TWI787239B - 有機材料的蝕刻方法及設備 - Google Patents

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TWI787239B
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大竹浩人
武川貴仁
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日商東京威力科創股份有限公司
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Abstract

描述一種在基板上選擇性地蝕刻有機材料的方法及設備。該方法及設 備包括形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體、將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體、形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體、將基板曝露於經電漿激發的第二處理氣體、及循環地重複形成及曝露經電漿激發之第一及第二處理氣體的步驟至少兩個循環，以相對於第二材料選擇性地蝕刻第一材料。

Description

有機材料的蝕刻方法及設備
本發明關於一種使用電漿相對於基板上之一材料選擇性地蝕刻基板上另一材料的方法。
[相關申請案的交互參照]
本專利申請案主張於2017年3月3日申請、標題為“PROCESS FOR PERFORMING SELF-LIMITED ETCHING OF ORGANIC MATERIALS”之美國臨時專利申請案第62/467,025號的權利，其全部內容於此藉由參照納入本案揭示內容。
在半導體元件的生產中，在成本及性能上保持競爭力的需求已導致積體電路之元件密度的持續增加。為了達成半導體積體電路中更高程度的整合及微型化，亦必須達成半導體晶圓上形成之電路圖案的微型化。
電漿蝕刻係一種用以藉由將幾何形狀及圖案從微影遮罩轉移至半導體晶圓之下方層而製造半導體積體電路的標準技術。在增加深寬比及較複雜材料的情況下，符合選擇性及輪廓控制需求之先進蝕刻製程的需要正變得日益關鍵。
本發明的實施例關於一種使用電漿相對於基板上之一材料選擇性地蝕刻基板上另一材料的方法。
根據一實施例，描述一種蝕刻方法。該方法包含提供一基板，該基板包括包含有機材料的第一材料及不同於第一材料的第二材料。該方法更包括形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體、將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體、形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體、將基板曝露於經電漿激發的第二處理氣體、及循環地重複形成及曝露經電漿激發之第一及第二處理氣體的步驟至少兩個循環，以相對於第二材料選擇性地蝕刻第一材料。
根據另一實施例，描述一種用於蝕刻的設備。該設備包含氣體引入元件、電漿產生元件、及用於固持基板的基板固持元件。該設備更包含用於可編程地控制蝕刻製程的邏輯元件，其中該蝕刻製程根據來自邏輯元件的指令進行，該指令包含：接收基板，該基板包括包含有機材料的第一材料及不同於第一材料的第二材料；形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體；將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體；形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體；將基板曝露於經電漿激發的第二處理氣體；及循環地重複形成及曝露經電漿激發之第一及第二處理氣體的步驟至少兩個循環，以相對於第二材料選擇性地蝕刻第一材料。
110:基板
120:層
125:圖案化層或多色層
130:層(第一材料)
140:層(第二材料)
150:開放式特徵部圖案
200:流程圖
212:步驟
214:步驟
216:步驟
218:步驟
220:步驟
222:步驟
301:圖
302:圖
401:處理腔室
402:接地線
412:基座
414:支撐單元
416:導電支撐單元
424:功率饋送桿
427:閘閥
428:阻抗匹配單元
429:電源
430:氣體排出單元
431:氣體排出管線
432:排氣埠
433:排氣路徑
434:環形擋板
435:夾持電極
436:靜電卡盤
437:裝載/卸載埠
438:聚焦環
439:DC(直流)電源
442:冷卻套板
443:流徑
444:冷卻劑流徑
445:氣體供應管線
446:導管
448:導管
450:控制單元
451:使用者介面
452:儲存單元
453:氣體噴射埠
454:槽孔板
455:槽孔天線
456:介電板
457:介電窗
458:微波傳輸線
459:側壁氣體噴射埠
460:微波產生器
462:波導
464:波導同軸線路轉換器
466:同軸線路
468:內導體
469:外導體
479:連接器單元
480:處理氣體供應系統
481:上氣體引入部
483:質流控制器
484:第一氣體供應管線
485:第二氣體供應管線
486:質流控制器(MFC)
487:側氣體引入部
488:氣體流徑
489:緩衝腔室
501:處理腔室
502:接地線
506:絕緣體
512:基座
515:基座支座
517:絕緣板
519:內壁構件
520:下電極
527:閘閥
528:阻抗匹配單元
529:電源
530:氣體排出單元
531:氣體排出管線
532:排氣埠
533:排氣路徑
535:夾持電極
536:靜電卡盤
537:裝載/卸載埠
538:聚焦環
539:DC(直流)電源
