本發(fā)明總體上涉及工藝設備，并且在具體實施例中，涉及等離子體系統(tǒng)以及使用該等離子體系統(tǒng)處理設備的方法。

背景技術：

在許多電子和其他應用中使用半導體器件。半導體器件包括形成在半導體晶圓上的集成電路，通過在半導體晶圓上方沉積許多類型的薄膜材料并且圖案化薄膜材料來形成集成電路。

半導體工業(yè)的進步需要以較低的成本實現較高的性能。改進產品質量是制造半導體器件的另一挑戰(zhàn)。例如，蝕刻薄膜涉及保持均勻的蝕刻速率(橫跨晶圓和晶圓內)以及期望的方向性的挑戰(zhàn)。類似地，在沉積臨界層之前，必須均勻地清潔表面。

半導體處理系統(tǒng)也受制造成本約束。因此，期望減少處理時間(或增加產量)和降低停工時間(或維護時間)，但是同時提高產品質量。

基于等離子體的處理通常被用于蝕刻、清潔和灰化工藝。例如，常用的等離子體系統(tǒng)包括蝕刻機、平行板系統(tǒng)、高密度等離子體系統(tǒng)、濺射蝕刻系統(tǒng)等。

技術實現要素：

根據本發(fā)明的實施例，一種等離子體系統(tǒng)包括等離子體室，該等離子體室包括室壁，具有設置在室壁內的第一焦線(focal line)和第二焦線。第一天線設置在等離子體室內，位于第一焦線處。室壁被配置為將來自第一天線的輻射聚焦在第二焦線上。

根據本發(fā)明的實施例，處理半導體晶圓的方法包括：在等離子體室內放置半導體晶圓。等離子體室包括室壁和第一天線，具有設置在等離子體室內的第一焦線和第二焦線。第一天線設置在第一焦線處，并且半導體晶圓設置在第二焦線處。對等離子體室內的第一天線供電以生成電磁輻射。室壁被配置為將來自第一天線的電磁輻射聚焦到第二焦線。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，現在結合附圖進行以下描述，其中：

圖1A至圖1D示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)，其中圖1A示出了等離子體系統(tǒng)的截面圖，其中圖1B示出了等離子體系統(tǒng)的側視圖，其中圖1C示出了等離子體系統(tǒng)的頂視圖，其中圖1D示出了等離子體系統(tǒng)的投影圖。

圖2A和圖2B示出了根據本發(fā)明實施例的包括橢圓形室壁的等離子體系統(tǒng)，其中圖2A示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖，其中圖2B示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

圖3A和圖3B示出了根據本發(fā)明另一實施例的包括雙橢圓室壁的等離子體系統(tǒng)，其中圖3A示出了等離子體系統(tǒng)的側視圖，其中圖3B示出了等離子體系統(tǒng)的投影圖。

圖4示出了根據本發(fā)明又一實施例的包括具有四個橢圓柱部分的室壁的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

圖5示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

圖6示出了根據本發(fā)明又一實施例的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

圖7示出了根據本發(fā)明又一實施例的等離子體系統(tǒng)的等離子體源的側視圖。

圖8A至圖8C示出了根據本發(fā)明實施例的利用等離子體蝕刻進行的制造工藝的各個階段中的半導體器件的截面圖。

圖9A和圖9B示出了根據本發(fā)明實施例的利用等離子體灰化進行的制造工藝的各個階段中的半導體器件的截面圖。

圖10A和圖10B示出了根據本發(fā)明實施例的用于等離子體清除浮渣(descumming)工藝的等離子體系統(tǒng)的應用。

具體實施方式

任何等離子體系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)是蝕刻度量(諸如蝕刻速率和產量)、蝕刻的方向性、蝕刻的均勻性、選擇性、變化(例如，裸片-裸片、晶圓-晶圓、批次-批次)和其他特征之前的權衡，同時使得制造成本最小化，諸如由于系統(tǒng)的復雜度、晶圓吞吐量、部件替換以及設備停工時間而導致的從初始建設費用增加的成本。典型的等離子體工藝涉及二者之間的折中。

