CN1969060A - 具有快速气体切换能力的气体分配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于向腔室、诸如等离子处理设备的等离子处理腔室中供应不同气体组分的气体分配系统。气体分配系统可包括气体供应部件、流动控制部件和开关部件。气体供应部件提供第一和第二气体、通常为气体混合物至流动控制部件，流动控制部件控制第一和第二气体到腔室的流动。腔室可包括多个区域，而流动控制部件可以所需的气体流动速率供应第一和第二气体至多个区域。气体分配系统可连续供应第一和第二气体至开关部件，而开关部件可操作地切换第一和第二气体流动，使得第一和第二处理气体中的一种被供应至腔室，而另一种气体被供应至旁通管线，并然后切换气体流动。开关部件优选包括快速开关阀门，其可操作地快速地打开和关闭从而允许第一和第二气体的快速切换，优选在任一种气体流动时不出现不期望的压力波动或流动不稳定性。

Description

具有快速气体切换能力的气体分配系统
背景技术
在等离子处理设备中处理半导体结构，其中等离子处理设备包括等离子处理腔室、供应处理气体到腔室中的气体源、以及由处理气体产生等离子体的能量源。半导体结构在这样的设备中通过下列技术被处理，这些技术包括干法刻蚀处理、沉积处理、诸如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积，或金属、介电和半导体材料的等离子增强化学气相沉积(PECVD)、和光刻胶剥离处理。不同处理气体用于这些处理技术，以及处理半导体结构的不同材料。
发明内容
本发明提供了一种可操作地向真空腔室、诸如等离子处理腔室供应所选择的气体的气体分配系统。气体可以是刻蚀气体组分和/或沉积气体组分。优选实施例的气体分配系统可提供快速气体切换能力，这允许系统在短时间内在供应到真空腔室的不同气体之间切换，优选不出现不期望的任何气体的压力波动(pressure surge)或流动不稳定性。某些优选实施例的气体分配系统可向真空腔室内部不同区域提供所选择的气流，包括不同气体化学成分和/或流动速率。
一个优选实施例的气体分配系统包括用于与第一气体管线(gasline)流体连通的第一气体通道和第二气体通道，和用于与第二气体管线流体连通的第三气体通道和第四气体通道。第一和第三气体通道用于供应气体至真空腔室内部，而第二和第四气体通道用于供应气体至旁通管线(by-pass line)。第一、第二、第三和第四快速开关阀门分别沿第一、第二、第三和第四气体通道设置。第一和第四快速开关阀门适于接收信号以在第二和第三快速开关阀门关闭时打开，从而经第一气体管线和第一及第三气体通道向真空腔室供应第一气体，同时经第二气体管线和第二及第四气体通道向旁通管线供应第二气体。第二和第三快速开关阀门适于接收信号以在第一和第四快速开关阀门关闭时打开，从而经第二气体管线和第三气体通道向真空腔室供应第二气体，同时经第一气体管线和第二气体通道向旁通管线供应第一气体。
本发明提供了用于供应气体至等离子处理腔室的气体分配系统的另一优选实施例，其中等离子处理腔室包括具有彼此流动隔离的内部和外部区域的气体分配元件，其包括适于与第一处理气体源、内部区域和旁通管线流体连通的第一气体通道；适于与第一处理气体源、外部区域和旁通管线流体连通的第二气体通道；适于与第二处理气体源、内部区域和旁通管线流体连通的第三气体通道；和适于与第二处理气体源、外部区域和旁通管线流体连通的第四气体通道。气体分配系统包括快速开关阀门，其适于接收信号以打开和关闭，以便(i)经第一和第二气体通道向内部和外部区域供应第一处理气体，而第二处理气体经第三和第四气体通道被供应到旁通管线，和(ii)改变第一和第二处理气体的流动，从而经第三和第四气体通道供应第二处理气体至内部区域和外部区域，而第一处理气体经第一和第二气体通道供应到旁通管线。
本发明提供了用于供应气体至等离子处理腔室的气体分配系统的另一优选实施例，其中等离子处理腔室包括具有彼此流动隔离的内部区域和外部区域的气体分配元件，其包括具有多个第一气体通道的气体开关部件，其中每个第一气体通道适于(i)与至少一个第一气体通道和/或至少一个第二气体通道流体连通，和(ii)与气体分配元件的内部区域、气体分配元件的外部区域和旁通管线中至少一个流体连通。气体开关部件也包括快速开关阀门装置，其适于接收信号以(iii)打开第一组快速开关阀门并关闭第二组快速开关阀门，以便供应第一处理气体至内部和外部区域，而第二处理气体经第一组第一气体通道被转向到旁通管线，和(iv)关闭第一组快速开关阀门并打开第二组快速开关阀门，从而切换第一和第二处理气体流，以供应第二处理气体至内部区域和外部区域，而第一处理气体经第二组第一气体通道转向到旁通管线。
本发明提供了在等离子处理腔室中处理半导体结构的方法的一个优选实施例，其包括a)供应第一处理气体至等离子处理腔室，同时将第二处理气体转向到旁通管线，其中等离子处理腔室包含包括至少一个层的半导体衬底，并且图案化光刻胶掩膜覆盖该层；b)激励第一处理气体从而产生第一等离子体，并且(i)刻蚀该层中至少一个特征或(ii)在掩膜上形成聚合物沉积；(c)切换第一和第二处理气体流，从而第二处理气体被供应到等离子处理腔室，同时将第一处理气体转向至旁通管线，第一处理气体在小于约1秒钟、或小于约200毫秒的时间里在等离子处理腔室的等离子体限制区域中被第二处理气体基本取代；d)激励第二处理气体从而产生第二等离子体，并且(iii)在该层中刻蚀至少一个特征，或(iv)在该层和掩膜上形成沉积；e)切换第一和第二处理气体流，使得第一处理气体被供应到等离子处理腔室，而将第二处理气体转向至旁通管线，其中第二处理气体在小于约1秒钟，或小于约200毫秒的时间里在等离子处理腔室的等离子体限制区域中被第一处理气体基本取代；和f)对衬底重复步骤a)-e)多次。
附图说明
图1是等离子处理设备的一个示例性实施例的剖视图，其可与气体分配系统的优选实施例一起使用。
