CN101308771A - 气体流动扩散器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体流动扩散器。在一个实施例中，提供一种真空处理室，其包括具有内部体积的室本体、设置在内部体积中的衬底支撑件和具有非对称分布的气体喷射端口的气体分配组件。在另一实施例中，提供一种用于真空处理衬底的方法，其包括将衬底设置在处理室内的衬底支撑件上，使处理气体横向流入限定在气体分配板上方的区域中，其中气体分配板定位在处理室中衬底的上方，以及在存在处理气体的情况下对衬底进行处理。

Description

气体流动扩散器
技术领域
本发明实施例一般地涉及半导体衬底处理系统，更具体而言，本发明实施例涉及用于控制半导体衬底处理室内的气体流动的气体流动扩散器。
背景技术
集成电路已经发展到能够在单个芯片上包括数百万部件(例如，晶体管、电容器、电阻器等)的复杂器件。芯片设计的发展持续地要求更快的电路和更大的电路密度。对更大电路密度的需求必须减小集成电路部件的尺寸。这种器件的特征的最小尺寸在本技术中通常称为临界尺寸。临界尺寸通常包括诸如线、柱子、开口、线之间的间隙等的特征的最小宽度。
随着这些临界尺寸收缩，在衬底上的处理均匀性对维持高产量极为重要。与在制造集成电路中使用的传统等离子体蚀刻处理有关的一个问题是衬底上蚀刻速率的非均匀性，这部分是由于反应性物质和正被蚀刻的衬底之间的横向偏移引起的。造成反应性物质趋于从衬底的中心偏移的一个因素是室排气口的径向位置。由于更易于从室的最靠近排气口的区域泵送气体，反应性物质被拉向排气口，由此变成相对于室以及定位在其中的衬底的中心偏移。这种偏移造成衬底表面上蚀刻均匀性的损失，这会显著地影响性能，并增大制造集成电路的成本。
流动限制装置可以定位在室内以改变室的传导性，来补偿泵送端口的偏移。尽管这种技术已经显示了良好的处理结果，但是尚未实现能够制造下一代器件的处理均匀性的水平，并认为至少部分由于不能完全补偿正在处理室内进行处理的衬底上方的传导不均匀性。因而，随着线宽和临界尺寸持续收缩，仍需要持续改进处理的均匀性使得能够以实用的制造成本制造下一代器件。
因而，在本技术中需要一种用于在制造集成电路过程中蚀刻材料层的改进的设备。
发明内容
提供一种用于提供进入处理室的流动的方法和设备。在一个实施例中，提供一种真空处理室，其包括具有内部体积的室本体，设置在内部体积中的衬底支撑件和设置在衬底支撑件的衬底支撑表面的平面的下方的泵送端口。泵送端口位置和内部体积的几何形状具有在衬底上产生非对称处理结果的构造，其中该衬底设置在衬底支撑件的衬底支撑表面上。处理室还包括定位在衬底支撑件的衬底支撑表面的平面的上方的气体分配组件，其中选择气体分配组件的构造以调节处理结果，使得提供泵送端口和内部体积的几何形状引起的处理结果的对称。
在另一实施例中，提供一种真空处理室，其包括具有内部体积的室本体，设置在内部体积中的衬底支撑件和具有非对称分布的气体喷射端口的气体分配组件。
在又一个实施例中，提供一种真空处理室，其包括具有限定内部体积的侧壁和盖子的室本体、设置在内部体积中的衬底支撑件和气体分配组件。气体分配组件包括耦合到盖子的气体分配板和定位在气体分配板和盖子之间的至少一个环，该环具有非对称分配的气体喷射端口。
在又一个实施例中，提供一种用于真空处理衬底的方法，其包括将衬底设置在处理室内衬底支撑件上，使处理气体横向流入限定在气体分配板的上方，其中气体分配板定位在处理室中衬底的上方，以及在存在处理气体的情况下处理衬底。
在又一个实施例中，提供一种气体分配组件，其包括具有多个贯通板形成的孔的气体分配板和至少一个耦合到气体分配板的一个环，该孔具有大致平行于板的中心线的取向，该环具有多个气体喷射端口，气体喷射端口的取向与板的孔的取向不同。
附图说明
通过参照在附图中图示的实施例可以以获得和详细理解本发明以上所述的特征的方式更具体地描述以上简要概括的本发明，其中：
图1是具有本发明的气体扩散器的一个实施例的示例性处理室的示意剖视图；
图2是图1的气体扩散器的一个实施例的底切视图；
图3是沿着图2的剖切线3-3所取的图1的气体扩散器的局部剖视图；
图4A是图示沿着图2的剖切线4A-4A所取的耦合件的一个实施例的图1的气体扩散器的局部剖视图；
图4B是耦合件的另一实施例的剖视图；
图5是沿着图2的剖切线5-5所取的气体扩散器的剖视图；
图6A-6B是沿着图2的剖切线6A-6A和6B-6B所取的气体扩散器的剖视图；
图7A-7B是用于气体扩散器的示例的可选实施例的示意仰视图；
