用于在干刻蚀期间防止晶片边缘损坏的装置的制作方法

文档序号:2913465阅读:220来源:国知局
专利名称:用于在干刻蚀期间防止晶片边缘损坏的装置的制作方法
技术领域
本发明涉及在刻蚀半导体晶片中使用的等离子反应器,更具体地说,本发明涉及一种改进的等离子刻蚀装置,以消除由刻蚀工艺引起的半导体晶片损坏。
背景技术
考虑到有效制造成本,集成电路(IC)制造商必须不断努力地取得在晶片上较高的芯片生产量。目前,由于工业趋于较大的例如300nm的晶片尺寸。由于设备的高花费,增加芯片产量的需要甚至是更加重要。能损坏芯片的多个工艺步骤影响IC芯片生产量。损坏能发生在许多方面,包括由设备设计、颗粒污染、用工具把持晶片引起的损坏,以及由附加工艺步骤产生的损坏,例如在给定工艺之后需要的晶片清洁。
一种广泛使用的IC制造工艺是用在形成晶片中结构的干刻蚀或等离子刻蚀。等离子体是含有正负带电颗粒(电子和正或负离子)加上自由原子团的高度离子化的气体。带电颗粒用于溅射工艺中的刻蚀,其基本上是物理刻蚀,以及自由原子团用于化学刻蚀。自由原子团是化学活化的、电中性原子或分子,当接触其他材料时,其能激活地形成化学键;以及在等离子刻蚀工艺中自由原子团作为反应种类,其化学地结合要被刻蚀的材料。选择气体以便当形成等离子时,自由原子团形成为结合待刻蚀的材料,以产生挥发性化合物,其通过抽气装置从系统除去。在该工艺中,使用掩模以保护不需要被刻蚀的区域。本领域所公知的掩模工艺典型地留下具有暴露的1至3mm的暴露到刻蚀气体中的晶片边缘部分,依赖于所使用的掩模类型。在接下来的刻蚀工艺期间,晶片的边缘能被刻蚀工艺直接地损坏或者被二次反应间接地损坏。损坏的类型和程度依赖于所执行的刻蚀类型,但是最终结果是损坏晶片边缘并且潜在地损坏靠近边缘的芯片,从而降低整个芯片生产量。随着设备和晶片工艺的高成本,这些生产量的损耗将变得越来越不能接受。
通过几种不同的方法能产生等离子刻蚀损坏。在等离子刻蚀的一些类型中,例如在深沟槽或者微电子机械(MEM)器件制造中,使用例如介质的硬掩模材料(例如,二氧化硅、硼硅酸盐玻璃)。晶片的整个表面上刻蚀不均匀性是普遍存在的问题并且是由于晶片表面上的不均匀工艺气体分布、在晶片边缘处的不均匀晶片负载、以及放射状地不均匀等离子产生和晶片偏置所引起的。对于刻蚀不均匀的一种解决方法是把晶片放置在聚焦环上。通过改善晶片上的晶片负载和晶片偏置,聚焦环有效地改善刻蚀的不均匀性。这种方法的主要问题是聚焦环成为被消耗的,并且在现有等离子设备的状态下,在等离子反应室中聚焦环是典型可消耗的最高成本。在例如Tomoaki Ishida的美国专利No.5,246,532中修改了聚焦环设计,其中在聚焦环中设置永磁铁并且在工艺反应室中设置磁场产生装置,以抵制聚焦环中的永磁铁,使得环上升到反应室中的一定高度并且使得刻蚀工艺被调整以改善均匀性。然而,这样不能消除或防止在晶片边缘处的刻蚀损坏和能影响存在于晶片边缘处的、引起损坏的条件的等离子刻蚀中的其它内在因素,并且不能防止在晶片刻蚀期间聚焦环的消耗。例如,在硅刻蚀期间,在晶片的边缘处具有硅的减小水平,这是因为晶片的有限面积具有产生的很少的硅刻蚀副产品。对硅的边缘缺乏保护引起硅的更多的刻蚀。由于连续等离子刻蚀,在边缘的不均匀刻蚀导致所公知的黑硅(black silicon)现象。黑硅的特性是易碎的、枝状结晶类的硅结构。这些易碎的枝状结晶体能中断并且落回到晶片表面上,引起颗粒污染。因此,沿着晶片的边缘在外部芯片内能形成黑硅,使它们不可用。
有几种公知的方法可以防止黑硅。第一种方法是使用具有盖环的掩模开口装置以防止在晶片边缘处的掩模损失。这种方法防止因变薄的掩模引起的损坏,但是导致在晶片边缘处的严重刻蚀不均匀,其不会通过聚焦环纠正,并且不能防止由掩模选择性改变引起的不均匀刻蚀。
降低黑硅损坏的第二种方法是在硅刻蚀工艺期间使用盖环以防止在边缘的掩模损失。类似地,这种方法防止由于在边缘的薄掩模而使晶片边缘刻蚀,但是它能防碍在盖环附近的硅刻蚀,导致减少刻蚀或根本没有刻蚀。因此,当使用盖环时,减少的硅负载从晶片的边缘向内移动,导致微掩模(micromasking)通常指为“灰硅”。
