CN102629541B - 喷淋头及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种喷淋头，其本体的材质为金属或金属合金，所述本体表面的至少部分区域覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物或由内向外依次覆盖有氧化铝层、氧化钇层以提高晶圆表面的刻蚀速率的均匀性。本发明还提供了该喷淋头的形成方法。采用本发明的喷淋头，在使用过程中，其喷淋头的抗刻蚀性得以提高，同时可使等离子体对圆晶的刻蚀均匀性也能得到改善。

Description

喷淋头及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种喷淋头及其形成方法。

背景技术

现有的半导体工艺中，很多流程，例如金属互连线的制作涉及等离子体刻蚀。等离子的刻蚀在等离子体腔中进行，然而，该等离子体刻蚀过程中，不仅处理了晶圆，同时该刻蚀气体，例如含氟气体还对等离子体腔的内壁以及其它设备组件表面进行刻蚀，例如喷淋头(ShowerHead)、静电吸盘(ESC)等，造成其表面化学成分以及几何尺寸变化，进而造成刻蚀设备组件的工艺性能发生变化，这会损害晶圆上的器件的性能，造成良率下降。

针对上述问题，行业内出现了以抗刻蚀性能更强的碳化硅、氧化铝、氧化钇等作为刻蚀设备组件或保持刻蚀设备组件本体的材质不变仍为铝时，在其表面形成以上述材料的覆盖层。然而，本发明人发现，该碳化硅的抗刻蚀性能仍不能符合要求，氧化铝或氧化钇的性能虽然符合要求，但存在其它缺陷。以喷淋头为例，该喷淋头表面覆盖该两者时，刻蚀同样大小的晶圆都会发现中间区域的刻蚀速率快而边缘区域的刻蚀速率慢，这造成形成器件的晶圆的中间、边缘区域被刻蚀的厚度不一样，即出现不均匀现象。一般认为，该不均匀现象是由聚焦环引起的。为改善上述不均匀问题，需对边缘区域进行重新处理，造成工艺复杂；如不处理，该不均匀现象会影响器件的性能，严重地，会导致器件失效。

有鉴于此，实有必要提出一种新的喷淋头及其形成方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明解决的问题是提出一种新的喷淋头及其形成方法，在使用过程中，其喷淋头的抗刻蚀性能得以提高，同时可使等离子体对圆晶的刻蚀均匀性得到改善。

为解决上述问题，本发明提供一种喷淋头，其本体的材质为金属，所述本体表面的至少部分区域覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物或由内向外依次覆盖有氧化铝层、氧化钇层以提高晶圆表面的刻蚀速率的均匀性。

可选地，所述喷淋头的本体表面的中央区域覆盖有氧化铝层，所述中央区域之外的本体表面为边缘区域，所述边缘区域覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物或由内向外依次覆盖有氧化铝层、氧化钇层。

可选地，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域由内向外依次覆盖有氧化铝层、氧化钇层，所述边缘区域的氧化钇层与氧化铝层的厚度之比大于中央区域的氧化钇层与氧化铝层的厚度之比。

可选地，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物，所述边缘区域的氧化钇与氧化铝的体积之比大于中央区域的氧化钇与氧化铝的体积之比。

可选地，所述中央区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的1/2为半径所形成的圆形区域。

可选地，所述中央区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的3/4为半径所形成的圆形区域。

可选地，所述氧化钇层的表面粗糙度小于5微米。

可选地，所述氧化铝层为阳极氧化铝层，所述阳极氧化铝层的表面粗糙度大于4微米。

此外，本发明还提供了一种喷淋头的形成方法，包括：

提供喷淋头的本体，所述本体的材质为金属；

在所述本体表面的至少部分区域覆盖氧化铝、氧化钇的混合物或由内向外依次覆盖氧化铝层、氧化钇层。

可选地，在所述本体表面的至少部分区域由内向外依次覆盖氧化铝层、氧化钇层的方法包括：

对所述本体表面生成氧化铝层；

去除部分区域的部分厚度的所述氧化铝层后在其上形成氧化钇层。

可选地，所述氧化铝层为阳极氧化形成、喷涂法形成或真空镀膜法形成。

可选地，所述阳极氧化采用的电解液为草酸、磷酸、硫酸、铬酸、柠檬酸中的至少一种。

可选地，去除部分区域的所述氧化铝层采取光刻、化学或机械刻蚀工艺。

可选地，所述氧化钇层为喷涂法形成或真空镀膜法形成。

可选地，在被去除氧化铝层的区域上形成氧化钇层至该高度与其它区域的氧化铝层高度齐平。

可选地，去除部分区域中的部分区域为所述喷淋头的本体表面的边缘区域，所述边缘区域为本体表面的中央区域之外的区域。

可选地，所述边缘区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的1/2为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头表面的环形区域。

