CN1816893A - 窄隙电容耦合反应器的射频脉冲调制 - Google Patents

窄隙电容耦合反应器的射频脉冲调制 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于对晶片上的一层进行等离子体蚀刻的装置。提供了一种电容耦合加工室。提供气体源。在加工室中提供第一和第二电极。第一射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个，其中第一射频电源提供射频功率。第二射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个。第一调制控制器连接到第一射频电源，提供第一射频电源的控制调制。

Description

窄隙电容耦合反应器的射频脉冲调制
发明背景
1.发明领域
本发明涉及通过蚀刻衬底上的层在半导体晶片上提供一种结构的方法和装置。
2.有关技术说明
在半导体等离子蚀刻应用中，等离子蚀刻机通常用于将掩模图形转换成晶片上所需薄膜和/或薄膜叠层(导体或介电绝缘体)的电路或连线图形。将没有掩模图形的区域中掩模材料下面的薄膜(和薄膜叠层)蚀刻掉，就可实现这一点。这种蚀刻反应可以由化学活性物质或带电粒子(离子)来启动，带电粒子是通过从真空室(也称为反应室或加工室)含有的反应混合物中产生等离子体而产生的。此外，通过在气体混合物和晶片材料之间所创建的电场，也可使离子向晶片材料加速，以一种称为各向异性蚀刻的方式沿离子轨迹方向产生蚀刻材料的方向性去除。在蚀刻过程结束时，可将掩模材料剥离去除，在其位置上留下原来所需掩模图形的横向图形复制品。
已知在电感性耦合等离子体装置中使用脉动的或调制的RF电源。相信这种脉动在脉冲断开时能使电子温度快速下降，这就降低了平均电子温度。在RF断开期间，当电子温度快速下降时，等离子体离子的密度以慢得多的速率减少，因为离子比电子的质量大，所以比电子移动得慢得多。所以，这个过程可以显著降低平均电子温度，但同时保持平均等离子密度大致不变。这样可降低电子的成荫效应，降低电子对半导体器件特性的损坏。这种过程可以产生单一RF频率。
发明概述
为实现上述各项并按照本发明的目的，提供一种用于对晶片上的层进行等离子蚀刻的装置。提供一个电容耦合加工室。气体源和电容耦合加工室流体连接。在加工室中提供第一电极。第二电极与第一电极分隔开并与之相对。第一射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个，第一射频电源提供150kHz和10MHz之间的射频功率。第二射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个，第二射频电源提供12MHz和200MHz之间的射频功率。第一调制控制器连接到第一射频电源，在1kHz到100kHz之间的频率提供第一射频电源的控制调制。
在本发明的另一实施例中，提供一种用于对晶片上的层进行等离子蚀刻的装置。提供一个电容耦合加工室。气体源和电容耦合加工室流体连接。在加工室中提供第一电极。第二电极与第一电极分隔开并与其相对，其中第二电极与第一电极分隔开形成间隙，其中晶片可以安装在第一和第二电极之间，且其特点在于晶片直径和间隙大小的尺寸比在6∶1到60∶1之间。以第一频率提供电源信号的第一射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个。以第二频率提供电源信号的第二射频电源电连接到第一和第二电极中的至少一个，其中第一频率不同于第二频率。第一调制控制器连接到第一射频电源，以1kHz到100kHz之间的频率提供第一射频电源的控制调制。第二调制控制器连接到第二射频电源，在大约1kHz到大约100kHz之间的频率提供第二射频电源的控制调制。
在本发明的另一实施例中，提供了对晶片上的层进行蚀刻的方法。将晶片放在电容耦合加工室中。将蚀刻气体提供到加工室中。将电容耦合第一射频信号提供到加工室中。对第一射频信号进行调制。将电容耦合第二射频信号提供到加工室中。对第二射频信号进行调制。
以下在本发明的详细说明中将结合附图对本发明的这些和其它特性作更为详细的说明。
附图简要说明
在附图中以举例而非限制的方式示出本发明，图中相同的参考编号表示类似的元件，附图包括：
图1示出可用于本发明优选实施例中的电容耦合加工室示意图。
图2示出可使用本发明优选实施例的处理流程图。
图3为F+/CF2 +的浓度比与调制频率之间的关系图。
优选实施例的详细说明
现参阅附图中所示的几个优选实施例对本发明作详细说明。在以下的说明中，提出了许多具体细节以便对本发明提供透彻的理解。但对于业界技术人员而言，显然不用部分或全部这些细节也可实施本发明。在其它实例中，对已知的加工步骤和/或结构未作详述，以免不必要地模糊了本发明。
在蚀刻过程中，蚀刻混合气体离解为各种物质。例如，使用C4F8和O2的蚀刻化学过程时，C4F8可离解成蚀刻等离子体中的CF2 +和F+离子。F+会蚀刻光刻胶。所以，为增加蚀刻的选择性，可能希望C4F8离解成能产生更多的CF2 +和较少的F+。所以，最好能够控制在等离子体中所产生物质的比例。
