用於半導體工藝腔室的煙氣擋板及分布器的製作方法

2023-06-10 01:29:51 2

專利名稱：用於半導體工藝腔室的煙氣擋板及分布器的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及半導體製造領域。更確切的說，本發明涉及在集成電路的 形成中用於傳送氣體的煙氣擋板和的工藝。
背景技術：
現代半導體器件製造中的一個主要步驟是在半導體襯底上形成諸如氧化 矽的一種薄膜。在半導體器件的製造過程中，氧化矽廣泛用作電介質層。眾所
周知，可通過熱化學氣相沉積("CVD")工藝或通過等離子增強化學氣相沉積 ("PECVD")工藝沉積氧化矽薄膜。在傳統的熱CVD工藝中，在襯底的表面提 供反應氣體，在該襯底表面發生熱誘導化學反應以產生所需的薄膜。在傳統等 離子體沉積工藝中，形成受控的等離子體以分解和/或加強反應種類來產生所 需的薄膜。
自幾十年前首次發明該器件以來，半導體器件的外形尺寸已顯著減小， 且仍在繼續減小。這種器件外形比例的持續減小已導致裝配在半導體襯底上的 集成電路中所形成的電路元件及相互連接的密度的急劇增加。在設計和製造這 種密集封裝的集成電路時，半導體製造商始終面臨的挑戰是要防止電路元件之 間的假性交互作用，這正是隨著外形比例不斷減小所需不斷創新的目標。
通常，用電介質材料填充鄰近的元件之間的空間來防止不必要的交互從而 在電氣上和物理上隔離元件。在此，通常將這種空間稱為"間隙"或"隧道"， 而且用於填充這種空間的工藝在技術上普遍稱為"空隙填充"工藝。因此，給 定的用於完全填充這種間隙的薄膜的生產工藝的能力通常稱為工藝的"空隙填 充能力"，並將薄膜描述為"空隙填充層"或"空隙填充薄膜"。隨著具有較 小部件尺寸的電路密度的增加，這些空隙的寬度減小，從而導致它們的縱橫比 增加，該縱橫比定義為空隙的高度與其深度的比值。使用傳統CVD技術很難 完全填充高縱橫比的間隙，從而導致相對較差的空隙填充能力。普遍用於金屬 層間電介質層("IMD")應用、金屬前介質層("PMD")應用、以及淺溝槽隔離("STI")應用等的填充空隙的電介質薄膜一族是氧化矽(有時也稱為"矽玻 璃"或"矽酸鹽玻璃")。
一些集成電路製造商在沉積氧化矽空隙填充層中己轉向使用高密度等離
子體CVD("HDP-CVD")系統。這種系統形成密度大於約10"離子/cn^的等 離子體，其比由標準電容性耦合等離子體CVD系統提供的等離子體密度提高 約兩個數量級。電感耦合等離子體("ICP")系統是HDP-CVD系統的實例。 能夠通過HDP-CVD技術沉積薄膜來改善空隙填充特性的一個因素是濺射發 生與金屬沉積同時進行。濺射是一種通過擠壓來噴射材料的機械工藝，並由 HDP-CVD工藝中高離子密度的等離子體推動。因此，HDP沉積的濺射成份緩 慢沉積在某種器件上，如在凸起表面的拐角處，從而有助於提高空隙填充能力。 即使使用HDP和ICP工藝，要達到預定的沉積特性仍然存在很多持續性 的挑戰。這些挑戰包括需要管理工藝腔室中等離子體的熱性質，尤其是高等功 率工藝可以產生損壞腔室結構的溫度，並引起汙染。例如，高溫與A1&的形 成和升華相關聯，並腐蝕暴露在這種高溫下的系統元件，以及在襯底上鋁雜質 的沉積。氟具有高腐蝕性，經常在腔室中作為清潔氣體以從腔室壁上腐蝕地去 除材料，也將其作為蝕刻氣體。例如，可以將解離後的NF3從擋板的背面引入 腔室中以清潔腔室，或作為腔室中使用，3等離子體的沉積-蝕刻-沉積配料單 的蝕刻成份。
另外，通常需要提供沉積工藝均勻穿過(acorss)晶圓。多個不同的因素 引起非均衡性，導致器件性能的不一致，晶圓上方不同點上的沉積特性是多個 不同影響因素複雜的相互作用的結果。例如，氣體引入腔室的方式、用於離子 化前驅物種(precursorspecies)的功率等級、電場到引導離子的應用等，將最 終影響覆蓋晶圓的沉積特性的均勻性。另外，這些影響因素表現的方式取決於 腔室的物理形狀和尺寸，例如，通過在腔室中提供影響離子分布的不同擴散效 果。
與本發明的實施方式相關的工作表明，當前的系統和方法不理想。例如， 由於半導體電路及電路元件之間的相關空隙縮短，由小顆粒引起的汙染將成為 問題，尤其當粒子尺寸與空隙尺寸接近的區域。而且，空隙填充層中的金屬汙 染，例如Al，會減弱電介質空隙填充層的電絕緣特性。這種汙染物會導致產 量減小、材料浪費以及在一些場合中的故障電路。因此，用於淺溝槽隔離的HDP-CVD工藝薄膜的一個規範是薄膜中AL的含量。
防止晶圓汙染的一種方法是在腔室中放置晶圓之前己經使用保護塗層時
效處理該腔室。例如，經常使用諸如SiH4的沉積氣體時效處理工藝腔室，在 腔室內部沉積保護塗層，例如在腔室壁上，以防止汙染並保護腔室不被清潔氣 體腐蝕。然而，具有保護塗層的工藝腔室的時效處理將花費時間，並且通常時 效處理時間接近於120秒。因此，生產量(即在給定時間內處理的晶圓的數量) 減小了，而且目前半導體工藝系統的生產量低於理想值。與本發明相關的工作 表明，可通過減少處理晶圓所需的時間來提高晶圓產品的生產量，例如，通過 減小時效處理時間。圖1示出了現有技術的用於半導體工藝腔室中的煙氣擋板 的實施方式，並示出了上面所述的至少部分缺點。
因此，通常需要減小來自諸如鋁原子的金屬原子汙染提供沉積均勻性，並 提高HDP和ICP工藝的產量的改進系統和方法的技術。

