一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法
2023-06-10 23:03:16
專利名稱：一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路製造技術領域，特別涉及一種半導體器件製造過程中的等離子刻蝕方法。
背景技術：
脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕工藝已廣泛應用。其基本原理是射頻功率源輸出被脈衝調製的射頻功率用於產生等離子體，所產生的等離子體的密度隨脈衝發生變化，其中的帶電粒子(電子及離子)數量間歇性變化，從而使等離子體的刻蝕作用得到控制和緩衝。在射頻功率輸出的脈衝周期內，包括射頻功率輸出期和停止期(如圖I所示)，由於功率輸出期和停止期的轉變過程是瞬間完成，為突變過程，會引起射頻電場的湍流，導致產生的等離子體向各個方向流動，進而使得等離子體刻蝕晶片的選擇性下降，等離子體刻蝕晶片的各向異性的特點減弱或消失。即使採用能夠輸出雙功率的射頻功率源，其在高低功率轉變的過程中也是突變過程，仍無法避免引起射頻電場的湍流，減弱等離子體刻蝕的各向異性的缺點。發明內容
鑑於此，本發明提供了一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法。為達到上述發明目的，本發明的技術方案為
一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法，包括
在反應室內提供一待處理基片，所述基片上包括需刻蝕的材料層；
通入刻蝕氣體，對所述需刻蝕的材料層進行刻蝕；其中,所述刻蝕氣體由以脈衝方式輸出射頻功率的射頻功率源電離為等離子體；設定P、Q為連續的兩個工作周期，所述射頻功率源在第P個工作周期內的工作時間分為第一脈衝周期和第二脈衝周期，在所述第一脈衝周期內，所述射頻功率分Ml步階梯式從第一最大值下降到第一最小值，在第二脈衝周期內，所述射頻功率分M2步階梯式從所述第一最小值上升到第二最大值；
所述射頻功率源在所述第Q個工作脈衝周期內的工作時間分為第三脈衝周期和第四脈衝周期；在所述第三脈衝周期內，所述射頻功率分NI步階梯式從所述第二最大值下降到第二最小值，在所述第四脈衝周期內，所述射頻功率分N2步階梯式從所述第二最小值上升到第三最大值；
其中，P和Q均為自然數，且P不等於Q ;M1、M2、NI、N2均為不小於2的整數。
優選地,所述射頻功率恆大於零。
優選地，所述射頻功率源在各步中的步長不相等；所述步長為所述射頻功率相鄰兩次變化之間的時間間隔。
優選地，所述第一脈衝周期與所述第二脈衝周期相等。
優選地，所述第三脈衝周期與所述第四脈衝周期相等。
優選地，所述第一脈衝周期與所述第三脈衝周期相等。
優選地，所述第一最大值與所述第二最大值相等。
優選地，所述第一最大值與所述第三最大值相等。
優選地，所述第一最小值與所述第二最小值相等。
優選地，所述Ml、M2、NI、N2均相等。
優選地，所述射頻功率在各步中的步長相等；所述步長為所述射頻功率相鄰兩次變化之間的時間間隔。
與現有技術相比，本發明將射頻功率源在一個射頻功率工作周期內的工作時間分為第一脈衝周期和第二脈衝周期，在所述第一脈衝周期內，所述射頻功率分若干步階梯式下降；在所述第二脈衝周期內，所述射頻功率分若干步階梯式上升，實現了射頻功率的在短時間內的穩定變化，因而避免了現有技術中因功率突變引起的射頻電場中的湍流，從而保證了等離子體刻蝕的選擇性即各向異性和均一性的特點。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖I是現有技術中採用的脈衝射頻功率輸出方式示意圖2是本發明實施例一的脈衝射頻功率輸出方式示意圖3為本發明實施例二中的脈衝射頻功率輸出方式示意圖。
具體實施方式
