CN115295388A - 一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，公开了一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备，该等离子体源包括反应腔、上电极板、下电极板以及射频电源，上电极板以及下电极板设置在反应腔的内部，射频电源用于对上电极板以及下电极板施加功率，上电极板开设有多个通孔，包括第一通孔部分和第二通孔部分，在上电极板中，第二通孔部分相对于第一通孔部分靠近下电极板，第一通孔部分与第二通孔部分连通，第一通孔部分的直径小于第二通孔部分的直径，第一通孔部分的长度小于第二通孔部分的长度。本发明能够提高等离子体源的电离效率和等离子体的均匀性。

Description

一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备。

背景技术

在半导体晶圆等离子体放电处理设备中，通常采用线圈电感耦合等离子体源模型或平行板式电容耦合等离子体源模型作为等离子体源。在线圈电感耦合等离子体源模型中，线圈感应所产生的等离子体的均匀性不易控制，并且，从介质窗开孔集中通入反应气体导致气流均匀性不易控制。在平行板式电容耦合等离子体源模型中，上电极板同时作为进气匀流板，可使反应气体均匀分散到晶圆表面，但这种等离子体源模型的电离效率相对较低、活性粒子数量不足并且反应效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备，以在一定程度上提高等离子体源的电离效率和等离子体的均匀性。

本发明的目的是采用以下的技术方案来实现的。依据本发明提出的一种空心阴极等离子体源，包括反应腔、上电极板、下电极板以及射频电源，所述上电极板以及所述下电极板设置在所述反应腔的内部，所述射频电源用于对所述上电极板以及所述下电极板施加功率，所述上电极板开设有多个通孔，所述通孔包括第一通孔部分和第二通孔部分，在所述上电极板中，所述第二通孔部分相对于所述第一通孔部分靠近所述下电极板，所述第一通孔部分与所述第二通孔部分连通，所述第一通孔部分的直径小于所述第二通孔部分的直径，所述第一通孔部分的长度小于所述第二通孔部分的长度。

在一些实施方式中，所述第一通孔部分的长度与所述第二通孔部分的长度之和等于所述上电极板的上表面与下表面之间的距离。

在一些实施方式中，所述第一通孔部分的长度1-5mm，所述第二通孔部分的长度为5-25mm。

在一些实施方式中，所述第一通孔部分的直径为0.1-1mm，所述第二通孔部分的直径为0.5-5mm。

在一些实施方式中，所述通孔在所述上电极板中呈六边形蜂窝状布置。

在一些实施方式中，所述上电极板的表面及所述通孔的内壁表面设置有氧化层。

在一些实施方式中，所述射频电源为连续电源或脉冲电源，所述射频电源的本体频率为2-100MHz。

在一些实施方式中，所述氧化层的厚度大于等于10μm。

在一些实施方式中，所述射频电源为脉冲电源时，脉冲频率为1-10kHz，占空比为5-95％。

本发明还提供一种半导体反应设备，包括前述的空心阴极等离子体源。

本发明的有益效果至少包括：

1、本发明所述的第一通孔部分的直径较小并且小于第二通孔部分的直径、第一通孔部分能限制工艺气体的流量，使得气流均匀分散进入到每个通孔并均匀地进入到每个第二通孔部分中，有利于每个通孔均匀放电，提高工艺气体的利用率，还能够提高等离子体源所产生等离子体的均匀性。

2、由于第二通孔部分的直径以及长度较大，工艺气体电离产生的带电粒子，尤其是电子在第二通孔部分中沿与等势线垂直的方向运动，从而使得工艺气体的原子、分子以及电子、所产生的等离子体之间会发生激烈碰撞，如此，提高了电离效率，增加了等离子体的反应速率。

3、本发明通过在上电极板的表面及通孔的内壁表面设置氧化层，能够避免放电能量局部集中于上电极板的某处表面及通孔的内壁某处表面，从而能够促进放电能量均匀分布，有利于得到均匀的等离子体。

4、本发明部分实施例通过采用脉冲电源作为射频电源，在放电过程中，能够避免放电能量局部释放过快导致该处电极区域温度升高，能量更加集中的现象，可阻断局部放电持续增强，从而能够促进放电能量均匀分布到整个电极所有孔，有利于得到均匀的等离子体。

5、本发明所述的工艺气体包括氮气、氧气以及硅烷等，还包括部分其他电负性气体，其中，氮气、氧气、硅烷等为主要反应气体，电负性气体在放电时具备较大等离子体阻抗，容易使得放电能量分散，从而使得放电能量分布均匀，促进均匀放电。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的空心阴极等离子体源的结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的通孔的结构示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的空心阴极等离子体源的上电极板与下电极板之间的等势线的示意图。

图4示出了根据本发明的另一个实施例的通孔的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明的技术手段，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种空心阴极等离子体源以及半导体反应设备的具体实施方式详细说明。

本发明中涉及的诸如“包括”词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。

本发明中的术语“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至少两个该特征。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。

