半导体零部件、等离子体反应装置和涂层形成方法与流程

1.本发明涉及半导体加工技术领域，尤其涉及一种半导体零部件、等离子体反应装置和涂层形成方法。


背景技术：

2.在典型的等离子体刻蚀工艺中，工艺气体(如cf4、o2等)在射频(radio frequency，rf)激励作用下形成等离子体。这些等离子体在经过上电极和下电极之间的电场(电容耦合或者电感耦合)作用后与晶圆表面发生物理轰击作用及化学反应，从而将晶圆刻蚀出具有特定的结构，完成刻蚀工序。
3.现有技术中，等离子体反应装置中的半导体零部件暴露于等离子体环境中，因此需要在其表面涂覆涂层抵抗等离子体的腐蚀。等离子体反应装置中腐蚀性气体多为碳氟化合物，碳氟化合物在等离子体作用下容易在涂层上偶联产生易脱落的碳氟聚合物，对反应腔内环境造成颗粒污染。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供半导体零部件，以解决等离子反应装置中反应腔的颗粒污染问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种半导体零部件，包括零部件本体，所述零部件本体表面具有耐等离子体涂层，所述耐等离子体涂层包括至少两种稀土金属元素的氧化物、氧氟化物或氟化物中的一种或多种，其中一种稀土元素为铈元素，所述铈元素使氧空位的活性较高，活性较高的氧空位能够分解等离子体环境中的碳氟聚合物形成气态小分子。
6.上述半导体零部件表面具有耐等离子体涂层，涂层中含有铈元素的化合物，其中铈元素具有化学价态可调的特性，以及易释放晶格氧和恢复晶格氧的特点，在刻蚀过程中能够将碳氟聚合物分解为气体排出反应腔，将氟化物还原为氧化物，防止碳氟聚合物和氟化物颗粒的脱落，避免反应腔内环境污染。
7.可选的，所述耐等离子体涂层中除铈元素之外的稀土元素还包括：镥、锆或铒中的一种或多种。这些稀土元素比较容易形成固溶体，固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相，具有立方形晶格，结构致密。
8.可选的，所述耐等离子体涂层为铈-镥固溶体、铈-锆固溶体、铈-镥-锆固溶体中的一种或多种。为镥和锆两种稀土元素的固溶物，这几种固溶物微观结构上具有致密结构。
9.可选的，所述铈-镥固溶体的化学式为luacebo
1.5
，其中0.4《a《1，a b＝1。
10.可选的，所述铈-锆固溶体的化学式为zracebo2，其中0.4《a《1，a b＝1。
11.可选的，所述铈-镥-锆固溶体的化学式为luacebzrco
1.5
，其中0.4《a《1，a b c＝1。
12.上述所选的区间比例中的固溶体化学性质稳定。
13.相应的，本发明还提供一种耐等离子体涂层形成方法，包括：
14.提供零部件本体；
15.在所述零部件本体的表面形成上述的耐等离子体涂层。
16.可选的，所述耐等离子体涂层的形成工艺包括：物理气相沉积法、化学气相沉积法、金属有机化合物气相沉积法或原子层沉积法中的一种或多种。
17.上述方法形成的耐等离子涂层具有致密结构，能够抵御等离子体的腐蚀。
18.相应的，本发明还提供一种等离子体反应装置，包括：
19.反应腔，所述反应腔内为等离子体环境；
20.以及上述半导体零部件，所述半导体零部件暴露于所述等离子体环境中。
21.可选的，所述等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，所述半导体零部件包括：陶瓷盖板、衬套、气体喷嘴、气体连接法兰、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或等离子体约束装置中的至少一种。这些半导体零部件设于反应腔中，暴露于等离子体环境中。
22.可选的，所述等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置，所述半导体零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或等离子体约束装置中的至少一种。这些半导体零部件设于反应腔中，暴露于等离子体环境中。
23.上述等离子反应装置中的半导体零部件暴露于等离子体环境中，半导体零部件的表面涂覆有含铈元素的耐等离子体涂层，涂层中的铈元素能够将氟化物和碳氟化物等易脱落的产物分解，避免对反应腔内的环境造成污染。
