TWI328619B - Apparatus and system for controlling gas flow between process region and exhaust port in semiconductor substrate processing chamber - Google Patents

Apparatus and system for controlling gas flow between process region and exhaust port in semiconductor substrate processing chamber Download PDF

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TWI328619B TW094110812A TW94110812A TWI328619B TW I328619 B TWI328619 B TW I328619B TW 094110812 A TW094110812 A TW 094110812A TW 94110812 A TW94110812 A TW 94110812A TW I328619 B TWI328619 B TW I328619B
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Kallol Bera
Heeyeop Chae
Hamid Tavassoli
Yan Ye
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Description

1328619 16556pif.doc 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一半導體基底（substrate )處理系統，特 別’歩及控制半導體基底製程室(processing chamber)中之氣 流的裝置。 ” 【先前技術】 積體電路已發展成為在單一晶片上包括數百萬個元 件（例如電晶體、電容器、電阻器等）的複雜裝置。晶片 的改良設計不斷地朝向速度更快和密度更大的電路。而更 高密度的電路必須要減少積體電路元件的尺寸大小。這些 裝置的最小特徵尺寸一般稱作臨界尺寸（critical dimension)。β*界尺寸一般包括如行、列、開口以及行間 隔等的最小特徵寬度。 當臨界尺寸減小時，基底的製程一致性對保持高的生 產效率非常重要。與習知生產積體電路所使用的電漿蝕刻 方法相關的一個問題就是電漿蝕刻方法對於基底的蝕刻速 率非一致性，其蝕刻速率的非一致性部分地取決於活性組 分(reactive species)與被蝕基底之間的橫向偏移（lateral offset)。使活性組分與基底中心之間趨向產生偏移的一個 因素就是製程室排氣口（exhaust port)的徑向定位(radial location)。由於緊靠製程室排氣口的地方的氣體比較容易 抽吸，活性組分就被抽向該排氣口，因此偏離了製程室及 放置在該製程室中的基底的中心位置。而正是該偏離造成 了基底表面蝕刻的非一致性，嚴重影響處理效果，增加積 1328619 * 16556pif.doc 體電路製作的成本。 因此業界需要—改進裝置以改善製作積體電路 底材料層的餘刻效果。 【發明内容】 本發明提供一控制半導體基底製程室中之氣流的裝 置。在一實施例中，該裝置（流體控制器）包括一適於支 稽製程室底部的底盤（base)和—可以與該底盤於垂直方 向分離的支撐環(suPP〇rt ring)。在製程室中，該支撐環 圍繞的底S (pedestal)支樓著基底。至少有—個沿支^产 的徑向伸出的限流板（restriet()rplate)與該支揮環相, 該限流板位於基底上方的製程區域和與真妓相連接 氣口之間。此限流板用來控制氣體從製程區域流向排氣口 的流動。 