CN207338296U - 上电极组件、反应腔室及半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种上电极组件及反应腔室，其包括线圈，在该线圈上设置有功率馈入点，该功率馈入点位于线圈的除端点之外的位置处，且线圈的端点接地，以将线圈自功率馈入点形成相互并联的多个线圈分部。本实用新型提供的反应腔室，其可以减小线圈上存在的电位分布差异，从而可以提高等离子体的分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

Description

上电极组件、反应腔室及半导体加工设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及一种上电极组件、反应腔室及半导体加工设备。

背景技术

在半导体制造工艺中，电感耦合等离子体(ICP，Inductive Coupled Plasma)发生装置可以在较低的工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，因此广泛应用于等离子体刻蚀(IC)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(CVD)、微电子机械系统(MEMS)和发光二极管(LED)等工艺中。

在进行工艺的过程中，为了提高产品的质量，在实施沉积工艺之前，首先要对晶片进行预清洗(Preclean)，以去除晶片表面的氧化物等杂质。一般的预清洗腔室的基本原理是：将通入清洗腔室内的诸如氩气、氦气或氢气等的清洗气体激发形成等离子体，以对晶片进行化学反应和物理轰击，从而可以去除晶片表面的杂质。

图1为现有的一种预清洗腔室的剖视图。请参阅图1，预清洗腔室包括腔体1，在该腔体1的顶部设置有介质筒2，且在该介质筒2的周围环绕设置有射频线圈3，该射频线圈3通过上匹配器4与上射频电源5电连接，上射频电源5用于向射频线圈3加载射频功率，由射频线圈3产生的电磁场能够通过介质筒2馈入至腔体1中，以激发腔体1中的工艺气体形成等离子体。并且，在腔体1中还设置有基座6，用于承载晶片7。并且，基座6通过下匹配器8和下射频电源9电连接，下射频电源9用于向基座6加载射频负偏压，以吸引等离子体刻蚀衬底表面。

如图2所示，上述射频线圈3的输入端用作功率馈入点与上匹配器4电连接，上述射频线圈3的输出端接地。这会存在以下问题：由于高频的驻波效应，射频线圈3的每一匝的电位分布存在较大的差异，而且射频线圈3的不同匝之间的电位也存在较大的差异，这种差异会造成由射频线圈3产生的电磁场在反应腔室内分布不均匀，从而造成等离子体的分布均匀性较低，进而影响工艺均匀性。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种上电极组件、反应腔室及半导体加工设备，其可以减小线圈上存在的电位分布差异，从而可以提高等离子体的分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。

为实现本实用新型的目的而提供一种上电极组件，包括线圈在所述线圈上设置有功率馈入点，所述功率馈入点位于所述线圈的除端点之外的位置处，且所述线圈的端点接地，以将所述线圈自所述功率馈入点形成相互并联的多个线圈分部。

优选的，所述上电极组件还包括介质筒，所述线圈环绕在所述介质筒周围，且所述线圈为多匝柱状螺旋立体线圈，且

所述线圈自所述功率馈入点形成位于所述功率馈入点上方的第一线圈分部，和位于所述功率馈入点下方的第二线圈分部。

优选的，所述第二线圈分部的长度与所述线圈的总长度的比值的取值范围在0.9/5.5～1.1/5.5之间。

优选的，所述第二线圈分部的长度与所述线圈的总长度的比值为1.1/5.5、1.05/5.5或者1/5.5。

优选的，所述线圈为单匝线圈。

优选的，所述线圈的第一端和/或所述线圈的第二端通过阻抗配置装置接地，通过设定不同的所述阻抗配置装置的阻抗大小，来使两个所述线圈分部的电流方向相同或相反。

优选的，所述阻抗配置装置包括可调电容，所述可调电容的容值范围为0～1000pF。

优选的，所述上电极组件还包括匹配器和功率源，所述功率源通过所述匹配器在所述功率馈入点处与所述线圈电连接；

所述阻抗配置装置集成在所述匹配器中。

作为另一个技术方案，本实用新型还提供一种反应腔室，包括本实用新型提供的上述上电极组件；

所述反应腔室还包括法拉第屏蔽件，所述法拉第屏蔽件环绕设置在所述介质筒的内侧，并且所述法拉第屏蔽件包括导电环体，在所述导电环体上形成有开缝；

所述开缝包括第一子开缝，所述第一子开缝沿所述导电环体的圆周方向设置，且与所述导电环体的轴线之间形成夹角，用以通过增加电磁场在所述导电环体的圆周方向上的电场分量的耦合效率，来增加该电磁场的总耦合效率。

