CN115172131A - 一种新型的高离化率等离子体制备腔体 - Google Patents

Abstract

本申请适用于微电子加工技术领域，公开了一种新型的高离化率等离子体制备腔体，本申请设计了一种新型的高离化率等离子体制备腔体，腔体为回字形结构，源气体注入腔体内部后，受电磁线圈馈入功率的加热，点火产生等离子，气体在腔内不断回旋离化，可以极大提高离化率，产生高密度、高活性、高均匀性、低污染的远程等离子体；高离化率的等离子喷射输出至芯片制程室内，开展等离子体刻蚀清洗制程。

Description

一种新型的高离化率等离子体制备腔体

技术领域

本申请涉及微电子加工技术领域，公开了一种新型的高离化率等离子体制备腔体。

背景技术

蚀刻是从材料表面去除残余材料粉尘的过程。蚀刻的两种主要类型是湿蚀刻和干蚀刻(例如，等离子体蚀刻)。涉及使用液体化学药品或蚀刻剂去除基板材料的蚀刻工艺称为湿蚀刻。在等离子体蚀刻工艺中，也称为干蚀刻，使用等离子体或蚀刻气体来去除衬底材料。

目前使用湿法蚀刻工艺进行半导体和芯片清洗进程的优点是设备简单，刻蚀速率高，选择性高。但是，有许多缺点。湿蚀刻通常是各向同性的，这导致蚀刻剂化学物质去除了掩膜材料下方的基板材料。湿蚀刻还需要大量的蚀刻剂化学物质，因为基底材料必须被蚀刻剂化学物质覆盖。此外，必须一致地替换蚀刻剂化学物质，以保持相同的初始蚀刻速率。结果，与湿蚀刻有关的化学和处理成本非常高，并且造成大量腐蚀性试剂残留，降低器件稳定性和寿命。

随着半导体和芯片迭代升级，传统湿蚀刻工艺以无法满足生产需求，等离子体干法蚀刻工艺自上世纪80年代开始得到广泛应用。

干法蚀刻即等离子体蚀刻的优点很明显：污染小，蚀刻残留物少；可实现各向异性刻蚀；工艺兼容性好，可以兼容多项芯片制造流程，例如蚀刻、沉积、掺杂。但等离子体蚀刻实现机理复杂，腔体离化区直接输出的等离子体中电子、离子等高能活性离子对材料表面会产生很大的损伤和热效应，很容易造成半导体晶片、基板器件损坏。

此外，现有技术中解决离化气体空间均匀性及成分比例问题也是一大挑战，等离子腔体中反应气体被激活成活性离子，如原子或游离基。活性离子密度高的区域，刻蚀速率快；活性离子密度低的区域，刻蚀速率慢。离化气体的不均匀性将会导致刻蚀深度和宽度的不同，将降低大片晶圆制造芯片的良品率，或者被迫使用小片晶圆，造成成本增加。

同时，等离子体的制备时间和成本也是目前技术的一大挑战，等离子体制备的时间，是无形的生产成本，等离子体腔体的容积是现实生产中需要考虑的重要因素。将源气体引入用于产生可引入室的离化气体的气体输入速度也是造成等离子体制备成本增加的原因，如果源气体引入速度慢，等离子体制备速度慢，会增加总体生产成本。但源气体引入速度太快，气体流量过大，源气体会使腔体内已生成的等离子体熄灭。

等离子腔体的几何结构和源气体进入等离子体腔的方式直接决定了气体离化率和在腔体内的流场分布。离化率不够，导致制程时间增大，成本大增，或者使得刻蚀宽度和深度不够，芯片研制失败。而腔内气体流场分布，影响着气体加热和点火生成等离子的效率。

显然优化腔体结构和腔内流场，提高离化率，是成功研制远程等离子源的一个关键。因此本申请针对上述三个问题，旨在优化等离子体腔体结构，解决离化气体空间分布均匀性，气体循环高质量离化问题，区分离化区和刻蚀工作区，远程引入高离化率等离子体进行清洗刻蚀。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本申请提出一种新型的高离化率等离子体制备腔体。

一种新型的高离化率等离子体制备腔体，包括高压气源，所述高压气源通过输气管道与等离子体腔体连接，所述等离子体腔体设置于低压仓内，所述输气管道内设置有电磁阀，所述输气管道与所述低压仓的连接处设置有管道密封塞，所述输气管道与所述等离子体腔体的连接处设置有单向阀；

驱动电源通过导线与所述等离子体腔体连接，所述导线上设置有阻抗匹配网络，所述导线与所述低压仓的连接处设置有导线密封塞，所述导线与所述等离子体腔体的连接处设置有线圈以及铁芯；

所述等离子体腔体的出气口设置有离化率监测组件以及芯片制程室。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：

