用于等离子体加工的三阶段脉冲系统和方法与流程

用于等离子体加工的三阶段脉冲系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求以下非临时申请的优先权：2019年8月14日提交的名称为“three-phase pulsing systems and methods for plasma processing[用于等离子体加工的三阶段脉冲系统和方法]”的美国专利申请序列号16/540,160，该专利申请通过援引以其全文并入本文。
技术领域
[0003]
本发明总体上涉及等离子体加工，并且在具体实施例中，涉及用于使用三阶段脉冲进行等离子体加工的系统和方法。


背景技术：

[0004]
微电子工件内的器件形成可以涉及包括衬底上多个材料层的形成、图案化和去除在内的一系列制造技术。为了实现当前和下一代半导体器件的物理和电气规格，对于各种图案化工艺而言，期望在维持结构完整性的同时减小特征尺寸的加工流程。
[0005]
等离子体工艺通常用于在微电子工件中形成器件。例如，等离子体刻蚀和等离子体沉积是半导体器件制造期间的常见工艺步骤。在等离子体加工期间，可以使用源功率和偏置功率的组合来生成和引导等离子体。在刻蚀和沉积阶段期间可能会生成副产物。副产物的存在可能是有益的，也可能是有害的，这取决于衬底处和等离子体系统中的副产物的密度。


技术实现要素：

[0006]
根据本发明的实施例，一种等离子体加工方法包括执行反应性物质控制阶段、执行离子/自由基控制阶段以及执行副产物控制阶段。反应性物质控制阶段包括以脉冲方式向加工室施加源功率以在等离子体中生成离子和自由基。在反应性物质控制阶段之后执行离子/自由基控制阶段。离子/自由基控制阶段包括降低到加工室的源功率并且以脉冲方式向加工室中的衬底施加偏置功率。在离子/自由基控制阶段之后执行副产物控制阶段。副产物控制阶段包括相对于反应性物质控制阶段降低到加工室的源功率并且相对于离子/自由基控制阶段降低到衬底的偏置功率。
[0007]
根据另一个实施例，一种等离子体加工方法包括使用功率脉冲的循环加工衬底，在功率脉冲的循环期间，将源功率脉冲施加到耦合元件并且将偏置功率脉冲施加到支撑衬底的衬底固持器。功率脉冲的循环包括第一阶段、第二阶段和第三阶段。第一阶段包括第一源功率电平和第一偏置功率电平。第一偏置功率电平大于零。第二阶段包括第二源功率电平和第二偏置功率电平。第二源功率电平小于第一源功率电平。第二偏置功率电平大于第二源功率电平。第三阶段包括第三源功率电平和第三偏置功率电平。第三源功率电平小于第一源功率电平。第三偏置功率电平小于第二偏置功率电平。
[0008]
根据本发明的又一个实施例，一种等离子体加工方法包括在第一阶段期间将源功
率脉冲施加到等离子体加工室。第一阶段包括大于零的第一源功率电平。第一阶段进一步包括第一偏置功率电平。该方法还包括在第一阶段之后的第二阶段期间将偏置功率脉冲施加到等离子体加工室中的衬底。第二阶段包括小于第一源功率电平的第二源功率电平，以及大于第二源功率电平的第二偏置功率电平。该方法进一步包括在第二阶段之后的第三阶段期间减少等离子体加工室中的副产物的数量。第三阶段包括小于第一源功率电平的第三源功率电平，以及小于第二偏置功率电平的第三偏置功率电平。
附图说明
[0009]
为了更完整地理解本发明和其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
[0010]
图1展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工方法的示意性时序图和对应的定性曲线图；
[0011]
图2展示了根据本发明的实施例的另一示例等离子体加工方法的示意性时序图；
[0012]
图3展示了根据本发明的实施例的又一示例等离子体加工方法的示意性时序图；
[0013]
图4展示了根据本发明的实施例的再一示例等离子体加工方法的示意性时序图；
[0014]
图5展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工系统的框图；
[0015]
图6a、图6b和图6c展示了根据本发明的实施例的电感耦合等离子体加工装置的示意图，其中，图6a展示了在反应性物质控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置，图6b展示了在离子/自由基控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置，并且图6c展示了在副产物控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置；
[0016]
图7展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工方法；以及
[0017]
图8展示了根据本发明的实施例的另一示例等离子体加工方法。
[0018]
除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。绘制图以清楚地展示实施例的相关方面，并且这些图不一定按比例绘制。图中绘制的特征的边缘不一定指示特征范围的终止。
具体实施方式
[0019]
下文详细讨论各种实施例的制作和使用。然而，应当理解，本文描述的各种实施例可应用于各种各样的具体情况。所讨论的具体实施例仅是制作和使用各种实施例的具体方式的说明并且不应在有限的范围内解释。
[0020]
当实施等离子体加工技术(例如，脉冲加工技术)时，等离子体加工特性的控制可能是重要的。例如，反应性物质的生成、离子与自由基的比率、离子能量(和离子角度)、副产物、以及离子和自由基与副产物的比率等可能会影响在给定的等离子体工艺期间的精度和特征准确度。因此期望能够独立地控制各种等离子体加工特性。例如，增强对反应性物质、自由基和副产物的控制可以有助于形成触点、鳍、栅极线、其他前端或后端工艺和一般的图案化步骤以及其他等离子体工艺。
