CN102934203B - 用于短生命周期物种的具有内建等离子体源的处理腔室盖设计 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例一般涉及用于沉积材料的设备和方法，特别是涉及配置为在等离子体增强工艺期间沉积材料的气相沉积腔室。在一个实施例中，提供用于处理一个或多个基板的腔室。所述腔室主体包括：限定处理空间的腔室主体；基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理空间中并且配置为支撑一个或多个基板；处理盖组件，所述处理盖组件设置在所述基板支撑件上方，其中所述处理盖组件具有等离子体空腔，所述等离子体空腔配置为生成等离子体并且提供一种或多种自由基物种到所述处理空间；耦接气体分配组件的RF（射频）电源；等离子体形成气体源，所述等离子体形成气体源耦接所述处理盖组件；和反应气体源，所述反应气体源耦接所述处理盖组件。

Description

用于短生命周期物种的具有内建等离子体源的处理腔室盖设计
背景
领域
本发明的实施例一般涉及用于沉积材料的设备和方法，特别是涉及配置为在等离子体增强工艺期间沉积材料的气相沉积腔室。
相关技术的描述
在半导体处理、平板显示器处理或其它电子装置处理的领域中，气相沉积工艺在将材料沉积于基板上起重要作用。随着电子装置几何形状持续缩小，而装置密度持续增加，特征结构的尺寸与深宽比变得更加竞争性，例如，0.07μm的特征结构尺寸与10以上的深宽比。因此，共形沉积（conformal deposition）材料以形成所述装置逐渐变得重要。
虽已证实常规化学气相沉积（CVD）成功地用于低到0.15μm的装置几何性状与深宽比，但更具竞争性的装置几何形状需要替代性的沉积技术。一项备受瞩目的技术是原子层沉积（ALD）。在ALD工艺期间，反应气体依序导入含有基板的沉积腔室。大体而言，第一反应物是以脉冲式进入沉积腔室，并且吸附在基板表面上。第二反应物以脉冲式进入沉积腔室，并且与第一反应物反应而形成沉积的材料。净化工艺一般是在输送每一反应气体之间执行。净化工艺可为具有载气的连续净化，或在输送反应气体之间的脉冲式净化。热诱导ALD工艺为最常见的ALD技术，并且使用热以引发两种反应物之间的化学反应。虽然热ALD工艺在沉积某些材料上运作良好，但这些工艺经常具有缓慢的沉积速率。因此，制造的处理量可能受影响而达到无法接受的水平。沉积速率可在较高沉积温度下增加，但许多化学前驱物（特别是金属有机化合物）在升高的温度下会分解。
等离子体增强CVD（PECVD）与等离子体增强ALD（PE-ALD）可用来形成各种材料。在PE-ALD工艺的某些示例中，材料可由与热ALD工艺相同的化学前驱物形成，但该形成工艺是在较高沉积速率与较低温度下。尽管存在技术的几种变化型式，但大体而言，PE-ALD工艺提供反应气体与反应物等离子体依序导入含有基板的沉积腔室。第一反应气体是以脉冲式进入沉积腔室，且吸附在基板表面。之后，大体上由等离子体源供应的反应物等离子体脉冲式进入沉积腔室，并且与第一反应气体反应而形成沉积材料。类似于热ALD工艺，净化工艺可在输送每一反应物之间实施。虽然PE-ALD工艺克服了热ALD工艺的一些缺点（这是由于等离子体内反应物自由基的高度反应性所致），PE-ALD工艺仍有许多限制。PE-ALD工艺可引发等离子体对基板的损坏（例如蚀刻），可能与某些化学前驱物不相容，并且可需要额外的硬件。
对于任何需要远程等离子体以生成活性反应物物种的基板制造工艺而言，分开的远程等离子体单元大体是与处理腔室一起使用。尽管此类途径对于远离基板生成活性反应物物种作用良好，且不至于有由反应物自由基对装置造成等离子体损坏的风险，然而，抵达基板表面的活性物种的量相当受限，这是由于活性物种沿着至基板的行进距离进行快速重组的缘故。虽然可能施加高等离子体功率而增加可得的活性物种量，但高等离子体功率通常造成对等离子体单元的硬件损坏，该硬件损坏呈现具有高粒子数的缺陷问题。此外，可得的远程等离子体源（RPS）单元一般设计成使得单元的维修困难。已知的维护具高缺陷度RPS的可行方法是更换该单元。因为高功率RPS单元可能需要频繁的更换，这进而造成系统停工时间与操作成本增加。
因此，需要一种通过气相沉积技术（诸如通过PE-ALD工艺之类）来在基板上沉积材料的设备和方法。
概述
