CN104701125A - 气体分布板 - Google Patents

Abstract

本发明提供的气体分布板，包括基底以及包覆基底表面的耐等离子体刻蚀涂层，其中，组成该耐等离子体刻蚀涂层的材料的稳定性较高，不与等离子体工艺过程中的等离子体发生反应。所以，在等离子体加工工艺或等离子体刻蚀过程中，本发明提供的气体分布板表面稳定性好，其不会被等离子体所腐蚀，因而也就不会在气体分布板的表面形成新的物质，因而保证了气体分布板表面的稳定性，提高了气体分布板的使用寿命。进一步地，该表面稳定的气体分布板保证了等离子体工艺的稳定性，进一步提高了芯片的生产良率。

Description

气体分布板

技术领域

本发明涉及等离子体工艺领域，尤其涉及一种气体分布板。

背景技术

众所周知，气体分布板（gas distribution plate,GDP）或气体喷淋头（showerhead,SH）是等离子体加工工艺或等离子体刻蚀系统中的一个重要的组件。例如，在带有电容性耦合等离子体（CCP）等离子体源的等离子体刻蚀反应腔室内，气体分布板的功能除了实现气体的输运和分布以外，还通常可以作为上电极，用于产生或和维持晶圆或芯片的等离子体刻蚀。

但是，由于气体分布板的材质一般为金属、合金、陶瓷或者其他材料，在等离子体氛围中，气体分布板表面不稳定，很容易被等离子体刻蚀，从而降低了气体分布板的使用寿命。同时，由于等离子体的刻蚀所引起的气体分布板几何尺寸及表面化学成分的变化，将影响等离子体分布的均匀性和稳定性，从而会导致等离子体刻蚀工艺的稳定性，进而影响半导体芯片的质量及生产良率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种气体分布板，以提高气体分布板表面的稳定性，进而提高气体分布板的使用寿命，改善圆晶芯片的生产质量。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种气体分布板，应用于等离子体工艺系统中，包括，基底，还包括，

包覆基底表面的耐等离子体刻蚀涂层，组成所述耐等离子体刻蚀涂层的材料不与等离子体工艺过程中的等离子体发生反应。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层包括氟化钇层和/或氟氧化钇层，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层的厚度大于0.5微米。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层还包括氧化钇层，所述氧化钇层包覆所述基底表面，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层包覆所述氧化钇层。

优选的，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层的形成方法为等离子体增强物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体喷涂或化学气相沉积。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层的结构为由氟化钇层和氟氧化钇层交替组成的多层结构。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层包括由氟化钇和氟氧化钇组成的混合物构成的涂层。

优选的，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为等离子喷涂或溶胶-凝胶法。

优选的，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为采用与所述氧化钇层相同的淀积方法。

优选的，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为采用氟等离子体对所述氧化钇层进行等离子体预处理原位形成的。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层包括氧化铒层。

优选的，所述耐等离子体刻蚀涂层还包括氧化钇层，所述氧化钇层包覆所述基底表面，所述氧化铒层包覆所述氧化钇层。

本发明提供的气体分布板，包括基底以及包覆基底表面的耐等离子体刻蚀涂层，其中，组成该耐等离子体刻蚀涂层的材料的稳定性较高，不与等离子体工艺过程中的等离子体发生反应。所以，在等离子体工艺包括加工工艺或等离子体刻蚀过程中，本发明提供的气体分布板表面稳定性好，其不会被等离子体刻蚀，因而也就不会引起气体分布板的的几何尺寸及表面化学成分的变化，因而保证了气体分布板表面尺寸及化学成分的稳定性，提高了气体分布板的使用寿命。进一步地，该表面稳定的气体分布板保证了等离子体工艺的稳定性，进一步提高了芯片的生产良率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的气体分布板的截面结构示意图；

