CN103854945A - 等离子体设备及其反应腔室 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种等离子体设备及其反应腔室。所述反应腔室包括腔体、线圈和多个磁铁。其中腔体内具有反应腔。线圈环绕腔体的外周壁设置。多个磁铁设在腔体之外且沿腔体的周向间隔布置，多个磁铁的N极沿腔体的轴向定向且朝向同一方向。根据本发明的用于等离子体设备的反应腔室，通过在腔体的外面沿周向设置多个磁铁，在清洗工艺过程中，磁铁可吸引工艺气体例如Ar等离子体向着反应腔的边缘周壁处运动，从而降低了中心处的等离子密度，增加了边缘处的等离子密度，进而提高了反应腔内等离子体分布的均匀性，使等离子体可对基座上的晶片均匀地刻蚀，提高晶片上杂质的去除效果，同时还有效增加了用于等离子体设备的反应腔室的工艺窗口。

Description

等离子体设备及其反应腔室

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，尤其是涉及一种等离子体设备及其反应腔室。

背景技术

在PVD（物理气相沉积）工艺中，特别是IC（集成电路）、TSV（硅穿孔）、Packaging（封装）等制造工艺中，需要一种预清洗工艺腔室，预清洗工艺作为PVD工艺的一部分，其目的是为了在晶片沉积金属膜之前，清除晶片表面的污染物，从而提高后续金属膜沉积工艺的效果。

传统的预清洗反应腔室由顶盖、金属环、螺线管线圈、射频电源和射频匹配器等组成，射频电源可通过射频匹配器将射频功率施加至螺线管线圈上，用于将气体例如惰性气体Ar激发为等离子体。但是，由于Ar被激发为等离子体后，其等离子体区正负粒子的碰撞复合较难，正粒子或负粒子的电荷可与腔室的壁复合，导致等离子体中心区域的粒子密度高于边缘处的粒子密度，工艺均匀性差，影响后续沉积工艺的效果。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种用于等离子体设备的反应腔室，所述反应腔室内的等离子体分布更加均匀。

本发明的另一个目的在于提出一种等离子体设备。

根据本发明第一方面的用于等离子体设备的反应腔室，包括：腔体，所述腔体内具有反应腔；线圈，所述线圈环绕所述腔体的外周壁设置；和多个磁铁，所述多个磁铁设在所述腔体之外且沿所述腔体的周向间隔布置，所述多个磁铁的N极沿所述腔体的轴向定向且朝向同一方向。

根据本发明的用于等离子体设备的反应腔室，通过在腔体的外面沿周向设置多个磁铁，在清洗工艺过程中，磁铁可吸引工艺气体例如Ar等离子体向着反应腔的边缘周壁处运动，从而降低了中心处的等离子密度，增加了边缘处的等离子密度，进而提高了反应腔内等离子体分布的均匀性，使等离子体可对基座上的晶片均匀地刻蚀，提高晶片上杂质的去除效果，同时还有效增加了用于等离子体设备的反应腔室的工艺窗口。

另外，根据本发明的用于等离子体设备的反应腔室，还可以具有如下附加技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述用于等离子体设备的反应腔室还包括屏蔽件，所述屏蔽件绕所述腔体的周向设在所述腔体的外周壁上，所述线圈设在所述屏蔽件内。通过设置屏蔽件，可屏蔽掉腔体外部电场对用于等离子体设备的反应腔室内等离子体分布的影响，而且，线圈设在屏蔽件内也方便了线圈的安装固定。

在本发明的一个实施例中，所述多个磁铁设在所述腔体的顶部，或者所述多个磁铁环绕所述腔体的外周壁设置。由此，可提高用于等离子体设备的反应腔室内的等离子体分布的均匀性。

在本发明的另一个实施例中，所述多个磁铁位于所述线圈的上方或下方。由此，同样可提高用于等离子体设备的反应腔室内的等离子体分布的均匀性。

进一步地，所述多个磁铁位于所述线圈的正上方或正下方。

在本发明的一些实施例中，所述磁铁为永磁铁或电磁铁。

在本发明的一个实施例中，所述磁铁为柱状且所述磁铁的轴向与所述腔体的轴向一致。

在本发明的一个实施例中，所述线圈为螺线管线圈，且所述螺线管线圈为1匝或多匝。

在本发明的一个实施例中，所述多个磁铁沿所述腔体的周向均匀或非均匀地布置。

在本发明的一个实施例中，所述腔体包括：绝缘筒；第一金属环，所述第一金属环设在所述绝缘筒的顶端；顶盖，所述顶盖设在所述第一金属环的顶面上；第二金属环，所述第二金属环设在所述绝缘筒的底端；和第三金属环，所述第三金属环设在所述第二金属环的底面上。

