CN114628212A - 一种等离子体处理腔室以及半导体制造设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种等离子体处理腔室以及半导体制造设备，属于等离子体刻蚀技术领域。以解决目前在利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀时，无法根据具体的刻蚀需求改变直流自偏置电压的大小，进而无法提高对待刻蚀物的刻蚀效果的技术问题。等离子体处理腔室包括：腔室壁、设置在腔室壁内表面的正电极，设置在正电极内表面且与正电极绝缘的静电电极，位于等离子体处理腔室内的负电极，以及与静电电极电连接的电源部。其中，负电极上放置有待刻蚀物；电源部用于根据控制信号向静电电极施加不同的电压，以改变正电极上累积的电子量。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体刻蚀技术领域，特别是涉及一种等离子体处理腔室以及半导体制造设备。
背景技术
在半导体制造工艺中，等离子体处理腔室用于产生等离子体，以对等离子体处理腔内的晶圆或其他待刻蚀物进行刻蚀。等离子体处理腔室需要在直流自偏置电压的环境下，利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀。等离子体处理腔室的正极和负极间的面积比决定上述直流自偏执电压的大小。由于正极和负极间的面积差，使面积较小的负极累积高密度电子，等离子体的离子集中在负极，以对放置在负极上的待刻蚀物进行刻蚀。
但现有的等离子体处理腔室在制造好之后，正极和负极的大小无法改变，因此其正极和负极间的面积比也无法改变，进而导致等离子体处理腔的直流自偏执电压无法改变。故目前在利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀时，无法根据具体的刻蚀需求改变直流自偏置电压的大小，进而无法提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种等离子体处理腔和半导体制造设备，以解决目前在利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀时，无法根据具体的刻蚀需求改变直流自偏置电压的大小，进而无法提高对待刻蚀物的刻蚀效果的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种等离子体处理腔，应用于等离子体刻蚀工艺中。等离子体处理腔室包括：腔室壁、设置在腔室壁内表面的正电极，设置在正电极内表面且与正电极绝缘的静电电极，位于等离子体处理腔室内的负电极，以及与静电电极电连接的电源部。其中，负电极上放置有待刻蚀物；电源部用于根据控制信号向静电电极施加不同的电压，以改变正电极上累积的电子量。
与现有技术相比，本发明提供的等离子体处理腔室包括腔室壁、设置在腔室壁内表面的正电极，设置在正电极内表面的静电电极，位于等离子体处理腔室内的负电极，负电极上放置有待刻蚀物，以及与静电电极电连接的电源部。电源部用于根据控制信号向静电电极施加不同的电压，以改变正电极上累积的电子量。基于此，本发明可以根据控制信号向正电极施加正电压或者负电压，以改变正电极上上累积的电子量。当正电极上累积的电子量发生改变，正电极壁鞘层的厚度也会相应发生改变，从而达到改变正电极面积的效果。当正电极的面积发生改变后，正电极与负电极之间的面积差也发生改变，进而上述直流自偏执电压相应发生改变。故本发明可以根据刻蚀需求设定上述控制信号，以获得合适的直流自偏执电压，在合适的直流自偏执电压下对待刻蚀物进行刻蚀，可以提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
第二方面，本发明还提供一种半导体制造设备，包括上述等离子体处理腔室。
与现有技术相比，本发明提供的半导体制造设备的有益效果与上述技术方案的等离子体处理腔体的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1(a)示出了现有技术中一种等离子体处理腔室的示意图；
图1(b)示出了图1(a)中的等离子体处理腔室内正极板和负极板上累积的电子数量不同的示意图；
图1(c)示出了现有技术一种等离子体处理腔室的示意图；
