CN111916327B - 多频率多阶段的等离子体射频输出的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体刻蚀的射频功率输出的方法，包括：提供多个射频发生器，每个射频发生器输出各自不同频率的射频功率，每个射频发生器输出的功率可变，提供控制器，所述控制器控制所述多个射频发生器在连续脉冲期间输出射频功率，所述连续脉冲的一个脉冲周期包括三个连续阶段，在每个阶段，至少一个射频发生器输出射频功率，所述三个连续阶段分别为产生等离子体阶段、刻蚀阶段、维持等离子阶段，所述脉冲周期的周期长度为50us‑0.1s。该方法可以实现更快的切换速度，在脉冲模式下进行带功率的射频频率切换。

Description

多频率多阶段的等离子体射频输出的方法及其装置

技术领域

本发明涉及射频脉冲输出方法，还涉及执行该方法的射频源系统以及包括该射频源系统的等离子体刻蚀装置。

背景技术

现有半导体加工中广泛采用等离子刻蚀设备对半导体晶圆进行加工，以获得微观尺寸的半导体器件及导体连接。常见的等离子刻蚀设备是电容耦合型(CCP)和电感耦合型(ICP)刻蚀机，这些设备一般具有两个射频发生器，其中一个用来电离通入反应腔内的反应气体使之产生等离子体，另一个射频发生器用来控制入射到晶圆表面的离子能量。

现在，很多等离子加工流程使用脉冲式等离子射频发生器以取代持续式等离子射频发生器。脉冲式等离子射频发生器的特点是在整个加工时段，射频电源不是持续供电而是交替进行开通和关闭供电或者交替进行高功率和低功率的射频供电，其输出功率的波形呈脉冲形式。开通-关闭的占空比可以调整，一般在10％-90％范围内。脉冲式等离子射频的优势是在关闭阶段，硅片表面的鞘层消失，积聚在硅片表面以及在刻蚀出的深孔边缘中的电子因鞘层的消失而与硅片中和，此时更多的电子能进入深孔的底部从而中和积聚在底部的离子，这样在下一个开通阶段有利于对深孔的进一步的刻蚀。并且，在同一个脉冲中，等离子发生器的频率也可以切换以适用于不同的刻蚀工艺。

现存的可切换双频等离子体系统利用继电器进行具有不同频率的射频发生器之间的切换，其缺点有两点：一是不能在有功率输出情况下进行切换或者只有在小功率下才能进行切换；二是在脉冲功率模式下不能进行切换，因为继电器切换是机械动作，其反应时间远大于脉冲周期。所以，现存的双频等离子切换技术只能用于小功率及脉冲时间较长(秒的量级)的功率输出场合，而且不容易维持连续等离子体运行。

发明内容

针对上述问题，在第一方面，本发明提出了一种用于等离子体刻蚀的射频功率输出的方法，该方法包括：提供多个射频发生器，每个射频发生器输出各自不同频率的射频功率，用于输出到一个等离子刻蚀器，每个射频发生器输出的功率可变，提供控制器，所述控制器控制所述多个射频发生器的输出射频功率在多个连续进行的脉冲周期中变化，其中每个脉冲周期包括三个处理阶段，在每个处理阶段中至少一个射频发生器输出射频功率，所述三个处理阶段分别为依次进行的产生等离子体阶段、刻蚀阶段、等离子维持阶段，所述脉冲周期的周期长度为50us-0.1s，所述多个射频发生器至少包括三个射频发生器，分别为高频射频发生器、中频射频发生器和低频射频发生器，其中高频射频发生器在产生等离子体阶段输出第一高频射频功率到等离子刻蚀器以产生足够浓度的等离子体，在维持等离子阶段输出第二高频射频功率到等离子刻蚀器以维持等离子体。

可选地，在每个阶段，至多两个射频发生器同时输出射频功率。

可选地，所述高频射频发生器的输出频率为40MHz-100MHz、中频射频发生器的输出频率为10MHz-20MHz、低频射频发生器的输出频率为200kHz-4MHz。

