對電感耦合的等離子體沉積反應(yīng)器的工藝氣管理的制作方法
【專利摘要】披露了關(guān)聯(lián)于加工半導(dǎo)體襯底的硬件和方法的實施例。一示例性薄膜沉積反應(yīng)器，包括：工藝氣分配器，該工藝氣分配器包括：被定位以將等離子氣提供給薄膜沉積反應(yīng)器中的等離子發(fā)生區(qū)的等離子氣饋給進口以及被定位以將薄膜前體氣提供給等離子發(fā)生區(qū)的下游的前體氣饋給進口；絕緣的密閉容器，其被配置成在薄膜沉積反應(yīng)器中將等離子發(fā)生區(qū)維持在降低的壓力下；以及電感耦合的等離子(ICP)線圈，其被設(shè)置在絕緣的密閉容器的一部分側(cè)壁周圍并被定位成使側(cè)壁將等離子發(fā)生區(qū)與ICP線圈隔開；以及基座，其被配置成支承半導(dǎo)體襯底以使半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積表面暴露于被形成在工藝氣分配器下游的反應(yīng)區(qū)。
【專利說明】對電感耦合的等離子體沉積反應(yīng)器的工藝氣管理
【背景技術(shù)】
[0001]一些半導(dǎo)體制造工藝具有低熱預(yù)算。例如，用于在第一金屬互連層成形之后沉積薄膜的一些工藝可在低溫下沉積以避免金屬的電遷徙和對器件可能的損害。因此，一些沉積反應(yīng)的熱活化在這些情況下是困難的。一些之前的方法已嘗試?yán)萌菀追纸獾姆肿幼鳛楸∧こ尚蔚拈_始點。然而，這些化學(xué)劑難以處理并可能仍然遭受低的沉積速率。已嘗試其它使用等離子能量的方法來加速沉積。然而，一些器件在這些條件下可能對等離子損害是敏感的，并且一些分子當(dāng)暴露于等離子能量時可能經(jīng)歷不合需的反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]本文披露了多個實施例，這些實施例關(guān)聯(lián)于加工半導(dǎo)體襯底的硬件和方法。在一個實施例中，包括電感耦合的等離子(ICP)的薄膜沉積反應(yīng)器包括工藝氣分配器，該工藝氣分配器包括被定位以將等離子氣提供給薄膜沉積反應(yīng)器中的等離子發(fā)生區(qū)的等離子氣饋給進口以及被定位以在等離子發(fā)生區(qū)的下游提供薄膜前體氣的前體氣饋給進口。示例性薄膜沉積反應(yīng)器也包括:絕緣的密閉容器，其配置成在薄膜沉積反應(yīng)器中將等離子發(fā)生區(qū)維持在減小的壓力下；以及ICP線圈，其設(shè)置在絕緣的密閉容器的一部分側(cè)壁周圍并使側(cè)壁將等離子發(fā)生區(qū)與ICP線圈隔開。該示例性薄膜沉積反應(yīng)器進一步包括基座，其配置成支承半導(dǎo)體襯底以使半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積表面暴露于被形成在工藝氣分配器下游的反應(yīng)區(qū)。
[0003]提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
以便以簡化形式介紹將在以下【具體實施方式】中進一步描述的一些概念。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在標(biāo)識所要求保護主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護主題的范圍。此外，所要求保護的主題不限于解決在本公開的任一部分中所提及的任何或所有缺點的實現(xiàn)。
[0004]附圖簡沭
[0005]圖1示意地示出根據(jù) 本公開的實施例的示例性薄膜沉積工藝反應(yīng)器。
[0006]圖2示意地示出根據(jù)本公開的實施例的示例性工藝氣分配器組件的橫截面。
[0007]圖3示意地示出包含在圖2所示的工藝氣分配器中的示例性前體氣分配器的立體圖。
