CN105632861B - 电感耦合等离子体处理装置及等离子体刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体处理装置，包括反应腔室，其具有进气单元、夹持基片的静电夹盘和设于基片外周侧的聚焦环。聚焦环包括固定设置的第一部分和可移动地设置在第一部分上的第二部分。第二部分的最小内径大于第一部分的内径。驱动单元用于驱动聚焦环的第二部分在接触第一部分的第一位置和距第一部分上表面5mm‑15mm的第二位置之间垂直移动。该聚焦环的第二部分位于第一位置时配合该第一部分共同调节基片附近的工艺气体及其等离子体的分布，当位于第二位置时遮蔽到达基片边缘的工艺气体及其等离子体。本发明能够根据不同需要调节等离子体分布。

Description

电感耦合等离子体处理装置及等离子体刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种电感耦合等离子体处理装置及应用该处理装置的等离子体刻蚀方法。

背景技术

等离子体处理装置被广泛应用于各种半导体制造工艺，例如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。以等离子体刻蚀工艺为例，图1示出现有技术的一种电感耦合等离子体刻蚀装置的结构示意图。反应腔室10顶部具有绝缘盖板11，反应腔室10底部设置有用于夹持待处理基片W的静电夹盘14，进气单元12设置于反应腔室10的侧壁绝缘盖板11下方。绝缘盖板11上设置电感耦合线圈13，线圈通过匹配器(图中未示)与射频源(图中未示)连接，通过在线圈13中通入射频电流产生交变的磁场，进而在反应腔室10内感生出电场，将通过进气单元11进入反应腔室10的反应气体电离生成等离子体以对待处理基片W表面进行等离子体处理。聚焦环15设于基片W的周围，用于收敛基片W表面的等离子体。绝缘环16位于聚焦环15下方，用于支撑聚焦环15。

不同的蚀刻制程对等离子体分布密度的要求不同，例如在进行无图形刻蚀制程时，基片的边缘区域与中间区域刻蚀速率显著不同，边缘区域的刻蚀速率偏快，容易造成整个基片范围内器件特征尺寸的不一致，因此需要对基片边缘区域和中间区域的刻蚀速率加以调节；而在进行深沟槽图形刻蚀制程时，则并不需要降低边缘区域的刻蚀速率。因此，需要提供一种改进的电感耦合等离子体处理装置，可根据不同的等离子体刻蚀制程调节等离子体分布。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够调节等离子体密度、提高基片表面等离子体分布均一性的电感耦合等离子体处理装置。

为达成上述目的，本发明提供一种电感耦合等离子体处理装置，其包括反应腔室和驱动单元。所述反应腔室具有用于向所述反应腔室内部输入工艺气体的进气单元；用于夹持待处理基片的静电夹盘；以及围绕设于所述基片外周侧的聚焦环，其中所述聚焦环包括围绕所述基片外周缘而固定设置的第一部分以及可移动地设置于所述第一部分上的第二部分，其中，所述聚焦环的第二部分的最小内径大于等于所述聚焦环的第一部分的内径。所述驱动单元用于驱动所述聚焦环的第二部分在第一位置和第二位置之间垂直移动，其中当所述聚焦环的第二部分定位于所述第一位置时其与所述聚焦环的第一部分接触并配合该第一部分共同调节所述基片附近的工艺气体及其等离子体的分布，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第二位置时其距所述聚焦环的第一部分的上表面5mm-15mm的距离以遮蔽到达所述基片边缘的工艺气体及其等离子体。

优选的，所述驱动单元还驱动所述聚焦环的第二部分使其定位于第三位置，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第三位置时其邻近所述进气单元处并作为辅助气体聚集环用于调节所述进气单元附近的工艺气体及其等离子体分布。

优选的，所述反应腔室还包括水平设于所述进气单元下方的气体聚集环。

优选的，当所述聚焦环的第二部分位于所述第三位置时，其位于所述气体聚集环下方0～10mm。

优选的，所述聚焦环的第一部分具有主体部及突出部，所述突出部自所述主体部的上表面突出，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第一位置时，其下表面与所述主体部的上表面接触且上表面与所述突出部的上表面平齐。

