等离子体生成装置和半导体工艺设备的制作方法

本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种等离子体生成装置和半导体工艺设备。

背景技术：

远程等离子体源(remoteplasmasource，rps)是一种激发气体产生等离子体的装置，远程等离子体源通常作为半导体工艺设备的一个部件，专门为反应腔室提供活化气体和自由基，由于等离子体产生在远程等离子体源反应腔内，活化气体和自由基通过管道流入工艺腔室，对工艺腔室中的晶圆进行处理，避免了在工艺腔室直接激发等离子体导致离子对晶圆产生轰击造成等离子体损伤的问题。

等离子体的激发有直流放电、射频电容耦合放电、射频电感耦合放电和微波表面波激发等方式，现有的远程等离子体源，为保证生成的等离子体密度足够高，通常选用射频电感耦合放电和微波表面波激发的方式激发等离子体，但这两种激发方式所要求的系统比较复杂，价格昂贵。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种等离子体生成装置和半导体工艺设备。

为了实现上述目的，本发明提供一种等离子体生成装置，应用于半导体工艺设备，其中，所述等离子体生成装置包括反应腔室，所述反应腔室具有进气口和出气口；

所述反应腔室包括等离子体生成结构，所述等离子体生成结构包括：沿从所述反应腔室的进气口到出气口的方向上间隔设置的第一电极部和第二电极部；

所述第一电极部中设置有至少一个第一输气通道，所述第二电极部中设置有至少一个第二输气通道，所述第一输气通道的第一端与反应腔室的进气口连通，所述第一输气通道的第二端与所述第二输气通道的第一端连通，所述第二输气通道的第二端与所述反应腔室的出气口连通；

所述第一电极部与第一直流电源端连接，所述第二电极部与第二直流电源端连接，所述第一电极部和所述第二电极部用于在所述第一直流电源端与所述第二直流电源端之间的电压的控制下，在所述第一输气通道中、以及所述第一电极部与所述第二电极部之间的间隔区域中进行放电，以将所述第一输气通道中、以及所述间隔区域中的反应气体激发成等离子体。

可选地，所述第一输气通道为贯穿所述第一电极部的柱形通道，所述第二输气通道为贯穿所述第二电极部的柱形通道。

可选地，所述第一电极部包括多个间隔设置的第一电极板，每相邻两个第一电极板之间的间隔作为所述第一输气通道；

所述第二电极部包括多个间隔设置的第二电极板，每相邻两个第二电极板之间的间隔作为所述第二输气通道。

可选地，所述第一电极板所加载的电压与所述第二电极板所加载到的电压之间具有预设压差。

可选地，所述第一输气通道和所述第二输气通道一一对应，所述第二输气通道的口径小于或等于第一输气通道的口径。

可选地，所述第一电极部中设置有多个所述第一输气通道，多个所述第一输气通道呈阵列排布。

可选地，所述反应腔室的进气口的口径小于所述第一输气通道的口径。

可选地，所述进气口位于所述反应腔室的顶部，所述出气口位于所述反应腔室的底部；所述等离子体生成结构设置在所述反应腔室的内壁上。

可选地，所述反应腔室的外壁上设置有多个磁性件组，多个所述磁性件组沿所述反应腔室的轴向排列，每个所述磁性件组包括沿所述反应腔室的周向排列的多个磁性件；

其中，在所述反应腔室的轴向上排列的任意相邻两个所述磁性件的极性不同，和/或，在所述反应腔室的周向上排列的任意相邻两个所述磁性件的极性不同。

可选地，所述第二电极部上设置有多个吸附孔，所述吸附孔的入口朝向所述第一电极部。

可选地，所述第一电极部靠近所述反应腔室的进气口的一端设置有匀流结构，所述第一输气通道的第一端通过所述匀流结构与所述反应腔室的所述进气口连通。

本发明还提供一种半导体工艺设备，其中，包括工艺腔室和上述的等离子体生成装置；

所述等离子体生成装置的出气口与所述工艺腔室的进气口连通，所述等离子体生成装置用于向所述工艺腔室中输送等离子体，以对位于所述工艺腔室中的待加工工件进行加工。

本发明的等离子体生成装置具有以下有益效果：

采用本发明实施例的等离子体生成装置，其采用直流电源驱动，无需设置匹配网络，因此，等离子体生成装置的整体结构简单，成本低廉；同时，本发明实施例的等离子体生成装置利用空心阴极放电，从而增加了等离子体生成的密度，使等离子体生成装置生成的等离子体密度可以满足更高的要求。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1a为一示例中等离子体生成装置的结构示意图；

