TWI641044B - Reaction chamber and semiconductor processing device - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種反應腔室及半導體加工裝置。反應腔室包括上電極裝置和下電極裝置，該下電極裝置設置在該反應腔室的反應腔的內部，用於承載被加工工件。該上電極裝置包括介質筒、線圈、上功率電源和上電極元件，其中，該介質筒為中空的筒狀結構且設置在該反應腔室的腔室壁的頂部；該線圈環繞該介質筒而設置在其週邊；該上電極組件包括上電極板，該上電極板設置在該介質筒的頂部；該上功率電源用於向該上電極板和該線圈載入激發功率。本發明提供的反應腔室及半導體加工裝置，其不僅可以減小線圈的輸出端與輸入端之間的電壓差異，而且可以削弱由線圈的電場不均勻產生的影響，從而可以提高電漿的密度分佈均勻性。

Description

反應腔室及半導體加工裝置
本發明涉及半導體製造領域，具體地，涉及一種反應腔室及半導體加工裝置。
在半導體領域中，對於乾法蝕刻製程和薄膜沉積製程，常用的電漿源包括感應耦合電漿（Inductive Coupled Plasma ，以下簡稱ICP）源和容性耦合電漿（Capacitance Couple Plasma ，以下簡稱CCP）源。其中，ICP源由電流通過線圈產生的電磁場激發反應氣體產生電漿，ICP源具有電漿密度高、對工件損傷小等特點。CCP源由施加到電極板之間的電壓激發反應氣體產生電漿，CCP源具有大面積均勻性好、離子能量高等特點。
第1圖為現有的ICP源的反應腔室的剖視圖。如第1圖所示，反應腔室10由頂蓋11、介質窗12和腔體19限定而成，具體地，介質窗12呈筒狀結構，且設置在腔體19的頂部，介質窗12的下部開口與腔體19的上部開口相連通；頂蓋11設置在介質窗12的頂部，以將介質窗12的上部開口封閉。而且，在頂蓋11的中心位置處還設置有進氣口，氣源15通過該進氣口將反應氣體輸送至反應腔室10內。此外，在介質窗12的外側環繞設置有線圈13，線圈13的輸入端（第1圖中示出的線圈13的左側一端）與射頻電源14電連接，線圈13的輸出端（第1圖中示出的線圈13的右側一端）接地，並且在反應腔室10內還設置有基座16，用以承載諸如晶片等的被加工工件17，該基座16與射頻電源18電連接。
上述反應腔室在實際應用中不可避免地存在以下問題： 其一，由於受到線圈結構的影響，由線圈產生的高頻電場往往呈M型分佈，這種分佈導致在反應腔室內產生的電漿的密度也呈M型分佈，從而造成被加工工件表面上的電漿密度分佈不均，進而影響製程均勻性。
其二，由於線圈的輸出端接地，線圈的輸出端與輸入端之間的電壓相差較大，導致電壓沿著線圈分佈不均，從而造成由線圈產生的電磁場分佈不均。雖然可以採用在線圈的輸出端與接地端之間串聯一電容的方法來使線圈的輸出端與輸入端之間的電壓一致，但是，事實上，該方法並不能真正實現使線圈的輸出端與輸入端之間的電壓一致，這是因為：在進行製程時，線圈與電漿之間存在容性耦合，這種容性耦合的作用致使串聯在線圈的輸出端與接地端之間的電容容值隨著放電條件的改變產生變化，從而造成實際串聯在線圈的輸出端與接地端之間的電容容值與所需的電容容值存在較大偏差，進而使線圈的輸出端與輸入端之間的電壓相差較大，從而仍然存在由線圈產生的電磁場分佈不均的問題。
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一，提出了一種反應腔室及半導體加工裝置，其不僅可以減小線圈的輸出端與輸入端之間的電壓差異，而且可以削弱由線圈的電場不均勻產生的影響，從而可以提高電漿的密度分佈均勻性。
為實現本發明的目的而提供一種反應腔室，包括上電極裝置和下電極裝置，該下電極裝置設置在該反應腔室的反應腔的內部，用於承載被加工工件。該上電極裝置包括介質筒、線圈、上功率電源和上電極元件，其中，該介質筒為中空的筒狀結構且設置在該反應腔室的腔室壁的頂部；該線圈環繞該介質筒而設置在其週邊；該上電極組件包括上電極板，該上電極板設置在該介質筒的頂部；該上功率電源用於向該上電極板和該線圈載入激發功率。
其中，該上功率電源的數量為一；該線圈的輸入端與該上功率電源電連接，該線圈的輸出端與該上電極元件電連接。
其中，該上功率電源的數量為一；該上電極元件分別與該線圈的輸入端以及該上功率電源電連接，並且該線圈的輸出端接地。
