專利名稱：等離子體增強(qiáng)原子層沉積系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體增強(qiáng)原子層沉積系統(tǒng)和其操作方法，更具體而言，涉及工作在預(yù)定的等離子體功率水平的等離子體增強(qiáng)原子層沉積系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
一般來說，在材料處理期間，當(dāng)制作復(fù)合材料結(jié)構(gòu)時采用等離子體來促進(jìn)材料膜的添加和去除。例如，在半導(dǎo)體處理中，(干法)等離子體刻蝕工藝被用于沿在硅襯底上圖案化的精細(xì)的溝槽或在過孔或觸點(diǎn)內(nèi)去除或刻蝕材料。或者，例如，氣相沉積工藝被用于沿精細(xì)的線或在硅襯底上的過孔或觸點(diǎn)內(nèi)沉積材料。在后者中，氣相沉積工藝包括化學(xué)氣相沉積(CVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。
在PECVD中，等離子體被用于改變或增強(qiáng)膜沉積機(jī)制。例如，等離子體激發(fā)通常允許膜形成反應(yīng)在明顯低于通過熱激發(fā)CVD產(chǎn)生類似的膜一般所需的溫度的溫度下進(jìn)行。另外，等離子體激發(fā)可以活化在熱CVD中在能量或動力學(xué)方面并不有利的膜形成化學(xué)反應(yīng)。因而，PECVD膜的化學(xué)和物理屬性可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在相對較寬的范圍上變化。
近年來，原子層沉積(ALD)，作為CVD或(更一般的說)膜沉積的一種形式，已經(jīng)作為用于在生產(chǎn)線前端(FEOL)操作中的超薄柵極膜形成以及用于生產(chǎn)線后端(BEOL)操作中的金屬化的超薄阻擋層和種子層形成的候選。在ALD中，兩種或更多種處理氣體被交替且順序地引入，以便按一次一單層的方式形成材料膜。這種ALD工藝已被證明能提供在層厚度方面改善的均勻性和控制，以及與其上沉積層的特征的保形性。然而，當(dāng)前的ALD工藝通常具有對于生產(chǎn)需求來說并不可行的慢沉積速率。而且，當(dāng)前的ALD工藝經(jīng)常遇到影響沉積的膜的質(zhì)量(因而影響所制造的器件的質(zhì)量)的污染問題。諸如這些的因素已經(jīng)成為對ALD膜的廣泛接受的阻礙，盡管ALD膜具有優(yōu)異的特性。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的涉及解決ALD系統(tǒng)和工藝具有的上述和/或其他問題中的任何一個。
本發(fā)明的另一個目的是提高ALD膜的沉積速率。
本發(fā)明的另一個目的是減少與ALD膜的沉積有關(guān)的污染問題。
本發(fā)明的這些和/或其他目的可以由一種用于利用等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)工藝在襯底上沉積膜的方法提供。在本發(fā)明的一個方面中，該方法包括將襯底放置在被配置為適用于PEALD工藝的工藝室中、將第一處理材料引入工藝室內(nèi)以及將第二處理材料引入工藝室內(nèi)。在第二處理材料的引入期間將高于600W的電磁功率耦合到工藝室，以生成加速在襯底表面處的第一和第二處理材料之間的還原反應(yīng)的等離子體。通過交替引入第一處理材料和第二處理材料在襯底上形成膜。



在附圖中 圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一個沉積系統(tǒng)的示意圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的時序圖； 圖4A-4C表示示例性的ALD工藝數(shù)據(jù)； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖； 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖； 圖7A和7B示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例用于生成清潔和還原反應(yīng)等離子體的耦合到工藝室的功率的功率水平變化的功率圖； 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖； 圖9A-C圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在PEALD工藝室中的襯底區(qū)(substrate zone)和外圍區(qū)(peripheral zone)，以及用于襯底區(qū)中的等離子體和外圍區(qū)中的等離子體的兩個時序序列； 圖10A-10D示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的外圍電極組件； 圖11A-11D示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的外圍電感電極組件； 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖； 圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖； 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底工藝的工藝流程圖； 圖15是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于處理襯底的處理工具的簡化框圖；以及 圖16是包含縫隙平面天線(SPA)等離子體源的等離子體處理系統(tǒng)的簡化框圖，該等離子體源用于生成用于減少ALD層上的污染物的軟等離子體(soft plasma)。

具體實(shí)施例方式 在下面的描述中，為了幫助對本發(fā)明的全面理解并且出于說明而非限制的目的，闡述了具體細(xì)節(jié)，例如沉積系統(tǒng)的特定幾何形狀以及各種部件的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，在脫離這些具體細(xì)節(jié)的其他實(shí)施例中也可實(shí)施本發(fā)明。
現(xiàn)在參考附圖，附圖中相似的標(biāo)號在所有附圖中指代相同或相應(yīng)的部分，圖1A圖示了根據(jù)一個實(shí)施例的用于在襯底上沉積薄膜的沉積系統(tǒng)1。例如，在生產(chǎn)線后端(BEOL)操作中，在用于半導(dǎo)體器件的互連和內(nèi)連結(jié)構(gòu)的金屬化期間，薄的保形阻擋層可以沉積在線路溝槽或過孔上以最小化金屬到層間或?qū)觾?nèi)電介質(zhì)中的遷移。另外，薄的保形種子層可以沉積在線路溝槽或過孔上以提供對于體金屬填充具有可接受的粘附屬性的膜，或者薄的保形粘附層可以沉積在線路溝槽或過孔上以提供對于金屬種子沉積具有可接受的粘附屬性的膜。在生產(chǎn)線前端(FEOL)操作中，沉積系統(tǒng)1可以用于沉積超薄柵極層和/或柵極介電層，例如高介電常數(shù)(高K)膜。
沉積系統(tǒng)1包括具有襯底夾持器20的工藝室10，襯底夾持器20被配置為支撐其上形成有薄膜的襯底25。工藝室1O還包括耦合到第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)40、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)42和凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44的上部組件30。另外，沉積系統(tǒng)1包括第一功率源50和襯底溫度控制系統(tǒng)60，第一功率源50耦合到工藝室10并且被配置為在工藝室10中生成等離子體，襯底溫度控制系統(tǒng)60耦合到襯底夾持器20并且被配置為升高和控制襯底25的溫度。另外，沉積系統(tǒng)1包括控制器70，控制器70可以耦合到工藝室10、襯底夾持器20、上部組件30、第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)40、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)42、凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44、第一功率源50和襯底溫度控制系統(tǒng)60。
或者或另外，控制器70可以耦合到一個或多個額外的控制器/計(jì)算機(jī)(未示出)，并且控制器70可以從額外的控制器/計(jì)算機(jī)獲得設(shè)置和/或配置信息。
在圖1A中，示出了單個處理元件(10、20、30、40、42、44、50和160)，但是這并不是本發(fā)明所必需的。沉積系統(tǒng)1可包括任何數(shù)目的處理元件，除了獨(dú)立的處理元件外，這些處理元件具有與其相關(guān)聯(lián)的任何數(shù)目的控制器。
控制器70可以用于配置任何數(shù)目的處理元件(10、20、30、40、42、44、50和60)，并且控制器70可以收集、提供、處理、存儲并顯示來自處理元件的數(shù)據(jù)?？刂破?0可包括用于控制處理元件中的一個或多個的多個應(yīng)用。例如，控制器70可包括圖形用戶界面(GUI)部件(未示出)，其可以提供容易使用的界面，這些界面使得用戶能夠監(jiān)視和/或控制一個或多個處理元件。
仍然參考圖1A，沉積系統(tǒng)1可以被配置為處理200mm襯底、300mm襯底或更大尺寸的襯底。事實(shí)上，可以預(yù)期沉積系統(tǒng)可以被配置為處理不管多大尺寸的襯底、晶片或LCD，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到這一點(diǎn)。因此，盡管本發(fā)明的某些方面是結(jié)合半導(dǎo)體襯底的處理描述的，但是本發(fā)明并不僅限于此。
第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)40和第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)42被配置為向工藝室10交替地引入第一處理材料和第二處理材料。第一材料的引入和第二材料的引入的交替可以是循環(huán)的，或者其可以是非循環(huán)的，即，在第一和第二處理材料的引入之間有可變時間段。第一處理材料可例如包括膜前驅(qū)體，例如具有在形成在襯底25上的膜中存在的基本原子或分子種類的組分。例如，膜前驅(qū)體可以最初為固相、液相或氣相，并且其可以在使用或不使用載氣的情況下以氣相傳輸?shù)焦に囀?0。第二處理材料可例如包括還原劑，還原劑也可包括在形成在襯底25上的膜中存在的原子或分子種類。例如，還原劑可以最初為固相、液相或氣相，并且其可以在使用或不使用載氣的情況下以氣相傳輸?shù)焦に囀?0。
另外，凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44可以被配置為向工藝室10引入凈化氣體。例如，凈化氣體的引入可以發(fā)生在向工藝室10引入第一處理材料和第二處理材料之間，或者可以在向工藝室10引入第二處理材料之后。凈化氣體可包括惰性氣體，例如稀有氣體(即，氦、氖、氬、氙、氪)或氮或氫。在一個實(shí)施例中，凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44還可以被配置為引入反應(yīng)性凈化氣體，這將在下面描述。
仍然參考圖1A，沉積系統(tǒng)1包括等離子體生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為在向工藝室10交替引入第一處理材料和第二處理材料的至少一部分期間生成等離子體。等離子體生成系統(tǒng)可包括耦合到工藝室10的第一功率源50，第一功率源50被配置為將功率耦合到工藝室10中的第一處理材料或第二處理材料或這兩者。第一功率源50可以是可變功率源，并且可包括射頻(RF)發(fā)生器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，還可包括電極，RF功率通過該電極耦合到工藝室10中的等離子體。電極可以形成在上部組件30中，并且其可以被配置為與襯底夾持器20相對。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可以被配置為優(yōu)化從RF發(fā)生器到等離子體的RF功率的傳輸，這是通過將匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗與工藝室(包括電極和等離子體)的輸入阻抗相匹配而實(shí)現(xiàn)的。例如，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)用來通過減小反射功率來提高到等離子體工藝室10中的等離子體的RF功率的傳輸。匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?例如，L型、π型、T型等)和自動控制方法對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。
或者，第一功率源50可包括射頻(RF)發(fā)生器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，還可包括諸如電感線圈之類的天線，RF功率通過該天線耦合到工藝室10中的等離子體。天線可例如包括螺旋或電磁線圈，例如在電感耦合等離子體源或螺旋波源中，或者其可例如包括扁平線圈，例如在變壓器耦合等離子體源中。
