等离子体系统及使用该系统进行处理的方法与流程

本发明总体上涉及工艺设备，并且在具体实施例中，涉及等离子体系统以及使用该等离子体系统处理设备的方法。

背景技术：

在许多电子和其他应用中使用半导体器件。半导体器件包括形成在半导体晶圆上的集成电路，通过在半导体晶圆上方沉积许多类型的薄膜材料并且图案化薄膜材料来形成集成电路。

半导体工业的进步需要以较低的成本实现较高的性能。改进产品质量是制造半导体器件的另一挑战。例如，蚀刻薄膜涉及保持均匀的蚀刻速率(横跨晶圆和晶圆内)以及期望的方向性的挑战。类似地，在沉积临界层之前，必须均匀地清洁表面。

半导体处理系统也受制造成本约束。因此，期望减少处理时间(或增加产量)和降低停工时间(或维护时间)，但是同时提高产品质量。

基于等离子体的处理通常被用于蚀刻、清洁和灰化工艺。例如，常用的等离子体系统包括蚀刻机、平行板系统、高密度等离子体系统、溅射蚀刻系统等。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，一种等离子体系统包括等离子体室，该等离子体室包括室壁，具有设置在室壁内的第一焦线(focal line)和第二焦线。第一天线设置在等离子体室内，位于第一焦线处。室壁被配置为将来自第一天线的辐射聚焦在第二焦线上。

根据本发明的实施例，处理半导体晶圆的方法包括：在等离子体室内放置半导体晶圆。等离子体室包括室壁和第一天线，具有设置在等离子体室内的第一焦线和第二焦线。第一天线设置在第一焦线处，并且半导体晶圆设置在第二焦线处。对等离子体室内的第一天线供电以生成电磁辐射。室壁被配置为将来自第一天线的电磁辐射聚焦到第二焦线。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在结合附图进行以下描述，其中：

图1A至图1D示出了根据本发明实施例的等离子体系统，其中图1A示出了等离子体系统的截面图，其中图1B示出了等离子体系统的侧视图，其中图1C示出了等离子体系统的顶视图，其中图1D示出了等离子体系统的投影图。

图2A和图2B示出了根据本发明实施例的包括椭圆形室壁的等离子体系统，其中图2A示出了根据本发明实施例的等离子体系统的截面图，其中图2B示出了根据本发明实施例的等离子体系统的侧视图。

图3A和图3B示出了根据本发明另一实施例的包括双椭圆室壁的等离子体系统，其中图3A示出了等离子体系统的侧视图，其中图3B示出了等离子体系统的投影图。

图4示出了根据本发明又一实施例的包括具有四个椭圆柱部分的室壁的等离子体系统的侧视图。

图5示出了根据本发明实施例的等离子体系统的侧视图。

图6示出了根据本发明又一实施例的等离子体系统的侧视图。

图7示出了根据本发明又一实施例的等离子体系统的等离子体源的侧视图。

图8A至图8C示出了根据本发明实施例的利用等离子体蚀刻进行的制造工艺的各个阶段中的半导体器件的截面图。

图9A和图9B示出了根据本发明实施例的利用等离子体灰化进行的制造工艺的各个阶段中的半导体器件的截面图。

图10A和图10B示出了根据本发明实施例的用于等离子体清除浮渣(descumming)工艺的等离子体系统的应用。

具体实施方式

任何等离子体系统的一个挑战是蚀刻度量(诸如蚀刻速率和产量)、蚀刻的方向性、蚀刻的均匀性、选择性、变化(例如，裸片-裸片、晶圆-晶圆、批次-批次)和其他特征之前的权衡，同时使得制造成本最小化，诸如由于系统的复杂度、晶圆吞吐量、部件替换以及设备停工时间而导致的从初始建设费用增加的成本。典型的等离子体工艺涉及二者之间的折中。

在典型的等离子体蚀刻系统中，诸如氩的惰性气体被馈送到低压的等离子体室中。可以通过横跨等离子体室施加电压来在等离子体室内生成等离子体，其中通过射频功率或微波能量等来提供电能。所生成的等离子体包括离子化惰性气体原子以及中性反应化学物。离子化惰性原子被室中的电场吸引或加速，而中心化学物不会如此。离子化惰性原子经过室，并且它们中的一些轰击晶圆表面。相对地，中性化学物扩散通过等离子体室并到达晶圆表面。因此，例如，晶圆上的蚀刻速率可依赖于入射离子的数量、化学物的数量、反应化学物的粘附系数。

