CN115513024A - 一种icp刻蚀装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体芯片生产设备技术领域，尤其是一种ICP刻蚀装置及其使用方法，在介质窗上布置法拉第屏蔽层，在屏蔽罩外设置相互连接的激励射频电源和激励匹配网络，通过线路进入屏蔽罩连接至射频线圈，在等离子体反应腔中的电极外接偏压射频电源和偏压匹配网络；当刻蚀后，开启激励射频电源，通过电容耦合的方式产生等离子体，提供鞘层电压；当产生稳定的等离子体后，再开启偏压射频电源，以电容耦合的方式产生等离子体提供鞘层电压，共同作用在介质窗及屏蔽罩的内侧壁。本发明通过两个电容耦合结构的叠加，它们所产生的鞘层电场强度就会叠加，从而加强了等离子体对介质窗及侧壁的轰击效果，实现对沉积反应产物的清洗。

Description

一种ICP刻蚀装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片生产设备技术领域，尤其涉及一种ICP刻蚀装置及其使用方法。

背景技术

目前Pt、Ru、Ir、NiFe、Au等非挥发性材料主要通过电感耦合等离子体（ICP）进行干法刻蚀。电感耦合等离子通常由置于等离子体处理腔室外部与电介质窗相邻的线圈产生，腔室内的工艺气体被点燃后形成等离子体。在对非挥发性材料的干法刻蚀工艺过程中，由于反应产物的蒸汽压较低，难以被真空泵抽走，导致反应产物沉积在电介质窗和其他等离子体处理腔室内壁上沉积。这不仅会产生颗粒沾污，也会导致工艺随时间漂移使工艺过程的重复性下降。因此需要对等离子体处理腔室进行清洗。但是在实际使用过程中，清洗将导致工艺中断，降低等离子体处理设备的生产效率。

随着近年来第三代存储器——磁存储器（MRAM）的不断发展和集成度的不断提高，对金属栅极材料（如Model、Ta等）和高k栅介质材料（如Al2O3、HfO2和ZrO2等）等新型非挥发性材料的干法刻蚀需求不断增加，解决非挥发性材料在干法刻蚀过程中产生的侧壁沉积和颗粒沾污，同时提高等离子体处理腔室的清洗工艺效率是十分必要的。

目前已有的清洗方法是在射频线圈与介质窗之间放置一个法拉第平板，通过在法拉第平板上加射频功率的方法去清洗介质窗及侧壁。当进行金属刻蚀时，射频功率经过线圈耦合入腔室进行等离子体处理。当需要清洗介质窗及侧壁时，射频功率经过法拉第平板耦合入腔室（两种模式由三通开关切换）。从而实现对介质窗及侧壁的清洗，虽热目前这种方法可以实现对介质窗及侧壁的清洗，但效率并不是很高，从而影响产能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出一种ICP刻蚀装置及其使用方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种ICP刻蚀装置，包括：

反应腔体，所述反应腔体限定出等离子体反应腔；

介质窗，所述介质窗被构造成所述等离子体反应腔的顶壁；

法拉第平板和射频线圈，所述法拉第平板铺设在所述介质窗上，所述射频线圈临近所述法拉第平板的上表面设置；

第一射频电源，所述第一射频电源通过第一匹配网络和所述射频线圈或法拉第平板相连，用以将通入所述等离子体反应腔内的气体电离产生等离子体；

电极，所述电极设在所述等离子体反应腔内，所述电极上承载有晶圆；

第二射频电源，所述第二射频电源通过第二匹配网络和所述电极相连，用以将通入所述反应腔室内的气体电离产生等离子体；

在所述第一射频电源接通且在所述反应腔室内产生稳定的等离子体后，再接通所述第二射频电源，所述第一射频电源和所述第二射频电源共同作用在所述反应腔室内周壁和所述介质窗下表面上，用以对所述反应腔室内周壁和所述介质窗下表面进行清洗。

作为更进一步的优选方案，第一射频电源为激励射频电源，所述第二射频电源为偏压射频电源。

作为更进一步的优选方案，法拉第平板由多个形状结构呈中心对称式布置，所述多个形状结构之间具有间隙。

作为更进一步的优选方案，抽真空装置和所述反应腔室相连通，所述抽真空装置包括压力控制阀和真空泵，所述压力控制阀连接在真空泵和所述反应腔体之间。

一种ICP刻蚀装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：开始刻蚀时，接通所述激励射频电源和所述射频线圈，通过电感耦合的方式对通入所述等离子体反应腔内的气体电离产生等离子体，同时接通所述偏压射频电源和所述电极，用以提供偏置电压，以对所述等离子体反应腔内的晶圆进行刻蚀；

