CN213816055U - 一种约束离子体的限制环装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种约束离子体的限制环装置，其套设在偏置电极上，用于限制法拉第清洗时产生的等离子体；限制环本体包括上限制环和下限制环，在上限制环和下限制环之间形成用于二次湮灭等离子体的缓冲空间；在上限制环上开设若干上限制环抽气通道，在下限制环上开设若干下限制环抽气通道，上限制环抽气通道、下限制环抽气通道均垂直地面开设，且相邻上限制环抽气通道与下限制环抽气通道在垂直方向上未同轴；本实用新型可以在法拉第清洗时限制高强度等离子体，同时保证了足够的抽气通道，满足正常刻蚀和低压刻蚀的腔压要求。

Description

一种约束离子体的限制环装置

技术领域

本实用新型涉及一种约束离子体的限制环装置，属于半导体设备制造领域。

背景技术

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。

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；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。

电感耦合等离子体刻蚀设备为了约束等离子体区域，通常设置有限制环装置，限制等离子体的同时需要保证足够的抽气通道，以保证在工艺进行时满足刻蚀所需的腔压要求；由于正常工艺时，等离子体强度稍弱，限制环的抽气通道可以保留足够大，保证限制等离子体的同时，保留尽量大面积的抽气通道。由于清洗工艺时加入了法拉第装置，清洗时等离子体强度很强，限制环已经无法限制住此时的等离子体，导致清洗过程中工艺不稳定；虽然可以通过增加限制环开孔的深宽比和减少抽气通道面积来解决清洗过程中限制环无法限制等离子体的情况，但是这样的解决方法牺牲了大面积的抽气通道，使得在正常工艺时，达到所需腔压时间和稳定时间均变长，甚至无法进行低压刻蚀工艺。

实用新型内容

本实用新型提供一种约束离子体的限制环装置，该装置可以在法拉第清洗时限制高强度等离子体，同时保证了足够的抽气通道，满足正常刻蚀和低压刻蚀的腔压要求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种约束离子体的限制环装置，包括反应腔室，其顶部安装腔盖，在腔盖上方安设耦合窗，耦合窗的中间位置设置进气喷嘴，耦合窗的上方安装线圈，在耦合窗与线圈之间设置法拉第层；在反应腔室内设置偏置电极，偏置电极的表面放置晶圆；在偏置电极上套设用于限制法拉第清洗时产生的等离子体的限制环本体；

作为本实用新型的进一步优选，前述的限制环本体包括上限制环和下限制环，在上限制环和下限制环之间形成用于二次湮灭等离子体的缓冲空间；

在上限制环上开设若干上限制环抽气通道，在下限制环上开设若干下限制环抽气通道，上限制环抽气通道、下限制环抽气通道均垂直地面开设，且相邻上限制环抽气通道与下限制环抽气通道在垂直方向上未同轴；

作为本实用新型的进一步优选，前述的上限制环抽气通道为圆通孔，若干圆通孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道同样为圆通孔，若干圆通孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，位于限制环本体径向方向上两个相邻圆通孔孔心之间的距离为A，沿着限制环本体圆周分布的两个相邻圆通孔孔心之间的距离为B，相邻两个同心圆环上错开布设的两个圆通孔孔心之间的距离为C，A、B和C三者相等或者不相等；

作为本实用新型的进一步优选，

在上限制环上，圆通孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，圆通孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%；

作为本实用新型的进一步优选，前述的上限制环抽气通道为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，长圆槽孔位于圆环圆周上的长度相等或者不相等，相邻长圆槽孔之间的距离相等或者不相等；

作为本实用新型的进一步优选，

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%；

作为本实用新型的进一步优选，

前述的上限制环抽气通道为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，位于同一圆环上的长圆槽孔的长度均相同，定义同一圆环上长圆槽孔之间的距离为D，相邻圆环上的D中心在同一条直线上；

作为本实用新型的进一步优选，

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型在启动法拉第进行清洗工艺导致离子体强度增强的前提下，能够约束住等离子体的产生区域，避免其向限制环下方的位置扩散；