〃 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和 【實施方式】 本發明一般涉及一改善電漿反應器中半導 程-致性的裝置。熟習此技藝者明白可以使用其他ς = 電漿钱刻室例如反應性離子蝕刻（尺正）室、 > 速器共振（ECR)室等。另外本發明可用於任何製== 如原子層沈積（ALD)室、化學氣相沈積（cv ^ 漿增強化學氣相沈積（PECVD)室、磁增強電 、電 以流體控制改善基底製程中基底表面製程的—致性等’ 1328619 16556pif.doc 圖1為應用本發明的雙頻電容性電漿反應器的剖面示 意圖。在一實施例中，本發明流體控制器與具有位於基底 支，上方的氣體進口和位於基底支撐下方的室排氣裝置或 排氣口的製程室一起工作。流體控制器使製程室中的受控 氣流達到理想的狀態。本發明合適的製程室實例為加利弗 尼亞（California)桑塔克拉瓦（Santa Clara)的應用材料 公司（Applied Materials Inc.)提供的 enabler™ 製程室。 在一實施例中，反應器102包括一製程室11〇，該製 程室110的牆壁130是導電的，並與地134相連。在製程 室牆壁130的外周至少有一個電磁線圈單元112。製程室 牆壁130包括陶瓷内襯131，便於清洗製程室11〇。當每一 基底加工好後，可從陶瓷内襯131很容易地清除蝕刻製程 中產生的副產品和殘餘物。電磁線圈單元112由一直流電 源154控制’該電源154的電廢至少為5V。 製程室110還包括一基底支撐底座116，該底座116 放置在製程室11〇的底部1〇8上，它與一喷頭 (sh〇Werhead)132所隔開的空間構成了製程區域18〇。基底 支樓底座116包括一靜電夾盤126， 將基底114保持在噴頭132下方的底座116的表面14〇上。 靜電夾盤126受控於直流電源120以及一通過匹配網 路（matching network) 124 連接於射頻（RF)偏壓源（bias source) 122的支撐底座116。該偏壓源122 一般所能產生 的射頻信號的可調頻率為50kHZ _ 13 56MHZ，功率為〇 _ 5000W。該偏壓源122可任意為直流或脈衝直流電源。 1328619 16556pif.doc 嵌入於相對支撐底座u6的上電極128的喷頭132例 如包括多個氣體分配區，以特定的氣體分配梯度向製程室 110的製程區180提供各種氣體。上電極128通過阻抗變 壓器（impedance transformer) 119(例如四分之一波長匹配短 截線(matching stub))與射頻RF源118相連。該電源118 一般所能產生的射頻（RF)信號的可調頻率約為 162MHZ，功率在0-2000W之間。 製程室110的内部為高真空容器，通過一形成於製程 室牆壁130上的排氣口 135與真空泵136相連接。安裝在 排氣口 135處的節流閥（throttle valve) 127與真空泵136 相連，用於控制製程室11〇中的壓力。 μ體控制益1〇〇圍繞著支樓底座ι16，位於支樓底座 116和製程室牆壁13〇之間，但不與其相接觸。流體控制 裔100用以控制氣流在製程區18〇以及排出口丨35的流 動。流體控制器100用來控制某一特定製程室中或在某一 處理條件下的氣流特徵。該流體控制器可用來均衡某一特 定製程室中的氣流特徵或保持理想的非對稱氣流。這可通 過將流體控制器設定到預先確定的高度、寬度和輪廓來實 現，使流體控制器相對於製程室底部1〇8保持在預先確定 的高度，在流體控制器100的外邊緣和製程室牆壁13〇的 内側壁之間形成預先確定的空隙158,在流體控制器100 的内邊緣和支撐底座116的外邊緣之間形成預先確定的空 隙二60。可設定該流體控制器，使空隙158和/或空隙16〇 的寬度沿著流體控制器100的周邊變化。 1328619 16556pif.doc 圖2A為一實施例之流體控制器非等軸局部分解圖。 該流體控制器100包括一底盤202、多個支撐柱腳2〇4、一 支撐環206和至少一限流板208。