一種改善等離子體刻蝕工藝的方法
2023-05-08 23:47:11 4
一種改善等離子體刻蝕工藝的方法
【專利摘要】本發明提供一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，所述上電極上連接一控溫裝置，控制所述上電極溫度變化，在某一臨界溫度時，所述上電極的聚合物沉積速率和刻蝕速率相等，本發明所述的方法在刻蝕工藝的開始階段，將所述上電極溫度調節到第一溫度，所述第一溫度小於所述臨界溫度，此時中性自由基會在所述上電極表面沉積一層大分子聚合物，然後調節所述上電極溫度到第二溫度，所述第二溫度大於所述臨界溫度，此時刻蝕反應速率大於所述沉積反應速率，上電極在第一溫度條件下形成的大分子聚合物可以保護所述上電極不被等離子體刻蝕掉，從而在保證腔體條件正常的前提下延長所述上電極的使用壽命。
【專利說明】一種改善等離子體刻蝕工藝的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件的製造領域，尤其涉及一種改善等離子體刻蝕工藝的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]等離子體處理裝置利用真空反應室的工作原理進行半導體基片和等離子平板的基片加工。真空反應室的工作原理是在真空反應室中通入含有適當刻蝕反應氣體，然後再對該真空反應室進行射頻能量輸入，以激活反應氣體，來點燃和維持等離子體，以便對基片表面的材料層進行刻蝕。在電容性等離子體反應器已經被廣泛地用來加工半導體基片和顯示器平板等，在電容性等離子體反應室內通常設置上下對應的上電極和下電極，通過在上下電極上進行射頻能量輸入，實現對等離子體的點燃和維持。
[0003]等離子體放電時通入的碳氟刻蝕反應氣體會解離形成中性自由基及正離子等。而中性自由基如CF2*等會聚合生成大分子的聚合物。這些聚合物會沉積在真空反應室腔體側壁及上電極、待處理基片表面等。沉積在基片表面的碳氟聚合物會在正離子轟擊下刻蝕氧化矽等電介質材料。而沉積在上電極及側壁的聚合物會造成上電極變黑，當聚合物累積到一定程度時，可能會形成顆粒降落到基片表面，造成基片汙染。因此傳統的刻蝕反應腔體中上電極會通過外部熱源加熱，利用高溫減少上電極表面的聚合物沉積，使更多的聚合物沉積在基片表面，增加基片刻蝕效率，減少汙染顆粒來源。
[0004]另一方面，在刻蝕反應腔體中由於使用碳氟氣體作為刻蝕氣體，等離子體中具有高濃度高活性的的F離子，在較高的上電極溫度下，上電極表面沒有聚合物保護，而且上電極材料一般為含矽的材料，F離子會直接腐蝕上電極，嚴重損傷上電極及其他腔體部件的使用壽命。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本發明提供一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，所述方法在一等離子體處理腔內進行，所述等離子體處理腔內包括一下電極，用於支撐待處理基片；所述下電極上方設置一上電極，所述上電極設有若干個氣體通道，所述上電極連接一控溫裝置，用於動態調節所述上電極溫度，所述方法包括下列步驟:
[0006]a)將反應氣體注入等離子體處理腔內，所述反應氣體包括碳氟氣體，所述碳氟氣體在所述上電極和所述下電極的作用下解離成自由基CFx和自由基F ;
[0007]b)先調節上電極溫度至第一溫度，所述第一溫度小於100°C，在此溫度下等離子體處理腔內對基片的底部抗反射層進行刻蝕，同時，自由基CFx在所述上電極表面發生聚合物沉積反應；
[0008]c)再調節上電極溫度至第二溫度，所述第二溫度大於80°C，在此溫度下等離子體處理腔內對基片的電介質層進行刻蝕，同時，自由基F對所述上電極表面和上電極表面沉積的聚合物進行化學腐蝕反應。
[0009]在同一工藝條件下，所述第二溫度高於所述第一溫度。所述的第二溫度與第一溫度溫差大於20°C。
[0010]進一步的，所述待處理基片依次為光刻膠層、底部抗反射層、電介質層和基底。
[0011 ] 進一步的，所述待處理基片的電介質層厚度大於底部抗反射層。
