專利名稱：用于短生命周期物種的具有內建等離子體源的處理腔室蓋設計的制作方法
用于短生命周期物種的具有內建等離子體源的處理腔室蓋設計直量領域本發明的實施例一般涉及用于沉積材料的設備和方法，特別是涉及配置為在等離子體增強工藝期間沉積材料的氣相沉積腔室。相關技術的描述在半導體處理、平板顯示器處理或其它電子裝置處理的領域中，氣相沉積工藝在將材料沉積于基板上起重要作用。隨著電子裝置幾何形狀持續縮小，而裝置密度持續增加，特征結構的尺寸與深寬比變得更加競爭性，例如，O. 07μπι的特征結構尺寸與10以上的深寬比。因此，共形沉積(conformal deposition)材料以形成所述裝置逐漸變得重要。 雖已證實常規化學氣相沉積(CVD)成功地用于低到O. 15 μ m的裝置幾何性狀與深寬比，但更具競爭性的裝置幾何形狀需要替代性的沉積技術。一項備受矚目的技術是原子層沉積(ALD)。在ALD工藝期間，反應氣體依序導入含有基板的沉積腔室。大體而言，第一反應物是以脈沖式進入沉積腔室，并且吸附在基板表面上。第二反應物以脈沖式進入沉積腔室，并且與第一反應物反應而形成沉積的材料。凈化工藝一般是在輸送每一反應氣體之間執行。凈化工藝可為具有載氣的連續凈化，或在輸送反應氣體之間的脈沖式凈化。熱誘導ALD工藝為最常見的ALD技術，并且使用熱以引發兩種反應物之間的化學反應。雖然熱ALD工藝在沉積某些材料上運作良好，但這些工藝經常具有緩慢的沉積速率。因此，制造的處理量可能受影響而達到無法接受的水平。沉積速率可在較高沉積溫度下增加，但許多化學前驅物(特別是金屬有機化合物)在升高的溫度下會分解。等離子體增強CVD (PECVD)與等離子體增強ALD (PE-ALD)可用來形成各種材料。在PE-ALD工藝的某些示例中，材料可由與熱ALD工藝相同的化學前驅物形成，但該形成工藝是在較高沉積速率與較低溫度下。盡管存在技術的幾種變化型式，但大體而言，PE-ALD工藝提供反應氣體與反應物等離子體依序導入含有基板的沉積腔室。第一反應氣體是以脈沖式進入沉積腔室，且吸附在基板表面。之后，大體上由等離子體源供應的反應物等離子體脈沖式進入沉積腔室，并且與第一反應氣體反應而形成沉積材料。類似于熱ALD工藝，凈化工藝可在輸送每一反應物之間實施。雖然PE-ALD工藝克服了熱ALD工藝的一些缺點(這是由于等離子體內反應物自由基的高度反應性所致)，PE-ALD工藝仍有許多限制。PE-ALD工藝可引發等離子體對基板的損壞(例如蝕刻)，可能與某些化學前驅物不相容，并且可需要額外的硬件。對于任何需要遠程等離子體以生成活性反應物物種的基板制造工藝而言，分開的遠程等離子體單元大體是與處理腔室一起使用。盡管此類途徑對于遠離基板生成活性反應物物種作用良好，且不至于有由反應物自由基對裝置造成等離子體損壞的風險，然而，抵達基板表面的活性物種的量相當受限，這是由于活性物種沿著至基板的行進距離進行快速重組的緣故。雖然可能施加高等離子體功率而增加可得的活性物種量，但高等離子體功率通常造成對等離子體單元的硬件損壞，該硬件損壞呈現具有高粒子數的缺陷問題。此外，可得的遠程等離子體源(RPS)單元一般設計成使得單元的維修困難。已知的維護具高缺陷度RPS的可行方法是更換該單元。因為高功率RPS單元可能需要頻繁的更換，這進而造成系統停工時間與操作成本增加。因此，需要一種通過氣相沉積技術(諸如通過PE-ALD工藝之類)來在基板上沉積材料的設備和方法。概述
本發明的實施例一般涉及用于沉積材料的設備和方法，特別是涉及氣相沉積腔室，例如PE-CVD或PE-ALD腔室，所述腔室配置為在等離子體增強工藝期間沉積材料。在一個實施例中，提供用于處理一個或多個基板的腔室。所述腔室主體包括腔室主體，所述腔室主體限定處理空間；基板支撐件，所述基板支撐件設置在所述處理空間中并且配置為支撐一個或多個基板；處理蓋組件，所述處理蓋組件設置在所述基板支撐件上方，其中所述處理蓋組件具有等離子體空腔，所述等離子體空腔配置為生成等離子體并且提供一種或多種自由基物種到所述處理空間；RF (射頻)電源，所述RF (射頻)電源耦接氣體分配組件；等離子體形成氣體源，所述等離子體形成氣體源耦接所述處理蓋組件；和反應氣體源，所述反應氣體源耦接所述處理蓋組件。在另一實施例中，提供一種用于提供反應氣體的自由基到處理空間的處理蓋組件。所述處理蓋組件包括第一電極，所述第一電極具有多個第一通路與多個第二通路，所述第一通路耦接所述第一電極的第一表面與所述第一電極的第二表面，用于輸送含等離子體的氣體到處理空間，其中所述第一電極的所述第一表面面向所述處理空間，而所述多個第二通路使所述第一電極的所述第一表面與所述第一電極的所述第二表面耦接，以輸送反應氣體至所述處理空間；第二電極，所述第二電極實質上平行于所述第一電極，所述第二電極具有多個第三通路，所述第三通路耦接所述第二電極的第一表面與所述第二電極的第二表面，以輸送等離子體形成氣體到等離子體空腔，其中所述等離子體空腔限定在所述第一電極與所述第二電極之間，而所述第二電極的所述第一表面面向所述等離子體空腔；和絕緣體，所述絕緣體設置在所述第一電極與第二電極之間接近所述第一電極與第二電極的周邊處，其中所述第二電極適于耦接RF電源，而所述第一電極適于耦接接地端。附圖