图8是用于调节半导体制造处理的方法的一个实施例的流程图；以及
图9A-9B是用对称的和非对称的扩散器获得的处理结果的示意图。
然而，要注意，附图仅仅图示本发明的典型的实施例，因而不能认为是对其范围的限定，因为本发明可以允许其它等同效果的实施例。还可以想到，不需要其它叙述，一个实施例的各个特征可以有益地用在其它实施例中。
具体实施方式
本发明的实施例一般涉及用于改进在等离子体处理室中半导体衬底上处理的均匀性的设备。本技术中的技术人员将理解到可以使用其它形式的等离子体蚀刻室以实施本发明，其包括反应性离子蚀刻(RIE)室、电子回旋谐振(ECR)室等。此外，本发明的实施例可以用在其中流动控制可以在处理过程中改进衬底的表面上处理均匀性的任何处理室，诸如原子层沉积(ALD)室、化学气相沉积(CVD)室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)室、磁性增强等离子体处理室等。
图1示出了具有本发明实施例的气体扩散器132的真空处理室102的示意横截面图。在图1所图示的实施例中，气态扩散器132调节处理均匀性，使得能够补偿传导性或者造成非对称处理(例如，相对于衬底的中心线不对称的处理结果)的其它室的属性。在其它实施例中，气体扩散器132可以用来形成非对称处理结果。其中有益地利用本发明的处理室的一个示例是从Santa，California的Applied Material，Inc.购买的ENABLERTM处理室。还可以想到本发明可以用来有利于包括来自其它制造商的室的其它处理室。
在一个实施例中，处理室102包括具有传导性室壁130和底部108的真空室本体110。室壁130连接到电接地134。盖子170设置在室壁130上以封闭在室本体110内限定的内部体积178。至少一个电磁线圈部分112定位在室壁130的外部。电磁线圈部分112可以选择性地被能够产生至少5V的DC电源154通电，以为处理室102内形成的等离子体处理提供控制旋钮。
瓷衬131设置在内部体积178内以便于清洁室102。可以易于将蚀刻处理的副产品和残留物以选定的间隔从该瓷衬131除去。
衬底支撑基座116设置在处理室102的底部气体扩散器132的下方。处理区域180限定在衬底支撑基座116和扩散器132之间的内部体积178内。衬底支撑基座116可以包括用于在处理过程中将衬底114保持在气体扩散器132的下方基座116的表面140上的静电卡盘126。静电卡盘126由DC电源120控制。
支撑基座116可以通过匹配的网络124耦合到RF偏置源122。偏置源122一般能够产生具有50kHz至13.56MHz的可调频率和0与500瓦特之间的功率的RF信号。可选地，偏置源122可以是DC或者脉冲DC源。
支撑基座116还可以包括内外温度调节区域174、176。每个温度调节区域174、176可以包括至少一个温度调节装置，诸如电阻加热器或者用于循环冷却剂的管道，使得可以控制设置在基座上的衬底的径向温度梯度。具有内外温度调节区域的一个适合的基座的示例在美国专利申请序列号10/960,874和11/531,474中描述，这些专利通过引用全部包含于此。
室102的内部是通过排气口135耦合到真空泵136的高真空容器，排气口108形成穿过室壁130和/或室底部108。设置在排气口135中的节流阀127与真空泵136相结合使用，以控制处理室102内的压力。排气口135和室本体110的内部体积178内的其它流动限制器的位置极大地影响处理室102内的传导性和气体流动分布。
气体扩散器132提供至少一个处理气体以非对称的方式引入到处理区域180中所通过的管道，该非对称的方式可以用来调节由其它室部件(例如，排气口位置、衬底支撑基座或者其它室部件的几何形状)引起的以上所述的传导性和气体流动分布，使得气体和物质的流动以均匀或者选定的分布输送到衬底。气体扩散器132被用来控制或者调节室中各种处理参数以提供处理结果的对称性。气体扩散器132可以可选地用来控制或者调节室中各种处理参数以形成处理结果的非对称性。而且，气体扩散器132可以用来相对于衬底114(其以同心的方式设置在基座116上)的中心线定位等离子体。而且，可以选定气体扩散器132的构造来提高处理的均匀性或者可选地形成处理结果的预定偏差。例如，可以选定气体扩散器132的构造以补偿室传导性的方式引导气体流动进入衬底支撑基座116的上方的处理区域180。这可以这样来完成：通过将气体扩散器132构造成，在处理的过程中将气体以抵消在等离子体的位置上室传导性的非对称效果的非对称的方式输送到处理室、和/或将离子和/或反应性物质输送到衬底的表面。
