专利名称：用于半导体处理的可更换气体喷嘴的制作方法
技术领域：
本实用新型一般地涉及用于半导体处理的可更换气体喷嘴。
背景技术：
集成电路(IC)的制造包括在处理室中对衬底进行许多处理，包括在衬底上沉积多个层、在衬底中刻蚀多个间隙和填充这些间隙。处理室常常包括具有延伸到室中的喷嘴的气体分配器、气体赋能器和用于去除气体的排出端口。气体赋能器可以包括被施加偏压的电极或被施加电源的天线。在每一个衬底处理循环之间，周期性地在清洁处理中清洁这些室的内部表面，以去除形成在室部件和表面上的累积的处理残余物。
化学气相沉积(CVD)是在半导体工业中所使用的气体处理，用于在衬底上沉积材料。某些高密度等离子体(HDP)增强CVD工艺，与通过使用诸如RF等离子体之类的高频发生等离子体的离子发生一起来使用气体，以通过将带正电的等离子体离子在接近垂直于表面的角度、或者利用衬底表面的定向偏压而在相对于表面的优选角度下，吸引到加负偏压的衬底表面上来增强沉积。高RF功率HDP-CVD工艺获得改善的间隙填充，尤其是对于宽度等于或者小于约90nm并且长宽比至少约为4的间隙。例如，对于处理200mm衬底，源RF功率至少约为10kW，而对于处理300mm衬底，源RF功率至少约为12kW。
但是，在CVD工艺中用于间隙填充的更高的RF功率可能增加室中的粒子产生。发生该现象是因为具有增强能量的等离子体物质撞击累积的沉积物并使其从室的内表面上剥落，尤其是从气体分配器的喷嘴上剥落。剥落的粒子落在衬底上而降低其产率。通过处理每个衬底之后进行的等离子体清洁处理来对室表面进行清洁，可以减小处理残余物的累积，由此提供更高的产率。但是，此每个处理循环之间的额外清洁步骤导致很长的室停机时间，这就不期望地增大了资金成本。
因此，期望获得能够在诸如CVD处理之类的处理中接受更高RF功率的处理室。还期望获得不在室中产生过多的残余物的气体分配器。还期望使每个清洁循环之间的衬底处理循环的次数最大化，以更高效地利用室。
本申请是Gondhalekar等人于2003年7月28日递交的标题为“GasDelivery System for Semiconductor Processing”的美国专利申请No.10/630,989的部分接续案，其基于Gondhalekar等人于2002年9月13日递交的标题为“Gas Delivery System for Semiconductor Processing”的美国临时专利申请No.60/410,353并要求其优先权。这两个申请通过全文引用被包含于此。
实用新型内容本发明的目的在于提供一种可更换气体喷嘴，其可以减少室清洗的停机时间，并由此理想地减少衬底处理成本。
一种可更换的气体喷嘴可插入衬底处理室的气体分配器环中并且在室中可以被防护。该可更换气体喷嘴具有拥有通道的纵长陶瓷体，所述通道用于将气流导向所述室中。陶瓷体包括用于与气体分配器环配合的第一外螺纹和用于接纳热防护罩的第二外螺纹。所述通道具有用于接收来自气体分配器环的气体的入口和用于将气体释放到室中的针孔出口。
在另一个实施例中，热防护罩也被设置来用于防护延伸到室中的喷嘴。热防护罩具有中空构件，所述中空构件被构造来与喷嘴耦合。所述中空构件具有足够大的内部尺寸，以围绕喷嘴的至少一部分放置。中空构件还具有一延伸部分和热防护罩开口，延伸部分在末梢处从所述喷嘴的出口突出，处理气体从喷嘴出口流动穿过所述热防护罩开口。
与传统的气体喷嘴相比较，根据本发明的气体喷嘴可插入衬底处理室的气体分配器环中，并可从处理室更换。因此，气体喷嘴可以减少室清洗的停机时间以及衬底处理成本。
图1是高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)系统的示例性实施例的简化图；图2是可以与图1的示例性HDP-CVD系统结合使用的气体分配器环的简化横截面；图3是喷嘴的实施例的横截面视图；图4A和4B是组装喷嘴和热防护罩的实施例的局部横截面视图；和图5是示出了所产生粒子的数量相对于处理时间的曲线的图，其比较了没有用于喷嘴的热防护罩的CVD系统和在喷嘴周围具有热防护罩的CVD系统的实验结果。
