製造集成電路裝置。於多數等離子體加強室中，多個射頻(radiofrequency,RF)源被用以形成及控制等離子體。例如，具有高頻的RF源典型被用於等離子體形成及離子解離。另外，具有較低頻的RF源經常被用以調製等離子體鞘層，以控制直流電壓(即偏壓)的累積於基材上。各種來源與其相關匹配電路的成本很大並對製造集成電路所需的設備造成了高成本。降低RF基礎結構，而不犧牲任何製程優點將造成顯著的成本節省。因此，在等離子體加強半導體基材處理中，有需要一種用於等離子體產生與控制的改良方法與設備。
發明內容本申請提供一種控制半導體基材處理室內的等離子體的方法。該方法包含施加在第一頻率的第一RF信號給在處理室內的第一電極，該第一頻率是被選擇以使得等離子體鞘層振蕩第一頻率；及由來源施加在第二頻率的第二RF信號給第一電極，該第二頻率是被選擇以使得等離子體鞘層振蕩第二頻率，其中第二頻率是與第一頻率間差別有一等於想要頻率的差值，該想要頻率被選擇以使得等離子體鞘層振蕩於該想要頻率。於另一實施例中，一種控制在等離子體加強半導體基材處理室中的等離子體的方法，包含步驟供給分別在第一頻率的第一RF信號與第二頻率的第二RF信號給在處理室內的第一電極，該第一頻率與第二頻率被選擇以使得一反應遠快於離子被從等離子體體加速時越過等離子體鞘層的橫過時間；及控制於第一與第二頻率間的頻率差值等於一想要頻率，該想要頻率被選擇以控制等離子體內的離子能量分布。本發明的上述特性、優點及目的可以通過參考其顯示於附圖中的實施例加以取得並詳細了解。然而，應注意的是，附圖只例示本發明的典型實施例，因此，並不被認為是限定範圍用，因為本發明可以適用至其他等效實施例。圖1為具有雙頻率RF源的等離子體加強半導體處理室的方塊圖；圖2為在電極上的輸入波形的頻譜圖；圖3為鞘層電壓的頻譜圖；圖4A為反射係數大小對頻率的圖；圖4B為用於匹配元件模型的史密斯圖；圖5為具有雙頻率RF源的處理室的一實施例簡化圖；圖6為具有雙頻率RF源的處理室的另一實施例簡化圖；及圖7A及7B為圖表，比較具有雙頻率源的處理室的一實施例的離子能量分布與耦合至室中的分開電極的分開頻率源的另一處理室。主要元件符號說明tableseeoriginaldocumentpage6550節流閥552電氣接地600反應器602處理室610介電頂板612支撐託架614基材616進入埠618氣體面才反620真空泵634室壁636控制器638感應線圈646氣體混合物648等離子體650節流閥652電氣4妄地660匹配元件662電源具體實施方式本發明為一種在使用雙頻率RF源的等離子體加強半導體處理室中，形成及控制等離子體特性的方法與設備。等離子體加強半導體處理室一般利用以兩頻率饋入的功率一用於等離子體激勵及離子解離的高頻；及一用於等離子體鞘層調製的低頻。於一實施例中，本發明利用由單一RF源產生的兩高頻輸入，來產生等離子體。等離子體的一或更多特性，例如鞘層調製是利用波包現象加以控制，該現象在等離子體鞘層造成等於兩輸入信號間的頻率差值的低頻成份。圖1描繪具有一雙頻率RF源的等離子體加強半導體處理室的簡化方塊圖。依據本發明的等離子體加強處理室100包含一室102、一雙頻率RF電源104、及單一匹配電路106。室102包含一經由匹配電路106連接至源104的通電電極108及一接地電極110。除了減少的RF基礎結構外，室102是類似於傳統等離子體加強處理室。電源104為具有雙頻率激勵的RF產生器。該電源104大致能產生範圍由約100KHz至約200MHz的兩頻率。電源104—般能產生多達5000瓦的連續或脈沖功率。於一特定實施例中，電源產生約13MHz及約14MHz,每一頻率於約3千瓦。於操作中，為電源104所產生的兩頻率在電源104的輸出大致具有相同的大小，並被選擇使得每一個別頻率控制預定次組的等離子體特性，例如高頻等離子體激勵、離子解離、離子能量分布函數等等。