其中，該上功率電源的數量為二；該線圈的輸入端與其中一該上功率電源電連接，該線圈的輸出端接地；該上電極元件與另一該上功率電源電連接。
其中，該反應腔室還包括接地的遮蔽罩，該遮蔽罩罩設在該介質窗和該上電極元件的週邊，用以遮罩由該線圈產生的電磁場。
其中，該反應腔室還包括可調電容，該可調電容串接在該遮蔽罩與該上電極元件之間。
其中，在該上電極板上設置有至少一進氣口，用以向該反應腔室內通入反應氣體。
其中，該上電極板具有用作勻流腔的空腔；在該勻流腔的頂部設置有進氣口，用以向該勻流腔內輸送反應氣體；在該勻流腔的底部設置有多出氣孔，且相對於該勻流腔的底面均勻分佈，用以將該勻流腔內的反應氣體均勻地輸送至該反應腔室內。
其中，該下電極裝置包括基座和下功率電源。該基座設置在該反應腔室內，用於承載被加工工件；該下功率電源用於向該基座載入射頻功率。
其中，該上功率電源包括低頻電源或者射頻電源。
另一方面，本發明還提供一種半導體加工裝置，包括反應腔室，其中，該反應腔室採用本發明上述任一方案提供的反應腔室。
本發明具有以下有益效果： 本發明提供的反應腔室，其借助與上功率電源相連的上電極板，可以在製程時，與下電極裝置之間產生平板式電場，該平板式電場相對於由線圈產生的電場起主要作用，從而可以減弱因線圈的電場不均勻所產生的影響，進而使形成的電漿的密度分佈更均勻，從而提高電漿的密度分佈均勻性。同時，通過使上功率電源向上電極板和線圈載入激發功率，可以實現由線圈形成的ICP源和由上電極板形成的CCP源同時放電，從而不僅可以相容CCP源的電場均勻性和ICP源的高電漿密度這二優勢，而且通過控制例如電漿啟動參數等的製程條件，可以對在上電極板與電漿鞘層之間形成的鞘層電容進行即時調節，從而可以減小線圈兩端之間的相位差異，提高由線圈產生的電場的均勻性，進而進一步提高電漿的密度分佈均勻性。
本發明提供的半導體加工裝置，其通過採用本發明提供的反應腔室，不僅可以減小線圈的輸出端與輸入端之間的電壓差異，而且可以減弱由線圈的電場不均勻所產生的影響，從而可以提高電漿的密度分佈均勻性。
為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖來對本發明提供的反應腔室及半導體加工裝置進行詳細描述。
第2A圖為本發明第一實施例提供的反應腔室的剖視圖。請參閱第2A圖，反應腔室包括上電極裝置和下電極裝置。其中，上電極裝置包括介質筒22、線圈23、上功率電源24，第一匹配器AMU25、上電極元件。下電極裝置包括基座27、下功率電源28、第二匹配器AMU29。
其中，反應腔室的腔室壁21接地，該腔室壁21圍繞形成頂部具有開口的空腔結構（即，反應腔）；介質筒22為中空的筒狀結構且設置在反應腔室的頂部，具體地，介質筒22設置在反應腔室的外部且由腔室壁21的頂部支撐，該腔室壁21的頂部開口被罩在介質筒22的內側，借助該腔室壁21的頂部開口使得介質筒22所括空間與腔室壁21的空腔相連通。而且，上電極組件包括上電極板26，該上電極板26呈平板狀，且設置在介質筒22的頂部，並將介質筒22的頂部開口封閉。
而且，線圈23環繞介質筒22而設置在其週邊，該線圈23的輸入端231通過第一匹配器25與上功率電源24電連接，線圈23的輸出端232與上電極板26電連接。在進行製程時，上功率電源24包括低頻電源或者射頻電源等等，其用於向線圈23施加低頻或者射頻等的激發功率，以利用線圈23產生的電磁場激發反應氣體產生電漿。與此同時，通過使線圈23的輸出端232與上電極板26電連接，可以使上功率電源24能夠向上電極板26載入激發功率，以實現由線圈23形成的ICP源和由上電極板26形成的CCP源同時放電，從而使本實施例提供的反應腔室可以相容CCP源的電場均勻性和ICP源的高電漿密度這二優勢。
通過使線圈23的輸出端232與上電極板26電連接，還可以在上電極板26與接地的腔室壁21之間構成平板電容結構，這種情況下，反應腔室在製程時的等效電路圖如第2B圖所示。在第2B圖中，虛線方框表示電漿等效模型。電漿由鞘層和電漿區組成，其中，鞘層可以等效為電容和二極體結構；電漿區可以等效為電阻和電感結構。L為由電漿的電流形成的等效電感。R為電漿等效電阻。C1為上電極板26與電漿鞘層之間形成的第一鞘層電容。C2為上電極板26與地之間形成的集散電容。C3為基座27與電漿鞘層之間形成的第二鞘層電容。
