气体喷射器以及包含该喷射器的蚀刻装置
专利汇可以提供气体喷射器以及包含该喷射器的蚀刻装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 气体喷射器 ,其更能够耐受诸如 等离子体 蚀刻 装置之类的 半导体 制造装置中的条件。该气体喷射器包括:陶瓷材料 块 形式的主体;和由延伸穿过该陶瓷材料块的第一和第二气体喷射孔形成的气体喷射部分。该陶瓷材料块具有第一圆柱形部分以及从第一圆柱形部分伸出的第二圆柱形部分。第一圆柱形部分比第二圆柱形部分更宽并且更长。气体喷射部分的第一孔延伸穿过陶瓷材料块的第一圆柱形部分,而第二孔延伸穿过第二圆柱形部分,每个第二孔分别从一个相应的第一孔中连续地伸出,并与之同心。第一孔比第二孔更宽并且更长。上述气体喷射器设置在 等离子体蚀刻 装置的上部。，下面是气体喷射器以及包含该喷射器的蚀刻装置专利的具体信息内容。
1.一种气体喷射器，包括：
陶瓷材料块，该陶瓷材料块具有第一圆柱形部分以及从第一圆柱 形部分伸出的第二圆柱形部分，第二圆柱形部分的外径小于第一圆柱 形部分的外径，第二圆柱形部分的长度小于第一圆柱形部分的长度； 和
气体喷射部分，包括穿过所述陶瓷材料块的第一圆柱形部分延伸 的第一孔和穿过陶瓷材料块的第二圆柱形部分延伸的第二孔，第二孔 的直径小于第一孔的直径，第二孔的轴向长度小于第一孔的轴向长 度，每个第二孔分别从一个对应的第一孔中伸出并与第一孔同心。
2.如权利要求1所述的气体喷射器，其中第二圆柱形部分的外 径大约为第一圆柱形部分的外径的0.55-0.75倍，第二圆柱形部分的长 度大约为第一圆柱形部分的长度的0.55-0.75倍。
3.如权利要求2所述的气体喷射器，其中第一圆柱形部分的外 径约为17-21mm，第二圆柱形部分的外径约为10.2-14.7mm，第一圆 柱形部分的长度约为3.8-4.6mm，而第二圆柱形部分的长度约为2.3- 3.2mm。
4.如权利要求1所述的气体喷射器，其中第二孔的直径大约为 第一孔直径的0.4-0.6倍，第二孔的轴向长度大约为第一孔轴向长度的 0.5-1倍。
5.如权利要求4所述的气体喷射器，其中第一孔的直径约为1.8- 2.2mm，而第二孔的直径约为0.72-1.32mm，第一孔的轴向长度约为 3.1-5.2mm，第二孔的轴向长度约为2.1-3.9mm。
6.如权利要求1所述的气体喷射器，其中气体喷射部分包括3-12 对第一和第二孔。
7.如权利要求6所述的气体喷射器，其中气体喷射部分包括三 对相应的第一孔和第二孔，三对第一孔和第二孔被设置成三角形图 案，其中每一对第一孔和第二孔的中轴线位于三角形的各个顶点。
8.如权利要求6所述的气体喷射器，其中气体喷射部分包括五 对相应的第一孔和第二孔，五对第一孔和第二孔被设置成矩形图案， 其中四对第一和第二孔的中轴线位于矩形的顶点，第五对第一和第二 孔的中轴线位于矩形的中心。
9.如权利要求6所述的气体喷射器，其中气体喷射部分包括九 对相应的第一孔和第二孔，九对第一孔和第二孔被设置成八边形图 案，其中八对第一和第二孔的中轴线分别位于八边形的顶点，第九对 第一和第二孔的中轴线位于八边形的中心。
10.如权利要求1所述的气体喷射器，其中第一孔和第二孔分别 平行于第一和第二圆柱形部分的轴向延伸。
11.一种蚀刻装置，包括：
处理室，用于在其中容纳衬底；
至少一个气体喷射器，气体由该喷射器喷射到处理室中，该气体 喷射器包括陶瓷材料块，该陶瓷材料块包括第一圆柱形部分和从第一 圆柱形部分延伸出的第二圆柱形部分，第二圆柱形部分的外径小于第 一圆柱形部分的外径，第二圆柱形部分的长度小于第一圆柱形部分的 长度，和
