专利名称：多盘膜前驱体蒸发系统和结合了该系统的薄膜沉积系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于薄膜沉积的系统，更具体而言涉及用于使膜前驱体蒸发并将蒸汽传输到沉积室的系统。
背景技术：
将铜(Cu)金属引入到用于制造集成电路的多层金属化方案中可能必须使用扩散阻挡层/衬垫，以促进Cu层的粘附和生长并防止Cu扩散到介电材料中。沉积到介电材料上的扩散阻挡层/衬垫可包括折射材料，例如钨(W)、钼(Mo)和钽(Ta)，其是非反应性的并且与Cu不相溶，并且可以提供低电阻率。集成Cu金属化和介电材料的当前的集成方案可能要求在约400℃和约500℃之间(或更低)的衬底温度下进行阻挡层/衬垫沉积处理。
例如，用于小于或等于130nm的技术节点的Cu集成方案当前采用低介电常数(低k)层间电介质，接着是物理气相沉积(PVD)TaN层和Ta阻挡层，接着是PVD Cu晶种层和电化学沉积(ECD)Cu填充。一般来说，选择Ta层是由于其粘附属性(即，能够粘附在低k膜上的能力)，选择Ta/TaN层一般是由于其阻挡属性(即，能够防止Cu扩散到低k膜中的能力)。
如上所述，已经进行了显著的努力来研究并实现薄过渡金属层作为Cu扩散阻挡层，这些研究包括诸如铬、钽、钼和钨之类的材料。这些材料中的每一种都表现出与Cu的低混溶性。最近，其他材料，例如钌(Ru)和铑(Rh)已被识别为潜在的阻挡层，因为人们预期其性能类似于传统的难熔金属。然而，Ru或Rh的使用可以允许只使用一层阻挡层，而不是两层(例如Ta/TaN)。这一结果是由于这些材料的粘附和阻挡属性。例如，一个Ru层可以替代Ta/TaN阻挡层。而且，当前的研究表明一个Ru层还可以替代Cu晶种层，并且块Cu填充物可以在Ru沉积之后直接进行。这一结果是由于Cu和Ru层之间良好的粘附。
传统上，Ru层可以通过在热化学气相沉积(TCVD)工艺中热分解诸如羰基钌前驱体之类的含钌前驱体来形成。当衬底温度降低到低于约400℃时，通过羰基金属前驱体(例如Ru3(CO)12)的热分解沉积的Ru层的材料属性可能恶化。结果，低沉积温度下Ru层的电阻率的增加和差的表面形态(例如，结核的形成)已被认为是增加了在热沉积的Ru层中CO反应副产物的结合的结果。这两种效应都可以由在低于约400℃的衬底温度下从羰基钌前驱体的热分解解吸附CO速率的减小来解释。
另外，诸如羰基钌之类的羰基金属的使用可能导致低沉积速率，这是由于其低蒸汽压以及与之相关联的输运问题。总而言之，发明人已经观察到，当前的沉积系统速率很低，从而使得这种金属膜的沉积不太实用。
发明内容
本发明提供了一种多盘膜前驱体蒸发系统以及一种用于利用从多盘膜前驱体蒸发系统传输来的膜前驱体蒸汽沉积薄膜的系统。膜前驱体可以是固态金属前驱体。本发明还提供了一种用于以高速率利用固态金属前驱体沉积金属膜的系统。为此，提供了一种被配置为耦合到薄膜沉积系统的膜前驱体蒸发系统，包括具有外壁和底部的容器，该容器被配置为被加热器加热到升高的温度。盖被配置为可密封地耦合到容器，并且该盖包括被配置为可密封地耦合到薄膜沉积系统的出口。盘堆栈位于容器中，并且包括基座盘和一个或多个上部盘。基座盘安放于容器的底部上，并且具有被配置为保持基座盘上的膜前驱体的基座外壁和基座支撑边缘。上部盘包括被支撑在基座支撑边缘上的第一上部盘和位于第一上部盘或前一额外盘上的可选的额外盘。每个上部盘具有外壁和较短的内壁以在其间保持膜前驱体。在基座盘和上部盘的基座外壁和上部外壁与容器的外壁之间形成有环形空间。基座和上部外壁中的开口耦合到环形空间，以使得载气从环形空间经过膜前驱体上方向由上部盘的内壁限定的中央流动通道流动，并经过盖中的出口与膜前驱体蒸汽一同排出。在一个实施例中，上部盘是可分离的，并且可堆叠地放置在基座盘上，而在另一实施例中，基座和上部盘被形成为一体的单一整体件。
本发明还提供了一种用于在衬底上形成薄膜的沉积系统。该沉积系统包括具有被配置为支撑衬底并加热衬底的衬底夹持器的处理室、被配置为在衬底上方引入膜前驱体蒸汽的蒸汽分配系统以及被配置为抽空处理室的泵系统。被配置为使膜前驱体蒸发的本发明的膜前驱体蒸发系统通过蒸汽传输系统耦合到蒸汽分配系统，蒸汽传输系统具有耦合到膜前驱体蒸发系统的出口的第一端和耦合到处理室的蒸汽分配系统的入口的第二端。在一个实施例中，载气供应系统耦合到容器中的环形空间以向盘堆栈提供载气，载气随后经过出口与膜前驱体蒸汽一同排出，并经由蒸汽传输系统传输到处理室。
在附图中图1示出了根据本发明实施例的沉积系统的示意图；图2示出了根据本发明另一实施例的沉积系统的示意图；图3表示根据本发明实施例的膜前驱体蒸发系统的横截面图；图4表示用在根据本发明实施例的膜前驱体蒸发系统中的基座盘的横截面图；图5A表示用在根据本发明实施例的膜前驱体蒸发系统中的可堆叠上部盘(upper tray)的横截面图；图5B表示图5A的盘的透视图；图6表示根据本发明另一实施例的膜前驱体蒸发系统的透视图；以及图7图示了操作本发明的膜前驱体蒸发系统的方法。
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，给出了具体细节，例如沉积系统的特定几何形状以及各种组件的描述。然而，应当理解，在脱离这些具体细节的其他实施例中也可实施本发明。
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分，图1图示了根据一个实施例用于在衬底上沉积诸如钌(Ru)或铼(Re)金属膜之类的薄膜的沉积系统1。沉积系统1包括具有衬底夹持器20的处理室10，衬底夹持器20被配置为支撑在其上形成薄膜的衬底25。处理室10经由蒸汽前驱体传输系统40耦合到膜前驱体蒸发系统50。
