对电感耦合的等离子体沉积反应器的工艺气管理的制作方法
【专利摘要】披露了关联于加工半导体衬底的硬件和方法的实施例。一示例性薄膜沉积反应器，包括：工艺气分配器，该工艺气分配器包括：被定位以将等离子气提供给薄膜沉积反应器中的等离子发生区的等离子气馈给进口以及被定位以将薄膜前体气提供给等离子发生区的下游的前体气馈给进口；绝缘的密闭容器，其被配置成在薄膜沉积反应器中将等离子发生区维持在降低的压力下；以及电感耦合的等离子(ICP)线圈，其被设置在绝缘的密闭容器的一部分侧壁周围并被定位成使侧壁将等离子发生区与ICP线圈隔开；以及基座，其被配置成支承半导体衬底以使半导体衬底的薄膜沉积表面暴露于被形成在工艺气分配器下游的反应区。
【专利说明】对电感耦合的等离子体沉积反应器的工艺气管理
【背景技术】
[0001]一些半导体制造工艺具有低热预算。例如，用于在第一金属互连层成形之后沉积薄膜的一些工艺可在低温下沉积以避免金属的电迁徙和对器件可能的损害。因此，一些沉积反应的热活化在这些情况下是困难的。一些之前的方法已尝试利用容易分解的分子作为薄膜成形的开始点。然而，这些化学剂难以处理并可能仍然遭受低的沉积速率。已尝试其它使用等离子能量的方法来加速沉积。然而，一些器件在这些条件下可能对等离子损害是敏感的，并且一些分子当暴露于等离子能量时可能经历不合需的反应。
【发明内容】
[0002]本文披露了多个实施例，这些实施例关联于加工半导体衬底的硬件和方法。在一个实施例中，包括电感耦合的等离子(ICP)的薄膜沉积反应器包括工艺气分配器，该工艺气分配器包括被定位以将等离子气提供给薄膜沉积反应器中的等离子发生区的等离子气馈给进口以及被定位以在等离子发生区的下游提供薄膜前体气的前体气馈给进口。示例性薄膜沉积反应器也包括:绝缘的密闭容器，其配置成在薄膜沉积反应器中将等离子发生区维持在减小的压力下；以及ICP线圈，其设置在绝缘的密闭容器的一部分侧壁周围并使侧壁将等离子发生区与ICP线圈隔开。该示例性薄膜沉积反应器进一步包括基座，其配置成支承半导体衬底以使半导体衬底的薄膜沉积表面暴露于被形成在工艺气分配器下游的反应区。
[0003]提供本
【发明内容】
以便以简化形式介绍将在以下【具体实施方式】中进一步描述的一些概念。本
【发明内容】
并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。
[0004]附图简沭
[0005]图1示意地示出根据 本公开的实施例的示例性薄膜沉积工艺反应器。
[0006]图2示意地示出根据本公开的实施例的示例性工艺气分配器组件的横截面。
[0007]图3示意地示出包含在图2所示的工艺气分配器中的示例性前体气分配器的立体图。
[0008]图4示意地示出根据本公开的实施例的另一示例性前体气分配器组件的横截面。
[0009]图5示意地示出图4所示的示例性前体气分配器的立体图。
[0010]图6示意地示出根据本公开的实施例的另一示例性前体气分配器的横截面。
[0011]图7示意地示出图6所示的示例性前体气分配器的立体图。
[0012]图8示意地示出根据本公开的实施例具有带层流外形的侧壁的绝缘的密闭容器的一个例子。
[0013]图9示意地示出根据本公开的实施例具有带层流外形的侧壁的绝缘的密闭容器的另一例子。
[0014]图10示出根据本公开的实施例的加工半导体衬底的示例性方法的流程图。[0015]图11示意地示出根据本公开的实施例的包括一个或多个薄膜沉积工艺反应器的半导体加工工具的一个例子。
【具体实施方式】
[0016]半导体器件可包括通过各种沉积技术形成的薄膜。化学汽相沉积(CVD)和原子层沉积(ALD)工艺有时被用来沉积在半导体器件制造工艺中使用的薄膜。在一些设置中，热预算考量因素可能影响薄膜成形条件。例如，视将要使用沉积工艺的某个制造阶段的情况而定，提供适于在CVD或ALD工艺中活化某些分子分解过程的热能可能会改变器件性能。
[0017]作为对策，一些沉积工艺使用等离子活化。例如，由适宜等离子气形成的游离基可与已化学吸附在半导体衬底上的物种反应，或者游离基物种本身可化学吸附至衬底。然而，等离子活化可能对一些工艺提出挑战。例如，被吸附至反应器内其它表面的反应分子可通过游离基活化。这种活化可能导致在器件和/或加工工具内引起缺陷的那些表面上的薄膜积聚和/或微粒形成。
