CN110571115B - 一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机，属于半导体刻蚀技术领域。可动多离子源配置的离子束刻蚀机，该刻蚀机包括反应腔体，该反应腔体上设有窗口，反应腔体的中心处布置电极运动驱动机构，电极运动驱动机构上设有载片电极，载片电极上放置晶圆；反应腔体内位于晶圆的上方设有一个或多个离子源；一个或多个离子源与晶圆之间布置分别布置中和器；一个或多个离子源所发出的离子束通过中和器所发出的中和束流。采用多离子源及其活动功能的配置可以在晶圆自身取消公转后实现晶圆表面接收到的离子数量最大程度的相同，提高晶圆表面刻蚀的均匀性。同时可以根据刻蚀的结果，随时调整离子源的位置，实现刻蚀过度或刻蚀不足部位的灵活调整性。
Description
技术领域
本发明涉及一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机，属于半导体刻蚀技术领域。
背景技术
在半导体器件及芯片等的制造工艺中，刻蚀工艺是众多工艺中最频繁被采用和出现的。IC制造的刻蚀工艺中，会部分或者全部刻蚀或者去除掉芯片上的某些材料。在所有的刻蚀工艺中，等离子体刻蚀以及离子束刻蚀（IBE）工艺越来越重要，尤其是随着芯片集成度提高，关键尺寸缩小，高选择比以及精确的图形转移等工艺需求的提高，更突显了等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点。
随着芯片关键结构从平面转向3D结构（例如：逻辑器件中的FinFET结构）、先进存储器结构（例如：磁存储器（MRAM）和阻变存储器（ReRAM）这些器件结构对刻蚀工艺要求的精确度、重复性及工艺质量要求的越来越高。同时MRAM这些器件制造过程中，有许多种特殊的金属材料及金属化合物材料需要使用刻蚀工艺。同时在等离子体刻蚀工艺过程中产生的刻蚀反应副产物大部分也是金属或者富含金属的薄膜，以及部分刻蚀工艺过后的图形侧壁不陡直也需要工艺来补充修饰；通过实验观察发现离子束刻蚀过程中的离子溅射对以上三种问题可以进行极大的改进。同时还要注意到使用离子束刻蚀有可能会对已有的器件或者芯片结构造成损伤。因此迫切的需要设计一种改进形式的离子束刻蚀系统来解决在先进器件制作过程中碰到的这些问题。
离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的。把Ar，Kr或Xe之类惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面撞击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理过程。离子束刻蚀的优点是方向性好，各向异性，陡直度高；分辨率高，可达到0.01µm；不受刻蚀材料限制（金属和化合物，无机物和有机物，绝缘体和半导体即可）；刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓。由于离子束刻蚀对材料无选择性，对于那些无法或者难以通过化学研磨、电介研磨难以减薄的材料，可以通过离子束来进行减薄。另外，由于离子束能逐层剥离原子层，所以具有的微分析样品能力，并且可以用来进行精密加工。
由于样品台需要同时完成样品承载、冷却、倾斜以及旋转等所有必要功能，导致样品台的结构复杂、体积庞大，对比反应粒子刻蚀设备，离子束刻蚀设备一般要求更大容积的真空腔，因此必须搭配更大抽速的真空泵组，需要更高的配件成本；此外，样品台需要回到初始位置（例如0°）传入晶圆，倾斜到一定角度（例如70°）刻蚀晶圆，再次回到初始位置传出晶圆，会减弱MRAM工厂的产量。
发明内容
本发明针对上述不足提供了一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机，该刻蚀机包括反应腔体，该反应腔体上设有窗口，反应腔体的中心处布置电极运动驱动机构，电极运动驱动机构上设有载片电极，载片电极上放置晶圆；
所述的反应腔体内位于晶圆的上方设有一个或多个离子源；一个或多个离子源与晶圆之间布置分别布置中和器；一个或多个离子源所发出的离子束通过中和器所发出的中和束流；
所述的一个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿圆弧形方向进行运动；