优选的，所述聚焦环的突出部突出于所述基片的上表面1～3mm。

优选的，所述聚焦环的第一部分突出于所述基片的上表面1～3mm。

优选的，所述聚焦环的第二部分的最大内径小于所述气体聚集环的内径。

优选的，所述聚焦环的第二部分的内径小于所述气体聚集环的内径。

优选的，所述聚焦环的第二部分的截面形状为矩形或梯形。

优选的，所述聚焦环的第二部分的截面形状为矩形，其宽度为所述反应腔室半径的1/4～2/3。

优选的，所述反应腔室还包括围绕所述静电夹盘外周侧的绝缘环，所述聚焦环的第一部分设置于所述绝缘环之上并覆盖所述绝缘环的上表面。

优选的，所述聚焦环的材料为陶瓷或石英，所述气体聚集环的材料为铝合金。

本发明还提供了一种利用上述电感耦合等离子体处理装置的等离子体刻蚀方法，所述刻蚀方法包括原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，包括以下步骤：

将所述聚焦环的第二部分定位至所述第一位置，与所述聚焦环的第一部分接触；

进行所述深沟槽图形刻蚀制程；

将所述聚焦环的第二部分定位至所述第二位置；

进行所述无图形刻蚀制程。

相较于现有技术，本发明的等离子体处理装置利用可升降的聚焦环的第二部分分别定位于反应腔室内的不同位置，当与聚焦环的第一部分接触时与该第一部分成为一个整体的聚焦环，调节基片附近的等离子体鞘层和气体分布，当位于第一部分上方5～15mm时掩蔽或遮蔽基片周缘处的一部分等离子体以使基片边缘部分等离子体的密度减小、减小基片边缘的刻蚀速率，当位于腔室内上方时还可用作另一气体聚集环调节腔室内的气体分布和等离子体密度。

附图说明

图1为现有技术中电感耦合等离子体刻蚀装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的电感耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图3为本发明一实施例的电感耦合等离子体处理装置的结构示意图；

图4为应用本发明一实施例电感耦合等离子体处理装置的刻蚀方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2和图3显示了本发明的电感耦合等离子处理装置的不同实施方式，应该理解，电感耦合等离子体处理装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图中所示相同或不同。

