專利名稱：薄膜逐層沉積的方法和設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及在襯底上沉積材料的方法和設備，更具體地，涉及薄膜逐層沉積的方法和設備，其與傳統(tǒng)的反應器設計相兼容，從而使得ALP可修改適用于更廣泛的反應物來源，ALP反應化學，和反應器幾何學，而不增加反應器和氣體輸送的復雜性，其中，通過提供持續(xù)調(diào)節(jié)的氣流和壓力，現(xiàn)有技術(shù)的泵-清洗步驟被省略掉，使得所有的輸送閥都能保持打開，分流管道(diverter lines)關閉，因而避免閥在開/關狀態(tài)之間的快速循環(huán)。
現(xiàn)有技術(shù)簡述薄膜的逐層沉積在半導體器件制造中變得越來越重要。相比起傳統(tǒng)化學氣相沉積和化學氣相外延生長，逐層沉積提供了若干優(yōu)點，包括對膜厚度的優(yōu)異的控制能力，對整個晶片一致性的改善，以小的周期性厚度沉積層壓薄膜的能力，和對膜性質(zhì)諸如密度、共形性、絕緣特性等的顯著改善，尤其是當總的膜厚度被縮小到10nm以下時。逐層沉積已經(jīng)被用于各種膜，包括金屬(Al、W、Ti等)，半導體(Si、ZnSe、III-V族和II-VI族化合物)，氧化物(SiO2、Ta2O5、Al2O3、TiO2、SrTiO3、HfOz、ZrO2等)，氮化物(Si3N4、TiN、TaN、AlN)，硅化物(TaSiN、TiSiN)和這些材料的納米疊層(nanolaminates)。所有這些材料都與半導體器件具有顯著的工業(yè)相關性。
在逐層增長中—也叫原子層處理(atomic layer processing)(ALP)，膜每次大約沉積一單層；也就是說，每層厚度在原子間間隔級，并因此稱為原子層處理。對于原子層處理，襯底順序地被暴露于反應物流，這樣，反應受限于飽和表面吸收的/化學吸附的反應物與后續(xù)脈沖提供的第二氣相反應物之間的表面反應。這樣，一旦表面吸收的反應物被消耗完后，反應物常常自限制，從而形成單層膜。最近，已經(jīng)顯示通過同樣的技術(shù)促使由原子層沉積向交變層沉積(alternating layerdeposition)轉(zhuǎn)變，可獲得亞單層或若干單層。ALP技術(shù)已經(jīng)被用于沉積外延生長和非外延生長膜。沉積外延生長膜的工藝稱之為原子層外延生長(ALE)，而沉積非外延生長膜的技術(shù)傳統(tǒng)上稱為原子層沉積(ALD)。ALP的蒸氣源反應物可以是氣體源或由熱蒸發(fā)作用、液體源蒸發(fā)作用或遠程等離子體分解產(chǎn)生的。
通過將晶片連續(xù)暴露于各種反應物來沉積膜的技術(shù)是為人所熟知的，并已經(jīng)流行20多年了。對ALP的一個重要要求是需要在氣相中將反應物相互隔離開來。對大部分ALP反應來說，在氣體中隔離反應物對于防止反應物源之間的氣相反應是必要的，也是抑制任何寄生化學氣相沉積(parasitic chemical vapor deposition)所必要的，如果反應物同時存在于氣相中，寄生化學氣相沉積就會發(fā)生。當其他前體被引入時，一種前體的允許殘余水平取決于工藝。確定一種前體的允許殘余水平的標準是寄生CVD(parasitic CVD)對總沉積速率的貢獻。對ALP工藝來說，盡管如果膜性質(zhì)、膜均勻性和臺階覆蓋(step coverage)不受損害的話，可以容忍更高值，但是寄生CVD對總沉積速率的貢獻通常應該小于10％。事實上，寄生CVD可以被用于增強其他緩慢ALP工藝的沉積速率。對于一些工藝來說，CVD對總沉積速率的貢獻必須小于1％，以避免顆粒產(chǎn)生氣相反應。ALP期間前體相互完全隔離開來是不必要的，且在某些情況下，會是不利的。某些寄生CVD能防止不利逆反應的發(fā)生，否則逆反應會蝕刻正在沉積的膜。因此，文獻中已經(jīng)描述了前體部分隔離的許多方法。一種隔離反應物的方法是將它們限制在不同的區(qū)域，并且在不同區(qū)域之間移動襯底，以將襯底暴露于多種反應物的不同的劑量中。該方法描述于美國專利4,058,430。此方法的缺點是難以在用于化學氣相沉積的傳統(tǒng)反應器中實施，且尤其用于在襯底上需要高反應物分壓以獲得完全表面飽和的工藝中。隔離反應物的其他方法是以脈沖的形式連續(xù)地通過獨立的輸送管道將反應物饋送入含有一個或多個襯底的真空室。排出或抽吸步驟在相鄰脈沖之間進行，以在引入下一反應物之前將一種反應物從室中排出。美國專利4,058,430描述了該更普遍使用的方法，即將不動或固定的襯底暴露于反應物的交替脈沖(alternating pulses)的方法，和在脈沖之間使用排出或抽吸步驟，以將反應物從室排出的方法。美國專利4,058,430描述了原子層沉積和原子層外延生長，其中，襯底被暴露于反應物的交替脈沖，而反應物在輸送系統(tǒng)和室內(nèi)被相互隔離。在任一這些技術(shù)中，都沒有實現(xiàn)前體的完全隔離，但一種前體的殘余濃度可以在其他前體被引入之前，被降低到任意低的水平。
對ALD工序的改進已經(jīng)被提出過。一種改進是在排出步驟期間，同時引入清洗氣體。這一般被稱為泵-清洗步驟(pump-purge step)。當所有反應物和清洗氣體沿著從氣體入口到室排出口(exhaust)的同樣的流動路程前進時，清洗氣體充當氣體擴散屏障，防止反應物之間的相互作用。該改進描述于美國專利4,389,973中。與同時進行的室排出相配合的該清洗氣流也將反應物的殘余濃度降低至微量水平(＜1％)，如美國專利6,015,590所述。多泵-清洗步驟也被用于在下一反應物脈沖被引入室之前，進一步降低室中的反應物濃度。由于其簡單性和容易用于各類CVD反應器構(gòu)造，該ALP模式被廣泛使用，在下文中，它被稱為傳統(tǒng)ALP技術(shù)。對于單晶片ALP反應器來說，相比起僅僅使用抽吸，該方法提供了由室排出反應物的快速方法。這是因為在抽吸的同時進行的清洗能在短于1-2秒的時間標度上，將前體的濃度降低至微量水平，而如果抽吸被單獨使用的話，則花費較長的時間(2-5秒)。
傳統(tǒng)ALP工序顯示于圖1。注意反應物脈送(pulsing)和泵/清洗步驟。
ALP典型的沉積速率是1單層/循環(huán)，其轉(zhuǎn)化為～1/循環(huán)。傳統(tǒng)ALP技術(shù)的每一循環(huán)由下列步驟組成·引入反應物1的脈沖，以在襯底上形成吸收的/化學吸附的層，·在用清洗氣體脈沖來清洗反應器的同時，抽吸反應器，以將氣相中的反應物1的殘余濃度降低至微量水平，其中清洗氣體通常是惰性的。
·將反應物2的脈沖引入室，以與襯底上吸收的/化學吸附的層反應，導致膜的形成。
