CN107578977A - 反应腔室以及电容耦合等离子体设备 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种反应腔室以及电容耦合等离子体设备，反应腔室包括底壁、内衬、支撑组件和磁性组件。内衬设置于腔室本体内，包括位于腔室本体底壁上方的底衬；支撑组件设置于被底衬环绕的工艺区域内，用于支撑晶片；磁性组件设置于工艺区域外，用于形成磁场，以缩小晶片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率的差距。

Description

反应腔室以及电容耦合等离子体设备

技术领域

本公开涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种反应腔室以及电容耦合等离子体设备。

背景技术

在半导体刻蚀工艺中，晶片的刻蚀均匀性是其重要的技术指标。图1是一种常见的电容耦合等离子体(CCP)预清洗(Preclean)腔室的结构示意图。腔室一般为圆柱体，由腔室本体1、内衬(上内衬2、下内衬3)、下电极结构等部分组成。下电极结构主要由支撑盘体7、绝缘基座11、射频匹配器9、射频电源10组成。腔室本体1还开有抽气口4，反应气体及刻蚀副产物从此处排出。匀气板6使由进气口(图中未示出)进入反应腔室的气体分布更均匀。支撑盘体7通常为金属，其直径L略小于晶片。绝缘基座11使支撑盘体7与下内衬3绝缘。波纹管8可带动支撑盘体7在一定范围内升降。整个反应腔室除支撑盘体7外均与地接触良好。

为了防止支撑盘体被刻蚀从而污染晶片，等离子体刻蚀设备的下电极尺寸通常都小于晶片尺寸。因此在晶片的边缘存在着远高于中心区的电场，导致该边缘区域等离子体密度较高，到达晶片边缘的离子通量很大，造成晶片边缘刻蚀速率偏高，严重影响晶片的刻蚀均匀性，这种效应叫做边缘电场效应，在电容耦合等离子体(CCP)的刻蚀设备中尤为严重，有时晶片边缘的刻蚀速率甚至是中心区的一倍以上，如图2所示。

目前主要是通过特定结构的聚焦环(focus ring)来解决边缘电场效应问题。如图3所示，聚焦环5直径D略大于晶片。聚焦环5的介电常数要尽量大，常采用石英晶体或陶瓷，所选材料要与刻蚀工艺相容。这种结构的聚焦环可以改善边缘电场的分布，可以通过调整聚焦环5的高度H、内径D来限制到达晶片边缘的离子通量，从而降低晶片边缘的刻蚀速率。

然而，在实现本公开的过程中，申请人发现现有技术存在如下缺陷：

在电容耦合等离子体刻蚀设备中，边缘电场效应非常强烈，增大聚焦环的高度H以及调整聚焦环内径D难以有效解决边缘刻蚀速率过高的问题；并且，如果聚焦环的高度H过大，刻蚀副产物容易沉积在聚焦环的内侧，从而影响工艺的稳定性。

发明内容

本公开旨在至少部分地解决现有技术中存在的技术问题，提出了一种反应腔室以及电容耦合等离子体设备。

根据本公开的一个方面，提供了一种反应腔室，包括：腔室本体，包括底壁；内衬，设置于所述腔室本体内，包括位于所述腔室本体底壁上方的底衬；支撑组件，设置于被所述底衬环绕的工艺区域内，用于支撑晶片；磁性组件，设置于所述工艺区域外，用于形成磁场，以缩小所述晶片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率的差距。

在本公开的一些实施例中，所述支撑组件设置于所述底衬的上表面，所述磁性组件设置于所述底衬的下表面，并与所述支撑组件的边缘部分位置对应，所述磁性组件形成的磁场分布于所述支撑组件的边缘部分，以降低所述晶片的边缘区域的刻蚀速率。

