TWI424796B

TWI424796B - Plasma processing device with diffusion dissociation region

Info

Publication number: TWI424796B
Application number: TW99104622A
Authority: TW
Inventors: Tom Ni
Original assignee: Advanced Micro Fab Equip Inc
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2014-01-21
Also published as: TW201129259A

Description

帶擴散解離區域的等離子體處理裝置

本發明涉及一種等離子體處理裝置，特別涉及一種帶擴散解離區域的等離子體處理裝置。

目前在對半導體器件等的製造過程中，通常使用的電感耦合等離子體(ICP)處理裝置，用來生成引入氣體的電感耦合等離子體與半導體器件表面進行反應，實現對半導體器件的蝕刻等加工工藝。

請參見圖1所示，現有的電感耦合等離子體處理裝置，從真空處理腔室100上部設置的進氣通道200引入反應氣體。在真空處理腔室100的頂板110外側設置的線圈300通入交變電流後產生一個交變的感應磁場，使在處理腔室100的頂板110下方生成高密度的電感耦合等離子體的擴散解離區域400；該電感耦合等離子體中包含反應氣體的分子、原子、自由基、電子、離子等物質。交變的感應磁場還經由感應耦合產生隨時間變化的電場，用來加速等離子體中的電子形成次級電場和次級磁場，使高速運動的電子對引入的反應氣體分子進行轟擊打碎，將氣體分子解離成中性的自由基。

雖然等離子體中的氣體分子等物質也能與半導體器件500表面反應，但是等離子體中的自由基活性更好，通過自由基與放置在真空處理腔室100底板120上的半導體器件500的反應速度更快。因而自由基在等離子體中的密度，與等離子體對半導體器件500的蝕刻反應速度之間有很大的關係。

然而在該電感耦合等離子體處理裝置中，引入氣體從狹窄、短小的進氣通道200進入，穿過頂板110下方的電感耦合等離子體擴散解離區域400後即與半導體器件500發生反應，使引入氣體與高速電子的接觸面積小、時間短，導致高速電子不能充分地對引入氣體進行轟擊電離，影響解離形成的自由基在處理腔室100中的密度，從而影響對半導體器件500的蝕刻速度。

因此，現在還有的一種電感耦合等離子體處理裝置，如圖2所示，除了在頂板110設置第二線圈320，在頂板110下方生成第一等離子體擴散解離區域410，還在進氣通道200外連接一個輔助腔600，通過在輔助腔600外側纏繞上第一線圈310，也通入交變電流，生成第一等離子體擴散解離區域410，並加速產生的電感耦合等離子體中的電子對氣體分子轟擊，解離形成自由基。

雖然在該等離子體處理裝置中，反應氣體依次由第一線圈310、第二線圈320的交變磁場產生的等離子體中的高速電子轟擊，增加了自由基的密度，但是由於進氣通道200的入口很狹窄，反應氣體和輔助腔600中產生的電感耦合等離子體，無法快速進入進氣通道200，會沉澱在輔助腔600的底部。而且在經過進氣通道200引入處理腔室的過程中，有很多高速電子、自由基等逃離等離子體隨感應電場方向迴旋，與狹窄的進氣通道200碰撞並附著在上面，從而消耗了大量的能量。

本發明的目的在於提供一種帶擴散解離區域的等離子體處理裝置，能夠對引入的反應氣體分子進行充分的電子轟擊，解離形成自由基，同時使經過轟擊的等離子體不加阻擋地直接通入處理腔室中，加快與半導體器件的反應速度。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種帶擴散解離區域的等離子體處理裝置，用於生成引入氣體的電感耦合等離子體與基片反應，其特徵在於，包含：真空的處理腔室；設置在處理腔室的頂板上方且與處理腔室貫通連接的進氣通道；上述進氣通道上設置有第一線圈；上述進氣通道的內部包含一第一擴散解離區域，其中生成有上述引入氣體的電感耦合等離子體；上述處理腔室的頂板上設置有第二線圈。

上述反應氣體通過進氣通道引入上述處理腔室；上述被處理的基片放置在上述處理腔室的底板上。

在上述第一線圈內通入交變電流以形成交變的第一感應磁場，從而在上述進氣通道內部生成引入氣體的電感耦合等離子體的第一擴散解離區域。

上述第一感應磁場還對等離子體中的電子加速；上述被加速的電子對等離子體中的氣體分子進行一次轟擊，使上述氣體分子解離生成自由基；上述經過一次轟擊的電感耦合等離子體，沿上述進氣通道引入上述處理腔室中。

