TWI763084B - 半導體加工設備 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種半導體加工設備。在本發明的一實施例中，該半導體加工設備包含一反應腔室，其內設置有用以承載一待加工工件的一基座；一第一等離子體產生腔，與該反應腔室連通設置，用於沿一第一方向向該待加工工件提供一離子束；一第二等離子體產生腔，該第二等離子體產生腔與該反應腔室連通設置，且該第二等離子體產生腔的一出口距該基座的距離大於一預設距離，以實現沿一第二方向向該待加工工件提供自由基；其中，第一方向與第二方向呈一定角度。

Description

半導體加工設備
本發明大體上涉及半導體領域，尤其涉及一種半導體加工設備。
以碳化矽(SiC)為代表的第三代半導體材料正在迅速崛起。憑藉其優異特性，SiC材料可應用於Si、GaAs、InP等傳統材料難以勝任的場合，為器件性能帶來突破。在廣泛應用的SiC蝕刻製程中，需要提高等離子體密度以獲得高蝕刻速率。
然而，高密度等離子體對SiC材料存在加熱作用，其熱源來自於三個方面：一是離子轟擊加熱，二是化學反應熱，三是輻射熱。高密度等離子體的上述加熱作用將不利地導致晶圓表面溫度迅速升高、鍵合結構遭到破壞，並最終導致生產過程終止。因此，現有技術在等離子體密度與溫度之間存在一對矛盾關係，導致現有技術難以在高蝕刻速率與低晶圓溫度之間取得平衡。
本發明公開了一種半導體加工設備以解決先前技術中的問題，以同時實現高蝕刻速率與低晶圓溫度，並實現對蝕刻過程的靈活控制。
根據本發明的一實施例，揭露一種半導體加工設備，該半導體加工設備包含一反應腔室，其內設置有用以承載一待加工工件的一基座；一第一等離子體產生腔，與該反應腔室連通設置，用於沿一第一方向向該待加工工件提供一離子束；一第二等離子體產生腔，該第二介質筒與該反應腔室連通設置，且該第二等離子體產生腔的一出口距該基座的距離大於一預設距離，以實現沿一第二方向向該待加工工件提供自由基；其中，該第一方向與該第二方向呈一定角度。
依據本發明的一實施例，該半導體加工設備另包括一真空系統，該真空系統與該反應腔室相連通，並與該第二等離子體產生腔相對設置，其中該真空系統經配置以使該自由基向該待加工工件加速運動。
依據本發明的一實施例，該基座耦合至一偏壓電源，以吸引該離子束沿該第一方向朝該待加工工件加速運動。
依據本發明的一實施例，該偏壓電源的頻率為0.4 MHz-13.56 MHz。
依據本發明的一實施例，該第一等離子體產生腔包括一過濾柵，該過濾柵耦合至一直流偏壓電源，以使得該離子束沿該第一方向朝該待加工工件加速運動。
依據本發明的一實施例，該過濾柵距該基座的最小距離為10 mm-100 mm。
依據本發明的一實施例，該預設距離範圍為60 mm-300 mm。
依據本發明的一實施例，該預設距離為200 mm。
依據本發明的一實施例，該第一方向與該第二方向呈90°夾角。
依據本發明的一實施例，該第二方向平行於該待加工工件的表面。
依據本發明的一實施例，該第一等離子體產生腔包括： 一第一介質筒和環繞該第一介質筒設置的第一感應線圈，該第一介質筒軸向與該第一方向平行。
依據本發明的一實施例，該第一介質筒耦合至一第一氣體輸運模塊，該第一氣體輸運模塊經配置以將一第一反應氣體提供至該第一介質筒，該第一感應線圈經由一第一匹配電路耦合至一第一射頻電源。
依據本發明的一實施例，該第二等離子體產生腔包括：一第二介質筒和環繞該第二介質筒設置的一第二感應線圈，且該第二介質筒軸向與該第二方向平行。
依據本發明的一實施例，該第二介質筒耦合至第二氣體輸運模塊，該第二氣體輸運模塊經配置以將一第二反應氣體提供至該第二介質筒，該第二感應線圈經由一第二匹配電路耦合至一第二射頻電源。
依據本發明的一實施例，該第二介質筒沿該第二方向的截面的形狀經配置以控制該自由基覆蓋該待加工工件的面積。
依據本發明的一實施例，該截面的形狀呈一矩形，該矩形的長邊的長度經配置以控制該自由基覆蓋該待加工工件的面積。
依據本發明的一實施例，該待加工工件包括SiC半導體晶圓。
本發明採用兩個獨立的等離子體源來分別產生對待加工工件蝕刻所需的離子和自由基，能夠使離子密度和自由基密度獨立可控，突破了單一等離子體產生源中離子密度和自由基密度的比例固化對待加工工件尤其是諸如SiC半導體晶圓蝕刻速率所造成的限制。並且，由於本發明中產生離子的等離子體源不與晶圓發生直接接觸，且產生自由基的等離子體源為遠程等離子體源，因此兩個獨立的等離子體源的等離子體輻射加熱效應將明顯降低，從而有效降低晶圓表面溫度。
