专利名称：高压斜角刻蚀方法
高压斜角刻蚀方法
交叉引用相关申请本申请依据美国法典35 § 119要求申请号为61/138，357，名称为“HIGH PRESSURE BEVELETCH PROCESS”，申请日为2008年12月17日的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容在此引入以作参考。
发明内容
本文公开了一种在斜角刻蚀机中在无击穿条件下斜边(bevel edge)刻蚀半导体的方法，在该刻蚀机中半导体衬底支撑于半导体衬底支座上。无击穿意指在斜角刻蚀过程完成后，在10000个晶片中不超过1个呈现出击穿破坏。该方法包括将斜角刻蚀机排空至压强为3托尔到100托尔且保持可视于该晶片的RF电压处于击穿会发生的临界值之下；使工艺气体流入斜角刻蚀机中；在半导体衬底的边缘(periphery)将工艺气体激发为等离子体；和用该等离子体斜角刻蚀该半导体衬底。
图1为依据一种具体实施方式
的斜角刻蚀机的剖面示意图。图2为依据VCI电压测量示出了无击穿工艺条件的图表。
具体实施例方式斜角清洁模块(斜角刻蚀机)，例如，由加拿大菲蒙市的兰姆研究公司(Lam Research Corporation)制造的2300C0R0NUS 产品，应用边缘约束等离子体技术移除晶片边缘的薄膜。对于65nm及其以下的技术而言，器件产量限制的主要来源来自于从晶片边缘转移的瑕疵。在器件的图案化过程中，薄膜沉积、光刻、刻蚀和化学机械抛光的复杂相互作用导致在晶片边缘出现宽范围的不稳定薄膜堆叠。在随后的步骤中，这些薄膜层能够引起瑕疵，该瑕疵被传输到晶片的器件区。在集成流中在选定的点移除这些薄膜导致瑕疵的减少和更高的器件产量。因此，在器件制造工艺中，由边缘约束等离子体在许多步骤上提供对晶片边缘堆积的控制。斜角被刻蚀的晶片可在灵敏的后段制程(BEOL)晶片上显示宏击穿，微击穿，表面电荷和放电问题。已发现晶片的RF电压与击穿的可能性具有对应关系。如此处所公开的， 对于给定电极功率设定在晶片上所见的RF电压(通过VCL探针测量)可通过提高等离子体室中的压强而减小。因此，在更高的压强体制中，可能依据功率设定和气体化学过程扩宽处理窗以避免击穿问题。RF电压优选维持在临界值之下，该临界值取决于器件结构或者晶片对击穿的敏感度。斜角刻蚀机200中的等离子体处理，例如，要从半导体衬底移除斜边堆积，可以包含用含有氟的等离子体刻蚀该斜边。半导体衬底可以包含，例如由铜后段制程(BEOL)波纹处理制得的晶片。该半导体衬底可以具有约300mm的直径。该半导体衬底可以包含斜边部分(例如相当于约2mm宽)，该斜边部分环绕多层集成电路(IC)的器件结构，该集成电路的器件结构在该斜边内部的包含暴露的铜。该暴露的铜表面可以包含在整个晶片的含钽种子层上的铜表面。现在参考图1，图1示出了依据于一种具体实施方式
用于清洁衬底218的斜边的衬底刻蚀系统或斜角刻蚀机200的剖面示意图，如已公开在公布号为2008/018M12的共同转让美国专利申请中，该公布的专利申请通过引用被包含于此。斜角刻蚀机200通常具有(但不限于)轴对称的形状，简洁起见，图1中仅示出了侧截面视图的一半。如所描述的，该斜角刻蚀机200包括设置有门或闸242的室壁202， 衬底218通过门或间242装载/卸载；上部电极组件204 ；支座208，上部电极组件204悬挂于该支座208 ；和下部电极组件206。精密的驱动装置(图1中未示出)被附于该支座208 用于将上部电极组件204上下移动(在双重箭头指示方向上)以便该上部电极组件204和该衬底218之间的间隙得到精确地控制。金属波纹管205在室壁202和支座208之间形成真空密封，同时允许支座208相对于室壁202具有垂直运动。支座208具有中心气体进口(通道)212和边缘气体进口(通道)220。气体进口 212，220中的一个或者两者均能够输送工艺气体，工艺气体将被激发为等离子体状态以清洁斜边。在操作过程中，等离子体环绕衬底218的斜边形成且通常具有环形形状。要阻止等离子体到达衬底218的中心部位，上部电极组件204上的绝缘板216 与衬底218之间的空间要小且工艺气体从中心进口供应，在一种具体实施方式
