作为全平面源的集成式感应线圈和微波天线的利记博彩app

本发明涉及半导体处理技术，更具体地，涉及用于控制用于处理半导体衬底的处理系统的等离子体性质的设备和方法。

背景技术：

在用于处理半导体衬底的等离子体处理期间，等离子体均匀性、离子与自由基通量的比率以及能量通量控制对于实现衬底上的图案化结构或者控制从衬底移除的材料的量或沉积在衬底上或沉积到衬底中的材料的量而言是重要的。生成等离子体的常规方法是来自以射频功率驱动的感应线圈的感应耦合或者微波的应用。每种方法都有不同的优点。感应耦合等离子体源(ICP)可以用于在相对低的压力、高电子密度和高电子温度下在等离子体的本体中生成等离子体。相比之下，微波源倾向于在较高压力下操作。在过于密集的等离子体状态或表面波模式下操作倾向于在等离子体体积中和在衬底附近生成相对较低的电子温度(Te)同时还向晶片提供大的离子通量。这种类型的表面波微波等离子体源的示例是放射状线有槽天线等离子体源。

通过受表面波驱动的微波源，难以在ICP源被典型地操作的低功率和低压的状态下控制等离子体均匀性。此外，低电子温度并不总是期望的。硬掩模开口(HMO)工艺是其中进行下述步骤的工艺：氮化硅或二氧化硅掩模通过光阻而图案化，然后在含有CF₄或CHF₃的等离子体中被蚀刻，使得新图案化的二氧化硅或氮化硅可以是后续多晶硅栅极图案化步骤所使用的掩模。HMO工艺受益于因前体比如在氧化物掩模开口的情况中的CF₄充分分解所造成的大的氟通量(氟与碳氟化合物(CF₂)的大比率)。在许多考虑中，对于掩模临界尺寸(CD)控制而言必须避免在光阻上的过度的沉积作用。当电子温度低并且室停留时间长时，虽然通过微波生成了充足的氟量，但是氟与碳氟化合物自由基一起或者在碳氟化合物自由基之中重组导致入射在衬底上的氟与碳氟化合物自由基的比率小。虽然均匀性在高压下是优异的，但是对于该示例性HMO工艺而言等离子体化学条件并非最优的。低压等离子体化学条件是期望的，但是难以实现良好的均匀性。对于HMO步骤之后的栅极堆叠蚀刻步骤而言，微波源操作在高压下以及由此生成的低Te条件下对于轮廓控制和选择性而言是期望的。在高压下发生的大自由基通量(例如Cl)导致衬底上的自由基覆盖物，这导致高度氯化的惰性副产物(例如SiCl₄)，而非再沉积在侧壁上导致锥形多晶硅轮廓的反应性副产物(例如SiCl)。如果电子温度低，则避免了该副产物分解成不期望的低程度的卤化产物。高压操作确保离子能量足够低以在栅极被蚀刻至多晶硅之下的氧化物时提供足够的选择性以及对硬掩模的选择性。

ICP源在低压下运作良好，并且其特征在于在包围大部分等离子体体积的区域中的高Te。因此，这些条件对HMO而言是期望的。等离子体均匀性通常也是可接受的。与用于高压驱动微波放电的栅极蚀刻工艺不同，具有低压ICP操作的栅极蚀刻工艺需要多个工艺步骤以避免损坏、平面栅极中的凹部或者鳍状结构的物理损坏，例如在鳍状场效电晶体(FinFET)蚀刻中的物理损坏。损坏的来源与晶片附近的较大的等离子体电位有关，这是由在低压下相对高的电子温度所导致的。

因此，期望的是以使得能够处理平面衬底的方式组合ICP的特征与微波源的特征。

技术实现要素：

本公开涉及一种使用感应耦合等离子体(ICP)与微波源的组合来控制衬底上的等离子体密度(中性自由基和离子物质和能量通量)的等离子体处理系统。等离子体处理系统可以包括等离子体室，等离子体室能够接纳衬底并使用等离子体处理衬底以蚀刻、掺杂或沉积膜于半导体衬底上。

