CN1213848A - 用于大直径晶片的空间均匀的气体供给源和泵结构 - Google Patents
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Abstract
用于半导体处理室的气体分配板包括气体分配板,用于分配在处理室中待处理的半导体晶片表面上的气体。气体分配板有带气体排出孔的基本平面的部件,分配在半导体晶片表面的反应气体,气体排出装置包括在平面部件中限定的多个孔,多个孔在预定位置有不同的面积,调整腐蚀气体流。泵用于在晶片处理期间抽出在半导体晶片表面上产生的反应生成物气体。泵包括通过平面部件延伸的多个有孔管道,孔在预定的位置有不同面积,调整反应气体和反应生成物气体流。
Description
本发明一般涉及半导体晶片腐蚀，特别涉及改善的气体分配板，该板显著地降低出现在整个半导体晶片上的腐蚀处理中的非均匀性。
众所周知，在现有技术中，各种半导体制造技术都需要有选择的去除沉积的金属和介质膜，并且在进行DRAM处理的情况下，需要在半导体晶片中进行深槽腐蚀。近来的趋势是不愿采用众所周知的湿式化学腐蚀处理，而转为利用例如离子腐蚀和等离子体腐蚀等干式腐蚀处理。这是由于与湿式化学腐蚀处理相比，干式腐蚀处理在很大程度上改善了控制性和成本效率。
在设计用来一次处理一片半导体晶片的处理室中进行活性离子腐蚀和等离子体腐蚀。把半导体晶片装在构成处理室下电极的晶片卡盘上。把上电极固定在半导体晶片之上。用在被隔开的于基片之上的上电极和构成处理室基片台阶的下电极之间产生的离子轰击半导体晶片。在局部真空或高真空下，通过气体分配板将不仅提供离子源而且还能够分别改善腐蚀率的腐蚀气体传送到基片并使其分布于整个基片上。这些工作压力取决于是活性离子腐蚀处理或者是等离子体腐蚀处理。
在单晶片系统中，特别是从基片中心到基片边缘，压力差和在腐蚀气体/腐蚀生成混合物上的差别可导致基片表面腐蚀的非均匀性。特别是当基片直径达到或超过300mm时，随着基片直径的增加，这种非均匀性就变得更严重。薄膜淀积或腐蚀的这种非均匀性可导致各种问题。例如，在半导体和集成电路的制造中，这种非均匀性可导致没有功能的器件或比最佳结果的功能少的器件。
对于基片腐蚀的非均匀性问题，现有技术已提供各种解决办法。一种解决办法是对于不同直径的基片采用不同的气体分配板或聚焦环，以补偿腐蚀处理的非均匀性。这种方法的缺点是，寻找适当的气体分配板或聚焦环可能要花费很多时间，并且成本高。此外，适于特殊腐蚀处理的气体分配板可能并不一定适合另一个腐蚀处理。因此，为了对不同的处理使用相同的装置，用户就必须更换花费很多停机时间的气体分配板。
因此，需要改善气体分配板，显著地降低使用现有技术的气体分配板在半导体晶片中心和边缘之间出现的腐蚀非均匀性。
一种用于半导体处理室中的气体分配板，所述气体分配板用于分配在处理室中待处理的半导体晶片表面上的气体。气体分配板有大体为平面的部件，该部件带有在整个半导体晶片表面上分配反应气体的气体排出孔装置，所述气体排出孔装置包括在所述平面部件上限定的多个孔，所述多个孔在预定位置有不同的面积，以调整腐蚀气体流。设置泵装置，用于在晶片处理期间抽出在半导体晶片表面上产生的反应生成物气体。泵装置包括穿过平面部件延伸的多个管道，多个管道有孔，所述孔在预定位置有不同的面积，以调整反应气体和反应生成物气体流，其中气体排出孔装置和泵装置同时作用，以便在晶片处理期间，在整个半导体晶片表面上基本维持反应气体的预定浓度和反应生成物气体的预定浓度。
为了详细理解本发明，下面将参照附图进行详细的说明，其中：
图1A是表示使用现有技术的气体分配板在深槽腐蚀后穿过半导体晶片的横截面图；
图1B是示意性地展示在晶片处理室中安装的现有技术的气体分配板的图；
