[发明专利]等离子刻蚀设备

说明书

一种等离子刻蚀设备，用于对衬底进行等离子刻蚀，包括：第一隔室，具有拥有一定横截面积和形状的等离子生成区域；等离子生成装置，用于在等离子生成区域中生成等离子；第二隔室，生成的等离子能够流入第二隔室，第二隔室限定了具有一定的大于等离子生成区域的横截面积和形状的内部；第三隔室，具有用于对具有待等离子刻蚀的上表面的衬底进行支承的衬底支承件，第三隔室具有与第二隔室的界面，以使得等离子或者一种或更多与等离子相关的刻蚀剂可流出第二隔室对衬底进行刻蚀；第二隔室的内部的横截面积与形状大体上对应于衬底的上表面；以及衬底支承件使得，在使用中，衬底与第二隔室的内部大体配准，并且衬底上表面与界面相距80mm或更少。

技术领域

本发明涉及一种等离子刻蚀设备、相关的整套装置以及衬底的等离子刻蚀方法。

背景技术

用于在半导体晶圆上制造器件的工艺包括在各种等离子刻蚀工具中实现的大量的等离子刻蚀工艺步骤。通常来说，等离子刻蚀工艺被用于选择性地将材料从并未覆盖有掩膜的晶圆区域上去除。在例如硅、砷化镓(GaAs)、铝和二氧化硅等材料中的刻蚀深度能够在几纳米到几百微米之间变化。在所有的等离子刻蚀工艺中，一般要求提供一致的可重复的刻蚀工艺。这些性质在裸片(在几平方毫米或者平方厘米的区域上)内以及在整个晶圆(目前为300毫米的直径，尽管更大的直径在将来可能成为商业规范)上应该是明显的

由于等离子刻蚀工具和净室的高成本，并且还因为净室占地空间十分稀缺的，因而净室空间的高效利用是很重要的，所以能够尽快对特征进行刻蚀当然在经济上是有益的。遗憾的是，在实践中的大多数情况下，高刻蚀速率的使用带来的工艺时间的减少产生了不太一致的工艺性能。由此，通常进行折中以使得一致性和刻蚀速率都处于可接受的水平。当需要很长的刻蚀工艺时间以在硅中刻蚀诸如MEMS结构或硅通孔(TSV)之类的深的特征(几十到几百微米)时达到高刻蚀速率与晶圆上的刻蚀一致性之间的最近平衡尤为重要。为了形成这些类型的深的硅刻蚀特征，通常使用被称为“Bosch工艺”的循环沉积/刻蚀步骤。Bosch工艺在现有技术中是众所周知的，并且在例如US5501893中进行了描述。

相应地，已经进行了大量的研究以在不牺牲刻蚀一致性的情况下增大刻蚀速率。现有技术的代表性示例包括US2006/0070703和US7371332。在本领域中广泛接受的常识是等离子刻蚀工具所使用的处理隔室的内直径远大于其所处理的晶圆的直径。对于同样构成本领域所接受的常识的该手段存在技术解释。更加具体地，处理隔室具有比所处理晶圆的直径明显更大的直径具有有益效果，因为我们相信在这样的系统中更容易得到一致的等离子，同时导致等离子中的非一致性的隔室的壁的损失在远离所处理的晶圆边缘处出现。US2006/0070703的图1为典型现有技术中单晶圆ICP等离子刻蚀系统的代表性示意图。如该图中所描绘的，圆柱形的隔室具有放置待处理圆形晶圆的中央压盘支承件或者静电卡盘(ESC)。通过在此情况下为多匝线圈的天线将RF电力耦合到隔室内的气体来引发和维持等离子。使用合适的泵送装置使气体进入到隔室的顶部并且使刻蚀工艺的副产物从隔室底部排出。晶圆压盘在一定的系统配置中可以被RF驱动，从而如现有技术中已知的那样对入射到晶圆表面的离子进行进一步控制。尽管US2006/0070703的图1是示意性的，然而实际上，晶圆与隔室的相对尺寸是现有技术的大体上精确的表示。

本发明的发明人认识到当在如US2006/0070703的图1所示类型的标准等离子刻蚀隔室中对晶圆进行刻蚀时，一部分活性刻蚀气体通过沿着隔室的侧面向下流动而完全绕过晶圆。本发明的发明人还认识到其气体利用是没有效率的。因为泵送发生在晶圆表面以下，引入到隔室中的大多数气体可能不会到达晶圆表面。例如，对于如US2006/0070703的图1所示类型的具有350mm直径的隔室以及隔室中央的200mm直径的晶圆，大约三分之二的气流将直接从泵中排出。此外，本发明的发明人认识到该配置在晶圆的中央附近导致较高的刻蚀速率并且在晶圆外围观察到较低的刻蚀速率。图1对此进行示意性地表示，其示出了硅刻蚀速率，该硅刻蚀速率是距离晶圆中心的位置的函数。能够看到，现有技术的配置促进了中央的高刻蚀速率，该刻蚀速率基本随刻蚀剂的浓度梯度而变化，该浓度梯度是从隔室中心到晶圆外围的距离的函数。