具排气孔隙特征的气体散流喷气头的制作方法

专利名称：具排气孔隙特征的气体散流喷气头的制作方法
技术领域：
本发明一般是与半导体晶片制程系统有关，更明确而言，是关于在工 件表面分布制程气体的系统与方法。
背景技术：
半导体晶片制程系统通常含有一制程室，其具有晶座或基座，用以于 制程室内靠近制程区域支撑半导体晶片。制程室形成一真空范围，界定出 部分的制程区域。 一气体散流组件或喷气头可提供一或多个制程气体至制 程区域。接着可加热及/或提供能量予该气体以形成一等离子体，于晶片上实施特定制程。这些制程可包含化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)，以沉积薄膜于晶片上，或一蚀刻反应以由晶片移除材料。随着半导体装置尺寸与复杂度的增加，晶片面积变为更加珍贵。因此， 不仅希望将元件设置至靠近晶片中心，亦希望尽可能靠近晶片外部边缘。 将元件设置在靠近晶片周围处也提高了在径向范围中晶片制程步骤的的一 致性(radial uniformity)的要求。因此，是希望半导体制造过程可几乎于 整个晶片表面达到一致性。图2显示习知技艺的沉积室210，具有习知技艺的喷气头220。习知技 艺的喷气头220特征为，于喷气头下表面225具有数个相等间隔的孔洞222。 制程气体经由入口导管214，沿标记方向215流入喷气头220。孔洞222用 以于喷气头内沿方向218分布制程气体。制程气体经由孔洞222离开喷气 头，并与半导体晶片230表面反应。喷气头内的气体空间散流，决定分布 于半导体晶片表面气体的 一致性。于沉积制程中，制程气体流经半导体晶片230的顶部表面235,并与 表面235或其他气态物种反应，以于晶片表面235形成所需的薄膜236。 气体于晶片边缘沿方向238流动，并经由环状排气通道250排气。于图2所绘示的习知技艺沉积室，为抵达排气通道250,于晶片中心 上方，由喷气头所引入的制程气体，通常于径向方向沿晶片表面流动，且 于晶片边缘沿方向238流动。因此，当气体于径向方向朝向晶片边缘流动 时，气态物种的速度便可能增加。于沉积制程中，沉积速率典型地取决于反应种类相对于半导体晶片表 面的流动。若反应种类的速度于径向方向上增加，沉积速率于靠近晶片周 围可能大于靠近晶片中心，导致不一致的薄膜厚度。因此，业界亟需一种设备是可改进沉积于半导体晶片的薄膜的一致性。发明内容根据本发明的具体实施例，是关于在工件表面分布制程气体的系统与 方法。根据本发明一具体实施例，制程气体由一来源，经由具有数个孔隙 的气体散流喷气头，流至工件表面。气体散流喷气头亦具有数个排气孔隙 特征，以移除来自晶片表面上的材料。由喷气头排气孔隙所提供的补充排 气，是用以减少由于通过晶片表面的径向流动所产生的气体速度变化，从 而增强相对于晶片中心的晶片边缘的处理一致性。根据本发明一具体实施例的设备，包含围绕制程室的侧壁，以及位于 制程室内的晶片基座。第一排气导管与制程室进行流体交换，且一制程气 体源经由气体散流喷气头而与制程室进行流体交换。气体散流喷气头含有 一第一通道其可与制程气体源进行流体交换，以及分布于该喷气头下表面的孔隙；以及与第一通道分隔的一第二通道，其与第二排气导管，以及分 布于喷气头下表面的排气孔隙，进行流体交换。根据本发明一具体实施例，以处理半导体工件的方法是包含，经由位 于气体散流面板的第一数个孔隙，流动一制程气体至一半导体工件。气体 由半导体工件上，经由制程室排气通道，以及位于气体散流面板的第二数 个孔隙而移除。根据本发明一具体实施例，以于一制程室处理半导体晶片的方法是包 含，置入一半导体晶片至制程室，并经由第一排气通道排空制程室。至少 一制程气体，经由位于喷气头表面的第一组孔隙引入。气体经由第一排气 通道移除，且气体经由位于喷气头表面的数个孔隙移除。
根据本发明一具体实施例，以控制沉积于半导体晶片上薄膜性质一致 性的方法是包含，放置一晶片于一制程室，并经由位于面板的第一数个孔 隙，引入气体至晶片。气体经由位于面板的第二数个孔隙移除，且气体同 时由径向排气路径移除。本发明的这些与其他具体实施例，以及其特征与一些潜在优点，将连 同随后的内容与所附图示详细描述。