[0012]所述上電極表面會同時發生自由基CFx聚合物的沉積和自由基F對電極表面的化學腐蝕及對碳氟聚合物的腐蝕兩種化學過程，在不同的上電極溫度下，兩種化學過程的速率不同，所述沉積反應速率隨著上電極溫度的升高而降低，所述腐蝕反應速率隨著上電極溫度的升高而升高。
[0013]所述上電極連接的控溫裝置包括一加熱部件，所述加熱部件材質為金屬材質，內部設置有加熱絲。
[0014]所述的控溫裝置包括一熱交換器，所述熱交換器內填充熱交換液，用於冷卻或者加熱所述上電極。
[0015]所述的反應氣體還包括氧氣。
[0016]所述等離子體反應腔內壓力在100毫託-200毫託之間。
[0017]本發明提供一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，在所述上電極上連接一控溫裝置，控制所述上電極溫度變化，由於等離子體反應腔內的反應氣體在所述上電極和所述下電極的作用下形成中性自由基CFx和自由基F，所述中性自由基CFx在所述上電極表面發生沉積反應，形成大分子聚合物，隨著聚合物的不斷沉積，部分聚合物發生脫落至基片表面，造成基片汙染。同時，自由基F在所述上電極表面發生腐蝕反應，對所述上電極進行腐蝕，降低所述上電極的使用壽命，已知隨著溫度的升高，所述上電極表面的碳氟聚合沉積反應速率不斷降低，所述上電極腐蝕反應速率不斷升高，在某一臨界溫度時，所述上電極的聚合物沉積速率和刻蝕速率相等，本發明所述的方法在刻蝕工藝的開始階段，將所述上電極溫度調節到第一溫度，所述第一溫度小於所述臨界溫度，此時中性自由基會在所述上電極表面沉積一層大分子聚合物，然後調節所述上電極溫度到第二溫度，所述第二溫度大於所述臨界溫度，此時刻蝕反應速率大於所述沉積反應速率，上電極在第一溫度條件下形成的大分子聚合物可以保護所述上電極不被等離子體刻蝕掉，從而延長所述上電極的使用壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0019]圖1示出本發明所述等離子體處理室結構示意圖；
[0020]圖2示出本發明所述的上電極及其控溫裝置的結構示意圖；
[0021]圖3示出本發明所述的上電極聚合物沉積和腐蝕的速率與溫度的關係示意圖；
[0022]圖4示出一種實施例的目標刻蝕層結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖，對本發明的【具體實施方式】進行說明。
[0024]本發明提供一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，所述方法在一等離子體刻蝕室內進行，如圖1所示，所述等離子體刻蝕室包括一等離子體反應腔10，反應腔10內設置下電極30，用以支撐待處理基片40，下電極30上方對應設置上電極20，上電極20上設置若干個氣體通孔，作為反應氣體進入反應腔的氣體通道。上電極20連接一控溫裝置50，用於調節上電極20的溫度變化。
[0025]圖2示出本發明所述的上電極及其控溫裝置的結構示意圖，控溫裝置50可以為一金屬加熱部件，也可以為一熱交換器，所述熱交換器內填充熱交換液；或者同時設置金屬加熱部件和熱交換器。本實施例的控溫裝置包括一鋁製的加熱部件52和一填充熱交換液的熱交換器54，本實施例的加熱部件52內設置有加熱絲，熱交換器54採用的熱交換液為水，也可以為其他冷卻液。通過調節加熱部件52和熱交換器54的開啟和關閉來實現對上電極20溫度的動態控制。
[0026]反應氣體進入反應腔10後，在上電極20和下電極30上施加射頻能量輸入，來激活反應氣體，點燃和維持等離子體，以便對基片表面的材料層進行刻蝕。所述反應氣體包括碳氟氣體，當等離子體放電時，刻蝕反應氣體中的碳氟氣體會形成中性自由基CFx和自由基F，中性自由基CFx會在反應腔體側壁、上電極、基片表面等處聚合沉積生成大分子聚合物。沉積在基片表面的大分子聚合物會在正離子轟擊下對基片的氧化矽層等電介質層進行刻蝕，沉積在上電極20及側壁的大分子聚合物會使得上電極變黑，並產生汙染顆粒，落在基片表面，影響刻蝕效果及刻蝕產品的電性。
