TW201530604A

TW201530604A - 電漿蝕刻裝置

Info

Publication number: TW201530604A
Application number: TW103134618A
Authority: TW
Inventors: Maxime Varvara
Original assignee: Spts Technologies Ltd
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2015-08-01
Also published as: GB201318249D0; JP2015079959A; TWI692795B; EP2863411A1; KR20150043959A; EP2863411B1; CN104576281A; KR102223700B1; CN104576281B

Abstract

根據本發明，揭露了一種用以對基體進行電漿蝕刻的電漿蝕刻裝置，該裝置包括：具有一電漿產生區域的一第一腔室，該電漿產生區域具有一橫截面面積及形狀；用以在該電漿產生區域產生一電漿的一電漿產生裝置；可供於該電漿產生區域中所產生之電漿流入的一第二腔室，其中該第二腔室界定具有一橫截面面積及形狀的一內部，且該內部之橫截面面積大於該電漿產生區域之橫截面面積；具有一基體支撐件之一第三腔室，該基體支撐件用以支撐具有待被電漿蝕刻之一上表面的類型之一基體，其中該第三腔室具有與該第二腔室介接的一介面，致使該電漿或與該電漿相關聯的一或多個蝕刻劑種可從該第二腔室流出以蝕刻該基體；其中：第二腔室內部之內橫截面面積及形狀實質上對應於該基體之該上表面；以及該基體支撐件被置設成使得在使用時，該基體與該第二腔室的內部實質對齊，且該基體之該上表面定置在離該介面80mm或更小的一距離處。

Description

電漿蝕刻裝置

本發明有關一種電漿蝕刻裝置，以及一種對基體進行電漿蝕刻的相關聯部件組與方法。

於半導體晶圓上製造裝置的方法包括以多種電漿蝕刻工具實行的多個電漿蝕刻方法步驟。典型地，電漿蝕刻方法被用來選擇性地移除晶圓未被光罩覆蓋之區域的材料。蝕刻深度可在多種材料，諸如矽、GaAs、鋁及二氧化矽中，從幾奈米變動至幾百微米。在所有的電漿蝕刻方法中，一般需要提供一均一、可重複的蝕刻方法。這些特質同時在一晶粒(涵蓋幾平方毫米或釐米的區域)內及越過整個晶圓(目前達到300毫米的直徑，但在未來更大直徑有可能成為商業標準)都應該明顯可見。

由於電漿蝕刻工具及無塵室的相對高成本，且因為無塵室地板空間極珍貴，能夠儘可能的快速蝕刻形貌體當然為經濟上有益的，且因此有效利用無塵室空間極為重要。不幸地，實際上在大多數的情況下，透過高蝕刻率的使用而使程序時間縮短，會造成較不均一的程序性能。據此，通常會做成一折衷方案，致使均一度及蝕刻速率皆在可接受的程度中。特別重要的是，當蝕刻需要長蝕刻程序時間之深的形貌體(幾十至幾千微米)時，諸如MEMS結構或矽中穿通矽孔(TSV)，需要在高蝕刻率與跨晶圓蝕刻均一性間達到一最佳平衡。為形成這些種類的深矽蝕刻形貌體，一般使用所謂的循環沉積/蝕刻步驟之博施(Bosch)程序。Bosch程序在業界係為習知，且例如在美國專利第5501893號中所論述。

因此，已有很多針對提升蝕刻率而不犧牲蝕刻均一性目的之研究進行過。習知技術中的代表範例包括美國專利公開案第2006/0070703號及美國專利第7371332號。此領域中之一般想法係為電漿蝕刻工具使用一處理腔室，其中該處理腔室之內徑比所處理之晶圓直徑大得多。針對此種方法有著亦構成普遍想法之一技術上解釋。更特定言之，係將處理腔室有較所處理晶圓之直徑大得多的內徑視為有益的，因為一般相信的是在此種系統中更容易得到均一電漿，而造成電漿中不均一之腔室壁的損耗則在離所處理晶圓邊緣頗遠處產生。美國專利公開案第2006/0070703號之圖1係為一典型習知技術之單一晶圓ICP電漿蝕刻系統的代表示意圖。如同此圖中所示，一圓筒腔室具有將圓形晶圓定置以待處理的一中心平台支撐件或靜電卡盤(ESC)。在腔室內，電漿透過一天線將RF功率耦合進入氣體內來點起並維持，於此情況下該天線為多匝線圈。氣體於腔室頂部進入，並使用一合適抽泵配置使蝕刻程序之副產物離開腔室底部。晶圓平台在某些系統組態中亦可為RF驅動，以提供對晶圓表面上之入射離子的進一步控制，如同習知技術所熟知地。雖然美國專利公開案第2006/0070703號之圖1係為示意形式，實際上晶圓對腔室的相對尺寸則為習知技術之大致準確的表示型態。

