JP4732646B2 - 半導体処理用のガス分配装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、集積回路ウェハなど半導体基板の処理に使用される反応チャンバに関し、具体的には、これらの反応チャンバ内で使用されるガス分配システムの改良に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体処理は、金属、誘電体および半導体材料の化学蒸着（ＣＶＤ）など蒸着工程、これらの層のエッチング、フォトレジスト・マスキング層のアッシングなどを含む。エッチングの場合には、金属、誘電体および半導体材料をエッチングするために、プラズマ・エッチングが従来使用されている。平行板プラズマ・リアクタは一般に、１つまたは複数のバッフルを含むガス・チャンバ、エッチング・ガスが通過するシャワーヘッド電極、下部電極上でシリコン・ウェハを支持する架台、ＲＦ電源、ガスをガス・チャンバに供給するためのガス注入源を含む。ガスは電極によってイオン化されてプラズマを形成し、このプラズマが、シャワーヘッド電極の下に支持されているウェハをエッチングする。
【０００３】
半導体基板をプラズマ処理するためのシャワーヘッド電極は、本願譲受人に譲渡された米国特許第５，０７４，４５６号、第５，４７２，５６５号、第５，５３４，７５１号、第５，５６９，３５６号で開示されている。他のシャワーヘッド電極ガス分配システムは、米国特許第４，２０９，３５７号、第４，２６３，０８８号、第４，２７０，９９９号、第４，２９７，１６２号、第４，５３４，８１６号、第４，５７９，６１８号、第４，５９０，０４２号、第４，５９３，５４０号、第４，６１２，０７７号、第４，７８０，１６９号、第４，８５４，２６３号、第５，００６，２２０号、第５，１３４，９６５号、第５，４９４，７１３号、第５，５２９，６５７号、第５，５９３，５４０号、第５，５９５，６２７号、第５，６１４，０５５号、第５，７１６，４８５号、第５，７４６，８７５号、第５，８８８，９０７号で開示されている。
【０００４】
集積回路作製時の共通要件は、誘電体材料内のコンタクトおよびビアなど開口部のエッチングである。誘電体材料は、フッ化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどのアンドープ酸化シリコン、ホウ素燐ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）および燐ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、ドープまたはアンドープの熱成長酸化シリコン、ドープまたはアンドープのＴＥＯＳ蒸着酸化シリコンなどを含む。誘電体ドーパントは、ホウ素、燐、および／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコンなどの導電性または半導体層、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンまたはそれらの合金などの金属、窒化チタンなどの窒化物、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドなどの金属シリサイドなどの上に重ねることができる。酸化シリコン内で開口部をエッチングするために平行板プラズマ・リアクタを使用するプラズマ・エッチング技法は、米国特許第５，０１３，３９８号に開示されている。
【０００５】
米国特許第５，７３６，４５７号は、シングルおよびデュアル「ダマシン」金属化工程を説明している。「シングル・ダマシン」手法では、導体またはビアの金属化パターンを誘電体層内にエッチングし、誘電体層内でエッチングした溝またはビア・ホール内に金属層を充填し、余分な金属を化学的機械的平坦化法（ＣＭＰ）またはエッチ・バック工程によって除去するという別々のステップでビアおよび導体を形成する。「デュアル・ダマシン」手法では、ビアおよび導体用の金属化パターンを誘電体層内でエッチングし、エッチングした溝およびビア開口部を単一の金属充填および余剰金属除去工程中に金属で充填する。
【０００６】
ウェハの表面全体にわたって均一なエッチング・レートを得るために、プラズマをウェハの表面の上に均等に分配することが望ましい。現行のガス分配チャンバの設計は、ウェハ部で所望のエッチング効果を達成するためエッチング・ガスを均一に分配するように最適化された複数のバッフルを含む。しかし、現行のバッフルおよびシャワーヘッド電極の設計は、ウェハとシャワーヘッド電極の間の特定の隙間に対して均一にガスを分配するために経験に基づいて最適化するのに最も適しており、ウェハとシャワーヘッドの間で変わる隙間に合わせて調整するのは困難である。さらに、従来のガス分配設計には、数百個の開口部を有する、またはシャワーヘッド電極の裏側へのエッチング・ガスの均等な分配を確保するには複雑で製造困難な幾何形状を有するバッフルも含まれる。大型の１２インチ（３００ｍｍ）ウェハをエッチングする場合には、プロセス・ガスを制御してシャワーヘッド全体にわたる均一な圧力分布を生み出すことがさらに困難である。開口部とバッフルの数を著しく増やしてエッチング・ガスの均一な分配を維持しなければならない。バッフル内の開口部の数が増加するにつれて、またバッフルの数が増加するにつれて、このようなガス分配装置を製造するための複雑さとコストが大幅に増加する。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、必要とされるバッフルプレートが少ない一方、シャワーヘッドを介して送達される所望のガス分配をなおも達成する、製造容易な設計のガス分配システムを提供する。ガス流は、任意のサイズの基板、および／またはシャワーヘッドと処理する半導体基板の間の隙間に合わせて最適化できる。さらに、本発明はシャワーヘッド電極から冷却サポート板への熱伝導をも改善でき、それによって電極表面全体にわたる良好な温度均一性を生み出す。さらに、本発明は、シャワーヘッド電極ガス分配システムの構成要素の間で概ね連続した電気接触を提供できる。
【０００８】
本発明によるガス分配装置は、ガス分配チャンバを画定するように固定されたサポート板およびシャワーヘッドを含む。チャンバは、シャワーヘッド全体にわたって所望の圧力分布を達成するために使用できる１つまたは複数のバッフルプレートを含めたバッフル・アセンブリを含む。複数のガス供給源は、プロセス・ガスをガス分配チャンバ内に供給し、ここでプロセス・ガスは、バッフル・アセンブリを介して、かつシャワーヘッドを介して下方に流通する。
【０００９】
本発明の第１実施形態は、上部バッフルプレートを有するバッフル・アセンブリを含む。Ｏリングなどのシール部材は、上部バッフルプレートとサポート板の間の中間位置にある。シール部材は、それを間にして空間を内側領域と外側領域に分割する。第１ガス供給源からのガスは、内側領域にガスを向けて送り、第２ガス供給源からのガスは、外側領域にガスを向けて送る。この構成は、様々なガス化学的性質および／またはガス圧力を内側領域および外側領域に提供することを可能にする。その結果、基板全体にわたるガス化学的性質および／またはガス圧力の良好な制御は、プロセス・パラメータを事前選択することによって、あるいはそのようなプロセス・パラメータを基板の処理中に調整することによって達成できる。
【００１０】
望むなら、中間部および／または下部バッフルプレートを構成して３つのプレナムを画定できる。第１プレナムは、上部バッフルプレートと中間部バッフルプレートの間に位置する。第２プレナムは中間部バッフルプレートと下部バッフルプレートの間に位置し、第３プレナムは下部バッフルプレートとシャワーヘッドの間に位置する。プレナムは、シャワーヘッド全体にわたってより均一なプロセス・ガス圧力分布を生み出すために使用できる。
【００１１】
