[发明专利]一种双射频脉冲等离子体的刻蚀方法及其刻蚀装置

说明书

技术领域

本发明涉及等离子刻蚀领域，特别涉及一种交替使用不同低频刻蚀频率的双射频脉冲等离子体的刻蚀方法及其刻蚀装置。

背景技术

等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性生成物而被去除。它的优势在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌。

目前，低温等离子体微细加工手段是材料微纳加工的关键技术，因为它是微电子、光电子、微机械、微光学等制备技术的基础。特别是在超大规模集成电路制造工艺中，有近三分之一的工序是借助于等离子体加工完成的，如等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀及等离子体去胶等，其中等离子体刻蚀成为最为关键的工艺流程之一，是实现超大规模集成电路生产中的微细图形高保真地从光刻模板转移到硅片上不可替代的工艺。目前在一些发达国家的实验室里，刻蚀线宽已经突破0.1um，并开始考虑挑战纳米芯片的加工技术。

在等离子体刻蚀工艺中，首先是在把硅晶片上面涂抹一层由碳氢化合物构成的光敏物质，并在光敏物质上盖上具有一定图形规则的金属模板。然后进行紫外曝光，使部分晶片的表面裸露出来。接着再把这种待加工的硅晶片放置到具有化学活性的低温等离子体中，进行等离子体刻蚀。这种具有化学活性的等离子体通常是由氯气或碳氟气体放电产生的，它不仅含有电子和离子，还含有大量的活性自由基。这些活性基团沉积到裸露的硅晶片上时，与硅原子相互结合而形成挥发性的氯化硅或氟化硅分子，从而对晶片进行各向异性刻蚀。另一方面，为了控制轰击到晶片上离子的能量分布和角度分布，还通常将晶片放置在一个施加射频电极上面，在晶片的上方将形成一个非电中性的等离子体区，即鞘层。等离子体中的离子在鞘层电场的作用下，轰击到裸露的晶片表面上，并与刻蚀介质层表面进行碰撞，使其溅射出来，从而实现对晶片的各向异性刻蚀。

等离子体刻蚀工艺的核心问题是在提高刻蚀速率的同时，又能保证刻蚀过程具有较高的均匀性、较高的各向异性以及较低的辐照损伤。这些物理问题包括：低气压放电条件下大面积高密度均匀等离子体的产生机理与方法、外界放电参数(如电源功率、频率、放电气压以及放电模式等)对等离子体参数的调控行为、射频偏压鞘层的物理特性、带电粒子(尤其是离子)与晶片表面材料层的相互作用机理、刻蚀剖面的演化规律等。

射频等离子体鞘层的物理特性如下：由于所有粒子都必须穿越鞘层才能与晶片发生相互作用，因而鞘层在等离子体加工过程中具有重要的地位。鞘层电场要比等离子体内部电场强两个数量级，离子以玻姆(Bohm)速度进入鞘层后，被鞘层电场加速，以一定的能量轰击基板，而电子则受到鞘层电场的排斥。在气压较高情况下，离子还将与其他中性粒子发生弹性和非弹性碰撞，使离子以一定的角度轰击晶片。换言之，鞘层特性决定了离子轰击晶片的能量分布和角度分布，而离子的能量分布和角度分布直接影响到刻蚀速率与刻蚀剖面，进而影响着等离子体加工的产量和质量。

与直流等离子体鞘层相比，射频等离子体鞘层的特点在于等离子体参数如鞘层的厚度和鞘层电位等物理量均随时间变化。决定射频鞘层特性的关键物理量是外加射频场的频率和离子等离子体频率之比，当外加射频偏压的频率远大于离子等离子体频率时，离子不能瞬时响应射频电场，离子运动由平均场决定，可以合理地假定离子在鞘层中的运动是稳态的。当外加射频场的频率远小于离子等离子体频率时，鞘层中离子运动是由瞬时电势决定的，这时，每一时刻的射频鞘层特性都与电势为相应值的直流辉光放电的鞘层特性一样，离子流密度呈现出随时间周期性振荡形式。频率越低，离子流密度的振荡幅值越大。当外加射频偏压的频率和离子等离子体频率接近或相等时，离子只能部分地响应射频频率，这时离子的运动行为较为复杂。

对于单一射频驱动的电容感应耦合放电，鞘层电势相对于等离子体电势为负，且有一个波峰和一个波谷。在波峰和波谷两个相位处，电势随时间变化缓慢，因而进入鞘层离子较多。在波峰时，进入的离子获得的能量最小，而在波谷时，进入的离子获得的能量最大，导致离子能量分布呈双峰结构。研究表明，在低频条件下，离子能量分布的高能峰和低能峰之间的宽度较宽，且随着频率的增加而变窄；在高频条件下，能量分布趋于单峰结构。