CN109065432A - 一种干法刻蚀设备 - Google Patents

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盖晨光
陈杰
刘家桦
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Abstract

本发明提供一种干法刻蚀设备，包括：气体供给部，所述气体供给部位于所述干法刻蚀设备的上电极中，与晶圆平行设置，所述气体供给部的下表面面积不小于所述晶圆的上表面面积；所述气体供给部自内而外依次包括中心区、包围所述中心区的中间区及包围所述中间区的边缘区，其中，所述边缘区划分为至少两个边缘区气体室，所述边缘区气体室贯穿所述边缘区；通过调节所述气体供给部各区域中的反应气体，使所述晶圆具有均匀的刻蚀速率。

Description

一种干法刻蚀设备
技术领域
本发明属于半导体设备领域，涉及一种干法刻蚀设备。
背景技术
刻蚀(etching)是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术，实际上，狭义理解就是光刻腐蚀，先通过光刻将光刻胶进行光刻曝光处理，然后通过其它方式实现腐蚀处理以移除所需除去的部分。通常刻蚀技术可以分为湿法刻蚀(wet etching)和干法刻蚀(dry etching)两类，它是半导体制造工艺、微电子制造工艺以及微纳米级制造工艺中的一种相当重要的步骤，是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的主要工艺。
等离子刻蚀，是干法刻蚀中最常见的一种形式，其原理是：将暴露在电子区域的气体形成等离子体，等离子体通过电场加速时，会释放足够的能量，促使等离子体与材料表面发生反应。目前，在半导体行业中，干法刻蚀中的等离子刻蚀由于可以使电路图形变得更加精细，因此得到越来越广泛的使用。
等离子刻蚀设备通常包括：反应腔、一对由上电极和下电极组成的平行平板电极，所述上电极包括气体室，用于向反应腔提供反应气体。等离子刻蚀工艺步骤一般为：将晶圆送入反应腔中，反应气体自气体室通入反应腔中，在平行平板电极上施加高频电压，电极间形成高频电场，在高频电场的作用下，反应气体形成等离子体，等离子体在晶圆表面发生反应，对晶圆进行刻蚀。在刻蚀过程中，通常是一边在晶圆上方通入反应气体，同时在晶圆下方进行抽气，以排除反应产生的挥发性副产物。
现有的干法刻蚀设备中，一般反应气体的进气方式是从反应腔的上方进入反应腔的中心及边缘，仅能粗略的调控反应气体的分布，不能对反应气体的分布进行精确的调节，而且在现有的Lam机台中，如图1所示，在静电吸盘(ESC)100的下方常常含有一凸出悬臂200，此悬臂200会影响抽气时晶圆300的边缘区域的反应气体的分布均匀性，导致晶圆300的边缘区域的刻蚀速率不同，从而导致悬臂200附近的晶圆300的边缘区域的刻蚀与其它晶圆300的边缘区域的刻蚀状态具有差异，在晶圆300的边缘区域产生刻蚀异常区301，导致晶圆300的边缘区域的刻蚀速率不同，晶圆300的边缘区域刻蚀不均匀，影响后续制备的晶圆300的质量。
基于以上所述，提供一种干法刻蚀设备，用于精确的调节反应气体的分布，提高晶圆的边缘区域的反应气体的均匀性，使得晶圆的边缘区域的刻蚀速率概呈相同，晶圆的边缘区域刻蚀均匀，提高后续制备的晶圆的质量，已成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种干法刻蚀设备，用于解决现有技术中仅能粗略的调控反应气体的分布，不能精确的调节反应气体的分布，及在现有的Lam机台中，由于在ESC下方含有的凸出悬臂，造成抽气时晶圆的边缘区域的反应气体分布不均匀，导致晶圆的边缘区域的刻蚀速率不同，晶圆的边缘区域的刻蚀不均匀，影响后续制备的晶圆质量的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种干法刻蚀设备，包括：气体供给部，所述气体供给部位于所述干法刻蚀设备的上电极中，与晶圆平行设置，所述气体供给部的下表面面积不小于所述晶圆的上表面面积；所述气体供给部自内而外依次包括中心区、包围所述中心区的中间区及包围所述中间区的边缘区，其中，所述边缘区划分为至少两个边缘区气体室，所述边缘区气体室贯穿所述边缘区；通过调节所述气体供给部各区域中的反应气体，使所述晶圆具有均匀的刻蚀速率。