[0008]圖4示意地示出根據(jù)本公開的實施例的另一示例性前體氣分配器組件的橫截面。
[0009]圖5示意地示出圖4所示的示例性前體氣分配器的立體圖。
[0010]圖6示意地示出根據(jù)本公開的實施例的另一示例性前體氣分配器的橫截面。
[0011]圖7示意地示出圖6所示的示例性前體氣分配器的立體圖。
[0012]圖8示意地示出根據(jù)本公開的實施例具有帶層流外形的側(cè)壁的絕緣的密閉容器的一個例子。
[0013]圖9示意地示出根據(jù)本公開的實施例具有帶層流外形的側(cè)壁的絕緣的密閉容器的另一例子。
[0014]圖10示出根據(jù)本公開的實施例的加工半導(dǎo)體襯底的示例性方法的流程圖。[0015]圖11示意地示出根據(jù)本公開的實施例的包括一個或多個薄膜沉積工藝反應(yīng)器的半導(dǎo)體加工工具的一個例子。
【具體實施方式】
[0016]半導(dǎo)體器件可包括通過各種沉積技術(shù)形成的薄膜?；瘜W(xué)汽相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)工藝有時被用來沉積在半導(dǎo)體器件制造工藝中使用的薄膜。在一些設(shè)置中，熱預(yù)算考量因素可能影響薄膜成形條件。例如，視將要使用沉積工藝的某個制造階段的情況而定，提供適于在CVD或ALD工藝中活化某些分子分解過程的熱能可能會改變器件性能。
[0017]作為對策，一些沉積工藝使用等離子活化。例如，由適宜等離子氣形成的游離基可與已化學(xué)吸附在半導(dǎo)體襯底上的物種反應(yīng)，或者游離基物種本身可化學(xué)吸附至襯底。然而，等離子活化可能對一些工藝提出挑戰(zhàn)。例如，被吸附至反應(yīng)器內(nèi)其它表面的反應(yīng)分子可通過游離基活化。這種活化可能導(dǎo)致在器件和/或加工工具內(nèi)引起缺陷的那些表面上的薄膜積聚和/或微粒形成。
[0018]因此，所披露的實施例關(guān)聯(lián)于加工半導(dǎo)體襯底的硬件和方法。在一個實施例中，包括電感耦合的等離子(ICP)的薄膜沉積反應(yīng)器包括工藝氣分配器，該工藝氣分配器包括被定位以將等離子氣提供給薄膜沉積反應(yīng)器中的等離子發(fā)生區(qū)的等離子氣饋給進口以及被定位以在等離子發(fā)生區(qū)的下游提供薄膜前體氣的前體氣饋給進口。示例性薄膜沉積反應(yīng)器也包括:絕緣的密閉容器，其配置成在薄膜沉積反應(yīng)器中將等離子發(fā)生區(qū)維持在減小的壓力下；以及ICP線圈，其設(shè)置在絕緣的密閉容器的一部分側(cè)壁周圍并使側(cè)壁將等離子發(fā)生區(qū)與ICP線圈隔開。該示 例性薄膜沉積反應(yīng)器進一步包括基座，其配置成支承半導(dǎo)體襯底以使半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積表面暴露于被形成在工藝氣分配器下游的反應(yīng)區(qū)。
[0019]因此，利用等離子能量活化/增進沉積反應(yīng)可避免由熱活化導(dǎo)致的一些性能改變效果。在等離子發(fā)生區(qū)下游引入等離子敏感的前體可防止那些前體發(fā)生不想要的反應(yīng)。例如，等離子敏感的前體的氣相反應(yīng)或凝相反應(yīng)可通過本文披露的氣體分配方案得以避免。進而，薄膜成形可集中在暴露的襯底而不是反應(yīng)器的各個表面，例如等離子發(fā)生區(qū)內(nèi)的各表面。沉積在這些表面上的薄膜可造成等離子發(fā)生硬件的法拉第屏蔽、氣體分配噴嘴的阻塞和/或可能被轉(zhuǎn)移到襯底表面的小微粒的產(chǎn)生。
