CN117976505B - 一种等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种等离子体处理装置。等离子体处理装置包括腔体和限制环，其中的腔体具有反应腔室，以及与反应腔室连通的进气通道与排气通道，进气通道用于向反应腔室通入反应气体，排气通道用于抽出副产物，腔体设置有承载晶圆的载台，腔体的腔壁设置有将所述反应腔室连通至外界的辅助通道；限制环，环绕载台设置在反应腔室内，并将反应腔室分隔为反应区域与排气区域，反应区域与进气通道连通，排气区域与排气通道连通，限制环设置有连通反应区域与排气区域的多个气体通道。本申请实施方式提供的等离子体处理装置，能够在限制环设置有较宽气体通道的情况下，实现等离子体熄灭，防止等离子体泄露到排气区域。

Description

一种等离子体处理装置

技术领域

本申请实施例涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

在半导体薄膜沉积、等离子刻蚀等半导体加工设备的加工过程中，通过射频能量激活的反应气体形成等离子体状态，与晶圆表面发生化学反应或物理作用。加工完成后，通过排气设备排出反应副产物。然而，由于等离子体具有扩散性，部分等离子体可能会扩散到排气区域。对此，通常使用限制环对等离子体进行熄灭。等离子体中的电子、离子与限制环中的气体通道发生碰撞，并传递能量给壁面，导致等离子体中的粒子失去能量，并与相反电荷的粒子相结合，形成中性粒子，完成电中和过程，有效的防止等离子体扩散到排气区域。

为了有效地从限制环的气体通道中抽出副产物以避免产生堆积，气体通道一般设置的相对较宽。然而，较宽的气体通道会降低碰撞概率导致等离子体熄灭失败，从而使其泄露到排气区域，对排气设备发生侵蚀。因此，如何在限制环设置有较宽气体通道的情况下，实现等离子体熄灭，仍然是一个重要的问题。

发明内容

本申请实施方式的目的在于提供一种等离子体处理装置，能够在限制环设置有较宽气体通道的情况下，实现等离子体熄灭。

为解决上述技术问题，本申请的实施方式提供了一种等离子体处理装置，等离子体处理装置包括腔体及限制环；腔体具有反应腔室，以及与反应腔室连通的进气通道与排气通道，进气通道用于向反应腔室通入反应气体，排气通道用于抽出副产物，腔体设置有承载晶圆的载台，腔体的腔壁设置有将反应腔室连通至外界的辅助通道；限制环环绕载台设置在反应腔室内，并将反应腔室分隔为反应区域与排气区域，反应区域与进气通道连通，排气区域与排气通道连通，限制环设置有连通反应区域与排气区域的多个气体通道，以及将每个气体通道连通至辅助通道的进气孔，辅助通道内流通的辅助气体自进气孔进入气体通道，并与气体通道内被抽出的等离子体碰撞后使等离子体熄灭。

在一些实施方式中，进气孔邻近限制环靠近反应区域的表面设置。

在一些实施方式中，进气孔的延伸方向朝向相对限制环的径向倾斜设置，且向限制环靠近反应区域的一侧倾斜。

在一些实施方式中，辅助通道包括环绕载台设置、且开口朝向反应腔室的环形腔，以及与环形腔连通的穿孔，开口的部分经由限制环远离载台的一侧封闭，开口的其他部分与进气孔连通，穿孔还与外界连通。

在一些实施方式中，开口在限制环的轴向上的长度大于进气孔的直径。

在一些实施方式中，穿孔与进气孔错开设置。

在一些实施方式中，穿孔与进气孔的直径相同。

在一些实施方式中，环形腔在限制环的轴向上的截面形状为矩形。

在一些实施方式中，环形腔沿限制环径向方向的相对两侧分别设有一个密封圈，密封圈位于限制环与腔体的腔壁之间。

在一些实施方式中，辅助气体为CxFy、O₂、SF₆、H₂、He的一种或多种。

本申请的实施方式提供的一种等离子体处理装置，采用从腔体的腔壁通入辅助气体并均匀导入限制环的方法来实现等离子体熄灭。腔体的腔壁设置有将反应腔室连通至外界的辅助通道，辅助气体经过辅助通道后进入限制环的多个气体通道，使辅助气体中电离能量高的气体分子与等离子体发生碰撞。从而能够在限制环设置有较宽气体通道的情况下，实现等离子体熄灭，防止等离子体泄露到排气区。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一些实施例提供的等离子体处理装置的结构示意图；

