进行等离子体增强原子层沉积的方法和系统的制作方法

文档序号:3405621阅读:321来源:国知局
专利名称:进行等离子体增强原子层沉积的方法和系统的制作方法
技术领域
本发明涉及一种沉积系统及其操作方法,更具体地涉及一种用于原子 层沉积的沉积系统。
背景技术
一般来说,在材料处理期间,当制作复合材料结构时采用等离子体来 促进材料膜的添加和去除。例如,在半导体处理中,干法等离子体刻蚀工
7上图案化的精细的线或在过孔或触点内去除或刻蚀 材料。或者,例如,气相沉积工艺被用于沿精细的线或在硅衬底上的过孔 或触点内沉积材料。在后者中,气相沉积工艺包括化学气相沉积(CVD)
和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
在PECVD中,等离子体被用于改变或增强膜沉积机制。例如,等离 子体激发通常允许在明显低于通过热CVD工艺制造类似的膜一般所需的 温度的温度下进行膜形成反应,该热CVD工艺将处理气体(无等离子体 激发)加热至接近或高于工艺气体的解离温度。另外,等离子体激发可以 活化在热CVD中在能量或动力学方面并不有利的膜形成化学反应。因 而,PECVD膜的化学和物理性质可以通过调节工艺参数在相对较宽的范 围内变化。
近年来,原子层沉积(ALD)和等离子体增强ALD (PEALD)已经 作为用于在生产线前端(FEOL)操作中的超薄栅极膜形成以及用于生产 线后端(BEOL)操作中的金属化的超薄阻挡层和种子层形成的候选工 艺。在ALD中,两种或更多种处理气体(例如膜前驱体和还原气体)在 加热的同时被交替且顺序地引入,以便按一次一单层的方式形成材料膜。 在PEALD中,引入还原气体时形成等离子体以形成还原等离子体。目 前,ALD和PEALD工艺已被证明能提供在层厚度方面改善的均匀性,以 及与其上沉积层的特征的保形性,尽管这些工艺与对应的CVD和PECVD 工艺相比较为缓慢。

发明内容
本发明的一个目的涉及解决半导体加工在线宽越来越小而保形性、粘 附性和纯度成为影响所得半导体器件的越来越重要的因素的条件下产生的 各种问题。
本发明的另一个目的是减少后续沉积的材料层界面间的污染问题。 本发明的另一个目的是在同一系统中提供一种与原子层沉积和等离子 体增强还原相容的配置。
本发明的上述和/或其它目的的变化通过本发明的特定实施方式提供。本发明的一种实施方式提供了一种处理衬底的方法,该方法包括将 衬底放置在气相沉积系统中,所述气相沉积系统具有在所述衬底上方限定 的处理空间;将气态膜前驱体引入所述处理空间;将所述处理空间的体积 从第一体积增加至第二体积,形成增大的处理空间;将还原气体引入所述 增大的处理空间;由所述还原气体形成还原等离子体。
本发明的另 一种实施方式提供了 一种用于在衬底上进行薄膜气相沉积 的系统,该系统包括具有第一处理空间的处理室,所述第一处理空间具有 第一体积。所述处理室还包括第二处理空间,所述第二处理空间包括所述
第一处理空间并具有大于所述第一体积的第二体积。第一处理空间被配置 用于吸附膜前驱体,第二处理空间被配置为对在第一处理空间中吸附的膜 前驱体进行等离子体还原。


通过以下附图,可以容易地获得关于本发明及其许多附加优点的更完 整的评价。通过下面的详细描述并结合附图,可以更好地理解本发明及其 附加优点。
图1示出了根据本发明的一种实施方式的沉积系统的示意图2示出了根据本发明的一种实施方式的图1的沉积系统的示意图,
其中示出了增大的处理空间;
图3示出了根据本发明的另一种实施方式的沉积系统的示意图4示出了根据本发明的一种实施方式的图3的沉积系统的示意图,
其中示出了增大的处理空间;
图5示出了根据本发明的一种实施方式的用于图1-4的沉积系统的示
意性时序图6示出了根据本发明的一种实施方式的工艺的工艺流程图。
具体实施例方式
在下面的描述中,为了帮助对本发明的全面理解并且出于说明而非限 制的目的,阐述了具体细节,例如沉积系统的特定几何形状以及各种部件的描述。然而,应当理解,在脱离这些具体细节的其他实施方式中也可实 施本发明。
现在参考附图,附图中相似的标号在所有附图中指代相同或相应的部
件,图1示出了例如使用等离子体增强原子层沉积(PEALD)工艺在衬底 上沉积薄膜(例如阻挡膜)的沉积系统1。在生产线后端(BEOL)操作 中,半导体器件的互连和内连结构的金属化期间,薄的保形阻挡层可以沉 积在线路沟槽或过孔上以使金属到层间或层内电介质中的迁移最小化,薄 的保形种子层可以沉积在线路沟槽或过孔上以提供对于主体金属填充具有 可接受的粘附性质的膜,且/或薄的保形粘附层可以沉积在线路沟槽或过孔 上以提供对于金属种子沉积具有可接受的粘附性质的膜。除这些工艺以 外,必须在线路沟槽或过孔内沉积例如铜的主体金属。