处理室10还通过导管36耦合到真空泵系统38，其中泵系统38被配置为将处理室10、蒸汽前驱体传输系统40和膜前驱体蒸发系统50抽空到适于在衬底25上形成薄膜并且适于膜前驱体蒸发系统50中膜前驱体(未示出)的蒸发的压强。
仍然参考图1，膜前驱体蒸发系统50被配置为存储膜前驱体，并且将膜前驱体加热到足以使膜前驱体蒸发的温度，同时将气相膜前驱体引入到蒸汽前驱体传输系统40。如下面将参考图3-6更详细地讨论的，膜前驱体可以例如包括固态膜前驱体。另外，例如，膜前驱体可包括固态金属前驱体。另外，例如，膜前驱体可包括羰基金属。例如，羰基金属可包括羰基钌(Ru3(CO)12)或羰基铼(Re2(CO)10)。另外，例如，羰基金属可包括W(CO)6、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Cr(CO)6或Os3(CO)12。
为了获得用于使膜前驱体蒸发(或使固态金属前驱体升华)的期望温度，膜前驱体蒸发系统50耦合到被配置为控制蒸发温度的蒸发温度控制系统54。例如，在传统系统中膜前驱体的温度一般被升高到约40-45℃，以使例如羰基钌升华。在此温度下，羰基钌的蒸汽压范围例如从约1到约3mTorr。随着膜前驱体被加热到引起蒸发(或升华)，载气可以被传送经过膜前驱体上方或经过膜前驱体的旁边。载气可以例如包括诸如稀有气体(即，He、Ne、Ar、Kr、Xe)之类的惰性气体或诸如一氧化碳(CO)之类的一氧化物，以与羰基金属一起使用，或包括其混合物。例如，载气供应系统60耦合到膜前驱体蒸发系统50，并且其例如被配置为经由馈送管线61在膜前驱体上方提供载气。在另一示例中，载气供应系统60耦合到蒸汽前驱体传输系统40，并且被配置为在膜前驱体的蒸汽进入蒸汽前驱体传输系统40时或进入之后经由馈送管线63向膜前驱体的蒸汽提供载气。尽管未示出，但是载气供应系统60可包括气体源、一个或多个控制阀、一个或多个过滤器以及质量流量控制器。例如，载气的流率范围可以从约5sccm(每分钟标准立方厘米)到约1000sccm。例如，载气的流率范围可以从约10sccm到约200sccm。作为又一示例，载气的流率范围可以从约20sccm到约100sccm。
在膜前驱体蒸发系统50下游，膜前驱体蒸汽随着载气流经蒸汽前驱体传输系统40，直到其进入耦合到处理室10的蒸汽分配系统30。蒸汽前驱体传输系统40可以耦合到蒸汽管线温度控制系统42，以控制蒸汽管线温度并防止膜前驱体的分解以及膜前驱体蒸汽的冷凝。例如，蒸汽管线温度可被设为约等于或大于蒸发温度的值。另外，例如，蒸汽前驱体传输系统40可以具有超过约50公升/秒的高传导率。
再次参考图1，耦合到处理室10的蒸汽分配系统30包括空间32，蒸汽在经过蒸汽分配板34并进入衬底25上方的处理区33之前在空间32内分散。另外，蒸汽分配板34可以耦合到被配置为控制蒸汽分配板34的温度的分配板温度控制系统35。例如，蒸汽分配板的温度可被设为约等于蒸汽管线温度的值。然而，其可以更小或者更大。
一旦膜前驱体蒸汽进入了处理区33，膜前驱体蒸汽就会在吸附在衬底表面时由于衬底25升高的温度而发生热分解，并且在衬底25上形成薄膜。衬底夹持器20被配置为利用耦合到衬底夹持器20的衬底温度控制系统22升高衬底25的温度。例如，衬底温度控制系统22可被配置为将衬底25的温度升至高达约500℃。在一个实施例中，衬底温度范围可以从约100℃到约500℃。在另一实施例中，衬底温度范围可以从约300℃到约400℃。另外，处理室10可以耦合到被配置为控制室壁的温度的室温控制系统12。
例如，如上所述，传统系统已经考虑到对于羰基钌，将膜前驱体蒸发系统50以及蒸汽前驱体传输系统40运行在约为40-45℃的温度范围内，以限制金属蒸汽前驱体分解和金属蒸汽前驱体冷凝。例如，羰基钌前驱体可以在较高温度下分解以形成副产物，例如下式中所示的那些Ru3(CO)12*(ad)Ru3(CO)x*(ad)+(12-x)CO(g) (1)或
Ru3(CO)x*(ad)3Ru(s)+xCO(g) (2)其中这些副产物可以吸附(即冷凝)在沉积系统1的内表面上。材料在这些表面上的累积可以引起衬底与衬底之间的诸如工艺可重复性之类的问题。或者，例如，羰基钌前驱体可以在较低温度下冷凝以引起再结晶，即Ru3(CO)12(g)Ru3(CO)12*(ad) (3)然而，在这种具有小工艺窗口的系统内，部分由于羰基钌的低蒸汽压，导致沉积速率变得极低。例如，沉积速率可以低至约每分钟1埃。因此，根据一个实施例，蒸发温度被升高到大于或等于约40℃。或者，蒸发温度被升高到大于或等于约50℃。在本发明的示例性实施例中，蒸发温度被升高到大于或等于约60℃。在又一示例性实施例中，蒸发温度被升高到约60-100℃的范围，例如在约60-90℃内。由于较高的蒸汽压，升高的温度增大了蒸发速率(例如，变大了接近一个数量级)，因而，发明人预期增大沉积速率。然而，现在可能理想的是，在一个或多个衬底之后周期性地清洗沉积系统1。例如，额外细节可以从与本申请同日提交的题为“Method and System for Performing In-situ Cleaning of a DepositionSystem”的未决美国专利申请No.10/998,394中获得，该申请的全部内容通过引用结合于此。