图1A为化学气相沉积系统的一简化概要图示。图IB为化学气相沉积系统制程室侧壁部分，分解透视的筒化概要图示。图1C为化学气相沉积系统制程室盖子组件，分解透视的简化概要图示。图2为习知技艺的沉积室与喷气头简化概要图示。图3A为根据本发明 一具体实施例的沉积室简化概要图示。图3B为根据本发明另一具体实施例的沉积室筒化概要图示。图3C为根据本发明额外具体实施例的沉积室简化概要图示。图4A为根据本发明一具体实施例的喷气头简化侧边截面图示。图4B为根据本发明 一具体实施例的喷气头简化仰视图示。图4C为喷气头的一简化仰视图示，说明仰视图示间的关系。图4CA为图4C所示喷气头底面部分的放大图示。图5为根据本发明另 一 具体实施例的喷气头简化仰视图示。图6为根据本发明一具体实施例的喷气头径向截面简化仰视图示。图7为根据本发明另一具体实施例的喷气头径向截面简化仰视图示。图8为根据本发明另一具体实施例的喷气头径向截面简化仰视图示。图9A为一流程图示，绘示根据本发明操作沉积室的一具体实施例方法。图9B为一流程图示，绘示根据本发明操作沉积室的另一具体实施例 方法。
图9C为一流程图示，绘示根据本发明操作沉积室的再另一具体实施 例方法。
具体实施方式
根据本发明的具体实施例，是关于在工件表面分布制程气体的系统与 方法。根据本发明一具体实施例，制程气体由一来源，经由具有数个孔隙 的一气体散流喷气头，流动至一工件表面。气体散流喷气头亦具有数个排 气孔隙的特征，以由晶片表面移除材料。由喷气头排气孔隙提供的补充排 气，是用于减少通过晶片表面的径向流动，所造成的气体速度变化，从而 增强相对于晶片中'"、的晶片边缘的处理 一 致性。图3A绘示根据本发明一具体实施例的沉积室300。制程气体经由具有 双重通道面板311的喷气头310,进入制程室，并流入位于半导体晶片320 表面上的圓柱体积305。进入制程室的制程气体流动，是以箭头3U绘示， 延伸通过喷气头下表面的面板。由晶片区域，以及晶片与面板间距离所定 义的圓柱体积305，有时称为反应区域。沉积气体彼此间及与半导体晶片 的反应，于半导体晶片320的上表面沉积薄膜321。通过基座边缘后，气体经由主要或首要环状排气通道340排气，于某 些具体实施例，其可藉由含由孔洞349的陶瓷环341,与制程室分隔。通 过靠近晶片表面区域，经由此排气路径的排出气体，是以箭头322标示， 位于基座330的周围边缘。此主要排气通道，藉由控制流经排气通道344 的排出气体数量，具有维持所需制程压力的足够能力。根据本发明的一具体实施例，排出气体的数量由一特定方法辨识。于 一些具体实施例，此主要排气通道具有确保制程室内维持足够低压的足够 能力，以维持等离子体于其中。经由通道340排出的气体也可使再沉积减 至最低，若未反应的气体未由制程室排出且回流于晶片表面，则仍可能发 生再沉积现象。操作者可能希望控制半导体晶片320与面板310间的距离，以根据晶 片至面板的距离，补偿各种制程参数的影响。此类制程参数包含，但不限 于，反应种类浓度，反应种类的留置时间，以及温度。除了沿基座边缘提供的主要排气路径325外，根据本发明的具体实施例，亦提供经由双重通道喷气头的额外补充排气路径。具体地，图3A的 箭头314与316绘示通过面板311下表面，并穿出喷气头侧边的补充排气 路径。如图3A所示，连接至喷气头的排气线路318，是安排于主要制程室 300外，将沿路径314与316流动的补充喷气头排出气体，与沿路径322 流动的主要径向排出气体分隔。阀346安装于排气线路318，以提供对于 补充排出气体流速与压力的控制。于图3A所绘示的特定具体实施例，于 喷气头中，连接至主要排气通道340的排气线路342，以及连接至补充排 气路径的排气线路318，是于制程室300外重新结合，并连接至相同的前 管线泵344。阀348是安装于排气线路342,以提供对于主要排出气体流速 与压力的控制。图3B绘示根据本发明的另一具体实施例，其中连接至喷气头360的 排气线路367,仍旧位于制程室350内。制程气体经由具有双重通道面板 361的喷气头360，进入制程室。进入制程室的制程气体流动，是由箭头 362所绘示，延伸通过喷气头下表面的面板。沉积气体彼此间以及与半导 体晶片的反应，于半导体晶片370的上表面产生薄膜沉积371。靠近基座 355外部边缘的缺口定义数个排气路径。由靠近晶片表面区域通过此排气 路径的排出气体，以箭头372标示，位于基座355的周围边缘。来自喷气头366的排出气体，以及径向排出气体372，是于区域368 结合，并经由主要排气通道373，藉由真空泵374移除。单一前管线泵是 连接至排气通道373,以排空制程室350。根据本发明的一额外具体实施例，是绘示于图3C。于图3C所示的制 程室架构，主要泵390与次要泵391皆由制程室排出气体。制程气体经由具有双重通道面板378的喷气头377,进入制程室376。 进入制程室的制程气体流动，是由箭头385所绘示，延伸通过喷气头下表 面的面板。沉积气体彼此间以及与半导体晶片的反应，于半导体晶片381 的上表面产生薄膜382的沉积。主要泵390沿径向排气路径386排出气体，且次要泵391沿补充排气
