用于半导体处理的气体分配设备的制作方法

专利名称：用于半导体处理的气体分配设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于处理诸如集成电路晶片这样的半导体基片的反应室，特别是对用于这些反应室中的气体分配系统的改进。
半导体基片的等离子体加工用的簇射头电极，公开于共同转让的美国专利5,074,456、5,472,565、5,534,751、和5,569,356中。其它簇射头电极气体分配系统公开于美国专利4,209,357、4,263,088、4,270,999、4,297,162、 4,534,816、4,579,618、4,590,042、4,593,540、 4,612,077、4,780,169、4,792,378、4,820,371、4,854,263、5,006,220、5,134,965、5,494,713、5,529,657、5,593,540、5,595,627、5,614,055、5,716,485、5,746,875、和5,888,907中。
在等离子体蚀刻过程期间，通过向处于较低压力的气体加入大量的能量而使气体电离以形成等离子体，从而在晶片的掩膜表面之上形成等离子体。通过调节晶片的电位，等离子体中带电的样品可被导向以便垂直地冲撞在晶片上，使得晶片上无掩膜区域的材料被移走。
为了得到在整个晶片表面上的均匀的蚀刻速率，希望在晶片表面上能均匀地分布等离子体。当前的气体分布室的设计包括多块挡板，它们被优化以均匀地分布蚀刻气体来得到在晶片上的所需的蚀刻效果。常规的气体分配设计包括具有数以百计的开口或复杂而难以制造的几何形状以保证向簇射头电极的背面均匀分配蚀刻气体。也做过一些尝试通过使用不同形状的电极来控制气体流。但是，制造具有复杂几何形状的极纯硅电极是困难和昂贵的。当蚀刻大的12英寸(300mm)晶片时，要控制处理气体以便跨越簇射头来建立均匀的气压分布甚至更加困难。开口和挡板的数量必须大量增加以维持蚀刻气体的均匀分布。随着挡板上开口数的增加和挡板数的增加，制造这样一种气体分配设备的复杂性和成本也大为增加。
美国专利5,736,457描述了单和双“镶嵌”(damascene)金属化过程。在“单镶嵌”方法中，通孔和导体是在分开的步骤中形成的，其中供导体或通孔用的金属化图形是蚀刻在介电层中的，将金属层填入介电层中的沟槽或通孔小洞中，而多余的金属则用化学机械平面化(CMP)或用返回蚀刻过程来移走。在“双镶嵌”法中，供通孔和导体用的金属化图形是蚀刻在介电层中的而蚀刻的沟槽和通孔开口是用一次单独的金属填充和移走多余金属过程来填入金属的。
根据前述可以看到，随着半导体基片尺寸的增加，要在基片上面实现加工用气体的均匀分布变得更加困难。因此，在本技术领域存在这样的需要去改进气体分配系统。此外，就气体分配系统的成份是定期更换方面而言，如果这些成分能够设计成便于它们的经济制造的方式，这将是可取的。
按照本发明的气体分配系统优选包括一支持体，一气体分配室，一供气口，一簇射头和仿形表面。供气口向气体分配室提供加压的处理气体，而且簇射头由支持体支持以使气体分配室内的加压处理气体对簇射头的后侧施加压力并且通过在簇射头的背面和其对面之间延伸的开口。该仿形表面是在气体分配室内，并在簇射头的背面提供所需的气压分布是有效的。
该仿形表面可以位于支持体上或位于在气体分配室内的挡板上。例如，仿形表面可以包括该挡板或在支持体的下表面上的非平面上部及/或下部表面。气体分配室可以包括在挡板的相对两侧的上部及/或下部充气室(plenum)或在仿形表面和簇射头背面之间的开放空间。支持体可以包括至少一个冷却剂通道，冷却剂在其中循环。
