用于等离子处理的共用电流回路并联场装置和工艺的制作方法

专利名称:用于等离子处理的共用电流回路并联场装置和工艺的制作方法
本发明涉及用作处理半导体片子和制造集成电路所用的气体充电或等离子处理的设备和工艺。特别是，本发明涉及与电子电流回路，独立电场相连接的多部位(multi-part)阴极，获得在低离子能量情况下高的刻蚀率。
气体放电等离子体处理成为广泛地应用于处理集成电路，并具有某种特征，使其优于传统的刻蚀技术。刻蚀是一种技术，由此技术在所形成的抗蚀剂掩膜中，一些开口是转移到集成电路衬底的固定层里。特别是对于精密的应用，早先的化学湿刻蚀的技术已广泛地变得为气体充电等离子刻蚀所替代。这种被替代的原因在于化学湿刻蚀是一种非定向(无向性)过程，刻蚀不只是垂直地进入衬底，而且在集成电路衬底的固定层里在光敏抗蚀剂掩膜下面侧面地产生不希望有的切口效应。例如，假设在光敏抗蚀开口下的衬底被刻蚀到1微米的深度，该切口在转移剖面的每一个侧面附加了1微米，对1微米宽的开口的三倍的系数，该增大量是太大，并对于当前的微米和亚微米技术是不可接收的。
与之对照，在气体放电中使用离子等离子刻蚀是把抗蚀图形定向(各向异性)地转移进入衬底。结果，切口效应为零，而且无不希望有的刻蚀图形的增大量。因为有此优点，气体放电等离子体刻蚀工艺成为平常事，特别是在尺寸，断面考虑，和形状要求严格的地方。
在简单的等离子刻蚀工艺中，低压气体流可允许进入到真空容器室内，并经受到射频激发。射频激发是由装在真空容器室内的并使其与产生电场的射频电源相接通电极给出。电子与气体分子碰撞产生等离子体，它含有离子，大量的活性的中性的(原子团的)物质，和更多的经受放电的电子。当由该电极所产生的等离子体暴露时，半导体片子被垂直地撞击到其表面的离子所轰击。
在如此传统的反应器中的高的刻蚀速率总是以必要的高功率的激发为条件的，它可是射频功率，产生的典型离子能量为400电子伏(ev)。从微观看来，离子以几百电子伏的能量碰撞刻蚀表面，通过级联碰撞，其能量扩展到很大以至于对刻蚀表面使用失效。过剩的能量由产生热量而耗散，该热量损坏了保护层并对衬底产生了损伤。如果要求有更高的刻蚀率问题会更加恶化。因为增加电极的功率不仅增加刻蚀速率而且也增加了入射离子的能量。这样，常常是几百电子伏的离子能量之间大部分是缺乏均衡。而被处理的所要求的化学激活能量典型上是少于0.2ev。
在高功率和低压下，磁控管可用来把离子能量降低到100-200ev的范围。采用该原理的装置是披露在美国专利号为4，581，118，4，525，262，和4，422，896。并揭示出联场磁控管可进一步降低离子能量从3ev到70ev的范围。
因此，本发明的目的是为磁控管气体放电处理提供方法和装置，利用并联和独立电场。
本发明的进一步目的是为磁控管气体放电处理提供一种方法和装置，利用多部位阴极，围绕阴极产生并联独立的电场。
本发明的进一步的目的是为磁控管气体放电处理提供一种方法和装置，对于高的刻蚀率当降低离子能量时增加离子流密度以减小损坏和热的产生。
本发明的进一步目的是为磁控管气体放电处理提供一种方法和装置，当独立地控制离子能量时，它能增加离子通量的密度。
本发明的进一步目的是为磁控管气体放电处理提供一种方法和装置，当降低离子能量时，在低压下它能获得高的刻蚀速率。
由本发明所实现了的这些和进一步的目的，将从详细的描述中成为很清楚的事实。
本发明是为磁控管气体放电处理的一种方法和装置，其中至少形成一种电流回路。一多部位阴极是与为产生并联，独立电场的电流回路相连接的。阴极包括产生第一电场的第一部分(Portion)，形成包括离子的气体放电，和为产生一第二个，独立电场的第二阴极部分。由第二阴极产生的电场从气体放电中取出离子，并也可控制其能量，他们以该能量撞击要被处理的物件。第一和第二阴极连接到第一和第二电源。
