CN106803475B - 一种等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置，涉及半导体技术领域。该等离子体处理装置包括：处理腔室；静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；微波产生装置，其用于产生微波，并通过引导管将所述微波向处理腔室进行引导；平面天线，其由导体构成，且具有多个向所述处理腔室放射所述引导管引导的微波的狭缝；介电板，其由电介质构成，且构成所述处理腔室的顶壁，用于使通过所述平面天线的狭缝的微波透过；下电极板，其上施加有直流偏压，用于调整所述表面波等离子体的能量大小。本发明的等离子体处理装置在具有等离子体密度高、电子温度低，可以实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。

Description

一种等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

等离子体处理是半导体的制造中不可缺少的技术，目前常用电容耦合以及电感耦合型等离子体处理装置中，由于电子温度较高，容易对衬底造成损伤。随着半导体器件尺寸的缩小，目前的离子体处理装置已经逐渐无法适应更小技术节点的半导体制造工艺，对于14nm及以下技术节点，RLSA(Radial Line Slot Antenna(径向线缝隙天线))驱动的表面波等离子体(SWP，surface wave plasma)因其对衬底的损伤较小，已经引起广泛重视。

然而由于RLSA表面波等离子体处理装置，由于表面波等离子体的能量范围主要取决于微波，因而使其应用范围受限。

因此，为解决上述技术问题，有必要提出一种改进的等离子体处理装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种改进的等离子体处理装置。

本发明的一个实施例提供一种等离子体处理装置，用于形成表面波等离子体，通过该表面波等离子体实施等离子体处理，该等离子体处理装置包括：处理腔室；静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；微波产生装置，其用于产生微波，并通过引导管将所述微波向处理腔室进行引导；平面天线，其由导体构成，且具有多个向所述处理腔室放射所述引导管引导的微波的狭缝；介电板，其由电介质构成，且构成所述处理腔室的顶壁，用于使通过所述平面天线的狭缝的微波透过；下电极板，其上施加有直流偏压，用于调整所述表面波等离子体的能量大小。

进一步地，所述直流偏压的脉冲与所述微波的脉冲相位相反。

进一步地，所述下电极板上还施加有射频偏压。

进一步地，所述射频偏压的脉冲与所述微波的脉冲相位相同。

进一步地，所述射频偏压的频率可调。

进一步地，所述多种射频偏压包括多种频率不同的射频偏压。

进一步地，所述平面天线和所述下电极板之间的距离可调。

本发明的等离子体处理装置，在具有表面波等离子体密度高、电子温度低的优点的基础上，由于下基板施加有直流偏压，且该直流偏压的脉冲与微波的脉冲相位相反，因而可以调节形成的表面波等离子体的能量，实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出了根据本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图2示出了图1所示等离子体处理装置中的径向线缝隙天线的结构示意图；

图3示出了根据本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图4示出根据本发明的等离子体处理装置所使用的电源的脉冲波形示意图；

图5A～图5C示出了根据本发明的等离子体处理装置施加不同的偏压源时等离子体的能量分布变化示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

图1示出了根据本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图。该等离子体处理装置为RLSA表面波等离子体处理装置，该RLSA表面波等离子体处理装置利用具有多个狭缝的平面天线，尤其是RLSA(径向线缝隙天线)向处理腔室内导入微波，由此能够产生高密度且低电子温度的表面波等离子体，借助该表面波等离子体可以实施各种等离子处理，比如等离子体氧化处理，又比如刻蚀等。

如图1所示，该等离子体处理装置100具有处理腔室1，其为气密封并且被接地的大致圆筒状的腔室1。在处理腔室1内设置有用于水平地支撑诸如半导体晶片(以下简称为“晶片”)W等被处理体的由AlN等陶瓷形成构成的静电卡盘2。该静电卡盘2由从处理腔室1的底部中央向上方延伸的圆筒状的由AlN等陶瓷形成的支撑部件3支撑。此外，在支撑部件3中可以设置有加热器，用于加热静电卡盘2，进而对诸如晶片W的被处理体进行加热。示例性地，例如通过加热装置能够将处理温度控制在从室温至800℃的范围内。或者，在其它实施方式，在支撑部件3中设置有冷却装置，用于通入诸如氮气等冷却气体，以对诸如晶片W的被处理体进行降温，以免其处理温度过高而产生损伤。

