TWI581303B - Gas guide ring, gas supply device and induction coupling plasma processing device - Google Patents

Description

氣體導流環、氣體供應裝置及感應耦合電漿處理裝置

本發明涉及半導體加工設備，特別涉及一種氣體導流環及具有該氣體導流環的氣體供應裝置和感應耦合電漿處理裝置。

近年來，隨著半導體製造工藝的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，電漿技術(Plasma Technology)通過使反應氣體激發形成的電漿，被廣泛應用在許多半導體工藝，如沉積工藝(如化學氣相沉積)、蝕刻工藝(如乾式蝕刻)中，其在半導體製造領域中正起著舉足輕重的作用。通常來說，在電漿處理裝置中，電漿一般是由位於反應腔室頂部排出的反應氣體經過射頻激發形成，然後通過靜電夾盤的偏壓使電漿轟擊位於卡盤上的晶片，從而實現對晶片的蝕刻、沉積等工藝。

圖1示出一種電漿處理裝置的結構示意圖。電漿處理裝置包括反應腔體2和位於反應腔體2上方的絕緣蓋板1，氣體供應裝置5水準設置于絕緣蓋板1和反應腔體2之間，氣體供應裝置5連接位於反應腔體2之外的反應氣體源4，用於將反應氣體源4中的反應氣體輸入反應腔體2中。所述反應腔體2內設有放置待處理半導體晶片的靜電夾盤6，靜電夾盤6連接射頻偏置功率源9。絕緣蓋板1上方設置有連接射頻功率源8的電感線圈3，射頻功率源8產生的感應磁場會在電感線圈3上軸向感應出射頻電場，該電場對反應腔體內的電子進行激發，使它們與反應氣體的氣體分子碰撞產生反應氣體的電漿， 該電漿與半導體晶片反應，以進行蝕刻或沉積等電漿工藝。反應腔體2與外置的排氣裝置7(例如真空泵)相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出反應腔體2。

圖2a和圖2b所示為習知技術的一種氣體導流環。如圖2a所示，氣體導流環具有環形主體10，氣體通道11以及多個噴氣孔12。氣體通道11的入口與反應氣體源4相連，噴氣孔12的進氣口與氣體通道11的出口連通，出氣口設於環形主體10的內側壁上。反應氣體通過氣體通道11從反應氣體源4輸送至每個噴氣孔12，從而注入到電漿反應腔體2。請參考圖2a和圖2b，在環形主體10的水平面上，噴氣孔12為水準朝向環形主體10的中心設置，因此反應氣體直接朝向環形主體10的中心區域排出。

然而，由於受到反應腔體2內反應氣體引入或電漿分佈不均勻的影響，往往會使半導體晶片表面上的不同區域具有不同的處理速率；對於沿晶片徑向分佈的不同區域，如中心區域和邊緣區域，這種不均勻處理尤其明顯，進而導致晶片上不同區域形成的半導體元件的性能不同，對半導體元件製造的工藝控制及產品良率都有很大影響。

因此，需要能夠對電漿均勻性進行調節的裝置以改善上述缺陷。

本發明的主要目的在於克服習知技術的缺陷，提供一種有助於使反應氣體充分解離，提高電漿密度的氣體供應裝置。

為達成上述目的，本發明提供一種氣體導流環，設置於感應耦合電漿處理裝置的反應腔體的內部上方，所述氣體導流環與氣體供應源之間設置一氣體分流器，所述氣體導流環用於將經所述氣體分流器分流及進行流量比例調節的多路反應氣體輸入至所述反應腔體內。所述氣體導流環包括：環形主 體；嵌設於所述環形主體中、與所述多路反應氣體對應的多條環狀氣體通道，所述多條環狀氣體通道的輸入端與所述氣體分流器相連；以及與所述多條環狀氣體通道對應相連的且彼此互不干涉的多組噴氣孔，每一組噴氣孔的各噴氣孔的進氣口與對應的環狀氣體通道的輸出端相連，出氣口形成於所述環形主體的內側壁上，其中，將至少兩組的所述噴氣孔的氣體噴出方向設置為不同。

優選的，不同組的所述噴氣孔的出氣口形成於所述環形主體的內側壁的不同高度處。

優選的，所述多組噴氣孔至少包括第一組和第二組，其中所述第一組的噴氣孔的氣體噴出方向與所述環形主體的水平面平行，所述第二組的噴氣孔的氣體噴出方向與所述環形主體的水平面成一銳角。

