CN1158003A - 用于半导体晶片干燥蚀刻的等离子体加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了有一可将电磁波引入反应器中激发等离子体的电介元件的等离子体加工装置。一用于减少等离子体中电容耦合部分并有传导电磁波和加热元件的功能的金属电阻片3埋于电介元件内。本装置通过减少电容耦合来预防电介质元件的溅蚀，控制电介质的加热来抑制电介质上蚀刻物的沉积，缓解了污染粒子的产生，提高了蚀刻条件的稳定。
Description
本发明涉及一种用于制造半导体设备的等离子体加工装置，特别是涉及一种采用含蚀刻物的等离子体的各向异性干燥蚀刻装置。
随着半导体装置的小型化及集成化密度的提高，等离子体加工设备正被越来越多地用于能够各向异性蚀刻晶片的干燥蚀刻设备。在用等离子体的干蚀设备中，半导体晶片的蚀刻是通过与在反应器(通常称为反应室)中形成的等离子体中产生的中性自由基和离子的相互作用来完成的。虽然等离子体中的离子在电场的作用下能直接撞击晶体，但它们中的许多会与中性气体分子相碰撞并分散开，改变了其运动方向，其结果是离子不能垂直撞击晶片，而导致侧蚀刻，并造成不同于蚀刻护罩限定尺寸规格的偏差。
因此，人们建议通过降低反应室中的压力来减少中性气体分子的数目，从而降低离子与中性气体分子之间的碰撞机会。然而，这一建议会因为等离子体密度本身随之降低而产生诸如底层上面的蚀刻速度和选择性降低等新问题。由于这个原因，另一种等离子体加工装置已经被提出，它通过应用高密度等离子体源，在低压力区内也能够产生具有足够密度的等离子体。
在日本未审查的专利申请公开案(KOKAI)，HEI6-232081中揭示了一种此类等离子体加工装置的例子。图8显示了一个传统等离子体加工装置示例的简略剖面图。正如图8所示的，这个等离子加工装置配备有一个受压力降低控制的真空容器21。这个真空容器21有一个将其内部与外部隔开的壁，且主要由导电壁材料制成；并配有一个固定有样品(工件)27的较低的电极，一个构成真空容器21器壁的一部分的、将电磁波导入真空容器21内部空间的一个电介片22，及一个置于真空容器外面的、与电介片22相邻并且当高频电流通过时会产生一个感应场的天线23。由天线23产生的感应场借助电介片22被引入真空容器21的内部从而产生用于加工样品27的等离子体。
对于用如此感应耦合型等离子体的等离子体加工装置，天线23不仅用作产生感应场的来源，而且也用作一个电极，因此由于天线23和真空容器21中的等离子体的直接耦合，使在等离子体中存在有电容耦合部分。与仅由感应场产生的等离子体相比较，真空容器21中的电介片22的表面的电势相对于等离子体电势必然变得更低。其结果是等离子体中的正离子被吸引到表面，这些阳离子在电介片22靠真空容器21一侧的表面上溅蚀，引起电介片22的分解，从而增加了杂质混入等离子体中的危险性。
为了解决这个难题，相关已有技术的等离子体加工装置提供了一个位于天线23和电介片22之间的、能传导电磁波(感应场)的导电元件25。导电元件25与真空容器21电联接，以防止天线23和等离子体的直接耦合，由此减少等离子体中的电容耦合部分，从而防止由于电介体表面的溅蚀而在等离子体中混入杂质。
对于上面描述的传统等离子体加工设备，在天线及一个电介体之间提供了一个可通过电磁波的导电体，在导体与真空容器之间建立一个电联接以防止由于电介质的溅蚀而造成的杂质污染。然而，即使用这种结构，从蚀刻产生的反应物可能做为沉积膜而沉积于电介体的内表面之上，形成于电介体之上的沉积膜有时会剥落而产生引起麻烦的微粒。
另外，蚀刻过程的连续延长可能会引起样品蚀刻尺寸的变化，其导致不稳定性问题。这是因为随着蚀刻过程的延长和加工晶片数目的增多，电介体温度会上升，引起电介体之上的蚀刻产品沉积物数量的降低，由此增加了被蚀刻样品工件之上的蚀刻产物沉积物的数量，因而改变了最终蚀刻的尺寸和形状。
因此，本发明的目的是提供一种等离子体加工设备，它可以防止蚀刻产物等沉积在电介片之上，缓解产生粒子的问题，从而也增加了蚀刻条件的稳定性。