本発明の第２実施形態では、サポート部材がその下側に凹部を含み、これがガス分配チャンバを画定する。サポート部材は、第１プロセス・ガスを凹部チャンバの中央区域内に供給する第１ガス出口と、第２プロセス・ガスを凹部の周辺区域内に供給する第２ガス出口を有する。バッフル・チャンバ内には、上部バッフルプレートおよび下部バッフルプレートが固定されている。上部バッフルプレートは、専ら第１ガス供給源からガスを受け入れるように構成され、下部バッフルプレートは、専ら第２ガス供給源からガスを受け入れるように構成される。上部バッフルプレート内ガス通路の第１組が第２バッフルプレート内ガス通路と流体接続して１組の流動接続通路を生み出し、そこを介して第１プロセス・ガスが上部バッフルプレートから下部バッフルプレートの下面に直接通過する。第２プロセス・ガスは、下部バッフルプレート内ガス通路の第２組を介して、シャワーヘッドの裏側に隣接するそれ自体の下面に流通する。この構成では、第１プロセス・ガスが、下部バッフルの下面に流れる前に第２プロセス・ガスと実質的に混合しない。下部バッフルとシャワーヘッドの間の空間は、離間された環状チャネルを有することができ、これによりシャワーヘッドを介して通過するガスを選択的に制御して、たとえばシャワーヘッド全体にわたって均一または不均一なガス化学的性質および／または圧力を達成することができる。第１ガス供給源と第２ガス供給源どちらからのガスもシャワーヘッド内開口部の第３組を介して基板全体にわたる領域に流通する。
【００１２】
本発明の目的および利点は、以下の詳細な説明を図面と併せ読めば理解できよう。
【００１３】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明をよりよく理解するため、以下の詳細な説明では添付の図面を参照し、本発明の好ましい例示的実施形態が図示され、述べられている。さらに、図面内の類似の要素を識別するために使用されている参照番号は全体を通じて同じである。
【００１４】
本発明によれば、プロセス・ガスは、１つまたは複数のガス供給源から、シャワーヘッドの下に配置された基板に均一に分配できる。シャワーヘッドは、半導体基板の上にプロセス・ガスを分配することが望ましいどのようなタイプの半導体処理装置内でも使用できる。このような装置は、ＣＶＤシステム、アッシャ、容量結合プラズマ・リアクタ、誘導結合プラズマ・リアクタ、ＥＣＲリアクタなどを含む。
【００１５】
平行板プラズマ・リアクタ用のガス分配システムを図１に示し、サポート板２０とシャワーヘッド２２が、密閉ガス分配チャンバ２４を画定するように固定されている。１つまたは複数のバッフルプレートを含むバッフル・アセンブリ２６が、サポート板２０とシャワーヘッド２２の間に位置する。本発明によれば、バッフル・アセンブリ２６の幾何形状および構成は、シャワーヘッド２２の裏側２８にガスを均一に供給するように構成する。化学蒸着工程またはドライエッチ・プラズマ工程など半導体ウェハ工程では、これらの工程の一貫性および歩留りを高めるために、基板全体にわたってプロセス・ガスを制御して分配することが望ましい。
【００１６】
図２および図３でわかるように、本発明の第１実施形態では、バッフル・アセンブリ２６がバッフルプレート３０Ａと、任意選択のバッフルプレート３０Ｂおよび３０Ｃとを含む。バッフルプレート３０Ａ〜３０Ｃは、シャワーヘッド２２の上向きに突出した周辺側部３４によって画定された凹部３２内に配置される。上部バッフルプレート３０Ａは、Ｏリング３８によってサポート板２０の底面３６から離間されている。Ｏリング３８は、上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の空間を２つの領域に分割し、それぞれが異なるガス化学的性質、圧力、および／または流量を有するプロセス・ガスを供給できる。第１ガス供給源４０からのガスは、上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の中央領域４２に流入する。第２ガス供給源４４からのガスは、環状チャネル４４ａに流入し、次いで上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の周辺領域４６に入る。中間部板および下部板３０Ｂ、３０Ｃは、上部バッフルプレート３０Ａの下に配列して、その間で開放プレナム４８Ａ、４８Ｂを、また下部バッフルプレート３０Ｃとシャワーヘッド２２の間で開放プレナム４８Ｃを画定できる。
【００１７】
各ガス供給源は、上部バッフルプレート３０Ａの表面全体にわたる圧力分布を生み出し、このガス圧力はガス供給源出口付近で最も高く、出口から離れる方向で低くなる。したがって、上部バッフルプレート３０Ａの上面の周辺領域４６と中央領域４２の間の相対ガス圧力は、第１および第２ガス供給源４０、４４に接続される第１および第２マス・フロー・コントローラ５０Ａ、５０Ｂを使用して調整できる。マス・フロー・コントローラ５０Ａ、５０Ｂにはそれぞれ、ガス供給源５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ、５０Ｆなどから供給される２つ以上のガスの流量を調整することによって所望の混合ガスを供給できる。
【００１８】
プロセス・ガスは上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の中央領域４２および周辺領域４６全体にわたって分配され、上部バッフルプレート３０Ａ内の開口部５２Ａを通過して上部および中央バッフルプレート３０Ａ、３０Ｂの間の開放プレナム４８Ａに入る。その後、ガスは中央バッフルプレート３０Ｂ内の開口部５２Ｂを下に向かって流通し、中央および下部バッフルプレート３０Ｂ、３０Ｃの間の開放プレナム４８Ｂに入り、次いで下部バッフルプレート３０Ｃ内の開口部５２Ｃを介して下部バッフルプレート３０Ｃとシャワーヘッド２２の間の開放プレナム４８Ｃに入り、最後にシャワーヘッド２２内の開口部５４を介して基板に達する。ガスが開放プレナムに入るたびに、不均一な圧力が高圧の区域から低圧の区域へと幾分均等化されるにつれて不均一な圧力分布が弱まる。したがって、バッフルプレート３０間で複数のプレナム４８を画定するようにガス分配システムを構成することによって、シャワーヘッド２２の裏側２８部で実質的に均一な圧力分布が達成できる。
【００１９】
ガス分配システムの第２実施形態を図４〜６に示す。第２実施形態のバッフル・アセンブリは、２枚のバッフルプレート５６Ａ、５６Ｂを含む。上部バッフルプレート５６Ａはサポート板２０と接触する部分を含み、下部バッフルプレート５６Ｂはシャワーヘッド２２と接触する部分を含む。サポート板２０とバッフル・アセンブリ２６とシャワーヘッド２２の間の表面と表面の接触は、どちらもシャワーヘッド２２とバッフル・アセンブリ２６とサポート板２０の間の熱伝導を促進し、シャワーヘッドを上部電極として使用する場合は、シャワーヘッド２２とバッフル・アセンブリ２６とサポート板２０の間で電気的な導電性経路を提供することができる。
【００２０】
処理中は、温度制御されたサポート板２０がヒート・シンクとして働き、シャワーヘッド２２からバッフル・アセンブリ２６を介して熱を引き出す。たとえば、サポート板２０内の冷却チャネル５８を介して冷却剤を循環させて、基板の処理中に発生する熱を放散させることができる。
【００２１】
第２実施形態では、第１ガス供給源６０を、上部バッフルプレート５６Ａ内の中央凹部６２にガスを供給するように構成する。第２ガス供給源６４はガスを環状マニフォルド６６に供給し、これが下部バッフルプレート５６Ｂより上の周辺領域６８にガスを分配する。マニフォルド６６は、サポート板２０と一体にすることもでき、またはガス分配システムの別個の構成要素を含むこともできる。
【００２２】
上部バッフルプレート５６Ａは放射状に延びるチャネル７０を含み、これが概ね中央に位置する第１ガス供給源６０から上部バッフルプレート５６Ａの周辺部にガスを分配する。チャネル７０は、サポート板２０の下面３６と接触する接触表面７２間に画定される。熱および電流は、上部バッフルプレート５６Ａから表面７２を介してサポート板２０に流れる。同様に、下部バッフルプレート５６Ｂの上面は放射状に延びるチャネル７４を含み、これが周辺に位置するマニフォルド６６から下部バッフルプレート５６Ｂの中央部内の環状チャネル７６にガスを分配する。放射状に延びるチャネル７４は、上部バッフルプレート５６Ａと熱的かつ電気的に接触する接触表面７８間に画定される。図ではチャネル７０、７４、７６が上部および下部バッフルの上面内にあるが、サポート板２０および上部バッフルプレートの下面内に形成することもできる。
