CN105097423A

CN105097423A - 等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法

Info

Publication number: CN105097423A
Application number: CN201410199553.4A
Authority: CN
Inventors: 严琰; 童浩
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: CN105097423B

Abstract

本发明公开了一种等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法。该等离子体反应器包括喷头电极，围绕喷头电极设置有吸附负电颗粒的装置。该方法包括以下步骤：通过围绕等离子体反应腔室内的喷头电极设置的吸附负电颗粒的装置来吸附负电颗粒。本发明的发明人发现，等离子体反应腔室内造成污染的颗粒绝大数是带负电的颗粒，因此，应用本发明的技术方案，围绕喷头电极设置吸附负电颗粒的装置，就可以有效的将造成污染的颗粒吸附清除。

Description

等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法

技术领域

本发明涉及半导体制备技术领域，具体而言，涉及一种等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法。

背景技术

随着对超大规模集成电路的集成度和性能的需求逐渐增加，器件的特征尺寸为适应更高集成度和更高性能的要求不断缩小，尘埃颗粒在等离子体反应器中的存在可能导致晶片的污染，从而严重地降低所得到的产品的质量。在半导体集成电路制造过程中，表面颗粒污染是良率损失的重要因素之一，这就使控制微电子制造过程中的表面污染变得越来越关键。在造成污染的颗粒中，等离子体产生的颗粒是最主要的污染源。

高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)以其卓越的填孔能力、稳定的沉积质量、可靠的电学特性等诸多优点被广泛采用，其最大的特点在于在同一个反应腔室中同步地进行沉积和刻蚀工艺。HDPCVD技术通常用于浅沟槽隔离(STI)制作技术当中，用于在沟槽中进行反复填充-刻蚀的过程。

硅片的等离子体刻蚀原理是：在低压下，工艺气体在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体，等离子体是由带电的电子和离子组成，刻蚀腔中的工艺气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团；活性反应基团和被刻蚀硅片表面形成化学反应并形成反应生成物；反应生成物脱离被刻蚀表面，并被真空系统抽出反应腔室。

而在等离子体刻蚀工艺中，刻蚀过程会产生非挥发性副产物沉积于反应腔室内壁表面。随着刻蚀工艺进行，反应腔室内壁沉积物不断堆积，使得工艺过程中的反应腔室环境不断变化，这种变化影响到刻蚀速率及其均匀性等工艺参数，造成刻蚀工艺参数的漂移。另外，沉积物附着在腔室表面后会产生开裂的现象，从而会在反应腔室内产生大量的颗粒使得半导体晶片的良品率显著降低。

由于沉积物开裂会在反应腔室内产生大量的杂质颗粒，而对于刻蚀设备来说，颗粒的多少是衡量机台性能的指标之一，因此如何改善刻蚀过程中的颗粒状况是提高刻蚀工艺的一个重要方面。影响刻蚀过程中颗粒状况的因素很多，除了上述的等离子体放电过程之外，还有诸如晶片从平台传输到腔室的过程中的机械振动和摩擦、反应聚合物的剥落以及等离子体的瞬间关闭而产生的颗粒等。所产生的颗粒带来的刻蚀污染是造成刻蚀工艺产率下降的重要因素之一。颗粒通常粘附在晶片的表面，造成工艺缺陷，直接影响下一道工艺的进行。例如，颗粒会使多晶硅层互相搭连，造成短路。

在刻蚀工艺中，一般每个刻蚀步骤之间等离子体都会关闭，会在很短的时间内依次关闭下电极电源、上电极电源以及各种工艺气体等。而瞬间关掉等离子体会使得带电的颗粒仍然维持原来的方向，从而大量的颗粒会落在晶片的表面，对工艺会产生很大的危害。

目前，传统的解决颗粒状况的方法有以下几种。一种是等离子体工艺后的清除，优化泵的条件，其中包括气体流量、压力、射频、吹扫和泵时间微调等，但仍不能消除所有等离子体工艺中产生的颗粒。

另一种方法是在刻蚀工艺前对反应腔室进行清洗。例如干法清洗，即在反应腔室中没有晶片的情况下，通入清洗用反应气体，在不开启下电极的同时开始上电极形成等离子体，这种等同腔室表面的沉积物发生各向同性刻蚀，生成易挥发性物质，通过真空系统抽出腔室，从而达到去除腔室表面沉积物的作用。但现有技术中的清洗方法，清洗完反应腔室后，腔室内仍存在一定数量的颗粒，不能对反应腔室中的颗粒进行彻底清除。

还有一种方法是在晶片进行放电沉积之前，对反应腔室的内壁进行一层保护膜预沉积。即先对反应腔室进行等离子体放电清洗，再对反应腔室进行预热，最后在反应腔室内壁沉积一层保护膜。但是，采用现有工艺发现形成于腔室内部的保护膜在高功率的射频作用下沉积不均匀，有的地方厚，有的地方薄，导致与腔室内壁黏附的不牢固。在HDPCVD工艺中，分布不均匀的保护膜受到等离子体的剧烈碰撞很容易脱落，导致晶圆表面出现颗粒缺陷。

