CN1191463A - 一种等离子体蚀刻装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的等离子体蚀刻装置包含:刻蚀室;在刻蚀室中形成的下电极,下电极用于在其上装载半导体器件;在刻蚀室中形成的上电极,上电极与下电极平行;用于向下电极提供第一频率波和向上电极提供第二频率波的频率电源;以及用于调节第一和第二频率波之间的相位差使其大于或等于90度而小于180度的相位差调节器。
Description
本发明涉及等离子体蚀刻装置及其方法。
在等离子蚀刻装置中，用等离子体激发一种特定的物质以产生高度激活的原子团的反应气及离子，并且将原子团及离子发射到要被处理的物体上，例如半导体器件上，从而蚀刻该物体。
在此情况下，通常使用大约13.56MHz的高频电磁波或2.45GHz的微波作等离子体激发。尤其是在普遍使用的这样一种装置中，高频电源与设置在刻蚀室中的平行板型电极相连，并将晶片衬底上要进行蚀刻的材料装在平行板电极上并进行干法刻蚀。下面将根据图1对此传统装置进行描述。
图1为在常规等离子体蚀刻装置中的刻蚀室的截面图。在刻蚀室101中设置有平行板电极之一的阴极电极102并用以装载刻蚀物体或晶片衬底103。阳极电极104与阴极电极102相对设置从而在刻蚀室101中形成平行板的电极结构。气体入口105用于引进卤族气体并有一排气孔106设在室101内。阳极电极104与反应室壁107相连并接到地电位。通过匹配部件109提供的高频电源108以产生激发卤族气体等离子体的高频电磁波。匹配部件109装模在引出电极111上并通过绝缘件110与反应室的腔壁107绝缘。通过引出电极111发射的高频电磁波在阴极电极102与阳极电极104之间激发卤族气体的等离子体。这一等离子体激发的反应气体对晶片衬底103上要被蚀刻的材料进行干法刻蚀。
当使用上述等离子体能刻蚀装置进行干刻蚀时，本发明人发现了存在的问题，下面将参照图2、3A-B及4A-B对其进行说明，图中每一个都示出了晶片衬底上要处理的物质的截面图。
参阅图2，在硅衬底201的表面上形成栅绝缘膜202，并在栅绝缘膜202上形成含有磷或其它杂质的多晶硅膜203。在多晶硅膜203上形成金属的硅化物膜204，并在金属硅化物膜204的特定区域上形成作为蚀刻掩膜的光刻胶掩膜205。
当干刻蚀此物体时使用了两步蚀刻。尤其是在第一步蚀刻中，使用作蚀刻掩蔽的光刻胶掩膜干刻蚀金属硅化物膜204。例如，用Cl2、SF6或其它气体作反应(蚀刻)气体。接着，在第二步蚀刻中，在同一蚀刻装置中，用包含氯气和HBr的混合气体干刻蚀多晶硅膜203。
然而在此方法中，当半导体器件要具有精细的结构以及要求进行高密度精密加工时，在第一步蚀刻中增加了微负荷效应。微负荷效应就是在低压和精细区域(微区)的条件下，由于离子自身的一散射使得垂直到达半导体晶片的离子减少所引起的降低蚀刻速度。也由于相对于更小的(更精细)尺寸来说金属硅化物层侧边蚀刻所占的百分比更大，因而蚀刻掩蔽对面积的依赖就增大了。因此，要获得0.25μm左右稳定而精确的蚀刻工艺就变得更加困难。
例如，当将SF6用于第一步蚀刻中时，栅电极和栅绝缘膜的蚀刻选择比变小，使栅绝缘膜和硅基片也被蚀刻。
同样，当将Cl2气用在第一步蚀刻中时，就产生如下缺点。尤其是如图3A-B所示，当在多晶硅膜203上形成金属硅化物层204a时，将会形成如图3A中所示的侧边蚀刻206或如图3b中所示的凹口207。此侧边蚀刻206是为解决微负荷效应或蚀刻掩蔽对面积的依赖性所进行的过度蚀刻而产生的。同样，当高频功率提高时，也会产生所述的凹口207。
为了解决上述问题，通过包含氯气和氧气的混合气体的等离子体激发对金属硅化物膜204进行干刻蚀。然后，在随后第二步蚀刻中，对多晶硅膜203进行干刻蚀。
然而，这种情况需要在低气压及高等离子体密度下蚀刻。在这种条件下，正如图4A-B中所示，通过用作蚀刻掩蔽的光刻胶掩膜205的干刻蚀形成金属硅化物层204a，并通过使用这些层作蚀刻掩蔽进行干刻蚀形成多晶硅层203a。
在此情况下，在多晶硅层203a上将会产生如图4A中所示的侧边蚀刻208和如图4B中所示的凹口209。前者是由于等离子体密度上升而等离子体的原子团成份也上升所产生的。后者同样也由于等离子体密度上升使半导体体内积聚的电荷上升从而使离子受累积电荷的影响而转向所产生的。