具体实施方式
图1示出了诸如HDP-CVD型系统10的高密度等离子体化学气相沉积的实施例，在其中电介质层可以被沉积在衬底上。系统10包括室13、真空系统70、源等离子体系统80A、偏压等离子体系统80B、气体输送系统33和远程等离子体清洁系统50。室13的上部具有可以是直壁或者圆顶形的顶板14，所述顶板14由诸如氧化铝、氧化硅或者氮化铝之类的陶瓷材料，或者诸如铝之类的金属制成。顶板14限定等离子体处理区域16的上部边界。等离子体处理区域16的底部由衬底支撑18以及衬底17的上表面限制。
加热器板23和冷却板24在顶板14的上方，并且被热耦合到顶板14。加热器板23和冷却板24允许在约100℃到约200℃的范围中将顶板温度控制在约±10℃以内。这允许对于各种处理最优化顶板温度。例如，对于清洁或者刻蚀处理，将顶板保持在比沉积处理更高的温度可能是理想的。顶板温度的精确控制还减小了室中的剥落或者粒子量，并且改善了沉积层和衬底之间的粘附。
一般来说，暴露到等离子体会加热位于衬底支撑18上的衬底。衬底支撑18包括内通道和外通道(均未示出)，所述内通道和外通道可以将传热气体(有时称为后侧冷却气体)输送到衬底的后侧。
室13的下部包括体构件22，该体构件22将室接合到真空系统。衬底支撑18的底部21被安装在体构件22上，并且形成与体构件22连续的内表面。衬底通过室13的侧面中的插入/移出开口(没有示出)由机械手叶片(robot blade)运送到室13中以及从室13中移出。提升销(没有示出)在电动机(也没有示出)的控制下升起并随后降低，以将衬底从上部装载位置57处的机械手叶片移动到下部处理位置56，其中在下部处理位置56中，衬底被置于衬底支撑18的衬底接纳部分19上。衬底接纳部分19包括静电吸盘20，所述静电吸盘20在衬底处理过程中将衬底固定到衬底支撑18上。在一个优选实施例中，衬底支撑18由氧化铝或者铝陶瓷材料制成。
真空系统70包括节流阀体25，所述节流阀体25容纳有三叶片节流阀26，并被连接到闸门阀27和涡轮分子泵28。应该注意，节流阀体25对气流阻碍最小，并且允许对称的抽吸，如在1995年12月12日递交的、共同待决并共同转让的美国专利申请No.08/574,839中所描述的那样，该申请通过引用被包含在本文中。闸门阀27可以将泵28与节流阀体25隔离，并且还可以通过在节流阀26在完全打开时限制排气流量来控制室压力。节流阀、闸门阀和涡轮分子泵的布置允许精确稳定地控制从约1毫托(mill-Torr)到约2托之间的室压力。
源等离子体系统80A包括安装在顶板14上的顶线圈29和侧线圈30。对称的接地屏蔽(没有示出)减小了线圈之间的电耦合。顶线圈29由顶源RF(SRF)发生器31A供能，而侧线圈30由侧SRF发生器31B供能，这允许各个线圈有独立的工作频率和功率电平。此双线圈系统允许控制室13中的辐射式离子密度，由此改善了等离子体的均匀性。侧线圈30和顶线圈29通常是感应驱动的，不需要辅助电极(complimentaryelectrode)。在一个具体实施例中，顶源RF发生器31A在额定2MHz下提供高达约8000瓦或者更高的RF功率，而侧源RF发生器31B在额定2MHz下提供高达8000瓦或者更高的RF功率。顶RF发生器和侧RF发生器的工作频率可以从额定工作频率偏离(例如，分别偏离到1.7-1.9MHz和1.9-2.1MHz)，以提高等离子体产生的效率。
偏压等离子体系统80B包括偏压RF(BRF)发生器31C和偏压匹配网络32C。偏压等离子体系统80B将衬底部分17电容性耦合到体构件22，其充当辅助电极。偏压等离子体系统80B用于提高由源等离子体系统80A所产生的等离子体物质(例如离子)到衬底表面的传输。在一个具体实施例中，偏压RF发生器在13.65MHz下提供高达8000瓦或者更高的RF功率。
