進行等離子體增強原子層沉積的方法和系統的製作方法
2023-07-07 19:21:16
專利名稱：進行等離子體增強原子層沉積的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種沉積系統及其操作方法，更具體地涉及一種用於原子 層沉積的沉積系統。
背景技術：
一般來說，在材料處理期間，當製作複合材料結構時採用等離子體來 促進材料膜的添加和去除。例如，在半導體處理中，幹法等離子體刻蝕工
7上圖案化的精細的線或在過孔或觸點內去除或刻蝕 材料。或者，例如，氣相沉積工藝被用於沿精細的線或在矽襯底上的過孔 或觸點內沉積材料。在後者中，氣相沉積工藝包括化學氣相沉積(CVD)
和等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)。
在PECVD中，等離子體被用於改變或增強膜沉積機制。例如，等離 子體激發通常允許在明顯低於通過熱CVD工藝製造類似的膜一般所需的 溫度的溫度下進行膜形成反應，該熱CVD工藝將處理氣體(無等離子體 激發)加熱至接近或高於工藝氣體的解離溫度。另外，等離子體激發可以 活化在熱CVD中在能量或動力學方面並不有利的膜形成化學反應。因 而，PECVD膜的化學和物理性質可以通過調節工藝參數在相對較寬的範 圍內變化。
近年來，原子層沉積(ALD)和等離子體增強ALD (PEALD)已經 作為用於在生產線前端(FEOL)操作中的超薄柵極膜形成以及用於生產 線後端(BEOL)操作中的金屬化的超薄阻擋層和種子層形成的候選工 藝。在ALD中，兩種或更多種處理氣體(例如膜前驅體和還原氣體)在 加熱的同時被交替且順序地引入，以便按一次一單層的方式形成材料膜。 在PEALD中，引入還原氣體時形成等離子體以形成還原等離子體。目 前，ALD和PEALD工藝已被證明能提供在層厚度方面改善的均勻性，以 及與其上沉積層的特徵的保形性，儘管這些工藝與對應的CVD和PECVD 工藝相比較為緩慢。
發明內容
本發明的一個目的涉及解決半導體加工在線寬越來越小而保形性、粘 附性和純度成為影響所得半導體器件的越來越重要的因素的條件下產生的 各種問題。
本發明的另一個目的是減少後續沉積的材料層界面間的汙染問題。 本發明的另一個目的是在同一系統中提供一種與原子層沉積和等離子 體增強還原相容的配置。
本發明的上述和/或其它目的的變化通過本發明的特定實施方式提供。本發明的一種實施方式提供了一種處理襯底的方法，該方法包括將 襯底放置在氣相沉積系統中，所述氣相沉積系統具有在所述襯底上方限定 的處理空間；將氣態膜前驅體引入所述處理空間；將所述處理空間的體積 從第一體積增加至第二體積，形成增大的處理空間；將還原氣體引入所述 增大的處理空間；由所述還原氣體形成還原等離子體。
本發明的另 一種實施方式提供了 一種用於在襯底上進行薄膜氣相沉積 的系統，該系統包括具有第一處理空間的處理室，所述第一處理空間具有 第一體積。所述處理室還包括第二處理空間，所述第二處理空間包括所述
第一處理空間並具有大於所述第一體積的第二體積。第一處理空間被配置 用於吸附膜前驅體，第二處理空間被配置為對在第一處理空間中吸附的膜 前驅體進行等離子體還原。
通過以下附圖，可以容易地獲得關於本發明及其許多附加優點的更完 整的評價。通過下面的詳細描述並結合附圖，可以更好地理解本發明及其 附加優點。
圖1示出了根據本發明的一種實施方式的沉積系統的示意圖2示出了根據本發明的一種實施方式的圖1的沉積系統的示意圖，
其中示出了增大的處理空間；
圖3示出了根據本發明的另一種實施方式的沉積系統的示意圖4示出了根據本發明的一種實施方式的圖3的沉積系統的示意圖，
其中示出了增大的處理空間；
圖5示出了根據本發明的一種實施方式的用於圖1-4的沉積系統的示
意性時序圖6示出了根據本發明的一種實施方式的工藝的工藝流程圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，為了幫助對本發明的全面理解並且出於說明而非限 制的目的，闡述了具體細節，例如沉積系統的特定幾何形狀以及各種部件的描述。然而，應當理解，在脫離這些具體細節的其他實施方式中也可實 施本發明。
現在參考附圖，附圖中相似的標號在所有附圖中指代相同或相應的部
