一种等离子体处理装置的制作方法

1.本实用新型涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种具有边缘射频调节功能的等离子体处理技术领域。


背景技术：

2.半导体芯片被日益广泛的应用到各种电子设备中，其中半导体芯片加工过程需要用到大量等离子处理器，这些处理器会对待处理的基片进行等离子刻蚀、化学气相沉积等工艺。一个典型的等离子体处理器通常包括至少一个真空反应腔，真空反应腔内部下方设置一基座，用于承载处理基片，外部射频电源施加射频信号至所述基座，在反应腔内形成射频环境。真空反应腔内还包括进气装置，将工艺气体按照一定的工艺要求输送到反应腔内部，工艺气体在射频环境中被解离为等离子体，实现对基片的刻蚀或沉积处理。
3.为了实现对基片处理的均匀性，基座外围需要设置边缘环组件，通过对边缘环组件的材料和形状尺寸的选择，改变基片边缘区域耦合的射频能量及温度分布。边缘环组件中包括一聚焦环，其中聚焦环的上表面暴露于上方的等离子体中。在等离子处理过程中偏置射频功率被用来控制形成在基片上表面的和聚焦环上表面的鞘层厚度，鞘层的厚度决定了等离子体中的离子入射到基片的能量和方向。如果基片边缘区域和聚焦环的鞘层不连续分布的话会造成基片边缘区域刻蚀速率和刻蚀方向(edge tilting)与基片中心区域的差别，降低基片加工均匀性，影响最终芯片的良率。
4.由于聚焦环是长期保留在充满刻蚀气体的等离子体中的，所以在进行一定时间的等离子处理后聚焦环表面材料必然会被腐蚀，因此聚焦环上表面的高度会随之下降，下降的高度会严重影响基片边缘区域鞘层的分布和形态，所以业内需要开发一种新的调节装置，以实现微量精密调节基片中心和基片边缘区域的射频功率分布，从而改善基片处理工艺的均匀性。最佳的，该调节装置需要结构简单、成本低廉，能够应用于各种等离子处理装置。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种等离子体处理装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置一下电极组件，所述下电极组件包括一导电基座；一主射频传输棒，与至少一射频电源电连接，用于将第一射频信号施加至所述导电基座，所述主射频传输棒包括空心结构；环绕所述下电极组件外围设置一边缘环；一阻抗调节模块，位于所述导电基座下方的大气环境，包括至少一耐高压可调电容组件；边缘射频传输线，通过所述阻抗调节模块将第二射频信号施加至所述边缘环，所述边缘射频传输线位于真空环境的传输线外套设有介电套筒，所述边缘射频传输线位于大气环境的传输线至少部分地位于所述主射频传输棒的空心结构内部。本实用新型通过在边缘环下方设置一路边缘射频调节机制，可以实现对边缘区域的射频分布主动进行调节，弥补边缘环随着工艺进展发生损耗造成的晶圆边缘区域和中心区域处理不均匀的问题。
6.可选的，所述边缘环下方设置一射频分布环，所述边缘射频传输线与所述射频分布环电连接。
7.可选的，所述射频分布环具有导电性，包括导体材质或半导体材质。
8.可选的，所述射频分布环表面设有绝缘涂层。
9.可选的，所述射频分布环上方设有石墨涂层。
10.可选的，所述边缘射频传输线包括多个导电棒，所述导电棒均匀或非均匀地与所述射频分布环电连接。
11.可选的，所述阻抗调节模块包括并行连接的多个固定电容，每个所述固定电容对应设置一耐高压的真空继电器。
12.可选的，所述阻抗调节模块包括一马达电容。
13.可选的，所述射频电源包括具有第一频率的射频电源和具有第二频率的射频电源。
14.可选的，所述第二射频信号具有第二频率。
15.可选的，所述主射频传输棒与所述边缘射频传输线之间设置一射频滤波器，所述射频滤波器用于过滤所述第一频率的射频信号。
16.可选的，所述第二频率的射频电源输出电压大于等于8kv。
17.可选的，所述第二频率的射频电源输出功率大于等于10kw。
18.可选的，所述第二频率小于所述第一频率。
19.可选的，所述第二频率小于等于2mhz。
20.可选的，所述第二频率小于等于1mhz。