图1C示出对于在标准处理压力和超过标准40％的更高处理压力的两种情况下进行的深槽腐蚀，腐蚀选择性与距晶片中心距离之间关系的曲线。
图1D示出使用图1B所示的现有技术气体分配板，对于在标准处理压力和在超过标准40％更高处理压力两种情况下进行的深槽腐蚀，在最大TEOS厚度和剩余硬掩模的垂直部分之间的厚度差与距晶片中心的距离之间的关系曲线。
图2A展示使用图1B所示的现有技术气体分配板，对于200mm晶片来说，从边缘到边缘跨越整个晶片的腐蚀气体浓度和腐蚀生成物浓度两者是如何变化的。
图2B描述了使用图1B所示的现有技术气体分配板，腐蚀率达到1500nm/min以上，对应于在300mm的晶片和处理室的上电极之间带有20mm间隙的TEL84DRM的腐蚀结构；
图3A表示本发明气体分配板的底视图；
图3B是表示沿图3A中气体分配板的3B-3B线剖切的横截面图；
图3C示意性地示出在晶片处理室安装的本发明的气体分配板；
图3D用曲线描述使用本发明的气体分配板，从边缘到边缘跨越整个晶片的腐蚀气体浓度和腐蚀生成物浓度两者是如何保持大体相同的图；
图4A展示在200mm晶片上排列的256MbDRAM芯片；
图4B是表示腐蚀气体负载与距晶片中心的径向距离之间关系的曲线图；和
图5表示对应于晶片上负载减小的区域，带有面积减小的孔的气体分配板的底视图。
本发明的气体分配板涉及导致晶片中心和边缘之间非均匀腐蚀的几个因素。这些因素的其中之一涉及处理室的中心与边缘之间出现的工作压力差，导致非均匀腐蚀的另一个因素与抽入处理室中的腐蚀气体的速度有关。
参照图1A，它表示具有高腐蚀率的深槽腐蚀的典型结构的200mm半导体晶片10的一部分。在处理室的上电极和晶片10之间设置27mm间隙的TEL84DRM处理室28(图1B)中腐蚀晶片10。由包括焊盘氮化层14和焊盘TEOS层16的深槽腐蚀硬掩模12覆盖的块硅构成晶片10。用序号18表示的虚线描绘了构图后和深腐蚀前的焊盘TEOS层16。实线描绘了在深槽腐蚀期间是如何腐蚀焊盘TEOS层16的。更具体地说，实线20描绘了在腐蚀后焊盘TEOS层16的最大厚度T，实线22描绘了剩余硬掩模的垂直部分，该部分是在深槽24和26的开口之间的晶片10上保留的焊盘TEOS层16部分的厚度t。
图1B示出TEL84DRM处理室28，它包括产生图1A所示腐蚀结构的现有技术的阳极气体分配板32(GDP)。处理室28使用在腐蚀期间用于支撑晶片10的阴极晶片卡盘30。GDP32包括上板34和下板36。气体输入管道38使腐蚀气体供给源42连接到上板34上中心定位的气体进入孔40上，并将腐蚀气体导入上板34和下板36之间的空间44中。多个气体排出孔46均匀分布在下板36上，并延伸至晶片10的边缘。在深槽腐蚀期间，由腐蚀气体供给源42供给的腐蚀气体(如箭头50所示)，通过气体输入管道38，经气体进入孔40到达上板34和下板36之间的空间44。腐蚀气体穿过气体排出孔46从上板34和下板36之间的空间44流出，均匀地分布在晶片10的表面上。利用真空泵56，经固定于晶片卡盘30之下的排气口54，从处理室中抽出腐蚀气体50和腐蚀生成物气体52。
在图1C和1D中用曲线描绘了产生图1A所示结构的焊盘TEOS的腐蚀率。图1C示出对于在标准处理压力和超过标准40％的更高处理压力的两种情况下进行的深槽腐蚀，腐蚀选择性与距晶片中心距离之间关系的曲线。图1D示出对于在标准处理压力和在超过标准40％更高处理压力两种情况下进行的深槽腐蚀，在最大TEOS厚度和剩余硬掩模的垂直部分之间的厚度差与距晶片中心的距离之间的关系曲线。
