CN106653645A - 晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法，涉及半导体技术领域，用以提高晶圆的刻蚀均匀性，进而提高集成电路的良率。其中所述晶圆的刻蚀装置包括刻蚀腔体，及设置于所述刻蚀腔体内且可旋转的放置台，所述放置台用于承载晶圆，且在晶圆的刻蚀过程中，所述放置台至少顺时针和逆时针各旋转一圈。前述晶圆的刻蚀装置用于对晶圆进行刻蚀。

Description

晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法。

背景技术

感应耦合等离子体刻蚀是目前集成电路制造领域所采用的一种主要的刻蚀方法，其基本过程为：如图1所示，在晶圆2上形成具有图形的掩膜，然后将该晶圆2置于刻蚀腔体1内的放置台3上；通过输气结构4将刻蚀气体5通入刻蚀腔体1内，并在上射频电极6与下射频电极(设置于放置台3上，图1中未示出)上分别加射频功率，产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离生成离子、电子和自由基，这种由部分离化的气体组成的气相物质称为等离子体8；等离子体8在电磁场的作用下高速运动到晶圆2表面，通过化学反应和物理轰击双重作用刻蚀暴露的晶圆2，在晶圆2上形成图形。

在上述刻蚀过程中，晶圆范围内的刻蚀均匀性对集成电路的良率有直接的影响，提高晶圆的刻蚀均匀性，有利于提高集成电路的良率。目前现有技术中存在一种提高刻蚀均匀性的方案，该方案为：通过使放置台3旋转或者在晶圆2的下方设置转轴，带动晶圆2旋转，来提高刻蚀均匀性。

但是，在上述提高刻蚀均匀性的方案的实际测试和应用过程中，本发明的发明人发现，采用该提高刻蚀均匀性的方案刻蚀得到的集成电路的良率并没有明显提高，甚至有时会有降低。

发明内容

为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提出一种晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法，以提高晶圆的刻蚀均匀性，进而提高集成电路的良率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种晶圆的刻蚀装置，包括刻蚀腔体，所述刻蚀装置还包括设置于所述刻蚀腔体内且可旋转的放置台，所述放置台用于承载晶圆，且在晶圆的刻蚀过程中，所述放置台至少顺时针和逆时针各旋转一圈。

在本发明所提供的晶圆的刻蚀装置中，放置台在晶圆的刻蚀过程中旋转，并且至少顺时针和逆时针各旋转一圈，放置台旋转带动晶圆进行相同方向的旋转，即在晶圆在刻蚀过程中既存在顺时针旋转，又存在逆时针旋转，从而避免了晶圆沿单一方向旋转所引起的刻蚀得到的沟槽左右侧壁不对称的问题，也就避免了由此引起的沟槽隔离性能下降的问题，因此本发明所提供的方案能够在提高晶圆的刻蚀均匀性的基础上，保证刻蚀得到的沟槽具有较好的隔离性能，从而提高了集成电路的良率。

基于上述技术方案，可选的，所述放置台顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数相等。

可选的，所述放置台交替进行顺时针旋转与逆时针旋转。

可选的，所述放置台顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数均为整数。

可选的，所述放置台旋转一圈所用的时间大于或等于0.1s。

进一步的，所述放置台旋转一圈所用的时间大于或等于1s。

可选的，所述刻蚀装置还包括电机和转动轴；所述电机设置于所述刻蚀腔体的外部，所述转动轴的一端穿过所述刻蚀腔体与所述放置台的底部相连，所述转动轴的另一端与所述电机相连；所述电机用于驱动所述转动轴进行转动，所述转动轴用于在所述电机的驱动下带动所述放置台旋转。

可选的，所述刻蚀装置还包括设置于所述放置台的上方且正对所述放置台的中心的输气结构，所述输气结构用于向所述刻蚀腔体内输送刻蚀气体；所述输气结构的出气端包括中心出气孔，及设置于所述中心出气孔外周的多个外周出气孔，所述中心出气孔用于向晶圆的中心区域输送刻蚀气体，所述外周出气孔用于向晶圆的边缘区域输送刻蚀气体。

可选的，所述刻蚀装置还包括设置于所述刻蚀腔体外的温度控制器，所述温度控制器通过线路与所述放置台相连，所述温度控制器用于控制所述放置台的温度。

本发明的第二方面提供了一种晶圆的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括：采用上述任一项所述的晶圆的刻蚀装置对晶圆进行刻蚀，在刻蚀过程中，使所述刻蚀装置中用于放置晶圆的放置台至少顺时针和逆时针各旋转一圈。