以下揭露提供用於實施本揭露之不同構件之許多不同實施例或實例。下文描述組件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且非意欲限制。舉例而言，在以下描述中之一第一構件形成於一第二構件上方或上可包含其中該第一構件及該第二構件經形成為直接接觸之實施例，且亦可包含其中額外構件可形成在該第一構件與該第二構件之間，使得該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各個實例中重複參考數字及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的且本身不指示所論述之各個實施例及/或組態之間的關係。
此外，為便於描述，諸如「下面」、「下方」、「下」、「上方」、「上」及類似者之空間相對術語可在本文中用於描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中圖解說明。空間相對術語意欲涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或按其他定向)且因此可同樣解釋本文中使用之空間相對描述詞。
儘管陳述本揭露之寬泛範疇之數值範圍及參數係近似值，然儘可能精確地報告特定實例中陳述之數值。然而，任何數值固有地含有必然由於見於各自測試量測中之標準偏差所致之某些誤差。再者，如本文中使用，術語「大約」通常意謂在一給定值或範圍之10%、5%、1%或0.5%內。替代地，術語「大約」意謂在由此項技術之一般技術者考量時處於平均值之一可接受標準誤差內。除在操作/工作實例中以外，或除非以其他方式明確指定，否則諸如針對本文中揭露之材料之數量、時間之持續時間、溫度、操作條件、數量之比率及其類似者之全部數值範圍、數量、值及百分比應被理解為在全部例項中由術語「大約」修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附發明申請專利範圍中陳述之數值參數係可根據需要變化之近似值。至少，應至少鑑於所報告有效數位之數目且藉由應用普通捨入技術解釋各數值參數。範圍可在本文中表達為從一個端點至另一端點或在兩個端點之間。本文中揭露之全部範圍包含端點，除非另有指定。
圖1顯示根據本發明一實施例的設備(10)。設備(10)可包含反應腔室(100)、第一等離子體產生腔(601)及第二等離子體產生腔(602)。第一等離子體產生腔(601)與反應腔室(100)連通設置，用以沿第一方向向待加工工件提供離子束。第二等離子體產生腔(602)與反應腔室(100)連通設置。在一實施例中，反應腔室(100)可進一步配置為真空反應腔室。反應腔室(100)的下部可包含基座(503)以承載和/或固持待加工工件，待加工工件可為(但不限於)半導體晶圓。第二等離子體產生腔(602)鄰近反應腔室(100)的一側設置有出口。第二等離子體產生腔(602) 經由該出口與反應腔室(100)相連通，以便沿第二方向向待加工工件提供自由基。該出口距基座的距離可設置為大於預設距離，以使壽命有限的離子和電子經該預設距離的長路徑衰減後的濃度遠低於自由基濃度，從而使得到達待加工工件表面的主要是中性氣體及活性自由基。優選地，預設距離可大於200 mm。
本發明採用第一等離子體產生腔(601)及第二等離子體產生腔(602)兩個獨立的等離子體源來分別產生對待加工工件刻蝕所需的離子和自由基，能夠使離子密度和自由基密度獨立可控，突破了單一等離子體產生源中離子密度和自由基密度的比例固化對待加工工件尤其是諸如SiC半導體晶圓刻蝕速率所造成的限制。並且，由於本發明中第一等離子體產生腔(601)產生離子的等離子體源不與晶圓發生直接接觸，且第二等離子體產生腔(602)產生自由基的等離子體源為遠程等離子體源，因此兩個獨立的等離子體源的等離子體輻射加熱效應將明顯降低，從而有效降低待加工工件表面溫度。
在一實施例中，基座(503)可為機械式卡盤，並通過機械方式承載和/或固持待加工工件。在另一實施例中，基座(503)可為靜電吸附卡盤(ESC, ElectroStatic Chuck)以通過靜電吸附方式承載和/或固持待加工工件。基座(503) 可經由匹配器(504)耦合至偏壓電源(505)，以吸引離子束沿第一方向朝待加工工件加速運動。優選地，偏壓電源(505)是射頻偏壓電源(505)，該射頻偏壓電源所產生的射頻功率頻率可為0.4 MHz-13.56 MHz。