图2是本申请一些实施例提供的等离子体处理装置中的限制环的局部结构示意图；

图3是本申请一些实施例提供的等离子体处理装置中辅助气体自外界进入并到达限制环的气体通道内的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，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、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在半导体设备加工过程中，通常需要使反应后的等离子体熄灭。然而，在设置有较宽气体通道的限制环的情况下，往往因为等离子体碰撞概率过小而导致等离子体熄灭失败，从而会因为等离子体泄漏到设备的非处理区域致使设备零部件损坏，影响半导体加工质量。还可能导致射频外泄，干扰设备周围的电子设备或引起不必要的电磁辐射。

在现有半导体加工设备中，通常采用各种限制环结构将等离子体限制在处理区域内。比如在限制环本体内设置非纵向弯折的气体通道，或者设置多层套叠的限制环，或者设置由磁性环板组成的限制环。然而，目前仍然存在因气体通道过窄导致副产物抽出困难，或因气体通道过宽导致等离子体熄灭不稳定的问题。

为此，本申请一些实施例提供了一种等离子体处理装置，采用从腔体的腔壁通入辅助气体并均匀导入限制环的方法来实现等离子体熄灭。腔体的腔壁设置有将反应腔室连通至外界的辅助通道，辅助气体从辅助通道流入限制环。限制环将反应腔室分割为反应区域和排气区域，限制环中的多个气体通道连通反应区域与排气区域。电离能量高的辅助气体自进气孔进入气体通道，并与气体通道内流通的反应后等离子体碰撞而熄灭反应后等离子体。从而能够在限制环设置有较宽气体通道的情况下，实现等离子体熄灭，防止等离子体泄露到排气区域。

下面结合图1至图3，说明本申请一些实施例提供的等离子体处理装置的结构。

如图1所示，本申请一些实施例提供的一种等离子体处理装置包括腔体100和限制环60。腔体100具有反应腔室10，以及与反应腔室10连通的进气通道20与排气通道30，进气通道20用于向反应腔室10通入反应气体，排气通道30用于抽出副产物，腔体100设置有承载晶圆11的载台12，腔体100的腔壁40设置有将反应腔室10连通至外界的辅助通道50；限制环60环绕载台设置在反应腔室10内，并将反应腔室10分隔为反应区域13与排气区域14，反应区域13与进气通道20连通，排气区域14与排气通道30连通，限制环60设置有连通反应区域13与排气区域14的多个气体通道61，以及将每个气体通道61连通至辅助通道50的进气孔62，辅助通道50内流通的辅助气体自进气孔62进入气体通道61，并与气体通道61内被抽出的等离子体碰撞后使等离子体熄灭。

在等离子体中，带电粒子（如电子和离子）具有较高的能量。当气体分子与这些带电粒子碰撞时，发生能量传递的过程。碰撞将导致带电粒子失去能量，而气体分子获得能量。在这个过程中，带电粒子的能量逐渐减小，直到它们失去足够的能量，无法维持带电状态，最终转化为中性粒子。这种过程称为电中和（Recombination）。电中和是等离子体中带电粒子失去电荷并形成中性粒子的过程。通过碰撞可以减少等离子体中的带电粒子数量，最终导致等离子体熄灭。

在进行晶圆加工时，通过进气通道20向反应区域13引入反应气体，可以由气体喷淋头15均匀喷洒在反应区域13。如图1所示，通入反应气体后，通过射频能量将反应气体激发形成等离子体状态。等离子体与晶圆11表面发生化学反应或物理作用，完成刻蚀或沉积等加工过程。同时，辅助通道50引入辅助气体，通过辅助气体与等离子体在限制环气体通道61中的碰撞过程，达到等离子体熄灭效果。辅助气体可以采用电离能量高的气体。排气通道30将产生的副产物、未反应气体等有效抽出，维持反应腔室10的清洁状态。整个装置通过协同作用，提高了半导体加工效率和产品质量。

如图1中GND（地）所示对腔体的腔壁进行接地。实际情况中，反应腔室10内还可以设有下接地环16和射频隔离环17以形成射频屏蔽区。图1中RF IN （射频接入）即是对射频信号输入的示意，下接地环16被设置在限制环60与射频隔离环17之间，起到连接地的作用，使反应腔室10内可以形成射频接地回路。下接地环16与射频隔离环17保持电连接。使得射频电场不容易穿透到反应腔室10的其他区域，有效隔离射频影响，确保反应区域13内的等离子体受到射频的精确控制，防止辅助气体受到射频的影响成为等离子体，有利于进行精密的半导体加工。

