CN111508802A - 反应腔室及其刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种反应腔室，包括：腔体；主筒和主线圈，主筒位于腔体顶部，主线圈环绕主筒设置；副筒和副线圈，副筒位于腔体与主筒之间，副线圈环绕副筒设置；至少一个升降结构，升降结构与主线圈或副线圈连接，用于随工艺步骤的变化驱动主线圈或副线圈升降。本发明通过升降结构可以随工艺步骤的变化驱动主线圈或副线圈升降，有利于调整待加工工件表面的等离子体分布，从而提高刻蚀的均匀性。并且，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，本发明实施例的反应腔室还可以利用升降结构驱动副线圈处于阻抗稳定的区域，避免引发等离子体的灭辉现象，改善刻蚀效果。本发明还提供一种应用于该反应腔室的刻蚀方法，同样可以改善刻蚀效果。

Description

反应腔室及其刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种反应腔室及其刻蚀方法。

背景技术

随着半导体制造工艺的迅速发展，利用等离子体对对待加工工件进行刻蚀得到了极广泛的应用。以对晶片进行刻蚀为例，传统的反应腔室包括设置有晶片的腔体、位于腔体上方的主筒和位于主筒、腔体之间的副筒以及环绕主筒的主线圈和环绕副筒的副线圈，主副线圈均用于形成电磁场，以使主副筒中的反应气体激发成等离子体状态，之后再与晶片表面发生反应，对晶片进行刻蚀。

目前，在对晶片进行刻蚀时，可以采用博世(Bosch)工艺，Bosch工艺包括交替进行的沉积步骤和刻蚀步骤，沉积步骤用于在晶片表面形成保护层，刻蚀步骤用于沿预定方向对晶片进行刻蚀。但是传统的博世工艺难以达到所需的刻蚀效果，例如，在传统的博世工艺设备中，通常采用主筒和副筒分别对晶片的中部区域和边缘区域进行刻蚀，然而，随着工艺步骤的不同，当其中一个区域的等离子体分布发生变化时，另一个区域的等离子体分布若未作出合适的调整，则难以保证晶片整体的刻蚀均匀性。并且，在传统的博世工艺中，副筒中还会存在等离子体的灭辉现象，灭辉现象将会导致刻蚀形貌与目标形貌产生偏差，严重影响刻蚀的精确性。图1为现有的一种反应腔室中的反应气体流向的示意图，如图1所示，进入副筒11的反应气体中的大部分朝向远离侧壁的位置流动，少部分朝向靠近侧壁的位置A1流动，从而导致位置A1处的气体密度较低，气体流速缓慢。在沉积步骤和刻蚀步骤之间，将用新的反应气体将原有的反应气体替换掉，但是，位置A1处的气体流速缓慢，将会导致原有气体在该处出现残留，原有气体和新气体混合比例的不确定性使得位置A1处的阻抗不稳定，进而引起副线圈12在电源保护装置的控制下反复启停。副线圈12的反复启停可能会引发等离子体的灭辉现象，进而导致刻蚀形貌与目标形貌产生偏差。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及其刻蚀方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种反应腔室，包括：

腔体；

主筒和主线圈，所述主筒位于所述腔体顶部，所述主线圈环绕所述主筒设置；

副筒和副线圈，所述副筒位于所述腔体与所述主筒之间，所述副线圈环绕所述副筒设置；

至少一个升降结构，所述升降结构与所述主线圈或所述副线圈连接，用于随工艺步骤的变化驱动所述主线圈或所述副线圈升降。

可选地，所述升降结构包括：承载部、伸缩组件和驱动部，所述承载部用于承载所述主线圈或所述副线圈，所述伸缩组件的一端与所述承载部连接，所述伸缩组件的另一端与所述驱动部连接，所述驱动部用于驱动所述伸缩组件伸缩。