图2示出气体分配系统的一个优选实施例。
图3描绘气体分配系统的气体供应部件的一个优选实施例。
图4描绘气体分配系统的流动控制部件的一个优选实施例。
图5描绘气体分配系统的气体开关部件的第一优选实施例。
图6描绘气体分配系统的气体开关部件的第二优选实施例。
图7描绘气体分配系统的气体开关部件的第三优选实施例。
具体实施方式
用于处理半导体材料、诸如在半导体衬底、例如硅晶片上所形成的半导体器件的等离子处理设备，包括等离子处理腔室和向等离子处理腔室供应处理气体的气体分配系统。气体分配系统可在等离子体处理过程中在衬底表面上分配气体至单个区域或多个区域。气体分配系统可包括流动控制器，以控制到这些区域的相同或不同处理气体、或气体混合物的流动速率(flow rate)，从而允许在处理中调节气体流动和气体组分在衬底上的均匀性。
虽然多区域气体分配系统相比于单区域系统可提供改进的流动控制，但可能需要为这样的系统提供允许其中气体组分和/或气体流动可在短时间内改变的衬底处理操作的结构。
提供了一种用于供应不同气体组分和/或流动比率(flow ratio)到腔室的气体分配系统。在一个优选实施例中，气体分配系统适于与真空腔室、诸如等离子处理设备的等离子处理腔室的内部流体连通，并提供在处理操作过程中供应不同气体化学成分和/或气体流动速率至真空腔室的能力。等离子处理设备可以是低密度、中等密度或高密度等离子体反应器，其包括使用RF能量、微波能量、磁场等产生等离子体的能量源。例如，高密度等离子体可以在变压器耦合等离子体(TCPTM)反应器中产生，也被称为感应耦合等离子体反应器、电子回旋共振共振(ECR)等离子体反应器、电容性放电等。优选实施例的气体分配系统可与其一起使用的示例性等离子体反应器包括ExelanTM等离子体反应器，诸如2300ExelanTM等离子体反应器，其可从位于加利福尼亚州Fremont的Lam Research Corporation得到。在等离子刻蚀处理过程中，多个频率可被应用到包括电极和静电吸盘的衬底支撑件上。可替换地，在双频率等离子体反应器中，不同频率可被应用到衬底支撑件和与衬底隔开的电极上，诸如喷头电极。
气体分配系统的一个优选实施例可经单个区域或多个区域、优选至少靠近待处理衬底的暴露表面的气体分配元件的内部区域和外部区域，供应第一气体到真空腔室的内部，诸如等离子处理腔室。内部和外部区域在等离子处理腔室中彼此径向隔开，并优选流动隔离。气体分配系统可同时将与第一气体不同的第二气体转向至真空腔室旁通管线。旁通管线可与真空泵等流体连通。在一个优选实施例中，第一气体是第一处理气体，而第二气体是另一处理气体。例如，第一气体可以是第一刻蚀气体化学成分或沉积气体化学成分，而第二气体可以是另一刻蚀气体化学成分或沉积气体化学成分。气体分配系统可同时分别提供第一气体的不同受控流动速率至内部区域和外部区域，而第二气体被转向到旁通管线，反之亦然。通过将一种气体转向至旁通管线，供应到真空腔室的气体的切换可在短时间内实现。
气体分配系统包括开关装置，其允许在短时间内在供应到真空腔室内部的第一和第二气体之间实现气体转换或气体切换，其中真空腔室包括单个区域或包括多个区域。对于多区域系统，气体分配系统可以供应第一气体到内部和外部区域，同时第二气体被转向到旁通管线，然后在短时间内切换气体分配，使得第二气体被供应到内部区域和外部区域，同时第一气体被转向到旁通管线。气体分配系统可替换地可以供应第一和第二气体到真空腔室的内部，其中每种气体被供应一个期望的时间段，从而允许在使用不同气体化学物质的不同处理操作之间快速切换，例如处理半导体器件的方法的交替步骤。在一个优选实施例中，该方法步骤可以是不同的刻蚀步骤，例如更快的刻蚀步骤，诸如主刻蚀(main etch)，和相对慢的刻蚀步骤，诸如过刻蚀(overetch)步骤；刻蚀步骤和材料沉积步骤；或不同材料沉积步骤，其在衬底上沉积不同材料。
在气体分配系统的一个优选实施例中，真空腔室内限定区域、优选为等离子体限制区域中气体成分容积可由在短时间内引入到真空腔室中的另一气体成分取代(即冲走)。这样的气体置换优选地可以通过在气体分配系统中提供具有快速切换能力的阀门，而在小于约1秒、更优选在小于约200毫秒的时间里实现。对于处理200毫米或300毫米晶片的等离子处理腔室，等离子体限制区域可具有约1/2升到约4升的气体容积。等离子体限制区域可以通过限制环堆叠来限定，诸如在共同所有的美国专利No.5534751中所公开的，该专利被完整包括在此以供参考。
图1描绘示例性半导体材料等离子处理设备10，其中气体分配系统100的实施例可与其一起使用。设备10包括具有内部空间的真空腔室或等离子处理腔室12，该内部空间包含衬底支撑件14，在等离子处理过程中衬底16就支撑于衬底支撑件14上。衬底支撑件14包括夹持装置，优选为静电吸盘18，其在处理过程中可操作地将衬底16夹紧在衬底支撑件14上。衬底可被焦环(focus rings)和/或缘环(edgerings)、底座延伸件(ground extensions)或其它部件包围，诸如共同所有的美国专利申请No.US 2003/0029567中所公开的那些部件，该申请全部内容包括在此以供参考。
在一个优选实施例，等离子处理腔室12包括等离子体限制区域，其具有约1/2升到约4升、优选约1升到约3升的容积。例如，等离子处理腔室12可包括限制环结构、诸如在共同所有的美国专利No.5534751中所公开的那样，以便限制等离子体限制区域，该专利全部内容包括在此以供参考。气体分配系统可在小于约1秒、优选小于约200毫秒的时间段中以另一气体取代等离子体限制区域中的这种容积的气体，而没有显著反扩散。限制机构可限制从等离子体容积到等离子体容积外部的等离子处理腔室12内部的部分的流体流通。