【００２３】
上部バッフルプレート内の放射状に延びるチャネル７０内に位置する開口部８０は、下部バッフルプレート５６Ｂ内開口部８２の第１組に流動接続する。つまり、上部バッフルプレート５６Ａ内開口部８０および下部バッフルプレート５６Ｂ内開口部８２の第１組は、第１ガス供給源６０から上部および下部バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂを介して概ね連続する、途切れのない流体経路を画定する。第２ガス供給源６４からのガスは、下部バッフルプレート５６Ｂ内のチャネル７４内開口部８４の第２組を介して流通する。流動接続された開口部８０、８２と開口部８４の第２組は、第１ガス供給源６０からのガスと第２ガス供給源６４からのガスの間での著しい混合を防止するように構成する。このような構成では、一部のガスが上部バッフルプレートと下部バッフルプレートの間で移動できる。このような移動を防止するためには、上部および下部バッフルプレートは、２つのガスが混合しないような形で接着またはメタラジによって結合できよう。
【００２４】
好ましくは、流動接続された開口部８０、８２は、位置決めピンなどの対合位置合せ機能など適切な技法によって、上部バッフルプレート内開口部８０を下部バッフルプレート内開口部８２の第１組に位置合せすることによって作り出す。しかし、開口部８０を開口部８２に接続するための他の手法は、上部バッフルと下部バッフルの間にパターン付きガスケットを挿入すること、または上部および下部バッフル内の開口部間に結合された個別の管を設けることを含む。
【００２５】
下部バッフルプレート５６Ｂの底面は、下向きに突出した環状壁部分８６を含み、これがシャワーヘッド２２の上面に熱的かつ電気的に接触する。流動接続された開口部８０、８２と、開口部８４の第２組はどちらも、下向きに突出した壁部分８６によって画定され、放射状に離間された環状チャネル８８に通じる。チャネル８８は、シャワーヘッドの上面内に形成でき、または下部バッフルプレートとシャワーヘッドの間の空間は、その間にシャワーヘッドからの熱を伝導するための、かつ／または電力をシャワーヘッドに供給するための接触部分を有する、または有さない開放プレナムとすることができる。
【００２６】
半導体処理中は、第１ガス供給源６０からのガスが、上部バッフルプレート５６Ａおよび下部バッフルプレート５６Ｂ内の流動接続された開口部８０、８２を流通し、第２ガス供給源６４からのガスが、下部バッフルプレート５６Ｂ内の開口部８４の第２組を流通する。第１および第２ガス供給源６０、６４両方からのガスが、シャワーヘッド２２の上面より上にある下部バッフルプレートの下面内のチャネル８８内で混合され、シャワーヘッド２２内の開口部９０の第３組を流通して基板に向かう。
【００２７】
上部バッフルプレート５６Ａ全体にわたり、ガス圧力は中央に位置する第１ガス供給源６０付近で最も高く、上部バッフルプレート５６Ａの周辺部付近で最も低い。プロセス・ガスは上部および下部バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂ内の流動接続された開口部８２、８４を下に向かって通り、下部バッフルプレート５６Ｂの下面内の開放チャネル８８に流通する。動作中は、第１および第２ガス供給源が同じ圧力でガスを供給した場合、第１ガス供給源６０からのガスは、圧力が下部バッフルプレート５６Ｂの中央に隣接して高く、下部バッフルプレート５６Ｂの周辺部で低い圧力分布をもたらす一方、第２ガス供給源６４からのガスは、圧力が下部バッフルの周辺部で高く中央で低い圧力分布をもたらす。その結果、本発明のバッフル構成によって、シャワーヘッドの裏側で見られる圧力を、シャワーヘッドの裏側全体にわたってより均一にすることができる。
【００２８】
代替の処理方式では、ガス分配システムが、シャワーヘッド２２の裏側２８全体にわたって制御された、不均一なガス圧力分布を提供できる。たとえば、シャワーヘッド２２の裏側２８の周辺部で高いガス圧力が望ましい場合は、第２ガス供給源６４を介した流れを、第１ガス供給源６０を介した流れに対して選択的に増やすことができる。逆にシャワーヘッド２２の裏側２８の中央付近で比較的高いガス圧力が望ましい場合は、第１ガス供給源６０を介した流れを、第２ガス供給源６４を介した流れに対して増やすことができる。したがって、枚葉ウェハ処理の場合は、ガス分配システムが、ウェハより上にある１つまたは複数の環状ゾーンに様々なガス化学的性質を供給できる。ガス化学的性質、流量、圧力は、このような各環状ゾーン周りに円周的に均一にできる一方、ゾーンからゾーンにかけて放射状に変えることができるため、ウェハ表面部での処理条件がウェハ全体にわたり変化するような工程中に、ウェハの均一な処理に影響を与えることが可能である。
【００２９】
図７Ａ〜Ｂは、本発明によって、デュアル・ダマシン構造が１回のステップでエッチングできる様子を示す略図である。図７Ａは、トレンチに対応する開口部５００が、酸化シリコンなどの第１誘電体層５４０、窒化シリコンなどの第１ストップ層５６０、酸化シリコンなどの第２誘電体層５８０、窒化シリコンなどの第２ストップ層６００、シリコン・ウェハなどの基板６２０からなるスタックの上に重なるフォトレジスト・マスキング層５２０内に設けられているエッチング前状態を示す。１回のエッチングされるステップで第１ストップ層５６０を介してビアをエッチングするために、第１ストップ層５６０は開口部６４０を含む。図７Ｂはエッチング後の構造を示し、開口部５００が誘電体層５４０を介して第１ストップ層５６０に延び、開口部６４０が第２誘電体５８０を介して第２ストップ層６００に延びている。このような構成を「セルフアライン・デュアル・ダマシン」構造と呼ぶことができる。
【００３０】
エッチング工程中は、第１および第２実施形態の第１および第２ガス供給源によって供給されるプロセス・ガス条件を互いに対して変更できる。たとえば、トレンチ５００のエッチング中は、Ａｒ、酸素およびフッ化炭化水素（たとえば、ＣＨＦ３およびＣ４Ｆ８）の混合体を供給でき、ビア６４０のエッチング中は、ウェハの中央領域への酸素の流れを減らすことができる。ｌｏｗ−ｋ誘電体層をエッチングする場合は、Ｃ２Ｈ４などの炭化水素を含むことができ、炭化水素対酸素ガス流量比を放射状に変えて均一なエッチングを達成できる。したがって、本発明によれば、ウェハの中央および縁部へのガスの流れを調整して、プラズマ・チャンバ内で縁部の早いエッチングおよび中央の早いエッチングの状態を補償できる。たとえば、従来型プラズマ・チャンバでは、フォトレジストが腐食されるまで縁部の早いエッチング状態が起こり、その後中央の早いエッチング状態が起こりうる。本発明によるガス分配装置によって、ウェハがフォトレジスト層を有する間はより多くの酸素を中央に供給でき、フォトレジスト層が腐食除去されたとき中央への酸素の流れを減らすことができる。その結果、縁部の早いエッチング状態および中央の早いエッチング状態を補償することによって、より均一なエッチングを達成できる。
【００３１】
本発明の工程は、フッ化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどのアンドープ酸化シリコン、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、ホウ素燐ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）および燐ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、ドープまたはアンドープの熱成長酸化シリコン、ドープまたはアンドープのＴＥＯＳ蒸着酸化シリコンなど様々な誘電体層のプラズマ・エッチングを含む様々なプラズマ工程に適用可能である。誘電体ドーパントは、ホウ素、燐、および／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコンなどの導体または半導体層、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンまたはそれらの合金などの金属、窒化チタンなどの窒化物、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドなどの金属シリサイドなどの上に重ねることができる。