[0021]
源功率可以被施加到耦合元件(例如，螺旋谐振器的线圈)以生成高密度等离子体。偏置功率可以被施加到衬底固持器以将能量耦合到由衬底固持器支撑的衬底处的离子。耦合元件在等离子体中生成反应性物质和自由基两者。作为示例，离子能量和离子角度
可能会影响等离子体工艺的质量、均匀性、选择性和可预测性。在等离子体工艺期间调整源功率和偏置功率的施加的高级脉冲技术(apt)可能对控制离子能量、离子角度(即，离子在衬底表面处的入射角度)和衬底处的离子通量特别有用。因为源功率可以控制流向衬底的电流，而偏置功率可以控制等离子体与衬底之间的电压，所以源功率和偏置功率的组合可以用于控制能量和角度。
[0022]
因为副产物可能是轮廓(例如，侧壁与衬底形成的角度)的控制因素，所以管理副产物可能很重要。副产物的生成、密度和去除可能影响轮廓控制(例如，侧壁的竖直度)、精度、清洁度、发生在衬底上的反应的速率和类型等。副产物的存在可能是许多事物的作用。例如，副产物可能在衬底处生成，但也可能被等离子体改变。压力可能会影响副产物从衬底上的释放和副产物在衬底上的重新沉积。副产物可能会在特征内生成并直接沉积在侧壁上。此外，副产物可能会影响沉积轮廓(例如，特征侧壁的竖直度)以及等离子体均匀性。
[0023]
当等离子体加工系统中的副产物的数量和密度没有得到特别控制时，可能难以实现期望的等离子体加工结果。特别地，副产物可能会由于等离子体加工期间的被动参与而带来问题。例如，在刻蚀工艺期间，在副产物被释放到衬底附近的区域中之后，副产物可能会被等离子体改变。随后，副产物可以被重新沉积到衬底上和/或由于气体流而被去除。可能期望的是将衬底处的副产物的密度或通量维持在一定范围内，以实现所期望的等离子体加工结果。
[0024]
本文所描述的各种实施例可以有利地将控制分成三个独立的操作阶段：反应性物质控制、离子/自由基控制、以及副产物控制。在每个控制阶段期间，一组工艺参数可以被控制成使得主要影响或完全影响一组特定的等离子体加工特性。以这种方式，可以在等离子体工艺中实现真正功能分离的可能益处。三组工艺参数的单独管理可以有利地实现等离子体加工期间的高精度拓扑控制。
[0025]
在反应性物质控制阶段期间，可以控制反应性物质的生成。在离子/自由基控制阶段中，可以控制与离子和自由基相关的各种等离子体加工特性，比如离子与自由基的比率、离子能量、离子角度、以及衬底处的离子通量。在副产物控制阶段期间，可以控制与副产物相关的等离子体加工特性，比如副产物的数量以及副产物与离子/自由基的比率。例如，可以在副产物控制阶段期间从系统中去除副产物。
[0026]
进一步地，在等离子体工艺期间，可以在重复多次的循环期间实施每个控制阶段。具有多个控制阶段的重复工艺可以有利地提供比在连续的、非重复工艺期间能实现的工艺参数(例如，离子/自由基比率、能量等)更大的变化。此外，在每个循环中持续控制等离子体加工特性可以有利地减少对损害生产率(例如，产量)的复杂自限制工艺的需求或消除这样的复杂自限制工艺。例如，原子层刻蚀(ale)技术和原子层沉积(ald)技术两者都通过使用自限制化学物质来使衬底的各个单层改性，以便仅刻蚀经化学改性的表面单层。在传统的ale工艺期间，由于自限制工艺，单个单层可能每50ms至100ms被去除一次。产量也可能受到气体切换和/或吹扫需求的影响。本文描述的各种实施例的益处可以是通过消除或减少自限制工艺来实现高刻蚀和沉积精度以及高产量。
[0027]
此外，在传统的等离子体加工技术中对衬底进行刻蚀的同时，刻蚀副产物可能易于随时间积聚。如本文所描述的各种实施例可以在每个循环中包括副产物去除阶段，从而有利地减少或消除循环与循环之间(例如，在大于停留时间的时间尺度上)不期望的副产物
的累积。对于给定的等离子体工艺，可以将一组工艺参数调整为与每个控制阶段相对应的适当值。这些工艺参数可以包括源脉冲参数(例如，源功率)、偏置脉冲参数(例如，偏置功率)和阶段持续时间等。例如，还可以包括附加工艺参数，比如相邻阶段之间的延迟、气体流速、脉冲形状、脉冲频率、脉冲的数量、气体成分、偏置极性等。
[0028]
下面提供的实施例描述了用于等离子体加工的各种系统和方法，并且具体地是用于使用三阶段脉冲进行等离子体加工的系统和方法。以下描述描述了实施例。使用图1描述了实施例等离子体加工方法的示例示意性时序图。使用图2至图4描述了实施例等离子体加工方法的几个其他示例示意性时序图。使用图5描述了实施例等离子体加工系统的示例框图。使用图6a和图6b描述了电感耦合等离子体加工装置的两个示例示意图。使用图7和图8描述了等离子体加工的两个实施例方法。
[0029]
图1展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工方法的示意性时序图和对应的定性曲线图。
[0030]
参考图1，示意性时序图100包括在循环150期间以脉冲方式施加以生成反应性物质、高能离子和副产物的源功率ps和偏置功率pb，该循环包括三个阶段：第一阶段110、第二阶段120和第三阶段130。在各种实施例中，循环150是顺序循环(例如，这些阶段按顺序执行)。此外，在一些实施例中，循环150被重复(即，循环地)执行。在各种实施例中，循环150被重复执行许多次(例如，》》1)。例如，循环150可以是功率脉冲的顺序循环，在功率脉冲的顺序循环期间，将源脉冲施加到等离子体加工装置(例如，耦合元件)并且将偏置脉冲施加到等离子体加工装置(例如，支撑衬底的衬底固持器)。结果，这三个阶段也可以被称为脉冲阶段。
[0031]
这三个阶段中的每个阶段由在给定阶段期间相应调整的一组工艺参数限定。该组工艺参数包括源功率电平、偏置功率电平和阶段持续时间。对于给定阶段，该组工艺参数中的给定参数可以是基本上恒定的。例如，第一阶段110由第一源功率电平p
