专利名称：用脉冲等离子体进行的原子层蚀刻的制作方法
技术领域：
本公开涉及纳米构造工艺。更具体地讲，本公开涉及新的以原子层精度蚀刻固体表面的循环工艺。
背景技术：
原子层沉积(ALD)是一种纳米制造工艺，其已经变成生长高介电常数材料的重要方法，高介电常数材料也被称作“高k材料”，用于取代二氧化硅(Si02)作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的栅电介质。也被称作“数字蚀刻”的原子层蚀刻(ALET)已经发展为ALD的替代工艺。最初报道的ALET是用交替的氯气(Cl2)吸附和电子束蚀刻进行的砷化镓(GaAs)蚀刻。随着这些技术的发展，另外的研究发掘了离子轰击引发硅的ALET的可能性，但是即使是在实验室规模下，每个蚀刻周期所必需的时间段也超过可容许的限制。传统的原子层蚀刻(ALET)方法的一个完整周期由四个步骤组成。第一个步骤是化学吸附步骤，包括将清洁的衬底暴露于反应物气体，以促进在表面上吸附气体。第二个步骤是，用惰性气体流清除过量的Cl2气，以避免气相反应物在随后的步骤中产生蚀刻。第三个步骤是，通常借助惰性气体的等离子体在所吸附的气体和下面的固体反应物之间引起诸如化学溅射之类的反应步骤。理想上，这个过程也是自限性的；离子仅与结合到被化学吸附的气体的衬底原子反应。在去除了氯化层之后，不能够出现由于衬底的物理溅射导致的进一步蚀刻，或者这种蚀刻是受到足够限制的。最后，通过排空反应室来耗尽蚀刻产物。如果第一个步骤中的化学吸附和第三步骤蚀刻的时间段是非常长的时期，则蚀刻速率接近于每个周期一个原子层，其中，原子层厚度就是氯化层的厚度，但是不一定是衬底的一个单层。另外，如果在重复的ALET周期期间,衬底表面保持接近于原子的(nearly-atomically)光滑，则可以实现每个周期去除基本上一个单层的理想条件。然而，用传统ALET工艺来去除衬底，以实现接近于原子单层需要非常长的蚀刻周期，接近并超过每周期150秒。另外，传统ALET工艺包括另外的限制。首先，气体的脉动是不利的，诸如Cl2之类的化学吸附气体在室壁上长时间停留并且在惰性气体等离子体被燃烧之前需要很长的泵吸时间这一事实使这种不利性加重。这使得蚀刻速率非常低，即使是针对蚀刻非常薄的膜所需的时间。再者，每个周期的蚀刻速率可能不一定是恒定的或可控的。具体来讲，由离子轰击造成的粗糙性可以造成饱和层厚度随着周期数量的增加而增加，并且蚀刻速率随着每个周期数增加而提高。
摩尔定律和半导体的持续发展预测今后的集成电路中的器件将和原子层厚度一样小，并且其小于几个原子层宽。目前的等离子体蚀刻工艺太过粗糙，以致不能实现这种精细的图案转印，并且可能损坏衬底下面的层。具体来讲，传统的等离子体蚀刻技术的控制水平达不到将亚20nm结构精确图案化所需的水平，并且对于今后集成电路的大量制造而言，当前用脉冲气体进行的原子层蚀刻太慢，以致不能实际应用。另外，当前技术需要过量的前体(precursor)原材料,如,氯气,这代表有可能要找到更有效的工艺来降低成本。因此，如果原子层蚀刻要克服蚀刻周期时间长、衬底受损、分辨率差、操作效率不高的这些问题，则需要一种新的方法，从而能够在成本效益提高的情况下，使用等离子体蚀刻以原子层分辨率来制造包含量子点和/或线、自组装膜和其它敏感组件的未来的纳米器件。
发明内容
根据本公开的一个实施例的一种系统包括脉冲等离子体源和反应室。所述反应室包括螺旋线圈电极，其围绕管设置；法拉第屏蔽，其设置在所述管和所述螺旋线圈电极之 间，并且被流体流冷却；对向电极，其设置在所述管的顶部并且至少部分延伸到所述管中；气体入口，其设置在所述管中并且与工艺气体源流体连通；以及反应室，所述反应室与所述脉冲等离子体源流体连通，包括衬底支撑件；以及边界电极。根据本公开的一个实施例的一种蚀刻衬底的方法，包括将原料气引入等离子体室，所述原料气包括惰性气体和反应物气体的混合物；将所述衬底设置在所述等离子体室中；由所述原料气产生等离子体，所述等离子体含有反应物和离子；利用所述反应物使得衬底表面达到饱和，以形成产物层，所述产物层包括所述反应物物质的单层和所述衬底的第一单层原子；以及通过将所述产物层暴露于所述离子，以去除所述产物层。根据本公开的一个实施例的一种处理衬底的方法，包括将来自等离子体余辉中的离子导向其中利用第一物质来饱和的衬底表面。并且，在某些实施例中，用所述离子去除所述第一物质和衬底原子的单层。为了可以更好地理解随后对本发明的详细描述，以上已经相当广义地概述了本发明的特征和技术优势。下文中，将描述形成本发明权利要求书的主题的本发明另外的特征和优势。
为了详细描述本发明的优选实施例，现在将参照附图，在附图中图I示出传统的原子层蚀刻(ALET)工艺。图2示出根据本公开的一个实施例的示例性ALET工艺。图3不出根据本公开的一个实施例的不例性ALET系统。图4示出根据本公开的另一个实施例的另一个示例性ALET工艺。图5示出根据本公开的另一个实施例的另一个示例性ALET工艺。图6不出根据本公开的另一个实施例的另一个不例性ALET系统。图7示出在脉冲等离子体的余辉中，通过向边界电极施加30V、50V、70V和100V的DC电压而得到的测得的离子能量分布(IED)。
图8示出在脉冲等离子体的余辉时间段中，通过向边界电极施加30V、50V、70V和100V的DC电压而得到的模拟的离子能量分布(IED)。图9示出关联于沿着放电管轴的垂直位置的离子和电子密度。图10示出在激光诱导的热沉积之后，Si衬底上方模拟的SiCl和SiBr激光诱导的突光。图11示出针对边界电极处连续施加的不同DC偏压在固定压力下的IED。图12示出针对不同压力的电子温度的分辨LangmuiH朗谬尔)探针测量。图13示出在边界电极上连续施加DC偏压的情况下的规范化IED。图14示出在处于脉冲等离子体状况时不同压力下的IED。
图15示出在脉冲等离子体的余辉期间的不同时间的具有同步DC偏压边界电极脉冲的IED，其中，(a)是在余辉前期开始施加偏压的曲线图，并且(b)是在余辉后期开始施加偏压的曲线图。图16示出在脉冲等离子体的余辉期间的相同时间的具有同步DC偏压边界电极脉冲的IED的曲线图，其中，(a)是偏压持续时间Atb = 50微秒时的曲线图，并且(b)是偏压持续时间Atb = 15微秒时的曲线图。图17示出在不同等离子调制频率下的脉冲等离子体的余辉期间，具有同步DC偏压的IED的曲线图，其中，(a)是偏压持续时间Atb = 50ys时的曲线图并且(b)是具有FffHM的规范化IED的曲线图。图18示出针对不同的占空比在脉冲等离子体的余辉期间，具有同步DC偏压边界电极脉冲的IED的曲线图。
具体实施例方式传统原子层蚀刻如图I中所示，传统原子层蚀刻(ALET)工艺可以包括四个阶段将诸如硅(Si)之类的衬底暴露于反应物气体，如，氯(Cl);从反应室中清除多余的反应物气体；将所吸附的反应物气体暴露于诸如等离子体的能量通量中；并且耗尽反应室中的蚀刻产物，如，氯化硅基团(SiClx)，其中，X介于大约O和大约4之间。第一步骤包括化学吸附步骤(I)。将通常包含硅的清洁衬底暴露于反应物气体，如，氯气(Cl2)。由于当所有可用的表面位置都已被占用时化学吸附过程停止，所以反应物气体吸附是自限性的。反应物气体流只在这个化学吸附步骤期间是激活的。第二步骤(2)必须去除衬底或衬底表面附近可能存在的多余的反应物气体，防止其临时沉积在室壁上。更具体来讲，清除多余的反应物气体(Cl2)可以避免在随后的蚀刻步骤(3)中从室壁释放出气相的反应物而造成的自发蚀刻。由多余的或逗留的反应物气体造成的自发蚀刻消除了单层精度的可能性。在第三步骤(3)中，将衬底表面暴露于诸如，离子、电子或快中性粒子的能量通量中，通常借助惰性气体等离子体(如，电感耦合等离子体(ICP))来引发所吸附气体和下面的固体之间的反应)。因为离子只与结合到化学吸附气体的衬底原子反应，所以反应或化学溅射也是自限性的。在去除了化学吸附层之后，不需要对衬底进行额外蚀刻来保持大致单个原子层蚀刻分辨率。最后，排空反应室，以去除可能存在的蚀刻产物和任何衬底-反应物气体基团。注意的是，这种传统的ALET工艺需要非常长的蚀刻周期，即，例如每周期大约150秒。另外，通过延长化学吸附(I)和蚀刻(3)的时间段，蚀刻速率接近每周期一个原子层，但是代价是周期时间延长并且处理效率降低。如果在重复的ALET周期期间衬底表面保持原子般光滑或接近于原子的光滑，则可以实现每周期去除衬底的基本上一个单层的理想条件。