用于等离子工艺的电极 以及制造和使用此电极的方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于半导体基片如硅晶片的等离子工艺的装置，并更具体地，涉及一种具有低电阻率电极的电极组件。本发明还涉及加工具有所述电极组件的半导体基片。
背景技术
在美国专利5074456和5569356中公开了用于等离子加工反应器中的电极，所述反应器用于加工诸如硅晶片的半导体基片，这些专利的内容在此引作参考。456号专利公开了一种用于平行板反应器装置的电极组件，其中，上电极为半导体纯度并通过粘合剂、锡焊或铜焊层而接合到支撑框架上。锡焊或铜焊层可以是低蒸汽压材料，如铟、银及其合金，并且，支撑框架与电极的接合表面可涂敷诸如钛或镍的金属薄层，以提高接合层的浸润性和粘附力。已经发现：由于电极与接合电极的部位的热膨胀/收缩不同，因此，诸如In接合地冶金接合导致电极翘曲。还发现，由于接合的热疲劳和/或熔化，在等离子加工功率较高时，这些冶金接合失败。
为了克服与半导体晶片化学蚀刻有关的大量限制，开发了干式等离子蚀刻、反应离子蚀刻和离子铣削技术。具体地，等离子蚀刻允许垂直蚀刻速率比水平蚀刻速率高很多，从而可充分控制所得到的蚀刻部件的纵横比(即所得到切口的高度与宽度之比)。事实上，等离子蚀刻能使具有高纵横比的非常精细的部件形成在厚度超过1微米的膜中。
在等离子蚀刻工艺中，通过向压力相对较低的气体补充大量的能量而在晶片的掩膜表面上形成等离子，从而使气体离子化。通过调节将要蚀刻的基片的电势，等离子中的充电物质可被引导到基本正常地撞击晶片，其中，除去晶片上未掩蔽区域中的材料。
通过使用与被蚀刻材料起化学反应的气体，而更加有效地进行蚀刻工艺。所谓的“反应离子蚀刻”结合等离子的高能蚀刻效果和气体的化学蚀刻效果。然而，已发现有许多化学活性剂造成过度的电极损耗。
为了在晶片的整个表面上获得均匀的蚀刻速率，理想的是在晶片表面上平均分配等离子。例如，美国专利4595484、4792378、4820371、4960488公开了通过电极中的大量孔来分配气体的喷淋头电极。这些专利一般描述具有开孔布置的气体分配板，所述开孔制作得向半导体晶片提供均匀的蒸气流。
反应离子蚀刻系统通常包括其中布置上电极或阳极以及下电极或阴极的蚀刻室。阴极相对于阳极和容器壁而言是负偏压的。待蚀刻晶片用适当的掩膜覆盖，并直接放置在阴极上。化学活性气体，如CF4、CHF3、CCIF3和SF6或它们与O2、N2、He或Ar的混合物，引入到蚀刻室中，并且其保持压力一般在毫乇的范围内。上电极设置有气孔，所述气孔允许气体通过电极均匀地散布到蚀刻室中。在阳极和阴极之间建立的电场将分解形成等离子的活性气体。通过与活性离子的化学反应和通过撞击晶片表面的离子的动量转移，而蚀刻晶片表面。电极所建立的电场把离子吸引向阴极，使离子主要以垂直方向撞击所述表面，从而，此工艺产生明确的垂直蚀刻侧壁。
【发明内容】
本发明提供一种适合安装在等离子反应室中的低电阻率硅电极，所述等离子反应室用于半导体基片加工中。所述电极的电阻率小于1Ω-cm，并在其一侧上具有RF驱动的或电接地的表面，所述表面在电极的使用过程中暴露给等离子反应室中的等离子。优选地，电阻率小于0.1Ω-cm，更优选小于0.05Ω-cm。
根据本发明的优选实施例，所述电极包括具有多个气体出口的喷淋头电极，所述气体出口布置成在喷淋头电极的使用过程中在等离子反应室中分配工艺气体，例如，气体出口具有0.020-0.030英寸的直径，并且气体出口分布在暴露表面上。所述电极优选包括重金属污染小于百万分之十的零缺陷单晶硅。根据优选应用，所述电极包括平行板等离子反应器的电接地上电极。