在典型的等離子體蝕刻系統(tǒng)中，諸如氬的惰性氣體被饋送到低壓的等離子體室中?？梢酝ㄟ^橫跨等離子體室施加電壓來在等離子體室內生成等離子體，其中通過射頻功率或微波能量等來提供電能。所生成的等離子體包括離子化惰性氣體原子以及中性反應化學物。離子化惰性原子被室中的電場吸引或加速，而中心化學物不會如此。離子化惰性原子經過室，并且它們中的一些轟擊晶圓表面。相對地，中性化學物擴散通過等離子體室并到達晶圓表面。因此，例如，晶圓上的蝕刻速率可依賴于入射離子的數量、化學物的數量、反應化學物的粘附系數。

增加離子相對于化學物的相對含量導致更多的物理蝕刻，因為更多的離子碰撞將被蝕刻的層的表面。相對地，減小離子相對于化學物的相對含量導致更多的化學蝕刻，因為更多的中性化學物到達將被蝕刻的層的表面。典型地，化學蝕刻導致各向同性蝕刻，而物理蝕刻導致各向異性蝕刻。

典型地，在筒狀反應器中執(zhí)行各向同性蝕刻。在這種反應器中，通過去除和/或減少蝕刻的物理分量來最小化蝕刻的各向異性特性。然而，化學蝕刻是擴散占優(yōu)工藝，并且導致晶圓產量的降低和/或晶圓-晶圓變化的增加。

在本發(fā)明的各個實施例中，使用橢圓或橢圓體形狀的等離子體室來描述具有改進和降低的制造成本同時基本不損害質量或產量的蝕刻/灰化/清潔系統(tǒng)。本發(fā)明的各個實施例描述了重新設計的筒狀反應器以提高晶圓位置處的等離子體激勵和反應體密度的效率，從而顯著提高了蝕刻速率而不劣化變化。

將使用圖1描述本發(fā)明的示例性實施例，然后使用圖2至圖7描述使用這些概念的各種附加實施例。使用圖8至圖10描述使用等離子體系統(tǒng)的設備的制造的實施例。

圖1A示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖。圖1B示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體的局部側視圖。圖1C示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的局部頂視圖。圖1D示出了等離子體系統(tǒng)的投影圖。

參照圖1A，等離子體系統(tǒng)是微波等離子體系統(tǒng)，并且包括具有室壁10的等離子體室100。等離子體室100包括一個或多個入口和出口(例如，入口30和出口40)，用于引入和去除等離子體處理中使用的氣體。入口30和出口40可以通過精細的流動閥來控制以精確地監(jiān)控和控制進出等離子體室100的氣體的組成和流速。

等離子體室100可以利用適當氣壓下的等離子體氣體而疏散和增壓。附加的真空泵耦合至等離子體室100以在預期處理晶圓時疏散等離子體室。在各個實施例中，氣壓可以較低，例如10mTorr至200mTorr。

例如，等離子體氣體可以包括惰性氣體，諸如氬氣、氙氣、氮氣、氦氣。等離子體氣體還可以包括附加的反應氣體，諸如CF4、O2、XeF2、C2H6、Cl2、SF6、HBr、NF3、CHCl3、CHF3、C4F8等。實際的等離子體化學物取決于所需的選擇性和被蝕刻的材料以及期望的方向性。

天線20設置在等離子體室100內，并且被配置為發(fā)射用于生成離子的電磁輻射，即，在等離子體室100內離子化等離子體氣體。典型的天線可以是偶極子天線，天線的總長度是激勵頻率的波長的一半的奇數倍(1/2λ、3/2λ、5/2λ等)。天線包括金屬導體，金屬導體又優(yōu)先地不會對暴露給等離子體工藝的材料產生污染風險。天線還可以分別被保護涂層或金屬襯層涂覆或環(huán)繞。在一個實施例中，天線20可以是桿狀天線，從其表面發(fā)射前進(travelling)波。因此，在這種實施例中，輻射在桿的軸處是最大的。在另一實施例中，天線20可以是諧振天線，諸如單極或偶極子發(fā)射波。

