Lam Research Corporation申请专利：具有低角度扩散的多级参数和频率脉冲（Multi-level parameter and frequency pulsing with a low angular spread）

本专利描述了用于多级脉冲和射频（RF）信号频率的多级脉冲的系统参数和方法。参数从低电平脉冲到高电平脉冲。同时对脉冲参数和频率进行调节，以提高晶圆的加工速率，增加掩模选择性，并减少等离子体腔室内离子的角度扩散。

等离子体工具包括射频（RF）发生器、阻抗匹配电路和等离子室。RF发生器产生射频波形，该波形提供给阻抗匹配电路。阻抗匹配电路接收射频波形，以输出提供给等离子体室的射频信号。晶圆在等离子体腔内由射频信号与工艺气体一起提供时产生的等离子体进行处理。例如，根据射频信号在等离子体腔内蚀刻晶圆。

为了产生离子，例如高能和低能离子，在低频（例如1兆赫（MHz））下增加射频（RF）偏置。RF偏置具有连续波形。低能量离子具有低电压，因此具有高角度扩散。高角度扩散降低了晶圆蚀刻的蚀刻速率。

通过使用多个电压电平，例如大于500伏的高偏置电压，可以减少角扩散，但低能量离子可能仍然具有相对较高的能量，约为200电子伏特（eV）。除了将低能离子的能量降低到100电子伏特以下之外，应用具有多个频率级的多个电压电平还可以降低角扩散。低能离子和减少的角度扩散可保护掩模层，同时蚀刻基板层。与掩模层相比，基板层具有较低的蚀刻阈值。

如果施加具有高偏置电压的多个电压电平和多个频率电平，则会发生低能离子能量和角扩散的能量降低。例如，低电压电平施加低频电平，高频电平施加高电压电平。从低频电平到高频电平，从低压电平到高压电平过渡后，通过高频电平和高压电平对低能离子施加高电场。高电场应用于低能离子，因为改变与低能离子相关的等离子体护套需要时间。在高压电平期间，低压电平的电压幅度对低能量离子施加电压升压。此外，由于低电压水平，低能量离子具有低温。高电场增加了低能离子的速度和能量，而没有实质性地增加高压水平以增加低能离子的方向性或减少低能离子的角度扩散。例如，角度扩散从大约 2 度减小到大约 1 度。低能离子的低温也增加了方向性。方向性的增加有利于等离子护套的穿孔，以增加蚀刻基板的蚀刻速率。多个多个电压电平和每个电压电平的占空比经过优化，以减少低能量离子的角度扩散。

此外，RF信号的高压电平和高频电平会产生具有低角度扩散的高能量离子。低电压电平和低频电平产生具有高角度扩散的低能量离子。高能离子蚀刻是基板的一个特征，低能离子提高了掩模选择性。

与应用连续波形相比，角度扩展的减小增加了掩模选择性，与应用连续波形相比，降低了基板内通道的临界尺寸（例如厚度），并且与应用连续波形相比，基板实现了更好的高纵横比蚀刻。例如，与使用连续波形相比，掩模选择性提高了约20%或更多，蚀刻速率提高了约40%或更多，临界尺寸降低了约12%或更多。

图1是一个实施例的系统100的示意图，以示出多级参数脉冲和多级频率脉冲的应用。该系统100包括射频（RF）发生器RFGA、阻抗匹配器104、等离子腔室112、另一阻抗匹配120、另一RF发生器RFGB、主机106、RF电缆128、RF传输线126、另一RF电缆130和另一RF传输线132。主机106的示例包括台式计算机、膝上型计算机、服务器、控制器、平板电脑和智能手机。

射频发生器射频包括一个数字信号处理器 DSPA 和多个参数控制器 PRAS（n-N）、PRAS（n-1） 和 PRAS（n），其中 N 是大于零的整数。参数的示例，如本文所用，包括电压和功率。射频发生器 RFGA 还包括多个频率控制器 FCS（m-M） 和 FCS（m），其中 M 是大于零的整数，例如 2、3、4 或 5。射频发生器RFGA还包括驱动系统DRVRA和射频功率源102。本文所用的驱动系统的一个例子包括一个或多个晶体管。本文使用的驱动系统的另一示例包括耦合到放大器的一个或多个晶体管。本文使用的RF功率源的一个例子包括一个RF振荡器，该振荡器以射频产生正弦信号，例如范围为400千赫兹（kHz）至100兆赫兹（100 MHz）。

数字信号处理器 DSPA 通过 PRAS（n） 耦合到参数控制器 PRAS（n-N） 和通过 FCS（m） 耦合到频率控制器 FCS（m-M）。每个参数控制器将 PRAS（n-N） 到 PRAS（n） 和到频率控制器 FCS（m-M） 到 FCS（m） 耦合到驱动系统 DRVRA 并且驱动系统 DRVRA 耦合到射频电源 102。处理器108耦合到存储器设备110和数字信号处理器DSPA。

图2A示出了实施例202、206、210和214，以示出RF信号122（图1）参数的三级脉冲（图1）由RF发生器RFGA（图1）和RF信号122的频率的两级脉冲。图202绘制数字脉冲信号204与时间t的逻辑电平的关系。数字脉冲信号204是图1的数字脉冲信号138的示例。