由第2B圖可知，在進行製程時，上電極板26與接地的腔室壁21之間構成平板電容結構，同時形成集散電容C2和第一鞘層電容C1，其中，第一鞘層電容C1可以起到調製線圈23的射頻電流相位的作用，從而通過控制例如電漿啟動參數等的製程條件，可以對第一鞘層電容C1進行即時調節，以減小線圈23的輸入端231與輸出端232之間的相位差異，進而可以提高由線圈23產生的電場的均勻性，從而進一步提高電漿的密度分佈均勻性。
對於下電極裝置，基座27設置在反應腔室內，且位於上電極板26的下方，用以承載被加工工件。並且，基座27通過第二匹配器29與下功率電源28電連接，該下功率電源28用於在製程時向基座27施加負偏壓，以吸引電漿中的離子朝向被加工工件表面的方向移動。下功率電源28可以為直流電源、低頻電源或者射頻電源。
基座27與上電極板26可以在製程時產生平板式電場，由於由線圈23產生的電場的強度會被介質筒22削弱，該平板式電場的強度遠高於由線圈23產生的電場的強度，因此，該平板式電場相對於由線圈23產生的電場起主要作用，從而可以削弱因線圈23的電場不均勻產生的影響，進而使形成的電漿的密度分佈更均勻，從而可以提高電漿的密度分佈均勻性。
在本實施例中，在介質筒22和上電極板26的週邊還罩設有遮蔽罩30，如第2A圖所示，該遮蔽罩30設置在腔室壁21的頂部，與腔室壁21、介質筒22和上電極板26共同形成封閉空間，線圈23位於該封閉空間內。並且，遮蔽罩30接地，在進行製程時，遮蔽罩30可以遮罩由線圈23產生的電磁場，從而避免射頻電源在饋入功率時產生的射頻輻射對製程造成影響。
在本實施例中，反應腔室還包括進氣管路31和氣源33，其中，進氣管路31貫穿上電極板26，且其出氣端與反應腔室的內部相連通；進氣管路31的進氣端通過絕緣管32與氣源33連接。在進行製程時，由氣源33提供的反應氣體依次經由絕緣管32和進氣管路31進入反應腔室內。
在實際應用中，還可以採用其他方式向反應腔室內輸送反應氣體。例如，在該上電極板上設置有進氣口，經由該進氣口向反應腔室內通入反應氣體。該進氣口可以為一，且設置在上電極板的中心位置，或者也可以為多，且沿上電極板所在平面均勻分佈。
請參閱第3圖，其為本發明第一實施例的一變型實施例採用的上電極的剖視圖。如第3圖所示，上電極板具有勻流腔40，該勻流腔40呈空腔結構，其其頂部腔室壁中設置有貫穿該頂部腔室壁的進氣口41，其底部腔室壁中設置有多貫穿該底部腔室壁的出氣孔42，這些出氣孔42相對於勻流腔40的底面均勻分佈。在進行製程時，反應氣體首先經由進氣口41進入勻流腔40內，並向四周擴散，實現在整個勻流腔40內的均勻分佈，然後經由各出氣孔42均勻地流入反應腔室內。反應氣體的流向如第3圖中的箭頭所示。
第4A圖為本發明第二實施例提供的反應腔室的剖視圖。請參閱第4A圖，本實施例提供的反應腔室與上述第一實施例相比，其區別僅在於：在遮蔽罩30與上電極板26之間還串接有可調電容50。
第4B圖為第4A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖。如第4B圖所示，C4為第4A圖中的可調電容50，線圈23的輸出端232的電壓可以被分配至第一鞘層電容C1和可調電容50，即，可調電容50可以起到對線圈23兩端電壓進行分壓的作用，並且由於其容值可調，通過調節可調電容50接入電路中的容值大小，可以對線圈23兩端電壓的分配進行調節，以減小線圈23的輸入端231與輸出端232之間的電壓差異，從而不僅可以進一步提高由線圈23產生的電場的均勻性，而且還可以提高電容調節的靈活性。
本實施例中的其他裝置或部件的結構和功能與上述第一實施例相類似，由於在上述第一實施例中已有了詳細描述，在此不再贅述。
第5A圖為本發明第三實施例提供的反應腔室的剖視圖。第5B圖為第5A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖。請一併參閱第5A圖和第5B圖，本實施例提供的反應腔室與上述第一實施例相比，其區別僅在於：線圈23的輸入端231與上電極板26電連接，上電極板26通過第一匹配器25與上功率電源24電連接；線圈23的輸出端232接地。這同樣可以實現使上功率電源24同時向線圈23和上電極板26載入激發功率。
在第5B圖中，虛線方框表示電漿等效模型。電漿由鞘層和電漿區組成，其中，鞘層可以等效為電容和二極體結構；電漿區可以等效為電阻和電感結構。L為由電漿的電流形成的等效電感。R為電漿等效電阻。C1為上電極板26與電漿鞘層之間形成的第一鞘層電容。C2為上電極板26與地之間形成的集散電容。C3為基座27與電漿鞘層之間形成的第二鞘層電容。