图1(d)示出了图1(c)中的等离子体处理腔室内正极板和负极板上累积的电子数量相同的示意图；
图2示出了本发明实施例提供的一种等离子体处理腔室的结构示意图；
图3(a)示出了本发明实施例提供的向静电电极上施加负电压，改变等离子体处理腔的正极壁鞘层的示意图；
图3(b)示出了本发明实施例提供的向静电电极上施加正电压，改变等离子体处理腔的正极壁鞘层的示意图；
图4示出了本发明实施例提供的一种等离子体处理腔室与电源部之间电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在附图中示出本发明实施例的各种示意图，这些图并非按比例绘制。其中，为了清楚明白的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本发明中，“上”、“下”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义，应当能理解到，这些方向性术语是相对概念，它们用于相对的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位变化而相应地发生变化。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。
在半导体制造工艺中，等离子体处理腔室用于产生等离子体，以对等离子体处理腔内的晶圆或其他待刻蚀物进行刻蚀。等离子体处理腔室需要在直流自偏置电压的环境下才能利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀。等离子体处理腔室的正极和负极间的面积比决定上述直流自偏执电压的大小。由于正极和负极间的面积差，使面积较小的负极累积高密度电子。此时，等离子体的离子大多集中在负极，以对放置在负极上的待刻蚀物进行刻蚀。
但现有的等离子体处理腔室在制造好之后，正极和负极的大小无法改变，因此其正极和负极间的面积比也无法改变，故目前在利用等离子体对待刻蚀物进行刻蚀时，无法根据具体的刻蚀需求改变直流自偏置电压的大小，进而无法提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
具体的，图1(a)示出了现有技术中一种等离子体处理腔室的示意图，其中正极的极板和负极的极板的面积不同，存在直流自偏执电压。图1(b)示出了图1(a)中的等离子体处理腔室内正极板和负极板上累积的电子数量不同的示意图。图1(c)示出了现有技术一种等离子体处理腔室的示意图，其中正极的极板和负极的极板的面积相同，不存在直流自偏执电压。图1(d)示出了图1(c)中的等离子体处理腔室内正极板和负极板上累积的电子数量相同的示意图。
参照图1(a)-图1(d)，可以看出，当等离子处理腔室的正极板和负极板存在面积差时，累积在正极板和负极板上的电子数量不同，此时，在其他因素不变的时候，等离子处理腔室存在直流自偏执电压。具体为：面积较大的正极板上累积的电子数量小于面积较小的负极板上累积的电子数量。
当等离子处理腔室的正极板和负极板面积相同时，累积在正极板和负极板上的电子数量相同，此时，在其他因素不变的时候，等离子处理腔室不存在直流自偏执电压。
上述自偏执电压用于加速等离子体中的离子在对待刻蚀物的刻蚀，以对待刻蚀物的表面进行异向性刻蚀。且自偏执电压越大，等离子体在单位时间内对待刻蚀物的刻蚀量越大。自偏执电压的大小在其他因素不变的情况下，与正极和负极的面积比的n次方成正比。即当正极和负极的面积比越大，直流自偏执电压越大。但当等离子体处理腔室制作好了之后，很难再改变正电极和负电极之间的面积差。
基于此，图2示出了本发明实施例提供了一种等离子体处理腔10。该等离子体处理腔10应用于等离子体刻蚀工艺中。参照图2，该等离子体处理腔室10包括：腔室壁、设置在腔室壁内表面的正电极11，设置在正电极11内表面且与正电极11绝缘设置的静电电极13，位于等离子体处理腔室10内的负电极12，以及与静电电极13电连接的电源部(图2未示出)。其中，负电极12上放置有待刻蚀物。在半导体器件的制造过程中，该待刻蚀物可以为晶圆。
在实际中，上述腔室壁的材质与正电极的材质相同，腔室壁与正电极之间形成有绝缘层，以防止电流泄露。正电极11和腔室壁可以采用金属材质制成，例如：铝。
在一种可能的实现方式中，上述静电电极13可以形成在正电极11的整个内表面，以在整体上改变正电极11上累积的电子量。具体的，静电电极通过库仑力来改变正电极上累积的电子量。为了诱导库仑力的产生，需要将静电电极与正极，以及静电电极与等离子体进行隔离。
