专利名称：改善等离子体蚀刻均匀性的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对衬底中的结构(feature)进行等离子体蚀刻的方法和设备。更具体地，本发明涉及通过调整线圈的位置来改善等离子体蚀刻均匀性。
背景技术：
干蚀刻是在硅基半导体器件的制造中使用的非常公知的技术。其还广泛应用于制造非硅基产品(例如，GaAs、InP材料)和非半导体产品(例如，微电子机械系统(MEMS)器件、硬盘驱动头(hard drive head)部件、光掩模)。所有这些应用具有共同的要求通常在由诸如光致抗蚀剂或其它不可腐蚀材料的掩模限制的图案中，从衬底蚀刻材料。在一些情况下，蚀刻衬底本身。为了确保位于衬底内不同位置的器件或结构具有相同的特性，重要的是使蚀刻在衬底的整个区域上是均匀的。需求的蚀刻均匀性的水平取决于具体应用，但是总趋势是随着器件变得更复杂，均匀性需求也变得更严格。由此，虽然5％的蚀刻均匀性在以前是可以接受的，但是变为需要1％或更好的均匀性。
在需要向石英光掩模中蚀刻特定深度的交替孔相移掩模(AAPSM)的制造中发现一个实例。该蚀刻需要建立180°相移，对于65nm光刻节点，这必须精确到+/-1°的相位角。这要求在整个蚀刻区域上蚀刻深度是均匀的，达到约+/-0.5％(1％范围)。
在干蚀刻中已经广泛采用高密度等离子体源，例如感应耦合等离子体(ICP)。这种源具有独立控制等离子体密度和离子能量以及在低压(＜10mT)下高效产生等离子体的优点，其中扩散确保了良好的等离子体均匀性。
然而，甚至这种源也不能实现1％水平的均匀性。在源构造期间引入的较小变化、射频(RF)的应用以及与剩余反应物的相互作用，使等离子体产生退化。这些变化的大部分通常可以被分为两种，对称的(例如，径向的)变化和不对称的(例如，左右的)变化。对于离子驱动工艺(例如，交替相移掩模(AAPSM)石英蚀刻)，这些不对称性导致不期望的蚀刻不均匀。许多团体提出了对在感应反应物中观察到的该径向不均匀性的解决方案。这些解决方案包括物理替换该等离子体的插入物(见Hieronymi等人的U.S.5,391,281和Johnson等人的U.S.6,339,206)，使用多个ICP线圈(例如见Barnes的U.S.6,617,794)，对于螺旋线圈，修改螺旋线圈之间的轴间距和介质板(见Barnes的U.S.6,617,794和Hashimoto的U.S.6,096,232)。
虽然在现有技术中描述的方法提高了等离子体的对称均匀性，但还需要能够校正不对称蚀刻的均匀性的ICP源。
许多团体已尝试矫正不对称的不均匀性。Yoshida等人(U.S.5,690,781)公开了一种螺旋线圈ICP，其可以通过电机在与介质板的主平面平行的方向上移动，以控制关于晶片的中心不对称的蚀刻速率的分布。Yoshida等人阐述了，线圈的最佳位置是当线圈的重心与腔的轴心相匹配时的位置。Yoshida等人没有考虑对于螺旋ICP，径向线圈运动的情况。
Barnes(U.S.6,617,794)还论述了调节ICP线圈相对于介质腔壁的位置。Barnes阐述了关于处理腔的垂直轴共心定位的多个线圈的轴向运动。Barnes没有考虑径向线圈移动以改善等离子体密度和蚀刻速率均匀性。
Becker等人(U.S.6,531,031)公开了定位螺旋ICP线圈，使得该线圈和介质圆柱不同心。Becker等人阐述了将在两端供电的螺旋线圈的“热”端定位在距离陶瓷的反应物容器的最大距离处。以此方式，和供电端相对的线圈与陶瓷容器接触(即，该陶瓷的反应物容器与线圈在下述位置相切，所述位置与供电线圈端径向上相反)。Becker等人没有阐述为了校正不对称蚀刻的不均匀性可以沿着任何径向调节线圈。
