TWI505317B - A plasma processing method for a plasma processing apparatus - Google Patents

Description

一種等離子處理裝置的等離子處理方法

本發明涉及一種等離子處理方法及等離子處理裝置，更具體地，涉及一種用於給等離子處理裝置供應射頻功率的射頻電源及射頻電源的控制方法。

現有半導體加工中廣泛採用等離子加工設備對半導體晶圓(wafer)進行加工，獲得微觀尺寸的半導體器件及導體連接。等離子設備常見的有電容耦合型(CCP)和電感耦合型(ICP)的反應腔，這些設備一般具有兩個射頻電源，其中一個用來電離通入反應腔內的反應氣體使之產生等離子體，另一個射頻電源用來控制入射到晶圓表面的離子能量。

如圖1所示的等離子處理裝置包括反應腔100，反應腔內包括一個基座22，基座內包括一個下電極。下電極上方包括一個待處理晶圓20固定裝置如靜電夾盤21，晶圓20固定在靜電夾盤21上表面。圍繞靜電夾盤和晶圓的還包括一個邊緣環10。反應腔100內與基座相對的上方還包括一個氣體噴淋頭11，氣體噴淋頭連接到氣源110，用於向反應腔內均勻的供氣。氣體噴淋頭內還作為上電極與基座內的下電極相對形成電容耦合。一個第一射頻電源31通過匹配器1電連接到下電極，一個第二射頻電源32通過匹配器2電連接到下電極，第一和第二射頻電源都具有固定的射頻頻率。由於等離子體的阻抗是會隨著等離子體內氣壓、射頻功率和等離子體濃度等參數的變化而變化的，所以需要持續的調節輸入功率的參數和阻抗以最小化反射功率。在等離子處理過程中第一和第二射頻電源31,32均向下電極供電，匹配器1,2分別通過內部的可動部件調節阻抗參數以最小化射頻反射功率。同樣也可以調節射頻功率 源31或32的頻率以更快的調節輸入阻抗。但是上述調節匹配器1,2中的阻抗需要機械部件(如機械驅動的可變電容或可變電感)移動來實現。此外最小化反射功率時上述機械部件在任意方向移動然後根據回饋的反射功率值來控制機械部件進一步移動到合適的位置，所以這個匹配器阻抗或射頻電源頻率的過程耗時很長，達到秒級，如大於1秒。

現在很多等離子加工流程需要用到脈衝式等離子加工技術，在部分加工時段的射頻電源不是持續供電的而是開通-關閉的交替進行或者高功率-低功率射頻交替進行，其輸出功率的波形呈脈衝式故稱脈衝式等離子加工。交替的頻率一般是在500Hz-500KHZ左右，而且開通-關閉的占空比也是可以調整的可以是在10%-90%範圍內根據需要設定。這樣每次開通、關閉或者高功率、低功率切換都會造成反應腔內阻抗迅速變化，而且每次變化的時間都是毫秒(ms)甚至微秒級(μs)的，上述情況採用匹配電路或者射頻電源中的自動頻率調諧(Auto Frequency Tuning，簡稱：AFT)由於反應時間遠不能達到毫秒級，所以均不能達到在脈衝式等離子加工的需求。

因此基於上述原因，業界需要一種能夠用現有硬體或者只對現有硬體條件作簡單調整就能實現在脈衝式等離子加工時實現快速的阻抗匹配。

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種提供適用於脈衝式等離子加工的一種等離子處理裝置的等離子處理方法。本發明通過提供一種等離子處理裝置的等離子處理方法，所述等離子處理裝置包括一個反應腔，反應腔內包括一個基座，基座上固定待處理晶圓，還包括具有不同射頻頻率輸出的多個射頻電源施加射頻電場到所述反應腔內，所述多個射頻電源為脈衝射頻電源，所述處理方法包括：匹配頻率獲取階段和脈衝處理階段。

所述匹配頻率獲取階段包括：第一匹配頻率獲取步驟：調節第一脈衝射頻電源的輸出為第一輸出狀態，第二脈衝射頻電源輸出為第三輸出狀態，使反應腔內具有第一阻抗，調節第二脈衝射頻電源中的變頻元 件，獲得第一匹配頻率以匹配所述第一阻抗；第二匹配頻率獲取步驟：調節所述第一脈衝射頻電源的輸出為第二輸出狀態，第二脈衝射頻電源輸出為第四輸出狀態使反應腔內具有第二阻抗，調節第二脈衝射頻電源中的變頻元件，獲得第二匹配頻率以匹配所述第二阻抗。

