CN101064272A - 采用聚合蚀刻气体的等离子体蚀刻工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明用于公开一种在等离子体反应器中蚀刻加工件的等离子体蚀刻工艺，该反应器具有通过多个同心气体注入区域覆在工艺区域上的顶电极。该工艺包括经由气体注入区域的不同区域注入具有不同化学物质化合物的工艺气体，以建立多个气体注入区域中化学物质的分布。该工艺气体包括促进高蚀刻速度的富含氟的聚合蚀刻气体、促进高聚合物沉积速度的富含碳的聚合蚀刻气体、延迟聚合物沉积的聚合物管理气体(例如，氧气或者氮气)和降低蚀刻轮廓锥形化的稀释用惰性气体。

Description

采用聚合蚀刻气体的等离子体蚀刻工艺
技术领域
本发明涉及集成电路制造过程中的等离子体蚀刻工艺以及装置，并尤其涉及在时间调制情况下的等离子体蚀刻工艺及其装置。
背景技术
制造具有纳米级特征尺寸的集成电路需要在通常直径为300毫米的半导体晶圆的整个表面上非常均匀的蚀刻工艺。通常在等离子体蚀刻反应器中诸如具有超高孔径比(例如，对于300mm的晶圆，电极与晶圆间隔仅为2.5cm)的上电极的电容耦合等离子体反应器中实施该均匀蚀刻工艺。蚀刻气体包括在光刻胶或者其他不被蚀刻的薄膜表面上形成聚合物保护层的气体，诸如碳氟化合物气体或氟代烃气体。这类聚合物保护层的形成增强了蚀刻选择性。
这类工艺一般典型在晶圆中心区域表现出低蚀刻速度、蚀刻终止或者锥形轮廓，而在其他区域典型在晶圆外围附近表现出高蚀刻速度或弓形轮廓。该中心低蚀刻速度、蚀刻终止或者锥形轮廓似乎由于诸多原因不可避免。第一，工艺气体从晶圆侧部或者晶圆顶部引入。从反应器腔室排出气体需要气体径向向外流过晶圆表面，使得供应晶圆中心的气体在排除之前经过晶圆外围。因此，气体的留驻时间随晶圆半径而增加，所以最小留驻时间(以及因此最小气体分解)出现在晶圆中心。由于反应器腔室的高孔径比导致该影响尤其显著。由于电极与晶圆间的间隔较小(例如，约2cm)且晶圆直径较大(例如，300mm)产生该孔径比。晶圆中心等离子体物质的低分解导致晶圆中心存在更复杂的(例如，富碳物质)碳氟化合物或者氟代烃等离子体物质，其往往导致蚀刻晶圆上的电介质材料较慢而沉积蚀刻-终止聚合物较快，从而抑制晶圆中心的蚀刻速度。另一方面，在晶圆边缘等离子体物质的高分解产生含氟量相对较高的更简单的(更加活跃)蚀刻物质(该反应物质的极端例子是自由氟)，并产生在光刻胶表面上较慢积聚的低碳含量聚合物膜。在晶圆中心，当蚀刻通过电介质薄膜的非常窄的开口时，低分解的影响最显著。在晶圆中心，聚合物积聚在引起锥形轮廓角度的窄开口的侧壁上，并最终，随着开口深度增加，在达到所需深度之前夹断开口并终止开口的进一步蚀刻，将该现象称之为蚀刻终止。
当试图通过增加工艺气体流入反应器腔室的流速的权宜方法以增加蚀刻速度或者改善轮廓时，这些问题加剧。气体流速的增加并不能解决晶圆表面留驻时间径向分布不均匀的问题(以及因此整个晶圆表面上的不均匀分解)，并且甚至可能恶化该问题，从而恶化蚀刻速度或者蚀刻轮廓的不均匀性。用于改善晶圆中心蚀刻速度或蚀刻轮廓的一个方法似乎是增加晶圆中心工艺气体流速或者降低晶圆外围工艺气体流速(或者两者都用)。然而，这样的技术进一步降低了对应于外围晶圆中心的气体留驻时间(和分解)，进一步恶化了蚀刻速度或者蚀刻轮廓不均匀性。因此，看起来没有解决该问题的方案。
对于该问题的另一个原因是工艺气体含量。研究发现当使用别的方式产生更好的可能工艺结果的碳氟化合物或者碳氢化合物蚀刻工艺气的特殊化合物时，诸如(例如)含有C4F6和/或CH2F2蚀刻成分的气体，我们发现体这个问题更加严重。另一个实施例可包括CHF3和/或CF4。当蚀刻如二氧化硅或氮化硅之类的介电材料或者诸如多孔有机金属-硅酸盐玻璃或者掺氮的碳化硅的低介电常数的材料时，人们已经发现利用这些工艺气体产生所需结果(除了以上所述的蚀刻终止的趋势)。看起来似乎解决中心低蚀刻速度分解或者相关的锥形轮廓或者蚀刻终止问题的唯一方法是引用其他(更不合需要的)工艺气体混合物。
晶圆表面上中心低的蚀刻速度分布的另一个原因源于在特定型电容耦合蚀刻反应器。开始时，电容耦合蚀刻反应器采用在晶圆和上电极之间耦合的单一RF功率源。在该反应器中，仅能通过增加RF功率才能增加蚀刻速度(以增强生产力)。这样的增加不幸地增加了离子能量，导致对光刻胶更多的轰击破坏，从而降低蚀刻选择性。通过在腔室侧壁(替代增加RF功率)引入低频磁场改善蚀刻速度而解决该问题，在这种情况下，反应器被称为磁性增强活性离子蚀刻(MERIE)反应器。该方法成功的改善了蚀刻速度(例如，一些情形下利用在因素2)，而不破坏光刻胶或者降低蚀刻选择性。可以感觉到MERIE磁场通过增加电离而促进蚀刻速度。近来，通过施加主要(或者几乎专有地)有助于电离的VHF源功率同时独立施加主要有助于离子能量的低频(或者HF频率)偏压功率，RF源功率已经隔离了从离子能量或者光刻胶轰击破坏之间的相互影响。通过增加VHF源功率而不增加较低频的偏压功率，可以增加电离和/或者分解，而不增加对光刻胶的离子轰击破坏。然而，即使采用这类对分解和离子能量分离控制的双频方法，也可以使用MERIE磁体。该问题是MERIE磁场在最接近晶圆边缘的位置趋于具有最大的蚀刻速度-增强效果。这在整个晶圆表面上产生中心低的蚀刻速度分布，其似乎是MERIE反应器不可避免的特征。典型的，MERIE反应器还受到晶圆中心的低气体留驻时间影响(如上所述)，导致中心低的蚀刻速度分布。通过使用VHF源功率和MERIE磁体，在该反应器中达到相对高的分解，使分解的非均匀性(由于晶圆上气体留驻时间的非均匀引起)更加显著。
