TW202105507A - 用於高深寬比蝕刻的電漿蝕刻工具 - Google Patents

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Abstract

利用一電漿蝕刻設備以蝕刻高深寬比特徵部，該電漿蝕刻設備可於使低能量之反應性物種的負離子加速與使高能量之惰性氣體物種的正離子加速之間交替進行。該電漿蝕刻設備可被分成至少兩個區域，其將電漿產生空間與離子化空間分隔開。在電漿產生空間中引燃電漿時，可透過離子化空間中之電子附著離子化(electron attachment ionization)而產生反應性物種之負離子。在電漿產生空間中電漿熄滅時，可透過離子化空間中之潘寧離子化(Penning ionization)而產生惰性氣體物種之正離子。

Description

用於高深寬比蝕刻的電漿蝕刻工具
本發明係關於用於高深寬比蝕刻的電漿蝕刻工具。
電漿蝕刻處理常用於半導體裝置之製造過程中。越來越多的半導體裝置係依照越來越狹窄的設計規則定尺寸。特徵部尺寸逐漸減小，且越來越多的特徵部被裝載於單一晶圓上以產生更高密度的結構。隨著裝置特徵部縮小且結構的密度增加，使得受蝕刻之特徵部的深寬比增加。有效蝕刻高深寬比(HAR)特徵部對於滿足許多半導體裝置之設計要求而言係至關重要的。
此處所提供之先前技術說明係為了大體上介紹本發明之背景。在此先前技術章節中所敘述之範圍內之本案列名之發明人的成果、以及在申請時不適格作為先前技術之說明書的實施態樣，皆非有意地或暗示地被承認為對抗本發明之先前技術。
本文提供一種電漿蝕刻設備。該電漿蝕刻設備包含：一電漿產生源；一離子化空間，其係與該電漿產生源耦合，且係配置以產生離子；一第一格柵，其位於該離子化空間與該電漿產生源之間；一加速空間，其係與該離子化空間耦合，且係配置以將該等離子輸送至該加速空間中的基板；一基板支座，用於在該加速空間中支撐該基板，其中該基板支座係配置為受偏壓；以及一控制器。該控制器配置有用於執行以下操作的指令：藉由將反應性物種導入該離子化空間中並施加正偏壓至該基板支座以使該反應性物種之負離子在該加速空間中加速至該基板；以及藉由將非反應性物種導入該離子化空間中並施加負偏壓至該基板支座以使該非反應性物種之正離子在該加速空間中加速至該基板。
在某些實施例中，該負偏壓的絕對值顯著大於該正偏壓。在某些實施例中，該正偏壓係介於約0.5 V至約10 V之間，且其中該負偏壓係介於約-50 kV至約-1 kV之間。在某些實施例中，該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令：當使該反應性物種之該等負離子加速時在該電漿產生源中引燃電漿；以及當使該非反應性物種之該等正離子加速時使該電漿產生源中的電漿熄滅。在某些實施例中，該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令：對於使該反應性物種之該等負離子加速的步驟而言，將電子從該電漿提取至該離子化空間，以在該離子化空間中使該反應性物種離子化並形成該反應性物種之該等負離子。在某些實施例中，該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令：對於使該非反應性物種之該等正離子加速的步驟而言，使介穩物種從該電漿擴散至該離子化空間，以在該離子化空間中使該非反應性物種離子化並形成該非反應性物種之該等正離子。在某些實施例中，該電漿蝕刻設備更包含一第二格柵，其位於該離子化空間與該加速空間之間。該離子化空間中的壓力可大於該加速空間中的壓力。
另一態樣涉及一種電漿蝕刻設備。該電漿蝕刻設備包含：一電漿產生源；一離子化空間，其係與該電漿產生源耦合，且係配置以產生離子；一第一格柵，其位於該離子化空間與該電漿產生源之間；一加速空間，其係與該離子化空間耦合，且係配置以將該等離子輸送至該加速空間中的基板；一基板支座，用於在該加速空間中支撐該基板，其中該基板支座係配置為受偏壓；以及一控制器。該控制器配置有用於執行以下操作的指令：將反應性物種及非反應性物種導入至該離子化空間；在該電漿產生源中引燃電漿；當該電漿被引燃時將正偏壓施加至該基板支座，俾使該反應性物種離子化並形成該反應性物種之負離子，且俾使該反應性物種之該等負離子加速至該基板；使該電漿產生源中的該電漿熄滅；以及當該電漿熄滅時將負偏壓施加至該基板支座，俾使該非反應性物種離子化並形成該非反應性物種之正離子，且俾使該非反應性物種之該等正離子加速至該基板。
在某些實施例中，該正偏壓係介於約0.5 V至約10 V之間，且其中該負偏壓係介於約-50 kV至約-1 kV之間。在某些實施例中，一第二格柵位於該離子化空間與該加速空間之間，其中該第一格柵係配置為受偏壓且該第二格柵係配置為受偏壓，其中該離子化空間中的壓力大於該加速空間中的壓力。在某些實施例中，該電漿產生源為感應耦合式電漿(ICP)反應器或電容耦合式電漿(CCP)反應器。在某些實施例中，該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令：重複且交替進行當該電漿被引燃時將該正偏壓施加至該基板支座和當該電漿熄滅時將該負偏壓施加至該基板支座的操作。
在本揭示內容中，用語「半導體晶圓」、「晶圓」、「基板」、「晶圓基板」、及「部分加工之積體電路」係可互換地使用。該領域中具通常知識者將會理解：用語「部分加工之積體電路」可指涉在積體電路加工之許多階段之任一者期間的矽晶圓。用於半導體裝置產業中的晶圓或基板通常具有200 mm、或300 mm、或450 mm的直徑。以下實施方式說明假設在晶圓上實施本揭示內容。然而，本揭示內容並非如此受限。工件可為各種外形、尺寸、及材料。除了半導體晶圓之外，可利用本揭示內容的其他工件包含各種物件，例如印刷電路板等。 前言
電漿已長期用於處理基板。電漿蝕刻涉及對沉積於基板上之材料進行蝕刻以形成期望的圖案。具體而言，反應離子蝕刻(RIE)利用具化學反應性的電漿以將沉積於基板上之材料移除。藉由對電漿生成腔室供應反應物氣體並施加電磁場以產生電漿。例如，電漿生成可採用電容耦合式電漿技術、感應耦合式電漿技術、電子迴旋技術、或微波技術。電漿中的高能離子與自由基被輸送至基板表面並與沉積於基板上之材料進行反應。
在電漿生成腔室中，將反應物氣體導入，並藉由施加強射頻(RF)電磁場以產生電漿。透過振盪電場而使電子加速，且電子與反應物氣體碰撞而使反應物氣體分子離子化並使其電子剝離，從而產生離子與更多電子的電漿。電漿一般包含離子、自由基、中性物種、及電子。在振盪電場的各個循環中，以電氣方式使自由電子在電漿生成腔室中向上和向下加速。許多自由電子可於電極處(如基板表面)引致負偏壓。較緩慢移動的離子朝向受偏壓電極加速，並與待蝕刻之基板表面上的材料進行反應。較緩慢移動的離子可形成可稱為鞘或電漿鞘的區域。典型的鞘厚度為大約若干毫米。離子通量一般與受處理之基板的表面垂直。
電漿反應器(如感應耦合式電漿反應器及電容耦合式電漿反應器)可產生具有不同特性的電漿。一般而言，感應耦合式電漿反應器可有效地執行導體蝕刻處理，而電容耦合式電漿反應器可有效地執行介電質蝕刻處理。
