反应腔室及半导体加工设备的制作方法

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术：

在半导体领域中，对于干法刻蚀工艺和薄膜沉积工艺，常用的等离子体源包括感应耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，以下简称icp)源和容性耦合等离子体(capacitivelycoupledplasma，以下简称ccp)源。其中，icp源由电流通过线圈产生的电磁场激发反应气体产生等离子体，icp源具有等离子体密度高、对工件损伤小等特点。ccp源由施加到电极板之间的电压激发反应气体产生等离子体，ccp源具有大面积均匀性好、离子能量高等特点。

但是，目前的反应腔室只能单独采用icp源或者ccp源产生等离子体，这使得同一反应腔室的等离子体源不具有选择性，限制了等离子体源的放电窗口和使用范围。

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，提出了一种反应腔室及半导体加工设备，其可以可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放电窗口和使用范围。

为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括上电极装置和下电极装置，所述下电极装置设置在所述反应腔室内，用于承载晶片，所述上电极装置包括介质筒、线圈、上功率电源、上电极板、第一选择开关和第二选择开关，其中，所述介质筒设置在所述反应腔室的顶部；所述线圈围绕所述介质筒设置；所述上电极板位于所述下电极装 置的上方；所述第一选择开关用于选择性地使所述上功率电源与所述线圈的一端电连接，或者使所述上功率电源与所述上电极板电连接；所述第二选择开关用于选择性地使所述线圈的另一端接地，或者使所述线圈的另一端与所述上电极板电连接。

优选的，所述第一选择开关包括第一转换开关，所述第一转换开关包括一个动触点和两个静触点，所述动触点连接所述上功率电源，且其中一个静触点连接所述线圈的一端，其中另一个静触点连接所述上电极板。

优选的，所述第二选择开关包括第二转换开关，所述第二转换开关包括一个动触点和两个静触点，所述动触点连接所述线圈的另一端，且其中一个静触点接地，其中另一个静触点连接所述上电极板。

优选的，所述第一选择开关包括：两个独立开关，用于分别连接在所述上功率电源与所述线圈的一端之间的电路上，以及所述上射频电源与所述上电极板之间的电路上；所述开关控制模块，用于选择性地控制所述两个独立开关的导通和断开。

优选的，所述第二选择开关包括：两个独立开关，用于分别连接在所述线圈的另一端与地之间的电路上，以及所述线圈的另一端与所述上电极板之间的电路上；所述开关控制模块，用于选择性地控制所述两个独立开关的导通和断开。

优选的，所述独立开关包括继电器、二极管或者射频开关。

优选的，所述上电极组件还包括电极支撑件，所述电极支撑件和所述上电极板共同封闭所述反应腔室的顶部开口，且所述电极支撑件包括第一支撑部和第二支撑部，其中，所述第一支撑部呈筒状，且间隔环绕在所述介质筒的内侧；所述线圈位于所述介质筒和所述第一支撑部之间；所述上电极板固定在所述第一支撑部的底部，且与所述第一支撑部电绝缘；所述第二支撑部呈环形板状，且接地；并且，所述第二支撑部的内边缘与所述第一支撑部的顶部固定连接；所述第二支撑部的外边缘与所述反应腔室的腔室壁固定连接。

优选的，所述反应腔室还包括至少一个中心进气口和多个边缘进气口，其中，所述至少一个中心进气口设置在所述上电极板上，并 与所述反应腔室的内部相连通；所述多个边缘进气口环绕设置在所述第二支撑部上，并与所述反应腔室的内部相连通。

优选的，所述上电极板具有用作匀流腔的空腔；所述至少一个中心进气口设置在所述匀流腔的顶部，用以向所述匀流腔内输送反应气体；在所述匀流腔的底部设置有多个出气孔，且相对于所述匀流腔的底面均匀分布，用以均匀地将所述匀流腔内的反应气体输送至所述反应腔室内。

优选的，所述反应腔室还包括气源和气体分配装置，其中，所述气源用于提供反应气体；所述气体分配装置用于将来自所述气源的反应气体分配至所述中心进气口和/或各个边缘进气口。

