一种增强清洗效果的沉积系统及方法与流程

本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种可增强清洗效果的沉积系统及方法。

背景技术：

在半导体行业中，随着电子器件的几何尺寸不断减小以及器件的密集度不断提高，特征尺寸和高宽比变得越来越有挑战性。原子层沉积(atomiclayerdeposition，ald)就是为了应对这种挑战而提出的一种新的薄膜沉积方法。原子层沉积以其独特的自限制性生长模式，使其具有薄膜生长厚度精确可控、优异的保形性、成分可控等优点，越来越受到全世界科技工作者的关注。

热诱导ald过程是最普通的ald技术，其使用热量使两种反应物之间产生化学反应。尽管热诱导ald过程有效地用于沉积一些材料，但是该过程也同时具有低沉积率的问题。因此，其加工产量可能缩减到不能接受的水平。此外，虽然沉积率在更高的沉积温度下可能增加，但是，许多化学先驱物，特别是金属有机化合物，在高温下却会分解。

等离子体增强原子层沉积(peald)可以用于形成各种材料。在一些peald过程的示例中，材料可以由与热诱导ald过程相同的化学先驱物形成，但是会以更高的沉积率和更低的温度形成。尽管存在一些不同的技术，但是一般地，peald过程提供的是将反应气体和反应等离子体相继地引入含有基底的沉积室中。第一种反应气体被脉冲引入沉积室中并被吸收到基底表面上。之后，反应等离子体被脉冲引入沉积室并与第一种反应气体反应，以形成沉积材料。类似热诱导ald过程，可以在各反应物的传输之间进行净化步骤。尽管peald过程由于等离子体内反应基的高度反应而克服了热诱导ald过程的一些缺点，但是peald过程还是具有很多局限性。例如，peald过程可能对基底造成等离子体损伤，也可能与一些化学先驱物不相容，并且需要额外的硬件。

一种典型的容性耦合peald反应腔室100的具体结构可如图1所示：等离子体源(rps)110通过主管道121直接与喷淋头(showerhead)111连接。反应气体和清扫气体通过清扫气体管道112通入主管道121。喷淋头111周围通过绝缘环125与腔室上盖119相连。喷淋头上方通过覆盖在腔室上盖上的绝缘板117与外界隔离。基座114位于喷淋头下方的反应腔室内。在基座周围设有约束环116，约束环用于将等离子体束缚在反应区域127内。反应区域是指约束环116以内、喷淋头11和基座114之间的空间区域；而约束环116和腔室内壁120之间的空间区域则为非反应区域128。

如图2所示，当peald的交替反应进行时，除了位于反应区域内基座上的基片表面会有反应生成物，反应区域外非反应区域的腔室内壁上、约束环以及绝缘环上也会有少量的副反应沉积物134生成。为防止固体电解质沉积在绝缘环上导通喷淋头和腔室，导致射频耦合接地问题，同时也考虑到喷淋头和腔室的热膨胀系数，一般都会选择使绝缘环和腔室上盖之间保持3mm左右的间隙133。但是经过长时间的工艺反应，该间隙133很容易积累微小颗粒，成为颗粒源。

在pm周期中进行等离子源清洗时，由于用于清洗的气体是在腔室外进行激发，因此在腔室内的分布与是否接地无关，只受到气流的影响，并且气流距离越远、越长清洗效果就越差。因此经过喷淋头进入腔室的清洗气体很难清洗到约束环外壁、绝缘环与腔室上盖之间的间隙等死区(即等离子源很难清洗到的区域)。

当peald反应与清洗过程不断交替进行时，非反应区域的约束环外壁上附着的沉积物会越来越多，绝缘环与腔室上盖之间的间隙中积累的颗粒也会不断增多，从而影响到颗粒、放电稳定性等工艺性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种增强清洗效果的沉积系统及方法，通过增加次级清扫通道，能够增加对非反应区域的清扫程度，减少副反应生成物在非反应区域壁上的沉积，阻挡微粒在间隙内积累形成微粒源，从而能保证工艺性能稳定性，提高等离子体源对死区的清洗效果，从而延长人工pm周期。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种增强清洗效果的沉积系统，包括：