这些工艺过去通常需要独立的室来适应每种工艺的具体要求,因为单 个室无法满足所有的工艺需要。例如,为了提供可接受的保形性,优选通 过自限制ALD工艺沉积薄膜阻挡层。由于ALD需要变换不同的处理气 体,因此在较低的沉积速率下进行沉积。本发明人已认识到,在小处理空 间中进行热ALD工艺可加快气体注入和更换气体的排空,这縮短了 ALD 循环。然而,当进行等离子体增强ALD时,由于衬底与上部组件间距较 近,等离子体的均匀性因处理空间体积小而变差。本发明人已认识到, PEALD工艺中的非等离子体步骤可受益于小处理空间体积,从而提高处 理量和/或保护处理气体,而为了在PEALD工艺的等离子体辅助还原步骤 期间维持均匀的等离子体,需要较大的处理空间体积。
在图1中,根据本发明的一种实施方式的沉积系统1包括具有衬底支 架20的处理室10,衬底支架20被配置为支撑其上将沉积薄膜的衬底 25。另外,图1所示的沉积系统1包括与处理室IO和衬底支架20耦合的 处理体积调节系统80,处理体积调节系统80被配置为调节与衬底25相邻 的处理空间的体积。例如,处理体积调节系统80可被配置成在形成具有 第一体积的第一处理空间85的第一位置(见图1)与形成具有第二体积的 第二处理空间85,的第二位置(见图2)之间垂直移动衬底支架20。
如图1和2所示,沉积系统1可包括与衬底支架20耦合并被配置成升
10高和控制衬底25温度的衬底温度控制系统60。衬底温度控制系统60可包 括温度控制元件,例如包括再循环冷却剂流的冷却系统,这种再循环冷却 剂流从衬底支架20接收热量并将热量传输到热交换器系统(未示出), 或者在加热时传输来自热交换器系统的热量。另外,温度控制元件可包括 加热/冷却元件,例如电阻性加热元件或热电加热器/冷却器,这些元件可 以被包括在衬底支架20以及工艺室10的室壁和沉积系统1内的任何其他 部件中。
为了改善衬底25和衬底支架20之间的热传输,衬底支架20可包括机 械夹紧系统或电夹紧系统(例如静电夹紧系统),以将衬底25附着到衬 底支架20的上表面。此外,衬底支架20还可包括衬底背面气体传输系 统,该系统被配置为将气体引入到衬底25的背面,以提高衬底25和衬底 支架20之间的气体间隙热导。这种系统可以用在当升高或降低温度时需 要对衬底进行温度控制的情况下。例如,衬底背面气体系统可包括两区气 体分配系统,其中氦气间隙压强可以在衬底25的中心和边缘之间独立变 化。
衬底支架20与平移衬底支架的真空机构和衬底温度控制系统60的内 部机构一起构成了处理室10的下部室组件。
处理室10还可包括与第一处理材料气体供应系统40、第二处理材料 气体供应系统42和净化气体供应系统44耦合的上部室组件30。因此,上 部室组件30可通过第一处理材料气体供应系统40和第二处理材料气体供 应系统42分别向处理空间85和85'提供气态膜前驱体和还原气体。可以 使用本领域已知的喷淋头设计来将第一和第二处理气体材料均匀地分配到 处理空间85中。示例性的喷淋头更详细地描述在待审的美国专利申请 No.20040123803中,通过引用将其全部内容结合于此,并在此之前通过引 用结合US 11/090255。
沉积系统1可被配置为处理200 mm衬底、300 mm衬底或更大尺寸的 衬底。事实上,可以预期沉积系统可被配置为处理任意尺寸的衬底、晶片 或LCD,本领域技术人员将意识到这一点。可将衬底引入处理室10,并 通过衬底升降装置(未示出)将衬底移至衬底支架20的上表面以及从衬底支架20的上表面移走。
根据本发明的一种实施方式,第一处理材料气体供应系统40和第二 处理材料气体供应系统42可被配置为交替地将气态膜前驱体(即第一处 理气体材料)和还原气体(即第二处理气体材料)引入处理室10。引入第 一处理气体材料与引入第二处理气体材料的交替可以是循环的,或者可以 是非循环的,即在第一和第二处理气体材料的引入之间有可变时间段。作 为气态膜前驱体的第一处理气体材料的组成可包含形成在衬底25上的膜 中存在的基本原子或分子物质。膜前驱体可以最初为固相、液相或气相, 并可以以气相输送到处理室10中。第二处理气体材料可例如包括还原气 体。还原气体可以最初为固相、液相或气相,并可以以气相输送到处理室 10中。下面给出气态膜前驱体和还原气体的示例。