如上所述，沉积速率正比于被蒸发并在分解或冷凝或分解冷凝之前输运到衬底的膜前驱体的量。因此，为了获得期望的沉积速率并对于不同衬底维持恒定的处理性能(即，沉积速率、膜厚、膜均匀性、膜形态等)，提供监视、调节或控制膜前驱体蒸汽的流率的能力是很重要的。在传统系统中，操作者可以利用蒸发温度以及蒸发温度和流率之间的预定关系间接确定膜前驱体蒸汽的流率。然而，处理和其性能随时间漂移，因而迫切需要更加精确地测量流率。例如，额外细节可以从与本申请同日提交的题为“Method and System for Measuring a Flow Rate in a Solid Precursor DeliverySystem”的未决美国专利申请No.10/998,393中获得，该申请的全部内容通过引用结合于此。
仍然参考图1，沉积系统1还可包括被配置为运行和控制沉积系统1的运行的控制系统80。控制系统80耦合到处理室10、衬底夹持器20、衬底温度控制系统22、室温控制系统12、蒸汽分配系统30、蒸汽前驱体传输系统40、膜前驱体蒸发系统50和载气供应系统60。
在另一实施例中，图2图示了用于在衬底上沉积诸如钌(Ru)或铼(Re)金属膜之类的薄膜的沉积系统100。沉积系统100包括具有衬底夹持器120的处理室，衬底夹持器120被配置为支撑在其上形成薄膜的衬底125。处理室110耦合到前驱体传输系统105，前驱体传输系统105具有被配置为存储膜前驱体(未示出)并使其蒸发的膜前驱体蒸发系统150和被配置为输运膜前驱体蒸汽的蒸汽前驱体传输系统140。
处理室110包括上室部分111、下室部分112和排气室113。开口114形成在下室部分112内，而底部112在此与排气室113相耦合。
仍然参考图2，衬底夹持器120提供支撑待处理的衬底(或晶片)125的水平表面。衬底夹持器120可由圆柱形支撑构件122支撑，支撑构件122从排气室113的下部向上延伸。用于在衬底夹持器120上定位衬底125的可选引导环124提供在衬底夹持器120的边缘处。此外，衬底夹持器120包括耦合到衬底夹持器温度控制系统128的加热器126。加热器126可以例如包括一个或多个电阻加热元件。或者，加热器126可以例如包括辐射加热系统，例如钨-卤素灯。衬底夹持器温度控制系统128可包括用于向一个或多个加热元件提供功率的功率源、用于测量衬底温度或衬底夹持器温度或这两者的一个或多个温度传感器、以及被配置为执行监视、调节或控制衬底或衬底夹持器的温度中的至少一种操作的控制器。
在处理期间，被加热的衬底125可以热分解诸如羰基金属前驱体之类的膜前驱体蒸汽的蒸汽，从而能够在衬底125上沉积诸如金属层之类的薄膜。根据一个实施例，膜前驱体包括固态前驱体。根据另一实施例，膜前驱体包括金属前驱体。根据另一实施例，膜前驱体包括固态金属前驱体。根据又一实施例，膜前驱体包括羰基金属前驱体。根据又一实施例，膜前驱体可以是羰基钌前驱体，例如Ru3(CO)12。根据本发明的又一实施例，膜前驱体可以是羰基铼前驱体，例如Re2(CO)10。热化学气相沉积领域的技术人员将意识到，也可使用其他羰基钌前驱体和羰基铼前驱体，而不脱离本发明的范围。在又一实施例中，膜前驱体可以是W(CO)6、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Cr(CO)6或Os3(CO)12。衬底夹持器120被加热到某一预先确定的温度，该温度适于将期望的Ru、Re或其他金属层沉积到衬底125上。另外，耦合到室温控制系统121的加热器(未示出)可以嵌入在处理室110的壁内以将室壁加热到预定温度。加热器可以将处理室110的壁温维持在从约40℃到约100℃的范围，例如从约40℃到约80℃的范围。压力计(未示出)被用于测量处理室压强。
另外如图2所示，蒸汽分配系统130耦合到处理室110的上室部分111。蒸汽分配系统130包括蒸汽分配板131，蒸汽分配板131被配置为将前驱体蒸汽从蒸汽分配空间132经过一个或多个孔134引入到衬底125上方的处理区133。
此外，在上室部分111中提供有开口135，用于将来自蒸汽前驱体传输系统140的蒸汽前驱体引入到蒸汽分配空间132中。而且，提供了温度控制元件136，例如被配置为使被冷却或加热流体流动的同心流体通道，其用于控制蒸汽分配系统130的温度，从而防止蒸汽分配系统130内膜前驱体的分解。例如，诸如水之类的流体可被从蒸汽分配温度控制系统138提供给流体通道。蒸汽分配温度控制系统138可包括流体源、热交换器、用于测量流体温度或蒸汽分配板温度或这两者的一个或多个温度传感器、以及被配置为将蒸汽分配板131的温度控制在从约20℃到约100℃的控制器。
膜前驱体蒸发系统150被配置为保存膜前驱体并通过升高膜前驱体的温度而使膜前驱体蒸发(或升华)。前驱体加热器154被提供用于加热膜前驱体以将膜前驱体维持在产生膜前驱体的期望蒸汽压的温度下。前驱体加热器154耦合到被配置为控制膜前驱体的温度的蒸发温度控制系统156。例如，前驱体加热器154可被配置为调节膜前驱体的温度(或蒸发温度)使之大于或等于约40℃。或者，蒸发温度被升高到大于或等于约50℃。例如，蒸发温度被升高到大于或等于约60℃。在一个实施例中，蒸发温度被升高到约60-100℃的范围内，在另一实施例中，升高到约60-90℃的范围内。