如图1C所示，对于标准处理压力下的深槽腐蚀，相对焊盘TEOS层的腐蚀选择性随着向晶片的外边缘的移动而下降。当使用超过标准40％的较高腐蚀处理时，腐蚀气体的浓度增加，并且焊盘TEOS层的选择性有预定的增加。但是，选择性仅在晶片的中心或其附近明显地增加。如图1D所示，在使用标准处理压力的晶片外边缘出现选择性下降，使最大TEOS厚度和外壳侧的高度之间的厚度差增加。但是，由于增加的处理压力在晶片的中心比在晶片的边缘对腐蚀选择性的影响更大，所以当从晶片的中心移向晶片边缘时，处理压力增加40％会导致不期望增加的这种厚度差。该信息表明系统的气体流动力学仅在晶片的中心而不在晶片的边缘产生主要的压力增加。可以认为，这种结果是由处理室中心的压力与处理室边缘的压力之间存在明显差别而造成的，其中晶片的边缘与处理室的边缘对准。
能够引起腐蚀处理的非均匀性的其它因素包括在深槽腐蚀期间产生的腐蚀生成物。在腐蚀期间，必须通过处理室的真空泵将腐蚀生成物以及腐蚀气体从衬底输送出去。图1B所示的现有抽真空方法产生如图2A和2B所示的结果。如图所示，现有抽真空方法允许在晶片上的压力差和腐蚀气体以及腐蚀生成物的不同扩散系数，从而产生腐蚀气体和腐蚀生成物的分布。图2A表示对于200mm晶片来说，从边缘到边缘跨越整个晶片的腐蚀气体浓度和腐蚀生成物浓度两者是如何变化的。对于直径更大的晶片和更高的腐蚀率，腐蚀气体/腐蚀生成物的分布现象会更加恶化。如图2B所示，它描述了腐蚀率达到1500nm/min和更高，对应于在300mm的晶片和处理室的上电极之间带有20mm间隙的TEL84DRM的腐蚀结构。可以看出，晶片中心的腐蚀气体和腐蚀生成物浓度C1C和C2C分别明显不同于在晶片边缘的腐蚀气体和腐蚀生成物浓度C1E和C2E。因此，比较晶片中心的气体体积与晶片边缘上的气体体积，可以预料，气体混合物和腐蚀气体及腐蚀生成物的压力明显不同。
参见图3A和3B，它们表示本发明的GDP60。GDP60包括上板62和下板64，下板距上板62一定间隔，以便限定空间或集流腔72。通过空间72，多个彼此隔开的圆柱管道68在上板62和下板64之间延伸。各管道68限定气体通道69。在上板62和下板64之间延伸的周边表面71上限定多个彼此隔开的气体进入孔70，不过，如果需要，气体进入孔还可以形成在上板62上。下板64包括多个彼此隔开的气体排出孔66。
由于由GDP60实现腐蚀气体供给源和腐蚀气体/腐蚀生成物的抽出，所以本发明的GDP60能够使晶片，特别是300mm数量级以上的大直径晶片在最小腐蚀气体流和压力限制的情况下均匀地腐蚀。
图3C示出在处理室86例如TEL84DRM处理室中安装的GDP60。环形气体输入管道76围绕GDP60延伸，并包括多个支管74，支管74把腐蚀气体供给源(未示出)连接到沿表面71确定的气体进入孔70上，以便将腐蚀气体88导入上板62和下板64之间的空间72。用普通的阀门控制通过气体输入管道76的腐蚀气体88的流动。多个气体排出孔66均匀地分布在下板64上，并向外延伸到晶片84的边缘。在深槽腐蚀期间，从腐蚀气体供给源将腐蚀气体(如箭头88所示)，通过气体输入管道76和支管74，并经气体进入孔70送到上板62和下板64之间的空间72。腐蚀气体88通过气体排出孔66从空间72流出，并均匀地分布在晶片84的表面上。为了在GDP60中提供均匀的气体压力，气体排出孔66具有确保在GDP60的下板64和晶片84表面之间明显的压力落差的尺寸。通过由GDP60的管道68限定的气体通道69和在GDP60上固定的抽真空口78，利用真空泵80，把腐蚀气体88和腐蚀生成物气体90从处理室中抽出，真空泵控制GDP60的上板62和下板64之间的腐蚀气体压力。因此，本发明的GDP60在晶片84表面上的气体压力形成局部平衡的小单元，即腐蚀气体88和腐蚀生成物90的局部压力在晶片上大致恒定。因此，在晶片84边缘的气体体积与靠近晶片84中心的气体体积中具有同样的腐蚀气体和腐蚀生成物的气体浓度。