发明内容
本发明用于公开一种在等离子体反应器中蚀刻加工件的等离子体蚀刻工艺，该反应器具有通过多个同心气体注入区域覆在工艺区域上的顶电极。该工艺包括经由气体注入区域的不同区域注入具有不同化学物质化合物的工艺气体，以建立多个气体注入区域中化学物质的分布。该工艺气体包括促进高蚀刻速度的富含氟的聚合蚀刻气体、促进高聚合物沉积速度的富含碳的聚合蚀刻气体、延迟聚合物沉积的聚合物管理气体(例如，氧气或者氮气)和降低蚀刻轮廓锥形化的稀释用惰性气体。该方法进一步包括在多个气体注入区域中分布工艺气体，使得(a)富含氟的蚀刻工艺气体在趋于具有最低蚀刻速度的加工件区域具最高流速；(b)富含碳蚀刻工艺气体在具有最高蚀刻速度的加工件区域具最高流速；(c)聚合物管理气体在趋于具有蚀刻终止最大趋势的加工件区域最高流速；(d)稀释用惰性气体在趋于具有最大蚀刻轮廓锥形化的加工件区域具最高流速。
附图说明
图1A和图1B是具有实施本发明工艺的部件的等离子体反应器的侧视图和俯视图；
图1C描述了图1A和图1B的反应器中所引用的气流分流器；
图2A和图2B分别描述了在传统工艺中和在本发明工艺中所得到的中心和边缘蚀刻轮廓；
图3和图4描述了实施本发明工艺的不同实施方式的图1A的反应器的不同的气体分配装置；
图5A和图5B描述了在本发明的第一实施方式中所得到的氧化物和光刻胶蚀刻速度径向分布；
图6A和图6B描述了在本发明的第二实施方式中所得到的氧化物和光刻胶蚀刻速度径向分布；
图7是描述MERIE磁场对蚀刻速度分布影响的曲线；
图8是在本发明的第一实施方式中气体分配图案的曲线；
图9是在本发明的第二实施方式中气体分配图案的曲线；
图10A、图10B和图10C描述了根据本发明的方案依照调整蚀刻工艺的相继步骤所得到的相继改善的蚀刻速度分布；
图11是本发明的工艺的第一实施方式的方块流程图；
图12是本发明的工艺的第二实施方式的方块流程图；
图13示出了图1A的反应器的修改方案；
图14是可以在图13的反应器中进行的蚀刻工艺的方块图；
图15是描述根据图14的工艺的一个方案的氧气或氮气流速的时变曲线；
图16、图17、图18和图19分别是描述在中心、内部和外部气体流动区域中不同物质随时间的气流速度曲线；
图20是在一个实施例中在反应器腔室中不同气体物质静态径向分布的曲线。
具体实施方式
等离子体蚀刻工艺蚀刻在具有覆在加工件上的顶电极和支撑加工件的静电卡盘的反应器中蚀刻位于加工件上的电介质膜中的高孔径比开口。该工艺包括通过顶电极中气体注入孔的环形区域注入聚合蚀刻工艺气体，以及通过围绕加工件边缘的泵吸环形空间(pumping annulus)从反应器排空气体。通过向顶部和/或静电卡盘的电极上施加VHF源功率和/或HF和/或LF偏压功率，在反应器中产生等离子体，通过来自蚀刻工艺气体的蚀刻物质在电介质膜中蚀刻高孔径比开口，同时来自蚀刻气体的聚合物沉积到加工件上。该工艺进一步包括通过顶电极相应区域的气体注入孔注入氧气或氮气和/或高含氟气体在加工件的区域典型是在中心减慢聚合物的沉积速度、最小化蚀刻终止和/或增加蚀刻速度，以及通过气体注入孔调整氧气或氮气和/或高含氟气体的流速以最小化在加工件中心蚀刻深度和轮廓与加工件外围蚀刻深度和轮廓的差别。术语高含氟气体是指具有高氟碳比率含量的碳氟化合物或者氟烃气体分子。另外，为了阻碍各个轮廓变成锥形，增加相应区域中的稀释气流。通过随时间增加氧气或氮气和/或者含高氟气体和/或稀释流速执行该调整。
本发明解决了一直困扰蚀刻电介质薄膜的电容耦合等离子体蚀刻工艺的通常在晶圆中心区域中低蚀刻速度问题。本发明基于我们对于可以完全解决该问题而不需要增加经过晶圆中心蚀刻工艺气体流速的发现。还进一步基于我们的发现，即在蚀刻工艺期间改善或者减慢晶圆中心窄开口的侧壁和/或底部上聚合物的沉积是有效的解决方法，而不是试图增加晶圆中心蚀刻气体流速。最后，本发明还以我们另一个发现为基础，即诸如氧气或氮气这类不蚀刻电介质材料而是可以去除聚合物的气体是该解决方案的关键部分。通过例如，在上电极中心设置提供纯氧或者氮气的新型独立气体注入孔或者区域实现本发明，其中该氧气或者氮气具有和聚合蚀刻工艺气流无关的流速并流入上电极/气体喷头的内部/外部气体区域。该新部件的主要目的是主要(或者专有的)向晶圆中心注入纯氧或者氮气，而不需要改变腔室内蚀刻剂气体(碳氟化合物或者氟代烃)的分配。其结果是额外的气体流过晶圆中心(即，附加的氧气或氮气)，其通过降低气体留驻时间预期降低晶圆中心的蚀刻速度，依靠到中心的氧气或氮气流速，结果实际上将蚀刻速度增加到所需高度。实际上据发现，如果需要，可以通过简单增加晶圆中心氧气或氮气(流入)速度，将晶圆中心电介质蚀刻速度增加到高于晶圆上其他位置的大小。因此，氧气或氮气对在蚀刻期间(从而解决蚀刻终止问题)抑制晶圆中心聚合物生长的影响超过了增加的气流对留驻时间或分解的影响。另一个意料之外的好处是通过调整流过晶圆中心氧气流速可以使光刻胶蚀刻速度(由在电介质蚀刻操作期间离子轰击引起)更加均匀。
