上电极组件和半导体工艺设备的制作方法

1.本技术属于半导体加工技术领域，具体涉及一种上电极组件和半导体工艺设备。


背景技术：

2.在晶圆的加工过程中，干法刻蚀是一种主要的刻蚀工艺。干法刻蚀一般借助等离子体对晶圆进行刻蚀，进而，反应腔室内等离子体的均匀性则对于刻蚀工艺的均匀性有较大的影响。目前，一般通过借助下电极调节反应腔室内电场的分布情况，以及借助上电极调节反应腔室工艺气体的均匀性来调节等离子体在反应腔室内的均匀性，这些调节手段的效果有限，导致反应腔室内的等离子体仍存在一定的不均匀现象，具体一般为反应腔室的边缘区域处的等离子体的浓度较大，而反应腔室的中心区域处的等离子体的浓度较小。


技术实现要素：

3.本技术公开一种上电极组件和半导体工艺设备，能够缓解目前反应腔室内边缘处和中心区域内等离子体的浓度仍然存在一定差异的情况。
4.为了解决上述问题，本技术实施例是这样实现地：
5.第一方面，本技术实施例提供了一种上电极组件，用于半导体工艺设备中，设置于反应腔室上，所述上电极组件包括：
6.上电极盖板，所述上电极盖板用于设置在所述反应腔室的顶部开口上；
7.匀流板，所述匀流板设置于所述上电极盖板朝向所述反应腔室一侧的表面上；
8.接触电极，所述接触电极设置于所述匀流板背离所述上电极盖板的一侧的表面上；
9.阻抗环，所述阻抗环固定于所述匀流板上，所述阻抗环环绕于所述接触电极的外周，所述阻抗环为介质材质，且所述阻抗环的电导率小于所述接触电极的电导率；所述接触电极背离所述匀流板一侧的表面位于所述阻抗环环绕区域内，且与所述阻抗环背离所述匀流板一侧的表面之间具有预设间距。
10.第二方面，本技术实施例提供一种半导体工艺设备，其包括反应腔室、匹配器和射频电源，所述反应腔室内设有基座，所述射频电源通过所述匹配器向所述基座上馈入射频，还包括上述上电极组件。
11.本技术实施例提供一种上电极组件，其包括上电极盖板、匀流板、接触电极和阻抗环，其中，上电极盖板设置在半导体工艺设备的反应腔室的顶部开口上，从而使整个上电极组件能够与反应腔室形成配合关系，匀流板设置在上电极盖板朝向反应腔室一侧的表面上，接触电极和阻抗环均设置在匀流板背离上电极盖板一侧的表面上，且阻抗环环绕于接触电极的周围。
12.在上述上电极组件应用至半导体工艺设备中时，上电极组件亦安装在反应腔室上，盖板盖设在反应腔室的顶部开口，匀流板、接触电极和阻抗环则通过顶部开口伸入至反应腔室内，在接触电极外周环绕设置有阻抗环的情况下，接触电极的尺寸会相对较小，由于
阻抗环为介质材料，且阻抗环的电导率小于接触电极的电导率，使得上电极组件上形成的电流在流动至接触电极的边缘时，会越过阻抗环直接沿匀流板流动，进而使得上电极组件上形成的电流路径对应于反应腔室边缘的区域的部分与基座之间的间距变大，从而使反应腔室边缘区域形成的电场的强度变小，降低基座对位于反应腔室边缘区域内的等离子体的吸引强度，进而降低反应腔室边缘区域内的等离子体浓度，提升反应腔室内等离子体浓度的均匀性。
13.并且，通过使接触电极背离匀流板一侧的表面位于阻抗环环绕区域内，且与阻抗环背离匀流板一侧的表面之间具有预设间距，可以进一步降低上电极组件上电流对应于反应腔室边缘区域的大小，从而进一步降低反应腔室边缘区域的电场大小，降低反应腔室边缘区域的等离子体浓度，提升反应腔室中等离子体浓度的均匀性。
附图说明
14.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
15.图1是现有技术中上电极组件的结构示意图；
16.图2是现有技术中上电极组件的电流路径示意图；
17.图3是现有技术中上电极组件上的电流分布情况示意图；
18.图4是本技术实施例公开的上电极组件上的电流分布情况示意图；
19.图5是本技术实施例公开的上电极组件的结构的示意图；
20.图6是本技术实施例公开的上电极组件的电流路径示意图；
21.图7是现有技术中上电极组件对应的反应腔室中刻蚀速率的分布示意图；
22.图8是本技术实施例公开的上电极组件对应的反应腔室中刻蚀速率的分布示意图；
