等离子体产生装置及包括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含该等离子体产生装置的半导体设备，以解决现有技术中的刻蚀均匀性问题。

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，所述主筒上方设有中心进气孔，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，在所述副筒与所述主筒之间且在所述主筒的径向外侧设有边缘进气孔。

优选地，所述等离子体产生装置还包括沿所述主筒的径向方向设置于所述中心进气孔与所述边缘进气孔之间的等离子体约束装置。

优选地，所述等离子体约束装置为筒状。

优选地，所述等离子体约束装置与所述主筒同轴设置。

优选地，所述等离子体约束装置的内径D1大于或等于所述主筒的内径D2。

优选地，所述等离子体约束装置的高度H1大于或等于所述副筒的高度H2。

优选地，所述等离子体约束装置的下端面与待加工工件的上表面之间的距离H3为10-80mm。

优选地，所述等离子体约束装置的壁厚T1≥4mm。

优选地，所述主筒与所述副筒之间设置有盖板，所述边缘进气孔设置于所述盖板上，所述等离子体约束装置通过连接件固定于所述盖板下表面。

优选地，所述连接件通过密封件被密封在所述等离子体约束装置内部。

优选地，所述等离子体约束装置的上端设有法兰结构，所述法兰结构用于将所述等离子体约束装置固定于所述盖板下表面。

优选地，所述法兰结构的厚度T2≥8mm。

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

上述的等离子体产生装置，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：

在主筒下方同轴设置副筒，且副筒的内径大于主筒的内径，在副筒与主筒之间且在主筒的径向外侧设有边缘进气孔，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；

通过沿主筒的径向方向设置于中心进气孔与边缘进气孔之间的等离子体约束装置，能够有效的约束等离子体的运动分布，实现主筒和副筒激发的等离子体分别针对待加工工件中心区域和待加工工件边缘区域进行刻蚀，从而进一步改善待加工工件表面等离子体的分布，提高待加工工件刻蚀的均匀性。

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工作时的等离子体运动示意图；

图4显示应用根据实施例的半导体设备仅在中心进气孔进气情况下刻蚀得到的待加工工件表面的刻蚀深度示意图；

图5显示应用根据实施例的半导体设备仅在边缘进气孔进气情况下刻蚀得到的待加工工件表面的刻蚀深度示意图。

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；

301-基座，302-待加工工件，303-等离子体约束装置，304-密封件，305-连接件，306-主筒，307-主筒线圈，308-中心进气孔，309-盖板，310-副筒线圈，311-副筒，312-边缘进气孔，313-反应腔。

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，主筒上方设有中心进气孔，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，在副筒与主筒之间且在主筒的径向外侧设有边缘进气孔。

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，这导致等离子体在待加工工件中心区域和边缘区域的分布不均匀，待加工工件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，在副筒与主筒之间且在主筒的径向外侧设有边缘进气孔。由于增设副筒、副筒线圈及边缘进气孔，分布于待加工工件边缘区域的等离子体数量显著增加，因此有利于提高待加工工件边缘区域的刻蚀速率，在一定程度上解决刻蚀速率不均匀的问题。

在一个示例中，沿主筒的径向方向在中心进气孔与边缘进气孔之间设置等离子体约束装置。

由于主筒与待加工工件距离较远，副筒与待加工工件距离较近，不利于等离子体在待加工工件表面的分布控制，不能完全解决待加工工件刻蚀速率不均匀的问题。为此，本发明实施例沿主筒的径向方向，在中心进气孔与边缘进气孔之间设置等离子体约束装置。

