CN111105976B - 半导体设备反应腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体设备反应腔室。半导体设备反应腔室包括：主体腔室和抽气腔室；主体腔室内设置有内衬，内衬将主体腔室的内部空间分隔为进气腔和出气腔；进气腔与出气腔分别为圆柱状腔体，且出气腔的内径大于进气腔的内径；下电极设置于出气腔内，且下电极的部分延伸至进气腔内，内衬环绕下电极设置；内衬上设置有多个通气孔；多个通气孔的面积总和为内衬的通气面积；抽气腔室与出气腔连接，用于将主体腔室内的工艺气体抽出。利用反应腔室执行等离子工艺时，工艺更加均匀。

Description

半导体设备反应腔室
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种半导体设备反应腔室。
背景技术
半导体加工工艺中常见的一种工艺为等离子加工工艺。图1中所示的是一种常见的等离子加工的工艺腔室，如图所示，该工艺腔室及设置在工艺腔室中的下电极、设置在工艺腔室中的内衬。
内衬将工艺腔室分隔成进气腔和出气腔，下电极安装在出气腔中，且下电极穿过内衬的环形孔，以使得下电极的承载面位于进气腔中。
在执行等离子工艺时，将晶圆设置在下电极的承载面上，向进气腔内通入工艺气体并等离子化，工艺过程中产生的副产物通过内衬上的通气孔被抽进出气腔，并最终通过抽气装置被排出工艺腔室。
但是目前等离子工艺时，工艺均匀性并不高。因此，如何提高等离子工艺的均匀性成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体设备反应腔室，利用所述半导体设备执行等离子工艺时可以提高反应均匀性。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体设备反应腔室，其包括：主体腔室和抽气腔室；所述主体腔室内设置有内衬，所述内衬将所述主体腔室的内部空间分隔为进气腔和出气腔；所述进气腔与所述出气腔分别为圆柱状腔体，且所述出气腔的内径大于所述进气腔的内径；所述下电极设置于所述出气腔内，且所述下电极的部分延伸至所述进气腔内，所述内衬环绕所述下电极设置；所述内衬上设置有多个通气孔；多个所述通气孔的面积总和为所述内衬的通气面积；所述抽气腔室与所述出气腔连接，用于将所述主体腔室内的工艺气体抽出。
优选地，所述出气腔包括主出气腔和过渡腔，所述过渡腔连接在所述进气腔和所述主出气腔之间，所述过渡腔的内径在沿所述进气腔至所述出气腔的方向上逐渐增大；所述过渡腔的侧壁向外倾斜。
优选地，所述过渡腔的内壁与所述进气腔的内壁之间的夹角在45°至60°之间。
优选地，所述进气腔的内壁为圆柱面，所述主出气腔的内壁为圆柱面，所述进气腔的内径比所述主出气腔的内径小20mm至30mm。
优选地，所述抽气腔室与所述主出气腔连接，且所述抽气腔室的顶壁与所述过渡腔的底部对齐设置。
优选地，所述内衬包括内衬底板和内衬侧壁；所述内衬侧壁设置在所述内衬底板上，且与所述内衬底板固定连接；所述通气孔包括开设在所述内衬底板上的底板通气孔，以及开设在所述侧壁上的侧壁通气孔。
优选地，所述内衬上的孔隙率在60％至80％之间。
优选地，所述侧壁通气孔沿所述内衬侧壁的高度方向的尺寸在20mm至25mm之间。
优选地，所述内衬底板与所述内衬侧壁之间的夹角为钝角，且该夹角的数值在120°至135°之间。
优选地，所述抽气腔室上设置有用于与抽气装置连通的抽气口；所述出气腔的底壁包括下电极安装区和环绕所述下电极安装区的环形区；所述抽气口的通气面积大于或等于所述环形区的通气面积，所述环形区的通气面积大于或等于所述内衬的通气面积。
在包括反应腔室内执行等离子工艺时，由于出气腔的内径大于进气腔的内径，因此，等离子体在抽气装置的抽吸力的作用下从进气腔进入出气腔时，气体流阻降低，因此不会在主体腔室内产生涡流，从而可以使得等离子体均匀地分布在晶圆的上方及周围，提高等离子工艺的均匀性。除此之外，气体流阻降低后，控压能力增强，提高了等离子工艺的效率。
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1是相关技术中的工艺腔室的示意图；
图2是用于图1中所示的工艺腔室的内衬的俯视图；
图3是图2的主剖视图；
图4是本发明所提供的反应腔室的一种实施方式的示意图；
图5是本发明所提供的反应腔室的另一种实施方式的示意图；
图6是应用于本发明所提供的反应腔室的内衬的主剖示意图。
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。
经本发明的发明人反复研究发现，利用图1中所示的工艺腔室执行等离子工艺时，导致工艺不均匀的原因之一如下：
工艺腔室中进气腔110和出气腔120直径相同，在抽气装置抽吸力的作用下，工艺气体分子流动方向一致，流动至晶圆表面时，气体流阻增加，容易产生漩涡，导致工艺气体在晶圆上方分布不均匀，进而影响到工艺的均匀性。