或者，第一功率源50可包括微波頻率發(fā)生器，還可包括微波天線和微波窗口，微波功率通過該微波天線和微波窗口耦合到工藝室10中的等離子體。微波功率的耦合可以利用電子回旋共振(ECR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，或者其可以利用表面波等離子體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如縫隙平面天線(SPA)，如在題為“Plasma processing apparatus for etching，ashing，and fi1m-formation”的美國專利No.5,024,716中所描述的；該專利的內(nèi)容通過引用整體結(jié)合于此。
可選地，等離子體生成系統(tǒng)包括上部組件30中的第一電極和位于如圖1B所示的沉積系統(tǒng)1’的上部組件30的外圍的第二電極30A。在實(shí)施例中，第二電極30A放置在襯底25的外邊緣外部。而且，電極30A可包括被配置為注入等離子體生成氣體的氣體注入組件(下面將進(jìn)一步描述)。功率可以從第一功率源50或者從未在圖1B中示出的獨(dú)立功率源耦合到第二電極30A。在電極30A從功率源50得到功率的情況下，功率劃分器網(wǎng)絡(luò)可以用于確保在電極30A上提供的功率與在上部組件30的電極上提供的功率在相位和/或幅度和/或頻率方面有所不同。向電極30A提供功率的功率源可以是相對于功率源50所描述的配置中的任何一種，或者可以使用其他合適的配置。例如，電極30A可包括耦合到射頻(RF)功率的環(huán)形電極、單圈(single-turn)線圈或螺旋形線圈。其他電感耦合設(shè)備也可以用于向等離子體中提供電磁功率。例如，一種這樣的設(shè)備在題為“PlasmaProcessing System with Locally-Efficient Inductive Plasma Coupling”的未決美國專利申請No.10/717,268(律師案卷號No.USP03Z003)中有所描述。功率供應(yīng)的一般頻率可以從約0.1MHz到約100MHz。
可選地，沉積系統(tǒng)1包括襯底偏置生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為在向工藝室10交替引入第一處理材料和第二處理材料的至少一部分期間生成或輔助生成等離子體。襯底偏置系統(tǒng)可包括耦合到工藝室10并且被配置為將功率耦合到襯底25的襯底功率源52。襯底功率源52可包括射頻(RF)發(fā)生器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，還可包括電極，RF功率通過該電極耦合到襯底25。電極可以形成在襯底夾持器20中。例如，襯底夾持器20可以經(jīng)由從RF發(fā)生器(未示出)通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(未示出)發(fā)送到襯底夾持器20的RF功率被電偏置在某一RF電壓。RF偏置的一般頻率可以從約0.1MHz到約100MHz。用于等離子體處理的RF偏置系統(tǒng)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的?；蛘?，RF功率以多個頻率被施加到襯底夾持器電極。
盡管等離子體生成系統(tǒng)和可選的襯底偏置系統(tǒng)在圖1A中示為分離的實(shí)體，但是它們實(shí)際上可包括耦合到襯底夾持器20的一個或多個功率源。另外，如圖1B所示，用于向電極30A提供功率的功率源可以與功率源50和52中的一個或這兩者相組合。
仍然參考圖1A，沉積系統(tǒng)1包括耦合到襯底夾持器20并且被配置為升高并控制襯底25的溫度的襯底溫度控制系統(tǒng)60。襯底溫度控制系統(tǒng)60包括溫度控制元件，例如包括再循環(huán)冷卻劑流的冷卻系統(tǒng)，這種再循環(huán)冷卻劑流從襯底夾持器20接收熱量并將熱量傳輸?shù)綗峤粨Q器系統(tǒng)(未示出)，或者在加熱時傳輸來自熱交換器系統(tǒng)的熱量。另外，溫度控制元件可包括加熱/冷卻元件，例如電阻性加熱元件或熱電加熱器/冷卻器，這些元件可以被包括在襯底夾持器20以及工藝室10的室壁和沉積系統(tǒng)1內(nèi)的任何其他部件中。
為了提高襯底25和襯底夾持器20之間的熱傳輸，襯底夾持器20可包括機(jī)械夾緊系統(tǒng)或電夾緊系統(tǒng)(例如靜電夾緊系統(tǒng))，以將襯底25附著到襯底夾持器20的上表面。此外，襯底夾持器20還可包括襯底背面氣體傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為將氣體引入到襯底25的背面，以提高襯底25和襯底夾持器20之間的氣體間隙熱導(dǎo)。這種系統(tǒng)可以用在當(dāng)在升高或降低溫度時需要對襯底進(jìn)行溫度控制的情況下。例如，襯底背面氣體系統(tǒng)可包括兩區(qū)氣體分配系統(tǒng)，其中氦氣間隙壓強(qiáng)可以在襯底25的中心和邊緣之間獨(dú)立變化。
此外，工藝室10還經(jīng)過導(dǎo)管38耦合到包括真空泵系統(tǒng)34和閥36的壓強(qiáng)控制系統(tǒng)32，其中壓強(qiáng)控制系統(tǒng)32被配置為可控地將工藝室10抽空到適合于在襯底25上形成薄膜并且適合于第一和第二處理材料的使用的壓強(qiáng)。從圖1A中可見，沉積系統(tǒng)1可選地可包括真空泵34A，真空泵34A適合于通過上部組件30中的氣體注入噴嘴進(jìn)行真空泵吸，這將在下面進(jìn)一步描述。盡管在圖1A中示意性地示出，但是真空泵34A可包括例如在真空泵34中使用的閥和導(dǎo)管。
真空泵系統(tǒng)34和34A可包括泵速能高達(dá)約5000公升每秒(以及更大)的渦輪分子真空泵(TMP)或低溫泵，并且閥36可包括用于節(jié)流室壓強(qiáng)的門閥。在傳統(tǒng)的用于干法等離子體刻蝕的等離子體處理設(shè)備中，通常采用300到5000公升每秒的TMP。而且，用于監(jiān)視室壓強(qiáng)的設(shè)備(未示出)可以耦合到工藝室10。壓強(qiáng)測量設(shè)備可以例如是可從MKSInstruments Inc.(Andover，MA)購得的628B型Baratron絕對電容壓力計(jì)。
仍然參考圖1A和圖1B，控制器70可包括微處理器、存儲器和能夠生成控制電壓的數(shù)字I/O端口，該控制電壓足以傳輸并激活到沉積系統(tǒng)1(1’)的輸入以及監(jiān)視來自沉積系統(tǒng)1(1’)的輸出。而且，控制器70可以耦合到工藝室10、襯底夾持器20、上部組件30、電極30A、第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)40、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)42、凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44、第一功率源50、第二功率源52、襯底溫度控制器60和壓強(qiáng)控制系統(tǒng)32，并與之交換信息。例如，存儲在存儲器中的程序可以用于根據(jù)工藝流程激活到沉積系統(tǒng)1(1’)的前述部件的輸入，以執(zhí)行刻蝕工藝或沉積工藝?？刂破?0的一個示例是可以從Texas，Austin，Dell Corporation得到的DELLPRECISION WORKSTATION610TM。
然而，控制器70可以實(shí)現(xiàn)為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其響應(yīng)于處理器執(zhí)行包含在存儲器中的一條或多條指令的一個或多個序列而執(zhí)行本發(fā)明的基于微處理器的處理步驟的一部分或全部。這些指令可以從另一計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)(例如硬盤或可移動介質(zhì)驅(qū)動器)讀取到控制器存儲器中。也可以采用多處理布置中的一個或多個處理器作為控制器微處理器，以執(zhí)行包含在主存儲器中的指令序列。在可替換實(shí)施例中，硬連線電路可以用于替代軟件指令或者與軟件指令相組合。從而，實(shí)施例并不限于硬件電路和軟件的任何特定組合。
控制器70包括至少一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或存儲器，例如控制器存儲器，其用于保存根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)編程的指令并用于保存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、表、記錄或可能是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所必需的其他數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例是致密盤、硬盤、軟盤、磁帶、磁光盤、PROM(EPROM、EEPROM、閃存EPROM)、DRAM、SRAM、SDRAM、或任何其他磁介質(zhì)、致密盤(例如CD-ROM)、或任何其他光介質(zhì)、穿孔卡、紙帶、或其他具有孔圖案的物理介質(zhì)、載波(下面描述)、或任何其他計(jì)算機(jī)可讀取的介質(zhì)。
本發(fā)明包括存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的任何一種或其組合上的軟件，這些軟件用于控制控制器70，用于驅(qū)動用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個或多個設(shè)備，并且/或者用于使得控制器能夠與人類用戶交互。這些軟件可包括但不限于設(shè)備驅(qū)動器、操作系統(tǒng)、開發(fā)工具和應(yīng)用軟件。這種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還包括用于執(zhí)行在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時執(zhí)行的處理的全部或一部分(如果處理是分布式的話)的本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
本發(fā)明的計(jì)算機(jī)代碼設(shè)備可以是任何可解釋的或可執(zhí)行的代碼機(jī)制，包括但不限于腳本、可解釋程序、動態(tài)鏈接庫(DLL)、Java類和完全可執(zhí)行程序。而且，本發(fā)明的處理的一部分可以是分布式的以實(shí)現(xiàn)更好的性能、可靠性和/或成本。
這里所用的術(shù)語“計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”指參與向控制器70的處理器提供以供執(zhí)行的指令的任何介質(zhì)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以采取許多形式，包括但不限于非易失性介質(zhì)、易失性介質(zhì)和傳輸介質(zhì)。非易失性介質(zhì)例如包括光盤、磁盤和磁光盤，例如硬盤或可移動介質(zhì)驅(qū)動器。易失性介質(zhì)包括動態(tài)存儲器，例如主存儲器。而且，各種形式的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以用來向控制器的處理器運(yùn)送一條或多條指令的一個或多個序列以供執(zhí)行。例如，這些指令最初可以承載在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的磁盤上。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以將用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的全部或一部分的指令遠(yuǎn)程加載到動態(tài)存儲器中，并通過網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送到控制器70。
