CN105336561B - 等离子体刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程的等离子体刻蚀装置，包括反应腔室，其具有夹持基片的静电夹盘和设于基片外周侧并位于基片上方的可移动的环状遮蔽部件；用于驱动环状遮蔽部件在垂直方向上移动的驱动单元和控制单元。在待进行深沟槽图形刻蚀制程时控制单元控制驱动单元驱动环状遮蔽部件定位于远离基片的第一位置，在待进行无图形刻蚀制程时控制单元控制驱动单元驱动环状遮蔽部件定位于邻近基片的第二位置。本发明能够有效改善高深宽比结构图形刻蚀的形貌控制以及无图形刻蚀的均匀性。

Description

等离子体刻蚀装置

技术领域

本发明涉及半导体加工设备，特别涉及一种等离子体刻蚀装置。

背景技术

随着集成电路集成度的提高和元件线宽的减小，等离子体刻蚀(Plasma Etching)工艺得到了极为广泛的应用。等离子体刻蚀工艺是通过在等离子体刻蚀装置的反应腔室内配置电极，以蚀刻气体作为反应气体提供给反应腔室内，利用在电极上施加射频而在反应腔室内形成反应气体的等离子体，通过由该等离子体生成的原子团、离子等完成蚀刻的干法刻蚀工艺。

近年来，利用等离子体刻蚀工艺形成高深宽比结构，如TSV硅通孔技术，正越来越受到广泛的重视和研究。高深宽比结构的形成，典型地是利用图形刻蚀制程在晶圆表面形成图形化的光刻胶作为掩膜层，然后以合适的反应气体产生等离子体并将其用到未被掩膜层保护的蚀刻区域，从而刻蚀出深沟槽。通常来说，在刻蚀出深沟槽之后，还可能会执行不需要掩膜层的无图形刻蚀(blanket etching)制程以对所形成的深沟槽进行减薄最终形成所希望的深度的高深宽比结构。然而，在无图形刻蚀制程中，由于晶圆的边缘区域与中间区域刻蚀速率不同，边缘区域的刻蚀速率偏快，这将造成整个晶圆范围内各高深宽比结构刻蚀深度、顶部特征尺寸和底部特征尺寸的不一致，进而影响产品良率。而若在不同腔室中分别进行高深宽比结构的图形刻蚀和无图形刻蚀，又会造成工艺效率的降低和成本的增加。

为解决上述问题，现有技术中在晶圆周围设置一遮蔽环，以减小边缘区域等离子体的轰击，从而改善无图形刻蚀时的刻蚀均匀性。如图1所示，等离子体刻蚀装置包括反应腔室10，其中引入有刻蚀气体作为反应气体；反应腔室10的顶部设置有反应气体喷淋头11，其中包含上电极15；反应腔室10底部设置有用于夹持待处理基片W的静电夹盘12，其中设置有与上电极15相对的下电极16。射频源RF施加在下电极16上，在上电极15和下电极16之间形成射频电场，对刻蚀气体电离生成等离子体。聚焦环13设于基片W的周围，其顶面与基片W的顶面平齐，用于收敛基片W表面的等离子体。遮蔽环14环绕聚焦环外周设置，用于掩蔽或遮蔽基片周缘处的一部分等离子体以使基片边缘部分等离子体的密度减小，从而降低晶圆30边缘处的刻蚀速率。

然而，采用遮蔽环虽然能够提高无图形刻蚀制程中整个基片范围内的刻蚀均匀性，但遮蔽环也同时影响了边缘区域的等离子体密度，又会导致图形刻蚀制程中深沟槽剖面形貌控制不佳。

因此，需要提出一种等离子体刻蚀装置能够同时改善高深宽比结构形貌控制以及无图形刻蚀的均匀性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够原位执行图形刻蚀和无图形刻蚀制程且不影响各刻蚀制程的刻蚀均一性和刻蚀形貌的等离子体刻蚀装置。

为达成上述目的，本发明提供一种等离子体刻蚀装置，用于原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，其包括反应腔室，其具有用于夹持待处理基片的静电夹盘以及可移动的环状遮蔽部件，环状遮蔽部件设于所述基片外周侧并位于所述基片的上方；驱动单元，用于驱动所述环状遮蔽部件在垂直方向上移动；以及控制单元，与所述驱动单元相连，其在待进行所述深沟槽图形刻蚀制程时控制所述驱动单元驱动所述环状遮蔽部件定位于远离所述基片的第一位置，在待进行所述无图形刻蚀制程时控制所述驱动单元驱动所述环状遮蔽部件定位于邻近所述基片的第二位置。

