CN1370325A - 具有经改善的温度均匀性的等离子体反应室部件 - Google Patents

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Abstract

一个对等离子反应室有用的部件包括散热器如温度受到控制的支持构件(22)和被加热构件如加上电功率的喷头电极(20)。喷头电极被周边地固定在支持构件上以便在电极的顶面(30)和支持构件的底面(32)之间围成一个气体分布室。热传输构件(36)在电极和支持构件之间扩展,将来自喷头电极的顶面上的温度上升最高的区域的热量传输到支持构件的底面,以便对在喷头电极上的温度分布进行控制。

Description

具有经改善的温度均匀性的等离子体反应室部件
技术领域
本发明涉及用于加工半导体集成电路基片的反应器，特别是涉及控制反应器的被加热构件上的温度分布的部件。
背景技术
半导体加工包括沉积过程如导电材料，电介质材料和半导体材料的化学汽相沉积(CVD)，这种层的刻蚀，光刻胶掩蔽层的消除等。在刻蚀情形中，常规地用等离子体刻蚀对金属材料，电介质材料和半导体材料进行刻蚀。
在通常指定的美国专利No.5,074,456；5,472,565；5,534,751和5,569,356中揭示了用于半导体基片的等离子体加工的喷头电极。在美国专利No.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；4,854,263；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中揭示了其它的喷头电极气体分布系统。
集成电路制造中的一个共同要求是在电介质材料中进行孔如接点和通路的刻蚀。电介质材料包括掺杂的氧化硅如氟化的氧化硅(FSG)，未掺杂的氧化硅如二氧化硅，硅酸盐玻璃如硼磷酸盐硅酸盐玻璃(BPSG)和磷酸盐硅酸盐玻璃(PSG)，掺杂或未掺杂的热生长的氧化硅，掺杂或未掺杂的TEOS沉积的氧化硅等。电介质掺杂剂包括硼，磷和/或砷。电介质能够覆盖在导体层或半导体层如多晶硅，金属如Al，铜，钛，钨，钼或它们的合金，氮化物如氮化钛，金属硅化物如硅化钛，硅化钴，硅化钨，硅化钼等的上面。在美国专利No.5,013,398中揭示了一种等离子体刻蚀技术，其中用平行板等离子体反应器在氧化硅中刻蚀孔。
美国专利No.5,736,457描述了单一或双重“雾状花纹(damascene)”金属化过程。在“单一雾状花纹”过程中，在分开的步骤中形成通路和导体，其中将用于或者导体或者通路的金属化图案刻蚀进电介质层，将金属层充填进在电介质层中的刻蚀槽或通路孔内，和通过化学机械平面化(CMP)或深刻蚀过程移去过剩的金属。在“双重雾状花纹”过程中，在电介质层中刻蚀用于通路或者导体的金属化图案和在单一的金属充填和过剩金属移去过程中用金属充填刻蚀槽和通路孔。
当刻蚀过程中，喷头电极变热。此外，在电极的整个表面上温度能够有相当大的变化。在喷头电极的中心和边缘之间的温度差能够达到约100℃或更高，例如约200℃。不均匀的温度分布能够引起不均匀的等离子体密度和/或加工气体分布，这导致对圆片的不均匀刻蚀。在边缘受到冷却的喷头装置中，因为在喷头电极的中心和边缘之间的温度差随着喷头直径的增加变得更加明显，所以随着基片的尺寸增加这个问题变得更加严重。
当用一个喷头电极刻蚀大的12英寸(300nm)圆片时，控制加工气体产生均匀的等离子分布变得更加困难。例如，必须很大地增加在隔板和喷头电极中的孔数，以便在大面积上得到刻蚀气体的均匀分布。此外，当隔板中的孔数增加和隔板数增加时，制造设备如气体分布设备的复杂性和价格都会有很大的增加。进一步，因为加工气体的流速必须与圆片的表面积的增加成正比地增加，所以对于加工比，选择性，特征形状和尺寸，均匀性的实现变得更加困难。然而，增大喷头的尺寸导致在喷头上的温度梯度变大，这又造成基片的不均匀加工。
发明内容
根据本发明能够极大地减少在被加热构件如喷头电极上的温度差。在喷头电极情形中，控制电极上的温度分布允许对半导体基片进行更均匀地加工。此外，因为能够减少喷头电极达到的最大温度，所以可以增加电极的有用寿命。