s1
、第一偏置功率电平p
b1
和第一阶段持续时间t1限定。类似地，第二阶段120和第三阶段130分别由第二源功率电平p
s2
、第二偏置功率电平p
b2
和第二阶段持续时间t2以及第三源功率电平p
s3
、第三偏置功率电平p
b3
和第三阶段持续时间t3限定。
[0032]
第一阶段110可以被认为是反应性物质控制阶段。对于感应源、波加热源或谐振源，反应性物质的生成可以直接与源功率ps成比例。因此，在各种实施例中，第一源功率电平p
s1
在反应性物质控制阶段期间是开启的。在一个实施例中，在反应性物质控制阶段期间，在偏置功率pb是关闭的(即，第一偏置功率电平p
b1
等于零或基本上为零)时，第一源功率电平p
s1
大于零。因为在反应性物质控制阶段期间等离子体系统的源功率ps是开启的，所以反应性物质控制阶段可以被认为是源功率阶段。
[0033]
在其他实施例中，源功率ps和偏置功率pb在反应性物质控制阶段期间都是开启的。例如，可以在反应性物质控制阶段期间维持或以脉冲方式施加偏置功率pb以影响可以在沉积工艺期间控制生长和/或通过去除与电子、离子和自由基一起生成的沉积物质来维持清洁度的离子能量。
[0034]
如定性曲线图102所示，在第一阶段110期间电子密度ne和自由基密度nr是高的。例如，在第一阶段110期间，自由基密度nr最初增大，并且然后维持在高水平。电子密度ne在第一阶段110的开始处迅速增大并且在整个第一阶段110中继续增大。离子密度与电子密度ne成比例。电子温度te和离子能量εi在第一阶段110的开始处都出现峰值，并且然后在剩余部分内维持基本上恒定的值。尽管与第一阶段110中的反应性物质相比，副产物较少，但是在第一阶段110期间也可以生成副产物。如图所示，在第一阶段110期间副产物密度n
bp
可以逐渐增大。
[0035]
第二阶段120可以被认为是离子/自由基控制阶段。在离子/自由基控制阶段期间，与反应性物质控制阶段相比，源功率ps降低。例如，可以在离子/自由基控制阶段的持续时间内关闭源功率ps。在离子/自由基控制阶段中降低或去除源功率ps可以减少或消除流向衬底的电流。进一步地，所施加的偏置功率pb可能会使电压增大。在离子/自由基控制阶段期间，第二偏置功率电平p
b2
大于第二源功率电平p
s2
。类似地，第二源功率电平p
s2
小于第一源功率电平p
s1
。
[0036]
如定性曲线图102所示，电子密度ne快速减小，而自由基密度nr保持相对恒定(例如，以低得多的速率减小)。与第一阶段110相比，电子温度te在第二阶段120期间也维持基本上恒定的值。同时，离子能量εi快速增大到基本上恒定的值。值得注意的是，由于刻蚀工艺或其他等离子体工艺，在第二阶段120期间可能会生成副产物。如图所示，副产物密度n
bp
在第二阶段120中比在第一阶段110中增大得更快。
[0037]
在第二阶段120期间可能会影响若干等离子体加工特性。例如，衬底处的电子通量γe和离子通量γi可能会减小，而衬底处的能量通量γ
能量
可能会增大。此外，自由基通量γr可以相对于离子通量γi维持不变或逐渐变化，导致衬底处自由基与离子的比率增大(例如，γr＞＞γi)。例如，在停留时间t
res
比离子/自由基控制阶段的持续时间(第二持续时间t2)长的情况下，自由基通量γr与离子通量γi相比可能不会明显减小。在该方案中，自由基通量γr可以被认为是恒定的，而离子通量γi可以被认为是瞬态的，导致自由基通量γr与离子通量γi的比率变大。
[0038]
第三阶段130可以被认为是副产物控制阶段。如前所述，在第二阶段120期间可能会生成副产物，该副产物在衬底处的各种浓度可能是期望的也可能不是期望的。例如，可以生成副产物，该副产物可以有利地在衬底处的浓度范围内影响等离子体工艺。然而，在不存在副产物控制阶段的情况下，副产物可能会不期望地累积以超过有利的范围。副产物可以在多个停留时间内逐个循环地累积，这可能会扩大副产物可能对等离子体工艺的不一致和复合的负面影响。例如，副产物可能会改变循环之间的等离子体特性。
[0039]
在副产物控制阶段期间，源功率ps与第一阶段110(例如，反应性物质生成阶段)相比降低，并且偏置功率pb与第二阶段120(例如，离子/自由基控制阶段)相比降低。在一个实施例中，第三源功率电平p
s3
和第三偏置功率电平p
b3
被降低到零或基本上为零。替代性地，第三源功率电平p
s3
或第三偏置功率电平p
b3
可以是非零的。当源功率ps和偏置功率pb是关闭的或较低时，可以去除副产物。例如，可以在副产物控制阶段期间减少或消除物质生成和刻蚀工艺，有利地允许副产物以比产生副产物更快的速率泵出。
[0040]
由于衬底处和等离子体系统中的副产物密度n
bp
正在减小，因此衬底处的副产物通量γ
bp
也可能减小。因此，在副产物控制阶段期间也可以控制离子与副产物的比率以及自由基与副产物的比率。例如，如在定性曲线图102中所示，系统中的副产物密度n
bp
以比自由基密度nr和电子密度ne(与离子密度ni成比例)两者高得多的速率变化(即，减小)。因此，在副产物控制阶段期间，离子与副产物的比率和自由基与副产物的比率两者都可能发生变化。
[0041]
源功率ps可以是交流(ac)功率。在一些实施例中，源功率ps是射频(rf)功率并且在各种实施例中是甚高频(vhf)。在一些实施例中，源功率ps在约60mhz到约200mhz之间。在其他实施例中，源功率ps在约25mhz到约60mhz之间并且在一个实施例中为27mhz。源功率ps可以生成电容耦合等离子体(ccp)、电感耦合等离子体(icp)、表面波等离子体(swp)等。例如，源功率ps可以耦合到螺旋谐振器天线以生成等离子体。
[0042]
类似地，偏置功率pb可以是ac功率。替代性地，偏置功率pb可以是例如脉冲式直流(dc)功率。在一些实施例中，偏置功率pb是rf功率并且在各种实施例中是高频(hf)，而在其他实施例中是中频(mf)。在一些实施例中，偏置功率pb在约200khz到约600khz之间并且在一个实施例中为400khz。在其他实施例中，偏置功率pb在约600khz到约13mhz之间。
