[发明专利]射频脉冲匹配方法及其装置、脉冲等离子体产生系统

说明书

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及射频脉冲匹配方法、射频脉冲装置和脉冲等离子体产生系统。该射频脉冲匹配方法，包括S1)：预设匹配门限值，以及将脉冲计数值初始化为脉冲参考值；S2)：采集上电极射频电源的脉冲信号，并计算匹配参数；S3)：判断匹配参数与匹配门限值的大小，并根据匹配参数与匹配门限值的大小设置脉冲计数值；S4)：根据脉冲计数值与脉冲参考值的一致性，使得上匹配器对上电极射频电源进行匹配或下匹配器对下射频电源任一进行匹配；S5)：重复S3)和S4)，直至上电极射频电源和下射频电源均实现匹配。该射频脉冲匹配方法及其装置，具有较快的脉冲等离子体匹配速度，而且脉冲等离子体受两个电极的影响小，稳定性高。

技术领域

本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种射频脉冲匹配方法、射频脉冲装置和脉冲等离子体产生系统。

背景技术

半导体装备中，用于硅刻蚀工艺的脉冲等离子体(pulsing plasma)设备通常应用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，简称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，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，从而使晶圆表面性能发生变化，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，简称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)，并且增大了工艺调节手段和窗口，因此对于脉冲等离子体源的设计则是非常关键。

如图1所示为一种用于大尺寸晶圆(直径大于等于300mm)的刻蚀工艺中的脉冲型电感耦合等离子体设备。其中上射频电源和下射频电源具有产生脉冲射频信号的电源装置，两个电源之间有脉冲信号相位差控制线连接，整个系统通过加载脉冲射频信号到腔室中产生脉冲型等离子体，作用于晶圆上，实现刻蚀工艺。

如图2所示为一种典型的双线圈电感耦合等离子体设备。其中，上射频电源和下射频电源为输出脉冲型射频信号的脉冲射频电源，两个电源之间有脉冲同步信号线连接。该设备采用脉冲技术输出射频能量到腔室，实现等离子体损伤的减小和工艺性能改善。脉冲应用方式为上电极系统(包括上电源、上射频匹配器和电流分配装置)采用脉冲波射频能量，同时下电极系统(包括下射频电源和下匹配器)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。通过上、下电极的同步脉冲，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。其中，加载信号的脉冲Pulse on(脉冲开启周期)的时间长度为Tm，Pulse off(脉冲停止周期)的时间长度为Tn，脉冲频率为f＝1/(Tm+Tn)，脉冲占空比D＝Tm/(Tm+Tn)。

应用脉冲同步匹配的工艺流程见图5，其中上电极脉冲信号和下电极脉冲信号同时加载到腔室，由于上电极和下电极脉冲信号之间存在耦合，其相互影响导致上电极阻抗和下电极阻抗均在不断波动状态下，直到上电极实现起辉匹配和下电极起辉匹配后等离子体阻抗才会稳定下来。如图4所示，图2的等离子体设备的脉冲匹配中，由于上电极系统和下电极系统同时加载射频脉冲信号激发等离子体，而脉冲模式下功率加载时间较短，等离子体较难实现起辉，而且上电极和下电极同时匹配时等离子体随着两个匹配系统而变化，波动较大，匹配时间较长；而且，腔室等离子体在脉冲模式的等离子体不稳定和阻抗波动容易造成失配现象，导致设备的工艺应用窗口较小。

可见，设计一种具有较佳的射频脉冲匹配方式，提高脉冲匹配速度，增强等离子体稳定性成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容