本发明的实施例一般涉及用于沉积材料的设备和方法，特别是涉及气相沉积腔室，例如PE-CVD或PE-ALD腔室，所述腔室配置为在等离子体增强工艺期间沉积材料。在一个实施例中，提供用于处理一个或多个基板的腔室。所述腔室主体包括：腔室主体，所述腔室主体限定处理空间；基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理空间中并且配置为支撑一个或多个基板；处理盖组件，所述处理盖组件设置在所述基板支撑件上方，其中所述处理盖组件具有等离子体空腔，所述等离子体空腔配置为生成等离子体并且提供一种或多种自由基物种到所述处理空间；RF（射频）电源，所述RF（射频）电源耦接气体分配组件；等离子体形成气体源，所述等离子体形成气体源耦接所述处理盖组件；和反应气体源，所述反应气体源耦接所述处理盖组件。
在另一实施例中，提供一种用于提供反应气体的自由基到处理空间的处理盖组件。所述处理盖组件包括：第一电极，所述第一电极具有多个第一通路与多个第二通路，所述第一通路耦接所述第一电极的第一表面与所述第一电极的第二表面，用于输送含等离子体的气体到处理空间，其中所述第一电极的所述第一表面面向所述处理空间，而所述多个第二通路使所述第一电极的所述第一表面与所述第一电极的所述第二表面耦接，以输送反应气体至所述处理空间；第二电极，所述第二电极实质上平行于所述第一电极，所述第二电极具有多个第三通路，所述第三通路耦接所述第二电极的第一表面与所述第二电极的第二表面，以输送等离子体形成气体到等离子体空腔，其中所述等离子体空腔限定在所述第一电极与所述第二电极之间，而所述第二电极的所述第一表面面向所述等离子体空腔；和绝缘体，所述绝缘体设置在所述第一电极与第二电极之间接近所述第一电极与第二电极的周边处，其中所述第二电极适于耦接RF电源，而所述第一电极适于耦接接地端。
附图简要说明
参考某些图示在附图中的实施例，可得到上文简要概括的本发明的更具体的描述，如此，可详细了解上文陈述的本发明的特色。但应注意，附图只图示本发明的典型实施例，因本发明允许其它同等有效的实施例，故不将这些附图视为本发明的范围限制。
图1是根据本发明一个实施例、具有处理盖组件的一个实施例的处理腔室的示意图。
图2是根据本发明一个实施例、具有处理盖组件另一实施例的另一处理腔室的示意图。
图3A是根据本发明一个实施例的处理盖组件的电极的部分截面视图。
图3B是图3A的电极的底部视图。
图3C是图3A的电极的顶部视图。
图4是根据本发明一个实施例的处理盖组件的喷头组件的部分截面视图。
为有助了解，如可能则使用相同标号来表示附图所共有的相同元件。预期一个实施例的元件和特征可有利地并入其它实施例而无需进一步叙述。
具体描述
本发明的实施例一般涉及用于沉积材料的设备和方法，特别是涉及配置为在等离子体增强工艺期间沉积材料的气相沉积腔室。在某些实施例中，提供一种处理腔室盖，所述处理腔室盖具有内建（built-in）等离子体源，相邻处理腔室的处理空间，以用于生成活性反应物种。在某些实施例中，处理腔室盖组件包括多重部件，所述多重部件形成等离子体空腔（在该处生成活性反应物物种），该组件具有两个分开的途径（pathway），每一途径用于输送反应气体或多种反应气体与等离子体的每一个至处理空间。相较于使用RPS的系统，在处理盖组件内部生成等离子体的能力减少了等离子体活化物种必须行进到达处理腔室的处理空间中的基板表面的距离。处理空间中可得的活性物种的量显著增加，而实现增加可得活性物种的所需功率同时减少。
图1是根据本发明一个实施例的处理腔室100的示意图。在一个实施例中，处理腔室适于形成金属氮化物膜，该金属氮化物膜具有至少一种由等离子体生成的前驱物。
处理腔室100包括腔室主体110、设置在腔室主体110内的基板支撑件112、以及设置在腔室主体110上的处理腔室盖组件114。
基板支撑件112配置为支撑一个或多个基板116，以将一个或多个基板116暴露至处理空间118（所述处理空间118由腔室主体110和处理盖组件114限定）中的前驱物。在一个实施例中，基板支撑件112包括加热器120，该加热器120适于加热一个或多个基板116至执行处理所需的温度。
处理盖组件114包括喷头组件122，该喷头组件122具有水箱140以提供定位在喷头组件122上的处理盖组件114的温度控制。喷头组件122包括第一电极124、第二电极128、绝缘体132和阻挡板136，该第一电极124还用作盖板，该第二电极128用作定位成实质上平行第一电极124的等离子体空腔RF电极，该绝缘体132定位在第一电极124与第二电极128之间，而该阻挡板136定位在第二电极128上。第一电极124、绝缘体132和第二电极128限定等离子体空腔144，在该处可生成电容式等离子体145。在一个实施例中，第一电极124耦接RF（射频）接地端，第二电极128耦接RF电源146，而绝缘体132将第一电极124与第二电极128电绝缘。
