等离子体反应器中离子密度、能量分布及解离的独立控制制造技术

一种在等离子体反应器中处理工件的方法，包括将来自具有三个各自频率的至少三个ＲＦ功率源的ＲＦ功率耦合到反应器中的等离子体；通过选择至少三个ＲＦ功率源中的第一对的功率级之间的比率而设置离子能量分布形态；并且通过选择至少三个ＲＦ功率源中的第二对的功率级之间的比率而设置离子解离和离子密度。所述三个各自频率可以是ＬＦ频率、ＨＦ频率或ＶＨＦ频率，其中所述第一对与ＬＦ频率和ＨＦ频率相对应而第二对与ＨＦ频率和ＶＨＦ频率相对应。另外，所述功率源包含四个ＲＦ功率源，其中第一对与ＨＦ频率和ＬＦ频率相对应而第二对与ＶＨＦ频率和另一频率相对应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在等离子体反应器中处理工件的方法，尤其涉及一种独立控制等离子体反应器中离子密度、离子能量分布以及离子解离的方法。
技术介绍
在半导体器件制造领域的技术提高包括器件特征尺寸或临界尺寸的急剧降低，从而，例如在多个绝缘导体层之间形成的开口趋于更深并具有更大的高宽比。本专利技术通过独立而同时地控制主等离子体(bulk plasma)中等离子体的离子密度、等离子体鞘层中的等离子体离子能量分布以及主等离子体容器中的离子解离而克服了形成这种结构的困难。因此，本专利技术满足了实现等离子体工艺的需要，在该工艺中可以进行离子密度、离子能量分布以及离子解离的选择而不会相互限制。
技术实现思路
一种在等离子体反应器中处理工件的方法，包括将来自具有三个各自频率的至少三个RF功率源的RF功率耦合到反应器中的等离子体；通过选择至少三个RF功率源中的第一对的功率级之间的比率而设置离子能量分布形态；并且通过选择至少三个RF功率源中的第二对的功率级之间的比率而设置离子解离和离子密度。所述三个各自频率可以是LF频率、HF频率或VHF频率，其中所述第一对与LF频率和HF频率相对应而第二对与HF频率和VHF频率相对应。另外，所述功率源包含四个RF功率源，其中第一对与HF频率和LF频率相对应而第二对与VHF频率和另一频率相对应。在一实施方式中，第二对与较高VHF频率和较低VHF频率相对应。可通过感应源功率施加器、螺旋形等离子体源功率施加器或项置电极耦合所述另一频率。或者，通过反应器中的晶片支撑底座耦合所有三个频率。优选地，所述第一对频率为低于离子转变频率的第一频率和高于离子转变频率的第二频率。通过调整离子能量分布的一对峰之间的能量差异，或者相对于所述离子能量分布的一对峰中的一个而调整接近另一个的离子数目或调整所述离子能量分布的一对峰之一的能量而调整所述离子能量分布。附图说明图1示出了具有等离子体谐振顶置电极的电容耦合等离子体反应器，在该反应器中通过分别调整LF和HF双偏置功率级和VHF源功率级而控制离子密度、离子能量分布和离子解离；图2示出了图1的一个具体实施方式，其中通过控制双LF和HF偏置功率源调整离子能量分布，而通过控制VHF源功率级和磁场强度调整离子密度和离子解离；图3是对应于图2的俯视图；图4示出了图1的一个具体实施方式，其中通过控制双LF和HF偏置功率源调整离子能量分布，而通过控制经由共同的固定阻抗匹配元件馈送的VHF源功率级的较高频率和较低频率调整离子密度和离子解离；图5示出了一个反应器，其中通过控制双LF和HF偏置功率源调整离子能量分布，而通过控制经由不同的固定阻抗匹配元件的VHF源功率级的较高频率和较低频率调整离子密度和离子解离；图6示出了一个反应器，其中通过控制双LF和HF偏置功率源调整离子能量分布，而通过控制施加到顶置电极的VHF源功率级和施加到感应RF源功率施加器或环形天线的RF源功率级调整离子密度和离子解离；图7描述了作为半导体电极的顶置电极的第一具体实施方式，可通过该顶置电极而感应式耦合RF功率；图8描述了作为开槽电极的图6示出的反应器中顶置电极的第二实施方式，可通过该顶置电极而感应式耦合RF功率；图9描述了具有螺旋形等离子体源的反应器，其中通过控制在晶片处的双LF和HF偏置功率源调整离子能量分布，而通过控制施加到顶置电极的VHF源功率级和经由螺旋形等离子体源的凹形管道耦合的RF源功率级调整离子密度和离子解离；图10A是对离子密度起作用的RF功率与频率的函数以及对离子能量起作用的功率与频率的函数二者之间的对比曲线图；图10B是对于单一RF偏置源在不同的RF