优选的，所述介质筒的底部和所述上电极板共同封闭所述反应腔室的顶部开口；所述上电极板设置在所述介质筒的顶部；并且，所述线圈位于所述介质筒的外侧。

优选的，所述上电极板具有用作匀流腔的空腔；在所述匀流腔的顶部设置有至少一个进气口，用以向所述匀流腔内输送反应气体；在所述匀流腔的底部设置有多个出气孔，且相对于所述匀流腔的底面均匀分布，用以均匀地将所述匀流腔内的反应气体输送至所述反应腔室内。

优选的，所述反应腔室还包括固定电容或者可调电容，所述固定电容或者可调电容连接在所述上电极板与地之间的电路上。

优选的，所述下电极装置包括基座，所述基座设置在所述反应腔室内，用于承载晶片；并且，所述基座接地。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，所述反应腔室采用本发明提供的上述反应腔室。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的反应腔室，其具有由线圈放电形成的icp源、由上电极板放电形成的ccp源以及由线圈和上电极板共同放电形成的icp-ccp源，并且通过借助第一选择开关和第二选择开关，可以实现在icp源、ccp源和icp-ccp源三种模式之间切换，即，可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放 电窗口和使用范围。

本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述反应腔室，可以可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放电窗口和使用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的反应腔室的剖视图；

图2a为图1中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效连接图；

图2b为图1中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效电路图；

图3为图1中上电极板的剖视图；

图4a为本发明第二实施例的变型实施例提供的反应腔室的剖视图；

图4b为图4a中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效电路图；

图5为本发明第二实施例提供的反应腔室的剖视图；以及

图6为本发明第二实施例的变型实施例提供的反应腔室的剖视图。

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反应腔室及半导体加工设备进行详细描述。

图1为本发明第一实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图1，反应腔室100包括上电极装置和下电极装置。其中，下电极装置设置在反应腔室100内，用于承载晶片。在本实施例中，下电极装置包括基座104，且接地。

上电极装置包括介质筒102、线圈105、上功率电源107、上电极板103、电极支撑件、第一选择开关108和第二选择开关109。其中，电极支撑件包括第一支撑部114和第二支撑部115，二者和上电 极板103共同封闭反应腔室100的顶部开口。其中，介质筒102位于反应腔室100的顶部，第一支撑部114呈筒状，且间隔环绕在介质筒102的内侧。线圈105围绕介质筒102设置，且位于介质筒102和第一支撑部114之间。上电极板103固定在第一支撑部114的底部，且与第一支撑部114电绝缘，并且位于基座104的上方。第二支撑部115呈环形板状，且接地；并且，第二支撑部115的内边缘与第一支撑部114的顶部固定连接；第二支撑部115的外边缘与反应腔室100的腔室壁固定连接。第一支撑部114和第二支撑部115采用诸如铝或者不锈钢等的导电金属制作。

进一步说，上述第二支撑部115固定在反应腔室100的顶部，用以分别固定第一支撑部114和介质筒102。第一支撑部114用于固定上电极板103。在这种情况下，当线圈105放电时，等离子体主要产生在介质筒102与反应腔室100的腔室壁之间的环形边缘区域。当上电极板103放电时，等离子体主要产生在上电极板103与基座104之间的中心区域。

第一选择开关108用于选择性地使上功率电源107通过匹配器106与线圈105的一端电连接，或者使上功率电源107通过匹配器106与上电极板103电连接。第二选择开关109用于选择性地使线圈105的另一端接地，或者使线圈105的另一端与上电极板103电连接。在本实施例中，第一选择开关108包括第一转换开关，该第一转换开关包括一个动触点和两个静触点，该动触点连接上功率电源107，且其中一个静触点a连接线圈105的一端，其中另一个静触点b连接上电极板103。与之相类似的，第二选择开关109包括第二转换开关，该第二转换开关包括一个动触点和两个静触点，动触点连接线圈105的另一端，且其中一个静触点c通过电极支撑件接地，其中另一个静触点d连接上电极板103。