21.可选的，所述导电基座下方设置一安装板，所述主射频传输棒与所述安装板电连接。
22.可选的，所述介电套筒材质为高纯度的陶瓷，所述陶瓷的纯度大于95％。
23.可选的，所述介电套筒的筒内径与所述边缘射频传输线的间距小于等于0.3毫米。
24.可选的，所述介电套筒包括若干陶瓷隔离件，相邻两陶瓷隔离件之间的结合面设置一凹凸槽组件，以防止发生击穿。
25.可选的，所述边缘环为聚焦环。
26.本实用新型在边缘环下方设置一路边缘调节机制，具体包括：在聚焦环下方设置一射频分布环，射频分布环连接一边缘射频传输线，边缘射频传输线通过一耐高压的阻抗调节模块引入一路射频信号施加至所述射频分布环，通过射频分布环将所述射频信号耦合到所述聚焦环，用于调节边缘区域的边缘电场及等离子体分布。本实用新型的阻抗调节模块位于真空反应腔之外的大气环境，可以耐受较高的射频电压，同时，为配合真空反应腔的高压环境，边缘射频传输线位于真空环境的传输线外套设有高纯度材料的介电套筒，以隔离下电极组件上的高功率信号。
27.除此之外，本实用新型至少部分边缘射频传输线位于所述主射频传输棒的空心结构内部。将边缘射频传输线设置在中空的主射频传输棒内部有利于保证高频射频功率在圆周方向传输的对称性，由于高频趋肤效应，高频的射频电流分布在主射频传输棒的外部。边缘传输线放置在中空的主射频传输棒内部有利于最小化对高频射频传输回路的影响。此外，由于阻抗调节模块设置于真空反应腔外部，距离聚焦环的位置较远，通过将引出自阻抗
调节模块的边缘射频传输线设置于中空的主射频传输棒内部，可以将边缘射频传输线的长度设置为更短，同时可以简化安装板下方的线路设置。
附图说明
28.图1示出一种电容耦合等离子体处理装置示意图；
29.图2示出一下电极组件的边缘区域放大示意图；
30.图3a和图3b分别示出两种不同的射频分布环与聚焦环之间接触界面的实施例示意图；
31.图4示出一种电感耦合等离子体处理装置示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.本实用新型技术方案所述的等离子体处理装置可以是电容耦合型等离子体处理装置(ccp)也可以为电感耦合型等离子体处理装置(icp)。图1示出一种电容耦合型等离子体处理装置结构示意图，如图1所示，等离子体处理装置具有一个真空反应腔100，真空反应腔100基本上为柱形，且反应腔侧壁基本上垂直，真空反应腔100内具有相对设置的上电极组件110和下电极组件120。通常，上电极组件110包括向反应腔100内供应工艺气体的喷淋头，下电极组件120包括一导电基座122和位于导电基座上方的静电吸附层124以及位于导电基座下方的安装板126。静电吸附层124用于在工艺过程中承载并吸附待要加工的晶圆w。在上电极组件110与下电极组件120之间的区域为处理区域，该处理区域将形成高频能量以激发和维持等离子体。工艺气体经过上电极组件110的喷淋头被输入至反应腔100内，一个或多个射频电源可以被单独地施加在下电极组件120上或分别地被施加在上电极组件110与下电极组件120上，从而在反应腔100内部产生大的电场。图1所示的实施例中，射频电源150输出的射频信号经匹配电路152和一中空的主射频传导棒154施加至安装板126。
34.大多数电场被包含在上电极组件110和下电极组件120之间的处理区域内，此电场对少量存在于反应腔内部的电子进行加速，使之与输入的反应气体的气体分子碰撞。这些碰撞导致反应气体的离子化和等离子体的激发，从而在反应腔100内产生等离子体。反应气体的中性气体分子在经受这些强电场时失去了电子，留下带正电的离子。带正电的离子向着下电极组件120方向加速，与被处理的晶圆中的中性物质结合，激发晶圆加工，即刻蚀、淀积等。
35.在等离子体处理装置合适的位置处设置有排气区域，排气区域与外置的排气装置(图中未示出)相连接，用以在处理过程中将用过的反应气体及副产品气体抽出处理区域，通过气体流动并在处理区域中建立适当的压力。
