CN103168115A - 用于增强热丝化学气相沉积工艺中的钽灯丝寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供利用热丝化学气相沉积（HWCVD）工艺沉积膜的方法。在一些实施例中，操作HWCVD工具的方法包括提供氢气（H2）至灯丝，历经第一时段，灯丝置于HWCVD工具的处理腔室中；以及经过第一时段后，使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度。

Description

用于增强热丝化学气相沉积工艺中的钽灯丝寿命的方法
领域
本发明的实施例大体涉及利用热丝化学气相沉积（HWCVD）工艺在衬底上沉积材料的方法，且更具体地说，本发明的实施例涉及增强这类工艺中所用的灯丝寿命的方法。
背景
在HWCVD工艺中，一或多种前驱物气体将于处理腔室内邻近衬底处经高温热分解，以在衬底上沉积预定材料。一或多个金属丝或灯丝促进处理腔室内的热分解反应，金属丝或灯丝支撑在处理腔室中，以例如通过使电流通过灯丝而加热所述处理腔室达预定温度。
使用不同的灯丝材料会影响沉积膜的质量。例如，相较于使用钨灯丝，HWCVD应用中使用钽灯丝可得到质量较佳的沉积膜。然而遗憾的是，本发明人发现钽灯丝可在某些操作体系下更易氧化。这将不当减少流过灯丝的电流、降低灯丝温度，以致最终造成灯丝断线。本发明人进一步发现钽灯丝很快就会降低性能与发生断线，因而钽灯丝不能使用很久。
因此，本发明人提供了利用HWCVD工艺沉积膜的改良方法。
发明内容
本发明提供利用热丝化学气相沉积（HWCVD）工艺沉积膜的方法。在一些实施例中，操作HWCVD工具的方法可包括提供氢气（H2）至灯丝，历经第一时段，灯丝置于HWCVD工具的处理腔室中；以及经过第一时段后，使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度。
在一些实施例中，操作HWCVD工具的方法可包括在含氢气（H2）的氛围下，预先调理(preconditioning)灯丝，灯丝置于HWCVD工具的处理腔室中；预先调理灯丝后，使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度；灯丝达第一温度后，提供处理气体至处理腔室内；以及利用自处理气体分解的物种，在衬底上沉积材料。
在一些实施例中，本发明可具体体现在上面存储有指令的计算机可读取媒体中，以于执行所述指令时，使HWCVD工具进行方法，方法可包括本文所述任何实施例。
本发明的其它和进一步实施例将描述于后。
附图简要说明
在配合参考附图与本发明的示例性实施例后，本发明上述概要和下文详述的实施例将变得更清楚易懂。然而应注意附图仅说明本发明典型实施例，因此不宜视为限定本发明的范围，因为本发明可容许其它等效实施例。
图1描绘了根据本发明一些实施例，操作热丝化学气相沉积（HWCVD）工具的方法流程图。
图2描绘了根据本发明一些实施例，操作HWCVD工具的方法流程图。
图3描绘了根据本发明一些实施例，HWCVD处理腔室的示意侧视图。
图4描绘了在不同氛围下加热钽灯丝温度随时间变化的比较曲线图。
为助于理解，尽可能以相同的元件符号代表各图中共同的相似元件。为清楚说明，图未按比例绘制并已简化。应理解某一个实施例的元件和特征结构当可有益地并入其它实施例，在此不另外详述。
具体描述
本发明的实施例提供热丝化学气相沉积（HWCVD）处理技术，可以有利地消除或减少钽灯丝在HWCVD工艺中快速氧化，进而实质增强灯丝寿命及促成钽灯丝在HWCVD工艺中的延长使用。本发明的实施例从而可提供一或多个下列优点：相较于使用钨灯丝有较佳的膜质量、较长的灯丝使用寿命、较久的设备正常运行时间、较高的产率和较大的产量。
在大于约10毫托的压力下（例如，某些应用（例如硅膜沉积）的典型HWCVD操作条件），以1500℃至2000℃点燃新钽灯丝时，本发明人发现灯丝温度将伴随灯丝发光减弱而随时间快速下降。本发明人认为温度降低是因钽灯丝氧化所致。然而本发明人发现在存有氢气（H2）的情况下（例如氢气环境）点燃新钽灯丝时，灯丝氧化速率（依灯丝温度测量）会变慢。本发明人研发操作HWCVD工具的方法，所述方法并入此技术实施例且将详述于后。