图1是本发明的磁控管气体放电处理装置的前透视图，它包含有设置在真空室里的多部位阴极。
图2是显示在图1中多部位阴极的前透视图。
图3是显示在图1中多部位阴极的部件分解图。
图4实际上是沿图2中4-4线所切取的多部位阴极的横断面剖视图。
图5为多部位阴极提供电源的电路草图。
图6是多部位阴极的另一种方案实施例，图7是图6中另一种方案实施例的工作草图。
图1是本发明装有多部位阴极的气体放电或等离子体处理装置的前透视图。一个常规的气体密封容器室1显示在虑假线内。它包括一个连接到低压组分的气源的入口孔2。未示出的出口孔连接到真空泵以抽取来自室内的气体。一个或更多的诊断口或进出门3也包含在其中。一多部位阴极装配体5被设置在室里。虽然可以采用其他实施例，但在图示所说明的实施例中阴极装配体在机械上是刚性的，是支撑在室内的一对有间距的侧面框架6上，但是与之电绝缘，以使气体可围绕其移动。一半导体片子7或其他要被处理的物体被支撑或安置在阴极装配体的顶端。
参看图2-4，阴极装配体5分别分割成第一(下面)和第二(上面)阴极部分11，10，他们互相是电缘绝的。两个阴极部分一般是平面的和平行的，而且是由诸如铝这类导电材料做的。他们可以镀一层绝缘材料，例如氧化铝，Al2O3，每一个部分的相对端部分可以是园弧的，所以装好后，对电子流体运动他们给出空气动力的光滑表面，如图中箭头12所示。一支撑块13连接到每一阴极的侧面。典型地它是由聚四氟乙烯(Teflon)材料做成并提供机械支撑和电绝缘。
为了更多的片子和电极的冷却，每一阴极部分的内表面10A，11A可以包含一个在其上形成的园环状的或蛇形的冷却沟道14，15，它们实际覆盖住全部的阴极的内表面。为了连接到未示出的冷却系统，冷却沟道通过支撑块13连接到各自的入口和出口管子16、17。
第一和第二阴极部分被隔开，因此每一部分可形成一个与另一个相互独立的电场。当由介电体隔离后，被夹在阴极之间的材料，例如说，可以是介电体或导电体和介电材料的层状结合体，诸如若干片聚四氟乙烯材料20，铝21和聚四氟乙烯材料22。阴极部分和介电材料的这种装配体是以传统的方式固定在一起，它是利用电绝缘的固定器使其通过一对准孔24延伸的。在第一和第二阴极部分之间的间距必要时或希望时可以变化，以使两个阴极部分的电去耦合最为适宜。同样，阴极部分的形状和尺寸可像下面所描述的那样也是可以变化的，作为另一种选择，阴极部分可通过未被填充的空间所隔离而该空间是由在室内的气体所占有的。然而，阴极部分可通过相等的距离或少于等离子体的两个暗空间所隔开的。
第一个阴极部分连接到第一个电源27和第二个阴极部分可连接到第二个电源26。另一方面，可以使用单一的电源，如图5所示，所提供的每一阴极部分可以独立地工作或控制。在图5中，单一电源30连接则与之并联的可变电容器31，以及串联电感32和第2个可变电容器33，它端连接在电路点34。第一个或下部阴极部分11连接到电路点34，而第二个或上部阴极部分10通过串联电感37和可变电容器34连接到电路点34。当必要或有要求时，电源可提供射频电源，低频电源，直流电源或脉冲直流电源。为帮助在上部和下部阴极部分之间维持适当的电性关系，可以采用一平衡或其他形式的电路网络。