图3D用曲线描述对300mm晶片使用本发明的GDP的结果。图3D表示相对于晶片位置的腐蚀气体和腐蚀生成物的浓度。由图可知，腐蚀气体的浓度几乎与晶片上的位置无关。同样，腐蚀生成物的浓度也几乎与晶片上的位置无关。这表明在晶片边缘上的气体体积与在中心的气体体积中应该有大致相同的腐蚀气体和腐蚀生成物的气体浓度。因此，本发明的GDP60在跨越晶片的气体处理室中均匀地产生局部平衡的小单元。因此，即使当使用直径300mm以上的晶片时，在整个晶片上的腐蚀率也基本均匀，即在晶片边缘的腐蚀率与靠近中心的腐蚀率相等。
参照图4A和4B，表示处理期间在200mm晶片上的芯片分布。在处理室内同心地放置晶片100。在处理期间，晶片100的中心位于GDP60的中心之下。由于芯片110的矩形形状，所以排列于晶片100上的芯片在晶片100的周边104上产生空的区域。因此，在晶片100的中心，称为负载的所需腐蚀气体88的量高于晶片100周边104上的量。
图4B表示在典型的晶片腐蚀处理中，在200mm晶片100上有256MbDRAM芯片110时，负载与距离之间关系的曲线图。在半径75mm至100mm之间的转变区域负载从中心值下降，并在超过100mm后变为0。对于更大的晶片，该问题会扩大。
按照本发明说明的技术，可实现更均匀的腐蚀率。参照图5，在晶片周边上的负载因芯片的缺少变小。在晶片周边气体排出孔66a和气体通道69a的尺寸与减小的负载相关地减小。300mm的晶片最好采用在半径超过75mm后带有气体排出孔66a和气体通道69a的GDP60。在75mm的半径内，气体排出孔66和气体通道69的面积大约是孔和通道的一半。被减小的面积有利于适配在转换区域和在300mm晶片的周边减小的负载。还可以考虑使孔66和通道69在GDP60上预定位置有预定的面积，以便在晶片上调整不同的负载条件时适配气流。通过建立把负载条件连同均匀气体浓度一起进行考虑的条件，实现腐蚀处理的改善。
应该指出，上述实施例仅仅是示例性的，本领域的技术人员利用在功能上等效的部件可对这些实施例中的上述部件进行变化和改进。所有这些改进以及对本领域技术人员来说显而易见的其它改进，都包括在由权利要求书所限定的本发明范围内。
Claims (20)
1．一种用于半导体处理室中的气体分配板，所述气体分配板用于分配在处理室中待处理的半导体晶片表面上的气体，它包括：
基本为平面的部件，带有在整个半导体晶片表面上分配反应气体的气体排出孔装置，所述气体排出孔装置包括在所述平面部件上限定的多个孔，所述多个孔在预定位置有不同的面积，以调整腐蚀气体流；和
泵装置，用于在晶片处理期间抽出在半导体晶片表面上产生的反应生成物气体，所述泵装置包括穿过所述平面部件延伸的多个管道，所述多个管道有孔，所述孔在预定位置有不同的面积，以调整反应气体和反应生成物气体流；
其中，所述气体排出孔和所述泵装置同时作用，以便在晶片处理期间，在整个半导体晶片表面上基本维持反应气体的预定浓度和反应生成物气体的预定浓度。
2．如权利要求1的气体分配板，其中，所述各气体排出孔的所述多个孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积；和
所述多个管道的各个所述孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积。
3．如权利要求2的气体分配板，其中，所述第一半径距离是75毫米。
4．如权利要求2的气体分配板，其中，对于气体排出孔的所述孔和多个管道的所述孔来说，所述第二面积是所述第一面积的一半。
5．如权利要求1的气体分配板，其中，所述基本平面的部件包括第一基本平面的部件和距所述第一部件一定间隔的第二基本平面的部件。
6．如权利要求5的气体分配板，其中，所述气体排出孔与所述第二平面部件有关，所述泵装置与所述第一和第二平面部件有关。
7．如权利要求5的气体分配板，其中，还包括在所述第一和第二平面部件之间延伸的壁，所述壁包括气体进入装置，该装置把反应气体引入在所述第一和第二平面部件之间限定的空间内。