另一方面，在日本专利申请公报No.平7-106097、平3-153028及昭58-12347中公开了其它的等离子体蚀刻装置。图5中示出了此类装置。
在刻蚀室320中的绝缘层314上设置一阴极电极311。而在刻蚀室320中的绝缘层317上设置一阳极电极312。阴极电极311与RF电源315相连而阳极电极312与RF电源319相连。相位差调节器340与RF电源315和319相连从而将加于阴极电极311与阳极电极312的RF电源之间的相位差设定在180°以提高等离子体的密度。然而，本发明人已发现当提供非常精细的结构时此装置及方法的蚀刻选择比低劣。
半导体器件已达到很高的集成度及很大的容量。因此，用于制造半导体器件的晶片基片的直径尺寸也在增加，目前通常使用的直径尺寸为200毫米。可以预测，随着集成度和精细度的进一步上升，半导体器件，譬如以0.25μm及更小的尺寸进行精细加工晶片基片的尺寸将增加到300毫米。但用前述蚀刻装置进行蚀刻，很难用上述工艺获得精细结构。尤其是，在制作非常精细尺寸的栅电极时会存在更大的问题。此外，很难提高包含在半导体器件中的各种材料之间的刻蚀选择比，这些材料包括要蚀刻的材料、光刻胶掩膜及在蚀刻期间露出的材料。同时，也很难提高沿晶片衬底表面横向等离子体蚀刻的均匀性。由于此原因，使用传统的等离子体蚀刻装置和方法，对于如300mm或更大的增大的晶片基片直径，是很难获得所需蚀刻质量的。
本发明的一个目的是要提供一种等离子体蚀刻装置和工艺，用于在大直径晶片衬底上对蚀刻材料进行精细与均匀的加工。
本发明的等离子体蚀刻装置包含：刻蚀室；在刻蚀室中形成的下电极，该下电极用于在其上装载半导体器件；在刻蚀室中形成的上电极，该上电极与下电极平行；用于向下电极提供第一频率电磁波和向上电极提供第二频率电磁波的频率电源；以及相位差调节器，用于将第一和第二频率电磁波之间的相位差调节为大于或等于90度而小于180度。
通过下面结合相应附图的描述会对本发明的以上及其它目的、优点及特征有更清楚的了解，其中：
图1为传统等离子体蚀刻装置的截面图；
图2为使用图1中的装置蚀刻的半导体器件的截面图；
图3A-B为当使用图1的装置时，所存在问题的截面说明图；
图4A-B为当使用图1的装置时，所存在其它问题的截面说明图；
图5为另一个传统的等离子体蚀刻装置的截面图；
图6为本发明的等离子体蚀刻装置的截面图；
图7为用于说明本发明效果的截面示意图；
图8为用于说明本发明效果的侧边蚀刻量对加于下电极功率的依赖的曲线图；
图9为用于说明本发明效果相对于上电极所加的功率的蚀刻选择比的依赖关系以及对晶片基片上不同位置的依赖关系曲线图；
图10为用于说明本发明效果的蚀刻选择比以及在晶片基片上的不同位置处相对于频率波相位差的依赖关系的曲线图；
图11为用于说明本发明第二实施例的另一要蚀刻的半导体器件的截面示意图。
如图6中所示，本发明包括一对在刻蚀室1中形成的平行板型电极。下电极2被设置成用于装载作为要作处理的材料的晶片基片3，而上电极4设置在刻蚀室1中。设置一进气孔5使卤族气体通过上电极4内所设置的气体扩散孔(未示出)均匀地引入反应室。在室1内设置有用于排出气体的排气孔6。通过绝缘体7使下电极2和上电极4都与反应室壁8相隔离。反应室壁8接至地电位。
分别向下电极2和上电极4加上用于激发卤族气体等离子的高频电磁波。这些电极2和4所提供的高频电磁波具有相同的频率。例如，在同一时间将13.56MHz的高频电磁波引入下电极2和上电极4。
由第一高频电源9所产生的高频电磁波通过引出电极10引到下电极2。与此类似，由第二高频电源11所产生的高频电磁波引到上电极4。相位差调节器12被接地第一高频电源9与第二高频电源11之间。相位差调节器12可以改变第一高频电源9和第二高频电源11间的频率相位使其相差例如从90度到180度。
在蚀刻时，分别向下电极2和上电极4施加高频功率。接着，处于下电极2与上部电极4之间的卤族气体被激发成等离子体。然后，用此被激发的等离子体反应气体对晶片基片3上要被蚀刻的材料进行干刻蚀。现在参照图7到图10对用等离子体蚀刻装置的蚀刻方法及其效果进行描述。