产生磁场的装置既可放在容器室的外，也可放置在其内以使成形和容纳等离子回路。例如，电磁或永磁的磁极S，N设置在两部分阴极的相反的两侧，并一般形成平行于阴极外部表面的磁场。以及同样，平行于由阴极支撑的片子7或其他要被处理的物体的表面。参看图2，北极和南极磁片在片子上面建立一磁场B，它是从北到南。当等离子体工作时，从加电源阴极所形成的偏置电压产生一电场E，它是垂直地向下延伸进入上部的阴极表面。电场和磁场的结合在总的方向V形成了电子漂移速度，V方向是平行于阴极表面的。因为电子可完全地围绕着阴极表面运动，形成了一大的电子电流回路或带12。该回路一般与阴极一样的宽度，而且在阴极的周围建立起高的离子密度和大的电子电流。磁场也限制了电子到阴极的迁移，结果阴极的负自偏压的量值是小的。
在工作时，本发明的下阴极部分是由高功率射频发生器加偏置的。作为电极电源它产生一电场，形成气体放电和电流回路，一般情况如图4中12A所示。电子注入该电流回路，建立起高的离子密度而围绕着整个阴极形成一个带。这样，离子占据了上部的或支撑阴极部分10的片子上面空间。
上部阴极部分10是与下部阴极部分电绝缘的，可以独立接电源，离子可以在予定的电压下从电流回路12A中被取出。上部阴极部分和电流回路12A之间的电压差可为低的，典型地是小于20伏。
从电子电流回路由上部阴极部分取出离子进到片子所使用的能量常用典型的是大大地低于电源的能量。例如，在一个射频功率是900瓦施加到下部阴极部分的例子中，即相当于功率密度为2.0瓦/平方厘米，所具有的偏置源为负130伏。以最小的功率施加到上部阴极部分以致它是以漂移电位被偏置，那就是说，相对于等离子体放电是在一个稍稍负的电压情况的。在所设想的情况下，漂移电位引出的离子能量近似为20ev而在两个阴极部分的离子电流都是相同的，在上部的或片子的阴极部分的功率密度计算出是为0.27瓦/每平方厘米。在这些条件下，进行了一聚合物材料的氧刻蚀。实验是用三层光抗蚀层得到的，三层中的第一层是正抗蚀层，以通常有的方式形成图形。中间层是一具有从Futurrex公司的聚合物IC-1 200的专有的硅(该公司是在40-50Clinton Sfreet Newton New Jersey 07860)。通过该聚合物用主要为(brief)SF6的等离子刻蚀，去除一抗蚀的图形。底层是一厚的平面化的有机聚合物PC-1 1500D，它也是从Fufurrex公司买来的，而且正是这种材料经受了高速率的磁控管刻蚀。在大约是相同的功率密度(0.27瓦/每厘米平方)，但用更低的离子能量(约为20ev，或约为1/30标准反应离子刻蚀能量)，在底部层材料的刻蚀率约为传统的反应离子刻蚀装置所用速率的18倍。即便它是没有固定到上部阴极的水冷却上，在处理时，片子也还是保持着凉的。除此外，刻蚀断面是各向异性，靠近中间层仅有非常的小掩模上的切口。
图6示出了本发明的另一种具体实施例。多部阴极包括第一和第二阴极部分，而每一部分可以是由并联的片段组成。
该实施例的磁体结构如图6所示。一个一般的矩形的外片段40确定了一中心设有开口体40A，及另一个一般矩形内片段41是作为辅助体中心设有开口布设在其中。两者中每一个上表面40B，41B一般是共一平面的。这两个第一阴极片段形成相反的磁极N，S，具有包括磁贯穿的装置42诸如支擦该片段的平板，以及空气间隙。表示磁通量线的箭头43示出了空气间隙。
第一阴极部分可包括有多于一个片段，例如在图6中有2个片段51。第二阴极部分也可以包括多于1个片段，每一个是与第一阴极部分分离开，因此，如希望的话，每一个可产生一独立于第一阴极部分电场的电场，这是互通的。在此实施例中，第二阴极部分包括单个的平板44，是与第一阴极部分分离开的，而布设在最接近的空气间隙43。每一部分的每一片段可以接通到分离开的电源45上。该电源是包括用在阴极部分一起作为供给功率的。换句话说，单一电源可被用于阴极部分或通过电路网络被连接起来，正如早先已描述的那样。
要被处理的片子或物件支撑或设置在上部或第二阴极部分44的一个或更多的上表面。
