CN106298422A - 反应腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反应腔室及半导体加工设备，其包括用于产生等离子体的工艺腔、设置在所述工艺腔顶部的点火装置和射频源，其中，点火装置用于使位于点火装置部分的等离子体启辉；射频源用于分别向第一射频线圈和点火装置提供射频能量，并通过对第一射频线圈和点火装置获得的射频能量进行分配调节，而使位于点火装置部分以及工艺腔内的等离子体顺序启辉。本发明提供的反应腔室，其可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

Description

反应腔室及半导体加工设备

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术

在半导体制造工艺中，电感耦合等离子体(Inductively CoupledPlasma，以下简称ICP)设备可以在较低的工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单、造价低，同时可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶片上的粒子能量)独立控制，因此，ICP设备被广泛应用于等离子体刻蚀(IC)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(CVD)、微电子机械系统(MEMS)和发光二极管(LED)等工艺中。

目前，在预清洗工艺中，通常利用电感耦合等离子体产生高密度等离子体来处理基片。预清洗腔室的组成如图1所示，该腔室由腔室壁1、绝缘筒4以及进气盖板5构成一封闭空间，其中，在进气盖板5的中心位置处设置有进气口6，且在腔室壁1的底部设置有排气口7；在腔室内部设置有用于承载基片的承载台10，该承载台10通过导线依次与第一匹配网络11和第一射频源12连接。而且，在腔室的外部，且在绝缘筒4的外围环绕设置有射频线圈3，作为射频的天线，并通过导线依次与第二匹配网络8和第二射频源9连接。此外，在射频线圈3的外部还罩设有屏蔽罩2，该屏蔽罩2与腔室壁1连接并接地，用以达到屏蔽射频的作用。

在进行工艺时，首先通过进气口6向腔室内通入大流量的氩气，并调节排气口7的排气流量，以使得腔室内的气压保持在10mT以上；开启第二射频源9，其通过第二匹配网络8将射频能量馈入射频线圈3，射频能量以电磁波的形式穿透绝缘筒4，并进入腔室内，激发氩气形成等离子体；然后，开启第一射频源12，其通过第一匹配网络11将射频能量馈入承载台10，产生一个负偏压的电场，吸引等离子体中的氩离子向下运动，轰击基片表面。至此启辉步骤完成，之后，通过减小通入腔室的氩气流量，并调节排气口7的排气流量，以使得腔室内的气压降低至1mT以下(0.5～0.8mT)，此后开始进行工艺直至完成。

为了实现均匀性的物理刻蚀结果，上述预清洗工艺通常需要在较低的工艺气压(1mT左右)下进行，但是较低的工艺气压会导致电感耦合等离子体启辉困难，甚至根本无法启辉，因此，需要将工艺过程分为启辉与工艺两步，而这又会存在以下问题：

其一，在启辉步骤中，工艺气压较高(10mT以上)，各种粒子的自由程较短，离子的方向性较差，此时向承载台10施加负偏压的施加，以吸引氩离子轰击基片，会造成刻蚀均匀性的恶化。此外，由于高气压启辉区域距离基片较近，启辉瞬间容易因启辉电压较高损伤基片。

其二，在完成启辉，并开始工艺时，需要减小通入腔室的氩气流量，并调节排气口7的排气流量，以将工艺气压降低至1mT以下，也就是说，在进行工艺时，工艺气压会产生一个从大到小的变化过程，这不利于整个工艺的稳定性，甚至会出现断辉的情况。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室及半导体加工设备，其可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性，而且可以提高刻蚀均匀性，避免启辉电压较高损伤基片。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，反应腔室包括用于产生等离子体的工艺腔，在所述工艺腔的周围环绕设置有第一射频线圈；还包括：点火装置，设置在所述工艺腔顶部，用于使位于所述点火装置部分的等离子体启辉；射频源，用于分别向所述第一射频线圈和所述点火装置提供射频能量，并通过对所述第一射频线圈和所述点火装置获得的射频能量进行分配调节，而使位于所述点火装置部分以及所述工艺腔内的等离子体顺序启辉。

具体地，所述点火装置包括：绝缘筒，与所述工艺腔相连通；进气盖板，设置在所述绝缘筒的顶部，且具有进气口，用于向所述绝缘筒内输送工艺气体；第二射频线圈，环绕设置在所述绝缘筒的周围，且与所述射频源电连接。

具体地，在所述工艺腔的顶部设置有开口，所述绝缘筒与所述开口相连通；在所述工艺腔的底部设置有排气口。

具体地，所述射频源包括：第一匹配网络，包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端与所述第一射频线圈电连接，所述第二输出端与所述点火装置电连接；第一射频电源，用于向所述第一匹配网络输出射频功率。