第一材料供应系统140、第二材料供应系统142和净化气体供应系统 144可包括一个或更多个材料源142、 一个或更多个压强控制装置、 一个 或更多个流量控制装置、 一个或更多个过滤器、 一个或更多个阀或者一个 或更多个流量传感器。流量控制装置可包括气压驱动阀、电-机械(电磁) 阀和/或高速率脉冲气体注入阀。示例性的脉冲气体注入系统在待审美国专 利申请No. 20040123803中有更详细的描述,通过引用将其整体结合于 此。
仍然参考图1,本发明的一种实施方式中的沉积系统1包括等离子体 生成系统,该系统被配置为在向处理室10交替引入第一处理气体材料和 第二处理气体材料的至少一部分期间生成等离子体。等离子体生成系统可 包括耦合到处理室10的第一功率源50,第一功率源50被配置为将功率耦 合到第一处理气体材料和/或第二处理气体材料。第一功率源50可包括射 频(RF)发生器和阻抗匹配网络(未示出),还可包括电极(未示出), RF功率通过该电极耦合到处理室IO中的等离子体。电极可以形成在上部 组件30中,并可以被配置为与衬底支架20相对。
阻抗匹配网络可以被配置为用于优化从RF发生器到等离子体的RF功 率的传输,这是通过将匹配网络的输出阻抗与处理室(包括电极和等离子 体)的输入阻抗相匹配而实现的。例如,阻抗匹配网络用来通过减小反射功率来提高到等离子体处理室10中的等离子体的RF功率的传输。匹配网 络拓扑(例如,L型、7T型、T型等)和自动控制方法对于本领域技术人员
来说是公知的。用于RF功率的典型频率可为约0.1-100 MHz。或者,RF 频率可例如为约400 kHz-约60 MHz。另外,RF频率可例如为约13.56或 27.12 MHz。
本发明的一种实施方式中的沉积系统1可包括衬底偏压生成系统,该 系统被配置为在向处理室10交替和循环引入第一处理气体材料和第二处 理气体材料的至少一部分期间生成等离子体。衬底偏压系统可包括耦合到 工艺室10并且被配置为将功率耦合到衬底25的第二功率源52。第二功率 源52可包括射频(RF)发生器和阻抗匹配网络,还可包括电极,RF功率 通过该电极耦合到衬底25。电极可以形成在衬底支架20中。例如,衬底 支架20可以被DC电压电偏置或经由从RF发生器(未示出)通过阻抗匹 配网络(未示出)发送到衬底支架20的RF功率被电偏置在某一 RF电 压。RF偏压的典型频率可为约0.1-100 MHz。用于等离子体处理的RF偏 压系统对于本领域技术人员来说是公知的。或者,RF功率以多个频率被 施加到衬底支架电极。或者,RF频率可例如为约400 kHz-约60MHz。另 外,RF频率可例如为约13.56或27.12 MHz。衬底偏压生成系统可在与等 离子体生成系统不同或相同的频率下操作。
尽管等离子体生成系统和衬底偏压系统在图1中示为分离的实体,但 是它们实际上可包括耦合到衬底支架20的一个或更多个功率源。
此外,处理室IO还通过导管38耦合到包括例如真空泵浦系统34和阀 36的压强控制系统32。压强控制系统32被配置为可控地将处理室10抽空 到适合于在衬底25上形成薄膜并且适合于使用第一和第二处理材料的压 强。
真空泵浦系统34可包括泵浦速度能高达约5000升每秒(以及更大) 的涡轮分子真空泵(TMP),阀36可包括用于节流室压强的门阀。在传 统的用于干法等离子体刻蚀的等离子体处理设备中,通常采用1000到 3000升每秒的TMP。而且,用于监视室压强的设备(未示出)可以耦合 到处理室110。压强测量设备可以例如是可从MKS Instruments Inc.(Andover, MA)购得的628B型Baratron绝对电容压力计。
现在参考图3和4,图中示出了根据本发明的另一种实施方式的使用 等离子体增强原子层沉积(PEALD)在衬底上沉积薄膜(例如阻挡膜)的 沉积系统l'。沉积系统l'包括许多与图1和2中所示的沉积系统1相同的
特征,其中类似的标号代表类似的部件。沉积系统r还包括被配置为包围
图3中的处理空间85或图4中的处理空间85'的周边的护罩24。衬底支架 20还可包括外凸缘22,外凸缘22被配置为当衬底支架20上移形成处理空 间85'时与护罩24耦合。例如,外凸缘22可被设置为与护罩24形成密 封。为了排空处理空间85',护罩24可被配置为允许处理气体穿过(作为 带孔护罩)。如果护罩24不被配置为允许排空处理室85',则可使用与真 空泵浦系统34相似的单独的真空泵浦系统35来排空处理空间85,。