如图7中所示，当对图2中所示的器件进行蚀刻时，在第一蚀刻步骤，使用作为蚀刻掩蔽的光刻胶掩膜23对硅化钨膜或其它的金属硅化物进行干刻蚀从而形成金属硅化物膜240。这里，氯气(Cl2)和氧气(O2)的混合气被用作反应气体或卤族气体。
接着，在形成金属硅化物膜24后，在同一蚀刻装置中在第二蚀刻步骤用氯气和溴化氢(HBr)的混合气体干刻蚀多晶硅膜以形成多晶硅膜25。当进行第二蚀刻步骤时，可用氯化氢(HCl)气体替代氯气。
下电极2被用于在晶片基片3与等离子体之间形成一个适宜的离子层。由于在此离子层处的直流电压较大，使得诸如金属硅化物膜24、多晶硅膜25或其它要被蚀刻的材料的侧边蚀刻量会降低。
图8示出在上述第一蚀刻步骤或第二蚀刻步骤中，施加到下电极(下电极功率)上的高频功率与所要蚀刻材料的侧边蚀刻量之间关系的曲线图。这里，所要蚀刻的材料包括硅化钨膜24及多晶硅膜25。
如图8中所示，当下电极的功率降低时，侧边蚀刻量急骤上升。然而，当下电极功率变为大于或等于7.5×10-2W/cm2时，侧边蚀刻量将小于或等于0.05μm。在此情况下，在本发明的等离子体蚀刻中，下电极功率最好设在大于或等于7.5×10-2W/cm2。在此情况下，高频电磁波的频率设在13.56MHz，而高频功率，即加于上电极4的上电极功率设在1.5W/cm2。此外，这些高频电磁波之间的相位差为90度。侧边蚀刻量的依赖性取决于下电极功率而几乎不受上电极功率或高频电磁波中相位差的影响。
等离子体蚀刻装置的上电极4在用于产生反应气体的等离子体激发中起着重要作用。在本发明的等离子体蚀刻装置中，不仅在上电极4与下电极2之间而且在上电极4与室壁8之间也产生等离子体激发。此外，由于上电极功率比下电极功率高得多，因此等离子体激发主要发生在上电极4与反应室壁8(图6中所示)之间。这使所产生的等离子体遍布刻蚀室1。然后，当上电极功率上升时，沿晶片基片表面蚀刻的均匀性变强了。
用图9说明了此效果。这里，图9示出了在上述的第一蚀刻步骤或第二蚀刻步骤中，上电极功率相对于在蚀刻了所要蚀刻的材料后在晶片基片面中的分散及蚀刻选择比之间的关系曲线图。在前一情况中，所要蚀刻的材料包括硅化钨膜和多晶硅膜。同样，在后一情况中，蚀刻选择比是指硅化钨的蚀刻速率与光刻胶掩膜的蚀刻速率的比值。
如图9中所示，当上电极功率变小时，在晶片基片表面的蚀刻分散(用“○”表示)上升。然而，当上电极功率变为大于或等于1Watt/cm2时，在晶片基片表面内的蚀刻分散将下降并稳定。
类似地，当上电极功率变小时，蚀刻选择比(图9中用“▲”表示)上升。然而，当上电极功率大于或等于1Watt/cm2时，此蚀刻选择比变得比较恒定。这表明应将上电极功率设为大于或等于1Watt/cm2。另外，虽然在图中提供了加于上电极上的高频电磁波频率的最好结果为13.56MHz、这些高频波之间的相位差为90度、以及下电极功率为1×10-1Watt/cm2，而这样的上电极功率效果几乎不受这些条件影响。
在本发明中，当上电极功率增大时，等离子体激发主要发生在上电极4与反应室壁8之间，并因此使所激发的等离子体沿横向扩展。同样在晶片基片表面内的蚀刻均匀性也提高了。此外，由于加于上电极4和下电极2的同一频率的高频波之间的相位差而造成蚀刻条件不同。在图10中，加于上电极4的高频波相位比加于下电极2的高频波相位超前，沿水平轴画出了这些相位差。然后，在垂直轴中，画出了蚀刻之后的晶片基片表面内的分散和蚀刻选择比。这里，对于在蚀刻之后的晶片基片表面的分散来说，所要蚀刻的材料包括硅化钨膜及多晶硅膜。同样，蚀刻选择比表示硅化钨的蚀刻速率与光刻胶掩膜的蚀刻速率间的比值。
如图10中所示，在蚀刻之后所发生的在晶片基片表面内的分散，它与加于上电极4和下电极2的高频波之间的相位差的依赖关系是很复杂的。当此相位差大于或等于90度而小于或等于180度时，蚀刻之后晶片基片表面内的均匀性会得到提高。类似地，当此相位差小于180度时，蚀刻选择比增大。
在此情况下，在本发明的等离子体蚀刻中，加于上电极的高频波相位可比加于设在下电极4的高频波相位超前在大于或等于90度与小于180度的范围之内。需注意的是，这样的结果不会受到下电极功率或上电极功率的影响。
