TW201511066A - 半導體製造用之內部電漿格柵 - Google Patents

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Abstract

本文中的實施例係關於蝕刻半導體基板的設備與方法。一電漿格柵係設於一反應室中以將該反應室分隔為上子室與下子室。該電漿格柵可具有特定高寬比的複數槽口，此些槽口讓某些物種自該上子室通過槽口並到達該上子室。在某些情況中，在該上子室中生成電子-離子電漿。通過格柵而到達該下子室的電子在通過格柵時會變冷。在某些情況中，這會導致下子室中的離子-離子電漿。相較於上部電漿，下部電漿具有較低的電子密度、較低的有效電子溫度及較高的負離子對正離子比值。本文中的實施例可導致具有良好中央至邊緣均勻度、選擇比、輪廓角度及孤立/密集負載的蝕刻處理。

Description

半導體製造用之內部電漿格柵
本申請案主張下列者為優先權母案並將其所有內容包含於此作為任何用途之參考：2013年11月15日申請且案名為「INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION」的美國專利申請案US 14/082,009，其主張2013年4月5日申請且案名為「INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION」的美國專利臨時申請案US 61/809,246為優先權母案。
在半導體製造中常用到的一操作為蝕刻操作。在蝕刻操作中會自尚未製造完成之積體電路部分移除或全部移除一或多種材料。電漿蝕刻常被使用，尤其是在涉及小尺寸、高高寬比的幾何圖案中或者是需要轉移精確圖案時。
一般而言，電漿包含電子、正與負離子及某些原子團。原子團、正離子與負離子會與基板產生作用而蝕刻基板上的特徵部、表面及材料。在利用感應耦合電漿源進行的蝕刻中，腔室線圈的功能係類似於變壓器中之主要線圈的功能，電漿之功能係類似於變壓器中之次要線圈的功能。
隨著電晶體從平面結構進化至3D結構(如邏輯裝置用之FinFET閘極)，電漿蝕刻處理需要變得更精確及更均勻以製造高品質的產品。尤其，電漿蝕刻處理應具有良好的選擇比、輪廓角度、孤立/密集圖案的負載效應及整體的均勻度。
對於蝕刻處理而言，在欲蝕刻之材料與欲保留之材料間具有良好選擇比是有利的。在FinFET閘極結構的情況下，這意指，受到蝕刻之閘極與其他裸露部件如氮化矽遮罩之間應有良好的選擇比。輪廓角度係量測最近受到蝕刻(約略垂直)之側壁與水平表面之間的角度。在許多的應用中，理想的輪廓角度為90度，產生一個垂直蝕刻的段差或開口。有時，晶圓上的局部特徵部密度會影響蝕刻處理。例如，特徵部密集的晶圓區域的蝕刻行為可能會與特徵部較孤立之晶圓區域的蝕刻行為稍有不同(例如，蝕刻得較快、較慢、較等向性、較非等向性等)。因特徵部密度之變異所產生的差異被稱為孤立/密集負載(I/D負載)。在製造期間最小化此些差異是有利的。除了滿足此些及潛在的其他裝置特定需求之外，蝕刻處理通常需要在基板的整個表面上恆定地執行(例如，自半導體晶圓的中央至邊緣，蝕刻條件及結果應該要均勻)。
發現當蝕刻先進的結構如FinFET閘極時，難以達到許多目標如前述的目標。
本文中揭露在半導體裝置製造期間用以蝕刻半導體基板及其上之膜層的各種方法及設備。在本文之實施例的一態樣中，提供一種用以蝕刻基板上之特徵部的設備。此設備可包含：一電漿室，定義一內部，電漿係於此內部中提供；一基板支撐件，用以在蝕刻期間支撐該電漿室中的一基板；一電漿產生器，用以在該電漿室內產生電漿；及一格柵，將該電漿室的該內部分隔為靠近該電漿產生器的上子室及靠近該基板支撐件的下子室，其中該上子室的高度係至少約為該下子室之高度的1/6，其中該格柵包含實質上徑向地向外延伸的複數槽口，在該電漿生成於該電漿室內時此些槽口能實質上避免感應電流形成於該格柵中。
該設備亦可包含一控制器，此控制器被設計成或用來於該電漿室中在特定條件下產生該電漿，在此條件下會於該上子室中產生上部電漿並於該下子室中產生下部電漿，其中該下部電漿中的有效電子溫度約為1 eV或更低且低於該上部電漿中的有效電子溫度，且該下部電漿的電子密度約為5x109 cm-3 或更少且少於該上部電漿中的電子密度。該控制器更被設計成或用來將偏壓施加至該格柵及/或該基板支撐件。該控制器更被設計成或用以將一蝕刻氣體輸送至該電漿室。在某些情況中，該控制器更被設計成或用以在該電漿蝕刻該基板時於該電漿室中提供少於約2000 mTorr的壓力。然而在某些情況中，該控制器被設計成或用以在蝕刻期間於該電漿室中提供少於約200 mTorr的壓力。在其他情況中，該控制器被設計成或用以在蝕刻期間將該反應室中的壓力維持在介於約1 mTorr至20 mTorr或介於約5 mTorr至20 mTorr之間。該控制器更被設計成或用來在該下子室中產生離子-離子電漿。
在某些實施例中，該格柵具有介於約1 mm至50 mm或5 mm至20 mm之間的平均厚度。該格柵之該些槽口具有介於約0.3至5之間的高寬比。在某些實施例中，該些槽口的高寬比係介於約0.5至2或介於約1至4之間。該些槽口通常以徑向地向外延伸的方式排列。相鄰方位角的該些槽口之間通常以至少約15°的角度分隔。在此些或其他情況中，相鄰方位角的該些槽口之間通常以不大於約60°的角度例如不大於約50°的角度分隔。
在某些實施例中的該電漿產生器包含設於該電漿室之一頂板上方的一線圈。在某些實施例中，該基板支撐件為一靜電夾頭。在該設備中可包含各種其他的元件。例如，該設備可包含一處理氣體入口。又，該設備可包含一真空連接件。
在本發明實施例的另一態樣中，提供一種處理半導體基板用的系統。該系統可包含：一真空傳送模組；在該真空傳送模組中的一機器人；複數站點，連接至該真空傳送模組；及具有一處理器的一控制器。其中該複數站點中的至少一者包含：一電漿室，定義一內部，電漿係於此內部中提供；一基板支撐件，用以在蝕刻期間支撐該電漿室中的一基板；一電漿產生器，用以在該電漿室內產生電漿；及一格柵，將該電漿室的該內部分隔為靠近該電漿產生器的上子室及靠近該基板支撐件的下子室，其中該上子室的高度係至少約為該下子室之高度的1/6，且該格柵包含實質上徑向地向外延伸的複數槽口，在該電漿生成於該電漿室內時此些槽口能實質上避免感應電流形成於該格柵中。
在各種實施例中，該真空傳送模組中的複數刻面為該真空傳送模組與該複數站點的界面。在每一刻面中可有複數感應器。
在本文實施例的更另一態樣中，提供一種與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，此格柵包含：一板，具有一直徑，此直徑係實質上等於半導體裝置製造用之一標準半導體基板的直徑；及複數槽口，在該板中實質上徑向地向外延伸以在該板曝露至電漿時實質上避免感應電流生成於該板中；其中該槽口具有介於約0.3至5的高寬比。