在静电卡盘2下方或内部设置有由导体构成的下电极板2A，其上施加有直流脉冲(DC puls)偏压，用于调节等离子体的能量。该直流偏压的脉冲与微波产生装置10产生的微波脉冲异步，即二者的相位相反，如图4中曲线1和曲线3所示。

此外，在静电卡盘2表面以相对于静电卡盘2的表面能够伸出返回的方式设置有用于支撑晶片W以使其进行升降的晶片支撑销(未图示)。在支撑部件3中设置有可以进行伸缩的机构，以调节静电卡盘2/电极板2A的高度(未图示)，进而调节等离子体能量。

可以理解的是，在本实施方式，静电卡盘2和下电极板2A集成在一起，而在其他实施方式中，静电卡盘2和下电极板2A可以是分离的，或者静电卡盘2和下电极板2A合并为一个部件，此时其由导体构成。此外，在本实施例中，示例性地，直流偏压在支撑部件3内种施加下下电极板2A，然而，在其他实施方式中，直流偏压也可在其他位置进行施加。

再次参考图1，处理腔室1的上部形成为开口部，沿着该开口部的周缘部设置有环状支撑部，在该支撑部通过密封部件气密地设置有由介电体例如石英、Alz03等陶瓷构成的、微波能够透过的介电板6。介电板6以与静电卡盘2相对的方式设置，作为处理腔室1的顶壁，因此，腔室1内保持为气密状态。

在介电板6的上方设置有圆板状的平面天线部件4。该平面天线部件4卡合在处理腔室1的侧壁上端。平面天线部件4在与例如8英寸尺寸的晶片W对应的情况下，为由直径为300～400mm、厚度为0.1～几mm(例如lmm)的导电性材料构成的圆板。具体而言，例如由表面镀有银或者金的铜板或者铝板构成，构成为多个微波放射孔40(狭缝)成对地以规定图案贯通而形成的结构。该微波放射孔40，例如如图2所示，呈长条形状的孔成对地形成，典型地，成对的微波放射孔40彼此配置成“T”字状，这些对呈同心圆状地配置有多个。微波放射孔40的长度和排列问隔根据微波的波长(λg)决定，例如微波放射孔40的间隔被配置成比λg/4～λg。此外，在图2中，以△r表示形成为同心圆状的邻接的微波放射孔40彼此的间隔。此外，微波放射孔40也可以形成为圆形、圆弧形等其它形状。而且，微波放射孔40的配置形态没有特别的限定，除同心圆状之外，例如也可以配置成螺旋状、放射状。在该平面天线部件4的上面设置有由具有与真空相比较大的介电率的例如石英、聚四氟乙烯、聚酷亚胶等树脂构成的滞波部件5。由于在真空中微波的波长变长，因此该滞波部件5具有使微波的波长缩短以调整等离子体的功能。此外，在平面天线部件4和介电板6之间，而且在滞波部件5和平面天线部件4之间，分别被密封配置，但是也可以分离配置。在处理腔室1的上面，以覆盖这些平面天线部件4和滞波部件5的方式设置有例如由铝、不锈钢、铜等金属材料构成的导体盖7(图未示)，腔室1的上面与导体盖7通过密封部件被密封。在导体盖7中形成有冷却水流路7a，通过在该冷却水流路中流通冷却水，从而冷却导体盖7、滞波部件4、平面天线部件5、介电板6。其中，导体盖7被接地。

在导体盖7的上壁的中央形成有开口部，该开口部与引导管8连接。该引导管8的端部经由匹配电路9连接有微波产生装置10。由此，由微波产生装置10产生的例如频率为2.45GHz的微波经由引导管8被向上述平面天线部件4传送。此外，作为微波的频率也可以使用8.35GHz、l.98GHz等。