气体入口可以在气体分配室的不同部分开口。例如，该气体入口可以通过面向该挡板的支持体的一平坦表面中的中央开口提供处理气体，在这种情况下挡板的厚度在挡板的中心部分较厚而在挡板的外围部分较薄。换一种方式，该气体入口可以通过一在上部充气室的外部区域开口的环状通道提供处理气体，在这种情况下挡板的厚度在它的中心部分较薄而在它的外围部分则较厚。挡板可以包括在它的上部和下部表面之间延伸的尺寸均匀的开口，这些开口或者在挡板的中心部分或者在挡板的外围部分有较长的长度。
在仿形表面为支持体的下部表面的情况下，气体入口可以通过在下部表面中的中心开口提供处理气体，而且开口空间可以在它的中心区域较小而在它的外围区域则较大。另外的方式是，气体入口可以通过在开口空间外部区域开口的一入口提供处理气体，在这种情况下簇射头在中心区域可以离仿形表面更远，而在外围区域则离仿形表面更近。
仿形表面可以是与支持体成为一个整体的挡板部分的上部及/或下部的非平面表面，在这种情况下的气体分配室包括在挡板部分之上的上部充气室和在挡板部分之下的下部充气室。在这种情况下，上部充气室可以被支持体的上部侧壁和对上部侧壁进行密封的盖板(它可任选地包含一或多个冷却剂通道)所包围，而下部充气室则可以被支持体的下部侧壁和将下部侧壁密封的簇射头所包围。
本发明的目的和优点将通过结合附图阅读下面的详细说明而得以理解，在这些图中

图1是按照本发明的气体分配室的截面图；图2是按照本发明的气体分配室的第三实施例的分解的透视剖面图；图3A-E是按照本发明的各种仿形表面设计的截面图；图4是按照本发明第三实施例的挡板的截面图；以及图5A-B表明能够用本发明的气体分配室而实现的蚀刻过程。
按照本发明，处理气体能够从一或多个气源均匀地分布到位于簇射头底下的基片上。本簇射头可以用于任何类型的希望将处理气体分布在半导体基片上的半导体加工设备中。这样的设备包括CVD系统，抛光设备，电容耦合等离子体反应器，电感耦合等离子体反应器，ECR反应器，以及类似设备。
用于平行板式等离子体反应器的气体分配系统示于图1中，其中支持板20和簇射头22固定在一起以限定一密封的气体分配室24。包括一或多个挡板的挡板组合26位于支持板20和簇射头22之间。按照本发明，挡板组合26的几何形状和安排配置成使气体均匀地分布到簇射头22的背面28。在半导体晶片加工例如化学汽相沉积或干式蚀刻等离子体加工中，为了增加这些处理的一致性和成品率，希望做到跨越基片的处理气体的受控分布。
按照本发明，使用了仿形表面以便在簇射头的背面提供所需的气体压力分布。该气体分配系统最好包括一支持体、一气体分配室、一供气口、一簇射头和仿形表面。供气口向气体分配室提供加压的处理气体，而簇射头则由支持体支持从而使气体分配室中的加压气体向簇射头的背面施加压力并且通过在簇射头的背面和其对面之间伸展的开口。
仿形表面可以位于支持体上或位于在气体分配室内的挡板上。例如，仿形表面可以包括挡板的非平面上部及/或下部表面或在支持体的下表面上。气体分配室可以包括在挡板的对立两面上的上部及/或下部充气室或在仿形表面和簇射头背面之间的开放空间。支持体可以包括至少一个冷却剂通道，其中可以让冷却剂循环。
气体入口可以在气体分配室中不同部分开口。例如，气体入口可以通过在支持体的平坦表面上面对挡板的中心开口提供处理气体，在这种情况下挡板的厚度在挡板的中心部分较厚而在挡板的外围部分则较薄。另一种方式，气体入口可以通过向上部充气室的外围区域开口的入口来提供处理气体，在这种情况下挡板的厚度在它的中心部分较薄而在它的外围部分则较厚。挡板可以含有在它的上部和下部表面之间延伸的尺寸均匀的开口，这些开口或者在挡板的中心部分或者在挡板的外围部分有较长的长度。
