TWM580795U - Plasma processor - Google Patents

Abstract

本創作提供一種等離子處理器，包括：反應腔，反應腔內下部包括位於底部的基座，基座上方用於設置基片，反應腔內還設置有進氣裝置；位於反應腔外的一個氣體分配器，包括複數個輸入端通過複數個輸氣管道連接到複數個單一氣源，所述氣體分配器還包括至少一個輸出端通過第一進氣管道連接到所述進氣裝置；一個射頻電源連接到所述基座；所述第一進氣管道或者複數個輸氣管道包括管體和連接頭，所述管體內壁包括一層有機聚合物塗層。

Description

等離子處理器

本創作涉及等離子處理技術領域，具體涉及一種等離子反應器的氣體管道結構。

等離子處理器廣泛應用於半導體基片的處理，通過等離子刻蝕或等離子輔助的化學氣相沉積，使得晶圓上形成需要的半導體元件和連接這些元件的導線，最終形成各種用途的半導體晶片。通過減小半導體晶片的占地面積來改善同一基片上的晶片數量可以大幅提高產量，同時通過減小晶片中各個半導體元件的關鍵尺寸(critical dimension)，也可以進一步減小晶片的功耗，所以無論從晶片的產量和晶片的品質來說更小的關鍵尺寸會帶來更大的經濟效益。當前現有的技術已經能夠成功實現關鍵尺寸為7-14nm的晶片量產，但是進一步減小關鍵尺寸就非常難實現了。上述各個半導體晶片中的元件和圖案都是通過在基片上塗覆一層光刻膠，然後再通過光刻機，在光刻膠上曝光形成所需的圖案，隨後通過光刻膠上的圖案為掩膜向下刻蝕相應的材料層形成半導體元件中的結構圖案。實現進一步減小關鍵尺寸的困難主要是因為當前所用的極紫外光的波長只能實現40nm左右的圖案的顯影，為了從光刻膠上的40nm左右的圖案通過各種手段縮小圖案尺寸，最終在半導體基片上獲得小於7nm關鍵尺寸的半導體元件，需要經過複數個關鍵尺寸縮小的步驟(CD shrinkage)，關鍵尺寸越小這些步驟越多越複雜。當前如果要生產關鍵尺寸為5-3nm的晶片，整個晶片處理流程中的步驟將會從7-14nm時期的六十多個步驟大幅增加到一百多個步驟。處理步驟的增加不僅增加了成本也會對每一步驟處理的精度提出更高的要求，在5-3nm關鍵尺寸的處理製程測試過程中，執行原有的經過長期驗證的關鍵尺寸縮小步驟，最終卻發現處理形成的半導體元件中的關鍵尺寸和形貌無法達到預期的要求。

所以業內需要改進現有的等離子處理器，在氣源不變的情況下，尋求在小於5nm的處理製程中造成製程處理效果出現偏差的原因，並通過改善硬體設計來消除在新的製程中帶來的新問題。

本創作揭露了一種等離子處理器，包括：反應腔，反應腔內下部包括位於底部的基座，基座上方用於設置基片，反應腔內還設置有進氣裝置；位於反應腔外的一個氣體分配器，包括複數個輸入端通過複數個輸氣管道連接到複數個單一氣源，所述氣體分配器還包括至少一個輸出端通過第一進氣管道連接到所述進氣裝置；一個射頻電源連接到所述基座；所述第一進氣管道或者複數個輸氣管道包括管體和連接頭，所述管體內壁包括一層有機聚合物塗層。本創作的等離子處理器用於對基片進行刻蝕，所述基片上的圖案的關鍵尺寸小於等於5nm。

其中有機聚合物塗層厚度大於0.5um，較佳地需要大於1um小於100um。

其中第一進氣管道內壁口徑小於5mm，甚至小於4mm。

其中所述進氣裝置包括互相氣體隔離第一區域和第二區域，其中第一區域向所述基片的中心區域供應反應氣體，第二區域向基片的邊緣區域供應反應氣體。所述氣體分配器還包括一個第二輸出端通過一第二進氣管道連接到所述進氣裝置的第二區域，所述第一進氣管道連接到所述進氣裝置的第一區域。

