CN101924011B

CN101924011B - 蚀刻装置及方法

Info

Publication number: CN101924011B
Application number: CN2009100529442A
Authority: CN
Inventors: 三重野文健
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: CN101924011A

Abstract

一种蚀刻装置及方法。一种蚀刻装置，包括具有多个进气口的腔体，所述腔体内具有晶圆托盘，用于承载晶圆，所述腔体还包括多个位于晶圆托盘下的蚀刻控制单元，所述蚀刻控制单元用于对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与经由进气口通入腔体的带电蚀刻气体极性相反。所述蚀刻装置还具有多个出气口，所述出气口通过阀门与抽真空系统相连，用于控制蚀刻时的压力。所述进气口还通过传导阀与提供惰性气体的惰性气体源相连。所述蚀刻装置及方法的蚀刻速率能较好控制，且蚀刻均匀度较好。

Description

蚀刻装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及蚀刻装置及方法。

背景技术

随着半导体制造技术的发展，半导体器件的集成度也越来越高。现有的半导体器件都具有多层结构。在制造半导体器件的过程中，为了不致对例如材料生长等后续工艺造成影响，通常在形成每一层材料后(例如经过化学气相沉积形成一层材料后)，都会对于该层材料的表面进行抛光，以使得该层材料的表面平整度符合工艺的要求。

在所述抛光步骤中，最常采用的方法就是化学机械研磨。化学机械研磨的优势在于其对于材料表面的研磨速度较快。然而，化学机械研磨由于是机械研磨和化学反应的结合应用，在平整度的控制上有时并不能完全满足工艺的要求，例如存在研磨中心和研磨边缘的研磨速率不一致，而导致平整度不够均匀的问题。

有鉴于此，现有工艺实践中还采用蚀刻的方法对材料表面进行抛光处理。由于同一种蚀刻剂或蚀刻气体对不同材料的蚀刻速率不同，因而可以通过选择合理的蚀刻剂或蚀刻气体来达到较好的处理效果。例如，在美国专利US3511727中，就提供了一种使用例如ClF₃进行干法蚀刻，对材料表面进行抛光的方法。

目前，通常采用的干法蚀刻为利用等离子体进行蚀刻的方法，例如反应离子蚀刻方法。由于反应离子蚀刻(RIE，Reactive Ion Etching)具有较快的蚀刻速率，并且是具有高选择比的各向异性蚀刻，所以反应离子蚀刻在微电子机械系统(MEMS，Micro Electronics Mechanical System)加工中得到了广泛地应用。

然而，反应离子蚀刻对于一些需要更高精度要求的工艺来说，存在着蚀刻速率控制不够精确、蚀刻不够均匀的不足。

发明内容

本发明解决的是现有技术干法蚀刻的蚀刻速率控制还不够精确，以及蚀刻不够均匀的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种蚀刻装置，包括具有多个进气口的腔体，所述腔体内具有晶圆托盘，用于承载晶圆，所述腔体还包括多个位于晶圆托盘下的蚀刻控制单元，所述蚀刻控制单元用于对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与经由进气口通入腔体的带电蚀刻气体极性相反。

相应地，本发明还提供一种蚀刻方法，包括：使用带电蚀刻气体对晶圆进行蚀刻，在蚀刻时对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与所述带电蚀刻气体的极性相反。

与现有技术相比，上述蚀刻装置及方法具有以下优点：对晶圆待蚀刻位置施加与带电蚀刻气体极性相反的电压，由于异性相吸的原理，所述蚀刻气体就会被吸附在晶圆待蚀刻位置，从而进行蚀刻反应。也就是说，当确定了晶圆待蚀刻位置后，就可在晶圆相应位置施加电压，从而更精确地控制蚀刻反应的位置。此外，蚀刻速率则可通过所施加电压的大小进行控制。

并且，所述蚀刻装置通过多个蚀刻控制单元分别控制晶圆相应位置的蚀刻反应，能够更精确地对各个蚀刻位置的蚀刻速率进行控制。相应地，蚀刻均匀度也较好。

附图说明

图1是本发明蚀刻装置的一种实施例示意图；

图2是图1所示蚀刻装置中的蚀刻控制单元的一种实例示意图；

图3是图1所示蚀刻装置中的蚀刻过程的一种实施例示意图。

具体实施方式

通过上述说明可以得知，例如反应离子蚀刻等利用等离子体进行蚀刻的方法虽然具有蚀刻速率较快的优点，但其也存在着蚀刻速率较难控制，以及蚀刻不够均匀的问题。并且，在例如反应离子蚀刻中虽然也通过在晶圆托盘下设置下电极来控制蚀刻速率，但由于该电极是对于整个晶圆起作用，而非精确到蚀刻位置，由于晶圆上的电场分布不均匀，很难保证各个蚀刻位置的蚀刻速率一致。

