DE60036291T2

DE60036291T2 - Gasverteilungsvorrichtung für die halbleiterbearbeitung

Info

Publication number: DE60036291T2
Application number: DE60036291T
Authority: DE
Inventors: Rajinder San Jose DHINDSA; Fangli Cupertino HAO; Eric Pleasanton LENZ
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2020-06-13
Also published as: US6245192B1; CN1359531A; EP1200981A1; CN1238881C; KR100697158B1; AU5608700A; KR20020028921A; IL147033A0; EP1200981B1; TW460915B; US6432831B2; WO2001003159A9; JP4732646B2; DE60036291D1; JP2003504841A; US20010027026A1; WO2001003159A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Reaktionskammern, die zur Bearbeitung von Halbleitersubstraten dienen, wie beispielsweise von Wafers für integrierte Schaltkreise, insbesondere Verbesserungen in dem in diesen Reaktionskammern verwendeten Gasverteilungssystem.
Hintergrund der Erfindung
Die Halbleiterbearbeitung umfasst Ablagerungsprozesse wie die chemische Aufdampfung (CVD) von Metall, dielektrischen und Halbleitermaterialien, das Ätzen solcher Schichten, das Ashing (Entfernen) von Photoresistmaskenschichten usw.. Im Falle des Ätzens wird in der Regel das Plasmaätzen zum Ätzen von Metall, dielektrischen und Halbleitermaterialien eingesetzt. Ein Parallelplattenplasmareaktor umfasst in der Regel eine Gaskammer mit einer oder mehreren Leitwänden, einer Verteilerelektrode, durch die das Ätzgas geführt wird, einen Sockel, auf dem der Silikon-Wafer auf einer unteren Elektrode aufliegt, eine RF-Stromquelle und eine Gaseinspritzquelle für die Zuführung von Gas in die Gaskammer. Das Gas wird von der Elektrode ionisiert, um Plasma zu bilden, und das Plasma ätzt den unter der Verteilerelektrode gelagerten Wafer.
Verteilerelektroden für die Plasmabearbeitung von Halbleitersubstraten sind in den allgemein erteilten US-Patenten Nr. 5,074,456 ; 5,472,565 ; 5,534,751 und 5,569,356 offenbart. Andere Verteilerelektroden-Gasverteilungssysteme sind in den US-Patenten Nr. 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 and 5,888,907 offenbart.
Ein häufiges Erfordernis in der Herstellung integrierter Schaltkreise ist das Ätzen von Öffnungen, wie etwa Kontakten und Kontaktlöchern, in dielektrischen Materialien. Die dielektrischen Materialien umfassen dotiertes Siliciumoxid, wie fluoriertes Siliciumoxid (FSG), undotiertes Siliciumoxid, wie Siliciumdioxid, Silicatgläser wie Borphosphat-Silicatglas (BPSG) und Phosphat-Silicatglas (PSG), dotiertes oder undotiertes, thermisch gezogenes Siliciumoxid, dotiertes oder undotiertes TEOS-abgelagertes Siliciumoxid, usw.. Die dielektrischen Dotierstoffe umfassen Bor, Phosphor und/oder Arsen. Das Dielektrikum kann eine leitende oder halbleitende Schicht überlagern, wie beispielsweise polykristallines Silicium, Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, Molybdän oder Legierungen derselben, Nitride wie Titannitrid, Metall-Silicide, wie beispielsweise Titan-Silicid, Kobalt-Silicid, Wolfram-Silicid, Molybdän-Silicid usw.. Eine Plasmaätztechnik, bei der ein Parallelplatten-Plasmareaktor zum Ätzen von Öffnungen in Siliciumoxid verwendet wird, ist in U.S.-Patent Nr. 5,013,398 offenbart.
In U.S.-Patent Nr. 5,736,457 sind Einzel- und Doppel-"Damaszener"-Metallisierungsverfahren offenbart. Im "Einzeldamaszener"-Verfahren werden Kontaktlöcher und Leiter in getrennten Schritten ausgebildet, wobei ein Metallisierungsraster für Leiter oder Kontaktlöcher in eine dielektrische Schicht geätzt wird, eine Metallschicht in die geätzten Rillen oder Kontaktlöcher in der dielektrischen Schicht gefüllt wird und das überschüssige Metall durch chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) oder in einem Hinterätzverfahren entfernt wird. Im "Doppel-Damaszener"-Verfahren werden die Metallisierungsraster für die Kontaktlöcher und Leiter in eine dielektrische Schicht geätzt, und die geätzten Rillen und Kontaktlochöffnungen in einem einzigen Metallbefüllungs- und Überschussmetallentfernungsverfahren mit Metall gefüllt.