然而，如果工艺过度延时，则原子层厚度就是氯化层的厚度，而并不一定是衬底的一个单层的厚度，由此ALET的目标至少部分失败。新ALET的概述在本公开中，公开了 ALET工艺的技术和系统的几个示例性实施例。为了清晰和简便起见，本公开的重点放在一个或多个特定的示例性系统和一个或多个特定的专用技术。本领域的技术人员将认识到，这些实施例只是示例性的。本公开的范围不受本文描述的特定实施例限制。事实上，对于本领域的普通技术人员来说，除了本文描述的实施例之外的本公开的其它各种实施例和本公开的修改形式将是显而易见的。新ALET工艺的系统和方法可以是基于脉冲等离子体和脉冲电极偏压的工艺。在实施例中，系统可以包括等离子体源，如，ICP源、电容耦合等离子体(CCP)源、或螺旋波(helicon)源。在某些实施例中，等离子体源是ICP源。可以在连续或脉冲电流下，以DC或射频(RF)功率设置等离子体源。在一些实施例中，将至少一个电极设置在衬底附近或者将 其浸没在等离子体中。在一些情形下，ICP脉冲系统具有至少一个产生快速RF等离子体脉冲的射频(RF)功率发生器。在另外一些情形下，快速ALET系统包括位于反应室中用于偏置反应室、偏置室壁、和偏置等离子体的电极。在替代构造中，等离子体脉冲系统包括次要或辅助的等离子体源，用于辅助产生脉冲期间ICP的稳定。另外，新ALET工艺提出了可以消除传统的ALET速率限制步骤(在非限制性的实例中，产生气体脉冲)的装置。在一些实施例中，新ALET工艺方法可以包括两个阶段吸附阶段和蚀刻阶段。在一些情形下，该工艺可以将可切换的电脉冲用于ICP源和位于反应室中的电极，以控制化学吸附和蚀刻的过程。例如，电极可以按与等离子体脉冲同步的方式在等离子体中施加偏压。通过以差动控制等离子体脉冲和电极偏压，可以允许对衬底上的离子能量分布碰撞进行精准的控制。在另外的一些情形下，新ALET工艺所使用的工艺数量减小，并且所使用的反应物气体量减少，这些反应物气体可以被理解为是有毒的并具有腐蚀性。与传统的蚀刻方法相比，这样降低了气体的成本，提高了安全性并且改善了工艺对环境造成的后果。新ALET工艺参照图2，示出了根据本公开的实施例的ALET工艺200。附图的顶部示出ALET工艺，而附图的底部示出工艺参数。如附图中所示，ALET工艺包括两个阶段吸附阶段212和蚀刻阶段252。在吸附阶段212期间，可以将衬底暴露于被吸附物，使得被吸附物可以吸附到衬底表面上。在一些实施例中，被吸附物可以是反应物。在一些情形下，被吸附物可以包括具有未成对电子或自由键的游离的反应物原子或游离的反应物分子。反应物可以包括而不限于卤素，即，氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)。在某些实施例中，反应物可以是源自反应物氯气(Cl2)的游离的氯(Cl)原子。不受理论的限制，技术人员会认识至IJ，对于被吸附物，还可以使用其它卤素、卤化的物质或其它反应物。在替代实施例中，完整的或未游离的反应物也可以用作衬底上的被吸附物。另外，技术人员会认识到，术语“气体”包括而不限于在室温下或者在标准的温度和压力下成固态或液态的物质所产生的蒸气。可以通过产生含有反应物的等离子体来得到被吸附物。在某些情形下，惰性气体连同反应物一起被离子化。所得的等离子体可以包含而不限于反应物、反应物气体离子、和惰性气体离子。在实施例中，使用氩气(Ar)作为惰性气体。另外，技术人员将认识到，还可以使用任何惰性气体物质或其它惰性气体物质。在实施例中，如果反应物与惰性气体一起被离子化，则反应物气体的浓度按体积计可以在大约O. 01%和大约20%之间；可供选择地，反应物气体的浓度可以在大约O. 01%和大约15%之间；并且，在某些情形下，反应物气体的浓度按组合气体的体积计可以在大约O. 01%和大约10%之间。在某些实施例中，反应物气体的浓度按体积计可以小于大约1%。所产生的等离子体可以主要包括而不限于Ar物质和一小部分的Cl反应物气体物质。在实施例中，使用等离子体源产生反应物。非限制性的示例性等离子体源可以包括电感耦合等离子体(ICP)源、电容耦合等离子体(CCP)源、或螺旋波源。在某些实施例中，等离子体源是ICP源。在一些情形下，ICP源可以在吸附阶段212期间被RF供电。在实施例中，没有在整个吸附阶段212中对等离子体源供电。在一些情形下，在吸附阶段212的后期，施加到等离子体源的RF功率可能降低。在非限制性实例中，等离子体源可以是在吸附阶段212的前期被RF供电，如图2中所示。另外，在阶段212的后期，可以 向等离子体源施加较低的功率，或者可以关断等离子体源以形成余辉。可供选择地，在整个吸附阶段212中，可以连续对等离子体源供电。不受理论的限制，可以如上所述地出现吸附过程。具有清洁表面(没有钝化层)的衬底可以包括未成对电子或自由键。在一些情形下，比如，通过化学吸附，来自衬底表面附近的等离子体的反应物可以随后与表面的自由键不费力地结合，从而形成产物层。在一些情形下，产物层可以包括反应物的单层和相联结的衬底原子的单层。在一些情形下，Cl反应物被吸附到示例性硅(Si)衬底的表面上，从而形成含有SiClx的产物层。另外，在某些情形下，产物层可以包括反应物物质Cl原子的单层和Si原子的单层。可以一直进行吸附过程，直到衬底表面上的反应物饱和为止。不作为限制地，当基本上所有可用的衬底表面位置(如，未成对电子或自由键)被占用或与反应物联结时，实现饱和。如技术人员可能理解的，在某些情形下，衬底表面的一部分没有被反应物覆盖。例如，衬底表面的一部分可能包含钝化层，如(但不限于)氧化物层。在非限制性实例中，钝化层可能不含有可用的位置，即，可用的未成对电子或自由键，从而没有被反应物覆盖。在某些情形下，衬底表面至少部分被产物层中化学吸附的反应物覆盖，并且至少部分被钝化层覆盖。在实施例中，在吸附阶段212期间，在等离子体中可能存在反应物气体离子和/或惰性气体离子，使得包括产物层的衬底表面暴露于离子。在一些情形下，可以选择性控制轰击衬底的离子的能量，以避免或最低程度地进行所需的蚀刻、物理或化学溅射。例如，Cl离子蚀刻Si所需的能量可以是大约10-25eV，而Ar离子造成溅射的能量可以是大约30-60eV。在某些实施例中，可以控制吸附阶段412期间轰击衬底的离子的能量，使其为IOeV或更小。例如，可以通过提供等离子体源的静电屏蔽(例如，法拉第屏蔽)和/或在相对高压下执行工艺来控制离子能量，以最低程度地进行所需的蚀刻、物理或化学溅射。此夕卜，Cl反应物原子没有在室温下蚀刻P型或适度掺杂η型的Si，从而需要对工艺进行热控制。在实施例中，在完成吸附阶段212之后，可以执行蚀刻阶段252。在这个蚀刻阶段252期间，离子会轰击衬底，以去除产物层。在某些实施例中，离子包括带正电的离子或带负电的离子。在一些情形下，带正点的离子用于去除产物层。如本领域的技术人员所理解的，在蚀刻阶段252期间轰击衬底的离子的能量可以优选地高于化学辅助溅射的阈值，而低于物理溅射的阈值。通过控制等离子体和衬底之间的电势差，可以将具有选定能量的离子导向衬底。为了将正离子导向衬底，通过相对于衬底电势增大等离子体电势，通过相对于等离子体减小衬底电势，或同时通过这两种手段，可以增大其间的电势差。为了引导负离子，通过相对于衬底电势减小等离子体电势，通过相对于等离子体增大衬底电势，或同时通过这两种手段，可以增大其间的电势差。在蚀刻阶段252期间，可以向等离子体和/或衬底施加正或负的DC或RF偏压。另外，可以如图2中所示向等离子体和/或衬底提供连续的偏压。可供选择地，可以如图4中所示地提供一系 列脉冲偏压。在某些实施例中，如图4中所示，等离子体源在蚀刻阶段254期间可以被RF供电。在一些情形下，可以向等离子体源提供脉冲RF功率，其中，每个RF功率脉冲在上述偏压脉冲之间提供。例如，可以在蚀刻阶段252期间向等离子体源施加一系列脉冲RF功率，并且可以向等离子体和/或衬底施加一系列脉冲DC或RF偏压。各偏压脉冲可以在RF功率脉冲之间提供。可供选择地，偏压脉冲在大约I μ s和大约20 μ s之间；可供选择地，在各等离子体源脉冲的余辉中为大约10 μ S。在一些情形下，通过选择性增加等离子体和衬底之间的电势差，可以去除这里描述的某些实施例中的包括氯化产物层的产物层。在这个过程中，可以同时从衬底去除与产物相联结的衬底原子的单层。另外，可以重复进行吸附阶段212和蚀刻阶段252，以一次一层地去除衬底原子额外的那些层。新ALET系统现在参照图3，示出了根据本公开的一个实施例的示例性ALET系统300。