至此，本发明提供了一种等离子体加工装置，它包含：一个特别是在其顶部有电介壁部分的、且容器的其它壁部分是电接地的真空反应容器，一个放置在真空反应容器外并靠近电介部分顶部的扁平线圈，一个借助一主调谐机制往线圈输送高频电流的主高频电源，将多种加工气体导入真空反应容器内部的部件，控制加工气体压力的部件，一个放置在真空反应容器较低部位的、固定有样品的低电极，一个借助调谐机制向低电极提供高频电压的次高频电源，一个包含一埋于电介片内、能通过电磁波、并能提高电介部分温度的电磁波传导和加热元件，一个借助一截止电磁波的滤波器向电磁波传导与加热元件提供直流电的直流电源，一个用于测量电介部分温度的温度测量部件，以及一个基于通过温度测量机制测量电介部分温度来控制来自直流电源的电流的控制部件。
本发明的另一个特征在于电磁波传导与加热元件由单金属绝缘片构成，或由分开成一个能够传导电磁波的金属片和一个扁平电阻加热片的两个分离元件组成。本发明的另一个特征是在金属电阻片或金属片内有许多电磁波传导狭缝，或通过控制金属片的厚度来容许电磁波的传导。
下面将通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是按照本发明实施例的等离子体加工装置的简要剖面说明图；
图2是图1中金属电阻片的平面图；
图3是在无加热机制的情况下加工晶片数目与电介部分温度之间关系的曲线图；
图4是在不提供加热机制的情况下由于蚀刻而产生的多晶硅片的锥角θ的变化与加工晶片数目之间关系的曲线图；
图5是在提供加热机制的情况下由于蚀刻而产生的多晶硅片的锥角q的变化与加工晶片数目之间关系的曲线图；
图6是图1中金属电阻片改进型的平面说明图；
图7是根据本发明另一个实施例的等离子体加工装置的简要剖面图；
图8是传统等离子体加工装置实例的简要剖面说明图。
现在参照附图对本发明进行阐述。
图1是根据本发明的实施例的等离子体加工装置的简要剖面说明图。正如在图1中显示的，这个等离子体加工装置配备有一个埋于电介片2之中的金属电阻片3，其电介片构成为真空反应器10的一部分。金属电阻片3用于通过(传导)电磁波，并且有加热元件的功能。该等离子体加工装置还配备有借助高频截止滤波器4向金属电阻片3提供直流电流的一个直流电源5；一个用于测量电介片2的温度的温度测量元件6；一个基于由温度测量元件6所测的温度来控制直流电源的电流控制器7；以及一个置于真空容器1的外表面顶部的扁平螺旋线圈1，线圈1接收借助调谐器9a自RF电源8a提供的高频电流。
由图1所描绘的装置还配备一个固定有样品27(最典型的为诸如硅的半导体晶片)的低电极11，一个借助调谐机制9b向低电极11提供高频电流的RF电源8b；以及与传统的方式相一致的一个用于引入加工气体的加工气体入口14及一个用于控制所引入的加工气体气压的排气装置。
众所周知，通过螺旋线圈3输送的高频电流借助电介体2在真空反应器10内产生一个感应场，这造成等离子体的产生。这里，由于螺旋线圈1也具备一个电极的功能，螺旋线圈1和等离子体串联放置，从而形成一个电容器。因此，在等离子体中存在一个电容耦合部分。为了降低电容耦合部分，在电介体部分2中放置一个金属电阻片3。在后面将会描述该金属电阻片3具有电磁波传播功能(具有让电磁波通过的能力)。没有此感应场电磁波传播能力，由高频电流通过螺旋线圈1所产生的感应场将被截止，从而没有等离子体产生。
图2为图1中显示的金属电阻片的平面图。具有电磁波传播的功能的金属电阻片的一个可行结构如图2所示，其包含适当数目的与流过图1所示的螺旋线圈1的高频电流成一定角度的狭缝12。一个用于截止从直流电源5获得的直流中高频部分的滤波器4被联接到埋于电介片2中的金属电阻片3上。不用说，所有电连接件都是射频屏蔽的(FR-shielded)。