Es ist wünschenswert, das Plasma gleichmäßig über die Oberfläche des Wafers zu verteilen, um über die gesamte Oberfläche des Wafers gleichmäßige Ätzraten zu erhalten. Die aktuellen Gasverteilerkammerausführungen umfassen mehrere Leitwände, die für eine gleichmäßige Verteilung von Ätzgas optimiert sind, um den gewünschten Ätzeffekt auf dem Wafer zu erzielen. Allerdings sind die aktuellen Leitwand- und Verteilerelektroden-Ausführungen am besten für eine empirische Optimierung für eine gleichmäßige Gasverteilung für einen bestimmten Spalt zwischen dem Wafer und der Verteilerelektrode geeignet und schwierig an unterschiedliche Spalten zwischen Wafer und Verteiler anzupassen. Überdies umfassen herkömmliche Gasverteilungsausführungen Leitwände mit Hunderten von Öffnungen oder komplexen, schwierig herzustellenden Geometrien, um eine regelmäßige Verteilung von Ätzgas auf der Rückseite der Verteilerelektrode zu gewährleisten. Beim Ätzen großer 300-mm-Wafer (12 Inch) ist die Regelung des Prozessgases, um eine gleichmäßige Druckverteilung über den Verteilerkopf zu erzielen, noch schwieriger. Die Zahl der Öffnungen und Leitwände muss deutlich erhöht werden, um eine gleichmäßige Verteilung des Ätzgases zu erreichen. Mit höherer Zahl von Öffnungen in den Leitwänden und einer höheren Zahl von Leitwänden nehmen auch die Komplexität und die Produktionskosten einer derartigen Gasverteilungsvorrichtung markant zu.
Der Leser wird auf JP-A-11054440 verwiesen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Gasverteilungssystem in einer leicht zu produzierenden Ausführung, das eine nur geringe Zahl an Leitwandplatten benötigt und dennoch die erforderliche Gasverteilung durch einen Verteilerkopf bewirkt. Die Gasströmung kann für Substrate und/oder Spalten jeder Größe zwischen dem Verteilerkopf und dem zu bearbeitenden Halbleitersubstrat optimiert werden. Außerdem vermag die vorliegende Erfindung die Wärmeübertragung von einer Verteilerelektrode auf eine gekühlte Tragplatte zu verbessern, wodurch eine bessere Temperaturgleichmäßigkeit über der Elektrodenoberfläche erzielt wird. Zudem schafft die vorliegende Erfindung einen im allgemeinen kontinuierlichen elektrischen Kontakt unter den Bauteilen eines Verteilerelektroden-Gasverteilungssystems. In Anspruch 1 ist ein Gasverteilungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung definiert, und ein Bearbeitungsverfahren eines Substrats in einer Reaktionskammer, die ein derartiges Gasverteilungssystem umfasst, ist in Anspruch 15 definiert.
Eine Gasverteilungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Tragplatte und einen Verteilerkopf, die so befestigt sind, dass sie eine Gasverteilungskammer begrenzen. Die Kammer umfasst eine Leitwandanordnung mit einer oder mehreren Leitwandplatten, die dazu dienen, eine gewünschte Druckverteilung über den Verteilerkopf zu erzielen. Mehrere Gaszuführungen liefern Prozessgas in die Gasverteilungskammer, wo das Prozessgas durch die Leitwandanordnung und durch den Verteilerkopf abwärts strömt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht eine Vertiefung in der Rückseite des Verteilerkopfes vor und umfasst eine Leitwandanordnung mit einer oberen Leitwandplatte. Ein Dichtelement, wie beispielsweise ein O-Ring, ist an einer mittleren Stelle zwischen der oberen Leitwandplatte und der Tragplatte angeordnet. Das Dichtelement teilt den Raum dazwischen in einen inneren und einen äußeren Bereich. Das Gas von einer ersten Gaszuführung leitet Gas in den inneren Bereich und das Gas von einer zweiten Gaszuführung leitet Gas in den äußeren Bereich. Die Anordnung lässt unterschiedliche Gaschemien und/oder Gasdrücke auf die inneren und äußeren Bereiche zu. Daraus folgt, dass sich eine bessere Kontrolle der Gaschemie und/oder des Gasdrucks über das Substrat erzielen lässt, indem die Prozessparameter vorgewählt oder im Laufe der Substratbearbeitung angepasst werden.
Wenn gewünscht, können die mittleren und/oder unteren Leitwandplatten so angeordnet werden, dass sie drei Luftkammern ausbilden. Die erste Luftkammer befindet sich zwischen der oberen und der mittleren Leitwandplatte. Die zweite Luftkammer befindet sich zwischen der mittleren und der unteren Leitwandplatte, und die dritte Luftkammer befindet sich zwischen der unteren Leitwandplatte und dem Verteilerkopf. Die Luftkammern können dazu verwendet werden, eine gleichmäßigere Prozessgas-Druckverteilung über den Verteilerkopf zu schaffen.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Trägerelement eine Vertiefung in seiner Unterseite, welche die Gasverteilungskammer begrenzt. Das Trägerelement weist einen ersten Gasauslass auf, der ein erstes Prozessgas in einen mittleren Bereich der Vertiefungskammer, und einen zweiten Gasauslass, der ein zweites Prozessgas in einen Randbereich der Vertiefung liefert. Innerhalb der Leitwandkammer sind eine obere Leitwandplatte und eine untere Leitwandplatte befestigt. Die obere Leitwandplatte ist so angeordnet, dass sie Gas ausschließlich von der ersten Gaszuführung empfängt, und die untere Leitwandplatte ist so angeordnet, dass sie Gas ausschließlich von der zweiten Gaszuführung empfängt. Eine erste Gaskanalgruppe in der oberen Leitwandplatte ist in Fluidverbindung mit Gaskanälen in der zweiten Leitwandplatte, um eine Gruppe strömungsverbundener Kanäle zu schaffen, durch