等离子体室可以包括两个或更多个等离子体源，所述两个或更多个等离子体源可以发射电磁能量以电离被输送经由气体输送系统的气体。两个或更多个等离子体源可以以平面方式布置并且以能量传输部件对于两个等离子体源共用的方式组合。例如，在组合的ICP和微波等离子体源中，传输部件既是用于生成微波等离子体的天线，又是用于生成ICP等离子体的感应线圈。在一个实施例中，平面ICP线圈和平面微波天线施加器共享用于将微波能量和RF能量传输到等离子体室中的同一物理硬件。

在一个实施例中，等离子体室可以包括功率源组件，功率源组件包括天线板或传输部件，天线板或传输部件用作微波功率源的槽(slot)天线和射频(RF)功率源的ICP线圈。天线板可以设置在慢波板或微波波导与将微波波导和天线与提供给等离子体室的反应气体隔离的阻挡部件之间。慢波片还用作介质，电磁能量通过介质耦合至等离子体。当电磁波的四分之一波长小于板中的最小尺寸时，电磁波可以形成驻波并且通过从板传至等离子体空间的波的消散部分耦合至等离子体。阻挡部件可以包括但不限于可以由石英或陶瓷制成的介电材料。天线板可以包括横跨表面的导电材料(例如，金属)图案并且可以与穿过天线板的开口或槽集成，天线板可以实现微波能量的传输。除了传输微波能量之外，天线板还可以传输RF能量。RF能量的波长大于慢波板或阻挡部件的厚度尺寸。导电材料可以以形成低阻抗路径以使电流横越等离子体室或围绕等离子体室的方式被图案化。RF功率源可以耦合至天线板并且可以将RF信号(例如，电流)通过导电材料传输至耦合至导电材料的地端子。RF信号可以通过由介电材料传输磁场以感应反应气体的电离(等离子体)。因此，天线板可以用于同时使用对微波能量和RF能量均通用的传输部件来生成ICP等离子体和表面波等离子体。

附图说明

并入本说明书且构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且这些附图连同以上给出的本发明的概括描述以及下面给出的详细描述用于说明本发明。此外，附图标记最左边的数字表示该附图标记首次出现的附图。

图1是等离子体处理系统的代表性实施例的图示，其示出了包括使用天线板来传输微波和RF能量的功率源组件的等离子体室的示意性横截面图。

2是使用天线板在等离子体室内生成感应耦合等离子体和表面波等离子体的功率源组件的示意性横截面图。

图3是结合有导电材料和开口/槽的天线板图案的代表性实施例的图示，该天线板图案可以用于传输在等离子体室中生成等离子体的能量。

图4是天线板图案的另一代表性实施例的图示，该天线板图案可以是用于等离子体室的ICP线圈和槽天线。

图5是使用天线板在等离子体室中生成等离子体的方法的流程图。

具体实施方式

以下具体实施例参照用以说明与本公开一致的示例性实施例的附图。具体实施例中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等的引用指示所描述的示例性实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个示例性实施例不一定包括特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指的是相同的实施例。此外，当结合实施例来描述特定特征、结构或特性时，相关领域技术人员可以了解，相关于其他示例性实施例而实施这样的特征、结构或特性，无论是否明确描述。

提供本文中所描述的示例性实施例是为了说明的目的，而非限制性的。其他实施例也是可能的，并且可以在本公开的范围内对示例性实施例进行修改。因此，具体实施例不意味着限制本公开。相反，本公开的范围仅根据所附权利要求及其等同物来限定。

示例性实施例的以下详细描述将充分揭示本公开的一般性质，其他人可以通过应用相关领域的技术人员的知识，针对这种示例性实施例的各种应用进行容易地修改和/或适应，而不需要过度的实验，也不背离本公开的范围。因此，，这样的适应和修改旨在落入基于本文中呈现的教示和指引的示例性实施例的意义和多个等同范围内。应当理解，本文中的措辞或术语是为了描述而不是限制的目的，使得借助于本文中的教示，本说明书的术语或措辞被相关领域的技术人员所揭示。