底盤202放置在製程室 110的底部108 (如圖1所示）上，一般環繞著基底支撐底 座116。s玄底盤202可用合適的方式例如螺栓、螺絲釘、 枯合劑、谭接、夾具等固定在底部108上。如圖2A所示 的貝細*例中，4個孔210穿過底盤202，可將底盤202用螺 釘固疋在製程室11〇的底部1〇8上。可考慮使用多個底盤 將流體控制器100支撐在製程室底部1〇8上。 將支撐柱腳204以合適的方式例如焊接、螺絲連接、 樁連接、形狀配合(interference fit)、螺栓連接、壓焊連接 等連接於底盤202和支撐環206之間。作為選擇，支撐柱 腳204可以是絲202和/或支撐環的整體的一部分， :用同-塊材料通過成型、姐、锻造或機床加 的實施例中，使用連㈣26〇 (圖中顯示一 :匕讀柱腳204下方的底盤202 JL的孔262 ==充分垂直地固定在底盤202上。通過數個 =6 Ϊ的孔214 ’將支撐柱腳2。4用螺絲釘連接於支 程室=====以樓環2。6撐離於製 分平行。典型上可鮮度為h，並與底部1〇8充 中果的氣流特徵。例如^^二=優化某狀製程室 與放置在底座116上的心^該向度，使得限流板208 土底114的上表面大約平齊並充分 1328619 ' 16556pif.doc 平行。作為選擇，依據氣流特徵和製程室的幾何形狀，談 高度可高些或低些。可以制氣流類套裝軟縣確定流 體控制器的最優高度h。作為選擇，可以用多組高度不同 的支撐柱腳2〇4作實驗製程以確定最佳高度h。支^柱腳 204的長度也可選擇為可調的，例如使用可調螺杆:允許 高度h的變化從而避免使用多組支撐桎腳2〇4。然而在^ 一實施例中，支撐柱腳的高度變化可用來形成限^板2〇8 相對於底座表面140的角度，使限流板2〇8不與底座表面 140和將被處理的基底的表面平行。 該至少一個限流板208作為隔板改變流經該板和其附 近的氣流。該限流板208限制從氣體進口到排氣口的氣體 流動’排氣口附近的氣流所受限制程度最大，排氣口對面 的地方的氣流所受限制程度最小’這使氣體能均勻地流過 基底114的表面。均勻的氣體流動減輕了電漿被拉向排氣 口的趨向。 在一實施例中’該至少一個限流板208為環形扇段， 該扇段伸向排氣口，使排氣口對面的區域處於開放狀態。 作為選擇’該至少一個限流板208可能是多個相同的環形 扇段或半徑寬度變化的環形扇段，相鄰放置形成一合適尺 寸和形狀的環形扇段，使製程中製程室内的氣流最佳化。 限流板208返可為卓一的ί承形扇段’其半徑寬度是相同的 或變化的，其所處位置使得排氣口附近的氣流受到的限制 最大，而排氣口對面的氣流所受限制最小。可考慮在製程 室中使用形狀不同的、排氣口位置和數量也不同的其他結 1328619 16556pif.doc 構配置。 該至少一個限流板208通過任何傳統的方式例如使用 螺栓、螺絲釘、壓焊、纏缚等與支撐環206連接固定。此 外，限流板208也可直接連接於支撐柱腳2〇4或底盤2〇2。 在圖2A所示的實施例中，限流板2〇8使用螺釘通過支撐 環206的突耳212上的孔與支撐環相連’使得限流板2〇8 (a) _ (c)的内邊緣220充分接近基底支撐底座116的外 邊緣，從而構成裏面的空隙160 (如圖i所示）。該空隙 —般彳艮小，以限制其間的氣流，但在某一特定的製程 至中可以改變其大小使氣流最佳化。 在圖2A所示的實施例中，限流板包括一組板2〇8( :(c)與支撐環206相連，相鄰擺放形成大小合適的弧。 j弧的大小或掃描角根據製程室的幾何形狀而變化。圖2八 (=限流板208之弧度為45度，因此三個限流板2〇8(a)、 、（C)共有135度。然而，限流板可大可小，其形 =可變化’構成所需的或大或小的㈣以使某一特定的 I程室中的氣流和氣壓最佳。 圖2B，是例如，控制器1〇〇所用限流板的實施例的 、:圖。限流板208的大小取決於一從中心25〇測量的角 和對於中心250的徑向寬度w。改變該角α，將使單— 沾鎖氣流的面積變大或變小。較小的角α，使氣流限制 至大’較大的角α，則使微調變小。