在诸如图1所示的实施例中，气体扩散器132包括至少两个气体分配器160、162、安装板128和气体分配板164。气体分配器160、162通过处理室102的盖子170耦合到一个或者多个气体面板138。可以独立地控制气体通过气体分配器160，162的流动。尽管气体分配器160、162被示出耦合到单个气体面板138，但是可以想到气体分配器160、162可以耦合到一个或者多个共用和/或单个气体源。从气体面板138提供的气体被输送到板128、164之间限定的区域172，然后离开通过贯通气体分配板164形成的多个孔168进入处理区域180。
安装板128耦合到与支撑基座116相对的盖子170。安装板128由RF导电材料制造或者由其覆盖。安装板128通过阻抗变换器119(例如，四分之一波长匹配短截线)耦合到RF源118。源118通常能够产生具有约162MHz的可调频率和约1和200瓦特之间的功率的RF信号。安装板128和/或气体分配板164由RF源118提供功率以维持由处理室102的处理区域180中存在的处理气体形成的等离子体。
气体分配器160、162耦合到安装或者气体分配板128、164中至少一者。在一个实施例中，气体分配器160可以定位在气体分配器162的径向内侧。气体分配器160、162可以同心地相对彼此定向、两者同心地相对于基座116的中心线定向、两者非同心地相对于基座116的中心线定向、相对于基座的中心线一个同心定向、一个非同心地定向、或者其它适合的构造。在图1所示的实施例中，气体分配器160、162不限于同心环。
离开扩散器123进入处理区域180的气体流动的对称性可以由气体分配器160、162相对彼此和/或基座116的中心线的非同心性来形成。离开扩散器132进入处理区域180的气体流动的非对称性还可以或者可选地如以下所述通过从气体分配器160、162中至少一者流出的气体的径向非均匀性形成。
图2示出了图1所示的气体扩散器132的一个实施例的底切图。气体分配板164被切去以示出气体分配器160、162的示例性同心取向。在图2图示的实施例中，气体分配器160、162示出为同心环。气体分配器160、162可以可选地具有各种其它取向，例如至少一个气体分配器702如图A所示可以具有卵形或者椭圆形状。在另一示例中，如图7B所示，至少一个气体分配器712可以是与出口气体分配器162非同心。尽管出口气体分配器在上方示出为环形，其可以可选地具有以上所述的任何一种构造、或者圆形内气体分配器或者非圆形内气体分配器。还可以想到没有、一个或者所有气体分配器可以相对于安装板128的中心线同心定位。安装板128一般与基座116的中心线同轴对齐，并因此因与定位在其上的衬底同轴对齐。
返回到图2，气体分配器160、162可以紧固到板128、164中至少一者。在一个实施例中，气体分配器160、162由多个支架202或者以其它适合的方式紧固到安装板128。可选地，气体分配器160、162可以在板128、164之间被压缩。
图3示出了将外气体分配器162紧固到安装板132的支架202的一个实施例的剖视图。内气体分配器160被类似地保持。支架202包括翼片302和指状物308。紧固件304延伸通过翼片302中的孔，并与在安装板128中形成的螺纹孔306配合。指状物308可以弯曲或者以其它的方式形成以在安装紧固件304时将气体分配器162保持靠近板132。可以想到，利用其它技术将气体分配器保持在适合的位置。
图4A示出了用来将外气体分配器162连接到气体面板138的外气体分配器162的耦合件400的剖视图。如图2所示，内气体分配器160包括类似的耦合件402。尽管耦合件400、402在图2的实施例中示出偏离180度，但是耦合件400、402的取向可以以传统的方式布置。
返回到图4A，耦合件400包括本体408和杆404。杆404延伸通过在安装板128中形成的孔412。在一个实施例中，杆404包括公螺纹部分410，其使面板螺母414或者其它紧固件能够将耦合件400紧固到安装板128。杆404还包括螺纹部分406，其使耦合件400连接到从气体面板138布线的气体输送线(未示出)。可以想到，该耦合可以具有适合用于容易连接到气体面板和/或安装板的其它构造。
本体408包括安装凸缘420。安装凸缘420具有容纳密封件(未示出)的O形环密封套422，该密封件在拧紧面板螺母414时收缩以防止通过孔412的泄漏。