在使用感應耦合式電漿反應器之情況下，外部線圈中的高RF電流可於電漿區域中產生RF磁場，其進而在電漿區域中產生RF電場。感應耦合式電漿反應器可利用兩個RF產生器以獨立地控制電漿密度及離子能量。在使用電容耦合式電漿反應器之情況下，藉由施加RF電壓至電極而將能量輸送至電漿放電(plasma discharge)中的電子。可個別地或同時地使用複數RF激發頻率以改變電漿特性。與感應耦合式電漿反應器相比，電容耦合式電漿反應器通常能夠達到更高的離子能量，且電漿密度與離子能量係相關聯的，而非脫鉤的(在感應耦合式電漿反應器中之情況)。
圖1為產生用於蝕刻之感應耦合式電漿的例示性電漿蝕刻設備的示意圖。電漿蝕刻設備100包含上電極102及下電極104，在其之間可產生電漿140。基板106可被定位於下電極104上，且可被靜電卡盤(ESC)固持於適當位置。亦可採用其他夾持機構。
在圖1之範例中，電漿蝕刻設備100包含兩個RF源，其中RF源110連接至上電極102，而RF源112連接至下電極104。電漿蝕刻設備100可為感應耦合式電漿反應器。雖然將電漿蝕刻設備100描述為感應耦合式電漿反應器，但應理解，電漿蝕刻設備100可為具有單一RF功率源的電容耦合式電漿反應器。
在圖1中，RF源110及112可包含任何適當頻率(包括2 MHz、13.56 MHz、27 MHz、及60 MHz)的一或更多來源。可從一或更多氣體源114將反應物氣體導入至處理腔室120。例如，氣體源114可包含惰性氣體(例如氬(Ar))、含氧氣體(例如O2 )、含氟氣體(例如CF4 )、或其任何組合。可經由入口122將反應物氣體導入至處理腔室120，並且透過排氣泵124將過量氣體及反應副產物排放。
使控制器130連接至RF源110及112、以及與氣體源114相關的閥。可進一步使控制器130連接至排氣泵124。在某些實施例中，控制器130控制電漿蝕刻設備100的所有活動。
圖2為產生用於蝕刻之電容耦合式電漿的例示性電漿蝕刻設備的示意圖。電漿蝕刻設備200包含上電極202及下電極204。下電極204可包含額外的元件，例如用於固持基板206的卡盤或其他夾持機構。可自RF源212對下電極204供應RF功率。RF源212可提供任何適當頻率，包括2 MHz、13.56 MHz、27 MHz、及60 MHz。RF源212可在進行蝕刻期間提供RF偏壓至下電極204。RF源212提供功率以激發上電極202與下電極204之間的間隙220中的處理氣體，俾產生電漿240。RF源212可為在間隙220中產生高密度電漿240的單一RF源。可從氣體源214將處理氣體供應至間隙220。處理氣體係由噴淋頭裝置216供應，且可流過通道而進入間隙220。
控制器230可與電漿蝕刻設備200一起實施。控制器230可控制電漿蝕刻設備200的某些或所有活動。在某些實施例中，可使控制器連接至下電極204、RF源212、以及與氣體源214相關的閥。
電漿通常含有離子及中性物種(如自由基)的混合物。中性物種傾向於缺乏方向性，並且提供寬廣的角度分佈。中性物種傾向於引致各向同性蝕刻及側壁蝕刻。另一方面，離子傾向於具有沿實質上正交於基板表面之方向的方向性，並且提供狹窄的角度分佈。離子傾向於引致各向異性蝕刻。離子及中性物種的混合物係在深寬比相依的蝕刻處理中使用。可在電漿反應器中控制電漿的比率、密度、及其他特性，但深寬比相依的蝕刻處理仍利用離子與中性物種兩者來進行。
離子束蝕刻反應器使用離子束以透過濺射而蝕刻材料。此類型的蝕刻處理為高度各向異性且非選擇性的。化學蝕刻反應器使用蝕刻劑氣體以透過在基板表面處的化學反應和形成揮發性產物而蝕刻材料。此類型的蝕刻處理為高度各向同性且具選擇性的。電漿蝕刻反應器通常使用離子及中性物種(如自由基)以透過離子轟擊和在基板表面上的化學反應而蝕刻材料。此可稱為離子輔助蝕刻。此類型的蝕刻處理可為適度各向異性且適度具選擇性的。藉由控制離子通量、離子能量、中性粒子/離子通量比、沉積或鈍化化學品、基板表面之溫度、及壓力，可影響蝕刻方向性及蝕刻輪廓。然而，隨著特徵部的深寬比越來越高，習知的電漿蝕刻技術及反應器可能無法充分地控制深寬比相依之蝕刻處理中的蝕刻方向性及蝕刻輪廓。
圖3A-3C顯示用於蝕刻二氧化矽(SiO2 )之例示性反應機制的示意圖。深寬比相依之蝕刻處理的許多應用涉及反應性物種與非反應性物種的組合。電漿可由反應性物種與非反應性物種所產生，其中電漿可包含反應性物種的自由基與非反應性物種的離子。反應性物種可包含聚合物前驅物(例如氟碳前驅物(Cx Fy ))，其中例示性氟碳前驅物可包含CF4 及C4 F8 。非反應性物種可包含一或更多惰性氣體，如氦(He)、氬(Ar)、氙(Xe)、及氪(Kr)。
在圖3A中，Cx Fy 的自由基可擴散至具有一SiO2 層之基板的表面，且可使Ar+ 之離子在偏壓下加速至基板表面。可使自由基與離子混合。如圖3A–3C所示，自由基可能缺乏方向性，其中水平分量與垂直分量的大小相似。離子可能具有沿實質上正交於基板表面之方向的方向性，其中垂直分量大於水平分量。自由基比離子更緩慢地移動至基板表面。
在離子轟擊下的自由基可能形成圖3B中之具化學反應性的SiCx Fy Oz 膜層。自由基可能傾向於在基板表面上飽和化，並與基板表面進行化學反應。此外，自由基可能傾向於在基板表面上凝聚並形成薄膜。在不受任何理論限制下，離子束與Cx Fy 之自由基混合可能在形成具化學反應性膜層的過程中起重要作用。
在圖3C中，Ar+ 之高能離子可與基板表面碰撞並穿透基板表面。此使得具化學反應性的SiCx Fy Oz 膜層以蝕刻副產物(如SiF4 及CO2 )的型態脫附。可從具化學反應性的SiCx Fy Oz 膜層移除該等蝕刻副產物，從而蝕刻一些SiO2 。
在習知的電漿蝕刻反應器(例如圖1中之電漿蝕刻設備或圖2中之電漿蝕刻設備)中，產生含有離子及中性物種之混合物的電漿。藉由在電漿生成期間供應增量的RF功率，從而透過電子碰撞而產生較高的離子能量，可蝕刻出高深寬比特徵部。產生離子厚鞘，並且可藉由施加RF偏壓使離子加速通過厚鞘。然而，此等產生較高離子能量和使離子加速的方式係低效率且高成本的，且仍造成較寬的離子能量分佈函數(IEDF)及較寬的離子角度分佈函數(IADF)。因此，習知的電漿蝕刻反應器在其用於高深寬比蝕刻應用的有效性方面可能受到限制。
可利用離子束蝕刻反應器以替代習知的電漿蝕刻反應器，俾使離子被完全分離出來以用於蝕刻，但對於蝕刻高深寬比特徵部而言，來自電漿的反應性物種(例如中性物種)通常亦為必需的。因此，對於許多高深寬比蝕刻應用而言，使用離子束蝕刻反應器可能係不切實際的。
如上所述，諸如離子/中性粒子通量比的控制參數可能影響蝕刻方向性及蝕刻輪廓。可隨著深寬比相依之蝕刻處理中的深寬比而調整離子/中性粒子通量比。較高的離子/中性粒子通量比可提供較為各向異性之蝕刻，而較低的離子/中性粒子通量比可提供較具選擇性之蝕刻。離子/中性粒子通量比可能在蝕刻期間有所變化。例如，在習知的電漿蝕刻反應器中，可藉由混合模式脈衝(MMP)以調整離子/中性粒子通量比。氣體循環的各個脈衝可具有變化的反應性物種(如中性物種)對非反應性物種(如惰性氣體)之量。電漿功率及/或頻率在氣體循環的各個脈衝期間可為不同的。換言之，可隨著各個脈衝而交替地改變RF設定及流量設定，以改變離子/中性粒子通量比。在使用混合模式脈衝之情況下，可隨時間而改變離子對中性物種的比率。然而，混合模式脈衝可能相對緩慢，其係歸因於在反應性物種與非反應性物種之間的恆常氣體切換。再者，雖然混合模式脈衝可針對各個脈衝而提供不同的RF功率/頻率，但不同的RF功率/頻率不會從根本上改變化學品。在習知的電漿蝕刻反應器中進行電子撞擊離子化之情況下，即使利用混合模式脈衝，中性物種及離子仍不會在進行蝕刻期間被完全分離出來。
