專利名稱：具有多個等離子體室的游離基反應器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于使用原子層沉積(ALD)在襯底上沉積一個或者多個材料層的游離基反應器。
背景技術：
原子層沉積(ALD)是用于在襯底上沉積一個或者多個材料層的薄膜沉積技術。ALD使用兩種類型化學物，一種是源前體而另一種是反應物前體。一般而言，ALD包括四個階段:(i)注入源前體，( )去除源前體的物理吸收層，(iii)注入反應物前體以及(iv)去除反應物前體的物理吸收層。ALD可以是在可以獲得所需厚度的層之前可能需要延長的時間量或者許多重復的緩慢過程。因此，為了加速過程，如在公開號為2009/0165715的美國專利申請中描述的具有單元模塊(所謂的線性注入器)的汽相沉積反應器或者其它相似設備可以用來加速ALD工藝。單元模塊包括用于源材料的注入單元和排放單元(源模塊)以及用于反應物的注入單元和排放單元(反應物模塊)。常規ALD汽相沉積室具有用于在襯底上沉積ALD層的一組或者多組反應器。隨著襯底在反應器以下穿過，所以襯底暴露于源前體、吹掃氣體和反應物前體。在襯底上沉積的源前體分子與反應物前體分子反應或 者源前體分子替換為反應物前體分子以在襯底上沉積材料層。在使襯底暴露于源前體或者反應物前體之后，襯底可以暴露于吹掃氣體以從襯底去除過量源前體分子或者反應物前體分子。
發明內容
實施例涉及使用具有多個等離子體室的游離基(radical)反應器在襯底上沉積一個或者多個材料層，每個等離子體室在不同條件下用于生成不同氣體的游離基。可以在不同條件下在等離子體室中形成氣體的游離基。因此，游離基反應器形成有多個等離子體室，這些等離子體室放置于適當條件中以用于生成向等離子體室中注入的氣體的游離基。在一個實施例中，游離基反應器具有與襯底裝配于其上的基座相鄰放置的本體。本體可以形成有:第一等離子體室，被配置用于接收第一氣體；第二等離子體室，被配置用于接收第二氣體；以及混合室，連接到第一等離子體室和第二等離子體室以從第一等離子體室和第二等離子體室接收第一氣體的游離基和第二氣體的游離基。等離子體室從襯底遠離定位以防止向等離子體室施加的電壓影響襯底或者在襯底上形成的設備。在一個實施例中，第一內電極在第一等離子體室內延伸。第一內電極被配置用于通過跨第一內電極和第一外電極施加第一電壓差在第一等離子體室內生成第一氣體的游離基。第二內電極在第二等離子體室內延伸。第二內電極被配置用于通過跨第二內電極和第二外電極施加第二電壓差在第二等離子體室內生成第二氣體的游離基。第一電壓差大于或者小于第二電壓差。在一個實施例中，本體還形成有混合室，第一氣體的游離基和第二氣體的游離基在與襯底發生接觸之如在該混合室中混合。
在一個實施例中，本體還形成有將第一等離子體室連接到第一氣體源的第一通道和將第二等離子體室連接到第二氣體源的第二通道。在一個實施例中，本體還形成有將第一等離子體室與混合室連接的至少一個第一穿孔和將第二等離子體室與混合室連接的至少一個第二穿孔。在一個實施例中，沿著第一平面對準第一通道、第一電極、第一等離子體室和第一穿孔。也沿著相對于第一平面成角度定向的第二平面對準第二通道、第二電極、第二等離子體室和第二穿孔。在一個實施例中，第一穿孔和第二穿孔朝著混合室內的相同內部區域定向以有助于混合游離基。在一個實施例中,游離基反應器放置于基座上方以隨著基座在游離基反應器下方移動而注入游離基。在一個實施例中，本體在游離基反應器的相對側形成有兩個出口。在一個實施例中，本體形成有:第一混合室，在該第一混合室中，從第一等離子體室和第二等離子體室注入第一氣體的游離基和第二氣體的游離基以用于混合；第二混合室，與襯底相向，用于允許經混合的游離基與襯底發生接觸；以及連通通道，連接第一混合室和第二混合室。在一個實施例中，游離基反應器用于對襯底執行原子層沉積(ALD)。