本体408包括将端口406耦合到横向孔432的通道430。横向孔432具有接收气体分配器162的开口端440的埋头孔。气体分配器162的开口端440可以由任何适合的方法(例如，通过粘合剂、钎焊、焊接、压配、型锻或者通过适合的气密配合)被密封到本体408。第二埋头孔接收气体分配器162的闭合端442，使得流入耦合件400的气体通过端口406和气体分配器162的开口端440流到闭合端。如以下参照图5进一步描述，气体通过多个非对称端口流出气体分配器162。
图5是沿着图2的剖切线5-5所取的气体分配器162的剖视图。气体分配器162可以类似地构造。气体分配器162包括多个允许气体进入区域172的孔。在一个实施例中，内和外喷射端口502、504贯通气体分配器162形成。气体喷射端口502、504可以在被选定来在气体扩散器内产生所需流动和/或者压力分布的竖向和水平平面中具有任何角方位。在图5所示的实施例中，内和外气体喷射端口502、504同心布置，并具有与气体分配板164的平面平行的中心线。
气体喷射端口502、504的直径可以不同或者相等。例如，径向内朝向气体喷射端口504的直径可以大于径向外朝向气体喷射端口502的直径，以将更多气体提供到气体扩散器132的内区域。可选地，径向外朝向气体喷射端口502的直径可以大于径向内朝向气体喷射端口504的直径，以将更多气体提供到气体扩散器132的外区域。
此外，径向内朝向孔502沿着气体分配器162的密度和/或者分布可以改变。例如，一个区域中分配器162的每单位长度的径向内朝向孔504的数量相对于另一个可以较大。在图2所示的实施例中，从开口端440测量起沿着气体分配器162每单位长度的径向内朝向孔504的数量和/开口面积从耦合件400进一步增大。这种布置可以用来允许在耦合件400(或者其它选定的区域)附近输送更多气体，或者补偿沿着分配器的长度的压力降，使得与具有对称分布的孔的分配器相比闭合端442的孔504接收到更大量的气体。
可以想到，径向外朝向孔504的密度、开口面积和/或者分布可以与径向内朝向孔502的相同或者不同。还可以想到，可以选定单个气体喷射端口502、504的相对直径，以在耦合件400附近(或者其它选定的区域)输送更多的气体，或者补偿沿着分配器的长度的压力降，使得与具有对称分布的孔的分配器相比，闭合端(或者其它选定的区域)附近的气体喷射端口502、504接受到更大量的气体。
内气体分配器160的构造可以类似于或者不同于外气体分配器162的构造。在图2所示的实施例中，内和外气体分配器160、162构造成具有从分配器的开口端测量起每单位长度的孔的密度和/或开口面积增大。此外，在图2所示的实施例中，分配器160的耦合件400、402的位置布置成沿着分配器从耦合件朝着闭合端延伸的方向，相位之差超过180度。在可选的实施例中，内和外气体分配器160、162构造成在开口端和闭合端之间具有大致均匀的孔密度，但是从分配器160、162的开口端到闭合端孔的直径逐渐增大。还可以想到，气体分配器160、162可以布置成以上任何的组合。
图6A-B示出了扩散器132的部分128、164如何耦合在一起以及扩散器132如何耦合到盖子组件170的剖视图。如在图6A的剖视图中所示，紧固件602穿过分配板164中的间隙孔并与安装板132的螺纹孔配合。如图6B的剖视图所示，紧固件612穿过贯通分配板和安装板164、132形成的间隙孔，并与盖子组件170中的螺纹孔配合。这种安装布置允许扩散器132易于从盖子组件170卸下，由此便于更换具有不同流动构造的扩散器。此外，板164、132可以容易地被分开以允许一个或者多个气体分配器160、162通过卸下和/或松开支架202而被更换，由此允许快速地重新构造扩散器123，并适于其它处理控制属性。
图8是用于选择用于气体分配器160、162的构造的示例性方法的一个实施例的框图。方法800以方框802开始，利用传统的气体扩散器(例如，具有对称气体输送的扩散器)确定由于室传导性而引起的处理结果。在图9A中示出了在方框802获得的用于蚀刻处理的处理结果900，图9A图示了横向和方位角非均匀性。在方框804，假设处理在具有大致均匀传导性的室中进行，选择用于扩散器132的构造到非对称的处理结果。在方框804选择的用于扩散器132的构造补偿方框802的非均匀性，使得在方框806获得所需的处理结果。在方框806获得的处理结果902在图9B中示出，图9B图示了横向和方位角的蚀刻结果得到显著提高。可以选择扩散器132的构造以如图9B所示对处理结果定心，或者将非均匀性减至最小并控制处理结果的横向偏差。