亦提出依賴離子及中性物種以進行深寬比相依之蝕刻的習知電漿蝕刻反應器，其挑戰為中性物種朝向特徵部底部的擴散非常緩慢。蝕刻高深寬比特徵部可涉及使中性物種流動以吸附於暴露表面上並形成反應性膜層、以及使離子朝向表面加速以移除反應性膜層。在習知電漿蝕刻反應器中所產生的電漿通常具有寬IEDF及寬IADF。中性物種具有約若干eV的能量，而離子具有約數十或數百eV的能量。中性物種缺乏方向性且難以利用寬IEDF及寬IADF以蝕刻高深寬比特徵部(例如深渠溝)。雖然可利用偏壓脈衝使具有高離子能量的離子加速，但具有低離子能量的中性物種在所有方向上皆非常緩慢地擴散。中性物種可能未必到達特徵部的底部，但可能碰撞特徵部的側壁。此導致低蝕刻速率。
在蝕刻高深寬比特徵部的過程中，在習知電漿蝕刻反應器中使離子加速可能致使電荷在遮罩上積聚。電荷在遮罩上積聚可能排斥離子，使其無法到達特徵部的底部。此使得特徵部底部處的蝕刻減少並使得側壁處的蝕刻增加，其導致「彎曲現象(bowing)」。習知電漿蝕刻反應器可使離子能量增加，以克服電荷斥力並到達高深寬比特徵部的底部，但此使得成本增加。
此外，習知電漿蝕刻反應器在自基板移除材料的過程中可能形成各種蝕刻副產物。通常，藉由一或更多泵抽機制將蝕刻副產物抽出電漿蝕刻反應器。然而，蝕刻副產物可能並未被完全去除。當引燃電漿時，此等蝕刻副產物可能被離子化並重新沉積於基板上。可在複數操作之間執行無晶圓自動清潔(WAC)以去除蝕刻副產物，但此使得成本增加。 電漿蝕刻設備
本發明之電漿蝕刻設備可解決高深寬比蝕刻之前述挑戰。可將電漿蝕刻設備分成二或更多個體積，其將電漿生成空間與離子化空間分隔開。在某些實施例中，可將電漿蝕刻設備分成至少三個體積，其將電漿生成空間、離子化空間、及加速空間分隔開。在某些實施例中，格柵至少將電漿生成空間與離子化空間分隔開，其中可使格柵受偏壓或接地。可藉由DC電壓使支撐基板的電極或基板支座受偏壓，以與格柵產生電場。在蝕刻處理的第一階段期間，在電漿生成空間中所產生的電子可與反應性物種進行反應，以透過電子附著離子化(electron attachment ionization)而在離子化空間中形成負離子，其中使該等負離子加速至基板表面以將基板表面處的材料改質。在蝕刻處理的第二階段期間，使電漿熄滅，且殘留的介穩中性物種可與惰性氣體物種進行反應以透過潘寧離子化(Penning ionization)而在離子化空間中形成正離子，其中使該等正離子加速至基板表面以蝕刻基板表面處的經改質材料。可交替且重複進行蝕刻處理的第一與第二階段以完成蝕刻處理。如本文所使用，負離子亦可稱為「快速中性粒子」、「經加速之中性粒子」、「未解離之反應性離子」、或「反應性離子」。正離子亦可稱為「非反應性離子」或「惰性氣體離子」。電漿蝕刻設備可透過完全分離快速中性粒子及非反應性離子而進行高深寬比蝕刻。
依據某些實施例，圖4A為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。電漿蝕刻設備400a包含用於產生電漿的電漿產生源410、與電漿產生源410耦合且配置以產生離子的離子化空間420、以及與離子化空間420耦合且配置以輸送離子至基板436的加速空間430，其中基板436係位在加速空間430中。電漿蝕刻設備400a可包含介於電漿產生源410與離子化空間420之間的第一格柵424。在某些實施例中，電漿蝕刻設備400a可更包含介於離子化空間420與加速空間430之間的第二格柵434。電漿產生源410可在離子化空間420的上游，且離子化空間420可在加速空間430的上游。
可自第一氣體源412將第一氣體或第一氣體混合物導入電漿產生源410中。第一氣體源412可與電漿產生源410流體連通。可使一或更多閥、質量流量控制器(MFCs)、及/或混合歧管與第一氣體源412相關聯，以控制第一氣體流入電漿產生源410的流動。第一氣體可包含鈍氣，如氦、氬、氙、或氪。在某些實施例中，可在蝕刻處理期間連續地輸送第一氣體。在某些實施例中，可在蝕刻處理的個別階段中脈衝第一氣體。
可將RF功率供應至電漿產生源410，以在電漿產生源410中產生第一氣體的電漿。在某些實施例中，電漿產生源410可包含耦合至RF產生器416的RF天線414。在某些實施例中，RF產生器416可包含耦合至匹配網路的RF電源。在某些實施例中，RF天線414可包含平面螺旋線圈。在圖4A中所示之某些實施例中，電漿蝕刻設備400a的電漿產生源410為感應耦合式電漿(ICP)反應器。然而，應理解，本發明可採用電容耦合式電漿(CCP)反應器或其他類型的電漿反應器以產生電漿。在使用過程中，第一氣體被輸送至電漿產生源410且RF功率從RF產生器416被供應至RF天線414，以在電漿產生源410中產生電漿。藉由電子撞擊離子化，電子與第一氣體進行碰撞並使其電子剝離，以產生離子及更多電子。在蝕刻處理的第一階段期間，可供應RF功率以在電漿產生源410中產生第一氣體的電漿。在蝕刻處理的第二階段期間，可關閉RF功率以使電漿產生源410中的電漿熄滅。
如下更詳細地討論，蝕刻處理可構成一蝕刻循環，其分為兩個階段。第一階段可構成一改質階段，其中電漿為啟動的，而第二階段可構成一移除階段，其中電漿為關閉的。
電漿產生源410係經由第一格柵424而與離子化空間420耦合。可透過第一格柵424而從電漿產生源410中所產生的電漿中提取離子、電子、或中性物種。在某些實施例中，第一格柵424可包含複數開口或孔隙，離子、電子、或中性粒子可通過該等開口或孔隙。在某些實施例中，第一格柵424可包含具有複數開口或孔隙的導電板，其中該導電板可為受偏壓或接地的。在如圖4A所示之某些實施例中，可透過電接地446而使第一格柵424接地。然而，應理解，在某些實施例中，可對第一格柵424施加偏壓。第一格柵424可與第二格柵434或基板支座438形成電場。取決於電場的電位梯度，可經由第一格柵424而從電漿中提取某些帶電物種及/或中性物種。可在蝕刻處理的第一階段期間提取電子以進行電子附著離子化(electron attachment ionization)，並且可在蝕刻處理的第二階段期間提取介穩中性物種以進行潘寧離子化(Penning ionization)。第一階段可構成改質階段，其中經由第一格柵424而從電漿中提取電子，且第二階段可構成移除階段，其中經由第一格柵424而從電漿餘輝中提取介穩中性物種。
電子附著離子化及潘寧離子化可於離子化空間420中發生。可自一或更多其他氣體源422將第二氣體或第二氣體混合物導入離子化空間420中。第二氣體可包含反應性氣體或反應性物種。反應性物種之範例包含鹵素氣體(如氯(Cl2 )、溴(Br2 )、氟(F2 )、或碘(I2 ))、全氟碳化物(如四氟甲烷(CF4 )、八氟環丁烷(C4 F8 )、及六氟環丁烯(C4 F6 ))、氫氟碳化物(如三氟甲烷(CHF3 )、二氟甲烷(CH2 F2 )、及氟甲烷(CH3 F))、及氧(O2 )。一般而言，第二氣體為負電性反應氣體。可自一或更多其他氣體源422將第三氣體或第三氣體混合物導入離子化空間420中。第三氣體可包含非反應性物種，如氦、氬、氙、或氪。在某些實施例中，第三氣體與第一氣體不同。在某些實施例中，可透過與一或更多其他氣體源422流體耦合的不同氣體入口將第二氣體與第三氣體輸送至離子化空間420中。可使一或更多閥、質量流量控制器(MFCs)、及/或混合歧管與一或更多其他氣體源422相關聯，以控制第二氣體與第三氣體流入離子化空間420的流動。在某些實施例中，可在蝕刻處理的第一階段及第二階段期間將第二氣體與第三氣體連續地供應至離子化空間420中。在某些其他實施例中，可以脈衝的方式將第二氣體與第三氣體供應至離子化空間420中，從而在第一階段中提供第二氣體且在第二階段期間提供第三氣體。
