專利名稱：改善蝕刻多晶硅的均勻性和減少其蝕刻速率變化的方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用HBr進(jìn)行等離子體蝕刻多晶硅的方法和用于改善等離子體蝕刻均勻性的裝置。
相關(guān)技術(shù)描述在US 4,948,458、5,198,718、5,241,245、5,304,279、5,401,350和5,571,366中，公開了等離子體處理系統(tǒng)，其中一種與射頻(RF)源耦合的天線使處理室內(nèi)的氣體激發(fā)進(jìn)入等離子態(tài)。在這種體系中，天線被安置于處理室的外部，和通過電介質(zhì)壁或窗口將RF能量送進(jìn)室內(nèi)。這種處理系統(tǒng)可用于各種半導(dǎo)體處理場合，如蝕刻、沉積、防剝離等。當(dāng)這種系統(tǒng)用于對一批被接連處理的半導(dǎo)體基底進(jìn)行等離子體蝕刻時，在蝕刻這批基底過程中，其蝕刻速率和/或均勻性可能改變。蝕刻速率/均勻性中的這種變化是不希望有的，因?yàn)槲g刻入基底中的特征可能落在合格產(chǎn)品的參數(shù)之外。
US 5,242,536、5,314,573、5,336,365、5,368,684和5,763,327中公開了多晶硅蝕刻技術(shù)。其中專利’536披露了在平行板等離子體蝕刻器中，利用HBr氣體與Cl2和He一起進(jìn)行各向異性多晶硅的蝕刻。專利’573披露了在平行板等離子體蝕刻器中利用HBr氣體與HCl或Cl2一起進(jìn)行各向異性多晶硅的蝕刻。’365專利披露了在電子回旋共振(ECR)等離子體蝕刻器中，利用HBr氣體與Cl2一起為第一步和利用HBr與He一起為第二步驟，進(jìn)行各向異性多晶硅蝕刻?！?84專利披露了在一種磁控管等離子體蝕刻器中利用HBr氣體、HBr與Cl2的混合物、或HBr與HCl的混合物，進(jìn)行各向異性多晶硅蝕刻。專利’327披露了在等離子體蝕刻器中利用Cl2、Br2或HBr、He和O2，進(jìn)行多晶硅的蝕刻。
在US 5,160,407、5,180,464、5,560,804、5,591,664、5,665,203、5,670,018、5,792,692、5,801,077、5,804,489、5,861,343、5,932,115和5,994,234中描述了單獨(dú)利用HBr或結(jié)合其它氣體蝕刻多晶硅的方法US 6,022,809披露了一種用于等離子體蝕刻室的復(fù)合遮蔽環(huán)(composite shadow ring)，該環(huán)包含一個受到氣體等離子體如含氟等離子體轟擊時不會產(chǎn)生污染氧氣的插入部分。這種遮蔽環(huán)可移動安裝在真空室底部，使晶片可裝配在靜電卡盤上或與之脫開，并通過圍繞室壁的環(huán)形天線在該室內(nèi)產(chǎn)生等離子體。該遮蔽環(huán)包含二氧化硅的外主體部分和硅的內(nèi)環(huán)形插入部分。在旋壓玻璃(SOG)(spin-on-glass)層通道蝕刻過程中，該插入部分是用來減少會抑制或損壞通道開口中聚合物側(cè)壁鈍化層的氧氣的形成，并由此降低晶片外緣附近的鎢插塞損失。
盡管現(xiàn)有技術(shù)已有幾種建議改善多晶硅蝕刻的方法，盡管也嘗試過使用純硅材料防止蝕刻過程中氧氣形成，但本領(lǐng)域需要改進(jìn)對多晶硅蝕刻的均勻性。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種連續(xù)處理一系列半導(dǎo)體基底的方法，使其在用含氟氣體清洗和/或風(fēng)干等離子體蝕刻室后的等離子體蝕刻速率變化最小。這種方法包含步驟(a)將半導(dǎo)體基底放在等離子體蝕刻室內(nèi)的基底支撐上，(b)保持該室內(nèi)真空，(c)通過向該室提供含HBr蝕刻氣體并激發(fā)蝕刻氣體以在該室內(nèi)形成等離子體來處理基底，(d)從該室取出基底；和(e)重復(fù)步驟(a-d)，連續(xù)處理該室內(nèi)另外的基底，完成此蝕刻步驟是通過保持圍繞基底的部件上的H和Br的再結(jié)合速率，使之足以補(bǔ)償穿越基底的Br的消耗速率。
