CN102280342B - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种等离子体处理装置，包括：真空处理腔室；第一电极，位于所述真空处理腔室内，第一电极上方安装有放置待处理晶圆的平台，所述第一电极与两个射频电源电连接，其中第一射频源大于第二射频源频率的1.5倍；非电介质材料层，位于第一电极与放置待处理晶圆的平台之间，所述非电介质材料层的电阻率大于所述第一电极的电阻率。本发明实施例提高了真空处理腔室内的等离子体分布的均匀度，改善了等离子处理装置处理后的晶圆的均匀度。

Description

等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及等离子体处理装置。

背景技术

目前在对半导体器件等的制造过程中，通常使用电容耦合式的等离子体处理装置产生气体的等离子体与晶圆表面进行反应，实现对晶圆进行相应工艺。所述工艺可以为等离子体刻蚀工艺或等离子体增强型化学气相沉积工艺。

请结合图1所示的现有的等离子体处理装置的结构示意图。所述等离子体处理装置为电容耦合式，具体地，等离子体处理装置包括：真空处理腔室10，用于通入反应气体，所述真空处理腔室10内平行地设置第一电极11和第二电极12，第一电极11和第二电极12之间用于放置待处理晶圆，所述第一电极11具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面靠近所述待处理晶圆，所述第一电极11和第二电极12之间产生等离子体，所述第二表面与射频电源电连接，所述第二电极12接地。

以所述等离子体处理装置应用于刻蚀工艺为例，所述射频信号在第一电极11和第二电极12之间形成射频电场，第一电极11和第二电极12之间被所述射频电场加速的电子、从第一电极11和/或第二电极12释放的二次电子等与反应气体的分子发生电离碰撞，产生反应气体的等离子体，利用所述等离子体的自由基、离子对所述待处理晶圆表面进行刻蚀。

在申请号为US20100224323的美国专利申请中可以发现更多关于现有等离子体处理装置的信息。

在实际中发现，采用现有的等离子体处理装置处理后晶圆的均匀度不能满足工艺要求。

发明内容

本发明实施例解决的问题是提供了一种等离子体处理装置，解决了现有的等离子处理装置处理后晶圆不均匀的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种等离子体处理装置，包括：

真空处理腔室；

第一电极，位于所述真空处理腔室内，第一电极上方安装有放置待处理晶圆的平台，所述第一电极与两个射频电源电连接，其中第一射频源大于第二射频源频率的1.5倍；

非电介质材料层，位于第一电极与放置待处理晶圆的平台之间，所述非电介质材料层的电阻率大于所述第一电极的电阻率。

可选地，所述非电介质材料层的材质为半导体材质或金属，所述半导体材质材料层为硅、锗、锗硅、碳化硅中的一种或其中的组合，所述第一电极的材质为盒属。

可选地，所述非电介质材料层位于所述第一电极的表面上，或，

所述第一电极内形成有凹槽，所述非电介质材料层至少有部分镶嵌于所述凹槽内。

可选地，所述非电介质材料层的电阻率范围为50欧姆/厘米到106欧姆/厘米。

可选地，所述放置待处理晶圆的平台包括：

静电吸盘，与所述第一电极的形成有所述非电介质材料层的一侧的表面相对设置，所述静电吸盘用于放置待处理晶圆，所述静电吸盘的远离所述等离子体一侧的形状和大小与所述非电介质材料层的大小和形状对应。

可选地，所述真空处理腔室的材质为金属，所述真空处理腔室接地。

可选地，所述第一电极为圆柱形，所述半导体材料层的电阻沿所述圆形的半径向外的方向减小。

可选地，所述第一射频电源的频率大于40MHz，第二射频源频率小于27MHz。

可选地，所述非电介质料层为圆柱形、圆台形、圆锥形、台阶形。

可选地，还包括：第二电极，位于真空处理腔内的与第一电极相对设置的位置。

可选地，所述等离子处理装置为等离子体刻蚀设备或等离子增强型化学气相沉积设备。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例在真空处理腔室的第一电极与放置待处理晶圆的平台之间设置非电介质材料层，所述非电介质材料层的电阻率大于所述第一电极的电阻率；所述非电介质材料层能够在第一电极与第一射频电源(该第一射频电源的频率大于第二射频电源频率的1.5倍)电连接时，所述非电介质材料层能够消除由于该第一射频电源的高频信号引起的驻波效应，将所述真空处理腔室的与非电介质材料层对应的位置的部分高频信号的能量衰减，从而使得真空处理腔室内的能量分布更加均匀，因此，保证了第一电极与第一射频电源电连接时真空处理腔室内的等离子体的密度更加均匀，也就保证了第一电极与第一射频电源电连接时对所述待处理晶圆的刻蚀速率更加均匀；与第一电极和放置待处理晶圆的平台之间设置绝缘层会使得低频信号过分衰减相比，本发明实施例在第一电极与放置待处理晶圆的平台之间设置的非电介质材料层不会使得真空处理腔室的对应于非电介质材料层的位置的低频信号的能量有较大衰减，从而所述真空处理腔室内的等离子体的密度分布更加均匀，因此，也保证了第一电极与第二射频电源电连接时的刻蚀速率更加均匀。

