CN100421211C - 用于控制半导体衬底工艺腔室中气体流动的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于控制半导体衬底工艺腔室中处理区与排气口之间的气体流动的装置。该装置包括至少一节气门板，其支撑在该半导体工艺腔室中，并且至少部分限定衬底支撑基座的范围。该节气门板适于控制在该处理区与该排气口之间流动的至少一气流。该装置还包括适于结合至该工艺腔室的底部的基板；以及在垂直分开的方向与该基板结合的支撑环。其中，所述至少一节气门板与该支撑环结合并且配置为与所述衬底支撑基座和所述工艺腔室的内壁侧向地分开。

Description

用于控制半导体衬底工艺腔室中气体流动的装置
技术领域
本发明涉及一种半导体衬底处理系统。更特别地，本发明涉及一种用于控制半导体衬底工艺腔室内气体流动的流动控制组件。
背景技术
集成电路已发展成能够在单个芯片上包括上百万个元件(例如，晶体管、电容器、电阻器等)的复杂装置。芯片设计的发展不断需要更快速的电路和更大的电路密度。对于更大电路密度的这种需求需要减小集成电路元件的尺寸。这些装置的图形的最小尺寸在本领域中通常称为临界尺寸。临界尺寸通常包括诸如行、列、开口、行之间的间隔等图形的最小宽度。
当这些临界尺寸变小时，为了保持高产量，在整个衬底上的工艺均匀性变得极为重要。与在制造集成电路中使用的传统等离子体蚀刻工艺相关联的一个问题是在整个衬底上蚀刻速度不均匀，造成这种不均匀的原因，一部分是由于在活性种(reactive species)与正被蚀刻的衬底之间的横向偏移。导致活性种趋向于从衬底中心偏移的一个因素是腔室排气口的径向位置。由于从最接近排气口的腔室区域更容易抽取气体，所以活性种被抽向排气口，由此相对于腔室中央及位于室内的衬底发生偏移。这种偏移造成在衬底表面上失去蚀刻均匀性，这可显著影响性能并增加制造集成电路的成本。
因此，在本领域需要一种在制造集成电路期间用于蚀刻材料层的改进装置。
发明内容
因此，本发明一般地提供一种用于控制通过半导体衬底工艺腔室的气流的装置。在一实施方式中，该装置(流控制器)包括：基板，其适于由该工艺腔室的底部支撑；以及支撑环，其在垂直分开方向上与该基板结合。该支撑环限定在腔室内其上支撑有衬底的一基座的范围。至少一节气门板与该支撑环结合，并且从该支撑环径向延伸。该节气门板位于在衬底上方的处理区与排气口之间，该排气口与真空泵结合。该节气门板适于控制从该处理区流向该排气口的气流。
根据本发明一方面，一种用于控制半导体衬底工艺腔室中处理区与排气口之间的气流的装置，包括：至少一节气门板，其支撑在该半导体工艺腔室中，并设置为至少部分限定衬底支撑基座的范围，该节气门板适于控制在该处理区与该排气口之间流动的至少一气流；基板，其适于结合至该工艺腔室的底部；以及支撑环，其在垂直分开的方向与该基板结合，其中，所述至少一节气门板与该支撑环结合并且配置为与所述衬底支撑基座和所述工艺腔室的内壁侧向地分开。
根据本发明另一方面，一种半导体衬底处理系统，包括：工艺腔室；衬底支撑基座，其放置在该腔室中；进气口，其形成在该腔室中的该基座的上方，用于向该支撑基座上方的处理区提供处理气体；排气口，其形成在该室的壁中；以及至少一节气门板，其支撑在该半导体工艺腔室中，并且至少部分限定该衬底支撑基座的范围，该节气门板适于控制在该处理区与该排气口之间流动的至少一气流；基板，其适于与该工艺腔室的底部结合；以及支撑环，其在垂直分开的方向上与该基板结合；其中，所述至少一节气门板与该支撑环结合并且配置为与所述衬底支撑基座和所述工艺腔室的内壁侧向地分开。
附图说明
为了获得并详细理解本发明的上述特征、优点和目的，通过参照在附图中示出的实施方式更详细地说明上述简要概括的本发明。
但是，应注意附图仅示出本发明的典型实施方式，因此并不视为限制其范围，本发明可以允许其它等效的实施方式。
图1是双频电容等离子体源反应器的示意性侧视图；
图2A是流控制器的一个实施方式的等比例的部分分解图；
图2B是图2A的流控制器的流动节气门板的一个实施方式的俯视图；
图3是利用一实施方式的流控制器的工艺腔室的截面俯视图；
图4A是利用另一实施方式的流控制器的工艺腔室的截面俯视图；
图4B是图4A的流控制器的节气门板的一实施方式的俯视图；
图5A是示出在不包括流控制器的半导体衬底工艺腔室中在处理期间在整个衬底上蚀刻速度的均匀性的图示；以及
图5B是示出在包括流控制器的半导体衬底工艺腔室中在处理期间在整个衬底上蚀刻速度均匀性的图示。