優選的，所述第二組的噴氣孔的氣體噴出方向相對於所述環形主體的水平面傾斜向上或傾斜向下。

優選的，每一所述噴氣孔至少具有與其出氣口連通的出氣段，至少兩組的所述噴氣孔的出氣段的軸心線與所述環形主體平面所形成的夾角不同。

優選的，所述多條環狀氣體通道為沿徑向嵌設於所述環形主體中或以上下堆疊的方式嵌設於所述環形主體中。

優選的，每一所述氣體通道為圓環狀氣體通道，每一組所述噴氣孔沿其對應的所述圓環狀氣體通道的圓周均勻分佈。

優選的，所述噴氣孔的橫截面為進氣口大出氣口小的錐形。

優選的，對於每一所述環狀氣體通道所對應連接的一組噴氣孔，靠近該環狀氣體通道輸入端處的噴氣孔的孔徑小於遠離該輸入端的噴氣孔的孔徑。

根據本發明的另一方面，本發明還提供了一種應用於感應耦合電漿處理裝置的氣體供應裝置，其包括氣體分流器及上述氣體導流環，其中該氣體分流器設置於所述感應耦合電漿處理裝置的反應腔體外部，其與反應氣體源連接，用於將反應氣體分流為多路並對所述多路的反應氣體的流量比例進行調節。

根據本發明的另一方面，本發明還提供了一種包括反應腔體以及上述氣體供應裝置的感應耦合電漿處理裝置。

本發明的有益效果在於通過氣體導流環中氣體通道及噴氣孔的設置，調節感應耦合電漿處理裝置反應腔體內不同區域的電漿分佈密度，提高晶片上不同區域所形成的半導體元件的均一性。

10‧‧‧環形主體

11‧‧‧絕緣蓋板

12‧‧‧反應腔體

13‧‧‧電感線圈

14‧‧‧射頻功率源

15‧‧‧靜電夾盤

16‧‧‧射頻偏置功率源

17‧‧‧排氣裝置

18‧‧‧反應氣體源

19‧‧‧氣體分流器

20‧‧‧氣體導流環

21‧‧‧環形主體

22‧‧‧環狀氣體通道

23‧‧‧噴氣孔

24‧‧‧環狀通道

25‧‧‧噴氣孔

圖1為習知技術中電漿處理裝置的結構示意圖；圖2a為習知技術中氣體供應裝置的俯視圖；圖2b為習知技術中氣體供應裝置的剖視圖；圖3為本發明實施例電漿處理裝置的結構示意圖；圖4為本發明一實施例氣體導流環的剖視圖。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

圖3顯示了本發明一種實施方式提供的使用本發明氣體導流環的感應耦合電漿處理裝置。應該理解，感應耦合電漿處理裝置僅僅是示例性的，其可以包括更少或更多的組成元件，或該組成元件的安排可能與圖4所示不同。

感應耦合電漿處理裝置包括反應腔體12和位於反應腔體12上方的絕緣蓋板11。絕緣蓋板11通常為陶瓷介電材料。反應腔體12的內部上方、絕緣蓋板11下方水準設置有一氣體導流環20。氣體導流環20與位於反應腔體12外部的氣體分流器19相連，兩者共同構成感應耦合電漿處理裝置的氣體供應裝置。氣體分流器19與反應氣體源18相連，用於將反應氣體源18所供應的反應氣體分流為多路，並調節這些流路的氣體流量，而氣體導流環則將經氣體分流器19分流及流量調節的多路反應氣體輸入到反應腔體12中。絕緣蓋板11上方設置有連接射頻功率源14的電感線圈13，射頻功率源14產生的感應磁場會在電感線圈13上感應出射頻電場，該電場對反應腔體12內的電子進行加速，使它們與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞，這些碰撞導致反應氣體的離子化和電漿的激發，從而在腔體12內產生電漿，電漿與待處理基片，如半導體晶片反應，以進行蝕刻或沉積等電漿工藝。反應腔體12內部下方設有放置待處理半導體晶片的靜電夾盤15，靜電夾盤15連接射頻偏置功率源16，以便增加電漿與半導體晶片碰撞的能量。反應腔體12與外置的排氣裝置17(例如真空泵)相連接，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出反應腔體12。

