CN102162099A - 用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及等离子蚀刻设备所具备的气体注入系统，尤其是涉及一种用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，包括从隔室上部供给反应气体的上部气体注入器和从隔室侧面供给调节气体的侧部气体注入器或从晶圆下侧向上喷射调节气体的背面气体注入器，侧部气体注入器或背面气体注入器以放射状形成多个喷射口的同时，将喷射口邻接于边缘部而设置，使调节气体能够近距离喷射到晶圆的边缘部，从而能够容易地控制边缘部的蚀刻率或CD(critical dimension)均匀度或轮廓，以提高晶圆整体的蚀刻均匀度，最小化工程不良，还能够显著提高边缘部的芯片成品率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子蚀刻设备所具备的气体注入系统，尤其是涉及如下的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，使调解气体近距离喷射到晶圆(wafer)的边缘部(edge)，从而使使用者能够精确地控制蚀刻率(etch rate)或CD(Critical Dimension)均匀度或轮廓，通过均匀地形成晶圆整体的CD(Critical Dimension)和轮廓，能够提高蚀刻均匀度(Etching Uniformity)从而最小化工程不良。
背景技术
通常，用于半导体集成电路组件的大口径晶圆(wafer)或作为用于液晶显示装置(LCD：liquid crystal display)的主要部件的玻璃基板等在表面形成有多个薄膜层，并选择性地去除薄膜的一部分，从而在表面形成所需形态的超细小结构的电路或图案。这种细小电路或图案的制造一般通过清洗工程、蒸镀工程、光刻(photolithography)工程、镀金工序、蚀刻(etching)工程等多个制造工程而形成。
上述的各种处理工序是将晶圆或基板放在能够与外部隔离的隔室(chamber)或反应炉内进行处理。
上述工序中尤其是蚀刻(etching)工序是如下述的工序，向隔室或反应炉内喷射适当的反应气体(CxFx系、SxFx系、HBr、O2、Ar等)，通过在等离子状态下的物理反应或化学反应，从晶圆表面选择性地去除所需的物质，从而在基板表面形成细小电路。
在这种蚀刻工序中，在晶圆的整体表面使CD(Critical Dimension)或轮廓均匀，从而维持蚀刻均匀度(Etching Uniformity)最为重要，因此，重要的是使反应气体均匀地扩散到隔室内从而使等离子均匀地分布在隔室内。
但是，一般来说，不仅晶圆中心部与外轮廓(边缘，edge)部的蚀刻率(etch rate)不相同，而且CD(Critical Dimension)均匀度或轮廓形成为不相同，存在边缘部的芯片成品率明显降低的问题，尤其是随着晶圆的大口径化趋势和半导体设备的高集成化，边缘部的CD均匀度或轮廓控制成了更为重要的问题。
因此，以前为了解决上述问题，将冷却剂冷却装置(coolant chiller)分为内部(inner)和外部(outer)，利用晶圆上的温度差来控制CD，或者将供给反应气体的喷头(shower head)分为内部(inner)和外部(outer)区分反应气体供给区域，从而调节在晶圆中心部和边缘部的等离子的分布来控制CD。
除此之外，还使用了通过向晶圆追加供给O2气体，从而控制CD的方法。
但是上述的现有的控制方法具有如下的问题。
第一、在控制晶圆的温度的情况下，与氧化膜蚀刻工序(oxide工序)同时使用高功率(high power)的时候，利用温度控制的CD控制效果不足；第二、在将喷头分为内部和外部或向晶圆追加供给O2气体的情况下，像使用高密度ICP(Inductively Coupled Plasma)源(source)的蚀刻装置那样，隔室容积(chamber volume)大的时候，气体供给部与晶圆边缘部之间的间距变大，因此，因反应气体或O2气体达到晶圆的边缘部的过程中产生的气体的扩散差难以精确地控制等离子的分布，并且由于CD控制效果显着地降低，还存在无法确保边缘部的蚀刻均匀度的问题。
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，使用于控制等离子的调节气体近距离喷射到晶圆的边缘部，通过最小化调节气体的扩散(diffusion)现象来最优化喷射效果，从而有效地控制晶圆边缘部的CD均匀度或轮廓。
本发明的另一目的在于，沿着晶圆的边缘部放射状地设置多个调节气体喷射口，使调节气体均匀地喷射到晶圆的边缘部整体，从而有效地补偿晶圆的中心部和边缘部的蚀刻率及CD之差。
本发明的又一目的在于，有效地去除在晶圆的边缘部产生的聚合物之类的反应副产物，并去除附着在边缘部的外侧面或下侧部等的有机物或异物等，从而最小化工程不良。