优选的，所述法拉第屏蔽件的上端面高于所述介质筒的上端面；所述法拉第屏蔽件的下端面低于所述介质筒的下端面。

优选的，所述反应腔室为预清洗腔室。

作为另一个技术方案，本实用新型还提供一种半导体加工设备，包括本实用新型提供的上述反应腔室。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的上电极组件，其将功率馈入点设置在线圈的除端点之外的位置处，且该线圈的端点接地，以将线圈自该功率馈入点形成相互并联的多个线圈分部，这可以减小线圈上的电位分布差异，从而可以提高等离子体的分布均匀性，进而可以提高工艺均匀性。另外，通过将功率馈入点设置在线圈的除端点之外的位置处，可以在整体上降低线圈上的电压，从而可以减少等离子体中的离子对介质筒的轰击，从而减少了反应腔室内的颗粒污染。

本实用新型提供的反应腔室，其通过采用本实用新型提供的上述上电极组件，可以提高等离子体的分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

附图说明

图1为现有的一种预清洗腔室的剖视图；

图2为射频线圈的功率馈入点的位置示意图；

图3A为本实用新型实施例提供的上电极组件的一种结构图；

图3B为本实用新型实施例提供的上电极组件的另一种结构图；

图4A为采用现有技术中的线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布图；

图4B为采用本实用新型实施例中的一种线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布图；

图4C为采用本实用新型实施例中的另一种线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布图；

图4D为采用本实用新型实施例中的又一种线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布图；

图4E为采用本实用新型实施例中的再一种线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布图；

图5为本实用新型实施例提供的反应腔室的剖视图；

图6为本实用新型实施例采用的法拉第屏蔽件的结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图来对本实用新型提供的上电极组件、反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

请参阅图3A，本实施例提供的上电极组件包括线圈10，在该线圈10上设置有功率馈入点103，其位于线圈10的除端点(第一端101和第二端102)之外的位置处。并且，线圈10的端点接地，由此，上述线圈10自功率馈入点103形成相互并联的多个线圈分部。射频电源12通过匹配器11与上述功率馈入点103电连接，用于通过该功率馈入点103向线圈10加载射频功率。

如图3B所示，在本实施例中，上电极组件还包括介质筒22，线圈10上的射频能量通过该介质筒22馈入反应腔室中。该介质筒22呈环体，且线圈10为多匝柱状螺旋立体线圈，并环绕在该介质筒22周围。在本实施例中，功率馈入点103为一个，且位于线圈10的除第一端101与第二端102之外的某一指定位置处，以使该线圈10 自该功率馈入点103形成两个线圈分部，分部为：第一线圈分部104和第二线圈分部105。其中，第一线圈分部104位于功率馈入点103上方；第二线圈分部105位于功率馈入点103下方。

通过将线圈10分成相互并联的两个线圈分部，可以减小每个线圈分部中的每匝上的电位分布差异以及不同匝之间的电位差异，从而可以提高由线圈10产生的电磁场在反应腔室内的分布均匀性，进而可以提高等离子体的分布均匀性，提高工艺均匀性。另外，通过将功率馈入点103设置在线圈10的除端点之外的位置处，可以在整体上降低线圈10上的电压，从而可以减少等离子体中的离子对介质筒22的轰击，从而减少了反应腔室内的颗粒污染。

在实际应用中，可以通过改变功率馈入点103在线圈10上的位置，来调节由线圈10产生的电磁场在反应腔室内的分布情况。可以通过设定不同的第二线圈分部105的长度，来改变功率馈入点103在线圈10上的位置，优选的，线圈10的总匝数为5.5，而第二线圈分部105的长度(单位为匝)与线圈10的总长度(单位为匝)的比值的取值范围在0.9/5.5～1.1/5.5之间。采用该范围内的上述比值，可以获得较好的电磁场分布均匀性。

