CN103177920B - 带有矩形电感耦合线圈的刻蚀装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、感应线圈、抽气装置、静电吸盘，上电极板和下电极板，所述感应线圈和上电极板位于所述刻蚀腔上部，所述电极板位于所述刻蚀腔下部，下电极板位于静电吸盘内部，其特征在于所述感应线圈为矩形。所述感应线圈为矩形，长宽比优选为2∶1。在刻蚀过程中，以能产生均匀感应电场分布的矩形线圈来取代常规的螺旋线线圈，可以减小晶圆中心区域和边缘区域的气体分布和刻蚀环境的差异，提高晶圆表面的刻蚀均匀性，提高了半导体器件的良品率，并且矩形的反应腔体可以同时对两片晶圆进行刻蚀，大大提高了刻蚀装置处理能力，从而提高半导体器件制造的生产效率。

Description

带有矩形电感耦合线圈的刻蚀装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地说，涉及一种带有矩形电感耦合线圈的刻蚀装置。

背景技术

随着电子设备的广泛应用，半导体的制造工艺得到了飞速的发展。半导体的制造流程涉及两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀。其中，干法刻蚀是把晶圆曝露于刻蚀气体所产生的等离子体中，等离子体与晶圆发生物理化学反应，从而选择性地从晶圆表面去除不需要的材料。目前，可以使电路图变得更精细的干法刻蚀得到越来越广泛地使用。随着集成电路的工艺尺寸向更精细地结构发展，对加工工艺提出了更高的技术要求。然而，当业界可加工的晶圆尺寸从12英寸发展到18英寸时，刻蚀的均匀性成为刻蚀工艺的重大挑战，它会在很大程度上影响最终得到的门电路的工作性能，因此各集成电路制造工艺时都在努力寻找提高刻蚀均匀性的方法。。

如图1所示，为现有技术中干法刻蚀装置100的剖面结构图。通过交流电源101在电感线圈102上施加交流电，从而在电感线圈102的周围产生电磁场。然后刻蚀气体从喷嘴103被通入刻蚀装置中，刻蚀气体在电磁场的作用下发生电离并形成等离子体，在上极板104上通过直流电源106施加电压，而用于放置晶圆的静电吸盘接地，这样就使得晶圆W与等离子体之间存在一个较大的电压差，从而使朝晶圆W运动的等离子体具有方向性。刻蚀腔105的下部有抽气装置真空泵107，通常晶圆边缘区域比中心区域的气体更早抽走，造成晶圆边缘的刻蚀环境更加不同于晶圆中心，即使进行刻蚀气体调节也难以精细地调整晶体极端边缘的刻蚀环境。

图2为现有技术中电感耦合线圈102的俯视图，一般为螺旋状，这种电感耦合线圈在反应腔中央部分所激发的电磁场较强，而边缘部分所激发的电磁场较弱，因此反应室中央部分等离子体密度较高，而边缘部分等离子体密度较低，特别是晶圆的加工尺寸从发展到450mm，反应腔的体积也相应增大后，平面螺旋电感耦合线圈所激发的等离子体存在很大的方位角的不对称性。

由于在刻蚀过程中，晶圆中心区域和边缘区域有气体分布不均匀，存在刻蚀环境差异等情况，出现中心到边缘的加载效应，从而使晶圆中心区域和晶圆边缘区域的刻蚀使速率不同，导致晶圆表面的刻蚀不均一，造成晶圆边缘区域与中心区域形成的通孔或其他器件尺寸不均一，在晶圆的极端边缘部分尤为明显，降低了半导体器件的良品率。在12英寸的晶圆加工过程中，晶圆边缘的均匀性已难以很好地控制，对于18英寸的晶圆，均匀性问题更加严重。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述问题，本发明提供了一种能够提高晶圆刻蚀均匀性的刻蚀装置，其技术方案具体如下。