實施例也涉及一種用于使用原子層沉積(ALD)在襯底上沉積一個或者多個材料層的沉積裝置。沉積裝置包括游離基反應器，游離基反應器具有形成于其中以用于在不同條件下生成氣體的游離基的多個游離基反應器。實施例也涉及一種使用原子層沉積(ALD)在襯底上沉積一層或者多層的方法。該方法包括向形成于游離基反應器中的第一等離子體室中注入第一氣體。在第一條件下在第一等離子體室中生成第一氣體的游離基。向形成于游離基反應器中的第二等離子體室中注入第二氣體。在與第一條件不同的第二條件下在第二等離子體室中生成第二氣體的游離基。在形成于游離基反應器中的混合室中混合第一氣體的游離基與第二氣體的游離基。向襯底上注入混合的游離基。在一個實施例中，第一條件涉及跨第一等離子體室的內電極和外電極施加第一電壓電平，并且第二條件涉及跨第二等離子體室的內電極和外電極施加第二電壓電平。
圖1是根據一個實施例的線性沉積設備的截面圖。圖2是根據一個實施例的線性沉積設備的透視圖。圖3是根據一個實施例的旋轉沉積設備的透視圖。圖4是根據一個實施例的反應器的透視圖。圖5A是根據一個實施例的游離基反應器的俯視圖。圖5B是根據一個實施例的沿著圖5A的線A-A'截取的游離基反應器的截面圖。圖6是根據一個實施例的沿著圖5A的線B-B'截取的游離基反應器的截面圖。圖7至圖9是根據各種實施例的游離基反應器的截面圖。圖10是圖示根據一個實施例的向襯底上注入混合的游離基的工藝的流程圖。
具體實施例方式這里參照附圖描述實施例。然而可以用許多不同形式實現這里公開的原理并且不應解釋這些原理為限于這里闡述的實施例。在描述中可以省略眾所周知的特征和技術的細節以免不必要地模糊實施例的特征。在附圖中，附圖中的相似標號表示相似元件。為了清楚，可以夸大附圖的形狀、尺寸和區域等。實施例涉及在游離基反應器中提供兩個或者更多等離子體室以在不同條件下生成氣體的游離基用于在原子層沉積(ALD)工藝中使用。游離基反應器具有如下本體，該本體具有多個通道和對應等離子體室。電極放置于每個等離子體室中和周圍以在跨電極施加電壓時生成等離子體。等離子體生成在等離子體室中存在的氣體的游離基。然后向混合室中注入在等離子體室中生成的游離基用于與來自另一等離子體室的另一氣體的游離基混合，并且然后向襯底上注入。通過在游離基反應器中提供兩個或者更多等離子體室，可以避免需要多個游離基反應器。這里描述的等離子體室是指向其中注入氣體用于生成氣體的游離基的腔。電極放置于等離子體室中和/或周圍以在跨電極施加電壓時在等離子體室中生成等離子體。等離子體室可以從襯底遠離定位以防止等離子體或者電火花影響襯底或者襯底上的設備。這里描述的混合室是指在其中混合兩種或者更多種氣體的游離基的腔。圖1是根據一個實施例的線性沉積設備100的截面圖。圖2是圖1的線性沉積設備100 (無室壁110以便于說明)的透視圖。線性沉積設備100可以包括支撐柱118、處理室110和一個或者多個反應器136以及其·它部件。反應器136可以包括注入器和游離基反應器中的一個或者多個。注入器模塊中的每個注入器模塊向襯底120上注入源前體、反應物前體、吹掃氣體或者這些材料的組合。游離基反應器向襯底120上注入一種或者多種氣體的游離基。游離基可以充當源前體、反應物前體或者用于處理襯底120的表面的材料。可以將由壁110包圍的處理室維持在真空狀態中以防止污染物影響沉積工藝。處理室包含接收襯底120的基座128。基座128放置于用于滑動移動的支撐板124上。支撐板124可以包括用于控制襯底120的溫度的溫度控制器(例如加熱器或者冷卻器)。線性沉積設備100也可以包括有助于向基座128上加載襯底120或者從基座128卸裝襯底120的升降銷(lift pin) ο在一個實施例中，基座128固著至托架210，托架210沿在其上形成有螺桿的延伸棒138移動。托架210具有在它們的接收延伸棒138的孔中形成的對應螺桿。延伸棒138固著到馬達114的主軸，因此延伸棒138隨著馬達114的主軸旋轉而旋轉。延伸棒138的旋轉使托架210 (并且因此使基座128)在支撐板124上產生線性移動。通過控制馬達114的速度和旋轉方向，可以控制基座128的線性移動的速度和方向。馬達114和延伸棒138的使用僅為用于移動基座128的機制的例子。可以使用移動基座128的各種其它方式(例如在基座128的底部、頂部或者側部處使用齒輪和小齒輪)。另外，基座128可以保持靜止并且可以移動反應器136而不是移動基座128。圖3是根據一個實施例的旋轉沉積設備300的透視圖。根據另一實施例，旋轉沉積設備300可以用來執行沉積工藝而不是使用圖1的線性沉積設備100。旋轉沉積設備300可以包括反應器320、334、364、368、基座318和包圍這些部件的容器324以及其它部件。