CN102522305B - 等离子体处理装置及聚焦环组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置及聚焦环组件，所述等离子体处理装置包括：处理腔室；设置在处理腔室内的基座；设置在基座上方的适于吸附半导体晶片的静电吸盘；设置在基座上并环绕静电吸盘的聚焦环组件，其包括呈环形的第一聚焦环、第二聚焦环，第一聚焦环内设有凹槽，第二聚焦环位于凹槽内，聚焦环组件的一部分位于半导体晶片下方，另一部分环绕在半导体晶片的周围，第二聚焦环位于半导体晶片下方。利用等离子体处理装置对半导体晶片进行等离子体处理时能有效改善半导体晶片背面的污染问题，同时，半导体晶片能获得竖直的刻蚀断面，提高了集成电路的性能。

Description

等离子体处理装置及聚焦环组件
技术领域
本发明涉及一种半导体装置，特别是涉及一种等离子体处理装置及聚焦环组件。
背景技术
等离子体技术(Plasma Technology)在半导体制造领域中起着举足轻重的作用。它可应用在许多半导体工艺中，如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。图1是一种现有等离子体处理装置的局部示意图，如图1所示，其包括置于等离子体处理腔室(未图示)中的基座1。基座1上设置有静电吸盘(Electrostatic Chuck，ESC)2，静电吸盘2用于吸附半导体晶片W，以便对它进行等离子体处理(刻蚀或沉积)。为了避免在对半导体晶片W进行等离子体处理的过程中等离子体会对静电吸盘2造成损伤，静电吸盘2的承载面尺寸小于半导体晶片W尺寸。在对半导体晶片W进行等离子体处理的过程中，常常会存在这样一种问题：半导体晶片W边缘区域的处理效果与半导体晶片W中心区域的处理效果不同。为了避免或改善这样的问题，等离子体处理装置中的基座1上会设置聚焦环(focus ring)3，且聚焦环3环绕在静电吸盘2的周围，聚焦环3至少有一部分位于半导体晶片W下方。
虽然聚焦环对半导体晶片边缘区域的处理效果有所改善，但在对半导体晶片W进行等离子体处理的过程中，半导体晶片W背面的边缘区域常常会沉积聚合物(如氟化聚合物)等副产物。聚合物通常是由先前暴露于刻蚀化学物质的光刻胶材料或者碳氟化合物刻蚀处理过程中形成的聚合物副产物组成。通常，氟化聚合物是一种具有化学式CxHyFz的物质，其中x、z是大于0的整数，而y是大于或等于0的整数。例如，常见的氟化聚合物有CH4、C2H6、CH2F2、C4H8、C5H8等。等离子体处理之后背面沉积有聚合物的半导体晶片会被转移以对其进行下一步半导体加工。聚合物会在半导体晶片传输过程中对用于传输的机械手、传输腔室、放置半导体晶片的盒子造成一定的污染。如果不及时清除这些传输装置中的聚合物，会对后续流程造成污染。因此，有效改善半导体晶片背面的污染成为一个亟待解决的问题。
针对上述半导体晶片背面污染的问题，现有技术提出了另一种等离子体处理装置，如图2所示，该等离子体处理装置包括置于等离子体处理腔室(未图示)中的基座1。基座1上设置有静电吸盘(Electrostatic Chuck，ESC)2，静电吸盘2用于吸附半导体晶片W，以便对它进行等离子体处理(刻蚀或沉积)，为了避免在对半导体晶片W进行等离子体处理的过程中等离子体会对静电吸盘2造成损伤，静电吸盘2的承载面尺寸小于半导体晶片W尺寸。基座1上设置有环形物4，环形物4环绕在静电吸盘2的周围且位于半导体晶片W下方。基座1上还设置有聚焦环3，且聚焦环3环绕在环形物4的周围。
虽然等离子体处理装置中增设的环形物4对半导体晶片背面的污染问题有所改善，但对等离子体处理后的半导体晶片W进行检测发现，半导体晶片W背面依然会沉积聚合物，另外，半导体晶片W中的刻蚀断面不是竖直的，即半导体晶片W的实际刻蚀形貌与目标刻蚀形貌具有偏差，这样会对集成电路的性能造成影响。显然，这是等离子体技术中不希望出现的。
发明内容
本发明要解决的问题是：利用现有等离子体装置对半导体晶片进行等离子体处理时，不能有效改善半导体晶片背面污染的问题，另外，半导体晶片不能获得竖直的刻蚀断面，影响集成电路的性能。
为解决上述问题，本发明提供了一种等离子体处理装置，其包括：
处理腔室；
设置在所述处理腔室内的基座；
设置在所述基座上方的适于吸附半导体晶片的静电吸盘；
设置在所述基座上并环绕所述静电吸盘的聚焦环组件，其包括呈环形的第一聚焦环、第二聚焦环，所述第一聚焦环内设有凹槽，所述第二聚焦环位于所述凹槽内，所述聚焦环组件的一部分位于半导体晶片下方，另一部分环绕在半导体晶片的周围，所述第二聚焦环的内径小于或等于半导体晶片的直径，所述第二聚焦环的外径大于半导体晶片的直径，使所述第二聚焦环位于半导体晶片下方。
可选的，所述第二聚焦环的材料全部为石英，或者第二聚焦环的表面材料为石英。