等離子刻蝕工藝是半導體製造技術中的重要工藝，例如對介質層的刻蝕、對金屬層的刻蝕等等。刻蝕劑一般採用氣體。在反應室內，通常在低壓環境下，通入刻蝕氣體，利用射頻功率源產生射頻電場使電子加速產生氣體放電，從而使各個氣體分子發生電離產生等離子體。
等離子體刻蝕屬於幹法刻蝕，使用氣態化學刻蝕劑與材料發生反應並形成可從晶片上移除的揮發性副產物。等離子體作為一種帶有等量的正電荷和負電荷的離子化氣體， 是由離子、電子與中性的原子或分子所組成的。等離子中三個重要的碰撞為離子化碰撞、激發_鬆弛碰撞和分解碰撞。這些碰撞分別會產生並且維持等離子體，並且會造成氣體輝光放電以及製造出化學上易反應的自由基來加強化學反應。
本發明的等離子刻蝕方法用脈衝輸出射頻功率的方式來控制，且射頻功率源在一個工作周期內的工作時間分為第一脈衝周期和第二脈衝周期，在第一脈衝周期內，該射頻功率源輸出的射頻功率分若干步實現階梯式降低；在第二脈衝周期內，該射頻功率源輸出的射頻功率分若干步實現階梯式提高，從而實現了射頻功率的平穩變化，避免了現有技術中功率突變而引起的射頻電場中的湍流，從而保證了等離子體刻蝕的選擇性。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
鑑於本發明的重點在於射頻功率的脈衝輸出方式，而等離子體刻蝕方法中的其它部分並非本發明的重點，且本領域技術人員通過本發明實施例的描述容易獲得該部分內容，為簡化起見，下述內容僅介紹本發明實施例提供的脈衝射頻功率的輸出方式。
實施例一
為簡化起見，本發明實施例一僅以相鄰的兩個工作周期的情況為例進行說明，本領域技術人員可以根據將這兩個脈衝周期的情況進行複製從而獲得若干個脈衝周期。不應當不恰當地認為僅包括這兩個工作周期。
圖2 (a)是本發明實施例一的射頻功率輸出方式示意圖。圖2 (a)示例出了在兩個連續的工作周期P和Q內射頻功率的輸出方式。在第P個工作周期內，射頻功率源的工作時間分為第一脈衝周期Tl和第二脈衝周期T2。在第一脈衝周期Tl內，射頻功率源分3 步將射頻功率第一最大值Plmax下降到射頻功率第一最小值Plmin。第I步，射頻功率源輸出射頻功率第一最大值Plmax，且步長為tn ;第2步，射頻功率源降低輸出射頻功率，將其降低到射頻功率P12，且步長為t12 ;第3步，射頻功率源進一步降低輸出射頻功率，將其降低為第一最小值Plmin ;在第二脈衝周期T2內，射頻功率源分3步將射頻功率從第一最小值Plmin提高到第二最大值P2max。第I步，射頻功率源輸出射頻功率第一最小值Plmin，且步長為t21 ;第 2步，射頻功率源提高輸出射頻功率，將其提高到射頻功率P22，且輸出射頻功率P22的步長為 t22 ;第3步，射頻功率源繼續提高輸出射頻功率，將其提高到第二最大值P2max。
在第Q個工作周期內，射頻功率源的工作時間分為第三脈衝周期T3和第四脈衝周期T4。在第三脈衝周期T3內，射頻功率源分3步將射頻功率第二最大值P2max下降到射頻功率第二最小值P2min。第I步，射頻功率源輸出射頻功率第二最大值P2max，且步長為t31 ;第 2步，射頻功率源降低輸出射頻功率，將其降低到射頻功率P32，且步長為t32 ;第3步，射頻功率源進一步降低輸出射頻功率，將其降低為第二最小值P2min ;在第四脈衝周期T4內，射頻功率分4步從第二最小值P2min提高到第三最大值P3max。第I步，射頻功率源輸出第二最小值 P2min,且步長為t41 ;第2步，射頻功率源提高輸出射頻功率，將其提高到射頻功率p42，且輸出射頻功率P42的步長為t42 ;第3步，射頻功率源繼續提高輸出射頻功率，將其提高到射頻功率P43，且輸出射頻功率P43的步長為t43 ;第4步，射頻功率源進一步提高輸出射頻功率，將其提高到第三最大值P3max。
其中，所述步長為所述射頻功率相鄰兩次變化之間的時間間隔。