在本公开的一些实施例中，所述磁性组件包括：沿径向分布内层磁铁和外层磁铁；所述内层磁铁与所述外层磁铁极性相反。

在本公开的一些实施例中，所述内层磁铁和外层磁铁为环状结构。

在本公开的一些实施例中，所述环状结构由多个圆柱形磁铁等间距排列形成。

在本公开的一些实施例中，所述环状结构由多个弧形磁铁等间距排列形成。

在本公开的一些实施例中，所述环状结构为环形磁铁。

在本公开的一些实施例中，所述支撑组件包括：绝缘基座和支撑盘体，依次层叠于所述底衬的上表面，所述支撑盘体用于支撑所述晶片；聚焦环，设置于所述底衬上表面并环绕于所述绝缘基座和支撑盘体的四周；所述磁场分布于所述支撑盘体、绝缘基座的边缘部分以及所述聚焦环。

在本公开的一些实施例中，所述内层磁铁的直径大于所述晶片的直径，所述内层磁铁与外层磁铁的径向间距等于所述支撑盘体上表面与底衬下表面的垂直间距。

在本公开的一些实施例中，所述内层磁铁与外层磁铁的径向间距小于30mm。

在本公开的一些实施例中，所述磁性组件的材质为N38SH或者N40SH。

根据本公开的另一个方面，提供了一种电容耦合等离子体设备，包括上述反应腔室。

在本公开的一些实施例中，所述电容耦合等离子体设备为电容耦合等离子体预清洗设备。

本公开通过设置与支撑组件边缘部分位置对应的磁性组件，可以有效降低晶片边缘的刻蚀速率，缩小与晶片中心区域刻蚀速率的差距，从而提高了晶片的刻蚀均匀性，解决了边缘电场效应问题，并且不会导致刻蚀副产物沉积在聚焦环内侧，能够保证工艺长时间稳定。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的电容耦合等离子体预清洗腔室的结构示意图；

图2是图1所示电容耦合等离子体预清洗腔室的晶片刻蚀速率径向曲线；

图3是图1所示电容耦合等离子体预清洗腔室的下电极结构剖面示意图；

图4是本公开实施例的反应腔室的结构示意图；

图5是本公开实施例的反应腔室磁性组件的仰视图；

图6是本公开实施例的反应腔室的磁场分布图；

图7是本公开另一实施例的反应腔室磁性组件的仰视图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

本公开实施例提供了一种反应腔室，其应用于电容耦合等离子体设备，尤其是电容耦合等离子体预清洗设备，如图4所示，该反应腔室为圆筒状结构，包括：腔室本体1、内衬和下电极结构。

腔室本体1包括侧壁11和底壁12，底壁12设置有抽气口4，用于将工艺气体及刻蚀副产物排出。

内衬设置于腔室本体1内，用于防止腔室本体被等离子体污染腐蚀，包括：顶衬2和底衬3。顶衬2和底衬3共同环绕出一工艺区域，以形成工艺环境。顶衬2顶面设置有匀气板6，可以使由进气口(图中未示出)进入工艺环境中的气体分布更均匀。底衬3位于腔室本体底壁12上方，包括：与腔室本体侧壁11相对的侧面31、以及与腔室本体底壁12相对的底面32。

下电极结构包括：支撑组件、射频组件和磁性组件。

支撑组件设置于底衬3环绕的工艺区域内，具体来说，支撑组件设置于底衬3的上表面，即底衬底面32的上表面，用于支撑晶片，包括：聚焦环5、支撑盘体7和绝缘基座15。

绝缘基座15和支撑盘体7依次层叠于底衬3的上表面，即绝缘基座15设置于底衬底面32的上表面，支撑盘体7设置于绝缘基座15的上表面。支撑盘体7用于放置晶片，绝缘基座15将支撑盘体7与底衬3绝缘。聚焦环5设置于底衬底面32上表面并环绕于绝缘基座15和支撑盘体7的四周，三者同心设置。聚焦环5防止晶片滑出支撑盘体7，并将等离子体约束在下电极结构上方，起到抑制边缘电场效应的作用。

下电极结构还包括波纹管8，波纹管8设置于腔室本体底壁12与底衬底面32之间，用于支撑下内衬3，并可带动下内衬3和支撑组件整体升降。

支撑盘体7为金属材质，通常选用铝。为防止金属材质的支撑盘体7被等离子体刻蚀而污染晶片，支撑盘体7的尺寸略小于晶片，即支撑盘体7的直径小于晶片直径。绝缘基座15可以采用陶瓷等绝缘材料。除支撑盘体7外其余部件均与地接触良好。