优选的，所述反应腔室还包括环绕所述基片的聚焦环，所述聚焦环位于环状遮蔽部件下方。

优选的，所述反应腔室还包括环绕所述聚焦环的覆盖环，所述覆盖环位于所述环状遮蔽部件下方且其上表面与所述聚焦环的上表面平齐。

优选的，所述环状遮蔽部件为遮蔽环或气体导向环。

优选的，所述遮蔽环的内周面为自上向下径向向外延伸的锥形面。

优选的，所述气体导向环的截面形状为矩形。

优选的，所述环状遮蔽部件定位于所述第二位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为1～2mm。

优选的，所述遮蔽环定位于所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为15～30mm；所述气体导向环定位于所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为30～60mm。

优选的，所述环状遮蔽部件在水平方向上自所述基片的边缘径向向内延伸-5mm～5mm。

优选的，所述聚焦环和所述覆盖环的上表面突出于所述基片的上表面1～2mm。

优选的，所述环状遮蔽部件定位于所述第二位置时，其下表面贴合于所述聚焦环和所述覆盖环的上表面。

优选的，所述遮蔽环的材料选自石英或陶瓷，所述气体导向环的材料选自铝。

本发明还提供了一种应用上述等离子体刻蚀装置的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，其包括以下步骤：将所述环状遮蔽部件定位至所述第一位置；进行所述深沟槽图形刻蚀制程；将所述环状遮蔽部件定位至所述第二位置；以及进行所述无图形刻蚀制程。

相较于现有技术，本发明的等离子体刻蚀装置利用在深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程中将可升降的环状遮蔽部件分别定位于反应腔室内的不同位置，可实现两种刻蚀制程的原位执行，同时每一种刻蚀制程中的刻蚀速率的均一性及刻蚀形貌均得以保持，提高了工艺效率和产品良率。

附图说明

图1为现有技术中等离子体刻蚀装置的结构示意图；

图2a为本发明一实施例的等离子体刻蚀装置进行无图形刻蚀时的结构示意图；

图2b为本发明一实施例的等离子体刻蚀装置进行高深宽比结构刻蚀时的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的等离子体刻蚀装置的结构示意图；

图4为应用本发明一实施例等离子体刻蚀装置的刻蚀方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

图2和图3显示了本发明的等离子处理装置的不同实施方式，本发明的等离子体刻蚀装置内可原位(in-situ)执行用于形成高深宽比结构的深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，应该理解，等离子体刻蚀装置仅仅是示例性的，其可以包括更少或更多的组成元件，或该组成元件的安排可能与图中所示相同或不同。

实施例1

请参见图2a和图2b，其所示为本实施例等离子体刻蚀装置的结构示意图。等离子体刻蚀装置包括反应腔室20，反应腔室20的顶部设置有反应气体喷淋头21，反应气体喷淋头21包含上电极，反应腔室20底部设置有用于夹持待处理基片W的静电夹盘22，静电夹盘22中设置有与上电极相对的下电极。射频源RF施加在下电极上，以形成射频电场对刻蚀气体电离生成等离子体。在基片外周侧设有可升降的环状遮蔽部件23。如图所示，环状遮蔽部件23通过支撑杆24以非接触的方式定位于基片W的表面上方。支撑杆24较佳为沿环状遮蔽部件23的周向均匀分布为三个，其一端与环状遮蔽部件23固定连接，另一端连接驱动单元25。本实施例中，驱动单元25设于反应腔室20的底部，其可包含电机、气缸等设备，用于使支撑杆24与环状遮蔽部件23在垂直方向升降以使环状遮蔽部件23接近或远离基片W。位于反应腔室外部的控制单元26与驱动单元25相连，其根据反应腔室内所进行的刻蚀制程发出相应控制信号至驱动单元25以进行环状遮蔽部件23的升降操作。具体来说，当反应腔室20内待进行深沟槽图形刻蚀制程时，控制单元26发出第一控制信号使驱动单元25驱动连杆带动环状遮蔽部件23定位至远离基片W的第一位置，然后进行深沟槽图形刻蚀。由于环状遮蔽部件23远离基片表面，在图形刻蚀时基片W表面附近的等离子体密度不易受到环状遮蔽部件23的影响，基片W边缘区域所刻蚀出的深沟槽的剖面形貌得以保证。而当反应腔室20内待进行无图形刻蚀制程以调整所形成的深沟槽的深度时，控制单元26发出第二控制信号使驱动单元25驱动连杆带动环状遮蔽部件23定位至接近基片W的第二位置，然后再执行无图形刻蚀。由于环状遮蔽部件23邻近基片表面，阻止部分等离子体接触基片周缘，从而降低基片边缘处的刻蚀速率，保证了整个基片表面的刻蚀均一性，进而改善了各高深宽比结构的刻蚀深度、顶部特征尺寸和底部特征尺寸的均一性。