通过沿主筒的径向方向且在中心进气孔与边缘进气孔之间设置等离子体约束装置，能够有效的约束等离子体的运动分布，即等离子体约束装置的内部为主筒的等离子体通道(换言之，为从中心进气孔向主筒输送的工艺气体启辉激发的等离子体通道)，等离子体约束装置与副筒之间为副筒的等离子体通道(换言之，为从边缘进气孔向副筒输送的工艺气体启辉激发的等离子体通道)，从而主筒激发的等离子体和副筒激发的等离子体被有效地约束在不同的通道内，实现主筒激发的等离子体主要分布于待加工工件的中心区域，针对该中心区域进行刻蚀，副筒激发的等离子体主要分布于待加工工件的边缘区域，针对该边缘区域进行刻蚀，从而进一步改善待加工工件表面等离子体的分布，提高待加工工件刻蚀的均匀性。

在一个示例中，等离子体约束装置为筒状，可为圆筒、横截面为多边形的多面体筒状结构(例如横截面为正五边形、正六边形的多面体筒状结构)等。在实际应用中，可以根据向主筒进气的中心进气孔和向副筒进气的边缘进气孔的分布位置以及实际控制要求确定等离子体约束装置的形状。

在一个示例中，等离子体约束装置与主筒同轴设置，等离子体约束装置的内径D1大于或等于主筒的内径D2。这样的位置和尺寸设置有利于保证在内筒中被激发的等离子体均匀、不受阻碍地分布至待加工工件的中心区域，便于更有效地控制等离子体的分布。

在一个示例中，等离子体约束装置的高度H1大于或等于副筒的高度H2，以保证分别形成两条等离子体通道，即主筒启辉激发的等离子体通道和副筒启辉激发的等离子体通道。等离子体约束装置的高度越大，越有利于等离子体的分布控制，但是还需要保证待加工工件安装于反应腔中后，等离子体约束装置的下端面与待加工工件上表面之间的距离H3为10-80mm，等离子体约束装置的实际高度可以根据刻蚀工艺以及用于激发等离子体的射频功率决定。

在一个示例中，为了保证等离子体约束装置的加工精度与安装精度要求，等离子体约束装置的壁厚T1≥4mm。增大等离子体约束装置的壁厚有利于保证加工精度与安装精度，但是会影响等离子体通道的宽度，在应用中可以根据实际需要选择适当的壁厚。

在一个示例中，主筒与副筒之间设置有盖板，盖板用于支撑主筒及缠绕在主筒外周的主筒线圈，密封主筒与套设于其外侧的屏蔽罩之间的环形空间，并从上方封闭副筒及缠绕在副筒外周的副筒线圈，主筒线圈和副筒线圈可采用射频线圈。等离子体约束装置通过连接件固定于盖板下表面，连接件可为螺钉等，连接件的材质可以选择不锈钢或者其他金属材料。优选地，等离子体约束装置与盖板之间密闭连接，从而二者共同形成密闭的等离子体通道。

本实施例的等离子体产生装置设置于反应腔上方，其所产生的等离子体在反应腔内对待加工工件进行刻蚀。为了保证反应腔的清洁以及消除等离子体与连接件之间的放电，采用密封件将连接件密封在等离子体约束装置内部，使得连接件与反应腔内部的等离子体绝缘。优选地，在连接件为螺钉的情况下，密封件采用螺钉密封帽，密封件的材料可采用铝，表面采用非导电硬质阳极氧化处理。或者，密封件的材料也可采用其他耐等离子体的绝缘材料，例如陶瓷、耐高温树脂等。

在一个示例中，等离子体约束装置的上端设有法兰结构，法兰结构用于将等离子体约束装置固定于盖板下表面。为了保证等离子体约束装置的加工精度与安装精度要求，法兰结构的厚度T2≥8mm。