按照本發(fā)明的一個優(yōu)選特征，該半導(dǎo)體基底可包含一層在步驟(c)的過程中用HBr蝕刻的多晶硅層，和/或在步驟(c)的過程中保持使該室在真空壓力小于100mTorr下。在步驟(c)的過程中，可將不超過500瓦的RF偏壓通過基底支撐施加于該基底。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，采用電介質(zhì)部件通過與室內(nèi)部分離的平面或非平面天線，激發(fā)蝕刻氣體進(jìn)入等離子態(tài)。優(yōu)選地是，該電介質(zhì)部件是至少與基底支撐共同擴(kuò)張的，并通過電介質(zhì)部件中至少一個進(jìn)氣口向該室提供蝕刻氣體。
附圖簡要說明現(xiàn)參考附圖，對本發(fā)明更詳細(xì)描述于下，其中

圖1顯示可用于完成本發(fā)明方法的等離子體蝕刻室的斷面示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳細(xì)說明本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的等離子體蝕刻方法，其能夠在蝕刻一批連續(xù)被處理的半導(dǎo)體基底時提供更為可重復(fù)的結(jié)果。尤其，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在蝕刻一批半導(dǎo)體晶片的過程中，蝕刻速率可能變化明顯，這取決于是否在該蝕刻之前通過在處理生產(chǎn)晶片(production wafer)之前先使一片或多片調(diào)節(jié)晶片(conditioning wafer)穿過該室，來對該室進(jìn)行原位室清洗或風(fēng)干。按照本發(fā)明，已令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，利用碳化硅作為圍繞晶片的邊緣環(huán)的材料，可使在清洗或風(fēng)干后的蝕刻速率更為均勻。
本發(fā)明方法可以在任何其中可連續(xù)處理各個基底的適宜等離子體蝕刻反應(yīng)器中完成。優(yōu)選等離子體蝕刻反應(yīng)器是一種感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)器，如圖1所示。如圖所示，該裝置包括室2、基底支撐4、圍繞基底8的邊緣環(huán)6、電介質(zhì)窗10、感應(yīng)耦合等離子體源12和通向真空泵的出口14。此外，通過在電介質(zhì)窗10的進(jìn)氣口18，向該室提供蝕刻氣體。該等離子體源優(yōu)選為一種平面天線，諸如由適宜RF發(fā)生器20提供RF能量的螺旋形線圈，而且基底支撐優(yōu)選包括一個提供RF能量的電極，以向該基底施加適宜的RF偏壓。該邊緣環(huán)6可以全部是CVD的SiC或一種諸如燒結(jié)SiC或涂有SiC的其它材料的復(fù)合物。但是，優(yōu)選的是該邊緣環(huán)整個表面暴露于該室內(nèi)的等離子體中而成為碳化硅的。此外，為使電場效應(yīng)減到最小，可以將邊緣環(huán)6的上表面放在基底8的暴露表面之上，如邊緣環(huán)的頂部可在基底的該表面以上1-2毫米。
按照本發(fā)明，該碳化硅的邊緣環(huán)可在批處理各個半導(dǎo)體基底過程中使蝕刻速率穩(wěn)定。此外，還可使邊緣環(huán)保持沒有因RF偏壓產(chǎn)生的離子轟擊而堆積的沉積物。這種自凈化有利于保持蝕刻速率穩(wěn)定，因?yàn)檫吘壄h(huán)上的沉積物會改變引起蝕刻速率飄移的H和Br的再化合。這種反應(yīng)器可包含任何在該室內(nèi)產(chǎn)生等離子體的適宜源(如平行板、電感耦合、ECR、磁控管、螺旋波等)和任何用于輸送蝕刻氣體進(jìn)入該室的適宜氣體供應(yīng)源(如安裝在延伸穿過電介質(zhì)窗的開口中的氣環(huán)、噴頭、氣體噴射器)。
在圖1所示的實(shí)施方案中，該真空處理室優(yōu)選包括構(gòu)成對基底提供靜電夾持力的基底夾具，而該邊緣環(huán)使等離子體限制在基底以上的區(qū)域內(nèi)，同時它背面用He冷卻?？刹捎帽３质覂?nèi)高密度等離子體的能源(如至少109離子/cm3)，諸如由適宜RF源驅(qū)動的和與RF阻抗匹配線路相關(guān)的平面天線，感應(yīng)耦合RF能量進(jìn)入該室，以構(gòu)成高密度等離子體。真空泵優(yōu)選保持該室內(nèi)部處于所需壓力(如50mTorr以下，一般1-20mTorr)。