增加离子相对于化学物的相对含量导致更多的物理蚀刻，因为更多的离子碰撞将被蚀刻的层的表面。相对地，减小离子相对于化学物的相对含量导致更多的化学蚀刻，因为更多的中性化学物到达将被蚀刻的层的表面。典型地，化学蚀刻导致各向同性蚀刻，而物理蚀刻导致各向异性蚀刻。

典型地，在筒状反应器中执行各向同性蚀刻。在这种反应器中，通过去除和/或减少蚀刻的物理分量来最小化蚀刻的各向异性特性。然而，化学蚀刻是扩散占优工艺，并且导致晶圆产量的降低和/或晶圆-晶圆变化的增加。

在本发明的各个实施例中，使用椭圆或椭圆体形状的等离子体室来描述具有改进和降低的制造成本同时基本不损害质量或产量的蚀刻/灰化/清洁系统。本发明的各个实施例描述了重新设计的筒状反应器以提高晶圆位置处的等离子体激励和反应体密度的效率，从而显著提高了蚀刻速率而不劣化变化。

将使用图1描述本发明的示例性实施例，然后使用图2至图7描述使用这些概念的各种附加实施例。使用图8至图10描述使用等离子体系统的设备的制造的实施例。

图1A示出了根据本发明实施例的等离子体系统的截面图。图1B示出了根据本发明实施例的等离子体的局部侧视图。图1C示出了根据本发明实施例的等离子体系统的局部顶视图。图1D示出了等离子体系统的投影图。

参照图1A，等离子体系统是微波等离子体系统，并且包括具有室壁10的等离子体室100。等离子体室100包括一个或多个入口和出口(例如，入口30和出口40)，用于引入和去除等离子体处理中使用的气体。入口30和出口40可以通过精细的流动阀来控制以精确地监控和控制进出等离子体室100的气体的组成和流速。

等离子体室100可以利用适当气压下的等离子体气体而疏散和增压。附加的真空泵耦合至等离子体室100以在预期处理晶圆时疏散等离子体室。在各个实施例中，气压可以较低，例如10mTorr至200mTorr。

例如，等离子体气体可以包括惰性气体，诸如氩气、氙气、氮气、氦气。等离子体气体还可以包括附加的反应气体，诸如CF4、O2、XeF2、C2H6、Cl2、SF6、HBr、NF3、CHCl3、CHF3、C4F8等。实际的等离子体化学物取决于所需的选择性和被蚀刻的材料以及期望的方向性。

天线20设置在等离子体室100内，并且被配置为发射用于生成离子的电磁辐射，即，在等离子体室100内离子化等离子体气体。典型的天线可以是偶极子天线，天线的总长度是激励频率的波长的一半的奇数倍(1/2λ、3/2λ、5/2λ等)。天线包括金属导体，金属导体又优先地不会对暴露给等离子体工艺的材料产生污染风险。天线还可以分别被保护涂层或金属衬层涂覆或环绕。在一个实施例中，天线20可以是杆状天线，从其表面发射前进(travelling)波。因此，在这种实施例中，辐射在杆的轴处是最大的。在另一实施例中，天线20可以是谐振天线，诸如单极或偶极子发射波。

如图1B和图1C所示，室壁10从一侧具有椭圆形状但是在其他维度上为圆柱(这还在图1D的投影图中示出)。在图1D中示出了椭圆柱形的室壁10。

在各个实施例中，室壁10包括凹面，使得在室壁10处反射的所有微波辐射都被重新聚焦在等离子体室100内的单线处。在各个实施例中，天线20位于第一焦线F1处，而反射辐射被重新聚焦在第二焦线F2处。在一些实施例中，天线20可以被配置为沿着第一焦线F1移动以进一步最小化变化。

在各个实施例中，室壁10包括材料涂层，其反射由天线20发射的电磁辐射。在各个实施例中，室壁10包括用于反射微波的金属涂层。用于室壁10内的金属的示例包括铝等。室壁10可以包括固态金属层，或者可以是金属网或栅格，其具有小于大约微波的波长的十分之一的孔。在一些实施例中，金属网可用于灵活性。

通过从天线20产生的激励(辐射)，在等离子体室内生成等离子体。具体地，天线20可以通过电位节点V1耦合至微波频率发生器，例如在2.45GHz下进行操作。

来自天线20的辐射被聚焦在环绕晶圆55的气体周围。如图1B所示，从天线20发射的微波束50在室壁10处被反射并且朝向线80聚焦，在晶圆55周围生成密集的等离子体。等离子体的密度朝向室壁10远离线80对称地减小。

