使用具有电流返回输出级的脉冲发生器来控制离子能量分布的方法技术

本发明专利技术涉及使用具有电流返回输出级的脉冲发生器来控制离子能量分布的方法。本公开内容的实施方式描述了一种电极偏置方案，其能够维持几乎恒定的鞘层电压，并因此在基板的表面处产生单能IEDF，因而能够精确控制IEDF的形状和在基板表面中形成的特征的轮廓。

A method of controlling ion energy distribution by using a pulse generator with current return output stage

The invention relates to a method for controlling ion energy distribution by using a pulse generator with a current return output stage. Embodiments of the present disclosure describe an electrode bias scheme capable of maintaining an almost constant sheath voltage and thus generating a single energy IEDF at the surface of the substrate, thereby accurately controlling the shape of the IEDF and the profile of the features formed on the surface of the substrate.

【技术实现步骤摘要】
使用具有电流返回输出级的脉冲发生器来控制离子能量分布的方法
本文所述实施方式总的来说涉及用在半导体制造中的等离子体处理腔室。
技术介绍
可靠地产生高纵横比特征是下一代的半导体器件的超大规模集成(VLSI)和极大规模集成(ULSI)的关键技术挑战之一。形成高纵横比特征的一种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，电介质层)中形成高纵横比开口。在典型的RIE等离子体工艺中，等离子体是在RIE处理腔室中形成，并且来自等离子体的离子朝向基板的表面加速，以便在设置在形成于基板表面上的掩模层下方的材料层中形成开口。典型的反应性离子蚀刻(RIE)等离子体处理腔室包括射频(RF)偏置发生器，其向“功率电极”(嵌入“静电吸盘”(ESC)组件中的金属底板，更通常称作“阴极”)，供应RF电压。图1A描绘在典型处理腔室中供应给功率电极的典型RF电压的曲线图。功率电极通过电介质材料(例如，陶瓷材料)层电容耦合到处理系统的等离子体，所述电介质材料层是ESC组件的一部分。向功率电极施加RF电压导致在基板的处理表面之上形成电子排斥等离子体鞘层(也称作“阴极鞘层”)，所述基板在处理期间被定位在ESC组件的基板支撑表面上。等离子体鞘层的非线性、类二极管性质导致施加的RF场的整流，使得在基板与等离子体之间出现直流(DC)电压降或“自偏置”，从而使得相对于等离子体电势而言基板电势为负。这一电压降确定了朝向基板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。更具体来说，离子方向性、特征轮廓以及对掩模和终止层的蚀刻选择性受离子能量分布函数(IEDF)控制。在具有RF偏置的等离子体中，IEDF通常具有低能量和高能量的两个峰值，以及在其间的一些离子群，如图1B中所示。IEDF的两个峰值之间的离子群的存在反映了基板与等离子体之间的电压降在RF偏置频率下振荡的事实。当使用较低频率(例如，2MHz)的RF偏置发生器来获得较高的自偏置电压时，这两个峰值之间的能量差可能是明显的；并且由于低能量峰值处的离子引起的蚀刻轮廓更为各向同性，这可能潜在地导致特征壁弯曲。与高能离子相比，低能离子在到达被蚀刻的特征的底部处的拐角处(例如，由于充电效应)不太有效，但会导致掩模材料的溅射较少。这在高纵横比的蚀刻应用(诸如硬掩模开口或电介质模蚀刻)中是重要的。随着特征大小继续减小并且纵横比增大，同时特征轮廓控制要求变得更加严格，更加期望在处理期间在基板表面处具有良好控制的离子能量分布函数(IEDF)。单峰值IEDF可用于构建任何IEDF，包括具有受独立控制的峰高和能量的双峰值IEDF，这有益于高精度的等离子体处理。作者已经注意到，产生单峰值IEDF(诸如图5C中所示的单峰值IEDF520)需要在等离子体与基板之间具有几乎恒定的电势差(即，几乎恒定的鞘层电压)，因为鞘层电压确定在处理期间的基板表面处的离子能量。假设几乎恒定的等离子体电势(所述几乎恒定的等离子体电势在处理等离子体的过程中通常不高于接地电势几十伏特)，这需要在基板表面处相对于接地维持几乎恒定的负电势。作者已进一步注意到，这无法通过简单地将DC电压施加到功率电极来实现。这是因为在存在电子排斥等离子体(阴极)鞘层的情况下，由于鞘层电场将电子排斥远离基板，所以来自体等离子体的离子电流不会被来自体等离子体的电子电流平衡。因此，来自体等离子体的不平衡净电流(等于离子电流)不断地给基板表面充电，这最终导致所有施加的DC电压跨基板和ESC组件(即，吸盘电容器)的电介质层下降而不是如所期望的那样跨等离子体鞘层(即，鞘层电容器)下降。因此，本领域需要新颖的偏置方法，其能够维持几乎恒定的鞘层电压(等于基板电压相对于接地的值，假设等离子体电势接近零)并因此在基板的表面处产生单能IEDF；因而能够精确控制IEDF的形状和在基板表面中形成的特征的轮廓。