该实施例的操作是与第一个实施例相同的，如图7所示的那样。由第一阴极部分51所产生的电场形成了气体放电区和电流回路50。一般情况由第一阴极部分的片段确定了上部表面和平面。特别是，电流回路在空间形成一般是由在空气间隙43中的磁通量所确定的。离子从电流回路50中取出并被吸引到要被处理的物件是通过第二阴极部分44所产生的独立电场，或者如果希望的话，是它们中的每一个。
为了实现工艺上的均匀性，在图7中由箭头所示的机械运动可以施加到第二阴极部分和要被处理的物件46上。
属于本发明的许多修改和其他实施例可很容易地出现在该技术熟练的人员里，他们会受益于在早先描述的授教中或与之相连系的附图中。因此，很清楚，本发明不限制于被披露的特定实施例，在此领域的那种修改和实施例打算包括在附加的权项要求的范围之内。
权利要求
1.一磁控管气体放电装置包括用于在其中包含有气体组分的易于抽气的室；用于在易于抽气的室中产生磁场的装置；多部位阴极装置，用于在上述室中形成至少一个无穷的电子电流回路，上述多部位阴极装置是设置于室内，并包括第一极极部分装置，是用于形成包括离子的等离子气体放电，并产生第一电场，它与磁场相互作用以产生无穷的电子电流回路，第一阴极部分装置是与第一电源接通的，和第二阴极部分装置，与同样的电子电流回路相联，用于产生第二独立电场，与气体放电相互作用并从气体放电取出离子而与被进行处理的物件相碰撞，第二阴极部分装置与第二电源相接通。
2.根据权利要求
1的装置，其中多部位阴极装置包括用于产生至少一个电场的装置，该电场一般垂直于所产生的磁场。
3.根据权利要求
1的装置，其中用于产生磁场的装置包括用于在多部位阴极周围形成回路的产生磁场的装置。
4.根据权利要求
1的装置，其中第一和第二阴极部分装置包括通常是平面的，导电的平板，该平板是平行被固定，相互有间隔。
5.根据权利要求
1的装置，其中用于产生磁场的装置包括形成磁场的磁极，通常是与要进行处理的物件的表面相平行。
6.根据权利要求
1的装置，其中用于产生磁场的装置包括至少一对相反极性的磁极，在第二阴极的相对着的侧面互相间隔开，用于形成跨过要进行处理物件的磁场。
7.根据权利要求
1的装置，其中第一和第二阴极部分装置通常是平面的。
8.根据权利要求
1的装置，其中第一和第二阴极部分装置通常是平行的。
9.根据权利要求
1的装置，其中第一和第二阴极部分装置是由电介质分开的。
10.在一包括组分气体和多部位阴极的易于抽气的室中用磁控管气体放电处理一物件的方法，该方法包括在易于抽气的室中产生磁场;在室内形成包括离子的等离子气体放电和产生第一电场，通过对多部位阴极的第一部分施加能量使其与磁场相互作用以产生一无穷的电子电流回路;和从形成的等离子气体放电中取出离子，向要进行处理的物件方向，用与同样的无穷电流回路相联的多部位阴极的第二部分施加能量以产生与等离子气体放电相互作用的第二独立电场。
专利摘要
一个为磁控管气体放电的共用电流回路的，并联电场的装置和工艺。该装置包括一个含有气体组分的易于抽气的室。一个与电流回路相联的多部位阴极产生并联的独立的电场。阴极包括一用于产生第一电场的第一阴极部分，该第一电场形成包括离子的气体放电。第二阴极部分产生第二的独立的电场。第二独立电场从气体放电中取出离子，也可控制取出离子的能量，使其与要处理的物件碰撞。每个阴极部分是相互电绝缘并可接通到分离的电源上。
文档编号H01L21/3065GK87106755SQ87106755
公开日1988年6月15日 申请日期1987年10月6日
发明者史蒂芬·迈克尔·罗比奥, 于赫·希·霍 申请人:北卡罗来纳州微电子中心导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan