具有多孔挡板的低体积喷淋头的制作方法
【专利说明】具有多孔挡板的低体积喷淋头 关联申请的交叉引用
[0001] 本申请要求 2015 年 3 月 25 日提交的题为"LOWVOLUMESHOWERHEADWITHPOROUS BAFFLE(具有多孔挡板的低体积喷淋头）"的美国专利申请No. 14/668, 511的优先权益， 前述美国申请要求2014年5月5日提交的题为"ULTRALOWVOLUMESHOWERHEADFOR ATOMICLAYERDEPOSITION(用于原子层沉积的超低体积喷淋头）"的美国临时专利申请 No. 61/988, 834的优先权益，这两篇美国专利申请均整体地并出于所有目的援引包含于此。
技术领域
[0002] 本公开总体涉及在半导体处理装置中分配气体的喷淋头。本公开的某些方面涉及 用于在原子层沉积处理中分配气体的具有多孔挡板的低体积喷淋头。
【背景技术】
[0003] 半导体处理工具经常包括被设计成跨半导体衬底或晶片以相对均匀的方式分配 处理气体的部件。这些部件在业内通常被称为"喷淋头"。喷淋头一般包括在某种类型的增 压体积前面的面板。面板可包括多个通孔，这些通孔允许增压体积内的气体流过面板并流 入衬底和面板之间（或支承晶片的晶片支承件和面板之间）的反应空间。通孔一般被布置 成使得跨晶片的气体分配导致基本均一的衬底处理。
【发明内容】
[0004] 本公开涉及用于半导体处理装置中的喷淋头。所述喷淋头包括具有第一表面和与 第一表面相对的第二表面的增压体积，所述第一表面和第二表面至少部分地限定喷淋头的 增压体积。喷淋头还包括：与增压体积流体连通的一个或多个气体入口；包括多个第一通 孔的面板；以及包括多个第二通孔的挡板。多个第一通孔从面板的第一侧延伸至面板的第 二侧，其中面板的第一侧限定增压体积的第一表面。挡板包括多个第二通孔，其中挡板位于 增压体积和一个或多个气体入口之间的区域内。
[0005] 在一些实施方式中，面板的直径比挡板的直径至少大四倍。在一些实施方式中，喷 淋头的体积在大约50毫升和大约500毫升之间。在一些实施方式中，挡板的孔隙率在大约 5%和大约25%之间。在一些实施方式中，相比挡板的中央，多个第二通孔位置更朝向挡板 的边缘。在一些实施方式中，喷淋头进一步包括与面板相对的后板，其中后板的一侧限定增 压体积的第二表面，并且其中增压体积和一个或多个气体入口之间的区域凹进后板的限定 增压体积的第二表面的一侧。
[0006] 本公开还涉及包括前述喷淋头的半导体处理站。所述半导体处理站包括控制器， 该控制器配置有指令以执行下列操作：将衬底提供入半导体处理站；通过喷淋头将反应气 体引入半导体处理站以使其吸附到衬底的表面上；通过喷淋头将清洗气体引入到半导体处 理站内；以及施加等离子体以从衬底表面上吸附的反应气体形成薄膜层。
[0007] 在一些实施方式中，薄膜层的膜不均一性小于大约0. 5%。在一些实施方式中，膜 不均一性与和引入气体反应物、引入清洗气体和施加等离子体中的一者或多者关联的一个 或多个处理参数解除联系。在一些实施方式中，在原子层沉积（ALD)循环中形成薄膜层是 在小于约1. 5秒的时间内执行的。
[0008] 本公开也涉及包括前面提到的半导体处理站的半导体处理工具。在一些实施方式 中，半导体处理工具包括步进式光刻机（stepper)。
【附图说明】
[0009] 图1示出具有挡板的示例性喷淋头的等距剖视图。
[0010] 图2示出具有多孔挡板的示例性低体积喷淋头的等距剖视图。
