TWI827992B - 電感耦合等離子處理裝置及其蝕刻方法 - Google Patents
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Abstract
一種用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，所述電感耦合等離子處理裝置包括一反應腔，反應腔的頂部包括絕緣窗和位於絕緣窗的上方的電感線圈裝置，其中絕緣窗的中心包括一進氣噴頭，反應腔內還包括一基座，待處理基片位於所述基座上，所述進氣噴頭用於將處理氣體輸入反應腔中，其中：所述經過進氣噴頭輸入反應腔的處理氣體包括蝕刻氣體和惰性氣體，其中蝕刻氣體用於與待處理基片上的材料反應進行蝕刻，所述惰性氣體的流量大於蝕刻氣體流量的2/3。
Description
本發明涉及半導體的領域，尤其涉及一種應用於電感耦合等離子處置裝置的等離子體處理方法。
等離子體處理裝置廣泛應用於積體電路的製造製程中，如沉積、蝕刻等。其中，電感耦合型等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)裝置是等離子體處理裝置中的主流技術之一，其原理主要是使用射頻功率驅動電感耦合線圈產生較強的高頻交變磁場，使得低壓的反應氣體被電離產生等離子體。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，所述活性粒子可以和待處理晶圓的表面發生多種物理和化學反應，使得待處理基片的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。
圖1示出一種電感耦合型等離子體反應裝置(ICP)結構示意圖，ICP蝕刻設備是一種將射頻電源的能量經由電感線圈，以磁場耦合的形式進入反應腔內部，從而產生等離子體並用於蝕刻的設備。電感耦合型等離子體反應裝置包括真空反應腔200，真空反應腔200包括由金屬材料製成的大致為圓柱形的反應腔側壁201，反應腔側壁201上設置一開口202用於容納基片W的進出。反應腔側壁201上方設置一絕緣視窗217，絕緣視窗217上方設置電感線圈215a，射頻功率源218通過射頻匹配網路216a將射頻電壓施加到電感線圈215a上。
真空反應腔200內部設置一內襯220，用以保護真空反應腔200內壁不被等離子體腐蝕，反應腔側壁201靠近絕緣視窗217的一端設置氣體
噴口203，還可以在絕緣視窗217的中心區域設置氣體噴頭103，氣體噴口203用於將反應氣體注入真空反應腔200內，射頻功率源218的射頻功率驅動電感線圈215a產生較強的高頻交變磁場，使得真空反應腔200內低壓的反應氣體被電離產生等離子體。其中處理氣體供應裝置100輸出可調流量比例的反應氣體到中心的氣體噴頭103和邊緣的氣體噴口203。在真空反應腔200的下游位置設置一基座210，基座210上設置靜電吸盤212，靜電吸盤212內部設置一靜電電極213a，用於產生靜電吸力，以實現在製程過程中對待處理基片W的支撐固定。等離子體中含有大量的電子、離子、激發態的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待處理基片W的表面發生多種物理和化學反應，使得基片W表面的形貌發生改變，即完成蝕刻過程。一偏置射頻功率源250通過射頻匹配網路252將偏置射頻電壓施加到基座210上，用於控制等離子體中帶電粒子的轟擊方向。真空反應腔200的下方還設置一排氣泵240，用於將反應副產物排出真空反應腔200，維持真空反應腔200的真空環境。
上述結構的等離子反應腔出現基片W上徑向的等離子處理效果不均勻時，可以調節從處理氣體供應裝置100輸入到邊緣的氣體噴口203的流量或者輸入到中心的氣體噴頭103的流量來改善均一性。但是穿過鋁製的內襯220設置的邊緣的氣體噴口203會帶來許多技術問題，具有腐蝕性的處理氣體會腐蝕內襯220中的氣流管道，複雜形狀的氣流管道以及極其細小的內徑(最小處<1mm)使得在這些氣流管道內塗覆耐腐蝕塗層成為技術難題。另外一方面，氣流管道穿過內襯220也會導致內襯220控制穩定的溫度更加困難，所以從反應腔側壁201供應處理氣體雖然能夠提高等離子處理的均勻性，但是也帶來了結構複雜，製造成本高昂的問題。