本发明所提供的晶圆的刻蚀方法具有与本发明所提供的晶圆的刻蚀装置相同的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中的刻蚀装置的基本结构图；

图2a为采用现有技术中的刻蚀装置刻蚀得到的沟槽的一种结构图；

图2b为采用现有技术中的刻蚀装置刻蚀得到的沟槽的另一种结构图；

图3为本发明实施例所提供的刻蚀装置的基本结构图；

图4为本发明实施例所提供的刻蚀装置中输气结构的出气端的平面结构图；

图5为本发明实施例所提供的刻蚀装置中输气结构的结构图。

附图标记说明：

1-刻蚀腔室； 2-晶圆；

3-放置台； 4-输气结构；

K1-中心出气孔； K2-外周出气孔；

401-内轴； M1-内轴底端；

M2-第一通孔； 402-中筒；

N1-中筒底部； N2-第二通孔；

403-外筒； H-进气口；

5-刻蚀气体； 6-上射频电极；

7-介质窗； 8-等离子体；

9-排气孔； 10-掩膜；

11-沟槽； 12-转动轴；

13-电机； 14-温度控制器；

15-电压控制器。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中通过使放置台3旋转或者在晶圆2的下方设置转轴，带动晶圆2旋转，来提高刻蚀均匀性，但是这种方案并没有使集成电路的良率得到明显提高，甚至有时会使集成电路的良率降低。本发明的发明人经过大量的研究和实验发现，产生上述问题的主要原因为：

如图2a和图2b所示，现有技术中，放置台3仅能够带动晶圆2进行单方向的旋转，即仅顺时针旋转或仅逆时针旋转，由于刻蚀过程是将掩膜10上的图形传递至晶圆2上的过程，因此晶圆2单方向旋转会使图形传递产生一定角度的偏转，最终造成刻蚀所得到的沟槽11左右侧壁不对称。

具体的，假设晶圆2顺时针旋转，当使用光阻作为掩模10时，则在刻蚀过程中产生的副产物较重，这些较重的副产物会更多地附着在沟槽11的右侧壁，从而对右侧壁产生侧壁保护作用；而在沟槽11的左侧壁，所附着的副产物较少，无法形成侧壁保护，导致左侧壁横向刻蚀速率较快，这就使得左侧壁的垂直度大于右侧壁的垂直度，形成图2a所示的情形，并且放置台3的转速越快，左侧壁与右侧壁之间垂直度的差异越明显。当使用氮化硅作为掩模10时，则在刻蚀过程中产生的副产物相对较重，且易挥发，因此副产物不会在沟槽11的左侧壁和右侧壁堆积，另一方面，到达右侧壁的反应离子比到达左侧壁的反应离子多，从而导致右侧壁的刻蚀速率大于左侧壁的刻蚀速率，这就使得右侧壁的垂直度大于左侧壁的垂直度，形成图2b所示的情形。

这种由沟槽11的左右侧壁垂直度不一致引起的沟槽11左右侧壁不对称，会导致沟槽11的隔离性能下降，进而造成集成电路的良率下降，使得即便通过旋转晶圆2提高了刻蚀均匀性，也无法明显提高集成电路的良率，甚至有时会使集成电路的良率下降。

需要说明的是，沟槽11中沿某一旋转方向处于左侧的侧壁为沟槽11的“左侧壁”，处于右侧的侧壁为沟槽11的“右侧壁”。此外，所谓沟槽11左侧壁和右侧壁的“垂直度”是指侧壁表面相对于沟槽11底部所在的平面的垂直程度。

基于以上研究结果，本发明实施例提出一种晶圆的刻蚀装置，如图3所示，该刻蚀装置包括：刻蚀腔体1，及设置于刻蚀腔体1内的放置台3，其中，放置台3用于承载晶圆2，在晶圆2的刻蚀过程中，放置台3旋转，且放置台3至少顺时针和逆时针各旋转一圈。

本实施例所提供的晶圆的刻蚀装置中，放置台3旋转，从而带动放置于其上的晶圆2旋转，提高了晶圆2的同心圆圆周上的刻蚀均匀性。放置台3至少顺时针和逆时针各旋转一圈，从而带动晶圆2在刻蚀过程中既进行顺时针旋转，又进行逆时针旋转，避免了晶圆2单方向旋转所引起的刻蚀沟槽左右侧壁刻蚀速率不一致的情况，使采用本实施例中的刻蚀装置刻蚀晶圆2时，刻蚀沟槽左右侧壁的刻蚀速率一致或趋于一致，从而所得到的沟槽左右侧壁的垂直度相同或基本相同，保证了沟槽具有良好的隔离性能，使集成电路的良率不至于因沟槽的隔离性能下降而下降，实现了提高晶圆2的刻蚀均匀性，进而提高集成电路的良率的有益效果。