[0043]
在三个阶段中的每个阶段期间，源功率ps和偏置功率pb可以各自作为单个脉冲或一系列功率脉冲被施加。例如，可以在第一阶段持续时间t1内以第一源功率电平p
s1
施加单个源脉冲。替代性地，可以在第一阶段持续时间t1内施加一系列源脉冲。类似地，可以在第二阶段持续时间t2期间以第二源功率电平p
b2
施加单个偏置功率脉冲或一系列偏置功率脉冲。
[0044]
气体可以以期望的流速被提供到等离子体加工装置的加工室中，该期望的流速可以根据给定的等离子体工艺而被选择。在循环150(即，第一阶段110、第二阶段120和第三阶段130)期间，给定的等离子体工艺的流速可以被维持在基本上恒定的值。在一个实施例中，该气体包括溴化氢(hbr)。在各种实施例中，该气体包括惰性气体，比如氦气(he)或氩气(ar)。该气体还可以包括氧气(o2)、四氟化碳(cf4)、三氟化氮(nf3)、六氟化硫(sf6)、氯气(cl2)、四氯化碳(ccl4)等。
[0045]
在三个阶段期间(例如，主要在第二阶段120中)产生的副产物可以是包括来自加工室的气体中的一种或多种物质的元素和/或来自衬底的元素的化合物。例如，在衬底包含硅(si)和hbr气体的情况下，可能形成包含硅溴化合物(sibr
x
)的副产物。附加地或替代性地，可以形成其他副产物，比如含硅残留物，比如硅氟化合物(sif
x
)和硅氯化合物(sicl
x
)等；含碳残留物(例如，来自光致抗蚀剂、有机层或气体前体)，比如碳氟化合物(cf
x
)、氢氟烃(ch
xfy
)等。
[0046]
图2展示了根据本发明的实施例的另一示例等离子体加工方法的示意性时序图。例如，图2的示意性时序图可以是本文所描述的其他示意性时序图的具体实施方式，比如图1的示意性时序图100。类似标记的元件可以如先前所描述。
[0047]
参考图2，示意性时序图200包括在循环250期间以脉冲方式施加以生成反应性物质、离子和副产物的源功率ps和偏置功率pb，该循环包括三个阶段：第一阶段210、第二阶段220和第三阶段230。第一阶段210、第二阶段220、第三阶段230和循环250可以分别是图1的第一阶段110、第二阶段120、第三阶段130和循环150的具体实施方式。例如，示意性时序图200应用于其中偏置功率pb在第一阶段210和第三阶段230中(基本上)是关闭的并且源功率ps在第三阶段230中(基本上)是关闭的特定示例。
[0048]
如图所示，循环250是在等离子体工艺期间重复(例如，循环地)执行的功率脉冲的顺序循环，该循环包括反应性物质控制阶段(第一阶段210)、离子/自由基控制阶段(第二阶段220)和副产物控制阶段(第三阶段230)。在第一阶段210期间，第一源功率电平p
s1
大于零(即，源功率ps是开启的)并且第一偏置功率电平p
b1
为零或基本上为零(即，偏置功率pb是关
闭的)。在各种实施例中，第一源功率电平p
s1
在第一阶段210期间在约700w到约900w之间，并且在一个实施例中，在第一阶段210期间为约800w。在各种实施例中，第一阶段持续时间t1在约10μs到约100μs之间。在一个实施例中，第一阶段持续时间t1为约20μs。
[0049]
在第二阶段220期间，第二偏置功率电平p
b2
大于第二源功率电平p
s2
。可选地，在第二阶段220期间，源功率ps被关闭(即，第二源功率电平p
s2
为零或基本上为零)。在各种实施例中，第二偏置功率电平p
b2
在第二阶段220期间在约300w到约500w之间，并且在一个实施例中，在第二阶段220期间为约400w。在各种实施例中，第二阶段持续时间t2在约20μs到约100μs之间。在一个实施例中，第二阶段持续时间t2为约70μs。
[0050]
在第三阶段230期间，源功率ps是关闭的(即，第三源功率电平p
s3
为零或基本上为零)并且偏置功率pb是关闭的(即，第三偏置功率电平p
b3
为零或基本上为零)。第三阶段持续时间t3可以是气体在衬底的表面处的局部停留时间的量级。相比之下，副产物在衬底的表面处的停留时间可能要短得多(例如，由于高流速)。因此，当第三阶段持续时间t3小于气体的局部停留时间时，在衬底的表面处可以有利地以比自由基更快的速率去除副产物。在各种实施例中，第三阶段持续时间t3在约50μs到约3ms之间。在一个实施例中，第三阶段持续时间t3为约100μs。在另一个实施例中，第三阶段持续时间t3为约1ms。
[0051]
图3展示了根据本发明的实施例的又一示例等离子体加工方法的示意性时序图。
[0052]
参考图3，示意性时序图300包括在循环350期间以脉冲方式施加以生成反应性物质、离子和副产物的源功率ps和偏置功率pb，该循环包括三个阶段：第一阶段310、第二阶段320和第三阶段330。第一阶段310、第二阶段320、第三阶段330和循环350可以分别是图1的第一阶段110、第二阶段120、第三阶段130和循环150的具体实施方式。例如，示意性时序图300应用于其中源功率ps和偏置功率pb在第一阶段310中是开启的特定示例。
[0053]
如图所示，循环350是在等离子体工艺期间重复(例如，循环地)执行的功率脉冲的顺序循环，该循环包括反应性物质控制阶段(第一阶段310)、离子/自由基控制阶段(第二阶段320)和副产物控制阶段(第三阶段330)。在第一阶段310期间，第一源功率电平p
s1
大于零(即，源功率ps是开启的)并且第一偏置功率电平p
b1
也大于零(即，偏置功率pb是开启的)。如图所示，第一偏置功率电平p
b1
可以高于第一源功率电平p
s1
。替代性地，第一偏置功率电平p
b1
也可以等于或小于第一源功率电平p
s1
。
[0054]
在各种实施例中，第一源功率电平p
s1