[0018]因此，所披露的实施例关联于加工半导体衬底的硬件和方法。在一个实施例中，包括电感耦合的等离子(ICP)的薄膜沉积反应器包括工艺气分配器，该工艺气分配器包括被定位以将等离子气提供给薄膜沉积反应器中的等离子发生区的等离子气馈给进口以及被定位以在等离子发生区的下游提供薄膜前体气的前体气馈给进口。示例性薄膜沉积反应器也包括:绝缘的密闭容器，其配置成在薄膜沉积反应器中将等离子发生区维持在减小的压力下；以及ICP线圈，其设置在绝缘的密闭容器的一部分侧壁周围并使侧壁将等离子发生区与ICP线圈隔开。该示 例性薄膜沉积反应器进一步包括基座，其配置成支承半导体衬底以使半导体衬底的薄膜沉积表面暴露于被形成在工艺气分配器下游的反应区。
[0019]因此，利用等离子能量活化/增进沉积反应可避免由热活化导致的一些性能改变效果。在等离子发生区下游引入等离子敏感的前体可防止那些前体发生不想要的反应。例如，等离子敏感的前体的气相反应或凝相反应可通过本文披露的气体分配方案得以避免。进而，薄膜成形可集中在暴露的衬底而不是反应器的各个表面，例如等离子发生区内的各表面。沉积在这些表面上的薄膜可造成等离子发生硬件的法拉第屏蔽、气体分配喷嘴的阻塞和/或可能被转移到衬底表面的小微粒的产生。
[0020]图1示意地示出用于加工半导体衬底106的半导体加工模块100的实施例。半导体加工模块100包括薄膜沉积反应器102以及ICP系统104，该ICP系统104包括RF电源和ICP线圈。薄膜沉积反应器102被配置成在低压条件下将一个或多个薄膜沉积在衬底106上。例如，在等离子发生区108中产生的等离子被用来产生游离基。进而，这些游离基被提供给衬底106以沉积选定的薄膜。
[0021]在图1所示例子中，衬底106被图示为支承在基座109上，该基座109在一些实施例中可通过加热器被加热以将热能提供给衬底106。此外，在一些实施例中，基座109可通过升降机上升或下降，以使衬底106可移入和移出反应器102并被定位在反应区110内。
[0022]薄膜沉积反应器102包括工艺气分配器112，该工艺气分配器112被配置成将适于直接等离子活化的气体传递至等离子发生区108并同时将一种或多种其它工艺气传递至反应区110而无需使它们暴露于等离子状态。例如，工艺气分配器112可将一种或多种等离子气，并在一些实施例中将一种或多种反应气，提供给等离子发生区108。工艺气分配器112也可将一种或多种等离子敏感的前体气提供给反应区110。
[0023]如本文中使用的，前体气指等离子敏感的工艺气(例如当暴露于等离子状态时可能经历不合需反应的工艺气，在某些情况下可能导致微粒产生)，它会对薄膜成形反应中形成在衬底上的薄膜造成麻烦。在一些例子中，前体气可包括多种金属有机化合物或金属卤化化合物，这些化合物具有一旦暴露于等离子能量就能被轻易地消灭的配合基。对等离子状态相对较不敏感，并且或者对等离子产生(例如等离子气)作出贡献或者由等离子理想地活化的工艺气，例如可参与薄膜成形反应的一些反应气，可直接地或从上游位置被提供给反应区110。进而，游离基和等离子敏感的工艺气可被提供给反应区110以使薄膜沉积处理继续并同时减轻前体气可能不合需的等离子间接反应。
[0024]图2示意地示出用于薄膜沉积反应器102的工艺气分配器112的一个实施例。在图2所示实施例中，工艺气分配器112包括等离子气分配器114和前体气分配器116。气体分配器由支承结构118支承并通过如下文中更详细描述的绝缘器120彼此绝缘。尽管图2所示的实施例绘出了可从管式子单元组装而成的气体分配器112 (例如前体气分配器116可由适宜的管道制造而成)，然而要理解，工艺气分配器112可由任何适宜的材料以任何适宜的方式制造。
[0025]等离子气分配器114包括一个或多个等离子气馈给进口 202。等离子气馈给进口202被定位以将等离子气提供给薄膜沉积反应器102中的等离子反应区108。可利用等离子气馈给进口 202的任何适宜的结构/取向而不脱离本公开的范围。例如，在一些实施例中，等离子气馈给进口 202可被配置成有助于理想的流态形成在等离子发生区108中。例如，在等离子发生区108中可产生层流态以阻止逆流和/或涡流的形成，所述逆流和/或涡流可能朝向衬底106驱逐和循环小微粒或可能使前体气朝向等离子发生区108移动。在一些实施例中，等离子气馈给进口 202可如图2所示地被径向地设置，或倾斜或以其它方式适当取向以引导等离子发生区108中离开的等离子气。此外，在一些实施例中，等离子气馈给进口 202可包括适当的喷嘴、缩管和/或扩管以调整离开的等离子气的速度。
[0026]等离子气经由一个或多个等离子气供给管线(见图1中的等离子气供给管线122)被提供给等离子气馈给进口 202。在一些实施例中，等离子气供给管线122可被配置在支承结构118内。在支承结构118中包括气体供给管线可保护气体管线在维护操作中不受伤害。此外，在一些设置中，传导薄膜在一些气体管线上的不定(adventitious)成形可能导致跨绝缘器的不想要的电泄漏。将气体管线定位在支承结构118中可防止在气体管线上的这种薄膜成形。
