CN101740302A - 等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法，尤其涉及向反应室内的上部电极接通相比接通到下部电极的低频电源的频率低的电源以此改善氧化物与光致抗蚀剂的选择比的等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法。为此，本发明实施例的等离子体蚀刻装置包括用于进行晶片蚀刻工艺的反应室、用于向所述反应室内部注入气体的气体注入装置、连接有用于使所述气体形成等离子体的高频电源的上部电极、连接有用于将所述等离子体引入到所述晶片侧的第一低频电源的下部电极，其中所述上部电极还连接有相比所述第一低频电源的频率低的第二低频电源。据此，本发明的等离子体蚀刻装置能够向上部电极入射少量的离子而释放高能二次电子，并将该二次电子入射到晶片上。

Description

等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法
技术领域
本发明涉及一种等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法，尤其涉及能够改善晶片的氧化物与光致抗蚀剂的选择比的等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法。
背景技术
通常，等离子体是指离子化气体，由阳离子、阴离子、电子、被激发的原子、分子及化学活性非常强的自由基等组成。由于等离子体与普通气体相比，在电性、热性上具有不同的性质，因此被称为物质的第四态。
由于这种等离子体包含离子化气体，因此应用于利用电场或磁场将等离子体加速而进行撞击或以化学反应以此来蚀刻晶片等的半导体制造工艺中。
最近，半导体制造工艺中对使用高密度等离子体的等离子体蚀刻装置的利用率逐渐增加。其原因在于，虽然随着半导体元件集成度的提高，对精细加工的要求也在提高，但是对直径较大的晶片的使用也在增加。
这种等离子体蚀刻装置根据形成晶片的方法可大体分为电容耦合式等离子体(Capacitive Coupled Plasma，以下简称为CCP)类型和电感耦合式等离子体(Inductive Coupled Plasma，ICP)类型。
在上述类型中，由于CCP等离子体蚀刻装置具有能够利用较高的电场产生高能离子的优点，因此被广泛应用。
作为CCP等离子体蚀刻装置的一种，该蚀刻装置在反应室内设有相对置的上部电极和下部电极。上部电极连接有用于施加高频电力的高频电源装置，下部电极连接有用于施加相比高频电源装置的频率低的低频电力的低频电源装置。据此，流入到反应室内的蚀刻气体根据施加到上部电极的高频电力成为等离子体，并且所述等离子体根据施加到下部电极的低频电力被引入到布置在下部电极上的晶片，由此实现蚀刻处理。
目前，对于这种CCP等离子体蚀刻装置的氧化物与光致抗蚀剂的选择比的要求逐渐增加。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于提供一种向反应室内的上部电极接通相比接通到下部电极的低频电源的频率低的电源的等离子体蚀刻装置。
为了实现上述目的，根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置包括用于进行晶片蚀刻工艺的反应室、用于向所述反应室内部注入气体的气体注入装置、连接有用于将所述气体变为等离子体的高频电源的上部电极、连接有用于将所述等离子体引入到所述晶片侧的第一低频电源的下部电极，其中，所述上部电极还连接有相比所述第一低频电源的频率低的第二低频电源。
所述第二低频电源的功率相比所述第一低频电源的功率低。
优选地，所述下部电极还连接有用于将所述气体变为等离子体的高频电源。
优选地，所述高频电源的频率在60MHz～100MHz范围内。
优选地，所述第一低频电源的频率在800kHz～2MHz范围内。
优选地，所述第二低频电源的频率在400kHz～2MHz范围内。
并且，根据本发明的另一方面的等离子体蚀刻方法包括如下步骤：向反应室内注入气体；为了产生等离子体而向上部电极接通高频电源；为了将所述等离子体引入到承载于下部电极的晶片侧而向所述下部电极接通第一低频电源；为了产生二次电子向所述上部电极接通相比所述第一低频电源的频率低的第二低频电源。
综上所述，本发明的等离子体蚀刻装置及其蚀刻方法通过向反应室内的上部电极接通相比接通到下部电极的低频电源的频率更低的电源，据此能够改善氧化物与光致抗蚀剂的选择比。
附图说明
图1为根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置的简要示意图；
图2为根据本发明实施例的二次电子产生状态的示意图；
图3为表示根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置改善选择比的对比表；