Hashimoto(U.S.6,096,232)阐述了利用过程反馈来调节距介质窗的螺旋感应器的轴距。Hashimoto没有考虑径向线圈的调节。另外，Hashimoto没有仔细考虑螺旋感应器的情况。
Tanaka等人(U.S.6,210,539)公开了在轴向上移动ICP线圈，以提高溅射系统的均匀性。Tanaka等人阐述了在反应物腔内部、在衬底平面处或下方定位线圈，以提高均匀性。Tanaka等人没有考虑在径向方向上调节线圈以改善非对称蚀刻的不均匀性。
Holmann等人(U.S.6,217,718)阐述了为了影响不对称的不均匀性将位于等离子体反应器内部的ICP线圈相对衬底平面倾斜。Holmann等人没有公开倾斜外部定位的感应器。
因此，在具有螺旋感应器的ICP等离子体反应器中需要改善蚀刻均匀性。
在现有技术中没有提供伴随本发明的好处。
因此，本发明的一个目的是提供一种改进，其克服了现有技术器件的不足，并且其对半导体处理技术的进步具有重大的贡献。
本发明的另一个目的是提供一种用于蚀刻衬底的设备，包括真空腔；所述真空腔中的用于保持衬底的支撑部件；用于向所述真空腔提供蚀刻气体的蚀刻气体供应器；RF电源；布置在所述真空腔部分周围或附近的螺旋感应器，所述螺旋感应器与所述蚀刻气体感应耦合能量，以在所述真空腔中形成等离子体；与所述真空腔流体相通的排气装置；和用于改变所述螺旋感应器的位置的机构。
本发明的又一个目的是提供一种用于蚀刻衬底的设备，包括真空腔；所述真空腔中的用于保持衬底的支撑部件；用于向所述真空腔提供蚀刻气体的蚀刻气体供应器；RF电源；布置在所述真空腔部分周围或附近的螺旋感应器，所述螺旋感应器与所述蚀刻气体感应耦合能量，以在所述真空腔中形成等离子体；用于测量工艺属性的传感器；用于改变所述螺旋感应器的位置的机构；连接到所述传感器和所述机构的控制器；和与所述真空腔流体相通的排气装置。
本发明的再另一个目的是提供一种用于在等离子体蚀刻工艺中改善等离子体均匀性的方法，该方法包括在真空腔中放置衬底；在所述真空腔内部对该衬底进行感应耦合等离子体蚀刻工艺；调节螺旋感应器的位置；和从真空腔取出衬底。
本发明的另一个目的是提供一种用于在等离子体蚀刻工艺中改善等离子体均匀性的方法，该方法包括在真空腔中放置衬底；在所述真空腔内部对该衬底进行感应耦合等离子体蚀刻工艺；测量工艺属性；基于所述测量步骤调节螺旋感应器的位置；和从真空腔取出衬底。
上文已经概述了本发明的一些有关目的。这些目的应该解释为仅仅是预期发明的较突出特征和应用的一些说明。通过以不同的方式应用公开的发明或在公开的范围内修改本发明，可以实现许多其它有益的结果。因此，除了由结合附图得到的权利要求定义的本发明范围之外，通过参考发明内容和优选实施例的详细描述，可以实现本发明的其它目的和对本发明的更全面理解。
发明内容
为了概括本发明，本发明包括一种改进方法和一种用于利用螺旋感应器作为ICP等离子体系统的部件来改善等离子体蚀刻衬底的均匀性的设备。
