TW201248713A - Pulse-plasma etching method and pulse-plasma etching apparatus - Google Patents

Description

201248713 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電漿蝕刻方法及裝置，具體而言， 本發明係關於一種脈衝式電漿蝕刻方法及裝置，應用於產 生較少溝壁内凹之溝槽結構。 【先前技術】 如圖1至圖3顯示為一種習知的半導體裝置之蝕刻方法 。如圖1所示，一硬式碳化光罩20係形成於一基板1〇上。且 該基板10包含一電子元件層11、一半導體層12、以及一低 介電常數層13。該硬式碳化光罩20包含一圖案201，以暴露 部分的基板10。 如圖2所示’以硬式碳化光罩20所覆蓋之基板1〇係安置 電漿蝕刻裝置100内。該電漿蝕刻裝置10〇包含一容置腔u〇 、一上電極板120、一下電極板130、一氣體供應源丨4〇、一 氣體排出單元150、一第一射頻電源供應器16〇、一第一射 頻電源供應控制器161、一直流電源供應器17〇、一直流電 源供應控制器171、一射頻偏壓電源供應器18〇、一射頻偏 壓電源供應控制器181、一第二射頻電源供應器19〇以及一 第二射頻電源供應控制器191。 容置腔110包含一上壁111及一下壁112,該上壁U1& 該下壁112兩者定義了一處理室113。該上電極板12〇設置於 s亥上壁111上。該下電極板130設置於該下壁IQ上，且一夾 盤114可供固持該基板1〇。氣體供應源14〇連接至該處理室 113以供導引一處理氣體進入該處理室113内。通常該氣體 201248713 供應源140包含一蝕刻氣體供應源141、一沉積氣體供應源. 142以及一氣體控制器丨43 ^該触刻氣體供應源141供應蚀刻 氣體如氮氣/氫氣或氮氣/氨氣至處理室113内，且沉積氣體 供應源142則經由該氣體控制器143供應一沉積氣體至該處 理至113内。該氣體排出單元15〇則用於自處理室113中排除 氣體’因而控制該處理室1丨3的氣壓。 該第一射頻電源供應器160係由該第一射頻電源供應 控制器161所控制，而該第一射頻電源供應器16〇電連接於 該上電極板120 ’以供在電漿蝕刻過程中，連續地供應一頂 部超高射頻電源至該上電極板12〇。該直流電源供應器17〇 則由直流電源供應控制器1 7 i所控制，該直流電源供應器 170係電連接於該上電極板12〇，以供在電漿蝕刻過程中， 連續地供應一直流電源至該上電極板12〇。 該射頻偏壓電源供應器1 80係由射頻偏壓電源供應控 制器181所調控’且該射頻偏壓電源供應器ι8〇電連接於該 下電極板130,以供連續地供應一射頻偏壓電源至該下電極 板130，進而於處理室ι13内產生一電漿而蝕刻該基板1〇。 該第二射頻電源供應器190則由該第二射頻電源供應控制 器191所控制’且該第二射頻電源供應器ι9〇係電連接於該 下電極板130’以供連續地供應一底部超高射頻電源至該下 電極板13 0。 參照圖3所示’於蝕刻過程中，溫度若超過2(Γ(：時，該 基板10的該低介電常數層13被蝕刻後而形成兩側壁内凹的 溝槽19、19a結構。該溝槽丨9結構部分地暴露該電子元件層 5 201248713 11。而另一溝槽19a結構則形成扭彎的溝槽結構於電子元件 層11上’因此皆被視為不合格的溝槽結構。 溝槽19、19a結構的成型過程描述如後。當蝕刻進行時 ’大部分的陰電子21b係分布於硬式碳化光罩20附近，且大 部分的陽離子21a則轟擊入該溝槽19、19a結構。由於有太 多陽離子21a處於溝槽19、19a結構的底部，因此後續陽離 子的軌道則因而彎曲，此現象則造成溝槽19、19a結構的側 壁内凹或扭彎的結果。此外，蝕刻氣體與沉積氣體不均衡 的濃度也會影響溝槽丨9、19a結構的側壁内凹或扭彎。 為了克服上述問題，直流電源供應器170被用來連續地 供應直流電源至上電極板120，而誘發電子再次發射。再次 發射的電子被預期穿過電漿及遮罩並進入溝槽19、l9a結構 而中和陽離子21a。然而，事實上，再次發射的電子需要非 常高的能量來穿過電漿及遮罩，只有少於6%的電子能夠到 達基板10。是故’當射頻電源供應器16〇、19〇於溫度2(rc 以上運作時’直流電源的供應能不足以改善溝槽19、I%結 構之側壁内凹或扭彎等現象。 【發明内容】 為了解決上述先前技術之難題，本發明揭露一種脈衝 式電漿蝕刻裝置，包含一容置腔、一上電極板、一下電極 板、-氣體供應槽、一第一超高射頻電源供應器' 一射頻 偏壓電源供應器以及一脈衝模組。