在进行工艺时，上功率电源107通过匹配器106将激励功率(低频功率或者射频功率)分别馈入第一选择开关108和第二选择开关109处。若第一选择开关108中的动触点与静触点b连接，同时第二选择开关109中的动触点与静触点c连接，则上功率电源107与上电 极板103电连接，且线圈105接地。在这种情况下，激励功率单独馈入上电极板103，并在上电极板103与基座104之间的中心区域激发反应腔室100内的反应气体形成等离子体，即，使用上电极板103放电形成的ccp源产生等离子体。

若第一选择开关108中的动触点与静触点a连接，同时第二选择开关109中的动触点与静触点c连接，则上功率电源107与线圈105的一端电连接，且线圈105的另一端接地。在这种情况下，激励功率单独馈入线圈105，并在介质筒102与反应腔室100的腔室壁之间的环形边缘区域激发反应腔室100内的反应气体形成等离子体，即，使用线圈105放电形成的icp源产生等离子体。

若第一选择开关108中的动触点与静触点a连接，同时第二选择开关109中的动触点与静触点d连接，则上功率电源107与线圈105的一端电连接，且线圈105的另一端与上电极板103电连接。在这种情况下，激励功率同时馈入线圈105和上电极板103，并分别在介质筒102与反应腔室100的腔室壁之间的环形边缘区域，以及上电极板103与基座104之间的中心区域激发反应腔室100内的反应气体形成等离子体，即，使用线圈105和上电极板103共同放电形成的icp-ccp源产生等离子体。

图2a为图1中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效连接图。如图2a所示，来自上功率电源107的交变电流依次通过线圈105和上电极板103，此时上电极板103可以等效为一电容连接在线圈105与地之间。这样，由线圈105和上电极板103共同放电形成的icp-ccp源可以兼容ccp源的电场均匀性和icp源的高等离子体密度这两个优势。优选的，可以将本发明实施例提供的反应腔室应用在pecvd设备，在利用该pecvd设备依次进行清洗工艺和沉积工艺时，可以在进行清洗工艺时使用icp-ccp源进行工艺，由于icp-ccp源兼容ccp源的电场均匀性和icp源的高等离子体密度这两个优势，因此，不仅可以提高清洗工艺的速率，而且还可以提高清洗工艺的均匀性。而在进行沉积工艺时，可以根据具体需要将icp-ccp源切换至icp源或者ccp源，从而满足沉积工艺的要求。

而且，基座104与上电极板103可以在工艺时产生平板式电场，由于由线圈105产生的电场的强度会被介质筒102削弱，该平板式电场的强度远高于由线圈105产生的电场的强度，因此，该平板式电场相对于由线圈105产生的电场起主要作用，从而可以削弱因线圈105的电场不均匀产生的影响，进而使形成的等离子体的密度分布更均匀，从而可以提高等离子体的密度分布均匀性。

图2b为图1中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效电路图。如图2b所示，虚线方框表示等离子体等效模型。等离子体由鞘层和等离子体区组成，其中，鞘层可以等效为电容和二极管结构；等离子体区可以等效为电阻和电感结构。l为由等离子体的电流形成的等效电感。r为等离子体等效电阻。c1为上电极板103与等离子体鞘层之间形成的第一鞘层电容。c2为上电极板103与地之间形成的集散电容。c3为基座104与等离子体鞘层之间形成的第二鞘层电容。

由图2b可知，在进行工艺时，通过使线圈105与上电极板103电连接，还可以在上电极板103与地之间构成平板电容结构，同时形成集散电容c2和第一鞘层电容c1，其中，第一鞘层电容c1可以起到调制线圈23的射频电流相位的作用，从而通过控制例如等离子体启辉参数等的工艺条件，可以对第一鞘层电容c1进行实时调节，以减小线圈105的两端之间的相位差异，进而可以进一步提高由线圈105产生的电场的均匀性，从而可以提高等离子体的密度分布均匀性。