基座318適當地固著襯底314。反應器320、334、364、368放置于襯底314和基座318上方。基座318或者反應器320、334、364、368旋轉以使襯底314受到不同工藝。反應器320、334、364、368中的一個或者多個經由入口 330連接到導管以接收源前體、反應器前體、吹掃氣體和/或其它材料。導管提供的材料可以(i)由反應器320、334、364、368直接、(ii)在反應器320、334、364、368以內的室中混合之后或者(iii)在由反應器320、334、364、368內生成的等離子體轉換成游離基之后向襯底314上注入。在向襯底314上注入材料之后，可以經過出口 330排放多余材料。可以在沉積設備(諸如線性沉積設備100、旋轉沉積設備300或者其它類型的沉積設備)中使用這里描述的游離基反應器的實施例。圖4是與注入器136A串接放置于線性沉積設備100中的游離基反應器136B的例子。裝配有襯底120的基座128在兩個方向(即圖4中的右和左方向)上往復以使襯底120暴露于注入器136A和游離基反應器136B注入的氣體和/或游離基。雖然在圖4中僅圖示一個注入器136A和一個游離基反應器136B，但是可以在線性沉積設備100中提供多得多的注入器和/或游離基反應器。也可以僅提供游離基反應器136B而不提供注入器136A。注入器136A經過導管412接收氣體并且隨著基座128在注入器136A下方移動而向襯底120上注入氣體。注入的氣體可以是源氣體、反應物氣體、吹掃氣體或者其組合。在向襯底120上注入之后，經由出口 422排出注入器136A中的過量氣體。出口 422連接到導管(未示出)以將過量氣體排出線性 沉積設備100以外。游離基反應器136B經由導管(未示出)接收氣體并且具有兩個等離子體室。通道形成于游離基反應器136B的本體中以向等離子體室輸送接收的氣體。兩個內電極410、414跨游離基反應器137B縱向延伸并且經由接線402、404連接到電壓源(未示出)或者接地(未示出)。如下文參照圖6具體描述的那樣，內電極410、414放置于等離子體室以內。游離基反應器136B中的外電極連接到接地或者電壓源。在一個實施例中，游離基反應器136B的傳導本體充當外電極。出口 424形成于游離基反應器136B的本體中以排出在向襯底120上注入之后從游離基恢復成不活躍狀態的過量游離基和/或氣體。出口 424連接到導管(未示出)以將過量游離基和/或氣體排出線性沉積設備100以外。圖5A是根據一個實施例的游離基反應器136B的俯視圖。內電極410、414分別沿著圓柱形等離子體516、518縱向延伸(在圖6中更清楚地圖示)。等離子體516、518經由孔508、512連接到通道502、506以接收向游離基反應器136B中注入的氣體。可以形成縫或者其它穿孔而不是孔508、512以向等離子體室516、518輸送氣體。通道502、506連接到提供不同氣體的不同氣體源，從而等離子體室516、518由不同氣體填充。圖5B是根據一個實施例的沿著圖5A的線A-A'截取的游離基反應器136B的截面圖。游離基反應器136B具有出口 424形成于其中的本體524。出口 424被成形為使得它的底部部分520跨游離基反應器136B縱向延伸而上部分521具有用于連接到導管(未示出)的更窄寬度。通過跨游離基反應器136B延伸底部部分520，出口 424可以更有效排出過量游離基/氣體。圖6是根據一個實施例的沿著圖5A的線B-B'截取的游離基反應器136B的截面圖。在游離基反應器136B的本體524中，兩個等離子體室516、518形成于混合室530的右和左側。兩個等離子體室516、518中的每個等離子體室經由孔508、512連接到通道502、506以接收氣體并且經由縫604、608連接到混合室530。內電極410、414沿著游離基反應器137B縱向延伸。在圖6的實施例中，沿著平面C1-C2對準通道502、孔508、等離子體室516和縫604。相對于豎直平面C1-C4成角度α傾斜平面C1-Cy沿著平面C1-C3對準通道506、孔512、等離子體室518和縫608。在通道502、孔508、等離子體室516和縫604對面，相對于豎直平面C1-C4成角度β傾斜平面C1-C315角度α和角度β可以有相同或者不同幅度。