544:冷卻劑流徑
545:氣體供應管線
550:控制單元
551:使用者介面
552:儲存單元
560:高頻電源
561:上功率饋送桿
562:可變電容器
563:下功率饋送桿
564:絕緣構件
565:功率饋送器
566:匹配單元
567:接地導體
570:上電極
571:內部上電極
572:外部上電極
575:電極板
576:介電體
578:電極支座
580:處理氣體供應系統
582:氣體注入開口
584:氣體供應管線
589:緩衝腔室
591:低通濾波器(LPF)
592:高通濾波器(HPF)
601:處理腔室
602:接地線
603:天線腔室
604:側壁
605:支撐架
606:絕緣體
607:側壁
609:支撐構件
612:基座
613:隔離框架
620:下電極
625:支座
626:伸縮囊
627:閘閥
628:阻抗匹配單元
629:電源
630:氣體排出單元
631:氣體排出管線
635:夾持電極
636:靜電卡盤
637:裝載/卸載埠
639:DC(直流)電源
645:氣體供應管線
650:控制單元
651:使用者介面
652:儲存單元
655:窗
660:高頻電源
661:功率饋送構件
662:高頻天線
664:功率饋送部
665:功率饋送部
666:匹配單元
667:間隔件
668:電容器
680:處理氣體供應系統
682:氣體注入開口
683:氣體通道
684:氣體供應管線
在隨附圖式中：圖1A及1B說明基板上之圖案化序列的示意圖；圖2根據實施例提供說明一種蝕刻基板之方法的流程圖； 圖3A及3B根據實施例提供描繪使用不同化學品之自我限制吸附所需之時間的數據。
圖4根據實施例顯示電漿處理系統的示意圖；圖5根據另一實施例顯示電漿處理系統的示意圖；及圖6根據又另一實施例顯示電漿處理系統的示意圖。
在下面敘述中，為了解釋而非限制之目的說明具體細節，諸如處理系統的特殊幾何結構、於其中使用的諸多元件及製程的描述。然而，應理解本發明可在背離這些具體細節的其他實施例中實施。
類似地，為了解釋之目的，闡述具體的數量、材料及構造以提供本發明的透徹理解。儘管如此，本發明可在無具體細節的情況下實施。此外，吾人應理解，圖式中顯示的諸多實施例係說明性的表示，且係未必按比例繪製。
諸多操作將以最有助於理解本發明的方式，以多個分立操作依次描述。然而，不應將所述之順序理解成暗示該等操作必定為順序相依。尤其，該等操作不需以敘述的順序執行。所述之操作可以不同於所述實施例的順序執行。在額外的實施例中，可執行諸多額外操作及/或可省略所述之操作。
如本文使用的「基板」泛指根據本發明所處理的物件。基板可包含元件(尤其是半導體或其他電子元件)的任何材料部分或結構，及例如可為基底基板結構(諸如半導體晶圓)、或在基底基板結構上或覆蓋基底基板結構的一層(諸如薄膜)。基板可為習知的矽基板或包含半導電性材料層的其他主體基板。當於本文使用，術語「主體基板」不僅表示及包含矽晶圓，亦表示及包含矽絕緣體(SOI)基板(諸如矽藍寶石(SOS)基板及矽玻璃(SOG)基板)、在基底半導體基部上的矽磊晶層、及其他半導體或光電材料(諸如：矽鍺、鍺、 砷化鎵、氮化鎵、及磷化銦)。基板可經摻雜或未摻雜。因此，基板係非意圖限於任何特定的基底結構、下方層或覆蓋層、圖案化或未圖案化，而是設想為包含任何這樣的層或基底結構、及層及/或基底結構的任何組合。下面敘述可能論及特定類型的基板，但此係僅用於說明而非限制之目的。
在圖案蝕刻期間，可使用乾電漿蝕刻製程，其中電漿係藉由將電磁(EM)能量(諸如射頻(RF)功率)耦合至處理氣體而自處理氣體形成，以加熱電子及造成處理氣體之原子及/或分子成分的後續離子化及解離。此外，電磁能量的耦合可用以控制入射曝露之基板表面的帶電物種之能量位準。藉由控制諸多電漿特性，包含帶電物種的密度、帶電物種的通量、帶電物種的能量、化學通量等，用於電漿蝕刻製程之期望的最終結果可根據本文描述的實施例達成。尤其，提供達成目標蝕刻選擇性、輪廓控制、及基板充電控制的實施例。
如上所述，典型在半導體元件製造中使用的材料係使用電漿蝕刻或電漿輔助的蝕刻相對於彼此選擇性地移除。現參照圖式，其中類似的參考數字在數個視圖中指定相同或相對應的部件，圖1A、1B、2、及3根據實施例說明一種用於在微電子工件上蝕刻材料的方法。該方法係在圖1A及1B中以圖式說明，且藉由圖2的流程圖200呈現。如圖2所呈現，流程圖200始於212：在電漿處理系統的處理空間內設置基板110，該基板110具有露出第一材料(130)及第二材料(140)的表面。該第二材料係不同於該第一材料。
如圖1A所示，基板110可包含覆蓋膜堆疊的圖案化層或多色層125，該膜堆疊包含待蝕刻或待圖案化的一或更多層120。圖案化層可包含第一材料130及第二材料140，且在蝕刻後可定義覆蓋一或更多層120之其餘圖案化層125中的開放式特徵部圖案150。基板110更包含元件層。元件層可包含基板上的任何薄膜或結構，圖案將被轉移至該薄膜或結構中、或目標材料係將於該薄膜或結構中移除。
層130及140可為在電子元件(包含半導體元件、電機元件、光伏打元件等)的製造中使用的任何材料。然而，為了相對於一層(例如第二材料層140)選擇性蝕刻另一層(例如第一材料層130)，該兩層的材料組成本質上係不同的，使得每一層在曝露於蝕刻劑時展現不同的耐蝕刻性。層130可為有機層。在一實施例中，層130可實質上為有機材料。在又一實施例中，層130由有機材料所組成。示例可包含光敏感光阻、抗反射塗層、有機平坦化層等。
