CN110459456A - 上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备 - Google Patents

上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供了一种上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备。该上电极结构，用于向刻蚀腔室内施加射频功率，其包括：线圈、电极及射频电源组件；所述线圈设置于所述刻蚀腔室内且位于设置在所述刻蚀腔室内的介质窗的上方；所述电极设置于所述刻蚀腔室内，且位于所述介质窗的上方，所述电极在所述介质窗上的投影位于所述线圈在所述介质窗上的投影的径向上的内侧和/或外侧；所述射频电源组件与所述线圈及所述电极电连接，用于向所述线圈和/或所述电极施加射频功率，以进行刻蚀或对所述刻蚀腔室进行清洗。本申请实施例使得线圈在清洗时可以作为电极的一部分，可以有效提高清洗效率，并且可以有效提高对刻蚀腔室及介质窗清洗的均匀性。

Description

上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备
技术领域
本申请涉及半导体加工技术领域，具体而言，本申请涉及一种上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备。
背景技术
目前，在微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)半导体的制造工艺中，刻蚀机是必不可少的设备。在感应耦合等离子体(Inductively Coupled PlasmaEtch,ICPE)刻蚀中，随着刻蚀工艺的进行，刻蚀产生的反应副产物、轰击出的掩膜、晶圆中溅射出来的固形物等会附着在刻蚀腔室内壁上。随着使用时间的增加，附着物沉积到一定程度的时候会影响刻蚀腔室环境，从而改变刻蚀结果。所以，定期对刻蚀腔室进行清洗，恢复稳定的刻蚀腔室环境有利于工艺结果的稳定和重复。另外作为射频功率馈入刻蚀腔室的通道，介质窗上附着物的沉积情况更为重要，尤其是在刻蚀含有金属或使用金属做掩膜的晶圆时，金属颗粒被轰击溅射到介质窗上，会引起两方面影响：一方面其他副产物会围绕它附着，在外界条件变化时掉落形成微粒(Particle)；另一方面，金属附着在介质窗上形成类似于法拉第屏蔽的金属膜层，会改变射频功率的耦合情况，造成起辉困难及等离子体成份变化。所以，减少介质窗下附着物的沉积、提高刻蚀腔室的清洗周期是很有必要的。但是现有技术中对于刻蚀腔室内清洗效率不理想，需要定期的对刻蚀腔室进行开腔清洗，不仅清洗周期长，而且还影响生产效率。
发明内容
本申请针对现有方式的缺点，提出一种上电极结构、刻蚀腔室及半导体加工设备，用以解决现有技术存在刻蚀腔室内清洗效果不理想以及刻蚀腔室开腔清洗频率过高的技术问题。
第一个方面，本申请实施例提供了一种上电极结构，用于向刻蚀腔室内施加射频功率，包括：线圈、电极及射频电源组件；
所述线圈设置于所述刻蚀腔室内，且位于设置在所述刻蚀腔室内的介质窗的上方；
所述电极设置于所述刻蚀腔室内，且位于所述介质窗的上方，所述电极在所述介质窗上的投影位于所述线圈在所述介质窗上的投影的径向上的内侧和/或外侧；
所述射频电源组件与所述线圈及所述电极电连接，用于向所述线圈和/或所述电极施加射频功率，以进行刻蚀或对所述刻蚀腔室进行清洗。
于本申请的一实施例中，所述电极包括内电极以及与所述内电极相连的外电极；所述内电极位于所述线圈径向上的内侧，所述外电极位于所述线圈径向上的外侧。
于本申请的一实施例中，所述内电极的外缘与所述线圈之间沿径向具有第一距离；所述外电极的内缘与所述线圈之间沿径向具有第二距离；所述第一距离及所述第二距离均大于等于一预设安全阈值。
于本申请的一实施例中，所述预设安全阈值大于等于20毫米。
于本申请的一实施例中，所述内电极为圆形结构，所述外电极为环形结构；或者，所述内电极为星形结构，所述外电极为星形结构。
于本申请的一实施例中，所述电极与所述刻蚀腔室内的介质窗贴合设置。