具体实施方式
本发明通常涉及一种用于提高等离子体反应器中在整个半导体衬底上工艺均匀性的装置。本领域的技术人员将理解包括反应离子蚀刻(reactive ionetch RIE)室、电子回旋加速器谐振源(ECR)室等其它类型的等离子体蚀刻室可以用于实施本发明。此外，本发明可以用于在处理期间流动控制可以提高在整个衬底表面上的工艺均匀性的的任意工艺腔室，诸如原子层沉积(ALD)室、化学气相沉积(CVD)室、化学气相沉积(CVD)室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)室、磁性增强等离子体工艺腔室等。
图1示出利用本发明的双频电容等离子体源反应器的示意横截面图。在一个实施方式中，本发明的流控制器与具有位于衬底支撑上方的进气口和位于衬底支撑下方的排气口的腔室一同运行。无论通过工艺腔室的受控气流是否是期望的，流控制器都是有用的。适合与在本发明一起使用的工艺腔室的一个例子是加利福尼亚州圣克拉拉市的Applied Materials Inc.(应用材料公司)的ENABLERTM工艺腔室。
在一个实施方式中，反应器102包括工艺腔室110，该工艺腔室110具有与电气地134连接的导电腔室壁130。至少一螺线管段112位于腔室壁130的外部。腔室壁130包括有助于清洗腔室110的瓷衬131。在处理每个衬底之后，从瓷衬131很容易去除蚀刻工艺的副产品和残渣。通过能够产生至少5V的DC电源154控制一个或者多个螺线管段112。
工艺腔室110还包括位于工艺腔室110的底部108上的衬底支撑基座116，该衬底支撑基座116与喷头132分开，并且在其间限定处理区180。衬底支撑基座116包括静电吸盘126，用于使衬底114保持在喷头132下方的基座116的表面140上。
通过与RF偏压电源122耦合的匹配网络124，DC电源120和支撑基座116控制静电吸盘126。偏压电源122通常能够产生具有50kHz至13.56MHz可调频率和0至5000W之间的功率的RF信号。可选的，偏压电源122可以是DC或者脉冲DC电源。
喷头132可以包括多个气体分配区域，从而可使用特定气体分配梯度将各种气体提供至腔室110的处理区180，并且喷头132安装在与支撑基座116相对的上电极128上。上电极128通过阻抗变换器119(例如，四分之一波长匹配短截线)与RF源118耦合。源118通常能够产生具有大约162MHz可调频率和大约0至2000W功率的RF信号。
腔室110的内部是高真空容器，其通过在腔室壁130中形成的排气口135与真空泵136结合。使用设置在排气口135中的节流阀127与真空泵136一起控制工艺腔室110内部的压力。
流控制器100以相对于支撑基座116和腔室壁130间隔分开限定支撑基座116的范围。流控制器100控制在处理区180与排气口135之间流动的气流。通常流控制器100设置为控制在特定腔室中或者在一定工艺条件下的流特征。可以将流控制器设置为使特定腔室中的气流特征均衡或者保持期望的不对称气流。这通过将流控制器设置为预定高度、宽度和外形来实现，这种外形使流控制器相对于腔室的底部108保持在预定高度，并且在流控制器100的外缘与腔室壁130的内缘之间产生预定间隙158，在流控制器100的内缘与支撑基座116的外缘之间产生预定间隙160。流控制器可以设置为沿流控制器100的圆周改变间隙158、160之一或者两个间隙的宽度。
图2A示出流控制器100的一实施方式的等比例的部分分解图。流控制器100包括基板202、多个支撑销204、支撑环206和至少一节气门板208。基板202设置在工艺腔室110(图1中所示)的底部108上，并且通常限定衬底支撑基座116的范围。基板202以诸如栓接、套接、黏着、焊接、夹紧等适当的方式紧固在底部108上。在图2A中所示的实施方式中，设置四个贯穿基板202的孔210，以便于将基板202栓接在工艺腔室110的底部108上。可以考虑使用多个基板以在腔室底部108上支撑流控制器100。
支撑销204结合在基板202与支撑环206之间以在基板202上方适当地牢固间隔支撑环206。支撑销204可以诸如焊接、套接、铆接、过盈配合、栓接、粘合等适当的方式与基板202和支撑环206结合。或者，支撑销204可以是诸如从单块材料模制、铸造、锻造或者机械加工而成为基板202或者支撑环206之一或者两者的一体的部分。在图2A中所述的实施方式中，通过在每个支撑销204下方的基板202中形成的孔262，利用紧固件260(图中示出一个)栓接支撑销204，使其与基板202基本垂直。支撑销204沿着多个突出部212与支撑环206结合，其中突出部212具有用于使支撑环206与支撑销204栓接的孔214。
