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TWI875846B - 電漿增強處理中的rf功率源操作 - Google Patents

電漿增強處理中的rf功率源操作 Download PDF

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TWI875846B
TWI875846B TW109136422A TW109136422A TWI875846B TW I875846 B TWI875846 B TW I875846B TW 109136422 A TW109136422 A TW 109136422A TW 109136422 A TW109136422 A TW 109136422A TW I875846 B TWI875846 B TW I875846B
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plasma
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continuous power
power
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Inventor
法哈德 摩加達
哈利 波奈康提
狄米奇Ａ 迪日諾
Original Assignee
美商應用材料股份有限公司
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Abstract

描述了一種使用電漿增強處理來沉積膜的方法。該方法包括從電源提供連續功率，該電源被連接到處理腔室中的微波電漿源和虛擬負載，該連續功率分成具有第一時間和第二時間的脈衝，該第一時間和第二時間限定了脈衝的佔空比。連續功率在第一時間期間被引導到微波電漿源，並且連續功率在第二時間期間被引導到虛擬負載。

Description

電漿增強處理中的RF功率源操作
本揭示的實施例大致上涉及用於電漿增強基板處理的設備。更特別地，本揭示的實施例涉及電漿增強沉積處理中的RF電源的操作。
電漿增強CVD（PECVD）和電漿增強ALD（PEALD）是提供在高的長寬比結構中對膜厚度和保形性進行控制的沉積技術。由於半導體工業中的裝置尺寸的不斷減小，因此使用PECVD和PEALD的興趣和應用增加。在某些情況下，只有電漿增強沉積處理才能滿足用於期望的膜厚度和保形性的規格。
半導體裝置的形成通常在包含多個腔室的基板處理平台中進行。在某些情況下，多腔室處理平台或群集工具的目的是在受控環境中依序在基板上執行兩個或兩個以上的處理。然而，在其他情況下，多腔室處理平台可僅在基板上執行單個處理步驟；額外的腔室旨在使由平台處理基板的速率最大化。在後者情況下，在基板上執行的處理典型是批次處理，其中在給定的腔室中同時處理相對大量的基板，例如25個或50個。批次處理對於太耗時以至於無法以經濟可行的方式在個別基板上執行的處理特別有益，諸如原子層沉積（ALD）處理和一些化學氣相沉積（CVD）處理。
典型地，PECVD和PEALD工具在高達數十MHz的RF/VHF頻帶中使用電容性電漿源。這些電漿具有中等密度並且可以具有相對高的離子能量。相反使用在GHz範圍內的頻率的微波場，在某些共振或波傳播電磁模式下，可產生具有非常高的電荷和自由基密度以及非常低的離子能量的電漿。電漿密度可在1012 /cm3 或更高的範圍內，並且離子能量可低至〜5-10eV。這樣的電漿特徵在半導體裝置的無損壞處理中變得越來越重要。
微波電漿的一個挑戰是由於大量的功率開啟/關閉循環而導致的微波/RF源可靠性問題。典型地，在沉積多層膜時，功率被恆定地保持開啟，以防止過早的電源故障。在處理步驟之間的恆定電漿開啟會導致不期望的介面層形成。為了解決源可靠性問題，目前的源必須每年以數百萬個循環從無功率切換到全處理功率。功率循環會在源中的輸出晶片上引起熱應力，從而降低了源可靠性。
因此，在本領域中需要有藉由電漿增強技術在基板上沉積或形成材料的改進方法。
本揭示的一個或多個實施例涉及一種方法。一種方法包括：從電源提供連續功率，該電源被連接到處理腔室中的微波電漿源和虛擬負載，該連續功率分成具有第一時間和第二時間的脈衝，該第一時間和該第二時間限定了脈衝的佔空比；在第一時間期間將連續功率引導到微波電漿源；及在第二時間期間將連續功率引導到虛擬負載。