RF发生器31A和31B包括数字控制合成器，并且在约1.8到约2.1MHz之间的频率范围内工作。每一个发生器包括RF控制电路(没有示出)，如本领域普通技术人员所理解的，所述RF控制电路测量从室和线圈返回到发生器的反射功率，并且调节工作频率以获得最低的反射功率。RF发生器通常被设计作为具有50欧姆特征阻抗的负载来运行。RF功率可以从具有与发生器不同的特征阻抗的负载被反射。这可以减小传输到负载的功率。此外，从负载反射回到发生器的功率可能过载并损坏发生器。因为除了别的因素以外，取决于等离子体的离子密度，等离子体的阻抗可以是在从小于5欧姆到超过900欧姆的范围内，并且因为反射功率可能是频率的函数，所以根据反射功率调节发生器频率就增大了从RF发生器传输到等离子体的功率，并且保护了发生器。减小反射功率并提高效率的另一个方法是利用匹配网络。
匹配网络32A和32B使发生器31A和31B的输出阻抗与它们各自的线圈29和30匹配。当负载变化时，RF控制电路可以通过改变匹配网络中的电容器的值来调整两个匹配网络，以使发生器与负载匹配。当从负载反射回到发生器的功率超过一定的极限时，RF控制电路可以调整匹配网络。一种提供恒定的匹配并且有效地使RF控制电路不能调整匹配网络的方法是，将反射功率极限设定为高于反射功率的任何期望值。这可以有助于在某些条件下通过将匹配网络保持恒定在其最近的条件下，稳定等离子体。其他的措施也可以有助于稳定等离子体。例如，RF控制电路可以被用于确定输送到负载(等离子体)的功率，并且可以增大或者减小发生器的输出功率，以在层的沉积过程中保持被输送功率的基本恒定。
气体输送系统33将气体从数个源34A-34F经由气体输送管线38(仅仅示出了其中的一些)提供至室，用于处理衬底。通过气体输送系统33所输送的气体可以包括例如硅烷、氦和氧气，它们例如被用于二氧化硅膜的沉积。如本领域的技术人员将理解的，用于源34A-34F的实际的源和输送管线38到室13的实际连接是依赖于在室13中进行的沉积和清洁处理而变化的。气体通过气体分配器环37和/或顶部喷嘴45被引入到室13中。图2是示出了气体分配器环37的更多细节的室13的简化的部分横截面视图。
在一个实施例中，第一和第二气体源34A和34B，以及第一和第二气流控制器35A’和35B’经由气体输送管线38(仅仅示出了其中的一些)将气体提供到气体分配器环37中的环增压室(ring plenum)36。气体分配器环37具有多个气体喷嘴39A(为了说明的目的仅仅示出了其中一个)，所述多个气体喷嘴39A在衬底上方提供均匀的气流。可以变化喷嘴长度和喷嘴角度，以允许针对个别室中的具体处理设计均匀性特性和气体使用效率。在一个实施例中，气体分配器环37具有24个由氧化铝陶瓷制成的气体喷嘴39A。
气体分配器环37还具有多个气体喷嘴39B(仅仅示出了其中的一个)，在优选的实施例中，所述多个气体喷嘴39B与源气体喷嘴39A共面并具有与源气体喷嘴39A相同的长度，并且在一个实施例中，所述多个气体喷嘴39B接收来自体增压室41的气体。在不期望将气体注入室13中之前就混合多种气体的一些实施例中，气体喷嘴39A和39B不是流体相耦合的。在其他的实施例中，通过在体增压室41和气体分配器环增压室36之间设置孔隙(没有示出)，可以在将气体注入室13之前混和气体。在一个实施例中，第三和第四气体源34C和34D，以及第三和第四气流控制器35C’和35D’经由气体输送管线38将气体提供至体增压室。诸如43B的附加的阀(其他阀没有被示出)可以切断从流量控制器到室的气体。
在其中使用可燃、有毒或者腐蚀性气体的实施例中，在沉积之后消除残留在气体输送管线中的气体可能是理想的。例如，这可以通过使用诸如阀43B的三通阀将室13与输送管线38A隔离并且将输送管线38A通到真空前级管线44来实现。如图1所示，诸如43A和43C之类的其他类似的阀可以被结合在其他气体输送管线上。这样的三通阀可以被尽可能靠近室13放置，以使未通的气体输送管线(三通阀和室之间)的体积最小。此外，二通(开-关)阀(没有示出)可以被放置在物流控制器(MFC)和室之间或者放置在气体源和MFC之间。