支撑销204的长度通常几乎相等，并且基本平行地并且在工艺腔室110的底部108上方高度h处保持支撑环206。通常，可以改变高度h以优化流向特定工艺腔室中的泵的气流特征。例如，可以选择高度，以使节气门板208近似一样齐，并且基本平行于在基座116上设置的衬底114的上表面。或者，根据流特征和工艺腔室几何形状增大或者减小高度。可以使用流仿真软件包来确定流控制器100的最佳高度h。或者，可以使用以不同长度制成的多组支撑销204来进行试验工艺，从而确定最佳高度h。或者，通过例如起重螺旋调整支撑销204的长度，从而无需使用不同的支撑销204来改变高度h。在又一实施方式中，可以使用改变高度的支撑销来定向节气门板208相对于基座表面140的角度，从而使一个或多个节气门板208与基座表面140和正在处理的衬底的表面不平行。
至少一个节气门板208作为隔板用于改变穿过该节气门板208或者在该节气门板208周围的气流。节气门板208限制气体从进气口流入排气口，并且设置为通过提供对接近排气口的气流的最大限制和对与排气口相对的气流的最小限制在衬底114的表面上方提供均匀的气流。均匀的气流减小等离子体被抽向排气口的趋势。
在一实施方式中，至少一节气门板208为环状段，其朝向排气口并且在与排气口相对的区域留有开口。或者，至少一节气门板208可以为彼此相邻设置的相同的或者变化的径向宽度的多个环状段，由此形成所需尺寸和外形的环状段以在处理期间优化腔室中的气流。或者，节气门板208可以是具有一致的或者变化的径向宽度的单个板，从而最大气流限制最接近排气口，而最小气流限制与排气口相对。可以考虑在具有不同几何形状以及变化排气口位置或数量的工艺腔室中使用其它结构。
至少一节气门板208与支撑环206结合，并且以诸如栓接、套接、粘合、螺纹等任一传统方式附着。可以考虑使节气门板与支撑销204或者基板202直接结合。在图2A中所示的实施方式中，通过在支撑环206中的突出部212中形成的孔栓接节气门板208，从而节气门板208(a)-(c)的内缘220保持基本接近衬底支撑基座116的外缘，由此在其间限定内间隙160(如图1中所示)。内间隙160一般非常小，以基本防止其间流过气体，但是间隙的尺寸可以改变，以优化特定工艺腔室中的气流。
在图2A中所示的实施方式中，节气门板包括与支撑环206结合并且彼此紧邻设置的一系列板208(a)-(c)以形成所需尺寸的弧。弧的具体尺寸或者扫描角根据工艺腔室的几何形状而改变。图2A中所示的节气门板208扫描45°的角，所以三个节气门板208(a)、(b)和(c)一起包括135°。但是，节气门板可根据需要更大、更小、或者改变外形、留有更大或更小的间隙，从而优化特定腔室中的压力和气流。
例如，图2B示出在流控制器100中使用的节气门板208的一实施方式的俯视图。节气门板208的尺寸由从中心点250测量的角度α和相对于中心点250径向测量的宽度w限定。改变角度α将允许单个板对气流的更大或者更小的阻挡。较小的角度α允许流节气门的较大微调，而较大的角度α减小微调。这就允许通过调整来寻找最佳配置。此外，一旦确定特定配置，可制造具有以其自身覆盖期望面积所需的角度α的单个节气门板208。
此外，改变宽度w可以改变在节气门板208的外缘216与腔室壁130的瓷衬131之间限定的间隙158的尺寸(如图1中所示)。这就允许控制在节气门板的外缘216周围以及通过间隙158的气流。在一实施方式中，节气门板208的宽度w足够大以至于基本接近间隙158，由此充分限制通过间隙158的气流。间隙158可以是均匀的，或者其沿一个或多个流节气门板的圆周变化。诸如通过使用一个或多个具有锥形宽度的节气门板，间隙158的尺寸变化可以是平滑的。或者，诸如通过使用具有不同宽度的多个节气门板，间隙158的尺寸变化可以成梯状。
图3示出在工艺腔室310中设置的流控制器300的一实施方式的俯视图。该实施方式示出一系列节气门板308(a)-(e)是如何在支撑环306上排列以控制在工艺腔室310中设置在基座316上的衬底表面(未示出)上方流过的空气的压力和速度。