圖1所示的反應(yīng)器包括一個基本平面的電介質(zhì)窗10，其在天線12與該處理室內(nèi)部之間厚度均勻。但是，也可采用其它天線和/或窗構(gòu)型，諸如非平面天線和/或非平面的電介質(zhì)窗。此外，盡管可以采用任何適宜的氣體供應(yīng)布置，但在所示實(shí)施方案中，對電介質(zhì)窗設(shè)置的是一個位于中心的進(jìn)氣口18?？梢酝ㄟ^一個或多個氣體供給源22對入口18提供氣體?；讑A具可以包括一些常規(guī)特征，諸如提升該基底的起模頂桿結(jié)構(gòu)(沒有顯示)。
按照本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用碳化硅邊緣環(huán)可以改善HBr蝕刻均勻性。為了與其它材料比較碳化硅邊緣環(huán)的有效性，利用了石英、氮化硅和氧化鋁的邊緣環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。與這些其它材料相比，在利用氟基氣體的化學(xué)作用進(jìn)行室清洗之后或在室風(fēng)干之后(其中在蝕刻生產(chǎn)晶片之前對調(diào)節(jié)晶片進(jìn)行處理)，碳化硅邊緣環(huán)提供的蝕刻速率重復(fù)性更好得多。利用激光二極管測定在多晶硅蝕刻過程中HBr的分解百分率。這些測試是在室風(fēng)干之后(其中6個裸硅晶片是在處理生產(chǎn)晶片之前受過處理的)，并且在該室的無晶片(waferless)清洗(WAC)之后(其中對該室利用氟基清洗氣體清洗，同時基底支撐是未覆蓋的)完成的。試驗(yàn)中所用等離子體蝕刻室是一種LAM 2300TM蝕刻室，并用石英、氧化鋁和碳化硅為邊緣環(huán)材料。分解百分率列于下表中。
在用HBr對多晶硅等離子體蝕刻過程中，硅與溴結(jié)合，并作為氣體被脫出。因此，最好保持在蝕刻晶片內(nèi)部的HBr分解速率與在晶片外周邊的速率相同。但是，因?yàn)檫吘壄h(huán)材料不同，造成H和Br再結(jié)合速率不同，所以可以采用使H和Br再結(jié)合速率高的邊緣環(huán)材料，以使晶片外周邊的蝕刻速率與在晶片中心的蝕刻速率相同。相反，如果在邊緣環(huán)的再結(jié)合速率低，就可能造成不均勻蝕刻，因?yàn)閷苓呥M(jìn)行蝕刻要提供比對晶片內(nèi)部更多的Br。
按照本發(fā)明，提高晶片邊緣的再結(jié)合速率，可以改善對多晶硅蝕刻的均勻性。尤其，可通過選擇邊緣環(huán)材料來增加再結(jié)合速率，并可加大邊緣環(huán)的寬度來增強(qiáng)這種效應(yīng)。例如，對設(shè)計(jì)為能蝕刻200毫米晶片的蝕刻室，可選擇邊緣環(huán)寬度至少為晶片直徑的10％，即對于200毫米的晶片，寬度至少為20毫米，優(yōu)選25毫米或更寬。
按照本發(fā)明的碳化硅邊緣環(huán)還具備另外一些優(yōu)點(diǎn)。例如，與可能是一種鋁污染源的氧化鋁邊緣環(huán)相比，由高純度碳化硅如化學(xué)沉積SiC(CVDSiC)制成的邊緣環(huán)，就不存在這種污染問題。與受到氟基清洗氣體的化學(xué)作用的化學(xué)侵蝕的石英邊緣環(huán)相比，碳化硅邊緣環(huán)化學(xué)上更為穩(wěn)定。此外，與石英邊緣環(huán)、氮化硅邊緣環(huán)或氧化鋁邊緣環(huán)相比，在需要經(jīng)WAC或室風(fēng)干之后以目標(biāo)蝕刻速率對多晶硅進(jìn)行蝕刻時，碳化硅邊緣環(huán)構(gòu)成對多晶硅蝕刻速率的影響最小。
可利用純HBr或與其它氣體結(jié)合的HBr，完成按照本發(fā)明的方法。例如，在主蝕刻過程中可單獨(dú)或與一種或多種其它氣體結(jié)合使用HBr，完成對多晶硅的蝕刻，且在過度蝕刻過程中可改變該氣體的化學(xué)作用。適宜氣體的化學(xué)作用的實(shí)施例如下。
按照蝕刻多晶硅諸如掩蔽硅化物/多晶硅層的第一實(shí)施方案，可利用HBr和Cl2在有或無非蝕刻氣體如氬、氦或氮情況下完成主蝕刻。如果需要，可用另外的氯源如HCl替代Cl2。工藝參數(shù)諸如等離子體源的電源、晶片溫度、RF偏壓、室真空壓力等，可按照所用等離子體反應(yīng)器的類型來設(shè)定。對于感應(yīng)耦合等離子體源，天線功率可以在200-1000瓦范圍，晶片溫度可以是10-100℃，室壓力可以是5-50mTorr，RF偏壓可以小于500瓦等。在過度蝕刻步驟中，可以加入氧和氦以使該氣體改性。例如，這種過度蝕刻可以利用HBr、Cl2、He和O2來完成。另一方面，在過度蝕刻步驟的過程中，可以終止Cl2。
