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CN119318005A - 在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的方法和装置 - Google Patents

在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的方法和装置 Download PDF

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CN119318005A
CN119318005A CN202280096776.0A CN202280096776A CN119318005A CN 119318005 A CN119318005 A CN 119318005A CN 202280096776 A CN202280096776 A CN 202280096776A CN 119318005 A CN119318005 A CN 119318005A
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cycle
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cycles
plasma
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清水大亮
凌厉
渡边光
竹下健二
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Applied Materials Inc
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Abstract

提供了一种用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻基板的方法和装置。在一个示例中，所述方法包括将在基板支撑件的基板支撑表面上设置的基板暴露于处理腔室内的等离子体，以及在多个宏观蚀刻循环期间在将基板暴露于等离子体的同时将电压波形施加于在基板支撑件中设置的电极。每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期。所述宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通(BRON)周期和偏置功率断开(BPOFF)周期，其中BRON周期的持续时间小于BPOFF周期的持续时间。在第二宏观蚀刻周期期间，偏置功率主要未施加于电极。

Description

在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的方法和装置
背景
技术领域
本公开的实施例总体上是涉及在半导体设备制造中使用的系统和方法。更具体地，本文提供的实施例总体上包括用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的装置和方法。
背景技术
可靠地产生高深宽比特征是下一代半导体设备的关键技术挑战之一。一种形成高深宽比特征的方法使用等离子体辅助蚀刻工艺，诸如反应性离子蚀刻(RIE)等离子体工艺，用于在基板的材料层(诸如介电层)中形成高深宽比开口。在常见的RIE等离子体工艺中，等离子体在处理腔室中形成并且来自等离子体的离子朝向基板表面加速以在基板表面上形成的掩模层之下设置的材料层中形成开口。
常见的反应性离子蚀刻(RIE)等离子体处理腔室包括射频(RF)生成器，所述RF生成器将RF功率供应到功率电极，诸如邻近“静电夹盘”(ESC)组件定位的金属板，更通常地称为“阴极”。功率电极可以穿过为ESC组件的一部分的介电材料(例如，陶瓷材料)的厚层电容耦合到处理系统的等离子体。在电容耦合的气体放电中，等离子体通过使用经由RF匹配网络(“RF匹配”)耦合到功率电极、或在ESC组件外侧并且在处理腔室内设置的分离功率电极的射频(RF)生成器来产生，所述RF匹配网络将视在负载调谐到50Ω以最小化反射功率并且最大化功率递送效率。
在高深宽比蚀刻应用中，维持所蚀刻特征的垂直性经常成为挑战。接地返回路径、RF功率应用、图案密度、流动传导、以及基板充电等等中的任一者的不对称性经常导致所蚀刻特征的侧壁的垂直性损失(也称为倾斜)。在一些情况下，侧壁倾斜对设备性能具有不利影响，并且可能甚至导致设备故障。
因此，需要用于等离子体蚀刻的改进方法和装置。
发明内容
提供了用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的方法和装置。在一个示例中，所述方法包括将在基板支撑件的基板支撑表面上设置的基板暴露于处理腔室内的等离子体，以及在多个宏观蚀刻循环期间在将基板暴露于等离子体的同时将电压波形施加于在基板支撑件中设置的电极。每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期。宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通(BPON)周期和偏置功率断开(BPOFF)周期，其中BPON周期的持续时间小于BPOFF周期的持续时间。在第二宏观蚀刻周期期间，偏置功率主要未施加于电极。
