CN113948358B - 一种等离子体处理装置及半导体结构的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子体处理装置，包括反应腔、第一气体源、第二气体源、第三气体源和抽气泵；反应腔内底部包括基座，基座用于承载待处理基片；第一气体源、第二气体源和第三气体源，分别通过第一通路、第二通路和第三通路与反应腔连接；抽气泵的第一端与第二通路连接，第二端与第三通路连接，用于隔离第二气体源与第三气体源中的气体。此发明解决了待处理基片在刻蚀过程中产生副产物的堆积，而影响刻蚀的非平坦的问题，通过设置多条刻蚀气体的通路，实现多条通路的频繁动态切换，实现了刻蚀处理过程中待处理基片的刻蚀平坦化。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种等离子体处理装置及半导体结构的形成方法。
背景技术
在半导体技术领域中，等离子体刻蚀是半导体工艺中最重要的技术之一。等离子体刻蚀通过将光刻工艺的图形层上图案(pattern)刻蚀转移至基底材料上，是化学作用或者物理作用，或者物理辅助的化学刻蚀来实现掩膜到基底材料的图形复制。该刻蚀工艺需要在等离子体反应腔内部，调控刻蚀的气体、温度、功率源以及刻蚀时间等参数，来控制其刻蚀半导体结构的形状。
然而，部分待刻蚀基片在等离子刻蚀工艺过程中，由于刻蚀过程中副产物的沉积和堆积，亦或者待刻蚀基片的底部中心与底部边缘的刻蚀速率的差异，导致难以在待刻蚀基片的底部形成平坦的效果。
因此，需要提供一种保证待处理基片在刻蚀工艺中底部平坦化的等离子体处理装置和待处理基片底部平坦化的半导体结构形成方法，来满足工艺的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体处理装置及半导体结构的形成方法以解决待处理基片在刻蚀过程中产生副产物的堆积，而影响刻蚀的平坦化。
为达到上述目的，本发明提供了一种等离子体处理装置，包括反应腔、第一气体源、第二气体源、第三气体源和抽气泵；反应腔内底部包括基座，基座用于承载待处理基片；第一气体源、第二气体源和第三气体源，分别通过第一通路、第二通路和第三通路与反应腔连接；抽气泵的第一端与第二通路连接，第二端与第三通路连接，用于隔离第二气体源与第三气体源中的气体。
上述的等离子体处理装置，其中，抽气泵的第一端设置有第一开关，第三通路导通时，打开第一开关，抽气泵抽出第二通路中的气体。
上述的等离子体处理装置，其中，抽气泵的第二端设置有第二开关，第二通路导通时，打开第二开关，抽气泵抽出第三通路中的气体。
上述的等离子体处理装置，其中，第二通路靠近第二气体源一端设置有第三开关，用于控制第二气体源中的气体进入第二通路。
上述的等离子体处理装置，其中，第二通路靠近反应腔一端设置有第四开关，用于控制第二通路中气体进入反应腔。
上述的等离子体处理装置，其中，第三通路靠近第三气体源一端设置有第五开关，用于控制第三气体源中的气体进入第三通路。
上述的等离子体处理装置，其中，第三通路靠近反应腔一端设置有第六开关，用于控制第三通路中气体进入反应腔。
上述的等离子体处理装置，其中，第一气体源中的气体为共需气体，共需气体包括：氦气和氧气。
上述的等离子体处理装置，其中，第二气体源和第三气体源中的气体其中一个为溴化氢和氯气，另一个为六氟化硫。
本发明还提供了一种半导体结构的形成方法，包括：
提供上述的等离子体处理装置：
关闭第三通路，打开第二通路和第一通路，将第一气体源中的气体和第二气体源中的气体分别通过第一通路和第二通路输入反应腔中，对待处理基片进行处理，在待处理基底内形成初始凹槽；
关闭第二通路，打开第三通路和第一通路，将第一气体源中的气体和第三气体源中的气体分别通过第一通路和第三通路输入反应腔中，对初始凹槽底部的待处理基片进行处理形成凹槽，凹槽底部平坦。
