CN1516233A - 预载等离子体反应器设备及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种预载的等离子体基加工系统，其包括预反应等离子体加工室、与预反应等离子体加工室可操作地连接的能源和与预反应等离子体加工室流体连通的晶片等离子体加工室。预反应等离子体加工室的结构设置成使反应试剂物质发生等离子体基化学反应，形成反应性自由基。晶片等离子体加工室的结构设置成使反应性自由基与放置在晶片等离子体加工室内的晶片表面上的物质反应。其它实施方案包括在等离子体环境中加工晶片的方法及预载反应性气体流以防止晶片掩模或停蚀层腐蚀的方法。
Description
技术领域
本发明一般性地涉及等离子体基加工(plasma-based processing)，更具体地说，本发明涉及具有其中预载(preloaded)有反应试剂的预反应室(pre-reaction chamber)的等离子体基加工设备。
背景技术
生产半导体时，用等离子体基加工法作为生成形成图案和沉积用的高反应性物质的手段，该手段不会对半导体晶片的硅基底(silicon substrate)或沉积在晶片上的组分产生有害影响。该方法的性能是气相反应性和表面相化学之间的折衷(compromise)。气相中的高能电子化学包含等离子体电子在电磁场中的激发。表面相化学包含从等离子体向晶片表面的粒子流。尽管在等离子体基加工中需要的加热程度比在没有等离子体的环境中需要的加热程度低几个数量级，但是向晶片表面的粒子流有时也产生很高的晶片加热度。另外，在加热晶片时，因为沉积在晶片表面上或晶片材料内的掺杂剂的向外扩散(outdiffusion)，晶片上组分的后续性能可能会退化。
向晶片表面的离子流部分取决于等离子体能量，因此，调节等离子体能量可以增加或降低反应试剂中性物(reactant neutrals)或带电物(chargedspecies)向晶片表面的流动。在等离子体刻蚀基底的过程中，一个关键因素是刻蚀工艺对掩模和停止层(mask and stop layers)的选择性。装入等离子体室的气相原料离解后形成反应性中性物和离子物质。气相等离子体化学是产生反应试剂的最佳条件和避免对曝光晶片表面产生有害影响的最佳条件的折衷。例如，为了防止由于过多的离子碰撞(ion collisions)或中性流产生的各向同性和停蚀(etch stop)，在加工晶片的等离子体中需要低操作压。另一方面，低操作压会由于电子与原料的碰撞频率低而降低气相离解度。这种降低会由于那些物质相对于等离子体反应环境中其它物质的离解活化能(dissociativeactivation energies)而限制某些反应性物质的形成。
低压等离子体操作室将气相反应试剂混合物离解、电离和激发。一般来说，气相反应性和表面相化学是偶联的。控制气相反应试剂颗粒向晶片表面的流动，以刻蚀沉积在晶片上的层面。理想状态是这种流动与待刻蚀的表面正交。但是，在实际应用中，由于局部充电和选择性沉积在层面上的掩模材料侧壁的立体角排他性(solid angle exclusion)造成的电子阴影(electronshading)，离子轨道一般都要变形。由于施加的射频场选择性激发粒子流(fluxparticles)和电子间差的动量传递及质量更大的离子和中性颗粒，电子的速度分布比带正电荷离子的速度分布更加各向同性。这种速度分布的差别导致掩模材料的侧壁被充以负电荷，而待刻蚀的邻近表面被充以正电荷。邻近表面处电荷累积(charge buildup)的差别导致不定的流动图案(errant flux patterns)和向这些表面界面的离子流的偏转，这将导致不希望的非均匀刻蚀，并且可能形成图案层中的微沟槽(micro-trenches)或止蚀层中的通孔(punchthrough)。