图1b为另一示例中等离子体生成装置的结构示意图；

图1c为图1b中区域a的放大图；

图2a为本发明实施例提供的等离子体生成装置的结构示意图之一；

图2b为本发明实施例提供的等离子体生成结构的仰视图之一；

图3a为本发明实施例提供的等离子体生成装置的结构示意图之二；

图3b为本发明实施例提供的等离子体生成结构的仰视图之二；

图4为本发明实施例提供的具有多个第一输气通道的等离子体生成装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的具有多个第一输气通道的等离子体生成装置的俯视图；

图6a和图6b为本发明实施例提供的反应腔室的平面图；

图7a至图7c为本发明实施例提供的匀流结构中匀流孔的示意图；

图8为本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的等离子体生成装置的信号流的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在一示例中，提供一种基于射频/微波放电的远程等离子体生成装置，图1a为一示例中等离子体生成装置的结构示意图，如图1a所示，该远程等离子体生成装置(rps)100包括：控制单元101、电源单元102、匹配单元103和反应腔室104。控制单元101通过模拟电路或数子电路执行设定的动作流程，如控制电源单元102提供电信号，控制匹配单元103进行阻抗匹配等。电源单元102可以将50hz交流电转换成工作所需的射频或微波电能(典型的射频频率为400khz，13.56mhz，微波频率为2.45ghz)，并根据控制单元101发出的指令调整输出功率。匹配单元103包括匹配网络，用来匹配反应腔室104和电源单元102间的阻抗，保证电源功率最大程度的传输进反应腔室104内。反应气体(如he、ar、h2、n2、o2、nf3等)通过进气管道105通入反应腔室104，反应气体在反应腔室104中被激发形成等离子体，等离子体通过出气管道106进入工艺腔室107，在工艺腔室107内对晶圆或基片进行处理，或者去除工艺腔室107内壁的沉积薄膜。

在本示例中，采用射频/微波生成等离子体会造成较高的电磁辐射，需要做屏蔽处理，并且，生成射频/微波的电源单元102成本较高，而且还需要设置匹配单元103，整个装置结构复杂且造价昂贵。

在另一示例中，提供一种利用空心阴极放电的等离子体生成装置，在放电过程中，在阴极上方形成阿斯通暗区、阴极暗区(克鲁克斯暗区)和负辉光区等。其中，负辉光区中等离子体生成密度较高，而空心阴极可以使得阴极上方的负辉光区重合，进而提高了空心阴极中心区域的等离子体密度。图1b为另一示例中等离子体生成装置的结构示意图，如图1b所示，本实例中的等离子体生成装置10包括：

阳极电极11、阴极电极12、设置在阴极电极12上的贯通孔120、气体供给装置13和射频交流电源14。气体供给装置13向阳极电极11与阴极电极12间导入工艺气体100。射频交流电源14向阳极电极11与阴极电极12提供射频信号，利用电容耦合射频放电，在阳极电极11与阴极电极12间使工艺气体100激发成为等离子体。与此同时，阴极电极12设置的贯通孔120中会发生空心阴极放电，从而增加生成的等离子体的密度。图1c为图1b中区域a的放大图，如图1c所示，s代表两极板间的距离，射频交流电源14向阳极电极11与阴极电极12提供射频信号后，在阳极电极11与阴极电极12间的区域形成辉光放电区域101，阴极电极12的贯通孔120内形成空心阴极放电区域102。辉光放电区域101与阳极电极11和阴极电极12间形成鞘层区域200。空心阴极放电区域102与贯通孔120间也形成鞘层区域200。

