具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统及等离子体处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统及等离子体处理方法。等离子体处理系统包括反应腔室、介质窗、法拉第屏蔽件以及进气喷嘴；法拉第屏蔽件置于所述介质窗外侧，并与介质窗沿中部位置处设置贯通孔；进气喷嘴包括中空导电连接件；导电连接件的内腔分别与进气喷嘴的进气侧、出气侧连通，而导电连接件的外缘则与法拉第屏蔽件导电连接；所述法拉第屏蔽件的射频功率通过导电连接件或法拉第屏蔽件自身加载。由此可知，本发明专利技术所述静电屏蔽件接通屏蔽电源以清洗介质窗时，导电连接件与静电屏蔽件的导电连接位置处的中心区域的电场强度较周边差值很小，能够形成强有效电场，从而达到彻底清洗此区域的技术目的。从而达到彻底清洗此区域的技术目的。从而达到彻底清洗此区域的技术目的。

【技术实现步骤摘要】
具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统及等离子体处理方法


[0001]本专利技术涉及一种具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统及等离子体处理方法，属于半导体刻蚀


技术介绍

[0002]目前Pt、Ru、Ir、Ni、u等非挥发性材料主要通过电感耦合等离子体（IP）进行干法刻蚀。电感耦合等离子通常由置于等离子体处理腔室外部与电介质窗相邻的线圈产生，腔室内的工艺气体被点燃后形成等离子体。在对非挥发性材料的干法刻蚀工艺过程中，由于反应产物的蒸汽压较低，难以被真空泵抽走，导致反应产物沉积在电介质窗和其他等离子体处理腔室内壁上沉积。这不仅会产生颗粒沾污，也会导致工艺随时间漂移使工艺过程的重复性下降。
[0003]随着近年来第三代存储器——磁存储器（MRAM）的不断发展和集成度的不断提高，对金属栅极材料（如Mo、Ta等）和高k栅介质材料（如Al2O3、HfO2和ZrO2等）等新型非挥发性材料的干法刻蚀需求不断增加，解决非挥发性材料在干法刻蚀过程中产生的侧壁沉积和颗粒沾污，同时提高等离子体处理腔室的清洗工艺效率是十分必要的。
[0004]法拉第屏蔽装置置于射频线圈与电介质窗之间可以减少由射频电场诱发的离子对腔壁的侵蚀。将屏蔽功率耦合进法拉第屏蔽装置，选用合适的清洗工艺，可以实现对介质窗以及腔体内壁的清洗，避免了反应产物在介质窗以及腔体内壁沉积而造成的颗粒污染、射频不稳、工艺窗口漂移等问题。法拉第屏蔽装置中设置有向反应腔室通入工艺气体的进气喷嘴，但现有技术中的法拉第屏蔽装置无法实现对进气喷嘴周围的介质窗的清洗，导致局部颗粒沉积，若颗粒脱落并掉落到晶圆表面，会造成晶圆表面均匀性降低和缺陷，并降低了等离子体处理系统的使用周期。
[0005]中国专利2016106243627公开了一种通电的静电法拉第屏蔽用于修复ICP的介质窗。根据该文件记载，由于需要在静电屏蔽件的中部位置处安装气体喷射器、接地套筒，使得静电屏蔽件的中部位置处只能设置成导电环状，而为了减少在导电环中形成涡流（涡流产生会影响晶圆刻蚀效果），则需要限制导电环的径向分量为不超过衬底半径的10%，也就是说，静电屏蔽件在导电环内的这一部分区域不能导电，且这一区域的直径由于关联部件（比如接地套筒、气体喷射器等）的安装空间需求以及良好的刻蚀效果保证，并不能无限制地缩小，从而造成介质窗通电清洗时，这一部分因无法形成强有效电场，致使介质窗在导电环投影的周围区域清洗效果差，导致该区域存在局部颗粒沉积。若颗粒脱落并掉落到晶圆表面，会引起晶圆表面均匀性降低和缺陷，并降低了等离子体处理系统的使用周期。
[0006]常用的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统中，刻蚀、清洗工艺流程是：开始-将衬底片放置在反应腔室中-法拉第屏蔽装置的TCP线圈通电、偏压电极通电，执行等离子处理-移出衬底-法拉第屏蔽装置的静电屏蔽件通电、偏压电极通电执行介质窗清洗。按照这样的工艺流程清洗介质窗，导致的直接结果是偏压电极极易损坏。造成偏压电极损伤