值得一提的是，现有技术中存在通过修改射频电极(通常是上射频电极6)的形状，来产生空间分布更加均匀的电磁场，以提高刻蚀均匀性的方案，但是这种方案需要对射频电极进行非常复杂和严格的设计，增加了研发成本。与此方案相比，本实施例中通过旋转放置台3来带动晶圆2旋转，以提高刻蚀均匀性，无需对射频电极进行非常复杂和严格的设计，有利于降低研发成本。

基于本实施所提供的技术方案，较为优选的是，放置台3顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数可相等，从而使刻蚀过程中，晶圆2的同心圆圆周上的沟槽左右侧壁所经历的刻蚀条件更加一致，进一步提高了沟槽左右侧壁的对称性。

需要说明的是，所述“刻蚀条件”包括刻蚀环境、刻蚀时长等因素，其中刻蚀环境包括刻蚀腔室1内的温度，刻蚀气体1的气体流量、气体压力，上射频电极6和下射频电极(设置于放置台3上，图3中未示出)各自的射频功率，晶圆2范围内各区域的反应离子的数量、分布浓度等。

为了进一步提高沟槽左右侧壁的对称性，可使放置台3交替进行顺时针旋转与逆时针旋转，也就是说使晶圆2在刻蚀过程中，在顺时针旋转一圈后，立即逆时针旋转一圈，如此循环，从而进一步提高了晶圆2的同心圆圆周上的沟槽左右侧壁所经历的刻蚀条件的一致性。

为了提高晶圆2的同心圆整个圆周上的刻蚀均匀性，可使放置台3顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数均为整数，以保证晶圆2的同心圆整个圆周各点的刻蚀时长相同。

在保证刻蚀时长不超过所要求的刻蚀时长的前提下，放置台3的转速不宜过快，以尽量减小转速对沟槽左右侧壁对称性的不利影响。较为优选的是，放置台3旋转一圈所用的时间可大于或等于0.1s，更优选的为大于或等于1s。举例来说，假设刻蚀时长为70s，则可设定放置台3旋转一圈所用的时间为35s，从而放置台3在整个刻蚀过程中旋转两圈：顺时针旋转一圈，逆时针旋转一圈。

在某些刻蚀工艺中，整个刻蚀过程可能分为多个阶段，如：粗刻蚀阶段和精刻蚀阶段，每个阶段的刻蚀条件可能不同，且每个阶段的所要求的刻蚀速率也可能不同，可根据每个阶段的刻蚀条件和所要求的刻蚀速率分别设定放置台3的转速、顺时针旋转的圈数和逆时针旋转的圈数，以进一步提高晶圆2上刻蚀所得到的沟槽左右侧壁的对称性。

本实施例所提供的刻蚀装置中，刻蚀时放置台3可通过静电吸附力或者分子间作用力等作用力吸附固定晶圆2，使晶圆2不至于在放置台3旋转时由于惯性偏离或掉落。

值得一提的是，在现有技术中通过使放置台3旋转或者在晶圆2的下方设置转轴，带动晶圆2旋转，来提高刻蚀均匀性的技术方案中，其中一种具体设置结构为：在晶圆2与放置台3之间设置转轴，通过转轴转动带动晶圆2旋转，晶圆2通过电磁力固定于转轴上，由于晶圆2依靠电磁力支撑，该电磁力会对等离子体8产生影响，造成等离子体8的空间分布密度不均匀，从而降低刻蚀均匀性。本实施例中放置台3通过静电吸附力或者分子间作用力等作用力吸附固定晶圆2，从而避免了使用电磁力固定晶圆2，也就避免了电磁力对等离子体8的影响，有利于提高刻蚀均匀性。

本实施例中，实现放置台3旋转的方式可以有多种，下面给出一个具体的示例。再次参见图3，可在本实施例所提供的刻蚀装置中增设电机13和转动轴12，其中，电机13设置于刻蚀腔体1的外部；转动轴12的一端穿过刻蚀腔体1与放置台3的底部相连，转动轴12的另一端与电机13相连。在电机13的驱动作用下，转动轴12进行转动，进而带动放置台3旋转。更为具体的是，可在控制程序中将放置台3的转速、顺时针旋转圈数、逆时针旋转圈数、顺时针和逆时针旋转的次序等旋转相关参数设定好，利用该控制程序控制电机13向转动轴12施加相应的驱动动作，进而实现控制放置台3按照控制程序的设定进行旋转的目的。

