TWI784577B - 半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置 - Google Patents

半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置 Download PDF

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Abstract

本發明涉及等離子體蝕刻的技術領域，公開了一種半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置，包括零部件本體，所述零部件本體表面具有複合塗層，所述複合塗層包括耐等離子體腐蝕塗層和防水犧牲層，所述耐等離子體腐蝕塗層設置於所述零部件本體表面；所述防水犧牲層設置於所述耐等離子體腐蝕塗層表面。在耐等離子體腐蝕塗層的表面塗覆一層防水犧牲層，避免耐等離子體腐蝕塗層與水接觸，大大降低耐腐蝕塗層因水解失效的風險，可縮减清洗、運輸、儲存或投入使用的時間，大大提高等離子體蝕刻生產的效率，降低蝕刻成本。

Description

半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置
本發明涉及等離子體蝕刻的技術領域，具體涉及一種半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置。
在半導體器件的製造過程中，等離子蝕刻是將晶圓加工成設計圖案的關鍵製程。在典型的等離子體蝕刻製程中，製程氣體在射頻(Radio Frequency，RF)激勵作用下形成等離子體。這些等離子體在經過上電極和下電極之間的電場作用後與晶圓表面發生物理轟擊作用及化學反應，從而蝕刻出具有特定結構的晶圓。
在等離子體蝕刻製程過程中，物理轟擊及化學反應作用也會同樣作用於蝕刻腔室內部所有與等離子體接觸的部件，造成腐蝕。對於處在蝕刻腔體內的工件而言，通常會塗覆一些耐等離子體腐蝕的塗層以保護工件不被腐蝕。
然而，現有塗覆的耐等離子體腐蝕的塗層在生產和使用過程易與環境中的水發生水解反應，生成物會影響耐等離子體腐蝕的塗層的保護功能，因此，塗覆的耐等離子體腐蝕的塗層不能直接用於蝕刻的製程生產中，而是需要長時間循環陳化處理之後才能用於蝕刻的製程生產中，等離子體蝕刻生產效率低。
鑒於上述的不足之處，本發明的目的在於提供一種半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置，以提高等離子體蝕刻生產的效率。
為了實現上述目的，本發明提供的技術方案為：一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，包括零部件本體，所述零部件本體表面具有複合塗層，所述複合塗層包括：耐等離子體腐蝕塗層，設置於所述零部件本體表面；以及防水犧牲層，設置於所述耐等離子體腐蝕塗層表面。
進一步地，所述防水犧牲層的材料包括Si、SiO2、SiC、SiN中的至少一種。
進一步地，所述防水犧牲層的厚度在0.1nm-100nm之間。
進一步地，所述耐等離子體腐蝕塗層材料包括稀土元素Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少一種。
進一步地，所述耐等離子體腐蝕塗層包括稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一種。
本發明還提供的技術方案為：一種複合塗層的形成方法，包括：提供一零部件本體；在所述零部件本體表面形成耐等離子體腐蝕塗層；在所述耐等離子體腐蝕塗層表面形成防水犧牲層。
進一步地，形成所述耐等離子體腐蝕塗層之後，直接形成所述防水犧牲層。
進一步地，所述耐等離子體腐蝕塗層和防水犧牲層在真空環境中或者保護性氣氛中形成。
進一步地，所述耐等離子體腐蝕塗層的塗覆方法包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積中的至少一種。
進一步地，所述塗覆方法的輔助增强源包括等離子體源、離子束源、微波源、射頻源中的至少一種。
進一步地，所述防水犧牲層的緻密度大於等於99%。
進一步地，所述防水犧牲層的厚度在0.1nm-100nm之間。