附图说明

图1是现有技术的等离子处理装置的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的等离子处理装置的结构示意图；

图3是本发明第二实施例的等离子处理装置的结构示意图；

图4是本发明第三实施例的等离子处理装置的结构示意图；

图5是本发明第四实施例的等离子处理装置的结构示意图；

图6是本发明第五实施例的等离子处理装置的结构示意图。

具体实施方式

现有的等离子体处理装置处理后晶圆的均匀度不能满足工艺要求。经过发明人研究发现，由于工艺过程中晶圆表面的等离子体的分布不均匀造成处理后的晶圆的均匀度不好，而造成晶圆表面的等离子体分布不均匀的原因是：施加射频信号的第一电极或第二电极的靠近待处理晶圆的表面的能量(真空处理腔室内的能量)分布不均匀。

请结合图1，以等离子体处理装置应用于等离子体刻蚀工艺为例，以第一电极11的第二表面上施加射频信号，所述射频信号自第二表面沿第一电极11的外部向第一表面传输，当该射频信号为高频信号时，会产生在真空处理腔室10内产生驻波效应；当该射频信号为低频信号时，基本上不会在真空处理腔室10内产生驻波效应。

具体地，高频信号自第二表面沿第一电极11的外部向第一表面传输，当所述高频信号传输至第一表面时，该高频信号自所述第一表面的外部向第一表面的中部传输，因此，在所述第一表面的中部，有多个来自外部的高频信号叠加，这使得第一表面的中部的射频信号强于外部的射频信号。射频信号的越强，其能量也越高，对应位置的反应气体的离子化程度也越高。由于第一表面中部的射频信号强于外部的射频信号，因此第一表面的中部提供的离子化能量高于外部提供的离子化能量，这使得第一表面的中部的反应气体的离子化程度高于外部的反应气体的离子化程度，从而第一表面中部的离子密度大于第一表面外部的离子密度，这会造成对待处理晶圆中部的刻蚀速率大于对待处理晶圆外部的刻蚀速率。

针对上述高频下的问题，发明人考虑，如果在第一电极11的第一表面的对应位置设置绝缘层，该绝缘层由于电阻较大，从而可以高频信号在绝缘层上产生较大的电压降，从而该绝缘层可以消耗部分中部的射频信号的能量，可以弥补驻波效应引起的第一表面的中部的射频信号的能量大于外部的射频信号的能量的问题，使得第一表面的中部和外部的射频信号的能量趋于一致，从而改善高频信号下对待处理晶圆的刻蚀均匀度。

但是低频信号下第一表面的中部基本没有驻波问题，即第一表面的中部与外部的射频信号基本一致，若在第一表面的中部设置绝缘层，则该绝缘层会将第一表面中部的能量过分消耗，从而使得第一表面的中部能量明显低于外部能量，从而引起低频信号下的对待刻蚀晶圆的刻蚀不均匀的问题。

为了解决上述问题，发明人提出一种等离子体处理装置，请结合图2所示的本发明第一实施例的等离子处理装置的结构示意图。所述等离子体处理装置包括：

真空处理腔室100，所述真空处理腔室100用于提供真空反应环境，且所述真空处理腔室100用于通入反应气体，所述反应气体根据等离子体要进行的工艺的不同进行具体设置，即当要进行等离子体刻蚀工艺时，所述反应气体可以为刻蚀性气体，例如是氧气、含氮气体、含氢气体或含碳气体中的一种或其混合；

第一电极101，位于所述真空处理腔室100内，所述第一电极101与第一射频电源(图中未示出)电连接，第一电极101上方安装有放置待处理晶圆的平台105，所述第一电极101与两个射频电源电连接，所述两个射频电源包括第一射频电源和第二射频电源，所述第一射频源大于第二射频源频率的1.5倍；