优选地，所述边缘区的形貌包括环形，所述边缘区气体室的形貌包括扇形。
优选地，所述边缘区的宽度与所述气体供给部的宽度比的范围为1/8～1/4。
优选地，所述中间区及所述边缘区具有相同的宽度。
优选地，所述中心区及中间区分别包括多个气体室。
优选地，所述边缘区包括N个所述边缘区气体室，其中，3≤N≤15。
优选地，所述反应气体的种类包括氧气、四氟化碳、六氟乙烷、全氟丙烷、八氟环丁烷、六氟丁二烯、八氟环戊烯、三氟化氮及氩气所组成群组中的一种或两种以上。
优选地，调节所述反应气体的方法包括对所述反应气体的种类、浓度、流量、速度及方向的调节中的一种或组合。
优选地，不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类相同或者不同。
优选地，所述边缘区气体室等分所述边缘区。
优选地，所述干法刻蚀设备还包括与所述上电极平行设置的下电极，所述下电极还包括悬臂，所述悬臂位于所述边缘区气体室的下方。
优选地，不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类不同，位于所述悬臂上方的所述边缘区气体室中的所述反应气体对所述晶圆的刻蚀速率大于相邻的所述边缘区气体室中的所述反应气体对所述晶圆的刻蚀速率。
优选地，不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类相同，位于所述悬臂上方的所述边缘区气体室中的所述反应气体的流量大于相邻的所述边缘区气体室中的所述反应气体的流量的范围为0.1～2sccm。
优选地，所述干法刻蚀设备包括等离子体刻蚀设备。
如上所述，本发明的干法刻蚀设备，具有以下有益效果：通过边缘区气体室的分布及调节各边缘区气体室中的反应气体，使晶圆的边缘区域具有均匀的刻蚀速率，使得抽气时，晶圆的边缘区域的反应气体分布均匀，晶圆的边缘区域的刻蚀速率概呈相同，提高晶圆的边缘区域的刻蚀均匀性；通过调节位于中心区、中间区及边缘区的反应气体，使得晶圆的表面具有概呈相等的刻蚀速率，从而提高制备的晶圆的质量。
附图说明
图1显示为现有技术中晶圆表面刻蚀完成后的结构示意图。
图2显示为本发明中干法刻蚀设备的结构示意图。
图3显示为本发明中反应腔进行抽气时晶圆边缘区域反应气体的运行路径示意图。
图4显示为本发明中气体供给部的结构示意图。
元件标号说明
100、110 静电吸盘
200、210 悬臂
300、310 晶圆
301 刻蚀异常区
410 气体供给部
411 中心区
412 中间区
413 边缘区
510 真空泵
610 运行路径
710 边缘区气体室
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图2至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示，本发明提供一种干法刻蚀设备，所述干法刻蚀设备包括等离子体刻蚀设备。在所述干法刻蚀设备内的底部设有用来载置晶圆310、与所述晶圆310具有大致相同形貌的静电吸盘110，所述晶圆310包括中心区域、中间区域及边缘区域，所述中心区域、中间区域及边缘区域的面积比范围为6:1:1～2:1:1。所述干法刻蚀设备的底部设有抽气装置，如真空泵510。在所述静电吸盘110的上方设有与所述静电吸盘110平行设置的上电极，所述上电极包括气体供给部410，用于向反应腔提供反应气体，所述气体供给部410与所述晶圆310平行设置且位于所述晶圆310的正上方，所述气体供给部410的下表面面积不小于所述晶圆310的上表面面积。所述气体供给部410具有多区域分布，自内而外依次包括中心区411、包围所述中心区411的中间区412及包围所述中间区412的边缘区413，其中，所述边缘区413划分为至少两个边缘区气体室710，所述边缘区气体室710贯穿所述边缘区413；通过调节所述气体供给部410中的所述中心区411、中间区412及边缘区413中的所述边缘区气体室710中的反应气体，使所述晶圆310具有均匀的刻蚀速率。
作为示例，所述干法刻蚀设备还包括硅等导电性材料形成的边缘环，所述边缘环包围所述晶圆310的边缘区域，所述边缘环的上表面高于所述晶圆310的上表面。具有导电性的所述边缘环用以提高所述晶圆310表面的所述反应气体分布的均匀性，从而提高所述晶圆310的表面刻蚀均匀性。