具体地，所述射频源包括：第一匹配网络，与所述第一射频线圈电连接；第一射频电源，用于向所述第一匹配网络输出射频功率；第二匹配网络，与所述点火装置电连接；第二射频电源，用于向所述第二匹配网络输出射频功率。

具体地，所述绝缘筒的内径大于15mm。

具体地，所述反应腔室还包括：用于承载基片的承载台，设置在所述工艺腔内；第三匹配网络，与所述承载台电连接；第三射频电源，用于向所述第三匹配网络输出射频功率。

具体地，所述反应腔室用于进行预清洗工艺。

作为另外一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明另一技术方案提供的反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其通过在工艺腔顶部设置有点火装置，用于使位于其所在部分的等离子体启辉，并通过利用射频源对第一射频线圈和点火装置获得的射频能量进行分配调节，而使位于点火装置部分以及工艺腔内的等离子体顺序起辉，可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

附图说明

图1为现有的预清洗腔室的剖视图；

图2为本发明提供的反应腔室的原理框图；以及

图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图2为本发明提供的反应腔室的原理框图。请参阅图2，反应腔室包括用于产生等离子体的工艺腔100、点火装置200和射频源300，其中，在该工艺腔100的周围环绕设置有第一射频线圈400。点火装置200设置在工艺腔100顶部，用于使位于点火装置200部分的等离子体启辉。射频源300用于分别向第一射频线圈400和点火装置提供射频能量，并通过对第一射频线圈400和点火装置200获得的射频能量进行分配调节，而使位于点火装置200部分以及工艺腔100内的等离子体顺序启辉。需要说明的是，本发明提供的反应腔室是利用点火装置200的结构，该结构可以形成满足位于点火装置200部分的等离子体顺利启辉的高气压，以及利用射频源300对第一射频线圈400和点火装置200获得的射频能量进行分配调节，而使位于点火装置200部分以及工艺腔100内的等离子体顺序起辉。这样，可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔100内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

下面对本发明提供的反应腔室的具体实施方式进行详细描述。具体地，图3为本发明实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图3，反应腔室包括用于产生等离子体的工艺腔、点火装置和射频源。其中，在该工艺腔的周围环绕设置有第一射频线圈23。点火装置设置在工艺腔顶部，用于使位于点火装置部分的等离子体启辉。射频源用于分别向第一射频线圈23和点火装置提供射频能量，并通过对第一射频线圈23和点火装置获得的射频能量进行分配调节，而使位于点火装置部分以及工艺腔内的等离子体顺序启辉。

具体来说，在本实施例中，工艺腔由腔室壁21、腔室绝缘筒24和腔室进气盖板35，三者构成一封闭空间，用于承载基片的承载台30设置在该封闭空间内，且位于腔室绝缘筒24的下方，并且该承载台30通过导线依次与第三匹配网络31和第三射频电源32连接，用以产生一个负偏压的电场，吸引等离子体中的离子向下运动，轰击基片表面。而且，在工艺腔的周围，即，腔室绝缘筒的外侧环绕设置有第一射频线圈23。在腔室壁21的底部设置有排气口34，用以排出工艺腔内的废气。

点火装置包括绝缘筒26、进气盖板27和第二射频线圈25。其中，在腔室进气盖板35上设置有开口，绝缘筒26设置在腔室进气盖板35上，且与该开口相连通，即，进气盖板27、绝缘筒26和腔室进气盖板35在工艺腔顶部构成另一封闭空间，该封闭空间与工艺腔相连通。而且，进气盖板27设置在绝缘筒26的顶部，且具有进气口33，用于向绝缘筒26内输送工艺气体，工艺气体再经由腔室进气盖板35上的开口进入工艺腔。第二射频线圈25环绕设置在绝缘筒26的周围，且与射频源电连接。

在本实施例中，射频源包括第一匹配网络28和第一射频电源29。其中，第一匹配网络28包括第一输出端和第二输出端，第一输出端与第一射频线圈23电连接，第二输出端与点火装置(即，第二射频线圈25)电连接；第一射频电源29用于向第一匹配网络28输出射频功率。也就是说，上述第一匹配网络28具有双输出端口，用以按预设的功率大小和比例分别向第一射频线圈23和第二射频线圈25输出射频功率，从而实现对第一射频线圈23和点火装置获得的射频能量进行分配调节。

下面采用上述射频源进行工艺的具体流程进行详细描述。具体地，

步骤一，经由进气口33向绝缘筒26内输送工艺气体，同时保持工艺腔内的气压平稳、恒定不变；同时调节排气口34的排气量，以将工艺腔内的气压维持在较低的水平，例如1mT左右。