當該格柵被置於該半導體蝕刻設備之一處理室中藉此將該處理室分隔為一上子室與一下子室且被曝露至該上子室中所產生的電漿時，其操作以維持該下子室中的下電子密度，該上子室中的上電子密度至少為該下子室中的該下電子密度的10倍。在某些實施例中，該格柵操作以維持該下電子密度，使該上電子密度至少為該下電子密度的約100倍。在許多的情況中，該標準半導體基板具有約200 mm、300 mm或約450 mm的直徑。方位角相鄰的槽口間係以至少約10°的角度分隔。方位角相鄰的槽口間係以不大於約60度的角度分隔。在某些實施例中，該格柵係由金屬製成。在其他情況中，該格柵係由絕緣材料所製成。在某些情況中，該格柵可同時包含金屬及絕緣材料。
在本文實施例的另一態樣中，提供一種蝕刻基板上之特徵部的方法，此方法包含：將該基板提供至一電漿室中的一基板支撐件，此電漿室包含一電漿產生器及一格柵，該格柵將該電漿室分隔為靠近該電漿產生器的一上子室與靠近該基板支撐件的一下子室，其中該上子室的高度至少約為該下子室之高度的1/6；在該電漿室中在特定條件下產生該電漿，在此條件下會於該上子室中產生上部電漿並於該下子室中產生下部電漿；及藉由該下部電漿與該基板的相互作用而蝕刻該基板中的該蝕刻部，其中該下部電漿中的有效電子溫度約為1 eV或更低且低於該上部電漿中的有效電子溫度，其中該下部電漿的電子密度約為5x109 cm-3 或更少且少於該上部電漿中的電子密度。
在某些情況中，當生成該電漿時實質上無電流生成於該格柵中。該方法更可包含施加偏壓至該格柵及/或施加偏壓至該基板支撐件。在某些實施例中，該方法亦可包含將一蝕刻氣體提供至該電漿室。該蝕刻可於低於約2000 mTorr的電漿室壓力下進行。在某些情況中，該蝕刻可在介於約1 mTorr至約200 mTorr或介於約1 mTorr至約20 mTorr或介於約5 mTorr至約20 mTorr之間的電漿室壓力下進行。該下部電漿可為文中所述的離子-離子電漿。
下面將參考相關圖示說明此些及其他特徵。
在本申請案中，可交換地使用下列詞彙：「半導體晶圓」、「晶圓」、「基板」、「晶圓基板」及「尚未製造完成之積體電路」。熟知此領域之技術者當能瞭解，「尚未製造完成之積體電路」係指在積體電路製造之各種階段的任一階段期間半導體晶圓上的裝置。下列詳細敘述假設，本發明係於晶圓上實施。例示性的工作件(有時被稱為標準的半導體基板)包含直徑為200、300及450 mm的半導體基板。然而，本發明不限於此。工作件可具有各種形狀、尺寸及材料。
在下面的敘述中，舉出許多特定細節以提供對本發明之實施例的全面瞭解。然而所揭露的實施例可在缺乏此些特定實施例之部分或全部的情況下施行。在其他的情況中，不詳細說明習知的處理操作以免不必要地模糊本發明之實施例。雖然利用特定的實施例來說明本發明之實施例，但應瞭解，本發明並不限於此些實施例。
本文揭露一種用以在半導體裝置之製造期間蝕刻半導體基板及形成於其上之膜層的設備。此設備係由一腔室所定義，蝕刻係於此腔室中進行。在某些實施例中，此腔室包含平面窗、大致上平面的激發線圈及用以在蝕刻期間支撐半導體基板的平臺或夾頭。當然，本發明並不限於任何特定類型的電漿源。除了平面激發線圈之外，可使用圓頂及平板電漿源。電漿源包含感應耦合式電漿源、電容耦合式電漿源及其他熟知此項技藝者已知的電漿源。本文中的實施例使用置於腔室內將腔室分隔為兩個子腔室的格柵。在操作期間，每一子腔室包含具有不同特性的電漿。電漿係主要或只產生於上子室中且包含能以不受影響之方式通過格柵或格柵組件而進入下子室的特定物種。格柵具有貫穿格柵厚度的槽口。在某些實施例中，此些槽口約略/實質上徑向地向外延伸。此處所用之「實質上徑向地向外延伸」一詞係指，在此所討論的特徵物件具有至少某些沿著徑向的部分。換言之，只要特徵物件的某些部分大致上以中央到邊緣的方向延伸，特徵物件毋需整體皆沿著徑向。又，「中央到邊緣的方向」被定義為包含，在真正中央至邊緣方向附近之一個範圍內的角度(例如，在真正中央至邊緣方向之約20°內)。
格柵可包含貫穿格柵厚度的複數徑向槽口。格柵及槽口被設計成只讓少部分的高能電子可通過格柵，因為圍繞格柵的電漿鞘層故能有效地避免低能電子通過。較高能量的電子在通過格柵並進入下子室時通常會變成較低能量的「較冷」電子。雖然高能電子可能具有充分的能量去通過格柵，但其大部分係以一角度接近格柵而與格柵碰撞並損失能量。確能通過格柵的高能電子共同並不具有足夠的能量來維持格柵下方的電漿，因為其現在已與激發源隔離。熱電子在下室中變冷的機制包含：與格柵碰撞、在格柵下方與中性物種碰撞及在格柵下方的電子的激發源受到移除。是以，格柵具有在下子室中產生具有低電子密度(ne )及低平均有效電子溫度(Te )之電漿的功能。在格柵上方，電漿通常為傳統的電子-離子電漿，其中有極大部分的帶負電物種為電子。在格柵下方，電漿包含遠遠較高百分比的負離子且事實上可能是離子-離子電漿。下面將說明離子-離子電漿的特定特性。一般而言，相較於電子-離子電漿，離子-離子電漿包含明顯較高比例的帶負電物種(離子而非電子)。格柵在反應室中的位置
格柵係位於電漿室之內，藉此將電漿室分隔為上子室與下子室。適合改造以包含如本文中所述之格柵之腔室的實例為來自加州費利蒙之科林研發(Lam Research Corporation)的Kiyo反應器。對於背景的介紹，可考慮參考圖1的下列敘述，圖1在後面會有更進一步的說明。在某些實施例中，格柵係置於反應室之內底上方約1-6吋之間處，或者置於基板支撐件如平臺上方約1-6吋 (例如約1.5-3吋)處。在此些或其他實施例中，格柵可被置於處理室之內頂板下方約1-6吋 (例如約1.5-3吋)處。頂板通常配有一介電窗。
在某些實施例中，上子室與下子室的高度係實質上相同(例如差異介於約5%內)，但在其他實施例中此些高度可更明顯地不同。上腔室之高度與下腔室之高度的比例(hu /hl )亦被稱為子室高度比，其可介於約0.1-10之間或介於約0.2-5之間。在某些實施例中，子室高度比係大於約1/6。
格柵不應被放置得太靠近晶圓，因為這會造成格柵的圖案產生在晶圓的表面。換言之，在處理後，格柵中之槽口的圖案可能會非所欲地出現在晶圓的表面上，在基板表面上造成嚴重的蝕刻不均勻性。對於許多的應用而言，自基板上部至格柵的分離距離至少約1吋便足夠。格柵設計
格柵為具有槽口的相對薄片。額外地，在某些實施例中，格柵可包含孔洞或其他形狀的孔口。是以，格柵包含孔洞與槽口的組合。格柵結構的非限制性實例係顯示於圖2A-2B。格柵中所包含的材料可以是絕緣體、導體或其組合。在某些實施例中，格柵包含一或多種材料，此一或多種材料包含但不限於為金屬、金屬合金如不銹鋼、鋁、鈦、陶瓷、矽、碳化矽、氮化矽及其組合。材料可以或可不要經過陽極化或類似的鈍化處理以抗腐蝕。在某些情況中，格柵可包含絕緣材料如陶瓷、玻璃、能耐受苛刻電漿環境的強健聚合物、或任何此些材料的複合物。在一實施例中，格柵係由具有陶瓷塗層的金屬材料所製成。亦可使用其他塗層。當受到蝕刻的膜層為揮發性時，使用經塗佈的格柵尤其有利。在某些實施例中，格柵可以純塗料來加以塗佈，純塗料包含但不限於例如Y2 O3 、YF3 、YAG、氮化鈦或CeO2 的塗料。又，格柵可接地、浮接或受到偏壓。在某些實施例中，接地的格柵對於陰極而言具有強化偏壓電流返回的作用。
