CN106298581B - 光辐射加热刻蚀装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产和加工领域。本发明揭示了一种光辐射加热刻蚀装置，通过光辐射对待刻蚀基板进行加热以实施刻蚀工艺，该光辐射加热刻蚀装置设置有刻蚀腔，该光辐射加热刻蚀装置还包括光辐射加热器，刻蚀腔内设置有承载台、冷却系统、进气装置和排放装置，承载台用于放置基板，承载台与冷却系统配合设置以使承载台被冷却系统冷却，进气装置供工艺所需的气体进入刻蚀腔；刻蚀腔与排放装置相连以排出气体；光辐射加热器面向基板并与基板的待刻蚀面相对设置，光辐射加热器照射并加热基板的待刻蚀面。另外，本发明还揭示了一种光辐射加热刻蚀方法。采用本发明提供的技术方案，能够消除传统刻蚀工艺中造成的侧边侵蚀现象，并带来其他有益效果。

Description

光辐射加热刻蚀装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体地说，涉及一种对半导体基板进行刻蚀的装置和方法。

背景技术

半导体行业是一个飞速发展的高科技行业，其中的科学技术不仅含金量极高，而且更新换代也异常迅速。以细分的半导体刻蚀工艺为例，刻蚀工艺所涉及到的装置及方法经历了无数次的创新和改进，逐渐演变成了现在工业应用中的形态，在对基板表面进行处理的方面起到了不可替代的作用。

然而，技术总是需要不断地进步和发展的。尽管半导体刻蚀工艺中的装置和方法已经历过了无数次的变革，但仍然有新的问题不断涌现，导致现有的刻蚀装置和方法无法完全满足苛刻的工艺要求。

以现有的半导体刻蚀装置为例，如图1所示的，是行业中比较典型的刻蚀装置。该刻蚀装置包括刻蚀腔101、气体喷头102、承载台103、排放装置104以及加热系统105。承载台103用于固持基板106，而加热系统105通常则设置于承载台103的内部。气体喷头102能够喷出刻蚀气体，当基板106的温度在加热系统105的作用下达到了刻蚀反应所需要的温度时，刻蚀气体与基板106的表面发生反应，从而实现对基板106的刻蚀。

与之对应地，现有的半导体刻蚀方法则包括如图2所示的步骤：

S11、承载台通过加热系统加热到工艺温度；

S12、基板传送至承载台上，并开始对刻蚀腔抽真空；

S13、依次充入、抽出N₂使刻蚀腔内残留空气被抽走，并等待一定时间，使基板的温度达到工艺温度；

S14、向刻蚀腔内通入刻蚀气体，进行高温刻蚀；

S15、充入N₂破真空，并取出基板；

S16、冷却基板。

采用上述刻蚀装置和刻蚀方法对基板进行处理，虽然基本能够实现刻蚀目的，但最终的刻蚀结果其实并不理想，存留有一些技术问题，亟待解决。

首当其冲的一个问题，如图3所示，经过现有技术的处理，图3中基板的阻挡层302遭到了过度刻蚀，导致基板的阻挡层302远低于基板的金属膜层301，从而起不到阻挡和保护的作用。而实际上所希望看到的刻蚀结果应该是阻挡层302与金属膜层301恰好齐平，或者阻挡层302高于金属膜层301但不超过基底303的高度。这一现象在业内通常被称作“侧壁侵蚀”，出现这一后果的原因是，持续的加热使基板整体全部维持在同一温度，当刻蚀气体通入时，位于基底303侧边的部分阻挡层302过早的接触到了刻蚀气体并被刻蚀去除，导致最终刻蚀工艺结束后，侧壁的阻挡层302无法停留至预期的高度，遭到过度刻蚀。

另外，现有技术难于对刻蚀反应的起始点进行精确的控制，这就导致基板在高温状态下有可能与刻蚀腔内残余的空气发生反应；或在刻蚀气体并未均匀分布至基板周围时就开始了刻蚀反应。