衬底16可包括基体材料，诸如硅晶片；基体材料上待处理、例如刻蚀的材料的中间层；中间层上的掩膜层。中间层可以是导电的、介电的或半导体的材料。掩膜层可以是图案化光刻胶材料，其具有开口图案，用于在中间层和/或一个或多个其它层中刻蚀期望的特征，例如孔、通孔和/或沟槽。根据在基体材料上所形成的半导体器件的类型，衬底可包括在基体层和掩膜层之间的导电的、介电的或半导体的材料的附加层。
可被处理的示例性介电材料是例如搀杂的氧化硅，诸如含氟氧化硅(fluorinated silicon oxide)；未搀杂的氧化硅，诸如二氧化硅；旋涂玻璃(spin-on glass)；硅酸盐玻璃；搀杂的或未搀杂的热二氧化硅；搀杂或未搀杂的TEOS沉积的氧化硅。这样的介电材料可位于导电的或半导体的层之上，诸如多晶硅；金属，诸如铝、铜、钛、钨、钼和它们的合金；氮化物，诸如氮化钛；以及金属硅化物，诸如硅化钛、硅化钨和硅化钼。
图1中所示的示例性等离子处理设备10包括喷头电极组件，其具有形成等离子体腔室壁的支撑板20，和连接到支撑板的喷头22。挡板组件位于喷头22和支撑板20之间，以均匀地将处理气体分配到喷头的背部28。挡板组件可包括一个或多个挡板。在该实施例中，挡板组件包括挡板30A、30B和30C。敞开的充气室(plenum)48A、48B和48C被限定在挡板30A、30B和30C之间；以及挡板30C和喷头22之间。挡板30A、30B和30C以及喷头22包括将处理气体流通进入等离子处理腔室12内部的通道。
在该实施例中，板20和挡板30A之间的充气室及挡板30A、30B和30C之间的充气室48A、48B和48C被密封件38a、38b、38c和38d，诸如O形圈划分为内部区域42和外部区域46。内部区域42和外部区域46可通过气体分配系统100供应以具有不同气体化学成分和/或流动速率的处理气体，优选在控制器500的控制下。气体被从内部区域气体供应源40供应到内部区域42，并且气体被从外部区域气体供应源44供应到环行通道44a然后进入外部区域46。处理气体流过挡板30A、30B和30C和喷头22中的通道并进入等离子处理腔室12的内部。处理气体在等离子处理腔室12中通过功率源、诸如RF源驱动电极22、或驱动衬底支撑件14中电极的功率源激励为等离子状态。在不同气体成分被供应到等离子处理腔室12时，施加到电极22的RF功率可改变，优选在小于约1秒、更优选小于200毫米的时间内。
在另一优选实施例中，等离子处理设备10可包括将处理气体注入等离子处理腔室中的气体注入系统。例如，气体注入系统可具有在共同所有的美国专利申请No.09/788365、美国专利申请No.10/024208、美国专利No.6013155、或美国专利No.6270862中所公开的配置，这些专利(申请)的全部内容被包括在此以供参考。
图2示出一个优选实施例，其中气体分配系统100包括彼此流体连通的气体供应部件200、流动控制部件300、和气体开关部件400。气体分配系统100优选还包括控制器500(图1)，其被以控制通信方式连接，以控制气体供应部件200、流动控制部件300和气体开关部件400的操作。
在气体分配系统100中，气体供应部件200可经相应的第一和第二气体管线235、245向流动控制部件300供应不同气体，诸如第一和第二处理气体。第一和第二气体可具有彼此不同的组分和/或气体流动速率。
流动控制部件300可操作地控制可供应到开关部件400的不同气体的流动速率，并可选地调整组分。流动控制部件300可分别经气体通道324、326和364、366提供第一和第二气体的不同流动速率和/或化学成分至开关部件400。此外，对于内部区域42和外部区域46，供应到等离子处理腔室12的第一气体和/或第二气体的流动速率和/或化学成分(同时另一种气体被转向到旁通管线50，该旁通管线可以与真空泵送系统、诸如涡轮泵和低真空泵之间流体连通)。因此，流动控制部件300可在衬底16上提供期望的气体流和/或气体化学成分，从而增强衬底处理的均匀性。
在气体分配系统100中，开关部件400在短时间内可操作地从第一气体切换到第二气体，从而允许在单个区域或多个区域、例如内部区域42和外部区域46中第一气体被第二气体置换，同时将第一气体转向至旁通管线，或反之。气体开关部件400优选地可在第一气体和第二气体之间切换，而不出现这两种气体的流动中的不期望的压力波动和流动不稳定性。如果需要，气体分配系统100可维持流过等离子处理腔室12的第一和第二气体的基本恒定的连续容积流动速率。
图3示出气体分配系统100的气体供应部件200的一个优选实施例。气体供应部件200优选地连接到控制器500，以控制流动控制部件的操作，诸如阀门和流动控制器，从而允许可由气体供应部件200供应的两种或多种气体组分的控制。在该实施例中，气体供应部件200包括多个气体源202、204、206、208、210、212、214和216，每个气体源都与第一气体管线235和第二气体管线245流体连通。这样，气体供应部件200可供应多种所需的不同气体混合物至等离子处理腔室12。包括在气体分配系统100中的气体源的数量不局限于任何特定数量的气体源，但优选包括至少两个不同气体源。例如，气体供应部件200可包括多于或少于图3所示实施例中所包含的8种气体源。例如，气体供应部件200可包括两个、三个、四个、五个、十个、十二个、十六个或更多气体源。可通过相应气体源提供的不同气体包括单种气体，诸如O2、Ar、H2、Cl2、N2等，以及气态碳氟化合物和/或氟代烃(fluorohydrocarbon)化合物，诸如CF4、CH3F等。在一个优选实施例中，等离子处理腔室是刻蚀腔室，且气体源202-216可供应Ar、O2、N2、Cl2、CH3、CF4、C4F8和CH3F或CHF3(以任意合适的顺序)。各气体源202-216供应的特定气体可基于在等离子处理腔室12中要执行的期望处理来选择，例如特定的干法刻蚀和/或材料沉积处理。气体供应部件200对于可被提供用于执行刻蚀处理和/或材料沉积处理的气体的选择可提供广泛的多功能性。
