CN103632913B - 等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置，该处理装置包括反应腔室，用于导入反应气体对放置在其中的半导体待加工件进行等离子体处理工艺，反应腔室内设置有：第一电极，第一电极外接有至少一个射频电源，每个射频电源具有唯一的频率；与第一电极上下相对地设置的第二电极，第二电极包括多个电极区；其中，该处理装置还包括至少一个选通电路，每个选通电路一端与一电极区连接，另一端接地，选通电路根据其通断状态调节射频电源在该电极区和第一电极之间形成的射频电场的强度。本发明使反应腔室中的射频电场分布处于可控状态，实现了对等离子体处理工艺的过程控制。

Description

等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体加工工艺，更具体地说，涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

半导体加工领域的等离子体处理工艺是在反应腔室中进行，反应腔室底部和顶部分别设置有下电极和上电极，下电极连接至少一射频电源，上电极接地，从而在上、下电极之间形成射频电场，向反应腔室中导入由多种原料气体混合成的反应气体后，反应气体在射频电场的作用下产生等离子体，并与待加工的晶片进行等离子体反应。

在上述工艺中，反应腔室内的射频电场通常处于不均匀分布的状态，部分区域射频电场强、部分区域射频电场弱，这将带来反应腔室中各区域间等离子体的密度分布差异以及等离子体的能量差异，从而造成反应腔室内各晶片的反应程度不一致、甚至部分晶片厚、部分晶片薄，给等离子体处理工艺带来不利影响。

而由于等离子体处理工艺的精密要求，难以对反应腔室本身作出改进以调控其中分布的射频电场。或者，实现这种调控需要较大的开销，增加了工艺的复杂性。

因此，使反应腔室中射频电场分布处于可调控的状态是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置，其能使反应腔室各区域的射频电场按工艺要求分布。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种等离子体处理装置，该处理装置包括反应腔室，用于导入反应气体对放置在其中的半导体待加工件进行等离子体处理工艺，反应腔室内设置有：第一电极，第一电极外接有至少一个射频电源，每个射频电源具有唯一的频率；与第一电极上下相对地设置的第二电极，第二电极包括多个电极区；其中，该处理装置还包括至少一个选通电路，每个选通电路一端与一电极区连接，另一端接地，选通电路根据其通断状态调节射频电源在该电极区和第一电极之间形成的射频电场的强度。

优选地，选通电路与电极区一一对应地设置，每个选通电路根据其通断状态调节射频电源在对应于该选通电路的电极区与第一电极之间形成的射频电场的强度。

优选地，射频电源为两个，其频率分别为第一频率和第二频率，第一频率低于第二频率，每个选通电路包括一低通电路和一与低通电路并联的高通电路，低通电路根据其通断状态调节频率为第一频率的射频电源在对应于该选通电路的电极区和第一电极之间形成的射频电场的强度，高通电路根据其通断状态调节频率为第二频率的射频电源在对应于该选通电路的电极区和第一电极之间形成的射频电场的强度。

优选地，低通电路包括一低通滤波器和一与低通滤波器串接的第一开关，高通电路包括一高通滤波器和一与高通滤波器串接的第二开关。

优选地，等离子体处理装置还包括一控制装置和一数据库，数据库存储多次实验数据，控制装置从数据库获得实验数据并根据实验数据生成控制信号，以控制第一、第二开关的关闭与打开。

本发明提供的等离子体处理装置设置有一个或多个选通电路，用来调节射频电源在第二电极的各电极区和第一电极之间形成的射频电场的强度，从而实质上将反应腔室划分为多个区域，并按工艺要求使其中每个区域的射频电场强度不同于其他区域，本发明使反应腔室中的射频电场分布处于可控状态，实现了对等离子体处理工艺的过程控制。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的等离子体处理装置结构示意图；