所述电极作为电极组件的一部分而安装在等离子蚀刻反应器中。例如，所述电极通过弹性接头而接合到支撑部件上，弹性接头包括在电极和支撑部件之间的导电弹性材料，弹性材料在电极和支撑部件之间提供电流通路。在另一配置中，所述电极通过夹紧部件而弹性地夹紧到支撑部件上。如果需要，所述电极可以是接合或夹紧到等离子反应室内部的温控部件上的喷淋头电极，其中，温控部件包括向喷淋头电极提供工艺气体的气体通道。在此种配置中，温控部件包括空腔和位于空腔中的至少一个隔板，从而，气体通道提供工艺气体，所述气体在穿过喷淋头电极之前先穿过隔板。
本发明还提供一种在等离子反应室中加工半导体基片的方法，其中，电极组件包括RF驱动的或电接地的硅电极，所述硅电极的电阻率小于1Ω-cm。所述方法包括：向等离子反应室提供半导体基片；向等离子反应室的内部提供工艺气体；激励工艺气体以形成与半导体基片的暴露表面接触的等离子；以及，用等离子加工基片。
在优选实施例中，半导体基片包括硅晶片，并且，所述方法包括蚀刻晶片上的介电或导电材料层。可替换地，所述方法包括在半导体基片上淀积材料层。所述电极包括平行板等离子反应器中的上电极。在上电极接地的情况下，在基片加工过程中，下电极被提供至少一个频率的RF能量。
在优选的等离子蚀刻工艺中，所述电极包括RF驱动的单晶硅喷淋头电极，喷淋头电极接合或夹紧到温控部件上，通过温控部件向喷淋头电极提供工艺气体。RF驱动的电极通过激励工艺气体而形成等离子，并且，所述基片包括经受等离子蚀刻的硅晶片。所述电极还包括电接地的、不供电的单晶硅喷淋头电极，喷淋头电极接合或夹紧到温控部件上，通过温控部件向喷淋头电极提供工艺气体，接地的喷淋头电极提供有效约束等离子的接地路径，并且，所述基片包括经受等离子蚀刻的硅晶片。
在使用中，与电阻率为10Ω-cm或更高的常规电极相比，根据本发明的电极把RF功率更有效并更少发热地耦合到等离子中。进而，在根据本发明的电极包括气体出口的情况下，其中工艺气体通过气体出口而进入反应室，气体出口的直径为0.020-0.030英寸并且工艺气体包括蚀刻剂气体，在用蚀刻剂气体蚀刻基片的过程中，与气体出口直径为0.033英寸的常规电极相比，本发明电极表现出在气体出口内和在电极的背侧上积累的聚合物副产品更少。
【附图说明】
现在结合附图进一步描述本发明，在附图中：
图1是其中使用根据本发明的低电阻率电极的等离子反应器系统的示意性说明；
图2是根据本发明第一实施例的低电阻率喷淋头电极组件的侧剖视图；
图3是根据本发明第二实施例的低电阻率喷淋头电极组件的侧剖视图；
图4是图3所示布置中局部IV的侧剖视图；
图5是根据本发明第三实施例的低电阻率喷淋头电极组件的侧剖视图；
图6为图5所示电极组件的详细视图；以及
图7为图3所示布置一部分的侧剖视图。
【具体实施方式】
本发明通过提供改进的对地阻抗、改进的等离子工艺和/或改进的温度控制而提供一种用于等离子反应器中的低电阻率硅电极，此电极比常规高电阻率电极更具优势，其中，所述改进的对地阻抗改良等离子约束，改进等离子工艺例如为提高蚀刻速率同时保持蚀刻速率的均匀性，通过使发热最小化并减少欧姆损耗而改进温度控制，从而功率可更有效地耦合到等离子中。
已经发现，在诸如硅晶片的半导体基片的等离子加工中，具体为在等离子蚀刻过程中，与常规电极相比，根据本发明的硅电极提供出乎意料的改进。为便于解释，参考在半导体基片的等离子加工中使用的喷淋头电极描述根据本发明的电极。
