等离子体处理装置、下电极组件及其形成方法与流程

1.本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种等离子体处理装置、下电极组件及其形成方法。


背景技术：

2.等离子体处理装置包括：真空反应腔；下电极组件，位于所述真空反应腔内的基座，所述下电极组件用于承载待处理基片。所述等离子体处理装置的工作原理是在真空反应腔中通入含有适当刻蚀剂源气体的反应气体，然后再对该真空反应腔进行射频能量输入，以激活反应气体，来激发和维持等离子体，所述等离子体用于对待处理基片进行处理。
3.随着半导体器件的集成度不断提高，刻蚀尺寸越来越小，相应的要求所施加的功率较高，这将使得现有的下电极组件易发生电弧放电。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供一种等离子体处理装置、下电极组件及其形成方法，以防止所述下电极组件中的基座与耦合环之间发生电弧放电。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种下电极组件，包括：基座，用于承载待处理基片；聚焦环，环绕于所述基座的外围；耦合环，设于所述聚焦环的下方；导电层，设于所述耦合环内；导线，用于电连接所述导电层与基座，使所述基座与导电层之间等电位。
6.可选的，所述基座包括平台部和位于平台部外围的台阶部。
7.可选的，所述耦合环包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部与所述平台部的侧壁相对，所述第二耦合部与台阶部的表面相对。
8.可选的，所述导电层设于所述第一耦合部和第二耦合部中的至少一个内，且所述导电层被所述第一耦合部或第二耦合部包裹。
9.可选的，所述导电层的材料为金属、半导体材料或碳纤维。
10.可选的，所述导电层的材料与所述耦合环的材料相同，且所述导电层内具有掺杂离子，所述掺杂离子与耦合环材料的离子价态不同。
11.可选的，所述掺杂离子为金属离子和无机离子中的至少一种；所述金属离子包括镍离子或者镁离子；所述无机离子包括：碳离子、氮离子或者硅离子。
12.可选的，所述导电层的材料为碳纤维时，所述导电层夹在所述耦合环内，且所述耦合环暴露出导电层的端部。
13.可选的，所述导电层的顶部表面到耦合环的顶部表面的距离大于100微米小于所述耦合环的厚度。
14.相应的，本发明还提供一种等离子体处理装置，包括：反应腔；上述下电极组件，位于所述反应腔内。
15.可选的，所述等离子体处理装置为电容耦合等离子体处理装置，还包括：安装基板，位于所述反应腔的顶部；气体喷淋头，位于所述安装基板的下方，且与下电极组件相对
设置；射频功率源，与所述气体喷淋头或者基座电连接；偏置射频功率源，与所述基座电连接。
16.可选的，所述等离子体处理装置为电感耦合等离子体处理装置，还包括：绝缘窗口，位于所述反应腔顶部；电感线圈，位于所述绝缘窗口上方；射频功率源，与所述电感线圈电连接；偏置射频功率源，与所述基座电连接。
17.可选的，所述射频功率源的功率范围为大于4000瓦；所述偏置射频功率源的功率为大于30000瓦。
18.相应的，本发明还提供一种下电极组件的形成方法，包括：提供基座，所述基座用于承载待处理基片，所述基座的外围设置聚焦环，所述聚焦环的下方设置耦合环；在所述耦合环内设置导电层，所述导电层通过一导线与基座电连接，使所述基座与导电层之间等电位。
19.可选的，所述导电层和耦合环的形成方法包括：提供第一耦合件，所述第一耦合件包括待处理面；在所述待处理面的外围设置掩膜层；以所述掩膜层为掩膜，在所述待处理面上形成导电层；形成所述导电层之后，去除所述掩膜层；去除所述掩膜层之后，在所述待处理面的外围和导电层的表面形成第二耦合件；所述第二耦合件和第一耦合件构成所述耦合环。
20.可选的，所述导电层的形成工艺为电化学工艺，所述电化学工艺包括：在所述待处理面刷银浆并烘烤，形成银层；所述银层作为电极，电镀形成所述导电层。
21.可选的，所述导电层的形成工艺为溅射工艺。
22.可选的，所述导电层的形成工艺为工艺，所述离子注入工艺所注入的掺杂离子与耦合环材料的离子不同；所述离子注入工艺所注入的掺杂离子与耦合环材料的离子不同。
23.可选的，所述导电层的材料为碳纤维；所述导电层和耦合环的方法包括：提供第一耦合件，所述第一耦合件包括待处理面；在所述待处理面形成导电层；在所述导电层的表面形成第二耦合件。
24.与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