中工艺气体穿过阶梯孔214进行供应。然后，工艺气体沿衬底的径向穿过上部电极组件204和衬底218 之间的空隙。每一气体进口用于供应相同的工艺气体或者例如净化气体的其他气体。例如，净化气体可以被注入穿过中心气体进口 212，同时工艺气体可以被注入穿过边缘气体进口 220。该等离子体/工艺气体从室空间251经由孔组(出口)241退出至底部空间M0， 举例言之，在清洁操作中，真空泵243可以用于排空底部空间M0。在斜角清洁操作中，室压强保持在3托尔到100托尔之间(例如，3托尔到5托尔、5托尔到10托尔、10托尔到50托尔或者50托尔到100托尔)。此压强高于公开在专利号为2008/0227301，2008/0050923， 2008/0156772和2008/0190448的共同转让美国专利中的典型的压强，这些公开的专利在此并入以作参考。该工艺气体可以包含含氧气体，例如A ;N2O, CO, COS和/或co2。含氟气体诸如， 例如，SF6, NF3, CxFy (例如 CF4, C2F4, C2F6)，CxFyH2 (例如 C3HF, CHF3, CH2F2，C2H2F4)也可以添加到工艺气体中。工艺气体中含氟气体的量依据于通过斜角(边)刻蚀所去除的特定薄膜来决定。例如，比如按体积计小于10%的少量的，或者比如按体积计大于80%或大于90%的大量的含氟气体可以存在于工艺气体中。在不同的具体实施方式
中，工艺气体可以包含按体积计约5%的NF3/平衡(X)2或者按体积计约10%的CF4/平衡CO2。上部电极组件204包括上部绝缘板或者上部绝缘元件216 ；和上部金属元件 210，其通过适当的固定装置固定支座208且经由支座208接地。上部金属元件210由金属例如铝形成且可以进行阳极处理。上部金属元件210具有一个或者一个以上的边缘气道或者通孔22h、222b，和边缘集气室224，在操作过程中在边缘集气室224内边缘气道或者通孔22加、22沘流体连通于边缘气体进口 220。上部绝缘板216附于上部金属元件210且加工成形于绝缘材料，例如陶瓷。若需要，上部绝缘板216可以具有IO3涂层。由于消散晶片上的电荷的能力的差异以及由此降低如上文所示通过低PF电压测量的击穿的概率，大块Y2O3或被IO3所覆盖部件和陶瓷例如SiC、SiN, Si、AIN等等优选于氧化铝或阳极电镀铝部件。通常很难在一些陶瓷如Al2O3上钻深的直孔，且因此阶梯孔214可以用于代替深直孔。 然而，上部绝缘板216示出了单一中心孔，上部绝缘板216可以具有任何适宜数量的出口， 例如，如果需要，出口可以以淋喷头穿孔形式设置。下部电极组件206包括具有上部226a和下部226b的供电电极2 且在操作过程中作为真空夹盘可选择地有效运行以将衬底218固定于适当的位置；用于将衬底上下移动的升销230 ；销操作部件232 ；具有上部238a和下部238b的底部绝缘环238。在一种具体实施方式
中，该卡盘可以为静电卡盘。在下文中，术语供电电极指的是上部226a和下部 226b两者中的一者或两者。同样地，术语底部绝缘环238指的是上部238a和下部238b两者中的一者或者两者。供电电极2 连接于射频(RF)能源270以在操作过程中接收RF能量。升销230在圆柱形孔或者路径231中垂直运动且通过置于供电电极2 中的销操作部件232在上下位置之间移动。销操作部件232包括环绕每一升销的外罩以保持环绕升销的真空密封环境。销操作部件232包括任何适宜的升销装置，例如机械臂233(例如，具有伸展进每一外罩的成段的且附于每一销的水平臂)和臂驱动调节装置(图1中未示出)。 为简洁起见，机械臂的段只有一尖端部分在图1中示出。然而，三个或四个升销可以用于提升晶片，例如，例如300mm的晶片，任何适宜数量的升销230可以用在斜角刻蚀机200中。任何适宜的装置，例如升降波纹管，也可以作为销操作部件232使用。衬底218安装于下部电极上或者安装于下部可配置等离子体排斥区(PEZ)环形物 260上，其中术语PEZ指的是从衬底的中心到区域的外缘的径向距离，在PEZ用于清洁斜边的等离子体被排除。该环形物260更适宜为介质材料。由于消散晶片上的电荷的能力的差异以及由此降低如上文所示通过低PF电压测量的击穿的概率，大块IO3或被IO3所覆盖部件和陶瓷例如SiC、SiN、Si、AIN等等优选于氧化铝或阳极电镀铝部件。在一种具体实施方式
