一种等离子体刻蚀反应器的制作方法

本发明涉及半导体设备技术领域，特别涉及一种利用涂层涂覆在半导体装置腔体组件的内壁，可以改善半导体装置的等离子体刻蚀腔体的性能的一种等离子体刻蚀反应器。

背景技术：

对于电感耦合型等离子体(inductivecoupledplasma,icp)和电容耦合型等离子体(capacitivecoupledplasma,ccp)的刻蚀腔室，其腔体内壁用于将等离子体密封在等离子反应器(plasmareactor)内部，在等离子体刻蚀过程中，整个腔体的大表面均暴露在等离子的环境中，且若腔体内壁的表面的组分或性质发生了改变，则会敏感地影响到等离子体刻蚀过程的稳定性。通常情况下，腔体的内壁采用铝合金(alalloy)制成，并通过在腔体的内壁的表面覆盖y2o3等离子喷涂涂层或其他耐等离子体的涂层，来维持等离子体刻蚀的稳定性以及延长腔体设备的使用寿命。

对于一些icp刻蚀处理，例如，多晶硅(poly-si)的刻蚀处理和对金属的刻蚀处理，利用上述刻蚀方式对每个晶圆进行刻蚀处理时，则需要对icp刻蚀腔体的内部表面进行聚合物沉积(polymerdeposition)和去沉积(de-deposition)的处理步骤，即涂覆与去涂覆(coatingandde-coating)处理。对腔体进行涂覆具体为在腔体表面上或环境中进行原位预聚物沉积(in-situpre-polymer)处理，使得在对晶圆进行等离子体刻蚀处理时，使其处于稳定的恒定的人造刻蚀环境中。由于在利用等离子体对晶圆进行刻蚀的同时会腐蚀腔体表面以及腔体内壁的表面，在刻蚀此晶圆前预先对腔体表面涂覆的聚合物涂层会在此过程中毁坏，导致在对下一个晶圆进行刻蚀的时候不能直接进行使用，因此需要清除残留在腔体表面或者腔体内壁表面上的涂层。因此，在对一个晶圆进行刻蚀完成后，紧接着就会对腔体的表面或者腔体的内壁表面进行去涂层处理。

由于上述的对腔体表面或腔体内壁表面进行涂覆与去涂覆处理，则腔体内壁表面会对等离子体刻蚀的稳定性产生影响。现有技术的处理会产生以下问题：一个问题是在完成对一个晶圆的刻蚀后，在进行去除残留涂层处理的过程中，同时会腐蚀腔体的内壁表面，使得减少设备的使用寿命。第二个问题是关于腔体的内壁表面的粗糙程度，当上述腔体的内壁表面比较粗糙时，使得很难去除残留在腔体的内壁表面的涂层，因此仍然残留在所述腔体的内壁表面的涂层随着对晶圆刻蚀的数量增加，上述残留的涂层会变得越来越厚，最终或快或慢的影响等离子体刻蚀的稳定性。第三个问题是在腔体内壁表面上的化学组分的稳定性的问题，当用于等离子体刻蚀的等离子体中包含有f离子时，腔体内壁表面涂有的psy2o3涂层会转化为含有yf3或yof的涂层表面；此处所述yof为含有y、o与f三种元素的化合物，根据等离子体化学组分的不同，其y、o与f三种元素之间的比例也不同，化合价不同)，同样的，当当用于等离子体刻蚀的等离子体中包含有o离子时，腔体内壁表面涂有的psyf3涂层会转化为含有yof的涂层表面；则此不稳定的腔体内壁表面的涂层也会影响等离子体刻蚀的稳定性。

随着icp等离子体刻蚀工艺的快速发展，例如逻辑硅腐蚀与记忆聚碳腐蚀的处理，均对刻蚀的稳定性的要求变得更加重要与苛刻。通常情况下，上述刻蚀工艺要求等离子体刻蚀速率(er)的不一致性小于1％。3σ等离子体刻蚀速率(er)的重复率小于1％。要求处理恢复时间少于8小时，对尺寸为0.19nm的腔体内部的颗粒通过10份或者250晶圆处理进行计数的时间小于1小时。为了达到上面所述的所有技术规格，需要使得等离子体的环境或者等离子腔体的表面，特别是等离子腔体的内壁表面要保持持久的稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种等离子体刻蚀反应器，使得实现改善等离子腔体内部表面或腔体内壁表面的结构稳定性，提高等离子体刻蚀过程的性能，且满足先进的等离子体刻蚀工艺的要求的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种等离子体刻蚀反应器，所述反应器包括腔体，所述腔体围绕而成的空间内设置有待处理基片，基片上方包括反应空间，反应气体和射频功率被输送到所述反应空间形成等离子体，对所述基片进行刻蚀，所述腔体的内壁表面形成有抗等离子体涂层，以防止腔体内刻蚀晶圆用的等离子体对内壁的腐蚀，所述抗等离子体涂层的表面材料层的粗糙度≤1μm，且所述抗等离子体涂层的表面材料层的孔隙率低于1％，厚度大于10um，所述抗等离子体涂层的表面材料层由包括氟和钇的化合物组成。

