全文摘要
本发明提供一种等离子体处理器，包括：反应腔，反应腔内设置一个基座，基座上放置有晶圆；源射频电源，用于输出高频射频信号到反应腔内，以点燃并维持等离子体；第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出第二频率射频信号，第一频率小于第二频率，第一频率射频信号和第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到基座；控制器，用于调节第一频率射频信号和第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段。
主设计要求
1.一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出一第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出一第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到所述基座；控制器，用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
设计方案
1.一种等离子体处理器，包括：
反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；
源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；
第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出一第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出一第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到所述基座；
控制器，用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
2.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的频率，使得所述第二频率是所述第一频率的两倍。
3.如权利要求2所述的等离子体处理器，其特征在于，第一频率是400kHz、600 kHz、800kHz、1MHz，第二频率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。
4.如权利要求1-3中任一项所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的相位，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差在-75度至-105度之间。
5.如权利要求4所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值，使得所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值之比是4:1-2.8:1。
6.如权利要求5所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的相位和幅值，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-90度，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值之比是3:1。
7.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，所述第一叠加信号的下降阶段的时长小于所述第一叠加信号的周期总时长的35%。
8.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，还包括第一匹配电路、第二匹配电路和滤波器，所述第一匹配电路设置在第一偏置射频电源和反应腔之间，所述第二匹配电路设置在第二偏置射频电源和反应腔之间，所述滤波器设置在第一匹配电路和第二匹配电路之间。
9.如权利要求1所述的等离子体处理器，其特征在于，还包括：
第三偏置射频电源，用于输出第三频率射频信号，所述第三频率大于所述第一频率和所述第二频率，所述第三频率射频信号和所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号经叠加后形成第二叠加信号，并被施加到所述基座；
控制器，用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第二叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，第二叠加信号的下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的频率，使得所述第二频率是所述第一频率的两倍，所述第三频率是所述第一频率的三倍。