頻率也被選擇以彼此接近，以允許如下所述經由匹配電路106作共同匹配。於兩選擇頻率間的差產生一波包效應，該效應可以被利用以控制第二次組的等離子體特性，例如，低頻等離子體激勵、鞘層電壓調製等等。此波包效應是如圖2與圖3所示。或者，於電源104所產生的兩頻率信號的大小間的比可以加以變化，以控制為兩頻率間的差所建立的波包效應的大小。由雙頻率所控制的等離子體特性與由其差所建立的波包效應可以重迭。(即部份或全部控制特性，例如等離子體激勵、離子能量分布函數、鞘層調製等等可以至少部份為電源104所提供的雙頻率與兩頻率間的差所建立的所得波包效應所控制。)再者，相同或其他等離子體特性或次組等離子體特性可以為其他耦合至該等離子體的RF信號所控制。例如，第三次組的等離子體特性可以為耦合至另一安排在室內的電極的另一RF電源所提供的RF信號所控制，這將如下參考圖6加以說明。圖2描繪入射在等離子體室102的通電電極108上的輸入波形的傅氏成份的大小210成為頻率220的函數，及圖3描繪鞘層電壓波形300的頻率分析，顯示在鞘層中的所得頻率成份的振幅310成為頻率320的函數。可以由圖2看出，輸入波形200的頻譜包含兩期待波峰202、204，對應於為電源104所產生的頻率1與頻率2。然而，可以由圖3看出，除了來自電源104來的一主驅動頻率(波峰302與304)與其期待諧波外，一低頻項(波峰306)是產生於鞘層中。此鞘層具有非線性特性曲線，其如同RF混波二極體影響輸入RF信號般地影響RF信號，即一內調製頻率成份被形成，其等於兩輸入頻率間的差值。因此，低頻項(波峰306)等於為電源104所產生的兩頻率間的差值。為電源104所產生的驅動頻率的最大差值是由匹配電路106的特性所決定。更確地說，匹配電路106的諧振頻寬是對中於驅動頻率的間。匹配電路106必須具有一Q,其定義有效耦合兩頻率至電極108與等離子體的頻寬。只要兩驅動頻率實質落在匹配電路的頻寬內，則RF基礎結構能支援兩分開的頻率。典型用於此製程加強的類似低頻範圍的頻率差可以自現行匹配4支術加以取得。圖4A顯示以典型L形匹配的大小表示的反射係數的線圖400,其沿著軸402描述以MHz為單位的頻率，對上沿著軸404描述的以分貝為單位的反射係數大小。所選擇的頻率應使得反射係數大小很小並實質相等，對於電源104所產生的頻率1與2，是如所繪的點406與408。圖4B顯示用於典型L形匹配的實/虛空間中的頻率位置。描繪於圖4B中的例示史密斯圖450指明一50歐姆負載，例如，於一般出現於標準RF電源中者。頻率應加以選擇，使得它們儘可能落於接近史密斯圖450的中心452,以提供合理低的反射功率，如圖4B中的例示頻率454、456所繪。例如，為了激勵等離子體於60MHz及2MHz,在標準等離子體加強半導體處理室，通常將需要用於這些頻率的兩分離電源及匹配。然而，在本發明中，兩個選擇頻率被對中於高頻值附近，即兩頻率的平均將為高頻成份，及兩頻率將分開一等於想要低頻的間隔。於本例子中，在59MHz與61MHz的頻率將由共同電源104經由共同匹配電路106被饋送，因而，施加一等離子體激勵(59及61Hz信號)及一2MHz調製信號於等離子體鞘層間。這架構降低了在現行雙頻率技術中的RF基礎架構，從兩個電源及兩個獨立匹配元件或單一雙頻率匹配元件至單一電源及單一頻率匹配元件，顯著降低系統成本，而不會犧牲製程優點。於另一例子中，由電源104所饋自通電電極108的兩頻率可以被選擇，以控制相同等離子體特性，如同為內調製頻率元件所控制(即兩主頻率間的差調諧與電源104所產生的主頻率相同的等離子體參數)。於一實施例中，離子能量分布函數也可以為主頻率與內調製頻率元件所控制。即，離子能量分布函數可以為主頻率的選擇與主頻率間的差的控制所加以控制。明確地說，由電源104饋到電極108的兩頻率造成鞘層分別振蕩於該兩頻率。