本案之發明人已了解到當在美國專利公開案第2006/0070703號之圖1中所示類型的一標準電漿蝕刻腔室內蝕刻晶圓，一定比例之活性蝕刻劑氣體藉由在腔室側邊向下流來完全繞過晶圓。本案之發明人亦已得知此種情形就氣體使用而言係為有效率的。由於抽泵係發生在晶圓表面之下，引入腔室的大多數氣體可能永遠不會到達晶圓表面。例如，搭配美國專利公開案第2006/0070703號之圖1中所示類型之腔室，其具有350mm的直徑，而有200mm直徑的晶圓位在腔室中心，大約三分之二的氣流會離開直接流至泵。此外，本案發明人已知曉此種組態會造成在靠近晶圓中心處有較高蝕刻率，而在晶圓周邊處觀察到有較低蝕刻率。此情形概示於圖1中，其顯示以距晶圓中心之位置作為函數的矽蝕刻率。可看見的是習知技術組態提升中心高蝕刻率，其本質上遵循以從腔室中心至晶圓周邊之距離為函數的蝕刻劑濃度之梯度。

亦已知提供兩個腔室電漿蝕刻配置，其中於一第一腔室中產生的電漿流入安置基體的一第二處理腔室。再次地，處理腔室之內徑較所處理晶圓的直徑大得多係為一般想法。此外，本案發明人已曉得產生電漿的第一腔室的尺寸與晶圓直徑相比通常相當大。美國專利公開案第 2007/0158305號及歐洲專利第2416351號皆揭露有效的二腔室配置，其中使用可為截錐形導件的導件，來引導電漿朝向置設在第二腔室中的一基體。然而，產生電漿之第一腔室的區域具有實質上較所處理晶圓之直徑為大的一直徑。

本發明，於其之至少一些實施例中，面對一或多個上述問題。特別是，本發明之至少一些實施例可提供相較於傳統系統為提升的蝕刻均一度及/或提升的氣體利用性。此外，在本發明之至少一些實施例可提供相較於傳統系統一提升的蝕刻率。

為避免疑惑，本文每次提及「包含」或「包括」及類似詞時，本發明亦可了解係含括諸如「由……組成」及「基本上由……組成」等等更限制性用詞。

根據本發明之第一態樣，提供有用以對基體進行電漿蝕刻的電漿蝕刻裝置，該裝置包括：具有一電漿產生區域的一第一腔室，該電漿產生區域具有一橫截面面積及形狀；用以在該電漿產生區域中產生一電漿的一電漿產生裝置；可供在電漿產生腔室中所產生的電漿流入的一第二腔室，其中該第二腔室界定具有一橫截面面積及形狀的一內部，且該內部的橫截面面積大於該電漿產生區域的橫截面面積；具有一基體支撐件的一第三腔室，該基體支撐件用以支撐含有待被電漿蝕刻之上表面類型的基體，其中該第三腔室具有與該第二腔室介接的一介面，致使電漿、或與電漿相關聯之一或多個蝕刻劑種可從該第二腔室流出以對該基體進行電漿蝕刻；其中：第二腔室內部之內橫截面面積及形狀實質上對應於該基體之該上表面；以及該基體支撐件被置設成使得在使用時，該基體與該第二腔室之內部實質對齊，且該基體之該上表面置設在離該介面80mm或更小的一距離處。

待處理之基體及該第二腔室之內部可各具有至少一寬度。第二腔室之內部的寬度對基體之寬度的比例可為1.15或更小、1.1或更小、1.0或更大、0.85或更大、0.9或更大、或這些比例值的任何組合。特別是，第二腔室之內部的寬度對基體之寬度的比例可落在1.15至0.85的範圍內，較佳地落在1.1至0.9的範圍內。