第一气体源148经由气体入口149A、149B耦接等离子体空腔144，用于提供一种或多种等离子体形成气体至等离子体空腔144。当RF功率施加到第二电极128时，电容式等离子体145可在等离子体空腔144中生成。诸如载气或净化气体之类的其它气体可耦接等离子体空腔，用于将等离子体形成气体输送到等离子体空腔，并且净化等离子体形成气体的处理腔室100。
第一电极124包括邻接处理空间118的第一表面150（或下表面），以及邻接等离子体空腔144的第二表面（或上表面），多个第一通路（first passage）154形成于所述表面之间。多个第一通路154将处理空间118耦接等离子体空腔144，并且提供导管以将活性反应物物种从等离子体空腔144输送到处理空间118。多个第一通路154还可用来输送其它气体（诸如载气、净化气体、和/或清洁气体之类）至处理腔室100。在一个实施例中，多个第一通路154横越第一电极124的表面区域（所述第一电极124的表面区域对应于基板支撑件112的表面区域）均等分布。第一电极124还具有多个第二通路156，所述第二通路156经由气体入口159将处理空间118耦接第二气体源158，以供应一种或多种前驱物到处理空间118。多个第二通路156还可用来输送其它气体（诸如载气、净化气体、和/或清洁气体之类）至处理腔室100。
在一个实施例中，第一电极124可由导电材料形成，所述导电材料诸如是金属或金属合金。在一个实施例中，第一电极124是平坦盘（planar disk）。在一个实施例中，第一电极124由金属形成。示范性的金属可选自由铝、钢、不锈钢（例如，视情况含有镍的铁铬合金）、铁、镍、铬、前述金属的合金、与前述金属的组合组成的组。
第二电极128包括第一表面160（或下表面）和第二表面162（或上表面），该第一表面160邻接等离子体空腔144，而该第二表面相对于所述第一表面，而多个第三通路164形成于第一表面160与第二表面162之间，用于从第一气体源148提供一种或多种等离子体形成气体至等离子体空腔144。多个第三通路164还可用于输送诸如载气、净化气体、及/或清洁气体之类的其它气体至处理腔室100。如图1所示，多个第二通路156横切等离子体空腔144，延伸通过第二电极128的第一表面160至第二电极128的第二表面162。
在一个实施例中，第二电极128可由导电材料形成，所述导电材料诸如是金属或金属合金。在一个实施例中，第二电极128由金属形成。示范性的金属可选自由铝、钢、不锈钢（例如，视情况含有镍的铁铬合金）、铁、镍、铬、前述金属的合金、与前述金属的组合组成的组。在一个实施例中，第二电极128是平坦盘。
绝缘体132提供第一电极124与第二电极128之间的电绝缘，且该绝缘体132可由电绝缘材料形成。在一个实施例中，绝缘体132由陶瓷材料形成，例如，氮化铝（AlxNy）或氧化铝（Al2O3）。
阻挡板136设置在第二电极128上，并且具有凹陷部分166，该凹陷部分166形成第二气体区域168，该第二气体区域168是由凹陷部分166与第二电极128的第二表面162所限定。第二气体区域168定位在处理空间118上方并且经由多个第二通路156与处理空间118耦接，以用于将前驱物气体供应至处理空间118。阻挡板136包括第一表面170（或下表面）以及第二表面172（或上表面），第二气体区域168被限定在阻挡板136的第一表面170与第二电极128的第二表面162之间。多个第四通路178用于将阻挡板136的第一表面170耦接阻挡板136的第二表面172，用于耦接多个第三通路164，以将等离子体形成气体输送到等离子体空腔144。
在一个实施例中，来自第二气体源158的一种或多种气体经由气体入口159流进第二气体区域168，并且通过多个第二通路156、进入处理空间118，在该处它们朝一个或多个基板116的表面输送。在一个实施例中，阻挡板136可包括多重板，阻挡板136可经设计以有助于前驱物气体均匀地输送到处理空间118。
在一个实施例中，水箱140设置在阻挡板136上。水箱140可具有凹陷部分174，所述凹陷部分174形成第一气体区域176，该第一气体区域176是由凹陷部分174与阻挡板136的第二表面172所限定。第一气体区域176定位在等离子体空腔144上方并且经由多个第三通路164与等离子体空腔144耦接，以用于将等离子体形成气体供应至等离子体空腔。等离子体形成气体由第一气体源148经由气体入口149A、149B流至第一气体区域176，此处等离子体形成气体径向上分布通过多个第三通路164进入等离子体空腔144，此处RF功率供应到第二电极128以在等离子体空腔144中形成电容式等离子体145。电容式等离子体145中活化的自由基随后经由多个第一通路154输送到处理空间118。