因此，需要一种新的方法，能够有效改善在等离子体工艺中反应腔室中的颗粒状况的问题，提高良品率。

发明内容

本发明旨在提供一种等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法，以解决现有技术中等离子体反应腔室中的颗粒污染的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种等离子体反应器。该等离子体反应器包括喷头电极，围绕喷头电极设置有吸附负电颗粒的装置。

进一步地，吸附负电颗粒的装置为能够加载正偏压的多孔金属-陶瓷环。

进一步地，多孔金属-陶瓷环的内径大于喷头电极外径8～12mm。

进一步地，多孔金属-陶瓷环朝向喷头电极的喷射面的表面低于喷头电极的喷射面5～10mm。

进一步地，多孔金属-陶瓷环通过以下工艺制备得到：将氧化铝粉末和氧化镍粉末以重量比为4:6～5:5的比例与有机溶剂、造孔剂、分散剂、粘合剂、增塑剂混合，得到的混合物粘度为2.5～6PA？S；将混合物放入模具中制得模型；以及将模型在1400℃～1550℃烧结得到多孔金属-陶瓷环。

进一步地，有机溶剂为乙醇和丁酮，造孔剂为淀粉、分散剂为三乙醇胺、粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、增塑剂为聚乙二醇。

进一步地，乙醇和丁酮的体积比为1.9～2.1:1，造孔剂占混合物的质量百分含量为30％～50％，分散剂占混合物的体积百分含量为30％～50％，粘合剂占混合物的质量百分含量为8％～11％，增塑剂占混合物的质量百分含量为6％～10％。

根据本发明的另一个方面，提供一种清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法。该方法包括以下步骤：通过围绕等离子体反应腔室内的喷头电极设置的吸附负电颗粒的装置来吸附负电颗粒。

进一步地，吸附负电颗粒的装置为加载有正偏压的多孔金属-陶瓷环，方法包括以下步骤：S1，围绕喷头电极设置多孔金属-陶瓷环，以及S2，对多孔金属-陶瓷环施加正偏压。

进一步地，根据等离子体反应腔室的射频设置正偏压。

进一步地，乙醇和丁酮的体积比为1.9～2.1:1，造孔剂占混合物的质量百分含量为30％～50％，分散剂占混合物的体积百分含量为30％～50％，粘合剂占混合物的质量百分含量为8％～11％，增塑剂占混合物的质量百分含量为6％～10％。本发明的发明人发现，等离子体反应腔室内造成污染的颗粒绝大数是带负电的颗粒，因此，应用本发明的技术方案，围绕喷头电极设置吸附负电颗粒的装置，就可以有效的将造成污染的颗粒吸附清除。由于采用本发明的技术方案，是在等离子体反应腔室工作的过程中对造成污染的颗粒进行清除，所以省略了现有技术中每次沉积之后单独设置的清洗步骤，避免了清洗步骤造成的时间浪费和机器损耗；另外，应用本发明的技术方案，可以在现有的设备上进行改装，不需要对原有设备做过大的改动，仅仅添加一个吸附负电颗粒的装置即可，此方案简单易行，非常适合工业化生产的应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明实施方式所提供的设置有多孔金属-陶瓷环的喷头电极的结构示意图；以及

图2示出了多孔金属-陶瓷吸附污染颗粒的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

现有技术中典型的等离子体反应器通常包括壳体，壳体中具有反应腔室，反应腔室的顶部和底部分别相对应地设有上极板和下极板。上极板和下极板之间由绝缘部件隔离，下极板的顶部可以支撑待处理加工工件。上述加工工件应当包括晶片以及具有相同加工原理的其他加工工件。

等离子体反应器工作时，通过干泵等真空获得装置在反应腔室中制造并维持接近真空的状态。在此状态下，通过气体分配装置向反应腔室中均匀地输入气体，并在上极板和下极板之间输入适当的射频，从而激活所述气体，进而在加工工件的表面产生并维持等离子体环境。由于强烈的刻蚀以及淀积能力，所述等离子体可以与所述加工工件发生刻蚀或者淀积等物理化学反应，以获得所需要的刻蚀图形或者淀积层。上述物理化学反应的副产物由真空获得装置从反应腔室中抽出。

现有技术中一种典型的气体分布装置包括大体呈圆形的支撑板，支撑板位于反应腔室顶部中央，并设有进气孔。支撑板的下方固定连接有同样大体呈圆形的喷头电极，喷头电极与支撑板同轴，且两者的连接部位保持气密封，且两者之间形成以气体分配腔室。喷头电极均匀地分布着多个通气孔，气体可以经由该通气孔流入等离子体反应器的反应腔室中。