本發明提出了一種用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，所述電感耦合等離子處理裝置包括一反應腔，反應腔的頂部包括絕緣窗和位於絕緣窗的上方的電感線圈裝置，其中絕緣窗中心包括一進氣噴頭，反應腔內還包括一基座，待處理的基片位於所述基座上，所述進氣噴頭用於將處理氣體輸入反應腔中，其中：通過進氣噴頭提供所述處理氣體到反應腔，點燃等離子體對待處理的基片進行等離子處理，輸入反應腔的處理氣體包括蝕刻氣體和惰性氣體，其中蝕刻氣體用於與待處理的基片上的材料反應進行蝕刻，所述惰性氣體的流量大於蝕刻氣體的流量的2/3。通過本發明提出的蝕刻方法可以大幅改善等離子處理的均一性。
較佳地，所述惰性氣體的流量大於所述蝕刻氣體的流量。
其中電感線圈裝置包括第一電感線圈和第二電感線圈，其中第一電感線圈位於絕緣窗的中心區域，第二電感線圈圍繞所述第一電感線圈。當惰性氣體的流量大於等於蝕刻氣體的流量的2倍，且輸入到第一電感線圈的功率大於輸入到第二電感線圈的功率，可以進一步改善蝕刻均一性且同時提高蝕刻速率。
本發明還提出了一種電感耦合等離子體處理裝置，所述電感耦合等離子處理裝置包括一反應腔，反應腔的頂部包括絕緣窗和位於絕緣窗的上方的電感線圈裝置，其中絕緣窗的中心包括一進氣噴頭，反應腔內還包括一基座，待處理的基片位於所述基座上，所述進氣噴頭用於將處理氣體輸入反應腔中，所述進氣噴頭連接到一個處理氣體供應裝置，輸出包括蝕刻氣體和惰性氣體的處理氣體到反應腔內，其中蝕刻氣體能夠與待處理的基片的表面材料發生反應；所述電感線圈裝置包括第一電感線圈和第二電感線圈，其中第一電感線圈位於絕緣窗的中心區域，第二電感線圈圍繞所述第一電感線圈；一控制器，控制所述處理氣體供應裝置，使得處理氣體中惰性氣體的流量大於蝕刻氣體的流量。
100:處理氣體供應裝置
101:氣體分配器
103:氣體噴頭
103a:第一氣體噴口
103b:第二氣體噴口
200:真空反應腔
201:反應腔側壁
202:開口
203:氣體噴口
210:基座
212:靜電吸盤
213:第一電感線圈
213a:靜電電極
214:功率分配器
215:第二電感線圈
215a:電感線圈
216:匹配器
216a,252:射頻匹配網路
217:絕緣視窗
218:射頻電源
218a:射頻功率源
220:內襯
240:排氣泵
250:偏置射頻功率源
L:分隔線
P21:第一子線圈功率
P22:第二子線圈功率
Sc:第一處理區域
Se:第二處理區域
W:基片
圖1是習知技術一種等離子體處理裝置的結構示意圖；圖2是本發明的一種等離子處理裝置的結構示意圖；圖3a、圖3b是本發明不同氦氣流量時的蝕刻速率分佈曲線圖；以及圖4是圖2所示本發明處理裝置在X處的截面結構示意圖。
在半導體晶片生產線中，電感耦合等離子蝕刻器(ICP)由於離子能量較低，通常用於進行矽蝕刻如單晶矽或者多晶矽。本發明提出的ICP等離子處理器的結構如圖2所示，與圖1所示的現有技術等離子處理裝置基本結構相同，但是內襯220中不再設置處理氣體通道，使得內襯220結構簡單易於製造，整體等離子處理裝置的製造成本大幅降低。處理氣體供應裝置100將來自多個氣體存儲瓶中的多種成分的氣體根據製程功能表的設置，選擇各個成分氣體的比例，最終混合後形成處理氣體。處理氣體經過氣體分配器101輸入到位於絕緣窗217的中心區域下方的進氣噴頭103，進氣噴頭103包括位於中心的第一氣體噴口103a和圍繞第一氣體噴口103a設置的多個第二氣體噴口103b，其中第一氣體噴口103a輸入的氣體向下流出，第二氣體噴口103b輸出的氣體向反應腔周邊區域流出。氣體分配器101通過調節輸入到第一氣體噴口103a、第二氣體噴口103b的處理氣體流量比例可以一定程度改善均一性。絕緣窗頂部的電感線圈包括位於中心區域的第一電感線圈213和圍繞中心區域設置的第二電感線圈215，一個射頻電源218通過匹配器216將射頻功率輸出到功率分配器214，功率分配器214分配輸出到第一電感線圈213和第二電感線圈215的功率比例。