除此之外，现有技术也很难在极短的时间内改变基板上的温度，从而也就无法满足一些更高要求的刻蚀工艺，对基板进行高效地刻蚀。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明给出了相应的解决方案。本发明揭示了一种光辐射加热刻蚀装置和光辐射加热刻蚀方法，能够有效地解决现有技术存在的技术问题，对基板进行刻蚀工艺处理，使基板在接受了相应的刻蚀工艺处理后，得到的刻蚀结果大为改观。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

本发明提出一种光辐射加热刻蚀装置，通过光辐射对待刻蚀基板进行加热以实施刻蚀工艺，该光辐射加热刻蚀装置设置有刻蚀腔，所述光辐射加热刻蚀装置还包括光辐射加热器，刻蚀腔内设置有承载台、冷却系统、进气装置和排放装置，承载台用于放置基板，承载台与冷却系统配合设置以使承载台被冷却系统冷却，进气装置供工艺所需的气体进入所述刻蚀腔；刻蚀腔与排放装置相连以排出气体；光辐射加热器面向基板并与基板的待刻蚀面相对设置，光辐射加热器照射并加热基板的待刻蚀面，进气装置不阻挡所述光辐射加热器照射所述基板的待刻蚀面。

进一步地，光辐射加热器的功率可调。

光辐射加热器可以为无影闪光灯。

进气装置可以为气体导管，无影闪光灯和气体导管使得基板的待刻蚀面上不产生光影。

气体导管分为两组分别关于基板的圆心对称设置，两组气体导管分别指向基板的圆心，以及基板的1/2半径处。

进一步地，排放装置包括真空泵。

本发明还一种光光辐射加热刻蚀方法，通过光辐射对待刻蚀基板进行加热以实施刻蚀工艺，包括如下步骤：

将基板输运至刻蚀腔内；

将刻蚀腔抽至真空；

向刻蚀腔内通入刻蚀气体；

打开光辐射加热器照射基板的待刻蚀面，在维持一段加热时间后关闭或遮蔽光辐射加热器，并根据基板的待刻蚀面的厚度确定是否重复此加热步骤，或确定此加热步骤的重复次数；

基板的待刻蚀面的厚度达标后，结束刻蚀工艺。

进一步地，加热步骤中光辐射加热器的功率可调。

进一步地，加热步骤中，在打开光辐射加热器之前，首先使刻蚀气体充满刻蚀腔；在最后一次关闭或遮蔽光辐射加热器之前，首先关闭刻蚀气体并通入惰性气体和/或氮气。

加热时间为2～5s。

本发明提供的光辐射加热刻蚀装置及方法能够解决现有技术存在的问题，消除侧壁侵蚀现象，并实现对刻蚀工艺的精确控制。

附图说明

图1揭示了现有技术中的半导体刻蚀装置的结构示意图；

图2揭示了现有技术中的半导体刻蚀方法的步骤框图；

图3揭示了采用现有技术对基板进行刻蚀所得的刻蚀结果示意图；

图4揭示了本发明的光辐射加热刻蚀装置的具体实施例的结构示意图；

图5揭示了图4中所示的光辐射加热刻蚀装置的位于上方且指向基板中心的气体导管的分布图；

图6揭示了图4中所示的光辐射加热刻蚀装置的位于下方且指向基板的1/2半径处的气体导管的分布图；

图7揭示了本发明光辐射加热刻蚀方法的具体实施方式的步骤框图；

图8揭示了本发明具体实施例和具体实施方式中基板尚未接受刻蚀工艺处理时的结构示意图；

图9揭示了采用本发明具体实施例和具体实施方式对图6中的基板进行刻蚀工艺处理后所得的刻蚀结果示意图；

图10揭示了基板的阻挡层的细分结构示意图。

具体实施例及实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例和具体实施方式进行介绍：

