抑制喷头背面寄生等离子体的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及半导体处理领域，更具体地涉及抑制喷头背面寄生等离子体的 方法和装置。
【背景技术】
[0002] 在半导体行业中，随着器件和特征尺寸不断变小，并且随着三维器件结构（例如， 英特尔公司的三栅极晶体管架构）在集成电路（1C)设计中变得越来越普遍，沉积薄的共形 膜（具有与下伏结构的形状相对应的均匀厚度的材料膜，尽管下伏结构不是平坦的）的能 力将继续得到重视。原子层沉积（ALD)是非常适合于沉积共形膜的一种膜形成技术，原因 在于以下事实：单个循环ALD仅沉积单一的薄的材料层，其厚度受限于在成膜的化学反应 本身之前可吸附到衬底表面上的一种或多种膜前体反应物的量（即，形成吸附受限层）。然 后可以使用多个"ALD循环"来制成期望厚度的膜，由于每一层是薄的且是共形的，因此，所 得到的膜与下伏的设备结构的形状基本一致。
[0003] 但是，存在与ALD工艺相关联的许多挑战。通常这些挑战必须解决以下事实：每个 ALD循环只沉积薄的吸附受限层，所以需要许多的ALD循环来制成显著厚度的膜。每个循环 需要时间并需要按顺序重复操作用以完成沉积工艺的装置。因此，寻求用改进的方法和装 置来提高晶片处理的速率，并且也改善用于执行ALD操作的衬底处理硬件的寿命和维护要 求。
【发明内容】
[0004] 公开的是采用次级清扫的用途在半导体衬底上沉积材料膜的方法。所述方法可以 包括使膜前体流入处理室并在所述处理室中使所述膜前体吸附到衬底上，使得所述前体在 衬底上形成吸附受限层。所述方法可进一步包括通过用初级清扫气体清扫所述处理室从围 绕所吸附的前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体；以及然后在次级清扫气体流入所 述处理室时使所吸附的膜前体反应，导致在所述衬底上形成膜层。所述次级清扫气体可以 包括具有等于或大于02的电离能和/或解离能的电离能和/或解离能的化学物质。
[0005] 还公开了用于在半导体衬底上沉积材料膜的装置。所述装置可包括：处理室；在 所述处理室中的衬底支架；喷头，其用于使膜前体和初级清扫气体流入所述处理室；喷头 轴环，其用于使次级清扫气体流入所述处理室；一个或多个初级流量阀，其用于控制通过所 述喷头的膜前体的流以及初级清扫气体的流；一个或多个次级流量阀，其用于控制通过所 述喷头轴环的次级清扫气体的流；阀操作式真空源，其用于从所述处理室去除初级和次级 清扫气体，以及用于从所述处理室中的围绕所述衬底的体积去除膜前体；等离子体发生器， 其用于在所述处理室中产生等离子体；以及一个或多个控制器，其包括用于操作所述一个 或多个阀、真空源和等离子体发生器以在半导体衬底上沉积材料膜的机器可读指令。所述 控制器的指令可包括：用于操作所述初级流量阀以使膜前体流入所述处理室的指令；用于 控制所述处理室内的条件，使得膜前体吸附到在所述处理室中的所述衬底上而形成吸附受 限层的指令；用于操作所述初级流量阀以使初级清扫气体流入所述处理室并操作所述阀操 作式真空源以抽空它从而从围绕所吸附的前体的体积去除至少一些未被吸附的膜前体的 指令；用于操作所述等离子体发生器以在所述处理室中形成等离子体，从而所述等离子体 激活所吸附的膜前体的反应以在所述衬底上形成膜层的指令；以及用于在由等离子体激 活所述膜前体的反应的同时，操作所述次级流量阀以使次级清扫气体流入所述处理室的指 令，所述次级清扫气体包括〇2。
【附图说明】
[0006] 图1是具有带有单一处理站的处理室的衬底处理装置的横截面示意图。
[0007] 图2是四站式衬底处理装置的示意图，其具有用于从两个处理站加载和卸载衬底 的衬底搬运机械手和用于操作该装置的控制器。
[0008] 图3是具有喷头和喷头轴环，并具有初级和次级清扫气体流路的单一站式衬底处 理装置的处理室的横截面示意图。
[0009] 图4是沉积速率与RF功率的关系曲线图，用来说明在喷头后方的处理室形成的寄 生等离子体的存在和强度。