由第5B圖可知，在進行製程時，上電極板26與接地的腔室壁21之間構成平板電容結構，該結構形成集散電容C2和第一鞘層電容C1，其中，第一鞘層電容C1可以起到調製線圈23的射頻電流相位的作用，從而通過控制例如電漿啟動參數等的製程條件，可以對第一鞘層電容C1進行即時調節，以減小線圈23的輸出端232與輸入端231之間的相對差異，進而可以提高由線圈23產生的電場的均勻性，從而進一步提高電漿的密度分佈均勻性。
本實施例中的其他裝置或部件的結構和功能與上述第一實施例相類似，由於在上述第一實施例中已有了詳細描述，在此不再贅述。
第6A圖為本發明第四實施例提供的反應腔室的剖視圖。第6B圖為第6A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖。請一併參閱第6A圖和第6B圖，本實施例提供的反應腔室與上述第一實施例相比，其區別僅在於：上功率電源為二，分別為第一上功率電源24和第二上功率電源34。並且，線圈23的輸入端231通過第一匹配器25與第一上功率電源24電連接，線圈23的輸出端232接地；上電極板26通過第三匹配器35與第二上功率電源34電連接。也就是說，上功率電源借助第一上功率電源24和第二上功率電源34，分別向線圈23和上電極板26載入激發功率。
第6B圖為第6A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖。在第6B圖中，虛線方框表示電漿等效模型。電漿由鞘層和電漿區組成，其中，鞘層可以等效為電容和二極體結構；電漿區可以等效為電阻和電感結構。L為由電漿的電流形成的等效電感。R為電漿等效電阻。C1為上電極板26與電漿鞘層之間形成的第一鞘層電容。C2為上電極板26與地之間形成的集散電容。C3為基座27與電漿鞘層之間形成的第二鞘層電容。
由第6B圖可知，在進行製程時，上電極板26與接地的腔室壁21之間構成平板電容結構，同時形成集散電容C2和第一鞘層電容C1，其中，第一鞘層電容C1可以起到調製線圈23的射頻電流相位的作用，從而通過控制例如電漿啟動參數等的製程條件，來對第一鞘層電容C1進行即時調節，以減小線圈23的輸出端232與輸入端231之間的相位差異，進而可以提高由線圈23產生的電場的均勻性，從而進一步提高電漿的密度分佈均勻性。
而且，借助第一上功率電源24和第二上功率電源34，可以分別獨立地控制由線圈23產生的電漿和由上電極板26產生的電漿。因此，可以根據實際的製程需求選擇ICP源單獨工作、CCP源單獨工作或者ICP源和CCP源同時工作，也就是說，選擇僅開啟第一上功率電源24，或者僅開啟第二上功率電源34，或者同時開啟第一上功率電源24和第二上功率電源34，從而可以提高電漿產生的可選擇性。
此外，借助第一上功率電源24和第二上功率電源34，可以使上電極板26、基座27和線圈23形成“三電極”結構，該結構不僅可以提高電漿的密度，而且還可以擴大電漿放電的可調視窗。
綜上所述，本發明上述各實施例提供的反應腔室，其可以削弱因線圈的電場不均勻產生的影響，從而使形成的電漿的密度分佈更均勻，進而可以提高電漿的密度分佈均勻性。同時，可以實現由線圈形成的ICP源和由上電極板形成的CCP源同時放電，從而不僅可以相容CCP源的電場均勻性和ICP源的高電漿密度這二優勢，而且通過控制例如電漿啟動參數等的製程條件，可以對在上電極板與電漿鞘層之間形成的鞘層電容進行即時調節，從而可以減小線圈兩端之間的相位差異，從而可以提高由線圈產生的電場的均勻性，進而進一步提高電漿的密度分佈均勻性。
作為另一技術方案，本發明實施例還提供一種半導體加工裝置，其包括反應腔室，該反應腔室採用了本發明上述各實施例提供的反應腔室。
本發明實施例提供的半導體加工裝置，其通過採用本發明上述各實施例提供的上述反應腔室，不僅可以減小線圈的輸出端與輸入端之間的電壓差異，而且可以削弱由線圈的電場不均勻產生的影響，從而可以提高電漿的密度分佈均勻性。
可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不侷限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。
10‧‧‧反應腔室
11‧‧‧頂蓋
12‧‧‧介質窗
13、23‧‧‧線圈
14、18‧‧‧射頻電源
15、33‧‧‧氣源
16、27‧‧‧基座
17‧‧‧被加工工件
19‧‧‧腔體
21‧‧‧腔室壁
22‧‧‧介質筒
24‧‧‧上功率電源
25、29‧‧‧匹配器AMU
26‧‧‧上電極板
28‧‧‧下功率電源
