使用脉冲电子束进行等离子体加工的方法与流程

使用脉冲电子束进行等离子体加工的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月08日提交的美国非临时专利申请号16/737,716的提交日期的优先权和权益，该美国非临时专利申请通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及等离子体加工方法，并且在特定实施例中，涉及用于使用脉冲电子束进行等离子体加工的系统、装置和方法。


背景技术：

4.在微电子工件之上和之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，期望能够在维持结构完整性的同时减小特征尺寸的加工设备和方法。随着器件结构的致密化和垂直发展，对精密材料加工的期望变得越来越迫切。
5.等离子体工艺中的原子级精度可用于各种等离子体工艺中的轮廓控制。然而，由于气体开关速度的限制，传统的等离子体工艺可能无法以单层精细度沉积和/或刻蚀膜。因此，可能期望包括在比气体开关速度更快的时间尺度上(例如，在与膜的单个单层的生长相关联的时间尺度上)控制沉积/刻蚀工艺的手段的等离子体加工方法。


技术实现要素：

6.根据本发明的实施例，一种等离子体加工方法包括将气体连续地提供到加工室中达第一持续时间，并且在提供该气体的同时，将交流(ac)源功率连续地提供到源功率耦合元件达该第一持续时间。该ac源功率在该加工室中生成等离子体。该方法进一步包括，在提供该气体和该ac源功率的同时，将第一负偏置电压施加到电子源电极达第二持续时间，并且在该第二持续时间结束时，从电子源电极去除该第一负偏置电压达第三持续时间以中断该电子束的生成。该第一负偏置电压生成朝向衬底固持器引导的电子束。该方法还包括在提供该气体和该ac功率的同时，将第二负偏置电压施加到该衬底固持器。该第一持续时间等于该第二持续时间和该第三持续时间的总和。该方法可以循环地执行。
7.根据本发明的另一实施例，一种等离子体刻蚀方法包括在加工室中生成电感耦合等离子体，并且使用朝向设置在该加工室中的衬底的第一表面引导的第一电子束在该第一表面形成第一聚合物层。该第一电子束由电子源电极的面向该第一表面的第二表面的第一负偏置电压生成达第一持续时间。该方法进一步包括在该第一持续时间之后，通过使用被施加达第二持续时间的第二负偏置电压将该电感耦合等离子体的正离子朝向该第一表面加速来对该第一聚合物层和该衬底的第一表面进行刻蚀。
8.根据本发明的又另一实施例，一种等离子体加工装置包括：加工室；第一直流(dc)功率供应节点；电子源电极，该电子源电极耦合至该第一dc功率供应节点并且包括第一表面；衬底固持器，该衬底固持器设置在该加工室中；以及射频(rf)源功率耦合元件，该射频
源功率耦合元件设置在该加工室外部并且被配置为将rf源功率电感耦合至在该加工室内生成的等离子体。该电子源电极被配置为使用第一脉冲dc偏置电势在该加工室中生成脉冲电子束，该第一脉冲dc偏置电势由该第一dc功率供应节点供应至该电子源电极。该第一表面位于该加工室内。该衬底固持器包括面向该第一表面的第二表面。
附图说明
9.为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：
10.图1展示了根据本发明的实施例的包括电子源电极和源功率耦合元件的示例等离子体加工装置的示意图；
11.图2展示了根据本发明的实施例的包括电子源电极和源功率耦合元件的另一示例等离子体加工装置的示意图；
12.图3展示了根据本发明的实施例的包括直流脉冲和偏置脉冲的示例等离子体加工方法的示意性时序图；
13.图4展示了根据本发明的实施例的示例等离子体刻蚀方法的示意图，该方法包括使用电子束在衬底上形成聚合物层并且对聚合物层与衬底一起进行刻蚀；
14.图5展示了根据本发明的实施例的包括直流脉冲和偏置脉冲的另一示例等离子体加工方法的示意性时序图；
15.图6展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工系统的示意图，该系统包括耦合至直流偏置供应节点的电子源电极和耦合至源功率供应节点的源功率耦合元件；
16.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
17.图8展示了根据本发明的实施例的示例等离子体刻蚀方法。
18.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
19.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。