有鉴于此，作为本发明的一个方面，提供一种用于等离子加工的反应腔室，如图4所示，所述反应腔室包括主体腔室100和抽气腔室200，该主体腔室100包括同轴设置的进气腔110和出气腔120，进气腔110与出气腔120分别为圆柱状腔体，且出气腔120的内径大于进气腔110的内径；抽气腔室200与出气腔120相通，出气腔120用于设置下电极。其中，由于两者直径不同，因此出气腔120的横截面积大于进气腔110的横截面积。
如图5所示，所述反应腔室还包括下电极400以及内衬300，下电极400以及内衬300均设置在主体腔室100内。其中，内衬300的内衬底板将主体腔室100的内部空间分隔为进气腔110和出气腔120，内衬底板上形成有多个通气孔，多个通气孔的面积总和为内衬300的通气面积；下电极400的一部分位于出气腔120中，下电极400的另一部分穿过内衬底板进入进气腔110中，且下电极400的承载面位于进气腔110中。为了进行等离子工艺，需要将抽气腔室200的抽气口与抽气装置相连。
在执行等离子体工艺时，将晶圆设置在下电极400的承载面上，工艺气体通入进气腔110中，以将工艺气体等离子化。利用抽气装置通过抽气腔室200对主体腔室100的内部进行抽吸。
由于出气腔120的横截面积大于进气腔110的横截面积，因此，等离子体在抽气装置的抽吸力的作用下从进气腔110进入出气腔120时，气体流阻降低，因此不会在主体腔室内产生涡流，从而可以使得等离子体均匀地分布在晶圆的上方及周围，提高等离子工艺的均匀性。除此之外，气体流阻降低后，控压能力增强，提高了等离子工艺的效率。
在本发明中，对出气腔120的具体结构不做特殊的限定，只要出气腔120的横截面积大于进气腔110的通气面积即可。为了进一步避免主体腔室中气体产生涡流、确保等离子工艺过程中气体流动更加均匀，优选地，如图4中所示，出气腔120包括主出气腔121和过渡腔122，过渡腔122连接在进气腔110和主出气腔121之间，在从进气腔110至出气腔120的方向上(图4中的上下方向)，过渡腔122的内径逐渐增大；过渡腔的侧壁形成为向外倾斜的凸台，即过渡腔的侧壁整体可以呈锥台结构。
通过设置过渡腔122，可以避免不同腔室内壁处存在直角，从而可以避免主体腔室中气体产生涡流。
作为一种优选实施方式，如图4所示，过渡腔122的内壁与进气腔110的内壁之间的夹角α在45°至60°之间。
为了使得工艺气体的流动更加均匀，优选地，进气腔110的内壁为圆柱面，主出气腔121的内壁为圆柱面，进气腔110的内径比主出气腔121的内径小20mm至30mm。作为一种可选实施方式，进气腔110的内径可以为370mm，主出气腔的内径可以在390mm至400mm之间。
主出气腔121的内径仅比进气腔110的内径大20mm至30mm，虽然降低了气体流阻，但也不会使得气体流阻降低过多，从而可以确保等离子体工艺的均匀性，并且也不会影响控压能力。
为了避免主体腔室中气体产生涡流、确保等离子工艺过程中气体流动更加均匀，优选地，如图4中所示，抽气腔室200与主出气腔121连接，并且抽气腔室200的顶壁可以与过渡腔122的侧壁之间的夹角在135°至150°之间，即抽气腔室200的顶壁可以位于主出气腔121和过渡腔122之间，此时抽气腔室200的顶壁可以与过渡腔122侧壁之间也形成一夹角，由此可以避免不同腔室内壁处存在直角，从而可以避免主体腔室中气体产生涡流。
需要说明的是，主出气腔121在与内衬连接的位置设计有斜角，斜角大小为45°～60°。抽气腔室200与内衬接近位置也设计有斜角，斜角大小为45°～60°。本案对抽气腔室的具***置及与过渡腔之间形成的斜角作了进一步限定，两个斜角实际为过渡腔与不同腔室之间形成的两个夹角，即本申请过渡腔内壁与进气腔内壁之间形成的斜角，以及过渡腔与抽气腔室顶壁之间形成的斜角。
在本发明中，对如何向进气腔通入工艺气体并不做特殊的限定。在图4中所示的实施方式中，主体腔室还包括盖板600，该盖板用于封闭进气腔110，并且，盖板600上设置有进气孔610，以将进气孔610通入进气腔110内。
如上文中所述，由于出气腔120的横截面积大于进气腔的横截面积，因此，等离子体工艺的过程中，气体流阻较小，从而可以减少甚至避免气体涡流的产生，提高等离子工艺的均匀性。
在本发明中，对内衬300的具体结构不做特殊的限定。内衬300可以具有图2和图3中所示的结构。具体地，内衬300包括内衬侧壁310和内衬底板320，内衬底板320为环形板，内衬侧壁310环绕内衬底板320设置，且内衬底板320与内衬侧壁310固定连接。多个所述通气孔300a形成在内衬底板320上。当将内衬300安装在主体腔室内时，内衬侧壁310与所述进气腔的内表面相对设置，以对所述进气腔的内壁进行保护。所述下电极穿过内衬底板320，以使得下电极的承载面位于进气腔内。
如图2所示，内衬底板320上的多个通气孔300a均匀分布，气体可以穿过通气孔300a。
