用于在低温ald系统中的稳定沉积率控制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，更具体地涉及用于在低温ALD系统中的稳定 沉积率控制的方法和装置。
【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（IC)设计中变得越来越普遍，沉积薄的保形 膜（具有均匀厚度的与下伏结构的形状相对应的材料膜，即使下伏结构不平坦也如此）的 能力将继续得到重视。原子层沉积（ALD)是非常适合于沉积保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保形的，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。出于这个 原因，为了经由ALD从晶片到晶片沉积均匀厚度的膜，尽量减少在可能造成所沉积的膜可 测量的变化的工艺条件的任何变化是重要的。因此，寻求用改进的方法和装置来改进在多 个半导体衬底上执行的多个ALD循环的工艺条件的一致性、可控性和/或重复性。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法。所述方法可以包 括：在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；以及在衬底 保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底 保持架上的衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层。所述方法还可以包括：从 包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及之后，使所吸附的 膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。在一些实施方式中，所述第一温度可以比所述第二 温度高至少10 °c。
[0005] 本发明还公开了在处理室中在半导体衬底上沉积材料膜的方法。所述方法可以包 括：在喷头基本上维持在第一温度时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；以及当衬底 保持架基本上维持在第二温度时，使所述膜前体吸附到在所述处理室中的保持在所述衬底 保持架上的衬底上，使得所述前体在所述衬底上形成吸附受限层。所述方法还可以包括：从 包围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及之后，使所吸附的 膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。在一些实施方式中，所述第一温度处于或低于所述 第二温度。
[0006] 本发明还公开了用于在半导体衬底上沉积材料膜的装置，所述装置包括：处理室； 在所述处理室中的衬底保持架；喷头，其用于使膜前体流入所述处理室；真空源，其用于从 包围所述处理室中的所述衬底的体积去除未被吸附的膜前体；以及一个或多个控制器。所 述一个或多个控制器可以包括用于操作所述喷头和真空源以在所述衬底上沉积材料膜的 机器可读指令。所述指令可以包括用于以下操作的指令：在使喷头基本上维持在第一温度 时，使膜前体穿过所述喷头流入处理室内；控制所述处理室内的条件，使得在所述衬底保持 架基本上维持在第二温度时，膜前体吸附到在所述处理室中的被保持在衬底保持架上的衬 底上，从而在所述衬底上形成吸附受限层，所述第二温度比所述第一温度低至少KTC ;从包 围所吸附的所述膜前体的体积除去至少一些未被吸附的膜前体；以及在去除所述未被吸附 的膜前体之后，使所吸附的膜前体反应，以在所述衬底上形成膜层。
【附图说明】
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 图3A显示了在一批50个晶片上沉积（通过ALD)的结果，其中在前25个晶片后 插入远程等离子体清洁。
[0010] 图3B是对于基座温度设定点50 °C、60 °C和70 °C，"厚度变量"（在远程等离子体清 洁前后所沉积的膜厚的变化）与喷头温度的关系图。
[0011] 图3C是"厚度变量"与喷头温度的关系图，其来自使用喷头温度调节的若干个工 艺和没有使用喷头温度调节的一个工艺。
[0012] 图3D显示了在没有同时进行喷头加热的情况下，所沉积的膜厚度与基座温度设 定点的关系图及线性拟合。
[0013] 图3E显示了在同时将喷头加热到80°C的情况下，所沉积的膜厚度与基座温度设 定点的关系图及线性拟合。
[0014] 图4A是具有热调节和/或控制功能的喷头的横截面图。
[0015] 图4B是具有热调节和/或控制功能的喷头的另一横截面图，该图强调的方面不同 于图4A强调的方面。
[0016] 图4C是具有热调节和/或控制功能的喷头的另一横截面图，该图强调的方面不同 于图4A-4B强调的方面。
[0017] 图5是具有热交换器的冷却系统的示意图，该热交换器构造成向4个喷头提供冷 却，或者可替代地，它可以构造成向4个衬底保持架提供冷却。
[0018] 图6示意性示出了喷头热调节/控制系统。
[0019] 图7A是具有内部加热和冷却元件的基座形衬底保持架的透视图。