11.根据权利要求10所述的等离子体处理器，其特征在于，第一频率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，第二频率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz，第三频率是1200kHz、1800kHz、2400kHz、3MHz。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的等离子体处理器，其特征在于，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的相位和幅值，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-90度，所述第三频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-180度，第一、二、三频率射频信号的幅值之比是7：4：1。
13.一种调节等离子体处理器的输出射频信号的方法，所述方法在一反应腔内进行，所述反应腔包括一基座，其特征在于，所述方法包括：
输出高频射频信号到所述反应腔内；
输出第一频率射频信号和第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号经叠加后形成第一叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；
调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，调节所述第二频率射频信号的频率是所述第一频率射频信号的频率的两倍。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
输出第三频率射频信号，所述第三频率大于所述第一频率和所述第二频率，所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和第三频率射频信号经叠加后形成第二叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；
调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第二叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，第二叠加信号的下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，调节所述第二频率射频信号的频率为所述第一频率射频信号的频率的两倍，调节所述第三频率射频信号的频率为所述第一频率射频信号的频率的三倍。
17.一种等离子体处理器，包括：
反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；
源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；
第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出一第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出一第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到所述基座；
控制器，用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：上升阶段、平坦阶段和下降阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
18.一种等离子体处理器，包括：
反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；
源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；
偏置射频电源，包括一信号发生器，用于生成一周期性的近似方波，所述近似方波的每个周期包括三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述平坦阶段的时长大于所述周期的1\/4；
功率放大器，用于放大所述近似方波；
第一滤波器，用于将放大的近似方波分离出具有第一频率的第一射频信号；
第二滤波器，用于将放大的近似方波分离出具有第二频率的第二射频信号；
第一匹配电路，用于匹配具有第一频率的第一射频信号并将第一射频信号输入至反应腔；
第二匹配电路，用于匹配具有第二频率的第二射频信号并将第二射频信号输入至反应腔。
设计说明书
技术领域
本发明涉及半导体加工设备领域，特别涉及一种等离子体处理装置以及处理方法。
背景技术
真空处理设备广泛应用于半导体工业，其中的等离子体处理设备和化学气相沉积设备是最主要的真空处理装置。等离子体处理装置借助于射频耦合放电产生等离子体，进而利用等离子体进行沉积、刻蚀等加工工艺。
