用于等离子体刻蚀的聚焦环及具有其的等离子体刻蚀装置

摘要

本发明提供一种用于等离子体刻蚀的聚焦环，包括绝缘体材料的下环、导体材料的中环以及上环。本发明亦提供一种包括该聚焦环的等离子体刻蚀装置，其中，对聚焦环的加载预设电压，该预设电压为针对不同的等离子体放电模型，获取刻蚀腔室中一个射频周期内的平均电压的近似最大值。在等离子体刻蚀过程中，虽然上环逐渐被腐蚀掉，但由于中环限制了晶圆边缘附近的电场分布，上环高度变化对晶圆边缘的等离子体特性影响较小，尤其是对离子入射角度影响较小，能够保证晶圆边缘的刻蚀剖面的垂直度不发生较大变化。

权利要求

1.一种等离子体刻蚀装置，其特征在于，包括：

载片台，所述载片台用于承托待刻蚀的晶圆；

聚焦环，所述聚焦环环绕设置在所述载片台周围，且所述聚焦环与所述晶圆不接触，其中，所述聚焦环包括：下环，所述下环采用耐等离子体腐蚀的绝缘体制成；中环，所述中环位于所述下环之上，采用导体制成；上环，所述上环位于所述中环之上，采用半导体或绝缘体制成；

其中，所述中环加载有预设电压，所述预设电压的大小等于等离子体放电过程中的周期平均电压的近似最大值。

2.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述下环的材料为三氧化二铝。

3.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述中环的材料为铝。

4.根据权利要求1所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述上环的材料为硅、碳化硅或石英。

5.根据权利要求1-4任一项所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述聚焦环的中环与下环之间的界面高于进行等离子体刻蚀时鞘层的顶面。

6.根据权利要求5所述的等离子体刻蚀装置，其特征在于，所述中环的厚度为

0.2-0.5mm。

说明书

用于等离子体刻蚀的聚焦环及具有其的等离子体刻蚀装置

技术领域

[0001] 本发明属于等离子体设备领域，具体涉及一种用于等离子体刻蚀的聚焦环及具有其的等离子体刻蚀装置。

背景技术

[0002] 目前，在集成电路制造工艺中，一般采用等离子体轰击装置进行刻蚀。所述等离子体轰击装置是利用等离子轰击原理将被轰击材料表面的原子轰出从而达到刻蚀的目的，该
装置一般包括载片台（同时作为下电极）和聚焦环等配件。如图1所示，将需要进行等离子
体刻蚀加工的晶圆2’放置在载片台1’的上表面，为了防止刻蚀过程中等离子体腐蚀载片
台1’从而缩短其使用寿命，载片台1’小端圆柱直径通常略小于晶圆2’的直径，使晶圆2’
完全覆盖载片台小端圆柱。在载片台1’周围环绕放置聚焦环3’，聚焦环3’内侧部分延伸
到晶圆2’边缘背面之下。引入聚焦环3’的作用是为了调节晶圆上表面空间的电场强度，
保证晶圆边缘区域与中心区域的刻蚀均匀性。

[0003] 然而，由于聚焦环3’暴露在等离子体中，随着等离子体刻蚀的进行聚焦环3’将逐渐被腐蚀掉。由于聚焦环3’在刻蚀过程中高度的变化，晶圆2’边缘的电场分布发生较大
变化，使得离子入射角度严重偏斜于垂直方向，如图2所示，从而造成等离子体刻蚀剖面发
生偏移现象，最终导致晶圆边缘区域的良品率大大降低。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述等离子体刻蚀晶圆过程中难以保持垂直刻蚀的技术问题。

[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种用于等离子体刻蚀的聚焦环。

[0006] 本发明的另一个目的在于提出一种具有该聚焦环的等离子体刻蚀装置。

[0007] 根据本发明第一实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环，包括：下环，所述下环采用耐等离子体腐蚀的绝缘体制成；中环，所述中环位于所述下环之上，采用导体制成；上环，
所述上环位于所述中环之上，采用半导体或绝缘体制成。