根据本发明第二方面的等离子体设备，包括：反应腔室，所述用于等离子体设备的反应腔室为根据本发明上述第一方面的用于等离子体设备的反应腔室；基座，所述基座设在所述用于等离子体设备的反应腔室的底部，用于承载晶片；和第一射频电源，所述第一射频电源通过第一匹配器与所述反应腔室的线圈相连。

在本发明的一些实施例中，所述第一射频电源的频率为400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz或60MHz。

在本发明的一个实施例中，所述等离子体设备还包括第二射频电源，所述第二射频电源通过第二匹配器与所述基座相连。通过设置第二射频电源和第二匹配器，可使基座产生射频偏压以吸引等离子体轰击，从而改善了晶片杂质的去除效果，同时还可缩短工艺时间。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的俯视图；

图3是根据本发明另一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的示意图；

图4是根据本发明再一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的示意图；

图5是根据本发明再一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的示意图；

图6是根据本发明再一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的等离子体设备的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的等离子体设备的俯视图；

图9是晶片上49个待测点在晶片上分布的示意图；

图10是图9中各待测点在设置磁铁以及无磁铁情况下刻蚀速率的曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。

下面参考图1-图10描述根据本发明实施例的用于等离子体设备的反应腔室100，可在晶片沉积金属膜之前，用于清除晶片表面的污染物或沟槽及穿孔底部的残余物。

如图1和图2所示，根据本发明一个实施例的用于等离子体设备的反应腔室100包括腔体1、线圈2和多个磁铁3。

腔体1内具有反应腔11，基座200（如图7和图8所示）可设在反应腔11的底部，用于承载晶片，反应腔11内可预先通入工艺所需的气体例如惰性气体Ar（氩气），在下面的描述中，均以惰性气体Ar为例。当然，本发明不限于此，例如在工艺过程中也可通入其它惰性气体如氦气。

线圈2环绕腔体1的外周壁设置，例如线圈2可以缠绕在腔体1的外周壁上，线圈2可由射频电源例如第一射频电源300（如图7和图8所示）输入预定的射频功率，从而线圈2可将反应腔11内的工艺气体例如惰性气体Ar激发为高密度的等离子体。

多个磁铁3设在腔体1之外，且多个磁铁3沿腔体1的周向间隔布置，多个磁铁3的N极沿腔体1的轴向定向且朝向同一方向。换言之，多个磁铁3可环绕腔体1的外周壁设置，例如多个磁铁3可以是紧贴腔体1的外周壁设置，当然也可与腔体1的外周壁在径向上隔开一定的距离，多个磁铁3的轴向与腔体1的轴向平行且多个磁铁3的N极（或S极）均朝向同一侧，例如多个磁铁3的N极均朝向上方，当然可以理解的是，多个磁铁3的N极也可均朝向下方。

清洗过程中，磁铁3会施加给带电运动粒子例如Ar等离子体一个力，在该力的作用下磁铁3会牵引Ar等离子体，使Ar等离子体沿径向向外运动，换言之，磁铁3会牵引中心的Ar等离子体向边缘运动，使中心处的Ar等离子体的密度与边缘处的Ar等离子体密度趋于均匀。

根据本发明实施例的用于等离子体设备的反应腔室100，通过在腔体1的外面沿周向设置多个磁铁3，在清洗工艺过程中，磁铁3可吸引工艺气体例如Ar等离子体向着反应腔11的边缘周壁处运动，从而降低了中心处的等离子密度，增加了边缘处的等离子密度，进而提高了反应腔11内等离子体分布的均匀性，使等离子体可对基座200上的晶片均匀地刻蚀，提高晶片上杂质的去除效果，同时还有效增加了反应腔室100的工艺窗口。

如图1和图2所示，反应腔室100还包括屏蔽件4，屏蔽件4绕腔体1的周向设在腔体1的外周壁上，具体地，屏蔽件4可以是上下敞开的筒状件，屏蔽件4可紧密地套设在腔体1的外周壁上，屏蔽件4的上端可邻近腔体1的上端面且下端可邻近腔体1的下端面。

屏蔽件4优选为电屏蔽件，用于屏蔽掉外部环境中的电场，防止外部电场影响反应腔室100正常工作，从而提高等离子体对晶片刻蚀速率的均匀性。屏蔽件4可由铝合金等非导磁材料制成。