【００３２】
プラズマは、様々なタイプのプラズマ・リアクタ内で発生する高密度プラズマとすることができる。このようなプラズマ・リアクタは一般に、高密度プラズマを発生させるためのＲＦエネルギー、マイクロ波エネルギー、磁界などを使用する高エネルギー源を有する。たとえば、高密度プラズマは、誘導結合プラズマ・リアクタとも呼ばれる変圧器結合プラズマ（ＴＣＰ（商標））、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ・リアクタ、ヘリコン・プラズマ・リアクタなどの中で発生させることができよう。高密度プラズマの得られる高流量プラズマ・リアクタの例は、本願の所有者が所有する米国特許第５，８２０，７２３号で開示されており、その開示を参照により本明細書に組み込む。
【００３３】
以上本発明について好ましい実施形態を参照しながら述べた。しかし、本発明の精神から逸脱することなく、上述した以外の特定形態で本発明を実施することが可能なことは、当業者には容易に明らかであろう。好ましい実施形態は例示的なものであり、決して限定的であると見なしてはならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲に提示されており、特許請求の範囲内に該当する変形形態および均等物はすべて、その中に包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるガス分配チャンバの断面図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の分解斜視図である。
【図３】 本発明の第１実施形態の断面図である。
【図４】 本発明の第２実施形態の分解斜視図である。
【図５】 第２実施形態の断面図である。
【図６】 本発明の第２実施形態の下部バッフルプレートの斜視断面図である。
【図７Ａ】 本発明のガス分配システムによって実施できるエッチング工程の図である。
【図７Ｂ】 本発明のガス分配システムによって実施できるエッチング工程の図である。
（発明の分野）
本発明は、集積回路ウェハなど半導体基板の処理に使用される反応チャンバに関し、具体的には、これらの反応チャンバ内で使用されるガス分配システムの改良に関する。
【０００２】
（発明の背景）
半導体処理は、金属、誘電体および半導体材料の化学蒸着（ＣＶＤ）など蒸着工程、これらの層のエッチング、フォトレジスト・マスキング層のアッシングなどを含む。エッチングの場合には、金属、誘電体および半導体材料をエッチングするために、プラズマ・エッチングが従来使用されている。平行板プラズマ・リアクタは一般に、１つまたは複数のバッフルを含むガス・チャンバ、エッチング・ガスが通過するシャワーヘッド電極、下部電極上でシリコン・ウェハを支持する架台、ＲＦ電源、ガスをガス・チャンバに供給するためのガス注入源を含む。ガスは電極によってイオン化されてプラズマを形成し、このプラズマが、シャワーヘッド電極の下に支持されているウェハをエッチングする。
【０００３】
半導体基板をプラズマ処理するためのシャワーヘッド電極は、本願譲受人に譲渡された米国特許第５，０７４，４５６号、第５，４７２，５６５号、第５，５３４，７５１号、第５，５６９，３５６号で開示されている。他のシャワーヘッド電極ガス分配システムは、米国特許第４，２０９，３５７号、第４，２６３，０８８号、第４，２７０，９９９号、第４，２９７，１６２号、第４，５３４，８１６号、第４，５７９，６１８号、第４，５９０，０４２号、第４，５９３，５４０号、第４，６１２，０７７号、第４，７８０，１６９号、第４，８５４，２６３号、第５，００６，２２０号、第５，１３４，９６５号、第５，４９４，７１３号、第５，５２９，６５７号、第５，５９３，５４０号、第５，５９５，６２７号、第５，６１４，０５５号、第５，７１６，４８５号、第５，７４６，８７５号、第５，８８８，９０７号で開示されている。
【０００４】
集積回路作製時の共通要件は、誘電体材料内のコンタクトおよびビアなど開口部のエッチングである。誘電体材料は、フッ化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどのアンドープ酸化シリコン、ホウ素燐ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）および燐ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、ドープまたはアンドープの熱成長酸化シリコン、ドープまたはアンドープのＴＥＯＳ蒸着酸化シリコンなどを含む。誘電体ドーパントは、ホウ素、燐、および／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコンなどの導電性または半導体層、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンまたはそれらの合金などの金属、窒化チタンなどの窒化物、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドなどの金属シリサイドなどの上に重ねることができる。酸化シリコン内で開口部をエッチングするために平行板プラズマ・リアクタを使用するプラズマ・エッチング技法は、米国特許第５，０１３，３９８号に開示されている。
【０００５】
米国特許第５，７３６，４５７号は、シングルおよびデュアル「ダマシン」金属化工程を説明している。「シングル・ダマシン」手法では、導体またはビアの金属化パターンを誘電体層内にエッチングし、誘電体層内でエッチングした溝またはビア・ホール内に金属層を充填し、余分な金属を化学的機械的平坦化法（ＣＭＰ）またはエッチ・バック工程によって除去するという別々のステップでビアおよび導体を形成する。「デュアル・ダマシン」手法では、ビアおよび導体用の金属化パターンを誘電体層内でエッチングし、エッチングした溝およびビア開口部を単一の金属充填および余剰金属除去工程中に金属で充填する。
【０００６】
ウェハの表面全体にわたって均一なエッチング・レートを得るために、プラズマをウェハの表面の上に均等に分配することが望ましい。現行のガス分配チャンバの設計は、ウェハ部で所望のエッチング効果を達成するためエッチング・ガスを均一に分配するように最適化された複数のバッフルを含む。しかし、現行のバッフルおよびシャワーヘッド電極の設計は、ウェハとシャワーヘッド電極の間の特定の隙間に対して均一にガスを分配するために経験に基づいて最適化するのに最も適しており、ウェハとシャワーヘッドの間で変わる隙間に合わせて調整するのは困難である。さらに、従来のガス分配設計には、数百個の開口部を有する、またはシャワーヘッド電極の裏側へのエッチング・ガスの均等な分配を確保するには複雑で製造困難な幾何形状を有するバッフルも含まれる。大型の１２インチ（３００ｍｍ）ウェハをエッチングする場合には、プロセス・ガスを制御してシャワーヘッド全体にわたる均一な圧力分布を生み出すことがさらに困難である。開口部とバッフルの数を著しく増やしてエッチング・ガスの均一な分配を維持しなければならない。バッフル内の開口部の数が増加するにつれて、またバッフルの数が増加するにつれて、このようなガス分配装置を製造するための複雑さとコストが大幅に増加する。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、必要とされるバッフルプレートが少ない一方、シャワーヘッドを介して送達される所望のガス分配をなおも達成する、製造容易な設計のガス分配システムを提供する。ガス流は、任意のサイズの基板、および／またはシャワーヘッドと処理する半導体基板の間の隙間に合わせて最適化できる。さらに、本発明はシャワーヘッド電極から冷却サポート板への熱伝導をも改善でき、それによって電極表面全体にわたる良好な温度均一性を生み出す。さらに、本発明は、シャワーヘッド電極ガス分配システムの構成要素の間で概ね連続した電気接触を提供できる。
