CN107275178A - 一种半导体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体处理装置。该半导体处理装置包括射频电源、阻抗匹配单元和处理腔室，射频电源连接阻抗匹配单元，用于将射频能量传输至处理腔室；阻抗匹配单元连接处理腔室，用于对处理腔室的阻抗和射频电源的阻抗进行匹配，阻抗匹配单元包括切换元件，处理腔室包括至少两个，切换元件用于将射频能量切换传输至各个处理腔室。该半导体处理装置能够使至少两个处理腔室共用一个射频电源和一个阻抗匹配单元，从而降低了半导体处理装置的生产成本，并简化了半导体处理装置的结构，进而提升了半导体处理装置的核心竞争力。

Description

一种半导体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体处理技术领域，具体地，涉及一种半导体处理装置。

背景技术

物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)是指利用物理方法沉积金属薄膜的工艺。在Cu Barrier/Seed(铜阻挡和籽晶层)、TSV(硅穿孔)等PVD工艺设备中，需要一种预清洗(Preclean)腔室，工作原理是通过射频功率的作用，将低气压的反应气体(如氩气、氦气、氢气等)激发为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性基团，这些活性反应基团与待加工的晶圆表面发生各种化学反应和物理轰击，从而将晶圆表面以及沟槽底部的残留物清除。预清洗工艺完成后的下一步工艺就是通过磁控溅射来沉积铝、铜等金属薄膜，以构成金属接触、金属互连线等，工作原理是将高功率直流电源输出连接至被溅射的靶材(一般为金属或导体，典型的为Cu、Ta等)，通过直流电压产生的等离子体离子对靶材进行轰击，同时，为增加靶材溅射强度，一般会在靶材上方施加磁控管，大大提高了溅射效率。

目前PVD工艺设备中所采用的一种薄膜沉积装置的结构，包括沉积腔室、被溅射靶材、磁控管、射频电源(频率通常为13.56MHz，特征阻抗50Ω)、与射频电源对应的阻抗匹配网络、静电卡盘。直流电源将直流功率施加至靶材上，产生等离子体，并吸引离子轰击靶材，使靶材的材料能够被溅射后沉积在静电卡盘(ESC)上面的晶圆上。加在静电卡盘上的射频功率能够产生射频自偏压，可以吸引离子，以改善晶圆上的孔隙填充效果。

目前PVD工艺设备中所采用的一种预清洗(Preclean)装置的结构包括预清洗腔室、第一射频电源(频率通常为2MHz，特征阻抗50Ω)、与第一射频电源对应的第一阻抗匹配网络、螺线管状的耦合线圈，线圈安装在腔室顶盖上。还包括第二射频电源(工作频率为13.56Hz，特征阻抗50Ω)，与第二射频电源对应的阻抗匹配网络、静电卡盘上面放置待加工的晶圆。第一射频电源通过第一阻抗匹配网络将射频功率加在线圈上，能量从线圈耦合到预清洗腔室，使预清洗腔室中的气体(例如Ar气)产生电离形成高密度等离子体，第二射频电源通过阻抗匹配网络将射频功率加在静电卡盘上以产生自偏压，吸引离子轰击静电卡盘上面的晶圆，去除晶圆表面以及沟槽底部的残留物和金属氧化物，实现预清洗。

现有技术中，PVD装置中的沉积腔室和预清洗腔室都分别使用了13.56MHz射频电源和13.56MHz阻抗匹配网络，对于某些PVD工艺设备，其对产能要求并不高时，或者预清洗工艺与沉积工艺必须串行进行或间隔进行(先后进行)时，即预清洗工艺与沉积工艺串行进行或间隔进行并不影响整个PVD机台产能时，预清洗工艺与沉积工艺完全可以分开进行。如果沉积腔室和预清洗腔室都分别使用13.56MHz射频电源和13.56MHz阻抗匹配网络，无疑会增加PVD工艺设备的生产成本，使PVD工艺设备的结构变得更加复杂，降低PVD工艺产品的核心竞争力。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种半导体处理装置。该半导体处理装置能够使至少两个处理腔室共用一个射频电源和一个阻抗匹配单元，从而降低了半导体处理装置的生产成本，并简化了半导体处理装置的结构，进而提升了半导体处理装置的核心竞争力。