在通过称作倾斜反应离子蚀刻(RIE)的公知工艺的刻蚀工艺之后,黑硅的去除是可能的。在倾斜RIE中,用光刻胶旋涂晶片,并且除去晶片边缘或边缘沿口。进行各向同性的、非选择性蚀刻以去除晶片边缘处的黑硅。这种方法不能防止形成黑硅,而是在除去由刻蚀工艺产生的黑硅的刻蚀之后的清洁步骤。在形成黑硅之后进行清洁存在一个问题如果在刻蚀和同向刻蚀步骤之间存在工艺步骤,那么黑硅的枝状结晶体能中断并且重新淀积到晶片上成为颗粒污染。
当低k材料被结合到IC结构中时,出现其它公知的等离子刻蚀问题。在低k介电材料的刻蚀期间,在晶片和聚焦环之间的“晶片飞弧”引起金属烧损和在晶片边缘上的飞弧痕迹并且能沿边缘延伸到芯片内。在“WaferArcing-Etch’s Secret Hurdle”(Ahwming Ma,半导体国际,2002年10月)中描述了这种等离子刻蚀现象。由于电荷通量的差异,在晶片和聚焦环之间形成充电微分,从而引起飞弧。在晶片上的介电材料存储不同于石英聚焦环的电荷。飞弧使得在等离子反应室中产生颗粒,该颗粒能在晶片上重新淀积成为颗粒污染,还有飞弧燃烧。
由介电材料的等离子刻蚀引起的晶片损坏的另一种形式是在靠近晶片边缘的晶片背面,聚合物的刻蚀副产品重新淀积。尽管通过接下来的背面清洁或刻蚀可以除去聚合物副产品,这些附加的工艺增加了已经复杂的IC工艺的复杂性。
因此,仍然需要一种避免在等离子刻蚀期间发生的半导体晶片损坏的等离子刻蚀装置。

发明内容
由于上面所述,本发明的一个发明目的是提供一种用于晶片的等离子处理的装置以减少由带电颗粒产生的损坏。根据本发明,提供一环(ring),其具有设置在环中的磁铁,该环包围晶片并且靠近晶片的边缘。由磁铁产生的磁场使入射到晶片的边缘部分上的带电颗粒偏转。磁场限制在边缘部分并且仅仅使可以使晶片损坏的带电颗粒偏转。
下面结合附图详细描述本发明的优选实施例,对于本领域的技术人员,本发明的这些和其他特征和有益效果将变得清楚。


图1是本领域现有的等离子处理装置的示意性截面图;图2是本领域现有的等离子处理装置环和晶片的部分截面图;图3是本发明一个实施例的透视图;图4A是根据本发明的一个实施例的部分截面图;图4B是根据本发明的另一个实施例的部分截面图;图5是根据本发明的一个实施例的透视图;图6是根据本发明的等离子处理反应室的透视图。
具体实施例方式
现在参考附图并且更具体地参考图1,其示出了常规等离子处理反应室1的横截面图。在等离子刻蚀工艺期间,晶片20设置在环30上,环30搁置在静电座100上。在等离子刻蚀期间,由电极3和4产生带电颗粒10。等离子处理反应室和等离子工艺的其它细节是本领域所公知的并且不包含在本发明中,除非有必要用来描述本发明。
环30可以用做聚焦环,聚焦环是本领域所公知的,用来将带电颗粒聚集到晶片的表面上,以提高晶片表面上和特别在晶片的边缘处的刻蚀工艺的均匀性。环通常由石英制成,但是可以使用其它材料,例如,硅、Y2O3、碳化硅、Al2O3或与等离子刻蚀工艺兼容的、本领域所公知的任何合适的材料。在环的横截面图(图2)中,环具有上表面50和位于晶片20下面的下表面60,以便在等离子处理期间晶片的边缘部分搁在表面60上。在晶片和环之间的间距70大约是500μm,以减小在晶片装载到环上或从环上卸载晶片期间的刮擦。
图3的横截面图中示例了本发明的优选实施例。永磁铁40嵌入环中。通常,优选地使磁铁嵌入在环中以使磁性材料远离等离子体。磁铁还可以设置在凹槽或沟道80中,凹槽或沟道80形成在环中并位于上表面50上(图4A)或下表面55上(图4B),磁铁作为一环形磁铁或几段磁铁,只要磁铁段形成完整的环形。在凹槽或沟道结构中设置磁铁,使得在修理、清洁或替换时容易将环拆装。为了进一步示例具有围绕环的磁铁的环结构,图5示出了具有磁铁40的环30的顶视图。晶片20设置在环30上。