這樣射頻功率源將射頻功率在第P個工作周期內分3步從第一最大值Plmax下降到第一最小值Plmin,然後分3步從第一最小值Plmin提高到第二最大值P2max,在第Q個工作周期內，分3步從第二最大值P2max下降到第二最小值P2min,然後分4步從第二最小值P2min提高到第三最大值P3max。這種射頻功率源逐步變化射頻功率的輸出方式，相較於現有技術中射頻功率從最大值直接降到最小值，其變化趨勢相對平緩，這樣就避免了由於功率的突變而引起射頻電場中的湍流，保證了等離子體流動方向的一致性，進而確保了等離子體刻蝕的各向異性和均一性的特點，對刻蝕的材料層來說，能夠達到較好的表面粗糙度。當採用該方法刻蝕通孔、溝道等等時，均能達到理想的刻蝕效果。
該脈衝射頻源形成了一個類似於電容器極板上充放電的機制，像電容器極板改變5電荷密度一樣靈活地控制激發產生的等離子體的數量。由此射頻功率源輸出的射頻功率激發的等離子體的數量根據射頻功率的大小而變化，當射頻功率大時，激發的等離子體的數量較多，當射頻功率小時，激發的等離子體的數量較少。因而，通過本實施例輸出的射頻功率激發的等離子體能夠實現對被刻蝕材料有強有弱地刻蝕。
容易理解，射頻功率源分得步數越多，連續的兩步中的射頻功率相差越小，得到的射頻功率的變化趨勢越平緩，射頻電場變化越小，等離子體流動的方向越一致，使得等離子體刻蝕選擇性和均一性特點越突出。
本發明實施例一中僅是本發明構思的一個示例，本發明對射頻功率在各個時間段內變化的步數、步長不作限定。本發明在第一脈衝周期、第二脈衝周期、第三脈衝周期、第四脈衝周期內的射頻功率變化的步數可以互不相等。本發明中射頻功率變化過程中各步中的步長也可以互不相等。此外，本發明中每步輸出的射頻功率可以互不相等。因而，這樣可以靈活地控制每一個射頻功率的輸出時間，從而克服了脈衝波射頻功率源在一個脈衝周期內只有恆定的射頻功率輸出時間，而不能調控的缺點。
其它實施例中在第一脈衝周期的射頻功率下降的步數不限定為3步，可以至少分 2步使射頻功率逐步下降，例如可以為100步、400步。同理，在第二脈衝周期和第三脈衝周期內的射頻功率的變化步數也不限定為3步，可以至少分2步，例如可以為100步、300步、 1000步等。同理，第四脈衝周期內的射頻功率的上升步數不限定為4步，可以至少分2步使射頻功率逐步上升、例如可以為30步、40步、500步等。其實現方法與實施例一相同，為了簡便起見，未畫出這些實施例的附圖。
實施例一中當射頻功率第一最小值Plmin和/或第二最小值P2min為零時，即射頻功率源停止輸出功率，則射頻功率源在時間段t21段和/或時間段t41處於射頻功率停止期，圖 2 (b)表示出該情形下的射頻功率的輸出方式。此時，因無輸出功率，導致反應器內無法產生射頻電場，因而，無法激發刻蝕氣體產生等離子體，這樣，反應器內的粒子就會附著在刻蝕材料層表面，這些附著在刻蝕材料層表面的粒子很難去除，加重了晶片的玷汙，甚至會產生次品或廢品。
實施例二
在實施例一的基礎上，射頻功率源恆處於射頻功率輸出期，且輸出的射頻功率恆大於零。圖3為本發明實施例二中的脈衝射頻功率輸出方式示意圖。這樣，能夠克服實施例一中當射頻功率第一最小值Plmin和/或第二最小值P2min為零，射頻功率源處於射頻功率停止期時，粒子附著在刻蝕材料表面的缺陷。本實施例中的射頻功率第一最小值Plmin和第二最小值己_的設定值與實際值可以無限接近0，但不等於0，因而，該射頻功率源工作時間內，輸出的射頻功率恆大於O。由此射頻功率源輸出的射頻功率能夠持續產生等離子體,因而，產生的等離子體能夠對待刻蝕的材料進行連續而非間斷地刻蝕。
此外，實施例一或實施例二中的第一脈衝周期和第二脈衝周期可以相等，第三脈衝周期和第四脈衝周期可以相等，第一脈衝周期和第三脈衝周期可以相等；輸出功率第一最大值和第二最大值可以相等，第二最大值和第三最大值可以相等，第一最大值和第三最大值可以相等；輸出功率第一最小值和第二最小值可以相等；射頻功率在第一脈衝周期、 第二脈衝周期、第三脈衝周期及第四脈衝周期內的變化步數和各步中的步長均可以相等。 此時，射頻功率的脈衝曲線類似於正弦曲線。