气体喷射部分，包括穿过陶瓷材料块的第一圆柱形部分延伸的第 一孔和穿过陶瓷材料块的第二圆柱形部分延伸的第二孔，第二孔的直 径小于第一孔的直径，第二孔的轴向长度小于第一孔的轴向长度，每 个第二孔分别从一个对应的第一孔中伸出并与第一孔同心；和
偏压电源，用于向支撑在处理室中的衬底施加偏压。
12.如权利要求11所述的蚀刻装置，其中所述气体喷射器中的 三个喷射器被设置在处理室中。
13.如权利要求11所述的蚀刻装置，其中所述至少一个气体喷 射器被设置在处理室的上部。
14.如权利要求11所述的蚀刻装置，其中第二圆柱形部分的外 径大约为第一圆柱形部分的外径的0.55-0.75倍，第二圆柱形部分的长 度大约为第一圆柱形部分的长度的0.55-0.75倍。
15.如权利要求14所述的蚀刻装置，其中第一圆柱形部分的外 径约为17-21mm，第二圆柱形部分的外径约为10.2-14.7mm，第一圆 柱形部分的长度约为3.8-4.6mm，而第二圆柱形部分的长度约为2.3- 3.2mm。
16.如权利要求11所述的气体喷射器，其中第二孔的直径大约 为第一孔直径的0.4-0.6倍，第二孔的轴向长度大约为第一孔轴向长度 的0.5-1倍。
17.如权利要求16所述的气体喷射器，其中第一孔的直径约为 1.8-2.2mm，而第二孔的直径约为0.72-1.32mm，第一孔的轴向长度约 为3.1-5.2mm，第二孔的轴向长度约为2.1-3.9mm。
18.如权利要求11所述的蚀刻装置，其中第一和第二孔在处理 室中竖直延伸。
发明领域
本发明涉及一种气体喷射器以及包含该喷射器的蚀刻装置。具体 来说，本发明涉及一种将蚀刻气体喷射到处理室中以蚀刻衬底上的薄 膜的气体喷射器以及包含这种气体喷射器的蚀刻装置。
背景技术
具体来说，蚀刻被用于构图在半导体衬底上的薄膜。当今的半导 体器件具有小于0.15μm的设计规则。因此，蚀刻技术已被开发用于 实现具有蚀刻选择性的各向异性蚀刻。在蚀刻工艺中主要采用等离子 体来获得蚀刻选择性。在颁发给Cathey等人的美国专利No.6,013,943 中和6,004,875中以及颁发给Mitsuhashi的美国专利No.5,902,132中 公开了采用等离子体的蚀刻装置的例子。
常规的等离子体蚀刻装置包括处理室、气体喷射器和偏压电源。 一种这样的等离子体蚀刻装置是由AMT公司生产的，型号为e-MAX。 该等离子体蚀刻装置的按如下过程工作：将衬底装载到处理室中。通 过气体喷射器将气体喷入处理室中，以便在处理室中形成等离子体环 境。在等离子体环境中，对形成在衬底上的薄膜进行蚀刻。偏压电源 在衬底中引起偏压。因而，在蚀刻工艺进行过程中，处于等离子状态 下的气体被吸引到衬底上。
在颁发给Martin的美国专利No.6,013,943中和6,004,875中以及 颁发给McMillin的美国专利No.6,013,155中公开了常规气体喷射器的 例子。下面将结合图1和图2对常规气体喷射器进行详细说明。
气体喷射器10由石英制成并包括气体入口区A和气体出口区B。 气体入口区A为中空的环形。气体出口区B具有圆形的气体喷射部分 100。气体入口区A包括环形的部分A’和圆柱形部分A”。圆柱形部 分A”的直径小于环形部分A’的直径。而且，环形部分A’的与圆柱形 部分A”和气体出口区B的轴向长度之比为0.6∶1.5∶1。