在反應腔室(100)的上方，第一等離子體產生腔(601)可包含第一介質筒(104)以及環繞第一介質筒(104)設置的第一感應線圈(103)。第一介質筒(104)容納第一反應氣體。第一感應線圈(103)耦合至第一射頻電源(101)。優選地，第一感應線圈(103)可經由第一匹配電路(102)耦合至第一射頻電源(101)。第一射頻電源(101)的功率源頻率可配置為0.4 MHz-60 MHz。在一實施例中，第一介質筒(104)可由石英或者陶瓷等材料構成。第一反應氣體可為惰性氣體，例如(但不限於)氬氣(Ar)。優選地，可進一步設置第一氣體輸運模塊(401)，以將第一反應氣體提供至第一介質筒(104)內。
當第一射頻電源(101)開啟時，第一感應線圈(103)激發產生電磁場，該電磁場可通過第一介質筒(104)耦合至第一反應氣體以產生包含離子和電子的第一等離子體。經電離的第一反應氣體可在例如重力等外力的作用下，經由第一介質筒(104)的出口和反應腔室(100)上部的開口進入反應腔室(100)並沿著平行於第一介質筒(104)軸向的第一方向朝待加工工件運動。然而，第一介質筒(104)的軸向也可不與第一方向平行。第一方向既可與待加工工件表面垂直，也可不與待加工工件表面垂直。優選地，當第一方向與待加工工件表面垂直時，可提高第一反應氣體在待加工工件表面分佈的准直性和均勻性。
第一等離子體產生腔(601)可包含過濾柵(302)。在一實施例中，過濾柵(302) 設置於第一介質筒(104)下部。直流偏壓電源(301)將正偏壓提供至過濾柵(302)，使得經電離的第一反應氣體中的離子束從等離子體鞘層中剝離並穿過過濾柵(302) 沿第一方向朝待加工工件加速運動，並使得經電離的第一反應氣體中的電子受到過濾柵(302)的抑制而無法穿過過濾柵(302)。
優選地，過濾柵(302)可包含具有柵孔的柵極，並可由鉬金屬等材料製成，柵孔的孔徑可配置為0.5-2 mm，直流正偏壓可配置為25-100 V。當等離子體鞘層厚度一般為1 mm時，將過濾柵(302)的柵孔的孔徑配置為小於2 mm是有益的，因為當柵孔的孔徑小於該值時，可進一步確保僅有離子能夠穿過過濾柵(302)。
圖2顯示第一介質筒(104)及過濾柵(302)的結構俯視圖，其中第一介質筒(104)截面呈圓柱形，且其內部直徑可配置為不小於基座(503)的直徑。在一實施例中，基座(503)與過濾柵(302)之間的距離可為10-100 mm。
圖3顯示過濾柵(302)的結構側視圖，其中過濾柵(302)的厚度H1可為0.5-5 mm，柵孔的半徑R可為0.25-1 mm，材料可為鉬等熔點高且耐腐蝕的金屬材料。
參見圖1，在反應腔室(100)的一側，設置有第二等離子體產生腔(602)。第二等離子體產生腔(602) 可包含第二介質筒(204)以及環繞第二介質筒(204)設置的第二感應線圈(203)。第二介質筒(204)容納第二反應氣體。第二感應線圈(203)耦合至第二射頻電源(201)。優選地，第二感應線圈(203)可經由第二匹配電路(202)耦合至第二射頻電源(201)。第二射頻電源(201)的功率源頻率可配置為0.4 MHz-60 MHz。當第二射頻電源(201)開啟時，第二感應線圈(203)激發產生電磁場，該電磁場可通過第二介質筒(204)耦合至第二反應氣體以產生包含離子、電子、中性氣體及自由基的第二等離子體，自由基例如可包含活性氟(F)自由基。在一實施例中，第二介質筒(204)可由石英或者陶瓷等材料構成。第二反應氣體可為包含自由基的惰性氣體，例如(但不限於)六氟化硫(SF6)。優選地，可進一步設置第二氣體輸運模塊(402)，以將第二反應氣體提供至第二介質筒(204)內。在第二介質筒(204)外部，設置有第二感應線圈(203)。
仍參見圖1，在反應腔室(100)的另一側，設置有真空系統(701)，所述真空系統(701)從另一側從反應腔室(100) 抽取真空或排出氣體，以使得經電離的第二反應氣體經由第二介質筒(204)的出口和反應腔室(100)一側的開口進入反應腔室(100)並沿著平行於第二介質筒(204)軸向的第二方向朝待加工工件運動。然而，第二介質筒(204)的軸向也可不與第二方向平行。第二方向既可與待加工工件表面平行，也可不與待加工工件表面平行。優選地，當第二方向與待加工工件表面平行時，可提高自由基在待加工工件表面運動的徑向速度。