图2示出本发明第二实施例的等离子体处理装置结构示意图；

图3示出本发明第三实施例的等离子体处理装置结构示意图；

图4示出本发明第四实施例的等离子体处理装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例公开了一种等离子体处理装置，其包括反应腔室10和选通电路40，其中反应腔室10内导入有多种原料气体混合成的反应气体，其底部设有第一电极101，顶部设有第二电极102，半导体代加工件30放置于第一电极101上方的承载部件103上，第一电极101外接有一射频电源20，射频电源20在第一电极101和第二电极102之间产生射频电场，作用于反应气体而产生等离子体，从而对半导体待加工件30进行等离子体处理工艺。

其中，第二电极102包括多个电极区1021、1022。电极区1021为第二电极102的中心部区域，电极区1022为第二电极102的边缘部区域。相应地，反应腔室10也被划分为多个区域。在本实施例中，选通电路40由一个单刀双掷开关60构成，单刀双掷开关60一不动端602与电极区1021连接，另一不动端603与电极区1022连接，动端601接地。

当动端601接通不动端602时，电极区1021相当于接地，电极区1022不直接接地，其电压取决于先前沉积的电荷；故第一电极101和电极区1021之间的电压差较大，从而在第一电极101与电极区1021之间形成的射频电场强度较强，而第一电极101和电极区1022之间的电压差较小，形成的射频电场强度较弱。

当动端601接通不动端603时，电极区1021的电压均取决于其先前沉积的电荷，电极区1022接地，第一电极101和电极区1021之间的电压差较小，形成的射频电场也较弱；第一电极101和电极区1022之间的电压差较大，形成的射频电场较强。

单刀双掷开关60的动端601或者连接不动端602，或者连接不动端603，以使第二电极102的至少一个电极区接地，从而确保射频电源20在等离子处理工艺过程中对反应腔室施加射频功率。

从而，选通电路40根据单刀双掷开关60的通断状态即可调节射频电源20在电极区1021、1022和第一电极101之间形成的射频电场的强度，进而调节控制反应腔室10内部的射频电场分布。

具体地，电极区1021与电极区1022之间是绝缘的。

进一步地，当电极区1021与电极区1022之间不绝缘时，第二电极区102上的电压呈渐变的变化规律，相应地，反应腔室10中的射频电场强度也呈渐变的变化，例如反应腔室10中心区域射频电场最强，其他区域距离中心越远，射频电场强度越低。

具体地，第一电极101可设置于承载部件103下方，或者由承载部件103将第一电极101包覆在其内部。

本领域技术人员理解，第一电极101外接的射频电源可以为多个，具有不同的频率；低频(例如2MHZ、13MHZ)的射频电源可以增强等离子体的能量，高频(大于等于60MHZ)的射频电源可以增加等离子体的密度。

如图2所示，本发明第二实施例提供的等离子体处理装置，其包括反应腔室10、第一选通电路41、第二选通电路42、控制装置50以及数据库51，其中反应腔室10底部的第一电极101外接有2个射频电源20、21，其频率分别为2MHZ、60MHZ，第一电极101上方的承载部件103承载半导体待加工件30，反应腔室顶部的第二电极102具有2个电极区1021、1022。电极区1021为第二电极102的中心部区域，电极区1022为第二电极102的边缘部区域。电极区1021与第一选通电路41一端相连，第一选通电路41另一端接地。电极区1022与第二选通电路42一端相连，第二选通电路42另一端接地。

其中，数据库51中存储有多次实验数据，记录了不同的工艺环境中反应腔室10内的射频电场强度及分布情况。控制装置50从数据库51中获得这些实验数据，控制装置50根据上述实验数据，并可结合用户的期望生成控制信号，以控制选通电路41、42的通断状态，并确保至少一个选通电路处于导通状态，从而至少一个电极区接地，以使射频电源20、21在等离子处理工艺过程中对反应腔室施加射频功率。

当第一选通电路41导通时，射频电源20、21在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度均增加，反之，则均降低。

