CN121002611A

CN121002611A - 脉冲电压辅助等离子体轰击

Info

Publication number: CN121002611A
Application number: CN202480027229.6A
Authority: CN
Inventors: M·T·尼科尔斯; S·J·达舍
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2023-09-11
Filing date: 2024-09-09
Publication date: 2025-11-21
Also published as: WO2025058961A1; US20250087461A1; TW202533278A; KR20250169191A

Abstract

本文提供的实施例总体包括用于控制等离子体引发和维持的设备、等离子体处理系统和方法。一些实施例是针对用于在等离子体处理系统中处理基板的设备。所述设备总体包括：脉冲电压（PV）信号发生器，所述PV信号发生器被配置成向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及射频（RF）信号发生器，所述RF信号发生器被配置成向等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中第一持续时间少于第二持续时间的10%，并且其中第一短脉冲发生在第二持续时间的开始处。

Description

脉冲电压辅助等离子体轰击

技术领域

本公开的实施例总体涉及在半导体器件制造中使用的系统和方法。更具体地，本公开的实施例涉及用于处理基板的等离子体处理系统。

背景技术

可靠地生产高深宽比特征是下一代半导体器件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，以在基板的材料层（诸如介电层）中形成高深宽比开口。在典型的RIE等离子体工艺中，在处理腔室中形成等离子体，并且来自等离子体的离子朝向基板表面加速，以在材料层中形成开口，所述材料层设置在形成在基板表面上的掩模层下方。

典型的RIE等离子体处理腔室包括射频（RF）偏压发生器，其向功率电极提供RF电压。在电容耦合气体放电中，通过使用耦合到功率电极的RF发生器来产生等离子体，所述功率电极设置在静电卡盘（ESC）组件内或处理腔室的另一部分内。在一些情况下，可能难以在腔室内点燃等离子体，或者等离子体可能无法维持足够长的时间来处理基板。

因此，需要一种在等离子体处理系统中处理基板的设备和方法，所述设备和方法解决上述问题。

发明内容

本文提供的实施例总体包括用于在处理腔室中点燃和维持等离子体的设备、等离子体处理系统和方法。

一些实施例是针对一种用于在等离子体处理系统中处理基板的设备。所述设备总体包括：脉冲电压（PV）信号发生器，所述PV信号发生器被配置成向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发（initiate）等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及射频（RF）信号发生器，所述RF信号发生器被配置成向等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中第一持续时间少于第二持续时间的10%，并且其中第一短脉冲发生在第二持续时间的开始处。

一些实施例是针对一种用于在等离子体处理系统中处理基板的方法。所述方法总体包括：经由脉冲电压（PV）信号发生器向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及经由射频（RF）信号发生器向等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中第一持续时间少于第二持续时间的10%，并且其中第一短脉冲发生在第二持续时间的开始处。

一些实施例是针对一种等离子体处理系统。等离子体处理系统总体包括：等离子体腔室；脉冲电压（PV）信号发生器，所述PV信号发生器耦合到等离子体腔室并被配置成向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发等离子体，其中偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲；以及射频（RF）信号发生器，所述RF信号发生器耦合到等离子体腔室并被配置成向等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中第一持续时间少于第二持续时间的10%，并且其中第一短脉冲发生在第二持续时间的开始处。

附图说明

为了能够详细理解本公开的上述特征，可参考实施例来获得对上文简要概述的本公开的更具体描述，所述实施例中的一些实施例在附图中图示。然而，要注意，附图仅示出了示例性实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，并且可允许其他等效的实施例。

图1A为根据本公开的某些实施例的等离子体处理系统的示意性表示。

图1B为根据本公开的某些实施例的等离子体处理系统的详细示意性横截面图。

图2图示根据本公开的某些实施例的由于施加至处理腔室的电极的电压波形而在基板上建立的电压波形。

图2图示了根据本公开的某些实施例，由于施加至处理腔室的电极的电压波形而在基板上建立的电压波形。

图3至图6为示出根据本公开的某些方面的用于进行半导体处理的示例脉冲方案的图表。

图7示出了根据本公开的某些方面的用于在处理腔室中引发和控制等离子体的宏轰击（macro strike）和微短脉冲。

图8为示出根据本公开的某些实施例的在等离子体处理系统中处理基板的方法的工艺流程图。

为便于理解，尽可能使用相同的附图标记来表示附图中相同的元件。设想一个实施例的元件和特征可有利地并入其他实施例中，而无需进一步赘述。

具体实施方式

本公开的实施例总体涉及半导体器件制造流程中使用的系统。更具体地，本文提供的实施例总体包括用于处理腔室中的等离子体控制的设备和方法，与常规实施方式相比，所述设备和方法具有增大的可靠性。例如，一个或多个微短脉冲可用于在半导体处理期间引发和维持等离子体。一个或多个微短脉冲可用于在关闭腔室的射频（RF）电源后引发腔室中的等离子体。微短脉冲允许在为半导体处理提供RF功率的整个持续时间期间引发和维持等离子体。在没有微短脉冲的情况下，如果用于半导体处理的偏压电压水平（和/或RF功率水平）太低，等离子体可能会损失，如本文更详细描述的。本公开的某些方面提供了一个或多个优点，诸如对处理腔室中等离子体的可靠控制和维持，从而提供了关于用于半导体处理的偏压电压水平和/或RF功率水平的更大灵活性。

