用於半導體製造的內部等離子體格柵的製作方法

2023-06-01 03:22:31 3

用於半導體製造的內部等離子體格柵的製作方法
【專利摘要】本文所公開的實施方式涉及用於半導體製造的內部等離子體格柵，具體涉及蝕刻半導體襯底的改進的方法和裝置。等離子體格柵組件被定位在反應室中以將所述室分成上部和下部子室。等離子體格柵組件可以包括具有特定的高寬比的槽的一個或多個等離子體格柵，從而允許某些物質從上部子室通到下部子室。在使用多個等離子體格柵的情況下，一個或多個格柵可以是可移動的，允許至少在所述下部子室維持等離子體條件的延續性。在某些情況下，在上部子室中產生電子-離子等離子體。通過格柵到下部子室的電子當它們通過時受到冷卻。在某些情況下，這導致在下部子室中的離子-離子等離子體。
【專利說明】用於半導體製造的內部等離子體格柵 相關申請的交叉引用 本申請要求於2013年6月12日提交的，名稱為"INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION"的美國專利申請No. 13/916, 318的優先權，該專利申 請 No. 13/916, 318 要求於 2013 年 4 月 5 日提交的，名稱為 "INTERNAL PLASMA GRID FOR SEMICONDUCTOR FABRICATION"的美國臨時申請No. 61/809, 246的優先權，每一個其全部內 容通過引用併入本文，並用於所有目的。

【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及半導體製造【技術領域】，更具體地涉及用於半導體製造的內部等 離子體格柵。

【背景技術】
[0002] 在半導體生產中經常採用的一個操作是蝕刻操作。在蝕刻操作中，從部分製造的 集成電路部分地或全部地去除一種或多種材料。等離子體蝕刻被經常使用，特別是在涉及 的幾何形狀是小的，使用高高寬比的，或者需要精確圖案轉移的情況下。
[0003] 通常，等離子體包含電子、正離子和負離子、和一些自由基。自由基、正離子和負離 子與襯底相互作用以蝕刻在襯底上的特徵、表面和材料。在用感應耦合等離子體源進行的 蝕刻中，室線圈執行與在變壓器中的初級線圈的功能類似的功能，而等離子體執行與在變 壓器中的次級線圈的功能類似的功能。
[0004] 隨著從平面結構發展到3D電晶體結構（如邏輯器件的FinFET柵結構），等離子體 蝕刻工藝需要越來越精確和均勻以生產優質的產物。除其他因素外，等離子體蝕刻工藝尤 其應具有良好的選擇性、輪廓角、Iso/密加載、和整體均勻性。
[0005] 蝕刻工藝在被蝕刻的材料和保留的材料之間具有良好的選擇性是有益處的。在 FinFET柵極結構的背景下，這意味著應該有被蝕刻的柵極對其它暴露部件（如氮化矽掩 模）的良好的選擇性。輪廓角被測量為最近蝕刻（大致垂直）的側壁與水平面之間的夾 角。在許多應用中，理想的輪廓角為90度，產生垂直蝕刻臺階或開口。有時，局部晶片上的 特徵密度可影響蝕刻工藝。例如，其中特徵是緻密的晶片區域與其中特徵是較隔離的晶片 的區域相比可有所不同地蝕刻（例如，蝕刻更快、更慢、更各向同性、更各向異性等）。由於 特徵密度的變化產生的差異被稱為Iso/密加載（Ι/D加載）。在製造過程中將這些差異最 小化是有益處的。除了滿足這些和潛在的其它器件特定的要求外，蝕刻工藝往往還需要在 襯底的整個表面一致地執行（例如，從半導體晶片的中心到邊緣蝕刻條件和結果應該是一 致的）。
[0006] 已經發現在蝕刻先進的結構（如FinFET柵極）時難以實現多個目的，例如上面那 些所闡述的目的。


【發明內容】

[0007] 本文公開的是在半導體器件的製造過程中蝕刻半導體襯底和在其上形成的層中 使用的裝置。本發明的實施方式的一個方面提供了用於在襯底上蝕刻特徵的裝置。所述 裝置可包括：室，其限定其中可以提供等離子體的內部；襯底支架，其用於在蝕刻過程中支 撐在所述室中的襯底；等離子體發生器，其用於在所述室內產生等離子體；以及格柵組件， 其將所述等離子體室的所述內部分成靠近所述等離子體發生器的上部子室和靠近所述襯 底支架的下部子室，其中所述上部子室的高度是所述下部子室的高度的至少約1/6,並且其 中，所述格柵組件包括兩個或多個格柵，該格柵包括多個槽，該多個槽在所述等離子體在所 述室中產生時基本上防止在所述格柵中形成感應電流。
[0008] 該裝置還可以包括控制器，該控制器被設計或配置為在導致在所述上部子室產生 上部區域等離子體和在所述下部子室中產生下部區域等離子體的條件下在所述室中產生 所述等離子體。在一些實施方式中，所述下部區域等離子體中的有效電子溫度為約leV或 更低，並且小於所述上部區域等離子體中的有效電子溫度。在一些實施方式中，所述下部區 域等離子體中的電子密度為約5X10 9釐米3或更低，並且小於所述上部區域等離子體中的 電子密度。所述控制器可被進一步設計或配置成施加偏置到所述格柵組件中的一個或多 個格柵和/或所述襯底支架。所述控制器還可被設計或配置為將蝕刻劑氣體輸送到所述 室。在一些情況下，所述控制器被進一步設計或配置為在所述等離子體蝕刻所述襯底的同 時在所述室中提供小於約2000毫乇的壓強。但是，在一些情況下，所述控制器被設計或配 置為在蝕刻過程中在所述室中提供較小的壓強，例如小於約200毫乇的壓強。在其他情況 下，所述控制器可被設計或配置為在所述反應室中保持介於約1-20毫乇之間的壓強，或介 於5-20毫乇之間的壓強。所述控制器還可被設計或配置為在所述裝置內提供在下部子室 中產生離子-離子等離子體的條件的組合。
[0009] 在某些實施方式中，格柵組件中的至少一個格柵可以具有介於約1-50毫米之間， 或介於約5-20毫米之間的平均厚度。在某些實施方式中，組件中的格柵的厚度的總和為介 於約2至50毫米之間。在某些情況下，所述槽是徑向定向或大致徑向定向的。在所述格柵 組件的至少一個格柵中的所述槽具有介於約0. 01-5之間的高寬比。在一些實施方式中，槽 的高寬比在介於約〇. 3-5之間，介於約0. 5-2之間，或介於約1-4之間。槽通常布置成使得 它們大致徑向向外地延伸。方位角相鄰槽有時分隔至少約15度。在這些或其它情況下，方 位角相鄰槽可以分隔不超過約60度。
[0010] 在某些實施方式中的等離子體發生器包括設置在室的頂棚上的線圈。在一些實施 方式中，襯底支架是靜電卡盤。各種其它元件可被包括在裝置中。例如，該裝置還可以包括 處理氣體入口。此外，該裝置可以包括真空連接件。
[0011] 在特定實施方式中，等離子體格柵組件包括第一格柵和第二格柵。所述第一和第 二格柵可以具有基本上相同的槽圖案，或它們可以具有不同的槽形狀和/或兩個格柵之間 不同的布局。所述第一和第二格柵中的至少一個可相對於另一格柵旋轉。該旋轉可繞垂直 於所述襯底支架的上表面的軸旋轉而發生。在某些實施方式中，所述第一和第二柵極可具 有允許在所述下部子室中的等離子體條件徑向調節的槽圖案。在這些或其它實施方案中， 至少一個格柵可以是可移動的，使得所述第一和第二格柵之間的距離是可變的。在某些實 施方式中組件槽的高寬比可介於約〇. 1-5之間。
[0012] 在本發明的實施方式的另一個方面中，提供了一種用於在襯底上蝕刻特徵的方 法，所述方法包括：提供所述襯底到在包括等離子體發生器和格柵組件的室中的襯底支架， 所述格柵組件將所述等離子體室的內部分成靠近所述等離子體發生器的上部子室和靠近 所述襯底支架的下部子室，其中，所述格柵組件包括至少兩個格柵，並且其中所述上部子室 的高度是所述下部子室的高度的至少約1/6 ;在導致在所述上部子室中產生上部區域等離 子體和在所述下部子室產生下部區域等離子體的條件下在所述室中產生等離子體；通過所 述下部區域等離子體與所述襯底的相互作用在所述襯底中蝕刻所述特徵。在所述方法的一 些中，所述下部區域等離子體中的有效電子溫度為約leV或更低，並且小於所述上部區域 等離子體中的有效電子溫度。在一些實施方式中，所述下部區域等離子體的電子密度為約 5 X 109釐米3或更低，並且小於所述上部區域等離子體中的電子密度。