本揭示的額外實施例涉及一種沉積膜的方法。在一個或多個實施例中，沉積膜的方法包括：在電漿增強處理期間，將基板表面暴露於含氧前驅體、含氮前驅體、及電漿，該電漿增強處理包括脈衝化含氧前驅體，脈衝化含氮前驅體，並且產生電漿，以在基板上沉積交替的氧化物層和氮化物層，其中在電漿增強處理期間，功率在脈衝化含氧前驅物與脈衝化含氮前驅物之間被轉移到替代負載。
本揭示的進一步實施例涉及電漿增強沉積處理。在一個或多個實施例中，電漿增強沉積處理包括：使基板暴露於含氧前驅體，並且產生電漿，以在基板上沉積氧化物層；將電源轉移到替代負載；及將基板暴露於含氮前驅體，並且產生電漿，以在氧化物層上沉積氮化物層。
在描述本揭示的數個示例性實施例之前，應理解的是，本揭示不限於在以下描述中闡述的構造或處理步驟的細節。本揭示能夠具有其他實施例，並且能夠以各種方式來實踐或實施。
如本說明書和所附申請專利範圍中所使用的，術語「基板」和「晶圓」可互換使用，皆是指處理作用在其上的表面或表面的一部分。本領域具有通常知識者還將理解的是，除非上下文另外明確指示，否則對基板的引用還可以僅指基板的一部分。另外，對沉積在基板上的引用可意味者裸基板和在其上沉積或形成有一個或多個膜或特徵的基板。
如本文所用的「基板」是指在製造期間在其上執行膜處理的基板上形成的任何基板或材料表面。例如，取決於應用，可在其上執行處理的基板表面包括諸如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上的矽（SOI）、碳摻雜的氧化矽、非晶矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石的材料，及任何其他材料，諸如金屬、金屬氮化物、金屬合金及其他導電材料。基板包括但不限於半導體晶圓。可將基板暴露於預處理製程，以拋光、蝕刻、還原、氧化、羥基化、退火、UV固化、電子束固化及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上進行膜處理之外，在本揭示中，還可以在形成於基板上的底層上執行所揭示的任何膜處理步驟(如下文更詳細地揭示的)，並且術語「基板表面」旨在包括如上下文指示的底層。因此，例如，在膜/層或部分膜/層已經沉積在基板表面上的情況下，新沉積的膜/層的暴露表面成為基板表面。
本揭示的實施例涉及藉由電漿增強技術在基板上沉積材料的方法，例如藉由電漿增強原子層沉積(PEALD)處理或電漿增強化學氣相沉積(PECVD)處理。
電漿增強原子層沉積(PEALD)是一種廣泛使用的在基板上沉積薄膜的技術。在PEALD處理的一些示例中，材料可由與熱ALD處理相同的化學前驅體來形成，但是具有較高的沉積速率和較低的溫度。通常，PEALD處理提供了將反應物氣體和反應物電漿依序引入到包含基板的處理腔室中。第一反應物氣體在處理腔室中被脈衝化並且被吸附到基板表面上。此後，反應物電漿被脈衝到處理腔室中，並且與第一反應物氣體反應來形成沉積材料，例如基板上的薄膜。類似於熱ALD處理，可在每種反應物的輸送之間進行吹掃步驟。可使用任何合適的薄膜沉積系統，來實施本文中對PEALD處理的引用描述的實施例。本文所述的任何設備描述都是說明性的，並且不應被詮釋或解釋為限制本文所述的實施例的範疇。
由於成本效率和膜特性的多功能性，電漿增強化學氣相沉積(PECVD)用於沉積薄膜。在PECVD處理中，例如，烴源(諸如在載體氣體中夾帶的氣相烴或液相烴的蒸氣）被引入PECVD腔室中。電漿引發的氣體（典型為氦氣）也被引入腔室中。然後在腔室中引發電漿，以產生激發的CH自由基。激發的CH自由基被化學鍵合到位於腔室中的基板的表面，在其上形成期望的膜。可使用任何合適的薄膜沉積系統，來實施本文中對PECVD處理的引用描述的實施例。本文所述的任何設備描述都是說明性的，並且不應被詮釋或解釋為限制本文所述的實施例的範疇。
習知地，使用射頻（RF）供電的電漿源，來產生電漿。在典型的射頻供電的電漿源中，交流電（AC）進行整流和切換，以向RF放大器提供電流。RF放大器以參考頻率（例如13.56 MHz）來操作，驅動電流通過輸出匹配網路，並且然後通過功率測量電路到達電源的輸出。通常將輸出匹配設計為連接到產生器，該產生器被優化以驅動特定的阻抗（例如50歐姆），以便具有與工業中常用的同軸電纜相同的特徵阻抗。功率流過匹配的電纜部分，由匹配控制器來測量，並且通過負載匹配來轉換。負載匹配通常是電動自動調諧器，因此負載匹配操作會在系統適當地配置之前產生預定的時間延遲。在通過負載匹配後，功率隨後被引導到電漿激發電路中，該電漿激發電路驅動在真空的處理腔室中的兩個電極。處理氣體被引入抽真空的處理腔室中，並且當由電路驅動時，產生電漿。由於匹配網路或負載匹配是電動的，因此來自匹配網路的響應時間典型約為一秒或更長時間。
