CN107919298A - 气相刻蚀装置及设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种气相刻蚀装置及设备。该装置包括：反应腔主体，其内形成有反应腔室；基座，处于反应腔室内部，用于承载晶片；进气件，连接到反应腔主体，向反应腔室内部通入刻蚀剂；以及压力组件，连接到反应腔主体，控制反应腔室的压力。该装置还包括：第一温度控制器，连接到反应腔主体，控制反应腔室的温度为第一温度，使反应腔室不被刻蚀剂腐蚀；以及第二温度控制器，连接到基座，控制基座的温度为第二温度，使晶片能够直接进行下一步工艺。根据本发明的装置通过分别控制反应腔室和放置晶片的基座的温度，使得去除二氧化硅后的晶片无需冷却，无需在刻蚀腔室中集成退火功能或独立的退火腔室，更无需配置单独的冷却腔室。

Description

气相刻蚀装置及设备
技术领域
本发明涉及集成电路制造工艺领域，更具体地，涉及一种应用于集成电路制造工艺中去除二氧化硅的气相刻蚀装置，以及应用该装置去除二氧化硅的气相刻蚀设备。
背景技术
在集成电路制造工艺领域，目前通常使用硅基材料制造集成电路，硅(或者多晶硅)在空气中放置的情况下表面会自然氧化一层致密的二氧化硅(SiO2)层，如图1所示。在有些工艺中，金属薄膜需要与硅衬底直接接触，如果衬底表面有一层SiO2，则会增加电阻率，影响器件性能，因此，制造后续工艺前需要去除这层SiO2。
在现有技术中，通常采用等离子体刻蚀去除SiO2的工艺。等离子体刻蚀去除SiO2使用NF3和NH3生成等离子体对SiO2进行刻蚀，反应生成(NH4)2SiF6，因为常温下(NH4)2SiF6为固态，须将晶片加热到120℃，使(NH4)2SiF6升华为SiF4，H2O和NH3才能排出腔室，故等离子体刻蚀去除SiO2一般包括刻蚀、退火两步。退火后硅基表面温度较高，还需要对晶片进行冷却，工艺较为复杂。刻蚀、退火两步可以在同一腔室中进行，也可以分开进行处理。故现有的等离子体刻蚀去除SiO2设备也主要分为两种，一种采用等离子体刻蚀和原位退火的工艺腔室结构，即刻蚀、退火两步都在同一腔体内完成，刻蚀后进入单独的冷却腔对硅基进行冷却，设备的腔室配置为刻蚀/退火腔室+冷却腔室；另一种采用刻蚀与退火分开进行处理的流程，这两步在不同的腔室中进行，设备的腔室配置为刻蚀腔室+退火腔室+冷却腔室。
发明人发现，根据现有技术的去除二氧化硅的装置需要多个腔室，设计复杂、成本高且产能低，并且工艺中产物为固态，影响刻蚀的均匀性以及小孔洞底部的清洗效率。因此，有必要开发一种简单高效地去除二氧化硅的刻蚀装置。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提出了一种应用于集成电路制造工艺中去除二氧化硅的气相刻蚀装置及设备，其能够通过分别控制反应腔室和放置晶片的基座的温度，使得去除二氧化硅后的晶片无需冷却，即可进行下一步工艺，设备仅采用刻蚀腔室，且无需在刻蚀腔室中集成退火功能或独立的退火腔室，更无需配置单独的冷却腔室，从而解决了现有技术去除二氧化硅的装置需要多个腔室，设计复杂、成本高且产能低的问题。
根据本发明的一方面，提出了一种气相刻蚀装置，所述装置包括：反应腔主体，所述反应腔主体内形成有反应腔室；基座，所述基座处于所述反应腔室的内部，用于承载晶片；进气件，所述进气件连接到所述反应腔主体，通过所述进气件向所述反应腔室的内部通入刻蚀剂；以及压力组件，所述压力组件连接到所述反应腔主体，控制所述反应腔室的压力，所述装置还包括：第一温度控制器，所述第一温度控制器连接到所述反应腔主体，控制所述反应腔室的温度为第一温度，所述第一温度使所述反应腔室不被所述刻蚀剂腐蚀；以及第二温度控制器，所述第二温度控制器连接到所述基座，控制所述基座的温度为第二温度，所述第二温度使所述晶片能够直接进行下一步工艺。
根据本发明的另一方面，提出了一种气相刻蚀设备，所述设备包括：反应装置，所述反应装置包括如上所述的气相刻蚀装置；以及传输装置，所述传输装置连接到所述反应装置，以使晶片在所述传输装置和所述反应装置之间传输。
根据本发明的去除晶片上的二氧化硅的装置的优点在于：
(1)分别控制反应腔室和放置有晶片的基座的温度，基座温度使得去除刻蚀后的晶片无需冷却，即可进行下一步工艺，工艺路线短、产能高；反应腔室温度使其不被刻蚀剂腐蚀；
(2)不需要在刻蚀腔室中集成退火功能或退火腔室，更无需配置单独的冷却腔室，设备仅采用刻蚀腔室，结构简单，成本低，灵活性强；单腔的结构更利于与后道工艺整合，集成到一个平台；