die das erste Prozessgas direkt von der oberen Leitwandplatte zur Unterseite der unteren Leitwandplatte strömt. Das zweite Prozessgas strömt durch eine zweite Gaskanalgruppe in der unteren Leitwandplatte zu ihrer Unterseite angrenzend an die Rückseite des Verteilerkopfes. In dieser Anordnung mischt sich das erste Prozessgas im wesentlichen nicht mit dem zweiten Prozessgas, bevor es zur Unterseite der unteren Leitwand strömt. Der Raum zwischen der unteren Leitwand und dem Verteilerkopf kann beabstandete ringförmige Kanäle aufweisen, die die selektive Auswahl der durch den Verteilerkopf strömenden Gase ermöglichen, z.B. um eine gleichmäßige oder ungleichmäßige Gaschemie und/oder Gasdruck über den Verteilerkopf zu erreichen. Das Gas von der ersten Gaszuführung und der zweiten Gaszuführung strömt durch eine dritte Öffnungsgruppe im Verteilerkopf in einen das Substrat überspannenden Bereich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Ziele und Vorteile der Erfindung lassen sich durch die Lektüre der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verstehen:
1 ist eine Querschnittansicht einer Gasverteilungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Querschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Querschnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels;
6 ist eine perspektivische Querschnittansicht einer unteren Leitwandplatte des zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7A–B stellen ein Ätzverfahren dar, das mit dem Gasverteilungssystem der Erfindung ausgeführt werden kann.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Für ein besseres Verständnis der Erfindung bezieht sich die nachstehende detaillierte Beschreibung auf die begleitenden Zeichnungen, worin bevorzugte exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung illustriert und beschrieben sind. Die Bezugszeichen zur Identifizierung gleicher Elemente in den Zeichnungen werden außerdem durchgehend verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann Prozessgas von einer oder mehreren Gaszuführungen gleichmäßig zu einem Substrat verteilt werden, das unterhalb eines Verteilerkopfes angeordnet ist. Der Verteilerkopf kann für jede Art von Halbleiterbearbeitungsvorrichtungen angewendet werden, in denen die Verteilung von Prozessgas über ein Halbleitersubstrat gewünscht wird. Solche Vorrichtungen umfassen CVD-Systeme, Asher, kapazitiv gekoppelte Plasmareaktoren, induktiv gekoppelte Plasmareaktoren, ECR-Reaktoren und dergleichen.
Ein Gasverteilungssystem für einen Parallelplattenplasmareaktor ist in 1 dargestellt, worin eine Tragplatte 20 und ein Verteilerkopf 22 so aneinander befestigt sind, dass sie eine dichte Gasverteilungskammer 24 ausbilden. Eine Leitwandanordnung 26, einschließlich einer oder mehrerer Leitwandplatten, ist zwischen der Tragplatte 20 und dem Verteilerkopf 22 angeordnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Geometrie und die Anordnung der Leitwandanordnung 26 so konfiguriert, dass sie Gas gleichmäßig auf eine Rückseite 28 des Verteilerkopfes 22 verteilen. In Halbleiter-Wafer-Verfahren, wie beispielsweise in der chemischen Aufdampfung oder in Trockenätz-Plasamverfahren, ist die kontrollierte Verteilung des Prozessgases über das Substrat erwünscht, um die Konsistenz und die Ausbeute solcher Prozesse zu erhöhen.
Wie in 2 und 3 zu sehen, umfasst in einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Leitwandanordnung 26 eine Leitwandplatte 30A und optional die Leitwandplatten 30B und 30C. Die Leitwandplatten 30A–30C sind in einer Vertiefung 32 angeordnet, die von einer peripheren, aufwärts vorragenden Seite 34 des Verteilerkopfes 22 begrenzt wird. Die obere Leitwandplatte 30A ist von einer unteren Oberfläche 36 der Tragplatte 20 durch einen O-Ring 38 beabstandet. Der O-Ring 38 teilt den Raum zwischen der oberen Leitwandplatte 30A und der Tragplatte 20 in zwei Bereiche, von denen ein jeder mit Prozessgas unterschiedlicher Gaschemien, unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen Strömungsraten versorgt werden kann. Gas von einer ersten Gaszuführung 40 strömt in einen mittleren Bereich 42 zwischen der oberen Leitwandplatte 30A und der Tragplatte 20. Das Gas von einer zweiten Gaszuführung 44 strömt in einen ringförmigen Kanal 44a und dann in einen Randbereich 46 zwischen der oberen Leitwandplatte 30A und der Tragplatte 20. Die mittlere und untere Platte 30B, 30C können unterhalb der oberen Leitwandplatte 30A angeordnet sein, um die offenen Luftkammern 48A, 48B dazwischen und eine offene Luftkammer 48C zwischen der unteren Leitwandplatte 30C und dem Verteilerkopf 22 zu begrenzen.
Jede Gaszuführung schafft eine Druckverteilung über die Oberfläche der oberen Leitwandplatte 30A, worin der Gasdruck am höchsten angrenzend an den Gaszuführungsauslass ist und vom Auslass weg gehend abnimmt. So kann der relative Gasdruck zwischen den peripheren 46 und mittleren 42 Bereichen der oberen Oberfläche der oberen Leitwandplatte 30A unter Anwendung erster und zweiter Massenströmungsregler 50A, 50B angepasst werden, die an die erste und zweite Gaszuführung 40, 44 angeschlossen sind. Jeder Massenströmungsregler 50A, 50B kann mit einer gewünschten Gasmischung versorgt werden, indem die Strömungsraten von zwei oder mehr Gasen von den Gaszuführungen 50C, 50D, 50E, 50F, usw. angepasst werden.