當格柵係接地時，格柵一般橫跨腔室的整個水平橫剖面。當格柵係受到偏壓時，可在格柵與最近的接地表面之間維持約5 cm或更大的距離。當腔室為圓形時(自上視)，格柵也會是圓形。這讓格柵能有效地將處理室分隔為兩個子室。在特定的設計中，格柵的圓形形狀係由基板的幾何形狀所定義，基板通常為圓形晶圓。如習知的，晶圓通常有各種尺寸如200 mm、300 mm、450 mm等。取決於腔室內進行的蝕刻操作，對於方形基板或較小的基板，可使用其他形狀。是以，格柵的橫剖面可具有各種形狀與尺寸。對於某些實施例而言，平面的格柵橫剖面是適當的。然而在其他的實施例中，碟形、圓頂形、振盪形(例如正弦形、方波形、V形)、傾斜等形狀的格柵橫剖面也是適當的。貫穿此些橫剖面輪廓中的任一者的槽口或孔洞將具有特徵(包含本文他處所提到的高寬比)。
格柵的厚度平均可介於約1-50 mm之間，較佳地介於約5-20 mm之間。若格柵太厚，其無法正確地發揮功能(例如，其可能會阻擋太多的物種而使這些物種無法通過、可能具有太高的質量、佔掉處理室中過多的空間等)。若格柵太薄，其可能無法耐受電漿處理，且可能需要經常被更換。格柵的厚度亦受到格柵中之槽口之期望高寬比的限制，因為如下所述，槽口的高度係由格柵厚度所決定。
在某些實施例中，格柵具有上游電漿與下游電漿間之分隔件的作用，其中下部電漿係存在於下子室中且可以是富有原子團的。在此方式下，配有格柵的電漿室可產生類似於現行遠端電漿設備所能達到之結果的結果，現行遠端電漿設備例如是來自諾發系統的GAMMA□平台設備，諾發系統現在是來自加州費里蒙的科林研發。當為此目的操作時，格柵可相對地厚如約20-50 mm厚。
在某些實施例中，格柵包含槽口，在一典型的實施例中，槽口具有長薄形狀。槽口自格柵的中央徑向地向外延伸。槽口具有一高度、一寬度及一長度(寬度與長度皆明確地標示在圖2A中)。槽口高度係沿著垂直於格柵面的軸量測，此高度大致上等於格柵的厚度。在槽口的整個徑向範圍內，槽口寬度可以是變化的或固定的。在某些情況下，槽口可以是派狀的(即愈朝向格柵中央愈薄，愈朝向格柵邊緣愈厚)。在不同的實施例中，槽口的長度自格柵的中央向外延伸(即徑向延伸)。在某些實施例中，槽口寬度係不大於約25 mm。槽口長度可隨著格柵的方向角變化或固定不變。徑向槽口之間的分離角度可繞著格柵變化或固定不變。
若在格柵中無槽口，則在電漿生成時會在格柵中感應電流。此電流會沿著格柵實質上環形地流動或者形成局部的渦流，導致能量消耗增加。然而，槽口的存在避免了此類寄生電流的生成，藉此節省能量並導致更有效的處理。具有形狀如實質上圓形孔洞的開口在避免此類電流生成上較無效果。然而，如前所述，圓形開口可以與槽狀開口並用。
槽口的高寬比被定義為槽口之高度與其寬度(h/w)的比值。一般而言，此高寬比的幾何特徵可在沿著垂直於槽口長度方向(通常為徑向)所取的橫剖面見到。由於槽口寬度可以是變化的，高寬比可類似地為變化的。在某些實施例中，槽口的高寬比係介於約0.3-5之間、或介於約1-4、或介於約0.5-2之間。在許多的實施例中，相較於上子室中，具有此些高寬比的格柵會減少下子室中的電子密度及有效電子溫度。如所述，一般相信，當電子通過槽口時至少部分因為大量的熱電子與格柵碰撞，所以有效電子溫度會降低。又，相較於上子室中，下子室中的有效電子溫度較低，因為下子室中的電子受到格柵的屏蔽故無法受到來自電漿線圈(或其他電漿源)的感應式加熱。
當孔洞與槽口一起搭配使用時，孔洞可具有與槽口相同的目的。因此孔洞大致上具有前述列舉的高寬比。在某些實施例中，孔洞具有之直徑的範圍係介於約0.05 吋至約0.2吋之間。其貫穿格柵的完整厚度。
格柵所提供的額外優點為，其可中和來自主要注射器的對流效應。這使得更均勻的氣體流流至晶圓表面上。存在於晶圓及上腔室中之氣體注射器(複數注射器)之間的格柵可大幅地降低自氣體注射器(複數注射器)所輸出之任何氣體的對流衝擊，因為格柵能中斷氣體流並導致在晶圓上方有更擴散性的流動域。
在某些實施例中，格柵包含氣體輸送孔。在此類實施例中，格柵可具有作為上子室及/或下子室之噴淋頭的額外作用。在此些實施例中，在一或多個格柵中可包含一或多個通道。可自入口(或多個入口)將氣體饋送至此些通道，然後將氣體輸送至格柵(複數格柵)的複數出口孔。出口孔可形成氣體分散噴淋頭，將處理氣體輸送至上子室與下子室中的一者或兩者。
在某些實施例中，格柵具有一區域如包含一結構的中央區域，此結構讓探針設備得以貫穿格柵設置。可提供該探針設備以在操作期間探測與電漿處理系統相關之處理參數。探測處理可包含光學發射終點偵測、干涉度量終點偵測、電漿密度量測、離子密度量測及其他探測度量操作。在某些實施例中，格柵的中央區域為開放的。在其他的實施例中，格柵的中央區域包含一光學透明材料(如石英、藍寶石等)以讓光穿過格柵。
在某些實施例中，在格柵中較佳地具有一槽口，對於300 mm的晶圓蝕刻設備而言，靠近格柵的外緣約每15 mm至40 mm處設置一槽口。此對應至方位角相鄰的槽口間係以約18°或約48°的角度分隔。是以，在某些實施例中，方位角相鄰的槽口間係以至少約10°或至少約15°的角度分隔。在此些或其他實施例中，方位角相鄰的槽口間係以不大於約40°、或不大於約50°或不大於約60°的角度分隔。
在不同的實施例中，格柵在電漿形成中並非扮演重要的角色。然而，在將電子-離子電漿限制在上子室中及濾除進入至下子室之物種的兩點上，格柵可扮演舉足輕重的角色。電漿特性
格柵有效地將電漿腔室分成兩部：接近用以產生電漿之線圈(或其他電漿生成機構)的上部及接近基板支撐件的下部。在不同的實施例中，上部中的電漿包含相對「熱」的高能電子。通常，這種電漿被特徵化為電子-離子電漿。在不同的實施例中，下部中的電漿包含相對「冷」的低能電子。通常，這種下部電漿被特徵化為離子-離子電漿。
可主要在上子室或只在上子室中產生電漿。在一實施例中，藉著使電流通過位於上子室上方的線圈而在上子室中產生感應耦合電漿。可使用單一線圈或複數線圈。在其他的實施例中，利用例如VHF CCP源產生電容耦合電漿。在上子室中的電漿和下子室中的電漿因為格柵的存在而會具有極為不同的特性。
在許多的實施例中，上部電漿為傳統的電子-離子電漿。在此類的電漿中，大部分的帶正電物種為正離子而大部分的帶負電物種為電子。雖然負離子存在，但其只有相對低的濃度。相反地，下子室中的電漿通常為離子-離子電漿。相較於電子-離子電漿，離子-離子電漿具有較大比例的帶負電物種為負離子、較少比例的帶負電物種為電子。在某些實施例中，於離子-離子電漿中正離子之濃度對電子之濃度的比值(有時又被稱為正離子與電子的比值ni /ne )約為2或更大，在某些情況中約為5或更大甚至約為10或更大。在某些情況下，下部電漿中之正離子對電子的比值至少是上部電漿中之比值的2倍(例如至少5倍)。
兩種電漿之間的相關差異為，上部電漿具有明顯較高的電子密度。例如，下部電漿中的電子密度可約為5x109 cm-3 或更少(例如約1x109 cm-3 或更少)。此些範圍尤其適用於負電性的處理氣體。上部電漿的電子密度可至少是下部電漿的10倍(例如至少約100倍或至少約1000倍)。在某些情況下，下子室具有離子-離子電漿，在此電漿中電子密度至少比負離子密度及正離子密度少一數量級。在一特定的下子室電漿的實例中，電子密度(Ne)約為108 cm-3 的數量級、正離子密度(Ni+)約為109 cm-3 的數量級、負離子密度(Ni-)約為109 cm-3 的數量級。
