CN214705850U - 一种上电极设备和等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种上电极设备和等离子体处理装置，所述上电极设备应用于等离子体处理装置中，所述上电极设备用于对反应气体进行加压，以将所述反应气体激发成等离子态并作用于待处理晶圆上；所述上电极设备包括：相对设置的基板和上电极板；其中，所述上电极板包括：第一部分和围绕所述第一部分的第二部分，所述第一部分为所述上电极板的中心部分；所述第二部分包括多个同心圆环子部；所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离可调。

Description

一种上电极设备和等离子体处理装置

技术领域

本申请实施例涉及半导体制造领域，尤其涉及一种上电极设备和等离子体处理装置。

背景技术

随着半导体器件的集成度提高，半导体器件的线宽越来越小，关键尺寸的控制也越来越重要，对刻蚀工艺的要求也越来越高。刻蚀工艺是一种有选择的去除形成在硅片表面的材料或者有选择的去除硅片材料的工艺。刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，干法刻蚀由于选择性高、可控性强成为当今最常用的刻蚀工艺之一。等离子体刻蚀作为一种常用的干法刻蚀工艺，通常在等离子体处理装置中通入刻蚀气体，并电离所述刻蚀气体成等离子体，利用所述等离子体对待刻蚀的晶圆进行刻蚀。

在很多等离子体刻蚀工艺中，电极中心的等离子体浓度通常大于周边的等离子浓度，这种等离子体的浓度分布的不均匀性会直接导致晶圆刻蚀的不均匀性。因此，控制等离子体处理装置中的等离子体的浓度分布成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提一种上电极设备和等离子体处理装置。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种上电极设备，所述上电极设备应用于等离子体处理装置中，所述上电极设备用于对反应气体进行加压，以将所述反应气体激发成等离子态并作用于待处理晶圆上；所述上电极设备包括：相对设置的基板和上电极板；其中，

所述上电极板包括：第一部分和围绕所述第一部分的第二部分，所述第一部分为所述上电极板的中心部分；所述第二部分包括多个同心圆环子部；

所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离可调。

在一种可选的实施方式中，所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述基板之间分别通过伸缩杆连接；所述伸缩杆用于分别调节所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离。

在一种可选的实施方式中，所述第一部分和所述第二部分之间设有密封圈，以密封所述第一部分和所述第二部分之间的缝隙。

在一种可选的实施方式中，所述多个同心圆环子部中相邻两个同心圆环子部之间设有密封圈，以密封所述相邻两个同心圆环子部之间的缝隙。

在一种可选的实施方式中，所述第一部分包括面向所述待处理晶圆的第一表面区域；所述第二部分包括面向所述待处理晶圆的第二表面区域；

所述第一表面区域和/或所述第二表面区域包括多个喷孔，反应气体通过所述多个喷孔输入至所述等离子体处理装置的反应腔室内，并垂直作用在所述待处理晶圆上。

在一种可选的实施方式中，所述上电极板的外侧包裹有电极绝缘层。

在一种可选的实施方式中，所述电极绝缘层的材料包括以下至少之一：陶瓷、钢化玻璃、石英玻璃、微晶玻璃。

在一种可选的实施方式中，所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离不同。

在一种可选的实施方式中，所述第一部分和所述多个同心圆环子部的厚度相同。

第二方面，本申请实施例提供一种等离子体处理装置，所述装置包括：反应腔室、晶圆支撑件、下电极设备以及第一方面所述的上电极设备。

本申请实施例中提供的上电极板包括：第一部分和围绕所述第一部分的第二部分；所述第二部分包括多个同心圆环子部，且所述第一部分、多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离可调，从而可以通过调节所述第一部分、多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离，实现等离子体的浓度分布和运动方向的调节，从而保证等离子体处理的均匀性。

附图说明

图1a为本申请实施例提供的固定上电极设备的结构示意图一；

图1b为本申请实施例提供的固定上电极设备的结构示意图二；

图1c为本申请实施例提供的固定上电极设备的结构示意图三；

图2为本申请实施例提供的一种等离子体处理装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种上电极设备的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种上电极设备的俯视图；

图5为本申请实施例提供的一种上电极设备的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本申请公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本申请更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本申请可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本申请发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。

图1a、图1b和图1c为本申请实施例提供的固定上电极设备的结构示意图，通常上电极设备为如图1a所示的平板状上电极设备，然而在很多等离子体刻蚀工艺中，这种平板状上电极设备中心的等离子体浓度通常大于周边的等离子浓度，这种等离子体的浓度分布的不均匀性会直接导致晶圆刻蚀的不均匀性。为了控制等离子体处理装置中的等离子体的浓度分布，通常将上电极设备设置为如图1b和图1c所示的不同形状，但这些上电极设备的形状都是固定的，从而针对不同的刻蚀工艺和不同的待刻蚀晶圆，需要对上电极设备的形状进行特殊设置，导致特殊形状的上电极设备的应用性较差，进而导致工艺成本增加。