随着膜前驱体被加热到引起蒸发(或升华)，载气可以被传送经过膜前驱体上方或经过膜前驱体旁边。载气可以例如包括诸如稀有气体(即，He、Ne、Ar、Kr、Xe)之类的惰性气体或诸如一氧化碳(CO)之类的一氧化物，以与羰基金属一起使用，或包括其混合物。例如，载气供应系统160耦合到膜前驱体蒸发系统150，并且其例如被配置为在膜前驱体上方提供载气。尽管未在图2中示出，但是载气供应系统160还可以耦合到蒸汽前驱体传输系统140以在膜前驱体的蒸汽进入蒸汽前驱体传输系统140时或进入之后向膜前驱体的蒸汽提供载气。载气供应系统160可包括气体源161、一个或多个控制阀162、一个或多个过滤器164以及质量流量控制器165。例如，载气的流率范围可以从约5sccm(每分钟标准立方厘米)到约1000sccm。在一个实施例中，载气的流率范围可以从约10sccm到约200sccm。在另一实施例中，载气的流率范围例如可以从约20sccm到约100sccm。
另外，传感器166被提供用于测量来自膜前驱体蒸发系统150的总气体流。传感器166可以例如包括质量流量控制器，并且传输到处理室110的膜前驱体的量可以利用传感器166和质量流量控制器165确定。或者，传感器166可包括测量到处理室110的气体流中的膜前驱体的浓度的光吸收传感器。
旁路管线167可以定位在传感器166下游，并且其可以将蒸汽传输系统140连接到排气管线116。旁路管线167被提供用于抽空蒸汽前驱体传输系统140，并稳定到处理室110的膜前驱体的供应。另外，在旁路管线167上提供有位于蒸汽前驱体传输系统140的分支的下游的旁路阀168。
仍然参考图2，蒸汽前驱体传输系统140包括分别具有第一和第二阀141和142的高传导率蒸汽管线。另外，蒸汽前驱体传输系统140还可包括被配置为经由加热器(未示出)加热蒸汽前驱体传输系统140的蒸汽管线温度控制系统143。蒸汽管线的温度可被控制为避免蒸汽管线中膜前驱体的冷凝的温度。蒸汽管线的温度可被控制在从约20℃到约100℃的范围内，或者从约40℃到约90℃的范围内。例如，蒸汽管线温度可被设为约等于或大于蒸发温度的值。
而且，可以从稀释气体供应系统190提供稀释气体。稀释气体可以例如包括诸如稀有气体(即，He、Ne、Ar、Kr、Xe)之类的惰性气体或诸如一氧化碳(CO)之类的一氧化物，以与羰基金属一起使用，或包括其混合物。例如，稀释气体供应系统190耦合到蒸汽前驱体传输系统140，并且其例如被配置为向蒸汽膜前驱体提供稀释气体。稀释气体供应系统190可包括气体源191、一个或多个控制阀192、一个或多个过滤器194以及质量流量控制器195。例如，载气的流率范围可以从约5sccm(每分钟标准立方厘米)到约1000sccm。
质量流量控制器165和195、以及阀162、192、168、141和142由控制器196控制，控制器196控制载气、膜前驱体蒸汽和稀释气体的供应、切断和流动。传感器166也连接到控制器196，并且基于传感器166的输出，控制器196可以控制经过质量流量控制器165的载气流，以获得到处理室110的期望膜前驱体流。
如图2所示，排气管线116将排气室113连接到泵系统118。真空泵119被用于将处理室110抽空到期望的真空度，并在处理期间从处理室110中去除气体物质。自动压强控制器(APC)115和阱117可以与真空泵119串联使用。真空泵119可包括泵速能高达5000公升每秒(以及更大)的涡轮分子泵(TMP)。或者，真空泵119可包括干燥粗抽泵。在处理期间，载气、稀释气体、或膜前驱体蒸汽或其任意组合可被引入到处理室110中，并且室压强可由APC 115调节。例如，室压强范围可以从约1mTorr到约500mTorr，在又一示例中，室压强范围可以从约5mTorr到约50mTorr。APC 115可包括蝶形阀或门阀。阱117可以收集来自处理室110的未反应的前驱体材料和副产物。
返回到处理室110中的衬底夹持器120，如图2所示，三个衬底抬升钉127(只示出了两个)被提供用于保持、提升和降低衬底125。衬底抬升钉127耦合到板123，并且可被降低到低于衬底夹持器120的上表面。例如采用气筒的驱动机构129提供了用于提升和降低板123的装置。衬底125可以经由机械转移系统(未示出)经过门阀200和室馈通通路202移入和移出处理室110，并被衬底抬升钉127接收。一旦从转移系统接收到衬底125，就可以通过降低衬底抬升钉127将其降低到衬底夹持器120的上表面。
再次参考图2，控制器180包括微处理器、存储器和数字I/O端口，数字I/O端口能够生成足以传输并激活到处理系统100的输入以及监视来自处理系统100的输出的控制电压。而且，处理系统控制器180耦合到处理室110；包括控制196、蒸汽管线温度控制系统143和蒸发温度控制系统156的前驱体传输系统105；蒸汽分配温度控制系统138；真空泵系统118；以及衬底夹持器温度控制系统128，并与这些系统交换信息。在真空泵系统118中，控制器180耦合到用于控制处理室110中的压强的自动压强控制器115并与之交换信息。存储在存储器中的程序被用于根据存储的工艺方案控制沉积系统100的前述组件。处理系统控制器180的一个示例是可以从Texas，Dallas的Dell Corporation得到的DELL PRECISIONWORKSTATION 610TM。控制器180还可以实现为通用计算机、数字信号处理器等等。
控制器180可以位于沉积系统100本地，或者可以位于沉积系统100远处，经由因特网或内联网通信。从而，控制器180可以利用直接连接、内联网或因特网中的至少一种与沉积系统100交换数据。控制器180可以耦合到客户位置(即，器件制作者等)处的内联网，或者耦合到供应商位置(即，设备制造商)处的内联网。此外，另一计算机(即，控制器、服务器等)可以经由直接连接、内联网或因特网中的至少一种访问控制器180以交换数据。