图4涉及了本发明的光辐射加热刻蚀装置的具体实施例。该光辐射加热刻蚀装置设置有一个刻蚀腔401用以提供工艺环境，刻蚀腔401内进一步设置有承载台403、冷却系统405和气体导管402，同时，刻蚀腔401的外部还连通有排放装置404。其中，承载台401用于固持基板406，冷却系统405装配在承载台403的内部，以冷却该承载台403并降低基板406的温度，气体导管402作为刻蚀腔401内的进气装置，供工艺所需的气体进入，在工艺过程中可能会用到的气体包括刻蚀基板406所使用的刻蚀气体，以及用于挤出残余空气的稀有气体或氮气。排放装置404则起到了排出废气以及调控刻蚀腔401内的气压的作用，由于工艺过程中需要对刻蚀腔401进行抽真空处理，因此排放装置404中进一步包括一台真空泵408。

由于本发明提供的技术方案中，刻蚀工艺是在高温条件下进行的，且该高温条件是通过光辐射来实现的，因此该具体实施例中的光辐射加热刻蚀装置还须设置一台光辐射加热器。光辐射加热器的种类较多，其原理主要是利用强光照射待加热物体，以在短时间内迅速提升待加热物体表面的温度。由此可见，光辐射加热器的工作过程是一个光能转化为热能的过程。根据本发明的技术方案的特点，刻蚀工艺中并不是连续的对基板406进行加热，因而本具体实施例中采用的光辐射加热器具体为一种专门用于加热的无影闪光灯407。而且，该无影闪光灯的功率可调，具有高功率档和低功率档，当打开至高功率档对基板406照射若干秒后，基板406表面的温度将有较大幅度的提升；当打开至低功率档对基板406照射相应秒数后，基板406表面的温度将有较小幅度的提升；而关闭无影闪光灯407后，基板406在承载台403内的冷却系统405的作用下，其温度又会迅速下降。因此基板406的温度能够通过无影闪光灯407和冷却系统405进行快速、精准的控制。

在本具体实施例中，无影闪光灯407设置于刻蚀腔401外，位于刻蚀腔401的顶部。因此，为了使光线能够照射至基板406的表面，刻蚀腔401的顶部需由透明材质构成，方便光线透射。同时，为了保证对基板406表面加热的均匀性，无影闪光灯407需要与基板406相对设置，照射并加热基板406的整个表面。

另外，对于进气装置的设置，本具体实施例并没有采用图1中现有技术的设计，而是用两组多根气体导管402替代了现有技术中的喷头，这主要是为了保证无影闪光灯407的光线不被喷头所阻挡，从而对基板406进行有效的加热。同时，为了避免气体导管402在灯光下的影子影响到基板406表面相应位置处的加热效果，本发明选取了较为细长的导管以减小光影，且光辐射加热器也使用的是类似手术无影灯形式的设计，以避免在基板406表面形成光影，从而保证了基板406表面各处在无影闪光灯407的照射下得到均匀地加热。

要保证基板406被均匀刻蚀，除了需要保证基板406被均匀加热，还需要保证基板406周围的刻蚀气体分布均匀。因此，气体导管402的分布位置也很重要。在本具体实施例中，共使用了六根气体导管402，平均分为两组，每三根气体导管402围绕基板406的中心对称地按一个圆形排布，同时两组气体导管402靠上设置，指向基板406的中心，另一组气体导管402则设置于低位，指向基板406的1/2半径处，这样就能够在一定程度上保证进入刻蚀腔401内的刻蚀气体趋于均匀。图5展示了向下俯视时，位于上方且指向基板406的中心的气体导管402的分布图。图6展示了向下俯视时，位于下方且指向基板406的1/2半径处的气体导管402的分布图。