[0020]圖1示意地示出用于加工半導(dǎo)體襯底106的半導(dǎo)體加工模塊100的實施例。半導(dǎo)體加工模塊100包括薄膜沉積反應(yīng)器102以及ICP系統(tǒng)104，該ICP系統(tǒng)104包括RF電源和ICP線圈。薄膜沉積反應(yīng)器102被配置成在低壓條件下將一個或多個薄膜沉積在襯底106上。例如，在等離子發(fā)生區(qū)108中產(chǎn)生的等離子被用來產(chǎn)生游離基。進而，這些游離基被提供給襯底106以沉積選定的薄膜。
[0021]在圖1所示例子中，襯底106被圖示為支承在基座109上，該基座109在一些實施例中可通過加熱器被加熱以將熱能提供給襯底106。此外，在一些實施例中，基座109可通過升降機上升或下降，以使襯底106可移入和移出反應(yīng)器102并被定位在反應(yīng)區(qū)110內(nèi)。
[0022]薄膜沉積反應(yīng)器102包括工藝氣分配器112，該工藝氣分配器112被配置成將適于直接等離子活化的氣體傳遞至等離子發(fā)生區(qū)108并同時將一種或多種其它工藝氣傳遞至反應(yīng)區(qū)110而無需使它們暴露于等離子狀態(tài)。例如，工藝氣分配器112可將一種或多種等離子氣，并在一些實施例中將一種或多種反應(yīng)氣，提供給等離子發(fā)生區(qū)108。工藝氣分配器112也可將一種或多種等離子敏感的前體氣提供給反應(yīng)區(qū)110。
[0023]如本文中使用的，前體氣指等離子敏感的工藝氣(例如當(dāng)暴露于等離子狀態(tài)時可能經(jīng)歷不合需反應(yīng)的工藝氣，在某些情況下可能導(dǎo)致微粒產(chǎn)生)，它會對薄膜成形反應(yīng)中形成在襯底上的薄膜造成麻煩。在一些例子中，前體氣可包括多種金屬有機化合物或金屬鹵化化合物，這些化合物具有一旦暴露于等離子能量就能被輕易地消滅的配合基。對等離子狀態(tài)相對較不敏感，并且或者對等離子產(chǎn)生(例如等離子氣)作出貢獻或者由等離子理想地活化的工藝氣，例如可參與薄膜成形反應(yīng)的一些反應(yīng)氣，可直接地或從上游位置被提供給反應(yīng)區(qū)110。進而，游離基和等離子敏感的工藝氣可被提供給反應(yīng)區(qū)110以使薄膜沉積處理繼續(xù)并同時減輕前體氣可能不合需的等離子間接反應(yīng)。
[0024]圖2示意地示出用于薄膜沉積反應(yīng)器102的工藝氣分配器112的一個實施例。在圖2所示實施例中，工藝氣分配器112包括等離子氣分配器114和前體氣分配器116。氣體分配器由支承結(jié)構(gòu)118支承并通過如下文中更詳細描述的絕緣器120彼此絕緣。盡管圖2所示的實施例繪出了可從管式子單元組裝而成的氣體分配器112 (例如前體氣分配器116可由適宜的管道制造而成)，然而要理解，工藝氣分配器112可由任何適宜的材料以任何適宜的方式制造。
[0025]等離子氣分配器114包括一個或多個等離子氣饋給進口 202。等離子氣饋給進口202被定位以將等離子氣提供給薄膜沉積反應(yīng)器102中的等離子反應(yīng)區(qū)108?？衫玫入x子氣饋給進口 202的任何適宜的結(jié)構(gòu)/取向而不脫離本公開的范圍。例如，在一些實施例中，等離子氣饋給進口 202可被配置成有助于理想的流態(tài)形成在等離子發(fā)生區(qū)108中。例如，在等離子發(fā)生區(qū)108中可產(chǎn)生層流態(tài)以阻止逆流和/或渦流的形成，所述逆流和/或渦流可能朝向襯底106驅(qū)逐和循環(huán)小微粒或可能使前體氣朝向等離子發(fā)生區(qū)108移動。在一些實施例中，等離子氣饋給進口 202可如圖2所示地被徑向地設(shè)置，或傾斜或以其它方式適當(dāng)取向以引導(dǎo)等離子發(fā)生區(qū)108中離開的等離子氣。此外，在一些實施例中，等離子氣饋給進口 202可包括適當(dāng)?shù)膰娮?、縮管和/或擴管以調(diào)整離開的等離子氣的速度。