在第一阶段310期间在约100w到约200w之间，并且在一个实施例中，在第一阶段310期间为约150w。在各种实施例中，第一偏置功率电平p
b1
在第一阶段310期间在约400w到约600w之间，并且在一个实施例中，在第一阶段310期间为约500w。在各种实施例中，第一阶段持续时间t1在约10μs到约100μs之间。在一个实施例中，第一阶段持续时间t1为约20μs。
[0055]
在第二阶段320期间，第二偏置功率电平p
b2
大于第二源功率电平p
s2
。第二源功率电平p
s2
低于第一源功率电平p
s1
。可选地，在第二阶段320期间，源功率ps被关闭(即，第二源功率电平p
s2
为零或基本上为零)。如图所示，在一些实施例中，第二偏置功率电平p
b2
可以(基本上)等于第一偏置功率电平p
b1
。替代性地，第二偏置功率电平p
b2
也可以大于或小于第一偏置功率电平p
b1
。
[0056]
在各种实施例中，第二源功率电平p
s2
在第二阶段320期间在0w到约100w之间。在一个实施例中，第二源功率电平p
s2
在第二阶段320期间为约50w。在另一个实施例中，第二源功
率电平p
s2
在第二阶段320期间是0w。在各种实施例中，第二偏置功率电平p
b2
在第二阶段320期间在约400w到约600w之间，并且在一个实施例中，在第二阶段320期间为约500w。在各种实施例中，第二阶段持续时间t2在约20μs到约100μs之间。在一个实施例中，第二阶段持续时间t2为约70μs。
[0057]
在第三阶段330期间，源功率ps是低的(即，第三源功率电平p
s3
小于第一源功率电平p
s1
)并且偏置功率pb也是低的(即，第三偏置功率电平p
b3
小于第二偏置功率电平p
b2
)。第三阶段持续时间t3可以是气体在衬底的表面处的局部停留时间的量级(例如，如图所示，比第一阶段持续时间t1长并且比第二阶段持续时间t2长)。
[0058]
图4展示了根据本发明的实施例的再一示例等离子体加工方法的示意性时序图。
[0059]
参考图4，示意性时序图400包括在循环450期间以脉冲方式施加以生成反应性物质、离子和副产物的源功率ps和偏置功率pb，该循环包括三个阶段：第一阶段410、第二阶段420和第三阶段430。第一阶段410、第二阶段420、第三阶段430和循环450可以分别是图1的第一阶段110、第二阶段120、第三阶段130和循环150的具体实施方式。示意性时序图400应用于其中三个阶段中的每个阶段进一步由表示相邻的阶段之间的延迟d的附加参数限定的特定示例。
[0060]
如图所示，循环450是在等离子体工艺期间重复(例如，循环地)执行的功率脉冲的顺序循环，该循环包括反应性物质控制阶段(第一阶段410)、离子/自由基控制阶段(第二阶段420)和副产物控制阶段(第三阶段430)。如前所述，第一阶段410的特征在于不等式p
s1
》0，第二阶段420的特征在于不等式p
b2
》p
s2
和p
s2
《p
s1
，并且第三阶段430的特征在于不等式p
s3
《p
s1
和p
b3
《p
b2
。然而，还包括表示相邻的阶段之间的延迟d的附加参数。在延迟期间，源功率ps和偏置功率pb两者可以被关闭或基本上是关闭的。
[0061]
具体地，在该示例中，第一阶段410、第二阶段420和第三阶段430分别由参数组{p
s1
,p
b1
,t1,d1}、{p
s2
,p
b2
,t2,d2}和{p
s3
,p
b3
,t3,d3}限定，其中，d1是第一阶段410与第二阶段420之间的第一延迟，d2是第二阶段420与第三阶段430之间的第二延迟，并且d3是第三阶段430与在循环450循环地执行时的新循环450的后续第一阶段410之间的延迟。附加地或替代性地，阶段之间的延迟d也可以是负的，导致阶段之间的重叠。
[0062]
延迟参数可以被包括在本文所描述的任何实施例中。例如，在各种实施例中，第一延迟d1可以在约5μs到约15μs之间，并且在一个实施例中为约10μs。第一延迟d1的这种值可以结合参考图2所描述的示例等来使用。在该特定示例中，第一延迟d1比第一阶段持续时间t1和第二阶段持续时间t2两者都短，但是情况并非必须如此。在其他实施例中，第一延迟d1可以在约500μs到约3ms之间，并且在一个实施例中为约1ms。第一延迟d1的这种值可以结合参考图3所描述的示例等来使用。这里第一延迟d1比第一阶段持续时间t1和第二阶段持续时间t2长。第二延迟d2和第三延迟d3可以根据给定的等离子体工艺的期望的特性而以类似的方式变化。
[0063]
图2的示意性时序图200可以代表特定组的等离子体加工的实施例方法。例如，可以在硅刻蚀等离子体工艺期间使用示意性时序图200。在该工艺期间提供的气体可以包括例如惰性气体，比如he或ar、hbr、以及少量o2和/或cf4。第一源功率电平p
s1
可以是约800w，第一偏置功率电平p
b1
可以是零或基本上为零，第一阶段持续时间t1可以为约20μs，并且第一延迟d1可以为约10μs。可选地，第一偏置功率电平p
b1
可以为约500w以保持底部表面处的
特征壁清洁。第二源功率电平p
s2
可以为零或基本上为零，第二偏置功率电平p
b2
可以为约400w，并且第二阶段持续时间t2可以为约70μs。可选地，第二源功率电平p
s2
可以为约100w以增大第二阶段期间的通量。第三源功率电平p
s3
和第三偏置功率电平p
b3
可以为零或基本上为零，而第三阶段持续时间t3的值可以在数百微秒(例如，100μs)到若干毫秒(例如，3ms)的范围内。
[0064]
类似地，示意性时序图300可以代表不同组的等离子体加工的实施例方法。例如，可以在氮化硅刻蚀工艺期间使用示意性时序图300。例如，该刻蚀工艺可以类似于原子层刻蚀(ale)。在该工艺期间提供的气体可以包括例如惰性气体，比如ar和少量(例如，5％)氟化碳(比如c4f6或c4f8)。第一源功率电平p
s1