图1示出可用于本发明优选实施例中的电容耦合加工室100的示意图。在此实施例中，等离子体加工室100包括密封环102；上电极104；下电极108；气体源110以及排气泵120。在等离子体加工室100中，衬底晶片180位于下电极108上。下电极108包括用于固定衬底晶片180的适用衬底夹紧机件(例如，静电、机械夹紧等)。加工室上部128包括正对下电极108放置的上电极104。上电极104、下电极108以及密封环102界定了密封等离子容积140。气体由气体源110通过气体入口143提供到密封等离子容积中，并被排气泵120通过密封环102和排气口从密封等离子容积中抽走。排气泵120形成等离子加工室的气体出口。
第一RF源144和第二RF源148电连接到下电极108。第一RF源144提供频率为150kHz和10MHz之间的射频功率。该频率优选为大约2MHz。第二RF源148提供频率为12MHz和200MHz之间的射频功率。该频率优选为大约27MHz。优选的第二RF源148的频率至少是第一RF源144频率的10倍。第一脉冲调制器133可控地连接到第一RF源144。第一脉冲调制器133能够在1kHz到100kHz之间的频率调制第一射频源信号。第二脉冲调制器135可控地连接到第二RF源148。第二脉冲调制器135能够在1kHz到100kHz之间的频率调制第二射频源信号。在此实施例中，上电极104接地。控制器137可控地连接到第一脉冲调制器133、第二脉冲调制器135、排气泵120以及气体源110。也可将控制器137可控地连接到其它装置，例如第一和第二RF源144、148。加工室壁152界定了放置有密封环102、上电极104和下电极108的等离子体容积。
在优选实施例中，加工300mm晶片时，上下电极104，108之间的间隙大约为2cm。所以，在此实施例中，待加工晶片180的直径(大约是下电极108的直径)与上电极和下电极之间距离之尺寸比是300mm∶2cm，即15∶1。待加工晶片直径和电极间隙之间的尺寸比优选为6∶1到60∶1之间。更优选的尺寸比是在10∶1到40∶1之间。于是，该加工室具有电极间极为狭窄的间隙。这种尺寸比所使用的间隙能使壳层成为体等离子体的重要部分。优选的上电极和下电极之间的间隙为小于8cm。更优选的上电极和下电极之间的间隙在0.5和4cm之间。最优选的上电极和下电极之间的间隙为大约2cm。
图2示出可使用本发明优选实施例的加工流程图。操作时，将具有已作图形掩模的晶片180放在加工室100中(步骤204)。在此实施例中，晶片180由下电极108支撑。蚀刻气体混合物由气体源110提供到等离子体容积140中(步骤206)。在此实例中，为蚀刻晶片上光刻胶掩模下的介电层，可以使用氩、C4F8、氧和其它成分气体。然后提供已调制的第一和第二RF电源(步骤208)，以创建和维持由蚀刻气体所形成的等离子体。等离子体用于蚀刻掩模下的层(步骤210)。
不希望受理论的约束，相信在电容耦合加工室中RF电源的调制会引起等离子体壳层的改变。在某些系统中这种改变仅影响一小部分等离子体容积。本发明的加工室具有很薄的等离子体容积(由薄的电极间隙和高尺寸比所界定)，所以受调制影响的壳层形成了等离子体容积的一个重要部分。结果，该调制可用来对等离子体容积的重要部分独立控制物质的离解以及损失和产生之比。
图3为F+/CF2 +的浓度比与高频RF源的调制频率之间的关系图。此图示意示出：当调制频率增加时，F+/CF2 +之比减小；且调制频率可用来控制比例。这是如何使用本发明在等离子体容积的重要部分中控制气体离解比例的一个实例。
等离子体的损失和产生之间的比取决于各种因素，例如离子和电子的数量以及它们的能量。调制可以用来改变这些因素。如上述，这种调制主要影响壳层区。由于本发明提供的壳层区是容积的重要部分，故调制可用来影响等离子体的重要容积。
当体等离子体的容积改变了相当数量时，等离子体中损失和产生之间的平衡也就改变。平衡的改变已知会改变等离子体的参数，例如电子温度(以及随之而来的等离子体物质分裂/离解)。
本发明还提供了一种增加的控制，可以用来按照蚀刻类型定制蚀刻。例如，在蚀刻高尺寸比的触点时，需要大量壳层来提供能量较高的离子供蚀刻之用。脉冲调制器应具有利于高壳层电位的调制频率，甚至允许在脉冲接通期间有增加的瞬时功率，其频率比连续波工作时可获得的频率更低。如果要在低k介质中蚀刻沟槽，离子轰击应减少，所以壳层也应减少。调制通常控制晶片壳层的较低频率，以允许进一步精调低离子能量，就可实现这一点。
调制也可用来改变受壳层影响的容积百分比。所以，本发明能够提供额外的控制，用于控制蚀刻偏压、壳层以及离解化学过程。控制器能够使RF电源的调制互相同步或各自独立调制。
在其它实施例中，其它的RF电源和电极配置也可使用。例如，另一实施例可将第一和第二RF源连接到上电极。
从本发明的具有狭窄等离子体间隙并允许调制双RF源的装置中可以发现其它的蚀刻优点。
虽然已就数个优选实施例对本发明作了说明，但有各种改动、改变、更改和各种替代等效物，它们都属于本发明的范围之内。还应指出，有许多不同的方式来实现本发明的方法和装置。所以以下所附权利要求书应理解为包括属于本发明的真正精神和范围之内的所有这些改动、改变、更改和各种替代等效物。