中，供电电极226的顶面，衬底218的底面，和下部可配置PEZ环形物的内表面能够形成与真空源例如真空泵236流体连通的封闭的真空区域凹槽(真空区域)219。用于升销230 的圆柱形孔或者路径也共享为气道，在操作过程中通过该圆柱形孔或者路径真空泵236将该真空区域排空。供电电极2^a，226b包括稳压室234用于减小真空区域219中的即时压强波动且，在采用多个升销的情况下，为圆柱形孔提供统一的吸收率。衬底218的顶表面上设置有集成电路，该集成电路可以包含暴露的铜表面，该铜表面可以处于含钽成分的层上，这通过一系列的处理过程形成。可使用等离子体执行一个或者一个以上的可以传递热能到衬底的处理过程，其可在衬底上形成热应力并且因此导致晶片弯曲。在斜角清洁过程中，可以通过在衬底218的顶面和底面使用不同的压强来降低衬底弯曲。通过连接到稳压室234的真空泵236，在处理过程中真空区域219中的压强保持在真空。通过调节上部绝缘板216和衬底218顶面之间的气体，可以在不改变工艺气体的全部流速的情况下改变此空隙中的气体压强。因此，通过控制该空隙中的气体压强，衬底 218的顶面和底面之间的不同压强是能够改变的，且从而施加在衬底218上的弯曲力也是能够控制的。底部绝缘环238a，238b是由绝缘材料(例如陶瓷包括Al2O3, Y2O3等等)加工成形而来且将供电电极2 与室壁202电分离。由于消散晶片上的电荷的能力的差异以及由此降低如上文所示通过低PF电压测量的击穿的概率，大块IO3或被IO3所覆盖部件和陶瓷例如SiC，SiN, Si，AIN等等优选于氧化铝或阳极电镀铝部件。在一种具体实施方式
中，底部绝缘环的下部238b具有阶梯252，该阶梯252形成于下部238b的上表面的内圆周用于与供电电极2 的下边缘紧密配合。在一种具体实施方式
中，下部238b具有阶梯250，该阶梯形成于其外圆周用于与底部绝缘环的上部238a上的阶梯面紧密配合，底部绝缘环被称为中心环。阶梯250、252使底部绝缘环238与供电电极2 相匹配。阶梯也沿其表面形成弯曲的间隙以消除供电电极2 和室壁202之间的直接的视线从面降低了供电电极2 和室壁 202之间的二次等离子体撞击的可能性。斜边清洁等离子体处理可以包括供给气体混合物例如包括NF3或者CF4给斜角刻蚀机，且将该气体混合物激发为等离子体状态。特别地，该气体混合物可以包括NF3和CO2, 或者CF4和CO2。例如，该所体混合物可以包括按体积计约5%的NF3/平衡CO2,或按体积计约10%的NF4/平衡C02。该气体混合物可以被注入位于半导体衬底的边缘和/或中心的斜角刻蚀机中。例如，当含氟的气体混合物被注入位于半导体衬底的边缘的斜角刻蚀机中时， 气体队可以被注入位于该半导体衬底的中心的斜角刻蚀机。斜角刻蚀能够在晶片的外部边缘导致击穿，导致被制造的器件的产量的损失。这种成品率损失能够超过晶片产量的3%。因此，为了提高已处理晶片上的器件产量，需要消除斜边已净化的晶片的外部区域的击穿现象。在一种具体实施方式
中，用等离子体处理半导体衬底的条件包括大于约5秒的曝光时间(例如约30秒)，和大于约50瓦特的RF能量(例如50至2000瓦特)。在一种具体实施方式
