技术摘要：
本发明提出了一种半导体反应腔室及原子层等离子体刻蚀机。半导体反应腔室包括：喷淋头，设置在所述半导体反应腔室内，将等离子体产生区分成上部的强等离子体产生区域和下部的弱等离子体产生区域；工艺反应气体配气及支撑环，设置在所述喷淋头的上方；工艺反应气体分配  全部
背景技术：
在芯片制造工艺领域，刻蚀是必不可少的步骤，主要用于从晶圆上去除材料以形 成图形特征。芯片制造工艺中广泛地使用了等离子体刻蚀技术。通常，工艺气体进入反应腔 室后，在此受到射频功率的激发产生电离而形成等离子体。等离子体与被刻蚀物质表面产 生物理和化学反应，并形成挥发性的反应生成物。该反应生成物脱离被刻蚀物质表面，并被 真空系统抽出反应腔室。 等离子体刻蚀技术是依靠等离子体刻蚀机来实现的。刻蚀前，等离子体刻蚀机的 反应腔室内处于真空状态，将待加工的晶圆片放置在下部电极的上部。刻蚀加工开始时，通 过下部电极吸附晶圆，工艺气体通过介电窗中心的喷嘴注入，上部电极加载高频电源，对工 艺气体电离形成等离子体，进而完成对已完成图案掩膜曝光后的晶圆的电化学加工。 但随着芯片工艺尺寸日益变小，传统的等离子体刻蚀技术不能满足处理些很小甚 至几乎没有空间的微小结构。传统蚀刻设备中电极在高温高压下激发等离子体轰击晶片， 有可能会损坏微小结构。 因此，本领域提出了原子层刻蚀技术，是以一种自我限制且有序的方式在原子尺 度逐层去除材料的技术。原子层刻蚀有两个基本条件：一是它以自我限制的方式去除单个 原子层；二是它不会触及和破坏底层和周围的材料。 原子层刻蚀的基础刻蚀步骤与传统等离子体刻蚀中持续通气反应、等离子体轰 击、真空移除反应物的步骤是不同的。原子层基本刻蚀步骤为：1)在被刻蚀表面吸附一层与 待刻蚀(去除)物质发生化学反应的气体，2)把其余多余气体通过真空泵抽出，3)等离子体 轰击步骤1)的反应产物并通过真空泵移除反应产物，4)真空泵把反应室内所有气体抽出反 应腔室。以上四个步骤作为一个循环，一个循环能够去除一个被刻蚀物质的原子层厚度材 料，通过多次循环，从而实现预定目标的物质刻蚀。 如图1所示，现有技术1中，传统的ICP反应腔室主要包括：反应室本体1、上部射频 系统2、介电窗3、内衬4、静电卡盘5、聚焦环6、静电卡盘基座7、下部射频系统8、压力控制阀 9、真空系统10、工艺气体喷嘴11和传片缺口12。 介电窗3设置在反应室本体1上部，上部射频系统2设置在介电窗3的外部，静电卡 盘5位于反应室本体1中，放置在静电卡盘基座7上，聚焦环6设置在静电卡盘5外周，下部射 频系统8位于静电卡盘5下部，静电卡盘5与介电窗3之间构成等离子体区，等离子体区具有 内衬4，真空系统10通过反应室本体1下部的出口抽真空。刻蚀加工的过程为：待加工晶圆由 机械手从内衬4的传片缺口12传输到静电卡盘5上并吸附固定，传片缺口12通过内门封堵， 工艺气体从顶部喷嘴11按设定配比喷出进入到等离子体区，压力控制阀9控制腔室压力，上 部射频系统2提供高频电源，电离气体生成等离子体，通过下部射频系统8与上部射频系统2 3 CN 111599717 A 说　明　书 2/9 页 匹配，偏压加速高能等离子体轰击晶圆未被掩膜保护的区域，形成晶圆片的刻蚀加工，此加 工根据刻蚀不同的物质，通入不同的气体，生成对应的等离子体。晶圆经过不同的工艺步骤 后，完成加工并被机械手传输至反应腔室外部，完成单片加工，如此重复。 现有的等离子体刻蚀机反应腔室中，等离子体发生气体(如氩气)和工艺反应气体 (如氯气)在同一通道混合通入，等离子体及离子态自由基与被刻蚀物质发生电化学反应， 等离子能量密度高，容易形成过度反应，影响晶圆图形的精细刻蚀。 原子层等离子体刻蚀中，需要等离子体发生气体(如氩气)和工艺反应气体(如氯 气)在不同时间通入。而现有的等离子体刻蚀机反应腔室中，等离子体发生气体和工艺气体 在同一通道通入，难以精确快速控制气体的注入。此外，现有等离子体刻蚀机反应腔室内部 空间大，气体滞留时间长，原子层刻蚀步骤时间长，刻蚀效率低。 