發明內容
本發明的實施方式提供用於處理半導體的方法和裝置。更確切的說，本發 明的實施方式提供一種在工藝腔室中用於分布氣體的氣體分布器，例如清潔氣 體和/或沉積氣體。
在本發明的一個實施方式中，用於半導體工藝腔室中的氣體分布器包括一 個主體。該主體包括具有氣體偏轉表面的擋板以將氣流從第一方向轉為第二方 向。氣體偏轉表面包括凹入部分。凹入部分至少包含氣體偏轉表面的表面區域 的75%。
在本發明的另一實施方式中，襯底工藝腔室包括具有頂和側壁的箱體，以 及適合支撐襯底的襯底架。氣體分布器位於襯底架上方的中心處。氣體分布器 由包含擋板的主體組成。擋板具有上部暴露的表面，其適於向外引導氣體遠離 主體並朝向箱體的側壁。該上部暴露的表面包括凹入部分，並且該凹入部分至 少包括擋板的上部暴露表面區域的約75%。分布器包括位於上部表面下方的下 部表面，並與襯底架隔離開。下部表面適於向腔室中注入沉積氣體。
在本發明的又一實施方式中，用於氣體工藝腔室中的氣體分布器包括主 體。該主體包括能夠使氣體轉向的擋板。該擋板包括凹入表面以使氣體從第一 方向偏轉到第二方向。該擋板也包括置於凹入表面外圍的凸起表面。過渡表面
置於凹入表面和凸起表面之間以提供從凹入表面到凸起表面的過渡。凸起表面 包含貫穿擋板的最大值。過渡表面延伸不超過最大寬度的約20%。
在本發明的又一實施方式中，提供了一種半導體工藝中氣體的偏轉方法。 以第一方向將清潔氣體引向氣體分布器。氣體分布器包括凹入表面。氣體基本 由凹入表面從第一方向偏轉到第二方向。第二方向橫穿第一方向。
在本發明的另一實施方式中，提供了一種在半導體工藝腔室中處理半導體
晶圓的方法。該方法包括使用清潔氣體清潔腔室。對腔室進行大約25至60 秒的時效處理。晶圓設置在腔室中使用電介質層塗覆晶圓。通過HDP工藝和/ 或CVD工藝使用電介質層塗覆晶圓。電介質層具有不超過每平方釐米約 2xl0。個的金屬原子。將已塗覆的晶圓從腔室中去除。
仍在本發明的又一實施方式中，提供了一種襯底處理器件。該器件包括具 有頂和側壁的箱體。襯底架適於在箱體中支撐半導體襯底。高密度等離子體沉 積系統適於將高密度層離子體傳送到襯底從而在襯底上形成電介質層。氣體分 布器位於襯底架上方的中心處。氣體傳輸系統適於控制氣體來傳輸到氣體分布 器。將處理器連接到氣體傳輸系統和等離子沉積系統以時效處理工藝腔室並將 電介質層施加到晶圓。擋板和箱體適於在該層上以約為25至60秒的時效處理 時間為高等功率工藝提供每平方釐米不多於1.5 x 1012的金屬原子。
本發明可達到很多傳統技術所不及的優勢。本發明的實施方式使用凹入表 面偏轉氣體並引導氣體朝向腔室側壁以減小晶圓汙染，例如減少鋁的汙染。同 時，本發明的實施方式以較少的時效處理時間減少空隙填充層金屬原子的汙 染，例如鋁原子的汙染，從而，處理半導體晶圓所需的時間總量減少。這些優 勢中的至少一些將由下面描述的本發明的實施方式提供。


圖1示出了先前所熟知的氣體分布器的橫截面圖； 圖2示出了示例性的ICP反應系統的簡化的橫截面圖； 圖3A示出了根據本發明實施方式的氣體分布器的橫截面圖； 圖3B示出了根據本發明實施方式的位於半導體工藝腔室中的氣體分布器 的橫截面圖3C示出了根據本發明實施方式在圖3A中所描述的氣體分布器的俯視 圖4示出了根據本發明實施方式的具有截短的氣體偏轉表面的氣體分布 器的橫截面圖；以及
圖5示出了根據本發明實施方式的具有在凹入和凸起的氣體偏轉表面之 間延伸的環狀平面部分的氣體分布器的橫截面圖6示出了根據依照本發明實施方式的一種具有減小時效處理時間和減 少Al汙染的晶圓的處理方法的流程圖7示出了圖1中的氣體分布器與依照本發明實施方式的圖3中的氣體分 布器的清潔端部的對比；以及
圖8示出了圖1中的先前所熟知的氣體分布器與依照本發明實施方式的圖 3中的氣體分布器的工藝腔室中的Al汙染的對比。
具體實施例方式
本發明的實施方式提供處理半導體的方法和設備。更確切的說，本發明的 實施方式提供一種在工藝腔室中用於分布清潔氣體和分布沉積氣體的氣體分
布器o
圖1示出了先前所熟知的氣體分布器。氣體分布器100具有氣體偏轉表面 102和氣體分布面104。氣體偏轉表面102在腔室清潔工藝中為清潔氣體提供 路徑。將清潔氣體引導至腔室側壁,而不是位於氣體分布器正下方的襯底架元 件。氣體分布器100在近端部分106與腔室側壁連接。在CVD工藝中，在近 端108將沉積氣體提供給氣體分布器100。這種沉積氣流經氣體分布器100， 從孔110流出，並流到位於襯底支架元件上的襯底上。如圖1所示，？L 110 設置在氣體分布器面104上階梯112處的凸起表面。 1、 示例性的ICP腔室
發明者已經使用Santa Clara, California(加利福尼亞州，聖克拉拉)的 Applied Materials, Inc.(應用材料股份有限公司)製造的ULTIMA 系統實現了 本發明的實施方式，在共同申請的美國專利Nos.5,994,662; 6,170， 428和 6,450,117以及美國專利申請Nos.lO/963030和11/075527中有所描述，這裡引 入這些專利和申請的全部內容作為參考。參照圖2，提供了ICP反應器的接線 圖。圖2示意性示出了在一個實施方式中的HDP-CVD系統210示例結構。系