[0013] 在某些情況下，在產生所述等離子體時在所述格柵組件中基本上沒有電流產生。 該方法還可包括施加偏置到格柵，和/或施加偏置到襯底支架。在某些實施方式中，所述方 法還包括提供蝕刻氣體到所述室中。蝕刻可以在小於約2000毫乇的室壓強下進行，且在一 些情況下，在介於約1-200毫乇之間，或介於約1-20毫乇之間，或介於約5-20毫乇之間的 室壓強下進行蝕刻。如本文所述，下部區域等離子體可以是離子-離子等離子體。
[0014] 該方法還可以包括旋轉格柵組件中的至少一個格柵。在這些或其它實施方式中， 所述方法還可以包括改變格柵之間的沿在格柵組件中的中心軸線的距離。通常，但不一定， 例如在開始蝕刻部分製造的半導體器件或其它結構中的特定的層之前執行這些旋轉和/ 或平移調節。但是，在某些實施方式中，也可以在蝕刻過程期間作出這些調節。
[0015] 這些和其他特徵將在下面參照有關的附圖進行說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是示出根據本發明公開的某些實施方式的用於蝕刻操作的等離子體處理系 統的示意性剖面圖。
[0017] 圖2A是根據本發明公開的某些實施方式的格柵結構的簡化俯視圖。
[0018] 圖2B是根據本發明公開的某些實施方式的格柵結構的圖片。
[0019] 圖3A-3B示出了可用於徑向調節在下部子室中的等離子體條件的成對的等離子 體格柵。
[0020] 圖3C-3D示出了根據本發明的一實施方式的具有C形槽的成對的等離子體格柵。
[0021] 圖3E-3F示出了在所述板的孔對準（圖3E)，以及在所述孔未對準（圖3F)的情況 下的雙板格柵組件的橫截面圖。
[0022] 圖4示出了根據本發明一實施方式的具有定位在可移動的等離子體格柵上的固 定的等離子體格柵的處理室的簡化示意圖。
[0023] 圖5示出了根據本發明一實施方式的具有在固定的等離子體格柵上的可移動的 等離子格柵的處理室的簡化示意圖。
[0024] 圖6A-6C示出了由於蝕刻副產物離解出現的某些問題。
[0025] 圖7A-7B示出了根據高壓常規技術（7A)和根據一實施方式的使用等離子體格柵 (7B)的已被蝕刻的FinFET結構的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像。
[0026] 圖8A-8B示出了根據低壓常規技術（8A)和根據本公開的實施方式的使用等離子 格柵（8B)蝕刻的特徵的SEM圖像。
[0027] 圖9示出了沒有使用等離子體格柵的情況下根據各種方案的已被蝕刻的特徵的 各種SEM圖像。

【具體實施方式】
[0028] 在本說明中，術語"半導體晶片"、"晶片"、"襯底"、"晶片襯底"，以及"部分製造的 集成電路"可互換使用。本領域的普通技術人員應當理解的是，術語"部分製造的集成電 路"可以是指在半導體晶片上的集成電路製造的不同階段中的任何階段期間的半導體晶片 上的器件。下面的詳細描述的前提為本發明是在晶片上實現的。然而，本發明並不局限於 此。工件可以以各種形狀、尺寸和材料形成。
[0029] 在下面的描述中，為了提供對本發明的全面理解，闡述了多個具體的細節。然而， 可以在沒有這些具體細節中的一些或全部的情況下來實施本發明。在其它情形下，為了避 免不必要地使本發明變得不清楚，未詳細描述公知的處理操作。儘管所公開的實施方式將 結合具體的實施方式來描述，但應當理解的是，並不打算限制本公開的實施方式。
[0030] 公開了一種在半導體器件的製造過程中蝕刻半導體襯底和在其上形成的層所使 用的裝置。該裝置由在其中進行蝕刻的室限定。在某些實施方式中，所述室包括平坦的窗， 通常是平坦的勵磁線圈，和用於在蝕刻期間支持所述半導體襯底的基座或卡盤。當然，本發 明並不限於任何特定類型的等離子體源。除了平面的勵磁線圈外，還可以使用圓頂形和板 形等離子體源。源包括感應耦合等離子體源、電容耦合等離子體源、以及本領域的技術人員 已知的其他等離子體源。本文中的實施方式利用定位在室中將室分成兩個子室的格柵。在 各種實施方式中，兩個或更多個堆疊的格柵的集合有時被稱為"格柵組件"。在操作過程中， 每個子室包含具有不同性質的等離子體。等離子體主要或者專門在上部子室中產生，並且 某些物質能夠通過格柵或格柵組件未受影響地進入下部子室。格柵具有穿透格柵的厚度的 槽。在某些實施方案中，這些槽大致徑向向外地延伸。如本文所用的，"大致徑向向外地延 伸"是指所討論的特徵具有至少一些徑向分量。換言之，整個特徵不需要整體徑向定向，只 要有大體沿中心到邊緣的方向延伸的特徵的一些部分即可。此外，所謂"中心到邊緣的方 向"定義為包括準確的中心到邊緣的方向的周圍的角度範圍（例如，在準確的中心到邊緣的 方向的約20度內）。
[0031] 格柵或格柵組件可以包含穿透格柵的厚度的多個徑向槽。格柵和槽被設計成使得 在上部子室中的高能電子的僅僅部分可穿過格柵。總的來說，較高能量的電子一般在穿過 格柵並進入下部子室成為較低能量的"較冷"電子。而高能電子可以有足夠的能量來穿過格 柵，這些電子中的許多以使它們與格柵碰撞並失去能量的角度接近格柵。通過格柵的高能 電子沒有足夠的能量匯集以維持格柵下方的等離子體，因為它們現在與激勵源隔離。在下 部室中熱電子變冷的機制包括與格柵碰撞，與格柵下方的中性物質碰撞，以及相對于格柵 上方的激勵源屏蔽格柵下方的電子。因此，格柵可以在下部子室產生具有低電子密度（凡） 和低平均有效電子溫度αυ的等離子體。在格柵或格柵組件上方，所述等離子體通常是傳 統的電子-離子等離子體，其中，很大部分的帶負電荷的物質是電子。在格柵或格柵組件下 方，等離子體含有負離子的比例要高得多，實際上等離子體可以是離子-離子等離子體。離 子-離子等離子體的某些特徵描述如下。通常，相比於電子-離子等離子體，離子-離子等 離子體包含顯著更高比例的帶負電荷的物質，該帶負電荷的物質是離子（而不是電子）。 反應器內格柵的定位
[0032] 格柵或格柵組件被定位在等離子體室的內部，從而將室分成上部子室和下部子 室。適合於改裝以包括如本文所述的格柵的室的例子是來自加利福尼亞州，弗裡蒙特的Lam Research Corporation的Kiyo Reactor。就上下文而言，可以參考在下面進一步描述的圖 1考慮下面的描述。在某些實施方案中，格柵定位在反應室的內部的基底上方的約1-6英寸 之間，或襯底支撐（如基座）上方約1-6英寸之間（例如，約1. 5-3英寸之間）。在這些或 其它實施方案中，格柵可以定位在反應室的內部的天花板（Ceiling)下方約1-6英寸之間 (例如，約1.5-3英寸之間）處。天花板通常配備有電介質窗。
[0033] 在某些實施方式中，上部和下部子室的高度大致相同（例如，在約5%內），而在其 它實施方式中，這些高度可以更加明顯地不同。上室的高度與下室的高度的比率（hu/hj， 也被稱為子室高度比，可以介於約〇. 1-10之間，或介於約〇. 2-5之間。在一些實施方式中， 子室高度比大於約1/6。
[0034] 格柵不應該被定位在太靠近晶片的位置，因為這可能導致在晶片的表面產生格柵 的印記（printing)。換言之，在處理後格柵中的槽的圖案會不希望地出現在晶片的表面， 造成所述襯底表面上嚴重的蝕刻非均勻性。對於許多應用，從襯底的頂部到格柵有至少約 1英寸的分離距離是足夠的。 格柵設計
[0035] 各種設計可以用來實現格柵。在一些實施方式中，格柵是具有槽的相當簡單的薄 片材料，槽通常為圓形孔，或允許一些電子從上部子室傳遞到下部子室的其他穿孔。在其它 實施方式中，格柵可以由具有多個部件的更複雜的格柵組件組成。例如，格柵組件可以具有 多個格柵、支撐元件和/或運動產生元件。
[0036] 在一個簡單的實施方案中，格柵是具有槽的相對薄的片材。另外，在一些實施方式 中，格柵可以包括孔。因此，該格柵包括孔和槽的組合。格柵結構的非限制性例子示於圖 2A-2B和3A-3D。格柵中所包含的材料可以是絕緣體、導體、或它們的某種組合。在某些實 施方案中，格柵包含一種或多種材料，材料包括但不限於，金屬、金屬合金（如不鏽鋼、錯、 鈦）、陶瓷、矽、碳化矽、氮化矽、和它們的組合。該材料可以或可以不被陽極氧化或者可以或 可以不以其他方式鈍化以用於例如抗腐蝕。在一個實施方式中，格柵是由具有陶瓷塗層的 金屬材料製成的。也可使用其它塗層。在被蝕刻層是揮發性的情況下使用塗層格柵是特別 有利的。在某些實施方案中，格柵可以塗覆有純塗層，例如，純塗層包括但不限於，y 2o3、yf3、 YAG、氮化鈦、或Ce02。此外，格柵可以接地、浮置或偏置。在一些實施方案中，接地的格柵充 當陰極的增強的偏置電流迴路。