综上所述，本发明实施例提供的反应腔室，其具有由线圈105放电形成的icp源、由上电极板103放电形成的ccp源以及由线圈105和上电极板103共同放电形成的icp-ccp源，并且通过借助第一选择开关108和第二选择开关109，可以实现在icp源、ccp源和icp-ccp源三种模式之间切换，即，可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放电窗口和使用范围。

优选的，反应腔室100还包括至少一个中心进气口110和多个边缘进气口111，其中，图3为图1中上电极板的剖视图。如图3所示，上电极板103具有用作匀流腔1031的空腔；至少一个中心进气 口110设置在匀流腔1031的顶部，用以向匀流腔1031内输送反应气体。而且，在匀流腔1031的底部设置有多个出气孔1032，且相对于匀流腔1031的底面均匀分布，用以均匀地将匀流腔1031内的反应气体输送至反应腔室100内，且位于上电极板103与基座104之间的中心区域。此外，多个边缘进气口111环绕设置在第二支撑部115上，并与反应腔室100的内部相连通，用以均匀地将反应气体输送至反应腔室100内，且位于介质筒102与反应腔室100的腔室壁之间的环形边缘区域。

另外，反应腔室100还包括气源113和气体分配装置112，其中，气源113用于提供反应气体；气体分配装置112用于将来自气源113的反应气体分配至中心进气口110和/或各个边缘进气口111，从而可以根据当前所使用的等离子体源，控制反应气体由相应的进气口流入反应腔室100内。

优选的，在电极支撑件的上方还罩设有屏蔽罩116，该屏蔽罩116接地，在进行工艺时，屏蔽罩116可以屏蔽由线圈105和/或上电极板103产生的电磁场，从而避免射频电源在馈入功率时产生的射频辐射对工艺造成影响。

需要说明的是，在本实施例中，第一选择开关108和第二选择开关109均为转换开关，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，第一选择开关108和/或第二选择开关109还可以采用由两个独立开关和开关控制模块组成的电子开关，例如继电器、二极管或者射频开关等等。具体地，在第一选择开关中，两个独立开关用于分别连接在上功率电源与线圈的一端之间的电路上，以及上射频电源与上电极板之间的电路上；开关控制模块用于选择性地控制两个独立开关的导通和断开，从而实现选择性地使上功率电源与线圈的一端电连接，或者使上功率电源与上电极板电连接。与之相类似的，在第二选择开关中，两个独立开关用于分别连接在线圈的另一端与地之间的电路上，以及线圈的另一端与上电极板之间的电路上；开关控制模块用于选择性地控制两个独立开关的导通和断开，从而实现选择性地使线圈的另一端接地，或者使线圈的另一端与上电极板电连接。

还需要说明的是，在本实施例中，上电极板103具有用作匀流腔1031的空腔，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，上电极板103也可以采用实心的平板，在这种情况下，至少一个中心进气口110设置在该平板上，并直接与反应腔室100的内部相连通。

另外，在本实施例中，通过使基座104接地，可以降低在置于基座104上的晶片表面产生的偏压，从而可以避免在使用ccp源或者icp-ccp源进行工艺时，使沉积在晶片表面上的薄膜产生缺陷或损伤。当然，在实际应用中，基座104也可以根据具体需要与射频电源电连接。

作为本实施例的一个变型实施例，图4a为本发明第二实施例的变型实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图4a，本变型实施例与上述第一实施例相比，其区别仅在于，反应腔室100还包括固定电容117，该固定电容117连接在上电极板103与地之间的电路上。具体地，固定电容117通过电极支撑件接地。

图4b为图4a中反应腔室在使用icp-ccp源工艺时的等效电路图。请参阅图4b，c4为固定电容，线圈105的电压可以被分配至第一鞘层电容c1和固定电容c4，即，固定电容c4可以起到对线圈105两端电压进行分压的作用，以减小线圈105两端之间的电压差异，从而可以进一步提高由线圈105产生的电场的均匀性。此外，借助固定电容c4的分压作用，还可以避免因线圈105的输出末端电压过高，而导致上电极板103产生打火现象。