本发明提供一种半导体处理装置，包括射频电源、阻抗匹配单元和处理腔室，所述射频电源连接所述阻抗匹配单元，用于将射频能量传输至所述处理腔室；所述阻抗匹配单元连接所述处理腔室，用于对所述处理腔室的阻抗和所述射频电源的阻抗进行匹配，所述阻抗匹配单元包括切换元件，所述处理腔室包括至少两个，所述切换元件用于将所述射频能量切换传输至各个所述处理腔室。

优选地，所述处理腔室包括第一腔室和第二腔室，所述切换元件采用双触点开关元件，所述双触点开关元件的第一触点与所述第一腔室连接，所述双触点开关元件的第二触点与所述第二腔室连接。

优选地，所述第一腔室为预清洗腔室，所述第二腔室为沉积腔室。

优选地，所述双触点开关元件包括双触点电磁开关元件或双触点手动开关元件。

优选地，所述双触点电磁开关元件包括绝缘基座、一端连接在所述绝缘基座上的弹簧、连接在所述弹簧另一端的触片和与所述触片相对设置的电磁铁，所述电磁铁能通过通电获得磁力，以吸附所述触片与所述第一触点相接触，从而使所述射频电源通过所述阻抗匹配单元接入至所述第一腔室；所述电磁铁能通过断电失去磁力，以使所述触片脱离所述第一触点并与所述第二触点相接触，从而使所述射频电源通过所述阻抗匹配单元接入至所述第二腔室。

优选地，所述第一触点和所述第二触点上分别设置有铍铜簧片。

优选地，所述第一触点和所述第一腔室之间通过第一射频电缆连接，所述第二触点和所述第二腔室之间通过第二射频电缆连接。

优选地，所述射频电源的频率包括13.56MHz、400KHz、2MHz或60MHz。

优选地，所述处理腔室包括三个，所述切换元件采用三触点开关元件，所述三触点开关元件的三个触点分别与三个所述处理腔室连接。

优选地，所述半导体处理装置为物理气相沉积装置。

本发明的有益效果：本发明所提供的半导体处理装置，通过在阻抗匹配单元中设置切换元件，使其在对产能要求不高时，并在其内部的至少两个处理腔室中的等离子体处理工艺可以分开并先后进行时，能够使至少两个处理腔室共用一个射频电源和一个阻抗匹配单元，从而降低了半导体处理装置的生产成本，并简化了半导体处理装置的结构，进而提升了半导体处理装置的核心竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例1中半导体处理装置的结构原理示意图；

图2为本发明实施例2中半导体处理装置的结构原理示意图。

其中的附图标记说明：

1.射频电源；2.阻抗匹配单元；21.切换元件；211.绝缘基座；212.弹簧；213.触片；214.电磁铁；215.第一电磁铁；216.第二电磁铁；CD.第一触点；AB.第二触点；EF.第三触点；22.采集部；23.控制部；24.阻抗匹配部；25.第一射频电缆；26.第二射频电缆；27.第三射频电缆；3.处理腔室；31.第一腔室；32.第二腔室；33.第三腔室；C1.第一电容；C2.第二电容；L.电感。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种半导体处理装置作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例提供一种半导体处理装置，如图1所示，包括射频电源1、阻抗匹配单元2和处理腔室3，射频电源1连接阻抗匹配单元2，用于将射频能量传输至处理腔室3；阻抗匹配单元2连接处理腔室3，用于对处理腔室3的阻抗和射频电源1的阻抗进行匹配，阻抗匹配单元2包括切换元件21，处理腔室3包括至少两个，切换元件21用于将射频能量切换传输至各个处理腔室3。

该半导体处理装置通过在阻抗匹配单元2中设置切换元件21，使其在对产能要求不高时，并在其内部的至少两个等离子体腔室3中的等离子体处理工艺可以分开进行时，能够使至少两个处理腔室3共用一个射频电源1和一个阻抗匹配单元2，从而降低了半导体处理装置的生产成本，并简化了半导体处理装置的结构，进而提升了半导体处理装置的核心竞争力。