于本申请的一实施例中，所述线圈包括至少两个平面单圈线圈，所述至少两个平面单圈线圈沿径向并列排布且同心、共面设置。
于本申请的一实施例中，所述线圈为单输出或者双输出模式。
于本申请的一实施例中，所述电极为金属电极，并且所述电极整体呈板状。
于本申请的一实施例中，所述射频电源组件包括：射频电源、匹配器、继电器及电容，所述射频电源依次通过所述匹配器、所述继电器及所述电容与所述电极电连接；所述射频电源通过所述匹配器与所述线圈电连接；当进行刻蚀时，所述继电器断开且所述射频电源向所述线圈施加射频功率；当需要进行清洗时，所述继电器闭合且所述射频电源同时向所述线圈及所述电容施加射频功率，所述电容向所述电极施加电压。
第二个方面，本申请实施例提供了一种刻蚀腔室，所述刻蚀腔室内设置有第一个方面提供的上电极结构。
第三个方面，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括第二个方面提供的刻蚀腔室。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是：
本申请实施例通过将电极设置于线圈未覆盖的区域内，使得线圈在清洗时可以作为电极的一部分，线圈可以与刻蚀腔室直接进行功率耦合，不仅扩展了工艺的使用窗口，而且可以有效提高清洗效率；由于线圈及电极的设置方式可以扩大清洗的范围，从而可以有效提高对刻蚀腔室及介质窗清洗的均匀性。进一步的，由于清洗的效率及清洗均匀性效果的提高，还可以有效延长开腔清洗的周期，进而可以减少开腔清洗的频率以及延长开腔清洗的周期，同时还可以提高晶圆的质量，不仅可以有效提高生产效率，而且还可以大幅提高经济效益。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种上电极结构与刻蚀腔室配合的剖视示意图；
图2为本申请实施例提供的一种线圈与电极配合的示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种线圈与电极配合的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本申请实施例提供了一种上电极结构，用于在刻蚀腔室内施加射频功率，该上电极结构的示意图如图1所示，包括：线圈1、电极2及射频电源组件3；线圈1设置于刻蚀腔室4内，且位于设置在刻蚀腔室内的介质窗5的上方；电极2设置于刻蚀腔室4内，且位于介质窗5的上方，电极2位于在介质窗5上的投影位于线圈1在介质窗5上的投影的径向上的内侧和/或外侧；射频电源组件3与线圈1及电极2电连接，并且可选择性向线圈1和/或电极2施加射频功率，以进行刻蚀或对所述刻蚀腔室进行清洗。
如图1所示，线圈1可以为电感线圈1，其可以采用绝缘支架(图中未示出)设置于刻蚀腔室4内，线圈1可以位于介质窗5的上方。线圈1可以与射频电源组件3电连接。电极2同样可以采用绝缘支架(图中未示出)设置于刻蚀腔室4内，并且电极2可以位于线圈1径向上的内侧和/或外侧。具体来说电极2可以设置于未被线圈1覆盖的区域，即电极2在介质窗5上的投影可以位于线圈1在介质窗5上的投影的径向上的内侧和/或外侧，并且电极2同样与射频电源组件3电连接。射频电源组件3可以设置于刻蚀腔室4的外侧，用于可以选择性向线圈1和/或电极2施加射频功率。在实际应用时，例如当需要对刻蚀腔室4内的基座6上的晶圆进行刻蚀时，射频电源组件3可以向线圈1施加射频功率；而当需要对刻蚀腔室4及介质窗5进行清洗时，射频电源组件3则可以向线圈1及电极2同时施加射频功率。
本申请实施例通过将电极设置于线圈未覆盖的区域内，使得线圈在清洗时可以作为电极的一部分，线圈可以与刻蚀腔室直接进行功率耦合，不仅扩展了工艺的使用窗口，而且可以有效提高清洗效率；由于线圈及电极的设置方式可以扩大清洗的范围，从而可以有效提高对刻蚀腔室及介质窗清洗的均匀性。进一步的，由于清洗的效率及清洗均匀性效果的提高，还可以有效延长开腔清洗的周期，进而可以减少开腔清洗的频率以及延长开腔清洗的周期，同时还可以提高晶圆的质量，不仅可以有效提高生产效率，而且还可以大幅提高经济效益。