統210包括腔室2B、真空系統270、源等離子體系統280A、偏壓等離子體 系統280B、氣體傳輸系統233以及遠端的等離子體清潔系統250。儘管示出 的遠端的等離子體清潔系統在系統的下方部分，但是其他位置也是可行的，例 如在美國申請No.10/963030中所描述的腔室頂部附近，在此引入其全部內容 作為參考。
腔室213的上面部分包括由陶製電介質材料製成的圓頂214，例如氧化 鋁或氮化鋁、藍寶石、SIC或石英。置於圓頂214的熱耦合的加熱板223和冷 卻臺224。加熱板223和冷卻板224可以將圓頂的溫度控制在大約100至200 的範圍內的士 10° C。圓頂214界定等離子工藝區域216的上部邊界。等離子 工藝區域216的底部邊界由襯底217的上部表面和襯底支架元件218界定。
腔室213的下面部分包括將腔室連接到真空系統的主體元件222。安裝 在主體元件222上的襯底架元件218的基底部分221 ，並形成連續的內部表面。 由機械刀片(未示出)通過插入/移除腔室213側邊的開口(未示出)使得襯底在腔 室213內部和外部轉移。在發動機(未示出)控制下升起並隨後落下升降杆(未示 出)以將襯底從上部加載位置257的機械刀片處移至下部工藝位置256處，其 中襯底設置在襯底支撐元件218的襯底接收部分219上。襯底接收部分219 包括在襯底工藝中將襯底固定在襯底支撐元件218的靜電夾盤220。在優選實 施方式中，襯底支撐元件218由氧化鋁或鋁陶質材料製成。
真空系統270包括其中放置雙片節流閥226並粘附在閘閥227和渦輪分子 泵228上的節氣門225。應當注意到節氣門225提供最小的氣流阻礙，並可以 對稱抽吸。閘閥227可以將泵228與節氣門225隔離，並且當節流閥226完全 打開時也能通過限制排氣流的能力來控制腔室壓力。節流閥、閘閥以及渦輪分 子泵的排列能夠精確並穩定的將腔室壓力控制在約1毫託至約2託之間。
氣體傳輸系統233從幾個氣源提供氣體，234A - 234E腔室用於經由氣體 傳輸通路238處理襯底(只示出其中一部分)。本領域技術人員應該能夠理解， 用於氣源234A - 234E中的實際氣源以及傳輸通路238到腔室213的實際連接 根據腔室213內所執行的沉積和清潔工藝而變化。氣體通過氣體環237和/或 氣體分布器211引入到腔室213中。
在一個實施方式中，第一和第二氣源，234A和234B，以及第一和第二氣 流控制器，235A'和235B'，將氣體通過氣體傳輸通路238(只有部分示出)提供
給氣環237中的環增壓部(ringplenum)。氣環237具有多個在襯底上方提供 均勻的氣流的源氣噴嘴239(為了解釋目的，只示出其中一些)。可以改變噴嘴 長度和噴嘴角度以適合均勻外形以及適合於在單個腔室中用於特定工藝的氣 體利用效率。在優選實施方式中，氣體環237具有12個由陶製氧化鋁製造的 源氣體噴嘴。
氣環237也具有多個氧化劑氣體噴嘴240(只示出其中一個)，其在優選實 施方式中與源氣體噴嘴239共面並短於源氣體噴嘴239，並在一個實施方式中 從主體增壓部接收氣體。在一些實施方式中，希望在將氣體注入腔室213之前 源氣體和氧化劑氣體不混合。在另一實施方式中，在注入腔室213前通過在主 體增壓部(body plenum)和氣環增壓部(gas ring plenum)之間的孔(未示出) 將氧化劑氣體和源氣體混合。在一個實施方式中，第三、第四和第五氣源， 234C、 234D和234D'以及第三和第四氣流控制器235C和235D'通過氣體傳輸 通路238向主體增壓部提供氣體。諸如243B(其他閥未示出)的附加閥關閉來自 氣流控制器的氣體使其無法進入腔室。
在使用易燃、有毒或腐蝕性的氣體的實施方式中，希望除去在沉積後仍留 在氣體傳輸管道中的氣體。例如，使用諸如氣閥243B的3向閥來將腔室213 從傳輸通路238A隔離，並將傳輸通路238A通向真空管線(vacuum foreline) 244。如圖2所示，諸如243A和243C的其他類似的氣閥可併入其他氣體傳輸 管道。
再參考圖2，腔室213也具有氣體分布器211和頂部通風口 246。氣體分 布器211和頂部通風口 246實現了頂部氣流和側面氣流的獨立控制，從而提高 了薄膜均勻性並實現了薄膜沉積和摻雜參數的精調。頂部通風口 246是圍繞氣 體分布器211的環形開口。根據本發明的實施方式的氣體分布器211在階梯中 含有多個孔用於改進氣體分布器。在一種實施方式中，第一氣源234A提供源 氣體噴嘴239和氣體分布器211。源噴嘴MFC235 A'控制傳輸到源氣噴嘴239 的氣體總量，而頂部噴嘴MFC 235A控制傳輸至氣體分布器211的氣體總量。 類似地，可以使用兩個MFCs 235B和235B'控制從諸如氣源234B的單個氧氣 源到頂部通風口 246和氧化劑氣體噴嘴240的氧氣流。在氣體流入腔室213 之前，提供給氣體分布器211和頂部通風口 246的氣體是保持分開的，或者氣 體流入腔室213之前可以在頂部增壓部248中混合。相同氣體的獨立氣源可用於腔室的不同部分。