气体出口区B还具有穿过其圆形气体喷射部分100的多个孔 110。因此，气体喷射器10的孔110的纵轴与水平方向成预定角度。 气体喷射部分100的孔110也可以具有各种形状。例如，美国专利 No.6,013,155公开了一种具有锥形气体喷射孔的气体喷射器。
下面将参照图3说明由具有这种气体喷射器的蚀刻装置进行的蚀 刻工艺。图3示出了形成半导体器件的栅极隔离层的蚀刻工艺。栅极 隔离层36通过全表面蚀刻工艺，即已知的均厚蚀刻(blanket etching) 形成在栅极32的两个侧壁上。
更具体地说，栅极32首先形成在衬底30上。然后，使用栅极32 作为掩模进行离子注入工艺，以便使源极/漏极34形成在衬底30的表 面上靠近栅极32的位置。接着，将氧化材料按顺序堆叠到衬底30和 栅极32上。然后，通过在衬底30和氧化材料之间进行有选择的蚀刻， 进行全表面蚀刻工艺。结果，栅极隔离层36形成在栅极32的两个侧 壁上。
但是，在进行表面层蚀刻工艺的过程中，一些微粒经常附着到衬 底30上。这些微粒阻碍了蚀刻工艺并产生电桥，即一种使栅极隔离 层36彼此相连的制作缺陷。
这些微粒主要包括Si、O、C和F。在这些材料中，Si、C和F是在进行蚀刻工艺时产生的聚合物。另外，Si和O的微粒是由气体喷 射器产生的。也就是说，当进行蚀刻工艺时，喷射的气体以及施加在 衬底上的偏压使气体喷射器被损坏。特别是，在限定气体喷射孔的喷 射部分的内壁上的偏压可能会产生电弧。电弧使气体喷射器被严重损 坏，以至于Si和O微粒与气体喷射器分离。在进行蚀刻工艺的过程 中，这些微粒附着在衬底上。
另外，随着蚀刻工艺连续和重复地进行，对气体喷射器的损坏加 重。由电弧引起的损坏在气体喷射部分的孔内比在其表面上更加严 重。另外，在远离气体喷射器纵轴的孔处，这种损坏更加显著。这证 明了损坏程度取决于气体喷射器的形状和材料。特别是，气体喷射器 的某部分的损坏程度与流经该部分的喷射气体量有关。另外，由于气 体喷射器将气体以一定角度喷射到衬底的外缘上，因此附着在衬底外 缘的微粒向衬底的中心移动。
如上所述，在常规蚀刻工艺中常规气体喷射器本身是微粒源。这 些微粒可能引起半导体器件中的缺陷，因此使用常规等离子体蚀刻工 艺制造的半导体器件的可靠性降低。
发明内容
为了实现该目的，本发明的气体喷射器包括：陶瓷材料块形式的 主体；和由延伸穿过该陶瓷材料块的第一和第二气体喷射孔形成的气 体喷射部分。该陶瓷材料块具有第一圆柱形部分以及从第一圆柱形部 分伸出的第二圆柱形部分。第一圆柱形部分具有第一直径和第一长 度，第二圆柱形部分具有小于第一直径的第二直径以及小于第一长度 的第二长度。气体喷射部分的第一孔延伸穿过与其纵轴平行的陶瓷材 料块的第一圆柱形部分，而第二孔延伸穿过与其纵轴平行的第二圆柱 形部分。第一孔具有第三直径和第三长度，第二孔具有小于第三直径 的第四直径以及小于第三长度的第四长度。每个第二孔分别从一个第 一孔中连续地伸出，并与之同心。
第二直径与第一直径之比大约为0.55-0.75∶1，第二长度与第一长 度之比大约为0.55-0.75∶1。第四直径与第三直径之比大约为0.4-0.6∶1， 第四长度与第三长度之比大约为0.5-1∶1。气体喷射部分包括3-12对 第一和第二孔。
该气体喷射器特别用于构图在衬底上形成的薄膜的等离子体蚀刻 装置。除了至少一个气体喷射器以外，该蚀刻装置还包括：一个其中可 支撑衬底的处理室；用于在处理室中形成等离子体环境的气体源；和 用于向衬底施加偏压的偏压电源，以便在蚀刻过程中等离子体被吸引 到衬底上。
优选地，在处理室的上部与衬底相对的位置设有三个气体喷射 器。第一和第二孔垂直于衬底延伸，以便将气体垂直喷射到衬底上。
附图说明