[0026]等離子氣經(jīng)由一個或多個等離子氣供給管線(見圖1中的等離子氣供給管線122)被提供給等離子氣饋給進口 202。在一些實施例中，等離子氣供給管線122可被配置在支承結(jié)構(gòu)118內(nèi)。在支承結(jié)構(gòu)118中包括氣體供給管線可保護氣體管線在維護操作中不受傷害。此外，在一些設(shè)置中，傳導(dǎo)薄膜在一些氣體管線上的不定(adventitious)成形可能導(dǎo)致跨絕緣器的不想要的電泄漏。將氣體管線定位在支承結(jié)構(gòu)118中可防止在氣體管線上的這種薄膜成形。
[0027]在一些實施例中，等離子氣分配器114可包括一個或多個反應(yīng)氣饋給進口 204，該反應(yīng)氣饋給進口 204被定位以將反應(yīng)氣提供給等離子發(fā)生區(qū)108。反應(yīng)氣可經(jīng)由反應(yīng)氣供給管線(見圖1中的反應(yīng)氣供給管線124)被傳遞至反應(yīng)氣饋給進口 204。在一些實施例中，前體氣供給管線126可被包括在支承結(jié)構(gòu)118內(nèi)。在一些實施例中，反應(yīng)氣可經(jīng)由一個或多個等離子氣饋給進口 202被提供給等離子反應(yīng)區(qū)108。在這些實施例中，反應(yīng)氣可經(jīng)由專用的反應(yīng)氣供給管線或通過使反應(yīng)氣通過等離子氣供給管線122饋送而被提供給等離子氣饋給進口 202。
[0028]前體氣分配器116包括多個前體氣饋給進口 206以及多個等離子通路208。設(shè)置前體氣饋給進口 206以使前體氣被引導(dǎo)朝向反應(yīng)區(qū)110，并最終朝向襯底106的暴露表面。類似地，等離子通路208是設(shè)置在前體氣分配器116中的開口以使游離基被傳遞至反應(yīng)區(qū)110。
[0029]等離子通路208將等離子發(fā)生區(qū)108中產(chǎn)生的游離基傳遞至反應(yīng)區(qū)110。要理解，可以任何適宜的數(shù)量引入任何適宜尺寸的等離子通路208而不脫離本公開的范圍。
[0030]在一些實施例中，可鑒于反映前體氣分配器116附近和/或等離子通路內(nèi)的環(huán)境中的流體和/或分子運動狀態(tài)的一個或多個無量綱值而設(shè)計一個或多個等離子通路208的關(guān)鍵尺寸。在本文中，關(guān)鍵尺寸指可在前體氣分配器116的設(shè)計階段中使用的尺寸。該尺寸在任何意義上都不旨在作為限定性尺寸，但為了討論在這里描述。換句話說，該值對本文披露的分配器或任何其它硬件的操作或功能并非關(guān)鍵的。相反，關(guān)鍵尺寸可充當(dāng)在設(shè)計和制造過程中其它尺寸的基準(zhǔn)值。
[0031]在一些實施例中，一個或多個等離子通路208的關(guān)鍵尺寸可鑒于流體的馬赫數(shù)來確定。馬赫數(shù)是將游離基的速度關(guān)聯(lián)于聲音在游離基在該壓力和溫度下經(jīng)過的流體中的速度的無量綱數(shù)。馬赫數(shù)可被表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種使用電感耦合的等離子(ICP)加工半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積反應(yīng)器，所述薄膜沉積反應(yīng)器包括: 工藝氣分配器，其包括: 等離子氣饋給進口，所述等離子氣饋給進口被定位以將等離子氣提供給所述薄膜沉積反應(yīng)器中的等離子發(fā)生區(qū)，以及 前體氣饋給進口，所述前體氣饋給進口被定位以將薄膜前體氣提供給所述等離子發(fā)生區(qū)的下游； 絕緣的密閉容器，所述絕緣的密閉容器被配置成在所述薄膜沉積反應(yīng)器中將所述等離子發(fā)生區(qū)維持在降低的壓力下； ICP線圈，所述ICP線圈被設(shè)置在所述絕緣的密閉容器的一部分側(cè)壁周圍并被定位成使所述側(cè)壁將所述等離子發(fā)生區(qū)與所述ICP線圈隔開；以及 