反应腔室，内设有基座，所述基座上方设有喷淋头，所述喷淋头周围通过绝缘环与腔室上盖相连，所述喷淋头上方覆盖有绝缘板，所述基座周围设有约束环，所述约束环以内、所述喷淋头和所述基座之间空间区域为反应区域，所述约束环和腔室内壁之间空间区域为非反应区域；

初级清扫通道，用于对所述反应区域通入清扫气体进行清扫；

次级清扫通道，用于对所述非反应区域通入清扫气体进行清扫。

优选地，初级清扫通道由主管道、连接到所述主管道的清扫气体管道及所述喷淋头组成；

次级清扫通道由所述主管道、第一分支管道、第二分支管道及气道组成，所述第一分支管道一端连接主管道，另一端与第二分支管道一端连通后连接到所述气道，第二分支管道另一端连接外部清扫气源。

优选地，所述气道为从上到下依次贯穿所述绝缘板、所述绝缘环和所述腔室上盖通向非反应区域的通道。

优选地，所述气道为从所述反应腔室外部向内部贯穿所述绝缘环侧壁通向非反应区域的通道。

优选地，所述气道沿所述反应腔室的圆周方向对称设置多个。

优选地，所述腔室上盖面向腔室内部的下端面及侧壁形成转折的l形的内凹部，所述内凹部对应设置有l形的匀气罩，所述匀气罩上设置有气孔，所述内凹部与所述匀气罩之间形成匀气空腔，所述气道与所述匀气空腔连通。

优选地，所述气孔为多个，设于匀气罩的下端面和侧壁。

优选地，所述匀气罩通过螺栓固定连接在所述内凹部上。

优选地，还包括等离子体源，所述等离子体源连接主管道，用于通过所述初级清扫通道对所述反应区域通入等离子体进行清洗，并且，通过所述次级清扫通道对所述非反应区域通入等离子体进行清洗。

本发明还提供了一种增强清洗效果的方法，包括清扫方法，

在反应过程中，打开清扫气体管道、主管道，通过初级清扫通道的喷淋头向反应腔室内通入清扫气体，对反应区域进行清扫，并且，打开第二分支管道及外部清扫气源，通过次级清扫通道的气道、气孔向反应腔室内通入清扫气体，对非反应区域进行清扫，以抑制在非反应区域形成副产物和在间隙中积累颗粒。

优选地，还包括清洗方法，在进行腔室清洗时，打开主管道和等离子体源，通过初级清扫通道的喷淋头向反应腔室内通入等离子体作为清洗气体，对反应区域进行清洗，并且，打开第一分支管道，通过次级清扫通道的气道、气孔向反应腔室内通入等离子体作为清洗气体，对非反应区域进行清洗，以增强对非反应区域尤其是间隙部位的清洗效果。

优选地，所述清洗方法还包括，在进行腔室清洗前后，通过所述清扫方法对所述反应区域和所述非反应区域进行清扫。

优选地，在进行腔室清洗时，通过调整清洗气体通入初级清扫通道、次级清扫通道的先后顺序以及通入时间，提高非反应区域的清洗效果。

优选地，所述反应进行多次后，进行一次腔室清洗。

优选地，所述清扫气体的通入流量为工艺气体流量的1/20～1/10。

本发明具有以下优点：

1)次级清扫通道可作为保护气体通道，可以有效地防止非反应区域壁上沉积副反应产物。

2)从根本上抑制了在间隙等死区积累颗粒的问题，因此可提高等离子体稳定性，保证工艺性能。

3)在工艺执行过程中多一种吹扫通道的选择，有利于工艺性能的优化。

4)提高了等离子体源对死区的清洗效果，因此可延长人工pm周期，节约成本。

附图说明

图1是现有的一种peald反应腔室结构示意图；

图2是副反应沉积物在图1反应腔室中的分布状态示意图；

图3是本发明一较佳实施例的一种增强清洗效果的沉积系统结构示意图；

图4是图3中a部的局部放大结构示意图；

图5是本发明一较佳实施例的根据本发明一种增强清洗效果的方法进行反应的工艺流程图；

图6是本发明一较佳实施例的根据本发明一种增强清洗效果的方法进行腔室清洗的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。