[0037] 格柵通常跨越室的整個水平橫截面。在所述室是圓形的（如從上方觀察時）情況 下，格柵也將是圓形的。這允許格柵有效地將該反應室分成兩個子室。在某些設計中，格柵 的圓形形狀是通過襯底的幾何形狀限定的，而襯底通常是圓形的。眾所周知，晶片通常以例 如200毫米、300毫米、450毫米等各種尺寸提供。根據室內進行的蝕刻操作，對於正方形或 其它多邊形的襯底或更小的襯底，其他形狀也是可能的。因此，格柵的橫截面可以具有各種 形狀和尺寸。平的平坦格柵橫截面適用於某些實施方式。然而，盤形、圓頂形、振蕩狀（例 如，正弦、方波、V形形狀）、傾斜等格柵橫截面適用於其它實施方式。通過任何的橫截面輪 廓的槽或孔將具有特性（包括如本文別處所述的高寬比）。
[0038] 格柵的平均厚度可以為介於約1-50毫米之間，優選介於約5-20毫米之間。如果 格柵太厚，則它可能無法正常工作（例如，它可能阻擋太多的物質通過，有太大的質量，佔 用反應室中太多的空間等）。如果格柵過薄，則它可能不能夠承受等離子體處理，並可能需 要被相當頻繁地更換。通常情況下，如下所述，由於槽的高度由格柵的厚度限制，因此格柵 的厚度還受到在格柵中的所需的高寬比的限制。
[0039] 在一些實施方式中，格柵作為上遊和下遊等離子體之間的隔板，其中下遊等離子 體存在於下部子室並可以富有自由基。在這種方式中，配備有格柵的等離子體室可以產生 類似於用現有的遠程等離子體工具（例如可從Novellus System，現在的加利福尼亞，弗裡 蒙特的Lam Research Corporation獲得的GAMMA?平臺工具）實現的結果的結果。在針對 此目的操作時，格柵可以是相對厚的，例如，約20-50毫米厚。
[0040] 在某些實施方式中，格柵包括具有長而薄的形狀的槽。槽從格柵的中心向外徑向 延伸。槽具有高度、寬度和長度（在圖2A明確標記了寬度和長度）。槽高度是沿垂直於該 格柵的面的軸線測量的（即，在大多數操作配置中，槽高度垂直定向），並且該高度通常等 于格柵的厚度。在槽的徑向範圍，槽的寬度可以是可變的或恆定的。在某些情況下，槽可以 是扇形（即，朝向中心較薄和朝向格柵的邊緣較厚）。在各種實施方式中，槽從格柵的中心 向外沿縱向（即徑向）延伸。在一些實施方式中，槽的寬度不大於約25mm。槽的長度圍繞 格柵的方位角範圍可以是可變的或恆定的。徑向槽的角度間隔圍繞格柵可以是可變的或恆 定的。
[0041] 如果槽沒有存在于格柵中，則在等離子體產生期間在格柵中將產生感應電流。該 電流將基本圓形地圍繞格柵流動或將形成局部渦流，並且將導致功耗的增加。但是，槽的存 在防止形成這種寄生電流，從而節省功耗並導致更有效的處理。具有例如基本上為圓形的 孔之類形狀的開口對防止電流的形成不太有效。然而，如所提到的，圓形的開口可以與帶槽 的開口結合使用。
[0042] 槽的高寬比被定義為槽的高度與它的寬度（h/w)的比。通常，當垂直於槽的縱向 (通常徑向）取橫截面時，高寬比的幾何形狀會是可見的。因為槽的寬度可以是可變的，所 以高寬比可以類似地是可變的。在某些實施方式中，槽的高寬比（在整個格柵其可以是可 變的或恆定的）為介於約〇. 01-5之間，或介於約0. 3-5之間，或介於約1-4之間，或介於約 0. 5-2之間。在許多實施方式中，相比於上部子室，具有這些高寬比的格柵減小在下部子室 的電子密度和有效電子溫度。如所提到的，相信，由於許多熱電子與格柵碰撞，因而隨著電 子中的至少部分穿過槽，有效電子溫度降低。另外，下部子室中的有效電子溫度與上部子室 的相比是降低的，因為在下部子室中的電子被格柵屏蔽，因此不經受等離子體的線圈（或 其他的等離子體源）的感應加熱。
[0043] 當孔與槽一起使用時，這些孔可以用於與槽同樣的用途。因此，它們通常具有如上 所述的高寬比。在一些實施方式中，孔的直徑在約0.05英寸至約0.2英寸的範圍內。它們 穿透格柵的整個厚度。
[0044] 由格柵提供的額外的好處在於它可以中和來自主噴射器的對流影響。這允許更均 勻的氣體流動到晶片的表面上。在晶片和上部室中的氣體噴射器之間的格柵或格柵組件的 存在可以顯著降低從氣體噴射器輸送出的任何氣體的對流影響，因為格柵會擾亂氣流，並 在晶片上導致更加擴散性的流動狀態。
[0045] 在一些實施方式中，格柵包含氣體傳輸孔。在這樣的實施方式中，格柵可以用作上 部和/或下部子室的噴頭的額外目的。在這些實施方式中，一個或多個通道可以被包括在 一個或多個格柵中。這些通道可以從入口（或多個入口）饋送氣體，並傳送該氣體到格柵 中的多個出口孔。出口孔可以形成氣體分布噴頭，該噴頭傳送處理氣體到上部和下部子室 中的一者或兩者。
[0046] 在一些實施方案中，格柵具有區域，如含有用於允許探測裝置通過格柵布置的特 徵的中心區域。可提供探測裝置以探測操作期間與所述等離子體處理系統相關聯的工藝 參數。探測過程可以包括光發射端點檢測、幹涉端點檢測（interferometeric endpoint detection)、等離子體密度測量、離子密度測量和其他指標的探測操作。在某些實施方式 中，格柵的中心區域是開放的。在其它實施方式中，格柵的中心區域包含光學透明的材料 (例如，石英、藍寶石等），以允許光傳輸通過格柵。
[0047] 在某些實施方式中，對於300mm晶片蝕刻機優選可以在格柵中在格柵的外邊緣附 近約每15毫米至40毫米具有槽。這分別對應於由約18°，或約48°分隔的方位角相鄰槽。 因此，在某些實施方式中，方位角相鄰槽分隔至少約10°，或至少約15°。在這些或其它實 施方式中，方位角相鄰槽分隔不超過約40°，或不超過約50°，或不超過約60°。
[0048] 在一些實施方式中，等離子體格柵可以包括嵌入在格柵中的冷卻通道，並且 這些冷卻通道可以填充有流動或不流動的冷卻劑材料。在某些實施方式中，所述冷卻 材料是流體，例如氦氣或其它惰性氣體，或液體，例如去離子水、工藝冷卻水、氟惰性物 (fluoroinert)、或製冷劑（如全氟化碳、氫氟碳、氨和C0 2)。在這些或其它實施方式中，等 離子體格柵可以包括嵌入的加熱元件和/或溫度測量裝置。冷卻通道和嵌入的加熱器可以 實現精確的溫度控制，從而能對粒子與壁條件進行嚴密控制。在某些情況下，這種控制可用 於調節下部區域等離子體中的條件。例如，如果等離子體格柵保持在較冷的溫度下，則來 自晶片的蝕刻副產物會優先沉積在格柵上，從而減少了在下部子室的蝕刻副產物的氣相密 度。替代地，格柵或格柵組件可以保持熱的（例如80°C以上），以減少在格柵上的沉積，並 確保該室可保持相對清潔和/或減少在無晶片自動清潔（WAC)期間清潔室所需要的時間。 [0049] 在某些實施方式中可包括的另一個特徵在于格柵可以用作將處理氣體輸送到上 部和下部子室中的一者或兩者的噴頭。因此，格柵可以包含連接氣體供給源與上部和/或 下部子室的多個通道。該噴頭的孔可被布置來使均勻的氣體輸送到子室。
[0050] 另外，在某些實施方式中，使用一個以上的氣體供給源。例如，不同的處理氣體可 被輸送到上部和下部子室（通過一個或多個噴頭型格柵或通過其它氣體輸送裝置）。在一 個特定的實施方式中，惰性氣體被輸送到上部子室，而等離子體蝕刻的化學品傳遞到下部 子室。在一些其它實施方式中，輸送到上部子室中的氣體是H 2、N2、02、NF3、或C4F 8或其他氟 碳物，但實施方式並不局限於此。在這些或其它實施方式中，輸送到下部子室的氣體可以是 N2、C02或CF4或其他氟碳物，但同樣本實施方式並不局限於此。
[0051] 等離子體處理反應器允許在鄰近工作襯底有寬範圍的等離子體條件有時是有幫 助的。這樣的條件包括等離子體密度、等離子體中的有效電子溫度、和等離子體中的電子 與離子的比率。對於原位處理，在多個層在室中進行處理的情況下，可能需要改變每個層 的處理條件。固定位置的格柵可以限制反應器的操作窗，例如如果針對在下部子室產生離 子-離子等離子體而優化格柵，則高的等離子體密度可能無法實現。因此，一些實施方式提 供格柵和格柵組件，其中視線開闊區域的格柵線是可通過旋轉及/或平移來調節的。