所述的多个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿弧形方向进行运动。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的中和器布置在离子源，中和器与离子源同步运作；离子束通过中和束流照射在晶圆上。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的中和器分别位于载片电极的两侧，成一定仰角布置在反应腔体底端；中和器所发射的中和束流在载片电极上方交错形成三角形中和束流；离子束通过三角形中和束流照射在晶圆上。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的反应腔体成半圆形腔体；半圆形的反应腔体内的离子源布置为三个；其三个离子源分别位于半圆形的反应腔体的内壁，三个离子源的移动范围为载片电极的左、右两侧部及顶部。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的三个离子源分别独立移动，三个离子源的移动范围相互对称；所述的左右两侧的离子源作弧形运动；顶部的离子源作弧形运动。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的反应腔体成半圆形腔体；半圆形的反应腔体内的离子源布置为两个，其两个离子源分别位于半圆形的反应腔体的内壁；两个离子源的移动范围为载片电极的左、右两侧部。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的两个离子源分别独立移动，两个离子源的移动范围为半圆形的反应腔体内相互对称1/4圆弧壁。
本发明所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，所述的两个离子源分别独立移动，两个离子源位于载片电极的左、右两侧部；两个离子源分别位于半圆形的反应腔体的内壁且移动范围为非对称圆弧形；
所述的其中一离子源个非对称圆弧形移动范围大于另一个离子源的圆弧形移动范围；较大的圆弧形移动范围内的离子源可移动至载片电极的顶部与载片电极的中心轴线相互重合。
有益效果
本发明提供的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，提供的多离子源及其活动功能的配置可以在晶圆自身取消公转后实现晶圆表面接收到的离子数量最大程度的相同，提高晶圆表面刻蚀的均匀性。同时可以根据刻蚀的结果，随时调整离子源的位置，实现刻蚀过度或刻蚀不足部位的灵活调整性。
附图说明
图1是本发明的三离子源反应腔体结构示意图；
图2是本发明的三离子源反应腔体共用中和器结构示意图；
图3是本发明的两离子源反应腔体结构示意图；
图4是本发明的两离子源非对称滑动的反应腔体结构示意图；
图5是本发明的两离子源对称滑动的反应腔体结构示意图。
图中1-反应腔体； 2-载片电极；3-电极运动驱动机构；4-晶圆；201-电极旋转方向；50-离子源一；501-离子源一设定位置一；502-离子源一设定位置二； 100-离子源一运动方向； 80-离子源二；801-离子源2设定位置一；802-离子源二设定位置二； 70-离子源三； 120-离子源二运动方向；51-中和器一；52-中和器二；公用中和器一300；公用中和器二400。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，该刻蚀机包括反应腔体，该反应腔体上设有窗口，反应腔体的中心处布置电极运动驱动机构，电极运动驱动机构上设有载片电极，载片电极上放置晶圆；反应腔体内位于晶圆的上方设有一个或多个离子源；一个或多个离子源与晶圆之间布置分别布置中和器；一个或多个离子源所发出的离子束通过中和器所发出的中和束流；一个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿圆弧形方向进行运动；多个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿弧形方向进行运动；
离子源的运动方式可以分为两种，一种是在测试过程中手动移动离子源的位置，离子源后端固定位置为可手动调节的长槽性固定孔状，同时该长槽性固定件与腔体之间是密封固定的。
另一种方式为外部驱动式，离子源底部与反应腔体内侧壁使用链条驱动模式或是滑轨式，在离子源位置的始端与末端分别有两个传动机构如齿轮及链条的配合等，离子源底部卡紧在链条或滑轨上，在反应腔体外部使用电机传动，通过电机轴的旋转带动一短传动机构的转动，驱动链条或滑轨沿着设定的路径运动，最终带动离子源在设定转动范围之内随意切换位置。
以上两种运动方式均可采用现有的设备达到滑动的目的。
反应腔体为一个具有中空特征的多面体结构，在一个侧边上开有矩形孔，该矩形孔的尺寸符合半导体Semi S2认证的标准，根据该系统适用的晶圆来调整该矩形孔的标准尺寸，该开孔可供机械手承载晶圆进入反应腔体，将晶圆放置于刻蚀载片台上之后，机械手从该矩形孔中退出，关闭外部安装的门阀，使得反应腔体内部成为密闭真空状态。刻蚀载片台位于反应腔体中部，通过电机或其他驱动机构使得刻蚀载片台可其中心轴线旋转。离子束刻蚀系统的工作流程为电极载片开始绕着自身轴线匀速旋转，待电极稳定后，开启离子源，发射具有能量的离子束；晶圆面向离子源栅网或是与其成一定角度，对晶圆进行刻蚀。刻蚀完成之后关闭离子束，电极载片停止转动，机械手取出晶圆。