在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图3，图3是本发明一较佳实施例的一种增强清洗效果的沉积系统结构示意图。如图3所示，本发明的一种增强清洗效果的沉积系统，可以是一种peald系统，包括反应腔室200以及设置在反应腔室200上的初级清扫通道、次级清扫通道。

请参阅图3。在反应腔室200内设有基座214，用于在其上放置基片；基座214可通过转轴215连接驱动电机；基座接地并且可具有加热功能。在基座上方设有喷淋头(showerhead)211，喷淋头211周围通过绝缘环218与腔室上盖219相连。喷淋头211上方通过覆盖在腔室上盖219上的绝缘板217与外界隔离。射频馈入215将射频直接加载到喷淋头211上；喷淋头既是上电极结构，同时还具有对工艺气体进行匀气的作用。

基座214周围设有约束等离子体的约束环216，约束环216用于将反应中形成的等离子体束缚在反应区域227内。约束环216将反应腔室内部空间进行分隔，形成位于约束环216以内、喷淋头211和基座214之间空间区域的反应区域227，以及位于约束环216和腔室内壁220之间空间区域的非反应区域228。

绝缘环218和约束环216可以是陶瓷等绝缘材料。

反应腔室外设有等离子体源(rps)210，等离子体源210通过主管道221直接与喷淋头211连接。主管道221连接清扫气体管道212；反应气体和清扫气体通过清扫气体管道212通入主管道221。在清扫气体管道和主管道上可分别设有阀门，用于控制反应气体/清扫气体输入及隔绝等离子体源。在腔室内壁220底部还设有工艺排气系统213。

绝缘环218侧壁与腔室上盖219侧壁之间具有通向非反应区域228的间隙233。当peald的交替反应进行时，除了位于反应区域227内基座214上的基片表面会有反应生成物，反应区域外非反应区域228的腔室内壁上、约束环以及绝缘环上也会有少量的副反应沉积物生成。为防止固体电解质沉积在绝缘环上导通喷淋头和腔室，导致射频耦合接地问题，同时也考虑到喷淋头和腔室的热膨胀系数，因此在绝缘环218和腔室上盖219之间保持有约3mm左右的间隙233。但是经过长时间的工艺反应，该间隙233很容易积累微小颗粒，成为颗粒源(请参考图2及背景技术部分描述)。

此外，在pm周期中进行等离子源清洗时，经过喷淋头211进入腔室的清洗气体很难清洗到约束环216外壁、绝缘环218与腔室上盖219之间的间隙233等死区(即等离子源很难清洗到的区域)。

因此，本发明通过在反应腔室上同时设置初级清扫通道和次级清扫通道来解决上述问题。

请参阅图3。初级清扫通道至少可由清扫气体管道212、主管道221、喷淋头211组成。初级清扫通道可用于在peald反应过程中，对反应区域227通入清扫气体进行清扫，或可用于在进行腔室清洗时，对反应区域227通入经等离子体源210产生的激发态气体(等离子体)作为清洗气体进行清洗。

初级清扫通道与工艺前驱体、反应气体的通入通道属于同一传输通道；清扫气体由清扫气体管道进入初级清扫通道，并通过喷淋头进入腔室，保证了传输通道中的清扫效果。

请参阅图3和图4。次级清扫通道至少可由主管道221、第一分支管道223、第二分支管道223’及气道225组成。气道225为从上到下依次穿过绝缘板217、绝缘环218和腔室上盖219通向非反应区域的通道，同时，气道225也可设置为，从腔室外侧沿绝缘环218贯穿到腔室内侧通向分反应区的通道(图中未示出)，或者气道也可以设置为其他形式由腔室外通入腔室内的非反应区。

气道225的下端连接分设于腔室上盖下端面及其面向间隙233的侧壁表面的多个气孔232和232’；气道225的上端可设有第一分支管道223、第二分支管道223’，用于分别连接主管道221、外部清扫气源(未示出)。在第一分支管道223和第二分支管道223’上可分别设有阀门，用于控制经等离子体源产生的激发态气体的通入以及控制外部清扫气体的通入。