【０００８】
本発明によるガス分配装置は、ガス分配チャンバを画定するように固定されたサポート板およびシャワーヘッドを含む。チャンバは、シャワーヘッド全体にわたって所望の圧力分布を達成するために使用できる１つまたは複数のバッフルプレートを含めたバッフル・アセンブリを含む。複数のガス供給源は、プロセス・ガスをガス分配チャンバ内に供給し、ここでプロセス・ガスは、バッフル・アセンブリを介して、かつシャワーヘッドを介して下方に流通する。
【０００９】
本発明の第１実施形態は、上部バッフルプレートを有するバッフル・アセンブリを含む。Ｏリングなどのシール部材は、上部バッフルプレートとサポート板の間の中間位置にある。シール部材は、それを間にして空間を内側領域と外側領域に分割する。第１ガス供給源からのガスは、内側領域にガスを向けて送り、第２ガス供給源からのガスは、外側領域にガスを向けて送る。この構成は、様々なガス化学的性質および／またはガス圧力を内側領域および外側領域に提供することを可能にする。その結果、基板全体にわたるガス化学的性質および／またはガス圧力の良好な制御は、プロセス・パラメータを事前選択することによって、あるいはそのようなプロセス・パラメータを基板の処理中に調整することによって達成できる。
【００１０】
望むなら、中間部および／または下部バッフルプレートを構成して３つのプレナムを画定できる。第１プレナムは、上部バッフルプレートと中間部バッフルプレートの間に位置する。第２プレナムは中間部バッフルプレートと下部バッフルプレートの間に位置し、第３プレナムは下部バッフルプレートとシャワーヘッドの間に位置する。プレナムは、シャワーヘッド全体にわたってより均一なプロセス・ガス圧力分布を生み出すために使用できる。
【００１１】
本発明の第２実施形態では、サポート部材がその下側に凹部を含み、これがガス分配チャンバを画定する。サポート部材は、第１プロセス・ガスを凹部チャンバの中央区域内に供給する第１ガス出口と、第２プロセス・ガスを凹部の周辺区域内に供給する第２ガス出口を有する。バッフル・チャンバ内には、上部バッフルプレートおよび下部バッフルプレートが固定されている。上部バッフルプレートは、専ら第１ガス供給源からガスを受け入れるように構成され、下部バッフルプレートは、専ら第２ガス供給源からガスを受け入れるように構成される。上部バッフルプレート内ガス通路の第１組が第２バッフルプレート内ガス通路と流体接続して１組の流動接続通路を生み出し、そこを介して第１プロセス・ガスが上部バッフルプレートから下部バッフルプレートの下面に直接通過する。第２プロセス・ガスは、下部バッフルプレート内ガス通路の第２組を介して、シャワーヘッドの裏側に隣接するそれ自体の下面に流通する。この構成では、第１プロセス・ガスが、下部バッフルの下面に流れる前に第２プロセス・ガスと実質的に混合しない。下部バッフルとシャワーヘッドの間の空間は、離間された環状チャネルを有することができ、これによりシャワーヘッドを介して通過するガスを選択的に制御して、たとえばシャワーヘッド全体にわたって均一または不均一なガス化学的性質および／または圧力を達成することができる。第１ガス供給源と第２ガス供給源どちらからのガスもシャワーヘッド内開口部の第３組を介して基板全体にわたる領域に流通する。
【００１２】
本発明の目的および利点は、以下の詳細な説明を図面と併せ読めば理解できよう。
【００１３】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明をよりよく理解するため、以下の詳細な説明では添付の図面を参照し、本発明の好ましい例示的実施形態が図示され、述べられている。さらに、図面内の類似の要素を識別するために使用されている参照番号は全体を通じて同じである。
【００１４】
本発明によれば、プロセス・ガスは、１つまたは複数のガス供給源から、シャワーヘッドの下に配置された基板に均一に分配できる。シャワーヘッドは、半導体基板の上にプロセス・ガスを分配することが望ましいどのようなタイプの半導体処理装置内でも使用できる。このような装置は、ＣＶＤシステム、アッシャ、容量結合プラズマ・リアクタ、誘導結合プラズマ・リアクタ、ＥＣＲリアクタなどを含む。
【００１５】
平行板プラズマ・リアクタ用のガス分配システムを図１に示し、サポート板２０とシャワーヘッド２２が、密閉ガス分配チャンバ２４を画定するように固定されている。１つまたは複数のバッフルプレートを含むバッフル・アセンブリ２６が、サポート板２０とシャワーヘッド２２の間に位置する。本発明によれば、バッフル・アセンブリ２６の幾何形状および構成は、シャワーヘッド２２の裏側２８にガスを均一に供給するように構成する。化学蒸着工程またはドライエッチ・プラズマ工程など半導体ウェハ工程では、これらの工程の一貫性および歩留りを高めるために、基板全体にわたってプロセス・ガスを制御して分配することが望ましい。
【００１６】
図２および図３でわかるように、本発明の第１実施形態では、バッフル・アセンブリ２６がバッフルプレート３０Ａと、任意選択のバッフルプレート３０Ｂおよび３０Ｃとを含む。バッフルプレート３０Ａ〜３０Ｃは、シャワーヘッド２２の上向きに突出した周辺側部３４によって画定された凹部３２内に配置される。上部バッフルプレート３０Ａは、Ｏリング３８によってサポート板２０の底面３６から離間されている。Ｏリング３８は、上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の空間を２つの領域に分割し、それぞれが異なるガス化学的性質、圧力、および／または流量を有するプロセス・ガスを供給できる。第１ガス供給源４０からのガスは、上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の中央領域４２に流入する。第２ガス供給源４４からのガスは、環状チャネル４４ａに流入し、次いで上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の周辺領域４６に入る。中間部板および下部板３０Ｂ、３０Ｃは、上部バッフルプレート３０Ａの下に配列して、その間で開放プレナム４８Ａ、４８Ｂを、また下部バッフルプレート３０Ｃとシャワーヘッド２２の間で開放プレナム４８Ｃを画定できる。
【００１７】
各ガス供給源は、上部バッフルプレート３０Ａの表面全体にわたる圧力分布を生み出し、このガス圧力はガス供給源出口付近で最も高く、出口から離れる方向で低くなる。したがって、上部バッフルプレート３０Ａの上面の周辺領域４６と中央領域４２の間の相対ガス圧力は、第１および第２ガス供給源４０、４４に接続される第１および第２マス・フロー・コントローラ５０Ａ、５０Ｂを使用して調整できる。マス・フロー・コントローラ５０Ａ、５０Ｂにはそれぞれ、ガス供給源５０Ｃ、５０Ｄ、５０Ｅ、５０Ｆなどから供給される２つ以上のガスの流量を調整することによって所望の混合ガスを供給できる。
【００１８】
プロセス・ガスは上部バッフルプレート３０Ａとサポート板２０の間の中央領域４２および周辺領域４６全体にわたって分配され、上部バッフルプレート３０Ａ内の開口部５２Ａを通過して上部および中央バッフルプレート３０Ａ、３０Ｂの間の開放プレナム４８Ａに入る。その後、ガスは中央バッフルプレート３０Ｂ内の開口部５２Ｂを下に向かって流通し、中央および下部バッフルプレート３０Ｂ、３０Ｃの間の開放プレナム４８Ｂに入り、次いで下部バッフルプレート３０Ｃ内の開口部５２Ｃを介して下部バッフルプレート３０Ｃとシャワーヘッド２２の間の開放プレナム４８Ｃに入り、最後にシャワーヘッド２２内の開口部５４を介して基板に達する。ガスが開放プレナムに入るたびに、不均一な圧力が高圧の区域から低圧の区域へと幾分均等化されるにつれて不均一な圧力分布が弱まる。したがって、バッフルプレート３０間で複数のプレナム４８を画定するようにガス分配システムを構成することによって、シャワーヘッド２２の裏側２８部で実質的に均一な圧力分布が達成できる。