系統控制器260控制系統210的運行。在優選實施方式中，控制器260 包括由可觸媒體組成的存儲器262，諸如硬碟驅動、軟盤驅動(未示出)以及與 處理器261連接的卡板櫃(未示出)。卡板櫃包括單板計算機(SBC)(未示出)、模 擬和數字輸入/輸出板(未示出)、接口板(未示出)以及步進電機控制板(未示出)。 系統控制器符合總線模塊歐州標準("VME")，該標準定義了板、插件箱(card cage)以及連接器的維度和類型。VME標準也定義了總線結構，即是具有16 位數據總線和24位地址總線。系統控制器260在存儲在諸如硬碟驅動的可觸 媒體上的電腦程式，或通過諸如存儲在移動硬碟上的其他電腦程式的控制 下運行。電腦程式指示，例如時間、氣體的混合、RF功率級別以及其他特 定工藝的參數。用戶和系統控制器之間經由諸如陰極射線管("CRT")和光 筆的監測器作為接口。
系統控制器260控制腔體的時效處理時間及用於時效工藝腔室的氣體、清 潔時間和用於清潔腔室的氣體以及HDP CVD工藝中的等離子體的應用。為了 到達這種控制，系統控制器260連接到系統210的多個組件上。例如，系統控 制器260連接到真空系統270、源等離子體系統280A、偏置等離子體系統280B、 氣體傳輸系統233以及遠端等離子體清潔系統250。系統控制器260通過線路 263連接到真空系統270。系統控制器260通過線路264A連接到源等離子體 系統280，並通過線路264B連接到偏置等離子體系統280B。系統控制器260 通過線路265連接到氣體傳輸系統233。系統控制器260通過線路266連接到 遠端等離子體清潔系統250。線路263、 264A、 264B、 265以及266分別將控 制信號從系統控制器260傳輸至真空系統270、源等離子體系統280A、偏置 等離子體系統280B、氣體傳輸系統233以及遠端等離子體清潔系統250。應 該理解系統控制器260可包括幾個分布式處理器以控制系統210的組件。 2、擋板特性
在此描述的本發明的實施方式使用擋板的凹入表面在HDP-CVD工藝中 使得清潔氣體充分偏轉並引導清潔氣體基本水平地朝向腔室側壁。通過使用凹 入表面使得清潔氣體偏轉並引導清潔氣體朝向具有凹入表面的腔室的側壁，從 而熱量很容易地從擋板的氣體偏轉表面傳導。熱傳導與凹入氣體偏轉表面相關 聯的擋板的形狀相關。凹入氣體偏轉表面的使用使得清潔氣體充分偏轉並引導淸y古'飛體巷本水T觀朋I "J股至TO壁，問B、」仕個1叉用允冗逃長H'、j U糹豕也允許、清7吉 氣體偏轉和引導。
認為至少有兩個機理促成了 Al晶圓的汙染。 一個機理是是氟化鋁(A1F3) 的形成，擋板通常是由單片氮化鋁(A1N)或氧化鋁(A1203)製成的，而這些材料 中的任一種都可以與氟發生反應形成氟化鋁。在擋板上A1F3的形成與擋板在 清潔/蝕刻過程中的溫度有關。另一個促成晶圓汙染的機理是A1F3的升華。這 兩種機理的結果，通過化學反應在擋板上形成A1F3並隨後通過升華將其去除。 從而使得更多的AIN或Ah03與氟發生反應。在清潔蝕刻步驟期間，較低溫 度的擋板將產生較少的A1F3的升華。由於升華的AIF3沉積在半導體晶圓襯底 上，從而較少的AIF3升華將在具有空隙填充的薄膜上產生較少的Al。
偏轉和指引清潔氣體朝向具有凹入表面的腔室壁可減少處理後的晶圓的 空隙填充層上的A1汙染。通常，來自金屬原子的晶圓汙染包括沉積在晶圓中 的主要種類的金屬原子。晶圓中的這些主要種類的金屬原子對應於氣體分布器 中的主要種類的金屬原子。例如來自A1N氣體分布器中的A1金屬原子。通過 減少擋板上的升華和化學反應，從而減少在沉積工藝中從擋板上移除的金屬離 子的總數，並減少沉積在晶圓上的金屬原子的個數。因此，由於擋板上較薄的 防護塗層可產生較低的Al汙染，從而可縮短時效反應時間。因此，增加半導 體晶圓產量同時也產生較低的Al晶圓汙染。
本發明的實施方式可用於低等、中等和高等功率HDP/CVD工藝。高等功 率工藝通常具有約15至18kW範圍的功率。中等功率工藝通常具有約8至 12kW範圍的功率。低等功率工藝通常在約8kW以下。本發明的一些實施方 式可用於處裡300mm的晶圓，儘管本發明的實施方式也可以處理諸如200mm 晶圓和450mm晶圓的其他晶圓尺寸。
圖3A為根據本發明實施方式的氣體分布器的橫截面圖。該圖僅為示例性 的，在此不應將其視為對權利要求的範圍的限制。本領域的一般技術人員應該 理解，其他變型、改進和替換。如所示，本發明提供了一種用於將氣體引入半 導體工藝腔室的氣體分布器300。氣體分布器300由氮化鋁(A1N)製成，並可 由諸如氧化鋁(礬土、 A1203)、碳化矽(SiC)、鋯、石英、藍寶石等任何合適的 材料製成。在這種實施方式中，氣體分布器300是單件。
氣體分布器300具有氣體偏轉表面302和氣體分布表面304。氣體偏轉表
面302為腔室清潔工藝期間清潔氣體提供路徑。將清潔氣體引導至腔室壁，而
不是引導到位於氣體分布器正下面的襯底支撐元件。將氣體分布器300在鄰近 部分306處連接到腔室壁。在CVD工藝期間，在近端308處將沉積氣體提供 給氣體分布器300。邊緣338延伸成環狀包圍近端308。這種沉積氣體流經氣 體分布器300，從孔310流出，並流至在襯底架元件上的襯底部分。