技术实现思路
本文提供的本公开内容的实施方式可以包括一种处理基板的方法，所述方法使得能够维持几乎恒定的鞘层电压长达基板处理时间的约90％。所执行的方法将导致单(窄)峰值离子能量分布函数(IEDF)，所述单(窄)峰值离子能量分布函数(IEDF)可进一步用于产生具有任意形状的IEDF。本文中，所述方法包括在设置在基板支撑件上的基板的表面之上产生等离子体，以及在设置在基板支撑件内的偏置电极处建立脉冲电压波形。脉冲电压波形是使用通过第二电导体耦合到偏置电极的脉冲偏置发生器在偏置电极处建立。脉冲偏置发生器包括同时耦合到第二电导体的脉冲发生器和电流返回输出级。脉冲发生器通过以预定速率重复地闭合和断开其内部开关，在预定长度的规则重复的时间间隔期间在所述脉冲发生器的输出(即，到接地)上维持预定的正电压。脉冲发生器包括恒定电压源、开关和缓冲器。当闭合时，开关将基本恒定的电压源的正输出电耦合到脉冲发生器的输出，所述脉冲发生器的输出通过第一电导体同时耦合到第二电导体。跨脉冲发生器的输出的缓冲器(例如“反激”二极管)在开关的断开后的电感部件(诸如第一和第二电导体)快速释放磁能期间最小化(或“缓冲”)可能的电压尖峰。本文中，电流返回输出级的第一端通过第一电导体电耦合到纳秒脉冲发生器的正输出并同时电耦合到第二电导体，并且电流返回输出级的第二端电耦合到接地。在一些实施方式中，脉冲电压波形包括多个脉冲电压循环，其中每个脉冲电压循环包括鞘层塌陷阶段、吸盘电容器再充电阶段、鞘层形成阶段和离子电流阶段。在塌陷阶段期间，开关闭合，并且鞘层电容通过脉冲发生器所供应的电流放电。在吸盘电容器再充电阶段期间，开关被维持在闭合位置，并且通过来自脉冲发生器的电流向偏置电极提供正电荷。在鞘层形成阶段期间，开关断开，并且电流通过电流返回输出级从鞘层和杂散电容通过电流返回输出级流到接地。在离子电流阶段期间，开关被维持在断开位置，并且同样地通过电流返回输出级从等离子体流到接地的离子电流导致正电荷在基板表面上累积并逐渐使鞘层和吸盘电容器放电，因此缓慢降低了鞘层电压降。在一些实施方式中，鞘层塌陷阶段、再充电阶段和鞘层形成阶段具有介于约200ns与约300ns之间的组合持续时间。在一些实施方式中，在开关保持闭合的时间期间，脉冲发生器的正输出电压在约0.1kV与约10kV之间。在一些实施方式中，开关保持在闭合位置达每个脉冲电压循环的约10ns至约100ns之间。在一些实施方式中，每个脉冲电压循环具有约2μs与约3μs之间的持续时间。在一些实施方式中，组合的鞘层塌陷阶段和再充电阶段占脉冲电压循环的小于约10％。在一些实施方式中，偏置电极通过电介质材料的层与基板支撑件的基板支撑表面间隔开，并且其中基板支撑件的电介质材料的层和设置在基板支撑件上的基板的组合串联电容介于约5nF与约12nF之间。在一些实施方式中，夹持电源在连接点处耦合到外部电导体，并且其中具有介于约40nF与约80nF之间的电容的阻塞电容器与脉冲偏置发生器串联设置在脉冲偏置发生器与连接点之间。在一些实施方式中，具有大于约1兆欧的电阻的阻塞电阻器设置在夹持电源与连接点之间。在另一实施方式中，一种处理腔室包括腔室盖本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种处理基板的方法，包括：/n在基板的表面之上产生等离子体，所述基板设置于基板支撑组件上；和/n使用偏置发生器来偏置设置在所述基板支撑组件内的偏置电极，所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到电导体的发生器端，所述电导体的电极端使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，所述偏置发生器用于在所述偏置电极处建立脉冲电压波形，并且所述脉冲电压波形包括一系列重复循环，/n其中所述一系列重复循环中的每个循环内的波形具有在第一时间间隔期间发生的第一部分和在第二时间间隔期间发生的第二部分，/n其中正电压脉冲仅在所述第一时间间隔期间存在，/n其中所述偏置发生器包括：/n脉冲发生器，所述脉冲发生器电耦合到所述电导体的所述发生器端；和/n电流返回输出级，其中/n所述电流返回输出级的第一端电耦合到所述电导体，和/n所述电流返回输出级的第二端电耦合到接地，和/n其中，在所述第二时间间隔的至少一部分期间，电流通过所述电流返回输出级从所述偏置电极流到接地。/n