本發明還提供的技術方案為：一種等離子體反應裝置，包括：反應腔，所述反應腔內為等離子體環境；耐等離子體腐蝕的半導體零部件，所述半導體零部件暴露於所述等離子體環境中。
進一步地，所述零部件本體為等離子體蝕刻裝置、等離子體清洗裝置中的至少一種。
進一步地，所述等離子體蝕刻裝置為電感耦合等離子體蝕刻裝置，所述半導體零部件包括陶瓷蓋板、內襯套、氣體噴嘴、靜電卡盤、覆蓋環、聚焦環、絕緣環、等離子體約束環中的一種或多種。
進一步地，所述等離子體蝕刻裝置為電容耦合等離子體蝕刻裝置，所述半導體零部件包括氣體噴淋頭、上接地環、下接地環、覆蓋環、聚焦環、絕緣環、等離子體約束環中的一種或多種。
與現有技術相比，本發明技術方案具有如下有益效果：
本發明先在零部件本體上塗覆一層耐等離子體腐蝕塗層，所述耐等離子體腐蝕塗層能够防止零部件本體被等離子體腐蝕，避免塗覆的耐等離子體腐蝕塗層與水接觸，大大降低耐腐蝕塗層因水解而失效的風險，縮短零件在 清洗、運輸、儲存或投入使用的時間，大大提高等離子體蝕刻生產的效率，降低蝕刻成本。
11:零部件主體
12:耐等離子體腐蝕塗層
100:半導體零部件
110:零部件本體
120:複合塗層
121:耐等離子體腐蝕塗層
122:防水犧牲層
130:處理腔
200:等離子體反應裝置
210:反應腔
220:電感耦合等離子體蝕刻裝置
221:內襯套
222:氣體噴嘴
223:靜電卡盤
224:聚焦環
225:絕緣環
226:覆蓋環
227:等離子體約束環
228:陶瓷蓋板
所包括的附圖用來提供對本發明實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用於例示本發明的實施方式，並與文字描述一起來闡釋本發明的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出進步性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：圖1是一種零部件的結構示意圖；圖2是本發明的一實施例的電感耦合等離子體蝕刻裝置的示意圖；圖3是本發明的一實施例的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件的示意圖；圖4是本發明的一實施例的去除防水犧牲層的示意圖；圖5是本發明的一實施例的一種複合塗層形成方法的流程圖；圖6是本發明的一實施例的耐等離子體腐蝕塗層形成的裝置示意圖。
在本發明的描述中，術語“第一”、“第二”僅用於描述目的，而不能理解為指示相對重要性，或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，除非另有說明，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵；“多個”的含義是兩個或兩個以上。術語“包括”及其任何變形，意為不排他的包含，可能存在或添加一個或更多其他特徵、整數、步驟、操作、單元、組件和/或其組合。需要理解的是，這裡所使用的術語、公開的具體結構和 功能細節，僅僅是為了描述具體實施例，是代表性的，但是本發明可以通過許多替換形式來具體實現，不應被解釋成僅受限於這裡所闡述的實施例。
另外，“中心”、“橫向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竪直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係的術語，是基於附圖所示的方位或相對位置關係描述的，僅是為了便於描述本發明的簡化描述，而不是指示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，或是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情况理解上述術語在本發明中的具體含義。