上部電漿與下部電漿之間的額外差異為，下部電漿具有較高之負離子對正離子的比值。因為上部的電子-離子電漿通常主要包含正離子與電子但包含相對較少的負離子，故負離子對正離子的比值低。下部電漿中負離子對正離子的比值可介於約0.5-1之間(例如介於約0.8-0.95之間)。
對下部電漿中較低濃度之電子的一非限制性解釋為，在下部中的電子(例如自上部通過格柵到達下部的電子)通常未被RF場加熱，會因為與氣體分子的非彈性碰撞而迅速失去能量，導致低有效電子溫度。此些低能量的電子較容易(相較於上部電漿中的高能電子)與中性物種相互作用而產生負離子。電子必須要具有相對低的電能以附著至中性物種而形成負離子。在高能電子的情況下不會有此負離子的產生，高能電子與中性物種碰撞時可能會「觸發」另一電子而非與中性物種結合而形成負離子。
如所示，上部電漿中的有效電子溫度係高於下部電漿中的有效電子溫度。電子通過格柵中之槽口時可能會變冷。一般而言，下部電漿中的有效電子溫度約為1 eV或更低。在某些情況下，下部電漿中的有效電子溫度可介於約0.1 eV至1 eV(例如介於約0.2e V至0.9 eV)之間。以電子伏特為單位量測時，上部電漿中的有效電子溫度可至少是下部電漿的有效電子溫度的2倍(例如至少約3倍)。在一特定的實施例中，上部電漿具有約2.5 eV的有效電子溫度而下部電漿具有約0.8 eV的有效電子溫度。在不同的實施例中，有效電子溫度的此差異係部分或完全源於格柵的存在。
不限於任何特定理論或機制，可以下列方式解釋格柵的角色。格柵可部分地屏蔽下子室俾使其中的帶電物種不會直接曝露至電漿線圈的能量。額外地，格柵中之槽口的特定高寬比會造成部分的高能電子在通過槽口時與格柵碰撞。此使得兩個電漿部中的電漿有不同的品質。
上部電漿與下部電漿的另一明顯差異為其電漿電位。上室中的電漿電位大致上高於下室中的電漿電位。例如，上室中的電漿電位可介於約8 V至35 V(例如介於約10 V至20 V)，下室電漿中的電漿電位可介於約0.4 V至10 V(例如介於約0.5 V至3 V)。此電漿電位的差異是因為下子室中的電子能量較低因此下室電漿毋需如此地帶正電以避免電子離開。
又，兩種電漿通常具有不同的能量分佈函數(例如離子能量分佈函數及電子能量分佈函數)。電子與離子能量分佈函數在下部電漿中會較窄而在上部電漿中會較寬。藉著使用格柵，可在毋需使用波形產生器進行複雜控制的情況下便達到極窄的離子能量分佈函數。例如，下部電漿的離子能量分佈函數可能具有僅約5 V 的半峰全寬。因此，可自到達基板表面以維持電中性的負離子(取代電子達到此目的)汲取負電流。這提供了一個獨特的蝕刻機制。
下部電漿中的原子團濃度可介於下列範圍：約總中性密度之1%至約總中性密度之70%、或者約總中性密度之10%至約總中性密度之70%、或者約總中性密度之10%至約總中性密度之50%。
在蝕刻操作期間腔室壓力可低於約2000 mTorr如介於約1 mTorr至2000 mTorr (例如介於約2 mTorr至200 mTorr)之間。在一特定的實例中，腔室壓力被維持在或低於約20 mTorr。當下部電漿使用下列條件時此些壓力尤其有用：有效電子溫度約0.5 eV或更低及/或電子密度約5x108 cm-3 或更低。當使用下部離子-離子電漿時此些壓力亦尤其有用。
本發明人相信離子-離子電漿能為半導體處理提供一些好處。例如，在離子-離子電漿中受到蝕刻之尚未製造完成的半導體裝置顯現出極佳的選擇比、輪廓角度、孤立/密集(I/D)負載及橫跨經蝕刻之基板表面的整體均勻度。先前的技術無法達到所有此些優點(即，處理設計者必須要在例如達到良好整體蝕刻均勻度與其他優點之間抉擇)。是以，本文中的實施例代表蝕刻技術的明顯進步。
圖3A-3C說明蝕刻副產物於受到蝕刻之特徵部上的解離效應。一開始，圖3A顯示其上沈積了三膜層的基板。底層303代表閘氧化物、中間層305代表多晶矽、上層307(被顯示為三個獨立的方塊)代表硬遮罩。一般相信，如圖3B中所示，在傳統的蝕刻處理中，存在於腔室中的電漿部分作用而解離蝕刻副產物310。機制可包含離子輔助之化學蝕刻(部分係藉由正離子309所代表)。此些副產物310在正確的條件下通常為揮發性的成分(如SiBr4 )，會從基板被帶走。然而，當具有高有效電子溫度之電漿(通常為電子-離子電漿)接觸晶圓時，電漿中的高能電子會和揮發性的副產物310反應以造成揮發性的副產物310解離為物理-化學性的「黏著性」解離產物312(如SiBr2 )。如圖3B中所示，此些解離產物312會黏著至基板通常是黏著至正在受到蝕刻之特徵部的側壁，造成如圖3C中所示之非垂直或其他非所欲方式之蝕刻過程的發生。此解離產物的黏著/重新沈積會引發局部負載效應而導致非垂直蝕刻。
使用格柵去減少正在受到蝕刻之基板附近之電漿的有效電子溫度能減少此些非所欲的效應。格柵可造成離子-離子電漿的製造，其相應地具有較低的電子密度與有效電子溫度，藉此能減少此些非所欲之效應。因為相較於電子離子通常具有明顯較少的能量，因此在本發明實施例中之離子-離子電漿中的離子不會造成副產物解離。雖然本發明的實施例會產生電子-離子電漿，但此高電子密度/高有效電子溫度的電漿可被限制在上子室中。因此，蝕刻副產物傾向於只接觸下部電漿且不會與高有效電子溫度的上部電漿相接觸。又，雖然在離子-離子電漿中存在著一些電子，但此些電子通常具有低Te ，因此其通常不具有能使副產物解離的足夠能量。是以，蝕刻副產物不會解離成為「黏著性」的問題型化合物。晶圓偏壓
在某些實施例中，在處理期間晶圓受到偏壓。這可藉由將偏壓施加至用以乘載/支撐晶圓的靜電夾頭來達成。因為晶圓係曝露至下子室中的低Te 低電子密度電漿(如離子-離子電漿)，可以俾以捕捉/促進離子-離子電漿之獨特優點的方式將偏壓施加至夾頭。又，可以俾以避免在下子室中形成電子-離子電漿的方式施加偏壓。例如，偏壓可具有適合避免電子-離子電漿形成的頻率與功率，其中離子-離子電漿可在毋需夾頭偏壓貢獻能量的情況下形成。例如，RF偏壓可具有低於20 MHz的頻率較佳地介於約100 kHz至約13.56 MHz的頻率以降低對基板施加偏壓能量所產生的電子加熱量。在某些實施例中，偏壓(無論頻率為何)的脈衝範圍係介於約1 Hz至約10 kHz且具有介於約1%至99%的工作週期。
如上所述，在傳統的電子-離子電漿中，電漿電位相當高且正。此種電漿電位能有效地限制電子脫離電漿的能力。然而，下部電漿通常具有非傳統的低電子密度與有效電子溫度，因此只需要遠遠較低的電漿電位便能有效地限制其電子。低電漿電位擴張了操作範圍，選擇性地讓存在於離子-離子電漿中的負離子在偏壓波形的正循環期間能加速朝向晶圓並轟擊晶圓。在先前的連續波形電漿中無法獲得此蝕刻域。
可設計被施加至靜電夾頭之偏壓的頻率以最佳化離子-離子電漿中之離子(尤其是負離子但不局限於負離子)的生成與吸引。
可設計被施加至靜電夾頭之偏壓的能量位準以避免在下子室中形成電子-離子電漿。在某些實施例中，被施加至夾頭之偏壓的能量係介於約3 W至300 W例如介於約5 W至150 W之間。此可對應至介於約0 V至500 V之偏壓。