1、本申请提出的新型等离子腔体可以实现95％以上的高离化率，可以降低制备成本；

2、远程等离子体源较以往技术可以有效降低对刻蚀清洗半导体、芯片等器件的损伤，能够提升刻蚀效率并减少残留物污染；

3、利用氧化工艺形成的AL2O3绝缘薄膜层可以降低等离子体对腔体的电腐蚀；

4、通过对驱动电源激励、腔体气压、源气体进入流速、等离子体输出流速的分析，能够获得等离子制程所需的最优密度和工艺时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一种结构示意图；

图2是常用的容性耦合等离子体腔体结构示意图；

图3是感应耦合等离子体柱形结构示意图；

图4是感应耦合等离子体平面结构示意图。

图中：1、输气管道；2、电磁阀；3、管道密封塞；4、单向阀；5、低压仓；6、源气体输入口；7、源气体输出口；8、等离子体腔体；9、阻抗匹配网络；10、导线密封塞；11、铁芯；12、离化率监测组件；13、高压电源；14、驱动电源；15、芯片制程室。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

等离子体是一种具有一定颜色的准中性电子流，是由离子、电子、原子以及自由激进分子组成。在真空腔体内能量发生器输出高频电压使导入的气体离子化，这种环境被称为物质的第四态。各种原子和电子被离子化、被激化，而且在高频条件下其运动是非常剧烈的，具有很高的能量，所以组成反应剧烈的混合物质对物体的表面和孔壁具有很强的物理化学反应。

在半导体、芯片制造过程中，随时间增加，在芯片内部和表面都会沉积大量的硅粉尘。远程等离子源能够提供大量离化氟，对真空条件下的各类结构体进行蚀刻清洗。由于远程等离子清洗方式是在等离子发生器与芯片制程室分离的状态下，间接生成等离子，因此在不损伤腔体的同时能够实现快速清洗，及实现等离子制程。

远程等离子源装备利用电磁振荡输能和高压点火，在具有特殊结构的结构的腔体内产生并维持特定密度的各种半导体、芯片制造过程中所需的等离子：氟离子、氩离子、氧离子等，实现芯片制造过程中深层清理，精密刻蚀。尤其是10nm、7nm以及更高级别芯片制造流程中，国外已经将远程等离子制程定为芯片制程中的核心步骤，具有不可替代作用。所以说，远程等离子源在芯片制程中是不可或缺的，直接决定芯片生产的成败，影响着芯片制程的效率和质量。

远程等离子源利用大功率电源产生的400KHz射频脉冲波，在通过匹配合适的电路驱动磁铁和铁芯，产生脉冲磁场。Ar、NF3气体注入等离子腔体中，精准控制注入量，气体在脉冲磁场的作用下发生振荡，产生高温，此时利用高电压点火，即可产生Ar、F+等离子，等离子会在腔体中进一步回旋离化，最后由腔体输出口喷射输出至芯片制程室中，刻蚀清理芯片生产工艺过程中所产生的硅粉尘。

在清洗过程中，主要是利用F和Si反应。生成SiF4的化合物，以去除沉积在腔体上的Si粉尘。Ar的主要功能是点燃气体，由此产生离子，离化Ar气形Ar⁺离子，Ar⁺离子去撞击NF3气体的分子键，造成NF3分子断裂，形成所需的F的化合物，即有：Si+4F^-＞SiF4。

等离子体刻蚀在集成电路制造中已有40余年的发展历程，自70年代引入用于去胶，80年代成为集成电路领域成熟的刻蚀技术。刻蚀采用的等离子体源常见的有容性耦合等离子体(CCP-capacitivelycoupledplasma)、感应耦合等离子体ICP(Inductivelycoupledplasma)等。虽然等离子体刻蚀设备已广泛应用于集成电路制造，但由于等离子体刻蚀过程中复杂的物理和化学过程到目前为止仍没有一个有效的方法完全从理论上模拟和分析等离子体刻蚀过程。除刻蚀外，等离子体技术也成功的应用于其他半导体制程，如溅射和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。当然鉴于plasma丰富的活性粒子，plasma也广泛应用于其他非半导体领域，如空气净化，废物处理等。

容性耦合等离子体源典型的腔室结构可以参考图1，驱动电源功率加载到上下电极上，通常频率为13.56MHZ。所谓的暗鞘层将在所有器壁表面形成，暗鞘层常被认为是绝缘体或电容，因此可以认为功率通过一个电容器转移至等离子体。

两种类型的感应耦合等离子体源：采用柱形如图3所示、平面结构可参考图4。射频电流流经线圈在腔室内产生电磁场激发气体产生等离子体，偏压源控制离子轰击能量。通过这种方式，可以独立的控制等离子体密度和离子的轰击能量，因此ICP刻蚀机提供了更多的调控手段。

