CN106816396A - 一种等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置，包括：处理腔室；设置在处理腔室上方的上电极板；多个电感耦合线圈，其设置于所述处理腔室的上方，且从所述上电极板伸出，并螺旋状地围绕所述上电极板；静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；下电极板，其位于所述静电卡盘下方，其中，所述上电极板与第一上射频电源连接，所述下电极板与下射频电源和直流偏压源连接。本发明的等离子体处理装置，兼具CCP和ICP等离子体的基础上，进一步增强了ICP的作用，使得等离子密度增加，并且通过施加同步射频偏压和异步直流偏压，可以调节ACP等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和和处理的精确性。

Description

一种等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种等离子体处理装置。

背景技术

等离子体处理是半导体设备的制造中不可缺少的技术，目前等离子体产生源可分为电感藕合等离子体(ICP)和电容耦合等离子体(CCP)。使用CCP的优点是具有高的工艺可再现性且相对于光致抗蚀剂膜具有高的蚀刻选择性，然而其受制于产生的等离子体的密度低，从而带来巨大的能量消耗。另一方面，尽管使用ICP有利于获得高密度的等离子体从而减少能量消耗，同时能够实现对等离子体密度和离子能量的独立控制，但其缺点在于相对于光致抗蚀剂膜的低选择性以及低的工艺可再现性。为了同时具有CCP和ICP的优点，最近提出了自适应藕合等离子体(ACP)。

图1示出根据现有技术实施方式的ACP等离子体处理装置的结构示意。图2为图1中所示的ACP源的俯视图。参照图1和图2，具有ACP等离子体源100的等离子体处理装置包括外壳210，所述外壳210限定用于在其中产生等离子体400的处理腔室200。晶片支撑220设置于等离子体处理腔室200的内部空间的下部区域，适于在其上支撑晶片300。ACP源100设置在外壳210的上表面。所述ACP源包括位于其中心的上电极板110和从所述上电极板110伸出以螺旋状地围绕该上电极板110的单元线圈120。所述平板形晶片支撑220连接于下射频(RF)电源230，而所述上电极板110连接于上射频电源240。具有上述结构的ACP源100通过下侧平板形晶片支撑220和上电极板110显示出CCP源的优点，且通过单元线圈120显示出ICP源的优点。

然而，这种具有ACP等离子体源100的等离子体处理装置仍然存在电子温度较高，易于造成衬底损伤的问题。因此有必要提出一种改进的等离子体处理装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种改进的等离子体处理装置可以调节ACP等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和和处理的精确性。

本发明的一个实施例提供一种等离子体处理装置，用于产生自适应耦合等离子体，并通过该等离子体对被处理体实施等离子体处理，其特征在于，该等离子体处理装置包括：处理腔室；设置在处理腔室上方的上电极板；多个电感耦合线圈，其设置于所述处理腔室的上方，且从所述上电极板伸出，并螺旋状地围绕所述上电极板；静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；下电极板，其位于所述静电卡盘下方，其中，所述上电极板与第一上射频电源连接，所述下电极板与下射频电源和直流偏压源连接。

进一步地，所述多个电感耦合线圈包括相对所述上电极板螺旋向下的部分和相对所述上电极板螺旋向上的部分。

进一步地，所述第一上射频电源的脉冲与所述下射频电源的脉冲相位相同。

进一步地，所述第一上射频电源与所述下射频电源的频率相同。

进一步地，所述第一上射频电源与所述下射频电源的频率不同。

进一步地，所述第一上射频电源的脉冲与所述直流偏压源的脉冲相位相反。

进一步地，所述上电极板还连接有第二上射频电源。

进一步地，所述第一上射频电源的脉冲与第二上射频电源的脉冲的相位相反。

进一步地，所述下射频电源的频率可调。

进一步地，所述上电极板和所述下电极板之间的距离可调。

本发明的等离子体处理装置，兼具CCP和ICP等离子体的基础上，进一步增强了ICP的作用，使得等离子密度增加，并且通过施加同步射频偏压和异步直流偏压，可以调节ACP等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和和处理的精确性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1示出根据现有技术实施方式的ACP等离子体处理装置的结构示意；

图2为图1中所示的ACP源的俯视图；

图3示出了根据本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图4示出了图3中的等离子体处理装置的上电极板和电感耦合线圈的放大的截面图；

图5示出图3中的等离子体处理装置所使用的各电源的脉冲波形图；

图6A～图6C示出了根据本发明的等离子体处理装置施加不同的偏压源时等离子体的能量分布变化示意图；

图7示出使用同步脉冲可能产生峰值能量较高的等离子体；

图8示出了根据本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；

图9示出图8中的等离子体处理装置所使用的各电源的脉冲波形图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

