抑制噴頭背面寄生等離子體的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體處理領(lǐng)域，更具體地涉及抑制噴頭背面寄生等離子體的 方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體行業(yè)中，隨著器件和特征尺寸不斷變小，并且隨著三維器件結(jié)構(gòu)（例如， 英特爾公司的三柵極晶體管架構(gòu)）在集成電路（1C)設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越普遍，沉積薄的共形 膜（具有與下伏結(jié)構(gòu)的形狀相對(duì)應(yīng)的均勻厚度的材料膜，盡管下伏結(jié)構(gòu)不是平坦的）的能 力將繼續(xù)得到重視。原子層沉積（ALD)是非常適合于沉積共形膜的一種膜形成技術(shù)，原因 在于以下事實(shí)：?jiǎn)蝹€(gè)循環(huán)ALD僅沉積單一的薄的材料層，其厚度受限于在成膜的化學(xué)反應(yīng) 本身之前可吸附到襯底表面上的一種或多種膜前體反應(yīng)物的量（即，形成吸附受限層）。然 后可以使用多個(gè)"ALD循環(huán)"來(lái)制成期望厚度的膜，由于每一層是薄的且是共形的，因此，所 得到的膜與下伏的設(shè)備結(jié)構(gòu)的形狀基本一致。
[0003] 但是，存在與ALD工藝相關(guān)聯(lián)的許多挑戰(zhàn)。通常這些挑戰(zhàn)必須解決以下事實(shí)：每個(gè) ALD循環(huán)只沉積薄的吸附受限層，所以需要許多的ALD循環(huán)來(lái)制成顯著厚度的膜。每個(gè)循環(huán) 需要時(shí)間并需要按順序重復(fù)操作用以完成沉積工藝的裝置。因此，尋求用改進(jìn)的方法和裝 置來(lái)提高晶片處理的速率，并且也改善用于執(zhí)行ALD操作的襯底處理硬件的壽命和維護(hù)要 求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 公開(kāi)的是采用次級(jí)清掃的用途在半導(dǎo)體襯底上沉積材料膜的方法。所述方法可以 包括使膜前體流入處理室并在所述處理室中使所述膜前體吸附到襯底上，使得所述前體在 襯底上形成吸附受限層。所述方法可進(jìn)一步包括通過(guò)用初級(jí)清掃氣體清掃所述處理室從圍 繞所吸附的前體的體積去除至少一些未被吸附的膜前體；以及然后在次級(jí)清掃氣體流入所 述處理室時(shí)使所吸附的膜前體反應(yīng)，導(dǎo)致在所述襯底上形成膜層。所述次級(jí)清掃氣體可以 包括具有等于或大于02的電離能和/或解離能的電離能和/或解離能的化學(xué)物質(zhì)。
[0005] 還公開(kāi)了用于在半導(dǎo)體襯底上沉積材料膜的裝置。所述裝置可包括：處理室；在 所述處理室中的襯底支架；噴頭，其用于使膜前體和初級(jí)清掃氣體流入所述處理室；噴頭 軸環(huán)，其用于使次級(jí)清掃氣體流入所述處理室；一個(gè)或多個(gè)初級(jí)流量閥，其用于控制通過(guò)所 述噴頭的膜前體的流以及初級(jí)清掃氣體的流；一個(gè)或多個(gè)次級(jí)流量閥，其用于控制通過(guò)所 述噴頭軸環(huán)的次級(jí)清掃氣體的流；閥操作式真空源，其用于從所述處理室去除初級(jí)和次級(jí) 清掃氣體，以及用于從所述處理室中的圍繞所述襯底的體積去除膜前體；等離子體發(fā)生器， 其用于在所述處理室中產(chǎn)生等離子體；以及一個(gè)或多個(gè)控制器，其包括用于操作所述一個(gè) 或多個(gè)閥、真空源和等離子體發(fā)生器以在半導(dǎo)體襯底上沉積材料膜的機(jī)器可讀指令。