專利名稱：在原子層沉積過程中使寄生化學(xué)氣相沉積最小化的裝置和原理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)氣相沉積領(lǐng)域，更具體地涉及通過原子層沉積來沉積膜的新方法和裝置。本發(fā)明是這些新方法的擴展，特別包括防止寄生化學(xué)氣相沉積和所產(chǎn)生的污染的方法。
背景技術(shù)：
在集成電路的制造中，必須沉積許多純的和混合材料薄膜，現(xiàn)已開發(fā)出許多技術(shù)來實現(xiàn)這類沉積。近年來，在該領(lǐng)域中沉積薄膜的主導(dǎo)技術(shù)是化學(xué)氣相沉積(CVD)，其證實具有優(yōu)異的能力來提供均一平坦的鍍層，并相對共形地鍍覆通孔并鍍覆晶片地貌中的其它高長寬比或不平坦地形。由于器件密度持續(xù)增加，幾何形狀變得越來越復(fù)雜，甚至優(yōu)異的CVD技術(shù)共形鍍覆也受到了挑戰(zhàn)，因而需要新的和更好的技術(shù)。
CVD的變化方法，原子層沉積已被認為得到了對均一性和共形性的改進，特別是對于低溫沉積。但這種技術(shù)的實際實施需要解決更高的純度和更高的產(chǎn)量問題。本專利滿足了這些需求。
原子層沉積在CVD領(lǐng)域中，作為擴展CVD技術(shù)的能力的有前途的備選方案，出現(xiàn)了稱為原子層沉積(ALD)的方法，并正在由半導(dǎo)體設(shè)備制造者快速開發(fā)以進一步改進化學(xué)氣相沉積的特性。ALD是最初被稱為原子層取向生長的一種方法，其權(quán)威的文獻是Atomic Layer Epitaxy(原子層取向生長)，T.Suntola和M.Simpson編輯，Blackie，Glasgo andLondon出版(1990)。這篇出版物在此引入作為參考。
一般來說，ALD是一種這樣的方法，其中將常規(guī)的CVD方法分為單一單層沉積步驟，其中各單獨的沉積步驟理論上在進行至以單分子或原子單層厚度時達到飽和，并自行終止。
所述沉積是有反應(yīng)活性的分子前體與基體之間化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。與CVD相似，構(gòu)成所述膜的元素呈分子前體來提供。凈反應(yīng)必須沉積純的所需的膜并消除構(gòu)成所述分子前體的“額外”原子(配位體)。在CVD的情況下，同時向CVD反應(yīng)器中加入分子前體。將基體保持在最適于促進分子前體化學(xué)反應(yīng)并伴隨有效解吸附副產(chǎn)物的溫度下。由此，進行所述反應(yīng)以沉積所需的純膜。
對于ALD應(yīng)用，將分子前體單獨地引入到ALD反應(yīng)器中。實際做法是，一次流入一種前體，即含有金屬元素-M的金屬前體-MLX(M＝Al，W，Ta，Si等)，所述金屬元素連接于原子或分子配位體L以構(gòu)成揮發(fā)性分子。所述金屬前體反應(yīng)之后通常進行惰性氣體吹掃以在單獨地引入其它前體之前在所述腔室中消除這種前體。
這種吹掃步驟(或有時稱為抽真空步驟)對不含不希望的CVD組分的ALD膜是關(guān)鍵的。在吹掃步驟(抽空)中，從所述腔室和氣體引入管線中除去最后使用的化學(xué)品，以使得能夠引入不同的化學(xué)品。
僅在將表面處理為直接與分子前體進行反應(yīng)的條件下，ALD反應(yīng)才會發(fā)生。因而，通常將表面制成包含含氫配位體-AH，所述AH有與金屬前體的反應(yīng)活性。表面-分子反應(yīng)可進行至與表面上的所有配位體都進行了反應(yīng)并沉積了金屬與其鈍化配位體的單層基體-AH+MLX→基體-AMLY+HL，其中HL是交換反應(yīng)副產(chǎn)物。在反應(yīng)過程中，初始表面配位體-AH被消耗，表面變得被L配位體覆蓋，該配位體不能再與金屬前體-MLX進行反應(yīng)。因而，當(dāng)所有初始表面配位體均被--MLX類所置換時所述反應(yīng)自飽和。
在金屬前體反應(yīng)完成后，在引入另一前體之前，從所述反應(yīng)器中除去所有的金屬前體。使用第二種類型的前體來恢復(fù)表面對金屬前體的反應(yīng)活性，即消除L配位體并再沉積AH配位體。