进一步地，如图1所示，线圈2可设在屏蔽件4内。换言之，线圈2可预先固定在屏蔽件4的内周壁上，然后将屏蔽件4安装在腔体1的外周壁上。由此，方便线圈2的安装固定，提高了装配效率。线圈2优选为螺线管线圈2，螺线管线圈2可以为1匝，当然也可以是多匝，也就是说，对于本领域的技术人员而言，可根据实际工艺要求来设置螺线管线圈2的匝数以满足工艺要求。

在本发明的优选实施例中，参照图2所示，多个磁铁3环绕腔体1的外周壁设置。例如多个磁铁3可设在屏蔽件4的外周壁的下部，如图1所示，由此，方便了磁铁3的安装固定。当然，容易理解的是，多个磁铁3也可直接设在腔体1的外壁面的下部。

如图1和图2所示，多个磁铁3优选形状形同，例如均形成为长条形，且多个磁铁3的上下两端分别处于同一平面内，换言之，多个磁铁3的设置高度均相同，从而避免由于多个磁铁3设置高度的不同而影响反应腔11内等离子体分布的均匀性。

如图7和图8所示，基座200位于反应腔11的底部，腔体1内的等离子体在工艺过程中会轰击基座200上方承载的晶片，因此，为了使邻近晶片的反应腔11的底部空间的等离子体分布的更加均匀，优选地，多个磁铁3可环绕腔体1外壁面的下部设置。

具体而言，如图6所示，多个磁铁3在上下方向上（腔体1的轴向）可位于线圈2的下方，例如多个磁铁3优选位于线圈2的正下方。这样可以更好地提高反应腔11内尤其是反应腔11底部邻近晶片处的等离子体分布的均匀性，提高晶片刻蚀的均匀性，进而提高后续沉积金属膜工艺的沉积效果。

当然，可选地，在本发明的另一个实施例中，多个磁铁3也可位于线圈2的上方，例如多个磁铁3优选位于线圈2的正上方，如图5所示。在本发明的再一个实施例中，如图4所示，多个磁铁3也可设在腔体1的顶部，例如多个磁铁3可设在腔体1的顶盖14上，且沿周向排列成环形，或者多个磁铁3也可设在腔体1的上部，例如多个磁铁3设在屏蔽件4外壁面的上部，如图3所示

参照图1和图2所示，磁铁3可为柱状且磁铁3的轴向与腔体1的轴向一致，例如磁铁3可形成为圆柱形，其中圆柱形磁铁3的高度方向可沿上下方向定向。磁铁3可以是永磁铁，当然也可以是电磁铁。优选地，多个磁铁3沿腔体1的周向均匀地分布，这样可进一步提高反应腔11内等离子体分布的均匀性，进而提高等离子体对晶片刻蚀速率的均匀性，有效增加工艺窗口，利于晶片产品的开发。当然，本发明并不限于此，在本发明的其它实施例中，多个磁铁3沿腔体1的周向也可非均匀地布置。

可以理解的是，多个磁铁3在腔体1周向分布的密集程度可根据实际工艺要求来设置。

如图1和图2所示，腔体1可包括绝缘筒12、第一金属环13、顶盖14、第二金属环15和第三金属环16。其中，绝缘筒12可为上下敞开的圆筒状件，绝缘筒12可以由任意绝缘材料制成，例如可由陶瓷材料制成，即绝缘筒12可为陶瓷绝缘筒。

如图1和图2所示，第一金属环13设在绝缘筒12的顶端，第一金属环13的径向尺寸优选与绝缘筒12的径向尺寸相同，这样第一金属环13设在绝缘筒12的顶端后，第一金属环13的内壁面与绝缘筒12的内壁面大致平齐，且第一金属环13的外壁面与绝缘筒12的外壁面大致平齐。顶盖14设在第一金属环13的顶面上，用于封闭反应腔11的顶部。

如图1和图2所示，第二金属环15设在绝缘筒12的底端，第二金属环15的径向尺寸优选与绝缘筒12的径向尺寸相同，这样在第二金属环15安装在绝缘筒12的底端后，第二金属环15的内壁面与绝缘筒12的内壁面大致平齐，且第二金属环15的外壁面与绝缘筒12的外壁面大致平齐。第三金属环16设在第二金属环15的底面上，第三金属环16的内径优选小于第二金属环15的内径。