气体供应部件200优选也包括至少一个调节气体(tuning gas)源，以调节气体组分。调节气体可以是，例如O2、惰性气体，诸如氩，或反应气体(reactive gas)，诸如碳氟化合物或氟代烃气体，例如C4F8。在图3所示的实施例中，气体供应部件200包括第一调节气体源218和第二调节气体源219。如下面所述，第一调节气体源218和第二调节气体源219可供应调节气体，以调节供应到气体开关部件400的第一和/或第二气体的组分。
在图3所示的气体供应部件200的实施例中，流动控制装置240优选地被设置在分别与气体源202、204、206、208、210、212、214和216流体连通的气体通道222、224、226、228、230、232、234和236的每个中，并且也被设置在分别与第一调节气体源218和第二调节气体源219流体连通的气体通道242、244中。流动控制装置240可操作地控制由相关气体源202-216和218、219所供应的气体的流动。流动控制装置240优选是质量流动控制器(MFC：mass flowcontroller)。
在图3所示的实施例中，阀门250、252沿气体通道位于每个气体源202-216下游。阀门250、252可以选择性地打开或关闭，优选在控制器500的控制下，从而允许不同气体混合物流到第一气体管线235和/或第二气体管线245。例如，通过打开与一个或多个气体源202-216关联的阀门252(同时其余与其他气体源202-216关联的阀门252关闭)，第一气体混合物可供应到第一气体管线235。相似地，通过打开与一个或多个其它气体源202-216关联的阀门250(同时其余与其它气体源202-216关联的阀门250关闭)，第二气体混合物可供应到第二气体管线245。因此，第一和第二气体的不同混合物和质量流动比率(mass flow rate)可通过气体供应部件200的受控操作而被提供给第一气体管线235和第二气体管线245。
在一个优选实施例中，气体供应部件200可操作地分别经第一气体管线235和第二气体管线345提供第一和第二气体的连续流动。第一气体或第二气体流入等离子处理腔室12，而其它气体被转向到旁通管线。旁通管线可连接到真空泵等。通过连续流动第一和第二气体，气体分配系统100可实现气体流动的快速切换。
图4示出气体分配系统100的流动控制部件300的一个优选实施例。流动控制部件300包括与来自气体供应部件200的第一气体管线235流体连通的第一流动控制部件305、和与来自气体供应部件200的第二气体管线245流体连通的第二流动控制部件315。流动控制部件300可操作地控制分别供应到内部区域42和外部区域46的第一气体的比率，同时第二气体被转向到旁通管线，并控制分别供应到内部区域42和外部区域46的第二气体的比率，同时第一气体被转向到旁通管线。第一流动控制部件305将在第一气体管线235引入的第一气体流分成第一气体的两个独立出口流，而第二流动控制部件315将在第二气体管线245引入的第二气体流分成第二气体的两个独立出口流。第一流动控制部件305包括经开关系统400分别与内部区域42和外部区域46流体连通的第一和第二气体通道324、326，而第二流动控制部件315包括经开关系统400分别与内部区域42和外部区域46流体连通的第一和第二气体通道364、366。
在一个优选实施例中，第一流动控制部件305和第二流动控制部件315每个都包括至少两个限流器(flow restrictor)。每个限流器优选具有固定的限制尺寸，以便气体流过它。限流器优选是孔口。限流器限制气流并在孔口上游和附近的气体通道区域中保持近似恒定的气体压力。第一流动控制部件305和第二流动控制部件315中每个都优选包括孔口网络，例如两个、三个、四个、五个或更多孔口，每个孔口优选具有不同的横截面限制尺寸，例如不同的直径或不同的横截面面积。孔口的限制尺寸小于气体分配系统100的气流路径的其它部分的横截面面积。孔口优选是音速孔(sonic orifice)。在流动控制部件300中气流优选以临界流态(critical flow regime)操作，使得给定孔口的流导(flow conductance)由其限制尺寸和上游压力唯一确定。随着孔口的流导增加，实现穿过孔口的给定流动速率的孔口上压力降降低。
在图4所示的实施例中，第一和第二流动控制部件305、315每个都包括五个孔口330、332、334、336和338。例如，孔口330、332、334、336和338可分别具有1、2、4、8和16的相对的限制尺寸，例如直径。因此，当气流穿过所有5个孔口330-338时，四个孔口330-336具有与单个孔口338近似相同的总流导。可替换地，四个孔口330-336中至多3个可以打开以提供孔口330-336的总流导与孔口338的流导的不同比率，以便供应不同比率的第一气流和第二气流至内部区域42和外部区域46。
另一实施例可包括不同数量的孔口，例如总共两个孔口；包括孔口338和取代多个孔口330-338的第二孔口。第二孔口优选具有与孔口338相同的限制尺寸。在这样的实施例中，供应到内部区域42和外部区域46的第一气体和/或第二气体的流动比率约为1∶1。
阀门320优选位于各个孔口330-338的上游，以控制第一气体和第二气体到孔口的流动。例如，在第一流动控制部件305和/或第二流动控制部件315中，一个或多个阀门320可被打开以允许第一气体和/或第二气体流动到一个或多个相关孔口330-336，同时其它阀门320被打开以允许第一气体和/或第二气体流到孔口338。
在第一流动控制部件305中，孔口330-336与气体通道322流体连通。气体通道322被分成第一和第二气体通道324、326，其与气体开关部件流体连通。一对阀门320位于第一和第二通道324、326中，以控制流过第一流动控制部件305的一个或多个孔口330-336的第一气体到内部区域42和/或外部区域46的流动。在一个可替换实施例中，一对沿气体通道324、326设置的阀门320可由单个，四向阀门取代。