PEALD和PECVD工具在高達數十MHz的RF/VHF頻帶中使用電容性電漿源。這些電漿具有中等密度，並且可具有相對較高的離子能量。微波電漿系統使用微波，來在半導體處理期間產生和維持電漿。最常用的電漿系統使用13.56 MHz的射頻（RF）進行激發。然而，微波系統通常在2.450 GHz處被激發。早期的微波電漿系統遭受頻率和功率不穩定性的困擾，使得系統在生產期間難以激發且均勻性差。因為與13.56 MHz的RF電漿系統相比，基於微波的系統產生高得多的自由基密度，所以基於微波的系統已用於半導體工業。
在多層膜的形成/沉積中，電源被恆定地保持開啟，以防止過早的電源故障。然而，在處理步驟之間的恆定電漿開啟會導致形成不期望的介面層，特別是在形成氧化物/氮化物（ON）堆疊的情況下。為了解決源可靠性問題，電漿源必須每年以數百萬個循環從無功率切換到全處理（即關閉/開啟）功率。大量的功率循環會在輸出晶片上引起熱應力，從而降低了源可靠性。
因此，一個或多個實施例有利地提供了一種藉由將微波RF功率轉移到替代負載來防止在氧化物/氮化物（ON）堆疊中的氮化物和氧化物層之間形成不期望的介面層的方法。如本文中所使用的，術語「替代負載」是指虛擬負載或以與原始處理腔室偏移的時間進行操作的其他處理腔室。
一個或多個實施例的方法允許電源在不改變操作方式的情況下產生連續的功率，同時中斷處理腔室中的實際處理功率，以防止在基板上的氧化物層和氮化物層之間形成不期望的介面。在一個或多個實施例中，由於提供了大量的功率開啟/關閉循環，因此消除了微波/RF源可靠性問題。
圖1示出了根據一個或多個實施例的方法100的處理流程圖。在操作10，在基板上沉積氧化物層。在操作20，功率被轉移到替代負載。在操作30，在氧化物層上沉積氮化物層。在決定點40，確定是否已經達到氧化物/氮化物堆疊的期望的厚度。如果已經達到了期望的厚度，則在操作50提供堆疊以供進一步處理。如果尚未達到期望的厚度，則處理返回60到操作10，在操作10沉積氧化物。如本領域具有通常知識者所認識的，形成氧化物/氮化物（ON）堆疊包括形成交替的氧化物層和氮化物層。本領域具有通常知識者會理解到，分層的順序取決於許多因素，並且處理流程並不意味著是限制性的。換句話說，操作10可從氮化物層的沉積開始，並且操作30可包括在氮化物層上沉積氧化物層。
圖2示出了處理工具200的實施例，其中電源206被連接到電漿源204（例如微波電漿源）和替代負載208（例如虛擬負載）。在一個或多個實施例中，電源206在處理腔室202中提供連續功率。在一個或多個實施例中，連續功率分成具有第一時間和第二時間的脈衝，該第一時間和第二時間限定了脈衝的佔空比。在一個或多個實施例中，連續功率在第一時間期間被引導到電漿源204，並且連續功率在第二時間期間被引導到替代負載208。
在一個或多個實施例中，電源206連續地開啟，而電漿並沒有，這是因為功率被轉移到替代負載而引起電漿的佔空比。電漿的循環可在任何時間範圍內發生。例如，在循環重複之前，電漿可開啟一秒鐘且關閉一秒鐘，或者在循環重複之前，電漿可開啟50ms且關閉50ms。
類似地，電漿循環的活動(第一時間)期和非活動(第二時間)期可能是不均勻的。例如，電漿可開啟400ms且關閉100ms，反之亦然。電漿在其中處於活動狀態的循環的百分比稱為電漿的佔空比。例如，400ms處於活動狀態(第一時間)，且100ms處於非活動狀態(第二時間)，則佔空比約為80%。
在一些實施例中，佔空比在約5%至約90%的範圍內。在一些實施例中，佔空比小於或等於約90%、小於或等於約80%、小於或等於約70%、小於或等於約60%、小於或等於約50%、小於或等於約40%、小於或等於約30%、小於或等於約25%、小於或等於約20%、小於或等於約15%、或小於或等於約10%。
在一些實施例中，電漿功率在約10W至約1000W的範圍內。在一些實施例中，電漿功率小於或等於約1000W，或小於或等於約500W。