为此，提出了本申请实施例的以下技术方案。

图2为本申请实施例提供的一种等离子体处理装置的结构示意图，如图2所示，示例性地示出了一种等离子体处理装置200。仅举例而言，等离子体处理装置200可用于执行使用射频电场等离子体的刻蚀、沉积和/或其他合适的等离子体处理。本申请实施例以电容耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma，CCP)处理装置为例进行说明。所述等离子体处理装置200包括：反应腔室210、上电极设备220、晶圆支撑件230和下电极设备240，晶圆支撑件230例如是静电卡盘(Electrostatic Chuck，ESC)。

仅举例而言，上电极设备220可以包括引入和分配反应气体的气体分配装置，例如气体喷头。在一些实施例中，所述下电极设备240可以位于所述晶圆支撑件230内。如图2所示，本申请实施例中所述下电极设备240可以连接射频(Radio Frequency)电源241，所述上电极设备220接地，以使两个电极设备之间产生射频电场。待刻蚀的晶圆放置于上电极设备220和下电极设备240之间，反应气体从上电极设备220进入所述反应腔室210内，反应气体在上电极设备220和下电极设备240之间的射频电场的作用下激发成等离子态。

需要说明的是，图2中的箭头用于表示反应气体从上电极设备220进入所述反应腔室210内，图2中所述反应腔室210内的虚线区域可以视为等离子体鞘层的形成区域。

本申请实施例提供一种上电极设备，图3为本申请实施例提供的一种上电极设备的结构示意图，如图3所示，所述上电极设备应用于等离子体处理装置中，所述上电极设备用于对反应气体进行加压，以将所述反应气体激发成等离子态并作用于待处理晶圆上；所述上电极设备包括：相对设置的基板310和上电极板320；其中，

所述上电极板320包括：第一部分321和围绕所述第一部分的第二部分322，所述第一部分321为所述上电极板320的中心部分；所述第二部分322包括多个同心圆环子部3221-322n(n为大于2的正整数)；

所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n与所述待处理晶圆之间的距离可调。

在本申请实施例中，所述第一部分321包括面向所述待处理晶圆的第一表面区域，所述第一表面区域为圆形区域；所述第二部分322包括面向所述待处理晶圆的第二表面区域，所述第二表面区域为圆环形区域，本申请实施例也不排除所述第二表面区域为多边环形、椭圆环形或其他合适形状的情况。

在本申请实施例中，所述第二部分322包括多个同心圆环子部3221-322n，所述多个同心圆环子部3221-322n为沿所述上电极板320中心到所述上电极板320边缘方向依次设置的同心环状的子部。所述多个同心圆环子部3221-322n面向所述待处理晶圆的表面区域具体可以为同心圆环形，本申请实施例也不排除所述多个同心圆环子部3221-322n面向所述待处理晶圆的表面区域为多边环形、椭圆环形或其他合适形状的情况。在本申请实施例中，每个所述同心圆环子部3221/3222/-322n的环宽相同。在一些实施例中，每个所述同心圆环子部3221/3222/-322n的环宽也可以不同。

在本申请实施例中，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n与所述基板之间分别通过伸缩杆连接330；所述伸缩杆330用于分别调节所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n与所述待处理晶圆之间的距离。需要说明的是，每个同心圆环子部3221/3222/-322n与所述基板之间分别通过伸缩杆连接，从而通过伸缩杆可以分别调节每个同心圆环子部3221/3222/-322n与所述待处理晶圆之间的距离。

需要说明的是，所述第一部分321与所述基板之间可以通过两个伸缩杆连接；每个同心圆环子部3221/3222/-322n与所述基板之间可以通过两个伸缩杆连接。通过两个伸缩杆可以保证调节所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n时，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n不会发生倾斜，即可以保证所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n的任意位置与所述待处理晶圆之间的距离相等。

等离子体的浓度分布除了会影响刻蚀效果，还会影响形成于上电极设备和下电极设备之间的等离子体鞘层的厚度和形状。在等离子体鞘层在厚度上产生不同时，等离子体鞘层的边界(等离子体鞘层与等离子体之间的界面)会变成凹凸不平的形状，在该凹部和凸部的交界的地方，等离子体鞘层的边界产生倾斜的部分。在该等离子体鞘层的边界倾斜的部分，离子的入射角变得倾斜，从而使得在刻蚀时产生倾斜而出现刻蚀偏移问题(Tiltingissue)。在实际刻蚀过程中，由于等离子体的浓度分布不均匀会直接导致晶圆的中心和周边区域的刻蚀不均匀性。