目前为解决这些问题所进行的尝试包括使用精确的表面相化学参数(如：等离子体能量、压力等)，然后由工艺进展确定最终产品。但是，表面相化学与气相反应性偶联。这种表面相化学与气相反应性的偶联将牺牲等离子体工艺的上晶片性能(on-wafer performance)。使用多个能源或施加多个射频以实际使气相和表面相化学脱偶联(de-couple)的尝试只能将化学性质部分脱偶联。目前需要的是能够将气相反应试剂的反应性和晶片表面化学性质有效脱偶联的系统。
发明内容
本发明公开了一个例示实施方案的预载等离子体反应器设备及其在等离子体基加工系统中的应用。该设备包括预反应等离子体加工室(pre-reactionplasma processing chamber)、与预反应等离子体加工室可操作地连接的能源和与预反应等离子体加工室流体连通的晶片等离子体加工室。预反应等离子体加工室的结构是能够使反应试剂物质发生等离子体基化学反应，产生反应性自由基(reactive radical)。晶片等离子体加工室的结构是能够使反应性自由基与放置在晶片等离子体加工室内的晶片表面上的物质反应。其它实施方案包括在等离子体环境中加工晶片的方法。
附图说明
现在参考附图，在这几个附图中，相同的部件标以相同的标号：
图1是等离子体基加工系统使用的预反应设备的示意图；
图2是晶片上的触点限定的门的截面图；和
图3是置放在晶片上的沟槽结构(trench structure)的截面图。
具体实施方式
预反应室通过将气相反应和表面相反应脱偶联控制等离子体基加工设备的化学性质不受晶片表面处的电荷影响。预反应室提供了一般来说对晶片的表面相化学不需要而对加工晶片的优选反应试剂形成气相需要的可操作的工作环境(如：高温、高等离子体能量、高压等)。
参考图1，安装有预反应等离子体加工室的一个例示实施方案的等离子体基加工设备示为10，下面称为“设备10”。设备10包括与气体入口歧管(gasintake manifold)14流体相通的预反应等离子体加工室12(下面称为“预反应室12”)、与12可操作连接的能源16、与预反应室12流体相通的晶片等离子体加工室18。用静电耦合夹具(electrostatically coupled chuck)19将晶片17固定在晶片等离子体加工室18内。原料气相反应试剂从与气体入口歧管14流体相通的反应试剂源(如：容器20)吸入气体入口歧管14。反应材料22放置在预反应室12内。气体分布盘24优选放置在预反应室12和晶片等离子体加工室18之间。能源16优选是微波辐射源。
一般来说，气相反应试剂从容器20向气体入口歧管14的流动支配着预反应室12的操作。从气体入口歧管14排出的物质被预反应室12接收。尽管图中示出用3个与气体入口歧管14流体相通的容器20，以便为晶片加工的所需产品提供反应试剂原料，但是可以用任意数目的容器为设备10提供任意数目的反应试剂原料。
预反应室12是设备10的外部模件(ex-situ module)，其包括能够经受其中放置有反应材料22的等离子体环境的可加压容器。反应材料22包括能够防止被气相反应试剂分子吸附后处于晶片表面上的晶片材料被刻蚀的材料。反应材料22还包括停蚀层，优选包括光致抗蚀剂(photoresist)、氧化物、氮化硅或其它停蚀层、或上述材料的组合等。在预反应室12内保持等离子体环境及使气相反应试剂与反应材料22的牺牲膜(sacrificial film)接触能够预载气相反应试剂。
将预载的气相反应试剂经受吸收来自能源16的能量，产生了用于后续晶片等离子体加工室18中的等离子体基加工的反应性自由基的原料(feedstock)。一般来说，反应性自由基是预载的气相反应试剂经受高能微波辐射时产生的。产生的反应性自由基优选是氟、碳、氮和氧自由基，其生成的反应式为：