調整該角以 角《制佳配置。而且某—特定配置—旦確^，可使用該 角α製造能錢合相積的單—限流板·。 1328619 16556pif.doc 另外，改變寬度W ’使得由氣流限流板208的外邊緣 216和製程室牆壁130的内襯層13ι之間形成的空隙158 (如圖1所示）發生變化。該空隙允許控制氣流限流板208 的外邊緣216附近的氣流和流經該空隙158的氣流。在一 實施例中，限流板208的寬度w足夠大，使得該間隙158 充分小，從而充分限制流經該間隙158的氣流。該間隙158 的大小可以是均勻的’或可沿著内部氣流限流板的周邊變 化。空隙158的大小的變化，可以是平緩的，例如使用寬 度逐漸變小的一個或多個限流板；也可以是梯狀的，例如 使用多個寬度不等的限流板。 圖3為一俯視圖’描述一製程室310中的流體控制器 300的實施例。該實施例說明一組限流板308 (a) - (e) 是怎樣被安置在支撐環306上控制製程室310中流過放置 在底座316上的基底（未顯示）表面的氣流的壓力和速度 的。 該實施例中’五個限流板308 (a) - (e)相互鄰接環 繞底座316，每一限流板具有一約為45度的角α，因此所 安裝的限流板308環繞底座316約225度，即底座316的 5/8。母一限流板308的寬度w，足夠大得充分關閉在限流 板308的外緣和製程室牆壁33〇之間所構成的空隙358。 限流板308被擺放的位置使得該限流板内邊緣和底座316 的外邊緣之間構成的空隙362被充分關閉。所擺放的限流 板308構成的開口 36〇與製程室31〇中的排氣口 355所在 位置相互徑向充分對稱，與氣體流過空隙358和362相比， 13 1328619 16556pif.doc 允許氣體比較自由地流過底座並通過開口 360。 圖4A為俯視圖，描述製程室410中的流體控制器400 的另一實施例。在該實施例中，限流板408為一整體，其 環形輪廓使流經製程室410中位於底座416上的基底的表 面的氣流的壓力和速度最佳化。該限流板408的寬度沿任 一徑向切面可以平緩地或非連續地任意變化。例如，圖4B 是圖4A中的限流板408的俯視圖，圖中限流板408的寬 度w從最大值wl平緩地逐漸變小到與wl徑向相對的最 小值W2〇圖4A中的實施例中，限流板的最大寬度wl定 位在離排氣口 445最近的地方，在排氣口的附近只留下很 小的空隙458,而在排氣口 445的對面留下較大的空隙460。 例如，在製程室410中，其牆壁430的内徑為22英 寸’其中放置的底座416的直徑為15英寸，底座416和牆 壁430之間形成的通道寬為3 1/2英寸。一最佳流體控制 器400，所配置的環形輪廓的外徑為18英寸，最大寬度 為2 3/4英寸，與之徑向相對的最小寬度w2為1/4英 寸，最大、最小寬度wh W2之間的寬度從wl逐漸變小 到W2。放置在製程室410中的流體控制器4〇〇的最大寬度 W1可定位在離排氣口 445最近的地方，在離泵口 445 ^ 近的區域所形成的最小空隙458為1/2英寸。泵口 4幻 面的開口 460為3 1/4英寸寬。 作為選擇，限流板408還可以由多個不同寬度的環形 屬段組成近似的輪廓。這種近似可以是平緩的，或非連^ 的。限流板408的輪廓可通過氣流模型套裝軟體獲得，或 1328619 16556pif.doc 利用多個限流板通過實驗獲得滿意的輪廓。 在f-實施例中，-整體的限流板可為其他卵形輪 靡。這裏所用的印形，是廣義的解釋，可以指任意的長方 形、橢圓形、環、弓形或圓形。術語“輪廓，，泛指一般形狀， "T包括與基底支撑底座相鄰接的被挖剪部分。 再參考圖1和圖2A，操作過程中的基底114放置在 支撐底座116上，製程室内部空氣被抽吸，其壓力低於大 φ 氣壓力，點燃時可產生電漿152的氣體150 (例如氬、氣 化氣體、氟化氣體等）從氣體控制板（gas panel) I%通 過噴頭132引入製程室110。利用射頻源118提供給上方 的電極(陽極)128的能量點燃製程室11〇中的氣體15〇使之 變成電漿152。