在另一示例中，提供了用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻半导体基板的方法，所述方法包括：由包含碳和至少一种卤素的处理气体形成等离子体，将在半导体基板上设置的介电层暴露于等离子体蚀刻腔室内的等离子体，以及在多个宏观蚀刻循环期间在暴露于等离子体的同时将偏置功率施加到半导体基板，直到到达终点。每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期。宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通周期和偏置功率断开周期。BPON周期的持续时间小于BPOFF周期的持续时间。在第二宏观蚀刻周期期间，偏置功率主要未施加于电极。在至少宏观蚀刻循环中，偏置功率接通周期的持续时间比第一宏观蚀刻周期的持续时间小至少两个数量级，偏置功率断开周期的持续时间比第二宏观蚀刻周期的持续时间小至少两个数量级。
在又另一示例中，提供了一种等离子体蚀刻腔室。等离子体蚀刻腔室包括具有内部体积的腔室主体、在腔室主体的内部体积中设置的基板支撑件、偏置功率控制系统、气体面板、以及控制器。基板支撑件被配置为在处理期间将半导体基板固定在基板支撑件上。基板支撑件具有偏置电极。偏置功率控制系统耦合到偏置电极。气体面板被配置为将处理气体提供到内部体积。控制器被配置为将由处理气体形成的等离子体维持在等离子体蚀刻腔室内，并且在多个宏观蚀刻循环期间将在基板支撑件上设置的半导体基板暴露于等离子体的同时将偏置功率施加到偏置电极。每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期。宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通周期和偏置功率断开周期。BPON周期的持续时间小于BPOFF周期的持续时间。在第二宏观蚀刻周期期间，偏置功率主要未施加于电极。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征所用方式，可参考实施例进行对上文简要概述的本公开的更特定描述，一些实施例在附图中示出。然而，将注意，附图仅示出示例性实施例，并且因此不被认为限制其范畴，且可允许其他同等有效的实施例。
图1是用于蚀刻基板的方法的一个示例的流程图。
图2A至图2D是在蚀刻工艺(诸如但不限于参考图1描述的方法)的各个阶段期间的基板的局部横截面图。
图3是偏置功率时序图的一个示例，示出在执行用于蚀刻基板的方法期间用于到达终点的多个宏观蚀刻循环。
图4是进一步详述一个宏观蚀刻循环的偏置功率时序图的一个示例。
图5是被配置为实践本文描述的方法的示例性等离子体蚀刻腔室的示意性横截面图。
为了便于理解，相同附图标记在可能的情况下已经用于标识图中共有的相同元件。可以构想，一个实施例的元件和特征可有利地并入其他实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开的实施例通常涉及在半导体设备制造中使用的系统。更具体地，本文提供的实施例通常包括用于以减少所蚀刻特征的垂直侧壁的倾斜的方式在等离子体蚀刻腔室中蚀刻基板的装置和方法。此种改进已经通过调节用于将偏置功率施加到基板支撑件的电极的波形来实现，所述基板支撑件用于在宏观和微观方案中在蚀刻期间支撑基板。在宏观方案中，多个宏观蚀刻循环用于蚀刻基板。波形包括周期，其中在每个宏观蚀刻循环的一部分期间偏置功率基本上停止以允许从等离子体蚀刻腔室排放蚀刻副产物。通过从腔室周期性清除蚀刻副产物，蚀刻剂可能更有效地以垂直轨迹递送到正在蚀刻的特征。在波形的微观方案中，在每个宏观蚀刻循环的一部分期间利用多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环包括其中偏置功率接通的第一周期、以及其中偏置功率基本上停止的第二周期。第二周期的持续时间大于第一周期的持续时间，以为蚀刻副产物离开正在蚀刻的特征(诸如孔、沟槽等)提供时间。通过从所蚀刻特征周期性地清除蚀刻副产物，蚀刻剂可能更有效地以垂直轨迹递送到所蚀刻特征的底部。在蚀刻剂与蚀刻副产物之间的减少的碰撞数量使蚀刻剂能够在到所蚀刻特征的底部的所有路径中维持基本上垂直的轨迹，由此有利地导致侧壁的蚀刻减少并且由此导致所蚀刻特征的侧壁的优异垂直性。当通过蚀刻形成高深宽比特征时，增强的垂直性是特别期望的。
现转到图1，示出了用于蚀刻基板的方法100的一个示例的流程图。方法100可在等离子体蚀刻腔室中实践，稍后在图5中描绘其示例。方法100可替代地在其他合适的等离子体处理腔室中实践。方法100附加参考图2A至图2D最佳地描述，图2A至图2D示出了在蚀刻方法100的各个阶段期间基板200的局部横截面图。方法100可用于蚀刻垂直通孔和沟槽等等特征。当蚀刻高深宽比(大于10的高度与宽度的比率)特征时方法100是特别有用的，其中所蚀刻特征的垂直性对设备性能具有高影响。
方法100开始于操作102：将在基板支撑件的基板支撑表面上设置的基板200暴露于等离子体蚀刻腔室内的等离子体。如在图2A中描绘的，基板200通常包括在待蚀刻的目标材料202的顶表面210上设置的图案化掩模204。掩模204可以是光阻剂、硬掩模、其组合或其他合适掩模。图案化掩模204包括开口206，所述开口使目标材料202的顶表面210的部分208暴露于等离子体蚀刻腔室内的等离子体以用于蚀刻。基板200可具有在目标材料202的底表面212下方设置的一个或多个附加层(未示出)。
