CN112951694A - 等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法 - Google Patents

等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法。等离子体处理装置，包括反应腔，反应腔内包括上电极组件、下电极组件、冷却通道及加热装置。上电极组件设置在反应腔内的上方，同时用于向反应腔内输送反应气体。下电极组件设置在反应腔内的下方，与上电极组件相对设置，用于承载待处理晶圆。冷却通道设置在上电极组件内部，用于对上电极组件进行冷却。加热装置设置在上电极组件内部，包括：若干个分立式加热器用于对上电极组件的不同区域进行加热；以及控制器，连结若干个分立式加热器且分别控制各个分立式加热器的功率。

Description

等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法
技术领域
本发明涉及半导体领域的装置，特别涉及一种等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法。
背景技术
在等离子体刻蚀过程中，某些工艺的刻蚀速率强烈受控于刻蚀腔体上下电极温度的分布。这种影响通常具有下述逻辑过程：
通过上下电极温度控制，调节腔内反应聚合物(Polymer)的沉积分布，晶圆端Polyer沉积强弱会影响晶圆的刻蚀速率。如下所述：
1)上电极温度越高(或下电极晶圆端温度越低)，下电极晶圆端Polymer越重；在某一特定范围内，晶圆刻蚀速率越快；
2)上电极温度越低(或下电极晶圆端温度越高)，下电极晶圆端Polymer越轻；在某一特定范围内，晶圆刻蚀速率越慢。
因此通过调节上下电极温度大小可以调控晶的圆刻蚀速率；另外，可以想象得到的是，通过多区控制上下电极温度分布，可以实现晶圆刻蚀速率均匀性和对称性的调节。常见的多区温度控制主要针对下电极(静电吸盘)，例如通过dual-coolant zone静电吸盘，dual-He zone静电吸盘，multi-zone dynamic静电吸盘等。常见的选择对下电极温度进行控制的主要原因在于，晶圆与静电吸盘直接接触，刻蚀效果对静电吸盘温度更加敏感，调控更加有效。
但是通过下电极调控存在如下缺点：
1)Multi-zone的设计如果采用电加热式，则无法应用到高温高功率的等离子刻蚀工艺，原因在于RF filter的设计很难满足高功率的需求；
2)Multi-zone的设计如果使用coolant或He cooling模式，设计和使用成本是无法忍受的。
所以现阶段对于VNAND工艺，刻蚀腔体下电极通常只能采用Dual-zone模式，还无法通过下电极多区控温实现刻蚀速率不对称性的调控。因此上电极多区温控是一个可行的调控方法。此外，如果上电极不使用多区温控，上电极的温度分布往往存在严重的不对称性，如图1所示，其设计存在以下不可调和的缺陷：
1)加热器10(Heater channel)无法做到完全闭环，导致加热电极两条引线端点处的温度较冷；
2)温控冷却通道20(Coolant channel)存在水温梯度变化，进水端(Inlet)冷，出水端(Outlet)热，从而导致水冷效果不均匀。
上述缺陷会造成温度分布存在冷区和热区(Cold area,Hot area)，实际测量发现冷热区间温度梯度达到了平均温度的7％，当把加热器安装角度旋转180°时，冷热区间也跟着对调180°。这种温度梯度对于电极温度敏感的刻蚀工艺是不可接受的，会造成刻蚀速率的严重不对称性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法，用以解决前述背景技术中所面临的问题。
为了达到上述目的，本发明的第一技术方案是提供一种等离子体处理装置，包括反应腔，反应腔内包括上电极组件、下电极组件、冷却通道及加热装置。上电极组件设置在反应腔内的上方，同时用于向反应腔内输送反应气体。下电极组件设置在反应腔内的下方，与上电极组件相对设置，用于承载待处理晶圆。冷却通道设置在上电极组件内部，用于对上电极组件进行冷却。加热装置设置在上电极组件内部，包括：若干个分立式加热器用于对上电极组件的不同区域进行加热；以及控制器，连结若干个分立式加热器且分别控制各个分立式加热器的功率。
可选地，若干个分立式加热器呈环状设置，围绕设置在冷却通道的内侧或外侧。
可选地，控制器依据各个分立式加热器所对应的冷却通道部位调整各个分立式加热器的功率。
可选地，对应冷却通道的冷却剂入口的分立式加热器到对应冷却通道的冷却剂出口的分立式加热器的功率顺序递减。
可选地，冷却通道包括至少一个冷却剂入口和一个冷却剂出口。
可选地，若干个分立式加热器的输出功率皆相同，控制器分别控制各个分立式加热器的功率输出百分比。
可选地，控制器依据刻蚀中的晶圆的刻蚀不对称点调整对应的分立式加热器的功率。
可选地，不同分立式加热器之间设置热隔离装置。
为了达到上述目的，本发明的第二技术方案是提供一种半导体晶圆的处理方法，所述方法在等离子体处理装置内进行，其特征在于，包括下列步骤：将晶圆传输到反应腔内，置于下电极组件上方。利用上电极组件向反应腔内供应反应气体。向反应腔内施加射频功率，将反应气体激发为等离子体，利用等离子体对晶圆进行工艺处理。对晶圆处理结果进行监测，并将监测结果传输到控制器。利用冷却通道和加热装置对上电极组件的温度进行控制，控制器根据晶圆处理的监测结果对不同区域的加热装置进行功率调节。