根据本发明的优选实施例，低电阻率电极作为用于加工半导体基片的平行板等离子反应器的上电极，如单晶片蚀刻器的上电极，其中，诸如200mm或300mm硅晶片的晶片支撑在静电卡盘上，所述静电卡盘具有在上电极之下1-2cm支撑所述晶片的扁平底电极。在此系统中，电极可以是必须定期更换的电极组件的一部分。因而，电极或电极组件以便于从等离子室移开的方式安装。例如，电极能以任何合适的技术，如在与Lenz等共同拥有的美国专利5569356中所描述的技术，而机械地夹在支座上，此专利内容在此引作参考。可替换地，电极能以任何合适的技术，如在Degner等共同拥有的美国专利5074456中所描述的技术，而冶金地或粘附地接合到支座上，此专利内容在此引作参考。还有，电极通过例如在Lilleland等共同拥有的美国专利6073577中所描述的弹性接头而接合到支座上，此专利内容在此引作参考。
根据本发明的低电阻率电极可用于图1所示的等离子蚀刻系统中，在图1中，包括上电极12的电极组件10位于平行板反应器系统50中，平行板反应器系统50具有腔体52、进口负荷固定室54和出口负荷固定室56，它们的细节可在共同拥有的美国专利4340462中找到，此专利内容在此引作参考。腔体52包括适合在电极板上表面上容纳单晶片基片的下电极板58。电极组件10安装在上壳体59中，上壳体59借助机构60可垂直移动，从而调整电极12和电极58之间的间隙。
负荷固定室54和56包括把晶片从晶片源62通过腔体52而转移输出到晶片接受器64的转移器件。蚀刻剂气体源70连接到壳体59，以把蚀刻剂气体传输到电极组件10。真空泵装置72在腔体内维持所需的真空度，如0.001-10乇。冷却水源74连接到上、下电极以使上、下电极保持所需的温度，并且，负荷固定室泵装置76在负荷固定室54和56中提供所需的真空压力。电源78向上和/或下电极12和58提供射频(RF)功率。
图2中示出电极组件10的详细视图，其中，盘状电极板12采用适当的接合技术如铜焊、锡焊或粘合剂等而接合到支撑环14上。所述电极包括喷淋头电极，此电极包括孔16，通过这些孔16来分配反应气体。环14包括法兰及延伸部分，其大小与喷淋头12的上表面啮合。环14通过紧固件(未示出)而固定到诸如铝板的导电背衬板80，并且由板64覆盖的冷却槽84形成冷却管道，此管道用于源74所供应的冷却水的循环。源78的RF功率提供给板80，并且通过环14而引导到板12，用于激励腔体52中的等离子。可替换地，电极12接地，以通过下电极58而为在腔体中产生的等离子提供接地路径。源70的反应气体经通道86进入板80，接着进入包括隔板87和88的隔离装置。虽然示出两个隔板，但可使用或省略任何适当的隔离装置。围绕环14的是绝缘或导电的内环90和绝缘外环92，内、外环90和92防止环14与等离子直接接触。
根据本发明的低电阻率电极可用于图3-4所示的捕获电极系统中，在图3-4中，电极组件包括电极130、支撑部件132以及把电极夹紧到部件132上的等离子约束环134。环134通过拧进部件132中的螺栓135而连接到部件132。部件132包括气体通道136，以向包括三个隔板140的凹口138提供工艺气体。部件132的下表面132a与电极130啮合，以向此电极提供RF功率，并且，部件132的径向外表面132b接触环134的上表面。部件132的法兰146允许把电极组件连接到等离子反应室的内部。部件132中的冷却槽152允许冷却电极组件。环134上的法兰150提供作用到电极130暴露表面外部上的弹性夹紧力。约束环134优选用介电材料制作，所述介电材料例如为在等离子环境中稳定的耐热的热固性聚合物(如Dupont制造的VespelTM)，或者约束环134可用陶瓷材料如氧化铝、氧化锆、氧化钛、氮化硅、碳化硅等制作，或者介电涂敷的金属可用于环134。如果环是无弹性材料，螺栓135就可由弹性变形材料如VespelTM制作，以提供作用在电极130上的弹性夹紧力。可替换地，环134和螺栓可用弹性变形材料制成。在以上引作参考的Lenz等的专利中提供适当夹紧装置的详细情况。