20.比如原子层刻蚀(ale)工艺和原子层沉积(ald)工艺等精密等离子体工艺可以利用表面改性技术来增大对衬底处后续反应的控制。传统的表面改性技术既费时又不精确。例如，启用和禁用表面化学反应的气体注入和加工室抽空时间可能需要不合期望地漫长的时间尺度来实现期望的结果。因此，加快传统的表面改性步骤是可能的，但前提是要牺牲精度。
21.在等离子体工艺期间，源功率可以耦合至源功率耦合元件(例如，螺旋谐振器的线圈)以生成等离子体。等离子体可以包括反应性物质和非反应性物质，比如电子、离子和自由基。偏置功率可以被施加到衬底固持器以将能量耦合至由衬底固持器支撑的衬底处的等离子体物质。电子束可以被用于调整等离子体特性以及在衬底表面诱发反应。在等离子体
工艺期间调制源功率、偏置功率、电子束生成、和气体注入中的一种或多种的施加的先进脉冲技术(apt)可以有利地实现衬底处的精密控制。
22.电子束介导的工艺可以用于激发体等离子体内以及衬底表面处的化学反应。撞击在衬底表面上的电子(例如，弹道电子)可以生成悬空键并且激发衬底表面处的化学反应(例如，聚合物生长)。取决于电子能量和衬底的材料，电子也可以深入渗透到衬底的特征中。可以使用适当的电势梯度以减慢穿过所生成的等离子体的电子束中的电子，使得射束中的一些或全部电子在体等离子体内相互作用。这种相互作用可能会激发体等离子体内的化学反应，比如聚合反应。
23.可以使用在加工室中生成的现有等离子体来产生电子束。现有等离子体可以是任何合适类型的等离子体，比如电感耦合等离子体(icp)、电容耦合等离子体(ccp)、表面波等离子体(swp)、波加热等离子体等。等离子体可以由比如rf源、甚高频(vhf)源等ac功率源维持。可以将dc偏置电压施加到加工室内的导电表面以从等离子体生成电子束。例如，可以将负dc偏置电压施加到现有等离子体附近的导电表面，从而将带正电的离子吸引至导电表面，这些带正电的离子从由离子轰击引起的二次发射生成电子束。假如脉冲的时间持续时间短于等离子体带电物质通量对表面进行充电以及抵消电介质前面的电场所需的时间，则可以将脉冲dc偏置或双极dc偏置施加到电介质表面。
24.由于电子的高能量，所产生的电子束可以基本上垂直于导电表面。dc偏置电压可以直接控制电子束的生成。换言之，当施加dc偏置电压时，电子束可以基本上瞬间“接通”。类似地，当去除dc偏置电压时，电子束可以基本上瞬间“关断”。
25.衬底表面上的化学反应(比如聚合物生长)传统上使用气体开关来实现，这可能是缓慢且不精确的。电子束介导的工艺可以有利地提供另一种方式来实现类似或改进的结果，而没有与气体开关相关联的缺点。例如，气体开关可能不容易实施，并且不能在单层聚合物生长的时间尺度上切换。换言之，气体开关可能被限制在比与单个单层至几个单层的聚合物生长相关联的时间尺度更长的时间尺度上。然而，使用现有等离子体附近的dc偏置电极，可以有利地在与单个单层至几个单层的聚合物生长相同的时间尺度上(或甚至更快)接通和关断电子束。由于dc偏置电压与电子束之间的直接关系，可以严格地控制聚合。例如，在衬底处或体等离子体中的聚合物生成在本质上可能是近似数字的(即，聚合物生长的“开”和“关”状态)。当电子束关断时聚合物生成速率也可能相对较低，而当电子束接通时聚合物生成速率可能相对较高(即，聚合物生长的“高”和“低”状态)。
26.在各种实施例中，等离子体加工方法包括将气体连续地提供到加工室中并且将ac源功率提供给源功率耦合元件达一定持续时间。ac源功率在加工室中生成等离子体。在提供气体和ac源功率的同时，将第一负偏置电压施加到电子源电极。第一负偏置电压生成朝向衬底固持器引导的电子束。在仍提供气体和ac功率的同时，然后从电子源电极去除第一负偏置电压。第一负偏置电压的去除中断了电子束的生成。将第二负偏置电压(例如，由ac功率生成的dc自偏置)施加到衬底固持器达该持续时间的部分些或全部。
27.ac源功率可以是电感耦合至等离子体的rf源功率。作为示例，源功率耦合元件可以是螺旋线圈或平面线圈。衬底可以由衬底固持器固定。衬底可以包括面向电子束的表面。在一个实施例中，该方法是等离子体刻蚀工艺。在等离子体刻蚀工艺中，使用电子束在衬底的表面形成聚合物层，并且随后使用等离子体的离子对该聚合物层与该衬底的表面一起进
行刻蚀。
28.本文描述的等离子体加工实施例方法可以有利地实现对等离子体工艺的单层级控制。例如，这些实施例方法可以有益地在涉及高纵横比特征和/或高精度要求的各种等离子体工艺中找到应用，比如在图案化、ald、准ald、ale、准ale、自对准接触(sac)刻蚀、高纵横比接触(harc)刻蚀、以及用于形成接触件、nand结构、动态随机存取存储器(dram)等的其他工艺中。这些实施例方法也可以在等离子体工艺期间有利地增强轮廓控制。所描述的实施例的另一可能的优点可以是使得能够在衬底的水平表面上优先地激发期望的化学反应。这些实施例方法可以进一步有利地允许以很少或没有气体开关进行循环等离子体工艺。本文描述的实施例的进一步可能的优点是在等离子体加工期间提供原子层控制，即使没有自限制的化学反应。实施例方法也可以有利地改进区域选择性刻蚀工艺(例如，sac工艺或图案化)中的空间控制。