可选地，所述伸缩组件包括螺纹杆和旋转套筒，所述螺纹杆的一端位于所述旋转套筒中，所述螺纹杆的另一端与所述承载部连接；所述旋转套筒内设置有与所述螺纹杆的外螺纹匹配的内螺纹；所述驱动部与所述旋转套筒的一端连接，用于驱动所述旋转套筒旋转，以使所述螺纹杆旋入或旋出。

可选地，所述驱动部包括壳体和位于所述壳体顶部的驱动端，所述伸缩组件与所述驱动端连接；

所述承载部与所述壳体之间设置有支撑部，所述支撑部的一端与所述壳体连接，另一端用于支撑所述承载部。

可选地，所述反应腔室还包括连接部，所述连接部用于将所述主线圈或所述副线圈与所述升降结构连接。

可选地，所述副线圈呈环状，且环状的所述副线圈的内周面与所述副筒的外周面存在预设间距。

可选地，所述升降结构的数量为多个，且多个所述升降结构与所述副线圈连接，多个所述升降结构沿所述副筒的周向均匀分布。

可选地，所述副筒为垂直陶瓷筒。

可选地，所述升降结构的数量为多个，且多个所述升降结构与所述主线圈连接，多个所述升降结构沿所述主筒的周向均匀分布。

本发明还提供一种应用于上述的反应腔室的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括交替进行的沉积步骤和刻蚀步骤，所述沉积步骤包括：向所述反应腔室通入沉积气体，以在待加工工件待刻蚀的区域沉积保护层；所述刻蚀步骤包括：向所述反应腔室通入刻蚀气体，以对待加工工件待刻蚀的区域进行刻蚀；其中，所述刻蚀方法还包括：

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤中，均控制所述主线圈到达第一初始工作位置，和/或均控制所述副线圈到达第二初始工作位置；

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤之间，控制所述主线圈到达第一切换工作位置，其中，所述第一切换工作位置高于所述第一初始工作位置，且低于所述主筒的顶端；和/或，

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤之间，控制所述副线圈到达第二切换工作位置，其中，所述第二切换工作位置高于所述第二初始工作位置，且低于所述副筒的顶端。

本发明具有以下有益效果：

在本发明实施例中，其通过升降结构可以随工艺步骤的变化驱动主线圈或副线圈升降，有利于调整待加工工件表面的等离子体分布，从而提高刻蚀的均匀性。并且，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，发明实施例的反应腔室还可以利用升降结构驱动副线圈处于阻抗稳定的区域，避免引发等离子体的灭辉现象，改善刻蚀效果。

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为现有的一种反应腔室中的反应气体流向的示意图；

图2为现有的另一种反应腔室中反应气体流向的示意图；

图3为本发明实施例提供的反应腔室的示意图；

图4a为本发明实施例提供的升降结构的示意图；

图4b为本发明实施例提供的升降结构升起后的示意图；

图5为本发明实施例提供的副线圈的示意图；

图6a为本发明实施例提供的刻蚀方法的沉积步骤的效果示意图；

图6b为本发明实施例提供的刻蚀方法的刻蚀步骤的效果示意图。

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。

目前，为防止出现等离子体的灭辉现象，可以将副筒设置成上宽下窄的结构，图2为现有的另一种反应腔室中反应气体流向的示意图，如图2所示，副筒11底部的尺寸小于副筒11顶部的尺寸，位置A1处的反应气体紧贴侧壁流动，气体密度与其他位置相同，气体流速均匀，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，可以避免位置A1处出现气体残留，从而使位置A1处阻抗稳定，改善了因阻抗不稳定而导致的等离子体灭辉的问题。然而，采用上宽下窄的副筒11，将会导致在副筒11中形成气体涡流，气体涡流将会减缓反应气体的流速，致使沉积步骤和刻蚀步骤之间切换时所需的时间延长，从而导致用于沉积保护层的气体停留时间过长，进而导致沉积的保护层尺寸偏大，影响工艺结果。