图3和4中所示的护罩24可具有多种用途。护罩24可提供一个简化 的柱形几何结构,在该几何结构中可以更可靠地预测或控制处理空间85 或85,中气体流量。通过在护罩的预定位置上开孔(即带孔护罩),可以 控制流量。类似地,护罩24可以提供最接近等离子体边缘的地线的对称 路径,这可提供能更可靠地预测或控制的均匀等离子体。此外,护罩24 可以是收集在处理室10内壁上正常积累的沉积物的可更换单元。因此, 可在日常维护时更换护罩24,并且延迟需要对处理室10内壁进行清洁的 时间。
现在参考图5,沉积系统1或l'可被配置为进行等离子增强原子层沉 积(PEALD)工艺,其中膜前驱体和还原气体被顺序和交替地引入以在衬 底上形成薄膜。例如,在制备含钽膜的PEALD工艺中,膜前驱体可包括 金属卤化物(例如五氯化钽)或金属有机物(例如 Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3,下文中称为TAIMATA ;关于额外的细 节,请参见美国专利No. 6593484)。在此示例中,还原气体可包括氢气 或氨(丽3) 、 N2禾隨2、 N2H4、 NH(CH3)^N2H3CH3。
在第一时间段向处理室10引入膜前驱体,以使膜前驱体吸附在衬底 25的暴露表面上。优选地,发生材料的单层吸附。然后,如图5所示,在 第二时间段,用净化气体将处理室10净化。在膜前驱体吸附到衬底25上以后,在第三时间段将还原气体引入处理室10,同时通过例如上部组件
30将功率从第一功率源50耦合到还原气体。耦合到还原气体的功率对还
原气体进行加热,以使还原气体离子化和解离,从而形成例如原子氢的解
离物质,解离物质可与被吸附的Ta膜前驱体反应,将被吸附的Ta膜前驱 体还原,从而形成期望的含Ta膜。
在一个实施例中,在图5所示的第一工艺期间,可使用PEALD工艺 来沉积钽(Ta)、氮化钽或碳氮化钽,然后暴露于还原气体,其中Ta前 驱体例如是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,还原气体例如是 H2、 NH3、 N2和H2、 N2H4、 NH(CH3) 2或N2H3CH3。在本发明的PEALD 工艺中,还原气体是被等离子体活化的。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积钛(Ti)、氮化 钛或碳氮化钛时,膜前驱体可包括TiF4、 TiCl4、 TiBr4、 Til4 、 Ti[N(C2H5CH3)]4 (TEMAT) 、 Ti[N(CH3) 2]4 (TDMAT)或Ti[N(C2H5)2]4 (TDEAT),还原气体可包括H2、 NH3、 N2禾B H2、 N2H4、 NH(CH3)2或 N2H3CH3。
作为PEALD工艺的另一个实施例,当沉积钨(W)、氮化钨或碳氮 化钨时,膜前驱体可包括WFe或W(CO)6,还原气体可包括H2、 NH3、 N2 和H2、 N2H4、 NH(CH3)2或N2H3CH3。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积钼(Mo)时,膜 前驱体可包括六氟化钼(MoF6),还原气体可包括H2。
当在ALD工艺中沉积铜时,膜前驱体可包括有机金属化合物和无机 化合物,有机金属化合物例如是Cu(TMVS)(hfac),商品名也称为 CupraSelect , 其可以从作为 Air Products and Chemicals Inc. ( 1969 Palomar Oaks Way, Carlsbad, Calif. 92009)的一个单位的Schumacher得 到,无机化合物例如是CuCl。还原气体可包括H2、 02、 N2、 NH3或H20 中的至少一种。本文所用的术语"A、 B、 C...或X中的至少一种"指所列举元素中的任何一种或者所列举元素中多于一种的任何组合。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积Zr02时,膜前驱 体可包括Zr(N03)4或ZrCl4,还原气体可包括H20。