通過電磁線圈單元112給電漿152施加磁 場，偏壓源122提供的能量使支撐底座116受到偏壓。 在基底114的製程中’當氣體150被引入製程室u〇 轉換為電漿152時，安裝在排氣口内的節流閥127由泵ι36 通過排氣口 135調節被抽出製程室no的空氣流量，維持 製程室110中的操作壓力。如果不使用流體控制器1〇〇， 古氣體流進和流出製程室11()時，喷頭132、底座U6和 排氣口 135的位置使流經基底114表面的氣體的壓力和速 度分佈不均勻。這種不均勻的壓力和速度分佈影響室中等 電聚152的位置，從而影響將被蝕刻掉的基底114表面上 的材料的蝕刻速率》 圖5A和5B分別是顯示所測量的在使用和不使用流體 控制器的情況下基底表面上蝕刻速率一致性的示意圖。圖 15 1328619 16556pif.doc 5A顯示的是在沒有使用流體控制器的情況下，基底5i2 表面上代表較大的蝕刻速率的區域552。從圖中可看出， 由於室中氣流的非一致性，活性組分移向基底512的一 邊。活性組分的這種位置偏移引起基底512的蝕刻速率的 非一致性，如代表較大蝕刻速率的區域552所示。圖5b 所顯不的是在使用流體控制器的情況下代表基底514表面 上較大蝕刻速率的區域554。從圖中可看出，活性植分 集中在基底5M的表面上，從而產生十分均勻的代=^ 蝕刻速率的區域554。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然並並非用以 限定本發明，任何熟習此減者，在獨縣發明之 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 ° 【圖式簡單說明】 圖1為雙頻電容性電漿源反應器的側面示意圖。 圖2A為-實施例之流體控制器非等轴局部分解圖。 圖2B為圖2A中流體控制器之限流板的俯視圖。 圖3為使用-實施例之流體控制器的製程室剖面圖。 圖4 A為使用另-實施例之流體控制器的製程室剖面 圖。 圖4B為圖4A之流體控制器之限流板俯視圖。 圖5A為描述在沒有使用流體控制器的 程室中基底加工過程中蝕刻速率一致性之示意圖。土泜衣 圖SB為描述在使用流體控制器的半導體基底製程室 1328619 16556pif.doc 中基底加工過程中姓刻速率一致性之示意圖。 【主要元件符號說明】 100、300、400 :流體控制器 102 :反應器 108 :底部 110、310、410 :製程室 112 :電磁線圈單元 114、512、514 :基底 ® 116、316、416 :基底支撐底座 119 :變壓器 122 :射頻偏壓源 124 :匹配網路 126 :靜電炎盤 127 :節流閥 128 :上電極 130、330、430 :製程室牆壁 # 131 :陶瓷内襯 132 :喷頭 134 :電位地 135、335、445 ··排氣口 136 泵 138 氣體控制板 140 底座表面 150 氣體 17 1328619 16556pif.doc 152 :等離子體 154 :直流電源 158、160、358、362、458 :空隙 180 :製程區域 202 :底盤 204 :支撐柱腳 206、306 :支撐環 208、308、408 :限流板
210 、 214 :孑L 212 :突耳 216 :外邊緣 220 :内邊緣 250 :中心點 260 :連接件 360、460 :開口 552、554 :較大蝕刻速率 400 :流體控制器 408 :限流板 410 :製程室 416 :底座 430 :牆壁 445 :排氣口 458、460 :空隙 w :寬度 1328619 16556pif.doc wl :最大值 w2 ·最小值

Claims (1)