2、本实用新型的限制环装置采用的结构多样化，保证足够的抽气通道，使其对等离子体的约束效果较优，适合大范围的推广使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是现有技术中限制环结构无法限制等离子体，使等离子体扩散至限制环下方时的整体结构示意图；

图2是通过图1所示的现有技术，在限制环失效后清洗工艺进行时射频功率的反射示意图；

图3是本实用新型提供的优化后的限制环本体结构示意图；

图4是本实用新型提供的优化后的限制环本体在清洗工艺进行时射频功率的反射示意图；

图5是本实用新型提供的限制环本体的优选实施例1的结构示意图，其中，5a为俯视图，5b为I处放大图；

图6是本实用新型提供的限制环本体的优选实施例2的结构示意图，其中，6a为俯视图，6b为II处放大图；

图7是本实用新型提供的限制环本体的优选实施例3的结构示意图，其中，7a为俯视图，7b为III处放大图。

图中：1为反应腔室，2为腔盖，3为耦合窗，4为法拉第层，5为线圈，6为进气喷嘴，7为等离子体，8为偏置电极，9为现有技术中的限制环；

110为上限制环，111为上限制环抽气通道，120为下限制环，121为下限制环抽气通道，130为缓冲空间。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，是现有技术涉及到的一种RIE设备的结构示意图，图中可知，其包括反应腔室1，其顶部安装腔盖2，在腔盖2上方安设耦合窗3，耦合窗3一般采用陶瓷制作，在耦合窗3的中间位置设置进气喷嘴6，其为反应腔室1中的工艺过程提供中部反应气，在反应腔室1内设置偏置电极8，偏置电极8的表面放置晶圆，耦合窗3的上方安装线圈5，在耦合窗3与线圈5之间设置法拉第层4；等离子体7一般产生的区域为耦合窗3与偏置电极8之间，但是等离子体7受制于现有技术中的限制环9的约束，只能在现有技术展示的限制环上方产生等离子体7；

但是基于图1所示的结构，当启用法拉第进行清洗工艺时，等离子体7强度增强，现有技术中的限制环9无法约束住等离子体7产生的区域，使得等离子体7区域向现有技术中的限制环9下方扩散，这样造成的后果是法拉第清洗时工艺是不稳定的，图2给出了现有技术中的限制环9在失效后，清洗工艺进行时射频功率的反射示意图，图中可以明显看出反射功率的反射波动强烈，严重影响了清洗工艺的正常进行。

由于等离子体7区域向限制环下方扩散是不被允许的，因此部分使用者通过增加现有技术中的限制环9开孔深宽比，以及减少抽气通道面积来解决此问题，但是这样的解决方式牺牲了大面积的抽气通道，使得在正常工艺时，达到所需腔压时间和稳定时间均变长，甚至无法进行低压刻蚀工艺；

针对以上问题，本申请提供了一种约束等离子体的限制环装置，可以在法拉第清洗时限制高强度等离子体，同时保证足够的抽气通道，满足正常刻蚀和低压刻蚀的腔压要求。

图3所示，是本申请提供的限制环本体结构示意图，图中可以看出，限制环本体包括上限制环和下限制环，在上限制环110和下限制环120之间形成缓冲空间130，在上限制环110上开设若干上限制环抽气通道111，在下限制环120上开设若干下限制环抽气通道121，上限制环抽气通道111、下限制环抽气通道121均垂直地面开设，且相邻上限制环抽气通道111与下限制环抽气通道121在垂直方向上未同轴；当等离子体接近限制环本体时，由于限制环本体是接地的，大部分等离子体会湮灭，部分等离子体会通过上限制环抽气通道111在上限制环下方启辉，此时从上限制环抽气通道111逃出的部分等离子体在缓冲空间130内继续湮灭，最终剩余能够逃离该缓冲空间130的等离子体在下限制环抽气通道121内完全湮灭；这样在限制环本体下方的等离子体便不会启辉，对法拉第的清洗工艺不会造成影响；图4给出了优化后的限制环本体在清洗工艺进行时射频功率的反射示意图，可以看出，射频功率反射已经较单限制环降低了一个数量级，且更稳定；由于在上限制环与下限制环之间缓冲空间130的存在，使得限制等离子体的同时保证了足够的抽气通道，满足了正常刻蚀和低压刻蚀的腔压要求。