在第一流动控制部件305中，孔口338沿气体通道319设置。气体通道319被分成气体通道331、333，其分别与第一和第二气体通道324、326流体连通。一对阀门320位于气体通道331、333中，以控制经孔口338流进第一和第二气体通道324、326的第一气体的流动。在一个可替换实施例中，这对沿气体通道331、333设置的阀门320可用单个的四向阀门取代。
在第二流动控制部件315中，一对阀门320沿第一和第二气体通道364、366设置，从而控制经孔口330-336中一个或多个流进等离子处理腔室的内部区域42和外部区域46的第二气体的流动。在一个可替换实施例中，这对沿气体通道364、366设置的阀门320可用单个的四向阀门取代。
在第二流动控制部件315中，孔口338沿气体通道359设置。气体通道359被分成气体通道372、374，其分别与第一和第二气体通道364、366流体连通。一对阀门320位于气体通道372、374中，从而控制经孔口338流进第一和/或第二气体通道364、366的第二气体的流动。在一个可替换实施例中，这对沿气体通道372、374设置的阀门320可用单个的四向阀门取代。
孔口330-338被包括在流动控制部件300中，从而当气体分配系统100将流进等离子处理腔室12中的气体从第一气体改为第二气体时防止气流中压力波动和流动的不稳定性，反之也一样。
在图4所示的实施例中，第一调节气体源218的气体通道242(图3)被设置，以供应第一调节气体至第一流动控制部件305的第一气体通道324和/或第二气体通道326，从而调节第一气体组分。第二调节气体源219的气体通道244(图3)被设置，以供应第二调节气体至第二流动控制部件315的第一气体通道364和/或第二气体通道366，从而调节第二气体组分。第一和第二调节气体可以是相同的也可以是不同的调节气体。
流动控制装置340、优选为MFC被沿气体通道242设置。阀门320沿气体通道337、339设置，以分别控制第一调节气体到气体通道326、324的流动。在一个可替换实施例中，这对沿气体通道337、339设置的阀门320可以用单个的四向阀门取代。
流动控制装置340、优选为MFC被沿气体通道244设置。阀门320沿气体通道376、378设置，以分别控制第二调节气体到气体通道366、364的流动。在一个可替换实施例中，这对沿气体通道376、378设置的阀门320可以用单个四向阀门取代。
在图4所示的流动控制部件300的实施例中，第一流动控制部件305和第二流动控制部件315包括以相同配置设置的相同元件。然而，在气体分配系统100的其他优选实施例中，第一和第二流动控制部件305、315彼此具有不同元件和/或不同配置。例如，第一和第二流动控制部件305、315可彼此包括不同元件和/或不同配置。例如，第一和第二流动控制部件305、315可彼此包括不同数量的孔口和/或具有不同限制尺寸的孔口。
在气体分配系统100中，气体开关系统400与流动控制部件300、并与真空腔室内部和旁通管线流体连通，其中第一和第二气体流进旁通管线。气体开关系统400的第一优选实施例在图5中示出。气体开关系统400可交替供应第一和第二气体至等离子处理腔室12的内部区域42和外部区域46。气体开关系统400与第一流动控制部件305的第一气体通道324和第二气体通道326流体连通，并与第二流动控制部件315的第一气体通道364和第二气体通道366流体连通。沿每个气体通道324、326、364和366设置孔口430，以在第一和第二气体切换期间防止不期望的压力波动。
第一流动控制部件305的第一气体通道324被分成气体通道448、450；第一流动控制部件305的第二气体通道326被分成气体通道442、444；第二流动控制部件315的第一气体通道364被分成气体通道452、454；第二流动控制部件315的第二气体通道366被分成气体通道456、458。在该实施例中，气体通道442与等离子体腔室12的外部区域46流体连通，气体通道448与等离子体腔室12的内部区域42流体连通，气体通道444提供旁通管线。气体通道456与气体通道442流体连通而到达外部区域46。气体通道452与气体通道448流体连通而到达内部区域42。气体通道450、454和458与气体通道444流体连通而连到旁通管线。
阀门440沿气体通道442、444、448、450、452、454、456和458中每一个而设置。在一个可替换实施例中，沿气体通道442、444；448、450；452、454；和456、458设置的每一对阀门440可用单个四向阀门取代。阀门440可选择性地打开或关闭，优选在控制器500的控制下，从而供应第一和第二气体至腔室，同时将其它气体转向至旁通管线。
例如，为了供应第一气体至等离子处理腔室12的内部区域42和外部区域46并将第二气体转向至旁通管线，沿气体通道442、448和454、458的阀门440打开，同时沿气体通道444、450和452、456的阀门440关闭。为了切换气流以便第二气体被供应到等离子处理腔室12的内部区域42和外部区域46，同时第一气体被转向到旁通管线，沿气体通道444、450和452、456的阀门440打开，同时沿气体通道442、448和454、458的阀门440关闭。换句话说，第一组阀门440打开而第二组阀门440关闭，从而供应第一气体至等离子处理腔室12，并且然后该第一组阀门关闭而该第二组阀门440打开，从而改变气流以供应第二气体至等离子处理腔室。
在气体开关系统400中，阀门440是快速开关阀门。如这里所用，术语“快速开关阀门”指可以在接收来自控制器500的打开或关闭信号后在短时间、优选小于约100毫秒、更优选小于约50毫秒内打开或关闭的阀门。阀门440优选是通过接收来自控制器500的打开或关闭信号而电子控制和致动的。可用在气体开关系统400中的合适的“快速开关阀门”是型号为FSR-SD-71-6.35的阀门，可从位于美国加利福尼亚的Santa Clara的Fujikin得到。
