CN100338721C - 用于等离子体反应器的气体分配板电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于加工半导体晶片的等离子体反应器，该反应器具有气体分配板，该气体分配板包括在腔室中的前板和在前板外侧边的后板，该气体分配板包括相邻于后板的气体岐管，后板和前板组合在一起并形成组件。组件包括：贯穿所述前板并与所述腔室相连通的孔阵列；至少一个气流控制孔口，其贯穿所述后板，并在所述歧管与至少一个所述孔之间相连通，所述孔口具有确定到至少一个孔的气流速率的直径。此外，弹力盘阵列至少大体上与所述孔阵列相同，并被设置在各个所述孔内以限定用于气流穿过前板进入所述腔室的环形气体通道，每个环形气体通道不对准于所述孔口。

Description

用于等离子体反应器的气体分配板电极

发明人：D·卡茨，D·A·小布赫贝格尔，Y·叶，R·B·哈根，X·赵，A·H·库马尔，K-L·张，H·罗巴卡什，S-B·王

                          发明背景

在半导体微电子电路的制造中采用的各种类型的等离子体反应器需要在半导体工件上方的反应腔室顶板有大的RF电极。通常，工件为支撑在导电底座上的半导体晶片。向支撑底座施加RF电源，顶板或上方电极为反电极。在一些反应器中，向支撑底座施加的RF电源是等离子体源电源(决定等离子体的离子密度)，还可以是等离子体偏压电源(决定晶片表面的离子能量)。在其它反应器中，RF电源施加器而非晶片底座供给等离子体源电源，而施加到晶片底座的RF电源仅用作等离子体RF偏压电源。例如，可以通过感应天线或通过顶板电极施加等离子体源电源。因此，顶板电极可以是接地的用于向晶片支撑底座施加RF电源的反电极或其可以连接到独立的RF电源发生器并用作独立的RF电源施加器。每种情形下，通过从顶板引入工艺气体来获得工艺气体的最均匀分布。这需要顶板电极为气体分配板。

还需要不断改善等离子体反应器中特别是在用于半导体蚀刻工艺以及半导体其它工艺的等离子体反应器中工艺气体在晶片表面的分配的均匀性。这种需求源于不断降低的微电子电路的器件几何形状和最小化特征部件尺寸，一些达到0.15微米。这种小器件几何形状在大多数情况下由较高的微处理器时钟速度来指示，并需要在蚀刻速率、在晶片表面的蚀刻均匀性和无损伤蚀刻方面的的相应改善。以前，对具有相对较大的特征部件尺寸的器件，等离子体反应器中在顶板电极/气体分配板顶上的单个气体入口提供适当的工艺气体分配均匀性。为满足气流的需要，单个入口会需要大尺寸。

这种大入口的一个问题是更易于引起等离子体进入入口并在入口内引起电弧放电。这种电弧放电损伤板和/或增大入口并消耗电源。在入口周围的板材料的溅射还会与溅射的副产品污染等离子体。对于大孔，在孔的中央附近会出现最大的电场，且这是最可能发生等离子体点火或电弧放电的位置。对具有单个入口的反应器已提出的一种解决方案是在孔的中央并置圆盘或弹力盘(puck)以使气体远离孔中央的强电场(Dan Maydan的US专利No.6,885,358)。然而，随着电流器件的几何图形中引入非常小的特征部件尺寸，需要更好的在晶片表面的工艺气体分配均匀性。结果，在顶板气体分配板中的单个气体分配入口或孔口不能够提供必需的气体分配均匀性。因此，目前通过穿过板钻大量的优质的孔或孔口来制造上方的气体分配板。如此大数目孔口的空间分布改善了晶片表面的气体分配均匀性。较小的尺寸可以使每个孔不太受进入该孔的等离子体的影响。