再次参见图3，本实施中的刻蚀装置还可包括输气结构4，输气结构4设置于放置台3的上方且正对放置台3的中心，用于向刻蚀腔体1内输送刻蚀气体5。在对晶圆2进行刻蚀前，刻蚀气体5通过输气结构4通入刻蚀腔体1中，同时上射频电极6和下射频电极上被施加射频功率，上射频电极6的射频功率通过介质窗传导至刻蚀腔室1内，刻蚀腔室1内产生电弧放电，从而将部分刻蚀气体5电离，形成等离子体8。

一般输气结构4的出气端处于晶圆2中心区域的上方，这就造成晶圆2中心区域的等离子体8的空间分布密度大于边缘区域，影响晶圆2的刻蚀均匀性。针对这一问题，本实施例对输气结构4进行改进，具体的，如图4所示，可在输气结构4的出气端设置中心出气孔K1和多个外周出气孔K2，其中，中心出气孔K1的数量可为一个，也可为处于出气端中心区域的多个，用于向晶圆2的中心区域输送刻蚀气体5；外周出气孔K2位于中心出气孔K1的外周，更具体的可位于从出气端中心区域向外辐射的区域内，用于向晶圆2的边缘区域输送刻蚀气体5。这样通过设置中心出气孔K1和外周出气孔K2，将从出气端输出的刻蚀气体5从中心区域向边缘区域分散开，有目的性的将刻蚀气体5输送至晶圆2的中心区域和边缘区域，能够使晶圆2中心区域与边缘区域的等离子体8的空间分布密度趋于一致，有利于提高晶圆2的刻蚀均匀性。

进一步的，为了灵活地控制向晶圆2中心区域与边缘区域输送的刻蚀气体5，以获得等离子体8空间分布更均匀的刻蚀环境，输气结构4可采用下述结构：如图5所示，输气结构4包括内轴401、中筒402和外筒403，其中，内轴401的内轴底端M1为圆锥体状，其上设有第一通孔M2；中筒402的中筒底端N1为漏斗状，其上设有第二通孔N2；外筒403的底端也为漏斗状。

内轴401能够相对于中筒402转动。当内轴401转动至第一通孔M2和第二通孔N2的位置相对应时，第一通孔M2和第二通孔N2贯通，形成中心出气孔K1和外周出气孔K2，刻蚀气体5从进气口H进入进气结构4中，依次通过第二通孔N2和第一通孔M2进入刻蚀腔体1内。当内轴401转动至第一通孔M2和第二通孔N2的位置相互错开时，第一通孔M2和第二通孔N2没有贯通，相当于中心出气孔K1和外周出气孔K2关闭，刻蚀气体5不能通入刻蚀腔体1内。并且，通过控制第一通孔M2和第二通孔N2的交叠面积，能够控制向晶圆2中心区域与边缘区域输送的刻蚀气体5的气体流量。

内轴401和中筒402能够一体地相对于外筒403上下运动。在第一通孔M2和第二通孔N2贯通，形成中心出气孔K1和外周出气孔K2的状态下，当内轴401和中筒402向上运动至中筒底部N1与外筒403的底部相抵时，外周出气孔K2被外筒403的底部遮挡，仅余中心出气孔K1能够向晶圆2的中心区域输送刻蚀气体5。当内轴401和中筒402向下运动至中筒底部N1与外筒403的底部之间具有一定距离时，中心出气孔K1和外周出气孔K2均贯通，能够向晶圆2的中心区域和边缘区域输送刻蚀气体5。并且，通过控制中筒底部N1与外筒403的底部之间的距离，能够控制向晶圆2中心区域与边缘区域输送的刻蚀气体5的气体流量的比例。

将内轴401的转动与内轴401和中筒402的上下运动结合，可以调节刻蚀气体5在晶圆2中心区域和边缘区域的气体流量及气体流量的比例，从而使晶圆2各区域上方的等离子体8的空间分布更加均匀，进一步提高了晶圆2的刻蚀均匀性。

参见图3，本实施例所提供的晶圆的刻蚀装置还可包括设置于刻蚀腔体1外的温度控制器14，该温度控制器14通过线路与放置台3相连，该温度控制器14用于控制放置台3的温度，以满足不同的工艺需要。