控制器70可以相對于沉積系統(tǒng)1(1’)位于本地，或者其可以相對于沉積系統(tǒng)1(1’)位于遠(yuǎn)處。例如，控制器70可以利用直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)和無線連接中的至少一種與沉積系統(tǒng)1(1’)交換數(shù)據(jù)?？刂破?0可以耦合到例如在客戶位置(即，器件制造者等)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，或者可以耦合到例如在供應(yīng)商位置(即，設(shè)備制造商)處的內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。另外，例如，控制器70可以耦合到因特網(wǎng)。此外，另一臺計(jì)算機(jī)(即，控制器、服務(wù)器等)可以經(jīng)由直接連接、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)中的至少一種訪問例如控制器70以交換數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將意識到，控制器70可以經(jīng)由無線連接與沉積系統(tǒng)1(1’)交換數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在參考圖2A，示出了沉積系統(tǒng)101。沉積系統(tǒng)101包括具有襯底夾持器120的工藝室110，襯底夾持器120被配置為支撐其上形成有薄膜的襯底125。工藝室110還包括耦合到第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)140、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)142和凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144的上部組件130。另外，沉積系統(tǒng)101包括第一功率源150和襯底溫度控制系統(tǒng)160，第一功率源150耦合到工藝室110并且被配置為在工藝室110中生成等離子體，襯底溫度控制系統(tǒng)160耦合到襯底夾持器120并且被配置為升高和控制襯底125的溫度。另外，沉積系統(tǒng)101包括控制器170，控制器170可以耦合到工藝室110、襯底夾持器120、上部組件130、第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)140、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)142、凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144、第一功率源150和襯底溫度控制系統(tǒng)160。控制器170可以實(shí)現(xiàn)為例如以上參考圖1A和圖1B所描述的控制器70。
沉積系統(tǒng)101可以被配置為處理200mm襯底、300mm襯底或更大尺寸的襯底。事實(shí)上，可以預(yù)期沉積系統(tǒng)可以被配置為處理不管多大尺寸的襯底、晶片或LCD，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到這一點(diǎn)。襯底可以通過通道112被引入到工藝室110，并且它們可以經(jīng)由襯底抬升系統(tǒng)122抬升到襯底夾持器120的上表面并從襯底夾持器120的上表面升起。
第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)140和第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)142被配置為向工藝室110交替地引入第一處理材料和第二處理材料。第一材料的引入和第二材料的引入的交替可以是循環(huán)的，或者其可以是非循環(huán)的，即，在第一和第二處理材料的引入之間有可變時間段。第一處理材料可例如包括膜前驅(qū)體，例如具有在形成在襯底125上的膜中存在的基本原子或分子種類的組分。例如，膜前驅(qū)體可以最初為固相、液相或氣相，并且其可以在使用或不使用載氣的情況下以氣相傳輸?shù)焦に囀?10。第二處理材料可例如包括還原劑，還原劑也可包括在形成在襯底125上的膜中存在的原子或分子種類。例如，還原劑可以最初為固相、液相或氣相，并且其可以在使用或不使用載氣的情況下以氣相傳輸?shù)焦に囀?10。
第一處理材料和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的材料的組分和特性選擇的。例如，在作為阻擋層的鉭(Ta)的沉積期間，第一處理材料可包括固態(tài)膜前驅(qū)體，例如五氯化鉭(TaCl5)，第二處理材料可包括還原劑，例如氫氣(H2)。在另一個示例中，在作為阻擋層的氮化鉭(TaN)或碳氮化鉭(TaCN)的沉積期間，第一處理材料可包括金屬有機(jī)膜前驅(qū)體，例如叔戊酰亞胺-三-二甲基氨基鉭(Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3， 下文中稱為Taimata；關(guān)于額外的細(xì)節(jié)，請參見美國專利No.6,593,484)，第二處理材料可包括還原劑，例如氫氣(H2)、氨氣(NH3)、硅烷(SiH4)、或乙硅烷(Si2H6)或其組合。在另一個示例中，當(dāng)沉積氮化鉭(即，TaNx)時，第一前驅(qū)體可包括含鉭前驅(qū)體，例如TaCl5、PDEAT(五(二乙基氨基)鉭)、PEMAT(五(乙基甲基氨基)鉭)、TaBr5或TBTDET(叔丁基亞氨基三(二乙基氨基)鉭)。第二前驅(qū)體可包括H2和N2的混合物或NH3。另外，當(dāng)沉積五氧化鉭時，第一處理材料可包括TaCl5，第二處理材料可包括H2O或H2和O2。第一和第二處理材料的其他示例將在下面參考圖5提供。
另外，凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144可以被配置為向工藝室110引入凈化氣體。例如，凈化氣體的引入可以發(fā)生在向工藝室110引入第一處理材料和第二處理材料之間，或者可以在向工藝室110引入第二處理材料之后。凈化氣體可包括惰性氣體，例如稀有氣體(即，氦、氖、氬、氙、氪)或氮或氫。在一個實(shí)施例中，凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144還可以被配置為向室110中引入反應(yīng)性凈化氣體，這將在下面進(jìn)一步描述。
第一材料供應(yīng)系統(tǒng)140、第二材料供應(yīng)系統(tǒng)142和凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144可包括一個或多個材料源、一個或多個壓強(qiáng)控制設(shè)備、一個或多個流控制設(shè)備、一個或多個過濾器、一個或多個閥或者一個或多個流量傳感器。如參考圖1A和圖1B所討論的，流控制設(shè)備可包括液壓驅(qū)動閥、電-機(jī)械(電磁)閥和/或高速率脈沖氣體注入閥。示例性的脈沖氣體-注入系統(tǒng)在2001年3月2日提交的未決美國申請60/272,452中有更詳細(xì)的描述，該申請通過引用整體結(jié)合于此。
仍然參考圖2A，第一處理材料通過第一材料管線141耦合到工藝室110，第二處理材料通過第二材料管線143耦合到工藝室110。另外，凈化氣體可以通過第一材料管線141(如圖所示)、第二材料管線143(如圖所示)、或獨(dú)立管線或其任意組合耦合到工藝室110。在圖2A的實(shí)施例中，第一處理材料、第二處理材料和凈化氣體通過包括氣體注入組件180的上部組件130被引入到工藝室110并在工藝室110內(nèi)分配。盡管未在圖2A中示出，但是側(cè)壁氣體注入閥也可以被包括在處理系統(tǒng)中。氣體注入組件180可包括第一注入板182、第二注入板184和第三注入板186，這些注入板通過絕緣組件188與工藝室110電絕緣。第一處理材料經(jīng)由形成在第二注入板184和第三注入板186之間的第一空間190通過第二注入板184中的第一通孔陣列194和第一注入板182中的第一噴嘴(orifice)陣列195從第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)140耦合到工藝室110。第二處理材料或凈化氣體或這兩者經(jīng)由形成在第二注入板184中的第二空間192通過第一注入板182中的第二噴嘴陣列197從第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)142或凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144耦合到工藝室110。
仍然參考圖2A，沉積系統(tǒng)101包括等離子體生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為在向工藝室110交替和循環(huán)引入第一處理材料和第二處理材料的至少一部分期間生成等離子體。等離子體生成系統(tǒng)可包括耦合到工藝室110的第一功率源150，第一功率源150被配置為將功率耦合到工藝室110中的第一處理材料或第二處理材料或這兩者。第一功率源150可以是可變的，并且可包括射頻(RF)發(fā)生器154和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)156，并且還包括諸如氣體注入組件180之類的電極，RF功率通過該電極耦合到工藝室110中的等離子體。電極形成在上部組件130中，并且經(jīng)由絕緣組件188與工藝室110絕緣，并且其可以被配置為與襯底夾持器120相對。RF頻率可以例如從約100kHz到約100MHz?；蛘?，RF頻率可以例如從約400kHz到約60MHz。作為又一示例，RF頻率可以例如約為27.12MHz。
可選地，等離子體生成系統(tǒng)包括上部組件130中的第一電極和位于上部組件130的外圍的第二電極130A，如圖2B的沉積系統(tǒng)101’中所示。在實(shí)施例中，第二電極130A被放置在襯底125的外邊緣的外部。電極130A還可包括被配置為注入等離子體生成氣體的氣體注入組件。功率可以從第一功率源150或者從未在圖2B中示出的獨(dú)立功率源耦合到第二電極130A。在電極130A從功率源150A得到功率的情況下，功率劃分器網(wǎng)絡(luò)可以用于允許在電極130A上提供的功率與在上部組件130的電極上提供的功率在諸如相位、頻率、功率水平等特性上有所不同。向電極130A提供功率的功率源可以是相對于功率源150所描述的配置中的任何一種，或者可以使用其他合適的配置。例如，電極130A可包括耦合到射頻(RF)功率的環(huán)形電極、單圈線圈或螺旋形線圈。例如，一種這樣的設(shè)備在題為“Plasma Processing System with Locally-Efficient Inductive PlasmaCoupling”的未決美國專利申請No.10/717,268(律師案卷號No.USP03Z003)中有所描述。功率供應(yīng)的一般頻率可以從約0.1 MHz到約100MHz。
仍然參考圖2A，沉積系統(tǒng)101包括耦合到襯底夾持器120并且被配置為升高并控制襯底125的溫度的襯底溫度控制系統(tǒng)160。襯底溫度控制系統(tǒng)160包括至少一個溫度控制元件，包括諸如氮化鋁加熱器之類的電阻性加熱元件。襯底溫度控制系統(tǒng)160可以例如被配置為升高并控制高達(dá)從約350℃到400℃的襯底溫度。或者，襯底溫度可以例如從約150℃到350℃。然而，應(yīng)當(dāng)理解，襯底溫度是基于用于導(dǎo)致在給定襯底的表面上發(fā)生特定材料的ALD沉積的期望溫度而選擇的。因此，該溫度可以高于或低于上述溫度。
此外，工藝室110還通過導(dǎo)管138耦合到包括真空泵系統(tǒng)134和閥136的壓強(qiáng)控制系統(tǒng)132，其中壓強(qiáng)控制系統(tǒng)132被配置為可控地將工藝室110抽空到適合于在襯底125上形成薄膜并且適合于第一和第二處理材料的使用的壓強(qiáng)。從圖2B中可見，沉積系統(tǒng)101’可選地可包括真空泵134A，真空泵134A適合于通過上部組件130中的氣體注入噴嘴進(jìn)行真空泵吸，這將在下面進(jìn)一步描述。盡管在圖1B中示意性地示出，但是真空泵134A可包括例如在真空泵134A中使用的閥和導(dǎo)管。真空泵系統(tǒng)的閥能夠選擇性的泵吸管線141和143。另外，真空泵134A可以耦合到外圍電極130A中的噴嘴以在該電極上提供真空泵特征。
現(xiàn)在參考圖3，沉積系統(tǒng)1/1’/101/101’(由圖1A、1B/圖2A、2B的標(biāo)號指示)可以被配置為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)工藝。圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的示例性PEALD工藝的時序圖。從圖中可見，第一處理材料被引入到工藝室10/110第一時間段310，以引起在襯底25/125的暴露表面上的膜前驅(qū)體(第一處理材料)的吸附，然后工藝室10/110被凈化氣體凈化第二時間段320。其后，還原劑(第二處理材料)被引入到工藝室10/110第三時間段330，同時功率通過上部組件30/130從第一功率源50/150耦合到還原劑，如340所示。功率到還原劑的耦合對還原劑加熱，從而導(dǎo)致還原劑的離子化和/或離解，以便形成與吸附在襯底25/125上的第一前驅(qū)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的游離基。當(dāng)襯底25/125被加熱到升高的溫度時，表面化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)了期望膜的形成。工藝室10/110被凈化氣體凈化第四時間段。第一和第二處理材料的引入以及等離子體的形成可以重復(fù)任意次數(shù)以在襯底上產(chǎn)生期望厚度的膜。
盡管圖3示出了第一處理材料的離散脈沖，但是第一處理材料也可以是例如在載氣上的連續(xù)的流，其中這種連續(xù)流不會導(dǎo)致在沉積在襯底表面上之前與第二處理材料發(fā)生不希望發(fā)生的反應(yīng)。盡管圖3示出了僅僅在還原氣體時段期間的等離子體生成，但是等離子體也可以在第一處理材料時段期間生成以促進(jìn)第一處理材料到襯底表面的吸附。而且，盡管第二處理材料時間段330和等離子體時間段340在圖3中示為精確地彼此對應(yīng)，但是這些時間段僅僅交疊對于本發(fā)明的目的來說就已經(jīng)足夠，這將是本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。
