CN102800562A - 脉冲式等离子体蚀刻方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉冲式等离子体蚀刻方法及装置，应用于产生较少沟壁内凹的沟槽结构。该脉冲式等离子体蚀刻装置包括一容置腔、一上电极板、一下电极板、一气体供应槽、一第一超高射频电源供应器、一射频偏压电源供应器以及一脉冲模块。当该脉冲模块提供一超高频电压于该上电极板及该下电极板之间时，一超高频电压则换接至关闭状态，此时大量的电子穿过等离子体并到达基板而于关闭状态时期中和大量的正电离子。本发明的脉冲式等离子体蚀刻方法及装置，能够减少沟槽结构的侧壁内凹或扭弯。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体蚀刻方法及装置，且特别涉及一种脉冲式等离子体蚀刻方法及装置，应用于产生较少沟壁内凹的沟槽结构。
背景技术
如图1至图3显示为一种现有的半导体装置的蚀刻方法。如图1所示，一硬式碳化掩模20形成于一基板10上。且该基板10包括一电子元件层11、一半导体层12、以及一低介电常数层13。该硬式碳化掩模20包括一图案201，以暴露部分的基板10。
如图2所示，以硬式碳化掩模20所覆盖的基板10安置等离子体蚀刻装置100内。该等离子体蚀刻装置100包括一容置腔110、一上电极板120、一下电极板130、一气体供应源140、一气体排出单元150、一第一射频电源供应器160、一第一射频电源供应控制器161、一直流电源供应器170、一直流电源供应控制器171、一射频偏压电源供应器180、一射频偏压电源供应控制器181、一第二射频电源供应器190以及一第二射频电源供应控制器191。
容置腔110包括一上壁111及一下壁112，该上壁111及该下壁112两者定义了一处理室113。该上电极板120设置于该上壁111上。该下电极板130设置于该下壁112上，且一夹盘114可供固持该基板10。气体供应源140连接至该处理室113以供导引一处理气体进入该处理室113内。通常该气体供应源140包括一蚀刻气体供应源141、一沉积气体供应源142以及一气体控制器143。该蚀刻气体供应源141供应蚀刻气体如氮气/氢气或氮气/氨气至处理室113内，且沉积气体供应源142则经由该气体控制器143供应一沉积气体至该处理室113内。该气体排出单元150则用于自处理室113中排除气体，因而控制该处理室113的气压。
该第一射频电源供应器160由该第一射频电源供应控制器161所控制，而该第一射频电源供应器160电连接于该上电极板120，以供在等离子体蚀刻过程中，连续地供应一顶部超高射频电源至该上电极板120。该直流电源供应器170则由直流电源供应控制器171所控制，该直流电源供应器170电连接于该上电极板120，以供在等离子体蚀刻过程中，连续地供应一直流电源至该上电极板120。
该射频偏压电源供应器180由射频偏压电源供应控制器181所调控，且该射频偏压电源供应器180电连接于该下电极板130，以供连续地供应一射频偏压电源至该下电极板130，进而于处理室113内产生一等离子体而蚀刻该基板10。该第二射频电源供应器190则由该第二射频电源供应控制器191所控制，且该第二射频电源供应器190电连接于该下电极板130，以供连续地供应一底部超高射频电源至该下电极板130。
参照图3所示，在蚀刻过程中，温度若超过20℃时，该基板10的该低介电常数层13被蚀刻后而形成两侧壁内凹的沟槽19、19a结构。该沟槽19结构部分地暴露该电子元件层11。而另一沟槽19a结构则形成扭弯的沟槽结构于电子元件层11上，因此皆被视为不合格的沟槽结构。
沟槽19、19a结构的成型过程描述如后。当蚀刻进行时，大部分的阴电子21b分布于硬式碳化掩模20附近，且大部分的阳离子21a则轰击入该沟槽19、19a结构。由于有太多阳离子21a处于沟槽19、19a结构的底部，因此后续阳离子的轨道则因而弯曲，此现象则造成沟槽19、19a结构的侧壁内凹或扭弯的结果。此外，蚀刻气体与沉积气体不均衡的浓度也会影响沟槽19、19a结构的侧壁内凹或扭弯。
为了克服上述问题，直流电源供应器170被用来连续地供应直流电源至上电极板120，而诱发电子再次发射。再次发射的电子被预期穿过等离子体及遮罩并进入沟槽19、19a结构而中和阳离子21a。然而，事实上，再次发射的电子需要非常高的能量来穿过等离子体及遮罩，只有少于6％的电子能够到达基板10。因此，当射频电源供应器160、190于温度20℃以上运作时，直流电源的供应能不足以改善沟槽19、19a结构的侧壁内凹或扭弯等现象。