請繼續參考圖4，其所示為本發明一實施例的氣體導流環的剖視圖。氣體導流環20包括環形主體21，環形主體21內嵌設有與多路反應氣體對應的多條環狀的氣體通道，這些氣體通道的輸入端分別通過管線與氣體分流器19相連。本實施例中，氣體分流器19將來自反應氣體源18的反應氣體分流為兩路，並調節這兩路反應氣體具有不同的氣體流量比例，如其中一路具有90% 的氣體流量而另一路具有10%的氣體流量。氣體分流器19可通過流量調節閥的設置完成上述功能。相應的，環形主體21中沿徑向嵌設2條環狀氣體通道，這些環狀氣體通道的輸入端垂直於環形主體21所在平面並分別與經氣體分流器19分流和流量調節的兩路氣體的管線相連。在其他實施例中，多條環狀氣體通道也可以是以上下堆疊的方式嵌設於環形主體21中，此時環狀氣體通道的輸入端可平行於環形主體21所在平面並與多路氣體管線相連。環形主體21中還設有彼此互不干涉的多組噴氣孔，每一組噴氣孔與一條氣體通道對應相連。本實施例中，具有兩組噴氣孔23、25，分別對應於環狀氣體通道22、24。每一組噴氣孔的各個噴氣孔均具有進氣口和出氣口，進氣口與對應的環狀氣體通道的輸出端相連，出氣口則形成在環形主體21的內側壁上。需要注意的是，本發明中這些噴氣孔組，將至少有兩組噴氣孔的氣體噴出方向設置為不同。由此，反應氣體源18供應的反應氣體經氣體分流器19分為兩路並調節氣體流量比例後，分別經管線傳輸至環狀氣體通道22和24，再輸送至兩組噴氣孔23、25，從而將不同流量的反應氣體以不同噴射角度注入到反應腔體12內，而使得反應腔體12的不同區域能夠獲得不同的氣場分佈及電漿密度，從而調節半導體晶片徑向位置上的電漿分佈。本實施例中，環狀氣體通道22、24為均圓環狀且環繞環形主體21的內側壁360度，在其他實施例中環狀氣體通道也可以是多邊形環狀。環狀氣體通道的截面形狀為矩形，但也可以是圓形，本發明並不限於此。每一組噴氣孔的數量可為8~300個，可沿著其對應的圓環狀氣體通道的圓周均勻分佈，以保證氣體流場分佈的均勻性。每一噴氣孔的剖面形狀可以是進氣口大出氣口小的錐形，以增加反應氣體的噴出流速。

本發明中通過多條環狀氣體通道與多組噴氣孔的設置改善習知技術中電漿密度分佈不均的缺陷。如圖4所示，為避免噴氣孔的出氣口相互干 涉，不同組的噴氣孔的出氣口形成於環形主體21的內側壁的不同高度處。本實施例中，噴氣孔組23位於噴氣孔組25上方，環狀通道22位於環狀通道24的徑向內側。其中，噴氣孔組25的氣體噴出方向與環形主體21的水平面平行，以將環狀通道24中的反應氣體水準射出，噴氣孔組23的氣體噴出方向與環形主體21的水平面成一銳角，以將環狀通道22中的反應氣體傾斜射出。如圖所示，噴氣孔組23的氣體噴出方向相對於環形主體21的水準面向下傾斜，其軸心線與環形主體21的水平面形成銳角α。因此從噴氣孔23噴出的反應氣體具有水準朝向氣體導流環中心以及垂直向下的初始速度，而從噴氣孔25噴出的反應氣體僅具有水準朝向氣體導流環中心的初始速度，再結合氣體分流器19對氣體流量比例的控制，即可對腔體12內徑向不同區域所引入的反應氣體的流量及方向加以調節，從而改善半導體晶片表面電漿處理的均勻性。圖4所示僅為本發明一實施例，在實際應用中，每一組的噴氣孔的方向可根據需要設置，例如噴氣孔組23的氣體噴出方向也可相對於環形主體21的水平面傾斜向上，由此噴氣孔組23噴出的氣體具有向上的初始速度，其在垂直方向上升之後再下降，也就增加了反應氣體的解離時間。此外，也可將噴氣孔組25傾斜設置而將噴氣孔組23水準設置，只要每一組的噴氣孔設置為不與其他組噴氣孔或其他環狀通道發生干涉即可。

進一步的，每一個噴氣孔可以是由兩段或多段組成。每個噴氣孔至少具有與其出氣口連通的出氣段，出氣段的軸心線可與環形主體21平面平行或形成銳角夾角，而決定氣體噴出方向。至少兩組的噴氣孔的出氣段的軸心線與環形主體平面所形成的夾角不同。噴氣孔除了出氣段之外的其他部分，不會影響氣體噴出角度，可具有與出氣段不同的方向，此設計可避免噴氣孔組之間、噴氣孔組與環狀通道之間的相互干涉。

如前所述，多路反應氣體是通過各條氣體通道22、24輸送至噴氣孔23、25，而對於每組噴氣孔而言，其各個噴氣孔的進氣口(也即是其對應的環狀氣體通道的輸出端)與該環狀氣體通道的輸入端之間的路徑長度各不相同。由於這一路徑長度的差異，會使得從同一組的各個噴氣孔噴出的氣體壓力和氣體流量不均勻。因此，在本發明的一較佳實施例中，靠近對應環狀氣體通道輸入端處的噴氣孔的孔徑要小於遠離該輸入端處的噴氣孔(如與該輸入端相背離的噴氣孔)的孔徑。由此，靠近環狀氣體通道輸入端的孔徑較小的對應噴氣孔會使反應氣體通過速度減緩，而背離環狀氣體通道輸入端的孔徑較大的對應噴氣孔則有利於提高氣體的通過效率，從而達到從每組的各個噴氣孔輸送至反應腔體12的氣體流量均勻的目的。