在其它實施例中，未沿著相同平面對準通道、孔、等離子體室和縫中的一個或者多個，而是將其以不同布置放置。例如可以在通道的左或者右側水平或者在通道上方豎直提供通道。也可以使用通道、孔、等離子體室和縫的各種其它布置。在圖6的實施例中，經由通道502和孔508向等離子體室516中注入第一氣體。通過跨內電極410和外電極520施加電壓，在等尚子體室516中生成等尚子體，從而在等尚子體室516內產生第一氣體的游離基。然后經由縫604向混合室530中注入第一氣體的生成的游離基。此外，經由通道506和孔512向等離子體室518中注入第二氣體。通過跨內電極414和外電極522施加電壓，在等尚子體室518內生成等尚子體，從而在等尚子體室518內產生第二氣體的游離基。然后經由縫608向混合室530中注入第二氣體的生成的游離基。縫604和608朝著混合室530的區域定向(在圖6中的混合室530的點C1周圍)以向混合室530中的相同區域中注入游離基。以這一方式，可以有助于混合從縫604、608注入的游離基。也就是說，縫604、608被配置用于相對于豎直平面C1-C4成角度α和β注入氣體的游離基。以這一方式，在兩種氣體的游離基與襯底120發生接觸之前，在混合室530內有效混合游離基。混合室530的尺度可以被配置用于允許游離基在與襯底120發生接觸之前在混合室530內充分擴散。一些游離基可以在與襯底120發生接觸之前、期間或者之后恢復成不活躍狀態。經過出口 424排出剩余游離基和經恢復的氣體。如在下表I中所見，不同類型的氣體具有不同電離能量級。因此根據向等離子體室供應的氣體類型在等離子體的內電極與外電極之間施加不同電壓電平。為了生成不同氣體的游離基，可能由于用于不同氣體的不同電離能量級而需要對應數目的等離子體室和電極組。
權利要求
1.一種用于在襯底上沉積一個或者多個材料層的游離基反應器，包括: 與所述襯底裝配于其上的基座相鄰放置的本體，所述本體形成有: 第一等離子體室，被配置用于接收第一氣體， 第二等離子體室，被配置用于接收第二氣體，以及 混合室，連接到所述第一等離子體室和所述第二等離子體室以從所述第一等離子體室和所述第二等離子體室接收所述第一氣體的游離基和所述第二氣體的游離基； 第一內電極，在所述第一等離子體室內延伸，所述第一內電極被配置用于通過跨所述第一內電極和第一外電極施加第一電壓差在所述第一等離子體室內生成所述第一氣體的所述游離基；以及 第二內電極，在所述第二等離子體室內延伸，所述第二內電極被配置用于通過跨所述第二內電極和第二外電極施加第二電壓差在所述第二等離子體室內生成所述第二氣體的所述游離基。
2.根據權利要求1所述的游離基反應器，其中所述本體還形成有混合室，所述第一氣體的所述游離基和所述第二氣體的所述游離基在與所述襯底發生接觸之前在所述混合室中混合。
3.根據權利要求2所述的游離基反應器，其中所述本體還形成有將所述第一等離子體室連接到第一氣體源的第一通道和將所述第二等離子體室連接到第二氣體源的第二通道。
4.根據權利要求3所述的游離基反應器，其中所述本體還形成有將所述第一等離子體室與所述混合室連接的至少一個第一穿孔和將所述第二等離子體室與所述混合室連接的至少一個第二穿孔。`
5.根據權利要求4所述的游離基反應器，其中沿著第一平面對準所述第一通道、所述第一內電極、所述第一等離子體室和所述第一穿孔；并且沿著相對于所述第一平面成角度定向的第二平面對準所述第二通道、所述第二內電極、所述第二等離子體室和所述第二穿孔。
6.根據權利要求4所述的游離基反應器，其中所述第一穿孔和所述第二穿孔朝著所述混合室內的相同內部區域定向。
7.根據權利要求1所述的游離基反應器，其中所述游離基反應器放置于所述基座上方。
8.根據權利要求1所述的游離基反應器，其中所述本體在所述游離基反應器的相對側形成有兩個出口。
9.根據權利要求1所述的游離基反應器，其中所述本體形成有:第一混合室，在所述第一混合室中，從所述第一等離子體室和所述第二等離子體室注入所述第一氣體的所述游離基和所述第二氣體的所述游離基以用于混合；第二混合室，與所述襯底相向，用于允許經混合的游離基與所述襯底發生接觸；以及連通通道，連接所述第一混合室和所述第二混合室。
10.根據權利要求1所述的游離基反應器，其中所述游離基反應器用于對所述襯底執行原子層沉積(ALD)。