中，处于2至60MHz的较高的RF能量从以5至3000标况毫升每分(sccm)流入室中的工艺气体产生等离子体。图2示出了通过与RF连接的VCI探针测量的VCI电压图，该RF供应给底部电极， 该底部电极支持用包括IOsccm的NF3，200sccm的(X)2和500sccm的N2的工艺气体斜角刻蚀的测试晶片。如图2中所示，在< 2托尔的低电压，击穿发生在500瓦特和600瓦特的功率水平。对于那些同样的电源设置，当室压强被增加到5托尔和9托尔时击穿问题观察不到。为避免击穿当将可视于晶片上的RF电压保持在足够低的值时，无击穿处理窗显示处于至少3托尔的室压强之内。该临界值将取决于器件结构和晶片对击穿的敏感度。在一种优选的实施方式中，通过VCI探针监测晶片电压所测量得到的RF电压不大于约220伏特。在提高的室压强下击穿的消除是意想不到的，且能够期待实现高压强斜边清洁处理以使在斜角已净化的晶片上经历进一步的处理步骤的半导体器件在产量上获得大量提高。尽管已描述了各种实施方式，但是应当理解的是，可以进行变化和修改，同样地这些变化和修改对于本领域的技术人员而言是显而易见的。这些变化和修改将会被认为处于到此为止所附的权利要求的权限和范围之内。
权利要求
1.在斜角刻蚀机中应用等离子体斜边刻蚀半导体衬底的方法，其中所述半导体衬底支撑于半导体衬底支座上，包括当将所述斜角刻蚀机排空至压强为3托尔至100托尔时，在所述斜角刻蚀机中应用所述等离子体斜边刻蚀所述半导体衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中工艺气体以5sCCm至3000sCCm被注入进室中，所述等离子体通过电极产生，所述电极供应有功率在50瓦特至2000瓦特且频率处于2MHZ至 60MHZ 的 RF，且所述工艺气体包括 C02、CO、02、N2、H2, He、Ar、Xe, NF3> CxFy, CxFyHz, SF6, COS 和 N2O中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述工艺气体包括氮、氩、氦、氙、氪及其混合物。
4.根据权利要1所述的方法，其中所述工艺气体中不含氟和氧。
5.根据权利要求1所述的方法，包括将约10SCCm-2000SCCm的工艺气体流入所述斜角刻蚀机且保持所述室的压强在3托尔到10托尔之间。
6.根据权利要求1所述的方法，包括通过在所述斜角刻蚀机中使用IO3部件来消散所述衬底上的电荷。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底为300mm的BEOL晶片。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜边刻蚀包括激发包含5到15sCCm的NF3、 100 到 300sccm 的 CO2 和 300 到 700sccm 的 N2 的气体。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述斜边刻蚀包括使300到eOOsccm的包含4% H2的He-H2气体混合物和100到300sCCm的队流入所述斜角刻蚀机。
10.根据权利要求1所述的方法，包括使5到20sccm的NF3和100到300sccm的CO2的气体流入到位于所述半导体衬底的边缘的所述斜角刻蚀机。
11.根据权利要求1所述的方法，包括用VCI探针监测晶片电压和将由所述VCI探针测量的RF电压保持在约220伏特的临界值以下。
12.根据权利要求1所述的方法，包括斜角刻蚀300mm的晶片，所述晶片具有65nm或其以下的工艺节点，在其外周的2mm或其以下的边缘排除量和所述晶片上表面的暴露金属线。
全文摘要
一种在斜角刻蚀机中应用等离子体在斜边刻蚀半导体衬底过程中防止击穿的方法，在斜角刻蚀机中该半导体衬底支撑于半导体衬底支座上，该方法包括当将斜角刻蚀机排空至压强为3托尔至100托尔时，在斜角刻蚀机中应用等离子体斜边刻蚀该半导体衬底，同时保持可视于晶片的RF电压处于足够低的值以避免击穿。
文档编号H01L21/3065GK102246282SQ200980150147
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月17日
发明者云桑·S·金姆, 同·方, 安德里亚斯·菲舍 申请人:朗姆研究公司