可选地，所述边缘区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的3/4为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头表面的环形区域。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明人发现，在喷淋头的表面覆盖层中，不论采用氧化铝或氧化钇，都会出现晶圆的中间区域刻蚀的快，边缘区域刻蚀的慢的现象，但总体来说，以氧化钇为覆盖层，不论在晶圆的边缘还是在中央区域，其刻蚀速率都大于以氧化铝为覆盖层的相应的边缘区域、中央区域的晶圆的刻蚀速率；利用了上述特点，本发明提出在对应晶圆刻蚀速率较快的喷淋头的中央区域采用氧化铝，刻蚀较慢的边缘区域采用氧化铝表面覆盖氧化钇的方法以提高晶圆边缘区域的刻蚀速率，使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等；或采用喷淋头的中央区域与边缘区域都形成氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质或混合材质，且对晶圆刻蚀速率较快的中央区域，降低氧化钇的比重，对于晶圆刻蚀速率较慢的边缘区域，提高氧化钇的比重，如此也可以使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等；

在可选方案中，氧化铝层为阳极氧化铝层，其表面粗糙度大于4微米，如此可以提高其上形成的氧化钇层的附着力，从而使得氧化钇层不容易剥落；

在可选方案中，氧化钇层采用真空镀膜形成，常见的真空镀膜工艺包括化学气相沉积、物理气相沉积、或者两者的结合。该工艺形成的氧化钇层基本无空隙，表面粗糙度小，因而在等离子体刻蚀过程中，其氧化钇表面的抗刻蚀性能增强，而且不易产生颗粒剥落。

附图说明

图1是采用CF₄为基本刻蚀气体，对于表面分别覆盖SiC、阳极氧化铝(Al₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)的薄膜的三种喷淋头，对应刻蚀三个晶圆，各晶圆表面上的各点的刻蚀速率与其位置偏离中心距离的关系图；

图2是采用C₄F₈为基本刻蚀气体，对于表面分别覆盖SiC、阳极氧化铝(Al₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)的薄膜的三种喷淋头，对应刻蚀三个晶圆，各晶圆表面上的各点的刻蚀速率与其位置偏离中心距离的关系图；

图3是实施例一提供的喷淋头的形成方法流程图；

图4至图6是按照图3中的流程形成的中间结构示意图；

图7是按照图3中的流程形成的最终结构示意图；

图8是实施例二提供的喷淋头的结构示意图。

具体实施方式

本发明人发现，在刻蚀过程中，晶圆表面刻蚀速率不均匀的现象不仅与聚焦环有关，还与喷淋头表面的材质有关。以CF₄为基本刻蚀气体，对于相同尺寸的喷淋头，其表面材质分别为SiC、阳极氧化铝(Al₂O₃)、氧化钇(Y₂O₃)，分别刻蚀三片300微米的晶圆为例，各自晶圆表面的刻蚀速率如图1所示。以C₄F₈为基本刻蚀气体，对于相同尺寸的喷淋头，其表面材质分别为SiC、Al₂O₃、Y₂O₃，分别刻蚀三片300微米的晶圆为例，各自晶圆表面的刻蚀速率如图2所示。可以看出，覆盖Al₂O₃、Y₂O₃的薄膜的刻蚀速率虽然快，但会出现晶圆的中央区域刻蚀得快，边缘区域刻蚀得慢，以均匀性指标U％(刻蚀最快区的刻蚀速率与刻蚀最慢区的刻蚀速率的差值与刻蚀速率的平均值的比值)来衡量，可以得出该两层各自的均匀度都较差。但总体来说，以氧化钇为覆盖层，不论在晶圆的边缘还是在中央区域，其刻蚀速率都大于以氧化铝为覆盖层的相应的边缘区域、中央区域的晶圆的刻蚀速率。利用了上述特点，本发明提出1)在对应晶圆刻蚀速率较快的喷淋头的中央区域采用氧化铝，刻蚀较慢的边缘区域采用氧化铝表面覆盖氧化钇的方法以提高晶圆边缘区域的刻蚀速率，使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等；或2)采用喷淋头的中央区域与边缘区域都形成氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质或氧化铝与氧化钇的混合材质，且对晶圆刻蚀速率较快的中央区域，降低氧化钇的比重，对于晶圆刻蚀速率较慢的边缘区域，提高氧化钇的比重，如此也可以使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。由于本发明重在解释原理，因此，未按比例制图。