进一步说，直流流过金属电阻片3便其充当了一个电阻的功能，也就是说，一个提高电介片2温度的加热元件。另外，一个温度计(例如，一个电阻温度计)埋于电介片2之中作为温度测量元件6用来测量电介片2的温度。所测得的温度提供给电流控制器7，用来控制流过金属电阻片3的电流，并最终控制电介片2的温度。换句话说，电介片2的被控制住的热量造成沉积于电介片2上的蚀刻物的数量的降低，从而进一步防止了沉积物的粘滞系数的波动。其结果是，沉积物量的减少减缓了粒子的问题，同时沉积物的粘滞系数的稳定起到了提高蚀刻条件稳定性的作用。
图3是在无加热机制的情况下加工晶片的数量与电介片2的温度之间关系的曲线图。例如，在真空反应器10的温度被控制在60℃时，固定有样品27的低电极11的温度被控制在20℃，电介片2没被加热，电介片2在开始蚀刻前的早期温度为40℃。当在这些条件下开始蚀刻过程时，反应产物的粘滞概率(系数)在样品处高，在真空反应容器处低而在电介片处处于中间。
蚀刻过程继续的结果是提高了电介片2的温度，正如图3中所示，电介片的温度在每个晶片蚀刻时间为90秒，而蚀刻完30个晶片之后上升到150℃。
图4是在无任何加热机制的情况下加工晶片的数目与由于蚀刻而产生的多晶硅层锥角θ变化之间的关系的曲线图。由于当加工晶片的数目上升时，电介片的温度会升高，反应物的粘滞概率发生变化，从而样品上的粘滞概率仍为最高，而真空反应器上的(粘滞概率)高于电介片之上的。因此，最初沉积于电介片2上的沉积物最终沉积于样品27之上，从而增加了样品27之上的沉积物的数量。当蚀刻过程在这些条件下继续时，蚀刻几何学的锥角θ如图4中所示逐渐降低，这产生了一个蚀刻不稳定性的问题。
图5是在提供加热机制的情况下加工晶片的数目与多晶硅层的锥角θ变化之间的关系的曲线。只要由加热机制从初始阶段将电介片2的温度恒定控制在150℃，晶片的连续蚀刻就不会引起蚀刻几何的90℃“锥”角的变化，正如在图5中所看到的，从而不存在蚀刻不稳定性的问题。
例如，当在没有加热电介片2的情况下，加工大约1000个晶片，将产生100个或更多的尺寸为0.2μm或更大的粒子。这导致了较低的生产产量。另外，在经过连续蚀刻大约30个多晶硅层之后，由于蚀刻而造成的尺寸变化与光敏抗蚀宽度0.25μm相比大约为±10％或更多。这被认为会严重影响装置的性能。
相反，加热并控制电介片2的温度的结果是：即使是在加工完1000片之后，也仅有大约20个粒子的尺寸为0.2μm或更大，这可以允许设置一个2000片或更多的湿容器清洁循环。同样，在连续的加工之后尺寸的精度保持在±10％之内。
按照以上的实例，径向狭缝12可为金属电阻片3提供传导电磁波的功能。在另一个实例中，如图6中所示，通过提供同心狭缝13来完成同样的功能，图6是图1中所示的金属电阻片改进型的平面图。通过将金属电阻片3变薄也同样可以为其提供传导电磁波的功能。
图7是按照本发明的另一个实施例的等离子体加工装置的简要剖面图。以上的实施例所描述的如图1中所示的金属电阻片3，同时具有减少等离子体中的电容耦合部分和加热电介部分2的功能。与此不同，如图7中所示的等离子体加工装置，有一个具有传导电磁波功能的金属片1a和一个提高电介部分2的温度的加热器1b。他们分离地埋于电介片2之内以便于降低电容耦合部分。本实施例的其它部分与以上描述的实施例相一致。
如图2或图6中所示金属片1a有狭缝12或13，并作为一个电接地与真空反应器10电联接。加热器1b与金属片1a具有相同的几何形状，并借助于截止高频波的滤波器4与直流电源部分5相联。包含与加热器1b的线联接的这些联接当然是射频屏蔽的(RF-shielded)。同时也提供一个基于电介部分2的温度、用于开及关流过加热器1b的电流的控制器7。
此结构容许同时减少等离子体中的电容耦合部分及控制电介部分2的温度。其结果是，粒子的问题及蚀刻的不稳定性被减缓。另外地，按照本实施例的等离子体加工装置，由于控制电介片2的温度的片状加热器为了减少电容耦合部分与金属片相分离，该装置在选择加热材料方面具有更大的灵活性，并且比以上所描述的配备有完整的金属电阻片的等离子体加工装置更容易使用。