層140可為有機或無機材料。層140可為含矽材料、含鍺材料、含碳材料、或含金屬材料。舉例而言，第二材料可包含矽及具有選自由O、C、N、及Ge所組成之群組之元素的混合物。舉例而言，含矽材料可包含非晶矽(a-Si)、多晶矽(poly-Si)、單晶矽、摻雜矽、矽氧化物(SiOx)、矽氮化物(SiNy)、矽碳化物(SiCz)、矽氮氧化物(SiOxNy)、矽碳氧化物(SiOxCz)、矽鍺合金(SixGe1-x)等。含金屬材料可包含金屬、金屬合金、過渡金屬(例如：Ti、Ta、W、Ru、Co、Ni、Hf等)、過渡金屬氧化物(例如鈦氧化物(TiOx))、過渡金屬氮化物(例如鈦氮化物(TiNy))、碳化物、硫屬化物等。示例可包括含矽光阻、抗反射塗層、或具有不同程度之矽含量的平坦化層。以上材料(包含第一及第二材料)可使用氣相沉積技術或旋塗沉積技術沉積。
在圖1B及圖2的步驟214、216、218、及220中，開放式特徵部圖案150係藉由選擇性地移除第一材料130而在圖案化層125中形成。因此，開放式特徵部圖案150覆蓋下方一或更多層120，且在形成之後可延伸至該下方一或更多層120中。第一材料130的移除係藉由執行調變電漿蝕刻製程實現，以便以大於移除第二材料(140)的速率選擇性移除第一材料(130)。邏輯元件係配置成及排列成用於可編程地控制蝕刻製程，其中蝕刻製程根據來自包含下列步驟的邏輯元件之指令進行。
在214中，形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體，且在216中，將基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體。在一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含H2及選用性的稀有氣體元素(例如Ar)。在另一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含H2及Ar。在另一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含具有化學式CxHy(其中x及y係大於零的實數)的烴氣體及選用性的Ar。在另一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含CH4及Ar。在又另一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體更包含O2。經電漿激發的第一處理氣體可藉由使用氣體引入元件引入氣體而形成，此將於以下敘述。
在218中，形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體，且在220中，將基板曝露於該經電漿激發的第二處理氣體。在一實施例中，經電漿激發的第二處理氣體包含稀有氣體元素，諸如：He、Ne、Kr、Xe、及Ar。經電漿激發的第二處理氣體可藉由使用氣體引入元件引入氣體而形成，此將於以下敘述。
在222中，形成及曝露經電漿激發的第一及第二處理氣體的步驟係循環地重複至少兩個循環，以相對於第二材料選擇性地蝕刻第一材料。在調變蝕刻製程期間，第一功率耦合訊號可在曝露經電漿激發的第一處理氣體期間施加，而第二功率耦合訊號可在曝露經電漿激發的第二處理氣體期間施加。第一功率耦合訊號的施加可包含將射頻(RF)功率耦合至電漿產生元件、或基板固持元件、或電漿產生元件和基板固持元件二者。第二功率耦合訊號的施加可包含將射頻(RF)功率耦合至電漿產生元件、或基板固持元件、或電漿產生元件和基板固持元件二者。第一功率耦合訊號可在頻率、振幅、相位、波形形狀、或工作循環之其中至少一者上與第二功率耦合訊號不同。
如上所述，在一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含H2及Ar，而經電漿激發的第二處理氣體包含Ar。圖3A係描繪當執行形成及曝露經電漿激發的第一及第二處理氣體時，作為執行形成及曝露經電漿激發的第一處理氣體之持續時間的函數之每循環蝕刻量的圖301。在約2-4秒的持續時間，蝕刻量「飽和」、或僅隨增加的持續時間略微增加。Ar的流率可超過H2的流率。在執行形成及曝露經電漿激發的第一處理氣體期間，耦合至基板固持元件的RF功率可設成實質上零或低位準。在執行形成及曝露經電漿激發的第二處理氣體期間，耦合至基板固持元件的RF功率可設成非零數值。
如上所述，在另一實施例中，經電漿激發的第一處理氣體包含CH4、Ar、及O2，而經電漿激發的第二處理氣體包含Ar。圖3B描繪當執行形成及曝露經電漿激發的第一及第二處理氣體時，作為執行形成及曝露經電漿激發的第一處理氣體之持續時間之函數的每循環蝕刻量。在約4-5秒的持續時間，蝕刻量「飽和」、或僅隨增加的持續時間略微增加。Ar的流率可超過CH4的流率，而CH4的流率可超過O2的流率。在執行形成及曝露經電漿激發的第一處理氣體期間，耦合至基板固持元件的RF功率可設成實質上零或低位準。在執行形成及曝露經電漿激發的第二處理氣體期間，耦合至基板固持元件的RF功率可設成非零數值。
用於將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體之持續時間可設成等於或大於使用氫將基板實質上飽和所需的時間。舉例而言，用於將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體之持續時間係等於或大於1秒，或用於將基板曝露於經電漿激發的第一處理氣體之持續時間的範圍從0.01秒至5秒。
如上所述，調變電漿蝕刻製程可包含遞送至基板固持元件、基板支架或基座之射頻(RF)功率的調變，基板係配置在該基板固持元件、基板支架或基座上。基板固持元件可將基板配置成面向電漿產生元件、RF供電電極， 諸如：電容耦合元件或感應耦合元件(以下待述)。或者，基板固持元件可將基板配置成面向槽狀平面天線，其中在微波頻率下的功率係例如耦合至該槽狀平面天線。示例系統係在圖4至6中描繪。雖然描述遞送至基板固持元件之RF功率的調變，但其可替代地耦合至電漿處理系統中的其他功率耦合元件。
在調變電漿蝕刻製程期間，可調整調變循環的至少一特性。該至少一特性可包含：功率振幅、調變頻率、調變工作循環、調變波形、或調變相位(相對於其他調變特性，諸如氣流、來源及/或偏壓功率等)。
