CN115206766A - 等离子体生成装置、半导体工艺设备及晶圆处理方法 - Google Patents

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CN115206766A CN202210899170.2A CN202210899170A CN115206766A CN 115206766 A CN115206766 A CN 115206766A CN 202210899170 A CN202210899170 A CN 202210899170A CN 115206766 A CN115206766 A CN 115206766A
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Abstract

本申请公开了一种等离子体生成装置、半导体工艺设备及晶圆处理方法，涉及半导体领域。一种等离子体生成装置包括：第一电极、第二电极和附加电极；第一电极、第二电极和附加电极均设置于工艺腔室内，第一电极与第二电极相互间隔设置，附加电极设置于第一电极，且两者之间相互绝缘，附加电极用于与第一射频电源连接，第二电极用于与第二射频电源和第三射频电源分别连接，且第二电极用于承载晶圆。一种半导体工艺设备包括上述等离子体生成装置。一种晶圆处理方法，应用于上述半导体工艺设备。本申请能够解决由于等离子鞘层发生变形导致刻蚀形貌产生明显倾斜等问题。

Description

等离子体生成装置、半导体工艺设备及晶圆处理方法
技术领域
本申请属于半导体技术领域，具体涉及一种等离子体生成装置、半导体工艺设备及晶圆处理方法。
背景技术
随着集成电路制造业的迅猛发展，刻蚀技术也得到了极大的提升，其中，容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)设备是应用最为广泛的等离子体生成装置之一。容性耦合等离子体设备包括一个真空腔体和设置于真空腔体内的两个接到射频电源的平板电极，两个平板电极形成平行板电容器，射频输入功率通过电容耦合的方式，通过匹配网络耦合给等离子体，容性耦合等离子体主要用于反应性等离子体刻蚀工艺。
一般来说，光阻材料在待刻蚀的晶圆表面形成特征图案，然后通过晶圆暴露于相应刻蚀气体中将特征图案刻入晶圆，从而可以在晶圆表面形成相应的刻蚀形貌。在刻蚀过程中，离子会在等离子体鞘层中加速，轰击晶圆表面，因此，等离子体形成的鞘层形状对刻蚀形貌有明显影响。然而，等离子体在一些区域因为电场剧烈变化或因为刻蚀气体流场等原因而出现不均匀分布时，等离子体鞘层的形状也会随之发生变形，从而导致晶圆表面的刻蚀形貌发生明显倾斜，从而影响晶圆良率，如图所示1。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种等离子体生成装置、半导体工艺设备及晶圆处理方法，能够解决由于鞘层发生变形导致刻蚀形貌产生明显倾斜等问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
本申请实施例提供了一种等离子体生成装置，应用于半导体工艺设备的工艺腔室，所述等离子体生成装置包括：第一电极、第二电极和附加电极；
所述第一电极、所述第二电极和附加电极均设置于所述工艺腔室内，所述第一电极与所述第二电极相互间隔设置，所述附加电极设置于所述第一电极，且两者之间相互绝缘，附加电极用于与第一射频电源连接，第二电极用于与第二射频电源和第三射频电源分别连接，且所述第二电极用于承载晶圆。
本申请实施例还提供了一种半导体工艺设备，包括：工艺腔室、承载基座、气体供应系统以及上述等离子体生成装置；
所述承载基座为所述第二电极，所述承载基座设置于所述工艺腔室中并与第二射频电源和第三射频电源分别连接；
所述气体供应系统的出气端与所述工艺腔室连通。
本申请实施例还提供了一种晶圆处理方法，应用于上述半导体工艺设备，所述方法包括：
根据已刻蚀晶圆的刻蚀形貌确定附加电极的位置、尺寸和第一射频电源加载的功率值；
将待刻蚀晶圆放置于承载基座表面；
对附加电极加载第一射频功率，向所述第二电极分别加载第二射频功率和第三射频功率，以进行刻蚀工艺。
本申请实施例中，通过设置附加电极，可以与第一电极和第二电极相互配合，以使分布在附加电极相对区域的等离子体形状发生变化，从而修正对应区域的晶圆表面的等离子体鞘层形状，进而改善刻蚀形貌，使刻蚀形貌不再倾斜，因此，可以提高刻蚀精度，保证晶圆良率。
附图说明