29.下面提供的实施例描述了各种等离子体加工系统、装置和方法，并且特别地，是使用脉冲电子束的等离子体加工系统、装置和方法。以下描述描述了实施例。使用图1和图2描述了包括电子源电极和源功率耦合元件的两个实施例等离子体加工装置。使用图3描述了包括dc脉冲和偏置脉冲的等离子体加工实施例方法的示意性时序图。使用图4描述了等离子体刻蚀实施例方法。使用图5描述了使用dc脉冲和偏置脉冲的另一等离子体加工实施例方法。使用图6描述实施例等离子体加工系统。使用图7和图8描述了两种等离子体加工实施例方法，第二种是等离子体刻蚀工艺。
30.图1展示了根据本发明的实施例的包括电子源电极和源功率耦合元件的示例等离子体加工装置的示意图。
31.参考图1，等离子体加工装置100包括加工室10和源功率耦合元件112。加工室10包括导电材料并且可以在全部或一些导电表面处接地。在一些实施方式中，加工室10的一些表面可以被涂覆有抗刻蚀介电材料，比如y2o3、阳极化铝、或其他化合物(取决于工艺应用)。在一个实施例中，源功率耦合元件112设置在加工室10的外部。替代性地，源功率耦合元件112可以设置在加工室10的内部。在各种实施例中，源功率耦合元件112接收源功率sp，该源功率可以是ac源功率。源功率sp耦合至加工室10并且在加工室10内生成等离子体20。
32.在各种实施例中，源功率耦合元件112是rf耦合元件。在一个实施例中，源功率耦合元件112是如图所示的同轴icp线圈。源功率耦合元件112可以是具有任何合适几何形状的感应线圈，比如圆筒形(例如，螺旋形)线圈、平面(例如，螺线形)线圈等。在一些实施例中，源功率耦合元件112可以被螺旋谐振器配置中的接地圆筒形屏蔽件包围。尽管被示出为围绕加工室10的侧壁，但源功率耦合元件112也可以设置在加工室10的上方或内部。例如，源功率耦合元件112也可以是以电容耦合配置设置在加工室10中的电极。
33.等离子体20可以包括电子21、离子和自由基27的混合。离子可以带正电或带负电。例如，等离子体20可以包括电子21和带正电的离子25。等离子体20可以是任何适合类型的等离子体。在一个实施例中，等离子体20是icp。在其他实施例中，等离子体20可以是ccp、swp、波加热等离子体等。等离子体20可以在电子源电极14附近生成。
34.电子源电极14包括设置在加工室10内的发射器表面15。电子源电极14可以完全地设置在加工室10内(如图所示)或部分地设置在加工室内。将dc偏置电压v
dc
施加到电子源电极14，以在加工室10内生成包括弹道电子22的电子束29。在一个实施例中，dc偏置电压v
dc
是
负dc偏置电压。dc偏置电压v
dc
可以是连续的、脉冲的、或脉冲双极的。电子源电极15的发射器表面15可以通过吸引等离子体20的离子25以撞击在发射器表面15上并生成弹道电子22而用作电子发射器。弹道电子22可以具有比等离子体电势显著更高的能量，从而允许它们基本上不受阻碍地通过等离子体20。
35.电子束29可以基本上垂直于发射器表面15。例如，dc偏置电压v
dc
可以具有足够的值以将基本上垂直的速度赋予电子束29的弹道电子22。如所展示的，电子束29被引导朝向设置在加工室10中的衬底固持器16。例如，衬底固持器16可以是静电卡盘。衬底140可以由衬底固持器16支撑。衬底140包括相对表面19，该相对表面可以接收穿过等离子体20的入射弹道电子22。
36.可选地，也可以将ac功率施加到电子源电极14。可选的ac功率可以用作等离子体20的附加源。在一个实施例中，可选的ac功率是rf功率。在另一实施例中，可选的ac功率是vhf功率。
37.衬底固持器16接收偏置电压，该偏置电压可以是如图所示的rf偏置电压v
rf
。例如，rf偏置电压v
rf
可以防止在衬底140处充电，该充电将在连续电压偏移的情况下发生。在各种实施例中，rf偏置电压v
rf
是负的。rf偏置电压v
rf
可以将带正电的离子25或其他带电物质朝向相对表面19加速。加工室10可以包括用于衬底固持器16(另一dc表面、接地表面、或反向偏置表面)处的偏置电压的返回路径。例如，返回路径可以与电子源电极14或另一合适的位置相邻，这可能取决于特定实施方式的特定设计要求。
38.电子束29中电子的行为(例如，路径、能量等)可以取决于电子源电极14与衬底固持器16之间的电势的特性。例如，至少三个电势可以对电子束29的行为产生影响。这三个电势可以是dc偏置电压v
dc
、等离子体电势、和rf偏置电压v
rf
。当电子束29中的电子处于等离子体20中时，电势之间的关系可能会影响这些电子的能量，从而导致不同的定性流型。