[0052] 在某些實施方式中，等離子體格柵相對於所述等離子體的線圈或其它等離子體源 可以升高或降低。例如，這可通過安裝格柵在可移動臺上來實現。在一些實施方案中，垂直 運動允許操作者或控制器改變在上部和下部區域中的等離子體中的有效電子溫度、電子或 等離子體密度、電子對離子的比率、自由基的濃度等。另外，由於自由基的濃度受等離子格 柵的高度的影響，可移動等離子體格柵的使用允許其中在整個多階段工藝中自由基的濃度 是可調節的這樣的工藝。由於自由基物質是化學反應性的且負離子具有與電子不同的蝕刻 性質，因此這個參數特別有幫助於進行調節/控制以達到所期望的反應。
[0053] 此外，在一些實施方式中，多個等離子體格柵在反應室中以單個格柵組件的形式 使用。在使用多個格柵的情況下，格柵的數量通常為介於約2至5之間。通常，在使用多個 等離子體格柵的情況下，等離子體格柵中的至少一個相對於至少一個其他等離子格柵是能 移動的。一般地，移動通過旋轉或分離格柵（在某些情況下，使用這兩種類型的運動）來完 成。在格柵組件中使用可旋轉的格柵允許格柵的開口面積在處理晶片的過程中在不同工藝 /晶片之間和在單個工藝/晶片內都可以很容易地改變。重要的是，在下部子室的有效電子 溫度和電子密度會是格柵開口面積的函數。
[0054] 在使用多個格柵的情況下，定義某些額外的參數是有幫助的。從上方觀察，在一個 格柵中的開口與在其它的格狀中的開口對齊，從而形成通過等離子體格柵組件的無障礙的 視線的情況下，組件槽或其它開口是組件的區域，如圖3E所示。如圖3F所示，在格柵中的 槽/孔未對齊的情況下，沒有無障礙的視線穿過格柵組件。關於圖3E-F，上部格柵302位於 下部格柵304上方。每個格柵302和304下面的暗區是物質可以行進通過的開口區域。在 一個【具體實施方式】中，下部格柵304下方的暗區是下部子室的上部。多個裝配開口通常存 在於單個的等離子體格柵組件中。組件開口的幾何形狀隨著單獨的格柵彼此相對移動而變 化。例如，組件槽的寬度可以隨著第一格柵相對於第二格柵旋轉而變化。同樣地，組件槽的 高寬比，其定義為上格柵的頂部和下格柵的底部之間的總距離除以視線開口寬度，可以隨 著格柵彼此相對旋轉或以其他方式移動而變化。在一些實施方式中，組件槽的高寬比可在 約0. 1-5之間的範圍內。
[0055] 在槽是對齊的（如從平行於該格柵的面的平面所看到的）情況下，格柵組件開口 面積定義為在格柵組件上的槽的總面積。如圖3F所示，在槽未對齊的情況下，等離子體中 的某些物質（尤其帶電荷的物質，如離子和電子）基本上不通過到達下部子室。槽的這種未 對齊的配置有效地增加了組件中的槽的高寬比，或在沒有槽的重疊的情況下完全消除了組 件槽，減少熱電子從上部子室穿到下部子室的比例。然而，在如圖3E中所示的槽對齊的情 況下，等離子體物質可以穿過槽，如上所述。在一個例子中，使用兩個相同的等離子體格柵， 每一個具有約50%的開口（開槽）面積。在這個例子中，格柵組件開口面積可以在0% (當 單個等離子體格柵是完全不對齊的）和約50% (當單個等離子體格柵準確地對準）之間變 化。在另一例子中，每個等離子體格柵具有約75%的開口面積。在這種情況下，格柵組件開 口面積可在介於約50-75 %之間變化。通過改變格柵組件的開口面積，可以調節在下部子室 的等離子體條件。例如，相對於當格柵裝配開口面積較小的情況，當格柵組件開口面積較大 時，下部區域等離子體中的有效電子溫度較高，下部區域等離子體中的電子密度較高，下部 區域等離子體中電子與離子的比率較高，以及下部區域等離子體中自由基的濃度較低。
[0056] 使用多個格柵是特別有益的，因為它在單個處理站中的晶片上提供了寬的處理窗 的等離子體密度和等離子體條件。處理具有多個層和/或多種類型的暴露材料的複雜結構 時，這樣做的好處是特別有幫助的。如所提到的，對於進行處理的每個層，經常需要改變處 理條件。
[0057] 每個等離子格柵上的槽圖案可以是相同的或與其它等離子體格柵上的槽圖案不 同。進一步，槽圖案可以被設計為在晶片的特定區域提供開口區域。例如，槽可以被設計為 使得在晶片的中心附近相對於所述晶片的邊緣有更多開口區域（或反之亦然）。此外，這 些槽可以設計成使得在工藝過程中的不同時間格柵組件的開口區域集中在晶片的不同部 分。例如，槽可以被設計為使得在工藝將開始時格柵組件的開口區域集中在晶片的中心附 近，並在工藝將結束時在晶片的邊緣附近（或反之亦然）。此旋轉允許例如氣體流率、等離 子體密度、等離子體類型（例如，離子-離子等離子體）、以及有效電子溫度等幾個參數，能 夠在工藝過程中在晶片上徑向調節。這個可調性可有利於在晶片的整個面產生均勻的蝕刻 結果，也可特別有助於解決在處理過程中的中心到邊緣可能出現的不均勻性。可用於等離 子體格柵組件中的成對的電子格柵以實現這些徑向調節效應的例子示於圖3A-3B。在這些 圖中，槽（開口區域）以灰色顯示，格柵材料以白色顯示。
[0058] 使用可分離的格柵允許控制和調節一定的距離。例如，可以調節的距離包括晶片 和下格柵之間的距離，上部格柵和上部子室的頂部之間的距離，和/或所述格柵之間的距 離。這些可變的距離相比於單個的固定格柵允許在晶片上方更廣範圍的電子溫度和等離子 體密度的調節。
[0059] 某些實施方案利用具有可移動的和固定的等離子體格柵兩者的等離子體格柵組 件。格柵可以接地或電浮置，並且可以通過支撐支架或連接到運動發生元件（如旋轉致動 器或升降器）的其他特徵來支撐。在一些實施方式中，運動發生元件位於晶片和晶片支撐 基座的下方，但也可以使用其它的配置。根據所支撐的格柵是否接地或電浮置，支撐支架可 以是導電的或絕緣的。
[0060] 使固定格柵接地通常是有益的。當固定格柵被定位在可移動格柵的上方時，如圖 4所示，固定格柵的接地連接提供了從上部室的激勵源流入到格柵的任何RF電流的良好接 地路徑。這在由ICP源激發的上部室且上部室的高度低於約5釐米或者在使用VHF CCP源 產生上部區域等離子體的情況下可能是特別有幫助的。如圖5所示，當固定格柵被定位在 可移動格柵下方時，接地連接提供了較大的接地返回表面給下部區域等離子體中的偏置電 流。這在蝕刻工藝的過程中在晶片上需要大的偏置電壓（例如，大於約100伏）的情況下 可能是特別理想的。
[0061] 可移動格柵的最佳電連接可依賴於固定的和可移動的格柵的相對位置。在固定格 柵被定位在可移動格柵上方的情況下，可移動格柵電浮置可能是有益的。相反，在固定格柵 被定位在可移動格柵下方的情況下，可移動格柵可以為接地或浮置。在可移動格柵是接地 的情況下，所述支撐結構應該是導電的（例如，金屬的）。在可移動格柵是電浮置的情況下， 支撐結構應該是絕緣的。
[0062] 當固定格柵被定位在可移動格柵下方時，固定格柵可以具有圓弧形槽（或允許穿 過槽的圓弧形運動的其它槽），以允許可移動格柵支撐件延伸通過固定格柵以使所述支撐 件與運動產生元件連接。如上所述，本實施方案示於圖5。替代地，可移動格柵可以通過從 反應室的外周向內延伸的可移動支撐結構支撐，或者可以通過與所述反應室的頂部連接的 結構支撐。不管使用什麼實施方案，該支撐結構應設計成使得它不幹擾所需的上部和下部 區域的等離子體的形成。進一步，保持所述致動器使格柵在遠低於晶片的平面移動，使得顆 粒從致動器到晶片的傳送的風險最小是合乎期望的。
[0063] 格柵組件可使用直流或RF源進行偏置。如果格柵組件具有多個導電性格柵，則將 它們一起偏置到相同的電位是可取的。替代地，在只有導電格柵被偏置的情況下，格柵組件 可僅由一個導電格柵和一個或多個浮置/絕緣格柵組成。 等離子體性質
[0064] 格柵有效地將室等離子體分成兩個區域：鄰近所述線圈用於產生等離子體的上部 區域和鄰近所述襯底支架的下部區域。在各種實施方式中，在上部區域中的等離子體中含 有相對"熱"的、高能量的電子。通常，該等離子體的特徵為電子-離子等離子體。在各種 實施方式中，在下部區域中的等離子體中含有相對"冷"的、低能量的電子。通常，這個下部 等離子體區域的特徵為離子-離子等離子體。