在本示例中，通过在阴极电极12上设置微孔来实现空心阴极放电，但是，本示例中仍然采用的是射频电源，成本昂贵，并且，在阴极电极12上设置微孔的加工难度较高，不利于降低成本。

有鉴于此，本发明实施例提供一种等离子体生成装置，应用于半导体工艺设备，图2a为本发明实施例提供的等离子体生成装置的结构示意图之一，图3a为本发明实施例提供的等离子体生成装置的结构示意图之二，结合图2a和图3a所示，等离子体生成装置包括反应腔室，反应腔室具有进气口1和出气口2。反应腔室包括等离子体生成结构，等离子体生成结构包括：沿从反应腔室的进气口1到出气口2的方向上间隔设置的第一电极部31和第二电极部32。第一电极部31中设置有至少一个第一输气通道41，第二电极部32中设置有至少一个第二输气通道42，第一输气通道41的第一端与反应腔室的进气口1连通，第一输气通道41的第二端与第二输气通道42的第一端连通，第二输气通道42的第二端与反应腔室的出气口2连通。第一电极部31与第一直流电源端v1连接，第二电极部32与第二直流电源端gnd连接，第一电极部31和第二电极部32用于在第一直流电源端v1与第二直流电源端gnd之间的电压的控制下，在第一输气通道41中以及第一电极部31与第二电极部32之间的间隔区域中进行放电，以将第一输气通道41中以及间隔区域中的反应气体激发成等离子体。

具体地，第一直流电源端v1可以是一直流电源的阴极，第二直流电源端gnd可以是接地端，第一电极部31可以通过连接部33与第一直流电源端v1连接。空心阴极放电是一种特殊的辉光放电，产生条件与第一电极部31的结构(具体可以是第一输气通道41的形貌)相关，在本发明实施例中，第一输气通道41可以是贯穿第一电极部31的过孔或者狭缝。第一输气通道41的口径可以根据实际需要确定，但第一输气通道41的口径应当至少大于两倍阴极区的宽度，其中，阴极区的宽度与第一电极部31所加载的电压相关，具体可以通过等离子体诊断确定得到。在第一输气通道41中进行放电是指，在第一输气通道41中进行空心阴极放电。当第一电极部31与第一直流电源端v1导通，且第二电极部32与第二直流电源端gnd导通后，由于第一输气通道41发生空心阴极放电，电子在第一输气通道41振荡，因此，提高了第一输气通道41中电离、激发等碰撞过程的几率，从而使得生成等离子体的密度大大增加。

综上，采用本发明实施例的等离子体生成装置，其采用直流电源驱动，无需设置匹配网络，因此，等离子体生成装置的整体结构简单，成本低廉，只要达到放电的最低电场强度即可起辉并维持放电；同时，本发明实施例的等离子体生成装置利用空心阴极放电，从而增加了等离子体生成的密度，使等离子体生成装置生成的等离子体密度可以满足更高的要求。并且，本发明实施例的等离子体生成装置利用第一输气通道41实现空心阴极放电，第一输气通道41的口径可以设置的较大(厘米级)，适合机械加工，相较于图1b所示的示例中在电极板上开设微孔而言，本发明实施例的等离子体生成装置具有更加简便的制备工艺。

需要说明的是，在本发明实施例中，空心阴极放电可以分为冷阴极放电与热阴极放电，冷阴极放电主要靠电场驱动离子轰击金属阴极产生二次电子发射维持放电，热阴极放电则是在高温下发射热电子维持或增强放电，本发明实施例可以采用热阴极放电或冷阴极放电，具体根据实际需要确定。可选地，本发明实施例采用冷阴极放电，从而可以避免材料选择受到限制，降低生产成本。

下面结合图2a至图7c对本发明实施例的等离子体生成装置进行详细说明，在一些具体实施例中，第一输气通道41为贯穿第一电极部31的柱形通道，第二输气通道42为贯穿第二电极部32的柱形通道。其中，第一输气通道41的横截面的形状可以设置为圆形、矩形、椭圆形或其他多边形。可选地，在本发明实施例中，可以将第一输气通道41的横截面的形状设置为圆形，从而可以得到最大的空心阴极放电面积。