从背景技术的介绍可以看出，等离子反应腔室内容易有颗粒污染，且采用现有技术中几种颗粒清除的方法，操作较为麻烦，且污染颗粒不能清除干净，针对此技术问题，本申请提出了一种等离子体反应器及清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法。

该等离子体反应器包括喷头电极，如图1所示，围绕喷头电极10设置有吸附负电颗粒的装置。该技术方案的提出，是基于以下发现进行的：等离子体反应腔室内造成污染的颗粒绝大数是带负电的颗粒。

因此，应用本发明的技术方案，围绕喷头电极设置吸附负电颗粒的装置，就可以有效的将造成污染的颗粒吸附清除，特别是将喷头电极上形成的污染颗粒清楚。由于采用本发明的技术方案，是在等离子体反应腔室工作的过程中对造成污染的颗粒进行清除，所以省略了现有技术中每次沉积之后单独设置的清洗步骤，避免了清洗步骤造成的时间浪费和机器损耗；另外，应用本发明的技术方案，可以在现有的设备上进行改装，不需要对原有设备做过大的改动，仅仅添加一个吸附负电颗粒的装置即可，此方案简单易行，非常适合工业化生产的应用。

本发明中吸附负电颗粒的装置可以是结构复杂的装置，亦可以是结构简单的部件。在本发明一种典型的实施方式中，吸附负电颗粒的装置为能够加载正偏压的多孔金属-陶瓷环20，如图1所示。图2中示出了多孔金属-陶瓷吸附污染颗粒的结构示意图，造成等离子反应腔室污染的颗粒30带有负电，被带有正电的多孔金属-陶瓷所吸附，部分的颗粒30被多孔金属-陶瓷小孔21所捕获。因为金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性，非常适合应用于等离子体反应器；而且，多孔的结构对颗粒有很好的吸附性能，其允许气体通过，不会对气体的扩散造成不良影响；另外，该装置结构简单，材料易得，易在工业中实施。

多孔金属-陶瓷环的尺寸设计可以根据实际情况进行，优选的，多孔金属-陶瓷环的内径大于喷头电极外径8～12，进一步优选地为10mm。这样，在应用等离子体反应器工作一段时间后，当在给定的等离子体条件下多孔金属-陶瓷环捕获的颗粒浓度达到饱和，颗粒就可以通过该喷头的周围的间隙释放，根据实际情况，可以在多次沉积之后，对等离子反应腔室进行清洁，这时可以将多孔金属-陶瓷环上的污染颗粒彻底清除干净，或是在喷头电极进行超声波清洗的过程中，将多孔金属-陶瓷环一并彻底清洁。进一步优选的，多孔金属-陶瓷环朝向喷头电极的喷射面的表面低于喷头电极的喷射面5～10mm，特别优选地为5mm，这样更方便颗粒的吸附，又不会对喷头电极的工作造成影响。

本发明中的多孔金属-陶瓷环可以通过现有技术中的工艺制备，优选的，通过以下工艺制备得到：将氧化铝粉末和氧化镍粉末以重量比为4:6～5:5的比例与有机溶剂、造孔剂、分散剂、粘合剂、增塑剂混合，得到的混合物粘度为2.5～6PA？S；将混合物放入模具中制得模型；以及将模型在1400℃～1550℃烧结得到多孔金属-陶瓷环。通过该工艺制备的多孔金属-陶瓷环的理化性能更加适合用于等离子体反应腔室的工作环境及要求，而且该多孔金属-陶瓷环的多空结构，比表面积大，更利于吸引小污染颗粒。

优选的，有机溶剂为乙醇和丁酮，造孔剂为淀粉、分散剂为三乙醇胺、粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、增塑剂为聚乙二醇。进一步优选的，乙醇和丁酮的体积比为1.9～2.1：1，特别优选地为2:1，造孔剂占混合物的质量百分含量为30％～50％，分散剂占混合物的体积百分含量为30％～50％，粘合剂占混合物的质量百分含量为8％～11％，增塑剂占混合物的质量百分含量为6％～10％。

在本发明中，还提供了一种清除等离子体反应腔颗粒污染的方法，该方法包括以下步骤：通过围绕等离子体反应腔内的喷头电极设置的吸附负电颗粒的装置来吸附负电颗粒。与上述等离子体反应器技术方案的提出一样，该方法的提出也是基于等离子体反应腔室内造成污染的颗粒绝大数是带负电的颗粒的发现。

应用本发明的方法，围绕喷头电极设置吸附负电颗粒的装置，就可以有效的将造成污染的颗粒吸附清除，省略了现有技术中单独设置的清洗步骤，避免了清洗步骤造成的时间浪费和机器损耗；另外，可以在现有的设备上进行改装，不需要对原有设备做过大的改动，仅仅添加一个吸附负电颗粒的装置即可，此方案简单易行，非常适合工业化生产的应用。

