气体遮挡环、等离子体处理装置及调控聚合物分布的方法与流程

1.本发明涉及半导体处理设备技术领域，特别涉及一种气体遮挡环、等离子体处理装置及调控聚合物分布的方法。


背景技术：

2.随着芯片制造成本的增加以及其行业的迅速发展，晶圆的有效利用面积显得尤为重要。
3.研究发现，在等离子体刻蚀腔体(真空反应腔)中，等离子体、化学反应气体以及温度分布不均匀等情况会导致整个晶圆在刻蚀过程中出现不均匀性，而无法有效利用整个晶圆。这种不均匀性主要是真空反应腔的腔体内的气体路径是沿着晶圆或所述基片3边缘方向，这会造成晶圆中心(center)与边缘(edge)区域存在等离子体和聚合物分布的差异。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种气体遮挡环、等离子体处理装置及调控聚合物分布的方法，以实现平衡腔体中心和边缘产生的聚合物的差异，让晶圆的边缘仍处于等离子体和聚合物的均匀化的区域，降低刻蚀样品的整体形貌和绝对直径的目的。
5.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种等离子体处理装置，包括：真空反应腔，所述真空反应腔内设置用于承载基片的基座。气体注入装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体。等离子体约束环，环绕设置在所述基座外围，所述等离子体约束环上设有排气通道，包括靠近所述基座的内圈排气区域和靠近真空反应腔侧壁的外圈排气区域，用于将所述真空反应腔内的反应气体排出。气体遮挡环，位于所述等离子体约束环的内圈排气区域上方，用于引导反应气体向所述等离子体约束环的外圈排气区域流动。
7.优选地，所述气体遮挡环与所述等离子体约束环的内圈排气区域之间的距离可调。
8.优选地，所述气体遮挡环的径向宽度大于0，且小于所述等离子体约束环的径向宽度。
9.优选地，所述气体遮挡环的径向宽度大于0，且小于或等于所述等离子体约束环的径向宽度的三分之二。
10.优选地，所述气体遮挡环包括若干个弧形部，所述若干个弧形部组成所述气体遮挡环。
11.优选地，所述气体遮挡环的材料为陶瓷或石英。
12.优选地，所述若干个弧形部对应采用若干个升降器进行支撑；每一所述升降器的一端对应与一所述弧形部连接，其另一端安装至所述真空反应腔的底壁上；
13.每一所述升降器用于根据预设升降要求控制所述弧形部在竖直方向上移动。
14.优选地，所述升降器为电动控制或气动控制。
15.优选地，所述等离子体约束环与所述基座之间设置隔离环，所述隔离环上方设置一覆盖环，所述覆盖环与所述气体遮挡环相连接。
16.优选地，所述气体遮挡环的下表面不高于所述覆盖环的上表面。
17.优选地，所述气体遮挡环固定在所述覆盖环的外围。
18.优选地，所述气体遮挡环与所述覆盖环一体制成。
19.另一方面，本发明还提供一种气体遮挡环，用于等离子体处理装置，所述等离子体处理装置包括一基座和环绕所述基座设置的聚焦环，所述基座外围设置一等离子体约束环，包括：内环和外环；所述外环固定于所述内环的外侧面，且与所述内环一体制成，所述内环环绕所述聚焦环设置，所述外环位于所述等离子体约束环的上方，至少部分的覆盖所述等离子体约束环的排气区域。
20.其他方面，本发明还提供一种调控聚合物分布的方法，包括：当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比大于50％的深孔或者深槽时，调节如上文所述的等离子体处理装置的气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面与覆盖环的顶面齐平。
21.当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比为大于10％，且小于50％的深孔或沟槽时，调节所述气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面位于所述覆盖环的侧壁的中部。
22.当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比小于10％的浅槽时，调节气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面与所述覆盖环的侧壁的底面齐平，。
23.本发明与现有技术相比至少具有以下优点之一：
24.本发明提供的一种等离子体处理装置，包括：真空反应腔，所述真空反应腔内设置用于承载基片的基座。气体注入装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体。等离子体约束环，环绕设置在所述基座外围，所述等离子体约束环上设有排气通道，包括靠近所述基座的内圈排气区域和靠近真空反应腔侧壁的外圈排气区域，用于将所述真空反应腔内的反应气体排出。气体遮挡环，位于所述等离子体约束环的内圈排气区域上方，用于引导反应气体向所述等离子体约束环的外圈排气区域流动。所述气体遮挡环的加入可以用于平衡腔体中心和边缘产生的聚合物的差异。气体遮挡环的存在，使得气体路径(聚合物路径)向外延伸的更远，让晶圆(基片)的边缘仍处于等离子体和聚合物的均匀化的区域，这种在所述真空反应腔内产生的聚合物可以存留在沟槽或者深孔的侧壁，有利于降低刻蚀样品的整体形貌和绝对直径，因此在等离子体反应过程中，聚合物的保护至关重要。
