产生离子能量分布函数(IEDF)的制作方法

产生离子能量分布函数(iedf)
本申请是申请日为2017年12月11日、申请号为201780073879.4、名称为“产生离子能量分布函数(iedf)”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
1.本公开文本的实施例总的来说涉及用于处理基板的系统和方法，并具体来说，涉及用于基板的等离子体处理的系统和方法。


背景技术：

2.典型的反应离子蚀刻(rie)等离子体处理腔室包括射频(rf)偏压发生器(射频(rf)偏压发生器向“功率电极”供应rf电压)、嵌入“静电吸盘”(esc)中的金属底板(更常被称为“阴极”)。图1(a)描绘将供应给典型处理腔室中的功率电极的典型rf电压的曲线图。功率电极通过作为esc组件的一部分的陶瓷层电容耦合到处理系统的等离子体。等离子体鞘层的非线性、类二极管性质导致所施加的rf场的整流，使得在阴极与等离子体之间出现直流(dc)电压降或“自偏压”。所述电压降确定朝阴极加速的等离子体离子的平均能量，并因此确定了蚀刻各向异性(anisotropy)。
3.更具体来说，离子方向性、特征分布和对掩模与终止层的选择性由离子能量分布函数(iedf)控制。在具有rf偏压的等离子体中，iedf通常在低能量和高能量下具有两个峰，并且在其间有一些离子群。在iedf的两个峰之间的离子群的存在反映阴极与等离子体之间的电压降以偏压频率振荡的事实。当使用较低频率(例如2mhz)的rf偏压发生器来获得较高的自偏压电压时，这两个峰之间的能量差异可能是显著的，且由于离子位于低能量峰从而蚀刻是更各向同性的，这可能引起特征壁弯曲。相较于高能离子，在到达特征底部的角落处的方面上低能离子的效率不佳(例如由于充电效应)，但使得有较少的掩模材料的溅射。这在高深宽比蚀刻应用(诸如硬掩模开口)中是重要的。
4.随着特征尺寸继续减小且深宽比增加同时特征分布控制要求变得更加严格，在处理期间更期望在基板表面处具有受良好控制的iedf。单峰iedf可以用于构建任何iedf(包括具有受独立控制的峰高和能量的双峰iedf)，这对于高精度等离子体处理是非常有益的。产生单峰iedf需要基板表面处相对于等离子体(即，确定离子能量的鞘层电压(sheath voltage))具有几乎恒定的电压。假设时间常数的等离子体电势(其通常接近零或处理等离子体中的接地电势)，则这需要基板相对于地面(即基板电压)维持几乎恒定的电压。这无法通过简单地将直流电压施加到功率电极来实现，因为离子电流恒定地对基板表面充电。如此一来，所有所施加的直流电压将在基板和esc的陶瓷部分(即吸盘电容)上降低(drop)，而不是在等离子体鞘层(即鞘层电容)上降低。为了克服这个问题，已经开发了一种特定的整形脉冲偏压方案，其使得所施加的电压在吸盘与鞘层电容之间被分开(我们忽略了基板上的电压降，因为它的电容通常远大于鞘层电容)。此方案为离子电流提供补偿，这允许鞘层电压和基板电压在高达每个偏压电压周期的90％期间保持恒定。更准确地说，此偏压方案允许维持特定的基板电压波形，其可以被描述为负直流偏移(negative dc
‑
offset)(图1
(b))顶部上的一周期性系列的短正脉冲。在每个脉冲期间，基板电势达到等离子体电势并且鞘层短暂塌陷，但是对于每个周期的90％左右，鞘层电压保持恒定且等于每个脉冲结束时的负电压跳变，从而确定平均离子能量。图1(a)描绘经发展以产生此特定基板电压波形的特定整形脉冲偏压电压波形的曲线图，并且特定整形脉冲偏压电压波形因而能够保持鞘层电压几乎恒定。如图2所描绘，整形脉冲偏压波形包括：(1)正跳变，所述正跳变用于去除在补偿阶段期间累积于吸盘电容上的额外电荷；(2)负跳变(v
out
)，所述负跳变用于设定鞘层电压(v
sh
)的值
‑
即，v
out
在串联连接的吸盘与鞘层电容器之间分开，并且因此确定(但通常大于)基板电压波形中的负跳变；和(3)负电压斜坡，所述负电压斜坡用于在这个长的“离子电流补偿阶段”期间补偿离子电流并保持鞘层电压恒定。我们强调，可以存在其他的整形脉冲偏压波形，其也允许维持图1(b)所示的特定基板电压波形(以几乎恒定的鞘层电压为特征)，并因此能够产生单能iedf。例如，若静电吸盘电容远大于鞘层电容，则上面(3)中所述的负电压斜坡阶段可用恒定电压阶段来代替。以下所提的部分系统和方法也可以用这些其他的整形脉冲偏压波形来实现，并且我们将在适用的情况下对此进行特别说明。