可通过环134中的气体通道154来监控等离子反应室中的压力。围绕通道154的O型圈144在部件132和环134之间提供密封。为了增强电极130和部件132之间的热传导，工艺气体可经通道155提供，并在部件132的环形槽(未示出)中保持为负压，并且O型圈密封142和143可用于维持所述槽内的气体为负压。
参见图5-7，根据本发明的低电阻率电极210可通过弹性接头246而接合到支撑环212上。如图5-6所示，电极210是从其中心到边缘具有均匀厚度的平面圆盘。环212的外法兰由铝制夹环216夹紧到具有冷却水槽213的铝制温控部件214上。水通过进/出水接头213a在冷却槽213中循环。包括一叠间隔开的石英环的等离子约束环217环绕在电极210的外围。等离子约束环217螺栓联接到介电圆环218，圆环218又螺栓联接到介电壳体218a。约束环217的目的和功能是在反应器中产生压差，并增加反应室壁和等离子之间的电阻，从而约束上、下电极之间的等离子。夹环216在径向上向内延伸的法兰与石墨支撑环212的外法兰啮合。因而，没有夹紧力直接作用在电极210的暴露表面上。
气体源的工艺气体通过温控部件214内的中心孔220提供给电极210。接着，气体通过一个或多个垂直隔开的隔板222分配，并且穿过电极210中的气体分配孔(未示出)，以把工艺气体平均地分散在反应室224中。为了提供从电极210到温控部件214的增强热传导，可提供工艺气体来填充温控部件214和支撑环212的相反表面之间的空隙。另外，连接到圆环218或约束环217内的气体通道(未示出)的气体通道227允许监控反应室224中的压力。为了在温控部件214和支撑环212之间使工艺气体保持为负压，在支撑环212的内表面和温控部件214的相反表面之间设置第一O型密封圈228，并且在支撑环212的上表面的外部和部件214的相反表面之间设置第二O型密封圈229。为了维持反应室224中的真空环境，在温控部件214和圆柱体部件218b之间以及圆柱体部件218b和壳体218a之间设置辅助O型圈230、232。
图6示出喷淋头组件240的进一步细节，其中，电极210通过位于凹口248中的弹性接头246而接合到导电支撑环212上，如图7所示。凹口248优选在支撑环212的内壁(未示出)和外壁250之间在支撑环212周围连续地延伸。每个壁250尽可能地薄，例如为约30密耳宽，这允许弹性体在与每个壁250接触的区域内形成薄层(例如，在弹性体包括0.7-2μm大小的填充物如铝、硅或碳化硅等的导电颗粒的情况下，大约为2μm厚)并在凹口248内形成厚层(如，大约0.0025英寸)。由这些壁形成的凹口可以非常浅，例如大约2密耳深，它提供非常薄的弹性接头，所述弹性接头的强度足以把电极粘附接合到支撑环上，同时在电极组件的温度循环过程中允许电极相对支撑环运动。另外，凹口的壁可避免弹性接头受到反应器中等离子环境的攻击。应指出，可省略凹口248，并且，弹性接合可设置成弹性体在电极和支撑部件的配合平面之间的孤立或连续的薄珠，例如，弹性体淀积成在电极和支撑部件之间的一个或多个薄圆珠。
已用电阻率为10Ω-cm或更高的单晶硅制作常规喷淋头电极。虽然这些电极在等离子蚀刻反应器中执行得较好，但已发现：通过降低电极的电阻率，这些电极的性能出乎意料地提高。例如，根据本发明，电极的电阻率降低到小于1Ω-cm，优选0.005-0.02Ω-cm。电极的材料优选为在制作硅晶片时使用的零缺陷单晶硅。另外，其它材料，如低电阻率碳化硅，也可用于电极。