与其他区域相比较，在低蚀刻速度、晶圆边缘附近蚀刻终止或者锥形轮廓或者晶圆的任何环形部分的位置，仍然使用独立气体供应原理。在这种情况下，在外部和/或者中间区域执行该单独气体供应。尽管以下的详细描述引用具有中心低的蚀刻速度、锥形轮廓或者蚀刻终止的实施例，在晶圆边缘附近或者在晶圆的任何其他位置存在低蚀刻速度、锥形轮廓或蚀刻终止的相似情况。
图1A描述了电容耦合等离子体反应器，该反应器包括实施本发明工艺的部件。图1A的反应器包括由支撑上电极110的柱状侧壁105限定的腔室100。上电极110既是电极又是气体分配喷头，该气体分配头具有电极底表面110a的气体注入孔116的外部环形区域115和电极底表面110a的气体注入孔121的内部环形区域120，其中外部环形区域115由电极110内部的共有外部歧管117供应，而内部环形区域120由电极110内部的共有内部歧管122供应。
静电卡盘(ESC)125支撑待蚀刻的半导体晶圆130。ESC 125具有含夹具电极或者栅(grid)127的绝缘层126和可以冷却的下导电基层129。支撑晶圆的ESC表面大约距离顶电极底表面110a一英寸，其对于大晶圆直径(300mm)设置高孔径比。AD.C卡盘电源电压128与ESC栅127连接。通过高频(HF)RF发生器135和/或低频(LF)RF发生器140经由阻抗匹配电路145通过绝缘电容器146将等离子体偏压功率施加到ESC栅127。利用甚高频(VHF)RF发生器150通过阻抗匹配元件155将等离子体电源施加到顶电极110。
ESC 125和侧壁105在它们之间限定泵吸环形空间106，通过其利用真空泵107从腔室内部排空气体。节流阀108调节排出速度和腔室压力。
在该反应器的一个类型中，阻抗匹配元件155是同心调谐短截线(coaxialtuning stub)。该类型的反应器在美国专利号No.6,838,635中由Daniel Hoffman等人公开，并转让给本发明受让人。更适宜地，调谐短截线具有VHF发生器150频率附近的共振频率，其接近通过等离子体在腔室100和顶电极110中形成的共振频率。为了该目的，可以调谐顶电极阻抗，以在VHF发生器频率附近提供等离子体共振。
在另一类型的电容耦合反应器中，阻抗匹配元件155是传统电路。在任一类型反应器中，通过设置在侧壁105周围并由定相低频电流相继驱动以生成腔室100内缓慢旋转的磁场的磁性增强活性离子蚀刻(MERIE)电磁石161、162、163和164(图1B中所示)，可以增强蚀刻特性。由MERIE电流电源160提供电流。侧壁105可以由非磁性导体诸如铝形成。
工艺气体源170供给主要成分为聚合蚀刻气体(例如，碳氟化合物和/或氟代烃气体)的工艺气体到流量比率控制器(FRC)175，该流量比率控制器175分配气流到顶电极110的内部气孔120和外部气孔115的内部和外部气体歧管112和117。在图1C中示出FRC 175，其由气流分配器或者分流器176b和一对分别将分流器176耦接到两个歧管117和122的控制阀177和178。
传统地，通过增加到内部区域120的工艺气流或者降低在外部区域115的气流，解决晶圆中心低速度或者蚀刻终止问题。但是其仅仅具有在晶圆中心降低分解的不合需要的效果，因此并不是该问题的解决方案。在图2A中描述的深窄开口的蚀刻轮廓中观察该问题。人们期望在晶圆中心(图2A的左侧)和晶圆外围(图2A的右侧)形成同样的开口。然而，如上所述，气体留驻时间和(因此)分解在晶圆外围大得多，使得在晶圆边缘存在更多的活性的物质(更加简单的氟化合物)，因此聚合物沉积非常缓慢，而不能在其完成之前充满窄开口。其结果是产生处于所需范围内的位于开口顶部的顶部关键尺寸(TCD)在和位于开口底部的底部关键尺寸，该开口具有在所需范围内的深度(图2A的右侧)。另一方面，在晶圆中心(图2A的左侧)，在高孔径比开口侧壁上沉积的高含碳量的聚合物导致开口底部非常窄，对于BCD来说该宽度太小，并且由于在晶圆中心蚀刻终止导致孔深度不够。
通过图1A中示出的中心气体注入区180将纯氧气(或者氮气)流入晶圆中心解决该问题。中心气体注入区180可以是位于顶电极110中心的单独的气体注入孔或者多个这类孔。中心气体注入区180从与聚合蚀刻气体源170独立或者分开的氧气(或者氮气)源185接收氧气(或者氮气)。控制阀190控制氧气(或氮气)到中心气体注入区180的流速。图2B描述了使用中心气体注入区180获得的成功结果，其中在晶圆中心(图2B的左侧)的深窄开口具有与晶圆外围(图2B的右侧)处的深窄开口大约相同的BCD和深度。利用控制阀190调整(或增加)通过中心气体注入区180的纯氧气或者氮气的流速，直到在晶圆中心的BCD大约与晶圆边缘的BCD相同。因此，在本发明中消除(或者降低)了非均匀性。另一优点是消除晶圆边缘附近的过蚀刻，该过蚀刻是延长蚀刻工艺时间至足以稍微增加晶圆中心BCD的必然结果。