·在用清洗氣體脈沖來清洗反應器的同時，抽吸反應器，以將氣相中的反應物2的殘余濃度降低至微量水平，其中清洗氣體通常是惰性的。
因此，該最簡單的ALP循環(huán)由氣體的四個獨立的脈沖/步驟組成。對于典型的30-100的膜厚度來說，ALP循環(huán)的數(shù)量在30-100循環(huán)范圍內(nèi)。明顯地，為了獲得高晶片處理量，必須取得短的循環(huán)時間。理想地，10秒或更短的循環(huán)時間內(nèi)能獲得6循環(huán)/分鐘或等同的6/分鐘的沉積速率。因此，對于一次處理一個晶片的單晶片處理模式的最大處理量為30膜在10-12wph范圍內(nèi)，100膜在3-4wph范圍內(nèi)。將這與傳統(tǒng)單晶片CVD模式的20-30wph處理量相比。對于對半導體器件批量生產(chǎn)具有成本效益的ALP處理來說，晶片處理量提高到5-10倍的改進是必要的。
高處理量對ALD是必要的，這有若干理由。自然地，高處理量降低擁有這些工藝的成本。更重要的是，ALD工藝與真空集成群集工具(vacuum integrated cluster tool)中的其他高處理量工藝聯(lián)合使用。一個良好的例子是高介電率柵疊層(high-k gate stack)群集工具，其由用于預清洗、界面氧氮化物生長(interfacial oxynitride growth)、ALD Hi-k沉積和柵電極沉積模件組成。此具有最低處理量的模塊操縱著該群集工具的處理量。理想地，各模塊應該與最大生產(chǎn)率的處理量相匹配。
傳統(tǒng)ALP的10秒的循環(huán)時間也使得2-3秒級別的極短脈沖和泵-清洗時間成為必要。如前所述，對于單晶片ALP來說，長于10秒的循環(huán)時間顯著地降低晶片處理量，因此不具有生產(chǎn)使用價值。為了取得短的脈沖和泵-清洗時間的需要，引入了另外的硬件和工藝復雜性，這包括下述各項·必須設計反應物和清洗氣體輸送系統(tǒng)，以便反應物和清洗氣體由輸送系統(tǒng)到反應器的運送時間比起脈沖持續(xù)時間大大縮短。通常，這能通過將氣體輸送系統(tǒng)置于靠近反應器室的地方而實現(xiàn)，從而最小化輸送管道的體積并使用載氣將反應物運輸?shù)绞摇?br> ·反應物氣體和清洗氣流組合物必須在幾分之秒(fraction ofsecond)的時間標度上，在關閉狀態(tài)和流量控制狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，以便在每一反應物脈沖中獲得穩(wěn)定的流量。這對于氣體反應物源是可以實現(xiàn)的，而對液體反應物源、遠程等離子體反應物源、和在若干秒的時間標度上做出反應的其他來源則更復雜些。對于這些來源，將流直接輸送到泵的前級管道中的分流管道可以被使用。然而，反應物在泵的前級管道中混和，從而導致顆粒形成的危險必須引起注意。此外，被分流到泵的前級管道中的反應物被浪費掉。
·流量組件諸如流量控制器和閥在關狀態(tài)和開狀態(tài)之間的反復快速循環(huán)會導致室中壓力爆發(fā)(pressure burst)，和流量組件中顆粒形成/釋放的增加，其不利地影響工藝的顆粒性能。此外，這些組件在關狀態(tài)和開狀態(tài)之間的恒定循環(huán)下的可靠性已證明是個大問題?！τ谝恍〢LP處理，諸如使用SiCl4/NH3的SiN，用于完全表面飽和的反應物暴露劑量超過100torr.s，即如果晶片上面的反應物的分壓是1托，需要100秒的暴露時間?？晒┻x擇的辦法是使用高分壓的反應物，例如每10秒為10托。這對于涉及液體源作為反應物的大部分場合是不適合的，因為液體源的蒸氣壓力不足以獲得期望的分壓。
在許多ALP工序中，活性副產(chǎn)物盡管以低濃度存在，其也能將反應引向相反的方向，導致原子層蝕刻。這是不利的，且必須被避免。該現(xiàn)象通常發(fā)生在產(chǎn)生HF或HCl作為反應副產(chǎn)物的ALP反應中。例如，在使用TiCl4和NH3的TiN的ALP中，HCl副產(chǎn)物能蝕刻已形成的TiN，除非存在有抑制逆反應的TiCl4低殘余背景壓力。在化合物半導體膜沉積期間，諸如使用Ga和As連續(xù)脈沖的GaAs膜，在Ga脈沖期間，As低分壓必須存在，以防止As從沉積膜中揮發(fā)掉。反應物的低分壓也可以對清洗步驟期間防止反應物脫附(desorb)是必要的。
ALP沉積溫度通常比對等的CVD溫度較低。這是因為所有表位的完全飽和是必要的，其發(fā)生在比用于對等的CVD工藝的溫度微低的溫度范圍內(nèi)。例如，TiN能在350-450℃下，使用ALP工序，從TiCl4/NH3沉積而得，而CVD工藝溫度為450-550℃。在低溫下操作的一個缺點是反應不能達到完全；這會導致非化學計量膜或具有高雜質(zhì)含量的膜。例如，在用非氯化前體沉積得到的膜中，殘留的氯污染通常是個問題。類似地，對于由有機前體沉積得到的膜來說，碳和氫污染是普遍存在的。自由基附助的ALP(Radical assisted ALP)已經(jīng)被用來改善這些問題，并獲得一定的成功，但是其暴露時間相當長，這延長了ALP循環(huán)的持續(xù)時間，降低了處理量。使用等離子體退火或等離子體增濃作用能加速處理，但是因為等離子體滲入膜的深度有限，雜質(zhì)的去除在整個膜厚度內(nèi)不均勻。而且，除了增強表面污染之外，將膜直接暴露于等離子體會對膜或下層器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生等離子誘發(fā)的損害。制造與ALP和等離子體處理相容的，具有良好等離子體均勻性的反應器室也是非凡的工程學任務。
概述本發(fā)明的目的是提供提高ALP工藝中的晶片處理量的方法和設備。
本發(fā)明的進一步的目的是增強ALP系統(tǒng)中晶片處理量，其通過利用并行晶片處理模式而實現(xiàn)，這樣，處理量比單晶片ALP反應器高，比傳統(tǒng)的單晶片CVD反應器更具有競爭性。
本發(fā)明的進一步的目的是提供改進的方法，用于隔離ALP系統(tǒng)輸送設備反應器室中的反應物，和與傳統(tǒng)反應器設計相容且不需要傳統(tǒng)ALP中所實施的泵—清洗步驟的反應器排出管道(reactor exhaust line)；從而使得ALP更可以被改善以適用更廣泛的反應物源、ALP反應化學、和反應器幾何學，而不增加反應器和氣體輸送復雜性。
本發(fā)明的進一步的目的是減少所需要的最小反應物暴露劑量，這通過增加襯底表面上的吸收/化學吸附速率而實現(xiàn)。
本發(fā)明的還有另一個的目的是抑制在ALP期間發(fā)生的逆反應，因而保持良好的膜完整性。
本發(fā)明的進一步的目的是增強原子層處理的晶片處理量，其通過利用并行晶片處理模式而實現(xiàn)，這樣，處理量比單晶片ALP反應器高，比傳統(tǒng)的單晶片CVD反應器更具有競爭性。
