專利名稱：用脈沖等離子體進(jìn)行的原子層蝕刻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及納米構(gòu)造工藝。更具體地講，本公開涉及新的以原子層精度蝕刻固體表面的循環(huán)工藝。
背景技術(shù)：
原子層沉積(ALD)是一種納米制造工藝，其已經(jīng)變成生長高介電常數(shù)材料的重要方法，高介電常數(shù)材料也被稱作“高k材料”，用于取代二氧化硅(Si02)作為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)中的柵電介質(zhì)。也被稱作“數(shù)字蝕刻”的原子層蝕刻(ALET)已經(jīng)發(fā)展為ALD的替代工藝。最初報(bào)道的ALET是用交替的氯氣(Cl2)吸附和電子束蝕刻進(jìn)行的砷化鎵(GaAs)蝕刻。隨著這些技術(shù)的發(fā)展，另外的研究發(fā)掘了離子轟擊引發(fā)硅的ALET的可能性，但是即使是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下，每個(gè)蝕刻周期所必需的時(shí)間段也超過可容許的限制。傳統(tǒng)的原子層蝕刻(ALET)方法的一個(gè)完整周期由四個(gè)步驟組成。第一個(gè)步驟是化學(xué)吸附步驟，包括將清潔的襯底暴露于反應(yīng)物氣體，以促進(jìn)在表面上吸附氣體。第二個(gè)步驟是，用惰性氣體流清除過量的Cl2氣，以避免氣相反應(yīng)物在隨后的步驟中產(chǎn)生蝕刻。第三個(gè)步驟是，通常借助惰性氣體的等離子體在所吸附的氣體和下面的固體反應(yīng)物之間引起諸如化學(xué)濺射之類的反應(yīng)步驟。理想上，這個(gè)過程也是自限性的；離子僅與結(jié)合到被化學(xué)吸附的氣體的襯底原子反應(yīng)。在去除了氯化層之后，不能夠出現(xiàn)由于襯底的物理濺射導(dǎo)致的進(jìn)一步蝕刻，或者這種蝕刻是受到足夠限制的。最后，通過排空反應(yīng)室來耗盡蝕刻產(chǎn)物。如果第一個(gè)步驟中的化學(xué)吸附和第三步驟蝕刻的時(shí)間段是非常長的時(shí)期，則蝕刻速率接近于每個(gè)周期一個(gè)原子層，其中，原子層厚度就是氯化層的厚度，但是不一定是襯底的一個(gè)單層。另外，如果在重復(fù)的ALET周期期間,襯底表面保持接近于原子的(nearly-atomically)光滑，則可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)周期去除基本上一個(gè)單層的理想條件。然而，用傳統(tǒng)ALET工藝來去除襯底，以實(shí)現(xiàn)接近于原子單層需要非常長的蝕刻周期，接近并超過每周期150秒。另外，傳統(tǒng)ALET工藝包括另外的限制。首先，氣體的脈動(dòng)是不利的，諸如Cl2之類的化學(xué)吸附氣體在室壁上長時(shí)間停留并且在惰性氣體等離子體被燃燒之前需要很長的泵吸時(shí)間這一事實(shí)使這種不利性加重。這使得蝕刻速率非常低，即使是針對蝕刻非常薄的膜所需的時(shí)間。再者，每個(gè)周期的蝕刻速率可能不一定是恒定的或可控的。具體來講，由離子轟擊造成的粗糙性可以造成飽和層厚度隨著周期數(shù)量的增加而增加，并且蝕刻速率隨著每個(gè)周期數(shù)增加而提高。
摩爾定律和半導(dǎo)體的持續(xù)發(fā)展預(yù)測今后的集成電路中的器件將和原子層厚度一樣小，并且其小于幾個(gè)原子層寬。目前的等離子體蝕刻工藝太過粗糙，以致不能實(shí)現(xiàn)這種精細(xì)的圖案轉(zhuǎn)印，并且可能損壞襯底下面的層。具體來講，傳統(tǒng)的等離子體蝕刻技術(shù)的控制水平達(dá)不到將亞20nm結(jié)構(gòu)精確圖案化所需的水平，并且對于今后集成電路的大量制造而言，當(dāng)前用脈沖氣體進(jìn)行的原子層蝕刻太慢，以致不能實(shí)際應(yīng)用。另外，當(dāng)前技術(shù)需要過量的前體(precursor)原材料,如,氯氣,這代表有可能要找到更有效的工藝來降低成本。因此，如果原子層蝕刻要克服蝕刻周期時(shí)間長、襯底受損、分辨率差、操作效率不高的這些問題，則需要一種新的方法，從而能夠在成本效益提高的情況下，使用等離子體蝕刻以原子層分辨率來制造包含量子點(diǎn)和/或線、自組裝膜和其它敏感組件的未來的納米器件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的一種系統(tǒng)包括脈沖等離子體源和反應(yīng)室。所述反應(yīng)室包括螺旋線圈電極，其圍繞管設(shè)置；法拉第屏蔽，其設(shè)置在所述管和所述螺旋線圈電極之 間，并且被流體流冷卻；對向電極，其設(shè)置在所述管的頂部并且至少部分延伸到所述管中；氣體入口，其設(shè)置在所述管中并且與工藝氣體源流體連通；以及反應(yīng)室，所述反應(yīng)室與所述脈沖等離子體源流體連通，包括襯底支撐件；以及邊界電極。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的一種蝕刻襯底的方法，包括將原料氣引入等離子體室，所述原料氣包括惰性氣體和反應(yīng)物氣體的混合物；將所述襯底設(shè)置在所述等離子體室中；由所述原料氣產(chǎn)生等離子體，所述等離子體含有反應(yīng)物和離子；利用所述反應(yīng)物使得襯底表面達(dá)到飽和，以形成產(chǎn)物層，所述產(chǎn)物層包括所述反應(yīng)物物質(zhì)的單層和所述襯底的第一單層原子；以及通過將所述產(chǎn)物層暴露于所述離子，以去除所述產(chǎn)物層。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的一種處理襯底的方法，包括將來自等離子體余輝中的離子導(dǎo)向其中利用第一物質(zhì)來飽和的襯底表面。并且，在某些實(shí)施例中，用所述離子去除所述第一物質(zhì)和襯底原子的單層。為了可以更好地理解隨后對本發(fā)明的詳細(xì)描述，以上已經(jīng)相當(dāng)廣義地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)勢。下文中，將描述形成本發(fā)明權(quán)利要求書的主題的本發(fā)明另外的特征和優(yōu)勢。


為了詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，現(xiàn)在將參照附圖，在附圖中圖I示出傳統(tǒng)的原子層蝕刻(ALET)工藝。圖2示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的示例性ALET工藝。圖3不出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的不例性ALET系統(tǒng)。圖4示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)示例性ALET工藝。圖5示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)示例性ALET工藝。圖6不出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)不例性ALET系統(tǒng)。圖7示出在脈沖等離子體的余輝中，通過向邊界電極施加30V、50V、70V和100V的DC電壓而得到的測得的離子能量分布(IED)。
圖8示出在脈沖等離子體的余輝時(shí)間段中，通過向邊界電極施加30V、50V、70V和100V的DC電壓而得到的模擬的離子能量分布(IED)。圖9示出關(guān)聯(lián)于沿著放電管軸的垂直位置的離子和電子密度。圖10示出在激光誘導(dǎo)的熱沉積之后，Si襯底上方模擬的SiCl和SiBr激光誘導(dǎo)的突光。圖11示出針對邊界電極處連續(xù)施加的不同DC偏壓在固定壓力下的IED。圖12示出針對不同壓力的電子溫度的分辨LangmuiH朗謬爾)探針測量。圖13示出在邊界電極上連續(xù)施加DC偏壓的情況下的規(guī)范化IED。圖14示出在處于脈沖等離子體狀況時(shí)不同壓力下的IED。
圖15示出在脈沖等離子體的余輝期間的不同時(shí)間的具有同步DC偏壓邊界電極脈沖的IED，其中，(a)是在余輝前期開始施加偏壓的曲線圖，并且(b)是在余輝后期開始施加偏壓的曲線圖。圖16示出在脈沖等離子體的余輝期間的相同時(shí)間的具有同步DC偏壓邊界電極脈沖的IED的曲線圖，其中，(a)是偏壓持續(xù)時(shí)間Atb = 50微秒時(shí)的曲線圖，并且(b)是偏壓持續(xù)時(shí)間Atb = 15微秒時(shí)的曲線圖。圖17示出在不同等離子調(diào)制頻率下的脈沖等離子體的余輝期間，具有同步DC偏壓的IED的曲線圖，其中，(a)是偏壓持續(xù)時(shí)間Atb = 50ys時(shí)的曲線圖并且(b)是具有FffHM的規(guī)范化IED的曲線圖。圖18示出針對不同的占空比在脈沖等離子體的余輝期間，具有同步DC偏壓邊界電極脈沖的IED的曲線圖。