件，圖1示出了例如使用等離子體增強原子層沉積(PEALD)工藝在襯底 上沉積薄膜(例如阻擋膜)的沉積系統1。在生產線後端(BEOL)操作 中，半導體器件的互連和內連結構的金屬化期間，薄的保形阻擋層可以沉 積在線路溝槽或過孔上以使金屬到層間或層內電介質中的遷移最小化，薄 的保形種子層可以沉積在線路溝槽或過孔上以提供對於主體金屬填充具有 可接受的粘附性質的膜，且/或薄的保形粘附層可以沉積在線路溝槽或過孔 上以提供對於金屬種子沉積具有可接受的粘附性質的膜。除這些工藝以 外，必須在線路溝槽或過孔內沉積例如銅的主體金屬。
這些工藝過去通常需要獨立的室來適應每種工藝的具體要求，因為單 個室無法滿足所有的工藝需要。例如，為了提供可接受的保形性，優選通 過自限制ALD工藝沉積薄膜阻擋層。由於ALD需要變換不同的處理氣 體，因此在較低的沉積速率下進行沉積。本發明人已認識到，在小處理空 間中進行熱ALD工藝可加快氣體注入和更換氣體的排空，這縮短了 ALD 循環。然而，當進行等離子體增強ALD時，由於襯底與上部組件間距較 近，等離子體的均勻性因處理空間體積小而變差。本發明人已認識到， PEALD工藝中的非等離子體步驟可受益於小處理空間體積，從而提高處 理量和/或保護處理氣體，而為了在PEALD工藝的等離子體輔助還原步驟 期間維持均勻的等離子體，需要較大的處理空間體積。
在圖1中，根據本發明的一種實施方式的沉積系統1包括具有襯底支 架20的處理室10，襯底支架20被配置為支撐其上將沉積薄膜的襯底 25。另外，圖1所示的沉積系統1包括與處理室IO和襯底支架20耦合的 處理體積調節系統80，處理體積調節系統80被配置為調節與襯底25相鄰 的處理空間的體積。例如，處理體積調節系統80可被配置成在形成具有 第一體積的第一處理空間85的第一位置(見圖1)與形成具有第二體積的 第二處理空間85，的第二位置(見圖2)之間垂直移動襯底支架20。
如圖1和2所示，沉積系統1可包括與襯底支架20耦合併被配置成升
10高和控制襯底25溫度的襯底溫度控制系統60。襯底溫度控制系統60可包 括溫度控制元件，例如包括再循環冷卻劑流的冷卻系統，這種再循環冷卻 劑流從襯底支架20接收熱量並將熱量傳輸到熱交換器系統(未示出)， 或者在加熱時傳輸來自熱交換器系統的熱量。另外，溫度控制元件可包括 加熱/冷卻元件，例如電阻性加熱元件或熱電加熱器/冷卻器，這些元件可 以被包括在襯底支架20以及工藝室10的室壁和沉積系統1內的任何其他 部件中。
為了改善襯底25和襯底支架20之間的熱傳輸，襯底支架20可包括機 械夾緊系統或電夾緊系統(例如靜電夾緊系統)，以將襯底25附著到襯 底支架20的上表面。此外，襯底支架20還可包括襯底背面氣體傳輸系 統，該系統被配置為將氣體引入到襯底25的背面，以提高襯底25和襯底 支架20之間的氣體間隙熱導。這種系統可以用在當升高或降低溫度時需 要對襯底進行溫度控制的情況下。例如，襯底背面氣體系統可包括兩區氣 體分配系統，其中氦氣間隙壓強可以在襯底25的中心和邊緣之間獨立變 化。
襯底支架20與平移襯底支架的真空機構和襯底溫度控制系統60的內 部機構一起構成了處理室10的下部室組件。
處理室10還可包括與第一處理材料氣體供應系統40、第二處理材料 氣體供應系統42和淨化氣體供應系統44耦合的上部室組件30。因此，上 部室組件30可通過第一處理材料氣體供應系統40和第二處理材料氣體供 應系統42分別向處理空間85和85'提供氣態膜前驅體和還原氣體。可以 使用本領域已知的噴淋頭設計來將第一和第二處理氣體材料均勻地分配到 處理空間85中。示例性的噴淋頭更詳細地描述在待審的美國專利申請 No.20040123803中，通過引用將其全部內容結合於此，並在此之前通過引 用結合US 11/090255。
沉積系統1可被配置為處理200 mm襯底、300 mm襯底或更大尺寸的 襯底。事實上，可以預期沉積系統可被配置為處理任意尺寸的襯底、晶片 或LCD，本領域技術人員將意識到這一點。可將襯底引入處理室10，並 通過襯底升降裝置(未示出)將襯底移至襯底支架20的上表面以及從襯底支架20的上表面移走。
根據本發明的一種實施方式，第一處理材料氣體供應系統40和第二 處理材料氣體供應系統42可被配置為交替地將氣態膜前驅體(即第一處 理氣體材料)和還原氣體(即第二處理氣體材料)引入處理室10。引入第 一處理氣體材料與引入第二處理氣體材料的交替可以是循環的，或者可以 是非循環的，即在第一和第二處理氣體材料的引入之間有可變時間段。作 為氣態膜前驅體的第一處理氣體材料的組成可包含形成在襯底25上的膜 中存在的基本原子或分子物質。膜前驅體可以最初為固相、液相或氣相， 並可以以氣相輸送到處理室10中。第二處理氣體材料可例如包括還原氣 體。還原氣體可以最初為固相、液相或氣相，並可以以氣相輸送到處理室 10中。下面給出氣態膜前驅體和還原氣體的示例。