非电介质材料层103，位于第一电极101和放置待处理晶圆的平台105之间，所述非电介质材料层103的电阻率大于所述第一电极101的电阻率，所述非电介质材料层103用于消除所述第一射频电源的信号为高频信号时在所述真空处理腔室100内形成的驻波效应，且所述非电介质材料层103在所述第一电极101电连接第二射频电源的信号为低频信号时，所述非电介质材料层不会引起低频信号的衰减。

作为一个实施例，等离子体处理装置还包括：第二电极102，所述第二电极102与第一电极101相对设置，所述第二电极102接地或接第三射频电源；所述第二电极102与第一电极101构成平行电容。所述第一电极101和第二电极102的材质为金属。通常，所述第一电极101和第二电极102之间会形成等离子体。

作为其他的实施例，在真空处理腔室100的材质为金属的情况下，也可以将真空处理腔室100接地，利用真空处理腔室100作为第二电极，与第一电极101构成平行电容。

作为一个实施例，所述放置待处理晶圆的平台105包括：静电吸盘，与第一电极105的形成有非电介质材料层103一侧的表面相对设置，所述静电吸盘用于放置待处理晶圆，所述静电吸盘的远离所述等离子体一侧的形状和大小与所述非电介质材料层103的大小和形状对应。

所述非电介质材料层103与所述第一电极101的位置对应是指，所述非电介质材料层103应位于所述第一电极101的产生驻波效应的位置，以利用所述非电介质材料层103更有效地消除高频信号下的驻波效应，并且不会对低频信号的能量有过多衰减作用。由于本实施例中，所述第一电极101为结构对称的圆柱形，驻波效应会发生在第一电极101朝向待处理晶圆104一侧的中部，因此，所述非电介质材料层103应位于所述第一电极101的靠近待处理晶圆104一侧的表面的中部。

具体地，作为本发明的一个实施例，所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104的一侧的表面的中部形成有凹槽，所述非电介质材料层103完全镶嵌于所述凹槽内，且所述非电介质材料层103的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面与所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面齐平。在其他的实施例中，所述非电介质材料层103靠近所述待处理晶圆104一侧的表面还可以部分地超过所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面，从而在第一电极101上形成突出的部分；或者所述非电介质材料层103可以完全镶嵌于所述凹槽内，且所述非电介质材料层103的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面低于所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面。

本发明所述的静电吸盘的形状和位置应与所述非电介质材料层103的形状和位置对应。由于所述静电吸盘用于放置待处理晶圆104，因此所述静电吸盘的靠近所述待处理晶圆104的表面应为平整的表面，以维持在对所述待处理晶圆104进行相应处理的工艺过程中，所述待处理晶圆104与所述静电吸盘之间保持相对稳定的位置关系。当所述非电介质材料层103的靠近所述待处理晶圆104的表面高于所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104的表面时，所述静电吸盘的靠近所述非电介质材料层104一侧(图中为所述静电吸盘的下方)应设置与所述非电介质材料层的形状对应的凹槽，以容纳部分超过所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面的部分非电介质材料层103；当所述非电介质材料层103的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面与所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104和等离子体的表面齐平时，所述静电吸盘的靠近所述非电介质材料层103的一侧的表面应与所述第一电极101和非电介质材料层103齐平；当所述非电介质材料层103的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面低于所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面时，所述静电吸盘的靠近所述非电介质材料层103的一侧可以设置对应的凸块，以便将非电介质材料层103和所述第一电极101之间的间隙填满，从而有利于保持静电吸盘的稳定性。

所述静电吸盘的材质可以为陶瓷，也可以为其他公知的材料。所述静电吸盘应与直流电源电连接，目的是在待处理晶圆104上产生静电力，防止待处理晶圆104无法固定；所述静电吸盘内应设置有冷却孔，所述冷却孔内可以通入冷却气体(例如是氮气或惰性气体等)，所述冷却气体用于在工艺过程中冷却所述待处理晶圆104。

所述第一电极101、第二电极102、静电吸盘的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面的形状和大小与待处理晶圆104的形状和大小一致。本实施例中，所述待处理晶圆104的形状为圆形，因此所述第一电极101、第二电极102、静电吸盘的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面的形状也为圆形，所述第一电极101、第二电极102和静电吸盘的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面的大小可以根据待处理晶圆104的大小进行具体设置，其中待处理晶圆104的外侧可以略大于静电吸盘的形状(两者直径可以相差0.5～3毫米)，以保证待处理晶圆104完全覆盖所述静电吸盘，防止所述静电吸盘被等离子体损伤。

所述第一电极101与第一射频电源或第二射频电源电连接，所述第一射频电源和第二射频电源可以为高频信号，也可以为低频信号。其中，本发明所述的高频信号是指该信号频率大于40MHz，本发明所述的低频信号是该信号频率小于27MHz。