因此，气体开关系统400可供应第一气体例如至真空腔室的内部，同时将第二气体转向至旁通管线，然后优选在控制器500的控制下，快速切换这些气流并供应第二气体至真空腔室，同时将第一气体转向至旁通管线。第一气体或第二气体在气体被切换之前被供应至真空腔室的时间量可通过控制器500控制。相关孔口430和阀门440之间的气体通道324、326、364和366的容积优选小于约10cm3。如上所述，气体分配系统可与包括等离子体限制区域的等离子处理腔室一起使用，从而在小于约1秒、更优选小于约200毫秒的时间段内置换约1/2升到约4升的气体容积，从而稳定系统。
按照第二优选实施例的气体开关系统1400在图6中绘出。在气体开关系统1400中，阀门440和位于阀门440下游的孔口430沿气体通道442-458中每个而设置。否则，气体开关系统1400可具有与气体开关系统400相同的配置。在气体切换过程中，孔口430防止不期望的压力波动。在一个可替换实施例中，沿气体通道442、444；448、450；452、454；和456、458的每对阀门440可用单个的四向阀门取代。
按照第三优选实施例的气体开关系统2400在图7中描绘。在该实施例中，气体开关系统2400与第一气体通道405和第二气体通道415流体连通。第一和第二气体通道405、415可以例如分别是流动控制部件的第一气体出口和第二气体出口，这里的流动控制部件与图4所示的流动控制部件300不同，不包括内部和外部区域气体出口。孔口430沿第一气体通道405和第二气体通道415中每个而设置。第一气体通道405被分成气体通道422、424，而第二气体通道445被分成气体通道426、428。气体通道422和426与真空腔室的内部流体连通，且气体通道424和428与旁通管线流体连通。阀门440沿气体通道422、424和426、428中每个而设置。在一个可替换实施例中，沿气体通道422、424；和426、428的每对阀门440可以用单个的四向阀门取代。
例如，为了供应第一气体至真空腔室并同时将第二气体引导到旁通管线，沿流体通道422和428的阀门440被打开，且沿气体通道424和426的阀门被440关闭。为了切换气流以便第二气体被供应到真空腔室且第一气体被转向到旁通管线，沿流体通道424和426的阀门440打开，且沿流体通道422和428的阀门440关闭。
在气体开关系统的另一优选实施例中，可通过除去设置在阀门440上游的第一气体通道405和第二气体通道415中的孔口430、并在每个气体通道422、424、426和428中在相关阀门440下游设置孔口而修改图7中所示的实施例。
气体分配系统100的优选实施例可用于向等离子处理腔室12供应不同气体化学成分和/或流动速率，以执行不同的刻蚀和/或沉积处理。例如，气体分配系统100可供应处理气体至等离子处理腔室，以在被覆盖的掩膜、诸如UV光刻胶掩膜保护的氧化硅、诸如SiO2层中刻蚀特征。SiO2层可在具有200mm或300mm直径的半导体晶片、诸如硅晶片上形成。特征可以是例如通孔(via)和/或沟槽。在这样的刻蚀处理中，期望在掩膜的某些部分上沉积聚合物以修复掩膜中的条纹、例如裂缝或缝隙(即，填充条纹)，使得在SiO2中所刻蚀的特征具有它们的期望形状，例如通孔具有圆横截面。如果条纹没有被修复，则它们最终到达掩膜下的层，并实际上在刻蚀过程中被转移到该层。而且，聚合物可以沉积在特征的侧壁上。
然而，已经确定，在所刻蚀特征的侧壁和基底上所沉积的聚合物的厚度影响刻蚀速率。在各向异性刻蚀处理中，特征的底部上所沉积的聚合物在刻蚀过程中基本被除去。然而，如果侧壁和/或基底上的聚合物变得太厚，则SiO2的刻蚀速率减小，且可能完全停止。如果变得太厚，则聚合物也可能剥落表面。因此，用于在掩膜和特征上形成聚合物沉积的气体混合物被供应到等离子处理腔室的时间量优选被控制，从而控制在SiO2层上形成的聚合物沉沉积的厚度，同时也提供掩膜的足够的修复和保护。在SiO2层的刻蚀过程中，周期性地从掩膜上除去聚合物。因此，聚合物优选在SiO2层的刻蚀周期之间在掩膜上被沉积，从而确保实现掩膜的充分修复和保护。
通过控制在特征上所沉积的聚合物的厚度，并修复和保护掩膜，气体分配系统100可用于供应处理气体至等离子处理腔室中，以刻蚀由覆盖的掩膜、例如UV光刻胶掩膜所保护的SiO2层。气体分配系统100的气体开关系统可操作地允许用于刻蚀SiO2的第一处理气体在第一时间段中被供应到等离子处理腔室，而用于形成聚合物沉积的第二气体混合物被转向到旁通管线，并且然后快速切换气流，使得第二气体混合物被供应到等离子处理腔室，以形成聚合物沉积，而第一气体混合物被供应到旁通管线。优选地，供应到等离子处理腔室的等离子体限制区域的第一气体混合物在小于约1秒、更优选小于约200毫秒的时间段内至少基本上被第二气体混合物置换。等离子体限制区域优选具有约1/2升到约4升的容积。
用于刻蚀SiO2的第一气体混合物可包含例如碳氟化合物，诸如C4F8、O2和氩。C4F8/O2/氩的流动比率可以是例如20/10/500sccm。用于形成聚合物沉积的第二气体混合物可包含例如氟代烃种(fluorohydrocarbon species)，诸如CH3F和氩。C3FH/氩的流动比率可以是例如15/500sccm。第二气体混合物可选也可包括O2。对于用于处理200mm或300mm晶片的电容耦合等离子体刻蚀反应器，腔室压力可以是例如70-90mTorr。每次第一气体混合物被引入等离子处理腔室时，优选流入约5秒到约20秒(同时第二气体被转向到旁通管线)，而每次第二气体混合物被引入等离子处理腔室时，优选流入约1秒到约3秒(同时第一气体被转向到旁通管线)。在刻蚀衬底上的SiO2时，刻蚀周期和/或聚合物沉积周期的长度可在优选时间段内增加或减小。聚合物沉积在刻蚀处理过程中优选达到小于约100埃的最大厚度。在刻蚀过程中，聚合物可沉积在掩膜上，以修复条纹并提供掩膜保护。因此，掩膜中开口的形状优选可在刻蚀处理过程中保持。