根据本公开的一个实施例的ALET系统300可以包括具有上壁328、下壁330和侧壁332的等离子体室326。ALET系统300还可以包括等离子体源302、插入在等离子体室326和等离子体源302之间的屏蔽304、衬底支撑件306、边界电极308、对向电极310和入口 312。等离子体源302可以耦合到脉冲系统314。同时，衬底支撑件306可以连接到支撑系统316。支撑系统316可以是电源，它能够向衬底支撑件306提供连续或脉冲DC或RF偏压。可供选择地，支撑系统316可以只是地面或者与地面连接的组件。边界电极308可以连接到第一电压系统318。对向电极310可以连接到第二电压系统320。在实施例中，ALET系统可以额外包括与等离子体室126连接的泵。在ALET系统300的某些构造中，可以包括至少一个冷却导管336。在其它构造中，衬底支撑件306可以包括差动抽吸导管334。在替代构造中，等离子体室的上壁328可以包括对向电极110和气体入口 112。在另外的替代构造中，系统300还可以包括与等离子体室326连接的辅助等离子体室350。辅助等离子体源352可以设置在辅助等离子体室350附近。在实施例中，等离子体源302和辅助等离子体源352可以是本领域技术人员已知的任何类型的等离子体源，包括ICP源、CCP源、螺旋波源和热源，但不限于此。在某些实施例中，等离子体源302可以是ICP源302。ICP源302可以是包括平面或螺旋状线圈的平面或圆柱形ICP源302。可供选择地，ICP源可以具有其它几何形状。等离子体室326和/或辅助室350与等离子体源302和/或辅助等离子体源352相邻的一部分可以由如(例如)石英或氧化铝的介电材料制成。例如，等离子体室326和辅助等离子体室352中的至少一部分或者整个等离子体室326和辅助等离子体室352可以由介电材料制成。在某些情形下，ICP源302包括环绕氧化铝设置的螺旋线圈电极，或其它介电放电管。在另外的情形下，ICP源包括三线圈螺旋电极。屏蔽304可以包括法拉第屏蔽。在实施例中，法拉第屏蔽包括适于防止与ICP源302产生外部干扰的任何导电材料。在这些情形下，屏蔽304可以含有铜。在某些情形下，屏蔽304可以被构造用于防止ICP源302的线圈和其产生的等离子体之间的电容耦合。可供选择地，屏蔽304被构造用于防止从等离子体室326射出任何静电信号。衬底支撑件306包括在蚀刻期间用于半导体的支撑件。在实施例中，衬底支撑件306包括电极。在一些情形下，衬底支撑件306 是接地电极。在某些情形下，衬底支撑件306包括偏置电极，偏置电极被构造用于响应于RF电磁场或直流(DC)脉冲来产生和保持偏压。在另外的实施例中，衬底支撑件306经过等离子体室326的底330进入等离子体室326。在一些情形下，衬底支撑件306将衬底301支撑在等离子体室326的底330处，或者在其附近。边界电极308包括位于衬底支撑件306附近的导电材料。在一些实施例中，边界电极306可以在等离子体室326的底330附近围绕衬底支撑件306同心设置。在一些情形下，边界电极308被构造用于响应于施加到等离子体源350、辅助等离子体源302、和/或对向电极302的RF或DC信号来施加偏压。对向电极310可以包括与衬底支撑件306相对垂直设置的导电材料。在实施例中，对向电极310与室326内的边界电极308相对设置。在一些情形下，响应于施加到等离子体源302、辅助等离子体源352和边界电极308的FR或DC信号，向对向电极310施加偏置电压。在某些情形下，对向电极310所产生的偏压或脉冲偏压与边界电极308的偏压相反。入口 312包括进入室126中的气体导管。在实施例中，入口 112靠近室126的顶部，或穿过顶部128或室126。入口 312可以将惰性气体和反应物气体引入等离子体室326，但不限于此。在一些情形下，入口 312向室326和等离子体源302提供受热的气体。在某些情形下，入口 312可以将未离子化的工艺气体和反应物气体引入室326和等离子体源302。可供选择地，入口 312与至少一个辅助等离子体源350连通，用于将至少部分离子化的工艺气体和反应物气体引入室326和等离子体源302。等离子体源302可以耦合到脉冲系统314。在实施例中，脉冲系统314包括至少一个电源，所述电源能够向等离子体源302提供脉冲或连续RF和/或DC信号。在一些情形下，脉冲系统314可以包括至少一个RF或DC电源和电功率放大器。在一些其它情形下，脉冲系统314可以包括多个RF或DC电源和功率放大器。脉冲系统314可以通过阻抗匹配(例如，L型)网络耦合到等离子体源302。脉冲系统314还可被构造用于向等离子体源302提供任何频率下的电功率。在一些情形下，脉冲系统315被构造用于以周期性脉冲从等离子体源302切断或去除功率。在某些情形下，RF或DC电源可以为等离子体源302提供方波函数，所述方波以预定频率处于O伏和预定高压之间。如本领域的技术人员可以理解的，通过用线圈来去除或改变RF电流，去除或增强了等离子体的形成。衬底支撑件306连接到支撑系统316。在实施例中，支撑系统316具有包括衬底支撑件306的电路。在一些情形下，支撑系统316是接地电极。在某些情形下，支撑系统316包括RF函数发生器或DC源。支撑系统316被构造用于响应于来自RF函数发生器或DC源的电脉冲在衬底支撑件106产生偏压。在某些构造中，支撑系统316从脉冲系统314接收RF或DC电流作为衬底支撑件305处的偏压。另外，衬底支撑件316的偏压可以是与系统300中的其它电极协同地脉动。
边界电极308连接到第一电压系统318。在实施例中，第一电压系统318具有包括边界电极318的电路。在一些情形下，第一电压系统318是电学上的地、RF函数发生器或DC源。在某些情形下，第一电压系统318被构造用于响应于DC源产生边界电极308处的偏压。在某些构造中，第一电压系统318从脉冲系统314接收RF或DC电流作为边界电极308处的偏压。另外，边界电极308的偏压可以与系统300中的其它电极协同地脉动。对向电极310连接到第二电压系统320。在实施例中，第一电压系统318具有包括对向电极310的电路。在一些情形下，第二电压系统320是电学上的地、RF函数发生器、或DC源。在某些情形下，第二电压系统320被构造用于响应于DC源产生对向电极310处的偏压。在某些构造中，第二电压系统320从脉冲系统314接收RF或DC电流，作为对向电极310处的偏压。另外，对向电极310的偏压可以与系统300中的其它电极协同地脉动。气体入口 312以流体方式连接到气体源322。在实施例中，气体源322包括用于引入到等离子体源302中的工艺气体和反应物气体的混合物。在一些情形下，工艺气体包括将被离子化以在等离子体源302处形成等离子体的任何惰性气体。在某些情形下，工艺气体包括而不限于惰性气体、氮气、氢气、氧气、含氧气体或它们的组合。反应物气体包括在等 离子体源302处部分离子化之后将被衬底301化学吸附的任何气体。在某些情形下，反应物气体包括而不限于卤素、卤代烃、卤化物或其它卤化气体。在另外一些情形下，工艺气体和反应物气体可以是适于ALET的任何气体。在实施例中，气体源所包括的工艺气体的浓度按体积计大于大约90% ;可供选择地，按体积计大于大约95% ;并且在某些情形下，气体源所具有的工艺气体的浓度按体积计大于大约99%。热导管336被构造用于改变系统中气体的温度。在实施例中，冷却导管可以是与系统100形成热接触的任何导管，并且被构造用于携载冷却液体或气体。在一些情形下，冷却导管136与圆柱形壁332和屏蔽304热连通。在实施例中，冷却导管336被设置成与连接圆柱形壁332和屏蔽304的诸如室下壁330之类的凸缘热连通。泵324可以是被构造用于将反应室326中的气体压力降低到大约I毫托的任何泵。在实施例中，泵324被构造用于将等离子体室326中的压力降低并保持到大约I毫托和大约500毫托之间；可供选择地在大约5毫托和大约250毫托之间；并且可供选择地，在大约10毫托和大约100毫托之间。在某些情形下，泵324操作在室326中的大约10毫托和大约75毫托之间的压力。在一些情形下，泵324包括至少一个真空泵。在实施例中，泵324包括涡轮真空泵和干燥泵。不受理论的限制，泵324可以被构造用于在任何压力范围内运行，以排空室中的离子化气体、蚀刻产物和其它气态污染物。替代的ALET工艺再参照图4，示出了根据本公开的另一个实施例的控制ALET工艺的替代示例性方法。