当在本发明的PEALD工艺中沉积氧化铪时,膜前驱体可包括 Hf(OBUt)4、 Hf(N03)4或HfCl4,还原气体可包括H20。在另一个实施例 中,当沉积铪(Hf)时,膜前驱体可包括HfCl4,还原气体可包括H2。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积铌(Nb)时,膜 前驱体可包括五氯化铌(NbCl5),还原气体可包括H2。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积锌(Zn)时,膜 前驱体可包括二氯化锌(ZnCl2),还原气体可包括H2。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积氧化硅时,膜前 驱体可包括Si(OC2H5)4、 SiH2Cl2、 SiCU或Si(N03)4,还原气体可包括H20 或02。在另一个实施例中,当沉积氮化硅时,膜前驱体可包括SiCU或 SiH2Cl2,还原气体可包括NH3或N2和H2。在另一个实施例中,当沉积 TiN时,膜前驱体可包括硝酸钛(Ti(N03)),还原气体可包括NH3。
在ALD工艺的另一个实施例中,当沉积铝时,膜前驱体可包括氯化 铝(A12C16)或三甲基铝(A1(CH3)3),还原气体可包括H2。当沉积氮化 铝时,膜前驱体可包括三氯化铝或三甲基铝,还原气体可包括NH3或N2 和H2。在另一个实施例中,当沉积氧化铝时,膜前驱体可包括氯化铝或三
甲基铝,还原气体可包括H20或02和H2。
在本发明的PEALD工艺的另一个实施例中,当沉积GaN时,膜前驱 体可包括硝酸镓(Ga(N03)3)或三甲基镓(Ga(CH3)3),还原气体可包括 NH3。
此外,在上述PEALD工艺中,处理体积可在第一体积(VI)与第二 体积(V2)之间变化,其中第一体积(VI)是在第一时间段引入第一处 理气体材料和可选地在第二时间段引入净化气体期间,第二体积(V2)是 在第三时间段引入第二处理气体材料和可选地在第四时间段引入净化气体 期间。针对PEALD工艺的每个工艺步骤,可以选择处理空间的最佳体积 (VI, V2)。例如,第一体积(VI)可以足够小,以使第一处理气体材料通过处理 空间并使一部分第一处理气体材料吸附在衬底表面上。随着处理空间的第 一体积减小,吸附在衬底上所需的第一处理气体材料的量减少,并且在第 一处理空间内交换第一处理气体材料所需的时间减少。例如,随着处理空 间的第一体积减小,停留时间减少,因而允许第一时间段縮短。
此外,例如,第二体积(V2)可被设置为一定体积,在该体积中,由 第二处理材料形成等离子体,可在衬底上方形成均匀的等离子体。当处理 包括半导体晶圆的衬底时,处理空间基本上为圆柱体,该圆柱体以直径
(D)以及衬底与上部组件之间的间距或高度(h)来表征。直径与衬底尺
寸有关,而间距(或高度)可为用于调节处理空间体积的可变参数。对于
均匀的等离子体,衬底(或体积)直径与间距之比(即径高比D/h)可小 于或等于约10,优选小于约5。例如,随着径高比增大,观察到等离子体 均匀度变差,而随着径高比减小,观察到等离子体均匀度改善。例如,当 用等离子体在200 mm的衬底上沉积膜时,间距h应为约20 mm或更大。
例如,引入第一处理材料时的第一体积的间距(从衬底支架20到上 部组件30)对于200 mm的衬底可为小于或等于20 mm (或对于300 mm 的衬底可为小于或等于30 mm),引入第二处理材料时的第二体积的间距 对于200 mm的衬底可大于20 mm (或对于300 mm的衬底可大于或等于 30 mm)。
图6示出了根据本发明的一种实施方式的工艺的流程图。图6的工艺 可通过图1-4的处理系统或任何合适的处理系统来进行。如图6所示,在 步骤610中,工艺开始于将衬底放置在具有衬底上方限定的处理空间的气 相沉积系统中。在步骤620中,将气态膜前驱体引入处理空间。在步骤 630中,处理空间的体积从第一体积增加到第二体积以形成增大的处理空 间。在步骤640中,将还原气体引入增大的处理空间。在步骤650中,由 还原气体形成还原等离子体。
此外,在本发明的一种实施方式中,上述步骤可随工艺的进行而返向 和重复。例如,还原等离子体可被消除,处理空间的体积可从第二体积减 小到第一体积,然后可以重复步骤610-640。在步骤650中,可以通过施加频率为0.1-100 MHz的RF能量来形成 等离子体。在本发明的一个方面,在形成等离子体之前,增大处理空间的 体积以使条件更有利于形成均匀的等离子体。因此,在步骤630中,衬底 支架可移动到改善第二气相沉积工艺的等离子体均匀度的位置。例如,衬 底支架可被设定在一个位置,在该位置上,等离子体的均匀度在整个直径 200 mm的衬底支架上优于2%,或在整个直径200 mm的衬底支架上优于 1%。例如,例如,衬底支架可被设定在一个位置,在该位置上,等离子体 的均匀度在整个直径300 mm的衬底支架上优于2%,或在整个直径300 mm的衬底支架上优于1%。