本發(fā)明的還有另一個的目的是提供通過利用快速熱輔助ALP(rapid thermal assisted ALP)來從ALP膜中除去雜質(zhì)而不會損害或增加表面雜質(zhì)的方法。
簡而言之，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式包括通過持續(xù)調(diào)節(jié)反應器中的氣流以獲得晶片上的逐層生長，來增加ALP處理量的方法。第一反應物以載氣的某一百分比被引入。第一時間間隔后，第一反應物流量降低，而同時載氣流量被增加，以維持近似恒定的總氣流。當?shù)谝环磻锪髁窟_到最小預先設定的數(shù)量時，第二反應物流被起動，并被增加，同時載氣流量被降低，以維持恒定的總氣流。該方法可替換性地包括引入增強反應物吸收和化學吸附的物質(zhì)，該物質(zhì)或者作為與表面反應的第一施加氣體，或者作為反應物的增加的配體。還可進一步選擇性地包括周期性快速熱退火以改善模性質(zhì)，并行晶片處理和反應物容器。
本發(fā)明的優(yōu)點是作為減少的反應物暴露劑量和暴露時間的結(jié)果，而減少了反應物的成本。
本發(fā)明進一步的優(yōu)點是它防止了逆反應的發(fā)生，逆反應引起不利的原子層蝕刻。
本發(fā)明進一步的優(yōu)點是它提供了增加晶片處理的處理量的方法和設備。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)ALP工序；圖2是顯示本發(fā)明實施方式中作為時間的函數(shù)的流量和壓力變化的曲線圖；
圖3是本發(fā)明ALP操作的流程圖；圖4是本發(fā)明氣流的可替代實施方式的曲線圖；圖5顯示與多晶片反應器結(jié)合的ALP氣體注射器的圖；圖6A顯示說明現(xiàn)有技術(shù)氣體輸送系統(tǒng)；圖6B是圖6A系統(tǒng)的ALP操作的流程圖；圖7A顯示說明本發(fā)明氣體輸送系統(tǒng)；圖7B是圖7A設備操作的流程圖；圖7C顯示圖7A輸送系統(tǒng)的一種形式，但可以適用于多通道注射器；圖8示出了與多晶片反應器結(jié)合的氣體輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有本發(fā)明反應物容器；圖9是多晶片反應器的透視圖；圖10是顯示使用化學吸附來增加ALP沉積速率的流程圖；圖11是增加使用化學吸附的沉積的替代方法的流程圖；圖12顯示ALP單晶片反應器；圖13示出快速熱退火的設備；圖14示出作為脈沖時間的函數(shù)的表面飽和度(surface saturation)圖15A是填充期間的室壓與時間的關系曲線；圖15B是利用反應物容器進行填充期間的室壓與時間的關系曲線，以及容器壓力與時間的關系曲線，和圖16是具有兩條曲線的曲線圖，顯示利用抽吸(曲線a)及利用抽吸和清洗(曲線b)來排出反應物的時間。
優(yōu)選實施方式的描述本發(fā)明原子層處理的方法的優(yōu)選實施方式現(xiàn)在將參照圖2的曲線圖進行解釋，圖2顯示了作為時間函數(shù)的反應物和載體壓載物氣體(carrier ballast gas)的流量。第一反應物氣體的流量由曲線10表示，第二反應物氣體由曲線12表示。壓載物/載氣的流量由曲線14表示，總氣體流量由曲線16表示。參照圖3的流程圖，原子層處理氣流的方法參照圖3的流程進一步得到描述，圖3的曲線圖用于描述圖2中的流量。載氣由線14(圖2)表示，其被注入并維持在持續(xù)流速(方框18)。然后根據(jù)預先設定的流量調(diào)節(jié)恒值線(modulation contour)，在如圖2項目20中所表示和方框22所示的第一時間段中，注入第一反應物氣體(線10，圖2)。圖2和4中所示的該調(diào)節(jié)恒值線是梯形。本發(fā)明也包括其他恒值線，諸如正弦曲線等。當?shù)谝环磻锪髁勘粶p少到方框26中所示的水平24時，第二反應物被引入，如圖2線12所示，引入時間為第二時間段28(圖2)，如圖3方框28所示。
第二階段28期滿之后，第二反應物被停止并被最小化(方框32)，且第一反應物再次被增加。如果反應物2具有氣體源，且反應物2的開/關控制是直接的，第二反應物可以被停止而不是被最小化。該循環(huán)的重復顯示于圖2，由圖3中的回線(return line)34表示。圖2和3中顯示說明的方法，與圖1中常規(guī)顯示的現(xiàn)有技術(shù)具有顯著的不同，在圖1中，第一和第二反應物之間被明顯地隔離開來?，F(xiàn)有技術(shù)方法注入清洗氣體，以便在該分離期間及時地沖洗掉反應物氣體，和/或排空反應物室，以除去反應物氣體。圖4顯示了本發(fā)明方法的替代實施方式，其中，在由第一反應物氣體41向第二反應物氣體43轉(zhuǎn)變過程中，總氣流42比起圖2顯示的更加保持恒定，這通過增加載氣線38的峰面積36所示的載氣而實現(xiàn)，載氣線38與反應物氣流41的峰谷(dip)40同時發(fā)生。本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)的不同處在于不使用清洗或排空步驟。圖2-4方法的優(yōu)點是，對于特定持續(xù)時間的ALD循環(huán)來說，每一反應物的有效暴露劑量被增加，這是因為它不必等待清洗或排空?？商娲?，每一反應物的暴露時間可以被減少，這減少了沉積一定量的原子層所需要的時間。
本發(fā)明的方法圖示于圖2、3、4，其描述了從第一到第二反應物的氣流調(diào)節(jié)。本發(fā)明也包括任何數(shù)量的反應物，例如從第一到第二，然后到第三反應物的調(diào)節(jié)等。
上面參考圖2-4所述的，由一種反應物到另一種反應物的反應物流量的持續(xù)調(diào)節(jié)的方法，大大地增加了ALP系統(tǒng)中襯底/晶片處理量。本發(fā)明也包括與附加的方法要素和設備結(jié)合的參考圖2、3和4所描述的方法。圖5顯示了反應器44和氣體注射設備46的結(jié)合，用于參考圖2-4所述的ALP方法操作。在該圖中，兩種氣體通過共同的氣體注射器入口47進入反應器。通過獨立的氣體注射器，諸如通過多通道(multi-plenum)注射器，注入兩種反應物，來改善反應物之間的空間隔離是有利的。多通道注射器描述于序列號為10/216,079的美國專利申請中，其內(nèi)容通過以參考形式并入本公開內(nèi)容。反應器44詳細描述于序列號為08/909,461的美國專利中，其內(nèi)容通過參考形式并入本公開內(nèi)容。在反應器44中同時處理多個晶片顯著地增加了晶片處理量。作為替代的實施方式，本發(fā)明的方法和設備包括反應物容器，用于提供增加的反應物供應。另外可選擇的實施方式包括每一預先設定數(shù)量的循環(huán)后，進行快速熱退火的方法和設備。快速熱退火改善了在本發(fā)明方法和設備提供的高晶片處理量中的膜質(zhì)量。該反應物容器圖示于圖8，適用于具有多晶片反應器的ALP。該容器也能與本發(fā)明的單晶片反應器一起使用?？焖贌嵬嘶鹈枋鲇趫D3方框48中，作為可選擇的實施方式，如虛線49所示。調(diào)節(jié)氣流的方法和設備、ALP多晶片反應器、反應物容器和快速熱退火的詳細描述將在說明書下文和附圖中描述。