【技术特征摘要】
20180510 US 15/976,7281.一种处理基板的方法，包括：
在基板的表面之上产生等离子体，所述基板设置于基板支撑组件上；和
使用偏置发生器来偏置设置在所述基板支撑组件内的偏置电极，所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到电导体的发生器端，所述电导体的电极端使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，所述偏置发生器用于在所述偏置电极处建立脉冲电压波形，并且所述脉冲电压波形包括一系列重复循环，
其中所述一系列重复循环中的每个循环内的波形具有在第一时间间隔期间发生的第一部分和在第二时间间隔期间发生的第二部分，
其中正电压脉冲仅在所述第一时间间隔期间存在，
其中所述偏置发生器包括：
脉冲发生器，所述脉冲发生器电耦合到所述电导体的所述发生器端；和
电流返回输出级，其中
所述电流返回输出级的第一端电耦合到所述电导体，和
所述电流返回输出级的第二端电耦合到接地，和
其中，在所述第二时间间隔的至少一部分期间，电流通过所述电流返回输出级从所述偏置电极流到接地。


2.如权利要求1所述的方法，其中：
所述波形的所述第一部分进一步包括正电压脉冲，所述正电压脉冲导致鞘层电压降的恢复，其中鞘层在所述第一时间间隔的结束处形成于所述基板的面向等离子体的表面之上。


3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间间隔具有介于约200ns与约400ns之间的持续时间。


4.如权利要求1所述的方法，其中所述第一时间间隔小于所述一系列重复循环中的循环的持续时间的约20％。


5.如权利要求3所述的方法，其中所述一系列重复循环中的所述循环具有介于约2微秒(μs)与约3μs之间的持续时间。


6.如权利要求1所述的方法，其中所述正电压脉冲介于约0.1千伏(kV)与约10kV之间。


7.如权利要求1所述的方法，其中所述偏置电极通过所述电介质材料的层与所述基板支撑组件的基板支撑表面间隔开，并且其中包括所述偏置电极和所述电介质材料的所述层的平行板状结构具有介于约5nF与约50nF之间的有效电容。


8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
使用夹持电源将DC电压施加到所述偏置电极，所述夹持电源使用电源耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端。


9.如权利要求8所述的方法，其中所述电源耦合组件包括阻塞电阻器，所述阻塞电阻器具有大于约1兆欧的电阻。


10.如权利要求1所述的方法，其中所述电导体进一步包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和所述第二电导体串联电耦合，其中所述第一电导体的一端电耦合到所述偏置发生器的输出，并且所述第二电导体的一端电耦合到所述偏置电极。


11.一种处理腔室，包括：
基板支撑组件，所述基板支撑组件包括偏置电极，所述偏置电极通过电介质材料的层与所述基板支撑组件的基板支撑表面分离开；和
偏置发生器，所述偏置发生器使用发生器耦合组件电耦合到电导体的发生器端，并且所述电导体的电极端使用电极耦合组件电耦合到所述偏置电极，
其中所述偏置发生器包括：
脉冲发生器，所述脉冲发生器电耦合到所述电导体的所述发生器端；和
电流返回输出级，其中
所述电流返回输出级的第一端电耦合到所述电导体，和
所述电流返回输出级的第二端电耦合到接地，和
其中所述电导体包括第一电导体和第二电导体，所述第一电导体和所述第二电导体串联电耦合，其中所述第一电导体的一端使用所述发生器耦合组件电耦合到所述偏置发生器的输出，并且所述第二电导体的一端使用所述电极耦合组件电耦合到所述偏置电极。


12.如权利要求11所述的处理腔室，进一步包括：
电感耦合的等离子体源或电容耦合的等离子体源，所述电感耦合的等离子体源或电容耦合的等离子体源被配置为在所述基板支撑组件的所述基板支撑表面之上产生等离子体，和
所述脉冲发生器的所述电压源包括基本上恒定的电压源。


13.如权利要求11所述的处理腔室，进一步包括：
夹持电源，所述夹持电源使用电源耦合组件电耦合到所述电导体的所述发生器端。


14.如权利要求13所述的处理腔室，其中所述电源耦合组件包括阻塞电阻器，所述阻塞电阻器具有大于约1兆欧的电阻。


15.如权利要求11所述的处理腔室，其中包括所述偏置电极和所述电介质材料的所述层的平行板状结构具有介于约5nF与约50nF之间的有效电...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·多尔夫，O·鲁赫尔，R·丁德萨，J·罗杰斯，S·斯利尼瓦萨恩，A·K·米什拉，
申请(专利权)人：应用材料公司，
类型：发明
国别省市：美国;US