大多數(shù)ALD方法已應(yīng)用于沉積化合物膜。在這種情況下，所述第二種前體由所需的(通常為非金屬的)元素組成-A(即O、N、S)、和氫，使用例如H2O、NH3、或H2S。所述反應(yīng)-ML+AHZ→-M-AH+HL(為簡化起見，所述化學(xué)反應(yīng)未進行配平)將表面重新轉(zhuǎn)化為被AH覆蓋。沉積所需的添加元素-A，并將配位體L呈揮發(fā)性副產(chǎn)物消除掉。所述反應(yīng)再次消耗反應(yīng)活性部位(這次為L封端部位)并當(dāng)反應(yīng)性部位完全耗盡時自飽和。
將表面恢復(fù)至起點的表面反應(yīng)的順序稱為ALD沉積循環(huán)。恢復(fù)至初始表面是ALD的關(guān)鍵。其意味著所述膜可呈相等的計量順序來分層沉積，所述順序的化學(xué)動力學(xué)、每次循環(huán)的沉積量、組成和厚度完全相同。自飽和表面反應(yīng)使得ALD對無論來自流動工程(flowengineering)或表面形貌(即在高的長寬比結(jié)構(gòu)上沉積)的不均一性的傳導(dǎo)都不敏感。不均一的流量僅可導(dǎo)致在不同區(qū)域的不同的完成時間。但，如使各反應(yīng)在全部區(qū)域上完成，不同的完成動力學(xué)沒有不利的影響。
對方法的開發(fā)常常是這樣的，對新技術(shù)的最初預(yù)期的優(yōu)點最終不能達到其全部最初預(yù)期。不利的是，ALD具有嚴重的基本問題。與連續(xù)穩(wěn)態(tài)性的CVD反應(yīng)不同，ALD反應(yīng)按照分子-表面相互作用機理來進行。分子-表面反應(yīng)動力學(xué)取決于分子前體與表面反應(yīng)性部位之間的各個反應(yīng)速率以及可利用的反應(yīng)性部位的數(shù)量。在反應(yīng)進行終止時，表面由反應(yīng)性轉(zhuǎn)化為非反應(yīng)性。因而在沉積過程中反應(yīng)速率是逐漸下降的。在最簡單的情況下，速率dN/dt與反應(yīng)性部位數(shù)量成正比，dN/dt＝-kN，其中N為反應(yīng)性部位的數(shù)量，k為(單個部位)反應(yīng)速率。反應(yīng)性部位的消耗(或已反應(yīng)過的部位的增長)與時間為指數(shù)關(guān)系kN(t)＝kN0exp(-kt)。分子-表面機理的這種基本性質(zhì)以偉大的科學(xué)家Langmuir來命名，在所述領(lǐng)域中是廣為公知的。
對Langmuirian動力學(xué)限制的解釋說明了ALD的嚴重缺陷以及與理想圖形的嚴重偏差。因此，自終止反應(yīng)從來沒有理想地自終止(它們需要無限的時間，因為速率呈指數(shù)下降)。這意味著在實際條件下，表面在沉積循環(huán)后根本不能反應(yīng)至完全。如表面不完全進行反應(yīng)，則在膜上留有不需要的元素。例如，如MLX反應(yīng)不能完全消耗表面-AH部位，則所述膜會有H混入。類似的，如AHY反應(yīng)不進行至完成，則不需要的L的混入是不可避免的。顯然，膜的質(zhì)量取決于雜質(zhì)量的量。產(chǎn)量-質(zhì)量之間的折衷是特別值得關(guān)心的，因為其需要指數(shù)關(guān)系的產(chǎn)量損失來達到雜質(zhì)數(shù)量的下降。
在常規(guī)的原子層沉積中，必須接受低的產(chǎn)量來達到高純度的膜，或接受較低純度的膜來實現(xiàn)較高的產(chǎn)量。顯然需要一種裝置和方法，其不僅克服了Langmuirian限制，而且同時提供了比現(xiàn)有技術(shù)的方法更高純度的膜。在本發(fā)明的實施方案中提供了這類裝置和方法，以下對其詳細敘述。
除上述理想情況外，ALD化學(xué)品如在上述實例中的MLX和AHZ通常是極有反應(yīng)活性的，即使其在腔室中以痕量同時存在，也會導(dǎo)致大量的不需要的CVD副反應(yīng)。由于CVD是極不需要的伴生過程，對于高產(chǎn)量ALD裝置的加工來說，快速和有效吹掃是最難實現(xiàn)和富有挑戰(zhàn)的方面。