參考圖2-4所述的流量和壓力的調(diào)節(jié)現(xiàn)將更詳細地被描述。如上面所解釋的，在現(xiàn)有技術(shù)ALP中所實施的泵-清洗步驟已被去除。取而代之的是，反應物流量和壓力由一種反應物直接到另一種反應物被周期地調(diào)節(jié)。如圖2中項目24所示，反應物的流量和壓力被下降到任意低的值，而不是完全關閉。如前所述，當其他前體被引入時，一種前體的允許的殘余水平取決于工藝操作。確定一種前體允許殘余水平的標準是寄生CVD對總沉積速率的貢獻。對ALP工藝來說，盡管如果膜性質(zhì)、均勻性和臺階覆蓋不受損害的話，可以經(jīng)受更高的值，但是寄生CVD對總沉積速率的貢獻通常應該小于10％。事實上，寄生CVD可以被用于增強其他緩慢ALP工藝的沉積速率。這被稱為分子CVD。相比起ALP，分子CVD增強沉積速率，但依然獲得相對良好的臺階覆蓋、膜均勻性和良好的膜性質(zhì)。對某些工藝來說，CVD對總沉積速率的貢獻必須小于1％，以避免顆粒產(chǎn)生氣相反應。而且，ALP期間前體相互完全隔離是不必要的，且在一些情況下，也可能是不利的。一些寄生CVD能防止不利逆反應的發(fā)生，不利逆反應會蝕刻正在被沉積的膜。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)ALP中的不連續(xù)的清洗步驟沒有工藝益處，并只能用于將反應物相互隔離開來，現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中形成并堅決地持有這種觀點。許多流量和壓力調(diào)制波形(如正方形、三角形、梯形、正弦曲線、指數(shù)形等)能被獨立使用或組合使用。本發(fā)明的梯形波形顯示于圖2和4。如上所述，載氣流量分別以圖2和4中的線14和38表示，通常有必要縮短由反應物輸送系統(tǒng)到反應器室的氣流運送時間。載氣流速也控制反應物在室中的滯留時間。此外，載氣稀釋前體，從而減少在輸送管中濃縮的可能性。在圖2所示的方法中，當反應物流由一種反應物轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N反應物時，通過室的總流速下降。在這轉(zhuǎn)變中，增加載氣流量來作為氣體壓載物(ballast)能補償該下降，從而產(chǎn)生更恒定的總流速。其對ALP規(guī)程的進一步改進顯示于圖4項36中。
在圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)ALP工序中，不連續(xù)的反應物脈沖和抽吸/清洗步驟被包括其中。比起現(xiàn)有技術(shù)的反應物和惰性清洗氣體的不連續(xù)脈沖，本發(fā)明的ALP規(guī)程提供許多優(yōu)點?，F(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)需要具有分流管道的氣體輸送系統(tǒng)，以當特定的反應物不被送入反應物室時，將反應物流轉(zhuǎn)向泵的前級管道。本發(fā)明免除了對分流管道的需要，并且因而避免了反應物在泵前級管道中混和的問題。這將在說明書下文中進行更成分地描述。本發(fā)明的其他優(yōu)點是，不需要現(xiàn)有技術(shù)所需要的閥和流量控制組件的快速循環(huán)，這是因為調(diào)節(jié)流量的時問標度比現(xiàn)有技術(shù)ALP循環(huán)長。這使得ALP規(guī)程與各種反應物源相兼容，包括升華了的固體、液體和遠程等離子體。在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中，反應物脈沖和清洗時間可以短至0.5-1秒，以便縮短ALP循環(huán)的持續(xù)時間。通過持續(xù)的流量調(diào)節(jié)，反應物的脈沖時間能被加倍，而不增加ALP循環(huán)總持續(xù)時間。
在現(xiàn)有技術(shù)中，氣體組件和氣體閥的快速循環(huán)可能導致壓力爆發(fā)(pressure burst)。壓力爆發(fā)常常使弱粘附的顆粒松脫而進入氣流(gasstream)，從而污染晶片。本發(fā)明平穩(wěn)的流量調(diào)節(jié)消除了或至少最小化了壓力爆發(fā)。現(xiàn)有技術(shù)氣體閥的快速循環(huán)還能增加閥中相當大的顆粒形成，對暴露于高活性或具有低蒸氣壓的反應物的閥尤其如此。本發(fā)明的流量調(diào)節(jié)方法也允許在所有部分的循環(huán)中維持任意低的反應物濃度，以最小化不利的逆反應。在圖2和4中，低殘余流量的反應物1在循環(huán)中始終存在。在大部分情況下，當反應物1正在流動時，低殘余水平的反應物2也是允許的。
在本發(fā)明的方法中，晶片表面暴露于反應物的有效暴露時間增加，而不增加ALP循環(huán)的持續(xù)時間。這可以通過比較圖1和2被看到。對于具有固定持續(xù)時間的ALP循環(huán)來說，在圖2中晶片表面暴露于任一反應物的有效暴露時間是圖1中的值的兩倍，這是因為不連續(xù)的惰性氣體清洗步驟被消除。只會增加處理時間的現(xiàn)有技術(shù)的不連續(xù)的排出和惰性氣體清洗步驟已經(jīng)被消除。
圖6A是現(xiàn)有技術(shù)反應物氣體輸送系統(tǒng)的簡化示意圖，圖7A是本發(fā)明的反應物氣體輸送系統(tǒng)的簡化示意圖。只有主要的組件被顯示。實際的系統(tǒng)包括更多的組件，諸如附加的閥、過濾器等，以便使得輸送系統(tǒng)更強大且可維持性高。標有“控制”的框是流量控制器?？刂破鞯念愋桶ㄙ|(zhì)量流量控制器(mass flow controller)，用于高壓氣體源，基于壓力的流量控制器(pressure based flow controller)， 用于低蒸氣壓氣體源，和液體質(zhì)量流量控制器和蒸發(fā)器的組合，用于液體源。質(zhì)量流量控制器、擴散器(bubbler)和溫度控制器的組合可以被用于固體源和液體源。圖6A的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)48提供了反應物和惰性清洗氣體的交替脈沖。通常，當62、64、66到控制器68、70、72的控制信號保持在它們的設定點值時，輸送閥50、52、54和分流閥56、58、60在開/關之間轉(zhuǎn)換，以將反應物脈沖輸送給反應器。輸送閥50、52、54顯示與主流通道74串連，而分流閥56、58、60與分流管道76、78、80串連安裝，分流管道76、78、80被連接到泵的前級管道(未顯示)。