在步骤650中,还原等离子体的功率密度可小于10 W/cm2,优选小于 1W/cm2。还原等离子体的持续时间可小于20s,优选小于5秒。例如,参 考图l-4,可以通过上部组件30将200-300 W的射频(RF)功率耦合到还 原气体来形成还原等离子体。
在步骤620中,气态膜前驱体被引入衬底上方被护罩包围的区域。在 本发明的一种实施方式中,该护罩可被穿孔,以使气态膜前驱体由于被泵 抽吸通过带孔护罩而被排空。如果护罩不具有孔,则可以独立地抽空处理 空间内部。
在步骤610-640中,沉积的膜可以是金属、金属氧化物、金属氮化 物、金属硅化物或金属碳氮化物中的至少一种膜。例如,膜可以包括钽 膜、氮化钽膜或碳氮化钽膜中的至少一种。在步骤610-640中,沉积的膜 可以是A1膜、Cu膜、Zn膜、金属硅化物膜或含锗膜的至少一种,或者是 独立沉积的这些膜的任意组合或合金。在步骤610-640中,沉积的膜可以 是氧化锆膜、氧化铪膜、氧化硅膜、氮化硅膜、氮化钛膜或GaN膜或这些 膜的任意组合。
在步骤650中,对衬底提供衬底偏压。例如,衬底偏压可以是DC电 压和/或频率为0.1-100 MHz的RF电压。在步骤660之前,电磁功率可耦 合到气相沉积系统,以生成促进第一膜的表面处的还原反应过程的等离子 体。
此外,在引入膜前驱体之后可以引入净化气体。而且,无论存在净化气体与否,可将电磁功率耦合到气相沉积系统以使污染物从气相沉积系统 和/或衬底上脱除。电磁功率可以以等离子体、紫外光和激光的形式耦合到 气相沉积系统中。
如图1-4所示,沉积系统1和l'包括控制器70,控制器70可以耦合 到处理室10、衬底支架20、上部组件30、第一处理材料供应系统40、第 二处理材料供应系统42、净化气体供应系统44、第一功率源50、衬底温 度控制器60和/或处理体积调节系统80。
控制器70可包括微处理器、存储器和能够生成控制电压的数字I/O端 口,该控制电压足以传输并激活到沉积系统1 (r)的输入以及监视来自
沉积系统i (r)的输出,以便于控制和监测上述膜沉积工艺。例如,控
制器70可包括计算机可读介质,其中包含用于实现图6所述步骤的程序 执行指令。此外,控制器70可以耦合到处理室10、衬底支架20、上部组 件30、第一处理材料供应系统40、第二处理材料供应系统42、净化气体 供应系统44、第一功率源50、第二功率源52、衬底温度控制器60和/或 压强控制系统32,并与之交换信息。例如,存储在存储器中的程序可以用
于根据工艺流程激活到沉积系统i (r)的前述部件的输入,以执行上述
非等离子体或等离子体增强沉积工艺中的一种。
控制器70的一个示例是可以从Texas, Austin, Dell Corporation得到的 DELL PRECISION WORKSTATION 610 。然而,控制器70可以实现为 通用计算机系统,其响应于处理器执行包含在存储器中的一条或多条指令 的一个或多个序列而执行本发明的基于微处理器的处理步骤的一部分或全 部。这些指令可以从另一计算机可读介质(例如硬盘或可移动介质驱动 器)读取到控制器存储器中。也可以采用多处理布置中的一个或多个处理 器作为控制器微处理器,以执行包含在主存储器中的指令序列。在可替换 实施方式中,硬连线电路可以用于替代软件指令或者与软件指令相组合。 从而,实施例并不限于硬件电路和软件的任何特定组合。
控制器70包括至少一种计算机可读介质或存储器,例如控制器存储 器,其用于保存根据本发明的教导编程的指令并用于保存数据结构、表、 记录或可能是实现本发明所必需的其他数据。计算机可读介质的示例是致密盘、硬盘、软盘、磁带、磁光盘、PROM (EPROM、 EEPROM、闪存 EPROM) 、 DRAM、 SRAM、 SDRAM、或任何其他磁介质、致密盘(例 如CD-ROM)、或任何其他光介质、穿孔卡、纸带、或其他具有孔图案的 物理介质、载波(下面描述)、或任何其他计算机可读取的介质。
本发明包括存储在计算机可读介质中的任何一种或其组合上的软件, 这些软件用于控制控制器70,用于驱动用于实现本发明的一个或多个设 备,并且/或者用于使得控制器能够与人类用户交互。这些软件可包括但不 限于设备驱动器、操作系统、开发工具和应用软件。这种计算机可读介质 还包括用于执行在实现本发明时执行的处理的全部或一部分(如果处理是 分布式的话)的本发明的计算机程序产品。