用于等离子体刻蚀的ICP源通常为平面结构，该方式容易获得可调的等离子体密度和等离子体均匀性分布，此外平面ICP源使用的介质窗也易于加工。

一种新型的高离化率等离子体制备腔体，包括高压气源，所述高压气源通过输气管道1与等离子体腔体8连接，所述等离子体腔体8设置于低压仓5内，所述输气管道1内设置有电磁阀2，所述输气管道1与所述低压仓5的连接处设置有管道密封塞3，所述输气管道1与所述等离子体腔体8的连接处设置有单向阀4；

驱动电源14通过导线与所述等离子体腔体8连接，所述导线上设置有阻抗匹配网络9，所述导线与所述低压仓5的连接处设置有导线密封塞10，所述导线与所述等离子体腔体8的连接处设置有线圈以及铁芯11；

所述等离子体腔体8的出气口设置有离化率监测组件12以及芯片制程室15。

本申请的设备可参考如下步骤：

步骤1：确定驱动电源对等离子体的激励方式

根据功率馈入到腔体方式的差异，采用了两种激励模式：

一种为连续模式激励：发射机的功率从某一值开始，连续增加，直到超导腔中激励起稳定的等离子体。另一种为脉冲模式激励：在功率馈入前，断开功率的感应线圈开关并对功率值进行设定，然后开启感应线圈开关，让功率以恒定的值馈入到腔体中，每次功率的增加都在感应线圈开关断开后进行设置，在RF开关执行开闭的前后形成类似于脉冲一样的波形。

本申请采用的5kW-8kW大功率放大器，增益为50dB，另有一台信号源，输出为-28dBm到15dBm之间，通过控制信号源的输出功率以及感应线圈开关的开/关状态对腔体中的等离子体放电进行激励。

步骤2：确定等离子体制备气压指数

在连续和脉冲激励模式下，腔体中的Ar/O₂混合气体的等离子体激励呈现出一致的规律。随着气压的递增，在0.5Pa到2.0Pa区间内，等离子体激励所需要的最小射频功率类似指数衰减。当气压超过2.0Pa至5.5Pa区间内，等离子体的激励功率趋于稳定。

气体被微波击穿由电子的扩散行为决定。电子的平均自由程与气压成反比，气压越低，电子平均自由程越大，因扩散而损失的电子越大。同时气体越稀薄，电子与中性气体碰撞频率越小，电离速率减小从而电子的产额减小。因此，气压越低，等离子体激励所需要的功率越高以增加电子的电离率，从而维持电子的产生与损失率的平衡。

步骤3：等离子体腔体内的气压大小以及进气、出气的质量流量计算已知高压气源、腔体内及低压仓环境的气体总压分别为

总温均为T^*，进气口及出气口的截面积分别为A_in，A_out，气体常数R＝287.06J/(kg·K)，比热比γ＝1.4，收缩管道的临界压强比为：

对于进气口，气流的马赫数为：

进气口速度因数为:

进气口流量函数为:

因此，进气口的质量流量为:

同理，对于出气口，气流的马赫数为:

出气口速度因数为:

出气口流量函数为:

因此，出气口的质量流量为:

对于腔体增压等离子体合成射流激励器，在未放电情况下，当流动达到定常状态时存在以下关系:

q_in＝q_out

根据以上关系，当高压气源、腔体内及低气压环境的气体总压三个未知量中已确定两个时，便可以近似求解第三个。

本申请还具有以下优点：

1、具有高离化率特征性的回字形等离子体腔体结构；

2、回旋式等离子气体腔有助于提升腔内等离子体分布的均匀性，优化气体流场分布，提升气体加热和点火生成的等离子体的效率；

3、构建等离子体腔体模型分析了腔体结构参数、源气体气压、电磁馈入功率、以及进出气质量流量对腔体内等离子体的离化率的影响；

4、远程的等离子体源有助于降低对器件的污染和损伤；

5、腔体材料采用纯铝，腔体表面经由氧化工艺形成AL₂O₃绝缘薄膜层，可以经受高频次、高强度等离子体制备运行过程中的热测和冲击，具有优异的抗腐蚀性能，增长腔体使用寿命。

Claims (1)

1.一种新型的高离化率等离子体制备腔体，其特征在于，包括高压气源，所述高压气源通过输气管道与等离子体腔体连接，所述等离子体腔体设置于低压仓内，所述输气管道内设置有电磁阀，所述输气管道与所述低压仓的连接处设置有管道密封塞，所述输气管道与所述等离子体腔体的连接处设置有单向阀；

驱动电源通过导线与所述等离子体腔体连接，所述导线上设置有阻抗匹配网络，所述导线与所述低压仓的连接处设置有导线密封塞，所述导线与所述等离子体腔体的连接处设置有线圈以及铁芯；

所述等离子体腔体的出气口设置有离化率监测组件以及芯片制程室。

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