(3)不需要等离子体刻蚀，反应无固态生成物，生成物无需加热就可以被泵抽出腔室，提高了小孔底部的清洗效率；
(4)采用高压工艺，刻蚀剂更容易吸附着在硅片表面，加快反应速率，提高刻蚀选择比。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了具有自然氧化层的集成电路器件的示意图。
图2示出了根据本发明的气相刻蚀装置的结构示意图。
图3示出了根据本发明的气相刻蚀装置的喷淋头的结构示意图。
图4a和图4b分别示出了根据本发明的气相刻蚀装置的内衬组件的结构示意图。
图5示出了根据本发明的方法去除自然氧化层后的器件的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施方式1
图2示出了根据本发明的气相刻蚀装置的结构示意图。
在该实施方式中，根据本发明的气相刻蚀装置包括：反应腔主体201，所述反应腔主体201内形成有反应腔室203；基座209，所述基座209处于所述反应腔室203的内部，用于承载晶片；进气件202，所述进气件202连接到所述反应腔主体201，通过所述进气件202向所述反应腔室203的内部通入刻蚀剂；以及压力组件，所述压力组件连接到所述反应腔主体201，控制所述反应腔室203的压力。
在该实施方式中，所述装置还包括：第一温度控制器208，所述第一温度控制器208连接到所述反应腔主体201，控制所述反应腔室203的温度为第一温度，所述第一温度使所述反应腔室203不被所述刻蚀剂腐蚀；以及第二温度控制器207，所述第二温度控制器207连接到所述基座209，控制所述基座209的温度为第二温度，所述第二温度使所述晶片能够直接进行下一步工艺。
该实施方式通过分别控制反应腔室和放置晶片的基座的温度，使得去除二氧化硅后的晶片无需冷却，即可进行下一步工艺，设备仅采用刻蚀腔室，且无需在刻蚀腔室中集成退火功能或独立的退火腔室，更无需配置单独的冷却腔室，从而解决了现有技术去除二氧化硅的装置需要多个腔室，设计复杂、成本高且产能低的问题。
下面详细说明根据本发明的气相刻蚀装置的具体结构。
在一个示例中，如图2所示，在根据本发明实施方式的气相刻蚀装置中，反应腔主体201内形成有反应腔室203；基座209处于所述反应腔室203的内部，可以在基座209上放置晶片。进气件202可以连接到反应腔主体201，进气件202可以包括多个进气管道，每个进气管道上设置有气动阀213。在气动阀213开启的情况下，气态的刻蚀剂可以在进气件202内混合，并通过进气件202进入反应腔室203中。
在一个示例中，所述装置还可以包括：第一温度控制器208，所述第一温度控制器208连接到所述反应腔主体201，控制所述反应腔室203的温度为第一温度，所述第一温度使所述反应腔室不被所述刻蚀剂腐蚀；以及第二温度控制器207，所述第二温度控制器207连接到所述基座209，控制所述基座209的温度为第二温度，所述第二温度使所述晶片能够直接进行下一步工艺。优选地，第一温度控制器208可以为热交换器，第二温度控制器207可以为冷水机。然而，本领域技术人员应当理解，本发明并不限制于此，可以通过水、电等温度控制实现腔室和基座的温度控制。
在一个示例中，所述第一温度可以为50℃～90℃；所述第二温度可以为20℃～60℃。优选地，反应腔室203内的所述第一温度为70℃，基座209的所述第二温度为40℃。这样，基座的温度较低，使刻蚀剂与晶片上的二氧化硅在较低的温度下进行反应，从而不需要后续的退火腔室和冷却腔室，缩短了工艺路线，提高了产能；而反应腔室的温度较高，便于预防其被刻蚀剂腐蚀。
在一个示例中，在根据本发明实施方式的气相刻蚀装置中，压力组件可以连接到所述反应腔主体201，控制所述反应腔室203的压力。
在一个示例中，如图2所示，所述压力组件可以包括：压力控制器206，所述压力控制器206调节所述反应腔室203的压力为50Torr～300Torr，以提高所述气相刻蚀的刻蚀选择比。优选地，反应腔室203内的压力可以为200Torr。这样，调节反应腔室的压力，使刻蚀剂在高压力下反应，提高了刻蚀选择比和工艺效率
在一个示例中，所述压力组件还可以包括：干泵205，所述干泵205调节所述反应腔室203的湿度；以及分子泵204，所述分子泵204在工艺结束后从所述反应腔室203内抽出反应的副产物。压力控制器206、干泵205以及分子泵204可以组成真空***，在工艺进行时，通过压力控制器206实现对腔室压力的调节，通过干泵205控制反应腔室203的湿度；工艺结束后，通过分子泵204抽本底真空(抽出反应的副产物)，为晶片传输做准备。