【００１９】
ガス分配システムの第２実施形態を図４〜６に示す。第２実施形態のバッフル・アセンブリは、２枚のバッフルプレート５６Ａ、５６Ｂを含む。上部バッフルプレート５６Ａはサポート板２０と接触する部分を含み、下部バッフルプレート５６Ｂはシャワーヘッド２２と接触する部分を含む。サポート板２０とバッフル・アセンブリ２６とシャワーヘッド２２の間の表面と表面の接触は、どちらもシャワーヘッド２２とバッフル・アセンブリ２６とサポート板２０の間の熱伝導を促進し、シャワーヘッドを上部電極として使用する場合は、シャワーヘッド２２とバッフル・アセンブリ２６とサポート板２０の間で電気的な導電性経路を提供することができる。
【００２０】
処理中は、温度制御されたサポート板２０がヒート・シンクとして働き、シャワーヘッド２２からバッフル・アセンブリ２６を介して熱を引き出す。たとえば、サポート板２０内の冷却チャネル５８を介して冷却剤を循環させて、基板の処理中に発生する熱を放散させることができる。
【００２１】
第２実施形態では、第１ガス供給源６０を、上部バッフルプレート５６Ａ内の中央凹部６２にガスを供給するように構成する。第２ガス供給源６４はガスを環状マニフォルド６６に供給し、これが下部バッフルプレート５６Ｂより上の周辺領域６８にガスを分配する。マニフォルド６６は、サポート板２０と一体にすることもでき、またはガス分配システムの別個の構成要素を含むこともできる。
【００２２】
上部バッフルプレート５６Ａは放射状に延びるチャネル７０を含み、これが概ね中央に位置する第１ガス供給源６０から上部バッフルプレート５６Ａの周辺部にガスを分配する。チャネル７０は、サポート板２０の下面３６と接触する接触表面７２間に画定される。熱および電流は、上部バッフルプレート５６Ａから表面７２を介してサポート板２０に流れる。同様に、下部バッフルプレート５６Ｂの上面は放射状に延びるチャネル７４を含み、これが周辺に位置するマニフォルド６６から下部バッフルプレート５６Ｂの中央部内の環状チャネル７６にガスを分配する。放射状に延びるチャネル７４は、上部バッフルプレート５６Ａと熱的かつ電気的に接触する接触表面７８間に画定される。図ではチャネル７０、７４、７６が上部および下部バッフルの上面内にあるが、サポート板２０および上部バッフルプレートの下面内に形成することもできる。
【００２３】
上部バッフルプレート内の放射状に延びるチャネル７０内に位置する開口部８０は、下部バッフルプレート５６Ｂ内開口部８２の第１組に流動接続する。つまり、上部バッフルプレート５６Ａ内開口部８０および下部バッフルプレート５６Ｂ内開口部８２の第１組は、第１ガス供給源６０から上部および下部バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂを介して概ね連続する、途切れのない流体経路を画定する。第２ガス供給源６４からのガスは、下部バッフルプレート５６Ｂ内のチャネル７４内開口部８４の第２組を介して流通する。流動接続された開口部８０、８２と開口部８４の第２組は、第１ガス供給源６０からのガスと第２ガス供給源６４からのガスの間での著しい混合を防止するように構成する。このような構成では、一部のガスが上部バッフルプレートと下部バッフルプレートの間で移動できる。このような移動を防止するためには、上部および下部バッフルプレートは、２つのガスが混合しないような形で接着またはメタラジによって結合できよう。
【００２４】
好ましくは、流動接続された開口部８０、８２は、位置決めピンなどの対合位置合せ機能など適切な技法によって、上部バッフルプレート内開口部８０を下部バッフルプレート内開口部８２の第１組に位置合せすることによって作り出す。しかし、開口部８０を開口部８２に接続するための他の手法は、上部バッフルと下部バッフルの間にパターン付きガスケットを挿入すること、または上部および下部バッフル内の開口部間に結合された個別の管を設けることを含む。
【００２５】
下部バッフルプレート５６Ｂの底面は、下向きに突出した環状壁部分８６を含み、これがシャワーヘッド２２の上面に熱的かつ電気的に接触する。流動接続された開口部８０、８２と、開口部８４の第２組はどちらも、下向きに突出した壁部分８６によって画定され、放射状に離間された環状チャネル８８に通じる。チャネル８８は、シャワーヘッドの上面内に形成でき、または下部バッフルプレートとシャワーヘッドの間の空間は、その間にシャワーヘッドからの熱を伝導するための、かつ／または電力をシャワーヘッドに供給するための接触部分を有する、または有さない開放プレナムとすることができる。
【００２６】
半導体処理中は、第１ガス供給源６０からのガスが、上部バッフルプレート５６Ａおよび下部バッフルプレート５６Ｂ内の流動接続された開口部８０、８２を流通し、第２ガス供給源６４からのガスが、下部バッフルプレート５６Ｂ内の開口部８４の第２組を流通する。第１および第２ガス供給源６０、６４両方からのガスが、シャワーヘッド２２の上面より上にある下部バッフルプレートの下面内のチャネル８８内で混合され、シャワーヘッド２２内の開口部９０の第３組を流通して基板に向かう。
【００２７】
上部バッフルプレート５６Ａ全体にわたり、ガス圧力は中央に位置する第１ガス供給源６０付近で最も高く、上部バッフルプレート５６Ａの周辺部付近で最も低い。プロセス・ガスは上部および下部バッフルプレート５６Ａ、５６Ｂ内の流動接続された開口部８２、８４を下に向かって通り、下部バッフルプレート５６Ｂの下面内の開放チャネル８８に流通する。動作中は、第１および第２ガス供給源が同じ圧力でガスを供給した場合、第１ガス供給源６０からのガスは、圧力が下部バッフルプレート５６Ｂの中央に隣接して高く、下部バッフルプレート５６Ｂの周辺部で低い圧力分布をもたらす一方、第２ガス供給源６４からのガスは、圧力が下部バッフルの周辺部で高く中央で低い圧力分布をもたらす。その結果、本発明のバッフル構成によって、シャワーヘッドの裏側で見られる圧力を、シャワーヘッドの裏側全体にわたってより均一にすることができる。
【００２８】
代替の処理方式では、ガス分配システムが、シャワーヘッド２２の裏側２８全体にわたって制御された、不均一なガス圧力分布を提供できる。たとえば、シャワーヘッド２２の裏側２８の周辺部で高いガス圧力が望ましい場合は、第２ガス供給源６４を介した流れを、第１ガス供給源６０を介した流れに対して選択的に増やすことができる。逆にシャワーヘッド２２の裏側２８の中央付近で比較的高いガス圧力が望ましい場合は、第１ガス供給源６０を介した流れを、第２ガス供給源６４を介した流れに対して増やすことができる。したがって、枚葉ウェハ処理の場合は、ガス分配システムが、ウェハより上にある１つまたは複数の環状ゾーンに様々なガス化学的性質を供給できる。ガス化学的性質、流量、圧力は、このような各環状ゾーン周りに円周的に均一にできる一方、ゾーンからゾーンにかけて放射状に変えることができるため、ウェハ表面部での処理条件がウェハ全体にわたり変化するような工程中に、ウェハの均一な処理に影響を与えることが可能である。
【００２９】
図７Ａ〜Ｂは、本発明によって、デュアル・ダマシン構造が１回のステップでエッチングできる様子を示す略図である。図７Ａは、トレンチに対応する開口部５００が、酸化シリコンなどの第１誘電体層５４０、窒化シリコンなどの第１ストップ層５６０、酸化シリコンなどの第２誘電体層５８０、窒化シリコンなどの第２ストップ層６００、シリコン・ウェハなどの基板６２０からなるスタックの上に重なるフォトレジスト・マスキング層５２０内に設けられているエッチング前状態を示す。１回のエッチングされるステップで第１ストップ層５６０を介してビアをエッチングするために、第１ストップ層５６０は開口部６４０を含む。図７Ｂはエッチング後の構造を示し、開口部５００が誘電体層５４０を介して第１ストップ層５６０に延び、開口部６４０が第２誘電体５８０を介して第２ストップ層６００に延びている。このような構成を「セルフアライン・デュアル・ダマシン」構造と呼ぶことができる。