化學(xué)品輸送管線必須短且不含截留體積以利于有效吹掃化學(xué)品。然而，對實現(xiàn)有效吹掃的一些限制來自難以避免的管線表面滲氣(outgassing)。因而，以生產(chǎn)中有限的短吹掃時間不可能排除一些痕量的化學(xué)品的混合。因此需要一種快速方法來在引入所需的新化學(xué)品前體之前除去痕量的先前使用的化學(xué)品前體。
我們的發(fā)明滿足了該明顯和當(dāng)前的需求，作為一種裝置和方法，提供了一種ALD預(yù)反應(yīng)器，其消除了痕量的化學(xué)品的混合，使得在基體上的ALD膜中沒有CVD成分。
發(fā)明簡述在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，提供了在原子層沉積過程中將寄生化學(xué)氣相沉積減至最小的方法，其包括如下步驟(a)在氣體源和將要鍍覆的基體之間設(shè)置預(yù)反應(yīng)室；和(b)在所述預(yù)反應(yīng)室中將一表面加熱至足以使污染物元素通過CVD反應(yīng)沉積在所述加熱表面上的溫度。
在另一實施方案中，提供了用于原子層沉積系統(tǒng)的預(yù)反應(yīng)室，其包括自氣體源向氣體分布裝置以交替、漸增方式輸送氣體的通道；和在所述預(yù)反應(yīng)室中的加熱表面，用于在氣體進入氣體分布裝置之前使污染物元素沉積。
在以下詳細敘述的本發(fā)明的實施方案中，首次提供了一種方法和裝置用于在原子層沉積過程中有效除去污染物氣體，結(jié)果使循環(huán)次數(shù)顯著增加。
附圖簡要說明

圖1是用于實施本發(fā)明實施方案的自由基輔助順序CVD方法(radical-assisted sequential CVD process)的反應(yīng)器和相關(guān)裝置的概括圖。
圖2是圖示原子層沉積法的必要步驟的步驟圖。
圖3是圖示按照本發(fā)明實施方案的自由基輔助順序CVD方法中步驟的步驟圖。
圖4圖示的是對于具有良好設(shè)計的氣流源和脈沖子系統(tǒng)的系統(tǒng)的典型的與時間相關(guān)的化學(xué)品前體分壓曲線。
圖5表示的是與時間相關(guān)的化學(xué)品前體分壓曲線，其中通過實施本發(fā)明的實施方案而達到了有明晰界限的“流出(flow off)”條件。
圖6是實現(xiàn)本發(fā)明改進實施方案的自由基輔助順序CVD的反應(yīng)器和相關(guān)裝置的概括圖，所述改進實施方案消除了不需要的CVD副反應(yīng)。
圖7圖示了圖6中反應(yīng)器的第二種實施方案。
圖8圖示了圖6中反應(yīng)器的第三種實施方案。
圖9圖示了圖6中反應(yīng)器的第四種實施方案。
優(yōu)選實施方案的說明本發(fā)明人設(shè)計了一種ALD增強型變體，其改變了ALD的常規(guī)表面處理步驟，克服了常規(guī)ALD的問題，在不損害質(zhì)量的條件下得到了高的產(chǎn)量。本發(fā)明人將所述新的獨特的方法稱為自由基輔助順序CVD(RAS-CVD)。
圖1是用于實施本發(fā)明一種實施方案的RAS-CVD的系統(tǒng)11的概括圖。在這種系統(tǒng)實例中，沉積室13具有用于支撐和加熱所要鍍覆的基體19的可加熱爐床，和氣體分布裝置，如噴頭(Showerhead)15，用于將氣態(tài)物質(zhì)輸送到要進行鍍覆的基體表面上?；w通過閥21和未示出的基體操作裝置引入和從腔室13中移出。氣體由氣體源和脈沖裝置23提供，其包括計量和閥控裝置用于順序提供氣體物質(zhì)。可提供任選的處理裝置25用于由裝置23提供的氣體產(chǎn)生氣體自由基。
術(shù)語“自由基”是本領(lǐng)域中公知且可理解的，為避免混淆在這里再次對其進行限制。自由基是指不穩(wěn)定的物質(zhì)。例如，氧在雙原子形態(tài)是穩(wěn)定的，且在自然中主要以這種形態(tài)存在。但雙原子氧可分裂為單原子形態(tài)，或與另一個原子化合形成臭氧，一種具有三個原子的分子。單原子氧和臭氧均是氧的自由基形態(tài)，且比雙原子氧更具有反應(yīng)活性。在本發(fā)明實施方案的許多情況下，所生產(chǎn)和使用的自由基是各種氣體的單原子形態(tài)，所述氣體如氧、氫、和氮，但本發(fā)明并不嚴格限定于單原子氣體。