在一優選實施例中，第一等離子體產生腔(601)設置在反應腔室(100)上方，且第二等離子體產生腔(602)設置在反應腔室(100)側邊。此時，第一方向垂直於待加工工件表面，且第二方向平行於待加工工件表面，第一方向與第二方向呈90°夾角。
在另一實施例中，第一等離子體產生腔(601)可不位於反應腔室(100)上方，此時第一方向不垂直於待加工工件表面；類似地，第二等離子體產生腔(602)可不位於反應腔室(100)側邊，此時第二方向不平行於待加工工件表面。因此，第一方向與第二方向之間可不呈90°夾角，而是呈一定角度。
在一實施例中，真空系統(701)與反應腔室(100)相連通，並與第二介質筒(204)相對設置，以使所述自由基向所述待加工工件加速運動。在另一實施例中，真空系統(701)不與第二介質筒(204)相對設置，而是呈一定角度設置。
在一實施例中，第二介質筒(204)的出口與待加工工件之間的距離可經配置以使得經電離的第二反應氣體到達待加工工件表面的主要成分僅為其中的中性氣體和自由基，而其中的離子和電子則壽命相對較短，在經歷了第二介質筒(204)出口與待加工工件之間的長距離路徑後，密度已衰減至遠低於中性氣體和自由基的濃度，因而可以忽略不計。優選地，第二介質筒(204)的出口與待加工工件之間的預設距離範圍可為60 mm-300 mm。特別地，該預設距離可配置為200 mm。位於第二介質筒(204)出口處的截面(508)的形狀可經配置以控制自由基覆蓋待加工工件的面積。
圖4顯示沿第二方向從第二介質筒(204)的出口看去的截面圖。在此實施例中，截面(508)的截面形狀呈矩形。然而，截面(508)的截面形狀也可配置為任意形狀。矩形截面內部具有長度(509)，該長度(509)可表示為L。並且，矩形截面內部具有寬度(510)，該寬度(510)可表示為W。矩形截面的內部長度L可決定等離子體在反應腔室(100)內的覆蓋面積，這為獲得反應腔室(100)內大面積表面等離子體密度均勻性提供了有效的調節手段。優選地，矩形截面的內部長度L可配置為大於基座(503)的直徑。
作為一實施例，待加工工件可為SiC半導體晶圓。來自經電離的第一反應氣體中的離子束與來自經電離的第二反應氣體同時進入反應腔室(100)。離子束在重力或經電壓偏置的基座(503)的作用下轟擊SiC晶圓，打斷SiC晶圓中的Si-C鍵，同時氟(F)自由基與Si反應產生SiF4揮發氣體，SiF4揮發氣體在真空系統(701)的作用下排出反應腔室(100)。
優選地，可進一步縮短氣體在待加工工件表面的滯留時間，以降低副產物滯留時間過長對刻蝕均勻性造成的不利影響。作為一實施例，對於直徑為200 mm的待加工工件，滯留時間宜小於20 ms，即反應氣體在待加工工件表面的徑向速度差值宜大於10 m/s。
通過將待加工工件刻蝕所需的離子和自由基分別通過離子源和自由基產生源組成，本發明可實現對離子濃度、自由基濃度的獨立控制，使得對於刻蝕過程的控制更加靈活。
同時，由於離子和自由基通過分立的離子源和自由基產生源分別生成後再經由反應腔室(100)與待加工工件發生接觸，可有效避免待加工工件直接暴露於等離子體產生區，因此可以獲得高密度的離子束和高密度自由基以顯著提高刻蝕速率，並同時大幅降低等離子體輻射加熱以避免刻蝕過程中鍵和片由高溫導致的解鍵合，從而在提高刻蝕速率的同時獲得更低的待加工工件表面溫度。
前述內容概括數項實施例之特徵，使得熟習此項技術者可更佳地理解本揭露之態樣。熟習此項技術者應瞭解，其等可容易地使用本揭露作為用於設計或修改用於實行本文中介紹之實施例之相同目的及/或達成相同優點之其他製程及結構之一基礎。熟習此項技術者亦應瞭解，此等等效構造不背離本揭露之精神及範疇，且其等可在不背離本揭露之精神及範疇之情況下在本文中作出各種改變、置換及更改。
10:設備 100:反應腔室 101:第一射頻電源 102:第一匹配電路 103:第一感應線圈 104:第一介質筒 201:第二射頻電源 202:第二匹配電路 203:第二感應線圈 204:第二介質筒 301:直流偏壓電源 302:過濾柵 401:第一氣體輸運模塊 402:第二氣體輸運模塊 503:基座 504:匹配器 505:偏壓電源 601:第一等離子體產生腔 602:第二等離子體產生腔 701:真空系統 L,509:矩形截面內部長度 R:柵孔半徑 W,510:矩形截面內部寬度
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述最佳理解本揭露之態樣。應注意，根據產業中之標準實踐，各種構件未按比例繪製。事實上，為了論述的清楚起見可任意增大或減小各種構件之尺寸。 圖1是依據本發明一實施例的半導體加工設備示意圖。 圖2是依據本發明一實施例的第一介質筒及過濾柵的結構俯視圖。 圖3是依據本發明一實施例的過濾柵的結構側視圖。 圖4是依據本發明一實施例的第二介質筒出口截面圖。