第一材料供應系統140、第二材料供應系統142和淨化氣體供應系統 144可包括一個或更多個材料源142、 一個或更多個壓強控制裝置、 一個 或更多個流量控制裝置、 一個或更多個過濾器、 一個或更多個閥或者一個 或更多個流量傳感器。流量控制裝置可包括氣壓驅動閥、電-機械(電磁) 閥和/或高速率脈衝氣體注入閥。示例性的脈衝氣體注入系統在待審美國專 利申請No. 20040123803中有更詳細的描述，通過引用將其整體結合於 此。
仍然參考圖1，本發明的一種實施方式中的沉積系統1包括等離子體 生成系統，該系統被配置為在向處理室10交替引入第一處理氣體材料和 第二處理氣體材料的至少一部分期間生成等離子體。等離子體生成系統可 包括耦合到處理室10的第一功率源50，第一功率源50被配置為將功率耦 合到第一處理氣體材料和/或第二處理氣體材料。第一功率源50可包括射 頻(RF)發生器和阻抗匹配網絡(未示出)，還可包括電極(未示出)， RF功率通過該電極耦合到處理室IO中的等離子體。電極可以形成在上部 組件30中，並可以被配置為與襯底支架20相對。
阻抗匹配網絡可以被配置為用於優化從RF發生器到等離子體的RF功 率的傳輸，這是通過將匹配網絡的輸出阻抗與處理室(包括電極和等離子 體)的輸入阻抗相匹配而實現的。例如，阻抗匹配網絡用來通過減小反射功率來提高到等離子體處理室10中的等離子體的RF功率的傳輸。匹配網 絡拓撲(例如，L型、7T型、T型等)和自動控制方法對於本領域技術人員
來說是公知的。用於RF功率的典型頻率可為約0.1-100 MHz。或者，RF 頻率可例如為約400 kHz-約60 MHz。另外，RF頻率可例如為約13.56或 27.12 MHz。
本發明的一種實施方式中的沉積系統1可包括襯底偏壓生成系統，該 系統被配置為在向處理室10交替和循環引入第一處理氣體材料和第二處 理氣體材料的至少一部分期間生成等離子體。襯底偏壓系統可包括耦合到 工藝室10並且被配置為將功率耦合到襯底25的第二功率源52。第二功率 源52可包括射頻(RF)發生器和阻抗匹配網絡，還可包括電極，RF功率 通過該電極耦合到襯底25。電極可以形成在襯底支架20中。例如，襯底 支架20可以被DC電壓電偏置或經由從RF發生器(未示出)通過阻抗匹 配網絡(未示出)發送到襯底支架20的RF功率被電偏置在某一 RF電 壓。RF偏壓的典型頻率可為約0.1-100 MHz。用於等離子體處理的RF偏 壓系統對於本領域技術人員來說是公知的。或者，RF功率以多個頻率被 施加到襯底支架電極。或者，RF頻率可例如為約400 kHz-約60MHz。另 外，RF頻率可例如為約13.56或27.12 MHz。襯底偏壓生成系統可在與等 離子體生成系統不同或相同的頻率下操作。
儘管等離子體生成系統和襯底偏壓系統在圖1中示為分離的實體，但 是它們實際上可包括耦合到襯底支架20的一個或更多個功率源。
此外，處理室IO還通過導管38耦合到包括例如真空泵浦系統34和閥 36的壓強控制系統32。壓強控制系統32被配置為可控地將處理室10抽空 到適合於在襯底25上形成薄膜並且適合於使用第一和第二處理材料的壓 強。
真空泵浦系統34可包括泵浦速度能高達約5000升每秒(以及更大) 的渦輪分子真空泵(TMP)，閥36可包括用於節流室壓強的門閥。在傳 統的用於幹法等離子體刻蝕的等離子體處理設備中，通常採用1000到 3000升每秒的TMP。而且，用於監視室壓強的設備(未示出)可以耦合 到處理室110。壓強測量設備可以例如是可從MKS Instruments Inc.(Andover， MA)購得的628B型Baratron絕對電容壓力計。
現在參考圖3和4，圖中示出了根據本發明的另一種實施方式的使用 等離子體增強原子層沉積(PEALD)在襯底上沉積薄膜(例如阻擋膜)的 沉積系統l'。沉積系統l'包括許多與圖1和2中所示的沉積系統1相同的
特徵，其中類似的標號代表類似的部件。沉積系統r還包括被配置為包圍
圖3中的處理空間85或圖4中的處理空間85'的周邊的護罩24。襯底支架 20還可包括外凸緣22，外凸緣22被配置為當襯底支架20上移形成處理空 間85'時與護罩24耦合。例如，外凸緣22可被設置為與護罩24形成密 封。為了排空處理空間85'，護罩24可被配置為允許處理氣體穿過(作為 帶孔護罩)。如果護罩24不被配置為允許排空處理室85'，則可使用與真 空泵浦系統34相似的單獨的真空泵浦系統35來排空處理空間85，。