可选的，所述等离子体处理装置还包括耦合环，所述耦合环设置在所述基座上并环绕在基座的周围，所述聚焦环组件位于所述耦合环上。
同时，本发明还提供了一种聚焦环组件，其包括呈环形的第一聚焦环、第二聚焦环，所述第一聚焦环内设有凹槽，所述第二聚焦环位于所述凹槽内，所述聚焦环组件的一部分适于位于半导体晶片下方，另一部分适于环绕在半导体晶片的周围，所述第二聚焦环的内径适于小于或等于半导体晶片的直径，所述第二聚焦环的外径适于大于半导体晶片的直径，使所述第二聚焦环适于位于半导体晶片下方。
可选的，所述第二聚焦环的材料全部为石英，或者第二聚焦环的表面材料为石英。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
利用等离子体处理装置对半导体晶片进行等离子体处理时能有效改善半导体晶片背面的污染问题，同时，半导体晶片能获得竖直的刻蚀断面，提高了集成电路的性能。
附图说明
图1是现有技术中一种等离子体处理装置的局部示意图。
图2是现有技术中另一种等离子体处理装置的局部示意图。
图3是本发明的等离子体处理装置的实施例中等离子体处理装置的结构示意图。
图4是本发明的等离子体处理装置的实施例中等离子体处理装置的局部示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有技术中的等离子体处理装置存在以下问题：不能有效改善半导体晶片背面污染的问题，另外，半导体晶片不能获得竖直的刻蚀断面，影响集成电路的性能。
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。
图3是本发明的等离子体处理装置的实施例中等离子体处理装置的结构示意图。如图3所示，等离子体处理装置10包括处理腔室11，处理腔室11可由表面形成有阳极氧化膜(耐酸铝)的氧化铝形成。处理腔室11的侧壁设置有抽气口12，抽气口12与排气系统13连接，用于将处理腔室11抽成真空，以便可在处理腔室11内进行等离子体处理。处理腔室11的内部设置有绝缘板14，绝缘板14上方设有兼作下部电极的基座15。基座15的材质可以是表面形成有阳极氧化膜(耐酸铝)的氧化铝等。基座15的内部设置有热媒介流动通路15a和气体流动通路15b，热媒介流动通路15a、气体流动通路15b用于将半导体晶片W的温度控制在所规定的温度范围内。另外，基座15连接有供电线16，高频电源(RF电源)17通过供电线16对基座15施加规定频率的高频电力。
基座15上方设置有静电吸盘(ESC)18，静电吸盘18用于吸附半导体晶片W，以便可对半导体晶片W进行等离子体处理。为了避免在对半导体晶片W进行等离子体处理时等离子体损伤静电吸盘18，静电吸盘18的尺寸小于半导体晶片W的尺寸，即静电吸盘18被半导体晶片W完全覆盖。静电吸盘18上方设置有喷淋头19。喷淋头19与基座15平行相对设置，且两者构成一对电极(上部电极和下部电极)。喷淋头19在与基座15相对的一侧设置有多个气体出口20，喷淋头19的上方设置有气体导入口21。气体导入口21与气体供给配管22连接，气体供给配管22的另一端与气体供给系统连接。气体供给系统由控制气体流量的质量流量控制器(MFC)23和气体供给源24组成。
图4是本发明的等离子体处理装置的实施例中等离子体处理装置的局部示意图。如图4所示，等离子体处理装置10中还设有聚焦环组件25，它安装在基座15上并环绕整个静电吸盘18(即静电吸盘18被聚焦环组件25包围)。聚焦环组件25包括第一聚焦环25a、第二聚焦环25b，第一聚焦环25a、第二聚焦环25b呈环形，因此，聚焦环组件25整体也呈环形，且第一聚焦环25a内设有凹槽，第二聚焦环25b安装在该凹槽内。在本实施例中，凹槽的截面形状为矩形，当然，凹槽也可设置成其它形状。聚焦环组件25可视作由两部分组成，聚焦环组件25的一部分(含有凹槽的那一部分)位于半导体晶片W的下方，另一部分环绕在半导体晶片W的周围。第一聚焦环25a的材料可为Si、SiN、SiO2等合适的材料。第二聚焦环25b的材料可全部为石英，或者第二聚焦环25b的部分材料为石英，即第二聚焦环25b的表面材料为石英。
实际应用时，可根据具体使用条件对聚焦环组件25的高度尺寸进行设置，使聚焦环组件25的位于半导体晶片W下方的部分与半导体晶片W之间存在间距，这样可避免聚焦环组件25的温度过高发生膨胀以致将半导体晶片W顶起。另外，需根据具体使用条件对聚焦环组件25的径向尺寸进行设置，使等离子体处理装置中的静电吸盘18吸附半导体晶片W之后，聚焦环组件25中的第二聚焦环25b位于半导体晶片W下方。因此，需使第二聚焦环25b的内径小于或等于半导体晶片的直径，第二聚焦环25b的外径大于半导体晶片的直径。第二聚集环25b的形状和尺寸设计要求只要是位于半导体晶片W下方且刚好或至少有一部分位于半导体晶片的边缘下方就能达到发明目的。