所述 控制器的指令可包括：用于操作所述初級(jí)流量閥以使膜前體流入所述處理室的指令；用于 控制所述處理室內(nèi)的條件，使得膜前體吸附到在所述處理室中的所述襯底上而形成吸附受 限層的指令；用于操作所述初級(jí)流量閥以使初級(jí)清掃氣體流入所述處理室并操作所述閥操 作式真空源以抽空它從而從圍繞所吸附的前體的體積去除至少一些未被吸附的膜前體的 指令；用于操作所述等離子體發(fā)生器以在所述處理室中形成等離子體，從而所述等離子體 激活所吸附的膜前體的反應(yīng)以在所述襯底上形成膜層的指令；以及用于在由等離子體激 活所述膜前體的反應(yīng)的同時(shí)，操作所述次級(jí)流量閥以使次級(jí)清掃氣體流入所述處理室的指 令，所述次級(jí)清掃氣體包括〇2。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1是具有帶有單一處理站的處理室的襯底處理裝置的橫截面示意圖。
[0007] 圖2是四站式襯底處理裝置的示意圖，其具有用于從兩個(gè)處理站加載和卸載襯底 的襯底搬運(yùn)機(jī)械手和用于操作該裝置的控制器。
[0008] 圖3是具有噴頭和噴頭軸環(huán)，并具有初級(jí)和次級(jí)清掃氣體流路的單一站式襯底處 理裝置的處理室的橫截面示意圖。
[0009] 圖4是沉積速率與RF功率的關(guān)系曲線(xiàn)圖，用來(lái)說(shuō)明在噴頭后方的處理室形成的寄 生等離子體的存在和強(qiáng)度。
[0010] 圖5是顯示經(jīng)由ALD工藝在襯底上形成材料膜的操作序列的實(shí)施例的流程圖。
[0011] 圖6是在襯底處理室中的噴頭和噴頭軸環(huán)的更詳細(xì)的剖面圖，還示出了初級(jí)和次 級(jí)清掃流路。
[0012] 圖7是噴頭軸環(huán)的一個(gè)例子的透視圖。
[0013] 圖8是用于圖7的噴頭軸環(huán)的示例性流體連接器的透視圖。
[0014] 圖9A和9B是圖6的噴頭的示例性板的頂部和底部平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解。然而，本發(fā)明 可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或全部的情況下實(shí)施。在其它情況下，未詳細(xì)描述公知 的處理操作以免不必要地使本發(fā)明難以理解。盡管將會(huì)結(jié)合具體的詳細(xì)實(shí)施方式描述本發(fā) 明，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些具體的詳細(xì)實(shí)施方式并不旨在限制本發(fā)明所公開(kāi)的創(chuàng)造性構(gòu)思的 范圍。
[0016] 本文公開(kāi)了用于抑制半導(dǎo)體襯底處理室中寄生等離子體產(chǎn)生的方法和裝置，所述 半導(dǎo)體襯底處理室用于通過(guò)原子層沉積（ALD)沉積共形膜。
[0017] ALD用于通過(guò)執(zhí)行多個(gè)"ALD循環(huán)"沉積具有所期望的厚度的膜材料，每個(gè)ALD循 環(huán)只沉積一薄層材料（常常只有一個(gè)分子層厚度）。如在下面詳細(xì)描述的，用于在處理室 中在襯底上沉積單層材料的基本ALD循環(huán)可以包括：（i)將膜前體吸附到襯底上，使得所述 前體形成吸附受限層，（ii)從圍繞被吸附的前體的體積去除（至少一些）未被吸附的膜前 體，以及（iii)在去除未被吸附的前體之后，使吸附的膜前體反應(yīng)以在襯底上形成膜層。通 常情況下，ALD循環(huán)另外涉及（iv)從圍繞在襯底上形成的膜層的體積去除解吸的膜前體和 /或反應(yīng)副產(chǎn)物的操作。
[0018] 在操作（ii)和（iv)中的去除可以經(jīng)由清掃，通過(guò)抽真空到基本壓強(qiáng)（"抽排至 基壓"）將圍繞襯底的體積抽空等來(lái)完成。在一些實(shí)施方式中，這些清掃可以在邏輯上劃分 成在本文中稱(chēng)之為"初級(jí)清掃"或"突發(fā)清掃"，以及"次級(jí)清掃"的清掃。初級(jí)清掃涉及使 用來(lái)源于"初級(jí)清掃氣體源"的在本文中稱(chēng)之為"初級(jí)清掃氣體"，并經(jīng)由初級(jí)清掃氣體通路 通過(guò)一個(gè)或多個(gè)初級(jí)清掃氣體入口引入處理室中的物質(zhì)。類(lèi)似地，次級(jí)清掃涉及使用來(lái)源 于"次級(jí)清掃氣體源"的在本文中稱(chēng)之為"次級(jí)清掃氣體"，并經(jīng)由次級(jí)清掃氣體流路（flow path)通過(guò)一個(gè)或多個(gè)次級(jí)清掃氣體入口引入處理室中的物質(zhì)。