本发明的一个特征是提供一种用于蚀刻衬底或衬底上的膜的设备。该衬底可以是半导体衬底，诸如硅、砷化镓或任何已知的半导体，包括化合物的半导体，例如，II族与VI族化合物以及III族与V族化合物。该衬底也可以是导体或诸如玻璃或石英的电介质材料。该设备包括真空腔和排气装置，该真空腔具有用于向真空腔供应至少一种工艺气体的至少一个气体供应源，该排气装置与真空腔相通。基于相关工艺，即，蚀刻来自衬底的材料，来选择该工艺气体。该衬底放置在存在于真空腔内部的下电极上。电压源连接到下电极，用于向衬底提供偏置电压。来自偏置电压源的电压可以是RF或DC。螺旋感应器设置在真空腔内部产生等离子体的真空腔部分的周围或附近，通过与工艺气体感应耦合能量在真空腔中形成等离子体。提供用于改变螺旋感应器的位置以调节产生的等离子体的机构，以便改善衬底上的蚀刻的均匀性。
本发明的另一个特征是提供一种用于蚀刻衬底或衬底上的膜的设备。该衬底可以是半导体衬底，诸如硅、砷化镓或任何已知的半导体，包括化合物半导体，例如，II族与VI族化合物以及III族与V族化合物。该衬底也可以是导体或诸如玻璃或石英的电介质材料。该设备包括真空腔和排气装置，该真空腔具有用于向真空腔供应至少一种工艺气体的至少一个气体供应源，该排气装置与真空腔相通。基于相关工艺，即，蚀刻来自衬底的材料，来选择该工艺气体。该衬底放置在存在于真空腔内部的下电极上。电压源连接到下电极，用于向衬底提供偏置电压。来自偏置电压源的电压可以是RF或DC。螺旋感应器设置在真空腔内部产生等离子体的真空腔壁部分的周围或附近，通过与工艺气体感应耦合能量在真空腔中形成等离子体。感应线圈附近的腔壁为电介质材料。可以包括导电屏蔽罩，其被定位在螺旋感应器和电介质腔壁之间。提供传感器，用于测量等离子体蚀刻工艺的工艺属性。该传感器可以是诸如光发射光谱监视器的光学监视器、诸如激光反射监视器的地形(topographical)监视器、温度监视器、空间监视器或电气监视器。该传感器向控制器传送信号，然后控制器利用来自该信号的信息来控制用于改变螺旋感应器的位置的机构，以调节产生的等离子体，以便改善衬底上的蚀刻均匀性。该螺旋感应器的移动可以是径向平移(translation)或角倾斜平移。
本发明的又一特征是提供一种用于改善等离子体蚀刻工艺中的等离子体均匀性的方法。该方法包括在真空腔中放置衬底。该衬底可以是半导体衬底，诸如硅、砷化镓或任何已知的半导体，包括化合物半导体，例如，II族与VI族化合物以及III族与V族化合物。该衬底也可以是导体或电介质材料，诸如玻璃或石英。螺旋感应器设置在真空腔内部产生等离子体的真空腔部分的周围或附近，通过与工艺气体感应耦合能量在真空腔中形成等离子体。螺旋感应器的定位可以通过径向平移或角倾斜平移来调节，以改善衬底上的蚀刻均匀性。最后，一旦完成蚀刻工艺，就从真空腔取出该衬底。
本发明的另一特征是提供一种用于改善等离子体蚀刻工艺中的等离子体均匀性的方法。该方法包括在真空腔中放置衬底。该衬底可以是半导体衬底，诸如硅、砷化镓或任何已知的半导体，包括化合物半导体，例如，II族与VI族化合物以及III族与V族化合物。该衬底也可以是导体或电介质材料，诸如玻璃或石英。螺旋感应器设置在真空腔内部产生等离子体的真空腔部分的周围或附近，通过与工艺气体感应耦合能量来在真空腔中形成等离子体。利用传感器来测量等离子体蚀刻工艺的工艺属性。该工艺属性可以是等离子体条件(等离子体发射或空间条件)或衬底测量(诸如激光反射测量的地形测量、热测量、电气测量或光测量)。该传感器可以是诸如光发射光谱监视器的光学监视器、诸如激光反射监视器的地形监视器、温度监视器、空间监视器或电气监视器。基于从传感器收集的工艺属性的信息来调节螺旋感应器的定位。螺旋感应器可以通过径向平移或角倾斜平移来调节，以改善衬底上的蚀刻均匀性。最后，一旦完成蚀刻工艺，就从真空腔取出该衬底。