在一實施例中，調變電漿蝕刻製程可包含製程參數空間，該製程參數空間包含：高達約1000毫托(例如高達約200毫托或高達約50至150毫托)之範圍的腔室壓力、高達約2000sccm(每分鐘標準立方公分)(例如高達約1000sccm或約1sccm至約200sccm)之範圍的處理氣體流率、高達約2000sccm(例如高達約1000sccm)之範圍的選用性稀有氣體(例如He或Ar)流率、高達約2000至5000W(瓦)(例如高達約1000W或高達約600W)之範圍的上電極/天線功率、及高達約1000至2000W(例如高達約600W或高達約100W或高達50W)之範圍的下電極功率。此外，上電極/天線頻率的範圍可從約0.1MHz至約3GHz。此外，下電極RF頻率的範圍可從約0.1MHz至約100MHz，例如約2MHz或13MHz。
上述用於蝕刻基板之方法的其中一或更多者可使用電漿處理系統(諸如在圖4至6中描述之系統的其中一者)執行。然而，所討論的方法不限於此示例呈現的範圍。根據上述諸多實施例之蝕刻基板的方法，可在未具體描述於下的其他電漿處理系統中執行。此外，在圖4至6中描述的諸多元件可由未描述的其他元件使用、取代、或補足。雖然描述具有諸多電磁頻率的一或更多RF或微波功率來源，但亦考慮基板W之上、之下、或圍繞基板W的多個來源。
圖4係根據本文實施例之微波電漿處理設備的示意橫剖面圖。微波電漿處理設備可配置成例如使用平坦的平板式槽孔天線藉由在微波頻率下之表面波電漿激發，以執行諸如電漿蝕刻、電漿加強化學氣相沉積(PECVD)、電漿加強原子層沉積(PEALD)等的電漿處理。電漿處理可在處理腔室401之內執行，該處理腔室401可為由諸如鋁或不鏽鋼之加工或鑄造之金屬所構成的圓柱真空腔室。處理腔室401係使用例如接地線402電性接地。處理腔室401定義提供用於產生電漿之處理空間PS的處理容器。該處理容器的內壁可塗佈諸如氧化鋁、氧化釔、或其他保護劑的保護阻障。
在處理腔室401內的下部中心區域處，基座412(其可為圓盤狀)可作為安裝檯，在該安裝檯上可安裝例如待處理的基板W(諸如半導體晶圓)。基板W可通過裝載/卸載埠437及閘閥427移進處理腔室401。靜電卡盤436係設置在基座412的頂部表面上。夾持電極435係電連接至DC(直流)電源439。靜電卡盤436藉由靜電力將基板W向其吸附，該靜電力係當來自DC電源439的DC電壓施加至夾持電極435時產生，使得基板W係牢固地安裝在基座412上。
用於施加RF(射頻)偏壓的高頻電源429係經由阻抗匹配單元428(以匹配阻抗或最小化反射的功率)及功率饋送桿424電連接至基座412或偏壓電極。高頻電源429可輸出例如從0.2MHz至20MHz之範圍(例如13.56MHz)的高頻電壓。施加高頻偏壓功率將由處理腔室401中之電漿產生的離子吸引至基板W。電源429可包含訊號產生器及放大器，該放大器用於根據上述調變循環調變自電源429輸出的振幅及功率。聚焦環438係設置在靜電卡盤436的徑向外側以圍繞基板W。
冷卻劑流徑444可在基座412之內以例如周向方向延伸，且可配置成容納循環的冷卻劑以協助控制在靜電卡盤436上之基板W的處理溫度。此外， 來自熱轉移氣體供應單元(未顯示)的熱轉移氣體可經由氣體供應管線445供應至靜電卡盤436的頂部表面與基板W的背部表面之間的空間。
排氣路徑433可沿支撐單元414及/或導電支撐單元416的外緣、及處理腔室401的內壁形成，其中，環形擋板434係附接至排氣路徑433的頂部或入口、及排氣埠432(或多個排氣埠)，該排氣埠432係設置在排氣路徑433的底部中。氣體排出單元430係經由氣體排出管線431(其可具有多個排氣管線)連接至每一排氣埠432。氣體排出單元430可包含諸如渦輪分子泵的真空泵，該真空泵係配置成將處理腔室401內的電漿處理空間減壓至期望的真空狀態。
現在將描述微波電漿處理設備的上部部分。介電窗457係配置成密封處理腔室401的上部部分，在微波頻率下的電磁輻射可透過介電窗457傳播至處理空間PS。在處理腔室401內之介電窗457正下方的空間作為用作處理空間PS的電漿產生空間。介電窗457可由微波可穿透的介電材料(諸如石英或陶瓷，包含鋁氧化物)製成，且可具有例如約20mm(毫米)的厚度、或足夠機械性地抵抗處理腔室401之內部與氛圍環境間之壓力差的厚度。介電窗457可設置槽孔板454，該槽孔板454可為附接至或設置在介電窗457之頂部表面上的導體。槽孔板454可具有配置成以旋轉對稱配置放射同心地分布之微波的複數槽孔對，然而可使用其他幾何配置。在槽孔板454上，介電板456可縮短在槽孔板454內部傳播之微波的波長。槽孔板454係電磁耦合至微波傳輸線458。槽孔天線455(其可為例如平坦的平板式槽孔天線、或圓盤狀的徑向線型槽孔天線)可包含槽孔板454、介電板456、及設置成與槽孔板454為相反側的天線背板(未顯示)。
微波傳輸線458係配置成傳播或傳輸在微波頻率或其他頻率(例如2.45GHz之微波)下之電磁波的線路，該等電磁波係在一預定功率位準下自微波產生器460輸出至槽孔天線455。微波傳輸線458可包含波導462、波導同軸線路轉換器464、及同軸線路466。舉例而言，波導462可為配置成將來自微波產生 器460的微波傳輸至波導同軸線路轉換器464的矩形波導。同軸線路466自波導同軸線路轉換器464延伸至處理腔室401之頂部的中心部分，且同軸線路466的終端係經由介電板456耦接至槽孔天線455。外導體469和內導體468可定義波傳輸的空間。連接器單元479係連接至內導體468的下端。
此外，當電磁波透過介電板456徑向傳播時，波長縮短，且波模態轉變成朝處理腔室401的內部輻射之圓極化的平面波，其具有來自槽孔天線455之每一槽孔對的兩個正交極化分量。在介電窗457之表面附近的處理氣體係接著藉由沿介電窗457的表面以徑向方向傳播之表面波的電場(微波電場)離子化，且因此產生高密度且低電子溫度的電漿。