按照第二實(shí)施方案，一種polycide膜片，包括一層摻雜多晶硅的下層和一層硅化鎢的上層，可利用HBr和SF6對其進(jìn)行蝕刻，而過度蝕刻可以通過停止供給SF6和調(diào)節(jié)HBr流量達(dá)到需要含量來完成。除SF6之外，也可采用其它含氟氣體，包括NF3、ClF3、F3、HF、C2F6、CHF3、CF4、CH3F6、C3F8、C4F8等的氣體。此外，可添加N2和/或O2以保護(hù)側(cè)壁，而且如果需要，為進(jìn)行濺射、稀釋或冷卻效應(yīng)，可添加氣體諸如氬和/或氦。
按照第三實(shí)施方案，在多晶硅的蝕刻之前，可進(jìn)行脫出多晶硅層上的任何表面氧化物的步驟。例如，可以利用一種適宜氣體諸如CF4，脫出在先前步驟如剝離石印掩模過程中多晶硅層上可能已形成的表面氧化物。然后，利用一種50-300sccm的HBr、20-150sccm的Cl2、1-20sccm的He/O2混合物(如70％He和30％O2)的混合物，蝕刻在300毫米晶片上的多晶硅。在隨后步驟中可以終止Cl2，并在實(shí)現(xiàn)過度蝕刻的第三步驟中可以降低功率和室壓力，同時利用無Cl2的HBr和He/O2氣體混合物。
在第四實(shí)施方案中，可用一種Cl2/O2的混合物，蝕刻硅化鎢層，且對硅化鎢膜片之下的摻雜多晶硅層，可單獨(dú)用HBr或HBr/O2混合物蝕刻。在這些蝕刻步驟中，可以調(diào)節(jié)等離子體源的功率達(dá)到所需等離子體密度。例如，可將等離子體密度調(diào)節(jié)至大約1×109厘米-3。但是，也可采用約1×109厘米-3的較低等離子體密度，或約至少1×1011厘米-3的較高等離子體密度。
上文已經(jīng)描述了本申請的原理、優(yōu)選實(shí)施方案和操作方法。但是，本發(fā)明不應(yīng)被解釋為局限于所述的具體實(shí)施方案。因此，上述實(shí)施方案應(yīng)被認(rèn)為是說明性的，而非限制性的，而且應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可按照這些實(shí)施方案構(gòu)成各種變異，而不致偏離本發(fā)明如下權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)處理各個半導(dǎo)體基底的方法，使其在用含氟氣體清洗和/或風(fēng)干該等離子體蝕刻室后等離子體蝕刻速率改變最小，該方法包括步驟(a)將半導(dǎo)體基底放置在等離子體蝕刻室中的基底支撐上；(b)保持該室真空；(c)通過向該室供給含HBr的蝕刻氣體和激發(fā)該蝕刻氣體，以在該室中形成等離子體，對基底的暴露多晶硅表面進(jìn)行蝕刻，(d)從該室取出基底；和(e)重復(fù)步驟(a-d)，連續(xù)蝕刻該室內(nèi)另外的基底，完成該蝕刻步驟采用的方法是，使在圍繞基底的部件上的H和Br的再結(jié)合速率最小化至足以補(bǔ)償穿過基底消耗Br的速率。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其中該半導(dǎo)體基底是具有在步驟(c)的過程中用純HBr蝕刻過的多晶硅層的硅晶片。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)過程中，對該室保持小于100mTorr的真空壓力。
4.按照權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(c)的過程中，通過基底支撐對該基底施加射頻偏壓，從而該射頻偏壓使在邊緣環(huán)上堆積的沉積物減至最少。
5.按照權(quán)利要求1的方法，其中該部件包括由碳化硅制成的邊緣環(huán)。
6.按照權(quán)利要求1的方法，其中在該蝕刻步驟之前是進(jìn)行原位清洗和/或風(fēng)干該室的步驟。
7.按照權(quán)利要求1的方法，其中該蝕刻是在感應(yīng)耦合等離子體反應(yīng)器中完成的，其中該邊緣環(huán)的上表面位于被暴露的多晶硅表面之上。