[0020] 图7B是图7A的基座形衬底保持架的剖切透视图，其示出了具有冷却块的内部基 座插入冷却元件，所述冷却块内置于台座的中央圆筒内。
[0021] 图7C是图7B的基座插入冷却元件的特写透视图。
[0022] 图7D是具有在喷头的面内的内部加热和冷却元件的基座形衬底保持架的横截面 图。
[0023] 图7E是图7D的基座形衬底保持架的剖切透视图，其示出了其内部的加热和冷却 元件。
[0024] 图8是用于通过本文所公开的技术形成具有改进的一致性的膜的原子层沉积 (ALD)操作的示例性序列的流程图，其涉及喷头和/或衬底保持架的主动热调节和/或控 制。
【具体实施方式】
[0020] 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 的处理操作或硬件以免不必要地使所显示的工作的创造性方面难以理解。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。
[0021] 本文公开了用于通过原子层沉积（ALD)沉积材料膜的改进的方法和装置。采用 ALD技术形成材料膜的半导体制造步骤通常采用多个顺序的ALD循环。单个ALD循环只沉 积薄的材料膜（通常情况下只有一个分子层厚度）。为了建立可观的所需厚度的膜，可以执 行多个ALD循环。因此存在顺序重复"ALD循环"的构思。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)在去除未被吸附的膜前体之后，使所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)在使所吸附的膜前体反应以后，从围绕在衬底 上形成的膜层的体积去除存在的解吸的膜前体和/或反应副产物的操作。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"脉冲（burst)清扫"，以及"次级清扫"的清扫。（于2014年7月30日提交的名称为 ^METHODS AND APPARATUSES FOR SHOffERHEAD BACKSIDE PARASITIC PLASMA SUPPRESSION IN A SECONDARY PURGE ENABLED ALD SYSTEM, " 的美国专利申请 No. 14/447,203 中详细描 述了初级清扫/脉冲清扫以及次级清扫的使用，该专利申请其全部内容通过引用基于所有 目的并入本文。）操作（i)-(iii)-以及在某些实施方式中还有（iv)-因此构成ALD的单 个循环，该循环然后可以重复一次或更多次以在衬底上沉积附加的膜层，并由此建立所期 望的可观厚度的膜。
[0022] 因为多个ALD循环被执行以沉积的膜材料，而且在许多半导体衬底（在典型的晶 片制造工艺流程中）重复执行以在多个衬底上进行沉积，因此重要的是，每个ALD循环是可 控的、可预测的和可重复的，使得所得到的沉积的膜具有均匀的组合物和一致的厚度。因 此，理想的是既减小所沉积的膜的"晶片内"可变性（例如，所沉积的膜的在晶片表面上的 不同的独特点处的厚度的变异），又减小给定批次的晶片之间的在所沉积的膜的变异。通常 情况下，除了控制进入反应处理室的膜前驱体和/或共反应物的组合物和流速，膜沉积工 艺的可重复性还包括保持对处理室内的环境条件的控制。
[0023] 在处理室内的温度，并且甚至更具体地，上面正在沉积膜的衬底的温度，通常对在 ALD工艺中形成的膜的一致性具有显著的影响。例如，在某些低温（例如，50°C )ALD工艺 中，由ALD工艺本身诱导在基座/晶片/喷头系统中的显著的温度变化。例如，在上述操作 (iii)中的等离子体激活（在采用等离子体激活的实施方式中）可能导致衬底或处理室的 "等离子体加热"。给定的晶片上的ALD操作之间或在不同的晶片的处理之间执行的其他操 作，诸如室清洁操作，也可能会导致在该处理室中的温度波动。其结果是，如下所述，不可忽 略的沉积速率的变化已被观察到（如所述的，这是在保形膜的应用中所不希望的）。
[0024] 然而，已经发现，在膜形成期间，通过对具有与所述处理室的内部体积热接触的各 种硬件组件的温度调节，衬底的温度可能会受到影响、并在一定程度上是稳定的和受控制 的。具体地，用于分配膜前体（和/或共反应物）的喷头的主动热调节（主动加热或冷却）， 以及上面保持有衬底的基座（更通常被称为衬底保持架）的主动热调节，提供在ALD工艺 期间可修改衬底的热性能和特征的机制。例如，如以下详细描述的，在一些实施方式中，已 经发现，将喷头基本上保持在比衬底保持架所保持的温度高的升高的温度下，即例如高至 少约5°C或KTC或15°C或20°C，会导致衬底的改进的热稳定性，以及经由ALD工艺沉积的 膜的更大的一致性。
[0025] 在喷头和衬底保持架之间的上述温度差可以通过主动热调节和/或控制喷头温 度来维持，并且在一些实施方式中，也采用这样的衬底保持架温度的主动热调节/控制来 维持。因此，在一些实施方式中，该喷头可以通过主动加热在较高的温度下操作，同时，衬底 保持架（例如，基座式设备）可通过主动冷却在降低/较低的温度下独立地操作。总之，在 这样的ALD工艺中，膜前体可以通过喷头流入处理室，而喷头基本上维持在第一温度下，然 后，膜前体可以吸附到在处理室中保持在衬底保持架上的衬底，同时将衬底保持架基本上 维持在不同于（低于）第一温度的第二温度下。