遗憾的是，在大量孔的每一个的中央放置或架持一个独立的弹力盘以使气体远离孔中央附近的高强度电场不实用。因此，为减少等离子体电弧放电，气体入口孔必须具有最小的直径且在小尺寸的孔与孔的公差内，以保证均匀的气体分配。钻这样大量的孔是昂贵的。这是因为孔必须具有如此高的纵横比(aspect ratio)，必须穿过非常硬的材料(如碳化硅)，且必须避免尖锐的孔边缘。而且，非常需要这种精确尺寸的孔意味着，随着由孔边缘的等离子体溅射增大孔尺寸，而使孔性能容易降低。取决于在顶板表面的等离子体的离子密度分布，一些孔被扩大的速率会大于其它孔的，以致初始具有经过晶片表面的高均匀气体分配的气体分配板最终无法提供必需的均匀性。

另一问题是，为获得更高密度的等离子体，对更大的蚀刻速率的需求要求更小的晶片至顶板的间隙。小的气体孔口产生非常高速度的气流。可以使这样产生的高速度气流精确地校准在狭窄的晶片至顶板间隙内，以致气体分配板中的孔至孔间隔在晶片表面的气体密度中产生相应的高峰和低谷以及在晶片表面的蚀刻速率中产生不均匀。

结果，需要一种上方的气体分配板，其用作电极或反电极，且其不受气体注入通道中的等离子体电弧放电的影响，其不具有高气体注入速度，且其中的气体分配均匀性和速度不受气体注入通道扩大的影响。

                         发明内容

本发明体现在用于加工半导体晶片的等离子反应器中，该反应器具有包括在腔室中的前板和在前板的外侧的后板的气体分配板，气体分配板包括相邻于后板的气体岐管(manifold)、结合在一起并形成组件的后板和前板。该组件包括；穿过前板与室相连通的孔阵列，穿过后板并在岐管与至少一个孔之间相连通的至少一个气流控制孔口，该孔口具有确定到至少一个孔的气流率的直径。此外，弹力盘阵列至少大体上与孔阵列相同并设置在各自的孔内以对穿过前板进入室中的气流限定环形气体通道。每个环形气体通道并不对准于孔口。

                       附图说明

图1是体现本发明的等离子反应器的简化的断面横截面侧视图。

图2A是根据第一实施例的图1中的等离子体反应器的气体分配板的局部分解横截面侧视图。

图2B是相应于图2A的等离子反应器的组装的气体分配板的侧视图。

图3A是图2B的气体分配板的前板的一个实施方案的平面图。

图3B是根据该实施方案的图3A的结合到后板的前板的平面图。

图4是相应于图3B的线4-4的图3B的组件的横截面侧视图。

图5是根据第二实施例的图1中的等离子体反应器的气体分配板的横截面侧视图。

图6是根据第三实施例的图1中的等离子体反应器的气体分配板的断面局部分解透视图。

图7是相应于图6中的线7-7的横截面图。

图8A、8B、8C和8D依序是图6的气体分配板的一部分的断面局部侧视图，说明制造图6中的气体分配板的第一个工艺。

图9A、9B、9C和9D依序是图6的气体分配板的一部分的断面局部侧视图，示出制造图6中的气体分配板的第二工艺。

图10是根据第三实施例的图1中的等离子体反应器的气体分配板的横截面侧视图。

图11是在图10中示出的替换的气体分配板的横截面侧视图。

                   具体实施方式

参考图1，等离子反应器包括：由反应腔室柱形侧壁105、顶板110和地板115限定的真空室100。真空泵120维持腔室内的真空达到理想的室压。用于支撑半导片晶片或工件130的晶片支撑底座125设置在室100的底部以便晶片130面对顶板110。晶片支撑底座125具有导电元件以便底座125可以用作电极或RF电源施加器。为了该目的，RF发生器135通过RF阻抗匹配电路140连接到底座125。顶板110在示出的实施例中是导电的，且连接到RF发生器135的RF回路端子，以便顶板110用作晶片底座125的反电极。在一些类型的反应器中，可以将另一RF发生器145穿过RF阻抗匹配电路150连接到顶板110，以便顶板110还用作另一RF电源施加器。在这种情况中，两个RF发生器135、145的频率为很不相同，以便两个RF发生器135、145独立工作。