根据本发明的一个实施例，电极包括在等离子反应器中的接地喷淋头电极，其中，通过在基片支座中引入下电极而产生等离子。如果需要，可向下电极提供双频电力，其中，高频用于产生并维持加工晶片所需的等离子，而低频用于向晶片作用所需的RF偏压。与常规硅电极相比并使用相同工艺参数，根据本发明的低电阻率电极可提供出乎意料增加5-10％的蚀刻速率，同时保持蚀刻速率的均匀性。
使用根据本发明的低电阻率电极而得到的改进蚀刻速率可以是用于等离子反应器中RF接地/耦合的低阻抗路径改进的结果。而且，可使用低电阻率电极来改进约束窗口(即，工艺条件，如室压和提供给电极的功率)。例如，在LAM Research Corporation(本专利申请的受让人)制造的ExelanTM和Exelan HPTM反应器中，其中低电阻率电极作为接地的上喷淋头电极，与以前使用电阻率10-20Ω-cm的电极相比，低电阻率电极可显著改进约束窗口。当在反应器如LAM Research Corporation制造的4520XLeTM中本发明电极用作被供电的上喷淋头电极时，也可实现改进的蚀刻速率。
由于I2R损失，低电阻率电极从流经电极的RF电流吸收的功率比高电阻率电极吸收的更少。对于给定的RF发生器功率输出，这导致能被等离子吸收的功率更多。传输给等离子的额外功率输出可用于提高由本发明低电阻率电极获得的蚀刻速率。而且，功率损失减少可降低电极温度，这因而减少电极的损耗，并把电极的使用寿命延长至必需更换的时候。
用于ExelanTM、Exelan HPTM和4520XLeTM反应器中的常规电极可以是接合到支撑环并安装在反应器中的弹性体，作为可更换的电极组件。根据本发明的低电阻率电极以相同的方式安装，或者，它们通过其它合适的装置如机构夹紧装置、或其它接合技术如粘附剂、焊锡或铜焊合成物来安装。
提供以下典型实施例的目的是举例说明根据本发明的适当的低电阻率电极。本领域中技术人员应该清楚，其它的电极设计也适用于根据本发明的电极。
在根据本发明的低电阻率喷淋头电极的制造过程中，希望消除在超声波钻孔过程中在孔内产生的损坏。此种损坏可通过用强酸蚀刻并对电极抛光而消除。这允许在电极安装到等离子反应器中之后电极的调节更快。而且，在定期湿式清洗回收处理之后，即在加工一定量的晶片之后，电极清洗得更快。所述电极表现出的另一优点是：与常规电极相比，它表现出改进的耐磨特性。
为了在等离子蚀刻过程中减少喷淋头后面的聚合物淀积，通孔可制作得小于常规电极中的，从而电极后面的背压增加，以减少返流。进而，较小的孔的尺寸减小了等离子在孔中和在喷淋头之后放电的可能性。另外，小孔也可减小在与喷淋头相邻的隔板上和/或在喷淋头的背面上淀积的聚合物。与具有直径0.033英寸的孔的常规喷淋头电极相比，低电阻率喷淋头可用小于0.030英寸的孔，如0.020-0.028英寸，优选直径0.025英寸的孔，来制作低电阻率电极。
为了进一步减少聚合物的积累，与常规喷淋头相比，可减少孔的数量。例如，孔的数量可减少50％或更多，如减少20-40％，优选减少25％。因而，如果常规喷淋头具有2000-4000个孔，在喷淋头用于加工200mm晶片的情况下，低电阻率喷淋头可具有500-1000个孔。作为一个实例，与具有大约830个孔的低电阻率电极相比，常规电极具有大约3250个孔。由于孔的数量减少，可期望喷淋头持续更长的时间，在此期间，允许等离子侵蚀电极直至桥接所述孔的侵蚀次数就越多。
低电阻率电极可减少电极上的中心-边缘温度变化，从而获得更好的加工均匀性。温度变化的此种减少可通过使本发明电极比常规电极更厚或通过把本发明电极组装成组件来增强，其中，所述组件使得对温控部件的热传导更好。例如，与常规0.25英寸厚的电极相比，本发明电极的厚度可以增加为0.375英寸，或者甚至为0.50英寸。另外，电极可用背衬部件衬背并连接到支撑环如石墨环的支撑组件和隔离装置。对于此种配置，电极可用由合适的导热材料如铝或其合金、SiC或石墨等制成的背衬板衬背。并且，背衬板可螺栓联接到支撑组件。背衬板还可为电极提供良好的RF传导性，以使等离子室的喷淋头电极区域中的电势差最小。背衬板可以通过包括接合的任何适当方式，如通过弹性接合，而连接到电极。