为了有效地减小气体流阻，优选地，如图6所示，通气孔300a包括开设于内衬底板320上的底板通气孔302a，以及开设于内衬侧壁310上的侧壁通气孔301a，底板通气孔302a和侧壁通气孔301a共同构成通气孔300a，也就是说，通气孔300a大致为“L”形；可选地，内衬侧壁310及内衬底板320上可以分别开设有通气孔。
为了确保气体可以均匀、顺畅地从进气腔110流入出气腔120，优选地，内衬300上的孔隙率在60％至80％之间。
作为一种优选实施方式，侧壁通气孔301a沿该内衬侧壁310的高度方向的尺寸在20mm至25mm之间。
在图3中所示的实施方式中，内衬侧壁310与内衬底板320垂直。为了避免气体产生涡流，优选地，内衬底板320与内衬侧壁310之间的夹角β为钝角。
优选地，所述内衬底板与所述内衬侧壁之间的夹角β的数值在120°至135°之间。
为了便于安装抽气装置，抽气腔室200上设置有用于与抽气装置连通的抽气口500。
为了设置下电极，出气腔120的底壁包括下电极安装区和环绕所述下电极安装区的环形区，将下电极安装在所述下电极安装区中。为了确保可以将气体抽出，优选地，所述抽气口的通气面积大于或等于所述环形区的通气面积，所述环形区的通气面积大于或等于所述内衬的通气面积，采用该设计能提高主体腔室内等离子体的流速，从而大幅提高等离子体的刻蚀速率。
为了便于将内衬300固定在主体腔室内，优选地，内衬300还可以包括环绕内衬侧壁310的顶端设置的安装凸缘340。
为了便于维持内衬300的稳定性，优选地，内衬300还包括设置在内衬底板320的内边缘设置的限位壁330，该限位壁330与内衬侧壁310的延伸方向相同，限位壁330环绕下电极设置。
优选地，所述反应腔室还可以包括抽气装置，该抽气装置设置在抽气口处。
在本发明中，对抽气装置并不做特殊限定，优选地，抽气装置可以为摆阀分子泵。
可以利用所述反应腔室执行对碳化硅进行刻蚀的工艺。
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。

Claims (9)

1.一种半导体设备反应腔室，其特征在于，包括：主体腔室和抽气腔室；
所述主体腔室内设置有内衬，所述内衬将所述主体腔室的内部空间分隔为进气腔和出气腔；
所述进气腔与所述出气腔分别为圆柱状腔体，且所述出气腔的内径大于所述进气腔的内径；
所述出气腔内设置有下电极，且所述下电极的部分延伸至所述进气腔内，所述内衬环绕所述下电极设置；
所述内衬上设置有多个通气孔；多个所述通气孔的面积总和为所述内衬的通气面积；
所述抽气腔室与所述出气腔连接，用于将所述主体腔室内的工艺气体抽出；
所述出气腔包括主出气腔和过渡腔，所述过渡腔连接在所述进气腔和所述主出气腔之间，所述过渡腔的内径在沿所述进气腔至所述出气腔的方向上逐渐增大；所述过渡腔的侧壁向外倾斜。
2.根据权利要求1所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述过渡腔的内壁与所述进气腔的内壁之间的夹角在45°至60°之间。
3.根据权利要求1所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述进气腔的内壁为圆柱面，所述主出气腔的内壁为圆柱面，所述进气腔的内径比所述主出气腔的内径小20mm至30mm。
4.根据权利要求1所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述抽气腔室与所述主出气腔连接，且所述抽气腔室的顶壁与所述过渡腔的侧壁之间的夹角在135°至150°之间。
5.根据权利要求1所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述内衬包括内衬底板和内衬侧壁；所述内衬侧壁设置在所述内衬底板上，且与所述内衬底板固定连接；
所述通气孔包括开设在所述内衬底板上的底板通气孔，以及开设在所述侧壁上的侧壁通气孔。
6.根据权利要求5所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述内衬上的孔隙率在60％至80％之间。
7.根据权利要求6所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述侧壁通气孔沿所述内衬侧壁的高度方向的尺寸在20mm至25mm之间。
8.根据权利要求6所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述内衬底板与所述内衬侧壁之间的夹角为钝角，且该夹角的数值在120°至135°之间。
9.根据权利要求1至8的任一所述的半导体设备反应腔室，其特征在于，所述抽气腔室上设置有用于与抽气装置连通的抽气口；所述出气腔的底壁包括下电极安装区和环绕所述下电极安装区的环形区；所述抽气口的通气面积大于或等于所述环形区的通气面积，所述环形区的通气面积大于或等于所述内衬的通气面积。
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