進行矽材料蝕刻時，採用的主要蝕刻氣體可以是SF6，或者還可以包括Cl2，為了輔助進行離子轟擊通常還會添加少量惰性氣體如氬氣、氦氣。典型
的處理氣體參數為SF6/Cl2/He氣體流量分別為：60sccm/240sccm/100sccm。但是通過該參數進行蝕刻時，即使通過上述氣體流量分配器101和功率分配器214調整後仍然無法達到理想的蝕刻均一性。經過發明人研究發現，由於反應腔內襯沒有獨立的氣流通道，只有絕緣窗(絕緣視窗)217中心的氣體噴頭103，第二氣體噴口103b噴出的蝕刻氣體在反應腔內很難擴散到反應腔周邊區域，即使增加第二氣體噴口噴出的氣體流量也收效甚微。蝕刻氣體無法快速到達邊緣區域也會導致，即使增加第二電感線圈215的輸入功率，也只能在下方的處理氣體中解離生成少量等離子體，無法有效補嘗由於氣體分佈的不均勻性導致的最終蝕刻速率分佈的不均勻性。
基於上述受限的進氣結構，發明人開發出了一種利用製程成分調整實現蝕刻速率、蝕刻均一性達到最佳的等離子處理方法。本發明提出的新的蝕刻方法包括，在蝕刻氣體SF6/Cl2的流量基本不變，保持300sccm的基礎上，大幅增加惰性氣體(He)的流量，達到200sccm或者300sccm以上。大幅增加的He氣可以通入氣體噴頭103中第一氣體噴口103a和第二氣體噴口103b中的任意一個，隨後分子質量極小的He氣分子快速擴散到反應腔周邊區域，使得He氣分子產生的等離子體濃度分佈曲線與蝕刻氣體(SF6/Cl2)分子電離產生的等離子體濃度形成互補。最終使得邊緣區域即使蝕刻氣體分子濃度略低，但是等離子濃度更高，使得這些蝕刻氣體分子的活性更大，補償了由於蝕刻氣體量少帶來的與中心區域之間的蝕刻速度差。蝕刻速率主要受蝕刻反應物濃度的影響，習知技術中僅僅將氦氣作為物理轟擊的成分，所以只要很少的流量就足以實現向下轟擊，但是沒有認識到氦氣流量增加到本發明所定義的程度可以使得氦氣的在蝕刻過程中的角色發生轉變，雖然氦氣並不直接與下方矽材料反應，但是高流量氦氣通入位於反應腔中心的氣體噴頭103可以在反應腔周邊形成更高濃度的等離子，從而實現對下方蝕刻速率的補償。為了進一步增強發明效果，可以將氦氣更多的通過進氣噴頭中的噴口103b輸入反應腔，這樣有助於氦氣快速擴散到反應腔內的邊緣區域。所以進氣噴頭103中第
一氣體噴口103a和第二氣體噴口103b流過的處理氣體具有不同的氦氣含量，其中第二氣體噴口103b的氦氣含量高於第一氣體噴口103a中的，但是總的處理氣體中氦氣含量仍然需要維持在2/3以上。
通過發明人進一步研究發現，如圖3a所示為蝕刻氣體維持在穩定流量情況下，不同氦氣流量下的蝕刻速率分佈曲線對比圖。其中橫軸為位置區域，從基片中心(X=0)向周邊延伸到基片邊緣(x=150mm)，縱軸為蝕刻速率單位為埃/分鐘(A/m)。從圖中可知隨著氦氣流量的增加，基片邊緣區域的蝕刻速率快速上升，中心區域的蝕刻速率反而緩慢下降，達到中心區域蝕刻速率小於邊緣區域蝕刻速率的新的不均勻分佈。如圖3a和3b所示，習知技術中氦氣流量一般選擇100sccm左右，對應的蝕刻速率均一性為6.1%(基片上不同區域之間蝕刻速率差)，當氦氣流量達到200-300sccm時均一性改善為4.9%，當氦氣流量達到500sccm時均一性可以優化為4.1%。進一步增加流量到600sccm時均一性會變為7.5%，但是其分佈與習知技術呈現的中心高邊緣低的分佈截然相反，變為了邊緣區域蝕刻率高中心區域蝕刻率低。
為此發明人提出了另一個較佳實施例，將氦氣的流量增加到蝕刻氣體的兩倍以上(600sccm以上)，此時的蝕刻速率出現邊緣區域高中心區域低的狀況，通過所述和功率分配器214調節，使得輸入到中心第一電感線圈213的射頻功率從匹配器216輸出總功率的40%增加到50%以上，或者60%以上。由於蝕刻氣體本身就更多集中在基片上方中心區域，增加相應的射頻功率輸入馬上就能使得中心區域的蝕刻速率得到提升，最終獲得均一的蝕刻速率分佈(蝕刻速率均一性小於4%)，同時整體蝕刻速率也從1400A/m增加到了1600A/m以上。如圖3b所示，其中曲線290就是氦氣流量為600sccm同時增加第一射頻線圈功率到55%時的蝕刻速率曲線。所以採用本發明等離子蝕刻製程可以在僅設置一個進氣噴頭的電感耦合反應器中獲得更高的等離子蝕刻速率均一性，同時也能增加平均蝕刻速率。
