阅读说明：本技术 一种半导体加工设备 (Semiconductor processing equipment ) 是由 李兴存 张受业 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种半导体加工设备。在本发明的一实施例中,该半导体加工设备包含反应腔室,其内设置有用以承载待加工工件的基座；第一等离子体产生腔,与反应腔室连通设置,用于沿第一方向向待加工工件提供离子束；第二等离子体产生腔,该第二等离子体产生腔与反应腔室连通设置,且第二等离子体产生腔的出口距所述基座的距离大于预设距离,以实现沿第二方向向待加工工件提供自由基；其中,第一方向与第二方向呈一定角度。(The present invention relates to a semiconductor processing apparatus. In one embodiment of the present invention, the semiconductor processing apparatus includes a reaction chamber having a susceptor disposed therein for supporting a workpiece to be processed; the first plasma generating cavity is communicated with the reaction cavity and used for providing ion beams to the workpiece to be processed along a first direction; the second plasma generating cavity is communicated with the reaction cavity, and the distance from the outlet of the second plasma generating cavity to the base is greater than the preset distance so as to provide free radicals to the workpiece to be processed along the second direction; wherein, the first direction and the second direction form a certain angle.)

一种半导体加工设备

技术领域

本发明大体上涉及半导体领域，尤其涉及一种半导体加工设备。

背景技术

以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料正在迅速崛起。凭借其优异特性，SiC材料可应用于Si、GaAs、InP等传统材料难以胜任的场合，为器件性能带来突破。在广泛应用的SiC刻蚀工艺中，需要提高等离子体密度以获得高刻蚀速率。

然而，高密度等离子体对SiC材料存在加热作用，其热源来自于三个方面：一是离子轰击加热，二是化学反应热，三是辐射热。高密度等离子体的上述加热作用将不利地导致晶圆表面温度迅速升高、键合结构遭到破坏，并最终导致生产过程终止。因此，现有技术在等离子体密度与温度之间存在一对矛盾关系，导致现有技术难以在高刻蚀速率与低晶圆温度之间取得平衡。

发明内容

本发明公开了一种半导体加工设备以解决背景技术中的问题，以同时实现高刻蚀速率与低晶圆温度，并实现对刻蚀过程的灵活控制。

根据本发明的一实施例，揭露一种半导体加工设备，该半导体加工设备包含反应腔室，其内设置有用以承载待加工工件的基座；第一介质筒，与所述反应腔室连通设置，用于沿第一方向向所述待加工工件提供离子束；第二介质筒，所述第二介质筒与所述反应腔室连通设置，且所述第二等离子体产生腔的出口距所述基座的距离大于预设距离，以实现沿第二方向向所述待加工工件提供自由基；其中，所述第一方向与所述第二方向呈一定角度。

本发明采用两个独立的等离子体源来分别产生对待加工工件刻蚀所需的离子和自由基，能够使离子密度和自由基密度独立可控，突破了单一等离子体产生源中离子密度和自由基密度的比例固化对待加工工件尤其是诸如SiC半导体晶圆刻蚀速率所造成的限制。并且，由于本发明中产生离子的等离子体源不与晶圆发生直接接触，且产生自由基的等离子体源为远程等离子体源，因此两个独立的等离子体源的等离子体辐射加热效应将明显降低，从而有效降低晶圆表面温度。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的半导体加工设备示意图。

图2是依据本发明一实施例的第一介质筒及过滤栅的结构俯视图。

图3是依据本发明一实施例的过滤栅的结构侧视图。

图4是依据本发明一实施例的第二介质筒出口截面图。

具体实施方式

以下揭示内容提供了多种实施方式或例示，其能用以实现本揭示内容的不同特征。下文所述之组件与配置的具体例子系用以简化本揭示内容。当可想见，这些叙述仅为例示，其本意并非用于限制本揭示内容。举例来说，在下文的描述中，将一第一特征形成于一第二特征上或之上，可能包括某些实施例其中所述的第一与第二特征彼此直接接触；且也可能包括某些实施例其中还有额外的组件形成于上述第一与第二特征之间，而使得第一与第二特征可能没有直接接触。此外，本揭示内容可能会在多个实施例中重复使用组件符号和/或标号。此种重复使用乃是基于简洁与清楚的目的，且其本身不代表所讨论的不同实施例和/或组态之间的关系。