可选地，控制器控制对应冷却通道的冷却剂入口的分立式加热器到对应冷却通道的冷却剂出口的分立式加热器的加热功率顺序递减。
可选地，冷却通道包括若干个冷却剂入口和若干个冷却剂出口，控制器可以控制进入不同冷却剂入口的冷却剂流量或温度实现对不同区段的冷却通道的温度调节。
可选地，若干个分立式加热器的输出功率皆相同，控制器分别控制各个分立式加热器的功率输出百分比。
可选地，控制器依据刻蚀中的晶圆的刻蚀不对称点调整对应的分立式加热器的功率。
与现有技术相比，本发明的等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法通过控制器分别控制各个分立式加热器的功率，从而，实现了对某些刻蚀工艺刻蚀速率的精确选择和调节。
附图说明
图1是现有的等离子体处理装置的加热器及温控冷却通道的示意图；
图2是本发明的等离子体处理装置的示意图；
图3是本发明的等离子体处理装置的加热装置及冷却通道的示意图；
图4是本发明的等离子体处理装置的加热装置的方块图；
图5是本发明的等离子体处理装置的半导体晶圆的处理方法的流程图。
具体实施方式
为利了解本发明的特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本发明配合附图，并以实施方式的表达形式详细说明如下，而其中所使用的附图，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的附图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围。
请参阅图2至图4；图2是本发明的等离子体处理装置的示意图；图3是本发明的等离子体处理装置的加热装置及冷却通道的示意图；图4是本发明的等离子体处理装置的加热装置的方块图。如图所示，本发明在实施例中是提供一种等离子体处理装置300，包括反应腔310，反应腔310内包括上电极组件320、下电极组件330、冷却通道200及加热装置100。
上电极组件320设置在反应腔310内的上方，同时用于向反应腔310内输送反应气体。下电极组件330设置在反应腔310内的下方，与上电极组件320相对设置，用于承载待处理晶圆。
冷却通道200设置在上电极组件320内部，用于对上电极组件320进行冷却。
加热装置100设置在上电极组件320内部，包括：若干个分立式加热器110用于对上电极组件320的不同区域进行加热；以及控制器120，连结若干个分立式加热器110且分别控制各个分立式加热器110的功率。
而，上述所提到的若干个分立式加热器110呈环状设置，围绕设置在冷却通道200的内侧或外侧，彼此并未连结。控制器120连结若干个分立式加热器110且分别控制各个分立式加热器110的功率。其中，不同分立式加热器110之间可设置热隔离装置。
进一步地，控制器120依据各个分立式加热器110所对应的冷却通道200部位调整各个分立式加热器110的功率，也就是说，对应冷却通道200不同的部位的分立式加热器110，其功率可能相异于对应其他部位的各个分立式加热器110。举例如下：
各个分立式加热器110的功率可依据由对应冷却通道200的冷却剂入口210的分立式加热器110到对应冷却通道200的冷却剂出口220的分立式加热器110的顺序递减。因冷却通道200的温度由冷却剂入口210至冷却剂出口220递增，从而对应地，各个分立式加热器110对应冷却通道200不同的部位而进行对应的功率调整，是以若冷却通道200的温度由冷却剂入口210至冷却剂出口220递增，则各个分立式加热器110则对应的沿冷却剂入口210至冷却剂出口220的方向依序递减功率，以达到精确选择和调节刻蚀速率的目的。
其中，冷却通道200包括至少一个冷却剂入口210和一个冷却剂出口220；或者，冷却通道200可分段设计而个别具有冷却剂入口210和冷却剂出口220。
另一方面，当若干个分立式加热器110的输出功率皆相同时，控制器120仍可藉由分别控制各个分立式加热器110的功率输出百分比，达到分别控制各个分立式加热器110功率的目的。
在实际应用本发明的加热装置100时，控制器120可依据刻蚀中的晶圆的刻蚀不对称点调整对应位置的分立式加热器110的功率，进而达到精确选择和调节刻蚀速率的目的。
值得一提的是，各个分立式加热器110具有对应的控温区域，为避免交叉控温的情况产生，因此各个分立式加热器110所对应的控温区域都将进行隔热处理。
请参阅图5，图5是本发明的等离子体处理装置的半导体晶圆的处理方法的流程图。如图所示，本发明在实施例中是提供一种半导体晶圆的处理方法，所述方法在上述的等离子体处理装置内进行，半导体晶圆的处理方法包括下列步骤：
在步骤S51中：将晶圆传输到反应腔内，置于下电极组件上方。在步骤S52中：利用上电极组件向反应腔内供应反应气体。
在步骤S53中：向反应腔内施加射频功率，将反应气体激发为等离子体，利用等离子体对晶圆进行工艺处理。
在步骤S54中：对晶圆处理结果进行监测，并将监测结果传输到控制器。
在步骤S55中：利用冷却通道和加热装置对上电极组件的温度进行控制，控制器根据晶圆处理的监测结果对不同区域的加热装置进行功率调节。
进一步地，控制器120依据各个分立式加热器110所对应的冷却通道200部位调整各个分立式加热器110的功率，也就是说，对应冷却通道200不同的部位的分立式加热器110，其功率可能相异于对应其他部位的各个分立式加热器110。举例如下：