如圖1B和圖1C所示，室壁10從一側具有橢圓形狀但是在其他維度上為圓柱(這還在圖1D的投影圖中示出)。在圖1D中示出了橢圓柱形的室壁10。

在各個實施例中，室壁10包括凹面，使得在室壁10處反射的所有微波輻射都被重新聚焦在等離子體室100內的單線處。在各個實施例中，天線20位于第一焦線F1處，而反射輻射被重新聚焦在第二焦線F2處。在一些實施例中，天線20可以被配置為沿著第一焦線F1移動以進一步最小化變化。

在各個實施例中，室壁10包括材料涂層，其反射由天線20發(fā)射的電磁輻射。在各個實施例中，室壁10包括用于反射微波的金屬涂層。用于室壁10內的金屬的示例包括鋁等。室壁10可以包括固態(tài)金屬層，或者可以是金屬網或柵格，其具有小于大約微波的波長的十分之一的孔。在一些實施例中，金屬網可用于靈活性。

通過從天線20產生的激勵(輻射)，在等離子體室內生成等離子體。具體地，天線20可以通過電位節(jié)點V1耦合至微波頻率發(fā)生器，例如在2.45GHz下進行操作。

來自天線20的輻射被聚焦在環(huán)繞晶圓55的氣體周圍。如圖1B所示，從天線20發(fā)射的微波束50在室壁10處被反射并且朝向線80聚焦，在晶圓55周圍生成密集的等離子體。等離子體的密度朝向室壁10遠離線80對稱地減小。

因此，等離子體激勵在晶圓55周圍最大。換句話說，盡管等離子體激勵發(fā)生在整個等離子體室100中，但等離子體在緊鄰晶圓55周圍的區(qū)域中是密集的，因為通過室壁10再聚焦來自天線20的微波輻射。通過最小化晶圓55周圍的近場區(qū)域中的中性化學物的耗盡，晶圓55周圍更高的等離子體密度減小了晶圓-晶圓變化。因此，由于晶圓55周圍的等離子體的鄰近和均勻性，晶圓-晶圓變化還遠低于傳統(tǒng)的筒狀反應器。

此外，由于在晶圓55周圍的所有方向上生成等離子體，離子從所有方向轟擊暴露的表面，導致各向異性蝕刻。有利地，具有自由基(radical)的化學蝕刻可用于產生各向同性蝕刻。

此外，更高的等離子體密度產生比可通過其他傳統(tǒng)的各向同性等離子體蝕刻技術(諸如筒狀反應器)得到的更高的產量。

因此，可以在等離子體內同時處理批量的晶圓55。晶圓55可以安裝在卡盤60或其他等效結構(諸如船)上以保持批量的晶圓，其可以偏置到差分電壓節(jié)點W1。有利地，第二焦線F2周圍的等離子體密度是均勻的，從而使得相鄰晶圓之間的變化最小化以及每個晶圓處均勻的蝕刻(更各向同性)。

在一個或多個實施例中，由于發(fā)生在等離子體室100內的所有工藝的較強溫度依賴性，等離子體室100內的溫度被緊密控制。在一些實施例中，保持晶圓55的卡盤60可以被加熱。等離子體室100內的典型溫度為大約35℃至大約60℃，通常為大約25℃至大約90℃，但是還可以為100℃，甚至更高。

參照圖1A和圖1B，從天線20到室壁10的第一最近距離D1基本上等于從晶圓55到室壁10的第二最近距離D2。第一焦線F1和第二焦線F2之間的第三最近距離D3可以不同于第一最近距離D1和第二最近距離D2。

在各個實施例中，對于波長(WL)，天線L1的長度為m x WL/2，而第一最近距離D1和第二最近距離D2可以是(WL/4)x(n+1)，第三最近距離D3可以是(WL/2)x p，其中m、n和p可以是不同或相同的整數。

在一些實施例中，天線20可以被設計為在多個頻率處發(fā)射輻射。例如，在這種情況下，每個波長跟隨上述距離。在這種實施例中，可使用的長度L1、D1、D2和D3以及波長被約束。

