CN110896019A - 等离子体刻蚀设备及刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体刻蚀设备，所述等离子体刻蚀设备包括等离子体发生装置、用于承载晶片基座和用于为基座供电的偏压电源，其中，所述偏压电源能够周期性地输出电压，所述偏压电源的每个输出周期都包括正偏压输出阶段和负偏压输出阶段，所述偏压电源能够在所述正偏压阶段输出电压值恒定的正偏压，所述偏压电源能够在所述负偏压阶段输出电压值恒定的负偏压。所示等离子体刻蚀设备可以提供刻蚀选择比较高的等离子体。

Description

等离子体刻蚀设备及刻蚀方法
技术领域
本发明涉及微电子加工设备，具体地，涉及一种等离子体刻蚀设备和一种等离子体刻蚀方法。
背景技术
随着半导体元器件制造工艺的迅速发展，对元器件性能与集成度的要求也越来越高。目前，利用等离子体刻蚀设备对基片进行加工，以在基片上形成相应的图形。
具体地，如图1所示，等离子体刻蚀设备包括工艺腔、设置在该工艺腔内的基座110和等离子体发生装置120。在对基片进行加工时，将基片200设置在基座110上，并向工艺腔内通入工艺气体。利用等离子体发生装置对工艺气体进行电离，以获得等离子体A。利用偏压射频电源130与匹配单元140相匹配后向基座110加载射频能量，从而提供射频场，产生射频偏压，在基片200的表面形成离子加速鞘层。
目前，常用的等离子体刻蚀设备的射频电源均可以输出波形为正弦波的电压信号或者输出脉冲正弦波信号，如图2所示，波形为正弦波的电压信号的幅值分别为+Vp和-Vp。
等离子体的能量和角度分布由等离子体进入离子加速鞘层的瞬态压降所决定。由于当射频电源输出的电压信号为正弦信号时基座110表面的离子加速鞘层电压会发生变化，这就导致了等离子体的能量分布较宽。如图3所示，横轴表示等离子体的能量(IonEnergy)，纵轴表示等离子体的数量(IED)，通过图3可知，在图2中所示的偏置电压的作用下，进入离子加速鞘层的等离子体的能量分布呈宽度较大的马鞍状。
虽然能量分布较宽的等离子体可以避免连续波的沟槽底部电荷积累的问题，但是，等离子体的能量分布较宽意味着刻蚀选择比较低，不利于对刻蚀选择比高的材料进行刻蚀。例如，当利用等离子体刻蚀二氧化硅层和硅层的叠层时，由于刻蚀二氧化硅层所需要的离子能量仅比刻蚀硅层所需要的离子能量高十几电子伏。如上文中所述，等离子体中包括各种不同能量的等离子，从而导致了等离子体将二氧化硅层20刻穿后，刻蚀掉二氧化硅层20下方的硅层10的一部分，如图4所示，这种形状是不理想的。
因此，如何提高刻蚀工艺过程中的刻蚀选择比成为本领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体刻蚀设备和一种等离子体刻蚀方法，所述等离子体刻蚀设备能够对刻蚀选择比要求高的材料进行刻蚀。
为了实现上述目的，本发明提供一种等离子体刻蚀设备，所述等离子体刻蚀设备包括等离子体发生装置、用于承载晶片的基座和用于为所述基座供电的偏压电源，其中，所述偏压电源能够周期性地输出电压，所述偏压电源的每个输出周期都包括正偏压阶段和负偏压阶段，所述偏压电源能够在所述正偏压阶段输出电压值恒定的正偏压，所述偏压电源能够在所述负偏压阶段输出电压值恒定的负偏压。
优选地，所述正偏压阶段在所述偏压电源的输出周期中所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者能够被调节。
优选地，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
优选地，所述偏压电源的输出频率为400KHz、2MHz、13MHz、
27MHz、40MHz、60MHz中的任意一者。
优选地，所述等离子体发生装置选自电感耦合等离子体发生装置、射频容性耦合等离子体发生装置、微波等离子体发生装置、电子回旋共振等离子体发生装置中的任意一者。
作为本发明的第二个方面，提供一种等离子体刻蚀方法，其中，所述等离子体刻蚀方法包括：
利用偏压电源向用于承载晶片的基座周期性地输出偏置电压，所述偏置电压的每个输出周期都包括正偏压阶段和负偏压阶段，所述正偏压阶段的电压值为恒定的正偏压，所述负偏压阶段的电压值为恒定的负偏压。
优选地，还包括调节所述偏置电压的波形参数的步骤；所述偏置电压的波形参数包括所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者。
优选地，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