因此，为了实现原子层等离子体刻蚀，需要改变现有刻蚀机反应腔室结构。需要降 低等离子能量密度，避免形成过度反应，而且需要能够实现等离子体发生气体和工艺气体 分开注入。 现有技术2为等离子体刻蚀装置的反应腔室，其中增加了气体分配腔室，用于使工 艺气体均匀进入反应腔室。如图2所示，半导体刻蚀设备包括反应腔室94，在反应腔室94的 上方设置有石英盖92，在石英盖92的大致中心位置处设置有进气喷嘴安装孔91，安装于此 的进气喷嘴用于将反应腔室94外的工艺气体喷射到位于其下部的气体分配腔室90内。在反 应腔室94内设置有静电卡盘97，静电卡盘97上设置有聚焦环98，晶圆99置于聚焦环98上，静 电卡盘97吸附并固定晶圆99，聚焦环98保护下电极零部件，防止其受到等离子体的攻击。环 绕反应腔室94的内壁设置有反应腔室的内衬93，用于防止刻蚀反应生成物污染反应腔室 94。在内衬93的底部设置有多个小孔，便于气体流动。 在反应腔室94的一侧靠下位置设置有抽气腔室95，用于将刻蚀反应生成物抽出反 应腔室94。在抽气腔室95的下表面设置有抽气腔室出气口96，用于排出反应生成物。 气体在半导体刻蚀设备中的流动过程为：首先，工艺气体由气体分配装置进入反 应腔室94，并在此进行反应。反应后的生成物经过分布在内衬93上的小孔向下流动，而后进 入抽气腔室95，并从抽气腔室95的出气口96流出。内衬93上的这些小孔均匀地分布在静电 卡盘97的周围，形成环形的小孔环带，其限制着气体在反应腔室94内的流动途径。 现有技术3为一种气体分配装置，通过多层筛孔设计，气体从顶部一个孔进去喷淋 头后，经过4层带孔的筛板分流，气体均匀从最下一层筛孔均匀流出的，实现气体均匀扩散 的目的。如图3所示，气体分配装置26包括：位于上方的支撑板20和位于下方的喷淋头电极 22，装配在一起形成气体分配腔室。为使气流分布更加均匀，在上述气体分配腔室内设置阻 流组件30，包括一个或多个阻流板(30A、30B、30C……)。该气体分配装置尤其适用于双区 (双路)进气系统，其中第一路气体(即，中央区域气体)由设置在支撑板20上的中央进气管 道40进入该装置，第二路气体(即，边缘区域的气体)由设置在支撑板20上的边缘进气通道 44进入该装置。最靠近支撑板20的阻流板30A采用密封圈38将其中心区域42和边缘区域46 隔开，这样可使第一路气体进入气体分配腔室的中央区域42，第二路气体进入气体分配腔 室的边缘区域46，并最终在喷淋头电极22的背面28处得到均匀的气体分布。然后，在此均匀 分布的气体通过喷淋头电极22(半导体刻蚀设备的上电极)进入到反应腔室，并且在反应腔 室的被加工晶圆的上方形成均匀的气体分布。 4 CN 111599717 A 说　明　书 3/9 页 此外，阻流组件30的上下表面彼此大致平行，类似地，喷淋头电极22的上下表面也 彼此大致平行。而且，阻流组件30和喷淋头电极22上均匀分布着大致垂直于上下表面的气 孔通道52A、52B、52C和54等，并且如果阻流组件30由多层阻流板(30A、30B、30C……)构成， 各层阻流板之间的气孔通道的位置按照一定的规则排列。 由此可见，在如图2和图3所示的气体分配腔室主要用于均匀分配工艺反应气体， 并不能用于低等离子体的能量密度。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种半导体反应腔室，包括： 喷淋头，设置在所述半导体反应腔室内，将等离子体产生区分成上部的强等离子 体产生区域和下部的弱等离子体产生区域； 工艺反应气体配气及支撑环，设置在所述喷淋头的上方； 工艺反应气体分配环，设置在所述喷淋头的下方，工艺反应气体经过所述工艺反 应气体配气及支撑环、所述喷淋头和所述工艺反应气体分配环，被分配至所述半导体反应 腔室内的弱等离子体产生区域。 