的原因可能是操作流程出现问题，也可能是电压、射频、氦背冷等工艺参数不当而导致，但具体原因需要一一分析。就工艺流程来看，考虑到反应腔室的抽真空一般是通过腔室底部进行的，同时反应腔室的抽气结构为载台周边抽气，原理上可将清洗下来的产物从载台周边抽走，不会有清洗下来的产物落在偏压电极上。因此，在刻蚀结束、移出晶圆后，即开始清洗工序从原理上分析并无不当。而后，再一一考察电压、射频、氦背冷等工艺参数，也未发现异常现象。最终将损坏后的偏压电极的表面做元素成分分析，才发现偏压电极损伤表面的元素成分与介质窗沉积元素相同，才推出偏压电极损伤的原因可能是清洗时，未在偏压电极上覆盖衬底片，导致清洗过程中，有清洗副产物落至偏压电极表面，最终导致偏压电极损坏，无法修复。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统。本专利技术的首要技术目的是通过在静电屏蔽件导电环的内环同轴设置一特定结构形式的进气喷嘴（包括顺序连通的导电连接件、绝缘喷头），使得该进气喷嘴在保持将外接气体源导进反应腔室的固有功能后，还能够通过自身所具有的中空状导电连接件与静电屏蔽件导电连接，并通过尽可能缩小导电连接件与静电屏蔽件导电连接位置处的内径（比如可以仅考虑反应腔室的进气量需求），使得静电屏蔽件通过导电连接件接通屏蔽电源以清洗介质窗时，导电连接件与静电屏蔽件的导电连接位置处的中心区域的电场强度较周边差值很小，甚至相同，能够形成强有效电场，从而达到彻底清洗此区域的技术目的。本专利技术的次要技术目的是，通过在导电连接件、绝缘喷头连通位置处配装防电离件，解决导电连接件、绝缘喷头连通位置附近区域，尤其是在绝缘喷头内部，在通电时，因电势变化而引起气体电离打火、造成进气喷嘴结构损坏的技术问题。本专利技术的第三个技术目的是，通过调整静电屏蔽件的导电闭合位置与射频线圈内径之间的间隙来确保射频线圈接通射频电源时，与静电屏蔽件导电连接位置处对应的导电连接件内所产生的涡流足够小，从而减小对射频线圈的影响，保证刻蚀效果。
[0008]为实现上述的技术目的，本专利技术将采取如下的技术方案：一种具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，包括反应腔室、介质窗、法拉第屏蔽件以及进气喷嘴；法拉第屏蔽件置于所述介质窗外侧，并与介质窗沿中部位置处设置贯通孔；进气喷嘴的进气侧穿出贯通孔后与气体源连通、出气侧则穿过贯通孔后与反应腔室连通；所述进气喷嘴包括采用导电材质制成的中空导电连接件；导电连接件的内腔分别与进气喷嘴的进气侧、出气侧连通，且导电连接件与法拉第屏蔽件导电连接；所述法拉第屏蔽件的射频功率通过导电连接件加载。
[0009]进一步地，进气喷嘴的进气侧设置有进气接头、绝缘进气管道，而进气喷嘴的出气侧则设置绝缘喷头；绝缘进气管道的进气端安装进气接头，出气端则与导电连接件的进气端固定；绝缘喷头的进气端则与导电连接件的出气端固定。
[0010]进一步地，所述导电连接件为射频导电进气管； 所述的射频导电进气管， 一端设置进气孔，通过绝缘进气管道与进气接头连通，另一端则设置外套法兰盘a；所述的绝缘喷头，一端周向均匀设置若干喷气孔，与反应腔室连通，另一端则设置外套法兰盘b；外套法兰盘a、外套法兰盘b通过法兰盘对接的方式采用螺纹紧固件连接固定，且外套法兰盘a的外缘
与法拉第屏蔽件导电连接或者与法拉第屏蔽件一体成型；而绝缘喷头的外壁则与介质窗的贯通孔孔壁密封连接。
[0011]进一步地，所述导电连接件为法兰盘构件；所述的绝缘喷头，一端周向均匀设置若干喷气孔，与反应腔室连通，另一端则设置外套法兰盘b；所述绝缘进气管道的出气端设置外套法兰盘c；进气喷嘴的法兰盘结构位于外套法兰盘c与外套法兰盘b之间，并采用螺纹紧固件通过法兰盘对接的方式连接固定；且导电连接件的法兰盘结构的外缘与法拉第屏蔽件导电连接或者与法拉第屏蔽件一体成型；而绝缘喷头的外壁则与介质窗的贯通孔孔壁密封连接。
[0012]进一步地，所述导电连接件与绝缘喷头的连接位置处设置有防止气体在进气喷嘴内部电离的防电离件。
[0013本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，包括反应腔室、介质窗、法拉第屏蔽件以及进气喷嘴；法拉第屏蔽件置于所述介质窗外侧，并与介质窗沿中部位置处设置贯通孔；进气喷嘴的进气侧穿出贯通孔后与气体源连通、出气侧则穿过贯通孔后与反应腔室连通；其特征在于，所述进气喷嘴包括采用导电材质制成的中空导电连接件；导电连接件的内腔分别与进气喷嘴的进气侧、出气侧连通，且导电连接件与法拉第屏蔽件导电连接；所述法拉第屏蔽件的射频功率通过导电连接件或法拉第屏蔽件加载。2.