现在参考图3，根据实施例以截面图形式示出了膜前驱体蒸发系统300。膜前驱体蒸发系统300包括具有外壁312和底部314的容器310。另外，膜前驱体蒸发系统300包括被配置为可密封地耦合到容器310的盖320，其中盖320包括被配置为可密封地耦合到薄膜沉积系统(例如图1或2中所示的系统)的出口322。容器310和盖320在耦合到薄膜沉积系统时形成了密封环境。容器310和盖320可以例如以A6061铝制造，并且可包括涂覆在其上的涂层，也可以不包括涂层。
此外，容器310被配置为耦合到加热器(未示出)以升高膜前驱体蒸发系统300的蒸发温度，并耦合到温度控制系统(未示出)以执行监视、调节或控制蒸发温度中的至少一种操作。当蒸发温度被升高到如前所述的适当值时，膜前驱体蒸发(或升华)，从而形成将经过蒸汽传输系统被输运到薄膜沉积系统的膜前驱体蒸汽。容器310还可密封地耦合到载气供应系统(未示出)，其中容器310被配置为接收用于输运膜前驱体蒸汽的载气。
仍然参考图3并参考图4，膜前驱体蒸发系统300还包括基座盘330，基座盘330被配置为安放在容器310的底部314上，并且具有被配置为保持基座盘330上的膜前驱体350的基座外壁332。基座外壁332包括用于支撑其上的上部盘(如下所述)的基座支撑边缘333。此外，基座外壁332包括一个或多个基座盘开口334，这一个或多个基座盘开口334被配置为使来自载气供应系统(未示出)的载气经过膜前驱体350上方向容器310的中心流动，并且沿着中央流动通道318经过盖320中的出口322与膜前驱体蒸汽一同排出。因此，基座盘330中的膜前驱体水平应当低于基座盘开口334的位置。
仍然参考图3，并参考图5A和5B，膜前驱体蒸发系统300还包括一个或多个可堆叠上部盘340，这一个或多个可堆叠上部盘340被配置为支撑膜前驱体350，并被配置为位于或堆叠在基座盘330或另一个可堆叠上部盘340中的至少一个上。每个可堆叠上部盘340包括被配置为在其间保持膜前驱体350的上部外壁342和内壁344。内壁344限定了中央流动通道318。上部外壁342还包括用于支撑另一上部盘340的上部支撑边缘343。从而，第一上部盘340被定位于支撑在基座盘330的基座支撑边缘333上，并且如果希望的话，一个或多个额外上部盘可被定位于支撑在前一上部盘340的上部支撑边缘343上。每个上部盘340的上部外壁342包括一个或多个上部盘开口346，这一个或多个上部盘开口346被配置为使来自载气供应系统(未示出)的载气经过膜前驱体350上方向容器310的中央流动通道318流动，并经过盖320中的出口322与膜前驱体蒸汽一同排出。因此，内壁344应当比上部外壁342短，以允许载气基本径向地向中央流动通道318流动。另外，每个上部盘340中的膜前驱体水平应当处于或低于内壁344的高度，并低于上部盘开口346的位置。
基座盘330和可堆叠上部盘340被示为圆柱形。然而，形状可以变化。例如，盘的形状可以是矩形、方形或椭圆形。类似地，内壁344(从而中央上部流动通道318)可以有不同的形状。
当一个或多个可堆叠上部盘340被堆叠在基座盘330上时，形成了堆栈370，其提供了基座盘330的基座外壁332和容器外壁312之间以及一个或多个可堆叠上部盘340的上部外壁342和容器外壁312之间的环形空间360。容器310还可以包括一个或多个间隔器(未示出)，这一个或多个间隔器被配置为将基座盘330的基座外壁332和一个或多个可堆叠上部盘340的上部外壁342与容器外壁312相分隔，从而确保环形空间360内的等间隔。以另一种方式表述，在一个实施例中，容器310被配置为使得基座外壁332和上部外壁342处于垂直对齐。
包括基座盘和可堆叠上部盘在内的盘的数目的范围可以从二(2)到二十(20)，例如在一个实施例中，盘的数目可以是五(5)，如图3所示。在示例性实施例中，堆栈370包括基座盘330和由基座盘330支撑的至少一个上部盘340。基座盘330可以如图3和4所示，或者可以具有与上部盘340相同的构造，如图3-5B所示。换句话说，基座盘330可以具有内壁。尽管在图3-5B中，堆栈370被示为包括基座盘330以及一个或多个可分离且可堆叠的上部盘340，但是系统300’可包括具有这样的堆栈370’的容器310’，该堆栈370’包括具有与一个或多个上部盘340一体的基座盘330的单一整体件，如图6所示，以使得基座外壁332和上部外壁342是一体的。“一体的”被理解为包括单片结构，例如在盘之间没有可辨别的边界的整体成型结构，以及在盘之间有永久连接的永久性粘合或机械接合的结构。“可分离的”被理解为在盘之间不包括连接，或者包括临时连接(粘合方式或机械方式)。
基座盘330和每个上部盘340(无论是可堆叠的还是一体的)被配置为支撑膜前驱体350。根据一个实施例中，膜前驱体350包括固态前驱体。根据另一实施例，膜前驱体350包括液态前驱体。根据另一实施例，膜前驱体350包括金属前驱体。根据另一实施例，膜前驱体350包括固态金属前驱体。根据又一实施例，膜前驱体350包括羰基金属前驱体。根据又一实施例，膜前驱体350可以是羰基钌前驱体，例如Ru3(CO)12。根据本发明的又一实施例，膜前驱体350可以是羰基铼前驱体，例如Re2(CO)10。在又一实施例中，膜前驱体350可以是W(CO)6、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Cr(CO)6或Os3(CO)12。
