电感耦合等离子体装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电感耦合等离子体装置，包括：反应腔室，用于与放置在其中的晶片进行等离子体处理反应；淋气头，设于反应腔室上部，其包括至少一进气口，用于向反应腔室通入反应气体；至少一组电感耦合线圈，临近于反应腔室设置，用于通过匹配器外接射频电源以向反应腔室施加射频功率；以及屏蔽装置，临近于电感耦合线圈设置，用于将射频功率屏蔽于第一空间内以作用于反应气体而产生等离子体，等离子体经自由扩散通过第二空间与晶片进行反应；其中，第一空间、第二空间分别位于反应腔室内，呈上下分布并相互连通。本发明使得等离子体中的电子温度明显降低，从而显著弱化了物理性刻蚀反应；并有利于实现反应腔室中等离子体的均匀分布。
【专利说明】电感耦合等离子体装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体制造设备领域，更具体地说，涉及一种电感耦合等离子体装置。
【背景技术】
[0002] 电感稱合等离子体（Inductively Coupled Plasma,简称ICP)装置广泛用于半导 体刻蚀等工艺中。反应气体在射频功率的激发下，被电离而产生等离子体，其中包含电子、 离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和被刻蚀物体的表面材料发 生反应，从而实现等离子体刻蚀工艺。其中，射频电场是通过电感耦合线圈作用于反应腔室 而产生。具体地，电感耦合线圈外接例如频率为13. 56MHZ的射频电源，使电感耦合线圈内 通有射频电流，从而产生变化的磁场，该变化的磁场再感应出电场，从而使反应腔室内部的 反应气体转换为等离子体。
[0003] 现有技术中的电感耦合等离子体装置如图1所示，反应腔室10上部设有淋气头 11，其通过多个进气口 110向反应腔室10通入反应气体，反应腔室底部设有静电卡盘13,其 上放置有待刻蚀晶片20 ;反应腔室10外壁部设有电感耦合线圈12,其外接射频电源用于向 整个反应腔室10施加射频功率进而产生射频电场，在射频电场的作用下，反应气体会转换 为等离子体，但这种射频电场分布于自反应腔室顶部到底部之间，因而等离子体在到达晶 片20前一直处于射频电场的激发作用下，其中的电子会具有较高的温度。
[0004] 然而，一方面，在一些刻蚀工艺中（例如多晶硅刻蚀)，尤其是需要以化学性刻蚀为 主的工艺场合中，期望等离子体中的电子温度较低，以避免过高的轰击能量使物理性刻蚀 占据主导地位，而使工艺过程处于不可控的状态。
[0005] 另一方面，反应腔室中的电磁场分布不均，在中心部位密度较大，而在边缘部位密 度较小，造成反应腔室中等离子体也处于分布不均的状态，会对晶片刻蚀的均一性带来不 利影响。
[0006] 因此，根据特定刻蚀工艺的要求，在反应腔室中产生分布均匀、电子温度较低的等 离子体，是本发明需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种电感耦合等离子体装置，其能在反应腔室中产生分布 均匀、电子温度较低的等离子体。
[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0009] -种电感耦合等离子体装置，包括：反应腔室，用于与放置在其中的晶片进行等离 子体处理反应；淋气头，设于反应腔室上部，其包括至少一进气口，用于向反应腔室通入反 应气体；至少一组电感耦合线圈，临近于反应腔室设置，用于通过匹配器外接射频电源以向 反应腔室施加射频功率；以及屏蔽装置，临近于电感耦合线圈设置，用于将射频功率屏蔽于 第一空间内以作用于反应气体而产生等离子体，等离子体经自由扩散通过第二空间与晶片 进行反应；其中，第一空间、第二空间分别位于反应腔室内，呈上下分布并相互连通。
[0010] 优选地，淋气头底面包括至少一凸起部，电感耦合线圈和屏蔽装置埋设于凸起部 中，第一空间为凸起部围成的凹陷空间，第二空间为第一空间下方的反应腔室空间。
[0011] 优选地，屏蔽装置包括至少一组与电感耦合线圈一一对应的金属横片，设置于电 感耦合线圈正下方，金属横片沿电感耦合线圈长度方向延伸。
