非對(duì)稱功率偏置對(duì)關(guān)鍵等離子體半導(dǎo)體工藝

葉戈?duì)枴·薩莫伊連科 , 博士, 高級(jí)工程師, 先進(jìn)能源工業(yè)公司, 科羅拉多州弗萊森斯

托馬斯·G·詹金斯 , 博士, 高級(jí)科學(xué)家, Tech-X 公司, 科羅拉多州博爾德

丹尼斯·M·肖 , 博士, 技術(shù)院士, 先進(jìn)能源工業(yè)公司, 科羅拉多州弗萊森斯

半導(dǎo)體芯片制造中的許多關(guān)鍵步驟使用電離氣體（等離子體）來(lái)構(gòu)建構(gòu)成微電子電路的復(fù)雜電路層。等離子體既用于添加材料（“沉積”）也用于去除材料（“蝕刻”）。所需結(jié)果取決于所使用的氣體，但大多數(shù)等離子體設(shè)備配置為施加電力以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)：等離子體化學(xué)控制和對(duì)晶圓表面的離子轟擊。

提供幾百 kHz 到幾十 MHz 范圍內(nèi)正弦波形的射頻（RF）電源傳統(tǒng)上被用來(lái)控制兩個(gè)目標(biāo)。雖然正弦波形并不是為了優(yōu)化工程師試圖優(yōu)化的各種等離子體參數(shù)而特別開(kāi)發(fā)的，但它們足以適用于廣泛的等離子體蝕刻和沉積工藝，并且歷史上一直支持著摩爾定律的擴(kuò)展。

隨著半導(dǎo)體行業(yè)向越來(lái)越小的尺寸發(fā)展，現(xiàn)在接近原子尺度，并且使用更多材料的更復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，工程師們正接近傳統(tǒng)等離子體處理能力的極限。 圖 1 對(duì)微電子制造的宏觀趨勢(shì)以及相應(yīng)技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了分類。

圖 1. 微電子制造的趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。

要形成半導(dǎo)體器件電路層，在等離子體輔助工藝中需要精確控制離子到達(dá)晶圓表面的情況。傳統(tǒng)的正弦波形功率會(huì)產(chǎn)生撞擊晶圓表面的離子寬能量分布。這是一個(gè)正弦波形技術(shù)的例子，它最初是為其他應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，為晶圓處理提供了“足夠好”的結(jié)果。

在過(guò)去十年中，Advanced Energy 開(kāi)創(chuàng)了一種不同的方法來(lái)選擇施加到等離子體離子以到達(dá)晶圓表面的波形。而不是繼續(xù)優(yōu)化越來(lái)越受影響的正弦射頻頻率解決方案以實(shí)現(xiàn)所需的離子能量控制，工程師們采用了一種基于第一原理的方法來(lái)確定哪種波形能夠產(chǎn)生精確的離子能量分布，以實(shí)現(xiàn) 最佳 刻蝕結(jié)果。他們繼續(xù)詢問(wèn)如何在整個(gè)等離子體處理設(shè)備遇到的寬泛的等離子體條件下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。回答這些問(wèn)題導(dǎo)致了一種獨(dú)特的非對(duì)稱波形 [2] 的設(shè)計(jì)，旨在為等離子體工藝工程師提供“旋鈕”來(lái)直接控制離子能量分布 (IED)。這項(xiàng)技術(shù)被整合到 eVoS? 偏置電源平臺(tái)中，該平臺(tái)提供對(duì)晶圓表面電壓和離子能量分布的直接控制。

從原子層刻蝕和沉積到高縱橫比特征，精確的離子能量控制使新一代的等離子體工藝成為可能。

RF 偏置是如何工作的？

等離子體加工工具通常配置有兩個(gè)或多個(gè)電源，如圖<強(qiáng) id=0>圖 2 所示。等離子體在稱為等離子體腔室的反應(yīng)器中產(chǎn)生，該反應(yīng)器能夠抽真空（亞大氣壓）并填充用于產(chǎn)生等離子體的各種氣體。

圖2。典型等離子體加工腔室的簡(jiǎn)單示意圖。源功率和偏置功率可以合并并通過(guò)晶圓支架（左側(cè)）饋送到等離子體，或者通過(guò)源功率和偏置功率饋送到等離子體腔室（右側(cè)）。

一個(gè)電源，通常稱為“源功率”，用于點(diǎn)燃和維持等離子體。該電源產(chǎn)生化學(xué)活性氣體種類和電性帶電種類（電子和離子），這些構(gòu)成了加工等離子體的主體。另一個(gè)電源（或多個(gè)電源）用于將電能施加到工件上，在半導(dǎo)體制造行業(yè)中，工件通常是硅晶圓。該電源的任務(wù)是控制離開(kāi)等離子體并撞擊晶圓表面的正電離子的能量，通常稱為“偏置功率”。

由于等離子體腔體組件和待加工晶圓都具有電絕緣特性，因此需要交流（AC）電源，通常在 100 kHz 至 10 MHz 的射頻范圍內(nèi)振蕩，以將電能從電源通過(guò)晶圓電極傳遞到等離子體。施加到晶圓電極的電源的主要目的是加速離開(kāi)等離子體的離子，使其到達(dá)晶圓表面以在晶圓表面進(jìn)行工作。施加的偏置功率在等離子體和晶圓電極表面之間形成一個(gè)區(qū)域，稱為鞘層，該鞘層支持一個(gè)電場(chǎng)，將帶電離子加速到晶圓表面。這些離子撞擊晶圓表面時(shí)具有的能量范圍稱為離子能量分布（IED）。當(dāng)交流/射頻電源驅(qū)動(dòng)偏置晶圓電極時(shí)，鞘層之間的電勢(shì)在施加的頻率下隨時(shí)間振蕩。因此，離子穿過(guò)鞘層時(shí)獲得的能量取決于離子進(jìn)入鞘層時(shí)鞘層的電勢(shì)。 一個(gè)交流波形在“頂部”和“底部”停留的時(shí)間比它在“頂部”和“底部”之間轉(zhuǎn)換時(shí)的時(shí)間更長(zhǎng)。