CN114078675A - 用于蚀刻的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例涉及用于蚀刻的设备及方法。根据本申请案，一种等离子体蚀刻设备包括：等离子体腔室；等离子体产生装置，其用于在所述等离子体腔室内维持等离子体；衬底支撑件，其安置于所述等离子体腔室内用于支撑所述半导体衬底，所述衬底支撑件包括导电结构；电力供应器，其用于将具有RF功率的RF电信号提供到所述导电结构；及环形介电环结构，其包括背侧表面，所述背侧表面包括导电涂层；其中所述导电结构与所述导电涂层间隔开且在所述导电涂层下方延伸，使得当RF功率被提供到所述导电结构时，所述RF功率耦合到所述导电涂层。本发明还涉及相关联方法。

Description

用于蚀刻的设备及方法
技术领域
本发明涉及用于蚀刻衬底，特定来说，蚀刻半导体衬底的等离子体蚀刻设备。本发明还涉及等离子体蚀刻的相关联方法。
背景技术
当蚀刻半导体衬底(例如硅晶片)时，在工业应用中需要蚀刻轮廓跨整个衬底是均匀的。优选地，良好的蚀刻均匀性被维持在衬底的外围区域处，例如被维持到经暴露衬底边缘的3mm内，使得可利用衬底的更大区。
然而，由于数个参数(例如气流、温度及等离子体密度)中的任一者中的不连续性或变化，跨衬底的整个区维持良好的等离子体蚀刻均匀性具挑战性，特别是在衬底的外围处或朝向衬底的外围。此外，随着工艺条件在蚀刻工艺期间改变(例如，施加到衬底支撑件的RF功率、RF频率及压力)，等离子体的均匀性将相应地改变，此可对蚀刻均匀性具有不利影响，特别是在衬底的外围处或朝向衬底的外围。又另外，晶片的外围处的RF不连续性及拓扑变化还可对经蚀刻特征的轮廓具有负面影响。
已知等离子体蚀刻方法可导致衬底的边缘处或朝向衬底的边缘的经蚀刻特征(例如沟槽)具有蚀刻倾斜。图1A及1B展示使用已知方法蚀刻于硅晶片12中的沟槽10的横截面的SEM图像。晶片的外围处的经蚀刻沟槽10具有自垂直向外7.8°的倾斜。蚀刻倾斜角是经蚀刻特征自垂直偏离的角。“向外倾斜”对应于经蚀刻特征，其中所述特征的顶部14比所述特征的基底16更径向向外(即，特征10朝向晶片的边缘倾斜)。“向内倾斜”对应于经蚀刻特征，其中所述特征的顶部比所述特征的基底更径向向内(即，特征朝向晶片的中心倾斜)。在任一情况中，大倾斜(例如，如图1A及1B中展示)将超出典型的均匀性规格，从而导致这些区域中的良率损失。因此，期望开发一种等离子体蚀刻设备，其可提供经改进蚀刻倾斜及均匀性，特别是在衬底的外围区域处，使得衬底的更大比例含有可接受质量的经蚀刻特征。此将改进良率、减少浪费且降低处理成本。
蚀刻倾斜角由等离子体中的物质轰击衬底的角度(即入射角)确定。在具有RF供电的晶片支撑件的等离子体蚀刻工具中(例如，其中使用各向异性等离子体)，相关联等离子体鞘层的形状确定等离子体中的物质(例如离子)的入射角。一般来说，等离子体中的物质(例如离子)基本上垂直于等离子体鞘层边界层行进。通常优选的是，等离子体鞘层基本上平行于衬底的经暴露表面以便使用约为零的蚀刻倾斜角蚀刻垂直特征。然而，等离子体鞘层通常包括被蚀刻的衬底的边缘处或朝向所述边缘的曲率，这导致此区域中的非所要蚀刻倾斜。
仅通过实例，图2A及2B展示RF供电的衬底支撑件20的边缘处的等离子体鞘层边界层的形状随着RF功率的变化的近似表示(其中其它参数保持不变)。RF供电的衬底支撑件包括静电卡盘(ESC)陶瓷22、能够使用RF功率供电的金属压板24及陶瓷压板盖26。环形均匀环28经提供以包围衬底212。
图2A展示施加到衬底支撑件的13.56MHz的高频率(HF)RF信号的表示。在低RF功率下，等离子体中的物质具有径向向外引导的轨迹，这导致经蚀刻特征具有向内倾斜。另一方面，在高RF功率下，等离子体中的物质具有径向向内引导的轨迹，这导致经蚀刻特征具有向外倾斜。虽然通过控制RF功率(在HF下)有可能将蚀刻倾斜控制到某一程度，但此可对其它蚀刻参数具有不利影响或提供难以控制的工艺窗口。
