等离子体产生装置及包含该装置的半导体设备的制作方法

本发明涉及半导体制造设备领域，具体涉及一种等离子体产生装置及包括该装置的半导体设备。

背景技术：

在半导体刻蚀设备中，通常将射频电源提供的射频能量传输到腔室中，电离高真空状态下的特殊气体(如氩气Ar、氦气He、氮气N2、氢气H2等)，产生含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体。这些活性粒子和置于腔室并曝露在等离子体环境下的晶圆之间发生复杂的相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理和化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成晶圆的刻蚀工艺。

为了实现较高的刻蚀选择比及刻蚀速率，往往采用远程高密度等离子体(remote high density plasma，Remote HDP)，此时待加工晶圆位于等离子体下游，自由基浓度高，离子密度低，可以减少离子轰击导致的掩膜层的损失，因此可以兼顾高刻蚀速率及选择比。对于高刻蚀速率和高等离子体密度的需求使得立体射频线圈的使用成为必然。采用立体射频线圈的立体等离子体产生装置能够产生更高密度的等离子体，从而能够得到更快的刻蚀速率。

图1显示现有半导体刻蚀设备的结构示意图，其采用立体等离子体产生装置。如图1所示，该立体等离子体产生装置包括陶瓷筒4和以立体形式缠绕于陶瓷筒4的外周的射频线圈5，还包括屏蔽罩3和盖板7。屏蔽罩3套设于陶瓷筒4外侧，屏蔽罩3内周壁与陶瓷筒4外周壁之间形成环形空间，盖板7密封环形空间的底部。半导体刻蚀设备包括反应腔8和设置在反应腔8上方的等离子体产生装置。反应腔8与真空装置10(例如分子泵等)连接，将反应腔8制造成真空环境。用于安装待加工晶圆的基座9位于该真空环境中，且等离子体产生装置与基座9相对设置。该半导体刻蚀设置还包括冷却系统，包括冷却风扇1、控温套筒11、导流罩12、水冷散热器13等。冷却系统对陶瓷筒4进行冷却，避免热量积累。

工作时，工艺气体通过陶瓷筒4上方的进气盖板2上的进气孔进入反应腔8，射频线圈5通以射频能量，在反应腔8中形成等离子体。等离子体主要密集于陶瓷筒4的内部，随着等离子体的下移，对安装于基座9上的晶圆进行刻蚀，反应生成物通过真空装置10被抽走。冷却气体从屏蔽罩3底部的进气孔6进入，从控温套筒11底部的进气口进入控温套筒11与陶瓷筒4之间的流道内部，从温控套筒11顶部出口，经导流罩12，并经过水冷散热器13冷却后由冷却风扇1吹入厂务排风系统。图1中的箭头显示了冷却气体的流动方向。

在刻蚀过程中，为了实现较高的刻蚀选择比及刻蚀速率，陶瓷筒4的内径不能过大。根据工艺需求和实验论证，实际应用中陶瓷筒4的内径小于待刻蚀晶圆的外径。由于等离子体主要聚集在陶瓷筒4内，因此分布于晶圆边缘区域的等离子体数量明显低于中心区域，导致晶圆边缘区域的刻蚀速率也明显低于中心区域，带来晶圆不同区域刻蚀速率不均匀的问题。

因此，目前急需一种能够解决晶圆刻蚀均匀性问题的等离子体产生装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种等离子体产生装置及包括该装置的半导体设备，以解决现有技术中的晶圆刻蚀均匀性问题。

为解决上述问题，本发明提供一种等离子体产生装置，所述等离子体产生装置包括主筒和沿所述主筒周向设置的主筒线圈，还包括副筒和沿所述副筒周向设置的副筒线圈，其中，所述副筒设置于所述主筒下方，且所述副筒与所述主筒同轴设置，所述副筒的内径大于所述主筒的内径。

优选地，所述副筒的内径大于待加工工件的外径。

优选地，所述副筒的下端面与待加工工件的上表面之间的距离为10-80mm。

优选地，所述副筒线圈为平面带状线圈。

优选地，所述平面带状线圈的厚度为1.0mm-2.0mm。

优选地，所述主筒线圈和所述副筒线圈分别连接至第一射频系统和第二射频系统。

优选地，所述等离子体产生装置还包括屏蔽罩和盖板，所述屏蔽罩套设于所述主筒和所述副筒外侧，所述屏蔽罩内周壁与所述主筒外周壁之间形成第一环形空间，所述盖板密封所述第一环形空间的底部。