具體實(shí)施例方式傳統(tǒng)原子層蝕刻如圖I中所示，傳統(tǒng)原子層蝕刻(ALET)工藝可以包括四個(gè)階段將諸如硅(Si)之類的襯底暴露于反應(yīng)物氣體，如，氯(Cl);從反應(yīng)室中清除多余的反應(yīng)物氣體；將所吸附的反應(yīng)物氣體暴露于諸如等離子體的能量通量中；并且耗盡反應(yīng)室中的蝕刻產(chǎn)物，如，氯化硅基團(tuán)(SiClx)，其中，X介于大約O和大約4之間。第一步驟包括化學(xué)吸附步驟(I)。將通常包含硅的清潔襯底暴露于反應(yīng)物氣體，如，氯氣(Cl2)。由于當(dāng)所有可用的表面位置都已被占用時(shí)化學(xué)吸附過程停止，所以反應(yīng)物氣體吸附是自限性的。反應(yīng)物氣體流只在這個(gè)化學(xué)吸附步驟期間是激活的。第二步驟(2)必須去除襯底或襯底表面附近可能存在的多余的反應(yīng)物氣體，防止其臨時(shí)沉積在室壁上。更具體來講，清除多余的反應(yīng)物氣體(Cl2)可以避免在隨后的蝕刻步驟(3)中從室壁釋放出氣相的反應(yīng)物而造成的自發(fā)蝕刻。由多余的或逗留的反應(yīng)物氣體造成的自發(fā)蝕刻消除了單層精度的可能性。在第三步驟(3)中，將襯底表面暴露于諸如，離子、電子或快中性粒子的能量通量中，通常借助惰性氣體等離子體(如，電感耦合等離子體(ICP))來引發(fā)所吸附氣體和下面的固體之間的反應(yīng))。因?yàn)殡x子只與結(jié)合到化學(xué)吸附氣體的襯底原子反應(yīng)，所以反應(yīng)或化學(xué)濺射也是自限性的。在去除了化學(xué)吸附層之后，不需要對襯底進(jìn)行額外蝕刻來保持大致單個(gè)原子層蝕刻分辨率。最后，排空反應(yīng)室，以去除可能存在的蝕刻產(chǎn)物和任何襯底-反應(yīng)物氣體基團(tuán)。注意的是，這種傳統(tǒng)的ALET工藝需要非常長的蝕刻周期，即，例如每周期大約150秒。另外，通過延長化學(xué)吸附(I)和蝕刻(3)的時(shí)間段，蝕刻速率接近每周期一個(gè)原子層，但是代價(jià)是周期時(shí)間延長并且處理效率降低。如果在重復(fù)的ALET周期期間襯底表面保持原子般光滑或接近于原子的光滑，則可以實(shí)現(xiàn)每周期去除襯底的基本上一個(gè)單層的理想條件。然而，如果工藝過度延時(shí)，則原子層厚度就是氯化層的厚度，而并不一定是襯底的一個(gè)單層的厚度，由此ALET的目標(biāo)至少部分失敗。新ALET的概述在本公開中，公開了 ALET工藝的技術(shù)和系統(tǒng)的幾個(gè)示例性實(shí)施例。為了清晰和簡便起見，本公開的重點(diǎn)放在一個(gè)或多個(gè)特定的示例性系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)特定的專用技術(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些實(shí)施例只是示例性的。本公開的范圍不受本文描述的特定實(shí)施例限制。事實(shí)上，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，除了本文描述的實(shí)施例之外的本公開的其它各種實(shí)施例和本公開的修改形式將是顯而易見的。新ALET工藝的系統(tǒng)和方法可以是基于脈沖等離子體和脈沖電極偏壓的工藝。在實(shí)施例中，系統(tǒng)可以包括等離子體源，如，ICP源、電容耦合等離子體(CCP)源、或螺旋波(helicon)源。在某些實(shí)施例中，等離子體源是ICP源?？梢栽谶B續(xù)或脈沖電流下，以DC或射頻(RF)功率設(shè)置等離子體源。在一些實(shí)施例中，將至少一個(gè)電極設(shè)置在襯底附近或者將 其浸沒在等離子體中。在一些情形下，ICP脈沖系統(tǒng)具有至少一個(gè)產(chǎn)生快速RF等離子體脈沖的射頻(RF)功率發(fā)生器。在另外一些情形下，快速ALET系統(tǒng)包括位于反應(yīng)室中用于偏置反應(yīng)室、偏置室壁、和偏置等離子體的電極。在替代構(gòu)造中，等離子體脈沖系統(tǒng)包括次要或輔助的等離子體源，用于輔助產(chǎn)生脈沖期間ICP的穩(wěn)定。另外，新ALET工藝提出了可以消除傳統(tǒng)的ALET速率限制步驟(在非限制性的實(shí)例中，產(chǎn)生氣體脈沖)的裝置。在一些實(shí)施例中，新ALET工藝方法可以包括兩個(gè)階段吸附階段和蝕刻階段。在一些情形下，該工藝可以將可切換的電脈沖用于ICP源和位于反應(yīng)室中的電極，以控制化學(xué)吸附和蝕刻的過程。例如，電極可以按與等離子體脈沖同步的方式在等離子體中施加偏壓。通過以差動(dòng)控制等離子體脈沖和電極偏壓，可以允許對襯底上的離子能量分布碰撞進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。在另外的一些情形下，新ALET工藝所使用的工藝數(shù)量減小，并且所使用的反應(yīng)物氣體量減少，這些反應(yīng)物氣體可以被理解為是有毒的并具有腐蝕性。與傳統(tǒng)的蝕刻方法相比，這樣降低了氣體的成本，提高了安全性并且改善了工藝對環(huán)境造成的后果。新ALET工藝參照圖2，示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的ALET工藝200。附圖的頂部示出ALET工藝，而附圖的底部示出工藝參數(shù)。如附圖中所示，ALET工藝包括兩個(gè)階段吸附階段212和蝕刻階段252。在吸附階段212期間，可以將襯底暴露于被吸附物，使得被吸附物可以吸附到襯底表面上。在一些實(shí)施例中，被吸附物可以是反應(yīng)物。在一些情形下，被吸附物可以包括具有未成對電子或自由鍵的游離的反應(yīng)物原子或游離的反應(yīng)物分子。反應(yīng)物可以包括而不限于鹵素，即，氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)或碘(I)。在某些實(shí)施例中，反應(yīng)物可以是源自反應(yīng)物氯氣(Cl2)的游離的氯(Cl)原子。不受理論的限制，技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)至IJ，對于被吸附物，還可以使用其它鹵素、鹵化的物質(zhì)或其它反應(yīng)物。在替代實(shí)施例中，完整的或未游離的反應(yīng)物也可以用作襯底上的被吸附物。另外，技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，術(shù)語“氣體”包括而不限于在室溫下或者在標(biāo)準(zhǔn)的溫度和壓力下成固態(tài)或液態(tài)的物質(zhì)所產(chǎn)生的蒸氣。可以通過產(chǎn)生含有反應(yīng)物的等離子體來得到被吸附物。在某些情形下，惰性氣體連同反應(yīng)物一起被離子化。所得的等離子體可以包含而不限于反應(yīng)物、反應(yīng)物氣體離子、和惰性氣體離子。在實(shí)施例中，使用氬氣(Ar)作為惰性氣體。另外，技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，還可以使用任何惰性氣體物質(zhì)或其它惰性氣體物質(zhì)。在實(shí)施例中，如果反應(yīng)物與惰性氣體一起被離子化，則反應(yīng)物氣體的濃度按體積計(jì)可以在大約O. 01%和大約20%之間；可供選擇地，反應(yīng)物氣體的濃度可以在大約O. 01%和大約15%之間；并且，在某些情形下，反應(yīng)物氣體的濃度按組合氣體的體積計(jì)可以在大約O. 01%和大約10%之間。在某些實(shí)施例中，反應(yīng)物氣體的濃度按體積計(jì)可以小于大約1%。所產(chǎn)生的等離子體可以主要包括而不限于Ar物質(zhì)和一小部分的Cl反應(yīng)物氣體物質(zhì)。在實(shí)施例中，使用等離子體源產(chǎn)生反應(yīng)物。非限制性的示例性等離子體源可以包括電感耦合等離子體(ICP)源、電容耦合等離子體(CCP)源、或螺旋波源。在某些實(shí)施例中，等離子體源是ICP源。在一些情形下，ICP源可以在吸附階段212期間被RF供電。在實(shí)施例中，沒有在整個(gè)吸附階段212中對等離子體源供電。在一些情形下，在吸附階段212的后期，施加到等離子體源的RF功率可能降低。在非限制性實(shí)例中，等離子體源可以是在吸附階段212的前期被RF供電，如圖2中所示。另外，在階段212的后期，可以 向等離子體源施加較低的功率，或者可以關(guān)斷等離子體源以形成余輝?？晒┻x擇地，在整個(gè)吸附階段212中，可以連續(xù)對等離子體源供電。不受理論的限制，可以如上所述地出現(xiàn)吸附過程。具有清潔表面(沒有鈍化層)的襯底可以包括未成對電子或自由鍵。在一些情形下，比如，通過化學(xué)吸附，來自襯底表面附近的等離子體的反應(yīng)物可以隨后與表面的自由鍵不費(fèi)力地結(jié)合，從而形成產(chǎn)物層。在一些情形下，產(chǎn)物層可以包括反應(yīng)物的單層和相聯(lián)結(jié)的襯底原子的單層。在一些情形下，Cl反應(yīng)物被吸附到示例性硅(Si)襯底的表面上，從而形成含有SiClx的產(chǎn)物層。另外，在某些情形下，產(chǎn)物層可以包括反應(yīng)物物質(zhì)Cl原子的單層和Si原子的單層。可以一直進(jìn)行吸附過程，直到襯底表面上的反應(yīng)物飽和為止。不作為限制地，當(dāng)基本上所有可用的襯底表面位置(如，未成對電子或自由鍵)被占用或與反應(yīng)物聯(lián)結(jié)時(shí)，實(shí)現(xiàn)飽和。如技術(shù)人員可能理解的，在某些情形下，襯底表面的一部分沒有被反應(yīng)物覆蓋。例如，襯底表面的一部分可能包含鈍化層，如(但不限于)氧化物層。在非限制性實(shí)例中，鈍化層可能不含有可用的位置，即，可用的未成對電子或自由鍵，從而沒有被反應(yīng)物覆蓋。在某些情形下，襯底表面至少部分被產(chǎn)物層中化學(xué)吸附的反應(yīng)物覆蓋，并且至少部分被鈍化層覆蓋。在實(shí)施例中，在吸附階段212期間，在等離子體中可能存在反應(yīng)物氣體離子和/或惰性氣體離子，使得包括產(chǎn)物層的襯底表面暴露于離子。在一些情形下，可以選擇性控制轟擊襯底的離子的能量，以避免或最低程度地進(jìn)行所需的蝕刻、物理或化學(xué)濺射。例如，Cl離子蝕刻Si所需的能量可以是大約10-25eV，而Ar離子造成濺射的能量可以是大約30-60eV。在某些實(shí)施例中，可以控制吸附階段412期間轟擊襯底的離子的能量，使其為IOeV或更小。例如，可以通過提供等離子體源的靜電屏蔽(例如，法拉第屏蔽)和/或在相對高壓下執(zhí)行工藝來控制離子能量，以最低程度地進(jìn)行所需的蝕刻、物理或化學(xué)濺射。此夕卜，Cl反應(yīng)物原子沒有在室溫下蝕刻P型或適度摻雜η型的Si，從而需要對工藝進(jìn)行熱控制。在實(shí)施例中，在完成吸附階段212之后，可以執(zhí)行蝕刻階段252。在這個(gè)蝕刻階段252期間，離子會(huì)轟擊襯底，以去除產(chǎn)物層。在某些實(shí)施例中，離子包括帶正電的離子或帶負(fù)電的離子。在一些情形下，帶正點(diǎn)的離子用于去除產(chǎn)物層。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，在蝕刻階段252期間轟擊襯底的離子的能量可以優(yōu)選地高于化學(xué)輔助濺射的閾值，而低于物理濺射的閾值。通過控制等離子體和襯底之間的電勢差，可以將具有選定能量的離子導(dǎo)向襯底。為了將正離子導(dǎo)向襯底，通過相對于襯底電勢增大等離子體電勢，通過相對于等離子體減小襯底電勢，或同時(shí)通過這兩種手段，可以增大其間的電勢差。為了引導(dǎo)負(fù)離子，通過相對于襯底電勢減小等離子體電勢，通過相對于等離子體增大襯底電勢，或同時(shí)通過這兩種手段，可以增大其間的電勢差。在蝕刻階段252期間，可以向等離子體和/或襯底施加正或負(fù)的DC或RF偏壓。