本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种等离子体装置。
背景技术
随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断提高半导体晶圆的加工能力。等离子体装置广泛地被应用于制造集成电路(ic)或mems器件的制造工艺中，适用于刻蚀、沉积或其他工艺的等离子体发生设备的研发对于半导体制造工艺和设施的发展来说是至关重要的。在用于半导体制造工艺的等离子体设备的研发中，最重要的因素是增大对衬底的加工能力，以便提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。
目前的等离子体刻蚀设备中采用比较广泛的激发等离子体方式为电感耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，简称icp)，这种方式可以在较低工作气压下获得高密度的等离子体，而且结构简单，造价低，同时可以对产生等离子体的射频源(决定等离子体密度)与基片台射频源(决定入射到晶圆上的粒子能量)独立控制，适用于金属和半导体等材料的刻蚀。目前各种类型等离子体源均在半导体工业中均有应用。
传统的等离子体设备采用的等离子体源的波形为正弦连续波，如图1所示为现有技术中电感耦合等离子体装置的结构示意图。反应腔室4内设置有用于放置晶圆5的静电卡盘6，反应腔室4上方为介质窗口9，介质窗口9上方设置有电感耦合线圈3，上电极射频电源1和上电极匹配器2通过电感耦合线圈3与静电卡盘6连接，静电卡盘6上安装晶圆5。
进入20nm以下技术节点，为了削弱短沟道效应，提升器件开关速度、减少漏电和降低功耗，集成电路工艺技术在原有的尺寸微缩技术、应变硅技术和high-k/metalgate(高k栅电介质/金属栅)技术基础上，器件的结构发生了重大变化，引入finfet(finfield-effecttransistor，鳍式场效晶体管)为代表的立体栅技术取代传统的平面栅技术。进入到14nm节点甚至更小的10-7nm节点后，除了仍采用finfet结构外，还对材料进行了替代。
14nmfinfet的刻蚀对等离子体刻蚀损伤和刻蚀选择比的要求比20nm更高，刻蚀损伤的深度要小于0.5nm(传统icp因为较高的平均电子温度，导致离子能量约为15～20ev，刻蚀损伤约3nm以上)，因此需要一种新型的低电子温度的等离子体源。
目前通常采用脉冲调制的射频放电产生等离子体，如采用脉冲调制射频电源。如图2的脉冲调制射频波形所示，在脉冲on阶段，电子密度快速上升并到达稳定，维持等离子体放电；在脉冲off阶段，电子密度迅速下降，等离子体淹没不能维持放电。可见，目前利用脉冲调制射频来产生等离子体时遇到的比较大的挑战是在脉冲周期内等离子体状态不稳定，造成脉冲射频阻抗匹配非常困难；同时在等离子体湮灭期间容易形成尘埃等颗粒，对工艺过程及晶圆处理的良率有较大影响。
因此，设计一种能提供低电子温度，并能避免脉冲on-off造成的不稳定性的等离子体源成为目前亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中上述不足，提供一种等离子体装置，该等离子体装置能提供较低的电子温度，且能提供稳定的等离子体源。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该等离子体装置，包括反应腔室和设置于所述反应腔室中的承载装置，还包括栅网和与所述栅网电连接的栅网电源，所述栅网设置于所述承载装置的上方且与所述反应腔室的腔室壁绝缘；
所述栅网用于将所述反应腔室隔离为等离子体产生区和等离子体工艺区，且所述栅网的电位小于所述等离子体工艺区的电位、所述等离子体工艺区的电位小于所述等离子体产生区的电位。