[0065] 等離子體可在上部子室主要或專門產生。在一個實施方式中，感應耦合等離子體 在上部子室通過使電流運行通過位於所述上部子室的上方的線圈來產生。可以使用單個線 圈或多個線圈。在其它實施方式中，例如，使用VHFCCP源產生電容耦合等離子體。由于格 柵的存在，在上部子室中的等離子體將具有與下部子室中的等離子體明顯不同的特徵。 [0066] 在許多實施方式中，上部區域等離子體是常規的電子-離子等離子體。在這種類 型的等離子體中，大多數正電荷的物質是正離子，大多數帶負電荷的物質是電子。雖然存在 負離子，但它們只以相對較低的濃度出現。與此相反，在下部子室的等離子體是離子富集等 離子體，通常是離子-離子等離子體。相比於電子-離子等離子體，離子-離子等離子體具 有更大比例的為負離子的帶負電荷物質，以及較小比例的為電子的帶負電荷物質。在某些 實施方案中，在離子-離子等離子體中正離子的濃度與電子的濃度的比率（有時也被稱為 正離子與電子的比率，h/rO是約2或更大，並且在某些情況下是約5或更大，或甚至是約 10或更大。在某些情況下，在下部等離子體中的正離子與電子的比率比上部等離子體中的 正離子與電子的比率大至少約2倍（例如，至少大5倍）。
[0067] 兩者等離子體之間的相關的差異在於上部區域等離子體具有顯著更高的電子 密度。例如，在下部區域中的等離子體的電子密度可為約5X109cnT3或更低（例如，約 IX 109cnT3或更低）。這些範圍特別適用於電子陰性處理氣體。上部區域等離子體可以具有 比下部區域等離子體的電子密度高至少約10倍（例如,至少約100倍，或至少約1000倍） 的電子密度。在某些情況下，在電子密度比負離子密度和正離子密度小至少一個數量級的 情況下，下部子室具有離子 -離子等離子體。在特定的例子中，Ne?108cnT3，Ni+?109cnT 3， Ni_ ?109cm 3。
[0068] 某種程度上基於電子：離子的比率而隱含的上部和下部區域的等離子體之間的 另外的差異在於下部區域等離子體通常具有較高的負離子與正離子的比率。因為上部區 域電子-離子等離子體通常主要含有正離子和電子，具有相對較少的負離子，所以負離 子：正離子比率就會是低的。下部區域等離子體中的負離子：正離子比率可以是介於約 0. 5-1 (例如介於約0. 8-0. 95)之間。
[0069] 下部區域等離子體中的電子的濃度相對低的一個非限制性的解釋是最初存在於 下部區域中的電子（例如，從上部區域通過格柵到下部區域中的電子）由於與氣體分子非 彈性碰撞，一般不會通過射頻場加熱並迅速失去能量，從而導致低的有效電子溫度。這些低 能量的電子（相比於上部區域等離子體中的高能電子）更容易與中性物質相互作用以產生 負離子。電子必須具有相對低的能量以附著到中性物質，並形成負離子。由於高能電子當 與中性物質碰撞時可"推開"另一電子而不是結合以形成負離子，所以負離子的產生不會發 生。
[0070] 如所指出的，在上部區域等離子體中有效電子溫度大於下部區域等離子體中有效 電子溫度。電子通過在格柵中的槽時會被冷卻。通常情況下，下部區域等離子體中的有效 電子溫度為約leV或更低。在某些情況下，下部區域等離子體中的有效電子溫度可為介於 約0.1-1^之間（例如，介於約0.2_0.9^之間）。以電子伏特計量，在上部區域等離子體 中有效電子溫度可以比在下部區域等離子體中有效電子溫度大至少約2倍（例如，大至少 約3倍）。在一個特定的實施方式中，上部區域等離子體具有約2. 5eV的有效電子溫度，下 部區域等離子體具有約〇. 8eV的有效電子溫度。在各種實施方式中，有效電子溫度中的這 種差異全部或部分地因格柵的存在而產生。
[0071] 不受任何特定的理論或機制限定，格柵的作用可進行如下解釋。格柵可以部分地 屏蔽下部子室，使得在其中的帶電物質不直接暴露於來自等離子體線圈的功率。此外，在格 柵中的槽的特定的高寬比使高能電子的一部分在穿過槽時與格柵碰撞。這在兩個等離子體 區域中產生兩種性質不同的等離子體。
[0072] 上部和下部區域的等離子體的另一顯著特徵在於它們的等離子體電位。在上部室 中的等離子體電位通常比在下部室中的等離子體電位較高。例如，上部等離子體中的等離 子體電位可為介於約8-35V之間（例如，介於約10-20V之間），而下部等離子體中的等離 子體電位可為介於約0.4-10V之間（例如，介於約0.5-3V之間）。這是因為電子的能量下 降，所以等離子體並不需要是正的以防止電子離開它。
[0073] 進一步，兩個等離子體通常具有不同的能量分布函數（例如，離子能量分布函數 和電子能量分布函數）。電子和離子的能量分布函數兩者在下部等離子體中較窄，在上部等 離子體中較寬。通過使用格柵，而無需使用採用波形發生器的複雜的控制，能夠實現非常窄 的離子能量分布函數。例如，下部等離子體的離子能量分布函數可以具有僅約5V的全寬半 峰。因此，負電流可以從負離子引出，負離子到達襯底表面以保持電中性（而不是電子用於 這一目的）。這提供了獨特的蝕刻機理。
[0074] 下部區域等離子體中的自由基濃度可以在約1 %的總中性物質密度至約70%的 總中性物質密度之間，或約10%至約70%的總中性物質密度之間或約10%至約50%的總 的中性物質密度之間的範圍內。
[0075] 在蝕刻操作過程中該室壓強可以低於約2000毫乇，例如介於約1-2000毫乇之間 (例如，介於約2-200毫乇之間）。在一個特定例子中，室壓強保持在約20毫乇或低於約20 毫乇。當採用具有約〇. 5eV或更低的有效電子溫度和/或約5X 108cnT3或更低的電子密度 的下部區域等離子體時，這些壓強是特別有效的。當採用下部區域離子-離子等離子體時， 這些壓強特別有效。
[0076] 相信，離子-離子等離子體為半導體處理提供某些益處。例如，在離子-離子等離 子體中蝕刻的部分製造的半導體器件顯示非常良好的選擇性、輪廓角、Ι/D加載，和在被蝕 刻的襯底的整個表面的整體均勻性。現有技術無法實現所有這些益處（即，例如，工藝設計 師們必須在實現良好的整體蝕刻均勻性及其他益處之間進行選擇）。因此，本文的實施方式 代表蝕刻方法的顯著進步。
[0077] 圖6A-6C示出了在分解被蝕刻的特徵上的蝕刻副產物的效果。首先，圖6A示出了 其上沉積有三個層的襯底。底部層表示柵極氧化物，中間層表示多晶矽，和頂層（顯示為三 個獨立的塊）表示硬掩模。據認為，在常規的蝕刻工藝中，存在於該室的等離子體部分地作 用以解離蝕刻副產物，如圖6B所示。這些副產物通常是揮發性成分（例如，SiBr 4)，其在合 適的條件下從襯底清除。然而，當通常為電子-離子等離子體的高電子密度的等離子體接 觸晶片時，在等離子體中的高能電子可與揮發性副產物反應而導致它們離解成物理-化學 "粘性"離解產物（例如，SiBr 2)。如圖6B所示，這些離解產物附著到襯底，經常附著到被蝕 刻的特徵的側壁，並導致蝕刻工藝以非垂直或以其他不期望的方式發生，如圖6C所示。此 離解產物的附著/再沉積導致產生非垂直蝕刻的本地加載效應。
[0078] 使用格柵以減少鄰近被蝕刻的襯底的等離子體的有效電子溫度，從而減少了這些 不希望的影響。因此，具有其相應地減小的電子密度和有效電子溫度的離子-離子等離子 體的產生顯著減少這些不希望的影響。因為離子通常具有比電子顯著少的能量，所以本實 施方式的離子-離子等離子體中的離子不會引起此副產物的解離。雖然本實施方式可以產 生電子-離子等離子體，但這種高電子密度/高有效電子溫度等離子體可被限制於上部子 室。因此，蝕刻副產物往往只接觸下部等離子體，不接觸高的有效電子溫度的上部等離子 體。此外，儘管離子-離子等離子體中會存在一些電子，這些電子通常具有低的?；並因此 通常不會有足夠的能量以使副產物解離。因此，蝕刻副產物不解離成導致"粘性"問題的化 合物。 晶片偏置
[0079] 在某些實施方案中，所述晶片在處理期間偏置。這是通過施加偏置到用於保持/ 支撐晶片的靜電卡盤來完成的。因為晶片暴露於在下部子室中的低?；，低電子密度等離子 體（例如離子-離子等離子體），所以偏置可以以捕獲/激勵離子-離子等離子體的獨特優 勢的方式施加到該卡盤。另外，偏置可以以能夠避免電子-離子等離子體在下部子室形成 的方式被施加。例如，偏置可以具有適於防止離子-離子等離子體轉換成電子-離子等離 子體的頻率和功率。
[0080] 在某些實施方式中，RF偏置可具有30兆赫以下的頻率，優選地介於約100千赫至 約13. 56兆赫之間，以減少由偏置功率施加到襯底而產生的電子加熱的量。在一些實施方 式中，偏置（無論頻率如何）在約1赫茲至約10千赫的範圍內，以介於約1%和99%之間 的佔空比施以脈衝。