所述第一區域為位於反應腔頂部的第一氣體噴頭，第二區域為位於反應腔側壁的第二氣體噴頭。所述氣體分配器可調整流入第一進氣管道和第二進氣管道的氣體成分或者流量。

其中第一進氣管道或者複數個輸氣管道包括至少一個轉彎部。

100‧‧‧反應腔

101‧‧‧基座

102‧‧‧基片

103‧‧‧進氣裝置

11、12、13~1n‧‧‧氣體管路

20‧‧‧氣體分配器

21‧‧‧第一進氣管道

21a‧‧‧連接頭

21b‧‧‧管體

22‧‧‧第二進氣管道

圖1為本創作等離子處理器示意圖。

圖2a為本創作中氣體輸送管道外觀示意圖。

圖2b為圖2a中氣體輸送管道端口側視圖。

以下結合附圖1~2，進一步說明本創作的具體實施例。

本創作揭露了一種等離子處理器。如圖1所示，本創作的等離子處理器包括反應腔100，反應腔100在進行等離子處理時形成密閉空間，抽空反應腔100內部，使得在基片在接近真空狀態下被處理。反應腔100內部下方包括一個基座101，基座101同時作為下電極連接到一個射頻電源。基座101中同時還設置有冷卻液流通管道，通過冷卻液的流動控制基座的溫度。基座101上部還可以設置靜電夾盤等裝置以固定待處理基片 102。反應腔100頂部包括供應反應氣體的進氣裝置103，進氣裝置103通過第一進氣管道21和第二進氣管道22連接到一個氣體分配器20，其中氣體分配器20還包括複數個氣體輸入端口通過11、12、13~1n複數個氣體管道分別連接到n個不同種類的氣源(n為大於3的自然數)。氣體分配器20接收來自輸入端口的多種單一氣體，選擇性的混合其中的部分種類的單一氣體形成一種或多種混合氣體作為反應氣體，然後經過下游的第一進氣管道21和第二進氣管道22輸送入反應腔100。圖1中的進氣裝置103中進一步的分隔為互相隔離的兩個區域，其中第一區域向下方基片102的中心區域供應反應氣體，第二區域圍繞第一區域向下方基片102的邊緣區域供應反應氣體。第一進氣管道21連通到上述第一區域，第二進氣管道22連通到第二區域。通過調節流入不同區域的反應氣體的流量或者成分差異可以實現對等離子處理效果的調節。

圖2a為本創作中第一進氣管道21的放大圖，第一進氣管道21包括管體21b，管體21b兩端為直徑較大的連接頭21a。圖2b為圖2a中進氣管道在A處的側視圖，可以看到連接頭21a和管體21b之間包括縫隙，縫隙內的接頭21a內壁或者管體21b外壁包括螺紋和氣密結構實現不同氣流管路之間的固定連接和氣密保護。其中進氣管道除了可以是如圖2所示的為直管，也可以包括一個或複數個轉彎部，以適應等離子處理裝置中反應腔100外部形狀和設備安裝空間需要。第一進氣管道21的管體21b內壁直徑非常小，通常不到5mm。由於管體內口徑非常小，而且還帶有轉彎部，所以管體內壁塗覆保護膜有一定難度，習知技術均是選用不銹鋼作為管體材料實現進氣管道防腐蝕的。

經過創作人研究發現，圖1所示的各種氣體管道11-1n和21、22中，除了主要的氟碳化合物等含氟氣體作為刻蝕主氣體會流過外，複數個氣體管道中會流過能對不銹鋼進行腐蝕的反應氣體，下面以第一進氣管道21為例來說明本創作。這些腐蝕性的反應氣體包括COS，在等離子處理過程中，這些氣體在進氣管道內流動，會分解並與H₂O反應產生H₂S、H₂SO₄等。此外腐蝕性氣體還包括氯氣、溴化氫、SiCL₄等含氯和溴的氣體成分，進氣管道21是由不銹鋼製成的，上述這些腐蝕性氣體與不銹鋼內壁反應形成的金屬污染物，比如一些雜質顆粒物，這些顆粒物的尺寸很小只有奈米級甚至埃米(Angstrom)級。此外，部分反應產物為氣態物質會很快的隨反應氣流到達基片表面形成污染。在大於7nm的處理製程中上述腐蝕性氣體並不會對等離子處理製程造成明顯的影響。在習知技術製程中對圖案尺寸的精度要求沒有非常高，所以即使有少量污染物顆粒和氣體到達基片表面也不會造成明顯影響。而且習知技術的製程步驟相對較少，處理的時間也短，同一片基片被污染物影響的概率也低，所以上述污染物顆粒對習知製程基本沒有影響。但是在關鍵尺寸低於5nm的處理製程中，情況卻發生了顯著的變化，處理步驟大幅增加、同時關鍵尺寸大幅減小，在長時間大量污染物顆粒的影響下，即使採用經過長期驗證可靠的製程步驟來進行等離子處理，處理後形成的半導體元件圖案仍無法滿足精度和污染物顆粒的要求。創作人發現上述關鍵尺寸降低後導致等離子處理效果的主要原因在於反應氣體進入反應腔100之前，在氣體管道中流動時會與管道內壁反應形成不可忽視的污染物，最終造成5nm以下的處理製程無法滿足需求。