10:設備
100:反應腔室
101:第一射頻電源
102:第一匹配電路
103:第一感應線圈
104:第一介質筒
201:第二射頻電源
202:第二匹配電路
203:第二感應線圈
204:第二介質筒
301:直流偏壓電源
302:過濾柵
401:第一氣體輸運模塊
402:第二氣體輸運模塊
503:基座
504:匹配器
505:偏壓電源
601:第一等離子體產生腔
602:第二等離子體產生腔
701:真空系統

Claims (16)

  1. 一種半導體加工設備，包含：一反應腔室，其內設置有用以承載一待加工工件的一基座；一第一等離子體產生腔，與該反應腔室連通設置，用於接收第一反應氣體並沿一第一方向向該待加工工件提供源自該第一反應氣體的一離子束；一第二等離子體產生腔，與該反應腔室連通設置，且該第二等離子體產生腔的一出口距該基座的距離大於一預設距離，用於接收一第二反應氣體並沿一第二方向向該待加工工件提供源自該第二反應氣體的自由基；以及真空系統，與該反應腔室相連通，並與該第二等離子體產生腔相對設置於該基座的兩側，用於使該自由基向該待加工工件加速運動；其中，該第一方向與該第二方向呈一定角度；其中該第二方向平行該待加工工件的表面，該預設距離經配置以使得源自該第二反應氣體的離子和電子在經歷所述預設距離後的密度衰減至遠低於所述自由基的濃度。
  2. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該基座耦合至一偏壓電源，以吸引該離子束沿該第一方向朝該待加工工件加速運動。
  3. 如請求項2所述的半導體加工設備，其中該偏壓電源的頻率為0.4 MHz-13.56MHz。
  4. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該第一等離子體產生腔包括一過濾柵，該過濾柵耦合至一直流偏壓電源，以使得該離子束沿該第一方向朝該待加工工件加速運動。
  5. 如請求項4所述的半導體加工設備，其中該過濾柵距該基座的最小距離為10mm-100mm。
  6. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該預設距離範圍為60mm-300mm。
  7. 如請求項6所述的半導體加工設備，其中該預設距離為200mm。
  8. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該第一方向與該第二方向呈90°夾角。
  9. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該第二方向平行於該待加工工件的表面。
  10. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該第一等離子體產生腔包括：一第一介質筒和環繞該第一介質筒設置的第一感應線圈，該第一 介質筒軸向與該第一方向平行。
  11. 如請求項10所述的半導體加工設備，其中該第一介質筒耦合至一第一氣體輸運模塊，該第一氣體輸運模塊經配置以將該第一反應氣體提供至該第一介質筒，該第一感應線圈經由一第一匹配電路耦合至一第一射頻電源。
  12. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該第二等離子體產生腔包括：一第二介質筒和環繞該第二介質筒設置的一第二感應線圈，且該第二介質筒軸向與該第二方向平行。
  13. 如請求項12所述的半導體加工設備，其中該第二介質筒耦合至第二氣體輸運模塊，該第二氣體輸運模塊經配置以將該第二反應氣體提供至該第二介質筒，該第二感應線圈經由一第二匹配電路耦合至一第二射頻電源。
  14. 如請求項13所述的半導體加工設備，其中該第二介質筒沿該第二方向的截面的形狀經配置以控制該自由基覆蓋該待加工工件的面積。
  15. 如請求項14所述的半導體加工設備，其中該截面的形狀呈一矩形，該矩形的長邊的長度經配置以控制該自由基覆蓋該待加工工件的面積。
  16. 如請求項1所述的半導體加工設備，其中該待加工工件包括SiC半導體晶圓。
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