CN101789354A - 带扩散解离区域的等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带扩散解离区域的等离子体处理装置，用于生成引入气体的电感耦合等离子体与基片反应，其特征在于，包含真空的处理腔室；设置在处理腔室的顶板上方且与处理腔室贯通连接的进气通道；进气通道上设置有第一线圈；进气通道的内部包含一第一扩散解离区域，其中生成有引入气体的电感耦合等离子体；处理腔室的顶板上设置有第二线圈。由于设置第一、第二线圈，使等离子体气体分子先后在第一、第二扩散解离区域经过两次电子轰击，被充分解离；更将垂直贯通的进气通道加宽加长，并在底部设为倒漏斗或喇叭状，且与基片对应设置，使经过轰击解离的等离子体，能被快速引到基片表面，增加基片表面的等离子体密度均匀性，以缩短处理反应的时间。

Description

带扩散解离区域的等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体处理装置，特别涉及一种带扩散解离区域的等离子体处理装置。

背景技术

目前在对半导体器件等的制造过程中，通常使用的电感耦合等离子体(ICP)处理装置，用来生成引入气体的电感耦合等离子体与半导体器件表面进行反应，实现对半导体器件的蚀刻等加工工艺。

请参见图1所示，现有的电感耦合等离子体处理装置，从真空处理腔室100上部设置的进气通道200引入反应气体。在真空处理腔室100的顶板110外侧设置的线圈300通入交变电流后产生一个交变的感应磁场，使在处理腔室100的顶板110下方生成高密度的电感耦合等离子体的扩散解离区域400；该电感耦合等离子体中包含反应气体的分子、原子、自由基、电子、离子等物质。交变的感应磁场还经由感应耦合产生随时间变化的电场，用来加速等离子体中的电子形成次级电场和次级磁场，使高速运动的电子对引入的反应气体分子进行轰击打碎，将气体分子解离成中性的自由基。

虽然等离子体中的气体分子等物质也能与半导体器件500表面反应，但是等离子体中的自由基活性更好，通过自由基与放置在真空处理腔室100底板120上的半导体器件500的反应速度更快。因而自由基在等离子体中的密度，与等离子体对半导体器件500的蚀刻反应速度之间有很大的关系。

然而在该电感耦合等离子体处理装置中，引入气体从狭窄、短小的进气通道200进入，穿过顶板110下方的电感耦合等离子体扩散解离区域400后即与半导体器件500发生反应，使引入气体与高速电子的接触面积小、时间短，导致高速电子不能充分地对引入气体进行轰击电离，影响解离形成的自由基在处理腔室100中的密度，从而影响对半导体器件500的蚀刻速度。

因此，现在还有的一种电感耦合等离子体处理装置，如图2所示，除了在顶板110设置第二线圈320，在顶板110下方生成第一等离子体扩散解离区域410，还在进气通道200外连接一个辅助腔600，通过在辅助腔600外侧缠绕上第一线圈310，也通入交变电流，生成第一等离子体扩散解离区域410，并加速产生的电感耦合等离子体中的电子对气体分子轰击，解离形成自由基。

虽然在该等离子体处理装置中，反应气体依次由第一线圈310、第二线圈320的交变磁场产生的等离子体中的高速电子轰击，增加了自由基的密度，但是由于进气通道200的入口很狭窄，反应气体和辅助腔600中产生的电感耦合等离子体，无法快速进入进气通道200，会沉淀在辅助腔600的底部。而且在经过进气通道200引入处理腔室的过程中，有很多高速电子、自由基等逃离等离子体随感应电场方向回旋，与狭窄的进气通道200碰撞并附着在上面，从而消耗了大量的能量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带扩散解离区域的等离子体处理装置，能够对引入的反应气体分子进行充分的电子轰击，解离形成自由基，同时使经过轰击的等离子体不加阻挡地直接通入处理腔室中，加快与半导体器件的反应速度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种带扩散解离区域的等离子体处理装置，用于生成引入气体的电感耦合等离子体与基片反应，其特征在于，包含：