本申请实施例中通过分别调节所述第一部分和多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离，以对反应腔室内的等离子体的浓度分布进行调节，以使反应腔室内的等离子体浓度分布均匀，从而改善反应腔室内的等离子浓度的不均匀性，减少由于等离子体浓度的不均匀性引起的刻蚀不均匀性。

需要说明的是，所述第一部分和多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离的调节，也可以看作是对所述第一部分和多个所述同心圆环子部的高度的调节。在实际应用时可以根据实际刻蚀需求而对所述第一部分、多个所述同心圆环子部的高度进行调节(如根据需要改善等离子体浓度的区域对上电极板对应的部分的高度进行调节)。例如，在某一刻蚀工艺过程中，晶圆中心区域内的刻蚀存在偏移问题，那么针对这种情况，可以将所述第一部分321的高度调节成与相邻的部分相同或相近的高度，从而改善该区域与相邻区域之间的等离子体浓度差异，进而改善刻蚀偏移的问题。

在本申请实施例中，所述第一部分321和所述第二部分322之间设有密封圈323，以密封所述第一部分321和所述第二部分322之间的缝隙。需要说明的是，所述密封圈323为圆环状密封圈。需要说明的是，图3中示意的密封圈323的仅为示意出所述密封圈323的位置，而并非是对所述密封圈323截面形状的限定。本申请实施例中所述密封圈323的材料可以为橡胶等形变材料，所述形变材料可以吸收所述第一部分321和所述第二部分322之间的高度差，并密封所述第一部分321和所述第二部分322之间的缝隙。

在本申请实施例中，所述多个同心圆环子部3221-322n中相邻两个同心圆环子部之间也设有密封圈(图中未示出，可以参照密封圈323)，以密封所述相邻两个同心圆环子部之间的缝隙。以n＝3为例，所述同心圆环子部3221和所述同心圆环子部3222之间设有密封圈；所述同心圆环子部3222和所述同心圆环子部3223之间设有密封圈。本申请实施例中所述密封圈的材料可以为橡胶等形变材料，所述形变材料可以吸收所述第一部分321和所述第二部分322之间的高度差，并密封所述第一部分321和所述第二部分322之间的缝隙。

图4为本申请实施例提供的一种上电极设备的俯视图，如图4所示，所述第一部分321包括面向所述待处理晶圆的第一表面区域；所述第二部分322包括面向所述待处理晶圆的第二表面区域；所述第一表面区域和/或所述第二表面区域包括多个喷孔，反应气体通过所述多个喷孔输入至所述等离子体处理装置的反应腔室内，并垂直作用在所述待处理晶圆上。本申请实施例中通过调节所述第一部分、多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离，从而使得到达待处理晶圆的等离子体的方向都是垂直向下的，进而离子可以垂直作用在所述待处理晶圆上。

这里，为了使从所述喷孔输出的反应气体更均匀，多个喷孔可以均匀地设置在所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n上。所述多个喷孔可以呈圆环状分布，以实现从所述喷孔输出的反应气体能够均匀地输入至所述反应腔室内。

需要说明的是，所述上电极设备还与供气管道相连，所述供气管道用于向所述反应腔室供应反应气体，供气管道上可以设有分流部，所述分流部将所述反应气体分流成多路反应气体，并将每路反应气体输入到对应的所述第一部分321或所述多个同心圆环子部3221-322n，也就是说，所述第一部分321连接一路反应气体，每个同心圆环子部也均对应一路反应气体，每路反应气体的流量相同，从而所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n上的喷孔输入至所述反应腔室内的反应气体的流量相同。从而更进一步地改善了反应腔室内的等离子浓度的不均匀性，减少了由于等离子体浓度的不均匀性引起的刻蚀不均匀性。

在本申请实施例中，所述上电极板320的外侧包裹有电极绝缘层(图中未示出)。所述电极绝缘层的材料包括以下至少之一：陶瓷、钢化玻璃、石英玻璃、微晶玻璃。在实际应用时，上电极板可全部包裹在绝缘材料层内。

在本申请实施例中，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n与所述待处理晶圆之间的距离不同。对于第二部分322来说，每个同心圆环子部与待处理晶圆之间的距离可以不同，也可以相同。更进一步地，可以是部分的同心圆环子部与待处理晶圆之间的距离不同，也可以是全部的同心圆环子部与待处理晶圆之间的距离不同。在实际应用时，每个同心圆环子部与待处理晶圆之间的距离可以根据实际需求而进行任意的调节。

在本申请实施例中，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n的厚度相同。换言之，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n与待处理晶圆之间的距离相同时，所述第一部分321和所述多个同心圆环子部3221-322n面对待处理晶圆的面均处于同一水平面。