本發明的電感線圈裝置可以是如圖2所示的平板型的電感線圈也可以是其它形狀的如穹頂形的，或者中間凹陷邊緣向上凸起的，任何線圈結構只要能夠獨立調節下方等離處理腔內中心和邊緣區域濃度比率的都可以應用于本發明實施例。
第一電感線圈線圈213與第二電感線圈215分別用於控制下方位於中心第一處理區域Sc和位於周邊的第二處理區域Se的等離子濃度參數。如圖4所示為圖2中等離子處理器中X處的橫截面示意圖，其中位於第一和第二電感線圈之間的分隔線L將下方反應空間分隔為兩個處理區域，分隔線L可以位於第一電感線圈213最外側到第二電感線圈215最內側之間的中點上，或者也可以更靠近第一電感線圈213或者第二電感線圈215，第一電感線圈213產生的電磁場能夠主導分隔線L內側第一處理區域Sc的等離子濃度，相應的第二電感線圈215產生的電磁場能夠主導分隔線外側和內側220內壁之間的第二處理區域Se的等離子體濃度。採用傳統的等離子處理製程時，一個等離子處理器的電感線圈結構和尺寸是相對固定的，第一處理區域Sc與第二處理區域Se的面積比值為R，輸入第一、第二電感線圈的射頻功率P1、P2是與面積比值R正相關的。通常輸入第一、第二電感線圈的射頻功率比(P1/P2)在1.2~1.5R左右，過高或者過低都會導致等離子濃度分佈不均勻。由於常規製程參數運行時會出現中心區域蝕刻速率高於邊緣區域蝕刻速率的分佈，所以出現不均勻時一般也是增加輸入功率P2或者減少輸入功率P1，這樣會進一步減小功率比。本發明中由於惰性氣體大量通入反應腔中，所以出現中心蝕刻速率低於邊緣蝕刻速率這種特殊情況，輸入到第一處理區域Sc的功率P1需要相對邊緣區域的功率P2更大，才能補償由於大量惰性氣體的通入，與習知技術截然不同的蝕刻速率分佈曲線。所以本發明中的第一、第二電感線圈的射頻功率比需要大於2.5R才能滿足製程均一性的要求，遠遠超出了傳統製程調節的範圍。比如第一電感線圈佔據等離子處理空間橫截面1/4的面積，第二電感線圈佔據3/4面積，比值R為1/3，此時傳統製程下輸入第一、第二電感線圈的功率比(P1/P2)需要
在0.4~0.5左右，也就是中心的第一電感線圈輸入28.5%的射頻功率，邊緣的第二電感線圈輸入71.5%射頻功率。但是採用本發明後，第一、第二電感線圈的射頻功率比的參數需要達到2.5×1/3=0.83以上，也就是P1需要45.4%，P2需要54.6%的射頻功率才能滿足蝕刻速率均一性的要求。
第二電感線圈215可以進一步分為多個子電感線圈，進行獨立的輸入功率控制，如輸入第一子線圈功率P21，輸入第二子線圈功率P22。只要滿足滿足本發明提出的第一電感線圈的功率P1與兩個子線圈功率和(P21+P22)的比率關係大於2.5R同樣能相對提高蝕刻速率均一性，最終實現本發明的發明目的，屬於本發明的一種變形實施例。
根據本發明上述工作原理的描述，可知本發明蝕刻方法也可以應用於如圖2所示的電感耦合反應器中的各種蝕刻製程中，只要存在蝕刻氣體中心到邊緣分配不均，均可以採用本發明方法，提高氦氣流量，獲得邊緣濃度更高的等離子濃度分佈曲線，最終獲得更均勻的蝕刻速率分佈。對於不同的蝕刻製程，如進行矽氧化材料層蝕刻時蝕刻氣體可以是氟碳化合物如C4F8或氟碳氫化合物如CHF3等，混合其它輔助氣體如氧氣和其它鹵素氣體如溴氣等進行蝕刻，同時通入大量小分子惰性氣體，使得蝕刻速率在基片上具有均一的分佈。其中惰性氣體的流量需要達到蝕刻氣體總量的2/3以上，較佳的需要大於蝕刻氣體總流量甚至達到2倍及以上再配合提高輸入中心電感線圈的功率就能達到提高蝕刻均一性的同時提高蝕刻速率。
雖然本發明披露如上，但本發明並非限定於此。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以申請專利範圍所限定的範圍為原則。
