等离子体处理装置及其加热装置与工作方法
阅读说明：本技术 等离子体处理装置及其加热装置与工作方法 (Plasma processing device, heating device thereof and working method ) 是由 黄振华 秦阿宾 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于等离子体处理装置的加热装置,等离子体处理装置包括上电极,该加热装置用于对上电极加热,该加热装置包括若干个加热电阻和共用加热源；若干个加热电阻呈散射状排布并围绕成圆环,圆环沿其周向包括若干个区；共用加热源与所有区的加热电阻连接,用于控制所有区的加热电阻的温度。此发明解决了传统小关键尺寸的晶圆刻蚀过程中关键尺寸范围和对称性分布局限的问题,通过设计可调节区域温度的加热装置,对关键尺寸不均匀的区域进行调节,从而保证了关键尺寸的对称性分布,提升了晶体管生产的稳定性和可控性。(The invention discloses a heating device for a plasma processing device, which comprises an upper electrode, a plurality of heating resistors and a common heating source, wherein the heating resistor is used for heating the upper electrode; the heating resistors are distributed in a scattering shape and surround into a circular ring, and the circular ring comprises a plurality of areas along the circumferential direction; the common heating source is connected with the heating resistors of all the zones and is used for controlling the temperature of the heating resistors of all the zones. The invention solves the problem of limitation of critical dimension range and symmetry distribution in the traditional small-critical-dimension wafer etching process, and adjusts the region with non-uniform critical dimension by designing the heating device capable of adjusting the temperature of the region, thereby ensuring the symmetry distribution of the critical dimension and improving the stability and controllability of transistor production.)
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种等离子体处理装置及其加热装置与工作方法。
背景技术
集成电路制造行业中，晶体管的关键尺寸(Critical Dimension,CD)在持续缩减，密度在持续增加。对于等离子刻蚀这一个环节来讲，刻蚀图案的关键尺寸CD变得越来越小。对于刻蚀设备商而言，就需要保证晶圆(wafer)刻蚀的均匀性分布。如果晶圆(wafer)的均匀性分布在刻蚀过程中很难控制，则最终的CD的图形(map)上很容易看到非对称性(Sideto Side,S2S)分布，即CD在同一半径上的某一个方向(比如9点钟方向)表现得明显超出或者低于平均值。
小关键尺寸的晶圆刻蚀过程中，关键尺寸范围和对称性分布受到局限。目前等离子体刻蚀设备，非对称的温度场分布导致了wafer表面不同区域的刻蚀速率存在差异，进而在晶圆刻蚀的图形(pattern)上引发了S2S分布。
刻蚀过程的加热装置包括加热电阻101、加热电阻外壳102和加热功率源，参照如图1所示，其中，加热电阻外壳102套设在加热电阻101外周，且加热电阻101和加热电阻外壳102之间还填充有硅胶等导热剂；加热电阻101弯成圆环状，且一端开口，开口处设置分别设置有内、外接线端103，用于与外界的加热功率源连接；通过加热功率源对加热电阻101加热，从而完成等离子体处理装置刻蚀过程中的加热。