下面为采用现有技术中的线圈和本实用新型实施例中的线圈进行刻蚀工艺，以及采用本实用新型实施例中的不同功率馈入点的位置的线圈进行刻蚀工艺的对比试验。在该对比试验中，线圈10的总匝数为5.5。

采用现有技术中的线圈进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布如图4A所示，在晶片表面上，刻蚀深度等高线呈梯度式偏心分布，从而刻蚀均匀性较低，一般为3％左右，没有达到工艺要求(2％)。另外，刻蚀深度等高线呈梯度式偏心分布可能会引起晶片表面损伤的问题。

采用本实用新型实施例中的线圈10，且使第二线圈分部105的长度与线圈10的总长度的比值为1.15/5.5，采用该功率馈入点103位置的线圈10进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布如图4B所示，刻蚀深度等高线仍然呈梯度式偏心分布，刻蚀均匀性较低，而且可能会引起晶片表面损伤的问题。

采用本实用新型实施例中的线圈10，且使第二线圈分部105的长度与线圈10的总长度的比值为1.1/5.5或1.05/5.5，采用这两种该功率馈入点103位置的线圈10进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布如图4C和图4D所示，刻蚀深度等高线趋于同心分布，刻蚀均匀性有所提高(可达到2％)，从而可以满足工艺要求，而且可以避免晶片表面损伤。

采用本实用新型实施例中的线圈10，且使第二线圈分部105的长度与线圈10的总长度的比值为1/5.5，采用这该功率馈入点103位置的线圈10进行刻蚀工艺获得的晶片刻蚀深度分布如图4E所示，刻蚀深度等高线的同心分布情况最好。

另外，在本实施例中，如图3B所示，线圈10的第一端101通过阻抗配置装置13接地，而第二端102直接接地。通过设定阻抗配置装置13的阻抗大小，来使第一线圈分部104和第二线圈分部105的电流方向相同或相反。具体来说，第一线圈分部104的下端接地，上端为功率馈入点103，由此第一线圈分部104中的电流自功率馈入点103向接地的下端流动。若使阻抗配置装置13的阻抗足够大，则第二线圈分部105中的电流自第二线圈分部105的连接阻抗配置装置13的上端(即第一端101)朝向功率馈入点103流动，由此，第一线圈分部104和第二线圈分部105的电流方向相同。反之，若使阻抗配置装置13的阻抗足够小，则第二线圈分部105中的电流自功率馈入点103朝向第二线圈分部105的连接阻抗配置装置13的上端流动，由此，第一线圈分部104和第二线圈分部105的电流方向相反。因此，通过设定阻抗配置装置13的阻抗大小，使之足够大或者足够小，能够改变第二线圈分部105中的电流方向。

若第一线圈分部104和第二线圈分部105的电流方向相反，则分别由第一线圈分部104和第二线圈分部105产生的两个电磁场相互抵消，这会对在二者之间存在的磁场强度差异进行补偿，从而进一步提高了由上述两个电磁场形成的叠加磁场的分布均匀性。但是，上述两个电磁场的相互抵消会减小叠加磁场的磁场强度，从而减小了等离子体密度，因此，该方式适用于对等离子体密度要求不高的工艺。而对于对等离子体密度要求较高的工艺，则可以使第一线圈分部104和第二线圈分部105的电流方向相同，以提高等离子体密度。

上述阻抗配置装置13可以包括可调电容。在进行工艺之前，可以根据具体需要设置可调电容的大小，以获得所需的阻抗值，从而提高了阻抗调节的灵活性。上述可调电容的可调范围在0～1000pF。

另外，上述阻抗配置装置13在起到决定电流方向的基础上，还可以通过选择合适的阻抗大小，来使匹配器11更容易实现阻抗匹配。例如，当线圈10的总匝数为5.5，第二线圈分部105的长度与线圈10的总长度的比值为1.1/5.5、1.05/5.5或者1/5.5时。上述可调电容的电容值可以在200～500pF的范围内设定，优选为350pF。