图3中的气体通道61为矩形，仅作为一种示意，本发明对气体通道的形状不做限制。比如气体通道还可以设为靠近反应区域13和排气区域14的两端较窄、中间较宽的形状，以增大辅助气体分子与等离子体碰撞的概率。

本申请一些实施例提供的等离子体处理装置，采用从腔体100的腔壁40通入辅助气体并均匀导入限制环60的方法来实现等离子体熄灭。腔体100的腔壁40设置有将反应腔室10连通至外界的辅助通道50，辅助气体经过辅助通道50后进入限制环60的多个气体通道61，使辅助气体中电离能量高的气体分子与等离子体发生碰撞。从而能够在限制环60设置有较宽气体通道61的情况下，实现等离子体熄灭，防止等离子体泄露到排气区域14。

在一些实施例中，进气孔62邻近限制环60靠近反应区域13的表面设置。

由于气体的流向是从反应区域13朝排气区域14，因此通过将进气孔62设置在邻近限制环60靠近反应区域13表面的位置，可以有助于增加气体分子与等离子体碰撞的路径和时间。从而能够更有效地促使等离子体发生猝灭，提高气体分子与等离子体之间的相互作用效率。

可以理解的是，图3以进气孔62的水平延伸为示意，仅代表其中的一种情况。

另外，进气孔62的延伸方向可以朝向相对限制环60的径向倾斜设置，且向限制环60靠近反应区域13的一侧倾斜。

通过将进气孔62向限制环60靠近反应区域13的一侧倾斜设置，可以使辅助气体在气体通道61内更加充分的与等离子体发生碰撞，从而达到更好地熄灭效果。

如图3所示，辅助通道50可以包括环绕载台12设置、且开口54朝向反应腔室10的环形腔52，以及与环形腔52连通的穿孔53，开口54经由限制环远离载台12的一侧封闭，并与进气孔62连通，穿孔53还与外界连通。

穿孔53与外界连通，用于通入辅助气体。穿孔53还与环形腔52连通，辅助气体从穿孔53中进入环形腔52。环形腔52可以设置的较大，辅助气体进入环形腔52后，增加了气体在环形腔52内的流动空间，有利于气体的均匀分布和稳定输送。

环形腔52环绕载台12设置、且开口54朝向反应腔室10。开口54的部分经由限制环远离载台12的一侧封闭，开口54的其他部分与进气孔62相连通。这一结构的效果是开口54被限制环60封闭，辅助气体只能通过进气孔62进入气体通道61。

如图3所示，辅助气体通入后沿图3中直线箭头所示方向进入环形腔52后，沿着载台12周围填充整个环形腔52，接着通过环形腔52的开口54进入限制环60的进气孔62，经过进气孔62后沿直线箭头方向通入多个气体通道61。与此同时，等离子体从反应区域沿虚线箭头A方向进入气体通道61，与辅助气体发生碰撞，从而熄灭等离子体。图3示出了限制环的剖面图，即通过沿图2中的直线进行切开的展示。

另外，穿孔53可以有一个或者多个，也就是说，可以从一个方向，或者多个不同方向向环形腔52中通入气体。并且，也可以将环形腔52环绕限制环60的轴线方向连续设置或者将环形腔52沿环绕限制环60的轴线方向设置为多个，多个环形腔52相互间隔开，多个环形腔52与多个气体通道61一一对应，即每个气体通道61可以有独立的进气路径。

进气孔62可以沿限制环60轴线方向设置一个或者多个，即环形腔52的开口54可以与一个或者多个进气孔62连通，辅助气体可以从多个进气孔62的多个不同路径进入气体通道61内。

限制环60上还可以开设有多个通气孔，用来连通多个气体通道61，使得辅助气体可以在多个气体通道61之间流通，增加了辅助气体分子与等离子体碰撞的机会。通气孔设置在邻近限制环60靠近反应区域13的位置。