图1描绘了用于使用在等离子体室102中生成的等离子体(未示出)处理衬底的等离子体处理系统100。可以通过电离由气体输送系统104提供的气体并将气体暴露于由微波功率源106和射频(RF)功率源108提供的电磁能而在等离子体室102中生成等离子体。真空系统110也可以在等离子体生成期间在等离子体室102内维持负压。气体输送系统104可以包括用于控制流动气体进入等离子体室102中的质流控制器、止回阀等。真空系统110可以包括一个或更多个泵和控制系统(例如，N₂压载系统、蝶阀系统)用以控制等离子体室102内的压力。

可以通过对电中性气体施加电磁能量以使带负电荷的电子从由于损失电子而带正电荷的气体分子释放来进行等离子体生成。随着时间的推移，电磁能量和气体内增加的电子碰撞可能会增加气体内的离子化分子的密度，使得离子化分子可能会受等离子体室102内的电位差的影响。例如，等离子体室102内的电位差可以将离子化分子(或原子，或自由基)引导朝着衬底(未示出)。离子化分子可以与衬底相互作用或者以可以移除衬底的一部分或可以沉积到衬底上的方式处理衬底。以此方式，图案可以被蚀刻到衬底中或者膜可以被沉积到衬底上。

等离子体室102的横截面图112可描绘功率源组件114的一个实施例，功率源组件114使微波能量、RF能量和气体能够传输到靠近衬底保持器116的区域中。气体可以沿着气体通道118穿过功率源组件114的中心被引入靠近衬底保持器116的等离子体处理区域。在其他实施例中，气体可以被从等离子体室102内的其他位置引入。等离子体处理区域也可以接收来自功率源组件114的能量以生成等离子体，该等离子体可以用于处理设置在衬底保持器116上的衬底(未示出)。能量可以包括微波能量和RF能量的组合，微波能量和RF能量两者均以某种方式从天线板120传输，天线板120设置在微波波导122与同衬底保持器116相反的介电部件124之间。在该实施例中，天线板120、微波波导122和介电部件124可以围绕气体通道118设置使得在气体通道118的每一侧图示的前述部件可以具有该部件的相同或连续布置。

天线板120可以以使电流能够围绕功率源组件114流动的方式布置在可基本上平行于衬底保持器116的平面中。该电流可以被感应以沿着低阻抗路径(例如，金属层)在RF功率源108与地端子126之间流动并且在低阻抗路径周围生成磁场(未示出)。在该实施例中，低阻抗路径可以呈环状并且可以以减小的半径围绕气体通道设置，直到该低阻抗路径靠近气体通道118而结束。电气地126可以在靠近气体通道118处连接至低阻抗路径，RF功率源108可以在靠近功率源组件114的外边缘处连接至低阻抗路径。低阻抗路径的布置将在图3和图4的描述中更详细地描述。低阻抗路径可以由可以耦合至微波波导122或介电部件124的导电材料形成。导电材料可以包括但不限于铝、钢或铜。导电材料还可以是沉积在微波波导122的表面上的膜并且可以具有至少2mm的厚度。

低阻抗路径的其中电流不能在低阻抗路径的某些部分之间流动的部分之间的区域可以称为微波间隙128。微波间隙128可以是开放区域或间隙，或者可以被防止电流离开低阻抗路径的介电材料占据。微波间隙128可以是连续的并且遵循与低阻抗路径类似的模式。微波间隙128的间隙尺寸可以在5微米、金属的表层深度和10mm之间变化，并且通常可以小于介电材料中的微波的四分之一波长，并且可以至少部分地基于在微波波导122中生成的驻波的类型而变化。微波间隙128可以被配置成或定向成使驻波(未示出)能够传输到介电部件124中。以此方式，驻波可以对等离子体室102中的处理气体进行赋能以生成用以处理衬底的等离子体。

