CN106920728B - 等离子体处理装置及其晶圆边缘处理组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于等离子体处理装置的晶圆边缘处理组件，所述晶圆边缘处理组件位于一电感耦合等离子体处理装置的刻蚀腔体内，所述刻蚀腔体内包括设置在底部的基座，基座上方设置有静电夹盘，晶圆设置在所述静电夹盘上；所述晶圆边缘处理组件包含边缘保护环、遮蔽环及阻挡环；所述的边缘保护环覆盖晶圆的边缘位置，所述的遮蔽环设置在边缘保护环的上方，所述的阻挡环设置在遮蔽环的上方，并与刻蚀腔体的内壁连接。本发明同时提供了包含这种晶圆边缘保护组件的等离子体处理装置。本发明可以阻挡过多的刻蚀气体进入到晶圆边缘，提高晶圆表面刻蚀均一性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域的等离子体处理装置，特别涉及一种等离子体处理装置及其晶圆边缘处理组件。
背景技术
图1示出现有技术中的一种电感耦合等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括一刻蚀腔体101，刻蚀腔体101上方设置一电感线圈102，用于将射频功率施加到刻蚀腔体101内，刻蚀腔体101内的底部设有基座103，基座103上方设置静电夹盘104，晶圆105放置在静电夹盘104上方。刻蚀腔体101下方设置一排气泵106，用于将反应副产物排出刻蚀腔体101。环绕刻蚀腔体101的侧壁上设置若干气体喷口107，为了避免气体喷口107注入刻蚀腔体101的气体尚未参与反应即被排气泵106排出反应腔外，通常在气体喷口107与晶圆105之间设置一气体阻挡环108，该气体阻挡环108与刻蚀腔体101的内侧壁连接，并且位于晶圆105的上方，用于将反应气体向刻蚀腔体101的中心区域引导，以调节刻蚀腔体101内中心区域和边缘区域的气体分布均匀性。
尽管气体阻挡环108可以较好的调节刻蚀腔体101内的气体分布，然而，晶圆刻蚀的均匀性与否除了与参与反应的气体浓度分布有关外，还与晶圆表面的开口率有关，晶圆的开口率指需要刻蚀的面积与整个晶圆上表面积的比例，当晶圆的开口率较低时，消耗的参与反应的等离子体较少，则刻蚀的均匀性更多的是受等离子体的浓度分布影响，当晶圆的开口率较大时，需要消耗的等离子体较多，此时，刻蚀的均匀性除了受等离子体的浓度分布影响外，还与需要刻蚀的开口面积在晶圆上的分布有关。如图2所示，为现有技术中，刻蚀晶圆表面刻蚀气体浓度与副产物浓度关系示意图。再如图3及图4所示的待处理硅晶圆的结构示意图，在晶圆上形成一个圆形或方形的洞，硅开口率从5%~100%不等。大多数开口率都大于20%。
现有技术中，在对硅晶圆进行大开口率等离子体刻蚀时，例如开口率大于20%时，晶圆表面的均一性很差。尤其是在晶圆边缘，硅刻蚀率急剧增加并且晶圆边缘处的刻蚀气体的浓度远大于晶圆中心区域的刻蚀气体的浓度；同时，晶圆边缘的开口率比晶圆中心的开口率小。二者的相反作用造成硅晶圆表面的刻蚀均一性更加糟糕，亟需改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其晶圆边缘处理组件，晶圆边缘处理组件可以阻挡过多的刻蚀气体进入到晶圆边缘，提高晶圆表面刻蚀均一性。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种用于等离子体处理装置的晶圆边缘处理组件，其特点是，所述晶圆边缘处理组件位于一电感耦合等离子体处理装置的刻蚀腔体内，所述刻蚀腔体内包括设置在底部的基座，基座上方设置有静电夹盘，晶圆设置在所述静电夹盘上；