[0027]在一些实施例中，等离子气分配器114可包括一个或多个反应气馈给进口 204，该反应气馈给进口 204被定位以将反应气提供给等离子发生区108。反应气可经由反应气供给管线(见图1中的反应气供给管线124)被传递至反应气馈给进口 204。在一些实施例中，前体气供给管线126可被包括在支承结构118内。在一些实施例中，反应气可经由一个或多个等离子气馈给进口 202被提供给等离子反应区108。在这些实施例中，反应气可经由专用的反应气供给管线或通过使反应气通过等离子气供给管线122馈送而被提供给等离子气馈给进口 202。
[0028]前体气分配器116包括多个前体气馈给进口 206以及多个等离子通路208。设置前体气馈给进口 206以使前体气被引导朝向反应区110，并最终朝向衬底106的暴露表面。类似地，等离子通路208是设置在前体气分配器116中的开口以使游离基被传递至反应区110。
[0029]等离子通路208将等离子发生区108中产生的游离基传递至反应区110。要理解，可以任何适宜的数量引入任何适宜尺寸的等离子通路208而不脱离本公开的范围。
[0030]在一些实施例中，可鉴于反映前体气分配器116附近和/或等离子通路内的环境中的流体和/或分子运动状态的一个或多个无量纲值而设计一个或多个等离子通路208的关键尺寸。在本文中，关键尺寸指可在前体气分配器116的设计阶段中使用的尺寸。该尺寸在任何意义上都不旨在作为限定性尺寸，但为了讨论在这里描述。换句话说，该值对本文披露的分配器或任何其它硬件的操作或功能并非关键的。相反，关键尺寸可充当在设计和制造过程中其它尺寸的基准值。
[0031]在一些实施例中，一个或多个等离子通路208的关键尺寸可鉴于流体的马赫数来确定。马赫数是将游离基的速度关联于声音在游离基在该压力和温度下经过的流体中的速度的无量纲数。马赫数可被表示为:
【权利要求】
1.一种使用电感耦合的等离子(ICP)加工半导体衬底的薄膜沉积反应器，所述薄膜沉积反应器包括: 工艺气分配器，其包括: 等离子气馈给进口，所述等离子气馈给进口被定位以将等离子气提供给所述薄膜沉积反应器中的等离子发生区，以及 前体气馈给进口，所述前体气馈给进口被定位以将薄膜前体气提供给所述等离子发生区的下游； 绝缘的密闭容器，所述绝缘的密闭容器被配置成在所述薄膜沉积反应器中将所述等离子发生区维持在降低的压力下； ICP线圈，所述ICP线圈被设置在所述绝缘的密闭容器的一部分侧壁周围并被定位成使所述侧壁将所述等离子发生区与所述ICP线圈隔开；以及 基座，所述基座被配置成支承所述半导体衬底以使所述半导体衬底的薄膜沉积表面暴露于被形成在所述工艺气分配器下游的反应区。
2.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述工艺气分配器包括: 支承结构，所述支承结构支承等离子气分配器以及从所述等离子气分配器中伸出的前体气分配器；以及 电绝缘器，所述电绝缘器设置在所述等离子气分配器和所述前体气分配器之间以适应所述等离子气分配器和所述前体气分配器之间的电压差； 其中所述等离子气分配器包括`等离子气馈给进口，所述等离子气分配器包括前体气馈给进口，并且所述支承结构包括流体地耦合至所述前体气馈给进口的前体气供给管线以及流体地耦合至所述等离子气馈给进口的等离子气供给管线。
3.如权利要求2所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述等离子气分配器包括流体地耦合至包含在所述支承结构中的反应气供给管线的反应气馈给进口。
4.如权利要求2所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述前体气分配器包括多个方位角前体气分配器以及多个径向前体气分配器，并且所述前体气分配器包括多个等离子通路开口，所述等离子通路开口被形成在所述多个方位角前体气分配器和所述多个径向前体气分配器之间。
5.如权利要求4所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述多个径向前体气分配器包括位于所述前体气分配器中心的前体气进入位置。
6.如权利要求4所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述多个径向前体气分配器包括位于所述前体气分配器的中心和外缘之间的一个或多个前体气进入位置。