圖2是常規(guī)原子層沉積過程的步驟圖，其作為本發(fā)明的對比和背景知識來提供。在常規(guī)ALD中，如圖2中所示，在步驟31中將第一分子前體脈沖輸送到反應(yīng)器室中，并與表面進行反應(yīng)產(chǎn)生(理論上)單層的所需材料。在這些方法中前體時常為含金屬氣體，且沉積的材料是金屬；例如TaCl5中的鉭。
在通用方法的步驟33中將惰性氣體脈沖輸送到反應(yīng)器室中以從所述室中吹掃出過量的第一前體。
在常規(guī)系統(tǒng)的步驟35中將第二種前體(通常為非金屬性的)脈沖輸送到反應(yīng)器中。這種第二前體的主要目的是將基體表面調(diào)整為對第一種前體有反應(yīng)活性。在許多情況下，第二種前體還由氣體分子提供了與在表面上的金屬進行化合的材料，與新沉積的金屬形成化合物如氧化物或氮化物。
在步驟37，反應(yīng)器室再次進行吹掃以除去過量的第二種前體，然后重復(fù)步驟31。該循環(huán)重復(fù)進行直到得到所需的膜。
圖3是圖示本發(fā)明實施方案的自由基輔助CVD方法中步驟的步驟圖。在圖3所示的獨特方法中，第一步驟，步驟41和43是與常規(guī)方法中相同的。在步驟41脈沖輸送第一種前體與基體表面進行反應(yīng)形成單層沉積物，在步驟43中對所述室進行吹掃。下一步驟是獨特的。在步驟45中，將一種或多種自由基物質(zhì)脈沖輸送到基體表面以對表面任選地提供第二種物質(zhì)并將所述表面調(diào)整為對在隨后步驟中的第一種前體有反應(yīng)活性。然后重復(fù)步驟41。沒有必要進行第二次吹掃，且所述循環(huán)重復(fù)進行直到得到所需的膜。
步驟45可是涉及單一自由基物質(zhì)的單一的步驟。例如，第一種前體可沉積金屬，如來自WF6的W，在步驟45中的自由基物質(zhì)可為原子氫。原子氫快速并有效地將殘余的F中和為HF，使表面以原子氫為端基，提供了對下一WF6脈沖的反應(yīng)性表面。
在許多情況下，步驟45是復(fù)合步驟，其包含涉及不同自由基物質(zhì)的子步驟。一個較好的實例是按如下次序，原子氫，接著是原子氧，接著又是原子氫。第一個氫步驟中和了Cl或其它殘余的配位體，原子氧提供了新沉積金屬的氧化物，第二原子氫使表面以(OH)為端基，為下一金屬前體步驟做準備。
在步驟45中有寬種類范圍的材料和組合，以下對其中多種進行詳細敘述，同時對工藝化學(xué)進行完整的說明。
在RAS-CVD中，在金屬前體反應(yīng)之后，引入高反應(yīng)活性的自由基物質(zhì)以快速與金屬前體反應(yīng)產(chǎn)物進行反應(yīng)，使表面為下一金屬前體反應(yīng)做好準備。自由基物質(zhì)，如以上所引入的，是反應(yīng)性原子或分子片段，它們在化學(xué)性質(zhì)上是不穩(wěn)定的，因而極具反應(yīng)活性。另外，自由基實際上以100％的效率化學(xué)吸附到表面上?？梢匀舾煞N途徑來產(chǎn)生自由基，已發(fā)現(xiàn)等離子體制備法是有效和適宜的制備途徑。
RAS-CVD方法僅使用單一的分子前體，在許多情況下是金屬前體。表面的準備以及非金屬元素的沉積通過原子-表面反應(yīng)來實現(xiàn)。在金屬前體反應(yīng)之后，以-ML為端基的表面與氫原子進行反應(yīng)將表面轉(zhuǎn)化為-MH并消除了HL副產(chǎn)物。與分子-表面反應(yīng)不同，原子-表面反應(yīng)不取決于反應(yīng)性部位的數(shù)量密度。大多數(shù)原子(除惰性氣體外)很有效地以不可逆的過程粘附到表面上，因為原子脫附通常是不利的。原子在非反應(yīng)性部位上是極有流動性的，在反應(yīng)性部位上是很有反應(yīng)活性的。相應(yīng)的，原子-表面反應(yīng)具有線性的與暴露相關(guān)的(linear exposuredependence)關(guān)系，并具有高速率。
