CN105789008B - 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、载置待处理基片的基座，第一气体集中环和可移动的第二气体集中环。第一气体集中环包括内环形体和外环形体，外环形体包围内环形体并通过至少一条辐条与内环形体连接为一体，内外环形体之间的中空部以及内环形体以内的中空部供工艺气体和/或其等离子体通过。当第二气体集中环移动至贴合于第一气体集中环下表面时，其完全遮蔽内外环形体之间的中空部同时完全暴露内环形体以内的中空部。本发明能够根据不同工艺制程的需求调节等离子体分布。

Description

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，通过在等离子体刻蚀装置的反应腔室内配置电极，以蚀刻气体作为工艺气体提供给反应腔室内，利用在电极上施加射频而在反应腔室内形成工艺气体的等离子体，通过由该等离子体生成的原子团、离子等完成蚀刻的干法刻蚀工艺。

近年来，利用等离子体刻蚀工艺形成高深宽比结构，如TSV硅通孔技术，正越来越受到广泛的重视和研究。高深宽比结构的形成，典型包括两个步骤，首先是利用图形刻蚀制程在晶圆表面形成图形化的光刻胶作为掩膜层，然后以合适的工艺气体产生等离子体并将其用到未被掩膜层保护的蚀刻区域，从而刻蚀出深沟槽。在刻蚀出深沟槽之后，再执行不需要掩膜层的无图形刻蚀(blanket etching)制程以对所形成的深沟槽进行减薄最终形成所希望的深度的高深宽比结构。然而，在无图形刻蚀制程中，由于晶圆的边缘区域与中间区域刻蚀速率不同，边缘区域的刻蚀速率偏快，这将造成整个晶圆范围内各高深宽比结构刻蚀深度、顶部特征尺寸和底部特征尺寸的不一致，进而影响产品良率。而若在不同腔室中分别进行高深宽比结构的图形刻蚀和无图形刻蚀，又会造成工艺效率的降低和成本的增加。

为解决上述问题，现有技术中在反应腔室内设置一可移动的遮蔽环，以减小边缘区域等离子体的轰击，从而改善无图形刻蚀时的刻蚀均匀性。如图1a和1b所示，等离子体刻蚀装置包括反应腔室10，反应腔室10顶部具有绝缘盖板11，底部设置有用于夹持待处理基片W的基座14。进气单元12设置于反应腔室10的侧壁绝缘盖板11下方提供工艺气体。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，将工艺气体电离生成等离子体。进气单元12下方设置有内径为ΦD1的气体集中环16，气体集中环16根据其内径大小可对进气单元12附近的工艺气体及其等离子体分布进行约束。覆盖环15设于基片W的周围，用于保护基座14免受等离子体轰击损耗。可移动的遮蔽环17具有较小的内径ΦD2，其由驱动单元18驱动而以非接触的方式定位于基片W的表面上方。驱动单元根据刻蚀制程需求，当需要进行无图形刻蚀制程时，使遮蔽环17接近气体集中环16，由于遮蔽环17内径较小，气体集中环16所通过的工艺气体和等离子体被限制在遮蔽环17范围内，由此可阻止等离子体接触基片周缘，降低基片边缘的刻蚀速率；当需要进行深沟槽图形刻蚀制程时，使遮蔽环17接近基片W表面，气体集中环16使得工艺气体及等离子体能够在较大范围内扩散下降。

然而，当进行深沟槽图形刻蚀制程时，贴近于基片的遮蔽环也同时影响了基片W边缘区域的等离子体密度，特别是遮蔽环17内径ΦD2小于基片W直径时，更会导致深沟槽剖面形貌控制不佳。

因此，需要提出一种等离子体处理装置能够同时改善高深宽比结构形貌控制以及无图形刻蚀的均匀性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够原位执行图形刻蚀和无图形刻蚀制程且不影响各刻蚀制程的刻蚀均一性和刻蚀形貌的等离子体处理装置及等离子体刻蚀方法。

为达成上述目的，本发明提供一种等离子体处理装置，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输入工艺气体的进气单元；用于载置待处理基片的基座；第一气体集中环，设置于所述进气单元和所述基座之间，其包括内环形体和外环形体，所述外环形体包围所述内环形体并通过至少一条辐条与所述内环形体连接为一体，所述内环形体与外环形体之间的中空部以及所述内环形体以内的中空部供所述工艺气体和/或其等离子体通过；以及可移动的第二气体集中环，设于所述基片外周侧并位于所述基片和所述第一气体集中环之间。所述驱动单元用于驱动所述第二气体集中环在远离所述第一气体集中环的第一位置和贴合于所述第一气体集中环下表面的第二位置之间垂直移动；其中当所述第二气体集中环移动至所述第二位置时，其完全遮蔽所述内环形体与外环形体之间的中空部同时完全暴露所述内环形体以内的中空部。