等离子体处理系统示例

图1A为等离子体处理系统的示意性表示。等离子体处理系统10被配置成用于等离子体辅助蚀刻工艺，诸如反应性离子蚀刻（RIE）等离子体处理。等离子体处理系统10还可用于其他等离子体辅助工艺，诸如等离子体增强沉积工艺（例如，等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺、等离子体增强物理气相沉积（PEPVD）工艺、等离子体增强原子层沉积（PEALD）工艺、等离子体处理工艺、基于等离子体的离子注入工艺、或等离子体掺杂（PLAD）处理。在一种配置中，如图1A所示，等离子体处理系统10被配置成形成电容耦合等离子体（CPP）。然而，在一些实施例中，等离子体可替代地由设置在等离子体处理系统10的处理区域上方的电感耦合源产生。

等离子体处理系统10包括处理腔室100、基板支撑组件136、气体输送系统182、高DC电压电源173、射频（RF）发生器171和RF匹配器172（例如，RF阻抗匹配网络）。腔室盖123包括一个或多个侧壁和腔室基底，所述侧壁和腔室基底被配置成在处理期间在处理腔室100的处理容积129中维持的真空环境中产生等离子体101的同时承受施加到侧壁和腔室基底上的压力和能量。

耦合至处理腔室100的处理容积129的气体输送系统182被配置成将至少一种处理气体从至少一个气体处理源119输送至处理腔室100的处理容积129。气体输送系统182包括处理气体源119和穿过腔室盖123定位的一个或多个气体入口128。气体入口128被配置成将一种或多种处理气体输送到处理腔室100的处理容积129。

处理腔室100包括定位于处理腔室100的处理容积129中的上电极（例如，腔室盖123）和下电极（例如，基板支撑组件136）。上电极与下电极彼此面对。在一个实施例中，RF发生器171电耦合到下电极。RF发生器171被配置成输送RF信号以在上电极与下电极之间点燃并维持等离子体101。在一些替代配置中，RF发生器171还可电耦合到上电极。例如，RF发生器171可将RF源功率输送至（例如，在基板支撑组件136中的）阴极组件内的RF底板，以产生等离子体，而上电极接地。RF源功率的中心频率可以是从13.56 MHz到极高频带，诸如40MHz、60 MHz、120 MHz或162 MHz。在一些示例中，RF源功率还可通过上电极输送。RF源功率可以连续模式或脉冲模式操作。RF功率的脉冲频率可以是从100到10kHz，并且占空比在从5%到95%的范围内变化。RF发生器171具有频率调谐能力，并且可在例如±5%或±10%内调整其RF功率频率。在一些实施例中，RF发生器171以预定速度（例如，两纳秒、五十纳秒等）切换RF功率频率。

参见图1A以及图1B，图1B是等离子体处理系统的更详细的示意性横截面图。基板支撑组件136可耦合到向基板支撑组件136提供卡紧电压的高电压DC电源173。高电压DC电源173可耦合至滤波器组件178，滤波器组件178设置在高DC电压电源173与基板支撑组件136之间。

滤波器组件178被配置成在等离子体处理期间电子地隔离高电压DC电源173。在一种配置中，静态DV电压在约-5000V与约5000V之间，并且是使用电导体（诸如同轴输电线）来输送的。滤波器组件178可包括多个滤波部件或单个公共滤波器。

基板支撑组件136耦合至脉冲电压（PV）波形发生器175，PV波形发生器175被配置成提供PV以使基板支撑组件136偏压。PV波形发生器175耦合到滤波器组件178。滤波器组件178设置在PV波形发生器175与基板支撑组件136之间。滤波器组件178被配置成在等离子体处理期间电子地隔离PV波形发生器175。

基板支撑组件136耦合至RF发生器171，RF发生器171被配置成将RF信号输送至处理腔室100的处理容积129。RF发生器171电子地耦合到设置在RF发生器171与处理腔室100的处理容积129之间的RF匹配器172。例如，RF匹配器172是在RF发生器171与等离子体反应器（例如，处理腔室100的处理容积129）之间使用的电路，用于优化功率输送效率。（例如，在RF匹配器172内的）一个或多个RF滤波器被设计为仅允许选定频率范围内的RF功率通过，并且将RF电源彼此隔离。在一些情况下，RF滤波器的带宽必须大于RF发生器171的频率调谐范围。

在等离子体处理期间，RF发生器171经由RF匹配器172向基板支撑组件136输送RF信号。例如，RF信号被施加到处理腔室100的处理容积129中的负载（例如，气体）。如果负载的阻抗与源（例如，RF发生器171）的阻抗未正确匹配，则波形的一部分会以相反的方向反射回来。因此，为了防止波形的显著部分反射回来，随着源和负载的阻抗改变，一些实施方式通过调整RF匹配器172的一个或多个部件来找到匹配阻抗（例如，匹配点）。

RF匹配器172与RF发生器171、基板支撑组件136和PV波形发生器175电耦合。RF匹配器172被配置成从RF发生器171和PV波形发生器175中的任一者或两者接收同步信号。