优选地，所述副筒固定设置于所述盖板下表面。

优选地，所述等离子体产生装置还包括用于支撑所述副筒的支撑板，所述屏蔽罩内周壁与所述副筒外周壁之间形成第二环形空间，所述支撑板密封所述第二环形空间的底部。

本发明还提供一种半导体设备，所述半导体设备包括：

反应腔；

基座，设置在所述反应腔内，用于承载待加工工件；以及

上述等离子体产生装置，所述等离子体产生装置设置在所述反应腔的上方，且所述等离子体产生装置与所述基座相对设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在等离子体产生装置中设置副筒和沿副筒周向设置的副筒线圈，且副筒的内径大于主筒的内径，这样分布于待加工工件边缘区域的等离子体数量显著增加，有效补偿边缘区域的等离子体数量，因此有利于提高待加工工件边缘区域的刻蚀速率，平衡中心区域与边缘区域的刻蚀速率，提高了待加工工件整体的刻蚀均匀性。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示现有半导体刻蚀设备的结构示意图；

图2显示根据实施例的包括等离子体产生装置的半导体设备的结构示意图；

图3显示根据实施例的包括等离子体产生装置的半导体设备的局部放大图。

主要附图标记说明：

1-冷却风扇，2-进气盖板，3-屏蔽罩，4-陶瓷筒，5-射频线圈，6-进气孔，7-盖板，8-反应腔，9-基座，10-真空装置，11-控温套筒，12-导流罩，13-水冷散热器；

201-冷却风扇，202-进气盖板，203-屏蔽罩，204-主筒，205-主筒线圈，206-进气孔，207-盖板，208-反应腔，209-基座，210-真空装置，211-控温套筒，212-导流罩，213-水冷散热器，214-支撑板，215-副筒，216-副筒线圈。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下，底、顶、前、后、左、右、内、外”通常是在本发明提供的等离子体产生装置和半导体设备正常使用的情况下定义的，具体地可参考图2所示的图面方向。

本发明实施例提供一种等离子体产生装置，包括主筒和沿主筒周向设置的主筒线圈，还包括副筒和沿副筒周向设置的副筒线圈，其中，副筒设置于主筒下方，且副筒与主筒同轴设置，副筒的内径大于主筒的内径。

在用于半导体设备的等离子体产生装置中，为了实现较高的刻蚀选择比及刻蚀速率，等离子体产生装置的主筒内径不能过大，这导致等离子体在晶圆中心区域和边缘区域的分布不均匀，晶圆中心区域的刻蚀速率明显高于边缘区域。本发明实施例在主筒下方同轴设置副筒，且其内径大于主筒的内径，这样分布于晶圆边缘区域的等离子体数量显著增加，因此有利于提高晶圆边缘区域的刻蚀速率，解决刻蚀速率不均匀的问题。

在一个示例中，副筒的内径大于待加工工件(例如晶圆)的外径，从而可以显著增加分布于待加工工件边缘区域的等离子体数量，有效地平衡待加工工件的中心区域和边缘区域的刻蚀速率。

副筒的下端面与待加工工件之间的距离越近，越有利于控制等离子体在待加工工件表面的分布，但是高温副筒可能会对待加工工件表面造成影响，因此可以根据刻蚀工艺以及用于激发等离子体的射频功率控制副筒与待加工工件之间的距离。在一个示例中，副筒的下端面与待加工工件的上表面之间的距离为10-80mm。

在一个示例中，副筒线圈为平面线圈，平面线圈的特点是使晶圆直接暴露于等离子体环境下，可满足大面积晶圆的处理均匀性，线圈结构可调性强。当然副筒线圈也可为立体线圈，立体线圈的特点是完全解耦合、功率耦合效率高、易起辉、起辉窗口宽、离子和自由基比例可控、承受的功率密度较高。本发明主要用于控制等离子体在晶圆表面的分布，改善待加工工件的刻蚀均匀性。在实施例中，从成本角度考虑，选用平面带状线圈。平面带状线圈的厚度优选为1.0mm-2.0mm。