經由第一格柵424而提取的電子可引致第二氣體的電子附著離子化。此形成反應性物種之負離子。反應性物種之負離子係透過電子附著離子化而在沒有解離作用之情況下形成。電子附著離子化可在蝕刻處理之第一階段期間發生。因此，在蝕刻處理之改質階段期間發生電子附著離子化而形成反應性物種之負離子。以下顯示關於C4 F8 之電子附著離子化的例式： e- + C4 F8 --＞ C4 F8 -
經由第一格柵424而提取的介穩中性物種可引致第三氣體的潘寧離子化。此形成非反應性物種之正離子。可在即使電漿產生源410中之電漿熄滅或關閉之後經由第一格柵424而提取介穩中性物種。在某些實施例中，介穩中性物種可處於激發態。介穩中性物種可具有足夠長的壽命，以擴散通過第一格柵424並與非反應性物種碰撞。碰撞可能引致非反應性物種的潘寧離子化，從而使非反應性物種的電子剝離。潘寧離子化可在蝕刻處理之第二階段期間發生。因此，在蝕刻處理之移除階段期間發生潘寧離子化而形成非反應性物種之正離子。以下顯示關於Ar及介穩He* 之潘寧離子化的例式： He* + Ar --＞ Ar+ + He + e-
基板436可在加速空間430中被支撐於基板支座438上。在某些實施例中，基板436可包含複數高深寬比特徵部。高深寬比特徵部可包含具有至少10:1、至少20:1、至少50:1、或至少100:1的深度對寬度之深寬比的特徵部。基板支座438係配置為受DC電壓所施加偏壓。基板支座438可包含一卡盤或其他夾持機制以用於固持基板436。基板支座438可包含一電極，其係與DC電源442電連接，以施加負或正DC電壓至基板支座438。受偏壓之基板支座438可使得離子朝向基板436加速。可藉由在蝕刻處理之第一階段(改質階段)期間施加正偏壓而使負離子或快速中性粒子朝向基板436加速，並且可藉由在蝕刻處理之第二階段(移除階段)期間施加負偏壓而使正離子或非反應性離子朝向基板436加速。
正偏壓可在基板支座438與第二格柵434或第一格柵424之間產生弱電場，使得負離子在低能量下加速。負偏壓可在基板支座438與第二格柵434或第一格柵424之間產生強電場，使得正離子在高能量下加速。在某些實施例中，負偏壓的絕對值可顯著大於正偏壓。在某些實施例中，正偏壓可介於約0.5 V至約10 V之間，而負偏壓可介於約-50 kV至約-1 kV之間。蝕刻處理之改質階段期間的經加速之負離子用以將基板表面改質或活化，且可在基板表面上形成反應性膜層。蝕刻處理之移除階段期間的經加速之正離子用以蝕刻基板表面上的反應性膜層。
在圖4A中所示之某些實施例中，離子化空間420係經由第二格柵434而與加速空間430耦合。第一格柵424可將電漿產生源410與離子化空間420分隔開，且第二格柵434可將離子化空間420與加速空間430分隔開。第一格柵424與第二格柵434兩者之利用可使離子化作用增強。利用第一格柵424與第二格柵434，離子化空間420可於與加速空間430不同的壓力下操作。在某些實施例中，離子化空間420中的壓力大於加速空間430中的壓力。離子化空間420中的較高壓力促進更多碰撞及更多離子化作用。在某些實施例中，離子化空間420中的壓力係介於約10 mTorr至約1000 mTorr之間，如約500 mTorr。加速空間430中的減低壓力促進加速作用且碰撞較少。在某些實施例中，加速空間430中的壓力係介於約1 mTorr至約50 mTorr之間，如約4 mTorr。
第二格柵434的態樣可相似於第一格柵424。在某些實施例中，第二格柵434可包含複數開口或孔隙，離子、電子、或中性粒子可通過該等開口或孔隙。在某些實施例中，第二格柵434可包含具有複數開口或孔隙的導電板，其中該導電板可為受偏壓或接地的。在如圖4A所示之某些實施例中，第二格柵434包含一電極，其係與DC電源444電連接，以施加負或正DC電壓至第二格柵434。例如，在蝕刻處理之第一階段期間，可使第二格柵434受正偏壓以將電子從電漿產生源410吸引至離子化空間420中。在蝕刻處理之第二階段期間，可使第二格柵434受負偏壓以使正離子加速離開離子化空間420。雖然圖4中之實施例係顯示為具有第一格柵424及第二格柵434，但應理解，電漿蝕刻設備400a可包含任何數量的格柵，例如三個、四個、五個、或更多格柵。
電漿蝕刻設備400a可更包含排氣泵470。排氣泵470可包含粗抽泵及/或渦輪分子泵，其與加速空間430流體連通。排氣泵470係用以控制電漿蝕刻設備400a中的壓力，如加速空間430中的壓力。排氣泵470係進一步用以將各種氣體從加速空間430中排空。
可在電漿蝕刻設備400a中交替地重複蝕刻處理的改質階段及移除階段。在改質階段中，在電漿產生源410中產生電漿；經由第一格柵424從電漿中提取電子；在離子化空間420中發生電子附著離子化而形成反應性物種之負離子；在加速空間430中藉由施加至基板支座438的正偏壓而使負離子加速；且基板表面係透過負離子而加以改質。在移除階段中，將電漿產生源410中的電漿關閉；經由第一格柵424而從電漿餘輝中提取介穩中性物種；在離子化空間420中發生潘寧離子化而形成非反應性物種之正離子；在加速空間430中藉由施加至基板支座438的負偏壓而使正離子加速；且基板表面上的改質層透過正離子而被移除。
電漿蝕刻設備400a可更包含一控制器450。控制器450(其可包含一或更多實體或邏輯控制器)控制電漿蝕刻設備400a的某些或所有操作。控制器450可配置有用於執行蝕刻處理之改質階段及移除階段的指令。藉此方式，控制器450可在交替的階段中選擇性地使反應性物種及非反應性物種離子化，且控制器450可在交替的階段中使負離子及正離子的離子束加速。在某些實施例中，控制器450可用以控制與RF天線414連接的RF產生器416、用於輸送第一氣體的第一氣體源412、用於輸送第二氣體及第三氣體的一或更多其他氣體源422、與第二格柵434電連接的DC電源444、與基板支座438電連接的DC電源442、排氣泵470、或其組合。在某些實施例中，控制器450可配置有用於以下操作的指令：在改質階段期間施加RF功率至電漿產生源410且在移除階段期間使供至電漿產生源410的RF功率關閉。在某些實施例中，控制器450可配置有用於以下操作的指令：在改質階段期間施加正偏壓至基板支座438以從電漿產生源410中提取電子並使反應性物種之負離子加速至基板436、以及在移除階段期間施加負偏壓至基板支座438以使非反應性物種之正離子加速至基板436。施加正偏壓可從電漿中提取電子，以使反應性物種離子化並形成反應性物種之負離子。施加負偏壓可致使介穩物種自電漿或其餘輝擴散，以使非反應性物種離子化並形成非反應性物種之正離子。