另外，反应离子蚀刻等利用等离子体进行蚀刻的方法，在蚀刻前都需对蚀刻气体先电离形成等离子体。而经过本发明的发明人研究发现，一些蚀刻气体即使未经电离，其也带电。

基于此，本发明提供一种蚀刻装置，根据其中一种实施方式，所述蚀刻装置包括具有多个进气口的腔体，所述腔体内具有晶圆托盘，用于承载晶圆，所述腔体还包括多个位于晶圆托盘下的蚀刻控制单元，所述蚀刻控制单元用于对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与经由进气口通入腔体的带电蚀刻气体极性相反。

上述蚀刻装置的实施方式通过蚀刻控制单元，在与其相对应的晶圆待蚀刻位置施加与带电蚀刻气体极性相反的电压，在所述待蚀刻位置处形成相应电场。由于异性相吸的原理，所述蚀刻气体就会被吸附在晶圆待蚀刻位置，从而进行蚀刻反应。也就是说，当确定了晶圆待蚀刻位置后，就可在晶圆相应位置施加电压，从而更精确地控制蚀刻反应的位置。此外，蚀刻速率则可通过所施加电压的大小进行控制。

上述晶圆产品可应用于微电子机械系统中，包括通过硅片通道(TSV，Through Silicon Vias)的应用。

以下通过一个具体实例对上述蚀刻装置进行进一步说明。

参照图1所示，本发明蚀刻装置的一种实施例包括腔体1，所述腔体1上具有多个进气口10、11，所述多个进气口10、11分别与相应的传输蚀刻气体的管道相连。

例如，当前蚀刻采用氢气(H₂)、三氟化氯(ClF₃)的混合气体作为蚀刻硅的蚀刻气体，其中进气口10与传输氢气的传输管道相连；进气口11则与传输三氟化氯的传输管道相连。

又例如，当前蚀刻采用氢气、三氟化溴(BrF₃)的混合气体作为蚀刻硅的蚀刻气体，其中进气口10与传输氢气的传输管道相连；进气口11则与传输三氟化溴的传输管道相连。

所述腔体1中具有晶圆托盘12，其用于承载晶圆2。例如，所述晶圆托盘12可以为静电吸附盘。

所述腔体1中还包括多个位于晶圆托盘12下的蚀刻控制单元130～132，所述各个蚀刻控制单元分别对与其相对应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，以精确控制蚀刻反应的位置及蚀刻速率。

例如，参照图2所示，所述蚀刻控制单元130～132可以共同构成同心圆，其中，蚀刻控制单元132所包围的圆周面积与晶圆大小相同。所述各个蚀刻控制单元分别对晶圆上与其所包围的面积对应的区域进行电压控制。其中，所述蚀刻控制单元130对晶圆上与其所包围的圆周对应的区域进行电压控制，所述蚀刻控制单元131对晶圆上与其所包围的圆环对应的区域进行电压控制，所述蚀刻控制单元132对晶圆上与其所包围的圆环对应的区域进行电压控制。

所述蚀刻控制单元的数量可以根据所需要的刻蚀速率的精确度进行确定，比如可以通过增加或者删减所述蚀刻控制单元的数量来满足蚀刻速率的精确度较高或者较低的需求。

所述各个蚀刻控制单元还可以分别对与其相对应的晶圆待蚀刻位置进行温度控制。例如，所述蚀刻控制单元可以为电发热元件，如电发热片、电热丝等。

使用例如电发热元件，可以同时提供电压控制和温度控制功能，当然也可分别设置电压控制单元和温度控制单元进行电压和温度控制。

所述腔体1还具有多个出气口14，所述出气口14可以通过阀门与抽真空系统相连，通过抽真空系统来控制蚀刻时的压力。

所述进气口10、11还可分别通过传导阀与惰性气体源相连，用于可控地获得惰性气体源提供的惰性气体。当传导阀关闭时，所述进气口10、11不接收惰性气体源提供的惰性气体；当传导阀开启时，所述进气口10、11接收惰性气体源提供的惰性气体。

相应地，本发明还提供一种蚀刻方法，根据其中一种实施方式，包括：使用带电蚀刻气体对晶圆进行蚀刻，在蚀刻时对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与所述带电蚀刻气体的极性相反。

以下结合图1～图3对上述蚀刻方法的过程进行进一步说明。

对于蚀刻晶圆2表面的硅，仍以采用氢气(H₂)、三氟化氯(ClF₃)以及惰性气体的混合气体作为蚀刻气体为例。当进行蚀刻时，所述氢气、惰性气体的混合气体通过相应的传输管道经由进气口10通入腔体1中，而三氟化氯、惰性气体的混合气体通过相应的传输管道经由进气口11通入腔体1中。