簡要說明參考某些圖示在附圖中的實施例，可得到上文簡要概括的本發明的更具體的描述，如此，可詳細了解上文陳述的本發明的特色。但應注意，附圖只圖示本發明的典型實施例，因本發明允許其它同等有效的實施例，故不將這些附圖視為本發明的范圍限制。圖I是根據本發明一個實施例、具有處理蓋組件的一個實施例的處理腔室的示意圖。圖2是根據本發明一個實施例、具有處理蓋組件另一實施例的另一處理腔室的示意圖。圖3A是根據本發明一個實施例的處理蓋組件的電極的部分截面視圖。圖3B是圖3A的電極的底部視圖。圖3C是圖3A的電極的頂部視圖。圖4是根據本發明一個實施例的處理蓋組件的噴頭組件的部分截面視圖。為有助了解，如可能則使用相同標號來表示附圖所共有的相同元件。預期一個實施例的元件和特征可有利地并入其它實施例而無需進一步敘述。具體描述本發明的實施例一般涉及用于沉積材料的設備和方法，特別是涉及配置為在等離子體增強工藝期間沉積材料的氣相沉積腔室。在某些實施例中，提供一種處理腔室蓋，所述處理腔室蓋具有內建(built-in)等離子體源，相鄰處理腔室的處理空間，以用于生成活性反應物種。在某些實施例中，處理腔室蓋組件包括多重部件，所述多重部件形成等離子體空腔(在該處生成活性反應物物種)，該組件具有兩個分開的途徑(pathway)，每一途徑用于輸送反應氣體或多種反應氣體與等離子體的每一個至處理空間。相較于使用RPS的系統，在處理蓋組件內部生成等離子體的能力減少了等離子體活化物種必須行進到達處理腔室的處理空間中的基板表面的距離。處理空間中可得的活性物種的量顯著增加，而實現增加可得活性物種的所需功率同時減少。
圖I是根據本發明一個實施例的處理腔室100的示意圖。在一個實施例中，處理腔室適于形成金屬氮化物膜，該金屬氮化物膜具有至少一種由等離子體生成的前驅物。處理腔室100包括腔室主體110、設置在腔室主體110內的基板支撐件112、以及設置在腔室主體110上的處理腔室蓋組件114。基板支撐件112配置為支撐一個或多個基板116,以將一個或多個基板116暴露至處理空間118 (所述處理空間118由腔室主體110和處理蓋組件114限定)中的前驅物。在一個實施例中，基板支撐件112包括加熱器120,該加熱器120適于加熱一個或多個基板116至執行處理所需的溫度。處理蓋組件114包括噴頭組件122，該噴頭組件122具有水箱140以提供定位在噴頭組件122上的處理蓋組件114的溫度控制。噴頭組件122包括第一電極124、第二電極128、絕緣體132和阻擋板136，該第一電極124還用作蓋板，該第二電極128用作定位成實質上平行第一電極124的等離子體空腔RF電極，該絕緣體132定位在第一電極124與第二電極128之間，而該阻擋板136定位在第二電極128上。第一電極124、絕緣體132和第二電極128限定等離子體空腔144，在該處可生成電容式等離子體145。在一個實施例中，第一電極124耦接RF (射頻)接地端，第二電極128耦接RF電源146，而絕緣體132將第一電極124與第二電極128電絕緣。第一氣體源148經由氣體入口 149A、149B耦接等離子體空腔144，用于提供一種或多種等離子體形成氣體至等離子體空腔144。當RF功率施加到第二電極128時，電容式等離子體145可在等離子體空腔144中生成。諸如載氣或凈化氣體之類的其它氣體可耦接等離子體空腔，用于將等離子體形成氣體輸送到等離子體空腔，并且凈化等離子體形成氣體的處理腔室100。第一電極124包括鄰接處理空間118的第一表面150 (或下表面)，以及鄰接等離子體空腔144的第二表面(或上表面),多個第一通路(first passage)154形成于所述表面之間。多個第一通路154將處理空間118耦接等離子體空腔144，并且提供導管以將活性反應物物種從等離子體空腔144輸送到處理空間118。多個第一通路154還可用來輸送其它氣體(諸如載氣、凈化氣體、和/或清潔氣體之類)至處理腔室100。