[0012] 优选地，凸起部为两个且分离设置，分别为第一凸起部和第二凸起部，第二凸起部 从外围环绕第一凸起部；电感耦合线圈包括两组分别埋设于第一凸起部和第二凸起部中的 线圈，分别为第一线圈和第二线圈，屏蔽装置包括两组与电感耦合线圈一一对应的金属横 片以及两组与电感稱合线圈 对应的金属坚片，分别为第一横片、第二横片、第一坚片和 第二坚片，第一横片和第一坚片埋设于第一凸起部中，用于将第一线圈产生的射频功率屏 蔽于第三空间，第二横片和第二坚片埋设于第二凸起部中，用于将第二线圈产生的射频功 率屏蔽于第四空间；其中，第三空间为第一凸起部围成的凹陷空间，第四空间为第二凸起部 围成的、不包括第三空间的凹陷空间，第三空间、第四空间分别与第二空间连通。
[0013] 优选地，屏蔽装置还包括一金属圆片，金属圆片与第一、第二坚片密接，并从上部 覆盖第一、第二线圈，金属圆片上设有至少一通孔以分别连接进气口。
[0014] 本发明提供的电感耦合等离子体装置，通过设置屏蔽装置将射频电场屏蔽于反应 腔室第一空间内，而在第二空间中没有射频电场的作用。在第一空间产生的等离子体经自 由扩散通过第二空间到达晶片表面，而在第二空间中等离子体会经过一冷却过程，使得等 离子体中的电子温度明显降低，从而显著弱化了物理性刻蚀反应。此外，该电感耦合等离子 体装置还可将不同线圈产生的不同强度的射频电场分别屏蔽于不同的反应腔室内部空间， 从而可以调控实现反应腔室中等离子体的均匀分布，利于达成晶片刻蚀的均一性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1示出现有技术中电感耦合等离子体装置的结构示意图；
[0016] 图2示出本发明第一实施例的电感耦合等离子体装置的结构示意图；
[0017] 图3示出本发明第二实施例的电感耦合等离子体装置的结构示意图；
[0018] 图4示出本发明第三实施例的电感耦合等离子体装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0020] 如图2所示，本发明第一实施例提供的电感耦合等离子体装置包括：反应腔室10、 淋气头11、电感耦合线圈12和屏蔽装置。淋气头11设于反应腔室10顶部，反应腔室底部 还设有静电卡盘13,用于固定待处理晶片20 ;淋气头11包括有多个进气口 110,用于向反 应腔室10通入反应气体，淋气头11底面具有一连续延伸式凸起部111，其可以呈螺旋形分 布、或多个首尾相连的U形分布等；电感耦合线圈12通过一匹配器外接射频电源，向反应腔 室10施加射频源功率，以使反应气体转变为等离子体。
[0021] 电感耦合线圈12和屏蔽装置，均铺设于凸起部111内部，并呈上下分布。屏蔽装 置将电感耦合线圈12产生的射频源功率屏蔽于反应腔室上部的第一空间101中，反应气体 在其中电离成等离子体，等离子体经反应腔室10下部的第二空间102自由扩散至晶片20 表面，以对晶片20进行刻蚀反应。
[0022] 第一空间101为凸起部111之间的凹陷空间，或为各凸起部111所围成的凹陷空 间，第二空间102为第一空间101下方的反应腔室空间。即第一空间、第二空间101、102呈 上下垂直分布。
[0023] 具体地，屏蔽装置为一组与电感耦合线圈12 -一对应的金属横片14。铺设于凸起 111内部的电感f禹合线圈12随着凸起部111的延伸方向而延伸,类似地，金属横片14沿电 感耦合线圈12的长度方向延伸，即铺设于凸起部111内部的电感耦合线圈12、金属横片14 与凸起部111 一样呈螺旋形分布、或多个首尾相连的U形分布于淋气头11下表面，其中，金 属横片14铺设于电感耦合线圈12正下方，将电感耦合线圈12施加的射频源功率屏蔽于第 一空间101中。
[0024] 该电感耦合等离子体装置在第一空间101中产生等离子体，等离子体经第二空间 102自由扩散至晶片20表面，因射频电场仅分布于第一空间101中，等离子体在第二空间 102中未经加速或激发，而会经历一冷却过程，所以其中的电子具有较低温度，从而明显弱 化了与晶片20的物理性刻蚀反应的效果，使化学性刻蚀反应占据主导地位，利于满足特定 刻蚀工艺的要求。
[0025] 同时，反应腔室10中等离子体会有分布不均匀的情况发生，自由扩散在第二空间 102中时会有一混合过程，使得第二空间102相当于一预处理腔室，在其中使等离子体更均 匀地分布，从而有利于对晶片20刻蚀的均一性。