实施例一

图3示出了根据本发明一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；图4示出了图3中的等离子体处理装置的上电极板和电感耦合线圈的放大的截面图。参照图3和图4，具有ACP等离子体源400的等离子体处理装置包括外壳510，所述外壳510限定用于在其中产生等离子体400的处理腔室500。静电卡盘520设置于等离子体处理腔室500的内部空间的下部区域，用于承载诸如晶片300的被处理体。在所述静电卡盘520下方或内部设置有下电极板(图未示)，用于与射频电源连接。

此外，在静电卡盘520表面以相对于静电卡盘520的表面能够伸出返回的方式设置有用于支撑晶片300以使其进行升降的晶片支撑销(未图示)。在静电卡盘520下方设置有支撑静电卡盘520的支撑部件，且其中优选地设置有可以进行伸缩的机构，以调节静电卡盘520/下电极板的高度(未图示)，进而调节等离子体能量。

可以理解的是，在本实施方式，静电卡盘520和下电极板集成在一起，而在其他实施方式中，静电卡盘520和下电极板可以是分离的，或者静电卡盘520和下电极板合并为一个部件，此时其由导体构成。

所述ACP源400设置在外壳510的上表面。所述ACP源包括位于其中心的上电极板410和从所述上电极板410伸出以螺旋状地围绕该上电极板410的多个电感耦合线圈420。所述下电极板连接于下射频(RF)电源530和直流偏压源540，而所述上电极板410连接于第一上射频电源550。具有上述结构的ACP源400通过下电电极板和上电极板410显示出CCP源的优点，且通过多个电感耦合线圈420显示出ICP源的优点。

在本实施例中，为了进一步提高等离子体的密度，使具有ACP等离子体源400的等离子体处理装置显示更多ICP等离子体的特点，本实施例一方面增大上电极板与处理腔室500顶壁的距离d，以增大上电极板和下电极板之间的距离，从而减弱CCP等离子体的作用，另一方面所述多个电感耦合线圈420从所述上电极板410伸出后，一部分相对所述上电极板410螺旋向下延伸，如图4中420A所示；一部分相对所述上电极板410螺旋向上延伸，如图4中420B所示。这样，进一步增加了ICP等离子体的作用，便于增加等离子体密度，并降低能量消耗。

同时，为了具有ACP等离子体源400的等离子体处理装置具有高蚀刻选择性，如图5所示，在本实施例中，所述第一上射频电源550的脉冲与所述下射频电源530的脉冲相位相同，所述第一上射频电源550的脉冲与所述直流偏压源540的脉冲相位相反。

示例性地，在本实施例，第一上射频电源550的频率为13.56MHZ，下射频电源530的频率为13.56MHZ或2MHZ或几百KHZ。即，第一上射频电源550与下射频电源530的频率可以相同，也可以不同。或者，可选地，所述下射频电源530的频率可调，以根据需要选择合适的频率。

下面结合6A～图6C来说明本实施例上述射频电源和偏压电源的设置优点。

如图6A所示，其示出一种施加不同偏压的等离子装置处理装置的离子能量分布图示，由图6A可知，对于不同的偏压，其获得离子能量不同，并且离子能量分布范围较广，表现在图6A即为离子能量的峰较宽，而图6B示出的等离子装置处理装置中，由于施加的射频偏压为同步脉冲，因而使得离子能量分布范围较窄，表现在图6B即为离子能量的峰较窄。进一步，在图6C示出的等离子装置处理装置中，由于同时施加的射频偏压和直流偏压，且射频偏压同步脉冲，直流偏压为异步脉冲，因而使得离子能量分布范围不仅较窄，而且通过调节直流偏压还可调节离子能量的大小，即离子能量峰的高低。

由此可见，在本实施例中，一方面，通过使施加在上电极板410和电感耦合线圈的第一上射频电源的脉冲与施加在下电极板510上的下射频电源530的脉冲相位相同，使得等离子体的能量分布较窄，这样可以实现精确处理，比如Si-Si键能为2.3eV左右，而SiN的键能为3.5eV，而通过使等离子体的能量分布变窄，比如可使等离子体的等量分布集中在2ev～2.5ev之间，使得形成的ACP等离子体的能量只够打断Si-Si键，而不够打断Si-N键，从而实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。

另一方面，通过直流偏压源540在下电极板520上施加直流偏压，同时使该直流偏压的脉冲与第一上射频电源550的脉冲相位相反，因而可以调节形成的ACP等离子体的能量，这样更进一步实现上述只打断Si-Si键，而不打断Si-N键，即实现精确处理或者实现等离子体刻蚀中的高选择性。比如通过精确控制ACP等离子体的能量，在刻蚀中仅去除氮化硅，而不去除氧化硅或多晶硅。

综上可知，在本实施例中，通过施加同步射频偏压和异步直流偏压，可以调节ACP等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和和处理的精确性。