可选地，在产生等离子体阶段，所述中频射频发生器输出第一中频射频功率，用于产生等离子体和反应基团。

可选地，在刻蚀阶段，所述中频射频发生器和所述低频射频发生器输出第二中频射频功率和第一低频射频功率，用于进行高深宽比刻蚀。

可选地，在维持等离子阶段，所述低频射频发生器停止输出射频功率以释放加工工件的电荷累积。

可选地，所述高频射频发生器和所述中频射频发生器输出的功率范围是50W-10kW。

可选地，所述低频射频发生器输出的功率范围是100W-20kW。

本发明还提出了一种用于等离子体刻蚀的射频功率输出的方法，该方法包括：提供多个射频发生器，每个射频发生器向等离子刻蚀装置输出各自不同频率的射频功率，每个射频发生器输出的功率可变，提供控制器，所述控制器控制所述多个射频发生器的输出射频功率在多个连续进行的脉冲周期中变化，其中每个脉冲周期包括三个处理阶段，在每个处理阶段中至少一个射频发生器输出射频功率，其中，所述三个处理阶段分别为依次进行的产生等离子体阶段、初刻蚀阶段、主刻蚀阶段，所述脉冲周期的周期长度为50us-0.1s，所述多个射频发生器至少包括三个射频发生器，分别为高频射频发生器、中频射频发生器和低频射频发生器，其中高频射频发生器在所述三个处理阶段分别输出第一高频射频功率、第二高频射频功率和第三高频射频功率。

可选地，在产生等离子体阶段，所述中频射频发生器同时输出第一中频射频功率，用于产生等离子体和反应基团。

可选地，在初刻蚀阶段，所述低频射频发生器输出第一低频射频功率。

可选地，在主刻蚀阶段，所述中频射频发生器输出第二中频射频功率。

在第二方面，本发明提出了一种等离子体刻蚀装置的射频源系统，包括：多个射频发生器，用于输出射频功率，所述多个射频发生器中的每个射频发生器输出不同频率的功率；控制器，用于控制所述多个射频发生器，使得所述多个射频发生器执行上述的方法。

在第三方面，本发明提出了一种等离子体处理装置，包括反应腔；基座，位于所述反应腔内，且用于支撑待处理的基片；以及在第二方面中所述的射频源系统，用于向所述反应腔提供射频功率。

本发明和通过继电器进行频率切换的现有技术相比，可以实现更快的切换速度，在脉冲模式下进行带功率的射频频率切换。并且，可以根据不同的基片处理工艺，在一个脉冲周期内划分出任何阶段，在每个阶段中，灵活设置各种射频发生器的参数，如输出射频发生器个数、功率大小等，以便更好地符合不同的处理工艺要求。

附图说明

图1示出了使用根据本发明的一个实施例的方法的CCP处理装置的示意图。

图2示出了现有技术的双频可切换射频等离子体控制系统的射频功率输出示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的多阶段多频可切换等离子射频功率输出示意图。

图4a和图4b是刻蚀过程中通孔侧壁的形貌示意图。

图5是根据本发明的另一个实施例的多阶段多频可切换等离子射频功率输出的示意图。

图6为根据本发明的一个实施例的具有多阶段脉冲功率输出的射频发生器功率输出示意图。

以下结合附图，对本发明的实施例进行说明。需强调的是，这里仅是示例型的阐述，不排除有其它利用本发明的实施方式。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明提供了一种多频率多阶段的等离子体射频脉冲输出的方法，其可应用于等离子处理装置，诸如电容耦合式等离子(CCP)处理装置、电感耦合式等离子(ICP)处理装置等。图1示出了使用本发明的方法的CCP处理装置的示意图。该处理装置50包括由反应腔外壁围成的真空反应腔30，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；所述真空反应腔内设置一基座40，用于固定待处理的基片W，基座40同时作为真空反应腔的下电极。反应腔内的顶部设置有一个平板形的气体喷淋头10，气体喷淋头10通过管道与外部气源20相联通。气体喷淋头与基座位置相对应，同时作为真空反应腔的上电极。射频电源装置可包括多个射频发生器，这些射频发生器中的一个或多个可选择性地施加到上电极或下电极之一。如图1中所示，射频电源装置包括三个射频发生器701～703，且都施加到下电极上，其中每个射频发生器输出不同频率的功率。例如，高频射频发生器701使得通入反应腔内的反应气体电离产生等离子体；中频射频发生器702施加到所述下电极，使得基片上表面鞘层中产生足够的直流偏置电压，加速等离子体中的带电离子快速地向基片轰击，以进行刻蚀；低频射频发生器703输出低频功率以配合中频射频发生器进行刻蚀。环绕基座40设置一等离子体约束装置60，用于将等离子体限制在等离子区内，一抽真空装置80用于排出反应腔内的未反应气体及反应副产物气体，以维持反应腔30的真空状态。控制器90控制射频电源装置70以完成刻蚀工艺。控制器90还监测处理装置50的参数并且控制反应气体的传递、维持和熄灭等离子体、供应冷却气体等。