在其他实施例中，微波间隙128可以不是连续的，并且可以使用天线板120内的多个开口或槽围绕低阻抗路径而形成。在某些情况下，开口或槽可以与低阻抗路径相交，但是以不阻止电流流过低阻抗路径的方式。

如将在图2中更详细地描述的，驻波(未示出)可以在微波波导122中生成，微波波导122使能量能够经由天线板120传输。同时，归因于由耦合至天线板120的RF功率源108感应出的电流(未示出)，磁场也可以被从天线板120传输。

图2是功率源组件114的示意性横截面图200，功率源组件114使用天线板120在等离子体室102内生成感应耦合等离子体(ICP)202和表面波等离子体(SWP)204。通常，ICP 202可以由磁场206生成，磁场206可以由电流流过天线板120的低阻抗路径而形成。SWP 204可以在等离子体室102中的气体由介电驻波208赋能时生成，介电驻波208可以由微波功率源106所提供的微波波导122中的驻波210生成。尽管磁场206、介电驻波208和驻波210示出为在功率源组件114的相反两侧，但是，如ICP 202和SWP 204横越功率源组件114的两个部分证明的，这些特征存在于功率源组件114的两侧。出于易于解释和说明的目的，单独地图示出这些特征，使得其右视图和左视图表示电场与磁场的场型呈圆柱形对称。

转到图200的ICP 202部分，在该实施例中，天线板120可以在功率源组件114周围形成低阻抗路径，其可以以环状方式从外边缘朝着功率源组件114的中心承载电流。在这种情况下，环状电流可以自图200的表面的电流的向外方向212和向内方向214表示。向外方向212表示电流可以沿着导电材料的表面流动，其从图2的页面所形成的平面基本上正交向外延伸的方向上形成低阻抗路径。向内方向214表示电流可以沿着导电材料的表面流动，其在以基本上正交的方式延伸进入由图2的页面形成的平面中的方向上形成低阻抗路径。由于电流，磁场206可以在低阻抗路径周围形成。尽管路径的部分可以生成磁场206的不同部分，但是出于易于说明的目的，磁场206示出在包围低阻抗路径的所有部分的单一图示中。

通过在ICP 202等离子体内感应出的与天线板120中的电流基本上平行的电流，RF磁场206可以用于在等离子体室102中对电子(未示出)进行赋能。感应电流由ICP 202中的向外电流216和向内电流218来说明。电流可以使用ICP 202而围绕气体通道118旋转，如图中向外流动的电流216和向内流动的电流218所示。然而，在其他实施例中，ICP 202可以配置成以交替的方式向内或向外引导电流，使得ICP 202的最右边的部分可以具有向内流动的电流，而ICP 202的紧邻部分可以具有从图向外流动的电流。电流的向内方向和向外方向可以沿着ICP 202的其余部分交替。ICC环形电流212和214可以互为异相。自然地，感应电流(例如，电流216或218)可以互为异相，并且可以沿其相应的环形电流212和环形电流214的相反方向流动。

转到图200的SWP 204部分，介电驻波208可以由形成在微波波导122中的驻波210生成。介电驻波208的至少一部分可以被传输到等离子体室102的与衬底保持器116相对的部分(例如，在介电部件124的外部)以对气体(未示出)进行赋能以形成SWP 204。ICP 202和SWP 204的组合可以用于处理放置在衬底保持器116中/上的衬底。等离子体密度和均匀性可以与天线板120的设计、施加的微波功率、施加的RF功率和等离子体室102中的气体类型相关。

在一个实施例中，微波功率可以在500W至5000W之间变化，而偏压功率可以在300W至500W之间变化并且可以在相对低的压力(例如，<100mTorr)下操作并且使用CHF₃化学物。在另一实施例中，处理压力可以相对较高(例如，>100mTorr)，使用Ar/Cl₂或Ar/HBr化学物，并且使用在200W至2000W之间的微波功率。