图2（a）是未在含氟等离子体反应室内使用的气体分布板上的氧化钇层的化学成分图；

图2（b）是在含氟等离子体反应室使用后的气体分布板上的氧化钇层的化学成分图；

图2（c）是采用氧化钇包覆的气体分布板的等离子体反应室内等离子体对晶圆上的氧化物的主刻蚀速率与刻蚀时间的关系图；

图2（d）是采用氧化钇包覆的气体分布板的等离子体反应室内等离子体对晶圆上的氧化物的过刻蚀速率与刻蚀时间的关系图；

图3（a）是氟化钇层包覆的气体分布板的截面结构示意图；

图3（b）是气体分布板上的氟化钇层的化学成分图；

图3（c）是采用氟化钇层包覆的气体分布板的等离子体反应室内等离子体对晶圆上的氧化物的主刻蚀速率与刻蚀时间的关系图；

图3（d）是采用氟化钇层包覆的气体分布板的等离子体反应室内等离子体对晶圆上的氧化物的过刻蚀速率与刻蚀时间的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术部分所述，现有通用的气体分布板在等离子体工艺过程中，很容易被等离子体刻蚀，影响了等离子体工艺过程的稳定性，进而降低了芯片的生产良率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种表面稳定性高的气体分布板。具体参见以下实施例。

如图1所示，本发明提供的气体分布板，包括基底01以及包覆基底01表面的耐等离子体刻蚀涂层02，其中，组成所述耐等离子体刻蚀涂层02的材料不与等离子体发生反应。这样，包覆基底01表面的耐等离子体刻蚀涂层02相当于气体分布板基底的保护层，该保护层避免了基底01与等离子体的接触，因而可以避免等离子体对基底01的刻蚀，避免等离子体对气体分布板造成的破坏，提高了气体分布板的使用寿命。

此外，在等离子体反应腔室内，等离子体的密度会因为不同等离子体刻蚀工艺而分布不均匀，也就是说，在反应腔室内的不同位置具有不同的等离子体分布密度，所以，当等离子体对气体分布板表面发生刻蚀时，等离子体对气体分布板表面的不同位置发生反应及所产生的刻蚀程度不同，如果等离子体与气体分布板表面发生反应生成新物质时，那么由于等离子体在气体分布板表面的不同位置的密度不同，因而在气体分布板表面形成的新物质也就分布不均匀，因而也就形成了表面不均匀的气体分布板，有可能导致气体分布板的一部分表面为未反应的气体分布板的材质，另一部分为反应后生成的新物质，由于不同物质对等离子体反应速率有不同的影响，因而这种表面不均匀的气体分布板导致等离子体与位于不同位置的芯片的反应具有不同的反应速率，导致了等离子体刻蚀工艺的漂移，这种气体分布板无法保证等离子体工艺的稳定性，降低了芯片的生产良率。

而在本发明提供的气体分布板中，由于包覆气体分布板基底的耐等离子体刻蚀涂层的材料不与等离子体发生反应，保证了气体分布板表面的稳定性和均匀性，这样，在气体分布板表面的任何位置的表面物质均是耐等离子体刻蚀涂层，因而，等离子体与不同位置的芯片反应均具有相同的反应速率，因而也就保证了等离子体工艺过程的稳定性，克服了由于等离子体与气体分布板表面发生反应在气体分布板的表面生成不均匀分布的物质由此导致的等离子体工艺漂移的缺陷，进而提高了芯片的生产良率。

需要说明的是，本发明实施例所述等离子体工艺不限于等离子体刻蚀工艺，本发明实施例所述的等离子体工艺还可以包括等离子体加工工艺。

本发明所述的气体分布板的基底的材质可以为金属、合金或陶瓷，也可以为其他复合物材料。目前，化学气相沉积法生长的碳化硅SiC板广泛用作气体分布板。该碳化硅SiC板可以用作在等离子体刻蚀工艺中面向等离子体的板。这是因为CVD-SiC材料具有优异的电性能和热传导性能、高纯度以及较低的颗粒污染风险。