在一個實施例中，多個第一通路154橫越第一電極124的表面區域(所述第一電極124的表面區域對應于基板支撐件112的表面區域)均等分布。第一電極124還具有多個第二通路156，所述第二通路156經由氣體入口 159將處理空間118耦接第二氣體源158，以供應一種或多種前驅物到處理空間118。多個第二通路156還可用來輸送其它氣體(諸如載氣、凈化氣體、和/或清潔氣體之類)至處理腔室100。在一個實施例中，第一電極124可由導電材料形成，所述導電材料諸如是金屬或金屬合金。在一個實施例中，第一電極124是平坦盤(planar disk)。在一個實施例中,第一電極124由金屬形成。示范性的金屬可選自由鋁、鋼、不銹鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述金屬的合金、與前述金屬的組合組成的組。第二電極128包括第一表面160 (或下表面)和第二表面162 (或上表面),該第一表面160鄰接等離子體空腔144，而該第二表面相對于所述第一表面，而多個第三通路164形成于第一表面160與第二表面162之間,用于從第一氣體源148提供一種或多種等離子體形成氣體至等離子體空腔144。多個第三通路164還可用于輸送諸如載氣、凈化氣體、及/或清潔氣體之類的其它氣體至處理腔室100。如圖I所示，多個第二通路156橫切等離子體空腔144，延伸通過第二電極128的第一表面160至第二電極128的第二表面162。 在一個實施例中，第二電極128可由導電材料形成，所述導電材料諸如是金屬或金屬合金。在一個實施例中，第二電極128由金屬形成。不范性的金屬可選自由招、鋼、不銹鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述金屬的合金、與前述金屬的組合組成的組。在一個實施例中，第二電極128是平坦盤。絕緣體132提供第一電極124與第二電極128之間的電絕緣，且該絕緣體132可由電絕緣材料形成。在一個實施例中，絕緣體132由陶瓷材料形成,例如,氮化招(AlxNy)或氧化招(Al2O3)。阻擋板136設置在第二電極128上,并且具有凹陷部分166,該凹陷部分166形成第二氣體區域168，該第二氣體區域168是由凹陷部分166與第二電極128的第二表面162所限定。第二氣體區域168定位在處理空間118上方并且經由多個第二通路156與處理空間118耦接，以用于將前驅物氣體供應至處理空間118。阻擋板136包括第一表面170 (或下表面)以及第二表面172 (或上表面)，第二氣體區域168被限定在阻擋板136的第一表面170與第二電極128的第二表面162之間。多個第四通路178用于將阻擋板136的第一表面170耦接阻擋板136的第二表面172，用于耦接多個第三通路164，以將等離子體形成氣體輸送到等離子體空腔144。在一個實施例中，來自第二氣體源158的一種或多種氣體經由氣體入口 159流進第二氣體區域168，并且通過多個第二通路156、進入處理空間118，在該處它們朝一個或多個基板116的表面輸送。在一個實施例中，阻擋板136可包括多重板，阻擋板136可經設計以有助于前驅物氣體均勻地輸送到處理空間118。在一個實施例中，水箱140設置在阻擋板136上。水箱140可具有凹陷部分174，所述凹陷部分174形成第一氣體區域176，該第一氣體區域176是由凹陷部分174與阻擋板136的第二表面172所限定。第一氣體區域176定位在等離子體空腔144上方并且經由多個第三通路164與等離子體空腔144耦接，以用于將等離子體形成氣體供應至等離子體空腔。等離子體形成氣體由第一氣體源148經由氣體入口 149AU49B流至第一氣體區域176，此處等離子體形成氣體徑向上分布通過多個第三通路164進入等離子體空腔144，此處RF功率供應到第二電極128以在等離子體空腔144中形成電容式等離子體145。電容式等離子體145中活化的自由基隨后經由多個第一通路154輸送到處理空間118。如圖I所示，多個第一通路154偏離多個第三通路164(例如，不具有瞄準線(lineof sight))，這樣有助于均勻地使活化的物種分布于晶片表面。如本文所討論的，在某些實施例中，期望多個第一通路154能夠對準多個第三通路164或與多個第三通路164呈瞄準線。本文所用的“瞄準線”一詞是指兩點之間的筆直路徑(path)或實質上筆直的路徑。筆直路徑或實質上筆直的路徑可提供不受阻礙的途徑或清楚的途徑，以供氣體或等離子體流于至少兩點之間。大體而言，受阻礙的途徑或不清楚的途徑阻止或實質上減少在等離子體通過同時容許氣體通過。