介電板456可包含冷卻套板442，該冷卻套板442可作為天線背板以覆蓋處理腔室401的頂部。冷卻套板442可配置成吸收介電質損失的熱(輻射)，其係自介電窗457及介電板456產生。為了提供冷卻，冷卻劑可在流徑443中循環，且經由導管446及導管448饋送及移除。
微波電漿處理設備可包含用於引入處理氣體的兩途徑。上氣體引入部481包含在介電窗457中設置的氣體流徑，而側氣體引入部487包含在處理腔室401之側壁中設置的氣體流徑，作為配置成將處理氣體引進處理腔室401的氣體引入機構。
在上氣體引入部481中，氣體流徑488係設置在同軸線路466的內導體468中，以在軸向上延伸穿過內導體468的內部。此外，來自處理氣體供應系統480的第一氣體供應管線484係連接至內導體468的上端及第一氣體供應管線484的氣體流徑488。連接器單元479可具有複數內部流徑，該等內部流徑係自共同入口鑽孔且在徑向上分支。連接器單元479可由導體製成，且可電性接地。介電窗457可與連接至分支的氣體供應路徑之終端的內流徑一起形成，諸如用於使處理氣體垂直穿過介電窗457而面向在處理腔室401之內的電漿產生空間。
在上氣體引入部481中，在一預定壓力下從處理氣體供應系統480流通的處理氣體(例如蝕刻氣體或膜形成氣體)，流經第一氣體供應管線484、同軸線路466的氣體流徑488，且係在終端處自每一氣體噴射埠453射出。質流控制器(MFC)486及對應的閥可用於開啟/關閉及計量第一氣體供應管線484中的處理氣體流。
側氣體引入部487係設置在比介電窗457之底部表面低的位置處，且可包含緩衝腔室489(歧管)、側壁氣體噴射埠459、及從處理氣體供應系統480延伸至緩衝腔室489的第二氣體供應管線485。質流控制器483及對應的閥可用於開啟/關閉及計量在第二氣體供應管線485中的處理氣體流。來自側氣體引入部487的處理氣體可從各自的側壁氣體噴射埠459以實質上水平的流噴射，以在處理空間PS中擴散。
電漿處理設備的元件可連接至具有邏輯元件的控制單元450且由控制單元450控制，該控制單元450又可連接至對應的儲存單元452及使用者介面451。控制單元450可包含微電腦，該微電腦係配置成控制在微波電漿處理設備內之複數元件之每一者的操作或整個設備的操作，該複數元件例如：氣體排出單元430、高頻電源429、用於靜電卡盤436的DC電源439、微波產生器460、上氣體引入部481、側氣體引入部487、處理氣體供應系統480、及熱轉移氣體供應單元(未顯示)。諸多電漿處理操作可藉由使用者介面451執行，且諸多電漿處理配方及操作可儲存在儲存單元452中。因此，一給定基板可在電漿處理腔室之內使用諸多微製程技術處理。
圖5係根據本文實施例之電容耦合電漿處理設備的示意橫剖面圖。此設備可用於多種操作，包含：灰化、蝕刻、沉積、清潔、電漿聚合、電漿加強化學氣相沉積(PECVD)等。電漿處理可在處理腔室501之內執行，該處理腔室501可為由金屬(諸如鋁或不鏽鋼)構成的真空腔室。處理腔室501係使 用例如接地線502接地。處理腔室501定義提供用於產生電漿之處理空間PS的處理容器。該處理容器的內壁可塗佈氧化鋁、氧化釔、或其他保護劑。處理容器的形狀可為圓柱形、或具有其他幾何結構。
在處理腔室501內的下部中心區域處，基座512(其可為圓盤狀)可作為安裝檯，在該安裝檯上可安裝例如待處理的基板W(諸如半導體晶圓)。基板W可通過裝載/卸載埠537及閘閥527移進處理腔室501。基座512形成下電極520(下電極組件)的一部分，作為用於安裝基板W於其上之安裝檯之第二電極的示例。具體而言，基座512係被支撐在基座支座515上，該基座支座515係經由絕緣板517設置在處理腔室501之底部的實質中心區域處。基座支座515可為圓柱形。舉例而言，基座512可由鋁合金形成。
基座512可設有用於固持基板W的靜電卡盤536(作為下電極組件的一部分)。靜電卡盤536係設有夾持電極535。夾持電極535係電連接至DC(直流)電源539。靜電卡盤536藉由靜電力將基板W向其吸附，該靜電力係當來自DC電源539的DC電壓施加至夾持電極535時產生，使得基板W係牢固地安裝在基座512上。用於施加RF(射頻)偏壓的高頻電源529係經由阻抗匹配單元528(以匹配阻抗或最小化反射的功率)電連接至基座512或偏壓電極。高頻電源529(第二電源)可輸出例如從0.2MHz至20MHz之範圍的高頻電壓。施加高頻偏壓功率將由處理腔室501中之電漿產生的離子吸引至基板W。電源529可包含訊號產生器及放大器，該放大器用於根據上述調變循環調變自電源529輸出的振幅及功率。聚焦環538係設置在靜電卡盤536的徑向外側以圍繞基板W。
內壁構件519(其可為圓柱形且由例如石英形成)可附接至靜電卡盤536和基座支座515的外周邊側。基座支座515包含冷卻劑流徑544(用於流動冷卻或加熱的流體)。冷卻劑流徑544與安裝在處理腔室501外部的冷卻器單元(未顯示)連通。冷卻劑流徑544係供應經由相應管線循環的冷卻劑(冷卻或 加熱的液體，諸如水或介電流體)。因此，可準確地控制安裝在基座512上/上方之基板W的溫度。穿過基座512與基座支座515的氣體供應管線545，係配置成將熱轉移氣體供應至靜電卡盤536的上表面。諸如氦(He)的熱轉移氣體(亦稱為背側氣體)可經由氣體供應管線545在基板W與靜電卡盤536之間供應，以協助加熱基板W。
排氣路徑533可沿內壁構件519的外緣及處理腔室501的內壁表面形成。排氣埠532(或多個排氣埠)係設置在排氣路徑533的底部中。氣體排出單元530係經由氣體排出管線531連接至每一排氣埠。氣體排出單元530可包含諸如渦輪分子泵的真空泵，該真空泵係配置成將處理腔室501內的電漿處理空間減壓至期望的真空狀態。氣體排出單元530排空處理腔室501的內部，從而將處理腔室501的內部壓力降壓至期望程度的真空。
