使用独立离子源与自由基源进行衬底处理的装置以及技术的制作方法

使用独立离子源与自由基源进行衬底处理的装置以及技术
1.本技术主张2019年12月2日提出申请且名称为“使用独立离子源与自由基源进行衬底处理的装置以及技术(apparatus and techniques for substrate processing using independent ion source and radical source)”的美国临时专利申请第62/942,430号的优先权，所述美国临时专利申请的全部内容并入本案供参考。
技术领域
2.本公开涉及衬底处理，且更具体来说，涉及使用多个不同的源来产生离子及自由基的处理。


背景技术：

3.处理衬底以形成例如电子器件、光学器件、机械器件等器件通常涉及使用例如离子及自由基等高能物质。例如，在已知的刻蚀或沉积系统中，可将衬底暴露于处理等离子体以执行给定的沉积或刻蚀操作。在一些变型中，可从等离子体抽取处理离子束，并将处理离子束引导到衬底。值得注意的是，处理等离子体或处理离子束可包括呈离子及自由基形式的受激物质。离子及自由基均可影响被处理的衬底的性质。例如，离子及自由基均可促成刻蚀或沉积。值得注意的是，离子可倾向于产生刻蚀，而自由基可倾向于产生沉积。然而，离子及自由基的相对浓度与此类物质的轨迹一样可难以进行控制。
4.针对这些及其他考虑因素，提供了本发明实施例。


技术实现要素：

5.在一个实施例中，一种系统：衬底载台，用以支撑衬底；多个束源，包括：离子束源，所述离子束源被布置成将离子束引导到所述衬底；以及自由基束源，所述自由基束源被布置成将自由基束引导到所述衬底。所述系统可包括控制器，所述控制器被配置成控制所述离子束源及所述自由基束源在至少一个方面彼此独立地运行，其中所述至少一个方面包括束组成、束入射角以及束源相对于所述衬底的相对扫描。
6.在另一实施例中，一种方法可包括在工艺室中提供衬底，并从离子束源将离子束引导到所述衬底。所述方法还可包括从与所述离子束源分开的自由基束源将自由基束引导到所述衬底，其中所述离子束在至少一个方面不同于所述自由基束，所述至少一个方面包括束组成、束入射角、束源相对于所述衬底的相对扫描。
7.在再一实施例中，一种处理系统可包括：壳体；衬底载台，设置在所述壳体内；离子束源，所述离子束源被布置在所述壳体内，以将离子束引导到所述衬底载台；以及自由基束源，所述自由基束源被布置在所述壳体内，以将自由基束引导到所述衬底。所述处理系统可还包括控制器，所述控制器被配置成控制所述离子束源及所述自由基束源在至少一个方面彼此独立地运行，其中所述至少一个方面包括束组成、束入射角以及束源相对于所述衬底的相对扫描。
附图说明
8.附图示出本公开的示例性方法，包括本公开的原理的实际应用，如下：
9.图1a及图1b示出示例性系统的侧视图及俯视平面示意图。
10.图2呈现示例性工艺流程。
11.附图未必按比例绘制。附图仅仅是代表性的，而不旨在描绘本公开的具体参数。附图旨在示出本公开的示例性实施例，且因此不应被视为对范围进行限制。在附图中，相同的编号表示相同的元件。
具体实施方式
12.现在将在下文中参照其中示出一些实施例的附图更全面地阐述本发明实施例。本公开的主题可实施为许多不同的形式，且不应被解释为仅限于本文陈述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开将全面及完整起见，且将向所属领域中的技术人员充分传达本主题的范围。在附图中，相同的编号始终指代相同的元件。
13.本发明实施例提供用于衬底处理的新颖装置及技术。各种实施例采用单独离子束源与单独自由基束源的组合来执行衬底处理，其中自由基束源是可相对于离子束源独立调整的。自由基可包括由等离子体生成的各种组分，例如不包括电子，而离子可包括在等离子体中生成的带电粒子，同样不包括电子。离子的非限制性实例可包括惰性气体离子、氢离子、氧离子、氮离子、反应性离子、基于碳的离子、基于碳氢化合物的离子、基于碳氟化合物的离子等。自由基的非限制性实例可包括基于碳、碳氢化合物、碳氟化合物、氯碳化合物、氢、氧、氮的自由基或其他合适的气态物质。根据各种实施例，装置或系统可将自由基束源及离子束源布置成以顺序方式或者作为另一选择以并行方式处理衬底。在特定实施例中，衬底可由自由基束源及离子束源独立处理，其中处理可包括刻蚀、沉积、植入、掺杂或与高能粒子(例如离子及自由基)相关联的其他处理技术的任何合适组合。