因此，瞄準線途徑通常容許氣體或等離子體通過，而兩點間不具有瞄準線的途徑阻止或實質上減少等離子體通過而使氣體通過。水箱140用來通過將熱從處理蓋組件(例如處理蓋組件114)去除而調節處理腔室100的溫度。水箱140可定位在噴頭組件122的頂部上。水箱140將熱從處理蓋組件114(諸如從噴頭組件122)去除。在沉積工藝期間，在最初溫度下的流體通過入口(圖中未示)被引入水箱140。流體吸收熱，同時沿通路(圖中未示)行進。在較高溫度下的流體從水箱 140經由出口(圖中未示)去除。水箱140可含有金屬或由金屬形成，該金屬諸如是鋁、鋁合金(例如鋁鎂硅合金，諸如鋁6061)、鍍鋁的金屬、不銹鋼、鎳、鎳合金(例如INCONELr''或HASTELLOY )、鍍鎳的鋁、鍍鎳的金屬、鉻、鐵、前述金屬的合金、前述金屬的衍生物、或前述金屬的組合。在一個實施例中，水箱140可含有鋁或鋁合金，或由鋁或鋁合金形成。水箱140可連接到流體源179，該流體源179用于在沉積工藝期間供應流體至水箱140。該流體可為液體、氣體、或超臨界狀態，且能夠及時地吸附及消散熱。可用于水箱140中的液體包括水、油、醇類、二醇類、乙二醇醚、其它有機溶劑、超臨界流體(例如CO2)、前述液體的衍生物或前述液體的混合物。氣體可包括氮、氬、空氣、氟氯碳化合物(HFC)、或前述氣體的組合。較佳為以水或水/醇類混合物供應水箱140。處理腔室100進一步包括真空泵180，該真空泵180配置為泵出處理空間118而獲得處理空間118中期望的壓力水平。在處理期間，真空泵180提供相對于等離子體空腔144的處理空間118中的負壓，因此使等離子體空腔144中的物種得以流至處理空間118。在某些實施例中，含鐵氧體(ferrite)元件190AU90B和190C定位在鄰接氣體入口 149A、149B和159的至少一個處。含鐵氧體元件190A、190B和190C可定位在鄰接氣體入口 149A、149B和159處以減少接近氣體入口 149A、149B和159處電弧作用或寄生等離子體的形成。含鐵氧體元件190AU90B和190C可形成平行鐵氧體邊界，而抑制垂直鐵氧體邊界的RF電流與吸收平行邊界的磁場分量。含鐵氧體元件190A、190B和190C可由用來提供所生成的場(例如磁場，由處理腔室100的幾個部分內的RF電流流動所創造)優先流過的路徑的任何材料所形成。在一個范例中，含鐵氧體元件190A、190B和190C可由鐵氧體材料形成，或嵌有鐵氧體材料。鐵氧體材料可包括非導電性的鐵磁性陶瓷化合物，所述化合物源自鐵氧化物，所述鐵氧化物諸如是赤鐵礦(hematite, Fe2O3)或磁鐵礦(magnetite, Fe3O4),以及其它金屬的氧化物。鐵氧體材料可進一步含鎳、鋅、及/或錳化合物。示范性鐵氧體材料包括錳鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、以及前述鐵氧體材料的組合。含鐵氧體元件190A、190B和190C可采取任何形狀的形式抑制垂直于鐵氧體邊界的RF電流并且吸收平行邊界的磁場分量。含鐵氧體元件190AU90B和190C的示范性形狀包括環形(ring)、超環形(toroid)和線圈狀。在一個示范性實施例中，氣體入口 149B是招管，而含鐵氧體元件190B含有多個超環狀或甜甜圈形(donut-shaped)、含有鎳鋅鐵氧體的鐵氧體構件。在另一示范性實施例中，如圖I所示，氣體入口 149A、149B和159為招管,每一鋁管被各自的含鐵氧體元件190A、190B和190C所環繞，所述鐵氧體元件含有多個超環狀或甜甜圈形、含有鎳鋅鐵氧體的鐵氧體構件。圖2是根據本發明一個實施例、具有處理蓋組件214的另一實施例的另一處理腔室200的示意圖。該處理腔室200類似于圖I所示的處理腔室100，不同處為處理腔室100的第二電極128替換為具有多個多重錐形空腔264的第二電極228。錐形空腔結合第一電極124與第二電極228之間可變的距離容許更寬廣的等離子體點燃限幅(window)。等離子體能夠在錐形空腔264中有效起始，并且因此均勻的等離子體能夠維持在第一電極124與第二電極228之間遍及整個等離子體空腔。處理蓋組件214包含噴頭組件222，而水箱140定位在噴頭組件222上。噴頭組件222包括第一電極124、第二電極228、絕緣體132和阻擋板136，該第二電極定位成實質上平行第一電極124，該絕緣體132定位在第一電極124與第二電極228之間，而阻擋板136 定位在第二電極228上。第一電極124、第二電極228和絕緣體132限定等離子體空腔244，在該處可生成電容式等離子體。