[发明专利]一种用于时分复用（TDM）蚀刻工艺中的过程控制的方法和装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2003年4月7日申请的主题为“一种用于时分复用(TDM)蚀刻工艺中的过程控制的方法和装置”的共有美国临时专利申请系列号60/460,932的优先权并且与其相关，该临时专利申请的内容援引于此作为参考。本申请是2004年3月31日申请的主题为“一种用于时分复用(TDM)蚀刻工艺中的过程控制的方法和装置”的共同未审申请系列号10/815,965的部分后续申请，其内容援引于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种半导体晶片加工领域。尤其是，本发明涉及一种用于在时分复用蚀刻和淀积工艺期间控制反应腔室压力的方法和装置。

背景技术

在硅中制作高纵横比特征被广泛应用于在微型机电系统(MEMS)的制造中。这种特征经常具有范围从十几到几百微米的深度。为了确保可制造性，蚀刻工艺必须以高蚀刻速率操作，以维持合理的吞吐量以其它性能要求例如光滑蚀刻断面。

传统的、单一步骤的等离子蚀刻工艺不能同时满足这些要求，已经开发了时分复用蚀刻工艺。Suzuki等(U.S.4,579,623)，Kawasaki等(U.S.4,795,529)和Laermer等(U.S.5,501,893)已经描述了用于蚀刻硅的时分复用(TDM)方法。TDM蚀刻工艺通常采用交替的蚀刻和淀积步骤。例如，在蚀刻硅(Si)衬底时，六氟化硫(SF₆)用作蚀刻气体，八氟环丁烷(octofluorocyclobutane，C₄F₈)作为淀积气体。在蚀刻步骤中，SF₆便于硅(Si)的自发和各向同性蚀刻；在淀积步骤，C₄F₈便于在蚀刻结构的侧壁和底部上的保护聚合物钝化。在之后的蚀刻步骤中，在进行高能和有方向性的离子轰击时，通过之前的淀积步骤而覆在蚀刻结构底部的聚合物膜将被除去以暴露了硅表面，用于进一步蚀刻。在侧壁上的聚合物膜仍然保留着，防止横向蚀刻。TDM工艺在蚀刻和淀积工艺步骤之间循环交替，以使得可以以高蚀刻速率在掩模的硅衬底中限定出高纵横比结构。

在每个工艺步骤中，气体(例如，SF₆和C₄F₈)通过气体入口以在工艺操作单(recipe)所指定的流速引入反应腔室。TDM蚀刻工艺通常在高密度等离子体反应器(即，感应耦合等离子体(ICP)，电子回旋加速器(ECR)等)中进行。

TDM工艺操作单由一系列工艺循环和步骤组成。每个循环由两个或多个控制工艺变量(即，气体流速、腔室压、RF功率、工艺步骤时间、腔室温度、晶片温度等)的工艺步骤组成。在执行整个工艺操作单中的下一个步骤或者循环之前，将一个循环内的步骤重复多次。已知，随着循环重复来改变工艺步骤的参数以提高蚀刻性能，在现有技术中称之为工艺变形(morphing)(见，Teixeira等的U.S.6,417,013)所知的那样。

压力控制是蚀刻和淀积工艺的重要部分。必须仔细控制腔室内的工艺气体的流速和压力，以便提供用于可重复的制造工艺的期望的淀积和蚀刻特性。

TDM等离子体反应器抽空系统通常包括通过节流阀与反应腔室分离的涡轮泵。压力控制器使用来自压力计的反应器腔室压力数据来控制节流阀。控制器打开或关闭节流阀以增加或降低从涡轮泵提供给反应腔室的真空。以这种方式，控制器可以在反应腔室内保持期望的压力。在TDM工艺期间，腔室压力设定点和气流流速在工艺循环内循环地交替。气流可以为单个组分也可以为多组分的混合物。压力控制器必须调节节流阀位置以补偿这些变化的气流和压力状态。理想状态下，压力控制器调节节流阀位置以便即时获得压力设定点而不会出现压力设定点过冲或下冲。

目前可用的节流阀和控制器通常以压力控制模式或位置控制模式工作。在压力控制模式中，控制器监控反应腔室中的压力并且通过调节节流阀的位置来维持设定点压力(即，闭环压力控制)。在位置控制模式中，控制器将节流阀定位在设定点位置，而不监控腔室压力(即，开环压力控制)。