一种改善等离子体刻蚀均匀性的装置及方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种改善等离子体刻蚀均匀性的装置及方法。

背景技术：

在半导体晶圆制造过程中，等离子体刻蚀是用来刻蚀导电和介电材料的。在半导体工艺过程中，刻蚀均匀性直接影响到设备的产量，因此，刻蚀均匀性已经成为重要需求，也是衡量设备性能的重要参数之一。

随着集成电路的发展，晶圆直径尺寸越来越大，且关键尺寸越来越小，设计的结构越来越靠近边缘，保证关键尺寸在整片晶圆的均匀性，变得越来越困难。例如，晶圆尺寸从200mm增大到300mm，晶圆的边缘损耗，在直径方向上要小于2mm。为了提高刻蚀均匀性，特别是晶圆边缘的刻蚀均匀性，人们做了很多努力，通常的做法是，在被处理晶圆周边包围一层材料，该材料物性一般与被处理晶圆类似，业界一般称为聚焦环，通过放置聚焦环，类似“扩大了”被处理晶圆的尺寸，从而改变了被处理晶圆边缘的电场分布，边缘部位可以引入更多的离子，从而改善被处理晶圆边缘刻蚀均匀性。一直以来，人们大多在对聚焦环的结构及材料进行优化，例如使用不同介电常数的材料；调整聚焦环的结构尺寸等。但是目前而言，单一的等离子体刻蚀设备，需匹配一种材料或者一种结构的聚焦环，且要开腔更换聚焦环，影响工艺稳定性。对相同的等离子体刻蚀装置，在处理晶圆时，由于工艺需求多样化，当刻蚀气体组分变化时，会导致被处理晶圆边缘部分刻蚀速率或大或小，且很难通过工艺组分参数的调整获取很好的边缘均匀性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明公开一种改善等离子体刻蚀均匀性的方法，在等离子体刻蚀系统的下电极的聚焦环上加载直流电压，通过调整直流电压的极性和大小，使晶圆边缘部位的刻蚀速率与晶圆中心部位的刻蚀速率趋于一致。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的方法中，优选为，所述直流电压在

10v～500v之间。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的方法中，优选为，当晶圆边缘部位的刻蚀速率比晶圆中心部位的刻蚀速率大时，在所述聚焦环上施加正电压，使晶圆边缘部位的鞘层电场强度降低，进而降低晶圆边缘部位的刻蚀速率。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的方法中，优选为，当晶圆边缘部位的刻蚀速率比晶圆中心部位的刻蚀速率小时，在所述聚焦环施加负电压，使晶圆边缘部位的鞘层电场强度增强，进而提高晶圆边缘部位的刻蚀速率。

本发明还公开一种改善等离子体刻蚀均匀性的装置，包括：直流电源和滤波器，所述直流电源一端接地，另一端通过所述滤波器与等离子体刻蚀系统的下电极的聚焦环相连接，在其上加载直流电压，所述直流电源的大小和极性可调，所述滤波器用于过滤直流中的交流成分。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置中，优选为，所述直流电压在10v～500v之间。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置中，优选为，所述聚焦环的材料为硬质阳极氧化铝或碳化硅。

附图说明

图1是等离子体刻蚀系统的示意图。

图2是施加直流电压前的晶圆边缘部位的离子轨迹示意图。

图3是装配改善等离子体刻蚀均匀性的装置后的等离子体刻蚀系统的示意图。

图4是施加直流电压后的晶圆边缘部位的离子轨迹示意图。

图中：

102～反应腔室；104～晶圆；108～聚焦环；112～匀气盘；114～下电极；116～下电极射频电源；118～第一匹配器；上电极～120；122～上电极射频电源；124～第二匹配器；128～排气口；204～直流电源；208～滤波器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。

图1是等离子体刻蚀系统的示意图。等离子体刻蚀系统，如图1所示，主要包括反应腔室102，下电极114，聚焦环108，下电极射频电源116，上电极120，上电极射频电源122，匀气盘112，气体流量控制系统，真空系统等。反应腔室102一般材质为航空铝材，表面硬质阳极氧化处理，且可靠接地。下电极射频电源116通过第一匹配器118将射频加载到下电极114上，通常射频频率为13.56mhz。下电极114的材质一般为航空铝材，表面进行硬质阳极氧化处理，或者为其他复合材料。上电极射频电源122通过第二匹配器124连接到上电极120上。反应气体通过匀气盘112进入反应腔室102。匀气盘一般材质为陶瓷、石英等。在一定的腔体压力下，在射频电源的激励作用下，促使气体产生辉光放电，产生等离子体。晶圆104放置在下电极114上表面，通过机械装置夹持或者静电吸附固定。在刻蚀处理晶圆时，为了减缓被处理晶圆边缘部分的不连续性，特别是为了提高被处理晶圆边缘部分的均匀性，在晶圆及下电极周围设置聚焦环108。整个系统的真空维持通过真空阀组控制，主要有干泵、分子泵及控制阀门等，反应的废气通过排气口128排到尾气处理装置中。