控制器450可包含一或更多記憶體裝置及一或更多處理器。處理器可包含中央處理器(CPU)或電腦、類比及/或數位輸入/輸出連接件、步進馬達控制器板、及其他類似元件。用以施行適當控制操作的指令係於處理器上執行。此些指令可儲存在與控制器450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，控制器450執行系統控制軟體。系統控制軟體可包含用於控制以下腔室操作條件之任一或多者之施加時序及大小的指令：氣體之混合及/或組成、氣體之流率、腔室壓力、腔室溫度、基板/基板支座溫度、基板位置、基板支座傾斜、基板支座旋轉、施加至格柵的電壓、施加至基板支座的電壓、施加至線圈、天線、或其他電漿產生元件的頻率及功率、及由工具所執行之特定處理的其他參數。系統控制軟體可進一步經由排氣泵470而控制排淨操作及清潔操作。系統控制軟體可以任何合適方式加以配置。例如，可寫入許多處理工具元件之子程式或控制目的，以控制必要的處理工具元件之操作，俾實現各種處理工具之處理。可以任何合適的電腦可讀程式語言對系統控制軟體進行編碼。
在某些實施例中，系統控制軟體包含輸入/輸出控制(IOC)序列指令，用以控制上述的各種參數。例如，半導體加工製程的各階段可包含用於由控制器450執行的一或更多指令。例如，可將用於設定一階段之製程條件的指令包含於相應的配方階段中。在某些實施例中，可將配方階段依序排列，使得針對該製程階段以一定順序執行電漿蝕刻處理中之步驟。例如，一配方可配置以執行第一階段期間的電漿生成和負離子加速、及第二階段期間在電漿功率關閉情況下的正離子加速。
在某些實施例中，可使用其他電腦軟體及/或程式。用於此目的之程式或程式區段的範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功率供應控制程式。
控制器450可基於感測器輸出(例如，當功率、電位、壓力、氣體位準等到達某閾值時)、操作之時序(例如，在製程的某些時候施加功率)、或基於所接收之來自使用者的指令，而控制該等及其他態樣。
廣泛而言，可將控制器450定義為具有接收指令、發送指令、控制操作、允許清潔操作、允許端點量測等之各種積體電路、邏輯、記憶體、及/或軟體的電子設備。該積體電路可包含儲存程式指令的韌體形式之晶片、數位信號處理器(DSPs)、定義為特殊應用積體電路(ASICs)之晶片、及/或執行程式指令(如軟體)之一或更多的微處理器或微控制器。程式指令可為以各種個別設定(或程式檔案)之形式傳送到控制器450的指令，其定義用以在半導體晶圓上、或針對半導體基板、或對系統執行特定處理的操作參數。在一些實施中，該等操作參數可為由製程工程師所定義之配方的部分，用以在電漿蝕刻期間完成一或更多的處理步驟。
在一些實施例中，控制器450可為電腦的部分或耦接至電腦，該電腦係與系統整合、耦接至系統、或透過網路連接至系統、或上述之組合。例如，控制器450係可位於「雲端」、或為晶圓廠主機電腦系統的全部或部分，其可允許基板處理之遠端存取。該電腦能達成對該系統之遠端存取，以監視製造操作之目前進度、查看過去製造操作之歷史、查看來自多個製造操作之趨勢或性能指標，俾改變目前處理之參數，以設定處理步驟而接續目前的處理、或開始新的處理。在一些範例中，遠端電腦(如伺服器)可透過網路將處理配方提供給系統，該網路可包含區域網路或網際網路。該遠端電腦可包含可達成參數及/或設定之輸入或編程的使用者介面，該等參數或設定接著自該遠端電腦傳送至該系統。在一些範例中，控制器450接收資料形式之指令，在一或更多的操作期間，其針對該待執行的處理步驟之各者而指定參數。應理解，該等參數可特定於待執行之處理的類型、及工具(控制器450係配置成與該工具介面接合或控制該工具)的類型。因此，如上所述，控制器450可為分散式的，例如藉由包含一或更多的分離的控制器，其透過網路連接在一起並朝共同的目標而作業，例如本文中所敘述之處理及控制。用於此類目的之分散式控制器450之範例可為腔室上之一或更多的積體電路，其與位於遠端(例如為平台等級、或為遠端電腦的部分)之一或更多的積體電路連通，其結合以控制該腔室上的處理。
如上所述，依據將藉由工具執行之(複數)處理步驟，控制器450可與半導體製造工廠中之下列一或更多者進行通訊：其他工具電路或模組、其他工具元件、群集工具、其他工具介面、鄰接之工具、鄰近之工具、遍布工廠的工具、主電腦、另一控制器、或材料運輸中所使用之工具，該材料運輸中所使用之工具將基板容器輸送往返於工具位置及/或裝載埠。
在某些實施例中，控制器450係配置有用於執行以下操作的指令：藉由將反應性物種導入離子化空間420中並施加正偏壓至基板支座438以使反應性物種之負離子在加速空間430中加速至基板436、以及藉由將非反應性物種導入離子化空間420中並施加負偏壓至基板支座438以使非反應性物種之正離子在加速空間430中加速至基板436。控制器450可進一步配置有用於執行以下操作的指令：當使反應性物種之負離子加速時在電漿產生源410中引燃電漿、以及當使非反應性物種之正離子加速時使電漿產生源410中的電漿熄滅。控制器450可進一步配置有用於執行以下操作的指令：對於使反應性物種之負離子加速的步驟而言，將電子從電漿提取至離子化空間420，以在離子化空間420中使反應性物種離子化並形成反應性物種之負離子。此可透過施加正偏壓至基板支座438而進行。控制器450可進一步配置有用於執行以下操作的指令：對於使非反應性物種之正離子加速的步驟而言，使介穩物種從電漿擴散至離子化空間420，以在離子化空間420中使非反應性物種離子化並形成非反應性物種之正離子。此可透過施加負偏壓至基板支座438而進行。控制器450可進一步配置有用於執行以下操作的指令：對於使反應性物種之負離子加速的步驟而言，在基板436之材料層上形成反應性膜層；以及對於使非反應性物種之正離子加速的步驟而言，蝕刻基板436的材料層，其中該材料層包含介電材料或導電材料。控制器450可進一步配置有用於執行以下操作的指令：重複且交替進行使反應性物種之負離子加速及使非反應性物種之正離子加速的操作。
依據某些實施例，圖4B為被單一格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。圖4B中之電漿蝕刻設備400b的態樣可相似於圖4A中之電漿蝕刻設備400a，不同之處在於：電漿蝕刻設備400b中不存在第二格柵。因此，離子化空間420及加速空間430佔據整體體積，且未被任何實體結構所分隔。離子化空間420及加速空間430中的壓力可為相同的。在電漿蝕刻設備400b的相同整體體積中有效地使離子產生和加速。
依據某些實施例，圖4C為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備在遠程電漿源中產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。圖4C中之電漿蝕刻設備400c的態樣可相似於圖4A中之電漿蝕刻設備400a，不同之處在於：電漿產生源410在電漿蝕刻設備400c中係耦合至遠程感應源472。可將來自RF產生器476的RF電流施加至線圈474以在遠程感應源472中產生RF電場，並在電漿產生源410中形成下游電漿。感應耦合式遠程電漿反應器可產生比電容耦合式電漿反應器更高密度的電漿。因此，感應耦合式遠程電漿反應器可用以增加電子密度及介穩物種密度。電容耦合式遠程電漿反應器與電容耦合式電漿反應器相比亦係如此。在某些實施例中，電漿蝕刻設備400c可包含單一格柵，而非兩個以上的格柵。