上述的半导体结构的形成方法，其中，形成初始凹槽的过程中，还包括：通过抽气泵抽取第三通路内残余的气体，避免第二通路内的气体与第三通路内残余的气体混合干扰。
上述的半导体结构的形成方法，其中，形成凹槽的过程中，还包括：通过抽气泵抽取第二通路内残余的气体，避免第三通路内的气体与第二通路内残余的气体混合干扰。
上述的半导体结构的形成方法，其中，待处理基底的材料为多晶硅；第二通路和第三通路中的气体其中一个的气体为溴化氢和氯气，另一个为六氟化硫。
上述的半导体结构的形成方法，其中，第二通路与第三通路的气体多次交替通入反应腔内。
运用此发明，解决了待处理基片在刻蚀过程中产生副产物的堆积，而影响刻蚀的非平坦的问题，通过设置多条刻蚀气体的通路，实现多条通路的频繁动态切换，实现了刻蚀处理过程中待处理基片的刻蚀平坦化。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的等离子体处理装置，分开设置三路刻蚀气体的通路，通过一路共需气体在等离子体刻蚀过程中一直维持通气，提升了刻蚀处理的连续性，避免了刻蚀过程中颗粒掉落在待处理基片的表面而产生缺陷。
2、本发明提供的等离子体处理装置设置两路气体通路频繁切换，通入反应腔中，通过控制两个通路中气体频繁切换的速率，宏观控制了多晶硅底部凹槽实现平坦化。
3、本发明提供的等离子体处理装置设置抽气泵，来回切换第一开关和第二开关，分别抽取两路气体通路中残留的气体，从而提升刻蚀气体到达反应腔的效率，提高了刻蚀气体的纯度，有效实现了两种气体刻蚀工艺的动态切换。
附图说明
图1为本发明提供的等离子体处理装置的结构示意图；
图2为本发明提供的实施例1中形成初始凹槽的结构示意图；
图3为本发明提供的形成平坦化的凹槽的结构示意图；
图4为本发明提供的实施例2中形成初始凹槽的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
参照如图1所示，本发明是一种等离子体处理装置，包括反应腔5、第一气体源1、第二气体源2、第三气体源3和抽气泵4；反应腔5内底部包括基座，基座用于承载待处理基片。
第一气体源1、第二气体源2和第三气体源3，分别通过第一通路6、第二通路7和第三通路8与反应腔5连接；第一气体源1中的气体为共需气体，共需气体包括：氦气和氧气。第一气体源1中的共需气体在等离子体刻蚀过程中一直维持通气，能够提升刻蚀处理的连续性的效果，同时，保证了刻蚀过程中不会有颗粒掉落在待处理基片的表面，从而产生缺陷。
第二通路7与第三通路8的气体多次交替通入反应腔5内，通过控制两个通路中气体频繁切换的速率，来宏观控制多晶硅底部凹槽达到平坦化。
抽气泵4，第一端与第二通路7连接，第二端与第三通路8连接，用于隔离第二气体源2与第三气体源3中的气体；其中，抽气泵4的第一端设置有第一开关S1，第三通路8导通时，打开第一开关S1，抽气泵4抽出第二通路7中的气体；抽气泵4的第二端设置有第二开关S2，第二通路7导通时，打开第二开关S2，抽气泵4抽出第三通路8中的气体。通过抽气泵4来回切换第一开关S1和第二开关S2，来分别抽取第三通路8和第二通路7中残留的气体，从而提高了刻蚀气体的纯度，有效实现了两种气体刻蚀工艺的动态切换。
实施例1：
参照如图1所示，第二通路7靠近第二气体源2一端设置有第三开关S3，用于控制第二气体源2中的气体进入第二通路7；第二通路7靠近反应腔5一端设置有第四开关S4，用于控制第二通路7中气体进入反应腔5。第二通路7上设置第三开关S3和第四开关S4，分别控制第二气体源2一端和反应腔5一端的开闭，保证第二气体源2中气体不需要进入反应腔5时，有效控制其进入第二通路7，节约了气体能源的成本。
同样地，第三通路8靠近第三气体源3一端设置有第五开关S5，用于控制第三气体源3中的气体进入第三通路8；第三通路8靠近反应腔5一端设置有第六开关S6，用于控制第三通路8中气体进入反应腔5。第三通路8上设置第五开关S5和第六开关S6，分别控制第三气体源3一端和反应腔5一端的开闭，保证第三气体源3中气体不需要进入反应腔5时，有效控制其进入第三通路8，节约了气体能源的成本。