-MH表面可與A原子進行反應(yīng)產(chǎn)生-M-A-表面。在這種情況下，一些H配位體可呈AHY被消除。例如，-MH表面可與氧原子進行反應(yīng)來沉積氧化物。-MH表面還可再與MLX反應(yīng)來進行M金屬膜的原子層受控沉積。為沉積氮化合物膜，A為原子氮。在A原子反應(yīng)之后，表面以A-和AH封端。在這時，添加的原子與氫反應(yīng)將所述表面轉(zhuǎn)化為對金屬前體有反應(yīng)活性的所需的AH配位體。MH表面還可與A和H原子的混合物進行反應(yīng)，以減少了一個步驟的過程來將所述表面轉(zhuǎn)化為以-AH封端的表面。所有上述反應(yīng)均是自由基一表面反應(yīng)，所述反應(yīng)是快速和有效的并與暴露成線性關(guān)系。另外，最終的氫反應(yīng)在沒有引入任何雜質(zhì)的情況下導(dǎo)致完全恢復(fù)至初始的表面。
RAS-CVD的另一與產(chǎn)量有關(guān)的優(yōu)點是在金屬前體步驟后只需要單一的吹掃步驟，而不是常規(guī)方法中所需要的兩個吹掃步驟。多數(shù)研究者認為吹掃步驟是在ALD過程中最顯著的限制產(chǎn)量的步驟。另一優(yōu)點是RAS-CVD可使系統(tǒng)具有更長的正常運行時間并減少了維修量。這是因為原子物質(zhì)可在沉積單元的鋁壁上有效地驟冷。因而實際上消除了在所述室和泵送管線上的下游沉積。RAS-CVD排除了H2O和NH3的使用，而在現(xiàn)有技術(shù)中這兩者(分別)用來沉積氧化物和氮化物。這些前體公知增加了維修量和真空系統(tǒng)的停機時間。
按照上述用于金屬氧化物膜的典型RAS-CVD循環(huán)包括如下步驟1.金屬前體與以-OH(羥基)封端的表面進行反應(yīng)以連接-O-MLY并通過HL脫附來消除氫。所述表面變得被L配位體所覆蓋，即在TaCl5的情況下，所述表面變得被Cl原子所覆蓋。
2.用惰性氣體吹掃以清除過量的金屬前體。
3.原子氫步驟-通過HL脫附來消除配位體L并使所述表面以氫封端。
4.原子氧步驟-與單層金屬進行反應(yīng)以形成氧化物。為進行下一金屬前體步驟，原子氫再次離開被羥基所飽和的表面。
這時，通過將步驟4+5進行多次可改進氧化物膜的質(zhì)量(即絕緣性能、介電強度、電荷捕集性(charge trapping))。例如，由三甲基鋁Al(CH3)3、氫和氧作用可實現(xiàn)Al2O3RAS-CVD。Al(CH3)3與-OH封端的表面的反應(yīng)使得在甲烷(CH4)脫附的同時會沉積-OAl(CH3)x。-OAl(CH3)x(x＝1，2)表面用H處理以消除數(shù)量為x的甲烷分子并使所述表面以-OAlH封端。在連續(xù)(或同時)與O原子和H原子的反應(yīng)之后，這種表面變?yōu)橐設(shè)Al-OH封端，這是復(fù)原態(tài)。在這時，可通過施行另一Al(CH3)3反應(yīng)來進行RAS-CVD方法。另外，-OAl-OH表面還可經(jīng)受另一循環(huán)的O和H原子作用。在高于100℃的溫度下，這一方法會使OH基團與Al-O-Al橋部位交換，且產(chǎn)生的-OAl-OH表面比最初的表面在熱力學(xué)上是更有利的，因為所述方法消除了張力更大的(Al-O-)n環(huán)結(jié)構(gòu)以及消除(titrating away)缺陷和斷裂的鍵。由于原子反應(yīng)是相當(dāng)快的，這些質(zhì)量改進預(yù)期不會成為產(chǎn)量的主要影響因素。事實上，最終的質(zhì)量可通過將O、H循環(huán)施行數(shù)次來實現(xiàn)。在進行給定次數(shù)的O、H原子反應(yīng)后，所述順序繼續(xù)進行下一Al(CH3)3反應(yīng)。
6.重復(fù)自1的步驟。
對于金屬氮化物來說，用氮來取代氧。為進行純金屬沉積，可消除氧/氮步驟以利于單原子氫步驟，例如對于鎢膜。在第一原子氫步驟之后為氫所飽和的表面是與WF6有反應(yīng)活性的，可生成純金屬。