作为本发明的一个实施例，本发明所述的耐等离子体刻蚀涂层的组分可以为氟化钇YF₃，此时形成的气体分布板为氟化钇YF₃层包覆的气体分布板。该等离子体涂层的组分也可以为氟氧化钇YFO，此时形成的气体分布板为氟氧化钇层包覆的气体分布板。需要说明的是，在氟氧化钇层中，氧的原子百分含量可以达到50%。该耐等离子体刻蚀涂层的组分还可以为氟化钇YF₃和氟氧化钇YFO两种组分，此时形成的气体分布板为由氟化钇YF₃和氟氧化钇YFO组成的复合层包覆的气体分布板。其中，由氟化钇和氟氧化钇共同组成的复合层可以为两层或两层以上的多层结构。该多层结构可以是氟化钇层和氟氧化钇层交替形成的叠层结构，也可以是氟化钇或氟氧化钇的混合物构成的多层结构。该多层结构还可以为至少一组相邻的氟化钇层和氟氧化钇层由于原子扩散形成的混合层结构。

形成氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层具体可以通过以下工艺方法中的一种或几种，该工艺方法包括等离子体增强物理气相沉积（PEPVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、等离子体喷涂（plasma spray，PS）、或溶胶-凝胶法(sol-gel)等。其中，为了淀积形成密实的无孔涂层，优选采用PEPVD工艺方法。这些耐等离子涂层的厚度根据需要可以为大于0.5微米以上的厚度。进一步地，该氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层的厚度可以在1微米以上。更进一步地，该氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层的厚度可以在1至150微米之间。更进一步地，根据需要，该氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层的厚度也可以达到150微米以上。

另外，为了得到具有更好稳定结构和更高耐等离子体刻蚀性能的氟化钇YF₃和氟氧化钇YFO组成的复合层，该复合层可以通过PEPVD或其它淀积工艺形成氟化钇YF₃和氟氧化钇YFO交替形成的多层结构。该复合层也可以通过PEPVD或其它淀积工艺形成由氟化钇YF₃和氟氧化钇YFO的混合物组成的涂层。

作为本发明的另一实施例，所述的耐等离子体刻蚀涂层还可以为包括氧化钇层Y₂O₃以及氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层的多层结构，其中，氧化钇Y₂O₃层包覆气体分布板的表面，氟化钇YF3层和/或氟氧化钇YFO层包覆氧化钇层的表面。需要说明的是，本实施例所述的氟化钇YF₃层和/氟氧化钇或YFO层的多层结构可以与上述实施例所述的氟化钇YF₃层和/或氟氧化钇YFO层的结构相同。

为了降低等离子体对气体分布板的腐蚀进而提高气体分布板的使用寿命，可以在气体分布板的基底表面上淀积一层包覆基底表面的氧化钇Y₂O₃材料层。氧化钇材料能够提高气体分布板基底表面的耐等离子体刻蚀性能，但是，在含氟等离子体的工艺过程中，氧化钇Y₂O₃会与氟离子或原子反应生成氟化钇YF₃。由于在等离子体工艺过程中，等离子体在反应腔室内的分布密度有可能不均匀，所以在氧化钇Y₂O₃表面的不同位置，氟化钇YF₃的生长速率不同，导致氧化钇Y₂O₃表面上的氟化钇YF₃的厚度不均匀，这会引起氟化钇YF₃表面的断裂或分层。而且，由于等离子体在反应腔室内的不均匀分布，也有可能导致气体分布板上仅部分表面生成了氟化钇YF₃，另一部分表面没有生成氟化钇YF₃，仍然为氧化钇Y₂O₃。这样由于位于气体分布板表面的材料不同会对晶圆或芯片表面的等离子体反应速率产生不同的影响，因此，在气体分布板表面的氧化钇Y₂O₃和氟化钇YF₃会引起等离子体与芯片或晶圆的反应速率的不均一，从而破坏了工艺的稳定性进而降低了芯片的生产良率。