第二气体源2和第三气体源3中的气体其中一个的气体为溴化氢和氯气，另一个为六氟化硫；在本实施例中，第二气体源2中的气体为溴化氢和氯气；第三气体源3中的气体为六氟化硫。
本发明实施例1还提供了一种半导体结构的形成方法，包括：
提供上述的等离子体处理装置：
关闭第三通路8，打开第二通路7和第一通路6，将第一气体源1中的气体和第二气体源2中的气体分别通过第一通路6和第二通路7输入反应腔5中，对待处理基片进行处理，在待处理基底内形成初始凹槽9；其中，待处理基底的材料为多晶硅。参照如图2所示，在本实施例中，第二气体源2中的气体为溴化氢和氯气；第一气体源1中的共需气体与第二气体源2中的溴化氢和氯气输入反应腔5中，对多晶硅进行刻蚀处理，由于刻蚀处理过程中副产物倾向于沉积在多晶硅的侧壁上，会造成多晶硅底部的中心与边缘的刻蚀速率不同，从而在多晶硅底部形成“V”字型的初始凹槽9。
参照如图1所示，形成“V”字型的初始凹槽9的过程中，还包括：通过抽气泵4打开第二开关S2，抽取第三通路8内残余的气体，避免第二通路7内的气体与第三通路8内残余的气体混合干扰，提高了反应腔5内部刻蚀反应的效率和精度。
关闭第二通路7，打开第三通路8和第一通路6，将第一气体源1中的气体和第三气体源3中的气体分别通过第一通路6和第三通路8输入反应腔5中，对初始凹槽9底部的待处理基片进行处理形成凹槽10，凹槽10底部平坦。参照如图3所示，在本实施例中，第三气体源3中的气体为六氟化硫；第一气体源1中的共需气体与第三气体源3中的六氟化硫输入反应腔5中，对“V”字型初始凹槽9底部的多晶硅进行刻蚀处理，由于六氟化硫中S/O/Si产生的中性副产物在多晶硅的底部扩散时更倾向于聚集在中心位置，形成中心聚集的副产物沉积，而该层副产物沉积比Si更容易改变，会改变等离子体的角度分布，从而随着刻蚀深度加深，倒“V”型结构越明显。而，初始凹槽9为“V”字型结构，中心聚集的副产物沉积，填充了初始凹槽9中心位置的空缺，形成了底部平坦的凹槽10，实现了凹槽10底部的平坦化。
参照如图1所示，形成底部平坦的凹槽10的过程中，还包括：通过抽气泵4打开第一开关S1，抽取第二通路7内残余的气体，避免第三通路8内的气体与第二通路7内残余的气体混合干扰，有效提高了反应腔5内部刻蚀反应的效率和精度。
第一气体源1中的共需气体在等离子体刻蚀过程中一直维持通气，能够提升刻蚀处理的连续性的效果，同时，保证了刻蚀过程中不会有颗粒掉落在待处理基片的表面，从而产生缺陷。第二通路7与第三通路8的气体频繁切换进行通入反应腔5，通过控制两个通路中气体频繁切换的速率，来宏观控制多晶硅底部凹槽10达到平坦化；在本实施例中，第二通路7和第三通路8切换的频率为2s。抽气泵4来回切换第一开关S1和第二开关S2，分别抽取第三通路8和第二通路7中残留的气体，从而提升刻蚀气体到达反应腔5的效率，提高了刻蚀气体的纯度，有效实现了两种气体刻蚀工艺的动态切换。
实施例2：
参照如图1所示，第二通路7靠近第二气体源一端设置有第三开关S3，用于控制第二气体源2中的气体进入第二通路7；第二通路7上只设置第三开关S3，避免第二气体源2中的气体进入第二通路7，残留在第二通路7中的气体通过抽气泵4抽出，相较于上一实施例，节约了加工成本。
同样地，第三通路8靠近第三气体源3一端设置有第五开关S5，用于控制第三气体源3中的气体进入第三通路8；第三通路8上只设置第五开关S5，避免第三气体源3中的气体进入第三通路8，残留在第三通路8中的气体通过抽气泵4抽出，相较于上一实施例，节约了加工成本。
第二气体源2和第三气体源3中的气体其中一个的气体为溴化氢和氯气，另一个为六氟化硫；在本实施例中，第二气体源2中的气体为六氟化硫；第三气体源3中的气体为溴化氢和氯气。
本发明实施例2还提供了一种半导体结构的形成方法，包括：
提供上述的等离子体处理装置：
