TWI836422B - 等離子體蝕刻系統 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種等離子體蝕刻系統。等離子體蝕刻系統包括:一電源電力模組(11),向上部電極(15)施加高頻射頻(RF)電力;一偏置電力模組(12),向下部電極施加偏置RF電力;以及偏置直流(DC)電力模組(13),向晶片(18)施加偏置直流電力。
Description
本發明涉及一種等離子體(電漿)蝕刻系統的技術領域,具體地,涉及一種通過施加直流電力來提高蝕刻效率的等離子體蝕刻系統。
在半導體製造製程中,蝕刻製程可以通過化學蝕刻方式或物理蝕刻方式來進行,以適於所需的膜質的特性。通常,可以混合使用物理和化學蝕刻作用,但是對諸如氧化(Oxide)膜質的堅硬的膜質的蝕刻,通過離子(Ion)轟擊的物理蝕刻作用比化學作用更有利。為了對堅硬的膜質進行深度蝕刻,在離子轟擊(Ion Bombardment)作用時,需要優異的直行性和高能量。作為物理蝕刻方式,可以應用通過施加高頻來產生等離子體的電容耦合等離子體(Capacitive Coupled Plasma:CCP)方式或電感耦合等離子體(Inductive Coupled Plasma:ICP)方式。在半導體製造製程中,當需要對諸如氧化膜質的堅硬的膜質進行蝕刻時,蝕刻裝置形成為CCP結構。在這種CCP結構的情況下,通過向上部電極施加高頻射頻電力(Radio Frequency Power),並向下部電極施加低頻射頻電力(Power),從而產生高密度的等離子體。當通過上部電極和下部電極產生等離子體時,通過所產生的等離子體在晶片表面產生自直流偏置電壓(Self DC Bias Voltage),並通過控制其來進行蝕刻製程。關於通過等離子體的蝕刻製程,國際公開號WO 2005/059960公開了一種控制等離子體密度以在晶片上蝕刻層的過程或形成層的過程中提供均勻的晶片處理的技術。國際公開號WO 2020/035478公開了一種等離子體蝕刻裝置以及對半導體基板進行等離子體蝕刻的製程。通過RF電力產生在晶片上的自直流偏置電壓的能量使用效率低,因此在半導體製程微細化並朝向需要將相對較小的面積蝕刻為更大深度的方向發展的情況下,存在難以應用的問題。為了解決這種問題,可以使用更大的RF電力,但在這種情況下,可能會出現電弧(arcing),並且可能出現難以確保耐久性、局部的等離子體密度不均勻等附帶問題。因此,需要開發一種能夠解決這種問題的技術。
本發明旨在解決習知技術的問題,並具有以下目的。
現有技術文獻
(專利文獻1)現有技術1:WO 2005/059960(朗姆研究公司,2006.06.30公開)用於均勻性控制的分段無線頻率電極裝置及方法
(專利文獻2)現有技術2:WO 2020/035478(EVATEC AG,2020.02.20公開)用於低粒子等離子體蝕刻的方法及裝置
(一)要解決的技術問題
本發明提供一種在通過等離子體的蝕刻過程中向晶片施加直流電力(Direct Current Power)以提高蝕刻製程效率的等離子體蝕刻系統。
(二)技術方案
根據本發明的較佳實施方式,等離子體蝕刻系統包括:一電源電力模組,向上部電極施加高頻射頻(RF)電力;一偏置電力模組,向下部電極施加偏置射頻(RF)電力;以及一偏置直流(DC)電力模組,向晶片施加偏置直流電力。
根據本發明的另一個較佳實施方式,通過偏置直流(DC)電力模組施加直流脈衝電力。
根據本發明的又一個較佳實施方式,通過設置在靜電卡盤的多個直流(DC)電極銷供應偏置直流電力。
根據本發明的又一個較佳實施方式,多個直流(DC)電極銷中的每一個在垂直方向上貫穿靜電卡盤的上側表面而突出。
根據本發明的又一個較佳實施方式,多個直流(DC)電極銷中的每一個可上下彈性移動。
根據本發明的又一個較佳實施方式,直流(DC)脈衝電力的頻率是1Hz至1000Hz。
根據本發明的又一個較佳實施方式,通過偏置直流(DC)電力模組向邊緣環施加偏置直流(DC)電力。
根據本發明的又一個較佳實施方式,進一步包括:多個直流(DC)電極銷,從靜電卡盤的上側表面突出,並且沿著圓周排列。