23.图9是本技术实施例公开的半导体工艺设备的结构示意图。
24.附图标记说明：
25.100-接触电极、100＇-接触电极、
26.200-阻抗环、210-避让倒角、
27.310-安装座、320-螺母、
28.400-匀流板、400＇-匀流板、
29.500-上电极盖板、500＇-上电极盖板、
30.600-反应腔室、
31.700-基座、
32.810-匹配器、820-射频馈线。
具体实施方式
33.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
34.以下结合附图，详细说明本技术各个实施例公开的技术方案。
35.本技术实施例公开一种上电极组件，该上电极组件可以应用在半导体工艺设备中。采用该上电极组件，可以降低反应腔室中边缘区域的等离子体的浓度，进而使反应腔室中边缘区域的等离子体浓度与中心区域的等离子体浓度更接近，提升反应腔室中等离子体浓度的均匀性，进而提升刻蚀速率的均匀性。
36.如图1和图2所示，目前的半导体设备中，通常包括上电极盖板500＇、接触电极100＇和匀流板400＇等，其中，接触电极100＇固定在匀流板400＇，匀流板400＇固定在上电极盖板500＇上。整个上电极组件与半导体工艺设备的反应腔室配合，具体来说，上电极组件安装在反应腔室上，且在上电极盖板500＇盖设在反应腔室的顶部开口，匀流板400＇和接触电极100＇均通过反应腔室的顶部开口伸入至反应腔室之内，接触电极100＇可以使经上电极组件通入反应腔室内的工艺气体转化为等离子体，并且，上电极组件中的接触电极100＇与反应腔室中的基座相对设置，且接触电极100＇的边缘基本与基座的边缘吻合，使接触电极100＇和基座之间形成对应的电场，控制等离子体的运动方向，使等离子体向靠近基座的方向运动，达到借助等离子体刻蚀支撑于基座上的晶圆的目的。
37.由于目前的半导体工艺设备采用上述技术方案，上电极组件的接触电极100＇表面的电流所在的方向以其中心向边缘呈放射状分布，随着电荷在接触电极100＇表面的累积，导致接触电极100＇中越远离中心的区域的电流的值越大，进而出现反应腔室中对应于基座和接触电极100＇的边缘区域的位置对等离子体的吸引强度相对更大的情况，从而相较于反应腔室的中心区域而言，使得反应腔室中边缘区域的等离子体的浓度则相对更大，最终造成晶圆上不同区域的刻蚀速率不同，晶圆的刻蚀均匀性较差。
38.针对上述问题，相比于现有的半导体工艺设备，如图5-图9所示，本技术公开一种上电极组件和半导体工艺设备，相似地，上电极组件亦包括上电极盖板500、匀流板400和接触电极100这些基础部件，另外，本技术实施例公开的上电极组件还包括阻抗环200。
39.其中，上电极盖板500为整个上电极组件的基础结构件，上电极组件中的其他部件均可以安装在上电极盖板500上。上电极盖板500与反应腔室600之间可以通过扣合的方式直接连接，亦可以借助铰链等结构形成侧掀式结构，降低盖板的开合难度。另外，为了提升反应腔室600的密封程度，可以在上电极盖板500和反应腔室600之间设置密封槽和密封圈，密封圈的一部分容纳在密封槽内，以在上电极盖板500与反应腔室600相互配合时，通过挤压密封圈，提升反应腔室600的密封效果。另外，上电极盖板500上还设置有气体通道，送气机构可以与上电机盖板上的气体通道的一端连通，以通过气体通道向反应腔室600内输送工艺气体。
40.匀流板400可以提供匀流作用的部件，从而使自上电极盖板500的气体通道中通入的工艺气体经匀流板400匀流，使工艺气体扩散，以均匀地覆盖反应腔室600中的更多区域，从源头上提升反应腔室600中不同区域处等离子体的均匀性。匀流板400上设置有多个匀流通道，多个匀流通道均与上电极盖板500的气体通道连通，从而使自气体通道通入的工艺气体在多个匀流通道的作用下进行匀流，更为分散且均匀地被通入至反应腔室600中。匀流板400设置在上电极盖板500朝向反应腔室600的一侧的表面上，二者之间可以通过连接件形成固定连接关系，从而保证匀流板400能够稳定地安装在上电极盖板500上。