关闭第三通路8，打开第二通路7和第一通路6，将第一气体源1中的气体和第二气体源2中的气体分别通过第一通路6和第二通路7输入反应腔中，对待处理基片进行处理，在待处理基底内形成初始凹槽11；其中，待处理基底的材料为多晶硅。
参照如图4所示，在另一实施例中，第二气体源2中的气体为六氟化硫；第一气体源1中的共需气体与第二气体源2中的六氟化硫输入反应腔中，对多晶硅进行刻蚀处理，由于六氟化硫中S/O/Si产生的中性副产物在多晶硅的底部扩散时更倾向于聚集在中心位置，形成中心聚集的副产物沉积，而该层副产物沉积比Si更容易改变，会改变等离子体的角度分布，从而随着刻蚀深度加深，倒“V”型结构越明显。从而在多晶硅底部形成倒“V”型的初始凹槽11。
参照如图1所示，形成倒“V”型的初始凹槽11的过程中，还包括：通过抽气泵4打开第二开关S2，抽取第三通路8内残余的气体，避免第二通路7内的气体与第三通路8内残余的气体混合干扰，提高了反应腔内部刻蚀反应的效率和精度。
关闭第二通路7，打开第三通路8和第一通路6，将第一气体源1中的气体和第三气体源3中的气体分别通过第一通路6和第三通路8输入反应腔5中，对初始凹槽11底部的待处理基片进行处理形成凹槽10，凹槽10底部平坦。
参照如图3所示，第三气体源3中的气体为溴化氢和氯气；第一气体源1中的共需气体与第三气体源3中的溴化氢和氯气输入反应腔5中，对倒“V”型的初始凹槽11底部的多晶硅进行刻蚀处理，由于刻蚀处理过程中副产物倾向于沉积在多晶硅的侧壁上，多晶硅底部的中心与边缘的刻蚀速率不同，能够形成“V”字型结构，其在边缘处堆积副产物，填充了初始凹槽11边缘处的空缺，形成了底部平坦的凹槽10，实现了凹槽10底部的平坦化。
参照如图1所示，形成底部平坦的凹槽10的过程中，还包括：通过抽气泵4打开第一开关S1，抽取第二通路7内残余的气体，避免第三通路8内的气体与第二通路7内残余的气体混合干扰，有效提高了反应腔内部刻蚀反应的效率和精度。
第一气体源1中的共需气体在等离子体刻蚀过程中一直维持通气，能够提升刻蚀处理的连续性的效果，同时，保证了刻蚀过程中不会有颗粒掉落在待处理基片的表面，从而产生缺陷。第二通路7与第三通路8的气体频繁切换进行通入反应腔5，通过控制两个通路中气体频繁切换的速率，来宏观控制多晶硅底部凹槽10达到平坦化；在本实施例中，第二通路7和第三通路8切换的频率为2s。抽气泵4来回切换第一开关S1和第二开关S2，分别抽取第三通路8和第二通路7中残留的气体，从而提升刻蚀气体到达反应腔5的效率，提高了刻蚀气体的纯度，有效实现了两种气体刻蚀工艺的动态切换。
本发明的工作原理：
提供该等离子体处理装置：关闭第三通路，打开第二通路和第一通路，将第一气体源中的气体和第二气体源中的气体分别通过第一通路和第二通路输入反应腔中，对待处理基片进行处理，在待处理基底内形成初始凹槽；形成初始凹槽的过程中，还通过抽气泵抽取第三通路内残余的气体，避免第二通路内的气体与第三通路内残余的气体混合干扰；关闭第二通路，打开第三通路和第一通路，将第一气体源中的气体和第三气体源中的气体分别通过第一通路和第三通路输入反应腔中，对初始凹槽底部的待处理基片进行处理形成凹槽，凹槽底部平坦；形成凹槽的过程中，还通过抽气泵抽取第二通路内残余的气体，避免第三通路内的气体与第二通路内残余的气体混合干扰；第一气体源中的共需气体在等离子体刻蚀过程中一直维持通气；第二通路与第三通路的气体频繁切换进行通入反应腔。
综上所述，本发明一种等离子体处理装置及半导体结构的形成方法，解决了待处理基片在刻蚀过程中产生副产物的堆积，而影响刻蚀的非平坦的问题，通过设置多条刻蚀气体的通路，实现多条通路的频繁动态切换，实现了刻蚀处理过程中待处理基片的刻蚀平坦化。
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)
1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：