图2B展示施加到衬底支撑件的380kHz的低频率(LF)RF信号的表示。当使用LF RF功率时，等离子体鞘层在衬底的边缘处的下降更陡。因此，即使在低RF功率下，等离子体中的物质具有径向向内引导的轨迹，这导致经蚀刻特征具有向外倾斜。增加RF功率(在LF下)进一步增加等离子体中的物质的向内轨迹，从而导致更大向外倾斜。在使用LF RF功率的情况下，不太可能简单地通过调谐施加到衬底支撑件的功率而在衬底的外围区域处实现令人满意的蚀刻均匀性。
期望开发一种设备，其可在HF或LF RF功率被施加到衬底支撑件时提供经改进蚀刻均匀性及蚀刻轮廓(例如，经改进蚀刻倾斜)。
此外，在一些蚀刻应用中(例如，穿硅通孔(TSV)蚀刻)，必须保护衬底的边缘免受等离子体处理条件的影响。在这些工艺中，晶片边缘保护(WEP)结构可代替均匀环使用。WEP结构通常是绝缘环形环，其覆盖但不接触衬底的外围区域。举例来说，WEP结构可覆盖距衬底边缘约1到2mm的外围区域。然而，使用WEP结构可不利地影响等离子体鞘层的形状，从而导致朝向晶片的边缘的更大的蚀刻倾斜角。特定来说，当使用LF RF功率时，向外倾斜变得甚至更加显著。期望开发一种设备，其可最小化WEP结构附近的蚀刻倾斜不均匀性，无论是施加LF RF功率还是施加HF RF功率。
发明内容
在本发明的至少一些实施例中，本发明试图解决至少一些上文描述的问题、期望及需求。特定来说，本发明试图在使用均匀环或WEP结构的蚀刻应用的广泛范围的工艺窗口内减小边缘倾斜不均匀性，特别是在衬底的外围区域处。本发明还试图既在HF偏振被施加到衬底支撑件时又在LF偏振被施加到衬底支撑件时最小化衬底的外围区域处的等离子体鞘层边界层的曲率。本发明还试图实现对HF偏振及LF偏振两者的良好蚀刻倾斜控制，从而减少蚀刻设备在不同蚀刻应用之间的停机时间。
根据本发明的第一方面，提供一种用于蚀刻半导体衬底的等离子体蚀刻设备，所述等离子体蚀刻设备包括：
等离子体腔室；
等离子体产生装置，其用于在所述等离子体腔室内维持等离子体；
衬底支撑件，其安置于所述等离子体腔室内用于支撑所述半导体衬底，所述衬底支撑件包括导电结构；
电力供应器，其用于将具有RF功率的RF电信号提供到所述导电结构；及
环形介电环结构，其包括背侧表面，所述背侧表面包括导电涂层；
其中所述导电结构与所述导电涂层间隔开且在所述导电涂层下延伸，使得当RF功率被提供到所述导电结构时，所述RF功率耦合到所述导电涂层。
本发明者已发现，在环形环的背侧上使用导电涂层(例如金属涂层)可减小衬底的外围区域处的蚀刻倾斜。当高频率(HF)或低频率(LF)RF电信号被施加到衬底支撑件时，观察到蚀刻倾斜的蚀刻均匀性及控制的改进。然而，当LF RF功率被施加到衬底支撑件时，效果特别有利，这是因为可实现蚀刻控制的显著改进。
此外，本发明提供微遮蔽的显著改进。当暴露于等离子体条件的环形介电环结构(或其它绝缘部件)由于施加到衬底支撑件的RF功率而被溅镀时，微遮蔽发生。当导电结构的宽度在环形介电环结构下方延伸时，微遮蔽特别广泛，且在蚀刻工艺期间使用HF RF功率。通过将导电涂层提供到环形介电环结构的背侧，微遮蔽的范围可显著减小。
环形介电环结构可包括晶片边缘保护(WEP)结构。WEP结构通常在衬底的外围区域上方延伸，使得外围区域被屏蔽免受等离子体腔室中所维持的等离子体的影响。在等离子体蚀刻期间，WEP结构与衬底间隔开。WEP结构可包括界定等离子体蚀刻面积的内周长。WEP结构的内周长的直径通常小于衬底的直径，例如，小高达约3mm，任选地约1到2mm。导电结构可延伸超出WEP结构的内周长，且因此可延伸超出等离子体蚀刻区。需要使用WEP结构的蚀刻工艺特别倾向于在衬底的经暴露外围出现蚀刻不均匀性，且经历微遮蔽。然而，本发明可显著改进这些工艺的蚀刻倾斜及蚀刻均匀性控制，且还减小微遮蔽的程度。
环形介电环结构可包括均匀环。所述均匀环在等离子体蚀刻期间可围绕衬底的外周长延伸。举例来说，均匀环可包围衬底。均匀环可具有内周长。均匀环的内周长的直径通常大于衬底的直径，例如，大约1到5mm，任选地约2到3mm。
环形介电环结构可包括均匀环及WEP结构。均匀环可经定位在WEP结构上以形成环形介电环堆叠。介电环堆叠可更好地稳定等离子体腔室中所维持的等离子体的均匀性。