具体的，放入所述反应腔内的所述晶圆310被所述静电吸盘110所吸附，从而固定所述晶圆310的位置；在刻蚀过程中，由所述上电极中的所述气体供给部410向所述晶圆310上方通入所述反应气体，位于所述反应腔下部的下电极提供高频电压，在电极间形成高频电场，在高频电场的作用下，将所述反应气体等离子化，形成刻蚀所述晶圆310的等离子体，对所述晶圆310进行刻蚀；同时在所述晶圆310的下方由所述真空泵510进行抽气，以排除反应产生的挥发性副产物，如反应产生的具有粘附性的聚合物、多余的所述反应气体及等离子体等，在所述反应腔中形成所述反应气体的运行路径610。
作为示例，所述边缘区413的形貌包括环形，所述边缘区气体室710的形貌包括扇形。
具体的，所述气体供给部410的形貌概呈圆形，所述边缘区413的形貌为环形，位于所述边缘区413中的所述边缘区气体室710的形貌为扇形，所述边缘区气体室710内部可包含若干均匀分布的相互连接或独立的气体喷出口，所述反应气体自所述气体喷出口通入所述反应腔，通过所述气体喷出口可调节所述反应气体的方向，从而控制位于所述晶圆310的边缘区域的所述反应气体的方向。所述中心区411的投影面积与所述晶圆310的中心区域的投影面积概呈相等，所述中间区412的投影面积与所述晶圆310的中间区域的投影面积概呈相等，所述边缘区413的投影面积不小于所述晶圆310的边缘区域的投影面积。在另一实施例中，所述边缘区413的形貌及所述边缘区气体室710的形貌也可采用其它形貌，此处不作限制。
作为示例，所述边缘区413的宽度与所述气体供给部410的宽度比的范围为1/8～1/4，且所述中间区412及所述边缘区413具有相同的宽度。
具体的，由于所述晶圆310的边缘区域易出现刻蚀速率不均匀的现象，当所述边缘区413的宽度的投影覆盖所述晶圆310的边缘区域的宽度时，有利于改善所述晶圆310的边缘区域的刻蚀速率，因此，本实施例中，所述边缘区413的宽度与所述气体供给部410的宽度比的范围优选为1/4，且所述中间区412与所述边缘区413具有相同的宽度，因此，所述中间区412与所述气体供给部410的宽度比的范围为1/4，所述中心区411与所述气体供给部410的宽度比的范围为1/4。在另一实施例中，也可根据所述晶圆310的具体尺寸选择所述边缘区413、中间区412及中心区411的宽度范围，此处不作限制。
作为示例，所述中心区411及中间区412还分别包括多个气体室。
具体的，所述中心区411可包括2～5个中心区气体室，所述中间区412也可包括2～10个中间区气体室，以增加所述气体供给部410的区域分布，便于分区域提供不同的所述反应气体，从而便于对所述晶圆310的表面的不同区域进行控制，使所述晶圆310的表面具有均匀的刻蚀速率。本实施例中，所述气体供给部410的形貌呈圆形、所述边缘区413及所述中间区412的形貌为环形，且所述边缘区413及所述中间区412具有相同的宽度、所述中心区411的形貌呈圆形，所述气体室710的形貌为扇形，在另一实施例中，所述气体供给部410、边缘区413、中间区412、中心区411及边缘区气体室710的形貌及其宽度范围也可根据需要进行选择，所述中心区411还可包括2～5个所述中心区气体室，所述中间区412还可包括2～10个所述中间区气体室，所述中心区气体室及中间区气体室，也可包括在相应区中等分或非等分中的一种或组合，所述中心区气体室及中间区气体室的形貌、宽度及面积，本领域技术人员可根据具体需求进行选择，此处不作限制。
作为示例，所述边缘区413包括N个所述边缘区气体室710，其中，3≤N≤15；所述边缘区气体室710等分所述边缘区413。
具体的，通过对所述边缘区气体室710进行控制，可对所述晶圆310的边缘区域分别进行控制，从而使得所述晶圆310的边缘区域具有均匀的刻蚀速率，提高后续制备的所述晶圆310的质量。因此，所述边缘区气体室710的个数越多，越有利于对所述晶圆310的边缘区域的刻蚀速率的控制，但同时会增加工艺复杂度，因此本领域技术人员可根据具体需求设置所述边缘区气体室710的个数以及所述边缘区气体室710的范围，此处不作限制。