根据本发明的一个实施例，用于加工半导体基片的反应室中的部件包括散热器(例如，支持构件)，被加热构件(例如，加上电功率的喷头电极)，和在散热器与被加热构件之间的热传输构件。热传输构件提供从被加热构件的升温区域到散热器的热流路径。
例如，平行板等离子体刻蚀过程中，在喷头电极的中心产生的热量通过热传输构件传输到支持构件，导致在电极中心和电极周围之间的温度差减少。因此，当基片加工时以受到控制的和/或基本均匀的方式分布等离子体。
附图说明
通过结合附图阅读下面的详细描述，我们将了解本发明的目的和优点，其中：
图1是包括单个气体供应装置的气体分布系统的一个例子的截面图；
图2是本发明第1实施例的拆开透视图；
图3是本发明第2实施例的截面图；
图4是本发明第3实施例的拆开透视图；
图4A是图4所示的热传输构件的透视图，其中热传输构件包括多个同心环；
图5是本发明第4实施例的拆开透视图；
图6是与支持构件形成一体的热传输构件的透视图；和
图7是与喷头电极形成一体的热传输构件的透视图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明，下面我们参照附图进行详细描述，其中说明和描述了本发明优先的用于解释的实施例。此外，在本文中用相同的参照数字标记图中相同的元件。
本发明在对用于加工半导体基片如硅圆片和平的面板显示器的反应室的部件进行温度控制方面提供很多改善。这些部件包括喷镀靶，加上电功率的喷头电极，喷头，基片支架等。这些部件可以由或不由通过它们的冷却剂进行冷却。现在我们将参照加上电功率的喷头电极讨论本发明。
当在平行板等离子体刻蚀室中加工基片时，喷头电极表面的温度由于，例如，加到电极上的电功率产生的电阻加热而增加。产生的热量流到它周围的散热器(其中电极和散热器彼此固定在一起)。然而，因为电极中心区域不直接与散热器接触，所以电极中心区域的温度能比电极周围高得多，使得很难实现对基片加工的满意控制。类似地，由于喷头的加热，靶或基片，喷头或在基片或靶下面的表面在某些位置变得比另一些位置较热。本发明提供了一种改善这些基片的温度均匀性的机构。
下面的描述讨论本发明如何控制等离子体反应室中在喷头电极或基片支架上的温度分布。然而，我们能够用本发明的原理对用于半导体加工的反应室的其它被加热构件上的温度分布进行控制。
一个举例说明的用于等离子体刻蚀加工的反应室部件如图1所示，其中喷头电极20固定在被冷却的支持构件22上，它们一起限定了气体分布室23。支持构件22的温度由通过在支持构件22中的冷却通路24循环冷却剂进行控制。
喷头电极20优先地由硅构成，但是也可以由任何其它适当的导电材料如Al，石墨，碳化硅等构成，气体通过多个孔26。在图1所示的装置中，喷头电极20具有与电极形成一体的边缘部分28。然而，边缘部分28能够包括一个与圆的喷头板的外边缘接合的分开的支持环，如图3所示。在无论哪种情形中，外边缘28与支持构件22既进行热接触又进行电接触。气体分布室23由喷头电极20的顶面32，边缘部分28和支持构件22的底面限定。由中央气体供应装置29向室23提供加工气体。然而，可以在电极周围和/或由多于一个的气体供应装置提供加工气体。气体向下通过气体分布室并通过喷头电极20中的孔流动。
为了将加工气体激励成等离子体，向喷头电极20提供电功率(典型的是RF功率，虽然也可以用DC功率)。当将电功率加到喷头电极20上时，发生电阻加热，喷头电极20的温度增加。如果只从电极20的周围移去热量，则在喷头电极20的中心区域34的温度增加要比热量从侧面通过喷头电极20到边缘部分28的传输快得多。结果，在喷头电极20的中心区域34和喷头电极20的边缘部分28之间能够发展起大的温度差(例如，约100到300℃)。这种大的温度差干扰了通过喷头电极20的加工气体的均匀分布和/或输入等离子体的功率的均匀分布。