可以在约100w到约200w之间，第一偏置功率电平p
b1
可以为约500w，并且第一延迟d1可以是等离子体的双极扩散时间的量级。双极扩散时间可以比第一阶段持续时间t1和第二阶段持续时间t2长。如上所述，第一偏置功率电平p
b1
可以为约500w以保持底部表面处的特征壁清洁，这在涉及氟时可能是重要的。例如，在第一阶段可能需要偏置功率来控制衬底处的聚合。第二源功率电平p
s2
可以为零或基本上为零，并且第二偏置功率电平p
b2
可以为约500w。第二偏置功率电平p
b2
可以比硅刻蚀等离子体工艺中的高。可选地，第二源功率电平p
s2
可以在0w到约100w之间以增大第二阶段期间的通量。第三源功率电平p
s3
和第三偏置功率电平p
b3
可以为零或基本上为零，而第三阶段持续时间t3的值可以在数百微秒(例如，100μs)到若干毫秒(例如，3ms)的范围内。
[0065]
图5展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工系统的框图。图5的等离子体加工系统可以用于实施例如执行如本文描述的实施例方法中的任何实施例方法的示意性时序图，比如图1的示意性时序图。此外，图5的等离子体加工系统可以用于例如执行如本文描述的实施例方法中的任何实施例方法，比如图7和图8的方法。
[0066]
参考图5，等离子体加工系统500包括耦合到加工室540的源功率耦合元件511。源功率耦合元件511可以被设置在加工室540中或邻近加工室540。源功率耦合元件511可以允许将源功率ps施加到加工室540，从而导致等离子体60的生成。在各种实施例中，源功率耦合元件511是定位于加工室540周围的导电线圈，并且在一个实施例中是四分之一波螺旋谐振器。在另一个实施例中，源功率耦合元件511是半波螺旋谐振器，该半波螺旋谐振器可以被实施为定位于加工室540上方的平面螺旋线圈。替代性地，作为示例，可以采用比如天线、电极、波导或电子束等其他源功率耦合元件。
[0067]
等离子体加工系统500进一步包括耦合到加工室540的偏置功率耦合元件521。偏置功率耦合元件521可以实现将偏置功率pb施加到被加工的微电子工件。在各种实施例中，偏置功率耦合元件521是衬底固持器并且在一个实施例中是静电吸盘。偏置功率耦合元件521还可以指支撑衬底的衬底固持器或简称为衬底本身。
[0068]
可以使用包括源功率脉冲调制电路51的源功率控制路径17将源功率ps耦合到加工室540。源功率脉冲调制电路51可以在高振幅状态与低振幅状态之间调制源信号。经调制源信号可以由函数发生器15接收，该函数发生器可以将波形叠加到经调制源信号上。函数发生器15还可以可选地包括被配置成增大经调制源信号的振幅的放大电路。
[0069]
叠加波形的频率可以高于脉冲调制频率。在各种实施例中，叠加波形的频率可以是rf频率，并且在一个实施例中为约13.56mhz。因此，所得的源功率脉冲中的每一个可以包括叠加波形的若干个循环。波形形状可以包括比如正弦波、方波、锯齿波等周期性波形。替
代性地，波形形状可以包括非周期性波，比如各种频率的多个正弦波的叠加以生成任意波形形状。
[0070]
源功率控制路径17可以包括可选的源阻抗匹配网络13。由函数发生器15生成的源功率脉冲可以在通过源功率耦合元件511耦合到加工室540之前穿过可选的源阻抗匹配网络13。在某些等离子体加工系统中，比如当源功率耦合元件511是以感应方式耦合到等离子体60的谐振结构时，可以省略可选的源阻抗匹配网络13。相反，当源功率耦合元件511是非谐振的时，可以包括可选的源阻抗匹配网络13。可选的源阻抗匹配网络13可以用于通过将负载的阻抗与电源的阻抗匹配来确保源功率ps被高效地耦合到等离子体60。
[0071]
仍参考图5，偏置功率pb可以使用偏置功率控制路径27耦合到加工室540。偏置功率控制路径27可以通过脉冲调制定时电路52耦合到源功率控制路径17。脉冲调制定时电路52可以相对于对由源功率控制路径17生成的源功率脉冲的定时来确定对偏置功率脉冲的定时。脉冲调制定时电路52可以从源功率脉冲调制电路51接收信号，并且引入由源功率脉冲的前沿或后沿触发的延迟。替代性地，脉冲调制定时电路52可以相对于对由偏置功率控制路径27生成的偏置功率脉冲的定时来确定对源功率脉冲的定时。
[0072]
类似于源功率控制路径17，偏置功率控制路径27可以包括由脉冲调制定时电路52触发的可选的偏置功率脉冲调制电路53。可选的偏置功率脉冲调制电路53可以在高振幅状态与低振幅状态之间调制偏置信号。替代性地，可以省略可选的偏置功率脉冲调制电路53，并且延迟的经调制源信号可以与偏置功率脉冲相对应。
[0073]
经调制偏置信号可以由可选的函数发生器25接收。可选的函数发生器25可以将波形叠加到经调制偏置信号上。该波形可以与叠加在经调制源信号上的波形类似或不同并且可以具有如先前描述的任何期望的波形形状。可选的函数发生器25还可以可选地包括用于增大经调制偏置信号的振幅的放大电路。在一个实施例中，传送至加工室540的偏置功率pb为ac功率。替代性地，传送至加工室540的偏置功率为dc功率。在此情况下，可以省略可选的函数发生器25。在需要放大但不需要函数生成的一些情况下，可以代替可选的函数发生器25包括放大电路。
[0074]
在可选的函数发生器25与偏置功率耦合元件521之间的偏置功率控制路径27中还包括偏置功率阻抗匹配网络23。偏置功率阻抗匹配网络23可以用于通过将负载的阻抗与电源的阻抗匹配来确保偏置功率pb被高效地耦合到加工室540。
[0075]
上文描述的元件中的一个或多个元件可以包括在控制器中。例如，如图5所示，源功率脉冲调制电路51、脉冲调制定时电路52和可选的偏置功率脉冲调制电路53可以包括在控制器50中。控制器50可以相对于加工室540本地定位。替代性地，控制器50可以相对于加工室540远程定位。控制器50可以能够与源功率控制路径17和偏置功率控制路径27中包括的元件中的一个或多个元件交换数据。阻抗匹配网络中的每一个可以由控制器50控制或可以包括单独的控制器。