附图说明
25.图1为本发明一实施例提供的等离子体处理装置的真空反应腔的结构示意图；
26.图2为本发明一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于低位时的主要结构示意图；
27.图3为本发明一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于中间位时的主要结构示意图；
28.图4为本发明一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于高位时的主要结构示意图；
29.图5为本发明一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于高位时的气体路径的分布示意图；
30.图6为采用本发明一实施例提供的等离子体处理装置对晶圆进行处理后与采用现有技术中的未设有调控环的等离子体处理装置对晶圆处理后的位于晶圆表面上的聚合物沉积的对比效果示意图；
31.图7为本发明另一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于低位时的主要结构示意图；
32.图8为本发明另一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于中间位时的主要结构示意图；
33.图9为本发明另一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于高位时的主要结构示意图；
34.图10为本发明另一实施例提供的等离子体处理装置的调控环的主要结构示意图；
35.图11为本发明另一实施例提供的等离子体处理装置的调控环位于不同位置时的关键尺寸(cd)和刻蚀速率(er)的变化效果图。
具体实施方式
36.以下结合附图1～11和具体实施方式对本发明提出的一种气体遮挡环、等离子体处理装置及调控聚合物分布的方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
37.实施例一，结合图1～图6所示，本实施例提供一种等离子体处理装置，包括：真空反应腔，所述真空反应腔内设置用于承载基片300的基座100。气体注入装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体。等离子体约束环800，环绕设置在所述基座100外围，所述等离子体约束环800上设有排气通道，包括靠近所述基座100的内圈排气区域和靠近真空反应腔侧壁的外圈排气区域，用于将所述真空反应腔内的反应气体排出。气体遮挡环701，位于所述等离子体约束环800的内圈排气区域上方，用于引导反应气体向所述等离子体约束环800的外圈排气区域流动。
38.为了便于理解，在此以电容耦合等离子体处理装置为例，对上述真空反应腔的结构和气体注入装置的具体结构进行简单的说明：
39.请继续参考图1和图2，上述真空反应腔由多个壁(如侧壁110、顶壁111与底壁)围合而成；该真空反应腔的内部设置有空间。该真空反应腔可被抽真空。除进气口、排气口以及基片300进出通道外，反应腔的其它部分在处理过程中保持密闭、与外界隔离。进气口与外部的气源相连，用于在处理过程中持续向真空反应腔供应反应气体。所述气体注入装置设置在所述顶壁111上，具体的，所述气体注入装置包括：一安装基板112，其设置所述顶壁111的内表面上；一气体喷淋头101，其设置在所述安装基板112上，并与所述进气口连通，用于向所述真空反应腔供应反应气体。
40.排气口与外部的泵相连，用于将处理过程中产生的废气排出真空反应腔，也用于对真空反应腔内的气压进行控制。
41.所真空反应腔内还设有与所述气体喷淋头101相对设置的基座100，设置在所述基座100上的静电吸盘200(如图2所示)，所述气体喷淋头120作为真空反应腔的上电极，所述静电吸盘200同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源通过匹配网络施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体，等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。
42.在本实施例中，所述等离子体约束环800与所述基座100之间设置隔离环600，所述隔离环600上方设置一覆盖环700，所述覆盖环700与所述气体遮挡环701相连接。所述气体遮挡环701设置在所述覆盖环700的外围。
43.优选地，在本实施例中，所述气体遮挡环701的下表面不高于所述覆盖环700的上表面。具体的，根据不同的制程，当对所述基片300的刻蚀要求为刻蚀的深宽比大于50％的深孔或者深槽时，所述气体遮挡环701与所述覆盖环800相齐平，即所述气体遮挡环701的顶表面与覆盖环700的顶面齐平(气体遮挡环位于高位)，使得边缘区域的聚合物(中性自由基)在经过等离子体约束环800排出反应腔之前，需要先经过气体遮挡环701，在水平方向上向等离子体约束环800的外圈排气区域扩散，从而降低了聚合物(中性自由基)排出反应腔的速度，保证边缘区域参与基片处理的聚合物(中性自由基)的浓度，提高所述基片300边缘区域与所述基片300中心区域的刻蚀均匀性。