第二分支管道223’也可连接至清扫气体管道212，以便由清扫气体管道向次级清扫通道直接提供清扫气体。

次级清扫通道可用于在peald反应过程中，对非反应区域228通入清扫气体进行清扫，以抑制在非反应区域形成副产物和颗粒(微粒)，或可用于在进行腔室清洗时，对非反应区域228通入经等离子体源210产生的激发态气体(等离子体)作为清洗气体进行清洗，以增强对非反应区域的清洗效果。次级清扫通道并可作为保护气体通道，可以有效地防止在非反应区域壁上沉积副反应产物。并且，通过增设次级清扫通道，在工艺执行过程中可多一种吹扫通道的选择，有利于工艺性能的优化。

由于腔室上盖219通常为环状，为了使由气道225通入的清扫/清洗气体能同时均匀地达到各气孔232和232’，可在上盖225内设置环绕上盖的匀气空腔，使匀气空腔分别连接气道225和气孔232、232’。

当外部清扫气体(不参与peald反应的气体，用来清扫反应前驱体和第二反应气体，可以使用n2或者ar等)通过次级清扫通道的气道225进入匀气空腔，然后再通过气孔232和232’均匀地从上盖219底部和侧壁间隙233进入腔室，这样就在增强了非反应区域228清扫程度的同时，也在腔室上盖和绝缘环之间的间隙233形成保护气体，可以有效防止微小颗粒在该间隙内积累，因而从根本上抑制了在间隙等死区积累颗粒的问题，提高了等离子体源对死区的清洗效果，因此可提高等离子体稳定性，保证工艺性能，并因此延长了人工pm周期，节约了成本。

气道225的直径优选为6mm左右；为了保证进气的均匀，气道225可在上盖219中对称设置多个，比如可以在上盖四个对称的位置增设气道。

请参阅图4。作为一具体的实施方式，为了形成次级清扫通道，可在腔室上盖219的下端面及其面向间隙233的侧壁部位加工出具有转折的l形内凹部，例如，可使得上盖219结构水平的下部和竖直的侧部在原有的结构上内凹10mm左右。在此内凹的位置上对应罩设一个l形的匀气罩230，匀气罩230的周边具有台阶，在将匀气罩230罩在上述上盖219的内凹部后，即可在l形内凹部与匀气罩之间形成匀气空腔229。匀气罩230周边可通过内六角螺栓231与上盖219的内凹部结构固定。在上盖中加工出气道，使气道在腔室上盖的l形内凹部表面形成开口，从而与匀气空腔连通。

同时，在位于腔室上盖219下端及其面向间隙233的侧壁位置均匀加工出贯通匀气罩230的多个气孔232、232’。将匀气罩230下端面的气孔232的直径加工成小于1.5mm，优选0.8mm；其中，气孔232的分布密度为横向间隔1cm，纵向间隔5cm。位于腔室上盖面向间隙233的竖直侧壁表面的气孔可设于间隙的上端位置，例如，在匀气罩230竖直的侧壁上只在其最上端加工出均匀分布的两排气孔232’，气孔232’直径大小在1.5mm左右，分布间距1cm。从这两排气孔232’喷出的气流可从间隙233上端起对间隙进行有效吹扫，将可能存在的颗粒吹向非反应区域228，并最终通过工艺排气系统213排出腔室。

匀气罩的材质可以是不锈钢或者是铝合金，优选铝合金，并可对表面做阳极氧化处理。还可对匀气罩上横向和纵向的气孔作倒角处理。

腔室上盖和匀气罩之间并不需要很好的气密性，只需要保证相互间接触面的平整，以及在连接固定后没有明显的气体流出即可。

以下通过具体实施方式及附图，对本发明一种增强清洗效果的方法进行详细说明。

请参阅图5和图6，图5是本发明一较佳实施例的根据本发明一种增强清洗效果的方法进行反应的工艺流程图，图6是本发明一较佳实施例的根据本发明一种增强清洗效果的方法进行腔室清洗的工艺流程图；同时，请结合参阅图3和图4。本发明的一种增强清洗效果的方法，可使用上述的增强清洗效果的沉积系统(peald系统)，可包括以下具体方法：