在状态S1期间，图202具有1的逻辑电平。此外，在状态S2期间，图202具有2的逻辑电平。而且，在状态S3期间，图202具有三的逻辑电平。例如，在0和t12之间的时间段内，数字脉冲信号204的逻辑电平为一，在t12和t22之间的一个时间段内，数字脉冲信号204的逻辑电平为两个，而在t22和t32之间的时间段内，数字脉冲信号204的逻辑电平为三。

图5A是图502的实施例，以示出当将200伏的连续波电压信号作为偏置电压Vb施加到等离子体反应器内的晶圆支架（未示出）时等离子体内等离子体离子的角分布，例如峰值能量角分布（未示出）。图502绘制了等离子体反应器内等离子体离子的能量与角分布的关系。

图5B是实施例504的图，以示出当400伏的连续波电压信号作为偏置电压施加到晶圆支架上的等离子体在等离子体反应器内离子的角度分布时。图504绘制了等离子体反应器内等离子体离子的能量与角分布的关系。

图5C是实施例506的图，用于说明当将800伏的连续波电压信号作为偏置电压施加到晶圆支架上的等离子体在等离子体反应器内时离子的角度分布。图506绘制了等离子体反应器内等离子体离子的能量与角分布的关系。

图5D是实施例508的图，用于说明当将1600伏的连续波电压信号作为偏置电压施加到晶圆支架上的电抗器内等离子体离子的角度分布时。图508绘制了反应器内等离子体离子的能量与角分布的关系。

应该注意的是，如图502-508所示，角分布随着施加到晶圆支架上的连续波电压信号的幅度的增加而减小。例如，随着连续波电压信号的大小从200伏增加到1600伏，角度分布减小。

图6A是当连续波电压信号施加到等离子体反应器的晶圆支架时产生的图形602的图。图602绘制了等离子体反应器内等离子体离子的能量与等离子体离子的角度分布。

图6B是当射频信号122的参数的五电平脉冲（图1）和恒定频率电平，例如1兆赫兹的RF信号122被施加到支撑图1的基板114时产生的图形604。图604绘制了图1的等离子体腔室112内的等离子体离子的能量与离子的角扩散。

图6C是图606的实施例，当RF信号122的5级脉冲参数（图1）和恒定频率电平，例如2兆赫兹的RF信号122被施加到图1的基板114上时产生的图形。图606绘制了图1的等离子体腔室112内等离子体离子的能量与离子的角扩散。

图6D是当RF信号122的参数的三级脉冲（图1）和RF信号122的频率的两级脉冲被施加到图1的基板支架114时产生的图形608的图。图608绘制了图1的等离子体腔室112内等离子体离子的能量与离子的角扩散。

图6E是当RF信号122的参数的三电平脉冲（图1）和RF信号122的频率的两级脉冲应用于图1的基板114时产生的图形610的图1。图610绘制了图1的等离子体腔室112内等离子体离子的能量与离子的角扩散。

图6F是图612的实施例，当射频信号122的五级脉冲参数（图1）和射频信号122的频率的两级脉冲被施加到图1的基板114上时产生的图形。图612绘制了图1的等离子体腔室112内等离子体离子的能量与离子的角扩散。

如图602、604、606、608、610和612所示，与连续波信号的角分布相比，用于参数多级脉冲的通道底部的角扩散较低。当射频信号122的参数的多级脉冲施加到图1的基板支架114时，通道底部的角扩散是实现的。此外，当连续波电压信号施加到等离子体反应器的晶圆支架上时，可实现角分布。

图9A是实施例902的图，以示出当射频信号902B（其连续波电压信号）施加到晶圆支架上时在等离子体电抗器内形成的等离子体902A的护套电压。图902绘制了RF信号902B与时间t的关系。如图902所示，护套电压902A是恒定的。

图9B是图904的实施例，用于示出当射频信号B施加到图1的基板114的支撑物114时在图1的等离子体腔室内形成的等离子体904A的护套电压904 A。图904绘制了RF信号904B与时间t的关系。RF信号904B是图1的RF信号122的示例。RF信号904B示出了RF信号122的两级脉冲。例如，RF信号904B在参数电平908和另一参数电平910之间脉冲。RF信号904B是正弦信号。参数级别 910 大于参数级别 908。参数级别 910 在状态 S1 期间实现，参数级别 908 在状态 S2 期间实现。

图9C是图906的实施例，以示出当射频信号B施加到图1的基板114的支撑物114时在图1的等离子体腔室内形成的等离子体906的护套电压906A。图906绘制了RF信号906B与时间t的关系。RF信号906B是图1的RF信号122的示例，并且是正弦信号。RF信号906B示出了RF信号122参数的多级脉冲。例如，RF信号906B在参数级912、参数级914、参数级916和参数级918之间脉冲。参数级别 918 大于参数级别 916，后者大于参数级别 914。参数级别 914 大于参数级别 912。参数等级912在状态S1期间实现，参数等级914在状态S2期间实现，参数等级916在状态S3期间实现，参数等级918在状态S4期间实现。

如图9A至9C所示，由于在图1的等离子体室112内对等离子体鞘进行充电和放电，存在射频信号122的幅度调制。随着RF信号122的若干参数电平的增加，包络线，如参数级908、910、908、912、914、916和918，随着等离子体腔室112内的等离子体离子可以跟随和响应的较慢速率而变化。例如，与护套电压 904A 相比，护套电压 906A 的速率增加较慢。鞘电压906A的较慢增加速率增加图1的等离子体腔室112内的离子的能量。离子能量的增加增加了蚀刻基板118的蚀刻速率，并且改善了基板118的临界尺寸，例如减小了。