根据本发明实施例的用于等离子体设备的反应腔室100，通过在腔体1的外部沿周向设置多个磁铁3，多个磁铁3在工艺过程中可向带电粒子施加牵引力，使带电粒子向反应腔11的边缘运动，从而降低了中心区域的等离子体密度，增加了边缘处等离子体密度，实现反应腔11内等离子体均匀分布的目的，降低中心与边缘的等离子体分布差异，进而提高对晶片或工件工艺处理的均匀性，更好地去除晶片或工件上的杂质，并较大程度地增加了工艺窗口。

下面参考图7-图10描述根据本发明实施例的等离子体设备1000。

如图7和图8所示，根据本发明一个实施例的等离子体设备1000包括用于等离子体设备的反应腔室、基座200和第一射频电源300。反应腔室100可以为根据本发明上述实施例描述的用于等离子体设备的反应腔室100。基座200设在反应腔室100的底部，用于承载晶片。第一射频电源300通过第一匹配器310与线圈2相连，具体地说，第一射频电源300可通过第一匹配器310将预定大小的射频功率传输至线圈2中以激发反应腔11内的工艺气体，使其变成高密度的等离子体。其中第一射频电源300输出的频率可以是400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz或60MHz中的一种，对于本领域的技术人员而言，可根据实际工艺要求从中选择适宜的频率以获得良好的工艺效果。

优选地，等离子体设备1000还包括第二射频电源400，第二射频电源400通过第二匹配器410与基座200相连。通过设置第二射频电源400和第二匹配器410，可使基座200产生射频偏压以吸引等离子体轰击，从而改善了晶片杂质的去除效果，同时还可缩短工艺时间。

参照图9和图10，其中图9示出了晶片上49个待测点（即数字1-49）在晶片上的分布位置，图10为晶片上各待测点上刻蚀速率在设置多个磁铁3以及无磁铁3下的对比曲线。从图10中可以看出，本发明的等离子体设备1000，由于在腔体1外设置有多个磁铁3，从而可大大降低反应腔11中心处的等离子体密度，同时增加边缘处的等离子体密度，进而使反应腔11内的等离子体分布趋于均匀，提高了等离子体设备1000对晶片去除杂质的工艺效果。

根据本发明实施例的等离子体设备1000，适用范围广，例如本发明的等离子体设备1000可应用于铝、钛/氮化钛、钨等PVD领域的晶片清洗工艺，也可应用于硅穿孔、晶圆级封装工艺领域。此外，本发明的等离子体设备1000还可应用于铜阻挡和籽晶层PVD工艺领域的预清洗。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，包括：

腔体，所述腔体内具有反应腔；

线圈，所述线圈环绕所述腔体的外周壁设置；和

多个磁铁，所述多个磁铁设在所述腔体之外且沿所述腔体的周向间隔布置，所述多个磁铁的N极沿所述腔体的轴向定向且朝向同一方向。

2.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，还包括屏蔽件，所述屏蔽件绕所述腔体的周向设在所述腔体的外周壁上，所述线圈设在所述屏蔽件内。

3.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述多个磁铁设在所述腔体的顶部，或者所述多个磁铁环绕所述腔体的外周壁设置。

4.如权利要求3所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述多个磁铁位于所述线圈的上方或下方。

5.如权利要求4所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述多个磁铁位于所述线圈的正上方或正下方。

6.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述磁铁为永磁铁或电磁铁。

7.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述磁铁为柱状且所述磁铁的轴向与所述腔体的轴向一致。

8.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述线圈为螺线管线圈，且所述螺线管线圈为1匝或多匝。

9.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述多个磁铁沿所述腔体的周向均匀或非均匀地布置。

10.如权利要求1所述的用于等离子体设备的反应腔室，其特征在于，所述腔体包括：

绝缘筒；

第一金属环，所述第一金属环设在所述绝缘筒的顶端；

顶盖，所述顶盖设在所述第一金属环的顶面上；

第二金属环，所述第二金属环设在所述绝缘筒的底端；和

第三金属环，所述第三金属环设在所述第二金属环的底面上。

11.一种等离子体设备，其特征在于，包括：

反应腔室，所述反应腔室为根据权利要求1-10中任一项所述的用于等离子体设备的反应腔室；

基座，所述基座设在所述反应腔室的底部，用于承载晶片；和

第一射频电源，所述第一射频电源通过第一匹配器与所述反应腔室的线圈相连。

12.如权利要求11所述的等离子体设备，其特征在于，所述第一射频电源的频率为400kHz、2MHz、13.56MHz、40MHz或60MHz。

13.如权利要求11所述的等离子体设备，其特征在于，还包括第二射频电源，所述第二射频电源通过第二匹配器与所述基座相连。

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