路径387与388排出气体。靠近基座380外部边缘的环状排气通道，是定义沉积气体的排气路径。 来自靠近晶片表面区域的排出气体，经由此排气路径，以箭头386标示， 位于基座380周围边缘。连接至喷气头377的排气线路395，是安排于主 要制程室376外，将喷气头排出气体387及388,与径向排出气体386分 隔。于图3C所绘示的具体实施例，连接至主要排气通道394的排气线路 396，是连接至主要前管线泵390。 一不同的前管线泵391是连接至排气线 路393,其连接至补充排气线路395,并与喷气头进行交换。因此，于图 3C所绘示的具体实施例，个别泵由个别半径与补充排气路径排出气体。此外，于图3C所绘示的具体实施例，阀397位于排气线路396,且阀 392位于排气线路393。于本发明一些具体实施例中，阀397与392可用于 主要与补充排气路径间产生不同抽气压力。于一些具体实施例，用于排气路径的面才反面积，为自面板中心的径向 距离函数。由双重通道面板所提供的额外排气路径，使得熟知此项技艺的 人士，得以藉由对于为自晶片中心径向距离函数的制程参数执行精确控制， 以最佳化沉积制程。这些参数可包含，但不限于，例如，反应种类的浓度， 反应种类的留置时间，载体气体的浓度，气体流动速度，以及反应区域的 气体压力。根据本发明一具体实施例，利用双重通道面板架构的沉积制程最佳化， 可增加整个晶片表面的薄膜厚度一致性。制程最佳化亦可产生薄膜厚度、 密度、折射是数、电介质常数，或为由晶片中心径向距离函数的其他薄膜 特性的所需变化。图4A为一放大截面图示，显示根据本发明一具体实施例的散流/排气 喷气头的细部。喷气头400为一较大制程室440的一元件。此具体实施例 的散流/排气喷气头400含有气体散流孔隙410,位于面板405底部表面的 不同位置。制程气体经由散流通道410与散流孔隙411注入，沿线路412 流动，并与半导体晶片430顶部表面接触。当其由半导体晶片430的边缘， 于径向方向排出时，排出气体沿线路418流动，并通过排气路径419。于
本发明某些具体实施例，排气路径419可称为主要排气路径。散流/排气喷气头400亦包含气体排出孔隙415,位于面板405底部表 面不同位置。额外排出气体流自靠近半导体晶片430顶部表面区域，并通 过气体排出孔隙415与气体排出通道416。这些排出气体沿线路417流动， 并由反应室排出。于本发明一些具体实施例，通过通道416的排气路径称 为补充排气路径。经由排气通道419与经由排气通道416排出的气体比例， 将取决于沿晶片表面，以及主要与补充排气通道内的气体压力，与其他因 素。图4B显示根据本发明的面板一具体实施例的部分仰视图示。于此具 体实施例，气体散流孔隙包含一注入孔洞450,位于整个面寿反底部不同位 置。气体排出孔隙包含排气孔洞455，位于面板整个底部其他不同位置。于此处所呈现的简化部分仰视图示(图4B至图8),为便于描述与说 明，是省略圆柱状对称特征。图4C至图4CA是绘示，于图4B至图8所 呈现的简化部分仰视图示，如何与较大的面板设计产生关联。这些部分仰 视图示，是表示图4C所示的面板475的部分485,于图4CA的放大图示 480。因此，关于面板圓形性质的细节，其对于熟知此项习知技艺的人士为 显而易见的，是于这些仰视图示中省略。若沉积制程要求于抵达半导体晶片表面前，反应气体不进行混合，可 再细分气体散流通道与对应的孔隙，以防止气体于抵达表面前进行混合。 美国专利第6,086,677号，指定至本发明的受让人，并于此并入参考，描述 一面板与气体散流歧管組件，其中制程气体可经由共同面板，于未混合下 传送至制程区域。于图4B所绘示的具体实施例，可总和含有气体散流孔隙的面板面积， 以决定相加(或总体面板)散流面积。同样地，可总和含有排气孔隙的面 板面积，以决定相加(或总体面板)排气面积。于图4B所绘示的具体实施 例，相加散流面积与相加排气面积的比例约为4: 1。此外，此相加散流/ 排气面积比例于整个面板表面为固定的。根据本发明的具体实施例，可选择气体散流孔隙与气体排出孔隙的数 目，以最佳化不同制程气体的比例与流速。例如，根据一具体实施例，排