將孔310設置在為升起表面的階梯312上的氣體分布器面304上。階梯 312可在氣體分布器面304上形成具有預定直徑的橢圓平臺，或者更優選地， 形成圓形平臺。該直徑可在約.Ol英寸至約3.00英寸範圍內。階梯312具有約.60 英寸至約.75英寸範圍內的垂直高度，並且具有約90度到約15度範圍內的坡 度。階梯312改善氣體分布器300的氣體分布。尤其是，由於階梯312，沉積 氣體分散襯底支撐元件的外圍的更遠處。階梯312的坡度的減小將進一步向外 分散氣體。雖然氣體分布器300示出了一種階梯和孔的實施方式，其它實施方 式也是可行的，例如，在2005年3月7日提交的美國申請序列號No.l 1/075527 種的描述，在此引用其全部內容作為參考。
在特定實施方式中，氣體分布器300可具有4、 6、 8或更多的孔310。這 些孔310沿階梯312的圓周均勻分布，或者可選地，集中到其中的一個特定部 分。孔310的放置位置和數量可根據具體應用進行調節，以達到沉積氣體均勻 分布到襯底。同樣，孔310的直徑也是可調節的。直徑可在約.005英寸至約 0.250英寸範圍內。在特定實施方式中，孔310的直徑為0.060英寸。
形成擋板320以偏轉清潔氣體。擋板320包括氣體偏轉表面302。氣體偏 轉表面302包括凹入表面322以及部分凸起表面346。氣體偏轉表面302和擋 板320關於軸314對稱旋轉。形成凹入表面322以符合半徑324。凹入表面322 包括上面部分328和下面部分329，以使凹入表面322從上部邊界322a延伸 到下部邊界322b。半徑324的弧326從上部邊界322a延伸到下部邊界322b。 氣體偏轉表面302在下部邊界322b處從凹入表面322過渡為凸起表面346。 在突緣330中形成凸起表面346。
形成凸起表面346以匹配半徑348的弧線路徑。排列凸起表面346和凹入 表面322以使氣體偏轉表面302在具有連續表面的下部邊界322b從凹入表面 322過渡到凸起表面346。作為下部邊界322b，凹入表面322與凸起表面346 的交界處具有小角度，從而隨著下部邊界322b具有平滑連續的表面過渡。在
可選擇的實施方式中，這種平滑的過渡是通過將凹入和凸起表面的坡度在下部 邊緣322處設置為零實現的，從而由於凸起表面的角度與凹入表面在過渡處相 匹配，從凹入表面到凸起表面的過渡是完全平滑的。在又一實施方式中，凸起 表面與凹入表面的交界處為存在實際的角度，以在從凹入表面到凸起表面的轉 過渡處提供具有微小彎曲的連續過渡表面。
氣體分布器300具有貫穿氣體分布器的最大寬度340。最大寬度340與貫 穿凸起表面346的直徑相對應。最大寬度346可在約1.4英寸至2.0英寸的範 圍內，通常為約1.7英寸。
參照氣體分布器的下部表面，在氣體分布器面304與凸起表面346的過渡 處形成的平滑過渡，與從凹入表面322到凸起表面346的平滑過渡相類似。凸 緣330具有厚度342。厚度342是半徑348的兩倍。
圖3B為根據本發明的實施方式的位於半導體工藝腔室中的氣體分布器的 橫截面圖。將氣體分布器300設計為設置在半導體氣體工藝腔室中。當位於腔 室中時，氣體偏轉表面302對應於氣體分布器的上部暴露表面，氣體分布面 304對應於氣體分布器的下部暴露表面。氣體分布器300由環狀結構360支撐。 環狀結構360具有形成於其中的用於傳送沉積氣體的溝道362。邊緣338接合 環形結構360，適於形成具有環形結構360的密封件。螺紋336與環形結構360 上的螺紋相匹配。側翼334位於氣體分布器上，鄰近凹入氣體偏轉表面的上方 部分328。側翼334與在環形結構360中形成的對應表面相匹配。環形結構360 具有與凹入氣體分布器表面的上面部分328相匹配的外部表面364，以為從環 形支撐結構到氣體分布器表面提供平滑的表面過渡。頂部通風口 246包括進入 到腔室的環狀開口 368。
擋板起偏轉清潔氣體從第一方向到第二方向流動的作用，其中第二方向橫 向於第一方向。頂部通風口 246沿氣體偏轉表面的上面部分328以第一方向 350向下引導清潔氣體。凹入表面322沿凹入表面322的下面部分329以第二 方向352水平地指引清潔氣體，並且第二方向352橫向於第一方向350。同時， 凹入表面322還以第三方向354水平地指引清潔氣體，並且第三方向354橫向 於第一方向350。凹入部分322由氣體偏轉表面302的暴露表面區域的約90% 組成。氣體偏轉表面302沿第二方向352延伸，其延伸的距離小於凸緣330 的厚度342。
圖3C示出了根據本發明實施方式的圖3A中的氣體分布器的俯視圖。如
圖3C所示，圖3A所示的多數結構為環狀，並旋轉對稱。氣體分布器300的 外部邊緣332為圓形。凸緣330為環形。下部邊界322b為圓形。氣體偏轉表 面的凹入表面322為環形。凹入表面322的上部邊界322a為圓形。側翼334 為環形。螺線336為環形。邊緣338為環形。作為參考示出了軸318。
參照圖3A和3C，應該理解，凹入表面322包含第一環形圓紋曲面的一 部分，並且凸起表面346包含第二環形圓紋曲面的一部分。通過半徑324繞軸 314旋轉定義凹入表面322來定義第一環形圓紋曲面。通過半徑348繞軸318 旋轉定義凸起表面346來定義第二環形圓紋曲面。因此，下部邊界322b，是 由能夠從第一環形圓紋曲面表面到第二環形圓紋曲面表面的平滑過渡的兩個 環形圓紋曲面的表面的交界處定義的邊界。在另一可選的實施方式中，或者是 凹入表面或者凸起表面，或者即有凹入表面又有凸起表面，都是由非環形圓紋 曲面形狀定義的，比如由橢圓曲線的表面、立方條(cubic spline)等。同時， 可使用一些小階梯的階梯表面來定義凹入表面和凸起表面。