另外，可以如圖2中所示向等離子體和/或襯底提供連續(xù)的偏壓。可供選擇地，可以如圖4中所示地提供一系 列脈沖偏壓。在某些實(shí)施例中，如圖4中所示，等離子體源在蝕刻階段254期間可以被RF供電。在一些情形下，可以向等離子體源提供脈沖RF功率，其中，每個(gè)RF功率脈沖在上述偏壓脈沖之間提供。例如，可以在蝕刻階段252期間向等離子體源施加一系列脈沖RF功率，并且可以向等離子體和/或襯底施加一系列脈沖DC或RF偏壓。各偏壓脈沖可以在RF功率脈沖之間提供?？晒┻x擇地，偏壓脈沖在大約I μ s和大約20 μ s之間；可供選擇地，在各等離子體源脈沖的余輝中為大約10 μ S。在一些情形下，通過選擇性增加等離子體和襯底之間的電勢差，可以去除這里描述的某些實(shí)施例中的包括氯化產(chǎn)物層的產(chǎn)物層。在這個(gè)過程中，可以同時(shí)從襯底去除與產(chǎn)物相聯(lián)結(jié)的襯底原子的單層。另外，可以重復(fù)進(jìn)行吸附階段212和蝕刻階段252，以一次一層地去除襯底原子額外的那些層。新ALET系統(tǒng)現(xiàn)在參照圖3，示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的示例性ALET系統(tǒng)300。根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的ALET系統(tǒng)300可以包括具有上壁328、下壁330和側(cè)壁332的等離子體室326。ALET系統(tǒng)300還可以包括等離子體源302、插入在等離子體室326和等離子體源302之間的屏蔽304、襯底支撐件306、邊界電極308、對向電極310和入口 312。等離子體源302可以耦合到脈沖系統(tǒng)314。同時(shí)，襯底支撐件306可以連接到支撐系統(tǒng)316。支撐系統(tǒng)316可以是電源，它能夠向襯底支撐件306提供連續(xù)或脈沖DC或RF偏壓?？晒┻x擇地，支撐系統(tǒng)316可以只是地面或者與地面連接的組件。邊界電極308可以連接到第一電壓系統(tǒng)318。對向電極310可以連接到第二電壓系統(tǒng)320。在實(shí)施例中，ALET系統(tǒng)可以額外包括與等離子體室126連接的泵。在ALET系統(tǒng)300的某些構(gòu)造中，可以包括至少一個(gè)冷卻導(dǎo)管336。在其它構(gòu)造中，襯底支撐件306可以包括差動(dòng)抽吸導(dǎo)管334。在替代構(gòu)造中，等離子體室的上壁328可以包括對向電極110和氣體入口 112。在另外的替代構(gòu)造中，系統(tǒng)300還可以包括與等離子體室326連接的輔助等離子體室350。輔助等離子體源352可以設(shè)置在輔助等離子體室350附近。在實(shí)施例中，等離子體源302和輔助等離子體源352可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何類型的等離子體源，包括ICP源、CCP源、螺旋波源和熱源，但不限于此。在某些實(shí)施例中，等離子體源302可以是ICP源302。ICP源302可以是包括平面或螺旋狀線圈的平面或圓柱形ICP源302?？晒┻x擇地，ICP源可以具有其它幾何形狀。等離子體室326和/或輔助室350與等離子體源302和/或輔助等離子體源352相鄰的一部分可以由如(例如)石英或氧化鋁的介電材料制成。例如，等離子體室326和輔助等離子體室352中的至少一部分或者整個(gè)等離子體室326和輔助等離子體室352可以由介電材料制成。在某些情形下，ICP源302包括環(huán)繞氧化鋁設(shè)置的螺旋線圈電極，或其它介電放電管。在另外的情形下，ICP源包括三線圈螺旋電極。屏蔽304可以包括法拉第屏蔽。在實(shí)施例中，法拉第屏蔽包括適于防止與ICP源302產(chǎn)生外部干擾的任何導(dǎo)電材料。在這些情形下，屏蔽304可以含有銅。在某些情形下，屏蔽304可以被構(gòu)造用于防止ICP源302的線圈和其產(chǎn)生的等離子體之間的電容耦合?？晒┻x擇地，屏蔽304被構(gòu)造用于防止從等離子體室326射出任何靜電信號(hào)。襯底支撐件306包括在蝕刻期間用于半導(dǎo)體的支撐件。在實(shí)施例中，襯底支撐件306包括電極。在一些情形下，襯底支撐件306 是接地電極。在某些情形下，襯底支撐件306包括偏置電極，偏置電極被構(gòu)造用于響應(yīng)于RF電磁場或直流(DC)脈沖來產(chǎn)生和保持偏壓。在另外的實(shí)施例中，襯底支撐件306經(jīng)過等離子體室326的底330進(jìn)入等離子體室326。在一些情形下，襯底支撐件306將襯底301支撐在等離子體室326的底330處，或者在其附近。邊界電極308包括位于襯底支撐件306附近的導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施例中，邊界電極306可以在等離子體室326的底330附近圍繞襯底支撐件306同心設(shè)置。在一些情形下，邊界電極308被構(gòu)造用于響應(yīng)于施加到等離子體源350、輔助等離子體源302、和/或?qū)ο螂姌O302的RF或DC信號(hào)來施加偏壓。對向電極310可以包括與襯底支撐件306相對垂直設(shè)置的導(dǎo)電材料。在實(shí)施例中，對向電極310與室326內(nèi)的邊界電極308相對設(shè)置。在一些情形下，響應(yīng)于施加到等離子體源302、輔助等離子體源352和邊界電極308的FR或DC信號(hào)，向?qū)ο螂姌O310施加偏置電壓。在某些情形下，對向電極310所產(chǎn)生的偏壓或脈沖偏壓與邊界電極308的偏壓相反。入口 312包括進(jìn)入室126中的氣體導(dǎo)管。在實(shí)施例中，入口 112靠近室126的頂部，或穿過頂部128或室126。入口 312可以將惰性氣體和反應(yīng)物氣體引入等離子體室326，但不限于此。在一些情形下，入口 312向室326和等離子體源302提供受熱的氣體。在某些情形下，入口 312可以將未離子化的工藝氣體和反應(yīng)物氣體引入室326和等離子體源302?？晒┻x擇地，入口 312與至少一個(gè)輔助等離子體源350連通，用于將至少部分離子化的工藝氣體和反應(yīng)物氣體引入室326和等離子體源302。等離子體源302可以耦合到脈沖系統(tǒng)314。在實(shí)施例中，脈沖系統(tǒng)314包括至少一個(gè)電源，所述電源能夠向等離子體源302提供脈沖或連續(xù)RF和/或DC信號(hào)。在一些情形下，脈沖系統(tǒng)314可以包括至少一個(gè)RF或DC電源和電功率放大器。在一些其它情形下，脈沖系統(tǒng)314可以包括多個(gè)RF或DC電源和功率放大器。脈沖系統(tǒng)314可以通過阻抗匹配(例如，L型)網(wǎng)絡(luò)耦合到等離子體源302。脈沖系統(tǒng)314還可被構(gòu)造用于向等離子體源302提供任何頻率下的電功率。在一些情形下，脈沖系統(tǒng)315被構(gòu)造用于以周期性脈沖從等離子體源302切斷或去除功率。在某些情形下，RF或DC電源可以為等離子體源302提供方波函數(shù)，所述方波以預(yù)定頻率處于O伏和預(yù)定高壓之間。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的，通過用線圈來去除或改變RF電流，去除或增強(qiáng)了等離子體的形成。襯底支撐件306連接到支撐系統(tǒng)316。在實(shí)施例中，支撐系統(tǒng)316具有包括襯底支撐件306的電路。在一些情形下，支撐系統(tǒng)316是接地電極。在某些情形下，支撐系統(tǒng)316包括RF函數(shù)發(fā)生器或DC源。支撐系統(tǒng)316被構(gòu)造用于響應(yīng)于來自RF函數(shù)發(fā)生器或DC源的電脈沖在襯底支撐件106產(chǎn)生偏壓。在某些構(gòu)造中，支撐系統(tǒng)316從脈沖系統(tǒng)314接收RF或DC電流作為襯底支撐件305處的偏壓。另外，襯底支撐件316的偏壓可以是與系統(tǒng)300中的其它電極協(xié)同地脈動(dòng)。
邊界電極308連接到第一電壓系統(tǒng)318。在實(shí)施例中，第一電壓系統(tǒng)318具有包括邊界電極318的電路。在一些情形下，第一電壓系統(tǒng)318是電學(xué)上的地、RF函數(shù)發(fā)生器或DC源。在某些情形下，第一電壓系統(tǒng)318被構(gòu)造用于響應(yīng)于DC源產(chǎn)生邊界電極308處的偏壓。在某些構(gòu)造中，第一電壓系統(tǒng)318從脈沖系統(tǒng)314接收RF或DC電流作為邊界電極308處的偏壓。另外，邊界電極308的偏壓可以與系統(tǒng)300中的其它電極協(xié)同地脈動(dòng)。對向電極310連接到第二電壓系統(tǒng)320。在實(shí)施例中，第一電壓系統(tǒng)318具有包括對向電極310的電路。在一些情形下，第二電壓系統(tǒng)320是電學(xué)上的地、RF函數(shù)發(fā)生器、或DC源。在某些情形下，第二電壓系統(tǒng)320被構(gòu)造用于響應(yīng)于DC源產(chǎn)生對向電極310處的偏壓。在某些構(gòu)造中，第二電壓系統(tǒng)320從脈沖系統(tǒng)314接收RF或DC電流，作為對向電極310處的偏壓。另外，對向電極310的偏壓可以與系統(tǒng)300中的其它電極協(xié)同地脈動(dòng)。氣體入口 312以流體方式連接到氣體源322。在實(shí)施例中，氣體源322包括用于引入到等離子體源302中的工藝氣體和反應(yīng)物氣體的混合物。在一些情形下，工藝氣體包括將被離子化以在等離子體源302處形成等離子體的任何惰性氣體。在某些情形下，工藝氣體包括而不限于惰性氣體、氮?dú)?、氫氣、氧氣、含氧氣體或它們的組合。反應(yīng)物氣體包括在等 離子體源302處部分離子化之后將被襯底301化學(xué)吸附的任何氣體。在某些情形下，反應(yīng)物氣體包括而不限于鹵素、鹵代烴、鹵化物或其它鹵化氣體。在另外一些情形下，工藝氣體和反應(yīng)物氣體可以是適于ALET的任何氣體。在實(shí)施例中，氣體源所包括的工藝氣體的濃度按體積計(jì)大于大約90% ;可供選擇地，按體積計(jì)大于大約95% ;并且在某些情形下，氣體源所具有的工藝氣體的濃度按體積計(jì)大于大約99%。熱導(dǎo)管336被構(gòu)造用于改變系統(tǒng)中氣體的溫度。在實(shí)施例中，冷卻導(dǎo)管可以是與系統(tǒng)100形成熱接觸的任何導(dǎo)管，并且被構(gòu)造用于攜載冷卻液體或氣體。