作为示例，所述反应气体包括氧气(O2)、四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C2F6)、全氟丙烷(C3F8)、八氟环丁烷(C4F8)、六氟丁二烯(C4F6)、八氟环戊烯(C5F8)、三氟化氮(NF3)及氩气(Ar)所组成群组中的一种或两种以上。
作为示例，调节所述反应气体的方法包括对所述反应气体的种类、浓度、流量、速度及方向的调节中的一种或组合。
具体的，包括调节位于所述中心区411、所述中间区412及所述边缘区413的所述反应气体，通过调节具有多区域分布的所述气体供给部410中的所述反应气体的种类、浓度、流量、速度及方向中的一种或组合，使得所述晶圆310的表面具有概呈相等的刻蚀速率。
作为示例，当不同的所述边缘区气体室710中，所述反应气体的种类相同时，所述反应气体的浓度、流量、速度及方向中的一种或组合不同；或不同的所述边缘区气体室710中，所述反应气体的种类不同，以在所述晶圆310的边缘区域形成不同的控制区域，从而对所述晶圆310的边缘区域实行不同的控制，最终使所述晶圆310的边缘区域达到均匀的刻蚀速率。
作为示例，所述干法刻蚀设备还包括与所述上电极平行设置的下电极，所述下电极还包括悬臂210，所述悬臂210位于所述边缘区413中的所述边缘区气体室710的下方，且所述边缘区气体室710的投影面积大于所述悬臂210的投影面积。
具体的，如图3所示，当所述真空泵510进行抽气时，由于所述干法刻蚀设备中包含有所述悬臂210，所述悬臂210会阻挡所述反应气体的运行，使得所述晶圆310的边缘区域出现所述运行路径610，所述运行路径610非对称，因此造成所述晶圆310的边缘区域的刻蚀速率不均匀，导致所述晶圆310的边缘区域刻蚀不均匀。因此，在所述悬臂210的上方的所述边缘区413中，设置投影面积大于所述悬臂210的投影面积的所述边缘区气体室710，可对所述边缘区气体室710进行单独控制，以补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题。
作为示例，如图4所示，所述边缘区413等分为10个所述边缘区气体室710，且所述边缘区气体室710的投影面积大于所述悬臂210的投影面积。
具体的，所述悬臂210的投影面积约占所述边缘区413的1/12，因此，本实施例中，所述边缘区413等分为10个所述边缘区气体室710，且所述边缘区气体室710的投影面积大于所述悬臂210的投影面积，以便于补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题。
作为示例，不同的所述边缘区气体室710中，所述反应气体的种类可以不同，位于所述悬臂210上方的所述边缘区气体室710中的所述反应气体对所述晶圆310的刻蚀速率大于相邻的所述边缘区气体室710中的所述反应气体对所述晶圆310的刻蚀速率，以补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题。
具体的，当不同的所述边缘区气体室710中，通入的所述反应气体的种类不同时，可通过在位于所述悬臂210上方的所述边缘区气体室710中增加如O2，以提高位于所述悬臂210附近的所述晶圆310的边缘区域的刻蚀速率，以补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题，使得所述晶圆310的边缘区域具有概呈相等的刻蚀速率。
作为示例，不同的所述边缘区气体室710中，所述反应气体的种类也可相同，位于所述悬臂210上方的所述边缘区气体室710中的所述反应气体的流量大于相邻的所述边缘区气体室710中的所述反应气体的流量的范围为0.1～2sccm。
具体的，当不同的所述边缘区气体室710中，通入的所述反应气体的种类相同时，可通过调节所述边缘区气体室710中的所述反应气体的浓度、流量、速度及方向中的一种或组合，以补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题，使得所述晶圆310的边缘区域具有概呈相等的刻蚀速率。本实施例中，通过调节所述边缘区气体室710中的所述反应气体的流量，使得位于所述悬臂210上方的所述反应气体的流量超出相邻的所述边缘区气体室710中的所述反应气体的流量的1sccm，较之其它调节所述反应气体的方法，便于操作，同时可降低成本。在另一实施例中，也可调节所述边缘区气体室710中的所述反应气体的浓度、速度及方向中的一种或所述反应气体的浓度、流量、速度及方向的组合，以补偿由于所述悬臂210所造成的所述反应气体在所述晶圆310的边缘区域分布不均匀的问题，使得所述晶圆310的边缘区域具有概呈相等的刻蚀速率，此处不作限制。