图4示出(例如)图3所示的RF/DC功率/电压信号施加给ALET系统的各种组件的时序序列。在实施例中，这些信号可以用于控制ALET工艺期间等离子体的物理和化学过程。简要参照图3，如在图2中的阶段202中一样，在蚀刻阶段期间的大致I秒内向等离子体源302施加RF功率，以提供反应物(例如，Cl原子)，从而形成化学吸附层。在实施例中，在整个吸附阶段中，向等离子体源施加RF功率。如本文之前所描述地，在吸附阶段的前期，可以向等离子体源施加RF功率，并且在吸附阶段的后期，将等离子体源断电。在某些实施例中，可以由辅助等离子体室350中产生的低功率辅助等离子体的尾端来点燃等离子体室326中的等离子体。在点燃等离子体期间，离子轰击能量可能足够低(< IOeV)，以防止发生任何蚀刻。在蚀刻阶段期间，如在图2中的阶段252中一样，大致O. 5秒的脉冲ICP时间段用于去除化学吸附层(例如，SiClx)。将等离子体源脉动为13. 56MHz下施加的RF电压的方波调制具有下文描述的众多益处。首先，在(例如)通常大约100微秒断电时间内，等离子体密度没有明显损失的余辉中，即，在周期的断电部分中的第一个几微秒期间，电子能量分布函数(EEDF)快速冷却。所得的较低能量的时间上求平均的EEDF对原料气的游离程度提供某种水平的控制。再者，在大约100微秒余辉时间段的大部分时间期间，可以为衬底产生单能离子通量，如，最近在实验室所证实的。在本实例中，可以向边界电极施加正DC电压的脉冲，从而提高等离子体电势，并且将正离子推向具有较低电势的衬底表面。因此，如图7和图8中所示，用能量等于VDa的离子轰击接地的衬底。由于在下面的衬底不发生物理溅射的情况下，对离子能量分布的控制对于引起化学吸附卤化层的化学溅射起决定性作用，因此得到非常窄的IED(进而得到极高的选择性)的这种方法是实现具有单层精度的ALET的有效方式。具有同步脉冲-浸没-电极-偏压时间段的这个脉冲-主要-ICP对于溅射掉卤化的蚀刻产物层足够长(例如，0.5秒)。然而，本领域的普通技术人员将认识到，例如，可以通过衬底支撑件向 衬底施加负DC或RF电压。在这个过程中，可以降低衬底电势以吸引正离子。纯粹的正离子轰击可以造成正电荷积聚在衬底上。然而，在边界电压脉冲返回到0，并且等离子体已有机会接近其本身的Vp之后，任何电势高于地的带电表面首先将接收超出正离子通量的过量的电子通量，从而使它们的电势回到浮动电势，其接近地电势。为了加速正电荷的中和，在连续波ICP功率接通时，可以向(例如)对向电极310施加大的负DC偏压。这个负电压对Vp可能没有影响。然而，对向电极310所得的高能量离子轰击可能产生二次电子，这些二次电子加速到全鞘层电势(full sheath potential)。这些高能“弹道”电子可能具有低散射截面，并且以几乎直角的入射角轰击衬底，从而甚至对高的高宽比绝缘结构的底部的正电荷进行补偿。弹道电子还可以对体等离子体产生有益影响，如增强等离子体密度并且降低体Te。可供选择地，对于绝缘衬底，在余辉时间段中向衬底电极施加同步脉冲RF电压将会导致负的自偏压，和衬底的能量正离子轰击。根据等离子体密度和所施加的频率，被RF偏置的衬底301上的离子能量的峰值可以出现在平均鞘层电势或者具有两个峰值。所得的离子能量分布通常过宽，以致不能实现ALET所需的极高的选择性。应用非常高频率(IOOMHz)的偏置可以使IED变窄，但是IED的宽度取决于离子质量，从而使得在混合的气体等离子体中进行IED控制非常困难。可能可以用调整的偏压脉冲来得到窄的离子能量分布。对于导电衬底，可以在余辉期间在衬底支撑件电极上直接施加同步脉冲DC负偏压，并且与上述边界电压的情况中一样，可以实现处于任何所需能量下的接近的单能量离子轰击。现在参照图5，示出了 ALET工艺的工艺流程图。如图所示，方法500通常包括两个阶段吸附阶段502和蚀刻阶段550。如可以理解的，在每个阶段内，可以包括一个或多个步骤或者分布步骤，通过连续或同步进行这些步骤来完成方法500。换句话讲，虽然图5示出正在被顺序执行的步骤，但是可以同时执行这些步骤，或者可以同时执行这些步骤中的至少一些部分。如图5中所示，吸附阶段502可以包括衬底定位步骤504、反应物形成步骤510、和反应物吸附步骤520。同时，蚀刻阶段550可以包括电势差增加步骤570。如上所述，通过向等离子体或衬底施加RF或DC电压，可以增加等离子体和衬底之间的电势差。可选地，蚀刻阶段550还可以包括衬底电荷中和步骤552、等离子体脉冲步骤560、和蚀刻产物去除步骤580。如上所述，可以通过偏置对向电极来执行电荷中和步骤552。本ALET工艺500会比传统ALET工艺快得多。更具体来讲，在衬底定位步骤504之后，剩余的吸附步骤520所需的时间可能在大约O. 01秒和大约10秒之间；可供选择地，在大约O. I秒和大约5秒之间；并且在实施例中，在大约O. 5秒和大约I. 5秒之间。另外，蚀刻阶段550所需的时间可能在大约O. 01秒和大约10秒之间；可供选择地，在大约O. I秒和大约5秒之间；并且在实施例中，在大约O. 2秒和大约I秒之间。在 蚀刻产物去除步骤580之后，可以完全或部分地重复这些阶段或步骤，直到达到所需的蚀刻深度为止。在某些情形下，可以同时地或可供选择地同步地执行电荷中和步骤552、等离子体源脉冲步骤560、和电势差增加步骤570。更具体来讲，吸附阶段502可以包括在本发明所公开的快速ALET工艺中适于将反应物吸附到衬底上的那些步骤。本阶段中的第一步骤包括将衬底设置在室中的衬底定位步骤504。在一些实施例中，衬底安装在衬底支撑件上。在某些情形下，衬底支撑件可以是电极。当将衬底设置在室中时，可以减小室中的压力。在实施例中，ALET工艺期间的压力保持在大约I毫托和大约500毫托之间；可供选择地，在大约5毫托和大约250毫托之间；并且可供选择地，在大约10毫托和大约100毫托之间。在某些情形下，在衬底定位步骤504期间，压力保持在大约10毫托和大约75毫托之间，并且在整个ALET工艺期间保持这个压力。在另外一些情形下，可以在整个新ALET工艺中的任何时间，改变压力以提供IED控制。如本领域的技术人员可以理解的，反应室中的压力增大可能与气体粒子和基团的增加有关。不受理论的限制，压力增大会使离子的峰值能量减小并且使IED变宽，反之亦然。在反应物形成步骤510中，可以将原料气引入室中。在一些实施例中，原料气可以包括惰性气体和反应物气体。不受理论的限制，反应物气体可以包括被离子化的活性物质。在本实施例中，反应物气体可以包括Cl2。然而，本领域的技术人员会认识到，还可以使用其它反应物气体，如，其它含卤素的气体。同时,惰性气体可以包括Ar。然而，本领域的技术人员会认识到，还可以使用其它惰性气体。在本实施例中，惰性气体按体积计的浓度可以高于反应物气体。在一些情形下，反应物气体按体积计的浓度可以在混合气体的大约O. 01%和大约20%之间；可供选择地，大约O. 01%和大约15%之间；并且可供选择地，大约O. 01%和大约10%之间。在替代情形下，反应物气体的浓度按混合气体的体积计为大于大约0%且小于大约5 %的任何浓度。可以用等离子体源将含有反应物气体和惰性气体的原料气离子化，以形成含有(除了其它的之外)反应物、反应物气体离子、和惰性气体离子的等离子体。如上所述，可以使用各种类型的等离子体源。在某些实施例中，可以将原料气加热至高于大约200K的温度；可供选择地，加热至高于大约400K的温度。在某些情形下，气流经受进一步的RF电磁场作用。包括物质、基团、离子、电子和光子的受激态组合的这种等离子体组分被注入到蚀刻室中。响应于室中的电荷偏置，部分离子化的反应物气体被定向拉向衬底或拉离衬底。在反应物吸附步骤520中，反应物被吸附或化学吸附到衬底表面上。在实施例中，室中的电压偏置可能将离子化的反应物气体吸引到衬底。因为衬底用于吸附反应物(如，未成对电子或自由键)的表面位置的数量有限，所以反应物将持续吸附到衬底表面上直到吸附阶段结束为止，此时衬底上所有可用的表面位置或自由键都已被反应物占用。结果，可以形成包括反应物原子的单层和下面衬底原子的单层的产物层。在反应物吸附步骤520中，等离子体和离子保持低能(例如，IOeV或更低)，以避免或最小化反应物吸附步骤520期间的蚀刻。在完成吸附步骤502之后，可以执行蚀刻步骤550。如上所述，蚀刻阶段550可以包括电势差增加步骤570。在这个步骤期间，等离子体和衬底之间的电势差增大，使得来自等离子体的离子会以所需的能量范围轰击衬底。