图1描绘根据本发明一些实施例，操作HWCVD工具的方法100的流程图。方法通常始于步骤102：提供氢气（H2）至一个灯丝（或多个灯丝），历经第一时段，灯丝置于HWCVD工具的处理腔室中。氢气（H2）可单独或伴随惰性载气提供，惰性载气例如为氮气、氦气、氩气或类似物。氢气（H2）的流量可为足以毯覆或覆盖HWCVD腔室内的灯丝。因此，特定流量将视腔室尺寸和灯丝的表面积（例如灯丝的长度和数量）而定。例如，在一些实施例中，可按约10标准立方厘米每分钟至约500标准立方厘米每分钟（sccm）的流量提供氢气（H2）。伴随载气提供时，载气中的氢气（H2）浓度可为体积百分比约5%至约80%。在一些实施例中，第一时段可经选择以协助清除反应器中的残留氧气。在一些实施例中，第一时段可经选择使氢气完全覆盖或毯覆灯丝，以免腔室中的气体与灯丝之间发生不当反应，例如氧化。在一些实施例中，第一时段可以为约5秒至约1800秒。
接着，在步骤104中，经过第一时段后，可使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度。电流可由功率源提供至灯丝。提供的电流量可经选择以将灯丝温度提高至第一温度。在一些实施例中，第一温度可以为随后将进行沉积工艺的温度。在一些实施例中，第一温度可高于或低于将进行沉积工艺的温度。在一些实施例中，温度可以为约1500℃至约2400℃之间（但也可采用其它温度）。第二时段可经选择使灯丝达第一温度。在一些实施例中，第二时段可经选择以促进在灯丝周围形成氢自由基包层。在一些实施例中，第二时段可为约5秒至约1800秒的范围。
完成第二时段后，方法100通常即结束。在一些实施例中，于沉积工艺前，方法100或部分方法100可用作预先调理步骤。例如，在一些实施例中，如上述般调理灯丝后，可继续提供电流至灯丝，以维持第一温度，并且可提供处理气体至腔室，以在衬底上沉积材料。连续处理衬底时，可先进行调理工艺，在连续流入处理气体的一些实施例中，可让许多衬底通过腔室，以在相继衬底上连续沉积材料。在一些实施例中，处理最后一个衬底后，可关闭处理气体及停止电流。
例如，图2描绘了根据本发明一些实施例，操作HWCVD工具的方法200的流程图。方法200通常始于步骤202：可预先调理置于HWCVD工具的一个灯丝或多个灯丝。可在含氢气（H2）的氛围下，预先调理灯丝。在一些实施例中，依据上述方法100的实施例，可预先调理灯丝。在一些实施例中，可依据上述方法100的实施例中的步骤102，预先调理灯丝。
接着，在步骤204中，预先调理灯丝后，可使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度。在一些实施例中，可提供电流至灯丝，以将灯丝温度提高至第一温度，同时继续提供含氢气体。在一些实施例中，可依据上述方法100的实施例中的步骤104，使电流流过灯丝。
接着，在步骤206中，灯丝达第一温度后，可提供处理气体至HWCVD工具。在一些实施例中，当提供处理气体至HWCVD工具时，可停止流入含氢气体。处理气体可包含任何适合用于沉积工艺的处理气体。在一些实施例中，处理气体可包含接触到加热灯丝可热分解的气体，如此出自已分解处理气体的物种可沉积在下方衬底上。例如，沉积含硅膜时，例如微晶硅或无定形硅，处理气体可包含一或多个硅烷（SiH4）、氢气（H2）、膦（PH3）、二硼烷（B2H6）或类似物。
接着，在步骤208中，利用自处理气体分解的物种，可沉积材料至衬底上。如上所述，沉积于衬底上的材料通常包含出自处理气体的物种。在一些实施例中，沉积于衬底上的材料可包含硅，但也可为其它材料。完成步骤208的材料沉积后，方法200通常即结束，并且依需求可进一步处理衬底。
在一些实施例中，可依需求反复进行方法200，以在同一衬底上或提供至HWCVD工具的第二衬底上沉积材料。例如，在一些实施例中，于步骤208的在衬底上沉积材料后，可以第二衬底替换腔室中的衬底，同时使灯丝维持在第一温度。提供第二衬底后，可提供第二处理气体至处理腔室内。第二处理气体可和第一处理气体一样（例如，欲沉积相同材料时），或者，第二处理气体可不同于第一处理气体（例如，欲在第二衬底上沉积不同材料时）。接着，可利用自第二处理气体分解的物种，在第二衬底上沉积材料。