综上所述，本发明的干法刻蚀设备通过边缘区气体室的分布及调节各边缘区气体室中的反应气体，使晶圆的边缘区域具有均匀的刻蚀速率，使得抽气时，晶圆的边缘区域的反应气体分布均匀，晶圆的边缘区域的刻蚀速率概呈相同，提高晶圆的边缘区域的刻蚀均匀性；通过调节位于中心区、中间区及边缘区的反应气体，使得晶圆的表面具有概呈相等的刻蚀速率，以提高制备的晶圆的质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种干法刻蚀设备，其特征在于，所述干法刻蚀设备包括：
气体供给部，所述气体供给部位于所述干法刻蚀设备的上电极中，与晶圆平行设置，所述气体供给部的下表面面积不小于所述晶圆的上表面面积；所述气体供给部自内而外依次包括中心区、包围所述中心区的中间区及包围所述中间区的边缘区，其中，所述边缘区划分为至少两个边缘区气体室，所述边缘区气体室贯穿所述边缘区；通过调节所述气体供给部各区域中的反应气体，使所述晶圆具有均匀的刻蚀速率。
2.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述边缘区的形貌包括环形，所述边缘区气体室的形貌包括扇形。
3.根据权利要求2所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述边缘区的宽度与所述气体供给部的宽度比的范围为1/8～1/4。
4.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述中间区及所述边缘区具有相同的宽度。
5.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述中心区及中间区还分别包括多个气体室。
6.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述边缘区包括N个所述边缘区气体室，其中，3≤N≤15。
7.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述反应气体的种类包括氧气、四氟化碳、六氟乙烷、全氟丙烷、八氟环丁烷、六氟丁二烯、八氟环戊烯、三氟化氮及氩气所组成群组中的一种或两种以上。
8.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：调节所述反应气体的方法包括对所述反应气体的种类、浓度、流量、速度及方向的调节中的一种或组合。
9.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类相同或者不同。
10.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述边缘区气体室等分所述边缘区。
11.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述干法刻蚀设备还包括与所述上电极平行设置的下电极，所述下电极还包括悬臂，所述悬臂位于所述边缘区气体室的下方。
12.根据权利要求11所述的干法刻蚀设备，其特征在于：不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类不同，位于所述悬臂上方的所述边缘区气体室中的所述反应气体对所述晶圆的刻蚀速率大于相邻的所述边缘区气体室中的所述反应气体对所述晶圆的刻蚀速率。
13.根据权利要求11所述的干法刻蚀设备，其特征在于：不同的所述边缘区气体室中，所述反应气体的种类相同，位于所述悬臂上方的所述边缘区气体室中的所述反应气体的流量大于相邻的所述边缘区气体室中的所述反应气体的流量的范围为0.1～2sccm。
14.根据权利要求1所述的干法刻蚀设备，其特征在于：所述干法刻蚀设备包括等离子体刻蚀设备。
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