專利名稱：具有經改善的溫度均勻性的等離子體反應室部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于加工半導體集成電路基片的反應器，特別是涉及控制反應器的被加熱構件上的溫度分布的部件。
在通常指定的美國專利No.5,074,456；5,472,565；5,534,751和5,569,356中揭示了用于半導體基片的等離子體加工的噴頭電極。在美國專利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中揭示了其它的噴頭電極氣體分布系統。
集成電路制造中的一個共同要求是在電介質材料中進行孔如接點和通路的刻蝕。電介質材料包括摻雜的氧化硅如氟化的氧化硅(FSG)，未摻雜的氧化硅如二氧化硅，硅酸鹽玻璃如硼磷酸鹽硅酸鹽玻璃(BPSG)和磷酸鹽硅酸鹽玻璃(PSG)，摻雜或未摻雜的熱生長的氧化硅，摻雜或未摻雜的TEOS沉積的氧化硅等。電介質摻雜劑包括硼，磷和/或砷。電介質能夠覆蓋在導體層或半導體層如多晶硅，金屬如Al，銅，鈦，鎢，鉬或它們的合金，氮化物如氮化鈦，金屬硅化物如硅化鈦，硅化鈷，硅化鎢，硅化鉬等的上面。在美國專利No.5,013,398中揭示了一種等離子體刻蝕技術，其中用平行板等離子體反應器在氧化硅中刻蝕孔。
美國專利No.5,736,457描述了單一或雙重“霧狀花紋(damascene)”金屬化過程。在“單一霧狀花紋”過程中，在分開的步驟中形成通路和導體，其中將用于或者導體或者通路的金屬化圖案刻蝕進電介質層，將金屬層充填進在電介質層中的刻蝕槽或通路孔內，和通過化學機械平面化(CMP)或深刻蝕過程移去過剩的金屬。在“雙重霧狀花紋”過程中，在電介質層中刻蝕用于通路或者導體的金屬化圖案和在單一的金屬充填和過剩金屬移去過程中用金屬充填刻蝕槽和通路孔。
當刻蝕過程中，噴頭電極變熱。此外，在電極的整個表面上溫度能夠有相當大的變化。在噴頭電極的中心和邊緣之間的溫度差能夠達到約100℃或更高，例如約200℃。不均勻的溫度分布能夠引起不均勻的等離子體密度和/或加工氣體分布，這導致對圓片的不均勻刻蝕。在邊緣受到冷卻的噴頭裝置中，因為在噴頭電極的中心和邊緣之間的溫度差隨著噴頭直徑的增加變得更加明顯，所以隨著基片的尺寸增加這個問題變得更加嚴重。
當用一個噴頭電極刻蝕大的12英寸(300nm)圓片時，控制加工氣體產生均勻的等離子分布變得更加困難。例如，必須很大地增加在隔板和噴頭電極中的孔數，以便在大面積上得到刻蝕氣體的均勻分布。此外，當隔板中的孔數增加和隔板數增加時，制造設備如氣體分布設備的復雜性和價格都會有很大的增加。進一步，因為加工氣體的流速必須與圓片的表面積的增加成正比地增加，所以對于加工比，選擇性，特征形狀和尺寸，均勻性的實現變得更加困難。然而，增大噴頭的尺寸導致在噴頭上的溫度梯度變大，這又造成基片的不均勻加工。
根據本發明的一個實施例，用于加工半導體基片的反應室中的部件包括散熱器(例如，支持構件)，被加熱構件(例如，加上電功率的噴頭電極)，和在散熱器與被加熱構件之間的熱傳輸構件。熱傳輸構件提供從被加熱構件的升溫區域到散熱器的熱流路徑。
例如，平行板等離子體刻蝕過程中，在噴頭電極的中心產生的熱量通過熱傳輸構件傳輸到支持構件，導致在電極中心和電極周圍之間的溫度差減少。因此，當基片加工時以受到控制的和/或基本均勻的方式分布等離子體。
本發明在對用于加工半導體基片如硅圓片和平的面板顯示器的反應室的部件進行溫度控制方面提供很多改善。這些部件包括噴鍍靶，加上電功率的噴頭電極，噴頭，基片支架等。這些部件可以由或不由通過它們的冷卻劑進行冷卻。現在我們將參照加上電功率的噴頭電極討論本發明。