实施例1

如图2所示，电感耦合等离子体处理装置包括反应腔室20，反应腔室20上方具有绝缘盖板21，绝缘盖板21通常为陶瓷介电材料。反应腔室侧壁靠近顶部处设有用于向反应腔室20内部输入工艺气体的进气单元22。反应腔室20底部设置有用于夹持待处理基片W的静电夹盘23。在绝缘盖板21的外侧上方配置电感耦合线圈23，通过未图示的射频源向线圈23提供射频电流在反应腔室20内感生出电场，以此对由进气单元22引入到腔室内的工艺气体进行电离并产生等离子体，以对基片W进行刻蚀等处理。此外，本实施例中，进气单元22是形成在反应腔室20的侧壁靠近绝缘盖板处，但在其他实施例中其也可以是形成于绝缘盖板中，本发明并不加以限制。在基片W外周侧环绕设有聚焦环。如图所示，聚焦环包括两个部分25a和25b。第一部分25a围绕基片W的外周缘而固定设置，其内径大于基片W的外径，以在基片W周围提供一个相对封闭环境的同时防止对基片W边缘区域的遮蔽；第二部分25a以及可移动地设置在第一部分24a之上，其截面形状可以是矩形或梯形，但最小内径大于第一部分25a的内径。因此，第二部分25b内周缘至基片W的最小水平距离要大于第一部分25a内周缘至基片W的水平距离。当第二部分25b截面形状为矩形时，该矩形的宽度约为腔室20半径的1/4至2/3，能够达到更好的等离子体调节的效果。第一部分25a和第二部分25b均为例如陶瓷等绝缘材料制成。第二部分25b通过支撑杆26定位于第一部分25a的表面之上。支撑杆26较佳为沿聚焦环的第二部分25b的周向均匀分布为多个，如三个。每个支撑杆26的一端与聚焦环的第二部分25b固定连接，另一端连接驱动单元27。本实施例中，驱动单元27设于反应腔室20外部，其可包含电机、气缸等设备，用于使支撑杆26与聚焦环的第二部分25b在垂直方向升降以使该聚焦环的第二部分24b接近或远离基片W。具体来说，驱动单元27驱动聚焦环的第二部分25b在垂直方向上的第一位置和第二位置之间移动，并根据需要将聚焦环的第二部分25b定位于第一位置或第二位置。当聚焦环的第二部分25b定位于第一位置时，其接触聚焦环的第一部分25a，配合该第一部分25a共同调节基片附近的工艺气体及其等离子体的分布。具体来说，聚焦环的两个部分形成一个整体的聚焦环，并以聚焦环的第一部分25a起到主要的等离子体收敛作用，如图中实线箭头所示，第二部分25b对基片边缘的遮蔽作用非常小甚至未产生遮蔽作用，因此当聚焦环的第二部分25b定位于第一位置时，可进行深沟槽等离子体刻蚀，基片W表面附近的等离子体密度不易受到聚焦环的第二部分25b的影响，基片W边缘区域所刻蚀出的深沟槽的剖面形貌得以保证。较佳的，如图所示，聚焦环的第一部分25a具有主体部和突出部251，该突出部以狭窄的环形结构突出于在主体部的上表面，环绕基片W外周侧。聚焦环第二部分25b可移动地设置在第一部分25a的突出部251的外周侧，当其定位于第一位置时，其下表面与聚焦环第一部分25a的主体部上表面接触，由此第二部分25b嵌入第一部分25a，其突出于第一部分25a的部分更少，对基片边缘等离子体的遮蔽作用也更小。更佳的，第二部分25b的上表面与突出部251的上表面平齐，如此在进行深沟槽刻蚀制程时，聚焦环的第二部分25b完全不对基片W边缘区域的等离子体密度产生影响。当聚焦环的第二部分25b定位于第二位置时，其距离聚焦环第一部分25a上表面(本实施例中为突出部251的顶面)5～15mm，可以有效的阻挡反应腔内的自由基对基片边缘的刻蚀，起到遮蔽等离子体接触基片W周缘的作用，如图2中虚线箭头所示。此时通过聚焦环的第二部分25b能够减小基片边缘处的工艺气体及等离子体分布、降低边缘处的刻蚀速率，进而保证了整个基片表面的刻蚀均一性，因此，当聚焦环的第二部分25b定位于第二位置时，可进行无图形刻蚀制程。可选的，本实施例中，为防止基片W在等离子体处理过程中飞出，突出部251突出于基片上表面1～3mm，用于阻挡基片W飞出。另外，如在图3所示的实施例2中，聚焦环的第一部分25a也可以不设置突出部但整个上表面突出于基片W上表面1～3mm以防止基片飞出。

此外，反应腔室20内还包括气体聚集环28，其水平设于进气单元22的下方，根据其内径大小可对进气单元22附近的工艺气体及其等离子体分布进行约束。气体聚集环28可由铝合金材料制成。反应腔室20内还包括绝缘环29，其环绕于静电夹盘24。聚焦环的第一部分25a固定设置于绝缘环29之上并覆盖绝缘环29的上表面，由此绝缘环29可起到固定和支撑聚焦环的第一部分25a的作用。其中，绝缘环29的横截面形状可以是L形或矩形，本发明并不加以限制。绝缘环29的内侧壁与静电夹盘24的外侧壁尽可能的紧密贴合，防止等离子体打在静电夹盘24的表面上，保护静电夹盘24免受损耗。绝缘环29可采用陶瓷或石英等绝缘材料形成。

实施例2

图3是本发明所提供了电感耦合等离子体处理装置另一实施例的结构示意图。本实施例中，驱动单元27还可驱动聚焦环的第二部分25b移动至第三位置。当聚焦环的第二部分25b定位于第三位置时，其邻近进气单元22处并作为辅助气体聚集环以其内径大小来调节调节进气单元22附近的工艺气体及其等离子体分布。当然此时，聚焦环的第一部分25a仍对基片W附近的等离子体加以收敛。在本实施例中，反应腔室20内同样包括气体聚集环28，其水平设于进气单元22的下方，内径优选为大于聚焦环的第二部分25b的最大内径。当驱动单元27驱动聚焦环的第二部分25b定位于第三位置时，第二部分25b作为辅助气体聚集环位于气体聚集环28下方，以较小的内径对经气体聚集环28通过的等离子体进行约束，进一步调节等离子体浓度，如图3中点划线箭头所示。由此，根据本实施例，当因工艺要求需对进入腔室内的工艺气体及其等离子体分布进行调节时，只要将聚焦环的第二部分25b上升至第三位置即可完成而无需更换气体聚集环28，提高了工艺效率。此外，由于聚焦环的第二部分25b的截面形状可以是矩形或梯形，也能够引导工艺气体及其等离子体以不同扩散方向导入。此外，本实施例的电感耦合等离子体处理装置也可包括绝缘环29，其设置均可参照前述实施例，在此不再赘述。