气孔隙数目，且因此排气孔隙面积，可为面板位置的函数而变动，以根据 制程需求，控制气态物种的局部流动。或者，除变化气体散流与排气孔隙数目外，可根据制程需求，变化气 体散流与排气孔隙的尺寸。于一具体实施例，其中希望小孔隙尺寸时，较 多数目的小孔隙可位于面板，以达到与较少数目的大孔隙的相同孔隙面积。 相反地，当一特定应用要求较少数目的大孔隙时，根据本发明的具体实施 例，是提供所需的弹性以达到此目标。虽然图4B所示的具体实施例，具有固定散流/排气面积比例，为径向 距离函数的特征，但此并非为本发明所要求。根据其他具体实施例，于整 个面板，可变化散流孔隙面积，相对于排气孔隙面积的比例，以依所需， 促进处理一致性或变化。图5是对应地绘示本发明另一具体实施例，其中是相对于图4B中所 绘示，增加排气孔隙520的数目，从而增加相加排气面积。于此具体实施 例，散流孔隙510的数目仍旧维持不变。可藉由增加如图4B所示的气体排 出孔隙的尺寸，达到相似效果，从而降低相加散流面积，相对于相加排气 面积的比例，同时维持相同数目的散流与排气孔隙。于一些沉积应用，于沉积过程中，半导体晶片可于一水平平面旋转。 晶片的旋转可能导致由于向心力，沿晶片表面的增加气体流动。因此，图 6绘示本发明的另一具体实施例，可用于进一步确保沉积薄膜的径向一致 性。于此部分仰3见图示，排气孔隙520的数目，随着由晶片中心的径向距 离630增加而增加。因此，图6的具体实施例，当由晶片中心的径向距离 增加时，提供额外的排气孔隙面积。图6的具体实施例，是增加气体散流 面积相对于气体排气面积的局部比例，为由晶片中心径向距离的函数。相 对地，图7绘示另一功能关系，其中排气孔隙面积随着径向距离630而降 低。于根据本发明的某些具体实施例，排气面积的增加，相对于径向距离， 可为线性的，如公式1所示。图6绘示一阶梯状线性关系，于两个散流区 块的每个群组，排气面积藉由每单位面积的额外排气孔隙520而增加。<formula>formula see original document page 14</formula>
然而，于其他具体实施例，于喷气头的排气孔隙面积增加，相对于径 向，可为非线性。此一非线性关系可具有函数形式，随距离而单调增加或 减少，例如以径向距离平方增加排气面积。图8绘示另一函数关系，其中，由晶片中心开始，排气孔隙面积随径 向距离而增加，达到一最大值，接着随径向距离增加至面板半径而减少。增加孔隙密度，可用于"平滑"第6、 7与8图所绘示的阶梯状变化。上述的具体实施例，增加或减少局部排气面积，以于为径向距离函数， 气体散流面积相对于气体排出面积的局部比例，产生变化。或者，可变化 为由晶片中心径向距离函数的局部气体散流面积，以达到所希望的结果。 如关于排气面积变化的讨论，可变化气体散流孔隙的尺寸与数目，以达到 反应种类所需的散流。如先前所述，基座于垂直方向可控制转移。基座的垂直运动，通常用 于晶片载入与卸载操作，以及于沉积时，变化晶片至面板的距离。沉积时，晶片至面板距离的变化，对于沉积制程具有数项影响。典型地，沉积制程于晶片与面板间使用宽广的间隔(2150密尔)。间隔小于或 等于150密尔时，反应区域的气体压力于晶片表面不一致，于晶片边缘的 压力典型地小于晶片中心的压力。于晶片周围的此减少压力，降低反应种 类浓度，并减少晶片边缘的沉积。然而，使用根据本发明一具体实施例的面板，得以藉由增加对应于晶 片边缘的排气面积，抵消此边缘薄化，从而增加至晶片边缘的反应种类流 动。于图6绘示的特定具体实施例，将有用于例如排气面积随径向距离增 加的应用。具有随径向距离，非线性增加排气面积的其他具体实施例亦为 有用的。其他应用可能需要晶片与面板间之间隔降低至小于150密尔，以增强 制程速度与产量。随着喷气头接近晶片，且反应区域体积下降，靠近晶片 中心分布的反应种类，经历较长的留置时间，导致接近晶片中心的沉积薄膜具较大厚度。因此，于本发明某些具体实施例，可于喷气头上提供额外排气面积，
以增加接近晶片中心的排出气体流动，减少局部反应种类的浓度程度，以 及产生的沉积速率。图7是绘示此一具体实施例，其中排气孔隙的数目， 及相对应的排气面积，于面板中心大于面板边缘。或者，连同排气孔隙数 目的改变，可增加个别排气孔隙的尺寸，以达到增加相同排气面积。于其他制程系统，基座或其他支撑结构的特征为非 一致的温度分布。 例如，于基座中心的温度，相较于基座周围，可维持于一较高温度，而得 以快速冷却基座，而不会对于基座组件，产生张力与可能的破裂。沉积速 率部分为温度函数，于基座中心的升高温度，可能降低相对于基座边缘的 局部沉积速率。本发明的具体实施例，可藉由增加接近晶片中心的排气流 动，从而增加反应种类浓度及反应速率，而抵消此类非一致沉积。由于其他制程步骤要求，亦可能产生于基材不同区域施加不同制程方式的需求。例如，化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)生完全平坦化的晶片表面，化学机械研磨过程本身可能于表面平坦度与薄 膜厚度引入径向变化。