在仿形表面是支持体的下表面的情况下，气体入口可以通过在下表面的中心开口提供处理气体，它的中心区域的开放空间可以较小而它的外围区域的开放空间则较大。另一种方式，气体入口可以通过开口于开放空间的外围区域这样的环形通道的入口来提供处理气体，在这种情况下簇射头可以离外围区域的仿形表面较近而离中心区域的仿形表面较远。同样，可以仅在开放空间的一侧提供入口，在这种情况下仿形表面将要有适当的形状以实现所需的压力分布。
仿形表面可以是与支持体成为一个整体的挡板部分的上部及/或下部非平坦表面，在这种情况下气体分配室包括在挡板部分上面的上部充气室和在挡板部分下面的下部充气室。在这种情况下，上部充气室可以被支持体的上侧壁和对上侧壁进行密封的盖板(它可任选地包含一或多个冷却剂通道)所包围，而下部充气室则可被支持体的下侧壁和对下侧壁密封的簇射头所包围。
仿形表面可以在非均匀厚度的挡板上提供，而且挡板可以包含几何上受控的开口，其中该开口的长度及/或尺寸可变化以实现所需的气体分布。仿形挡板的一种实施例示于图2，其中挡板92包括仿形顶表面94。挡板92固定在由支持板20和簇射头22规定界限的气体分配室24中。挡板92包括与簇射头22和支持板20相接触的外围壁96。另一种方式，挡板92可以通过在支持板的上表面提供一个凹口并用盖板来密封该凹口而使它与支持板20成为一个整体。在气体压力在挡板中心的上面是最高的情况下，可以通过将仿形顶表面94设计成从中心高出部位98连续向气体分配室24的周边倾斜而实现在挡板下面的均匀气体压力。气体穿越垂直于挡板92的平坦底表面95的开口100而通过。但是，如果需要，部分或全部开口100可以不垂直于底表面。
在图2所示的设计中，处理气体是穿过大体上位于中心的气体入口而送出的。但是，气体可以穿过非位于中心的气源及/或多个气源而提供。在支持板20和挡板92的上表面94之间的充气室中，处理气体的压力在位于中心的供气口102最近的地方是最高的并在趋向挡板92的周边处降低。随着气体穿越挡板92上的开口100通过，由于发生摩擦而损失压力。对于具有圆形截面的开口，这样的压力降可以用方程式CαD3/L来表示，其中C是气流传导率，D是孔的直径而L是孔的长度。一般而言，对于相等尺寸的开口，具有较长长度的开口由于摩擦比起较短的开口要产生更大的压力损失。与此相似，开口直径的变化比起开口在长度方面同样比例的变化来，在摩擦压力损失方面的变化会引起更为剧烈的效果，因为气体的流动速率和开口直径的三次方成正比而和开口的长度成线性反比。
挡板92的顶表面94的斜率可以这样设计以实现开口100跨越挡板92的所需的长度变化。在所示的实施例中，最长的开口开始于挡板92的高的中心部分98处，那里的入口气体压力为最高。由于斜坡表面，开口离挡板92的高中心部分越远则其长度越短。利用这种几何控制的挡板设计，就可能选择挡板92的仿形顶表面94的斜率和穿越挡板92的各开口100的位置，从而使气体在通过挡板92并接触簇射头22的背面28时能够建立起基本上均匀的压力分布。如果需要一个受控的非均匀的压力分布，可以选择开口100和挡板92的形状以建立所需的压力分布。
跨越挡板的各开口100的直径可以是相同的或者其直径可以是变化的，例如，直径大的开口104可以位于靠近挡板92的周边位置以便对流经挡板92的周边中的开口的相对较低压力的气体提供小的摩擦压力损失。在一种修改过的几何控制的挡板中，挡板可以具有任何所需的形状及/或不均匀的孔的尺寸，及/或孔的角度可以变化，以实现所需的压力分布。例如，如果希望跨越簇射头有均匀的压力，则在中心馈送的气体分配系统中在挡板周边的孔可以有较大的直径而在中心部分则有较小的直径。相反，在处理气体是馈送到充气室周边的气体分配系统中，在挡板中央的孔可以较大。