依據某些實施例，圖4D為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生電容耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。圖4D中之電漿蝕刻設備400d的態樣可相似於圖4A中之電漿蝕刻設備400a，不同之處在於：電漿產生源410在電漿蝕刻設備400d中為電容耦合式電漿反應器。可將RF功率從RF產生器416供應至電極418，以在電漿產生源410中產生電漿。可使第一格柵424受偏壓或接地，並且可在電容耦合式電漿反應器中於電極418與第一格柵424之間形成電漿。在某些實施例中，電漿蝕刻設備400d可包含單一格柵，而非兩個以上的格柵。此外，應理解，圖4A–4D中之電漿蝕刻設備400a–400d可利用任何數量的格柵，且可利用任何合適的電漿產生技術，如CCP技術、ICP技術、電子迴旋技術、或微波技術。
依據某些實施例，圖5顯示利用正與負離子之交替離子束進行電漿蝕刻之例示性方法的流程圖。圖5中之程序500的操作可包含額外、較少、或不同的操作。伴隨圖5中之程序500的描述，一系列橫截面示意圖在圖6A中顯示改質操作且在圖6B中顯示移除操作。依據某些實施例，圖6A及6B顯示在圖6A之改質操作與圖6B之移除操作之間交替進行的例示性電漿蝕刻處理之示意圖。可利用電漿蝕刻設備(如圖4A–4D中之電漿蝕刻設備400a–400d之其中一者)以執行程序500的操作。
在程序500的方塊510，將反應性物種及非反應性物種導入至離子化空間。反應性物種及非反應性物種可以氣相的形式直接流入電漿蝕刻設備的離子化空間。離子化空間可為與電漿產生源分隔開的空間，其中第一格柵可將離子化空間與電漿產生源分隔。離子化空間可位於電漿產生源的下游。第一格柵可包含具有複數開口或孔隙的導電板，離子、電子、及鈍氣的中性物種可通過該等開口或孔隙。反應性物種可包含負電性反應氣體物種，如鹵素、全氟碳化物、氫氟碳化物、或氧。例如，反應性物種包含C4 F8 。非反應性物種可包含惰性氣體，如氦、氬、氙、或氪。非反應性物種可與供至電漿產生源的鈍氣不同。在某些實施例中，反應性物種及非反應性物種可在整個程序500中連續地導入、或在程序500期間的指定時段內導入。在某些實施例中，可在程序500期間以個別的脈衝將反應性物種及非反應性物種導入。例如，可在程序500之第一階段期間導入反應性物種及非反應性物種之其中一或兩者，或者可在程序500之第二階段期間導入反應性物種及非反應性物種之其中一或兩者。
第一階段構成一改質階段，且可至少包含程序500之方塊520及530。在某些實施例中，第一階段更包含方塊510。第二階段構成一移除階段，且可至少包含程序500之方塊540及550。在某些實施例中，第二階段更包含方塊510。
在程序500之方塊520，在電漿產生源中引燃鈍氣之電漿。在某些實施例中，在方塊520之前或方塊520期間將鈍氣導入電漿產生源中。鈍氣可包含氦、氬、氙、或氪。例如，鈍氣包含氦。鈍氣之電漿可包含鈍氣的中性物種、離子、及電子之混合物。在某些實施例中，電漿產生源可為CCP反應器或ICP反應器。在方塊520之電漿引燃期間，將電漿啟動。
在程序500之方塊530，將正偏壓施加至基板支座，以從電漿產生源中提取電子並使反應性物種之負離子加速至基板。可將基板支撐於加速空間中的基板支座上，其中該加速空間可表示電漿蝕刻設備中與離子化空間整合或與離子化空間分隔的體積。加速空間可位於離子化空間的下游。基板可包含待蝕刻之材料層，其中該材料層可包含介電材料或導電材料。在某些實施例中，基板可包含複數高深寬比特徵部，其具有至少10:1、至少20:1、至少50:1、或至少100:1的深度對寬度之深寬比。
可經由第一格柵而從電漿產生源中的電漿中提取電子。在某些實施例中，第一格柵可為接地的，且對電漿產生源外部的基板支座施加正偏壓，以經由第一格柵而提取電子。在某些實施例中，可對第一格柵施加負偏壓，且對電漿產生源外部的基板支座施加正偏壓，以經由第一格柵而提取電子。歸因於在受正偏壓之基板支座與接地或受負偏壓之格柵之間所建立的電場，因此從電漿中提取出電子。電子在電漿啟動時被提取。在不受任何理論限制下，所提取之電子可與反應性物種碰撞，並透過電子附著離子化而形成反應性物種之負離子。反應性物種之離子不會解離。在引起與反應性物種之電子附著離子化(但不引起與非反應性物種之電子附著離子化)的能量下提取電子。例如，可在介於約1 eV至約5 eV之間的能量下提取電子，以進行C4 F8 之電子附著而形成C4 F8 - 。在某些實施例中，施加至基板支座的正偏壓係介於約0.5 V至約10 V之間、或介於約1 V至約5 V之間。
由於反應性物種之負離子係透過電子附著離子化而形成，因此施加至基板支座的正偏壓使得負離子加速至基板。以限制或避免基板表面處之濺射的方式使反應性物種之負離子加速至基板。具體而言，可將施加至基板支座的正偏壓維持於約0.5 V至約10 V之間、或約1 V至約5 V之間。藉由施加較小的正偏壓，經加速之負離子可使基板表面改質或活化，而非從基板表面上濺射原子/分子。在某些實施例中，經加速之負離子被吸附於基板表面上而形成一反應性膜層以用於蝕刻。基板上的材料層可被轉化為反應性膜層，其中該反應性膜層可在程序500之移除階段期間被蝕刻。
可同時或循序地執行改質階段中之方塊520及530的操作。可在方塊520及530的操作之前或期間執行方塊510的操作。
圖6A顯示經歷蝕刻處理之改質階段的例示性電漿蝕刻設備之示意圖。此等改質階段可包含圖5中之程序500的方塊510、520、及530的操作。將氦氣輸送至諸如CCP反應器的電漿產生源中。雖然將電漿產生源顯示為CCP反應器，但應理解，電漿產生源可為任何合適的電漿反應器。氦電漿係由電漿產生源所產生。正DC電壓被施加至基板支座，基板被支撐於該基板支座上。正偏壓使得電子經由電漿產生源與離子化空間之間的格柵而被提取。將反應性氣體(如C4 F8 )及非反應性氣體(如Ar)導入離子化空間。所提取的電子引起反應性氣體在沒有解離之情況下離子化，以形成反應性氣體之負離子。如圖6A所示，C4 F8 係透過電子附著離子化而離子化以形成C4 F8 - 。藉由正偏壓而使反應性氣體之負離子加速至基板，以使基板的基板表面活化或改質。例如，C4 F8 - 可在基板表面上形成一反應性膜層。雖然在電漿蝕刻設備中顯示單一格柵，但應理解，可在電漿蝕刻設備中設置第二格柵以劃分離子化空間，該第二格柵位於在其中發生離子化的離子化空間與在其中設置基板的加速空間之間。因此，蝕刻處理之改質階段可涉及：啟動電漿以引燃電漿；施加正偏壓至基板支座；從電漿中提取電子；使反應性物種離子化以形成反應性物種之負離子；以及使負離子加速至基板以將基板表面改質。
回到圖5，程序500的方塊540，在電漿產生源中使電漿熄滅。不施加RF功率至電漿產生源以引燃或維持電漿。換言之，使電漿關閉。在沒有電漿放電之情況下，不會產生鈍氣之帶電物種。然而，介穩物種(如鈍氣之介穩中性物種)即使在電漿關閉之後仍可留存於電漿產生源中。鈍氣之介穩物種可具有足夠長的壽命，以擴散通過第一格柵並進入離子化空間。尤其，鈍氣之介穩物種在餘輝期間可擴散至離子化空間中。