在某些實施例中，被施加至靜電夾頭之偏壓的頻率係介於約0.1 MHz至15 MHz (例如介於約400 kHz至13.56 MHz)之間。在一特定的實例中，此偏壓約為8 MHz。此頻率尤其有用，因為其對應至離子的輸送頻率。亦可使用其他頻率，但其他頻率較無效。例如，介於約100 kHz至1 MHz之間的頻率在某種程度上有用，但效果比前述的較高頻率差。和施加至夾頭/晶圓之偏壓相關的另一考量為，若偏壓的頻率太高則偏壓可能會在下子室中作用形成電子-離子電漿。為了避免此條件，施加至靜電夾頭之偏壓的頻率應小於約30 MHz。在某些實施例中，偏壓頻率係介於約100 kHz至13 MHz之間。
應注意，當使用格柵且將適當頻率的AC偏壓施加至靜電夾頭/晶圓時，晶圓上的電漿鞘層可作用以交替地將負離子與正離子拉出電漿並使其加速朝向晶圓表面。換言之，電漿鞘層會在正循環中吸引負離子並在負循環中吸引正離子，此些循環會隨著AC偏壓重覆。如前所解釋的，在本發明的實施例之前並無此負離子吸引(吸引至晶圓)，因為電漿電位太高而壓過了(drown out)來自AC偏壓循環之相關半部的任何吸引效應。
如所述，可以脈衝方式施加偏壓。然而，在許多的情況下毋需脈衝。本發明的實施例在整個蝕刻處理期間於晶圓上方獲得穩定的離子-離子電漿。是以，夾頭/晶圓上的偏壓毋需以脈衝方式提供便能達到文中所述的優點。然而，在某些實施例中，仍可以脈衝方式施加偏壓，俾以例如減少離子轟擊基板的蝕刻率或蝕刻量以增加對下層的蝕刻選擇比。離子-離子電漿中的偏壓脈衝尤其有利於在離子與原子團之間交替時增進選擇比。換言之，脈衝可分隔朝向基板表面的離子與原子團通量(有脈衝時：原子團及離子，無脈衝時：只有原子團)。處理 / 應用
本文中所揭露的設備及電漿條件可用以蝕刻任何不同的材料如矽(包含多晶矽、非晶矽、單晶矽及/或微晶矽)、金屬(包含但不限於TiN、W、TaN等)、氧化物與氮化物(包含但不限於SiO、SiOC、SiN、SiON等)、有機物(包含但不限於光阻、非晶碳等)以及各種其他材料(包含但不限於W、Pt、Ir、PtMn、PdCo、Co、CoFeB、CoFe、NiFe、W、Ag、Cu、Mo、TaSn、Ge2 Sb2 Te2 、InSbTe、Ag--Ge--S、Cu--Te--S、IrMn及/或Ru)。此概念可延伸至其他材料如NiOx 、SrTiOx 、鈣鈦礦(CaTiO3 )、PrCAMnO3 、PZT (PbZr1-x Tix O3 )、(SrBiTa)O3 等。本發明之設備可與現今製造廠務中可用的任何氣體組合(包含HBr、CO、NH3 、CH3 OH等)一起使用。
本文中所揭露的設備及電漿條件可用以蝕刻任何技術節點下的裝置特徵部或其他結構。在某些實施例中，蝕刻係用以製造20 nm至10 nm的技術節點或更小的技術節點。蝕刻可在前端製造程序及後端製造程序中進行。蝕刻可提供較佳的垂直輪廓、材料選擇比、I/D負載及/或比約2%更佳之晶圓中央到邊緣的均勻度。適合蝕刻應用的數個實例包含淺溝槽隔離、閘極蝕刻、間隙壁蝕刻、源極/汲極凹槽蝕刻、氧化物回蝕及硬遮罩開口蝕刻。設備
本文中所述的方法可以任何適合的設備施行之。適合的設備包含被格柵結構分隔成上子室與下子室的腔室及用以提供與維持本文中所述之蝕刻條件的電子硬體。適合的設備亦包含具有指令的系統控制器，此些指令係用以控制硬體以達到此些條件並用以執行適合應用如蝕刻FET之閘極電極之處理操作的程序。在某些實施例中，硬體可包含容納於一處理設備中的一或多個處理站。
圖1顯示根據本發明之特定實施例之感應耦合電漿蝕刻設備100的橫剖面圖。感應耦合電漿蝕刻設備100包含由室壁101 與窗111在結構上定義的整個蝕刻室。室壁101通常是由不銹鋼或鋁所製成。窗111通常是由石英或其他介電材料所製成。內部電漿格柵150將整個蝕刻室區分為上子室102與下子室103。夾頭117係位於下子室 103內靠近下內表面。夾頭117係用以接收並支撐待接受蝕刻處理的半導體晶圓(即晶圓)119。夾頭117可以是用以支撐晶圓(若晶圓存在時)的靜電夾頭。在某些實施例中，一邊緣環(未顯示)圍繞夾頭117並具有約與晶圓(當晶圓存在於夾頭117上時)上表面共平面的上表面。夾頭117亦包含靜電電極俾以夾持或鬆開晶圓。為此目的可提供一濾波器及DC拑置電源。亦可提供用以將晶圓舉升離開夾頭117的其他控制系統。可利用RF電源123使夾頭117帶電。RF電源123係經由連接件127而連接至匹配電路121。匹配電路121係經由連接件125而連接至夾頭117。在此方式下，RF電源123係連接至夾頭117。
線圈133係位於窗111上方。線圈133係自導電材料所製造且包含至少一完整的迴圈。圖1中所示之例示性線圈133包含三圈。具有符號「X」之線圈133的橫剖面代表線圈133旋轉地延伸進入紙面。相反地，具有符號「•」的線圈133代表線圈133旋轉地延伸出紙面。RF電源141係用以將RF能量供給至線圈133。一般而言，RF電源141係經由連接件145而連接至匹配電路139。匹配電路139係經由連接件143而連接至線圈133。在此方式下，RF電源141係連接至線圈133。選擇性的法拉第屏蔽件149係置於線圈133與窗111之間。將法拉第屏蔽件149維持在相對遠離線圈133的位置。法拉第屏蔽件149係置於窗111的正上方。線圈133、法拉第屏蔽件149與窗111的每一者係實質上彼此平行。法拉第屏蔽件可避免金屬或其他物種沈積在電漿室的介電窗上。
處理氣體可經由位於上子室中的主注射接口160及/或經由側注射接口170(有時被稱為STG)供給。未顯示氣體排放接口。亦未顯示的是連接至腔室101以致使真空控制及在電漿操作處理期間自腔室移除氣態副產物的泵浦。
在設備的操作期間，可經由注射接口160及/或170供給一或多種反應氣體。在某些實施例中，可只經由主注射接口或可只經由側注射接口來供給氣體。在某些情況下，注射接口可被噴淋頭所取代。法拉第屏蔽件149及/或格柵150可包含內部通道及孔洞以將處理氣體輸送至腔室。換言之，法拉第屏蔽件149與格柵 150中的一者或兩者可具有用以輸送處理氣體之噴淋頭的功能。
射頻功率係自RF電源141供給至線圈133以使得RF電流流過線圈133。流過線圈133的RF電流在線圈133的周圍產生電磁場。電磁場在上子室102內產生感應電流。感應電流作用在上子室102中的氣體上以在上子室102內產生電子-離子電漿。內部電漿格柵150限制下子室103中的熱電子的量。在不同的實施例中，設計及操作設備俾使下子室內的電漿為離子-離子電漿。
上電子-離子電漿與下離子-離子電漿兩者皆包含正離子及負離子，但離子-離子電漿具有較高之負離子對正離子的比值。各種離子及原子團與晶圓119進行物理與化學相互作用以選擇性地蝕刻晶圓的特徵部。經由排放接口(未顯示)自下子室移除揮發性的蝕刻副產物。重要地，此些揮發性的副產物實質上並未曝露至熱電子，因此其較不易解離為非揮發性的「黏著性」解離產物。
一般而言，本文中所揭露的夾頭係操作在介於約攝氏30°至約攝氏250°較佳地介於約攝氏30°至攝氏150°的溫度範圍內。溫度將取決於蝕刻處理操作及特定配方。腔室101亦操作在介於約1 mTorr至約95 mTorr或介於約5 mTorr至20 mTorr的壓力範圍內。然而在某些實施例中，如上述所，壓力可更高。