在本发明实施例中，以等离子体生成结构包括一个第一输气通道41为例，图2b为本发明实施例提供的等离子体生成结构的仰视图之一，结合图2a和图2b所示，第一电极部31可以为管状电极，具体可以为圆形管或多边形管等在此不作限制。第二电极部32可以为环状电极。其中，管状电极可以是指电极的高度大于电极的直径，环状电极可以是指电极的高度小于电极的直径。第一电极部31和第二电极部32的材料可以包括铁、铝、铜等金属或上述金属相结合所得到的合金等。

在一些具体实施例中，第一输气通道41和第二输气通道42一一对应，第二输气通道42的口径小于或等于第一输气通道41的口径。

在本发明实施例中，第一输气通道41和第二输气通道42可以是一一对正的，第二电极部32的外径不小于第一电极部31的外径，第二电极部32的内经不大于第一电极部31的内径，在本发明实施例中，对第一电极部31和第二电极部32的高度不做限制，具体可以根据实际需要确定。由于第一输气通道41与第二输气通道42一一对正，因此，第一电极部31朝向第二电极部32的表面与第二电极部32朝向第一电极部31的表面也是对正的，第一电极部31与第二电极部32之间的正对面积可以根据实际需要确定，但第一电极部31与第二电极部32之间的正对面积可以设置的尽量大，从而保证第一电极部31与第二电极部32之间放电稳定。在本发明实施例中，第一电极部31与第二电极部32之间的间距可以根据实际需要确定，一般来讲，第一电极部31与第二电极部32之间的间距越小，第一电极部31与第二电极部32之间越容易起辉，通常可以将第一电极部41与第二电极部32之间的间距设置在厘米级。

在一些具体实施例中，进气口1位于反应腔室的顶部，出气口2位于反应腔室的底部。等离子体生成结构设置在反应腔室的内壁上。

在本发明实施例中，反应腔室的侧壁5包括由绝缘材料制备的绝缘部，第一电极部31可以设置在侧壁5的绝缘部上，绝缘部可以将第一电极部31与外界绝缘间隔开。进一步地，绝缘部还可以覆盖第一电极部31和第二电极部32之间的间隔区域，从而将第一电极部31和第二电极部32之间的间隔区域也与外界间隔开，从而防止第一电极部31和第二电极部32发生长路放电。可选地，在本发明实施例中，第二电极部32也可以设置在侧壁5的绝缘部上，从而通过绝缘部将第二电极部32与外界绝缘间隔开。

在一些具体实施例中，反应腔室的外壁上设置有多个磁性件组，每个磁性件组包括沿反应腔室的周向排列的多个磁性件6，多个磁性件组组沿反应腔室的轴向排列。其中，在反应腔室的轴向上排列的任意相邻两个磁性件6的极性不同，和/或在反应腔室的周向上排列的任意相邻两个磁性件6的极性不同。

在本发明实施例中，磁性件6可以与第一电极部31的位置对应设置，磁性件6的磁极表面可以与侧壁5的表面垂直。磁性件6所产生的磁感线垂直穿过第一电极部31外表面(即第一电极部31朝向侧壁5的表面)，并在第一电极部31的内表面闭合，从而在第一电极部31的内表面形成磁场以约束电子，增加电子与反应气体的碰撞，增强阴极区的放电。

下面对本发明实施例中设置多个第一输气通道的方式进行详细介绍。图4为本发明实施例提供的具有多个第一输气通道的等离子体生成装置的结构示意图，图5为本发明实施例提供的具有多个第一输气通道的等离子体生成装置的俯视图，结合图4和图5所示，在一些具体实施例中，可以通过多个第一输气通道41增加空心阴极放电的面积，具体地，第一电极部31中设置有多个第一输气通道41，多个第一输气通道41呈阵列排布。

在本发明实施例中，多个第一输气通道可以呈“蜂窝”状排列，从而可以增大阴极放电面积，提高生成的等离子体密度。

在本发明实施例中，第一电极部31可拆卸地设置在反应腔室的侧壁5上，例如，第一电极部31可以通过螺钉t与反应腔室的侧壁5可拆卸地连接。这样一来，可以针对不同工艺类型和反映气体类型，对第一电极部31进行更换，从而针对不同的工艺设置不同数量的第一输气通道41，进而改变空心阴极放电面积，以实现在相同进气量的基础上调整产生的等离子体的密度。