39.如图所示，电子束29的电子可以被认为处于三个不同的流型(弹道电子22、被俘电子23、以及被俘和倾倒电子24)。当dc偏置电压v
dc
远大于等离子体电势和rf偏置电压v
rf
的峰间平均值的组合时，可以生成弹道电子22。弹道电子22的能量可以足够大以减少或有效消除弹道电子22与等离子体20中的物质的相互作用截面。因此，弹道电子22可以基本上不受阻碍地穿过等离子体并以足够的能量到达相对表面19，以破坏键和/或改变衬底140处的反应性。
40.当dc偏置电压v
dc
远小于等离子体电势和rf偏置电压v
rf
的峰间平均值的组合时，可以生成被俘电子23。在这种流型下，电子束29中的电子的能量足够小，以便在等离子体20内被延缓和“俘获”。被俘电子23可以与等离子体20中的物质具有大的相互作用截面，从而与中性气体发生多次碰撞。进一步地，被俘电子23可以被减慢，使得被俘电子23的能量与等离子体电势相当。
41.被俘和倾倒电子24可以被认为处于弹道流型与被俘流型之间的“混合状态”。当dc偏置电压v
dc
与等离子体电势和rf偏置电压v
rf
的组合相当(例如，略高于该组合)时，可以生成被俘和倾倒电子24。在这种流型下，电子束20的电子与等离子体20中的物质具有不可忽略的相互作用截面。换句话说，被俘和倾倒电子24可以具有足够的能量穿过等离子体20，而不会相互作用，或者即使在等离子体20内相互作用之后也保持朝向衬底固持器16的轨迹。在被俘和倾倒流型下，电子束29的电子可以具有这样的能量，使得一部分电子直接穿过等
离子体20、一部分电子被完全俘获在等离子体20中、而剩余部分相互作用然后离开等离子体20。因此，在被俘和倾倒流型下穿过等离子体20的电子的角度分布高于在弹道流型下穿过等离子体20的电子的角度分布。
42.作为弹道流型的示例，dc偏置电压v
dc
可以约为500v，rf偏置电压v
rf
可以是关闭的，并且等离子体电势可以约为30v。在这种情况下，电子束29的绝大部分电子将是弹道电子22，这些弹道电子以接近470v的能量到达相对表面19。在这种流型下，电子束29与等离子体20之间几乎不会发生相互作用。然而，撞击在衬底140的相对表面19上的弹道电子22可以具有足够的能量以生成悬空键并激发化学反应(例如，聚合物形成)。
43.作为被俘流型的示例，dc偏置电压v
dc
可以约为500v，等离子体电势可以约为30v，并且峰间rf偏置电压v
rf
可以约为650v。在这种流型下，电子束29的绝大部分电子将作为被俘电子23保留在等离子体中。例如，被俘电子23可以有助于体等离子体聚合(例如，碳氟化合物碎片)。等离子体20的离解也可以使用被俘电子23来控制。例如，弱等离子体源可以具有小的离解度，从而允许聚合由电子束29而不是源功率来控制。
44.图2展示了根据本发明的实施例的包括电子源电极和源功率耦合元件的另一示例等离子体加工装置的示意图。例如，图2的等离子体加工装置可以是本文描述的其他等离子体加工装置(比如图1的等离子体加工装置100)的替代性配置(例如，共享可以呈不同布置的特征)。类似标记的元件可以如先前所描述。
45.参考图2，等离子体加工装置200包括设置在加工室10中的电子源电极14和衬底固持器16，所有这些都可以如前所述。与图1所示的等离子体加工装置100相比，等离子体加工装置200包括设置在加工室10外部并在其上方的源功率耦合元件212。源功率耦合元件212可以是图1的源功率耦合元件112的特定实施方式。源功率耦合元件212可以是平面感应线圈。
46.在一个实施例中，源功率耦合元件212是以扁平icp配置设置在加工室10上方的扁平感应线圈。可以将dc偏置法拉第笼设置在扁平感应线圈与电子源电极14之间以减弱或消除它们之间的耦合。抑制线圈与其他金属表面之间的电流耦合的另一种方法可以是在电子源电极14的面向线圈的表面中包括凹槽以增加阻抗。dc偏置电压v
dc
可以以足够的速率进行脉冲以避免对石英窗充电。替代性地或另外地，电子源电极14可以包括比如槽缝等结构去耦机构，以阻碍镜像电流。电子源电极14还可以包括被配置为用作法拉第屏蔽件的dc表面。
47.如图所示，通过将源功率耦合电极212布置在电子源电极14的外径65之外，也可以进一步减少源功率耦合电极212与电子源电极14之间的耦合。换言之，源功率耦合电极212的内径66可以大于外径65。
48.图3展示了根据本发明的实施例的包括直流脉冲和偏置脉冲的示例等离子体加工方法的示意性时序图。示意性时序图可以表示由本文描述的任何等离子体加工装置或等离子体加工系统(作为示例，比如图1的等离子体加工装置100或图2的等离子体加工装置200)执行的等离子体加工方法。