【００３０】
エッチング工程中は、第１および第２実施形態の第１および第２ガス供給源によって供給されるプロセス・ガス条件を互いに対して変更できる。たとえば、トレンチ５００のエッチング中は、Ａｒ、酸素およびフッ化炭化水素（たとえば、ＣＨＦ３およびＣ４Ｆ８）の混合体を供給でき、ビア６４０のエッチング中は、ウェハの中央領域への酸素の流れを減らすことができる。ｌｏｗ−ｋ誘電体層をエッチングする場合は、Ｃ２Ｈ４などの炭化水素を含むことができ、炭化水素対酸素ガス流量比を放射状に変えて均一なエッチングを達成できる。したがって、本発明によれば、ウェハの中央および縁部へのガスの流れを調整して、プラズマ・チャンバ内で縁部の早いエッチングおよび中央の早いエッチングの状態を補償できる。たとえば、従来型プラズマ・チャンバでは、フォトレジストが腐食されるまで縁部の早いエッチング状態が起こり、その後中央の早いエッチング状態が起こりうる。本発明によるガス分配装置によって、ウェハがフォトレジスト層を有する間はより多くの酸素を中央に供給でき、フォトレジスト層が腐食除去されたとき中央への酸素の流れを減らすことができる。その結果、縁部の早いエッチング状態および中央の早いエッチング状態を補償することによって、より均一なエッチングを達成できる。
【００３１】
本発明の工程は、フッ化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどのアンドープ酸化シリコン、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、ホウ素燐ケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）および燐ケイ酸ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、ドープまたはアンドープの熱成長酸化シリコン、ドープまたはアンドープのＴＥＯＳ蒸着酸化シリコンなど様々な誘電体層のプラズマ・エッチングを含む様々なプラズマ工程に適用可能である。誘電体ドーパントは、ホウ素、燐、および／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコンなどの導体または半導体層、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンまたはそれらの合金などの金属、窒化チタンなどの窒化物、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドなどの金属シリサイドなどの上に重ねることができる。
【００３２】
プラズマは、様々なタイプのプラズマ・リアクタ内で発生する高密度プラズマとすることができる。このようなプラズマ・リアクタは一般に、高密度プラズマを発生させるためのＲＦエネルギー、マイクロ波エネルギー、磁界などを使用する高エネルギー源を有する。たとえば、高密度プラズマは、誘導結合プラズマ・リアクタとも呼ばれる変圧器結合プラズマ（ＴＣＰ（商標））、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ・リアクタ、ヘリコン・プラズマ・リアクタなどの中で発生させることができよう。高密度プラズマの得られる高流量プラズマ・リアクタの例は、本願の所有者が所有する米国特許第５，８２０，７２３号で開示されており、その開示を参照により本明細書に組み込む。
【００３３】
以上本発明について好ましい実施形態を参照しながら述べた。しかし、本発明の精神から逸脱することなく、上述した以外の特定形態で本発明を実施することが可能なことは、当業者には容易に明らかであろう。好ましい実施形態は例示的なものであり、決して限定的であると見なしてはならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく添付の特許請求の範囲に提示されており、特許請求の範囲内に該当する変形形態および均等物はすべて、その中に包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるガス分配チャンバの断面図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の分解斜視図である。
【図３】 本発明の第１実施形態の断面図である。
【図４】 本発明の第２実施形態の分解斜視図である。
【図５】 第２実施形態の断面図である。
【図６】 本発明の第２実施形態の下部バッフルプレートの斜視断面図である。
【図７Ａ】 本発明のガス分配システムによって実施できるエッチング工程の図である。
【図７Ｂ】 本発明のガス分配システムによって実施できるエッチング工程の図である。
Claims (31)
- 半導体基板処理で使用する反応チャンバ用として有効なガス分配システムであって、
その下部表面内に凹部を有し、前記凹部の中央区域に通じる第１ガス供給源開口部および前記凹部の周辺区域に通じる第２ガス供給源開口部を有するサポート部材と、
バッフル構成であって、前記第１ガス供給源開口部からのガスが当該バッフル構成内の第１開口部を通過し、前記第２ガス供給源開口部からのガスが当該バッフル構成内の第２開口部を通過するように前記凹部内に位置するバッフル構成と、
前記第１開口部および前記第２開口部を通過するガスが互いに混合され、シャワーヘッド内の第３開口部セットを通過するようにサポート部材によって支持されたシャワーヘッドと、を備え、
前記バッフル構成が、バッフルプレートとシール部材とを含み、前記シール部材が、前記バッフルプレートと前記サポート部材の間の空間を中央領域と周辺領域に分離し、前記第１ガス供給源開口部が前記中央領域に通じ、前記第２ガス供給源開口部が前記周辺領域に通じることを特徴とするガス分配システム。 - 前記シャワーヘッドが上部電極であり、前記サポート部材がプラズマ反応チャンバの温度制御された部材であることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記サポート部材が、温度制御された部材に取り付けられた支持リングを備えることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記第２ガス供給源開口部は、前記上部バッフルプレートと前記下部バッフルプレートの間に位置する１つまたは複数のガス流のチャネルにガスを供給し、前記第２ガス供給源開口部からのガスは、前記バッフルプレートの外側領域から前記バッフルプレートの内側領域への方向に前記チャネルを通過する流れを提供することを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記チャネルが、前記上部バッフルプレートの下部表面内および／または前記下部バッフルプレートの上部表面内に形成されることを特徴とする請求項４に記載のガス分配システム。
- 前記下部バッフルプレートの上部表面が前記上部バッフルプレートの下部表面と熱接触することを特徴とする請求項５に記載のガス分配システム。
- 前記シャワーヘッドが電極であり、前記上部バッフルプレートおよび前記下部バッフルプレートが導電性材料からなり、前記下部バッフルプレートの上部表面が前記上部バッフルプレートの下部表面と電気接触することを特徴とする請求項５に記載のガス分配システム。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記第１開口部および前記第２開口部を通過するガスが、前記下部バッフルプレートと前記シャワーヘッドの間に位置するガス流チャネル内で混合されることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記チャネルが、前記下部バッフルプレートの下部表面内および／または前記シャワーヘッドの上部表面内に形成され、前記下部バッフルプレートの下部表面が前記シャワーヘッドの上部表面と接触することを特徴とする請求項８に記載のガス分配システム。