当第二选通电路42导通时，射频电源20、21在电极区1022与第一电极101之间形成的射频电场强度均增加，反之，则均降低。

因此可以形成3种调控状态，分别为导通第一选通电路41、断开第二选通电路42，同时导通第一、第二选通电路41、42，断开第一选通电路41、导通第二选通电路42，相应地，可以得到对反应腔室10内射频电场分布的3种调控状态，本实施例可分别调控反应腔室10内至少2个区域的射频电场强度。

本领域技术人员理解，第二电极102可以包括3个以上的电极区，电极区可以为圆形或环形，也可以为矩形等，每个电极区可以为第二电极102的任一块区域，具体地，电极区的数量和形状由对反应腔室中射频电场分布的调控需求来设定。

具体地，选通电路41、42分别由单刀单掷开关4101、4201构成，控制装置50控制单刀单掷开关4101、4201的打开或闭合，并使其中至少一个处于闭合状态。

如图3所示，本发明第三实施例提供的等离子体处理装置，其包括反应腔室10、第一选通电路41、第二选通电路42、控制装置50以及数据库51，其中反应腔室10底部的第一电极101外接有2个射频电源20、21，第一电极101上方的承载部件103承载半导体待加工件30，反应腔室顶部的第二电极102具有2个电极区1021、1022。电极区1021为第二电极102的中心部区域，电极区1022为第二电极102的边缘部区域。其中，第一选通电路41连接电极区1021，其具体包括低通电路410和高通电路411。

低通电路410由一单刀单掷开关4101和一低通滤波器4102串联而得到，低通滤波器4102仅可使低频电信号通过而隔绝高频电信号。

具体地，当开关4101闭合时，相当于电极区1021直接接地，电极区1021与第一电极101之间的电压差较大，其可使频率为2MHZ的射频电源20在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度增加，可增强等离子体撞击时的能量；当开关4101断开时，电极区1021的电压取决于其先前沉积的电荷，从而电极区1021与第一电极101之间的电压差较小，射频电源20在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度相对降低。

高通电路411由一单刀单掷开关4111和一高通滤波器4112串联而得到，高通滤波器4112仅可使高频电信号通过而隔绝低频电信号。

具体地，当开关4111闭合时，相当于电极区1021直接接地，电极区1021与第一电极101之间的电压差较大，其可使频率为60MHZ的射频电源21在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度增加，可增加等离子体的密度；当开关4111断开时，电极区1021的电压取决于其先前沉积的电荷，从而电极区1021与第一电极101之间的电压差较小，射频电源21在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度相对降低。

类似地，第二选通电路42具体包括低通电路420和高通电路421。低通电路420由一单刀单掷开关4201和一低通滤波器4202串联而得到，低通滤波器4202仅可使低频电信号通过而隔绝高频电信号；高通电路421由一单刀单掷开关4211和一高通滤波器4212串联而得到，高通滤波器4212仅可使高频电信号通过而隔绝低频电信号。第二选通电路42连接电极区1022，其作用机理与第一选通电路41相同。

控制装置50从数据库51中获得实验数据，根据实验数据，并可结合用户的期望生成控制信号，以控制低通电路410、高通电路411、低通电路420、高通电路421的通断状态，并确保其中至少一个处于导通状态，从而至少一个电极区通过低通电路或高通电路接地，以使射频电源20、21中至少一个在等离子处理工艺过程中对反应腔室施加射频功率。

本实施例根据低通电路410、高通电路411、低通电路420、高通电路421的通断状态，可调控射频电源20、射频电源21在反应腔室10不同区域形成的射频电场强度，进而调控反应腔室10内的射频电场分布，实现了对等离子体处理工艺的过程控制。在确保低通电路410、高通电路411、低通电路420、高通电路421中至少一个处于导通状态的前提下，通断状态调节的各种变化均在本发明的范围内，在此不再赘述。