例如，可以通过在静电电极与正电极之间形成绝缘涂层，以将静电电极与正电极进行隔离。也可以在静电电极背离正极的一侧表面上也形成涂层，以将静电电极与等离子体进行隔离。
具体的，参照图2，可以是在正电极与静电电极之间形成第一陶瓷材料层14，以及在静电电极朝向负电极一侧表面形成第二陶瓷材料层。其中，第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层的材质包括：氧化铝、氧化钇、氟氧化钇或氟化钇。
示例性的，为了防止静电电极与正电极之间以及正极与腔室壁之间产生泄漏电流，上述第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层的厚度应该大于或等于200μm。可以理解，为了避免第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层的厚度过厚对等离子体处理腔室内产生的直流自偏执电压的影响，上述第一陶瓷材料层和第二陶瓷材料层的厚度应该小于或等于500μm。
为了方便对静电电极的维护，静电电极可分离的设置在所述正电极的内表面。同样的，为了方便对正电极的维护，正电极可分离的设置在腔室壁的内表面。
上述电源部用于根据控制信号向静电电极13施加不同的电压，以改变正电极11上累积的电子量。当正电极11上累积的电子量发生改变，正电极11壁鞘层的厚度也会相应发生改变，从而达到改变正电极11面积的效果，进而可以改变等离子体处理腔内的直流自偏执电压。在实际中，可以根据刻蚀需求设定上述控制信号，以获得合适的直流自偏执电压，在合适的直流自偏执电压下对待刻蚀物进行刻蚀，可以提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
参照图3(a)和图3(b)，通过上述电源部向静电电极上施加正电压或负电压，来改变等离子体处理腔的正极壁鞘层。参照图3(a)，当通过电源部向静电电极上施加负电压时，正极上累积的电子量减小，正极壁鞘层的厚度减小。此时，直流自偏执电压增大。参照图3(b)，当通过电源部向静电电极上施加正电压时，正极上累积的电子量增加，正极壁鞘层的厚度增加，此时，直流自偏执电压减小。
在实际中，可以根据以上原理，选择向静电电极上施加正电压还是负电压。例如，当需求的直流自偏执电压，大于基于目前等离子体处理腔室结构获得的直流自偏执电压时，可以通过电源部向静电电极施加负电压。当需求的直流自偏执电压，小于基于目前等离子体处理腔室结构获得的直流自偏执电压时，可以通过电源部向静电电极施加正电压。其中，正电压和负电压的大小可以根据实际进行调整。
参照图4，上述电源部包括信号控制器、电压控制器和直流电源16。信号控制器用于生成控制信号，并将控制信号发送给电压控制器，电压控制器根据控制信号控制直流电源16的输出电压，直流电源16用于向静电电极提供输出电压。
其中，信号控制器可以根据用户的指令生成控制信号，信号控制器将该控制信号发送给电压控制器，电压控制器根据控制信号生成相应的电压控制信号，该电压控制信号用于控制直流电源16的输出电压。该输出电压施加于静电电极上，以使等离子体处理腔室具有与用户的指令相应的直流自偏执电压环境。
参照图4，为了保证向静电电极施加的输出电压满足用户的指令，上述电源部还包括串联在直流电源和静电电极之间的电流传感器17。该电流传感器17与电压控制器通信连接，用于将检测的直流电源16与静电电极13之间的电流值发送给电压控制器。所述电压控制器用于判断该电流值是否为满足需求的电流值，当不满足时，根据该电流值与需求的电流值之间的关系，对输出电压进行调整，以使该电流值满足需求的电流值。
为了保证静电电极与直流电源之间的直流连接，静电电极通过直流连接头与直流电源相连接。此时，可以通过在腔室壁和正电极上开设通孔，该通孔用于通过直流连接头。
进一步的，当需要使用等离子体去除腔室壁上产生的刻蚀副产物时，可以采用在腔室壁上增加腔室壁鞘壁层的厚度来实现。