雖然未顯示，當腔室101被安裝至潔淨室或製造廠房時，其通常耦合至廠務端。廠務端包含提供處理氣體、真空、溫度控制及環境粒子控制的管道。當腔室101被安裝至目標製造廠房時，此些廠務設備被耦合至腔室101。此外，腔室101可耦合至傳送室，傳送室使用典型的自動化致使機械人將半導體晶圓傳入及傳出腔室101。
圖2A-2B顯示根據本文之實施例之內部電漿格柵的實例。格柵可具有徑向向外延伸的槽口。在圖2B的實施例中，有三種槽口。此三種槽口的每一者皆具有不同的槽口長度。如上所述，圖2B中所示之槽口的高寬比適合用於產生下子室中的離子-離子電漿。圖2A中所示的槽口可能並未依照比例繪製。
在不同的實施例中，半導體蝕刻設備可被整合至多站設備中。多站設備可包含複數個本文中所述之電漿蝕刻反應器且可包含用以進行其他半導體製造處理的額外站。在2006年2月8日申請名為「WAFER MOVEMENT CONTROL MACROS」的PCT專利申請案PCT/US2006/004625及2008年5月7日申請名為「PCT/US2006/004625」之美國專利申請案US 12/116,897中更進一步地討論並說明了多站整合處理設備及此類設備的使用方法，將上述者的所有內容包含於此作為參考。
圖4顯示典型的半導體處理叢集結構，其表現出與真空傳送模組38(VTM)界面的各種模組。如熟知此項技藝者所知，配置傳送模組以在複數儲存設施與處理模組之間傳送晶圓常被稱為「叢集設備結構」系統。氣鎖30(亦被稱為裝載鎖或傳送模組)係顯示於配有四個處理模組20a-20d的VTM 38中，四個處理模組20a-20d可分別被最佳化以進行各種製造處理。例如，處理模組20a-20d 可用以進行基板蝕刻、沈積、離子植入、晶圓清理、濺鍍及/或其他典型的半導體處理。基板蝕刻處理模組中的一或多者(20a-20d中的任何者)可依本文中所揭露的方式施行，即具有能將反應室區分為上子室與下子室的格柵結構。當一般性地談及氣鎖30或處理模組20時，有時將使用「站」一詞來代表一氣鎖或一處理模組。每一站具有一刻面36，刻面36為該站與真空傳送模組38的界面。在每一刻面內，使用感測器1-18以在晶圓進入及離子各個站點時偵測晶圓26的通過。
機械人22在站點之間傳送晶圓26。在一實施例中，機械人22具有一臂；在另一實施例中，機械人22具有兩臂，每一臂具有一末端執行器24以舉起晶圓進行傳送。在大氣傳送模組40(ATM)中的前端機械人32係用以將晶圓自晶圓盒或裝載接口模組(LPM)42中的前開式晶圓傳送盒(FOUP)34傳送至氣鎖30。位於處理模組20內部的模組中央28代表放置晶圓26的理想位置。ATM 40中的對準裝置44係用以對準晶圓。
在例示性的處理方法中，晶圓被放置到裝載接口模組42中之複數FOUP 34中的一者中。前端機械人32將晶圓自FOUP 34傳送至對準裝置44，對準裝置44能在晶圓受到蝕刻之前適當地將晶圓置中。在經過對準後，前端機械人32將晶圓移動至氣鎖模組30。由於氣鎖模組具有匹配大氣傳送模組與真空傳送模組的能力，使得晶圓能在兩種壓力環境之間移動而不受損傷。機械人22將晶圓自氣鎖模組30經由真空傳送模組38移至處理模組20a-20d中的一者中。為了達到此晶圓移動，機械人22使用每一手臂上的末端執行器24。一旦晶圓被處理過後，機械人22會自處理模組20a-20d將晶圓移至氣鎖模組30。自此處，晶圓可被前端機械人32移至複數FOUP 34中的一者或移至對準裝置44。
應注意，控制晶圓移動的電腦可位於叢集結構的局部區域中、或位於製造樓層的某處、或位於遠端並藉由網路而連接至叢集結構。系統控制器
在某些實施例中，系統控制器(其可包含一或多個實質或邏輯的控制器)控制蝕刻室的部分或所有操作。系統控制器可包含一或多個記憶體裝置及一或多個處理器。處理器可包含中央處理單元(CPU)或電腦、類比及/或數位輸入/輸出連接件、步進機馬達控制板等元件。用以施行適當控制操作的指令係於處理器上執行。此些指令可被儲存在與控制器相關的記憶體裝置上或其可藉由網路提供。在某些實施例中，系統控制器執行系統控制軟體。
系統控制軟體可包含用以控制下列腔室操作條件中之任一者或多者之應用時序及/或強度的指令：氣體的混合及/或組成、腔室壓力、腔室溫度、晶圓/晶圓支撐件溫度、施加至晶圓的偏壓、施加至線圈或其他電漿生成元件的頻率與能量、晶圓位置、晶圓移動速度及設備所執行之特定處理的其他參數。系統控制軟體可以任何適當的方式配置。例如，可將各種處理設備元件的子程式或控制物件寫入執行各種處理設備處理所必須之處理設備元件的控制操作。系統控制軟體可以任何適合的電腦可讀程式語言編碼。
在某些實施例中，系統控制軟體包含用以控制上述各種參數的輸入/輸出控制(IOC)時序指令。例如，半導體製造處理的每一階段可包含待由系統控制器執行的一或多個指令。例如，用以設定一蝕刻階段之處理條件的指令可被包含於一對應的蝕刻配方階段中。在某些實施例中，可依序地配置配方階段俾使一處理階段的所有指令能與該處理階段同時執行。
在某些實施例中可使用其他電腦軟體及/或程式。為此目的之程式及程序區段的實例包含基板定位程式、處理氣體組成控制程式、壓力控制程式、加熱器控制程式及RF電源控制程式。
在某些情況下，控制器控制氣體濃度、晶圓移動及/或供給至線圈及/或靜電夾頭的能量。控制器可藉著例如下列方式控制氣體濃度：開啟與關閉相關閥件以產生用以提供必要反應物(複數反應物)之適當濃度(複數濃度)的一或多個入口氣體流。晶圓移動可藉著例如使一晶圓定位系統依期望移動來加以控制。可控制供給至線圈及/或夾頭的能量而提供特定的RF能量位準，以於上子室中產生期望的電子-離子電漿並在下子室中產生離子-離子電漿。又，控制器可用以將能量供給至特定條件下的靜電夾頭俾以在下子室中不形成電子-離子電漿。換言之，控制器係用以維持下子室中的離子-離子電漿(或至少具有適當低之有效電子溫度與密度的電漿)。控制器可基於感測器輸出(例如當能量、電位、壓力等到達一特定閾值時)、操作的時序(例如在一處理的特定時間點處開啟閥件)或基於自使用者所接收到的指令，控制此些或其他態樣。
上述的各種硬體及方法實施例可與微影圖案化設備或處理一起使用，以例如形成或製造半導體裝置、顯示器、LED、光伏面板等。一般而言，雖然沒有必要，但此類設備/處理將會在共同的製造廠房中一起使用或進行。
薄膜的微影圖案化通常包含下列步驟的部分或全部，每一步驟可利用複數的可能設備：(1)利用旋塗或噴塗設備將光阻施加至工作件例如其上形成有氮化矽薄膜的基板上；(2)利用熱板或爐管或其他適合的固化設備來固化光阻；(3)利用一設備如晶圓步進機將光阻曝露至可見光或UV光或X射線；(4)利用一設備如濕式槽或噴塗顯影設備來顯影光阻，以選擇性地移除光阻並藉此將其圖案化；(5)利用乾式或電漿輔助蝕刻設備將光阻圖案轉移至下方膜層或工作件；及(6)利用一設備如RF或微波電漿光阻剝除設備來移除光阻。在某些實施例中，在施加光阻前可沈積一可灰化的硬遮罩層(如非晶碳層)及其他適合的硬遮罩(如抗反射層)。