[0027]如圖3所示，刻蝕反應過程中，上電極20上同時存在中性自由基CFx的沉積反應和自由基F對上電極20的腐蝕反應，當上電極溫度較低時，中性自由基CFx的沉積反應較快，上電極表面會逐漸沉積一層大分子聚合物，當上電極的溫度升高後，中性自由基CFx的沉積反應速率變慢，腐蝕速率大於沉積速率。
[0028]本實施例提供一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，在等離子體刻蝕初期，通過調節加熱部件52和熱交換器54的開啟和關閉，控制上電極20的溫度在較低的水平，一段時間後，上電極20的表面會沉積一層大分子聚合物，然後調節上電極20的溫度在較高的水平，聚合物沉積停止，腐蝕速率加快，此時沉積在上電極20上的大分子聚合物層會保護上電極20，並逐漸被自由基F腐蝕掉。通過控制上電極溫度的動態變化，可以實現刻蝕過程中上電極零損耗或者損耗極小。
[0029]通過實驗證明，在一個確定的工藝條件中上電極20存在一個臨界溫度，該溫度下所述中性自由基CFx的沉積反應速率和自由基F對上電極20的腐蝕反應速率相等，當上電極溫度小於該臨界溫度時，所述中性自由基CFx的沉積反應速率大於所述自由基F對上電極20的腐蝕反應速率；當上電極溫度大於該臨界溫度時，所述中性自由基CFx的沉積反應速率小於所述自由基F對上電極20的腐蝕反應速率。不同工藝條件下所述臨界溫度大小不同，通過實驗測得，在等離子體處理腔內，所述臨界溫度的範圍在60°C -120°C內，更為常見的，所述臨界溫度的範圍在80°C _100°C內。
[0030]圖4示出本發明一種實施例的目標刻蝕層結構示意圖，本實施例中，待處理基片的目標層為電介質層106,電介質層106位於基底108上方，電介質層106上方塗覆一層底部抗反射層104，底部抗反射層104上方塗布光刻膠層102，對光刻膠層102進行曝光得到要刻蝕的圖案。曝光結束後，首先對底部抗反射層104進行刻蝕，然後對電介質層106進行刻蝕，本實施例設定在下列工藝條件下進行刻蝕:反應腔10內壓力為100毫託，射頻電源和偏置電源的功率分別為800瓦和100瓦，反應氣體CF4、CHF3、02分別為200SCCM、100SCCM、10SCCM ;刻蝕的底部抗反射層104厚度為80納米，本實施例中，在刻蝕底部抗反射層104時，將上電極20溫度調節至100°C，在該工藝條件下，上電極20的聚合物沉積速率為10-20納米/分。當底部抗反射層104刻蝕完成後，調節上電極20溫度至120°C，對電介質層106進行刻蝕，此時，上電極20不再沉積大分子聚合物，較高的溫度作用使得絕大部分的大分子聚合物在下電極30上方的基片表面進行沉積，並在等離子體作用下快速對電介質層106進行刻蝕，同時，在溫度為100°C時上電極20表面沉積的大分子聚合物可以作為掩膜層保護上電極，減少等離子體對上電極20的刻蝕，從而延長上電極的使用壽命。
[0031]在另外的實施例中，可以設定在下列工藝條件下進行刻蝕:反應腔10內壓力為200毫託，射頻電源和偏置電源的功率分別為800瓦和100瓦，反應氣體CF4、CHF3、02分別為300SCCM、150SCCM、10SCCM ;刻蝕的底部抗反射層104厚度為80納米，本實施例中，在刻蝕底部抗反射層104時，將上電極20溫度調節至60°C，在該工藝條件下，上電極20的聚合物沉積速率為30-40納米/分。當底部抗反射層104刻蝕完成後，調節上電極20溫度至80°C，對電介質層106進行刻蝕，此時，上電極20沉積大分子聚合物速率減慢，較高的溫度作用使得絕大部分的大分子聚合物在下電極30上方的基片表面進行沉積，並在等離子體作用下快速對電介質層106進行刻蝕，同時，在溫度為60°C時上電極20表面沉積的大分子聚合物可以作為掩膜層保護上電極，減少等離子體對上電極20的刻蝕，從而延長上電極的使用壽命。