步骤二：当刻蚀完成后，断开所述激励射频电源和所述偏压射频电源；

步骤三：此时所述介质窗下表面以及所述等离子体反应腔内周壁均沉积有反应产物，需要清洗时，再次开启所述激励射频电源，经第一匹配网络给法拉第平板通电，通过电容耦合的方式产生将通入等离子体反应腔内的气体电离产生等离子体，提供鞘层电压；

步骤四：当所述等离子体反应腔内产生稳定的等离子体后，再次开启偏压射频电源，偏压射频电源经过第二匹配网络以电容耦合的方式产生等离子体，提供鞘层电压；在两种所提供的鞘层电压共同作用在所述介质窗上及所述等离子体反应腔的内周壁，进而对所述介质窗内顶壁上及所述等离子体反应腔的内侧壁上沉积反应产物进行清洗。

作为更进一步的优选方案，步骤三和所述步骤四中，激励射频电源和偏压射频电源再次开启后的功率为从小到大逐渐开启。

作为更进一步的优选方案，激励射频电源和偏压射频电源的频率均为13.56MHz。

作为更进一步的优选方案，步骤三和所述步骤四中，清洗效率可以通过激励射频电源和偏压射频电源的相位差来进行调整，且调整范围为0°-360°；相位差调整至180°时，射频电压达到最大值，此时叠加的鞘层电场强度最高，等离子体对腔室侧壁及介质窗表面的轰击效果最强，清洗效率最高。

作为更进一步的优选方案，相位差调整方法可以是，固定激励射频电源的相位，调整第二偏压射频电源的相位，直至达到所需相位差。

作为更进一步的优选方案，相位差调整方法可以是，固定偏压电源相位，调整激励电源相位至所需相位差；还可以是激励电源与偏压电源同时调整至所需相位差。

本发明通过两个电容耦合结构的叠加，它们所产生的鞘层电场强度就会叠加，从而加强了等离子体对介质窗及侧壁的轰击效果，实现对沉积反应产物的清洗。

附图说明

图1为本发明刻蚀装置的结构示意图；

图2为激励电源与偏压电源的相位差与射频电压的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明所应用的ICP刻蚀装置，包括：

反应腔体，所述反应腔体限定出等离子体反应腔102；

介质窗110，所述介质窗110被构造成所述等离子体反应腔102的顶壁；

法拉第平板160和射频线圈108，所述法拉第平板160铺设在所述介质窗110上，所述射频线圈108临近所述法拉第平板160的上表面设置；

第一射频电源，所述第一射频电源通过第一匹配网络106和所述射频线圈108或法拉第平板160相连，用以将通入所述等离子体反应腔102内的气体电离产生等离子体112；

此处通过三通开关150进行调节，三通开关150安装于第一匹配网络106，可则一切换至连接射频线圈108的线路或者连接法拉第平板160的线路；

电极118，所述电极118设在所述等离子体反应腔102内，所述电极118上承载有晶圆；

第二射频电源，所述第二射频电源通过第二匹配网络116和所述电极118相连，用以将通入所述反应腔室内的气体电离产生等离子体；

在第一射频电源接通且在所述反应腔室内产生稳定的等离子体后，再接通第二射频电源，第一射频电源和第二射频电源共同作用在所述反应腔室内周壁和所述介质窗110下表面上，用以对所述反应腔室内周壁和所述介质窗110下表面进行清洗。

为了进一步提高MRAM材料在刻蚀过程中介质窗及侧壁沾污的清洗效率，本发明提出了一种两套射频源同频同步工作的一种清洗办法。这种方法可以增强鞘层电场强度，从而加强等离子体对介质窗及侧壁的轰击效果，实现了清洗效率的提高。两套射频源及匹配网络，一套与法拉第平板相连，与放置晶圆的电极构成电容极板的两极，实现以电容耦合的方式去加工等离子体。另一套与放置晶圆的电极相连，这时放置晶圆的电极与放置法拉第平板的介质窗构成了另一套电容结构，也实现了用电容耦合的方式去加工等离子体。两个电容耦合结构的叠加，它们所产生的鞘层电场强度就会叠加，从而加强了等离子体对介质窗及侧壁的轰击效果，这就实现了清洗效率的提高。叠加后鞘层电场强度的大小由两个同频电源的相位差决定。