49.参考图3，示意性时序图300包括指示将源功率sp施加到源功率耦合电极的源脉冲334、指示将dc功率施加到电子源电极的dc脉冲332、以及指示将偏置功率bp施加到衬底固持器的偏置脉冲336。示意性时序图300还可以包括指示将气体注入到加工室中的气体脉冲338。例如，如图所示，气体脉冲338可以是连续的，因为气体脉冲原则上可以处于更长的时
间尺度(至少在停留时间的量级上)。脉冲可以在等离子体加工期间被循环地施加到等离子体加工装置。例如，可以周期性地施加脉冲，使得在如图所示的脉冲周期331上重复脉冲模式。
50.如图所示，可以连续地施加源功率sp。例如，源脉冲334可以具有等于脉冲周期331的源脉冲持续时间335。另外地或替代性地，源功率sp可以是脉冲的，使得源脉冲持续时间小于脉冲周期331。类似地，可以连续注入气体，其气体脉冲持续时间339等于脉冲周期331，或者也可以在脉冲周期331内调整气体。在一个实施例中，在等离子体工艺期间连续地施加源功率sp和气体两者。
51.dc功率在脉冲周期331的一部分内被接通。具体地，dc脉冲332具有小于脉冲周期331的dc脉冲持续时间333。例如，dc脉冲持续时间333可以有利地小于传统等离子体工艺中可达到的气体开关速度。dc脉冲332用于在加工室中生成电子束。电子束随着dc功率的施加而基本上瞬间生成(即，“接通”)并且随着dc功率的去除而基本上瞬间中断(即，“关断”)。例如，当dc功率关断时，电子源电极可以耦合至接地电势。
52.dc脉冲持续时间333可以是气体停留时间的量级。在各种实施例中，dc脉冲持续时间333小于约500ms。例如，dc脉冲持续时间333可以在约100ms至约3s之间。在一个实施例中，dc脉冲持续时间333约为100ms。在另一个实施例中，dc脉冲持续时间33约为1ms。在一些实施例中，dc脉冲持续时间333也可以大于3s。
53.偏置功率bp可以在脉冲周期331的一部分内被连续地施加或接通。如前所述，偏置功率bp可以是具有dc偏移的rf功率。在各种实施例中，偏置脉冲336具有小于脉冲周期331的偏置脉冲持续时间337。在一些实施例中，每个偏置脉冲336在每个脉冲周期331内的dc脉冲持续时间333之后开始。例如，每个偏置脉冲336可以在对应的dc脉冲332结束之后直接开始(如图所示)，或者也可以被延迟。另外地，偏置脉冲持续时间337不需要延长至每个脉冲周期331的结束。例如，在每个偏置脉冲336之前和/或之后，可以存在dc功率和偏置功率bp两者都关断的时间间隔。
54.图4展示了根据本发明的实施例的示例等离子体刻蚀方法的示意图，该方法包括使用电子束在衬底上形成聚合物层并且对聚合物层与衬底一起进行刻蚀。等离子体刻蚀方法可以是如本文描述的示例等离子体加工方法的特定实施，例如，比如图3的等离子体加工方法。
55.参考图4，等离子体刻蚀方法400包括：射束接通阶段41，在该阶段期间，在加工室内生成朝向衬底440引导的电子束；以及射束关断阶段47，在该阶段期间，电子束被关断并且带正电的离子25被吸引朝向衬底440。等离子体刻蚀方法400可以应用于任何合适的刻蚀工艺，包括特定类型的刻蚀工艺。在一个实施例中，等离子体刻蚀方法可以是sac刻蚀工艺。替代性地，等离子体刻蚀方法400可以是harc刻蚀工艺。
56.衬底440内可以包括各种特征，比如高纵横比特征44，高纵横比特征包括远小于垂直尺寸61的横向尺寸63。例如，高纵横比特征44可以是沟槽、孔、或具有小横向尺寸和大垂直尺寸的区域的任何合适形状。在各种实施例中，高纵横比特征44的纵横比(例如，垂直尺寸61除以横向尺寸63)大于约25。在一些实施例中，高纵横比特征44的纵横比大于约50，并且在一个实施例中约为100。
57.掩模43可以设置在衬底440的块状材料42上。薄共形层45可以设置在块状材料42
的各个表面上，比如高纵横比特征44的侧壁和底表面，如图所示。在一个实施例中，薄共形层45是薄氮化物层。高纵横比特征44可以填充有填充层46。填充层46可以是在等离子体刻蚀工艺期间要被刻蚀的目标材料。在一个实施例中，填充层46是氧化物填充层。
58.在射束接通阶段41期间，弹道电子22撞击衬底440的暴露表面。弹道电子22可以基本上垂直于水平表面(比如掩模43的暴露表面、薄共形层45、以及填充层46)。在射束接通阶段41期间，带正电的离子25被加速离开衬底440，而自由基27(例如，不带电物质)的移动可能主要是扩散效应。
59.由于入射弹道电子22，在射束接通阶段41期间，可以在衬底440的表面上生长聚合物层48。弹道电子22的垂直性质可以有利地促进聚合物主要或完全在衬底440的水平表面上生长，如图所示。聚合物层48可以用于保护并非等离子体刻蚀工艺特别针对的底层材料，比如掩模43和薄共形层45。例如，薄共形层45的几何结构(例如，拐角)可以由聚合物层48保护。