36.图2示出一下电极组件的边缘区域放大示意图，在下电极组件120的周围通常设置至少一个边缘环，用于调节边缘区域的电场分布或温度等参数，其中暴露于等离子体处理区域的一边缘环为聚焦环130(focus ring)，聚焦环下方设置一耦合环133。聚焦环130通常
是由石英、氧化铝等绝缘材料或者碳化硅、硅等半导体材料制成，以避免在等离子处理过程中产生的颗粒污染基片，同时提供足够的导电性。然而随着等离子体处理工艺的重复，离子轰击(ion bombardment)引起的聚焦环侵蚀(erosion)加深，聚焦环的厚度减薄，造成聚焦环上方的等离子体鞘层高度发生变化，导致晶圆边缘区域的离子方向性发生变化。从而晶圆边缘区域的蚀刻图案不能垂直形成而发生偏斜(titling)现象。
37.本实用新型在聚焦环下方设置一路边缘调节机制，具体包括：在聚焦环下方设置一射频分布环180，射频分布环180连接一边缘射频传输线140，边缘射频传输线140通过一阻抗调节模块160引入一路射频信号施加至所述射频分布环180，通过射频分布环将所述射频信号耦合到所述聚焦环，用于调节边缘区域的边缘电场及等离子体分布。
38.在图1所示的实施例中，阻抗调节模块160包括并行连接的若干固定电容162以及与所述固定电容匹配的耐高压真空继电器164，真空继电器通过控制电源实现对固定电容的开关和通断，以确定接入阻抗调节模块中的电容值。该阻抗调节模块160可以耐受较高的射频电压，例如，当射频电源输出的射频功率大于20kw时，阻抗调节模块仍然可以保证稳定工作。由于耐高压真空继电器具有较大的体积，本实用新型将所述阻抗调节模块160设置于安装板126下方的大气环境中。在本实用新型中，边缘射频传输线140包括位于大气环境的传输线142和位于真空环境的传输线141，由于本实用新型的边缘调节机制具有耐射频高压的特点，因此，位于真空环境的传输线141也具有耐高压的特点。
39.为了保证位于真空环境的传输线141能耐受较高电压，边缘射频传输线位于所述真空反应腔内部的部分套设有介电套筒145，以实现边缘射频传输线与下电极组件的电隔离。介电套筒145可以为高纯度的陶瓷套筒，所述陶瓷的纯度大于95％，在其他实施例中，介电套筒145也可以为其他绝缘材料。由于机械误差及考虑热膨胀、装配等因素，真空环境的传输线141和介电套筒145之间可以留有缝隙。为避免该缝隙之间可能发生的点火现象，所述介电套筒的筒内径与所述边缘射频传输线的间距小于等于0.3毫米。在某些实施例中，为了安装方便，边缘射频传输线可以设置为若干段，所述介电套筒包括若干陶瓷隔离件，相邻两陶瓷隔离件之间的结合面设置一凹凸槽组件，以增加爬电距离，防止发生击穿。
40.匹配电路152输出的低频射频信号一部分通过主射频传输棒154施加至下电极组件，另一部分通过边缘射频传输线140经过阻抗调节模块160供应至射频分布环180，其中自阻抗调节模块输出的至少部分边缘射频传输线位于所述主射频传输棒的空心结构内部。将边缘射频传输线140设置在中空的主射频传输棒内部有利于保证高频射频功率在圆周方向传输的对称性，由于高频趋肤效应，高频的射频电流分布在主射频传输棒的外部。边缘传输线放置在中空的主射频传输棒内部有利于最小化对高频射频传输回路的影响。此外，由于阻抗调节模块160设置于真空反应腔外部，距离聚焦环的位置较远，通过将引出自阻抗调节模块160的边缘射频传输线设置于中空的主射频传输棒154内部，可以将边缘射频传输线的长度设置为更短，同时可以简化安装板126下方的线路设置。
41.边缘射频传输线位于大气环境的传输线142可以为连续的导线，位于真空环境中的传输线141，由于安装的需要，可以设置为若干段导电棒，若干段导电棒之间保持电连接，且导电棒外部设置有介电套筒，以实现与下电极组件之间的电隔离。在本实施例中，位于大气环境的传输线142输出的射频信号可以通过若干个导电棒施加到射频分布环的不同位置，多个导电棒的分布可以为均匀或非均匀，以提高射频分布的均匀性或可以在不同相位
角上调节为非均匀。在另外的实施例中，位于大气环境的传输线142输出的射频信号也可以只通过一个导电棒施加到射频分布环上，具体可以根据实际需要进行选择。