基座，所述基座被配置成支承所述半導(dǎo)體襯底以使所述半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積表面暴露于被形成在所述工藝氣分配器下游的反應(yīng)區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述工藝氣分配器包括: 支承結(jié)構(gòu)，所述支承結(jié)構(gòu)支承等離子氣分配器以及從所述等離子氣分配器中伸出的前體氣分配器；以及 電絕緣器，所述電絕緣器設(shè)置在所述等離子氣分配器和所述前體氣分配器之間以適應(yīng)所述等離子氣分配器和所述前體氣分配器之間的電壓差； 其中所述等離子氣分配器包括`等離子氣饋給進口，所述等離子氣分配器包括前體氣饋給進口，并且所述支承結(jié)構(gòu)包括流體地耦合至所述前體氣饋給進口的前體氣供給管線以及流體地耦合至所述等離子氣饋給進口的等離子氣供給管線。
3.如權(quán)利要求2所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述等離子氣分配器包括流體地耦合至包含在所述支承結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)氣供給管線的反應(yīng)氣饋給進口。
4.如權(quán)利要求2所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述前體氣分配器包括多個方位角前體氣分配器以及多個徑向前體氣分配器，并且所述前體氣分配器包括多個等離子通路開口，所述等離子通路開口被形成在所述多個方位角前體氣分配器和所述多個徑向前體氣分配器之間。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述多個徑向前體氣分配器包括位于所述前體氣分配器中心的前體氣進入位置。
6.如權(quán)利要求4所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述多個徑向前體氣分配器包括位于所述前體氣分配器的中心和外緣之間的一個或多個前體氣進入位置。
7.如權(quán)利要求2所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述前體氣分配器包括無混合噴頭組件，所述無混合噴頭組件包括多個前體氣饋給進口和多個等離子通路開口。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述絕緣的密閉容器的低壓側(cè)壁具有層流外形。
9.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，所述ICP線圈是包括耦合至單個功率變壓器的多個等離子密度調(diào)整抽頭的單線圈。
10.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積反應(yīng)器，其特征在于，還包括各自具有獨立RF功率源的多個ICP線圈。
11.一種用于被配置成使用電感耦合的等離子(ICP)加工半導(dǎo)體襯底的薄膜沉積反應(yīng)器的工藝氣分配組件，所述工藝氣分配組件包括: 支承結(jié)構(gòu)，所述支承結(jié)構(gòu)包括前體氣供給管線和等離子氣供給管線； 由所述支承結(jié)構(gòu)支承的等離子氣分配器，所述等離子氣分配器包括流體地耦合至所述等離子氣供給管線的一個或多個等離子氣饋給進口； 由所述支承結(jié)構(gòu)支承并從所述等離子氣分配器伸出的前體氣分配器，所述前體氣分配器包括流體地耦合至所述前體氣供給管線的一個或多個前體氣饋給進口；以及 電絕緣器，所述電絕緣器設(shè)置在所述等離子氣分配器和所述前體氣分配器之間以適應(yīng)所述等離子氣分配器和所述前體氣分配器之間的電壓差。