因此，等离子体激励在晶圆55周围最大。换句话说，尽管等离子体激励发生在整个等离子体室100中，但等离子体在紧邻晶圆55周围的区域中是密集的，因为通过室壁10再聚焦来自天线20的微波辐射。通过最小化晶圆55周围的近场区域中的中性化学物的耗尽，晶圆55周围更高的等离子体密度减小了晶圆-晶圆变化。因此，由于晶圆55周围的等离子体的邻近和均匀性，晶圆-晶圆变化还远低于传统的筒状反应器。

此外，由于在晶圆55周围的所有方向上生成等离子体，离子从所有方向轰击暴露的表面，导致各向异性蚀刻。有利地，具有自由基(radical)的化学蚀刻可用于产生各向同性蚀刻。

此外，更高的等离子体密度产生比可通过其他传统的各向同性等离子体蚀刻技术(诸如筒状反应器)得到的更高的产量。

因此，可以在等离子体内同时处理批量的晶圆55。晶圆55可以安装在卡盘60或其他等效结构(诸如船)上以保持批量的晶圆，其可以偏置到差分电压节点W1。有利地，第二焦线F2周围的等离子体密度是均匀的，从而使得相邻晶圆之间的变化最小化以及每个晶圆处均匀的蚀刻(更各向同性)。

在一个或多个实施例中，由于发生在等离子体室100内的所有工艺的较强温度依赖性，等离子体室100内的温度被紧密控制。在一些实施例中，保持晶圆55的卡盘60可以被加热。等离子体室100内的典型温度为大约35℃至大约60℃，通常为大约25℃至大约90℃，但是还可以为100℃，甚至更高。

参照图1A和图1B，从天线20到室壁10的第一最近距离D1基本上等于从晶圆55到室壁10的第二最近距离D2。第一焦线F1和第二焦线F2之间的第三最近距离D3可以不同于第一最近距离D1和第二最近距离D2。

在各个实施例中，对于波长(WL)，天线L1的长度为m x WL/2，而第一最近距离D1和第二最近距离D2可以是(WL/4)x(n+1)，第三最近距离D3可以是(WL/2)x p，其中m、n和p可以是不同或相同的整数。

在一些实施例中，天线20可以被设计为在多个频率处发射辐射。例如，在这种情况下，每个波长跟随上述距离。在这种实施例中，可使用的长度L1、D1、D2和D3以及波长被约束。

在又一些实施例中，天线20可以包括两个或更多个源。例如，天线20包括第一源和第二源，第一源具有以第一波长发射的第一长度，第二源具有以第二波长发射的第二长度。

图2A示出了根据本发明实施例的等离子体系统的截面图。图2B示出了根据本发明实施例的等离子体系统的侧视图。

在该实施例中，室壁10具有椭圆形状，其中椭圆形状在第三维度上延伸。因此，如虚线所示，等离子体室100的壁在第三维度上向内倾斜。因此，偏移轴行进的任何束还被室壁10反射，并且被再次聚焦在其上安装晶圆55的第二焦线F2上。

图3A示出了根据本发明另一实施例的等离子体系统的截面图。图3B示出了根据本发明另一实施例的等离子体系统的投影图。

在又一些实施例中，室壁10可以包括附加的椭圆形状，诸如双椭圆。如图所示，晶圆55位于作为两个椭圆之间的共同共享焦点的中心焦点处。换句话说，等离子体室壁10由结合到一起的两个椭圆柱部分组成。

在这种实施例中，室壁10具有三个焦点，使得两个天线20放置在三个焦点中的两个中。从天线20发射的微波被再次聚焦到安装晶圆55的第三焦点处。在一个实施例中，可以短路两个天线20。在另一实施例中，它们可以提供相同的电能，但是可以不锁相，即，来自不同天线20的输出可具有相位差，例如180度。

图4示出了根据本发明又一实施例的等离子体系统的截面图。

在另一示例性实施例中，室壁10具有五个焦点，使得四个天线20置于五个焦点中的四个中。等离子体室壁10由结合到一起的四个椭圆柱部分组成。

从任意天线20发射的微波被再次聚焦到安装晶圆55的第五焦点处。如前所述，天线20被短路到一起以最小化变化。在另一实施例中，它们可以被提供相同的电能，但是可以不锁相，即，来自不同天线20的输出可具有相位差，例如90度。

图5示出了根据本发明实施例的等离子体系统的截面图。

图3和图4所述具有多个天线的实施例还可以具有图5所示的又一修改。具体地，不同的天线20可耦合至不同的发射电路装置和/或电位节点(V1、V2、V3、V4)(它们耦合至不同的微波发生器)。因此，从不同天线20发射的电能可以不同。