图1为相关技术中的容性耦合等离子体设备刻蚀晶圆过程中，等离子体鞘层变化引起晶圆表面刻蚀形貌发生倾斜的示意图；
图2为本申请实施例公开的等离子体生成装置及其他结构的示意图；
图3为本申请实施例公开的等离子体生成装置的原理图；
图4为本申请实施例公开的等离子体生成装置的附加电极加载射频功率时形成直流偏压的原理图；
图5为本申请实施例公开的等离子体生成装置的附加电极加载射频功率为0W时的原理图；
图6为本申请实施例公开的等离子体生成装置的附加电极加载射频功率为P1W时的原理图，其中，P1＞0；
图7为本申请实施例公开的等离子体生成装置的附加电极加载射频功率为P2W时的原理图，其中，P2＞P1。
附图标记说明：
100-等离子体生成装置；
110-第一电极；111-电极本体；112-金属基板；120-第二电极；130-附加电极；131-介质环；132-金属层；140-滤波器；150-匹配器；
210-第一射频电源；220-第二射频电源；230-第三射频电源；
300-工艺腔室；
400-承载基座。
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作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。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例进行详细地说明。
参考图2至图7，本申请实施例公开了一种等离子体生成装置100，应用于半导体工艺设备的工艺腔室300。可选地，等离子体生成装置100可以为容性耦合等离子体装置，尤其可以是反应性离子刻蚀装置。当然，本申请实施例中的等离子体生成装置100还可以是其他类型，此处不作具体限定。
所公开的等离子体生成装置100包括第一电极110、第二电极120和附加电极130。其中，第一电极110、第二电极120和附加电极130均可以设置在工艺腔室300内，且第一电极110与第二电极120相互间隔设置，第二电极120用于承载晶圆。
在实际应用过程中，第二电极120可以与第二射频电源220和第三射频电源230分别连接，其中，第二射频电源220可以为高频电源，如，第二射频电源220用于启辉，第三射频电源230可以为低频电源，如，第三射频电源230用于偏压。如此，通过第二射频电源220可以对第二电极120加载高频功率，以实现启辉，通过第三射频电源230可以对第二电极120加载低频功率，以实现偏压，从而满足工艺需求。
第一电极110与第二电极120相互间隔设置，使得第一电极110与第二电极120可以形成平板电容器，此时，射频功率通过电容耦合的方式通过匹配网络耦合给等离子体，以通过等离子体对第二电极120上承载的晶圆表面进行刻蚀。
在刻蚀工艺过程中，离子会在第一电极110与第二电极120之间的等离子体鞘层中加速，轰击晶圆表面，以实现刻蚀。然而，由于局部的等离子体受到电场的剧烈变化或刻蚀气体流场等因素的干扰，导致等离子体分布不均匀，从而导致等离子体鞘层发生变形，引起等离子体运动方向的改变，进而使刻蚀形貌发生明显倾斜，最终导致刻蚀出的晶圆表面质量相对较差，影响晶圆刻蚀精度。
为了解决上述问题，本申请实施例中的等离子体生成装置增设了附加电极130，该附加电极130设置于第一电极110，且附加电极130与第一电极110之间相互绝缘。在实际应用时，附加电极130可以与第一射频电源210连接，以通过第一射频电源210对附加电极130加载相应大小的射频功率。基于此，通过加载射频功率的附加电极130在一定程度上可以影响等离子体的分布情况，从而可以改善等离子体鞘层的形状，以便于改善晶圆表面的刻蚀形貌。
具体原理为：
等离子体是由气体电离产生的，电离过程中正离子与电子成对出现，使得等离子体中正离子与电子的总数大致相等，因此，总体可以看为电中性。然而，在等离子体与金属、电介质等固体接触的交界区域，由于电子比正离子的质量低得多，热运动速度更快，于是在容器壁上就会累积负电荷。为了屏蔽这些负电荷形成的电场，需要在一定厚度的区域内形成正的空间电荷层，即，形成等离子体鞘层，离子会在等离子体鞘层内加速，轰击晶圆，实现对晶圆表面的刻蚀。
在正常情况下，等离子体鞘层与晶圆的表面时平行的，离子经过在等离子体鞘层中加速后，在晶圆上刻蚀出垂直于晶圆表面的形貌。然而，在一些异常情况下，如，受到电场、刻蚀气体流场等因素的影响，由于电场分布不均匀或刻蚀气体的流场畸变，使得等离子体密度分布不均匀，引起等离子体鞘层发生变形而不再与晶圆的表面平行，从而导致离子不再垂直入射到晶圆表面，最终导致刻蚀形貌发生倾斜。