在实际应用中，上述阻抗配置装置13可以集成在匹配器11中，以减小设备的占用空间。

需要说明的是，在本实施例中，线圈10的第一端101通过阻抗配置装置13接地，而第二端102直接接地，但是本实用新型并不局限于此，在实际应用中，也可以使线圈10的第一端101直接接地，而第二端102通过阻抗配置装置13接地；或者，也可以使线圈10的第一端101和第二端102分别通过两个阻抗配置装置13接地；或者，还可以使线圈10的第一端101和第二端102均直接接地。

还需要说明的是，在本实施例中，线圈10为多匝柱状螺旋立体线圈，但是，本实用新型并不局限于此，在实际应用中，线圈10也可以为单匝线圈，并且该单匝线圈可以为带状线圈或者柱状线圈。

进一步需要说明的是，在本实施例中，功率馈入点103为一个，但是本实用新型并不局限于此，在实际应用中，功率馈入点103还为多个，且不同的功率馈入点103位于线圈10的除端点之外的位置不同。在这种情况下，线圈10可以被多个功率馈入点103分为三个以上的线圈分部，这可以更加细化地调节电磁场分布均匀性，从而可以进一步提高等离子体的分布均匀性。另外，对于多个功率馈入点103，每个功率馈入点103需要配备一套匹配器11和射频电源12。

作为另一个技术方案，如图5所示，本实用新型还提供一种反应腔室21，其包括本实用新型上述实施例提供的上电极组件。该上电极组件包括介质筒22和环绕在该介质筒22周围的线圈10，其中，介质筒22设置在反应腔室21的侧壁211中；射频电源12通过匹配器11与线圈10上的上述功率馈入点103电连接，用于通过该功率馈入点103向线圈10加载射频功率。射频能量通过介质筒22馈入反应腔室21中。并且，在反应腔室21中还设置有基座24，该基座24通过基座匹配器25与基座射频电源26电连接，基座射频电源26用于向基座24加载负偏压，以吸引等离子体刻蚀晶片表面。

在本实施例中，反应腔室21还包括法拉第屏蔽件23，该法拉第屏蔽件23环绕设置在介质筒22的内侧，用于保护介质筒22不被等离子体刻蚀，同时避免自晶片表面溅射出来的残留物附着在介质筒22的内壁上，从而可以提高介质筒22的能量耦合效率，减少反应腔室1内的颗粒污染。并且，法拉第屏蔽件23包括导电环体，在该导电环体上形成有开缝，以避免法拉第屏蔽件23产生涡流损耗和发热。

借助上述法拉第屏蔽件23的电磁屏蔽效应，可以进一步减小线圈10中存在的电位差异，而且可以对电磁场的分布产生二次分布影响，从而可以进一步提高等离子体的分布均匀性，提高工艺均匀性。另外，借助法拉第屏蔽件23的物理阻挡作用，可以有效防止金属沉积在介质筒22的内壁上，从而可以避免磁场耦合效率降低。

在本实施例中，如图6所示，上述开缝包括第一子开缝232和第二子开缝231，其中，第一子开缝232沿上述导电环体的圆周方向设置，且与该导电环体的轴线之间形成夹角，用以通过增加电磁场在导电环体的圆周方向上的电场分量的耦合效率，来增加该电磁场的总耦合效率。该夹角为90°。上述第一子开缝232为多个，且沿上述导电环体的圆周方向均匀分布。第二子开缝231沿导电环体的轴向设置，且该第二子开缝231为多个，且沿上述导电环体的圆周方向均匀分布。

由线圈10产生的电磁场可以划分为导电环体的轴向上的磁场分量和导电环体的圆周方向上的电场分量。导电环体的轴向上的磁场分量能够通过上述第二子开缝231馈入反应腔室21内，同时，导电环体的圆周方向上的电场分量通过上述第一子开缝232馈入反应腔室21内，从而增加了电磁场的总耦合效率。