本实施例中，处理腔室3包括第一腔室31和第二腔室32，切换元件21采用双触点开关元件，双触点开关元件的第一触点CD与第一腔室31连接，双触点开关元件的第二触点AB与第二腔室32连接。其中，第一腔室31为预清洗腔室，第二腔室32为沉积腔室。预清洗腔室用于通过等离子体清洗工艺对置于腔室内的基片表面以及沟槽底部的残留物和金属氧化物进行预清洗。沉积腔室用于通过溅射工艺在置于腔室内的基片表面沉积所需膜层。在清洗工艺和溅射工艺中，预清洗腔室和沉积腔室分别与射频电源1和阻抗匹配单元2相连接，以使射频能量能切换传输至预清洗腔室和沉积腔室，并使阻抗匹配单元2对预清洗腔室和沉积腔室内的负载阻抗和射频电源1的阻抗进行匹配，从而实现射频能量最大限度地传递到各个腔室，确保预清洗工艺和沉积工艺的良好的工艺效果。

本实施例中，双触点开关元件采用双触点电磁开关元件，双触点电磁开关元件包括绝缘基座211、一端连接在绝缘基座211上的弹簧212、连接在弹簧212另一端的触片213和与触片213相对设置的电磁铁214，电磁铁214能通过通电获得磁力，以吸附触片213与第一触点CD相接触，从而使射频电源1通过阻抗匹配单元2接入至第一腔室31；电磁铁214能通过断电失去磁力，以使触片213脱离第一触点CD并与第二触点AB相接触，从而使射频电源1通过阻抗匹配单元2接入至第二腔室32。

其中，双触点电磁开关元件的具体切换过程为：

状态一，第一触点CD的C端和第二触点AB的A端均连接射频电源1，设电磁铁214上通以24V直流电，此时，电磁铁214上产生磁力，该磁力吸附触片213离开第二触点AB并与第一触点CD相接触，使第二触点AB断开，第一触点CD接通，从而使射频电源1的射频能量经过阻抗匹配单元2传输至第一腔室31。

状态二，第一触点CD的C端和第二触点AB的A端均连接射频电源1，设电磁铁214上停止通电，此时，电磁铁214的磁力消失，在弹簧212拉力的作用下，触片213离开第一触点CD并与第二触点AB相接触，使第一触点CD断开，第二触点AB接通，从而使射频电源1的射频能量经过阻抗匹配单元2传输至第二腔室32。

本实施例中，第一触点CD和第二触点AB上分别设置有铍铜簧片。如此设置，能使触片213与第一触点CD和第二触点AB的接触电阻大大降低，从而大大减小了接入至第一腔室31和第二腔室32的射频能量的损耗，使第一触点CD和第二触点AB的导电性能更加稳定。

本实施例中，第一触点CD和第一腔室31之间通过第一射频电缆25连接，第二触点AB和第二腔室32之间通过第二射频电缆26连接。第一射频电缆25和第二射频电缆26的两端均设置有大功率的射频接头，通过第一射频电缆25连接第一触点CD和第一腔室31，第二射频电缆26连接第二触点AB和第二腔室32，能实现射频能量在第一腔室31和第二腔室32之间传输时较高的隔离度，从而确保预清洗工艺和沉积工艺的工艺效果不受射频能量切换传输的影响。

需要说明的是，双触点开关元件也可以采用双触点手动开关元件，双触点手动开关元件即通过手动操作机械手柄从而实现双触点开关中一个触点的接通和另一触点的关闭，如单刀双掷开关等。

本实施例中，阻抗匹配单元2还包括采集部22、控制部23和阻抗匹配部24，阻抗匹配部24连接切换元件21；采集部22用于采集射频电源1输出端输出的电压电流，并将电压电流传输给控制部23；控制部23用于根据电压电流计算出射频电源1的阻抗，并根据射频电源1的阻抗控制阻抗匹配部24进行阻抗调整，以使处理腔室3内的等离子体阻抗和射频电源1的阻抗相匹配。

优选地，阻抗匹配部24包括第一电容C1、第二电容C2和电感L，其中，第二电容C2与电感L串联连接，第一电容C1与串联连接的第二电容C2和电感L并联连接。当然，阻抗匹配部24的电路结构并不仅仅局限于上述结构。