等離子體反應裝置包括反應腔，反應腔內為等離子體環境，零部件暴露在等離子體環境中，由於等離子體具有較强的腐蝕性，因此，需要在零部件本體表面塗覆耐腐蝕塗層，以阻擋等離子體對零部件本體的腐蝕。圖1為現有技術塗覆耐腐蝕塗層的零部件截面示意圖，耐腐蝕塗層位於零部件表面。研究發現：耐等離子體腐蝕的塗層易與水發生水解反應，生成物會影響耐等離子體腐蝕的塗層的保護功能。具體為所述耐等離子體腐蝕塗層12包括釔(Y)元素，由於釔元素在元素周期表中位於IIIB副族，與IIA主族相鄰，因而具有類似的親水化學性質，使得耐等離子體腐蝕塗層12中的釔原子容易與表面的吸附水、結合水發生鍵合，形成YO-OH鍵等，甚至進一步水解，在耐等離子體腐蝕塗層12表面形成薄薄的Y(OH)3層等。YO-OH鍵在等離子體處理腔中使用時，容易受到高能的F、O等離子體在電場E下的物理轟擊作用和化學作用而發生斷裂，使得耐等離子體腐蝕塗層12的表面原子處於不飽和狀態，需要不斷的通入F、O等離子 體重新使得耐等離子體腐蝕塗層12表面的Y原子飽和，使其達到穩定狀態，這也是目前氧化釔塗層塗覆的零部件需要在使用前需要通過不斷循環陳化處理過程使其表面穩定的原因。
為了解決上述技術問題，本發明提出了半導體零部件、複合塗層形成方法和等離子體反應裝置。零部件本體表面塗覆耐等離子體塗層，再在表面塗覆耐等離子體塗層上塗覆防水犧牲層，保護耐等離子體塗層。
圖2是本發明的一種等離子體反應裝置的示意圖。
請參考圖2，等離子體反應裝置200包括反應腔210和耐等離子體腐蝕的半導體零部件100，所述反應腔210內為等離子體環境；所述耐等離子體腐蝕的半導體零部件100暴露於所述等離子體環境中。等離子體反應裝置200還包括：基座240，基座240用於承載待處理基片W，等離子體用於對待處理基片W進行處理。由於等離子體具有較强的腐蝕性，為了防止半導體零部件100的表面被等離子體腐蝕，因此需要在半導體零部件100的表面塗覆耐等離子體腐蝕塗層121。
在本實施例中，所述等離子體蝕刻裝置200為電感耦合等離子體蝕刻裝置220，相應的，暴露於等離子體環境中的半導體零部件包括：內襯套221、氣體噴嘴222、靜電卡盤223、聚焦環224、絕緣環225、覆蓋環226、等離子體約束環中227、陶瓷蓋板228和氣體連接法蘭(圖未示)。這些零部件的表面需要塗覆耐等離子體腐蝕塗層121以防止等離子體的腐蝕。
具體應用中，所述等離子體蝕刻裝置200也可以為電容耦合等離子體處理裝置，相應的，暴露於等離子體環境中的半導體零部件包括：氣體噴淋頭、上接地環、下接地環、覆蓋環、聚焦環、絕緣環、等離子體約束環。這些零部件的表面需要塗覆耐等離子體腐蝕塗層121以防止等離子體的腐蝕。
為了防止後續對零部件進行清洗時，耐腐蝕塗層與水接觸，在耐腐蝕塗層表面形成防水犧牲層，如下對半導體零部件進行詳細說明：
圖3是本發明的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件的示意圖。
請參考圖3，耐等離子體腐蝕的半導體零部件100，包括零部件本體110，所述零部件本體110表面具有複合塗層120，所述複合塗層120包括耐等離子體腐蝕塗層121和防水犧牲層122，所述耐等離子體腐蝕塗層121設置於所述零部件本體110上；所述防水犧牲層122設置於所述耐等離子體腐蝕塗層121上。所述防水犧牲層122為緻密結構，所述防水犧牲層122在所述耐等離子體腐蝕的半導體零部件100進行等離子體蝕刻之前去除。
在本實施例中，先在零部件本體110上塗覆一層耐等離子體腐蝕塗層121，用於防止零部件本體110被等離子體腐蝕，本實施例在耐等離子體腐蝕塗層121的表面上塗覆一層防水犧牲層122，保護剛塗覆的耐等離子體腐蝕塗層121不與水接觸，大大降低耐腐蝕塗層因水解而失效的風險，可縮短零部件在清洗、運輸、儲存或投入使用的時間，大大提高等離子體蝕刻生產的效率，降低蝕刻成本。防水犧牲層122，優選IVA族元素為主，如Si、SiO2、SiN等。IVA族遠遠偏離IIA族，化學性質上相比更不容易發生水解反應，因此可以作為防水層；同時，IVA族元素在F、O等離子體作用後副產物全部為氣體的物質，在反應腔中不會引入額外污染物，因此可以作為犧牲層，在進行等離子體蝕刻前通過F、O等離子體將其去除掉。
在本實例中，所述防水犧牲層122實現的三個功能：1)、保護功能：隔離耐等離子體腐蝕塗層121與吸附水140的化學作用，維持耐等離子體腐蝕塗層121的表面的釔原子的飽和狀態；2)、防水功能：在耐等離子體腐蝕塗層121塗覆完成後，塗覆在耐腐蝕塗層表面，有效隔離吸附水140與耐等離子體腐蝕塗層121形成結合水150，大大降低耐等離子體腐蝕塗層121發生水解形成 Y(OH)3層的影響等；3)、犧牲功能：防水犧牲層122的厚度較薄，當該複合塗層120在等離子體蝕刻裝置中時，首先被高能F、O等離子體轟擊，形成氣體的副產物(如SiF4等)脫離耐等離子體腐蝕塗層121(如圖4所示)，進而由表面釔原子飽和的耐等離子體腐蝕塗層121繼續發揮耐腐蝕作用，保護工件。