本发明已经参考优选实施例被描述。然而，对本领域技术人员来说，显然可以不同于上述的特定形式实施本发明，而不偏离本发明的精神。优选实施例是说明性的并且不能认为是任何形式上的限制。本发明的范畴由权利要求限定，而非前述说明，且所有落入权利要求范围内的变化和等价物都包括在此。

Claims (30)

1.一种用于供应气体至真空腔室的气体分配系统，包括：
第一气体通道和第二气体通道，用于与第一气体管线流体连通；
第三气体通道和第四气体通道，用于与第二气体管线流体连通，其中所述第一和第三气体通道适于供应气体至真空腔室，而所述第二和第四气体通道适于供应气体至旁通管线；
沿所述第一气体通道设置的第一快速开关阀门；
沿所述第二气体通道设置的第二快速开关阀门；
沿所述第三气体通道设置的第三快速开关阀门；
沿所述第四气体通道设置的第四快速开关阀门；
所述第一和第四快速开关阀门适于接收信号以在所述第二和第三快速开关阀门关闭期间打开，以便第一气体经第一气体管线和第一及第三气体通道供应到真空腔室，而第二气体经第二气体管线和第二及第四气体通道供应到所述旁通管线；并且
所述第二和第三快速开关阀门适于接收信号以在所述第一和第四快速开关阀门关闭期间打开，以便第二气体经第二气体管线和第三气体通道供应到真空腔室，而第一气体经第一气体管线和第二气体通道供应到所述旁通管线。
2.如权利要求1所述的气体分配系统，进一步包括：
第一限流器，沿第一气体管线设置在所述第一和第二快速开关阀门上游；以及
第二限流器，沿第二气体管线设置在所述第三和第四快速开关阀门上游；
其中所述第一和第二限流器用于在所述第一和第二限流器上游和附近的第一和第二气体管线的区域中维持近似恒定的气压。
3.如权利要求2所述的气体分配系统，其中所述第一气体管线在第一限流器和第一及第二快速开关阀门之间具有小于约10cm3的容积，所述第二气体管线在第二限流器和第三及第四快速开关阀门之间具有小于约10cm3的容积。
4.如权利要求1所述的气体分配系统，进一步包括：
第三限流器，沿第一气体通道设置在所述第一快速开关阀门下游；
第四限流器，沿第二气体通道设置在所述第二快速开关阀门下游；
第五限流器，沿第三气体通道设置在所述第三快速开关阀门下游；
第六限流器，沿第四气体通道设置在所述第四快速开关阀门下游；
其中所述第三、第四、第五和第六限流器用于在所述第一、第二、第三、第四、第五和第六限流器上游及附近的第一、第二、第三和第四气体通道的区域中维持恒定的气压。
5.如权利要求1所述的气体分配系统，进一步包括控制器，其可操作地控制所述第一、第二、第三和第四快速开关阀门的打开和关闭。
6.如权利要求1所述的气体分配系统，其中所述第一、第二、第三和第四快速开关阀门可在接收信号后在小于约100毫秒、或小于约50毫秒的时间段内打开和/或关闭。
7.一种等离子处理设备，包括：
等离子处理腔室，包括喷头电极组件并具有约1/2升到约4升容积的等离子体限制区域；和
如权利要求1所述的气体分配系统，其与所述等离子处理腔室流体连通；
其中所述气体分配系统可在小于约1秒、或小于约200毫秒的时间段内基本将等离子区中所述第一气体或第二气体用所述第一气体或第二气体中另一种气体置换。
8.一种用于供应气体至等离子处理腔室的气体分配系统，其中所述等离子处理腔室包括具有彼此流动隔离的内部和外部区域的气体分配元件，所述气体分配系统包括：
适用于与第一处理气体源、所述等离子处理腔室的气体分配元件的内部区域、和旁通管线流体连通的第一气体通道；
适用于与所述第一处理气体源、所述等离子处理腔室的气体分配元件的外部区域、和所述旁通管线流体连通的第二气体通道；
适用于与第二处理气体源、所述内部区域、和所述旁通管线流体连通的第三气体通道；
适用于与所述第二处理气体源、所述外部区域、和所述旁通管线流体连通的第四气体通道；
多个快速开关阀门，适用于接收信号以打开或关闭，从而(i)所述第一处理气体经所述第一和第二气体通道供应至内部和外部区域，同时第二处理气体经所述第三和第四气体通道供应至所述旁通管线，和(ii)改变第一和第二处理气体的流动，使得第二处理气体经所述第三和第四气体通道供应至所述内部和外部区域，同时第一处理气体经第一和第二气体通道供应至所述旁通管线。
9.如权利要求8所述的气体分配系统，进一步包括至少一个沿所述第一、第二、第三和第四处理气体通道中每一个设置的限流器，所述限流器用于在所述限流器上游和附近的第一、第二、第三和第四气体通道的区域中维持近似恒定的气压。
10.如权利要求8所述的气体分配系统，其中所述快速开关阀门可在接收信号后在小于约100毫秒、或小于50毫秒的时间段内打开和/或关闭。
11.一种等离子处理设备，包括：
等离子处理腔室，包括具有内部区域和外部区域的喷头电极组件，且内部容积约为1/2升到4升；和
如权利要求8的气体分配系统，其与所述喷头电极组件的内部和外部区域流体连通；
其中所述气体分配系统可操作地在小于约1秒、或小于约200毫秒的时间内基本将等离子限制区中的所述第一处理气体或第二处理气体用所述第一处理气体或第二处理气体中另一种处理气体置换。
12.一种用于供应处理气体至等离子处理腔室的气体分配系统，其中所述等离子处理腔室包括具有彼此流动隔离的内部和外部区域的气体分配元件，所述气体分配系统包括气体开关部件，包括：
多个第一气体通道，其中每个所述第一气体通道(i)用于与至少一个第一气体通道和/或至少一个第二气体通道流体连通，和(ii)用于与等离子处理腔室的气体分配元件的内部区域、等离子处理腔室的气体分配元件的外部区域和旁通管线中至少一个流体连通；以及
快速开关阀门装置，用于接收信号，以(iii)打开第一组快速开关阀门并关闭第二组快速开关阀门，从而经第一组第一气体通道供应第一处理气体至内部和外部区域，同时第二处理气体被转向到所述旁通管线，和(iv)关闭所述第一组快速开关阀门并打开所述第二组快速开关阀门，从而改变第一和第二处理气体流动，以便经第二组第一气体通道供应所述第二处理气体至所述内部区域和外部区域，同时所述第一处理气体被转向到所述旁通管线。