41.接触电极100为上电极组件中与外接电源电性连接的部件，以使工艺气体在反应
腔室600内转化为能够刻蚀晶圆的等离子体。当然，接触电极100上亦对应匀流板400的匀流通道设置有多个进气孔，多个进气孔与多个匀流通道连一一对应地连通，从而使工艺气体能够经多个进气孔进入反应腔室600中。接触电极100设置在匀流板400背离上电极盖板500的一侧的表面上，具体地，接触电极100可以通过连接件固定在匀流板400上，或者，亦可以通过卡持结构等部件，将接触电极100固定在匀流板400背离上电极盖板500的一侧表面。
42.阻抗环200固定于匀流板400上，具体地，可以通过连接件或卡接件将阻抗环200固定在匀流板400背离上电极盖板500的一侧。阻抗环200为环状结构件，其具体形状基于接触电极100的形状确定，通常地，接触电极100为圆形结构件，则阻抗环200可以为圆环状结构件，阻抗环200环绕设置于接触电极100的外周。阻抗环200为介质材料，且阻抗环200的电导率小于接触电极100的电导率，从而借助阻抗环200改变整个上电极组件上电流的具体走向，改变半导体工艺设备中电场的分布情况，从而达到改变反应腔室600中等离子体的分布情况的目的。
43.具体地，阻抗环200采用电介质材料制成，更具体地，阻抗环200可以为陶瓷件或石英件，也即，可以采用陶瓷材料或石英材料形成阻抗环200，这可以保证阻抗环200的电导率小于接触电极100的电导率。在组装阻抗环200的过程中，可以通过粘接等方式将阻抗环200固定在匀流板400背离上电极盖板500的一侧。
44.并且，在布设阻抗环200的过程中，还使得接触电极100背离匀流板400一侧的表面位于阻抗环200环绕区域内，且与阻抗环200背离匀流板400一侧的表面具有预设间距。换句话说，在组装阻抗环200的过程中，使阻抗环200的一侧表面位于接触电极100中背离匀流板400一侧表面背离匀流板400的一侧。简单地说，接触电极100背离匀流板400一侧的表面位于阻抗环200背离匀流板400一侧的表面与匀流板400之间，以使接触电极100相对于阻抗环200内缩设置。具体地，可以根据实际需求，通过改变阻抗环200的具体安装位置，以及控制阻抗环200的厚度等方式，控制阻抗环200背离匀流板400的一侧表面与接触电极100背离匀流板400的一侧表面的间距，以控制上电极上射频电流的流向，调节边缘等离子体的浓度。
45.如图3和图4所示，上电极中心到边缘的电流分布可仿真，图3是现有技术中上电极组件上的电流分布情况示意图，图4是本技术实施例公开的上电极组件上的电流分布情况示意图。通过对比可知，本技术实施例公开的上电极组件电流均匀性得到很大提升，这会提升等离子体分布的均匀性，进而提升量产配方的均匀性。
46.本技术实施例提供一种上电极组件，其包括上电极盖板500、匀流板400、接触电极100和阻抗环200，其中，上电极盖板500设置在半导体工艺设备的反应腔室600的顶部开口上，从而使整个上电极组件能够与反应腔室600形成配合关系，匀流板400设置在上电极盖板500朝向反应腔室600一侧的表面上，接触电极100和阻抗环200均设置在匀流板400背离上电极盖板500一侧的表面上，且阻抗环200环绕于接触电极100的周围。
47.在上述上电极组件应用至半导体工艺设备中时，上电极组件亦安装在反应腔室600上，盖板盖设在反应腔室600的顶部开口，匀流板400、接触电极100和阻抗环200则通过顶部开口伸入至反应腔室600内。如图5、6和9所示，在接触电极100外周环绕设置有阻抗环200的情况下，接触电极100的尺寸会相对较小，以使接触电极和晶圆的尺寸相当。而现有技术中，接触电极的直径普遍和反应腔室的内径相当，远大于晶圆的直径，尺寸的原因同样会导致边缘和中部电流不均匀，影响等离体分布的均匀性。另外，由于阻抗环200为介质材料，
