TW201448033A - 實現反應氣體快速切換的等離子體反應室及其方法 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種實現反應氣體快速切換的等離子體反應室及其方法，通過採用本發明的技術方案，使得整個工藝過程流入反應腔的氣體總流量相同，有利於控制反應腔的壓力穩定，同時，兩組氣體從反應腔的上方和下方同時注入反應腔內，在保證不影響基片刻蝕反應和沉積反應的同時，變相的減小了反應腔的容積，更有利於氣體快速充滿反應腔，提高了刻蝕步驟和沉積步驟的切換速率，進而提高了基片的刻蝕速率。同時，由於反應腔內的氣壓高於抽氣泵處的氣壓，氣體流量控制器需要面對的壓力差較小，有利於準確、穩定的控制反應氣體流速，從而提高製程的穩定性。
Description
本發明涉及半導體基片處理技術領域，尤其涉及一種在深加工等離子刻蝕技術中快速實現反應氣體切換的技術領域。
半導體製造技術領域中，在MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統）和3D封裝技術等領域，通常需要對矽等材料進行深通孔刻蝕。例如，在體矽刻蝕技術中，深矽通孔（Through-Silicon-Via，TSV）的深度達到幾百微米、其深寬比大於10，通常採用深反應離子刻蝕方法來刻蝕體矽形成。
習知技術中，TSV的深反應離子刻蝕通常採用美國專利US5501893提出的Bosch工藝進行。具體深反應離子刻蝕方法包括以下步驟：（1）刻蝕步驟，通常用Ar、O2、SF6的混合氣體進行等離子體刻蝕；（2）聚合物沉積步驟，通常用Ar和C4F8的混合氣體在孔洞內側面形成氟碳聚合物層，其厚度一般在奈米級，有時也稱作該聚合物層為鈍化層，為使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物層，該步驟中一般採用相對較低較的RF（Radio Frequency，射頻）頻率；（3）刻蝕步驟和聚合物沉積步驟交替進行，直到通孔刻蝕完成，在刻蝕步驟中，由於孔洞的內表面、尤其是孔洞內側面沉積聚合物，垂直等離子刻蝕時，入射的離子不會對其內側面聚合物造成破壞側壁得以被保護，而垂直方向入射的離子會將孔洞底部的聚合物破壞使刻蝕反應得以向下繼續，從而保證了整個孔洞刻蝕過程的各向異性。
圖1所示為習知技術的等離子體反應室和氣體供應系統的示意圖。如圖1所示，該等離子體反應室用於圖1所示深反應離子刻蝕。100為等離子體刻蝕室，其中形成等離子體，目標刻蝕的晶圓置於反應腔100中，反應腔100包括大致呈圓筒狀的側壁112、位於側壁112上方的頂板110，反應腔內包括一約束環130。氣體供應系統150包括至少兩個氣體流量控制器MFC160和170，160為刻蝕氣體流量控制器，170為沉積氣體流量控制器。每個氣體流量控制器分別連接至少兩個控制閥門，在刻蝕步驟中，控制閥門161打開，控制閥門162閉合，刻蝕氣體通過進氣管道120進入反應腔100內；此時，控制閥門171閉合，控制閥門172打開，沉積氣體通過排氣管道122被抽氣泵140排出；在沉積步驟中，控制閥門161閉合，控制閥門162打開，刻蝕氣體通過排氣管道122被抽氣泵140排出，此時，控制閥門171打開，控制閥門172閉合，沉積氣體通過進氣管道120進入反應腔100。為了維持氣體供應系統的流量穩定，刻蝕氣體流量控制器160和沉積氣體流量控制器170處於常開狀態，通過控制其連接的控制閥門交替開關閉合，實現刻蝕步驟和沉積步驟的交替變化。
在進行刻蝕步驟和沉積步驟切換時，要將反應腔100內的氣體排出，同時注入另一步驟所需的反應氣體，由於反應腔100的容積較大，導致這一切換所需時間較長，降低了深反應刻蝕速率，同時，由於刻蝕氣體流量控制器160和沉積氣體流量控制器170處於常開狀態，在某一步驟進行時，另一步驟所需氣體被排出，造成反應氣體的浪費。