圖4為根據本發明的實施方式的具有截短的氣體偏轉表面的氣體分布器 400的橫截面圖。擋板420具有在其上形成的氣體偏轉表面402。氣體偏轉表 面402包括上述的包含上面部分328和下面部分329的凹入表面322。氣體偏 轉表面402終止於圓環邊緣482。凸緣430包括圓柱狀外部表面432。貫穿擋 板的最大寬度440與貫穿圓柱狀外部表面432的直徑對應。環狀邊緣482將氣 體偏轉表面與圓柱狀外部表面432連接在一起。將環狀邊緣482成圓形以適合 彎曲的短半徑，並且環狀邊緣482包含一個凸起的環形圓紋曲面的表面。環狀 邊緣484將氣體分布面304與圓柱狀外部表面432連接在一起。凸緣430的厚 度442與從下面部分329到環狀邊緣484附近的氣體分布面304穿過凸緣430 的距離對應。
圖5為依照本發明實施方式的具有從凹入和凸起的氣體偏轉表面之間延 伸的環狀平面部分的氣體分布器500的橫截面圖。凹入表面和凸起表面為上述 的環形圓紋曲面的表面。氣體分布器500包括具有氣體偏轉表面502形成於其 上的擋板520。凹入部分522包含約75%的氣體偏轉表面502的暴露表面區域。 氣體分布器500包括適用於使用上述的孔310和階梯312分布沉積氣體的氣體 分布器面504。氣體偏轉表面502包括入陷表面322、環狀平面過渡部分564
以及凸起表面546的上面部分。凹入表面322在上部邊界322a和下部邊界322b 之間延伸，並且包括上述的上面部分328和下面部分329。環狀平面過渡部分 564為從凹入表面322到凸起表面546提供平滑過渡。
凸起表面546包括半徑548及氣體分布器的其他屬性。凸起表面546在上 部邊界546a和下部邊界546b之間延伸。凸起表面546包括外部邊緣532。貫 穿氣體分布器的最大寬度540與貫穿由外部邊緣532定義的分布器的直徑相對 應。平面過渡部分564在凹入表面322的下部邊界322b和凸起表面546上部 邊界546a之間延伸。下部邊界546b位於凸起表面546與氣體分布面504之間。 凸緣530包括環狀平面過渡部分564和凸起表面546。凸緣厚度542是半徑548 的兩倍。
環狀平面過渡部分564的維度與氣體分布器的其他維度相關聯。例如，如 圖5所示，環狀平面過渡部分564沿最大寬度540的距離不大於最大寬度的 10%。在一些實施方式中，環狀平面過渡部分的這段距離不大於最大寬度的 20%。在另一些實施方式中，環狀平面過渡部分的這段距離不大於最大寬度的 5%。在一些實施方式中，無平面環狀過渡部分，如上面的圖3A和3C所示， 凹入部分沿凸起部分與凹入部分之間的邊界直接過渡到凸起部分。
圖6為說明依照本發明實施方式，具有降低的時效處理時間和降低的Al 汙染的晶圓的處理方法600的流程圖。清潔腔室步驟610清潔具有上述氣體擋 板的腔室，如圖3A至3C中所示。清潔腔室所需的時間將取決於所用的半導 體工藝的特性、時效處理時間、清潔氣體和/或所用的氣體以及溫度。典型的 清潔時間在約2分鐘至7分鐘範圍內，通常是3至5分鐘之間，例如3至4 分鐘。時效處理腔室步驟620使用沉積氣體時效處理腔室以提供上述的防護塗 層，例如用於沉積防護Si02層的矽垸。時效處理腔室的時間總量小於60秒， 例如從25至60秒，通常是在從約25秒至45秒，最優為從約25至35秒。插 入晶圓歩驟630將半導體晶圓插入腔室中，以使晶圓位於上面所述的位置。將 HDP-CVD空隙填充層施加到晶圓的步驟640使用上述的HDP-CVD工藝將晶 圓施加到空隙填充層。HDP-CVD工藝可以是低等功率工藝、中等功率工藝和 高等功率工藝中的任意一種。典型情況下，空隙填充工藝大約為60秒。空隙 填充工藝中所使用的空隙填充層的厚度通常從約40000A(400 nm)至8000 A (800 nm)，例如從4000 A (400 nm)至6000 A (400 nm)，典型為約5000 A (500
nm)。儘管處理過的晶圓的空隙填充層中的鋁汙染的實際數量取決於實際選擇 的參數，通常Al原子的數量小於每平方釐米2xl(^個原子，例如每平方釐米 約0.3 x 1012至2.0 x 1012個原子，並可為每平方釐米約0.3 x 1012至1.5 x 1012 個原子，而且，最優為每平方釐米約0.3^1012至1.0\10'2個原子。去除晶圓 步驟650將晶圓從腔室中去除，從而晶圓可以施加到腔室外面的其他工藝步 驟。在去除晶圓步驟650之後，清潔腔室，並重複步驟610至650來處理額外 的晶圓。
可以選擇腔室清潔時間、有效處理時間以及處理功率的任何組合，以提供 預期的金屬原子汙染等級。隨著時效處理時間的增加，金屬原子汙染降低，而 且選擇時效處理時間以提供低於預期最大容許量的金屬離子汙染。為了優化晶 圓生產量，將選擇最短時效處理時間以提供低於預期數量的金屬原子汙染。例 如，30秒的時效處理時間可提供每平方釐米1.2 x 1012個Al原子的金屬離子汙 染，低於每平方釐米1.5xlO"個AL原子的最大容許數量。使用30秒的時效 處理時間、清潔腔室的總時間，將晶圓放置於腔室中、在腔室中處理晶圓並從 腔室中去除晶圓的全部時間符合至少大約每小時8個晶圓的生產量。