60.聚合物层48的生长可以通过将dc偏置电压施加到电子源电极来严格控制。例如，即使已经在薄共形层45和填充层46上生长聚合物之后，高纵横比特征46也可以有利地保持敞开。相比之下，传统的等离子体刻蚀工艺可能不利地“掐断(pinch off)”高纵横比特征，从而导致特征内材料的刻蚀效率降低。
61.在射束接通阶段41之后，包括弹道电子22的电子束被关断(例如，通过从电子源电极去除dc偏置电压)。然后在射束关断阶段47期间对衬底440的暴露表面进行刻蚀。相应地，射束接通阶段41可以被认为是dc偏置阶段或弹道电子模式，而射束关断阶段47可以被认为是等离子体刻蚀方法400的刻蚀阶段或高能离子阶段。例如，在射束关断阶段47期间，可以将偏置功率施加到衬底固持器以使带正电的离子25加速以到达衬底440。在射束关断阶段47期间对聚合物层48和填充层46进行刻蚀。
62.聚合物层48与填充层46之间可以存在适当的化学反应，使得被去除的填充层46的量是可控的。在填充层46上生长的聚合物的量可以有利地通过射束接通阶段41的持续时间来控制。然后可以在射束关断阶段47期间实现填充层46的期望刻蚀深度49。在各种实施例中，刻蚀深度49小于填充层46的三个单层。在一个实施例中，刻蚀深度49基本上是填充层46的一个单层。可以循环地执行射束接通阶段41和射束关断阶段47，以便精确地刻蚀填充层46而基本上不改变掩模43和/或薄共形层45。
63.等离子体刻蚀方法400可以有利地诱导衬底440的表面化学反应而无需气体开关步骤。射束接通阶段41的持续时间可以有利地与生长单个聚合物单层(例如，在填充层46上)的时间相似或相同。例如，射束接通阶段41的持续时间可以与气体在衬底440处的停留时间相当。
64.作为具体示例，在传统的等离子体刻蚀工艺中，可以用于对氧化物进行刻蚀(例如，在sac刻蚀中)的碳氟化合物可以在其自身上生长，并且扩大保护性氮化物层的几何结构(例如，在拐角处)。这种与底层氮化物几何结构的偏离在具有小尺寸(例如，当横向尺寸63约为10-20nm时)的开口附近(比如对于高纵横比特征44)可能会出现问题。例如，在传统的等离子体刻蚀工艺期间不受控制的附加碳氟化合物聚合可能会堵塞高纵横比特征44的开口。
65.由于氮化物层掩盖了氧化物层，因此这种堵塞的特征的结果是在刻蚀阶段期间阻
止了期望的氧化物刻蚀。然而，在等离子体刻蚀方法400和其他等离子体加工实施例方法中，在单层形成的时间尺度上对电子束(以及因此诱导的表面化学反应和/或体等离子体化学反应)进行数字(或接近数字)控制可以有利地减少或消除几何伪影，从而防止堵塞高纵横比特征44。这些优点和类似的优点通常也可以在比如ald、准ald、ale、准ale、harc、nand器件形成dram器件形成等的等离子体工艺中实现。
66.图5展示了根据本发明的实施例的包括直流脉冲和偏置脉冲的另一示例等离子体加工方法的示意性时序图。图5的示意性时序图可以表示由本文描述的任何等离子体加工装置或等离子体加工系统(作为示例，比如图1的等离子体加工装置100或图2的等离子体加工装置200)执行的等离子体加工方法。
67.参考图5，示意性时序图500可以是图3的示意性时序图300的特定实施方式，其中偏置功率bp与dc功率同时被施加。如图所示，示意性时序图500包括具有源脉冲持续时间535的源脉冲534、具有dc脉冲持续时间533的dc脉冲532、以及具有偏置脉冲持续时间537的偏置脉冲536。气体也可以作为具有气体脉冲持续时间539的气体脉冲538被注入。
68.dc脉冲持续时间小于脉冲周期531，而源脉冲持续时间535和偏置脉冲持续时间537等于脉冲周期531。替代性地，偏置脉冲536可以在dc脉冲532期间被施加，但仍可能比脉冲周期531短(即，在每个脉冲周期531到期之前结束和/或相对于每个脉冲周期531的开始延迟)。作为又另一替代方案，可以在每个脉冲周期531期间施加多个偏置脉冲536。例如，一个偏置脉冲可以与dc脉冲同时被传送，而另一偏置脉冲在dc功率关断时被传送。
69.在dc脉冲536期间施加偏置功率bp可以有利地用于调制所生成的电子束中的电子的流型，并调整体等离子体内和/或衬底的表面处的诱导化学相互作用。应该注意的是，dc功率接通时的偏置功率bp可以与dc功率关断时的dc功率相同或不同。
70.图6展示了根据本发明的实施例的示例等离子体加工系统的示意图，该系统包括耦合至直流偏置供应节点的电子源电极和耦合至源功率供应节点的源功率耦合元件。图6的等离子体加工系统可以包括如本文描述的任何等离子体加工装置，作为示例，比如图1的等离子体加工装置100或图2的等离子体加工装置200。类似标记的元件可以如先前所描述。