更佳的是，第二腔室之內部的寬度對基體之寬度的比例可落在1.15至1.0的範圍內，較佳地落在1.1至1.0的範圍內。

將可了解的是，一般來說，待處理之基體及第二腔室的內部具有圓形橫截面，在此情形下，以上所提及之寬度即為直徑。原則上，待處理之晶圓及第二腔室的內部可有不同橫截面形狀，且同樣地原則上此種非圓形形狀可有多於一種特性寬度。於這些實施例中，與橫截面形狀相關聯之各特性寬度將具有第二腔室內部寬度對基體寬度之一對應的比例。在這些實施例中，各寬度比例可滿足上述的定量標準。

於一些實施例中，基體支撐件被置設成使得在使用時，基體之上表面置設在離介面60mm或更小的一距離處。

在一些實施例中，基體支撐件被置設成使得在使用時，基體之上表面置設在離介面10mm或更大的一距離處。

較佳地，基體支撐件被置設成使得在使用時，基體之上表面置設在離介面10~60mm之範圍內的一距離處。

電漿產生區域及第二腔室內部各具有一橫截面面積，電漿產生區域之橫截面面積對第二腔室之橫截面面積的比例落在0.07至0.7之範圍內。

典型地，第一及第二腔室係為共軸。使用時，基體一般亦與第一及第二腔室共軸。

典型地，第一及第二腔室皆有圓形橫截面。一般而言，待被電漿蝕刻的基體亦有圓形橫截面。

第一腔室可為一鐘型瓶狀，亦即第一腔室可具有一非恆定圓形橫截面，其隨沿腔室之縱軸的位置之函數變動，而朝向第二腔室擴大(flare out)。

此裝置可進一步包括置設在或靠近基體支撐件的擋板，以導引氣流在基體附近。此擋板可置設成使得在使用時，增加蝕刻劑種環繞晶圓周邊的保留時間。

於一些實施例中，介面係藉由置設在第二腔室與第三腔室間的一間隔元件所界定。此間隔元件可為諸如一環體的環形元件。使用間隔元件係為方便的，因為其使基體之上表面與介面間的距離能夠變動及精細調整。

一般而言，第二腔室不會裝設有電漿產生裝置。替代地，僅第一腔室具有一相關聯的電漿產生裝置。

典型地，基體支撐件係組配來支撐具有至少200mm直徑的一基體。本發明在應用於具有200mm及300mm直徑的晶圓時已達到優異的成果。

本發明可輕易地適用於大量的蝕刻材料及處理氣體，包括但不限於Si、GaAs、聚合物、Al蝕刻材料、及以氟、氯和氧為基礎的化學物。本發明可應用於使用交替的蝕刻及積設步驟之Bosch程序的蝕刻程序。

電漿產生裝置可為感應耦合電漿(ICP)源、氦核(helion)源、一電子迴旋共振(ECR)源、或任何其他便利的裝置。

本發明之電漿蝕刻裝置可設置成原始的製品。或者，本發明之優點在於可改裝將一處理腔室設置成具有實質上大於待蝕刻基體之上表面面積的一橫截面面積之類型的現有電漿蝕刻裝置。

電漿蝕刻裝置可與基體組合提供，基體由基體支撐件所支撐。然而，本發明亦關於未使用或使用前，亦即沒有基體存在於基體支撐件上的電漿蝕刻裝置。

根據本發明之第二態樣，提供了用以改裝現有電漿蝕刻裝置之套件，以根據本發明之第一態樣設置一經改裝電漿蝕刻裝置。此套件可包括：用以連接現有電漿蝕刻裝置之一或多個部分的適配器，該適配器包括組配來在適配器連接時作為第二腔室的一套體，且更包括連接構件，其允許適配器連接至現有電漿蝕刻裝置之該一或多個部分以將套體定置在適當位置。

適配器可包括一或多個凸緣部分用以連接現有電漿蝕刻裝置之一或多個部分。此適配器可包括一上凸緣部分及一下凸緣部分。凸緣部分可形成包括套體之結構的一部件。替代地，凸緣部分可形成可容裝該套體之結構的部件。此結構可包括用以容裝組配作為第二腔室之該套體的一外套體。