再次参考图1，室13还具有顶部喷嘴45和顶部通风口46。顶部喷嘴45和顶部通风口46允许独立地控制气体的顶部流量和侧部流量，这提高了膜的均匀性并允许精细地调节膜的沉积和掺杂参数。顶部通风口46是围绕顶部喷嘴45的环形开口。在一个实施例中，第一气体源34A供应源气体喷嘴39和顶部喷嘴45。源喷嘴MFC 35A’控制输送到源气体喷嘴39的气体量，而顶部喷嘴MFC 35A控制输送到顶部气体喷嘴45的气体量。类似地，两个MFC 35B和35B’可以被用于控制氧气从诸如源34B的单个氧气源到顶部通风口46和氧化剂气体喷嘴39B两者的流量。在使气体流入室13之前，可以使供应到顶部喷嘴45和顶部通风口46的气体保持分离，或者气体可以在其流到室13之前在顶部增压室48中被混合。可以使用相同气体的若干独立的源来供应室的各个部分。
在图1和2所示的实施例中，远程等离子体清洁系统50被设置来周期性地从室部件清洁沉积残余物。清洁系统包括远程气体活化器51，所述远程气体活化器51在反应器腔53中从包含例如分子氟、三氟化氮、其他的氟碳化物或者等效物的清洁气体源34E产生等离子体。反应器腔53可以包括例如螺旋管形或者圆柱形的腔。远程气体活化器51可以包括例如缠绕在反应器腔53周围的感应线圈，或者耦合到反应器腔53的微波发生器。商业化的远程等离子体清洁系统的一个示例是来自Fort Collins，Colorado的Advanced Energy Industries，Inc.的Xstream远程等离子体源。由此等离子体获得的反应性物质经由施加器管55通过清洁气体供料端口54被运送到室13。例如，在一个实施例中，清洁气体供料端口54向增压室48中供料，并且清洁气体通过顶部通风口46进入到室13中。然而，在其他的实施例中，清洁气体供料端口54可以与增压室48和顶部通风口46分开而直接向室13中供料。用于容纳清洁等离子体的材料(例如腔53和施加器管55)必须能抵抗等离子体的腐蚀。反应器腔53和供料端口54之间的距离应该保持尽可能的短，因为理想的等离子体物质的浓度可能随着离开反应器腔53的距离而下降。在远程腔中产生清洁等离子体允许使用高效的远程气体活化器51，并不会使室部件承受可能出现在原位形成的等离子体中的辉光放电的轰击、辐射或者温度。结果，诸如静电吸盘20之类的相对敏感的部件不需要如原位等离子体清洁处理可能所需的那样，用虚晶片进行覆盖或者以其他方式进行保护。
系统控制器60控制系统10的操作。系统控制器60包括耦合到存储器62的处理器61。优选地，存储器62可以是硬盘驱动器，但是存储器62当然也可以是其他类型的存储器，诸如ROM、PROM等。在另一个实施例中，控制器60还包括软盘驱动器(没有示出)和卡架(card rack)(没有示出)。卡架可以包含单板计算机(SBC)(没有示出)、模数输入/输出板(没有示出)、接口板(没有示出)和步进式电机控制器板(没有示出)。
系统控制器60在存储在硬盘驱动器上的计算机程序或者诸如存储在软盘上的程序之类的其他计算机程序的控制下工作。计算机程序指示例如具体处理的时序、气体的混合、RF功率电平和其他参数。用户和系统控制器之间的界面通过诸如阴极射线管的监视器(没有示出)和光笔(没有示出)。计算机程序代码可以由例如68000汇编语言、C、C++或者Pascal之类的任何传统的计算机可读编程语言来编写。合适的程序代码利用传统的文本编辑器被输入单个文件或者多个文件，并存储或者包含在诸如计算机的存储器系统之类的计算机可用介质中。如果被输入的代码文本为高级语言，则该代码被编译，并随后将所得到的编译器代码与预编译的库程序目标代码链接。为了执行已链接的编译目标代码，系统用户调用目标代码，使得计算机系统加载存储器中的代码，其中CPU从所述存储器读取并执行代码以完成程序中所指定的任务。