14.根据一些实施例，本文所公开的离子束可被提供为质量分析离子束或非质量分析离子束。在不同的实施例中，离子束可被提供为带状离子束或点束。在各种实施例中，离子束可被提供为会聚离子束、经准直离子束或发散离子束。离子束可被提供为定向束，其中离子束的平均入射角可为固定的或可调整的。在一些实施例中，离子束源可被布置成沿着衬底的主平面(例如半导体晶片的主表面)的垂线(法线)引导离子束。在其他实施例中，离子束源可被布置成偏离法线地(意味着相对于衬底的主平面的法线成非零入射角)引导离子束。
15.同样，在各种实施例中，自由基束可独立于离子束而被引导到衬底，其中自由基束的入射角可沿着衬底平面的法线，或者可偏离衬底的法线被引导。由于自由基束可由与离子束源分开的自由基束源供应，因此可相对于在离子束中提供的物质(包括离子)独立地控制被引导到衬底的化学物质以及相应地自由基物质。
16.根据各种非限制性实施例，用于为自由基束源产生自由基的自由基产生器可为射频(rf)等离子体源、热源、电子束源或热阴极源。自由基束源可被配置成将自由基束提供为点束或者作为另一选择提供为带状自由基束。
17.根据各种非限制性实施例，本文所公开的装置或系统可包括扫描系统。所述扫描系统布置有衬底扫描器、离子束源扫描器及自由基束源扫描器的任何合适组合。所述系统
可相应地产生衬底相对于离子束源和/或自由基束源的合适的相对运动。根据各种实施例，扫描系统可布置有空气轴承、选择顺应性装配机械臂(selective compliance assembly robot arm，scara)机器人、或传统机器人、或其他已知的扫描组件。
18.在本公开的各种实施例中，提供控制系统来单独地控制自由基束源的输出条件及离子束源的输出条件。单独的控制可包括协调自由基束源的输出及离子束源的输出，以便向衬底提供自由基束处理与离子束处理的目标组合。
19.在一些实施例中，衬底可被布置在公共工艺室中，在所述工艺室中通过自由基束源及离子束源进行处理。在特定实施例中，可在处理室或处理站内提供例如气幕或隔膜等屏障，以提供离子束处理与自由基束处理的至少部分隔离。
20.图1a示出根据本公开的实施例布置的系统100。系统100可包括多个束源，包括离子束源104及自由基束源106，其中在一些实施例中，所述多个束源可被布置在公共结构或壳体(被示为壳体102)内。离子束源104可产生离子束110，以便撞击衬底122，从而执行给定的衬底处理操作。离子束源104可包括离子室，例如等离子体室，在等离子体室中通过已知方法(包括rf激励、热阴极、间热式阴极或其他已知技术)来产生等离子体。离子束源104可还包括已知的抽取组件，以抽取离子束110并将离子束110引导到衬底122。
21.自由基束源106可产生自由基束112来撞击衬底122，以便独立于由离子束110对衬底122执行的处理来处理衬底122。根据一些非限制性实施例，自由基束源106可并入有或者可耦合到被布置成为自由基束源106产生自由基的自由基产生器(未单独示出)，其中所述自由基产生器是rf等离子体源、热源、电子束源或热阴极源。
22.系统100还可包括用以支撑衬底122的衬底载台120，其中衬底载台120可设置在工艺室中。在图1a所示实施例中，工艺室通常由壳体102界定，但可存在其他配置。系统100中还设置有控制器150，以控制系统100的各种组件的操作，如下所详述。例如，控制器150可控制离子束源104及自由基束源106在至少一个方面彼此独立地运行。作为实例，控制器150可控制提供到离子束源104及自由基束源106的气体物质，使得束组成在离子束源104与自由基束源106之间不同。与自由基束112的入射角相比，控制器150可控制离子束源104为离子束110产生相同的入射角或不同的入射角。另外，控制器15可发送控制信号来调整例如离子束源104或自由基束源106等束源相对于衬底122的相对扫描。