优选地，所述抗等离子体涂层的表面材料层的氟含量大于10％小于60％。

优选地，所述等离子体刻蚀反应器内的等离子体含有f与o离子，所述抗等离子体涂层为yof涂层，其中所述氧含量大于15％。

优选地，所述等离子刻蚀反应器为电感耦合型反应器，反应器外部包括一个电感线圈，用于激励反应空间内的反应气体形成等离子体，所述腔体内包括一个可拆卸的内衬，所述内衬围绕所述反应空间，所述抗等离子体涂层涂覆在所述内衬上。

优选地，所述抗等离子体涂层还包括一中间材料层涂覆在所述腔体基材表面，所述中间材料层的厚度大于所述表面材料层，且所述抗等离子体涂层的中间材料层的孔隙率大于所述表面材料层。

优选地，所述抗等离子体涂层的中间材料层与表面材料层之间的界面的粗糙度小于1.5um，孔隙率小于2％。

优选地，所述抗等离子体涂层的中间材料层是以颗粒尺寸小于10μm的y2o3或者yf3的陶瓷粉喷涂到所述腔体基材上制成的，完成喷涂后再进行抛光加工。

优选地，所述等离子体刻蚀腔体的基材由铝或铝合金材料制成。

优选地，所述抗等离子体涂层的中间材料层为多层结构，沿着涂层厚度方向堆叠有多个涂层，多层结构中的每个涂层具有相同或不同的表面粗糙度，或者多层结构中的每个涂层具有相同或不同的厚度，或者多层结构中的每个涂层具有相同或不同的孔隙率。

优选地，所述抗等离子体涂层的中间材料层为在刻蚀腔体内壁的表面上采用等离子喷涂方式涂覆一个单层结构的y2o3涂层或al2o3涂层、或多层结构的y2o3涂层或al2o3涂层，或y2o3涂层与al2o3涂层的组合涂层；所述组合涂层为沿着涂层厚度的方向使y2o3涂层与al2o3涂层间隔布置、叠加而成。

优选地，所述抗等离子体涂层的中间材料层是通过粉末喷涂沉积、或冷喷涂沉积、或气溶胶沉积方式，在室温环境下沉积而成；所述抗等离子体涂层的表面材料层是通过等离子体增强物理气相沉积、或物理气相沉积、或化学气相沉积方式，在等离子体在真空环境沉积而成。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明公开的通过在icp腔室内壁的表面含有涂层，此涂层具有好的致密度，表面光滑度与稳定性的优点。上述涂层为抗等离子体涂层。

本发明具有改善等离子腔体内部表面或腔体内壁表面的结构稳定性，提高等离子体刻蚀过程的性能，且满足先进的等离子体刻蚀工艺的要求的优点。

本发明通过在等离子体刻蚀腔体的内壁表面涂覆了一层具有高致密度与光滑的抗等离子体涂层，使得其在进行去涂层处理的过程中容易将涂覆在上述内壁表面的抗等离子体涂层易清除干净不影响对下一个待处理的晶圆的处理过程，具有提高处理效率，降低生产成本的优点。

附图说明

图1为传统的ps涂层与本发明通过细粉制成的ps涂层表面粗糙度以及涂层横截面的孔隙率的对比示意图；

图2中(a)～(d)为通过ad与csd方式在含铝(al)材料的衬底上生成的涂层的表面与涂层的横截面的表面形态示意图；(e)～(f)为通过pepvd方式在含铝材料的衬底上生成的涂层的表面与涂层的横截面的表面形态示意图；