实施例3

本发明的电感耦合等离子体处理装置特别适用于原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，本实施例将对应用等离子体处理装置进行上述原位刻蚀工艺的步骤加以说明。

如图4所示，原位执行深沟槽图形刻蚀和无图形刻蚀的步骤包括：

S1：将聚焦环的第二部分定位至第一位置，与聚焦环的第一部分接触；

S2：进行深沟槽图形刻蚀制程：

S3：将聚焦环的第二部分定位至第二位置；

S4：进行无图形刻蚀制程。

当进行深沟槽图形刻蚀时，由于聚焦环的第二部分定位于第一位置时，不会影响基片边缘的等离子体分布，基片W边缘区域所刻蚀出的深沟槽的剖面形貌得以保证。之后，当进行无图形刻蚀来调整所形成的深沟槽的深度时，聚焦环第二部分定位于第二位置减小基片边缘处的刻蚀速率，保证了整个基片表面的刻蚀均匀性。

综上所述，本发明的等离子体处理装置，通过将聚焦环设置为固定的第一部分和可升降的第二部分，并将第二部分分别定位于反应腔室内的不同位置，可根据需求调节基片附近的等离子体密度分布，以满足刻蚀速率的均一性及刻蚀形貌的要求，提高了工艺效率和产品良率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，包括：

反应腔室，其具有：

用于向所述反应腔室内部输入工艺气体的进气单元；

水平设于所述进气单元下方的气体聚集环；

用于夹持待处理基片的静电夹盘；以及

围绕设于所述基片外周侧的聚焦环，所述聚焦环包括围绕所述基片外周缘而固定设置的第一部分以及可移动地设置于所述第一部分上的第二部分；其中，所述聚焦环的第二部分的最小内径大于等于所述聚焦环的第一部分的内径；

驱动单元，用于驱动所述聚焦环的第二部分在第一位置、第二位置和第三位置之间垂直移动，其中当所述聚焦环的第二部分定位于所述第一位置时其与所述聚焦环的第一部分接触并配合该第一部分共同调节所述基片附近的工艺气体及其等离子体的分布，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第二位置时其距所述聚焦环的第一部分的上表面5mm-15mm的距离以遮蔽到达所述基片边缘的工艺气体及其等离子体，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第三位置时其位于所述气体聚集环下方0～10mm并作为辅助气体聚集环用于调节所述进气单元附近的工艺气体及其等离子体分布。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的第一部分具有主体部及突出部，所述突出部自所述主体部的上表面突出，当所述聚焦环的第二部分定位于所述第一位置时，其下表面与所述主体部的上表面接触且上表面与所述突出部的上表面平齐。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述突出部突出于所述基片的上表面1～3mm。

4.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的第一部分突出于所述基片的上表面1～3mm。

5.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的第二部分的最大内径小于所述气体聚集环的内径。

6.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的第二部分的截面形状为矩形或梯形。

7.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的第二部分的截面形状为矩形，其宽度为所述反应腔室半径的1/4～2/3。

8.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述反应腔室还包括围绕所述静电夹盘外周侧的绝缘环，所述聚焦环的第一部分设置于所述绝缘环之上并覆盖所述绝缘环的上表面。

9.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体处理装置，其特征在于，所述聚焦环的材料为陶瓷或石英，所述气体聚集环的材料为铝合金。

10.一种应用如权利要求1至9任一项所述的电感耦合等离子体处理装置的等离子体刻蚀方法，所述刻蚀方法包括原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，其特征在于，包括:

将所述聚焦环的第二部分定位至所述第一位置，与所述聚焦环的第一部分接触；

进行所述深沟槽图形刻蚀制程；

将所述聚焦环的第二部分定位至所述第二位置；

进行所述无图形刻蚀制程。