本发明的第1实施例如图2所示，其中根据本发明的部件35包括在喷头电极20的顶面30的中心区域34和温度受到控制的支持构件22的底面32之间的一个或多个热传输构件36。当等离子体加工时，热量通过热传输构件36传输到温度受到控制的支持构件22。在这种方式中，能够极大地减小在喷头电极20的中心区域34和边缘部分28之间的温度差(例如，可以得到在电极边缘和中心之间的温度差温度差小于50℃，优先地小于15到20℃)。结果，在半导体加工如圆片在喷头电极下面的单块圆片等离子刻蚀中，能够实现更加均匀的加工。
优先地由导热和导电的材料形成热传输构件36。然而，也可以用不是导电的但仍然是导热和材料。适宜的材料包括陶瓷材料如SiC，Si3N4，AIN等，金属如Al，Cu，不锈钢，Mo等，和金属化合物如加强金属(例如碳纤维-Al或铜，硼纤维-Al，SiC粒子-Al等)。例如，可以将热传输构件36浇铸成Al坯，然后加工成所希望的形状。
图2的实施例包括挡板组件，它的作用是使刻蚀气体更均匀地分布在喷头电极20的顶面30上。挡板组件可以包括位于喷头电极20和支持构件22之间的一块或多块挡板40。挡板40能够由Al制成并包括一个或多个切口42以便容纳一个类似形状的热传输构件36，将热传输构件36装配进入在支持构件22的底面32和喷头电极的顶面之间的由切口限定的空间。
如图2所示，热传输构件36包括槽口44，槽口44允许加工气体从气体供应入口29流进由挡板限定的充填空间。结果，能够使由入口29提供的气体均匀分布在挡板40的表面上。
图3是根据本发明的部件35的第2实施例，其中为了容纳热传输构件36不需要切割挡板40。取而代之，将热传输构件36夹在支持构件22，挡板40和喷头电极20之间。热传输构件36能够包括气体通路，通过它允许来自入口29的气体均匀分布在由挡板40限定的充填空间中。换句话说，热传输构件36可以是坚实的，而挡板可以包括槽或通道，允许加工气体在由挡板限定的充填空间中自由地循环。
根据本发明的部件35的第3实施例如图4所示，其中反应室不包括在支持构件22和喷头电极20之间的挡板。在第3实施例中，热传输构件36位于限定在喷头电极20和支持构件22之间的气体分布室内。如图4所示，热传输构件36包括槽口44，槽口44允许加工气体在热传输构件36之间流动并经过支持构件22和喷头电极20的表面。
为了增大从喷头电极20移去热量的能力，热传输构件36优先地具有极好的与支持构件22的底面32和喷头电极20的顶面两者的热接触。理想地，在热传输构件36，被加热构件(例如，喷头电极20)和散热器(例如，支持构件22)之间没有间隙。能够用不同的方法如加工喷头电极20，热传输构件36和支持构件22使它们具有磨配的表面，在热传输构件的相反侧提供导热材料如由铟，银等的金属材料制成的衬垫，和/或用金属化材料或传导的粘合剂如包含导电和/或导热粒子的弹胶物粘接喷头电极20的顶面30，保证在这些部件之间具有优良的热接触。
如从图4A更详细地看到的那样，夹在喷头电极20和支持构件22之间的热传输构件36是同心地装配在一起的圆环。这些圆环包括其中的槽口44，槽口44允许加工气体流过气体分布室。虽然在图4和图4A中画出了3个圆环，但是为了达到所希望的热传输效果可以增加或减少圆环的数目。进一步，一个或多个热传输构件在形状上可以与圆环不同(例如，热传输构件可以具有中央轮毂和径向扩展的臂的形状或任何其它适当的形状)。理想地，安装热传输构件36使它只覆盖喷头电极20的顶面30的最小部分，但仍然能达到所希望的热传输效果。
优先地，为了在不包含挡板的气体分布室内得到更均匀的气体分布，部件35能够包含多个气体供应装置39。在这种装置中，因为在每个气体供应装置39的出口，气体压力最高，所以提供多个气体供应装置39允许与单个气体供应装置比较得到更均匀的气体压力分布。
图5表示根据本发明的部件35的第4实施例，其中热传输构件36位于基片支架表面37和支持构件41之间。表面37可以是底部电极的一部分，底部电极可以有或可以没有与其相连的静电线夹(ESC)。能够用热传输构件36将热量从表面的一部分传输到支持构件41，从而控制表面37上的温度差。在这种情形中，基片支架可以不需要典型地用于冷却基片如Si圆片的He背后冷却装置。