如图1所示，多个第一通路154偏离多个第三通路164（例如，不具有瞄准线(line of sight)），这样有助于均匀地使活化的物种分布于晶片表面。如本文所讨论的，在某些实施例中，期望多个第一通路154能够对准多个第三通路164或与多个第三通路164呈瞄准线。本文所用的“瞄准线”一词是指两点之间的笔直路径（path）或实质上笔直的路径。笔直路径或实质上笔直的路径可提供不受阻碍的途径或清楚的途径，以供气体或等离子体流于至少两点之间。大体而言，受阻碍的途径或不清楚的途径阻止或实质上减少在等离子体通过同时容许气体通过。因此，瞄准线途径通常容许气体或等离子体通过，而两点间不具有瞄准线的途径阻止或实质上减少等离子体通过而使气体通过。
水箱140用来通过将热从处理盖组件（例如处理盖组件114）去除而调节处理腔室100的温度。水箱140可定位在喷头组件122的顶部上。水箱140将热从处理盖组件114（诸如从喷头组件122）去除。在沉积工艺期间，在最初温度下的流体通过入口（图中未示）被引入水箱140。流体吸收热，同时沿通路（图中未示）行进。在较高温度下的流体从水箱140经由出口（图中未示）去除。水箱140可含有金属或由金属形成，该金属诸如是铝、铝合金（例如铝镁硅合金，诸如铝6061）、镀铝的金属、不锈钢、镍、镍合金（例如或）、镀镍的铝、镀镍的金属、铬、铁、前述金属的合金、前述金属的衍生物、或前述金属的组合。在一个实施例中，水箱140可含有铝或铝合金，或由铝或铝合金形成。
水箱140可连接到流体源179，该流体源179用于在沉积工艺期间供应流体至水箱140。该流体可为液体、气体、或超临界状态，且能够及时地吸附及消散热。可用于水箱140中的液体包括水、油、醇类、二醇类、乙二醇醚、其它有机溶剂、超临界流体（例如CO2）、前述液体的衍生物或前述液体的混合物。气体可包括氮、氩、空气、氟氯碳化合物（HFC）、或前述气体的组合。较佳为以水或水/醇类混合物供应水箱140。
处理腔室100进一步包括真空泵180，该真空泵180配置为泵出处理空间118而获得处理空间118中期望的压力水平。在处理期间，真空泵180提供相对于等离子体空腔144的处理空间118中的负压，因此使等离子体空腔144中的物种得以流至处理空间118。
在某些实施例中，含铁氧体（ferrite)元件190A、190B和190C定位在邻接气体入口149A、149B和159的至少一个处。含铁氧体元件190A、190B和190C可定位在邻接气体入口149A、149B和159处以减少接近气体入口149A、149B和159处电弧作用或寄生等离子体的形成。含铁氧体元件190A、190B和190C可形成平行铁氧体边界，而抑制垂直铁氧体边界的RF电流与吸收平行边界的磁场分量。
含铁氧体元件190A、190B和190C可由用来提供所生成的场（例如磁场，由处理腔室100的几个部分内的RF电流流动所创造）优先流过的路径的任何材料所形成。在一个范例中，含铁氧体元件190A、190B和190C可由铁氧体材料形成，或嵌有铁氧体材料。铁氧体材料可包括非导电性的铁磁性陶瓷化合物，所述化合物源自铁氧化物，所述铁氧化物诸如是赤铁矿（hematite,Fe2O3）或磁铁矿（magnetite,Fe3O4），以及其它金属的氧化物。铁氧体材料可进一步含镍、锌、及/或锰化合物。示范性铁氧体材料包括锰铁氧体、锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、以及前述铁氧体材料的组合。
含铁氧体元件190A、190B和190C可采取任何形状的形式抑制垂直于铁氧体边界的RF电流并且吸收平行边界的磁场分量。含铁氧体元件190A、190B和190C的示范性形状包括环形(ring)、超环形(toroid)和线圈状。在一个示范性实施例中，气体入口149B是铝管，而含铁氧体元件190B含有多个超环状或甜甜圈形（donut-shaped）、含有镍锌铁氧体的铁氧体构件。在另一示范性实施例中，如图1所示，气体入口149A、149B和159为铝管，每一铝管被各自的含铁氧体元件190A、190B和190C所环绕，所述铁氧体元件含有多个超环状或甜甜圈形、含有镍锌铁氧体的铁氧体构件。
图2是根据本发明一个实施例、具有处理盖组件214的另一实施例的另一处理腔室200的示意图。该处理腔室200类似于图1所示的处理腔室100，不同处为处理腔室100的第二电极128替换为具有多个多重锥形空腔264的第二电极228。锥形空腔结合第一电极124与第二电极228之间可变的距离容许更宽广的等离子体点燃限幅(window)。等离子体能够在锥形空腔264中有效起始，并且因此均匀的等离子体能够维持在第一电极124与第二电极228之间遍及整个等离子体空腔。