上述第二線圈內通入交變電流以形成交變的第二感應磁場，在上述處理腔室的頂板下方，生成從進氣通道引入的經過一次轟擊的電感耦合等離子體的第二擴散解離區域。

上述第二感應磁場還對經過一次轟擊的電感耦合等離子體中的電子加速；上述被加速的電子對該等離子體中的氣體分子進行二次轟擊，使上述氣體分子解離生成自由基；上述經過二次轟擊的電感耦合等離子體與上述基片反應。

上述進氣通道是筒狀的，其與上述處理腔室底板上的基片的放置位置相對應，垂直設置在處理腔室的頂板上。

上述進氣通道是上窄下寬的倒漏斗狀，其通過圓錐體的側壁底部與處理腔室的頂板連接。

上述進氣通道是上窄下寬的喇叭狀，其通過圓弧形的側壁底部與處理腔室的頂板連接。

本發明提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置，與現有技術相比，其優點在於：本發明由於在進氣通道外側設置第一線圈，在頂板上設置第二線圈，使產生的等離子體中的氣體分子先後在第一擴散解離區域和第二擴散解離區域經過兩次高速電子的轟擊，被充分解離成自由基，極大地增加了自由基在等離子體中的密度，因而通過自由基與基片反應，加快了對基片蝕刻的處理速度；本發明由於將進氣通道加寬加長，因而有足夠的空間用來形成等離子體的第一擴散解離區域，並在其中進行氣體分子的轟擊解離；另外進氣通道底部不收緊，使經過第一擴散解離區域中電子轟擊解離的等離子體，能夠快速順利地通過進氣通道進入處理腔室進行二次轟擊，從而充分解離；本發明由於涉及的進氣通道是垂直貫通、與基片對應設置的，而且將引出蝕刻氣體的出口設置為更寬大的倒漏斗狀或喇叭狀，使在進氣通道中形成的自由基密度高的等離子體，不會被側壁阻擋而附著在處理腔室和進氣通道上，因此能被快速引入到待處理的基片的表面，增加基片表面的等離子體密度均勻性，以縮短處理反應的時間。

以下結合附圖和若干實施例說明本發明的具體實施方式。

本發明之第一實施例中提供的一種帶擴散解離區域的等離子體處理裝置，用來生成引入氣體的電感耦合等離子體(ICP)與基片表面進行反應，實現對基片的蝕刻加工。

請參見圖3所示，該等離子體處理裝置包含處理腔室10、與處理腔室10頂板111貫通連接的進氣通道201。

處理腔室10內是真空的。在處理腔室10的底板12上放置有待蝕刻的基片50。

進氣通道201是圓筒狀的，其與基片50的放置位置相對應，垂直設置在處理腔室10的頂板111上。經由進氣通道201在處理腔室10內引入了用於對基片50蝕刻的反應氣體，該反應氣體是包含氧氣O₂ 或氮氣N₂ 的蝕刻氣體。

進氣通道201上纏繞有第一線圈31，在處理腔室10的頂板111外側、圍繞進氣通道201設置有第二線圈32。

在第一線圈31上施加交變電流，產生交變的第一感應磁場，並在進氣通道201內形成引入氣體的高密度電感耦合等離子體的第一擴散解離區域41。高密度電感耦合等離子體中包含的氣體分子、自由基等物質均能用來與基片50反應，其中自由基的活性更好，對基片50的蝕刻處理速度更快。

因此，為了提高自由基在等離子體中的密度，利用交變的第一感應磁場經感應耦合產生隨時間變化的電場，來加速等離子體中的電子形成次級電場和次級磁場，使高速運動的電子對等離子體中的氣體分子進行一次轟擊，將氣體分子解離成中性的自由基。該經過一次轟擊的等離子體沿進氣通道201被引入處理腔室10。

在處理腔室10頂板111上的第二線圈32也通入交變電流，產生交變的第二感應磁場，在處理腔室10的頂板111下方形成經一次轟擊的等離子體的第二擴散解離區域42。與上述一次轟擊過程相類似，交變的第二感應磁場產生感應電場，加速該經一次轟擊的等離子體中的電子來對該等離子體中的氣體分子進行二次轟擊，進一步將氣體分子解離成自由基。最終使用該經過二次轟擊的等離子體與基片50進行反應。

本發明通過在進氣通道201設置第一線圈31，在頂板111上設置第二線圈32，使產生的等離子體中的氣體分子先後在第一擴散解離區域41和第二擴散解離區域42經過兩次電子轟擊，被充分解離成自由基，極大地增加了自由基在等離子體中的密度，因而通過自由基與基片50反應，加快了對基片50蝕刻的處理速度。