在一些情形下，冷卻導(dǎo)管136與圓柱形壁332和屏蔽304熱連通。在實(shí)施例中，冷卻導(dǎo)管336被設(shè)置成與連接圓柱形壁332和屏蔽304的諸如室下壁330之類的凸緣熱連通。泵324可以是被構(gòu)造用于將反應(yīng)室326中的氣體壓力降低到大約I毫托的任何泵。在實(shí)施例中，泵324被構(gòu)造用于將等離子體室326中的壓力降低并保持到大約I毫托和大約500毫托之間；可供選擇地在大約5毫托和大約250毫托之間；并且可供選擇地，在大約10毫托和大約100毫托之間。在某些情形下，泵324操作在室326中的大約10毫托和大約75毫托之間的壓力。在一些情形下，泵324包括至少一個(gè)真空泵。在實(shí)施例中，泵324包括渦輪真空泵和干燥泵。不受理論的限制，泵324可以被構(gòu)造用于在任何壓力范圍內(nèi)運(yùn)行，以排空室中的離子化氣體、蝕刻產(chǎn)物和其它氣態(tài)污染物。替代的ALET工藝再參照圖4，示出了根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的控制ALET工藝的替代示例性方法。圖4示出(例如)圖3所示的RF/DC功率/電壓信號(hào)施加給ALET系統(tǒng)的各種組件的時(shí)序序列。在實(shí)施例中，這些信號(hào)可以用于控制ALET工藝期間等離子體的物理和化學(xué)過程。簡要參照圖3，如在圖2中的階段202中一樣，在蝕刻階段期間的大致I秒內(nèi)向等離子體源302施加RF功率，以提供反應(yīng)物(例如，Cl原子)，從而形成化學(xué)吸附層。在實(shí)施例中，在整個(gè)吸附階段中，向等離子體源施加RF功率。如本文之前所描述地，在吸附階段的前期，可以向等離子體源施加RF功率，并且在吸附階段的后期，將等離子體源斷電。在某些實(shí)施例中，可以由輔助等離子體室350中產(chǎn)生的低功率輔助等離子體的尾端來點(diǎn)燃等離子體室326中的等離子體。在點(diǎn)燃等離子體期間，離子轟擊能量可能足夠低(< IOeV)，以防止發(fā)生任何蝕刻。在蝕刻階段期間，如在圖2中的階段252中一樣，大致O. 5秒的脈沖ICP時(shí)間段用于去除化學(xué)吸附層(例如，SiClx)。將等離子體源脈動(dòng)為13. 56MHz下施加的RF電壓的方波調(diào)制具有下文描述的眾多益處。首先，在(例如)通常大約100微秒斷電時(shí)間內(nèi)，等離子體密度沒有明顯損失的余輝中，即，在周期的斷電部分中的第一個(gè)幾微秒期間，電子能量分布函數(shù)(EEDF)快速冷卻。所得的較低能量的時(shí)間上求平均的EEDF對原料氣的游離程度提供某種水平的控制。再者，在大約100微秒余輝時(shí)間段的大部分時(shí)間期間，可以為襯底產(chǎn)生單能離子通量，如，最近在實(shí)驗(yàn)室所證實(shí)的。在本實(shí)例中，可以向邊界電極施加正DC電壓的脈沖，從而提高等離子體電勢，并且將正離子推向具有較低電勢的襯底表面。因此，如圖7和圖8中所示，用能量等于VDa的離子轟擊接地的襯底。由于在下面的襯底不發(fā)生物理濺射的情況下，對離子能量分布的控制對于引起化學(xué)吸附鹵化層的化學(xué)濺射起決定性作用，因此得到非常窄的IED(進(jìn)而得到極高的選擇性)的這種方法是實(shí)現(xiàn)具有單層精度的ALET的有效方式。具有同步脈沖-浸沒-電極-偏壓時(shí)間段的這個(gè)脈沖-主要-ICP對于濺射掉鹵化的蝕刻產(chǎn)物層足夠長(例如，0.5秒)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，例如，可以通過襯底支撐件向 襯底施加負(fù)DC或RF電壓。在這個(gè)過程中，可以降低襯底電勢以吸引正離子。純粹的正離子轟擊可以造成正電荷積聚在襯底上。然而，在邊界電壓脈沖返回到0，并且等離子體已有機(jī)會(huì)接近其本身的Vp之后，任何電勢高于地的帶電表面首先將接收超出正離子通量的過量的電子通量，從而使它們的電勢回到浮動(dòng)電勢，其接近地電勢。為了加速正電荷的中和，在連續(xù)波ICP功率接通時(shí)，可以向(例如)對向電極310施加大的負(fù)DC偏壓。這個(gè)負(fù)電壓對Vp可能沒有影響。然而，對向電極310所得的高能量離子轟擊可能產(chǎn)生二次電子，這些二次電子加速到全鞘層電勢(full sheath potential)。這些高能“彈道”電子可能具有低散射截面，并且以幾乎直角的入射角轟擊襯底，從而甚至對高的高寬比絕緣結(jié)構(gòu)的底部的正電荷進(jìn)行補(bǔ)償。彈道電子還可以對體等離子體產(chǎn)生有益影響，如增強(qiáng)等離子體密度并且降低體Te?？晒┻x擇地，對于絕緣襯底，在余輝時(shí)間段中向襯底電極施加同步脈沖RF電壓將會(huì)導(dǎo)致負(fù)的自偏壓，和襯底的能量正離子轟擊。根據(jù)等離子體密度和所施加的頻率，被RF偏置的襯底301上的離子能量的峰值可以出現(xiàn)在平均鞘層電勢或者具有兩個(gè)峰值。所得的離子能量分布通常過寬，以致不能實(shí)現(xiàn)ALET所需的極高的選擇性。應(yīng)用非常高頻率(IOOMHz)的偏置可以使IED變窄，但是IED的寬度取決于離子質(zhì)量，從而使得在混合的氣體等離子體中進(jìn)行IED控制非常困難?？赡芸梢杂谜{(diào)整的偏壓脈沖來得到窄的離子能量分布。對于導(dǎo)電襯底，可以在余輝期間在襯底支撐件電極上直接施加同步脈沖DC負(fù)偏壓，并且與上述邊界電壓的情況中一樣，可以實(shí)現(xiàn)處于任何所需能量下的接近的單能量離子轟擊?，F(xiàn)在參照圖5，示出了 ALET工藝的工藝流程圖。如圖所示，方法500通常包括兩個(gè)階段吸附階段502和蝕刻階段550。如可以理解的，在每個(gè)階段內(nèi)，可以包括一個(gè)或多個(gè)步驟或者分布步驟，通過連續(xù)或同步進(jìn)行這些步驟來完成方法500。換句話講，雖然圖5示出正在被順序執(zhí)行的步驟，但是可以同時(shí)執(zhí)行這些步驟，或者可以同時(shí)執(zhí)行這些步驟中的至少一些部分。如圖5中所示，吸附階段502可以包括襯底定位步驟504、反應(yīng)物形成步驟510、和反應(yīng)物吸附步驟520。同時(shí)，蝕刻階段550可以包括電勢差增加步驟570。如上所述，通過向等離子體或襯底施加RF或DC電壓，可以增加等離子體和襯底之間的電勢差?？蛇x地，蝕刻階段550還可以包括襯底電荷中和步驟552、等離子體脈沖步驟560、和蝕刻產(chǎn)物去除步驟580。如上所述，可以通過偏置對向電極來執(zhí)行電荷中和步驟552。本ALET工藝500會(huì)比傳統(tǒng)ALET工藝快得多。更具體來講，在襯底定位步驟504之后，剩余的吸附步驟520所需的時(shí)間可能在大約O. 01秒和大約10秒之間；可供選擇地，在大約O. I秒和大約5秒之間；并且在實(shí)施例中，在大約O. 5秒和大約I. 5秒之間。另外，蝕刻階段550所需的時(shí)間可能在大約O. 01秒和大約10秒之間；可供選擇地，在大約O. I秒和大約5秒之間；并且在實(shí)施例中，在大約O. 2秒和大約I秒之間。在 蝕刻產(chǎn)物去除步驟580之后，可以完全或部分地重復(fù)這些階段或步驟，直到達(dá)到所需的蝕刻深度為止。在某些情形下，可以同時(shí)地或可供選擇地同步地執(zhí)行電荷中和步驟552、等離子體源脈沖步驟560、和電勢差增加步驟570。更具體來講，吸附階段502可以包括在本發(fā)明所公開的快速ALET工藝中適于將反應(yīng)物吸附到襯底上的那些步驟。本階段中的第一步驟包括將襯底設(shè)置在室中的襯底定位步驟504。在一些實(shí)施例中，襯底安裝在襯底支撐件上。在某些情形下，襯底支撐件可以是電極。當(dāng)將襯底設(shè)置在室中時(shí)，可以減小室中的壓力。在實(shí)施例中，ALET工藝期間的壓力保持在大約I毫托和大約500毫托之間；可供選擇地，在大約5毫托和大約250毫托之間；并且可供選擇地，在大約10毫托和大約100毫托之間。在某些情形下，在襯底定位步驟504期間，壓力保持在大約10毫托和大約75毫托之間，并且在整個(gè)ALET工藝期間保持這個(gè)壓力。在另外一些情形下，可以在整個(gè)新ALET工藝中的任何時(shí)間，改變壓力以提供IED控制。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的，反應(yīng)室中的壓力增大可能與氣體粒子和基團(tuán)的增加有關(guān)。不受理論的限制，壓力增大會(huì)使離子的峰值能量減小并且使IED變寬，反之亦然。在反應(yīng)物形成步驟510中，可以將原料氣引入室中。在一些實(shí)施例中，原料氣可以包括惰性氣體和反應(yīng)物氣體。不受理論的限制，反應(yīng)物氣體可以包括被離子化的活性物質(zhì)。在本實(shí)施例中，反應(yīng)物氣體可以包括Cl2。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，還可以使用其它反應(yīng)物氣體，如，其它含鹵素的氣體。同時(shí),惰性氣體可以包括Ar。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，還可以使用其它惰性氣體。在本實(shí)施例中，惰性氣體按體積計(jì)的濃度可以高于反應(yīng)物氣體。在一些情形下，反應(yīng)物氣體按體積計(jì)的濃度可以在混合氣體的大約O. 01%和大約20%之間；可供選擇地，大約O. 01%和大約15%之間；并且可供選擇地，大約O. 01%和大約10%之間。在替代情形下，反應(yīng)物氣體的濃度按混合氣體的體積計(jì)為大于大約0%且小于大約5 %的任何濃度?？梢杂玫入x子體源將含有反應(yīng)物氣體和惰性氣體的原料氣離子化，以形成含有(除了其它的之外)反應(yīng)物、反應(yīng)物氣體離子、和惰性氣體離子的等離子體。如上所述，可以使用各種類型的等離子體源。在某些實(shí)施例中，可以將原料氣加熱至高于大約200K的溫度；可供選擇地，加熱至高于大約400K的溫度。在某些情形下，氣流經(jīng)受進(jìn)一步的RF電磁場作用。包括物質(zhì)、基團(tuán)、離子、電子和光子的受激態(tài)組合的這種等離子體組分被注入到蝕刻室中。響應(yīng)于室中的電荷偏置，部分離子化的反應(yīng)物氣體被定向拉向襯底或拉離襯底。在反應(yīng)物吸附步驟520中，反應(yīng)物被吸附或化學(xué)吸附到襯底表面上。在實(shí)施例中，室中的電壓偏置可能將離子化的反應(yīng)物氣體吸引到襯底。