偏置功率频率处获得的离子能量分布的对比曲线图；图10C是使用对于两种频率的不同功率比的双频率偏置源获得的离子能量分布的对比曲线图；图11A和图11B是离子解离行为与频率的函数以及离子密度行为与频率的函数之间的对比曲线图；图12是描述在具有碳氟化合物气体的等离子体中平均碳氟化合物分子重量与离子解离的函数图；图13是等离子体中低离子解离和高离子解离时分子重量分布的对比曲线图；图14是描述在两个不同的源功率频率之间的离子解离行为与功率比率的函数关系图；图15示出了一个三维控制空间图，其中离子解离、离子密度和离子能量为定义空间的三个独立的(正交的)控制维；图16描述了使用不同频率的三个RF功率源独立控制离子能量分布、离子密度和离子解离的第一方法；图17描述了使用不同频率的四个RF功率源独立控制离子能量分布、离子密度和离子解离的第二方法；图18是描述离子密度行为与磁场强度之间的函数以及离子解离行为与磁场强度之间的函数的即时关系的三维图；图19是描述离子密度行为与VHF源功率级之间的函数以及离子解离行为与VHF源功率级的函数的即时关系的三维图；图20描述了使用一对RF偏置功率源、VHF功率源和磁场独立控制离子能量分布、离子密度和离子解离的方法。具体实施例方式参照图1，电容耦合的反应器腔室100内包括有一个可以是静电吸盘(ESC)的晶片支撑底座105，其上可以静电夹持半导体晶片110。ESC包括铝基层5和绝缘层或由筛孔或栅格电极15划分成较低冲压层(puck layer)10和较高冲压层20的冲压区。可以设置增强吸盘105边缘的介电环115，该介电环115与放置在另一介电环120上的晶片110处于同一平面。腔室100的顶部为顶置导电电极125，其通过环形导电环127a和使电极125绝缘的介电环130支撑在腔室导电壁127上，环127a、环130和电极125形成电极组件126。面对等离子体的电极125的底部表面可以是平坦表面125a或用于增强等离子体离子分布均匀性的弯曲表面125b。来自RF发生器150的RF源功率通过作为固定阻抗匹配元件的阻抗匹配短柱(stub)135耦合到电极125。短柱135由内部同轴导体135a和外部同轴导体135b组成，其中内部短柱导体135a通过内部导电环135a’连接到电极125，而外部短柱导体135b通过外部导电环135b’连接到接地腔室侧壁环127a。RF发生器150在沿着短柱长度的接头点163处经由50欧姆同轴电缆162耦合到所述短柱，设置该同轴电缆162提供阻抗匹配。电缆162的内部和外部导体分别连接到短柱的内部导体135a和外部导体135b。RF偏置功率通过RF馈送导体25在馈送点25a处施加到与RF馈送导体25耦合的ESC电极15。ESC夹持电压源41将直流晶片夹持电压施加到ESC电极15。顶置电极125可以是一个气体分配板，在这种情况下，该电极包括具有内部气体歧管142的多个气体注入通道140，该内部气体歧管142通过短柱135中空腔体中的管道144耦合到工艺气体供给146。类似地，来自加热/冷却流体源149的热传输(冷却液/加热)流体可以连接到电极125内部的循环通道148。可以通过冷却循环控制静电吸盘(ESC)105的温度，其中该冷却循环包括内部蒸发器200和外部冷却组件，该内部蒸发器200包含在ESC基座5内部，而外部冷却组件可以例如是储蓄器204、压缩器206、冷凝器208和扩展阀210。通过内部和外部外加磁场线圈60和65而调整等离子体密度的径向分布，在等离子体分布控制器57的控制下，该内部和外部外加磁场线圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在等离子体反应器中处理工件的方法，包括：　　　　将来自三个各自频率的至少三个ＲＦ功率源的ＲＦ功率耦合到所述反应器中的等离子体；　　　　通过选择所述至少三个ＲＦ功率源中的第一对的功率级之间的比率而设置离子能量分布形态；以及　　　　通过选择所述至少三个ＲＦ功率源中的第二对的功率级之间的比率而设置离子解离和离子密度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰P荷文，丹尼尔J霍夫曼，
申请(专利权)人：应用材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]