作为可选择的实施例，所述第一射频电源的频率高于第二射频电源的频率，比如，所述第一射频电源的频率大于第二射频电源的频率的1.5倍。本实施例中，所述第一射频电源的频率大于40MHz比如60MHz或者100MHZ，第二射频源频率小于等于27MHz比如13.5Mhz或者2Mhz。在实际中，第一电极101接高频或低频信号以及第一电极101所接信号的频率的具体数值，取决于刻蚀工艺的要求，本领域技术人员可以根据需要进行灵活的选择。

所述第二电极102可以接地，也可以与第三射频电源电连接，所述第三射频电源可以为高频信号，也可以为低频信号。

当所述第一电极101上施加高频信号时，所述非电介质材料层103能够消除高频信号引起的驻波效应，将与非电介质材料层103对应的位置的部分高频信号的能量消除，使得所述真空处理腔室100内的能量分布更加均匀，从而真空处理腔室100内的等离子的密度更加均匀，也就保住了在高频信号下对待处理晶圆104处理后的均匀度；与采用在第一电极上设置绝缘层会使得低频信号衰减，从而引起绝缘层对应位置的低频能量偏低相比，本发明实施例在第一电极101上设置的非电介质材料层103不会使得对应于非电介质材料层103的位置的低频能量衰减，使得所述真空处理腔室100内的能量分布更加均匀，从而真空处理腔室100内的等离子的密度更加均匀，也就保住了在高频信号下对待处理晶圆100处理后的均匀度。

为了实现对高频信号的衰减，而对低频信号不会过分衰减，所述非电介质材料层103的材质应为绝缘层以外的其他材质，并且所述非电介质材料层103的电阻率应大于所述第一电极101的电阻率。作为一个实施例，所述非电介质材料层103的电阻率范围为50欧姆/厘米到106欧姆/厘米。在保证所述非电介质材料层103的电阻率大于第一电极101的电阻率的前提下，所述非电介质材料层103的材质可以为半导体材料，例如所述非电介质材料层103可以为掺杂或未掺杂单晶硅、掺杂或未掺杂多晶硅、掺杂或未掺杂单晶锗、掺杂或未掺杂的多晶锗、碳化硅中的一种或其中的组合。本实施例中，所述非电介质材料层103的材质为掺杂多晶硅，其中的掺杂离子可以为N型掺杂离子或P型掺杂离子，通过对控制所述非电介质材料层103中的掺杂离子的掺杂浓度，可以自由调节和设置非电介质材料层103的电阻率，从而根据第一电极101连接的射频信号的频率范围对非电介质材料层103的材质进行优化设置。当然，所述非电介质材料层103也可以采用金属材质，只要所述非电介质材料层103的电阻率能够大于非电介质材料层103的电阻率。

作为一个实施例，所述非电介质材料层103的形状为圆柱形。通过对非电介质材料层103的形状、尺寸、体积、掺杂浓度等多项参数进行优化设置，使得所述非电介质材料层103具有合适的电阻，该电阻使得能够在高频信号时将所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面中部的部分能量消耗，在低频时不会将所述第一电极101的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面中部的能量消耗。通常，所述射频电源的频率越高，所述非电介质材料层103需要的电阻越大。本领域技术人员可以进行具体地选择和设置，在此不做详细的说明。

下面请参考图3所示的本发明第二实施例的等离子处理装置的结构示意图。与第一实施例的不同之处为，第一实施例的非电介质材料层103的形状为圆柱形，而本实施例的非电介质材料层103的形状为圆台形。图中示出的圆台靠近所述待处理晶圆104一侧的表面的面积大于远离所述待处理晶圆104一侧的表面的面积，在本发明的其他实施例中，所述圆台的靠近所述待处理晶圆104一侧的表面面积也可以小于远离所述待处理晶圆104一侧的表面的面积。采用所述的圆台结构，可以使得所述非电介质材料层103的自所述第一电极101的靠近待处理晶圆104的表面的中心向外沿半径方向的电阻依次减小，这样，沿中心向外的半径方向对高频信号的能量衰减量依次降低，从而与射频电源的驻波效应更好地补偿，这样使得真空处理腔室100内的能量分布更加均匀，有利于进一步提高真空处理腔室100内的等离子体的分布的均匀性。

请结合图4所示的本发明第三实施例的等离子处理装置的结构示意图。本实施例与前一实施例的区别在于，前一实施例的非电介质材料层的形状为圆柱形，而本实施例的非电介质材料层103为圆锥形。