另外，鞘層振蕩也在兩頻率間(即由於內調製頻率成份)的差值，有一特性頻率。如果等離子體鞘層振蕩較一離子可以反應的為快，則因為由於RF振蕩，在鞘層的電位變化是等於鞘層頻率的倒數(例如鞘層振蕩頻率愈高，則離子行進鞘層的速度調製愈少),所以，離子對鞘層的時間平均或直流成份及離子經歷的投射的偏折量作反應。通過選擇頻率，使得頻率差值的倒數低於當離子由等離子體體加速行經鞘層所花的時間，則頻率差值的鞘層振蕩可以將時間可變性加入離子的最終能量。因此，離子能量分布函數可以通過控制鞘層中的振蕩頻率加以控制，該鞘層跨於鞘層中的離子橫過時間(例如，在鞘層中的振蕩頻率大於及小於在鞘層中的離子橫過時間的倒數)。於一實施例中，主頻率可以選擇以大於離子橫過時間的倒數。另外，在主頻率間的差值可以被選擇為小於離子橫過時間的倒數。控制主頻率與主頻率間的差值允許了對離子能量分布函數的控制。例如，於一實施例中，電源104可以產生具有約13.56MHz及約13.86MHz的主頻率的兩信號給電極108。這使得等離子體鞘層分別振蕩於13.56及13.86MHz。另外，鞘層將由於產生於兩主頻率間的差值的內調製頻率成份，而具有振蕩於300KHz的特性振蕩。可以通過圖7A及圖7B所繪的圖表間的比較看出，如上所述的具有約13.56MHz及約13.86MHz的主頻率的雙頻率電源的處理室的離子能量分布函數700(描繪於圖7A)是非常類似於具有兩分開RF電源的處理室所造成的離子能量分布函數(描繪於圖7B)。因此，本發明的雙頻率電源架構相較於具有分開RF電源連接至處理室中的上與下電極的室，對離子能量分布函數完成了類似控制，藉以顯著減少有關於處理室複雜度與硬體的成本。另外，主頻率與內調製頻率成份的相對大小可以進一步被用以控制離子能量分布函l史。例如，兩主頻率的相對電流或相對功率也可以糹皮選4奪地提供，以控制內調製頻率成份的大小。明確地說，當兩主頻率被施加有相同電流時，內調製頻率成份的大小可以為最大。降低彼此相關的兩主頻率的一的電流將降低內調製頻率成份的大小，直到在零電流(即沒有第二頻率)，內調製頻率成份消失為止。內調製頻率成份的相對大小面對主頻率的電流或功率大小對離子能量分布增加可變性，因此，允許離子能量分布函數在相對大小範圍上作控制。可以適用以由本發明得到利益的等離子體加強半導體處理室的例子包含但並不限定於由美國加州聖塔卡拉的應用材料公司購得的DecoupledPlasmaSource(DPS,DPSII)、EMAX、MXP⑧及ENABLER丁M處理室。該EMAXTM處理室被描述於由Shan等人所領證於2000年九月5日的美國專利第6,113,731號案。MXP③處理室是描述於由Qian等人所領證於1996年七月9日的美國專利第5,534,108號案及由Pu等人所領證於1997年十月7日的美國專利第5，674,321號案中。ENABLERTM處理室被描述於由Hoffman等人所領證於2003年三月4日的美國專利第6,528，751號案中。前述專利案均併入本申請作為參考。圖5描繪適用於本發明的蝕刻反應器500的例示實施例的示意圖。於一實施例中，反應器500包含一處理室502與控制器536,處理室502在一導電主體(壁)534內具有基材支撐託架512。支撐託架512是經由匹配電路106耦合至雙頻率RF電源104。(電源104與匹配電路106是參考圖1i兌明如上。)控制器536包含一中央處理單元(centralprocessingunit,CPU)540、一存儲器542及用於CPU540的支援電路544,並促成處理室502的元件控制，即如下所詳述的蝕刻製程。控制器536可以為一般目的電腦處理器的任一形式之一，其可以用於工業設定中，用以控制各種室與子處理機。CPU540的電腦可讀取媒體542或存儲器可以為現行存儲器的一或多個，例如隨機存取存儲器(randomaccessmemory,RAM)、唯讀存儲器(readonlymemory,ROM)、軟碟、硬碟、或其他數位儲存形式，遠端或本地的。