有鉴于此，本发明提供一种反应腔室，图3为本发明实施例提供的反应腔室的示意图，如图3所示，反应腔室包括：腔体21、主筒22a、主线圈22b、副筒23a、副线圈23b和至少一个升降结构24。主筒22a位于腔体21顶部，主线圈22b环绕主筒22a设置。副筒23a位于腔体21与主筒22a之间，副线圈23b环绕副筒23a设置。升降结构24与主线圈22b或副线圈23b连接，用于随工艺步骤的变化驱动主线圈22b或副线圈23b升降。

在本发明实施例中，腔体21中设置有基座211，基座211用于承载待加工工件212，例如晶片，基座211划分为中部区域B和环绕中部区域B的边缘区域B1，主筒22a用于向中部区域B输送等离子体状态的反应物。副筒23a用于朝边缘区域B1输送等离子体状态的反应物。主筒22a的顶部设置有第一进气口，主筒22a的底部与副筒23a连通，主线圈22b用于形成电磁场以将主筒22a中的反应气体激发成等离子体状态，副筒23a的顶部设置有第二进气口，副筒23a的底部与腔体21连通。副线圈23b用于形成电磁场以将副筒23a中的反应气体激发成等离子体状态。

当升降结构24与主线圈22b连接时，升降结构24可以设置在副筒23的顶壁上；当升降结构24与副线圈23b连接时，升降结构24可以设置在腔体21的顶壁上。在本发明实施例中，反应气体(如C_l2,SF₆,C₄F₈,O₂等)进入主筒22a或副筒23a后，通过外加电磁场使反应气体分子中的电子摆脱势能成为自由电子，获得动能的自由电子，再与分子、原子或离子碰撞使得反应气体完全解离，形成等离子体。在本发明实施例中，当主线圈22b的位置较高时，主筒22a中产生等离子体的区域与基座211表面之间的距离较远，等离子体的扩散距离较大，从而使基座211的中部区域B的等离子体密度小，刻蚀速率较慢；而当主线圈22b的位置较低时，主筒22a中产生等离子体的区域与基座211表面之间的距离较近，等离子体的扩散距离随之减小，从而使得到达基座211的中部区域B的等离子体密度增大，刻蚀速率较快；同理，当副线圈23b的位置较高时，基座211的边缘区域B1的等离子体密度小，刻蚀速率较慢；而当副线圈23b的位置较低时，基座211的边缘区域B1的等离子体密度增大，刻蚀速率较快。因此，在本发明实施例中，其通过升降结构24随工艺步骤的变化驱动主线圈22b或副线圈23b升降，可以使基座211的边缘区域B与中部区域B1表面上的等离子体密度保持一致，从而提高刻蚀的均匀性。

并且，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，本发明实施例的反应腔室还可以利用升降结构24驱动副线圈23b处于阻抗稳定的区域，避免引发等离子体的灭辉现象，改善刻蚀效果。

举例而言，由于第二进气口位于副筒23a的顶部，因此，靠近副筒23a顶部的区域气体更换速度快，阻抗稳定。采用本发明实施例的反应腔室，可以在沉积步骤和刻蚀步骤之间，使副线圈23b升高，以使副线圈23b的位置靠近第二进气口，从而处在阻抗稳定的区域，避免引发等离子体的灭辉现象，改善刻蚀效果。进一步地，如前文所述，当副线圈23b上升时，基座211的边缘区域B1的等离子体密度减小，此时，可以控制主线圈22b也进行上升，从而使基座211的中部区域B1的等离子体密度也减小，以使基座211的中部区域B和边缘区域B1的等离子体密度保持一致。