根據本發明的又一個較佳實施方式,多個直流(DC)電極銷彼此絕緣,並且是1個至1000個。
(三)有益效果
在蝕刻製程過程中,為了對諸如氧化(Oxide)膜質的堅硬的膜質進行蝕刻而使用直行性優異且高轟擊能量狀態下的離子轟擊作用時,需要向上部電極施加20~60MHz的高頻RF電力,以產生高密度的等離子體。另外,需要向下部電極施加400kHz~2MHz的低頻RF電力,以將具有直行性的離子轟擊作用引導至晶片方向。隨著製程的微細化,需要窄而深的蝕刻作用,並因此需要更高的下部能量,從而應使用更低的頻率和更高的電力。但是,高RF電力將產生各種附帶問題。例如,可能會發生由於高電力的施加而導致的電弧的產生(arching issue)、部件耐久性的降低、設備雜訊的產生或由於使用高能量引起電量增加而導致的生產成本增加的問題。根據本發明的等離子體蝕刻系統通過向下部電極施加DC電力,較佳施加DC脈衝電力,使得即使使用相對較低的高頻電力,也能引導直行性優異且轟擊能量大的轟擊作用,從而實現具有高效率的蝕刻設備的設計。根據本發明的等離子體蝕刻系統可以應用於包括半導體製程在內的諸如LED、OLED或LCD製程等需要應用等離子體的各種領域,並且本發明不限於此。
下面,參照附圖所示的實施例對本發明進行詳細說明,但是實施例僅用於清楚地理解本發明,而本發明不限於此。在以下說明中,不同圖中具有相同附圖標記的元件具有相似的功能,因此除非需要用於本發明的理解,否則將不再重複進行說明,並且雖然對習知元件進行了簡略說明或省略,但不應理解為從本發明的實施例中排除。
圖1示出根據本發明的等離子體蝕刻系統的實施例。
參照圖1,等離子體蝕刻系統包括:一電源電力模組11,向上部電極15施加高頻射頻(RF)電力;一偏置電力模組12,向下部電極施加偏置射頻(RF)電力;以及一偏置直流(DC)電力模組13,向晶片18施加偏置直流電力。
在製程室14的內部可以產生等離子體,並且等離子體可以通過由彼此面對的上部電極15和下部電極產生的電容耦合等離子體(CCP)方式來產生。可以通過將晶片18固定到設置在製程室14內部的靜電卡盤的上表面而產生的等離子體來進行蝕刻製程。在製程室14的上側部分可以設置有圓盤形狀的上部電極15,在製程室14的下側部分可以設置有與上部電極15面對的靜電卡盤,並且下部電極可以設置在靜電卡盤。靜電卡盤可以形成在主體19的上側,其可以包括:基塊16,由諸如鋁的金屬材料製成;以及絕緣層17,形成在基塊16的上側,由諸如陶瓷的材料製成。主體19可以由能夠支撐靜電卡盤的各種結構製成,基塊16整體上可以是圓盤形狀。另外,絕緣層17可以是結合到基塊16的上側的圓盤形狀,或者可以是包覆基塊16的上側面和周圍面的形狀。絕緣層17可以通過粘合層與基塊16結合,並且可以在絕緣層17的下側部分形成下部電極。當晶片18固定到具有這種結構的靜電卡盤的上側面時,可以產生等離子體以進行蝕刻製程。為了產生等離子體,可以通過電源電力模組11向上部電極15施加高頻RF電力。可以以20MHz至150MHz的頻率以及1kW至20kW的電力來施加高頻RF電力。在向上部電極15施加高頻RF電力的同時,可以通過偏置RF電力模組12向設置在絕緣層17的下側的下部電極施加偏置RF電力。例如,可以以100kHz至20MHz的頻率以及10kW至20kW的電力來施加偏置RF電力。如上所述,可以通過施加到上部電極15的高頻RF電力和施加到下部電極的偏置RF電力來產生等離子體以進行蝕刻製程。但是,當使用這種方法進行蝕刻製程時,對晶片表面的離子轟擊效果可能較弱,因此具有難以對堅固的膜進行深度蝕刻的缺點。
根據本發明的一個實施例,可以通過偏置DC電力模組13向晶片18施加直流電流,從而引導對晶片表面的離子轟擊。偏置DC電力模組13可以具有向晶片、晶片與靜電卡盤的上側表面之間或者等離子體施加直流電壓的功能。偏置DC電力模組13可以施加脈衝形式的電力,例如,可以施加DC電力,通過施加頻率為1Hz至20kHz的5kW至20kW的電力來產生-5kV至-20kV的電壓。例如,可以通過偏置DC電力模組13施加具有1%至99%的占空比(duty cycle)的DC脈衝電力,由此可以提高離子轟擊效果。為了施加這種偏置DC電力,可以在靜電卡盤設置DC電極。DC電極可以由各種結構製成,下面對設置有這種DC電極的靜電卡盤進行說明。