Das Prozessgas wird über den mittleren Bereich 42 und den Randbereich 46 zwischen der oberen Leitwandplatte 30A und der Tragplatte 20 verteilt und geht durch die Öffnungen 52A in der oberen Leitwandplatte 30A in die offene Luftkammer 48A zwischen der oberen und mittleren Leitwandplatte 30A, 30B. Danach strömt das Gas nach unten durch die Öffnungen 52B in der mittleren Leitwandplatte 30B in eine offene Luftkammer 48B zwischen der mittleren und unteren Leitwandplatte 30B, 30C, dann durch die Öffnungen 52C in der unteren Leitwandplatte 30C in eine offene Luftkammer 48C zwischen der unteren Leitwandplatte 30C und dem Verteilerkopf 22 und schließlich durch die Öffnungen 54 im Verteilerkopf 22, ehe es ein Substrat erreicht. Jedesmal wenn ein Gas in eine offene Luftkammer eindringt, wird eine ungleichmäßige Druckverteilung gedämpft, da sich jeder ungleichmäßige Druck von Bereichen hohen Drucks zu Bereichen niedrigen Drucks etwas ausgleicht. So kann durch die Konfiguration des Gasverteilungssystems zur Begrenzung einer Mehrzahl von Luftkammern 48 zwischen den Leitwandplatten 30 auf der Rückseite 28 des Verteilerkopfes 22 eine im wesentlichen gleichmäßige Druckverteilung erreicht werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Gasverteilungssystems ist in 4–6 dargestellt. Die Leitwandanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst zwei Leitwandplatten 56A, 56B. Die obere Leitwandplatte 56A umfasst Abschnitte in Kontakt mit der Tragplatte 20, die untere Leitwandplatte 56B umfasst Abschnitte in Kontakt mit dem Verteilerkopf 22. Der Oberfläche-Oberfläche-Kontakt zwischen der Tragplatte 20, der Leitwandanordnung 26 und dem Verteilerkopf 22 erleichtert die Wärmeübertragung zwischen dem Verteilerkopf 22, der Leitwandanordnung 26 und der Tragplatte 20 und kann einen elektrisch leitenden Pfad zwischen dem Verteilerkopf 22, der Leitwandanordnung 26 und der Tragplatte 20 schaffen, wenn der Verteilerkopf als obere Elektrode verwendet wird.
Während der Bearbeitung fungiert die Temperatur-geregelte Tragplatte 20 als Wärmesenke, die Wärme vom Verteilerkopf 22 durch die Leitwandanordnung 26 abzieht. Beispielsweise kann Kühlmittel durch die Kühlkanäle 58 in der Tragplatte 20 zirkulieren, um die während der Bearbeitung eines Substrats erzeugte Wärme zu verteilen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist eine erste Gaszuführung 60 so konfiguriert, dass sie einer mittleren Vertiefung 62 in der oberen Leitwandplatte 56A Gas zuführt. Eine zweite Gaszuführung 64 führt einer ringförmigen Sammelleitung 66 Gas zu, welche das Gas in einen Randbereich 68 oberhalb der unteren Leitwandplatte 56B verteilt. Die Sammelleitung 66 kann in die Tragplatte 20 integriert sein oder eine getrennte Komponente des Gasverteilungssystems umfassen.
Die obere Leitwandplatte 56A umfasst radial verlaufende Kanäle 70, die das Gas von der im allgemeinen zentral angeordneten ersten Gaszuführung 60 zur Peripherie der oberen Leitwandplatte 56A verteilen. Die Kanäle 70 sind zwischen den Kontaktflächen 72 ausgebildet, welche die untere Oberfläche 36 der Tragplatte 20 kontaktieren.
Die Wärme und der elektrische Strom strömen durch die Oberflächen 72 von der oberen Leitwandplatte 56A zur Tragplatte 20. Gleichermaßen umfasst die obere Oberfläche der unteren Leitwandplatte 56B radial verlaufende Kanäle 74, über die Gas von der peripher angeordneten Sammelleitung 66 zu einem ringförmigen Kanal 76 in einem mittleren Teil der unteren Leitwandplatte 56B verteilt wird. Die radial verlaufenden Kanäle 74 sind zwischen den Kontaktflächen 78 ausgebildet, die mit der oberen Leitwandplatte 56A thermisch und elektrisch verbunden sind. Auch wenn die Kanäle 70, 74 und 76 in den oberen Oberflächen der oberen und unteren Leitwände dargestellt sind, könnten diese genau so in den unteren Oberflächen der Tragplatte 20 und in der oberen Leitwandplatte ausgebildet sein.