25.本发明技术方案提供的等离子体处理装置中，为了允许耦合环和基座之间的热胀冷缩，所述耦合环与基座之间具有间隙。尽管所述耦合环与基座之间具有间隙，但是所述耦合环内设有导电层，且所述导电层通过导线与基座电连接，使得基座的电位与导电层的电位相等，那么，所述基座与耦合环之间的电位差转移至导电层与导电层上方耦合环之间的电位差。由于导电层上方耦合环内无间隙且耐击穿性能较好，因此，所述导电层与导电层上方的耦合环之间不易发生放电。而所述导电层下方的耦合环与基座之间虽然存在间隙，但是两者之间因为等电位，因此，所述耦合环与基座之间也不易发生电弧放电。
附图说明
26.图1是本发明一种等离子体处理装置的结构示意图；
27.图2是本发明另一种等离子体处理装置的结构示意图；
28.图3是图1中区域a的局部放大图；
29.图4是本发明下电极组件形成方法的工艺流程图；
30.图5至图7是本发明形成下电极组件各步骤的结构示意图；
31.图8为本发明另一种形成下电极组件的结构示意图；
32.图9至图11为本发明又一种形成下电极组件各步骤的结构示意图。
具体实施方式
33.正如背景技术所述，现有耦合环与基座之间易发生电弧放电，为解决所述技术问题，本发明技术方案提供一种等离子体处理装置、下电极组件及其形成方法，所述等离子体处理装置能够降低耦合环与基座之间不易发生电弧放电。
34.为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
35.图1是本发明一种等离子体处理装置的结构示意图。
36.请参考图1，等离子体处理装置1包括：反应腔100；基座101，位于所述反应腔100内；静电夹盘102，位于所述基座101上方，用于吸附待处理基片w；绝缘窗口107，位于所述反应腔100的顶部；电感线圈108，位于所述绝缘窗口107的上方。
37.在本实施例中，所述等离子体处理装置1为电感耦合型等离子体反应装置(icp)，所述等离子体处理装置1还包括：射频功率源109，射频功率源109通过一射频匹配网络将射频电压施加到电感线圈108上；偏置射频功率源110，与所述基座101电连接。反应腔100侧壁靠近绝缘窗口107的一端设置气体注入口(图中未示出)，在其他实施例中也可以在绝缘窗口107的中心区域设置气体注入口，气体注入口用于将反应气体注入反应腔100内，射频功率源109的射频功率驱动电感线圈108产生较强的高频交变磁场，使得反应腔100内低压的反应气体被电离产生等离子体。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w的表面发生多种物理和化学反应，使得待处理基片w的表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。其中，所述偏置射频功率源110通过一射频匹配网络将偏置射频电压施加到基座上，用于控制等离子体中带电粒子的轰击方向。
38.另外，所述等离子体处理装置1还包括：设备板105，包围所述基座101，所述设备板105包括底部平板和由底部平板两端向上延伸的延伸板，所述底部平板位于所述基座101的下方，所述延伸板位于所述耦合环104的下方。所述延伸板内由控温通道，用于对聚焦环103进行控温。
39.图2是本发明另一种等离子体处理装置的结构示意图。
40.请参考图2，等离子体处理装置2包括：反应腔200；基座201，位于所述反应腔200的底部；静电夹盘202，位于所述基座201的上方，用于吸附待处理基片w；安装基板206，位于所述反应腔200的顶部；气体喷淋头207，位于所述安装基板206的下方，与基座201相对设置；气体源205，与所述气体喷淋头207连通，用于向反应腔200内输送反应气体。
41.在本实施例中，所述等离子体处理装置2为电容耦合等离子体反应装置(ccp)，其中，所述气体喷淋头207作为上电极，基座201作为下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。另外，所述等离子体处理装置2还包括：射频功率源，与所述气体喷淋头207或者基座201电连接；偏置射频功率源，与所述基座201电连接，在此以所述射频功率源和偏置射频功率源均与基座201相连为例进行说明。
42.所述射频功率源通过一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w的表面发生多种物理和化学反应，使得待处理基片w表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵(图中未标出)，用于将反应副产物排出反应腔100，以维持反应腔100的真空环境。