電漿頻率可以是任何合適的頻率。在一些實施例中，電漿的頻率在約200kHz至30mHz的範圍內。在一些實施例中，電漿頻率小於或等於約20MHz、小於或等於約10MHz、小於或等於約5MHz、小於或等於約1000kHz、或小於或等於約500kHz。在一些實施例中，電漿頻率大於或等於約210kHz、大於或等於約250kHz、大於或等於約600kHz、大於或等於約750kHz、大於或等於約1200kHz、大於或等於約2MHz、大於或等於約4MHz、大於或等於約7MHz、大於或等於約12MHz、大於或等於約15MHz、或大於或等於約25MHz。
在一個或多個實施例中，替代負載208包括虛擬負載，並且可以是匹配的終端負載或無功負載(固定的或可動的短路)，或虛擬負載與無功負載的組合。在一些實施例中，虛擬負載是來自電漿源的匹配的終端負載。
在一個或多個實施例中，可提供控制器210並且將其耦合到處理工具200的不同部件以控制其操作。控制器210可以是控制整個處理工具200的單個控制器，或是控制處理工具200的各個部分的多個控制器。例如，處理工具200可包括用於處理腔室202、電漿源204、替代負載208、及電源206中之每一者的分開的控制器。
在一些實施例中，處理腔室202進一步包括連接到電漿源204的控制器210。在一個或多個實施例中，控制器210控制由電漿源204和在處理腔室202內對電漿的點燃。
在一些實施例中，控制器210包括中央處理單元（CPU）212、記憶體214、輸入/輸出（I/O）216及支援電路218。控制器210可直接或經由電腦（或控制器）來控制處理工具200，該電腦（或控制器）與特定處理腔室及/或支援系統部件相關聯。
控制器210可以是可在工業環境中用於控制不同腔室和子處理器的任何形式的通用電腦處理器中的一者。控制器210的記憶體214或電腦可讀取媒體可以是一個或多個易獲得的記憶體，諸如隨機存取記憶體（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、軟碟、硬碟、光儲存器媒體（例如光碟或數位視訊碟）、隨身碟、或任何其他形式的本地端或遠端的數位儲存器。記憶體214可保留可由處理器（CPU 212）操作來控制處理工具200的參數和部件的指令集。
支援電路218被耦合到CPU 212，用於以習知方式支援處理器。這些電路包括快取記憶體、電源、時脈電路、輸入/輸出電路及子系統等。一個或多個處理可作為軟體例程而儲存在記憶體214中，該軟體例程在由處理器執行或調用時將使處理器以本文所述的方式控制處理工具200或個別處理腔室的操作。軟體例程亦可由遠離由CPU 212控制的硬體而定位的第二CPU（未示出）來儲存及/或執行。
本揭示的一些或全部處理和方法亦可在硬體中執行。因此，處理可以用軟體來實現並且可使用電腦系統來執行、可以用硬體作為例如特定應用積體電路或其他類型的硬體來實現、或者可以用軟體和硬體的組合來實現。當由處理器執行時，軟體例程將通用電腦轉換為控制腔室操作以執行處理的專用電腦（控制器）。
在一些實施例中，控制器210具有一個或多個配置，用以執行個別的處理或子處理以執行方法。控制器210可被連接到並且被配置成操作中間部件，以執行方法的功能。例如，控制器210可被連接到並且被配置程控制電漿源、電源、替代負載、或其他部件中的一者或多者。
在整個說明書中，對「一個實施例」、「某些實施例」、「一個或多個實施例」或「實施例」的引用是指結合實施例描述的特定特徵、結構、材料或特性被包括在本揭示的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中各處出現的短語諸如「在一個或多個實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在實施例中」不一定是指本揭示的相同實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以任何合適的方式來組合特定特徵、結構、材料或特性。
儘管已經引用特定實施例描述了本揭示，但是本領域具有通常知識者將理解的是，所述的實施例僅是本揭示的原理和應用的說明。對於本領域具有通常知識者將顯而易見的是，在不脫離本揭示的精神和範疇的情況下，可對本揭示的方法和設備進行不同修改和變化。因此，本揭示可包括在所附申請專利範圍和其均等物的範疇內的修改和變化。
10:操作 20:操作 30:操作 40:決定點 50:操作 60:返回 100:方法 200:處理工具 202:處理腔室 204:電漿源 206:電源 208:替代負載 210:控制器 212:中央處理單元（CPU） 214:記憶體 216:輸入/輸出（I/O） 218:電路