5.尽管单峰iedf被广泛认为是改进选择性和特征分布的非常期望的iedf形状，但是在一些蚀刻应用中，需要具有不同形状的iedf，诸如较宽形状的iedf。


技术实现要素：

6.本说明书提供了使用整形脉冲偏压来产生任意形状的离子能量分布函数的系统和方法。
7.在一些实施例中，一种方法包括以下步骤：将整形脉冲偏压施加到工艺腔室的电极且以预定的方式调制负电压跳变(v
out
)的幅度以及因此调制鞘层电压(v
sh
)，使得在特定幅度处的脉冲的相对数量确定与此幅度对应的离子能量处的相对离子比例。我们强调这个方案可以用允许维持图1(b)所示的特定基板电压波形(以几乎恒定的鞘层电压为特征)的任何整形脉冲偏压波形(不一定是图1(a)所示的整形脉冲偏压波形)，并因此能够产生单能iedf。
8.在一些其他实施例中，一种方法包括以下步骤：施加具有图1(a)中所示的电压波形的整形脉冲偏压，以及在离子补偿阶段期间产生具有比维持恒定基板电压所需的负斜率(dv/dt)更负的斜率(more negative slope)的电压斜坡，即过度补偿(overcompensate)离子电流。在一些其他实施例中，一种方法包括以下步骤：施加具有图1(a)中所示的电压波形的整形脉冲偏压，以及在离子补偿阶段期间产生具有相比维持恒定基板电压所需的负斜率(dv/dt)较不为负的斜率(less negative slope)的电压斜坡，即对离子电流补偿不足(undercompensate)。
9.本公开文本的其他和进一步的实施例描述如下。附图简单说明
10.本公开文本的实施例已简要概述于前，并在以下对其更详细地论述，可以通过参考附图中所描绘的本公开文本的实施例来了解本公开文本的实施例。然而，附图仅描绘了本公开文本的典型实施例，并由于本公开文本可允许其他等效的实施例，因此附图并不被视为对本公开文本范围的限制。
11.图1(a)描绘了经发展能够保持鞘层电压恒定的特定整形脉冲的曲线图。
12.图1(b)描绘了由图1(a)的偏压方案所得到的特定基板电压波形的曲线图，所述偏压方案允许鞘层电压和基板电压在高达每个偏压电压周期的90％期间保持恒定。
13.图1(c)描绘了由图1(a)的偏压方案所得到的单峰iedf的曲线图。
14.图2描绘了在其中可以应用根据本原理的实施例的基板处理系统。
15.图3描绘了根据本原理的实施例的用于设定基板电压的值的电压脉冲的曲线图。
16.图4描绘了根据本原理的实施例的针对图3的所选电压脉冲的所得到的iedf的图形表示。
17.图5描绘了根据本原理的实施例的被修改以对离子电流过度补偿及补偿不足的图1的特定整形脉冲的曲线图。
18.图6描绘了由图5的特殊整形脉冲偏压所得到的晶片上的感应电压脉冲的曲线图。
19.图7描绘了根据本原理的实施例的针对图6的电压脉冲的所得到的iedf的图形表示。
20.图8描绘了根据本原理的实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。
21.图9描绘了根据本原理的另一实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。
22.图10描绘了根据本原理的另一实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。
23.为便于理解，在可能的情况下，使用相同的数字编号代表附图中相同的元件。为了清楚起见，附图未依比例描绘并可能被简化。一个实施例中的元件与特征可有利地用于其他实施例中而无需赘述。
具体实施方式
24.本文提供了使用整形脉冲偏压来产生任意形状的离子能量分布函数的系统和方法。本发明的系统和方法有利地通过调制整形脉冲偏压波形的幅度来促进产生任意形状的离子能量分布函数(iedf)。本发明方法的实施例可以有利地提供对电压波形的整形以提供任意的iedf形状，例如具有较宽轮廓的iedf。在本文的描述中，术语晶片和基板可以互换使用。
25.图2描绘了其中可以应用根据本原理的实施例的基板处理系统200的高级示意图。图2的基板处理系统200说明性地包括基板支撑组件205和偏压供应230。在图2的实施例中，基板支撑组件205包括基板支撑基座210、功率电极213以及将功率电极213与基板支撑组件205的表面207分离的陶瓷层214。在各种实施例中，图2的系统200可包括等离子体工艺腔室的部件，诸如可从加利福尼亚州圣克拉拉的应用材料公司(applied materials，inc.)取得的advantedge
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和avatar