當在平行板等離子體刻蝕室中加工基片時，噴頭電極表面的溫度由于，例如，加到電極上的電功率產生的電阻加熱而增加。產生的熱量流到它周圍的散熱器(其中電極和散熱器彼此固定在一起)。然而，因為電極中心區域不直接與散熱器接觸，所以電極中心區域的溫度能比電極周圍高得多，使得很難實現對基片加工的滿意控制。類似地，由于噴頭的加熱，靶或基片，噴頭或在基片或靶下面的表面在某些位置變得比另一些位置較熱。本發明提供了一種改善這些基片的溫度均勻性的機構。
下面的描述討論本發明如何控制等離子體反應室中在噴頭電極或基片支架上的溫度分布。然而，我們能夠用本發明的原理對用于半導體加工的反應室的其它被加熱構件上的溫度分布進行控制。
一個舉例說明的用于等離子體刻蝕加工的反應室部件如

圖1所示，其中噴頭電極20固定在被冷卻的支持構件22上，它們一起限定了氣體分布室23。支持構件22的溫度由通過在支持構件22中的冷卻通路24循環冷卻劑進行控制。
噴頭電極20優先地由硅構成，但是也可以由任何其它適當的導電材料如Al，石墨，碳化硅等構成，氣體通過多個孔26。在圖1所示的裝置中，噴頭電極20具有與電極形成一體的邊緣部分28。然而，邊緣部分28能夠包括一個與圓的噴頭板的外邊緣接合的分開的支持環，如圖3所示。在無論哪種情形中，外邊緣28與支持構件22既進行熱接觸又進行電接觸。氣體分布室23由噴頭電極20的頂面32，邊緣部分28和支持構件22的底面限定。由中央氣體供應裝置29向室23提供加工氣體。然而，可以在電極周圍和/或由多于一個的氣體供應裝置提供加工氣體。氣體向下通過氣體分布室并通過噴頭電極20中的孔流動。
為了將加工氣體激勵成等離子體，向噴頭電極20提供電功率(典型的是RF功率，雖然也可以用DC功率)。當將電功率加到噴頭電極20上時，發生電阻加熱，噴頭電極20的溫度增加。如果只從電極20的周圍移去熱量，則在噴頭電極20的中心區域34的溫度增加要比熱量從側面通過噴頭電極20到邊緣部分28的傳輸快得多。結果，在噴頭電極20的中心區域34和噴頭電極20的邊緣部分28之間能夠發展起大的溫度差(例如，約100到300℃)。這種大的溫度差干擾了通過噴頭電極20的加工氣體的均勻分布和/或輸入等離子體的功率的均勻分布。
本發明的第1實施例如圖2所示，其中根據本發明的部件35包括在噴頭電極20的頂面30的中心區域34和溫度受到控制的支持構件22的底面32之間的一個或多個熱傳輸構件36。當等離子體加工時，熱量通過熱傳輸構件36傳輸到溫度受到控制的支持構件22。在這種方式中，能夠極大地減小在噴頭電極20的中心區域34和邊緣部分28之間的溫度差(例如，可以得到在電極邊緣和中心之間的溫度差溫度差小于50℃，優先地小于15到20℃)。結果，在半導體加工如圓片在噴頭電極下面的單塊圓片等離子刻蝕中，能夠實現更加均勻的加工。
優先地由導熱和導電的材料形成熱傳輸構件36。然而，也可以用不是導電的但仍然是導熱和材料。適宜的材料包括陶瓷材料如SiC，Si3N4，AIN等，金屬如Al，Cu，不銹鋼，Mo等，和金屬化合物如加強金屬(例如碳纖維-Al或銅，硼纖維-Al，SiC粒子-Al等)。例如，可以將熱傳輸構件36澆鑄成Al坯，然后加工成所希望的形狀。
圖2的實施例包括擋板組件，它的作用是使刻蝕氣體更均勻地分布在噴頭電極20的頂面30上。擋板組件可以包括位于噴頭電極20和支持構件22之間的一塊或多塊擋板40。擋板40能夠由Al制成并包括一個或多個切口42以便容納一個類似形狀的熱傳輸構件36，將熱傳輸構件36裝配進入在支持構件22的底面32和噴頭電極的頂面之間的由切口限定的空間。
如圖2所示，熱傳輸構件36包括槽口44，槽口44允許加工氣體從氣體供應入口29流進由擋板限定的充填空間。結果，能夠使由入口29提供的氣體均勻分布在擋板40的表面上。
圖3是根據本發明的部件35的第2實施例，其中為了容納熱傳輸構件36不需要切割擋板40。取而代之，將熱傳輸構件36夾在支持構件22，擋板40和噴頭電極20之間。熱傳輸構件36能夠包括氣體通路，通過它允許來自入口29的氣體均勻分布在由擋板40限定的充填空間中。換句話說，熱傳輸構件36可以是堅實的，而擋板可以包括槽或通道，允許加工氣體在由擋板限定的充填空間中自由地循環。