[0081] 如上所述，在常規的電子-離子等離子體中，等離子體電位是相當高的，並且是正 的。該等離子體電位有效地限制了電子逃逸出等離子體的能力。然而，下部區域等離子體 典型地具有非常規的低電子密度和溫度，因此需要低得多的等離子體電位，以有效地限制 其電子。低等離子體電位打開操作窗口，選擇性地允許負離子存在於離子-離子等離子體 中，以在偏置波形的正周期的過程中朝向晶片加速並撞擊晶片。在連續波等離子體中這種 蝕刻狀態在以前是無法獲得的。
[0082] 施加到靜電卡盤的偏置的頻率可以被設計來優化離子-離子等離子體中離子（特 別是但不完全是負離子）的形成和吸引力。就此而言，施加到靜電卡盤的偏置的頻率是在 大約0. 1-15兆赫之間（例如，在大約400千赫-13. 56兆赫之間）。在一個特定例子中，偏 置為約8兆赫。這個頻率可以是特別有幫助的，因為它對應於離子傳輸頻率。雖然也可使 用其它頻率，但可能不太有效。例如，約100千赫-1兆赫之間的頻率可在一定程度上工作， 但與上面提到的較高頻率相比不太有效。
[0083] 應當指出的是，在使用格柵以及適當的頻率的AC偏置施加到靜電卡盤/晶片的情 況下，在晶片上的等離子體鞘可以操作以交替地將負離子和正離子拉出等離子體，並使它 們加速朝向晶片的面。換句話說，等離子體鞘在正循環吸引負離子，然後在負循環吸引正離 子，並且這些循環隨著交流偏置重複。如上面所解釋的，在實現本實施方式之前這個負離子 (對晶片）的吸引是不可能的，因為等離子體電位過高，從而壓過了相關的AC偏置半循環的 任何有吸引力的效果。
[0084] 如前所述，偏置可以以脈衝形式施加。然而，對於很多情況施以脈衝不是必須的。 本實施方式在整個蝕刻過程中在晶片上方實現了穩定的離子-離子等離子體。因此，卡盤 /晶片上的偏置不需要施以脈衝來實現本文所描述的益處。然而，在某些實施方式中，偏置 仍然可以以脈衝形式施加，例如以減少蝕刻速率或離子對襯底進行轟擊的量，以增加對底 層蝕刻的選擇性。離子-離子等離子體中偏置脈衝通過在離子和自由基之間交替時增強選 擇性而特別有益處。換句話說，施以脈衝可區分到襯底表面的離子和自由基的通量（脈衝 接通：自由基+離子-脈衝關閉：僅自由基）。 工藝/應用
[0085] 本文所公開的裝置和等離子體條件可以用來蝕刻任意的各種材料，如矽（包括多 晶矽、非晶矽、單晶矽和/或微晶矽），金屬（包括但不限於氮化鈦、鎢、氮化鉭等），氧化物 和氮化物（包括但不限於SiO、SiOC、SiN、SiON等），有機物（包括但不限於光致抗蝕劑、 無定形碳等），以及各種其他材料，包括但不限於，W、Pt、Ir、PtMn、PdCo、Co、CoFeB、CoFe、 NiFe、W、Ag、Cu、Mo、TaSn、Ge2Sb2Te2、InSbTe Ag--Ge--S、Cu-Te--S、IrMn、Ru。這個概念可 以擴展到像 Ni0x、SrTi0x、鈣鈦礦（CaTi03)、PrCAMn0 3、PZT (PbZivxTix03)，、（SrBiTa) 03 等材 料。該裝置可與在現今的製造設施中可用的任何氣體的組合（包括HBr、CO、NH3、CH30H等 等）一起使用。
[0086] 可以採用本文所公開的裝置和等離子體條件，以蝕刻在器件中的特徵或在任何技 術節點處的其它結構特徵。在一些實施方式中，在20-10納米節點或超出20-10納米的節 點的製造過程中使用該蝕刻。可以在前道製造程序和後道製造程序兩者之前進行蝕刻。蝕 刻可以提供優異的垂直輪廓、材料選擇性、Ι/D加載，和/或小於約2%的晶片的中心到邊緣 的均勻性。合適的蝕刻應用的一些例子包括淺溝槽隔離、柵極蝕刻、間隔層蝕刻、源極/漏 極槽蝕刻、氧化凹槽、和硬掩模開口蝕刻。 裝置
[0087] 本文描述的方法可以通過任何合適的裝置來執行。一種合適的裝置包括室和用於 提供和維持如本文所述的蝕刻條件的電子硬體。合適的裝置還將包括具有指令的系統控制 器，這些指令用於控制硬體來實現這些條件並用於執行適於應用（如蝕刻FET的柵電極） 的工藝操作的序列。在一些實施方式中，硬體可以包括包含在處理工具中的一個或多個處 理站。
[0088] 返回到圖1，示出了根據某些實施方式的感應耦合等離子體蝕刻裝置100的橫截 面圖。如上所述，本文的實施方式也可以用非電感耦合等離子體實施。電感耦合等離子體 蝕刻裝置100包括由室壁101和窗111結構上定義的總體蝕刻室。室壁101通常由不鏽鋼 或鋁製成。窗111通常由石英或其他介電材料製成。內部等離子體格柵150將總體蝕刻室 分成上部子室102和下部子室103。在某些其它實施方案中，使用更複雜的等離子體格柵組 件。例如，如圖4和5中所示，等離子體格柵組件可以包括多個格柵，以及支撐結構和運動 發生元件。返回到圖1的實施方式，卡盤117被定位在下部子室103內在底部內表面附近。 該卡盤117被配置為接收並保持在其上執行蝕刻工藝的半導體晶片（即，"晶片"）119。該 卡盤117可以是用於當晶片存在時支撐該晶片時的靜電卡盤。在一些實施方式中，邊緣環 (未示出）圍繞卡盤117,當在卡盤117上存在晶片時，邊緣環具有與晶片的上表面基本上 共面的上表面。該卡盤117還包括靜電電極，以使所述晶片能夠卡緊和釋放。可提供濾波 器和DC鉗位功率源用於此目的。也可以提供其它的控制系統，用於抬高晶片使其離開卡盤 117。該卡盤117可以利用RF功率源123充電。該RF功率源123通過連接件127連接到 匹配電路121。該匹配電路121通過連接件125連接到卡盤117。在這種方式下，RF功率 源123連接到卡盤117。
[0089] 線圈133位於窗111上方。線圈133是由導電材料製成的，並且包括至少一整匝。 在圖1中所示的示例性線圈133包括三匝。具有"X"符號的線圈133的橫截面表明線圈 133旋轉地延伸進入頁面。相反，具有"· "符號的線圈133表示線圈133旋轉地延伸出頁 面。RF功率源141被配置為提供RF功率至線圈133。在一般情況下，RF功率源141通過 連接件145連接到匹配電路139。該匹配電路139通過連接件143連接到線圈133。在這 種方式下，RF功率源141被連接到線圈133。可選的法拉第屏蔽149被定位在線圈133和 窗111之間。以與線圈133隔開的關係保持法拉第屏蔽149。法拉第屏蔽149被布置在緊 鄰窗111的上方。線圈133、法拉第屏蔽149和窗111各自配置為相互大致平行。法拉第屏 蔽可以防止金屬或其他物質沉積在等離子體室的介電窗上。
[0090] 處理氣體可以通過位於上部室中的主噴射口 160和/或通過側噴射口（有時也被 稱為STG) 170提供。未示出氣體排放口。也未示出連接到室101以使在操作等離子體處理 過程中能夠進行真空度控制和從室除去氣態的副產物的泵。
[0091] 在裝置的操作中，一種或多種反應物氣體可通過噴射口 160和/或170來提供。在 某些實施方式中，氣體可以僅通過主噴射口提供，或僅通過側噴射提供。在一些情況下，噴 射口可以由噴頭取代。法拉第屏蔽149和/或格柵150可以包括允許輸送處理氣體至該室 的內部通道和孔。換句話說，法拉第屏蔽149和格柵150中的一者或兩者可以作為用於輸 送處理氣體的噴頭。
[0092] 射頻功率從RF功率源141施加到線圈133,以使RF電流流過線圈133。流過線圈 133的RF電流產生圍繞線圈133的電磁場。電磁場在上部子室102內產生感應電流。感應 電流作用於存在於上部子室102中的氣體，以在上部子室102中產生電子-離子等離子體。 內部等離子格柵150限制在下部子室103中的熱電子的量。在各種實施方式中，該裝置被 設計和操作使得存在於所述下部子室中的等離子體是離子-離子等離子體。
[0093] 上部電子-離子等離子體和下部離子-離子等離子體兩者都會含有正離子和負離 子，但離子-離子等離子體會具有較大比率的負離子：正離子。各種離子和自由基與晶片 119的物理和化學相互作用選擇性地蝕刻所述晶片的特徵。通過排放口（未示出）從下部 子室去除揮發性蝕刻副產物。重要的是，這些揮發性副產物基本上不暴露於熱電子，因而它 們不容易被離解成非揮發性的"粘性"離解產物。