Die Öffnungen 80 in den radial verlaufenden Kanälen 70 in der oberen Leitwandplatte stehen in Strömungsverbindung mit einer ersten Gruppe von Öffnungen 82 in der unteren Leitwandplatte 56B. Das heißt, die Öffnungen 80 in der oberen Leitwandplatte 56A und die erste Öffnungsgruppe 82 in der unteren Leitwandplatte 56B begrenzen einen im allgemeinen durchgehenden und ununterbrochenen Fluidweg von der ersten Gaszuführung 60 durch die oberen und unteren Leitwandplatten 56A, 56B. Das Gas von der zweiten Gaszuführung 64 strömt durch eine zweite Öffnungsgruppe 84 in die Kanäle 74 in der unteren Leitwandplatte 56B. Die strömungsverbundenen Öffnungen 80, 82 und die zweite Öffnungsgruppe 84 sind so angeordnet, dass sie signifikante Mischungen zwischen Gas von der ersten Gaszuführung 60 und der zweiten Gaszuführung 64 verhindern. Eine solche Anordnung erlaubt die Migration von Gas zwischen der oberen und unteren Leitwandplatte. Zur Verhinderung einer solchen Migration könnten die oberen und unteren Leitwandplatten adhäsiv oder metallurgisch auf eine Art und Weise miteinander verbunden sein, die eine Mischung der beiden Gase verhindert.
Die strömungsverbundenen Öffnungen 80, 82 werden vorzugsweise durch Ausrichten der Öffnungen 80 in der oberen Leitwandplatte an der ersten Öffnungsgruppe 82 in der unteren Leitwandplatte ausgebildet, wofür eine geeignete Technik verwendet wird, wie beispielsweise zueinander passende Ausrichtungselemente, etwa Positionierstifte. Andere Techniken zur Verbindung der Öffnungen 80 mit den Öffnungen 82 umfassen jedoch das Einfügen einer strukturierten Dichtung zwischen den oberen und unteren Leitwänden oder die Bereitstellung einzelner Rohre, die zwischen den Öffnungen in den oberen und unteren Leitwandplatten befestigt sind.
Die Unterseite der unteren Leitwandplatte 56B umfasst ringförmige, nach unten vorspringende Wandabschnitte 86, welche die Oberseite des Verteilerkopfes 22 thermisch und elektrisch kontaktieren. Sowohl die strömungsverbundenen Öffnungen 80, 82 wie die zweite Öffnungsgruppe 84 öffnen sich in die radial beabstandeten, ringförmigen Kanäle 88, die von den nach unten vorspringenden Wandabschnitten 86 ausgebildet werden. Die Kanäle 88 könnten in der oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ausgebildet sein, oder der Raum zwischen der unteren Leitwandplatte und dem Verteilerkopf könnte eine offene Luftkammer mit oder ohne Kontaktabschnitte dazwischen zur Ableitung von Wärme vom Verteilerkopf und/oder zur Zuführung elektrischer Energie zum Verteilerkopf sein.
Während der Halbleiterbearbeitung strömt das Gas von der ersten Gaszuführung 60 durch die strömungsverbundenen Öffnungen 80, 82 in der oberen Leitwandplatte 56A und der unteren Leitwandplatte 56B, und das Gas von der zweiten Gaszuführung 64 strömt durch die zweite Öffnungsgruppe 84 in der unteren Leitwandplatte 56B. Das Gas von der ersten und zweiten Gaszuführung 60, 64 mischt sich in den Kanälen 88 in der Unterseite der unteren Leitwandplatte über der oberen Oberfläche des Verteilerkopfes 22 und strömt durch eine dritte Öffnungsgruppe 90 im Verteilerkopf 22 zum Substrat.
Auf der oberen Leitwandplatte 56A ist der Gasdruck am höchsten in der Nähe der zentral angeordneten ersten Gaszuführung 60 und am niedrigsten nahe der Peripherie der oberen Leitwandplatte 56A. Das Prozessgas strömt abwärts durch die strömungsverbundenen Öffnungen 82, 84 in den oberen und unteren Leitwandplatten 56A, 56B zu den offenen Kanälen 88 in der Unterseite der unteren Leitwandplatte 56B. Wenn im Betrieb die erste und zweite Gaszuführung Gas mit gleichem Druck liefern, bewirkt das Gas von der ersten Gaszuführung 60 eine Druckverteilung, bei der der Druck in der Nähe des Zentrums der unteren Leitwandplatte 56B hoch und an der Peripherie der unteren Leitwandplatte 56B niedrig ist, wohingegen das Gas von der zweiten Gaszuführung 64 eine Druckverteilung bewirkt, bei der der Druck an der Peripherie hoch und im Zentrum der unteren Leitwand niedrig ist. Folglich kann mit Hilfe der Leitwandanordnung der Erfindung der an der Rückseite des Verteilerkopfes herrschende Druck gleichmäßiger über die Rückseite des Verteilerkopfes verteilt werden.
In einem alternativen Bearbeitungsschema kann das Gasverteilungssystem eine kontrollierte, ungleichmäßige Gasdruckverteilung über die Rückseite 28 des Verteilerkopfes 22 schaffen. Wenn beispielsweise ein hoher Gasdruck um die Peripherie der Rückseite 28 des Verteilerkopfes 22 wünschenswert ist, kann die Strömung durch die zweite Gaszuführung 64 selektiv im Verhältnis zur Strömung durch die erste Gaszuführung 60 erhöht werden. Wenn umgekehrt ein relativ hoher Gasdruck nahe dem Zentrum der Rückseite 28 des Verteilerkopfes 22 wünschenswert ist, kann die Strömung durch die erste Gaszuführung 60 im Verhältnis zu der Strömung durch die zweite Gaszuführung 64 erhöht werden. Im Falle einer Einzel-Wafer-Bearbeitung kann somit das Gasverteilungssystem einer oder mehreren ringförmigen Zonen über dem Wafer unterschiedliche Gaschemien zuführen. Da die Gaschemie, die Strömungsrate und der Druck außenumfänglich um jede einzelne ringförmige Zone gleichmäßig gestaltet werden können, aber radial zwischen den Zonen variieren können, besteht die Möglichkeit, eine gleichmäßige Bearbeitung eines Wafers während Prozessen zu erreichen, bei denen die Bearbeitungsbedingungen an der Wafer-Oberfläche über den Wafer variieren.