所述脈衝處理階段包括：第一處理步驟：設定所述第一脈衝射頻電源輸出具有第一輸出狀態，同時設定所述第二脈衝射頻電源的輸出為第三輸出狀態且具有第一匹配頻率；第二處理步驟：設定所述第一脈衝射頻電源輸出具有第二功率輸出狀態，同時設定所述第二脈衝射頻電源的輸出為第四輸出狀態且具有第二匹配頻率其特徵在於所述匹配頻率獲取階段中的第一或第二匹配頻率獲取步驟的時間小於100ms且大於脈衝處理階段中的第一或第二處理步驟的時間。

所述脈衝處理階段中第一或第二處理步驟的時間小於10ms。

所述第一脈衝射頻電源的第一輸出狀態具有第一功率輸出，第二輸出狀態具有第二功率輸出，其中第一功率輸出大於第二功率，其中第二功率輸出也可以為零。

第一、二匹配頻率獲取脈衝步驟中，第二脈衝射頻電源輸出功率可以與第一脈衝射頻電源同步的在不同輸出功率間切換也可以具有相同輸出功率。

第一脈衝射頻電源輸出頻率小於第二脈衝射頻電源輸出頻率。如第一脈衝射頻電源輸出頻率小於13MHz，第二脈衝射頻電源輸出頻率大於13MHz。

本發明提供另一個實施例：一種等離子處理裝置的等離子處理方法，所述等離子處理裝置包括一個反應腔，反應腔內包括一個基座，基座上固定待處理晶圓，具有不同射頻頻率輸出的多個射頻電源施加射頻電場到所述反應腔內，一個控制系統控制所述多個射頻電源，所述多個射頻電源為脈衝射頻電源，所述處理方法包括：所述控制系統發送進入匹配頻率獲取階段的信號到所述多個射頻電源，在匹配頻率獲取階段中第一射頻電源以第一脈衝頻率輸出射頻功率，使所述輸出射頻功率在第一功率和 第二功率之間切換，第二射頻電源以第一脈衝頻率同步的調節輸出頻率，獲得與所述第一功率和第二功率輸出對應的第一和第二匹配頻率； 獲得第一和第二匹配頻率後，所述控制系統發送進入脈衝處理階段的信號到所述多個射頻電源，在脈衝處理階段中第一射頻電源以第二脈衝頻率輸出射頻功率，使所述輸出射頻功率在第一功率和第二功率之間切換，第二射頻電源同步以第二脈衝頻率同步的在第一和第二匹配頻率間切換；其中第一脈衝頻率小於第二脈衝頻率。

其中第一脈衝射頻率大於60Hz小於1000Hz，第二脈衝頻率大於60Hz小於500KHz。匹配頻率獲取階段中第二射頻電源輸出恒定的功率。

採用本發明能夠更快的實現射頻輸出功率的切換以及更快的獲得脈衝處理階段相應的匹配頻率，提供整體的加工速度。

1‧‧‧匹配器

2‧‧‧匹配器

10‧‧‧邊緣環

11‧‧‧氣體噴淋頭

20‧‧‧晶圓

21‧‧‧靜電夾盤

22‧‧‧基座

31‧‧‧第一射頻電源

32‧‧‧第二射頻電源

100‧‧‧反應腔

110‧‧‧氣源

S31‧‧‧第一匹配頻率獲取步驟

S32‧‧‧第二匹配頻率獲取步驟

S41‧‧‧第一處理步驟

S42‧‧‧第二處理步驟

CW1‧‧‧第一阻抗狀態

CW2‧‧‧第二阻抗狀態

t1‧‧‧第一阻抗狀態所需時間

t2‧‧‧第二阻抗狀態所需時間

t3‧‧‧多個匹配頻率獲取脈衝所需時間

圖1示出根據現有技術的所述等離子處理設備的結構示意圖；圖2示出根據現有技術的高頻和低頻電源輸出功率和功率匹配示意圖；圖3示出根據本發明的高頻和低頻電源輸出功率和功率匹配示意圖；圖4示出根據本發明另一實施例的高頻和低頻電源輸出功率和功率匹配示意圖。

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。圖1中所述的第一射頻電源31、第二射頻電源32其中一個是低頻射頻功率源，一個是高頻射頻電源。高頻射頻電源的頻率大於13MHz，如30MHz、60MHz等，低頻射頻電源的頻率小於13MHz如2MHz，下面以第一射頻電源31為高頻射頻電源，第二射頻電源32為低頻射頻電源為例來說明本發明方法。