且阻抗环200的电导率小于接触电极100的电导率，使得上电极组件上形成的电流在流动至接触电极100的边缘时，会越过阻抗环200直接沿匀流板400流动，进而使得上电极组件上形成的电流路径对应于反应腔室600边缘的区域的部分与基座700之间的间距变大，从而使反应腔室600边缘区域形成的电场的强度变小，降低基座700对位于反应腔室600边缘区域内的等离子体的吸引强度，进而降低反应腔室600边缘区域内的等离子体浓度，提升反应腔室600内等离子体浓度的均匀性。
48.并且，通过使接触电极100背离匀流板400一侧的表面位于阻抗环200环绕区域内，且与阻抗环200背离匀流板400一侧的表面之间具有预设间距，可以进一步降低上电极组件上电流对应于反应腔室600边缘区域的大小，从而进一步降低反应腔室600边缘区域的电场大小，降低反应腔室600边缘区域的等离子体浓度，提升反应腔室600中等离子体浓度的均匀性。另外，由于接触电极100的尺寸减小，使得阻抗环200能够遮挡匀流板400和上电极盖板500裸露于反应腔室600中的区域，尽量防止等离子体刻蚀上电极盖板500和匀流板400，保证上电极盖板500和匀流板400的完整性，且防止反应腔室600内的晶圆被污染。
49.如上所述，在组装阻抗环200的过程中，可以通过控制厚度小于接触电极100的阻抗环200的安装位置，使阻抗环200背离匀流板400一侧的表面位于接触电极100背离匀流板400一侧的表面背离匀流板400的一侧。在本技术的另一实施例中，阻抗环200的厚度大于接触电极100的厚度，且通过使阻抗环200朝向匀流板400的表面与接触电极100朝向匀流板400的表面平齐，亦可以保证接触电极100背离匀流板400一侧的表面位于阻抗环200环绕区域内。并且，在采用上述实施例时，还可以阻抗环200与匀流板400之间的间距更小，甚至使二者之间相互贴合，尽量防止等离子体刻蚀匀流板400。另外，在上述实施例中，阻抗环200、接触电极100和匀流板400三者之间的组装难度也相对较小。具体地，阻抗环200的实际厚度可以根据具体情况确定，此处不作限定。
50.另外，为了降低等离子体自阻抗环200的内环壁与接触电极100背离匀流板400一侧的表面形成的空间内扩散出来的难度，可选地，阻抗环200的内环壁在背离匀流板400的一侧设有避让倒角210，通过设置避让倒角210，一方面可以扩大前述空间的大小，且基本可以消除阻抗环200的内环壁与接触电极100背离匀流板400一侧的表面形成的空间的死角；另一方面，还可以借助避让倒角210为等离子体的运动过程提供导向作用，进一步提升等离子体的扩散效果。具体地，避让倒角210的表面的截面可以为直线，亦可以为弧线，避让倒角210的尺寸参数可以根据阻抗环200背离匀流板400一侧的表面与接触电极100背离匀流板400一侧的表面之间的间距确定，此处不作限定。
51.如上所述，阻抗环200背离匀流板400一侧的表面与接触电极100背离匀流板400一侧的表面之间的间距可以根据实际情况确定，在本技术的一个具体实施例中，可选地，阻抗环200背离匀流板400一侧的表面与接触电极100背离匀流板400一侧的表面之间的预设间距可以在0.3～1.5mm之间，在这种情况下，可以保证等离子体自阻抗环200的内环壁与接触电极100背离匀流板400一侧的表面之间的空间的扩散性能相对较好。
52.如上所述，接触电极100和阻抗环200均安装在匀流板400背离上电极盖板500的一侧，且可以使阻抗环200和接触电极100各自朝向匀流板400的表面相互平齐，在这种情况下，匀流板400朝向接触电极100的一侧可以设有安装平面，且使接触电极100和匀流板400均直接贴合固定在安装平面上。在本技术的另一实施例中，匀流板400上设有周向环绕的避
让沉台，避让沉台自匀流板400背离上电极盖板500一侧表面向靠近上电极盖板500所在的方向下沉设置，采用前述技术方案，可以进一步控制上电极组件的电流路径，从而使电路路径中对应于反应腔室600边缘区域的部分与基座700之间的间距更大，从而进一步降低反应腔室600的边缘区域对应于上电极组件的部分与基座700上对应部分之间的电场强度，进而降低基座700对反应腔室600边缘区域中的等离子体的吸引效果，从而进一步提升反应腔室600中不同区域的等离子体的均匀程度。具体地，避让沉台的下沉尺寸可以根据接触电极100和基座700的实际尺寸和相对位置确定，此处不作限定。
