半导体加工设备及等离子体产生方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体加工设备及等离子体产生方法。

背景技术：

在诸如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、太阳能刻蚀(PECVD)等的半导体加工设备中，利用射频电源将射频能量传输至反应腔室中，以激发反应腔室中的反应气体形成含有大量活性粒子的等离子体，等离子体和晶片相互作用，完成刻蚀或沉积等的工艺过程。

图1为现有的半导体加工设备的剖视图。请参阅图1，半导体加工设备包括反应腔室11、上电极系统和下电极系统。其中，在下电极系统中，在反应腔室11内设置有用于承载晶片12的静电卡盘14，该静电卡盘14通过第一匹配器24与第一射频电源23电连接。在下电极系统中，在反应腔室11的介质窗18上方，且分别位于中心区域和边缘区域设置有内线圈15和外线圈16，二者与电流分配单元21电连接，电流分配单元21通过第二匹配器20和第二射频电源19电连接。此外，在介质窗18的中心位置处还设置有喷嘴22，用以向反应腔室11内输送反应气体。在进行工艺的过程中，由第二射频电源19提供的射频能量经电流分配单元21的电流分配之后，分别加载至内线圈15和外线圈16上，以使二者产生的电磁场激发由喷嘴22输送至反应腔室11内的反应气体形成等离子体，等离子体的形成区域如图1中示出的区域13。由第一射频电源23加载至静电卡盘14上的射频功率，可以吸引等离子体朝向晶片12的方向运动，并与晶片12相互作用，从而完成晶片的加工。

为了减小等离子体的损失，在上述半导体加工设备中，第一射 频电源23和第二射频电源19均采用脉冲波射频能量，而且二者加载射频能量的频率相等、射频波形的相位同步以及射频能量的脉冲频率和占空比相等，从而实现上电极系统和下电极系统的同步脉冲，进而可以更大限度地减小等离子体的粒子碰撞速率和温度，从而可以减小轰击晶片的粒子能量。内线圈15、外线圈16和静电卡盘14的射频信号的脉冲时序如图2所示。

上述半导体加工设备在实际应用中不可避免地存在以下问题：

其一，在上电极系统和下电极系统同时启辉的情况下，由于脉冲波射频功率的加载时间较短，导致等离子体较难实现启辉，从而工艺窗口较小。

其二，等离子体在脉冲波射频能量下启辉不稳定，造成工艺重复性较差。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种半导体加工设备及等离子体产生方法，其不仅可以扩大工艺窗口，而且可以使等离子体在启辉时更稳定，从而可以提高工艺重复性。

为实现本发明的目的而提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，在所述反应腔室的顶部设置有平板状的介质窗，其特征在于，还包括：内线圈机构，设置在所述介质窗上方的中心区域；外线圈，为平面线圈，其设置在所述介质窗上方，且环绕在所述内线圈机构的周围；第一射频电源和第一匹配器，所述第一射频电源用于通过所述第一匹配器向所述内线圈机构加载连续波射频功率；第二射频电源和第二匹配器，所述第二射频电源用于通过所述第二匹配器向所述外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率。

优选的，所述内线圈机构包括：介质桶，设置在所述介质窗的中心位置处，且与所述反应腔室相连通；并且，在所述介质桶的顶部设置有中心喷嘴，用以向所述介质桶内输送反应气体；内线圈，为立体线圈，且环绕在所述介质桶的外侧，并且与所述第一匹配器电连接。