在電漿關閉之後擴散至離子化空間中的介穩物種可與非反應性物種碰撞並形成非反應性物種之正離子。介穩物種可處於激發態。在不受任何理論限制下，處於激發態的介穩物種可與非反應性物種引起潘寧離子化，但不與反應性物種引起潘寧離子化。例如，處於激發態的介穩氦自由基(He* )可具有若干秒的壽命及若干eV的能量。此壽命對於在衰變之前發生碰撞而言係足夠長的，且介穩氦自由基在激發態下具有充足的能量以使惰性氣體物種(如Ar)離子化。介穩氦自由基可使Ar離子化而形成Ar+ 。
在程序500的方塊550，將負偏壓施加至基板支座以使非反應性物種之正離子加速至基板。由於惰性氣體物種之正離子係透過潘寧離子化而形成，因此施加至基板支座的負偏壓使得正離子加速至基板。以促進基板表面處之離子轟擊及化學輔助濺射的方式使非反應性物種之正離子加速至基板。藉著介於約1000 eV至約50000 eV之間的能量，正離子可撞擊並穿透基板表面。在某些實施例中，施加至基板支座的負偏壓可介於約-50 kV至約-1 kV之間、或介於約-10 kV至約-1 kV之間。藉由施加較大的負偏壓，經加速之正離子可對形成於基板表面上的材料進行蝕刻。在某些實施例中，經加速之正離子與反應性膜層混合以導致反應性膜層被蝕刻。
可同時或循序地執行移除階段中之方塊540及550的操作。可在方塊540及550的操作之前或期間執行方塊510的操作。
圖6B顯示經歷蝕刻處理之移除階段的例示性電漿蝕刻設備之示意圖。此等移除階段可包含圖5中之程序500的方塊510、540、及550的操作。未將功率施加至電漿產生源，因此使得電漿產生源中的電漿熄滅。氦電漿被關閉，僅在電漿餘輝中留下介穩氦自由基。介穩氦自由基可處於激發態，並且可擴散通過格柵。將反應性氣體(如C4 F8 )及非反應性氣體(如Ar)導入離子化空間。所提取的介穩氦自由基引起非反應性氣體的離子化，以形成非反應性氣體之正離子。如圖6B所示，Ar係透過潘寧離子化而離子化以形成Ar+ 。將負DC偏壓施加至基板支座，基板被支撐於該基板支座上。負偏壓使得非反應性氣體之正離子加速至基板，以透過化學輔助濺射將基板表面上的反應性膜層移除。例如，Ar+ 可移除由吸附於基板表面上之C4 F8 - 所形成的反應性膜層。因此，蝕刻處理之移除階段可涉及：關閉電漿以使電漿熄滅；施加負偏壓至基板支座；提取介穩中性物種；使非反應性物種離子化以形成非反應性物種之正離子；以及使正離子加速至基板以從基板表面蝕刻材料。
回到圖5，程序500可更包含以交替的方式重複進行方塊520及530的改質階段及方塊540及550的移除階段。改質階段及移除階段可連續地交替進行以完成程序500，俾進行電漿蝕刻。在某些實施例中，改質階段及移除階段可連續地交替進行以完成程序500，俾在基板上獲得電漿蝕刻高深寬比特徵部。程序500可於改質階段中之電子附著離子化與移除階段中之潘寧離子化之間交替。此外，程序500可於改質階段中之低能量的加速快速中性粒子與移除階段中之高能量的加速正離子之間交替。此外，程序500可於改質階段中之電漿啟動與移除階段中之電漿關閉之間交替。
依據某些實施例，圖7顯示在一電漿蝕刻處理中對電漿源施加功率和對基板支座施加電壓的例示性時序圖，其中該電漿蝕刻處理在改質操作與移除操作之間交替進行。改質操作與移除操作可構成一蝕刻循環。在某些實施例中，蝕刻循環可持續約1 ms至約50 ms之間。改質操作的歷時可介於約1 ms至約10 ms之間，且移除操作的歷時可介於約1 ms至約10 ms之間。改質操作及其歷時可與使反應性物種之負離子加速相關聯而進行、或與施加正偏壓至基板支座相關聯而進行。移除操作及其歷時可與使非反應性物種之正離子加速相關聯而進行、或與施加負偏壓至基板支座相關聯而進行。
如圖7所示，在改質操作期間將功率施加至電漿源，並且利用正DC電壓使基板支座略微地受偏壓。正DC電壓可介於約1 V至約5 V之間。如圖7所示，在移除操作期間不施加功率至電漿源，並且利用負DC電壓使基板支座顯著地受偏壓。負DC電壓可介於約-50 kV至-1 kV之間。控制器可配置以提供用於以下操作的指令：在改質操作與移除操作之間交替地施加功率至電漿源和施加電壓至基板支座。
本發明之電漿蝕刻設備提供反應性物種之負離子與非反應性物種之正離子的交替離子束以進行電漿蝕刻。快速中性粒子可透過低能量的DC加速而將基板表面改質，且正離子可透過高能量的DC加速而從基板表面蝕刻材料。快速中性粒子具有窄IEDF及窄IADF。負離子與正離子之加速作用係透過DC加速而個別地發生，而非透過習知電漿蝕刻反應器中之RF偏壓所引起的鞘加速(其造成寬IEDF及寬IADF)。相對於習知電漿蝕刻反應器中之混合模式脈衝以平衡離子/中性粒子通量比，本發明可透過分離高能量的正粒子與低能量的負離子而分離離子通量與中性粒子通量。習知電漿蝕刻反應器透過電子撞擊離子化而進行離子化，而本發明可透過在進行電子附著離子化以形成負離子與進行潘寧離子化以形成正離子之間作選擇而達成選擇性離子化。具有低能量且具有窄IADF的快速中性粒子可透過電子附著離子化而產生，從而避免中性物種非常緩慢得擴散至高深寬比特徵部之底部。此外，透過正與負離子之交替離子束而避免電荷在遮罩上積聚。亦透過以下方式而避免蝕刻副產物之再沉積：利用一或更多格柵將電漿產生區域與蝕刻區域分隔開，其防止蝕刻副產物回流至電漿產生區域中。再者，不論電漿反應器為CCP反應器或ICP反應器，皆可藉由本發明之電漿蝕刻設備以執行介電質蝕刻及導體蝕刻。 結論
在以上的敘述中，說明了大量的特定細節，以提供對所提出之實施例的徹底理解。所揭示之實施例可在毋須若干或全部此等特定細節之情況下實行。在其他的範例中，為了不使本發明晦澀難懂，習知的製程操作不會有詳細敘述。雖然所揭示之實施例係結合特定實施例而加以說明，但應理解，並非意圖限制所揭示之實施例。
為了讓熟知此項技藝者能清楚瞭解本發明，已詳細說明了上述的實施例，應理解，在隨附之申請專利範圍的範疇內可進行某些變化與修改。應注意，有許多替代方式施行本文實施例之製程、系統、及設備。因此，本文實施例應被視為是說明性而非限制性的，且該等實施例並不受限於本文所提供之細節。
100:電漿蝕刻設備 102:上電極 104:下電極 106:基板 110:RF源 112:RF源 114:氣體源 120:處理腔室 122:入口 124:排氣泵 130:控制器 140:電漿 200:電漿蝕刻設備 202:上電極 204:下電極 206:基板 212:RF源 214:氣體源 216:噴淋頭裝置 220:間隙 230:控制器 240:電漿 400a:電漿蝕刻設備 400b:電漿蝕刻設備 400c:電漿蝕刻設備 400d:電漿蝕刻設備 410:電漿產生源 412:第一氣體源 414:天線 416:RF產生器 418:電極 420:離子化空間 422:一或更多其他氣體源 424:第一格柵 430:加速空間 434:第二格柵 436:基板 438:基板支座 442:DC電源 444:DC電源 446:電接地 450:控制器 470:排氣泵 472:遠程感應源 474:線圈 476:RF產生器 500:程序 510:步驟 520:步驟 530:步驟 540:步驟 550:步驟
圖1為產生用於蝕刻之感應耦合式電漿的例示性電漿蝕刻設備的示意圖。
圖2為產生用於蝕刻之電容耦合式電漿的例示性電漿蝕刻設備的示意圖。
圖3A-3C顯示用於蝕刻二氧化矽(SiO2 )之例示性反應機制的示意圖。
依據某些實施例，圖4A為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。