优选的是，所述栅网电源加载至所述栅网的电压范围为-200v～30v。
优选的是，所述栅网电源为直流电源，所述直流电源加载至所述栅网的电压范围为-50v～0v，并且：
所述直流电源的电压固定不变，或者，
所述直流电源的电压周期性扫描变化，且扫描周期为0.1s～10s。
优选的是，所述栅网距所述承载装置的承载面的竖直距离范围为2mm～80mm。
优选的是，所述栅网包括多个栅孔，多个所述栅孔阵列排列，相邻所述栅孔之间形成栅梁。
优选的是，所述栅孔的形状为圆形或多边形。
优选的是，所述栅孔的孔径的范围为0.1mm～100mm，或者所述栅孔的长度及宽度的范围为0.1mm～100mm，所述栅梁的尺寸范围为0.02mm～30mm，所述栅网的厚度范围为0.02mm～30mm。
优选的是，所述栅网采用铝合金、不锈钢、碳化硅、硅或石墨导电材料中的任一种形成。
优选的是，所述反应腔室的所述腔室壁沿腔室内部形成突沿，所述栅网置于所述突沿上；或者，所述反应腔室的底部设置有支撑部，所述栅网设置于所述支撑部的上。
优选的是，该所述等离子体装置还包括等离子体产生电源，所述等离子体产生电源为射频直流电源或微波电源。
本发明的有益效果是：该等离子体装置通过增加栅网，将等离子体区域分为等离子体产生区和等离子体工艺区，且栅网的电位小于等离子体工艺区的电位、等离子体工艺区的电位小于等离子体产生区的电位，该设计可在保持较高的等离子体密度下，有效降低等离子体工艺区等离子体的电子温度，保证稳定的等离子体源；相对脉冲等离子体方式，该等离子体装置采用连续波产生的等离子体，能够降低等离子体产生和射频源匹配控制的难度，扩大工艺窗口并保证工艺的效率。
附图说明
图1为现有技术中等离子体装置的结构示意图；
图2为现有技术中脉冲调制射频波形示意图；
图3为本发明实施例1中等离子体装置的结构示意图；
图4为本发明实施例1中栅网的局部剖视图；
图5为本发明实施例1中电子温度及密度分布情况示意图；
图6为本发明实施例2中等离子体装置的结构示意图；
图7为本发明实施例2中电子温度周期性调整的示意图；
附图标识中：
1－上电极射频电源；2－上电极匹配器；3－电感耦合线圈；4－反应腔室；5－晶圆；6－静电卡盘；7－下电极匹配器；8－下电极射频电源；9－介质窗口；10－腔室壁；
11－栅网；111－栅孔；112－栅梁；12－等离子体产生区；13－等离子体工艺区；14－栅网电源。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明等离子体装置作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种等离子体装置，该等离子体装置通过设置栅网以及与其配合的栅网电源，形成一种新型的等离子体产生和控制方法，提供低电子温度的等离子体源。
该等离子体装置包括反应腔室和设置于反应腔室中的承载装置，还包括栅网和与栅网电连接的栅网电源，栅网设置于承载装置的上方且与反应腔室的腔室壁绝缘；栅网用于将反应腔室隔离为等离子体产生区和等离子体工艺区，且栅网的电位小于等离子体工艺区的电位，且等离子体工艺区的电位小于等离子体产生区的电位。即通过增加导电栅网将等离子体区分割为等离子体产生区和等离子体工艺区，并使得加载至导电栅网上的电压低于等离子体(包括等离子体产生区和等离子体工艺区中的等离子体)电位的电压，可对等离子体产生区中的电子产生减速场，有效降低穿过栅网到达等离子体工艺区的电子的能量，从而能够降低等离子体工艺区等离子体的电子温度，减少刻蚀导致的损伤。