图3为本发明中的抗等离子体涂层为一个多层涂层结构剖面示意图；

图4为利用扫描电子显微镜扫描得到的该多层涂层结构剖面的表面形貌示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明的一种等离子体刻蚀腔体，在本实施例中，上述等离子体刻蚀腔为icp腔，其内壁表面设有一致密且光滑的涂层，此涂层通过采用陶瓷粉末为基材，在icp腔的内壁表面采用等离子喷涂(plasmaspary，ps)生成一层组分为y2o3或者yf3的涂层。接着在上述涂层的表面进行抛光处理，使得上述涂层的表面粗糙度(ra)小于1μm。

在本实施例中，采用颗粒尺寸大小为10μm或颗粒尺寸更小的陶瓷粉末为基材、以ps方式生成的涂层可以降低孔隙率与表面粗糙度，使得当前生成的ps涂层的孔隙率低于2％，表面粗糙度小于1.5μm。

在本实施例中，对icp腔的内壁表面上的涂层进行的抛光处理大大降低该涂层的表面粗糙度，使得上述涂层表面粗糙度低于1μm。等离子体刻蚀腔在对腔内的晶圆进行刻蚀等处理操作时，或是在前一个晶圆处理完毕、对下一个晶圆处理前对腔内的残余物质进行清除时，该抗等离子体涂层可以维持上述icp腔的内壁的化学组分以及表面形态不变，从而使得在上述icp腔内对下一个待刻蚀的晶圆进行处理时，其刻蚀性能更加稳定，刻蚀等离子体更洁净无来自残余涂层的污染。

传统的涂层通过颗粒尺寸大小的为25～40μm的陶瓷粉末为基材、采用ps(等离子喷涂)方法生成涂层时，该传统涂层孔隙率为3～5％，表面的粗糙度大于4μm。

图1为传统的ps涂层与本发明通过细粉制成的ps涂层表面粗糙度以及涂层横截面的孔隙率的对比图；如图1所示，本发明通过采用细粉末型陶瓷粉末制成的抗等离子体刻蚀的涂层具有低孔隙率与高致密度，且经过抛光处理后的抗等离子体刻蚀的涂层具有光滑的表面。

在另一个实施例中，一种icp腔体，其包括一带有致密且光滑的表面涂层的内壁，其内壁的表面由抗等离子体涂层构成，上述抗等离子体涂层为：y2o3涂层，或者yf3涂层，或其他抗等离子体腐蚀的抗等离子体涂层。在本实施例中，icp腔的内壁表面的涂层为通过采用先进的制造工艺或沉积方式生成的具有少孔致密结构以及光滑表面的涂层。典型的沉积方式包含：在室温下沉积的粉末喷涂沉积(powdersprayeddeposition)，冷喷涂沉积(cooledsprayeddeposition，csd)和/或气溶胶沉积(aerosoldeposition，ad)。另一些沉积涂层的方式为与等离子体相关的真空沉积方式，包含等离子体增强物理气相沉积(plasmaenhancedphysicalvapourdeposition，pepvd)，物理气相沉积(physicalvapourdeposition，pvd)，化学气相沉积(chemicalvapourdeposition，cvd)中的一种或其任意一组合。对于采用csd与ad方式进行沉积涂层时，通过将陶瓷粉末注入到喷枪中，启动喷枪以大于声速的速度对材料表面进行轰击，陶瓷粉末通过粉末颗粒之间在材料表面上的碰撞以及微塑性变形生成陶瓷涂层。上述利用csd方式可以生成致密涂层，且该涂层的厚度可达100μm或大于100μm且其表面粗糙度低于0.6μm。在本实施例中，其采用csd与ad方式生成的y2o3涂层厚度范围为2μm～200μm，其表面粗糙度小于1μm，进一步优选地可以使其表面粗糙度小于0.1μm。

图2中(a)与(b)为采用ad方式在含铝(al)材料的衬底上生成的涂层的表面与涂层的横截面的表面形态示意图。图2中(c)与(d)为采用csd方式在含铝(al)材料的衬底上生成的涂层的表面与涂层的横截面的表面形态示意图。在icp腔内壁表面的al衬底上生成的y2o3涂层，厚度从5μm到114μm范围内的y2o3涂层具有很好的致密度。在经过抛光处理的y2o3涂层的表面粗糙度低于0.1μm。由于ad与csd方式是在大气环境下进行喷涂的，因此其生成的涂层内部会有非常高的残余应力。因此还需要对上述涂层进行处理，使其能够具有一个稳定的结构并且对衬底有很好的附着力。