因?yàn)橐r底用于吸附反應(yīng)物(如，未成對電子或自由鍵)的表面位置的數(shù)量有限，所以反應(yīng)物將持續(xù)吸附到襯底表面上直到吸附階段結(jié)束為止，此時(shí)襯底上所有可用的表面位置或自由鍵都已被反應(yīng)物占用。結(jié)果，可以形成包括反應(yīng)物原子的單層和下面襯底原子的單層的產(chǎn)物層。在反應(yīng)物吸附步驟520中，等離子體和離子保持低能(例如，IOeV或更低)，以避免或最小化反應(yīng)物吸附步驟520期間的蝕刻。在完成吸附步驟502之后，可以執(zhí)行蝕刻步驟550。如上所述，蝕刻階段550可以包括電勢差增加步驟570。在這個(gè)步驟期間，等離子體和襯底之間的電勢差增大，使得來自等離子體的離子會(huì)以所需的能量范圍轟擊襯底。例如，可以選擇離子能量，使其低于物理濺射閾值但是高于化學(xué)輔助濺射的閾值。如上所述，通過向等離子體、襯底或同時(shí)向等離子體和襯底施加DC或RF電壓，可以增大電勢差。另外，所施加的電壓可以是連續(xù)的(如圖2中所示)或者是脈沖的(如圖4中所示)。如果施加的是脈沖電壓，則在電壓脈沖之間可以向等離子體源施加RF脈沖。在一些實(shí)施例中，施加RF脈沖可以包括使等離子體源(例如，ICP源)經(jīng)受周期性方波函數(shù)，在該方波函數(shù)中，方波從O功率延伸到預(yù)定功率。不受理論的限制，預(yù)定的高壓能夠產(chǎn)生具有足以去除產(chǎn)物層的離子能量的離子。在某些情形下，具有這種能量的離子為IED建立離子能量的下限。相反，可以理解的是，預(yù)定的高壓能夠產(chǎn)生具 有不會(huì)損壞襯底的較低離子能量的離子。在某些情形下，具有這種能量的離子為IED建立離子能量的上限。更具體來講，在等離子體脈沖步驟560期間選擇用于ICP等離子體的高壓脈沖，使得IED完全落入這些參數(shù)的范圍。在可選的等離子體脈沖步驟560期間，方波函數(shù)可以在大約I毫秒和大約500毫秒之間脈動(dòng)等離子體；可供選擇地，在大約10毫秒和大約250毫秒之間脈動(dòng)等離子體；并且在某些情形下，等離子體在大約25毫秒和大約100毫秒之間脈動(dòng)等離子體。另外，方波函數(shù)可以在大約10毫秒和大約750毫秒之間將等離子體脈動(dòng)到大約O電壓；可供選擇地，在大約50毫秒和大約500毫秒之間將等離子體脈動(dòng)到大約O電壓；并且可供選擇地，在大約100毫秒和大約250毫秒之間將等離子體脈動(dòng)到大約O電壓。當(dāng)?shù)入x子體脈沖到大約O的功率時(shí)，離子的余輝得以保持。不受理論的限制，所述余輝包含去除產(chǎn)物層所需的IED內(nèi)的尚子。可選地，在可選的電荷中和步驟552中，可以向?qū)ο螂姌O施加負(fù)偏壓。在一些情形下，可以向?qū)ο螂姌O施加負(fù)電壓，以將帶正電的離子吸引到對向電極。帶正電的離子轟擊對向電極會(huì)產(chǎn)生高能的二次電子，這些二次電子會(huì)以幾乎直角的入射角轟擊襯底。另外，二次電子會(huì)增強(qiáng)等離子體密度并且降低體電子溫度I；。在施加到等離子體的脈沖之間，可以向邊界電極施加正電壓脈沖。在某些情形下，方波函數(shù)DC在大約10毫秒和大約750毫秒之間將邊界電極脈動(dòng)成帶正電的電壓偏置；可供選擇地，在大約50毫秒和大約500毫秒之間將邊界電極脈動(dòng)成帶正電的電壓偏置；并且可供選擇地，在大約100毫秒和大約250毫秒之間將邊界電極脈動(dòng)成帶正電的電壓偏置。在一些情形下，只是在沒有高壓等離子體脈沖時(shí)才存在帶正電的電壓偏置?？晒┻x擇地，在蝕刻產(chǎn)物層250的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)都存在帶正電的電壓偏置。在某些情形下，襯底支撐件可以接地，被RF、DC或其組合供電。在實(shí)施例中，可以與邊界電極相稱地脈沖襯底臺(tái)面(stage)。另外，因?yàn)槟承┮r底可能具有不同的導(dǎo)電性，所以通過脈動(dòng)襯底支撐件偏置，得到之前針對系統(tǒng)中的任何電極描述的控制IED的另外的方法。更具體來講，可以向襯底支撐件施加負(fù)DC電壓?？晒┻x擇地，就絕緣襯底而言或在其它選定的條件下，向襯底支撐件施加高頻RF脈沖或調(diào)整的DC脈沖。ALET脈沖如上所述，在蝕刻階段550期間可選的等離子體脈沖能夠控制IED和原料氣的游離。通過在蝕刻階段550期間提供等離子體脈沖，還可以降低撞擊襯底的離子的角度分布。在無碰撞的狀況下，用等式I定義角分布等式IθΙΑΟ K arctan(^re /2F )等式 I對于鞘層電壓，V = Vsh = 50V并且Te = O. 3eV，角分布Θ IAD = 3°。與以高得多的離子能量進(jìn)行的傳統(tǒng)等離子體蝕刻相比，這種小的角分布非常有利于得到穿過多個(gè)原子層的一致的深蝕刻，以及使斜角度碰撞到特征物側(cè)壁的離子能量傳遞最小并且使側(cè)壁受損程度最小。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所有對電荷、離子化、電磁電勢的討論都只是示例性的，并且任何對一個(gè)實(shí)施例中的物質(zhì)狀態(tài)的討論可同樣應(yīng)用于相反的狀態(tài)。更具體來講，雖然一些非限制性實(shí)例描述的是帶負(fù)電的離子和電極之間的關(guān)系，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到帶正電的離子和電極之間的交互作用將滿足類似的特性。雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和教導(dǎo)的情況下對其進(jìn)行修改。本文描述的實(shí)施例只是示例性的，并且不旨在成為限制性的。本文公開的本發(fā)明的許多變形形式和修改形式是可行的并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在明確指出數(shù)值范圍或限制的情況下，這種明確的范圍或限制應(yīng)該被理解成包括落入明確指出的范圍或限制內(nèi)的諸如幅度等的迭代范圍或限制(例如，從大約I到大約10包括2、3、4等；大于O. 10包括O. 11,0. 12,0. 13等)。針對權(quán)利要求的任何元件使用術(shù)語“可選地”旨在表示主題元件是必需的，或者可供選擇地不是必需的。這兩種情況都旨在落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。使用諸如“包括”、“包含”、“具有”等的廣義術(shù)語應(yīng)該被理解成對諸如“由...組成”、“基本由....組成”、“大體由...組成”等之類的狹義術(shù)語提供支撐。因此，保護(hù)范圍不受以上展現(xiàn)的描述限制，而只受隨后的權(quán)利要求書限制，范圍包括權(quán)利要求書的主題的所有等價(jià)物。每個(gè)權(quán)利要求并入說明書中作為本發(fā)明的實(shí)施例。因此，權(quán)利要求書是進(jìn)一步的描述并且是對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的補(bǔ)充。
背景技術(shù)：
部分中對參考文獻(xiàn)的討論并非承認(rèn)參考文獻(xiàn)是本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)，尤其是
公開日可能在本專利申請的優(yōu)先權(quán)日之后的任何參考文獻(xiàn)。本文引用的所有專利、專利申請和公開的公開內(nèi)容以引用方式并入，以使得它們對本文所述的內(nèi)容提供示例性的、程序上或者其它細(xì)節(jié)方面的補(bǔ)充。為了進(jìn)一步示出本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例，提供下面的實(shí)例。實(shí)例實(shí)驗(yàn)裝置圖3和圖6示出本研究中使用的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。用長度為17.8cm、內(nèi)直徑為8. 6cm的氧化鋁管中的3圈螺旋形線圈來點(diǎn)燃電感耦合等離子體(ICP)。用銅法拉第屏蔽防止線圈和等離子體之間出現(xiàn)電容耦合。通過配接凸緣將放電管連接到立方體的不銹鋼(SS)室。在該凸緣中的水通道用于冷卻法拉第屏蔽，并且防止放電管過熱。用得到干燥泵支持的3001/s的渦輪泵對系統(tǒng)進(jìn)行泵吸。用安裝在等離子體下游的滿量程為O. I托的MKS 629電容壓力計(jì)來測量壓力。沒有等離子體時(shí)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明，放電區(qū)域的壓力比壓力測量的位置測得的壓力高于大約30%至40%。以下記錄的壓力都是經(jīng)校準(zhǔn)的值并且是指等離子體區(qū)域。不銹鋼電極包括等離子體源的上電極。上電極具有3個(gè)共軸的圓柱形SS環(huán)，這些環(huán)焊接到電極以將總的表面積增加到大約300cm2并且最小化從涂覆室中濺射的金屬。所發(fā)現(xiàn)的是，當(dāng)探針被偏置成接近Vp時(shí)，在Langmuir探針測量期間需要大的表面積。然后，需要大的接地表面來提供足夠的電流，從而防止Vp的人為地增加。通過上電極中心Imm直徑的孔，將高純度(99.999%)的氬氣供應(yīng)到放電管中。使用供給功率放大器(ENI型號(hào)A-500)的函數(shù)發(fā)生器(HEWLETT PACKARD0型號(hào)3325A)來提供13. 56MHz的等離子體。放大的輸出通過L型匹配網(wǎng)絡(luò)連接到線圈。由設(shè)置在匹配網(wǎng)絡(luò)之前的串聯(lián)式Bird牌儀表來監(jiān)控正向功率和反射功率。對于常規(guī)的14毫托下的連續(xù)波(cw) 300W氬等離子體，反射功率為1-2W。由于功率損失，導(dǎo)致在等離子體中實(shí)際消耗的功率略低于傳遞到匹配器的凈功率。對于脈沖等離子體操作，RF脈沖是由另一個(gè)函數(shù)發(fā)生器(BNC型號(hào)645)進(jìn)行幅度調(diào)制。使用四通道示波器(TEKTRONIX Model TDS 2024B)監(jiān)控波形。脈沖等離子體實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)情況條件為120W時(shí)間平均正向功率、8W反射功率、IOKHz功率調(diào)制頻率、20%占空比、14毫托壓力和40標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘(sccm)的氬氣流率。