在实际应用中，上述固定电容c4可以采用可调电容代替，由于其容值可调，通过调节可调电容接入电路中的的容值大小，可以对线圈105两端电压的分配进行调节，以减小线圈105两端之间的电压差异，从而不仅可以进一步提高由线圈105产生的电场的均匀性，而且还可以提高电容调节的灵活性。

图5为本发明第二实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图5，本实施例提供的反应腔室与上述第一实施例相比，其区别仅在于：上电极装置的结构不同。

具体地，反应腔室200包括上电极装置和下电极装置。其中， 下电极装置设置在反应腔室200内，用于承载晶片。在本实施例中，下电极装置包括基座204，且接地。

上电极装置包括介质筒202、线圈205、上功率电源207、匹配器206、上电极板203、屏蔽罩216、第一选择开关208和第二选择开关209。其中，介质筒202的底部和上电极板203共同封闭反应腔室200的顶部开口，且介质筒202的内部与反应腔室200的内部相连通。上电极板203呈平板状，并设置在介质筒202的顶部，且封闭该介质筒202的顶部开口，从而上电极板203、介质筒202和反应腔室200的腔室壁共同形成封闭的工艺空间。并且，线圈205环绕设置在介质筒202的外侧。此外，上电极装置中的其他部件的结构和功能与上述第一实施例的技术方案相类似，在此不再赘述。

在本实施例中，反应腔室还包括一个进气口210和气源213，其中，进气口210设置在上电极板203的中心位置处，并与反应腔室200的内部相连通，在进行工艺时，由气源213提供的反应气体经由进气口210进入反应腔室200的内部。

在实际应用中，上述进气口的数量还可以为两个或者三个以上，且沿上电极板所在平面均匀分布，用以均匀地向反应腔室200内输送反应气体。

需要说明的是，在本实施例中，上电极板203呈平板状，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，与上述第一实施例相类似的，上电极板还可以具有用作匀流腔的空腔。并且，在该匀流腔的顶部设置有至少一个进气口，用以向匀流腔内输送反应气体。在匀流腔的底部设置有多个出气孔，且相对于匀流腔的底面均匀分布，用以均匀地将匀流腔内的反应气体输送至反应腔室内。在进行工艺时，反应气体首先经由至少一个进气口进入匀流腔内，并向四周扩散直至充满整个匀流腔，以将反应气体均匀化，然后经由各个出气孔均匀地流入反应腔室内。

作为本实施例的一个变型实施例，图6为本发明第二实施例的变型实施例提供的反应腔室的剖视图。请参阅图6，本变型实施例与上述第二实施例相比，其区别仅在于：反应腔室200还包括固定电容 217，该固定电容217连接在上电极板203与地之间的电路上。具体地，固定电容217通过屏蔽罩216接地。

与上述第一实施例的变型实施例相类似的，固定电容217可以起到对线圈205两端电压进行分压的作用，以减小线圈205两端之间的电压差异，从而可以进一步提高由线圈205产生的电场的均匀性。此外，借助固定电容217的分压作用，还可以避免因线圈205的输出末端电压过高，而导致上电极板203产生打火现象。

在实际应用中，上述固定电容217可以采用可调电容代替，由于其容值可调，通过调节可调电容接入电路中的的容值大小，可以对线圈205两端电压的分配进行调节，以减小线圈205两端之间的电压差异，从而不仅可以进一步提高由线圈205产生的电场的均匀性，而且还可以提高电容调节的灵活性。

综上所述，本发明上述各个实施例提供的反应腔室，其具有由线圈放电形成的icp源、由上电极板放电形成的ccp源以及由线圈和上电极板共同放电形成的icp-ccp源，并且通过借助第一选择开关和第二选择开关，可以实现在icp源、ccp源和icp-ccp源三种模式之间切换，即，可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放电窗口和使用范围。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室，该反应腔室采用了本发明上述各个实施例提供的反应腔室。

本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述反应腔室，可以可选择地使用不同的等离子体源产生等离子体，从而可以扩大等离子体源的放电窗口和使用范围。

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。