[0011] 图3示出图2的低体积喷淋头中的多孔挡板的放大的等距剖视图。
[0012] 图4示出两个示例性喷淋头的侧剖视图的并排比较。
[0013] 图5示出低体积喷淋头中的面板和多孔挡板的通孔布置的示例性布局。
[0014] 图6A示出包括挡板的示例性喷淋头的一部分的侧剖视图，其中箭头指示喷淋头 内的名义气体流动方向。
[0015] 图6B示出包括多孔挡板的示例性低体积喷淋头的一部分的侧剖视图，其中箭头 指示低体积喷淋头内的名义气体流动方向。
[0016] 图7A示出喷淋头内的示例性挡板的等距图。
[0017] 图7B示出喷淋头内包括多个通孔的示例性挡板的等距图。
[0018] 图8示出描绘来自喷淋头的面板的气体的轴向流速因变于面板的径向尺寸的曲 线图。
[0019] 图9示出描绘两个喷淋头的原子层沉积的不均一性的百分比的曲线图。
[0020] 图10示出可包括具有多孔挡板的低体积喷淋头的多站处理工具的示意图。
【具体实施方式】
[0021] 在下面的描述中，阐述了多个具体细节以提供对所提出的理念的透彻理解。所提 出的理念没有这些具体细节中的一些或全部也可以实施。在其它情况下，尚未详细地描述 公知的处理操作以避免不必要地模糊所描述的理念。尽管将结合具体实施例描述一些理 念，但将理解这些实施例不旨在构成限制。
[0022] 在本申请中，术语"半导体晶片"、"晶片"、"衬底"、"晶片衬底"和"部分制造的集成 电路"是可互换使用的。本领域内普通技术人员将理解，术语"部分制造的集成电路"可指 代在其上的多个阶段集成电路制造中的任何阶段期间的硅晶片。用于半导体器件产业中的 晶片或衬底典型地具有200mm或300mm或450mm的直径。下面的详细描述假设本发明被实 现在晶片上。然而，本发明并不仅限于此。工件可以是多种形状、尺寸和材料的。除了半导 体晶片，可从本发明获益的其它工件可包括多种物品，例如印刷电路板、磁记录介质、磁记 录传感器、镜、光学元件、微机械器件等等。
[0023] 在本公开的一些附图和描述中已采纳了若干惯例。例如，在多处引述"体积"，例如 "增压体积"。这些体积一般在各附图中指出，但要理解这些附图和伴随的数值标记表示这 些体积的近似值并且实际体积可例如延伸至对体积构成约束的多个固体表面。多个较小体 积一一例如导向通过增压体积的否则为实心的边界表面的气体入口或其它孔一一可流体 连接至增压体积。
[0024] 要理解，例如"之上"、"在……顶部"、"之下"、"下面"等相对术语的使用被理解为 指代一些部件相对于喷淋头正常使用期间这些部件的取向的空间关系。换句话说，喷淋头 被取向以在衬底处理操作期间朝向衬底向下分配气体。 引言
[0025] 在用于半导体处理中的多种沉积技术之中，一种特定的沉积技术可包括原子层沉 积（ALD)。相比其中使用热活化气相反应来沉积薄膜的化学气相沉积（CVD)处理，ALD处理 使用表面介导的沉积反应以在逐层基础上沉积薄膜。在一示例性ALD处理中，包括成群的 表面活化位点的衬底表面暴露于第一薄膜前体（Pl)的气相分布。Pl的一些分子可在衬底 表面顶上形成凝聚相，所述衬底表面包括化学吸附的物种和物理吸附的Pl分子。反应器随 后被排空以去除气相和物理吸附的P1，由此仅剩下化学吸附的物种。随后将第二薄膜前体 (P2)引入到反应器，以使P2的一些分子吸附至衬底表面。反应器可再次被排空，这次去除 无约束的P2。接着，被提供至衬底的能量激活所吸附的Pl分子和P2分子之间的表面反应， 由此形成薄膜层。最后，反应器被排空以去除反应副产品和可能未反应的Pl和P2,由此结 束ALD循环。可包括额外的ALD循环以建立膜厚度。