如图3和图4所示，通过增加附加电极130，并通过第一射频电源210向附加电极130加载适当大小的射频功率，在一个射频周期内，分别吸引电子和离子到附加电极130上，但电子质量比离子质量低很多，因此，在一个周期内，到达附加电极130的电子数量会比离子数量多很多，附加电极130会变为负电位，在下一个射频周期内吸引电子的数量会减少，一直到一个射频周期内到达电极的电子和离子电量保持一致，此时，附加电极130的电位与零电位的差即为负直流偏压，即，图4中的VDC。
附加电极130对应位置会产生负直流偏压，正的空间电荷为了屏蔽负直流偏压形成的电场，需要形成相比原来更厚的等离子体鞘层，使分布在附加电极130对应位置的等离子体形状发生变化，修正对应位置晶圆表面的等离子体鞘层形状，以改善刻蚀形貌。加载在附加电极130上的射频功率越大，产生的负直流偏压越大，对应位置的等离子体受影响越明显，如图5至图7所示，其中，图5中加载的射频功率为0W，图6中加载的射频功率为P1W，图7中加载的射频功率为P2W，而P2＞P1大于0。因此，需要向附加电极130加载适当大小的射频功率方可改善等离子体鞘层的形状，使经过等离子体鞘层加速后的离子垂直射入晶圆表面，进而改善晶圆表面的刻蚀形貌。
本申请实施例中，通过设置附加电极130，可以与第一电极110和第二电极120相互配合，以使分布在附加电极130相对区域的等离子体形状发生变化，从而修正对应区域的晶圆表面的等离子体鞘层形状，进而改善刻蚀形貌，使刻蚀形貌不再倾斜，因此，可以提高刻蚀精度，保证晶圆良率。此处需要说明的是，附加电极130所加载的射频功率的大小可以根据上一片晶圆(即，已刻蚀晶圆)的表面的刻蚀形貌来调节，以便于使附加电极130所加载的射频功率大小适当，进而可以使当前刻蚀的晶圆的表面基本不会出现刻蚀形貌异常的现象，保证了当前刻蚀的晶圆乃至后续刻蚀的晶圆的刻蚀精度。
在一些实施例中，附加电极130可移动地设置于第一电极110，便于通过附加电极130与第一电极110及第二电极120配合，以改变等离子体的分布情况。此处需要说明的是，附加电极130的位置可以根据已刻蚀晶圆的表面的刻蚀形貌倾斜发生的位置进行调整。
另外，将附加电极130与第一射频电源210连接，以通过第一射频电源210向附加电极130加载射频功率；并且，还可以控制加载在附加电极130上的射频功率的大小，以调节附加电极130下晶圆表面的等离子体鞘层分布，进而改善晶圆任意部位出现刻蚀形貌倾斜的问题。
在一些实施例中，附加电极130可以包括介质环131和金属层132，其中，介质环131可移动地设置于第一电极110，金属层132设置于介质环131的内部，并与第一射频电源210连接。基于此，可以通过介质环131和其内部的金属层132共同构成了附加电极130。其中，金属层132可以与第一射频电源210连接，以便于使第一射频电源210能够将射频功率加载至金属层132，而通过加载有射频功率的金属层132来影响等离子体鞘层的分布。当然，附加电极130还可以采用其他结构或类型，本申请实施例对此不作具体限定。
进一步地，介质环131可以为绝缘介质环，金属层132设置在绝缘介质环内部，从而，通过绝缘介质环将金属层132与第一电极110隔开，以实现绝缘，防止发生连电现象。可选地，绝缘介质环可以包括石英环或陶瓷环等，当然，还可以是其他绝缘材料的介质环131，本申请实施例对于介质环131的材质不作具体限定。
为了适应介质环131的形状，一些实施例中，金属层132可以为环形金属层，且环形金属层与介质环131同轴设置。基于此，可以通过设置介质环131在第一电极110上的位置而确定金属层132在第一电极110上的位置，从而可以方便调节金属层132的位置，使附加电极130的金属层132与晶圆表面出现的刻蚀形貌倾斜的位置之间具有更高的位置精度。因此，可以通过调节介质环131在第一电极110上的位置来实现对整个附加电极130位置的调节，使附加电极130与晶圆表面出现的刻蚀形貌倾斜部位之间的相对位置更加精确，有利于改善晶圆表面的刻蚀形貌。
在一些实施例中，第一电极110可以包括电极本体111和金属基板112，其中，金属基板112固定于工艺腔室300的顶部，电极本体111固定于金属基板112，附加电极130设置于电极本体111的背离第二电极120的一侧。基于此，既实现了对附加电极130的固定安装，又可以使附加电极130靠近于第一电极110，并与第二电极120相互间隔，从而可以通过附加电极130影响位于第一电极110与第二电极120之间的等离子体的分布。