因此，于一些利用化学机械研磨技术的制程，是需 具有特定设计非一致性厚度变化的薄膜沉积。因此，根据本发明的一具体实施例，可用于沉积具有非一致厚度的薄 膜，其为由晶片中心径向距离的函数，从而抵消化学机械研磨制程的非一 致性效应。此一两步骤沉积/研磨制程的最终结果，将产生具有所需厚度一 致性的薄膜。根据本发明的具体实施例，提供系统操作者数种处理半导体晶片的方 法。例如，图9A为一流程图示，描绘方法卯O,其中沉积系统可根据本发 明运作。首先，于步骤910， 一晶片是藉由熟知此项技艺人士已知的装置， 置入沉积室。于步骤912,密封沉积室并排空至一降低压力。于图9A所绘 示的具体实施例，沉积室可藉由开启连接至主要泵，于前管线中的阀而排 空。于其他具体实施例，沉积室可藉由开启连接至次要排气泵，或是连接 至主要与次要泵组合，前管线中的阀而排空。于根据本发明的一些具体实 施例，压力可下降至足以支援于沉积室内产生等离子体的程度。例如，压 力可下降至介于5至20陶尔(torr)间。
一旦沉积室到达所需压力，于步骤912,制程气体经由位于喷气头面 板的数个孔隙，引入至沉积室。这些气体散流孔隙的数目，大小与分布， 已于上详述。制程气体流经半导体晶片顶部表面，并与表面或其他气态物 种反应，以于晶片表面形成所需薄膜。制程气体与反应副产物同时由沉积室，经由步骤916的主要径向排气 路径，以及步骤918中，于喷气头含有排气通道的次要排气路径排出。通 过这些其他排气路径的气体体积比例，可藉由安装于个别路径上排气线路 的阀的相对位置，加以控制。于完成沉积制程，于步骤920,停止传送制程气体。于步骤922与924， 分别使沉积室返回至大气压力，并移除晶片。图9B为一流程图示，绘示根据本发明，操作沉积系统方法的另一具 体实施例。于方法901的步骤930, —晶片是置入沉积室。于步骤932,使 用主要排气路径，密封与排空沉积室至一降低压力。于图9B所绘示方法的 另一具体实施例，沉积室是藉由开启位于连接至主要排气泵的前管线的阀 而排空， 一旦沉积室到达所需的压力，于步骤934,制程气体是经由位于 喷气头面板的数个孔隙引入。于步骤936,经由使用主要排气通道，达成 开始排出制程气体与反应副产物。随后，于步骤938,制程气体与反应副 产物同时由沉积室，经由第一径向排气路径排出，且于步骤940，经由包 含喷气头中排气通道的次要排气路径排出。于图9B所示的方法901的另一 具体实施例，大多数排出气体通过主要排气通道，线路与泵。相较于主要 排气路径，次要排气路径用于移除来自沉积室较少数量的气体，从而提供 操作者对于制程参数的"微调，，控制。通过次要与主要排气路径的气体体 积比例，可于接近零与一的数值间变化。完成沉积制程后，于步骤942,停止制程气体的传送，于步骤944与 946,分別使沉积室返回至大气压力，并移除晶片。图9C为根据本发明，操作沉积室方法的再另一具体实施例的流程图 示。于方法902的步骤950,将晶片置入沉积室。于步骤952,排空沉积室， 且于步骤954,使等离子体撞击沉积室。沉积室可经由主要或次要排气路 径，或两者组合排出气体而排空。当等离子体稳定后，于步骤956,经由
位于面板表面的数个孔隙，引入制程气体至沉积室。制程气体与反应副产物由沉积室，于步骤958与960，分别经由主要 与次要排气路径移除。于图9C所绘示方法902的具体实施例，于步骤962 与964，于沉积制程中，调整主要与次要排气路径的排气速率。于一些具 体实施例，于沉积过程中，可变化排气速率，以调变沉积薄膜的特性。这 些特性可包含，但不限于，薄膜厚度，密度，折射是数，或电介质常数。完成沉积制程后，于步骤966，停止制程气体的流动。于步骤968与 970,分别使沉积室排空至大气压力，并移除晶片。经由根据本发明具体实施例的喷气头，所提供的补充排气路径，相较 于习知技艺，提供某些优点。除了于基座边缘提供的传统排气路径(见图 3A的流动线路322 )，于喷气头的排气孔隙，提供一补充排气路径，有用 于最佳化接近晶片表面的反应种类流动。此外，为径向距离函数，散流相 对于排气面积的比例变化性，对于制程气体与反应副产物的散流与排气， 提供空间上的控制。根-据本一发明一具体实施例，于径向方向流经晶片表面，并经由径向排气路径流出的气体体积，可藉由面板的设计而修改。于此一具体实施例， 藉由制程气体与反应副产物，通过补充喷气头排气路径的选择性排出，可 控制横向流经晶片表面的反应气态物种体积与浓度。于一特定具体实施例， 流经晶片的反应气态物种体积与浓度，藉由增加横向流动体积区域的排气 孔隙面积，可维持于为径向距离函数的一定值。此改进制程控制可产生较 高的薄膜一致性。