該容置腔包含一上壁及 一下壁’纟中-處理室則由該上壁及該下壁所界定。該上 電極板設置於該上壁上’此時該下電極板設置於該下壁上 201248713 。該氣體供應槽連接該處理室’並導引一夷理氣體進入該 處理室内。該第一超高射頻電源供應器電連接於該上電極 板。該射頻偏壓電源供應器則電連接於該下電極板。該脈 衝模組係電連接至該射頻偏壓電源供應器並可控制射頻偏 壓電源供應器，而脈衝模組電性連接至該射頻偏壓電源供 應器並可控制該射頻偏壓電源供應器，而不連續地供應一 超高頻電壓介於該上電極板及該下電極板之間。 本發明亦揭露一種脈衝式電漿银刻方法，包含下列步 驟：形成一光罩於一基板上，其中該光罩具有一圖案；安 置具有該光罩之該基板於一電漿蝕刻裝置内，其中該電漿 蝕刻裝置包含一容置腔，該容置腔具有一上壁及一下壁， 一上電極板設置於該上壁上，且一下電極板設置於該下壁 上並固持該基板；導引一處理氣體進入一處理室，該處理 室係由該上壁及該下壁所定義；供應一頂部超高射頻電源 及一直流電源至該上電極板；以及供應一超高頻電壓至該 下電極板而不連續地蝕刻該基板。 上文已相當廣泛地概述本發明之技術特徵及優點，俾 使下文之本發明詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本發明 之申請專利範圍㈣之其它技術特徵及優點將描述於下文 。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可相當 容易地利用下文揭示之概念與特定實施例可作為修改或： 計其它結構或製程而實現與本發明相同之目的。本發明^ 屬技術領域中具有通常知識者亦應瞭解，這類等效建構無 法脫離後附之巾請專利範圍所界定之本㈣的精神和範圍 201248713 【實施方式】 在下文中本發明的實施例係配合所附圖式以闡述細節 。此外’相似的元件符號則對應相同或相對應的元件部分 0 圖4顯示本發明一實施例的一脈衝式電漿蝕刻裝置2〇〇 。此脈衝式電漿蝕刻裝置200包含一容置腔21〇、上電極板 220、下電極板230、一氣體供應槽240、一排氣單元25〇、 一第一超尚射頻電源供應器260、一第一超高射頻電源供應 控制器261、一直流電源供應器270、一直流電源供應控制 器271、一射頻偏壓電源供應器280、一射頻偏壓電源供應 控制器281、一第二超高電源供應器29〇、一第二超高射頻 電源供應控制器29 1以及一脈衝模組3〇〇。 該容置腔210包含一上壁211以及一下壁212。一處理室 213係形成介於該上壁211及該下壁212之間。換言之，該上 壁211及該下壁212共同定義該處理室213。在一實施例中， 容置腔210係電性接地以防止裝置損壞。該上電極板220係 §史置於該處理至213的上壁211上。該下電極板230則設置於 該處理室213的下壁212上。如圖4所示之實施例中，該下電 極板230進一步包含一夾盤214’該夾盤214可供固持一基板 70 ° 該氣體供應槽240連接於該處理室213中，以供導引一 處理氣體進入該處理室213内。在此實施例中，該氣體供應 槽240進一步包含一蝕刻氣體供應槽241、一沉積氣體供應 201248713 槽242以及一氣體控制器243 »該蝕刻氣體供應槽241供應— 蝕刻氣體如氮氣/氫氣、氣氣、三氯化硼氣體或溴化氫氣體 進入處理室213内。該沉積氣體供應槽242經由氣體控制器 243供應一沉積氣體如三氟甲烷氣體或四氟化碳氣體至處 理室213内《該處理氣體包含該蝕刻氣體及該沉積氣體。該 排氣單元250係用於自該處理室213内移除反應中或反應後 的氣體，而使該處理室213的壓力受到控制。 該第一超高射頻電源供應器260係由該第一超高射頻 電源供應控制器261所控制，且該第一超高射頻電源供應器 260電連接於該上電極板220，而在電漿蝕刻過程中，連續 地供應一頂部超高射頻電源至該上電極板220。換言之，該 第一超高射頻電源供應器260連續地供應一頂部超高射頻 電壓至該上電極板220。此外，該直流電源供應器27〇係由 該直流電源供應控制器271所控制，且該直流電源供應器 270係電連接於該上電極板22〇，而在電漿蝕刻過程中，連 續地供應一直流電源至該上電極板220中。 該射頻偏壓供應器280係受到該射頻偏壓供應控制器 281所控制，且該射頻偏壓供應器28〇電連接至該下電極板 230，以供應一射頻偏壓電源至一下電極板23〇，進而於處 理室213内產生一電漿以供蝕刻該基板7〇。