与常规电极相比，低电阻率电极提供更好的DC传导路径。因而，通过改进DC传导路径，还可改进等离子约束。
下面，气体出口直径0.025英寸的本发明低电阻率电极与厚0.25英寸、电阻率10-20Ω-cm且气体出口直径0.033英寸的常规单晶硅电极进行比较。低电阻率电极的厚度为0.25英寸并由掺杂硼的单晶硅制成，以达到0.005-0.02Ω-cm的电阻率。可从位于Eaton，Ohio的Bullen Ultrasonics得到此种低电阻率硅作为成长的单晶硅、零缺陷硅。虽然常规电极具有几千个气体出口，但低电阻率电极可设置直径更小、数量更少(如少于1000个)的气体出口，因而，就所述孔被等离子侵蚀而桥接的时间而言，这延长电极寿命。使用浆液，通过超声钻孔来钻这些孔，并且，用强酸清洗电极以消除钻孔损坏，用SiC研磨剂研磨并抛光，以减少在等离子蚀刻室中使用安装的电极加工晶片之前通常所需的调节时间。
在下表中列出测试结果，比较电阻率小于1Ω-cm的本发明低电阻率硅电极和电阻率为10Ω-cm或更高的高电阻率硅电极。在测试中，使用相同的气体化学成分和反应器条件来蚀刻诸如触点、通道和隔离物的部件。 部件 气体 CE ER CE U IE ER IE U ERΔ 触点 CxFy/Ar/N/O 5513.1 2.03 5790.4 2.33 +5 通道 CxFy/Ar/CO/O 5082 1.94 5531.3 1.61 +8.8 隔离物 CxFy/Ar/O 895 2.7 959 1.5 +7.1
CE：常规电极
IE：本发明电极
ER：蚀刻速率(/min)
U：均匀性(％)
ERΔ：蚀刻速率的变化(％)
根据本发明的电极可作为用于蚀刻半导体晶片的喷淋头电极。然而，如果需要，电极组件可具有其它的配置，其中，电极不是喷淋头电极，并且/或支撑部件可以是除环以外的其它形状。例如，电极可以是接合背衬板的喷淋头电极，所述背衬板具有与电极中的孔联系的气体分配孔。另一种可能是电极接合到在基础部件上的为板、圆柱体或突出部等形式的支撑部件。进而，在电极是等离子室中接地或被供电的电极的情况下，电极可以没有气体出口。
电极优选包括导电材料，所述导电材料例如为从其中心到外缘具有均匀厚度的平面硅(如单晶硅)或碳化硅电极圆盘。然而，对于根据本发明的电极组件，也可使用厚度不均匀、材料不同和/或没有工艺气体分配孔的电极。在优选实施例中，电极是设置有多个分隔开的气体排泄通道的喷淋头电极，其中，所述气体排泄通道是适合提供工艺气体的尺寸和分布，所述工艺气体在反应室中被所述电极和/或另一电极或能量源激励为等离子。然而，根据本发明的电极可作为用于等离子反应器或真空环境中的任意类型的电极，这些电极包括溅镀电极。
根据本发明的电极在多个或单个晶片加工中可用于晶片加工，如等离子蚀刻、淀积等。例如，电极可用于蚀刻或淀积BPSG、诸如热二氧化硅或热解氧化物的氧化物以及光阻材料。装置可维持所需级别的亚微级触点轮廓、CD和低粒径污染。对于蚀刻BPSG，可实现大约3000/min量级的蚀刻速率，并且蚀刻均匀性可保持为大约3％。
前面已描述本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应解释成局限于所讨论的具体实施例。因而，上述实施例应该认为是示例性的，而不是限制性的，并且应该理解，只要不偏离后附权利要求所定义的本发明范围，本领域技术人员就可对这些实施例作出变更。