这种处理在改变处理配方时尤其有用。如果一个或者多个气体速率、间距、RF功率、电场或者磁场、衬底基座温度梯度或者其它处理参数改变造成室内传导性或者等离子体的位置的偏移，可以通过改变扩散器132的构造来调节该偏移以提供所需的处理结果。这可以通过更换扩散器或者扩散器内一个或者多个气体分配器来完成。这样，实现了及时和成本有效的处理调节。
尽管前述涉及本发明的一些实施例，但是可以在不脱离其基本范围的情况下设计本发明的其它和另外实施例，其范围由以下权利要求确定。

Claims (20)

1.一种真空处理室，包括：
具有内部体积的室本体；
设置在所述内部体积中的衬底支撑件；
泵送端口，其设置在所述衬底支撑件的衬底支撑表面的平面下方，其中，所述泵送端口的位置和所述内部体积的几何形状具有在衬底上产生非对称处理结果的构造，所述衬底设置在所述支撑件的所述衬底支撑表面；以及
气体分配组件，其定位在所述衬底支撑件的所述衬底支撑表面的所述平面的上方，其中，选择所述气体分配组件的构造以调节由于所述泵送端口和所述内部体积的几何形状引起的处理结果的对称性。
2.根据权利要求1所述的真空处理室，其中，选择所述气体分配组件的构造，以使所述泵送端口的位置和所述内部体积的几何形状引起的处理结果大致对称。
3.根据权利要求1所述的真空处理室，还包括：
至少一个线圈，其定位在所述室本体的外部，并可以被通电以横向调节所述处理结果的分布。
4.根据权利要求1所述的真空处理室，其中，所述气体分配组件还包括：
内和外气体喷射端口，其可独立地控制以改变所述处理结果的横向分布。
5.根据权利要求4所述的真空处理室，其中，所述气体分配组件还包括：
气体分配板，其定位在所述衬底支撑件和所述内和外气体喷射端口之间。
6.一种真空处理室，包括：
具有内体积的室本体；
设置在所述内体积中的衬底支撑件；以及
气体分配组件，其具有非对称分布的气体喷射端口。
7.根据权利要求6所述的真空处理室，其中，选择所述气体喷射端口的分布以产生大致非对称的处理结果。
8.根据权利要求6所述的真空处理室，其中，选择所述气体喷射端口的分布以从由所述室本体的流动传导性产生的非对称结果产生大致对称的处理结果。
9.一种真空处理室，包括：
室本体，其具有限定内部体积的侧壁和盖子；
设置在所述内部体积中的衬底支撑件；以及
气体分配组件，其包括：
耦合到所述盖子的气体分配板；以及
至少一个环，其定位在所述气体分配板和所述盖子之间，所述环具有非对称分布的气体喷射端口。
10.根据权利要求9所述的真空处理系统，其中，所述环的端口还包括与贯通所述气体分配板形成的气体流动孔的取向不同的取向。
11.根据权利要求9所述的真空处理系统，其中，所述气体分配组件还包括内环和外环，所述内环和所述外环各具有气体喷射端口。
12.根据权利要求9所述的真空处理系统，其中，所述环的端口大致垂直于贯通所述气体分配板形成的孔。
13.一种用于真空处理衬底的方法，包括：
将衬底设置在处理室内的衬底支撑件上；
使处理气体横向流入限定在气体分配板上方的空间中，所述气体分配板定位在所述处理室中所述衬底上方；以及
在存在所述处理气体的情况下处理所述衬底。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，处理还包括等离子体处理、表面处理、植入、灰化、蚀刻或者沉积。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，使处理气体横向流入所述空间还包括：
使气体径向向内和径向向外流动。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，使处理气体横向流动到所述空间中还包括：
使气体从环径向流动。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，使处理气体横向流入所述空间中还包括：
使气体从内环径向流动；以及
使气体从外环径向流动。
18.一种气体分配组件，包括：
气体分配板，其具有多个贯通所述板形成的孔，所述孔具有大致平行于所述板的中心线的取向；以及
至少一个环，其耦合到所述气体分配板，所述环具有多个气体喷射端口，所述气体喷射端口具有与所述板的所述孔的取向不同的取向。
19.根据权利要求18所述的气体分配组件，其中，所述至少一个环包括：
内环和外环。
20.根据权利要求18所述的气体分配组件，其中，所述至少一个环的气体喷射端口还具有非对称分布。
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