时分复用(TDM)蚀刻工艺中的过程控制方法及设备技术

本发明专利技术提供了一种用于在时分复用过程期间控制真空室中的压力的方法。节流阀被预先定位并保持预定的一段时间。在硅晶片的相关等离子步骤（沉积或蚀刻）期间将过程气体引入到真空室中。在预定的时间段末尾，过程气体继续流入，同时从设置的位置释放节流阀。在这一点上，对于相关的等离子步骤的剩余时间段，通过比例微分和积分控制调节节流阀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及半导体晶片处理的领域。更加具体地，本专利技术涉及用于在时分复用蚀刻与沉积过程期间控制反应室压力的方法与设备。
技术介绍
在微机电(MEMS)装置的制造中广泛使用高纵横比硅器件的制作。这样的器件常常具有从几十到几百微米变动的深度。为了确保可制造性，蚀刻过程必须以高蚀刻速度进行，以维持合理的产出，以及诸如光滑的蚀刻剖面之类的其他性能需求。传统的单一步骤的等离子蚀刻过程不能同时满足这些需要，并且已开发了时分复用蚀刻工艺。用于蚀刻硅的时分复用(TDM)方法已由Suzuki等人(美国4,579,623)、Kawasaki等人(美国4,795,529)以及Laermer等人(美国5,501,893)说明。TDM蚀刻工艺典型地使用交替蚀刻与沉积步骤。例如，在蚀刻硅(Si)基片期间，六氟化硫(SF6)用作蚀刻气体，而八氟化四碳(C4F8)用作沉积气体。在蚀刻步骤中，SF6有利于自发的各向同性的硅(Si)蚀刻；在沉积步骤中，C4F8有利于使保护性的聚合物钝化到蚀刻结构的侧壁和底部上。在随后的蚀刻步骤中，一旦受到高能定向离子轰击，来自在先沉积步骤的蚀刻结构底部覆盖的聚合物膜就将被去除，以暴露用于进一步蚀刻的硅表面。侧壁上的聚合物膜将保留，以抑制侧面的蚀刻。TDM过程在蚀刻和沉积过程之间循环交替，以使高纵横比结构能够以高蚀刻速度被限定在掩蔽的硅基片中。在每个过程步骤中，以过程方法中指定的流速通过进气口将气体(例如SF6和C4F8)引入反应室。典型地在高密度等离子反应器中(例如感应耦合等离子体(ICP)、电子回旋共振(ECR)等等)执行TDM蚀刻工艺。TDM过程方法由一系列过程循环和步骤组成。每个循环由两个以上过程步骤组成，所述过程步骤控制过程变量(例如气体流速、室压力、RF功率、过程步骤次数、室温度、晶片温度等等)。循环之内的步骤在执行总的过程方法中的下一个步骤或循环之前被重复若干次。已知当循环重复时对过程步骤参数加以改变以改善蚀刻性能，这在技术上被称为过程变体(process morphing)(见Teixeira等人的美国6,417,013)。压力控制是蚀刻与沉积过程的重要组成部分。对于可重复的制造过程，必须谨慎控制室中存在的过程气体的流速和压力，以提供预期的沉积与蚀刻特性。TDM等离子反应器抽排系统典型地包含涡轮泵，其通过节流阀与反应室隔离。压力控制器使用来自压力计的反应室压力数据来控制节流阀。控制器打开或关闭节流阀以增加或减少从涡轮泵向反应室供应的真空度。用这种方式，控制器维持反应室中的预期压力。在TDM过程期间，室压力设定点和气体流速在过程循环之内循环交替。气流能够是单一成分或多种成分的混和。压力控制器必须调节节流阀位置以补偿这些改变的流动和压力条件。理想地，压力控制器调节节流阀位置以即时达到压力设定点而没有压力设定点过冲或下冲。当前可用的节流阀和控制器典型地在压力控制模式或位置控制模式下运行。在压力控制模式下，控制器监视反应室中的压力，并通过调节节流阀的位置来维持设定点压力(亦即闭环压力控制)。在位置控制模式下，控制器将节流阀定位到设定点位置而不监视室压力(亦即开环压力控制)。若干小组已在考虑用于等离子室中的过程控制的装置。Kessel等人(美国4,253,480)描述了使用可调节的电磁阀来控制压力的压力调节器。