71.参考图6，等离子体加工系统600包括设置在加工室10中的、具有发射器表面15的电子源电极14。电子源电极14耦合至dc偏置发生器电路52，该dc偏置发生器电路又耦合至dc偏置供应节点53，该dc偏置供应节点耦合至接地连接50。电子源电极14可以通过可选的ac功率发生器电路58耦合至可选的ac功率供应节点59。在一些实施例中，可选的ac功率供应节点59可以耦合至可选的接地连接51，该接地连接可以是接地连接50。如前所述，ac功率供应节点59可以供应rf功率、vhf功率、或任何其他合适的ac功率。
72.等离子体加工系统600还包括通过源功率发生器电路54耦合至源功率供应节点55的源功率耦合元件112、以及通过偏置功率发生器电路56耦合至偏置功率供应节点57的衬底固持器16。源功率供应节点55和偏置功率供应节点57也可以通过接地连接50或隔离的接地连接而接地。
73.尽管被示出为单独的电路，但是可以根据需要组合一个或多个发生器电路和/或供应节点，具体取决于给定应用的特定设计参数。另外地，加工室10的一些表面或全部表面可以接地。接地连接可以是公共接地连接、参考接地或参考电势。
74.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。图7的方法可以由本文
描述的任何实施例等离子体加工装置或等离子体加工系统(作为示例，比如图1的等离子体加工装置100、图2的等离子体加工装置200、或图6的等离子体加工系统600)执行。进一步地，本文描述的示意性时序图(比如图3的示意性时序图300或图5的示意时序图500)可以对应于图7的方法中的一些或全部。
75.参考图7，方法700包括与步骤702同时执行的步骤701，在步骤701中将气体连续地提供到加工室中，在步骤702中，将ac源功率连续地提供给源功率耦合元件，该ac源功率在加工室中生成等离子体。例如，步骤701和702可以被执行达第一持续时间。
76.在执行步骤701和702的同时，方法700进一步包括执行将第一负偏置电压施加到电子源电极的步骤703。第一负偏置电压生成朝向衬底固持器引导的电子束。施加第一负偏置电压达小于第一持续时间的第二持续时间。
77.在执行步骤703之后，执行从电子源电极去除第一负偏置电压以中断电子束的生成的步骤704。步骤704可以具有小于第一持续时间的第三持续时间。在一个实施例中，第一持续时间等于第二持续时间和第三持续时间的总和。
78.在执行步骤701和702的同时，方法700还包括执行将第二负偏置电压施加到衬底固持器的步骤705。在一个实施例中，在第一持续时间期间连续地执行步骤705。替代性地，可以在第一持续时间之后开始的第四持续时间内执行步骤705。在一个实施例中，第四持续时间与步骤705同时开始并且等于第三持续时间。
79.可选地，可以通过执行重复步骤701、702、703、704和705的步骤706来重复方法700。可以根据需要重复可选的步骤706以循环地执行方法700。在一些实施例中，在方法700的循环执行期间，可以在基本上大于第一持续时间的时间尺度上对在步骤701中提供的气体、在步骤702中提供的ac源功率、或在步骤705中提供的第二负偏置电压(例如，当被连续地施加时)中的一者或多者进行调制(例如，脉冲)。
80.图8展示了根据本发明的实施例的示例等离子体刻蚀方法。图8的方法可以由本文描述的任何实施例等离子体加工装置或等离子体加工系统(作为示例，比如图1的等离子体加工装置100、图2的等离子体加工装置200、或图6的等离子体加工系统600)执行。进一步地，本文描述的示意性时序图(比如图3的示意性时序图300或图5的示意时序图500)可以对应于图8的方法中的一些或全部。图8的方法可以是图7的方法700的特定实施方式。
81.参考图8，方法800包括在加工室中生成等离子体的步骤801。在各种实施例中，等离子体是icp。在生成电感耦合等离子体之后，该方法包括使用朝向设置在加工室中的衬底的第一表面引导的电子束在该第一表面形成聚合物层的步骤802。该电子束由电子源电极的面向该第一表面的第二表面的第一负偏置电压生成达第一持续时间。
82.在第一持续时间之后，方法800进一步包括通过使用被施加达第二持续时间的第二负偏置电压将等离子体的正离子朝向该第一表面加速来对聚合物层和衬底的第一表面进行刻蚀的步骤803。
83.然后可以重复步骤801、802和803中的一些或全部。例如，在步骤801中的初始等离子体生成之后，可以在重复执行执行步骤802和803的可选步骤804的同时连续地生成等离子体。换言之，方法800包括重复形成聚合物层并且随后对聚合物层和衬底的表面进行刻蚀。替代性地或另外地，可以在执行步骤803之后的某个时间点中断等离子体生成。在这种情况下，可以执行返回到步骤801的可选步骤805，以便循环地执行方法800。
84.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。