[0026] 如图3所示，本发明第二实施例提供的电感耦合等离子体装置包括：反应腔室10、 淋气头11、两组电感耦合线圈121U22和两块金属横片141、142,两块金属坚片151、152。 反应腔室底部设有静电卡盘13和待处理晶片20。淋气头11底面具有一连续延伸式凸起部 111。
[0027] 具体地，两组电感耦合线圈121、122和两块金属横片141、142,两块金属坚片151、 152均铺设于凸起部111内部；电感耦合线圈121U22随着凸起部111的延伸方向而延伸。 金属坚片151U52分离设置，并分别沿电感耦合线圈121U22长度方向延伸，金属坚片152 设置于金属坚片151的外围侧。金属横片141U42可一体设置，也可分离设置，分别沿电感 耦合线圈121、122长度方向延伸。
[0028] 金属横片141和金属坚片151作为一整体屏蔽装置，将电感耦合线圈121产生的 射频源功率屏蔽于反应腔室的第三空间1011中。金属横片142和金属坚片152作为另一 整体屏蔽装置，设置于电感耦合线圈122外侧，金属横片141和金属坚片151形成的屏蔽装 置位于电感耦合线圈122内侧，两屏蔽装置一起作用将电感耦合线圈122产生的射频源功 率屏蔽于反应腔室10的第四空间1010中。
[0029] 第三空间1011为金属横片141和金属坚片151所在的凸起部111所围成的凹陷 空间，第四空间1010为金属横片142和金属坚片152所在的凸起部112所围成的凹陷空 间，第三、第四空间1011U010均可以视为本发明第一实施例中第一空间101的一部分，或 第三、第四空间1011U010两者一起组合成为第一空间101 ;第二空间102为垂直分布于第 三、第四空间1011U010下方的反应腔室空间。即第三、第四空间1011U010均位于反应腔 室10内部，并都与第二空间102连通，第四空间1010从外围环绕第三空间1011，两者呈内 外分布。其中，凸起部111和凸起部112可分尚设置。
[0030] 电感耦合线圈121施加的射频功率作用于第三空间1011中的反应气体产生等离 子体，电感耦合线圈122施加的射频功率作用于第四空间1010中的反应气体也产生等离子 体，这些等离子体均通过第二空间102自由扩散至晶片20的表面，在第二空间102中，因无 射频电场的作用，等离子体会经历一冷却过程，再对晶片20进行刻蚀反应，使得等离子体 中的电子具有较低温度，从而与晶片20的物理性刻蚀反应明显弱化，而使化学性刻蚀反应 占据主导地位，有利于多晶硅刻蚀等特定的工艺场合。
[0031] 此外，等离子体在第三、第四空间1011U010中产生，会有密度不均匀的情况发 生，自由扩散在第二空间102中时会有一混合过程，使得第二空间102相当于一预处理腔 室，在其中使等离子体更均匀地分布，从而有利于对晶片20刻蚀的均一性。
[0032] 根据上述第二实施例，金属坚片151的一个主要作用是屏蔽电感耦合线圈121和 电感耦合线圈122之间互相的电磁干扰，使得第三空间1011和第四空间1010中的射频功 率互相屏蔽。
[0033] 进一步地，电感耦合线圈121U22可以通过匹配器连接同一功率的射频电源，从 而在第三空间1011、第四空间1010中产生同一强度的射频源功率，也可以通过匹配器连接 不同功率的射频电源从而在第三空间1011、第四空间1010中产生不同强度的射频源功率。
[0034] 优选情况下，电感耦合线圈121U22连接不同功率的射频电源，以使电感耦合线 圈121在第三空间1011施加第一强度的射频功率而在其中产生第一浓度的等离子体，使电 感耦合线圈122在第四空间1010施加第二强度的射频功率而在其中产生第二浓度的等离 子体，第一强度不同于第二强度。
[0035] 本领域技术人员理解，因电感耦合线圈的分布及反应腔室的物理结构，反应腔室 中的射频电场通常分布不均，在中心部位密度较大，而在边缘部位密度较小，造成反应腔室 中等离子体也处于分布不均的状态，会对晶片刻蚀的均一性带来不利影响。即使设置有第 二空间102以供等离子体通过一混合过程来促进等离子体均匀分布，也有必要寻求其他有 效方案来进一步优化等离子体的均匀分布。
[0036] 本发明第二实施例提供的电感耦合等离子体装置以分离设置的两组电感耦合线 圈121U22通过匹配器分别连接不同强度的射频电源，可以对反应腔室10的不同部位施加 不同的射频功率。通过选择性地在反应腔室中心部位，例如第三空间1011，施加较弱的射频 功率，而在反应腔室边缘部位，例如第四空间1010,施加相对强的射频功率，可以使反应腔 室中的射频电场处于更均匀分布的状态，进而使其中的等离子体均匀分布，最终为晶片刻 蚀的均一性带来极为有利的条件。