具体的，如图3所示，反应腔室4内设置有用于放置晶圆5的承载装置(这里的承载装置即为静电卡盘6)，反应腔室4上方为介质窗口9，介质窗口9上方设置有电感耦合线圈3，上电极射频电源1和上电极匹配器2通过电感耦合线圈3与静电卡盘6连接，静电卡盘6上安装晶圆5。栅网11设置于反应腔室4内并与腔室壁10电隔离，栅网11将反应腔室4分为等离子体产生区12和等离子体工艺区13，栅网11与栅网电源14相连。
如图4所示为其中栅网11的局部剖视图。栅网11中包括多个栅孔111，相邻栅孔111之间形成栅梁112(即相邻栅孔111之间的间隙)，多个栅孔111阵列排列。其中，栅孔111在平面上的尺寸范围为0.1mm～100mm，栅梁112的尺寸范围为0.02mm～30mm，栅网11的厚度范围为0.02mm～30mm。优选栅孔111的尺寸范围为1mm～50mm；栅梁112的尺寸范围为0.5mm～10mm，栅网11的厚度范围为0.5mm～10mm。
优选的是，栅孔111的形状为圆形或多边形。当栅孔111的形状为圆形时，尺寸范围指的是其孔径范围；当栅孔111的形状为多边形时，尺寸范围指的是其在同一面上的互相垂直的二维的长度及宽度范围。当然，栅孔111并不限于上述形状，也可以为不规则形状，此时栅孔111的尺寸指的是其在同一面上的互相垂直的x、y方向上可测量的最大长度或最大宽度。本实施例的栅孔111可以为不规则形状，而且栅孔111的布局只要使得电压能均匀的加载于栅网11上即可，对实际的栅孔111形状和布局规律不做限定。
栅网电源14为直流电源，栅网电源14加载至栅网11的电压范围为-200v～30v，优选栅网电源14加载至栅网11上的电压范围为-50v～0v。对于栅网电源14加载至栅网11上的方式，可以是固定加载或可调加载的，即一种方式是栅网电源14加载至栅网11上的直流电源的电压固定保持不变，优选范围为-50v～0v；一种方式是栅网电源14加载至栅网11上的直流电源的电压周期性扫描变化，且扫描周期为0.1s～10s，进一步优选直流电源的电压范围为-50v～0v，优选扫描周期为1s。不管是所加载的直流电源的电压保持不变，或者在一定范围内进行扫描变化，或者采用其他调整方式，均可满足在一定范围内调整等离子体参数(电子温度等)的目的，提高等离子体装置工艺的窗口和性能。
该等离子体装置中，增加多孔导电栅网11将等离子体区分割为等离子体产生区12和等离子体工艺区13，通过在导电栅网11上加载低于等离子体电位的电压，能有效地降低等离子体工艺区13中等离子体的电子温度。等离子体产生区12的等离子体的电位为v1，等离子体工艺区13的等离子体的电位为v2，栅网11的电位为v3，通常情况下v1>v2>v3。等离子体产生区12等离子体电位与栅网11的电位差δv13＝v1-v3，等离子体产生区12中的电子只有高于δv13能量的那部分电子能够穿过栅网11扩散至等离子体工艺区13；等离子体工艺区13中等离子体的电位与栅网11的电位差δv23＝v2-v3，扩散至等离子体工艺区13的电子获取δv23的能量，当电子获得δv23的能量高于气体非弹性碰撞的电离能时，电子在等离子体工艺区13的能量明显降低，即低电子温度。
其中，栅网11距承载装置的承载面的竖直距离，即栅网11与静电卡盘6的上表面的距离范围(可视为栅网11与等离子体工艺区13晶圆5的距离范围)为2mm～80mm。优选栅网11与静电卡盘6的上表面的距离范围为10mm～50mm。
栅网11的设置方式示例为：反应腔室4的腔室壁10沿腔室内部形成突沿，栅网11置于突沿上；或者，反应腔室4的底部设置有支撑部，栅网11设置于支撑部的上。当然，栅网11的设置方式并不限于上述示例，只要能使得栅网11与悬浮设置于静电卡盘6的上方且与反应腔室4的腔室壁10绝缘即可，对具体设置方式不做限定。
优选的是，栅网11采用铝合金、不锈钢、碳化硅、硅或石墨导电材料中的任一种形成，保证良好的导电性能。