所述设备可包括经定位在衬底支撑件上的半导体衬底。均匀环可包括内径，所述内径比半导体衬底的直径大在1到5mm的范围内，优选地在2到4mm的范围内，优选地是约3mm的距离。举例来说，针对200mm直径半导体衬底，均匀环的内径可在201到205mm的范围内，优选地在202到204mm的范围内，优选地是约203mm。
环形介电环结构可由陶瓷材料制成。陶瓷材料可为Al2O3。陶瓷材料可为SiO2、AlN、Er2O3。
环形介电环结构的背侧表面背对着等离子体腔室中所维持的等离子体。因此，背侧表面，及因此导电涂层不暴露于等离子体。导电涂层可由金属或金属合金制成。金属可为铝或钛。导电涂层可包括多个导电层，例如多个金属层。此可改进功能性，例如，改进到陶瓷的附着力并降低电阻率。电介质钝化层可经施覆到导电涂层的表面以保护金属涂层以免暴露于腔室环境。
导电涂层可具有小于约50μm，任选地小于30μm，任选地小于20μm或任选地约10μm的厚度。
导电涂层可包括径向内区域及径向外区域。径向外区域较之于径向内区域可与导电结构间隔开更小的距离。背侧表面可包括环形阶部。阶部可划定导电涂层的径向内区域及径向外区域。
导电涂层可具有是电浮动的电势。导电涂层通常与导电结构电隔离。通常，提供到导电结构的RF功率电容地耦合到导电涂层，即通过电容耦合。
环形介电环结构可包括背对着衬底支撑件的前侧表面。前侧表面可包括径向面向内的倾斜部分。前侧表面面朝(且通常被暴露于)等离子体腔室中所维持的等离子体。径向面向内的倾斜部分可为线性的、弯曲的或其组合。举例来说，径向面向内的倾斜部分可为凹的。
导电结构的宽度可界定可被提供具有RF功率的RF电信号的区(此后称为“RF供电区”)。导电结构通常具有大于被处理的衬底的直径的宽度。因此，RF供电区通常延伸超出(即，径向向外于)被处理的衬底的边缘。在不受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信通过使RF供电区延伸超出衬底的边缘，RF供电区与周围非驱动部件(例如环形介电环结构)之间的界面处的等离子体鞘层的下降从晶片的边缘径向向外进一步移动。此减小经暴露衬底的外围处的等离子体鞘层的曲率，且因此减小经蚀刻特征的向外倾斜。因此，可最小化特别是衬底的外围区域处的蚀刻倾斜角。举例来说，当RF供电区的宽度增加到延伸超出衬底的边缘(例如，增加到＞200mm的宽度，优选地≥210mm或优选地约221mm)时，当处理200mm直径衬底时，可改进距衬底的经暴露边缘高达约2mm处的所观察到的蚀刻倾斜。
导电结构在导电涂层的径向内部下方延伸。举例来说，导电结构的径向外边缘可基本上垂直地驻留在导电涂层下方；或可驻留在导电涂层的径向向外处。导电结构从导电涂层径向向外延伸。导电结构可具有＞200mm的宽度，优选地≥210mm，优选地≥210mm，优选地约221mm。出乎意料的是，尽管导电结构在环形介电环结构下方延伸，但在环形介电环结构的背侧上导电涂层的存在导致微遮蔽程度的显著减小，特别是当HF RF功率被施加到衬底支撑件时。
导电结构可包括电极。导电结构可包括导电主体(例如电极)。导电结构可包括包围导电主体的导电环。导电主体及导电环中的每一者可被提供具有RF功率的RF电信号。导电主体及导电环可一起界定RF供电区。导电主体可由金属材料制成，包含金属或金属合金。导电环可由金属材料制成，包含金属或金属合金。有利地，导电环可经改装到现有衬底支撑件上以便增加导电结构的宽度，且借此增加RF供电区的宽度。此可使现有设备能被修改以实现本发明的技术效果。
衬底支撑件可包括静电卡盘(ESC)。导电环可包围ESC。
RF电信号可具有低RF频率。举例来说，RF电信号可具有小于约2MHz，任选地小于约1MHz，任选地小于约500kHz或任选地约380kHz的频率。
RF电信号可具有高RF频率。举例来说，RF电信号可具有大于或等于约2MHz，任选地约13.56MHz的频率。