本发明的计算机代码设备可以是任何可解释的或可执行的代码机制, 包括但不限于脚本、可解释程序、动态链接库(DLL) 、 Java类和完全可 执行程序。而且,本发明的处理的一部分可以是分布式的以实现更好的性 能、可靠性和/或成本。
这里所用的术语"计算机可读介质"指参与向控制器70的处理器提 供以供执行的指令的任何介质。计算机可读介质可以采取许多形式,包括 但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质例如包括 光盘、磁盘和磁光盘,例如硬盘或可移动介质驱动器。易失性介质包括动 态存储器,例如主存储器。而且,各种形式的计算机可读介质可以用来向 控制器的处理器运送一条或多条指令的一个或多个序列以供执行。例如, 这些指令最初可以承载在远程计算机的磁盘上。远程计算机可以将用于实 现本发明的全部或一部分的指令远程加载到动态存储器中,并通过网络将 指令发送到控制器70。
控制器70可以相对于沉积系统1 (r)位于本地,或者其可以相对于 沉积系统1 (r)位于远处。例如,控制器70可以利用直接连接、内部
网、因特网和无线连接中的至少一种与沉积系统i (r)交换数据。控制
器70可以耦合到例如在客户位置(即,器件制造者等)处的内部网,或
者可以耦合到例如在供应商位置(即,设备制造商)处的内部网。另外,
例如,控制器70可以耦合到因特网。此外,另一台计算机(即,控制器、服务器等)可以经由直接连接、内部网和因特网中的至少一种访问例 如控制器70以交换数据。本领域技术人员还将意识到,控制器70可以经
由无线连接与沉积系统i (r)交换数据。
尽管上面只详细描述了本发明的某些示例性实施方式,但是本领域技 术人员将很容易意识到,在示例性实施例中可以进行许多修改,而基本上 不脱离本发明的新颖教导和优点。
权利要求
1. 一种在气相沉积系统中在衬底上形成薄膜的方法,包括将衬底放置在具有所述衬底上方限定的处理空间的所述气相沉积系统中;将气态膜前驱体引入所述处理空间;在将所述气态膜前驱体引入所述处理空间之后,将所述处理空间的体积从第一体积增加至第二体积,形成增大的处理空间;将还原气体引入所述增大的处理空间;和由所述还原气体形成还原等离子体。
2. 如权利要求l的方法,还包括 消除所述还原等离子体;将所述处理空间的体积从所述第二体积减至所述第一体积;和 重复引入所述膜前驱体、增大所述处理空间的体积、引入所述还原气 体和形成所述等离子体的步骤。
3. 如权利要求1的方法,其中增大所述处理空间的体积包括 将衬底支架移动至提高所述还原等离子体的均匀度的位置。
4. 如权利要求3的方法,其中所述移动包括将所述衬底支架设定在可使等离子体均匀度在整个衬底直径上优于 2%的位置上。
5. 如权利要求4的方法,其中所述移动包括将所述衬底支架设定在可使等离子体均匀度在整个衬底直径上优于 1%的位置上。
6. 如权利要求1的方法,其中所述引入气态膜前驱体、引入还原气体 和形成还原等离子体包括沉积钽膜、氮化钽膜或碳氮化钽膜中的至少一种。
7. 如权利要求1的方法,其中所述引入气态膜前驱体、引入还原气体和形成还原等离子体包括沉积金属膜、金属氧化物膜、金属氮化物膜、金属硅化物膜或金属碳氮化物膜中的至少一种或这些膜的任意组合。
8. 如权利要求1的方法,其中所述引入气态膜前驱体、引入还原气体 和形成还原等离子体包括沉积Cu膜、Al膜、氧化锆膜、氧化铪膜、氧化硅膜、氮化硅膜、氮化钛膜或GaN膜中的至少一种或这些膜的任意组合。
9. 如权利要求1的方法,其中所述引入气态膜前驱体包括将所述气态膜前驱体引入被护罩包围的衬底上方区域。
10. 如权利要求14的方法,还包括通过用泵抽吸所述气态膜前驱体穿过所述护罩上的孔,将所述膜前驱 体从所述衬底上方区域排空。
11. 如权利要求1的方法,其中所述形成还原等离子体包括施加频率为0.1-100 MHz的RF能量。
12. 如权利要求11的方法,其中所述形成还原等离子体包括生成功率密度小于10 W/ct^的还原等离子体。
13. 如权利要求11的方法,其中所述形成还原等离子体包括生成功率密度小于1 W/cn^的还原等离子体。
14. 如权利要求ll的方法,还包括维持所述还原等离子体的时间小于20 s。
15. 如权利要求11的方法,还包括维持所述还原等离子体的时间小于5 s。
16. 如权利要求1的方法,还包括在弓I入气态膜前驱体之后弓I入净化气体。
17. 如权利要求1的方法,还包括至少在还原等离子体期间向所述衬底施加衬底偏压。
18. 如权利要求17的方法,其中所述施加衬底偏压包括利用DC电压或频率为0.1-100 MHz的RF电压对衬底进行偏置。