需要说明的是，本申请实施例对于线圈1及电极2的具体高度并不进行限定，只要两者均设置于介质窗5上方即可。作为一种优选的实施方式，线圈1及电极2可以共面设置，即二者位于介质窗5上方的同一高度。另一方向本申请实施例对于线圈1及电极2的具体设置方式也不进行限定，本领域技术人员可以根据实际情自行调整设置。
于本申请的一实施例中，电极2包括内电极21以及与内电极21相连的外电极22；内电极21位于线圈1径向上的内侧，外电极22位于线圈1径向上的外侧。
如图1至图3所示，内电极21可以设置于可以设置于线圈1的内侧，覆盖线圈1内部的区域；而外电极22则可以设置于线圈1的外侧，用于覆盖线圈1外部的区域，从而可以达到在径向上完全覆盖线圈1未覆盖的区域。采用上述设计，可以有效提高清洗效率及清洗均匀性，从而可以有效减少微粒附着于介质窗5，进而可以防止微粒在介质窗5上形成具有法拉第屏蔽效应的金属膜层，可以使得应用本申请实施例的刻蚀腔室4起辉效率较佳，而且还可以减少对等离子体成份的影响。可选地，外电极22的直径可以对应介质窗5在直径进行设置，以进一步提高介质窗5清洗效率。
同样的，本申请实施例对内电极21、外电极22、线圈1的体高度并不进行限定，只要两者均设置于介质窗5上方即可。换句话说，上述的内电极21位于线圈1径向内侧，外电极22位于线圈1径向的外侧，是指内电极21在介质窗5上的投影位于线圈1在介质窗5上的投影的径向上的内侧，外电极22在介质窗5上的投影位于线圈1径向的在介质窗5上的投影的径向上的外侧。
需要说明的是，本申请实施例并不限定线圈1及电极2的布置方式，例如在一些其它实施例中，线圈1可以包括有多组，其可以在如图2所示的基础上，在外电极22的外侧环绕设置，以满足刻蚀腔室4对于不同工艺的需求，进一步的，外电极22的数量也可以为多个，其可以与线圈1采用交叉布置的方式进行设置。因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际需求自行调整设置。
于本申请的一实施例中，内电极21的外缘与线圈1沿径向具有第一距离D1；外电极22的内缘与线圈1沿径向具有第二距离D2；第一距离D1及第二距离D2均大于等于一预设安全阈值。
如图1及图2所示，电极2与线圈1可以在同一平面上设置，采用该设计，可以防止现有技术中电极2设置于线圈1正下方，容易形成法拉第屏蔽，降低线圈1与刻蚀腔室4之间的耦合，而本申请实施例则避免了上述问题的发生，从而可以有效提高了线圈1与刻蚀腔室4之间的耦合，进而提高刻蚀及清洗的效率。进一步的，内电极21的外缘可以与线圈1沿径向具有第一距离D1，而外电极22的内缘与线圈1沿径向具有第二距离D2，由于线圈1与电极2之间存在电势差，因此需设置一预设安全阈值来保证在任何工艺条件下的耐压值足够，而第一距离D1及第二距离D2均应当大于该预设安全阈值。采用上述设计，可以有效确保本申请实施例的安全性及易用性。
于本申请的一实施例中，预设安全阈值大于等于20毫米。预设安全阈值可以根据施加于电极2上的电压等条件来进行设定，因此本申请实施例对此并不进行限定，本领域技术人员可以根据实际工艺条件例如清洗速率及线圈1结构等条件对预设安全阈值进行设定。
于本申请的一实施例中，内电极21为圆形结构，外电极22为环形结构；或者，内电极21为星形结构，外电极22为环状星形结构。如图2及图3所示，内电极21可以采用圆形结构设置于线圈1的内侧，而外电极2则可以采用环形结构设置于线圈1的外侧，具体可以参照如图2所示。另一个实施例中，内电极2可以采用星形结构，外电极22则可以采用环状星形结构，具体可以参照如图3所示。可选地，内电极21及外电极22还可以均采用网状结构。采用上述设计，可以使得本申请实施例对于介质窗的清洗更加均匀，而且由于其结构简单便于加工，还可以有效降低本申请实施例的应用成本。
需要说明的是，本申请实施例对于内电极21及外电极22的形状并不进行限定，并且上述各实施例的内电极21及外电极22还可以交换应用，因此本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