在一个示例中，目标材料202是介电层。例如，目标材料202可以是氧化物层。在又其他示例中，目标材料202可以是金属或半导体材料。
在其他示例中，目标材料202可包括多个层。在图2A中，目标材料202包括在第二材料202B上设置的第一材料202A。第一材料202A和第二材料202B是不同材料。例如，第一材料202A中的一者是氧化物层或氮化物层，而第二材料202B是氧化物层或氮化物层中的另一者。在又其他示例中，目标材料202包括多个交替的氧化物和氮化物层对。
等离子体可在等离子体蚀刻腔室内形成，或从等离子体蚀刻腔室远程形成并且递送到等离子体蚀刻腔室中。等离子体通常由适用于蚀刻目标材料202的处理气体形成。例如，当目标材料202是介电材料时，处理气体可包括含碳和卤素的气体。合适的含碳和卤素的气体的示例包括CXHYFZ的变型，其中X、Y和Z是整数。合适的含碳和卤素的气体的其他示例包括CXFZ的变型，其中X和Z是整数。在又其他示例中，其中目标材料202包括一种或多种金属，处理气体可包括Cl和/或氧。在又其他示例中，其中目标材料202是硅，处理气体可包括Cl和/或氟，诸如四氯化碳(CCl4)、三氟甲烷(CHF3)等。在以上示例中的任一者中，一种或多种聚合物清洁气体(诸如O2、N2、NF3等)和/或一种或多种惰性气体(诸如He、Ar、Kr等)可以可选地提供为处理气体的部分。
在操作104处，在多个宏观蚀刻循环期间将基板200暴露于等离子体以蚀刻基板200的同时，将电压波形施加到在基板支撑件中设置的电极，如图2B中所描绘的。每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期。第一宏观蚀刻周期通常用于蚀刻穿过图案化掩模204中的开口206暴露的基板200的目标材料202的部分208。每个宏观蚀刻循环的持续时间可以毫秒计。在宏观蚀刻循环内，第一宏观蚀刻周期通常长于第二宏观蚀刻周期。例如，第一宏观蚀刻周期可以是第二宏观蚀刻周期的三倍或更长。
在第一宏观蚀刻周期期间，电压波形包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环的持续时间可以微秒计。因此，宏观蚀刻周期的持续时间通常比微观蚀刻循环的持续时间大一个数量级，例如，2个到3个或更多个数量级。
每个微观蚀刻循环包括偏置功率接通周期和偏置功率断开周期。在偏置功率接通周期期间，将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极。在偏置功率断开周期期间，DC功率主要不施加到在基板支撑件中设置的电极，其中主要不施加DC功率被定义为在零与偏置功率断开周期的持续时间的10％之间不施加来自耦合到电极的DC电源的DC功率。在一个示例中，基本上不将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极达偏置功率断开周期的整个持续时间。
在偏置功率接通周期期间施加到电极的DC功率有效地将蚀刻剂从等离子体垂直地引导至特征224中以蚀刻目标材料202的暴露部分208。类似地，在偏置功率断开周期期间主要不将DC功率施加到电极的情况下，未蚀刻基板200的目标材料202，由此允许蚀刻副产物离开所蚀刻特征224。有利地，由于偏置功率断开周期允许基本上从特征224移除蚀刻副产物，在下一偏置功率接通周期中施加的DC功率允许以减少的与特征224中的副产物碰撞的可能性将蚀刻剂垂直地引导至所蚀刻特征224的底部220，从而导致垂直地蚀刻特征的底部220，而较少蚀刻特征224的侧壁222。减少的特征224的侧壁222的蚀刻有利地导致侧壁222的高度垂直性。
类似地在第二宏观蚀刻周期期间，DC功率主要不施加到在基板支撑件中设置的电极，使得在零与第二宏观蚀刻周期的持续时间的10％之间不施加来自耦合到电极的DC电源的DC功率。在一个示例中，基本上不将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极达第二宏观蚀刻周期的整个持续时间。
如同第二宏观蚀刻循环的偏置功率断开周期，其中DC功率主要不施加到电极，在第二宏观蚀刻周期期间，也未蚀刻基板200的目标材料202。第二宏观蚀刻周期的毫秒持续时间允许从基板200正上方的区域移除蚀刻副产物并且从等离子体蚀刻腔室泵出所述蚀刻副产物，所述蚀刻副产物在先前完成的第一宏观蚀刻循环的偏置功率断开周期期间从所蚀刻特征224离开。在从基板200正上方的区域移除蚀刻副产物的情况下，下一宏观蚀刻循环可在残留的蚀刻副产物与引导至特征224中的蚀刻剂之间的碰撞数量减少的情况下执行，由此进一步增强所蚀刻特征224的垂直性。通过比较，由于与从特征224泵出副产物相比需要更多时间来从腔室泵出副产物，因此第二宏观蚀刻周期的持续时间是第二微观蚀刻周期的持续时间的100至1000或更多倍。
重复宏观蚀刻循环，直到当所蚀刻特征224的深度达到预定义深度D时在操作106处到达终点。如在图2B中示出的，用于蚀刻目标材料202的工艺的终点在不破坏目标材料202的深度D处。可通过监测等离子体组成的光谱、干涉测量法、或时序蚀刻等等技术来确定用于蚀刻目标材料202的工艺的终点。
在一些示例中，其中目标材料202包括多个层(诸如在第二材料202B上设置的第一材料202A)，终点深度D可超出第一材料202A的厚度，但不破坏第二材料202B，如在图2C中示出的。在又其他示例中，其中目标材料202包括单个层或多个层，当所蚀刻特征224破坏目标材料202时，到达每个终点处的深度D，使得特征224的底部220由目标材料202下方的层(未示出)限定，如在图2D中示出的。