依據某些實施例，圖4B為被單一格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。
依據某些實施例，圖4C為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備在遠程電漿源中產生感應耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。
依據某些實施例，圖4D為被至少兩個格柵所劃分的例示性電漿蝕刻設備之示意圖，其中該電漿蝕刻設備產生電容耦合式電漿並輸送正與負離子之交替離子束以進行蝕刻。
依據某些實施例，圖5顯示利用正與負離子之交替離子束進行電漿蝕刻之例示性方法的流程圖。
依據某些實施例，圖6A及6B顯示在圖6A之改質操作與圖6B之移除操作之間交替進行的例示性電漿蝕刻處理之示意圖。
依據某些實施例，圖7顯示在一電漿蝕刻處理中對電漿源及基板支座施加電壓的例示性時序圖，其中該電漿蝕刻處理在改質操作與移除操作之間交替進行。
400a:電漿蝕刻設備
410:電漿產生源
412:第一氣體源
414:天線
416:RF產生器
420:離子化空間
422:一或更多其他氣體源
424:第一格柵
430:加速空間
434:第二格柵
436:基板
438:基板支座
442:DC電源
444:DC電源
446:電接地
450:控制器
470:排氣泵

Claims (20)

  1. 一種電漿蝕刻設備，包含： 一電漿產生源； 一離子化空間，其係與該電漿產生源耦合，且係配置以產生離子； 一第一格柵，其位於該離子化空間與該電漿產生源之間； 一加速空間，其係與該離子化空間耦合，且係配置以將該等離子輸送至該加速空間中的基板； 一基板支座，用於在該加速空間中支撐該基板，其中該基板支座係配置為受偏壓；以及 一控制器，其配置有用於執行以下操作的指令： 藉由將反應性物種導入該離子化空間中並施加正偏壓至該基板支座以使該反應性物種之負離子在該加速空間中加速至該基板；以及 藉由將非反應性物種導入該離子化空間中並施加負偏壓至該基板支座以使該非反應性物種之正離子在該加速空間中加速至該基板。
  2. 如請求項1之電漿蝕刻設備，其中該負偏壓的絕對值顯著大於該正偏壓。
  3. 如請求項2之電漿蝕刻設備，其中該正偏壓係介於約0.5 V至約10 V之間，且其中該負偏壓係介於約-50 kV至約-1 kV之間。
  4. 如請求項1之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 對於使該反應性物種之該等負離子加速的步驟而言，在該基板之材料層上形成一反應性膜層；以及 對於使該非反應性物種之該等正離子加速的步驟而言，蝕刻該基板的該材料層，其中該材料層包含介電材料或導電材料。
  5. 如請求項1之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 當使該反應性物種之該等負離子加速時在該電漿產生源中引燃電漿；以及 當使該非反應性物種之該等正離子加速時使該電漿產生源中的電漿熄滅。
  6. 如請求項5之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 對於使該反應性物種之該等負離子加速的步驟而言，將電子從該電漿提取至該離子化空間，以在該離子化空間中使該反應性物種離子化並形成該反應性物種之該等負離子。
  7. 如請求項5之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 對於使該非反應性物種之該等正離子加速的步驟而言，使介穩物種從該電漿擴散至該離子化空間，以在該離子化空間中使該非反應性物種離子化並形成該非反應性物種之該等正離子。
  8. 如請求項1之電漿蝕刻設備，其中該第一格柵係配置為受偏壓或接地，且其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 對於使該等負離子加速的步驟而言，在該第一格柵與該基板支座之間形成弱電場，以及 對於使該等正離子加速的步驟而言，在該第一格柵與該基板支座之間形成強電場。
  9. 如請求項1-8之任一項之電漿蝕刻設備，其中該基板包含複數高深寬比特徵部，其具有至少10:1的深度對寬度之深寬比。
  10. 如請求項1-8之任一項之電漿蝕刻設備，更包含： 一第二格柵，其位於該離子化空間與該加速空間之間。
  11. 如請求項10之電漿蝕刻設備，其中該離子化空間中的壓力大於該加速空間中的壓力。
  12. 如請求項10之電漿蝕刻設備，其中該第二格柵係配置為受偏壓。
  13. 如請求項1-8之任一項之電漿蝕刻設備，其中該電漿產生源為感應耦合式電漿(ICP)反應器或電容耦合式電漿(CCP)反應器。
  14. 如請求項1-8之任一項之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 重複且交替進行使該反應性物種之該等負離子加速和使該非反應性物種之該等正離子加速的操作。
  15. 如請求項1-8之任一項之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 對於使該反應性物種之該等負離子加速的步驟而言，使該反應性物種之該等負離子加速達第一歷時，該第一歷時係介於約1 ms至約10 ms之間，以及 對於使該非反應性物種之該等正離子加速的步驟而言，使該非反應性物種之該等正離子加速達第二歷時，該第二歷時係介於約1 ms至約10 ms之間。
  16. 一種電漿蝕刻設備，包含： 一電漿產生源； 一離子化空間，其係與該電漿產生源耦合，且係配置以產生離子； 一第一格柵，其位於該離子化空間與該電漿產生源之間； 一加速空間，其係與該離子化空間耦合，且係配置以將該等離子輸送至該加速空間中的基板； 一基板支座，用於在該加速空間中支撐該基板，其中該基板支座係配置為受偏壓；以及 一控制器，其配置有用於執行以下操作的指令： 將反應性物種及非反應性物種導入至該離子化空間； 在該電漿產生源中引燃電漿； 當該電漿被引燃時將正偏壓施加至該基板支座，俾使該反應性物種離子化並形成該反應性物種之負離子，且俾使該反應性物種之該等負離子加速至該基板； 使該電漿產生源中的該電漿熄滅；以及 當該電漿熄滅時將負偏壓施加至該基板支座，俾使該非反應性物種離子化並形成該非反應性物種之正離子，且俾使該非反應性物種之該等正離子加速至該基板。
  17. 如請求項16之電漿蝕刻設備，其中該正偏壓係介於約0.5 V至約10 V之間，且其中該負偏壓係介於約-50 kV至約-1 kV之間。
  18. 如請求項16之電漿蝕刻設備，更包含： 一第二格柵，其位於該離子化空間與該加速空間之間，其中該第一格柵係配置為受偏壓且該第二格柵係配置為受偏壓，其中該離子化空間中的壓力大於該加速空間中的壓力。
  19. 如請求項16-18之任一項之電漿蝕刻設備，其中該電漿產生源為感應耦合式電漿(ICP)反應器或電容耦合式電漿(CCP)反應器。
  20. 如請求項16-18之任一項之電漿蝕刻設備，其中該控制器係進一步配置有用於執行以下操作的指令： 重複且交替進行當該電漿被引燃時將該正偏壓施加至該基板支座和當該電漿熄滅時將該負偏壓施加至該基板支座的操作。
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