真空的处理腔室；

设置在处理腔室的顶板上方且与处理腔室贯通连接的进气通道；

上述进气通道上设置有第一线圈；

上述进气通道的内部包含一第一扩散解离区域，其中生成有上述引入气体的电感耦合等离子体；

上述处理腔室的顶板上设置有第二线圈。

上述反应气体通过进气通道引入上述处理腔室；上述被处理的基片放置在上述处理腔室的底板上。

在上述第一线圈内通入交变电流以形成交变的第一感应磁场，从而在上述进气通道内部生成引入气体的电感耦合等离子体的第一扩散解离区域。

上述第一感应磁场还对等离子体中的电子加速；

上述被加速的电子对等离子体中的气体分子进行一次轰击，使上述气体分子解离生成自由基；

上述经过一次轰击的电感耦合等离子体，沿上述进气通道引入上述处理腔室中。

上述第二线圈内通入交变电流以形成交变的第二感应磁场，在上述处理腔室的顶板下方，生成从进气通道引入的经过一次轰击的电感耦合等离子体的第二扩散解离区域。

上述第二感应磁场还对经过一次轰击的电感耦合等离子体中的电子加速；

上述被加速的电子对该等离子体中的气体分子进行二次轰击，使上述气体分子解离生成自由基；

上述经过二次轰击的电感耦合等离子体与上述基片反应。

上述进气通道是筒状的，其与上述处理腔室底板上的基片的放置位置相对应，垂直设置在处理腔室的顶板上。

上述进气通道是上窄下宽的倒漏斗状，其通过圆锥体的侧壁底部与处理腔室的顶板连接。

上述进气通道是上窄下宽的喇叭状，其通过圆弧形的侧壁底部与处理腔室的顶板连接。

本发明提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置，与现有技术相比，其优点在于：本发明由于在进气通道外侧设置第一线圈，在顶板上设置第二线圈，使产生的等离子体中的气体分子先后在第一扩散解离区域和第二扩散解离区域经过两次高速电子的轰击，被充分解离成自由基，极大地增加了自由基在等离子体中的密度，因而通过自由基与基片反应，加快了对基片蚀刻的处理速度；

本发明由于将进气通道加宽加长，因而有足够的空间用来形成等离子体的第一扩散解离区域，并在其中进行气体分子的轰击解离；另外进气通道底部不收紧，使经过第一扩散解离区域中电子轰击解离的等离子体，能够快速顺利地通过进气通道进入处理腔室进行二次轰击，从而充分解离；

本发明由于涉及的进气通道是垂直贯通、与基片对应设置的，而且将引出蚀刻气体的出口设置为更宽大的倒漏斗状或喇叭状，使在进气通道中形成的自由基密度高的等离子体，不会被侧壁阻挡而附着在处理腔室和进气通道上，因此能被快速引入到待处理的基片的表面，增加基片表面的等离子体密度均匀性，以缩短处理反应的时间。

附图说明

图1是现有的电感耦合等离子体处理装置的总体结构示意图；

图2是现有另一种电感耦合等离子体处理装置的总体结构示意图；

图3是本发明提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置在实施例1中的总体结构示意图；

图4是本发明提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置在实施例2中的总体结构示意图；

图5是本发明提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置在实施例3中的总体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和若干实施例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本实施例中提供的一种带扩散解离区域的等离子体处理装置，用来生成引入气体的电感耦合等离子体(ICP)与基片表面进行反应，实现对基片的蚀刻加工。

请参见图3所示，该等离子体处理装置包含处理腔室10、与处理腔室10顶板111贯通连接的进气通道201。

处理腔室10内是真空的。在处理腔室10的底板12上放置有待蚀刻的基片50。

进气通道201是圆筒状的，其与基片50的放置位置相对应，垂直设置在处理腔室10的顶板111上。经由进气通道201在处理腔室10内引入了用于对基片50蚀刻的反应气体，该反应气体是包含氧气O₂或氮气N₂的蚀刻气体。