RF发生器171和PV波形发生器175各自直接耦合至系统控制器126。系统控制器126同步相应产生的RF信号和PV波形。

电压和电流传感器可置于RF匹配器172的输入和/或输出处，以测量阻抗和其他参数。这些传感器可通过使用来自先进波形发生器和/或RF发生器的外部晶体管-晶体管逻辑（TTL）同步信号，或者使用测量的电压和电流数据来进行同步，以此确定内部时序。例如，输出传感器117被配置成测量等离子体处理腔室100的阻抗，以及诸如电压、电流、谐波、相位等的其他特性。输入传感器116被配置成测量RF发生器171的阻抗和其他特性，诸如电压、电流、谐波、相位和/或类似特性。基于同步信号或等离子体处理腔室100的特性中的任一者，RF匹配器172能够捕获快速阻抗变化并优化阻抗匹配。

PV波形发生器175用于提供PV波形和/或定制的电压波形，所述PV波形和/或定制的电压波形是与该波形相关联的谐波频率之和。PV波形发生器175可向RF匹配器172输出同步TTL信号。电压波形通过滤波器组件178耦合到偏压电极（例如，图1B所示的偏压电极104）。在基板的热控制工艺期间，应用高DC电压电源173以卡紧基板。在一些情况下，在阴极组件的边缘可存在第三电极，以用于边缘均匀性控制。

图1B为等离子体处理系统10的详细示意性横截面图。如图1B所示，等离子体处理系统10被配置成形成电容耦合等离子体（CCP）。然而，在一些实施例中，等离子体101可替代地由设置在等离子体处理系统10的处理区域上方的电感耦合源产生。在这种配置中，线圈可放置在等离子体处理腔室100的陶瓷盖（例如，真空边界）的顶部。

等离子体处理系统10包括处理腔室100、基板支撑组件136、气体输送系统182、DC功率系统183、RF功率系统189和系统控制器126。处理腔室100包括腔室主体113，腔室主体113包括腔室盖123、一个或多个侧壁122和腔室基底124。腔室盖123、一个或多个侧壁122和腔室基底124共同限定了处理腔室100的处理容积129。一个或多个侧壁122和腔室基底124包括材料（诸如铝、铝合金或不锈钢合金），所述材料的大小和形状被设计为形成用于处理腔室100的元件的结构支撑件，并且被配置成在处理期间在处理腔室100的处理容积129中维持的真空环境内产生等离子体101的同时，承受施加到所述材料上的压力和添加的能量。基板103通过侧壁122中的一个侧壁中的开口（未示出）被装载到处理腔室100的处理容积129中和从处理容积129中被移除。在对基板103的等离子体处理期间，用狭缝阀（未示出）密封所述开口。

耦合至处理腔室100的处理容积129的气体输送系统182包括处理气体源119和穿过腔室盖123设置的气体入口128。气体入口128被配置成将一种或多种处理气体从处理气体源119输送到处理腔室100的处理容积129。

如上所述，处理腔室100包括设置在处理腔室100的处理容积129中的上电极（例如，腔室盖123）和下电极（例如，基板支撑组件136）。上电极与下电极定位成彼此面对。如图1B所示，RF发生器171电耦合到下电极。RF发生器171被配置成输送RF信号以在上电极与下电极之间点燃并维持等离子体101。在一些替代配置中，RF发生器171还可电耦合到上电极。

基板支撑组件136包括基板支撑件105、基板支撑件基底107、绝缘板111、接地板112、多个升降杆186、一个或多个基板电位感测组件184（例如，包括信号检测组件188）和偏压电极104。升降杆186中的每个升降杆186设置成穿过形成在基板支撑组件136中的通孔185，并用于促进将基板103传送到基板支撑件105的基板接收表面105A和从基板支撑件105的基板接收表面105A返回。基板支撑件105由介电材料形成。介电材料可包括块状烧结陶瓷材料、耐蚀金属氧化物（例如，氧化铝（Al₂O₃）、氧化钛（TiO）、氧化钇（Y₂O₃）、金属氮化物材料（例如，氮化铝（AlN）、氮化钛（TiN））、以上各项的混合物、或以上各项的组合。

基板支撑件基底107由导电材料（例如铝、铝合金或不锈钢合金）形成。基板支撑件基底107通过绝缘板111和插在绝缘板111与腔室基底124之间的接地板112，而与腔室基底124电绝缘。基板支撑件基底107被配置成在基板处理期间调节基板支撑件105和设置在基板支撑件105上的基板103这两者的温度。基板支撑件基底107包括设置在其中的一个或多个冷却通道（未示出），所述一个或多个冷却通道与冷却剂源（未示出）流体耦合并流体连通，冷却剂源诸如具有相对高电阻的致冷剂源或基板源。基板支撑件105包括加热器（未示出）以加热基板支撑件105和设置在基板支撑件105上的基板103。