接下来介绍本发明光辐射加热刻蚀方法的具体实施方式，其步骤如图7所示。

该光辐射加热刻蚀方法包括步骤：

S21、将基板406输运至刻蚀腔401内；

S22、将刻蚀腔401抽至真空；

S23、向刻蚀腔401内通入刻蚀气体；

S24、打开无影闪光灯407照射基板406的待刻蚀面，在维持5s后关闭无影闪光灯407，并根据基板406的待刻蚀面的厚度重复此加热步骤5次；

S25、基板406的待刻蚀面的厚度达标后，结束刻蚀工艺。

在上述工艺过程中，冷却系统405始终保持在打开状态，且在刻蚀工艺结束后，可以向刻蚀腔401内通入惰性气体或氮气破除真空，以取出完成刻蚀后的基板406。

而在加热步骤中，每次打开无影闪光灯407之前，最好首先通入刻蚀气体并使刻蚀气体充满刻蚀腔401；在最后一次关闭无影闪光灯407之前，先关闭刻蚀气体并通入惰性气体或氮气。这样做有利于节省并充分利用刻蚀气体，从而为厂商省下一笔开支，因为刻蚀气体通常都比较昂贵。

另外，本具体实施方式中采用间断地对基板406进行加热的方式来实施刻蚀工艺，即当无影闪光灯407打开时对基板406表面进行加热，而无影闪光灯407关闭时基板406将迅速降温，基板406仅在被加热时其表面部分与刻蚀气体发生反应，其中无影闪光灯407维持在打开状态的时间宜限定在2～5s。如果每次的照射时间过短，则会导致基板406表面的温度达不到刻蚀的反应温度而无法被刻蚀；而如果每次的照射时间过短，又会使基板406表面以外的部分也被加热，导致基板406的其他部分也参与到刻蚀反应之中，因此无影闪光灯407的照射时间需要严格控制。

使用了本发明具体实施例中的光辐射加热刻蚀装置，并按照本发明具体实施方式中的光辐射加热刻蚀方法对基板进行刻蚀工艺处理，可以得到良好的刻蚀结果。

图8和图9则分别展示的是本发明具体实施例和实施方式中的基板在刻蚀工艺处理前和刻蚀工艺处理后的结构示意图。该基板的结构包括：铜层601，阻挡层602以及基底603。阻挡层602分布在基底603的正上方，以及铜层601的侧边。刻蚀工艺希望得到的结果是裸露在外的位于基底603正上方的阻挡层602全部被刻蚀气体去除，铜层601侧边位置处的阻挡层602不低于铜层601，最好与铜层齐平。

而采用本发明提供的技术方案能够达到如图9所示的刻蚀结果，消除现有技术出现的侧边侵蚀现象。原因在于，在刻蚀工艺过程中，冷却系统405始终保持打开状态，而无影闪光灯407由于是瞬时加热，持续的时间较短，仅能在有限的时间内将基板406表面的温度提高至发生刻蚀反应所需的温度，而基板406表面以下的大部分结构仍受冷却系统405的影响而处于低温状态，因此刻蚀气体仅与接受到光照射、温度较高的基板406表面位置处的结构发生反应，刻蚀掉裸露于外的位于基底603正上方的阻挡层602，而不会或极少与位于铜层601侧边位置处的阻挡层602发生反应。

另外，采用本发明的技术方案，刻蚀工艺的起点很好确定和控制，而且不会出现残余空气与基板406发生反应的情况。这是由于，本发明的技术方案中，先用刻蚀气体充满了刻蚀腔401，之后才进行光辐射加热的。这样一来，在打开光辐射加热器之前，基板406的温度较低，且空气被刻蚀气体挤出，因而空气没有机会与基板406发生反应；而打开光辐射加热器的时间节点可以视作刻蚀工艺开始的起点，且打开光辐射加热器时通常基板406周围已均匀地布满了刻蚀气体，从而保证了刻蚀的均匀性。

采用本发明揭示的技术方案，还能够对刻蚀工艺进行更加精确的控制，以达到更高要求的刻蚀结果。下面将结合图10进行说明。

图10是对基板的阻挡层602细分后的结构示意图。其中的阻挡层602进一步包括TaN层801和TiN层802，而TaN层801和TiN层802发生刻蚀反应的最佳反应温度有所不同，其中TiN层802的最佳反应温度要高于TaN层801的最佳反应温度，而利用本发明提供的技术方案，由于无影闪光灯407的功率是可调节的，因而在冷却系统405的配合下，可以在刻蚀TaN层801时采用无影闪光灯407的低功率档对基板406进行照射，在TaN层的最佳反应温度下对基板406进行刻蚀；而在刻蚀TiN层802时采用无影闪光灯407的高功率档对基板406进行照射，在TiN层802的最佳反应温度下对基板406进行刻蚀，从而逐步地对基板406表面的阻挡层602加以去除，提高刻蚀效率。

