CN104395498A - 使用快速热处理的原子层沉积 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于使用快速热处理的薄膜原子层沉积的方法及设备。本案所描述的方法可用以使用快速热处理转化非晶薄膜以形成外延薄膜，或用以选择性地在基板的一部分上沉积薄膜。设备中的热元件能够藉由暂时使非晶薄膜的温度快速上升来整体或局部地改变非晶薄膜或非晶薄膜的一部分的温度，从而使该薄膜转化为外延薄膜。

Description

使用快速热处理的原子层沉积
背景
本发明的实施例一般关于用于在基板上沉积物质及形成薄膜的设备及方法。更特定而言，本发明的实施例针对能够使薄膜的温度骤升的原子层沉积室。
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，气相沉积处理对于在基板上沉积物质具有重要作用。随着电子装置的几何形状持续缩小，及装置的密度持续增大，特征结构的尺寸及深宽比正变得更具有侵占性，例如，特征结构的尺寸为0.07μm且深宽比为10或更大。由此，保形沉积物质以形成该等装置正变得愈加重要。
在原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)工艺期间，将反应物气体引入含有基板的处理腔室内。一般情况下，将基板区域与吸收至基板表面上的第一反应物接触。然后，将基板与第二反应物接触，该第二反应物与第一反应物反应以形成沉积物质。可在每种反应物气体的输送之间引入净化气体以确保反应仅发生在基板表面上。
原子层沉积已广泛用于高介电常数介电质及金属衬料的沉积。尽管如此，将ALD用于外延法十分困难，因为高质量的外延生长通常所需的高温对于有效的ALD前驱物而言可能过高。在另一方面，目前的外延技术面临着优良的一致性、较低的热预算及蚀刻选择性的困难。因此，本领域此项技艺现需要用于沉积具有优良的一致性及较低的热预算的外延薄膜的方法。
概要
本发明的一或更多个实施例针对在基板上形成薄膜的方法。在第一温度将基板或基板的部分曝露于第一反应性气体，以使第一反应性气体吸收至基板或基板的部分。使所吸收的反应性气体的温度快速升至高于第一温度的第二温度以形成薄膜。
一些实施例进一步包含将基板或基板的部分上所吸收的反应性气体曝露于与第一反应性气体不同的第二反应性气体的步骤。在一或更多个实施例中，先将基板或基板的部分曝露于第二反应性气体，再使所吸收的反应性气体的温度快速升高。在一些实施例中，先将基板或基板的部分曝露于第二反应性气体，再使所吸收的反应性气体的温度快速升高。在一或更多个实施例中，在使所吸收的反应性气体的温度快速升高之后，将基板或基板的部分曝露于第二反应性气体。一些实施例进一步包含在使第一反应性气体吸收至基板和曝露于第二反应性气体中的每一者之后，使薄膜的温度快速升高的步骤。
在一些实施例中，第一温度高达约400℃且第二温度高于约600℃。在一或更多个实施例中，以高于约50℃/秒的速率使温度升高。
在一或更多个实施例中，在第一温度选择性地使第一反应性气体吸收在基板的第一部分上，而非基板的第二部分上。
在一些实施例中，所形成的薄膜为外延薄膜、介电质、高介电常数介电质，及金属薄膜中的一或更多者。
一或更多个实施例进一步包含将基板定位在处理腔室中的基板支撑环上的步骤，该处理腔室包含面对基板正面及基板背面中的一或更多者的灯头，及位于处理腔室的侧壁中的喷淋头及气体注入器中的一或更多者，该喷淋头定位在基板的一侧，与灯头相对。
本发明的额外实施例针对在基板上形成外延薄膜的方法。在第一温度将基板或基板的一部分曝露于第一反应性气体以在基板表面或基板的一部分表面上形成非晶薄膜。使非晶薄膜的温度快速升至高于第一温度的第二温度以形成外延薄膜。
在一些实施例中，以高于约50℃/秒的速率使非晶薄膜的温度升高。
一或更多个实施例进一步包含将基板或基板的一部分曝露于与第一反应性气体不同的第二反应性气体以形成非晶薄膜的步骤。
在一些实施例中，在移除第一反应性气体之后，将基板或基板的一部分曝露于第二反应性气体。在一或更多个实施例中，在将基板或基板的一部分曝露于第一反应性气体的同时亦曝露于第二反应性气体。
在一些实施例中，将基板或基板的一部分同时曝露于第一反应性气体及第二反应性气体两者。分别将第一反应性气体及第二反应性气体中的每一者输送至基板表面，并在不混合的情况下移除该两者。