射频组件包括射频匹配器9和射频电源10，与支撑组件电性连接，用于向支撑组件提供射频电压。

参见图4，本实施例的下电极结构还包括磁性组件，其设置于底衬3环绕的工艺区域外，用于形成磁场，以缩小晶片边缘区域与中心区域的刻蚀速率的差距。具体来说，磁性组件设置于底衬3的下表面，即底衬底面32的下表面，并与支撑组件的边缘部分位置对应，以降低晶片边缘区域的刻蚀速率。磁性组件包括：沿径向分布的内层磁铁13和外层磁铁14。由于支撑盘体7和绝缘基座15一般为圆盘状结构，聚焦环5为圆环状结构，支撑组件整体也呈圆盘状结构，内层磁铁13和外层磁铁14的形状应与支撑组件对应，因此其整体也呈环状结构。

如图5所示，在本实施例中，内层磁铁13和外层磁铁14均为多个(图5中为20个)圆柱形磁铁等间距排列形成的同心环状结构，圆柱形磁铁的一端固定于底衬底面32的下表面，并与底衬底面32接触良好，以防止出现打火。内层磁铁13所有圆柱形磁铁的极性排列一致，外层磁铁14所有圆柱形磁铁的极性排列一致，并且内层磁铁13圆柱形磁铁的极性与外层磁铁14圆柱形磁铁的极性相反，以使内层磁铁13和外层磁铁14形成磁回路。在一个示例中，内层磁铁13的圆柱形磁铁S极朝上固定于底衬底面32的下表面、N级朝下面向腔室本体底壁12；外层磁铁14的圆柱形磁铁S极朝下面向腔室本体底壁12、N级朝上固定于底衬底面32的下表面。在另一个示例中，也可以与上述情况相反，即内层磁铁13的圆柱形磁铁N极朝上、S级朝下，外层磁铁14的圆柱形磁铁N极朝下、S级朝上。

如图6所示，本实施例的磁性组件形成磁场，磁场主要分布于磁性组件上方和下方、并且位于内层磁铁13和外层磁铁14之间的区域。由于磁性组件对应支撑组件的边缘部分，磁性组件上方的磁场也就分布于支撑组件的边缘部分，即分布于支撑盘体7、绝缘基座15的边缘部分以及聚焦环5。工艺时，由于支撑组件边缘部分存在磁场，部分等离子体会被约束在该边缘区域，同时使得垂直于磁场的电场分量也难以有效耦合到等离子体中，晶片边缘的等离子体密度降低。上述两种因素导致到达晶片边缘的离子通量减少，从而降低晶片边缘的刻蚀速率。同时，在离支撑组件边缘部分较远的区域，即支撑组件的中心部分，磁场强度迅速衰减，几乎不会对晶片中心的刻蚀速率造成影响，从而改善了晶片刻蚀的均匀性。

本实施例圆柱形磁铁的材质为N38SH或者N40SH，这些材质的磁铁能够耐150℃的高温，能够用于真空环境。两层磁铁均位于工艺区域外部，其不与等离子体接触，不会被等离子体污染腐蚀。内层磁铁13的直径W略大于晶片直径，内层磁铁13与外层磁铁14的径向间距h约为支撑盘体7与内层磁铁13的间距，即支撑盘体7上表面至底衬底面32下表面的距离a，a优选小于30mm。在上述尺寸范围内，内层磁铁13的直径W、内层磁铁13与外层磁铁14的径向间距h均可以调节。例如在图6中，内层磁铁13位于支撑盘体7和绝缘基座15边缘的下方，外层磁铁14位于聚焦环5下方。也可以如图4所示，内层磁铁13位于聚焦环5下方，外层磁铁14位于聚焦环5的外侧，其内层磁铁13的直径W要大于图6。另外，还可以选用不同磁场强度的磁铁，通过调节内层磁铁13的直径W、内层磁铁13与外层磁铁14的径向间距h及磁铁的磁场强度，可以控制晶片边缘的刻蚀速率。