應該理解，圖6所示的具體歩驟提供了根據本發明的實施方式的處理晶圓 的詳細方法。根據替代的實施方式也可按照其他順序執行這些步驟。例如，本 發明的替代實施方式可以按照不同的順序執行上述步驟。此外，圖6中示出的 單個步驟可以包括多重子步驟，將以適合該單個步驟的多種順序執行。此外， 也可以依據特定應用添加或去除額外的步驟。本領域的一般技術人員可以理解 多種變型、修改和替代。 3、實施例結果
對本發明的實施方式的初步測試表明，可以在降低Al汙染和提高在腔室 中處理的晶圓的生產量方面取得顯著進步。本發明的實施方式的測試通常包括 由模具和NF3清潔氣體形成的單片A1N(氮化鋁)氣體分布器，儘管也可以使用 其他氣體分布器材料例如氧化鋁以及諸如F2的其他清洗氣體。作為示例示出， 應用高等功率工藝測試實施方式，可以將襯底上的Al汙染從使用如圖1所示 的現有擋板以120s的時效處理時間情況下的每平方釐米1.3 x 1013個原子降 至使用圖3所示的擋板以30s的時效處理時間條件下的每平方釐米1.2 x 1012 個原子。測試的塗層的厚度為大約8000A。從而，當使用高等功率工藝中將時 效處理時間從120s降至30S時，可以將A1汙染降低約一個數量級。由於在晶
圓處理過程中，晶圓經過幾次時效處理，從而腔室時效處理時間從120s降至 30s將每小時處理的晶圓數從7個增加至8個。
圖7示出了圖1中的現有氣體分布器和依照本發明實施方式的圖3中的 氣體分布器的清潔端部的對比。每個經測試的實施方式的時效處理時間是相同 的。圖7示出了任意單元中的清潔信號與時間的對比關係。分別示出現有分布 器和已測試實施方式的清潔信號710和712。使用傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR) 測量清潔信號。兩種分布器的清潔信號幾乎相同，並且示出無本質差別。從而， 本發明的實施方式可提供與已測試的現有擋板幾乎相同的清潔特性，從而，已 測試的實施方式與應用現有擋板的系統兼容，而且，已測試的實施方式可作為 應用現有擋板的系統的升級。
圖8示出了圖1中的現有氣體分布器和依照本發明的實施方式的圖3中 的氣體分布器工藝腔室中的Al汙染的對比。用於兩種擋板的工藝的時效處理 時間都設置為120s以評估擋板對A1汙染的影響。工藝A為使用約10kW功率 以及含有雨3、 He、 SiH4以及02氣體的工藝氣體的中等功率工藝。由於工藝 A為使用NF3和中等功率，認為與氟相關的化學反應是引起了腔室的汙染的主 要原因。屮等功率工藝通常使用約8至12kW之間的功率。工藝B為使用約 18kW的功率及包括NF3、 H2、 SiH4以及02氣體的工藝氣體的高等功率工藝。 由於工藝B為高等功率工藝、熱反應，例如升華認為是引起腔室汙染的主要 原因。參照工藝A，已測試的現有擋板的Al汙染為每平方釐米約200 x 101Q 個A1原子，同時已測試的實施方式的A1汙染為每平方釐米約70 x l(T個Al 原子。施加到工藝A中的塗層的厚度約為4000A。參照工藝B，現有擋板的 Al汙染為每平方釐米約1000 x 1W個A1原子，同時，已測試的實施方式的 Al汙染為每平方釐米約30 x l(T個Al原子。施加到工藝B的塗層的厚度約為 8000A。從而，使用中等功率工藝已測試的實施方式提供約3個改進要素，使 用高等功率工藝提供約30個改進要素。
上述設備和方法的排列僅本發明原理示意性應用，而且在不背離權利要求 限定的本發明的精神和範圍的情況下，可設計其它實施方式和改進。因此，不 應參照上面所述來確定本發明的範圍，取而代之，應參照附屬權利要求並連同 他們的全部等效範圍來確定本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於半導體工藝腔室中的氣體分布器，所述氣體分布器包含主體，其包括具有氣體偏轉表面的擋板，以將氣流從第一方向轉向第二方向，所述氣體偏轉表面包括凹入表面，所述凹入表面至少包括所述氣體偏轉表面的表面區域的約75％。
2. 根據權利要求1所述的氣體分布器，其特徵在於，所述主體包括圍繞所述主體的外圍的凸緣，其中所述凸緣從所述凹入表面向所述主體的外部邊緣呈 放射狀向外延伸一段距離，而且，其中所述凸緣距離包括不大於貫穿所述分布器的最大寬度的約25%。
3. 根據權利要求1所述的擋板，其特徵在於，所述凹入表面至少包括所述 氣體偏轉表面的表面區域的約90%。
4. 根據權利要求1所述的擋板，其特徵在於，所述凹入表面沿所述分布器 的上層部分附近的所述第一方向延伸，以及沿所述分布器的下層部分附近的所 述第二方向延伸。
5. 根據權利要求1所述的擋板，其特徵在於，所述凹入表面包含幾個階 梯來定義所述凹入部分，所述階梯從所述凹入表面的第一上層部分延伸至所述 凹入表面的第二下層部分。
6. 根據權利要求1所述的分布器，其特徵在於，所述擋板包括在所述凹 入表面外圍具有凸起表面的凸緣，並且，其中所述擋板適於在所述凹入表面和 所述凸起表面之間不具有平面過渡表面的情況下將所述氣體從所述第一方向 轉向所述第二方向。