圖7A顯示了本發(fā)明改進的ALP規(guī)程的反應物輸送系統(tǒng)82，其使用連續(xù)調(diào)制的流量和壓力信號而不是開/關信號。請注意，除了單個分流管道84外，圖6中的分流管道76、78、80已被免除，管道84可以被用于排出流量控制器92、94、96下游的氣體輸送管道86、88、90。在這兒，分流管道84被用作泵出管道(pump out line)而不是傳統(tǒng)意義上的分流管道。該系統(tǒng)的操作相當不同于圖6A中的系統(tǒng)。在操作中，輸送閥100可以保持敞開，且分流閥104可以保持關閉。因此，閥在開/關狀態(tài)之間的快速循環(huán)被避免。預先設定的波形被提供給每個流量控制器92、94、96，以便能獲得圖2中的反應物和載體/壓載物流量。實際上，對于更快的反應，控制器92、94、96的106、108和109處的控制信號能直接提供給每一流量控制器的控制閥。質(zhì)量流量控制器整合了內(nèi)部流量感應器件(internal flow sensing device)和PID控制環(huán)(control loop)—其調(diào)節(jié)內(nèi)部控制閥的位置，以獲得響應外部提供的流量給定值的期望的流量。由于內(nèi)部流量傳感器的應答時間通常是1-2秒，質(zhì)量流量控制器不能在短于幾秒鐘的時間內(nèi)，對設定值的變換作出應答。對于持續(xù)的流量調(diào)節(jié)，質(zhì)量流量控制器的應答時間必須被降低。給質(zhì)量流量控制器提供的不是持續(xù)變化的設定點值，可以向內(nèi)部控制閥直接施加緩慢變化的信號，以調(diào)節(jié)流量。以這種方式，質(zhì)量流量控制器固有的緩慢的應答時間可以被克服。以這種方式，相比起用于現(xiàn)有技術(shù)ALP工序的輸送系統(tǒng)，反應物輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作被大大簡化。使用圖6A的系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)四步驟ALP工序的更詳細的描述在圖6B的流程圖的方框59-65中給出。這些步驟被重復多次，以沉積期望的膜厚度，如回線67所示。
相比起圖6B，使用圖7A所示設備的本發(fā)明的ALP工序僅由兩步組成，如圖7B方框81和83中描述的組件的開/關轉(zhuǎn)換被減少。這些步驟被重復，以獲得期望的膜厚度，如回線85所示。
顯示于7A中的，但適用于多通道注射器的輸送系統(tǒng)的一種實施方式顯示于圖7C。圖7C實施方式的反應物1和反應物2通過獨立的出口(output)87和89，由圖7C的系統(tǒng)輸出，以便通過獨立的通道1和2(未顯示)經(jīng)由獨立的注射器輸入室中。
使用反應物容器的另一可替代反應物輸送系統(tǒng)顯示于圖8。第一和第二反應物源112和114提供蒸氣116、118，以當相應的控制閥124和126不能與源112和114產(chǎn)生反應物蒸氣一樣快的速度提供流量給反應器128時，裝載容器120和122。如上所解釋的，控制器124和126不象現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)那樣，完全切斷反應物。根據(jù)圖2和4的方法，反應物容器依據(jù)控制器124、126所提供的控制器/閥的開放度，供應反應物—蒸氣給室130。載體源控制器(carrier source controller)131也可以被調(diào)節(jié)，以維持更為恒定的氣流，如上參考圖4所述。當反應物由容器流入室時，容器被耗空，因而降低了上游氣體壓力?？刂破?24和126必須補償上游壓力的降低，以獲得進入室的所期望的反應物流速。在ALP循環(huán)中，只有一種反應物以基本速率(substantial rate)流動，而第二反應物以大大降低的流速流入室。當一種反應物流入到室的流速降低時，相應的反應物容器被重新補充。反應物容器的體積應進行選擇，以便容納足夠的反應物用于反應物供應步驟。
該反應物容器提供比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)較大供應量的反應物。經(jīng)常地，在現(xiàn)有技術(shù)中，能被輸送到室中的最大反應物流量受到反應物性質(zhì)的限制。通常具有低蒸氣壓和不易揮發(fā)的液體或固體反應物源尤其這樣。例如，考慮在現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中能以最大流速10sccm被輸送的反應物，因為蒸發(fā)器只能揮發(fā)10sccm的反應物。在這種情況下，用該反應物來充滿1升的反應器室至1托所需的時間約為8秒。作為比較，例如，如果本發(fā)明的反應物容器裝載10托-1的反應物蒸氣(如4升容器裝載至1.5托)，當容器排放入室時，1升的反應器室?guī)缀跛?間被充滿至1脫。該改進對并行晶片處理反應器特別有利，并行晶片處理反應器的室體積超過單晶片室約一數(shù)量級。在不存在反應物容器時，來自反應物源的反應物流量將必須比單晶片ALP反應器的值高一個數(shù)量級。反應物容器不需要這些來自反應物源的高反應物流量。沒有反應物容器或其他容納蒸發(fā)的反應物蒸氣的方法的情況下，如果輸送閥被關閉，下游壓力將到達難以接受的高水平?，F(xiàn)有技術(shù)圖6A顯示了分流閥56-60和管道76-80，用于當與每一氣體相應的分流閥50-54被關閉時，將過量蒸氣分流到泵或也就是泵的前級管道。再次參看本發(fā)明圖8，取代將流量分流入前級管道，該流量被積聚在反應物容器中，從而裝載反應物容器。在典型的由四步驟組成的現(xiàn)有技術(shù)ALP工序中，在約25％的ALP循環(huán)期間，反應物流入室中。因為這個原因，在75％的ALP循環(huán)期間，反應物被轉(zhuǎn)換入泵的前級管道，且實質(zhì)上被浪費掉。將前體分流入泵的前級管道會有一些難以預料的后果，諸如顆粒的產(chǎn)生。在傳統(tǒng)ALP工序中，當一種反應物被分流時，另一種反應物被引入室并因此被引入前級管道。因此，兩種反應物在泵的前級管道中混和，這可能形成顆粒。用本發(fā)明的反應物容器，反應物或者流入室130或者被積聚在反應物容器中。反應物容器的內(nèi)含物被周期性充入反應器室130中，從而釋放了容器中的壓力。用這種方式，反應物的浪費被減少，在泵的前級管道中的顆粒形成被避免。