Kessel教导了指示真空室中使用的许多节流阀的运行的基本机理。容器中的实际压力被测量并转换成电信号。比较器生成校准信号，其表示实际压力和指令压力之间的差。调节器使用校准信号指导下述方式的阀门，所述方式为阀门部件在阀门的打开和关闭位置之间的范围之内的中间位置之间是可调节的。实际上，遵循这样的原理操作TDM过程工具中使用的节流阀。然而，如较早说明的那样，在经常交替的TDM过程步骤的转换期间不能控制压力是现实问题，并且不能由Kessel的技术解决。Kaveh等人(美国5,758,680)和McMillin等人(美国6,142,163)描述了压载口(ballast port)的使用，所述压载口用于将气体加进抽排系统以补偿反应室中的压力波动，以便使不同过程步骤之间的节流阀运动最小化。他们进一步披露了一种方法，以减少用于真空室中的气体稳定性的时间。首先将节流阀预先定位到预期位置。使用预定评估曲线估计预期位置。然后对于特定的时段，启用比例微分(PD)控制来控制节流阀运动。然后启用比例积分微分(PID)控制来调节节流阀运动。披露中教导的例子显示，用于压力稳定性的时间间隔从～20秒被减少到至少3-5秒。尽管Kaveh和McMillin思考了当过程步骤从一个向下一个改变时气体流速和压力的变化，但是并未教导循环交替TDM过程中的使用。另外，许多TDM过程使用仅持续几秒钟或更短的交替过程步骤，这使得使用披露的技术的压力控制不切实际。Brown等人(美国6,119,710)描述了进入反应室以补偿室中的压力变化的可调节气流的使用。然而，在许多TDM过程中，在过程步骤期间改变过程气体流速是不希望的。Beyer等人(美国5,944,049)描述了通过控制真空泵的排气侧的排气压力或第一真空泵的压缩阶段的内部压力来调节室压力。真空泵速的调节，将惰性气体注入真空泵的排气侧的调节或压缩阶段的调节被用于控制反应室压力。Beyer没有教导如何在TDM过程中使用这种技术。Puech(美国专利申请20020168467)描述了通过以补充流速将不活泼控制气体注入抽排口附近的区域来控制压力的方法。调节受控的不活泼气体的流速，以便维持以基本上固定的速度进入真空室的总的气流。尽管Puech教导了使用相当于一秒的过程步骤的TDM过程中的压力控制，但是该方法并未教导在压力控制中主动调节节流阀的使用。用于TDM过程的压力控制的当前方法，亦即压力控制与位置控制，是有局限性的。TDM过程中的压力控制模式的一个问题在于，实际上，在达到快速压力响应时间而同时使设定点偏离最小化之间典型地存在折衷。快速响应时间以一段压力设定点过冲为代价是可能的。优化可用的压力控制模式算法以使设定点过冲最小化导致慢响应时间。随着TDM步骤持续时间减少，尽力达到方法指定的设定点所花费的时间成为重要的一部分处理时间。TDM过程中的位置控制模式的当前方法的问题是不可接受的长压力响应时间。尽管位置模式使过程过冲最小化，但是较慢的响应时间导致室压力花费大段的过程时间以接近要求的设定点值(亦即，在符合方法指定的设定点之外)。位置控制模式方法的另一个问题在于它是开环压力控制算法。因此，不存在任何针对气流或泵送效率的扰动的校正。这些扰动倾向于造成过程压力以及因此而来的过程性能随时间而改变。因此，存在对于压力控制装置的需要，所述压力控制装置用于TDM过程，优选地用于使用持续时间为几秒钟以下的过程步骤的那些过程。现有技术未提供本专利技术带来的好处。因此，本专利技术的一个目标是提供一种改进，其克服了现有技术装置的不足，并且是对半导体处理技术进步的显著贡献。