具体的说，当需要刻蚀时，将激励电源功率加到线圈上通过电感耦合的方式产生等离子体，偏压电源通过电容耦合的方式为等离子体提供偏置电压，实现对晶圆的刻蚀。当需要清洗时，将激励射频电源功率加到法拉第平板上，此时法拉第平板与放置晶圆的电极构成电容的两极，经过电容耦合方式产生等离子体，在鞘层电场强度的作用下来轰击腔室侧壁及介质窗表面。偏压电源经过匹配网络与放置晶圆的电极相连，同样经过电容耦合的方式加工等离子体，为侧壁及介质窗及提供鞘层电压。两个鞘层的叠加实现了清洗效率的提高。

本发明的ICP刻蚀装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：开始刻蚀时，接通所述激励射频电源104和所述射频线圈108，通过电感耦合的方式对通入所述等离子体反应腔102内的气体电离产生等离子体112，同时接通所述偏压射频电源114和所述电极118，用以提供偏置电压，以对所述等离子体反应腔102内的晶圆进行刻蚀；

步骤二：当刻蚀完成后，断开所述激励射频电源104和所述偏压射频电源114；

步骤三：此时所述介质窗110下表面以及所述等离子体反应腔102内周壁均沉积有反应产物，需要清洗时，再次开启所述激励射频电源104，经第一匹配网络106给法拉第平板160通电，通过电容耦合的方式产生将通入等离子体反应腔102内的气体电离产生等离子体112，提供鞘层电压；

步骤四：当所述等离子体反应腔102内产生稳定的等离子体112后，再次开启偏压射频电源114，偏压射频电源114经过第二匹配网络116以电容耦合的方式产生等离子体112，提供鞘层电压；在两种所提供的鞘层电压共同作用在所述介质窗110上及所述等离子体反应腔102的内周壁，进而对所述介质窗110内顶壁上及所述等离子体反应腔102的内侧壁上沉积反应产物进行清洗。

清洗采用容性耦合的方式进行，射频电源提供的电压越高，所对应的鞘层电压就越高，鞘层电压越高，离子轰击介质窗表面的能量就变强，从而实现更高效率的清洗。实测当激励电源与偏压相位差为180°时，射频电压达到最大值。

其中，激励射频电源104和偏压射频电源114再次开启后的功率为从小到大逐渐开启。激励射频电源104和偏压射频电源114的频率均为13.56MHz。

步骤三和所述步骤四中，清洗效率可以通过激励射频电源104和偏压射频电源114的相位差来进行调整，且调整范围为0°-360°；当相位差调整至180°时，射频电压达到最大值，此时叠加的鞘层电场强度最高，等离子体对腔室侧壁及介质窗表面的轰击效果最强，清洗效率最高。具体的说，如果要实现清洗效率最大化，就需要调整两套电源相位差至180°。可以使激励源源0°相位，偏压电源180°相位。也可以是激励电源30°相位，偏压电源210°相位。也可是激励电源180°相位，偏压电源0°相位等。满足两套电源相位差180°即可

相位差调整方法可以是，固定激励射频电源的相位，调整第二偏压射频电源114的相位，直至达到所需相位差。相位差调整方法可以是，固定偏压电源相位，调整激励电源相位至所需相位差 ；还可以是激励电源与偏压电源同时调整至所需相位差。

需要清洗时两套电源启辉顺序可以是先用激励电源启辉，待等离子体稳定后，再开启偏压电源。也可以是先用偏压电源启辉，待等离子体稳定后，在开启激励电源。

功率升高顺序可以是射频激励源功率与偏压电源功率交替上升，也可以是先升高射频激励源功率到所需功率，再升高偏压电源功率。也可以是先升高偏压电源功率至所需功率，再升高激励电源功率。

一般来说等离子体处理过程中，为了防止打火，点火步功率一般较小，当小功率点起来后再进行功率提高到所需的大功率，所以就存在功率提升的过程。如果激励电源和偏压电源同时提升可能导致等离子体不稳定，甚至灭辉，所以采用了分开升高功率。功率升高顺序可以是射频激励源功率与偏压电源功率交替上升，也可以是先升高射频激励源功率到所需功率，再升高偏压电源功率。也可以是先升高偏压电源功率至所需功率，再升高激励电源功率。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ICP刻蚀装置，其特征在于，包括：