Claims (19)

1.一种用于对晶片上的层进行等离子蚀刻的装置，包括：
电容耦合加工室；
气体源，与所述电容耦合加工室流体连接；
第一电极，在所述加工室中；
第二电极，与所述第一电极分隔开并与之相对；
第一射频电源，电连接到所述第一和第二电极中的至少一个，其中所述第一射频电源提供150kHz和10MHz之间的射频功率；
第二射频电源，电连接到所述第一和第二电极中的至少一个，其中所述第二射频电源提供12MHz和200MHz之间的射频功率；以及
第一调制控制器，连接到所述第一射频电源，在1kHz到100kHz之间的频率提供所述第一射频电源的控制调制。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述晶片有一直径，且其中所述第二电极与所述第一电极分隔开，以使所述第一电极和所述第二电极之间的空间具有对所述晶片直径之比为1∶6到1∶60之间。
3.如权利要求2所述的装置，还包括第二调制控制器，它连接到所述第二射频电源，在大约1kHz到大约100kHz之间的频率提供所述第二射频电源的控制调制。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第二电极与所述第一电极分隔开的距离小于8cm。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第二射频是所述第一射频的10倍以上。
6.如权利要求3所述的装置，在所述加工室中还包括至少一个密封环，其中所述至少一个密封环界定等离子体容积。
7.如权利要求3所述的装置，还包括控制器，它可控地连接到所述第一调制控制器和所述第二调制控制器。
8.如权利要求1所述的装置，还包括第二调制控制器，它连接到所述第二射频电源，在大约1kHz到大约100kHz之间的频率提供所述第二射频电源的控制调制。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第二射频是所述第一射频的10倍以上。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述第二电极与所述第一电极分隔开的距离小于8cm。
11.一种用于对晶片上的层进行等离子蚀刻的装置，包括：
电容耦合加工室；
气体源，与所述电容耦合加工室流体连接；
第一电极，在所述加工室中；
第二电极，与所述第一电极分隔开并与之相对，其中所述第二电极与所述第一电极分隔开形成间隙，且其中所述晶片可以安装在所述第一和第二电极之间，且其中晶片直径和间隙大小的尺寸比在6∶1到60∶1之间；
第一射频电源，用于以第一频率提供电源信号，它电连接到所述第一和第二电极中的至少一个；
第二射频电源，用于以第二频率提供电源信号，它电连接到所述第一和第二电极中的至少一个，其中所述第一频率不同于所述第二频率；
第一调制控制器，它连接到所述第一射频电源，在1kHz到100kHz之间的频率提供所述第一射频电源的控制调制；以及
第二调制控制器，它连接到所述第二射频电源，在大约1kHz到大约100kHz之间的频率提供所述第二射频电源的控制调制。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述第二电极与所述第一电极分隔开的距离小于8cm。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述第二射频是所述第一射频的10倍以上。
14.如权利要求11所述的装置，在所述加工室中还包括至少一个密封环，其中所述至少一个密封环界定等离子体容积。
15.如权利要求11所述的装置，还包括控制器，它可控地连接到所述第一调制控制器和所述第二调制控制器。
16.蚀刻晶片上的层的方法，包括：
将所述晶片放在电容耦合加工室中；
将蚀刻气体提供到所述加工室中；
将电容耦合的第一射频信号提供到所述加工室中；
调制所述第一射频信号；
将电容耦合的第二射频信号提供到所述加工室中；以及
调制所述第二射频信号。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述第二射频是所述第一射频的10倍以上。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述第一射频调制在1kHz到100kHz之间的频率调制所述第一射频，且其中所述第二射频调制在1kHz到100kHz之间的频率调制所述第二射频。
19.一种半导体器件，用如权利要求16所述的方法形成。
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