[0008] 该实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环，导体材料制成的中环可以加载电压，可以在等离子体刻蚀腔室中起到调节并维持电场分布的作用，解决等离子体刻蚀晶圆过程中
难以保持垂直刻蚀的技术问题。

[0009] 另外，根据本发明实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环还可以具有如下附加技术特征：

[0010] 可选地，所述下环的材料为三氧化二铝。

[0011] 可选地，所述中环的材料为铝。

[0012] 可选地，所述上环的材料为硅、碳化硅或石英。

[0013] 根据本发明第一实施例的等离子体刻蚀装置，包括：载片台，所述载片台用于承托待刻蚀的晶圆；上文公开的聚焦环，所述聚焦环环绕设置在所述载片台周围，且所述聚焦环
与所述晶圆不接触，其中，所述中环加载有预设电压，所述预设电压的大小等于等离子体放
电过程中的周期平均电压的近似最大值。

[0014] 该实施例的等离子体刻蚀装置中，对聚焦环的中环加载电压，可以调节并维持电场分布的作用，解决等离子体刻蚀晶圆过程中难以保持垂直刻蚀的技术问题。

[0015] 另外，根据本发明实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环还可以具有如下附加技术特征：

[0016] 可选地，所述聚焦环的中环与下环之间的界面高于进行等离子体刻蚀时鞘层的顶面。

[0017] 可选地，所述中环的厚度为0.2-0.5mm。

[0018] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0019] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0020] 图1是传统的用于等离子体刻蚀的聚焦环的装配示意图；

[0021] 图2是晶圆表面离子入射角度发生偏移的示意图；

[0022] 图3是本发明实施例的聚焦环的结构示意图；

[0023] 图4是本发明实施例的等离子体刻蚀装置的结构示意图；

[0024] 图5（a）是采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘等电势线分布图（上环厚度为1.5mm）；

[0025] 图5（b）是采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘等电势线分布图（上环厚度为0.5mm）；

[0026] 图5（c）是采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘离子入射角度分布图；

[0027] 图6（a）是未采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘等电势线分布图（上环厚度为1.5mm）；

[0028] 图6（b）是未采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘等电势线分布图（上环厚度为0.5mm）；

[0029] 图6（c）是未采用本发明实施例的等离子体刻蚀装置的晶圆边缘离子入射角度分布图。

具体实施方式

[0030] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0031] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0032] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元
件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发
明中的具体含义。

[0033] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是
第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0034] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何
的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0035] 根据本发明第一实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环，如图3所示，可以包括：下环31、中环32和上环31。其中，下环31采用耐等离子体腐蚀的绝缘体制成，例如三氧化二
铝等。中环32位于下环31之上，采用导体制成，例如铝等。上环33位于中环32之上，采
用半导体或绝缘体制成，例如硅、碳化硅或石英等。

[0036] 该实施例的用于等离子体刻蚀的聚焦环，导体材料制成的中环可以加载电压，可以在等离子体刻蚀腔室中起到调节并维持电场分布的作用，解决等离子体刻蚀晶圆过程中
难以保持垂直刻蚀的技术问题。

[0037] 根据本发明第一实施例的等离子体刻蚀装置，如图4所示，包括：载片台1和聚焦环3。其中，载片台1用于承托待刻蚀的晶圆2。载片台1同时作为下电极，通过隔直电容
C1连接到射频源。为了防止载片台1被腐蚀，通常载片台1为阶梯圆柱状，其小端圆柱直
径略小于晶圆2的直径。聚焦环3环绕设置在载片台1周围，且聚焦环3与晶圆2不接触。
通常地，由于制造公差和热膨胀的需要，晶圆2外缘和聚焦环3内侧之间存在宽度为c的间
隙，一般c=1mm左右。可选地，环绕载片台1大端圆柱及聚焦环3周围设置一个边缘环4。
该边缘环4主要用于屏蔽载片台边缘产生的游离电场以及提高下极板上方的等离子体均
匀性。