本发明的可动多离子源配置的离子束刻蚀机在反应腔体上配置有多个离子源，如2个，3个或者是更多，该几个离子源分别位于电极上方的腔体侧壁上，且离子源栅网中心均对着电极表面的中心，各个离子源中心线与晶圆表面的角度分别呈α，β，γ···。
如图1所示为配置三个离子源时的设备示意图，离子源一50, 离子源三70和离子源二80分别可以绕着电极轴线旋转，位置可调节，且各个离子源内可通入反应气体，同时每个离子源上都设置有中和器，中和离子源发射出来的电子，每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器；
如图2所示为公用2个中和器的示意，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
如图3、图4所示为配置两个离子源时的设备示意图，分别为离子源一50，离子源二80，且离子源一50可以在右半边区域绕着载片电极的中心线沿着方向100旋转，离子源二80可以在左半边区域绕着载片电极的中心线沿着方向120旋转，该种方式的旋转可以保证离子源栅网中心距离晶圆中心的距离一直保持不变。如图所示，左边区域布置的离子源二80可以从离子源2设定位置一801移动到离子源二设定位置二802，中心线与晶圆表面的角度从β1变为β2，右边区域布置的离子源一50可以从离子源一设定位置一501移动到离子源一设定位置二502，中心线与晶圆表面的角度从α1变为α2。
该离子束刻蚀系统的工作流程为调节离子源一50和离子源二80相对于载片电极表面的角度位置，机械手将晶圆放入载片电极上之后，腔体在真空系统的作用下到达一定的高真空度，电极带着晶圆在外部驱动机构的作用下绕着自身轴线旋转；离子源一50内通入反应气体A，离子源二80内通入反应气体B，两个离子源通电电离气体A和气体B，产生离子束，对放置在电极表面的晶圆进行刻蚀。
本发明采用如下实施例进行实施：
实施例一：
如图3所示：本发明的在实际运用中其进行工艺时离子源一50和离子源二80分别控制角度，离子源一50设定的位置为栅网中心线与晶圆表面角度为α，且0°≤α≤85°，离子源一80设定的位置为栅网中心线与晶圆表面角度为β，且0°≤β≤85°，且α与β可以相同，也可以不相同，根据刻蚀结果的均匀性随时调节两个离子源分别相对于载片电极的位置，两者之间没有关系要求；通入离子源50和80的反应气体A和B可以是相同的气体，也可以是不同的气体，其中A和B的气体种类可以是Ar，Kr，He等惰性气体或者是CH3OH、CH3COOH、CO/NH3、CH4/N2O等气体，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合；离子源一50配置有中和器一51，离子源二80配置有中和器二81，中和器中通入与离子源相同或不同的反应气体，在离子源发射离子束电子的同时，中和器朝向离子束的方向发散出中和离子。每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
实施例二：
离子源50和80分别控制，即在进行工艺之前，离子源50设定的位置为栅网中心线与晶圆表面角度为α，且0°≤α≤85°，离子源80设定的位置为栅网中心线与晶圆表面角度为β，且0°≤β≤85°，且一直保持α=β，即两者相对载片电极的位置是相同的，根据刻蚀结果的均匀性同时调节两个离子源相对于载片电极的位置；通入离子源50和80的反应气体A和B可以是相同的气体，也可以是不同的气体，其中A和B的气体种类可以是Ar，Kr，He等惰性气体或者是CH3OH、CH3COOH、CO/NH3、CH4/N2O等气体，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合；离子源50配置有中和器51，离子源80配置有中和器81，中和器中通入与离子源相同或不同的反应气体，在离子源发射离子束电子的同时，中和器朝向离子束的方向发散出中和离子。每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
实施例三：