图2中图(e)～(f)为通过pepvd方式在含铝(al)材料的衬底上生成的涂层的表面与涂层的横截面的表面形态示意图。如图2所示，由于pepvd可以是根据衬底的不同制备涂层的温度可选为从室温到200℃。pepvd可以制备多层结构的涂层，并且其涂层内部应力通过涂层结构界面区域进行释放。在等离子体刻蚀腔体的内壁采用pepvd喷涂一层厚涂层可以延长腔室的使用寿命。通过pepvd可以形成多层涂层的组合，这些涂层可以具有不同表面粗糙度、不同厚度，并沿着涂层厚度的方向堆叠分布；可以通过上述方式，形成如y2o3的抗等离子体涂层的多层组合。

在一些实施例中，本发明的一种icp腔体，其包含高致密度与表面光滑的抗等离子体涂层的内壁。根据icp腔内对晶圆处理的等离子体的不同，其上述icp腔体的内壁表面对应涂覆不同的涂层；当此等离子体刻蚀腔内的等离子体含有f与o离子时，在内壁上涂覆有yof涂层。当此等离子体刻蚀腔内的等离子体含有f离子时，在内壁上合成有yf3涂层。其中yof涂层中的氟的成分含量(原子数百分比)需要大于10％小于60％，最佳的需要大于40％小于55％。采用这样的涂层可以使得在长期的含氟、含氧等离子的腐蚀下，仍然能够使得涂层的表面材料性能稳定，不会因为与反应气体发生化学反应而导致化学成分发生变化，进而引起处理效果不稳定。

这是由于传统的等离子体刻蚀腔的内壁上设有y2o3涂层，当使用含有f离子的等离子体进行刻蚀时，其y2o3涂层会转化成含有yf3成分的涂层。当使用含有o和f离子的等离子体对晶圆进行处理时，其y2o3涂层会转化成含有yof成分的涂层。此时，由于等离子体刻蚀腔内壁表面涂层的化学组分发生变化时导致不稳定的内壁表面涂层继续与等离子体发生化学反应，影响了当前刻蚀的晶圆表面上的等离子体密度以及等离子体分布。上述的现象也发生在icp与ccp等离子体刻蚀过程中，使得晶圆表面上的等离子体刻蚀速率发生变化。特别在前一个晶圆处理完毕、对下一个晶圆处理前对腔内的残余物质进行清除时，等离子体刻蚀在去涂层的处理过程中或腐蚀icp腔内壁的y2o3涂层，使得y2o3涂层的化学组分发生变化，进而影响对下一个待处理晶圆的刻蚀。

或者，在icp腔内对晶圆处理的气体中含有cl2或者hbr时所述icp腔的内壁表面涂层为含有y2o3,yf3,yof,er2o3中的一种或其任意一组合的涂层。

在一个优选的实施例中，本发明一种等离子体刻蚀腔体，包含高致密度与表面光滑的抗等离子体涂层的内壁。在本实施例中，上述抗等离子体涂层是混合结构(同一涂层包含有至少两种抗等离子体腐蚀的化学组分)或者是多层结构(沿着涂层厚度的方向形成不同表面粗糙度与不同厚度的多层组合)，且其最顶层的表面是多层结构涂层，其最底层为混合结构。且该混合结构涂层满足导热，绝缘或者电导，结构稳定等所需求的功能。

优选地，一种涂层结构从顶层到等离子体刻蚀腔内壁表面依次分为顶层为抗等离子体涂层，底层为多孔层，等离子体刻蚀腔内壁表面为衬底。当等离子体刻蚀腔内壁加热到相对比较高的温度时，例如80℃，其顶层涂层保持稳定结构不会出现裂缝。根据不同的等离子体刻蚀过程的要求，则会在刻蚀腔内壁的表面上采用ps方式涂覆一个单层结构的y2o3涂层或al2o3涂层、或多层结构的y2o3涂层或al2o3涂层，或y2o3涂层与al2o3涂层的组合(组合时，例如沿着涂层厚度的方向使y2o3涂层与al2o3涂层间隔布置、叠加而成)，作为涂层的底层，上述底层的孔隙率小于10％，在靠近衬底的部分的孔隙率为3～5％。上述底层具有相对比较高的孔隙率，有助于释放涂层的体积膨胀以及有助于涂层适应当腔体内壁温度升高造成的变形。底层具有一定厚度使得其具有好的电绝缘性。