100:處理氣體供應裝置
101:氣體分配器
103:氣體噴頭
103a:第一氣體噴口
103b:第二氣體噴口
200:真空反應腔
201:反應腔側壁
202:開口
210:基座
212:靜電吸盤
213:第一電感線圈
213a:靜電電極
214:功率分配器
215:第二電感線圈
216:匹配器
217:絕緣視窗
218:射頻電源
220:內襯
240:排氣泵
250:偏置射頻功率源
252:射頻匹配網路
L:分隔線
Sc:第一處理區域
Se:第二處理區域
W:基片
Claims (7)
- 一種用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，該電感耦合等離子處理裝置包括一反應腔，該反應腔的頂部包括一絕緣窗和位於該絕緣窗的上方的一電感線圈裝置，其中該絕緣窗的中心包括一進氣噴頭，該反應腔內還包括一基座，待處理一基片位於該基座上，該進氣噴頭用於將處理氣體輸入該反應腔中，其中包含下列步驟：通過該進氣噴頭提供所述處理氣體到該反應腔，點燃等離子體對待處理的該基片進行等離子處理，輸入該反應腔的處理氣體包括一蝕刻氣體和一惰性氣體，其中該蝕刻氣體用於與待處理的該基片上的材料反應進行蝕刻，該惰性氣體的流量大於該蝕刻氣體的流量的2/3；其中，該電感線圈裝置包括一第一電感線圈和一第二電感線圈，其中該第一電感線圈位於該絕緣窗的中心區域，該第二電感線圈圍繞該第一電感線圈；其中，該惰性氣體的流量大於等於蝕刻氣體流量的2倍，且輸入到該第一電感線圈的功率大於輸入到該第二電感線圈的功率。
- 如請求項1所述的用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，其中，該基片上的材料為晶體矽，該蝕刻氣體包括含氟氣體和含氯氣體。
- 如請求項1所述的用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，其中，該基片上的材料為矽氧化合物，該蝕刻氣體包括氟碳化合物或者氟碳氫化合物。
- 如請求項1所述的用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，其中，該惰性氣體的流量大於該蝕刻氣體的流量。
- 如請求項1所述的用於電感耦合等離子體處理裝置的蝕刻方法，其中，該進氣噴頭包括位於中心的一第一進氣噴口，圍繞該第一進氣噴口的多個第二進氣噴口，該第二進氣噴口輸出的氣體朝向下方的該基片的邊緣區域噴出，一個氣體分配器控制輸入到該第一進氣噴口和該第二進氣噴 口的氣流成分或流量比例。
- 一種電感耦合等離子體處理裝置，該電感耦合等離子處理裝置包括一反應腔，該反應腔的頂部包括一絕緣窗和位於該絕緣窗的上方的一電感線圈裝置，其中該絕緣窗的中心包括一進氣噴頭，該反應腔內還包括一基座，待處理的一基片位於該基座上，該進氣噴頭用於將處理氣體輸入該反應腔中，該進氣噴頭連接到一個處理氣體供應裝置，輸出包括一蝕刻氣體和一惰性氣體的處理氣體到該反應腔內，其中該蝕刻氣體能夠與待處理的該基片的表面材料發生反應；該電感線圈裝置包括一第一電感線圈和一第二電感線圈，其中該第一電感線圈位於該絕緣窗的中心區域，該第二電感線圈圍繞該第一電感線圈；一控制器，控制該處理氣體供應裝置，使得處理氣體中該惰性氣體的流量大於該蝕刻氣體的流量；其中，該第一電感線圈用於控制下方的一第一處理區域的等離子濃度，該第二電感線圈用於控制一第二處理區域的等離子濃度，其中該第一處理區域和該第二處理區域的水平橫截面積比為R，該控制器使得輸入該第一電感線圈的射頻功率P1為輸入該第二電感線圈的射頻功率P2的2.5R倍以上。
- 如請求項6所述的電感耦合等離子體處理裝置，其中，該控制器控制該處理氣體供應裝置，使得處理氣體中該惰性氣體的流量大於該蝕刻氣體流量2倍，且輸入該第一電感線圈的功率大於輸入該第二電感線圈的功率。
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