42.位于真空环境中的传输线141可以如图2所示贯穿安装板126和导电基座122向上施加至射频分布环180，也可以位于下电极组件外围的隔离环134内部，或者位于下电极组件外围与隔离环134之间。
43.在图2所示的实施例中，射频电源150包括高频电源1510和低频电源1520，高频电源1510通过高频匹配电路1512施加高频射频信号至下电极组件120，主要用于将工艺气体激发为等离子体，控制等离子体的密度。低频电源1520通过低频匹配电路1522施加低频射频信号至下电极组件120，主要用于控制基片表面的等离子体鞘层厚度。在图2所示的实施例中，施加到聚焦环上的低频射频信号与施加到下电极组件120上的低频射频信号共用相同的射频电源1520。在另外的实施例中，也可以单独设置一边缘射频电源向聚焦环130施加射频信号。可选的，所述第二频率即低频射频电源1520的输出频率小于等于2mhz。可选的，所述第二频率即低频射频电源的输出频率小于等于1mhz。
44.实用新型人研究发现，当高频的射频功率被施加至下电极组件120时射频功率能够轻易的耦合到聚焦环处，因为对于高频信号来说下电极组件120表面的很薄(几十微米)绝缘耐腐蚀层和耦合环133阻抗很小。但是对于低频射频信号来说，较低的频率导致同样的绝缘层和耦合环133形成很大的阻抗，这一阻抗导致只有很少的低频射频能量能耦合到聚焦环130，即使采用各种手段调节耦合环与聚焦环的介电常数、位置，最终可调的范围仍然有限。因为导电基座122侧壁的绝缘耐腐蚀层必不可少，而且耦合环通常选择绝缘材料，如氧化铝或者氧化硅材料制成，所以在现有硬件结构下无法将低频射频功率可调的分配到基片边缘的聚焦环130上。其中耦合环也可以选择高导电材料制成，但是这种耦合环只能在短时间内取得较好的刻蚀效果，时间一长仍然无法补偿聚焦环损耗带来的处理效果漂移。而且高导电性的耦合环除了影响低频射频功率的分布也会同时影响高频射频功率的分布，也就影响了等离子浓度的分布，所以为了聚焦环上方鞘层厚度的调整反而造成等离子浓度分布不均匀，也无法改善整体的等离子处理效果。
45.本实用新型通过设置一路边缘调节机制，将难以耦合到边缘区域的低频射频信号主动施加到聚焦环下方，并通过连接一个阻抗调节模块160实现对电路阻抗的主动调节，通过选择不同档位的固定电容162的电容值来调节输送到聚焦环的低频射频功率。本实用新型中的阻抗调节模块设置于下电极组件120下方的大气环境中，包括若干档位的固定电容与耐高压的真空继电器，可以耐受射频电源输出的高电压，以适应不断提高的高深宽比刻蚀工艺对高射频电压的要求。本实施例的边缘调节机制可耐输出功率大于等于10kw，输出电压大于等于8kv的射频环境。为了防止高频射频信号进入边缘射频传输线140，造成通过边缘射频传输线140过热等问题，可以在通过边缘射频传输线140上设置一射频滤波器，即过滤电感170，可选的，该过滤电感的范围可以为0
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10微亨，该过滤电感可以防止真空反应腔内的高频射频信号向通过边缘射频传输线140下方传输，烧毁通过边缘射频传输线140。
46.图3a和图3b分别示出两种不同的射频分布环与聚焦环之间接触界面的实施例示意图，在图3a所示的实施例中，聚焦环置于射频分布环180上方，由于聚焦环材质通常是由石英、氧化铝等绝缘材料或者碳化硅、硅等半导体材料制成，射频分布环通常是由铝或铝合金等导体材料或者半导体材料制成，二者都具有一定的刚性，因此在二者接触时，为避免不
同接触区域之间的距离不一致，导致射频分布不均匀，因此，在射频分布环180表面设置一层绝缘涂层183，示例性的，当射频分布环180为铝或铝合金材质时，绝缘涂层186可以为氧化铝，以在射频分布环180与聚焦环130之间形成一电容，保证聚焦环和射频分布环不同接触区域之间的电容大小一致，从而在不同相位角上的聚焦环表面形成相同高度的鞘层。