引导管8具有从上述导体盖7的开口部向上方延伸的截面为圆形的同轴引导管8A、和经由模式转换器11与该同轴引导管的上端部连接的沿着水平方向延伸的矩形引导管8B。在矩形引导管8B与同轴引导管8A之间的模式转换器11具有将在矩形引导管8B内以TE模式传播的微波转换为TEM模式的功能。在同轴引导管8A的中心延伸存在有内导体制，该内导体41的下端部连接固定在平面天线部件4的中心。由此，微波能够经由同轴引导管88A的内导体41均匀有效地向平面天线部件4传播。

在处理腔室1的侧壁设置有形成为环状的气体导入部件4，均等地形成有气体放射孔。该气体导入部件4与气体供给系统连接。气体导入部件也可以配置成喷淋状。该气体供给系统例如具有Ar气体供给源、氧气供给源和氢气体供给源，这些气体分别经由各自的气体管路导入至气体导入部件4，从气体导入部件4的气体放射孔均匀地被导入至处理腔室1内。在各气体管路上设置有质量流量控制器和其前后的开闭阀。此外，也可以取代Ar气体而使用其它的稀有气体，例如Kr、He、Ne、Xe等气体。

相应地，在处理腔室1的侧壁或底部还设置有排气管(图未示)，该排气管与包括高速真空泵的排气装置连接。并且通过使该排气装置动作，将处理腔室1内的气体经由排气管排出。由此，能够高速地将处理腔室1内减压至规定的真空度，例如0.133Pa。在腔室1的侧壁，设置有用于在等离子体处理装置100和与等离子体处理装置100邻接的搬送室(未图示)之间进行晶片W的搬入搬出的搬入搬出口。

此外，表面波等离子体处理装置100的各构成部件构成为与具有微型处理器(计算机)的处理控制器连接从而被控制的结构。处理控制器与用户接口和存储部连接，上述用户接口由操作者为了管理等离子体处理装置100而进行命令的输入操作等的键盘、可视化显示等离子体处理装置100的工作状态的显示器等构成，存储部中存储有用于通过处理控制器的控制实现由等离子体处理装置执行的各种处理的控制程序、用于根据处理条件使等离子体处理装置的各构成部执行处理的程序即方案。方案被存储在存储部中的存储介质中。存储介质既可以是硬盘、半导体存储器，也可以是CDROM、DVD、闪存等可移动性介质。此外，也可以从其它的装置例如经由专用线路适当地传送方案。根据需要，通过来自用户接口的指示等从存储部调出任意的方案并由处理控制器执行，从而，在处理控制器”的控制下，进行等离子体处理装置中的所期望的处理。

该表面波等离子体处理装置100将由微波发生装置10产生的微波经由引导管8导向形成有多条狭缝40(放射孔)的平面天线4。而且，从平面天线4的中心部向周边部传播微波，在该过程中，从多条狭缝40透过由电介质构成的介电板6向被保持成真空的处理腔室1内放射圆偏波的微波。通过由该被放射的微波生成的电磁场，通过该微波电场对被导入处理腔室1内的气体进行等离子体化，生成导入到处理腔室1的气体的表面波等离子体，通过这样形成的等离子体对半导体晶片等的被处理体进行处理。该RLSA表面波等离子体处理装置100中，在天线正下方的广阔区域范围内能够实现高的等离子体密度，能够在短时间内进行均匀的等离子体处，并且由于形成有低电子温度等离子体，因此，元件的损坏较小。

进一步地，由于下基板施加有直流偏压，且该直流偏压的脉冲与微波的脉冲相位相反，因而可以调节形成的表面波等离子体的能量，实现精确处理，比如Si-Si键能为2.3eV左右，而SiN的键能为3.5eV，通过控制形成表面波等离子体的能量可以实现只打断Si-Si键，而不打断Si-N键，实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。比如通过精确控制表面波等离子体的能量，在刻蚀中仅去除氮化硅，而不去除氧化硅或多晶硅。

