一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器及其刻蚀方法技术

本发明专利技术公开了一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器及其刻蚀方法，包括：反应腔，所述反应腔内形成反应空间；反应空间底部包括一个基座，用于支撑处理基片；反应腔内顶部包括一气体喷淋头；第一射频电源输出具有第一频率的射频功率到基座或气体喷淋头，以形成并维持反应腔内的等离子体；第二射频电源输出具有第二频率的射频功率到基座，以控制入射到基片的离子能量；所述第一频率大于等于4MHz，第二频率大于等于10KHz小于等于300KHz。

【技术实现步骤摘要】
一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器及其刻蚀方法
本专利技术涉及等离子刻蚀反应器，特别涉及一种用于超深宽比刻蚀的电容耦合型的等离子刻蚀反应器。
技术介绍
半导体芯片生产过程中，需要进行大量的微观加工，常见的等离子刻蚀反应器能够在基片上形成各种微米甚至纳米级尺寸的通孔或沟槽，再结合其它化学气相沉积等工艺，最终形成各种半导体芯片成品。图1所示为典型的电容耦合性等离子刻蚀反应器，包括腔体101，腔体内底部为基座10，基座同时作用为下电极连接到一个高频射频电源HF和一个低频射频电源LF。基座上包括静电夹盘21，用于固定待处理的基片100，围绕静电夹盘的和基片的还包括辅助的边缘环22。反应腔内的顶部设置有一个平板形的气体喷淋头11，气体喷淋头11通过管道与外部气源200相联通。在等离子刻蚀过程中，高频射频电源HF(例如，频率为27MHZ、60MHz)输入的高频能量使得通入反应腔内的反应气体电离产生等离子体P，低频射频电源LF(例如，2MHz)输入基座的电场使得基片上表面鞘层中产生足够的直流偏置电压，加速离子使得离子向下快速地向下轰击，以进行刻蚀。随着技术的进步，超深宽比刻蚀的应用和需求越来越广泛。例如，在存储器领域，3DNAND闪存成为了主要的存储芯片结构之一。制造3DNAND芯片的过程，包括先形成交替的氧化硅和氮化硅材料层，层数可以达到64层甚至上百层，然后通过等离子体刻蚀贯穿所有这些材料层，由于这些材料层的整体厚度很大，大于5um甚至8um以上，因而属于超深宽比刻蚀，前述现有等离子刻蚀反应器中的射频能量控制系统无法将离子驱动到刻蚀材料层通孔的底部，造成通孔刻蚀失败。一般而言，电介质孔或槽刻蚀所能达到的孔深或槽深，很大程度上受限于等离子体中的离子能所到达的深度。对于超深宽比(>40)的刻蚀工艺，往往会出现“离子受限”的工艺区间。这是因为渡越鞘层之后离子本身能量具有局限性，加上深孔侧壁累积电荷所形成电场对离子产生排斥作用，随着刻蚀深度的增加，到达孔底部的离子数量越发有限，或者即使到达底部，其能量也不足以辅助刻蚀剂(活性基团)对底部材料继续刻蚀，使得最终的孔深不能满足工艺要求。因此，如何提高离子的能量和降低电荷累积效应是解决这一工艺问题的关键。图2所示为等离子体刻蚀过程中基片内部的电荷分布图。被刻蚀衬底100上沉积有绝缘材料层103，其中绝缘材料层可以是均匀的材料层，也可以是由交替的多种绝缘材料层堆叠而成。上方的掩膜层105上具有图形化的开口，开口经过刻蚀向下延伸形成通孔102。对于这种超深宽比的刻蚀工艺，在刻蚀孔向下延伸的过程中，通孔侧壁会逐渐积累电荷，由于通孔是绝缘材料构成的，这些电荷很难被导走。这些积累的电荷主要是正电荷，也可能出现少量负电荷，呈随机不对称分布。经过基片表面的鞘层后，入射离子在向下运动的过程中会被这些电荷排斥而减速，向下运动的离子能量不足会导致刻蚀孔底部无法被继续向下刻蚀，反应停止；或者，向下运动的离子被这些不对称分布的电荷形成的电场排斥后偏移运动方向，最后倾斜入射到通孔的侧壁，最终使得刻蚀通孔发生偏斜。随着刻蚀工艺发展，对刻蚀深宽比的要求越来越严苛，业内的普遍做法是，在现有的射频电源的配置基础上(比如，2MHz的低频射频电源LF、60MHz的高频射频电源HF)，通过不断地提高射频输入源的射频功率，从而加大射频馈入反应腔内的能量，来提高离子的入射能量，来实现超深宽比的刻蚀，但这样仍会出现刻蚀的瓶颈，出现前述的“离子受限”现象，到达一定的深度后，就再也刻蚀不下去了，同时，真正用于实现离子向下轰击的能量很少(约占3％左右)，因而输入的射频功率的利用率很低，造成射频能源的巨大浪费和芯片生产商的成本大大提升。所以，业界需要提出一种新的、低能耗的等离子刻蚀反应器，能够突破现有技术中超深宽比刻蚀的瓶颈，有效进行超深宽比的刻蚀工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种等离子刻蚀反应器，其能够适用于超深宽比的通孔刻蚀工艺，且比现有技术具有更低能耗。