在一些具体实施例中，第二进气口可以设置在副筒23a的顶部靠近边缘的一侧，以缩短第二进气口通入的反应气体与副线圈23b之间的距离，从而减小副线圈23b的激发距离，降低副线圈23b的反射功率。下面结合图3至图4b对本发明实施例的升降结构24进行详细说明，以升降结构24与副线圈23b连接为例，图4a为本发明实施例提供的升降结构的示意图，图4b为本发明实施例提供的升降结构升起后的示意图，结合图4a和图4b所示，升降结构24包括：承载部241、伸缩组件242和驱动部243，承载部241用于承载副线圈23b，伸缩组件242的一端与承载部241连接，伸缩组件242的另一端与驱动部243连接，驱动部243用于驱动伸缩组件242伸缩。

具体地，伸缩组件242包括螺纹杆242a和旋转套筒242b，螺纹杆242a的一端位于旋转套筒242b中，螺纹杆242a的另一端与承载部241连接。旋转套筒242b内设置有与螺纹杆242a的外螺纹匹配的内螺纹。驱动部243与旋转套筒242b的一端连接，用于驱动旋转套筒242b旋转，以使螺纹杆242a旋入或旋出。

在一些具体实施例中，驱动部243包括壳体243a和位于壳体243a顶部的驱动端243b，伸缩组件242与驱动端243b连接。承载部241与壳体243a之间设置有支撑部244，支撑部244的一端与壳体243a连接，另一端用于支撑承载部241，从而使承载部241能够保持稳定。

在本发明实施例中，驱动部243可以为步进电机，驱动端243b可以沿逆时针或顺时针旋转，旋转套筒242b可以固定在驱动部243的驱动端243b上，当驱动端243b沿逆时针旋转时，旋转套筒242b随驱动端243b一起旋转，从而使螺纹杆242a旋出旋转套筒242b，承载部241上升；当驱动端243b沿顺时针旋转时，螺纹杆242a旋入旋转套筒242b，承载部241下降。当然，也可以是，当驱动端243b沿顺时针旋转时，螺纹杆242a旋出旋转套筒242b，承载部241上升；当驱动端243b沿逆时针旋转时，螺纹杆242a旋入旋转套筒242b，承载部241下降，在此不作限制。

可以理解的是，图4a和图4b仅仅是对本发明实施例的升降结构24的示例性说明，在实际产品中，升降结构24的承载部241所能到达的位置可以根据实际需要确定，例如，可以使承载部241所能到达的最低点靠近副筒23a的底部，从而使副筒23a中用于生成等离子体的区域尽量接近腔体21，缩短等离子体的扩散距离，防止由于扩散导致的等离子体熄灭，从而提高等离子体的密度，增加刻蚀速率。

需要说明的是，上述内容仅是以升降结构24与副线圈23b连接为例进行解释说明的，在实际产品中，升降结构24也可以与主线圈22b连接，在此不再赘述。

在一些具体实施例中，反应腔室还包括连接部，连接部用于将主线圈22b或副线圈23b与升降结构24连接。以副线圈23b为例，图5为本发明实施例提供的副线圈的示意图，结合图4a至图5所示，副线圈23b与电源连接，以产生电磁场。连接部25将副线圈23b与升降结构24连接。其中，副线圈23b的材料可以包括铜，连接部25可以通过螺钉与承载部241连接，连接部25的材料可以包括绝缘性材料，从而可以通过连接部25将副线圈23b与承载部241绝缘间隔开。

在一些具体实施例中，副线圈23b呈环状，且环状的副线圈23b的内周面与副筒23a的外周面存在预设间距，例如，预设间距可以在10mm至30mm之间。

可以理解的是，上述内容仅是以副线圈23b为例对本发明实施例进行解释说明的，在实际产品中，主线圈22b也可以采用上述结构通过连接部25与升降结构24连接，在此不再赘述。

在一些具体实施例中，主线圈22b的数量可以为多个，多个主线圈22b沿主筒22a的轴向均匀排布，多个主线圈22b可以对主筒22a中的各个区域施加电磁场，增加主筒22a中用于生成等离子的区域的范围。