13.如权利要求12所述的气体分配系统，进一步包括控制器，其可操作地控制所述第一和第二组快速开关阀门的打开和关闭。
14.如权利要求12所述的气体分配系统，进一步包括流动控制部件，包括：
至少一个第二气体通道，适用于与第一气体管线流体连通，其中所述第一气体管线与至少一个第一处理气体源流体连通；
至少一个第一阀门，可操作地允许所述第一处理气体被从所述第一气体管线供应至至少一个第二气体通道；
至少一个第三气体通道，适用于与第二气体管线流体连通，其中所述第二气体管线与至少一个第二处理气体源流体连通；
至少一个第二阀门，可操作地允许所述第二处理气体被从所述第二气体管线供应至至少一个第三气体通道。
15.如权利要求14所述的气体分配系统，进一步包括气体供应部件，包括：
所述第一气体管线，适用于与多个所述第一处理气体源流体连通；
所述第二气体管线，适用于与多个所述第二处理气体源流体连通；
至少一个第三阀门，可操作地允许供应所述第一处理气体至所述第一和第二气体管线中至少一个；以及
至少一个第四阀门，可操作地允许供应所述第二处理气体至所述第一和第二气体管线中至少一个。
16.如权利要求14所述的气体分配系统，其中所述流动控制部件包括分别与第二和第三气体通道流体连通的至少一个第一限流器和至少一个第二限流器，所述第一和第二限流器用于在所述第一和第二限制器的上游和附近区域中保持近似恒定的气压。
17.如权利要求16所述的气体分配系统，其中所述至少一个第一限流器包括至少两个第一限制器，所述至少一个第二限流器包括一个第二限制器，且至少一个第一限制器具有与所述第二限流器不同的流导。
18.如权利要求17所述的气体分配系统，其中所述第一限流器的总流导近似等于所述第二限流器的流导。
19.如权利要求14所述的气体分配系统，其中所述第二和第三气体通道用于与至少一个调节气体源流体连通，其中所述调节气体源可操作地供应调节气体至所述第二和第三气体通道中至少一个。
20.如权利要求12所述的气体分配系统，其中所述气体开关部件包括沿每个所述第一气体通道设置在相应快速开关阀门上游的限流器，所述限流器用于在所述限流器上游和附近的相关第一气体通道的区域中保持近似恒定的气压。
21.如权利要求12所述的气体分配系统，其中所述快速开关阀门可以在接收信号后在小于约100毫秒、或小于约50毫秒的时间段内打开和/或关闭。
22.一种等离子处理设备，包括：
等离子处理腔室，包括喷头电极组件，并具有约1/2升到约4升的内部容积；和
如权利要求12所述的气体分配系统，其与所述等离子处理腔室流体连通；
其中所述气体分配系统可操作地在小于约1秒、或小于约200毫秒的时间内基本将等离子限制区中的所述第一处理气体或第二处理气体用所述第一处理气体和第二处理气体中另一种气体置换。
23.一种在等离子处理腔室中处理半导体结构的方法，包括：
a)供应第一处理气体至所述等离子处理腔室，同时将第二处理气体转向至旁通管线，其中所述等离子处理腔室包含半导体衬底，所述半导体衬底包括至少一层和覆盖所述层的图案化光刻胶掩膜；
b)激励所述第一处理气体以产生第一等离子体和(i)在所述层中刻蚀至少一个特征或(ii)在所述掩膜上形成聚合物沉积；
c)切换所述第一和第二处理气体流动，使得所述第二处理气体被供应到等离子处理腔室，同时将所述第一处理气体转向至所述旁通管线，在等离子处理腔室的等离子体限制区域中，所述第一处理气体在小于约1秒、或小于约200毫秒的时间段内基本被所述第二处理气体置换；
d)激励所述第二处理气体，以产生第二等离子体和(iii)在所述层中刻蚀至少一个特征或(iv)在所述层和掩膜上形成聚合物沉积；
e)切换所述第一和第二处理气体流动，使得所述第一处理气体被供应到等离子处理腔室，同时将所述第二处理气体转向至所述旁通管线，在等离子处理腔室的等离子体限制区域中，所述第二处理气体在小于约1秒、或小于约200毫秒的时间段内基本被第一处理气体置换；以及
f)对所述衬底多次重复步骤a)-e)。
24.如权利要求23所述的方法，其中在对所述衬底多次重复步骤a)-e)后，所述聚合物沉积被形成为小于约100埃的最大厚度。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述第一等离子体在所述层中刻蚀所述至少一个特征，而所述第二等离子体在所述层和掩膜上形成沉积，所述沉积修复掩膜中条纹。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述等离子体限制区域具有约1/2升到约4升的容积。
27.如权利要求23所述的方法，其中：
所述第一层是SiO2；
所述掩膜是UV光刻胶掩膜；
所述第一处理气体包括C4F8、O2和氩的混合物，且所述第一等离子体刻蚀所述层；和
所述第二处理气体包括CH3F、氩的混合物，并可选包括O2，所述第二等离子体在所述特征和掩膜上形成聚合物沉积。
28.如权利要求27所述的方法，其中每次第一和第二处理气体分别被供应至等离子处理腔室中时，所述第一处理气体在约5秒到约20秒的时间中被提供到等离子处理腔室中，而第二处理气体在约1秒到约3秒的时间中被提供到等离子处理腔室中。
29.如权利要求23所述的方法，其中所述等离子处理腔室包括喷头电极组件，其包括内部区域和外部区域，所述第一处理气体被供应至内部区域和外部区域，同时第二处理气体被转向到旁通管线，且第二处理气体被供应至内部区域和外部区域，同时所述第一处理气体被转向至旁通管线。
30.如权利要求29所述的方法，其中所述第一处理气体和/或第二处理气体以不同的流动速率被供应至所述内部区域和外部区域。
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