為了解決上述問題，本發明提供了一種實現反應氣體快速切換的等離子體反應室，包括一反應腔，所述反應腔內設置一限制環，所述限制環將所述反應腔間隔為反應腔上方空間和反應腔下方空間，所述反應腔上方空間設置開口連接氣體供應系統，所述氣體供應系統包括至少兩個流量控制器，用於分別控制第一氣體和第二氣體交替進入所述反應腔上方空間內，所述反應腔下方空間設置一開口，連接所述氣體供應系統，所述流量控制器分別控制所述第一氣體和第二氣體交替進入所述反應腔內。
較佳地，所述第一氣體為刻蝕氣體，所述第二氣體為沉積氣體，或者所述第一氣體為沉積氣體，所述第二氣體為刻蝕氣體。
進一步的，所述刻蝕氣體包括Ar、O2、SF6；所述沉積氣體包括Ar和C4F8。
較佳地，所述限制環包括若干個槽狀通道，所述槽狀通道的大小被設置成當所述帶電粒子通過所述通道時可以使帶電粒子被中和，以限制等離子體的通過。
較佳地，所述限制環包括若干個大致為圓孔狀的氣體通道，所述氣體通道的內徑小於等於10mm。
進一步的，所述氣體供應系統包括刻蝕氣體流量控制器和沉積氣體流量控制器，所述刻蝕氣體流量控制器和沉積氣體流量控制器前端分別連接刻蝕氣體源和沉積氣體源，後端分別連接兩個控制閥門。
進一步的，所述反應腔包括一大致呈圓筒狀的側壁和位於側壁上方的頂板，所述頂板下方設置一氣體噴淋頭，用以將通過所述反應腔上方開口處注入的反應氣體均勻分散到反應腔內。
進一步的，所述反應腔包括一大致呈圓筒狀的側壁和位於側壁上方的頂板，所述側壁靠近頂板的一端均勻設置若干個氣體注入口，用於將氣體供應系統中的反應氣體均勻注入所述反應腔內。
進一步的，本發明還公開了一種快速切換反應氣體的方法，包括下列步驟： 刻蝕步驟，控制刻蝕氣體流量控制器後端的控制閥門，提供刻蝕氣體到反應腔上方空間，同時控制沉積氣體流量控制器後端的控制閥門，提供沉積氣體到反應腔下方空間； 沉積步驟：控制沉積氣體流量控制器後端的控制閥門，提供沉積氣體到反應腔上方空間；同時控制刻蝕氣體流量控制器後端的控制閥門，提供刻蝕氣體到反應腔下方空間； 上述刻蝕步驟和沉積步驟交替進行。
進一步的，在刻蝕步驟和沉積步驟中，所述刻蝕氣體流量控制器和所述沉積氣體流量控制器處於常開狀態。
本發明的優點在於：通過採用本發明的技術方案，使得整個工藝過程流入反應腔的氣體總流量相同，有利於控制反應腔的壓力穩定，同時，兩組氣體從反應腔的上方和下方同時注入反應腔內，在保證不影響基片刻蝕反應和沉積反應的同時，變相的減小了反應腔的容積，更有利於氣體快速充滿反應腔，提高了刻蝕步驟和沉積步驟的切換速率，進而提高了基片的刻蝕速率。同時，由於反應腔內的氣壓高於抽氣泵處的氣壓，氣體流量控制器需要面對的壓力差較小，有利於準確、穩定的控制反應氣體流速。從而提高製程的穩定性。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
圖2示出本發明所述等離子體反應室與氣體供應系統間連接的結構示意圖，等離子體反應室包括一反應腔200，反應腔200包括大致呈圓筒狀的側壁212、位於側壁212上方的頂板210和位於側壁212下方的底板213。反應腔內還包括基座235用於支撐基片236，在基片236的下方環繞設置一約束環230，將反應腔200間隔為反應腔上方空間201和反應腔下方空間202。頂板210上設置一進氣口221，一進氣管道220連接氣體供應系統250將反應步驟所需反應氣體經氣體噴淋頭225注入反應腔上方空間201內。側壁212下方或底板213上設置一排氣口223，一排氣管道222連接氣體供應系統250，用以將反應步驟中不需要的氣體注入反應腔下方空間202內，底板213與抽氣泵240相連，用以排出反應腔內的氣體。本實施例中限制環230包括若干個大致為圓孔狀的氣體通道，所述氣體通道的內徑小於等於10mm，用以限制反應腔上方空間201內的等離子體進入反應腔下方空間202。