值得一提的是，在现有技术中通过使放置台3旋转或者在晶圆2的下方设置转轴，带动晶圆2旋转，来提高刻蚀均匀性的技术方案中，由于放置台3仅进行单一方向的旋转，若在放置台3上连接线路，需要考虑绕线问题，因此难以通过线路在放置台3上接入温度控制器，对放置台3的温度进行控制，造成刻蚀装置不能满足不同的工艺需要，使用的局限性较大。本实施例中的刻蚀装置，由于放置台3既进行顺时针旋转，又进行逆时针旋转，甚至可以顺时针旋转和逆时针旋转交替进行，因此在放置台3上接入线路时，不必考虑绕线问题，十分便于通过线路在放置台3上接入温度控制器14。

参见图3，本实施例所提供的晶圆的刻蚀装置还可包括设置于刻蚀腔体1外的电压控制器15，该电压控制器15与放置台3上的下射频电极相连，用于控制下射频电极的射频功率，以满足不同的工艺需要。本实施例中，通过线路在下射频电极上接入电压控制器15也无需考虑绕线问题。

基于上述各技术方案中所述的晶圆的刻蚀装置，本实施例还提供了一种晶圆的刻蚀方法，该刻蚀方法为：采用上述各技术方案中的任一方案所述的晶圆的刻蚀装置对晶圆2进行刻蚀，在刻蚀过程中，使刻蚀装置中用于放置晶圆的放置台3至少顺时针和逆时针各旋转一圈。

上述晶圆的刻蚀方法中，放置台3旋转，从而带动放置于其上的晶圆2旋转，提高了晶圆2的同心圆圆周上的刻蚀均匀性。放置台3至少顺时针和逆时针各旋转一圈，从而带动晶圆2在刻蚀过程中既进行顺时针旋转，又进行逆时针旋转，避免了晶圆2单方向旋转所引起的刻蚀沟槽左右侧壁刻蚀速率不一致的情况，使采用上述刻蚀方法刻蚀所得到的沟槽左右侧壁的对称性提高，从而保证了沟槽具有良好的隔离性能，使集成电路的良率不至于因沟槽的隔离性能下降而下降，实现了提高晶圆2的刻蚀均匀性，进而提高集成电路的良率的有益效果。

需要指出的是，本实施例所提供的晶圆的刻蚀装置及刻蚀方法尤其适用于450mm及其以上尺寸的晶圆的刻蚀。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种晶圆的刻蚀装置，包括刻蚀腔体，其特征在于，所述刻蚀装置还包括设置于所述刻蚀腔体内且可旋转的放置台，所述放置台用于承载晶圆，且在晶圆的刻蚀过程中，所述放置台至少顺时针和逆时针各旋转一圈。

2.根据权利要求1所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述放置台顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数相等。

3.根据权利要求2所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述放置台交替进行顺时针旋转与逆时针旋转。

4.根据权利要求2所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述放置台顺时针旋转的圈数与逆时针旋转的圈数均为整数。

5.根据权利要求2所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述放置台旋转一圈所用的时间大于或等于0.1s。

6.根据权利要求5所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述放置台旋转一圈所用的时间大于或等于1s。

7.根据权利要求1～6任一项所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀装置还包括电机和转动轴；所述电机设置于所述刻蚀腔体的外部，所述转动轴的一端穿过所述刻蚀腔体与所述放置台的底部相连，所述转动轴的另一端与所述电机相连；所述电机用于驱动所述转动轴进行转动，所述转动轴用于在所述电机的驱动下带动所述放置台旋转。

8.根据权利要求1～6任一项所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀装置还包括设置于所述放置台的上方且正对所述放置台的中心的输气结构，所述输气结构用于向所述刻蚀腔体内输送刻蚀气体；所述输气结构的出气端包括中心出气孔，及设置于所述中心出气孔外周的多个外周出气孔，所述中心出气孔用于向晶圆的中心区域输送刻蚀气体，所述外周出气孔用于向晶圆的边缘区域输送刻蚀气体。

9.根据权利要求1～6任一项所述的晶圆的刻蚀装置，其特征在于，所述刻蚀装置还包括设置于所述刻蚀腔体外的温度控制器，所述温度控制器通过线路与所述放置台相连，所述温度控制器用于控制所述放置台的温度。

10.一种晶圆的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法包括：采用权利要求1～9任一项所述的晶圆的刻蚀装置对晶圆进行刻蚀，在刻蚀过程中，使所述刻蚀装置中用于放置晶圆的放置台至少顺时针和逆时针各旋转一圈。