本发明的再一目的在于，通过等离子的迅速、均匀的扩散及控制，缩短工程时间，并确保晶圆整个表面上的蚀刻均匀度，从而显着提高边缘部的芯片成品率。
为了达到上述目的，本发明包括：上部气体注入器，从隔室上部供给反应气体；以及侧部气体注入器，放射状地形成多个喷射口，从而沿着上述隔室的内周面从多个位置同时喷射调节气体，在上述喷射口的端部上分别连接设置有导管，上述导管使上述调节气体近距离喷射到加载在上述隔室内侧的晶圆的边缘部。
在此，上述导管的中央部向下弯折而形成，使导管的前端部邻接位于上述晶圆的边缘部的上侧部。
另外，上述导管设置成前端部邻接于上述晶圆的边缘部上侧部，并向下倾斜地设置成上述调节气体在上述晶圆的外侧方向以一定角度喷射到边缘部。
另一方面，上述侧部气体注入器在外侧部形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通。
上述分配流路优选以与上述侧部气体注入器形成同心圆的方式，贯通形成于内部。
另外，本发明包括：上部气体注入器，从隔室上部供给反应气体；以及背面气体注入器，外插设置在加载晶圆的静电吸盘(electrostatic chuck)的上侧部的外周，在上侧面间隔形成多个喷射口，使调节气体近距离地向上喷射到上述晶圆的边缘部。
此时，上述背面气体注入器在外部形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通。
另外，上述背面气体注入器在下侧面形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通，在支撑上述晶圆与背面气体注入器的静电吸盘上形成与上述气体流入口连通的贯通路。
上述分配流路优选以与上述侧部气体注入器形成同心圆的方式，贯通形成于内部。
如上所述，本发明具有如下的效果。第一、调节气体近距离喷射到晶圆的边缘部，最小化气体的扩散现象，从而能够精确地控制晶圆的边缘部的CD或轮廓；第二、通过从晶圆的边缘部迅速地去除聚合物或有机物或异物等，得到清洁效果，从而能够最小化工程不良；第三、通过调节气体的迅速、均匀的扩散，能够实现有效控制边缘部的蚀刻率或CD，确保晶圆整个表面上的蚀刻均匀度，不仅提高工程效率，还具有伴随边缘部的芯片成品率的提高的生产性的提高。
附图说明
图1是本发明一实施例的概略结构图；
图2是本发明侧部气体注入器的一实施例的立体图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是本发明另一实施例的概略结构图；
图5是图4实施例的侧部气体注入器的部分剖视图；
图6是本发明又一实施例的部分侧视图；
图7是图6背面气体注入器的立体图；以及
图8是本发明再一实施例的部分侧视图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明。
图1表示本发明一实施例的概略结构图，图2表示本发明侧部气体注入器的一实施例的立体图，图3表示图2的A-A剖视图。
如图1所示，本发明的气体注入系统包括上部气体注入器10与侧部气体注入器30。
上部气体注入器10设于隔室1的内侧上部面，侧部气体注入器30沿着隔室1的侧面设置。
隔室1在蚀刻工程中提供与外部隔离的等离子反应空间，在内部形成一定大小的密封空间，可以根据晶圆W的大小或工程的特性形成各种形状。
另外，隔室1在下侧部具备为了实施工程而加载晶圆W的静电吸盘(ESC：Electro Static Chuck)20，并设有向外部排出反应气体或聚合物(polymer)或粒子(particle)等反应副产物的排气口(未图示)。
而且，隔室1内设有高频电源RF，该高频电源RF通过放电反应气体而变换为等离子状态，从而使晶圆W的表面由等离子进行蚀刻处理。
通常，在静电吸盘20上可以设有为了调节晶圆W的温度而循环氦(He)气等的气体管道(未图示)或循环冷却剂的冷却水管道(未图示)等。
另外，晶圆W以水平状态稳定固定于静电吸盘20上部。
上部气体注入器10是向隔室1内部空间喷射反应气体的结构，优选形成有如箭头110的方向向下侧方向和侧面方向喷射反应气体的多个喷射口15，使喷射的反应气体迅速地扩散到隔室1内部而能够形成均匀的等离子。
上部气体注入器10可以使用向多个方向形成有多个喷射口15的通常结构的喷头。
从而，上部气体注入器10与另设的外部的气体供给部(未图示)连接，将适当流量的反应气体向隔室1内喷射。
从上部气体注入器10喷射的反应气体向隔室1内扩散的同时，由高电压被变换为等离子状态，该等离子与晶圆W表面接触并进行反应，从而以一定图案对晶圆W表面进行蚀刻处理。
此时，反应气体可以根据各蚀刻工程的特性而使用各种气体，但通常使用CxFx或SxFx系或HBr、Ar、O2等气体，结束反应后，反应副产物通过排气口强制地排出到外部。
另外，如图1所示，侧部气体注入器30沿着隔室1的侧壁设置，在晶圆W的侧面方向喷射调节气体。