发明内容
本发明的目的在于为了解决上述先前技术的难题，而提供一种脉冲式等离子体蚀刻方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供一种脉冲式等离子体蚀刻装置，包括一容置腔、一上电极板、一下电极板、一气体供应槽、一第一超高射频电源供应器、一射频偏压电源供应器以及一脉冲模块。该容置腔包括一上壁及一下壁，其中一处理室则由该上壁及该下壁所界定。该上电极板设置于该上壁上，此时该下电极板设置于该下壁上。该气体供应槽连接该处理室，并导引一处理气体进入该处理室内。该第一超高射频电源供应器电连接于该上电极板。该射频偏压电源供应器则电连接于该下电极板。该脉冲模块电连接至该射频偏压电源供应器并可控制射频偏压电源供应器，而脉冲模块电性连接至该射频偏压电源供应器并可控制该射频偏压电源供应器，而不连续地供应一超高频电压介于该上电极板及该下电极板之间。
本发明还提供了一种脉冲式等离子体蚀刻方法，包括下列步骤：形成一掩模于一基板上，其中该掩模具有一图案；安置具有该掩模的该基板于一等离子体蚀刻装置内，其中该等离子体蚀刻装置包括一容置腔，该容置腔具有一上壁及一下壁，一上电极板设置于该上壁上，且一下电极板设置于该下壁上并固持该基板；导引一处理气体进入一处理室，该处理室由该上壁及该下壁所定义；供应一顶部超高射频电源及一直流电源至该上电极板；以及供应一超高频电压至该下电极板而不连续地蚀刻该基板。
上文已相当广泛地概述本发明的技术特征及优点，以使下文的本发明详细描述得以获得较佳了解。构成本发明的权利要求标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，可相当容易地利用下文揭示的概念与特定实施例可作为修改或设计其它结构或工艺而实现与本发明相同的目的。本发明所属技术领域中具有通常知识者也应了解，这类等效建构无法脱离后附的权利要求所界定的本发明的精神和范围。
附图说明
图1至图3显示一现有的蚀刻方法的各步骤以供形成一堆叠电容的示意图；
图4显示本发明的一实施例的该脉冲等离子体蚀刻装置及方法的示意图。
图5显示射频偏压电源的交替地换接于开启状态及关闭状态之间的示意图；
图6显示本发明脉冲式等离子体蚀刻装置的脉冲调变的具体实施例的示意图；
图7显示本发明脉冲式等离子体蚀刻方法及装置中所使用的基板的示意图；
图8显示图7所示的基板上形成沟槽的示意图；
图9显示本发明的一实施例的脉冲式等离子体蚀刻方法的流程图；
其中，附图标记说明如下：
具体实施方式
在下文中本发明的实施例配合所附图式以阐述细节。此外，相似的元件符号则对应相同或相对应的元件部分。
图4显示本发明一实施例的一脉冲式等离子体蚀刻装置200。此脉冲式等离子体蚀刻装置200包括一容置腔210、上电极板220、下电极板230、一气体供应槽240、一排气单元250、一第一超高射频电源供应器260、一第一超高射频电源供应控制器261、一直流电源供应器270、一直流电源供应控制器271、一射频偏压电源供应器280、一射频偏压电源供应控制器281、一第二超高电源供应器290、一第二超高射频电源供应控制器291以及一脉冲模块300。
该容置腔210包括一上壁211以及一下壁212。一处理室213形成介于该上壁211及该下壁212之间。换言之，该上壁211及该下壁212共同定义该处理室213。在一实施例中，容置腔210是电性接地以防止装置损坏。该上电极板220设置于该处理室213的上壁211上。该下电极板230则设置于该处理室213的下壁212上。如图4所示的实施例中，该下电极板230进一步包括一夹盘214，该夹盘214可供固持一基板70。
该气体供应槽240连接于该处理室213中，以供导引一处理气体进入该处理室213内。在此实施例中，该气体供应槽240进一步包括一蚀刻气体供应槽241、一沉积气体供应槽242以及一气体控制器243。该蚀刻气体供应槽241供应一蚀刻气体如氮气/氢气、氯气、三氯化硼气体或溴化氢气体进入处理室213内。该沉积气体供应槽242经由气体控制器243供应一沉积气体如三氟甲烷气体或四氟化碳气体至处理室213内。该处理气体包括该蚀刻气体及该沉积气体。该排气单元250用于自该处理室213内移除反应中或反应后的气体，而使该处理室213的压力受到控制。