支援電路544被連接至CPU540,用以傳統方式支撐處理機。這些電路包含快取、電源、時鐘電路、輸入/輸出電路與次系統等等。本發明的方法大致儲存於存儲器542中作為軟體常式。軟體常式也可以被第二CPU(未示出)所儲存及/或執行,該第二CPU是遠離為CPU540所控制的硬體的執行。於基本蝕刻操作中，基材514被放置於託架512上，處理氣體被由氣體面板518經由進入埠516供給並形成氣體混合物546。通過自雙RF電源104供給功率給基材支撐託架512,氣體混合物546在室502中被激勵成為等離子體548。為電源104所產生的兩頻率大致被選擇於高頻範圍中，以提升等離子體激勵及離子解離。為電源104所產生的兩頻率進一步被分隔開一預定間隔，該間隔等於用於調製等離子體鞘層的一特定低頻。典型地，使用一節流閥550及真空泵520加以控制。壁534的溫度使用含液體導管(未示出)加以控制，導管流穿過壁534。其他形式的蝕刻室也可以用以實施本發明，包含具有遠端等離子體源的室、微波等離子體室、電子迴旋共振(electroncyclotronresonance,ECR)等離子體蝕刻機等等。此技術同樣地也不限定於蝕刻，可以適應至其他等離子體協助製程，包含沉積、退火、氮化、布植等等。例如，圖6描繪適用於本發明的蝕刻反應器600的另一例示實施例的示意圖。於一實施例中，反應器600包含一處理室602與一控制器636，處理室602在導體(壁)634內具有基材支撐託架612。控制器636是類似於上述參考圖5所述的控制器536。支撐託架612是經由一匹配電路106連接至雙頻率RF電源104。(電源104與匹配電路106是參考圖1加以描述。)室602更包含一介電頂板610,其上，安置至少一感應線圈638(兩線圈638是被描繪於圖6的實施例中)。感應線圈638是經由第二匹配元件660被連接至一第二電源662。電源662大致為一單一RF產生器，其能在範圍由約50KHz至約13.56MHz的可調頻率下，產生多達3000瓦。給定用於電源662的頻率範圍是一般用於處理室的範圍，該處理室具有電感耦合的頂電源。其他範圍也是適當並可以在其他類型的處理室中與本發明一起使用。例如，在具有電容耦合頂電源的室中，電源大致產生具有頻率高達200MHz的信號。或者，微波電源可以產生高達5GHz的頻率。於基本蝕刻操作中，基材614被放置在託架612上及處理氣體被由氣體面板618經過進入埠616供給並形成氣體混合物646。通過施加來自源662的功率至感應線圈638與通過施加來自雙RF電源104的功率至基材支撐託架612，在室602中的氣體混合物646被激勵成為等離子體648。為電源104所產生的兩頻率大致被選擇於高頻範圍，以提升等離子體激勵及離子解離。然而，功率可能不夠高，而不能完成此功能，及電源104可被用以偏壓基材614。為電源104所產生的兩頻率進一步被分隔開一預定間隔，該預定間隔等於用以調製等離子體鞘層的特定低頻。雙頻率RF電源104的利用配合上電源662提供更多處理控制變數，以控制半導體基材614在室602中的處理。典型地，室壁634是連接至電氣接地652。在室602內部的壓力是使用節流閥650及真空泵620加以控制。壁634的溫度是使用含液體導管(未示出)加以控制，導管穿過該壁634。雖然前述是有關於本發明的例示實施例，但本發明的其他實施例也可以在不脫離本申請的基本範圍下加以想出。權利要求1.一種用以控制在一等離子體加強半導體基材處理室中的一等離子體的方法，該方法至少包含步驟供給第一頻率的第一RF信號給處理室內的第一電極，該第一頻率被選擇以使得等離子體鞘層振蕩於該第一頻率；由電源供給第二頻率的第二RF信號給第一電極，該第二頻率被選擇以使得等離子體鞘層振蕩於該第二頻率，其中第二頻率與第一頻率差別有一等於想要頻率的差值，該想要頻率是被選擇使得等離子體鞘層振蕩於想要頻率。