如图5所示，其显示一种可增强清洗效果的清扫方法。在一般的例如peald反应过程中，所有的前驱体、反应气体(包括形成的等离子体)和惰性气体(清扫气体)都是通过初级清扫通道的喷淋头交替进入腔室的(见图示右列框图)，并循环若干次后在基片上达到预期厚度的沉积材料时结束工艺。这样可以保证反应区域内气流分布的均匀性，但是，这样并不利于非反应区域内前驱体和反应气体的清扫效果。因此，本发明通过初级清扫通道及增加次级清扫通道，在例如peald反应过程中，打开清扫气体管道212、主管道221，通过初级清扫通道的喷淋头211向反应腔室200内通入清扫气体(惰性气体)，通过吹扫初级清扫通道，对反应区域227进行清扫(见图示右列框图)；并且，打开第二分支管道和外部清扫气源，通过次级清扫通道的气道225、气孔232和232’向反应腔室200内通入清扫气体(惰性气体)，通过吹扫次级清扫通道，对包括绝缘环侧壁与腔室上盖侧壁之间间隙233在内的非反应区域228进行清扫(见图示左列框图)，以抑制在非反应区域形成副产物和在间隙中积累颗粒。

如图6所示，其显示一种可增强清洗效果的清洗方法。在pm周期中通过等离子体源210进行腔室清洗时，可先打开清扫气体管道212、主管道221，并打开次级清扫通道的第二分支管道223’与外部清扫气源连通，通入惰性气体同时吹扫初级清扫通道和次级清扫通道。然后，启动等离子体源210，通过初级清扫通道的喷淋头211向反应腔室200内通入经等离子体源210产生的激发态气体作为清洗气体，对反应区域227进行清洗；并且，将次级清扫通道的第一分支管道223与主管道221连通，使得次级清扫通道与等离子体源连通，以便通过次级清扫通道的气道225、匀气空腔229、气孔232和232’向反应腔室200内通入同样经等离子体源210产生的激发态气体作为清洗气体，对包括绝缘环侧壁与腔室上盖侧壁之间间隙233在内的非反应区域228进行清洗，以增强对非反应区域尤其是间隙部位的清洗效果。上述清洗过程可根据需要循环多次，直至将腔室200内的反应区域227和非反应区域228都清洗干净为止。

作为进一步可选的实施方式，在上述peald反应过程中，可在peald反应前后及整个反应过程中都通过次级清扫通道持续通入清扫气体，利用清扫气体在非反应区域形成保护气体，可以进一步减少副产物和颗粒在非反应区域的形成。这种情况下，清扫气体的通入流量不应超过工艺气体的总流量，且通常为工艺气体流量的1/20～1/10为宜。

也可以在上述peald反应过程中，将原有的清扫步骤分为两步来执行：即先通过初级清扫通道对反应区域进行清扫，然后再通过次级清扫通道对非反应区域进行清扫。

此外，在进行腔室清洗的前后，都可通过上述清扫方法对所述反应区域和所述非反应区域进行清扫，所述清扫气体的通入流量为工艺气体流量的1/20～1/10。在上述进行腔室清洗时，还可通过调整清洗气体通入初级清扫通道、次级清扫通道的先后顺序以及通入时间，提高非反应区域尤其是死区(rps很难清洗到的区域)的清洗效果。在所述peald反应进行多次后，就需要进行一次腔室清洗。

本发明包括但不限于等离子体增强ald设备中，也可应用于热诱导ald设备和等离子体增强cvd设备中。

综上，本发明通过在初级清扫通道基础上增加次级清扫通道，能够增加对非反应区域的清扫程度，减少副反应生成物在非反应区域壁上的沉积，并阻挡微粒在腔室上盖与绝缘环之间的间隙内积累形成微粒源，从而能保证工艺性能的稳定性，提高等离子体源对死区的清洗效果，并由此延长了人工pm周期，从而节约了成本。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。