参照图3所示，假定此时腔体1中的晶圆2的待蚀刻位置对应蚀刻控制单元132，则蚀刻控制单元132通过晶圆托盘12向晶圆2上所述待蚀刻位置施加电压，而蚀刻控制单元130～131则不向晶圆2相应位置施加电压。具体地说，所述蚀刻控制单元130～132分别与交流电源相连。当确定晶圆2的待蚀刻位置后，就可开启与待蚀刻位置对应的蚀刻控制单元所连接的交流电源，以向相应待蚀刻位置施加电压。

继续参照图3所示，由于三氟化氯气体即使不经电离也带负电，因而所述蚀刻控制单元132通过晶圆托盘12向晶圆2施加的电压为正电压。此时，晶圆2表面相应位置(即待蚀刻位置)就会形成正电场。由于异性相吸的原理，三氟化氯气体就会被吸附在所述位置，发生蚀刻反应。

相对地，由于蚀刻控制单元130～131未向晶圆2相应位置施加电压，晶圆2相应位置也不会形成正电场，从而三氟化氯气体也不会被吸附于所述位置上产生蚀刻反应。因此，通过蚀刻控制单元就可精确地控制晶圆2表面发生蚀刻反应的位置。

此外，通过所述蚀刻控制单元改变施加于晶圆2的电压大小，也可改变吸引三氟化氯气体的速度。例如，通过改变交流电源所输出的电压大小，来改变蚀刻控制单元施加于晶圆2的电压大小。施加的电压大，吸引三氟化氯气体的速度也快，相应蚀刻反应也剧烈，蚀刻速率就变大；而施加的电压小，吸引三氟化氯气体的速度也慢，相应蚀刻反应也平缓，蚀刻速率就变小。因而，在上述蚀刻控制单元选择性地施加电压来精确控制发生蚀刻反应的位置的基础上，通过改变所施加电压的大小，就可进一步精确控制蚀刻速率。

当所述蚀刻控制单元为电发热元件时，其还可基于加电发热的原理，对晶圆2相应位置同时进行温度控制，从而通过温度控制也可改变蚀刻速率。

因此，通过温度控制和电压控制的结合应用，就能实现更高质量的蚀刻控制。

此外，由于上述各个蚀刻控制单元分别对于晶圆2的不同位置进行对应的电压、温度控制，蚀刻均匀度也将得到提高。例如，蚀刻控制单元132施加于晶圆2上的正电压大小以及控制的温度为一定值时，晶圆2表面与蚀刻控制单元132对应的区域处的蚀刻速率也相同。从而，蚀刻过程中的蚀刻均匀度也较好。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种蚀刻装置，包括具有多个进气口的腔体，所述腔体内具有晶圆托盘，用于承载晶圆，其特征在于，

所述腔体还包括多个位于晶圆托盘下的蚀刻控制单元，多个蚀刻控制单元分别用于对晶圆的多个相应的待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与经由进气口通入腔体的带电蚀刻气体极性相反。

2.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述晶圆托盘为静电吸附盘。

3.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述腔体还具有多个出气口，所述出气口通过阀门与抽真空系统相连，用于控制蚀刻时的压力。

4.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述进气口还通过传导阀与提供惰性气体的惰性气体源相连。

5.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述蚀刻控制单元还对相应的晶圆待蚀刻位置进行温度控制。

6.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述带电蚀刻气体为ClF₃或BrF₃。

7.如权利要求1所述的蚀刻装置，其特征在于，所述带电蚀刻气体为ClF₃、H₂的混合气体或BrF₃、H₂的混合气体。

8.如权利要求6或7所述的蚀刻装置，其特征在于，所述蚀刻控制单元对晶圆的待蚀刻位置进行电压控制时施加的电压为正电压。

9.一种蚀刻方法，包括：使用带电蚀刻气体对晶圆进行蚀刻，其特征在于，在蚀刻时通过多个蚀刻控制单元分别对晶圆的多个相应的待蚀刻位置进行电压控制，所述电压的极性与所述带电蚀刻气体的极性相反。

10.如权利要求9所述的蚀刻方法，其特征在于，所述带电蚀刻气体为ClF₃或BrF₃。

11.如权利要求9所述的蚀刻方法，其特征在于，所述带电蚀刻气体为ClF₃、H₂的混合气体或BrF₃、H₂的混合气体。

12.如权利要求9所述的蚀刻方法，其特征在于，所述带电蚀刻气体为ClF₃、H₂以及惰性气体的混合气体或BrF₃、H₂以及惰性气体的混合气体。

13.如权利要求10至12任一项所述的蚀刻方法，其特征在于，对相应的晶圆待蚀刻位置进行电压控制时施加的电压为正电压。

14.如权利要求9所述的蚀刻方法，其特征在于，还包括：在蚀刻时对相应的晶圆待蚀刻位置进行温度控制。