需要说明的是，在实际应用中，也可以仅设置上述第一子开缝232，且该第一子开缝232相对于导电环体的轴线倾斜，优选的，第一子开缝232与导电环体的轴线之间形成夹角优选为45°。这样，导电环体的轴向上的磁场分量在该第一子开缝232的倾斜方向上的子分量能够通过第一子开缝232馈入反应腔室21内，同时导电环体的圆周方向上的电场分量在该第一子开缝232的倾斜方向上的子分量能够通过第一子开缝232馈入反应腔室21内。

在实际应用中，上述法拉第屏蔽件23可以接地，或者也可以电位悬浮。

优选的，法拉第屏蔽件23的上端面高于介质筒22的上端面；法拉第屏蔽件23的下端面低于介质筒22的下端面，以保证法拉第屏蔽件23完全覆盖介质筒22的内表面。另外，可以在法拉第屏蔽件23的内表面做熔射等的粗化处理，以防止附着在法拉第屏蔽件23的内表面上的颗粒脱落，污染晶片表面。

在实际应用中，反应腔室可以为预清洗腔室。

优选的，对于含氢的预清洗工艺，预清洗腔室中的上射频电源28可以采用较低的频率(13.56MHz以下)，例如2MHz，这可以使氢原子的激发和离化程度减缓，从而减少氢原子与晶片表面反应释放出的热量，从而可以实现低温预清洗工艺。

综上所述，本实用新型实施例提供的反应腔室，其通过采用本实用新型实施例提供的上述上电极组件，可以提高等离子体的分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (12)

1.一种上电极组件，包括线圈，其特征在于，在所述线圈上设置有功率馈入点，所述功率馈入点位于所述线圈的除端点之外的位置处，且所述线圈的端点接地，以将所述线圈自所述功率馈入点形成相互并联的多个线圈分部。

2.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，所述上电极组件还包括介质筒，所述线圈环绕在所述介质筒周围，且所述线圈为多匝柱状螺旋立体线圈，且

所述线圈自所述功率馈入点形成位于所述功率馈入点上方的第一线圈分部，和位于所述功率馈入点下方的第二线圈分部。

3.根据权利要求2所述的上电极组件，其特征在于，所述第二线圈分部的长度与所述线圈的总长度的比值的取值范围在0.9/5.5～1.1/5.5之间。

4.根据权利要求3所述的上电极组件，其特征在于，所述第二线圈分部的长度与所述线圈的总长度的比值为1.1/5.5、1.05/5.5或者1/5.5。

5.根据权利要求1所述的上电极组件，其特征在于，所述线圈为单匝线圈。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的上电极组件，其特征在于，所述线圈的第一端和/或所述线圈的第二端通过阻抗配置装置接地，通过设定不同的所述阻抗配置装置的阻抗大小，来使两个所述线圈分部的电流方向相同或相反。

7.根据权利要求6所述的上电极组件，其特征在于，所述阻抗配置装置包括可调电容，所述可调电容的容值范围为0～1000pF。

8.根据权利要求6所述的上电极组件，其特征在于，所述上电极组件还包括匹配器和功率源，所述功率源通过所述匹配器在所述功率馈入点处与所述线圈电连接；

所述阻抗配置装置集成在所述匹配器中。

9.一种反应腔室，其特征在于，包括权利要求2-8任意一项所述的上电极组件；

所述反应腔室还包括法拉第屏蔽件，所述法拉第屏蔽件环绕设置在所述介质筒的内侧，并且所述法拉第屏蔽件包括导电环体，在所述导电环体上形成有开缝；

所述开缝包括第一子开缝，所述第一子开缝沿所述导电环体的圆周方向设置，且与所述导电环体的轴线之间形成夹角，用以通过增加电磁场在所述导电环体的圆周方向上的电场分量的耦合效率，来增加该电磁场的总耦合效率。

10.根据权利要求9所述的反应腔室，其特征在于，所述法拉第屏蔽件的上端面高于所述介质筒的上端面；所述法拉第屏蔽件的下端面低于所述介质筒的下端面。

11.根据权利要求9所述的反应腔室，其特征在于，所述反应腔室为预清洗腔室。

12.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求9-11任意一项所述的反应腔室。