电极区1021与电极区1022之间可以是绝缘的。

进一步地，当电极区1021与电极区1022之间不绝缘时，第二电极区102上的电压呈渐变的变化规律，相应地，反应腔室10中的射频电场强度也呈渐变的变化。

进一步地，射频电源20、21在电极区1021与第一电极101之间形成的射频电场强度高于其在电极区1022与第一电极101之间形成的射频电场强度。

根据本实施例，射频电源20的频率也可为13MHZ，射频电源21的频率也可为120MHZ，均不影响本发明的技术效果。

如图4所示，本发明第四实施例提供的等离子体处理装置，其包括反应腔室10、第一选通电路41、第二选通电路42、控制装置50以及数据库51，其中反应腔室10底部的第一电极101外接有2个射频电源20、21，第一电极101上方的承载部件103承载半导体待加工件30，反应腔室顶部的第二电极102具有2个电极区1021、1022。电极区1021为第二电极102的中心部区域，电极区1022为第二电极102的边缘部区域。

其中，第一选通电路41连接电极区1021，其具体包括低通电路410和高通电路411。低通电路410由一低通滤波器4102构成，高通电路411由一高通滤波器4112构成，低通滤波器4102一端与高通滤波器4112一端并联，并与电极区1021连接，低通滤波器4102另一端与一单刀双掷开关61的一个不动端612连接，高通滤波器4112另一端与单刀双掷开关61的另一个不动端613连接，单刀双掷开关61的动端611接地。

单刀双掷开关61的动端611或者连接不动端612，或者连接不动端613，从而电极区1021要么通过低通电路410接地，要么通过高通电路411接地，以使射频电源20、21中至少一个在等离子处理工艺过程中对反应腔室施加射频功率。

第二选通电路42连接电极区1022，其具体包括低通电路420和高通电路421。低通电路420由一低通滤波器4202构成，高通电路421由一高通滤波器4212构成，低通滤波器4202一端与高通滤波器4212一端并联，并与电极区1022连接，低通滤波器4202另一端与一单刀双掷开关62的一个不动端622连接，高通滤波器4212另一端与单刀双掷开关62的另一个不动端623连接，单刀双掷开关62的动端621接地。

单刀双掷开关62的动端621或者连接不动端622，或者连接不动端623，从而电极区1022要么通过低通电路420接地，要么通过高通电路421接地，以使射频电源20、21中至少一个在等离子处理工艺过程中对反应腔室施加射频功率。

控制装置50从数据库51中获得实验数据，根据实验数据，并可结合用户的期望生成控制信号，以控制单刀双掷开关61、62的通断状态。

本实施例根据单刀双掷开关61、62的通断状态，同样可调控反应腔室10内的射频电场分布，以实现对等离子体处理工艺的过程控制。通断状态调节的各种变化均在本发明的范围内，在此不再赘述。

根据本实施例的又一改进方式，第一选通电路41中，低通滤波器4102一端与高通滤波器4112一端并联，并联点接地，低通滤波器4102另一端与单刀双掷开关61的一个不动端612连接，高通滤波器4112另一端与单刀双掷开关61的一个不动端613连接，单刀双掷开关61的动端611与电极区1021连接。类似地，在第二选通电路42中，可采用同样的结构。其中，控制装置50基于与本实施例同样的方式控制单刀双掷开关61、62的通断状态。

可以理解，射频电源20作为低频电源，其频率为2MHZ、13MHZ或其他低频频率，射频电源21作为高频电源，其频率为60MHZ、120MHZ或其他高频频率，均不影响本发明的实施效果。

可以理解，第一电极101可设置于反应腔室10的顶部或底部，第二电极102与第一电极101上下相对地设置，以及，将承载部件103设于反应腔室10底部以承载半导体待加工件30或设于反应腔室10顶部以吸附半导体待加工件30，均不影响本发明的实施效果，均落入本发明的保护范围。

可以理解，电极区可以设置为3个以上，电极区可以为圆形、环形或矩形等，电极区可以为第一或第二电极的任一区域，为每个电极区连接一选通电路时，本发明相应地可更精确地控制反应腔室中的射频电场分布。