为了可以更好地理解随后的本发明的详细描述，前文已经相当广泛地概述了本发明的较相关和重要的特征，以便更充分理解对技术的贡献。在下文中将描述本发明的另外特征，其形成本发明的权利要求的主题。本领域的技术人员应该意识到，可以容易地利用公开的观念和具体实施例作为基础，来修改或设计其它结构，用于执行本发明的相同目的。本领域的技术人员还应该认识到，这些等效构造没有偏离如权利要求中提出的本发明的精神和范围。
图1是现有技术ICP等离子体反应器的示意图；图2是图1的ICP反应器的截面图，示出了等离子体密度分布；图3是本发明的实施例的ICP反应器的截面图，示出了在螺旋感应器被径向偏心移动之后的等离子体密度分布；图4示出了对于现有技术ICP等离子体反应器的蚀刻深度均匀性测量；图5示出了对本发明的实施例的蚀刻深度均匀性测量；图6是本发明的另一个实施例的ICP反应器的截面图，示出了在螺旋感应器相对腔壁倾斜之后的等离子体密度分布；图7是本发明的另一个实施例的ICP反应器的截面图，其中传感器用于测量等离子体状态，以向控制器提供信息，从而通过机构调节螺旋感应器；和图8是本发明的另一个实施例的ICP反应器的截面图，其中传感器用于测量衬底的属性，以向控制器提供信息，从而通过机构来调节螺旋感应器。
贯穿各图的几个视图，相似的参考符号指示相似的部件。
具体实施例方式
我们公开了一种设备，其通过机械调节等离子体蚀刻系统的螺旋ICP线圈，改善衬底上的等离子体蚀刻均匀性。
我们还公开了，在ICP等离子体蚀刻系统中使用传感器，用于产生指示等离子体的状态和/或衬底的属性的信号，这些信号然后用于机械调节螺旋ICP线圈，以改善衬底上的等离子体蚀刻均匀性。
图1是能够处理衬底的现有技术等离子体反应器的示意图。该反应器可以应用于蚀刻工艺，也可以应用于淀积工艺，包括等离子体增强化学气相淀积(PECVD)和物理气相淀积(PVD一例如，溅射淀积)。该反应器由具有位于圆柱体110外部的螺旋RF线圈105的腔100组成。该圆柱体典型地为电介质(例如，陶瓷)，但其也可以是半导体材料。如本领域公知的，该感应器为螺旋状。导电屏蔽罩(法拉第屏蔽罩)可以放置在RF线圈105线圈和圆柱体110之间。RF电源115向线圈105提供高频电流。阻抗匹配网络(未示出)可以用于更有效地与螺旋线圈耦合RF能量。在RF电源115能够产生一定范围的频率的情况下，可以不需要阻抗匹配网络。腔100还包含向该腔引入120和排出125工艺气体的装置，并且它们控制工艺压力。要被处理的衬底130被放置在衬底支架135上。该衬底支架可以通过本领域熟知的第二RF电源(未示出)来供电，以控制撞击在衬底130上的离子的能量。
图2示出了图1中所示的反应器的简化横截面。在螺旋感应器与反应器壁(电介质圆柱体)同心的情况下，经常观察到，该腔内部的等离子体密度均匀性在晶片上径向偏心移动(例如，衬底的一侧(点A)示出与另一侧(点B)不同的蚀刻速率)。当还存在径向不均匀性时，这种效果也可以看作衬底上的中心移动的“靶心”图案。这种移动可归于源(例如，等离子体密度不均匀一由于线圈上的电压梯度、驻波效应等)或腔内部的其它不均匀性(例如，阴极不均匀等)。
图3示出了本发明的一个实施例，其中为了影响腔内部的一侧到另一侧的不均匀性(点C&D)，相对于腔壁径向移动螺旋感应器。以此方式，移动螺旋感应器使其不再与反应腔壁同心。通过连接到螺旋感应器105的机构300来实现这种调整。