该第一超高射频电源供应器260由该第一超高射频电源供应控制器261所控制，且该第一超高射频电源供应器260电连接于该上电极板220，而在等离子体蚀刻过程中，连续地供应一顶部超高射频电源至该上电极板220。换言之，该第一超高射频电源供应器260连续地供应一顶部超高射频电压至该上电极板220。此外，该直流电源供应器270由该直流电源供应控制器271所控制，且该直流电源供应器270电连接于该上电极板220，而在等离子体蚀刻过程中，连续地供应一直流电源至该上电极板220中。
该射频偏压供应器280受到该射频偏压供应控制器281所控制，且该射频偏压供应器280电连接至该下电极板230，以供应一射频偏压电源至一下电极板230，进而于处理室213内产生一等离子体以供蚀刻该基板70。该第二超高射频电源供应器290由第二超高射频电源供应控制器291所控制，且该第二超高射频电源供应器290电连接于该下电极板230以供应一底部超高射频电源至该下电极板230。该底部超高射频电源，也为一种超高射频电压，是可连续地供应至下电极板230或与射频偏压电源同步地一起供应至该下电极板230。
如图4的实施例所示，脉冲模块300电性连接至射频偏压电源供应控制器281，在等离子体蚀刻过程中，一超高频率电压被不连续地供应至该上电极板220及该下电极板230之间。换言之，脉冲模块300控制射频偏压电源供应器280而不连续地供应射频偏压电源，例如一超高频电压介于该上电极板220与该下电极板230之间。因此，射频偏压电源为一种超高频电压，且在非常短暂的时间内交替地换接于开启状态及关闭状态之间。该射频偏压电源在该开启状态时被供应，而在关闭状态时，该射频偏压电源则被关闭。如图5所示的放电开启状态及放电关闭状态重复地并交替地循环，因此当处于放电关闭状态时，一种带电荷粒子如阳离子的能量将会下降，所以后续的阳离子的轰击轨道将不会因阳离子互相排斥而弯曲。因此，沟槽的侧壁凹陷或扭弯的现象可经上述方式改善。
如图4的实施例所示，开启状态的时间间隔为1至100微秒，而关闭状态的时间间隔则为1至100微秒。较佳而言，开启状态的时间间隔是但不限于与关闭状态的时间间隔相等。图6显示脉冲式等离子体蚀刻装置200的脉冲调变的具体实施例。该超高频电压换接于开启状态与关闭状态之间交替而产生一占空比(duty ratio)。占空比代表放电时间/放电时间(施加电压开启)加上中止时间(施加电压关闭)。如图6所示的实施例中，脉冲放电状态为脉冲频率1赫兹、占空比为75％，放电时间及中止时间各别为0.75微秒及00.25微秒且一直重复。
此外，在其他实施例(未图示)中，脉冲模块300电连接至该第二超高射频电源供应器290，使该底部超高射频电源于等离子体蚀刻过程中，被不连续地供应至该下电极板230。而底部超高射频电源也与射频偏压电源同步地供应至该下电极板230。
再参照图4，脉冲式等离子体蚀刻装置200进一步包括一额外气体供应槽244，该额外气体供应槽244经由该气体控制器243连接至该处理室213。当射频偏压电源转换至关闭状态时，处理气体立即经由排气单元250而移出该处理室213。一额外气体则自该额外气体供应槽244导引至该处理室213。该额外气体可提供额外的电子而可当成与阳离子中和的净化气体，而于处理室213内中和处理气体的阳离子。该额外气体选自氩、氦、氙、氮、氢及上述气体的混合。因此该排气单元250另包括一供排除该处理气体的高效泵浦系统(未图示)。
如图7所示的一基板70。该基板70包括一电子元件层71、一半导体层72以及一低介电常数层73。一硬式碳化掩模40涂敷于该基板70上。该硬式碳化掩模40包括一图案401以暴露部分的该基板70。当夹盘214固持该基板70时，该基板70在温度20℃以上，于该处理室213中进行等离子体蚀刻。在图8的实施例中，当射频偏压电源换接至关闭状态时，大量的电子将穿过等离子体并到达至该沟槽49、49a的底部，以供在关闭状态的时间间隔中，中和该些阳离子。因而避免该沟槽49、49a结构形成侧壁内凹或扭弯等现象。
参照图8所示，在蚀刻过程中，该基板70的低介电常数层73被蚀刻而形成两沟槽49、49a结构。上述脉冲式等离子体蚀刻方法及装置可供在一半导体基板70上形成高深宽比(aspect ratio)的沟槽结构；然而上述方法及装置也可用来形成其他具有高深宽比的结构，例如于基板70内形成多个高深宽比的孔洞(未图示)。