图3示出了用于在室中的衬底上方提供气流的可更换的陶瓷气体喷嘴39。该气体喷嘴39可以是图2中示出的喷嘴39A和39B中的任何一个。气体喷嘴39包括纵长的陶瓷体82。在一个方案中，陶瓷体82是圆柱形的。喷嘴39和陶瓷体82具有近端83和末梢端85。陶瓷体82的近端83被连接到气体分配器环37，而末梢端85延伸到室13中。
陶瓷体82包括将气流导向室13中的通道84。选择通道84的尺寸，来对气流提供压力和流速特性。在一个方案中，通道的横截面是圆形的，并且具有关于通道的中心轴对称的直径。通过选择通道直径，确定在轴向上被置于中心的通道84的尺寸。在一个方案中，通道直径为约1.1mm到约2.1mm，或者甚至为约1.5mm到约1.7mm。气体通过通道84运行的距离对应于喷嘴39的总长度。在一个方案中，喷嘴39的长度为约55mm到约67mm，或者甚至为约64mm到约66mm，或者甚至为约57mm到约59mm。
通道84包括入口86，用于接收来自气体分配器环37的气体。入口86位于通道84在陶瓷体82的近端83处的端部。入口86是其直径尺寸适于接收来自气体分配器环37的气体的开口。通道84可以包括处在入口86附近的锥形入口部分87，用于将气流的宽度从入口86的直径限制为通道的直径。选择通道84的锥形入口部分87的入口直径和长度，以对气流提供流速和压力特性。例如，在一个方案中，入口直径可以是约2.5到3.5mm，或者甚至是约3.0到3.1mm，并且通道84的在其上气流被限制的锥形入口部分87可以是约0.8到1.8mm，或者甚至是约1.2到1.4mm。
通道84包括在陶瓷体82的末梢端85处的针孔出口90，一股或者多股处理气体通过所述针孔出口流入到室13中。针孔出口90具有直径d0，选择直径d0来对气流提供气体流速和压力特性。在一个方案中，出口直径d0可以是约0.3mm到约0.4mm。通道还可以包含锥形出口部分92，该锥形出口部分92将气流从通道直径限制为针孔出口直径d0。锥形出口部分92提供通道84中的气流和离开针孔出口90的气流之间的过渡，而不会不利地影响气流特性。
气体喷嘴陶瓷体82的近端83连接到气体分配器环37。陶瓷体82包括与气体分配器环37配合的第一外螺纹88。第一外螺纹88的尺寸适于提供喷嘴39到气体分配器环37的方便和气密装配。在一个方案中，第一外螺纹88是UNF-2A(Unified National Fine，标准级，外螺纹)型螺纹，每毫米具有约0.9到约1.0个螺纹，并且喷嘴39的约3.0到3.6mm的纵长部分被攻丝。陶瓷体82的近端83的外形也可以适用于与气体分配器环37配合。例如，近端83可以包括若干这样的表面或者具有这样的几何形状，其中所述表面或者几何形状与气体分配器环37的接纳部分的对应表面或者几何形状共形配合。
由于处理环境，喷嘴39可能经受不希望的沉积或者分解，因此喷嘴39被设计成可更换的。例如，喷嘴39可以被用于向室13输送刻蚀或者沉积气体。这些气体可以被源等离子体系统80A或者偏压等离子体系统80B进一步活化。这样的气体可以在喷嘴39上产生沉积或者刻蚀喷嘴39。经过一段时间，喷嘴39的尺寸特征，例如针孔出口直径d0，可能与原始的规格相比发生了变形。这样的变形可能导致来自喷嘴39的气流特性的不期望的变化。因此，喷嘴39被设计成可更换的。第一外螺纹88在气体喷嘴39和气体分配器环37之间提供允许更换喷嘴39的接口。
陶瓷体82包括突出到室13之中的末梢端85。喷嘴39的末梢端85承受由室13中产生的能量所带来的温度。喷嘴39的末梢端85通常逐渐变细成尖端93。末梢端85的逐渐变细对产生来自喷嘴出口90的在衬底上方的均匀气流起到作用。例如，喷嘴39的末梢端85可以以相对于喷嘴39中的通道84的纵向中心轴94约35°-45°的角度逐渐变细。