在一个示例中，等离子体约束装置由铝制成，表面采用非导电硬质阳极氧化处理；或者等离子体约束装置可以由其他耐等离子体的绝缘材料(例如陶瓷、耐高温树脂等)制成。

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；以及

上述等离子体产生装置，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。

实施例

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工作时的等离子体运动示意图。以下参考图2和3详细描述实施例的等离子体产生装置和包括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306、主筒线圈307、副筒311、副筒线圈310及等离子体约束装置303。主筒线圈307沿主筒306周向设置，主筒上方设有中心进气孔308，中心进气孔308设于进气组件上。副筒310同轴设置于主筒306的下方，副筒线圈310沿副筒311周向设置，且副筒310的内径大于主筒306的内径。主筒306和副筒311均为圆筒状的陶瓷筒，主筒线圈307和副筒线圈310均为射频线圈。在主筒306与副筒311之间设有盖板309，其可支撑主筒306，密封主筒306与套设于其外侧的屏蔽罩(未显示)之间的环形空间，并可从上方封闭副筒311和副筒线圈310。边缘进气孔312设置于线圈盒盖板309上，位于副筒310与主筒306之间、主筒306的径向外侧。

等离子体约束装置303固定安装于盖板309的下表面，且与主筒306同轴设置。沿主筒306的径向方向，等离子体约束装置303设置于中心进气孔308与边缘进气孔312之间。等离子体约束装置303的内径D1大于或等于主筒306的内径D2，高度H1大于或等于副筒311的高度H2，壁厚T1≥4mm。等离子体约束装置303的上端设有法兰结构，用于固定至盖板309的下表面，该法兰结构的厚度T2≥8mm。

在实施例中，等离子体约束装置303为圆筒状。基于边缘进气孔312的数量和设置位置，等离子体约束装置303也可以是多个不连续的隔板，分别设置在中心进气孔308与边缘进气孔312之间。等离子体约束装置303的形状和设置方式是本领域技术人员根据实际需求可以进行选择的。

在实施例中，连接件305采用316L不锈钢螺钉，其将等离子体约束装置303安装于盖板309的下表面，为了保证反应腔的清洁以及消除等离子体与连接件305之间的放电，在等离子体约束装置303的法兰结构的固定孔内设置螺纹，采用密封件304将连接件305密封在等离子体约束装置303内，密封件304可采用螺钉密封帽。等离子体约束装置303和密封件304均采用铝材质，表面均采用非导电硫酸硬质阳极氧化处理。

根据实施例的半导体设备包括反应腔313、基座301和设置在反应腔313上方的等离子体产生装置。其中，基座301设置在反应腔313内，用于承载待加工工件302，等离子体产生装置与基座301相对设置。为了清楚起见，在图中省略了半导体设备的冷却系统。

工作时，待加工工件302承载于基座301上，等离子体约束装置303的下端面与待加工工件302的上表面之间的距离H3为10-80mm。中心进气孔308进气、主筒线圈307加载功率、主筒306内部启辉时，主筒306内部启辉所激发的等离子体在气体流场的作用下，沿着主筒306与等离子体约束装置303形成的通道向待加工工件表面的中心区域移动。边缘进气孔312进气、副筒线圈310加载功率、副筒311内部启辉时，副筒311内部启辉所激发的等离子体在气体流场的作用下，沿着副筒311与等离子体约束装置303之间形成的通道向待加工工件表面的边缘区域移动。主筒启辉与副筒启辉所激发的等离子体的运动方向如图3中粗箭头所示，其中，中部箭头表示主筒启辉激发的等离子体的运动方向，两侧箭头表示副筒启辉激发的等离子体的运动方向。

本实施例的实验测试结果如下：当只有中心进气孔进气、主筒启辉时，待加工工件的刻蚀效果如图4所示，待加工工件表面显示的数据即为刻蚀深度(单位：nm)。当只有边缘进气孔进气、副筒启辉时，待加工工件的刻蚀效果如图5所示，待加工工件表面显示的数据即为刻蚀深度(单位：nm)。通过图4和5显示的实验测试结果可知，实施例的等离子体产生装置可以有效地控制等离子体在待加工工件表面的分布，实现主筒启辉激发的等离子体主要分布于待加工工件中心区域，副筒启辉激发的等离子体主要分布于待加工工件边缘区域。通过调节主筒线圈和副筒线圈的加载功率，可以控制等离子体在待加工工件表面的分布，进而提高刻蚀的均匀性。

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。