综上所述，如图9所示，本发明提供一种脉冲式等离子体蚀刻方法，以下结合图4至图9进行说明。该方法包括下列步骤：在步骤901中，形成一掩模40于一基板70上，其中该掩模40具有一图案，而后执行步骤902。在步骤902中，具有该掩模40的基板70被安置于一等离子体蚀刻装置200内，其中该等离子体蚀刻装置200包括一容置腔210、一上电极板220以及一下电极板230，该容置腔210具有一上壁211及一下壁212，该上电极板220设置于该上壁211上，且该下电极板230设置于该下壁212上，并固持该基板70，而后执行步骤903。在步骤903中，处理气体被导引进入一处理室213，该处理室213由该上壁211及该下壁212所界定，而后执行步骤904。在步骤904中，一底部超高射频电源及一直流电源供应至该上电极板220，而后执行步骤905。在步骤905中，一底部超高射频电源供应至该下电极板230，而后步骤906被执行。在步骤906中，一超高频电压供应至该下电极板230而不连续地蚀刻该基板70。因此，该沟槽结构的侧壁内凹或扭弯的现象则可被避免。在其他实施例中，步骤906也可省略，而同时可达成减少侧向蚀刻、沟壁内凹及反应性离子蚀刻延迟等现象。此外上述方法的实施例中，各步骤之间的顺序不必然依照步骤的号码，也可根据不同的实施目的调换实施顺序。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，在不背离后附权利要求所界定的本发明精神和范围内，本发明的教示及揭示可作种种的替换及修饰。例如，上文揭示的许多装置或结构或方法步骤可以不同的方法实施或以其它结构予以取代，或者采用上述二种方式的组合。
此外，本案的权利范围并不局限于上文揭示的特定实施例的工艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。本发明所属技术领域中具有通常知识者应了解，基于本发明教示及揭示工艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤，无论现在已存在或日后开发者，其与本案实施例揭示者以实质相同的方式执行实质相同的功能，而达到实质相同的结果，也可使用于本发明。因此，以下的权利要求用以涵盖用以此类工艺、机台、制造、物质的成份、装置、方法或步骤。
Claims (20)
1.一种脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，包括：
一容置腔(210)，包括一上壁(211)及一下壁(212)，其中一处理室(213)由该上壁(211)及该下壁(212)所界定；
一上电极板(220)，设置于该上壁(211)上；
一下电极板(230)，设置于该下壁(212)上；
一气体供应槽(240)，连接至该处理室(213)并导引一处理气体进入该处理室(213)；
一第一超高射频电源供应器(260)，电性连接至该上电极板(220)；
一射频偏压电源供应器(280)，电性连接至该下电极板(230)；以及
一脉冲模块(300)，电性连接至该射频偏压电源供应器(280)并控制该射频偏压电源供应器(280)以不连续的方式供应一超高频电压介于该上电极板(220)及该下电极板(230)之间。
2.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，该气体供应槽(240)包括一蚀刻气体槽(241)以及一沉积气体槽(242)，且该处理气体包括一蚀刻气体及一沉积气体。
3.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，进一步包括一第二超高射频电源供应器(290)，电性连接至该下电极板(230)，以供应一底部超高射频电源至该下电极板(230)，其中该底部超高射频电源与一射频偏压电源同步供应。
4.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其中该超高频电压交替地换接于开启及关闭状态之间，该超高频电压于该开启状态时供应，且该超高频电压于该关闭状态时中止而产生一占空比。
5.根据权利要求4所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其中该开启状态的时间间隔为1至100微秒之间，且该关闭状态的时间间隔为1至100微秒之间。