各个分立式加热器110的功率可依据由对应冷却通道200的冷却剂入口210的分立式加热器110到对应冷却通道200的冷却剂出口220的分立式加热器110的顺序递减。因冷却通道200的温度由冷却剂入口210至冷却剂出口220递增，从而对应地，各个分立式加热器110对应冷却通道200不同的部位而进行对应的功率调整，是以若冷却通道200的温度由冷却剂入口210至冷却剂出口220递增，则各个分立式加热器110则对应的沿冷却剂入口210至冷却剂出口220的方向依序递减功率，以达到精确选择和调节刻蚀速率的目的。
而，冷却通道200包括若干个冷却剂入口210和若干个冷却剂出口，控制器120可以控制进入不同冷却剂入口210的冷却剂流量或温度实现对不同区段的冷却通道200的温度调节。
另一方面，当若干个分立式加热器110的输出功率皆相同时，控制器120仍可藉由分别控制各个分立式加热器110的功率输出百分比，达到分别控制各个分立式加热器110功率的目的。
在实际应用本发明的加热装置100时，控制器120可依据刻蚀中的晶圆的刻蚀不对称点调整对应位置的分立式加热器110的功率，进而达到精确选择和调节刻蚀速率的目的。
值得一提的是，各个分立式加热器110具有对应的控温区域，为避免交叉控温的情况产生，因此各个分立式加热器110所对应的控温区域可以进行隔热处理。
与现有技术相比，本发明的等离子体处理装置及其半导体晶圆的处理方法通过控制器分别控制各个分立式加热器的功率，从而，实现了对某些刻蚀工艺刻蚀速率的精确选择和调节。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种等离子体处理装置，包括反应腔，其特征在于，所述反应腔内包括：
上电极组件，设置在所述反应腔内的上方，同时用于向所述反应腔内输送反应气体；
下电极组件，设置在所述反应腔内的下方，与所述上电极组件相对设置，用于承载待处理晶圆；
冷却通道，设置在所述上电极组件内部，用于对所述上电极组件进行冷却；以及
加热装置，设置在所述上电极组件内部，包括：
若干个分立式加热器，用于对所述上电极组件的不同区域进行加热；以及
控制器，连结所述若干个分立式加热器且分别控制各个所述分立式加热器的功率。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述若干个分立式加热器呈环状设置，围绕设置在所述冷却通道的内侧或外侧。
3.如权利要求2所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述控制器依据各个所述分立式加热器所对应的所述冷却通道部位调整各个所述分立式加热器的功率。
4.如权利要求3所述的等离子体处理装置，其特征在于，对应所述冷却通道的冷却剂入口的所述分立式加热器到对应所述冷却通道的冷却剂出口的所述分立式加热器的功率顺序递减。
5.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述冷却通道包括至少一个冷却剂入口和一个冷却剂出口。
6.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述若干个分立式加热器的输出功率皆相同，所述控制器分别控制各个所述分立式加热器的功率输出百分比。
7.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述控制器依据刻蚀中的所述晶圆的刻蚀不对称点调整对应的所述分立式加热器的功率。
8.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，不同所述分立式加热器之间设置热隔离装置。
9.一种半导体晶圆的处理方法，所述方法在如权利要求1-8中的任一项所述的等离子体处理装置内进行，其特征在于，包括下列步骤：
将所述晶圆传输到所述反应腔内，置于所述下电极组件上方；
利用所述上电极组件向所述反应腔内供应反应气体；
向所述反应腔内施加射频功率，将所述反应气体激发为等离子体，利用所述等离子体对所述晶圆进行工艺处理；
对所述晶圆处理结果进行监测，并将监测结果传输到所述控制器；
利用所述冷却通道和所述加热装置对所述上电极组件的温度进行控制，所述控制器根据所述晶圆处理的所述监测结果对不同区域的所述加热装置进行功率调节。
10.如权利要求9所述的半导体晶圆的处理方法，其特征在于，所述控制器控制对应所述冷却通道的冷却剂入口的所述分立式加热器到对应所述冷却通道的冷却剂出口的所述分立式加热器的加热功率顺序递减。
11.如权利要求9所述的半导体晶圆的处理方法，其特征在于，所述冷却通道包括若干个冷却剂入口和若干个冷却剂出口，所述控制器可以控制进入不同所述冷却剂入口的冷却剂流量或温度实现对不同区段的所述冷却通道的温度调节。
12.如权利要求9所述的半导体晶圆的处理方法，其特征在于，所述若干个分立式加热器的输出功率皆相同，所述控制器分别控制各个所述分立式加热器的功率输出百分比。
13.如权利要求9所述的半导体晶圆的处理方法，其特征在于，所述控制器依据刻蚀中的所述晶圆的刻蚀不对称点调整对应的所述分立式加热器的功率。
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