如在上面的相關(guān)技術(shù)部分中所討論的，一種對ALD工藝的廣泛接受的阻礙是這種工藝相對較低的沉積速率。具體而言，傳統(tǒng)的ALD工藝一般需要約15-20秒的周期來沉積單層材料，其中還原反應(yīng)一般花費(fèi)約10秒的周期時間。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)研究了傳統(tǒng)ALD工藝的工藝參數(shù)從而試圖減少該沉積時間(或提高沉積速率)。結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人已確定，傳統(tǒng)的600W或更小的等離子體功率可以被增大以加快還原反應(yīng)時間。例如，在利用五氯化鉭作為第一處理材料、氫作為第二處理材料來執(zhí)行例如圖3中所描述的PEALD工藝以制備薄的保形含鉭膜時，約1000W的功率耦合到氫還原劑。利用這一功率水平，在約5秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了還原反應(yīng)到飽和的完成，而不是600W等離子體功率的工藝一般所需的約10秒。
例如，在表1中提供了用于示例性PEALD工藝的工藝參數(shù)，該示例性PEALD工藝用于利用五氯化鉭作為第一處理材料、利用氫作為在還原步驟期間的第二處理材料來形成鉭(Ta)薄膜。
表1 表1提供了從左到右包括如下參數(shù)的列ALD處理步驟、針對被配置為使第一處理材料(TaCl5)升華的蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)置的溫度、經(jīng)過蒸發(fā)系統(tǒng)的Ar的流率(載氣Ar，sccm)、在還原步驟期間的氫的流率(H2sccm)、直接耦合到工藝室的Ar的流率(Ar，sccm)、每一步的時間、在每一步期間施加的功率和針對每一步設(shè)置的壓強(qiáng)。另外，鉭膜利用如表1中所述的300個循環(huán)形成在二氧化硅(SiO2)襯底上，而襯底的溫度被設(shè)為約240攝氏度。圖4A和4B給出了用于表1中所示的示例性PEALD工藝的工藝數(shù)據(jù)。
在圖4A中，每種工藝參數(shù)保持恒定，包括還原步驟期間的功率(即，1000W)，而還原步驟的時間從約三(3)秒變化到約十五(15)秒。當(dāng)功率增大到1000W時，還原步驟的時間可以約為5秒或更長。在隨后的持續(xù)時間中，膜厚和膜的電阻率隨時間的增加變得恒定。
在圖4B中，每種工藝參數(shù)保持恒定，包括還原步驟的持續(xù)時間(即，10秒)，而在還原步驟期間施加的功率從約500W變化到約2000W。隨著功率的增大，膜厚增大并且膜的電阻率減小。例如，可以形成具有小于約460μΩ-cm的電阻率的鉭膜。
因而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增大等離子體功率以超過約600W的傳統(tǒng)極限可以提高ALD膜的沉積速率，并改善諸如膜的電阻率之類的膜特性。而且，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，在第二處理材料被引入到室中時的還原反應(yīng)期間，使用這種相對較高的等離子體功率使得副產(chǎn)物從襯底上的第一處理材料層中更完全的釋放出來。返回以上示例，在五氯化鉭被首先吸附到襯底表面上的情況下，在約1000W下生成的氫等離子體相比于在600W下生成的等離子體將從五氯化鉭層釋放出更多的氯。例如，圖4C示出了隨著還原步驟期間施加的功率從約500W增大到約2000W，上述PEALD工藝的鉭膜的氯含量的減小。因而，功率的增大提供了具有減少的化學(xué)副產(chǎn)物雜質(zhì)量的膜，這導(dǎo)致諸如電阻率或介電常數(shù)之類的膜特性的改善。例如，可以形成具有小于0.95原子百分比(at.％)的氯含量的鉭膜。
例如，一種對于在較高等離子體功率下還原反應(yīng)時間減少的解釋是增大的功率在等離子體中提供了較高密度的游離基，例如氫等離子體中的H+，其可以與襯底表面上的第一前驅(qū)體反應(yīng)。更多游離基的獲得提供了還原反應(yīng)中更短的飽和時間。
此外，例如，根據(jù)另一種解釋，表面上的還原可能取決于表面溫度，因而，根據(jù)Arrhenius關(guān)系，即還原過程應(yīng)當(dāng)取決于溫度。已知的是，等離子體產(chǎn)生了比電中性氣體環(huán)境中的活化能明顯更低的活化能?；罨軠p小的機(jī)制是由離子-中性物質(zhì)相互作用，而不是中性物質(zhì)-中性物質(zhì)相互作用引起的。由于明顯的活化能的減小，及時生成了更多的反應(yīng)產(chǎn)物，或者飽和發(fā)生得更快速。
例如，一種解釋是等離子體功率的增大生成了更大的活化能的減小，而較小的等離子體功率生成了較小的活化能的減小或者零改變。假定對于第一等離子體功率(P1)，在時間間隔(Δt)中由氫游離基(H·)從五氯化鉭(TaCl5)中釋放出的氯(Cl)的量正比于反應(yīng)物密度和與溫度有Arrhenius關(guān)系的速率常數(shù)，即 在第二等離子體功率(P2)下，例如(P2>P1)，釋放出的(Cl)的量正比于 基于在(P2>P1)下(

)的假定，并且考慮()，其中(α≤1)，可以按一種形式重寫這兩個關(guān)系(考慮相同的時間間隔) 現(xiàn)在這兩種情況下釋放出的(Cl)密度的比率變?yōu)? 例如， 將最后一個關(guān)系展開為Taylor級數(shù)展開，得到 比率總是大于1，假定氫游離基隨著等離子體功率是單調(diào)增大，例如k1≥1。忽略無窮級數(shù)加和中的高階項(xiàng)，只留下前兩項(xiàng)， 可以看出，對于(0<α≤1)的任何值，總有因此從最后的估計(jì)可以得到
即在相同時間間隔中在較高功率下氫游離基總是會釋放出更大量的氯，例如ΔnCl(P2)≥ΔnCl(P1)。
又例如，根據(jù)另一種解釋，等離子體與襯底表面的相互作用由于離子轟擊而可能對襯底的有效表面溫度產(chǎn)生影響。增大的等離子體功率生成電極(例如上部組件30或130中的電極)上的較高Vpp(峰峰電壓)，這可能導(dǎo)致入射在襯底上的離子具有較高能量。與襯底表面的較高能量碰撞可以生成較高的有效表面溫度并加速表面反應(yīng)。隨著時間的繼續(xù)，局部溫度增大，因而飽和發(fā)生得更快。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖。圖5的工藝可以由圖1A、1B或2A、2B或任何其他合適的處理系統(tǒng)執(zhí)行。從圖5中可見，該工藝開始于步驟410，這時在工藝室中插入諸如半導(dǎo)體襯底之類的襯底。例如，襯底可以被靜電夾緊到襯底夾持器，例如參考圖1A、1B和圖2A、2B的系統(tǒng)所描述的夾持器25或125。在步驟420中，向工藝室中提供第一處理材料以沉積在襯底上。第一處理材料可以是化學(xué)易揮發(fā)但是熱穩(wěn)定的材料，其可以以自限制(self-limiting)方式沉積在襯底表面上。這種沉積的特性取決于第一處理材料和被處理的襯底的組分。例如，第一處理材料可以被吸附在襯底表面上。
在步驟430中，在工藝室中提供第二處理材料以提供與沉積的第一處理材料的還原反應(yīng)，從而在襯底表面上形成期望的膜。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，第一和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的期望膜選擇的。例如，用于沉積含鉭膜的第一和第二處理材料可包括上述鉭沉積材料和上述還原劑的任何組合。
在一個示例中，當(dāng)沉積鉭(Ta)、氮化鉭或碳氮化鉭時，第一處理材料可包括TaF5、TaCl5、TaBr5、TaI5、 Ta(CO)5、 Ta[N(C2H5CH3)]5(PEMAT)、Ta[N(CH3)2]5(PDMAT)、Ta[N(C2H5)2]5(PDEAT) 、Ta(NC(CH3)3)(N(C2H5)2)3(TBTDET) 、Ta(NC2H5)(N(C2H5)2)3、Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3或Ta(NC(CH3)3)(N(CH3)2)3，第二處理材料可包括H2、NH3、N2和H2、N2H4、NH(CH3)2或N2H3CH3。
在另一個示例中，當(dāng)沉積鈦(Ti)、氮化鈦或碳氮化鈦時，第一處理材料可包括TiF4、TiCl4、TiBr4、TiI4、Ti[N(C2H5CH3)]4(TEMAT)、Ti[N(CH3)2]4(TDMAT)或Ti[N(C2H5)2]4(TDEAT)，第二處理材料可包括H2、NH3、N2和H2、N2H4、NH(CH3)2或N2H3CH3。
作為另一個示例，當(dāng)沉積鎢(W)、氮化鎢或碳氮化鎢時，第一處理材料可包括WF6或W(CO)6，第二處理材料可包括H2、NH3、N2和H2、N2H4、NH(CH3)2或N2H3CH3。
在另一個示例中，當(dāng)沉積鉬(Mo)時，第一處理材料可包括六氟化鉬(MoF6)，第二處理材料可包括H2。
當(dāng)沉積銅時，第一處理材料可包括有機(jī)金屬化合物和無機(jī)化合物，有機(jī)金屬化合物例如是Cu(TMVS)(hfac)，商品名也稱為CupraSelect，其可以從作為Air Products and Chemicals Inc.(1969 Palomar Oaks Way，Carlsbad，Calif.92009)的一個單位的Schumacher得到，無機(jī)化合物例如是CuCl。第二處理材料可包括H2、O2、N2、NH3或H2O中的至少一種。這里所用的術(shù)語“A、B、C...或X中的至少一種”指所列舉元素中的任何一種或者所列舉元素中多于一種的任何組合。
在另一個示例中，當(dāng)沉積ZrO2時，第一處理材料可包括Zr(NO3)4或ZrCl4，第二處理材料可包括H2O。
當(dāng)沉積HfO2時，第一處理材料可包括Hf(OBut)4、Hf(NO3)4或HfCl4，第二處理材料可包括H2O。在另一個示例中，當(dāng)沉積鉿(Hf)時，第一處理材料可包括HfCl4，第二處理材料可包括H2。
在另一個示例中，當(dāng)沉積鈮(Nb)時，第一處理材料可包括五氯化鈮(NbCl5)，第二處理材料可包括H2。
在另一個示例中，當(dāng)沉積鋅(Zn)時，第一處理材料可包括二氯化鋅(ZnCl2)，第二處理材料可包括H2。
在另一個示例中，當(dāng)沉積SiO2時，第一處理材料可包括Si(0C2H5)4、SiH2Cl2、SiCl4或Si(NO3)4，第二處理材料可包括H2O或O2。在另一個示例中，當(dāng)沉積氮化硅時，第一處理材料可包括SiCl4或SiH2Cl2，第二處理材料可包括NH3或N2和H2。在另一個示例中，當(dāng)沉積TiN時，第一處理材料可包括硝酸鈦(Ti(NO3))，第二處理材料可包括NH3。
在另一個示例中，當(dāng)沉積鋁時，第一處理材料可包括氯化鋁(Al2Cl6)或三甲基鋁(Al(CH3)3)，第二處理材料可包括H2。當(dāng)沉積氮化鋁時，第一處理材料可包括三氯化鋁或三甲基鋁，第二處理材料可包括NH3或N2和H2。在另一個示例中，當(dāng)沉積氧化鋁時，第一處理材料可包括氯化鋁或三甲基鋁，第二處理材料可包括H2O或O2和H2。
在另一個示例中，當(dāng)沉積GaN時，第一處理材料可包括硝酸鎵(Ga(NO3)3)或三甲基鎵(Ga(CH3)3)，第二處理材料可包括NH3。
再次參考圖5，在步驟440中，超過600W的電磁功率耦合到工藝室中的第二處理材料以促進(jìn)襯底上的還原反應(yīng)。這里所用的“電磁功率”是指RF功率、微波頻率功率、光波功率或任何已知的適合于在等離子體工藝室中生成等離子體的功率。在圖1A、1B和2A、2B的實(shí)施例中，電磁功率可以利用上部組件中的一個或多個電極和襯底電極耦合到工藝室。在步驟440中高功率到第二處理材料(即，還原劑)的耦合加熱了還原劑，因而引起還原劑的離子化和/或離解以形成游離基，游離基與吸附在襯底上的第一前驅(qū)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以加速還原過程并減少沉積的膜內(nèi)的雜質(zhì)，如上所述。在一個實(shí)施例中，功率范圍從約600W到約1500W。在另一個實(shí)施例中，功率約為1000W，然而，實(shí)際的等離子體處理功率可以根據(jù)諸如要沉積的膜的組分和特性之類的因素而變化。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例能夠以較高的沉積速度和較少的雜質(zhì)進(jìn)行膜的ALD沉積的合適的高功率水平可以通過直接實(shí)驗(yàn)和/或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來確定。其他可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)，例如襯底溫度、處理壓強(qiáng)、處理氣體類型和相對氣體流量也可以通過直接實(shí)驗(yàn)和/或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來確定。
在步驟440完成的還原反應(yīng)導(dǎo)致一薄層的期望膜被沉積在襯底表面上。例如，還原反應(yīng)可能導(dǎo)致一薄層的阻擋層、種子層、粘附層、柵極層、金屬層、金屬氧化物層、金屬氮化物層或介電層被沉積在襯底的特征上。一旦還原反應(yīng)發(fā)生，圖5的步驟420-440就可以被重復(fù)以在襯底上沉積附加的材料層，直到達(dá)到期望厚度為止，如圖5的工藝流程箭頭450所示。