例如，可以选择离子能量，使其低于物理溅射阈值但是高于化学辅助溅射的阈值。如上所述，通过向等离子体、衬底或同时向等离子体和衬底施加DC或RF电压，可以增大电势差。另外，所施加的电压可以是连续的(如图2中所示)或者是脉冲的(如图4中所示)。如果施加的是脉冲电压，则在电压脉冲之间可以向等离子体源施加RF脉冲。在一些实施例中，施加RF脉冲可以包括使等离子体源(例如，ICP源)经受周期性方波函数，在该方波函数中，方波从O功率延伸到预定功率。不受理论的限制，预定的高压能够产生具有足以去除产物层的离子能量的离子。在某些情形下，具有这种能量的离子为IED建立离子能量的下限。相反，可以理解的是，预定的高压能够产生具 有不会损坏衬底的较低离子能量的离子。在某些情形下，具有这种能量的离子为IED建立离子能量的上限。更具体来讲，在等离子体脉冲步骤560期间选择用于ICP等离子体的高压脉冲，使得IED完全落入这些参数的范围。在可选的等离子体脉冲步骤560期间，方波函数可以在大约I毫秒和大约500毫秒之间脉动等离子体；可供选择地，在大约10毫秒和大约250毫秒之间脉动等离子体；并且在某些情形下，等离子体在大约25毫秒和大约100毫秒之间脉动等离子体。另外，方波函数可以在大约10毫秒和大约750毫秒之间将等离子体脉动到大约O电压；可供选择地，在大约50毫秒和大约500毫秒之间将等离子体脉动到大约O电压；并且可供选择地，在大约100毫秒和大约250毫秒之间将等离子体脉动到大约O电压。当等离子体脉冲到大约O的功率时，离子的余辉得以保持。不受理论的限制，所述余辉包含去除产物层所需的IED内的尚子。可选地，在可选的电荷中和步骤552中，可以向对向电极施加负偏压。在一些情形下，可以向对向电极施加负电压，以将带正电的离子吸引到对向电极。带正电的离子轰击对向电极会产生高能的二次电子，这些二次电子会以几乎直角的入射角轰击衬底。另外，二次电子会增强等离子体密度并且降低体电子温度I；。在施加到等离子体的脉冲之间，可以向边界电极施加正电压脉冲。在某些情形下，方波函数DC在大约10毫秒和大约750毫秒之间将边界电极脉动成带正电的电压偏置；可供选择地，在大约50毫秒和大约500毫秒之间将边界电极脉动成带正电的电压偏置；并且可供选择地，在大约100毫秒和大约250毫秒之间将边界电极脉动成带正电的电压偏置。在一些情形下，只是在没有高压等离子体脉冲时才存在带正电的电压偏置。可供选择地，在蚀刻产物层250的整个持续时间内都存在带正电的电压偏置。在某些情形下，衬底支撑件可以接地，被RF、DC或其组合供电。在实施例中，可以与边界电极相称地脉冲衬底台面(stage)。另外，因为某些衬底可能具有不同的导电性，所以通过脉动衬底支撑件偏置，得到之前针对系统中的任何电极描述的控制IED的另外的方法。更具体来讲，可以向衬底支撑件施加负DC电压。可供选择地，就绝缘衬底而言或在其它选定的条件下，向衬底支撑件施加高频RF脉冲或调整的DC脉冲。ALET脉冲如上所述，在蚀刻阶段550期间可选的等离子体脉冲能够控制IED和原料气的游离。通过在蚀刻阶段550期间提供等离子体脉冲，还可以降低撞击衬底的离子的角度分布。在无碰撞的状况下，用等式I定义角分布等式IθΙΑΟ K arctan(^re /2F )等式 I对于鞘层电压，V = Vsh = 50V并且Te = O. 3eV，角分布Θ IAD = 3°。与以高得多的离子能量进行的传统等离子体蚀刻相比，这种小的角分布非常有利于得到穿过多个原子层的一致的深蚀刻，以及使斜角度碰撞到特征物侧壁的离子能量传递最小并且使侧壁受损程度最小。 本领域的技术人员可以理解，所有对电荷、离子化、电磁电势的讨论都只是示例性的，并且任何对一个实施例中的物质状态的讨论可同样应用于相反的状态。更具体来讲，虽然一些非限制性实例描述的是带负电的离子和电极之间的关系，但是本领域的技术人员将认识到带正电的离子和电极之间的交互作用将满足类似的特性。虽然已经示出和描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和教导的情况下对其进行修改。本文描述的实施例只是示例性的，并且不旨在成为限制性的。本文公开的本发明的许多变形形式和修改形式是可行的并且在本发明的范围内。在明确指出数值范围或限制的情况下，这种明确的范围或限制应该被理解成包括落入明确指出的范围或限制内的诸如幅度等的迭代范围或限制(例如，从大约I到大约10包括2、3、4等；大于O. 10包括O. 11,0. 12,0. 13等)。针对权利要求的任何元件使用术语“可选地”旨在表示主题元件是必需的，或者可供选择地不是必需的。这两种情况都旨在落入权利要求的范围内。使用诸如“包括”、“包含”、“具有”等的广义术语应该被理解成对诸如“由...组成”、“基本由....组成”、“大体由...组成”等之类的狭义术语提供支撑。因此，保护范围不受以上展现的描述限制，而只受随后的权利要求书限制，范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每个权利要求并入说明书中作为本发明的实施例。因此，权利要求书是进一步的描述并且是对本发明优选实施例的补充。
背景技术：
部分中对参考文献的讨论并非承认参考文献是本发明的现有技术，尤其是
公开日可能在本专利申请的优先权日之后的任何参考文献。本文引用的所有专利、专利申请和公开的公开内容以引用方式并入，以使得它们对本文所述的内容提供示例性的、程序上或者其它细节方面的补充。为了进一步示出本发明的各种示例性实施例，提供下面的实例。实例实验装置图3和图6示出本研究中使用的实验装置的示意图。用长度为17.8cm、内直径为8. 6cm的氧化铝管中的3圈螺旋形线圈来点燃电感耦合等离子体(ICP)。用铜法拉第屏蔽防止线圈和等离子体之间出现电容耦合。通过配接凸缘将放电管连接到立方体的不锈钢(SS)室。在该凸缘中的水通道用于冷却法拉第屏蔽，并且防止放电管过热。用得到干燥泵支持的3001/s的涡轮泵对系统进行泵吸。用安装在等离子体下游的满量程为O. I托的MKS 629电容压力计来测量压力。没有等离子体时的校准实验表明，放电区域的压力比压力测量的位置测得的压力高于大约30%至40%。以下记录的压力都是经校准的值并且是指等离子体区域。不锈钢电极包括等离子体源的上电极。上电极具有3个共轴的圆柱形SS环，这些环焊接到电极以将总的表面积增加到大约300cm2并且最小化从涂覆室中溅射的金属。所发现的是，当探针被偏置成接近Vp时，在Langmuir探针测量期间需要大的表面积。然后，需要大的接地表面来提供足够的电流，从而防止Vp的人为地增加。通过上电极中心Imm直径的孔，将高纯度(99.999%)的氩气供应到放电管中。使用供给功率放大器(ENI型号A-500)的函数发生器(HEWLETT PACKARD0型号3325A)来提供13. 56MHz的等离子体。放大的输出通过L型匹配网络连接到线圈。由设置在匹配网络之前的串联式Bird牌仪表来监控正向功率和反射功率。对于常规的14毫托下的连续波(cw) 300W氩等离子体，反射功率为1-2W。由于功率损失，导致在等离子体中实际消耗的功率略低于传递到匹配器的净功率。对于脉冲等离子体操作，RF脉冲是由另一个函数发生器(BNC型号645)进行幅度调制。使用四通道示波器(TEKTRONIX Model TDS 2024B)监控波形。脉冲等离子体实验的基础情况条件为120W时间平均正向功率、8W反射功率、IOKHz功率调制频率、20%占空比、14毫托压力和40标准立方厘米/分钟(sccm)的氩气流率。所应用的调制频率和占空比导致在 IOOys的脉冲时间段内存在20 μ s (微秒)的等离子体导通(激活辉光)时间，和80的等离子体关断(余辉)时间。实验操作概述图2和图4示出用于控制等离子体物理和化学过程的时序序列。首先，大致Is(秒)的连续波主要RF ICP被低功率辅助等离子体的尾端点燃，并且提供反应物(例如，Cl)来形成化学吸附层。在这段时间内，离子轰击能量太低(< 10eV)，以致不能出现任何蚀刻。接着，常规 O. 5s的脉冲ICP时间段去除吸附层(例如，SiClx)。脉冲主RF-ICP等离子体电源(例如，施加13. 56MHz的RF电压的方波调制)具有几个益处。首先，(在通常大约100微秒断电时间内)等离子体密度没有明显损失的周期的断电部分中(在余辉中)的第一个几微秒期间，电子能量分布函数(EEDF)快速冷却。