[發明專利]用于在低溫ALD系統中的穩定沉積率控制的方法和裝置

在審

• 申請號: 201510519683.6
• 申請日: 2015-08-21
• 公開（公告）號: CN105386012A
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發明（設計）人: 克洛伊·巴爾達賽羅尼;阿德里安·拉沃伊;康胡;錢俊;普魯肖坦·庫馬爾;安德魯·杜瓦爾;科迪·巴奈特;穆罕默德·薩布里;拉梅什·錢德拉塞卡拉;卡爾·利瑟;大衛·C·史密斯;塞沙薩綺·瓦拉達拉簡;艾德蒙·B·明歇爾
• 申請（專利權）人: 朗姆研究公司
• 主分類號: C23C16/52
• 分類號: C23C16/52
• 代理公司: 上海勝康律師事務所 31263
• 代理人: 樊英如;李獻忠

技術領域

本發明總體上涉及半導體處理領域，更具體地涉及用于在低溫ALD系統中的穩定沉積率控制的方法和裝置。

背景技術

在半導體行業中，隨著器件和特征尺寸不斷變小，并且隨著三維器件結構(例如，英特爾公司的三柵極晶體管架構)在集成電路(IC)設計中變得越來越普遍，沉積薄的保形膜(具有均勻厚度的與下伏結構的形狀相對應的材料膜，即使下伏結構不平坦也如此)的能力將繼續得到重視。原子層沉積(ALD)是非常適合于沉積保形膜的一種膜形成技術，原因在于以下事實：單個循環ALD僅沉積單一的薄的材料層，其厚度受限于在成膜的化學反應本身之前可吸附到襯底表面上的一種或多種膜前體反應物的量(即，形成吸附受限層)。然后可以使用多個“ALD循環”來制成期望厚度的膜，由于每一層是薄的且是保形的，因此，所得到的膜與下伏的設備結構的形狀基本一致。

但是，存在與ALD工藝相關聯的許多挑戰。通常這些挑戰必須解決以下事實：每個ALD循環只沉積薄的吸附受限層，所以需要許多的ALD循環來制成顯著厚度的膜。出于這個原因，為了經由ALD從晶片到晶片沉積均勻厚度的膜，盡量減少在可能造成所沉積的膜可測量的變化的工藝條件的任何變化是重要的。因此，尋求用改進的方法和裝置來改進在多個半導體襯底上執行的多個ALD循環的工藝條件的一致性、可控性和/或重復性。

發明內容

本發明公開了在處理室中在半導體襯底上沉積材料膜的方法。所述方法可以包括：在噴頭基本上維持在第一溫度時，使膜前體穿過所述噴頭流入處理室內；以及在襯底保持架基本上維持在第二溫度時，使所述膜前體吸附到在所述處理室中的保持在所述襯底保持架上的襯底上，使得所述前體在所述襯底上形成吸附受限層。所述方法還可以包括：從包圍所吸附的所述膜前體的體積除去至少一些未被吸附的膜前體；以及之后，使所吸附的膜前體反應，以在所述襯底上形成膜層。在一些實施方式中，所述第一溫度可以比所述第二溫度高至少10℃。

本發明還公開了在處理室中在半導體襯底上沉積材料膜的方法。所述方法可以包括：在噴頭基本上維持在第一溫度時，使膜前體穿過所述噴頭流入處理室內；以及當襯底保持架基本上維持在第二溫度時，使所述膜前體吸附到在所述處理室中的保持在所述襯底保持架上的襯底上，使得所述前體在所述襯底上形成吸附受限層。所述方法還可以包括：從包圍所吸附的所述膜前體的體積除去至少一些未被吸附的膜前體；以及之后，使所吸附的膜前體反應，以在所述襯底上形成膜層。在一些實施方式中，所述第一溫度處于或低于所述第二溫度。

本發明還公開了用于在半導體襯底上沉積材料膜的裝置，所述裝置包括：處理室；在所述處理室中的襯底保持架；噴頭，其用于使膜前體流入所述處理室；真空源，其用于從包圍所述處理室中的所述襯底的體積去除未被吸附的膜前體；以及一個或多個控制器。所述一個或多個控制器可以包括用于操作所述噴頭和真空源以在所述襯底上沉積材料膜的機器可讀指令。所述指令可以包括用于以下操作的指令：在使噴頭基本上維持在第一溫度時，使膜前體穿過所述噴頭流入處理室內；控制所述處理室內的條件，使得在所述襯底保持架基本上維持在第二溫度時，膜前體吸附到在所述處理室中的被保持在襯底保持架上的襯底上，從而在所述襯底上形成吸附受限層，所述第二溫度比所述第一溫度低至少10℃；從包圍所吸附的所述膜前體的體積除去至少一些未被吸附的膜前體；以及在去除所述未被吸附的膜前體之后，使所吸附的膜前體反應，以在所述襯底上形成膜層。

附圖說明

圖1是具有帶有單一處理站的處理室的襯底處理裝置的橫截面示意圖。

圖2是四站式襯底處理裝置的示意圖，其具有用于從兩個處理站加載和卸載襯底的襯底搬運機械手和用于操作該裝置的控制器。

圖3A顯示了在一批50個晶片上沉積(通過ALD)的結果，其中在前25個晶片后插入遠程等離子體清潔。

圖3B是對于基座溫度設定點50℃、60℃和70℃，“厚度變量”(在遠程等離子體清潔前后所沉積的膜厚的變化)與噴頭溫度的關系圖。

圖3C是“厚度變量”與噴頭溫度的關系圖，其來自使用噴頭溫度調節的若干個工藝和沒有使用噴頭溫度調節的一個工藝。

圖3D顯示了在沒有同時進行噴頭加熱的情況下，所沉積的膜厚度與基座溫度設定點的關系圖及線性擬合。

圖3E顯示了在同時將噴頭加熱到80℃的情況下，所沉積的膜厚度與基座溫度設定點的關系圖及線性擬合。

圖4A是具有熱調節和/或控制功能的噴頭的橫截面圖。