在一个成功实施例中，没必要将工艺气体流入外部区域115，因此只使用内部区域120和中心气体注入区域180。
在图3所描述的实施例中，一些来自氧气(或氮气)源185的氧气(或氮气)可以通过阀200转移到内部气体区120。可选地，一些蚀刻工艺气体可以从内部歧管122转移到中心气体注入区180。
在图4的实施例中，一些来自氧气(或氮气)源185的氧气(或氮气)可以通过阀205转移到外部气体区115。可选地，一些蚀刻工艺气体可以从外部歧管117转移到中心气体注入区180。
因此，在图3或者图4的实施例中，可以通过增加或者降低氧气(或氮气)流入内部区域120和/或外部区域115的流速根据需要加宽或者变窄氧(或氮)气流速径向分布。
图5A是在采用和不采用本发明的等离子体蚀刻工艺中获得的电介质蚀刻速度的径向分布图量化比较曲线。通过在图1A所描述类型的电容耦合等离子体反应器中蚀刻二氧化硅的电介质薄膜层获得图5A的结果。曲线300示出在通过内部区域气体注入孔120供应聚合蚀刻气体而没有氧气(或者其他气体)供应中心气体注入区180的情形下典型的二氧化硅蚀刻速度与晶圆上径向位置的函数关系。如在这类传统电容耦合蚀刻工艺中所预料地，曲线300显示在晶圆中心蚀刻速度受到抑制。曲线305描述了在除了和获得曲线300的一样的工艺条件外，还在中心气体注入区域180添加了适度流速的氧气的情况下氧化物蚀刻速度与径向位置的函数关系。曲线305表示通过中心气体注入区域180注入的氧气引起晶圆中心蚀刻速度一定程度增加，尽管蚀刻速度在晶圆中心仍受到一定程度的抑制。所标注的曲线310描述了除以相当高的氧气流速经过中心气体注入区域180以外其他工艺条件相同的情况下氧化物蚀刻速度与径向位置的函数关系。曲线310表示通过中心孔的较高的氧气流速足以提高晶圆中心的蚀刻速度到至少几乎等于晶圆外围附近的蚀刻速度的程度，使得蚀刻速度分布相当均匀。曲线315描述了在除了更进一步增加(高于用于获得曲线310的速度)通过中心气体注入区域180的氧气流速以外其他工艺条件相同的情况下氧化物蚀刻速度与径向位置的函数关系。曲线315显示当通过中心气体注入区域180的氧气流速非常高时蚀刻速度径向分布是中心高。这些结果表示使用者可以对应于曲线310增加通过中心区域180的氧气流速至获得非常均匀蚀刻径向分布的理想大小。曲线310的均匀电介质蚀刻速度分布对应于图2B中所描述的理想蚀刻轮廓分布，在图2B中在晶圆中心的下临界尺寸(BCD)几乎于晶圆边缘的BCD一样大。
电介质等离子体蚀刻工艺由覆在电介质膜上的光刻胶掩膜执行，光刻胶掩膜由等离子体中的离子轰击蚀刻(同时蚀刻电介质薄膜层)，其在蚀刻步骤中去除部分光刻胶。只要该去除仅减小光刻胶掩膜厚度而不去除掩膜，就可以接受。然而，由于部分光刻胶去除可能影响TCD和BCD，人们希望光刻胶蚀刻速度具有尽可能均匀的径向分布。图5B是描述在相应的图5A中的电介质蚀刻速度曲线300、305、310和315的工艺条件下所得到的光刻胶蚀刻速度分布图。所标注的图5B的曲线300a、305a、310a和315a分别描述了在图5A中的电介质蚀刻速度曲线300、305、310和315所表示的蚀刻步骤中所得到的光刻胶蚀刻速度分布。图5B示出了光刻胶蚀刻速度分布更加响应于通过中心气体区域180的氧气流速的情况。具体地，通过中心区域180的理想氧气流速对应于图5A的曲线310表示的均匀电介质蚀刻速度分布，并且对应于图5B的曲线310a表示的中心高光刻胶蚀刻速度。通过中心气体区域180的更高的氧气流速引起图5的曲线315所表示的中心稍微高的电介质蚀刻速度，以及引起图5B的曲线315a所表示的更高的中心光刻胶蚀刻速度。在图5A和图5B中所示出的这些结果表示蚀刻速度分布对于通过中心气体区域180的氧气流速的响应非常敏感，使得应该非常小心调整中心区域氧气流速，以在不产生不适当的非均匀光刻胶蚀刻速度的情况下得到更加均匀电介质蚀刻速度分布。
在本发明的另一个实施方式中得到蚀刻速度分布对于流过晶圆中心的氧气流的较小的敏感响应，在该实施方式中整个气体分布图案径向向外移动。具体地，供应氧气使其过内部气体区域120，而供应聚合蚀刻气体使其经过外部气体区域115。在这种情况下，供应非常少的(或者没有)氧气经过中心气体注入区域180。以上可以通过引用图3的实施方式完成，在该实施方式中供应内部区域的唯一气体是来自氧气源185的氧气，而供应外部区域的唯一气体是来自蚀刻工艺气体源170的蚀刻工艺气体(例如，碳氟化合物或者氟代烃气体)。为了该目的，FRC 175切断到内部气体区域120的蚀刻气流，同样在阀190处关掉中心区域气体。该实施方式保留与图1A的优选实施方式相同的方法，即将氧气直接流向晶圆中心以降低晶圆中心处聚合物的沉积，而聚合蚀刻工艺气体直接流向晶圆外部。然而，在该可选实施方式中，氧气分布并没有集中在晶圆中心。如图6A所示，所产生的电介质蚀刻速度分布的响应是更加适度的行为，其中从相继升高的氧气流速得到的电介质蚀刻速度相继分布300b、305b、310b和315b表现出在晶圆中心电介质蚀刻速度的逐步升高。同样地，在图6B中，从相继升高的氧气流速得到的对应的光刻胶蚀刻速度分布300c、305c、310c和315c表现出在晶圆中心电介质蚀刻速度逐步升高，只有最高氧气流速导致中心高的光刻胶蚀刻速度分布(图6B的曲线315c)。