因此，可詳細地理解本揭示的上述特徵的方式，可藉由引用實施例來對上文簡要概述的本揭示進行更具體的描述，其中一些實施例在附圖中示出。然而，應注意的是，附圖僅示出了本揭示的典型實施例，並且因此不應被認為是對其範疇的限制，因為本揭示可允許其他等效的實施例。
圖1示出了根據一個或多個實施例的方法的處理流程圖；及
圖2示出了根據一個或多個實施例的處理工具的示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:操作
20:操作
30:操作
40:決定點
50:操作
60:返回
100:方法

Claims (17)

  1. 一種使用一電漿增強處理沉積一膜的方法，該方法包括以下步驟：從連續開啟的一電源提供連續功率，該電源被連接到一處理腔室中的一微波電漿源和一虛擬負載，該連續功率分成具有一第一時間和一第二時間的脈衝，該第一時間和該第二時間限定了一脈衝的一佔空比；在該第一時間期間將該連續功率引導到該微波電漿源；及在該第二時間期間將該連續功率引導到該虛擬負載。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括以下步驟：在該第一時間期間在該微波電漿源中點燃一電漿。
  3. 如請求項2所述之方法，其中在該第一時間期間在一基板上沉積一氧化物層。
  4. 如請求項3所述之方法，進一步包括以下步驟：重複該佔空比。
  5. 如請求項4所述之方法，其中在該第一時間期間在該氧化物層上沉積一氮化物層。
  6. 一種沉積一膜的方法，該方法包括以下步驟：在一電漿增強處理期間，將一基板表面暴露於一含氧前驅體、一含氮前驅體、及一電漿，該電漿增強處理包括脈衝化該含氧前驅體，脈衝化該含氮前驅體，並且產生該電漿，以在該基板上沉積交替的一氧化物層和一氮 化物層，其中在該電漿增強處理期間，連續功率由連續開啟的一電源提供，該電源連接到一微波電漿源和一替代負載，且該連續功率在脈衝化該含氧前驅物與脈衝化該含氮前驅物之間被轉移到一替代負載。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該連續功率被分成具有一第一時間和一第二時間的脈衝，該第一時間和該第二時間限定了一脈衝的一佔空比。
  8. 如請求項7所述之方法，其中在該第一時間期間，該連續功率被引導到該微波電漿源。
  9. 如請求項8所述之方法，其中在該第二時間期間，該連續功率被引導到該替代負載。
  10. 如請求項8所述之方法，進一步包括以下步驟：在該第一時間期間點燃一電漿，以沉積該氧化物層或該氮化物層中的一者或多者。
  11. 如請求項6所述之方法，其中該電漿包括氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氫氣(H2)，氧氣(O2)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)中的一者或多者。
  12. 一種用於一電漿增強沉積的方法，該方法包括以下步驟：使一基板暴露於一含氧前驅體，並且產生一電漿，以在該基板上沉積一氧化物層；將連接到一處理腔室中的一微波電漿源和一替代負載的一電源轉移，該電源連續開啟並向該替代負載提供連 續功率；及將該基板暴露於一含氮前驅體，並且產生電漿，以在該氧化物層上沉積一氮化物層。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該連續功率被分成具有一第一時間和一第二時間的脈衝，該第一時間和該第二時間限定了一脈衝的一佔空比。
  14. 如請求項13所述之方法，其中在該第一時間期間，該連續功率被引導到該微波電漿源。
  15. 如請求項14所述之方法，其中在該第二時間期間，該連續功率被轉移到該替代負載。
  16. 如請求項15所述之方法，進一步包括以下步驟：在該第一時間期間點燃一電漿，以沉積該氧化物層或該氮化物層中的一者或多者。
  17. 如請求項12所述之方法，其中該電漿包括氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氫氣(H2)，氧氣(O2)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)中的一者或多者。
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