11.一種用于使用原子層沉積(ALD)在襯底上沉積一個或者多個材料層的沉積裝置，包括: 基座，被配置用于裝配襯底；游離基反應器，包括: 與所述基座相鄰放置的本體，所述本體形成有: 第一等離子體室，被配置用于接收第一氣體， 第二等離子體室，被配置用于接收第二氣體，以及 混合室，連接到所述第一等離子體室和所述第二等離子體室以從所述第一等離子體室和所述第二等離子體室接收所述第一氣體的游離基和所述第二氣體的游離基； 第一內電極，在所述第一等離子體室內延伸，所述第一內電極被配置用于通過跨所述第一內電極和第一外電極施加第一電壓差在所述第一等離子體室內生成所述第一氣體的所述游離基；以及 第二內電極，在所述第二等離子體室內延伸，所述第二內電極被配置用于通過跨所述第二內電極和第二外電極施加第二電壓差在所述第二等離子體室內生成所述第二氣體的所述游離基；以及 致動器，被配置用于引起在所述基座和所述游離基反應器之間的相對移動。
12.根據權利要求11所述的沉積裝置，其中所述本體還形成有混合室，所述第一氣體的所述游離基和所述第二氣體的所述游離基在與所述襯底發生接觸之前在所述混合室中混合。
13.根據權利要求12所述的沉積裝置，其中所述本體還形成有將所述第一等離子體室連接到第一氣體源的第一通道和將所述第二等離子體室連接到第二氣體源的第二通道。
14.根據權利要求13所述的沉積裝置，其中所述本體還形成有將所述第一等離子體室與所述混合室連接的至少一個第一穿孔`和將所述第二等離子體室與所述混合室連接的至少一個第二穿孔。
15.根據權利要求14所述的沉積裝置，其中沿著第一平面對準所述第一通道、所述第一內電極、所述第一等離子體室和所述第一穿孔；并且沿著相對于所述第一平面成角度定向的第二平面對準所述第二通道、所述第二內電極、所述第二等離子體室和所述第二穿孔。
16.根據權利要求14所述的沉積裝置，其中所述第一穿孔和所述第二穿孔朝著所述混合室內的相同內部區域定向。
17.根據權利要求11所述的沉積裝置，其中所述本體在所述游離基反應器的相對側形成有兩個出口。
18.根據權利要求11所述的沉積裝置，其中所述本體形成有:第一混合室，在所述第一混合室中，從所述第一等離子體室和所述第二等離子體室注入所述第一氣體的所述游離基和所述第二氣體的所述游離基以用于混合；第二混合室，與所述襯底相向，用于允許經混合的游離基與所述襯底發生接觸；以及連通通道，連接所述第一混合室和所述第二混合室。
19.一種使用原子層沉積(ALD)在襯底上沉積一層或者多層的方法，包括: 向形成于游離基反應器中的第一等離子體室中注入第一氣體； 在第一條件下在所述第一等離子體室中生成所述第一氣體的游離基； 向形成于所述游離基反應器中的第二等離子體室中注入第二氣體； 在與所述第一條件不同的第二條件下在所述第二等離子體室中生成所述第二氣體的游離基； 在形成于所述游離基反應器中的混合室中混合所述第一氣體的所述游離基與所述第二氣體的所述游離基；以及 向所述襯底上注入所述混合的游離基。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述第一條件包括跨所述第一等離子體室的內電極和外電極施加第一電壓電平，并且所述第二條件包括跨所述第二等離子體室的內電極和外電極施加第二電壓電平。`
全文摘要
在游離基反應器中提供兩個或者更多等離子體室以在不同條件下生成氣體的游離基用于在原子層沉積(ALD)工藝中使用。游離基反應器具有如下本體，該本體具有多個通道和對應工藝室。每個等離子體室由外電極包圍并且具有經過室延伸的內電極。在跨外電極和內電極施加電壓而氣體存在于等離子體室中時，在等離子體室中生成氣體的游離基。然后向混合室中注入在等離子體室中生成的游離基用于與來自另一等離子體室的另一氣體的游離基混合、然后向襯底上注入。通過提供兩個或者更多等離子體室，可以在相同游離基反應器內生成氣體的不同游離基，這可以避免需要分離的游離基反應器。
文檔編號C23C16/00GK103201408SQ201180053345
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月31日 優先權日2010年11月5日
發明者李相忍 申請人:思諾斯技術公司