然而，由于加热电阻101开口处的内、外接线端103的存在，加热电阻101的接线端103处产生的热量始终少于加热电阻101其他位置产生的热量，则加热电阻101产生的热量不均匀，刻蚀后的晶圆的关键尺寸会产生非对称性分布。同时，对于工艺窗口比较窄的小CD刻蚀制程，最终会导致接线端103处的CD比同半径其他位置的CD大，产生S2S的分布，使得CD在整片wafer的均匀性很差。
同时，除了要面临本身系统造成的S2S分布问题，在实际的生产过程中还需要克服另外一类大的问题，即由前序工艺带来的S2S分布。在整个淀积(deposit)-印刷(lithograph)-刻蚀(etch)的工艺中，刻蚀(etch)之前的印刷(lithograph)和淀积(deposit)过程有可能受到某些机台的限制，本身造成某些S2S分布，这些就必须在刻蚀的过程中将其克服。
因而，综合来看，面临等离子体刻蚀系统本身的腔体内部存在的某种不对称性分布以及前序工艺造成的S2S分布，传统加热装置很难保证关键尺寸的对称性分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体处理装置及其加热装置与工作方法以解决不同相位角上的不对称性。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于等离子体处理装置的加热装置，等离子体处理装置包括上电极，该加热装置用于对上电极加热，该加热装置包括若干个加热电阻和共用加热源；若干个加热电阻呈散射状排布并围绕成圆环，圆环沿其周向包括若干个区；共用加热源与所有区的加热电阻连接，用于控制所有区的加热电阻的温度。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置，其中，该加热装置还包括若干个控制器，与相应区的加热电阻连接，用于控制各个区加热电阻的温度。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置，其中，所述控制器为独立加热源，控制各个区加热电阻的温度。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置，其中，所述加热电阻为可变电阻，所述控制器为所述可变电阻的控制端，通过调节所述控制端实现各个区加热电阻电阻的大小，从而实现各个区加热温度的差异。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置，其中，所述各个区加热电阻朝向所述圆环圆心的一端连接成一内接电端；所述各个区加热电阻背离所述圆环圆心的一端连接成一外接电端；所述若干个加热电阻通过所述内接电端和所述外接电端，分别与所述共用功率源和各个区对应的所述控制器连接。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置，其中，所述加热电阻的长度方向沿所述圆环的半径方向。
本发明还提供了一种等离子体处理装置，包括反应腔、上电极和上述的加热装置；上电极位于所述反应腔的顶部；上述的加热装置用于对上电极进行加热。
上述的等离子体处理装置，其中，所述上电极包括位于反应腔顶部的安装基板和位于安装基板下方的气体喷淋头；所述等离子体处理装置还包括：基座，位于所述反应腔内底部，所述基座与气体喷淋头相对设置；所述加热装置用于对安装基板进行加热。
本发明还提供了一种用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，包括：
利用所述共用加热源对若干个加热电阻同时进行功率调节；
所述加热电阻沿圆环散射状同时加热，以控制上电极温度；
对刻蚀后晶圆的关键尺寸进行检测，当关键尺寸在不同相位角上的对称性分布时，完成加热。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，对刻蚀后晶圆的关键尺寸进行检测，当关键尺寸出现不同相位角上的不对称性分布时，利用所述控制器调节相应区加热电阻的加热情况，实现关键尺寸的对称性分布，完成加热。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，所述共用加热源进行功率调节之前该加热装置根据PID控制软件动态学习出调节所述共用加热源的PID值，实现特定温度的P值、I值和D值。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，该加热装置根据所述PID值动态调控所述共用加热源，所述共用加热源对若干个加热电阻同时进行功率调节，控制上电极温度。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，所述独立加热源设定一默认功率，所述独立加热源在所述默认功率的基础上增加或减少相应区加热电阻的功率，来调节独立加热源的加热情况，以补偿关键尺寸的非对称性分布。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，该加热装置根据所述PID值动态调控所述共用加热源，所述共用加热源对若干个可变电阻同时提供相同电压，实现加热来控制上电极温度。