于本发明其他具体实施例，反应种类于晶片表面的留置时间，可藉由 喷气头排气孔隙面积的空间分布而控制。例如，图8显示根据本发明的一 具体实施例，其中接近晶片中心835与边缘840，喷气头所提供的排气孔 隙面积，小于距离等于1/2面板半径处的排气孔隙面积。于距离等于1/2 面板半径的区域，可称为中间半径区域830。因此，于晶片中心835引入 的制程气体，在经由中间半径区域830的面板，离开反应区域前，相较于 靠近中间半径区域830引入的制程气体，于晶片表面行经较长的距离。于 其他具体实施例，接近中间半径区域，通过晶片表面的制程气体流动，藉由气体散流与排气孔隙的选择性配置而增强。图A是显示可实施本发明方法的一适当化学气相沉积设备，其为化 学气相沉积系统IO的一垂直截面图示，具有一真空或制程室15,包含制程室側壁15a与制程室盖子组件15b。制程室侧壁15a与制程室盖子组件 15b于图1B与1C图以分解透视图示显示。化学气相沉积系统10含有一气体散流歧管11，以散布制程气体至一 基材(未显示)，是位于制程室中心的加热晶座12上。于制程时，基材， 例如一半导体基材，位于晶座12的一平坦(或轻微凸面)表面12a(图1B)。 晶座可于一下方载入/卸载位置(未显示)，以及一上方制程位置(示于图 1A)间控制移动，其是与歧管11紧邻。 一活动平板(未显示)，含有感 应器，以提供晶片位置的资讯。沉积与载体气体，是经由平坦，圆形气体散流面板13a的穿孔孔洞13b (图1C),引入制程室15，如上所详述。更具体地，沉积制程气体经由入 口歧管11 (由图1A的箭头40表示)，经由一常见穿孔阻挡板42，且接 着经由气体散流面板13a中的孔洞13b，流入制程室。到达歧管前，沉积与载体气体由气体源7a，经由气体传送系统7的气 体供应线路8,输入至一混合系统9,于此处结合并接着传送至歧管11。 通常，每个制程气体的供应线路包含(i)数个安全关闭阀(未显示)，用 于自动或手动关闭制程气体流动进入制程室，及(ii)质流控制器(亦未显 示)，用以测量通过供应线路的气体流量。当毒性气体(例如臭氧或卤素 气体)于制程中使用时，数个安全关闭阀以常见组态置于每个气体供应线 路。于化学气相沉积系统14执行的沉积制程，可为一热制程或等离子体增 强制程。于等离子体增强制程， 一射频(RF)电源44于气体散流面板13a 与晶座间施加电源，以激发制程气体混合物，以于面板13a与晶座间的圆 柱区域，称为"反应区域，，内形成等离子体。等离子体成分反应而沉积一 所需的薄膜于由晶座12所支撑的半导体晶片表面。射频电源44为一混合 频率无线电电源，典型地于13.56兆赫的高无线电频路(RF1 )，以及360 千赫的低射频(RF2)供应电源，以增强引入真空室15的反应种类的分解。 于热制程，将不利用射频电源44,且制程气体混合物热反应，以沉积所需的薄膜于由晶座12所支撑的半导体晶片表面，其对于加热具有阻抗，以提供反应所需的热能。于等离子体增强沉积制程，等离子体加热整个制程室10，包含制程室 本体的侧壁15a,围绕排气通道23与关闭阀24。当未开启等离子体或于热 沉积制程时， 一热液体于制程室的侧壁15a循环，以维持制程室于一升高 温度。用于加热制程室侧壁15a的液体，包含典型液体类型，即，以水稀 释的乙二醇或以油稀释的热转移液体。此类加热有利地减少或消除反应产 物不希望的冷凝，并改进消除制程气体的挥发性产物，以及可能污染制程 的其他污染物，若其于冷却的真空通道侧壁冷凝，并于无气体流动时期， 回流至制程室。未沉积的剩余气体混合物，包含反应产物，是由制程室藉由连接至排 气通道23的真空泵50，由前管线55排出。具体地，气体经由环绕反应区 域的一环状，狭缝形孔隙16排出，并进入一环状排气空间17。环状狭缝 16与空间17，是由制程室顶部的圆柱状侧壁15a (包含侧壁的上层电介质 内层19),以及环状制程室盖子120底部间的缺口所定义。狭缝孔隙16 与空间17的360度环状对称与一致性，对于达到晶片表面制程气体的一致 性流动，以于晶片沉积一致性薄膜， 一般而言为重要的。由排气空间17,气体流经排气空间17侧边延伸部分21下方，通过一 观察通道(未显示)，经由一向下延伸的气体通道23，通过真空关闭阀24 (其本体与下方制程室侧壁15a结合)，并进入经由前管线55，连接至外 部真空泵50的排气出口 25。晶座12的晶片支撑转盘(较佳地为铝、陶瓷、或其组合)为抗加热， 使用一嵌入式单一回圈嵌入加热器元件，装配为平行同心圆形式的两个完 整弯曲。加热器元件外围部分，沿支撑转盘周围行进，且内部部分沿较小 半径的同心圓路径行进。加热器元件的线路通过晶座12的柄。