为了清楚地描述采用表面包覆有氧化钇Y₂O₃的气体分布板对等离子体工艺稳定性的影响，下面以表面包覆有氧化钇Y₂O₃的气体分布板用于等离子刻蚀工艺为例结合图2（a）至图2（d）进行说明。图2（a）是未在含氟等离子体反应室内使用的气体分布板上的氧化钇层的化学成分图，图2（b）是在含氟的等离子体反应室使用后的气体分布板上的氧化钇层的化学成分图。从该图2（a）和图2（b）中可以看出，未使用的气体分布板的表面组分中只含有钇元素和氧元素，而用于等离子体工艺之后的气体分布板的表面组分中不仅还有钇元素和氧元素，还含有高浓度氟元素。这表明，在使用过程中，气体分布板的表面Y₂O₃涂层的组分发生了变化，其由Y₂O₃向含有少量氧的YF₃转变。

图2（c）和图2（d）分别为采用表面包覆有氧化钇Y₂O₃的气体分布板的等离子体反应腔室内的等离子体对晶圆上的氧化物的主刻蚀速率和过刻蚀速率与刻蚀时间的关系图。其中，等离子体主刻蚀工艺中的等离子体由四氟化碳（CF₄）、氧（O₂）和氩（Ar）混合气体离化产生，而等离子体过刻蚀工艺中的等离子体由八氟化四碳（C₄F₈）、氧（O₂）和氩（Ar）混合气体离化形成。从图2（c）和图2（d）中可以看出，当气体分布板的表面为Y₂O₃时，等离子体对氧化物的主刻蚀速率和过刻蚀速率较小。对主刻蚀工艺来说，刻蚀时间至少超过5小时刻蚀速率才能稳定；对于过刻蚀工艺来说，刻蚀时间至少超过2小时，刻蚀速率才能稳定。这表明采用表面为氧化钇的气体分布板的等离子刻蚀工艺的稳定性较差，尤其在等离子刻蚀最初的几个小时内。

为了防止包覆在气体分布板基底表面的氧化钇Y₂O₃层与氟、氧等离子体的不均匀反应，提高等离子刻蚀工艺的稳定性，本发明提供的包覆气体分布板基底表面的耐等离子体刻蚀涂层还包括淀积在氧化钇Y₂O₃涂层上的氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层，该氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层包覆氧化钇Y₂O₃的表面。其中，氟氧化钇YFO是含有氧的以氟化钇为主体的涂层，其中，氧的原子百分含量可以高达50%。所述的氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层的厚度很据需要可以为大于0.5微米以上的厚度，进一步地，该氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层的厚度可以在0.5至150微米之间。进一步地，根据需要，该氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层的厚度也可以达到150微米以上。

包覆有氟化钇YF₃和或氟氧化钇YFO涂层的气体分布板的表面稳定性高，这是因为氟化钇YF₃和/或氟氧化钇YFO涂层表面不与含氟氧的等离子体反应，能够防止在氧化钇Y₂O₃的表面上由于形成或生长YF₃或YFO而引起在氧化物的主刻蚀和过刻蚀工艺中的刻蚀速率的漂移。

上述所述的YF₃和/或YFO涂层可以采用以下方法形成：

第一种:

可以通过等离子体喷涂（plasma spray，PS）（也称热喷涂（thermal spray），TS）、溶胶-凝胶（sol-gel）或其它方法形成。

第二种：

通过连续淀积方法，采用与Y₂O₃相同的工艺方法在Y₂O₃的表面上连续淀积YF₃和/或YFO涂层。该连续淀积方法包括但不限于等离子喷涂方法（在PS方法形成的Y₂O₃的表面上形成PS YF₃涂层）、溅射法、离子辅助淀积方法或其它PVD及PEPVD方法。