在又一些實施例中，天線20可以包括兩個或更多個源。例如，天線20包括第一源和第二源，第一源具有以第一波長發(fā)射的第一長度，第二源具有以第二波長發(fā)射的第二長度。

圖2A示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖。圖2B示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

在該實施例中，室壁10具有橢圓形狀，其中橢圓形狀在第三維度上延伸。因此，如虛線所示，等離子體室100的壁在第三維度上向內傾斜。因此，偏移軸行進的任何束還被室壁10反射，并且被再次聚焦在其上安裝晶圓55的第二焦線F2上。

圖3A示出了根據本發(fā)明另一實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖。圖3B示出了根據本發(fā)明另一實施例的等離子體系統(tǒng)的投影圖。

在又一些實施例中，室壁10可以包括附加的橢圓形狀，諸如雙橢圓。如圖所示，晶圓55位于作為兩個橢圓之間的共同共享焦點的中心焦點處。換句話說，等離子體室壁10由結合到一起的兩個橢圓柱部分組成。

在這種實施例中，室壁10具有三個焦點，使得兩個天線20放置在三個焦點中的兩個中。從天線20發(fā)射的微波被再次聚焦到安裝晶圓55的第三焦點處。在一個實施例中，可以短路兩個天線20。在另一實施例中，它們可以提供相同的電能，但是可以不鎖相，即，來自不同天線20的輸出可具有相位差，例如180度。

圖4示出了根據本發(fā)明又一實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖。

在另一示例性實施例中，室壁10具有五個焦點，使得四個天線20置于五個焦點中的四個中。等離子體室壁10由結合到一起的四個橢圓柱部分組成。

從任意天線20發(fā)射的微波被再次聚焦到安裝晶圓55的第五焦點處。如前所述，天線20被短路到一起以最小化變化。在另一實施例中，它們可以被提供相同的電能，但是可以不鎖相，即，來自不同天線20的輸出可具有相位差，例如90度。

圖5示出了根據本發(fā)明實施例的等離子體系統(tǒng)的截面圖。

圖3和圖4所述具有多個天線的實施例還可以具有圖5所示的又一修改。具體地，不同的天線20可耦合至不同的發(fā)射電路裝置和/或電位節(jié)點(V1、V2、V3、V4)(它們耦合至不同的微波發(fā)生器)。因此，從不同天線20發(fā)射的電能可以不同。

因此，在該實施例中，晶圓55周圍的微波束的對稱性可以被修改以校正工藝變化、室壁結構的變化、等離子體室內的變化等。

圖6示出了根據本發(fā)明又一實施例的等離子體系統(tǒng)的側視圖。

圖6的實施例避免了等離子體直接接觸晶圓55。因此，護套(sheath)T1設置在晶圓55周圍。來自等離子體的中性反應物(諸如氧氣和氟自由基)擴散通過護套T1，并且完成蝕刻工藝。相對地，防止離子撞擊晶圓55以去除或最小化物理蝕刻(離子轟擊)，因此對晶圓55的表面和/或感應電路的任何損傷都源于離子轟擊。在該實施例中，蝕刻是純化學的，因此是非常各向同性和選擇性的。因此，由于帶電能量離子的任何直接撞擊的存在，該實施例最小化對晶圓55上的任何敏感層的損傷。

與使用類似化學蝕刻的傳統(tǒng)筒狀反應器相比，本文所描述實施例的均勻性和產量更好。這是因為傳統(tǒng)的筒狀反應器經受顯著的晶圓間的非均勻性。由于長擴散距離，相鄰晶圓之間的反應物的濃度顯著變化。具體地，位于晶圓堆疊件內的晶圓將以遠慢于晶圓堆疊件的邊角處的晶圓的速率被蝕刻。相對地，使用本發(fā)明的實施例，每個晶圓周圍的等離子體密度類似于相鄰晶圓周圍的等離子體密度。因此，位于晶圓堆疊件內的晶圓處的反應物密度類似于晶圓堆疊件的邊角處的晶圓的反應物密度。從而，可使用本發(fā)明的實施例實現更好的晶圓-晶圓均勻性。