仿形表面94的各种实施例示图3A-E。在图3A中，仿形表面94是挡板92的上表面，气体入口102向气体分配室24的中心部分提供处理气体，挡板92在它的中部较厚而它的外围部分则较薄。这样，在气体压力最高的区域(即气体入口102打开进入室24的地方)，穿过挡板的开口较长，从而用来在处理气体进入在挡板92和簇射头22之间的下部充气室24a时降低穿越通过的处理气体的压力。如图3A所示，支持体20可以包含一个或多个冷却剂通道21。
图3B表示挡板92和支持体20成为一个整体时的设计。在这种情况下，仿形表面94是支持体20的上表面，气体分配室24包括在挡板部分92和盖板20a之间的上部充气室和在挡板部分92和簇射头22之间的下部充气室24a。充气室24和24a则进一步由支持体20的侧壁20b和20c所包围。
图3C表示仿形表面94是挡板92的下表面时的设计。在这样的设计中，气体入口102向上部充气室24的中心部分开口，挡板92在它的中部更厚而在它的外围部分较薄。因此，在挡板92的中心部分的开口100较长因而当气体穿透挡板92的中心部分经过时能有效地降低气体压力。这样，和仿形表面94是挡板92的上表面时的设计相似，图3C所示的设计能有效地在簇射头22的后面得到均匀的气体压力分布。
图3D表示气体入口102向围绕上部充气室24而延伸的环状通道开口的设计，通过它处理气体进入上部充气室24的外围区域。因此，在环形通道102a附近的气体压力最高而趋向充气室24的中心区域则气体压力变得较低。仿形表面94是挡板92的上表面，挡板92在它的外围部分较厚而在它的中心部分较薄。这样，开口100在挡板的外围部分较长而在中间部分则较短。因此，穿透挡板外围部分的开口而流过的处理气体的气压在处理气体进入下部充气室24a时被降低以便在簇射头22的背面提供更均匀的气压分布。
图3E表示仿形表面94是支持体20的下表面时的设计。在所示的设计中，气体入口102在气体分配室24的外围处的环形通道开口。因此，气体的压力降在室24的中心部分被减少。由于仿形表面94向簇射头22倾斜并因而沿着趋向于簇射头22的外围部分的方向而减少在仿形表面94和簇射头22的背面之间的距离，所以在簇射头22的背面的气压可以变得更加均匀。但是，如果气体入口102在室24的中心开口，则仿形表面94将反向使得在仿形表面94和簇射头的背面之间的距离在簇射头的外围部分是最大而在簇射头的中心部分是最小。
每个通过倾斜体的开口有一个出口106，它在簇射头22的上方开口。如图4所示，出口106在挡板的任何所需位置可以是带台阶的或带斜坡的(例如孔的直径在表面95可以为最大)从而可起扩散器的作用以控制流出挡板92的气体的压力。斜坡的出口106对流出开口的气体实现一个压力降而台阶式(即其直径急剧变化的)开口107会在气体流出开口时实现大得多的压力降。通过包含具有非均匀厚度的挡板和受几何形状控制的开口，本发明即使在处理12英寸的大量片时仍能实现所需的气体分布均匀性。图5A-B表示如何按照本发明在单独一个步骤中可以蚀刻双镶嵌结构的原理图。图5A表示蚀刻前的情况，其中在光刻胶掩膜层520上提供一个相当于沟槽的开口500，掩膜层覆盖在一个叠层上，它包括像氧化硅这样的第一介电层540，像氮化硅这样的第一终止层560，像氧化硅这样的第二介电层580，像氮化硅这样的第二终止层600，以及像硅晶片这样的基片620。为了在单独一步蚀刻中得到对通过第一终止层560的通孔的蚀刻，第一终止层560包含一个开口640。图5B表示在蚀刻后的结构，其中开口500通过介电层540延伸到第一终止层560且开口640经过第二介电层580延伸到第二终止层600。这样的安排可以称作为“自整定双镶嵌”结构。