图4为根据本发明实施例的晶片蚀刻过程的流程图。
主要符号说明：13为上部电极，14为下部电极，15为第一低频电源，16为高频电源，17为第二低频电源。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明。
图1为根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置的简要示意图。
如图1(a)所示，根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置包括：具有预定容积并形成有气体流入口11和气体排出口12的反应室10；布置在反应室10内的相对置的上部电极13及下部电极14；向上部电极13施加RF(RadioFrequency，射频)电力的高频电源16；分别向上部电极13及下部电极14施加偏压的第一低频电源15及第二低频电源17。其中，所述气体流入口11连接在气体注入装置(未图示)上。
反应室10接地，蚀刻气体通过反应室10的气体流入口11流入到反应室10内部并通过气体排出口12被排到外部。并且，反应室10内部设有相对置的上部电极13和下部电极14。另外，为了防止等离子体反应时由微粒(Particle)等污染物质引起的工艺缺陷，将反应室10维持高真空状态。
上部电极13由导电性材料构成，并且为平板状。上部电极13不仅起到电极作用，而且还能够对从外部供给到反应室10内的工艺气体进行扩散，以均匀地供给到内部。因此，上部电极13可以采用适合半导体制造设备的各工艺的多种材料及结构。
并且，上部电极13连接有供给RF电力的高频电源16，以用于产生等离子体，并且还连接有第二低频电源17，以使等离子体中的一部分离子撞击到上部电极而释放出高能二次电子(Hot Secondary Electrons)。
另外，所述的第二低频电源17的频率相比后述的第一低频电源15的频率设置得低。即，根据施加到下部电极14的第一低频电力，将等离子体引入到置于下部电极14上的晶片W而实现蚀刻处理。并且，根据施加到上部电极13的第二低频电力，少量的离子撞击上部电极13，据此从上部电极13释放出高能的二次电子。如此被释放的二次电子入射到下部电极上的晶片W而传递高能量，据此交联(Crosslinking)光致抗蚀剂(Photoresist)。另外，二次电子是指由于高速粒子的撞击而产生的电子，具有高能。因此，当二次电子入射到晶片W时，重整ACL(Amorphous Carbon Layer，非晶碳层)表面(即，增加碳浓度)，从而改善氧化物与光致抗蚀剂(Oxide-to-PR)的选择比。另外，RF电场强度与上部电极13和晶片W之间的间距成反比，蚀刻均匀性由某一点的RF电场强度与等离子体密度所决定。
下部电极14设置在反应室10的内部，其上面承载晶片W。并且，置于下部电极14上的晶片W通常由于内设在下部电极14背面的制冷系统(未示出)排出的制冷气体的排出压力，其中央部分略微向上突起。
高频电源16为向反应室10内施加RF电力而产生等离子体的射频源，其可连接于上部电极13，或者也可分别连接于上部电极13及下部电极14。
第一低频电源15连接于下部电极14，并且为了将产生在反应室10内的等离子体引入到晶片W上而向下部电极14施加低频电力(偏压)。
第二低频电源17连接于上部电极13而向上部电极13供给比第一低频电源15的频率低的偏压。据此，反应室10内生成的等离子体中的少量离子高速入射到上部电极13。当离子高速入射到上部电极13时，产生高能二次电子。如此产生的二次电子入射到放置在下部电极上的晶片W上，因此具有交联光致抗蚀剂的效果。
另外，如图1(b)所示，可以将高频电源16、16′分别连接于上部电极13及下部电极14，而且虽然没有示出，但还可以将高频电源16只连接于下部电极14。
图2为根据本发明实施例的二次电子发生状态的示意图。
如图2所示，可以得知，当阳离子根据施加于上部电极13的第二低频电力而入射到上部电极13时，产生二次电子(e-)，并且产生的二次电子进入到晶片W上而重整ACL表面(增加碳浓度)。
图3为表示根据本发明实施例的等离子体蚀刻装置改善选择比的对比表。
如图3所示，可以得知，向上部电极13接通作为射频源的100MHz、1500W的高频电源16，而向下部电极14接通作为偏压电源的2MHz、4500W的第一低频电源15，在上述状态下，当向上部电极13进一步接通相比接通到下部电极14的低频电源的频率低的第二低频电源17时，能够改善氧化物与光致抗蚀剂的选择比。
即，若不向上部电极13进一步接通第二低频电源17，则氧化物与光致抗蚀剂选择比为2.2∶1；而向上部电极13接通800KHz、300W的第二低频电源17，则氧化物与光致抗蚀剂选择比为3.6∶1；向上部电极13接通800KHz、500W的第二低频电源17，则氧化物与光致抗蚀剂选择比为4∶1。