图3是示出波形320的偏置功率时序图的一个示例，所述波形包括用于在执行用于蚀刻基板200的方法(诸如上文描述的方法100或其他类似蚀刻工艺)期间于时间(TE)到达终点的多个宏观蚀刻循环302。尽管未在图3中示出，但是在于时间(TE)到达终点之后，例如，在上文描述的操作106处，可截断多个宏观蚀刻循环302中的最后一个。在图3中描绘的偏置功率时序图中，垂直轴表示施加到基板支撑件中设置的电极的DC功率，而水平轴表示时间。到达终点深度D的整个蚀刻工艺的持续时间310从时间(T0)延伸到时间(TE)处的终点。
每个宏观蚀刻循环302通常具有但不限于1至250毫秒的持续时间。如上文论述的，每个宏观蚀刻循环302包括第一宏观蚀刻周期304和第二宏观蚀刻周期306。尽管不被要求，但第一宏观蚀刻周期304在第二宏观蚀刻周期306之前发生。第一宏观蚀刻周期304具有与第二宏观蚀刻周期306的持续时间相比较长的持续时间。在一个示例中，第一宏观蚀刻周期304具有为宏观蚀刻循环302的总持续时间的至少70％的持续时间。在另一示例中，第一宏观蚀刻周期304具有为宏观蚀刻循环302的总持续时间的至少80％的持续时间。在一个示例中，第二宏观蚀刻周期306的持续时间被选择为足够泵出在基板支撑件上方的处理体积中的大部分蚀刻副产物。
在一些示例中，在整个蚀刻工艺的持续时间310内，在基板支撑件上方的处理体积中的蚀刻副产物的量可在不同时间改变。例如，随着所蚀刻特征224变得更深，每单位时间在基板支撑件上方的处理体积中的蚀刻副产物的量可变小。由此，第一宏观蚀刻周期304与第二宏观蚀刻周期306的持续时间的比率可在持续时间310的过程中增加，特别地更靠近于时间(TE)的终点。或者，与蚀刻第二材料202B相比，蚀刻第一材料202A的第一宏观蚀刻周期304与第二宏观蚀刻周期306的持续时间的比率可以是不同的。
宏观蚀刻循环302的频率通常在单个到数百Hz的范围中。例如，宏观蚀刻循环302的频率可以是但不限于约5Hz至约100Hz。宏观蚀刻循环302的频率可以是恒定的或在用于蚀刻特征224的整个持续时间310内改变。例如，与波形320更靠近TE的部分相比，在波形320更靠近T0的部分期间，宏观蚀刻循环302的频率可能较高。已经阐明，在较深的深度D处使用较低频率的宏观蚀刻循环302通过在目标材料202的主动蚀刻之间允许更多的时间用于从蚀刻腔室移除副产物来改进所蚀刻特征224的侧壁222的垂直性。或者，在蚀刻方法100的持续时间310的不同部分处，宏观蚀刻循环302的频率可能较高或较低。
如在图3中示出的，在第二宏观蚀刻周期306期间，DC功率主要不施加到基板支撑件的电极。
返回参见第一宏观蚀刻周期304，第一宏观蚀刻周期304包括将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极的时间，所述基板支撑件支撑等离子体蚀刻腔室内的基板。如果目标材料202通常在将DC功率施加到电极时发生，而在不将DC功率施加到电极时不发生，则进行蚀刻。在第一宏观蚀刻周期304期间将DC功率循环地施加到电极，如下文参考图4进一步描述的。
图4是进一步详述一个宏观蚀刻循环302的偏置功率时序图的一个示例。在图4中，垂直轴表示施加到在基板支撑件中设置的电极的DC功率，而水平轴表示时间。每个宏观蚀刻循环302(其中的一者在图4中图示)包括单个第一宏观蚀刻周期304和单个第二宏观蚀刻周期306。每个第一宏观蚀刻周期304包括多个微观蚀刻循环402。每个微观蚀刻循环402包括第一微观蚀刻周期404和第二微观蚀刻周期406。
如上文描述的，第一宏观蚀刻周期304通常用于蚀刻穿过图案化掩模204中的开口206暴露的基板200的目标材料202的部分208。为了在每个第一宏观蚀刻周期304期间实现蚀刻，在第一宏观蚀刻周期404的每一者期间将偏置功率提供到基板支撑件的电极。由于第一微观蚀刻周期404的持续时间以毫秒计，因此将偏置功率施加到基板支撑件的电极达许多第一微观蚀刻周期404，所述第一微观蚀刻周期各自包括第一宏观蚀刻周期304以有效地蚀刻目标材料202。
微观蚀刻循环402的偏置功率接通周期(例如，DC功率脉冲)的频率通常在单个至数百kHz的范围中。例如，微观蚀刻循环402的频率可以是但不限于约25kHz至约600kHz，例如25kHz至约500kHz。微观蚀刻循环402的频率可以是恒定的或在宏观蚀刻循环302的持续时间内改变，和/或可以是恒定的或在蚀刻特征224的持续时间310内改变。例如，与波形320更靠近TE的部分相比，在波形320更靠近T0的部分期间，微观蚀刻循环402的频率可能较高。已经阐明，在较深的深度D处使用较低频率的微观蚀刻循环402通过在每个第一微观蚀刻周期404期间在目标材料202的主动蚀刻之间允许更多时间用于副产物逃离高深宽比特征224来改进所蚀刻特征224的侧壁222的垂直性。或者，在蚀刻方法100的持续时间310的不同部分处，微观蚀刻循环402的频率可能较高或较低以适合其他需求。
在微观蚀刻循环402期间，电压波形320包括第一微观蚀刻周期404和第二微观蚀刻周期406。第一微观蚀刻周期404对应于偏置功率接通周期，而第二微观蚀刻周期406对应于偏置功率断开周期。在第一微观蚀刻周期404的偏置功率接通周期期间，将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极。在第二微观蚀刻周期406的偏置功率断开周期期间，DC功率主要不施加到在基板支撑件中设置的电极，其中主要不施加DC功率定义为在零与偏置功率断开周期的持续时间的10％之间不施加来自耦合到电极的DC电源的DC功率。在一个示例中，基本上不将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极达偏置功率断开周期的整个持续时间。