图5为本申请实施例提供的一种上电极设备的一种具体实施方式的结构示意图，需要说明的是，图5以所述第二部分322包括3个同心圆环子部3221-3223为例进行说明，如图5所示，所述第一部分321与待处理晶圆之间的距离最小(所述第一部分321的高度最低)，所述同心圆环子部3222与待处理晶圆之间的距离最大(所述同心圆环子部3222的高度最高)。所述上电极板与待处理晶圆之间的距离的变化趋势为先沿所述上电极板中心到所述上电极板边缘逐渐减小(高度逐渐升高)，再沿所述上电极板中心到所述上电极板边缘逐渐变大(高度逐渐降低)。由于所述第一部分321和所述同心圆环子部3221-3223与待处理晶圆相对的面为平面，因此从所述第一部分321和所述同心圆环子部3221-3223的喷孔输出的反应气体经电离后，进而离子可以垂直作用在所述待处理晶圆上。在很多等离子体蚀刻工艺中，上电极设备的中心的等离子体浓度大于上电极设备的周边的等离子浓度，从而导致晶圆的中心和周边区域的刻蚀不均匀性。基于此，可以对本申请实施例提供的可调节高度的上电极设备进行调节，以使所述上电极设备的中心区域对应的部分(如图5中第一部分321和同心圆环子部3221)与待处理晶圆之间的距离小于上电极设备的周边区域对应的部分(如图5中同心圆环子部3222和3223)与待处理晶圆之间的距离，即所述第一部分321和同心圆环子部3221的高度均小于同心圆环子部3222和3223的高度，从而在等离子体在反应腔室内扩散时，等离子体会从距离较小的区域(第一部分321和同心圆环子部3221面向待处理晶圆的区域)扩散到距离较大的区域(同心圆环子部3222和3223面向待处理晶圆的区域)，因此提高了上电极设备周边区域(同心圆环子部3222-3223面向待处理晶圆的区域)的等离子体浓度，并且在一定程度上也降低了上电极设备中心区域(第一部分321和同心圆环子部3221面向待处理晶圆的区域)的等离子体浓度，从而改善了晶圆的中心和周边区域的刻蚀不均匀性。

本申请实施例公开了一种上电极设备和等离子体处理装置，所述上电极设备应用于等离子体处理装置中，所述上电极设备用于对反应气体进行加压，以将所述反应气体激发成等离子态并作用于待处理晶圆上；所述上电极设备包括：相对设置的基板和上电极板；其中，所述上电极板包括：第一部分和围绕所述第一部分的第二部分，所述第一部分为所述上电极板的中心部分；所述第二部分包括多个同心圆环子部；所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离可调。从而可以通过调节所述第一部分、多个所述同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离，实现等离子体的浓度分布和运动方向的调节，从而保证等离子体处理的均匀性。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可以通过其他的方式实现。以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种上电极设备，其特征在于，所述上电极设备应用于等离子体处理装置中，所述上电极设备用于对反应气体进行加压，以将所述反应气体激发成等离子态并作用于待处理晶圆上；所述上电极设备包括：相对设置的基板和上电极板；其中，

所述上电极板包括：第一部分和围绕所述第一部分的第二部分，所述第一部分为所述上电极板的中心部分；所述第二部分包括多个同心圆环子部；

所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离可调。

2.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述基板之间分别通过伸缩杆连接；所述伸缩杆用于分别调节所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离。

3.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述第一部分和所述第二部分之间设有密封圈，以密封所述第一部分和所述第二部分之间的缝隙。

4.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述多个同心圆环子部中相邻两个同心圆环子部之间设有密封圈，以密封所述相邻两个同心圆环子部之间的缝隙。

5.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述第一部分包括面向所述待处理晶圆的第一表面区域；所述第二部分包括面向所述待处理晶圆的第二表面区域；

所述第一表面区域和/或所述第二表面区域包括多个喷孔，反应气体通过所述多个喷孔输入至所述等离子体处理装置的反应腔室内，并垂直作用在所述待处理晶圆上。

6.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述上电极板的外侧包裹有电极绝缘层。

7.根据权利要求6所述的上电极设备，其特征在于，

所述电极绝缘层的材料为陶瓷、钢化玻璃、石英玻璃或微晶玻璃。

8.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述第一部分和所述多个同心圆环子部与所述待处理晶圆之间的距离不同。

9.根据权利要求1所述的上电极设备，其特征在于，

所述第一部分和所述多个同心圆环子部的厚度相同。

10.一种等离子体处理装置，其特征在于，所述装置包括：反应腔室、晶圆支撑件、下电极设备以及权利要求1至9任一项所述的上电极设备。

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