由此可见，本实施例通过设置与支撑组件边缘部分位置对应的磁性组件，可以有效降低晶片边缘的刻蚀速率，缩小与晶片中心区域刻蚀速率的差距，从而提高了晶片的刻蚀均匀性，解决了边缘电场效应问题，并且不会导致刻蚀副产物沉积在聚焦环5内侧，能够保证工艺长时间稳定。

本公开另一实施例的反应腔室，在以下描述中，为了达到简要说明的目的，上述实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。如图7所示，内层磁铁13和外层磁铁14为同心的环形磁铁，内层环形的极性与外层环形磁铁的极性相反。内层环形磁铁的S极朝上固定于底衬底面32的下表面、N级朝下面向腔室本体底壁12；外层环形磁铁的S极朝下面向腔室本体底壁12、N级朝上固定于底衬底面32的下表面，或者相反。

本实施例的磁性组件同样可以提高晶片的刻蚀均匀性，并且相对于多个圆柱形磁铁的形式，部件个数少，更易于加工。

以上只是示例性说明，在其他示例中，内层磁铁13和外层磁铁14可以不是完整的环形磁铁，而是由多个弧形磁铁等间距排列形成的、整体呈环形的环状结构。弧形磁铁的个数并无限制，这同样可以提高晶片刻蚀均匀性。

本公开另一实施例提供了一种等离子体设备，其包括上述实施例的反应腔室。该等离子体设备是电容耦合等离子体设备，进一步地，是电容耦合等离子体预清洗设备。同时该等离子体设备也可以是电感耦合等离子体设备。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

Claims (13)

1.一种反应腔室，包括：

腔室本体，包括底壁；

内衬，设置于所述腔室本体内，包括位于所述腔室本体底壁上方的底衬；

支撑组件，设置于被所述底衬环绕的工艺区域内，用于支撑晶片；

磁性组件，设置于所述工艺区域外，用于形成磁场，以缩小所述晶片的边缘区域与中心区域的刻蚀速率的差距。

2.如权利要求1所述的反应腔室，所述支撑组件设置于所述底衬的上表面，所述磁性组件设置于所述底衬的下表面，并与所述支撑组件的边缘部分位置对应，所述磁性组件形成的磁场分布于所述支撑组件的边缘部分，以降低所述晶片的边缘区域的刻蚀速率。

3.如权利要求2所述的反应腔室，

所述磁性组件包括：沿径向分布内层磁铁和外层磁铁；

所述内层磁铁与所述外层磁铁极性相反。

4.如权利要求3所述的反应腔室，

所述内层磁铁和外层磁铁为环状结构。

5.如权利要求4所述的反应腔室，

所述环状结构由多个圆柱形磁铁等间距排列形成。

6.如权利要求4所述的反应腔室，

所述环状结构由多个弧形磁铁等间距排列形成。

7.如权利要求4所述的反应腔室，所述环状结构为环形磁铁。

8.如权利要求2至7任一项所述的反应腔室，

所述支撑组件包括：

绝缘基座和支撑盘体，依次层叠于所述底衬的上表面，所述支撑盘体用于支撑所述晶片；

聚焦环，设置于所述底衬上表面并环绕于所述绝缘基座和支撑盘体的四周；

所述磁场分布于所述支撑盘体、绝缘基座的边缘部分以及所述聚焦环。

9.如权利要求8所述的反应腔室，

所述内层磁铁的直径大于所述晶片的直径，所述内层磁铁与外层磁铁的径向间距等于所述支撑盘体上表面与底衬下表面的垂直间距。

10.如权利要求9所述的反应腔室，

所述内层磁铁与外层磁铁的径向间距小于30mm。

11.如权利要求1所述的反应腔室，

所述磁性组件的材质为N38SH或者N40SH。

12.一种电容耦合等离子体设备，包括权利要求1至11中任一项权利要求所述的反应腔室。

13.如权利要求12所述的电容耦合等离子体设备，所述电容耦合等离子体设备为电容耦合等离子体预清洗设备。