可以通过结合两个实施方式的特征在图5A的高敏感行为和图6A的适度行为之间调整蚀刻工艺对晶圆中心氧气流速调整的敏感度。具体地，部分氧气可能直接流到中心气体区域180，而剩余氧气直接流到内部气体区域120，同时部分聚合蚀刻工艺气体可能直接流到外部气体区域115，而剩余气体直接流到内部气体区域120。在可选通道之间这些气体的分配决定该工艺更接近图5A的敏感行为还是图6A的适度行为。
图7描述了图1A的反应器的MERIE场如何影响图5A和图6A的曲线300和300a的明显中心低的蚀刻速度分布。如上所述，因为在晶圆外围更长的工艺气体留驻时间，如果没有MERIE场，蚀刻速度就非常低，并且蚀刻速度分布出现适度的中心低(图7的曲线400)。由于MERIE磁体接近晶圆外围，所以MERIE场的运用增加了整个蚀刻速度，同时增加了蚀刻速度分布(图7的曲线405)的非均匀性(中心低的形状)。通过供应纯氧气到中心气体注入区域180，以如上所述的方法校正曲线405的中心低的蚀刻速度分布。
图8是示出没有气体供应外部区域115的图1A的实施方式中气体浓度径向分布曲线。在图8中，氧气分布(在图8中标注为“氧气”)集中在晶圆中心，而聚合蚀刻工艺气体分布(在图8中标注为“工艺气体”)相当均匀只是中心和边缘有些低。图9示出图1A的实施方式中气体浓度径向分布曲线，在该实施方式中氧气供应给中心区域180，而聚合蚀刻工艺气体单独供应内部区域120和外部区域115。图9示出了在晶圆中心、中部和外部得到的不同气体分布，因为各个气体注入区域115、120、180具有不同的气体分布图案。这些图案在图9中分布标注为“中心区域图案”、“内部区域图案”和“外部区域图案”。施加不同的气体流速到三个区域115、120、180使氧气和蚀刻工艺气体的气体分布最优化从而提供最均匀蚀刻速度分布。例如，通过增加中心气体区域180的氧气流速，中心低的蚀刻速度分布(在图10A中描述)可以改善为具有中心峰和边缘峰的分布(在图10B中描述)。图10B的蚀刻速度分布可能在晶圆中部具有倾斜或者凹陷，其可以通过调整内部和外部区域120、115的聚合蚀刻工艺气体的比例而缓解，以获得图10C中描述的更加均匀的分布。
在本发明工艺中可以采用的聚合蚀刻工艺气体可以是碳氟化合物和氟代烃气体诸如C4F6、CH2F2的混合物。该混合物可以与O2或者N2和Ar结合。其他可以类似的混合物中采用的聚合蚀刻物质包括C4F8、C2F4、CHF3、CF4和CH3F。利用这些气体，本发明的工艺可以应用于蚀刻低电解常数的薄膜，例如，二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜。
图11示出了引用图1A的反应器并仅使用中心气体注入区域180和内部气体注入区域120的本发明的一个工艺。供应一种聚合蚀刻工艺气体通过顶电极110(图11的方块500)的内部气体注入区域120。供应氧气通过顶电极110(图11的方块505)的中心气体注入区域180。VHF等离子体源功率(30MHz至400MHz)施加到顶电极110(图11的方块510)。RF等离子体偏压功率施加到ESC栅127(图11的方块515)。RF偏压功率可以是一个或者HF功率(3MHz至30MHz)与LF功率(0.03MHz至3MHz)的结合。如果存在MERIE磁体，则调整MERIE磁场以提供所需的(增强的)全部蚀刻速度(图11的方块520)。通常以增加流速的方式调整到中心气体区域180的氧气流速，以最优化或者最大化电介质蚀刻速度的径向分布均匀性(图11的方块525)。
在使用图3装置的替代实施方式中，将一些氧气从中心气体注入区域180转移并使其供应经过内部区域120(图11的方块530)。在这种情况下，可以调整内部区域中氧气与蚀刻气体流速的比率，以进一步增强电介质蚀刻速度径向分布的均匀性(图11的方块535)。在另一个可选实施方式，将一些聚合蚀刻工艺气体从内部区域120转移并供应使其通过中心气体区域180(图11的方块540)。该可选实施方式可以应用于等离子体蚀刻氧化硅、氮化硅或者低介电常数膜。
图12示出了包括全部三种气体注入区域115、120和180的发明工艺。它包括图11的方块500至530的步骤。另外，还包括以下步骤：通过外部气体注入区域115引入聚合蚀刻工艺气体(图12的方块501)；将一些氧气从中心区域180转移到外部区域115(方块531)；调整内部和外部气体区域流速以改善整个晶圆上的蚀刻速度均匀性(图12的方块560)；以及，调整各个中心、内部和外部气体注入区域180、120、115中的氧气与蚀刻工艺气体的比率以改善电介质蚀刻速度径向分布均匀性(图12的方块565)。
为了实施前述的工艺，工艺控制器610分别控制图3的实施方式中的夹具电源128、真空泵107和阀108、RF发生器135、140、150的RF功率大小、流动比率控制器175的各个阀177、178、阀190、阀200以及图4的实施方式中的阀205。工艺控制器610可以是可编程的，其中实施图11或图12的工艺的指令可以存储在控制器610中，以利用控制器610相继执行。