[0038] 聚焦环3可以为上文公开的任一种聚焦环。具体地，该聚焦环3由下环31、中环32和上环33组成。下环31延伸至晶圆2边缘背面之下，下表面坐落在载片台1的阶梯面上。
三个环同心放置，且上环33、中环32与下环31上部分宽度相同，或者中环32与下环31上
部分宽度相同，上环33外径大于中环32外径，也即上环33完全覆盖中环32。中环32为导
体，并连接到直流电源的阳极，直流电源的阴极经过电容C2接地。将中环32连接到直流电
源上，针对不同等离子体放电模型，获取腔室内主等离子体区的一个射频周期内的平均电
压的近似最大值，设定直流电源的额定电压为该平均电压的近似最大值。

[0039] 根据不同等离子体放电模型中晶圆2上表面的鞘层厚度，设置下环31上表面h1略高于晶圆2上表面高度，一般取下环31厚度h1=1～2mm，中环32厚度h2=0.2～0.5mm，
上环33厚度h3=1.5～2.5mm。

[0040] 该实施例的等离子体刻蚀装置中，对聚焦环的中环加载电压，可以调节并维持电场分布的作用，解决等离子体刻蚀晶圆过程中难以保持垂直刻蚀的技术问题。

[0041] 为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合实施例说明本发明的有益效果。

[0042] 处于晶圆2上方的鞘层，是影响刻蚀的重要区域，其内存在的强大电场对离子入射角度影响很大。选取上环33和下环31的材料均为石英，中环32电位被维持在0v，
h1=1.3mm，h2=0.5mm，图5（a）和图5（b）分别为h3=0.5mm和h3=1.5mm时晶圆边缘电场分
布。由于中环32所处高度比鞘层厚度稍大，晶圆2边缘区域的电势线主要集中在中环32下
方，而中环32上方只有少量电势线存在。当上环33高度变化时，只会影响中环32上方的
少量电势线，对中环32下方大多数电势线分布影响甚微。由图5（a）和图5（b）可知，上
环33高度由1.5mm降低到0.5mm时，中环32以下电场分布几乎未发生变化。图5（c）显
示了采用本发明的技术方案时晶圆边缘离子入射角度沿径向的分布，实线和虚线分别为上
环33高度为1.5mm和0.5mm时离子入射角度随半径的变化曲线。由两图对比可知，当上环
33高度由1.5mm降低为0.5mm，采用本发明装置时，同一位置不同时刻离子入射角度变化在
1°～1.5°之间。以在晶圆径向148mm处为例，采用本发明装置时，上环33高度为1.5mm
和0.5mm时离子入射角度分别为-5.6°和-7°，变化范围为1.4°。

[0043] 作为对比，将中环32选为与上环33和下环31同样的材料石英，也即现有聚焦环结构，但并不维持中环32电位为预设电压。其对应的晶圆边缘电场分布见图6（a）和图6
（b），当上环33高度由1.5mm降低为0.5mm时，晶圆边缘电场分布明显不同。图6（c）显示
了未采用本发明的技术方案时晶圆边缘离子入射角度沿径向的分布，实线和虚线分别为上
环33高度为1.5mm和0.5mm时离子入射角度随半径的变化曲线。当上环33高度由1.5mm
降低为0.5mm，未采用本发明装置时越靠近晶圆2边缘处离子入射角度变化越大。以在晶圆
径向148mm处为例，未采用本发明装置时，上环33高度为1.5mm和0.5mm时离子入射角度
分别为-0.5°和-3.5°，变化范围为3°，为采用本发明装置的2倍多。

[0044] 由上可知，采用本发明的装置，随着刻蚀的进行，尽管聚焦环的上环逐渐被腐蚀掉，其高度逐渐降低，但由于中环限制了晶圆边缘附近的电场分布，上环高度变化对晶圆边
缘的等离子体特性（尤其是离子入射角度）影响甚小，能够保证晶圆边缘的刻蚀剖面的垂直
度不发生较大变化。因此，在等离子体刻蚀过程中，本发明的技术方案能够保持晶圆2边缘
刻蚀剖面的垂直度，显著提高晶圆边缘区域的良品率。随着刻蚀的进行，只需要定期更换上
环33即可，操作简单，成本大大降低。

[0045] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。