上述反应性自由基(及未列举的其它基团)是在高于晶片基底能够承受的等离子体能量的等离子体能量下产生的。预反应系统能够在腐蚀性上游等离子体反应器内形成这些反应性自由基，不会有后续的通向晶片的高电子通量(electron flux)、晶片的静电充电(electrostatic charging)或与高电子通量和静电充电相关的有害效应。
因为气相反应试剂通过与反应材料22接触而被预载，所以预反应室12内反应试剂的实际分压基本上能够表示在晶片等离子体加工室18内使气体饱和的分压，从而能够抑制在晶片等离子体加工室18内从晶片上沉积的材料生成挥发分。因为晶片等离子体加工室18随后可以在任何能够满足晶片加工要求的条件下操作，所以与气相自由基生成相关的操作参数均不相关。因此，晶片上性能(on-wafer performance)不会以向晶片等离子体加工室18提供气相反应试剂为代价而进行折衷。例如，如果用SiO2作为掩模材料，则在预反应室12内可以用下述反应形成被SiOF饱和的混合物，该混合物随后被供入晶片等离子体加工室18：
在晶片等离子体加工室中，SiOF的分压足以限制SiO2在晶片等离子体加工室18内的腐蚀。
尽管图示的设备10包括一个预反应室12模件，但是应当理解的是，设备10可以包括多个气相反应试剂室，这些室可以是预反应室，也可以不是预反应室。在用多个气相室提供气相化学的设备中，可以独立控制每一个气相室，从而利用气和表面相化学的脱偶联程度的提高，增加对晶片表面处表面相化学的控制。具体来说，增加控制量(增加脱偶联)可以提高设备对半导体材料最有效利用的调整。
预反应室12的排出物包括被气体分布盘(gas distribution plate)24接收的预载的自由基流。气体分布盘24将预载的自由基混合，使它们在晶片等离子体加工室18内均匀分布。因为气相反应试剂的预载和预反应室12内自由基的产生，所以在将气体导入晶片等离子体加工室18之前，确定了产品组分的分压。对气体分布盘24的控制(图中未示出)能够改变预载的气相反应试剂向晶片等离子体加工室18的流动，不会受到晶片的加热、过量等离子体材料的沉积、等离子体的过量充电或类似问题的困扰。根据特定的等离子体基加工的晶片所需产品的需要，可以从所需的源(如：容器21)向气体分布盘24加入其它反应试剂原料。
然后将预载的气相反应试剂供入晶片等离子体加工室18，在晶片等离子体加工室18内将气相反应试剂分子离解、电离和激发。通过下述反应式在低能反应中生成用于后续植入晶片结构中的CF2：
因为预反应室12内的气相电子化学独立于晶片等离子体加工室18内的晶片条件，所以能够有效地使气相反应与表面相反应(晶片化学)脱偶联。因为预反应室12内不存在表面相反应(晶片上)，所以对预反应室12内的表面通量或表面化学没有限制。因此，晶片不会经受过量充电或热通量(thermalflux)。
利用设备10使气相和表面相反应脱偶联，用于不同原料气体的自由基/离子密度还可以独立地调整以减轻差别充电(differential charging)问题。通过消除或者至少使自由基或离子差别充电最小化，能够控制与鞘向离子轰击相关的各向异性，导致利用等离子体刻蚀晶片表面处的自排触点(self-alignedcontacts)的有效方法。现在参考图2，一个例示实施方案的晶片示为30。晶片30包括自排触点32、分布在自排触点32上的氮化物衬里(liner)34、分布在氮化物衬里34上的氧化层36、分布在氧化层36上面且在每一个接触元件相对角处的介电聚合物涂层38、分布在氧化层36上的电阻层(resistivelayer)40。利用图1所示的设备分离气相和表面相反应能够使电阻层40和氧化层36之间电荷的累积最小化，从而可以使带正电荷的离子从到来的各向异性离子通量(箭头42所示)向每一个接触元件相对角的偏斜最小化。通过使每一个接触元件32的角落的轰击最小化能够使角落的腐蚀及门(触点32之间的空间)的锥度(tapering)最小化，这又保持了介电聚合物涂层38的整体性，使接触电阻最小化，且使分布在晶片处的部件(componentry)短路发生的几率最小化。