通过穿过顶板110中的许多均匀间隔开的气体注入口160注入工艺气体，引入该工艺气体以便提供在晶片130顶表面的最大气体分配均匀性。因此顶板110为气体分配板。气体源或供给装置165连接到顶板/气体分配板110中的气体岐管170，气体岐管170供给每一入口160。如图2A和2B中所示，通过两个平行的平面板，即分离制造的(图2A)然后结合到一起(图2B)的后板205和前板210，形成气体分配板110的入口160。后板205在顶部，而前板210在底部且面对腔室100内部中的等离子体。后板210在其底表面中含有相对较大的柱形开口215阵列，而前板205含有与开口215阵列相匹配的柱形弹力盘220阵列。如图2B中所示，前板210的弹力盘220安装在后板205的开口215内。在每一开口215与匹配的弹力盘220之间的间隔在其二者之间形成环形间隙，该环形间隙为气体入口160。后板205中的气体供给孔口230被制定尺寸以提供从覆盖后板205的气体岐管170垂直延伸到环形气体入口160的所需的精确气流。由于气体分配板110含有成百或成千个环形入口160以获得在整个晶片表面的空间均匀的气体分布，入口160在大多数情况下会允许过多的气流。因此，精密尺寸的孔口230提供必要的气流控制。

显著地，每一孔口230面对各自弹力盘220与后板205之间的水平间隙235，以便促使气体作急剧转折以进入间隙235并作另一急剧转折以进入环形入口160。如果对室中的等离子体不是不可能向上进入环形入口160中，则很难通过在环形入口160和水平间隙235中与气体分配板表面的碰撞来识别这两个转折。结果是保护精确尺寸的孔口230免受等离子体溅射的损害。这仅使环形入口160遭受由于等离子体溅射或冲击导致的尺寸变形。然而每个环形入口160的面积如此之大以致等离子体溅射仅引入小分量的入口与入口间的面积差，以便在晶片表面的气体分布均匀性实质上免受这样的改变。而且，在图2A和2B的实施例中，仅由孔口230的均匀性来确定气流的均匀性，以便各环形入口160的尺寸改变实质上不影响气流的均匀性。因此，气体分配板110的性能实质上是免受由等离子溅射或冲击引起的改变，这是一个显著的优点。

在一个实施例中，后板205和前板210由碳化硅形成并利用碳化硅制造中的现有技术结合在一起。采用碳化硅作为气体分配板110的材料的一个优点是这种材料不受特定的工艺气体和等离子体物质冲击的影响，如含卤素的工艺气体和等离子体物质。同样，碳化硅赫硅半导体晶片工艺相兼容，使来自该材料的等离子体溅射的污染没有其它材料如铝那样有害。

环形状气体入口160的另一优点是每一弹力盘220使等离子体离子和气体远离电场最大的每个开口215的中央。这一特点有助于防止电弧放电或等离子体点火。气体分配板110的双板结构205和210能使成百或上千的孔215和置于每一孔中心的弹力盘220低成本制造。因此本发明提供具有充足气体分配均匀性的经济的气体分配板以加工非常大的晶片(10英寸至20英寸直径)上的极精细的器件特征部件(如0.15微米)伴随最小的等离子体电弧放电，同时免受长期的来自等离子体溅射的损耗。

另一优点是相对较大的环形开口160提供低得多的气体注入速度。虽然每一精确尺寸的孔口230产生非常高速的气流进入各个水平间隙235，穿过水平间隙235的通道并通过大的环形入口160耗散其速度。结果，来自前板210底部的气流更加均匀且不受高速细气流和等离子卷流(plumes)的约束。因此，采用气体分配板110，小的晶片至顶板间隙不会导致在晶片表面的气体分配中产生空间不均匀性，这是一显著优点。