反应腔，其内底部包括基座，所述基座用于承载待处理基片；
第一气体源、第二气体源和第三气体源，分别通过第一通路、第二通路和第三通路与反应腔连接；
抽气泵，第一端与所述第二通路连接，第二端与所述第三通路连接，用于隔离第二气体源与第三气体源中的气体；所述抽气泵的第一端设置有第一开关，所述第三通路导通时，打开所述第一开关，所述抽气泵抽出所述第二通路中的气体；所述抽气泵的第二端设置有第二开关，所述第二通路导通时，打开所述第二开关，所述抽气泵抽出所述第三通路中的气体；
所述等离子体处理装置用于在所述待处理基片内刻蚀形成凹槽；
所述第一气体源为共需气体，在等离子体刻蚀过程中一直维持通气，所述
第二气体源和第三气体源的气体多次交替通入反应腔内；
向所述反应腔通入第一气体源和第二气体源进行刻蚀处理过程中产生的副产物倾向于沉积在凹槽的侧壁，向所述反应腔通入第一气体源和第三气体源进行刻蚀处理过程中产生的副产物倾向于聚集在凹槽的中心。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二通路靠近所述第二气体源一端设置有第三开关，用于控制所述第二气体源中的气体进入所述第二通路。
3.如权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二通路靠近反应腔一端设置有第四开关，用于控制所述第二通路中气体进入反应腔。
4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第三通路靠近所述第三气体源一端设置有第五开关，用于控制所述第三气体源中的气体进入所述第三通路。
5.如权利要求1或4所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第三通路靠近反应腔一端设置有第六开关，用于控制所述第三通路中气体进入反应腔。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述共需气体包括：氦气和氧气。
7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第二气体源为溴化氢和氯气，第三气体源为六氟化硫。
8.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至权利要求7任一项所述等离子体处理装置：
关闭所述第三通路，打开所述第二通路和第一通路，将所述第一气体源中的气体和所述第二气体源中的气体分别通过所述第一通路和所述第二通路输入反应腔中，对所述待处理基片进行处理，在所述待处理基片内形成初始凹槽；
关闭所述第二通路，打开所述第三通路和第一通路，将所述第一气体源中的气体和所述第三气体源中的气体分别通过所述第一通路和所述第三通路输入反应腔中，对所述初始凹槽底部的待处理基片进行处理形成凹槽，所述凹槽底部平坦。
9.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述初始凹槽的过程中，还包括：通过抽气泵抽取所述第三通路内残余的气体，避免所述第二通路内的气体与所述第三通路内残余的气体混合干扰。
10.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，形成所述凹槽的过程中，还包括：通过所述抽气泵抽取所述第二通路内残余的气体，避免所述第三通路内的气体与所述第二通路内残余的气体混合干扰。
11.如权利要求8所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述待处理基片的材料为多晶硅；所述第二通路中的气体为溴化氢和氯气，第三通路中的气体为六氟化硫。
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