圖2示出用於根據本發明的等離子體蝕刻系統的靜電卡盤的實施例。
參照圖2,在製程室或蝕刻室中,下部電極可以形成在靜電卡盤(electrostatic chuck:ESC),由此ESC可以具有晶片固定功能(chucking)和下部電極功能。ESC可以包括:陶瓷板形式的絕緣層17,形成固定晶片的上側平面;以及基塊16,通過粘合層結合到絕緣層17的下側。絕緣層17整體上可以是圓盤形狀,並且可以在絕緣層17的內部設置有用於固定晶片18的DC電極。基塊16整體上可以是鼓形狀,由諸如鋁的導熱性材料製成,並且可以包括至少一個冷卻流路23。在這種靜電卡盤的結構中,施加到下部電極的RF電力被施加到作為ESC的下部結構的基塊16,並與通過施加到蝕刻室上部電極15的電源RF電力點火(ignition)的等離子體能量耦合,從而可以進行蝕刻製程。在這種過程中,可以通過各種方式施加DC脈衝電力,例如,DC脈衝電力可以與RF電力一起施加到對應於ESC的下部結構的鋁材料的基塊16。在這種DC脈衝電力施加結構中,RF電力可以通過電容器傳遞能量,但是DC電力具有難以通過由基塊16、絕緣層17以及晶片組成的電容器將能量傳遞到晶片的表面和等離子體,或者傳遞效率極低的缺點。因此,需要開發一種提高對晶片的DC電力能量的傳遞效率,並由此可以提高蝕刻效率的方法。
根據本發明的一個實施例,可以在靜電卡盤設置用於傳遞DC脈衝電力的偏置DC電極,並且可以通過偏置DC電極向晶片或等離子體施加偏置DC電力。如圖2所示,偏置DC電極可以是至少一個DC電極銷21_1至21_N。多個DC電極銷21_1至21_N可以均勻地設置在圓盤形狀的靜電卡盤的上側表面。例如,DC電極銷21_1至21_N可以沿著對應於不同半徑的圓周方向以相同的間隔分開設置。例如,DC電極銷21_1至21_N可以是1至1000個,較佳為5至100個,可以最較佳為5至30個,但不限於此。每個DC電極銷21_1至21_N可以貫穿基塊16和絕緣層17,以在垂直方向上從靜電卡盤的上側面或絕緣層17的上側面突出。另外,多個DC電極銷21_1至21_N中的每一個可以上下彈性移動。每個DC電極銷21_K可以包括設置在固定路徑211的內部的盤簧、板簧、彈性墊或與其相似的彈性單元212以及結合到彈性單元212並且可以上下移動的接觸銷213。接觸銷213的上側末端部分可以形成為曲面部分214,並且選擇性地具有伸縮性。至少接觸銷213可以是導體,例如,接觸銷213可以由金屬材料製成並被塗覆鉑或金。例如,接觸銷213的至少一部分可以從絕緣層17向上突出0.5mm至3mm的長度,並且可以在由晶片施加壓力時通過彈性向下側移動。當晶片固定到ESC時,多個DC電極銷21_K可以接觸到晶片18的下側面。DC電極銷21_K可將上述的偏置DC電力模組13供應的脈衝形式的直流電流施加到晶片18,並且可以由此提高離子轟擊效果。DC電力可以通過DC電極銷21_1至21_N以各種形式施加到晶片18或等離子體,並且本發明不限於此。另外,偏置直流電力模組13的如上所述的銷可以製造成各種結構,並且本發明不限於此。
圖3示出根據本發明的等離子體蝕刻系統的另一個實施例。
參照圖3,在蝕刻過程中,等離子體需要以晶片的表面為基準均勻地分佈,並且離子轟擊作用也需要均勻地產生在晶片的整個表面上。例如,在晶片的中心部分與晶片的邊緣之間,等離子體的密度需要均勻,同時需要產生相同的離子轟擊效果。因此,可以在確保製程結果的均勻性的同時,可以防止發生晶片邊緣區域的圖案輪廓傾斜(pattern profile tilting)。為此,可以向邊緣環32施加DC脈衝電力。可以形成用於從偏置DC電力模組13向上述的多個DC電極銷供應電力的配線路徑,同時可以向邊緣環32施加直流脈衝電力。具體地,可以在偏置DC電力模組13的電力供應路徑上形成分配電路31,以調節供應到邊緣環32的DC脈衝電力。邊緣環32可以由諸如矽(Si)或碳化矽(SiC)的材料製成,可以在由這種材料製成的邊緣環32所處的部分形成上述的DC電極銷或者具有與其相似結構的偏置DC電力施加電極。供應到邊緣環32的DC脈衝電力可以具有與供應到晶片的DC脈衝電力相同或相似的特性,但是可以根據需要施加具有彼此不同特性的DC脈衝電力。根據等離子體的密度或與其相似的蝕刻條件,可將具有各種特性的DC脈衝電力施加到邊緣環32,並且本發明不限於此。