在上述实施例中，热传输构件36可以是分开的片或者与被加热构件(例如，喷头电极20)或散热器(例如，支持构件22)形成一体。图6表示与喷头电极形成一体的热传输构件36的一个例子，图7表示与支持构件22形成一体的热传输构件36的一个例子。如果用粘接材料，则粘接材料应该具有很好的热传导性和选择地电传导性并能够与真空环境相容(例如，具有低蒸汽压使得该材料不会对半导体加工环境造成严重的污染)。适宜的连接材料包括传导性粘接剂如弹胶物或环氧树脂和焊料或钎焊料。
这样，根据本发明，在喷头电极装置的情形中，能够实现在喷头电极20的中心区域34和温度控制支持构件22之间的直接或间接地表面对表面的接触。在这种方式中，本发明能够控制在喷头电极20的中心区域34和边缘部分28之间的温度差。这种在喷头电极20上较好的温度控制能够在被加工基片上提供控制得较好的等离子密度和/或气体流/压力。
我们已经参照优先实施例描述了本发明。然而，对于熟练的技术人员来说显然能够容易地用与上述不同的特殊形式体现本发明而没有偏离本发明的精神。优先实施例是说明性的，并且不应该认为它们受到任何方式的限制。本发明的范围由所附的权利要求书，而不是上述描述给出，我们有意将所有的落入权利要求书范围内的变化和等效物都包括在本专利申请书内。

Claims (22)

1.对加工半导体基片的反应室有用的温度控制部件，它包括：
散热器，
由散热器支持的被加热构件，和
与散热器和被加热部件的局域化区域热接触的热传输构件，在该局域化区域中温度的上升是在被加热构件上最高的。
2.权利要求1的部件，其中散热器是具有底面的支持构件，被加热构件是周边固定在支持构件上并加上电功率的喷头电极，以便在喷头电极的顶面和支持构件的底面之间围成一个气体分布室，其中热传输构件与喷头电极顶面的中心区域和支持构件的底面热接触。
3.权利要求2的部件，其中通过一个或多个气体供应装置向气体分布室提供加工气体。
4.权利要求2的部件，其中热传输构件包括一个金属单元体。
5.权利要求1的部件组件，其中被加热构件包括喷头，基片支架或喷镀靶支架。
6.权利要求2的部件，其中热传输构件是浇铸的金属体。
7.权利要求2的部件，其中热传输构件是硅的成形体。
8.权利要求2的部件，其中热传输构件是金属组合体。
9.权利要求2的部件，其中热传输构件包括在电极顶面上的一个凸出部。
10.权利要求2的部件，其中热传输构件包括用粘接材料粘接到电极的顶面上的一个成形体。
11.权利要求10的部件，其中粘接材料是金属性质的材料或导热的粘接剂。
12.权利要求2的喷头电极组件，其中热传输构件包括在支持构件底面上的一个凸出部。
13.权利要求2的部件，其中热传输构件包括用粘接材料粘接到支持构件底面上的成形体。
14.权利要求13的部件，其中粘接材料是金属性质的材料或导热的粘接剂。
15.权利要求2的部件，其中热传输构件包括多个同心安装的圆环。
16.权利要求15的部件，其中圆环包括气体通过其中的通路。
17.权利要求2的部件，其中冷却剂通过在支持构件中的通道。
18.权利要求2的部件，进一步包括位于支持构件和喷头电极之间的挡板组件，该挡板组件包括第1和第2挡板。
19.权利要求18的部件，其中第1和第2挡板包括具有热传输构件形状的成形孔，并将该成形孔紧密地装配在热传输构件周围。
20.权利要求18的部件，其中热传输构件包括第1，第2和第3成形体，第1成形体与喷头电极顶面的中心区域和第1挡板的下面热接触，第2成形体与第1挡板的顶部和第2挡板的下面热接触，第3成形体与第2挡板的顶部和支持构件的底面热接触。
21.在等离子室的一个部件中，其中加工气体通过一块挡板进入由在挡板和喷头电极之间的气体充填空间，然后通过在喷头电极中的孔进入等离子室，改善包括一个热传输构件提供在喷头电极的中心部分和在挡板上面的冷却支持构件之间的热流通路。
22.在包括权利要求2的部件的等离子室中加工半导体基片的方法，该方法包括使加工气体流过喷头电极，通过在喷头电极加上RF功率，激励加工气体使其进入等离子体状态，并使等离子体与半导体基片的曝露表面接触。
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