处理盖组件214包含喷头组件222，而水箱140定位在喷头组件222上。喷头组件222包括第一电极124、第二电极228、绝缘体132和阻挡板136，该第二电极定位成实质上平行第一电极124，该绝缘体132定位在第一电极124与第二电极228之间，而阻挡板136定位在第二电极228上。第一电极124、第二电极228和绝缘体132限定等离子体空腔244，在该处可生成电容式等离子体。在一个实施例中，第一电极124耦接RF（射频）接地端，第二电极228耦接RF电源146，而绝缘体132将第一电极124与第二电极228电绝缘。
图3A是根据本发明一个实施例的处理盖组件214的第二电极228的部分截面图。图3B是图3A的第二电极228的底部视图，而图3C是图3A的第二电极228的顶部视图。第二电极228包括第一表面260（或下表面）以定位在邻接等离子体空腔244，并且包括第二表面262（或上表面），该第二表面262相对于第一表面260，而多个第二通路256用以供应一种或多种前驱物至处理空间，且多个第三通路264形成于所述两个表面之间以提供一种或多种反应性气体由气体源到等离子体空腔244。
在一个实施例中，多个第三通路264可均等地分布在第二电极228的上方。在一个实施例中，多个第三通路264包括窄钻孔（bore）270，该窄钻孔270耦接锥形通道（channel）272，该锥形通道272的直径随着多个第三通路264从第二电极228的第二表面262延伸到第二电极228的第一表面260而扩张。在一个实施例中，锥形通道272的侧壁形成角度“α”。在一个实施例中，该角度“α”在约20度与约30度之间。
在一个实施例中，多个第二通路256可均等地分布于第二电极228的上方。在一个实施例中，多个第二通路256包括窄钻孔258，该窄钻孔258从第一表面260延伸而耦接笔直通道259，该笔直通道259延伸到第二电极228的第二表面262。
在一个实施例中，第二电极228可由导电材料形成，所述导电材料诸如是金属或金属合金。在一个实施例中，第二电极228由金属形成。示范性的金属可选自由铝、钢、不锈钢（例如，视情况含有镍的铁铬合金）、铁、镍、铬、前述金属的合金、与前述金属的组合组成的组。在一个实施例中，第二电极228是平坦盘。
图4是根据本发明一个实施例的处理盖组件的喷头组件422的部分截面图。喷头组件422类似于喷头222，不同处为第一电极424具有多个第一通路454，所述多个第一通路454对准多个第三通路264的瞄准线，或在该第三通路264的瞄准线中，以输送活化的物种到处理腔室（诸如处理腔室100、200之类）的处理空间。在某些多个第一通路454对准多个第三通路264的实施例中，更大量的反应性物种可使用较低的功率水平输送到处理空间。
第一电极424包括邻接处理空间118的第一表面450（或下表面）以及邻接等离子体空腔244的第二表面452（或上表面），而多个第一通路454形成于所述两个表面之间。多个第一通路454将处理空间118耦接等离子体空腔244并且提供导管以将活性反应物物种从等离子体空腔244输送到处理空间118。多个第一通路454还可用来输送其它气体（诸如载气、净化气体、及/或清洁气体之类）到处理腔室100。在一个实施例中，多个第一通路454均等地横越与基板支撑件112的表面区域相对应的第一电极424的表面区域分布。第一电极424还具有多个第二通路456，所述多个第二通路456将处理空间118耦接第二气体源，以供应一种或多种前驱物到处理空间118。多个第二通路456还可用来输送其它气体（诸如载气、净化气体、及/或清洁气体之类）到处理腔室100。
在一个实施例中，第一电极424可由导电材料形成，所述导电材料诸如是金属或金属合金。在一个实施例中，第一电极424是平坦盘。在一个实施例中，第一电极424由金属形成，所述金属诸如是铝、钢、不锈钢（例如，视情况含有镍的铁铬合金）、铁、镍、铬、前述金属的合金、与前述金属的组合。
每一部件（例如第一电极124、424、绝缘体132、第二电极128、228、阻挡板136、水箱140、和气体分配组件）可改变尺寸以处理不同尺寸的基板，所述基板诸如是具有150mm直径、200mm直径、300mm直径、或超过300mm直径的晶片。每一部件可定位及固定在第一电极124、424或盖板（lid plate）上，这是通过本技术领域中已知的任何固定手段实现，例如夹子及/或紧固件。