上面列举的许多优点与具有高等离子体离子密度的高功率离子体反应器中遇到的问题有关。这些问题的其中之一是在一些反应器中通过小的晶片至顶板间隙获得晶片表面的高等离子体离子密度以更好地限制等离子体。如上所述，由于环形入口160的大尺寸，气体分配板110在如此小的间隙内提供均匀的气体分配。这些问题的另一个是在一些反应器中通过向顶板或上方气体分配板提供等离子体源电压而获得高等离子体离子密度，这导致在气体入口中电弧放电。如上所述，气体分配板110包括限制气体更接近于每一孔215的周边的弹力盘220，在孔215周边电场最小以便于抑制或防止电弧放电。因此，气体分配板110固有地适合于在高密度等离子体反应器中使用。

图3A、3B和4示出图2A和2B的实施例的一个实施方案。图3A示出具有弹力盘220阵列的前板210，弹力盘220阵列由纵向臂310和横向臂315的网络与弹力盘220一起形成且将弹力盘220保持在固定的阵列中。参考图3B和4，后板205具有当板205、210结合在一起时接收纵向臂和横向臂310、315的纵向沟道(channels)320和横向沟道325。弹力盘220置于各个孔215的中央并通过水平间隙325和环形入口160与后板205间隔开，从而不接触后板205。后板205与前板210之间的接触沿着紧密安装在相应的纵向和横向沟道320、325内的纵向和横向臂310、315。其沿着两板205、210结合在一起的这些接触表面。如前所述，如果两板是碳化硅材料，则利用标准的碳化硅结合技术进行该结合。

图5示出在其中单个孔口235a供给一组邻近的环形气体入口160a、160b、160c的实施例。单个孔口235a直接通过水平间隙235b供给中间的环形气体入口160b，并通过内部沟道505和510供给相邻的环形入口160a、160c，该内部沟道505和510将相邻的环形入口160a、160c和中间环形入口160b相连接。该实施例的一个优点是可以大大减少必须穿孔于后板205中的精确尺寸的孔口235的数量。

图6示出在其中后板600具有平行的横向狭缝605而前板610具有孔615和弹力盘620阵列的实施例。圆形孔615和圆柱形弹力盘620同心布置以便它们限定出相应的环形气体端口616。狭缝605与各排孔615和弹力盘620对齐。每一狭缝605的宽度小于每一孔615的直径(如小于一半)。板600和619接合在一起以便每一狭缝605对准各个孔615阵列的排的中心。参考图7的横截面图，最终的气体通道与每个孔615对准，每个孔615由在图7中以实线示出的弓形狭缝630a、630b组成。通过穿过后板600的单个精确孔口635将工艺气体供给到每一狭缝605中。选择孔口635的直径以提供必要的气流速率。

图6和7的实施例更简单地形成，因为在弹力盘620与后板600之间没有水平间隙(如图2的水平间隙235)。取而代之的，板600、610之间的结合沿它们的整个邻接表面形成。弹力盘620通过它们的顶表面和板600的底表面相似地结合。没有这样结合的弹力盘620的顶表面的区域仅为面对狭长狭缝605的区域。

在前述实施例中，弹力盘620作为用于将在前后板610和600之间的气流从后板600的直流形式(stream patterns)转换为前板610中的环形流形式(annular flow patterns)的导流元件。直流形式相应于第一半径(即顶部孔口635的半径)，而环形流形式相应于大于第一半径的第二半径(即每一环形开口660的半径)。导流元件620诱导从(a)每一孔口635中的直流形式的垂直流到(b)从(每一孔口635的)第一半径至(相应环形开口660的)第二半径的水平流以及到(c)每一相应的环形开口660中的垂直流的气流的快速转变。