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員， 在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質上對以上實施例所做的任何簡單修改，等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法，包括在反應室內提供一待處理基片，所述基片上包括需刻蝕的材料層；通入刻蝕氣體，對所述需刻蝕的材料層進行刻蝕；其中，所述刻蝕氣體由以脈衝方式輸出射頻功率的射頻功率源電離為等離子體；其特徵在於，設定P、Q為連續的兩個工作周期，所述射頻功率源在第P個工作周期內的工作時間分為第一脈衝周期和第二脈衝周期，在所述第一脈衝周期內，所述射頻功率分Ml步階梯式從第一最大值下降到第一最小值，在第二脈衝周期內，所述射頻功率分M2步階梯式從所述第一最小值上升到第二最大值；所述射頻功率源在所述第Q個工作周期內的工作時間分為第三脈衝周期和第四脈衝周期；在所述第三脈衝周期內，所述射頻功率分NI步階梯式從所述第二最大值下降到第二最小值，在所述第四脈衝周期內，所述射頻功率分N2步階梯式從所述第二最小值上升到第三最大值；其中，P和Q均為自然數，且P不等於Q ;M1、M2、NI、N2均為不小於2的整數。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述射頻功率恆大於零。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，所述射頻功率源在各步中的步長不相等；所述步長為所述射頻功率相鄰兩次變化之間的時間間隔。
4.根據權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，所述第一脈衝周期與所述第二脈衝周期相等。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述第三脈衝周期與所述第四脈衝周期相等。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述第一脈衝周期與所述第三脈衝周期相等。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一最大值與所述第二最大值相等。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一最大值與所述第三最大值相等。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述第一最小值與所述第二最小值相等。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述Ml、M2、NI、N2均相等。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述射頻功率在各步中的步長相等；所述步長為所述射頻功率相鄰兩次變化之間的時間間隔。
全文摘要
本發明提供了一種脈衝射頻輸出功率控制反應等離子體刻蝕的方法，包括在反應室內提供一待處理基片，所述基片上包括需刻蝕的材料層；通入刻蝕氣體，對所述需刻蝕的材料層進行刻蝕；其中，所述刻蝕氣體由以脈衝方式輸出射頻功率的射頻功率源電離為等離子體；且所述射頻功率在一個工作周期內的工作時間分為第一脈衝周期和第二脈衝周期，在所述第一脈衝周期內，所述射頻功率分若干步階梯式下降，在所述第二脈衝周期內，所述射頻功率分若干步階梯式上升，從而實現了射頻功率在短時間內的穩定變化，避免了現有技術中因功率突變引起的電場中的湍流，從而保證了等離子體刻蝕的選擇性和均一性。
文檔編號H05H1/46GK102931052SQ20121043697
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者徐蕾, 林守華, 麥仕義 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司