实施例二

图3示出了根据本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图。该等离子体处理装置同样为RLSA表面波等离子体处理装置，该RLSA表面波等离子体处理装置300与图1所示的表面波等离子体处理装置100类似，不同之处在于，在本实施例中，在下电极板2A上，除了施加有直流偏压以外，还施加有射频偏压RF，该射频偏压RF的脉冲与微波产生装置10产生的微波脉冲同步，即二者的相位相同，如图4中曲线1和曲线2所示。

示例性地，在本实施例中，射频偏压RF的频率为13.56MHZ，其通过本领域常用的射频脉冲发送装置产生，在此不再赘述。可以理解的是，在其他实施方式中，射频偏压RF的频率也可以为诸如2MHZ、几百KHZ等频率，其可以根据具体处理工艺的要求进行选择。

优选地，在本实施例中，射频偏压RF的频率可调，即射频偏压连接有多个射频脉冲产生装置，通过选择装置来选择当前所要施加的射频脉冲。

进一步地，在其他实施方式中，在下电极板2A上可以同时施加多种射频偏压RF，比如同时施加频率为13.56MHZ和2MHZ的射频脉冲。通过施加多种射频脉冲实现所要求的表面波等离子体。

下面结合5A～图5C来说明本发明表面波等离子体处理装置的优点及原理。

如图5A所示，其示出一种施加不同偏压的等离子装置处理装置的离子能量分布图示，由图5A可知，对于不同的偏压，其获得离子能量不同，并且离子能量分布范围较广，表现在图5A即为离子能量的峰较宽，而图5B示出的等离子装置处理装置中，由于施加的射频偏压为同步脉冲，因而使得离子能量分布范围较窄，表现在图5B即为离子能量的峰较窄。进一步，在图5C示出的等离子装置处理装置中，由于同时施加的射频偏压和直流偏压，且射频偏压同步脉冲，直流偏压为异步脉冲，因而使得离子能量分布范围不仅较窄，而且通过调节直流偏压还可调节离子能量的大小，即离子能量峰的高低。

因此，由5A～图5C可知，在本发明中，在RLSA表面波等离子体处理装置，通过设置下电极板，并在其上施加直流偏压或同时施加直流偏压和射频偏压，在获得高密度、低电子温度的表面波等离子体的同时，可以使得该表面波等离子体的离子能量分布较窄，同时通过直流偏压可以调节表面波等离子体的离子能量大小，这样实现精确处理，比如Si-Si键能为2.3eV左右，而SiN的键能为3.5eV，通过控制形成表面波等离子体的能量可以实现只打断Si-Si键，而不打断Si-N键，实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。比如通过精确控制表面波等离子体的能量，在刻蚀中仅去除氮化硅，而不去除氧化硅或多晶硅。通过施加同步射频偏压和异步直流偏压，可以调节表面波等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和处理的精确性。

图3所示RLSA表面波等离子体处理装置，与图1所示RLSA表面波等离子体处理装置相比，由于施加有同步射频脉冲，因而可以实现高的处理选择性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (4)

1.一种等离子体处理装置，用于形成表面波等离子体，通过该表面波等离子体实施等离子体处理，其特征在于，该等离子体处理装置包括：

处理腔室；

静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；

微波产生装置，其用于产生微波，并通过引导管将所述微波向处理腔室进行引导；

平面天线，其由导体构成，且具有多个向所述处理腔室放射所述引导管引导的微波的狭缝；

介电板，其由电介质构成，且构成所述处理腔室的顶壁，用于使通过所述平面天线的狭缝的微波透过；

下电极板，其上施加有直流偏压，用于调整所述表面波等离子体的能量大小，所述直流偏压的脉冲与所述微波的脉冲相位相反，所述下电极板上还施加有射频偏压，所述射频偏压的脉冲与所述微波的脉冲相位相同。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述射频偏压的频率可调。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述下电极板上同时施加有多种频率不同的射频偏压。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述平面天线和所述下电极板之间的距离可调。