本发明在一个实施例中提供了一种等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、感应线圈、上电极板和下电极板，所述感应线圈和上电极板位于所述刻蚀腔上部，所述电极板位于所述刻蚀腔下部，其特征在于所述感应线圈为矩形长宽比优选为为2∶1。优选地，所述感应线圈包括：第一组感应线圈和第二组感应线圈，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈中的交流电流互为反相，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈在垂直方向上的高度分别调节，调节的范围为-5cm至+5cm。优选地，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈上分别加载一个到三个频率不同的交流电，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈上加载的交流电频率范围为2MHz-160MHz。所述等离子体刻蚀装置的下电极板的数量为两个，所述上电极板和所述两个下极板的电位分别进行调整和控制，所述上电极板和所述两个下极板的加载附加直流电以增加等离子体的能量密度。

可见，在本发明中，采用了一种使感应电场分布均匀性好、效率高，而且适合于大面积加工的电感耦合线圈及电感耦合等离子体刻蚀装置，在刻蚀过程中，以能产生均匀感应电场分布的矩形线圈来取代常规的螺旋线线圈等技术手段，减小晶圆中心区域和边缘区域有气体分布和刻蚀环境的差异，进而使晶圆中心区域和晶圆边缘区域的刻蚀使速率更均一，提高晶圆表面的刻蚀均匀性，提高了半导体器件的良品率，并且长宽比为2∶1的反应腔体可以同时对两片晶圆进行刻蚀，可大大提高刻蚀装置处理能力，从而提高半导体器件制造设备的生产效率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1为现有技术中刻蚀装置的剖面结构图；

图2为现有技术中感应耦合线圈的俯视图；

图3为本发明所提供的由两组矩形线圈组成的电感耦合线圈；

图4为使用本发明所提供的矩形电感耦合线圈的刻蚀装置的剖面图结构图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便说明本发明如何改进现有技术中存在的问题。显然，本发明的实施并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

图3根据本发明的一个实施例示出了一种由两组矩形线圈301和302组成的电感耦合线圈300，其中，第一组矩形线圈301与第二组矩形线圈302中的交流电流互为反相。由于传统方式中单一的螺旋形电感耦合线圈，感应磁场与电场在反应腔内会沿着平行感应线圈的方向呈波状分布，导致刻蚀腔内的感应电磁场分布不均匀。因此在本实施例中，我们采用两组电流互为反相的矩形线圈301和302，可以消除感应场的波状分布，以取得更好的感应等离子体的均匀性。而且，现有技术中感应耦合线圈一般为螺旋状，这种电感耦合线圈在反应腔中央部分所激发的电磁场较强，而边缘部分所激发的电磁场较弱，因此反应室中央部分等离子体密度较高，而边缘部分等离子体密度较低，特别是晶圆的加工尺寸从发展到450mm，反应腔的体积也相应增大后，平面螺旋电感耦合线圈所激发的等离子体存在很大的方位角的不对称性。如图3所示，本发明中的电感耦合线圈300以及其所在的刻蚀腔105均为矩形，长宽比优选为2∶1，而且刻蚀腔305的下部设置了两个静电吸盘303和304用于分别放置两个晶圆，以此方式可以减小晶圆中心区域和边缘区域有气体分布和刻蚀环境的差异，进而使晶圆中心区域和晶圆边缘区域的刻蚀使速率更均一，提高晶圆表面的刻蚀均匀性。另外，电感耦合线圈300的第一组矩形线圈301与第二组矩形线圈302的空间位置可以为平面结构，也可以为立体结构，即每个线圈在垂直方向上的高度可以分别调节，垂直高度的调节范围优选为-5cm-+5cm，从而进一步控制等离子体分布的均匀性。