套件可進一步包括一間隔元件，其係組配來置設在套體之下且可連接至適配器及/或現有電漿蝕刻裝置，而在經改裝電漿處理裝置中界定第二腔室與第三腔室間之介面。

根據本發明之第三態樣，提供了對基體進行電漿蝕刻的方法，其包括下列步驟：

i)根據本發明之第一態樣提供一電漿處理裝置；

ii)使基體受基體支撐件所支撐，致使基體與第二腔室之內部實質上對齊，且基體之上表面定置在距介面80mm或更小的一距離處。

iii)於電漿產生區域產生一電漿；以及

iv)使電漿或與電漿相關聯之一或多個蝕刻劑種蝕刻基體。

本發明雖已於上文被描述，但其可延伸至上文或以下說明書、圖式或申請專利範圍所提之特徵的任何創新組合。例如，任何關於本發明之一態樣所述的特徵被視為亦與本發明之任何其他態樣有關地揭露。

10‧‧‧裝置

12‧‧‧第一腔室

12a‧‧‧氣體入口

14‧‧‧ICP源

16‧‧‧中間部分

18‧‧‧適配器結構

18a‧‧‧套體

18b‧‧‧上凸緣部分

18c‧‧‧下凸緣部分

20‧‧‧第三腔室

20a‧‧‧槽閥

20b‧‧‧出口

22‧‧‧第二腔室/套體

22a‧‧‧(下)環

24‧‧‧靜電卡盤/ESC

26‧‧‧晶圓

28‧‧‧圓筒蓋體/擋板

30‧‧‧晶圓邊緣保護配置

根據本發明之裝置及方法的實施例現將參考後附圖式來描述，其中：圖1顯示在使用一傳統裝置蝕刻期間為與矽晶圓中心之距離之函數的矽蝕刻率；圖2係為已改裝來提供本發明之電漿蝕刻裝置的蝕刻裝置之一橫截面圖；圖3係為圖2之電漿蝕刻裝置之第二及第三腔室間之介面區域的一立體圖；圖4顯示出為在一300mm矽晶圓上之位置之函數的蝕刻深度；圖5顯示出為在一200mm矽晶圓上之位置之函數的矽蝕刻率；圖6顯示在蝕刻200mm矽晶圓時，以第二腔室之直徑為函數的矽蝕刻率及蝕刻深度均一度；以及圖7顯示在蝕刻200mm直徑的矽晶圓時，第二腔室及晶圓上表面間之間隙之函數的矽蝕刻率及蝕刻深度均一度。

圖2描繪出本發明之電漿蝕刻裝置，大體上以10表示。圖2中所示之實施例實際上為已改裝來提供根據本發明之裝置的商業上可得之電漿蝕刻裝置。更特定的是，圖2中所示之裝置係為由申請人生產且以商標名稱DSi行銷之電漿蝕刻裝置的改裝型。裝置10包含陶瓷鐘型瓶狀形式的第一腔室12，其具有氣體導引通過以產生電漿的一氣體入口12a。第一腔室12之部分由一ICP源14所圍繞，ICP源14係用來在第一腔室12之至少一電漿產生區域中以熟習此藝者習知的方式點起並維持電漿。第一腔室12之下端擴大進入裝置10的中間部分。此中間部分被大體上描繪於圖2中的16，且為裝置10中的主要改裝組件。中間部分16包括具有套體18a、上凸緣部分18b及下凸緣部分18c的一適配器結構18。上凸緣部分連接至第一腔室12及裝置10的其他上部分。下凸緣部分連接至第三腔室20。套體18a的尺寸設定成供承載一縮小直徑的第二腔室22，第二腔室22成設置且定位於套體18a內之一套體形式。第二腔室22可更包含在此實施例中連接至套體22的一下環22a。包括第二腔室的中間部段之下有容裝用以支撐待處理的晶圓26之靜電卡盤(ESC)24的第三腔室20。第三腔室20包括用以將晶圓26引入裝置10及移除的槽閥20a。第三腔室更包括一出口20b。氣體使用熟悉此藝者習知的一合適抽泵配置(圖中未顯示)從出口20b離開裝置。應注意的是，圖2並不顯示第三腔室的完整視圖。替代地，圖2僅顯示第三腔室的上部分。第三腔室20的內徑必須較晶圓直徑大得多，以讓晶圓可引入及從裝置10移除。一圓筒蓋體28為安全目的置設環繞裝置10之上部分，包括第一腔室12及第二腔室22。