在一實施例中，所述耐等離子體腐蝕塗層121材料包括稀土元素Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一種，所述耐等離子體腐蝕塗層121的材質可以是包含上述元素的一種化合物，也可以是不同的化合物的組合，例如選用上述稀土元素的氧化物、氟化物、氟氧化物中的一種或多種。所述耐等離子體腐蝕塗層121要承受等離子體的轟擊，儘量少的產生微小顆粒污染物，因此其緻密度優選99%以上。
在一實施例中，所述防水犧牲層122的材料包括Si、SiO2、SiC、SiN中的至少一種。在後期要使用所述耐等離子體腐蝕的半導體零部件100時，通過高能的F、O等離子體的作用，即可使所述防水犧牲層122全部變成氣體的副產物，如氟化矽(SiF4)等(如圖4所示)，之後將氣體副產物排出即可將全部防水犧牲層122除去，從而降低在晶圓的表面上產生顆粒污染的影響，使得防水犧牲層122並不會影響到後期耐等離子體腐蝕的半導體零部件100的使用效果。
進一步地，所述防水犧牲層122的厚度在0.1nm-100nm之間，如果所述防水犧牲層122太厚，會加長使其穩定的時間，不能起到降低成本的效果；如果所述防水犧牲層122太薄，會增大吸附水140與含釔耐等離子體腐蝕塗層121接觸的幾率，增大吸附水140對耐等離子體腐蝕塗層121的影響，不能發揮隔離作用；因此，將所述防水犧牲層122的厚度在0.1nm-100nm之間可有效隔離耐等離子體腐蝕塗層121與吸附水140的接觸，防止它們之間的化學作用，又可以縮短製程的時間，提高生產的效率。
圖5是本發明的一種複合塗層形成方法的流程圖。
請參考圖5，複合塗層的形成方法，包括：步驟S1：將一零部件本體置於一處理腔內；步驟S2：在所述處理腔內形成真空環境；其中，所述處理腔內為真空環境，防止在製作的過程中生成其他的物質，或者是防止水對耐等離子體腐蝕塗層生產的影響。
步驟S3：在所述零部件本體表面形成耐等離子體腐蝕塗層；步驟S4：在所述耐等離子體腐蝕塗層表面形成防水犧牲層。
其中，在形成所述耐等離子體腐蝕塗層之後，緊接著直接形成所述防水犧牲層，即在同一工序中形成所述耐等離子體腐蝕塗層和防水犧牲層，减少或者消除耐等離子體腐蝕塗層暴露在空氣中的時間，防止耐等離子體腐蝕塗層與空氣中的水接觸生成Y(OH)3層等，然後直接在耐等離子體腐蝕塗層表面再生成一層防水犧牲層對耐等離子體腐蝕塗層進行保護，儘量减少耐腐蝕塗層在空氣中吸附水對耐腐蝕塗層的影響。
本實施例可選的，在S2中，也可以向所述處理腔內充入保護性氣體。所述處理腔內為保護性氣氛，防止在製作的過程中生成其他的物質，或者是防止水對耐等離子體腐蝕塗層生產的影響。
在S3中，所述耐等離子體腐蝕塗層的塗覆方法包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積中的至少一種；所述塗覆方法中的輔助增强源包括等離子體源、離子束源、微波源、射頻源中的至少一種。
圖6是本發明的耐等離子體腐蝕塗層形成的示意圖。
請參考圖6，在本實施例中，以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，PVD)方法為例，耐等離子體腐蝕塗層121的塗覆在所述處理腔130內進行，處理腔130內設有靶材301，靶材301經過激發形成分子流，經過增强源 的作用在零部件本體110的表面形成緻密的耐等離子體腐蝕塗層121，其中輔助增强源400包括等離子體源、離子束源、微波源、射頻源中的至少一種。
在實際情况中，選用其他普通塗覆方式也合適，以上所用PVD方法塗覆僅為具體說明一種塗覆方法，不作為優選方案。
在S3中，形成的所述防水犧牲層的緻密度大於等於99%，厚度在0.1nm-100nm之間。形成具有高緻密特性的防水犧牲層，更好的防止吸附水穿過防水犧牲層與耐等離子體腐蝕塗層反應，將吸附水隔離在外。如果所述防水犧牲層太厚，會加長使其穩定的時間，不能起到降低成本的效果；如果所述防水犧牲層太薄，會增大吸附水與含釔耐等離子體腐蝕塗層接觸的機率，增大吸附水對耐等離子體腐蝕塗層的影響，不能發揮隔離作用；因此，將所述防水犧牲層的厚度在0.1nm-100nm之間可有效隔離耐等離子體腐蝕塗層與吸附水的接觸，防止它們之間的化學作用，又可以縮短製程的時間，提高生產的效率。