本文描述的实施例提供通过气相沉积工艺（诸如原子层沉积(ALD)或等离子体增强ALD(PE-ALD)之类）在基板上沉积各种材料（例如氮化钛）的方法。在一个方面中，该工艺有极微或无启动的延迟并且在形成钛材料（诸如金属钛、氮化钛、氮化硅钛、或前述钛材料的衍生物之类）的同时维持快速沉积速率。
在一个实施例中，可与本文描述的PE-ALD工艺一起使用的钛前驱物包括四(二甲氨基)钛（tetrakis(dimethylamino)titanium,TDMAT）、四(二乙氨基)钛（tetrakis(diethylamino)titanium,TDEAT）、四氯化钛（TiCl4）、及前述钛前驱物的衍生物。本文描述的PE-ALD工艺包括依序将基板暴露在氮前驱物与氮等离子体或其它离子化试剂(reagent)等离子体。
在一个实施例中，氮化钛材料可在PE-ALD工艺期间形成，该工艺含有恒定的试剂气体流动，同时提供依序的钛前驱物和等离子体的脉冲。在另一实施例中，钛材料可在另一PE-ALD工艺期间形成，该工艺提供依序脉冲的钛前驱物（例如TDMAT）与试剂等离子体（例如氮等离子体）。在所述实施例的二个中，试剂大体上在工艺期间离子化。PE-ALD工艺提供等离子体生成于喷头组件内部，因而相较于使用RPS的系统，等离子体活化的物种必须行进而抵达基板表面的距离大幅减少。处理空间中可得的活性物种的量显著增加，而实现增加可得活性物种的所需功率同时减少。在PE-ALD工艺期间，等离子体可由微波（MW）频率生成器、射频（RF）生成器、或脉冲DC电流生成。在另一实施例中，钛材料可在热ALD工艺期间形成，该工艺提供依序的钛前驱物与试剂的脉冲。TDMA的工艺气体与氮等离子体都依序脉冲至喷头组件122、222，并且通过喷头组件122、222。之后，基板依序暴露到工艺气体与氮等离子体。
在本文的实施例中所述的ALD工艺期间可利用处理盖组件114或214，且处理盖组件114或214可耦接本文所述的各种ALD腔室主体。其它ALD腔室也可用在本文所述的一些实施例期间，且可购自加州圣克拉拉市的应用材料公司（Applied Materials,Inc.）。可与本文描述的处理盖组件一并使用的ALD腔室的详细说明可见于共同让渡的第6,916,398号与第6,878,206号的美国专利，以及共同让渡的序列号为10/281,079的美国专利申请（于2002年10月25日提出申请，且公布为US 2003-0121608），所述文件的全部内容在此并入作为参考。在另一实施例中，配置为在ALD模式与常规CVD模式中操作的腔室可用来沉积钛材料，所述腔室描述于共同让渡的第7,204,886号的美国专利，所述美国专利的全文在此并入作为参考。
在某些实施例中，沉积腔室可在本文描述的ALD工艺期间于范围在约0.01Torr至约80Torr内的压力加压，该范围较佳是从约0.1Torr至约10Torr，且更佳是约0.5Torr至约2Torr。此外，可将腔室或基板在本文描述的数个ALD工艺期间加热到低于约500°C的温度，较佳为约400°C以下，诸如从约200°C至约400°C的范围内，更佳为从约340°C至约370°C，例如约360°C。等离子体可由微波（MW）生成器或射频（RF）生成器生成。例如，等离子体生成器可被设定成具有范围在约200瓦(W)至约40千瓦(kW)的功率输出，较佳为约200kW至约10kW，更佳为从约500W至约3kW。
在一个实施例中，基板可在整个ALD循环期间暴露至试剂气体。基板可暴露至钛前驱物气体，该钛前驱物气体由第二气体源158供应并且通过将载气（例如氮或氩）传递通过钛前驱物的安瓿（ampoule）而实现。可取决于处理期间所用的钛前驱物而加热安瓿。在一个范例中，含有TDMAT的安瓿可被加热到在约25°C至约80°C的范围内的温度。钛前驱物气体通常具有在约100sccm至约2000sccm的范围内的流量，较佳为约200sccm至约1000sccm，更佳为约300sccm至约700sccm，例如约500sccm。钛前驱物气体与试剂气体可结合而形成沉积气体。试剂气体通常具有在约100sccm至约3000sccm的范围内的流量，较佳为约200sccm至约2000sccm，更佳为约500sccm至约1500sccm。在一个范例中，氮等离子体用作试剂气体，流量为约1500sccm。基板可暴露到钛前驱物气体或含有钛前驱物的沉积气体与试剂气体达一段时间，该段时间在从约0.1秒至约8秒的范围内，较佳为从约1秒到约5秒，更佳为约2秒至约4秒。一旦钛前驱物层吸附于基板上，可停止钛前驱物的流动。钛前驱物层可为不连续层、连续层、或甚至是多层。