喷嘴体82包括第二外螺纹89，用于接纳热防护罩91。第二外螺纹89位于大约与针孔出口90相隔距离dst处。选择距离dst，以避免影响来自针孔出口90的气流的特性。例如，选择针孔出口直径d0，以向脱离喷嘴39进入室13中的气流提供压力和流速。从喷嘴39到热防护罩91的第二螺纹连接89的存在可能不利地影响到室13中的气流的流体动力特性。例如，在针孔出口90后方的位置上连接到喷嘴39的热防护罩91可以改变喷嘴39外部从针孔出口90到第二外螺纹89的空间区域中的气体的压力梯度，这可以影响来自针孔出口90的气流特性。由于此原因，选择距离dst，以提供针孔出口90和第二外螺纹89之间的间隔，来避免第二外螺纹89对于针孔出口90的不利影响。在一个方案中，距离dst被选择为d0的约90到约140倍。在另一个方案中，距离dst被选择为约30mm到约55mm。
图4A和4B示出了热防护罩91，该热防护罩91可以被用于防护喷嘴39免受由被施加来进行CVD室13中的处理的等离子体或者其他能量在CVD室13中所产生的热的影响。由于喷嘴尖端93处的低的热质量，喷嘴39的末梢端85通常会经受由于在室13中产生的能量所引起的最高温度。因此理想的是，防护喷嘴39暴露在室13内部的部分，包括喷嘴39的末梢端85。如图4A、4B所示，热防护罩91被构造为围绕喷嘴39的至少一部分、理想地围绕喷嘴39暴露在室13中的整个部分放置。如图所示的热防护罩91是被耦合到喷嘴39的独立件。例如，热防护罩91可以具有内螺纹97来与喷嘴39配合。这样的热防护罩91可以被方便地改进装配到现有的CVD室的喷嘴上。独立的热防护罩和喷嘴部件还具有这样的优点，即每一制件可以被独立地更换。但是，在其他实施例中，热防护罩91可以与喷嘴39一体地形成。
在所示出的实施例中，热防护罩91具有中空构件96，所述中空构件96具有足够大的内部尺寸来围绕喷嘴39放置。在一个方案中，中空构件96是圆柱形的。理想地，热防护罩91的内横截面稍大于喷嘴39的外横截面，如图4中所见。在具体的实施例中，热防护罩91和喷嘴39之间的间隙或间距小于热防护罩91的厚度。热防护罩91包括热防护罩开口95，其中来自喷嘴针孔出口90的处理气体流动穿过所述开口95。热防护罩91优选包括延伸部分98，所述延伸部分98在末梢上从喷嘴39的末梢端85处的喷嘴针孔出口90突出。延伸部分98的长度应该足够大，以防护喷嘴39的末梢端85免受室13中的热的影响。延伸部分98的长度不应该大到对于正在进行的处理有不利的影响，例如在衬底17上正在形成的层的均一性。而且，过长的延伸部分98可能产生额外的粒子。在一些实施例中，延伸部分98的长度在喷嘴39的半径和喷嘴39的直径之间。在一个方案中，延伸部分98的长度为约5mm到约8mm。在具体的实施例中，延伸部分98的长度为约6.4mm，热防护罩91的长度为约50.0mm，外径为约16.1mm并且厚度为约3.9mm。如图1和2所示，喷嘴39A、39B被围绕衬底支撑18放置。热防护罩91可以围绕一部分或者全部喷嘴39A、39B放置。在一些实施例中，喷嘴39和热防护罩91被这样构造，使得热防护罩开口95被置于衬底17的周围的径向外侧。就是说，如果热防护罩91被垂直地向下突出到衬底17的平面上，则热防护罩91不会与衬底17重叠。
虽然所示出的热防护罩91具有均一的圆形横截面，并具有均一的厚度，但是可以理解，在不同的实施例中可以使用其他的构造、形状和厚度分布。
喷嘴39和热防护罩91通常由陶瓷材料构成。陶瓷材料是好的选择，因为它们在高的工作温度下稳定。在一个方案中，喷嘴39和热防护罩91由氧化铝构成。在另一个方案中，喷嘴39和热防护罩91由氮化铝构成。在一些实施例中，热防护罩91和喷嘴39由相同材料制成，例如氧化铝或者氮化铝，但是在其他实施例中，喷嘴39和热防护罩91可以分别由不同材料制成。在其他的方案中，热防护罩91和喷嘴39可以由其他可选的材料制成，例如诸如铝之类的金属。