在一或更多个实施例中，依序在第一温度将基板曝露于第一反应性气体，曝露于第二反应性气体，然后将基板快速加热至第二温度以形成外延薄膜。
在一些实施例中，第一温度高达约400℃。在一或更多个实施例中，第二温度高于约600℃。在一些实施例中，非晶薄膜的温度在至多约60秒的时段内出现快速升高。
在一些实施例中，在使温度快速升高以形成外延薄膜之前，所形成的非晶薄膜达约一个单层厚度(monolayer thick)。一或更多个实施例进一步包含依序在外延薄膜上形成非晶薄膜，然后使温度快速升高以形成外延薄膜的步骤，该非晶薄膜达约一个单层厚度。在一些实施例中，先曝露于第一前驱物再曝露于第二前驱物导致在使温度快速升高以形成外延薄膜之前，一个非晶薄膜达约一个单层厚度。
一些实施例进一步包含在非晶薄膜及外延薄膜的形成期间旋转基板的步骤。
在一或更多个实施例中，藉由紫外线灯、激光，及曝露于等离子体中的一或更多种方法，使非晶薄膜的温度快速升高。
在一些实施例中，在基板上形成外延薄膜之前及之后中的一或更多个情况下，实施额外处理而不将基板曝露于周围环境。
在一或更多个实施例中，在第一温度选择性地使第一反应性气体吸收至基板的第一部分上，而非基板的第二部分上。
本发明的其它实施例针对在基板表面或基板表面的部分上形成外延薄膜的方法。将基板定位在基板支撑件上。使固定基板的基板支撑件在气体分配板的下方侧向移动，该气体分配板包含多个伸长的喷气口，该等喷气口包括用以输送第一反应性气体的第一出口A及用以输送第二反应性气体的第二出口B。将第一反应性气体输送至基板表面或基板表面的部分。将第二反应性气体输送至基板表面或基板表面的部分以在基板表面形成非晶薄膜。快速改变非晶薄膜的至少一部分的局部温度以将非晶薄膜转化为外延薄膜。在一些实施例中，藉由辐射加热及电阻加热中的一或更多种方法来快速改变非晶薄膜温度。
附图简述
因此，参照绘示于附图中的本发明的实施例来提供于上文简要概述的本发明的更详细叙述，以达到且可更详细了解本发明的上述的特征结构。尽管如此，应注意，附图仅图示本发明的典型实施例，且因此不应认为该等附图限制本发明的范畴，因为本发明可允许其它同等有效的实施例。
图1显示根据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的横截面示意图；
图2显示依据本发明的一或更多个实施例的基座；
图3显示依据本发明的一或更多个实施例的具有气体分配板及热元件的处理腔室的示意图；
图4显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图5显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图6显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图7显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图8显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；及
图9显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图10显示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的部分横截面侧视图；
图11显示图10的盖组件的部分横截面侧视图；
图12显示图10的支撑组件的部分横截面侧视图；
图13显示依据本发明的一或更多个实施例的沉积系统的示意图；
图14显示依据本发明的一或更多个实施例的沉积系统的示意图；
图15显示依据本发明的一或更多个实施例的沉积系统的示意图；及
图16显示依据本发明的一或更多个实施例的丛集工具的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例针对用于藉由原子层沉积来沉积薄膜的原子层沉积设备及方法。举例而言，可沉积高介电常数介电质薄膜或外延薄膜。本发明的一或更多个实施例针对结合快速热处理法的原子层沉积设备(亦称作循环沉积)。