图8A-8D示出用于制造图6和7的作为单片碳化硅片的气体分配板的一种方法。在图8A中，后板600由烧结的碳化硅形成且在板610中磨出狭缝605。在图8B中，石墨嵌片805放置在狭缝605中。在图8C中，通过在后板600的底表面600a上化学气相淀积碳化硅形成前板610。然后，通过加热整个组件直到石墨材料燃烧完，来全部除去石墨嵌片，留下空的狭缝605，如图8D所示。在图8D中，完全贯穿前板610的整个厚度磨出相应于图6中示出的孔615和弹力盘620的环形开口660阵列。图8D还描述孔口635，其在前述步骤中的一个期间磨出。

图9A-9D示出用于制造图6和7的作为单片碳化硅片的气体分配板的另一种方法。在图9A中，后板600由烧结的碳化硅形成且在板600中磨出狭缝605。此外，在后板600中集中沿着并平行于每一狭缝605形成宽的浅沟道810。在图9B中，碳化硅嵌片815放置在宽浅缝810中。在图9C中，通过在后板600的底表面600a上化学气相淀积碳化硅形成前板610。在图9D中，完全贯穿前板610的结合厚度磨出相应于图6中示出的孔615和弹力盘620的环形开口660阵列。

图10示出在其中后板600与前板610均由阳极化铝形成的另一实施例。阳极化在后板600上制成氧化铝薄膜600-1并在前板610上形成氧化铝薄膜610-1。阳极化层保护铝极板免受等离子体的损害。

虽然参考在其中顶板气体分配板必须用作电极(因此包括导电材料)的实施例已经描述了本发明，但本发明的气体分配板还适用于在其中气体分配板不用作电极的应用。

在这些实施例中，其中顶板气体分配板用作上方电极，其由碳化硅组成，如上所述。如果需要气体分配板的电阻率小于碳化硅的(0.005-1.0欧姆-cm)，则每一碳化硅板600、610以此种方法制造成具有穿过板的中心并与各板共平面的薄的高导电石墨层910、920，如图11中所示。通过将各板600、610形成为石墨板来完成该方法。加工各石墨板600、610以形成上述参考图6和7的结构特征部件。然后，利用常规技术硅化石墨板600和610。然而，仅局部地执行硅化工艺以致于将石墨板硅化至超出石墨外表面的限制深度。这使相应于包围在碳化硅板600、610内的石墨层910、912的石墨的内部未被硅化。石墨层910、920的电阻率比碳化硅的约低一个数量级。由于石墨层910、920完全被包围在碳化硅中，因此它们免受等离子体的损伤。

虽然已经描述图2A和2B的气体分配板由碳化硅形成，取而代之，可以由硅形成。

虽然参考优选的实施例已经详细描述了本发明，但可以理解在不脱离本发明的真实精神和范围内可以作各种变化和修改。

Claims (7)

1.一种气体分配板组件，其包括：

前板，其具有前表面、后表面和多个孔，其中每个孔完全贯穿前板并从前板的后表面延伸至前表面；

后板，其具有前表面、后表面和多个气体入口孔口；

其中后板的前表面具有交替的突起区域和凹入区域；

其中每个孔口完全贯穿后板并从后板的后表面延伸至后板前表面的相应的一个凹入区域；和

其中突起区域设置成以便于允许后板的前表面设置成相邻于前板的后表面，以致后板的每一突起区域在前板的一个孔内并以致于所述突起区域和所述孔共同形成多个贯穿前板延伸的环形气体通道。

2.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中：

每一环形气体通道具有第一半径；

每一孔口具有第二半径；

第一半径大于第二半径。

3.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中：

每一环形气体通道具有足够大的开口，从而使穿过气体入口孔口和环形气体通道的任意气流穿过气体入口孔口的速度远大于穿过环形气体通道的速度。

4.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中

每一气体入口孔口具有分别在后板的后表面和前表面的第一端和第二端，和

气体入口孔口设置成以便于气体入口孔口的第二端按照分布在后板的前表面上的二维阵列相等地间隔开。

5.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中后板和前板由碳化硅组成。

6.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中后板和前板由石墨组成。

7.根据权利要求1所述的气体分配板组件，其中后板和前板由具有硅化外层的石墨组成。

Images