23.在不同的实施例中，可通过在离子束源104及自由基束源106静止的同时使用衬底载台120的扫描组件(未单独示出)来使衬底122进行扫描而实现相对扫描。在其他实施例中，可在衬底载台静止的同时分别使用扫描组件130或扫描组件132使离子束源104、自由基束源106或此两个束源相对于衬底122进行平移或扫描。值得注意的是，在一些实施方案中，控制器150连同扫描组件130及扫描组件132一起可产生离子束源104及自由基束源106相对于彼此的独立移动。在其他实施方案中，控制器150可控制离子束源104及自由基束源106相对于衬底122彼此一致地进行扫描。在又一些实施例中，可在衬底载台120进行扫描的同时使离子束源104进行扫描，可在衬底载台120进行扫描的同时使自由基束源106进行扫描，或者可在衬底载台120进行扫描的同时使离子束源104及自由基束源106进行扫描。
24.在各种实施例中，离子束源104可产生点状离子束(点束)，而在其他实施例中，离子束源104可将离子束110产生为带状离子束，如图1b所示。为了产生带状离子束，抽取总成可包括矩形且伸长的抽取开孔以产生具有大致矩形横截面的离子束110，如图1b所示。根据
各种非限制性实施例，抽取开孔以及离子束的纵横比(x尺寸/y尺寸)可为2/1、3/1、5/1、10/1、50/1或更大。类似地，自由基束源106可将自由基束112产生为点束或带状自由基束，如图1b所示。根据一些实施例，可使衬底122沿着所示笛卡尔坐标系的y轴进行扫描，以将衬底122的同一区域依序暴露于离子束110及自由基束112。值得注意的是，衬底载台120可设置有旋转能力，以使衬底绕与衬底载台的主平面正交的轴旋转(在图1a所示配置中，主平面由x-y平面表示，且法线由z轴表示)。在点束系统的情况中，相对扫描可为二维的而不是线性的，由在x-y平面中的运动而不是纯粹沿着y轴的运动构成。例如，可使衬底载台120在扫描平面(例如，x-y平面)内相对于点状离子束通过x方向上的移动与y方向上的移动的组合进行扫描。也可使衬底载台120相对于点状自由基束通过x方向上的移动与y方向上的移动的组合进行扫描。此外，可使产生点束的离子束源和/或产生点束的自由基源相对于衬底载台120在x方向及y方向上平移。
25.在各种非限制性实施例中，离子束源104可包括稀有气体、氮气、氧气、氢气、碳氢化合物c
yhx
、含卤素分子(c
xfy
、nf
x
、sf
x
等)或者上述各项的任何组合。在各种实施方案中，可相对于衬底122以给定的抽取电势对离子束源104加偏压，以向离子束110产生给定的离子能量。在各种实施例中，离子束源104可为可旋转的，以沿着相对于衬底载台120及衬底122的主平面(x-y)(所述平面因此由衬底122的主表面(例如晶片表面)界定)的垂线(z轴)形成给定入射角(θi)的轨迹引导离子束110。在各种非限制性实施例中，此入射角的值可在0度(意味着束轨迹是沿着z轴)至85度的范围内。
26.在各种实施例中，自由基束112可包括中性粒子。视自由基束源106的处理应用而定，除其他气体(稀有气体、氧气、氮气、氢气、碳氢化合物c
yhx
等)的混合物之外，自由基束112的自由基还可包括由等离子体产生的反应性自由基，包括含卤素的分子气体(c
xfy
、nf
x
、sf
x
等)。自由基束源106可包括开孔，以便相对于垂线(z轴)沿着给定入射角引导自由基束112。自由基束112的入射角(θr)的值可由控制器150设定为与离子束110的角θi相同或与离子束110的角不同。