圖2所示的等離子體刻蝕室適用於深反應等離子體刻蝕技術，根據圖1所示，該技術通過刻蝕步驟和沉積步驟的交替進行來完成，（1）刻蝕步驟，通常用Ar、O2、SF6的混合氣體（本發明簡稱刻蝕氣體）進行等離子體刻蝕；（2）沉積步驟，通常用Ar和C4F8的混合氣體（本發明簡稱沉積氣體）在孔洞內側面形成氟碳聚合物層，其厚度一般在奈米級，有時也稱作該聚合物層為鈍化層，為使孔洞底部基本不形成氟碳聚合物層，該步驟中一般採用相對較低較的RF（Radio Frequency，射頻）頻率；（3）刻蝕步驟和沉積步驟交替進行，刻蝕步驟結束時需要將刻蝕氣體排出反應腔內同時注入沉積氣體，開始沉積步驟；沉積步驟結束時需要將沉積氣體排出反應腔同時注入刻蝕氣體，依次迴圈，直到通孔刻蝕完成。
氣體供應系統250包括刻蝕氣體流量控制器260和沉積氣體流量控制器270，刻蝕氣體流量控制器260和沉積氣體流量控制器270前端分別連接刻蝕氣體源和沉積氣體源（圖中未示出），由於MFC的切換速率較慢，不能實現刻蝕步驟和沉積步驟的快速交替，同時為了保證反應氣體的流速穩定，通常將刻蝕氣體流量控制器260和沉積氣體流量控制器270設置為常開狀態。刻蝕氣體流量控制器260後端連接控制閥門261和262，控制閥門261和262交替打開和閉合，控制刻蝕氣體在刻蝕步驟中注入反應腔上方空間201，在沉積步驟中注入反應腔下方空間202；沉積氣體流量控制器270後端連接控制閥門271和272，控制閥門271和272交替打開和閉合，控制沉積氣體在沉積步驟中注入反應腔上方空間201，在刻蝕步驟中注入反應腔下方空間202。
在刻蝕步驟開始時，控制閥門261和控制閥門272處於打開狀態，控制閥門262和控制閥門271處於閉合狀態，此時，刻蝕氣體通過進氣管道220進入反應腔上方空間201內，在反應腔內電磁場的作用下解離為等離子體或中性自由基等離子，對基片進行刻蝕，同時，沉積氣體通過排氣管道222進入反應腔下方空間202，使得刻蝕氣體無需填充滿整個反應腔即能達到刻蝕步驟所需要的壓力狀態，相當於變相的減小了反應腔的容積，節省了刻蝕氣體。由於反應腔下方空間202位於基片236的下方，其空間內的沉積氣體不會對刻蝕反應造成影響。
在沉積步驟開始時，控制閥門262和控制閥門271處於打開狀態，控制閥門261和控制閥門272處於閉合狀態，此時，沉積氣體通過進氣管道220進入反應腔上方空間201內，在刻蝕出的孔洞內側面和底部形成氟碳聚合物層，同時，刻蝕氣體通過排氣管道222進入反應腔下方空間202，使得沉積氣體無需填充滿整個反應腔即能達到沉積步驟所需要的壓力狀態，相當於變相的減小了反應腔的容積，節省了沉積氣體。由於反應腔下方空間202位於基片236的下方，其空間內的刻蝕氣體不會對沉積反應造成影響。
當刻蝕氣體或者沉積氣體注入反應腔下方空間202時，由於反應腔底板213連接抽氣泵240，抽氣泵240持續不斷的工作使得反應腔下方空間202內的壓力小於反應腔上方空間201的壓力，從而維持反應腔內的氣體不斷的向下方流動，避免了反應腔下方空間202內的氣體通過約束環230對基片的處理工藝造成影響。
通過採用本發明的技術方案，使得整個工藝過程流入反應腔200的氣體總流量相同，有利於控制反應腔200的壓力穩定，同時，兩組氣體從反應腔的上方和下方同時注入反應腔內，在保證不影響基片刻蝕反應和沉積反應的同時，變相的減小了反應腔的容積，更有利於氣體快速充滿反應腔，提高了刻蝕步驟和沉積步驟的切換速率，進而提高了基片的刻蝕速率。
習知技術中，在進行刻蝕步驟或沉積步驟時，需要的反應氣體被注入反應腔內，不需要的氣體則通過排氣管道直接被抽氣泵240排走，這不僅造成反應氣體的浪費，同時，由於抽氣泵處的氣壓較低，MFC需要面對較大的壓力變化，容易造成氣體流速的不穩定，對反應製程造成影響。通過採用本發明的技術方案，由於反應腔202內的氣壓高於抽氣泵處的氣壓，MFC需要面對的壓力差較小，有利於準確、穩定的控制反應氣體流速。從而提高製程的穩定性。