圖3和4中所示的護罩24可具有多種用途。護罩24可提供一個簡化 的柱形幾何結構，在該幾何結構中可以更可靠地預測或控制處理空間85 或85，中氣體流量。通過在護罩的預定位置上開孔(即帶孔護罩)，可以 控制流量。類似地，護罩24可以提供最接近等離子體邊緣的地線的對稱 路徑，這可提供能更可靠地預測或控制的均勻等離子體。此外，護罩24 可以是收集在處理室10內壁上正常積累的沉積物的可更換單元。因此， 可在日常維護時更換護罩24，並且延遲需要對處理室10內壁進行清潔的 時間。
現在參考圖5，沉積系統1或l'可被配置為進行等離子增強原子層沉 積(PEALD)工藝，其中膜前驅體和還原氣體被順序和交替地引入以在襯 底上形成薄膜。例如，在製備含鉭膜的PEALD工藝中，膜前驅體可包括 金屬滷化物(例如五氯化鉭)或金屬有機物(例如 Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3，下文中稱為TAIMATA ;關於額外的細 節，請參見美國專利No. 6593484)。在此示例中，還原氣體可包括氫氣 或氨(麗3) 、 N2禾隨2、 N2H4、 NH(CH3)^N2H3CH3。
在第一時間段向處理室10引入膜前驅體，以使膜前驅體吸附在襯底 25的暴露表面上。優選地，發生材料的單層吸附。然後，如圖5所示，在 第二時間段，用淨化氣體將處理室10淨化。在膜前驅體吸附到襯底25上以後，在第三時間段將還原氣體引入處理室10，同時通過例如上部組件
30將功率從第一功率源50耦合到還原氣體。耦合到還原氣體的功率對還
原氣體進行加熱，以使還原氣體離子化和解離，從而形成例如原子氫的解
離物質，解離物質可與被吸附的Ta膜前驅體反應，將被吸附的Ta膜前驅 體還原，從而形成期望的含Ta膜。
在一個實施例中，在圖5所示的第一工藝期間，可使用PEALD工藝 來沉積鉭(Ta)、氮化鉭或碳氮化鉭，然後暴露於還原氣體，其中Ta前 驅體例如是TaF5、 TaCl5、 TaBr5 、 Tal5 、 Ta(CO)5 、 Ta[N(C2H5CH3)]5 (PEMAT) 、 Ta[N(CH3)2]5 (PDMAT) 、 Ta[N(C2H5)2]5 (PDEAT)、 Ta(NC(CH3)3)(N(C2H5)2)3 (TBTDET) 、 Ta(NC2H5)(N(C2H5)2)3 、 Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3或Ta(NC(CH3)3)(N(CH3)2)3，還原氣體例如是 H2、 NH3、 N2和H2、 N2H4、 NH(CH3) 2或N2H3CH3。在本發明的PEALD 工藝中，還原氣體是被等離子體活化的。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積鈦(Ti)、氮化 鈦或碳氮化鈦時，膜前驅體可包括TiF4、 TiCl4、 TiBr4、 Til4 、 Ti[N(C2H5CH3)]4 (TEMAT) 、 Ti[N(CH3) 2]4 (TDMAT)或Ti[N(C2H5)2]4 (TDEAT)，還原氣體可包括H2、 NH3、 N2禾B H2、 N2H4、 NH(CH3)2或 N2H3CH3。
作為PEALD工藝的另一個實施例，當沉積鎢(W)、氮化鎢或碳氮 化鎢時，膜前驅體可包括WFe或W(CO)6，還原氣體可包括H2、 NH3、 N2 和H2、 N2H4、 NH(CH3)2或N2H3CH3。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積鉬(Mo)時，膜 前驅體可包括六氟化鉬(MoF6)，還原氣體可包括H2。
當在ALD工藝中沉積銅時，膜前驅體可包括有機金屬化合物和無機 化合物，有機金屬化合物例如是Cu(TMVS)(hfac)，商品名也稱為 CupraSelect ， 其可以從作為 Air Products and Chemicals Inc. ( 1969 Palomar Oaks Way, Carlsbad, Calif. 92009)的一個單位的Schumacher得 到，無機化合物例如是CuCl。還原氣體可包括H2、 02、 N2、 NH3或H20 中的至少一種。本文所用的術語"A、 B、 C...或X中的至少一種"指所列舉元素中的任何一種或者所列舉元素中多於一種的任何組合。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積Zr02時，膜前驅 體可包括Zr(N03)4或ZrCl4，還原氣體可包括H20。