[0037] 根据本发明上述第二实施例，第一强度小于第二强度，第一浓度可能稍低于或接 近于第二浓度。
[0038] 进一步地，电感耦合线圈121U22分别与一功率分配器的两个输出端连接，该功 率分配器输入端再通过一匹配器连接一共同的射频电源。这种设置使得系统结构进一步简 化。
[0039] 进一步地，上述功率分配器包括一调节单元，用于调节分配给电感耦合线圈121、 122的射频功率。通过该调节单元，可实时地对反应腔室中的射频电场分布进行调节，进而 对等离子体分布进行调节。
[0040] 优选情况下，功率分配器分配给电感耦合线圈121的射频功率小于其分配给电感 耦合线圈122的射频功率。
[0041] 进一步地，功率分配器分配给电感耦合线圈122的射频功率为其外接的射频电源 总功率的52%-65%。
[0042] 进一步地，该射频电源提供的是射频源功率，其功率为700W_10kW。
[0043] 如图4所示，本发明第三实施例提供的电感耦合等离子体装置包括：反应腔室10、 淋气头11、两组电感耦合线圈121U22和两块金属横片141、142,两块金属坚片151、152,以 及一金属圆片16。反应腔室底部设有静电卡盘13和待处理晶片20。淋气头11底面具有 两连续延伸式凸起部111、112,电感耦合线圈121和金属横片141、金属坚片151铺设于凸 起部111内部，并随着凸起部111的延伸方向而延伸；类似地，电感耦合线圈122和金属横 片142、金属坚片152铺设于凸起部112内部，并随着凸起部112的延伸方向而延伸。金属 圆片16水平地铺设于淋气头11中、非凸起部111的部位。
[0044] 该第三实施例为上述第二实施例的进一步改进的实施方式，区别于第一、第二实 施例的是，金属圆片16与两金属坚片151密接，并从上部覆盖电感耦合线圈121、122,金属 圆片16上设有多个通孔以--对应的连接淋气头11上设置的进气口。
[0045] 通过设置该金属圆片16,可进一步将射频功率屏蔽于反应腔室10中的第三空间 1011和第四空间1010,防止射频功率从反应腔室10顶部泄露出去，既利于在反应腔室中产 生高浓度的等离子体，又提高了能源利用效率。
[0046] 应该理解，本发明或采用屏蔽装置将射频功率屏蔽于反应腔室内某一空间，使其 自由扩散至晶片表面，降低了等离子体中电子温度，以利于特定的工艺场合；或采用屏蔽 装置对反应腔室中的不同部位的射频功率强度进行调节，以使其中的等离子体更均匀地分 布。这些发明思想不应局限于屏蔽装置的结构或位置，以其他屏蔽装置实现同样功能的电 感耦合等离子体装置均不脱离本发明的思想。
[0047] 以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保 护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在 本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种电感耦合等离子体装置，包括： 反应腔室，用于与放置在其中的晶片进行等离子体处理反应； 淋气头，设于所述反应腔室上部，其包括至少一进气口，用于向所述反应腔室通入反应 气体； 至少一组电感耦合线圈，临近于所述反应腔室设置，用于通过匹配器外接射频电源以 向所述反应腔室施加射频功率；以及 屏蔽装置，临近于所述电感耦合线圈设置，用于将所述射频功率屏蔽于第一空间内以 作用于所述反应气体而产生等离子体，所述等离子体经自由扩散通过第二空间与所述晶片 进行反应；其中，所述第一空间、第二空间分别位于所述反应腔室内，呈上下分布并相互连 通。
2. 如权利要求1所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述淋气头底面包括至 少一凸起部，所述电感耦合线圈和屏蔽装置埋设于所述凸起部中，所述第一空间为所述凸 起部围成的凹陷空间，所述第二空间为所述第一空间下方的反应腔室空间。
3. 如权利要求2所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述屏蔽装置包括至少 一组与所述电感耦合线圈一一对应的金属横片，设置于所述电感耦合线圈正下方，所述金 属横片沿所述电感耦合线圈长度方向延伸。