應瞭解，本文中所揭露之配置及/或方案皆為例示性，此些特定的實施例或實例不應被認為是限制性，因為許多變化皆為可行的。本文中所揭露的特定程式或方法可代表任何數目之處理策略中的一或多者。是以，本文中所述之各種步驟可以所述的順序、其他順序、平行方式施行之，或在某些情況下加以省略。類似地，上述處理的順序可加以改變。
本發明的標的包含文中所揭露之各種處理、系統與配置、及其他特徵、功能、動作及/或特性的所有新穎與非顯而易知的組合與次組合以及其任何與全部的等效物。實驗
實驗已證實，本發明的方法與設備能對半導體基板上部分製造完成之裝置提供較佳的蝕刻。當使用電漿格柵時，經蝕刻的產品顯示出良好的選擇比、輪廓角度、孤立/密集負載效應及整體的蝕刻均勻度。
圖5A與5B顯示已根據高壓傳統技術蝕刻過的FinFET結構(5A)及已根據本發明實施例使用電漿格柵蝕刻過的FinFET結構(5B)的電子掃描顯微鏡(SEM)影像。如圖5A中所示，傳統技術造成晶圓之中央與邊緣間的嚴重不均勻性。I/D負載大且材料間的選擇比差。例如，在晶圓中央處之特徵部的底部比晶圓邊緣處受到更多蝕刻。這意味著在晶圓邊緣處的解離副產生再沈積問題比晶圓中央處更嚴重。I/D負載大，且材料間的選擇比差。孤立/密集負載可以數個方式來考量。孤立/密集蝕刻深度負載可以下列方式計算：孤立特徵部(通常是大特徵部，例如具有500 nm間距的線條)之蝕刻深度與密集特徵部(通常是小特徵部，例如具有30 nm間距的線條)之蝕刻深度之間的差。孤立/密集輪廓負載可被計算為，孤立特徵部之輪廓角度與密集特徵部之輪廓角度之間的差。孤立/密集負載亦可代表關鍵尺寸(CD)的比較。這此方面，孤立/密集負載可以下列方式計算：孤立特徵部之(底部CD – 上部CD) – 密集特徵部之(底部CD – 上部CD)。除非另外指出，否則I/D負載係意指此關鍵尺寸的比較。
相反地，如圖5B中所示，使用電漿格柵實質上增加了中央到邊緣的均勻度。又，I/D負載遠遠地較低且選擇比改善了。此實驗係於Si載板晶圓上進行，此Si載板晶圓已被薄化到能代表FinFET高度的厚度且被50%的SiN圖案(coupons)所覆蓋以模擬完全圖案化之晶圓的蝕刻。FinFET結構受到65%的過蝕刻以最小化輪廓中的傾斜。
圖6A與6B顯示已根據低壓傳統技術蝕刻過之特徵部(6A)及根據本發明實施例使用電漿格柵蝕刻過之特徵部(6B)的SEM影像。傳統的技術展現出矽與氧化物之間的較差選擇比，經蝕刻的特徵部具有傾斜的輪廓且I/D負載差。然而，如圖6B中所示，電漿格柵提供較佳的選擇比(無限大的選擇比)、較垂直的輪廓角度及實質上無I/D負載。此實驗係於一晶片上進行，此晶片係自圖案化的晶圓所擷取並被置於載板晶圓的中央。此實驗係於Si載板晶圓上進行，此Si載板晶圓已被薄化到能代表FinFET高度的厚度且被50%的SiN圖案(coupons)所覆蓋以模擬完全圖案化之晶圓的蝕刻。
圖7顯示已根據未使用電漿格柵之各種電漿域蝕刻過之特徵部的不同SEM影像。使用兩種不同的壓力及四種不同的總流量。有效電子溫度 (Te )隨著壓力增加而減少。滯留時間會隨著總流量的增加而減少。針對每一種壓力，增加總流量以改善蝕刻結果。尤其，高流量的情況顯示出較佳(較垂直)的輪廓角度以及較佳的選擇比(留下較多的遮罩)。然而，此些改善被較差的I/D負載及中央到邊緣的均勻度所減損。在高流量下的結果支持了下列理論：如圖3A-3C中所示，當某些副產物及/或解離產物在其氣態形式時未被掃除時，其可黏附至特徵部的側壁及/或底部以產生不良的蝕刻結果。當總流量較高時，此些副產物能被更有效率地自處理室掃除，因此較不會造成蝕刻缺陷。
不同的實驗顯示，使用電漿格柵能得到具有極佳的選擇比、輪廓角度、I/D負載及中央到邊緣的均勻度的蝕刻處理。在某些情況下，選擇比(即Si的蝕刻率：氧化物的蝕刻率)係大於約10或大於約100。事實上，在某些情況下利用電漿格柵可達到無限大的選擇比。在此些情況下，實質上不蝕刻氧化物材料且在氧化物表面上甚至可能有少量的沈積。在許多情況中所獲得的輪廓角度為實質上垂直(例如超過約89°)。在某些實施例中，顯示I/D負載低於約2°。又，在各種實施例中，中央到邊緣的均勻度係小於約2 nm。
1-18‧‧‧感測器
20a‧‧‧處理模組
20b‧‧‧處理模組
20c‧‧‧處理模組
20d‧‧‧處理模組
22‧‧‧機械人
24‧‧‧末端執行器
26‧‧‧晶圓
28‧‧‧模組中央
30‧‧‧氣鎖
32‧‧‧前端機械人
34‧‧‧前開式晶圓傳送盒(FOUP)
36‧‧‧刻面
38‧‧‧真空傳送模組
40‧‧‧大氣傳送模組
42‧‧‧裝載接口模組(LPM)
44‧‧‧對準裝置
100‧‧‧感應耦合電漿蝕刻設備
101‧‧‧室壁
102‧‧‧上子室
103‧‧‧下子室
111‧‧‧窗
117‧‧‧夾頭
119‧‧‧半導體晶圓
121‧‧‧匹配電路
123‧‧‧RF電源
125‧‧‧連接件
127‧‧‧連接件
133‧‧‧線圈
139‧‧‧匹配電路
141‧‧‧RF電源
143‧‧‧連接件
145‧‧‧連接件
149‧‧‧法拉第屏蔽件
150‧‧‧內部電漿格柵
160‧‧‧主注射接口
170‧‧‧側注射接口
303‧‧‧底層
305‧‧‧中間層
307‧‧‧上層
309‧‧‧正離子
310‧‧‧副產物
312‧‧‧黏著性的解離產物
圖1之概略性橫剖面圖顯示根據本文之特定實施例之蝕刻操作用之電漿處理系統。
圖2A為根據本文之特定實施例之格柵結構的簡略上視圖。
圖2B為根據本文之特定實施例之格柵結構的照片。
圖3A-3C說明因蝕刻副產物解離所產生的特定問題。
圖4顯示根據已揭露之一實施例之多站叢集式設備的一實施例。
圖5A與5B顯示已根據高壓傳統技術(5A)受到蝕刻及根據利用電漿格柵之一實施例(5B)受到蝕刻之FinFET結構的SEM影像。
圖6A與6B顯示已根據低壓傳統技術(6A)受到蝕刻及根據利用電漿格柵之目前揭露的實施例(6B)受到蝕刻之特徵部的SEM影像。
圖7顯示已根據未使用電漿格柵之各種電漿域受到蝕刻之特徵部的各種SEM影像。
100‧‧‧感應耦合電漿蝕刻設備
101‧‧‧室壁
102‧‧‧上子室
103‧‧‧下子室
111‧‧‧窗
117‧‧‧夾頭
119‧‧‧半導體晶圓
121‧‧‧匹配電路
123‧‧‧RF電源
125‧‧‧連接件
127‧‧‧連接件
133‧‧‧線圈
139‧‧‧匹配電路
141‧‧‧RF電源
143‧‧‧連接件
145‧‧‧連接件
149‧‧‧法拉第屏蔽件
150‧‧‧內部電漿格柵
160‧‧‧主注射接口
170‧‧‧側注射接口

Claims (28)

  1. 一種用以蝕刻基板上之特徵部的設備，包含： 一電漿室，定義一內部，電漿係於此內部中提供； 一基板支撐件，用以在蝕刻期間支撐該電漿室中的一基板； 一電漿產生器，用以在該電漿室內產生電漿；及 一格柵，將該電漿室的該內部分隔為靠近該電漿產生器的上子室及靠近該基板支撐件的下子室， 其中該上子室的高度係至少約為該下子室之高度的1/6， 其中該格柵包含實質上徑向地向外延伸的複數槽口，在該電漿生成於該電漿室內時此些槽口能實質上避免感應電流形成於該格柵中。