图3是天线板120图案的代表性实施例的俯视图300，天线板120图案可以是用于等离子体室102的ICP线圈和槽天线。天线板120可以包括低阻抗路径302来承载电流作为如用于生成ICP等离子体202的ICP线圈那样的操作的一部分。天线板120还可以通过具有第一槽开口304和第二槽开口306而作为槽天线操作以生成SWP 204，第一槽开口304和第二槽开口306可以围绕天线板120形成低阻抗路径302。第一槽开口304和第二槽开口306可以使沿着天线板120传输的微波能量能够传输通过开口进入与天线板120相对的等离子体室102中，如图1所示。

开口可以包括使能量能够传输到等离子体室102中的厚度。开口厚度或距离可以根据由功率源108提供的能量的波长而变化。在一个实施例中，距离可以包括不超过由功率源108提供的能量的1/2波长的距离。

在另一实施例中，与图3中示出的开口304、306相比，开口可以是非连续的。例如，开口可以由以围绕天线板120的图案布置的离散开口构成。开口之间的距离可以被布置成引导电流310沿期望的方向围绕天线板120或气体通道118。

开口可以包括矩形形状、正方形形状、三角形形状或椭圆形形状并且可以填充有气体(例如，Ar、N₂、He等)或介电材料(例如石英、陶瓷等)。矩形可以包括四个边的物体，其中，四个边中的两个边比另两个边长。正方形可以包括具有基本相似长度的四个边的物体。三角形形状可以包括三个边的物体，其中，可以包括等长的边或者比最长边短的至少两个边。椭圆形物体可以类似于下述矩形：该矩形具有被倒圆的边，使得边与边之间的角度小于九十度或者可以在形状上比矩形或正方形更圆。

低阻抗路径302可以由金属(例如，铜)或者可以使电流流过RF功率源108与可以耦合至低阻抗路径302的地端子126之间的任何其他导电材料制成。电流310可以沿着低阻抗路径302振荡，如箭头306所示。

低阻抗路径302和开口304、306的图案可以在尺寸和取向上变化而不应限于图3中示出的圆形图案。在其他实施例中，低阻抗路径302可以呈正方形或矩形并且使得电流以任何方式散布于整个天线板120。低阻抗路径302可以在1mm与5cm之间改变宽度且在5微米与10mm之间改变厚度。宽度不应超过微波波长的1/2，该微波波长在2.45GHz时为3cm。

图案还可以说明地端子126和RF功率源108的位置，因为它们的位置可以被优化以使电流的路径延伸跨过功率源组件114的表面区域。在图3的实施例中，地126可以靠近天线板120的中心设置，并且功率源设置在天线板120的边缘附近。在这种情况下，电流可以沿着低阻抗路径302在功率源108与地126之间流动或振荡。以此方式，能量可以通过开口304、306传输进入等离子体室102的处理区域中或者经由处理区域中的处理气体中感应出电流的磁场206传输。

在另一实施例中，天线板120可以在天线板120的边缘处耦合至一个或更多个功率源。开口304、306可以被布置成驱动电流围绕天线板120，使得低阻抗路径302的可以被开口分离的相邻部分可以具有与相邻部分互为异相的电流。这种类型的实施例的一个示例在图4中示出。

在一个具体实施例中，使用频率为2.45GHz的表面波源，开口宽度可以大于5cm。然而，在使用RF-ICP源的另一实施例中，开口宽度可以大于1mm。

在另一实施例中，天线板120可以在天线板的中心处具有一个或更多个功率源。在一个实例中，开口304、306可以被布置成驱动电流围绕天线板120并朝着位于天线板120的边缘处的地。在该实施例中，低阻抗路径302的可以被开口分离的相邻部分可以具有与天线板的相邻部分互为异相的电流。在另一实施例中，地也可以位于接近天线板120的中心，靠近功率源处。开口可以被布置成驱动电流围绕天线板120并返回至天线板120的中心附近的地。