24.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.本发明提供的半导体零部件中，所述半导体零部件表面具有含铈元素的耐等离子体涂层，由于铈元素具有化学价态可调的性质，所述耐等离子体涂层受到等离子体轰击后能够产生活性较高的氧空位，活性较高的氧空位能够打开碳氟聚合物中的碳-氟键形成为气态的小分子气体，而气态的小分子可通过泵抽出到反应腔外，因此，能够防止碳氟聚合物堆积后以颗粒的形式脱落，避免反应腔内的颗粒污染。同时，氧空位能够再次吸附等离子体环境中的氧恢复到初始状态。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
27.图1是本发明实施例等离子体反应装置示意图；
28.图2是本发明实施例半导体零部件结构示意图；
29.图3是本发明实施例耐等离子体涂层抗腐蚀原理示意图；
30.图4是本发明实施例耐等离子体涂层形成方法流程图；
31.图5是本发明实施例pvd法制备耐等离子体涂层示意图。
32.附图标记：
33.100-零部件本体；200-耐等离子体涂层；300-真空腔体；400-靶材；
34.701-衬套；702-气体喷嘴；703-静电卡盘；704-聚焦环；705-绝缘环；706-覆盖环；
707-等离子体约束装置；708-陶瓷盖板；709-反应腔；710-基座；
35.w-晶圆。
具体实施方式
36.为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种半导体零部件，以及包括这种半导体零部件的等离子体反应装置，并且还提出了一种在半导体零部件表面形成耐等离子体涂层的方法。
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
39.还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
40.另外，在本发明中涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
41.图1是本发明一种等离子体反应装置的结构示意图。
42.请参考图1，等离子体反应装置包括：反应腔709，反应腔709内为等离子体环境；零部件和反应腔内部腔壁暴露于等离子体环境中。
43.等离子体反应装置还包括：基座710，基座710用于承载待处理基片w，等离子体用于对待处理基片w进行处理。由于等离子体具有较强的腐蚀性，为了防止零部件的表面和反应腔709内部腔壁被等离子体腐蚀，因此需要在零部件的表面和反应腔709内部腔壁涂覆耐等离子体涂层。
44.在本实施例中，等离子体反应装置为电感耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：衬套701、气体喷嘴702、静电卡盘703、聚焦环704、绝缘环705、覆盖环706、等离子体约束装置707、陶瓷盖板708或气体连接法兰(图未示)。
45.在其他实施例中，等离子体反应装置为电容耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：喷淋头、气体分配板、上接地环、下接地环、气体管路、聚焦环、绝缘环、静电卡盘、覆盖环或等离子体约束装置中的至少一种。
46.尽管反应腔709中腐蚀性气体多为碳氟化合物，碳氟化合物在等离子体作用下容易在涂层上偶联产生易脱落的碳氟聚合物，对反应腔内环境造成污染，但是，本实施例等离子体反应装置中的半导体零部件表面具有耐等离子体涂层。所述耐等离子体涂层中的铈元
素具有化学价态可调的性质，所述耐等离子体涂层受到等离子体轰击后产生活性较高的氧空位，活性较高的氧空位能够打开碳氟聚合物中的碳-氟键形成为气态的小分子气体，因此，能够防止碳氟聚合物堆积后以颗粒的形式脱落，避免反应腔内环境污染。同时，氧空位能够再次吸附等离子体环境中的氧恢复到初始状态，继而保证涂层本身的稳定性。
47.以下对半导体零部件进行详细说明：
48.图2为本发明提供的一种半导体零部件实施例的示意图。
49.请参考图2，该实施例具体包括零部件本体100，零部件本体100表面具有耐等离子体涂层200，耐等离子体涂层200包括至少两种稀土金属元素的氧化物、氧氟化物或氟化物中的一种或多种，其中一种稀土元素为铈元素，铈元素使氧空位的活性较高，活性较高的氧空位能够分解等离子体环境中的碳氟聚合物。本实施例中的耐等离子体涂层200含有铈元素，由于铈元素具有化学价态可调的特性，以及易释放晶格氧和恢复晶格氧的特点，因此能够防止碳氟聚合物和氟化物颗粒的脱落，从而避免反应腔内环境污染同时保证涂层本身的稳定性。
50.本实施例中耐等离子体涂层200具体选用氧化铈。在其他实施例中，还可以选择氧化铈、氟化铈或氟氧化铈中的一种或多种。铈元素的晶格氧活性的激发温度为100℃-200℃，适用于等离子体反应装置的工作温度。