如圖2所示為現有技術的高頻和低頻電源輸出功率和功率匹配示意圖；在等離子加工過程中首先要點燃等離子體，然後可能經過一些過渡步驟進入主要的等離子加工步驟。這個方法在模仿多個不同的阻 抗狀態時由於採用傳統的連續型射頻發生器，所以切換速度很慢，達到秒級，如大於1秒。採用連續型射頻發生器在第一輸出功率時如圖2中高頻電源輸出曲線可知，在初始階段通過自動頻率調諧(AFT)功能獲得匹配頻率後，不能直接切換到下一個阻抗狀態，還需要為切換到下一個功率輸出狀態準備，比如需要準備下一階段的升功率等。所以第一阻抗狀態(CW1)維持時間(t1)很長要達到1秒以上，同樣的第二阻抗狀態(CW2)也是需要同樣多的時間(t2)。在阻抗狀態比較多時，比如高頻射頻電源31，和低頻射頻電源32分別具有不同輸出功率，甚至還具有一個第三射頻電源時，不同射頻電源不同功率輸出狀態的組合會有很多種。如果每個組合狀態需要花1秒以上的話，要在匹配頻率獲取步驟耗費大量時間，然後再進入正式的脈衝等離子處理階段。所以該現有技術雖然能夠實現對脈衝式等離子處理的匹配但是處理效率有待改進。

本發明相對現有技術，除了功率輸出採用脈衝式電源如低頻射頻電源32是選用脈衝式電源以外，進行匹配的射頻電源，如高頻射頻電源31也選用脈衝式電源。脈衝式電源相對傳統的連續式電源的差別是，脈衝式射頻電源內部包括適應脈衝式功率輸出(快速的高低功率輸出切換)的硬體和軟體設置。在不同功率輸出切換工程中本發明所述的脈衝式射頻電源可以瞬間實現輸出功率的切換，而現有技術由於硬體的限制需要大於100ms的時間來從第一輸出功率轉換到第二輸出功率。如圖2所示在CW1轉換到CW2中雖然圖中顯示功率輸出是瞬間切換的，實際上的曲線是傾斜的，比如從1000W切換到4000W實際需要2秒以上的時間。其他功率數值之間的切換如1000W到0W也至少需要幾百毫秒。此外在採用脈衝式電源時控制整個反應腔100內設備運行的控制系統只要發送進入脈衝式輸出階段的信號即可，脈衝式射頻電源會自己根據指令自行輸出脈衝式功率。而現有技術由於採用傳統的連續式射頻電源，所以需要控制系統發出每個脈衝起始和結束的信號，控制系統要發出這些信號需要經過一定時間的運算和延時才能送到連續式射頻電源，如100-300ms的延時。由於信號延時的存在所以，傳統連續式射頻電源無法快速的切換輸出功率或頻率，所以本發明的兩個射頻電源均採用脈衝式射頻射頻電源。脈衝式射頻電源中包括 一個存儲裝置能夠存儲至少兩種輸出狀態，每個輸出狀態包括不同的功率輸出或者頻率輸出，在接到控制系統的指令輸出狀態進行脈衝式切換時，直接根據存儲的資訊輸出脈衝式射頻電場到等離子反應器。採用兩個或多個脈衝式射頻電源可以減少上述功率轉換和信號延時造成的時間浪費，能夠更快的實現射頻輸出功率的切換。

在進入後續的脈衝等離子處理前，首先進入匹配頻率獲取階段。在匹配頻率獲取階段中高頻射頻電源(第一射頻電源31)和低頻射頻電源(第二射頻電源32)可以輸出高低不同的功率，模仿在後續脈衝處理階段會出現的阻抗狀態。比如脈衝處理階段會出現高頻射頻電源輸出功率高，低頻射頻電源輸出功率低的狀態，在多個匹配頻率獲取步驟S31、S32中相應的設置同樣功率輸出的狀態，然後調節高頻射頻電源的頻率獲得最佳的匹配頻率，最終獲得能夠匹配不同狀態的匹配頻率。在脈衝處理階段時直接用獲得的不同匹配頻率的高速切換來實現對高速脈衝處理狀態的匹配。比如在低頻射頻電源(2MHz)輸出功率分別在高功率輸出和低功率輸出時，高頻射頻電源(60MHz)經過匹配獲得對應兩個不同階段的匹配頻率分別為59.5MHz和58.9MHz。隨後，在後續的脈衝處理階段中，高頻射頻電源直接用所獲得的這兩個匹配頻率實現對低頻射頻電源不同功率輸出狀態(如圖3中步驟S41和S42)的快速匹配。在使用本發明方法後，如圖3中高頻電源反射功率的圖形所示，可以顯著的減少反射功率。在低頻射頻電源輸出功率按脈衝頻率切換時，高頻射頻電源的輸出功率基本維持不變，如保持輸出功率為1000W，或者前後兩個階段中的功率輸出變化小於5%，最好是相同。如圖4所示本發明另一實施例，高頻射頻電源的輸出功率也可以是與低頻射頻電源同步作脈衝切換，輸出高功率射頻和低功率射頻，比如是在1000W和800W之間切換。圖4中高頻射頻電源的輸出功率在S31和S32步驟中功率切換時間，可以與低頻射頻電源的功率切換時間同步也可以有一定延時。雖然高頻射頻電源屬於脈衝射頻電源，可以快速的切換輸出狀態，但是本發明需要精確類比後續脈衝處理階段的阻抗狀態，所以高頻射頻電源仍然保持近似的功率輸出。如圖3中高頻電源反射功率曲線所示，在採用本發明方法後，高頻射頻功率在保持輸出功率為 1000W情況下，高頻射頻電源處測得的不同脈衝處理步驟S41和S42的反射功率分別為6W和40W遠小於輸出功率，所以匹配的效果很好。