或者或此外，完成在衬底上沉积材料后，可终止电流流到灯丝。例如，完成在衬底上沉积材料后，即可于如达批量结束、轮班结束、当天结束、进入当周、维修时期或关闭工具的任何其它时间后，关闭工具。当再次启动工具时，随后在含氢气（H2）的氛围下，可预先调理灯丝。预先调理灯丝后，可使电流流过灯丝，以将灯丝温度提高至第二温度。灯丝达第二温度后，可提供第二处理气体至处理腔室内。如上所述，第二处理气体与第一处理气体可为相同或不同。利用自第二处理气体分解的物种，在第二衬底上沉积材料。
图4描绘了总结固定功率测试的曲线图400，其中新钽灯丝安装在HWCVD腔室中，并在无任何氢气（H2）的情况下经点燃（例如加热）达约1700℃。灯丝温度快速下降，且约38分钟后，灯丝断线。安装新钽灯丝，并且使用约30sccm的氢气（H2）冲洗腔室约5分钟。冲洗腔室后，点燃灯丝。在此运行期间，灯丝温度逐渐下降。然而即使经过60分钟后，灯丝也不会断线。约30分钟后，灯丝温度从约1700℃的初始温度降至约1660℃。约60分钟后，灯丝温度降至约1639℃。使用更大的氢气（H2）流量（约60sccm）再次加热同一灯丝。使用较大的氢气（H2）流量时，灯丝温度下降更慢，经过60分钟后，灯丝温度从初始约1624℃降至约1609℃。灯丝也不会断线。使用120sccm的氢气（H2）流量，计30分钟，以进行另一测试，其中灯丝不会断线，且在整个测试过程中，温度仅下降约4℃。
图3描绘了根据本发明实施例的适用HWCVD处理腔室300的示意侧视图。处理腔室300大致包含腔室主体302，腔室主体302具有内部处理容积304。多个灯丝或金属丝310置于腔室主体302内（例如内部处理容积304内）。多个金属丝310还可为来回配线遍及内部处理容积304的单一金属丝。多个金属丝310包含HWCVD源。金属丝310通常由钨制成，但还可使用钽或铱。各金属丝310利用支撑结构（未图示）钳在适当位置，以当加热达高温时，使金属丝保持紧绷，并且提供金属丝电气接触。电源312耦接至金属丝310，以提供电流来加热金属丝310。衬底330可放在HWCVD源（例如金属丝310）下方，例如放在衬底支撑件328上。当衬底330通过HWCVD源下方时，就静态沉积而言，衬底支撑件328可固定不动，或就动态沉积而言，衬底支撑件328可如依箭头305所示移动。
腔室主体302进一步包括一或多个气体入口（图显示一个气体入口332）来提供一或多种处理气体和一或多个出口（图显示两个出口334）连接至真空泵，以维持处理腔室300内呈适当操作压力，及移除过量处理气体及/或处理副产物。气体入口332可送入喷淋头333（如图示）或其它适合的气体分配元件，以在金属线310之上均匀地或依需求分配气体。
在一些实施例中，可提供一或多个屏蔽320，使不当沉积至腔室主体302内面上的情形减至最少。或者或此外，可使用一或多个腔室衬垫322，使清洁变得更容易。使用屏蔽和衬垫可排除或减少使用不当清洁气体，例如温室气体三氟化氮（NF3）。屏蔽320和腔室衬垫322通常会保护腔室主体内面，以免因处理气体流入腔室而不当收集沉积材料。屏蔽320和腔室衬垫322可以为可拆卸、可替换及/或可清洁。屏蔽320和腔室衬垫322可经配置以覆盖腔室主体中可能被涂覆的每一区域，包括金属线310周围和涂覆隔室的所有壁面，但不以此为限。通常，屏蔽320和腔室衬垫322可由铝（Al）制成，且屏蔽320和腔室衬垫322可具有粗糙表面，以加强沉积材料的附着性（以防沉积材料剥落）。屏蔽320和腔室衬垫322可以任何适当方式装设在处理腔室的预定区域，例如HWCVD源周围。在一些实施例中，可打开沉积腔室的上部而移除源、屏蔽和衬垫，以进行维修及清洁。例如，在一些实施例中，沉积腔室的盖子或天花板可沿着凸缘338耦接至沉积腔室主体，凸缘338支撑盖子并提供表面来将盖子固定于沉积腔室主体。