In 7A–B ist das Ätzen einer doppelten Damaszenerstruktur in einem Einzelschritt gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. In 7A ist ein Vor-Ätz-Zustand dargestellt, in dem eine Öffnung 500 in Entsprechung zu einem Trench in einer Photoresistmaskenschicht 520 vorgesehen ist, die über einem Stapel einer ersten dielektrischen Schicht 540, wie etwa Siliciumoxid, einer ersten Stoppschicht 560, wie etwa Siliciumnitrid, einer zweiten dielektrischen Schicht 580, wie etwa Siliciumoxid, einer zweiten Stoppschicht 600, wie etwa Siliciumnitrid, und einem Substrat 620, wie etwa einem Silicium-Wafer, liegt. Für das Ätzen der Kontaktlöcher durch die erste Stoppschicht 560 in einem einzelnen Ätzschritt umfasst die erste Stoppschicht 560 eine Öffnung 640. In 7B ist die Struktur nach dem Ätzen dargestellt, wobei sich die Öffnung 500 durch die dielektrische Schicht 540 zur ersten Stoppschicht 560 erstreckt und die Öffnung 640 durch die zweite dielektrische Schicht 580 zur zweiten Stoppschicht 600. Eine solche Anordnung kann als "selbstangepasste Doppel-Damaszener"-Struktur bezeichnet werden.
Während des Ätzverfahrens können die Prozessgasbedingungen infolge der ersten und zweiten Gaszuführungen im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel in Relation zueinander geändert werden, z.B. während des Ätzens des Trenchs 500 kann eine Mischung aus Ar, Sauerstoff und Fluorkohlenwasserstoffen (z.B. CHF₃ und C₄F₈) zugeführt werden, und während des Ätzens der Kontaktlöcher 640 kann die Strömung des Sauerstoffs in den mittleren Bereich des Wafers verringert werden. Beim Ätzen von dielektrischen Schichten mit niedrigem k-Wert kann das Prozessgas einen Kohlenwasserstoff enthalten, wie C₂H₄, und das Verhältnis der Kohlenwasserstoff- zur Sauerstoff-Gasströmungsrate kann radial variiert werden, um eine gleichmäßige Ätzung zu erreichen. Gemäß der Erfindung kann somit die Strömung der Gase zum Zentrum und zum Rand des Wafers angepasst werden, um Rand-beständige Ätzbedingungen und Zentrums-beständige Ätzbedingungen in der Plasmakammer auszugleichen. Beispielsweise kann es bei einem herkömmlichen Plasma-Ätzer zu Rand-beständigen Bedingungen kommen, bis der Photoresist erodiert ist, woraufhin es zu Zentrums-beständigen Bedingungen kommen kann. Mit der Gasverteilungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann mehr Sauerstoff in der Mitte zugeführt werden, wenn der Wafer eine Photoresistschicht besitzt, wohingegen wenn die Photoresistschicht weg erodiert ist, der Sauerstoffstrom zur Mitte reduziert werden kann. Daraus folgt, dass ein gleichmäßigeres Ätzen erreicht werden kann, indem die Rand-beständigen und die Zentrums-beständigen Ätzbedingungen ausgeglichen werden.
Das Verfahren der Erfindung ist auf unterschiedliche Plasmaverfahren anwendbar, einschließlich des Plasmaätzens unterschiedlicher dielektrischer Schichten, wie dotiertes Siliciumoxid, etwa fluoriertes Siliciumoxid (FSG), undotiertes Siliciumoxid, etwa Siliciumdioxid, Spin-on-Glas (SOG), Silicatgläser, etwa Borphosphat-Silicatglas (BPSG) und Phosphatsilicatglas (PSG), dotiertes oder undotiertes thermisch gezogenes Siliciumoxid, dotiertes oder undotiertes TEOS-abgelagertes Siliciumoxid, usw. Die dielektrischen Dotierstoffe umfassen Bor, Phosphor und/oder Arsen. Das Dielektrikum kann eine leitende oder halbleitende Schicht überlagern, wie beispielsweise polykristallines Silicium, Metalle, wie Aluminium, Kupfer, Titan, Wolfram, Molybdän oder Legierungen daraus, Nitride, wie Titannitrid, Metallsilicide, wie Titansilicid, Kobaltsilicid, Wolframsilicid, Molybdänsilicid, usw..
