CN107293470A - 用于蚀刻的快速气体切换 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于蚀刻的快速气体切换，具体而言，本发明提供了一种用于在具有内部喷射区气体进给装置和外部喷射区气体进给装置的等离子体腔室中对层进行蚀刻的方法。将所述层放置于所述等离子体腔室中。从所述内部喷射区气体进给装置以第一频率提供脉冲蚀刻气体，其中来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。从所述外部喷射区气体进给装置以所述第一频率并且在与来自所述内部喷射区气体进给装置的所述脉冲蚀刻气体同时且异相地提供所述脉冲蚀刻气体。在从所述内部喷射区气体进给装置提供所述脉冲蚀刻气体以及从所述外部喷射区气体进给装置提供所述脉冲气体同时，使所述蚀刻气体形成等离子体以对所述层进行蚀刻。

Description

用于蚀刻的快速气体切换
本申请是申请日为2014年8月1日、中国专利申请号为201410377267.2、发明名称为“用于蚀刻的快速气体切换”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体器件的形成。更确切地说，本发明涉及需要蚀刻特征的半导体器件的形成。
背景技术
在半导体晶片处理期间，在蚀刻期间，可以使用不同的等离子体工艺。然而，目前的等离子体蚀刻工艺有必要进一步改善。
发明内容
为了实现上述目的并且根据本发明的目的，提供了一种用于在具有内部喷射区气体进给装置以及外部喷射区气体进给装置的等离子体腔室中对层进行蚀刻的方法。将所述层放置于所述等离子体腔室中。从所述内部喷射区气体进给装置以第一频率提供脉冲蚀刻气体，其中在从所述内部喷射区气体进给装置提供所述脉冲蚀刻气体期间，来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降(ramp down)至零。从所述外部喷射区气体进给装置以第一频率并且与来自所述内部喷射区气体进给装置的所述脉冲蚀刻气体同时且异相地提供脉冲蚀刻气体，其中所述外部喷射区围绕所述内部喷射区，其中在从所述外部喷射区气体进给装置以第一频率提供脉冲蚀刻气体期间，来自所述外部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。在从所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲蚀刻气体以及从所述外部喷射区气体进给装置提供脉冲气体的同时，使蚀刻气体形成等离子体以对所述层进行蚀刻。
在本发明的另一个表现形式中，提供了一种用于在具有内部喷射区气体进给装置和外部喷射区气体进给装置的等离子体腔室中对层进行蚀刻的方法。将所述层放置于所述等离子体腔室中。从所述内部喷射区气体进给装置以第一频率提供脉冲蚀刻气体。从所述外部喷射区气体进给装置以第一频率并且与来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体同时且异相地提供脉冲蚀刻气体。在从所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲蚀刻气体以及从所述外部喷射区气体进给装置提供脉冲气体的同时，使蚀刻气体形成等离子体以对所述层进行蚀刻。
在本发明的另一个表现形式中，提供了一种用于对晶片上的蚀刻层进行蚀刻的装置。等离子体处理腔室包括形成等离子体处理腔室外壳的腔室壁。衬底支撑件在所述等离子体处理腔室外壳内支撑晶片。压力调节器调节所述等离子体处理腔室外壳中的压力。至少一个电极为所述等离子体处理腔室外壳提供功率以维持等离子体。内部喷射区气体进给装置将气体提供到所述等离子体处理腔室外壳中。围绕所述内部喷射区气体进给装置的外部喷射区气体进给装置将气体提供到所述等离子体处理外壳中。气体出口用于将气体从所述等离子体处理腔室外壳中排出。至少一个RF电源电连接至所述至少一个电极。提供气体源。具有至少1Hz的切换速度的开关在所述气体源与所述内部喷射区气体进给装置和所述外部喷射区气体进给装置之间进行流体连接，其中所述开关能够以第一频率向所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲气体，并且能够以所述第一频率并且与向所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲气体异相地向所述外部喷射区气体进给装置提供脉冲气体。
下文将在本发明的详细描述中并且结合以下附图更详细地描述本发明的这些和其它特征。
此外，本公开的一些方面具体可描述如下：
1.一种用于对晶片上的蚀刻层进行蚀刻的装置，所述装置包括：
等离子体处理腔室，所述等离子体处理腔室包括：