在等离子体刻蚀过程中，通常会用到两个射频电源：源射频电源和偏置射频电源。源射频电源输出高频射频信号（例如60MHz）以激发气体产生等离子体，主要控制等离子体的浓度。偏置射频源输出低频射频信号（例如2MHz或13MHz），主要控制等离子体中的离子轰击基片的能量。等离子体的浓度和离子轰击能量对刻蚀速率会产生重要影响。因此，业界一直在寻找提高等离子体的浓度和离子轰击能量的方法。尤其在高深宽比（HAR）的刻蚀应用中，更突显出重要性。等离子体的浓度主要由源射频电源控制，因此通常通过提高源射频电源的功率来提高等离子体的浓度。对于增强等离子体中的离子轰击基片的能量，主要通过增加基片表面的鞘层电压来实现，有以下两种方法：1）增加偏置射频源的功率以提高基片表面的鞘层电压。等离子体中的离子在鞘层中获得加速以轰击基片，鞘层电压越大则离子的轰击能量越大。然而，增加偏置射频源功率会产生一些负面影响，诸如腔体散热系统会变得更加复杂，腔体零部件的寿命会因轰击增强而缩短。2）增加腔体上下电极面积的比值。基片上的鞘层电压与等离子体处理腔体中的上下电极（即喷淋头与静电夹盘）的面积相关。上电极与下电极的面积比值越大，则鞘层电压值也越大。然而，改变上下电极的尺寸会受到腔体体积的限制，尤其当腔体体积确定时，很难对上下电极的面积进行随意的更改。因此，这种方法的灵活性较差。
因此，业内需要研发新的增强等离子体中的离子轰击基片能量的方法。这种方法在高深宽比的刻蚀过程具有特别的优势。
发明内容
本发明提供了一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出一第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出一第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到所述基座；控制器，用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的频率，使得所述第二频率是所述第一频率的两倍。
可选地，第一频率是400kHz、600 kHz、800kHz、1MHz，第二频率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的相位，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差在-75度至-105度之间。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值，使得所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值之比是4:1-2.8:1。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的相位和幅值，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-90度，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值之比是3:1。
可选地，所述第一叠加信号的下降阶段的时长小于所述第一叠加信号的周期总时长的35%。
可选地，所述等离子体处理器还包括第一匹配电路、第二匹配电路和滤波器，所述第一匹配电路设置在第一偏置射频电源和反应腔之间，所述第二匹配电路设置在第二偏置射频电源和反应腔之间，所述滤波器设置在第一匹配电路和第二匹配电路之间。
可选地，所述等离子体处理器还包括：第三偏置射频电源，用于输出第三频率射频信号，所述第三频率大于所述第一频率和所述第二频率，所述第三频率射频信号和所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号经叠加后形成第二叠加信号，并被施加到所述基座；控制器，用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第二叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，第二叠加信号的下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的频率，使得所述第二频率是所述第一频率的两倍，所述第三频率是所述第一频率的三倍。
可选地，第一频率是400kHz、600kHz、800kHz、1MHz，第二频率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz，第三频率是1200kHz、1800kHz、2400kHz、3MHz。
可选地，所述控制器用于调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的相位和幅值，使得所述第二频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-90度，所述第三频率射频信号与所述第一频率射频信号的相位差为-180度，第一、二、三频率射频信号的幅值之比是7：4：1。