因此，可以得知，当向上部电极13接通第二低频电源17时，能够改善氧化物与光致抗蚀剂选择比。而且，进一步接通到上部电极13的第二低频电源17的功率越大，选择比的改善越良好。另外，由于需要将等离子体引入到放置在下部电极14的晶片W，因此进一步接通到上部电极13的低频电源的功率应当限制为小于接通到下部电极14的低频电源的功率。
图4为根据本发明实施例的晶片W的蚀刻过程的流程图。
如图4所示，若工艺开始，则装载晶片W，并向反应室10内注入气体。该气体可以使用Ar，CF4，SF6，Cl2等(S10、S20)。
此后，将作为射频源的高频电源16接通到上部电极13。即，将频率为60～100MHz、功率为500～5000W的高频电源16接通到上部电极13，据此能够将供给到反应室10内部的气体成为等离子体。具体来讲，根据接通于上部电极13的射频源从上部电极13释放自由电子，所述从上部电极13释放的自由电子根据电场获得动能而被加速，然后通过反应室10内部的蚀刻气体时与蚀刻气体冲撞，据此向蚀刻气体传递能量。如此获得能量的蚀刻气体分解而产生离子，所述离子也根据电场获得动能而被加速，然后通过蚀刻气体时与蚀刻气体冲撞而将能量传递给蚀刻气体。如此反复进行上述过程，以此在反应室10内部产生等离子体(S30)。
此后，将作为偏压电源的第一低频电源15及第二低频电源17分别接通到下部电极14及上部电极13。具体来讲，接通于下部电极14的第一低频电源15的频率可以在800KHz～2MHz之间，而功率可以在0～8000W之间。当在下部电极14上接通第一低频电源15时，在反应室10内生成的等离子体引入到下部电极14，从而置于下部电极14上的晶片W被等离子体蚀刻。并且，接通于上部电极13的第二低频电源17的频率可以在400KHz～2MHz之间，而功率可以在0～1000W之间。当向上部电极13接通第二低频电源17时，在反应室10内生成的等离子体的少量的离子入射到上部电极13，若离子高速入射到上部电极13，则释放出高能二次电子。并且，高能二次电子入射到晶片W上而交联光致抗蚀剂，从而改善氧化物与光致抗蚀剂的选择比。
另外，为了使等离子体状态的大部分离子具有方向性，以蚀刻置于下部电极14上的晶片W，并且还为了控制少量的离子入射到上部电极13而产生二次电子，需要将第二低频电源17设定成比第一低频电源15更低的功率及频率(S40)。
此后，当根据上述S10～S40产生等离子体和二次电子时，利用该等离子体和二次电子进行晶片W蚀刻工艺(S50)。
此后，若等离子体蚀刻工艺结束，则断开接通到上部电极13及下部电极14的低频电源，并且断开作为射频源的高频电源16，停止向反应室10内注入气体，从反应室10内移除晶片W，从而结束蚀刻工艺(S60～S90)。

Claims (9)

1.一种等离子体蚀刻装置，其特征在于：
包括用于进行晶片蚀刻工艺的反应室、用于向所述反应室内部注入气体的气体注入装置、连接有用于使所述气体形成等离子体的高频电源的上部电极、连接有用于将所述等离子体引入到所述晶片侧的第一低频电源的下部电极；
其中，所述上部电极还连接有相比所述第一低频电源的频率低的第二低频电源。
2.如权利要求1所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述第二低频电源的功率相比所述第一低频电源的功率低。
3.如权利要求1所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述下部电极还连接有用于使所述气体形成等离子体的高频电源。
4.如权利要求1所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述高频电源的频率在60MHz～100MHz范围内。
5.如权利要求1所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述第一低频电源的频率在800kHz～2MHz范围内。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述第二低频电源的频率在400kHz～2MHz范围内。
7.一种等离子体蚀刻方法，其特征在于包括如下步骤：
向反应室内注入气体；
为了产生等离子体而向上部电极接通高频电源；
为了将所述等离子体引入到承载于下部电极的晶片侧而向所述下部电极接通第一低频电源；
为了产生二次电子向所述上部电极接通相比所述第一低频电源的频率低的第二低频电源。
8.如权利要求7所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于所述第二低频电源的功率相比所述第一低频电源的功率低。
9.如权利要求7或8所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于所述向上部电极接通高频电源的步骤中，进一步向所述下部电极接通高频电源。
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