优选的，所述内线圈机构包括内线圈，所述内线圈为平面线圈，且与所述第一匹配器电连接；在所述介质窗的中心位置处设置有中心喷嘴，用以向所述反应腔室内输送反应气体。

优选的，在所述介质窗的边缘区域内设置有至少三个边缘喷嘴，且沿所述介质窗的周向均匀分布，用于向所述反应腔室内输送反应气体。

优选的，加载至所述内线圈机构的射频频率与加载至所述外线圈的射频频率的比值大于或者等于5:1。

优选的，由所述第一射频电源输出的连续波射频信号的射频频率为40MHz、60MHz或者100MHz。

优选的，由所述第二射频电源输出的脉冲波射频信号的射频频率为2MHz或者13.56MHz。

优选的，由所述第二射频电源输出的脉冲波射频信号的脉冲频率的取值范围在10Hz～100KHz；脉冲占空比的取值范围在1％～99％。

优选的，由所述第二射频电源输出的脉冲波射频信号的脉冲频率为100Hz；脉冲占空比为50％。

优选的，由所述第二射频电源输出的连续波射频信号的射频频率为40MHz、60MHz或者100MHz。

优选的，还包括：基座，设置在所述反应腔室内，用于承载晶片；第三射频电源和第三匹配器，所述第三射频电源用于通过所述第三匹配器向所述基座加载脉冲波射频功率；相位同步电缆，连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；脉冲同步电缆，连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；所述第二射频电源用于通过所述第二匹配器向所述外线圈加载脉冲波射频功率。

优选的，还包括：基座，设置在所述反应腔室内，用于承载晶片；第三射频电源和第三匹配器，所述第三射频电源用于通过所述第三匹配器向所述基座加载脉冲波射频功率；相位同步电缆，连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；所述第二射频电源用于通过所述第二匹配器向所述外线圈加载连续波射频功率。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体产生方法，其利用本发明提供的上述半导体加工设备产生等离子体，包括以下步骤：

S1，开启所述第一射频电源，向所述内线圈机构加载连续波射频功率；

S2，开启所述第二射频电源，向所述外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率。

优选的，所述半导体加工设备还包括基座、第三射频电源、第三匹配器、相位同步电缆和脉冲同步电缆，其中，所述基座设置在所述反应腔室内，用于承载晶片；所述第三射频电源用于通过所述第三匹配器向所述基座加载脉冲波射频功率；所述相位同步电缆连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；所述脉冲同步电缆连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；所述第二射频电源用于通过所述第二匹配器向所述外线圈加载脉冲波射频功率；在所述步骤S2中，在开启所述第二射频电源的同时，开启所述第三射频电源，向所述基座加载脉冲波射频功率。

优选的，所述半导体加工设备还包括基座、第三射频电源、第三匹配器和相位同步电缆，其中，所述基座设置在所述反应腔室内，用于承载晶片；所述第三射频电源用于通过所述第三匹配器向所述基座加载脉冲波射频功率；所述相位同步电缆连接在所述第三射频电源和所述第二射频电源之间；所述第二射频电源用于通过所述第二匹配器向所述外线圈加载连续波射频功率；在所述步骤S2之后，还包括以下步骤：

S3，开启所述第三射频电源，向所述基座加载脉冲波射频功率。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的半导体加工设备，其通过首先利用第一射频电源向内线圈机构加载连续波射频功率，然后利用第二射频电源向外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率，可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提 高工艺重复性。

本发明提供的等离子体产生方法，其通过利用本发明提供的上述半导体加工设备产生等离子体，可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

附图说明

图1为现有的半导体加工设备的剖视图；

图2为图1中内线圈、外线圈和静电卡盘的射频信号的脉冲时序图；

图3A为本发明第一实施例提供的半导体加工设备的剖视图；

图3B为图3A中内线圈机构、外线圈和基座的射频信号的脉冲时序图；

图4A为本发明第二实施例提供的半导体加工设备的剖视图；

图4B为图4A中内线圈机构、外线圈和基座的射频信号的脉冲时序图；

图5为本发明第三实施例提供的半导体加工设备的剖视图；

图6为本发明第一实施例提供的等离子体产生方法的流程图；

图7为本发明第二实施例提供的等离子体产生方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的半导体加工设备及等离子体产生方法进行详细描述。

本发明提供的半导体加工设备，其包括反应腔室、内线圈机构、外线圈、第一射频电源、第一匹配器、第二射频电源和第二匹配器。其中，在反应腔室的顶部设置有平板状的介质窗，内线圈机构设置在该介质窗上方的中心区域；外线圈为平面线圈，其设置在介质窗上方，且环绕在内线圈机构的周围；第一射频电源用于通过第一匹配器向内 线圈机构加载连续波射频功率；第二射频电源用于通过第二匹配器向外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率。