盡管未在圖5中示出，但是在一個實(shí)施例中，在用于引入第一處理材料和第二處理材料的步驟之間凈化氣體被引入到工藝室中，如上參考圖3所述。即，凈化氣體可以在第一處理材料之后并在第二處理材料之前被引入，或者凈化氣體可以在第二處理材料之后并在后續(xù)循環(huán)的第一處理材料之前被引入。凈化氣體允許在第二處理材料的引入之前通過真空泵吸將第一處理材料從工藝室中驅(qū)逐出去。類似地，在執(zhí)行多個ALD循環(huán)的情況下，凈化氣體可以在還原反應(yīng)發(fā)生之后被引入，以在第一處理材料的引入之前驅(qū)逐出第二處理材料。這種凈化確保了還原反應(yīng)主要在襯底上的第一處理材料的吸附層處發(fā)生，而不是在沉積之前在工藝室環(huán)境中發(fā)生。
除了高等離子體功率水平對ALD膜的沉積的影響以外，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)考慮到相對較低的等離子體功率對ALD膜的沉積的潛在影響。為此，本發(fā)明的發(fā)明人已確定，低功率等離子體可以在實(shí)際還原反應(yīng)發(fā)生之前去除工藝室和襯底中的殘留污染物。具體而言，第一處理材料(膜前驅(qū)體)的引入一般導(dǎo)致該材料被吸附在工藝室部件(例如室壁)以及襯底上。另外，先前還原反應(yīng)的副產(chǎn)物可能存在于工藝室部件上。例如，當(dāng)如上所述沉積含鉭膜時，在襯底和室部件上一般存在來自第一處理材料的殘留的氯。
在ALD工藝期間，具體而言在等離子體增強(qiáng)還原反應(yīng)期間，室部件上的材料可被濺射，并且可能污染沉積的膜，這可能導(dǎo)致膜具有很差的屬性。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，盡管較高的等離子體功率可能導(dǎo)致較大的沉積速率、較小的膜電阻率和膜中較小的氯含量(對于含氯前驅(qū)體)，但是其也可以導(dǎo)致膜中其他污染物的出現(xiàn)，這種污染物來自于通過大的離子化的污染物(例如離子化的氯，這與氫等離子體還原步驟中的較小的氫離子相對)對工藝室部件的濺射。例如，當(dāng)利用氫等離子體在襯底表面上還原TaCl5時，HCl從表面中散發(fā)出來，在等離子體存在的情況下，HCl發(fā)生離解以形成離子化氯等，這種離子化氯是大離子并且能夠?yàn)R射工藝室部件。隨著等離子體功率的增大，緊鄰工藝室部件的鞘電壓可能超過工藝室部件的材料組分的濺射閾值。例如，如圖1A、1B、2A和2B中所示，上部組件30、130中的電極可以利用抗腐蝕材料制作，例如當(dāng)使用含氯材料時的鎳(具有約143V的濺射閾值電壓)。因而，低等離子體功率可以有效地從襯底和工藝室壁釋放出污染物，以使得其可以在施加相對較高的功率之前通過真空泵吸被從室中驅(qū)逐出去，這種相對較高的功率的施加在促進(jìn)襯底表面上的較高速率還原反應(yīng)的同時，可以對室部件進(jìn)行濺射。
基于以上對利用低和高功率等離子體的益處的認(rèn)識，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在ALD工藝期間改變等離子體功率水平可以提供減少ALD膜的污染以及提高膜的沉積速率的雙重優(yōu)點(diǎn)。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖。圖6的工藝可以由圖1A、1B或2A、2B的處理系統(tǒng)或任何其他合適的處理系統(tǒng)執(zhí)行。從圖6中可見，該工藝開始于步驟510，這時在工藝室中插入諸如半導(dǎo)體襯底之類的襯底。在步驟520中，向工藝室中提供第一處理材料以吸附到襯底表面。在步驟530中，在工藝室中提供第二處理材料以提供與沉積的第一處理材料的還原反應(yīng)，從而在襯底表面上形成期望的膜，如上所述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，第一和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的期望膜選擇的。例如，這里描述的第一和第二處理材料的任何組合都可以應(yīng)用于圖6的工藝。
在圖6的步驟540中，第一電磁功率水平耦合到工藝室以生成用于減少工藝室中的污染物的等離子體。第一等離子體功率水平可以與用于生成等離子體的閾值水平一樣低，并且優(yōu)選地不高于被確定為破壞或損傷包括任何沉積在其上的膜的襯底的水平。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，第一功率水平將取決于沉積的材料，以及在ALD工藝期間何時施加第一功率水平。第一功率水平可以在提供第一處理材料、提供第二處理材料和/或提供凈化氣體的期間耦合到工藝室。如上所述，第一功率水平可以從工藝室和/或襯底中釋放出污染物，而不超過工藝室部件的濺射閾值。因而，在一個實(shí)施例中，第一功率水平在第二處理材料被引入到工藝室中的同時被施加到工藝室?；蛘?，在另一個實(shí)施例中，第一功率水平在凈化氣體步驟期間被施加到工藝室以生成清潔等離子體，在凈化氣體步驟中，釋放出的污染物可以有效地被從工藝室中真空泵吸出去。盡管未在圖6中示出，但是在一個實(shí)施例中，凈化氣體在用于引入第一和第二處理材料的步驟之間和/或在還原反應(yīng)之后被引入到工藝室，如上參考圖3所述。鑒于此，第一和/或第二等離子體功率水平可以在凈化氣體的引入期間施加。
在步驟550中，高于第一水平的第二功率水平耦合到工藝室以生成用于促進(jìn)襯底表面上的還原反應(yīng)的等離子體。因而，第二功率水平應(yīng)當(dāng)在第二處理材料的引入期間耦合到工藝室，但是也可以在ALD工藝期間的其他時刻耦合。與第一功率水平一樣，第二功率水平很大程度上取決于第一和第二處理材料，以及ALD工藝中施加第二功率水平的時間。在一個實(shí)施例中，第二功率水平高于600W以加速還原反應(yīng)并減少雜質(zhì)，如上所述。然而，在圖6的實(shí)施例中，第二功率水平生成用于促進(jìn)還原反應(yīng)的等離子體就足夠了。一旦還原反應(yīng)發(fā)生，圖6的步驟520至550就可以被重復(fù)以在襯底上沉積附加的材料層，直到達(dá)到期望厚度為止，如圖6的工藝流程箭頭560所示。
圖7A和7B示出了描繪根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例耦合到工藝室的功率的功率水平變化的功率圖，這種耦合到工藝室的功率是為了生成清潔和還原反應(yīng)等離子體。如圖7A中的功率曲線610所示，等離子體功率可以按多個離散水平(示出兩個)施加到工藝室。具體而言，第一功率水平620可以施加用來從襯底和工藝室部件去除污染物，以使得這種污染物可以被從工藝室中驅(qū)逐出去，如上所述。同樣，如上所述，第一功率水平可以與用于等離子體生成的閾值水平一樣低，或者高至600W，第二功率水平630優(yōu)選地高于600W，更優(yōu)選地約為1000W或更大，以加速還原過程并減少污染物。在一個示例中，第一功率水平不高于室內(nèi)的室部件的濺射閾值，如上所述。從圖7B中可見，等離子體功率水平可以按連續(xù)改變的方式(由功率曲線650代表)被施加到工藝室。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖7A和7B的功率曲線是示例性的，并且變化的功率可能取決于要通過ALD工藝沉積的膜的組分和特性。例如，圖7A的等離子體功率可包括多于兩(2)個的離散的功率水平，并且圖7B的等離子體功率可以按非線性方式改變。而且，階躍功率和漸變功率的組合可以用于提供圖6的步驟540和550的第一和第二功率水平。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例能夠以較高的沉積速度和較少的雜質(zhì)進(jìn)行膜的ALD沉積的合適的高功率水平可以通過直接實(shí)驗(yàn)和/或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來確定。其他可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)，例如襯底溫度、處理壓強(qiáng)、處理氣體類型和相對氣體流量也可以通過直接實(shí)驗(yàn)和/或?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)(DOE)來確定。
如上所述，例如圖7A和7B的曲線610和650所示的變化的等離子體功率可以僅僅在第二處理材料的引入期間被施加到工藝室，或者可以在整個ALD循環(huán)期間被施加到工藝室，只要相對較高的功率水平被施加到第二處理材料以促進(jìn)還原反應(yīng)即可。例如，在僅在第二處理材料的引入期間施加變化的功率的情況下，初始低功率水平可以從襯底和工藝室壁釋放出雜質(zhì)，而不提供足夠的等離子體密度以顯著促進(jìn)襯底表面處的還原反應(yīng)。隨著功率如圖7A所示的階躍式增大，或者如圖7B所示的連續(xù)改變，等離子體游離基促進(jìn)已通過初始低功率清潔的環(huán)境中的還原反應(yīng)。
在另一個實(shí)施例中，變化的功率可以在ALD循環(huán)中的其他步驟期間發(fā)生并起雙重作用。例如，第一功率水平可以在第一處理材料的引入期間施加，以輔助將第一材料吸附到襯底表面，同時還工作來從工藝室中釋放出污染物。第二功率水平也可以在第二處理材料的引入和/或凈化氣體步驟期間施加以減少污染物。最終，等離子體功率水平在第二處理材料的引入期間增大到高于600W，以加速還原過程并減少沉積的層中的污染物，如上所述。
如上所述，在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，惰性凈化氣體可以在ALD工藝期間被引入到工藝室中。具體而言，如圖3所示，凈化氣體可以在第一和第二處理材料的引入之間被引入到工藝室中，并且還可以在ALD循環(huán)結(jié)束時在第二處理材料的引入之后被引入到工藝室中。該惰性凈化氣體起到將第一和第二處理材料分離以在襯底表面上的沉積之前減少室環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)的作用，并且還輔助驅(qū)逐從工藝室壁和/或襯底表面去除的污染物。在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，可以執(zhí)行反應(yīng)性氣體凈化以進(jìn)一步輔助去除污染物。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖。圖8的工藝可以由圖1A、1B或2A、2B的處理系統(tǒng)或任何其他合適的處理系統(tǒng)執(zhí)行。從圖8中可見，該工藝開始于步驟710，這時在工藝室中插入襯底。在步驟720中，向工藝室中提供第一處理材料以吸附到襯底表面，如上所述。在步驟730中，在工藝室中提供第二處理材料以提供與沉積的第一處理材料的還原反應(yīng)，從而在襯底表面上形成期望的膜。與其他實(shí)施例所述的一樣，第一和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的期望膜選擇的，并且這里所描述的第一和第二處理材料的任何組合都可以應(yīng)用于圖8的工藝。
在步驟740中，在第二處理材料的引入期間，通過將電磁功率耦合到工藝室在工藝室中生成等離子體。在步驟740中耦合到室的功率水平優(yōu)選地高于600W，并且例如可以約為1000W以加速還原反應(yīng)并減少污染物，如上所述。而且，變化的功率可以耦合到工藝室以進(jìn)一步減少污染物，如在上面的圖6和7中所描述的。然而，在圖8的實(shí)施例中，在步驟740中提供生成等離子體所必需的功率就足夠了，以輔助襯底的還原反應(yīng)。
在步驟750中，反應(yīng)性清潔氣體被引入到工藝室中。與參考圖3所討論的惰性凈化氣體步驟不同，反應(yīng)性清潔氣體與工藝室壁和/或襯底表面上的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以輔助從工藝室去除這些雜質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，反應(yīng)性氣體的組分很大程度上取決于ALD工藝，具體而言，取決于要從工藝室去除的污染物。即，在步驟750中，反應(yīng)性氣體被選擇為與要從工藝室去除的污染物發(fā)生反應(yīng)。再次返回沉積鉭膜的示例，利用五氯化鉭作為第一處理材料、氫作為第二處理材料(即，還原反應(yīng))，氯污染物可能位于處理壁上和沉積的膜自身內(nèi)。為了去除這些氯污染物，可以引入氨氣(NH3)以與氯污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并將其從壁和/或襯底釋放出去，以使得可以通過真空泵吸將污染物從室中驅(qū)逐出去。一旦凈化步驟750完成，處理步驟720至750就可以被重復(fù)以獲得期望的厚度，如箭頭760所示。