本专利技术提供了一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器，包括：反应腔，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；基座，设置于所述反应空间内，用于支撑被处理基片；气体喷淋头，设置于所述反应腔内的顶部；第一射频电源，与所述基座或气体喷淋头相连接，以输送具有第一频率的射频功率到所述基座或气体喷淋头，形成并维持所述反应腔内的等离子体；第二射频电源，与所述基座相连接，以输送具有第二频率的射频功率到所述基座，以控制入射到所述基片的离子能量；所述第一频率大于等于4MHz，第二频率大于等于10KHz小于等于300KHz；其中，所述基片的表面的直流偏压电势产生第一加速电场，所述第二射频电源产生第二加速电场，所述第二射频电源的每个输出周期包括一正半周期和一负半周期，在所述正半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀；在所述负半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀，同时，所述第二加速电场直接驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀。可选地，第二加速电场持续时间为大于等于5/3微秒小于等于50微秒。较佳的，第二频率小于等于200KHz。其中所述第二频率最佳的为100KHz或200KHz，所述第一频率为13.56MHz或27MHz或60MHz，最佳的需要大于等于13MHz。其中所述第二射频电源的输出功率大于等于4KW，更易达到在帮射频功率变化周期内使得等离子体中的离子轰击到基片。本专利技术中的超深宽比的深宽比值大小为大于40:1。较佳的，所述第一频率大于等于第二频率的100倍，增加对超深宽比刻蚀孔电荷的中和次数和时间。本专利技术提供另一个较佳实施例，等离子刻蚀反应器中还包括一个第三射频电源，所述第三射频电源输出第三频率，所述第三频率大于所述第二频率小于第一频率，所述第二和第三射频电源通过一个匹配切换电路连接到所述基座。其中所述第二和第三射频电源通也可以过各自的匹配电路连接到所述基座。与之相对应的，同时提供一种等离子反应器进行超深宽比刻蚀的方法，包括：放置待处理基片到所述基座或下电极上；通入刻蚀反应气体；施加频率大于等于4MHz的高频射频功率至反应腔内的下电极或上电极，以形成并维持等离子体，所述高频射频功率输出第一功率；通过匹配切换电路选择施加第三射频电源到所述基座；检测刻蚀孔深度，当刻蚀深度超过预设值时，控制所述第二射频电源输出射频功率到基座，同时控制所述高频射频功率输出第二功率，其中第二功率大于所述第一功率。本专利技术还提供了一种具有超低频射频电源驱动的等离子反应器，包括：反应腔，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；下电极，设置于所述反应空间内，用于支撑被处理基片；反应腔内顶部包括上电极；高频射频电源，输出具有高频率的射频功率到所述下电极或上电极，以形成并维持反应腔内的等离子体；超低频射频电源，输出具有一超低频的射频功率到下电极，以控制入射到基片的离子能量；所述高频的频率大于等于2MHz，所述超低频的频率大于10KHz小于等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器，包括：/n反应腔，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；/n基座，设置于所述反应空间内，用于支撑被处理基片；/n气体喷淋头，设置于所述反应腔内的顶部；/n第一射频电源，与所述基座或气体喷淋头相连接，以输送具有第一频率的射频功率到所述基座或气体喷淋头，形成并维持所述反应腔内的等离子体；/n第二射频电源，与所述基座相连接，以输送具有第二频率的射频功率到所述基座，以控制入射到所述基片的离子能量；/n所述第一频率大于等于4MHz，第二频率大于等于10KHz小于等于300KHz；/n所述基片的表面的直流偏压电势产生第一加速电场，所述第二射频电源产生第二加速电场，所述第二射频电源的每个输出周期包括一正半周期和一负半周期，在所述正半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀；在所述负半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀，同时，所述第二加速电场直接驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于超深宽比刻蚀的等离子反应器，包括：
反应腔，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；
基座，设置于所述反应空间内，用于支撑被处理基片；
气体喷淋头，设置于所述反应腔内的顶部；
第一射频电源，与所述基座或气体喷淋头相连接，以输送具有第一频率的射频功率到所述基座或气体喷淋头，形成并维持所述反应腔内的等离子体；
第二射频电源，与所述基座相连接，以输送具有第二频率的射频功率到所述基座，以控制入射到所述基片的离子能量；
所述第一频率大于等于4MHz，第二频率大于等于10KHz小于等于300KHz；
所述基片的表面的直流偏压电势产生第一加速电场，所述第二射频电源产生第二加速电场，所述第二射频电源的每个输出周期包括一正半周期和一负半周期，在所述正半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀；在所述负半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀，同时，所述第二加速电场直接驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀。