在一實施例中，所述零部件本體110包括等離子體蝕刻裝置、等離子體清洗裝置中的至少一種，即所述複合塗層120可以設置於所述等離子體蝕刻裝置或等離子體清洗裝置中，只要是需要暴露在等離子體環境的零部件，都可以設置本發明實施例的複合塗層120，用於保護零部件。
需要說明的是，本方案中涉及到的各步驟的限定，在不影響具體方案實施的前提下，並不認定為對步驟先後順序做出限定，寫在前面的步驟可以是在先執行的，也可以是在後執行的，甚至也可以是同時執行的，只要能實施本方案，都應當視為屬本發明的保護範圍。
以上內容是結合具體的可選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
100:半導體零部件
110:零部件本體
120:複合塗層
121:耐等離子體腐蝕塗層
122:防水犧牲層

Claims (16)

  1. 一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，其中，包括：一零部件本體，該零部件本體之表面具有一複合塗層，該複合塗層包括：一耐等離子體腐蝕塗層，設置於該零部件本體之表面；以及一防水犧牲層，設置於該耐等離子體腐蝕塗層表面，該防水犧牲層在等離子體環境中形成一氣體副產物而脫離該耐等離子體腐蝕塗層，該氣體副產物能夠被排出。
  2. 如請求項1所述的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，其中，該防水犧牲層的材料包括Si、SiO2、SiC和SiN中的至少一種。
  3. 如請求項1所述的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，其中，該防水犧牲層的厚度在0.1nm-100nm之間。
  4. 如請求項1所述的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，其中，該耐等離子體腐蝕塗層之材料包括稀土元素Y、Sc、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少一種。
  5. 如請求項4所述的一種耐等離子體腐蝕的半導體零部件，其中，該耐等離子體腐蝕塗層包括稀土元素的氧化物、氟化物或氟氧化物中的至少一種。
  6. 一種如請求項1~5任一項中所述的複合塗層的形成方法，其中，包括：提供一零部件本體；在該零部件本體之表面形成一耐等離子體腐蝕塗層；以及在該耐等離子體腐蝕塗層表面形成一防水犧牲層。
  7. 如請求項6所述的一種複合塗層的形成方法，其中，形成該耐等離子體腐蝕塗層之後，直接形成該防水犧牲層。
  8. 如請求項6所述的一種複合塗層的形成方法，其中，該耐等離子體腐蝕塗層和該防水犧牲層在真空環境中或者保護性氣氛中形成。
  9. 如請求項6所述的一種複合塗層的形成方法，其中，該耐等離子體腐蝕塗層的一塗覆方法包括物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積中的至少一種。
  10. 如請求項9所述的一種複合塗層的形成方法，其中，該塗覆方法的輔助增强源包括等離子體源、離子束源、微波源、射頻源中的至少一種。
  11. 如請求項6所述的一種複合塗層的形成方法，其中，該防水犧牲層的緻密度大於等於99%。
  12. 如請求項6所述的一種複合塗層的形成方法，其中，該防水犧牲層的厚度在0.1nm-100nm之間。
  13. 一種等離子體反應裝置，其中，包括：一反應腔，該反應腔內為等離子體環境；以及一如請求項1至5任一項所述的耐等離子體腐蝕的半導體零部件，該半導體零部件暴露於該等離子體環境中。
  14. 如請求項13所述的一種等離子體反應裝置，其中，該等離子體反應裝置為一等離子體蝕刻裝置或者一等離子體清洗裝置。
  15. 如請求項14所述的一種等離子體反應裝置，其中，該等離子體蝕刻裝置為電感耦合等離子體蝕刻裝置，該半導體零部件包括陶瓷蓋板、內襯套、氣體噴嘴、靜電卡盤、覆蓋環、聚焦環、絕緣環、等離子體約束環中的一種或多種。
  16. 如請求項14所述的一種等離子體反應裝置，其中，該等離子體蝕刻裝置為電容耦合等離子體蝕刻裝置，該半導體零部件包括氣體噴淋頭、上接地環、下接地環、覆蓋環、聚焦環、絕緣環、等離子體約束環中的一種或多種。
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