在停止钛前驱物气体流动后，基板和腔室可暴露于净化工艺。在净化工艺期间，可维持试剂气体的流量，或从先前步骤调整试剂气体的流量。较佳为试剂气体的流动从先前步骤维持。视情况而定，净化气体可导入沉积腔室，流量在约100sccm至约2000sccm的范围内，较佳为约200sccm至约1000sccm，更佳为约300sccm至约700sccm，例如约500sccm。净化工艺去除沉积腔室内任何过剩的钛前驱物与其它污染物。净化工艺可实行一段时间，该段时间在从约0.1秒至约8秒的范围内，较佳为从约1秒至约5秒，更佳为从约2秒至约4秒。载气、净化气体和工艺气体可含有氮、氢、氨、氩、氖、氦、或前述气体的组合。在较佳实施例中，载气含有氮。
之后，可维持试剂气体的流动，或在点燃等离子体之前调整试剂气体的流动。在处理期间，诸如氮气之类的氮源从第一气体源148供应。氮气流进等离子体空腔144，在此处当氮气的等离子体被RF功率（在第一电极124及第二电极128之间施加）点燃时，氮气解离。自由的氮自由基（氮原子）随后流过多个第一通路154进入处理空间118。
基板可暴露至等离子体达一段时间，该段时间在从约0.1秒到约20秒的范围内，较佳为从约1秒到约10秒，更佳为从约2秒到约8秒。之后，关掉等离子体功率。在一个实施例中，试剂可为氨、氮、氢、或前述试剂的组合，以形成氨等离子体、氮等离子体、氢等离子体、或组合的等离子体。反应物等离子体与基板上所吸附的钛前驱物反应，而在基板上形成钛材料。在一个范例中，反应物等离子体用作还原剂以形成金属钛。然而，各种反应物可用来形成具有大范围组成的钛材料。
沉积腔室暴露至第二净化工艺，以去除先前步骤的过剩前驱物与污染物。试剂气体的流量可在净化工艺期间维持或从先前步骤调整。视情况任选的净化气体可导进沉积腔室，流量在从约100sccm至约2000sccm的范围内，较佳为约200sccm至约1000sccm，更佳为约300sccm至约700sccm，例如约500sccm。第二净化工艺可实行一段时间，该段时间在从约0.1秒至约8秒的范围内，较佳为从约1秒至约5秒，更佳为从约2秒至约4秒。
可重复ALD循环直到在基板上沉积预定厚度的钛材料为止。钛材料可沉积成具有低于的厚度，较佳为低于更佳为从约到约例如约本文描述的工艺可以至少0.15埃/循环较佳为至少0.25埃/循环、更佳为至少0.35埃/循环以上的速率沉积钛材料。在另一实施例中，本文描述的工艺克服现有技术相关于成核延迟的缺点。在许多（若非大多数）沉积钛材料的实验期间，没有可被检测到的成核延迟。
即使金属氮化物膜的形成是以本文描述的实施例一并讨论，应了解，需要自由基的其它处理也能够使用本文描述的设备和方法执行。
本文描述的实施例提供在处理盖组件内部生成等离子体的能力，相较于使用RPS的系统，该能力减少在处理腔室的处理空间中等离子体活化的物种必须行进而抵达基板表面的距离。处理空间中可得的活性物种量大幅增加，而实现增加可得的活性物种的所需功率同时减少。
尽管以上描述涉及本发明的实施例，其它与进一步的本发明实施例可在不背离本发明基本范围的情况下设计，该范围由随后的权利要求书所确定。

Claims (11)

1.一种用于等离子体增强处理一个或多个基板的腔室，所述腔室包括：
腔室主体，所述腔室主体限定处理空间；
基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理空间中并且被配置为支撑一个或多个基板；
处理盖组件，所述处理盖组件设置在所述基板支撑件上方，其中所述处理盖组件具有：
等离子体空腔，所述等离子体空腔被配置为生成等离子体并且提供一种或多种自由基物种到所述处理空间；
第一电极，所述第一电极具有：
第一表面，所述第一电极的第一表面面向所述处理空间；
第二表面，所述第一电极的第二表面与所述第一电极的第一表面相对；
多个第一通路，所述多个第一通路从所述第一电极的第一表面延伸至所述第一电极的第二表面，并且被配置为用于将所述一种或多种自由基物种从所述等离子体空腔输送到所述处理空间；和
多个第二通路，所述多个第二通路从所述第一电极的第一表面延伸至所述第一电极的第二表面，并且被配置为用于将反应气体输送到所述处理空间；
第二电极，所述第二电极实质上平行于所述第一电极，并且所述第二电极具有：
第一表面，所述第二电极的第一表面面向所述等离子体空腔；
第二表面，所述第二电极的第二表面与所述第二电极的第一表面相对；
多个第三通路，所述多个第三通路从所述第二电极的第一表面延伸至所述第二电极的第二表面，并且被配置为用于将等离子体形成气体输送到所述等离子体空腔；
绝缘体，所述绝缘体设置在所述第一电极与第二电极之间接近所述第一电极与第二电极的周边处，其中所述等离子体空腔限定在所述第一电极、所述第二电极与所述绝缘体之间；