圖3示出本發明另一實施例所述等離子體反應室與氣體供應系統間連接的結構示意圖，本實施例的基本原理和連接關係同上述實施例相同，故相同的部件採用相同的標號表示，不同點在於，本實施例採用3xx系列，本實施例適用於電感耦合等離子體反應室（ICP），由於ICP的側壁312上方設置線圈（未示出）和絕緣頂板310，無法安裝氣體噴淋頭，故在側壁312上靠近頂板的一端均勻設置若干個氣體注入口321，氣體注入口321位於基片336的上方，基片336設置與基座335上方，氣體注入口321與進氣管道320相連，進氣管道320連接氣體供應系統350將反應步驟所需反應氣體注入反應腔上方空間301內。在刻蝕步驟開始時，刻蝕氣體流量控制器360的控制閥門361和沉積氣體流量控制器370的控制閥門372處於打開狀態，控制閥門362和控制閥門371處於閉合狀態，此時，刻蝕氣體通過進氣管道320進入反應腔上方空間301內，在反應腔內電磁場的作用下解離為等離子體或中性自由基等離子，對基片進行刻蝕，同時，側壁312下方或底板313上設置一排氣口323，一排氣管道322連接氣體供應系統350，沉積氣體進入反應腔下方空間302，使得刻蝕氣體無需填充滿整個反應腔即能達到刻蝕步驟所需要的壓力狀態，相當於變相的減小了反應腔的容積，節省了刻蝕氣體。底板313與抽氣泵340相連，用以排出反應腔內的氣體。由於反應腔下方空間302位於基片336的下方，其空間內的沉積氣體不會對刻蝕反應造成影響。
在沉積步驟開始時，控制閥門362和控制閥門371處於打開狀態，控制閥門361和控制閥門372處於閉合狀態，此時，沉積氣體通過進氣管道320進入反應腔上方空間301內，在刻蝕出的孔洞內側面和底部形成氟碳聚合物層，同時，刻蝕氣體通過排氣管道322進入反應腔下方空間302，使得沉積氣體無需填充滿整個反應腔即能達到沉積步驟所需要的壓力狀態，相當於變相的減小了反應腔的容積，節省了沉積氣體。由於反應腔下方空間302位於基片336的下方，其空間內的刻蝕氣體不會對沉積反應造成影響。
在本實施例中，限制環330包括若干個槽狀通道，所述槽狀通道的大小被設置成當所述帶電粒子通過所述通道時可以使帶電粒子被中和，以限制等離子體的通過。本實施例的其他技術特徵和上述實施例相同，此處不再一一贅述。
本發明的技術方案不受等離子體反應腔的結構和產生等離子體的技術影響，在需要對基片進行刻蝕步驟和沉積步驟交替進行刻蝕的技術中，都可以採用本發明所述的技術方案，儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。
100．．．反應腔
110．．．頂板
112．．．側壁
120．．．進氣管道
122．．．排氣管道
130．．．約束環
140．．．抽氣泵
150．．．氣體供應系統
160．．．氣體流量控制器
161．．．控制閥門
162．．．控制閥門
170．．．氣體流量控制器
171．．．控制閥門
172．．．控制閥門
200．．．反應腔
201．．．上方空間
202．．．下方空間
210．．．頂板
212．．．側壁
213．．．底板
220．．．進氣管道
221．．．進氣口
222．．．排氣管道
223．．．排氣口
225．．．氣體噴淋頭
230．．．約束環
235．．．基座
236．．．基片
240．．．抽氣泵
250．．．氣體供應系統
260．．．刻蝕氣體流量控制器
261．．．控制閥門
262．．．控制閥門
270．．．沉積氣體流量控制器
271．．．控制閥門
272．．．控制閥門
301．．．上方空間
302．．．下方空間
310．．．絕緣頂板
312．．．側壁
313．．．底板
320．．．進氣管道
321．．．氣體注入口
322．．．排氣管道
323．．．排氣口
330．．．限制環
335．．．基座
336．．．基片
340．．．抽氣泵
350．．．氣體供應系統
360．．．刻蝕氣體流量控制器
361．．．控制閥門
362．．．控制閥門