因此在第一微观蚀刻周期404期间将DC功率施加到电极的情况下，随着偏置功率将蚀刻剂从等离子体引导至正在目标材料202中蚀刻的特征224中，有效地蚀刻穿过开口206暴露的基板200的目标材料202的部分208。类似地，在第二微观蚀刻周期406期间主要不将DC功率施加到电极的情况下，未蚀刻基板200的目标材料202，因此允许蚀刻副产物离开所蚀刻特征224。有利地，由于第二微观蚀刻周期406(即，偏置功率断开)允许基本上从特征224移除蚀刻副产物，因此在下一第一微观蚀刻周期404中施加的DC功率允许以减少的与特征224中的副产物碰撞的可能性将蚀刻剂垂直地引导至所蚀刻特征224的底部220。副产物碰撞的减少导致垂直地蚀刻特征的底部220，而较少蚀刻特征224的侧壁222。特征224的侧壁222的减少的蚀刻有利地导致侧壁222的高度垂直性。
类似于第二宏观蚀刻周期306，在第二微观蚀刻周期406期间，DC功率主要不施加到在基板支撑件中设置的电极。当在零与第二微观蚀刻周期406的持续时间的90％之间不施加DC功率时，主要不将来自DC电源的DC功率施加到电极。在一个示例中，基本上不将DC功率施加到在基板支撑件中设置的电极达第二微观蚀刻周期406的整个持续时间。
为从特征224移除副产物提供足够的时间增强了实现非常垂直的侧壁222的能力。因此，第一微观蚀刻周期404具有通常与第二微观蚀刻周期406的持续时间相比较小的持续时间。在一个示例中，第一微观蚀刻周期404具有通常小于微观蚀刻循环402的持续时间的45％(例如小于30％)的持续时间。在另一示例中，第一微观蚀刻周期404具有通常为微观蚀刻循环402的持续时间的约10至约45％(例如小于10至约15％)的持续时间。此外，由于清除蚀刻副产物的特征224所需的时间在相同的第一宏观蚀刻周期304内的不同微观蚀刻循环404处、或在不同的第一宏观蚀刻周期304之间可能不同，第一微观蚀刻周期404与第二微观蚀刻周期406的持续时间的比率可在蚀刻方法100的持续时间410的过程中减小、增加或恒定，特别地更靠近于时间(TE)的终点时减少。或者，与蚀刻第二材料202B相比，蚀刻第一材料202A的第一微观蚀刻周期404的持续时间与第二微观蚀刻周期406的持续时间的比率可以是不同的。附加于或替代于调节在第一微观蚀刻周期404与第二微观蚀刻周期406之间的持续时间比，用于蚀刻目标材料202中的特征224的施加到偏置电极的功率在相同的第一宏观蚀刻周期304内的不同微观蚀刻循环402处、或在不同的第一宏观蚀刻周期304之间可以是不同的。例如，在蚀刻方法100的持续时间310上，在不同的微观蚀刻循环402期间使用的功率可在相同的第一宏观蚀刻周期304内和/或在不同的第一宏观蚀刻周期304内减小、增加、或调节。作为示例，在用于蚀刻第一材料202a的第一微观蚀刻周期404期间施加到偏置电极的功率可不同于在用于蚀刻第二材料202b的第一微观蚀刻周期404期间的功率。
图5是被配置为实践上文描述的方法(诸如方法100等)的示例性等离子体蚀刻腔室510的示意性横截面图。在一些实施例中，等离子体蚀刻腔室510被配置为用于等离子体辅助的蚀刻工艺，诸如反应性离子蚀刻(RIE)等离子体处理。等离子体蚀刻腔室510也可在其他等离子体辅助工艺中使用，诸如等离子体增强的沉积工艺(例如，等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)工艺、等离子体增强的物理气相沉积(PEPVD)工艺、等离子体增强的原子层沉积(PEALD)工艺)、等离子体加工处理、基于等离子体的离子布植处理、或等离子体掺杂(PLAD)处理。在一种配置中，如图5所示，等离子体蚀刻腔室510被配置为形成电容耦合等离子体(CCP)。然而，在一些实施例中，等离子体可替代地通过在等离子体蚀刻腔室510的处理区域上方设置的感应耦合源产生。在此配置中，线圈可放置在等离子体蚀刻腔室510的陶瓷盖(真空边界)的顶部上。也预期，上文描述的方法100可在其他类型的等离子体蚀刻腔室中实践。
等离子体蚀刻腔室510包括腔室主体513、基板支撑组件536、气体面板582、DC功率系统583、RF功率系统589、以及系统控制器526。腔室主体513包括腔室盖523、一个或多个侧壁522、以及腔室基座524。腔室盖523、一个或多个侧壁522、以及腔室基座524共同地界定处理体积529。穿过在侧壁522的一中的开口(未示出)将基板503载入处理体积529中并且从处理体积529移除。基板503与上文描述的基板200相同。开口在基板503的等离子体处理期间用狭缝阀(未示出)密封。
耦合到等离子体蚀刻腔室510的处理体积529的气体面板582包括处理气体面板519和穿过腔室盖523设置的气体入口528。气体入口528被配置为将一种或多种处理气体从多个处理气体面板519递送到处理体积529。已经在上文描述了示例性处理气体。