在一個實施例中，第一電極124耦接RF (射頻)接地端，第二電極228耦接RF電源146，而絕緣體132將第一電極124與第二電極228電絕緣。圖3A是根據本發明一個實施例的處理蓋組件214的第二電極228的部分截面圖。圖3B是圖3A的第二電極228的底部視圖，而圖3C是圖3A的第二電極228的頂部視圖。第二電極228包括第一表面260 (或下表面)以定位在鄰接等離子體空腔244，并且包括第二表面262 (或上表面),該第二表面262相對于第一表面260,而多個第二通路256用以供應一種或多種前驅物至處理空間，且多個第三通路264形成于所述兩個表面之間以提供一種或多種反應性氣體由氣體源到等離子體空腔244。在一個實施例中，多個第三通路264可均等地分布在第二電極228的上方。在一個實施例中，多個第三通路264包括窄鉆孔(bore) 270，該窄鉆孔270耦接錐形通道(channel) 272，該錐形通道272的直徑隨著多個第三通路264從第二電極228的第二表面262延伸到第二電極228的第一表面260而擴張。在一個實施例中，錐形通道272的側壁形成角度“ α ”。在一個實施例中，該角度“ α ”在約20度與約30度之間。在一個實施例中，多個第二通路256可均等地分布于第二電極228的上方。在一個實施例中，多個第二通路256包括窄鉆孔258，該窄鉆孔258從第一表面260延伸而耦接筆直通道259，該筆直通道259延伸到第二電極228的第二表面262。在一個實施例中，第二電極228可由導電材料形成，所述導電材料諸如是金屬或金屬合金。在一個實施例中，第二電極228由金屬形成。不范性的金屬可選自由招、鋼、不銹鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述金屬的合金、與前述金屬的組合組成的組。在一個實施例中，第二電極228是平坦盤。圖4是根據本發明一個實施例的處理蓋組件的噴頭組件422的部分截面圖。噴頭組件422類似于噴頭222，不同處為第一電極424具有多個第一通路454，所述多個第一通路454對準多個第三通路264的瞄準線，或在該第三通路264的瞄準線中，以輸送活化的物種到處理腔室(諸如處理腔室100、200之類)的處理空間。在某些多個第一通路454對準多個第三通路264的實施例中，更大量的反應性物種可使用較低的功率水平輸送到處理空間。第一電極424包括鄰接處理空間118的第一表面450 (或下表面)以及鄰接等離子體空腔244的第二表面452 (或上表面)，而多個第一通路454形成于所述兩個表面之間。多個第一通路454將處理空間118耦接等離子體空腔244并且提供導管以將活性反應物物種從等離子體空腔244輸送到處理空間118。多個第一通路454還可用來輸送其它氣體(諸如載氣、凈化氣體、及/或清潔氣體之類)到處理腔室100。在一個實施例中，多個第一通路454均等地橫越與基板支撐件112的表面區域相對應的第一電極424的表面區域分布。第一電極424還具有多個第二通路456，所述多個第二通路456將處理空間118耦接第二氣體源，以供應一種或多種前驅物到處理空間118。多個第二通路456還可用來輸送其它氣體(諸如載氣、凈化氣體、及/或清潔氣體之類)到處理腔室100。在一個實施例中，第一電極424可由導電材料形成，所述導電材料諸如是金屬或金屬合金。在一個實施例中，第一電極424是平坦盤。在一個實施例中，第一電極424由金屬形成，所述金屬諸如是鋁、鋼、不銹鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述 金屬的合金、與前述金屬的組合。每一部件(例如第一電極124、424、絕緣體132、第二電極128、228、阻擋板136、水箱140、和氣體分配組件)可改變尺寸以處理不同尺寸的基板，所述基板諸如是具有150_直徑、200mm直徑、300mm直徑、或超過300mm直徑的晶片。每一部件可定位及固定在第一電極124、424或蓋板(lid plate)上，這是通過本技術領域中已知的任何固定手段實現，例如夾子及/或緊固件。本文描述的實施例提供通過氣相沉積工藝(諸如原子層沉積(ALD)或等離子體增強ALD(PE-ALD)之類)在基板上沉積各種材料(例如氮化鈦)的方法。在一個方面中，該工藝有極微或無啟動的延遲并且在形成鈦材料(諸如金屬鈦、氮化鈦、氮化硅鈦、或前述鈦材料的衍生物之類)的同時維持快速沉積速率。在一個實施例中，可與本文描述的PE-ALD工藝一起使用的鈦前驅物包括四(二甲氨基)欽(tetrakis (dimethylamino) titanium, TDMAT)、四(二乙氨基)欽(tetrakis (diethylamino) titanium, TDEAT)、四氯化鈦(TiCl4)、及前述鈦前驅物的衍生物。