通过参照以下附图对本发明优选实施例进行详细描述，本发明的 上述和其它目的、特点和优点将更加明显。其中：
图1是常规气体喷射器的透视图；
图2是沿图1中的II-II线的剖视图；
图3是半导体器件的剖视图，示出了使用常规蚀刻装置形成栅极 隔离层的蚀刻工艺；
图4是本发明气体喷射器的第一实施例的透视图；
图5是沿图4中的V-V线的剖视图；
图6-11是本发明气体喷射器的各种其它实施例的俯视图；
图12是根据本发明的蚀刻装置的示意图；和
图13是当使用本发明的蚀刻装置进行蚀刻工艺时产生的微粒数 目的图表。
具体实施方式
首先参见图4和图5，气体喷射器40包括主体405和气体喷射 部分430。气体喷射部分430限定了一条穿过主体405的通道。
主体405为具有第一圆柱形部分410和第二圆柱形部分420的陶 瓷材料块。第二圆柱形部分420从第一圆柱形部分410连续延伸出来。 也就是说，第一圆柱形部分410和第二圆柱形部分420是一体的。第 一圆柱形部分410作为气体入口，而第二圆柱形部分420作为气体出 口。第二圆柱形部分420的直径(以下称为“第二直径)小于第一圆 柱形部分410的直径(以下称为“第一直径)，而第二圆柱形部分420 的长度(以下称为“第二长度)小于第一圆柱形部分410的长度(以 下称为“第一长度)。特别是，第二直径与第一直径之比大约为0.55- 0.75∶1，第二长度与第一长度之比大约为0.55-0.75∶1。
气体喷射部分430包括第一孔430a和第二孔430b。优选地，气 体喷射部分430包括3-12个第一和第二孔。第一孔430a穿过第一圆 柱形部分410延伸，第二孔430b穿过第二圆柱形部分420延伸。也 就是说，第一孔430a形成气体入口，第二孔430b形成气体出口。气 体喷射部分430的直径受到第二圆柱形部分420的直径的限制。第二 孔430b的长度(以下称为“第四长度”)小于第一孔430a的长度(以 下称为“第三长度”)。另外，第二孔430b的直径(以下称为“第四 直径”)小于第一孔430a的直径(以下称为“第三直径”)。特别是， 第四直径与第三直径之比大约为0.4-0.6∶1，第四长度与第三长度之比 大约为0.5-1∶1。
第一孔430a和第二孔430b是同心的。因此，第一孔430a和第 二孔430b的中心轴是相同的。另外，第一孔430a和第二孔430b分 别平行于第一圆柱形部分410和第二圆柱形部分420的纵轴延伸。因 此，气体喷射器40可以垂直喷射气体。
在本发明的优选实施例中，第一圆柱形部分410的直径约为17- 21mm，第二圆柱形部分420的直径约为10.2-14.7mm。另外，第一圆 柱形部分410的长度约为3.8-4.6mm，而第二圆柱形部分420的长度 约为2.3-3.2mm。第一孔430a的直径约为1.8-2.2mm，而第二孔430b 的直径约为0.72-1.32mm。另外，第一孔430a的轴向长度约为3.1- 5.2mm，第二孔430b的轴向长度约为2.1-3.9mm。
在该领域的实际应用实施例中，第一圆柱形部分410的直径为 19mm，第一圆柱形部分410的长度为4.2mm，第二圆柱形部分420 的直径为12.6mm，第二圆柱形部分420的长度为2.8mm。第一孔430a 的直径为2mm，第一孔430a的轴向长度为4.2mm，第二孔430b的直 径为1mm，第二孔430b的轴向长度为2.8mm。
另外，气体喷射器430由陶瓷材料制成。在这点上，采用纯度超 过99％的氧化铝(Al2O3)。陶瓷是一种对热和腐蚀具有极高耐受力的 耐火材料。因此，气体喷射器430可以耐受使用中的主要环境，即耐 受喷射气体和电弧的影响。