用于ALP處理的圖8的多晶片反應器128的優(yōu)選實施方式顯示于圖9，其以橫截面示意圖顯示出內(nèi)部部分。參考美國專利10/216,079的圖27和28，該反應器被詳細描述，該美國專利的全部內(nèi)容以參考形式被包括于本公開內(nèi)容中。圖9的多晶片反應器的室被設計成小尺寸體積，其符合成功的ALP循環(huán)的需要。非常普普遍地，圖9的反應器包括多晶片舟皿(boat)133、氣體入口135、排出裝置137、加熱器139和兩個附加的口141、143，其可以用作清洗注射器口(cleaninginjector port)和熱電偶口(thermocouple port)。每一個加熱器和口在溫度上受到控制器145的控制。圖9中反應器的布置最小化了室內(nèi)體積，按如上所述，這是重要的特征，以便能恰當?shù)乜刂茪饬鳌?br> 氣體輸送系統(tǒng)，諸如圖8中的系統(tǒng)132，必須被設計成支持特定的應用。在氣體輸送系統(tǒng)中的組件是獨立應用的。圖8顯示了兩種反應物源112和114和一種載體源119，但本發(fā)明包括沉積特定的膜所需要的任何數(shù)量地反應物源。例如，為了沉積納米疊層的AlOx/HfOx膜，輸送系統(tǒng)包括一種或多種液體反應物源(例如三甲基鋁、Hf-t-丁醇鹽和水)，一種或多種氣體反應物(例如氧、臭氧、一氧化二氮、氨等)，和自由基源(例如氫、氧或一氧化二氮遠程等離子體，有或無載體如Ar)。安置氣體輸送系統(tǒng)，以便從每種反應物源到反應物室的反應物氣體運送時間達到2秒以下。圖9的反應器能與上面參考圖6A描述的現(xiàn)有技術(shù)氣體輸送系統(tǒng)一起使用，該組合認為是新穎的，并改善ALP處理速度。圖9的反應器也能與如圖8顯示的反應器容器結(jié)合使用。更優(yōu)選地，圖9的反應器能與本發(fā)明的氣體輸送系統(tǒng)一起使用，以調(diào)節(jié)參照圖2-4中描述的氣流。改進的輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以參考圖7來描述，且還可以包括參考圖8描述的反應物容器。
圖9的室參考美國專利10/216,079的圖被詳細描述。圖9的室并入本發(fā)明的ALP處理是對現(xiàn)有技術(shù)的改進，因為低的室體積能改善對反應物流量的控制，并因而使得室內(nèi)反應物更快速的變化，從而最小化ALP循環(huán)和最大化反應物的利用。通過減小晶片間間隔及舟皿和周圍室表面之間的間隙，圖9的室中每個晶片的有效室體積被減少。氣體注射器口(gas injector port)、排出裝置口、清洗注射器口和熱電偶口構(gòu)成周圍室表面?？商娲?，圖9中的反應器可以包括隔熱屏，其與舟皿靠近并間隔開一定距離，也如描述于美國專利10/216,079中的那樣。ALP處理溫度通常在300-550℃范圍內(nèi)，因此舟皿和周圍室表面之間的間隙能被減小，而不會過度加熱注射器口、排出裝置口、清洗注射器口和熱電偶口，其溫度受到控制，如美國專利10/216,079中所解釋的那樣。這樣，每個晶片的無關體積能被降低至每一晶片對的晶片間體積的25％。有了這些改進，20-30秒的典型的ALP循環(huán)能容易地達到，其轉(zhuǎn)化為2-3/分鐘的沉積速率。本發(fā)明具有改善的調(diào)節(jié)的流量的并行晶片處理器/反應器能在同一時間處理最高達25個晶片。該處理一般包括10分鐘的晶片裝載/卸載，和10分鐘架空(overhead)時間用于穩(wěn)定晶片溫度?？偝掷m(xù)時間因此是處理時間加上架空時間的20分鐘。以20分鐘的架空時間，30膜的處理量每小時約40晶片(wph)，100膜的處理量每小時約20晶片(wph)。將之與使用現(xiàn)有技術(shù)單晶片ALP的膜沉積的30膜10wph和100膜4wph的處理量相比，用這種方法能容易地產(chǎn)生5倍的改進。
對于ALP，利用每一反應物對晶片表面的完全飽和，對良好的膜均勻性、良好的臺階覆蓋和良好的膜性質(zhì)是必要的。表面飽和的程度主要取決于晶片暴露于反應物的時間(脈沖時間)，如圖14所示。表面飽和也受到反應化學的影響。一些反應物吸收非?？焖?圖14中的曲線a)。更經(jīng)常地，飽和進行緩慢(圖14中的曲線b)，曲線(c)顯示了利用隨時間分解的反應物的飽和，曲線(d)顯示了利用能脫附的反應物的飽和。
在所有的情況下，用每一反應物盡可能快地充滿反應器，能在最短的時間里獲得表面飽和。如果用反應物充滿反應器的時間太長的話，反應物容易分解或脫附一段時間(圖14中的曲線c和d)，因為在第二反應物被引入之前，該反應物已經(jīng)分解或脫附，ALP就不能進行。長的反應器充滿時間對較大體積的室是個嚴重的問題。盡可能的減小室體積是至關重要的。反應物容器部分地緩解了大體積的室所需要的較長的充滿時間。圖15A顯示了92升的并行晶片處理反應器的充滿時間，如果穩(wěn)定流量的1slm N2被使用的話。充滿時間約5秒被規(guī)定為達到可能具有給定供應參數(shù)的最大室壓的期望百分比所需要的時間。如果取而代之，使用裝載至300托-升(90托×3.5升)的本發(fā)明反應物容器，160升室的充滿時間被縮短至＜2秒，如圖15B所示。圖15B也顯示了當室被充滿時，容器壓力的降低。如果室體積被減小至45升的話——其對于設計用于同時處理25個晶片的圖9的并行晶片處理反應器是可以做得到的，反應器充滿時間將接近1秒。因此，通過使用反應物容器，實現(xiàn)了反應器充滿時間的顯著縮短。
單晶片ALP反應器使用抽吸組合，而同時從反應器室清洗排出反應物，這是因為比起單獨抽吸，其更具時間效率。這是因為它花費幾秒時間由充分關閉位置打開室壓控制閥(即節(jié)流閥)。作為比較，氣壓閥能在幾分之秒內(nèi)的時間內(nèi)被打開和關閉。然而，對于圖9中顯示的并行晶片處理反應器——其具有高傳導性排出口(high conductanceexhaust port)和比起單晶片ALP反應器明顯更大的室體積，單獨抽吸而不是同時清洗能在較短的時間里充分地排出反應物。圖16曲線“a”顯示，將室壓降低到比開始壓力低2個數(shù)量級的抽吸時間約2-3秒；兩曲線(a和b)代表類似起始和最終條件的實驗操作數(shù)據(jù)。圖16曲線“b”顯示，如果抽吸和清洗同時被使用的話，需要明顯更長的時間來獲得反應物分壓的同樣水平的降低。