在另一個實(shí)施例中，可以對工藝室壁加熱以促進(jìn)去除污染物的化學(xué)反應(yīng)。例如，當(dāng)如上所述減少氯污染物時，室壁被加熱到至少80攝氏度。在某些情況下，還可以生成等離子體以促進(jìn)化學(xué)清潔反應(yīng)。然而，這種等離子體應(yīng)當(dāng)不會在襯底表面上引起不希望發(fā)生的反應(yīng)。一旦凈化步驟750完成，處理步驟720至750就可以被重復(fù)以獲得期望的膜厚，如處理箭頭760所示。盡管圖8列出了反應(yīng)性氣體凈化步驟750在步驟740中的還原反應(yīng)發(fā)生之后發(fā)生，但是反應(yīng)性氣體凈化也可以在第一和第二處理材料的引入之間進(jìn)行，如圖3所示。然而，與圖3中所示的惰性氣體凈化步驟不同的是，反應(yīng)性氣體與工藝室壁和/或襯底上的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以輔助從工藝室去除污染物。由于額外步驟的插入，驅(qū)逐出反應(yīng)性處理氣體和污染物的動作可以在每個ALD循環(huán)僅包括單個反應(yīng)性凈化步驟，如圖8所示。或者，反應(yīng)性凈化氣體步驟可以只是間歇地進(jìn)行，例如每隔一個循環(huán)進(jìn)行，或每第三個循環(huán)進(jìn)行。鑒于此，反應(yīng)凈化氣體步驟可以與圖3中所述的惰性凈化步驟組合進(jìn)行。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，影響ALD工藝的污染物可以通過將污染物從襯底區(qū)域吸引到工藝室的外圍區(qū)域而減少。具體而言，在襯底區(qū)域內(nèi)等離子體的生成使可能對沉積在襯底上的膜具有有害影響的污染物離子化。例如，當(dāng)如上所述沉積含鉭材料時，工藝室中的氯污染物通過施加等離子體功率而離子化。這樣，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在工藝室的外圍區(qū)域中生成單獨(dú)的等離子體可以產(chǎn)生導(dǎo)致帶電材料的輸運(yùn)的電位差，這種帶電材料的輸運(yùn)將離子化的污染物從襯底區(qū)域移動到工藝室的外圍區(qū)域。被吸引的污染物隨后或者被粘附到工藝室壁，或者通過真空泵吸被從工藝室中驅(qū)逐出去，從而減少了污染物對沉積的膜的影響。
如上所述，當(dāng)利用五氯化鉭作為膜前驅(qū)體(第一處理材料)、氫作為還原劑(第二處理材料)來沉積鉭膜時，HCl作為表面還原反應(yīng)的產(chǎn)物從膜中釋放出來。在等離子體存在的情況下HCl發(fā)生離解，并且可以形成氯離子(Cl-)。在電負(fù)性(Cl)等離子體中，在等離子體功率切斷后電負(fù)性等離子體(一般是氯)的衰減使得電子由于其高遷移率而快速衰減。在弱電負(fù)性等離子體中，負(fù)離子將逐漸在襯底區(qū)(A) (見圖9A)內(nèi)衰減，并且襯底區(qū)(A)將通過保留正離子而在很短的一段時間(微秒)內(nèi)維持正電荷。在較強(qiáng)的電負(fù)性等離子體中，負(fù)離子相對于電子會衰減較長的時間，這是由于其遷移(在較高壓強(qiáng)下重組合)到最近的表面的擴(kuò)散特性造成的。因?yàn)樵谝r底區(qū)(A)中，最近的表面是襯底表面(圖1A、lB、2A或2B中的25或125)或上部組件(圖1A、1B、2A或2B中的30或130)中的電極，所以離子到達(dá)這些表面所花費(fèi)的時間比它們到達(dá)工藝室的側(cè)壁所花費(fèi)的時間短。
換句話說，在等離子體衰減期間，有兩個階段(1)在第一階段中，負(fù)離子到壁的通量不存在，并且電子密度隨時間急劇衰減，從而幾乎所有的電子都在有限的時間內(nèi)從形成離子-離子(無電子)等離子體的放電體積中逃逸，以及(2)在第二階段中，該等離子體通過離子-離子雙極擴(kuò)散機(jī)制衰減。為了提供從襯底區(qū)(A)向諸如工藝室壁(并最終到達(dá)泵吸噴嘴)之類的外圍區(qū)(B)(見圖9A)的輸運(yùn)，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例可以產(chǎn)生彼此交界的兩個等離子體區(qū)域。第一等離子體區(qū)域基本與襯底區(qū)(A)一致，第二等離子體區(qū)域圍繞第一等離子體區(qū)域，并基本與外圍區(qū)(B)一致，因而，產(chǎn)生了很大的交界表面。
例如，這兩個等離子體區(qū)域都可以通過交疊時序序列的方式生成等離子體來提供功率。當(dāng)?shù)入x子體處于襯底區(qū)(A)上時，氯(更一般地說，反應(yīng)性產(chǎn)物)的物理吸附并不在襯底區(qū)(A)內(nèi)發(fā)生。在襯底區(qū)(A)內(nèi)關(guān)閉等離子體之前，外圍區(qū)(B)中的等離子體被引發(fā)。一旦在外圍區(qū)(B)中引發(fā)了等離子體，襯底區(qū)(A)中的等離子體就消失了，并且離子被從襯底區(qū)(A)輸運(yùn)到外圍區(qū)(B)，在外圍區(qū)(B)有較高的可能性將其泵出。這一循環(huán)可以在主處理步驟之間重復(fù)應(yīng)用于分別在襯底區(qū)(A)和外圍區(qū)(B)中的上部組件30中的電極和圖1B中的電極30A，或者應(yīng)用于分別在襯底區(qū)(A)和外圍區(qū)(B)中的上部組件130中的電極和圖2B中的電極130A，以將殘留污染物輸運(yùn)出襯底表面。例如，圖9B和9C圖示了兩種示例性的時序序列。
如前所述，圖1B和2B示出了具有可選的外圍等離子體電極的沉積系統(tǒng)，外圍等離子體電極用于生成等離子體以將離子化的污染物吸引到工藝室的外圍區(qū)(B)。具體而言，圖1B示出了具有第一電極的上部組件30，第一電極被定位為基本在襯底25的區(qū)域(即，圖9A的襯底區(qū)(A))中生成處理等離子體。另外，外圍電極30A位于上部組件30的外圍周圍，并且其被配置為在圖9B的外圍區(qū)(B)中生成次級等離子體。類似地，圖2B示出了基本在襯底區(qū)域(即，襯底區(qū)(A))中生成第一等離子體的上部組件130以及位于上部組件130的外圍周圍的外圍電極130A，外圍電極130A被配置為在外圍區(qū)(B)中生成次級等離子體。如圖1B和2B所示，外圍電極30A和130A分別位于襯底25和125的外圍外部，以將污染物吸引襯底的外邊緣外部。另外，外圍電極可包括耦合到真空泵系統(tǒng)的氣體注入噴嘴，這將在下面進(jìn)一步描述。
襯底區(qū)(A)中的第一等離子體區(qū)域可以由PEALD工藝采用的等離子體源來形成，例如圖1A中的上部組件(電極)30或圖2A中的上部組件(電極)130。次級等離子體源利用例如分別在圖1B和2B中所示的外圍電極30A或130A基本在工藝室的周邊創(chuàng)建。外圍電極30A和130A可以如上所述，或者它們可包括模仿工藝室壁的柱狀電極，或者它們可包括在工藝室的頂部、底部或頂部和底部兩者的環(huán)形平面電極(可以使用單個或兩個電極)。例如，圖10A、10B、10C和10D圖示了用于外圍電極30A和130A的電極配置。
在尺寸上次級等離子體電極(30A、130A)可以與工藝室的尺寸近似重合，并且具有與襯底邊緣一致的最小尺寸。因?yàn)樵撾姌O輔助將等離子體從襯底區(qū)(A)輸運(yùn)到外圍區(qū)(B)，所以必須提供對于氣體流量足夠的橫截面以便不限制泵吸速度。電極幾何形狀的示例在圖10A至10D中示出。如圖10A所示，外圍電極組件1300包括圍繞襯底1325的外邊緣的第一電極1330。該電極包括被配置為允許處理氣體從其通過的噴嘴1332。在圖10B中，示出了包括具有噴嘴1342的第二電極1340的外圍電極組件1300’。在圖10C中，示出了包括具有噴嘴1352的第三電極1350的外圍電極組件1300”，并且在圖10D中，示出了與第一電極1330相組合的包括第三電極1350的外圍電極組件1300’’’。
每個電極可以由諸如射頻(RF)功率發(fā)生器之類的外部功率源通過匹配網(wǎng)絡(luò)以范圍從100kHz到100MHz的頻率加以偏置。例如，在襯底區(qū)(A)中的第一功率源(即，分別是圖1A和2B中的電極30或130)的操作期間，可以使用脈沖直流(DC)信號(正或負(fù)極性的，這取決于殘留氣體的電極性)，以輔助從襯底區(qū)(A)的殘留物質(zhì)的準(zhǔn)連續(xù)去除。該電極可以用合適的金屬制作，這種金屬在反應(yīng)性環(huán)境中是不被腐蝕的。例如，在RF的施加期間，它們可以涂覆有合適的、高化學(xué)穩(wěn)定性的陶瓷材料。
或者，次級等離子體源可包括電感耦合器件以向外圍區(qū)(B)提供電磁功率，諸如那些在例如題為“Plasma Processing System with Locally-Efficient Inductive Plasma Coupling”的未決美國專利申請No.10/717,268(律師案卷號No.USP03Z003)中描述的電感器件。
電感器件的其他示例包括在圖11A、11B和11C、11D中示出的電感器件。如圖11A和11B所示，外圍電感電極組件1400包括圍繞襯底1425的外邊緣的第一電感電極1430。電極1430包括被配置為允許處理氣體從其通過的噴嘴1432。在圖11C和11D中，示出了具有噴嘴1442的第二電極1440。功率供應(yīng)的典型頻率可以從約0.1MHz到約100MHz。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖。圖12的工藝可以由圖1B或2B的處理系統(tǒng)或任何其他合適的處理系統(tǒng)執(zhí)行。從圖12中可見，該工藝開始于步驟810，這時在工藝室中插入襯底。在步驟820中，向工藝室中提供第一處理材料以吸附到襯底表面，并且在步驟830中，在工藝室中提供第二處理材料以提供與沉積的第一處理材料的還原反應(yīng)，從而在襯底表面上形成期望的膜。如前述實(shí)施例所述，第一和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的期望膜選擇的。例如，這里所描述的第一和第二處理材料的任何組合都可以應(yīng)用于圖12的工藝。
在步驟840中，電磁功率在第二處理材料的引入期間耦合到工藝室以促進(jìn)還原反應(yīng)，如上所述。在圖12的實(shí)施例中，步驟840的功率通過基本在襯底的區(qū)域(即，襯底區(qū)(A))中的電極耦合到工藝室。在圖1B和2B的實(shí)施例中，該電極可以是上部組件電極和襯底夾持器電極中的至少一個。在步驟840期間耦合到工藝室的功率優(yōu)選地高于600W，并且例如可以約為1000W以加速還原反應(yīng)并減少污染物，如上所述。而且，變化的功率可以耦合到工藝室以進(jìn)一步減少污染物，如上所述。然而，在步驟840期間耦合的功率可以是足以維持促進(jìn)還原反應(yīng)的等離子體的任何功率。
在步驟850中，功率耦合到工藝室以生成用于離子化襯底的區(qū)域中的污染物的等離子體，如上所述。在一個實(shí)施例中，離子化污染物的步驟850是作為在步驟840中生成還原反應(yīng)的結(jié)果執(zhí)行的。即，在步驟840中生成等離子體的工藝可以自然地離子化襯底區(qū)域中的污染物，從而同時執(zhí)行步驟850。然而，在可替換實(shí)施例中，用于離子化污染物的處理步驟可以獨(dú)立于還原反應(yīng)步驟而執(zhí)行。例如，諸如等離子體功率、室環(huán)境和室壓強(qiáng)之類的工藝條件可以相對于還原等離子體步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供對污染物的理想的離子化。
在步驟860中，功率耦合到外圍電極，例如分別是圖1B和2B的電極30A或電極130A，以在工藝室的外圍區(qū)(B)中生成等離子體。然而，外圍等離子體具有不同于襯底區(qū)域等離子體(即，襯底區(qū)(A))的特性，以生成從襯底區(qū)(A)吸引離子化污染物的電位差，如上所述。例如，施加到外圍電極的功率的頻率、相位或功率水平中的至少一個可以不同于施加到上部組件中的電極(處理電極)的功率，以實(shí)現(xiàn)期望的等離子體特性從而提供電位差。在另一個實(shí)施例中，外圍等離子體特性可以通過從外圍電極注入氣體以改變外圍區(qū)域中的等離子體組分而加以改變。
例如，等離子體電位可以根據(jù)與等離子體邊界交界的大部分表面積處的最高(正)電位來建立。因?yàn)镻EALD系統(tǒng)中電偏置的表面是襯底電極(圖1A和2A中的20/120)和/或上部電極(圖1A和2A中的30/130)，所以外圍電極/器件的最小尺寸是對于單平面電極(例如見圖10A)Rmin>(1.4-1.6)Rwafer，或者對于雙平面電極(例如見圖10B)Rmin>(1.2-1.4)Rwafer，或者對于柱狀電極(例如見圖10C)Rmin>Rwafer并且dmin>Rwafer/2。在這些不等式中，Rmin是外圍電極的內(nèi)部部分的半徑，Rwafer是晶片的半徑，dmin是柱狀電極的高度。在一個實(shí)施例中，柱狀電極的高度被選擇為使得電極的面積近似等于襯底的面積，但是這不是必需的。當(dāng)在襯底區(qū)(A)中操作等離子體時，在襯底區(qū)(A)中將建立等離子體電位VA(主要由襯底面積確定)。其后，在外圍區(qū)(B)中引發(fā)外圍等離子體(在時間上與襯底區(qū)(A)中的等離子體間隔的部分交疊)將增大襯底區(qū)(A)中的等離子體電位，這是由于襯底區(qū)(A)和外圍區(qū)(B)之間的界面處的外圍等離子體引起的電子損耗補(bǔ)償。通過關(guān)閉(襯底區(qū)(A)中的)初級等離子體，襯底區(qū)(A)中的等離子體電位將減小，或者甚至完全衰減，只留下存在于外圍區(qū)(B)中的等離子體電位VB(由次級電極面積確定)。因?yàn)橐r底區(qū)(A)和外圍區(qū)(B)中的等離子體在體積和邊界面積尺寸上都不同，所以在可比擬的或相等的功率下，等離子體電位也不同。通過實(shí)驗(yàn)可以建立外圍區(qū)(B)中的適當(dāng)?shù)牡入x子體電位以最大化從系統(tǒng)的殘留氣體去除。
外圍等離子體生成步驟860至少部分與襯底區(qū)域等離子體生成步驟850交疊(如上所述；見圖9B和9C)以產(chǎn)生電位差，如上所述。因而，在離子化污染物是來自于還原等離子體的實(shí)施例中，第二處理材料在步驟830中被引入，同時功率被施加到襯底區(qū)域等離子體電極(在襯底區(qū)(A)中)以執(zhí)行步驟840和850。一旦等離子體輔助還原反應(yīng)和污染物的離子化在步驟840和850中開始，在步驟860中就生成外圍等離子體(在外圍區(qū)(B)中)以吸引離子化污染物遠(yuǎn)離襯底區(qū)(A)，如上所述。在還原反應(yīng)發(fā)生后，到處理電極和外圍電極的功率隨后可以被同時切斷，或者襯底區(qū)(A)中的等離子體可以首先被關(guān)閉，而外圍等離子體(在外圍區(qū)(B)中)被維持以吸引殘留的離子化污染物。在離子化污染物被從工藝室中驅(qū)逐出去之后，處理步驟820至860可以被重復(fù)以獲得期望的膜厚，如處理箭頭870所示。