12.如權(quán)利要求11所述的工藝氣分配組件，其特征在于，所述支承結(jié)構(gòu)同軸地支承所述等離子氣分配器和所述前體氣分配器。
13.如權(quán)利要求11所述的工藝氣分配組件，其特征在于，所述前體氣分配器包括多個方位角前體氣分配器以及多個徑向前體氣分配器，并且所述前體氣分配器包括多個等離子通路開口，所述等離子通路開口被形成在所述多個方位角前體氣分配器和所述多個徑向前體氣分配器之間。
14.如權(quán)利要求13所述的工藝氣分配組件，其特征在于，所述多個徑向前體氣分配器包括位于所述前體氣分配器中心的前體氣進入位置。
15.如權(quán)利要求13所述的工藝氣分配組件，其特征在于，所述多個徑向前體氣分配器包括位于所述前體氣分配器的中心和外緣之間的一個或多個前體氣進入位置。
16.如權(quán)利要求11所述的工藝氣分配組件，其特征在于，所述前體氣分配器包括無混合噴頭組件，所述無混合噴頭組件包括`多個前體氣饋給進口和多個等離子通路開口。
17.—種在包括等離子發(fā)生區(qū)和反應(yīng)區(qū)的電感耦合的等離子(ICP)加工工具中在半導(dǎo)體襯底上形成薄膜的方法，所述等離子發(fā)生區(qū)位于所述反應(yīng)區(qū)的上游，所述方法包括: 將所述半導(dǎo)體襯底支承在基座上以使所述半導(dǎo)體襯底暴露于所述ICP加工工具中的反應(yīng)區(qū)； 在第一階段: 將前體氣引入到所述反應(yīng)區(qū)，以及 使反應(yīng)性前體中間產(chǎn)物吸附至所述半導(dǎo)體襯底暴露的表面； 在第二階段: 將等離子氣提供給所述等離子發(fā)生區(qū)， 在具有ICP源的等離子發(fā)生區(qū)內(nèi)通過所述等離子氣產(chǎn)生游離基， 將游離基傳遞至所述反應(yīng)區(qū)，以及 使游離基與吸附于被暴露的表面的前體中間產(chǎn)物起反應(yīng)以形成所述薄膜。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，將前體氣引至所述反應(yīng)區(qū)包括: 將所述前體氣從包含在定位于中心的前體氣分配器支承件中的前體氣供給管線提供給前體氣分配器； 引導(dǎo)所述前體氣分配器中的前體氣以使其從位于中心的前體氣分配器支承件朝向所述前體氣分配器的邊緣徑向地流動；以及 從位于所述位于中心的前體氣分配器支承件和所述前體氣分配器邊緣之間的多個前體氣饋給進口排出來自所述前體氣分配器的前體氣，由此所述前體氣被引向半導(dǎo)體襯底暴露于所述反應(yīng)區(qū)的表面。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，產(chǎn)生游離基包括: 在所述等離子發(fā)生區(qū)內(nèi)產(chǎn)生游離基；以及 通過改變所述等離子發(fā)生區(qū)內(nèi)的等離子的徑向密度用所述等離子產(chǎn)生游離基的徑向分布。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在第三階段中: 將前體氣引入到所述所述反應(yīng)區(qū)； 使反應(yīng)性反應(yīng)物中間產(chǎn)物吸附至所述半導(dǎo)體襯底暴露的表面；以及 使游離基與吸附于被暴露 的表面的反應(yīng)物中間產(chǎn)物起反應(yīng)以形成所述薄膜。
【文檔編號】C23C16/455GK103668117SQ201310412808
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月12日
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