RF功率可为在5到500W的范围内，任选地在33到400W的范围内或任选地在50到300W的范围内的功率。通过将RF功率提供到衬底支撑件，等离子体腔室内所维持的等离子体是各向异性的。举例来说，当将合适的RF偏压功率施加到衬底支撑件时，等离子体中的物质(例如离子及自由基)通常以基本上类似入射轨迹(取决于等离子体鞘层的形状)被朝向衬底引导，使得可产生高纵横比特征。
半导体衬底可为硅晶片。硅晶片可具有约150mm、约200mm或约300mm的直径。
等离子体蚀刻设备可为感应耦合等离子体蚀刻设备。等离子体产生装置可为线圈。
根据本发明的第二方面，提供一种使用第一方面的设备对半导体衬底进行等离子体蚀刻的方法，所述方法包括以下步骤：
在衬底支撑件上提供半导体衬底；
在等离子体腔室中维持等离子体；及
将RF功率提供到导电衬底，使得RF功率耦合到导电涂层。
虽然上文已描述本发明，但其扩展到上文或以下描述、图或技术方案中陈述的特征的任何发明组合。举例来说，关于本发明的一个方面公开的任何特征可与关于本发明的任何其它方面公开的任何特征组合。
附图说明
现将参考附图仅通过实例来描述本发明的实施例，其中：
图1A及1B是已知蚀刻工艺之后硅晶片的边缘的SEM图像。图1(B)是依较高放大率。
图2A及2B展示等依据施加到衬底支撑件的HF功率(图2A)及低HF功率(图2B)而变化的等离子体鞘层边界层的表示；
图3A到3C展示具有具198mm(图3A)、210mm(图3B)及221mm(图3C)的宽度的RF供电区的衬底支撑件的横截面图；
图4A及4B展示依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表，其中RF功率的频率是13.56MHz(图4A)及380kHz(图4B)；
图5A及5B展示依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表，其中RF功率的频率是13.56MHz(图5A)及380kHz(图5B)；
图6A及6B展示包括环形介电环堆叠的设备的横截面图；
图7A及7B展示针对两个均匀环/WEP配置依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表；
图8展示依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表；
图9A及9B展示蚀刻工艺之后的衬底的SEM图像；及
图10A及10B展示蚀刻工艺之后的衬底的SEM图像。
具体实施方式
在下列描述中，对从英国南威尔士纽波特的SPTS技术有限公司商购的基于ICP的SPTS Rapier(RTM)等离子体蚀刻工具执行比较实例。比较实例使用200mm硅晶片，运行已知的‘Bosch工艺’Si蚀刻。如下文详细描述，本发明的实施例可经改装到现有等离子体蚀刻设备上。
在相同的参考数字已用于不同图及/或实施例中的情况下，其涉及的图对应于基本上相同的特征。
根据本发明的实施例的等离子体蚀刻设备包括等离子体腔室及用于在所述腔室内维持等离子体的等离子体产生装置。等离子体蚀刻设备进一步包括用于在等离子体蚀刻工艺期间在其上支撑衬底(例如半导体衬底)的衬底支撑件。衬底支撑件包括导电结构。衬底支撑件可包括ESC及/或金属压板。衬底支撑件经配置以被提供具有来自合适的电力供应器的RF偏压功率的RF电信号。
图3A展示等离子体蚀刻设备的一部分，其中200mm直径的衬底30被支撑在衬底支撑件32A上。衬底支撑件32A包括作为导电结构的金属压板34A。金属压板34A具有198mm的宽度，且因此在衬底30的外边缘径向向内终止。导电结构的宽度界定可由RF功率驱动的区(此后称为“RF供电区”或“驱动区”)。
图3B展示与图3A类似的等离子体蚀刻设备，除了金属压板34B具有210mm的宽度且因此在衬底30的外边缘径向向外终止之外。