腔室壁，所述腔室壁形成等离子体处理腔室外壳；
衬底支撑件，所述衬底支撑件用于在所述等离子体处理腔室外壳内支撑晶片；
压力调节器，所述压力调节器用于调节所述等离子体处理腔室外壳中的压力；
至少一个电极，所述至少一个电极用于向所述等离子体处理腔室外壳提供功率以维持等离子体；
内部喷射区气体进给装置，所述内部喷射区气体进给装置用于将气体提供到所述等离子体处理腔室外壳中；
外部喷射区气体进给装置，所述外部喷射区气体进给装置围绕所述内部喷射区气体进给装置，用于将气体提供到所述等离子体处理外壳中；以及
气体出口，所述气体出口用于将气体从所述等离子体处理腔室外壳中排出；
至少一个RF电源，所述至少一个RF电源电连接至所述至少一个电极；
气体源；
具有至少1Hz的切换速度的开关，所述开关在所述气体源与所述内部喷射区气体进给装置以及所述外部喷射区气体进给装置之间进行流体连接，其中所述开关能够以第一频率向所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲气体，并且能够以所述第一频率并且与向所述内部喷射区气体进给装置提供所述脉冲气体异相地向所述外部喷射区气体进给装置提供所述脉冲气体。
2.根据条款1所述的装置，其中所述内部喷射区气体进给装置处于所述衬底支撑件的中心上方并且其中所述内部喷射区气体进给装置将所述蚀刻气体直接引向所述衬底支撑件的中心，并且其中所述外部喷射区气体进给装置相对于所述衬底支撑件以锐角引导所述蚀刻气体。
3.根据条款2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
4.根据条款3所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述外部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
5.根据条款4所述的装置，还包括调谐气体进给装置，其中所述调谐气体进给装置提供调谐气体。
6.根据条款5所述的装置，其中以调谐气体频率使所述调谐气体脉冲化。
7.根据条款6所述的装置，其中所述外部喷射区气体进给装置引导所述蚀刻气体远离所述层的中心。
8.根据条款2所述的装置，其中所述外部喷射区气体进给装置引导所述蚀刻气体远离所述层的中心。
9.根据条款2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
10.根据条款2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述外部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
11.根据条款2所述的装置，还包括调谐气体进给装置，其中所述调谐气体进给装置提供调谐气体。
12.根据条款11所述的装置，其中以调谐气体频率使所述调谐气体脉冲化。
13.根据条款1所述的装置，其中开关在脉冲产生期间将来自所述内部注入区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降到零。
14.根据条款1所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述外部喷射区域气体进给装置的脉冲蚀刻气体流量直线下降至零。
15.根据权利要求1所述的装置，还包括调谐气体进给装置，其中所述调谐气体进给装置提供调谐气体。
16.根据条款15所述的装置，其中以调谐气体频率使所述调谐气体脉冲化。
17.根据条款1所述的装置，其中所述调谐气体进给装置垂直地位于所述内部喷射区气体进给装置和所述外部喷射区气体进给装置的下方。
附图说明
通过举例的方式而非通过限制的方式在附图的图中图解本发明，并且其中相似的附图标记指代相似的元件，并且其中：
图1是可以用于本发明的一个实施方式中的方法的高级流程图。
图2A-B是根据本发明的一个实施方式处理的堆层(stack)的示意性剖视图。
图3是可以用于实施本发明的等离子体处理腔室的示意图。
图4图示了适用于实现用于本发明的实施方式中的控制器的计算机系统。
图5A-B是蚀刻气体脉冲的图表。
图6是晶片副产物分布的图表。
具体实施方式
现在将参考如附图中所图示的本发明的几个优选实施方式来详细描述本发明。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在不存在这些具体细节中的一些或全部的情况下实施本发明。在其它情况下，未对公知的工艺步骤和/或结构进行详细描述以免不必要地使本发明不清晰。
为了便于理解，图1是可以用于本发明的蚀刻特征的一个实施方式中的方法的高级流程图。提供有蚀刻层的衬底(步骤104)。从内部喷射区气体进给装置以第一频率使蚀刻气体脉冲化(步骤108)。从外部喷射区气体进给装置以该第一频率并且与来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体异相地使蚀刻气体脉冲化(步骤112)。使所述蚀刻气体形成等离子体(步骤116)。