在本发明一种典型的实施方式中，吸附负电颗粒的装置为加载有正偏压的多孔金属-陶瓷环，方法包括以下步骤：S1，围绕喷头电极设置多孔金属-陶瓷环，以及S2，对多孔金属-陶瓷环施加正偏压。在该技术方案中，金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性，非常适合应用于等离子体反应器；而且，多孔的结构对颗粒有很好的吸附性能，其允许气体通过，不会对气体的扩散造成不良影响；另外，该装置结构简单，材料易得，易在工业中实施。

其中，上述正偏压的大小可以根据实际情况进行设定，主要是根据等离子体反应腔的射频设置正偏压。

孔金属-陶瓷环的尺寸设计可以根据实际情况进行，优选的，多孔金属-陶瓷环的内径大于喷头电极外径8～12，进一步优选地为10mm，多孔金属-陶瓷环朝向喷头电极的喷射面的表面低于喷头电极的喷射面5～10mm，特别优选地为5mm。这样，在应用等离子体反应器工作一段时间后，当在给定的等离子体条件下多孔金属-陶瓷环捕获的颗粒浓度达到饱和，颗粒就可以通过该喷头的周围的间隙释放。

本发明中的多孔金属-陶瓷环可以通过现有技术中的工艺制备，优选的，通过以下工艺制备得到：将氧化铝粉末和氧化镍粉末以重量比为4:6～5:5的比例与有机溶剂、造孔剂、分散剂、粘合剂、增塑剂混合，得到的混合物粘度为2.5～6PA？S；将混合物放入模具中制得模型；以及将模型在1400℃～1550℃烧结得到多孔金属-陶瓷环。通过该工艺制备的多孔金属-陶瓷环的理化性能更加适合用于等离子体反应腔室的工作环境及要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种等离子体反应器，包括喷头电极，其特征在于，围绕所述喷头电极设置有吸附负电颗粒的装置。

2.根据权利要求1所述的等离子体反应器，其特征在于，所述吸附负电颗粒的装置为能够加载正偏压的多孔金属-陶瓷环。

3.根据权利要求2所述的等离子体反应器，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环的内径大于所述喷头电极外径8～12mm。

4.根据权利要求2所述的等离子体反应器，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环朝向所述喷头电极的喷射面的表面低于所述喷头电极的喷射面5～10mm。

5.根据权利要求2所述的等离子体反应器，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环通过以下工艺制备得到：

将氧化铝粉末和氧化镍粉末以重量比为4:6～5:5的比例与有机溶剂、造孔剂、分散剂、粘合剂、增塑剂混合，得到的混合物粘度为2.5～6PA？S；

将所述混合物放入模具中制得模型；以及

将所述模型在1400℃～1550℃烧结得到所述多孔金属-陶瓷环。

6.根据权利要求5所述的等离子体反应器，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇和丁酮，所述造孔剂为淀粉、所述分散剂为三乙醇胺、所述粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为聚乙二醇。

7.根据权利要求6所述的等离子体反应器，其特征在于，所述乙醇和丁酮的体积比为1.9～2.1:1，所述造孔剂占所述混合物的质量百分含量为30％～50％，所述分散剂占所述混合物的体积百分含量为30％～50％，所述粘合剂占所述混合物的质量百分含量为8％～11％，所述增塑剂占所述混合物的质量百分含量为6％～10％。

8.一种清除等离子体反应腔室颗粒污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：通过围绕所述等离子体反应腔室内的喷头电极设置的吸附负电颗粒的装置来吸附负电颗粒。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述吸附负电颗粒的装置为加载有正偏压的多孔金属-陶瓷环，所述方法包括以下步骤：

S1，围绕所述喷头电极设置所述多孔金属-陶瓷环，以及

S2，对所述多孔金属-陶瓷环施加正偏压。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述等离子体反应腔室的射频设置所述正偏压。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环的内径大于所述喷头电极外径8～12mm。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环朝向所述喷头电极的喷射面的表面低于所述喷头电极的喷射面5～10mm。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多孔金属-陶瓷环通过以下工艺制备得到：

将所述混合物放入模具中制得模型；以及

将所述模型在1400℃～1550℃烧结得到所述多孔金属-陶瓷环。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇和丁酮，所述造孔剂为淀粉、所述分散剂为三乙醇胺、所述粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛、所述增塑剂为聚乙二醇。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述乙醇和丁酮的体积比为1.9～2.1:1，所述造孔剂占所述混合物的质量百分含量为30％～50％，所述分散剂占所述混合物的体积百分含量为30％～50％，所述粘合剂占所述混合物的质量百分含量为8％～11％，所述增塑剂占所述混合物的质量百分含量为6％～10％。