如图4所示：离子源一50的转动范围大于离子源二80的转动范围，离子源一50与晶圆表面之间的角度范围为α，且0°≤α≤120°，离子源二80与晶圆表面之间的角度范围为β，且0°≤β≤50°，在该种布置的情形中，离子源一50可以达到电极表面的正上方，即α=90°，弥补了前两种方案中两个离子源均不能达到90°的缺陷；根据刻蚀结果的均匀性随时调节两个离子源分别相对于载片电极的位置，两者之间没有关系要求；通入离子源一50和离子源二80的反应气体A和B可以是相同的气体，也可以是不同的气体，其中A和B的气体种类可以是Ar，Kr，He等惰性气体或者是CH3OH、CH3COOH、CO/NH3、CH4/N2O等气体，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合；离子源一50配置有中和器一51，离子源二80配置有中和器二81，中和器中通入与离子源相同或不同的反应气体，在离子源发射离子束电子的同时，中和器朝向离子束的方向发散出中和离子。每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
实施例四：
如图5所示：离子源50和80之间的角度为固定值β1，即在进行工艺之前，将离子源50设定在一个位置之后，调整离子源80的位置，使得两者的中心线呈β1的角度，40°≤β≤140°，根据刻蚀结果的均匀性调整离子源一50相对于载片电极的位置以及相对离子源80之间的固定角；通入离子源一50和离子源二80的反应气体A和B可以是相同的气体，也可以是不同的气体，其中A和B的气体种类可以是Ar，Kr，He等惰性气体或者是CH3OH、CH3COOH、CO/NH3、CH4/N2O等气体，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合；离子源一50配置有中和器一51，离子源二80配置有中和器二81，中和器中通入与离子源相同或不同的反应气体，在离子源发射离子束电子的同时，中和器朝向离子束的方向发散出中和离子。每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
实施例五
离子源一50和离子源二80在进行工艺过程中不是固定的，而是随着时间进行绕电极中线旋转移动的，离子源一50绕着电极中心以速度v1转动，离子源二80绕着电极中心以速度v2转动，v1与v2在一种工艺进程中可以是常数，也可以是变量也就是时间的函数，且v1与v2可以相同，也可以不相同，两个离子源运动的初始位置也是可调参数之一，根据刻蚀结果的均匀性调整离子源一50和离子源二80的运动速度，初始位置以及运动方向，以获得最好的工艺刻蚀结果；通入离子源一50和离子源二80的反应气体A和B可以是相同的气体，也可以是不同的气体，其中A和B的气体种类可以是Ar，Kr，He等惰性气体或者是CH3OH、CH3COOH、CO/NH3、CH4/N2O等气体，或者是几种气体的组合，但气体的种类并不限于所列的气体的组合；离子源一50配置有中和器一51，离子源二80配置有中和器二81，中和器中通入与离子源相同或不同的反应气体，在离子源发射离子束电子的同时，中和器朝向离子束的方向发散出中和离子。每个离子源配置的中和器数量可以为1个，2个或者更多，根据离子束的密度选择中和器的数量；也可以整个设备公用1个，2个或更多个中和器，公用中和器300和400位于与离子源相对的位置，且中和器中发射出来的中和束流可以通过离子源的发射路径，在离子束达到晶圆表面之前对其进行中和。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种可动多离子源配置的离子束刻蚀机，其特征在于：该刻蚀机包括反应腔体，该反应腔体上设有窗口，反应腔体的中心处布置电极运动驱动机构，电极运动驱动机构上设有载片电极，载片电极上放置晶圆；
所述的反应腔体内位于晶圆的上方设有一个或多个离子源；一个或多个离子源与晶圆之间布置分别布置中和器；一个或多个离子源所发出的离子束通过中和器所发出的中和束流；
所述的一个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿圆弧形方向进行运动；
所述的多个离子源以载片电极为圆心在载片电极上方沿弧形方向进行运动；
所述的反应腔体成半圆形腔体；半圆形的反应腔体内的离子源布置为三个；其三个离子源分别位于半圆形的反应腔体的内壁，三个离子源的移动范围为载片电极的左、右两侧部及顶部；
所述的三个离子源分别独立移动，三个离子源的移动范围相互对称；所述的左右两侧的离子源作弧形运动；顶部的离子源作弧形运动。
2.根据权利要求1所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，其特征在于：所述的中和器布置在离子源，中和器与离子源同步运作；离子束通过中和束流照射在晶圆上。
3.根据权利要求1所述的可动多离子源配置的离子束刻蚀机，其特征在于：所述的中和器分别位于载片电极的两侧，成一定仰角布置在反应腔体底端；中和器所发射的中和束流在载片电极上方交错形成三角形中和束流；离子束通过三角形中和束流照射在晶圆上。
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