7. 根據權利要求1所述的分布器，其特徵在於，所述主體包括沿所述第 一方向延伸的上層部分和沿第二方向延伸凸緣部分，其中所述凸緣部分沿所述 第二方向延伸並以小於所述凸緣部分厚度的距離遠離所述凹入表面。
8. 根據權利要求1所述的分布器，其特徵在於，所述主體包括位於氣體 供給埠附近的頸狀部分以安裝所述分布器，其中所述頸狀部分沿軸延伸，所 述氣體偏轉表面通常在所述軸附近對稱旋轉，其中所述第一方向沿所述軸，而 所述第二方向遠離所述軸。
9. 根據權利要求1所述的分布器，其特徵在於，所述主體包括適於分配 沉積氣體的下層暴露表面，所述下層表面具有中心部分和通過階梯與所述中心 部分分離的凹進的外圍部分，所述主體還包括氣體入口、放置在所述階梯表 面中的多個氣體出口以及將所述入口連接到所述多個氣體出口的氣體通道。
10. 根據權利要求1所述的分布器，其特徵在於，所述氣體分布器包括單 片結構。
11. 一種襯底工藝腔室，其特徵在於，所述腔室包括 具有頂和側壁的箱體； 適於支撐襯底的襯底架；位於所述襯底架上方中心處的氣體分布器，所述氣體分布器包括主體，該 主體包括具有上層暴露的表面的擋板，該擋板適於向外引導氣體遠離所述主 體，並朝向所述箱體側壁，所述上層暴露表面包括凹入部分，所述凹入部分至少包含所述上層暴露的表面區域的約75%，所述分布器包括在所述上層表面下 方並與所述襯底架隔開的下層暴露表面，所述下層表面適於將沉積氣體注入所 述腔室中。
12. 根據權利要求11所述的襯底工藝腔室，其特徵在於，所述下層表面 包括中心部分和由階梯表面從所述中心部分分離的凹進的外圍部分，所述主體 還包括氣體入口，放置在所述階梯表面中的多個氣體出口，以及將所述入口連 接到所述多個氣體出口的氣體通道。
13. 根據權利要求11所述的襯底工藝腔室，其特徵在於，還包括放置在 所述部分主體周圍的環形結構以定義適於引導氣體朝向所述擋板上部表面的 環形氣體通路。
14. 一種用於氣體工藝腔室中的氣體分布器，其特徵在於，所述氣體分布 器包括主體，其包括轉向氣體的擋板，所述擋板包括將所述氣體從第一方向偏轉至第二方向的 凹入表面，放置在所述凹入表面外圍的凸起表面以及放置在所述凹入表面和所 述凸起表面之間以提供從所述凹入表面至所述凸起表面的過渡表面，其中所述 凸起表面包括貫穿所述擋板的最大值，而且，所述過渡表面沿所述最大寬度延伸至不超過所述最大寬度的約20%。
15. 根據權利要求14所述的氣體分布器，其特徵在於，所述過渡表面沿 所述最大寬度延伸至不大於所述最大寬度的10%。
16. 根據權利要求14所述的氣體分布器，其特徵在於，所述凸起表面包括沿所述第一方向的厚度，而且所述過渡表面沿所述最大寬度延伸的距離小於 所述凸起表面的厚度。
17. 根據權利要求14所述的氣體分布器，其特徵在於，所述凹入表面包 括凹入環表面，而且所述凸起表面包括凸起環表面，其中所述凸起環表面和凹 入環表面適於從所述凹入環表面至所述凸起環表面提供平滑過渡。
18. —種用於氣體工藝腔室中的氣體分布器，其特徵在於，所述氣體分布器包括主體，其包括使用氣體偏轉表面將氣流從第一方向轉向第二方向的擋板，所述氣 體偏轉表面包括凹入表面、凸起表面以及從所述凸起表面至所述凹入表面的過渡，所述凹入表面包括所述氣體偏轉表面的表面區域的至少約75%，所述過渡包括不多於貫穿所述主體的最大寬度的10%;位於所述主體的上部末端附近的頸狀部分；適於通過多個噴嘴分配沉積氣體的下部暴露表面，所述下部表面具 有中心部分和由階梯表面從所述中心部分分離的下凹外圍部分，所述擋板位於 所述頸狀部分和所述下部表面之間；軸，所述軸沿所述主體從所述頸狀部分到所述下部表面放置，所述 氣體偏轉表面通常在所述軸附近對稱旋轉，所述第一方向沿所述軸方向，而所 述第二方向遠離所述軸。其中，所述凹入表面沿所述主體的頸狀部分附近的第一方向以及沿所 述下部表面附近的第二方向延伸。氣體入口；設置在所述階梯表面中的多個氣體出口 ； 將所述入口連接到所述多個氣體出口的氣體通道；以及 其中所述氣體分布器包括氧化鋁和氮化鋁中的至少一個單件。
19. 一種在半導體工藝中偏轉氣體的方法，其特徵在於，所述方法包括 以第一方向引導氣體朝向氣體分布器，所述氣體分布器包括凹入表面； 隨後使用所述凹入表面將氣體從所述第一方向偏轉至第二方向；以及 其中，所述第二方向橫向於所述第一方向。
20.根據權利要求19所述的氣體分布器，其特徵在於，所述氣體分布器 包括氣體偏轉表面，並且所述凹入表面至少包括所述氣體偏轉表面的約75% 以便使用所述凹入表面將所述氣體充分從所述第一方向偏轉到所述第二方向。
全文摘要
本發明提供了在半導體工藝腔室中分布氣體的設備和方法。在本發明的一個實施方式中，在氣體工藝腔室中使用的氣體分布器包括主體。該主體包括具有氣體偏轉表面的擋板以使氣流從第一方向轉向第二方向。氣體偏轉表面包括凹入表面。該凹入表面至少包括氣體偏轉表面的表面區域的約75％。凹入表面充分地將氣體朝向腔室壁偏轉並減小來自擋板的金屬原子的汙染，從而可以減小時效處理時間。
文檔編號C23C16/44GK101191200SQ20071018719
公開日2008年6月4日 申請日期2007年11月28日 優先權日2006年11月28日
發明者卡馬斯·桑傑, 樸書南, 李永S, 路四清, 阿麥德·法爾漢, 馬哈拉·P·荷蒙特 申請人:應用材料股份有限公司