51.本实施例中，稀土元素还包括镥元素。具体地，本实施例中的涂层为铈-镥固溶体，并且铈-镥固溶体的化学式为luacebo
1.5
，其中0.4《a《1，a b＝1。
52.在其他实施例中，稀土元素还包括锆元素。具体地，涂层为铈-锆固溶体，并且铈-锆固溶体的化学式为zracebo2，其中0.4《a《1，a b＝1。
53.在其他实施例中，稀土元素还包括镥元素和锆元素。具体地，涂层为铈-镥-锆固溶体，并且铈-镥-锆固溶体的化学式为luacebzrco1.5，其中0.4《a《1，a b c＝1。
54.在其他实施例中，稀土元素还包括镥、锆或铒中的一种或多种。
55.在其他实施例中，涂层为铈-镥固溶体、铈-锆固溶体、铈-镥-锆固溶体中的一种或多种。铈-镥固溶体的化学式为luacebo
1.5
，其中0.4《a《1，a b＝1；铈-锆固溶体的化学式为zracebo2，其中0.4《a《1，a b＝1；铈-镥-锆固溶体的化学式为luacebzrco
1.5
，其中0.4《a《1，a b c＝1。
56.上述实施例中所选的三种稀土元素比较容易形成固溶体，固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相，具有立方形晶格，能够形成晶格氧，结构致密，能够抵御腐蚀性气体的腐蚀。
57.除此之外，上述实施例中化学式所选的区间比例中的固溶体化学性质稳定。
58.本发明提供的实施例通过类似于“催化”的方式使涂层经历等离子体前后的物理化学性质保持不变。原理如图3所示，以铈-镥固溶体作为涂层为例，其结构化学式为ce
0.5
lu
0.5o1.5
，图中过程a表示涂层受到等离子轰击后仍产生活性较高的氧空位，过程b中脱出的高活性晶格氧活化打卡c-f键，进而将c-f逐步降解，即将反应过程中产生的碳氟聚合物分解成co2和cd2o(碳酰氟)气体，并排出反应腔，过程c中晶格缺陷处能够再次吸附反应腔内中的o2并将其活化解离，填补晶格缺陷并回到过程a状态，使涂层反应生成的氟化铈还原为氧化铈或氟氧化铈。依据铈元素与氧元素结合力强于铈元素与氟元素的结合力的原理，将氟化铈还原为氧化铈或氟氧化铈。其中，o2的来源包括两种途径，一种是等离子反应装置
工作时通入的o2，一种是等离子反应装置处于清洗状态时通入的水蒸气提供的o元素。
59.上述涂层类似“催化”的原理是将工作过程中产生的中间产物(如氟化物和碳氟聚合物)还原或分解，因此减少了中间产物堆积脱落的风险，从而避免了反应腔内环境的污染。
60.耐等离子体涂层200的制备工艺包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、金属有机化合物气相沉积法或原子层沉积法中的一种或多种。
61.图4为本发明实施例利用物理气相沉积法(pvd)制备耐等离子体涂层流程图。
62.请参考图4，以制备铈-镥固溶体涂层为例，包括：
63.10、提供零部件本体
64.如图5所示，将零部件本体100放置于真空腔体300中；
65.20、提供靶材并蒸发
66.选择铈的氧化物、氟氧化物、氟化物中的一种或多种作为靶材400蒸发，然后选择镥的氧化物、氟氧化物、氟化物中的一种或多种作为靶材400蒸发；
67.或者，选择含铈和镥的氧化物、氟氧化物、氟化物中的一种或多种作为靶材400蒸发；
68.30、形成耐等离子体涂层
69.靶材蒸发形成的分子流在零部件本体100表面形成致密涂层。
70.上述实施例方法形成的耐等离子涂层具有致密结构，能够抵御等离子体的腐蚀。
71.综上所述，本发明实施例提供的半导体零部件中，半导体零部件表面具有含铈元素的抗腐蚀涂层，由于铈元素具有化学价态可调的性质，并且在等离子体反应装置中的工作环境下，具有易释放晶格氧和恢复晶格氧的特点，因此在刻蚀过程中能够将碳氟聚合物分解为气体，将等离子体作用下生成的氟化物还原为氧化物，进而防止碳氟聚合物和氟化物以颗粒的形式脱落，避免反应腔内环境污染。再提供了耐等离子体腐蚀涂层形成方法实施例，采用物理气相沉积法(pvd)制备，制得的涂层具有致密结构，能够抵御等离子体的腐蚀。还提供了等离子体反应装置实施例，等离子体反应装置中具有耐等离子体腐蚀的半导体零部件，并且反应腔的内表面具有耐等离子体腐蚀的涂层，半导体零部件表面的涂层以及反应腔内表面的涂层不会产生颗粒脱落，避免污染反应腔内工作环境，进而提高了等离子体反应装置产品制备的成品率，避免了材料的浪费，节省了成本。
72.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。