第一气体区域，所述第一气体区域定位在所述等离子体空腔上方，并且经由所述多个第三通路流体耦接所述等离子体空腔，其中所述多个第三通路被配置为用于将所述等离子体形成气体从所述第一气体区域输送到所述等离子体空腔；
第二气体区域，所述第二气体区域定位在所述第一气体区域与所述等离子体空腔之间，被配置为用于将所述反应气体输送到所述处理空间，其中所述第二气体区域经由所述多个第二通路流体耦接所述处理空间；和
阻挡板，所述阻挡板定位在所述第二电极上，并且所述阻挡板具有：
第一表面；
第二表面，所述阻挡板的第二表面与所述阻挡板的第一表面相对；
多个第四通路，所述多个第四通路从所述阻挡板的第一表面延伸至所述阻挡板的第二表面；
其中，所述多个第四通路与所述多个第三通路对准，并且被配置为将所述等离子体形成气体从所述多个第三通路输送到所述等离子体空腔；并且
其中，所述第二气体区域限定在所述阻挡板与所述第二电极的第二表面之间。
2.如权利要求1所述的腔室，其中所述处理盖组件进一步包括：
水箱，所述水箱定位在所述阻挡板上，其中所述第一气体区域限定在所述阻挡板与所述水箱之间。
3.如权利要求1所述的腔室，其中从所述第二电极的第一表面延伸至所述第二电极的第二表面的所述多个第三通路的每一个都是由锥形通道限定，所述锥形通道具有朝向所述第二电极的第一表面的开口，且所述锥形通道连接至朝向所述第二电极的第二表面开启的钻孔。
4.如权利要求3所述的腔室，其中所述锥形通道形成在20度至30度之间的角度。
5.如权利要求1所述的腔室，进一步包括：
RF(射频)电源，所述RF(射频)电源耦接所述处理盖组件；
等离子体形成气体源，所述等离子体形成气体源耦接所述处理盖组件；和
反应气体源，所述反应气体源耦接所述处理盖组件。
6.如权利要求1所述的腔室，其中所述第二电极适于耦接RF电源，而所述第一电极适于耦接接地端。
7.一种用于提供反应气体的自由基到处理空间的处理盖组件，所述处理盖组件包括：
等离子体空腔，所述等离子体空腔被配置为生成等离子体并且提供一种或多种自由基物种到所述处理空间；
第一电极，所述第一电极具有：
多个第一通路，所述多个第一通路从所述第一电极的第一表面延伸至所述第一电极的第二表面，并且被配置为用于将所述一种或多种自由基物种从所述等离子体空腔输送到处理空间，其中所述第一电极的第一表面适于面向所述处理空间；和
多个第二通路，所述多个第二通路从所述第一电极的第一表面延伸至所述第一电极的第二表面，并且被配置为输送反应气体到所述处理空间；
第二电极，所述第二电极实质上平行于所述第一电极，并且所述第二电极具有多个第三通路，所述多个第三通路从所述第二电极的第一表面延伸至所述第二电极的第二表面，其中所述多个第三通路被配置为输送等离子体形成气体到所述等离子体空腔，其中所述等离子体空腔限定在所述第一电极与所述第二电极之间，而所述第二电极的第一表面面向所述等离子体空腔；
第一气体区域，所述第一气体区域定位在所述等离子体空腔上方，并且经由所述多个第三通路流体耦接所述等离子体空腔，其中所述多个第三通路被配置为将所述等离子体形成气体从所述第一气体区域输送到所述等离子体空腔；
第二气体区域，所述第二气体区域定位在所述第一气体区域与所述等离子体空腔之间，并且被配置为将所述反应气体输送到所述处理空间，其中所述第二气体区域经由所述多个第二通路流体耦接所述处理空间；和
阻挡板，所述阻挡板定位在所述第二电极上，其中所述第二气体区域限定定在所述阻挡板与所述第二电极之间，所述阻挡板具有多个第四通路，所述多个第四通路从所述阻挡板的第一表面延伸至所述阻挡板的第二表面，所述多个第四通路与所述多个第三通路对准，并且所述多个第四通路被配置为将所述等离子体形成气体从所述多个第三通路输送到所述等离子体空腔。
8.如权利要求7所述的处理盖组件，进一步包括：
绝缘体，所述绝缘体设置在所述第一电极与第二电极之间接近所述第一电极与第二电极的周边处，其中所述绝缘体进一步限定所述等离子体空腔。
9.如权利要求7所述的处理盖组件，进一步包括：
水箱，所述水箱定位在所述阻挡板上，其中所述第一气体区域限定在所述阻挡板与所述水箱之间。
10.如权利要求7所述的处理盖组件，其中从所述第二电极的第一表面延伸至所述第二电极的第二表面的所述多个第三通路的每一个都是由锥形通道限定，所述锥形通道具有朝向所述第二电极的第一表面的开口，且所述锥形通道连接至朝向所述第二电极的第二表面开启的钻孔。
11.如权利要求7所述的处理盖组件，其中所述第二电极适于耦接RF电源，而所述第一电极适于耦接接地端。
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