Das Plasma kann ein hochdichtes Plasma sein, das in unterschiedlichen Arten von Plasmareaktoren produziert wurde. Solche PLasmareaktoren haben in der Regel Hochenergiequellen, die zur Produktion des hochdichten Plasmas RF-Energie, Mikrowellenenergie, Magnetfelder usw. verwenden. Beispielsweise könnte das hochdichte Plasma in einem transformatorgekoppelten Plasma (TCP^TM) Reaktor hergestellt werden, der auch als induktiv gekoppelter Plasmareaktor bezeichnet wird, oder in einem Elektro-Zyklotron-Resonanz (ECR) Plasmareaktor, einem Helicon-Plasmareaktor oder dergleichen. Ein Beispiel eines Hochfluss-Plasmareaktors, der ein hochdichtes Plasma erzeugen kann, ist in dem in der allgemeinen Domäne befindlichen U.S.-Patent Nr. 5,820,723 offenbart, dessen Offenbarung diesem Patent durch Bezugnahme einverleibt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es ist jedoch für einschlägig bewanderte Fachleute ohne weiteres erkennbar, dass die Erfindung in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden kann, als dies oben beschrieben wurde, ohne deshalb vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist illustrativ und darf in keiner Weise als restriktiv betrachtet werden. Der Geltungsbereich der Erfindung ist nicht durch die vorangehende Beschreibung, sondern durch die angehängten Ansprüche definiert, und alle Variationen und Äquivalente, die in den Bereich der Ansprüche fallen, sollen davon erfasst sein.

Claims

Gasverteilungssystem zur Verwendung in einer Reaktionskammer in der Halbleitersubstratbearbeitung, die Folgendes umfasst: ein Trägerelement (20) und einen vom Trägerelement gehaltenen Verteilerkopf (22), wobei entweder das Trägerelement in einer unteren Oberfläche (36) desselben eine Vertiefung oder der Verteilerkopf in seiner Rückseite (28) eine Vertiefung (32) aufweist, wobei das Trägerelement eine erste Gaszuführung (40, 60) besitzt, die sich in einen zentralen Bereich der Vertiefung öffnet, und eine zweite Gaszuführung (44, 64), die sich in einen peripheren Bereich der Vertiefung öffnet; eine Leitwandanordnung (26), die in der Vertiefung so angeordnet ist, dass Gas von der ersten Gaszuführung durch die ersten Öffnungen (52A, 80, 82) in der Leitwandanordnung geführt wird und Gas von der zweiten Gaszuführung durch zweite Öffnungen (52A, 82, 84) in der Leitwandanordnung geführt wird; und wobei der Verteilerkopf so angeordnet ist, dass sich das durch die erste und zweite Öffnung geführte Gas mischt und durch eine dritte Gruppe von Öffnungen (54, 90) im Verteilerkopf geführt wird.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei der Verteilerkopf eine obere Elektrode und das Trägerelement ein temperaturgeregeltes Element einer Plasmareaktionskammer ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das Trägerelement einen an einem temperaturgeregelten Element befestigten Trägerring aufweist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Leitwandanordnung obere und untere Leitwandplatten (56A, 56B) umfasst und die zweite Gaszuführung Gas an einen oder mehrere Gasstromkanäle (74) liefert, die zwischen den oberen und unteren Leitwandplatten angeordnet sind, wobei das Gas von der zweiten Gaszuführung durch die Kanäle in eine Richtung von einem Außenbereich der Leitwandplatten zu einem Innenbereich der Leitwandplatten strömt.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 4, wobei die Kanäle in einer unteren Oberfläche der oberen Leitwandplatte und/oder in einer oberen Oberfläche (78) der unteren Leitwandplatte ausgebildet sind.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 5, wobei die obere Oberfläche der unteren Leitwandplatte in Wärmekontakt mit der unteren Oberfläche der oberen Leitwandplatte ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 5, wobei der Verteilerkopf eine Elektrode ist und die oberen und unteren Leitwandplatten aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt sind und die obere Oberfläche der unteren Leitwandplatte in elektrischem Kontakt mit der unteren Oberfläche der oberen Leitwandplatte ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Leitwandanordnung obere und untere Leitwandplatten umfasst und sich das durch die ersten und zweiten Öffnungen geführte Gas in den Gasstromkanälen (88) mischt, die zwischen der unteren Leitwandplatte und dem Verteilerkopf angeordnet sind.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 8, wobei die Kanäle in einer unteren Oberfläche der unteren Leitwandplatte und/oder in einer oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ausgebildet sind, wobei die untere Oberfläche der unteren Leitwandplatte in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 8, wobei der Verteilerkopf eine Elektrode ist und die oberen und unteren Leitwandplatten aus elektrisch leitendem Material sind und die Kanäle in einer unteren Oberfläche der unteren Leitwandplatte und/oder in einer oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ausgebildet sind, wobei die untere Oberfläche der unteren Leitwandplatte in elektrischem und Wärmekontakt mit der oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei der Verteilerkopf eine Verteilerelektrode umfasst.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Leitwandanordnung eine Leitwandplatte und ein Dichtungselement (38) umfasst, wobei das Dichtungselement einen Raum zwischen der Leitwandplatte und dem Trägerelement in mittlere und periphere Bereiche (42, 46) trennt und wobei sich die erste Gaszuführung in den mittleren Bereich und die zweite Gaszuführung in den peripheren Bereich öffnet.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 12, wobei das Dichtungselement ein O-Ring ist.
Gasverteilungssystem gemäß Anspruch 1, welches des weiteren einen mit der ersten Gaszuführung verbundenen ersten Massenstromregler, einen mit der zweiten Gaszuführung verbundenen zweiten Massenstromregler und einen mit dem ersten und dem zweiten Massenstromregler verbundenen Regler umfasst, um Gaschemie und/oder Strömungsraten des von den ersten und zweiten Gaszuführungen gelieferten Prozessgases einzustellen.