根据一或更多个实施例，使用快速热处理以用于晶体生长的原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)涉及以下步骤中的一些或全部步骤。在一些实施例中，在基板的曝露的外延表面上实施ALD式前驱物吸收，并用泵抽出(pumping out)前驱物。此步骤可在前驱物的最佳温度(通常在低于约400℃的相对较低温度)完成。倘若需要化合物材料或需要多个前驱物反应，则对诸如III-V族半导体的第二前驱物实施ALD。快速热处理法(RTP)，用以使晶圆温度骤升至高位准以促进优良质量的晶体生长(充当固化步骤)。例如，紫外线灯可用以协助反应。然后，使晶圆温度返回至ALD温度，以用于随后的循环。
如本说明书及所附的权利要求书所使用，术语“基板”及“晶圆”可互换使用，该两者皆指示表面或表面的部分，在该表面或表面的部分上进行处理。本领域技术人员亦将理解，基板的引用亦可仅指示基板的部分，除非本文另有明确指示。举例而言，在空间分离的ALD中，就图1所述，将每一前驱物输送至基板，但在任意给定时间，将任意单个前驱物流仅输送至基板的部分。
图1为根据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积系统或系统100的横截面示意图。系统100包括负载锁定腔室10及处理腔室20。通常情况下，处理腔室20为在真空下或至少在低压下操作的可密封外壳。处理腔室20藉由隔离阀15而与负载锁定腔室10隔离。隔离阀15处于闭合位置时密封处理腔室20以与负载锁定腔室10隔离，以及处于开启位置时允许将基板60从负载锁定腔室10经由该阀传递至处理腔室20及反之。
系统100包括气体分配板30，该气体分配板能够在整个基板60上分配一或更多种气体。气体分配板30可为本领域技术人员所熟知的任意适合的分配板，且所述的特定气体分配板不应被视作限制本发明的范畴。气体分配板30的输出面面对基板60的第一表面61。
本发明的实施例所使用的基板可为任意适合的基板。在一些实施例中，基板为刚性的、分立的，通常为平面的基板。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“分立的(discrete)”在指示基板时意谓该基板具有固定尺寸。一或更多个实施例的基板为半导体基板，例如，直径为200mm或300mm的硅基板。在一些实施例中，基板为硅、硅锗、砷化镓、氮化镓、锗、磷化镓、磷化铟、蓝宝石，及碳化硅中的一或更多者。
气体分配板30包含多个喷气口以传送一或更多个气流至基板60，及包含安置在每一喷气口之间的多个真空口以将气流传送至处理腔室20之外。在图1的实施例中，气体分配板30包含第一前驱物注入器120、第二前驱物注入器130，及净化气体注入器140。注入器120、130、140可由诸如主机的系统计算机(未图标)来控制，或由诸如可编程逻辑控制器的腔室专用控制器来控制。前驱物注入器120将化合物A的反应性前驱物的连续(或脉冲)流经由多个喷气口125注入处理腔室20。前驱物注入器130将化合物B的反应性前驱物的连续(或脉冲)流经由多个喷气口135注入处理腔室20。净化气体注入器140将非反应性或净化气体的连续(或脉冲)流经由多个喷气口145注入处理腔室20。净化气体将反应性物质及反应性副产物自处理腔室20中移除。净化气体通常为诸如氮气、氩气及氦气的惰性气体。喷气口145安置在喷气口125与喷气口135之间，以便将化合物A的前驱物与化合物B的前驱物分离，由此避免前驱物之间发生交错污染。
在另一方面中，可在将前驱物注入处理腔室20之前，先将远程等离子体源(未图示)连接至前驱物注入器120及前驱物注入器130。可藉由向远程等离子体源内的化合物施加电场来产生反应性物质的等离子体。可使用任意能够活化预期化合物的电源。举例而言，可使用使用基于直流电(direct current；DC)、射频(radio frequency；RF)，及微波(microwave；MW)的放电技术的电源。若使用射频电源，则电源可电容式耦合或电感式耦合。亦可藉由基于热的技术、气体解离技术、高能光源(例如，紫外线能量)，或曝露于x射线源来产生活化。示例性远程等离子体源可以在诸如MKS Instruments,Inc.及Advanced EnergyIndustries,Inc.等供货商处购得。