創作人基於上述發現提出在上述進氣管道中的內壁塗覆一層有機聚合薄膜，使得上述各種腐蝕性氣體避免與管道內壁材料不銹鋼接觸。其中進氣管道內壁的聚合物可以是常見環氧樹脂或者含氟的聚合物材料。由於進氣管道口徑非常小，而且進氣管道還包括轉彎的部分，可以採用液體塗覆法。將混合有有機聚合物顆粒的懸浮水溶液或者溶解有機聚合物單體的有機溶液灌注入需要進行塗覆的進氣管道內壁，使得有機聚合物顆或單體粒均勻附著在管道內壁，然後在室溫或者高溫固化。其中室溫固化需要將上述溶液流出然後晾乾，高溫固化可以將溶液排出後進行加熱，或者也可以在溶液流經進氣管道的同時進行加熱，需要將管道加熱到40-200度。通過上述溶液流入和固化的步驟就可以在進氣管道21的內壁形成一層有機聚合物薄膜，薄膜的厚度受上述溶液配比、塗覆時間和迴圈塗覆次數的影響，根據實際應用環境自由選擇，經過創作人測試保護薄膜的厚度在0.5um以上就能形成緻密的保護層，有效防止反應氣體與管道內壁反應形成腐蝕，也就避免了污染物的產生。較佳地，保護膜的厚度1-100um之間，能夠長期的保護進氣管道，不需要頻繁更換或者維護，而且鍍膜製程難度低、成本低廉。

上述進氣裝置103可以是圓盤形的，同時作為上電極連接到另一個射頻電源或者電接地。進氣裝置103也可以是一個位於反應腔100頂蓋底部的圓柱狀氣體噴頭，或者位於反應腔100側壁頂部靠近頂蓋處的一圈的複數個氣體噴頭，只要能夠實現相反應腔103內的基片102均勻輸送氣體的任何進氣結構都可以成為本創作的進氣裝置。本創作反應腔100可以是電容耦合(CCP)的等離子處理器，外部的高頻射頻電源(大於 13Mhz)施加射頻電場到進氣裝置103和基座101之間，也可以是電感耦合(ICP)的等離子處理器，電感線圈設置在反應腔100頂部上方，通過絕緣材料製成的頂蓋向反應腔100饋送高頻射頻磁場，進而在反應腔100內感應出交變電場，形成等離子體對基片102進行處理。所以本創作可以適應於各種反應腔結構以及各種進氣結構。

本創作通過在反應氣體的流經的管道內壁塗覆一層有機聚合物薄膜，防止反應氣體中的腐蝕性氣體與進氣管道內壁材料反應形成污染物，解決了關鍵尺寸小於5nm的處理製程中一直沒有發現和解決的問題，以很低的成本實現了製程處理效的改進，使得5nm以下的處理製程能夠更穩定可靠的實現，最終大幅減少了基片處理的成本。

儘管本創作的內容已經通過上述較佳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創作的限制。在所屬技術領域中具有通常知識者閱讀了上述內容後，對於本創作的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本創作的保護範圍應由所附的申請專利範圍來限定。

Claims (10)

1. 一種等離子處理器，包括：一反應腔，該反應腔內下部包括位於底部的一基座，該基座上方用於設置一基片，該反應腔內還設置有一進氣裝置；一個氣體分配器，其位於該反應腔外，該氣體分配器包括複數個輸入端藉由複數個輸氣管道連接到複數個單一氣源，該氣體分配器還包括至少一個輸出端通過一第一進氣管道連接到該進氣裝置；一個射頻電源連接到該基座；該第一進氣管道或者複數個輸氣管道包括一管體和一連接頭，該管體內壁包括一層有機聚合物塗層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理器，其中，該有機聚合物塗層厚度大於0.5um。
3. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理器，其中，該第一進氣管道內壁口徑小於5mm。
4. 如申請專利範圍第2項所述的等離子處理器，其中，該有機聚合物塗層厚度大於1um小於100um。
5. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理器，其中，該進氣裝置包括互相氣體隔離的一第一區域和一第二區域，其中該第一區域向該基片的中心區域供應反應氣體，該第二區域向該基片的邊緣區域供應反應氣體。
6. 如申請專利範圍第5項所述的等離子處理器，其中，該氣體分配器還包括一個第二輸出端藉由一第二進氣管道連接到該進氣裝置的該第二區域，該第一進氣管道連接到該進氣裝置的該第一區域。
7. 如申請專利範圍第6項所述的等離子處理器，其中，該第一區域為位於該反應腔頂部的第一氣體噴頭，該第二區域為位於該反應腔側壁的第二氣體噴頭。
8. 如申請專利範圍第6項所述的等離子處理器，其中，該氣體分配器調整流入該第一進氣管道和該第二進氣管道的氣體成分或者流量。
9. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理器，其中，該第一進氣管道或者複數個輸氣管道包括至少一個轉彎部。
10. 如申請專利範圍第1項所述的等離子處理器，其中，該等離子處理器用於對該基片進行刻蝕，該基片上的圖案的關鍵尺寸小於等於5nm。