本文描述的PE-ALD工藝包括依序將基板暴露在氮前驅物與氮等離子體或其它離子化試劑(reagent)等離子體。在一個實施例中，氮化鈦材料可在PE-ALD工藝期間形成，該工藝含有恒定的試劑氣體流動，同時提供依序的鈦前驅物和等離子體的脈沖。在另一實施例中，鈦材料可在另一PE-ALD工藝期間形成，該工藝提供依序脈沖的鈦前驅物(例如TDMAT)與試劑等離子體(例如氮等離子體)。在所述實施例的二個中，試劑大體上在工藝期間離子化。PE-ALD工藝提供等離子體生成于噴頭組件內部，因而相較于使用RPS的系統，等離子體活化的物種必須行進而抵達基板表面的距離大幅減少。處理空間中可得的活性物種的量顯著增加，而實現增加可得活性物種的所需功率同時減少。在PE-ALD工藝期間，等離子體可由微波(MW)頻率生成器、射頻(RF)生成器、或脈沖DC電流生成。在另一實施例中，鈦材料可在熱ALD工藝期間形成，該工藝提供依序的鈦前驅物與試劑的脈沖。TDMA的工藝氣體與氮等離子體都依序脈沖至噴頭組件122、222，并且通過噴頭組件122、222。之后，基板依序暴露到工藝氣體與氮等離子體。在本文的實施例中所述的ALD工藝期間可利用處理蓋組件114或214，且處理蓋組件114或214可耦接本文所述的各種ALD腔室主體。其它ALD腔室也可用在本文所述的一些實施例期間，且可購自加州圣克拉拉市的應用材料公司(Applied Materials, Inc.)。可與本文描述的處理蓋組件一并使用的ALD腔室的詳細說明可見于共同讓渡的第6，916，398號與第6，878，206號的美國專利，以及共同讓渡的序列號為10/281，079的美國專利申請(于2002年10月25日提出申請，且公布為US )，所述文件的全部內容在此并入作為參考。在另一實施例中，配置為在ALD模式與常規CVD模式中操作的腔室可用來沉積鈦材料，所述腔室描述于共同讓渡的第7，204，886號的美國專利，所述美國專利的全文在此并入作為參考。在某些實施例中，沉積腔室可在本文描述的ALD工藝期間于范圍在約O. OlTorr至約80Torr內的壓力加壓,該范圍較佳是從約O. ITorr至約IOTorr,且更佳是約O. 5Torr至 約2Torr。此外，可將腔室或基板在本文描述的數個ALD工藝期間加熱到低于約500° C的溫度，較佳為約400° C以下，諸如從約200° C至約400° C的范圍內，更佳為從約340° C至約370° C，例如約360° C。等離子體可由微波(麗)生成器或射頻(RF)生成器生成。例如，等離子體生成器可被設定成具有范圍在約200瓦(W)至約40千瓦(kW)的功率輸出，較佳為約200kW至約10kW，更佳為從約500W至約3kW。在一個實施例中，基板可在整個ALD循環期間暴露至試劑氣體。基板可暴露至鈦前驅物氣體，該鈦前驅物氣體由第二氣體源158供應并且通過將載氣(例如氮或氬)傳遞通過鈦前驅物的安瓿(ampoule)而實現。可取決于處理期間所用的鈦前驅物而加熱安瓿。在一個范例中，含有TDMAT的安瓿可被加熱到在約25° C至約80° C的范圍內的溫度。鈦前驅物氣體通常具有在約IOOsccm至約2000sccm的范圍內的流量，較佳為約200sccm至約IOOOsccm,更佳為約300sccm至約700sccm,例如約500sccm。鈦前驅物氣體與試劑氣體可結合而形成沉積氣體。試劑氣體通常具有在約IOOsccm至約3000sccm的范圍內的流量,較佳為約200sccm至約2000sccm,更佳為約500sccm至約1500sccm。在一個范例中，氮等離子體用作試劑氣體，流量為約1500sCCm。基板可暴露到鈦前驅物氣體或含有鈦前驅物的沉積氣體與試劑氣體達一段時間，該段時間在從約O. I秒至約8秒的范圍內，較佳為從約I秒到約5秒，更佳為約2秒至約4秒。一旦鈦前驅物層吸附于基板上，可停止鈦前驅物的流動。鈦前驅物層可為不連續層、連續層、或甚至是多層。在停止鈦前驅物氣體流動后，基板和腔室可暴露于凈化工藝。在凈化工藝期間，可維持試劑氣體的流量，或從先前步驟調整試劑氣體的流量。較佳為試劑氣體的流動從先前步驟維持。視情況而定，凈化氣體可導入沉積腔室，流量在約IOOsccm至約2000sccm的范圍內，較佳為約200sccm至約IOOOsccm,更佳為約300sccm至約700sccm,例如約500sccm。凈化工藝去除沉積腔室內任何過剩的鈦前驅物與其它污染物。