系统100进一步包括连接至处理腔室20的泵送系统150。通常情况下，泵送系统150经配置以经由一或更多个真空口155将气流抽出处理腔室20。真空口155安置在每一喷气口之间，以便在气流与基板表面反应之后将气流抽出处理腔室20，以进一步限制前驱物之间发生交错污染。
系统100包括多个分区160，该等分区安置在处理腔室20上的每一出口之间。每一分区的下端部分延伸以靠近基板60的第一表面61，例如，距离第一表面61约0.5mm或以上。以此方式，分区160的下端部分与基板表面相分离，且相隔的距离足以允许气流在与基板表面反应之后围绕下端部分向真空口155流动。箭头198指示气流方向。由于分区160可作为气流的实体阻障层而操作，该等分区亦限制前驱物之间的交错污染。图示的排列仅以说明为目的，且不应被视作限制本发明的范畴。本领域技术人员将理解，图标的气体分配系统仅为一个可能的分配系统，且可采用其它类型的喷淋头及气体分配板。
此类原子层沉积系统(亦即，其中多种气体以分离的方式同时流至基板的系统)可称作空间ALD。在操作中，将基板60输送(例如，藉由机器人)至负载锁定腔室10并将该基板置于搬运梭(shuttle)65上。开启隔离阀15之后，搬运梭65沿轨道71移动。一旦搬运梭65进入处理腔室20，则隔离阀15闭合，从而密封处理腔室20。然后，搬运梭65移动穿过处理腔室20以进行处理。在一个实施例中，搬运梭65以线性路径移动穿过腔室。
当基板60移动穿过处理腔室20时，将基板60的第一表面61反复曝露于来自喷气口125的化合物A的前驱物及来自喷气口135的化合物B的前驱物，该两个前驱物之间则是来自喷气口145的净化气体。注入净化气体的设计目的为在将基板表面110曝露于下一前驱物之前，移除来自前一前驱物的未反应的物质。在每次曝露于多种气流(例如，前驱物或净化气体)之后，藉由泵送系统150经由真空口155抽出该等气流。由于真空口可安置在每一喷气口的两侧，因此经由两侧的真空口155抽出气流。由此，气流自各个喷气口垂直向下流向基板60的第一表面61，穿越整个基板表面110及围绕分区160的下端部分，并最终向上流向真空口155。以此方式，可在整个基板表面110均匀分配每一气体。箭头198指示气体流动的方向。亦可在将基板60曝露于各种气流时使该基板旋转。基板的旋转可适用于阻止在已形成的层中形成条。可使基板连续旋转或以离散的步骤旋转。
通常情况下，在处理腔室20的端部提供充足的空间，以藉由处理腔室20中的最后一喷气口及其它处理设备确保完全曝露(参看图3)。一旦基板60达到处理腔室20的端部(亦即，第一表面61已完全曝露于处理腔室20中的每一喷气口)，基板60则向负载锁定腔室10的方向返回。当基板60向负载锁定腔室10往回移动时，基板表面可按与第一次曝露相反的顺序再次曝露于化合物A的前驱物、净化气体，及化合物B的前驱物。
基板表面110曝露于每一气体的程度可由诸如自喷气口流出的每一气体的流动速率及基板60的移动速率来决定。在一个实施例中，控制每一气体的流动速率，以便于不从基板表面110移除所吸收的前驱物。每一分区之间的宽度、安置于处理腔室20上的喷气口的数量，及往返传递基板的次数亦可决定基板表面110曝露于各种气体的程度。因此，可藉由改变上述因素而使沉积薄膜的数量及质量最佳化。
在另一实施例中，系统100可包括前驱物注入器120及前驱物注入器130，而不包括净化气体注入器140。因此，当基板60移动穿过处理腔室20时，基板表面110将交替地曝露于化合物A的前驱物及化合物B的前驱物，而不在该两个前驱物之间曝露于净化气体。
图1图示的实施例在基板上具有气体分配板30。当实施例就此立式定位而描述及图示之时，将理解，倒置的定位亦具有可能性。在该倒置的定位的情况下，基板60的第一表面61将面向下方，同时，将向上引导流向基板的气流。
在又一实施例中，系统100可处理多个基板。在此实施例中，系统100可包括第二负载锁定腔室(安置在与负载锁定腔室10的相对端处)及多个基板60。可将基板60输送至负载锁定腔室10并自第二负载锁定腔室取回该等基板。
在一些实施例中，搬运梭65用于承载基板60的基座66。一般情况下，基座66为有助于在整个基板形成均匀温度的载体。基座66可在负载锁定腔室10与处理腔室20之间双向移动(相对于图1的排列为从左向右及从右向左)。基座66具有用于承载基板60的顶表面67。基座66可为已加热的基座，以加热基板60而用于处理。例如，可藉由安置在基座66下方的辐射热灯90、加热板、电阻性线圈，或其它加热装置来加热基座66。