在本实施例中，环状遮蔽部件23为例如陶瓷或石英等绝缘材料制成的遮蔽环(shadow ring)，当进行无图形刻蚀遮蔽环23由驱动单元25下降至第二位置时，其下表面位于基片顶部上方1～2mm，当进行图形刻蚀遮蔽环23由驱动单元25上升至第一位置时，其下表面位于基片顶部上方15～30mm。遮蔽环23的内周面为自上向下径向向外延伸的锥形面，由此在顶端形成一突出部。该突出部在水平方向上与基片边缘的距离为±5mm范围之内。当处于无图形刻蚀制程时，这种倾斜突出部的设计适当削弱了到达被遮蔽环23遮蔽区域的等离子体，使得基片W中心区域和边缘区域的刻蚀速度相当。

请继续参考图2a和图2b，在本实施例中，反应腔室内还包括聚焦环27和覆盖环28。聚焦环27和覆盖环28均位于遮蔽环23下方。聚焦环27和覆盖环28的上表面平齐，稍突出于待处理基片W的顶面，一般为1～2mm。因此，当遮蔽环23处于第二位置时能够直接贴合于聚焦环27和覆盖环28的上表面。其中，聚焦环27设于待处理基片W的外周侧，其用以在基片W周围提供一个相对封闭的环境，约束等离子体以改善基片表面等离子体的均一性。覆盖环28围绕聚焦环27设置。由于静电夹盘的顶部表面始终是被聚焦环27和覆盖环28所覆盖，在蚀刻过程特别是遮蔽环23升起的深沟槽图形刻蚀制程中，可减小静电夹盘顶部表面对等离子体或该等离子体的反应性物质的暴露程度，保护静电夹盘免受损耗。聚焦环27和覆盖环28均可采用陶瓷或石英等绝缘材料形成。此外，由于遮蔽环23贴合于聚焦环27和覆盖环28的上表面时也即是处于第二位置，定位更加方便可靠。

实施例2

图3是本发明所提供的等离子体刻蚀装置另一实施例的结构示意图，其特点为可移动的环状遮蔽部件23为气体导向环。气体导向环23通过支撑杆24非接触地设于基片W的表面上方。支撑杆24较佳为沿气体导向环23的周向均匀分布为三个，其一端与气体导向环23固定连接，另一端连接驱动单元25。驱动单元25接收来自控制单元26的信号驱动支撑杆带动气体导向环23在垂直方向上移动。等离子体刻蚀装置内的其他部件，如静电夹盘22、气体喷淋头21、控制单元26和驱动单元25等都可参照前述实施例设置。

气体导向环23本身可引导反应腔室20内的反应气体改善气流分布，此外本实施例中气体导向环还可对应深沟槽图形刻蚀和无图形刻蚀的不同刻蚀制程在垂直方向移动。当将进行深沟槽图形刻蚀制程时，控制单元26发出第一控制信号至驱动单元25，驱动单元25驱动气体导向环23定位至第一位置，气体导向环23的下表面位于基片顶部上方30mm～60mm。当将进行无图形刻蚀制程时，控制单元26发出第二控制信号至驱动单元25，驱动单元25驱动气体导向环23定位至第二位置，气体导向环下表面位于基片顶部上方1～2mm。气体导向环23的截面形状可为矩形，材料例如是铝。气体导向环在水平方向上自基片的边缘径向向内延伸-5mm～5mm。