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或者其他工艺腔室。
26.在一些实施例中，偏压供应230包括用于存储控制程序的存储器以及用于执行控制程序的处理器，以根据本文所述原理的实施例，控制将由偏压供应230提供给功率电极213的电压并至少调制晶片电压的幅度以产生预定数量的脉冲，并且替代地或另外地，向电极施加负跳变电压以设定晶片的晶片电压，或向电极施加对晶片上的离子电流过度补偿或补偿不足的斜坡电压。在替代实施例中，图2的基板处理系统200可以包括可选的控制器
220，所述控制器220包括用于存储控制程序的存储器以及用于执行控制程序的处理器，以与偏压供应230通信从而根据本文所述的本发明原理的实施例来至少控制由偏压供应230将提供给功率电极213的电压，并至少调制晶片电压的幅度以产生预定数量的脉冲，并且替代性地或另外地，将负跳变电压施加到电极以设定晶片的晶片电压或向电极施加对晶片上的离子电流过度补偿或补偿不足的斜坡电压。
27.在操作中，待处理的基板定位在基板支撑基座210的表面上。在图2的系统200中，来自偏压供应230的电压(整形脉冲偏压)被供应到功率电极213。等离子体鞘层的非线性、类二极管特性导致对所施加的rf场的整流，使得在阴极与等离子体之间出现直流(dc)电压降或“自偏压”。此电压降确定朝阴极加速的等离子体离子的平均能量。离子方向性和特征分布由离子能量分布函数(iedf)控制。根据本文所述的本原理的实施例，偏压供应230可以向功率电极213供应特定整形脉冲偏压。此偏压方案允许保持特定的基板电压波形，其可以被描述为负直流偏移(negative dc
‑
offset)(图1(b))顶部上的一周期性系列的短正脉冲。在每个脉冲期间，基板电势达到等离子体电势且鞘层短暂塌陷(collapse)，但是在每个周期的约90％内，鞘层电压保持恒定并且等于每个脉冲结束时的负电压跳变，从而确定平均离子能量。
28.参考回图1(a)，整形脉冲偏压信号的幅度以及因此晶片电压由v
out
来表示。发明人确定，在根据本原理的至少一些实施例中，可以通过调制整形脉冲偏压信号的幅度和频率来控制iedf的形状。此方法包括以下步骤：将整形脉冲偏压施加到工艺腔室的电极并以预定的方式调制负电压跳变(v
out
)的幅度以及因此调制鞘层电压(v
sh
)，使得在特定幅度处的脉冲的相对数量确定在与特定幅度对应的离子能量处的相对离子比例。每个幅度处的脉冲数量必须足以引起从一个鞘层电压到下一个鞘层电压的转换，在此期间建立相应的esc电荷。接着在工艺步骤的持续时间期间一次又一次重复包括具有给定幅度的脉冲列(trains of pulses)的串(burst)(图3)。有效串(开启相位(on
‑
phases))可与休止(silence)周期(关闭相位(off
‑
phases))交错。每个开启相位的持续时间相对于串的总持续时间(将开启相位与关闭相位相组合)由工作周期确定，且串的总持续时间(周期)等于串频率的倒数。或者，每个串可由具有给定(和相同)幅度的一系列脉冲组成，并接着使用具有不同幅度的串的列来界定iedf。具有给定幅度的串(所述串在列中)的相对数量确定了在特定能量下离子的相对部分，且这些串中的脉冲的负跳变幅度(v
out
)确定了离子能量。接着，在制法步骤的持续时间内一次又一次重复预定的串的列。例如，为了产生一个在低能量峰中包含25％的离子且在高能峰值中包含75％的离子的双峰iedf，脉冲列需要由具有对应于高离子能量的负跳变幅度的3个脉冲串以及具有对应于低离子能量的幅度的1个脉冲串组成。此类脉冲列可以被指定为“hhhl”。进而，为了产生具有相同高度的3个能量峰(高(h)、中(m)和低(l))的iedf，需要具有对应于h、m和l离子能量的不同幅度的3个串的列，且可以被指定为“hml”。通过由具有预定负跳变幅度的单个串(具有开启相位和关闭相位)组成的列来产生单峰iedf。我们强调这个方案可以用允许维持图1(b)所示的特定基板电压波形(以几乎恒定的鞘层电压为特征)的任何整形脉冲偏压波形(不一定是图1(a)所示的整形脉冲偏压波形)，并因此能够产生单能iedf。
29.例如，图3描绘了根据本原理的实施例的将要由电源供应到处理腔室电极以设定基板电压的值的电压脉冲的曲线图。在图3的实施例中，晶片电压的完整跳变确定离子能
量，而对应于电压跳变的脉冲数量(如总持续时间)确定在此能量下(即iedf)的相对离子比例。