該第二超高射頻 電源供應器290係由第二超高射頻電源供應控制器29丨所控 制，且該第二超高射頻電源供應器29〇電連接於該下電極板 23〇以供應一底部超高射頻電源至該下電極板230 ^該底部 超高射頻電源，亦為一種超高射頻電壓，係可連續地供應 201248713 至下電極板230或與射頻偏壓電源同步地一起供應至該下 電極板2 3 0。 如圖4之實施例所示’脈衝模組3〇〇電性連接至射頻偏 壓電源供應控制器281，在電浆韻刻過程中，一超高頻率電 壓被不連續地供應至該上電極板220及該下電極板230之間 。換言之’脈衝模組300控制射頻偏壓電源供應器28〇而不 連續地供應射頻偏壓電源’例如一超高頻電壓介於該上電 極板220與該下電極板230之間。是故，射頻偏壓電源為一 種超高頻電壓，且於非常短暫的時間内交替地換接於開啟 狀態及關閉狀態之間。該射頻偏壓電源在該開啟狀態時被 供應，而在關閉狀態時，該射頻偏壓電源則被關閉。因為 如圖5所示的放電開啟狀態及放電關閉狀態重複地並交替 地循環，因此當處於放電關閉狀態時，一種帶電荷粒子如 陽離子的能量將會下降，是故後續的陽離子的轟擊軌道將 不會因陽離子互相排斥而彎曲。因此，溝槽的側壁凹陷或 扭彎的現象可經上述方式改善。 如圖4之實施例所示，開啟狀態的時間間隔為1至1〇〇 微秒，而關閉狀態的時間間隔則為！至1〇〇微秒。較佳而言 ，開啟狀態的時間間隔係但不限於與關閉狀態的日寺間間隔 相等。圖6顯示脈衝式電漿蝕刻裝置2〇〇的脈衝調變之具體 實施例。該超高頻電壓係換接於開啟狀態與關閉狀態之間 交替而產生一工作週期比率。工作週期比率代表放電時間/ 放電時間(施加電壓開啟)加上中止時間(施加電壓關閉)。如 圖6所示之實施例中，脈衝放電狀態為脈衝頻率1赫茲、工 201248713 作週期比率為75% ’放電時間及中止時間各別為G.75微秒及 00.25微秒且一直重複。 再者，在其他實施例（圖未示）中，脈衝模組300電連接 至該第二超高射頻電源供應器290,使該底部超高射頻電源 於電毅钮刻過程中’被不連續地供應至該下電極板230。而 底部超高射頻電源亦與射頻偏壓電源同步地供應至該下電 極板230。 復參照圖4，脈衝式電漿蝕刻裝置200進一步包含一額 外氣體供應槽244，該額外氣體供應槽244經由該氣體控制 器243連接至該處理室213。當射頻偏壓電源轉換至關閉狀 態時，處理氣體立即經由排氣單元25〇而移出該處理室213 。一額外氣體則自該額外氣體供應槽244導引至該處理室 該額外氣體可提供額外的電子而可當成與陽離子中和 的淨化氣體，而於處理室213内中和處理氣體的陽離子。該 額外氣體係選自氬、氦、氙、氮、氫及上述氣體的混合。 因此該排氣單元250另包含一供排除該處理氣體之高效聚 浦系統（圖未示）。 如圖7所示之一基板70。該基板70包含一電子元件層71 、一半導體層72以及一低介電常數層73 ^ —硬式碳化光罩 40塗敷於該基板70上。該硬式碳化光罩40包含一圖案4〇1 以暴露部分的該基板70。當夾盤214固持該基板70時，該基 板70在溫度20°C以上，於該處理室213中進行電襞餘刻。在 圖8之實施例中，當射頻偏壓電源換接至關閉狀態時，大量 的電子將穿過電漿並到達至該溝槽49、49a的底部，以供在 201248713 關閉狀態的時間間隔中，中和該些陽離子。因而避免該溝 槽49、49a結構形成側壁内凹或扭彎等現象。 參照圖8所示，在蝕刻過程中，該基板7〇之低介電常數 層73被蚀刻而形成兩溝槽49、49a結構。上述脈衝式電漿蝕 刻方法及裝置可供在一半導體基板7〇上形成高深寬比 (aspect ratio)的溝槽結構；然而上述方法及裝置亦可用來形 成其他具有尚深寬比的結構，例如於基板7〇内形成複數個 同冰寬比的孔洞（圖未示）〇 综上所述，如圖9所示，本發明提供一種脈衝式電漿蝕 刻方法，包含下列步驟：在步驟9〇1中，形成一光罩於一基 板上，其中該光罩具有一圖案，而後執行步驟9〇2。在步驟 902中，具有該光罩的基板被安置於一電漿蝕刻裝置内，其 中該電漿蝕刻裝置包含一容置腔、一上電極板以及一下電 極板該谷置腔具有一上壁及一下壁，該上電極板設置於 該上壁上，且該下電極板設置於該下壁上，並固持該基板 ，而後執行步驟903。在步驟903中，處理氣體被導引進入 處理至，該處理室係由該上壁及該下壁所界定，而後執 行步驟904。在步驟904中’-底部超高射頻電源及一直流 電源係供應至該上電極板，而後執行步驟。在步驟叩$ 中，一底部超高射頻電源係供應至該下電極板，而後步驟 906被執行。在步驟9〇6中，—超高頻電壓係供應至該下電 極板而不連續地敍刻該基板。