上電極570(亦即上電極組件)係第一電極的示例，該第一電極係設置在下電極520的垂直上方以面向下電極520(例如作為平行板電極)。電漿產生空間(或處理空間PS)係定義在下電極520與上電極570之間。上電極570可包含具有例如圓盤狀的內部上電極571及具有例如環狀的外部上電極572，該外部上電極572圍繞該內部上電極571的周緣。內部上電極571亦作用為處理氣體入口，用於將特定量的處理氣體注入進在下電極520上安裝之基板W上方的處理空間PS。上電極570從而形成噴淋頭。
更具體而言，內部上電極571包含具有氣體注入開口582的電極板575(其通常為圓形)。內部上電極571亦包含可拆卸地支撐電極板575之上側的電極支座578。電極支座578可形成為圓盤的形狀，該圓盤具有與電極板575實質上相同的直徑(當電極板575的形狀係體現為圓形時)。在替代的實施例中，電極板575可為正方形、矩形、多邊形等。電極板575可由導體或半導體材料形成，諸如：Si、SiC、摻雜Si、鋁等。電極板575可與上電極570合為一體、或由電極 支座578可拆卸地支撐，以便在表面腐蝕之後替換一給定板件。上電極570亦可包含冷卻板或冷卻機構(未顯示)，以控制電極板575的溫度。
電極支座578可由例如鋁形成，且可包含緩衝腔室589。緩衝腔室589係用於擴散處理氣體，且可定義一圓盤狀空間。來自處理氣體供應系統580的處理氣體將氣體供應至上電極570。處理氣體供應系統580可配置成供應處理氣體，用於在基板W上執行諸如膜形成、蝕刻等的特定製程。處理氣體供應系統580係與氣體供應管線584連接、形成處理氣體供應路徑。氣體供應管線584係連接至內部上電極571的緩衝腔室589。處理氣體可接著從緩衝腔室589移至緩衝腔室589之下表面處的氣體注入開口582。引入緩衝腔室589之處理氣體的流率可使用例如質流控制器調整。此外，引入的處理氣體係從電極板575(噴淋頭電極)的氣體注入開口582均勻地排出至處理空間PS。內部上電極571因而部分用作為噴淋頭電極組件。
具有環形形狀的介電體576可插設在內部上電極571與外部上電極572之間。絕緣體506(其可為具有環形形狀且由例如氧化鋁形成的屏蔽構件)係以氣密方式插設在外部上電極572與處理腔室501的內周壁之間。
外部上電極572係經由功率饋送器565、上功率饋送桿561、及匹配單元566而與高頻電源560(第一高頻電源)電連接。高頻電源560可輸出具有40MHz(百萬赫)或更高(例如60MHz)之頻率的高頻電壓、或可輸出具有3-300MHz之頻率的特高頻(VHF)電壓。此電源與偏壓電源相比可稱為主電源。功率饋送器565可形成為例如具有開放式下表面的實質上圓柱狀。功率饋送器565可在其下端部處連接至外部上電極572。功率饋送器565係在其上表面的中心部分處與上功率饋送桿561的下端部電連接。上功率饋送桿561係在其上端部處連接至匹配單元566的輸出側。匹配單元566係連接至高頻電源560，且可匹配負載 阻抗及高頻電源560的內部阻抗。然而，應注意外部上電極572係選用性的，且實施例可使用單一上電極運作。
功率饋送器565可在其外側上由接地導體567覆蓋，該接地導體567可為圓柱狀而具有側壁，側壁直徑係與處理腔室501的直徑實質上相同。接地導體567在其下端部處係連接至處理腔室501之側壁的上部部分。上功率饋送桿561穿過接地導體567之上表面的中心部分。絕緣構件564係插設在接地導體567與上功率饋送桿561之間的接觸部分處。
電極支座578係在其上表面上與下功率饋送桿563電連接。下功率饋送桿563係經由連接器連接至上功率饋送桿561。上功率饋送桿561及下功率饋送桿563形成功率饋送桿，用於將來自高頻電源560的高頻電功率供應至上電極570。可變電容器562係設置在下功率饋送桿563中。藉由調整可變電容器562的電容，當高頻電功率係從高頻電源560施加時，可調整在外部上電極572正下方形成之電場強度對在內部上電極571正下方形成之電場強度的相對比例。上電極570的內部上電極571係與低通濾波器(LPF)591電連接。LPF 591阻隔或過濾來自高頻電源560的高頻，且同時將來自高頻電源529的低頻傳遞至接地。形成下電極520之一部分之系統的下部(基座512)係與高通濾波器(HPF)592電連接。HPF 592將來自高頻電源560的高頻傳遞至接地。
電漿處理設備的元件可連接至具有邏輯元件的控制單元550且由控制單元550控制，該控制單元550又可連接至對應的儲存單元552及使用者介面551。諸多電漿處理操作可藉由使用者介面551執行，且諸多電漿處理配方及操作可儲存在儲存單元552中。因此，一給定基板可在電漿處理腔室之內使用諸多微製程技術處理。在操作中，電漿處理設備使用上電極和下電極，以在處理空間PS中產生電漿。此產生的電漿可接著用於以諸多類型的處理處理目標基板(諸如基板W或待處理的任何材料)，該諸多類型的處理諸如電漿蝕刻、化學氣相 沉積、玻璃材料的處理、及大面板(諸如薄膜太陽能電池、其他光伏打電池、及用於平板顯示器之有機/無機板件等)的處理。
在約3MHz至300MHz之範圍的高頻電功率係從高頻電源560施加至上電極570。高頻電場係在上電極570與基座512或下電極之間產生。遞送至處理空間PS的處理氣體可接著離子化及解離，以形成反應性電漿。在約0.2MHz至20MHz之範圍的低頻電功率可從高頻電源529施加至形成下電極的基座512。換言之，可使用雙或三頻率系統。因此，電漿中的離子係被吸引向基座512，具有足夠的能量以藉由離子輔助而非等向性地蝕刻特徵部。注意為方便起見，圖5顯示將功率供應至上電極570的高頻電源560。在替代的實施例中，高頻電源560可被供應至下電極520。因此，主功率(激發功率)及偏壓功率(離子加速功率)二者皆可被供應至下電極。