在又一实施例中，基座66的顶表面67包括凹部68以接收基板60，如图2所示。通常情况下，基座66的厚度大于基板的厚度，使得基板下方存在基座材料。在一些实施例中，凹部68经设定尺寸使得当基板60安置在凹部68内时，基板60的第一表面61与基座66的顶表面67平齐。换言之，一些实施例的凹部68经设定尺寸使得当基板60安置在凹部68内时，基板60的第一表面61不凸出于基座66的顶表面67。
在一些实施例中，将基板与载体热隔离以将热损失最小化。此举可藉由任意适合的手段完成，包括但不限于将表面接触面积最小化及使用低导热材料。
基板具有固有的热预算，该热预算基于在基板上完成的先前处理及任意计划性处理或未来潜在处理而受限制。因此，此举是有用的：限制基板在较大的延长温度变化下的曝露，以避免超过此热预算从而破坏先前的处理。
图3图示具有基板60、气体分配板30，及快速热处理装置(亦称作热元件80)的处理系统20的实施例。气体分配板30可为包括图1的空间ALD气体分配板或传统涡流盖或喷淋头的任意适合的气体分配板。在使用中，基板60在气体分配板30邻近处移动以便于进行ALD处理。在沉积了预期数量的原子层之后，基板60在热元件80邻近处移动，在基板上沉积的非晶薄膜在该邻近处经热处理以产生外延层，下文中将进一步说明。图3的腔室20以宽泛的描述图标最小组件，且不应被视作限制本发明的范畴。腔室20可包括其它组件，该等组件包括但不限于在气体分配板30与热元件80之间作为分离件的分区、进气口，及排气口。
在一些实施例中，气体分配板30包括至少一个热元件80以使在基板60的部分的表面处发生局部温度变化。温度局部变化主要影响基板60表面的一部分，而不影响基板的整体温度。
请参看图4，在操作中，基板60相对于气体分配板30的喷气口而移动，如箭头所示。在此实施例中，使处理腔室20保持在一温度，该温度适合于前驱物A与基板60或基板60上的层的有效反应，但对于前驱物B的有效反应而言则过低。区域X移动经过含有净化气体的喷气口、真空口及第一前驱物A出口，基板60的表面在该第一前驱物A出口与第一前驱物A反应。由于将处理腔室20保持在适合前驱物A反应的温度，因此当基板60移至前驱物B时，区域X受热元件80影响，且区域X的局部温度增高。在一些实施例中，区域X的局部温度增高至有利于前驱物B反应的温度。
本领域技术人员将理解，如本文中所使用及描述，区域X为基板的人工固定点或固定区域。在实际用于空间ALD处理时，当基板在气体分配板30附近移动时，区域X将成为确实的移动靶。为实现描述的目的，图标的区域X在基板处理期间位于固定点。
在一些实施例中，区域X(亦称作基板的一部分)的尺寸受限制。在一些实施例中，基板的受任意单个热元件影响的部分的面积小于该基板的面积的约20％。在多个实施例中，基板的受任意单个热元件影响的部分的面积小于该基板的面积的约15％、10％、5％或2％。
热元件80可为任意适合的温度变化装置，且可定位在诸多位置。热元件80的适合的实例包括但不限于辐射加热器(例如，灯及激光)、导电加热器及电阻性加热器。举例而言，图3中图示的热元件80表示单个紫外线灯的六角阵列。适合的热元件80能够在少于约一分钟的时间内使基板或基板上的薄膜的温度快速上升至高达约1300℃(或更高)的温度。
快速上升的温度可导致各种不良的副作用及反应。举例而言，诸多化合物在高温下快速分解。藉由谨慎选择在反应中及尖峰条件(spike condition)下所使用的温度可避免此结果。举例而言，在加热期间，可存在一些保护性气体环境，例如，在III-V族反应中，一些V族气体可用以阻止化合物分解。
图4至图6图示各种热元件80的放置及类型。应理解，该等实例仅以说明本发明的一些实施例为目的，且不应被视作限制本发明的范畴。在一些实施例中，热元件80定位在至少一个伸长的喷气口内。此类型的实施例在图4至图5中图示。在图4中，热元件80为定位在喷气口入口处的辐射加热器(例如，灯或激光)。当基板60的区域X经过含有辐射加热器的喷气口附近时，辐射加热器可用以直接加热基板60的区域X。在此实施例中，当基板的区域X邻近喷气口B的周围时，区域X被加热和改变。