所述偏压电源输出的电压信号的波形为矩形波，即，所述偏压电源输出的电压信号的波形类似于准直流偏压，因此，当所述电压信号通过匹配单元的匹配施加在基座上之后，所产生的离子加速鞘层的电压近似恒定值，这样，等离子体进入离子加速鞘层后能量分布也较窄。换言之，大部分等离子体所携带的能量都较为接近，从而使得进入离子加速鞘层的等离子体的刻蚀选择比较高，即便刻蚀所需刻蚀能量较为接近的材料时，仍然能够获得理想的形貌。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是等离子体刻蚀设备的示意图；
图2是射频电源输出的正弦波电压信号的波形图；
图3是包括输出图2中波形的射频电源形成的等离子体的能量分布图；
图4是包括输出图2中波形的射频电源的等离子体刻蚀设备刻蚀基片的形貌示意图；
图5是本发明所提供的等离子体刻蚀设备刻蚀基片获得的形貌示意图；
图6是本发明所提供的等离子体刻蚀设备中偏压电源输出的电压信号的波形图；
图7是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例为30％时，等离子体能量分布曲线；
图8是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例小于1％时，等离子体能量分布曲线；
图9是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例为70％时，等离子体能量分布曲线；
图10是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例大于99％时，等离子体能量分布曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供一种等离子体刻蚀设备，所述等离子体刻蚀设备包括等离子体发生装置、用于承载晶片的基座和用于为所述基座供电的偏压电源，其中，所述偏压电源能够周期性地输出电压，如图6所示，所述偏压电源的每个输出周期T都包括正偏压输出阶段T1和负偏压输出阶段T2。并且，所述偏压电源能够在正偏压阶段T1输出电压值恒定的正偏压，在所述负偏压阶段T2输出电压值恒定的负偏压。
如图6所示，所述偏压电源输出的电压信号的波形为矩形波，即，所述偏压电源输出的电压信号的波形类似于准直流偏压，因此，当所述电压信号通过匹配单元的匹配施加在所述基座上之后，所产生的离子加速鞘层的电压近似恒定值，这样，等离子体进入离子加速鞘层后能量分布也较窄。换言之，大部分等离子体所携带的能量都较为接近，从而使得进入离子加速鞘层的等离子体的刻蚀选择比较高，即便刻蚀所需刻蚀能量较为接近的材料时，仍然能够获得理想的形貌。
例如，利用本发明所提供的等离子体刻蚀设备硅层10和二氧化硅20形成的叠层时，在二氧化硅层20上形成掩膜图形30。将形成有掩膜图形30的叠层设置在所述基座上，控制所述偏压电源输出波形为矩形的电压信号，并控制离子体发生装置对通入工艺腔内的工艺气体等离子化，对所述形成有掩膜图形30的叠层进行刻蚀，可以获得图5中所示的结构，二氧化硅层20被刻穿，而硅层10未受到刻蚀，从而获得更加精确的图形。
为了使得本发明所提供的等离子体刻蚀设备能够对多种不同的材料进行刻蚀，优选地，正偏压阶段T1在所述偏压电源的输出周期中T所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者能够被调节。
利用所述等离子体刻蚀设备执行刻蚀工艺时，对基片进行刻蚀的等离子体的能量于所述正偏压阶段T1在所述输出周期中所占的比例反相关。即，在所述正偏压的幅值相同的情况下，正偏压阶段T1持续时间越长，对基片进行刻蚀的等离子体的能量越低。
相应地，在正偏压阶段T1持续时间相同的情况下，正偏压的幅值越大，对基片进行刻蚀的等离子体的能量越低。
在本发明中，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
当正偏压阶段T1持续时间占整个输出周期T的比例小于50％时，等离子体的能量分布曲线。由于输出电压中，负偏压所占的比例较大，因此，正离子加速经过鞘层，离子能量较大，离子能量分布此时向高能方向移动且变窄。
当正偏压阶段T1持续时间占整个输出周期T的比例为2％时，离子能量分布为一个窄而尖的高能单峰。
当正偏压阶段T1持续时间占整个输出周期T的比例超过50％时，电压信号中，正偏压所占比例较大，因此，正离子减速经过鞘层，离子能量减小，离子能量分布此时向低能方向移动且变窄。
当正偏压阶段T1持续时间占整个输出周期T的比例超过90％时，电压信号中，正偏压所占比例更大，因此，正离子减速经过鞘层，离子能量减小，离子能量分布此时向更低能方向移动且变窄。
在本发明中，所述偏压电源的输出频率为400KHz、2MHz、13MHz、27MHz、40MHz、60MHz中的任意一者。
在本发明中，对等离子体发生装置的具体结构并不做特殊的规定，例如，所述等离子体发生装置选自电感耦合等离子体发生装置、射频容性耦合等离子体发生装置、微波等离子体发生装置、电子回旋共振等离子体发生装置中的任意一者。