85.示例1.一种等离子体加工方法，包括循环地执行以下步骤：将气体连续地提供到加工室中达第一持续时间；在提供该气体的同时，将ac源功率连续地提供到源功率耦合元件达该第一持续时间，该ac源功率在该加工室中生成等离子体；在提供该气体和该ac源功率的同时，将第一负偏置电压施加到电子源电极达第二持续时间，该第一负偏置电压生成朝向衬底固持器引导的电子束，在该第二持续时间结束时，从该电子源电极去除该第一负偏置电压达第三持续时间以中断该电子束的生成；在提供该气体和该ac功率的同时，将第二负偏置电压施加到该衬底固持器；并且其中，该第一持续时间等于该第二持续时间和该第三持续时间的总和。
86.示例2.如示例1所述的方法，其中，施加该第二负偏置电压包括：在该第二持续时间之后，将该第二负偏置电压施加到该衬底固持器达第四持续时间，该第四持续时间小于该第一持续时间。
87.示例3.如示例2所述的方法，其中，该第四持续时间等于该第三持续时间，并且其中，该第二负偏置电压在该第二持续时间结束时被施加。
88.示例4.如示例1至3之一所述的方法，其中，施加该第二负偏置电压包括：将该第二负偏置电压连续地施加到该衬底固持器达该第一持续时间。
89.示例5.如示例4所述的方法，其中，该第二负偏置电压在该第二持续时间期间处于第一值，并且该第二负偏置电压在该第三持续时间期间处于不同于该第一值的第二值。
90.示例6.如示例1至5之一所述的方法，其中，该第二持续时间小于约3ms。
91.示例7.如示例1至6之一所述的方法，其中，该第一负偏置电压是基本上恒定的dc电压，并且其中，施加该第二负偏置电压包括将包括负dc偏移的射频信号施加到该衬底固持器。
92.示例8.一种等离子体刻蚀方法，包括：在加工室中生成电感耦合等离子体；使用朝向设置在该加工室中的衬底的第一表面引导的第一电子束在该第一表面形成第一聚合物层，该第一电子束由电子源电极的面向该第一表面的第二表面的第一负偏置电压生成达第一持续时间；以及在该第一持续时间之后，通过使用被施加达第二持续时间的第二负偏置电压将该电感耦合等离子体的正离子朝向该第一表面加速来对该第一聚合物层和该衬底的第一表面进行刻蚀。
93.示例9.如示例8所述的方法，进一步包括：在该第一持续时间期间施加该第二负偏置电压，该第二负偏置电压小于该第一负偏置电压。
94.示例10.如示例8和9之一所述的方法，其中，该等离子体刻蚀方法是ale工艺。
95.示例11.如示例8至10之一所述的方法，其中，该等离子体刻蚀方法是sac刻蚀工艺。
96.示例12.如示例8至11之一所述的方法，其中，该衬底的该第一表面是设置在包括高纵横比的凹陷区域中的填充材料的暴露表面。
97.示例13.如示例12所述的方法，其中，该高纵横比大于约50。
98.示例14.如示例8至13之一所述的方法，进一步包括：使用朝向该衬底的第三表面引导的第二电子束在该第三表面形成第二聚合物层，该第二电子束由该第二表面的第三负
偏置电压生成达第三持续时间，其中，该第三表面是通过对该第一聚合物层和该第一表面进行刻蚀而形成的刻蚀表面；以及在该第三持续时间之后，通过使用被施加达第四持续时间的第四负偏置电压将该电感耦合等离子体的正离子朝向该第三表面加速来对该第二聚合物层和该衬底的第三表面进行刻蚀。
99.示例15.一种等离子体加工装置，包括：加工室；第一dc功率供应节点；电子源电极，该电子源电极耦合至该第一dc功率供应节点并且包括第一表面，该电子源电极被配置为使用第一脉冲dc偏置电势在该加工室中生成脉冲电子束，该第一脉冲dc偏置电势由该第一dc功率供应节点供应至该电子源电极，其中，该第一表面位于该加工室内；衬底固持器，该衬底固持器设置在该加工室中，该衬底固持器包括面向该第一表面的第二表面；以及rf源功率耦合元件，该rf源功率耦合元件设置在该加工室外部并且被配置为将rf源功率电感耦合至在该加工室内生成的等离子体。
100.示例16.如示例15所述的等离子体加工装置，其中，该rf源功率耦合元件是设置在该加工室周围的感应线圈。
101.示例17.如示例15和16之一所述的等离子体加工装置，其中，该rf源功率耦合元件是螺旋谐振器。
102.示例18.如示例15至17之一所述的等离子体加工装置，其中，该rf源功率耦合元件是设置在该加工室上方的感应线圈。
103.示例19.如示例15至18之一所述的等离子体加工装置，其中，该衬底固持器耦合至第二dc功率供应节点，该第二dc功率供应节点被配置为供应第二脉冲dc偏置电势。
104.示例20.如示例15至19之一所述的等离子体加工装置，进一步包括：ac功率供应节点，该ac功率供应节点耦合至该电子源电极，该电子源电极进一步被配置为将ac功率耦合至该等离子体。
105.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。因此，意图是所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。