开始工艺时，首先利用第一射频电源向内线圈机构加载连续波射频功率，然后利用第二射频电源向外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率，这可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

下面对半导体加工设备的具体实施方式进行详细描述。具体地，图3A为本发明第一实施例提供的半导体加工设备的剖视图。请参阅图3A，本实施例提供的半导体加工设备包括反应腔室25、介质窗27、内线圈机构、外线圈35、第一射频电源33、第一匹配器34、第二射频电源31、第二匹配器32、基座26、第三射频电源40和第三匹配器41。

其中，介质窗27呈平板状，其设置于反应腔室25的顶部，即用作反应腔室25的顶盖。该介质窗27采用陶瓷或石英等的绝缘材料制作。内线圈机构包括介质桶28和内线圈36。其中，介质桶28设置介质窗27的中心位置处，且与反应腔室25相连通。进一步说，介质桶28为底部具有开口的筒状结构，并且在介质窗27的中心位置处设置有贯穿其厚度的中心通孔，介质桶28设置在介质窗27的上方，且该介质桶28的底部开口与该中心通孔相对应，从而使介质桶28所括空间与反应腔室25相连通。此外，在介质桶28的顶部设置有中心喷嘴29，用以向介质桶28内输送反应气体。内线圈36为立体线圈，且环绕在介质桶28的外侧，并与第一匹配器34电连接，第一射频电源33可以通过第一匹配器34向内线圈36加载连续波射频功率。

外线圈35为平面线圈，其设置在介质窗27的上方，且环绕在内线圈36的周围。并且，外线圈35与第二匹配器32电连接，第二射频电源31可以通过第二匹配器32向外线圈35加载脉冲波射频功率。

基座26设置在反应腔室25内，用于承载晶片39，并且该基座26与第三匹配器41电连接，第三射频电源40用于通过第三匹配器 41向基座26加载脉冲波射频功率。此外，在第三射频电源40和第二射频电源31之间分别设置有相位同步电缆42和脉冲同步电缆43，相位同步电缆42用于实现第三射频电源40和第二射频电源31的射频波形的相位同步。脉冲同步电缆43用于实现第三射频电源40和第二射频电源31的同步脉冲，即，二者的射频频率、脉冲频率和占空比均相等，这可以更大限度地减小等离子体的粒子碰撞速率和温度，从而可以减小轰击晶片的粒子能量，进而可以减小对晶片的损失。

图3B为图3A中内线圈机构、外线圈和基座的射频信号的脉冲时序图。请参阅图3B，在进行工艺的过程中，首先开启第一射频电源33，以通过第一匹配器34向内线圈36加载连续波射频功率，连续波射频信号的射频频率优选为40MHz、60MHz或者100MHz。然后同时开启第二射频电源31和第三射频电源40，第二射频电源31通过第二匹配器32向外线圈35加载脉冲波射频功率，脉冲波射频信号的射频频率优选为2MHz或者13.56MHz；脉冲频率的取值范围在10Hz～100KHz；脉冲占空比的取值范围在1％～99％。例如，脉冲频率为100Hz；脉冲占空比为50％。第三射频电源40通过第三匹配器41向基座26加载脉冲波射频功率，且与第二射频电源31的相位同步、脉冲同步。

工艺开始时，内线圈36激发由中心喷嘴29流入介质桶28内的反应气体形成等离子体。由于介质桶28的内部气压较高，且内线圈36为立体线圈，具有较强的耦合效率，这可以在介质桶28内形成较强的局部电磁场，反应气体经过该局部电磁场后可被高电压电离并形成高密度的等离子体。而且，通过在内线圈36上加载连续波射频功率，可以起到维持等离子体的作用，而且由于由内线圈36激发形成的等离子体已处于启辉状态，当第二射频电源31向外线圈35加载脉冲波射频功率时，由外线圈35激发的等离子体更容易启辉，而且启辉过程更稳定，从而大大降低了启辉难度，更容易实现启辉、阻抗匹配和等离子体状态的稳定，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。另外，由于在介质桶28内形成的等离子体距离晶片39的距离较远，因而其作用于晶片表面的粒子能量较小，不会对晶片39造 成较大的损伤。