因此，在该实施例中，晶圆55周围的微波束的对称性可以被修改以校正工艺变化、室壁结构的变化、等离子体室内的变化等。

图6示出了根据本发明又一实施例的等离子体系统的侧视图。

图6的实施例避免了等离子体直接接触晶圆55。因此，护套(sheath)T1设置在晶圆55周围。来自等离子体的中性反应物(诸如氧气和氟自由基)扩散通过护套T1，并且完成蚀刻工艺。相对地，防止离子撞击晶圆55以去除或最小化物理蚀刻(离子轰击)，因此对晶圆55的表面和/或感应电路的任何损伤都源于离子轰击。在该实施例中，蚀刻是纯化学的，因此是非常各向同性和选择性的。因此，由于带电能量离子的任何直接撞击的存在，该实施例最小化对晶圆55上的任何敏感层的损伤。

与使用类似化学蚀刻的传统筒状反应器相比，本文所描述实施例的均匀性和产量更好。这是因为传统的筒状反应器经受显著的晶圆间的非均匀性。由于长扩散距离，相邻晶圆之间的反应物的浓度显著变化。具体地，位于晶圆堆叠件内的晶圆将以远慢于晶圆堆叠件的边角处的晶圆的速率被蚀刻。相对地，使用本发明的实施例，每个晶圆周围的等离子体密度类似于相邻晶圆周围的等离子体密度。因此，位于晶圆堆叠件内的晶圆处的反应物密度类似于晶圆堆叠件的边角处的晶圆的反应物密度。从而，可使用本发明的实施例实现更好的晶圆-晶圆均匀性。

尽管图6被示为图5的修改，但该实施例可以应用于上文在图1至图4中描述的任何实施例。

图7示出了根据本发明又一实施例的等离子体系统的等离子体源的局部侧视图。

本发明的实施例还可以用于具有远程等离子体的系统。换句话说，在上面各个实施例中描述的等离子体生成工艺可用于生成等离子体，其随后被传输至不同的室。单个区域周围的微波的再聚焦在本发明的各个实施例中生成聚焦等离子体源。来自等离子体源的反应化学物和/或离子然后可用于相邻室中的蚀刻或沉积步骤。例如，化学物可扩散到另一室中，在其中与晶圆反应。可选地，离子化物质可以向下加速并使用。

图8A至图8C示出了根据本发明实施例的利用等离子体蚀刻的制造工艺的各个阶段中的半导体器件的截面图。

参照图8A，晶圆或衬底210包括将被蚀刻的层。例如，衬底210可以包括半导体衬底，诸如硅衬底、锗衬底或化合物半导体衬底，诸如SiGe、InP、GaAs等。衬底210可以包括块状衬底或绝缘体上硅(SOI)。在一些实施例中，例如，衬底210可以包括位于衬底上的材料层或多个材料层，例如硅上GaN、硅上SiC、硅上InP、硅上InGaAs。

将被蚀刻的层可以是衬底210的层，或者可以是衬底210的连续区域的一部分。在各个实施例中，衬底210的层可以是半导体材料、金属材料或绝缘材料。如果衬底210被图案化，则蚀刻掩模220形成在衬底210上方(图8B)。蚀刻掩模220可以包括图案化硬掩模和/或图案化光刻胶。如接下来图8C所示，衬底210被放置在等离子体室内，并且暴露给等离子体230(如在本发明的各个实施例中所述生成)。当暴露给等离子体230时，孔240形成在衬底210中。由于各个实施例中描述的等离子体蚀刻工艺的各向同性特性，衬底210被各向同性地蚀刻。

图9A和图9B示出了根据本发明实施例的利用等离子体灰化进行的制造工艺的各个阶段中的半导体器件的截面图。

等离子体灰化工艺是表面制备工艺，其中从衬底210的表面去除光刻胶和其他杂质。等离子体灰化工艺通常用于去除杂质，而基本上不蚀刻下面的衬底210。因此，利用有效的物理蚀刻的等离子体工艺不能用于等离子体灰化。在等离子体灰化期间，如上在各个实施例中，在低压等离子体室中生成包含诸如单原子氧或氟的中性自由基的等离子体212。

反应原子朝向包括将被去除的层211的衬底210扩散。层211可以是沉积层，或者可以是处理期间生成的层。可选地，层211可以是处理期间形成的杂质的表面层。等离子体中的单原子反应物利用层211形成灰化，其随后由于等离子体室内的低压而被去除。