示例
在本发明的实现方式的一个示例中，将衬底提供至等离子体处理器件中，该衬底具有蚀刻层，该蚀刻层位于具有特征的掩模下(步骤104)。图2A是堆层200的剖视图，堆层200具有衬底204，该衬底204被设置于蚀刻层208下方，该蚀刻层208被设置于具有特征216的图案化掩模212下方。在这个示例中，蚀刻层208是硅。蚀刻层208可以是沉积于衬底204上的诸如多晶硅之类的硅层，或可以是衬底204的一部分。图案化掩模212由氧化硅形成。在各种实施方式中，可以将一个或多个层放置于各个层之间。举例来说，诸如蚀刻终止层之类的一个或多个层可以介于蚀刻层208与衬底204之间。
图3示意性地图示了根据本发明的一个实施方式可以用于执行对蚀刻层208进行蚀刻的处理的等离子体处理系统300的示例。等离子体处理系统300包括等离子体反应器302，在等离子体反应器302中具有等离子体处理腔室304。通过匹配网络308调谐的等离子体电源306向位于功率窗312附近的TCP线圈310供应功率以通过提供电感耦合功率在等离子体处理腔室304中产生等离子体314。TCP线圈(上方电源)310可以被配置成在等离子体处理腔室304内产生均匀的扩散分布。举例来说，TCP线圈310可以被配置成在等离子体314中产生环形功率分布。功率窗312被设置成将TCP线圈310与等离子体处理腔室304分离，同时允许能量从TCP线圈310传递到等离子体处理腔室304。通过匹配网络318调谐的晶片偏压电源316向电极320提供功率以设定由电极320支撑的衬底204上的偏压。控制器324设定用于等离子体电源306和晶片偏压电源316的点。
等离子体电源306和晶片偏压电源316可以被配置成在具体射频下运行，这些具体射频例如像13.56MHz、27MHz、2MHz、400kHz或其组合。可适当地设定等离子体电源306和晶片偏压电源316的尺寸以供给一定范围的功率以便实现所期望的工艺性能。举例来说，在本发明的一个实施方式中，等离子体电源306可以供给在50瓦至5000瓦范围内的功率，并且晶片偏压电源316可以供给在20V至2000V范围内的偏压。另外，TCP线圈310和/或电极320可以由两个或更多个子线圈或子电极组成，这些子线圈或子电极可以由单个电源供电或由多个电源供电。
如图3中所示，等离子体处理系统300还包括气体源/气体供给机构330。气体源/气体供给机构330向开关332提供气体，开关332向呈喷嘴形式的气体进给装置336供给气体。气体进给装置336具有内部通道346和外部通道348。在这个实施方式中，八个外部通道348围绕内部通道346。在这个实施方式中，开关332是能够以至少1Hz的频率向内部通道346和外部通道348提供气体脉冲的快速开关。在这个实施方式中，开关332包括向内部通道346供给气体的内部开关333以及向外部通道348供给气体的外部开关335。在另一个实施方式中，不使用子开关来控制使流向内部通道346和外部通道348的气体脉冲化，从而使得开关332将气体在从内部通道346流向外部通道348与从外部通道348流回内部通道346之间进行切换。在这个实施方式中，周边气体源334向周边气体入口338提供气体。经由压力控制阀342和泵344从等离子体处理腔室304中去除工艺气体和副产物，压力控制阀342和泵344还用于维持等离子体处理腔室304内的特定压力。气体源/气体供给机构330和周边气体源334由控制器324控制。可以使用加利福尼亚州弗里蒙特(Fremont,CA)的Lam Research公司的经过改进的Kiyo来实施本发明的实施方式。
图4是示出了计算机系统400的高级框图，计算机系统400适用于实现用于本发明的实施方式中的控制器324。该计算机系统可以具有从集成电路、印刷电路板以及小型手持式器件直至巨型超级计算机范围内的许多实物形式。计算机系统400包括一个或多个处理器402，并且还可以包括电子显示器件404(用于显示图形、文本以及其它数据)、主存储器406(例如，随机存取存储器(RAM))、存储器件408(例如，硬盘驱动器)、可移除存储器件410(例如，光盘驱动器)、用户接口器件412(例如，键盘、触摸屏、小键盘、鼠标或其它指示器件等)、以及通信接口414(例如，无线网络接口)。通信接口414允许在计算机系统400与外部器件之间经由链路来传输软件和数据。该系统还可以包括连接有上述器件/模块的通信基础结构416(例如，通信总线、交叉杆或网络)。