370．．．沉積氣體流量控制器
371．．．控制閥門
372．．．控制閥門
圖 1示出習知技術所述等離子體反應室與氣體供應系統間連接的結構示意圖； 圖2示出本發明所述等離子體反應室與氣體供應系統間連接的結構示意圖； 圖3示出本發明另一實施例所述等離子體反應室與氣體供應系統間連接的結構示意圖。
200．．．反應腔
201．．．上方空間
202．．．下方空間
210．．．頂板
212．．．側壁
213．．．底板
220．．．進氣管道
221．．．進氣口
222．．．排氣管道
223．．．排氣口
225．．．氣體噴淋頭
230．．．約束環
235．．．基座
236．．．基片
240．．．抽氣泵
250．．．氣體供應系統
260．．．刻蝕氣體流量控制器
261．．．控制閥門
262．．．控制閥門
270．．．沉積氣體流量控制器
271．．．控制閥門
272．．．控制閥門
Claims (10)
- 一種實現反應氣體快速切換的等離子體反應室，包括一反應 腔，所述反應腔內設置一限制環，所述限制環將所述反應腔間隔為反應腔上方空間和反應腔下方空間，其特徵在於：所述反應腔上方空間設置開口連接氣體供應系統，所述氣體供應系統包括至少兩個流量控制器，用於分別控制第一氣體和第二氣體交替進入所述反應腔上方空間內，所述反應腔下方空間設置一開口，連接所述氣體供應系統，所述流量控制器分別控制所述第一氣體和第二氣體交替進入所述反應腔下方空間內。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述第一氣體為刻蝕 氣體，所述第二氣體為沉積氣體，或者所述第一氣體為沉積氣體，所述第二氣體為刻蝕氣體。
- 如請求項2所述的等離子體反應室，其中所述刻蝕氣體包括 Ar、O2、SF6；所述沉積氣體包括Ar和C4F8。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述限制環包括若干 個槽狀通道，所述槽狀通道的大小被設置成當所述帶電粒子通過所述通道時可以使帶電粒子被中和，以限制等離子體的通過。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述限制環包括若干 個大致為圓孔狀的氣體通道，所述氣體通道的內徑小於等於10mm。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述氣體供應系統包 括刻蝕氣體流量控制器和沉積氣體流量控制器，所述刻蝕氣體流量控制器和沉積氣體流量控制器前端分別連接刻蝕氣體源和沉積氣體源，後端分別連接兩個控制閥門。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述反應腔包括一大 致呈圓筒狀的側壁和位於側壁上方的頂板，所述頂板下方設置一氣體噴淋頭，用以將通過所述反應腔上方開口處注入的反應氣體均勻分散到反應腔內。
- 如請求項1所述的等離子體反應室，其中所述反應腔包括一大 致呈圓筒狀的側壁和位於側壁上方的頂板，所述側壁靠近頂板的一端均勻設置若干個氣體注入口，用於將氣體供應系統中的反應氣體均勻注入所述反應腔內。
- 一種快速切換反應氣體的方法，其特徵在於：包括下列步驟： 刻蝕步驟，控制刻蝕氣體流量控制器後端的控制閥門，提供刻蝕氣體到反應腔上方空間，同時控制沉積氣體流量控制器後端的控制閥門，提供沉積氣體到反應腔下方空間； 沉積步驟：控制沉積氣體流量控制器後端的控制閥門，提供沉積氣體到反應腔上方空間；同時控制刻蝕氣體流量控制器後端的控制閥門，提供刻蝕氣體到反應腔下方空間； 上述刻蝕步驟和沉積步驟交替進行。
- 如請求項1所述的快速切換反應氣體的方法，其中在刻蝕步驟 和沉積步驟中，所述刻蝕氣體流量控制器和所述沉積氣體流量控制器處於常開狀態。
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