在蚀刻过程期间，在第一和第二实施例中的由第一和第二气源所提供的处理气体的条件是可以相互改变的，例如，在蚀刻沟槽500期间，可以提供氩、氧和碳氟化合物(例如CHF3、C4F8)的混合气，而在蚀刻通孔640期间流到晶片中心区域的氧可以减少。这样，按照本发明流向晶片中心和边缘的气体可加以调节以补偿在等离子体室中边缘快速蚀刻和中心快速蚀刻的情况。例如，在常规的等离子体蚀刻中，边缘快速蚀刻的情况可以发生直到光刻胶被蚀刻掉为止，此后就可出现中心快速蚀刻的情况。对于本发明的气体分配设备来说，当晶片上有光刻胶层的时候可以将更多的氧提供到中心，而当光刻胶层被蚀刻掉时流到中心的氧可以减少。因此，通过对边缘快速和中心快速蚀刻条件的补偿可以实现更加均匀的蚀刻。
本发明的过程可以用于包括对各种介电层进行等离子体蚀刻在内的各种等离子体处理，这些介电层是例如像氟处理过的氧化硅(FSG)这样的掺杂氧化硅，像二氧化硅这样的未掺杂氧化硅、离心涂层玻璃(SOG)，像磷酸硼硅酸盐玻璃(BPSG)这样的硅酸盐玻璃，掺杂的或不掺杂的热生长氧化硅，掺杂的或不掺杂的TEOS沉积的氧化硅等等。介电掺杂剂包括硼、磷及/或砷。电介质可以覆盖在导电或半导体层上，诸如多晶硅，像铝、铜、钛、钨、钼或它们的合金这样的金属，像氮化钛这样的氮化物，像硅化钛、硅化钴、硅化钨、硅化钼这样的金属硅化物，等等。
等离子体可以是在各种类型的等离子体反应器中产生的高密度等离子体。这样的等离子体反应器一般都用射频能量、微波能量、磁场等高能能源来产生高密度等离子体。例如，高密度等离子体可以产生于变压器耦合等离子体(TCPTM)也称作电感耦合等离子体发生、电子回旋谐振(ECR)等离子体反应器、螺旋等离子体反应器，或其类似反应器中。能够提高高密度等离子体的高流量等离子体反应器的一个例子公开于共同拥有的美国专利5,820,723号中，其公开部分被引用于此以供参考。
本发明已参考优选实施例而被说明。但是熟悉本技术的人们容易明白，有可能以不同于上面说明的特定形式来实现本发明而不偏离本发明的精神。优选实施例是说明性的，无论如何不应视为限制性的。本发明的范围由所附权利要求给出，而不是由前面的说明给出，所有在权利要求范围内的变化和等价事例都认为是包括在其中的。
权利要求
1.一种可用于处理半导体基片的气体分配系统，包括一支持体；一气体分配室；一供气口，加压的处理气体通过它流入气体分配室；一由该支持体支持的簇射头，它使气体分配室中的加压处理气体向簇射头的背面施加压力并且通过在簇射头的背面和其对面之间伸展的开口；以及一在气体分配室中的仿形表面，这个仿形表面对在簇射头的背面提供所需的气体压力分布是有效的。
2.如权利要求1的气体分配系统，其中该仿形表面包括挡板的非平坦上部及/或下部表面，挡板有穿越它的开口，而且气体分配室包括在该挡板之上的上部充气室和在挡板之下的下部充气室。
3.如权利要求1的气体分配系统，其中该仿形表面是支持体的下部非平坦表面，而气体分配室包括在该仿形表面和簇射头背面之间的开放空间。
4.如权利要求2的气体分配系统，其中该气体入口通过面向该挡板的一平坦表面中的中央开口提供处理气体，且此挡板的厚度在挡板的中心部分较厚而在挡板的外围部分则较薄。
5.如权利要求2的气体分配系统，其中该气体入口通过在上部充气室的外围区域开口的入口提供处理气体，且此挡板的厚度在挡板的中心部分较薄而在挡板的外围部分较厚。
6.如权利要求2的气体分配系统，其中该挡板在上部和下部表面之间有尺寸均匀的开口延伸，且此开口在挡板的中心部分有较长的长度而在挡板的外围部分有较短的长度。
7.如权利要求2的气体分配系统，其中该挡板在上部和下部表面之间有尺寸均匀的开口延伸，且此开口在挡板的中心部分有较短的长度而在挡板的外围部分有较长的长度。
8.如权利要求3的气体分配系统，其中该气体入口通过支持体的下表面中的中心开口提供处理气体，该开放空间在它的中心区域较小而在它的外围区域则较大。
9.如权利要求3的气体分配系统，其中该气体入口通过向该开放空间的外围区域开口的环形通道提供处理气体，且此簇射头在开放空间的外围区域中离仿形表面较近，而在开放空间的中心区域中离仿形表面则较远。