图3C展示与图3A类似的等离子体蚀刻设备，除了衬底支撑件32C包括金属压板34C及包围压板34C的一部分的额外导电环36之外。金属压板34C及导电环36经电连接，使得当RF功率被提供到导电结构32C时，金属压板32C及导电环36两者都使用RF功率来供电。因此，RF供电区(还称为“驱动区”(DA))借助于导电环36而扩展。图3C中展示的RF供电区具有221mm的宽度。例如金属环的导电环36可经改装到现有等离子体蚀刻设备上以便扩展RF供电区。
在图3A到3C中的每一者中，衬底由陶瓷均匀环38包围。环形均匀环38具有约202mm的内径(即，比衬底的直径大约2mm)。图3A到3C中展示的环形均匀环38在等离子体蚀刻工艺期间包围衬底30。环形均匀环38用于在等离子体蚀刻工艺期间改进等离子体的均匀性。
等离子体蚀刻工艺使用图3A到3C中展示的设备执行，且蚀刻倾斜角依据距衬底的边缘的距离而测量。正倾斜角对应于向外倾斜，且负倾斜角对应于向内倾斜。
图4A展示当施加到衬底支撑件的RF电信号具有13.56MHz的高频率(HF)及300W的功率时依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角的图表。图4B展示当施加到衬底支撑件的RF电信号再次使用300W的功率而具有380kHz的低频率(LF)时依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角的图表。在两种情况中，向外倾斜的程度随着RF供电区的宽度增加而减小。举例来说，参考图4B，在距晶片的边缘2mm距离处向外倾斜的程度随着RF供电区的宽度从198mm增加到221mm而从～10°减小到～4°。
在不希望受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信扩展RF供电区致使RF供电区与周围非驱动环形介电环(例如均匀环)之间的界面处的等离子体鞘层的下降远离衬底边缘更加径向向外地移动。因此，衬底的边缘处的等离子体鞘层的曲率减小，这减小衬底的外围区域中经蚀刻特征的向外倾斜的程度。此效果在高频率RF功率下更加显著。再次，在不希望受任何理论或猜想束缚的情况下，相信当使用LF RF功率时，等离子体鞘层较小地延伸超出晶片的边缘(且因此具有更高曲率)。
一些蚀刻应用需要晶片边缘保护(WEP)结构，而非均匀环，来保护衬底的边缘区域免受严苛的等离子体蚀刻条件的影响。WEP结构覆盖衬底的边缘区域而不接触衬底以屏蔽边缘区域免受等离子体影响。WEP结构可具有约197mm的内径(即，比衬底直径小3mm)。在此实例中，WEP结构将覆盖衬底的周长周围的约1.5mm宽的边缘区域。
图5A展示使用图3C中展示的衬底支撑件在13.56MHz的高RF频率下依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角的图表。使用WEP结构58(而非均匀环38)使向内倾斜的量值在2mm边缘去除区域处从～1°增加到～3°。
图5B展示使用图3C中展示的衬底支撑件在380kHz的低RF频率下依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角的图表。使用WEP结构58(而非均匀环38)使向外倾斜的量值从～4°增加到～14°。
在不希望受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信由于WEP结构的较小直径(与均匀环相比)，等离子体桥鞘层更接近衬底的边缘展现更大曲率。因此，当使用WEP结构时，倾斜的量值更大。这些效果在LF RF功率下更加显著。
为了进一步减小边缘倾斜效果，本发明者已发明，将导电涂层施覆到环形介电环(例如均匀环或WEP结构)的背侧可显著减小蚀刻倾斜角，特别是在衬底的边缘处或朝向衬底的边缘。
图6A展示大体上展示为600的等离子体蚀刻设备的一部分的第一实施例。在此实施例中，等离子体蚀刻设备600是感应耦合等离子体(ICP)蚀刻设备，尽管可使用其它类型的等离子体蚀刻设备。设备600包括等离子体腔室602及等离子体产生装置(未展示)(例如线圈)、用于支撑衬底(例如半导体衬底612)的衬底支撑件620；及用于将具有RF功率的RF电信号提供到衬底支撑件620的电力供应器(未展示)。