所得的较低能量的时间上求平均的EEDF对原料气的游离程度提供某种水平的控制。再者，在大约100微秒余辉时间段的大部分时间期间，可以在衬底中产生单能离子通量，如最近在实验室所证实的。在本实例中，向边界电极施加正DC电压的脉冲，从而提高等离子体电势并且将正离子“推”向具有较低电势的表面。因此，如图7和图8中所示，用能量等于VDa的离子轰击接地的衬底。由于在下面的衬底不发生物理溅射的情况下，对离子能量分布的控制对于引起化学吸附卤化层的化学溅射起决定性作用，因此得到非常窄的IED(进而得到极高的选择性)的这种方法是实现具有单层精度的ALET的有效方式。具有同步脉冲-浸没-电极-偏压时间段的这个脉冲-主要-ICP足够长(例如，O. 5秒)，以溅射掉卤化的蚀刻产物层。纯粹的正离子轰击可以造成正电荷积聚在绝缘衬底上。然而，在边界电压脉冲返回到O，并且等离子体已有机会接近其本身的Vp之后，任何电势高于地的带电表面首先将接收超出正离子通量的过量的电子通量，从而使它们的电势回到浮动电势，其接近地电势。如图3、图5和图6所示，为了加速正电荷的中和，在连续波ICP功率接通时，可以向对向电极施加大的负DC偏压。这个负电压对Vp可能没有影响。然而，对向电极所得的高能量离子轰击产生二次电子，这些二次电子加速到全鞘层电势。这些高能“弹道”电子具有低散射截面，并且以几乎直角的入射角轰击衬底，从而对即使在高的高宽比绝缘结构底部的正电荷进行补偿。弹道电子还可以对体等离子体产生有益影响，如增强等离子体密度并且降低体Te。
可供选择地，对于绝缘衬底，在余辉时间段中向衬底电极施加同步脉冲RF电压将会导致负的自偏压，和衬底的能量正离子轰击。根据等离子体密度和所施加的频率，被RF偏置的衬底301上的离子能量的峰值可以出现在平均鞘层电势或者具有两个峰值。所得的离子能量分布通常过宽，以致不能实现ALET所需的极高的选择性。应用非常高频率(IOOMHz)的偏置可以使IED变窄，但是IED的宽度取决于离子质量，从而使得在混合的气体等离子体中进行IED控制非常困难。可能可以用调整的偏压脉冲来得到窄的离子能量分布。对于导电衬底，可以在余辉期间在衬底支撑件电极上直接施加同步脉冲DC负偏压，并且与上述边界电压的情况中一样，可以实现处于任何所需能量下的接近于单能量离子轰击。在利用Ar (氩)中的Cl2的硅蚀刻用作实例的图2中的实例中，示出最简单构造中的ALET步骤。在步骤1(通常持续I秒)中，将样品暴露于连续波RF电感耦合等离子体，此时衬底处于地电势。等离子体大部分是惰性气体，其带有非常少量(< 1% )的Cl2。在对电感源进行静电屏蔽并且压力相对高的情况下，撞击衬底的离子能量将会低于化学溅射的阈值，所以在步骤I期间将不会出现蚀刻。在室温下，Cl原子没有蚀刻P型或适度掺杂η型的Si。来自原料气中的Cl2游离物的Cl原子将使得在大约I秒的时间内能形成氯化产 物(对于Si蚀刻而言，SiClx)的饱和层。在持续大约O. 5s的步骤2中，将会使用脉冲主要ICP，并且在每个主要ICP脉冲的余辉中的大约10μ s内，将同地步向边界电极施加正DC偏压脉冲，以通过化学方式溅射产物层。可供选择地，步骤2中的偏压可以是施加到(导电)衬底电极的负DC电压，或者在选定的条件下施加到(绝缘)衬底电极的高频RF脉冲或调整的脉冲。将通过来自蚀刻产物的光学发射来监控这个步骤，从而提供关于化学溅射率和控制这个过程的方式的基本信息。I秒至几秒内蚀刻一个单层的蚀刻速率，对于今后器件中纳米级结构是非常实际的，并且比基于脉冲气体和清除方案的传统原子层蚀刻快得多。在蚀刻步骤期间，选择离子能量，使其低于物理溅射阈值但是高于化学辅助溅射的阈值。这个方法提供了非常高的选择性，并且伴随的损伤最小，这是由于在通过化学方式溅射掉蚀刻产物的化学吸附层之后，蚀刻将会停止(自限性的)。在各种条件下，Si的阈值通常是IOeV至25eV。Langmuir探针Langmuir探针(Scientific Systems 公司的 Smart Probe)用于测量离子和电子密度(ni和ne)、等离子体电势(VP)、浮动电势和电子能量概率函数(EEPF)。探针顶端的直径为O. 19mm且其被暴露的长度为40mm。补偿电极和RF扼流圈使得由于等离子体电势的振荡导致的电流-电压(ι-v)特性的失真最小。在由于法拉第屏蔽导致峰-峰等离子体电势振荡仅为I伏至2伏的本系统中，这并不是问题。可沿着放电管的轴移动探针，以得到空间分辨测量。快速数据获取电子器件能够对100秒的I-V特性(在给定位置，对于给定的等离子体条件)求平均以减少噪声。使用制造商提供的软件来解释电流-电压(I-V)特性。这种分析依赖于碰撞减少(collision-less)鞘层的Laframboise轨道运动受限(OML)理论。在I-V的离子电流区域中，在探针上的较大负电压处，鞘层中的碰撞(尤其在较高的压力下)将造成离子电流发生衰减。因此，分析将低估等离子体中的离子数量密度。由于通过施加 OV至-50V范围内的电压，从I-V特性的离子饱和方法(regime)中提取正离子密度，因此在 10毫托以及更高压力下，正离子密度越来越被低估。探针还在“箱车(boxcar)”模式下操作，用于测量脉冲等离子体操作期间的时间分辨等离子体特性。延迟场能量分析仪延迟场能量分析仪(RFEA)被构造用于测量穿过接地的衬底台面上的栅格的离子的能量分布。如图6中所示，RFEA由分隔3mm的三个镍栅格和不锈钢集流器板的堆叠制成。顶部栅格具有50%的开口，并且侧面方孔为18mm，顶部栅格附着于接地的SS板，其具有接触等离子体的O. 3mm的针孔。这个栅格防止在针孔上方形成等离子体鞘层。中部栅格和底部栅格均有85%的开口，并且侧面方孔293mm。用-30V偏置中部栅格，以从等离子体排斥电子，同时用锯齿斜坡电压偏置底部栅格，并且底部栅格用作测量离子能量分布(IED)的能量识别器。电流放大器(KEITHLEY 型号427)用于测量集流器板上的离子电流。使用脉冲发生器和功率放大器(AVTECHAVR-3-PS-P-UHF和AV-112AH-PS)向识别器栅格施加20Hz的斜坡电压。通过LabVIEW (NATIONAL INSTRUMENTS )
程序控制实验。通过对5000I-V特性求平均来减少噪声，从而形成“平滑的”IED。用210Ι/s涡轮泵对RFEA进行差动泵吸，以使分析仪中的离子与中性粒子的碰撞最少。估计分析仪中的压力的大小比放电管中的压力低两个数量级，从而形成碰撞减少(collision-less)离子流。使用式子 DE/E = 2%来估计RFEA的能量分辨率。 图9示出不同压力下由Langmuir探针(LP)测量的，关联于沿着放电管轴的垂直位置的离子和电子密度。电荷密度在线圈中间周围达到最大值，并且随着压力的增大而增大。在50毫托的压力下，达到1.5X1012/cm3的最大离子密度。如上所述，探针鞘层中离子与中性粒子的碰撞将造成在压力越高处正离子密度越被低估；因此，正离子密度可能基本上超过50毫托下记录的值。对于3、7和14毫托的压力，电子和离子密度几乎相等。对于28毫托，尤其靠近50毫托的中心，电子密度低于对应的离子密度。这就造成如下事实，即，当将探针偏置成接近Vp时，从等离子体中引出大电流。明显的是，与等离子体接触的边界电极的接地表面不够高，来补偿这些高密度下的电子损失。Langmuir探针具有参考电极，参考电极感测Vp的被动变化，并对其进行校正，但其仅仅到在观察到正确的Vp之前达到探针上的最大正电压的点处。Langmuir探针在z = 170mm处测得的Vp和Te在圆括号中示出，靠近每个对应的压力。在去除Langmuir探针时，RFEA设置在z = 170mm处。在没有施加任何偏压(对于cw等离子体，300W功率和7毫托至50毫托的压力)的情况下测得的IED在几乎等于Vp处能量具有单个峰值，这是由Langmuir探针测得的。蚀刻产物的时间分辨检测的光发射光谱光发射光谱可以用于监控在能量离子通量脉冲期间以化学方式从表面溅射的蚀刻产物的时间依赖关系。对于具有氯的Si ALET，预期将观察到Si、SiCl和SiCl2产物的发射，正如在Cl2等离子体中的脉冲激光诱导的热脱附中所发现的(在HBr等离子体中还发现Si和SiBr发射)。对于GaN蚀刻，期望Ga和GaCl有强发射。如果N2是GaN蚀刻的主要产物，则可以通过N2光发射不费力地在等离子体中检测到N2。