因此，与现有技术相比，本发明实施例提供的等离子体处理腔室包括腔室壁、设置在腔室壁内表面的正电极，设置在正电极内表面的静电电极，位于等离子体处理腔室内的负电极，负电极上放置有待刻蚀物，以及与静电电极电连接的电源部。电源部用于根据控制信号向静电电极施加不同的电压，以改变正电极上累积的电子量。基于此，本发明实施例可以根据控制信号向正电极施加正电压或者负电压，以改变正电极上上累积的电子量。当正电极上累积的电子量发生改变，正电极壁鞘层的厚度也会相应发生改变，从而达到改变正电极面积的效果。当正电极的面积发生改变后，正电极与负电极之间的面积差也发生改变，进而上述直流自偏执电压相应发生改变。故本发明可以根据刻蚀需求设定上述控制信号，以获得合适的直流自偏执电压，在合适的直流自偏执电压下对待刻蚀物进行刻蚀，可以提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
本发明实施例还提供了一种半导体制造设备，该半导体制造设备包括上述等离子体处理腔室。
由于半导体制造设备包括了等离子体处理腔室，故本发明实施例提供的半导体制造设备可以根据控制信号向正电极施加正电压或者负电压，以改变正电极上上累积的电子量。当正电极上累积的电子量发生改变，正电极壁鞘层的厚度也会相应发生改变，从而达到改变正电极面积的效果。当正电极的面积发生改变后，正电极与负电极之间的面积差也发生改变，进而上述直流自偏执电压相应发生改变。故本发明实施例可以根据刻蚀需求设定上述控制信号，以获得合适的直流自偏执电压，在合适的直流自偏执电压下对待刻蚀物进行刻蚀，可以提高对待刻蚀物的刻蚀效果。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种等离子体处理腔室，其特征在于，应用于等离子体刻蚀工艺中，所述等离子体处理腔室包括：
腔室壁、设置在所述腔室壁内表面的正电极，设置在所述正电极内表面且与所述正电极绝缘设置的静电电极，位于所述等离子体处理腔室内的负电极，以及与所述静电电极电连接的电源部；其中，所述负电极上放置有待刻蚀物；
所述电源部用于根据控制信号向所述静电电极施加不同的电压，以改变所述正电极上累积的电子量。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述等离子体处理腔还包括形成在所述正电极与所述静电电极之间的第一陶瓷材料层，以及形成在所述静电电极朝向所述负电极一侧表面的第二陶瓷材料层。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述第一陶瓷材料层和所述第二陶瓷材料层的材质包括：氧化铝、氧化钇、氟氧化钇或氟化钇。
4.根据权利要求2所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述第一陶瓷材料层的厚度大于或等于200μm，小于或等于500μm；和/或，
所述第二陶瓷材料层的厚度大于或等于200μm，小于或等于500μm。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述正电极以能够分离的方式设置在所述腔室壁的内表面；
所述静电电极以能够分离的方式设置在所述正电极的内表面。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述腔室壁的材质与所述正电极的材质相同，所述腔室壁与所述正电极之间形成有绝缘层。
7.根据权利要求1-6任一项所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述电源部包括信号控制器、电压控制器和直流电源；
所述信号控制器用于生成控制信号，并将所述控制信号发送给电压控制器，所述电压控制器根据所述控制信号控制所述直流电源的输出电压，所述直流电源向所述静电电极提供所述输出电压。
8.根据权利要求7所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述等离子体处理腔室还包括电流传感器，所述电流传感器串联在所述直流电源和所述静电电极之间，用于检测所述直流电源与所述静电电极之间的电流值，并将所述电流值发送给所述电压控制器。
9.根据权利要求7所述的等离子体处理腔室，其特征在于，所述静电电极通过直流连接头与所述直流电源相连接；
所述腔室壁和所述正电极上开设有通孔，所述通孔用于通过所述直流连接头。
10.一种半导体制造设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的等离子体处理腔室。
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