在一些具体实施例中，升降结构24的数量为多个(例如，8个)，且多个升降结构24与副线圈23b连接，多个升降结构24沿副筒23a的周向均匀分布，连接部25与升降结构24一一对应连接。

在另一些具体实施例中，升降结构24的数量为多个(例如，8个)，且多个升降结构24与主线圈22b连接，多个升降结构24沿主筒22a的周向均匀分布，连接部25与升降结构24一一对应连接。

在一些具体实施例中，副筒23a为垂直陶瓷筒。

本发明还提供一种应用于上述实施例中的反应腔室的的刻蚀方法，刻蚀方法包括交替进行的沉积步骤和刻蚀步骤，沉积步骤包括：向反应腔室通入沉积气体，以在待加工工件(例如，晶片)待刻蚀的区域沉积保护层；刻蚀步骤包括：向反应腔室通入刻蚀气体，以对待加工工件待刻蚀的区域进行刻蚀。其中，刻蚀方法还包括：

在沉积步骤和刻蚀步骤中，均控制主线圈到达第一初始工作位置，和/或均控制所述副线圈到达第二初始工作位置。

在沉积步骤和刻蚀步骤之间，控制主线圈到达第一切换工作位置，其中，第一切换工作位置高于第一初始工作位置，且低于主筒的顶端。和/或，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，控制副线圈到达第二切换工作位置，其中，第二切换工作位置高于第二初始工作位置，且低于副筒的顶端。

在本发明实施例中，其可以随工艺步骤的变化驱动主线圈或副线圈升降，有利于调整待加工工件表面的等离子体分布，从而提高刻蚀的均匀性，具体地，当主线圈的位置较高时，主筒中产生等离子体的区域与基座表面之间的距离较远，等离子体的扩散距离较大，从而使基座的中部区域的等离子体密度小，刻蚀速率较慢；而当主线圈的位置较低时，主筒中产生等离子体的区域与基座表面之间的距离较近，等离子体的扩散距离随之减小，从而使基座的中部区域的等离子体密度增大，刻蚀速率较快；同理，当副线圈的位置较高时，基座的边缘区域的等离子体密度小，刻蚀速率较慢；而当副线圈的位置较低时，基座的边缘区域的等离子体密度增大，刻蚀速率较快。因此，在本发明实施例中，可以根据实际需要控制主线圈和副线圈的具体位置，从而使基座的边缘区域与中部区域表面上的等离子体密度保持一致，提高刻蚀的均匀性。并且，在沉积步骤和刻蚀步骤之间，还可以使副线圈升高，以使副线圈的位置靠近第二进气口，从而处在阻抗稳定的区域，避免引发等离子体的灭辉现象，改善刻蚀效果。进一步地，如前文所述，当副线圈上升时，基座的边缘区域的等离子体密度减小，此时，可以控制主线圈也进行上升，从而使基座的中部区域的等离子体密度也减小，以使基座的中部区域和边缘区域的等离子体密度保持一致。

以待加工工件为晶片为例，对本发明实施例提供的刻蚀方法进行介绍。图6a为本发明实施例提供的刻蚀方法的沉积步骤的效果示意图，图6b为本发明实施例提供的刻蚀方法的刻蚀步骤的效果示意图，结合图6a和图6b所示，在沉积步骤，控制主线圈到达第一初始工作位置，以及控制副线圈到达第二初始工作位置，通入沉积气体(如C₄F₈)，主线圈加载第一射频功率，以形成第一电磁场，通过第一电磁场将主筒中的沉积气体激发成等离子体，副线圈加载第二射频功率，以形成第二电磁场，通过第二电磁场将副筒中的沉积气体激发成等离子体，从而至少在晶片212的待刻蚀凹槽的侧壁形成保护层3(如CF₂)。之后，由沉积步骤向刻蚀步骤进行切换，控制主线圈上升以到达第一切换工作位置，以及控制副线圈上升以到达第二切换工作位置，并停止通入沉积气体，改为通入刻蚀气体(如SF₆)，第二切换工作位置处的气体更换平稳，阻抗稳定，从而避免在该阶段副筒中出现等离子体的灭辉现象。之后，进行刻蚀步骤，持续通入刻蚀气体，并控制主线圈下降到达第一初始工作位置，主线圈加载第三射频功率，以形成第三电磁场，通过第三电磁场将主筒中的刻蚀气体激发成等离子体，以及控制副线圈下降到达第二初始工作位置，副线圈加载第四射频功率，以形成第四电磁场，通过第四电磁场将副筒中的刻蚀气体激发成等离子体，从而使等离子体的反应物沿预设方向对晶片212进行刻蚀。之后，再由刻蚀步骤向沉积步骤进行切换，控制主线圈上升以到达第一切换工作位置，以及控制副线圈上升以到达第二切换工作位置，并且停止通入刻蚀气体，改为通入沉积气体。上述沉积步骤和刻蚀步骤交替进行，直至完成刻蚀工艺。