27.类似于离子束106，在一些实施例中，自由基束112可沿着x轴伸长，如图1b所示。根据本公开的各种实施例，由于自由基束源106可与离子束源104分开地被供电且分开地被供应气体，因此在给定的处理操作中被引导到衬底122的自由基通量对离子通量的比率可被独立控制，从而提供用于引导自由基及离子的可微调工艺。通常，自由基束112可主要包括反应性中性粒子，具有某一分率的离子。例如，输入气体可为cf4(四氟化碳)。cf4本身是非常惰性的(像惰性氩或n2一样)，但当在等离子体中(被等离子体高能电子)离解时，母体cf4将被分解成子片段，例如cf3、cf2、cf、f、c。现在具有开放键的含氟子片段是化学反应性的，且对于表面刻蚀工艺是有用的。除了产生中性的cfx自由基之外，还会有像cfx

这样的经电离自由基，但在各种实施例中，总通量主要是中性粒子。
28.在各种实施例中，可使衬底122沿着所示笛卡尔坐标系的y轴进行扫描，其中主衬底表面在扫描期间平行于x-y平面布置。在图1a的图示中，衬底122水平地(沿着y轴)扫描穿过以不同非零入射角撞击的离子及自由基通量。然而，示出自由基束112及离子束110相对于彼此的相对定向仅仅是为了说明不同的束可被独立控制且可界定不同的入射角。在其他实施例中，图1a所示装置可被定向成使得衬底122垂直地进行扫描，其中图1a中所示出的各种组件被布置成具有彼此相同的相对定向。离子束源104的输出及自由基束源106的输出因
此相对于衬底扫描方向(y轴)沿着相同的非零角被共线引导，且因此能够实现等中心工艺(允许围绕平均非零入射角具有角展度)。
29.如上所述，为了相对于z轴(衬底平面或扫描平面的垂线)以非零入射角产生离子束，在一个实施例中，可使整个离子束源(例如离子束源104)相对于扫描平面(x-z平面)倾斜，如图1a所示。电极的数目)。
30.关于自由基束源106，可包括喷嘴结构或其他类似的配置来提供自由基束112的准直，使得来自自由基束112的自由基通量可界定平均入射角，在所述平均入射角下，自由基的各个轨迹不会彼此实质上偏离。换句话说，在不同的非限制性实施例中，围绕入射角θr的角展度可被限制于几度、10度或20度。
31.因此，系统100提供组件的组合，以通过将离子束处理与自由基束处理解耦来提高利用高能物质进行的衬底处理的灵活性，其中自由基束与离子束的组成及几何形状是独立可控的。此种配置有利于新的能力，包括更好地控制反应性离子刻蚀工艺、反应性沉积工艺、离子植入工艺以及更精确地控制衬底中三维结构的处理。
32.图2呈现示例性工艺流程200。在框202处，在工艺室中提供衬底。在框204处，从离子束源将离子束引导到衬底。离子束源可被耦合以产生任何合适物质的离子，且可为可移动的，以便调整离子束相对于衬底的入射角。在框206处，从与离子束源分开的自由基束源将自由基束引导到衬底。值得注意的是，对于例如刻蚀、沉积、植入等操作，可将自由基束源连同离子束源一起使用来处理衬底。在框208处，在自由基束及离子束被引导到衬底的同时，使衬底相对于离子束源、自由基束源或此两者进行扫描。例如，在衬底的扫描期间，在衬底与自由基束源及离子束源之间沿着垂直方向(例如z轴)的间隔保持恒定的同时，可使衬底沿着水平方向(例如y轴)进行扫描。如此，离子束及自由基束可在束组成、包括束入射角的束、处理期间相对于衬底的相对运动或上述各项的组合方面不同。
33.本发明实施例至少提供以下优点。本发明实施例允许对衬底的离子处理及自由基处理被单独及独立地微调，以实现最佳工艺。例如，在其中在相对较低的压力下实现最佳离子源输出且在相对较高的压力下实现最佳自由基束处理的情况中，本发明实施例能够在不进行折衷的情况下满足这两个条件。本发明实施例具有再一优点，即提供在公共系统中使用非常不同的源类型执行衬底处理的能力，例如可采用基于rf的自由基源及基于热阴极的离子源。本发明实施例的再一优点是能够使自由基束源的输出与离子束源的输出相匹配，其中在缺少两个独立源的系统中，自由基处理或离子束处理原本可能是速率受限的。
34.尽管本文已阐述了本公开的某些实施例，但本公开并不仅限于此，这是因为本公开的范围具有所属领域将允许的及本说明书所表明的最广范围。因此，上述说明不应被视为限制性的。相反，以上说明仅仅是作为特定实施例的范例。所属领域中的技术人员将想到在所附权利要求的范围及精神内的其他修改。