44.当对所述基片300的刻蚀要求为刻蚀的深宽比为大于10％，且小于50％的深孔或沟槽时，刻蚀工艺对聚合物(中性自由基)的浓度需求小于深宽比大于50％的刻蚀工艺，此时，所述气体遮挡环701可以向下调节，使其位于所述覆盖环700的侧边中部的位置，即所述气体遮挡环701的顶表面位于所述覆盖环700的侧壁的中部(气体遮挡环位于中位)，在此位置下，气体遮挡环对聚合物(中性自由基)的遮挡程度略低于气体遮挡环位于高位时的程度，可以使聚合物稍快地排出反应腔，提高所述基片300边缘区域与所述基片300中心区域的刻蚀均匀性。
45.当对所述基片300的刻蚀要求为刻蚀的深宽比小于10％的浅槽时，所述气体遮挡环701位于所述覆盖环700的侧壁的底部，所述气体遮挡环701的顶表面与所述覆盖环700的侧壁的底面齐平(气体遮挡环位于低位)，此时，刻蚀工艺需要的聚合物的量较高深宽比工艺少，气体遮挡环701处于低位可降低其对聚合物的遮挡效果，提高所述基片300边缘区域与所述基片300中心区域的刻蚀均匀性。如图5所示，箭头o所指向的曲线表示没有增加所述气体遮挡环701时的等离子体处理装置内部的位于基片300中心和基片300边缘的聚合物厚度分布；箭头w所指向的曲线表示含有所述气体遮挡环701时的等离子体处理装置的位于基片300中心和基片300标远的聚合物厚度分布；由此可以看出采用含有所述气体遮挡环的等离子体处理装置对所述基片300进行处理时，所述基片300边缘处的聚合物浓度增加了，且反应腔内整体聚合物的浓度有所提升，由此可以实现提高所述基片300边缘处刻蚀速率，减小所述基片300中心和所述基片300边缘之间的绝对直径差异，同时可以整体提高基片刻蚀的速率。优化了基片300中心和基片300边缘的刻蚀引起的结构或形貌差异。
46.在一些实施例中，所述气体遮挡环701与所述覆盖环700一体制成，由此便于更换与安装。在设有所述气体遮挡环701的情况下，等离子体和聚合物分布更为广泛，由此热量传输更容易，因此，所述气体遮挡环701的加入使得所述真空反应腔体内的温度也有所降低。
47.所述气体遮挡环701与所述等离子体约束环800的内圈排气区域之间的距离可调。
48.所述气体遮挡环701的径向宽度大于0，且小于所述等离子体约束环800的径向宽度。
49.所述气体遮挡环701的径向宽度大于0，且小于或等于所述等离子体约束环800的径向宽度的三分之二。
50.当所述气体遮挡环701与所述覆盖环701的顶表面在同一高度时，可以通过增加或减少其气体遮挡环701的径向宽度，调节所述真空反应腔体内的反应气体以及等离子体分布，使得所述聚合物或等离子体的分布更加均匀。
51.优选地，所述气体遮挡环701的材料为陶瓷或石英。该气体遮挡环701的材质能够抗腐蚀提高其使用寿命。
52.结合图1～图2所示，本实施例提供的等离子体处理装置还包括：环绕所述基座100设置聚焦环500及边缘环400，所述聚焦环500和边缘环400用于调节基片300周围的电场或温度分布，提高基片300处理的均匀性。所述隔离环600位于所述边缘环400上且环绕所述聚焦环500。所述等离子体约束环800环绕所述边缘环400，环绕所述等离子体约束环800设置有底接地环900。
53.可以理解的是，本实施例所提供的气体遮挡环适用于各种类型的等离子体处理装置，例如电容耦合等离子体处理装置(ccp)和电感耦合等离子体处理装置(icp)，本发明不以此为限。
54.实施例二，结合图7～11所示，本实施例提供一种等离子体处理装置，包含如实施例一所述的所有结构，与所述实施例一的不同之处如下：
55.气体遮挡环701通过升降器702实现在线位置调节，可实现无需打开反应腔即可根据工艺需求调节气体遮挡环的高度。可以节省开、关反应腔浪费的时间，提高基片处理的吞吐量。
56.为了调节不同相位角上的基片处理速率，本实施例还可以设置所述气体遮挡环701包括若干个弧形部7010，所述若干个弧形部7010组成所述气体遮挡环701，即所述若干个弧形部7010首尾连接构成所述气体遮挡环701。
57.所述若干个弧形部7010对应采用若干个升降器702进行支撑；每一所述升降器702的一端对应与一所述弧形部7010的安装部7011连接，其另一端安装至所述真空反应腔的底壁上；每一所述升降器702用于根据预设升降要求控制所述弧形部7010在竖直方向上移动。所述升降器702为电动控制或气动控制。该实施例可以独立的调节不同弧形部的高度，以满足对不同相位角区域的基片的刻蚀速率的调节。
58.当对所述基片300的刻蚀要求为刻蚀的深宽比大于50％的深孔或者深槽时，调节气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环701的顶表面与覆盖环700的顶面齐平，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
59.当对所述基片300的刻蚀要求为刻蚀的深宽比为大于10％，且小于50％的深孔或
沟槽时，调节所述气体遮挡环701的位置，所述气体遮挡环701的顶表面位于所述覆盖环700的侧壁的中部，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