除了激光频率与SiCl和SiBr的受激态之间的共振所激发的激光诱导的荧光之外，来自所有这些物质的发射受到蚀刻产物(在电子撞击游离之后的主要产物或次要产物)的电子撞击的激发，并且可以在靠近衬底表面的区域中观察到所述发射。来自(例如)SiCl的发射提供关联于瞬时Cl覆盖的化学溅射率的测量，以及每次离子脉冲去除的物质总量的测量。这种测量方式可以用于实时控制蚀刻速率(例如，可以调节离子脉冲持续时间来得到恒定的蚀刻速率)。光发射的曝光测定可以用于测量绝对Cl密度，如众多ICP系统之前所证实的。原位激光诱导热脱附(LITD):在选定的实验中，激光诱导热脱附用于监控Cl、Br和(可能)其它表面物质的瞬时覆盖。这种方法可以检测当如图10中一样在等离子体中蚀刻衬底时，在时间分辨率为IOns(激光脉冲宽度)的情况下单层覆盖的1%。具有可用激光的高达80或5000脉冲/秒的每个激光脉冲将表面快速加热，从而导致等离子体中形成的通常一半的Si的卤化物(Cl或Br)层热脱附。因此，可以关联于在化学吸附阶段期间以及蚀刻步骤期间的时间来探测表面。原位XPS和原位AFM/STM表面粗糙度测量在等离子体暴露之后，在真空下将样品转移到超高真空室，并且由XPS进行分析。执行角度分辨测量，以测量诸如Cl和Br之类的反应物的穿透深度，并且还用于得到Si的单、双和三卤化物以及Si ”半族，S卩，与硅之间具有三个键并且有一个自由键的深度分布。在受遮盖的样品中，使用电子成像(electronshadowing)来表征暴露于斜角度离子轰击的侧壁。本系统使用这些方法来表征在Cl2和HBr等离子体中进行Si蚀刻之后的表面。就GaN而言，侧壁的原位特征是尤其重要的。对 于这种金属，XPS提供关联于ALET工艺参数的关于表面化学计量的任何变化的大量信息。原位AFM-STM仪器允许在没有暴露于大气的情况下对经处理的表面进行原子分辨率测量。由于快速ALET提供了原子层精度，因此重要的是甚至要避免会造成实验的发现失真的大气污染物的次单层(sub-monolayer)的覆盖。这些测量将有助于识别在重复的ALET周期之后最小化表面粗糙度的工艺参数，从而使得具有精度的蚀刻降为每周期一个单层。连续DC偏压对边界电极的影响图11示出在连续施加到边界电极的不同DC偏压值下，14毫托、300W和cw-Ar等离子体的IED。在图11中，用垂直虚线示出每个DC偏压下在RFEA的位置处由Langmuir探针测得的Vp值。测得的Vp值与IED的峰值能量很好地一致。对于DC偏压的正值，Vp升高，从而使IED移动到更高的能量。对于负DC偏压，在Vp中存在初始的小降低，但是当所施加的偏压变得更负时，Vp达到饱和。与在没有DC偏压的情况下进行测量相比，对于所施加的4V、8V和12V的DC偏压，IED的峰值分别移动3eV、7eV和lleV。由于Vp的微小梯度，导致所施加的偏压和离子能量峰值之间有可能存在IV的差。当施加负DC偏压时，离子能量峰值的移动在比没有偏压的情况下低4V处达到饱和。容易理解，在边界电极上施加DC偏压时的Vp的变化。正偏压消耗来自等离子体中的电子，从而使Vp升高，使得除了最高能电子之外的所有电子保持限制在等离子体中。通过应用小的负偏压(小于几个Te)，当流入边界电极的电流被切断时，Vp的正值变小。边界电极上较大的负偏压造成离子电流发生不可忽略的改变，而对Vp几乎没有影响。离子电流在足够大的负偏压下达到饱和，前提是等离子体密度或Te没有扰动。脉冲等离子体为了得到接近于单能离子轰击，可能希望降低进入鞘层的离子的能量分布，并且保持恒定的鞘层电势。由于通过法拉第屏蔽消除了等离子体电势的RF振荡，进入鞘层的离子的能量分布与Te成比例。因此，降低Te应该会降低能量分布。通过调制等离子体功率(如，脉冲等离子体)，可以降低I；。当在这些条件下向边界电极施加DC偏压时，离子可以加速达到具有窄的能量分布的所需能量。图12示出不同压力下电子温度的时间分辨Langmuir探针测量。对于给定的压力，在等离子体激活之后，IV决速升高，过冲，然后达到准稳态值。如预料的一样，稳态Te随着压力增大而减小。在等离子体关断之后，在余辉中的更长的时间内，Te以逐渐变慢的速率减小。另外，压力越低，Te的衰退越快。在Ar等离子体中，对于能量低于最低受激态(11.55eV的3P2亚稳态)的那些电子，扩散到壁是余辉期间主要的冷却机制。压力越低导致扩散速率越快，因此导致余辉中的Te衰退越快。边界电极上的连续DC偏压图13示出当向边界电极连续施加DC偏压时，在脉冲等离子体条件下的IED。对于每个DC偏压值，IED具有两个峰值。较高能量的较宽峰对应于当等离子体导通时，轰击衬底的离子。这些峰的形状和能量与图11中所示的cw等离子体中观察到的几乎相同。较低能量的较尖峰对应于余辉期间轰击衬底的离子。这些峰的平均能量对应于所施加的DC偏压。在余辉中，在没有DC偏压的情况下，Vp达到非常低的值。当施加正DC偏压时，等离子体电势大致等于这个DC偏压。由于电子能量(或Te)的快速冷却，余辉中的IED的宽度小得多。类似的结果已经表明通过在脉冲电容耦合等离子体的余辉中施加DC偏压得到接近的单能IED。边界电极上的同步脉冲DC偏压虽然以上的方法形成了窄且可调的IED，但是它还留下了大的没有受到很好控制的离子群体，这些离子群体在周期的等离子体导通部分期间进入鞘层。通过在等离子体导通时间段期间切断DC偏压，可以降低这些离子的能量，使得其低于大部分离子辅助的表面反应的阈值。下文中所记录的结果是针对在余辉期间的特 定时间向边界电极施加同步的脉冲正DC偏压的情况下的脉冲等离子体操作。压力的影响在图14中示出在不同的压力值下通过在时间窗Atb = 45-95ms的余辉中施加+24. 4VDC的同步偏压所测得的IED。 22-23V处的尖峰对应于DC偏压，而较低能量的较宽峰源自周期的等离子体导通部分。由于如图9中所示的伴随的Te降低进而Vp降低，导致随着压力增大，较宽峰移动到较低能量。图14中所示的具有两个峰的IED最重要的方面在于，可以通过变化DC偏压和反应器压力来变化宽峰和对应的尖峰之间的间隔。对于实现相对于下面衬底的膜的非常高的选择蚀刻性，这种控制是至关重要的。可以选择压力，使得低能量峰不会产生蚀刻。可以选择DC偏压，使得高能量峰位于蚀刻膜的阈值和蚀刻衬底的阈值之间，前提是这两个阈值之间存在足够的间隔。如下所述，还可以通过变化脉冲等离子体的占空比和/或施加了 DC偏压的余辉中的时间长度，将离子在每个峰下面的比例最优化。余辉中偏置时序的影响还针对不同的开始时间(tb)和时间窗(Atb)，在向边界电极施加同步DC偏压(+24. 4V)的情况下测量余辉中的IED。在IOKHz的120W平均功率和20%的占空比、14毫托和40SCCm的Ar流速的条件下产生脉冲等离子体。在图15(a)和图15(b)中分别示出余辉前期和余辉后期施加DC偏压的情况下的IED。在图15(a)中，偏置开始于余辉中逐渐靠后的时间，并且结束于脉冲中的60ms或者余辉中的40ms，由此Λ tb从18ms变化到38ms。如图14中所示,较高能量峰对应于所施加的偏压,而较低能量峰对应于没有偏压时的VP。当偏置开始于tb = 22ms时(等离子体关断后才2秒时)，如图12中所示，Te仍然高，从而导致相应的高能量峰的宽度较宽。由于tb进一步延迟到余辉中，因此Te减小并且IED的较高能量峰的宽度也减小。在图15(b)中，当如图12中所示TJ逭着时间的变化发生的变化极小时，在余辉之中偏置开始变深。因此，IED的宽度几乎不受偏置开始时间tb的影响。在图15(a)和图15(b)中，Δ tb越大,收集的离子电流越大。在图16中，在保持50μ s或15μ s的恒定Λ tb的同时，变化偏置开始时间tb。脉冲等离子体中的平均功率为120W。当与 10μ s的Te衰退时间相比偏置窗长(为50μ s)时，偏置开始时间对如图16(a)中发送的离子能量分布几乎没有影响。这是因为这些偏置窗内的平均Te低并且大致相等。然而，当Atl^S(Sl5ys)时，余辉前期(tb = 20μ8)中的偏置开始时间导致如图16b中所示的宽IED峰。随着tb移动到余辉中的后期，IED的宽度逐渐减小。而且，IED的宽度与对应的偏置窗期间的Te相关。通过在如图17中所示保持恒定Atb = 50 μ s的同时变化等离子体功率调制频率(5、7. 5和IOkHz)来进行另外的实验。在14毫托的Ar压力下，以20%的占空比并且以120W的平均功率产生脉冲等离子体。随着调制频率降低，在保持相同占空比的情况下，激活辉光和余辉的持续时间都延长。在这种情况下，对于5kHz、7. 5kHz和IOkHz的调制频率，tb分别为145μ 8、75μ S和45 μ S。对于所有这三种调制频率，低能量的峰都几乎相同，这是因为激活发光的持续时间比Te的衰退时间长，并且因此对Vp也一样。另一方面，随着调制频率减小，较高能量的峰变得较窄和较小，这是因为在较低的调制频率下等离子体的衰退时间较长，从而导致I；较低。通过图17(b)中的归一化曲线，更清楚地示出峰的FWHM随着调制频率的降低而变窄。·