图11为本发明第二实施例的半导体器件的截面图，对其作如下描述。在第一蚀刻步骤中，沉积在基片绝缘膜26上的硅化钨膜或其它金属硅化物膜用作为蚀刻掩蔽的光刻胶掩膜进行干刻蚀从而形成具有平坦侧边表面的金属硅化物层24。这里，用氯气(Cl2)和氧气(O2)的混合气体作为卤族气体。接着，在第二蚀刻步骤对金属硅化物膜(未示出但留在露出的基片26上)进行蚀刻。虽然在此情况下同样也使用氯气(Cl2)和氧气(O2)的混合气体，但与第一蚀刻步骤相比，氧气量增大且处理时间缩短。同样在此情况下，在参照图8到图10所说明的蚀刻条件下提供了同样的效果。
如上所述，在本发明的等离子体蚀刻装置中，向平行板型电极分别控制的下电极及上电极加上具有相位差的同一频率的高频电磁波。与此无关，也可单独控制等离子体密度的提高、等离子体的横向扩散及晶片基片上的离子层。
使用此条件，可以扩大晶片基片的直径而不会对蚀刻质量有不利影响，且即使当晶片基片的直径尺寸达到300毫米时，也能在晶片基片上形成具有良好均匀性的微小图形。结果使半导体器件生产过程中的成品率提高，并使半导体器件的成品率易于提高。因此，半导体器件的生产成本被大大降低了。
从上面的讨论中很明显地看出，本发明并不限于上面的实施例，而是包括不脱离本发明的范围及实质，所能作出的修改及改变。
Claims (31)
1、一种等离子体刻蚀装置，其特征在于，它包含：
刻蚀室；
在所述刻蚀室内形成的下电极，所述下电极用于在其上装载半导体器件；
在所述刻蚀室中形成的上电极，所述上电极与所述下电极平行；以及
用于调节提供给所述下电极的第一频率波与提供给所述上电极的第二频率波之间的相差使该相位差大于或等于90度并小于180度的装置。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包含：一频率电源，用于向所述下电极提供所述第一频率波及向所述上电极提供所述第二频率波；以及一个用于调节的相位差调节器。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一频率波具有比所述第二频率波超前的相位。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于，在所述上电极与所述刻蚀室之间存在一敞开的空间以在所述上电极和所述刻蚀室之间产生等离子体。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述刻蚀室接在地电位上。
6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一频率波大于或等于7.5×10-2Watt/cm2。
7、根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二频率波的功率大于或等于1Watt/cm2。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述半导体器件包括一层金属硅化物膜，并从氯气(2)和氧气(O2)的组合和盐酸(HCl)与氧气(O2)的组合中选择出一组气体，引入所述刻蚀室中对所述金属硅化物膜进行蚀刻。
9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述半导体器件包括多晶硅膜，并将包含氯气(Cl2)和HBr的气体引入所述刻蚀室中刻蚀所述多晶硅膜。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二频率波各为13.56MHz。
11、一种等离子蚀刻装置，其特征在于，它包含：
一刻蚀室；
在所述刻蚀室中形成的下电极，所述下电极用于在其上装载半导体器件；
在所述刻蚀室中形成的上电极，所述上电极与所述下电极平行；以及
用于向所述下电极提供第一频率波的第一频率电源；
将所述下电极与所述刻蚀室绝缘的第一绝缘部分；
用于向所述上电极提供第二频率波的第二频率电源；
将所述上电极与所述刻蚀室绝缘的第二绝缘部分；以及
与所述第一和第二频率电源耦合的相位差调节器，它调节所述第一频率波与所述第二频率波之间的所述相位差，使其大于或等于90度并小于180度。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在所述上电极与所述刻蚀室之间存在一个空间用以在所述上电极与所述刻蚀室之间产生等离子体。