典型地，任何或所有制程室内层、气体入口歧管面板，与各种其他反 应器硬体，是由例如铝、电镀铝、或陶瓷材料所制成。此类化学气相沉积 设备的一范例，是于美国专利第5,558,717号，发明名称r CVD Processing Chamber」中描述。美国专利第5,558,717号的专利权属于应用材料公司， 是为本发明的专利权人，于此并入参考。一提升机构与马达(未显示)，升高与降低加热晶座组件12与其晶片 提升接脚12b，当晶片藉由一机械刀片(未显示)，通过制程室10侧的一插入/移除开口26,移入或移出制程室本体时。马达于一制程位置14与一较低晶片载入位置间，升高与降低晶座12。马达、连接至供应线路8的阀 或流体控制器、气体传送系统、节流阀、射频电源44,以及制程室与基座 加热系统，均由系统控制器34 (图1A)，经由控制线路36所控制，其中仅显示一部份。控制器34根据来自光学感应器的反馈，决定可移动机械组 件的位置，例如节流阀与晶座，其藉由控制器3 4控制下的适当马达所移动。于一具体实施例，系统控制器包含一硬盘(存储器38)、一软盘与一处理器37。制程器含有一单一主机板电脑(Single-Board Computer, SBC ), 类比与数位输入/输出主机板、介面主机板与步径马达控制器主机板。化学 气相沉积系统10的各个部分，是符合VME ( Versa Modular European )标准， 其定义主机板，介面卡与连接器大小与类型。VME标准亦定义总线结构，具有16位元数据总线与24位元位址总线。系统控制器34控制化学气相沉积机器的所有活动。系统控制器执行系 统控制软件，其为一电脑程式，储存于一电脑可读取媒体，例如存储器38。 较佳地，存储器38为硬盘，但存储器38亦可为其他种类的存储器。电脑程式包含一组指令，指定引入与排出气体的时间、气体混合、制程室压力、 制程室温度、射频电源程度、晶座位置、以及特定制程的其他参数。储存 于其他存储器装置，包舍，例如软盘或其他适当磁碟的其他电脑程式，亦可用于操作控制器34。上迷反应器描述主要用于说明目的，且可利用其他等离子体化学气相沉积设备，例如电子回旋共振(ECR)等离子体化学气相沉积装置、感应 耦合射频高密度等离子体化学气相沉积装置等。此外，上述系统的变化， 例如晶座设计、加热器设计、射频电源频率、射频电源连接位置与其他的 变化等亦为可能的。例如，晶片可由晶座所支撑，并由石英灯加热。本发 明的层，以及形成此层的方法，并未限于任何特定设备或任何特定等离子
体激发方法。需了解此处所述的发明，可用于使用喷气头，以分布制程气体至基材 的任何基板制程系统。此包含化学气相沉积、氮化、氧化、蚀刻与清理系 统，仅列出数个范例。虽然此处已详细显示与描述包含本发明教示的各种 具体实施例，熟知此项技艺的人士亦可轻易地设计仍含有这些教示的许多 其他变化具体实施例。其他具体实施例是于权利要求范围中。
权利要求
1.一种设备，是包含数个侧璧，围绕一制程室；一晶片基座，位于该制程室内；一第一排气导管，用以与该制程室进行流体交换；及一制程气体源，用以经由一气体散流喷气头与该制程室进行流体交换，该气体散流喷气头包含一第一通道，用以与该制程气体源及分布于该喷气头一下部表面的数个孔隙进行流体交换；一第二通道，其是与该第一通道分隔，用以与一第二排气导管及分布于该喷气头的该下部表面的数个排气孔隙进行流体交换。
2. 如权利要求1所述的设备，其中该些孔隙定义一第一面积且该些排 气孔隙定义一第二面积。
3. 如权利要求2所述的设备，其中该第一面积与该第二面积的一比例 实质上固定，是为自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数。
4. 如权利要求2所述的设备，其中该第一面积与该第二面积的一比例 是随着自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数而变化。
5. 如权利要求4所述的设备，其中该第一面积与该第二面积的该比例 是随着自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数而作线性变化。
6. 如权利要求4所述的设备，其中该第一面积与该第二面积的该比例 是随着自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数而作非线性变化。
7. 如权利要求4所述的设备，其中该第 一面积与该第二面积的该比例 是随着自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数而增加。