本發明的控制系統在點燃等離子後，發送進入匹配頻率獲取階段的信號到第一脈衝射頻電源31和第二脈衝射頻電源32，第二脈衝射頻電源32輸出以第一脈衝頻率高低變化的射頻功率，第一脈衝射頻電源31輸出功率基本不變，其輸出頻率通過調節內部變頻原件來調節，最終第一射頻電源的31獲得匹配第二射頻電源32不同輸出狀態的多個匹配頻率。在獲得多個匹配頻率後，控制系統發送進入脈衝處理階段的信號到第一脈衝射頻電源31和第二脈衝射頻電源32，第二脈衝射頻電源32以第二脈衝頻率輸出脈衝型射頻電場到等離子處理腔處理晶圓20，第一脈衝射頻電源31的輸出頻率同步的以第二脈衝頻率在所述獲得的匹配頻率之間切換，其中脈衝處理階段的第二脈衝頻率大於匹配頻率獲取階段中的第一脈衝頻率。現有技術中控制系統在第一匹配頻率獲取步驟(圖3中S31)和第二匹配頻率獲取步驟(圖3中S32)甚至更多的匹配頻率獲取步驟中都分別要發送控制命令，使射頻電源根據指令輸出脈衝式的電場到反應腔，每一次輸出功率的脈衝變化都需要控制系統發送一次，增加了控制系統的複雜性，而且由於命令傳輸過程中延時的存在造成更多的時間浪費。本發明中由於本身是脈衝型射頻電源，所以控制系統只需發送一次信號，脈衝射頻電源就能自動完成多個脈衝的輸出，同時另一個脈衝式射頻電源完成匹配頻率的獲取，多個脈衝的時間總和(t3)也只是毫秒級，大大節約了時間。

本發明在匹配頻率獲取步驟中包括多個匹配頻率獲取步驟，如圖3所示每個匹配頻率獲取步驟如S31、S32的時間很短，呈脈衝狀，其頻率可以是60Hz-1000Hz，即使多個匹配頻率獲取脈衝所用時間的和t3也遠小於現有技術中多個匹配頻率獲取步驟的時間(t1+t2)，其中每個脈衝步驟S31、S32的時間長度可以是100us-100ms，最佳的為1ms-10ms，只有現有技術中所需時間的1/100~1/1000，所以即使需要很多個脈衝來匹配，其所需時間也很短，不會影響整體的處理效率。

在後續正式脈衝式等離子處理階段中，低頻射頻功率以脈衝頻率(60Hz-500KHz)進行高低輸出功率的切換，其中高輸出功率大於低輸 出功率的2倍。低輸出功率也可以是零，也就是脈衝式等離子處理可以處於等離子點燃和熄滅的交替中。在低頻射頻電源32的輸出功率高低切換時，同步地，高頻射頻電源的輸出功率也根據加工需要設定數值，其中高頻射頻電源31的輸出頻率在所述獲得的至少兩個匹配頻率之間切換。

與之相反的，高頻射頻電源31的輸出在高低輸出功率間脈衝式切換，低頻射頻電源32進行頻率切換，匹配不同的阻抗狀態也屬於本發明思想的另一個實施例。兩個射頻電源同時進行脈衝式切換也可以應用本發明方法，先用多個匹配頻率獲取脈衝模仿後續會出現的阻抗狀態，獲得相應的匹配脈衝，在隨後的脈衝處理階段中直接用獲得的匹配頻率來快速匹配不同的阻抗。包括第三個或者更多脈衝信號時也可以適用本發明方法，只是需要設置更多匹配頻率獲取步驟來匹配更多不同的阻抗狀態。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在請求項的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。