经由通信接口414传输的信息可以呈诸如能够经由承载信号并且可使用线缆或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、射频链路和/或其它通信信道实现的通信链路通过通信接口414接收的电子信号、电磁信号、光信号或其它信号等信号形式。通过这种通信接口，可以预期一个或多个处理器402可以在执行上述方法步骤的过程中接收来自网络的信息，或者可以在执行上述方法步骤的过程中将信息输出到网络。此外，本发明的方法实施方式可以仅在处理器上执行或者可以在诸如因特网之类的网络上结合共享一部分处理的远程处理器执行。
术语“非暂态性计算机可读介质”一般用于指代诸如主存储器、辅助存储器、可移除存储设备和存储器件(诸如硬盘、闪存、盘驱动存储器、CD-ROM)以及其它形式的永久性存储器之类的介质，而不应当被解释为涵盖诸如载波或信号等暂态性标的物。计算机代码的示例包括诸如通过编译程序生成的机器代码，以及含有通过计算机使用解释程序执行的更高级代码的文件。计算机可读介质还可以是通过以载波形式具体实现的计算机数据信号传送并且表示可由处理器执行的指令序列的计算机代码。
从内部喷射区气体进给装置以第一频率使蚀刻气体脉冲化(步骤108)。在这个示例中，蚀刻气体是200sccm的Cl2(氯气)。将腔室压力设定在20mT。在其它实施方式中，腔室的压力可以在亚毫托至1托(0.1毫托至1托)范围内。在其它实施方式中，蚀刻气体包含含有卤素的组分或含有氟碳化合物的组分。在这个实施方式中，内部喷射区气体进给装置是内部通道346的出口。图5A是内部喷射区气体进给装置的产生脉冲的图表。在这个示例中，内部喷射区气体进给装置的脉冲504从第1秒开始并且持续3秒，之后流量降低至0％。流动再次从第8秒开始并且持续3秒。因此，内部喷射区气体进给装置的脉冲504具有7秒的周期，其中频率是1/7Hz并且占空比是3/7或约43％。
从外部喷射区气体进给装置使蚀刻气体脉冲化(步骤112)。优选地，从外部喷射区气体进给装置以第一频率并且在与来自内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体异相地使蚀刻气体脉冲化。在这个实施方式中，外部喷射区气体进给装置是外部通道348的出口。图5B是外部喷射区气体进给装置的产生脉冲的图表。在这个示例中，内部喷射区气体进给装置的脉冲508从第3秒以50％开始并且持续4秒，之后流量降低至0％。流动再次从第10秒开始并且持续4秒。因此，内部喷射区气体进给装置的脉冲508具有7秒的周期，其中频率是1/7Hz并且占空比是4/7或约57％。在这个示例中，内部喷射区气体进给装置的脉冲504与外部喷射区气体进给装置的脉冲508重叠1秒。另外，在外部喷射区气体进给装置的脉冲508结束与内部喷射区气体进给装置的脉冲504开始之间存在1秒的时间段。图5A-B示出了以第一频率与来自内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体同时且异相地使来自内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体脉冲化。
使所述蚀刻气体形成等离子体(步骤116)。在这个示例中，提供在1W-4000W范围内的TCP功率。提供在0V-3000V范围内的偏压。使蚀刻气体形成等离子体与从内部喷射区气体进给装置提供脉冲蚀刻气体以及从外部喷射区气体进给装置提供脉冲气体同时进行。图2B是在特征216被完全蚀刻之后堆层200的剖视图。
这个实施方式提供了在内部喷射区气体进给装置与外部喷射区气体进给装置之间被异相地脉冲化的稳定并且恒定的蚀刻气体。允许独立的占空比，同时在不同相位的情况下维持相同的频率允许存在另外的调谐旋钮以在整个衬底表面上提供更均匀的蚀刻。优选地，脉冲化使得朝向内部喷射区气体进给装置和外部喷射区气体进给装置的流量直线下降至零。
图6是在Kiyo腔室中晶片副产物分布的图表，该图表图示了稳态SiCl4的质量分数与距衬底中心的距离(以cm为单位)的关系曲线。如果仅经由内部通道346仅向内部喷射区供给蚀刻气体，那么曲线604是所得到的晶片副产物分布。SiCl4的质量分数在中心附近是差不多1.0，在距中心15.0cm处下降到约0.6。这使得在衬底中心与边缘之间SiCl4的质量分数存在约40％的差异。如果仅经由外部通道348仅向外部喷射区供给蚀刻气体，那么曲线608是所得到的晶片副产物分布。SiCl4的质量分数在中心附近是约0.3，在距中心15.0cm处升高至约0.8。这使得在衬底中心与边缘之间SiCl4的质量分数存在大于100％的差异。曲线612是曲线604和608的平均值，可以通过使给向内部喷射区和外部喷射区的脉冲以相等的占空比交替来提供。SiCl4的质量分数在中心附近是约0.6，在距中心15.0cm处升高至约0.7。这使得在衬底中心与边缘之间SiCl4的质量分数存在约17％的差异。在衬底中心与边缘之间SiCl4质量分数的这一较低的百分比差异指示在整个晶片表面上的蚀刻较均匀。在气体脉冲处理中，在引发随后的反应序列之前在气体流动事件之间可以将副产物泵出。相反，在连续的气体流动方法中，即使在两个区均运行的情况下，反应物与副产物在整个处理期间还是始终进行相互作用，这可能是不利的。