30.图4描绘了根据本原理的实施例的针对图3的所选电压脉冲得到的iedf的图形表示。如图4所描绘，图3的多个电压脉冲导致较宽的iedf，这在需要较宽离子能量分布的如硬掩模开口高深宽比蚀刻之类的应用中可以是有利的。
31.根据本原理，由电源供应给处理腔室电极的电压脉冲的幅度和频率的控制能够提供特定蚀刻工艺与应用所需的良好控制且良好界定的iedf形状。
32.在根据本原理的另一个实施例中，一种方法包括以下步骤：施加具有图1(a)中所示的电压波形的整形脉冲偏压，以及在离子补偿阶段期间产生具有比维持恒定基板电压所需的负斜率(dv/dt)更负的斜率的电压斜坡，即过度补偿离子电流。这得到图6所示的基板电压波形，其中在离子电流补偿阶段期间基板电压的幅度(以及因此鞘层电压和瞬时离子能量)增加。这产生图7所示的离子能量扩展和非单能iedf，其中iedf宽度由所施加的整形脉冲偏压波形的负斜率控制。例如，根据本原理的一个实施例，图5描绘了被修改以对给晶片充电的离子电流进行过度补偿的图1(a)的特定整形脉冲的曲线图。如图5所示，旨在为给晶片充电的离子电流进行补偿的图1(a)的电压斜坡在本原理的图5的特定整形脉冲中被修改，以对给晶片充电的离子电流进行过度补偿。如图5所描绘，旨在中和晶片表面的图1的正跳变不再中和本原理的图5的特定整形脉冲中的晶片表面。
33.图6描绘了由图5的特定整形脉冲偏压得到的晶片上的感应电压脉冲的图。如图6所描绘，电压跳变确定离子能量，且能量宽度由循环期间的最小和最大晶片电压跳变确定。
34.图7描绘了根据本原理的实施例的针对图6的电压脉冲的所得到的iedf的图形表示。如图7所描绘，施加图5的过度补偿的特定整形脉冲所得到的iedf包括较宽的双峰分布，其中v
最小
和v
最大
确定iedf宽度，但不一定与能量峰重合。根据本原理的过度补偿能够实现比通过混合2个rf频率(例如2mhz和13.56mhz)可实现的控制精度更高的控制精度。
35.在根据本原理的另一个实施例中，一种方法包括以下步骤：施加具有图1(a)所示的电压波形的整形脉冲偏压，以及在离子补偿阶段期间产生具有相比于维持恒定基板电压所需的负斜率(dv/dt)较不为负的斜率的电压斜坡，即对离子电流补偿不足。这得到图6所示的基板电压波形，其中在离子电流补偿阶段期间基板电压的幅度(以及因此鞘层电压和瞬时离子能量)减少。这产生图7所示的离子能量扩展和非单能iedf，其中iedf宽度由所施加的整形脉冲偏压波形的负斜率控制。例如，参考回到图5，根据本原理的一个实施例，图5描绘了被修改以对给晶片充电的离子电流补偿不足的图1的特定整形脉冲的曲线图。如图5所描绘，旨在对给晶片充电的离子电流进行补偿的图1的电压斜坡在本原理的图5的特定整形脉冲中被修改，以对给晶片充电的离子电流补偿不足。如图5所描绘，旨在中和晶片表面的图1的正跳变不再中和本原理的图5的特定整形脉冲中的晶片表面。
36.参考回图7，描绘针对本原理的实施例的补偿不足的所得的iedf的图形表示。如图7所描绘，施加图5的补偿不足的特定整形脉冲所得到的iedf包括较宽的单峰分布。
37.图8描绘根据本原理的实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。方法800可以在802处开始，在802期间向电极施加负跳变电压以设定晶片电压。方法800接着可以前进到804。
38.在804处，调制晶片电压的幅度以产生预定数量的脉冲，从而确定离子能量分布函
数。
39.接着可以退出方法800。
40.图9描绘根据本原理的另一实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。方法900可以在902处开始，在902期间向工艺腔室的电极施加正跳变电压以中和晶片表面。方法900接着可以前进到904。
41.在904处，向电极施加负跳变电压以设定晶片电压。方法900接着可以前进到906。
42.在906处，向电极施加过度补偿晶片上的离子电流的斜坡电压。接着可以退出方法900。
43.图10描绘根据本原理的另一实施例的用于产生任意形状的离子能量分布函数的方法的流程图。方法1000可以在1002处开始，在1002期间向工艺腔室的电极施加正跳变电压以中和晶片表面。方法1000接着可以前进到1004。
44.在1004处，向电极施加负跳变电压以设定晶片电压。方法1000接着可以前进到1006。
45.在1006处，向电极施加对晶片上的离子电流补偿不足的斜坡电压。接着可以退出方法1000。
46.尽管前面所述针对本公开文本的实施例，但是在不背离本公开文本的基本范围的情况下，可以设计本公开文本公开的其他与进一步的实施例。