所述晶圆边缘处理组件包含边缘保护环、遮蔽环及阻挡环；所述的边缘保护环覆盖晶圆的边缘位置，所述的遮蔽环设置在边缘保护环的上方，所述的阻挡环设置在遮蔽环的上方，并与刻蚀腔体的内壁连接。
所述的边缘保护环的内径小于晶圆的直径，所述晶圆的直径比所述边缘保护环的内径大0-3mm。
所述遮蔽环的内径大于晶圆的直径，所述遮蔽环的内径比所述晶圆的直径大3-10mm。
所述遮蔽环的竖直方向的高度范围为1-20mm，所述遮蔽环水平方向的厚度范围为1-10mm。
所述的阻挡环为平板式结构，并且所述阻挡环的内径大于所述遮蔽环的外径。
所述的阻挡环为下沉式结构，所述的阻挡环包含本体及通过连接部与本体连接的延展部，所述的延展部设置在所述本体的下方，并且延展部的内径小于所述本体的内径。
所述的延展部内径大于所述遮蔽环的外径。
所述的延展部底表面所在的平面略低于所述遮蔽环顶部所在的平面。
所述的边缘保护环与遮蔽环为分离式结构，或者所述的边缘保护环与遮蔽环为整体式结构。
所述遮蔽环为圆筒形或漏斗形中的一种。
所述遮蔽环及所述边缘保护环的材质为石英、陶瓷中的一种。
一种等离子体处理装置，其特点是，包含上述的晶圆边缘处理组件。
本发明一种等离子体处理装置及其晶圆边缘处理组件与现有技术相比具有以下优点：由于等离子体处理装置中设有晶圆边缘处理组件，其中，边缘保护环可以对晶圆不需要刻蚀的边缘区域进行保护，防止边缘区域高浓度的等离子体对晶圆边缘造成损伤，遮蔽环可以阻挡刻蚀腔体侧壁至遮蔽环外边缘之间的等离子体快速的对晶圆边缘区域进行刻蚀，同时也可以通过限制反应后的副产物流动降低边缘区域的等离子体刻蚀速率；除此之外，遮蔽环还可以调节边缘区域的电场分布，使得边缘区域解离等离子体的速率受到抑制，从多个方面对边缘区域的刻蚀速率进行控制，以降低硅晶圆边缘区域的刻蚀速率，保证硅晶圆中心区域和边缘区域刻蚀速率的一致性。本发明的晶圆边缘处理组件的尺寸可以设计为不同，以适应不同刻蚀工艺中具有不同开口率的硅基片的刻蚀要求。
附图说明
图1为现有技术中一种电感耦合等离子体处理装置的结构示意图；
图2为现有技术刻蚀晶圆时，刻蚀气体浓度与副产物浓度关系示意图；
图3为待刻蚀晶圆的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明中等离子体处理装置的结构示意图；
图6为本发明刻蚀晶圆时，刻蚀气体浓度与副产物浓度关系示意图；
图7为开口率为50%时，本发明与现有技术刻蚀内径扫描曲线对比图。
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
图5示出本发明所示的一种电感耦合等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括一刻蚀腔体501，刻蚀腔体501上方设置一电感线圈502，用于将射频功率施加到刻蚀腔体501内，刻蚀腔体501内的底部设有基座503，基座503上方设置静电夹盘504，晶圆505放置在静电夹盘504上方。刻蚀腔体501下方设置一排气泵506，用于将反应副产物排出刻蚀腔体501。环绕刻蚀腔体501的侧壁上设置若干气体喷口507，为了避免气体喷口507注入刻蚀腔体501的气体尚未参与反应即被排气泵506排出刻蚀腔体501外，通常在气体喷口507与晶圆505之间设置一气体阻挡环508，该气体阻挡环508与刻蚀腔体501的内侧壁连接，并且位于晶圆505的上方，用于将反应气体向刻蚀腔体501的中心区域引导，以调节刻蚀腔体501内中心区域和边缘区域的气体分布均匀性。
本发明适用于刻蚀晶圆开口率超过20%的刻蚀工艺，气体阻挡环尽管能调节刻蚀腔体内中心区域和边缘区域反应气体的分布均匀，当晶圆的开口率较大时，影响晶圆边缘区域和中心区域刻蚀均匀性的因素增多，例如，当刻蚀的晶圆为硅晶圆时，其边缘通常设置为具有一倾斜度的斜面，该斜面上通常不需要进行等离子体刻蚀，此时，由于硅晶圆边缘区域几乎不消耗等离子体，会使得该处等离子体浓度相比中心区域等离子体浓度大幅提高。进而使得靠近边缘区域的硅晶圆刻蚀速率提高，不利于保证整个晶圆刻蚀的均匀性。