优选的，所述内环形体、所述外环形体与所述第二气体集中环为同轴的圆环。

优选的，所述第二气体集中环的外径大于所述外环形体的内径，所述第二气体集中环的内径大于所述内环形体的内径且小于所述内环形体的外径。

优选的，所述内环形体的内径小于所述基片的直径，所述第二气体集中环的内径大于所述基片的直径。

优选的，所述辐条为多条，沿所述内环形体的外圆周均匀分布。

优选的，所述辐条的宽度为5-30mm，所述内环形体的宽度为5-30mm，所述内环形体与外环形体之间的中空部的宽度为10-100mm。

优选的，当所述第二气体集中环移动至所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的垂直距离为0-30mm。

优选的，所述第一气体集中环和第二气体集中环的材料为金属或介电材料。

优选的，所述辐条为直线形状，斜线形状或曲线形状。

本发明还提供了一种应用上述等离子体处理装置的刻蚀方法，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，其包括以下步骤：

将所述第二气体集中环定位至所述第一位置；

进行所述深沟槽图形刻蚀制程；

将所述第二气体集中环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移动的第二气体集中环的升降动作配合具有内外环形体的第一气体集中环以调节工艺气体和/或其等离子体的可通过范围，以使得不同工艺制程中刻蚀速率的均一性及刻蚀形貌均得以保持，提高了工艺效率和产品良率。

附图说明

图1a和图1b为现有技术中等离子体处理装置的结构示意图；

图2a为本发明一实施例的等离子体处理装置进行深沟槽刻蚀时的结构示意图；

图2b为本发明一实施例的等离子体处理装置进行无图形刻蚀时的结构示意图；

图3为本发明一实施例的等离子体处理装置的第一气体集中环的俯视图；

图4为应用本发明一实施例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2a和图2b显示了本发明一实施例的等离子处理装置，应该理解，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。

请参照图2a，图2b和图3，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20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底部设置有用于载置待处理基片W的基座24。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。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。反应腔室20内还设置有第一气体集中环26和可移动的第二气体集中环27。这两个气体集中环的材料可为金属，如铝；或介电材料，如陶瓷或石英。其中，第一气体集中环24固设于反应腔室20内部的上方、进气单元22和基座24之间。如图3所示，第一气体集中环26包括内环形体261和包围内环形体的外环形体262，外环形体262通过至少一条辐条263与内环形体261连接为一体。辐条263的形状可以是直线形状，斜线形状或曲线形状。由此，内环形体261与外环形体262之间为中空部265，内环形体261以内也形成中空部264，这两部分中空部264，265供工艺气体和/或其等离子体通过。可移动的第二气体集中环27设于基片W的外周侧位于基片W和第一气体集中环26之间，其通过驱动单元28驱动而在垂直方向升降。具体地，第二气体集中环27通过支撑杆与驱动单元28连接。驱动单元可包含电机、气缸等设备，其驱动第二气体集中环27在垂直方向上的第一位置和第二位置之间移动。当第二气体集中环27定位于第一位置时，其远离第一气体集中环，优选为第二气体集中环27下表面距基片W上表面的垂直距离为0～30mm。此时工艺气体和/或其等离子体从第一气体集中环26的内环形体261与外环形体262之间的中空265以及内环形体261以内的中空部264这一较大范围内穿过，如图2a中虚线箭头所示。由于第二气体集中环27远离第一气体集中环26，不会对第一气体集中环26的约束范围产生影响，另外第二气体集中环27是围绕基片W外周侧设置，对基片W边缘也未产生遮蔽作用，因此工艺气体和/或其等离子体到达基片W的整个表面，此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。而当第二气体集中环27定位于第二位置时，其贴合于所述第一气体集中环26的下表面，完全遮蔽内环形体261与外环形体262之间的中空部265，同时完全暴露内环形体262以内的中空部264。由此，中空部265被封闭，从第一气体集中环26穿过的工艺气体和/或其等离子体被约束在中空部264的范围内，阻止了部分工艺气体和/或其等离子体到达基片边缘，由此起到遮蔽等离子体接触基片W周缘的作用，如图2b中虚线箭头所示。此时，通过第二气体集中环27对中空部265的封闭能够减小基片边缘处的工艺气体和/或其等离子体分布、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，当第二气体集中环27定位于第二位置时，可进行无图形刻蚀制程。

在本实施例中，内环形体261、外环形体262与第二气体集中环27为同轴的三个圆环。如图所示，内环形体261的内径为ΦD2，外环形体262的内径为ΦD1，为了使第二气体集中环27移动至第二位置时能够遮蔽中空部265但暴露中空部264，第二气体集中环27的外径应大于外环形体262的内径，内径应大于内环形体261的内径且小于内环形体261的外径。例如，内环形体261的内径可以小于基片W的直径，由此当进行无图形刻蚀制程时能够更好地遮蔽工艺气体和/或其等离子体到达基片W周缘。第二气体集中环27由于环绕设置于基片W外侧，内径大于基片W的直径。此外，为使内外环形体彼此连接稳固，辐条263可设置为多个，如本实施例中为3个，沿内环形体261的外圆周均匀分布。需要注意的是，本实施例中虽然内环形体261、外环形体262与第二气体集中环27采用同轴圆环的结构，但本发明并不限于此。在其他实施例中，内环形体261和/或外环形体262也可以矩形环或其他形状的环。第二气体集中环27则根据第一气体集中环261的结构相应设计而可采用各种形状，尺寸参数，只要能够在贴合于第一气体集中环26时将内环形体与外环形体之间的中空部265全部覆盖住，但使内环形体以内的中空部264全部露出即可。