所應(yīng)用的調(diào)制頻率和占空比導(dǎo)致在 IOOys的脈沖時(shí)間段內(nèi)存在20 μ s (微秒)的等離子體導(dǎo)通(激活輝光)時(shí)間，和80的等離子體關(guān)斷(余輝)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)操作概述圖2和圖4示出用于控制等離子體物理和化學(xué)過程的時(shí)序序列。首先，大致Is(秒)的連續(xù)波主要RF ICP被低功率輔助等離子體的尾端點(diǎn)燃，并且提供反應(yīng)物(例如，Cl)來形成化學(xué)吸附層。在這段時(shí)間內(nèi)，離子轟擊能量太低(< 10eV)，以致不能出現(xiàn)任何蝕刻。接著，常規(guī) O. 5s的脈沖ICP時(shí)間段去除吸附層(例如，SiClx)。脈沖主RF-ICP等離子體電源(例如，施加13. 56MHz的RF電壓的方波調(diào)制)具有幾個(gè)益處。首先，(在通常大約100微秒斷電時(shí)間內(nèi))等離子體密度沒有明顯損失的周期的斷電部分中(在余輝中)的第一個(gè)幾微秒期間，電子能量分布函數(shù)(EEDF)快速冷卻。所得的較低能量的時(shí)間上求平均的EEDF對原料氣的游離程度提供某種水平的控制。再者，在大約100微秒余輝時(shí)間段的大部分時(shí)間期間，可以在襯底中產(chǎn)生單能離子通量，如最近在實(shí)驗(yàn)室所證實(shí)的。在本實(shí)例中，向邊界電極施加正DC電壓的脈沖，從而提高等離子體電勢并且將正離子“推”向具有較低電勢的表面。因此，如圖7和圖8中所示，用能量等于VDa的離子轟擊接地的襯底。由于在下面的襯底不發(fā)生物理濺射的情況下，對離子能量分布的控制對于引起化學(xué)吸附鹵化層的化學(xué)濺射起決定性作用，因此得到非常窄的IED(進(jìn)而得到極高的選擇性)的這種方法是實(shí)現(xiàn)具有單層精度的ALET的有效方式。具有同步脈沖-浸沒-電極-偏壓時(shí)間段的這個(gè)脈沖-主要-ICP足夠長(例如，O. 5秒)，以濺射掉鹵化的蝕刻產(chǎn)物層。純粹的正離子轟擊可以造成正電荷積聚在絕緣襯底上。然而，在邊界電壓脈沖返回到O，并且等離子體已有機(jī)會(huì)接近其本身的Vp之后，任何電勢高于地的帶電表面首先將接收超出正離子通量的過量的電子通量，從而使它們的電勢回到浮動(dòng)電勢，其接近地電勢。如圖3、圖5和圖6所示，為了加速正電荷的中和，在連續(xù)波ICP功率接通時(shí)，可以向?qū)ο螂姌O施加大的負(fù)DC偏壓。這個(gè)負(fù)電壓對Vp可能沒有影響。然而，對向電極所得的高能量離子轟擊產(chǎn)生二次電子，這些二次電子加速到全鞘層電勢。這些高能“彈道”電子具有低散射截面，并且以幾乎直角的入射角轟擊襯底，從而對即使在高的高寬比絕緣結(jié)構(gòu)底部的正電荷進(jìn)行補(bǔ)償。彈道電子還可以對體等離子體產(chǎn)生有益影響，如增強(qiáng)等離子體密度并且降低體Te。
可供選擇地，對于絕緣襯底，在余輝時(shí)間段中向襯底電極施加同步脈沖RF電壓將會(huì)導(dǎo)致負(fù)的自偏壓，和襯底的能量正離子轟擊。根據(jù)等離子體密度和所施加的頻率，被RF偏置的襯底301上的離子能量的峰值可以出現(xiàn)在平均鞘層電勢或者具有兩個(gè)峰值。所得的離子能量分布通常過寬，以致不能實(shí)現(xiàn)ALET所需的極高的選擇性。應(yīng)用非常高頻率(IOOMHz)的偏置可以使IED變窄，但是IED的寬度取決于離子質(zhì)量，從而使得在混合的氣體等離子體中進(jìn)行IED控制非常困難?？赡芸梢杂谜{(diào)整的偏壓脈沖來得到窄的離子能量分布。對于導(dǎo)電襯底，可以在余輝期間在襯底支撐件電極上直接施加同步脈沖DC負(fù)偏壓，并且與上述邊界電壓的情況中一樣，可以實(shí)現(xiàn)處于任何所需能量下的接近于單能量離子轟擊。在利用Ar (氬)中的Cl2的硅蝕刻用作實(shí)例的圖2中的實(shí)例中，示出最簡單構(gòu)造中的ALET步驟。在步驟1(通常持續(xù)I秒)中，將樣品暴露于連續(xù)波RF電感耦合等離子體，此時(shí)襯底處于地電勢。等離子體大部分是惰性氣體，其帶有非常少量(< 1% )的Cl2。在對電感源進(jìn)行靜電屏蔽并且壓力相對高的情況下，撞擊襯底的離子能量將會(huì)低于化學(xué)濺射的閾值，所以在步驟I期間將不會(huì)出現(xiàn)蝕刻。在室溫下，Cl原子沒有蝕刻P型或適度摻雜η型的Si。來自原料氣中的Cl2游離物的Cl原子將使得在大約I秒的時(shí)間內(nèi)能形成氯化產(chǎn) 物(對于Si蝕刻而言，SiClx)的飽和層。在持續(xù)大約O. 5s的步驟2中，將會(huì)使用脈沖主要ICP，并且在每個(gè)主要ICP脈沖的余輝中的大約10μ s內(nèi)，將同地步向邊界電極施加正DC偏壓脈沖，以通過化學(xué)方式濺射產(chǎn)物層?？晒┻x擇地，步驟2中的偏壓可以是施加到(導(dǎo)電)襯底電極的負(fù)DC電壓，或者在選定的條件下施加到(絕緣)襯底電極的高頻RF脈沖或調(diào)整的脈沖。將通過來自蝕刻產(chǎn)物的光學(xué)發(fā)射來監(jiān)控這個(gè)步驟，從而提供關(guān)于化學(xué)濺射率和控制這個(gè)過程的方式的基本信息。I秒至幾秒內(nèi)蝕刻一個(gè)單層的蝕刻速率，對于今后器件中納米級結(jié)構(gòu)是非常實(shí)際的，并且比基于脈沖氣體和清除方案的傳統(tǒng)原子層蝕刻快得多。在蝕刻步驟期間，選擇離子能量，使其低于物理濺射閾值但是高于化學(xué)輔助濺射的閾值。這個(gè)方法提供了非常高的選擇性，并且伴隨的損傷最小，這是由于在通過化學(xué)方式濺射掉蝕刻產(chǎn)物的化學(xué)吸附層之后，蝕刻將會(huì)停止(自限性的)。在各種條件下，Si的閾值通常是IOeV至25eV。Langmuir探針Langmuir探針(Scientific Systems 公司的 Smart Probe)用于測量離子和電子密度(ni和ne)、等離子體電勢(VP)、浮動(dòng)電勢和電子能量概率函數(shù)(EEPF)。探針頂端的直徑為O. 19mm且其被暴露的長度為40mm。補(bǔ)償電極和RF扼流圈使得由于等離子體電勢的振蕩導(dǎo)致的電流-電壓(ι-v)特性的失真最小。在由于法拉第屏蔽導(dǎo)致峰-峰等離子體電勢振蕩僅為I伏至2伏的本系統(tǒng)中，這并不是問題?？裳刂烹姽艿妮S移動(dòng)探針，以得到空間分辨測量?？焖贁?shù)據(jù)獲取電子器件能夠?qū)?00秒的I-V特性(在給定位置，對于給定的等離子體條件)求平均以減少噪聲。使用制造商提供的軟件來解釋電流-電壓(I-V)特性。這種分析依賴于碰撞減少(collision-less)鞘層的Laframboise軌道運(yùn)動(dòng)受限(OML)理論。在I-V的離子電流區(qū)域中，在探針上的較大負(fù)電壓處，鞘層中的碰撞(尤其在較高的壓力下)將造成離子電流發(fā)生衰減。因此，分析將低估等離子體中的離子數(shù)量密度。由于通過施加 OV至-50V范圍內(nèi)的電壓，從I-V特性的離子飽和方法(regime)中提取正離子密度，因此在 10毫托以及更高壓力下，正離子密度越來越被低估。探針還在“箱車(boxcar)”模式下操作，用于測量脈沖等離子體操作期間的時(shí)間分辨等離子體特性。延遲場能量分析儀延遲場能量分析儀(RFEA)被構(gòu)造用于測量穿過接地的襯底臺(tái)面上的柵格的離子的能量分布。如圖6中所示，RFEA由分隔3mm的三個(gè)鎳柵格和不銹鋼集流器板的堆疊制成。頂部柵格具有50%的開口，并且側(cè)面方孔為18mm，頂部柵格附著于接地的SS板，其具有接觸等離子體的O. 3mm的針孔。這個(gè)柵格防止在針孔上方形成等離子體鞘層。中部柵格和底部柵格均有85%的開口，并且側(cè)面方孔293mm。用-30V偏置中部柵格，以從等離子體排斥電子，同時(shí)用鋸齒斜坡電壓偏置底部柵格，并且底部柵格用作測量離子能量分布(IED)的能量識(shí)別器。電流放大器(KEITHLEY 型號(hào)427)用于測量集流器板上的離子電流。使用脈沖發(fā)生器和功率放大器(AVTECHAVR-3-PS-P-UHF和AV-112AH-PS)向識(shí)別器柵格施加20Hz的斜坡電壓。通過LabVIEW (NATIONAL INSTRUMENTS )
程序控制實(shí)驗(yàn)。通過對5000I-V特性求平均來減少噪聲，從而形成“平滑的”IED。用210Ι/s渦輪泵對RFEA進(jìn)行差動(dòng)泵吸，以使分析儀中的離子與中性粒子的碰撞最少。估計(jì)分析儀中的壓力的大小比放電管中的壓力低兩個(gè)數(shù)量級，從而形成碰撞減少(collision-less)離子流。使用式子 DE/E = 2%來估計(jì)RFEA的能量分辨率。 圖9示出不同壓力下由Langmuir探針(LP)測量的，關(guān)聯(lián)于沿著放電管軸的垂直位置的離子和電子密度。電荷密度在線圈中間周圍達(dá)到最大值，并且隨著壓力的增大而增大。在50毫托的壓力下，達(dá)到1.5X1012/cm3的最大離子密度。如上所述，探針鞘層中離子與中性粒子的碰撞將造成在壓力越高處正離子密度越被低估；因此，正離子密度可能基本上超過50毫托下記錄的值。對于3、7和14毫托的壓力，電子和離子密度幾乎相等。對于28毫托，尤其靠近50毫托的中心，電子密度低于對應(yīng)的離子密度。這就造成如下事實(shí)，即，當(dāng)將探針偏置成接近Vp時(shí)，從等離子體中引出大電流。明顯的是，與等離子體接觸的邊界電極的接地表面不夠高，來補(bǔ)償這些高密度下的電子損失。Langmuir探針具有參考電極，參考電極感測Vp的被動(dòng)變化，并對其進(jìn)行校正，但其僅僅到在觀察到正確的Vp之前達(dá)到探針上的最大正電壓的點(diǎn)處。Langmuir探針在z = 170mm處測得的Vp和Te在圓括號(hào)中示出，靠近每個(gè)對應(yīng)的壓力。在去除Langmuir探針時(shí)，RFEA設(shè)置在z = 170mm處。在沒有施加任何偏壓(對于cw等離子體，300W功率和7毫托至50毫托的壓力)的情況下測得的IED在幾乎等于Vp處能量具有單個(gè)峰值，這是由Langmuir探針測得的。蝕刻產(chǎn)物的時(shí)間分辨檢測的光發(fā)射光譜光發(fā)射光譜可以用于監(jiān)控在能量離子通量脈沖期間以化學(xué)方式從表面濺射的蝕刻產(chǎn)物的時(shí)間依賴關(guān)系。