气体喷射器虽然具有圆柱形的主体，但却不是中空的壳体，而是 实心块。因而，该气体喷射器不容易被损坏。另外，由于气体喷射器 将气体垂直喷射在衬底上，因此附着在衬底外缘上的微粒不会向衬底 的内部移动。而且，由于第二孔430b的横截面积小于第一孔430a的 横截面积，所以当喷射气体流经第二孔430b时速度增加。因此，喷 射气体与构成第二孔430b的壁之间的接触时间达到最短。另外，第 一孔430a和第二孔430b的直径彼此不同，从而抑制了进入第一孔430a 的电弧。此外，由于气体喷射器是用耐腐蚀的材料制成的，因此不容 易被喷射气体和电弧所损坏。
下面参照图6-11说明根据本发明的气体喷射器的各种实施例。
参见图6，气体喷射器60包括第一圆柱形部分60a和第二圆柱形 部分60b。另外，三个第一孔66a和三个第二孔66b形成气体喷射器 60的气体喷射部分。三对相应的第一孔66a和第二孔66b设置成三角 形图案，其中每一对第一孔66a和第二孔66b的中轴线位于三角形的 各个顶点。
参见图7，气体喷射器70包括第一圆柱形部分70a和第二圆柱形 部分70b。另外，三个第一孔77a和三个第二孔77b形成气体喷射器 70的气体喷射部分。三对相应的第一孔77a和第二孔77b沿着喷射器 70的横轴设置在同一条直线上。
参见图8，气体喷射器80包括第一圆柱形部分80a和第二圆柱形 部分80b。另外，五个第一孔88a和五个第二孔88b形成气体喷射器 80的气体喷射部分。五对相应的第一孔88a和第二孔88b设置成矩形 图案，其中四对(第一和第二)孔的中轴线位于矩形的四角，第五对 (第一和第二)孔的中轴线位于矩形的中心。
参见图9，气体喷射器90包括第一圆柱形部分90a和第二圆柱形 部分90b。另外，七个第一孔99a和七个第二孔99b形成气体喷射器 90的气体喷射部分。七对相应的第一孔99a和第二孔99b设置成六边 形图案，其中六对(第一和第二)孔99a和99b的中轴线位于六边形 的顶点，剩下一对(第一和第二)孔的中轴线位于六边形的中心。
参见图10，气体喷射器101包括第一圆柱形部分101a和第二圆 柱形部分101b。另外，九个第一孔107a和九个第二孔107b形成气体 喷射器101的气体喷射部分。九对相应的第一孔107a和第二孔107b 设置成八边形图案，其中八对第一和第二孔107a和107b的中轴线位 于八边形的顶点，剩下一对(第一和第二)孔的中轴线位于八边形的 中心。
参见图11，气体喷射器103包括第一圆柱形部分103a和第二圆 柱形部分103b。另外，十二个第一孔109a和十二个第二孔109b形成 气体喷射器103的气体喷射部分。十一对第一孔109a和第二孔109b 的中轴线设置成圆形。剩下一对第一和第二孔109a和109b的中轴线 位于圆形的中心。
下面参照图12说明包含气体喷射器的蚀刻装置。图12所示的蚀 刻装置采用TCP(变压器耦合等离子体)技术产生等离子体。
参见图12，蚀刻装置包括处理室120，气体喷射器150和偏压电 源140。另外，该蚀刻装置包括：线圈130，用于将电源以射频发射到 处理室120；等离子体电源135，用于向线圈130提供电源；卡盘125， 设置在处理室120中以支撑衬底W；和阀装置(未示出)，它能够打 开/关闭，以便将衬底输送到处理室120中或从处理室120退出。该阀 装置包括针形阀。