图2示出了现有技术的双频可切换射频等离子体控制系统的射频功率输出示意图。图中示出了四个步骤，在每个步骤中有两个频率输出，每个步骤时长为几秒至数百秒。射频发生器RF1持续工作在每个步骤中，但功率有所变化。射频发生器RF2和RF3在不同的步骤中进行切换，RF2与RF3和RF1的输出功率和时间的组合可以任意设定。图中示出的是RF2占据步骤1和3，RF3占据步骤2和4。由于现有技术中的RF频率切换利用继电器，其只能在小功率的情况下进行切换并且切换需要以秒为量级的较长时间(如图2中每个步骤之间有较长时间的功率中断)，所以该等离子体控制系统不适合用于脉冲式等离子射频发生器以及脉冲式等离子射频的工艺。在本发明的应用中，刻蚀工艺的脉冲频率为10Hz-20KHz，即脉冲时长为1/20微秒-0.1秒。在如此短的脉冲时长中，以秒为量级的切换时间显然不适用于本发明的工艺中。

通过控制器可实现射频电源装置内不同射频发生器的快速的无功率中断的切换。该控制器可以在外部连接至射频电源装置，也可以内置于射频电源装置中。或者，每个射频发生器中都分别内置有控制器。控制器经预先编程设定参数以控制不同射频发生器在连续脉冲周期内的不同阶段输出射频功率。该参数包括但不限于：连续脉冲的频率、阶段个数、每个阶段的时长、射频发生器的输出功率以及在一个阶段中的输出功率的射频发生器个数。可根据刻蚀工艺的要求改变不同参数的组合。

在一个实施例中，控制器90外接至射频电源装置70。通过控制器90控制多个射频发生器在无功率中断的情况下切换频率能用于基片处理的多种应用中，例如制造三维存储器的大深宽比的刻蚀步骤中。在现有技术中，源脉冲射频发生器(通常是60MHz的高频脉冲射频发生器)大多采用连续工作模式或脉冲工作模式。在连续工作模式中，源脉冲射频发生器的输出功率保持不变。在脉冲工作模式中，源脉冲射频发生器在一个脉冲周期内交替地输出高低两种功率或者交替地开启和关闭功率输出。本发明中，一个脉冲周期根据工艺需求可分成多个阶段，源脉冲射频发生器可选择为在任意阶段上输出或不输出功率，而不是如现有技术那样只能在一个脉冲周期的两个阶段中进行功率调节，其更具有灵活性，也节省射频发生器的能耗。

图3示出了根据本发明的一个实施例的多阶段多频可切换等离子射频功率输出示意图，该示意图所示的脉冲输出方法特别地用于制造存储器的高深宽比刻蚀中。一等离子处理配置具有三种频率的脉冲射频发生器：高频(40-100MHz)射频发生器、中频(10-20MHz)射频发生器及低频(200kHz-4MHz)射频发生器。高频射频功率通常用于在腔体中产生等离子体，但在刻蚀时腔体如存在高频射频功率会对刻蚀的均匀性产生不利影响。因此，引入中频射频功率，其既能保持等离子体不熄灭又不会对刻蚀的均匀性产生较大影响。而低频射频功率主要作用是在基片上表面产生足够的偏置电压，以使得带电离子轰击基片进行刻蚀。因此，在一个实施例中，可以如图3所示配置各个射频发生器的功率输出情况。在每个脉冲的第(1)阶段，即产生等离子体阶段，输出第一高频功率及第一中频功率，以解离处理气体，产生带电离子及反应基团。输出第一中频功率是用于辅助第一高频功率以产生等离子体和反应基团。在另一个实施例中，也可以只用第一高频功率来产生等离子体。第(2)阶段，即刻蚀阶段，输出第一低频功率及第二中频功率，产生高偏置电压，进行高深宽比刻蚀。在该阶段中，关闭第一高频输出功率，而用中频和低频功率，一方面，能维持等离子体，使其不熄灭；另一方面，不输出高频功率可以增加刻蚀的均匀性。在该阶段关闭高频功率的输出还能起到节省功率的作用。第(3)阶段，即等离子维持阶段，只输出第二高频功率，第二高频功率小于第一高频功率，以维持等离子体及释放加工工件的电荷积累。在高深宽比的刻蚀过程中，随着正电粒子不断轰击基片100，在通孔101的底部会积累正电荷，这些不均匀分布的正电荷会使向下入射的正电粒子在长距离飞行中方向发生偏移，进一步地，刻蚀通孔101的刻蚀方向也会发生偏移，如图4a所示。因此，在本实施例的等离子维持阶段，只输出小功率的高频功率而关闭中频和低频射频功率发生器，既能维持等离子体，又能释放通孔底部的电荷积累，从而能准直刻蚀通孔，如图4b所示。

