[发明专利]一种等离子体产生方法及装置和半导体处理设备

说明书

本发明提供一种等离子体产生方法及装置和半导体处理设备。该等离子体产生方法包括：上射频源输出主脉冲信号，用于激发反应腔室内的工艺气体形成等离子体，在主脉冲信号的关闭阶段，上射频源输出一个或多个辅助脉冲信号，辅助脉冲信号能维持反应腔室内的等离子体在主脉冲信号的关闭阶段处于起辉状态。该等离子体产生方法通过辅助脉冲信号维持反应腔室内的等离子体在主脉冲信号的关闭阶段处于起辉状态，能够防止反应腔室内因为加载的主脉冲功率不足所导致的在主脉冲信号关闭阶段的等离子体灭辉，从而实现反应腔室内等离子体的稳定产生及工艺窗口的扩大，使等离子体工艺能够稳定进行。

技术领域

本发明涉及磁控溅射技术领域，具体地，涉及一种等离子体产生方法及装置和半导体处理设备。

背景技术

半导体装备中，用于硅刻蚀工艺的等离子体设备通常应用电感耦合等离子体(ICP)原理，由射频电源提供射频能量到腔室中电离高真空状态下的特殊气体(如氩气Ar、氦气He、氮气N₂、氢气H₂等)，产生含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体环境下的晶圆之间发生复杂的相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀工艺过程。

随着集成电路的进一步发展，原有的技术方案已无法满足20nm及以下刻蚀工艺的要求，而脉冲等离子体新技术的应用则实现了微细化工艺上的突破。脉冲等离子体技术用于减小连续波射频能量带来的等离子体诱导损伤(Plasma induced damage,PID)，改善刻蚀工艺中的负载效应(Loading effect)，显著提高刻蚀选择比(Selectivity)，并且增大了工艺窗口、增加了调节手段，因此，对于脉冲等离子体源的设计非常关键。

现有技术一给出一种典型的双线圈电感耦合等离子体设备。如图1所示，该设备由反应腔室3、上电极系统、下电极系统以及静电卡盘10组成，上电极系统包括上射频源1、第一匹配器2、电流分配单元22和电感耦合型双线圈19。电感耦合型双线圈19由内线圈20和外线圈21组成，都位于介质窗13的上方。上射频源1通过第一匹配器2，再连接电流分配单元22将能量分别输出到内线圈20和外线圈21上，射频能量将气路喷嘴14输入的气体电离，从而产生等离子体23作用于晶圆17上进行工艺。下电极系统包括下射频源15和第三匹配器16，其中下射频源15和第三匹配器16连接到静电卡盘10上，实现下电极的射频功率馈入。其中，上射频源1和下射频源15为输出脉冲型射频信号的脉冲射频电源，两个射频电源通过脉冲同步电缆18连接。

图1所示设备采用脉冲技术输出射频能量到腔室，实现减小等离子体损伤以及改善工艺性能。如图2所示，脉冲应用方式为上电极系统采用脉冲波射频能量，同时下电极系统也采用脉冲波射频能量，而且上下电极加载的射频能量频率相等，射频波形的相位同步，射频能量的脉冲频率和占空比也相等(如脉冲频率100Hz或其它脉冲频率，占空比50％或其它占空比)。通过上下电极系统的同步脉冲，更大限度的减小了等离子体的粒子速度和粒子温度，使得轰击晶圆的粒子能量大大减小。

如图3所示，上电极和下电极加载的同步脉冲信号为相同频率和占空比的信号，在腔室中的实际加载信号为两者的叠加。

现有技术一中，在上电极系统和下电极系统同时加载脉冲信号并起辉的情况下，由于脉冲模式下功率加载时间较短，等离子体较难实现起辉，因此设备硬件窗口较小。特别是在占空比较小时，由于加载功率时间短，容易出现等离子体无法起辉或者起辉后无法维持又灭辉的情况。如图4所示，在脉冲同步信号为低占空比的情况下，匹配比较困难，需要多个脉冲周期方能实现起辉和匹配，图4中在Ti时间点实现起辉，此时达到稳定的匹配阻抗Z和稳定的等离子体密度ni，但很快就因为维持起辉的能量不足又灭辉(如在Tj时间点灭辉)，无法保持等离子体的温度。现有技术一中腔室等离子体在脉冲模式的起辉不稳定，造成工艺重复性差。

发明内容