[0076]
控制器50可以被配置成设置、监测和/或控制与使用本文描述的实施例三阶段循环而生成等离子体以及加工微电子工件相关联的各种工艺参数。工艺参数可以包括但不限于源功率和偏置功率两者的功率电平、频率和占空比百分比、以及阶段持续时间、相邻阶段之间的延迟、气体流速、脉冲形状、脉冲频率、脉冲的数量、气体成分、偏置极性等。也可以使用其他工艺参数。
[0077]
图6a、图6b和图6c展示了根据本发明的实施例的电感耦合等离子体加工装置的示意图，其中，图6a展示了在反应性物质控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置，图6b展示了在离子/自由基控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置，并且图6c展示了在副产物控制阶段期间的电感耦合等离子体加工装置。
[0078]
参考图6a、图6b和图6c，电感耦合等离子体(icp)加工系统600包括ac源电源67，该ac源电源可以包括发生器电路。ac源电源67耦合到邻近加工室640设置的电感元件611。在一个实施例中，电感元件611是如图所示的平面线圈。在其他实施例中，电感元件611是螺旋谐振器线圈。例如，电感元件611可以是图5的源功率耦合元件511的具体实施方式。还可以包括发生器电路的偏置电源65耦合到可以支撑衬底16的衬底固持器621。例如，衬底固持器621可以是图5的偏置功率耦合元件521的具体实施方式。
[0079]
加工室640中还包括一个或多个泵出口70。通过泵出口70的气体流速可以有利地有助于从加工室640去除副产物。在各种实施例中，泵出口70被设置为在衬底固持器621和衬底16附近(例如，下方或周边)。
[0080]
ac源电源67和偏置电源65可以根据比如图1至图5中先前描述的实施例分别生成源功率ps和偏置功率pb。等离子体60靠近在电感元件611(例如，平面或螺线管/螺旋线圈或天线)与衬底固持器621之间的衬底16形成。电介质材料(未示出)可以将电感元件611与等离子体60分离。
[0081]
现在参考图6a，等离子体60可以在等离子体工艺的反应性物质控制阶段期间生成。等离子体60可以充当各种物质的源，比如离子源si、电子源se和自由基源sr等，这些源可以产生从等离子体60向所有方向分散的对应通量(离子通量γi、电子通量γe和自由基通量γr)。在反应性物质控制阶段期间也可能生成由衬底16处的副产物通量γ
bp
表示的副产物。如能量通量γ
能量
所描绘的，能量也可以在反应性物质控制阶段期间转移到衬底16。
[0082]
现在参考图6b，尽管在衬底16处电子通量γe和离子通量γi可以减小的同时能量通量γ
能量
可以增大，但是等离子体60(尽管未示出)仍可以存在于离子/自由基控制阶段(例如，作为余辉)中。流速q可以将物质向加工室640的侧壁运送。在离子/自由基控制阶段期间，自由基通量γr可以保持基本上恒定，如朝向衬底16的箭头所示。在离子/自由基控制阶段期间，基本上恒定的自由基通量γr结合减小的离子通量γi可能会减小离子与自由基的比率。
[0083]
现在参考图6c，由于非常低或为零的源功率，等离子体60可能存在或可能不存在于副产物控制阶段中，如图所示。在副产物控制阶段期间，流速q继续朝向加工室640的侧面并且气体流31可以以比生成新副产物更快的速率将副产物运送到泵出口70。这可以降低衬底16处的副产物通量γ
bp
并且引入和/或提高副产物流速bp，该副产物流速将副产物输送到加工室640的侧面和泵出口70。如在离子/自由基控制阶段中，自由基通量γr可以继续保持基本上恒定(例如，相对于副产物控制阶段的持续时间非常缓慢地减小)。
[0084]
图7展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工方法。可以使用如本文所述的实施例示意性时序图和实施例等离子体加工系统和装置来执行图7的方法。例如，图7的方法可以与图1至图6的实施例中的任一个组合。应注意，尽管箭头旨在展示事件的特定顺序，但是如图7所示的方法并不旨在限于特定顺序。因此，下文的方法步骤可以按如对于本领域技术人员而言可以显而易见的任何适合的顺序执行。
[0085]
等离子体加工方法700的步骤710包括在由以下第一组工艺参数限定的第一阶段期间将源功率脉冲施加到等离子体加工室：{p
s1
,p
b1
,t1}，其中，p
s1
》0。步骤720包括在由以下第二组工艺参数限定的第二阶段期间将偏置功率脉冲施加到等离子体加工室中的衬底：{p
s2
,p
b2
,t2}，其中，p
s2
《p
s1
并且p
b2
》p
s2
。步骤730包括在由以下第三组工艺参数限定的第三阶段期间降低等离子体加工室中的副产物的数量：{p
s3
,p
b3
,t3}，其中，p
s3
《p
s1
并且p
b3
《p
b2
。如图所示，步骤710、步骤720和步骤730的组合是循环750。步骤710可以在步骤730之后重复，如虚线箭头所示。
[0086]
图8展示了根据本发明的实施例的另一示例等离子体加工方法。可以使用如本文所述的实施例示意性时序图和实施例等离子体加工系统和装置来执行图8的方法。例如，图8的方法可以与图1至图6的实施例中的任一个组合。应注意，尽管箭头旨在展示事件的特定顺序，但是如图8所示的方法并不旨在限于特定顺序。因此，下文的方法步骤可以按如对于本领域技术人员而言可以显而易见的任何适合的顺序执行。
[0087]
等离子体加工方法800的步骤810包括以脉冲方式向加工室施加源功率以在等离子体中生成离子和自由基。步骤820包括降低到加工室的源功率并且以脉冲方式向加工室的衬底施加偏置功率。步骤830包括降低到加工室的源功率和降低到衬底的偏置功率。如图所示，步骤810、步骤820和步骤830的组合是循环850。步骤810可以在步骤830之后重复，如虚线箭头所示。