在下一个脉冲周期的第(1)阶段，再次输出第一高频功率。这是因为，在前一阶段中，只有较小功率的第二高频功率输出，此时等离子浓度较低，只用于维持等离子体不熄灭。而在下一个脉冲周期中，必须再次产生足够浓度的等离子体。因此，第一脉冲周期的第(1)阶段用于在没有等离子体的腔室中产生等离子，其余脉冲周期的第(1)阶段用于在低浓度的等离子体的腔室中产生足够浓度的等离子体。所以，脉冲周期的第(1)阶段统称为产生等离子体阶段。控制器90通过预先设置的参数控制三个阶段的时长、三个射频发生器的功率输出，以及射频发生器之间的切换。通过上述输出功率的配置可以实现多频射频脉冲的切换，以增大刻蚀工艺窗口，并且更有效地实现高深宽比刻蚀。

可选地，高频射频发生器和中频射频发生器输出的功率范围是50W-10kW。低频射频发生器输出的功率范围是100W-20kW。

图5是根据本发明的另一个实施例的多阶段多频可切换等离子射频功率输出示意图。在本发明的另一个实施例中，如图所示，高频射频发生器RF1为持续脉冲发生器，中频射频发生器RF2和低频射频发生器RF3之间进行频率切换。每个脉冲周期的频率例如可以是10-20kHz。每个脉冲内具有三个阶段。高频射频发生器在每个阶段都输出射频功率，但功率各不相同。在第(1)阶段中，即产生等离子阶段，RF1和RF2在各自频率下输出功率，RF1输出第一高频射频功率，RF2输出第一中频射频功率。在第(2)阶段中，即初刻蚀阶段，RF1转为输出较低功率，并且RF2关闭，RF3开启工作。在第(3)阶段中，即主刻蚀阶段，RF1再次转为在较高功率下工作。同时，RF3关闭，RF3开启工作。在初刻蚀阶段，RF1和RF3分别输出第二高频射频功率和第一低频射频功率，由于低频射频功率的存在，此时等离子体的离子的能量较大，用于初步的刻蚀。在主刻蚀阶段，RF1和RF2分别输出第三高频射频功率和第二中频射频功率，其中第三高频射频功率大于第二高频射频功率。在此阶段中，使用中高频的射频功率，使得等离子的浓度变大但能量相对较低。因此，该实施例主要用于软刻蚀(soft etching)的工艺。控制器90控制上述三个射频发生器在一个脉冲时间内的功率改变以及RF2和RF3之间的切换。

以上仅作为示例示出了三个射频发生器的输出功率和频率切换时间的组合。其中每个阶段的时长、不同射频发生器的功率大小以及切换的先后次序可根据实际的刻蚀需要而改变。通常，控制器90控制射频发生器的功率输出以具有以下特征：

(1)在一个脉冲中的任一阶段最多只有两个射频发生器有功率输出；

(2)三个频率发生器的切换可任意组合；

(3)可用于三个及以上阶段的脉冲射频发生器。

作为一个实施例，表1列出了三个脉冲射频发生器构成的系统的功率输出组合方式，其中“ON”代表有功率输出，“OFF”代表无功率输出，每种模式下最多只有两个射频发生器进行功率输出。

表1

作为另一个实施例，表2列出了四个脉冲射频发生器构成的系统的功率输出组合方式，其中“ON”代表有功率输出，“OFF”代表无功率输出，每种模式下最多只有两个射频发生器进行功率输出。