圖4示出通過根據本發明的等離子體蝕刻系統進行蝕刻製程的過程的實施例。
參照圖4,對於晶片的蝕刻製程過程包括以下步驟:在ESC設置用於施加偏置DC電力的DC電極,並且當晶片固定到ESC時,向上部電極和下部電極施加RF高頻,以產生等離子體(P41);當等離子體產生時,將偏置DC電力施加到與晶片接觸的DC電極(P42);向設置在邊緣環所處部分的DC電極施加偏置DC電力(P43);以及通過DC電力的施加控制靜電卡盤的溫度(P44)。
設置在包括邊緣環所處部分的ESC的偏置DC電極可以是如上所述的DC電極銷結構,但不限於此。DC電極銷可基於固定晶片和邊緣環的位置均勻地設置。例如,施加到上部電極的RF電力的頻率可以是27MHz、40MHz或100MHz,但不限於此。另外,施加到下部電極的RF電力的頻率可以是13.56MHz、2MHz或400kHz,但不限於此。隨著RF高頻電力施加到上部電極和下部電極,在蝕刻室內部產生等離子體,從而可以進行蝕刻製程。在這種過程中,為了進行所需水準的蝕刻製程,可以向與晶片接觸的DC電極銷施加偏置DC電力,並且偏置DC電力可以是DC脈衝電力。例如,DC脈衝電力可以是具有1Hz至1000Hz的頻率並具有1%至99%占空比的脈衝電力,但不限於此。在向與晶片接觸的DC電極銷施加DC脈衝電力的同時,可以向設置在邊緣環所處部分的DC電極施加DC脈衝電力(P43)。施加到邊緣環的DC脈衝電力可以與施加到晶片的DC脈衝電力相同或相似,但是可以根據等離子體的密度狀態而彼此不同。可以檢測蝕刻室內部的等離子體的狀態,並且可基於檢測到的等離子體密度適當調整施加到邊緣環的DC脈衝電力的特性。可以通過各種方法對晶片或邊緣環施加DC脈衝電力,並且本發明不限於此。
以上參照所示出的實施例對本發明進行了詳細說明,但是本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以參照所示出的實施例在不超出本發明的技術思想的範圍內,對發明進行各種變更和修改。本發明不限於這種變更和修改,而僅限於申請專利範圍。
11:電源電力模組
12:偏置電力模組
13:偏置直流(DC)電力模組
14:製程室
15:上部電極
16:基塊
17:絕緣層
18:晶片
19:主體
21_1至21_N:直流(DC)電極銷
212:彈性單元
213:接觸銷
23:冷卻流路
214:曲面部分
31:分配電路
32:邊緣環
圖1示出根據本發明的等離子體蝕刻系統的實施例。
圖2示出用於根據本發明的等離子體蝕刻系統的靜電卡盤的實施例。
圖3示出根據本發明的等離子體蝕刻系統的另一個實施例。
圖4示出通過根據本發明的等離子體蝕刻系統進行蝕刻製程的過程的實施例。
11:電源電力模組
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Claims (3)
- 一種等離子體蝕刻系統,包括:一電源電力模組(11),向一上部電極(15)施加一高頻射頻電力;一偏置電力模組(12),向一下部電極施加一偏置射頻(RF)電力;以及一偏置直流電力模組(13),向一晶片(18)施加一偏置直流電力;通過偏置直流電力模組(13)施加的1Hz至1000Hz頻率的偏置直流脈衝電力通過每一個在垂直方向上貫穿靜電卡盤的上側表面而突出,以分别接觸到晶片(18)的下側面的多個直流電極銷(21_1至21_N)供應。
- 根據請求項1所述的等離子體蝕刻系統,其中,多個該直流電極銷(21_1至21_N)中的每一個可上下彈性移動。
- 根據請求項1所述的等離子體蝕刻系統,其中,通過該偏置直流電力模組(13)向一邊緣環(32)施加該偏置直流電力。
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