6.根据权利要求4所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，进一步包括一排气单元(250)及一额外气体供应槽(244)，该额外气体供应槽(244)连接至该处理室(213)，其中该处理气体经由该排气单元(250)而排出该处理室(213)外，且当该超高频电压关闭时，一额外气体则通过该额外气体供应槽(244)导引入该处理室(213)中。
7.根据权利要求6所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，该额外气体选自氩、氦、氙、氮、氢及上述气体的混合。
8.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，该下电极板(230)包括一夹盘(214)，以供固持一基板(70)。
9.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，该第一超高射频电源供应器(260)，于一等离子体蚀刻过程中，连续地供应一顶部超高射频电源至该上电极板(220)。
10.根据权利要求1所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，进一步包括一直流电源供应器(270)，电性连接至该上电极板(220)，于一等离子体蚀刻过程中，连续地供应一直流电源至该上电极板(220)。
11.根据权利要求8所述的脉冲式等离子体蚀刻装置(200)，其特征在于，该基板(70)包括一低介电常数层，该基板(70)的蚀刻温度大于20℃。
12.一种脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，包括下列步骤：
形成一掩模(40)于一基板(70)上，其中该掩模(40)具有一图案；
安置具有该掩模(40)的该基板(70)于一等离子体蚀刻装置(200)内，其中该等离子体蚀刻装置(200)包括一容置腔(210)，该容置腔(210)具有一上壁(211)及一下壁(212)，一上电极板(220)设置于该上壁(211)上，且一下电极板(230)设置于该下壁(212)上并固持该基板(70)；
导引一处理气体进入一处理室(213)，该处理室(213)由该上壁(211)及该下壁(212)所定义；
供应一顶部超高射频电源及一直流电源至该上电极板(220)；以及
供应一超高频电压至该下电极板(230)而不连续地蚀刻该基板(70)。
13.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该基板(70)包括一低介电常数层(73)，该掩模(40)涂敷于该低介电常数层(73)上，且该基板(40)的蚀刻温度大于20℃。
14.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该掩模(40)为硬式碳化掩模。
15.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该处理气体包括蚀刻气体及一沉积气体。
16.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，进一步包括供应一底部超高射频电源至该下电极板(230)的步骤。
17.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该超高频电压交替地换接于开启及关闭状态之间，该超高频电压于该开启状态时供应，且该超高频电压于该关闭状态时中止而产生一占空比。
18.根据权利要求17所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该开启状态的时间间隔为1至100微秒之间，且该关闭状态的时间间隔为1至100微秒之间。
19.根据权利要求12所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该处理气体排出该处理室(213)外，且当该超高频电压关闭时，一额外气体则导引入该处理室(213)中。
20.根据权利要求19所述的脉冲式等离子体蚀刻方法，其特征在于，该额外气体选自氩、氦、氙、氮、氢及上述气体的混合。
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