通常，设置在隔室1的上部的喷头形式的上部气体注入器10向多个方向喷射反应气体，但在此时，反应气体在达到晶圆W的中心部和边缘部(edge，外周)的过程中，因扩散程度之差，不能均匀地形成等离子，从而晶圆W将产生在中心部和边缘部的蚀刻率及CD之差，除了发生工程不良，还会显着地降低边缘部的芯片成品率。尤其是，随着晶圆W的大口径化趋势和半导体设备(device)的高集成化，而使工程利润缩小，并且CD缩小到30nm以下，在边缘部因等离子不均匀而发生的不良显着地增加。
因此，侧部气体注入器30通过精确地控制分布在晶圆W的边缘部的等离子的均匀度，补偿晶圆W的中心部和边缘部的蚀刻率之差及CD之差。
也就是说，本发明通过使调节气体近距离喷射到晶圆W的边缘部，最小化移动过程中的扩散，从而使对调节气体的独立的控制变得容易，并且由此可以有效地控制到达边缘部的反应气体的量和等离子的分布，从而能够改善晶圆W的中心部和边缘部的蚀刻不均匀或CD偏差等。
下面参照图2和图3详细说明侧部气体注入器30。
如图2所示，侧部气体注入器30包括主体部31和设于主体部31的导管36。
主体部31设置于隔室1的外周，从而能够从隔室1的侧面的方向喷射调节气体，并形成为一定厚度的板状，在中央部形成有中空部39。
主体部31可以相互结合相同大小的上板和下板而形成，可以根据隔室1的大小及形状而形成多种形式，但中空部39是对应于隔室1的内周面而形成。
另外，在主体部31的外侧内部形成有一个或两个以上的气体流入口32，在中空部39的圆周上等间距地排列形成有多个喷射口35。
此时，在主体部1的内部形成具有一定直径的分配流路33。
分配流路33配备成与中空部39形成同心圆，并设置成与气体流入口32及喷射口35连通。
另外，在喷射口35上连接设置有导管36。
如图1所示，导管36以等间距设置，从而使调节气体近距离喷射到晶圆W的边缘部，并设置成后端部与喷射口35连接，前端部邻接于晶圆W的边缘部的上部。
因此，导管36的中央部一端向下弯折而形成，但不限定于此，可以形成为前端部能够邻接于晶圆W的边缘部的弯曲形状等各种形式，后端部通过在喷射口15设置密封部件而利用螺纹连接等进行连接。
从而，调节气体通过气体流入口32流入后经由分配流路33分配到喷射口35，并通过导管36喷射到晶圆W的边缘部。
另外，调节气体可以使用CxFx系或O2气体等。
调节气体是通过在晶圆W的边缘部的上方近距离喷射，从而改变由反应气体形成于边缘部的等离子的密度或分布度。因此，侧部气体注入器30使调节气体通过导管36近距离喷射到晶圆W的边缘部，从而能够最小化调节气体到达边缘部的过程中发生的气体扩散，并且能够精确地控制到达边缘部的调节气体的流量，从而补偿晶圆W的中心部与边缘部的等离子分布之差，能够消除中心部与边缘部的蚀刻率或CD均匀度或轮廓之差。
另外，图4和图5分别表示本发明另一实施例的结构图和侧部气体注入器40的剖视图，除了喷射口45和导管46外，与图1、图2的实施例相同，因此只对变更的结构进行说明。
如图5所示，喷射口45以一定角度向下倾斜地贯通形成于侧部气体注入器40的主体部41的下侧部，一端部与分配流路43连通，另一端部与导管46连通。
导管46设置成以维持与喷射口45相同的角度的状态贯通支撑主体部41的隔壁1的侧壁与喷射口45连通。
喷射口45与导管46与图2的实施例的喷射口35和导管36同样地由多个设置成放射状。
另外，导管46的前端部邻接于边缘部而设置，使调节气体从晶圆W的外侧方向以倾斜成一定角度的状态喷射到边缘部。因此，调节气体通过气体流入口42流入并经由分配流路43后，分配到多个喷射口45并通过导管46倾斜地喷射，从而能够控制在边缘部上的蚀刻均匀度。
另外，参照图6至图8详细说明本发明的另一实施例。
图6表示本发明又一实施例的部分侧视图，图7表示背面(backside)气体注入器50的立体图，图8表示本发明再一实施例的部分侧视图，除了图1实施例的侧部气体注入器30之外是与图1的实施例相同，因此只对变更的结构进行说明。
如图6所示，背面气体注入器50是在晶圆W的侧面的后侧方向如箭头135的方向向上喷射调节气体的结构，外插在静电吸盘20的上侧部而固定设置。
而且，背面气体注入器50喷射调节气体的同时具有聚焦环的作用，使等离子集中到加载在静电吸盘20上部的晶圆W上部，并防止等离子接触到静电吸盘20而导致静电吸盘20受损的作用。
因此，背面气体注入器50优选形成由硅胶或石英(quartz)等材料构成的环状，而且，还可以由层叠多个环而固定的聚焦环组件构成。
这时，在背面气体注入器50的上部形成多个喷射口55，使调节气体能够向上喷射，并且在外周面形成有气体流入口52。
在此，喷射口55邻接于边缘部而设置，使调节气体近距离喷射到晶圆W的边缘部，喷射口55与气体流入口52由分配流路53而相互连通地贯通设置。
分配流路53与图7所示的中空部59形成相同中心地贯通设置于内部，此时，喷射口55的下端部连接设置于分配流路53。