53.基于上述实施例公开的匀流板400的结构，在组装阻抗环200和接触电极100的过程中，为了保证阻抗环200能够环绕接触电极100设置，可以使阻抗环200与避让沉台相对设置，且使接触电极100设置在匀流板400的避让沉台环绕的区域内。具体地，可以使接触电极100通过阻抗环200间接地安装在匀流板400上，阻抗环200可以通过螺纹连接件等固定在匀流板400上，保证阻抗环200和接触电极100均能够与匀流板400形成可靠的固定连接关系。
54.为了进一步提升阻抗环200和匀流板400之间的连接可靠性，本技术实施例公开的上电极组件还可以包括安装座310，安装座310固定在避让沉台内，阻抗环200通过安装座310固定于匀流板400，且使阻抗环200与避让沉台相对设置。另外，通过使安装座310容纳于避让沉台内，还可以尽量避免等离子体进入阻抗环200与避让沉台之间的间隙而对匀流板400产生刻蚀效果，保证匀流板400的使用寿命相对较长。可选地，阻抗环200和安装座310之间可以通过粘接或卡接等方式相互固定，在借助连接件或限位件等，将安装座310固定在匀流板400(和/或上电极盖板500)上，使阻抗环200与上电极盖板500形成可靠的固定连接关系。
55.在本技术的另一实施例中，阻抗环200和安装座310之间可以通过可拆卸的方式固定连接。可选地，可以采用螺栓和螺母这类可拆卸连接件固定连接阻抗环200和安装座310。具体地，通过使螺栓穿过阻抗环200和安装座310设置，且使螺母320与螺栓连接，即可将阻抗环200和安装座310固定连接在一起，这种连接方式相对简单，且连接可靠性较高。
56.可选地，阻抗环200和安装座310之间的连接件可以对应避让沉台设置，在本技术的另一实施例中，可以使连接件位于阻抗环200和安装座310沿接触电极100的径向远离避让沉台处，也即，连接件设置在避让沉台背离接触电极100的外侧，在这种情况下，连接件的具体结构所受的限制相对较少，且可以保证安装座310能够与避让沉台背离上电极盖板500的表面贴合设置，提升对匀流板400的保护效果。
57.基于上述任一实施例公开的上电极组件，本技术实施例还公开一种半导体工艺设备，其包括反应腔室600、匹配器810和射频电源，其中，反应腔室600内设置有基座700，射频电源通过匹配器810向基座700上馈入射频，具体地，匹配器810与基座700之间通过射频馈线820连接。并且，半导体工艺设备还包括上述任一上电极组件，上电极组件安装在反应腔室600上。
58.进一步地，沿接触电极100的厚度方向，接触电极100在基座700上的投影位于基座700上用于支撑晶圆的支撑面所在的区域内。采用前述技术方案，可以保证接触电极100所在的区域均能够与基座700相互配合，且形成电场，保证接触电极100的利用效率较高。相比现有技术，本技术的上电极结构径向尺寸减少，接触电极的尺寸和晶圆的尺寸相当。具体的，接触电极的直径为晶圆直径的1.1倍，使等离子体更好地集中在晶圆上方区域，提高了
等离体的均匀性，并且使用缩小的上电极机构也可以减少耗材的成本，并方便维护。
59.图7是现有技术中上电极组件对应的反应腔室中刻蚀速率的分布示意图，图8是本技术实施例公开的上电极组件对应的反应腔室中刻蚀速率的分布示意图；通过根据如下的刻蚀条件进行刻蚀速率对比：
60.腔室压力：250mt、高频电源：hf 1000w、低频电源：lf 1000w、气体流量：四氟甲烷cf4 125sccm/三氟甲烷chf3 25sccm/氩气ar 150sccm/氮气n2 50sccm、刻蚀时间：30s。
61.通过对比可以发现，现有技术的刻蚀速率的中间速率远低于边缘速率，而本技术实施例的刻蚀速率中间与边缘的差距明显缩小，均匀性改善效果明显。
62.本技术上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
63.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。