Verfahren zur Bearbeitung eines Substrats in einer Reaktionskammer, die ein Gasverteilungssystem gemäß Definition in Anspruch 1 umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Einbringen eines Halbleitersubstrats in die Reaktionskammer; Einbringen von Prozessgas in die ersten und zweiten Gaszuführungen, so dass das Prozessgas durch die Leitwandanordnung strömt, ohne sich zu mischen, bis das Prozessgas durch die Leitwandanordnung geführt wird, woraufhin das gemischte Prozessgas durch den Verteilerkopf und in das Innere der Reaktionskammer geführt wird; und Bearbeiten des Halbleitersubstrats mit dem durch den Verteilerkopf geführten Prozessgas.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der Verteilerkopf eine Verteilerelektrode ist, welche das durch sie geführte Prozessgas in einen Plasmazustand aktiviert.
Verfahren gemäß Anspruch 16, welches des weiteren das Ätzen einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat durch Aufbringen einer RF-Energie auf die Verteilerelektrode umfasst, so dass das Prozessgas in Kontakt mit einer exponierten Oberfläche des Halbleitersubstrats ein Plasma bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Halbleitersubstrat einen Siliciumwafer umfasst und das Verfahren das Trockenätzen einer dielektrischen halbleitenden oder leitenden Materialschicht auf dem Wafer umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Verfahren das Abscheiden einer Materialschicht auf dem Halbleitersubstrat umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Verteilerkopf eine Verteilerelektrode und das Trägerelement ein temperaturgeregeltes Element umfasst, wobei das Verfahren das Abführen von Wärme von der Verteilerelektrode durch Hindurchführen eines Kühlmittels durch das temperaturgeregelte Element umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Leitwandanordnung obere und untere Leitwandplatten umfasst, die zweite Gaszuführung Gas zu einem oder mehreren Gasstromkanälen zwischen den oberen und unteren Leitwandplatten zuführt und wobei das Gas von der zweiten Gaszuführung durch die Kanäle in eine Richtung von einem Außenbereich der Leitwandplatte zu einem Innenbereich der Leitwandplatten strömt.
Verfahren gemäß Anspruch 15, welches des weiteren die Einstellung von Strömungsrate und/oder Gasdruck des der ersten Gaszuführung zugeführten Prozessgases und die Einstellung von Strömungsrate und/oder Gasdruck des der zweiten Gaszuführung zugeführten Prozessgases umfasst, so dass über der Rückseite des Verteilerkopfes eine erwünschte Gasdruckverteilung gegeben ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Leitwandanordnung obere und untere Leitwandplatten umfasst und das Verfahren des weiteren die Kühlung des Verteilerkopfes durch Abführen von Wärme vom Verteilerkopf über Kontaktflächen von Verteilerkopf, unterer Leitwandplatte, oberer Leitwandplatte und/oder Trägerelement umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem die Leitwandanordnung obere und untere Leitwandplatten umfasst, wobei sich das durch die ersten und zweiten Öffnungen geführte Gas in radial beabstandeten, ringförmigen Gasstromkanälen zwischen der unteren Leitwandplatte und dem Verteilerkopf mischt.
Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem die Kanäle in einer unteren Oberfläche der unteren Leitwandplatte und/oder in einer oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ausgebildet sind, wobei die untere Oberfläche der unteren Leitwandplatte in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Verteilerkopfes ist, so dass während der Bearbeitung des Halbleitersubstrats Wärme vom Verteilerkopf abgezogen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das durch die erste Gaszuführung strömende Prozessgas die selbe Gaschemie aufweist wie das durch die zweite Gaszuführung strömende Prozessgas.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das durch die erste Gaszuführung strömende Prozessgas eine andere Gaschemie aufweist als das durch die zweite Gaszuführung strömende Prozessgas.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das Substrat ein Halbleiterwafer ist, der in zumindest ersten und zweiten Schritten geätzt wird, wobei das Prozessgas durch die erste Gaszuführung geführt wird, welche im Verhältnis zu dem durch die zweite Gaszuführung geführten Prozessgas reguliert wird, um randbeständige und mittenbeständige Ätzbedingungen während der ersten und zweiten Schritte auszugleichen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem Öffnungen durch exponierte Teile einer dielektrischen Schicht des Substrats auf eine elektrisch leitende oder halbleitende Schicht des Substrats geätzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem der Ätzschritt als Teil eines Prozesses zur Herstellung einer Damaszenerstruktur ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem das Halbleitersubstrat Schichten einer Photoresistmaskenschicht (520), einer ersten dielektrischen Schicht (540), einer ersten Stoppschicht (560), einer zweiten dielektrischen Schicht (580) und einer zweiten Stoppschicht (620) umfasst, wobei der Ätzschritt so ausgeführt wird, dass in einer ersten Phase des Ätzschritts ein in der Photoschicht strukturierter Graben durch die erste dielektrische Schicht zur ersten Stoppschicht geätzt wird, und in einer zweiten Phase des Ätzschritts Kontaktlöcher (640) bzw. Kontaktöffnungen (500) durch die zweite dielektrische Schicht zur Stoppschicht geätzt werden, wobei das von der ersten und der zweiten Gaszuführung zugeführte Prozessgas so eingestellt wird, dass die Prozessgaszusammensetzung und/oder die Strömungsraten in der ersten Phase sich von der Prozessgaszusammensetzung und/oder den Strömungsraten in der zweiten Phase unterscheiden.