本发明还提供了一种调节等离子体处理器的输出射频信号的方法，所述方法在一反应腔内进行，所述反应腔包括一基座，其特征在于，所述方法包括：输出高频射频信号到所述反应腔内；输出第一频率射频信号和第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号经叠加后形成第一叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
可选地，调节所述第二频率射频信号的频率是所述第一频率射频信号的频率的两倍。
可选地，所述方法还包括：输出第三频率射频信号，所述第三频率大于所述第一频率和所述第二频率，所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和第三频率射频信号经叠加后形成第二叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；调节所述第一频率射频信号、所述第二频率射频信号和所述第三频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第二叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，第二叠加信号的下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
可选地，调节所述第二频率射频信号的频率为所述第一频率射频信号的频率的两倍，调节所述第三频率射频信号的频率为所述第一频率射频信号的频率的三倍。
本发明还提供了一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；第一偏置射频电源和第二偏置射频电源，第一偏置射频电源输出一第一频率射频信号，第二偏置射频电源输出一第二频率射频信号，所述第一频率小于所述第二频率，所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号叠加后形成周期性的第一叠加信号，并被施加到所述基座；控制器，用于调节所述第一频率射频信号和所述第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得所述第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：上升阶段、平坦阶段和下降阶段，所述下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
本发明还提供了一种等离子体处理器，包括：反应腔，所述反应腔内设置一个基座，所述基座上放置有晶圆；源射频电源，用于输出高频射频信号到所述反应腔内，以点燃并维持等离子体；偏置射频电源，包括一信号发生器，用于生成一周期性的近似方波，所述近似方波的每个周期包括三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，所述平坦阶段的时长大于所述周期的1\/4；功率放大器，用于放大所述近似方波；第一滤波器，用于将放大的近似方波分离出具有第一频率的第一射频信号；第二滤波器，用于将放大的近似方波分离出具有第二频率的第二射频信号；第一匹配电路，用于匹配具有第一频率的第一射频信号并将第一射频信号输入至反应腔；第二匹配电路，用于匹配具有第二频率的第二射频信号并将第二射频信号输入至反应腔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术电容耦合等离子体处理设备的结构示意图；
图2为电容耦合等离子体处理装置中等离子体和基片电压波形示意图；
图3a为电容耦合等离子体处理装置中等离子体第一分布形态；
图3b为电容耦合等离子体处理装置中等离子体第二分布形态；
图4包括图4a和图4b，图4a为400Hz射频源产生的离子能量分布函数图；图4b为400Hz射频源和800Hz射频源叠加后产生的离子能量分布函数图；
图5为根据一个实施例的两个射频源所产生的基片上表面的电势模拟图；
图6为根据另一个实施例的两个射频源所产生的基片上表面的电势模拟图；
图7为根据另一个实施例的三个射频源所产生的基片上表面的电势模拟图；
图8为根据本发明一个实施例的电容耦合等离子体处理设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示为一种现有技术的电容耦合等离子处理设备，包括反应腔100，反应腔内包括导电基座22，基座作为下电极连接到两个射频电源32、31，其中源射频电源32经过匹配器2输出高频射频功率（HF）到基座22，偏置射频电源31经过匹配器1输出偏置\/低频射频功率（LF）到基座22。其中源射频电源32输出的高频射频功率用于点燃并维持反应腔内的等离子体，偏置射频电源31输出低频射频功率用于控制基片20上的偏置电压（Vdc<\/sub>）。基座22上的静电夹盘21上固定有待处理的基片20，围绕基片和静电夹盘的还包括一个聚焦环10。与静电夹盘相对的反应腔上方设置有一个圆盘形的气体喷淋头11，气体喷淋头11通过供气管道与外部的反应气源110连接。