气体含量的时间和空间调制：
通常，随着蚀刻深入到高孔径比沟道或者高孔径比接触开口，蚀刻速度降低，蚀刻终止发生或者蚀刻轮廓随时间变成锥形。通常在稍微靠近晶圆中心处问题最为明显，当然该问题也可能出现在对应于内部和外部气体注入区域120、115的其它环形区域。典型地，在晶圆中心以较高的速度并在晶圆中部环形区在稍微低的速度出现蚀刻速度降低或者蚀刻轮廓锥形化加剧(例如，覆在内部气体注入区域120上)，并且在晶圆外围(对应于外部气体注入区域115)可以忽略。然而，蚀刻速度或者蚀刻终止的分布和蚀刻轮廓锥形化可能与该典型图案不同。在本发明中以如下方式解决该问题：在该问题发生的区域，增加任何一种或者全部(a)高氟含量蚀刻气体、(b)稀释(惰性)气体、(c)O2或者(d)N2的流速至高于高碳含量蚀刻气体。高氟含量气体增加蚀刻速度，并可以预防蚀刻终止。术语高氟含量气体指高氟碳比率的分子含量的碳氟化合物或氟代烃气体。术语高碳含量气体指高碳氟比率分子含量的碳氟化合物或氟代烃气体。稀释气体抑制蚀刻轮廓锥形化，尽管以部分蚀刻速度损失为代价。O2或N2气体减慢了聚合物沉积，防止蚀刻终止并增加蚀刻速度。在该典型情形下，蚀刻轮廓随时间(蚀刻深度)在晶圆中心附近变得更加锥形化，因此根据本发明相对于高碳含量时刻气体流速随时间增加以下任何一种或者全部气体流速：(a)高氟含量蚀刻气体、(b)稀释气体、(c)O2或者(N2)。在该特殊实施例中，在内部区域以高于其他区域的速度下执行增加。在另一实施例中，如果蚀刻轮廓在晶圆的任何特定环形区域(其可能是除中心区域以外的区域)随时间变得更加锥形化，然后在特定区域，相对于高碳含量蚀刻气体的流速，随时间增加以下任何一种或者全部的流速：(a)高氟含量蚀刻气体、(b)稀释气体、(c)O2(N2)。如果该问题在特定区域最严重，则在特定区域中以高于其它区域的速度执行该增加。取决于不同区域中该问题的相对严重性，根据需要在一个或者更多其它区域中以较少的速度执行该增加。
在实施前述的方法中，对于选择哪种气体以随时间更快增加其流速取决于在关注区域中发生的问题的具体问题或者问题组：对于蚀刻终止，需要减缓聚合物侧壁/底部沉积速度(通过增加氧气流速)，或者增加蚀刻速度(通过增加高氟含量蚀刻气体流速)。对于蚀刻轮廓锥形化，可以通过增加相关区域中稀释(钝化)气体的流动，和/或通过增加高氟含量蚀刻气体流速，和/或通过增加其它气体的流速(高氟含量蚀刻气体和氧气或氮气)降低该锥形化。
可以不同程度在不同区域中同时实施前述的方法。例如，蚀刻轮廓锥形化可能在晶圆中心区域最明显，并且在内部环形区域不太明显而在外部区域几乎不存在。在这样的情形下，可以随时间相对于高碳含量蚀刻气体的流速增加部分或者全部前述气体的流速(即，(a)高氟含量蚀刻气体，(b)稀释气体、(c)O2，(d)N2)，但是在中心区域以较快的速度增加而在内部区域(例如)以稍微降低的速度增加。因此，可以在覆在不同相关同心晶圆区域(例如，中心，内部，外部等)的不同气体注入区域中同时对气体流速实施不同程度的增加。例如，在一个同心区域中蚀刻终止可能是主要问题，而在另一同心区域中蚀刻轮廓锥形化是主要问题。在该情形下，氧气(或者氮气)流速在一个区域中设置为最高的增加速度(相对于所有工艺气体)  (以延迟聚合物在侧壁/底部的沉积)，而稀释气体在另一区域中设置为最高的增加速度(以降低蚀刻离轮廓锥形化)。然而，在所有这两个区域中，其他工艺气体的流速也可以随时间增加，但是是以较低的增长速度增加。
在一个优选实施方式中，随时间增加所有气体流速，以抵消整个晶圆上蚀刻速度随时间(或者相当于随蚀刻的开口的深度)降低的趋势。即，高氟含量蚀刻气体、高碳含量蚀刻气体、氧气(或者氮气)和稀释(钝化)气体的流速全部增加。最好在所有同心气体注入区域中实施该流速增长，但是该增加程度与在各个区域中蚀刻速度降低成比例。例如，蚀刻工艺气体的气体流速可以在中心区域中具有最高的增长速度，而在外部区域中具有最小的增长速度。
图13描述了用于实施前述方法的反应器。图13的反应器包括图1A的反应器的构件，另外，还具有一批用于在各单独蚀刻气体源605、606、607、608和顶电极110中的蚀刻气体流动区域115、120、180之间的气体流速单独控制的气流阀600。在图13的实施方式中，有四个单独气体源605-608和三个气体流动区域115、120、180，因此该批阀600具有12个阀。气体源605供应纯氧气或者氮气。气体源606供应具有相对高氟含量的物质的碳氢化合物或者氟代烃气体(或者该两种气体的混合物)，诸如CH2F2，例如，该气体(一般)表现出相对高的电介质蚀刻速度和相对低的聚合物沉积速度。气体源607供应具有相对高碳含量物质的碳氢化合物或者氟代烃气体(或者该两种气体的混合物)，诸如C4F6，例如，该气体(一般)表现出相对高的聚合物沉积速度和相对低的电介质蚀刻速度。气体源608供应稀释气体，诸如氩或氙。控制器610单独控制各个阀600，并能在是在时刻工艺期间以时间的预定函数改变任何一个阀600。因此，控制器610能在晶圆上实现四种工艺气体的不同径向分布，并能进一步随时间在蚀刻工艺期间改变任何一种分布。为了该目的，控制器610是可编程的，以在蚀刻工艺期间执行各个阀610的精确预定控制。高碳含量气体定义为具有高碳氟比率的碳氟化合物或者氟代烃气体。