如图1以及图2所示，本发明所提出的一种空心阴极等离子体源包括反应腔1、上电极板2、下电极板3以及射频电源4，上电极板2以及下电极板3设置在反应腔1的内部，上电极板2以及下电极板3互相平行设置，并且上电极板2位于下电极板3的上方，下电极板3被构造成载台的形式，该载台的上表面用于放置晶圆，射频电源4连接至上电极板2以及下电极板3以对上电极板2以及下电极板3施加功率。

反应腔1的顶部开设有进气孔，工艺气体(例如，氮气)通过进气孔进入反应腔1的内部。反应腔1的内部设置有气体通道5，气体通道5位于上电极板2的上方，工艺气体的气流通过气体通道5进入反应腔1，随后进入上电极板2，并在上电极板2与下电极板3之间发生电离，从而生成等离子体，等离子体可与晶圆发生反应。

上电极板2上开设有多个通孔21，通孔21被构造成台阶孔，通孔21包括第一通孔部分211和第二通孔部分212，第一通孔部分211位于第二通孔部分212的上方，第一通孔部分211与第二通孔部分212一体成型。在上电极板2中，第二通孔部分212相对于第一通孔部分211靠近下电极板3，第一通孔部分212与第二通孔部分211连通，并且第一通孔部分211与第二通孔部分212的中心在同一条直线上。具体地，第一通孔部分211的第一端位于上电极板2的上表面，第一通孔部分211的第二端与第二通孔部分212的第一端连通，第二通孔部分212的第二端位于上电极板2的下表面。第一通孔部分211的长度以及第二通孔部分212的长度之和等于上电极板2的上表面与下表面之间的距离。从反应腔1顶部的进气孔进入的工艺气体经由气体通道5进入上电极板2，并经由第一通孔部分211的第一端进入上电极板2，然后再进入第二通孔部分212，并在第二通孔部分212中被电离产生高密度等离子体。

在一个或多个实施例中，本发明所述的空心阴极等离子体源还包括上电极盖板6，上电极盖板6设置于上电极板2的上方，并与上电极板2之间形成较小空间，上电极盖板6与气体通道5连通，工艺气体的气流通过气体通道5进入反应腔1，随后进入上电极盖板6，进而进入上电极板2，上电极盖板6能够使气体通道5中的气体均匀分散到上电极板2的每个第—通孔部分211中。

上电极盖板6与上电极板2之间的间隙较小，一般小于1个鞘层厚度，且所具有的气压远高于反应腔1内的气压，因此，上电极盖板6与上电极板2之间的等离子体阻抗较高可避免在其中产生等离子体放电。

上电极盖板6的材质优选陶瓷或石英，在其他应用中，也可以选用金属材料。

在本发明中，第一通孔部分211的直径小于第二通孔部分212的直径，第一通孔部分211的长度小于第二通孔部分212的长度。特别地，为实现第一通孔部分211均匀地进入工艺气体且第一通孔部分211中的工艺气体不进行电离、第二通孔部分212用于对工艺气体进行电离，第一通孔部分211的直径以及长度较小，示例地，第一通孔部分211的直径可以为0.1-1mm，第一通孔部分211的长度为1-5mm，考虑第一通孔部分211的加工难度以及进气的均匀性，优选地，第一通孔部分211的直径可以为0.5mm。为将工艺气体在第二通孔部分212中电离，第二通孔部分212的直径以及长度较大，第二通孔部分212的直径为等离子体鞘层厚度的2-4倍。示例地，第二通孔部分212的直径为0.5-5mm，第二通孔部分212的长度为5-25mm。

由于本发明所述的第一通孔部分211的直径较小并且小于第二通孔部分212的直径，第一通孔部分211能限制工艺气体的流量，使得气流均匀分散进入到每个通孔21，并均匀地进入到每个第二通孔部分212中，有利于每个通孔21均匀放电，提高工艺气体的利用率，更重要的是，气流均匀分散进入到每个通孔21中，能够提高等离子体源所产生等离子体的均匀性。由于第二通孔部分212的直径以及长度较大，在第二通孔部分212中等势线会向孔内凹陷，如图3所示，工艺气体的气流在进入第二通孔部分212后，会在第二通孔部分212中被电离，工艺气体电离产生的带电粒子，尤其是电子在第二通孔部分212中沿与等势线垂直的方向运动，从而使得工艺气体的原子、分子以及电子、所产生的等离子体之间会发生激烈碰撞，如此，提高了电离效率，增加了等离子体的反应速率。

在一个优选实施例中，所有第一通孔部分211的直径和长度均相同，能够进一步提高工艺气体的气流均匀性，所有第二通孔部分212的直径和长度均相同，能够进一步提高工艺气体的放电均匀性，从而能够提高等离子体的均匀性。