图6a和图6b为本发明实施例提供的反应腔室的平面图，结合图5、图6a和图6b所示，在一些具体实施例中，反应腔室的形状可以为矩形、圆形或多边形等。

在一些具体实施例中，反应腔室的进气口1的口径小于第一输气通道41的口径。反应腔室的出气口2可以与设置有待加工工件的工艺腔室连通。

在本发明实施例中，反应气体从进气口进入第一输气通道41中，并在第一输气通道41发生空心阴极放电，形成等离子体，等离子体从出气口进入工艺腔室，以对工艺腔室中的待加工工件进行加工。

发明人在研究中发现，在等离子体轰击第一电极部31的表面时，会导致颗粒物产生，颗粒物随着等离子体进入工艺腔室后将会对工艺产生不良影响。因此，如图4所示，在一些具体实施例中，第二电极部32上设置有多个吸附孔7，吸附孔7的入口朝向第一电极部31。在本发明实施例中，吸附孔7可以为盲孔，也可以为通孔，吸附孔7在第二电极部32上可以是均匀分布的，也可以是非均匀分布的，吸附孔7可以对经过的颗粒物进行吸附，从而有效过滤颗粒物。

在一些具体实施例中，第一电极部31靠近反应腔室的进气口1的一端设置有匀流结构8，第一输气通道41的第一端通过匀流结构8与反应腔室的进气口1连通。

在本发明实施例中，在进行空心阴极放电时，电离主要发生在第一输气通道41中靠近第一电极部31表面的区域，为使放电稳定，要求第一输气通道41中的气流场稳定，可选地，可以使第一输气通道41中靠近第一输气通道41中心的气流流速较大，靠近边缘的气流流速较小。

图7a至图7c为本发明实施例提供的匀流结构中匀流孔的示意图，结合图7a和图7c所示，在一些具体实施例中，匀流结构8包括多个匀流孔，多个匀流孔可以均匀分布设置，也可以非均匀分布设置，例如，均匀分布时，位于中间的匀流孔的口径大，位于边缘的匀流孔的口径小；非均匀分布时，位于中心的匀流孔分布密集，位于边缘的匀流孔分布稀疏，从而有利于在第一输气通道41中形成中心流速大边缘流速小的层流状态，进而达到增强放电稳定性的目的。如图7a所示，多个匀流孔在对应于第一输气通道41中心的位置上集中设置；如图7b所示，多个匀流孔在对应于第一输气通道41的位置上均匀设置；如图7c所示，多个匀流孔中至少两个匀流孔的口径不同，具体可以是，多个匀流孔在对应于第一输气通道41中心的位置上的口径较大，对应于第一输气通道41边缘的位置上的口径较小。

采用上述的匀流结构8，可以增强第一输气通道41中的气流稳定性，使等离子体放电更加稳定。

在一些具体实施例中，匀流结构8还可以与反应腔室的顶部之间具有预设间距，这样，匀流结构8与反应腔室的顶部之间的空间可以起匀流作用，从而使流向每个第一输气通道41的气流比较均匀，进而提高不同第一输气通道41中气流的均匀性。

图3b为本发明实施例提供的等离子体生成结构的仰视图之二，结合图3a和图3b所示，在另一些具体实施例中，第一电极部31包括多个间隔设置的第一电极板311，每相邻两个第一电极板之间的间隔作为第一输气通道41。第二电极部32包括多个间隔设置的第二电极板321，每相邻两个第二电极板之间的间隔作为第二输气通道42。

在本发明实施例中，多个第一电极板311的形状和尺寸可以相同，且多个第一电极板311之间互相平行。每个第一电极板311的侧面包括第一侧面和第二侧面，相邻两个第一电极板311的第一侧面相对设置。第一电极板311的第一侧面可以是矩形、圆形或多边形，第一电极板311的材料可为铁、铝、铜等金属或上述金属的合金等。第一输气通道41和第二输气通道42一一对正设置，第一电极板311的底面311a与第二电极板321的顶面一一对正设置。第二电极板321的材料可为铁、铝、铜等金属或上述金属的合金等。第二电极板321的顶面与第一电极板311的底面的形状相同。