[0088]
这里总结了本发明的示例实施例。从说明书的整体以及本文提出的权利要求中也可以理解其他实施例。
[0089]
示例1.一种等离子体加工方法，该方法包括：执行反应性物质控制阶段，该反应性物质控制阶段包括以脉冲方式向加工室施加源功率以在等离子体中生成离子和自由基；在该反应性物质控制阶段之后执行离子/自由基控制阶段，该离子/自由基控制阶段包括降低到该加工室的源功率并且以脉冲方式向该加工室中的衬底施加偏置功率；以及在该离子/自由基控制阶段之后执行副产物控制阶段，该副产物控制阶段包括相对于该反应性物质控制阶段降低到该加工室的源功率并且相对于该离子/自由基控制阶段降低到该衬底的偏置功率。
[0090]
示例2.如示例1所述的方法，进一步包括：循环执行该反应性物质控制阶段、该离子/自由基控制阶段和该副产物控制阶段。
[0091]
示例3.如示例1和2之一所述的方法，进一步包括：向该加工室提供气体，其中，该气体的流速在该反应性物质控制阶段、该离子/自由基控制阶段和该副产物控制阶段期间基本上恒定。
[0092]
示例4.如示例1至3之一所述的方法，其中：该反应性物质控制阶段进一步包括以脉冲方式向该衬底施加该偏置功率。
[0093]
示例5.如示例1至4之一所述的方法，其中，该副产物控制阶段进一步包括：对于整个副产物控制阶段，将该源功率降低至基本上为零；以及对于整个副产物控制阶段，将该偏置功率降低至基本上为零。
[0094]
示例6.如示例1至5之一所述的方法，其中，该副产物控制阶段进一步包括：以脉冲方式向该衬底施加该偏置功率以控制副产物在该衬底处的重新沉积。
[0095]
示例7.一种被配置成执行如示例1至6之一所述的方法的装置，该装置包括：耦合
元件，该耦合元件被设置为邻近该加工室；衬底固持器，该衬底固持器支撑该衬底；源功率供应节点，该源功率供应节点耦合到该耦合元件并且被配置成以脉冲方式施加该源功率；以及偏置功率供应节点，该偏置功率供应节点耦合到该衬底固持器并且被配置成以脉冲方式施加该偏置功率。
[0096]
示例8.一种等离子体加工方法，该方法包括：使用功率脉冲的循环加工衬底，在该功率脉冲的循环期间，将源功率脉冲施加到耦合元件并且将偏置功率脉冲施加到支撑衬底的衬底固持器；其中，该功率脉冲的循环包括第一阶段，该第一阶段包括第一源功率电平和第一偏置功率电平；第二阶段，该第二阶段包括第二源功率电平和第二偏置功率电平；以及第三阶段，该第三阶段包括第三源功率电平和第三偏置功率电平；其中，该第一偏置功率电平大于零；其中，该第二源功率电平小于该第一源功率电平；其中，该第二偏置功率电平大于该第二源功率电平；其中，该第三源功率电平小于该第一源功率电平；并且其中，该第三偏置功率电平小于该第二偏置功率电平。
[0097]
示例9.如示例8所述的方法，进一步包括重复地执行该功率脉冲的循环。
[0098]
示例10.如示例8和9之一所述的方法，其中，该第一偏置功率电平基本上为零。
[0099]
示例11.如示例8至10之一所述的方法，其中，该第一偏置功率电平大于零。
[0100]
示例12.如示例8至11之一所述的方法，其中，该第三偏置功率电平大于零。
[0101]
示例13.如示例8至12之一所述的方法，其中，该第三源功率电平和该第三偏置功率电平两者基本上为零。
[0102]
示例14.一种被配置成执行如示例8至13之一所述的方法的装置，该装置包括：加工室；源功率供应节点，该源功率供应节点耦合到该耦合元件并且被配置成生成这些源功率脉冲；以及偏置功率供应节点，该偏置功率供应节点耦合到该衬底固持器并且被配置成生成这些偏置功率脉冲。
[0103]
示例15.一种等离子体加工方法，该方法包括：在第一阶段期间将源功率脉冲施加到等离子体加工室，该第一阶段包括大于零的第一源功率电平，以及第一偏置功率电平；在该第一阶段之后的第二阶段期间将偏置功率脉冲施加到该等离子体加工室中的衬底，该第二阶段包括小于该第一源功率电平的第二源功率电平，以及大于该第二源功率电平的第二偏置功率电平；以及在该第二阶段之后的第三阶段期间减少该等离子体加工室中的副产物的数量，该第三阶段包括小于该第一源功率电平的第三源功率电平，以及小于该第二偏置功率电平的第三偏置功率电平。
[0104]
示例16.如示例15所述的方法，其中，该第三源功率电平和该第三偏置功率电平两者基本上为零。
[0105]
示例17.如示例15和16之一所述的方法，进一步包括：循环地执行该第一阶段、该第二阶段和该第三阶段。
[0106]
示例18.如示例15至17之一所述的方法，其中，在该第一阶段、该第二阶段和该第三阶段期间将气体流速维持在基本上恒定的值。
[0107]
示例19.如示例15至18之一所述的方法，其中，该第一阶段包括处于该第一源功率电平的源脉冲序列。
[0108]
示例20.一种被配置成执行如示例15至19之一所述的方法的装置，该装置包括：耦合元件，该耦合元件被设置为邻近该等离子体加工室；衬底固持器，该衬底固持器支撑该衬
底；源功率供应节点，该源功率供应节点耦合到该耦合元件并且被配置成施加该源功率脉冲；以及偏置功率供应节点，该偏置功率供应节点耦合到该衬底固持器并且被配置成施加该偏置功率脉冲。
[0109]
尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但是此描述并非旨在以限制性的意义来解释。参考描述，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对于本领域技术人员将是显而易见的。例如，图2至图4的实施例中的一个或多个可以在进一步的实施例中组合。类似地，关于图7描述的实施例可以与图8组合。因此，意图是所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。