根據本發明的部件35的第3實施例如圖4所示，其中反應室不包括在支持構件22和噴頭電極20之間的擋板。在第3實施例中，熱傳輸構件36位于限定在噴頭電極20和支持構件22之間的氣體分布室內。如圖4所示，熱傳輸構件36包括槽口44，槽口44允許加工氣體在熱傳輸構件36之間流動并經過支持構件22和噴頭電極20的表面。
為了增大從噴頭電極20移去熱量的能力，熱傳輸構件36優先地具有極好的與支持構件22的底面32和噴頭電極20的頂面兩者的熱接觸。理想地，在熱傳輸構件36，被加熱構件(例如，噴頭電極20)和散熱器(例如，支持構件22)之間沒有間隙。能夠用不同的方法如加工噴頭電極20，熱傳輸構件36和支持構件22使它們具有磨配的表面，在熱傳輸構件的相反側提供導熱材料如由銦，銀等的金屬材料制成的襯墊，和/或用金屬化材料或傳導的粘合劑如包含導電和/或導熱粒子的彈膠物粘接噴頭電極20的頂面30，保證在這些部件之間具有優良的熱接觸。
如從圖4A更詳細地看到的那樣，夾在噴頭電極20和支持構件22之間的熱傳輸構件36是同心地裝配在一起的圓環。這些圓環包括其中的槽口44，槽口44允許加工氣體流過氣體分布室。雖然在圖4和圖4A中畫出了3個圓環，但是為了達到所希望的熱傳輸效果可以增加或減少圓環的數目。進一步，一個或多個熱傳輸構件在形狀上可以與圓環不同(例如，熱傳輸構件可以具有中央輪轂和徑向擴展的臂的形狀或任何其它適當的形狀)。理想地，安裝熱傳輸構件36使它只覆蓋噴頭電極20的頂面30的最小部分，但仍然能達到所希望的熱傳輸效果。
優先地，為了在不包含擋板的氣體分布室內得到更均勻的氣體分布，部件35能夠包含多個氣體供應裝置39。在這種裝置中，因為在每個氣體供應裝置39的出口，氣體壓力最高，所以提供多個氣體供應裝置39允許與單個氣體供應裝置比較得到更均勻的氣體壓力分布。
圖5表示根據本發明的部件35的第4實施例，其中熱傳輸構件36位于基片支架表面37和支持構件41之間。表面37可以是底部電極的一部分，底部電極可以有或可以沒有與其相連的靜電線夾(ESC)。能夠用熱傳輸構件36將熱量從表面的一部分傳輸到支持構件41，從而控制表面37上的溫度差。在這種情形中，基片支架可以不需要典型地用于冷卻基片如Si圓片的He背后冷卻裝置。
在上述實施例中，熱傳輸構件36可以是分開的片或者與被加熱構件(例如，噴頭電極20)或散熱器(例如，支持構件22)形成一體。圖6表示與噴頭電極形成一體的熱傳輸構件36的一個例子，圖7表示與支持構件22形成一體的熱傳輸構件36的一個例子。如果用粘接材料，則粘接材料應該具有很好的熱傳導性和選擇地電傳導性并能夠與真空環境相容(例如，具有低蒸汽壓使得該材料不會對半導體加工環境造成嚴重的污染)。適宜的連接材料包括傳導性粘接劑如彈膠物或環氧樹脂和焊料或釬焊料。
這樣，根據本發明，在噴頭電極裝置的情形中，能夠實現在噴頭電極20的中心區域34和溫度控制支持構件22之間的直接或間接地表面對表面的接觸。在這種方式中，本發明能夠控制在噴頭電極20的中心區域34和邊緣部分28之間的溫度差。這種在噴頭電極20上較好的溫度控制能夠在被加工基片上提供控制得較好的等離子密度和/或氣體流/壓力。
我們已經參照優先實施例描述了本發明。然而，對于熟練的技術人員來說顯然能夠容易地用與上述不同的特殊形式體現本發明而沒有偏離本發明的精神。優先實施例是說明性的，并且不應該認為它們受到任何方式的限制。本發明的范圍由所附的權利要求書，而不是上述描述給出，我們有意將所有的落入權利要求書范圍內的變化和等效物都包括在本專利申請書內。
權利要求
1.對加工半導體基片的反應室有用的溫度控制部件，它包括散熱器，由散熱器支持的被加熱構件，和與散熱器和被加熱部件的局域化區域熱接觸的熱傳輸構件，在該局域化區域中溫度的上升是在被加熱構件上最高的。