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 (10)

1.一种反应腔室，其特征在于，包括：

腔体；

主筒和主线圈，所述主筒位于所述腔体顶部，所述主线圈环绕所述主筒设置；

副筒和副线圈，所述副筒位于所述腔体与所述主筒之间，所述副线圈环绕所述副筒设置；

至少一个升降结构，所述升降结构与所述主线圈或所述副线圈连接，用于随工艺步骤的变化驱动所述主线圈或所述副线圈升降。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述升降结构包括：承载部、伸缩组件和驱动部，所述承载部用于承载所述主线圈或所述副线圈，所述伸缩组件的一端与所述承载部连接，所述伸缩组件的另一端与所述驱动部连接，所述驱动部用于驱动所述伸缩组件伸缩。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述伸缩组件包括螺纹杆和旋转套筒，所述螺纹杆的一端位于所述旋转套筒中，所述螺纹杆的另一端与所述承载部连接；所述旋转套筒内设置有与所述螺纹杆的外螺纹匹配的内螺纹；所述驱动部与所述旋转套筒的一端连接，用于驱动所述旋转套筒旋转，以使所述螺纹杆旋入或旋出。

4.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述驱动部包括壳体和位于所述壳体顶部的驱动端，所述伸缩组件与所述驱动端连接；

所述承载部与所述壳体之间设置有支撑部，所述支撑部的一端与所述壳体连接，另一端用于支撑所述承载部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括连接部，所述连接部用于将所述主线圈或所述副线圈与所述升降结构连接。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述副线圈呈环状，且环状的所述副线圈的内周面与所述副筒的外周面存在预设间距。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述升降结构的数量为多个，且多个所述升降结构与所述副线圈连接，多个所述升降结构沿所述副筒的周向均匀分布。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述副筒为垂直陶瓷筒。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的反应腔室，其特征在于，所述升降结构的数量为多个，且多个所述升降结构与所述主线圈连接，多个所述升降结构沿所述主筒的周向均匀分布。

10.一种应用于如权利要求1至9中任一项所述的反应腔室的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括交替进行的沉积步骤和刻蚀步骤，所述沉积步骤包括：向所述反应腔室通入沉积气体，以在待加工工件待刻蚀的区域沉积保护层；所述刻蚀步骤包括：向所述反应腔室通入刻蚀气体，以对待加工工件待刻蚀的区域进行刻蚀；其特征在于，所述刻蚀方法还包括：

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤中，均控制所述主线圈到达第一初始工作位置，和/或均控制所述副线圈到达第二初始工作位置；

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤之间，控制所述主线圈到达第一切换工作位置，其中，所述第一切换工作位置高于所述第一初始工作位置，且低于所述主筒的顶端；和/或，

在所述沉积步骤和所述刻蚀步骤之间，控制所述副线圈到达第二切换工作位置，其中，所述第二切换工作位置高于所述第二初始工作位置，且低于所述副筒的顶端。

Images