上述的用于等离子体处理装置的加热装置的工作方法，其中，所述可变电阻的控制端调节相应区可变电阻的阻值大小，来调节相应区的功率，从而调节相应区的加热情况，以补偿关键尺寸的非对称性分布。
运用此发明，解决了传统小关键尺寸的晶圆刻蚀关键尺寸范围和对称性分布局限的问题，通过设计可调节区域温度的加热装置，对关键尺寸不均匀的区域进行调节，从而保证了关键尺寸的对称性分布，提升了晶体管生产的稳定性和可控性。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的等离子体处理装置的加热装置中，将加热电阻分立设置为多个加热电阻，并均匀分为若干个Zone，实现了加热电阻供热的均匀性，保证了每个Zone接受的加热功率相同，使得加热电阻圆周分布上不再存在一个特殊的冷点，从源头改善由加热电阻引起的温度不均匀问题，可以改善由刻蚀设备本身带来的S2S分布问题。
2、本发明提供的等离子体处理装置的加热装置中，将加热电阻分区管理，动态调节不同Zone的加热功率，从而改变气体喷淋头不同区域的实际温度，补偿了前序工艺引起的S2S分布问题，也改善了刻蚀装置中射频、气流场等非热因素引发的S2S分布问题。
附图说明
图1为现有加热装置的结构示意图；
图2为本发明提供的等离子体处理装置的结构示意图；
图3为本发明提供的若干个加热电阻的结构示意图；
图4为本发明提供的实施例1中共用加热源和独立加热源的结构示意图；
图5为本发明提供的实施例2中共用加热源和可变电阻控制端的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
参照如图2所示，本发明是一种用于等离子体处理装置的加热装置2；其中，等离子体处理装置包括反应腔1、加热装置2和上电极3；上电极3位于反应腔1的顶部；加热装置2用于对上电极3进行加热。
请继续参照如图2所示，等离子体处理装置的上电极3包括位于反应腔1顶部的安装基板(mountain base)301和位于安装基板301下方的气体喷淋头(shower head)302；等离子体处理装置还包括：基座4，位于反应腔1内底部，基座4与气体喷淋头302相对设置；加热装置2用于对安装基板301进行加热。
在本实施例中，等离子体处理装置为电容耦合式等离子刻蚀设备(CCP)。其中，基座4为静电吸盘(ESC)，作为下电极，与气体喷淋头302相对设置，构成平行板结构的电极结构；晶圆(wafer)放置于反应腔1内部的基座4上。
其中，气体喷淋头302通过螺丝等连接件连接于安装基板301下方；接地腔体壳(chamber wall)5位于反应腔1外侧壁，且与上电极3连接；安装基板301通过第一O型密封圈(sealing ring)与接地腔体壳5的顶部密封连接；安装基板301为铝板。
安装基板301的中间设置有若干个气体通孔(gas hole)，分别与气体喷淋头302的孔相对应，形成上电极3的气体通路；安装基板301的上端通过第二O型密封圈与一气体缓冲室(gas buffer)连接，形成一个密闭的空间，用于缓冲气体缓冲室中的反应气体；气体缓冲室的材料为铝。
加热装置2还通过石墨导热片(graphite strip)6与上电极3中的安装基板301连接，将热量通过石墨导热片6和安装基板301传递给气体喷淋头302，完成对气体喷淋头302的温度控制。
等离子刻蚀的过程中，射频源(RF source)产生射频功率，通过自动匹配器(match)耦合到静电吸盘4与气体喷淋头302之间产生等离子体，对静电吸盘4上的晶圆进行刻蚀操作，最后经过接地腔体壳5回到射频源形成回路，气体进入气体缓冲室，在经由若干个气体通孔(gas hole)进入到气体喷淋头302和晶圆(wafer)之间吸收射频功率分解，加热装置2根据气体喷淋头302的温度，调节输入功率实现对气体喷淋头302表面温度的动态调节。
实施例1：
加热装置2包括若干个加热电阻201、共用加热源P0和若干个控制器P。其中，若干个加热电阻201呈散射状排布并围绕成圆环，圆环沿其周向包括若干个区Zone，实现了加热电阻201供热的均匀性，保证了每个Zone接受的加热功率相同；
本发明的实施例1将加热装置2分立设置为多个环绕的加热电阻201，并均匀分为若干个Zone，相较于传统加热电阻101开口处的内、外接线端103处产生热量不均匀的问题，保证了加热装置2的加热电阻201圆周分布上不再存在一个特殊的冷点(传统加热电阻101开口处的内、外接线端103处)，从源头改善由加热电阻引起的温度不均匀问题，可以改善由刻蚀设备本身带来的S2S分布问题。