现在转向磁铁的特性,最佳的磁场强度由电子的回旋半径比到晶片边缘的距离短所决定,有效地使低于截止能量的所有电子发射离开晶片边缘。在该实施例中,设计环以使带电颗粒反射离开晶片的边缘。
如图6中所示,在等离子刻蚀工艺期间,带电颗粒路径150垂直于晶片20。磁场90具有在靠近晶片边缘处的晶片表面上方和下方形成回路并且与晶片交叉的磁通量的线。可以理解该磁场作为磁发射镜,用于使沿垂直路径运动和入射到晶片边缘上的带电颗粒偏转。当颗粒达到磁场90的区域时,颗粒沿路径205被偏转,以便带电颗粒的刻蚀特性不会影响存在磁场处的晶片边缘。磁铁相对于晶片边缘的位置由磁铁的磁场密度和在给定等离子工艺中对于带电离子的期望影响效果所决定。随着距晶片边缘的距离增加,磁场密度应迅速减少,以便从晶片边缘超过大约3mm的地方不会影响刻蚀工艺。例如,对于在硅中刻蚀深沟槽的等离子刻蚀工艺,大部分等离子电子存在于1-5eV范围内的能量中。选择20eV用于最大的电子能量排斥,为了确保在使该能量范围内的电子偏转,将需要离晶片边缘1cm处13.7G的磁场密度,以使具有该能量或更低能量的所有电子反射。当等离子功率更高时,由于在这样的条件下将存在更高能量的颗粒,可能需要更强的磁场强度密度。
磁场90还使带电颗粒偏离环结构。这样减少了由带电颗粒引起的环侵蚀并且延长环的使用寿命以及减小等离子刻蚀的操作成本。
在第二实施例中,使用电磁铁,其可以在刻蚀工艺期间开通。电磁铁使得在刻蚀期间可以调节磁场密度,使得刻蚀工艺最优化。例如,可能仅仅期望在刻蚀工艺中的确定时间段,或仅仅在工艺的确定类型期间出现靠近晶片边缘的颗粒的磁性偏转。
当结合具体实施例描述本发明时,对于本领域的技术人员而言,前述描述的多种替换、修改和变化将是清楚的。因此,本发明将包含落入本发明和所附权利要求的范围和精神内的所有这样的替换、修改和变化。
权利要求
1.一种用于晶片的等离子处理的装置,所述晶片具有一边缘和连接到其上的边缘部分,所述装置包括环,其包括环绕在该晶片周围并且接近其边缘部分的磁铁,该磁铁产生用于使入射到该晶片的边缘部分上的带电颗粒偏离的磁场,从而防止由所述颗粒对该晶片的损坏。
2.根据权利要求1的装置,其中该环具有径向式内部部分和外部部分,该内部部分具有用于在所述等离子处理期间支持该晶片的边缘部分的表面,以及该外部部分包括该磁铁。
3.根据权利要求2的装置,其中该外部部分具有在该晶片边缘外侧大约500μm处的径向内部表面。
4.根据权利要求1的装置,其中该边缘部分从该晶片边缘径向延伸大约3mm,并且该磁场对于入射到该晶片上的带电颗粒的影响大致限制到该边缘部分。
5.根据权利要求1的装置,其中该磁铁由嵌入在该环中的磁铁材料构成。
6.根据权利要求1的装置,其中该环具有形成于其中并环绕该晶片的凹槽,并且该磁铁设置在该凹槽内。
7.根据权利要求1的装置,其中该磁铁是永磁铁。
8.根据权利要求1的装置,其中该磁铁是电磁铁。
9.根据权利要求1的装置,其中该环的材料从由石英、硅、Y2O3、碳化硅和Al2O3组成的组中选择。
10.根据权利要求1的装置,其中该环是聚集环。
11.根据权利要求1的装置,其中该磁场使入射到该环上的带电颗粒偏离,从而防止所述颗粒对该环的损坏。
全文摘要
本发明涉及一种用于在干刻蚀期间防止晶片边缘损坏的装置,该装置包括环,该环具有设置在环中的磁铁,磁铁产生用于使入射到晶片的边缘部分上的带电颗粒偏离的磁场。该环包围着晶片并且接近晶片的边缘部分。在等离子处理期间,磁场使入射到边缘部分上的带电颗粒偏离,从而防止这些颗粒损坏晶片。
文档编号H01J37/32GK1508849SQ20031012040
公开日2004年6月30日 申请日期2003年12月11日 优先权日2002年12月16日
发明者阎红雯, 戴维·M·多布津斯基, 布赖恩·L·吉, 理查德·怀斯, L 吉, 怀斯, M 多布津斯基 申请人:国际商业机器公司
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