RAS-CVD的一般性質(zhì)對不同氧化物、不同氮化物、氧化物與氮化物、不同金屬和金屬與化合物膜的多層組合膜是有利的。
在適用于阻擋層的另一獨特的方法中，可將WN方法與純W方法結(jié)合來以各種歷程產(chǎn)生交替的W和WN層，從而抑制多晶化并減少阻擋層的電阻率。例如電遷移的其它性能可通過在用于這類應(yīng)用的銅的界面上提供氮含量逐級變小的WN層的性能來控制。
在本發(fā)明的實施方案中，可實施很寬種類的化學(xué)過程，從而提供很寬種類的最終的膜。例如，在純金屬領(lǐng)域，以下提供了部分但為非限制性的系列1.由六氟化鎢沉積鎢。
2.由五氯化鉭沉積鉭。
3.由三氯化鋁或三甲基鋁沉積鋁。
4.由四氯化鈦或四碘化鈦沉積鈦。
5.由六氟化鉬沉積鉬。
6.由二氯化鋅沉積鋅。
7.由四氯化鉿沉積鉿。
8.由五氯化鈮沉積鈮。
9.由Cu3Cl3沉積銅。
在氧化物領(lǐng)域，提供了部分但為非限制性的系列1.由五氯化鉭沉積五氧化二鉭。
2.由三甲基鋁或三氯化鋁沉積氧化鋁。
3.由四氯化鈦或四碘化鈦沉積氧化鈦。
4.由五氯化鈮沉積五氧化二鈮。
5.由四氯化鋯沉積氧化鋯。
6.由四氯化鉿沉積氧化鉿。
7.由二氯化鋅沉積氧化鋅。
8.由六氟化鉬或五氯化鉬沉積氧化鉬。
9.由二氯化錳沉積氧化錳。
10.由四氯化錫沉積氧化錫。
11.由三氯化銦或三甲基銦沉積氧化銦。
12.由六氟化鎢沉積氧化鎢。
13.由四氯化硅沉積二氧化硅。
在氮化物領(lǐng)域，以下提供了部分但為非限制性的系列1.由六氟化鎢沉積氮化鎢。
2.由五氯化鉭沉積氮化鉭。
3.由三氯化鋁或三甲基鋁沉積氮化鋁。
4.由四氯化鈦沉積鈦。
5.由四氯化硅或二氯硅烷沉積氮化硅。
6.由三甲基鎵沉積氮化鎵。
硬件要求
RAS-CVD的另一優(yōu)點是，其在多數(shù)情況下與ALD方法的硬件兼容。顯著的區(qū)別在于產(chǎn)生的原子物質(zhì)和/或其它自由基，以及氣體加入到操作室中的時間選擇和次序?？砂慈舾煞N途徑來產(chǎn)生原子物質(zhì)，例如(1)現(xiàn)場等離子體發(fā)生，(2)噴頭內(nèi)等離子體發(fā)生，和(3)通過高密度遠程(remote)等離子體源或通過如UV解離或亞穩(wěn)態(tài)分子的解離來在外部發(fā)生。再參照圖1，這些方法和裝置總體通過裝置25來來圖示。
在所述選擇方案中，現(xiàn)場發(fā)生是最簡單的設(shè)計，但存在若干問題，如開機-關(guān)機次數(shù)會對產(chǎn)量產(chǎn)生限制。噴頭內(nèi)發(fā)生方式所表現(xiàn)出的優(yōu)點是，使原子物質(zhì)的發(fā)生與ALD空間相分離。在本說明書中，優(yōu)選方法是通過高密度源來遠程發(fā)生，這是因為這是最通用的方法。自由基在遠程源中產(chǎn)生并輸送到ALD體(volume)，通過噴頭分布在所述方法的晶片上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見，作為上述實施方案的變體，在本發(fā)明的范圍內(nèi)存在多種可實施的選擇方案。一些已進行過敘述。例如，所需物質(zhì)的自由基如氫、氧、氮可在若干種途徑來發(fā)生并輸送到所述方法的步驟中。另外，ALD腔室、氣體分布、閥控、計時等均可在許多具體細節(jié)上進行變化。再有，可產(chǎn)生許多金屬、氧化物、氮化物和類似物，且所述方法的步驟可進行改變并可交錯進行以產(chǎn)生分級(graded)和交替的膜。
在原子層沉積過程中使寄生化學(xué)氣相沉積最小化的裝置和原理在本發(fā)明其它實施方案中，提供了在ALD過程中防止CVD沉積產(chǎn)生的污染的裝置和方法。圖4是對使用化學(xué)品前體物質(zhì)快速脈沖和吹掃步驟的運行良好的系統(tǒng)的概括了的化學(xué)品前體分壓與時間關(guān)系曲線46。各活性化學(xué)品前體的分壓47定性地圖示于所述圖的Y軸，而X軸表示時間。為簡便起見圖示了前體“A”49和前體“B”50的分壓。具有兩種以上前體的系統(tǒng)的行為表現(xiàn)相類似，只是對各化學(xué)品有獨特的分壓峰。