43.所述等离子体处理装置中等离子体的密度分布与待处理基片w的刻蚀速率成正比，等离子体的密度越高刻蚀速率越高，等离子体的密度越低刻蚀速率越低。由于等离子体气流作用，待处理基片中心区域的等离子体密度减小，待处理基片边缘部分的等离子体密度增大，导致待处理基片表面中心区域刻蚀速率下降，边缘部分刻蚀速率上升，导致待处理基片刻蚀速率不均匀。
44.为解决上述问题，以图1为例进行示意性说明，在所述待处理基片w的外围设置聚焦环103，相当于向外扩大了待处理基片w的半径，使得聚焦环103上方产生和待处理基片w上方相同条件的等离子体，有效地将待处理基片w上方的等离子体分布边缘延展到聚焦环103的外侧壁，增大了等离子体的分布范围，拓宽了待处理基片w表面上等离子体的密度分布曲线，使待处理基片w上等离子体的密度分布趋于平缓，则待处理基片w上的等离子体密度分布更加均匀化，有利于保证边缘区域和中心区域刻蚀工艺的均匀性。
45.在所述聚焦环103与基座101之间设置耦合环104，是为了填充所述聚焦环103与基座101之间的间隙，防止所述聚焦环103与基座101之间发生电弧放电。
46.另外，随着半导体器件集成度的不断提高，半导体器件的刻蚀尺寸越来越小，这就要求所施加的射频功率源的功率和偏置功率源的功率较高。而施加的射频功率源的功率和偏置功率源的功率较高，具体，所述射频功率源的功率范围为大于4000瓦；所述偏置射频功率源的功率为大于30000瓦，使得基座101与耦合环104之间易发生电弧放电。本发明通过在所述耦合环104内设置导电层106，所述导电层106与基座101电连接以降低耦合环104与基座101之间发生电弧放电，如下进行详细说明：
47.图3是图1中区域a的局部放大图。
48.请参考图1和图3，所述基座101(请见图1)包括平台部101b和位于平台部101b(请见图3)外围的台阶部101a(请见图3)，所述耦合环104包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部与所述平台部101b的侧壁相对，所述第二耦合部与台阶部101a的表面相对。
49.所述基座101的材料为铝合金，所述耦合环104的材料为介电材料，例如：陶瓷或者石英，具体的如：氧化铝或者氧化钇。一方面，为了允许耦合环104和基座101的热胀冷缩，所述耦合环104与基座101之间具有间隙；另一方面，所述耦合环104与基座101之间的配合难以做到绝对严密，使得所述耦合环104与基座101之间存在间隙。
50.另外，所述述基座101的电位与耦合环104的电位不同。尽管所述基座101与所述耦合环104之间的电位不同，但是，所述耦合环104内设置有导电层106(见图1)，且所述导电层106与基座101通过导线150电连接，使得导电层106的电位与基座101的电位相等，则所述基座101与耦合环104之间的电位差转移至所述导电层106与导电层106上方的耦合环104顶部之间的电位差。由于所述导电层106位于所述耦合环104内，因此，尽管所述导电层106与耦合环104的顶部存在电位差，但是导电层106上方耦合环104内因无间隙且耐击穿性能较好，因此，所述导电层106与耦合环104之间不易发生电弧放电。并且，尽管所述基座101与导电
层106之间存在间隙，但是所述基座101与导电层106之间的电位差相等，因此，基座101与导电层106之间也不易发生电弧放电。
51.在本实施例中，所述基座101(请见图1)包括平台部101b和位于平台部101b(请见图3)外围的台阶部101a(请见图3)，所述耦合环104包括第一耦合部和第二耦合部，所述第一耦合部与所述平台部101b的侧壁相对，所述第二耦合部与台阶部101a的表面相对，所述第一耦合部内设有第一导电层106b，所述第二耦合部内设于第二导电层106a，所述导电层106包括第一导电层106b和第二导电层106a。其中，所述第一导电层106b和第二导电层106a端部可相连，也可相互分立。
52.在其它实施例中，仅在所述第一耦合部内设置第一导电层，或者，仅在所述第二耦合部内设置第二导电层。
53.在其它实施例中，所述基座为板材结构，所述基座不具有台阶，所述耦合环位于聚焦环下方，所述耦合环内设于所述导电层。
54.在一种实施例中，所述导电层106的材料为金属，例如：铜或镍。采用金属作为导电层106的好处在于：由于所述导电层106和后续导线都是金属，因此，焊接两者较容易。
55.在另一种实施例中，所述导电层106的材料为碳纤维、半导体材料，或者石墨层。
56.在又一种实施例中，所述导电层的材料与耦合环的材料相同，但是，所述导电层中掺杂离子与耦合环材料中的离子价态不同，所述掺杂离子包括金属离子和无机离子中的至少一种，所述金属离子包括镍离子或者镁离子；所述无机离子包括：碳离子、氮离子或者硅离子。由于所述掺杂离子的离子价态与耦合环材料的离子价态不同，因此，所述掺杂离子使得其所在的耦合环位置具有较好的导电性能，可作为所述导电层。