在等离子体刻蚀系统中，由于射频电源加载在下电极上，下电极由于快速运动的电子离开等离子体轰击电极产生相对于地的负自偏置电压，待电极周围积累一定数量的负电荷后，电子就会被电极排斥，产生一个带正离子电荷的离子鞘层。在图1中示意性地示出了等离子体刻蚀系统的鞘层电场的分布。在等离子体刻蚀过程中，下电极带负电，正离子被吸引，加速轰击被处理晶圆表面，但是由于结构尺寸的变化，在被处理晶圆边缘部分，鞘层电场分布不均匀，鞘层电场“急剧弯曲”，导致在被处理晶圆边缘部分，离子到达晶圆表面轨迹不均匀，边缘部位轨迹弯曲，如图2所示，刻蚀晶圆边缘侧面或背面的材料，被处理晶圆边缘刻蚀速率或高或低，导致边缘刻蚀不均匀。

图3是本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置装配于等离子体刻蚀系统后的示意图。如图3所示，本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置包括直流电源204和滤波器208。直流电源204的一端接地，另一端与滤波器208相连接，滤波器208与等离子体刻蚀系统的下电极114的聚焦环108相连接。直流电源204在聚焦环108上加载直流电压，直流电源204的大小和极性可调。滤波器208由电感、电阻等构成。通过滤波器208将直流中的交流成分充分过滤。聚焦环的材料为硬质阳极氧化铝或碳化硅等。

刻蚀过程中，下电极带负电，通过调整加载在聚焦环上的电压的大小和极性，影响离子鞘层电场的分布，能够保证离子可以垂直轰击晶圆表面材料，获取与晶圆中心区域一致的均匀性及图形形貌。当在聚焦环加载负电压时，扩大了离子鞘层电场的边缘覆盖范围，使边缘部位的鞘层电场强度相对与晶圆中心部位的鞘层电场强度增强，更多的离子被吸引，近乎垂直地轰击被处理晶圆边缘部位材料，增大了边缘部位的刻蚀速率。相反的，当在聚焦环加载正电压，会减小离子鞘层电场的边缘覆盖范围，导致晶圆边缘部位的鞘层电场强度相对与晶圆中心部位的鞘层电场强度削弱，吸引离子的能力降低，晶圆边缘部位的刻蚀速率减小。加载的直流电压的大小一般在10v-500v之间，以最小1v递增或递减，根据工艺刻蚀组分进行调节。如图3示所示加载直流电压后，晶圆边缘的鞘层电场分布均匀。在图4中示出了晶圆边缘部分的离子轨迹。如图4所示，在晶圆边缘部位，更多离子可以垂直到达晶圆表面，从而改善晶圆边缘的刻蚀均匀性。

当使用本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置进行刻蚀均匀性调节时，首先判断晶圆边缘部位的刻蚀速率与晶圆中心部位的刻蚀速率是否相同。当判断为晶圆边缘部位的刻蚀速率比晶圆中心部位的刻蚀速率大时，在聚焦环上施加正电压，使边缘鞘层电场强度降低，进而降低晶圆边缘的刻蚀速率，晶圆边缘的刻蚀速率随着电压的变化而单调变化，也就是说，晶圆边缘的刻蚀速率随着电压的升高而降低，直至与晶圆中心部位的刻蚀速率趋于一致。具体而言，先以10的整数倍进行电压调整，当工艺参数接近目标值(整片晶圆刻蚀均匀性在±3％到±6％之间)时，然后以1的整数倍进行电压微调整，直至将整片晶圆刻蚀均匀性控制在目标范围内。同理，当判断为晶圆边缘的刻蚀速率比晶圆中心区域的刻蚀速率小时，在聚焦环施加负电压，使边缘鞘层电场强度增强，进而提高晶圆边缘的刻蚀速率，直至与晶圆中心部位的刻蚀速率趋于一致。

本发明的改善等离子体刻蚀均匀性的装置及方法，简单易行，仅需要更改直流电压的大小和极性即可实现刻蚀均匀性，不需要因为刻蚀组分不同，频繁打开腔室更改聚焦环的结构或材料，有效提高了生产效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。