13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述上部电极内设置一个孔用以将蚀刻气体引进所述刻蚀室。
14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一频率波的功率大于或等于7.5×10-2Watt/cm2。
15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述第二频率波的功率大干或等于1Watt/cm2。
16、根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述半导体器件包括一层金属硅化物膜，并将从由氯气(Cl2)和氧气(O2)所组成的气体以及由盐酸(HCl)和氧气(O2)的组成的气体中选出的一组气体引进所述刻蚀室刻蚀所述金属化物膜。
17、根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述半导体器件包括多晶硅膜，并将含有氯气(Cl2)及HBr的气体引进所述刻蚀室刻蚀所述多晶硅膜。
18、根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一和第二频率波各为13.56MHz。
19、一种用于制作半导体器件的方法，其特征在于，它包含如下步骤：
向下电极提供第一频率波并向上电极提供第二频率波从而通过使用在所述金属硅化物膜的部分上形成的蚀刻掩膜进行第一次刻蚀金属硅化物膜，所述金属硅化物膜覆盖半导体基片上绝缘膜上的硅膜，所述第一和第二频率波之间的相位差大于或等于90度并小于180度。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，使用刻蚀过的金属硅化物膜作为掩膜并用第二蚀刻气体刻蚀所述多晶硅膜。
21、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一频率波的功率大于或等于7.5×10-2Watt/cm2。
22、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述第二频率波的功率大于或等于1Watt/cm2。
23、根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一蚀刻气体包括从由氯气(Cl2)和氧气(O2)的组成的气体以及由盐酸(HCl)和氧气(O2)所组成的气体中选择的一种气体。
24、根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第二蚀刻气体包括氯气(Cl2)和HBr。
25、根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述第一和第二频率波各为13.56MHz。
26、一种用于等离子体蚀刻半导体器件的方法，其特征在于，它包含如下步骤；
用与第二频率波具有大于90度而小于180度相位差的第一频率波产生等离子体刻蚀剂。
27、根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第一和第二频率波各为13.56MHz。
28、根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述第一频率波的功率大于或等于7.5×10-2Watt/cm2。
29、根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述第二频率波的功率大于或等于1Watt/cm2。
30、根据权利要求29所述的装置，其特征在于，所述第一蚀刻气体包括从由氯气(Cl2)和氧气(O2)所组成的气体以及由盐酸(HCl)和氧气(O2)所组成的气体中选择的一种气体。
31、根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述第二蚀刻气体包括氯气(Cl2)和HBr。
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