实施例二

图7示出使用同步脉冲可能产生峰值能量较高的等离子体，由图7可知，当在上电极板和电感耦合线圈上的施加的射频电源与在下电极板上施加的射频偏压同步脉冲时，有可能在某些相位延迟的情况下或射频电源和射频偏压相位相差某一角度时，产生峰值能量非常高的等离子体，该等离子体会造成衬底等器件的损伤，为了克服这一困难，我们在上电极板和电感耦合线圈上同时施加两种射频源功率，而两种射频源功率相反，相互作用下可以避免上述可能产生的峰值能量非常高的等离子体。

图8示出了根据本发明另一实施例的等离子体处理装置的结构示意图；图9示出图8中的等离子体处理装置所使用的各电源的脉冲波形图。如图8和图9所示，具有ACP等离子体源500的等离子体处理装置包括外壳710，所述外壳710限定用于在其中产生等离子体400的处理腔室700。静电卡盘720设置于等离子体处理腔室700的内部空间的下部区域，用于承载诸如晶片300的被处理体。在所述静电卡盘720下方或内部设置有下电极板(图未示)，用于与射频电源连接。

此外，在静电卡盘720表面以相对于静电卡盘720的表面能够伸出返回的方式设置有用于支撑晶片300以使其进行升降的晶片支撑销(未图示)。在静电卡盘720下方设置有支撑静电卡盘720的支撑部件，且其中优选地设置有可以进行伸缩的机构，以调节静电卡盘720/下电极板的高度(未图示)，进而调节等离子体能量。

所述ACP源500设置在外壳710的上表面。所述ACP源包括位于其中心的上电极板510和从所述上电极板510伸出以螺旋状地围绕该上电极板510的多个电感耦合线圈520。所述下电极板连接于下射频(RF)电源730和直流偏压源740，而所述上电极板510连接于第一上射频电源750和第二上射频电源760。具有上述结构的ACP源500通过下电电极板和上电极板510显示出CCP源的优点，且通过多个电感耦合线圈520显示出ICP源的优点。

在本实施例中，为了进一步提高等离子体的密度，使具有ACP等离子体源500的等离子体处理装置显示更多ICP等离子体的特点，本实施例中上电极板510和电感耦合线圈520的设置方式与前述实施例中上电极板410和电感耦合线圈420的设置方式相同，这样一方面增大上电极板510与处理腔室700顶壁的距离，以增大上电极板和下电极板之间的距离，从而减弱CCP等离子体的作用，另一方面所述多个电感耦合线圈520从所述上电极板510伸出后，一部分相对所述上电极板510螺旋向下延伸，一部分相对所述上电极板510螺旋向上延伸，进一步增加了ICP等离子体的作用，便于增加等离子体密度，并降低能量消耗。

同时，为了具有ACP等离子体源500的等离子体处理装置具有高蚀刻选择性，如图9所示，在本实施例中，所述第一上射频电源750的脉冲与所述下射频电源730的脉冲相位相同，所述第一上射频电源750的脉冲与所述直流偏压源740的脉冲相位相反。

示例性地，在本实施例，第一上射频电源750的频率为13.56MHZ，下射频电源70的频率为13.56MHZ或2MHZ或几百KHZ。即，第一上射频电源750与下射频电源730的频率可以相同，也可以不同。或者，可选地，所述下射频电源730的频率可调，以根据需要选择合适的频率。

进一步地，在本实施例中，在上电极板510上还同时施加有第二上射频电源，如图9所示该第二上射频电源760与第一上射频电源750的脉冲相位相反，从而通过彼此相反的作用，来避免高峰值能量等离子的产生。

同样，在本实施例中，通过施加同步射频偏压和异步直流偏压，可以调节ACP等离子体的能量集中分布于工艺需求的范围内，大大提高了设备的灵活性和和处理的精确性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种等离子体处理装置，用于产生自适应耦合等离子体，并通过该等离子体对被处理体实施等离子体处理，其特征在于，该等离子体处理装置包括：

处理腔室；

设置在处理腔室上方的上电极板；

多个电感耦合线圈，其设置于所述处理腔室的上方，且从所述上电极板伸出，并螺旋状地围绕所述上电极板；

静电卡盘，其设置在所述处理腔室中，用于承载被处理体；

下电极板，其位于所述静电卡盘下方，

其中，所述上电极板与第一上射频电源连接，所述下电极板与下射频电源和直流偏压源连接。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述多个电感耦合线圈包括相对所述上电极板螺旋向下的部分和相对所述上电极板螺旋向上的部分。

3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一上射频电源的脉冲与所述下射频电源的脉冲相位相同。

4.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一上射频电源与所述下射频电源的频率相同。

5.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一上射频电源与所述下射频电源的频率不同。

6.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一上射频电源的脉冲与所述直流偏压源的脉冲相位相反。

7.如权利要求1-6之一所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述上电极板还连接有第二上射频电源。

8.如权利要求7所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述第一上射频电源的脉冲与第二上射频电源的脉冲的相位相反。

9.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述下射频电源的频率可调。

10.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述上电极板和所述下电极板之间的距离可调。