再者，在此处使用空间上相对的词汇，譬如「之下」、「下方」、「低于」、「之上」、「上方」及与其相似者，可能是为了方便说明图中所绘示的一组件或特征相对于另一或多个组件或特征之间的关系。这些空间上相对的词汇其本意除了图中所绘示的方位之外，还涵盖了装置在使用或操作中所处的多种不同方位。可能将所述设备放置于其他方位(如，旋转90度或处于其他方位)，而这些空间上相对的描述词汇就应该做相应的解释。

虽然用以界定本申请较广范围的数值范围与参数皆是约略的数值，此处已尽可能精确地呈现具体实施例中的相关数值。然而，任何数值本质上不可避免地含有因个别测试方法所致的标准偏差。在此处，「约」通常系指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。或者是，「约」一词代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本申请所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。当可理解，除了实验例之外，或除非另有明确的说明，此处所用的所有范围、数量、数值与百分比(例如用以描述材料用量、时间长短、温度、操作条件、数量比例及其他相似者)均经过「约」的修饰。因此，除非另有相反的说明，本说明书与附随申请专利范围所揭示的数值参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。至少应将这些数值参数理解为所指出的有效位数与套用一般进位法所得到的数值。在此处，将数值范围表示成由一端点至另一端点或介于二端点之间；除非另有说明，此处所述的数值范围皆包括端点。

图1显示根据本发明一实施例的设备(10)。设备(10)可包含反应腔室(100)、第一等离子体产生腔(601)及第二等离子体产生腔(602)。第一等离子体产生腔(601)与反应腔室(100)连通设置，用以沿第一方向向待加工工件提供离子束。第二等离子体产生腔(602)与反应腔室(100)连通设置。在一实施例中，反应腔室(100)可进一步配置为真空反应腔室。反应腔室(100)的下部可包含基座(503)以承载和/或固持待加工工件，待加工工件可为(但不限于)半导体晶圆。第二等离子体产生腔(602)邻近反应腔室(100)的一侧设置有出口。第二等离子体产生腔(602)经由该出口与反应腔室(100)相连通，以便沿第二方向向待加工工件提供自由基。该出口距基座的距离可设置为大于预设距离，以使寿命有限的离子和电子经该预设距离的长路径衰减后的浓度远低于自由基浓度，从而使得到达待加工工件表面的主要是中性气体及活性自由基。优选地，预设距离可大于200mm。本发明采用第一等离子体产生腔(601)及第二等离子体产生腔(602)两个独立的等离子体源来分别产生对待加工工件刻蚀所需的离子和自由基，能够使离子密度和自由基密度独立可控，突破了单一等离子体产生源中离子密度和自由基密度的比例固化对待加工工件尤其是诸如SiC半导体晶圆刻蚀速率所造成的限制。并且，由于本发明中第一等离子体产生腔(601)产生离子的等离子体源不与晶圆发生直接接触，且第二等离子体产生腔(602)产生自由基的等离子体源为远程等离子体源，因此两个独立的等离子体源的等离子体辐射加热效应将明显降低，从而有效降低待加工工件表面温度。

在一实施例中，基座(503)可为机械式卡盘，并通过机械方式承载和/或固持待加工工件。在另一实施例中，基座(503)可为静电吸附卡盘(ESC,ElectroStatic Chuck)以通过静电吸附方式承载和/或固持待加工工件。基座(503)可经由匹配器(504)耦合至偏压电源(505)，以吸引离子束沿第一方向朝待加工工件加速运动。优选地，偏压电源(505)是射频偏压电源(505)，所述射频偏压电源所产生的射频功率频率可为0.4MHz-13.56MHz。