衬底支撑件620包括导电结构624。衬底支撑件可包括ESC及/或压板(例如金属压板)。导电结构624具有延伸超出衬底612的径向外边缘的宽度。衬底支撑件620经配置以被提供来自合适的电力供应器的RF偏压功率。可由RF功率供电的区(即RF供电区)延伸超出衬底612的径向外边缘。在图6A的实例中，衬底支撑件620包括金属压板626及包围压板626的一部分的额外导电环(例如金属环)628。压板626的宽度可为约198mm。环形导电环628经配置以扩展压板626的RF供电区。RF供电区的宽度是约221mm。
环形介电环结构630经定位以围绕衬底延伸。环形介电环结构由电介质材料制成，例如陶瓷材料。在第一实施例中，环形介电环结构630包括堆叠在WEP结构634的顶部(即介电环形环堆叠)上的均匀环632。然而，在其它实施例中，环形介电环结构可为均匀环632或WEP结构634。环形介电环结构630覆盖衬底612的边缘区域，且与其间隔开，以便在蚀刻工艺期间保护边缘区域免受等离子体条件的影响。
环形介电环结构630具有在等离子体蚀刻工艺期间面朝(且通常被暴露于)等离子体的前侧表面636。在展示的实例中，前侧表面636是均匀环632的在等离子体蚀刻工艺期间面朝等离子体的表面。均匀环636中的切出部分638致使前侧表面636包括径向面向内的倾斜部分。在展示的实例中，径向面向内的倾斜部分是凹的。然而，本发明不受前侧表面636的形状限制。
环形介电环结构630包括在等离子体蚀刻工艺期间背对着等离子体(即，面朝衬底支撑件)的背侧表面646。在图6A的实例中，WEP结构634包括背侧表面646。背侧表面646可搁置在衬底支撑件620上，但通过绝缘(例如陶瓷)部分(例如盖629)与导电结构624间隔开。
在图6A的实例中，背侧表面包括通过阶部654分离的径向内区域650及径向外区域652。径向外区域652经安置为比径向内区域650更靠近导电结构624。径向内区域650在衬底612的边缘区域上方延伸且与其间隔开。
背侧表面646包括导电涂层658，例如金属涂层。金属涂层658可由铝、钛或适于在等离子体处理条件下使用的任何其它导电金属或金属合金制成。在此实例中，导电涂层具有约10μm的厚度。在其它实施例中，导电涂层可具有小于约50μm的厚度。导电涂层658的至少一部分经安置在导电结构624上方，使得当RF功率被提供到导电结构624时，RF功率耦合到导电涂层658。换种方式来说，导电结构在导电涂层658下方延伸。此可显著减少在蚀刻工艺期间与衬底的外围区域处的蚀刻倾斜相关联的问题(如上文描述)。在图6A中展示的实施例中，径向内区域650、径向外区域652及阶部654的基本上垂直表面中的每一者包括导电涂层658。
图6B展示相同于设备600的比较设备600B，除了环形介电环结构630B的背侧不包括导电涂层658之外。
图7A及7B展示当380kHz的LF RF功率在蚀刻工艺期间被提供到衬底支撑件时针对具有及不具有金属涂层的WEP结构上的两种不同均匀环配置的依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表。正蚀刻倾斜角对应于向外倾斜。图7A使用包括堆叠在WEP结构的顶部上的第一均匀环的环形介电环结构的第一堆叠。用于获得图7(A)中的线702(金属化环形介电环结构630)及704(非金属化环形介电环结构630B)的工艺条件相同。图7B使用包括堆叠在WEP结构的顶部上的第二均匀环的环形介电环结构的第二堆叠。用于获得图7B中的线712(金属化环形介电环结构630)及714(非金属化环形介电环结构630B)的工艺条件相同。施加到衬底支撑件620的功率在33到300W的范围内。
在两个例子中(即，独立于环形介电环结构堆叠中的均匀环的形状)，将导电涂层658提供到环形介电环结构630的背侧减小蚀刻倾斜角的量值。举例来说，参考图7A，向外倾斜从～6°减小到～1°(在3mm边缘去除区域处)。出乎意料的是，优化条件下导电涂层658的存在使能实现向内倾斜，这可通过相应地改变压板功率来进一步调谐以便有助于使衬底的边缘处的等离子体鞘层平坦化。