[0026] 例如，第一温度（喷头的温度）可以被选择、挑选、编程、设置、维护在高于第二温 度（衬底保持架的温度）、等等。例如，第一温度可以为高于第二温度至少约5°C、或高于第 二温度至少约l〇°C、或高于第二温度至少约15°C、或高于第二温度至少约20°C、或甚至高 于第二温度至少约30°C。在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以落入可能的温 度差值范围内。因此，例如，在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以介于约5和 30°C之间，或介于约10和20°C之间，或介于约10和15°C之间，或在约15和20°C之间，或介 于约5和20°C之间，或介于约10和30°C等等。更一般地，根据实施方式的不同，第一和第 二温度之间的差可以落入由下面的任何成对的温差值限定的数值范围内：5°C、10°C、15°C、 20°C、25°C和30°C。因此，例如，第一温度高于第二温度的温度可以介于约10和20°C之间， 或第一温度高于第二温度的温度可以介于约15和30°C之间，等等。
[0027] 温度差可以是显著的，同时绝对温度也可以是显著的。因此，例如，在一些实施方 式中，第二温度（衬底保持架的温度）可以介于约20和KKTC之间，或介于约30和70°C之 间，或介于约35和65°C之间，或介于约40和60°C之间，或介于约45和55°C之间，或介于约 48和52°C之间。更一般地，根据实施方式的不同，在优选的ALD工艺期间基本上保持的衬底 保持架的温度可落入包括由任何成对的以下温度限定的范围的可能的温度范围内：20、30、 35、40、45、50、55、60、65、70、80、90和100°C。此外，在一些实施方式中，前述措施可稳定衬 底的温度，使得衬底的温度在上述的操作（i)-(iii)和/或（iv)期间变化不到约2°C，或甚 至在这些操作期间，变化不到约1°C。同样地，在一些实施方式中，前述措施可稳定喷头的温 度，使得喷头的温度在上述的操作（i)-(iii)和/或（iv)期间变化不到约2°C，或甚至在这 些操作期间，变化不到约1°C。
[0028] 以这种方式，根据实施方式的不同，一方面，喷头可以在一定温度范围内操作，由 于室清洁相关的蚀刻工艺导致在该温度范围内喷头对等离子体加热和加热是不敏感的，而 在同时，衬底可以保持在较低温度下，该较低温度对于正在进行的低温ALD工艺是合适的。 在这样做时，从晶片到晶片以及从晶片批次到晶片批次的ALD沉积速率的一致性和稳定性 相对于在不存在主动热调节/控制下的沉积速率可显著提高。其他潜在的优点还可以涉及 通过对基座和喷头系统的独立温度控制所提供的额外的灵活性。热调节/控制能力和/或 温度的选择通常可提供有用的附加参数，以进行过程调谐并减少缺陷等级，例如，提高喷头 的温度可降低或消除前体在喷头上凝结的风险。
[0029] 替代地，在其它实施方式中，可以热调节和/或控制喷头和衬底保持架，以便保持 喷头的温度约为或低于衬底保持架的温度。在喷头的温度低于衬底保持架的温度的实施方 式中，使用主动冷却以从喷头去除等离子体产生的热负荷，从而促进其热稳定性。在这种状 态中，衬底的主动冷却（例如，通过主动冷却基座）可能不需要，因为没有热量被从较高温 度的喷头热传导到衬底，即，喷头的温度（确定为上述的第一温度）将约为或低于衬底保持 架（确定为上述的第二温度）的温度。
[0030] 因此，根据实施方式的不同，第一温度可被选择/挑选/编程/设置/维持/等等 在第二温度以下，例如，第一温度可以为在第二温度以下至少约5°C，或在第二温度以下至 少约KTC，或在第二温度以下至少约15°C，或甚至在第二温度以下至少约20°C。在一些实 施方式中，第一温度和第二温度之间的差可以落入可能的温度差值的范围内。因此，例如， 在一些实施方式中，第一和第二温度之间的差可以介于约5和20°C之间，或介于约10和 20°C之间，或介于约10和15°C之间，或在约15和20°C之间，或介于约5和15°C之间，或介 于约5和10°C等等。而且，在喷头被保持比衬底保持架冷的这些实施方式中，喷头和衬底保 持架之间的温度差可以是显著的，同时所涉及的绝对温度也可以是显著的。因此，例如，上 述的可能的衬底保持架的温度范围也可以适用于这些较冷的喷头实施方式，具体取决于特 定的配置，例如，多少热控制和冷却能力是可用的。并且，在实际衬底处，相应的温度变化也 可以如上所述例如为+/-1°C，如上所述。
[0031] 膜沉积装置概述
[0032] 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、次级/共反应物等。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。
[0033] 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。在一些实施方式中，控制器150可以调节和/或控制一个或多个喷头、 一个或多个衬底保持架（例如，一个或多个基座）、和/或一个或多个室壁等的温度，并且在 这样做时，有助于执行多个晶片和多个批次晶片（正在进行ALD操作）之间的一致的和可 重复的衬底沉积操作的目标。
[0034] 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