2.權利要求1的部件，其中散熱器是具有底面的支持構件，被加熱構件是周邊固定在支持構件上并加上電功率的噴頭電極，以便在噴頭電極的頂面和支持構件的底面之間圍成一個氣體分布室，其中熱傳輸構件與噴頭電極頂面的中心區域和支持構件的底面熱接觸。
3.權利要求2的部件，其中通過一個或多個氣體供應裝置向氣體分布室提供加工氣體。
4.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件包括一個金屬單元體。
5.權利要求1的部件組件，其中被加熱構件包括噴頭，基片支架或噴鍍靶支架。
6.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件是澆鑄的金屬體。
7.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件是硅的成形體。
8.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件是金屬組合體。
9.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件包括在電極頂面上的一個凸出部。
10.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件包括用粘接材料粘接到電極的頂面上的一個成形體。
11.權利要求10的部件，其中粘接材料是金屬性質的材料或導熱的粘接劑。
12.權利要求2的噴頭電極組件，其中熱傳輸構件包括在支持構件底面上的一個凸出部。
13.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件包括用粘接材料粘接到支持構件底面上的成形體。
14.權利要求13的部件，其中粘接材料是金屬性質的材料或導熱的粘接劑。
15.權利要求2的部件，其中熱傳輸構件包括多個同心安裝的圓環。
16.權利要求15的部件，其中圓環包括氣體通過其中的通路。
17.權利要求2的部件，其中冷卻劑通過在支持構件中的通道。
18.權利要求2的部件，進一步包括位于支持構件和噴頭電極之間的擋板組件，該擋板組件包括第1和第2擋板。
19.權利要求18的部件，其中第1和第2擋板包括具有熱傳輸構件形狀的成形孔，并將該成形孔緊密地裝配在熱傳輸構件周圍。
20.權利要求18的部件，其中熱傳輸構件包括第1，第2和第3成形體，第1成形體與噴頭電極頂面的中心區域和第1擋板的下面熱接觸，第2成形體與第1擋板的頂部和第2擋板的下面熱接觸，第3成形體與第2擋板的頂部和支持構件的底面熱接觸。
21.在等離子室的一個部件中，其中加工氣體通過一塊擋板進入由在擋板和噴頭電極之間的氣體充填空間，然后通過在噴頭電極中的孔進入等離子室，改善包括一個熱傳輸構件提供在噴頭電極的中心部分和在擋板上面的冷卻支持構件之間的熱流通路。
22.在包括權利要求2的部件的等離子室中加工半導體基片的方法，該方法包括使加工氣體流過噴頭電極，通過在噴頭電極加上RF功率，激勵加工氣體使其進入等離子體狀態，并使等離子體與半導體基片的曝露表面接觸。
全文摘要
一個對等離子反應室有用的部件包括散熱器如溫度受到控制的支持構件(22)和被加熱構件如加上電功率的噴頭電極(20)。噴頭電極被周邊地固定在支持構件上以便在電極的頂面(30)和支持構件的底面(32)之間圍成一個氣體分布室。熱傳輸構件(36)在電極和支持構件之間擴展,將來自噴頭電極的頂面上的溫度上升最高的區域的熱量傳輸到支持構件的底面,以便對在噴頭電極上的溫度分布進行控制。
文檔編號C23C16/44GK1370325SQ00809725
公開日2002年9月18日 申請日期2000年6月14日 優先權日1999年6月30日
發明者郝芳莉, 拉金德爾·丁德薩, 加瓦德·泊哈什米 申請人:蘭姆研究公司