60.当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比小于10％的浅槽时，调节气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环701的顶表面与所述覆盖环700的侧壁的底面齐平，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
61.可以理解的是，根据所述基片300的不同部位的刻蚀要求，可以动态的调节所述弧形部7010的高度，调节与该弧形部7010对应的所述基片边缘处的等离子体的浓度。由此可以更方便的调节所述气体遮挡环701的高度从而观察其对所述真空反应腔体内部的反应气体或等离子体分布的影响。由此可以实现提高所述基片300边缘处刻蚀速率，减小了所述基片300中心和所述基片300边缘之间的绝对直径或关键尺寸(critical dimension，cd)差异。优化了基片300中心和基片300边缘的刻蚀引起的结构或形貌差异。
62.如图11所示，当没有所述气体遮挡环701的时候，所述基片边缘和基片中心的绝对直径(差异最大，基片边缘的侧壁聚合物的保护能力较差；所述基片边缘和基片中心的刻蚀速率(etching rate，er)基本一致。
63.随着气体遮挡环701的位置的变化，cd的差异逐渐降低，当气体遮挡环701的顶表面与覆盖环的顶表面高度一致(气体遮挡环位于高位)时，基片中心和基片边缘的cd差异基本消失，说明气体遮挡环701具有控制真空反应腔体内聚合物的分布，保护基片边缘结构的形貌，同时刻蚀速率无明显变化的优点。
64.同时对于不同位置的气体遮挡环701(例如气体遮挡环位于中位，和低位)可以在不同程度上控制聚合物的分布，可以用于不同的制程。
65.由此可知，在不影响基片中心和基片边缘的刻蚀速率的情况下，能够通过改变所述气体遮挡环调控环的位置来消除基片中心和基片边缘两者的聚合物的分布差异而产生的cd差异。
66.另一方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种气体遮挡环，用于等离子体处理装置，包括：内环和外环；所述外环固定于所述内环的外侧面，且与所述内环一体制成。所述内环可以为上述实施例一所提到的覆盖环700.
67.其他方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种调控聚合物分布的方法，包括：当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比大于50％的深孔或者深槽时，调节如上文所述的等离子体处理装置的气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面与覆盖环的顶面齐平，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
68.当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比为大于10％，且小于50％的深孔或沟槽时，调节所述气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面位于所述覆盖环的侧壁的中部，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
69.当对所述基片的刻蚀要求为刻蚀的深宽比小于10％的浅槽时，调节气体遮挡环的位置，所述气体遮挡环的顶表面与所述覆盖环的侧壁的底面齐平，使得聚合物均匀分布在所述基片边缘与所述基片中心处。
70.综上所述，本发明提供的一种等离子体处理装置，包括：真空反应腔，所述真空反应腔内设置用于承载基片的基座。气体注入装置，用于向所述真空反应腔内输送反应气体。等离子体约束环，环绕设置在所述基座外围，所述等离子体约束环上设有排气通道，包括靠
近所述基座的内圈排气区域和靠近真空反应腔侧壁的外圈排气区域，用于将所述真空反应腔内的反应气体排出。气体遮挡环，位于所述等离子体约束环的内圈排气区域上方，用于引导反应气体向所述等离子体约束环的外圈排气区域流动。所述气体遮挡环的加入可以用于平衡腔体中心和边缘产生的聚合物的差异。气体遮挡环的存在，使得气体路径(聚合物路径)向外延伸的更远，让晶圆(基片)的边缘仍处于等离子体和聚合物的均匀化的区域，这种在所述真空反应腔内产生的聚合物可以存留在沟槽或者深孔的侧壁，有利于降低刻蚀样品的整体形貌和绝对直径，因此在等离子体反应过程中，聚合物的保护至关重要。
71.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
72.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
73.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
74.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
75.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。