1328619 16556pif.doc 十、申請專利範圍： 1. 一種在半導體基底製程室中控制製程區域和 > 之間氣流的裝置，包括： 至少一個被支撐在製程室中的限流板，且至少立、 限流板環繞基底支撐底座，該限流板用於控制在製的 和排氣口之間至少一種氣體的流動，其中至少〜個域 橫向間隔在基底支#底座和製程室内壁之間； L板 一適合與該製程室的底部連接的底盤；以及 一與該底盤在垂直隔開的位置相連接的支撐垮， 該至少一個限流板與該支撐環相連。 衣其中 2, 如申請專利範圍第1項所述之在半導體基 中控制製程區域和排氣口之間氣流的裝置，更包括广至 連接於該底盤和該支撐環之間的支撐柱腳。 夕個 3_如申請專利範圍第1項所述之在半導體 中控制製程區域和排氣口之間氣流的裝置，复二二， ^腳使該支樓環不與該基底支撐底_基‘ 義的平面平行》 "^牙衣面所疋 如中請專利範圍第！項所述之在半導體基 ^控制製程區域和排氣口之間氣流的裝置，其㈣至I、一 繞==限流板’且該環形限流板至少部分㈣ 中控半導體基底製程室 -部分的寬度比二裝置’其中該限流板
20 1328619 16556pif.doc 6. 如申請專利範圍第5項所述之在半導體基底製程室 中控制製程區域和排氣口之間氣流的裝置，其中具有較寬 寬度的該部分適合於放置在離該排氣口最近的位置。 7, 如申請專利範圍第1項所述之在半導體基底製程室 中控制製程區域和排氣口之間氣流的裝置，其中該至少— 個限流板更包括多個限流板，且每一個限流板至少與一個 其他的限流板相比鄰。
8·—種半導體基底處理系統，包括： 一製程室； 一放置在該製程室中的基底支撐底座； —位於製程室中底座上方的氣體進口，向支撐底座上 方的製程區域提供處理用氣體； 一位於製程室壁上的排氣口；以及 Λ至少一個被支撐在半導體製程室中的限流板，且至少
=環繞絲支觀座，祕流崩來㈣在f程區域和 排虱口之間的至少一股氣流的流動狀態； -用來與該製程室的底部相連接的底盤；以及 -與該底盤在垂直關的位置相連接的切環，其中 至少一個限流板與該支撐環相連。 9·如申料利第8項所叙 統，更包括多個連接於該底盤和該支撐環之間的支撐處柱腳系 統，其中該些支樓柱腳使該支撐，底處理糸 基底支撑⑽μ料面平彳^料鮮絲切底座的 21 l6556pif.doc U.如申請專利範圍第8項所述之半導體基底處理系 、统’其中該至少一個限流板是由多個拱形的限流板構成。 12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體基底處理系 統’其中該些限流板環繞至少一半該基底支撐底座。 13. 如申請專利範圍第12項所述之半導體基底處理系 統’其中該些限流板的至少一部分外邊緣縮小了其外邊緣 和該製程室内壁之間、離該排氣口最近的地方的空隙。 14. 如申請專利範圍第8項所述之半導體基底處理系 統，其中該至少一個限流板為單一限流板。 15. 如申請專利範圍第14項所述之半導體基底處理系 統，其中該單一限流板的形狀至少有一部分為環形，且該 環形部分圍繞著至少一半該基底支撐底座。 16. 如申請專利範圍第15項所述之半導體基底處理系 統，其中該單一限流板之一部分的寬度大於另一部分的寬 度。 17. 如申凊專利範圍第16項所述之半導體基底處理系 統，其中該單一限流板具有較寬寬度的該部分離該排氣口 最近。 18. 如申請專利範圍第17項所述之半導體基底處理系 統，其中戎單一限流板的至少一部分外邊緣縮小了其外邊 緣和該製程室内壁之間離該排氣口最近的那部分空隙。 19. 如申請專利範圍第8項所述之半導體基底處理系 統，其中該至少一個限流板是形狀為環形的單—限流板， 該單一限流板完全包圍該基底支撐底座，且該單一限流板 1328619 16556pif.doc 的某一部分的寬度大於另一部分的寬度，其外邊緣的某一 部分至少與離該排氣口最近的該製程室内壁的地方相接 觸。 20.如申請專利範圍第8項所述之半導體基底處理系 統，其中該至少一個限流板的外邊緣的某一部分在離該排 氣口最近的第一位置與該製程室内壁的距離小於在比該第 一位置離該排氣口較遠的第二位置與該製程室内壁的距 離。
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