在反应腔室(100)的上方，第一等离子体产生腔(601)可包含第一介质筒(104)以及环绕第一介质筒(104)设置的第一感应线圈(103)。第一介质筒(104)容纳第一反应气体。第一感应线圈(103)耦合至第一射频电源(101)。优选地，第一感应线圈(103)可经由第一匹配电路(102)耦合至第一射频电源(101)。第一射频电源(101)的功率源频率可配置为0.4MHz-60MHz。在一实施例中，第一介质筒(104)可由石英或者陶瓷等材料构成。第一反应气体可为惰性气体，例如(但不限于)氩气(Ar)。优选地，可进一步设置第一气体输运模块(401)，以将第一反应气体提供至第一介质筒(104)内。

当第一射频电源(101)开启时，第一感应线圈(103)激发产生电磁场，该电磁场可通过第一介质筒(104)耦合至第一反应气体以产生包含离子和电子的第一等离子体。经电离的第一反应气体可在例如重力等外力的作用下，经由第一介质筒(104)的出口和反应腔室(100)上部的开口进入反应腔室(100)并沿着平行于第一介质筒(104)轴向的第一方向朝待加工工件运动。然而，第一介质筒(104)的轴向也可不与第一方向平行。第一方向既可与待加工工件表面垂直，也可不与待加工工件表面垂直。优选地，当第一方向与待加工工件表面垂直时，可提高第一反应气体在待加工工件表面分布的准直性和均匀性。

第一等离子体产生腔(601)可包含过滤栅(302)。在一实施例中，过滤栅(302)设置于第一介质筒(104)下部。直流偏压电源(301)将正偏压提供至过滤栅(302)，使得经电离的第一反应气体中的离子束从等离子体鞘层中剥离并穿过过滤栅(302)沿第一方向朝待加工工件加速运动，并使得经电离的第一反应气体中的电子受到过滤栅(302)的抑制而无法穿过过滤栅(302)。

优选地，过滤栅(302)可包含具有栅孔的栅极，并可由钼金属等材料制成，栅孔的孔径可配置为0.5-2mm，直流正偏压可配置为25-100V。当等离子体鞘层厚度一般为1mm时，将过滤栅(302)的栅孔的孔径配置为小于2mm是有益的，因为当栅孔的孔径小于该值时，可进一步确保仅有离子能够穿过过滤栅(302)。

图2显示第一介质筒(104)及过滤栅(302)的结构俯视图，其中第一介质筒(104)截面呈圆柱形，且其内部直径可配置为不小于基座(503)的直径。在一实施例中，基座(503)与过滤栅(302)之间的距离可为10-100mm。

图3显示过滤栅(302)的结构侧视图，其中过滤栅(302)的厚度H1可为0.5-5mm，栅孔的半径R可为0.25-1mm，材料可为钼等熔点高且耐腐蚀的金属材料。

参见图1，在反应腔室(100)的一侧，设置有第二等离子体产生腔(602)。第二等离子体产生腔(602)可包含第二介质筒(204)以及环绕第二介质筒(204)设置的第二感应线圈(203)。第二介质筒(204)容纳第二反应气体。第二感应线圈(203)耦合至第二射频电源(201)。优选地，第二感应线圈(203)可经由第二匹配电路(202)耦合至第二射频电源(201)。第二射频电源(201)的功率源频率可配置为0.4MHz-60MHz。当第二射频电源(201)开启时，第二感应线圈(203)激发产生电磁场，该电磁场可通过第二介质筒(204)耦合至第二反应气体以产生包含离子、电子、中性气体及自由基的第二等离子体，自由基例如可包含活性氟(F)自由基。在一实施例中，第二介质筒(204)可由石英或者陶瓷等材料构成。第二反应气体可为包含自由基的惰性气体，例如(但不限于)六氟化硫(SF₆)。优选地，可进一步设置第二气体输运模块(402)，以将第二反应气体提供至第二介质筒(204)内。在第二介质筒(204)外部，设置有第二感应线圈(203)。