图3示出了根据本发明的气相刻蚀装置的喷淋头的结构示意图。
在一个示例中，如图2和图3所示，根据本发明实施方式的气相刻蚀装置还包括喷淋头210。喷淋头210处于所述反应腔室203的上部，连接到所述进气件202。其中，所述喷淋头210可以为双层结构，包括上匀流板211和下匀流板212，从进气件202进入反应腔室203的刻蚀剂经由所述喷淋头210的上匀流板211和下匀流板212进入所述反应腔室203，所述上匀流板211的孔径可以大于所述下匀流板212的孔径。
举例来说，刻蚀剂先进入上匀流板211上方，上匀流板211对混合气体进行初步匀流，保证边缘与中心的气体能够快速匀流；然后，混合气体经过上匀流板211进入下匀流板212上方，由于上匀流板211的孔径要大于下匀流板212的孔径，因此能够保证下匀流板212上方的气体能够保证更高的压力，实现高压工艺的要求。下匀流板212的孔径可以小于1mm，例如，下匀流板212的孔径可以为0.5mm。
图4a和图4b分别示出了根据本发明的气相刻蚀装置的内衬组件的结构示意图。
在一个示例中，如图4a和图4b所示，根据本发明实施方式的气相刻蚀装置还可以包括内衬组件，内衬组件覆盖所述反应腔主体201的侧壁。其中，内衬组件可以包括第一内衬401和第二内衬402，所述反应的副产物先后经由所述基座209与所述第一内衬401之间的空隙A，以及所述第一内衬401与所述第二内衬402之间的空隙B进入所述压力组件的分子泵204。
反应腔室203中的内衬结构能够避免反应气体对反应腔室203造成腐蚀，产生颗粒。如图4a和图4b所示，气体经过喷淋头210的上匀流板211和下匀流板212，经过基座209与第一内衬401之间的空隙A，所述第一内衬401与所述第二内衬402之间的空隙B进入到排气***(压力组件)，被真空泵204抽走。为了满足高压工艺，基座209与第一内衬401之间的空隙A设计要求为＜2mm，第一内衬401与第二内衬402之间的空隙B设计要求为＜2mm，且A＜B，例如，A＝1.5mm，B＝2mm，以使混合气体(刻蚀剂)更少的进入到基座下方，保证混合气体的利用效率。
在一个示例中，所述进气件可以向反应腔室内通入脱水的氟化氢气体和脱水的醇类气体；所述脱水的氟化氢气体和脱水的醇类气体混合，可以生成刻蚀剂，以去除所述晶片上的二氧化硅。
在一个示例中，刻蚀剂可以包括例如HF与CH3OH的混合气体。在采用甲醇(CH3OH)的情况下，根据本发明的气相刻蚀装置的反应式可以表示为：
HF+CH3OH→HF2 -+CH3OH2 + (1)
HF2 -+CH3OH2 ++SiO2→SiF4+CH3OH+H2O (2)
脱水的HF气体和脱水CH3OH气体混合生成气态的刻蚀剂HF2 -和CH3OH2 +，然后HF2 -和CH3OH2 +混合与SiO2反应生成SiF4、CH3OH和H2O。
举例来说，在工艺过程中，晶片从传输腔室传输至反应腔室203，第二温度控制器207对基座209温度的控制，实现对晶片温度控制(20℃-60℃)，第一温度控制器208对反应腔室203等组件进行温度控制(50-90℃)。反应腔室203与晶片温度稳定后，将基座209升至工艺位，通入CH3OH与HF工艺气体进行工艺。工艺时，压力控制器206可以实现对压力的控制，压力范围为50Torr-300Torr。优选地，反应腔室内的压力为200Torr，工艺腔室内的温度为70℃，基座的温度为40℃。
在一个示例中，所述氟化氢气体的流量可以为100sccm-500sccm，所述醇类气体的流量为100sccm-1000sccm。进一步优选地，所述氟化氢气体的流量为150sccm-225sccm，所述醇类气体的流量为200sccm-450sccm。
在一个示例中，所述氟化氢气体与所述醇类气体的流量比可以为0.8～1.2:1。进一步优选地，所述氟化氢气体与所述醇类气体的流量比为1:1。
在一个示例中，所述醇类气体可以为C1-C8一元醇气体中的至少一种。进一步优选地，所述醇类气体为甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种。