在对半导体晶片W进行等离子体处理(包括刻蚀工艺、沉积工艺)的过程中会形成聚合物等不希望出现的副产物，产生的聚合物会通过半导体晶片W与聚焦环组件25之间的间隙并沉积在半导体晶片W的背面，更具体来说，是沉积在半导体晶片W背面的边缘区域。在等离子体的作用下第二聚焦环25b中的石英(含SiO2)能释放出氧气，因此，当聚合物通过半导体晶片W与聚焦环组件25之间的间隙时，释放出的氧气能与反应腔室11中的聚合物发生反应，并生成CO、CO2、H2O、CiFjOk(i、j为大于0的整数，k为大于或等于0的整数)等物质，生成的这些物质能从等离子体处理装置10中的抽气口12抽走，从而使半导体晶片W背面不会被污染。同时会生成聚合物的前体气体分子CF2等也可与第二聚焦环25b反应生成CO2、SiF4等气体并从抽气口12被抽走。所以在待处理半导体晶片下方的靠近边缘位置处放置一石英环不仅能阻止聚合物产生，而且即使聚合物产生了也会被石英环中释放出来的氧气消耗掉。
同时，与现有技术中图2所示的等离子体处理装置相比，由于第二聚焦环25b是位于第一聚焦环25a的凹槽内，即静电吸盘18与第二聚焦环25b之间被部分第一聚焦环25a阻隔(而不是第二聚焦环25b与静电吸盘18之间不存在任何阻隔物)，增强了从静电吸盘18到第一聚焦环25a的射频耦合(RFcoupling)，使半导体晶片W能获得竖直的刻蚀断面，提高了集成电路的性能。
进一步地，基座15与聚焦环组件25之间还设有耦合环26(coupling ring)，即耦合环26位于基座15上并环绕在基座15的周围，聚焦环组件25位于耦合环26上，耦合环26用于增强从静电吸盘18到第一聚焦环25a的射频耦合(RF coupling)。
下面来说明本发明中等离子体处理装置的使用情况：
首先，通过搬运机构(未图示)将半导体晶片W放入处理腔室11内，并将其置于静电吸盘18上方，撤出搬运机构，密封处理腔室11。对静电吸盘18施加规定的电压，以将半导体晶片W紧紧吸附在静电吸盘18上方。
然后，一边通过排气系统13中的真空泵将处理腔室11内的气体排空，直至处理腔室11达到规定的真空度，一边通过气体供给系统向处理腔室11内通入气体。
然后，在该状态下，高频电源17向基座15施加规定频率的高频电力，使基座15与喷淋头19之间产生等离子体，产生的等离子体对半导体晶片W进行半导体处理。
本发明中的等离子体处理装置可以是等离子体刻蚀装置、等离子体沉积装置等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
利用等离子体处理装置对半导体晶片进行等离子体处理时能有效改善半导体晶片背面的污染问题，同时，半导体晶片能获得竖直的刻蚀断面，提高了集成电路的性能。
上述通过实施例的说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。

Claims (5)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
处理腔室；
设置在所述处理腔室内的基座；
设置在所述基座上方的适于吸附半导体晶片的静电吸盘；
设置在所述基座上并环绕所述静电吸盘的聚焦环组件，其包括呈环形的第一聚焦环、第二聚焦环，所述第一聚焦环内设有凹槽，所述第二聚焦环位于所述凹槽内，且所述第二聚焦环的径向内侧设有部分第一聚焦环，所述部分第一聚焦环的上表面高于所述凹槽的底面，所述聚焦环组件的一部分位于半导体晶片下方，另一部分环绕在半导体晶片的周围，所述第二聚焦环的内径小于或等于半导体晶片的直径，所述第二聚焦环的外径大于半导体晶片的直径，使所述第二聚焦环位于半导体晶片下方。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二聚焦环的材料全部为石英，或者第二聚焦环的表面材料为石英。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述等离子体处理装置还包括耦合环，所述耦合环设置在所述基座上并环绕在基座的周围，所述聚焦环组件位于所述耦合环上。
4.一种聚焦环组件，其特征在于，包括呈环形的第一聚焦环、第二聚焦环，所述第一聚焦环内设有凹槽，所述第二聚焦环位于所述凹槽内，且所述第二聚焦环的径向内侧设有部分第一聚焦环，所述部分第一聚焦环的上表面高于所述凹槽的底面，所述聚焦环组件的一部分适于位于半导体晶片下方，另一部分适于环绕在半导体晶片的周围，所述第二聚焦环的内径适于小于或等于半导体晶片的直径，所述第二聚焦环的外径适于大于半导体晶片的直径，使所述第二聚焦环适于位于半导体晶片下方。
5.根据权利要求4所述的聚焦环组件，其特征在于，所述第二聚焦环的材料全部为石英，或者第二聚焦环的表面材料为石英。
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