當在本發明的PEALD工藝中沉積氧化鉿時，膜前驅體可包括 Hf(OBUt)4、 Hf(N03)4或HfCl4，還原氣體可包括H20。在另一個實施例 中，當沉積鉿(Hf)時，膜前驅體可包括HfCl4，還原氣體可包括H2。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積鈮(Nb)時，膜 前驅體可包括五氯化鈮(NbCl5)，還原氣體可包括H2。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積鋅(Zn)時，膜 前驅體可包括二氯化鋅(ZnCl2)，還原氣體可包括H2。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積氧化矽時，膜前 驅體可包括Si(OC2H5)4、 SiH2Cl2、 SiCU或Si(N03)4，還原氣體可包括H20 或02。在另一個實施例中，當沉積氮化矽時，膜前驅體可包括SiCU或 SiH2Cl2，還原氣體可包括NH3或N2和H2。在另一個實施例中，當沉積 TiN時，膜前驅體可包括硝酸鈦(Ti(N03))，還原氣體可包括NH3。
在ALD工藝的另一個實施例中，當沉積鋁時，膜前驅體可包括氯化 鋁(A12C16)或三甲基鋁(A1(CH3)3)，還原氣體可包括H2。當沉積氮化 鋁時，膜前驅體可包括三氯化鋁或三甲基鋁，還原氣體可包括NH3或N2 和H2。在另一個實施例中，當沉積氧化鋁時，膜前驅體可包括氯化鋁或三
甲基鋁，還原氣體可包括H20或02和H2。
在本發明的PEALD工藝的另一個實施例中，當沉積GaN時，膜前驅 體可包括硝酸鎵(Ga(N03)3)或三甲基鎵(Ga(CH3)3)，還原氣體可包括 NH3。
此外，在上述PEALD工藝中，處理體積可在第一體積(VI)與第二 體積(V2)之間變化，其中第一體積(VI)是在第一時間段引入第一處 理氣體材料和可選地在第二時間段引入淨化氣體期間，第二體積(V2)是 在第三時間段引入第二處理氣體材料和可選地在第四時間段引入淨化氣體 期間。針對PEALD工藝的每個工藝步驟，可以選擇處理空間的最佳體積 (VI, V2)。例如，第一體積(VI)可以足夠小，以使第一處理氣體材料通過處理 空間並使一部分第一處理氣體材料吸附在襯底表面上。隨著處理空間的第 一體積減小，吸附在襯底上所需的第一處理氣體材料的量減少，並且在第 一處理空間內交換第一處理氣體材料所需的時間減少。例如，隨著處理空 間的第一體積減小，停留時間減少，因而允許第一時間段縮短。
此外，例如，第二體積(V2)可被設置為一定體積，在該體積中，由 第二處理材料形成等離子體，可在襯底上方形成均勻的等離子體。當處理 包括半導體晶圓的襯底時，處理空間基本上為圓柱體，該圓柱體以直徑
(D)以及襯底與上部組件之間的間距或高度(h)來表徵。直徑與襯底尺
寸有關，而間距(或高度)可為用於調節處理空間體積的可變參數。對於
均勻的等離子體，襯底(或體積)直徑與間距之比(即徑高比D/h)可小 於或等於約10，優選小於約5。例如，隨著徑高比增大，觀察到等離子體 均勻度變差，而隨著徑高比減小，觀察到等離子體均勻度改善。例如，當 用等離子體在200 mm的襯底上沉積膜時，間距h應為約20 mm或更大。
例如，引入第一處理材料時的第一體積的間距(從襯底支架20到上 部組件30)對於200 mm的襯底可為小於或等於20 mm (或對於300 mm 的襯底可為小於或等於30 mm)，引入第二處理材料時的第二體積的間距 對於200 mm的襯底可大於20 mm (或對於300 mm的襯底可大於或等於 30 mm)。
圖6示出了根據本發明的一種實施方式的工藝的流程圖。圖6的工藝 可通過圖1-4的處理系統或任何合適的處理系統來進行。如圖6所示，在 步驟610中，工藝開始於將襯底放置在具有襯底上方限定的處理空間的氣 相沉積系統中。在步驟620中，將氣態膜前驅體引入處理空間。在步驟 630中，處理空間的體積從第一體積增加到第二體積以形成增大的處理空 間。在步驟640中，將還原氣體引入增大的處理空間。在步驟650中，由 還原氣體形成還原等離子體。
此外，在本發明的一種實施方式中，上述步驟可隨工藝的進行而返向 和重複。例如，還原等離子體可被消除，處理空間的體積可從第二體積減 小到第一體積，然後可以重複步驟610-640。在步驟650中，可以通過施加頻率為0.1-100 MHz的RF能量來形成 等離子體。在本發明的一個方面，在形成等離子體之前，增大處理空間的 體積以使條件更有利於形成均勻的等離子體。因此，在步驟630中，襯底 支架可移動到改善第二氣相沉積工藝的等離子體均勻度的位置。例如，襯 底支架可被設定在一個位置，在該位置上，等離子體的均勻度在整個直徑 200 mm的襯底支架上優於2%，或在整個直徑200 mm的襯底支架上優於 1%。例如，例如，襯底支架可被設定在一個位置，在該位置上，等離子體 的均勻度在整個直徑300 mm的襯底支架上優於2%，或在整個直徑300 mm的襯底支架上優於1%。