7.如权利要求2所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述前体气分配器包括无混合喷头组件，所述无混合喷头组件包括多个前体气馈给进口和多个等离子通路开口。
8.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述绝缘的密闭容器的低压侧壁具有层流外形。
9.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，所述ICP线圈是包括耦合至单个功率变压器的多个等离子密度调整抽头的单线圈。
10.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其特征在于，还包括各自具有独立RF功率源的多个ICP线圈。
11.一种用于被配置成使用电感耦合的等离子(ICP)加工半导体衬底的薄膜沉积反应器的工艺气分配组件，所述工艺气分配组件包括: 支承结构，所述支承结构包括前体气供给管线和等离子气供给管线； 由所述支承结构支承的等离子气分配器，所述等离子气分配器包括流体地耦合至所述等离子气供给管线的一个或多个等离子气馈给进口； 由所述支承结构支承并从所述等离子气分配器伸出的前体气分配器，所述前体气分配器包括流体地耦合至所述前体气供给管线的一个或多个前体气馈给进口；以及 电绝缘器，所述电绝缘器设置在所述等离子气分配器和所述前体气分配器之间以适应所述等离子气分配器和所述前体气分配器之间的电压差。
12.如权利要求11所述的工艺气分配组件，其特征在于，所述支承结构同轴地支承所述等离子气分配器和所述前体气分配器。
13.如权利要求11所述的工艺气分配组件，其特征在于，所述前体气分配器包括多个方位角前体气分配器以及多个径向前体气分配器，并且所述前体气分配器包括多个等离子通路开口，所述等离子通路开口被形成在所述多个方位角前体气分配器和所述多个径向前体气分配器之间。
14.如权利要求13所述的工艺气分配组件，其特征在于，所述多个径向前体气分配器包括位于所述前体气分配器中心的前体气进入位置。
15.如权利要求13所述的工艺气分配组件，其特征在于，所述多个径向前体气分配器包括位于所述前体气分配器的中心和外缘之间的一个或多个前体气进入位置。
16.如权利要求11所述的工艺气分配组件，其特征在于，所述前体气分配器包括无混合喷头组件，所述无混合喷头组件包括`多个前体气馈给进口和多个等离子通路开口。
17.—种在包括等离子发生区和反应区的电感耦合的等离子(ICP)加工工具中在半导体衬底上形成薄膜的方法，所述等离子发生区位于所述反应区的上游，所述方法包括: 将所述半导体衬底支承在基座上以使所述半导体衬底暴露于所述ICP加工工具中的反应区； 在第一阶段: 将前体气引入到所述反应区，以及 使反应性前体中间产物吸附至所述半导体衬底暴露的表面； 在第二阶段: 将等离子气提供给所述等离子发生区， 在具有ICP源的等离子发生区内通过所述等离子气产生游离基， 将游离基传递至所述反应区，以及 使游离基与吸附于被暴露的表面的前体中间产物起反应以形成所述薄膜。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将前体气引至所述反应区包括: 将所述前体气从包含在定位于中心的前体气分配器支承件中的前体气供给管线提供给前体气分配器； 引导所述前体气分配器中的前体气以使其从位于中心的前体气分配器支承件朝向所述前体气分配器的边缘径向地流动；以及 从位于所述位于中心的前体气分配器支承件和所述前体气分配器边缘之间的多个前体气馈给进口排出来自所述前体气分配器的前体气，由此所述前体气被引向半导体衬底暴露于所述反应区的表面。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，产生游离基包括: 在所述等离子发生区内产生游离基；以及 通过改变所述等离子发生区内的等离子的径向密度用所述等离子产生游离基的径向分布。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在第三阶段中: 将前体气引入到所述所述反应区； 使反应性反应物中间产物吸附至所述半导体衬底暴露的表面；以及 使游离基与吸附于被暴露 的表面的反应物中间产物起反应以形成所述薄膜。
【文档编号】C23C16/455GK103668117SQ201310412808
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】F·阿洛克塞, R·B·米利根盖 申请人:Asm Ip控股有限公司