在本发明图5所示的实施例中，公开了一种用于等离子体处理装置的晶圆边缘处理组件，适用于对开口率有要求的刻蚀工艺中，所述晶圆边缘处理组件包含一边缘保护环509，该边缘保护环509用于覆盖、保护硅晶圆具有倾斜度的斜面，以避免等离子体对其进行不必要的刻蚀，造成硅晶圆的损坏。由于硅晶圆的边缘区域被遮挡，边缘区域等离子体的由于损耗较小，浓度大幅提高，为了保证靠近硅晶圆边缘斜面区域的刻蚀速率不至于过快，本发明在边缘保护环509的上方设置具有一定厚度的遮蔽环510。遮蔽环510的设置可以阻挡刻蚀腔体501侧壁至遮蔽环510外边缘之间的等离子体快速的对晶圆边缘区域进行刻蚀，同时也可以通过限制反应后的副产物流动降低边缘区域的等离子体刻蚀速率；除此之外，遮蔽环510还可以调节边缘区域的电场分布，使得边缘区域解离等离子体的速率受到抑制，从多个方面对边缘区域的刻蚀速率进行控制，以降低硅晶圆边缘区域的刻蚀速率，保证硅晶圆中心区域和边缘区域刻蚀速率的一致性。
边缘保护环509除了要覆盖晶圆边缘区域的斜面外，还对边缘区域的电场分布造成影响，在对晶圆进行刻蚀的工艺中，基座503上要施加偏置射频功率，所述偏置射频功率在晶圆中心区域上方形成具有良好均匀性的电场，而在晶圆边缘区域，由于介质发生变化，使得电场方向造成倾斜，影响边缘区域刻蚀图形的形貌。本发明设置的边缘保护环509具有一定的宽度，相当于延伸了晶圆的尺寸，有效调节边缘区域电场分布的均匀性。
遮蔽环510的一个作用是限制等离子体的流动，为了避免其重量过大，减少对其进行承载的边缘保护环的压力，遮蔽环510水平方向的宽度可以较小，遮蔽环510的形状可以为圆筒形，并与所述边缘保护环509垂直，也可以设置为漏斗形，具有倾斜的环形面，与所述边缘保护环509具有一定的夹角。为了保证硅晶圆整体的刻蚀速率，优选遮蔽环510的上表面不超过气体阻挡环508所在的平面，即所述的阻挡环508设置在遮蔽环510的上方。
在本实施例中，所述的边缘保护环509的内径可设置为不同的大小，针对不同的刻蚀工艺，根据不同硅晶圆的边缘斜面尺寸不同以及硅晶圆上开口率的不同进行替换，并且边缘保护环509的内径小于晶圆505的直径；在本发明的较佳实施例中，所述晶圆505的直径比所述边缘保护环509的内径大0-3mm。
在本实施例中，可以设置不同内径和高度的遮蔽环510。在本发明中，遮蔽环510的尺寸是根据开口率的要求进行设置，同时也取决于硅的结构及硅结构的宽高比。在本发明中，所述遮蔽环510的内径应大于晶圆505的直径，在本发明的较佳实施例中，所述遮蔽环的竖直方向的高度范围为1-20mm，所述遮蔽环水平方向的厚度范围为1-10mm；在本发明的优选实施例中，所述遮蔽环的竖直方向的高度范围为5-15mm，所述遮蔽环水平方向的厚度范围为1-5mm；开口率与遮蔽环510的竖直方向的高度存在下述关系，开口率越大，对应的遮蔽环510的竖直方向的高度越高。在本发明中，所述遮蔽环510的内径大于晶圆505的直径，所述遮蔽环510的内径比所述晶圆505的直径大3-10mm，开口率与遮蔽环510的内径存在下述关系，开口率越大，对应的遮蔽环510的内径越小，即所述遮蔽环510越靠近晶圆505。
在本实施例中，阻挡环508的结构可以为下沉式或者平板式。在本发明的较佳实施例中，如图5所示，所述的阻挡环508为下沉式结构，所述的阻挡环508包含本体5081及通过连接部5082与本体5081连接的延展部5083，所述的延展部5083设置在所述本体5081的下方，并且延展部5083的内径小于所述本体5081的内径；所述的延展部5083内径大于所述遮蔽环510的外径；所述的延展部5083底表面所在的平面略低于所述遮蔽环510顶部所在的平面。