如上所述，膜前驱体350可包括固态前驱体。固态前驱体可以采取固态粉末的形式，或者可以采取一个或多个固态片的形式。例如，这一个或多个固态片可以通过若干工艺来准备，包括烧结工艺、冲压工艺、浸渍工艺、或旋涂工艺或其任意组合。另外，固态片形式的固态前驱体可以粘附到基座盘330或上部盘340，也可以不粘附到基座盘330或上部盘340。例如，难熔羰基金属粉末可以在被配置用于真空和惰性气体环境两者的烧结炉中在高达2000℃和2500℃的温度下烧结。或者，例如，难熔羰基金属粉末可以分散在流体介质中、散布盘上、并利用旋涂工艺均匀地在分布衬底的整个表面上。随后可以热固化难熔金属旋涂涂层。
如前所述，载气被从载气供应系统(未示出)提供给容器310。如图3和6所示，载气可以经由可密封地耦合到盖320的载气供应管线(未示出)通过盖320耦合到容器310。载气供应管线馈送气体通道380，气体通道380向下延伸经过容器310的外壁312，穿过容器310的底部314，并向环形空间360开口。
再次参考图3，容器外壁312的内直径的范围可例如从约10cm到约100cm，并且可例如从约15cm到约40cm。例如，外壁312的内直径可以是20cm。出口322的直径和上部盘340的内壁344的内直径的范围可例如从约1cm到约30cm，另外，例如，出口直径和内壁直径的范围可以从约5到约20cm。例如，出口直径可以是10cm。另外，基座盘330和每个上部盘340的外直径可以是容器310的外壁312的内直径的约75％到约99％，并且例如，盘直径可以是容器310的外壁312的内直径的约85％到99％。例如，盘直径可以是19.75cm。另外，基座盘330的基座外壁332和每个上部盘340的上部外壁342的高度的范围可以从约5mm到约50mm，并且例如，每一个的高度约为30mm。另外，每个内壁344的高度可以是上部外壁342的高度的约10％到约90％。例如，每个内壁的高度的范围可以从约2mm到约45mm，并且例如约为20mm。
再次参考图3，一个或多个基座盘开口334和一个或多个上部盘开口346可包括一个或多个缝隙。或者，一个或多个基座盘开口334和一个或多个上部盘开口346可包括一个或多个圆形孔。每个孔的直径范围可以例如从约0.4mm到约2mm。例如，每个孔的直径可以约为1mm。在一个实施例中，孔直径和环形空间360的宽度被选择使得经过环形空间360的传导率充分大于孔的净传导率，以维持在整个环形空间360内载气的基本均匀分布。孔的数目范围可以例如从约2到约1000个孔，并且，作为又一示例，可以从约50到约100个孔。例如，一个或多个基座盘开口334可包括七十二(72)个1mm直径的孔，并且一个或多个可堆叠盘开口346可包括七十二(72)个1mm直径的孔，其中环形空间360的宽度约为2.65mm。
膜前驱体蒸发系统300或300’可用作图1中的膜前驱体蒸发系统50或图2中的膜前驱体蒸发系统150。或者，系统300或300’可用在适合于利用前驱体蒸汽在衬底上沉积薄膜的任何膜沉积系统中。
现在参考图7，描述一种在衬底上沉积薄膜的方法。流程图700被用于图示在本发明的沉积系统中沉积薄膜的步骤。薄膜沉积开始于710，在710将衬底置于沉积系统中以紧接着在衬底上形成薄膜。例如，沉积系统可包括上述图1和2中的沉积系统中的任何一种。沉积系统可包括适用于沉积处理的处理室和耦合到处理室并被配置为支撑衬底的衬底夹持器。然后，在720中，膜前驱体被引入到沉积系统。例如，膜前驱体被经由前驱体蒸汽传输系统引入到耦合到处理室的膜前驱体蒸发系统。另外，例如，前驱体蒸汽传输系统可被加热。
在730中，膜前驱体被加热以形成膜前驱体蒸汽。膜前驱体蒸汽随后可经过前驱体蒸汽传输系统被输运到处理室。在740中，衬底被加热到足以使膜前驱体蒸汽分解的衬底温度，并且在750中，衬底被暴露于膜前驱体蒸汽。步骤710到750可以连续重复进行期望次数以在期望数目的衬底上沉积金属膜。
在一个或多个衬底上沉积薄膜之后，盘堆栈370或370’，或者基座或上部盘330、340中的一个或多个可以周期性地在760中被置换以补充每个盘中膜前驱体350的水平。
尽管上面只详细描述了本发明的某些示例性实施例，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作出许多修改，而实质上不脱离本发明的新颖教导和优点。因此，所有这些修改都应当包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种被配置为耦合到薄膜沉积系统的膜前驱体蒸发系统，包括包括外壁和底部的容器，所述容器被配置为耦合到加热器并被加热到升高的温度；被配置为可密封地耦合到所述容器的盖，所述盖包括被配置为可密封地耦合到所述薄膜沉积系统的出口；盘堆栈，包括被配置为安放于所述容器的所述底部上的基座盘，所述基座盘具有被配置为保持所述基座盘上的所述膜前驱体的基座外壁和基座支撑边缘，和一个或多个上部盘，所述一个或多个上部盘包括被支撑在所述基座支撑边缘上的第一上部盘和被配置为位于所述第一上部盘或前一额外上部盘上的一个或多个可选的额外上部盘，所述一个或多个上部盘中的每一个具有上部外壁和比所述上部外壁短的内壁，所述上部外壁具有用于支撑所述可选的额外上部盘中的一个的上部支撑边缘，所述上部外壁和内壁被配置为在其间保持所述膜前驱体，并且所述内壁限定了所述容器中的中央流动通道；所述盘堆栈的所述基座外壁和上部外壁与所述容器的所述外壁之间的环形空间，所述环形空间被配置为耦合到载气供应系统，以向所述环形空间提供载气；以及位于所述盘堆栈的所述基座外壁和上部外壁中并且耦合到所述环形空间的一个或多个开口，其被配置为使载气从所述环形空间经过所述膜前驱体上方朝向所述中央流动通道流动，并经过所述盖中的所述出口与膜前驱体一同排出所述载气。