本专利技术的另一个目标是提供一种方法，用于各向异性地蚀刻基片中的器件，该方法包含以下步骤使基片在等离子室之内经受交替循环过程，所述交替循环过程具有蚀刻步骤和沉积步骤；在所述交替循环过程的沉积步骤期间，向所述等离子室中引入第一过程气体，用于将膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于各向异性地蚀刻基片中的器件的方法，该方法包含以下步骤：使基片在等离子室之内经受交替循环过程，所述交替循环过程具有蚀刻步骤和沉积步骤；在所述交替循环过程的沉积步骤期间，向所述等离子室中引入第一过程气体，用于将膜沉积到基 片上；在所述交替循环过程的蚀刻步骤期间，向所述等离子室中引入第二过程气体，用于蚀刻基片；在所述交替循环过程的至少一个步骤期间，通过将节流阀设置在预定的位置设定点达预定的一段时间，来调节所述等离子室的压力；对于所述交替 循环过程的沉积步骤和所述交替循环过程的蚀刻步骤，激发等离子体达方法指定的一段时间；在所述预定的一段时间期满之后，启用闭环压力控制算法；以及通过对步骤的剩余时间进行闭环压力控制，在所述等离子室中将压力控制在方法指定的压力设定点 。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-4-7 60/460,932;US 2004-3-31 10/815,9651.一种用于各向异性地蚀刻基片中的器件的方法，该方法包含以下步骤使基片在等离子室之内经受交替循环过程，所述交替循环过程具有蚀刻步骤和沉积步骤；在所述交替循环过程的沉积步骤期间，向所述等离子室中引入第一过程气体，用于将膜沉积到基片上；在所述交替循环过程的蚀刻步骤期间，向所述等离子室中引入第二过程气体，用于蚀刻基片；在所述交替循环过程的至少一个步骤期间，通过将节流阀设置在预定的位置设定点达预定的一段时间，来调节所述等离子室的压力；对于所述交替循环过程的沉积步骤和所述交替循环过程的蚀刻步骤，激发等离子体达方法指定的一段时间；在所述预定的一段时间期满之后，启用闭环压力控制算法；以及通过对步骤的剩余时间进行闭环压力控制，在所述等离子室中将压力控制在方法指定的压力设定点。2.根据权利要求1的方法，其中，将预定的位置设定点设置为所述交替循环过程的在先类似步骤的节流阀位置。3.根据权利要求1的方法，其中，从所述交替循环过程的在先类似步骤的节流阀位置导出预定的位置设定点。4.根据权利要求3的方法，其中，从所述交替循环过程的多个在先类似步骤的平均节流阀位置导出预定的位置设定点。5.根据权利要求3的方法，其中，从在先校准试验导出预定的位置设定点。6.根据权利要求3的方法，其中，使用从所述交替循环过程的所述在先类似步骤的所述节流阀位置的偏移量，来调节预定的位置设定点。7.根据权利要求6的方法，其中，偏移量大约为从所述交替循环过程的所述在先类似步骤的所述节流阀位置的0.5到2的位置变化。8.根据权利要求1的方法，其中，预定的位置设定点对于所述预定的一段时间使用预定函数而变化。9.根据权利要求1的方法，其中，基于所述交替循环过程的在先类似步骤的压力性能，修改预定的位置设定点。10.根据权利要求9的方法，其中，对预定的位置设定点的修改基于使到达所述方法指定的压力设定点所需时间最小化。11.根据权利要求9的方法，其中，对预定的位置设定点的修改基于使从所述方法指定的压力设定点的偏离最小化。12.根据权利要求1的方法，其中，基于所述交替循环过程的在先类似步骤的压力性能，修改所述预定的一段时间。13.根据权利要求12的方法，其中，对预定的一段时间的修改基于使到达所述方法指定的压力设定点所需时间最小化。14.根据权利要求12的方法，其中，对预定的一段时间的修改基于使从所述方法指定的压力设定点的偏离最小化。15.根据权利要求1的方法，其中，所述预定...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖守亮，大卫约翰逊，拉塞尔韦斯特曼，
申请(专利权)人：优利讯美国有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]