因此，該溝槽結構的側壁内 凹，扭灣的現象則可被避免。在其他實施例中’步驟906 、’、略而同時可達成減少侧向钮刻、溝壁内凹及反應 12 201248713 性離子蝕刻延遲等現象。此外上述方法的實施例中，各步 驟之間的順序不必然依照步驟的號碼，亦可根據不同的實 施目的調換實施順序。 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而本發 明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，在不背離後附 申請專利範圍所界定之本發明精神和範圍内，本發明之教 示及揭示可作種種之替換及修飾。例如，上文揭示之許多 裝置或結構或方法步驟可以不同之方法實施或以其它結構 予以取代，或者採用上述二種方式之組合。 此外，本案之權利範圍並不侷限於上文揭示之特定實 施例的製程、機台、製造、物質之成份、裝置、方法或步 驟。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解， 本發明教示及揭示製程、機台、製造、物f之成份、裝置 方法或步驟’無論現在已存在或日後開發者，其與本案 實施例揭示者係以實質相同的方式執行實質相同的i能Ϊ 而達到實質相同的結果，亦可使用於本發明。因此，以下 之申請專利範圍係用以涵蓋用以此類製程、機台、製造、 物質之成份、裝置、方法或步驟。 【圖式簡單說明】 圖1至圖3顯示一 堆疊電容；以及 習知的钕刻方法的各步驟以供形成一 圖4至圖9顯示本發明之— 置及方法，其可用來改善溝槽 實施例的該脈衝電漿蝕刻装 結構的側壁内凹或扭彎現象 13 201248713 【主要元件符號說明】 10 基板 100 電漿蝕刻裝置 11 電子元件層 110 容置腔 111 上壁 112 下壁 113 處理室 114 夾盤 12 半導體層 120 上電極板 13 低介電常數層 130 下電極板 140 氣體供應源 141 蝕刻氣體供應源 142 沉積氣體供應源 143 氣體控制器 150 氣體排出單元 160 第一射頻電源供應器 161 第一射頻電源供應控制器 170 直流電源供應器 171 直流電源供應控制器 180 射頻偏壓電源供應器 181 射頻偏壓電源供應控制器 19 溝槽 14 201248713 19a 溝槽 190 第二射頻電源供應器 191 第二射頻電源供應控制器 20 硬式碳化光罩 200 脈衝式電漿蝕刻裝置 201 圖案 21a 陽離子 21b 陰電子 210 容置腔 211 上壁 212 下壁 213 處理室 214 夾盤 220 上電極板 230 下電極板 240 氣體供應槽 241 蝕刻氣體供應槽 242 沉積氣體供應槽 243 氣體控制器 244 額外氣體供應槽 250 排氣單元 260 第一超高射頻電源供應器 261 第一超高射頻電源供應控制器 270 直流電源供應器 271 直流電源供應控制器 15 201248713 280 射頻偏壓電源供應器 281 射頻偏壓電源供應控制器 290 第二超高電源供應器 291 第二超南射頻電源供應控制Is 300 脈衝模組 40 硬式碳化光罩 401 圖案 49 溝槽 49a 溝槽 70 基板 71 電子元件層 72 半導體層 73 低介電常數層 16

Claims (1)

1. 201248713 七 、申請專利範圍： —種脈衝式電漿蝕刻裝置，包含： 一容置腔，包含一上壁及一下辟 ^^ 及了壁，其中—處理室係由 該上壁及該下壁所界定； —上電極板，設置於該上壁上； 一下電極板’設置於該下壁上； -氣體供應槽，連接至該處理室並導引—處理氣體進 入該處理室； 一第一超高射頻電源供應 一射頻偏壓電源供應器， 器’電性連接至該上電極板； 電性連接至該下電極板；以 脈衝模組，電性連接至該射頻偏壓電源供應器並控 制該射頻偏麼電源供應器以不連續的方式供應一超高頻 電壓’I於該上電極板及該下電極板之間+。 2·如申請專利範圍第!項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該氣體供應槽包含一蝕刻氣體槽以及一沉積氣體槽，且該 處理氣體包含一蝕刻氣體及一沉積氣體。 3.如申請專利範圍第丨項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，進一 步包含一第二超高射頻電源供應器，電性連接至該下電極 板，以供應一底部超高射頻電源至該下電極板，其中該底 部超高射頻電源係與一射頻偏壓電源同步供應。 