实施例一

以下详细介绍本实施例一提供的喷淋头的结构及其形成方法。

参考图3中的流程，首先执行步骤S11，如图4所示，提供喷淋头的本体10，所述本体10的材质为金属或金属合金，本实施例一中为铝。其它实施例中，也可以为铝合金、其它金属材质或其它金属合金。

接着，执行步骤S12，如图5所示，对所述本体10的表面进行阳极氧化，生成阳极氧化铝层11(AnodicAluminumOxide，AAO)。

阳极氧化铝是一种具有规则的纳米多孔阵列结构，其纳米孔的间距、形状分布规律、生长方向都可以调节。例如，通过改变电解时所加的电压的大小、所选择电解液的种类(如草酸、磷酸、硫酸、铬酸、柠檬酸或以上两种或多种的混合酸)及浓度，可以调节纳米孔间距的大小；采用二次电解或预先抛光铝表面的方法，可以得到相对规则分布的六角形孔分布；或采用纳米压印、光刻、附加掩膜板等方法，配合电解电压选择，可以控制孔的分布规律；通过电解后的扩孔过程，可以在一定范围内调节孔径的大小；通过调节电解时所加电压产生的电场方向，可以控制孔的生长方向，如使孔沿着垂直衬底方向、平行衬底方向或其它呈夹角方向生长。

然后，执行步骤S13，去除部分区域的部分厚度的所述阳极氧化铝层11后在其上形成氧化钇层12。

本步骤中，去除部分区域中的部分区域为所述喷淋头本体10的边缘区域，其中的边缘区域可以根据行业内的边缘区域与中央区域的划分标准划分，也可以根据本发明人的测试结果，即在为以喷淋头10(本体)表面的中心为中心，喷淋头本体10的半径的1/2为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头本体10表面的环形区域对应的晶圆的刻蚀速率明显小于其它区域(中央区域)的刻蚀速率。更准确地，在以喷淋头表面的中心为中心，喷淋头的半径的3/4为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头表面的环形区域的刻蚀速率下降更明显，因而以该区域为边缘区域也可以。

本步骤中，由于喷淋头本体10的表面一般直径为400毫米左右，因而去除该区域的阳极氧化铝层11可以采取光刻、化学或机械刻蚀工艺。光刻工艺即在阳极氧化铝层11表面旋涂一层光刻胶，利用掩膜板选择性曝光后形成图案化的光刻胶，以该图案化的光刻胶为掩膜刻蚀阳极氧化铝层11。需要说明的是，刻蚀的阳极氧化铝层11的深度(厚度)由刻蚀时间决定。该刻蚀的阳极氧化铝11的深度(厚度)调节了阳极氧化铝层11’与后续形成的氧化钇层的两层薄膜对应的晶圆边缘区域的刻蚀速率与中央区域的阳极氧化铝层11’对应的晶圆中央区域的刻蚀速率的一致程度，进而调节了晶圆表面的刻蚀均匀性。化学去除例如采用酸腐蚀，机械去除例如采用剥离设备(车磨、铣削等)进行剥离。本步骤执行完毕后，形成的结构的截面示意图如图6所示。

此外，本实施例中，阳极氧化铝层11’优选表面粗糙度较大，以提高与后续形成的氧化钇的结合力，使氧化钇更容易附着在其上。

其它实施例中，该阳极氧化铝层11也可以由氧化铝层替换，该氧化铝层的形成方法例如为喷涂法(plasmaspray)形成或真空镀膜法形成。常见的真空镀膜工艺包括化学气相沉积、物理气相沉积、或者两者的结合。该工艺形成的氧化铝层基本无空隙，致密度高。

本步骤中，在去除的区域形成氧化钇层12。本步骤形成的结构截面示意图如图7所示。

氧化钇层12形成方法可以选择喷涂法(plasmaspray)形成或真空镀膜法形成。

常见的真空镀膜工艺包括化学气相沉积、物理气相沉积、或者两者的结合。真空镀膜法形成的氧化钇12的孔隙率比喷涂法形成的氧化钇12的空隙低，致密度高，因而在等离子体刻蚀时，氧化钇表面的抗刻蚀性能增强，而且不易产生颗粒剥落。

此外，需要说明的是，本步骤在形成氧化钇12前，不需要对阳极氧化铝进行封孔工艺，因为该封孔容易导致后续形成的氧化钇12在使用过程中由于阳极氧化铝11’与氧化钇12的热膨胀系数不同而出现裂痕(crack)。