19. 一种计算机可读介质,其包含用于在衬底处理系统处理器上执行 的程序指令,当所述程序指令被所述处理器执行时,会导致所述衬底处理 系统实施权利要求1-18中所述的任何一个步骤。
20. —种用于在衬底上进行薄膜气相沉积的系统,包括 包括第一处理空间和第二处理空间的处理室,所述第一处理空间具有第一体积,所述第二处理空间包括所述第一处理空间并且具有大于所述第 一体积的第二体积;所述第一处理空间被配置用于原子层沉积;和所述第二处理空间被配置用于对在所述第一处理空间沉积的层进行等 离子体还原。
21. 如权利要求20的系统,还包括衬底支架,其被配置用于在原子层沉积和等离子体还原反应期间支撑所述衬底。
22. 如权利要求21的系统,还包括 具有气体供应入口的第一室组件;和支撑所述衬底支架的第二室组件,其被配置用于支撑用于排空所述处 理室的真空泵。
23. 如权利要求22的系统,其中所述第一处理空间部分地通过小于或等于20 mm的间距来限定,所述间距是从所述衬底支架的顶端到所述第一室组件上的气体供应入口,所述第二处理空间部分地通过大于或等于20 mm的间距来限定,所述间距是从所述衬底支架的顶端到所述第一室组件上的气体供应入口。
24. 如权利要求21的系统,还包括处理体积调节机构,其被配置用于使所述衬底沿着改变所述第一和第 二处理空间的体积的方向移动。
25. 如权利要求20的系统,其中所述第二处理空间包括高宽比大于 0.1的空间。
26. 如权利要求20的系统,其中所述第二处理空间包括高宽比大于 0.5的空间。
27. 如权利要求20的系统,还包括护罩,其被配置成包围所述第一处理空间的外围边缘。
28. 如权利要求27的系统,其中所述护罩包括带孔护罩。
29. 如权利要求27的系统,还包括衬底支架,其被配置用于在原子层沉积和还原等离子体反应期间支撑 所述衬底,并且所述衬底支架的外凸缘被配置成与所述护罩的外围边缘接触。
30. 如权利要求29的系统,其中所述外凸缘被配置成与所述外围边缘 形成密封。
31. 如权利要求30的系统,还包括真空泵,其被配置用于排空至少所述第一处理空间。
32. 如权利要求20的系统,其中所述处理室被配置用于原子层沉积金 属膜、金属氧化物膜、金属氮化物膜、金属硅化物膜和金属碳氮化物膜中 的至少一种或这些膜的任意组合。
33. 如权利要求20的系统,其中所述处理室被配置用于原子层沉积氧 化锆膜、氧化铪膜、氧化硅膜、氮化硅膜、氮化钛膜、氮化钽膜、碳氮化 钽膜、Cu膜、Al膜、Zn膜、Ta膜、Ti膜、W膜、氮化钨膜或GaN膜中 的至少一种或这些膜的任意组合。
34. 如权利要求20的系统,还包括RF功率源,其被配置用于输出频率为0.1-100 MHz的RF能量。
35. 如权利要求34的系统,还包括连接到RF功率源的电极,其被配置用于将所述RF能量耦合到所述第 一和第二处理空间中的至少一个。
36. 如权利要求20的系统,还包括偏压源,其被配置用于输出DC电压或频率为0.1-100 MHz的RF电压 中的至少一种。
37. 如权利要求36的系统,还包括用于对所述衬底施加偏压的电极,所述电极连接到RF偏压源并被配 置成将所述RF电压耦合到所述衬底上。
38. 如权利要求20的系统,还包括控制器,其被配置用于在所述处理室中控制工艺。
39. 如权利要求38的系统,其中所述控制器被编程以进行如下操作将气态膜前驱体引入所述第一处理空间;将支撑衬底的衬底支架移动到第二处理空间的基线位置,以形成增大的处理空间;将还原等离子体气体引入所述增大的处理空间;和 由所述等离子体气体形成还原等离子体。
全文摘要
本发明提供了一种在衬底上进行气相沉积的方法、计算机可读介质和系统,包括将气态膜前驱体引入处理空间;将所述处理空间的体积从第一体积增至第二体积以形成增大的处理空间;将还原气体引入所述增大的处理空间;由所述还原气体形成还原等离子体。用于气相沉积的系统包括具有第一处理空间和第二处理空间的处理室,第二处理空间包括第一处理空间并且具有大于第一体积的第二体积。第一处理空间被配置用于原子层沉积,第二处理空间被配置用于将在第一处理空间沉积的层等离子体还原。
文档编号C23C16/44GK101535524SQ200680051358
公开日2009年9月16日 申请日期2006年11月9日 优先权日2005年11月18日
发明者雅克·法戈特 申请人:东京毅力科创株式会社
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1