對于具有氯的Si ALET，預(yù)期將觀察到Si、SiCl和SiCl2產(chǎn)物的發(fā)射，正如在Cl2等離子體中的脈沖激光誘導(dǎo)的熱脫附中所發(fā)現(xiàn)的(在HBr等離子體中還發(fā)現(xiàn)Si和SiBr發(fā)射)。對于GaN蝕刻，期望Ga和GaCl有強(qiáng)發(fā)射。如果N2是GaN蝕刻的主要產(chǎn)物，則可以通過N2光發(fā)射不費(fèi)力地在等離子體中檢測到N2。除了激光頻率與SiCl和SiBr的受激態(tài)之間的共振所激發(fā)的激光誘導(dǎo)的熒光之外，來自所有這些物質(zhì)的發(fā)射受到蝕刻產(chǎn)物(在電子撞擊游離之后的主要產(chǎn)物或次要產(chǎn)物)的電子撞擊的激發(fā)，并且可以在靠近襯底表面的區(qū)域中觀察到所述發(fā)射。來自(例如)SiCl的發(fā)射提供關(guān)聯(lián)于瞬時(shí)Cl覆蓋的化學(xué)濺射率的測量，以及每次離子脈沖去除的物質(zhì)總量的測量。這種測量方式可以用于實(shí)時(shí)控制蝕刻速率(例如，可以調(diào)節(jié)離子脈沖持續(xù)時(shí)間來得到恒定的蝕刻速率)。光發(fā)射的曝光測定可以用于測量絕對Cl密度，如眾多ICP系統(tǒng)之前所證實(shí)的。原位激光誘導(dǎo)熱脫附(LITD):在選定的實(shí)驗(yàn)中，激光誘導(dǎo)熱脫附用于監(jiān)控Cl、Br和(可能)其它表面物質(zhì)的瞬時(shí)覆蓋。這種方法可以檢測當(dāng)如圖10中一樣在等離子體中蝕刻襯底時(shí)，在時(shí)間分辨率為IOns(激光脈沖寬度)的情況下單層覆蓋的1%。具有可用激光的高達(dá)80或5000脈沖/秒的每個(gè)激光脈沖將表面快速加熱，從而導(dǎo)致等離子體中形成的通常一半的Si的鹵化物(Cl或Br)層熱脫附。因此，可以關(guān)聯(lián)于在化學(xué)吸附階段期間以及蝕刻步驟期間的時(shí)間來探測表面。原位XPS和原位AFM/STM表面粗糙度測量在等離子體暴露之后，在真空下將樣品轉(zhuǎn)移到超高真空室，并且由XPS進(jìn)行分析。執(zhí)行角度分辨測量，以測量諸如Cl和Br之類的反應(yīng)物的穿透深度，并且還用于得到Si的單、雙和三鹵化物以及Si ”半族，S卩，與硅之間具有三個(gè)鍵并且有一個(gè)自由鍵的深度分布。在受遮蓋的樣品中，使用電子成像(electronshadowing)來表征暴露于斜角度離子轟擊的側(cè)壁。本系統(tǒng)使用這些方法來表征在Cl2和HBr等離子體中進(jìn)行Si蝕刻之后的表面。就GaN而言，側(cè)壁的原位特征是尤其重要的。對 于這種金屬，XPS提供關(guān)聯(lián)于ALET工藝參數(shù)的關(guān)于表面化學(xué)計(jì)量的任何變化的大量信息。原位AFM-STM儀器允許在沒有暴露于大氣的情況下對經(jīng)處理的表面進(jìn)行原子分辨率測量。由于快速ALET提供了原子層精度，因此重要的是甚至要避免會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)失真的大氣污染物的次單層(sub-monolayer)的覆蓋。這些測量將有助于識(shí)別在重復(fù)的ALET周期之后最小化表面粗糙度的工藝參數(shù)，從而使得具有精度的蝕刻降為每周期一個(gè)單層。連續(xù)DC偏壓對邊界電極的影響圖11示出在連續(xù)施加到邊界電極的不同DC偏壓值下，14毫托、300W和cw-Ar等離子體的IED。在圖11中，用垂直虛線示出每個(gè)DC偏壓下在RFEA的位置處由Langmuir探針測得的Vp值。測得的Vp值與IED的峰值能量很好地一致。對于DC偏壓的正值，Vp升高，從而使IED移動(dòng)到更高的能量。對于負(fù)DC偏壓，在Vp中存在初始的小降低，但是當(dāng)所施加的偏壓變得更負(fù)時(shí)，Vp達(dá)到飽和。與在沒有DC偏壓的情況下進(jìn)行測量相比，對于所施加的4V、8V和12V的DC偏壓，IED的峰值分別移動(dòng)3eV、7eV和lleV。由于Vp的微小梯度，導(dǎo)致所施加的偏壓和離子能量峰值之間有可能存在IV的差。當(dāng)施加負(fù)DC偏壓時(shí)，離子能量峰值的移動(dòng)在比沒有偏壓的情況下低4V處達(dá)到飽和。容易理解，在邊界電極上施加DC偏壓時(shí)的Vp的變化。正偏壓消耗來自等離子體中的電子，從而使Vp升高，使得除了最高能電子之外的所有電子保持限制在等離子體中。通過應(yīng)用小的負(fù)偏壓(小于幾個(gè)Te)，當(dāng)流入邊界電極的電流被切斷時(shí)，Vp的正值變小。邊界電極上較大的負(fù)偏壓造成離子電流發(fā)生不可忽略的改變，而對Vp幾乎沒有影響。離子電流在足夠大的負(fù)偏壓下達(dá)到飽和，前提是等離子體密度或Te沒有擾動(dòng)。脈沖等離子體為了得到接近于單能離子轟擊，可能希望降低進(jìn)入鞘層的離子的能量分布，并且保持恒定的鞘層電勢。由于通過法拉第屏蔽消除了等離子體電勢的RF振蕩，進(jìn)入鞘層的離子的能量分布與Te成比例。因此，降低Te應(yīng)該會(huì)降低能量分布。通過調(diào)制等離子體功率(如，脈沖等離子體)，可以降低I；。當(dāng)在這些條件下向邊界電極施加DC偏壓時(shí)，離子可以加速達(dá)到具有窄的能量分布的所需能量。圖12示出不同壓力下電子溫度的時(shí)間分辨Langmuir探針測量。對于給定的壓力，在等離子體激活之后，IV決速升高，過沖，然后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)值。如預(yù)料的一樣，穩(wěn)態(tài)Te隨著壓力增大而減小。在等離子體關(guān)斷之后，在余輝中的更長的時(shí)間內(nèi)，Te以逐漸變慢的速率減小。另外，壓力越低，Te的衰退越快。在Ar等離子體中，對于能量低于最低受激態(tài)(11.55eV的3P2亞穩(wěn)態(tài))的那些電子，擴(kuò)散到壁是余輝期間主要的冷卻機(jī)制。壓力越低導(dǎo)致擴(kuò)散速率越快，因此導(dǎo)致余輝中的Te衰退越快。邊界電極上的連續(xù)DC偏壓圖13示出當(dāng)向邊界電極連續(xù)施加DC偏壓時(shí)，在脈沖等離子體條件下的IED。對于每個(gè)DC偏壓值，IED具有兩個(gè)峰值。較高能量的較寬峰對應(yīng)于當(dāng)?shù)入x子體導(dǎo)通時(shí)，轟擊襯底的離子。這些峰的形狀和能量與圖11中所示的cw等離子體中觀察到的幾乎相同。較低能量的較尖峰對應(yīng)于余輝期間轟擊襯底的離子。這些峰的平均能量對應(yīng)于所施加的DC偏壓。在余輝中，在沒有DC偏壓的情況下，Vp達(dá)到非常低的值。當(dāng)施加正DC偏壓時(shí)，等離子體電勢大致等于這個(gè)DC偏壓。由于電子能量(或Te)的快速冷卻，余輝中的IED的寬度小得多。類似的結(jié)果已經(jīng)表明通過在脈沖電容耦合等離子體的余輝中施加DC偏壓得到接近的單能IED。邊界電極上的同步脈沖DC偏壓雖然以上的方法形成了窄且可調(diào)的IED，但是它還留下了大的沒有受到很好控制的離子群體，這些離子群體在周期的等離子體導(dǎo)通部分期間進(jìn)入鞘層。通過在等離子體導(dǎo)通時(shí)間段期間切斷DC偏壓，可以降低這些離子的能量，使得其低于大部分離子輔助的表面反應(yīng)的閾值。下文中所記錄的結(jié)果是針對在余輝期間的特 定時(shí)間向邊界電極施加同步的脈沖正DC偏壓的情況下的脈沖等離子體操作。壓力的影響在圖14中示出在不同的壓力值下通過在時(shí)間窗Atb = 45-95ms的余輝中施加+24. 4VDC的同步偏壓所測得的IED。 22-23V處的尖峰對應(yīng)于DC偏壓，而較低能量的較寬峰源自周期的等離子體導(dǎo)通部分。由于如圖9中所示的伴隨的Te降低進(jìn)而Vp降低，導(dǎo)致隨著壓力增大，較寬峰移動(dòng)到較低能量。圖14中所示的具有兩個(gè)峰的IED最重要的方面在于，可以通過變化DC偏壓和反應(yīng)器壓力來變化寬峰和對應(yīng)的尖峰之間的間隔。對于實(shí)現(xiàn)相對于下面襯底的膜的非常高的選擇蝕刻性，這種控制是至關(guān)重要的?？梢赃x擇壓力，使得低能量峰不會(huì)產(chǎn)生蝕刻?？梢赃x擇DC偏壓，使得高能量峰位于蝕刻膜的閾值和蝕刻襯底的閾值之間，前提是這兩個(gè)閾值之間存在足夠的間隔。如下所述，還可以通過變化脈沖等離子體的占空比和/或施加了 DC偏壓的余輝中的時(shí)間長度，將離子在每個(gè)峰下面的比例最優(yōu)化。余輝中偏置時(shí)序的影響還針對不同的開始時(shí)間(tb)和時(shí)間窗(Atb)，在向邊界電極施加同步DC偏壓(+24. 4V)的情況下測量余輝中的IED。在IOKHz的120W平均功率和20%的占空比、14毫托和40SCCm的Ar流速的條件下產(chǎn)生脈沖等離子體。在圖15(a)和圖15(b)中分別示出余輝前期和余輝后期施加DC偏壓的情況下的IED。在圖15(a)中，偏置開始于余輝中逐漸靠后的時(shí)間，并且結(jié)束于脈沖中的60ms或者余輝中的40ms，由此Λ tb從18ms變化到38ms。如圖14中所示,較高能量峰對應(yīng)于所施加的偏壓,而較低能量峰對應(yīng)于沒有偏壓時(shí)的VP。當(dāng)偏置開始于tb = 22ms時(shí)(等離子體關(guān)斷后才2秒時(shí))，如圖12中所示，Te仍然高，從而導(dǎo)致相應(yīng)的高能量峰的寬度較寬。由于tb進(jìn)一步延遲到余輝中，因此Te減小并且IED的較高能量峰的寬度也減小。在圖15(b)中，當(dāng)如圖12中所示TJ逭著時(shí)間的變化發(fā)生的變化極小時(shí)，在余輝之中偏置開始變深。因此，IED的寬度幾乎不受偏置開始時(shí)間tb的影響。在圖15(a)和圖15(b)中，Δ tb越大,收集的離子電流越大。在圖16中，在保持50μ s或15μ s的恒定Λ tb的同時(shí)，變化偏置開始時(shí)間tb。脈沖等離子體中的平均功率為120W。當(dāng)與 10μ s的Te衰退時(shí)間相比偏置窗長(為50μ s)時(shí)，偏置開始時(shí)間對如圖16(a)中發(fā)送的離子能量分布幾乎沒有影響。這是因?yàn)檫@些偏置窗內(nèi)的平均Te低并且大致相等。然而，當(dāng)Atl^S(Sl5ys)時(shí)，余輝前期(tb = 20μ8)中的偏置開始時(shí)間導(dǎo)致如圖16b中所示的寬IED峰。隨著tb移動(dòng)到余輝中的后期，IED的寬度逐漸減小。而且，IED的寬度與對應(yīng)的偏置窗期間的Te相關(guān)。