等离子体蚀刻腔室510进一步包括上部电极(例如，腔室盖523)和在处理体积529中设置的下部电极(例如，基板支撑组件536)。上部电极和下部电极定位为面向彼此。如在图5中看到的，在一个实施例中，射频(RF)源电气耦合到下部电极。RF源被配置为递送RF信号以在上部与下部电极之间点燃并且维持等离子体(例如，等离子体501)。在一些替代配置中，RF源也可以电气耦合到上部电极。例如，RF源可以电气耦合到腔室盖。在另一示例中，RF源也可以电气耦合到支撑基座507。
基板支撑组件536包括基板支撑件505、基板支撑基座507、绝缘体板511、接地板512、多个升降杆586、以及偏置电极504。升降杆586中的每一者穿过在基板支撑组件536中形成的过孔585设置，并且用于促进将基板503递送到基板支撑件505的基板支撑表面505A和从所述基板支撑表面505A递送基板503。基板支撑件505由介电材料形成。介电材料可以包括体烧结的陶瓷材料、抗腐蚀金属氧化物(例如，氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO)、氧化钆(Y2O3))、金属氮化物材料(例如，氮化铝(AIN)、氮化钛(TiN))、其混合物、或其组合。
基板支撑基座507由导电材料形成。基板支撑基座507通过绝缘体板511与腔室基座524电气隔离，并且接地板512插入绝缘体板511与腔室基座524之间。在一些实施例中，基板支撑基座507被配置为在基板处理期间调节基板支撑件505和在基板支撑件505上设置的基板503的温度。在一些实施例中，基板支撑基座507包括其中设置的一个或多个冷却通道(未示出)，所述冷却通道流体耦合到冷却剂源(未示出)并且与所述冷却剂源流体连通，所述冷却剂源诸如具有相对高电阻的冷冻剂源或基板源。在其他实施例中，基板支撑件505包括加热器(未示出)以加热基板支撑件505和在基板支撑件505上设置的基板503。
偏置电极504嵌入介电材料中或以其他方式耦合到基板支撑件505。通常，偏置电极504由一个或多个导电零件形成。导电零件通常包括网、箔、板、或其组合。偏置电极504可用作吸附极(即，静电吸附电极)，所述吸附极用于将基板503固定(例如，静电吸附)到基板支撑件505的基板支撑表面505A。通常，平行板状结构通过偏置电极504和在偏置电极504与基板支撑表面505A之间设置的一层介电材料形成。介电材料层可以是氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)、或其他合适材料。
偏置电极504电气耦合到向其提供吸附电压的夹持网络。夹持网络包括DC电压供应器573(例如，高压DC供应器)，所述DC电压供应器耦合到在DC电压供应器573与偏置电极504之间设置的滤波器578的滤波器578A。在一个示例中，滤波器578A是低通滤波器，所述低通滤波器被配置为在等离子体处理期间阻挡RF频率和通过在等离子体蚀刻腔室510内发现的其他偏置部件提供的脉冲电压(PV)波形信号(例如，波形320)到达DC电压供应器573。在一个配置中，静态DC电压是在约-5000V与约5000V之间，并且使用电导体递送(诸如同轴功率递送线560)。在一些实施例中，偏置电极504也可以使用在下文进一步详细描述的脉冲电压偏置方案中的一者或多者来相对于等离子体501偏置基板504。
在一些配置中，基板支撑组件536进一步包括边缘控制电极515。边缘控制电极515在边缘环514下方定位并且围绕偏置电极504和/或设置在距偏置电极504的中心一定距离处。通常，对于被配置为处理圆形基板的等离子体蚀刻腔室510，所述边缘控制电极515的形状是环形，由导电材料制成并且被配置为围绕偏置电极504的至少一部分。如在图5中看到的，偏置电极504和边缘控制电极515中的一者或两者在基板支撑件505的区域内定位并且通过使用脉冲电压(PV)波形生成器575与波形320偏置。在一个配置中，边缘控制电极515通过使用与用于偏置电极504的PV波形生成器575不同的PV波形生成器来偏置。在另一配置中，边缘控制电极515通过分离从PV波形生成器575提供到偏置电极504的信号的部分来偏置。
DC功率系统583包括DC电压供应器573、脉冲电压(PV)波形生成器575、以及电流源577。RF功率系统589包括射频(RF)波形生成器571、匹配572、以及滤波器574。如前所述，DC电压供应器573提供恒定的吸附电压，而RF波形生成器571将RF信号递送到处理区域，并且PV波形生成器575在偏置电极504处建立PV波形(诸如波形320)。将足够量的RF功率施加到电极(诸如基板支撑基座507)导致等离子体501在等离子体蚀刻腔室510的处理体积529中形成。
在一些实施例中，功率系统583进一步包括滤波器组件578以使功率系统583内含有的部件中的一个或多个部件电气隔离。如图5所示，功率递送线563将RF波形生成器571的输出电气连接到阻抗匹配电路572、RF滤波器574和基板支撑基座507。功率递送线560将电压供应器573的输出电气连接到滤波器组件578。功率递送线561将PV波形生成器575的输出电气连接到滤波器组件578。功率递送线562将电流源577的输出连接到滤波器组件578。在一些实施例中，电流源577通过使用在递送线562中设置的开关(未示出)选择性耦合到偏置电极504，以便在通过PV波形生成器575产生的电压波形的一个或多个阶段(例如，离子电流阶段)期间允许电流源577将期望电流递送到偏置电极504。如在图5中看到的，滤波器组件578可以包括多个分离的滤波部件(即，离散滤波器578A-178C)，所述滤波部件各自经由功率递送线564电气耦合到输出节点。