由于采集部22和控制部23的内部电路结构均为比较成熟的现有技术，所以这里不再对上述各部的内部结构详细阐述。

本实施例中，射频电源1的频率为13.56MHz。当然，射频电源1的频率还可以为400KHz、2MHz或60MHz等其它的频率。根据射频电源1的频率不同，相应地选择具有适当的电压电流承受能力的切换元件21将射频能量切换传输至不同的处理腔室3。

本实施例中，半导体处理装置为物理气相沉积装置。

实施例2：

本实施例提供一种半导体处理装置，与实施例1不同的是，如图2所示，处理腔室3包括三个，切换元件21采用三触点开关元件，三触点开关元件的三个触点分别与三个处理腔室3连接。

其中，三个处理腔室3分别为第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33，第一腔室31为预清洗腔室，第二腔室32为沉积腔室一，第三腔室33为沉积腔室二，沉积腔室一和沉积腔室二用于按工艺先后顺序沉积不同材料。切换元件21采用三触点开关元件，三触点开关元件的第一触点CD与第一腔室31连接，三触点开关元件的第二触点AB与第二腔室32连接，三触点开关元件的第三触点EF与第三腔室33连接。

其中，第一腔室31用于通过等离子体清洗工艺对置于腔室内的基片表面以及沟槽底部的残留物和金属氧化物进行预清洗。第二腔室32用于通过溅射工艺在置于腔室内的基片表面沉积所需第一膜层。第三腔室33用于通过溅射工艺在置于腔室内的基片表面沉积所需第二膜层。在清洗工艺和溅射工艺中，第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33分别与射频电源1和阻抗匹配单元2相连接，以使射频能量能切换传输至第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33，并使阻抗匹配单元2对第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33内的负载阻抗和射频电源1的阻抗进行匹配，从而实现射频能量最大限度地传递到各个腔室，确保预清洗工艺和沉积工艺的良好的工艺效果。

本实施例中，三触点开关元件采用三触点电磁开关元件，三触点电磁开关元件包括绝缘基座211、一端连接在绝缘基座211上的弹簧212、连接在弹簧212另一端的触片213、与触片213的正面相对设置的第一电磁铁215和与触片213的背面相对设置的第二电磁铁216，第一电磁铁215能通过通电获得磁力，以吸附触片213与第一触点CD相接触，从而使射频电源1通过阻抗匹配单元2接入至第一腔室31；第一电磁铁215能通过断电失去磁力，以使触片213脱离第一触点CD并与第二触点AB相接触，从而使射频电源1通过阻抗匹配单元2接入至第二腔室32；第二电磁铁216能通过通电获得磁力，以吸附触片213脱离第二触点AB并与第三触点EF相接触，从而使射频电源1通过阻抗匹配单元2接入至第三腔室33。

其中，三触点电磁开关元件的具体切换过程为：

状态一，第一触点CD的C端、第二触点AB的A端和第三触点EF的E端均连接射频电源1，设第一电磁铁215上通以24V直流电，此时，第一电磁铁215上产生磁力，该磁力吸附触片213离开第二触点AB并与第一触点CD相接触，使第二触点AB断开，第一触点CD接通，从而使射频电源1的射频能量经过阻抗匹配单元2传输至第一腔室31。

状态二，第一触点CD的C端、第二触点AB的A端和第三触点EF的E端均连接射频电源1，设第一电磁铁215上停止通电，此时，第一电磁铁215的磁力消失，在弹簧212拉力的作用下，触片213离开第一触点CD并与第二触点AB相接触，使第一触点CD断开，第二触点AB接通，从而使射频电源1的射频能量经过阻抗匹配单元2传输至第二腔室32。

状态三，第一触点CD的C端、第二触点AB的A端和第三触点EF的E端均连接射频电源1，设第二电磁铁216上通以24V直流电，此时，第二电磁铁216上产生磁力，该磁力吸附触片213离开第二触点AB并与第三触点EF相接触，使第二触点AB断开，第三触点EF接通，从而使射频电源1的射频能量经过阻抗匹配单元2传输至第三腔室33。