需要解释的是，虽然图6中所示的正偏压为+V0、负偏压为-V0，正偏压的绝对值与负偏压的绝对值相同，但是，本发明并不限于此，例如，正偏压的绝对值与负偏压的绝对值可以不同。
图7的是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例为30％时，等离子体能量分布曲线，从图中可以看出，等离子体能量分布为两个窄而尖的双峰；图8是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例小于1％时，等离子体能量分布曲线，从图中可以看出，等离子体的能量分布为一个窄而尖的单峰；图9是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例为70％时，等离子体能量分布曲线，从图中可以看出，等离子体的能量分布为一个窄而尖的低能双峰；图10是正偏压输出阶段在输出周期中所占比例大于99％时，等离子体能量分布曲线，从图中可以看出，等离子体的能量分布为一个窄而尖的能量双峰。
在实际生产中，可以根据不同的工艺选择正偏压输出阶段在输出周期中所占比例，进而实现获得具有高刻蚀选择比的等离子体。
作为本发明的第二个方面，提供一种等离子体刻蚀方法，所述等离子体刻蚀方法包括：
利用偏压电源向用于承载晶片的基座周期性地输出偏置电压，所述偏置电压的每个输出周期都包括正偏压阶段和负偏压阶段，所述正偏压阶段的电压值为恒定的正偏压，所述负偏压阶段的电压值为恒定的负偏压。
如上文中所述，所述偏压电源输出的电压信号的波形为矩形波，即，所述偏压电源输出的电压信号的波形类似于准直流偏压，因此，当所述电压信号通过匹配单元的匹配施加在所述基座上之后，所产生的离子加速鞘层的电压近似恒定值，这样，等离子体进入离子加速鞘层后能量分布也较窄。换言之，大部分等离子体所携带的能量都较为接近，从而使得进入离子加速鞘层的等离子体的刻蚀选择比较高，即便刻蚀所需刻蚀能量较为接近的材料时，仍然能够获得理想的形貌。
优选地，所述等离子体刻蚀方法还包括调节所述偏置电压的波形参数的步骤；所述偏置电压的波形参数包括所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者。
作为一种实施方式，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种等离子体刻蚀设备，所述等离子体刻蚀设备包括等离子体发生装置、用于承载晶片的基座和用于为所述基座供电的偏压电源，其特征在于，所述偏压电源能够周期性地输出电压，所述偏压电源的每个输出周期都包括正偏压阶段和负偏压阶段，所述偏压电源能够在所述正偏压阶段输出电压值恒定的正偏压，所述偏压电源能够在所述负偏压阶段输出电压值恒定的负偏压。
2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述正偏压阶段在所述偏压电源的输出周期中所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者能够被调节。
3.根据权利要求2所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
4.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述偏压电源的输出频率为400KHz、2MHz、13MHz、27MHz、40MHz、60MHz中的任意一者。
5.根据权利要求1或2所述的等离子体刻蚀设备，其特征在于，所述等离子体发生装置选自电感耦合等离子体发生装置、射频容性耦合等离子体发生装置、微波等离子体发生装置、电子回旋共振等离子体发生装置中的任意一者。
6.一种等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀方法包括：
利用偏压电源向用于承载晶片的基座周期性地输出偏置电压，所述偏置电压的每个输出周期都包括正偏压阶段和负偏压阶段，所述正偏压阶段的电压值为恒定的正偏压，所述负偏压阶段的电压值为恒定的负偏压。
7.根据权利要求6所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，还包括调节所述偏置电压的波形参数的步骤；所述偏置电压的波形参数包括所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例、所述正偏压的幅值以及所述负偏压的幅值中的至少一者。
8.根据权利要求7所述的等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述正偏压阶段在所述输出周期中所占的比例的范围为1％-99％。
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