10.如权利要求1的气体分配系统，其中该支持体包括至少一个冷却剂通道，冷却剂可以在其中循环。
11.如权利要求1的气体分配系统，其中该仿形表面是与支持体成为整体的挡板部分的上部及/或下部的非平坦表面，且气体分配室包括在挡板部分之上的上部充气室和在挡板部分之下的下部充气室，而且上部充气室被支持体的上侧壁和对上侧壁作密封的盖板所包围，而下部充气室被支持体的下侧壁和对下侧壁作密封的簇射头所包围。
12.如权利要求2的气体分配系统，其中该支持体包括第二个供气口，它提供穿越挡板的处理气体。
13.如权利要求1的气体分配系统，其中该簇射头是等离子体室的簇射头电极。
14.如权利要求2的气体分配系统，其中的开口具有相同的直径，且在远离供气口位置处的开口有逐渐变短的长度。
15.如权利要求2的气体分配系统，其中在远离供气口位置处的开口逐步变大。
16.如权利要求2的气体分配系统，其中该挡板为锥体形状，而且开口的直径相同但开口在整个挡板中有不同的长度。
17.如权利要求2的气体分配系统，其中在挡板外围部分的开口比靠近挡板中心区域的开口有更大的直径。
18.如权利要求2的气体分配系统，其中至少某些开口的直径是随着开口的长度而变的。
19.如权利要求2的气体分配系统，其中至少某些出口是带斜坡的。
20.一种在反应室内处理基片的方法，其中气体分配系统包括一支持部件，该支持部件有一供气口；一厚度不均匀的挡板，它被安排成使来自供气口的气体通过挡板中的几何形状受控的开口；以及一由支持部件支持的簇射头，以使通过挡板的气体通过簇射头中的开口，该方法包括将半导体基片提供到反应室；使处理气体流过挡板上面的供气口，并且通过几何形状受控制的开口，以使处理气体在挡板下侧的出口处有所需的气体压力分布，此后该处理气体通过簇射头而流到半导体基片上面的一个区域；以及用处理气体处理该晶片。
21.如权利要求20的方法，其中该供气口位于支持部件和挡板之间的充气室的中心部分，且挡板的形状为锥形并具有直径均匀的开口，但其长度自挡板中心到边缘逐步变短；而且簇射头是个簇射头电极，它给通过那里的处理气体以能量激励而成为等离子体状态，且跨越挡板底下的气压分布是均匀的。
22.如权利要求21的方法，还包括蚀刻半导体基片上的一层，这是通过向簇射头电极提供射频功率而使处理气体形成等离子体并与半导体基片上的暴露表面相接触而实现的。
23.如权利要求20的方法，其中该半导体基片包括硅晶片，该方法包括对晶片上物质的介电层、半导体层或导电层的干式蚀刻。
24.如权利要求20的方法，其中该方法包括在半导体基片上沉积一层材料。
25.如权利要求20的方法，其中簇射头包括簇射头电极，且支持部件包括温控部件，该方法包括通过将冷却剂流经温控部件而将热量从簇射头电极上排出。
26.如权利要求20的处理，包括蚀刻穿过基片上介电层的暴露部分而到达基片上的导电层或半导体层的开口。
27.如权利要求26的处理，其中的蚀刻步骤是作为制造镶嵌结构过程中的一部分进行的。
全文摘要
一种半导体处理用的气体分配系统,包括一仿形表面以实现在簇射头背面所需的气体分布。该系统可包括一或多个朝向在挡板和温控支持部件之间的气源开口。挡板可以有非均匀厚度和几何控制的开口以实现所需的气体分布。在一个安排中挡板是锥形的,具有均匀直径的孔,它们以不同距离延伸穿越挡板,以实现通过挡板平坦底表面中的出口的均匀气体压力。在另一安排中,孔在远离位于中心的气源出口方向时有逐渐增大的直径。挡板的形状及/或孔的配置可以设计来实现所需的气压分布。
文档编号H01L21/205GK1367933SQ00809734
公开日2002年9月4日 申请日期2000年6月12日 优先权日1999年6月30日
发明者郝芳莉(音译), 拉金德尔·丁德萨 申请人:兰姆研究公司