30‧‧‧遮蔽罩
31‧‧‧進氣管路
32‧‧‧絕緣管
40‧‧‧勻流腔
41‧‧‧進氣口
42‧‧‧出氣孔
50‧‧‧可調電容
231‧‧‧輸入端
232‧‧‧輸出端
C1、C3‧‧‧鞘層電容
C2‧‧‧集散電容
L‧‧‧等效電感
R‧‧‧電漿等效電阻
第1圖為現有的ICP源的反應腔室的剖視圖； 第2A圖為本發明第一實施例提供的反應腔室的剖視圖； 第2B圖為第2A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖； 第3圖為本發明第一實施例的一變型實施例採用的上電極的剖視圖； 第4A圖為本發明第二實施例提供的反應腔室的剖視圖； 第4B圖為第4A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖； 第5A圖為本發明第三實施例提供的反應腔室的剖視圖； 第5B圖為第5A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖； 第6A圖為本發明第四實施例提供的反應腔室的剖視圖； 第6B圖為第6A圖中反應腔室在製程時的等效電路圖。

Claims (11)

  1. 一種反應腔室，包括一上電極裝置和一下電極裝置，該下電極裝置設置在該反應腔室內，用於承載被加工工件，其特徵在於，該上電極裝置包括介質筒、線圈、上功率電源和上電極元件，其中， 該介質筒為中空的筒狀結構且設置在該反應腔室的腔室壁的頂部； 該線圈環繞該介質筒而設置在其週邊； 該上電極組件包括上電極板，該上電極板設置在該介質筒的頂部； 該上功率電源用於向該上電極板和該線圈載入激發功率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的反應腔室，其特徵在於，該上功率電源的數量為一； 該線圈的輸入端與該上功率電源電連接，該線圈的輸出端與該上電極元件電連接。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的反應腔室，其特徵在於，該上功率電源的數量為一； 該上電極元件分別與該線圈的輸入端以及該上功率電源電連接，並且該線圈的輸出端接地。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的反應腔室，其特徵在於，該上功率電源的數量為二； 該線圈的輸入端與其中一該上功率電源電連接，該線圈的輸出端接地； 該上電極元件與另一該上功率電源電連接。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的反應腔室，其特徵在於，該反應腔室還包括接地的遮蔽罩，該遮蔽罩罩設在該介質窗和該上電極元件的週邊，用以遮罩由該線圈產生的電磁場。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的反應腔室，其特徵在於，該反應腔室還包括可調電容，該可調電容串接在該遮蔽罩與該上電極元件之間。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的反應腔室，其特徵在於，在該上電極板上設置有至少一進氣口，用以向該反應腔室內通入反應氣體。
  8. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的反應腔室，其特徵在於，該上電極板具有用作勻流腔的空腔； 在該勻流腔的頂部設置一進氣口，用以向該勻流腔內輸送反應氣體； 在該勻流腔的底部設置有多出氣孔，且相對於該勻流腔的底面均勻分佈，用以將該勻流腔內的反應氣體均勻地輸送至該反應腔室內。
  9. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的反應腔室，其特徵在於，該下電極裝置包括基座和下功率電源，其中， 該基座設置在該反應腔室內，用於承載被加工工件； 該下功率電源用於向該基座載入射頻功率。
  10. 如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的反應腔室，其特徵在於，該上功率電源包括低頻電源或者射頻電源。
  11. 一種半導體加工裝置，包括反應腔室，其特徵在於，該反應腔室採用申請專利範圍第1項至第10項任一項所述的反應腔室。
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