在步驟650中，還原等離子體的功率密度可小於10 W/cm2，優選小於 1W/cm2。還原等離子體的持續時間可小於20s，優選小於5秒。例如，參 考圖l-4，可以通過上部組件30將200-300 W的射頻(RF)功率耦合到還 原氣體來形成還原等離子體。
在步驟620中，氣態膜前驅體被引入襯底上方被護罩包圍的區域。在 本發明的一種實施方式中，該護罩可被穿孔，以使氣態膜前驅體由於被泵 抽吸通過帶孔護罩而被排空。如果護罩不具有孔，則可以獨立地抽空處理 空間內部。
在步驟610-640中，沉積的膜可以是金屬、金屬氧化物、金屬氮化 物、金屬矽化物或金屬碳氮化物中的至少一種膜。例如，膜可以包括鉭 膜、氮化鉭膜或碳氮化鉭膜中的至少一種。在步驟610-640中，沉積的膜 可以是A1膜、Cu膜、Zn膜、金屬矽化物膜或含鍺膜的至少一種，或者是 獨立沉積的這些膜的任意組合或合金。在步驟610-640中，沉積的膜可以 是氧化鋯膜、氧化鉿膜、氧化矽膜、氮化矽膜、氮化鈦膜或GaN膜或這些 膜的任意組合。
在步驟650中，對襯底提供襯底偏壓。例如，襯底偏壓可以是DC電 壓和/或頻率為0.1-100 MHz的RF電壓。在步驟660之前，電磁功率可耦 合到氣相沉積系統，以生成促進第一膜的表面處的還原反應過程的等離子 體。
此外，在引入膜前驅體之後可以引入淨化氣體。而且，無論存在淨化氣體與否，可將電磁功率耦合到氣相沉積系統以使汙染物從氣相沉積系統 和/或襯底上脫除。電磁功率可以以等離子體、紫外光和雷射的形式耦合到 氣相沉積系統中。
如圖1-4所示，沉積系統1和l'包括控制器70，控制器70可以耦合 到處理室10、襯底支架20、上部組件30、第一處理材料供應系統40、第 二處理材料供應系統42、淨化氣體供應系統44、第一功率源50、襯底溫 度控制器60和/或處理體積調節系統80。
控制器70可包括微處理器、存儲器和能夠生成控制電壓的數字I/O端 口，該控制電壓足以傳輸並激活到沉積系統1 (r)的輸入以及監視來自
沉積系統i (r)的輸出，以便於控制和監測上述膜沉積工藝。例如，控
制器70可包括計算機可讀介質，其中包含用於實現圖6所述步驟的程序 執行指令。此外，控制器70可以耦合到處理室10、襯底支架20、上部組 件30、第一處理材料供應系統40、第二處理材料供應系統42、淨化氣體 供應系統44、第一功率源50、第二功率源52、襯底溫度控制器60和/或 壓強控制系統32，並與之交換信息。例如，存儲在存儲器中的程序可以用
於根據工藝流程激活到沉積系統i (r)的前述部件的輸入，以執行上述
非等離子體或等離子體增強沉積工藝中的一種。
控制器70的一個示例是可以從Texas, Austin, Dell Corporation得到的 DELL PRECISION WORKSTATION 610 。然而，控制器70可以實現為 通用計算機系統，其響應於處理器執行包含在存儲器中的一條或多條指令 的一個或多個序列而執行本發明的基於微處理器的處理步驟的一部分或全 部。這些指令可以從另一計算機可讀介質(例如硬碟或可移動介質驅動 器)讀取到控制器存儲器中。也可以採用多處理布置中的一個或多個處理 器作為控制器微處理器，以執行包含在主存儲器中的指令序列。在可替換 實施方式中，硬連線電路可以用於替代軟體指令或者與軟體指令相組合。 從而，實施例並不限於硬體電路和軟體的任何特定組合。
控制器70包括至少一種計算機可讀介質或存儲器，例如控制器存儲 器，其用於保存根據本發明的教導編程的指令並用於保存數據結構、表、 記錄或可能是實現本發明所必需的其他數據。計算機可讀介質的示例是緻密盤、硬碟、軟盤、磁帶、磁光碟、PROM (EPROM、 EEPROM、快閃記憶體 EPROM) 、 DRAM、 SRAM、 SDRAM、或任何其他磁介質、緻密盤(例 如CD-ROM)、或任何其他光介質、穿孔卡、紙帶、或其他具有孔圖案的 物理介質、載波(下面描述)、或任何其他計算機可讀取的介質。
本發明包括存儲在計算機可讀介質中的任何一種或其組合上的軟體， 這些軟體用於控制控制器70，用於驅動用於實現本發明的一個或多個設 備，並且/或者用於使得控制器能夠與人類用戶交互。這些軟體可包括但不 限於設備驅動器、作業系統、開發工具和應用軟體。這種計算機可讀介質 還包括用於執行在實現本發明時執行的處理的全部或一部分(如果處理是 分布式的話)的本發明的電腦程式產品。