[0026] 根据前体投配步骤的暴露时间以及前体的粘附因数，每个ALD循环可沉积一薄膜 层，该薄膜层在一个例子中厚度在1/2和3埃之间。每个ALD循环可持续大约5秒或更短 时间、大约3秒或更短时间或大约2秒或更短时间。
[0027] 共形膜沉积（CFD)是一种沉积技术，与ALD技术的相似点在于：在多个循环上执行 沉积，其中每个循环利用少量的反应物或前体。典型地，产生CFD膜的表面反应是通过使表 面吸附的反应物暴露于等离子体、紫外光辐射或类似源而被激活的。在一些情形下，在可包 括若干CFD循环的沉积处理期间一种反应物连续地流过。不像ALD处理，许多CFD处理可 允许两种或更多种反应物以气相形式共存于室内。在CFD中，ALD处理中描述的一个或多 个处理步骤在示例性CFD处理中可被缩短或省去。使用CFD形成薄膜的方法记载在2011 年4月11日提交的美国专利申请No. 13/084,399中，并且该文献出于所有目的援引包含于 此。作为背景，提供了对CFD的简短描述。
[0028] 总体来说，CFD循环是可对表面沉积反应执行的操作的最小集。一个循环的结果 是在衬底表面上产生至少部分薄膜层。典型地，CFD循环将仅包括传递每种反应物并使之 吸附至衬底表面并随后使那些吸附的反应物起反应以形成部分薄膜层所需的那些步骤。当 然，循环可包括某些辅助步骤，例如在沉积时扫除一种或多种反应物或副产品和/或处理 部分薄膜。总体来说，循环仅包含唯一操作顺序的一个例子。例如，循环可包括下列操作： (i)反应物A的传递/吸附；（ii)反应物B的传递/吸附；（iii)使用清洗气体将B扫除出 反应室；以及（iv)施加等离子体以促成A和B的表面反应以在表面上形成部分薄膜层。在 一些实施方式中，这些步骤可表征为投配步骤、清洗步骤和等离子体步骤。在一些实施方式 中，可在循环中引入后等离子体清洗步骤以进一步清洗。
[0029] 一些实施方式可使用不同的处理顺序。一种可能的处理包括下列操作顺序：1)连 续地使辅助反应物流过；2)提供含硅反应物或其它基本反应物配料；3)清洗1 ;4)使衬底 暴露于RF等离子体；5)清洗2。另一替代处理包括下列操作顺序：1)连续地使惰性气体流 过；2)提供含硅反应物或其它基本反应物配料；3)清洗1 ;4)在提供氧化物或其它辅助反 应物配料的同时使衬底暴露于RF等离子体；5)清洗2。
[0030] 总体来说，"扫除"或"清洗"阶段构思成从反应室去除或清洗气相反应物并典型地 仅在该反应物传递完成之后进行。换句话说，反应物在清洗阶段期间不再被传递至反应室。 然而，反应物在清洗阶段期间仍然吸附在衬底表面上。典型地，清洗用来在反应物吸附在衬 底表面上达到要求水平之后去除室内的任何残留的气相反应物。清洗阶段也可从衬底表面 去除弱吸附的物种（例如某些前体配体或反应副产品）。
[0031] 在半导体处理设备中，喷淋头经常用来以理想方式（例如以均匀分布方式）跨半 导体衬底地分配处理气体。喷淋头典型地包括由面板约束的增压结构，所述面板具有引至 喷淋头外侧的多个气体分配孔。面板典型地面向在半导体处理室或反应室内的衬底反应 区，并且衬底一般在半导体处理室内被布置在面板下面，例如在将晶片支承在面板下面的 一个位置的晶片支承件或底座上。
[0032] 薄膜在ALD中以自限方式和自饱和方式在衬底表面上生长。换句话说，前体被传 递并以自限方式与表面反应，由此一旦表面上的所有反应位