在圖4中要特別指出的是，在各脈沖起始時各前體分壓快速升高，在各脈沖結(jié)束時有獨特的“尾線”。這種“尾線”表示一種不希望的情況，其中所述前體沒有完全從沉積系統(tǒng)中除去。這種尾線是各種實際現(xiàn)象的結(jié)果，如，例如，氣體分子與導(dǎo)管和腔室表面具有一定的親合力，在氣流關(guān)斷后這些表面捕集的分子在系統(tǒng)中持續(xù)析出，在真空領(lǐng)域該現(xiàn)象稱為滲氣。如將下一種前體引入到圖6的沉積室59中，在前一種前體仍存在的情況下，會發(fā)生不希望的CVD副反應(yīng)，并污染在圖6的基體61上的所需的膜。除污染所述膜外，不希望的CVD反應(yīng)會在氣相中成核，導(dǎo)致在基體61上或沉積室59中產(chǎn)生不希望的顆粒聚集。
圖5是對運行良好的系統(tǒng)的理想的化學(xué)品前體物質(zhì)分壓與時間關(guān)系曲線51，其中所述系統(tǒng)使用化學(xué)品前體物質(zhì)的快速脈沖、吹掃步驟、和在本專利應(yīng)用中所包括的新穎的預(yù)反應(yīng)器。各活性化學(xué)品前體的分壓52定性地圖示于所述圖的Y軸，而X軸表示時間。為簡便起見圖示了前體“A”54和前體“B”55的分壓。具有兩種以上前體的系統(tǒng)的行為表現(xiàn)相類似，只是對各化學(xué)品有獨特的分壓峰。
在圖5中要特別指出的是，在各脈沖起始時各前體分壓快速升高，在各程序化的流動脈沖結(jié)束時快速下降。圖4所示獨特的化學(xué)品“尾線”被消除，這主要是由于本發(fā)明所述新穎的預(yù)反應(yīng)器的結(jié)果。用來除去引起這種“尾線”效應(yīng)的痕量化學(xué)品前體的方法和裝置在以下進行詳細敘述。
圖6是用于實施本發(fā)明另一種實施方案的RAS-CVD的系統(tǒng)56的簡圖。雖然作為實例使用了RAS-CVD，但本發(fā)明人要清楚指出的是，本發(fā)明的裝置和方法不局限于RAS-CVD，而是可普遍地應(yīng)用于所有種類的ALD和許多其它順序CVD方法中。
在這種系統(tǒng)實例中，沉積室59具有用于支撐和加熱所要鍍覆的基體61的可加熱爐床，和氣體分布裝置，例如噴頭60，用于將氣體類輸送到所要鍍覆的基體表面?；w經(jīng)閥64和未圖示的基體操作裝置來引入并從室59中移出(編號65)。由氣體源和脈沖裝置57來提供氣體，所述裝置包括計量和閥控裝置以按順序提供氣體物質(zhì)。提供任選的處理裝置58來由裝置57所提供的氣體產(chǎn)生氣體自由基。這一系統(tǒng)添加預(yù)反應(yīng)器66來提供對不需要的CVD副反應(yīng)的改進的控制。
所述預(yù)反應(yīng)器可呈各種形態(tài)，在圖6、7、8和9中圖示了一些可行的變體形式，以下對其進行詳細敘述。所有圖均使用氣體源和脈沖裝置57、用于產(chǎn)生自由基的任選的處理裝置58、氣體分布裝置60、沉積室59、用于加熱基體61的加熱爐床62、廢棄化學(xué)品排出系統(tǒng)63、基體進入和移出65的閥64。這些物品在這一系統(tǒng)實例中是相同的。另外，圖示的是全部預(yù)反應(yīng)器的一些而非全部的實施方式。例如，在一種實施方案中，氣體分布裝置如噴頭可起兩種作用，也可作為預(yù)反應(yīng)器室。
在圖6中，預(yù)反應(yīng)器室66圖示為實體上獨立的室，在所述加工氣體通道中其位于產(chǎn)生氣體自由基的任選的處理裝置和氣體分布噴頭之間。預(yù)反應(yīng)過程可在具有足夠活化能的任何表面上發(fā)生，所述活化能由加熱、RF等離子體、UV或其它途徑來提供。
圖7是用于實施本發(fā)明另一實施方案中RAS-CVD的系統(tǒng)67的簡圖。在圖7中，圖示了兩種預(yù)反應(yīng)器68的實施方案。第一種是將預(yù)反應(yīng)器68加入到氣體分布噴頭60中。在這種情況下，使不希望的CVD副反應(yīng)在氣體分布噴頭68內(nèi)的獨立、加熱表面上發(fā)生。這種加熱表面可種類很寬的方式來提供，且預(yù)反應(yīng)器室的形態(tài)可呈種類很寬的形態(tài)，舉例來說，例如為，長的、盤繞加熱管。不需要的化學(xué)品“尾線”的快速除盡消除了在基體上發(fā)生副反應(yīng)的可能性，減少了各種化學(xué)反應(yīng)物進入所述系統(tǒng)之間的時間。在一種優(yōu)選實施方案中，預(yù)反應(yīng)的必需熱量輸入由噴頭裝置與基體61的接近來提供，使得熱量由加熱爐傳遞到所述基體上。