2.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述膜前驱体是金属前驱体。
3.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述膜前驱体是固态前驱体。
4.如权利要求3所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述固态前驱体包括固态粉末形式。
5.如权利要求3所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述固态前驱体包括固态片形式。
6.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述膜前驱体包括羰基金属。
7.如权利要求6所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述羰基金属包括W(CO)6、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Re2(CO)10、Cr(CO)6、Ru3(CO)12或Os3(CO)12。
8.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘是用于堆叠在所述基座盘上以形成多件多盘堆栈的可分离、可堆叠盘。
9.如权利要求8所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述堆叠在所述基座盘上形成的盘堆栈是单一整体多盘结构，其中所述基座盘和所述一个或多个上部盘是一体的。
10.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述容器还包括一个或多个间隔器，所述一个或多个间隔器被配置为将所述基座盘的所述基座外壁和所述一个或多个上部盘的所述上部外壁与所述容器的所述外壁相分隔。
11.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述容器包括圆柱形状。
12.如权利要求11所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述容器的所述外壁的内直径范围从约10cm到约100cm。
13.如权利要求11所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述容器的所述外壁的内直径范围从约20cm到40cm。
14.如权利要求11所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述基座盘和每个所述上部盘是圆柱形状的。
15.如权利要求14所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述基座外壁的直径和每个所述上部外壁的直径范围从所述容器的所述外壁的所述内直径的约75％到约99％。
16.如权利要求14所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述基座外壁的直径和每个所述上部外壁的直径范围从所述容器的所述外壁的所述内直径的约85％到约99％。
17.如权利要求14所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘中的每一个的所述内壁的内直径范围从约1cm到约30cm。
18.如权利要求14所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘中的每一个的所述内壁的内直径范围从约5cm到约20cm。
19.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘包括1到20个上部盘。
20.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘包括5个上部盘。
21.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个开口包括一个或多个缝隙。
22.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个开口包括一个或多个孔。
23.如权利要求22所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个孔中的每一个的直径范围从约0.4到约1mm。
24.如权利要求22所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个孔中的每一个的直径约为1mm。
25.如权利要求22所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个孔的数目范围从2到1000个孔。
26.如权利要求22所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个孔的数目范围从50到100个孔。
27.如权利要求22所述的膜前驱体蒸发系统，其中每个所述上部盘包括72个1mm直径的孔。
28.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述上部外壁和所述基座外壁中的每一个的高度范围从约5mm到约50mm。
29.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述上部外壁和所述基座外壁中的每一个的高度约为30mm。