本發明的計算機代碼設備可以是任何可解釋的或可執行的代碼機制， 包括但不限於腳本、可解釋程序、動態連結庫(DLL) 、 Java類和完全可 執行程序。而且，本發明的處理的一部分可以是分布式的以實現更好的性 能、可靠性和/或成本。
這裡所用的術語"計算機可讀介質"指參與向控制器70的處理器提 供以供執行的指令的任何介質。計算機可讀介質可以採取許多形式，包括 但不限於非易失性介質、易失性介質和傳輸介質。非易失性介質例如包括 光碟、磁碟和磁光碟，例如硬碟或可移動介質驅動器。易失性介質包括動 態存儲器，例如主存儲器。而且，各種形式的計算機可讀介質可以用來向 控制器的處理器運送一條或多條指令的一個或多個序列以供執行。例如， 這些指令最初可以承載在遠程計算機的磁碟上。遠程計算機可以將用於實 現本發明的全部或一部分的指令遠程加載到動態存儲器中，並通過網絡將 指令發送到控制器70。
控制器70可以相對於沉積系統1 (r)位於本地，或者其可以相對於 沉積系統1 (r)位於遠處。例如，控制器70可以利用直接連接、內部
網、網際網路和無線連接中的至少一種與沉積系統i (r)交換數據。控制
器70可以耦合到例如在客戶位置(即，器件製造者等)處的內部網，或
者可以耦合到例如在供應商位置(即，設備製造商)處的內部網。另外，
例如，控制器70可以耦合到網際網路。此外，另一臺計算機(即，控制器、伺服器等)可以經由直接連接、內部網和網際網路中的至少一種訪問例 如控制器70以交換數據。本領域技術人員還將意識到，控制器70可以經
由無線連接與沉積系統i (r)交換數據。
儘管上面只詳細描述了本發明的某些示例性實施方式，但是本領域技 術人員將很容易意識到，在示例性實施例中可以進行許多修改，而基本上 不脫離本發明的新穎教導和優點。
權利要求
1. 一種在氣相沉積系統中在襯底上形成薄膜的方法，包括將襯底放置在具有所述襯底上方限定的處理空間的所述氣相沉積系統中；將氣態膜前驅體引入所述處理空間；在將所述氣態膜前驅體引入所述處理空間之後，將所述處理空間的體積從第一體積增加至第二體積，形成增大的處理空間；將還原氣體引入所述增大的處理空間；和由所述還原氣體形成還原等離子體。
2. 如權利要求l的方法，還包括 消除所述還原等離子體；將所述處理空間的體積從所述第二體積減至所述第一體積；和 重複引入所述膜前驅體、增大所述處理空間的體積、引入所述還原氣 體和形成所述等離子體的步驟。
3. 如權利要求1的方法，其中增大所述處理空間的體積包括 將襯底支架移動至提高所述還原等離子體的均勻度的位置。
4. 如權利要求3的方法，其中所述移動包括將所述襯底支架設定在可使等離子體均勻度在整個襯底直徑上優於 2%的位置上。
5. 如權利要求4的方法，其中所述移動包括將所述襯底支架設定在可使等離子體均勻度在整個襯底直徑上優於 1%的位置上。
6. 如權利要求1的方法，其中所述引入氣態膜前驅體、引入還原氣體 和形成還原等離子體包括沉積鉭膜、氮化鉭膜或碳氮化鉭膜中的至少一種。
7. 如權利要求1的方法，其中所述引入氣態膜前驅體、引入還原氣體和形成還原等離子體包括沉積金屬膜、金屬氧化物膜、金屬氮化物膜、金屬矽化物膜或金屬碳氮化物膜中的至少一種或這些膜的任意組合。
8. 如權利要求1的方法，其中所述引入氣態膜前驅體、引入還原氣體 和形成還原等離子體包括沉積Cu膜、Al膜、氧化鋯膜、氧化鉿膜、氧化矽膜、氮化矽膜、氮化鈦膜或GaN膜中的至少一種或這些膜的任意組合。
9. 如權利要求1的方法，其中所述引入氣態膜前驅體包括將所述氣態膜前驅體引入被護罩包圍的襯底上方區域。
10. 如權利要求14的方法，還包括通過用泵抽吸所述氣態膜前驅體穿過所述護罩上的孔，將所述膜前驅 體從所述襯底上方區域排空。
11. 如權利要求1的方法，其中所述形成還原等離子體包括施加頻率為0.1-100 MHz的RF能量。
12. 如權利要求11的方法，其中所述形成還原等離子體包括生成功率密度小於10 W/ct^的還原等離子體。
13. 如權利要求11的方法，其中所述形成還原等離子體包括生成功率密度小於1 W/cn^的還原等離子體。
14. 如權利要求ll的方法，還包括維持所述還原等離子體的時間小於20 s。
15. 如權利要求11的方法，還包括維持所述還原等離子體的時間小於5 s。
16. 如權利要求1的方法，還包括在弓I入氣態膜前驅體之後弓I入淨化氣體。