仍参见图1，在反应腔室(100)的另一侧，设置有真空系统(701)，所述真空系统(701)从另一侧从反应腔室(100)抽取真空或排出气体，以使得经电离的第二反应气体经由第二介质筒(204)的出口和反应腔室(100)一侧的开口进入反应腔室(100)并沿着平行于第二介质筒(204)轴向的第二方向朝待加工工件运动。然而，第二介质筒(204)的轴向也可不与第二方向平行。第二方向既可与待加工工件表面平行，也可不与待加工工件表面平行。优选地，当第二方向与待加工工件表面平行时，可提高自由基在待加工工件表面运动的径向速度。

在一优选实施例中，第一等离子体产生腔设置在反应腔室上方，且第二等离子体产生腔设置在反应腔室侧边。此时，第一方向垂直于待加工工件表面，且第二方向平行于待加工工件表面，第一方向与第二方向呈90°夹角。

在另一实施例中，第一等离子体产生腔可不位于反应腔室上方，此时第一方向不垂直于待加工工件表面；类似地，第二等离子体产生腔可不位于反应腔室侧边，此时第二方向不平行于待加工工件表面。因此，第一方向与第二方向之间可不呈90°夹角，而是呈一定角度。

在一实施例中，真空系统(701)与反应腔室相连通，并与第二介质筒(204)相对设置，以使所述自由基向所述待加工工件加速运动。在另一实施例中，真空系统(701)不与第二介质筒(204)相对设置，而是呈一定角度设置。

在一实施例中，第二介质筒(204)的出口与待加工工件之间的距离可经配置以使得经电离的第二反应气体到达待加工工件表面的主要成分仅为其中的中性气体和自由基，而其中的离子和电子则寿命相对较短，在经历了第二介质筒(204)出口与待加工工件之间的长距离路径后，密度已衰减至远低于中性气体和自由基的浓度，因而可以忽略不计。优选地，第二介质筒(204)的出口与待加工工件之间的预设距离范围可为60mm-300mm。特别地，该预设距离可配置为200mm。位于第二介质筒(204)出口处的截面(508)的形状可经配置以控制自由基覆盖待加工工件的面积。

图4显示沿第二方向从第二介质筒(204)的出口看去的截面图。在此实施例中，截面(508)的截面形状呈矩形。然而，截面(508)的截面形状也可配置为任意形状。矩形截面内部具有长度(509)，该长度(509)可表示为L。并且，矩形截面内部具有宽度(510)，该宽度(510)可表示为W。矩形截面的内部长度L可决定等离子体在反应腔室(100)内的覆盖面积，这为获得反应腔室(100)内大面积表面等离子体密度均匀性提供了有效的调节手段。优选地，矩形截面的内部长度L可配置为大于基座(503)的直径。

作为一实施例，待加工工件可为SiC半导体晶圆。来自经电离的第一反应气体中的离子束与来自经电离的第二反应气体同时进入反应腔室(100)。离子束在重力或经电压偏置的基座(503)的作用下轰击SiC晶圆，打断SiC晶圆中的Si-C键，同时氟(F)自由基与Si反应产生SiF₄挥发气体，SiF₄挥发气体在真空系统(701)的作用下排出反应腔室(100)。

优选地，可进一步缩短气体在待加工工件表面的滞留时间，以降低副产物滞留时间过长对刻蚀均匀性造成的不利影响。作为一实施例，对于直径为200mm的待加工工件，滞留时间宜小于20ms，即反应气体在待加工工件表面的径向速度差值宜大于10m/s。

通过将待加工工件刻蚀所需的离子和自由基分别通过离子源和自由基产生源组成，本发明可实现对离子浓度、自由基浓度的独立控制，使得对于刻蚀过程的控制更加灵活。

同时，由于离子和自由基通过分立的离子源和自由基产生源分别生成后再经由反应腔室(100)与待加工工件发生接触，可有效避免待加工工件直接暴露于等离子体产生区，因此可以获得高密度的离子束和高密度自由基以显著提高刻蚀速率，并同时大幅降低等离子体辐射加热以避免刻蚀过程中键和片由高温导致的解键合，从而在提高刻蚀速率的同时获得更低的待加工工件表面温度。