进一步地，所述喷淋头为圆盘状结构，包括彼此连接的圆环部和圆平面部，所述圆 环部包括多个气孔，用于注入工艺反应气体，所述圆平面部内开设多个通孔，用于通过等离 子体。 进一步地，所述工艺反应气体分配环的上表面设置有多个进气孔，与所述圆环部 的多个气孔分别连通。 进一步地，所述工艺反应气体分配环的内侧壁上设置有多个出气孔，所述多个出 气孔朝向反应腔室内部，垂直于反应腔室内壁或者与所述反应腔室内壁成预定的角度。 进一步地，所述工艺反应气体配气及支撑环具有气体注入口和多个下方出口，所 述气体注入口与所述多个下方出口连通，所述下方出口与所述圆环部的多个气孔分别连 通。 进一步地，所述工艺反应气体配气及支撑环包括顺次连通的外层气道、中间层气 道和内层气道，所述气体注入口与所述外层气道连通，所述下方出口与所述内层气道连通。 进一步地，所述外层气道为半环形，两端分别与所述中间层气道的中部连通； 所述中间层气道的两端分别与所述内层气道的中部连通； 每个所述内层气道的两端分别设置一个下方出口。 进一步地，所述喷淋头包括多个叠置的圆平面部，多个圆平面部上均匀地设置通 孔。 进一步地，所述圆平面部的通孔直径为φ1mm至φ10mm，平面区域孔隙率为10％至 80％； 所述圆环部的气孔直径为φ1mm至φ8mm。 根据本发明的另一方面，提供一种原子层等离子体刻蚀机，包括半导体反应腔室。 本发明的原子层等离子体刻蚀机可用于低密度等离子体刻蚀加工或原子层刻蚀加工。 本发明的喷淋头可以为单层或多层结构，用于屏蔽上部的强等离子体，筛孔的作 用使部分等离子体穿过，形成低能量密度等离子体，降低精细化刻蚀的等离子损伤，为原子 5 CN 111599717 A 说　明　书 4/9 页 层刻蚀提供低能等离子体源。 本发明通过在反应腔室内增加喷淋头的结构设计，把等离子体发生区域由一个分 为强等离子体区域和弱等离子体区域，通过该喷淋头降低等离子体能量，降低等离子体损 伤。 本发明通过把等离子体发生气体(如氩气)和工艺反应气体(如氯气)设计不同的 输入通道，且工艺反应气体(如氯气)注入在弱等离子体区域，并通过气体的快速、精确控制 输入，实现原子层刻蚀气体快速控制需求。 本发明通过设置小区域的弱等离子体区域，降低反应腔室内部的容积，降低气体 的滞留时间，提高原子层刻蚀的快速排气要求。 附图说明 通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其 它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号 通常代表相同部件。 图1为现有技术1的ICP反应腔室的结构示意图。 图2为现有技术2的反应腔室的结构示意图。 图3为现有技术3的气体分配装置的结构示意图。 图4为本发明实施例的原子层等离子体刻蚀机的反应腔室的结构示意图。 图5为本发明实施例的喷淋头装置的结构示意图。 图6为本发明实施例的工艺反应气体配气及支撑环的结构示意图。 图7为本发明实施例的工艺反应气体配气及支撑环的内部结构示意图。 图8为本发明实施例的工艺反应气体分配环的结构示意图。 附图标记： 反应室本体1，上部射频系统2，介电窗3，内衬4，静电卡盘5，聚焦环6，静电卡盘基 座7，下部射频系统8，压力控制阀9、真空系统10，工艺气体喷嘴11，传片缺口12。 反应腔室本体100，内衬101，静电卡盘基座102，静电卡盘103，基环104，聚焦环 105，工艺反应气体配气及支撑环106，喷淋头107，介电窗108，中心喷嘴系统109，工艺反应 气体分配环110，缺口111，上部射频系统112，下部射频系统113，压力控制阀114，真空泵系 统115，真空机械手116，晶圆117，气体注入口118，气孔119，通孔120，出气口121、进气口 122、下方出口123、进气孔124、125圆环部、126圆平面部、127底板、128强等离子体区域、129 弱等离子体区域、130排气口、131外层气道、132中间层气道、133内层气道。