2.如權利要求1所述的方法，其中上述的想要頻率的倒數是少於一離子被由等離子體體加速時，橫過等離子體鞘層所花用的時間。3.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二頻率是被選擇以使得一反應遠快於一離子被由等離子體體加速橫過等離子體鞘層的橫過時間。4.如權利要求3所述的方法，其中上述的想要頻率是被選擇，以控制等離子體的離子能量分布函數。5.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二RF信號是經由一共同匹配電路耦合至處理室，該匹配電路具有單一輸出至該處理室中的電極。6.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二RF信號具有約13.56MHz的平均頻率。7.如權利要求6所述的方法，其中上述的頻率差值範圍由約100KHz至約1MHz。8.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二RF信號具有約60MHz的平均頻率。9.如權利要求8所述的方法，其中上述的頻率差值範圍由約1MHz至約2MHz。10.如權利要求1所述的方法，其中上述的頻率差值範圍由約100KHz至約2MHz。11.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一頻率是約13.56MHz及第二頻率是約13.86MHz。12.如權利要求1所述的方法，更包含步驟將一第三RF信號耦合至一氣體，以形成等離子體。13.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一電極是安置於一基材支撐託架內。14.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二頻率為一單一RF電源所供給，該單一RF電源能提供兩分開的頻率。15.如權利要求1所述的方法，其中上述的第一與第二頻率是以足以形成等離子體的頻率與功率位準被供給。16.—種用以控制一等離子體加強半導體基材處理室內的一等離子體的方法，該方法至少包含步驟分別供給於第一與第二頻率的第一與第二RF信號給在該處理室內的第一電極，該第一與第二頻率是被選擇以使得一反應遠快於一離子被由等離子體體所加速而橫過等離子體鞘層的橫過時間；及控制第一與第二頻率間的頻率差值等於一想要頻率，該想要頻率是被選擇以控制在等離子體內的一離子能量分布。17.如權利要求16所述的方法，其中上述的想要頻率的倒數是小於一離子被由等離子體體加速橫過等離子體鞘層所花用的時間。18.如權利要求16所述的方法，其中上述的第一與第二頻率在等離子體內產生單能離子能量分布。19.如權利要求18所述的方法，其中上述的增加頻率差值加寬在等離子體內的離子能量分布。20.如權利要求16所述的方法，其中上述的第一與第二頻率是以足以形成等離子體的頻率與功率位準被供給。全文摘要本申請提供一種用以控制一半導體基材處理室內的一等離子體的方法。該方法包含施加第一頻率的第一RF信號給在處理室內的第一電極，該第一頻率是被選擇以使得等離子體鞘層振蕩第一頻率；及由電源施加第二頻率的第二RF信號給第一電極，該第二頻率是被選擇以使得等離子體鞘層振蕩第二頻率，其中第二頻率是與第一頻率差別有一等於想要頻率的差值，該想要頻率被選擇以使得等離子體鞘層振蕩於該想要頻率。文檔編號H01L21/205GK101147237SQ200680009460公開日2008年3月19日申請日期2006年5月4日優先權日2005年5月9日發明者A·佩特森,D·格裡馬德,D·霍夫曼,J·霍蘭,S·香農,T·帕納古普洛斯申請人:應用材料股份有限公司