擋板28設置在ESC 24及晶圓26周圍，以提升蝕刻劑氣體圍繞晶圓26周邊的保留時間。一晶圓邊緣保護(WEP)配置30亦被設置。

在傳統DSi裝置中，一不同的圓筒結構作為第二腔室，且其內徑較晶圓直徑大得多。於本發明中，套體22(及環22a)的內徑與待處理之晶圓的直徑相配。在一代表性範例中，晶圓為200mm直徑，且套體22及環22a之內徑亦為200mm。如同本文於他處所述，雖然此種直徑的完全相配已達到優異的結果，但這些直徑不必要應完全對應。將了解的是，當晶圓26安裝在ESC 24上時，晶圓26與第二腔室22對齊。

改良蝕刻的範例現使用圖2中所示之裝置來敘述。蝕刻程序係根據Bosch程序來實行。

於圖4中顯示了製程性能中針對在300mm直徑晶圓上使用SF₆化學物的Si蝕刻程序之蝕刻率及均一度的改良。藉由縮小第二腔室的尺寸(ID)從標準350mm至300mm，同時維持腔室至晶圓的間隙在43mm及23mm，蝕刻率分別提升至9.8及10.3mm/min，均一度亦大幅增加超過標準值9.7%。結果摘要整理於表1中。

於圖5、6及7中可見針對200mm直徑晶圓配合~200mm之第二腔室ID的代表性結果。在200mm ID第二腔室(於第二腔室與晶圓間具有35mm的間隙)與標準350mm ID第二腔室相比較時，在所有情況下皆可見有實質上的改善。

圖5中可見於標準腔室與縮小直徑的第二腔室間，對於在圖案化的Si晶圓上之Bosch Si蝕刻程序，在蝕刻率上有15%的改善。均一度亦有改善，從配合標準腔室的±9%改善至配合本發明之較小第二腔室的±6%。

於圖6中可見針對200mm直徑Si晶圓配合第二腔室及晶圓間之35mm的固定間隙而為第二腔室內徑的函數之Si蝕刻率及均一度。在約220~235mm處，在向較大ID第二腔室移動時，於均一度方面有大幅減少，連同於蝕刻率方面有較為趨緩的減少。

小型下腔室與晶圓的緊密耦合之重要性於圖7中確立，其中Si蝕刻程序就200mm直徑晶圓於一範圍的第二腔室至晶圓間隙(23~100mm)實行。蝕刻率及均一度的最適值發生在最小間隙時。

在不希望被任何特定學說或推測限制下，可信的是於本文所述之優異特性可歸因於三個因素的組合。第一，第二腔室之內部的橫截面面積大於第一腔室的橫截面面積。此種情況下，初始產生的電漿體積並不會過大，且可形成一相對均一的初始電漿。相反地，相對大的電漿產生腔室可能產生圓環型(toroidally)分佈的電漿。可信的是，如果初始產生的電漿沒有非常均一，則在最佳狀況下還是難以提供能造成均一蝕刻的後續處理步驟。第二，第二腔室的直徑應與晶圓直徑相近。出乎意料的是，這與業界中的一般想法大相逕庭。於晶圓並不是圓形橫截面的未必可能但純屬理論的狀況中，第二腔室則應為與晶圓之特性尺寸緊密相符的類似形狀。第三，晶圓(位於其在蝕刻期間之使用中位置)與緊密相符的第二腔室間之間隙要小。

由本發明所提供之裝置相較於先前技術較大ID的腔室，可改善氣體及電漿在晶圓平面上方的含容性。本發明可避免或至少減少蝕刻劑氣體直接流至抽泵管線的洩漏，進而增加蝕刻率，及/或改善跨晶圓的蝕刻均一度。再次地，在不期望受任何特定學說或推測的限制下，可相信的是，本發明可迫使蝕刻劑氣體在被抽泵出去之前環繞晶圓周邊與晶圓反應。事實上，應在此種混合狀態與可能為了將蝕刻產物抽泵離開晶圓而造成的降低傳導狀況間找出一平衡點。關於這一點，一擋板可能被設置在晶圓周圍或緊靠晶圓予以輔助。然而，擋板的使用並非本發明之必要特徵。熟於此技者將了解本發明可採許多不同方式來實現或最佳化，且此種變化係在本發明之範疇內。例如，晶圓由一ESC支撐或一WEP設置被使用並非必要。同樣地，在不改裝現有裝置的情況下，根據本發明生產新的電漿蝕刻裝置係為可能。第三腔室可從位在腔室底部而不是在腔室側邊的一埠被抽泵。其他電漿產生裝置亦可被預期。