图13的反应器是通用的，并能应用于实施图14所示的工艺。为了该目的，可以通过用于控制阀600的指令集编程控制器610，以执行图14的工艺。图14的工艺包括用于在晶圆上形成蚀刻电介质膜的等离子体的图11的方块500、510和515的工艺步骤。另外，图14的工艺包括在电介质膜的蚀刻期间氧气(或氮气)流速随时间增量式增加的方块570的工艺步骤。如图15所示，可以利用控制器610以氧气(或氮气)流速随时间的连续增加的方式执行该增加。可以在顶电极110的所有气体流动区域(即，外部区域115，内部区域120和中心区域180)中实施该增加。可选地，可以仅仅在中心区域180内实施该增加。
为了阻止蚀刻轮廓随蚀刻深度增加锥形化(变窄)趋势，通过控制器610增加稀释气体流到覆在经历蚀刻轮廓锥形化的加工件区域上的气体注入区域(图14的方块575)，诸如中心或内部气体注入区域。可选地，可以引入稀释气体，通过增加其到覆在部分经历高蚀刻速度的加工件上的气体注入区域的流速，诸如外部气体注入区域，以减缓晶圆外围的高蚀刻速度。可以通过控制器610实施该步骤为一不变的图案，其中到外部气体流动区域115的稀释气流高于其他气体流动区域120、180。可选地，可以通过控制器610在蚀刻工艺期间随时间稳定地增加流到中心或内部气体流动区域120、180的稀释气流执行该步骤。
作为防止中心低的电介质蚀刻速度分布的进一步措施，可以通过控制器610将两种蚀刻工艺气体(高碳含量蚀刻气体和高氟含量蚀刻气体)的流速的比率在顶电极110的内部和外部气体流动区域120、115设置为不同的值(图14的方块580)。在一个实施例中，供给到内部气体区域120的气体成分可以具有较多的高氟含量蚀刻气体和较少的高碳含量蚀刻气体，而供给到外部气体区域115的气体成分可以具有较多的高碳含量蚀刻气体和较少的高氟含量蚀刻气体。该图案可在晶圆中心形成较少的聚合物形成，因此降低在晶圆中心生成不足的底部关键尺寸或者蚀刻终止的工艺趋势。
图16、17、18和19是依据执行具有随时间变化的气体流速的工艺的一个实施例在顶电极110的三个气体流动区域115、120、180中不同物质的气体同时流动速度的曲线。在一个区域中，其最可能是中心区域180，蚀刻速度随时间降低或逐渐停止。为了解决该问题，如图16所示的曲线，通过控制器610在蚀刻工艺期间随时间增加到该区域的氧气流速。如图17所示，在经历蚀刻终止或者聚合物夹断的另一区域中，其最可能是内部区域120，通过随时间增加高氟含量蚀刻气体与高碳含量蚀刻气体的比率，阻止窄开口的蚀刻终止或者聚合物夹断的趋势。同样，如图18所示，可以随时间增加经历最大蚀刻轮廓锥形化区域中的稀释气流以随蚀刻深度增加降低蚀刻轮廓锥形化或者蚀刻终止，该区域在多数情况下是内部区域120。在具有最高(或者渐增的)蚀刻速度的区域中，如图19所示，其最可能是外部区域115，通过随时间增加高碳含量蚀刻气体与高氟含量蚀刻气体的比率，平衡高蚀刻速度(例如，在晶圆外围)。
图20是描述反应器腔室内在晶圆上的所选高度的几种不同工艺气体物质的气流分布的一个实施例的曲线。图20的图案可对于整个蚀刻工艺是静态的，或者可以是在诸如图15-19的时间调制的工艺中连续变化图案的抓图(snapshot)。在图20的气流分布中，氧气被精确限制在晶圆中心的上部。高氟含量蚀刻气体主要集中在晶圆的中部区域，而高碳含量蚀刻气体主要集中在晶圆外围附近。另外，为了缓和晶圆外围电介质蚀刻速度，稀释气体同样集中在晶圆外围附近。
虽然已经通过参照具体优选实施方式对本发明进行了详细描述，然而应该理解在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以对其进行各种变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于在反应器中加工件上的电介质膜中蚀刻高孔径比开口的等离子体蚀刻工艺，所述反应器具有覆在所述加工件上的顶电极和支撑所述加工件的静电卡盘，该方法包括：
通过在所述顶电极中气体注入孔的多个同心区域中的至少第一所选区域，注入第一聚合蚀刻工艺气体；
通过围绕所述加工件边缘的泵吸环形空间从所述反应器排除气体；
通过在所述反应器中形成等离子体在所述电介质膜中以源自所述蚀刻工艺气体中的蚀刻物质蚀刻所述高孔径比的开口，同时在所述加工件上沉积源于所述蚀刻工艺气体的聚合物，其中通过在如下电极其中之一上：(a)所述顶电极和(b)在所述静电卡盘内，施加以下功率至少其中之一：(a)VHF源功率，(b)HF和(c)LF偏压功率，从而生成所述等离子体；以及
通过经由所述顶电极的所述多个同心气体注入区域的至少第二所选区域注入氧气或氮气，以减慢所述聚合物的沉积速度，并在所述蚀刻工艺期间随时间增加所述氧气或氮气的所述气体流速。
2、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，
主要地或者专门通过所述第二所选气体注入区域注入所述氧气或氮气；以及