在一个方案中喷嘴39和热防护罩91形成可更换的受防护气体喷嘴99。在此方案中，受防护气体喷嘴可以作为单个单元被更换。当热防护罩91和喷嘴39例如在d0、dst以及延伸部分98的长度之间具有适合于室13中进行的具体处理的尺寸关系时，此方案是有好处的。作为一个单元使用和更换受防护气体喷嘴99维持了这些尺寸关系，并因此提高了室13中所进行处理的质量和可靠性。
热防护罩91将喷嘴温度保持为较低，以提供改善的粒子性能。通过模拟和实验的结合，已经确认在等离子体CVD室中对于高功率方案的粒子源为，由于在高的源RF功率电平下的等离子体中喷嘴温度的升高引起的硅烷(SiH4)的热降解物所产生的粒子。此气相粒子成核机理产生氢化Si的集束(例如，Si2H6)，以及由于等离子体氧化产生的SiO2粒子。粒子SEM图示出了与气相成核一致的球形粒子。喷嘴39和热防护罩91降低了室13中的喷嘴温度，以阻碍气相粒子成核机理。阻碍气相粒子成核机理减少了粒子的产生，并且因此减少了由粒子落在室13中正在处理的衬底17上所导致的缺陷。
本实用新型可应用于各种处理，包括STI、IMD(金属间电介质)、PSG(磷硅玻璃)、FSG(氟硅玻璃)等。热防护罩91和喷嘴39的更低的工作温度还允许等离子体CVD室13中更高功率电平下的操作，以例如提高间隙填充能力。除了提高间隙填充之外，被减少的粒子生成允许在室13需要被清洁之前，室13被使用更长时间来处理衬底17。这被称为多倍清洁。例如，在没有本实用新型的热防护罩91和喷嘴39的情况下，可能需要在处理单个衬底17之后进行清洁处理。利用热防护罩91和喷嘴39减少粒子的生成，在室13中需要进行清洁处理之前，利用CVD沉积可以处理例如2到5个衬底17，由此显著增大了衬底处理系统10的产量。
图5比较了在没有用于喷嘴的热防护罩91的CVD系统中，以及在具有喷嘴39和围绕的热防护罩91的CVD系统中所测量到的粒子量。CVD系统10与图1和2中示出的相类似，而图4A和4B的热防护罩91被置于围绕衬底17的周围布置的喷嘴39A、39B上。包括在图线中的粒子的尺寸大于约0.16μm。处理涉及通过由SiH4、H2和O2沉积USG层，来在300mm硅衬底17上进行浅沟槽隔离(STI)的间隙填充，所述沟槽的沟槽宽度为约110nm并且长宽比为约4∶1。室13中的压力为约4毫托。
第一组三个实验在没有热防护罩91的情况下进行。用于顶SRF发生器(31A)和侧SRF发生器(31B)的源功率电平，对于第一测试为约6kW和4kW，对于第二测试为约7kW和4kW，对于第三测试为约7kW和5kW。如图5所示，粒子量在约80秒后以从约50到约116粒子/秒范围的速率迅速攀升。其他的两个实验在有热防护罩91的情况下进行。当使用热防护罩91时，粒子以明显更低的速率增加。这两个测试分别使用约6kW和4kW的顶SRF功率电平和侧SRF功率电平，以及约7kW和5kW的顶SRF功率电平和侧SRF功率电平。这两个测试的粒子量增加速率在约80秒之后分别为约1粒子/秒和约5粒子/秒，在约120秒之后分别为约5粒子/秒和约9粒子/秒。
应该理解，上述的描述意在进行说明而不是限制性的。一旦阅读了上述的描述，对于本领域的技术人员来说许多实施例将是明显的。作为示例，本实用新型可以延伸到其他类型的热以及等离子体沉积室，并延伸到用于处理衬底的其他工艺。因此，本实用新型的范围不应该参照上述的描述来确定，而是应该参照所附的权利要求连同其等同物的全部范围来确定。
权利要求1.一种可更换的气体喷嘴，所述气体喷嘴可插入衬底处理室的气体分配器环中并且在所述室中可以被防护，其特征在于所述气体喷嘴包括具有通道的纵长陶瓷体，所述通道用于将气流导向所述室中，所述陶瓷体包括用于与所述气体分配器环配合的第一外螺纹和用于接纳热防护罩的第二外螺纹，所述通道包括用于接收来自所述气体分配器环的气体的入口和处在所述通道的端部并用于将所述气体释放到所述室中的针孔出口。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于所述针孔出口具有直径d0，并且其中所述第二外螺纹和所述针孔出口之间的距离dst为约90d0到约140d0。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于d0从约0.3mm到约0.4mm。