在各个实施例中，可以控制等离子体的温度，以改变等离子体工艺的效率，即，从剥离到清除浮渣工艺。

图10A和图10B示出了根据本发明实施例的用于等离子体清除浮渣工艺的等离子体系统的应用。

在等离子体清除浮渣工艺期间，均匀地去除少量的光刻胶层221。该工艺的主要应用是镀之前的预处理步骤，或者与剥离工艺组合以避免与随后的处理(诸如金属化)相关联的问题。

在各个实施例中，由于等离子体的改进均匀性，等离子体清除浮渣工艺可以执行为批量工艺。相对地，在单个晶圆单元中执行传统的等离子体清除浮渣工艺。

根据本发明的实施例，一种等离子体系统包括等离子体室，其包括室壁，具有设置在室壁内的第一焦线和第二焦线。第一天线在第一焦线处设置在等离子体室内。室壁被配置为将来自第一天线的辐射聚焦到第二焦线上。

实施方式可包括以下特征中的一个或多个。在等离子体系统中，室壁包括椭圆形状、椭圆柱或椭圆体形状。第一天线可以是电磁辐射的源。室壁可包括用于电磁辐射的反射材料。电磁辐射可包括微波。等离子体系统可进一步包括：卡盘，用于保持设置在等离子体室中的晶圆。卡盘可被配置为在第二焦线处保持晶圆。该等离子体系统还包括设置在等离子体室的第三焦线处的第二天线。室壁可被配置为将来自第二天线的辐射聚焦到第二焦线上。该等离子体系统还可以包括：第二天线，设置在等离子体室的第三焦线处；以及第三天线，设置在等离子体室的第四焦线内。室壁可被配置为将来自第二天线和第三天线的辐射聚焦到第二焦线上。该等离子体系统还可以包括：第二天线，设置在等离子体室的第三焦线内；第三天线，设置在等离子体室的第四焦点内；以及第四天线，设置在等离子体室的第五焦线内。室壁可被配置为将来自第二天线、第三天线和第四天线的辐射聚焦到第二焦线上。室壁与第一焦线之间的最近距离与室壁与第二焦线之间的最近距离相同。第一天线可被配置为以第一波长(W)发射辐射。室壁与第一焦线之间的最近距离为w x(n+1)/4，其中第一焦线与第二焦线之间的最近距离可以为p x w/2，并且其中n和p是整数。第一天线可包括杆状天线，并且具有长度m xw/2，其中m是整数。室壁可包括用于气体的入口和出口。

根据本发明的实施例，一种处理半导体晶圆的方法包括：在等离子体室内放置半导体晶圆。等离子体室包括室壁和第一天线，具有设置在等离子体室内的第一焦线和第二焦线。第一天线设置在第一焦线处，并且半导体晶圆设置在第二焦线处。等离子体室内的第一天线被供电以生成电磁辐射。室壁被配置为将来自第一天线的电磁辐射聚焦到第二焦线上。

实施方式可包括以下特征中的一个或多个。电磁辐射可包括微波。该方法可进一步包括：在等离子体室中生成等离子体；以及将半导体晶圆暴露给所生成的等离子体。该方法可进一步包括：将包括半导体晶圆的批量晶圆放置在第二焦线处；在等离子体室中生成等离子体；以及将批量晶圆暴露给所生成的等离子体。该方法可进一步包括：对等离子体室内的第三焦线处的第二天线供电以生成又一电磁辐射。室壁被配置为将来自第二天线的又一电磁辐射聚焦到第二焦线上。该方法还包括：对等离子体室内的第三焦线处的第二天线供电以生成第一电磁辐射；对等离子体室内的第四焦线处的第三天线供电以生成第二电磁辐射；对等离子体室内的第五焦线处的第四天线供电以生成第三电磁辐射。室壁可被配置为将来自第二天线、第三天线和第四天线的第一电磁辐射、第二电磁辐射和第三电磁辐射聚焦到第二焦线上。

尽管针对微波等离子体描述了本发明的实施例，但它们还可以应用于使用其他频率辐射的其他等离子体系统。尽管针对筒状反应器描述了本发明的实施例，但它们还可以应用于包括等离子体沉积系统的任何等离子体系统。

如各个实施例所描述的，包括金属的材料例如可以是纯金属、金属合金、金属化合物、半金属、金属间化合物等，即包括金属原子的任何材料。例如，铜可以是纯铜或者包括铜的任何材料，诸如但不限于铜合金、铜化合物、铜金属间化合物、包括铜的绝缘体和包括铜的半导体。

虽然参照示例性实施例描述了本发明，但本说明书不用于限制的目的。本领域技术人员在阅读说明书的基础上可以明白示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。如所说明的，在可选实施例中，图1至图7所述的实施例可以相互组合。因此，所附权利要求包括任何这些修改或实施例。