如图3与图4所示，图3为一个多层涂层结构剖面示意图，即在腔体的内壁表面即al衬底表面上涂覆一层带孔隙的y2o3涂层，之后在带孔隙的y2o3涂层上采用pepvd的方式沉积一层y2o3或yof涂层。上述底层还可以为热导电层，即在腔体内壁的表面上沉积硅酸钇或硅或两者的组合的涂层。然后在底层上沉积抗等离子体涂层，例如y2o3或yof或两者的组合的涂层。之后调整涂层的厚度，使得该形成的复合涂层在对晶圆进行等离子体刻蚀时具有良好的抗等离子体性能以及良好的导热性能。

基于上文所述的一种等离子体刻蚀腔体还公开了一种等离子处理装置，包含：上文所述的包含高致密度与表面光滑的抗等离子体涂层的内壁的腔体，所述腔体上端包括腔盖，该腔盖上方包括介电窗，所述腔体、腔盖和介电窗围绕形成反应腔，所述反应腔内设有底部基座来放置待处理的晶圆；所述腔盖或者腔体设置有加热器。

本发明与传统的腔体比较，其传统的腔体涂层材料为si,sio2,sic与al2o3。本发明降低了对腔体内壁的腐蚀度。本发明的涂层包含但不限于y2o3,yf3,yof,er2o3或其任意一组合。

当前icp反应腔中，基座及基座上的晶圆放置于反应腔内底部，晶圆上方为一个反应空间，一个电感线圈围绕设置在所述反应空间的上方，等离子体首先产生在靠近反应腔顶部的位置然后逐渐向下扩散，经过长距离的扩散到达下方晶圆时达到最佳的等离子体浓度分布和自由基(radical)分布比例。由于需要长距离的扩散，所述icp反应腔中暴露到等离子体的反应腔体侧壁高度达到10几厘米以上，由于反应腔通常是圆桶形的，所以其内壁面积非常大，所以icp反应腔内壁表面材料特性的逐渐改变会造成晶圆处理效果相应的改变，最终导致刻蚀的均匀性随着时间的推移越来越差。相反ccp反应器中上下电极的间距非常小通常，只有几个毫米，反应腔内壁的材料特性对最终的反应效果的影响有限，反而是作为上电极的气体喷淋头或者晶圆周围的聚焦环或者下电极外围的限制环(confinementring)的特性对处理效果的影响更大。所以本发明对反应腔内壁抗等离子图涂层的材料改进能够在icp反应腔中取得更显著的效果，使得icp反应腔中的晶圆的处理效果长期稳定。

icp反应器中通常还设置有一个内衬，该内衬设置在反应腔顶盖以下，围绕晶圆以上的反应空间，而且内侧可以在进行多次等离子处理后被取出进行清洗。通过内衬的设置可以使得反应腔内壁很少受到污染和腐蚀，而且内衬的设置可以根据等离子处理工艺的具体需要，通过简单的修改内衬形状改善反应气体和等离子的扩散方向和分布。在设置了内衬的反应器中，反应腔体内壁不再暴露于等离子体，改为由内衬的内壁暴露于等离子体，本发明的抗等离子体涂层也可以设置在该内衬的面向等离子体的内壁上。但是内衬上的涂层与反应腔内壁还具有区别，反应腔的外壁暴露于外部大气，且有控温装置控温，所以反应腔体的温度比较稳定，涂层能够在腔体上牢固的涂覆。内衬由于在反应腔内部的真空环境中，而且内衬的内壁长期受等离子体辐射轰击，又没有相应的控温机构，会在等离子处理过程中快速升温，与等离子处理前的室温相比，温度变化幅度很大，这就导致由金属(通常是铝合金)制成的内衬会发生大幅的热膨胀。本发明的抗等离子体涂层的热膨胀系数与金属相比差距较大，这会导致涂层的开裂与脱离，失去抗等离子腐蚀的作用，表面特性的大幅变化也同时导致处理效果在长时间内大幅改变。所以对于内衬最佳的需要涂覆多层抗等离子体涂层，其中表层材料需要保持高致密度(空隙率小于1％)、低粗糙度(ra小于1um)，材料成分与对应处理的工艺相关联(yof)，在内衬基材与表层材料层之间设置一个提供缓冲的中间材料层，中间材料层的空隙率大于1.5％或者大于5％。最佳的中间材料层具有渐变的空隙率从靠近表层材料层到靠近基材表面的空隙率从3％逐渐变化为10％。这样就能在频繁的温度变化周期中防止涂层开裂，保证等离子处理效果的稳定性和均一性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。