凈化工藝可實行一段時間，該段時間在從約O. I秒至約8秒的范圍內，較佳為從約I秒至約5秒，更佳為從約2秒至約4秒。載氣、凈化氣體和工藝氣體可含有氮、氫、氨、氬、氖、氦、或前述氣體的組合。在較佳實施例中，載氣含有氮。之后，可維持試劑氣體的流動，或在點燃等離子體之前調整試劑氣體的流動。在處理期間，諸如氮氣之類的氮源從第一氣體源148供應。氮氣流進等離子體空腔144，在此處當氮氣的等離子體被RF功率(在第一電極124及第二電極128之間施加)點燃時，氮氣解離。自由的氮自由基(氮原子)隨后流過多個第一通路154進入處理空間118。基板可暴露至等離子體達一段時間，該段時間在從約O. I秒到約20秒的范圍內，較佳為從約I秒到約10秒，更佳為從約2秒到約8秒。之后，關掉等離子體功率。在一個實施例中，試劑可為氨、氮、氫、或前述試劑的組合，以形成氨等離子體、氮等離子體、氫等離子體、或組合的等離子體。反應物等離子體與基板上所吸附的鈦前驅物反應，而在基板上形成鈦材料。在一個范例中，反應物等離子體用作還原劑以形成金屬鈦。然而，各種反應物可用來形成具有大范圍組成的鈦材料。沉積腔室暴露至第二凈化工藝，以去除先前步驟的過剩前驅物與污染物。試劑氣體的流量可在凈化工藝期間維持或從先前步驟調整。視情況任選的凈化氣體可導進沉積腔室，流量在從約IOOsccm至約2000sccm的范圍內，較佳為約200sccm至約IOOOsccm,更佳為約300sccm至約700sccm,例如約500sccm。第二凈化工藝可實行一段時間，該段時間在從約O. I秒至約8秒的范圍內，較佳為從約I秒至約5秒，更佳為從約2秒至約4秒。 可重復ALD循環直到在基板上沉積預定厚度的鈦材料為止。鈦材料可沉積成具有低于1000 A的厚度，較佳為低于500 A，更佳為從約IO A到約100 A，例如約30 A。本文描述的工藝可以至少O. 15埃/循環(人/cycle)、較佳為至少O. 25埃/循環、更佳為至少O. 35埃/循環以上的速率沉積鈦材料。在另一實施例中，本文描述的工藝克服現有技術相關于成核延遲的缺點。在許多(若非大多數)沉積鈦材料的實驗期間，沒有可被檢測到的成核延遲。即使金屬氮化物膜的形成是以本文描述的實施例一并討論，應了解，需要自由基的其它處理也能夠使用本文描述的設備和方法執行。本文描述的實施例提供在處理蓋組件內部生成等離子體的能力，相較于使用RPS的系統，該能力減少在處理腔室的處理空間中等離子體活化的物種必須行進而抵達基板表面的距離。處理空間中可得的活性物種量大幅增加，而實現增加可得的活性物種的所需功率同時減少。盡管以上描述涉及本發明的實施例，其它與進一步的本發明實施例可在不背離本發明基本范圍的情況下設計，該范圍由隨后的權利要求書所確定。
權利要求
1.一種用于等離子體增強處理一個或多個基板的腔室，所述腔室包括 腔室主體，所述腔室主體限定處理空間； 基板支撐件，所述基板支撐件設置在所述處理空間中并且被配置為支撐一個或多個基板； 處理蓋組件，所述處理蓋組件設置在所述基板支撐件上方，其中所述處理蓋組件具有等離子體空腔，所述等離子體空腔被配置為生成等離子體并且提供一種或多種自由基物種到所述處理空間； RF (射頻)電源，所述RF (射頻)電源耦接所述處理蓋組件； 等離子體形成氣體源，所述等離子體形成氣體源耦接所述處理蓋組件；和 反應氣體源，所述反應氣體源耦接所述處理蓋組件。
2.如權利要求I所述的腔室，其中所述處理蓋組件包括 第一電極，所述第一電極具有 多個第一通路，所述多個第一通路耦接所述第一電極的第一表面與所述第一電極的第二表面，用于輸送含等離子體的氣體到所述處理空間，其中所述第一電極的所述第一表面面向所述處理空間；和 多個第二通路，所述多個第二通路使所述第一電極的所述第一表面耦接所述第一電極的所述第二表面，以輸送反應氣體到所述處理空間； 第二電極，所述第二電極實質上平行于所述第一電極，所述第二電極具有多個第三通路，所述多個第三通路耦接所述第二電極的第一表面與所述第二電極的第二表面，以輸送等離子體形成氣體到等離子體空腔，其中所述第二電極的所述第一表面面向所述等離子體空腔；和 絕緣體，所述絕緣體設置在所述第一電極與第二電極之間接近所述第一電極與第二電極的周邊處，其中所述等離子體空腔限定在所述第一電極、所述第二電極與所述絕緣體之間，且其中所述第二電極適于耦接RF電源，而所述第一電極適于耦接接地端。
3.如權利要求2所述的腔室，其中所述處理蓋組件具有 第一氣體區域，所述第一氣體區域定位在所述等離子體空腔上方，并且經由所述多個第三通路耦接所述等離子體空腔，用于供應所述等離子體形成氣體到所述等離子體空腔；和 第二氣體區域，所述第二氣體區域定位在所述第一氣體區域與所述等離子體空腔之間，用于供應前驅物氣體到所述處理空間，其中所述第二氣體區域適于經由所述多個第二通路耦接所述處理空間。