如图4所示，根据本发明的一个优选的实施例，示出了使用本发明所提供的矩形电感耦合线圈组300的矩形等离子体刻蚀装置400的剖面图结构图，所述矩形等离子体刻蚀装置400的长宽比优选为2∶1。其中，交流电源401和交流电源402分别为第一组矩形线圈301与第二组矩形线圈302提供互为反相的交流电，电感耦合线圈300的每个线圈在垂直方向上的高度都如图4所示地可以分别进行调节，以此获得更好的均匀等离子体的可控性。刻蚀腔下部设置了两个静电吸盘403和404用于分别放置两个晶圆。在刻蚀过程中，通过交流电源401和交流电源402分别在第一组矩形线圈301与第二组矩形线圈302上施加反相的交流电，从而在电感耦合线圈300的周围产生较为均匀的电磁场。然后刻蚀气体从喷嘴103被通入刻蚀装置中，刻蚀气体在电磁场的作用下发生电离并形成等离子体，通过调节每个线圈在垂直方向上的高度，进一步控制等离子体分布的均匀性。在上极板104上通过直流电源106施加电压，而用于放置晶圆的静电吸盘403和404同时接地，这样就使得晶圆W与等离子体之间存在一个电压差，从而使朝晶圆W运动的等离子体具有方向性。抽气装置真空泵405位于两个静电吸盘403和404的中间位置，当同时刻蚀静电吸盘403和404上的两个晶圆时，可以使两个晶圆周围的刻蚀环境差异更小，提高刻蚀工艺的均匀性。

根据本发明的一个优选的实施例，图4中的等离子体刻蚀装置400的上电极板104上加载的直流电压以及两个静电盘中的下极板电位可以根据需要分别进行调节，以更好地控制等离子体的能量密度。而且，本实施例中加载在感应线圈300的第一组矩形线圈301与第二组矩形线圈302上的交流电源可以是分别为多频源，即每组感应线圈上都可以分别加载一个到三个频率不同的交流电，所述不同频率的交流电的频率范围优选为2MHz-160MHz。由于等离子体的能量主要依靠低频交流电，而高频交流电对等离子体密度影响大于对离子能量的影响，因此，将不同频率的交流电结合起来可以更好地控制离子能量和离子密度。另外，不同的频率也会使得等离子体在刻蚀过程中物理轰击效果更明显或者化学刻蚀效果更明显，更好地电离各种粒子，较少等离子体损伤，提高加工晶片的质量。

综上所述，在本发明中，采用了一种感应电场分布均匀性好、效率高，而且适合于大面积加工的电感耦合线圈及电感耦合等离子体刻蚀装置，在刻蚀过程中，以能产生均匀电磁场分布的矩形线圈来取代常规的螺旋线线圈等技术手段，减小晶圆中心区域和边缘区域有气体分布和刻蚀环境的差异，进而使晶圆中心区域和晶圆边缘区域的刻蚀使速率更均一，提高晶圆表面的刻蚀均匀性，提高了半导体器件的良品率，并且矩形的反应腔体可以同时对两片晶圆进行刻蚀，可大大提高刻蚀装置处理能力，从而提高半导体器件生产效率。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种等离子体刻蚀装置，包括：刻蚀腔、感应线圈、抽气装置、静电吸盘，上电极板和下电极板，所述感应线圈和上电极板位于所述刻蚀腔上部，所述下电极板位于所述刻蚀腔下部，下电极板位于静电吸盘内部，其特征在于所述刻蚀腔和感应线圈为矩形，所述下电极板的数量为两个，分别位于两个静电吸盘内部，所述抽气装置位于两个静电吸盘的中间。

2.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述感应线圈包括第一组感应线圈和第二组感应线圈，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈中的交流电流互为反相。

3.如权利要求2所述的刻蚀装置，其特征在于，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈在垂直方向上的高度分别调节。

4.如权利要求3所述的刻蚀装置，其特征在于，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈在垂直方向上的高度分别进行调节的范围为-5cm至+5cm。

5.如权利要求1所述的刻蚀装置，所述感应线圈的长宽比为2:1。

6.如权利要求2所述的刻蚀装置，其特征在于，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈上分别加载一个到三个频率不同的交流电。

7.如权利要求6所述的刻蚀装置，其特征在于，所述第一组感应线圈和所述第二组感应线圈上加载的交流电频率范围为2MHz-160MHz。

8.如权利要求1所述的刻蚀装置，其特征在于，所述上电极板和所述两个下电极板的电位分别进行调整和控制。

9.如权利要求8所述的刻蚀装置，其特征在于，在所述上电极板和所述两个下电极板加载附加直流电以增加等离子体的能量密度。