系统控制器526(在本文中也称为处理腔室控制器)包括中央处理单元(CPU)533、存储器534、以及支持电路535。系统控制器526用于控制用于蚀刻基板503的进程列(例如，方法100)。CPU是被配置为用于控制处理腔室和与其有关的子处理器的工业设置中的通用计算机处理器。本文描述的存储器534(通常为非易失性存储器)可以包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器、或其他合适形式的数字存储器(本地或远程)，并且可以用于存储计算机可读指令，用于实现通过等离子体蚀刻腔室510执行的方法100。支持电路535常规地耦合到CPU 533并且包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等、及其组合。软件指令(程序)和数据可以在存储器534内编码和存储，以用于指示CPU 533内的处理器。可由系统控制器526中的CPU 533读取的软件程序(或计算机指令)确定哪些任务可通过等离子体蚀刻腔室510中的部件执行，诸如以上文描述的方式执行方法100以蚀刻基板200。
通常，可由系统控制器526中的CPU 533读取的程序包括代码，当通过CPU 533执行时，所述代码执行与本文描述的等离子体处理方法100有关的任务。程序可包括指令，所述指令用于控制等离子体蚀刻腔室510内的各种硬件和电气部件以执行用于实施本文描述的方法的各种工艺任务和各种工艺序列。因此，在操作中，等离子体蚀刻腔室510以产生所蚀刻特征224的侧壁222的优异垂直性的方式对每个基板200执行方法100。
在示例性等离子体蚀刻腔室510中执行的蚀刻方法100的一个示例中，在基板支撑件505的基板支撑表面上设置的基板200到在蚀刻腔室510内设置的等离子体。基板包括待蚀刻的目标层。在一个示例中，目标层是介电材料，诸如氧化物或氮化物。电压波形到在基板支撑件505中设置的电极(例如，偏置电极504)，同时在多个宏观蚀刻循环期间将基板暴露于等离子体。等离子体由适用于蚀刻如上文描述的目标层的处理气体形成。例如，当蚀刻介电目标材料(诸如氧化物材料或氮化物材料)时，处理气体CXFZ和CXHYFZ中的一者或两者，其中x、y和z是整数。
在基板上方的腔室中存在等离子体的情况下，目标材料使用具有多个宏观蚀刻循环的波形蚀刻，其中每个宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通周期和偏置功率断开周期，其中偏置功率接通周期的持续时间小于偏置功率断开周期的持续时间。重复宏观蚀刻循环，直到到达终点。一旦到达终点，等离子体就熄灭，处理气体到腔室中的流动暂停，并且所蚀刻的基板从等离子体蚀刻腔室被移除。
因此，已经公开了用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻基板的方法和装置，与常规技术相比，所述方法和装置减少所蚀刻特征的垂直侧壁的倾斜。新颖的蚀刻方法利用在宏观和微观方案中的蚀刻期间用于将偏置功率施加到基板支撑件的电极的波形，所述基板支撑件用于支撑基板。在宏观方案中，多个宏观蚀刻循环用于蚀刻基板。波形包括周期，其中在每个宏观蚀刻循环的一部分期间偏置功率基本上停止以允许从等离子体蚀刻腔室排放蚀刻副产物。通过从腔室周期性清除蚀刻副产物，蚀刻剂可能更有效地以垂直轨迹递送到正在蚀刻的特征。在波形的微观方案中，在每个宏观蚀刻循环的一部分期间利用多个微观蚀刻循环。每个微观蚀刻循环包括其中偏置功率接通的第一周期及其中偏置功率基本上停止的第二周期。第二周期的持续时间大于第一周期的持续时间，以为蚀刻副产物离开正在蚀刻的特征(诸如孔、沟槽等)提供时间。通过从所蚀刻特征周期性清除蚀刻副产物，蚀刻剂可能更有效地以垂直轨迹递送到所蚀刻特征的底部。在蚀刻剂与蚀刻副产物之间的减少的碰撞数量使蚀刻剂能够在到所蚀刻特征的底部的所有路径中维持基本上垂直的轨迹，因此有利地导致侧壁的蚀刻减少并且因此导致所蚀刻特征的侧壁的优异垂直性。当通过蚀刻形成高深宽比特征时，增强的垂直性是特别期望的。
尽管上述内容涉及本公开的实施例，但是可在不脱离其基本范畴的情况下构思本公开的其他和进一步实施例，并且其范畴由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻基板的方法，所述方法包括：
将在基板支撑件的基板支撑表面上设置的所述基板暴露于所述处理腔室内的等离子体；以及
在多个宏观蚀刻循环期间在将所述基板暴露于所述等离子体的同时将电压波形施加到在所述基板支撑件中设置的电极，每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期，所述宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环，每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通(BPON)周期和偏置功率断开(BPOFF)周期，所述BPON周期的持续时间小于所述BPOFF周期的持续时间，并且在所述第二宏观蚀刻周期期间偏置功率主要不施加到所述电极。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的所述BPON周期小于所述BPOFF周期的45％。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的所述BPON周期在所述BPOFF周期的约10％与约45％之间。