图5示出了根据本发明的方法去除自然氧化层后的器件的示意图。相比于现有技术，根据本发明实施方式的气相刻蚀装置在去除自然氧化的SiO2层时，反应物可以被泵抽出，不再需要进行退火处理，省去了退火这一步工艺流程，且反应物气态SiF4被泵抽出，避免了固态生成物对小孔的堵塞，更加利于去除小孔底部，提高了去除效率。又因为反应温度低(一般为≤40℃)，晶片去除SiO2后不需要冷却可直接进行下步工艺，不需要在刻蚀腔室中集成退火功能或退火腔室，更无需配置单独的冷却腔室，设备仅采用刻蚀腔室，更加利于后道工艺的整合，简化了工艺路线，降低了成本，提高了产能。
而CH3OH具有吸水性，减少H2O在晶片表面残留。较高的工艺压力更容易让反应气体吸附在晶片表面并与SiO2反应，大大增加了晶片表面SiO2去除速率和均匀性。
根据本发明的另一方面，提出了一种气相刻蚀设备，所述设备包括：反应装置，所述反应装置包括如上所述仅采用刻蚀腔室的气相刻蚀装置；以及传输装置，所述传输装置连接到所述反应装置，以使晶片在所述传输装置和所述反应装置之间传输。
根据本发明的去除晶片上的二氧化硅的装置的优点在于：
(1)分别控制反应腔室和放置有晶片的基座的温度，基座温度使得去除刻蚀后的晶片无需冷却，即可进行下一步工艺，工艺路线短、产能高；反应腔室温度使其不被刻蚀剂腐蚀；
(2)不需要在刻蚀腔室中集成退火功能或退火腔室，更无需配置单独的与冷却腔室，设备仅采用刻蚀腔室，结构简单，成本低，灵活性强；单腔的结构更利于与后道工艺整合，集成到一个平台；
(3)不需要等离子体刻蚀，反应无固态生成物，生成物可以被泵抽出腔室，提高了小孔底部的清洗效率；
(4)采用高压工艺，刻蚀剂更容易吸附着在硅片表面，加快反应速率，提高刻蚀选择比。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果，并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。

Claims (8)

1.一种气相刻蚀装置，所述装置包括：
反应腔主体，所述反应腔主体内形成有反应腔室；
基座，所述基座处于所述反应腔室的内部，用于承载晶片；
进气件，所述进气件连接到所述反应腔主体，通过所述进气件向所述反应腔室的内部通入刻蚀剂；以及
压力组件，所述压力组件连接到所述反应腔主体，控制所述反应腔室的压力，
其特征在于，所述装置还包括：
第一温度控制器，所述第一温度控制器连接到所述反应腔主体，控制所述反应腔室的温度为第一温度，所述第一温度使所述反应腔室不被所述刻蚀剂腐蚀；以及
第二温度控制器，所述第二温度控制器连接到所述基座，控制所述基座的温度为第二温度，所述第二温度使所述晶片能够直接进行下一步工艺。
2.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述第一温度为50℃～90℃。
3.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述第二温度为20℃～60℃。
4.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述压力组件包括：
压力控制器，所述压力控制器调节所述反应腔室的压力为50Torr～300Torr，以提高所述气相刻蚀的刻蚀选择比。
5.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述装置还包括：
喷淋头，所述喷淋头处于所述反应腔室的上部，连接到所述进气件，
所述喷淋头包括上匀流板和下匀流板，所述刻蚀剂经由所述喷淋头的上匀流板和下匀流板进入所述反应腔室，
其中，所述上匀流板的孔径大于所述下匀流板的孔径。
6.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述装置还包括：
内衬组件，所述内衬组件覆盖所述反应腔主体的侧壁，
其中，所述内衬组件包括第一内衬和第二内衬，所述反应的副产物先后经由所述基座与所述第一内衬之间的空隙，以及所述第一内衬与所述第二内衬之间的空隙进入所述压力组件。
7.根据权利要求1所述的气相刻蚀装置，其特征在于，所述进气件向反应腔室内通入脱水的氟化氢气体和脱水的醇类气体；
所述脱水的氟化氢气体和脱水的醇类气体混合，生成刻蚀剂，以去除所述晶片上的二氧化硅。
8.一种气相刻蚀设备，其特征在于，所述设备包括：
反应装置，所述反应装置包括根据权利要求1-7中的任意一项所述的气相刻蚀装置；以及
传输装置，所述传输装置连接到所述反应装置，以使晶片在所述传输装置和所述反应装置之间传输。
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