4.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于dst从约30mm到约55mm。
5.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于所述陶瓷体由氧化铝制成。
6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于所述陶瓷体由氮化铝制成。
7.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于所述陶瓷体以从约35°到约45°的角度向着所述针孔出口逐渐变细。
8.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于还包括安装在所述第二外螺纹上的热防护罩。
9.一种用于衬底处理室的受防护气体喷嘴，其特征在于，所述受防护气体喷嘴包括(a)具有通道的纵长陶瓷体，所述通道用于将气流导向所述室中，所述陶瓷体包括用于与气体分配器环配合的第一外螺纹和用于接纳热防护罩的第二外螺纹，所述通道包括用于接收来自所述气体分配器环的气体的入口和处在所述通道的端部并用于将所述气体释放到所述室中的针孔出口；(b)中空构件，所述中空构件被构造来与所述陶瓷体耦合，并且具有足够大的内部尺寸以围绕所述陶瓷体的至少一部分放置，所述中空构件具有一延伸部分，所述延伸部分在末梢处从所述针孔出口突出并且包括热防护罩开口，所述处理气体从所述针孔出口流动穿过所述热防护罩开口。
10.根据权利要求9所述的受防护气体喷嘴，其特征在于所述针孔出口具有直径d0，并且其中所述第二外螺纹和所述针孔出口之间的距离dst为约90d0到约140d0。
11.根据权利要求9所述的受防护气体喷嘴，其特征在于所述中空构件是圆柱形的，并且所述中空构件的内横截面比所述陶瓷体的外横截面大出比所述中空构件的厚度小的量。
12.根据权利要求9所述的受防护气体喷嘴，其特征在于所述中空构件的延伸部分的尺寸被定为在末梢处从所述针孔出口突出一定的距离，所述距离在所述陶瓷体的半径和所述所述陶瓷体的直径之间。
13.根据权利要求9所述的受防护气体喷嘴，其特征在于所述陶瓷体和中空构件由氧化铝制成。
14.根据权利要求9所述的受防护气体喷嘴，其特征在于所述陶瓷体和所述中空构件由氮化铝制成。
专利摘要本实用新型公开了一种可更换的气体喷嘴，该气体喷嘴可插入衬底处理室的气体分配器环中并且在室中可以被防护。可更换气体喷嘴具有拥有通道的纵长陶瓷体，所述通道用于将气流导向室中。陶瓷体包括用于与气体分配器环配合的第一外螺纹和用于接纳热防护罩的第二外螺纹。通道具有用于接收来自气体分配器环的气体的入口和用于将气体释放到室中的针孔出口。热防护罩可以被用于防护延伸到室中的喷嘴。热防护罩具有中空构件，所述中空构件被构造来与喷嘴耦合，并且具有足够大的内部尺寸来围绕喷嘴的至少一部分放置。中空构件还具有一延伸部分和热防护罩开口，延伸部分在末梢处从所述喷嘴的出口突出，处理气体从喷嘴出口流动穿过所述热防护罩开口。
文档编号B05B1/00GK2849959SQ20052000485
公开日2006年12月20日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年4月16日
发明者素提·贡德哈莱卡, 帕德马纳班·克里希纳拉利, 汤姆·K·丘, 穆罕默德·拉希德, 希曼特·芒格卡, 坦·N·彭, 华仲强 申请人:应用材料公司