在一些其他实施例中，如图4所示，本发明所述的上电极板2上开设有多个通孔22，通孔22的孔径可以为0.1-5mm，通孔22的长度为2-30mm，通孔21的长度即为上电极板2的厚度。相较于第一实施例中的通孔21，通孔22加工简单，但通孔22的尺寸受限，存在进气不均匀或放电效率低的弊端，无法兼顾均匀进气和高放电效率。

在一个或多个实施例中，上电极板2被构造成圆柱体结构，多个通孔21在上电极板2中呈六边形蜂窝状布置。上电极板2的直径需大于或等于310mm，优选为330mm，从而能够产生直径大于300mm(晶圆直径)的等离子体区域。

在一个优选实施例中，本发明所述的上电极板2采用铝合金材质，上电极板2的表面及通孔21的内壁表面进行氧化处理，以产生一定厚度的金属氧化层。优选地，金属氧化层厚度大于等于10μm。本发明通过在上电极板2的表面及通孔21的内壁表面镀氧化层，在放电过程中，能够避免放电能量局部集中于上电极板2的某处表面及通孔21的内壁某处表面，从而能够促进放电能量均匀分布，有利于得到均匀的等离子体。

在一个优选实施例中，本发明所述的射频电源4采用脉冲电源，射频电源4的本体频率为2-100MHz，脉冲频率为1-10kHz，占空比为5-95％。本发明通过采用脉冲电源作为射频电源，在放电过程中，能够避免放电能量局部释放过快，导致该处电极区域温度升高，能量更加集中的现象，可阻断局部放电持续增强，从而能够促进放电能量均匀分布到整个电极所有孔，有利于得到均匀的等离子体。在一些其他实施例中，本发明所述的射频电源4也可采用连续电源，射频电源4的本体频率为2-100MHz。

第二通孔部分212内的气压应与通孔21的孔径大小匹配，用于使得第二通孔部分212的孔径范围正好处于2-4倍的鞘层厚度，从而能够满足空心阴极放电的条件。

本发明所述的工艺气体包括氮气、氧气、硅烷等，还包括部分其他电负性气体，例如：氢气、氟气、氯气等。其中，氮气、氧气、硅烷等为主要反应气体，在工艺气体中的含量为2％-100％，电负性气体在工艺气体中的含量为0％-98％，电负性气体在放电时具备较大等离子体阻抗，容易使得放电能量分散，从而使得放电能量分布均匀，促进均匀放电。在一些其他实施例中，本发明所述的工艺气体包括氮气和氢气，氢气为电负性气体，在工艺气体中的含量为0％-98％。在用于高密度等离子体沉积工艺时，本发明所述的工艺气体还可包括含氟气体等。

本发明通过第一通孔部分211限制工艺气体的流量，使得气流均匀分散进入到每个通孔21，又通过在上电极板2的表面及通孔21的内壁表面镀氧化层、采用脉冲电源作为射频电源以及在工艺气体中掺用氢气等电负性气体，实现了放电能量均匀，最终能够得到均匀的等离子体。

本发明所述的空心阴极等离子体源优选地用于晶圆的刻蚀、镀膜和表面处理等，包括但不限于金属刻蚀、介质刻蚀、高密度等离子体沉积、氮化处理、氧化处理以及等离子体去胶等工艺。在一些其他实施例中，通过在下电极板3上施加偏压用于更多晶圆工艺制程。

本发明还包括一种半导体反应设备，包括上述的空心阴极等离子体源。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够实施本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种空心阴极等离子体源，其特征在于，包括反应腔、上电极板、下电极板以及射频电源，所述上电极板以及所述下电极板设置在所述反应腔的内部，所述射频电源用于对所述上电极板以及所述下电极板施加功率，所述上电极板开设有多个通孔，所述通孔包括第一通孔部分和第二通孔部分，在所述上电极板中，所述第二通孔部分相对于所述第一通孔部分靠近所述下电极板，所述第一通孔部分与所述第二通孔部分连通，所述第一通孔部分的直径小于所述第二通孔部分的直径，所述第一通孔部分的长度小于所述第二通孔部分的长度。

2.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述第一通孔部分的长度与所述第二通孔部分的长度之和等于所述上电极板的上表面与下表面之间的距离。

3.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述第一通孔部分的长度为1-5mm，所述第二通孔部分的长度为5-25mm。

4.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述第一通孔部分的直径为0.1-1mm，所述第二通孔部分的直径为0.5-5mm。

5.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述通孔在所述上电极板中呈六边形蜂窝状布置。

6.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述上电极板的表面及所述通孔的内壁表面设置有氧化层。

7.根据权利要求1所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述射频电源为连续电源或脉冲电源，所述射频电源的本体频率为2-100MHz。

8.根据权利要求6所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述氧化层的厚度大于等于10μm。

9.根据权利要求7所述的空心阴极等离子体源，其特征在于，所述射频电源为脉冲电源时，脉冲频率为1-10kHz，占空比为5-95％。

10.一种半导体反应设备，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的空心阴极等离子体源。

Images