图8展示当13.56MHz的HF RF频率在蚀刻工艺期间被提供到衬底支撑件时依据距衬底边缘的距离而变化的蚀刻倾斜角(°)的图表。正蚀刻倾斜角对应于向外倾斜。在环形介电环结构630的背侧上(例如，在WEP 634的背侧上)提供导电涂层658导致衬底的外围区域处更向内的蚀刻倾斜角。向内蚀刻倾斜角可通过精细地调谐压板功率来优化。通常，较高压板功率导致更向外蚀刻倾斜角。因此，小工艺变化(而非硬件改变)可用于优化衬底的外围区域处的蚀刻倾斜角，从而提供经改进工艺控制。
在不希望受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信RF耦合效率随着RF频率降低而降低，这是因为电容阻抗与频率成反比：
Figure BDA0003199625330000101
在此方程式中，Z是阻抗，θ是RF频率，且C是电容。再次在不受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信在绝缘环形介电环(例如WEP结构)的背侧上导电涂层的存在增强RF耦合效率，特别是在低RF频率(例如，～＜2kHz或～380kHz)下，其中原始耦合显著弱于在高频率(例如，～13.56MHz)下的情况。由于由导电涂层658带来的经改进耦合，衬底边缘处等离子体鞘层的曲率减小，从而导致衬底的外围区域处的蚀刻倾斜角减小。
此外，还发现，在环形电介质结构630的背侧表面646上提供导电涂层658会减小在衬底612的外围区域处发生的微遮蔽的程度。当RF供电区延伸超出衬底612的边缘时，且特别是当RF供电区在环形介电环结构630下方延伸时，微遮蔽发生，使得周围的陶瓷部件(包含环形介电环结构630)被加偏压。由于此偏压，陶瓷部件通过离子轰击被物理地溅镀，且经溅镀材料重新沉积到相邻表面，包含衬底612的外围区域。通常是非挥发性的重新沉积(绝缘)材料导致衬底612上的微遮蔽。此导致蚀刻工艺结束时的非所要粗糙表面。图9A及9B展示其中HF RF功率在13.56MHz下被施加到衬底支撑件620的蚀刻工艺之后的200mm直径衬底的外围部分。RF供电区具有221mm的宽度，且环形介电环结构包括具有197mm的内径的WEP结构。当使用非金属化WEP结构(例如630B)时，大股未经蚀刻材料由于微遮蔽而保留在衬底612的表面上(图9A)。另一方面，当使用金属化环形介电环结构(例如630或634)时，即使未完全补救，微遮蔽程度也显著减小(图9B)。
图10A及10B展示其中LF RF功率在～380kHz下施加到衬底支撑件620的蚀刻工艺之后的200mm直径的衬底的外围部分。其它工艺条件与针对图9A及9B描述的相同。在低RF频率下，当使用非金属化环形介电环结构(例如630B)或金属化介电环(例如630)时，微遮蔽程度是可忽略的。在不受任何理论或猜想的束缚的情况下，相信微遮蔽程度与固有RF耦合相关，其可影响陶瓷部件的溅镀良率。值得注意的是，包含到环形介电环结构的背侧表面646的导电涂层可显著减小微遮蔽，特别是在HF RF功率在蚀刻工艺期间被施加到衬底支撑件时。
环形介电环结构630(例如均匀环及/或WEP结构)的背侧表面上导电涂层的存在可显著改进衬底的外围区域处的蚀刻均匀性及蚀刻倾斜角控制(在LF RF功率下，其特别有益)；且还可显著减小微遮蔽程度(在HF RF功率下，其特别有益)。本发明的设备(及相关联使用方法)因此提供蚀刻工艺的经改进控制，且在使用施加到衬底支撑件的HF或LF RF功率的蚀刻期间允许更广泛范围的操作及工艺条件。

Claims (20)

1.一种用于蚀刻半导体衬底的等离子体蚀刻设备，所述等离子体蚀刻设备包括：
等离子体腔室；
等离子体产生装置，其用于在所述等离子体腔室内维持等离子体；
衬底支撑件，其安置于所述等离子体腔室内用于支撑所述半导体衬底，所述衬底支撑件包括导电结构；
电力供应器，其用于将具有RF功率的RF电信号提供到所述导电结构；及
环形介电环结构，其包括背侧表面，所述背侧表面包括导电涂层；