47.在图3b所示的实施例中，聚焦环130外边缘设置一覆盖环132，覆盖环132与下方的耦合环机械锁紧，因此聚焦环底面与射频分布环之间可以保证良好的电接触。此时，在射频分布环上方设置一石墨层182，石墨层182内部可埋设有一层金属材料184，如铝或铝合金，以保持该石墨层的机械强度。石墨层具有良好的导电性，同时具有一定的柔性，能保证在整个环形区域内射频分布环180上的射频均匀施加至聚焦环上，保证各个角度上射频信号分布均匀性的同时提高了射频信号传输的效率。
48.图4示出一种电感耦合等离子体处理装置的结构示意图，图4所示的等离子体处理装置具有一个反应腔200，与图1所述的电容耦合等离子体反应腔100不同，icp刻蚀设备是一种将射频电源的能量经由电感线圈，以磁场耦合的形式进入反应腔内部，从而产生等离子体并用于刻蚀的设备。电感耦合型等离子体反应装置包括真空反应腔200，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁，反应腔侧壁上方设置一绝缘窗口210，绝缘窗口210上方设置电感耦合线圈212，电感耦合线圈140通过匹配电路2512连接射频电源2510。
49.反应腔侧壁靠近绝缘窗口210的一端设置气体注入口214，有的设备中也在绝缘窗口210的中心区域设置气体注入口，反应气体经过气体注入口214进入真空反应腔200，射频电源2510的射频功率驱动电感耦合线圈212产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体。在真空反应腔200的下游位置设置一下电极组件220，下电极组件220具有与图1所示的电容耦合等离子体处理装置内的下电极组件120近似的结构，包括一导电基座222和位于导电基座上方的静电吸附层224以及位于导电基座下方的安装板226。静电吸附层用于在工艺过程中承载并吸附待要加工的晶圆w。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。
50.在本实施例中，施加到下电极组件上的射频电源2520为偏置射频电源，通常其频率小于射频电源2510的频率，射频电源2520输出的低频射频信号经匹配电路2522和一中空的射频传导棒254施加至安装板226，用于控制晶圆表面的鞘层分布，同时，根据上文描述，本实用新型还设置一路边缘调节机制，将难以耦合到边缘区域的低频射频信号主动施加到聚焦环230下方，并通过连接一个阻抗调节模块260实现对电路阻抗的主动调节，可选的，本实施例的阻抗调节模块260内设置一马达电容用于对施加到聚焦环上的低频射频信号进行阻抗调节。马达电容可以耐受较高的电压，同时可以对电容实现0
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100％之间的连续调节，具有较高的调节精度。容易理解，本实施例中的阻抗调节模块260也可以适用于图1所示的电容耦合等离子体处理装置中，同理，图1中的阻抗调节模块160也可以适用于本实施例中的电感耦合等离子体处理装置中。
51.与上文实施例类似，边缘射频传输线240包括位于真空环境中的传输线241和位于大气环境中的传输线242。边缘射频传输线的设置要求以及射频分布环等设置与上文描述相同，此处不再赘述。
52.本实用新型还公开了一种具有边缘阻抗调节功能的等离子体处理方法，所述方法在图1或图4所述的任一等离子体处理装置内进行，所述方法包括如下步骤：
53.基片刻蚀效果监测步骤：检测基片边缘区域的刻蚀效果，如果基片边缘刻蚀孔倾斜角度在预设角度范围内，则继续执行基片刻蚀效果检测步骤，如果基片边缘刻蚀孔倾斜超过预设阈值，则进入可变阻抗调整步骤；
54.可变阻抗调整步骤：调整所述耐高压可调电容组件的电容值，使得所述阻抗调节模块的阻抗大小改变，进而改变输送到基片边缘环的射频功率，并再次进入基片刻蚀效果监测步骤。
55.本实用新型中所述的阻抗调节模块中设置为可调电容是一种可选的实施例，但是其它能够切换为低频射频功率阻抗的任何可变阻抗装置，如包括可变电感、电容组成的混合电路或者其它元器件组合而成的电路均可以实现阻抗调节的功能，上述替换属于公知常识，所以不再一一例举。
56.尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。