进气通道201上缠绕有第一线圈31，在处理腔室10的顶板111外侧、围绕进气通道201设置有第二线圈32。

在第一线圈31上施加交变电流，产生交变的第一感应磁场，并在进气通道201内形成引入气体的高密度电感耦合等离子体的第一扩散解离区域41。高密度电感耦合等离子体中包含的气体分子、自由基等物质均能用来与基片50反应，其中自由基的活性更好，对基片50的蚀刻处理速度更快。

因此，为了提高自由基在等离子体中的密度，利用交变的第一感应磁场经感应耦合产生随时间变化的电场，来加速等离子体中的电子形成次级电场和次级磁场，使高速运动的电子对等离子体中的气体分子进行一次轰击，将气体分子解离成中性的自由基。该经过一次轰击的等离子体沿进气通道201被引入处理腔室10。

在处理腔室10顶板111上的第二线圈32也通入交变电流，产生交变的第二感应磁场，在处理腔室10的顶板111下方形成经一次轰击的等离子体的第二扩散解离区域42。与上述一次轰击过程相类似，交变的第二感应磁场产生感应电场，加速该经一次轰击的等离子体中的电子来对该等离子体中的气体分子进行二次轰击，进一步将气体分子解离成自由基。最终使用该经过二次轰击的等离子体与基片50进行反应。

本发明通过在进气通道201设置第一线圈31，在顶板111上设置第二线圈32，使产生的等离子体中的气体分子先后在第一扩散解离区域41和第二扩散解离区域42经过两次电子轰击，被充分解离成自由基，极大地增加了自由基在等离子体中的密度，因而通过自由基与基片50反应，加快了对基片50蚀刻的处理速度。

请配合参见图1和图3所示，本发明中涉及的进气通道201，相比背景技术中现有的等离子体处理装置的进气通道200(如图1中所示)更宽更长，因而有足够的空间用来形成等离子体的第一扩散解离区域41，并在其中进行气体分子的轰击解离。

请配合参见图2和图3所示，本发明涉及的进气通道201底部不收紧，使经过第一扩散解离区域41中电子轰击解离的等离子体，能够快速顺利地通过进气通道201进入处理腔室10进行二次轰击，从而充分解离。不会如图2所示背景技术中带辅助腔600的等离子体处理装置中所述，被狭窄的进气通道200阻挡而沉淀在辅助腔600中，或是附着在进气通道200中消耗能量。

而且由于本发明涉及的进气通道201是垂直贯通、与基片50对应设置的，其引出蚀刻气体的出口也更宽大，等离子体中的自由基等随着感应电场的方向回旋，并直接被引到待蚀刻的基片50的表面进行反应，不会被阻挡而附着在处理腔室10和进气通道201上，因此能快速增加基片50表面的等离子体密度，以缩短蚀刻反应的时间。

实施例2

请参见图4所示，本实施例与实施例1中提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置相比，总体结构相类似，在真空处理腔室10的顶板112贯通设置与基片位置对应的进气通道202，在进气通道202和处理腔室10的顶板112外侧分别设置第一线圈31、第二线圈32，分别通入交变电流来生成电感耦合等离子体的第一、第二扩散解离区域，并产生感应磁场对等离子体中的电子加速，对等离子体中的气体分子进行两次轰击，从而充分解离得到自由基密度高的等离子体。

唯一不同点在于，本实施例中所述进气通道202的形状是上窄下宽的倒漏斗状，通过圆锥体侧壁的底部与处理腔室10的顶板112贯通连接。因而本实施例中涉及的进气通道202相比背景技术中有足够的空间，使在进气通道202内部包含的第一扩散解离区域41中能够进行一次轰击，以形成自由基密度高的等离子体。