偏压电极104嵌入基板支撑件105的介电材料中。偏压电极104由一个或多个导电部分形成。导电部分包括网、箔、板或以上各项的组合。偏压电极104用作卡紧极（即，静电卡紧电极），卡紧极用于将基板103固定（例如，静电卡紧）到基板支撑件105的基板接收表面105A。平行板状结构由偏压电极104和设置在偏压电极104与基板接收表面105A之间的介电材料层形成。介电材料可具有在约5 nF与约50 nF之间的有效电容C_E。介电材料层（例如，氮化铝（AlN）、氧化铝（Al₂O₃）等）的厚度在约0.3毫米与约5毫米之间，诸如在约0.1毫米与约3毫米之间，诸如在约0.1毫米与约1毫米之间，或者甚至在约0.1毫米与约0.5毫米之间。偏压电极104电耦合到夹持网络，所述夹持网络向偏压电极104提供卡紧电压。夹持网络包括DC电压电源173（例如，高电压DC电源），DC电压电源173耦合到滤波器组件178的滤波器178A，滤波器组件178A设置在DC电压电源173与偏压电极104之间。滤波器178A是低通滤波器，其被配置成在等离子体处理期间阻止由处理腔室100内的其他偏压部件提供的RF频率和PV波形信号到达DC电压电源173。静态DV电压在约-5000V与约5000V之间，并且是使用电导体（诸如同轴输电线106）来输送的。偏压电极104可通过使用一种或多种PV偏压方案相对于等离子体101来偏压基板103。

基板支撑组件136包括边缘控制电极115。边缘控制电极115由一个或多个导电部分形成。导电部分包括网、箔、板或以上各项的组合。边缘控制电极115定位于边缘环114下方并围绕偏压电极104和/或设置在离偏压电极104的中心一距离处。对于被配置成处理圆形基板的处理腔室100，边缘控制电极115是环形的、由导电材料制成，并且被配置成围绕偏压电极104的至少一部分。如图1B所示，边缘控制电极115定位于基板支撑件105的区域内，并通过使用PV波形发生器175来偏压。通过使用与用于偏压电极104的PV波形发生器175不同的PV波形发生器来对边缘控制电极115进行偏压。通过分离从PV波形发生器175提供给偏压电极104的信号的部分来对边缘控制电极115进行偏压。

DC功率系统183包括DC电压电源173、PV波形发生器175和电流源177。RF功率系统189包括RF波形发生器171、RF匹配器172和RF滤波器174。如图1B所示，输电线163将RF发生器171的输出电连接到RF匹配器172、RF滤波器174和基板支撑件基底107。如上所述，在等离子体处理期间，DC电压电源173提供恒定卡紧电压，同时RF发生器171将RF信号输送到处理区域，并且PV波形发生器175在偏压电极104处建立PV波形。例如，足量的RF功率被施加到RF偏压信号（本文中也称为RF波形），并且RF波形被提供给电极（例如，基板支撑件基底107）以使得等离子体101形成在处理腔室100的处理容积129中。RF波形具有的频率范围在约1 MHz与约200 MHz之间，诸如在2 MHz约40 MHz之间。

DC功率系统183包括滤波器组件178，以用于电隔离DC功率系统183中所包含的部件中的一个或多个部件。输电线160将DC电压电源173的输出电连接到滤波器组件178。输电线161将PV波形发生器175的输出电连接到滤波器组件178。输电线162将电流源177的输出连接到滤波器组件178。

通过使用设置在输电线162中的开关（未示出），电流源177选择性地耦合至偏压电极104，以允许电流源177在PV波形发生器175产生的电压波形的一个或多个阶段（例如，离子电流阶段）期间向偏压电极104输送期望的电流。

滤波器组件178包括多个单独的滤波部件（即，离散滤波器178A至178C），每个滤波部件经由输电线164电耦合至输出节点。滤波器组件178可包括经由输电线164电耦合到输出节点的一个公共滤波器。输电线160至164包括电导体，所述电导体包括同轴缆线的组合，诸如与刚性同轴缆线串联连接的柔性同轴缆线、绝缘高电压耐电晕布线用电线、裸线、金属棒、电连接器或以上各项的任何组合。

系统控制器126（本文中也称为处理腔室控制器）包括中央处理单元（CPU）133、存储器134和支持电路135。系统控制器126用于控制用于处理基板103的工艺序列。CPU是计算机处理器，其被配置成用于工业环境中，以用于控制处理腔室和与处理腔室相关的子处理器。本文描述的存储器134通常是非易失性存储器，可包括随机存取存储器、只读存储器、硬盘驱动器或其他适合形式的本地或远程的数字存储装置。支持电路135耦合到CPU 133，并且包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等，以及以上各项的组合。软件指令（程序）和数据可被编码并存储在存储器134中，以用于指示CPU 133内的处理器。系统控制器126中的可由CPU 133读取的软件程序（或计算机指令）确定哪些任务可由等离子体处理系统10中的部件执行。

可由系统控制器126中的CPU 133读取的程序包括代码，所述代码在由CPU 133执行时，执行与本文所述的等离子体处理方案相关的任务。所述程序可包括用于控制等离子体处理系统10内的各种硬件和电子部件的指令，以执行各种处理任务和用于实施本文描述的方法的各种工艺序列。所述程序包括用于执行本文描述的操作中的一个或多个操作的指令。

图2示出了由于使用PV波形发生器175将PV波形输送至处理腔室100的偏压电极104，而在设置在处理腔室100的基板支撑组件136的基板接收表面105A上的基板103处建立的两个单独的电压波形。第一波形（例如，波形225）是在等离子体处理期间在基板103处建立的未经补偿的PV波形的示例。第二波形（例如，波形230）是通过使用电流源177在PV波形周期的“离子电流阶段”部分期间向处理腔室100的偏压电极104施加负斜率波形而在基板103处建立的经补偿的PV波形的示例。替代地，可通过在由PV波形发生器175产生的PV波形的离子电流阶段期间施加负电压斜变来建立经补偿的PV波形。波形225、230的PV波形周期各自具有周期T_p，所述周期T_p例如通常在2微秒（µs）与10微秒之间，诸如2.5微秒。PV波形周期的离子电流阶段通常将占据周期T_p的约50%与约95%之间，诸如从周期T_p的约80%到约90%。

波形225和波形230包括两个主要阶段：离子电流阶段和壳层崩溃阶段。在等离子体处理期间，波形225和波形230的两个部分（例如，离子电流阶段和壳层崩溃阶段）可被交替地和/或分开地建立在基板103上。在离子电流阶段的开始处，由于输送由PV波形发生器175提供至偏压电极104的PV波形的负部分（例如，离子电流部分）而在基板103处产生电压降，这在基板103上方产生高电压壳层。高电压壳层允许等离子体产生的正离子在离子电流阶段期间被加速前往偏压的基板103，因此，对于RIE工艺，控制了在等离子体处理期间在基板103的表面上发生的蚀刻工艺的量和特征。在一些实施例中，期望离子电流阶段包括PV波形的区域，所述区域在整个阶段中实现基板103处稳定的或变化最小的电压，如图2中波形230所示。将注意到，在离子电流阶段期间在基板103处建立的电压的显著变化（诸如由波形225中的正斜率所示）将会不期望地导致离子能量分布（IED）的变化，从而导致在RIE工艺期间在基板103中形成的蚀刻特征的不期望的特性。

等离子体壳层阻抗随着提供的PV波形电压而变化。RF匹配器172可使用同步信号中的任一者或两者，和/或使用RF匹配器172的内部传感器在不同处理阶段对阻抗进行采样。在一个示例中，由输入传感器116或输出传感器117确定的同步信号或特性用于触发RF匹配器172，以确定不同处理阶段的至少两个不同阻抗。随后，RF匹配器172基于至少两个不同的阻抗更新的RF匹配器172匹配点。

当被反向偏压到一定程度时，基于碳化硅（SiC）的肖特基二极管表现出低结电容（例如，在数十皮法拉数量级）。如果这种具有低结电容的反向偏压肖特基二极管堆叠被放置在RF信号（例如，具有13.56 MHz的频率）的路径中，则二极管为RF信号提供高阻抗，从而阻挡RF信号。另一方面，当相同的肖特基二极管被正向偏压时，由于二极管在正向偏压的影响下充当短路路径，肖特基二极管堆叠在允许RF信号通过。因此，肖特基二极管可借助于可在PV波形频率下在正向偏压状态与反向偏压状态之间切换的电路充当RF开关（RFS）。这种方案允许使用者通过使用反向偏压和正向偏压接通和断开RF开关，来以比常规实施方式更高的频率来改变匹配网络的总阻抗。传统的匹配网络可能无法在如此高的频率下调谐。

脉冲电压辅助等离子体轰击

一些实施方案使用偏压功率与由源提供的功率组合来增强等离子体点燃。在一些方面中，脉冲电压（PV）可用于增强等离子体点燃，其中PV波形参数被设定成改善电压输送。通过使用PV波形，多电平脉冲能力可在宏尺度和微观尺度的时间尺度上增强等离子体点燃。

某些方面通过在RF源序列开始之前或开始之时提供脉冲电压短脉冲，来实施PV混合轰击能力。点燃参数可基于实验来调谐，以表征轰击性能，从而提供点燃的可重复性并降低反射功率。某些方面经由配方设定来实施轰击。可实施更复杂的点燃序列，诸如偏压信号斜率调谐，以改善点燃。在一些情况下，可使用多个短脉冲来减少对半导体处理的影响，如本文更详细描述的。

图3至图5为图表300、400、500，示出了根据本公开的某些方面的半导体处理的示例脉冲方案。包括源关闭状态（例如，来自发生器171的RF源关闭的状态）的脉冲方案可能导致等离子体稳定性问题。本公开的某些方面是针对在高电压（例如，等于或大于1000V）下提供一系列脉冲电压（例如，微短脉冲）作为偏压以用于半导体处理。使用高电压短脉冲可能会对处理空间造成限制，尤其是对于具有较低电压规格或要求的逻辑配方。一些方面是针对将至少一个微短脉冲（例如，包括少于十五个低持续时间脉冲）与每个RF功率短脉冲一起用于进行源重新耦合。微短脉冲的输送有助于引发和维持等离子体。在微短脉冲之后，偏压电压可降低到高电压（例如，1000V）以下，以促进半导体处理配方。微短脉冲是指处于特定频率的一系列脉冲，所述频率诸如参照图2描述的400 KHz。