进一步地，金属基板112可以设有用于安装附加电极130的位置，以为附加电极130的安装提供空间。可选地，可在金属基板112的与电极本体111接触的表面开设凹槽，附加电极130嵌设在凹槽中，且附加电极130与电极本体111的朝向金属基板112的表面接触，如此，通过金属基板112和电极本体111将附加电极130包围在两者之间，从而实现了对附加电极130的安装。
在一些实施例中，等离子体生成装置100还可以包括滤波器140，该滤波器140连接于附加电极130与第一射频电源210之间。如此，在通过第一射频电源210(或直流电源等)向附加电极130加载射频功率时，通过滤波器140可以滤除下方加载在第二电极120上的射频功率对加载在附加电极130的射频功率的干扰，从而可以保证附加电极130上射频功率的正常加载。
在另一些实施例中，等离子体生成装置100还可以包括匹配器150，该匹配器150连接于滤波器140与第一射频电源210之间，从而可以通过匹配器150降低反射射频功率。除此以外，为第二电极120加载射频功率的第二射频电源220及第三射频电源230均与第二电极120之间同样可以连接有匹配器150，以便于通过该匹配器150降低反射射频功率。
本申请实施例中，附加电极130的位置用于与晶圆表面出现刻蚀形貌异常的区域对应设置，如此，可以通过附加电极130对与之对应区域的等离子体分布产生影响，从而改善该区域的等离子体的分布情况，以此来调节与附加电极130对应的晶圆表面出现刻蚀形貌异常区域的等离子体鞘层分布，有利于改善该区域的刻蚀形貌。
为了对刻蚀形貌异常区域进行全面改善，一些实施例中，附加电极130在第一平面内的投影面积大于晶圆的表面出现刻蚀形貌异常的区域在第一平面内的投影面积，其中，第一平面与晶圆的表面平行。基于此，可以使附加电极130所影响到的范围全面覆盖晶圆表面有可能出现刻蚀形貌异常的区域，从而可以保证晶圆表面出现刻蚀形貌异常的区域完全受到附加电极130的影响，进而使晶圆的整个表面不再出现刻蚀形貌倾斜，保证了晶圆的刻蚀精度。
考虑到附加电极130主要由介质环131和环形金属层132组成，使得整个附加电极130成环状结构，此种情况下，为了对刻蚀形貌异常区域进行全面改善，还可以使附加电极130在自身径向上的宽度大于晶圆的表面出现刻蚀形貌异常的区域的宽度。基于此，同样可以实现对晶圆表面出现刻蚀形貌异常的区域进行全面覆盖，进而可以使晶圆的整个表面不再出现刻蚀形貌倾斜，保证了晶圆的刻蚀精度。
此处需要说明的是，附加电极130的整体尺寸，以及其在径向上的宽度尺寸等，均可以根据等离子体鞘层出现变形的位置、形状、尺寸等进行适应性调整，以便于实现改善效果。
基于上述等离子体生成装置100，本申请实施例还公开了一种半导体工艺设备，所公开的半导体工艺设备可以包括工艺腔室300、承载基座400、气体供应系统(图中未示出)以及上述等离子体生成装置100。其中，承载基座400可以作为第二电极120，承载基座400设置在工艺腔室300内，并与第二射频电源220和第三射频电源230分别连接；承载基座400既可以实现对晶圆的承载作用，又可以与第一电极110共同形成平行电容器，以便于通电时在工艺腔室300内形成电场。可选地，承载基座400可以为静电吸盘，通过静电吸盘可以将晶圆牢牢吸附在其表面，以防止刻蚀工艺过程中晶圆随意移动而影响刻蚀精度。
由于刻蚀工艺过程中需要对刻蚀气体进行电离，以形成等离子体，本申请实施例中，气体供应系统的出气端与工艺腔室300连通，通过气体供应系统向工艺腔室300内通入刻蚀气体，以便于使刻蚀气体在工艺腔室300内被电离而生成等离子体，实现对晶圆表面的刻蚀。
此处需要说明的是，通过半导体工艺设备对晶圆进行刻蚀工艺的具体原理、过程，以及半导体工艺设备的具体结构均可参考相关技术，此处不再赘述。
本申请实施例还公开了一种晶圆处理方法，应用于上述半导体工艺设备，所公开的晶圆处理方法包括：
根据已刻蚀晶圆的刻蚀形貌确定附加电极130的位置、尺寸和第一射频电源210加载的功率值
将待刻蚀晶圆放置于承载基座400表面；
向工艺腔室300内通入刻蚀气体；
对附加电极130加载第一射频功率，向第二电极120分别加载第二射频功率和第三射频功率，以进行刻蚀工艺。
可选地，附加电极130所加载的第一射频功率小于10MhZ，且频率越小，Vdc越大；另外，加载在第二电极120的第二射频功率可以为高频功率，加载在第三射频功率可以为低频功率，以满足工艺需求。