8．如权利要求7的气体分配板，其中，所述气体进入装置包括沿所述壁限定的多个孔。
9．一种半导体处理室，包括：
卡盘，用于支撑半导体晶片；和
在所述卡盘上彼此隔开的气体分配板，用于分配在晶片处理期间安装于所述卡盘上的半导体晶片表面的气体，所述气体分配板包括：基本平面的部件，带有在整个半导体晶片表面上分配反应气体的气体排出孔，所述气体排出孔包括在所述平面部件上限定的多个孔，所述多个孔在预定位置有不同的面积，以调整腐蚀气体流；和
泵装置，用于在晶片处理期间抽出在半导体晶片表面上产生的反应生成物气体，所述泵装置包括穿过所述气体分配板延伸的多个管道，所述多个管道有孔，所述孔在预定位置有不同的面积，以调整反应气体和反应生成物气体流；
其中，所述气体排出孔和所述泵装置同时作用，以便在晶片处理期间，在整个半导体晶片表面上基本维持反应气体的预定浓度和反应生成物气体的预定浓度。
10．如权利要求9的半导体处理室，其中，所述各气体排出孔的所述多个孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积；和
所述多个管道的各个所述孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积。
11．如权利要求10的半导体处理室，其中，所述第一半径距离是75毫米。
12．如权利要求10的半导体处理室，其中，对于气体排出孔的所述孔和多个管道的所述孔来说，所述第二面积是所述第一面积的一半。
13．如权利要求9的半导体处理室，其中，所述基本平面的部件包括第一基本平面的部件和距第一部件一定间隔的第二基本平面的部件。
14．如权利要求13的半导体处理室，其中，所述气体排出孔与所述第二平面部件有关，所述泵装置与所述第一和第二平面部件有关。
15．如权利要求13的半导体处理室，其中，所述气体分配板包括在所述第一和第二平面部件之间延伸的壁，所述壁包括气体进入装置，该装置把反应气体引入到在所述第一和第二平面部件之间限定的空间中。
16．如权利要求15的半导体处理室，其中，所述气体进入装置包括沿所述壁限定的多个孔。
17．如权利要求13的半导体处理室，其中，所述泵装置还包括使所述管道内产生真空的真空泵，所述真空操作使反应气体和反应生成物气体排出所述半导体处理室。
18．一种用于半导体晶片腐蚀室中的气体分配板，所述气体分配板用于分配在该室中待腐蚀的半导体晶片表面上的气体，它包括：
第一基本平面的部件和距第一部件一定间隔的第二基本平面的部件；
在所述第一和第二平面部件之间延伸的壁，所述壁包括多个腐蚀气体进入孔，该孔把腐蚀气体引入到所述第一和第二平面部件之间限定的空间中；
多个排出孔，用于分配半导体晶片表面上的腐蚀气体，所述多个排出孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积，以调整腐蚀气体流；和
泵装置，用于在晶片处理期间抽出在半导体晶片表面上产生的反应生成物气体，所述泵装置包括通过所述第一平面部件和第二平面部件延伸的多个管道，所述多个管道有孔，所述管道的孔在距所述气体分配板的中心点的第一半径距离内有第一面积，在超过所述第一半径距离之后有第二面积，以调整反应气体和反应生成物气体流；
其中，所述多个气体排出孔和所述泵装置同时作用，以便在晶片处理期间，在整个半导体晶片表面上基本维持腐蚀气体的预定浓度和腐蚀生成物气体的预定浓度。
19．如权利要求18的气体分配板，其中，所述第一半径距离是75毫米。
20．如权利要求18的气体分配板，其中，对于所述排出孔和多个管道的所述孔来说，所述第二面积是所述第一面积的一半。
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