其中具有衬底W的处理室120容纳气体以便在处理室120中形 成等离子环境。在等离子环境下，对衬底W上的薄膜进行蚀刻以便在 衬底上形成图案。偏压电源140向衬底W施加一个偏压电，使得当进 行蚀刻工艺时等离子体朝向衬底W被吸引。因此，当进行蚀刻工艺时， 等离子体具有定向特性。
三个气体喷射器150设置在处理室120的上部，彼此间隔开相等 的间隔。因此，气体喷射器150与衬底W相对，并通过垂直于衬底 W延伸的第一和第二孔将气体垂直喷射到衬底W上。如前面所述， 对于每个气体喷射器150，第二直径与第一直径之比大约为0.55- 0.75∶1，第二长度与第一长度之比大约为0.55-0.75∶1。第四直径与第 三直径之比大约为0.4-0.6∶1，第四长度与第三长度之比大约为0.5-1∶1。
本发明的发明人使用具有上述实际应用实施例中的气体喷射器的 蚀刻装置对形成栅极隔离层进行了多次试验。这些试验的结果表明本 发明产生相当少的微粒。图13的图表示出了当使用本发明的蚀刻装 置进行蚀刻工艺时测量到的微粒数目。
在图13中，X轴表示试验的日期，Y轴表示微粒数。在2000年 9月10以前使用的是常规蚀刻装置，而在9月10日当天和以后使用 的是根据本发明的蚀刻装置。
在这些试验中，在用SC1溶液(H2O∶H2O2(30％)∶NH4OH(29％)＝ 5∶1∶1)，例如KLA(由KLA-Tencor科技有限公司出品的商品名)对 衬底进行清洗之后测量微粒的数目。试验中使用600瓦特的电源。
如图表中所示，当使用根据本发明的蚀刻装置进行蚀刻工艺时， 微粒的数目显著减少。具体来说，当使用常规蚀刻装置时，微粒的平 均数目为14.7。而当使用本发明的蚀刻装置时，微粒的平均数目仅为 5.8。
本发明的发明人还发现，使用本发明时产生的微粒与在蚀刻过程 中产生的聚合物的构成微粒的类型相同。因此，可以推断当使用本发 明的蚀刻装置进行蚀刻时，微粒不是由气体喷射器产生的。
总之，由于本发明的气体喷射器是由陶瓷材料制成的，因此它能 够承受喷射气体和电弧的影响，以至于气体喷射器不会开始分解和产 生微粒。另外，由于气体喷射器包括其中穿孔的实心材料块，因此在 气体和气体喷射器之间的接触面积最小化，对气体喷射器的损坏相应 地受到限制。另外，圆柱形气体喷射器中的孔被设计成减少喷射气体 和喷射器之间的接触时间，因此对气体喷射器的损坏相应地受到限 制。当施加到衬底上的偏压电产生电弧时，电弧气体难以穿过上述孔， 因此防止了对气体喷射器的损坏。此外，由于上述孔的取向垂直于衬 底，因此经过气体喷射器的上述孔的喷射气体被垂直喷射到衬底上。 因此，微粒(诸如附着在衬底周缘区域上的聚合物的微粒)不会被吹 向衬底的中心。
因而，本发明的蚀刻装置可以工作在大于500瓦的电功率和低于 20毫乇的压力下。优选地，该蚀刻装置工作在大于1500瓦的电功率 和低于15毫乇的压力下，这些参数是满足当前制作精细图案的要求 所必须的。另外，为了进行形成栅极隔离层的全表面蚀刻工艺，本发 明的蚀刻装置可用于执行形成接触孔的局部蚀刻工艺。
如上所述，根据本发明，气体喷射器本身不是在半导体器件中引 起缺陷的微粒源。而且，因为气体喷射器难以被损坏，所以本发明能 够使维护和维修成本得到控制。
最后，尽管已结合优选实施例详细描述了本发明，但可以对本发 明进行各种变换、替换和改进。例如，尽管上文中结合具有3-12对第 一和第二孔的若干个实施例对气体喷射器进行了说明，但本发明不限 于上述数量的气体喷射孔。因此可以看出，本发明的实质是包括在所 附权利要求范围内的所有变换、替换和改进。
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