分配流路53与图2、图3所示的分配流路33同样地，可以将背面气体注入器50分离形成为上部和下部来进行制作。
因此，如箭头130所示，调节气体从气体流入口52流入后，经由分配流路53分别分配到多个喷射口55，之后如箭头135所示地向上喷射而影响形成于晶圆W的边缘部的等离子的分布，由此使用者能够通过调整调节气体的流量来更精确地控制晶圆W边缘部的蚀刻率或CD均匀度或轮廓。
另一方面，气体流入口32、52可以根据需要形成一个或两个以上，与另设在外部的气体供给部(未图示)连接。
图8所示的背面气体注入器60是气体流入口62向下形成的机构，与图7所示的背面气体注入器50相比，只是气体流入口62的位置不相同，除此之外的结构是相同的。
气体流入口62的一个或两个以上向下侧方向形成，在支持背面气体注入器60的静电吸盘20上对应于气体流入口62的个数地形成有贯通路25，从而与气体流入口62连通。
此时，静电吸盘20的贯通路25与设在外部的气体供给部连接。
因此，如图箭头140所示，调节气体通过静电吸盘20的贯通路25，经由背面气体注入器60的气体流入口62移动到分配流路63后，通过多个喷射口65如箭头145所示地向上喷射，从而改变晶圆W的边缘部的等离子分布。
从而，本发明通过使调节气体通过配备在侧部气体注入器30、40或背面气体注入器50、60的喷射口35、45、55、65近距离喷射到晶圆W的边缘部，能够最小化调节气体的扩散现象，有效地控制边缘部的等离子分布，除了去除在晶圆W的边缘部产生的聚合物之类的反应副产物外，还能通过边缘部的外侧面或下侧部的蚀刻效果去除有机物或异物等，并且，多个喷射口35、45、55、65沿晶圆W的边缘部设置成放射状，能够使调节气体均匀地喷射到边缘部整体，有效地补偿晶圆W的中心部与边缘部的蚀刻率及CD之差，不仅能够缩短工程时间，还能够确保在晶圆整个表面上的蚀刻均匀度。
如上，上述实施例只是为了便于说明儿说明的实施例，并不限定权利要求的保护范围，本发明还能适用于溅射(Sputter)设备或化学气相沉积设备(CVD)等的等离子真空处理设备。
Claims (9)
1.一种用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，包括：
上部气体注入器，从隔室上部供给反应气体；以及
侧部气体注入器，放射状地形成多个喷射口，从而沿着上述隔室的内周面从多个位置同时喷射调节气体，在上述喷射口的端部上分别连接设置有导管，上述导管使上述调节气体近距离喷射到加载在上述隔室内侧的晶圆的边缘部。
2.根据权利要求1所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述导管的中央部向下弯折而形成，使上述导管的前端部邻接位于上述晶圆的边缘部的上侧部。
3.根据权利要求1所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述导管设置成前端部邻接于上述晶圆的边缘部上侧部，并向下倾斜地设置成上述调节气体在上述晶圆的外侧方向以一定角度喷射到边缘部。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述侧部气体注入器在外侧部形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通。
5.根据权利要求4所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述分配流路以与上述侧部气体注入器形成同心圆的方式，贯通形成于内部。
6.一种用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，包括：
上部气体注入器，从隔室上部供给反应气体；以及
背面气体注入器，外插设置在加载晶圆的静电吸盘的上侧部的外周，在上侧面间隔形成多个喷射口，使调节气体近距离地向上喷射到上述晶圆的边缘部。
7.根据权利要求6所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述背面气体注入器在外部形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通。
8.根据权利要求6所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述背面气体注入器在下侧面形成气体流入口，在内部形成分配流路，使上述气体流入口与上述多个喷射口连通，在支撑上述晶圆与背面气体注入器的静电吸盘上形成与上述气体流入口连通的贯通路。
9.根据权利要求7或8所述的用于蚀刻轮廓控制的气体注入系统，其特征在于，上述分配流路以与上述背面气体注入器形成同心圆的方式，贯通形成于内部。
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