[0094] 通常情況下，本文所公開的卡盤在介於約30°C至約250°C之間的範圍內的升高的 溫度下操作，優選在約30-150°C的溫度下操作。該溫度將取決於蝕刻工藝操作和特定配方。 室101也可在介於約1毫乇和約95毫乇之間，或介於約5-20毫乇之間的範圍內的壓強下 運行。
[0095] 雖然未示出，但室101通常連接到安裝在超淨間中的設備，或連接到製造設施。設 施包括提供處理氣體、真空度、溫度控制和環境顆粒控制的管道。當安裝在目標製造設施中 時，這些設施被連接到室101。此外，室101可被耦合到傳送室，從而會使智能機械能夠採用 典型的自動化將半導體晶片傳送進出室101。
[0096] 圖2A-2B和3A-3D示出了根據本發明的實施方式的內部等離子體格柵的例子。在 某些情況下，每個格柵可以具有徑向向外延伸或基本徑向向外延伸的槽。如圖3C-3D所示， 在這些或其它情況下，槽可以具有更不尋常的非線性形狀。在圖2B的實施方式中，有三種 類型的槽。三種槽的類型中的每種都有不同的槽長度。如上所述，在圖2B中所示的槽具有 適合於在下部子室中產生離子-離子等離子體的高寬比。在圖2A和圖3A-3D中所示的槽 可以不是按比例繪製的。 系統控制器
[0097] 在一些實施方式中，系統控制器（其可以包括一個或多個物理或邏輯控制器）控 制蝕刻室的操作的部分或全部。系統控制器可以包括一個或多個存儲器器件和一個或多個 處理器。該處理器可以包括中央處理單元（CPU)或計算機、模擬和/或數字輸入/輸出接 頭、步進電機控制器板，以及其他類似部件。在處理器上執行用於實現合適的控制操作的指 令。這些指令可以被存儲在與控制器相關聯的存儲器器件上，或者它們可以在網絡上提供。 在某些實施方式中，系統控制器執行系統控制軟體。
[0098] 系統控制軟體可包括用於控制應用的計時和/或以下室操作條件中的任何一個 或多個的量級：氣體的混合物和/或組合物、室壓強、室溫度、晶片溫度、施加到晶片上的偏 置、施加到線圈或其它等離子體產生部件的頻率和功率、晶片位置、晶片的移動速度、格柵 位置、格柵的移動速度、和由工具執行的特定工藝的其它參數。系統控制軟體可以以任何合 適的方式配置。例如，可以編寫各種處理工具組件的子程序或控制對象以用於控制處理工 具組件執行各種處理工具處理所必須的操作。可以以任何合適的計算機可讀的程式語言編 碼系統控制軟體。
[0099] 在一些實施方式中，系統控制軟體包括輸入/輸出控制（I0C)排序指令，該排序指 令用於控制上面描述的各種參數。例如，半導體製造工藝的各階段可以包括用於由系統控 制器執行的一個或多個指令。例如，相應的蝕刻配方階段可以包括用於設定蝕刻階段的處 理條件的指令。在一些實施方式中，配方階段可以依次排列，從而使得用於處理階段的所有 指令與該處理階段同步執行。
[0100] 在一些實施方式中可以使用其它計算機軟體和/或程序。用於此目的的程序或部 分程序的例子包括：襯底定位程序、格柵組件定位程序、處理氣體組合物的控制程序、壓強 控制程序、加熱器控制程序、以及RF功率源控制程序。
[0101] 在一些情況下，控制器控制氣體的濃度、晶片運動、格柵運動、和/或供應到線圈 和/或靜電卡盤的功率。該控制器可通過例如打開和關閉相應的閥以產生提供所需的適 當濃度的反應物的一個或多個入口氣體流來控制氣體濃度。晶片移動可以通過例如引導 晶片定位系統如所需地移動來控制。格柵移動可以通過引導運動產生元件（例如，旋轉致 動器、升降器和/或其它運動產生部件）以如所需地定位格柵組件來進行控制。在一個示 例中，控制器引導旋轉致動器旋轉一個或多個等離子體格柵來實現在下部等離子體中的某 些等離子體條件（包括但不限於電子溫度、電子密度、離子密度、正離子與電子的比率等）。 在一些實施方式中，所述控制器被配置在晶片的不同部分來實現不同的等離子體條件（例 如，等離子體條件可徑向調節）。可以控制提供到線圈和/或卡盤的功率，以提供特定的RF 功率水平，以在上部子室產生所需的電子-離子等離子體。此外，控制器可被配置成在使得 在下部子室不會形成電子-離子等離子體的條件下提供功率到靜電卡盤。換句話說，所述 控制器被配置為在下部子室維持離子-離子等離子體（或具有適當低的有效電子溫度和電 子密度的至少一種等離子體）。這些控制器基於傳感器輸出（例如，當功率、電勢、壓強等達 到一定的閾值時），操作的定時（例如，在工藝中在特定的時間打開閥）或基於從用戶接收 的指令可以控制這些或其他方面。
[0102] 本文在上面所描述的各種硬體和方法可以與光刻圖案化工具或方法結合，例如， 用於半導體設備、顯示器、LED、光伏板等等的製造和生產。通常，但不是必定，這樣的工具/ 方法將在普通的製造設施中一起使用或操作。
[0103] 膜的光刻圖案化通常包括部分或所有的以下操作步驟，每一步驟用一些可行的工 具實施：（1)使用旋塗或噴塗工具在工件（例如上面形成有氮化矽膜的襯底）上施加光致 抗蝕劑；（2)使用熱板或爐或其他合適的固化工具固化光致抗蝕劑；（3)使用諸如晶片步進 式曝光機（wafer stepper)等工具將光致抗蝕劑在可見光或紫外線或X-射線下暴露；(4) 使用諸如溼法工作檯（wet bench)或噴塗顯影機等工具，對光致抗蝕劑進行顯影，以便選擇 性地除去抗蝕劑，從而使其圖案化；(5)通過使用幹法或等離子體輔助蝕刻工具，將抗蝕劑 圖案（resist pattern)轉移到下伏膜或工件上；和（6)使用諸如RF或微波等離子體抗蝕 劑剝離機（microwave plasma resist stripper)等工具，去除抗蝕劑。在一些實施方式中， 可灰化的硬掩模層（例如無定形碳層）和另一種合適的硬掩模（例如抗反射層）可在被施 加光致抗蝕劑之前沉積。
[0104] 應該理解的是，本文所描述的配置和/或方法在本質上是示例性的，並且這些特 定的實施方式或實施例不應被認為具有限制意義，因為許多的變化是可能的。本文描述的 特定的例程或方法可表示任何數量的處理策略中的一個或多個。因此，所說明的各種操作 可以以所示的序列、以其它的序列，並行地或在某些情況下刪減來執行。同樣，可以改變上 述的處理的順序。
[0105] 本公開的主題包括本文所公開的各種處理、系統和裝置、以及其它特徵、功能、操 作、和/或特性的所有新穎和非顯而易見的組合和子組合，以及任何所有等同方案。 實驗
[0106] 實驗已證實，目前公開的方法和裝置提供了對半導體襯底上部分製造的器件的改 進的蝕刻。當使用等離子體格柵時，被蝕刻的產物表現出良好的選擇性、輪廓角、iso/密加 載，以及整體的蝕刻均勻性。
[0107] 圖7A-7B示出了根據高壓常規技術（7A)和根據本實施方式的使用等離子體格柵 (7B)的已被蝕刻的FinFET結構的掃描電子顯微鏡（SEM)圖像。如圖7A所示，常規技術導 致在晶片的中心和邊緣之間的顯著非均勻性。該Ι/D加載量是大的，並且材料之間的選擇 性很差。相反，如圖7B所示，利用等離子體格柵顯著增加了中心到邊緣的均勻性。此外，1/ D加載量低得多，且選擇性得到改善。這個實驗是在矽載體晶片上進行的，該矽載體晶片減 薄到代表FinFET高度的厚度，並覆蓋有50%的SiN取樣以模擬全部圖案化的晶片的蝕刻。 該FinFET結構被過度蝕刻了 65%，以儘量減少在輪廓中的錐度。
[0108] 圖8A-8B示出了根據低壓常規技術（8A)和根據本實施方式使用等離子格柵（8B) 蝕刻的特徵的SEM圖像。常規技術表現出矽和氧化物之間的選擇性相對較差，蝕刻的特徵 具有錐形輪廓，並且Ι/D加載性差。但是，如圖8B所示，源格柵提供改進的選擇性（無限的 選擇性），更垂直的輪廓角，而且幾乎沒有Ι/D加載。這個實驗是在從圖案化的晶片上切下 並放置在載體晶片的中心的晶片上執行的。這個實驗是矽載體晶片上進行的，該矽載體晶 片減薄到代表FinFET高度的厚度，並覆蓋有50 %的SiN取樣以模擬全部圖案化的晶片的蝕 刻。
[0109] 圖9示出了不使用等離子體格柵的情況下根據各種方案的已被蝕刻的特徵的各 種SEM圖像。使用兩種不同的壓強，以及四種不同的總流率。有效電子溫度（Te)隨壓強增 大而減小。停留時間隨著總流率的增大而減少。對於每個壓強，增加總流率改善了蝕刻結 果。特別地，高流率的情況表現出更好的（更垂直）輪廓角和改進的選擇性（更多的掩模 剩餘）。然而，這些改進由較差的Ι/D加載和較差的中心到邊緣的均勻性減弱。高流率的結 果支持這種看法：即某些副產物和/或離解的產物當不以氣態形式清掃出時，會附著到特 徵側壁和/或底部以產生差的蝕刻結果，如圖6A-6C中所示。當總流率較高時，這些副產物 更有效地從反應室清掃出，並且不太可能造成蝕刻缺陷。