如上所述，襯底區(qū)(A)和外圍區(qū)(B)中的等離子體可以與用于還原反應(yīng)的等離子體生成步驟840獨(dú)立地生成。另外，盡管未在圖12中示出，但是與前述實(shí)施例一樣，凈化氣體可以在用于引入第一處理材料和第二處理材料的步驟之間被引入到工藝室，也可以在還原反應(yīng)之后被引入到工藝室，如參考圖3所討論的。凈化氣體步驟可以使用惰性氣體和/或反應(yīng)性氣體。因而，襯底和外圍等離子體可以在第一處理材料的引入期間、在凈化氣體的引入期間、或者在ALD工藝中的額外等離子體生成步驟期間在步驟850和860中生成，以吸引污染物遠(yuǎn)離襯底區(qū)(A)。另外，應(yīng)當(dāng)理解，步驟850和860不需要針對每個ALD循環(huán)執(zhí)行，而是可以以若干循環(huán)間歇執(zhí)行。
在本發(fā)明的又一個實(shí)施例中，影響ALD工藝的污染物可以通過經(jīng)由氣體注入組件的氣體注入噴嘴對室進(jìn)行真空泵吸而從工藝室中去除。具體而言，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，在處理系統(tǒng)內(nèi)等離子體的生成期間，施加到氣體注入組件的功率使得多個氣體注入噴嘴充當(dāng)吸引包括離子化污染物在內(nèi)的等離子體物質(zhì)的“中空陽極(hollow anode)”。例如，當(dāng)如上所述沉積含鉭材料時，工藝室中的氯污染物可以被離子化并被吸引到氣體注入組件的中空陽極。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在等離子體生成期間對多個噴嘴進(jìn)行真空泵吸可以減少工藝室內(nèi)的污染物，從而減少污染物對沉積的膜的影響。
如前所述，圖1B和2B示出了具有可選的真空泵的處理系統(tǒng)，真空泵用于通過氣體注入組件從工藝室泵吸污染物。具體而言，圖1B示出了耦合到上部組件30的真空泵34A，上部組件30也可以用作用于第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)40、第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)42或凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)44中的至少一個的氣體注入組件。盡管未在圖1B中示出，但是諸如側(cè)壁注入閥之類的單獨(dú)的氣體注入系統(tǒng)也以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式被包括在工藝室10中。在工藝室10中等離子體的生成期間，來自第一功率源50的功率被施加到具有多個氣體注入噴嘴的上部組件30，而真空泵34A被用于通過氣體注入噴嘴從工藝室泵吸離子化污染物，這種離子化污染物通過中空陽極效應(yīng)被吸引到噴嘴。
在圖2B所示的實(shí)施例中，上部組件130中的氣體注入組件180可包括用于相應(yīng)材料的多組噴嘴。具體而言，在氣體注入組件180中，第一處理材料經(jīng)由形成在第二注入板184和第三注入板186之間的第一空間190通過第二注入板184中的第一通孔陣列194和第一注入板182中的第一噴嘴陣列195從第一處理材料供應(yīng)系統(tǒng)140耦合到工藝室110。第二處理材料或凈化氣體或這兩者經(jīng)由形成在第二注入板184中的第二空間192通過第一注入板182中的第二噴嘴陣列197從第二處理材料供應(yīng)系統(tǒng)142或凈化氣體供應(yīng)系統(tǒng)144耦合到工藝室110。從圖2B中還可見，第一材料管線141和第二材料管線143可以耦合到真空泵134A，從而允許通過第一噴嘴陣列或第二噴嘴陣列或這兩者對工藝室110進(jìn)行真空泵吸。工藝室110還可包括側(cè)壁注入閥。在工藝室110中的等離子體的生成期間，真空泵134A被用于泵吸被吸引到噴嘴的離子化污染物。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的ALD工藝的工藝流程圖。圖13的工藝可以由圖1B或2B的處理系統(tǒng)或任何其他合適的處理系統(tǒng)執(zhí)行。從圖13中可見，該工藝開始于步驟910，這時在工藝室中插入襯底。在步驟920中，向工藝室中提供第一處理材料以吸附到襯底表面，并且在步驟930中，在工藝室中提供第二處理材料以提供還原反應(yīng)。第一和/或第二處理材料可以通過氣體注入電極中的多個噴嘴被引入到工藝室，氣體注入電極也可以用于生成等離子體并泵吸工藝室，如下面進(jìn)一步討論的。而且，與這里描述的前述實(shí)施例一樣，第一和第二處理材料是根據(jù)要沉積在襯底上的期望膜選擇的，并且這里描述的第一和第二處理材料的任何組合都可以應(yīng)用于圖13的工藝。
在步驟940中，電磁功率在第二處理材料的引入期間耦合到工藝室以促進(jìn)還原反應(yīng)。在圖13的實(shí)施例中，用于生成還原反應(yīng)等離子體的功率通過具有多個氣體注入噴嘴的氣體注入系統(tǒng)耦合到工藝室，如在圖1B和2B中所描述的。在步驟940期間耦合到工藝室的功率優(yōu)選地高于600W，并且例如可以約為1000W以加速還原反應(yīng)并減少污染物，如上所述。然而，在步驟940期間耦合的功率可以是足以維持輔助還原反應(yīng)的等離子體的任何功率。
在步驟950中，功率被施加到氣體注入電極以生成用于離子化工藝室中的污染物的等離子體。施加到氣體注入電極的功率使電極偏置，以使得氣體注入噴嘴還充當(dāng)步驟950中的中空陽極以吸引離子化污染物，如上所述。在一個實(shí)施例中，離子化污染物的步驟950是作為在步驟940中生成還原反應(yīng)等離子體的結(jié)果執(zhí)行的。即，在步驟940中向氣體注入電極施加功率以生成還原反應(yīng)等離子體的工藝可以自然地離子化污染物并產(chǎn)生中空陽極，從而同時執(zhí)行步驟950。然而，在可替換實(shí)施例中，用于離子化并吸引污染物的處理步驟可以與還原反應(yīng)步驟獨(dú)立地執(zhí)行。
在步驟960中，離子化污染物通過氣體注入電極中的多個噴嘴被從工藝室中真空泵吸出去。真空泵吸步驟960至少部分與等離子體生成步驟950交疊以驅(qū)逐出離子化污染物，如上所述。因而，在離子化污染物是來自于還原反應(yīng)等離子體的實(shí)施例中，圖13的步驟930、940、950和960 同時發(fā)生。然而，離子化并驅(qū)逐污染物的步驟950和960可以與還原反應(yīng)獨(dú)立地執(zhí)行。在離子化污染物被從工藝室中驅(qū)逐出去之后，處理步驟920-960可以被重復(fù)以獲得期望的膜厚，如處理箭頭970所示。
盡管未在圖13中示出，但是該圖的實(shí)施例可包括一個或多個凈化氣體步驟，如圖3中所述。而且，如上所述，等離子體和泵吸步驟可以在ALD工藝期間的任何時刻執(zhí)行以清潔工藝室。因而，用于離子化并吸引污染物的等離子體可以在第一處理材料的引入、第二處理材料的引入、凈化氣體的引入或者適合于離子化工藝室中的污染物的某種其他材料的引入中的至少一個的期間生成。盡管氣體注入電極的氣體注入噴嘴優(yōu)選地被用于執(zhí)行這些引入步驟中的一個或多個，但是用于離子化等離子體期間的真空泵吸的噴嘴不能也用于引入生成等離子體的處理材料。
例如，在一個實(shí)施例中，第一處理材料可以在步驟920中通過氣體注入電極上的氣體注入噴嘴被引入。然后，在步驟930中，第二處理材料利用單獨(dú)的氣體注入路徑被引入，同時在步驟940中功率被施加到氣體注入電極以生成還原反應(yīng)等離子體?？商鎿Q的氣體注入路徑可以例如是圖1B中所討論的側(cè)壁氣體注入閥，或者是圖2B中所討論的第二組氣體注入噴嘴。在步驟940中生成的還原反應(yīng)等離子體還用于在步驟950中離子化工藝室中的污染物并將這些污染物吸引到氣體注入噴嘴。在步驟930、940和950的等離子體輔助還原反應(yīng)期間，用于引入第一處理材料的氣體注入噴嘴被真空泵吸，以去除由于中空陽極效應(yīng)已被吸引到噴嘴的離子化污染物。
如上所述，在PEALD處理系統(tǒng)內(nèi)可以采用各種技術(shù)來從處理系統(tǒng)和/或在PEALD系統(tǒng)中處理的襯底上去除諸如氯之類的污染物。然而，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，盡管作了這些努力，但是污染物還可能在將襯底從PEALD工藝室轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的用于進(jìn)一步處理的工藝室(例如互連金屬化)的期間沉積在ALD膜上。發(fā)明人已觀察到，當(dāng)鉭層由PEALD工藝?yán)梦迓然g作為膜前驅(qū)體制備時，在400攝氏度退火后，由約10nm厚的Cu層+約6nm厚的鉭層+約6nm厚的氮化鉭層(按從上到下的順序)構(gòu)成的膜結(jié)構(gòu)的薄膜電阻表現(xiàn)出明顯的增大。在該膜結(jié)構(gòu)中，Cu和氮化鉭膜是利用離子化PVD(i-PVD)制備的。例如，當(dāng)鉭膜利用i-PVD制備時，薄膜電阻約為8.04歐姆/平方，而當(dāng)鉭膜利用PEALD(如上所述)制備時，薄膜電阻約為145至185歐姆/平方，并且觀察到金屬(銅)凝聚。
本發(fā)明的發(fā)明人還認(rèn)識到，對于通過非等離子體ALD、化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或任何其他沉積工藝沉積的膜，可能發(fā)生上述轉(zhuǎn)移污染問題。即，盡管作了減少沉積室自身內(nèi)的污染的努力，但是污染物還可能在將襯底從沉積工藝室轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的用于進(jìn)一步處理的工藝室(例如互連金屬化)的期間影響所沉積的膜。
因而，盡管作了PEALD或其他沉積室中的清潔努力，但是金屬還可能沉積在受污染的ALD或其他沉積的膜上，從而導(dǎo)致終端器件中的操作和可靠性問題?；谶@一認(rèn)識，本發(fā)明的發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，通過在從沉積系統(tǒng)中取出襯底之后執(zhí)行襯底的等離子體清潔，可以進(jìn)一步減少襯底上的污染物。
圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的襯底工藝的工藝流程圖。該工藝開始于步驟1010，這時在沉積室中對襯底進(jìn)行沉積以沉積膜。例如，襯底可以在這里描述的圖1A或2A的系統(tǒng)中進(jìn)行沉積。在步驟1020中，在沉積工藝室中執(zhí)行沉積工藝。在一個實(shí)施例中，執(zhí)行步驟1020以在襯底上沉積阻擋層、種子層、粘附層、柵極層、金屬層、金屬氧化物層、金屬氮化物層或介電層中的至少一種。而且，當(dāng)沉積工藝是PEALD工藝時，可以執(zhí)行這里描述的用于加速ALD工藝或減少污染的PEALD工藝中的一種或多種，作為圖14的步驟1020的一部分。
在沉積工藝完成之后，其上已沉積有ALD膜的襯底被轉(zhuǎn)移到處理室，在處理室執(zhí)行等離子體清潔，如步驟1030所示。等離子體清潔優(yōu)選地利用具有低電子溫度(小于約1.5eV)和高等離子體密度(>1×1012/cm3)的等離子體執(zhí)行，其能夠?qū)Ω鶕?jù)本發(fā)明的沉積層進(jìn)行基本無損傷的清潔。這種工藝參數(shù)產(chǎn)生了“軟等離子體”，這種軟等離子體有效地減少了襯底表面(即，諸如ALD膜表面之類的沉積膜)上的污染物，而基本上不會損傷沉積的膜。在步驟1040中，對襯底執(zhí)行進(jìn)一步處理。例如，步驟1040可包括在沉積膜上的互連金屬化沉積。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，等離子體清潔步驟1030是在指定處理室中執(zhí)行的，并且隨后被轉(zhuǎn)移到額外的工藝室以執(zhí)行處理步驟1040。例如，處理室包括縫隙平面天線(SPA)等離子體源，這將在下面描述。
在另一個實(shí)施例中，等離子體清潔步驟1030與處理步驟1040是在相同室中執(zhí)行的。例如，在處理步驟1040是在離子化物理氣相沉積(i-PVD)室中執(zhí)行的金屬化步驟的情況下，等離子體清潔步驟1030可以在沉積金屬之前在i-PVD室中執(zhí)行。具體而言，i-PVD工藝可以由用于從環(huán)形磁體濺射標(biāo)靶濺射導(dǎo)電金屬涂層材料的裝置提供。濺射可以通過向標(biāo)靶施加DC功率來完成，并且通過在標(biāo)靶和襯底之間的處理空間中生成密集的等離子體，濺射的材料在該空間中被離子化。離子化的濺射材料隨后通過向襯底施加偏置被吸引到襯底表面。在等離子體清潔步驟是在i-PVD室中執(zhí)行的情況下，其上沉積有膜的襯底首先在i-PVD室中被暴露于諸如氬氣之類的惰性氣體。功率被耦合到i-PVD室以加熱惰性氣體并生成用于減少襯底表面上的污染物的等離子體，如上所述。在襯底的等離子體清潔處理期間，沒有功率耦合到金屬標(biāo)靶，并且襯底偏置功率的使用是可選的。一旦清潔步驟完成，就施加到金屬標(biāo)靶的DC功率和襯底偏置功率以執(zhí)行i-PVD金屬化工藝。本發(fā)明人已觀察到，當(dāng)鉭層是由PEALD工藝?yán)梦迓然g作為膜前驅(qū)體制備的并且執(zhí)行等離子體清潔時，在400℃退火后，由約10nm厚的Cu層+約6nm厚的鉭層+約6nm厚的氮化鉭層(按從上到下的順序)構(gòu)成的膜結(jié)構(gòu)的薄膜電阻不表現(xiàn)出增大。另外，沒有觀察到銅的凝聚。