- 前記シャワーヘッドが電極であり、前記上部バッフルプレートおよび前記下部バッフルプレートが導電性材料からなり、前記下部バッフルプレートの下部表面内および／または前記シャワーヘッドの上部表面内にチャネルが形成され、前記下部バッフルプレートの下部表面が前記シャワーヘッドの上部表面と電気的かつ熱的に接触することを特徴とする請求項８に記載のガス分配システム。
- 前記シャワーヘッドがシャワーヘッド電極を備えることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記シール部材がＯリングであることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 前記第１ガス供給源開口部に接続された第１マス・フロー・コントローラと、前記第２ガス供給源開口部に接続された第２マス・フロー・コントローラと、前記第１および第２マス・フロー・コントローラに接続され、前記第１および第２ガス供給源開口部によって供給されるプロセス・ガスの化学的性質および／またはガス流量を調節するコントローラと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
- 請求項１に記載のガス分配システムを備えた反応チャンバ内で基板を処理する方法であって、
前記反応チャンバに半導体基板を供給する工程と、
前記第１ガス供給源開口部および前記第２ガス供給源開口部にプロセス・ガスを供給し、前記プロセス・ガスが前記バッフル構成を通過するまで混合されることなく前記バッフル構成を通過し、その後混合された前記プロセス・ガスが前記シャワーヘッドを通過して前記反応チャンバの内部に入る工程と、
前記シャワーヘッドを通過する前記プロセス・ガスで前記半導体基板を処理する工程と、
を有することを特徴とする方法。 - 前記シャワーヘッドが、通過する前記プロセス・ガスを活性化してプラズマ状態にするシャワーヘッド電極であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- さらに、前記半導体基板の露出表面と接触するプラズマを前記プロセス・ガスが形成するように前記シャワーヘッド電極にＲＦ電源を供給して、前記半導体基板上の層をエッチングすることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
- 前記半導体基板がシリコン・ウェハを含み、前記方法がウェハ上の材料の誘電体、半導体または導電性層をドライ・エッチングすることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記方法が前記半導体基板上で材料の層を蒸着することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記シャワーヘッドがシャワーヘッド電極を備え、前記サポート部材が温度制御された部材を備え、前記方法が前記温度制御された部材を介して冷却剤を通過させることによって、前記シャワーヘッドから熱を除去することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記第２ガス供給源開口部は、前記上部バッフルプレートと前記下部バッフルプレートの間に位置する１つまたは複数のガス流のチャネルにガスを供給し、前記第２ガス供給源開口部からのガスは、前記バッフルプレートの外側領域から前記バッフルプレートの内側領域への方向に前記チャネルを通過する流れを提供することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- さらに、前記シャワーヘッドの裏側全体にわたって所望のガス圧力分布が得られるように、前記第１ガス供給源開口部に供給される前記プロセス・ガスの流量および／またはガス圧力を調節すること、および前記第２ガス供給源開口部に供給されるプロセス・ガスの流量および／またはガス圧力を調節することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記方法が、前記シャワーヘッド、前記下部バッフルプレート、前記上部バッフルプレートおよび／または前記サポート部材の接触表面を介して前記シャワーヘッドから熱を除去することによって前記シャワーヘッドを冷却することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記第１および第２開口部を通過するガスが、前記下部バッフルプレートと前記シャワーヘッドの間に位置する半径方向に間隔をあけて配置された環状ガス流チャネル内で混合されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記チャネルが前記下部バッフルプレートの下部表面内および／または前記シャワーヘッドの上部表面内に形成され、前記半導体基板の処理中に熱が前記シャワーヘッドから除去されるように前記下部バッフルプレートの下部表面が前記シャワーヘッドの上部表面と接触することを特徴とする請求項２３に記載の方法。
- 前記第１ガス供給源開口部を流通する前記プロセス・ガスが、前記第２ガス供給源開口部を流通する前記プロセス・ガスと同じ化学的性質を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記第１ガス供給源開口部を通過する前記プロセス・ガスが、前記第２ガス供給源開口部を通過する前記プロセス・ガスと異なる化学的性質を有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記基板が、少なくとも第１および第２ステップでエッチングされる半導体ウェハであり、前記第１ガス供給源開口部を通過する前記プロセス・ガスが第２ガス供給源開口部を通過するプロセス・ガスに対して調節されて、前記第１および第２ステップ中に、縁部の早いエッチング状態および中央の早いエッチング状態を補償することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記開口部が、前記基板の誘電体層の露出した部分を介して前記基板の導電性または半導体層へとエッチングされることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記エッチングされるステップが、ダマシン構造を製造する工程の一部として実施されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
- 前記半導体基板がフォトレジスト・マスキング層、第１誘電体層、第１ストップ層、第２誘電体層、第２ストップ層の層を含み、前記エッチングされるステップは、前記フォトレジスト層内にパターン付けられたトレンチが前記エッチングされるステップの第１段階中に第１誘電体層を介して前記第１ストップ層へとエッチングされ、ビアまたはコンタクト開口部が前記エッチングされるステップの第２段階中に第２誘電体層を介して第２ストップ層へとエッチングされるように実施され、前記第１ガス供給源開口部および第２ガス供給源開口部によって供給されるプロセス・ガスは、前記第１段階中のプロセス・ガス組成および／または流量が前記第２段階中のプロセス・ガス組成および／または流量と異なるように調整されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
- 前記バッフルプレートが、上部バッフルプレートであり、前記バッフル構成が、下部バッフルプレートをさらに含み、前記第１開口部が、前記上部バッフルプレートおよび前記下部バッフルプレートを介して連続し、途切れのない流体経路を画定するように、前記上部バッフルプレートおよび前記下部バッフルプレートに配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガス分配システム。
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