请结合图5所示的本发明第三实施例的等离子处理装置的结构示意图。本实施例与前一实施例的区别在于，前一实施例的非电介质材料层的形状为圆锥形，而本实施例的非电介质材料层103为台阶形。

请结合图6所示的本发明第四实施例的等离子处理装置的结构示意图。本实施例与第一实施例的非电介质材料层103均为圆柱形，但是本实施例中自非电介质材料层103的中心向外，沿半径方向的非电介质材料层103的电阻大小不同。

需要说明的是，以上各个实施例均是以真空处理腔室100中有两个电极，即第一电极101和第二电极102，待处理晶圆104通过所述静电吸盘放置在第一电极101上。在本发明的其他实施例中，当第二电极和第一电极相对放置的前提下，也可以在第二电极靠近第一电极的一侧的表面上设置静电吸盘，将待处理晶圆放置在该静电吸盘上，通过在第一电极施加射频信号，该射频信号在第一电极和待处理晶圆之间产生等离子体，此时静电吸盘、第一电极的结构与第一实施例相同，在此不做详细的说明；在本发明的再一实施例中，当真空处理腔室100中仅具有一个电极，即所述第一电极101时，所述真空处理腔室100的材质应为金属，且所述真空处理腔室100可以接地，所述真空处理腔室100作为第二电极，与所述第一电极101构成电容，此时，第一电极101上可以设置静电吸盘和待处理晶圆，待处理晶圆、非电介质材料层和静电吸盘的位置关系请参考第一实施例，在此不做详细的说明。

本发明所述的所述等离子处理装置可以为等离子体刻蚀设备或等离子增强型化学气相沉积设备。

综上，本发明实施例在真空处理腔室的第一电极与放置待处理晶圆的平台之间设置非电介质材料层，所述非电介质材料层的电阻率大于所述第一电极的电阻率；所述非电介质材料层能够在第一电极与第一射频电源(该第一射频电源的频率大于第二射频电源频率的1.5倍)电连接时，所述非电介质材料层能够消除由于该第一射频电源的高频信号引起的驻波效应，将所述真空处理腔室的与非电介质材料层对应的位置的部分高频信号的能量衰减，从而使得真空处理腔室内的能量分布更加均匀，因此，保证了第一电极与第一射频电源电连接时真空处理腔室内的等离子体的密度更加均匀，也就保证了第一电极与第一射频电源电连接时对所述待处理晶圆的刻蚀速率更加均匀；与第一电极和放置待处理晶圆的平台之间设置绝缘层会使得低频信号过分衰减相比，本发明实施例在第一电极与放置待处理晶圆的平台之间设置的非电介质材料层不会使得真空处理腔室的对应于非电介质材料层的位置的低频信号的能量有较大衰减，从而所述真空处理腔室内的等离子体的密度分布更加均匀，因此，也保证了第一电极与第二射频电源电连接时的刻蚀速率更加均匀。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

真空处理腔室；

第一电极，位于所述真空处理腔室内，第一电极上方安装有放置待处理晶圆的平台，所述第一电极与两个射频电源电连接，其中第一射频源的频率大于第二射频源频率的1.5倍；

非电介质材料层，位于第一电极与放置待处理晶圆的平台之间，所述非电介质材料层的电阻率大于所述第一电极的电阻率。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述非电介质材料层的材质为半导体材质或金属，所述半导体材质为硅、锗、锗硅、碳化硅中的一种或其中的组合，所述第一电极的材质为金属。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述非电介质材料层位于所述第一电极的表面上，或，

所述第一电极内形成有凹槽，所述非电介质材料层至少有部分镶嵌于所述凹槽内。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述非电介质材料层的电阻率范围为50欧姆/厘米到106欧姆/厘米。

5.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述放置待处理晶圆的平台包括：

静电吸盘，与所述第一电极的形成有所述非电介质材料层的一侧的表面相对设置，所述静电吸盘用于放置待处理晶圆，所述静电吸盘的远离所述等离子体一侧的形状和大小与所述非电介质材料层的大小和形状对应。

6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述真空处理腔室的材质为金属，所述真空处理腔室接地。

7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一电极为圆柱形。

8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一射频电源的频率大于40MHz，第二射频源频率小于27MHz。

9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述非电介质料层为圆柱形、圆台形、圆锥形、台阶形。

10.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，还包括：第二电极，位于真空处理腔内的与第一电极相对设置的位置。

11.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子处理装置为等离子体刻蚀设备或等离子增强型化学气相沉积设备。

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