非對稱功率偏置對關鍵等離子體半導體工藝

葉戈爾·Y·薩莫伊連科 , 博士, 高級工程師, 先進能源工業公司, 科羅拉多州弗萊森斯

托馬斯·G·詹金斯 , 博士, 高級科學家, Tech-X 公司, 科羅拉多州博爾德

丹尼斯·M·肖 , 博士, 技術院士, 先進能源工業公司, 科羅拉多州弗萊森斯

半導體芯片制造中的許多關鍵步驟使用電離氣體（等離子體）來構建構成微電子電路的復雜電路層。等離子體既用于添加材料（“沉積”）也用于去除材料（“蝕刻”）。所需結果取決于所使用的氣體，但大多數等離子體設備配置為施加電力以實現兩個關鍵目標：等離子體化學控制和對晶圓表面的離子轟擊。

提供幾百 kHz 到幾十 MHz 范圍內正弦波形的射頻（RF）電源傳統上被用來控制兩個目標。雖然正弦波形并不是為了優化工程師試圖優化的各種等離子體參數而特別開發的，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展。

隨著半導體行業向越來越小的尺寸發展，現在接近原子尺度，并且使用更多材料的更復雜的 3D 結構，工程師們正接近傳統等離子體處理能力的極限。 圖 1 對微電子制造的宏觀趨勢以及相應技術挑戰進行了分類。

圖 1. 微電子制造的趨勢和挑戰。

要形成半導體器件電路層，在等離子體輔助工藝中需要精確控制離子到達晶圓表面的情況。傳統的正弦波形功率會產生撞擊晶圓表面的離子寬能量分布。這是一個正弦波形技術的例子，它最初是為其他應用開發的，為晶圓處理提供了“足夠好”的結果。

在過去十年中，Advanced Energy 開創了一種不同的方法來選擇施加到等離子體離子以到達晶圓表面的波形。而不是繼續優化越來越受影響的正弦射頻頻率解決方案以實現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確定哪種波形能夠產生精確的離子能量分布，以實現 最佳 刻蝕結果。他們繼續詢問如何在整個等離子體處理設備遇到的寬泛的等離子體條件下實現這一點?；卮疬@些問題導致了一種獨特的非對稱波形 [2] 的設計，旨在為等離子體工藝工程師提供“旋鈕”來直接控制離子能量分布 (IED)。這項技術被整合到 eVoS? 偏置電源平臺中，該平臺提供對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或多個電源，如圖<強 id=0>圖 2 所示。等離子體在稱為等離子體腔室的反應器中產生，該反應器能夠抽真空（亞大氣壓）并填充用于產生等離子體的各種氣體。

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

一個電源，通常稱為“源功率”，用于點燃和維持等離子體。該電源產生化學活性氣體種類和電性帶電種類（電子和離子），這些構成了加工等離子體的主體。另一個電源（或多個電源）用于將電能施加到工件上，在半導體制造行業中，工件通常是硅晶圓。該電源的任務是控制離開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 的射頻范圍內振蕩，以將電能從電源通過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等離子體的離子，使其到達晶圓表面以在晶圓表面進行工作。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區域，稱為鞘層，該鞘層支持一個電場，將帶電離子加速到晶圓表面。這些離子撞擊晶圓表面時具有的能量范圍稱為離子能量分布（IED）。當交流/射頻電源驅動偏置晶圓電極時，鞘層之間的電勢在施加的頻率下隨時間振蕩。因此，離子穿過鞘層時獲得的能量取決于離子進入鞘層時鞘層的電勢。 一個交流波形在“頂部”和“底部”停留的時間比它在“頂部”和“底部”之間轉換時的時間更長。