在该实施方式中，五个节气门板308(a)-(e)邻接以基本上围绕基座316。每个节气门板具有大约45°的角α，所以装配好的节气门板308环绕大约225°，或者基座316的大约5/8。每个节气门板也具有足够大以至于基本合拢在节气门板308的外缘与腔室壁330之间限定的间隙358的宽度w。节气门板308还设置为使得在节气门板的内缘与基座316的外缘之间限定的间隙362基本合拢。将节气门板308排列为留有开口360，该开口与工艺腔室310中设置的排气口355的位置基本完全相对，由此允许空气通过开口360比通过间隙358、362而更自由地流过基座。
图4A示出在工艺腔室410中设置的流控制器400的另一实施方式的俯视图。在该实施方式中，节气门板408是一个具有环状外形的一体元件，这种外形优化经过工艺腔室410中设置在基座416上的整个衬底表面的气体压力和速度。节气门板408的宽度可以沿任意径向截面平滑或者不连续地改变任意量。例如，图4B示出图4A的节气门板408的俯视图，其中节气门板408的宽度w从最大宽度w1逐渐平滑地变成完全相对的最小宽度w2。在图4A中所示的实施方式中，定向节气门板408，使得最大宽度设置在最接近排气口445，仅留下接近排气口的小间隙458，而大得多的开口460与排气口445相对设置。
例如，在具有22英寸内径的腔室壁430并且其中设置有15英寸直径的基座416的腔室410中，基座416与腔室壁430之间形成的通道具有31/2英寸宽度。示例性的流控制器400设置为具有18英寸外径、23/4英寸最大宽度w1和1/4英寸的完全相对的最小宽度w2(其间的宽度均匀地逐渐减小)的环形。流控制器400设置在腔室410中，使得最大宽度w2最接近排气口445，并在最接近泵口445的区域中留有1/2英寸的最小间隙458。与泵口445相对的开口460具有31/4英寸宽度。
或者，节气门板408可包括多个不同宽度的环状段以接近所述外形。这种接近可以是平滑的或者是成梯状。节气门板408的外形可以通过流建模软件包或者通过利用多个节气门板进行试验直到获得期望外形而获得。
在另一个实施方式中，一体式节气门板可以是其它的椭圆外形。这里所使用的椭圆应作广义解释，它的意思可以是任意长圆形、椭圆、圆形、弧形或者圆筒形。“外形”一词是指全部的整体形状，可以包括用于使流节气门与衬底支撑基座邻接的切口部分。
返回参照图1和图2A，在运行期间，衬底114放置在支撑基座116上，腔室110的内部大气被抽至小于大气压力的压力，将在受激时产生等离子体的气体150(例如，氩气、氯化气体、氟化气体等)从充气板138经由喷头132提供至工艺腔室110。通过从RF电源118向上电极128(阳极)提供电力，在工艺腔室110中激发气体150成等离子体152。经由一个或者多个螺线管段112对等离子体152施加磁场，并且通过施加来自偏压电源122的电力使支撑基座116产生偏压。
在处理衬底114期间气体150引入工艺腔室110中以形成等离子体152时，通过排气口135中设置的节流阀127保持工艺腔室110的工作压力，该节流阀127调节由泵136通过排气口135从腔室110抽出的空气的体积。如果不使用流控制器100，在气体流进和流出工艺腔室110时，喷头132、基座116和排气口135的位置导致在整个衬底114的表面上压力和速度的不均匀分配。这种不均匀的压力和速度分配影响腔室中等离子体152的位置，进而影响正从衬底114的表面去除的材料的蚀刻速度。
图5A和图5B是示出在使用和不使用流控制器时在整个衬底114的表面上蚀刻速度均匀性的测量图示。图5A示出在不使用流控制器时衬底512的表面上较大蚀刻速度552的区域。从图中可见，由于腔室中的不均匀气流，活性种移至衬底512的一侧。活性种位置的这种偏移导致衬底512的蚀刻速度的不均匀，如较大蚀刻速度552的区域所示。图5B示出在使用流控制器时衬底514的表面上较大蚀刻速度554的改进区域。从该图中可见，活性种分位于衬底514的表面上方的中央，由此形成较大蚀刻速度554的均匀得多的区域。
虽然上面涉及本发明的各种实施方式，但是在不脱离其基本范围的情况下，可以设计本发明的其它和更多的实施方式，本发明的范围由权利要求书确定。

Claims (20)

1. 一种用于控制半导体衬底工艺腔室中处理区与排气口之间的气流的装置，包括：
至少一节气门板，其支撑在该半导体工艺腔室中，并设置为至少部分限定衬底支撑基座的范围，该节气门板适于控制在该处理区与该排气口之间流动的至少一气流；
基板，其适于结合至该工艺腔室的底部；以及
支撑环，其在垂直分开的方向与该基板结合，