在一个示例中，等离子体产生装置还包括屏蔽罩和盖板，屏蔽罩套设于主筒和副筒外侧，屏蔽罩内周壁与主筒外周壁之间形成第一环形空间，盖板密封第一环形空间的底部。副筒可以固定设置于盖板下表面，这样可以避免主筒启辉激发的等离子体扩散到盖板与副筒之间的间隙中。或者，副筒与盖板之间可以存在间隙，从而副筒的下端面更接近待加工晶圆的上表面，更利于控制副筒启辉激发的等离子体在晶圆表面的分布。

在一个示例中，主筒线圈和副筒线圈分别连接至第一射频系统和第二射频系统，主筒线圈和副筒线圈分别采用一套射频系统便于实现主筒线圈和副筒线圈各自的功率控制，其缺点在于成本较高。在另一个示例中，主筒线圈和副筒线圈连接至共用的射频系统，这有利于降低成本。在实际应用中，主筒是主要工作区域，副筒仅起到补偿作用，因此加载至主筒线圈的功率一般大于加载至副筒线圈的功率。

在一个示例中，等离子体产生装置还包括用于支撑副筒的支撑板，屏蔽罩内周壁与副筒外周壁之间形成第二环形空间，支撑板密封第二环形空间的底部。

本发明实施例还提供一种半导体设备，包括：

反应腔；

基座，设置在反应腔内，用于承载待加工工件，例如待加工晶圆；

上述的等离子体产生装置，等离子体产生装置设置在反应腔的上方，且等离子体产生装置与基座相对设置。

图2和3分别显示根据实施例的包括等离子体产生装置的半导体设备的结构示意图和局部放大图。以下参考图2和3详细描述实施例的等离子体产生装置及包含该等离子体产生装置的半导体设备的结构和工作原理。

如图2和3所示，根据实施例的等离子体产生装置包括主筒204和沿主筒204周向设置的主筒线圈205，还包括副筒215和沿副筒215周向设置的副筒线圈216，副筒215同轴设置于主筒204下方，副筒215的内径大于主筒204的内径。屏蔽罩203套设于主筒204和副筒215外侧，屏蔽罩203内周壁与主筒204外周壁之间形成第一环形空间，盖板207密封第一环形空间的底部，副筒215固定设置于盖板207下表面。支撑板214支撑副筒215，屏蔽罩203内周壁与副筒215外周壁之间形成第二环形空间，支撑板214密封第二环形空间的底部。

主筒204与副筒215均为圆筒形状，且副筒215的内径大于主筒204的内径，也大于待加工晶圆的外径，从而更有利于等离子体在晶圆边缘区域的分布。

副筒215的下端面始终高于待加工晶圆的上表面，且副筒215的下端面与待加工晶圆的上表面之间的距离为10-80mm。

根据工艺要求和实验论证，副筒线圈216为平面带状线圈，且从刻蚀均匀性方面及成本考虑，平面带状线圈的厚度为1.5±0.5mm，即1.0mm-2.0mm，围绕副筒215周向一圈。。

本实施例的半导体设备包括反应腔208、基座209和设置于反应腔208上方的上述等离子体产生装置。其中，基座209设置在反应腔208内，用于承载待加工晶圆，等离子体产生装置与基座209相对设置。反应腔208与真空装置210(例如分子泵等)连接，将反应腔208制造成真空环境。

工作时，工艺气体由进气盖板202上的进气孔进入等离子体产生腔，主筒线圈205通以射频能量，同时副筒线圈216通以射频能量，在反应腔208中形成等离子体。等离子体主要密集于主筒204和副筒215的内部，随着等离子体的下移，由于副筒215的内径大于晶圆的外径，晶圆边缘区域的等离子数量明显增加，有效的补偿了边缘区域的等离子数量，平衡晶圆中心区域和边缘区域的刻蚀速率，提高了刻蚀均匀性。

在实施例中，主筒线圈205外侧安装控温套筒211，控温套筒211既把热气流与其他器件隔离开，又使冷却气流与主筒204充分接触。冷却气体从线圈盒203底部的进气孔206进入，再通过控温套筒211底部的进气口进入由控温套筒211与主筒204之间的流道内部，从温控套筒211顶部出口，经导流罩212，并经过水冷散热器213冷却后由冷却风扇201吹入厂务排风系统。图2中的箭头显示了冷却气体的流动方向。控温套筒211在上部和下部设有冷却水道，进水口设在上部，出水口设在下部。冷却水高速流淌带走热量，不会造成热量的积累。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释实施例的原理和实际应用，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的实施例。