本發(fā)明的目的是增強原子層沉積的晶片處理量，通過實施增加化學吸附速率的方法，本發(fā)明的目的可以獲得進一步促進。
對反應物脈沖時間的基本較低極限(fundamental lower limit)是在特定溫度下獲得完全表面飽和的反應物暴露劑量。通常地，選擇溫度以最大化反應物覆蓋率和確保化學吸附的反應物和氣相反應物之間的表面反應完全進行，從而產(chǎn)生具有低雜質(zhì)含量的化學計量膜。對于一些反應物暴露劑量，超過100托對于完全飽和是所需要的，但其不利地影響了工藝的工業(yè)壽命。圖10顯示結(jié)合了增加ALD工藝化學吸附速率的一種方法。由方框134和136代表的一系列的反應物之后——但其根據(jù)選擇的沉積可以是任何數(shù)量的反應物——將試劑注入室，試劑與正在被處理的晶片的表面發(fā)生反應(方框138)。該循環(huán)然后被重復，如回線140所示。ALP循環(huán)能夠由方框138開始，以在注入第一反應物之前預處理表面。
表面化學吸附速率取決于反應物在晶片表面上的粘附系數(shù)(sticking coefficient)。高粘附系數(shù)導致高化學吸附速率。襯底的表面鍵合影響粘附系數(shù)。通常，羥基化的(OH)或C-H鍵合的表面改善粘著系數(shù)。通過在ALP工序引入方框138所示的試劑，表面鍵合可以被改變到期望的高活性，而該引入的試劑與表面發(fā)生反應。在閱讀本公開內(nèi)容之后，用于此目的的試劑的例子對本領域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。例如，水蒸氣能充當試劑來羥基化晶片表面。該工藝能被用于SiN的ALP，因為SiCl4和Si2Cl6在SiN表面具有低粘附系數(shù)，但在羥基化的表面上具有相當高的粘附系數(shù)。有機試劑諸如乙醇、路易斯堿和碳氫化合物可以類似地進行作用。試劑的選擇由粘附系數(shù)和引入的殘余膜污染的改善決定。例如，當H2O被用于在每一ALP循環(huán)終止時羥基化SiN表面時，膜中的氧雜質(zhì)水平可能會增加。
圖11顯示了在ALD工藝中增加化學吸附的另一方法。根據(jù)圖11，通過加入活性配體到基本反應物(base reactant)來促進化學吸附，表面化學吸附速率被提高(方框142和144)。例如，在使用SiCl4的ALPSiN情況下，一種和多種有機配體被加入到基本反應物。有機配體與沉積的膜中的殘余碳污染物結(jié)合，并促進化學吸附?？梢员患尤氲交痉磻锏钠渌镔|(zhì)包括許多氯化烷基硅烷，其比起氯化硅烷具有更高的化學吸附速率，尤其在具有微量摻入碳的表面上。對該方法的折衷類似于先前的方法。膜中的雜質(zhì)水平可能較高。微量的某些雜質(zhì)是可以被接受的，在一些情況下，其增強膜的性質(zhì)。相比起用無碳的無機反應物沉積的膜，用摻入微量碳雜質(zhì)的有機前體沉積的SiN膜被發(fā)現(xiàn)具有更低的漏電性。用于SiN和SiO2的ALD的氯化硅源(chlorinatedsilicon sources)的另一選擇是用較重的鹵素(heavier halogen)取代一個和多個氯原子。例如，四溴化硅或四碘化硅可以與NH3一起使用，以沉積SiN。這兩種前體都具有較低的揮發(fā)性，并因此相比起氯化形式，對晶片表面具有具有較高的粘附系數(shù)。由氯化硅到四溴化硅或四碘化硅的轉(zhuǎn)換的另一優(yōu)點是，硅-鹵素鍵較弱，因此ALP能在較低的溫度下進行。低溫通常有利于高粘附系數(shù)，其轉(zhuǎn)化成高表面飽和作用。
增加化學吸附的還有一個選擇是將配體加到一種試劑中，該試劑有目的地在膜中引入一些污染物。該污染物增加對其他配體的化學吸附速率。例如，氮源諸如烷基胺、烷基肼等，在沉積的膜中留下一些C-H污染物，其增加ALD SiN期間的硅源的化學吸附速率。
通過在生長期間，周期性對膜進行退火，本發(fā)明方法被進一步增強。換句話說，不是在整個膜沉積之后對膜進行退火，本發(fā)明是在生長期間周期性對膜進行退火，以便膜在整個厚度內(nèi)被均勻地退火。參考現(xiàn)有技術(shù)方法，通過CVD沉積的膜通常在高于沉積溫度下，在各種環(huán)境中(N2、AR、H2、O2、N2O和這些氣體的混和物)進行退火，以改善膜性質(zhì)，諸如密度、電缺陷密度(electrical defect density)、絕緣特性、應力、熱穩(wěn)定性等。ALP膜在相比起CVD在較低的溫度下被沉積，并也能從退火中獲得益處。應用于本發(fā)明的ALP工藝的快速熱退火提供了對膜進行周期性的退火；例如，優(yōu)選每5-50循環(huán)進行退火。
用于完成ALP處理中的快速熱退火的設備圖示于圖12和13。圖12顯示了單晶片反應器146。待處理的晶片148被設置于上基座150和下基座152之間。反應器室154必須被最小化，以便在ALP處理中有效。通常用于CVD系統(tǒng)的大室體積不適用于ALP，這是由于需要室反應物的快速變化的緣故，如上所述。根據(jù)本發(fā)明，總室氣體體積與圖12構(gòu)造或類似反應器的基座之間的體積之比應該小于3，優(yōu)選小于1.5。上面描述的美國專利10/216,079中描述的多晶片室適用于ALP和快速熱退火，這是由于可以停留氣體的室總體積與基座之間的體積的比率低的緣故。
在圖12的反應器中，通過對基座150和152施加或多或少的來自燈(lamp)156的熱量，晶片的溫度被快速地升高或降低。同時，退火氣體被注入以退火膜。類似的反應器被圖示于美國專利10/216,079的圖10中。圖13顯示了快速升高或降低晶片158溫度的替代方法。晶片158被支撐于銷或桿160上，銷160通過底基座162中的間隙孔(clearance holes)。設備164被設計用來提升和降低晶片158。頂基座166被加熱器168加熱到第一溫度，然后底基座162被加熱器170加熱到第二溫度。
在操作中，例如，頂基座166可以被加熱到較高的溫度，底基座被加熱到較低溫度。設備164然后被用來將晶片朝在上的頂基座166的方向提升，以提高晶片溫度，進行退火，并將晶片朝基座162的方向降低，以得到ALP沉積所需要的較低的溫度。