S31‧‧‧第一匹配頻率獲取步驟

S32‧‧‧第二匹配頻率獲取步驟

S41‧‧‧第一處理步驟

S42‧‧‧第二處理步驟

t3‧‧‧多個脈衝時間的總和

Claims (10)

1. 一種等離子處理裝置的等離子處理方法，所述等離子處理裝置包括一個反應腔，反應腔內包括一個基座，基座上固定待處理晶圓，還包括具有不同射頻頻率輸出的多個射頻電源施加射頻電場到所述反應腔內，所述多個射頻電源為脈衝射頻電源，所述處理方法包括：匹配頻率獲取階段和脈衝處理階段；所述匹配頻率獲取階段包括：第一匹配頻率獲取步驟：調節第一脈衝射頻電源的輸出為第一輸出狀態，第二脈衝射頻電源輸出為第三輸出狀態，使反應腔內具有第一阻抗，調節第二脈衝射頻電源中的變頻元件，獲得第一匹配頻率以匹配所述第一阻抗；第二匹配頻率獲取步驟：調節所述第一脈衝射頻電源的輸出為第二輸出狀態，第二脈衝射頻電源輸出為第四輸出狀態使反應腔內具有第二阻抗，調節第二脈衝射頻電源中的變頻元件，獲得第二匹配頻率以匹配所述第二阻抗；所述脈衝處理階段包括：第一處理步驟：設定所述第一脈衝射頻電源輸出具有第一輸出狀態，同時設定所述第二脈衝射頻電源輸出為第三輸出狀態且具有第一匹配頻率；第二處理步驟：設定所述第一脈衝射頻電源輸出具有第二輸出狀態，同時設定所述第二脈衝射頻電源輸出為第四輸出狀態且具有第二匹配頻率其特徵在於所述匹配頻率獲取階段中的第一或第二匹配頻率獲取步驟的時間小於100ms且大於脈衝處理階段中的第一或第二處理步驟的時間。
2. 根據請求項1所述的方法，其中所述脈衝處理階段中第一或第二處理步驟的時間小於10ms。
3. 根據請求項1所述的方法，其中所述第一脈衝射頻電源的第一輸出狀態具有第一功率輸出，第二輸出狀態具有第二功率輸出，其中第一功率輸出大於第二功率輸出。
4. 根據請求項3所述的方法，其中第二功率輸出為零。
5. 根據請求項1所述的方法，其中所述第一、二匹配頻率獲取脈衝步驟中，第三輸出狀態中的輸出功率大於等於第四輸出狀態中的輸出功率。
6. 根據請求項1所述的方法，其中所述第一脈衝射頻電源輸出頻率小於第二 脈衝射頻電源輸出頻率。
7. 根據請求項6所述的方法，其中所述第一脈衝射頻電源輸出頻率小於13MHz，第二脈衝射頻電源輸出頻率大於13MHz。
8. 一種等離子處理裝置的等離子處理方法，所述等離子處理裝置包括一個反應腔，反應腔內包括一個基座，基座上固定待處理晶圓，具有不同射頻頻率輸出的多個射頻電源施加射頻電場到所述反應腔內，一個控制系統控制所述多個射頻電源，所述多個射頻電源為脈衝射頻電源，所述處理方法包括：所述控制系統發送進入匹配頻率獲取階段的信號到所述多個射頻電源，在匹配頻率獲取階段中第一射頻電源以第一脈衝頻率輸出射頻功率，使所述輸出射頻功率在第一功率和第二功率之間切換，第二射頻電源以第一脈衝頻率同步的調節輸出頻率，獲得與所述第一功率和第二功率輸出對應的第一和第二匹配頻率；獲得第一和第二匹配頻率後，所述控制系統發送進入脈衝處理階段的信號到所述多個射頻電源，在脈衝處理階段中第一射頻電源以第二脈衝頻率輸出射頻功率，使所述輸出射頻功率在第一功率和第二功率之間切換，第二射頻電源同步以第二脈衝頻率同步的在第一和第二匹配頻率間切換；其中第一脈衝頻率小於第二脈衝頻率。
9. 根據請求項8所述的方法，其中所述第一脈衝射頻率大於60Hz小於1000Hz，第二脈衝頻率大於60Hz小於500KHz。
10. 根據請求項8所述的方法，其中所述匹配頻率獲取階段中第二射頻電源輸出恒定的功率。