通过上述处理方法，可以使等离子体鞘层与晶圆表面平行，并且通过控制加载在附加电极130上的射频功率的大小，可以调节附加电极130下晶圆表面的等离子体鞘层的分布情况，进而可以改善附加电极130下方对应晶圆部位出现的刻蚀形貌倾斜的问题，以在晶圆表面形成完好的刻蚀形貌，保证晶圆的刻蚀精度。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种等离子体生成装置(100)，应用于半导体工艺设备的工艺腔室(300)，其特征在于，所述等离子体生成装置(100)包括：第一电极(110)、第二电极(120)和附加电极(130)；
所述第一电极(110)、所述第二电极(120)和附加电极(130)均设置于所述工艺腔室(300)内，所述第一电极(110)与所述第二电极(120)相互间隔设置，所述附加电极(130)设置于所述第一电极(110)，且两者之间相互绝缘，所述附加电极(130)用于与第一射频电源(210)连接，所述第二电极(120)用于与第二射频电源(220)和第三射频电源(230)分别连接，且所述第二电极(120)用于承载晶圆。
2.根据权利要求1所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述附加电极(130)包括介质环(131)和金属层(132)；
所述介质环(131)可移动地设置于所述第一电极(110)，所述金属层(132)设置于所述介质环(131)内部，并与所述第一射频电源(210)连接。
3.根据权利要求2所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述介质环(131)为绝缘介质环，所述绝缘介质环包括石英环或陶瓷环。
4.根据权利要求2所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述金属层(132)为环形金属层，所述环形金属层与所述介质环(131)同轴设置。
5.根据权利要求1所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述第一电极(110)包括电极本体(111)和金属基板(112)；
所述金属基板(112)固定于所述工艺腔室(300)的顶部，所述电极本体(111)固定于所述金属基板(112)；
所述附加电极(130)设置于所述电极本体(111)的背离所述第二电极(120)的一侧。
6.根据权利要求5所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述金属基板(112)的与所述电极本体(111)接触的表面设有凹槽，所述附加电极(130)设置于所述凹槽中，且所述附加电极(130)与所述电极本体(111)的朝向所述金属基板(112)的表面接触。
7.根据权利要求1或5或6所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述第一电极(110)接地，或者，所述第一电极(110)与所述工艺腔室(300)之间通过绝缘隔离环连接。
8.根据权利要求2至5中任意一项所述的等离子体生成装置(100)，其特征在于，所述附加电极(130)的位置用于与所述晶圆的表面出现刻蚀形貌异常的区域对应设置；
和/或，所述附加电极(130)在第一平面内的投影面积大于所述晶圆的表面出现刻蚀形貌异常的区域在所述第一平面内的投影面积，其中，所述第一平面与所述晶圆的表面平行；
和/或，所述附加电极(130)在自身径向上的宽度大于所述晶圆的表面出现刻蚀形貌异常的区域的宽度。
9.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：工艺腔室(300)、承载基座(400)、气体供应系统以及权利要求1至8中任意一项所述的等离子体生成装置(100)；
所述承载基座(400)为所述第二电极(120)，所述承载基座(400)设置于所述工艺腔室(300)中并与第二射频电源(220)和第三射频电源(230)分别连接；
所述气体供应系统的出气端与所述工艺腔室(300)连通。
10.一种晶圆处理方法，应用于权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述方法包括：
根据已刻蚀晶圆的刻蚀形貌确定附加电极(130)的位置、尺寸和第一射频电源(210)加载的功率值；
将待刻蚀晶圆放置于承载基座(400)表面；对附加电极(130)加载第一射频功率，向所述第二电极(120)分别加载第二射频功率和第三射频功率，以进行刻蚀工艺。
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