[0019] 初級(jí)清掃通常在操作（ii)期間進(jìn)行，在操作（iv)中存在另一清掃的實(shí)施方式中， 在該清掃期間也進(jìn)行初級(jí)清掃。但是，初級(jí)清掃通常不在操作（i)和（iii)期間進(jìn)行，并且 在一些實(shí)施方式中，在操作（iii)中的反應(yīng)之前，基本上所有的初級(jí)清掃氣體可以從處理 室去除。因此，由于初級(jí)清掃氣體的流是間歇性的，所以初級(jí)清掃在本文中也被稱(chēng)為"突發(fā) 清掃"（采用"突發(fā)清掃氣體"）。本文中短語(yǔ)初級(jí)清掃和突發(fā)清掃被同義地使用。
[0020] 在本文中所稱(chēng)的"次級(jí)清掃"可以被認(rèn)為與"初級(jí)清掃"不同。與初級(jí)清掃相反， 在操作（iii)中發(fā)生反應(yīng)期間，在次級(jí)清掃過(guò)程中，氣體可以以使得基本上不擾亂或不干 擾在襯底表面上進(jìn)行的反應(yīng)過(guò)程的方式流入處理室。在一些實(shí)施方式中，在操作（i)-(ii) 和/或（iv)期間次級(jí)清掃氣體也可流入處理室，并且在某些這樣的實(shí)施方式中，在整個(gè)操 作（i)-(iv)的過(guò)程中次級(jí)清掃氣體連續(xù)地流入處理室。
[0021] 進(jìn)入處理室的次級(jí)清掃氣體的流率可以與進(jìn)入處理室的初級(jí)清掃氣體的流 率不同，這要根據(jù)實(shí)施方式確定。在一些實(shí)施方式中，初級(jí)清掃氣體可以以約1000至 100, OOOsccm，或更優(yōu)選為約5000至45000sccm，或甚至約10, 000至30, OOOsccm的速率流 入處理室。在一些實(shí)施方式中，次級(jí)清掃氣體可以以約1至50, OOOsccm，或更優(yōu)選為約1至 30, OOOsccm，或甚至為約1，000至20, OOOsccm的速率流入處理室。
[0022] 在ALD工藝中次級(jí)清掃的使用可以具有若干有益效果，有益效果涉及在操作 (iii)期間次級(jí)清掃起作用，以及涉及次級(jí)清掃氣體被引導(dǎo)到處理室的偏遠(yuǎn)地區(qū)，而不是直 接引導(dǎo)在襯底上（與初級(jí)清掃相似）。次級(jí)清掃氣體的流至室的偏遠(yuǎn)地區(qū)，即流至不是緊 鄰襯底表面附近的區(qū)域，這有助于從處理室去除過(guò)量的未被吸附的膜前體，而且，甚至可有 助于防止膜前體首先流到室的這些偏遠(yuǎn)地區(qū)。為了實(shí)現(xiàn)后者，然后次級(jí)清掃在操作（i)期 間也將起作用，在操作（i)中膜前體流入到室中。例如，在操作（iii)期間，采用次級(jí)清掃 來(lái)保護(hù)室的內(nèi)表面免受由于在此處發(fā)生的反應(yīng)過(guò)程期間前體從襯底表面解吸然后在別處 (如在室的側(cè)壁）重新吸附和反應(yīng)而造成的任何寄生沉積。在描述被裝備以采用次級(jí)清掃 的襯底處理裝置的詳細(xì)實(shí)施例之前，現(xiàn)在提供膜沉積裝置的總體概述。
[0023] 膜沉積裝置概述
[0024] 在諸如圖1中所示的襯底處理裝置中，通常可以執(zhí)行用于在半導(dǎo)體襯底上沉積膜 的操作。將在下面更詳細(xì)描述的圖1的裝置100有單一的處理室102,處理室102具有位于 內(nèi)部體積內(nèi)的單一的襯底保持架108,該內(nèi)部體積可通過(guò)真空栗118被保持在真空條件下。 氣體輸送系統(tǒng)101和噴頭106也流體耦合到室以輸送（例如）膜前體、載體和/或清掃和/ 或工藝氣體、二級(jí)反應(yīng)物等。用于在處理室中產(chǎn)生等離子體的設(shè)備也顯示于圖1并將在下 面進(jìn)一步詳細(xì)地描述。在任何情況下，如在下面詳細(xì)地描述的，在圖1示意性地顯示的裝置 提供了用于在半導(dǎo)體襯底上執(zhí)行諸如ALD之類(lèi)的膜沉積操作的基本設(shè)備。