反应腔体，所述反应腔体限定出等离子体反应腔（102）；

介质窗（110），所述介质窗（110）被构造成所述等离子体反应腔（102）的顶壁；

法拉第平板（160）和射频线圈（108），所述法拉第平板（160）铺设在所述介质窗（110）上，所述射频线圈（108）临近所述法拉第平板（160）的上表面设置；

第一射频电源，所述第一射频电源通过第一匹配网络（106）和所述射频线圈（108）或法拉第平板（160）相连，用以将通入所述等离子体反应腔（102）内的气体电离产生等离子体（112）；

电极（118），所述电极（118）设在所述等离子体反应腔（102）内，所述电极（118）上承载有晶圆；

第二射频电源，所述第二射频电源通过第二匹配网络（116）和所述电极（118）相连，用以将通入所述反应腔室内的气体电离产生等离子体；

在所述第一射频电源接通且在所述反应腔室内产生稳定的等离子体后，再接通所述第二射频电源，所述第一射频电源和所述第二射频电源共同作用在所述反应腔室内周壁和所述介质窗（110）下表面上，用以对所述反应腔室内周壁和所述介质窗（110）下表面进行清洗。

2.根据权利要求1中所述的ICP刻蚀装置，其特征在于，所述第一射频电源为激励射频电源（104），所述第二射频电源为偏压射频电源（114）。

3.根据权利要求1中所述的ICP刻蚀装置，其特征在于，所述法拉第平板（160）由多个形状结构呈中心对称式布置，所述多个形状结构之间具有间隙。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的ICP刻蚀装置，其特征在于，在所述反应腔体上连接有抽真空装置，所述抽真空装置和所述反应腔室相连通，所述抽真空装置包括压力控制阀（142）和真空泵（144），所述压力控制阀（142）连接在真空泵（144）和所述反应腔体之间。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：开始刻蚀时，接通所述激励射频电源（104）和所述射频线圈（108），通过电感耦合的方式对通入所述等离子体反应腔（102）内的气体电离产生等离子体（112），同时接通所述偏压射频电源（114）和所述电极（118），用以提供偏置电压，以对所述等离子体反应腔（102）内的晶圆进行刻蚀；

步骤二：当刻蚀完成后，断开所述激励射频电源（104）和所述偏压射频电源（114）；

步骤三：此时所述介质窗（110）下表面以及所述等离子体反应腔（102）内周壁均沉积有反应产物，需要清洗时，再次开启所述激励射频电源（104），经第一匹配网络（106）给法拉第平板（160）通电，通过电容耦合的方式产生将通入等离子体反应腔（102）内的气体电离产生等离子体（112），提供鞘层电压；

步骤四：当所述等离子体反应腔（102）内产生稳定的等离子体（112）后，再次开启偏压射频电源（114），偏压射频电源（114）经过第二匹配网络（116）以电容耦合的方式产生等离子体（112），提供鞘层电压；在两种所提供的鞘层电压共同作用在所述介质窗（110）上及所述等离子体反应腔（102）的内周壁，进而对所述介质窗（110）内顶壁上及所述等离子体反应腔（102）的内侧壁上沉积反应产物进行清洗。

6.根据权利要求5所述的一种ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，所述步骤三和所述步骤四中，激励射频电源（104）和偏压射频电源（114）再次开启后的功率为从小到大逐渐开启。

7.根据权利要求1所述的一种ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，所述激励射频电源（104）和偏压射频电源（114）的频率均为13.56MHz。

8.根据权利要求1所述的一种ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，所述步骤三和所述步骤四中，清洗效率可以通过激励射频电源（104）和偏压射频电源（114）的相位差来进行调整，且调整范围为0°-360°。

9.根据权利要求1所述的一种ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，所述相位差调整方法可以是，固定激励射频电源的相位，调整第二偏压射频电源（114）的相位，直至达到所需相位差。

10.根据权利要求1所述的一种ICP刻蚀装置的使用方法，其特征在于，所述相位差调整方法可以是，固定偏压电源相位，调整激励电源相位至所需相位差 ；还可以是激励电源与偏压电源同时调整至所需相位差。

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