[0010] 图5是显示经由ALD工艺在衬底上形成材料膜的操作序列的实施例的流程图。
[0011] 图6是在衬底处理室中的喷头和喷头轴环的更详细的剖面图，还示出了初级和次 级清扫流路。
[0012] 图7是喷头轴环的一个例子的透视图。
[0013] 图8是用于图7的喷头轴环的示例性流体连接器的透视图。
[0014] 图9A和9B是图6的喷头的示例性板的顶部和底部平面图。
【具体实施方式】
[0015] 在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本发明 可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其它情况下，未详细描述公知 的处理操作以免不必要地使本发明难以理解。尽管将会结合具体的详细实施方式描述本发 明，但是应当理解，这些具体的详细实施方式并不旨在限制本发明所公开的创造性构思的 范围。
[0016] 本文公开了用于抑制半导体衬底处理室中寄生等离子体产生的方法和装置，所述 半导体衬底处理室用于通过原子层沉积（ALD)沉积共形膜。
[0017] ALD用于通过执行多个"ALD循环"沉积具有所期望的厚度的膜材料，每个ALD循 环只沉积一薄层材料（常常只有一个分子层厚度）。如在下面详细描述的，用于在处理室 中在衬底上沉积单层材料的基本ALD循环可以包括：（i)将膜前体吸附到衬底上，使得所述 前体形成吸附受限层，（ii)从围绕被吸附的前体的体积去除（至少一些）未被吸附的膜前 体，以及（iii)在去除未被吸附的前体之后，使吸附的膜前体反应以在衬底上形成膜层。通 常情况下，ALD循环另外涉及（iv)从围绕在衬底上形成的膜层的体积去除解吸的膜前体和 /或反应副产物的操作。
[0018] 在操作（ii)和（iv)中的去除可以经由清扫，通过抽真空到基本压强（"抽排至 基压"）将围绕衬底的体积抽空等来完成。在一些实施方式中，这些清扫可以在逻辑上划分 成在本文中称之为"初级清扫"或"突发清扫"，以及"次级清扫"的清扫。初级清扫涉及使 用来源于"初级清扫气体源"的在本文中称之为"初级清扫气体"，并经由初级清扫气体通路 通过一个或多个初级清扫气体入口引入处理室中的物质。类似地，次级清扫涉及使用来源 于"次级清扫气体源"的在本文中称之为"次级清扫气体"，并经由次级清扫气体流路（flow path)通过一个或多个次级清扫气体入口引入处理室中的物质。
[0019] 初级清扫通常在操作（ii)期间进行，在操作（iv)中存在另一清扫的实施方式中， 在该清扫期间也进行初级清扫。但是，初级清扫通常不在操作（i)和（iii)期间进行，并且 在一些实施方式中，在操作（iii)中的反应之前，基本上所有的初级清扫气体可以从处理 室去除。因此，由于初级清扫气体的流是间歇性的，所以初级清扫在本文中也被称为"突发 清扫"（采用"突发清扫气体"）。本文中短语初级清扫和突发清扫被同义地使用。
[0020] 在本文中所称的"次级清扫"可以被认为与"初级清扫"不同。与初级清扫相反， 在操作（iii)中发生反应期间，在次级清扫过程中，气体可以以使得基本上不扰乱或不干 扰在衬底表面上进行的反应过程的方式流入处理室。在一些实施方式中，在操作（i)-(ii) 和/或（iv)期间次级清扫气体也可流入处理室，并且在某些这样的实施方式中，在整个操 作（i)-(iv)的过程中次级清扫气体连续地流入处理室。
[0021] 进入处理室的次级清扫气体的流率可以与进入处理室的初级清扫气体的流 率不同，这要根据实施方式确定。在一些实施方式中，初级清扫气体可以以约1000至 100, OOOsccm，或更优选为约5000至45000sccm，或甚至约10, 000至30, OOOsccm的速率流 入处理室。在一些实施方式中，次级清扫气体可以以约1至50, OOOsccm，或更优选为约1至 30, OOOsccm，或甚至为约1，000至20, OOOsccm的速率流入处理室。