4·如申請專利範圍第1項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該超高頻電壓係交替地換接於開啟即關閉狀態之間，該超 高頻電壓係於該開啟狀態時所供應，且該超高頻電壓係於 該關閉狀態蝕所t止而產生一工作週期比率。 17 201248713 5.如申請專利範圍第4項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該開啟狀態的時間間隔為1至1〇〇微秒之間，且該關閉狀態 的時間間隔為1至1 〇〇微秒之間。 6_如申請專利範圍第4項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，進一 步包含一排氣單元及一額外氣體供應槽，該額外氣體供應 槽連接至該處理室，其中該處理氣體係經由該排氣單元而 排出該處理室外，且當該超高頻電壓關閉時，一額外氣體 則藉由該額外氣體供應槽導引入該處理室中。 7·如申請專利範圍第6項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置其中 該額外氣體係選自氬、氦、氙、氮、氫及上述氣體的混合。 8. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該下電極板包含一夾盤，以供固持一基板。 9. 如申請專利範圍第丨項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該第一超高射頻電源供應器，於一電漿蝕刻過程中，連續 地供應一頂部超高射頻電源至該上電極板。 10. 如申請專利範圍第〗項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，進一 步包含一直流電源供應器，電性連接至該上電極板，於一 電漿蝕刻過程中，連續地供應一直流電源至該上電極板。 11. 如申凊專利範圍第8項所述之脈衝式電漿蝕刻裝置，其中 該基板包含-低介電常數（low_K)層，該基板的敍刻溫度 大於20°c。 12. —種脈衝式電漿蝕刻方法，包含下列步驟： 形成一光罩於一基板上，其中該光罩具有一圖案； 安置具有該光罩之該基板於一電漿蝕刻裝置内，其中 該電漿蝕刻裝置包含一容置腔，該容置腔具有一上壁及 18 201248713 一下壁’—上電極板設置於該上壁上，且一下電極板設 置於該下壁上並固持該基板； 導引一處理氣體進入一處理室，該處理室係由該上壁 及該下壁所定義； 供應一頂部超高射頻電源及一直流電源至該上電極 板；以及 供應一超高頻電壓至該下電極板而不連續地蝕刻該 基板。 13 ·如申請專利範圍第12項所述之脈衝式電漿钱刻方法，其争 該基板包含一低介電常數（low_K)層，該光罩塗敷於該低 介電常數層上，且該基板的蝕刻溫度大於2〇〇c。 14. 如申請專利範圍第12項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 該光罩為硬式碳化光罩（carbon hard mask)。 15. 如申請專利範圍第丨2項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 該處理氣體包含蝕刻氣體及一沉積氣體。 16·如申請專利範圍第丨2項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，進一 步包含供應一底部超高射頻電源至該下電極板之步驟。 17. 如申請專利範圍第12項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 該超高頻電壓係交替地換接於開啟即關閉狀態之間，該超 商頻電壓係於該開啟狀態時所供應’且該超高頻電壓係於 該關閉狀態蝕所中止而產生一工作週期比率。 18. 如申請專利範圍第17項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 該開啟狀態的時間間隔為1至1 〇〇微秒之間，且該關閉狀態 的時間間隔為1至1 〇〇微秒之間。 19. 如申請專利範圍第12項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 201248713 該處理氣體係排出該處理室外，且當該超高頻電壓關閉 時，一額外氣體則導引入該處理室中。 20.如申請專利範圍第19項所述之脈衝式電漿蝕刻方法，其中 該額外氣體係選自氬、氦、氙、氮、氫及上述氣體的混合。