优选的，加载至内线圈36的射频频率与加载至外线圈35的射频频率的比值大于或者等于5:1。这可以使在内线圈36上的射频能量与外线圈35上的射频能量之间产生的耦合效应较小，从而该耦合效应对内线圈36激发形成的等离子体状态的影响较小，进而可以保证等离子体的稳定启辉。

优选的，在介质窗27的边缘区域内设置有至少三个边缘喷嘴30，至少三个边缘喷嘴30沿介质窗27的周向均匀分布，用以同时向反应腔室25内输送反应气体。在进行工艺时，可以使边缘喷嘴30与上述中心喷嘴29同时输送反应气体，从而可以在反应腔室25内形成更均匀的气流场，进而可以提高等离子体的分布均匀性。另外，通过分别对第一射频电源33和第二射频电源31的输出功率进行调节，以在反应腔室25内形成更均匀的电磁场，这可以进一步提高等离子体的分布均匀性。

需要说明的是，在实际应用中，还可以根据具体情况省去第三射频电源和第三匹配器，以及脉冲同步电缆和相位同步电缆。在这种情况下，基座可以接地或与直流电源电连接。

还需要说明的是，在实际应用中，半导体加工设备可以为电感耦合等离子体加工设备或者电容耦合等离子体加工设备等等。

图4A为本发明第二实施例提供的半导体加工设备的剖视图。请参阅图4A，本实施例提供的半导体加工设备与上述第一实施例相比，其区别仅在于：第二射频电源31通过第二匹配器32向外线圈35加载连续波射频功率。在这种情况下，应省去脉冲同步电缆，即在在第三射频电源40和第二射频电源31之间仅设置有相位同步电缆42。本实施例提供的半导体加工设备的其他结构和功能与上述第一实施例相同，在此不再赘述。

图4B为图4A中内线圈机构、外线圈和基座的射频信号的脉冲时序图。请参阅图4B，在进行工艺的过程中，首先开启第一射频电源33，以通过第一匹配器34向内线圈36加载连续波射频功率；然后开启第二射频电源31，以通过第二匹配器32向外线圈35加载连 续波射频功率，连续波射频信号的射频频率优选为40MHz、60MHz或者100MHz。然后，开启第三射频电源40，以通过第三匹配器41向基座26加载脉冲波射频功率，脉冲波射频信号的射频频率优选为2MHz或者13.56MHz；脉冲频率的取值范围在10Hz～100KHz；脉冲占空比的取值范围在1％～99％。例如，脉冲频率为100Hz；脉冲占空比为50％。

需要说明的是，在实际应用中，还可以根据具体情况省去第三射频电源和第三匹配器，以及脉冲同步电缆和相位同步电缆。在这种情况下，基座可以接地或与直流电源电连接。

图5为本发明第三实施例提供的半导体加工设备的剖视图。请参阅图5，本实施例与上述各个实施例相比，其区别仅在于：内线圈机构的结构不同，即省去了介质桶，且内线圈为平面线圈。

具体地，在反应腔室50的顶部设置有平板状的介质窗51，且在该介质窗51的中心位置处设置有中心喷嘴53，用以向反应腔室50内输送反应气体。而且，内线圈机构包括内线圈52，该内线圈52为平面线圈，且与第一匹配器34电连接。由于第一射频电源向内线圈52加载连续波射频功率，这同样可以起到维持等离子体的作用，从而当第二射频电源31向外线圈35加载脉冲波射频功率时，由外线圈35激发的等离子体更容易启辉，而且启辉过程更稳定，从而大大降低了启辉难度，更容易实现启辉、阻抗匹配和等离子体状态的稳定，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

本实施例提高的半导体加工设备的其他结构和功能与上述各个实施例相同，由于在上述各个实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本发明上述各个实施例提供的半导体加工设备，其通过首先利用第一射频电源向内线圈机构加载连续波射频功率，然后利用第二射频电源向外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率，可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种等离子体产生方法，其利用本发明提供的上述半导体加工设备产生等离子体，包括以下步骤：