8.按照權(quán)利要求1的方法，其中該蝕刻氣體是通過由電介質(zhì)部件與該室內(nèi)部分離的平面或非平面天線而被激發(fā)進(jìn)入等離子態(tài)的，該電介質(zhì)部件是至少與該基底支撐共同擴(kuò)張的。
9.按照權(quán)利要求8的方法，其中該蝕刻氣體是通過在電介質(zhì)部件中的至少一個入口提供給該室內(nèi)部的。
10.一種等離子體蝕刻裝置包括一個其內(nèi)部有一個基底支撐的等離子體蝕刻室，該室包括一個面向基底支撐的電介質(zhì)部件；一種氣體供給源，供給含HBr的蝕刻氣體進(jìn)入該室內(nèi)部；一種通過電介質(zhì)部件與該室內(nèi)部分離的天線，該天線輸送射頻能量穿過該電介質(zhì)部件，并激發(fā)該蝕刻氣體進(jìn)入等離子態(tài)；一臺對該室內(nèi)部進(jìn)行抽空的真空泵；一種圍繞基底支撐周邊的碳化硅邊緣環(huán)；和一個包括被蝕刻的多晶硅層的基底，該基底位于基底支撐上，以使邊緣環(huán)通過一個間隙與基底分離，該間隙的大小足以使基底被往下放至該基底支撐上和高出該基底支撐而不接觸邊緣環(huán)的內(nèi)周邊。
11.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該邊緣環(huán)有一個平行于多晶硅層的平面寬度，其寬度至少為該平面中的基底最大尺寸的20％。
12.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該真空泵保持該室內(nèi)部真空壓力小于100mtorr。
13.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該基底支撐包括一個對該基底施加不超過500瓦的射頻偏壓的電極。
14.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該邊緣環(huán)由CVD SiC組成。
15.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該邊緣環(huán)包括涂有CVD SiC的燒結(jié)SiC。
16.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該邊緣環(huán)從基底支撐的外周邊延伸至該基底的外緣。
17.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該電介質(zhì)部件是至少與基底支撐共同擴(kuò)張的。
18.按照權(quán)利要求17的等離子體蝕刻裝置，其中該電介質(zhì)部件包括至少一個入口，通過該入口對該室內(nèi)部提供蝕刻氣體。
19.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該基底包括具有多晶硅層的硅晶片，且氣體供給源提供HBr和Cl2進(jìn)入該室。
20.按照權(quán)利要求10的等離子體蝕刻裝置，其中該邊緣環(huán)具有一個上表面，該上表面在基底之上保持足夠的間距以補(bǔ)償基底邊緣的場效應(yīng)。
全文摘要
一種連續(xù)處理一系列半導(dǎo)體基底的裝置和方法，其具有在用含氟氣體清洗和/或風(fēng)干該離子體蝕刻室后的等離子體蝕刻速率的改變最小。該方法包括步驟(a)將半導(dǎo)體基底放在等離子體蝕刻室內(nèi)的基底支撐上，(b)保持該室內(nèi)的真空，(c)通過向該室供給蝕刻氣體和激發(fā)該蝕刻氣體以在該室中形成等離子體，對基底的暴露表面進(jìn)行蝕刻，(d)從該室取出基底；和(e)重復(fù)步驟(a－d)，連續(xù)蝕刻該室內(nèi)另外的基底，該蝕刻步驟是采用使圍繞在基底碳化硅邊緣環(huán)上的H和Br的再結(jié)合速率最小化到足以補(bǔ)償穿過基底消耗Br的速率而完成的。這種方法可用純HBr或HBr與其它氣體的結(jié)合來完成。
文檔編號H05H1/46GK1426597SQ01808503
公開日2003年6月25日 申請日期2001年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者倪圖強(qiáng), 竹下健二, 崔善煥, 林云, 章文莉 申請人:蘭姆研究公司