圖8是提供了實施RAS-CVD的系統(tǒng)69的本發(fā)明另一種實施方案的簡圖。在圖8中，圖示了兩種預(yù)反應(yīng)器70的實施方案。第一種是將預(yù)反應(yīng)器70加入到氣體分布噴頭60中，其在原理上與圖7相似。在這種情況下，使不希望的CVD副反應(yīng)在氣體分布噴頭68自身的加熱表面上發(fā)生，在這一實施方案中，通過加熱爐床62和基體61這些部件與噴頭60接近來對噴頭進行加熱。同樣，不需要的化學(xué)品“尾線”的快速除盡消除了在基體上發(fā)生副反應(yīng)的可能性，減少了各種化學(xué)反應(yīng)物進入所述系統(tǒng)之間的時間。
圖9是在本發(fā)明的再另一實施方案中用于實施RAS-CVD的系統(tǒng)71的簡圖。在圖9中，圖示了兩種預(yù)反應(yīng)器72的實施方案。第一種是將預(yù)反應(yīng)器72加入到氣體分布噴頭60中，其在原理上與圖7相似。但在這種新的實施方案中，通過使用噴頭內(nèi)產(chǎn)生的RF等離子體對不需要的CVD副反應(yīng)進行活化來使不希望的CVD副反應(yīng)在氣體分布噴頭68預(yù)反應(yīng)器72組合體內(nèi)發(fā)生。這種方法使得不需要的化學(xué)品“尾線”的快速除盡，消除了在基體上發(fā)生副反應(yīng)的可能性，減少了各種化學(xué)反應(yīng)物進入所述系統(tǒng)之間的時間。
除這些變化形式外，對技術(shù)人員顯而易見，通過在這里敘述的過程中以可沉積兩種、三種或更多種金屬的合金的方式來引入交替的加工步驟，可沉積出兩種、三種或更多種組分的化合物，并可制備出如分級膜和納米層合體的這類材料。這些變化形式是以交替循環(huán)方式、通常為現(xiàn)場方式使用本發(fā)明具體實施方案的簡單變換。在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)存在許多其它變化形式，所以本發(fā)明僅由后附的權(quán)利要求書來限定。另外，特別是參照本發(fā)明的預(yù)反應(yīng)室方面，對技術(shù)人員顯而易見，與所述實施方案的各種偏離仍屬于本發(fā)明的實質(zhì)和范圍，再有，還可對實施方案和變化形式進行組合。例如，在本發(fā)明范圍內(nèi)等離子體活化可簡易地用于預(yù)反應(yīng)室中，其中所述室自身可呈種類很寬的任何形態(tài)。
權(quán)利要求
1.在原子層沉積過程中將寄生化學(xué)氣相沉積減至最小的方法，其包括如下步驟(a)在氣體源和所要鍍覆的基體之間設(shè)置預(yù)反應(yīng)室；和(b)在所述預(yù)反應(yīng)室中將一表面加熱至足以使污染物元素通過CVD反應(yīng)沉積在所述加熱表面上的溫度。
2.用于原子層沉積系統(tǒng)的預(yù)反應(yīng)室，其包括自氣體源向氣體分布裝置以交替、漸增方式輸送氣體的通道；和在所述預(yù)反應(yīng)室中的加熱表面，用于在氣體進入氣體分布裝置之前使污染物元素沉積。
全文摘要
公開了在層積中，例如原子層沉積(ALD)和其它順序化學(xué)沉積(CVD)過程中，避免沉積膜的污染的新方法和裝置，其中ALD膜的CVD沉積污染通過使用一種有效地使污染物氣體在通入ALD腔室之前在氣體輸送裝置的壁元件上沉積的預(yù)熱反應(yīng)室來防止。
文檔編號C23C16/44GK1415115SQ00818182
公開日2003年4月30日 申請日期2000年11月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者O·斯訥, C·高勒維斯克 申請人:杰努斯公司