尽管为了简化图示目的，本文提供的附图中示出的偏压信号被表示为从零基准起增加的量值，但本文公开的任何实施例中应用的实际偏压信号可具有正极性或负极性。在一个或多个实施例中，施加到等离子体处理腔室内的电极的已施加偏压信号相对于接地基准大体上具有负极性。

如图3所示，图表300示出了偏压信号304（例如，来自PV波形发生器175的PV信号）的电压和来自RF源（例如，RF发生器171）的RF信号（例如，正弦信号）的RF功率脉冲302（单位为瓦（W））。偏压信号304可被施加到电容耦合到腔室的任何电极。例如，偏压信号304可施加到参照图1B描述的偏压电极104或腔室的边缘电极（例如，边缘环）。

可经由PV波形发生器175施加微短脉冲306（例如，具有1000V峰值的一系列脉冲）。根据某个处理配方，短脉冲可而随着RF功率脉冲302的增加而开始。例如，短脉冲306可与增加到550瓦的RF功率一起施加，如图所示。在微短脉冲306之后，偏压信号304的电压可基于等离子体处理配方的需求来设定。例如，如图表300所示，偏压信号304的电压可降低到0伏，直到时间308。随后，偏压信号304的电压可增加（例如，增加到500伏）且在一段时间之后降回0伏，如图所示。在这种情况下，RF信号的功率脉冲302可在时间310处降至0瓦，如图所示。在处理周期350（例如，在100微秒（µs）与100毫秒（ms）之间的任何时间）的一部分期间，当提供RF功率时，微短脉冲306允许等离子体被引发和维持。尽管将偏压信号304的多个部分图示为恒定电压（例如，在电压V1下的恒定电压），但是偏压信号304包括一系列脉冲（例如，在如图2所示的400 KHz下）。图示的偏压信号的电压表示脉冲的峰值电压。例如，短脉冲306可包括具有1000伏峰值电压的一系列脉冲。

处理周期期间的偏压和RF功率可根据处理配方而定。例如，如图所示，短脉冲306的开始与时间308之间的持续时间可以是总处理周期350的5%。偏压信号的电压被设定为300伏的持续时间可以是处理周期350的20%。时间308与时间310之间的持续时间可以是处理周期350的45%，并且从时间310起直到处理周期350的结束的持续时间可以是处理周期350的50%。在处理周期350期间，由偏压信号304和RF功率脉冲302执行的脉冲序列可根据需要重复一次或多次。

微短脉冲306可用于促进任何处理配方中的等离子体引发和维持，诸如参照图3至图5所述的处理配方。例如，如图4所示，在短脉冲306之后，偏压信号的电压可降至电压V1（例如，300伏），直到时间402。随后，偏压信号的电压可增至电压V2（例如，500伏），直到时间404，在此之后，偏压信号的电压可降至0伏。RF信号功率脉冲302可以是850瓦，直到时间402，随后降至550瓦，直到时间404，随后降至0瓦，如图所示。

微短脉冲306的持续时间可相对较短，以便避免对正在处理的半导体造成任何不利影响（例如，不希望的蚀刻或掩模损坏）。因此，可选择短脉冲306的电压和持续时间来引发并适当地维持腔室中的等离子体，但不会对半导体处理产生不利影响。在一些情况下，短脉冲306的持续时间（例如，10微秒至200微秒）可以是例如处理周期350的2%或更少，或者是向腔室提供RF功率的持续时间的5%或更少。每当RF源功率为0瓦的时间长于某一持续时间时，微短脉冲可用于引发和维持等离子体。

作为图5所示的另一示例，在短脉冲306之后，偏压信号304的电压可降至V1（例如，形成偏压信号304的脉冲的峰值电压可以是300伏），直到时间502，在此之后，偏压信号304的电压可降至0伏。如图所示，从处理周期开始直到时间502，RF信号功率脉冲302可被设定为第一功率（例如，850瓦），随后如图所示降低至0瓦。图5所示的示例脉冲方案可包括两个RF功率短脉冲，每个RF功率短脉冲以微短脉冲开始。例如，在时间504处，可提供另一短脉冲540，在此之后，可将偏压信号304的电压降至电压V2（例如，其中V2大于V1），直到时间506，在此之后，偏压信号304的电压降至0伏。如图所示，在时间504、506之间，RF信号功率可被设定为小于第一功率的第二功率（例如，550瓦），随后降低到0瓦。从处理周期350的开始直到时间502的持续时间可以是处理周期350的20%。时间502、504之间的持续时间可以是处理周期350的30%。时间504、506之间的持续时间可以是处理周期350的25%，并且从时间506直到处理周期350的结束的持续时间可以是处理周期350的25%。

尽管本文所述的一些示例使用单次短脉冲来引发和维持腔室中的等离子体，但可使用任何合适数量的短脉冲。例如，可使用五次短脉冲来引发和维持腔室中的等离子体。在一些情况下，如果腔室中的等离子体已经关闭达延长的时间段，则可使用更多短脉冲。

在某些情况下，可使用宏轰击方案在腔室中引发等离子体，如参照图6更详细地所述。例如，当RF源已经关闭达延长的时间段时，诸如在处理步骤之间的时间段期间，可使用宏轰击方案。