图4示出了利用现有技术的构造获得的实验结果。市场上可买到的利用45cm直径真空腔和工作在2MHz的UNAXIS ICP等离子体系统被用作源，来蚀刻150mm2石英光掩模。该螺旋感应器位于离腔壁9.5mm的位置。该光掩模位于35cm直径的衬底支架上，在13.56MHz处偏置。用于蚀刻的详细工艺条件是Ar 90sccmCF410sccm压力 7.2mTICP功率500W偏置功率 90W利用反射分光计测量石英蚀刻深度。在掩模表面上分布的64点进行了该测量，以便可以确定石英蚀刻的均匀性。利用上述蚀刻条件，通过与反应器壁同心的螺旋感应器，蚀刻速率均匀性在2.6％范围内，观察到的图案显示出一侧到另一侧的蚀刻标记，在衬底的右手侧上具有最高蚀刻速率(见图4)。
图5示出了利用本发明的第一实施例的实验的结果，在该实施例中调节机构用于相对于反应器壁移动该线圈。线圈在负“X”方向移动了1.2mm，在“Y”方向移动了0.2mm(见图5)。得到的蚀刻速率均匀性在2.5％范围内，观察的图案显示出一侧到另一侧的蚀刻标记被翻转(比较图4和5中的蚀刻标记)。现在，在衬底的左上角观察到最高蚀刻速率。
图6示出了本发明的实施例，其中为了影响腔内部的一侧到另一侧的不均匀性，使螺旋感应器相对于腔壁倾斜。螺旋感应器的中心轴被倾斜，以使其不再垂直于衬底平面。通过连接到螺旋感应器105的机构600来实现该调节。在该实施例中，螺旋感应器可以与反应器壁同心或相对于反应器壁径向移动。
图7示出了本发明的又一个实施例，其中传感器700测量等离子体的状态。该传感器连接到用于控制机构710的控制器705，该机构710响应于传感器测量来调节螺旋感应器的位置。该传感器可以测量与等离子体状态有关的包括但不限于电、磁、空间和光的任何数量的参数。一种测量等离子体状态的这种方法是通过等离子体发射，如技术领域熟知的。
图8也示出了本发明的又一个实施例，其中传感器800测量衬底的属性。该传感器连接到用于控制机构810的控制器805，该机构810响应于传感器测量来调节螺旋感应器的位置。该传感器可以测量与衬底有关的包括但不限于电、热、地形、空间和光的任何数量的参数。一种测量衬底状态的这种方法是通过使用激光反射。
因此，本发明中的传感器可以测量任何工艺属性，例如，等离子体蚀刻工艺期间的衬底的属性和/或等离子体蚀刻工艺期间的等离子体的状态。
本公开包括在权利要求中包含的内容，也包括前文描述的内容。虽然以其优选的形式以一定的具体程度描述了本发明，但是可以理解，仅以实例的方式进行了优选形式的本公开，并且在不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以采取构造细节的许多变化以及各部件的合并和布置。
既然描述了本发明，我们要求权利要求。
权利要求
1.一种用于蚀刻衬底的设备，包括真空腔；所述真空腔中的用于保持衬底的支撑部件；用于向所述真空腔提供蚀刻气体的蚀刻气体供应器；RF电源；布置在一部分所述真空腔周围或附近的螺旋感应器，所述螺旋感应器与所述蚀刻气体感应耦合能量，以在所述真空腔中形成等离子体；与所述真空腔流体相通的排气装置；和用于改变所述螺旋感应器的位置的机构。
2.根据权利要求1的设备，进一步包括电介质部件。
3.根据权利要求2的设备，其中所述电介质部件形成真空腔的壁。
4.根据权利要求3的设备，其中所述电介质部件为圆柱形。
5.根据权利要求1的设备，其中所述机构以径向平移来移动所述螺旋感应器。
6.根据权利要求1的设备，其中所述机构以角倾斜平移来移动所述螺旋感应器。
7.根据权利要求2的设备，进一步包括位于所述螺旋感应器和所述电介质部件之间的导电屏蔽罩。