在实际情况中，开口54在限制环60的轴向上的长度可以大于进气孔62的直径。

另外，多个气体通道61均可以设有对应的进气孔62。由于进气孔62的直径较小，形成了一种气阻，增加了辅助气体自开口54流向气体通道61的难度。有利于辅助气体在均匀扩散后自进气孔62进入气体通道61，使得进气孔62两侧的压差大致相等。

在一些实施例中，穿孔53与进气孔62可以错开设置。

穿孔53和进气孔62的位置可以不在同一水平线上，而是错开排列。这样的错开设置可以使气体在环形腔52中均匀分布后再进入进气孔62，从而调整气体的流向，避免直接的气流路径。

另外，穿孔53和进气孔62也可以被设置在相对的位置，也就是在同一水平线上，可以产生特定的气体流动模式，增加系统的稳定性。

在一些实施例中，穿孔53与进气孔62的直径可以相同。

通过使穿孔53和进气孔62的直径相同，可以更好地控制穿孔53和进气孔62的压差大致相同，使得进气更加均匀。

另外，穿孔53与进气孔62的直径也可以不同。

通过调整穿孔53和进气孔62的直径，可以更好地控制气体流动、压力和速度。这种设计可能在需要不同气体通量或气流速度的情况下更为有利。

如图3所示，环形腔52在限制环60的轴向上的截面形状可以为矩形。

在一些实施例中，环形腔52沿限制环60径向方向的相对两侧可以分别设有一个密封圈64，密封圈64位于限制环60与腔体100的腔壁40之间。

如图3所述，密封圈64位于开口54的相对两侧，可以确保装置的密封性，防止气体泄漏到反应区域13或者排气区域14，影响半导体加工质量或等离子熄灭效果。

在一些实施例中，辅助气体为CxFy（全氟碳气体）、O₂（氧气）、SF₆（六氟化硫）、H₂（氢气）、He（氦气）的一种或多种。

其中，CxFy代表一组全氟碳化合物，具体成分取决于具体的工艺需求。

辅助气体可以选择电离能高的气体，或者根据具体的工艺压力选择不同的工艺气体或组合。

气体的流量根据工艺的压力可以控制为50sccm（standard cubic centimetersper minute，标准立方厘米每分钟）-5000sccm。

也就是说，气体在工艺中的流动速率可在50sccm到5000sccm的范围之间进行调节，具体可以为50sccm，100sccm，200sccm，500sccm，1000sccm，2000sccm，3000sccm，4000sccm，5000sccm。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

腔体，具有反应腔室，以及与所述反应腔室连通的进气通道与排气通道，所述进气通道用于向所述反应腔室通入反应气体，所述排气通道用于抽出副产物，所述腔体设置有承载晶圆的载台，所述腔体的腔壁设置有将所述反应腔室连通至外界的辅助通道；

限制环，环绕所述载台设置在所述反应腔室内，并将所述反应腔室分隔为反应区域与排气区域，所述反应区域与所述进气通道连通，所述排气区域与所述排气通道连通，所述限制环设置有连通所述反应区域与所述排气区域的多个气体通道，以及将每个所述气体通道连通至所述辅助通道的进气孔，所述辅助通道内流通的辅助气体自所述进气孔进入所述气体通道，并与所述气体通道内被抽出的等离子体碰撞后使等离子体熄灭。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述进气孔邻近所述限制环靠近所述反应区域的表面设置。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述进气孔的延伸方向朝向相对所述限制环的径向倾斜设置，且向所述限制环靠近所述反应区域的一侧倾斜。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述辅助通道包括环绕所述载台设置、且开口朝向所述反应腔室的环形腔，以及与所述环形腔连通的穿孔，所述开口的部分经由所述限制环远离所述载台的一侧封闭，所述开口的其他部分与所述进气孔连通，所述穿孔还与外界连通。

5.根据权利要求4所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述开口在所述限制环的轴向上的长度大于所述进气孔的直径。

6.根据权利要求4所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述穿孔与所述进气孔相对设置。

7.根据权利要求4所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述穿孔与所述进气孔的直径相同。

8.根据权利要求4所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述环形腔在所述限制环的轴向上的截面形状为矩形。

9.根据权利要求4所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述环形腔沿所述限制环径向方向的相对两侧分别设有一个密封圈，所述密封圈位于所述限制环与所述腔体的腔壁之间。

10.根据权利要求1所述的一种等离子体处理装置，其特征在于，所述辅助气体为CxFy、O₂、SF₆、H₂、He的一种或多种。