如图2所示，在点燃等离子体后，反应腔内的等离子体电压为Vp<\/sub>，基片上表面电压为Vw<\/sub>，偏置电压为Vdc<\/sub>。在该处理设备中，高频射频功率（HF）的频率为60Mhz，低频射频功率（LF）的频率为2Mhz，相应的周期长度分别为P1、P2。可以看到高频射频电压叠加在低频射频电压上，一同被送入反应腔内。在等离子体处理装置运行中等离子体的阻抗会在点燃前后、输入射频功率、气压等参数变化时刻发生剧烈变化，所以需要匹配器1、2中的主动可调元件补偿这些阻抗变化，使得源射频电源32和偏置射频电源31输出的射频功率能被有效输送到反应腔内，而不是被反射回到射频电源中，当反射功率最小化时就是阻抗匹配状态。在阻抗匹配状态，绝大部分的射频源的功率被馈送入腔体，除了一些线路上功率损耗。射频电源的输出信号的功率会影响到基片上表面电压Vw<\/sub>。通常，射频电源的输出信号的频率等于基片上表面电压的频率。并且，输出信号的功率越大则基片上表面的电压幅值（Vrf<\/sub>）pp<\/sub>越大。基片上表面电压Vw<\/sub>的平均值即为偏置电压Vdc<\/sub>。由于上电极（如喷淋头）的面积大于下电极（如静电夹盘）的面积，会形成如图2中所示的电压Vw<\/sub>，该电压曲线并非相对于x轴上下对称，而是整体沿y轴向下偏移，所以偏置电压Vdc<\/sub>为负值。腔体中产生的等离子体的电压为Vp<\/sub>。因为产生的等离子体中电子和离子的运动速度不同，所以在上下电极的表面会产生鞘层，在鞘层中几乎不存在电子且电势向着电极下降。等离子体的电压Vp<\/sub>减去基片上表面电压Vw<\/sub>就等于基片上的鞘层电压，鞘层电压主要起到加速带电离子的作用。等离子体电压Vp<\/sub>与偏置电压Vdc<\/sub>满足如下的关系式：
2Vp<\/sub>≈（Vrf<\/sub>）pp<\/sub>\/ 2 – |V dc<\/sub>|。
图3a和图3b为电容耦合等离子体处理装置中等离子体分布形态图。该图更具体地显示了等离子体分布和鞘层分布的变化状态。随着等离子处理工艺的演进，大量工艺需要应用超低频的偏置射频电源，其输出的低频射频功率频率普遍低于1Mhz，特别是小于等于400Khz。在图3a中，低频射频电源（400Khz）输出的电压随着时间变化，在一个周期（2.5us）内输出电压值完成一个变化循环。低频射频电压同步地影响基片上表面电压。其中当低频射频电压达到最小值，下电极上具有最低的电压，基片上表面电压也具有最低电压值，如图中的T（A）时刻，这使得下电极(基座22)上方的基片表面具有最厚的鞘层1，相应的上电极表面（上电极11及部分周围的辅助环）具有最薄的鞘层2，等离子体被向上抬升。如图3b所示，低频射频功率输出的电压达到最大，基片上表面电压也达到最大值，也就是T（B）时刻，基片表面的鞘层1厚度变成最小，上电极表面的鞘层2具有最大值，等离子体被向下压到最低位置。在T（A）到T（B）之间的任意时刻T（X）等离子体也会随着低频射频功率输出电压的变化连续变化。由于上下电极的面积不同，其中常见的上电极面积大于下电极面积，所以这些等离子体不仅会发生上下移动，而且会发生分布形态的变化。
鞘层的厚度随着基片上表面电压周期性变化。当鞘层的厚度达到最大时，等离子体中的离子的加速度也最大，此时离子获得最大的轰击能量。而当鞘层的厚度达到最小时，基片上表面电压达到最大值，此时离子的轰击能量最小。基片上表面电压为正值时会对等离子浓度的增加产生一定的贡献。等离子体鞘层的电压和厚度呈现的这种周期性变化对离子的能量分布会产生影响。图4a大致示出了低频情况下的离子能量分布函数图。该分布图中横轴表示离子能量；纵轴是离子能量分布函数，表示对应能量的离子数。通常，离子能量分布函数在低能和高能处具有双峰结构，分别表示离子能量集中在相应的低能和高能范围内。由图4a所示，在高能处，离子能量分布函数的峰宽较大，说明高能离子分布在一个较大的能量范围，并不集中。而高能离子的能量集中（即能谱较窄）能使刻蚀效果更好。
因此，发明人想到了不同于背景技术中单纯地通过增加基片表面的鞘层电压来实现提高离子轰击能量的方法，即通过调节离子能量分布（特别是高能离子分布）来提高离子能量，从而实现更好的刻蚀效果。发明人发现，当施加到基片上的偏置射频信号为正弦信号时，基片上表面电压Vw<\/sub>随着偏置射频源电压以正弦波缓慢变化，此时，等离子体的离子能量分布在高能区有较宽的能谱宽度。而如果施加到基片上的偏置射频信号为高低电压切换时间较短的方波或近方波，基片上表面电压Vw<\/sub>随着偏置射频信号呈现快速的方波或近方波变化，等离子体高能离子的能量分布将会变得非常集中，如图4b所示。这是因为基片上表面电压快速从正值区域变换到负值区域时，离子在短时间内能获得较大的加速度，从而获得更大的轰击能量。本发明通过组合不同射频源的输出电压信号，使得叠加后施加到基座上的射频信号在高低幅值之间切换迅速，使得基片上表面电压获得方波或接近方波的形态。使得等离子体高能离子的能量分布集中，提高离子的轰击能量。以下通过不同的实施例具体说明。