本实施例中，等离子体刻蚀装置的反应腔室20内也可包括聚焦环27和覆盖环28。聚焦环27和覆盖环28均位于气体导向环23下方并且当气体导向环23下降至第二位置时仍可直接贴合于聚焦环27和覆盖环28的表面上。聚焦环27和覆盖环28的上表面平齐，稍突出于待处理基片W的顶面1～2mm。聚焦环27和覆盖环28的设置均可参照前述实施例。

需要说明的是，对于本发明的等离子体刻蚀装置，环状遮蔽部件可以根据无图形刻蚀制程中基片刻蚀均一性的要求而采用各种形状，尺寸参数，或由不同材料构成。

接下来请参考图4，其所示为应用本发明的等离子体刻蚀装置原位执行深沟槽图形刻蚀和无图形刻蚀制程的流程示意图，其可以具体包括：

步骤41、将环状遮蔽部件定位至第一位置；

该步骤中，控制单元发出第一控制信号至驱动单元，使得驱动单元驱动环状遮蔽部件上升至第一位置远离基片表面。

步骤42、进行深沟槽图形刻蚀制程；

该步骤中，以图形化的光致抗蚀剂为刻蚀硬掩膜，以常规等离子体刻蚀工艺形成深沟槽结构。

步骤43、将环状遮蔽部件定位至第二位置；

该步骤中，控制单元发出第二控制信号至驱动单元，使得驱动单元驱动环状遮蔽部件下降至第二位置而邻近基片表面。

步骤44、进行无图形刻蚀制程。

该步骤中，不采用硬掩膜遮蔽，进行等离子体刻蚀，使深沟槽结构的深度达到所期望的深度。

综上所述，本发明的等离子体刻蚀装置，利用在深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程中将可升降的环状遮蔽部件定位于反应腔室内的不同位置，可实现两种刻蚀制程的原位执行，同时每一种刻蚀制程中的刻蚀速率的均一性及刻蚀形貌均得以保持，提高了工艺效率和产品良率。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (11)

1.一种等离子体刻蚀装置，用于原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，其特征在于，该等离子体刻蚀装置包括：

反应腔室，其具有：

用于夹持待处理基片的静电夹盘；

可移动的环状遮蔽部件，设于所述基片外周侧并位于所述基片的上方；

驱动单元，用于驱动所述环状遮蔽部件在垂直方向上移动；以及

控制单元，与所述驱动单元相连，其在待进行所述深沟槽图形刻蚀制程时控制所述驱动单元驱动所述环状遮蔽部件定位于远离所述基片的第一位置，在待进行所述无图形刻蚀制程时控制所述驱动单元驱动所述环状遮蔽部件定位于邻近所述基片的第二位置；

其中所述环状遮蔽部件为遮蔽环或气体导向环；

当所述环状遮蔽部件为遮蔽环、所述遮蔽环定位于所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为15～30mm；当所述环状遮蔽部件为气体导向环、所述气体导向环定位于所述第一位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为30～60mm。

2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述反应腔室还包括环绕所述基片的聚焦环，所述聚焦环位于环状遮蔽部件下方。

3.根据权利要求2所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述反应腔室还包括环绕所述聚焦环的覆盖环，所述覆盖环位于所述环状遮蔽部件下方且其上表面与所述聚焦环的上表面平齐。

4.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述遮蔽环的内周面为自上向下径向向外延伸的锥形面。

5.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述气体导向环的截面形状为矩形。

6.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述环状遮蔽部件定位于所述第二位置时，其下表面与所述基片上表面的距离为1～2mm。

7.根据权利要求6所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述环状遮蔽部件在水平方向上自所述基片的边缘径向向内延伸-5mm～5mm。

8.根据权利要求3所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述聚焦环和所述覆盖环的上表面突出于所述基片的上表面1～2mm。

9.根据权利要求8所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述环状遮蔽部件定位于所述第二位置时，其下表面贴合于所述聚焦环和所述覆盖环的上表面。

10.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述遮蔽环的材料选自石英或陶瓷，所述气体导向环的材料选自铝。

11.一种应用如权利要求1至10任一项所述的等离子体刻蚀装置的刻蚀方法，所述刻蚀方法包括原位执行深沟槽图形刻蚀制程和无图形刻蚀制程，其包括以下步骤：

将所述环状遮蔽部件定位至所述第一位置；

进行所述深沟槽图形刻蚀制程；

将所述环状遮蔽部件定位至所述第二位置；以及

进行所述无图形刻蚀制程。