[0025] 雖然在某些情況下，像圖1那樣的襯底處理裝置可能是足夠的，但是當(dāng)涉及費(fèi)時(shí) 的膜沉積操作時(shí)，通過(guò)同時(shí)在多個(gè)半導(dǎo)體襯底上并行地進(jìn)行多個(gè)沉積操作以提高襯底處理 吞吐量，這可能是有利的?；谶@樣的目的，如圖2所示意性示出的那樣，可以采用多站式 襯底處理裝置。圖2的襯底處理裝置200仍采用單個(gè)襯底處理室214,然而，在由處理室的 壁所限定的單一內(nèi)部體積內(nèi)，是多個(gè)襯底處理站，每一個(gè)襯底處理站可以用于在被保持在 該處理站的晶片保持架中的襯底上執(zhí)行處理操作。在該特定實(shí)施方式中，多站式襯底處理 裝置200被顯示為具有4個(gè)處理站201、202、203和204。所述裝置還采用襯底加載設(shè)備 (在這種情況下為襯底搬運(yùn)機(jī)械手226)以在處理站201和202加載襯底，以及襯底傳送設(shè) 備（在這種情況下為襯底轉(zhuǎn)盤(pán)290)以在各處理站201、202、203和204之間傳送襯底。其 他類(lèi)似的多站式處理裝置可具有較多或較少的處理站，具體取決于實(shí)施方式以及例如并行 晶片處理的期望程度、尺寸/空間的限制、成本限制等。如圖2所示，將在下面更詳細(xì)地描 述的是控制器150,其也有助于執(zhí)行在原子層沉積（ALD)操作中涉及初級(jí)和次級(jí)清掃氣體 的高效率的襯底沉積操作這一目標(biāo)。
[0026] 注意，就設(shè)備成本和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用這兩方面而言，通過(guò)使用如圖2中所顯示的那樣的 多站式處理裝置可以實(shí)現(xiàn)多種效率。例如，單個(gè)真空栗（未在圖2中示出，而是例如圖1中 的118)可以被用來(lái)為所有的4個(gè)處理站創(chuàng)建單個(gè)高真空環(huán)境，并且可以排空例如所有4個(gè) 處理站中的已用過(guò)的工藝氣體。根據(jù)實(shí)施方式的不同，每一個(gè)處理站可以具有它自己的用 于氣體輸送的專(zhuān)用噴頭（參見(jiàn)，例如，圖1中的106)，但共享相同的氣體輸送系統(tǒng)（例如，圖 1中的101)。同樣，等離子體發(fā)生器設(shè)備的某些元件可在處理站之間被共用（例如，電源）， 但是根據(jù)實(shí)施方式的不同，某些方面可以是處理站專(zhuān)用的（例如，如果噴頭用于施加生成 等離子體的電位，參見(jiàn)以下圖1的討論）。然而，再次，應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣的效率還可以通 過(guò)每個(gè)處理室使用更多或更少數(shù)量的處理站（例如每個(gè)反應(yīng)室使用2個(gè)、3個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7 個(gè)、8個(gè)、9個(gè)、10個(gè)、11個(gè)、12個(gè)、13個(gè)、14個(gè)、15個(gè)或16個(gè)、或更多的處理站）而在較大或 較小的程度上實(shí)現(xiàn)。
[0027] 次級(jí)清掃的實(shí)施和應(yīng)用
[0028] 采用噴頭設(shè)計(jì)的襯底處理裝置可特別受益于次級(jí)清掃的使用。在這樣的設(shè)計(jì)中， 噴頭的主要目的是提供在操作（i)中將膜前體引入到處理室中用于襯底表面吸附的機(jī)構(gòu)。 相比于以其他方法將只有幾個(gè)噴嘴作為流的點(diǎn)源來(lái)實(shí)現(xiàn)的方式，該噴頭設(shè)計(jì)使得膜前體