表2

图6为具有多阶段脉冲功率输出的射频发生器功率输出示意图。图示为4个阶段的脉冲功率输出，控制器90控制单个射频发生器在每个脉冲的不同阶段输出不同的功率。其中，每个阶段的输出功率大小及时长可以由控制器预先设定。该脉冲的频率可以例如为10-20kHz，其也可以通过控制器90来设定。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种用于等离子体刻蚀的射频功率输出的方法，其特征在于，该方法包括：

提供多个射频发生器，每个射频发生器向等离子刻蚀装置输出各自不同频率的射频功率，每个射频发生器输出的功率可变，

提供控制器，所述控制器控制所述多个射频发生器的输出射频功率在多个连续进行的脉冲周期中变化，其中每个脉冲周期包括三个处理阶段，在每个处理阶段中至少一个射频发生器输出射频功率，

其中，所述三个处理阶段分别为依次进行的产生等离子体阶段、刻蚀阶段、等离子维持阶段，所述脉冲周期的周期长度为50us-0.1s，

所述多个射频发生器至少包括三个射频发生器，分别为高频射频发生器、中频射频发生器和低频射频发生器，所述高频射频发生器和所述中频射频发生器输出的功率范围是50W-10kW，所述低频射频发生器输出的功率范围是100W-20kW，所述高频射频发生器的输出频率为40MHz-100MHz、中频射频发生器的输出频率为10MHz-20MHz、低频射频发生器的输出频率为200kHz-4MHz，其中

高频射频发生器在产生等离子体阶段开启以输出第一高频射频功率到等离子刻蚀器以产生足够浓度的等离子体；

在刻蚀阶段，所述低频射频发生器开启，所述高频射频发生器、中至少一个开启；

在维持等离子阶段所述高频射频发生器开启以输出第二高频射频功率到等离子刻蚀器以维持等离子体，所述低频射频发生器处于关闭状态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个阶段，至多两个射频发生器同时输出射频功率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在产生等离子体阶段，所述中频射频发生器输出第一中频射频功率，用于产生等离子体和反应基团。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在刻蚀阶段，所述中频射频发生器和所述低频射频发生器输出第二中频射频功率和第一低频射频功率，用于进行高深宽比刻蚀。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在维持等离子阶段，所述低频射频发生器停止输出射频功率以释放加工工件的电荷累积。

6.一种用于等离子体刻蚀的射频功率输出的方法，其特征在于，该方法包括：

提供多个射频发生器，每个射频发生器向等离子刻蚀装置输出各自不同频率的射频功率，每个射频发生器输出的功率可变，

提供控制器，所述控制器控制所述多个射频发生器的输出射频功率在多个连续进行的脉冲周期中变化，其中每个脉冲周期包括三个处理阶段，在每个处理阶段中至少一个射频发生器输出射频功率，

其中，所述三个处理阶段分别为依次进行的产生等离子体阶段、初刻蚀阶段、主刻蚀阶段，所述脉冲周期的周期长度为50us-0.1s，

所述多个射频发生器至少包括三个射频发生器，分别为高频射频发生器、中频射频发生器和低频射频发生器，其中高频射频发生器在所述三个处理阶段分别输出第一高频射频功率、第二高频射频功率和第三高频射频功率；所述高频射频发生器和所述中频射频发生器输出的功率范围是50W-10kW，所述低频射频发生器输出的功率范围是100W-20kW，所述高频射频发生器的输出频率为40MHz-100MHz、中频射频发生器的输出频率为10MHz-20MHz、低频射频发生器的输出频率为200kHz-4MHz；

在产生等离子体阶段，所述高频射频发生器和中频射频发生器至少一个开启；

在初刻蚀阶段，所述低频射频发生器开启；

在所述主刻蚀阶段，所述低频射频发生器关闭，所述高频射频发生器和中频射频发生器至少一个开启。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在产生等离子体阶段，所述中频射频发生器同时输出第一中频射频功率，用于产生等离子体和反应基团。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在初刻蚀阶段，所述低频射频发生器输出第一低频射频功率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在主刻蚀阶段，所述中频射频发生器输出第二中频射频功率。

10.一种等离子体刻蚀装置的射频源系统，包括：

多个射频发生器，用于输出射频功率，所述多个射频发生器中的每个射频发生器输出不同频率的功率；

控制器，用于控制所述多个射频发生器，使得所述多个射频发生器执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。

11.一种等离子体处理装置，包括：

反应腔；

基座，位于所述反应腔内，且用于支撑待处理的基片；以及

如权利要求10所述的射频源系统，用于向所述反应腔提供射频功率。

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