根据权利要求1所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，进气喷嘴的进气侧设置有进气接头、绝缘进气管道，而进气喷嘴的出气侧则设置绝缘喷头；绝缘进气管道的进气端安装进气接头，出气端则与导电连接件的进气端固定；绝缘喷头的进气端则与导电连接件的出气端固定。3.根据权利要求2所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述导电连接件为射频导电进气管；所述的射频导电进气管， 一端设置进气孔，通过绝缘进气管道与进气接头连通，另一端则设置外套法兰盘a；所述的绝缘喷头，一端周向均匀设置若干喷气孔，与反应腔室连通，另一端则设置外套法兰盘b；外套法兰盘a、外套法兰盘b通过法兰盘对接的方式采用螺纹紧固件连接固定，且外套法兰盘a的外缘与法拉第屏蔽件导电连接或者与法拉第屏蔽件一体成型；而绝缘喷头的外壁则与介质窗的贯通孔孔壁密封连接。4.根据权利要求2所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述导电连接件为法兰盘构件；所述的绝缘喷头，一端周向均匀设置若干喷气孔，与反应腔室连通，另一端则设置外套法兰盘b；所述绝缘进气管道的出气端设置外套法兰盘c；进气喷嘴的法兰盘结构位于外套法兰盘c与外套法兰盘b之间，并采用螺纹紧固件通过法兰盘对接的方式连接固定；且导电连接件的法兰盘结构的外缘与法拉第屏蔽件导电连接或者与法拉第屏蔽件一体成型；而绝缘喷头的外壁则与介质窗的贯通孔孔壁密封连接。5.根据权利要求3或4所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述导电连接件与绝缘喷头的连接位置处设置有防止气体在进气喷嘴内部电离的防电离件。6.根据权利要求5所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述防电离件为绝缘多孔管，包括多孔管本体以及贯通多孔管本体设置的若干分流导气流道；多孔管本体的外壁与进气喷嘴的内壁连接或者与绝缘喷头一体设置，多孔管本体的两端分别为进气端、出气端，分设在导电连接件与绝缘喷头的连接位置处的两侧，且多孔管本体的进气端靠近进气喷嘴进气侧设置，而多孔管本体的出气端则靠近绝缘喷头的喷气孔设置；进气喷嘴进气侧流入的气体通过各分流导气流道分流后，经绝缘喷头的喷气孔流入反应腔室。7.根据权利要求6所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，当所
述导电连接件为射频导电进气管时，射频导电进气管的内径小于绝缘喷头的内径；绝缘多孔管呈T形管状设置，包括外径较小的管段a以及外径较大的管段b；管段a的外壁能够与射频导电进气管的外壁配合，且管段a的轴向长度大于等于2mm，管段b的外壁能够与绝缘喷头的内壁配合。8.根据权利要求7所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述多个分流导气流道的出气口均开设在多孔管本体的下表面；所述多孔管本体的下表面开设有底部凹槽；所述绝缘喷嘴的喷气孔位于侧壁；所述多孔管本体的侧壁开设有侧壁凹槽；所述侧壁凹槽连通底部凹槽及喷气孔；所述多个分流导气流道的出气口流出的气体，分别通过底部凹槽与绝缘喷嘴底部的间隙，以及侧壁凹槽与绝缘喷嘴内侧壁的间隙，进入绝缘喷嘴的喷气孔。9.根据权利要求7所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，所述多个分流导气流道的出气口均开设在多孔管本体的侧壁；所述绝缘喷嘴的喷气孔位于绝缘喷嘴的侧壁；所述多孔管本体的侧壁开设有侧壁凹槽，所述多个分流导气流道的出气口通过侧壁凹槽与绝缘喷嘴壳体内侧壁的间隙，连通绝缘喷嘴的喷气孔。10.根据权利要求1所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，还包括激励射频电源、屏蔽电源、激励匹配网络、屏蔽匹配网络；激励射频电源通过激励匹配网络加载至射频线圈；屏蔽电源通过屏蔽匹配网络、导电连接件加载至法拉第屏蔽件。11.根据权利要求1所述的具有法拉第屏蔽装置的等离子体处理系统，其特征在于，还包括一套射频电源、一套射频匹配器和切换开关；所述射频线圈与导电连接件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪冬，刘海洋，刘小波，吴志浩，胡冬冬，许开东，陈璐，
申请(专利权)人：江苏鲁汶仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：