正如以上所述，本发明通过提供等离子体加工装置解决了粒子杂质污染的问题，该装置设计成由流过高频电流的扁平线圈产生电磁感应，由此产生一个感应场，并且借助电介元件将感应场引入真空反应容器的内部，而在真空反应容器中产生等离子体，其中一个提高电介体温度的加热元件，及一个减少等离子体内的电容感应部分并具有传导电磁波功能的元件被埋入电介体内，适当地控制电介体的温度。因此，防止了线圈与等离子体的直接耦合而减少了电介质的溅蚀，由蚀刻产生反应沉积物(如在电介质之上的)会被减少。
另外，控制电介质处于一个稳定上升的温度，从而产生防止沉积于电介质上的反应物粘滞概率发生变化的效果，进而防止沉积物的薄膜厚度的波动，由此保证了自始至终稳定的蚀刻状态。
当所描述的本发明与某一个更佳的实施例相联系时，必须明白包含于本发明内的主题方法不仅局限于那些具体的实施例。相反地，本发明的主题包含全部权利要求可替代、改进及等同的思想及范围。
Claims (12)
1、一种等离子体加工装置，它包括：
一个具有一个将所述的真空反应室的内外隔开的器壁的真空反应容器，所述的器壁有一个电介部分和一个电接地的导电部分；
一个放置在所述的真空反应容器外面并与所述的电介部分相邻的扁平电线圈；
一个借助一个主要的调谐机制为所述线圈提供高频电流的主高频电源；
为所述的真空反应容器所述的内部提供多种加工气体的部件；
一个置于所述的真空反应容器内的与所述的电介部分相对的、且其上可固定所加工样品的低电极；
一个借助调谐机制向所述的低电极提供高频电压的次高频电源；
一个具有埋于所述的电介部分之内的、能传导电磁波、并能升高所述电介部分温度的金属片的电磁波传导加热元件；
一个借助一能够截止电磁波的滤波器向电磁波传导加热元件提供直流电的直流电源；
一种测量所述电介部分温度的温度测量部件；以及
一个基于通过所述温度测量部件测得的所说温度来控制源于直流电源送往所说电磁传导加热元件的直流电的控制器。
2、根据权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的电磁波传导加热元件是一个金属电阻片。
3、根据权利要求1所述的等离子体加工装置，其特片在于所述的电磁波传导加热元件包括一个能够传导电磁波的金属片及一个加热片。
4、根据权利要求2所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的金属电阻片内形成有多个电磁波传导狭缝；
5、根据权利要求2所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的金属电阻片内形成有多个电磁波传导狭缝，所述的狭缝以径向的方式排列。
6、根据权利要求2所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的金属电阻片内形成多个电磁波传导狭缝，所述狭缝以同心圆方式排列。
7、根据权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于至少一个所述的金属电阻片及所述金属片内形成有多个电磁波传导狭缝。
8、根据权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于至少一个所述的金属电阻片及所述金属片内形成有多个电磁波传导狭缝，所述的狭缝以径向方式排列。
9、根据权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于至少一个所述的金属电阻片及所述金属片内形成有多个电磁波传导狭缝，所述的狭缝以同心圆方式排列；
10、根据权利要求2所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的金属电阻片有容许电磁波传导的厚度。
11、根据权利要求3所述的等离子体加工装置，其特征在于至少一个所述的金属电阻片及所述金属片有容许电磁波传导的厚度。
12、根据权利要求1所述的等离子体加工装置，其特征在于所述的扁平电线圈是一个螺旋形的线圈。
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