以上实施例及实施方式显示了本发明的进步性，也非常便于本领域技术人员理解，但需要注意的是，它们并非限制性的。显而易见的，本发明申请的权利要求书才更加具有宽泛的保护范围，限定了发明所期望取得的权利边界。

Claims (10)

1.一种光辐射加热刻蚀装置，通过光辐射对待刻蚀基板进行加热以实施刻蚀工艺，该光辐射加热刻蚀装置设置有刻蚀腔，其特征在于，所述光辐射加热刻蚀装置还包括光辐射加热器，所述刻蚀腔内设置有承载台、冷却系统、进气装置和排放装置，所述承载台用于放置所述基板，基板背面与承载台直接接触，所述承载台与所述冷却系统配合设置以使承载台被冷却系统冷却，所述进气装置供工艺所需的气体进入所述刻蚀腔；所述刻蚀腔与排放装置相连以排出气体；所述光辐射加热器面向所述基板并与所述基板的待刻蚀面相对设置，所述光辐射加热器照射并加热所述基板的待刻蚀面，所述进气装置不阻挡所述光辐射加热器照射所述基板的待刻蚀面，

其中，在刻蚀工艺过程中，冷却系统始终保持打开状态，当光辐射加热器打开时，对基板表面进行加热，将基板表面的温度提高至发生刻蚀反应所需的温度以进行刻蚀反应，当光辐射加热器关闭时，结合冷却系统，基板迅速降温，停止刻蚀反应。

2.根据权利要求1所述的光辐射加热刻蚀装置，其特征在于，所述光辐射加热器的功率可调。

3.根据权利要求1所述的光辐射加热刻蚀装置，其特征在于，所述光辐射加热器为无影闪光灯。

4.根据权利要求3所述的光辐射加热刻蚀装置，其特征在于，所述进气装置为气体导管，无影闪光灯和气体导管使得基板的待刻蚀面上不产生光影。

5.根据权利要求4所述的光辐射加热刻蚀装置，其特征在于，所述气体导管分为两组分别关于所述基板的圆心对称设置，所述两组气体导管分别指向所述基板的圆心，以及所述基板的1/2半径处。

6.根据权利要求1所述的光辐射加热刻蚀装置，其特征在于，所述排放装置包括真空泵。

7.一种光辐射加热刻蚀方法，通过光辐射对待刻蚀基板进行加热以实施刻蚀工艺，其特征在于，包括如下步骤：

将基板输运至刻蚀腔内；

将所述刻蚀腔抽至真空；

向所述刻蚀腔内通入刻蚀气体；

打开光辐射加热器照射所述基板的待刻蚀面，在维持一段加热时间后关闭或遮蔽所述光辐射加热器，并根据所述基板的待刻蚀面的厚度确定是否重复此加热步骤，或确定此加热步骤的重复次数；

上述步骤中，冷却系统始终保持打开状态，以冷却承载台并降低基板的温度；

所述基板的待刻蚀面的厚度达标后，结束所述刻蚀工艺。

8.根据权利要求7所述的光辐射加热刻蚀方法，其特征在于，所述加热步骤中所述光辐射加热器的功率可调。

9.根据权利要求7所述的光辐射加热刻蚀方法，其特征在于，所述加热步骤中，在打开所述光辐射加热器之前，先使所述刻蚀气体充满所述刻蚀腔；在最后一次关闭或遮蔽所述光辐射加热器之前，先关闭所述刻蚀气体并通入惰性气体和/或氮气。

10.根据权利要求7所述的光辐射加热刻蚀方法，其特征在于，所述加热时间为2～5s。

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