而且由于该进气通道202的出口也更宽大，经过一次轰击的等离子体不会被侧壁阻挡而附着在进气通道和处理腔室上，因此能被快速顺利地引到待蚀刻的基片的表面，增加基片表面的等离子体密度，以缩短蚀刻反应的时间，同时也提高了基片表面的等离子体的均匀性。

实施例3

请参见图5所示，本实施例与实施例1、2中提供的带扩散解离区域的等离子体处理装置相比，总体结构相类似，在真空处理腔室10的顶板113贯通设置与基片位置对应的进气通道203，在进气通道203和处理腔室10的顶板113外侧分别设置第一线圈31、第二线圈32，分别通入交变电流来生成电感耦合等离子体的第一、第二扩散解离区域，并产生感应磁场对等离子体中的电子加速，对等离子体中的气体分子进行两次轰击，从而充分解离得到自由基密度高的等离子体。

唯一不同点在于，本实施例中所述进气通道203是上窄下宽的喇叭状，通过圆弧形侧壁的底部与处理腔室10的顶板113贯通连接。因而本实施例中涉及的进气通道203相比背景技术中有足够的空间，使在进气通道203内部包含的第一扩散解离区域41中能够进行一次轰击，以形成自由基密度高的等离子体。

而且由于该进气通道203的出口也更宽大，经过一次轰击的等离子体不会被侧壁阻挡而附着在进气通道和处理腔室上，因此能被快速顺利地引到待蚀刻的基片的表面，增加基片表面的等离子体密度，以缩短蚀刻反应的时间，同时也提高了基片表面的等离子体的均匀性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种带扩散解离区域的等离子体处理装置，用于生成引入气体的电感耦合等离子体与基片(50)反应，其特征在于，包含：

真空的处理腔室(10)；

设置在处理腔室(10)的顶板(111，112，113)上方且与处理腔室(10)贯通连接的进气通道(201，202，203)；

所述进气通道(201，202，203)上设置有第一线圈(31)；

所述进气通道(201，202，203)的内部包含一第一扩散解离区域(41)，其中生成有所述引入气体的电感耦合等离子体；

所述处理腔室(10)的顶板(111，112，113)上设置有第二线圈(32)。

2.如权利要求1所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述反应气体通过进气通道(201，202，203)引入所述处理腔室(10)；所述被处理的基片(50)放置在所述处理腔室(10)的底板(12)上。

3.如权利要求2所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，在所述第一线圈(31)内通入交变电流以形成交变的第一感应磁场，从而在所述进气通道(201，202，203)内部生成引入气体的电感耦合等离子体的第一扩散解离区域(41)。

4.如权利要求3所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一感应磁场还对等离子体中的电子加速；

所述被加速的电子对等离子体中的气体分子进行一次轰击，使所述气体分子解离生成自由基；

所述经过一次轰击的电感耦合等离子体，沿所述进气通道(201，202，203)引入所述处理腔室(10)中。

5.如权利要求4所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二线圈(32)内通入交变电流以形成交变的第二感应磁场，在所述处理腔室(10)的顶板(111，112，113)下方，生成从进气通道(201，202，203)引入的经过一次轰击的电感耦合等离子体的第二扩散解离区域(42)。

6.如权利要求5所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二感应磁场还对经过一次轰击的电感耦合等离子体中的电子加速；

所述被加速的电子对该等离子体中的气体分子进行二次轰击，使所述气体分子解离生成自由基；

所述经过二次轰击的电感耦合等离子体与所述基片(50)反应。

7.如权利要求2所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述进气通道(201)是筒状的，其与所述处理腔室(10)底板(12)上的基片(50)的放置位置相对应，垂直设置在处理腔室(10)的顶板(111)上。

8.如权利要求7所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述进气通道(202)是上窄下宽的倒漏斗状，其通过圆锥体的侧壁底部与处理腔室(10)的顶板(112)连接。

9.如权利要求7所述的带扩散解离区域的等离子体处理装置，其特征在于，所述进气通道(203)是上窄下宽的喇叭状，其通过圆弧形的侧壁底部与处理腔室(10)的顶板(113)连接。

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