[0110] 各種實驗表明，使用等離子體格柵導致在蝕刻工藝中具有很好的選擇性、輪廓角、 Ι/D加載、以及中心到邊緣的均勻性。在某些情況下，選擇性（即Si的蝕刻速率：氧化物的 蝕刻速率）大於約10,或大於約100。事實上，在某些情況下通過使用等離子體格柵可以實 現無限的選擇性。在這些情況下，幾乎沒有蝕刻氧化物材料，並且在氧化物表面上甚至有可 能有少量的沉積物。在許多情況下所獲得的輪廓角基本上是垂直的（例如，在約89° )。在 某些實施方案中，Ι/D加載顯示為低於約2°。進一步地，在各個實施方式中，該中心到邊緣 的均勻性小於約2nm。
【權利要求】
1. 一種用於在襯底上蝕刻特徵的裝置，所述裝置包括： 室，其限定能提供等離子體的內部； 襯底支架，其用於在蝕刻過程中支撐在所述室中的襯底； 等離子體發生器，其用於在所述室內產生等離子體；以及 格柵組件，其將所述等離子體室的所述內部分成靠近所述等離子體發生器的上部子室 和靠近所述襯底支架的下部子室， 其中所述上部子室的高度是所述下部子室的高度的至少約1/6， 其中，所述格柵組件包括兩個或多個格柵，該格柵包括多個槽，該多個槽在所述等離子 體在所述室中產生時基本上防止在所述格柵中形成感應電流。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其還包括控制器，該控制器被設計或配置為在使得在 所述上部子室產生上部區域等離子體和在所述下部子室中產生下部區域等離子體的條件 下在所述室中產生所述等離子體， 其中，所述下部區域等離子體中的有效電子溫度為約leV或更低，並且小於所述上部 區域等離子體中的有效電子溫度，以及 其中，所述下部區域等離子體中的電子密度為約5X109釐米3或更低，並且小於所述 上部區域等離子體中的電子密度。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述控制器被進一步設計或配置成施加偏置到 所述格柵組件。
4. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述控制器被進一步設計或配置成施加偏置到 所述襯底支架。
5. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述控制器被進一步設計或配置為將蝕刻劑氣 體輸送到所述室。
6. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述控制器被進一步設計或配置為在所述等離 子體蝕刻所述襯底的同時在所述室中提供小於約2000毫乇的壓強。
7. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述控制器被進一步設計或配置為在下部子室 中產生離子-離子等離子體。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述格柵組件中的至少一個格柵具有介於約1和 50毫米之間的平均厚度。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其中，所述格柵組件中的每個格柵的厚度的總和是介 於約2-50毫米之間。
10. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述格柵組件中的至少一個格柵中的所述多個 槽是徑向定向或大致徑向定向的。
11. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個槽其方位角相鄰槽分隔至少約15度。
12. 根據權利要求1所述的裝置，其中，在所述格柵組件的至少一個格柵中的所述多個 槽具有介於約〇. 01-5之間的高寬比。
13. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述多個槽其方位角相鄰槽分隔不超過約60 度。
14. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述格柵組件包括第一格柵和第二格柵。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述第一格柵和所述第二格柵具有基本上相 同的槽圖案。
16. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述第一格柵和所述第二格柵具有彼此不同 的槽圖案。
17. 根據權利要求14所述的裝置，其中，所述第一格柵和所述第二格柵中的至少一個 能繞垂直於所述襯底支架的上表面的軸旋轉。
18. 根據權利要求17所述的裝置，其中，所述第一格柵和所述第二格柵具有允許在所 述下部子室中的等離子體條件被徑向調節的槽圖案。
19. 根據權利要求14中所述的裝置，其中，所述第一格柵和所述第二格柵中的至少一 個是能移動的，使得所述第一格柵和第二格柵之間的距離是可變的。
20. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述格柵組件中的至少一個格柵包括一個或多 個用於傳送氣體的入口。
21. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述襯底支架是靜電卡盤。
22. 根據權利要求1所述的裝置，其還包括處理氣體入口。
23. -種用於在襯底上蝕刻特徵的方法，所述方法包括： 提供所述襯底到在包括等離子體發生器和格柵組件的室中的襯底支架，所述格柵組件 將所述等離子體室的內部分成靠近所述等離子體發生器的上部子室和靠近所述襯底支架 的下部子室，其中，所述格柵組件包括至少兩個格柵，並且其中所述上部子室的高度是所述 下部子室的高度的至少約1/6 ; 在導致在所述上部子室中產生上部區域等離子體和在所述下部子室產生下部區域等 離子體的條件下在所述室中產生等離子體；以及 通過所述下部區域等離子體與所述襯底的相互作用在所述襯底中蝕刻所述特徵， 其中，所述下部區域等離子體中的有效電子溫度為約leV或更低，並且小於所述上部 區域等離子體中的有效電子溫度，以及 其中，所述下部區域等離子體中的電子密度為約5X 109釐米3或更低，並且小於所述 上部區域等離子體中的電子密度。
24. 根據權利要求23所述的方法，其進一步包括施加偏置到所述格柵組件。
25. 根據權利要求23所述的方法，其進一步包括施加偏置到所述襯底支架。
26. 根據權利要求23所述的方法，其中，所述下部區域等離子體是離子-離子等離子 體。
27. 根據權利要求23所述的方法，其還包括使所述格柵組件中的至少一個格柵繞垂直 於所述襯底支架的上表面的軸線旋轉。
28. 根據權利要求23所述的方法，其還包括改變在所述格柵組件中的所述格柵之間的 距離。
29. 根據權利要求23的方法，其中，不同的處理氣體被提供給上部和下部子室。
30. 根據權利要求23所述的方法，其中，在產生所述等離子體時在所述格柵組件中基 本上沒有電流產生。
31. 根據權利要求23所述的方法，其還包括提供蝕刻劑氣體到所述室。
32. 根據權利要求23所述的方法，其中，在小於約2000毫乇的室壓強下進行所述蝕刻。
33. 根據權利要求23所述的方法，其還包括將所述格柵組件中的所述至少一個格柵相 對於所述格柵組件中的至少一個其它格柵移動，其中，移動所述至少一個格柵改變穿過所 述格柵組件並進入所述下部子室的離子和中性物質的相對量。
【文檔編號】H01J37/02GK104103477SQ201410138310
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2013年4月5日
【發明者】哈梅特·辛格, 索斯藤·利爾, 瓦希德·瓦赫迪, 亞歷克斯·帕特森, 莫妮卡·泰特斯, 高裡·卡馬爾斯 申請人:朗姆研究公司