于本申请的一实施例中，电极2与刻蚀腔室4内的介质窗5贴合设置。如图1所示，电极2可以直接设置于介质窗5的上方，并且与介质窗5贴合设置，采用该设计可以有效提高对于介质窗5的清洗效率。需要说明的是，在一些实施例中，线圈1也可以与电极2设置于同一平面上，即也与介质窗5贴合设置，但是本申请实施例并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况对线圈1的高度进行调整。
于本申请的一实施例中，如图1至图3所示，线圈1包括至少两个平面单圈线圈，至少两个平面单圈线圈沿刻蚀腔室径向并列排布且同心、共面设置。在实际应用时，线圈1可以包括多个平面单圈线圈，多个平面单圈线圈可以沿刻蚀腔室4的径向并列设置，且多个平面单圈线圈之间可以采用同心并且共面设置，即多个平面单圈线圈在均位于同一平面上。可选地，多个线圈1还可以与刻蚀腔室4采用同心设置。采用上述设计，可以有效提高本申请实施例在执行不同工艺时的效率及均匀性。
于本申请的一实施例中，结合参照如图1所示，线圈1为单输出或者双输出模式。例如当线圈1包括多个平面单圈线圈时，可以对多个平面单圈线圈统一施加相同的电压，即线圈1为单输模式；如果对多个平面单圈线圈分别施加不同的电压，即线圈1可以双输出模式。采用上述设计，可使得本申请实施例可以通过对多个平面单圈线圈的不同功率进行调整，以实现对电磁场的调节。而且采用不同的输出模式，可以满足对不同工艺的需求，从而可以有效提高本申请实施例适用范围，进而提高本申请实施例的适用性。
于本申请的一实施例中，如图2及图3所示，电极2为金属电极，并且电极2整体呈板状结构。电极2可以整体采用金属材质制的板状结构，并且其可以加工为如图2及图3所示的形状。电极2具体可以采用铜或者铁等材质制成，但是本申请实施例对此并不进行限定。采用上述设计，线圈1和电极2在实际应用时可以共同形成类似平板电极2进行放电，从而可以有效提高清洗效率及清洗效果。
于本申请的一实施例中，如图1所示，射频电源组件3包括：射频电源31、匹配器32、继电器33及电容34，射频电源31依次通过匹配器32、继电器33及电容34与电极2电连接；射频电源31通过匹配器32与线圈1电连接；当进行刻蚀时，继电器33断开且射频电源31向线圈施加射频功率；当需要进行清洗时，继电器33闭合且射频电源31同时向线圈1及电容34施加射频功率，电容34向电极2施加电压。射频电源31可以通过一匹配器32与线圈1连接，从而可以现对射频电源31的频率进行控制，例如可以适用于13.56MHz以及其他频率的射频功率，进而可以提高本申请实施例的适用性。需要说明的是本申请实施例对此并不进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况自行调整设置。
为了更好的理解本申请实施例，以下将结合图1至图3对本申请实施例的原理及应用实例进行说明。在实际使用中，在继电器33断开的情况下，电极2悬浮在射频环境中，此时起辉匹配位置、等离子体阻抗等参数与未放置电极2时无差异，可认为不影响等离子体状态。而当继电器33闭合的情况下，电极2接入射频，此时调整电容34，取合适容值并固定，例如当针对使用直径为300毫米的介质窗5时，电容34的容值可以采用约为50pF，刻蚀腔室4内可以起辉，起辉后等离子体处于E模式放电(在感应耦合等离子体的等离子体启辉过程中，在没有等离子体的刻蚀腔室4上加载功率，会在线圈1上形成一个高电压；依靠这个高电压对刻蚀腔室4内的气体进行离化形成等离子体41，此时等离子体41密度较低；之后随着功率的持续馈入，等离子体41密度增高，此时线圈1上电压降低电流增加，依靠电流产生的磁场来维持等离子体41。这个过程中，依靠高电压击穿气体形成低密度等离子体的状态，即类似于电容耦合等离子体的状态，叫做感应耦合等离子体放电的E模式)，线圈1、电极2组合起来，共同形成类似平板电极2的电容耦合等离子体(Capacit ively CoupledPlasma,CCP)放电模式。在此放电模式下，等离子体中带电离子具有较高的能量，同时上电极结构在介质窗5下形成鞘层，加速带电粒子轰击介质窗5，达到清洗的目的。在实际应用时，为了提高清洗效率，还可以将电容34的容值调大。但要注意过高电压会引起发热及边缘放电等问题，需根据实际情况(主要影响因素包括工艺功率、清洗速率、线圈1结构、匹配器阻抗范围等)选择合适电压，例如在针对直径300毫米的介质窗5，可以使用1.8kV电压进行清洗。