还可以利用晶片层差别充电的最小化降低晶片表面上沟槽形状的变形量。沟槽形状变形的一种原因是在刻蚀部件(etched feature)角落方向上离子通量的偏斜。现在参考图3，沟槽结构示为50。电阻层52分布在氧化层54上。利用图1所示的上述设备将气相和表面相反应脱偶联，使电阻层52和氧化物层54之间电荷的累积最小化。因此，离子通量(箭头42所示)向沟槽结构50的角落56的偏移得以避免，或者至少能够最小化，这又保持了沟槽结构50的底面58(如：氮化物层)的结构一体性。
如上所述，气相反应性和表面相化学的脱偶联使得能够独立地调整整个等离子体基加工的两相，从而能够使该设备在更大的工艺参数范围内操作。通过使设备具有能够独立调整的能力，可以有效进行低能反应和高能反应，不会折衷设备的能量需求。另外，在所需的最终产品要求腐蚀性更大的等离子体条件的系统中，可以在预反应室内对气相反应试剂作相应处理，而不会对主等离子体加工室内的敏感的或昂贵的晶片材料产生有害影响。
虽然已经演示和说明了一些优选实施方案，但是在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以对此进行各种改动和替代。因此，应当理解的是，对本发明的说明只是例示性的，而非限定性的。
Claims (11)
1、一种等离子体基加工设备，其包括：
预反应等离子体加工室，所述预反应等离子体加工室的结构是能够使反应试剂材料和停蚀材料发生等离子体基化学反应；
与所述预反应等离子体加工室可操作地连接的能源，所述能源的结构是能够将所述反应试剂材料和所述停蚀材料的反应产品转化成反应性自由基；和
与所述预反应等离子体加工室流体连通的晶片等离子体加工室，所述晶片等离子体加工室的结构是使所述反应性自由基与放置在所述晶片等离子体加工室内的晶片表面上的物质反应。
2、根据权利要求1的等离子体基加工设备，还包括与所述预反应等离子体加工室流体连通的气体入口歧管，所述气体入口歧管与反应试剂原料源流体连通。
3、根据权利要求1的等离子体基加工设备，其中，所述停蚀材料是选自光致抗蚀剂、氧化物、氮化硅及上述材料组合的材料。
4、根据权利要求1的等离子体基加工设备，其还包括与所述预反应等离子体加工室和所述晶片等离子体加工室流体连通的气体分布盘，所述气体分布盘的结构设置成接收来自所述预反应等离子体加工室的所述反应性自由基，且将所述反应性自由基排放到所述晶片等离子体加工室内。
5、根据权利要求4的等离子体基加工设备，其中，所述气体分布盘与反应试剂原料源流体连通。
6、根据权利要求1的等离子体基加工设备，其中，所述能源是微波辐射源。
7、一种在低能等离子体环境中加工晶片的方法，所述方法包括：
预载气相反应试剂；
从所述预载的气相反应试剂生成反应性自由基；和
使所述反应性自由基与所述低能等离子体环境中的物质反应。
8、根据权利要求7的方法，其中，所述气相反应试剂的所述预载包括：
将所述气相反应试剂保持在高能等离子体环境中；和
使所述气相反应试剂与具有光致抗蚀性能或停蚀性能的反应性材料接触。
9、根据权利要求7的方法，其中，所述反应性自由基的生成包括对所述预载的气相反应试剂进行微波辐射。
10、根据权利要求7的方法，还包括在所述低能等离子体环境中刻蚀晶片表面。
11、根据权利要求10的方法，其中，所述刻蚀包括用所述反应性自由基与所述低能等离子体环境中的物质的反应产品轰击所述晶片表面。
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