在这个实施方式中，内部喷射区气体进给装置处于所述层中心的上方并且将蚀刻气体直接引向所述层的中心，并且外部喷射区气体进给装置相对于所述层以锐角引导蚀刻气体，如图3中所示。另外，在这个实施方式中，外部喷射区气体进给装置引导蚀刻气体远离所述层的中心。
在本发明的其它实施方式中，可以使用周边气体入口338作为外部喷射区气体进给装置，并且内部通道346和/或外部通道348形成内部喷射区气体进给装置。在另一个实施方式中，周边气体入口338和外部通道348这两者形成外部喷射区气体进给装置并且内部通道346形成内部喷射区气体进给装置。在这些实施方式中，外部喷射区围绕内部喷射区。
在另一个实施方式中，内部通道346形成内部喷射区气体进给装置，外部通道348形成外部喷射区气体进给装置，并且周边气体入口338提供调谐气体。可以使调谐气体脉冲化。在一个实施方式中，调谐气体脉冲的频率不同于蚀刻气体脉冲的频率。在另一个实施方式中，调谐气体脉冲的频率等于蚀刻气体脉冲的频率。在另一个实施方式中，不使用或不存在周边气体入口338。
虽然优选的实施方式使用电感耦合来激发等离子体，但是其它实施方式可以使用诸如电容耦合之类的其它方法来激发等离子体。在其它实施方式中，可以通过喷头代替喷嘴。在其它实施方式中，脉冲不是方波脉冲。
虽然已经根据若干个优选的实施方式描述了本发明，但是存在属于本发明的范围内的改动、置换以及各种替代性等同方案。还应当指出的是，存在实施本发明的方法和装置的多种替代性方式。因此，意图是，随后的所附权利要求书被解释为包括落入本发明的真正精神和范围内的所有这些改动、置换以及各种替代性等同方案。

Claims (10)

1.一种用于对晶片上的蚀刻层进行蚀刻的装置，所述装置包括：
等离子体处理腔室，所述等离子体处理腔室包括：
腔室壁，所述腔室壁形成等离子体处理腔室外壳；
衬底支撑件，所述衬底支撑件用于在所述等离子体处理腔室外壳内支撑晶片；
压力调节器，所述压力调节器用于调节所述等离子体处理腔室外壳中的压力；
至少一个电极，所述至少一个电极用于向所述等离子体处理腔室外壳提供功率以维持等离子体；
内部喷射区气体进给装置，所述内部喷射区气体进给装置用于将气体提供到所述等离子体处理腔室外壳中；
外部喷射区气体进给装置，所述外部喷射区气体进给装置围绕所述内部喷射区气体进给装置，用于将气体提供到所述等离子体处理外壳中；以及
气体出口，所述气体出口用于将气体从所述等离子体处理腔室外壳中排出；
至少一个RF电源，所述至少一个RF电源电连接至所述至少一个电极；
气体源；
具有至少1Hz的切换速度的开关，所述开关在所述气体源与所述内部喷射区气体进给装置以及所述外部喷射区气体进给装置之间进行流体连接，其中所述开关能够以第一频率向所述内部喷射区气体进给装置提供脉冲气体，并且能够以所述第一频率并且与向所述内部喷射区气体进给装置提供所述脉冲气体异相地向所述外部喷射区气体进给装置提供所述脉冲气体。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述内部喷射区气体进给装置处于所述衬底支撑件的中心上方并且其中所述内部喷射区气体进给装置将所述蚀刻气体直接引向所述衬底支撑件的中心，并且其中所述外部喷射区气体进给装置相对于所述衬底支撑件以锐角引导所述蚀刻气体。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述外部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括调谐气体进给装置，其中所述调谐气体进给装置提供调谐气体。
6.根据权利要求5所述的装置，其中以调谐气体频率使所述调谐气体脉冲化。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述外部喷射区气体进给装置引导所述蚀刻气体远离所述层的中心。
8.根据权利要求2所述的装置，其中所述外部喷射区气体进给装置引导所述蚀刻气体远离所述层的中心。
9.根据权利要求2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述内部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
10.根据权利要求2所述的装置，其中所述开关在脉冲产生期间将来自所述外部喷射区气体进给装置的脉冲蚀刻气体的流量直线下降至零。
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