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述多个宏观蚀刻循环包括在第二宏观蚀刻循环之前发生的第一宏观蚀刻循环，并且其中所述第一宏观蚀刻循环的所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的BPON周期大于所述第二宏观蚀刻循环的所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的BPON周期。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述多个宏观蚀刻循环的所述宏观蚀刻循环的频率随着蚀刻所述基板而减小。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述宏观蚀刻循环的频率在约2Hz至约100Hz之间。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述微观蚀刻循环的频率在约25kHz至约500kHz之间。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述宏观蚀刻循环的频率在约2Hz至约100Hz之间。
9.如权利要求1所述的方法，其中每个微观蚀刻循环比所述宏观蚀刻循环小至少一数量级。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
由包括碳和至少一种卤素的处理气体形成所述等离子体。
11.如权利要求10所述的方法，其中在所述BPON周期期间从所述基板移除介电材料。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述介电材料是氧化物材料、氮化物材料、或氧化物和氮化物层对的堆栈。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述介电材料包括至少一个氧化物层和至少一个氮化物层。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述处理气体是CXFZ和CXHYFZ中的一者或两者，其中x、y和z是整数。
15.一种用于在等离子体蚀刻腔室中蚀刻基板的方法，所述方法包括：
由包含碳和至少一种卤素的处理气体形成等离子体；
将在所述基板上设置的介电层暴露于所述等离子体蚀刻腔室内的所述等离子体；以及
在多个宏观蚀刻循环期间在暴露于所述等离子体的同时将偏置功率施加到在所述等离子体蚀刻腔室内支撑所述基板的基板支撑件中设置的电极，直到到达终点，每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期，所述宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环，每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通(BPON)周期和偏置功率断开(BPOFF)周期，所述BPON周期的持续时间小于所述BPOFF周期的持续时间，在所述第二宏观蚀刻周期期间偏置功率主要不施加到所述电极，其中在至少宏观蚀刻循环中：
所述BPON周期的持续时间比所述第一宏观蚀刻周期短至少两个数量级；并且
所述BPOFF周期的持续时间比所述第二宏观蚀刻周期短至少两个数量级。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的所述BPON周期小于所述BPOFF周期的45％。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的所述BPON周期在所述BPOFF周期的约10％与约45％之间。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述多个宏观蚀刻循环包括在第二宏观蚀刻循环之前发生的第一宏观蚀刻循环，并且其中所述第一宏观蚀刻循环的所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的BPON周期大于所述第二宏观蚀刻循环的所述微观蚀刻循环中的一个微观蚀刻循环的BPON周期。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述多个宏观蚀刻循环的所述宏观蚀刻循环的频率随着蚀刻所述基板而减小。
20.一种等离子体蚀刻腔室，包括：
腔室主体，具有内部体积；
基板支撑件，在所述腔室主体的所述内部体积中设置，所述基板支撑件被配置为在处理期间将基板固定在所述基板支撑件上，所述基板支撑件具有电极；
偏置功率控制系统，耦合到所述电极；
气体面板，被配置为将处理气体提供到所述内部体积；以及
控制器，被配置为：
在所述处理腔室内维持由所述处理气体形成的等离子体；以及
在多个宏观蚀刻循环期间在将在所述基板支撑件上设置的所述基板暴露于所述等离子体的同时将电压波形施加到所述电极，每个宏观蚀刻循环包括第一宏观蚀刻周期和第二宏观蚀刻周期，所述宏观蚀刻周期包括多个微观蚀刻循环，每个微观蚀刻循环具有偏置功率接通(BPON)周期和偏置功率断开(BPOFF)周期，所述BPON周期的持续时间小于所述BPOFF周期的持续时间，并且在所述第二宏观蚀刻周期期间偏置功率主要不施加到所述电极。
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