圖6係根據本文實施例之感應耦合電漿處理設備的示意橫剖面圖。此設備可用於多種操作，包含：灰化、蝕刻、沉積、清潔、電漿聚合、電漿加強化學氣相沉積(PECVD)等。電漿處理可在處理腔室601之內執行，該處理腔室601可為由金屬(諸如鋁或不鏽鋼)構成的真空腔室。處理腔室601係使用例如接地線602接地。處理腔室601定義提供用於產生電漿之處理空間PS的處理容器。該處理容器的內壁可塗佈氧化鋁、氧化釔、或其他保護劑。處理容器的形狀可為圓柱形、或具有其他幾何結構。
在處理腔室601內的下部中心區域處，基座612(其可為圓盤狀)可作為安裝檯，在該安裝檯上可安裝例如待處理的基板W(諸如半導體晶圓)。基板W可通過裝載/卸載埠637及閘閥627移進處理腔室601。基座612形成下電極620(下電極組件)的一部分，作為用於安裝基板W於其上之安裝檯之第二電極的示例。具體而言，基座612係支撐在基座支座625上，該基座支座625係設置在 處理腔室601之底部的實質中心區域處。基座支座625可為圓柱形。舉例而言，基座612可由鋁合金形成。
基座612可設有用於固持基板W的靜電卡盤636(作為下電極組件的一部分)。靜電卡盤636係設有夾持電極635。夾持電極635係電連接至DC(直流)電源639。靜電卡盤636藉由靜電力將基板W向其吸附，該靜電力係當來自DC電源639的DC電壓施加至夾持電極635時產生，使得基板W係牢固地安裝在基座612上。
基座612可包含隔離框架613，且由可包含抬升機構的基座支座625支撐。基座612可在基板W的裝載及/或卸載期間藉由抬升機構垂直地移動。伸縮囊626可設置在隔離框架613與處理腔室601的底部之間，以圍繞支座625而成氣密包體。基座612可包含溫度感測器及溫度控制機構，包含可用以控制基板W之溫度的冷卻劑流徑(用於流動冷卻或加熱的流體)、加熱單元(諸如陶瓷加熱器等(皆未顯示))。冷卻劑流徑與安裝在處理腔室601外部的冷卻器單元(未顯示)連通。冷卻劑流徑係供應經由相應管線循環的冷卻劑(冷卻或加熱的液體，諸如水或介電流體)。聚焦環(未顯示)可設置在基座612的上表面上，以圍繞靜電卡盤636及協助方向性的離子轟擊。
穿過基座612的氣體供應管線645係配置成將熱轉移氣體供應至靜電卡盤636的上表面。諸如氦(He)的熱轉移氣體(亦稱為背側氣體)可經由氣體供應管線645在基板W與靜電卡盤636之間供應，以協助加熱基板W。
包含真空泵等的氣體排出單元630可透過氣體排出管線631連接至處理腔室601的底部。氣體排出單元630可包含諸如渦輪分子泵的真空泵，該真空泵係配置成在一給定的電漿處理操作期間將處理腔室601內的電漿處理空間減壓至期望的真空狀態。
電漿處理設備可藉由窗655隔成天線腔室603及處理腔室601。窗655可為介電材料(諸如石英)或導電材料(諸如金屬)。對於窗655係金屬的實施例而言，窗655可例如藉由絕緣體606與處理腔室601電絕緣。在此示例中，窗655形成處理腔室601的天花板。在一些實施例中，窗655可分成多個部分，其中這些部分選用性地彼此絕緣。
支撐架605係設置在天線腔室603的側壁604與處理腔室601的側壁607之間，該支撐架605係朝處理設備的內部突出。支撐構件609用以支撐窗655，且亦作為用於供應處理氣體的噴淋頭外罩。當支撐構件609作為噴淋頭外罩時，在與待處理之基板W的工作表面平行之方向上延伸的氣體通道683係在支撐構件609內部形成，且與用於將處理氣體注入進處理空間PS的氣體注入開口682連通。氣體供應管線684係配置成與氣體通道683連通。氣體供應管線684定義穿過處理腔室601之天花板的流徑，且係連接至包含處理氣體供應源、閥系統、及相應元件的處理氣體供應系統680。因此，在電漿處理期間，一給定的處理氣體可被注入進處理空間PS。
在天線腔室603中，高頻天線662(射頻)係設置在窗655上方以面向窗655，且該高頻天線662(射頻)可藉由由絕緣材料製成的間隔件667與窗655隔開。高頻天線662可以螺旋狀形成、或以其他配置形成。
在電漿處理期間，為了產生感應電場之具有從幾MHz至數百MHz之範圍內之頻率(例如13.56MHz)的高頻功率，可自高頻電源660經由功率饋送構件661供應至高頻天線662。匹配單元666(阻抗匹配單元)可連接至高頻電源660。此示例中的高頻天線662可具有連接至功率饋送構件661之相應的功率饋送部664和功率饋送部665、及取決於特定天線配置的額外功率饋送部。功率饋送部可以類似的直徑距離及角度間距配置。天線線路可從功率饋送部664和功率饋送部665向外延伸(或依據天線配置向內延伸)至天線線路的端部。天線線路 的端部可連接至電容器668，且天線線路係經由電容器668接地。電容器668可包含一或更多可變電容器。
在一給定基板安裝於處理腔室601內的情況下，可執行一或更多電漿處理操作。藉由施加高頻功率至高頻天線662，感應電場係在處理腔室601中產生且激發自氣體注入開口682供應的處理氣體，以在由感應電場加熱之電子的存在下形成電漿。該電漿可接著用以處理一給定基板，諸如執行用於蝕刻、灰化、沉積等的製程。
用於施加RF(射頻)偏壓的高頻電源629係經由阻抗匹配單元628(以匹配阻抗或最小化反射的功率)電連接至基座612、或偏壓電極。高頻電源629(第二電源)可輸出例如從0.2MHz至20MHz之範圍(例如3.2MHz)的高頻電壓。施加高頻偏壓功率將由處理腔室601中之電漿產生的離子吸引至基板W。電源629可包含訊號產生器及放大器，該放大器用於根據上述調變循環調變自電源629輸出的振幅及功率。
電漿處理設備的元件可連接至具有邏輯元件的控制單元650且由控制單元650控制，該控制單元650又可連接至對應的儲存單元652及使用者介面651。諸多電漿處理操作可藉由使用者介面651執行，且諸多電漿處理配方及操作可儲存在儲存單元652中。因此，一給定基板可在電漿處理腔室之內使用諸多微製程技術處理。