在本发明的另外一些实施例中，所述的阻挡环508为平板式结构，即没有连接部和延展部，只有本体，此时本体的内径要比下沉式结构的本体内径要小，并且要大于所述遮蔽环510的外径。
在本发明中，边缘保护环与遮蔽环可以做成分离式结构，也可以做成整体式结构。
如图6所示，通过本发明的晶圆边缘处理组件可以使得反应腔内边缘区域和中心区域刻蚀气体与副产物的浓度达到均衡；如图7所示，线1表示没有遮蔽环时的刻蚀深度均一性扫描曲线，线2表示有遮蔽环时的刻蚀深度均一性扫描曲线，由图7可以看出通过抑制晶圆边缘处的刻蚀气体浓度，刻蚀均一性被显著提高，与刻蚀率相适应。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (11)
1.一种用于等离子体处理装置的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述晶圆边缘处理组件位于一电感耦合等离子体处理装置的刻蚀腔体内，所述刻蚀腔体内包括设置在底部的基座，基座上方设置有静电夹盘，晶圆设置在所述静电夹盘上；
所述晶圆边缘处理组件包含边缘保护环、遮蔽环及阻挡环；所述的边缘保护环覆盖晶圆的边缘位置，所述的遮蔽环设置在边缘保护环的上方，所述的阻挡环设置在遮蔽环的上方，并与刻蚀腔体的内壁连接；所述遮蔽环的竖直方向的高度范围为1-20mm，所述遮蔽环水平方向的厚度范围为1-10mm。
2.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的边缘保护环的内径小于晶圆的直径，所述晶圆的直径比所述边缘保护环的内径大0-3mm。
3.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述遮蔽环的内径大于晶圆的直径，所述遮蔽环的内径比所述晶圆的直径大3-10mm。
4.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的阻挡环为平板式结构，并且所述阻挡环的内径大于所述遮蔽环的外径。
5.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的阻挡环为下沉式结构，所述的阻挡环包含本体及通过连接部与本体连接的延展部，所述的延展部设置在所述本体的下方，并且延展部的内径小于所述本体的内径。
6.如权利要求5所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的延展部内径大于所述遮蔽环的外径。
7.如权利要求5所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的延展部底表面所在的平面略低于所述遮蔽环顶部所在的平面。
8.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述的边缘保护环与遮蔽环为分离式结构，或者所述的边缘保护环与遮蔽环为整体式结构。
9.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述遮蔽环为圆筒形或漏斗形中的一种。
10.如权利要求1所述的晶圆边缘处理组件，其特征在于，所述遮蔽环及所述边缘保护环的材质为石英、陶瓷中的一种。
11.一种等离子体处理装置，其特征在于，包含如权利要求1~10任意一项所述的晶圆边缘处理组件。
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