  2. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，更包含一控制器被設計成或用來於該電漿室中，在會於該上子室中產生上部電漿並於該下子室中產生下部電漿的條件下，產生該電漿， 其中該下部電漿中的有效電子溫度約為1 eV或更低，且低於該上部電漿中的有效電子溫度，且 其中該下部電漿中的電子密度約為5x109 cm-3 或更少，且少於該上部電漿中的電子密度。
  3. 如申請專利範圍第2項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該控制器更被設計成或用來將偏壓施加至該格柵。
  4. 如申請專利範圍第2項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該控制器更被設計成或用來將偏壓施加至該基板支撐件。
  5. 如申請專利範圍第2項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該控制器更被設計成或用以將一蝕刻氣體輸送至該電漿室。
  6. 如申請專利範圍第2項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該控制器更被設計成或用以在該電漿蝕刻該基板時於該電漿室中提供少於約2000 mTorr的壓力。
  7. 如申請專利範圍第2項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該控制器更被設計成或用來在該下子室中產生離子-離子電漿。
  8. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該格柵具有介於約1 mm至50 mm之間的平均厚度。
  9. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該格柵之該些槽口具有介於約0.3至5之間的高寬比。
  10. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該些槽口與方位角相鄰的槽口間係以不大於約60度的角度分隔。
  11. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該電漿產生器包含設於該電漿室之一頂板上方的一線圈。
  12. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，其中該基板支撐件為一靜電夾頭。
  13. 如申請專利範圍第1項之用以蝕刻基板上之特徵部的設備，更包含一真空連接件。
  14. 一種半導體基板的處理系統，包含： 一真空傳送模組； 在該真空傳送模組中的一機器人； 複數處理模組，該真空傳送模組中的複數刻面為該真空傳送模組與該複數處理模組的界面；及 具有一處理器的一控制器； 其中該複數處理模組中的至少一者包含： 一電漿室，定義一內部，電漿係於此內部中提供； 一基板支撐件，用以在蝕刻期間支撐該電漿室中的一基板； 一電漿產生器，用以在該電漿室內產生電漿；及 一格柵，將該電漿室的該內部分隔為靠近該電漿產生器的上子室及靠近該基板支撐件的下子室， 其中該上子室的高度係至少約為該下子室之高度的1/6；且 其中該格柵包含實質上徑向地向外延伸的複數槽口，在該電漿生成於該電漿室內時此些槽口能實質上避免感應電流形成於該格柵中。
  15. 一種與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，包含： 一板，具有一直徑，此直徑係實質上等於半導體裝置製造用之一標準半導體基板的直徑； 複數槽口，在該板之中實質上徑向地向外延伸，以在該板曝露至電漿時實質上避免感應電流生成於該板中； 其中該等槽口具有介於約0.3至5的高寬比。
  16. 如申請專利範圍第15項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中當該格柵被置於半導體蝕刻設備之一處理室中藉此將該處理室分隔為一上子室與一下子室，且被曝露至該上子室中所產生的電漿時，該格柵操作以維持該下子室中的下電子密度，該上子室中的上電子密度至少為該下子室中的該下電子密度的10倍。
  17. 如申請專利範圍第16項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中該格柵操作以維持該下電子密度，使該上電子密度至少為該下電子密度的約100倍。
  18. 如申請專利範圍第15項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中該標準半導體基板具有約300 mm或約450 mm的直徑。
  19. 如申請專利範圍第15項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中方位角相鄰的槽口間係以至少約10°且不大於約60°的角度分隔。
  20. 如申請專利範圍第15項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中該格柵包含金屬。
  21. 如申請專利範圍第15項之與半導體蝕刻設備共同使用的格柵，其中該格柵包含絕緣材料。
  22. 一種蝕刻基板上之特徵部的方法，此方法包含： 將該基板提供至一電漿室中的一基板支撐件，此電漿室包含一電漿產生器及一格柵，該格柵將該電漿室的內部分隔為靠近該電漿產生器的一上子室與靠近該基板支撐件的一下子室，其中該上子室的高度至少約為該下子室之高度的1/6； 在該電漿室中，在會於該上子室中產生上部電漿並於該下子室中產生下部電漿的條件下，產生該電漿；及 藉由該下部電漿與該基板的相互作用而蝕刻該基板中的該特徵部， 其中該下部電漿中的有效電子溫度約為1 eV或更低，且低於該上部電漿中的有效電子溫度，且 其中該下部電漿中的電子密度約為5x109 cm-3 或更少，且少於該上部電漿中的電子密度。
  23. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，其中當生成該電漿時實質上無電流生成於該格柵中。
  24. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，更包含施加偏壓至該格柵。
  25. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，更包含施加偏壓至該基板支撐件。
  26. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，更包含將一蝕刻氣體提供至該電漿室。
  27. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，其中該蝕刻係於低於約2000 mTorr的電漿室壓力下進行。
  28. 如申請專利範圍第22項之蝕刻基板上之特徵部的方法，其中該下部電漿為離子-離子電漿。
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