其中所述导电结构与所述导电涂层间隔开且在所述导电涂层下方延伸，使得提供到所述导电结构的所述RF功率耦合到所述导电涂层。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述环形介电环结构包括晶片边缘保护WEP结构。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述环形介电环结构包括均匀环。
4.当附属于权利要求2时根据权利要求3所述的设备，其中所述均匀环定位在所述WEP结构上以形成环形介电环堆叠。
5.根据权利要求3所述的设备，其进一步包括定位在所述衬底支撑件上的半导体衬底，其中所述均匀环包括内径，所述内径比所述半导体衬底的直径大出在1到5mm，任选地在2到4mm的范围内或任选地约3mm的距离。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述环形介电环结构由陶瓷材料制成，例如Al2O3、SiO2、AlN或Er2O3。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述导电涂层由金属或金属合金制成。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述金属是铝或钛。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述导电涂层具有小于约50μm，任选地小于30μm，任选地小于20μm或任选地约10μm的厚度。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述导电涂层包括径向内区域及径向外区域，且其中所述径向外区域较之于所述径向内区域与所述导电结构间隔开更小的距离。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述导电涂层具有电浮动的电势。
12.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述环形介电环结构包括背对着所述衬底支撑件的前侧表面，所述前侧表面包括径向面向内的倾斜部分。
13.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述导电结构包括导电主体及包围所述导电主体的导电环。
14.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述衬底支撑件包括静电卡盘ESC。
15.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述RF电信号具有小于约2MHz，任选地小于约1MHz，任选地小于约500kHz或任选地约380kHz的频率。
16.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述RF电信号具有约13.56MHz的频率。
17.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述RF电信号具有在5到500W的范围内，任选地在33到400W的范围内，或任选地在50到300W的范围内的功率。
18.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述半导体衬底是硅晶片。
19.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述等离子体产生装置是感应耦合的等离子体产生装置。
20.一种使用根据任一前述权利要求所述的设备对半导体衬底进行等离子体蚀刻的方法，所述方法包括以下步骤：
在衬底支撑件上提供半导体衬底；
在等离子体腔室中维持等离子体；
将具有RF功率的RF电信号提供到导电衬底，使得所述RF功率耦合到导电涂层。
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