至此，本实施例一的喷淋头已经制作完毕。综上，该喷淋头包括：铝本体及本体表面的中央区域的阳极氧化铝11’，边缘区域的阳极氧化铝11’与氧化钇12的两层薄膜。

实施例二

本实施例二与实施例一的区别在于，参照图8所示，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域都形成有氧化铝11’、氧化钇12’，所述边缘区域的氧化钇12’与氧化铝11’的厚度之比大于中央区域的氧化钇12’与氧化铝11’的厚度之比。换言之，该边缘区域氧化钇12’占的比重要大于中央区域，以使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等。

实施例三

本实施例三与实施例二的区别在于，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域都形成有氧化铝和氧化钇的混合材质涂层，所述边缘区域的氧化铝与氧化钇体积之比小于中央区域的氧化铝与氧化钇体积之比。换言之，该边缘区域氧化钇占的比重要大于中央区域，以使得晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率趋于相等。

氧化铝和氧化钇的混合材质涂层形成方法可以选择喷涂法(plasmaspray)形成或真空镀膜法形成。

喷涂法例如将氧化铝和氧化钇的颗粒先进行混合，在高温下喷涂在喷淋头本体10的表面。真空镀膜法例如将铝、钇的金属放入蒸镀室，在高温下同时通入氧气，在喷淋头本体10的表面蒸镀两者的混合物。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，例如喷淋头的中间区域的涂层可为氧化锆及其他陶瓷涂层，而喷淋头的边缘区域的涂层可为氟化钇(YF₃)及其他耐刻蚀陶瓷涂层。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (16)

1.一种喷淋头，其特征在于，其本体的材质为金属，所述本体表面具有中央区域，所述中央区域之外的本体表面为边缘区域，所述中央区域与边缘区域的覆盖层不同，能提高晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率的均匀性；

其中，a)所述中央区域与边缘区域都覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物或氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质，所述中央区域的氧化钇占的比重低于边缘区域的氧化钇占的比重；

或b)所述中央区域覆盖有氧化铝层，所述边缘区域为氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质或氧化铝、氧化钇的混合物。

2.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，对于b)，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域由内向外依次覆盖有氧化铝层、氧化钇层，所述边缘区域的氧化钇层与氧化铝层的厚度之比大于中央区域的氧化钇层与氧化铝层的厚度之比。

3.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，对于a)，所述喷淋头的本体表面的中央区域与边缘区域覆盖有氧化铝、氧化钇的混合物，所述边缘区域的氧化钇与氧化铝的体积之比大于中央区域的氧化钇与氧化铝的体积之比。

4.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述中央区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的1/2为半径所形成的圆形区域。

5.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述中央区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的3/4为半径所形成的圆形区域。

6.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层的表面粗糙度小于5微米。

7.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化铝层为阳极氧化铝层，所述阳极氧化铝层的表面粗糙度大于4微米。

8.一种喷淋头的形成方法，其特征在于，包括：

提供喷淋头的本体，所述本体的材质为金属；

所述喷淋头的本体表面具有中央区域，所述中央区域之外的本体表面为边缘区域，a)在所述中央区域与边缘区域都覆盖氧化铝、氧化钇的混合物或形成氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质，所述中央区域的氧化钇占的比重低于边缘区域的氧化钇占的比重；

或b)在所述中央区域覆盖氧化铝层，在所述边缘区域形成氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质或氧化铝、氧化钇的混合物；

以提高晶圆的边缘区域与中央区域的刻蚀速率的均匀性。

9.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，在所述中央区域覆盖氧化铝层，在所述边缘区域形成氧化铝表面覆盖氧化钇的双层材质的方法包括：

对所述本体表面生成氧化铝层；

去除边缘区域的部分厚度的所述氧化铝层后在其上形成氧化钇层。

10.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述氧化铝层为阳极氧化形成、喷涂法形成或真空镀膜法形成。

11.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，所述阳极氧化采用的电解液为草酸、磷酸、硫酸、铬酸、柠檬酸中的至少一种。

12.根据权利要求9所述的形成方法，其特征在于，去除边缘区域的所述氧化铝层采取化学或机械刻蚀工艺。

13.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述氧化钇层为喷涂法形成或真空镀膜法形成。

14.根据权利要求9所述的形成方法，其特征在于，在被去除氧化铝层的区域上形成氧化钇层至其高度与其它区域的氧化铝层高度齐平。

15.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述边缘区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的1/2为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头表面的环形区域。

16.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述边缘区域为以喷淋头中心为中心，喷淋头的半径的3/4为半径所形成的圆形区域以外的喷淋头表面的环形区域。