第三种：

在等离子体工艺前，在反应腔室内，用氟等离子体对Y₂O₃的表面进行等离子预处理，从而在反应腔室内原位生成一层密实的YF₃或YFO涂层。形成的YF₃或YFO涂层的厚度与Y₂O₃涂层的厚度的比值可以根据工艺要求调整。

为了形象地表示上述结构的气体分布板的有益效果，下面结合图3（a）至图3（d）进行说明。

图3（a）是氟化钇YF₃层包覆的气体分布板的截面结构示意图。该YF₃涂层由PEPVD工艺淀积形成。YF₃的化学组分由SEM/EDX分析得到，具体如图3（b）所示，在YF₃表面组分仅包括钇元素和氟元素。采用该结构的气体分布板用于等离子体刻蚀工艺中，在最初90小时的刻蚀时间内，氧化物的主刻蚀的刻蚀速率的变化率小于2%，如图3（c）所示。在最初90小时的刻蚀时间内，氧化物的过刻蚀的刻蚀速率的变化率小于1%。如图3（d）所示。而当使用表面为Y₂O₃的气体分布板时，最初30小时的刻蚀时间内，氧化物的主刻蚀速率和过刻蚀速率的变化了率分布高于2%，其结果分别如图2（c）和图2（d）所示。

由上述实验结果可知，采用表面包覆有YF₃和/或YFO的气体分布板，其刻蚀速率的变化率明显减小，也就是说，在不同时间段内的刻蚀速率几乎是恒定的，因而，采用表面包覆有YF₃和/或YFO的气体分布板，提高了等离子体刻蚀工艺的稳定性，进而提高了芯片的生产良率。

此外，为了消除等离子体工艺或刻蚀速率的漂移，作为本发明的又一实施例，所述的耐等离子体刻蚀涂层还可以为氧化铒涂层。所述的耐等离子体刻蚀涂层也可以包括氧化钇层和氧化铒层，其中，氧化钇层包覆基底表面，氧化铒包覆氧化钇层表面。形成氧化铒层的工艺方法可以与形成YFO或YF₃的工艺方法相同。另外，形成氧化铒层的厚度也与形成的YFO或YF₃的厚度基本一致。为了简要起见，可以参见上述实施例描述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种气体分布板，应用于等离子体工艺系统中，包括，基底，其特征在于，还包括，

包覆基底表面的耐等离子体刻蚀涂层，组成所述耐等离子体刻蚀涂层的材料不与等离子体工艺过程中的等离子体发生反应。

2.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层包括氟化钇层和/或氟氧化钇层，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层的厚度大于0.5微米。

3.根据权利要求2所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层还包括氧化钇层，所述氧化钇层包覆所述基底表面，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层包覆所述氧化钇层。

4.根据权利要求2所述的气体分布板，其特征在于，所述氟化钇层和/或氟氧化钇层的形成方法为等离子体增强物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积、等离子体喷涂或化学气相沉积。

5.根据权利要求2-4任一项所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层的结构为由氟化钇层和氟氧化钇层交替组成的多层结构。

6.根据权利要求2-4任一项所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层包括由氟化钇和氟氧化钇组成的混合物构成的涂层。

7.根据权利要求2或3所述的气体分布板，其特征在于，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为等离子喷涂或溶胶-凝胶法。

8.根据权利要求3所述的气体分布板，其特征在于，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为采用与所述氧化钇层相同的淀积方法。

9.根据权利要求2或3所述的气体分布板，其特征在于，所述氟化钇层或氟氧化钇层的形成方法为采用氟等离子体对所述氧化钇层进行等离子体预处理原位形成的。

10.根据权利要求1所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层包括氧化铒层。

11.根据权利要求10所述的气体分布板，其特征在于，所述耐等离子体刻蚀涂层还包括氧化钇层，所述氧化钇层包覆所述基底表面，所述氧化铒层包覆所述氧化钇层。