57.所述导电层106的顶部表面到耦合环104的顶部表面的距离大于100微米小于所述耦合环104的厚度，使得所述导电层106不仅能够被耦合环104包裹，还能够使得导电层106上方覆盖的耦合环104的厚度不至于过薄，保证所述耦合环104上方不易被击穿。
58.以下对下电极组件的形成方法进行详细说明：
59.图4是本发明下电极组件形成方法的工艺流程图。
60.请参考图4，步骤s1：提供基座，所述基座用于承载待处理基片，所述基座的外围设置聚焦环，所聚焦环下方设置耦合环；步骤s2：在所述耦合环内设置导电层，所述导电层通过一导线与基座电连接。
61.如下具体说明如何形成所述导电层：
62.图5至图7是本发明形成下电极组件各步骤的结构示意图。
63.请参考图5，提供第一耦合件300，所述第一耦合件300包括待处理面b；在所述待处理面b的外围设置掩膜层301。
64.所述第一耦合件300的材料为介电材料，例如可以为陶瓷或者石英，具体如：氧化铝或者氧化钇。所述第一耦合件300与后续第二耦合件构成所述耦合环。
65.所述掩膜层301内具有掩膜开口，所述掩膜开口暴露出所述待处理面b的中心区域，所述掩膜开口用于定义后续导电层的位置。所述掩膜层301位于所述待处理面b的外围，使得后续形成的导电层不覆盖于所述第一耦合件300的外围而是位于中心区域，使得所述导电层能够被完全包围不被露出，有利于防止金属污染。
66.请参考图6，以所述掩膜层301为掩膜，形成所述导电层302。
67.在一种实施例中，所述导电层302的形成工艺为电化学工艺，所述电化学工艺包括：在所述待处理面刷银浆并烘烤，形成银层；所述银层作为电极，电镀形成所述导电层。
68.在另一种实施例中，所述导电层302的形成工艺为溅射工艺，利用溅射工艺在所述待处理面b的中心区域形成所述导电层302。
69.请参考图7，形成所述导电层302之后，去除所述掩膜层301；去除所述掩膜层301之后，在所述待处理面b的外围和导电层302的表面形成所述第二耦合件303，所述第二耦合件303包围所述导电层302。
70.去除所述掩膜层301，暴露于所述待处理面b的外围区域和导电层302的侧壁，后续形成的第二耦合件303包围所述导电层302，使所述导电层302完全被第一耦合件300和第二耦合件303包围，有利于防止金属污染。
71.图8为本发明另一种形成下电极组件的结构示意图。
72.与上述实施例相同，提供第一耦合件400，所述第一耦合件400包括待处理面；在所述待处理面的外围形成掩膜层401。
73.请参考图8，以所述掩膜层401为掩膜，采用离子注入工艺在部分所述第一耦合件400内形成导电层402。
74.以所述掩膜层401为掩膜，向所述第一耦合件400内注入掺杂离子。所述掺杂离子包括金属离子和无机离子中的至少一种，所述金属离子包括镍离子或者镁离子；所述无机离子包括：碳离子、氮离子或者硅离子。
75.通过控制注入掺杂离子的能量可调节注入深度，从而决定所形成导电层402的厚度。通过离子注入工艺形成所述导电层402的好处在于：采用离子注入工艺形成的导电层402与第一耦合件400之间不存在界面，不会发生分层现象。
76.形成所述导电层402之后，还包括：去除所述掩膜层401；去除所述掩膜层401之后，在所述导电层402和第一耦合件400的外围区域形成第二耦合件，所述第二耦合件包围所述导电层402。所述第二耦合件包围所述导电层402，使所述导电层402完全被第一耦合件400和第二耦合件包围，有利于防止金属污染。
77.图9至图11为本发明又一种形成下电极组件各步骤的结构示意图。
78.请参考图9，提供第一耦合件500，所述第一耦合件500包括待处理面c。
79.请参考图10，在所述待处理面c上形成导电层501。
80.在本实施例中，所述导电层501的材料为碳纤维，由于碳纤维暴露在等离子体环境中不会带来金属污染，因此无需额外借助于掩膜层使后续第二耦合件包围导电层501，因此，有利于简化工艺步骤，降低工艺成本。
81.请参考图11，在所述导电层501的表面形成第二耦合件502。
82.综上，在所述耦合环内设置导电层，所述导电层通过导线与基座电连接，使得基座的电位与导电层的电位相等，那么，所述基座与耦合环之间的电位差转移至导电层与导电层上方耦合环之间的电位差。由于导电层上方耦合环内无间隙且耐击穿性能较好，因此，导电层与导电层上方的耦合环之间不会发生放电，而所述导电层下方的耦合环与基座之间因为等电位，因此，所述耦合环与基座之间也不易发生电弧放电。
83.虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所
限定的范围为准。