8.一种用于蚀刻衬底的设备，包括真空腔；所述真空腔中的用于保持衬底的支撑部件；用于向所述真空腔提供蚀刻气体的蚀刻气体供应器；RF电源；布置在一部分所述真空腔周围或附近的螺旋感应器，所述螺旋感应器与所述蚀刻气体感应耦合能量，以在所述真空腔中形成等离子体；用于测量工艺属性的传感器；用于改变所述螺旋感应器的位置的机构；连接到所述传感器和所述机构的控制器；和与所述真空腔流体相通的排气装置。
9.根据权利要求8的设备，其中所述传感器为光学监视器。
10.根据权利要求9的设备，其中所述光学监视器是光发射光谱监视器。
11.根据权利要求8的设备，其中所述传感器是地形监视器。
12.根据权利要求11的设备，其中所述地形监视器是激光反射监视器。
13.根据权利要求8的设备，其中所述传感器是温度监视器。
14.根据权利要求8的设备，其中所述传感器产生空间分辨信息。
15.根据权利要求8的设备，其中所述传感器是电气监视器。
16.根据权利要求8的设备，进一步包括电介质部件。
17.根据权利要求16的设备，其中所述电介质部件形成真空腔的壁。
18.根据权利要求17的设备，其中所述电介质部件为圆柱形。
19.根据权利要求8的设备，其中所述机构以径向平移来移动所述螺旋感应器。
20.根据权利要求8的设备，其中所述机构以角倾斜平移来移动所述螺旋感应器。
21.根据权利要求16的设备，进一步包括位于所述螺旋感应器和所述电介质部件之间的导电屏蔽罩。
22.一种用于在等离子体蚀刻工艺中改善等离子体均匀性的方法，该方法包括在真空腔中放置衬底；在所述真空腔内部对该衬底进行感应耦合等离子体蚀刻工艺；调节螺旋感应器的位置；和从真空腔取出衬底。
23.根据权利要求22的方法，其中以径向平移来调节所述螺旋感应器。
24.根据权利要求22的方法，其中以角倾斜平移来调节所述螺旋感应器。
25.一种用于在等离子体蚀刻工艺中改善等离子体均匀性的方法，该方法包括在真空腔中放置衬底；在所述真空腔内部对该衬底进行感应耦合等离子体蚀刻工艺；测量工艺属性；基于所述测量步骤来调节螺旋感应器的位置；和从真空腔取出衬底。
26.根据权利要求25的方法，其中所述工艺属性是等离子体状态。
27.根据权利要求26的方法，其中所述等离子体状态是等离子体发射。
28.根据权利要求26的方法，其中所述等离子体状态是空间状态。
29.根据权利要求25的方法，其中所述工艺属性是衬底测量。
30.根据权利要求29的方法，其中所述衬底测量是地形测量。
31.根据权利要求30的方法，其中所述地形测量是激光反射测量。
32.根据权利要求29的方法，其中所述衬底测量是热测量。
33.根据权利要求29的方法，其中所述衬底测量是电气测量。
34.根据权利要求29的方法，其中所述衬底测量是光测量。
全文摘要
本发明提供一种用于改善在等离子体蚀刻工艺期间衬底上的蚀刻均匀性的方法和设备，该等离子体蚀刻工艺使用感应耦合等离子体螺旋感应器。该等离子体设备包括真空腔，真空腔中的用于保持衬底的支撑部件，用于向真空腔提供蚀刻气体的蚀刻气体供应器，与真空腔流体相通的排气装置，RF电源和布置在一部分真空腔周围或附近的螺旋感应器。提供传感器，用于测量工艺属性，以向控制器产生信号，然后控制器控制下述机构，该机构改变螺旋感应器的位置，从而提高等离子体蚀刻的均匀性。
文档编号H01J37/32GK101048842SQ200580032034
公开日2007年10月3日 申请日期2005年9月21日 优先权日2004年10月4日
发明者鲁塞尔·韦斯特曼, 大卫·约翰逊 申请人:优利讯美国有限公司