2.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二加速电场持续时间为大于等于5/3微秒小于等于50微秒。


3.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二频率为100KHz。


4.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二频率为200KHz。


5.如权利要求3或4所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一频率为13.56MHz或27MHz或60MHz。


6.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一频率大于等于13MHz。


7.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二射频电源的输出功率大于等于4KW。


8.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述超深宽比的深宽比值大小为大于40:1。


9.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第一频率大于等于第二频率的100倍。


10.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，所述第二频率小于等于200KHz。


11.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，还包括一个第三射频电源，所述第三射频电源输出第三频率，所述第三频率大于所述第二频率小于第一频率，所述第二和第三射频电源通过一个匹配切换电路连接到所述基座。


12.如权利要求1所述的等离子反应器，其特征在于，还包括一个第三射频电源，所述第三射频电源输出第三频率，所述第三频率大于所述第二频率小于第一频率，所述第二和第三射频电源通过各自的匹配器连接到所述基座。


13.如权利要求11或12所述的等离子反应器，其特征在于，所述第三频率大于等于2MHz小于等于13.56MHz。


14.一种具有超低频射频电源驱动的等离子反应器，包括：
反应腔，所述反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；
下电极，设置于所述反应空间内，用于支撑被处理基片；
反应腔内顶部包括上电极；
高频射频电源，输出具有高频率的射频功率到所述下电极或上电极，以形成并维持反应腔内的等离子体；
超低频射频电源，输出具有一超低频的射频功率到下电极，以控制入射到基片的离子能量；
所述高频的频率大于等于4MHz，所述超低频的频率大于10KHz小于等于200KHz；
所述基片的表面的直流偏压电势产生第一加速电场，所述第二射频电源产生第二加速电场，所述第二射频电源的每个输出周期包括一正半周期和一负半周期，在所述正半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动以进行刻蚀；在所述负半周期内，所述第一加速电场驱动所述等离子体中的离子加速向所述基片运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹志尧，张一川，梁洁，苏兴才，倪图强，
申请(专利权)人：中微半导体设备上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31