盡管圖6被示為圖5的修改，但該實施例可以應用于上文在圖1至圖4中描述的任何實施例。

圖7示出了根據本發(fā)明又一實施例的等離子體系統(tǒng)的等離子體源的局部側視圖。

本發(fā)明的實施例還可以用于具有遠程等離子體的系統(tǒng)。換句話說，在上面各個實施例中描述的等離子體生成工藝可用于生成等離子體，其隨后被傳輸至不同的室。單個區(qū)域周圍的微波的再聚焦在本發(fā)明的各個實施例中生成聚焦等離子體源。來自等離子體源的反應化學物和/或離子然后可用于相鄰室中的蝕刻或沉積步驟。例如，化學物可擴散到另一室中，在其中與晶圓反應?？蛇x地，離子化物質可以向下加速并使用。

圖8A至圖8C示出了根據本發(fā)明實施例的利用等離子體蝕刻的制造工藝的各個階段中的半導體器件的截面圖。

參照圖8A，晶圓或襯底210包括將被蝕刻的層。例如，襯底210可以包括半導體襯底，諸如硅襯底、鍺襯底或化合物半導體襯底，諸如SiGe、InP、GaAs等。襯底210可以包括塊狀襯底或絕緣體上硅(SOI)。在一些實施例中，例如，襯底210可以包括位于襯底上的材料層或多個材料層，例如硅上GaN、硅上SiC、硅上InP、硅上InGaAs。

將被蝕刻的層可以是襯底210的層，或者可以是襯底210的連續(xù)區(qū)域的一部分。在各個實施例中，襯底210的層可以是半導體材料、金屬材料或絕緣材料。如果襯底210被圖案化，則蝕刻掩模220形成在襯底210上方(圖8B)。蝕刻掩模220可以包括圖案化硬掩模和/或圖案化光刻膠。如接下來圖8C所示，襯底210被放置在等離子體室內，并且暴露給等離子體230(如在本發(fā)明的各個實施例中所述生成)。當暴露給等離子體230時，孔240形成在襯底210中。由于各個實施例中描述的等離子體蝕刻工藝的各向同性特性，襯底210被各向同性地蝕刻。

圖9A和圖9B示出了根據本發(fā)明實施例的利用等離子體灰化進行的制造工藝的各個階段中的半導體器件的截面圖。

等離子體灰化工藝是表面制備工藝，其中從襯底210的表面去除光刻膠和其他雜質。等離子體灰化工藝通常用于去除雜質，而基本上不蝕刻下面的襯底210。因此，利用有效的物理蝕刻的等離子體工藝不能用于等離子體灰化。在等離子體灰化期間，如上在各個實施例中，在低壓等離子體室中生成包含諸如單原子氧或氟的中性自由基的等離子體212。

反應原子朝向包括將被去除的層211的襯底210擴散。層211可以是沉積層，或者可以是處理期間生成的層?？蛇x地，層211可以是處理期間形成的雜質的表面層。等離子體中的單原子反應物利用層211形成灰化，其隨后由于等離子體室內的低壓而被去除。

在各個實施例中，可以控制等離子體的溫度，以改變等離子體工藝的效率，即，從剝離到清除浮渣工藝。

圖10A和圖10B示出了根據本發(fā)明實施例的用于等離子體清除浮渣工藝的等離子體系統(tǒng)的應用。

在等離子體清除浮渣工藝期間，均勻地去除少量的光刻膠層221。該工藝的主要應用是鍍之前的預處理步驟，或者與剝離工藝組合以避免與隨后的處理(諸如金屬化)相關聯(lián)的問題。

在各個實施例中，由于等離子體的改進均勻性，等離子體清除浮渣工藝可以執(zhí)行為批量工藝。相對地，在單個晶圓單元中執(zhí)行傳統(tǒng)的等離子體清除浮渣工藝。

根據本發(fā)明的實施例，一種等離子體系統(tǒng)包括等離子體室，其包括室壁，具有設置在室壁內的第一焦線和第二焦線。第一天線在第一焦線處設置在等離子體室內。室壁被配置為將來自第一天線的輻射聚焦到第二焦線上。