可以理解，选通电路41或选通电路42可由一个单刀单掷开关构成，可由一低通电路和一高通电路并联而得到，可由一单刀双掷开关分别与一低通电路和一高通电路连接而得到，同样也可由其他元器件连接而构成，只要其通断状态接受控制装置50的控制并使至少一个电极区实现接地，均落入本发明的保护范围。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种等离子体处理装置，所述处理装置包括反应腔室，用于导入反应气体对放置在其中的半导体待加工件进行等离子体处理工艺，所述反应腔室内设置有：

第一电极，所述第一电极外接有至少一个射频电源，每个所述射频电源具有唯一的频率；

与所述第一电极上下相对地设置的第二电极，所述第二电极包括多个电极区；

其中，所述处理装置还包括至少一个选通电路，每个所述选通电路一端与一所述电极区连接，另一端接地，所述选通电路根据其通断状态调节所述射频电源在与该选通电路连接的电极区和所述第一电极之间形成的射频电场的强度。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述选通电路与所述多个电极区一一对应地设置，每个所述选通电路根据其通断状态调节所述射频电源在对应连接该选通电路的所述电极区与所述第一电极之间形成的射频电场的强度。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频电源为两个，其频率分别为第一频率和第二频率，所述第一频率低于所述第二频率，每个所述选通电路包括一低通电路和一与所述低通电路并联的高通电路，所述低通电路根据其通断状态调节频率为所述第一频率的射频电源在对应连接该选通电路的所述电极区和所述第一电极之间形成的射频电场的强度，所述高通电路根据其通断状态调节频率为所述第二频率的射频电源在对应连接该选通电路的所述电极区和所述第一电极之间形成的射频电场的强度。

4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述低通电路包括一低通滤波器和一与所述低通滤波器串接的第一开关，所述高通电路包括一高通滤波器和一与所述高通滤波器串接的第二开关。

5.如权利要求4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一控制装置和一数据库，所述数据库存储多次实验数据，所述控制装置从所述数据库获得所述实验数据并根据所述实验数据生成控制信号，以控制所述第一、第二开关的关闭与打开。

6.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述低通电路包括一低通滤波器，所述高通电路包括一高通滤波器，所述低通滤波器一端与所述高通滤波器一端并联，并与对应于该选通电路的所述电极区连接，所述低通滤波器另一端与一单刀双掷开关的一个不动端连接，所述高通滤波器另一端与所述单刀双掷开关的另一个不动端连接，所述单刀双掷开关的动端接地。

7.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述低通电路包括一低通滤波器，所述高通电路包括一高通滤波器，所述低通滤波器一端与所述高通滤波器一端并联，并接地，所述低通滤波器另一端与一单刀双掷开关的一个不动端连接，所述高通滤波器另一端与所述单刀双掷开关的另一个不动端连接，所述单刀双掷开关的动端与对应连接该选通电路的所述电极区连接。

8.如权利要求6或7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一控制装置和一数据库，所述数据库存储多次实验数据，所述控制装置从所述数据库获得所述实验数据并根据所述实验数据生成控制信号，以控制所述单刀双掷开关的关闭与打开。

9.如权利要求3至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一频率为2MHZ或13MHZ，所述第二频率为60MHZ或120MHZ。

10.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二电极至少包括第一电极区、第二电极区，所述第一电极区为所述第二电极中心部区域，所述第二电极区为所述第二电极边缘部区域。

11.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一电极区与所述第二电极区之间不绝缘。

12.如权利要求10所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频电源在所述第一电极区与所述第一电极之间形成的射频电场强度高于所述射频电源在所述第二电极区与所述第一电极之间形成的射频电场强度。

13.如权利要求1至7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述反应腔室底部设有一承载部件，所述承载部件承载所述半导体待加工件，所述第一电极设置于所述承载部件下方或其内部，所述第二电极设置于所述反应腔室顶部。