需要说明的是，在本发明实施例中，等离子体生成结构的具体设置方式均可以参照前文所述的方式，故在此不再赘述。

在一些具体实施例中，相邻两个第一电极板311所加载的电压可以相同也可以不同，可选地，在本发明实施例中，使相邻两个第一电极板所加载的电压之间具有预设压差。例如，第一电源端v1可以具有两个电源接口，两个电源接口分别提供大小不同的直流电源，对于相邻两个第一电极板311，其中一个第一电极板311可以通过连接部33与第一电源端v1的其中一个接口连接，另一个第一电极板311可以通过连接部34与第一电源端v1的另一个接口连接。这样，使相邻两个第一电极板311之间产生压差，有助于收集第一电极部31上溅射出的金属颗粒，减少颗粒污染。

综上，采用本发明实施例的等离子体生成装置，其可以采用直流驱动，从而无需设置匹配网络，结构简单，可有效减低制造成本，同时，直流驱动可以避免出现射频驱动所导致的辐射问题，因此可以省去防辐射结构，进一步降低制造成本。

本发明实施利还提供一种半导体工艺设备，图8为本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图，如图8所示，该半导体工艺设备包括工艺腔室206和上述的等离子体生成装置(rps)200。

等离子体生成装置200中的进气口通过进气管道204与气源连通，等离子体生成装置200中的出气口通过出气管道205与工艺腔室206的进气口连通，等离子体生成装置200用于向工艺腔室206中输送等离子体，以对位于工艺腔室206中的待加工工件进行加工。

在一些具体实施例中，等离子体生成装置200还包括控制单元201、电源单元202和反应腔室203，电源单元202包括前文所述的第一直流电源端和第二直流电源端。控制单元201通过模拟电路或数字电路执行设定的动作流程控制电源单元202提供电信号。例如，电源单元202可以将50hz交流电转换成工作所需的直流电，电源单元202还可以根据控制单元201发出的指令调整输出的电压的大小或功率的大小。电源单元202还可以包含功率传感器、电压传感器和电流传感器等，上述传感器可以用来检测反应腔室203中等离子体的状态，上述传感器检测到的信号可实时的反馈到控制单元201，从而使控制单元201根据传感器检测到的信号对电源单元202进行动态调节，保证电源单元202处于最佳工作状态。向反应腔室203中通入的反应气体可以包括he、ar、h2、n2、o2、nf3中的一种或多种，反应气体在反应腔室203中被激发形成等离子体并通过出气管道205进入工艺腔室206，在工艺腔室206内对晶圆或基片进行处理，或者去除工艺腔室206内壁的沉积薄膜。工艺腔室206中还设置有气压控制单元(图中未示出)，反应腔室203与工艺腔室206连通，从而可以利用工艺腔室206中的气压控制单元对反应腔室203进行抽真空和气压控制。

在本发明实施例中，控制单元201可用以微控制器芯片为核心，结合数字电路和模拟电路，实现与外界和电源单元202的通信。电源单元202包含变压电路、整流电路等，提供气体放电所需的直流信号。上述各单元的器件可以根据最大功率和耐压、耐流性能进行选型和设计。图9为本发明实施例提供的等离子体生成装置的信号流的示意图，如图9所示，等离子体生成装置的工作流程可以包括：控制单元201通过对外的通信接口接收外部指令，如电源单元202开关、功率、电压或电流的设定值，其中，控制单元201中的微控制器芯片执行嵌入其中的算法程序进行运算，运算得到的指令发送到电源单元202，电源单元202收到指令后作出动作，调整输出功率、电压或电流等，控制单元201持续从电源单元202接收传感器信号，实时运算并控制电源单元202，直到监控参数(如电流、电压或功率等)达到设定要求。控制单元201将接收到的电源单元202的传感器信号实时的传输给外界(如控制显示屏或其他终端设备)，实时显示等离子体生成装置200当前工作状态。

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。