其中，所述至少一节气门板与该支撑环结合并且配置为与所述衬底支撑基座和所述工艺腔室的内壁侧向地分开。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
多个支撑柱，其结合在该基板与该支撑环之间。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支撑柱以相对于由该衬底支撑基座的衬底支撑表面所限定的平面不平行的方向保持该支撑环。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一节气门板为具有至少部分限定该衬底支撑基座的范围的环形的节气门板。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，该节气门板的一部分的宽度大于该节气门板的另一部分的宽度。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该具有较大宽度的部分适于设置在最接近该排气口。
7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一节气门板还包括多个节气门板，其中每个节气门板邻接至少一其它节气门板。
8. 一种半导体衬底处理系统，包括：
工艺腔室；
衬底支撑基座，其放置在该腔室中；
进气口，其形成在该腔室中的该基座的上方，用于向该支撑基座上方的处理区提供处理气体；
排气口，其形成在该室的壁中；
至少一节气门板，其支撑在该半导体工艺腔室中，并且至少部分限定该衬底支撑基座的范围，该节气门板适于控制在该处理区与该排气口之间流动的至少一气流；
基板，其适于与该工艺腔室的底部结合；以及
支撑环，其在垂直分开的方向上与该基板结合；
其中，所述至少一节气门板与该支撑环结合并且配置为与所述衬底支撑基座和所述工艺腔室的内壁侧向地分开。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：
多个支撑柱，其结合在该基板与该支撑环之间。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述支撑柱以相对于由该衬底支撑基座的衬底支撑表面所限定的平面不平行的方向保持该支撑环。
11. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一节气门板是具有弧形的多个节气门板。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多个节气门板基本上围绕该衬底支撑基座。
13. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述多个节气门板的外缘的至少一部分减小该外缘与最接近该排气口的腔室内壁之间所限定的间隙。
14. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一节气门板是一个节气门板。
15. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述一个节气门板具有基本上围绕该衬底支撑基座的环形。
16. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述一个节气门板的一部分的宽度大于该节气门板的另一部分的宽度。
17. 根据权利要求16所述的系统，其特征在于，该具有较大宽度的部分设置在最接近该排气口。
18. 根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述一个节气门板的外缘的至少一部分减小在该外缘与沿最接近该排气口的腔室内壁之间所限定的间隙。
19. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述至少一节气门板是具有完全环绕该衬底支撑基座的环形的一个节气门板，并且该节气门板的一部分的宽度大于该节气门板的另一部分的宽度，其中所述一个节气门板的外缘的一部分接触至少位于最接近该排气口的腔室内壁。
20. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，与距离该排气口较远的第二位置处的腔室内壁相比，所述至少一个节气门板的外缘的一部分更接近最接近该排气口的第一位置处的腔室内壁。
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