圖15是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于處理襯底的處理工具的簡化框圖。處理工具1100包含襯底加載室1110和1120、處理系統(tǒng)1130-1160、用于在處理工具1100內(nèi)轉(zhuǎn)移襯底的機(jī)械轉(zhuǎn)移系統(tǒng)1170以及用于控制處理工具1100的控制器1180。在一個示例中，處理系統(tǒng)1130可以用于預(yù)處理(例如清潔)襯底，處理系統(tǒng)1140可以用于執(zhí)行沉積工藝，例如ALD工藝、PEALD工藝、CVD工藝、PECVD工藝或任何其他膜沉積工藝。例如，處理系統(tǒng)1140可以實(shí)現(xiàn)為圖1或2的系統(tǒng)以執(zhí)行這里描述的PEALD工藝中的一種或多種。
在圖15的實(shí)施例中，處理系統(tǒng)1150是如上所述用于互連金屬化沉積的i-PVD室。處理系統(tǒng)1160是具有諸如SPA等離子體源(如所討論的)之類的等離子體源的指定處理室。處理工具1100可以由控制器1180控制。控制器1180可以耦合到襯底加載室1110和1120、處理系統(tǒng)1130-1160和機(jī)械轉(zhuǎn)移系統(tǒng)1170并與之交換信息。
圖16是包含縫隙平面天線(SPA)等離子體源的等離子體處理系統(tǒng)的簡化框圖，該等離子體源用于生成用于減少諸如ALD層之類的沉積膜上的污染物的等離子體。在等離子體處理系統(tǒng)1200中產(chǎn)生的等離子體具有低電子溫度(小于約1.5eV)和高等離子體密度(>1×1012/cm3)，并且能夠?qū)Ω鶕?jù)本發(fā)明的ALD層進(jìn)行基本無損傷的清潔。等離子體處理系統(tǒng)1200可以例如是可從Japan，Akasaka的Tokyo Electron Limited購得的TRIASTM SPA處理系統(tǒng)。等離子體處理系統(tǒng)1200包含工藝室1250，工藝室1250的上部部分中有大于襯底1258的開口部分1251。由石英、氧化鋁、硅或氮化鋁制成的柱狀頂板1254被提供用來覆蓋開口部分1251。氣體管線1272位于工藝室1250的頂板1254下方的上部部分的側(cè)壁中。在一個示例中，氣體管線1272的數(shù)目可以是16(在圖16中只示出了兩根)?；蛘?，可以使用不同數(shù)目的氣體饋送管線1272。氣體管線1272可以呈圓周狀布置在工藝室1250中，但是這不是本發(fā)明必需的。處理氣體可以被從氣體管線1272均勻地、一致地提供到工藝室1250中的等離子體區(qū)域1259內(nèi)。
在等離子體處理系統(tǒng)1200中，微波功率經(jīng)由具有多個縫隙1260A的平面天線構(gòu)件1260通過頂板1254被提供給工藝室1250。縫隙平面天線1260可以由金屬板(例如銅)制成。為了向縫隙平面天線1260提供微波功率，波導(dǎo)1263被放置在頂板1254上，在此波導(dǎo)1263連接到微波功率源1261以生成頻率例如為2.45GHz的微波。波導(dǎo)1263包含具有連接到縫隙平面天線1260的下端的扁平圓形波導(dǎo)1263A、連接到圓形波導(dǎo)1263A的上表面一側(cè)的圓形(同軸)波導(dǎo)1263B、以及連接到圓形(同軸)波導(dǎo)1263B的上表面一側(cè)的同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器1263C的輸出端口(圖16中的底面)。此外，矩形波導(dǎo)1263D連接到微波功率源1261和同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器1263C的輸入端口(圖16中的側(cè)面)。
在圓形波導(dǎo)1263B的內(nèi)部，同軸設(shè)置有導(dǎo)電材料的軸向部分1262(或內(nèi)導(dǎo)體)，以使得軸向部分1262的一端連接到縫隙平面天線1260的上表面的中心(或接近中心的)部分，而軸向部分1262的另一端連接到圓形波導(dǎo)1263B的上表面，從而形成同軸結(jié)構(gòu)。結(jié)果，圓形波導(dǎo)1263B被構(gòu)造為充當(dāng)同軸波導(dǎo)。微波功率可以例如在約0.5W/cm2和約4W/cm2之間?；蛘?，微波功率可以在約0.5W/cm2和約3W/cm2之間。
另外，在真空工藝室1250中，設(shè)置有與頂板1254相對的襯底夾持器1252以支撐并加熱襯底1258(例如，晶片)。襯底夾持器1252包含加熱襯底1258的加熱器1257，加熱器1257可以是電阻性加熱器?；蛘?，加熱器1257可以是燈加熱器或任何其他類型的加熱器。此外，工藝室1250包含連接到工藝室1250的底部部分和真空泵1255的排氣管線1253。
仍然參考圖16，控制器1299包括微處理器、存儲器和能夠生成控制電壓的數(shù)字I/O端口，該控制電壓足以傳輸并激活等離子體處理系統(tǒng)1200的輸入以及監(jiān)視來自等離子體處理系統(tǒng)1200的輸出。而且，控制器1299耦合到工藝室1250、泵1255、加熱器1257和微波功率源1261并與之交換信息。存儲在存儲器中的程序被用于根據(jù)存儲的工藝方案控制等離子體處理系統(tǒng)1200的前述部件。處理系統(tǒng)控制器1299的一個示例是基于UNIX的工作站?；蛘撸刂破?299可以實(shí)現(xiàn)為通用計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)或這里描述的任何一種控制器。而且，控制器1299可以相對于等離子體處理系統(tǒng)1200位于本地，或者其可以經(jīng)由因特網(wǎng)或內(nèi)聯(lián)網(wǎng)相對于等離子體處理系統(tǒng)1200位于遠(yuǎn)處。關(guān)于額外的細(xì)節(jié)，具有縫隙平面天線(SPA)等離子體源的等離子體處理系統(tǒng)在題為“METHOD FORPRODUCING MATERIAL OF ELECTRONIC DEVICE”的未決歐洲專利申請EP1361605A1中有所描述，該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
盡管上面只詳細(xì)描述了本發(fā)明的某些示例性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易意識到，在示例性實(shí)施例中可以進(jìn)行許多修改，而基本上不脫離本發(fā)明的新穎教導(dǎo)和優(yōu)點(diǎn)。例如，這里公開了用于改善ALD循環(huán)時間并減少ALD膜的污染的各種技術(shù)。這些特征的任意組合或全部都可以實(shí)現(xiàn)在單個ALD處理系統(tǒng)中。因此，所有這些修改都應(yīng)當(dāng)被包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于利用等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)工藝在襯底上沉積膜的方法，包括
將所述襯底放置在被配置為適用于所述PEALD工藝的工藝室中；
將第一處理材料引入所述工藝室內(nèi)；
將第二處理材料引入所述工藝室內(nèi)；
在所述第二處理材料的引入期間將高于600W的電磁功率耦合到所述工藝室，以生成加速在所述襯底表面處的所述第一和第二處理材料之間的還原反應(yīng)的等離子體；以及
通過交替引入所述第一處理材料和所述第二處理材料在所述襯底上形成所述膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中
所述引入第一處理材料的步驟包括將TaCl5引入到所述工藝室；
所述引入第二處理材料的步驟包括將H2引入到所述工藝室；以及
所述耦合步驟包括在所述H2的引入期間將約1000W的電磁功率耦合到所述工藝室。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中
所述引入第一處理材料的步驟包括將TaCl5引入到所述工藝室；
所述引入第二處理材料的步驟包括將H2引入到所述工藝室；以及
所述形成所述膜的步驟包括形成具有小于0.95原子百分比(at.％)的氯含量的鉭膜。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中
所述引入第一處理材料的步驟包括將TaCl5引入到所述工藝室；
所述引入第二處理材料的步驟包括將H2引入到所述工藝室；以及
所述形成所述膜的步驟包括形成具有小于約460μΩ-cm的電阻率的鉭膜。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述引入第一處理材料的步驟包括引入包括TaF5、TaCl5、TaBr5、TaI5、Ta(CO)5、PEMAT、PDMAT、PDEAT、TBTDET、Ta(NC2H5)(N(C2H5)2)3、Ta(NC(CH3)2C2H5)(N(CH3)2)3、Ta(NC(CH3)3)(N(CH3)2)3、TiF4、TiCl4、TiBr4、TiI4、TEMAT、TDMAT、TDEAT、Ti(NO3)、WF6、W(CO)6、MoF6、Cu(TMVS)(hfac)、CuCl、Zr(NO3)4、ZrCl4、Hf(OBut)4、Hf(NO3)4、HfCl4、NbCl5、ZnCl2、Si(OC2H5)4、Si(NO3)4、SiCl4、SiH2Cl2、Al2Cl6、Al(CH3)3、Ga(NO3)3或Ga(CH3)3中的至少一種的處理材料。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述引入第二處理材料的步驟包括引入包括H2、N2、O2、H2O、NH3、H2O2、SiH4、Si2H6、NH(CH3)2或N2H3CH3中的至少一種的處理材料。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述耦合步驟包括在所述第二處理材料的引入期間將約1000W的電磁功率耦合到所述工藝室。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述耦合步驟包括將電磁功率耦合到所述工藝室的等離子體電極和襯底夾持器中的至少一個。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括利用載氣引入所述第一和第二處理材料中的至少一種。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述第一處理材料的引入期間將電磁功率耦合到所述工藝室，以生成輔助將所述第一處理材料吸附到所述襯底的等離子體。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在引入所述第一處理材料和引入所述第二處理材料之間將凈化氣體引入到所述工藝室。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述引入凈化氣體的步驟包括將惰性氣體引入到所述工藝室。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述襯底上形成阻擋層、種子層、粘附層、柵極層、金屬層、金屬氧化物層、金屬氮化物層或介電層中的至少一種。
14.一種包含用于在襯底處理系統(tǒng)處理器上執(zhí)行的程序指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述程序指令當(dāng)被所述處理器執(zhí)行時，使得所述襯底處理系統(tǒng)執(zhí)行如權(quán)利要求1所述的方法中的步驟。
15.一種包含用于在襯底處理系統(tǒng)處理器上執(zhí)行的程序指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，所述程序指令當(dāng)被所述處理器執(zhí)行時，使得所述襯底處理系統(tǒng)執(zhí)行如權(quán)利要求2所述的方法中的步驟。
16.一種包括由如權(quán)利要求1所述的方法形成的阻擋層、種子層、粘附層、柵極層、金屬層、金屬氧化物層、金屬氮化物層和介電層中的至少一種的半導(dǎo)體器件。
17.一種包括由如權(quán)利要求2所述的方法形成的金屬層的半導(dǎo)體器件。
18.一種包括具有鉭膜的阻擋層的半導(dǎo)體器件，所述鉭膜由如權(quán)利要求1所述的方法形成并且具有小于0.95原子百分比(at.％)的氯含量。
19.一種包括具有鉭膜的阻擋層的半導(dǎo)體器件，所述鉭膜由如權(quán)利要求1所述的方法形成并且具有小于約460μΩ-cm的電阻率。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述引入第二處理材料的步驟包括引入所述第二處理材料約5秒或更少時間。
全文摘要
一種用于利用等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)工藝在襯底上沉積膜的方法包括將襯底放置在被配置為促進(jìn)PEALD工藝的工藝室中。向工藝室中引入第一處理材料，并且向工藝室中引入第二處理材料。在第二處理材料的引入期間高于600W的電磁功率被耦合到工藝室，以生成加速在襯底表面處的第一和第二處理材料之間的還原反應(yīng)的等離子體。通過交替引入第一處理材料和第二處理材料在襯底上形成膜。
文檔編號H01L21/44GK101147247SQ200680009167
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者石坂忠大, 柳本熏 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社