17. 如權利要求1的方法，還包括至少在還原等離子體期間向所述襯底施加襯底偏壓。
18. 如權利要求17的方法，其中所述施加襯底偏壓包括利用DC電壓或頻率為0.1-100 MHz的RF電壓對襯底進行偏置。
19. 一種計算機可讀介質，其包含用於在襯底處理系統處理器上執行 的程序指令，當所述程序指令被所述處理器執行時，會導致所述襯底處理 系統實施權利要求1-18中所述的任何一個步驟。
20. —種用於在襯底上進行薄膜氣相沉積的系統，包括 包括第一處理空間和第二處理空間的處理室，所述第一處理空間具有第一體積，所述第二處理空間包括所述第一處理空間並且具有大於所述第 一體積的第二體積；所述第一處理空間被配置用於原子層沉積；和所述第二處理空間被配置用於對在所述第一處理空間沉積的層進行等 離子體還原。
21. 如權利要求20的系統，還包括襯底支架，其被配置用於在原子層沉積和等離子體還原反應期間支撐所述襯底。
22. 如權利要求21的系統，還包括 具有氣體供應入口的第一室組件；和支撐所述襯底支架的第二室組件，其被配置用於支撐用於排空所述處 理室的真空泵。
23. 如權利要求22的系統，其中所述第一處理空間部分地通過小於或等於20 mm的間距來限定，所述間距是從所述襯底支架的頂端到所述第一室組件上的氣體供應入口，所述第二處理空間部分地通過大於或等於20 mm的間距來限定，所述間距是從所述襯底支架的頂端到所述第一室組件上的氣體供應入口。
24. 如權利要求21的系統，還包括處理體積調節機構，其被配置用於使所述襯底沿著改變所述第一和第 二處理空間的體積的方向移動。
25. 如權利要求20的系統，其中所述第二處理空間包括高寬比大於 0.1的空間。
26. 如權利要求20的系統，其中所述第二處理空間包括高寬比大於 0.5的空間。
27. 如權利要求20的系統，還包括護罩，其被配置成包圍所述第一處理空間的外圍邊緣。
28. 如權利要求27的系統，其中所述護罩包括帶孔護罩。
29. 如權利要求27的系統，還包括襯底支架，其被配置用於在原子層沉積和還原等離子體反應期間支撐 所述襯底，並且所述襯底支架的外凸緣被配置成與所述護罩的外圍邊緣接觸。
30. 如權利要求29的系統，其中所述外凸緣被配置成與所述外圍邊緣 形成密封。
31. 如權利要求30的系統，還包括真空泵，其被配置用於排空至少所述第一處理空間。
32. 如權利要求20的系統，其中所述處理室被配置用於原子層沉積金 屬膜、金屬氧化物膜、金屬氮化物膜、金屬矽化物膜和金屬碳氮化物膜中 的至少一種或這些膜的任意組合。
33. 如權利要求20的系統，其中所述處理室被配置用於原子層沉積氧 化鋯膜、氧化鉿膜、氧化矽膜、氮化矽膜、氮化鈦膜、氮化鉭膜、碳氮化 鉭膜、Cu膜、Al膜、Zn膜、Ta膜、Ti膜、W膜、氮化鎢膜或GaN膜中 的至少一種或這些膜的任意組合。
34. 如權利要求20的系統，還包括RF功率源，其被配置用於輸出頻率為0.1-100 MHz的RF能量。
35. 如權利要求34的系統，還包括連接到RF功率源的電極，其被配置用於將所述RF能量耦合到所述第 一和第二處理空間中的至少一個。
36. 如權利要求20的系統，還包括偏壓源，其被配置用於輸出DC電壓或頻率為0.1-100 MHz的RF電壓 中的至少一種。
37. 如權利要求36的系統，還包括用於對所述襯底施加偏壓的電極，所述電極連接到RF偏壓源並被配 置成將所述RF電壓耦合到所述襯底上。
38. 如權利要求20的系統，還包括控制器，其被配置用於在所述處理室中控制工藝。
39. 如權利要求38的系統，其中所述控制器被編程以進行如下操作將氣態膜前驅體引入所述第一處理空間；將支撐襯底的襯底支架移動到第二處理空間的基線位置，以形成增大的處理空間；將還原等離子體氣體引入所述增大的處理空間；和 由所述等離子體氣體形成還原等離子體。
全文摘要
本發明提供了一種在襯底上進行氣相沉積的方法、計算機可讀介質和系統，包括將氣態膜前驅體引入處理空間；將所述處理空間的體積從第一體積增至第二體積以形成增大的處理空間；將還原氣體引入所述增大的處理空間；由所述還原氣體形成還原等離子體。用於氣相沉積的系統包括具有第一處理空間和第二處理空間的處理室，第二處理空間包括第一處理空間並且具有大於第一體積的第二體積。第一處理空間被配置用於原子層沉積，第二處理空間被配置用於將在第一處理空間沉積的層等離子體還原。
文檔編號C23C16/44GK101535524SQ200680051358
公開日2009年9月16日 申請日期2006年11月9日 優先權日2005年11月18日
發明者雅克·法戈特 申請人:東京毅力科創株式會社