该等离子体装置还包括等离子体产生电源，本实施例中的等离子体装置不仅仅局限于应用于icp等离子体源，还适用于多种不同的等离子体产生电源方式，例如等离子体产生电源为射频直流电源或微波电源，从而适用于包括直流、微波等产生的等离子体源及设备中。
本实施例中的等离子体装置中，由于加载在栅网11上的电位低于等离子体电位，增加的栅网11对等离子体产生区12的电子产生减速场，有效降低穿过栅网11到达等离子体工艺区13的电子的能量，使得到达等离子体工艺区13的电子的温度降低到低于0.5ev或更低。即使等离子体工艺区13的电子温度较低，但是等离子体工艺区13大量的低能电子对中性原子或分子的累积电离作用明显，也能够维持等离子体工艺区13较高的等离子体密度，保证工艺的效率(刻蚀或沉积速率)。
目前利用脉冲调制射频来产生等离子体的方式，遇到的比较大的挑战是在脉冲周期内等离子体状态不稳定，造成脉冲射频阻抗匹配非常困难；同时在等离子体湮灭期间容易形成尘埃等颗粒，对工艺过程及晶片处理的良率有较大影响。本实施例中的等离子体装置，在等离子体产生区和等离子体工艺区增加一悬浮设置的栅网进行隔离，通过栅网电源向栅网加载电压，并使得栅网的电位均低于等离子体产生区以及等离子体工艺区中等离子体的电位，改进了等离子体产生和调控方式，从而有效降低等离子体工艺区等离子体的电子温度，避免脉冲在on-off阶段造成的等离子体不稳定性，并可保证等离子体工艺区的等离子体密度与等离子体产生区基本保证一致。并且，采用栅网加载直流电压，等离子体工艺区既有活性粒子存在，也有带电粒子存在，因此既能进行自由基的刻蚀，又能进行非自由基的刻蚀，应用范围更广。
实施例2：
本实施例提供一种等离子体装置，该等离子体装置通过设置栅网以及与其配合的栅网电源，形成一种新型的等离子体产生和控制方法，提供低电子温度的等离子体源。
本实施例中等离子体装置与实施例1的区别在于，本实施例中的等离子体装置采用立体电源。如图6所示，等离子体装置包括电感耦合线圈3以及与之连接的上电极射频电源1和上电极匹配器2，电感耦合线圈3缠绕于介质窗口9外侧，下电极射频电源8、下电极匹配器7与静电卡盘6连接，静电卡盘6上方可放置处理样品或晶圆5。栅网11将反应腔室分为等离子体产生区12和等离子体工艺区13。
本实施例中，栅网11采用碳化硅sic材料形成，栅网11与腔室壁10之间绝缘隔离并与直流电源相连，栅网11孔径为1mm，栅网11离处理晶圆5距离为50mm。加载至栅网11上的直流电源的电压在-50v～0v范围之间循环扫描，扫描周期为1s。
如图7所示为ar等离子体在10mt(毫托)气压，加载至栅网11上的电压范围为-50v～0v，等离子体工艺区13在距栅网11的距离为40mm处的电子温度。从图7中可见，在放电过程中，通过周期性调整加载至栅网11上的电压能够调整等离子体工艺区13中等离子体的相对电子温度，在栅网11的电位为0v时电子温度约为1.8ev，栅网11的电位为-30v时电子温度约为0.5ev，栅网11的电位为-50v时电子温度约为0.2ev。可见，通过周期性调整加载在栅网11上的直流电源的电压，能有效调节等离子体工艺区13等离子体的参数，获得较宽的工艺调节窗口。
本发明中等离子体装置的有益效果包括：
1、采用连续波产生的等离子体相对脉冲等离子体方式，能降低等离子体产生和射频源匹配控制的难度，在较大的工艺窗口下可用；
2、通过增加栅网将等离子体区域分为等离子体产生区和等离子体工艺区，选择合适的导电材料、栅网栅孔尺寸、栅网距待处理晶圆的距离及加载至栅网的直流电源的电压，有效降低等离子体工艺区中等离子体的电子温度，保证稳定的等离子体源，同时保持较高的等离子体密度。
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。