经过对本申请实施例进行的清洗测试，使用清洗配方1000W/10mT/100sccm氩气，对刻蚀腔室4进行五分钟清洗。待刻蚀腔室4内等离子体41稳定后，测量氩气光谱强度，本申请实施的光谱强度比现有技术中光谱强度高40％左右；在清洗效果上，线圈1下方介质窗5内侧明显露出介质窗5本身材质。由此可知，本申请实施例可以有效提高清洗效率及清洗效果。
基于同一发明构思，第二个方面，本申请实施例提供了一种刻蚀腔室，刻蚀腔室内设置有如第一个方面提供的上电极结构。
基于同一发明构思，第三个方面，本申请实施例提供了一种半导体加工设备，包括如第二个方面提供的刻蚀腔室。
应用本申请实施例，至少能够实现如下有益效果：
本申请实施例通过将电极设置于线圈未覆盖的区域内，使得线圈在清洗时可以作为电极的一部分，线圈可以与刻蚀腔室直接进行功率耦合，不仅扩展了工艺的使用窗口，而且可以有效提高清洗效率；由于线圈及电极的设置方式可以扩大清洗的范围，从而可以有效提高对刻蚀腔室及介质窗清洗的均匀性。进一步的，由于清洗的效率及清洗均匀性效果的提高，还可以有效延长开腔清洗的周期，进而可以减少开腔清洗的频率以及延长开腔清洗的周期，同时还可以提高晶圆的质量，不仅可以有效提高生产效率，而且还可以大幅提高经济效益。
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。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种上电极结构，用于向刻蚀腔室内施加射频功率，其特征在于，包括：线圈、电极及射频电源组件；
所述线圈设置于所述刻蚀腔室内，且位于设置在所述刻蚀腔室内的介质窗的上方；
所述电极设置于所述刻蚀腔室内，且位于所述介质窗的上方，所述电极在所述介质窗上的投影位于所述线圈在所述介质窗上的投影的径向上的内侧和/或外侧；
所述射频电源组件与所述线圈及所述电极电连接，用于向所述线圈和/或所述电极施加射频功率，以进行刻蚀或对所述刻蚀腔室进行清洗。
2.如权利要求1所述的上电极结构，其特征在于，所述电极包括内电极以及与所述内电极相连的外电极；所述内电极位于所述线圈径向上的内侧，所述外电极位于所述线圈径向上的外侧。
3.如权利要求2所述的上电极结构，其特征在于，所述内电极的外缘与所述线圈之间沿径向具有第一距离；所述外电极的内缘与所述线圈之间沿径向具有第二距离；所述第一距离及所述第二距离均大于等于一预设安全阈值。
4.如权利要求3所述的上电极结构，其特征在于，所述预设安全阈值大于等于20毫米。
5.如权利要求2-4任一项所述的上电极结构，其特征在于，所述内电极为圆形结构，所述外电极为环形结构；或者，所述内电极为星形结构，所述外电极为环状星形结构。
6.如权利要求1-4任一项所述的上电极结构，其特征在于，所述电极、所述线圈均与所述刻蚀腔室内的介质窗贴合设置。
7.如权利要求1-4任一项所述的上电极结构，其特征在于，所述线圈包括至少两个平面单圈线圈，所述至少两个平面单圈线圈沿径向并列排布且同心、共面设置。
8.如权利要求1至4的任一所述的上电极结构，其特征在于，所述射频电源组件包括：射频电源、匹配器、继电器及电容，所述射频电源依次通过所述匹配器、所述继电器及所述电容与所述电极电连接；所述射频电源通过所述匹配器与所述线圈电连接；当进行刻蚀时，所述继电器断开且所述射频电源向所述线圈施加射频功率；当需要进行清洗时，所述继电器闭合且所述射频电源同时向所述线圈及所述电容施加射频功率，所述电容向所述电极施加电压。
9.一种刻蚀腔室，其特征在于，所述刻蚀腔室内设置有如权利要求1至8的任一所述的上电极结构。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的刻蚀腔室。
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