雖然以上僅詳述本發明的某些實施例，但精於本項技術之人士將容易理解在本質上不背離本發明之新穎教示及優點的情況下，實施例中的許多修改係可能的。因此，所有此等修改係意圖被包含在本發明的範圍之內。
200:流程圖
212:步驟
214:步驟
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222:步驟

Claims (20)

  1. 一種蝕刻方法，包含：提供一基板，該基板包括包含有機材料的第一材料及不同於該第一材料的第二材料；形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體；將該基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體；形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體；將該基板曝露於該經電漿激發的第二處理氣體；及循環地重複形成及曝露該經電漿激發的第一及第二處理氣體的步驟至少兩個循環，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料。
  2. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該第一材料實質上係有機材料。
  3. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該第一材料由有機材料所組成。
  4. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該第二材料係含矽材料。
  5. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該第二材料為矽或與選自由O、C、N、及Ge所組成之群組的元素混合的矽。
  6. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第一處理氣體包含H2及選用性的Ar。
  7. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第一處理氣體包含H2及Ar。
  8. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第一處理氣體包含具有化學式CxHy的烴氣體及選用性的Ar，其中x及y係大於零的實數。
  9. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第一處理氣體包含CH4及Ar。
  10. 如申請專利範圍第9項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第一處理氣體更包含O2。
  11. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，該經電漿激發的第二處理氣體包含Ar。
  12. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，更包含：在曝露該經電漿激發的第一處理氣體之步驟期間施加第一功率耦合訊號。
  13. 如申請專利範圍第12項之蝕刻方法，其中，施加該第一功率耦合訊號的步驟包含將射頻(RF)功率耦合至電漿產生元件、或基板固持元件、或電漿產生元件和基板固持元件二者。
  14. 如申請專利範圍第12項之蝕刻方法，更包含：在曝露該經電漿激發的第二處理氣體之步驟期間施加第二功率耦合訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項之蝕刻方法，其中，施加該第二功率耦合訊號的步驟包含將射頻(RF)功率耦合至電漿產生元件、或基板固持元件、或電漿產生元件和基板固持元件二者。
  16. 如申請專利範圍第14項之蝕刻方法，其中，該第一功率耦合訊號在頻率、振幅、相位、波形形狀、或工作循環之其中至少一者上與該第二功率耦合訊號不同。
  17. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，用於將該基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體之持續時間係等於或大於使用氫將該基板實質上飽和所需的時間。
  18. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，用於將該基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體之持續時間係等於或大於1秒。
  19. 如申請專利範圍第1項之蝕刻方法，其中，用於將該基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體之持續時間的範圍係從0.01秒至5秒。
  20. 一種用於蝕刻的設備，包含：一氣體引入元件；一電漿產生元件，其利用由該氣體引入元件所引入的一或更多氣體產生電漿，其中至少一電源耦接至該電漿產生元件；一基板固持元件，用於固持一基板；及一邏輯元件，用於可編程地控制一蝕刻製程，該蝕刻製程根據來自該邏輯元件的指令進行，該指令包含：接收該基板，該基板包括包含有機材料的第一材料及不同於該第一材料的第二材料；形成包含氫(H)及選用性的稀有氣體元素之經電漿激發的第一處理氣體；將該基板曝露於該經電漿激發的第一處理氣體；形成包含稀有氣體元素之經電漿激發的第二處理氣體；將該基板曝露於該經電漿激發的第二處理氣體；及循環地重複形成及曝露該經電漿激發的第一及第二處理氣體的步驟至少兩個循環，以相對於該第二材料選擇性地蝕刻該第一材料。
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