注入氧气或氮气的所述步骤包含以各自流速经由所述多个同心气体注入区域的各个区域注入所述氧气或氮气。
3、根据权利要求2所述的工艺，其特征在于，进一步包括依照所述加工件相应同心区域如下内容的至少其中之一的分布：(a)蚀刻轮廓锥形化，(b)蚀刻速度，(c)蚀刻终止，对所述流速进行分配。
4、根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，进一步包括随时间以各个增加速度而增加所述各个流速。
5、根据权利要求3所述的工艺，其特征在于，进一步包括依照所述分布而分配所述各个增加速度。
6、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，进一步包括经由所述顶电极的所述多个同心气体注入区域的至少第三所选区域注入稀释用惰性气体，所述第三区域覆在蚀刻轮廓锥形化速度比所述加工件的其它区域大的相应区域上。
7、根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，进一步包括在所述蚀刻工艺期间随时间增加所述稀释用惰性气体的所述流速。
8、根据权利要求6所述的工艺，其特征在于：
注入稀释用惰性气体的所述步骤包括经由各个所述多个同心气体注入区域以各个稀释气体流速注入所述稀释气体；
所述工艺进一步包括依照所述加工件的相应同心区域中蚀刻轮廓锥形化的分布而分配所述稀释气体流速。
9、根据权利要求8所述的工艺，其特征在于，进一步包括以各个增长速度随时间增加所述稀释气体的各个所述流速。
10、根据权利要求9所述的工艺，其特征在于，进一步包括依照所述加工件的所述同心区域中蚀刻轮廓锥形化的分布而分配所述稀释气体的各个增长速度。
11、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述第一聚合蚀刻工艺气体具有第一碳氟比率，所述工艺进一步包括：
经由所述顶部电极的所述多个同心气体注入区域的至少第四所选区域注入第二聚合蚀刻工艺气体，所述第二蚀刻工艺气体具有高于所述第一蚀刻工艺气体的碳氟比率的第二碳氟比率，所述第一和第四气体注入区域分别覆在所述工艺期间分布经历较低和较高蚀刻速度的所述晶圆的相应同心区域上。
12、根据权利要求11所述的工艺，其特征在于，包括经由各个所述第一和第四气体注入区域，以在所述第一和第四气体注入区域的不同区域中以不同于所述第一和第二工艺气体流速的比率，同时注入所述第一和第二工艺气体，所述第一和第二工艺气体的所述流速的比率在所述第一气体注入区域比所述第四气体注入区域大，从而在具有比其它区域低的蚀刻速度的所述加工件的区域中流过较多的富含氟的蚀刻工艺气体以及较少的富含碳的工艺气体。
13、根据权利要求12所述的工艺，其特征在于，所述第四气体注入区域是所述顶部的中心区域，而所述第一气体注入区域是所述中心区域径向向外的环形区域。
14、根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述注入蚀刻工艺气体的所述步骤包括分别通过各个所述顶部的所述气体注入区域注入具有高和低氟碳比的蚀刻气体的混合物，并依照所述加工件的相应区域如下内容的至少其中之一的分布：(a)蚀刻轮廓锥形化、(b)蚀刻速度、(c)蚀刻终止，在所述不同气体注入区域中分配所述不同工艺气体的所述流速。
15、一种加工件处理装备，包括：
限定工艺腔室的外壳；
配置在处理期间支撑所述腔室内的加工件并包含等离子体偏压功率电极的加工件支架；
含不同气体物质的多个气源；
多个工艺气体入口；
能连接所述多个气源到所述多个工艺气体入口的一批阀，以及控制所述阀并程序化以随时间改变通过所述入口的气体的流速的控制器；
顶部等离子体源功率电极，并包括连接到各个所述多个工艺气体入口的多个气体注入区域。
16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述多个气体注入区域的径向最内部的一个区域包括中心环形气体分散剂，其位于所述加工件支架的中心并且是如下的其中之一：(a)单独气体注入孔，(b)气体注入孔的环形阵列。
17、根据权利要求15所述的设备，其特征在于，进一步包括连接到所述顶部源功率电极的VHF源功率产生器。
18、根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述多个气源包括分别包括含有碳氟化合物气体、氟代烃化合物气体、纯氧气或氮气的其中之一、惰性气体的源。
19、根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述多个气源进一步包含分别具有不同碳氟化学比率的碳氟化合物或氟代烃物质。
20、根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述控制器程序化：
(a)以通过所述多个气体注入区域的不同区域产生不同工艺气体物质或者其混合物的工艺气体的流动，以及
(b)以随时间改变流经所述多个气体注入区域的不同区域的所述气体的物质含量。
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