另一方面，为了在第二气体集中环26定位于第一位置时，尽可能减小辐条和内环形体对第一气体集中环可穿过的工艺气体和/或其等离子体的阻挡，应将内环形体261和辐条263设计为占用面积尽量小，从而使得第一气体集中环26的工艺气体和/或其等离子体的流通量基本近似于无辐条和内环形体时的流通量。较佳的，本实施例中辐条263与内环形体261的宽度远小于中空部245的宽度，辐条263与内环形体261的宽度均可为5-30mm，中空部245的宽度为10-100mm。

请继续参考图2a和图2b，反应腔室20内还包括覆盖环25，其环绕于基片W周围并覆盖基座24的表面。覆盖环25与基座24的表面(如侧壁，上表面)尽可能地紧密贴合，防止等离子体打在基座24上，保护基座24免受损耗。覆盖环25可采用陶瓷或石英等绝缘材料形成。

本发明的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，接下来请参考图4，其所示为应用本发明的等离子体处理装置原位执行深沟槽图形刻蚀和无图形刻蚀制程的流程示意图，其可以具体包括：

步骤41、将第二气体集中环定位至第一位置；

该步骤中，驱动单元驱动第二气体集中环下降至第一位置远离第一气体集中环。

步骤42、进行深沟槽图形刻蚀制程；

该步骤中，以图形化的光致抗蚀剂为刻蚀硬掩膜，以常规等离子体刻蚀工艺形成深沟槽结构。由于工艺气体和/或其等离子体得以从内环形体与外环形体之间的中空部以及内环形体以内的中空部这一较大范围内穿过，而第二气体集中环是围绕基片W外周侧设置，因此当工艺气体和/或其等离子体到达基片W整个表面，基片W表面附近的等离子体密度不易受到影响，基片W边缘区域所刻蚀出的深沟槽的剖面形貌得以保证。

步骤43、将第二气体集中环定位至第二位置；

该步骤中，驱动单元驱动第二气体集中环上升至第二位置而贴合于第一气体集中环的下表面。

步骤44、进行无图形刻蚀制程。

该步骤中，不采用硬掩膜遮蔽，进行等离子体刻蚀，使深沟槽结构的深度达到所期望的深度。由于第二气体集中环完全遮蔽内环形体与外环形体之间的中空部，由此，从第一气体集中环穿过的工艺气体和/或其等离子体被限制在内环形体以内的中空部的范围内，阻止了部分工艺气体及其等离子体到达基片边缘，由此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。

综上所述，本发明的等离子体处理装置，利用可移动的第二气体集中环的升降动作配合具有内外环形体的第一气体集中环来调节工艺气体和/或其等离子体的可通过范围，从而无需更换或打开反应腔室即可实现不同刻蚀制程的切换，减小了机台维护时间；同时每一种刻蚀制程中的刻蚀速率的均一性及刻蚀形貌均得以保持，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输入工艺气体的进气单元；

用于载置待处理基片的基座；

第一气体集中环，设置于所述进气单元和所述基座之间，其包括内环形体和外环形体，所述外环形体包围所述内环形体并通过至少一条辐条与所述内环形体连接为一体，所述内环形体与外环形体之间的中空部以及所述内环形体以内的中空部供所述工艺气体和/或其等离子体通过，其中所述内环形体的内径小于所述基片的直径；以及

可移动的第二气体集中环，设于所述基片外周侧并位于所述基片和所述第一气体集中环之间；以及

驱动单元，用于驱动所述第二气体集中环在远离所述第一气体集中环的第一位置和贴合于所述第一气体集中环下表面的第二位置之间垂直移动；其中当所述第二气体集中环移动至所述第二位置时，其完全遮蔽所述内环形体与外环形体之间的中空部同时完全暴露所述内环形体以内的中空部。

2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述内环形体、所述外环形体与所述第二气体集中环为同轴的圆环。

3.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二气体集中环的外径大于所述外环形体的内径，所述第二气体集中环的内径大于所述内环形体的内径且小于所述内环形体的外径。

4.根据权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二气体集中环的内径大于所述基片的直径。

5.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述辐条为多条，沿所述内环形体的外圆周均匀分布。

6.根据权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述辐条的宽度为5-30mm，所述内环形体的宽度为5-30mm，所述内环形体与外环形体之间的中空部的宽度为10-100mm。

7.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，当所述第二气体集中环移动至所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的垂直距离为0-30mm。

8.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一气体集中环和第二气体集中环的材料为金属或介电材料。

9.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述辐条为直线形状，斜线形状或弯曲形状。

10.一种应用如权利要求1至9任一项所述的等离子体处理装置的等离子体原位刻蚀方法，所述原位刻蚀方法包括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:

将所述第二气体集中环定位至所述第一位置；

进行所述深沟槽图形刻蚀制程；

将所述第二气体集中环定位至所述第二位置；

进行所述无图形刻蚀制程。