本实施例中，第一触点CD、第二触点AB和第三触点EF上分别设置有铍铜簧片。如此设置，能使触片213与第一触点CD、第二触点AB和第三触点EF的接触电阻大大降低，从而大大减小了接入至第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33的射频能量的损耗，使第一触点CD、第二触点AB和第三触点EF的导电性能更加稳定。

本实施例中，第一触点CD和第一腔室31之间通过第一射频电缆25连接，第二触点AB和第二腔室32之间通过第二射频电缆26连接，第三触点EF和第三腔室33之间通过第三射频电缆27连接。第一射频电缆25、第二射频电缆26和第三射频电缆27的两端均设置有大功率的射频接头，通过第一射频电缆25连接第一触点CD和第一腔室31，第二射频电缆26连接第二触点AB和第二腔室32，第三射频电缆27连接第三触点EF和第三腔室33，能实现射频能量在第一腔室31、第二腔室32和第三腔室33之间传输时较高的隔离度，从而确保预清洗工艺和沉积工艺的工艺效果不受射频能量切换传输的影响。

需要说明的是，三触点开关元件也可以采用三触点手动开关元件，三触点手动开关元件即通过手动操作机械手柄从而实现三触点开关中一个触点的接通和另两个触点的关闭，如单刀三掷开关等。

本实施例中半导体处理装置的其他结构与实施例1中相同，此处不再赘述。

实施例1-2的有益效果：实施例1-2中所提供的半导体处理装置，通过在阻抗匹配单元中设置切换元件，使其在对产能要求不高时，并在其内部的至少两个处理腔室中的处理工艺可以分开并先后进行时，能够使至少两个处理腔室共用一个射频电源和一个阻抗匹配单元，从而降低了半导体处理装置的生产成本，并简化了半导体处理装置的结构，进而提升了半导体处理装置的核心竞争力。

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 (10)

1.一种半导体处理装置，包括射频电源、阻抗匹配单元和处理腔室，所述射频电源连接所述阻抗匹配单元，用于将射频能量传输至所述处理腔室；所述阻抗匹配单元连接所述处理腔室，用于对所述处理腔室的阻抗和所述射频电源的阻抗进行匹配，其特征在于，所述阻抗匹配单元包括切换元件，所述处理腔室包括至少两个，所述切换元件用于将所述射频能量切换传输至各个所述处理腔室。

2.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述处理腔室包括第一腔室和第二腔室，所述切换元件采用双触点开关元件，所述双触点开关元件的第一触点与所述第一腔室连接，所述双触点开关元件的第二触点与所述第二腔室连接。

3.根据权利要求2所述的半导体处理装置，其特征在于，所述第一腔室为预清洗腔室，所述第二腔室为沉积腔室。

4.根据权利要求2所述的半导体处理装置，其特征在于，所述双触点开关元件包括双触点电磁开关元件或双触点手动开关元件。

5.根据权利要求4所述的半导体处理装置，其特征在于，所述双触点电磁开关元件包括绝缘基座、一端连接在所述绝缘基座上的弹簧、连接在所述弹簧另一端的触片和与所述触片相对设置的电磁铁，所述电磁铁能通过通电获得磁力，以吸附所述触片与所述第一触点相接触，从而使所述射频电源通过所述阻抗匹配单元接入至所述第一腔室；所述电磁铁能通过断电失去磁力，以使所述触片脱离所述第一触点并与所述第二触点相接触，从而使所述射频电源通过所述阻抗匹配单元接入至所述第二腔室。

6.根据权利要求2所述的半导体处理装置，其特征在于，所述第一触点和所述第二触点上分别设置有铍铜簧片。

7.根据权利要求2所述的半导体处理装置，其特征在于，所述第一触点和所述第一腔室之间通过第一射频电缆连接，所述第二触点和所述第二腔室之间通过第二射频电缆连接。

8.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述射频电源的频率包括13.56MHz、400KHz、2MHz或60MHz。

9.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述处理腔室包括三个，所述切换元件采用三触点开关元件，所述三触点开关元件的三个触点分别与三个所述处理腔室连接。

10.根据权利要求1-9所述的半导体处理装置，其特征在于，所述半导体处理装置为物理气相沉积装置。