在图18中示出在两个不同的占空比(20%和50% )下14毫托的Ar脉冲等离子体的IED。从70 μ s到98 μ s，在余辉中施加+24. 4V的同步DC偏压。在IOkHz的调制频率下，对于20%和50%的占空比，平均功率分别为120W和280W。对于较长的占空比，峰下面的面积较大。对于20%的占空比，较高的能量峰值具有较小的宽度，这是由于等离子体衰退的时间较长，从而导致Te和Vp较低。与20%占空比的情况不同，如图12中所示，在50%的占空比下施加偏压期间，Te仍然相当高，从而导致残压Vp高达3. 7V，而对于20%的占空比，Vp仅为I. 9V。残压Vp的这种差异解释了图18中相应IED的不同宽度。IED峰下面的面积与偏置窗期间收集的离子电荷成比例。使用离子的Bohm通量^ = θ ns uB(其中，ns是鞘层边缘的离子密度并且uB是Bohm速度)和已知的偏置时间来估计所述电荷。通过使用测得的离子密度nb(ns = O. 6nb)以及偏置持续时间内平均的电子温度，事实上发现估计出的离子电荷与图15至图18的相应峰下面的面积成比例。IED的能量分布随着压力从图14中的7毫托下的I. 7eV到50毫托下的2. 5eV，与所施加的DC偏压对应的峰的半峰全宽(FWHM)增大。这些峰比没有偏置的情况下来自激活发光的离子的峰紧得多，尽管仍然比RFEA的能量分辨率宽得多。估计后者为DE/E 2%，或者在E = 25V时候FWHM为O. 5eV。经过差动泵吸的RFEA中的碰撞可以忽略不计，因为局部压力的大小比放电压力低大约两个数量级，从而使得与所使用的最高等离子体压力对应的离子平均自由程( 15cm)比的分析仪长度( Icm)长得多。在鞘层中的确出现一些离子-中性粒子碰撞。这些可能就是在较高压力下IED “拖尾”到峰左部的原因，但是不希望这些成为余辉中观察到的I. 7eV至2. 5eV的宽度的主要成因。例如，14毫托下的离子平均自由程大约为Xi = O. 2cm，这是根据Child定律的估计出的鞘层宽度( 250 μ m)的10倍。这导致出现离子碰撞的概率P。= 1-exp (-s/λ j)为 10%。注意的是，等离子体密度随着压力而强烈地增加，从而造成鞘层宽度减小，这与平均自由程随着压力而减小相反。预鞘层中的离子-中性粒子碰撞可以对IED的分布有明显的贡献。根据离子碰撞影响，IED的FWHM可以是几个T6。
权利要求
1.一种系统，包括 脉冲等离子体源，其包括 螺旋线圈电极，其围绕室设置； 入口，其设置在管中并且与工艺气体源流体连通；以及 反应室，其与所述脉冲等离子体源流体连通，其包括 衬底支撑件；以及 边界电极。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述螺旋线圈电极耦合到脉冲发生器，其中，所述脉冲发生器包括 至少一个射频函数发生器；以及 阻抗匹配网络。
3.根据权利要求I所述的系统，还包括对向电极，所述对向电极设置在所述反应室的顶部附近，并且至少部分延伸到所述反应室中。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述对向电极与所述衬底支撑件相对垂直设置。
5.根据权利要求I所述的系统，其中，所述入口连接到气体源，所述气体源选自由氧气、氧化的气体、惰性气体(noble gas)、卤素、卤化的气体、氮气、氢气、氧气及其组合组成的组。
6.根据权利要求I所述的系统，其中，所述边界电极设置在所述反应室内，大致与所述衬底支撑件在水平方向上相邻。
7.根据权利要求I所述的系统，其中，所述衬底支撑件包括脉冲电极。
8.一种蚀刻衬底的方法，包括 将原料气引入等离子体室，所述原料气包括惰性气体和反应物气体的混合物； 将所述衬底设置在所述等离子体室中； 由所述原料气产生等离子体，所述等离子体含有反应物和离子； 利用反应物使衬底表面达到饱和以形成产物层，所述产物层包括所述反应物物质(species)的单层和所述衬底的第一单层原子；以及 通过将所述产物层暴露于所述离子，去除所述产物层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在第一时间段期间发生所述产生和所述饱和，并且在第二时间段期间发生所述去除。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述第一时间段的第一部分期间，向所述等离子体源施加第一 RF功率电平。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第一时间段的第二部分期间，关断所述等离子体源。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第二时间段期间，向所述等离子体源施加RF功率脉冲，所述RF功率脉冲具有大于所述第一 RF功率电平的第二 RF功率电平。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述第二时间段期间向所述电极施加偏压脉冲，其中，在所述第二时间段期间施加的所述RF功率脉冲和所述偏压脉冲顺序地交替，并且其中，按大约10 μ S从至少一个所述RF脉冲中去除至少一个所述偏压脉冲。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第二时间段期间向所述电极施加正偏压脉冲，其中，所述电极向所述等离子体提供正偏压脉冲。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第二时间段期间向所述电极施加负偏压脉冲，并且其中，所述电极电耦合到所述衬底，以向所述衬底提供所述负偏压脉冲。
16.根据权利要求8所述的方法，其中，通过增加所述等离子体和所述衬底之间的电势差，以将所述等离子体中的离子导向所述衬底，执行所述去除所述产物层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过向所述等离子体施加正电压和向所述衬底施加负电压中的至少一者，执行所述增加所述电势差。
18.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述原料气连续地引入所述室。
19.一种处理衬底的方法，包括 从等离子体余辉中将离子导向其中利用第一物质饱和的衬底表面。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括 用所述离子去除所述第一物质和衬底原子的单层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一物质包含反应物物质。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括 向所述等离子体提供脉冲RF功率，其中，在所述RF脉冲之间执行所述引导所述离子。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，通过向所述衬底附近的电极提供偏压脉冲来执行所述引导所述离子，其中，施加到所述电极的所述偏压脉冲和施加到所述等离子体源的所述RF功率脉冲顺序地交替。
全文摘要
本发明提供了一种快速原子层蚀刻(ALET)的系统和方法，该系统包括具有螺旋线圈电极的脉冲等离子体源、冷却法拉第屏蔽、设置在管顶部的对向电极、气体入口、以及包括衬底支撑件和边界电极的反应室。该方法包括将可蚀刻的衬底设置在等离子体蚀刻室中；在衬底表面上形成产物层；通过脉动等离子体源来去除产物层的一部分；然后重复形成产物层的步骤和去除产物层的一部分的步骤，以形成经蚀刻的衬底。
文档编号H01L21/3065GK102934208SQ201080026879
公开日2013年2月13日 申请日期2010年12月14日 优先权日2009年12月15日
发明者文森特·M·唐纳利, 多美崔·J·埃科诺穆 申请人:休斯敦大学体系