S1，开启第一射频电源，向内线圈机构加载连续波射频功率；

S2，开启第二射频电源，向外线圈加载脉冲波或者连续波射频功率。

这样，可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

图6为本发明第一实施例提供的等离子体产生方法的流程图。请参阅图6，在本实施例中，等离子体产生方法是利用上述第一实施例中的半导体加工设备产生等离子体。由于该半导体加工设备的结构和功能在上述第一实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

下面结合图3A、图3B和图6对本实施例提供的等离子体产生方法进行详细描述，具体包括以下步骤：

S10，向反应腔室25内输送反应气体，并设定反应腔室25的温度及压力，以及确认反应气体的压力值和温度值等是否达到稳定状态。若是，则流程进入步骤S20；若否，则重新设定反应腔室25的温度及压力。

S20，开启第一射频电源33，向内线圈机构加载连续波射频功率；同时，第一匹配器34自动对第一射频电源33的输出阻抗和反应腔室25的输入阻抗进行匹配，若完成匹配，则流程进入步骤S30；若否，则重新匹配。

S30，同时开启第二射频电源31和第三射频电源40。其中，第二射频电源31向外线圈35加载脉冲波射频功率；同时，第二匹配器32对第二射频电源31的输出阻抗和反应腔室25的输入阻抗进行匹配。第三射频电源31向基座26加载脉冲波射频功率；同时，第三匹配器41对第三射频电源31的输出阻抗和基座26的输入阻抗进行匹配，若完成匹配，则判断工艺是否完成，若是，则工艺结束。

由于相位同步电缆42可以实现第三射频电源40和第二射频电 源31的射频波形的相位同步，脉冲同步电缆43可以实现第三射频电源40和第二射频电源31的同步脉冲，即，二者的射频频率、脉冲频率和占空比均相等，这可以更大限度地减小等离子体的粒子碰撞速率和温度，从而可以减小轰击晶片的粒子能量，进而可以减小对晶片的损失。

图7为本发明第二实施例提供的等离子体产生方法的流程图。请参阅图7，在本实施例中，等离子体产生方法是利用上述第二实施例中的半导体加工设备产生等离子体。由于该半导体加工设备的结构和功能在上述第二实施例中已有了详细描述，在此不再赘述。

下面结合图4A、图4B和图7对本实施例提供的等离子体产生方法进行详细描述，具体包括以下步骤：

S100，向反应腔室25内输送反应气体，并设定反应腔室25的温度及压力，以及确认反应气体的压力值和温度值等是否达到稳定状态。若是，则流程进入步骤S200；若否，则重新设定反应腔室25的温度及压力。

S200，开启第一射频电源33，向内线圈机构加载连续波射频功率；同时，第一匹配器34自动对第一射频电源33的输出阻抗和反应腔室25的输入阻抗进行匹配，若完成匹配，则流程进入步骤S300；若否，则重新匹配。

S300，开启第二射频电源31，向外线圈35加载连续波射频功率；同时，第二匹配器32对第二射频电源31的输出阻抗和反应腔室25的输入阻抗进行匹配，若完成匹配，则流程进入步骤S400；若否，则重新匹配。

S400，开启第三射频电源40，向基座26加载脉冲波射频功率；同时，第三匹配器41对第三射频电源40的输出阻抗和基座26的输入阻抗进行匹配，若完成匹配，则判断工艺是否完成，若是，则工艺结束。

由上可知，由于第二射频电源31通过第二匹配器32向外线圈35加载连续波射频功率。在这种情况下，应省去脉冲同步电缆，即在第三射频电源40和第二射频电源31之间仅设置有相位同步电缆 42。并且，第二射频电源31和第三射频电源40应先后顺序开启。

本发明上述各个实施例提供的等离子体产生方法，其通过利用本发明提供的上述半导体加工设备产生等离子体，可以使内圈等离子体始终处于启辉状态，从而在向外线圈加载脉冲波射频功率之后，外圈等离子体很容易启辉、并达到稳定状态，进而不仅可以扩大工艺窗口，而且可以提高工艺重复性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。