图5是根据一个实施例的组合不同偏置射频源所产生的基片上表面的电势模拟图。虚线是一个400kHz的偏置射频源产生的在基片上表面电势曲线，点实线是另一个800kHz的偏置射频源产生的在基片上表面电势曲线，实线是上述两个电压曲线叠加后形成的基片上表面总电势曲线。在该实施例中，两个偏置射频源的频率分别为400kHz和800kHz，则分别产生的在基片上表面的电势曲线的频率也为400kHz和800kHz。400kHz和800kHz的电势曲线的相位差为-90度，并且幅值比为3：1。在图5中可见，由上述特征的两个电势曲线叠加而成的总电势曲线具有三个相继的阶段：下降阶段AB、平坦阶段BC和上升阶段CD。整个曲线呈现近似方波的形态。如图5所示的总电势曲线，在一个周期中，A点和D点为电势的最大值，平坦阶段BC是在一定时间段内（如大于400kHz射频信号的1\/4周期，即大于约0.6us）总电势维持在一个大致稳定的数值，在这个阶段中电势的变化幅度在一定的限度之内都是允许的，例如变化幅度在5%之内、或10%之内。由此，平坦阶段BC具有第一平均电势，在图中以直线l示出。直线l与总电势曲线的相交的点记为B和C。叠加后的总电势曲线的下降阶段AB比叠加前的任意一个电势曲线的下降阶段（400kHz或800kHz的电势曲线的下降的半周期）更陡峭，即电势的变化更迅速。如上所述，这将使得高能离子的分布更加集中从而使得刻蚀效率更高。
从图5所示的总电势曲线中可知，平坦阶段BC具有第一平均电势，与之相对的在A、D处附近还可定义一尖端阶段，尖端阶段中的输出电压具有最高电势以及与最高电势的差小于5%或10%的电势所对应的输出时间段。在尖端阶段中电势迅速达到最大值又迅速下降且具有第二平均电势，其中第二平均电势为正电势且幅值最大，第一平均电势为负且幅值最大，且输出电势也位于第一平均电势和第二平均电势之间过渡。尖端阶段的时间长度明显小于平坦阶段，通常尖端阶段的时间长度小于平坦阶段的1\/2。
需要注意的是，上述实施例仅给出了调节两个偏置射频源的输出电压以形成近似方波的基片上表面电势的曲线的一种方式。通过调节两个偏置射频源的输出电压的频率、相位或幅值也能使得基片上表面电势的曲线呈现不同的近似方波的形态。例如，第一偏置射频源的频率是400kHz、600 kHz、800kHz、1MHz，相应地第二偏置射频源的频率是800kHz、1200kHz、1600kHz、2MHz。当频率固定为上述倍数关系时，调节两个输出电压的不同幅值也能实现上述的近似方波的形态，只需该电势曲线的平坦阶段在可接受的范围内即可。例如，两个输出电压的幅值之比可在4:1-2.8:1之间。当频率固定为上述倍数关系时，调节两个输出电压的相位差也能实现上述的近似方波的形态。例如，相位差在-75度至-105度之间。此外，通过调节两个偏置射频源的输出信号的频率、相位、平均电势或幅值也可以改变该近似方波的特征，例如近似方波的平坦阶段的时长，处于平坦阶段时的电势的正负值。
在一个实施例中，两个偏置射频源产生的信号的频率分别是400kHz和800kHz，它们相位差为90度，并且幅值比为3：1，可以形成如图6所示的电势曲线图。在图6中，由上述两个信号的电势曲线叠加而成的总电势曲线也具有三个相继的阶段：上升阶段、平坦阶段和下降阶段。整个曲线也呈现近似方波的形态。该三个阶段的特征与图5中的类似。平坦阶段是在一定时间段内（如大于400kHz射频信号的1\/4周期，即大于约0.6us）总电势维持在一个大致稳定的数值，在这个阶段中电势的变化幅度在一定的限度之内都是允许的，例如变化幅度在5%之内、或10%之内。上升阶段比叠加前的任意一个电势曲线的上升阶段（400kHz或800kHz的电势曲线的上升的半周期）更陡峭，即电势的变化更迅速。通过对两个偏置射频源产生的信号的调节，可以使得平坦阶段的平均电势为正值或负值。
图7是根据另一个实施例的组合不同射频源所产生的基片上表面的电势模拟图。在该实施例中有三个偏置射频源。圆点线、虚线和点实线分别是400kHz、800kHz和1200kHz的偏置射频源产生的在基片上表面电势曲线，在该实施例中，三个偏置射频源的频率分别为400kHz、800kHz（400kHz×2）和1200kHz（400kHz×3），则分别产生的在基片上表面电势曲线的频率也为400kHz、800kHz和1200kHz。400kHz和800kHz所产生的电势曲线的相位差为-90度，400kHz和1200kHz所产生的电势曲线的相位差为-180度。三条电势曲线的幅值比为7：4：1。在图6中可见，由上述特征的三个电势曲线叠加而成的总电势曲线也具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段。整个曲线呈现近似方波的形态。叠加后的总电势曲线的下降阶段比叠加前的任意一个电势曲线的下降阶段更陡峭，即电势的变化更迅速。这将使得高能离子的分布更加集中。与图5类似，平坦阶段是在一定时间段内（如大于400kHz射频信号的1\/4周期，即大于约0.6us）总电势维持在一个大致稳定的数值，在这个阶段中电势的变化幅度在一定的限度之内都是允许的，例如变化幅度在5%之内、或10%之内。注意到，用三个射频源所产生的三个基片上表面电势的曲线所叠加出的总电势曲线比图5中的总电势曲线具有更近似方波的形态。其下降阶段的曲线更加陡峭，因此高能离子的分布相对于图5中的实施例更加集中。
与图5中的使用两个偏置射频源类似，调节三个偏置射频源的输出电压的频率、相位或幅值也能使得基片上表面电势的曲线呈现不同的近似方波的形态。