總之，改進的設計包括利用一對基座的反應器，該基座包封晶片。使用基座來加熱晶片具有若干優(yōu)點?；g的空間是等溫環(huán)境，從而產(chǎn)生優(yōu)異的晶片溫度均勻性。當冷晶片被置于熱基座之間時，基座快速將晶片由室溫加熱到工藝溫度?；纬上到y(tǒng)熱質(zhì)量(thermalmass)，基座間間隙限定了從注射器到排出口的流動傳導性(flowconductance)。該布置使得待處理的多晶片尺寸具有同樣的工藝處理配方(recipe)，因為系統(tǒng)的熱質(zhì)量和通過基座的流動傳導性獨立于晶片尺寸。如美國專利10/216,079所述，如果晶片的直徑比基座的直徑足夠小，基座空間先于晶片界定熱邊界層(thermal boundary layer)。當反應物氣體由基座邊起始，橫穿熱邊界層時，在它達到晶片邊緣之前被預先加熱。因此在氣流到達晶片邊緣之前，流量和氣體溫度被完全建立起來，從而導致反應物以均勻且加熱的狀態(tài)被供應給晶片表面。作為例子，該預先加熱對于均勻沉積高質(zhì)量的氮化硅是必要的。
對于快速熱輔助ALP，基座的使用提供了額外的優(yōu)點。相比起具有較大體積和不具有基座的現(xiàn)有技術(shù)的室，被暴露于工藝氣體的有效室體積被大大地減少。
盡管本發(fā)明以上參照具體的實施方式被描述，可以期望的是對本發(fā)明的改變和修飾對本領域技術(shù)人員來說無疑是顯而易見的。因此目的是，以覆蓋所有此種改變和修改的方式進行解釋的下述權(quán)利要求書落在本發(fā)明的真實的發(fā)明精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種材料沉積的方法，包括通過原子層處理在至少一個襯底上沉積所述材料，包括，將一系列氣體順序地注入到反應物室中，而不在注入另一種氣體之前從所述室中清洗掉一種氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每一所述氣體包括反應物氣體和惰性載氣的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二注入的所述氣體包括在先注入的第一氣體的減少的流量。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氣體包括第一激活氣體，所述第一激活氣體在注入包括反應物氣體的氣體之前，激活所述襯底上的表面位置。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述系列的氣體的數(shù)量足以沉積期望厚度的所述材料。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第一激活氣體用于增加所述襯底上的反應物的吸收和化學吸附速率。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，每一組的注射物中的至少一種氣體包括配體，所述配體增強所述襯底上的反應物的吸收和化學吸附速率
8.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括在每一預先設定數(shù)目的所述氣體被注入后，將所述至少一個襯底進行快速熱退火。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述反應器包括a)舟皿，用于容納多個所述襯底；b)第一多個加熱器部分，其間隔開置于所述舟皿的周圍；和c)第二多個溫度受控制的區(qū)域，其中每一區(qū)域位于兩加熱器部分之間。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述區(qū)域包括溫度受控制的氣體注射器，其設置有注射器板，用于提供通過每一所述襯底上的濃縮的氣流。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述區(qū)域包括溫度受控制的氣體排出裝置，其遠離所述注射器并與所述舟皿相對設置，用于吸引或牽引所述氣體通過每一所述襯底。
12.一種材料沉積的方法，包括；通過原子層處理將所述材料沉積于至少一個襯底上，包括將多種反應物氣體注入沉積室中，其中在注入其中一種所述反應物氣體轉(zhuǎn)換為注入另一所述反應物氣體期間，氣流持續(xù)包括至少一種所述反應物氣體。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述室是單晶片室。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述室是多晶片室。
15.一種在反應器室中進行的原子層沉積方法，其中，所述室是多晶片室。
16.一種在反應器室中進行的原子層沉積方法，其中，多種反應物氣體被注入到所述室中，和其中，每一種所述反應物氣體從專門的反應物容器注入，因此，所述反應物在泵的前級管道中被混和，前體輸送系統(tǒng)的循環(huán)被最小化。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括在每一預先設定數(shù)目的組的注入后，將所述襯底進行快速熱退火。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在每一預先設定數(shù)目的組的注入后，將所述襯底進行快速熱退火。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在每一預先設定數(shù)目的組的注入后，將所述襯底進行快速熱退火。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所注入的氣體包括至少一種反應物氣體，和與所述襯底的表面反應以增加化學吸附速率的試劑。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述氣體包括至少一種反應物氣體，和與所述襯底的表面反應以增加化學吸附速率的試劑。
全文摘要
簡單地增加ALP的方法，本發(fā)明的優(yōu)選實施方式包括增加ALP處理量的方法，該方法通過持續(xù)調(diào)節(jié)反應器中的氣流，以獲得晶片上的逐層生長而實現(xiàn)。第一反應物以載氣的某一百分比被引入。第一時間間隔之后，第一反應物流量被降低，而載氣流量被增加，以維持近似恒定的總氣流。當?shù)谝环磻锪髁窟_到最小預先設定的數(shù)量時，第二反應物流被起動，并被增加，同時載氣流量被降低，以維持恒定的總氣流。該方法可替換性地包括增強反應物吸收和化學吸附的物質(zhì)，該物質(zhì)或者作為與表面反應的第一施加氣體，或者作為反應物的附加的配體。還可進一步可替換性地包括周期性快速熱退火以改善模性質(zhì)，并行晶片處理和反應物容器。
文檔編號H01L21/318GK1735709SQ200480002115
公開日2006年2月15日 申請日期2004年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月13日
發(fā)明者A·帕朗基普 申請人:應用材料有限公司