图6示出了根据本公开的某些方面的宏轰击方案。如图表600所示，在处理周期开始处，RF源功率可增加到W1。如图表610所示，偏压信号的电压可增加到V1，提供宏轰击来引发等离子体。RF信号功率和偏压信号的电压可分别设定为W1和V1，以用于在腔室中引发等离子体达宏轰击持续时间。在宏轰击持续时间之后，可将RF信号功率调整到W2，并且可将偏压信号的电压调整到用于半导体处理的V2。尽管在图表600、610中，用于半导体处理的功率W2小于W1，并且偏压信号电压V2小于V1，但是在一些情况下，W2可能大于W1，而V2可能大于V1。当等离子体已经关闭达延长的时间段（诸如用于腔室冷启动）时，宏轰击持续时间可能很长（例如，一秒）。

图7示出了根据本公开的某些方面的用于在处理腔室中引发和控制等离子体的宏轰击和一系列微短脉冲。如图所示，半导体处理可涉及多个处理步骤1至n，n是正整数。处理步骤中的每个处理步骤可与特定的处理配方（例如，设定压力、RF功率、偏压电压和/或温度）相关联。在处理步骤之间，可关闭RF功率（例如，RF功率可以是零），在此期间，腔室条件达到稳定，如图所示。在每个处理步骤开始处（例如，RF功率已经关闭达延长的时间段的情况下），参照图6的图表610所述的宏轰击可用于引发腔室中的等离子体。在每个处理步骤中，可使用脉冲方案（例如，100 KHz脉冲），其中可开启和关闭RF源，从而提供多个RF功率相位。每次开启RF源时（例如，在除了所述步骤的初始RF功率阶段之外的每个RF功率阶段的开始处），可使用微短脉冲（例如，单次短脉冲）来引发和维持等离子体。

如果宏轰击持续时间相对于处理周期过长，则宏轰击周期可能会对半导体处理产生不利影响。换言之，较长的宏轰击持续时间可能对半导体施加应力。在本公开的一些方面中，宏轰击持续时间可用多个微短脉冲650来实施（例如，替换为多个微短脉冲650），如图6中的图表612所示。微短脉冲可作为具有1%至10%占空比和某一频率的一系列短脉冲来实施。即，每个短脉冲的持续时间可以是从一个短脉冲的开始到下一个短脉冲的总持续时间的1%至10%。包括短脉冲650的轰击持续时间可以是例如一秒或更短。在本文公开的各种短脉冲中的任一者中，短脉冲内提供的脉冲占空比（例如，电压“开启时间”（例如，“离子电流阶段”）与脉冲的周期（T_p）（图2）的比率）可例如在约50%与约95%之间。

尽管图表612中图示了五次短脉冲以便于理解，但可使用任何适合次数的短脉冲。例如，如图表614所示，可使用两次微短脉冲652。轰击持续时间可用具有1%至10%占空比的短脉冲来实施达一秒，其中每个短脉冲包括一系列频率可以是400 KHz的脉冲。

本公开的某些方面是针对控制脉冲（例如，如图2所示的脉冲）的斜率，以更高效地引发和维持腔室内的等离子体。可控制PV信号脉冲的斜率（例如，如参照图2所述，控制壳层崩溃阶段的PV的上升时间和下降时间）以提供脉冲形状，从而改善处理性能。尽管斜率控制改善了处理性能，但是斜率控制可能对轰击（例如，等离子体引发）产生负面影响。对于等离子体引发，提供更快的PV信号上升时间和下降时间实现了更高效的等离子体轰击。随着上升时间和下降时间加快，用于等离子体引发的微短脉冲的电压可降低，从而降低了在轰击腔室的等离子体时损坏半导体或腔室的风险。换言之，假设对于半导体处理而言，PV信号的典型上升时间和下降时间是300微秒，则对于等离子体引发而言，上升时间和下降时间可缩短到低至20微秒至30微秒。

图8为示出了根据本公开的某些实施例的用于在等离子体处理系统中处理基板的方法800的工艺流程图。方法800可由等离子体处理系统执行。

在操作810处，等离子体处理系统经由PV信号发生器向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发等离子体。偏压信号可包括具有第一持续时间的第一短脉冲（例如，微短脉冲，诸如图3的短脉冲306）。

在操作820处，等离子体处理系统经由RF信号发生器向等离子体负载提供RF信号达第二持续时间。第一持续时间可少于第二持续时间的10%。第一短脉冲可发生在第二持续时间的开始处。在第二持续时间期间，RF信号可具有不同的功率水平。

偏压信号可包括至少一个第二短脉冲（例如，短脉冲540），每个第二短脉冲具有第三持续时间。第三持续时间可少于第二持续时间的10%。第三持续时间可等于第一持续时间。

第一短脉冲可具有第一电压。在第一持续时间之后，偏压信号可具有小于第一电压的第二电压。第二电压可根据半导体处理配方。

在一些方面中，等离子体处理系统经由PV信号发生器产生多个短脉冲，所述多个短脉冲包括第一短脉冲，以在多个半导体处理步骤（例如，图7所示的处理步骤1至n）中的每个步骤的初始RF功率阶段开始处，在等离子体腔室中引发等离子体。多个半导体处理步骤中的每个步骤可包括多个RF功率阶段。等离子体处理系统可经由PV信号发生器产生单个短脉冲，以在初始RF功率阶段之后的多个RF功率阶段中的每个阶段开始处，在等离子体腔室中引发等离子体。RF信号发生器可在多个RF功率阶段中的每个阶段开始处，从提供零功率转变为提供大于零的功率。