通過在如圖17中所示保持恒定Atb = 50 μ s的同時(shí)變化等離子體功率調(diào)制頻率(5、7. 5和IOkHz)來進(jìn)行另外的實(shí)驗(yàn)。在14毫托的Ar壓力下，以20%的占空比并且以120W的平均功率產(chǎn)生脈沖等離子體。隨著調(diào)制頻率降低，在保持相同占空比的情況下，激活輝光和余輝的持續(xù)時(shí)間都延長。在這種情況下，對于5kHz、7. 5kHz和IOkHz的調(diào)制頻率，tb分別為145μ 8、75μ S和45 μ S。對于所有這三種調(diào)制頻率，低能量的峰都幾乎相同，這是因?yàn)榧せ畎l(fā)光的持續(xù)時(shí)間比Te的衰退時(shí)間長，并且因此對Vp也一樣。另一方面，隨著調(diào)制頻率減小，較高能量的峰變得較窄和較小，這是因?yàn)樵谳^低的調(diào)制頻率下等離子體的衰退時(shí)間較長，從而導(dǎo)致I；較低。通過圖17(b)中的歸一化曲線，更清楚地示出峰的FWHM隨著調(diào)制頻率的降低而變窄?！?br> 在圖18中示出在兩個(gè)不同的占空比(20%和50% )下14毫托的Ar脈沖等離子體的IED。從70 μ s到98 μ s，在余輝中施加+24. 4V的同步DC偏壓。在IOkHz的調(diào)制頻率下，對于20%和50%的占空比，平均功率分別為120W和280W。對于較長的占空比，峰下面的面積較大。對于20%的占空比，較高的能量峰值具有較小的寬度，這是由于等離子體衰退的時(shí)間較長，從而導(dǎo)致Te和Vp較低。與20%占空比的情況不同，如圖12中所示，在50%的占空比下施加偏壓期間，Te仍然相當(dāng)高，從而導(dǎo)致殘壓Vp高達(dá)3. 7V，而對于20%的占空比，Vp僅為I. 9V。殘壓Vp的這種差異解釋了圖18中相應(yīng)IED的不同寬度。IED峰下面的面積與偏置窗期間收集的離子電荷成比例。使用離子的Bohm通量^ = θ ns uB(其中，ns是鞘層邊緣的離子密度并且uB是Bohm速度)和已知的偏置時(shí)間來估計(jì)所述電荷。通過使用測得的離子密度nb(ns = O. 6nb)以及偏置持續(xù)時(shí)間內(nèi)平均的電子溫度，事實(shí)上發(fā)現(xiàn)估計(jì)出的離子電荷與圖15至圖18的相應(yīng)峰下面的面積成比例。IED的能量分布隨著壓力從圖14中的7毫托下的I. 7eV到50毫托下的2. 5eV，與所施加的DC偏壓對應(yīng)的峰的半峰全寬(FWHM)增大。這些峰比沒有偏置的情況下來自激活發(fā)光的離子的峰緊得多，盡管仍然比RFEA的能量分辨率寬得多。估計(jì)后者為DE/E 2%，或者在E = 25V時(shí)候FWHM為O. 5eV。經(jīng)過差動(dòng)泵吸的RFEA中的碰撞可以忽略不計(jì)，因?yàn)榫植繅毫Φ拇笮”确烹妷毫Φ痛蠹s兩個(gè)數(shù)量級，從而使得與所使用的最高等離子體壓力對應(yīng)的離子平均自由程( 15cm)比的分析儀長度( Icm)長得多。在鞘層中的確出現(xiàn)一些離子-中性粒子碰撞。這些可能就是在較高壓力下IED “拖尾”到峰左部的原因，但是不希望這些成為余輝中觀察到的I. 7eV至2. 5eV的寬度的主要成因。例如，14毫托下的離子平均自由程大約為Xi = O. 2cm，這是根據(jù)Child定律的估計(jì)出的鞘層寬度( 250 μ m)的10倍。這導(dǎo)致出現(xiàn)離子碰撞的概率P。= 1-exp (-s/λ j)為 10%。注意的是，等離子體密度隨著壓力而強(qiáng)烈地增加，從而造成鞘層寬度減小，這與平均自由程隨著壓力而減小相反。預(yù)鞘層中的離子-中性粒子碰撞可以對IED的分布有明顯的貢獻(xiàn)。根據(jù)離子碰撞影響，IED的FWHM可以是幾個(gè)T6。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括 脈沖等離子體源，其包括 螺旋線圈電極，其圍繞室設(shè)置； 入口，其設(shè)置在管中并且與工藝氣體源流體連通；以及 反應(yīng)室，其與所述脈沖等離子體源流體連通，其包括 襯底支撐件；以及 邊界電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述螺旋線圈電極耦合到脈沖發(fā)生器，其中，所述脈沖發(fā)生器包括 至少一個(gè)射頻函數(shù)發(fā)生器；以及 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括對向電極，所述對向電極設(shè)置在所述反應(yīng)室的頂部附近，并且至少部分延伸到所述反應(yīng)室中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述對向電極與所述襯底支撐件相對垂直設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述入口連接到氣體源，所述氣體源選自由氧氣、氧化的氣體、惰性氣體(noble gas)、鹵素、鹵化的氣體、氮?dú)?、氫氣、氧氣及其組合組成的組。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述邊界電極設(shè)置在所述反應(yīng)室內(nèi)，大致與所述襯底支撐件在水平方向上相鄰。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述襯底支撐件包括脈沖電極。
8.一種蝕刻襯底的方法，包括 將原料氣引入等離子體室，所述原料氣包括惰性氣體和反應(yīng)物氣體的混合物； 將所述襯底設(shè)置在所述等離子體室中； 由所述原料氣產(chǎn)生等離子體，所述等離子體含有反應(yīng)物和離子； 利用反應(yīng)物使襯底表面達(dá)到飽和以形成產(chǎn)物層，所述產(chǎn)物層包括所述反應(yīng)物物質(zhì)(species)的單層和所述襯底的第一單層原子；以及 通過將所述產(chǎn)物層暴露于所述離子，去除所述產(chǎn)物層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，在第一時(shí)間段期間發(fā)生所述產(chǎn)生和所述飽和，并且在第二時(shí)間段期間發(fā)生所述去除。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，在所述第一時(shí)間段的第一部分期間，向所述等離子體源施加第一 RF功率電平。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在所述第一時(shí)間段的第二部分期間，關(guān)斷所述等離子體源。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，在所述第二時(shí)間段期間，向所述等離子體源施加RF功率脈沖，所述RF功率脈沖具有大于所述第一 RF功率電平的第二 RF功率電平。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，在所述第二時(shí)間段期間向所述電極施加偏壓脈沖，其中，在所述第二時(shí)間段期間施加的所述RF功率脈沖和所述偏壓脈沖順序地交替，并且其中，按大約10 μ S從至少一個(gè)所述RF脈沖中去除至少一個(gè)所述偏壓脈沖。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，在所述第二時(shí)間段期間向所述電極施加正偏壓脈沖，其中，所述電極向所述等離子體提供正偏壓脈沖。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，在所述第二時(shí)間段期間向所述電極施加負(fù)偏壓脈沖，并且其中，所述電極電耦合到所述襯底，以向所述襯底提供所述負(fù)偏壓脈沖。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，通過增加所述等離子體和所述襯底之間的電勢差，以將所述等離子體中的離子導(dǎo)向所述襯底，執(zhí)行所述去除所述產(chǎn)物層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，通過向所述等離子體施加正電壓和向所述襯底施加負(fù)電壓中的至少一者，執(zhí)行所述增加所述電勢差。
18.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，將所述原料氣連續(xù)地引入所述室。
19.一種處理襯底的方法，包括 從等離子體余輝中將離子導(dǎo)向其中利用第一物質(zhì)飽和的襯底表面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括 用所述離子去除所述第一物質(zhì)和襯底原子的單層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述第一物質(zhì)包含反應(yīng)物物質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括 向所述等離子體提供脈沖RF功率，其中，在所述RF脈沖之間執(zhí)行所述引導(dǎo)所述離子。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，通過向所述襯底附近的電極提供偏壓脈沖來執(zhí)行所述引導(dǎo)所述離子，其中，施加到所述電極的所述偏壓脈沖和施加到所述等離子體源的所述RF功率脈沖順序地交替。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種快速原子層蝕刻(ALET)的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括具有螺旋線圈電極的脈沖等離子體源、冷卻法拉第屏蔽、設(shè)置在管頂部的對向電極、氣體入口、以及包括襯底支撐件和邊界電極的反應(yīng)室。該方法包括將可蝕刻的襯底設(shè)置在等離子體蝕刻室中；在襯底表面上形成產(chǎn)物層；通過脈動(dòng)等離子體源來去除產(chǎn)物層的一部分；然后重復(fù)形成產(chǎn)物層的步驟和去除產(chǎn)物層的一部分的步驟，以形成經(jīng)蝕刻的襯底。
文檔編號(hào)H01L21/3065GK102934208SQ201080026879
公開日2013年2月13日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者文森特·M·唐納利, 多美崔·J·?？浦Z穆 申請人:休斯敦大學(xué)體系