4. 如权利要求2所述的电感耦合等离子体装置，所述凸起部为两个且分离设置，分别 为第一凸起部和第二凸起部，所述第二凸起部从外围环绕所述第一凸起部；所述电感耦合 线圈包括两组分别埋设于所述第一凸起部和第二凸起部中的线圈，分别为第一线圈和第二 线圈，所述屏蔽装置包括两组与所述电感耦合线圈一一对应的金属横片以及两组与所述电 感耦合线圈一一对应的金属坚片，分别为第一横片、第二横片、第一坚片和第二坚片，所述 第一横片和第一坚片埋设于所述第一凸起部中，用于将所述第一线圈产生的射频功率屏蔽 于第三空间，所述第二横片和第二坚片埋设于所述第二凸起部中，用于将所述第二线圈产 生的射频功率屏蔽于第四空间；其中，所述第三空间为所述第一凸起部围成的凹陷空间，所 述第四空间为所述第二凸起部围成的、不包括所述第三空间的凹陷空间，所述第三空间、第 四空间分别与所述第二空间连通。
5. 如权利要求4所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述第一横片、第二横片 分别设置于所述第一线圈、第二线圈正下方，并分别沿所述第一线圈、第二线圈长度方向延 伸。
6. 如权利要求4所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述第一坚片、第二坚片 分别沿所述第一线圈、第二线圈长度方向延伸，所述第一坚片从外围侧环绕所述第一线圈 至少一周以将所述第一线圈产生的射频功率屏蔽于所述第三空间，所述第二坚片从外围侧 环绕所述第二线圈至少一周以与所述第一坚片一起将所述第二线圈产生的射频功率屏蔽 于所述第四空间。
7. 如权利要求4所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述屏蔽装置还包括一 金属圆片，所述金属圆片与所述第一、第二坚片密接，并从上部覆盖所述第一、第二线圈，所 述金属圆片上设有至少一通孔以分别连接所述进气口。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述射频功 率为射频源功率。
9. 如权利要求4至7中任一项所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述第一线 圈在所述第三空间施加第一强度的射频功率而产生第一浓度的等离子体，所述第二线圈在 所述第四空间施加第二强度的射频功率而产生第二浓度的等离子体，所述第一强度不同于 所述第二强度。
10. 如权利要求9所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述第一强度低于所述 第二强度。
11. 如权利要求4至7中任一项所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述第一 线圈和第二线圈分别与一功率分配器的两个输出端连接，所述功率分配器输入端连接所述 匹配器，所述匹配器外接所述射频电源。
12. 如权利要求11所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述功率分配器包括 一调节单元，用于调节分配给所述第一线圈和第二线圈的射频功率。
13. 如权利要求12所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述功率分配器分配 给所述第一线圈的射频功率小于其分配给所述第二线圈的射频功率。
14. 如权利要求13所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述功率分配器分配 给所述第二线圈的射频功率为所述射频电源提供功率的52%-65%。
15. 如权利要求14所述的电感耦合等离子体装置，其特征在于，所述射频电源提供射 频源功率，其功率为700W-10kW。
【文档编号】H01J37/32GK104103485SQ201310128505
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月15日 优先权日:2013年4月15日
【发明者】梁洁, 罗伟义 申请人:中微半导体设备(上海)有限公司