請配合參見圖1和圖3所示，本發明中涉及的進氣通道201，相比背景技術中現有的等離子體處理裝置的進氣通道200(如圖1中所示)更寬更長，因而有足夠的空間用來形成等離子體的第一擴散解離區域41，並在其中進行氣體分子的轟擊解離。

請配合參見圖2和圖3所示，本發明涉及的進氣通道201底部不收緊，使經過第一擴散解離區域41中電子轟擊解離的等離子體，能夠快速順利地通過進氣通道201進入處理腔室10進行二次轟擊，從而充分解離。不會如圖2所示背景技術中帶輔助腔600的等離子體處理裝置中所述，被狹窄的進氣通道200阻擋而沉澱在輔助腔600中，或是附著在進氣通道200中消耗能量。

而且由於本發明涉及的進氣通道201是垂直貫通、與基片50對應設置的，其引出蝕刻氣體的出口也更寬大，等離子體中的自由基等隨著感應電場的方向迴旋，並直接被引到待蝕刻的基片50的表面進行反應，不會被阻擋而附著在處理腔室10和進氣通道201上，因此能快速增加基片50表面的等離子體密度，以縮短蝕刻反應的時間。

請參見圖4所示，係本發明之第二實施例，本實施例與實施例1中提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置相比，總體結構相類似，在真空處理腔室10的頂板112貫通設置與基片位置對應的進氣通道202，在進氣通道202和處理腔室10的頂板112外側分別設置第一線圈31、第二線圈32，分別通入交變電流來生成電感耦合等離子體的第一、第二擴散解離區域，並產生感應磁場對等離子體中的電子加速，對等離子體中的氣體分子進行兩次轟擊，從而充分解離得到自由基密度高的等離子體。

唯一不同點在於，本實施例中所述進氣通道202的形狀是上窄下寬的倒漏斗狀，通過圓錐體側壁的底部與處理腔室10的頂板112貫通連接。因而本實施例中涉及的進氣通道202相比背景技術中有足夠的空間，使在進氣通道202內部包含的第一擴散解離區域41中能夠進行一次轟擊，以形成自由基密度高的等離子體。

而且由於該進氣通道202的出口也更寬大，經過一次轟擊的等離子體不會被側壁阻擋而附著在進氣通道和處理腔室上，因此能被快速順利地引到待蝕刻的基片的表面，增加基片表面的等離子體密度，以縮短蝕刻反應的時間，同時也提高了基片表面的等離子體的均勻性。

請參見圖5所示，係本發明之第三實施例，本實施例與第一、二實施例中提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置相比，總體結構相類似，在真空處理腔室10的頂板113貫通設置與基片位置對應的進氣通道203，在進氣通道203和處理腔室10的頂板113外側分別設置第一線圈31、第二線圈32，分別通入交變電流來生成電感耦合等離子體的第一、第二擴散解離區域，並產生感應磁場對等離子體中的電子加速，對等離子體中的氣體分子進行兩次轟擊，從而充分解離得到自由基密度高的等離子體。

唯一不同點在於，本實施例中所述進氣通道203是上窄下寬的喇叭狀，通過圓弧形側壁的底部與處理腔室10的頂板113貫通連接。因而本實施例中涉及的進氣通道203相比背景技術中有足夠的空間，使在進氣通道203內部包含的第一擴散解離區域41中能夠進行一次轟擊，以形成自由基密度高的等離子體。

而且由於該進氣通道203的出口也更寬大，經過一次轟擊的等離子體不會被側壁阻擋而附著在進氣通道和處理腔室上，因此能被快速順利地引到待蝕刻的基片的表面，增加基片表面的等離子體密度，以縮短蝕刻反應的時間，同時也提高了基片表面的等離子體的均勻性。

儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。

10．．．處理腔室

12．．．底板

31．．．第一線圈

32．．．第二線圈

41．．．第一擴散解離區域

42．．．第二擴散解離區域

50．．．基片

100．．．處理腔室

110．．．頂板

111．．．頂板

112．．．頂板

113．．．頂板

120．．．底板

200．．．進氣通道

201．．．進氣通道

202．．．進氣通道

203．．．進氣通道

300．．．線圈

310．．．第一線圈

320．．．第二線圈

400．．．擴散解離區域

410．．．第一等離子擴散解離區域

500．．．半導體器件

600．．．輔助腔

圖1是現有的電感耦合等離子體處理裝置的總體結構示意圖。

圖2是現有另一種電感耦合等離子體處理裝置的總體結構示意圖。

圖3是本發明提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置在第一實施例中的總體結構示意圖。

圖4是本發明提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置在第二實施例中的總體結構示意圖。

圖5是本發明提供的帶擴散解離區域的等離子體處理裝置在第三實施例中的總體結構示意圖。