实施例1：

图5所示，给出了本实用新型提供的限制环本体的优选实施例1的结构示意图，上限制环抽气通道111为圆通孔，若干圆通孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；下限制环抽气通道121同样为圆通孔，若干圆通孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，如图中标识的，定义位于限制环本体径向方向上两个相邻圆通孔孔心之间的距离为A，沿着限制环本体圆周分布的两个相邻圆通孔孔心之间的距离为B，相邻两个同心圆环上错开布设的两个圆通孔孔心之间的距离为C，A、B和C三者相等或者不相等；

在上限制环上，圆通孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，圆通孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

实施例2：

图6所示，给出了本实用新型提供的限制环本体的优选实施例2的结构示意图，上限制环抽气通道111为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；下限制环抽气通道121同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，长圆槽孔位于圆环圆周上的长度相等或者不相等，相邻长圆槽孔之间的距离相等或者不相等；

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

实施例3：

图7所示，给出了本实用新型提供的限制环本体的优选实施例3的结构示意图，上限制环抽气通道111为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；下限制环抽气通道121同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，位于同一圆环上的长圆槽孔的长度均相同，如图中标识的，定义同一圆环上长圆槽孔之间的距离为D，相邻圆环上的D中心在同一条直线上；

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

最后申请人想说的是，以上实施例1、实施例2以及实施例3提供的仅仅是部分限制环本体的结构形式，而且上限制环、下限制环可以是相同的结构形式，也可以是不相同的结构形式，或者是各自的组合，通过此种限制环本体的设置，可以在法拉第清洗时较优的限制了高强度等离子体，同时保证了足够的抽气通道面积，满足了正常刻蚀和低压刻蚀的腔压要求。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种约束离子体的限制环装置，包括反应腔室，其顶部安装腔盖，在腔盖上方安设耦合窗，耦合窗的中间位置设置进气喷嘴，耦合窗的上方安装线圈，在耦合窗与线圈之间设置法拉第层；在反应腔室内设置偏置电极，偏置电极的表面放置晶圆；其特征在于：在偏置电极上套设用于限制法拉第清洗时产生的等离子体的限制环本体。

2.根据权利要求1所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：前述的限制环本体包括上限制环（110）和下限制环（120），在上限制环（110）和下限制环（120）之间形成用于二次湮灭等离子体的缓冲空间（130）；

在上限制环（110）上开设若干上限制环抽气通道（111），在下限制环（120）上开设若干下限制环抽气通道（121），上限制环抽气通道（111）、下限制环抽气通道（121）均垂直地面开设，且相邻上限制环抽气通道（111）与下限制环抽气通道（121）在垂直方向上未同轴。

3.根据权利要求2所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

前述的上限制环抽气通道（111）为圆通孔，若干圆通孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道（121）同样为圆通孔，若干圆通孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，位于限制环本体径向方向上两个相邻圆通孔孔心之间的距离为A，沿着限制环本体圆周分布的两个相邻圆通孔孔心之间的距离为B，相邻两个同心圆环上错开布设的两个圆通孔孔心之间的距离为C，A、B和C三者相等或者不相等。

4.根据权利要求3所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

在上限制环上，圆通孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，圆通孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

5.根据权利要求2所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

前述的上限制环抽气通道（111）为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道（121）同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，长圆槽孔位于圆环圆周上的长度相等或者不相等，相邻长圆槽孔之间的距离相等或者不相等。

6.根据权利要求5所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

7.根据权利要求2所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

前述的上限制环抽气通道（111）为长圆槽孔，若干长圆槽孔以上限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

前述的下限制环抽气通道（121）同样为长圆槽孔，若干长圆槽孔以下限制环圆心为中心，呈同心圆环状排布；

其中，位于同一圆环上的长圆槽孔的长度均相同，定义同一圆环上长圆槽孔之间的距离为D，相邻圆环上的D中心在同一条直线上。

8.根据权利要求7所述的约束离子体的限制环装置，其特征在于：

在上限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于上限制环面积的30%；

在下限制环上，长圆槽孔的面积大于或者等于下限制环面积的30%。

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