8. 如权利要求4所述的设备，其中该第一面积与该第二面积的该比例 是随着自该气体散流喷气头中心起算的径向距离的函数而减少。
9. 如权利要求l所述的设备，其中该第一排气导管与该第二排气导管 以 一共同的前管线(foreline)进行流体交换。
10. 如权利要求9所述的设备，其中该数个第二通道经由一第一阀与 该前管线进行流体交换，且该第二排气导管经由一第二阀与该前管线进行 流体交换。
11. 如权利要求l所述的设备，其中该第一排气导管与该第二排气导 管以一共同的真空泵进行交换。
12. 如权利要求1所述的设备，其中该第一排气导管与该第二排气导 管是以数个个独立真空泵进行交换。
13. —种处理一半导体工件的方法，该方法包含下列步骤 经由位于一气体散流面板的一第一数个孔隙流动一制程气体至一半导体工件；及经由 一制程室排气通道及位于该气体散流面板的第二数个孔隙由该半 导体工件移除气体。
14. 如权利要求13所述的方法，更包含于流动该制程气体前，仅经由 该制程室排气通道移除该气体。
15. 如权利要求13所述的方法，更包含于流动该制程气体前，经由该 制程室排气通道与该第二数个孔隙移除该气体。
16. 如权利要求13所述的方法，更包含仅经由该制程室排气通道开始 移除气体。
17. 如权利要求13所述的方法，更包含仅经由该第二数个孔隙开始移 除气体。
18. 如权利要求13所述的方法，其中该制程室排空至一低于20陶尔 的压力。
19. 如权利要求18所述的方法，更包含于流动该制程气体前，于该制 程室产生一等离子体。
20. 如权利要求13项所述的方法，更包含于制程期间，调整经由该制 程室排气通道移除气体的一速率。
21. 如权利要求13项所迷的方法，更包含于制程期间，调整经由该第 二数个孔隙移除气体的 一速率。
22. —种于一制程室中处理一半导体晶片的方法，该方法包含下列步骤将一半导体晶片置入该制程室； 经由一第一排气通道排空该制程室；经由位于一喷气头的一表面上的第一孔隙组引入至少一制程气体； 经由该第一排气通道移除气体；及 经由位于该喷气头的该表面的数个孔隙移除气体。
23. 如权利要求22所述的方法，其中经由该第一排气通道移除的气体 体积是大于经由该数个孔隙移除的气体体积。
24. 如权利要求22所述的方法，其中该制程室排空至一低于20陶尔 的压力。
25. 如权利要求24项所述的方法，其中于引入该至少一制程气体的该 步骤前，于该制程室产生一等离子体。
26. 如权利要求22所述的方法，其中经由该第一排气通道与经由该数 个孔隙移除气体实质上是同时产生。
27. —种控制一半导体晶片的一沉积薄膜特性的一致性的方法，该方 法包含下列步骤放置一晶片于一制程室；经由位于 一 面板的第 一数个孔隙f I入数个种气体至该晶片； 经由位于该面板的第二数个孔隙移除该些气体；及 通过一径向排气路径(mdial exhaust path)同步移除该些气体。
28. 如权利要求27项所述的方法，更包含于流动该些气体前，仅通过 该径向排气路径排空该制程室。
29. 如权利要求27项所述的方法，更包含于流动该些气体前，通过该 径向排气路径与该第二数个孔隙排空该制程室。
30. 如权利要求27项所述的方法，更包含仅经由该径向排气路径开始 移除该些气体。
31. 如权利要求27项所述的方法，更包含仅经由该第二数个孔隙开始 移除该些气体。
32. 如权利要求27项所迷的方法，其中该制程室排空至一低于20陶 尔的压力。
33. 如权利要求32项所迷的方法，更包含于该制程室中产生一等离子体。
34. 如权利要求27项所述的方法，其中是于制程期间调整通过该径向 排气路径的移除气体的一速率。
35. 如权利要求27项所述的方法，其中是于制程期间，调整经由该第 二数个孔隙移除气体的 一速率。
全文摘要
根据本发明的具体实施例，是关于在一工件表面分布制程气体的系统与方法。根据本发明一具体实施例，制程气体是经由一气体散流喷气头所界定的数个孔隙而由一来源流动至一工件表面。该气体散流喷气头的特征亦在于具有可移除该晶片表面上材料的数个排气孔隙。由该喷气头排气孔隙所提供的补充排气可用以减少因流动通过该晶片表面径向所产生的气体速度变化，从而增强于该晶片边缘与中心间所得处理的一致性。该散流与排气孔径面积的比例可随该面板变化或维持固定。此外，可选择散流与排气孔隙的尺寸与数目，以最佳化通过该半导体晶片表面的气体散流。
文档编号C23C16/455GK101120122SQ200480033987
公开日2008年2月6日 申请日期2004年11月19日 优先权日2003年11月19日
发明者K·杰纳基拉曼, S·贾诺拉基斯 申请人:应用材料股份有限公司