實施方式可包括以下特征中的一個或多個。在等離子體系統(tǒng)中，室壁包括橢圓形狀、橢圓柱或橢圓體形狀。第一天線可以是電磁輻射的源。室壁可包括用于電磁輻射的反射材料。電磁輻射可包括微波。等離子體系統(tǒng)可進一步包括：卡盤，用于保持設置在等離子體室中的晶圓。卡盤可被配置為在第二焦線處保持晶圓。該等離子體系統(tǒng)還包括設置在等離子體室的第三焦線處的第二天線。室壁可被配置為將來自第二天線的輻射聚焦到第二焦線上。該等離子體系統(tǒng)還可以包括：第二天線，設置在等離子體室的第三焦線處；以及第三天線，設置在等離子體室的第四焦線內。室壁可被配置為將來自第二天線和第三天線的輻射聚焦到第二焦線上。該等離子體系統(tǒng)還可以包括：第二天線，設置在等離子體室的第三焦線內；第三天線，設置在等離子體室的第四焦點內；以及第四天線，設置在等離子體室的第五焦線內。室壁可被配置為將來自第二天線、第三天線和第四天線的輻射聚焦到第二焦線上。室壁與第一焦線之間的最近距離與室壁與第二焦線之間的最近距離相同。第一天線可被配置為以第一波長(W)發(fā)射輻射。室壁與第一焦線之間的最近距離為w x(n+1)/4，其中第一焦線與第二焦線之間的最近距離可以為p x w/2，并且其中n和p是整數。第一天線可包括桿狀天線，并且具有長度m xw/2，其中m是整數。室壁可包括用于氣體的入口和出口。

根據本發(fā)明的實施例，一種處理半導體晶圓的方法包括：在等離子體室內放置半導體晶圓。等離子體室包括室壁和第一天線，具有設置在等離子體室內的第一焦線和第二焦線。第一天線設置在第一焦線處，并且半導體晶圓設置在第二焦線處。等離子體室內的第一天線被供電以生成電磁輻射。室壁被配置為將來自第一天線的電磁輻射聚焦到第二焦線上。

實施方式可包括以下特征中的一個或多個。電磁輻射可包括微波。該方法可進一步包括：在等離子體室中生成等離子體；以及將半導體晶圓暴露給所生成的等離子體。該方法可進一步包括：將包括半導體晶圓的批量晶圓放置在第二焦線處；在等離子體室中生成等離子體；以及將批量晶圓暴露給所生成的等離子體。該方法可進一步包括：對等離子體室內的第三焦線處的第二天線供電以生成又一電磁輻射。室壁被配置為將來自第二天線的又一電磁輻射聚焦到第二焦線上。該方法還包括：對等離子體室內的第三焦線處的第二天線供電以生成第一電磁輻射；對等離子體室內的第四焦線處的第三天線供電以生成第二電磁輻射；對等離子體室內的第五焦線處的第四天線供電以生成第三電磁輻射。室壁可被配置為將來自第二天線、第三天線和第四天線的第一電磁輻射、第二電磁輻射和第三電磁輻射聚焦到第二焦線上。

盡管針對微波等離子體描述了本發(fā)明的實施例，但它們還可以應用于使用其他頻率輻射的其他等離子體系統(tǒng)。盡管針對筒狀反應器描述了本發(fā)明的實施例，但它們還可以應用于包括等離子體沉積系統(tǒng)的任何等離子體系統(tǒng)。

如各個實施例所描述的，包括金屬的材料例如可以是純金屬、金屬合金、金屬化合物、半金屬、金屬間化合物等，即包括金屬原子的任何材料。例如，銅可以是純銅或者包括銅的任何材料，諸如但不限于銅合金、銅化合物、銅金屬間化合物、包括銅的絕緣體和包括銅的半導體。

雖然參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但本說明書不用于限制的目的。本領域技術人員在閱讀說明書的基礎上可以明白示例性實施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其他實施例。如所說明的，在可選實施例中，圖1至圖7所述的實施例可以相互組合。因此，所附權利要求包括任何這些修改或實施例。