[0022] 在ALD工艺中次级清扫的使用可以具有若干有益效果，有益效果涉及在操作 (iii)期间次级清扫起作用，以及涉及次级清扫气体被引导到处理室的偏远地区，而不是直 接引导在衬底上（与初级清扫相似）。次级清扫气体的流至室的偏远地区，即流至不是紧 邻衬底表面附近的区域，这有助于从处理室去除过量的未被吸附的膜前体，而且，甚至可有 助于防止膜前体首先流到室的这些偏远地区。为了实现后者，然后次级清扫在操作（i)期 间也将起作用，在操作（i)中膜前体流入到室中。例如，在操作（iii)期间，采用次级清扫 来保护室的内表面免受由于在此处发生的反应过程期间前体从衬底表面解吸然后在别处 (如在室的侧壁）重新吸附和反应而造成的任何寄生沉积。在描述被装备以采用次级清扫 的衬底处理装置的详细实施例之前，现在提供膜沉积装置的总体概述。
[0023] 膜沉积装置概述
[0024] 在诸如图1中所示的衬底处理装置中，通常可以执行用于在半导体衬底上沉积膜 的操作。将在下面更详细描述的图1的装置100有单一的处理室102,处理室102具有位于 内部体积内的单一的衬底保持架108,该内部体积可通过真空栗118被保持在真空条件下。 气体输送系统101和喷头106也流体耦合到室以输送（例如）膜前体、载体和/或清扫和/ 或工艺气体、二级反应物等。用于在处理室中产生等离子体的设备也显示于图1并将在下 面进一步详细地描述。在任何情况下，如在下面详细地描述的，在图1示意性地显示的装置 提供了用于在半导体衬底上执行诸如ALD之类的膜沉积操作的基本设备。
[0025] 虽然在某些情况下，像图1那样的衬底处理装置可能是足够的，但是当涉及费时 的膜沉积操作时，通过同时在多个半导体衬底上并行地进行多个沉积操作以提高衬底处理 吞吐量，这可能是有利的。基于这样的目的，如图2所示意性示出的那样，可以采用多站式 衬底处理装置。图2的衬底处理装置200仍采用单个衬底处理室214,然而，在由处理室的 壁所限定的单一内部体积内，是多个衬底处理站，每一个衬底处理站可以用于在被保持在 该处理站的晶片保持架中的衬底上执行处理操作。在该特定实施方式中，多站式衬底处理 装置200被显示为具有4个处理站201、202、203和204。所述装置还采用衬底加载设备 (在这种情况下为衬底搬运机械手226)以在处理站201和202加载衬底，以及衬底传送设 备（在这种情况下为衬底转盘290)以在各处理站201、202、203和204之间传送衬底。其 他类似的多站式处理装置可具有较多或较少的处理站，具体取决于实施方式以及例如并行 晶片处理的期望程度、尺寸/空间的限制、成本限制等。如图2所示，将在下面更详细地描 述的是控制器150,其也有助于执行在原子层沉积（ALD)操作中涉及初级和次级清扫气体 的高效率的衬底沉积操作这一目标。
[0026] 注意，就设备成本和运营费用这两方面而言，通过使用如图2中所显示的那样的 多站式处理装置可以实现多种效率。例如，单个真空栗（未在图2中示出，而是例如图1中 的118)可以被用来为所有的4个处理站创建单个高真空环境，并且可以排空例如所有4个 处理站中的已用过的工艺气体。根据实施方式的不同，每一个处理站可以具有它自己的用 于气体输送的专用喷头（参见，例如，图1中的106)，但共享相同的气体输送系统（例如，图 1中的101)。同样，等离子体发生器设备的某些元件可在处理站之间被共用（例如，电源）， 但是根据实施方式的不同，某些方面可以是处理站专用的（例如，如果喷头用于施加生成 等离子体的电位，参见以下图1的讨论）。然而，再次，应当理解的是，这样的效率还可以通 过每个处理室使用更多或更少数量的处理站（例如每个反应室使用2个、3个、5个、6个、7 个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个或16个、或更多的处理站）而在较大或 较小的程度上实现。
[0027] 次级清扫的实施和应用
[0028] 采用喷头设计的衬底处理装置可特别受益于次级清扫的使用。在这样的设计中， 喷头的主要目的是提供在操作（i)中将膜前体引入到处理室中用于衬底表面吸附的机构。 相比于以其他方法将只有几个喷嘴作为流的点源来实现的方式，该喷头设计使得膜前体