30.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘的每一个和所述基座盘中的所述膜前驱体的水平低于所述开口的位置。
31.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述一个或多个上部盘的每一个中的所述膜前驱体的水平低于所述内壁的高度。
32.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，还包括气体通道，所述气体通道从所述盖延伸经过所述容器的所述外壁到达所述容器的所述底部，并且耦合到所述环形空间。
33.如权利要求32所述的膜前驱体蒸发系统，还包括载气供应系统，所述载气供应系统经过所述盖可密封地耦合到所述容器的所述外壁中的所述气体通道。
34.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，还包括耦合到所述容器并且包括至少一个电阻加热元件的加热器。
35.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述容器被配置为被加热到大于或等于40℃的升高温度。
36.如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述基座盘、所述一个或多个上部盘中的一个或多个、或其任意组合是可置换的。
37.一种用于在衬底上形成薄膜的薄膜沉积系统，包括具有被配置为支撑所述衬底并加热所述衬底的衬底夹持器的处理室、被配置为在所述衬底上方引入膜前驱体蒸汽的蒸汽分配系统以及被配置为抽空所述处理室的泵系统；以及如权利要求1所述的膜前驱体蒸发系统，其中所述出口耦合到所述蒸汽分配系统。
38.一种用于在衬底上形成薄膜的沉积系统，包括具有被配置为支撑所述衬底并加热所述衬底的衬底夹持器的处理室、被配置为在所述衬底上方引入膜前驱体蒸汽的蒸汽分配系统以及被配置为抽空所述处理室的泵系统；被配置为使膜前驱体蒸发并在载气中输运所述膜前驱体蒸汽的膜前驱体蒸发系统，其中所述膜前驱体蒸发系统包括包括外壁和底部的容器以及加热器，所述加热器耦合到所述容器，并被配置为将所述容器加热到升高的温度；被配置为可密封地耦合到所述容器的盖，所述盖包括出口；位于所述容器的所述底部上并被配置为支撑膜前驱体的基座盘，所述基座盘具有被配置为保持所述基座盘上的所述膜前驱体的基座外壁，其中所述基座外壁包括一个或多个基座盘开口，所述一个或多个基座盘开口被配置为使载气经过所述膜前驱体上方向所述容器的中心流动，并经过所述盖中的所述出口与膜前驱体蒸汽一同排出所述载气；一个或多个可堆叠上部盘，所述一个或多个可堆叠上部盘被配置为支撑所述膜前驱体，并堆叠在所述基座盘或另一个所述可堆叠盘上，所述可堆叠盘中的每一个具有被配置为在其间保持所述膜前驱体的上部外壁和内壁，其中所述上部外壁包括一个或多个上部盘开口，所述一个或多个上部盘开口被配置为使所述载气经过所述膜前驱体上方向所述容器的中心流动，并经过所述盖中的所述出口与膜前驱体蒸汽一同排出所述载气，其中所述基座盘和所述一个或多个可堆叠上部盘共同限定了一个盘堆栈，并且在所述基座盘的所述基座外壁和所述一个或多个可堆叠上部盘的所述上部外壁与所述容器的所述外壁之间限定了环形空间；载气供应系统耦合到所述环形空间，以向所述盘堆栈提供所述载气；以及蒸汽传输系统，所述蒸汽传输系统具有可密封地耦合到所述膜前驱体蒸发系统的所述出口的第一端和可密封地耦合到所述处理室的所述蒸汽分配系统的入口的第二端。
39.如权利要求38所述的沉积系统，其中所述膜前驱体是固态前驱体。
40.如权利要求38所述的沉积系统，其中所述膜前驱体是固态金属前驱体。
41.如权利要求38所述的沉积系统，其中所述膜前驱体包括羰基金属。
42.如权利要求41所述的沉积系统，其中所述羰基金属包括W(CO)6、Mo(CO)6、Co2(CO)8、Rh4(CO)12、Re2(CO)10、Cr(CO)6、Ru3(CO)12或Os3(CO)12。
43.如权利要求38所述的沉积系统，其中所述载气包括惰性气体。
44.如权利要求43所述的沉积系统，其中所述惰性气体包括稀有气体。
45.如权利要求38所述的沉积系统，其中所述载气包括一氧化物气体。
46.如权利要求45所述的沉积系统，其中所述一氧化物气体包括一氧化碳(CO)。
全文摘要
本发明描述了与高传导率蒸汽传输系统(40、140)相耦合的多盘固态前驱体蒸发系统(50、150、300、300’)，其用于通过增大固态前驱体(350)的暴露表面积来增大沉积速率。多盘固态前驱体蒸发系统(50、150、300、300’)包括基座盘(330)以及一个或多个上部盘(340)。每个盘(330、340)被配置为支撑并保持例如固态粉末形式或固态片形式的膜前驱体(350)。另外，每个盘(330、340)被配置为在加热膜前驱体(350)的同时提供膜前驱体(350)上方的载气的高传导率流动。例如，载气在膜前驱体(350)上方向内流动，并且垂直地向上经过可堆叠盘(340)内部的流动通道(318)，并经过固态前驱体蒸发系统(50、150、300、300’)中的出口(322)。
文档编号C23C16/448GK101065516SQ200580040914
公开日2007年10月31日 申请日期2005年11月29日 优先权日2004年11月29日
发明者铃木健二, 以马利·P·盖德帝, 格利特·J·莱乌辛克, 原正道, 黑岩大祐 申请人:东京毅力科创株式会社