步骤二，开启第一射频电源29，通过第一匹配网络28调节分别向第一射频线圈23和第二射频线圈25输出的射频功率比例，以使得射频能量能够更多地耦合至第二射频线圈25，从而可以保证点火装置的顺利启辉。之后，再次调节通过第一匹配网络28调节分别向第一射频线圈23和第二射频线圈25输出的射频功率比例，以逐步增加耦合至第一射频线圈23的射频能量，从而可以使工艺腔内的工艺气体开始启辉，形成等离子体。

步骤三，开启第三射频电源32，用以产生一个负偏压的电场，吸引等离子体中的离子向下运动，轰击基片表面，从而完成刻蚀或预清洗工艺。之后，关闭第一射频电源29和第三射频电源32，并关闭进气口33，并通过排气口34排出废气。

由上可知，在整个工艺流程中，工艺腔内的气压是恒定不变的，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

优选的，通过调节腔室绝缘筒26的内径D1与绝缘筒24的内径D2的比值，来使绝缘筒24内的气压满足等离子体启辉条件。在实际应用中，对于绝缘筒24的内径D2与腔室绝缘筒26的内径D1的尺寸控制问题，原则上，腔室绝缘筒26的内径D1要根据点火的低气压条件下的自由程进行确定，以氩气为例，腔室绝缘筒26的内径D1一般要大于15mm，才能使点火装置顺利启辉。而对于绝缘筒24的内径D2，工艺对其尺寸的要求并不高，根据基片尺寸、腔室设计等因素进行设计即可。但需要注意的是，由于电感耦合等离子体在低气压下很难启辉，故根据流体力学的知识，腔室绝缘筒26的内径D1与绝缘筒24的内径D2的比值越小，则腔室绝缘筒26内的气压越高，此时启辉也愈加容易，因此，腔室绝缘筒26的内径D1的确定除满足其最小尺寸的要求外，还需参考绝缘筒24的内径D2的尺寸，以及工艺时所需的工艺气压。

需要说明的是，在本实施例中，射频源由单个第一射频电源29和双输出匹配网络组成，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，也可以采用两个射频电源单独向第一射频线圈23和第二射频线圈25输出射频功率。在这种情况下，可以省去双输出匹配网络，而仅采用普通的两个匹配网络即可。具体来说，射频源包括第一匹配网络、第一射频电源、第二匹配网络和第二射频电源，其中，第一匹配网络与第一射频线圈电连接；第一射频电源用于向第一匹配网络输出射频功率；第二匹配网络与点火装置电连接；第二射频电源用于向第二匹配网络输出射频功率。

在实际应用中，本发明提供的反应腔室可以用于进行预清洗工艺，用于清洗基片表面污渍、氧化物等等。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，其包括反应腔室，该反应腔室采用了本发明实施例提供的上述反应腔室。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，可以在保证顺利启辉的前提下，使工艺腔内的工艺气压恒定不变，从而可以提高整个工艺的稳定性。而且，由于在启辉过程中，工艺腔内的工艺气压较低，这不仅可以提高刻蚀均匀性，而且还可以避免启辉电压较高损伤基片。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种反应腔室，包括用于产生等离子体的工艺腔，在所述工艺腔的周围环绕设置有第一射频线圈；其特征在于，还包括：

点火装置，设置在所述工艺腔顶部，用于使位于所述点火装置部分的等离子体启辉；

射频源，用于分别向所述第一射频线圈和所述点火装置提供射频能量，并通过对所述第一射频线圈和所述点火装置获得的射频能量进行分配调节，而使位于所述点火装置部分以及所述工艺腔内的等离子体顺序启辉。

2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述点火装置包括：

绝缘筒，与所述工艺腔相连通；

进气盖板，设置在所述绝缘筒的顶部，且具有进气口，用于向所述绝缘筒内输送工艺气体；

第二射频线圈，环绕设置在所述绝缘筒的周围，且与所述射频源电连接。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，在所述工艺腔的顶部设置有开口，所述绝缘筒与所述开口相连通；

在所述工艺腔的底部设置有排气口。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述射频源包括：

第一匹配网络，包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端与所述第一射频线圈电连接，所述第二输出端与所述点火装置电连接；

第一射频电源，用于向所述第一匹配网络输出射频功率。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述射频源包括：

第一匹配网络，与所述第一射频线圈电连接；

第一射频电源，用于向所述第一匹配网络输出射频功率；

第二匹配网络，与所述点火装置电连接；

第二射频电源，用于向所述第二匹配网络输出射频功率。

6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述绝缘筒的内径大于15mm。

7.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室还包括：

用于承载基片的承载台，设置在所述工艺腔内；

第三匹配网络，与所述承载台电连接；

第三射频电源，用于向所述第三匹配网络输出射频功率。

8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室用于进行预清洗工艺。

9.一种半导体加工设备，其包括反应腔室，其特征在于，所述反应腔室采用权利要求1-8任意一项所述的反应腔室。