图4是可以用作用于等离子体室102的ICP线圈和槽天线的天线板120图案的另一代表性实施例的图示400。导电路径403(例如，类似于低阻抗路径302)也可以在RF功率源108与地端子126之间承载或振荡电流。在该实施例中，导电路径402可以被布置成将RF功率源108接头和地端子接头126靠近功率源组件114的边缘定位。地126的放置可以以使低阻抗路径302的相邻部分之间的电流能够互为异相的方式改变电流路径或振荡，使得电流可以在相邻部分之间为相反方向。在这种情况下，低阻抗路径302可以开始于功率源108接头处并且遵循基本上圆形的路径朝着天线板120的中心。与图3相比，地126位于天线板120的边缘处，并且开口304、306可以引导电流沿基本上圆形的路径朝着边缘往回流。

在其他实施例中，开口304、306可以以任何其他图案布置以将能量引入等离子体室102的处理区域中。例如，开口可以布置为横过天线板120的基本上线性的路径并且可以延伸横过天线板120往返数次。

图5是用于在等离子体室102中生成等离子体的方法的流程图500，其使用天线板120作为RF源和微波源以生成ICP 202和SWP 204。如图1所示的天线板120可以在等离子体室102中与衬底保持器116相对。该处理可以是针对用于构建在计算机、移动电话等中使用的集成电路或微电子装置的半导体衬底。

在框502，衬底保持器116可以接纳待在等离子体室102中处理的半导体衬底。半导体衬底可以包括但不限于硅锗、砷化镓、铟等并且可以包括取决于半导体衬底中的材料的类型和浓度的导体或绝缘体特性。半导体衬底还可以包括沉积在可以用于形成晶体管、二极管或集成电路装置的表面上的膜。等离子体处理室102可以用于形成前述部件。

等离子体处理室102还可以接收来自气体输送系统104的气体，该气体用于在由真空系统110控制的负压条件下施加能量时生成等离子体。能量可以由功率源组件114使用下面描述的一种或更多种技术而被施加。

在框504，功率源组件114或传输组件可以接收来自微波功率源106的微波功率。传输组件可以包括微波波导122、介电部件124和设置在微波波导122与介电部件124之间的天线板120。天线板120可以包括开口304(例如，微波间隙128)或槽，所述开口304或槽可以用于通过天线板120将微波能量传输至介电部件124。开口或槽可以邻近金属电极302或者在金属电极302中，金属电极302可以包括微波波导122中的驻波210的一部分。当微波功率被施加于微波波导122时，该能量可以用于对设置在等离子体处理室102内的气体进行赋能。然而，微波等离子体(例如，SWP 204)可以不是由功率源组件114生成的唯一等离子体。同时或基本上同时，天线板120也可以用作ICP线圈以生成ICP 202等离子体。

在框506，RF功率可以被施加于天线板120以从RF功率源108流动电流至电气地端子126。如图2所示，ICP 202等离子体可以由流动或振荡电流306通过天线板120(例如，导电路径402)感应出的磁场而生成。在一个实施例中，RF功率和微波功率可以在衬底处理期间被同时施加于天线板120。

在一个实施例中，导电路径402可以沿着微波波导122形成基本上同心或矩形的形状，并且位于靠近导电路径402的第一端的RF功率源108端子与靠近导电路径402的第二端的电气地端子126之间。

应当理解，具体实施例部分而非摘要部分旨在用于解释权利要求。摘要部分可以阐述本公开的一个或更多个示例性实施例而非所有示例性实施例，因而，摘要部分并非旨在以任何方式限制本公开和所附权利要求。

尽管已通过本公开的一个或更多个实施例的描述说明了本公开，并且尽管已相当详细地描述了实施例，但是它们并非旨在限制所附权利要求的范围或将所附权利要求的范围以任何方式限制于这样的细节。其他优点和修改对本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明在其广义方面并不限于所示和所述的具体细节、代表性设备和方法以及说明性示例。因此，在不背离本发明总体构思的范围的情况下，可以对这些细节进行修改。