4.如權利要求3所述的腔室，其中所述處理蓋組件進一步包括 阻擋板，所述阻擋板定位在所述第二電極上，其中所述第二氣體區域限定在所述阻擋板與所述第二電極之間。
5.如權利要求4所述的腔室，其中所述處理蓋組件進一步包括 水箱，所述水箱定位在所述阻擋板上，其中所述第一氣體區域限定在所述阻擋板與所述水箱之間。
6.如權利要求4所述的腔室，其中所述阻擋板具有多個第四通路，所述多個第四通路 將所述阻擋板的第一表面耦接所述阻擋板的第二表面，以與所述多個第三通路耦接，用于輸送含等離子體的氣體到所述處理空間。
7.如權利要求2所述的腔室，其中將所述第二電極的第一表面耦接所述第一電極的第二表面的所述多個第三通路的每一個都是由錐形通道限定，所述錐形通道朝向所述第二電極的所述第一表面開啟，且所述錐形通道連接至朝向所述第二電極的所述第二表面開啟的鉆孔。
8.如權利要求7所述的腔室，其中所述錐形通道形成在約20度至約30度之間的角度。
9.一種用于提供反應氣體的自由基到處理空間的處理蓋組件，所述處理蓋組件包括 第一電極，所述第一電極具有 多個第一通路，所述多個第一通路耦接所述第一電極的第一表面與所述第一電極的第二表面，用于輸送含等離子體的氣體到處理空間，其中所述第一電極的所述第一表面適于面向所述處理空間；和 多個第二通路，所述多個第二通路使所述第一電極的所述第一表面耦接所述第一電極的所述第二表面，以輸送前驅物氣體到所述處理空間；和 第二電極，所述第二電極實質上平行于所述第一電極，所述第二電極具有多個第三通路，所述多個第三通路耦接所述第二電極的第一表面與所述第二電極的第二表面，以輸送等離子體形成氣體到等離子體空腔，其中所述等離子體空腔限定在所述第一電極與所述第二電極之間，而所述第二電極的所述第一表面面向所述等離子體空腔，其中所述第二電極適于耦接RF電源，而所述第一電極適于耦接接地端。
10.如權利要求9所述的處理蓋組件，進一步包括 絕緣體，所述絕緣體設置在所述第一電極與第二電極之間接近所述第一電極與第二電極的周邊處，其中所述絕緣體進一步限定所述等離子體空腔。
11.如權利要求9所述的處理蓋組件，其中所述處理蓋組件具有 第一氣體區域，所述第一氣體區域定位在所述等離子體空腔上方，并且經由所述多個第三通路耦接所述等離子體空腔，用于供應所述等離子體形成氣體到所述等離子體空腔；和 第二氣體區域，所述第一氣體區域定位在所述第一氣體區域與所述等離子體空腔之間，用于供應反應氣體到所述處理空間，其中所述第二氣體區域適于經由所述多個第二通路耦接所述處理空間。
12.如權利要求11所述的處理蓋組件，進一步包括 阻擋板，所述阻擋板定位在所述第二電極上，其中所述第二氣體區域限定定在所述阻擋板與所述第二電極之間。
13.如權利要求12所述的處理蓋組件，進一步包括 水箱，所述水箱定位在所述阻擋板上，其中所述第一氣體區域限定在所述阻擋板與所述水箱之間。
14.如權利要求12所述的處理蓋組件，其中所述阻擋板具有多個第四通路，所述多個第四通路將所述阻擋板的第一表面耦接所述阻擋板的第二表面，以與所述多個第三通路耦接，用于輸送含等離子體的氣體到所述處理空間。
15.如權利要求9所述的處理蓋組件，其中將所述第二電極的第一表面耦接所述第一電極的第二表面的所述多個第三通路的每一個都是由錐形通道限定，所述錐形通道朝向所述第二電 極的所述第一表面開啟，且所述錐形通道連接至朝向所述第二電極的所述第二表面開啟的鉆孔。
全文摘要
本發明的實施例一般涉及用于沉積材料的設備和方法，特別是涉及配置為在等離子體增強工藝期間沉積材料的氣相沉積腔室。在一個實施例中，提供用于處理一個或多個基板的腔室。所述腔室主體包括限定處理空間的腔室主體；基板支撐件，所述基板支撐件設置在所述處理空間中并且配置為支撐一個或多個基板；處理蓋組件，所述處理蓋組件設置在所述基板支撐件上方，其中所述處理蓋組件具有等離子體空腔，所述等離子體空腔配置為生成等離子體并且提供一種或多種自由基物種到所述處理空間；耦接氣體分配組件的RF(射頻)電源；等離子體形成氣體源，所述等離子體形成氣體源耦接所述處理蓋組件；和反應氣體源，所述反應氣體源耦接所述處理蓋組件。
文檔編號H01L21/205GK102934203SQ201180027318
公開日2013年2月13日 申請日期2011年4月27日 優先權日2010年4月28日
發明者高建德, 海曼·W·H·拉姆, 張梅, 戴維·T·奧, 尼古拉斯·R·丹尼, 袁曉雄(約翰) 申請人:應用材料公司