綜上所述，本發明的氣體導流環通過對環狀氣體通道和噴氣孔進行設置，調整反應氣體在感應耦合電漿處理裝置內不同區域的氣場分佈，從而使得反應氣體產生的電漿在晶片上沿徑向從中心到邊緣位置能夠均勻分佈，改善對晶片不同位置處理的均勻性，提高了產品的良率。

可以理解的是，本發明中的氣體導流環及氣體供應裝置，可應用於各種感應耦合電漿處理裝置中，如電漿蝕刻、電漿物理汽相沉積、電漿化學汽相沉積、電漿表面清洗等裝置。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域中具有通常知識者在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以申請專利範圍所述為准。

11‧‧‧絕緣蓋板

12‧‧‧反應腔體

13‧‧‧電感線圈

14‧‧‧射頻功率源

15‧‧‧靜電夾盤

16‧‧‧射頻偏置功率源

17‧‧‧排氣裝置

18‧‧‧反應氣體源

19‧‧‧氣體分流器

20‧‧‧氣體導流環

Claims (11)

1. 一種氣體導流環，設置於感應耦合電漿處理裝置的反應腔體的內部上方，且所述感應耦合電漿處理裝置包括一反應腔體及設置在所述反應腔體之上方的一絕緣蓋板，所述氣體導流環與氣體供應源之間設置一氣體分流器，所述氣體導流環用於將經所述氣體分流器分流及進行流量比例調節的多路反應氣體輸入至所述反應腔體內，其中所述氣體導流環包括：環形主體；嵌設於所述環形主體中、與所述多路反應氣體對應的多條環狀氣體通道，所述多條環狀氣體通道的輸入端與所述氣體分流器相連；以及與所述多條環狀氣體通道對應相連且彼此互不干涉的多組噴氣孔，每一組噴氣孔的各噴氣孔的進氣口與對應的環狀氣體通道的輸出端相連，出氣口形成於所述環形主體的內側壁上，其中，將至少兩組的所述噴氣孔的氣體噴出方向設置為不同，以及所述氣體導流環係設置在所述絕緣蓋板與所述反應腔體之間，且所述絕緣蓋板的上方設置有連接射頻功率源的電感線圈。
2. 如請求項1所述的氣體導流環，其中不同組的所述噴氣孔的出氣口形成於所述環形主體的內側壁的不同高度處。
3. 如請求項1所述的氣體導流環，其中所述多組噴氣孔至少包括第一組和第二組，其中所述第一組的噴氣孔的氣體噴出方向與所述環形主體的水平面平行，所述第二組的噴氣孔的氣體噴出方向與所述環形主體的水平面成一銳角。
4. 如請求項3所述的氣體導流環，其中所述第二組的噴氣孔的氣體噴出方向相對於所述環形主體的水平面傾斜向上或傾斜向下。
5. 如請求項1所述的氣體導流環，其中每一所述噴氣孔至少具有與 其出氣口連通的出氣段，至少兩組的所述噴氣孔的出氣段的軸心線與所述環形主體平面所形成的夾角不同。
6. 如請求項1所述的氣體導流環，其中所述多條環狀氣體通道為沿徑向嵌設於所述環形主體中或以上下堆疊的方式嵌設於所述環形主體中。
7. 如請求項1所述的氣體導流環，其中每一所述氣體通道為圓環狀氣體通道，每一組所述噴氣孔沿其對應的所述圓環狀氣體通道的圓周均勻分佈。
8. 如請求項1所述的氣體導流環，其中所述噴氣孔的橫截面為進氣口大出氣口小的錐形。
9. 如請求項1所述的氣體導流環，其中對於每一所述環狀氣體通道所對應連接的一組噴氣孔，靠近該環狀氣體通道輸入端處的噴氣孔的孔徑小於遠離該輸入端的噴氣孔的孔徑。
10. 一種氣體供應裝置，應用於感應耦合電漿處理裝置，其中包括：氣體分流器，設置於所述感應耦合電漿處理裝置的反應腔體外部，其與反應氣體源連接，用於將反應氣體分流為多路並對所述多路的反應氣體的流量比例進行調節；以及如請求項1~9任一項所述的氣體導流環。
11. 一種感應耦合電漿處理裝置，包括反應腔體、氣體供應裝置及設置在所述反應腔體之上方的一絕緣蓋板，所述氣體供應裝置包括：設置於所述反應腔體外部的氣體分流器，其與反應氣體源連接，用於將反應氣體分流為多路並對所述多路的氣體流量比例進行調節；以及如請求項1~9任一項所述的氣體導流環，所述氣體導流環係設置在所述絕緣蓋板與所述反應腔體之間，且所述絕緣蓋板的上方設置有連接射頻功率源的電感線圈。