在一些方面中，等离子体处理系统可产生至少一个第二短脉冲以用于半导体处理。第一短脉冲中的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间可少于至少一个第二脉冲中的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间。

尽管前述内容针对本公开的实施例，但在不脱离本公开基本范围的情况下，可设计出本公开的其他和进一步实施例，本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims

1.一种用于在等离子体处理系统中处理基板的设备，包括：

脉冲电压（PV）信号发生器，所述PV信号发生器被配置成向等离子体负载提供偏压信号以在等离子体腔室中引发等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及

射频（RF）信号发生器，所述RF信号发生器被配置成向所述等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中所述第一持续时间少于所述第二持续时间的10%，并且其中所述第一短脉冲发生在所述第二持续时间的开始处。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述RF信号在所述第二持续时间期间具有不同的功率水平。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述偏压信号包括至少一个第二短脉冲，每个第二短脉冲具有第三持续时间，其中所述第三持续时间少于所述第二持续时间的10%。

4.如权利要求3所述的设备，其中所述第三持续时间等于所述第一持续时间。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述第一短脉冲具有第一电压，并且其中所述偏压信号在所述第一持续时间之后具有小于所述第一电压的第二电压。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述第二电压是根据半导体处理配方。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述PV信号发生器被配置成：

在多个半导体处理步骤中的每个步骤中的初始RF功率阶段的开始处，产生包括所述第一短脉冲的一系列短脉冲以在所述等离子体腔室中引发所述等离子体，其中所述多个半导体处理步骤中的每个步骤包括多个RF功率阶段；以及

在所述初始RF功率阶段之后，在所述多个RF功率阶段中的每个阶段的开始处，产生单个短脉冲以在所述等离子体腔室中引发所述等离子体。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述RF信号发生器被配置成在所述多个RF功率阶段中的每个阶段的所述开始处，从提供零功率转变为提供大于零的功率。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述PV信号发生器被配置成产生用于半导体处理的至少一个第二短脉冲，并且其中所述第一短脉冲的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间少于所述至少一个第二短脉冲的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间。

10.一种用于在等离子体处理系统中处理基板的方法，包括以下步骤：

经由脉冲电压（PV）信号发生器向等离子体负载提供偏压信号，以在等离子体腔室中引发等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及

经由射频（RF）信号发生器向所述等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中所述第一持续时间少于所述第二持续时间的10%，并且其中所述第一短脉冲发生在所述第二持续时间的开始处。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述RF信号在所述第二持续时间期间具有不同的功率水平。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述偏压信号包括至少一个第二短脉冲，每个第二短脉冲具有第三持续时间，其中所述第三持续时间少于所述第二持续时间的10%。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述第三持续时间等于所述第一持续时间。

14.如权利要求10所述的方法，其中所述第一短脉冲具有第一电压，并且其中所述偏压信号在所述第一持续时间之后具有小于所述第一电压的第二电压。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第二电压是根据半导体处理配方。

16.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：

经由所述PV信号发生器产生包括所述第一短脉冲的一系列短脉冲，以在多个半导体处理步骤中的每个步骤中的初始RF功率阶段的开始处在所述等离子体腔室中引发所述等离子体，其中所述多个半导体处理步骤中的每个步骤包括多个RF功率阶段；以及

在所述初始RF功率阶段之后，在所述多个RF功率阶段中的每个阶段的开始处，经由所述PV信号发生器产生单个短脉冲以在所述等离子体腔室中引发所述等离子体。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述多个RF功率阶段中的每个阶段的所述开始处，从提供零功率转变到提供大于零的功率。

18.如权利要求10所述的方法，进一步包括以下步骤：产生用于半导体处理的至少一个第二短脉冲，并且其中所述第一短脉冲的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间少于所述至少一个第二短脉冲的一个或多个脉冲的上升时间和下降时间。

19.一种等离子体处理系统，包括：

等离子体腔室；

脉冲电压（PV）信号发生器，所述PV信号发生器耦合到所述等离子体腔室，并被配置成向等离子体负载提供偏压信号以在所述等离子体腔室中引发等离子体，其中所述偏压信号包括具有第一持续时间的第一短脉冲，所述第一短脉冲包括一系列脉冲；以及

射频（RF）信号发生器，所述RF信号发生器耦合到所述等离子体腔室，并被配置成向所述等离子体负载提供RF信号达第二持续时间，其中所述第一持续时间少于所述第二持续时间的10%，并且其中所述第一短脉冲发生在所述第二持续时间的开始处。

20.如权利要求1所述的等离子体处理系统，其中所述偏压信号包括至少一个第二短脉冲，每个第二短脉冲具有第三持续时间，其中所述第三持续时间少于所述第二持续时间的10%。