[0032]不同工藝條件下上電極的溫度與其表面聚合物的沉積速率的關係不同，本發明通過多次試驗測得，當上電極20的較低溫度低於100°C時，上電極20的聚合物沉積速率較高，超過100°C時，上電極20的沉積速率降低直至不再發生沉積反應，特別的，當上電極20的較高溫度和較低溫度溫差大於20攝氏度時，上電極20的沉積效果較好，沉積的大分子聚合物能夠較好的保護所述上電極。
[0033]由於電介質層106的厚度大於部抗反射層104的厚度，通常上電極20在溫度較高的條件下持續的時間比在溫度較低的條件下時間長。
[0034]通過控制上電極20的溫度，還可以調節刻蝕基片的刻蝕孔徑，上電極溫度越低，大量中性自由基在上電極表面發生沉積反應，而在沉積在基片表面的大分子聚合物減少，因此基片的孔徑越大，上電極溫度越高，大分子聚合物在基片表面進行沉積的越多，因此基片的孔徑越小。
[0035]本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。
【權利要求】
1.一種改善等離子體刻蝕工藝的方法，所述方法在一等離子體處理腔內進行，所述等離子體處理腔內包括一下電極，用於支撐待處理基片；所述下電極上方設置一上電極，所述上電極設有若干個氣體通道，所述上電極連接一控溫裝置，用於動態調節所述上電極溫度，其特徵在於:所述方法包括下列步驟: a)將反應氣體注入等離子體處理腔內，所述反應氣體包括碳氟氣體，所述碳氟氣體在所述上電極和所述下電極的作用下解離成自由基CFx和自由基F ; b)先調節上電極溫度至第一溫度，所述第一溫度小於100°C，在此溫度下等離子體處理腔內對基片的底部抗反射層進行刻蝕，同時，自由基CFx在所述上電極表面發生聚合物沉積反應； c)再調節上電極溫度至第二溫度，所述第二溫度大於80°C，在此溫度下等離子體處理腔內對基片的電介質層進行刻蝕，同時，自由基F對所述上電極表面和上電極表面沉積的聚合物進行化學腐蝕反應。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:在同一工藝條件下，所述第二溫度高於所述第一溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的第二溫度與第一溫度溫差大於20。。。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述待處理基片依次為光刻膠層、底部抗反射層、電介質層和基底。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於:所述待處理基片的電介質層厚度大於底部抗反射層。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述上電極表面會同時發生自由基CFx聚合物的沉積和自由基F對電極表面的化學腐蝕及對碳氟聚合物的腐蝕兩種化學過程，在不同的上電極溫度下，兩種化學過程的速率不同，所述沉積反應速率隨著上電極溫度的升高而降低，所述腐蝕反應速率隨著上電極溫度的升高而升高。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述上電極連接的控溫裝置包括一加熱部件，所述加熱部件材質為金屬材質，內部設置有加熱絲。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的控溫裝置包括一熱交換器，所述熱交換器內填充熱交換液，用於冷卻或者加熱所述上電極。
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述的反應氣體還包括氧氣。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於:所述等離子體反應腔內壓力在100毫託-200暈託之間。
【文檔編號】H01J37/32GK103730315SQ201210384515
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年10月11日 優先權日:2012年10月11日
【發明者】王兆祥, 楊平, 劉志強, 蘇興才 申請人:中微半導體設備(上海)有限公司