由上述图5和图7两个实施例所示，本申请提供一种调节等离子体处理器的输出射频信号的方法，该方法在一反应腔内进行，反应腔包括一基座，该方法包括：输出高频射频信号到反应腔内；输出第一频率射频信号和第二频率射频信号，第一频率小于第二频率，第一频率射频信号和第二频率射频信号经叠加后形成第一叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；调节第一频率射频信号和第二频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得第一叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，下降阶段在每个周期所占时间小于第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。该方法进一步包括：输出第三频率射频信号，第三频率大于第一频率和第二频率，第一频率射频信号、第二频率射频信号和第三频率射频信号经叠加后形成第二叠加信号，并被施加到等离子体处理器中的基座；调节第一频率射频信号、第二频率射频信号和第三频率射频信号的幅值、频率、平均电势或相位中的至少一项，使得第二叠加信号在每个周期中具有三个相继的阶段：下降阶段、平坦阶段和上升阶段，第二叠加信号的下降阶段在每个周期所占时间小于所述第一频率射频信号的半周期，所述平坦阶段的时长大于所述第一频率射频信号的周期的1\/4。
图8为根据本发明的一个实施例的一种电容耦合等离子处理设备，用于调节等离子体离子能量密度分布。该等离子处理设备包括源射频电源30和两个偏置射频电源31、32。源射频电源30输出高频射频信号到基座22以点燃和维持等离子体，偏置射频电源31、32输出低频信号到基座22以在基片上表面产生偏置电压。控制器40与偏置射频源31、32连接，用于控制两个偏置射频的频率、相位和幅值。例如，控制器40使得两个偏置射频源的频率成倍数关系：如400kHz和800kHz，或者1MHz和2MHz。又如，控制器40控制两个偏置射频源的之间的相位差为90度并锁定该相位差。控制器40还能通过调节两个偏置射频源的功率以调节所产生的基片上表面电压的幅值。三个射频源分别通过三个匹配器1-3与基座相连，如图所示。匹配器使得射频源的反射功率最小。如图所示，在匹配器1和2的输出端之间设置滤波器，用于隔离不同频率的射频信号。可选地，滤波器也可设置在匹配器1和2之间，如图中虚框所示。并且，也可以在射频源31、32与匹配器1、2之间的A点和B点处设置滤波器。图中的反应腔100、聚焦环10、基片20、静电夹盘21、气体喷淋头11、反应气源110等由于与本发明主题无直接关系所以不再赘述。
本发明中的两个偏置射频电源可以集成为一个射频电源，该射频电源中包括一个信号发生器，该信号发生器产生图5、6中的近似方波信号，然后经过一个功率放大器的放大后的近似方波信号，然后通过第一组滤波器和匹配器将近似方波信号中的第一频率成分（400KHz）的射频功率分离并分别匹配，通过第二组滤波器和匹配器将近似方波信号中的第二频率成分（800KHz）的射频功率分离并匹配，最终将整个近似方波信号有效输出到等离子处理器中的基座22。
本发明的调节等离子体离子能量密度分布的装置可以应用于上述电容耦合（CCP）等离子体处理器，也可以应用于电感耦合型等离子体处理器（ICP）。并且，本发明的调节等离子体离子能量密度分布的装置的偏置射频源不限于两个，也为三个或多于三个偏置射频源。理论上，当射频源越多，其输出的经叠加的信号也越接近方波。在一个实施例中，当使用三个偏置射频源时，它们的射频频率比率关系为1:2:3，例如400kHz、800kHz、1200kHz，或者600kHz、1200kHz、1800kHz，或者800kHz、1600kHz、2400kHz，或者1MHz、2MHz、3MHz。
本发明的调节等离子体离子能量密度分布的装置可以对不同刻蚀工艺的等离子体离子能量密度分布进行动态调节，具有较强的灵活性。其优点在于：（1）该装置使得高能离子能量密度分布变得更加集中，离子对晶圆表面轰击更加有效；（2）对超高深宽比刻蚀，该装置优势更加明显；（3）理论上，该装置可以有效降低所需总得射频功率，可以减小腔体散热系统的设计难度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910799287.1
申请日:2019-08-28
公开号:CN110310878A
公开日:2019-10-08
国家:CN
国家/省市:31(上海)
授权编号:CN110310878B
授权时间:20191112
主分类号:H01J 37/32
专利分类号:H01J37/32
范畴分类:38D;
申请人:中微半导体设备（上海）股份有限公司
第一申请人:中微半导体设备（上海）股份有限公司
申请人地址:201201 上海市浦东新区金桥出口加工区（南区）泰华路188号
发明人:倪图强;涂乐义
第一发明人:倪图强
当前权利人:中微半导体设备（上海）股份有限公司
代理人:徐雯琼
代理机构:31323
代理机构编号:上海元好知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计