参照如图3所示，每个加热电阻201的长度方向沿圆环的半径方向；圆环外设置有圆环状的加热壳202，且在此示意性的以圆环沿周向分为12个区Zone1～Zone12进行说明，沿圆环的周向划分的区的个数还可以为其它值。
共用加热源P0与所有区Zone的加热电阻201连接，用于控制所有区Zone的加热电阻201的温度。参照如图3所示，每个加热电阻201沿圆环半径方向的两端分别设置有一内连接线和一外连接线；各个区Zone1～Zone12的加热电阻201朝向圆环圆心的一端将每个区Zone中加热电阻201的内连接线连接成一内接电端203；各个区Zone1～Zone12的加热电阻201背离圆环圆心的一端将每个区Zone中加热电阻201的外连接线连接成一外接电端204。
参照如图4，每个区Zone1～Zone12的加热电阻201通过内接电端203和外接电端204与共用功率源P0连接。
若干个控制器P还通过相应区Zone的加热电阻201的内接电端203和外接电端204，与对应的加热电阻201连接，用于控制各个区Zone加热电阻201的温度。
在本实施例中，参照如图4，控制器P为独立加热源，则12个区Zone1～Zone12对应12个控制器P1～P12，控制各个区加热电阻201的温度，能够分区管理加热电阻201，动态调节不同Zone的加热功率，从而改变气体喷淋头302不同区域的实际温度，补偿了刻蚀工艺的前序工艺引起的S2S分布问题，同时，改善了刻蚀装置中射频、气流场等非热因素引发的S2S分布问题，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性。
本发明实施例1还提供了一种用于等离子体处理装置101的加热装置2的工作方法，包括：
加热装置2根据比例-积分-微分(PID)控制软件动态学习出调节共用加热源P0的PID值，实现特定温度的P值、I值和D值；
加热装置2根据PID值动态调控共用加热源P0，利用共用加热源P0对若干个加热电阻201同时进行功率调节；
所述加热电阻201沿圆环散射状同时加热，以控制上电极3上气体喷淋头302的温度，统一设定所有加热电阻201的加热功率；
对等离子体处理装置的反应腔1内部刻蚀后晶圆的关键尺寸(CD)进行检测；
当关键尺寸(CD)在不同相位角上的对称性分布时，完成加热；
当关键尺寸(CD)出现不同相位角上的不对称性(Side to side,S2S)分布时，利用控制器P调节相应区Zone的加热电阻201的加热情况，实现关键尺寸(CD)的对称性分布，分区调节对应Zone的加热电阻201，动态调节不同Zone的加热功率，改变气体喷淋头302不同区域的实际温度，完成加热，补偿了晶圆的关键尺寸存在的S2S分布问题，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性。
在本实施例中，参照如图4，独立加热源P设定一默认功率pdefault，独立加热源P在默认功率pdefault的基础上增加或减少相应区Zone的加热电阻201的功率，来调节独立加热源P的加热情况，以补偿关键尺寸(CD)的非对称性分布。
其中，当刻蚀后晶圆上对应加热装置Zone i(i＝1,2,...,12)中的CD增大，则Zonei对应的独立加热源Pi(i＝1,2,...,12)在默认功率pdefault的基础上，增加Zone i的加热功率，从而增加对应区域的上电极3上气体喷淋头302的温度，缩小晶圆的CD，完成晶圆的关键尺寸的对称性分布，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性；
同理，当刻蚀后晶圆上对应加热装置Zone i(i＝1,2,...,12)中的CD减小，则Zonei对应的独立加热源Pi在默认功率pdefault的基础上，减小Zone i的加热功率，从而减小对应区域的上电极3上气体喷淋头302的温度，增大晶圆的CD，完成晶圆的关键尺寸的对称性分布，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性。
实施例2：
加热装置2包括若干个加热电阻201、共用加热源U0和若干个控制器S。其中，若干个加热电阻201呈散射状排布并围绕成圆环，圆环沿其周向包括若干个区Zone，实现了加热电阻201供热的均匀性，保证了每个Zone接受的加热功率相同；
本发明的实施例2将加热装置2分立设置为多个环绕的加热电阻201，并均匀分为若干个Zone，相较于传统加热电阻101开口处的内、外接线端103处产生热量不均匀的问题，保证了加热装置2的加热电阻201圆周分布上不再存在一个特殊的冷点(传统加热电阻101开口处的内、外接线端103处)，从源头改善由加热电阻引起的温度不均匀问题，可以改善由刻蚀设备本身带来的S2S分布问题。