控制器306可耦接至处理腔室300的各种部件，以控制部件操作。虽然图示意性示出耦接至处理腔室300，但控制器可操作连接至受控于控制器的任何部件，例如电源312、耦接至入口322的气体供应器（未图示）、耦接至出口334的真空泵及/或节流阀（未图示）、衬底支撑件328和诸如此类，以根据本文所述方法，控制HWCVD沉积工艺。控制器306通常包含中央处理单元（CPU）308、存储器313和用于CPU308的支持电路311。控制器306可直接或经由特定支持系统部件相关的其它计算机或控制器（未图示）来控制HWCVD处理腔室300。控制器306可为任一类型的通用计算机处理器，计算机处理器可用于工业设置来控制各种腔室和子处理器。CPU308的存储器或计算机可读取媒体313可为一或多个容易取得的存储器，例如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、软盘、硬盘、闪存或任何其它类型的本端或远程数字存储器。支持电路311耦接至CPU308，以按照传统方式支持处理器。这些电路包括高速缓存存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路与子系统等。本发明所述方法可存储于存储器313当作软件程序314，软件程序经执行或调用而将控制器转变成特定用途控制器，以按照本文所述方法，控制处理腔室300的操作。软件程序还可由第二CPU（未图示）存储及/或执行，所述第二CPU远离受CPU308控制的硬件。
因此，本文提供延长HWCVD工艺中的钽灯丝使用寿命的方法。本发明所述方法实施例可提供一或多个下列优点：相较于使用钨灯丝有较佳的膜质量、较长的灯丝使用寿命、较久的设备正常运行时间、较高的产率和较大的产量。
虽然以上针对本发明实施例说明，但在不脱离本发明基本范围的情况下，可策划本发明的其它和进一步实施例。

Claims (15)

1.一种操作热丝化学气相沉积（HWCVD）工具的方法，所述方法包含：
提供氢气（H2）至灯丝，历经第一时段，所述灯丝置于所述HWCVD工具的处理腔室中；以及
经过所述第一时段后，使电流流过所述灯丝，以将所述灯丝的温度提高至第一温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中提供氢气还包含提供氢气和惰性载气。
3.一种操作热丝化学气相沉积（HWCVD）工具的方法，所述方法包含：
在含氢气（H2）的氛围下，预先调理灯丝历经第一时段，所述灯丝置于所述HWCVD工具的处理腔室中；
预先调理所述灯丝后，使电流流过所述灯丝，以将所述灯丝的温度提高至第一温度；
所述灯丝达所述第一温度后，提供处理气体至所述处理腔室内；以及
利用自所述处理气体分解的物种，在衬底上沉积材料。
4.如权利要求3所述的方法，其中在所述含氢气（H2）的氛围下，预先调理所述灯丝包含提供氢气和惰性载气。
5.如权利要求2或4任一项所述的方法，其中所述惰性载气包含氮气、氩气或氦气中的至少一种。
6.如权利要求3-4任一项所述的方法，其中提供所述处理气体进一步包含终止氢气流量，所述氢气流量被提供来维持所述含氢气（H2）的氛围。
7.如权利要求3-4或6任一项所述的方法，其中所述处理气体包含硅烷（SiH4）、氢气（H2）、膦（PH3）或二硼烷（B2H6）中的一种。
8.如权利要求3-4或6-7任一项所述的方法，所述方法进一步包含：
完成在所述衬底上沉积所述材料后，终止所述电流流到所述灯丝；
随后在含氢气（H2）的氛围下，预先调理所述灯丝；
预先调理所述灯丝后，使电流流过所述灯丝，以将所述灯丝的温度提高至第二温度；
所述灯丝达所述第二温度后，提供第二处理气体至所述处理腔室内；以及
利用自所述第二处理气体分解的物种，在第二衬底上沉积材料。
9.如权利要求3-4或6-8任一项所述的方法，所述方法进一步包含：
以第二衬底替换所述腔室中的所述衬底，同时使所述灯丝维持在所述第一温度；
提供所述第二衬底后，提供第二处理气体至所述处理腔室内；以及
利用自所述第二处理气体分解的物种，在所述第二衬底上沉积材料。
10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其中所述灯丝是钽灯丝。
11.如权利要求1-10任一项所述的方法，其中所述第一温度是随后将发生CVD沉积工艺的温度。
12.如权利要求1-11任一项所述的方法，其中所述第一温度为约1500℃至约2400℃。
13.如权利要求1-12任一项所述的方法，其中所述处理腔室内的压力维持在约1毫托。
14.如权利要求1-13任一项所述的方法，其中所述第一时段的范围是从约5秒至约1800秒。
15.一种上面存储有多个指令的计算机可读取媒体，以于执行时，使HWCVD工具进行一种方法，所述方法包含如权利要求1至14中的任何方法。
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