参照如图3所示，每个加热电阻201的长度方向沿圆环的半径方向；圆环外设置有圆环状的加热壳202，且圆环沿周向分为12个区Zone1～Zone12。
共用加热源U0与所有区Zone的加热电阻201连接，用于控制所有区Zone的加热电阻201的温度。参照如图3所示，每个加热电阻201沿圆环半径方向的两端分别设置有一内连接线和一外连接线；各个区Zone1～Zone12的加热电阻201朝向圆环圆心的一端将每个区Zone中加热电阻201的内连接线连接成一内接电端203；各个区Zone1～Zone12的加热电阻201背离圆环圆心的一端将每个区Zone中加热电阻201的外连接线连接成一外接电端204。
参照如图5，每个区Zone1～Zone12的加热电阻201通过内接电端203和外接电端204与共用功率源U0连接。
若干个控制器S还通过相应区Zone的加热电阻201的内接电端203和外接电端204，与对应的加热电阻201连接，用于控制各个区Zone加热电阻201的温度。
在本实施例2中，参照如图5所示，加热电阻201为可变电阻，若干个可变电阻201分为12个区Zone1～Zone12，对应的可变电阻控制端为12个，分别为S1～S12，通过调节可变电阻控制端S1～S12实现各个区Zone加热电阻的电阻大小，从而实现各个区Zone加热温度的差异。
其中，可变电阻控制端S1～S12能够分区管理对应区的可变电阻201，动态调节不同Zone的加热功率，从而改变气体喷淋头302不同区域的实际温度，补偿了刻蚀工艺的前序工艺引起的S2S分布问题，同时，改善了刻蚀装置中射频、气流场等非热因素引发的S2S分布问题，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性。
本发明实施例2还提供了一种用于等离子体处理装置的加热装置2的工作方法，包括：
加热装置2根据PID控制软件动态学习出调节共用加热源U0的PID值，实现特定温度的P值、I值和D值；
加热装置2根据PID值动态调控共用加热源U0，共用加热源U0对若干个可变电阻201同时提供相同电压u；
所述加热电阻201沿圆环散射状，实现同时加热，统一设定所有加热电阻201的加热功率，来控制上电极3上气体喷淋头302的温度；对等离子体处理装置的反应腔1内部刻蚀后晶圆的关键尺寸(CD)进行检测；
当关键尺寸(CD)在不同相位角上的对称性分布时，完成加热；
当关键尺寸(CD)出现不同相位角上的不对称性(Side to side,S2S)分布时，利用控制器S调节相应区Zone的加热电阻201的加热情况，动态调节不同Zone的加热功率，改变气体喷淋头302不同区域的实际温度，完成加热，补偿了晶圆的关键尺寸在不同相位角上的S2S分布，实现关键尺寸(CD)的对称性分布。
在本实施例中，参照如图5，可变电阻控制端S调节相应区Zone可变电阻201的阻值大小，来调节相应区Zone的功率，从而调节相应区Zone的加热情况，改变气体喷淋头302不同区域的实际温度，以补偿关键尺寸(CD)的非对称性(S2S)分布。
其中，当刻蚀后晶圆上对应加热装置Zone i(i＝1,2,...,12)中的CD增大，则Zonei对应的可变电阻控制端Si(i＝1,2,...,12)调节减小Zone i的可变电阻201的阻值，来调节Zone i的功率增加，从而增加Zone i的上电极3上气体喷淋头302的温度，缩小晶圆的CD，完成晶圆关键尺寸的对称性分布，从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性；
同理，当刻蚀后晶圆上对应加热装置Zone i(i＝1,2,...,12)中的CD减小，则Zonei对应的可变电阻控制端Si(i＝1,2,...,12)调节增大Zone i的可变电阻201的阻值，减小Zone i的加热功率，从而减小Zone i的上电极3上气体喷淋头302的温度，增大晶圆的CD，完成晶圆关键尺寸的对称性分布从而，在晶体管工业生产的过程中，提高了稳定性和可控性。
本发明的工作原理：
利用共用加热源对若干个加热电阻同时进行功率调节，控制上电极温度；对刻蚀后晶圆的关键尺寸进行检测；当关键尺寸在不同相位角上的对称性分布时，完成加热；当关键尺寸出现不同相位角上的不对称性分布时，利用控制器调节相应区加热电阻的加热情况，实现关键尺寸的对称性分布，完成加热。
综上所述，本发明一种半导体结构的形成方法，解决了传统小关键尺寸的晶圆刻蚀关键尺寸范围和对称性分布局限的问题，通过设计可调节区域温度的加热装置，对关键尺寸不均匀的区域进行调节，从而保证了关键尺寸的对称性分布，提升了晶体管生产的稳定性和可控性。
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。