本领域技术人员将理解，在任意给定的气体分配板30中可存在一个以上的热元件80。此配置的实例为具有前驱物A与前驱物B的两个重复单元的气体分配板30。若前驱物B的反应温度高于前驱物A的反应温度，则可将热元件放置在每一个前驱物B喷气口内，或每一个前驱物B喷气口周围/附近。
在一或更多个实施例中，辐射加热器为沿喷气口导引向基板60的表面的激光。自图4可见，当区域X经过热元件时，高温保留一段时间。该区域保持高温的时长依据诸多因素而定。由此，在一些实施例中，辐射加热器定位在前驱物B喷气口前的真空口或净化气体出口中的一者处。在该等实施例中，区域X维持剩余热的时长足以增强前驱物B的反应。在该等实施例中，将区域X加热，且在自喷气口A周围延伸至喷气口B周围的区域中的温度发生变化。
图5图示替代性实施例，在该实施例中，将辐射加热器放置在净化气体出口内。在区域X遇到前驱物A及前驱物B之后，才放置此辐射加热器。此实施例中的加热器加热基板，或基板上的薄膜，或基板的部分，或基板上区域X中的薄膜。
图6图示另一实施例，在该实施例中，热元件80定位在气体分配板30的正面。图示的热元件80位于两个喷气口之间的气体分配板的一部分中。可按需调整此热元件的尺寸以将相邻喷气口之间的间隙最小化。在一或更多个实施例中，热元件所具有的尺寸约等于分区160的宽度。该等实施例的热元件80可为任意适合的热元件。在一些实施例中，热元件80定位在气体分配板的正面处以直接加热基板60的部分，即区域X。在一些实施例中，热元件80定位在喷气口的任意一侧。该等实施例特别适合用于往复运动处理，在该处理中，基板在气体分配板30附近往返移动。
热元件80可定位在气体分配板30之前及/或之后，如图3所示。该等实施例适合于往复处理腔室(在该类腔室中，基板在气体分配板附近往返移动)及连续(回转料架或传送器)架构两者。在一些实施例中，热元件80为加热灯。在图7所图示的实施例中有两个热元件80，气体分配板的各侧均有一个热元件，使得在往复类型的处理中，在两个处理方向上加热基板60。
图8图示本发明的另一实施例，在该实施例中有两个气体分配板30，该等气体分配板30的每一者之前、之后及之间皆具有热元件80。此实施例特定用于往复处理腔室，因为此实施例允许在单循环(一次往返)中沉积更多层。因为气体分配板30的头部及末端皆具有热元件80，所以在以向前(例如，从左向右)或逆向(例如，从右向左)移动经过气体分配板30之前，基板60受热元件80影响。本领域技术人员将理解，处理腔室20可具有任意数量的气体分配板30，该等气体分配板30的每一者之前及/或之后具有热元件80，且图示的实施例不应限制本发明。
图9图示与图8类似的另一实施例，在该实施例中，每个气体分配板30之后具有热元件80。此类型的实施例特定用于连续处理，而非往复处理。举例而言，处理腔室20可含有任意数量的气体分配板30，每一分配板之前具有热元件80。
在一些实施例中，热元件80为气体分配板或气体分配板的部分，用以将已经加热或冷却的气流导引向基板的表面。而且，可加热或冷却气体分配板，使得与基板的接近可使基板表面温度发生变化。举例而言，在连续处理环境中，处理腔室可具有数个气体分配板，或具有大量喷气口的单分配板。气体分配板中的一或更多者(存在一个以上气体分配板时)或喷气口中的一些喷气口可提供已经加热或冷却的气体或辐射能。
图10图示适合用于时域类原子层沉积的处理腔室100的部分横截面视图。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“时域”指一处理，藉由该处理，将单种反应性气体一次性注入处理腔室，并在注入另一种反应性气体之前净化该反应性气体。此举阻止反应性气体在处理腔室内发生气相反应，并有效地将反应限定为基于表面的反应。处理腔室100可包括腔室主体101、盖组件138，及支撑组件120，该支撑组件亦称作基板支撑件。盖组件138安置在腔室主体101的上端，且支撑组件120至少部分地安置在腔室主体101内。腔室主体101可包括在主体的侧壁上形成的流量阀开口111，以提供对处理腔室100内部的存取。选择性地开启及闭合流量阀开口111以允许机器人(未图示)对腔室主体101内部的存取。
本领域技术人员将理解，对以下组件的描述亦可适用于空间ALD处理腔室。腔室主体101可包括在主体内形成的通道102，该通道用于使热传送流体流经该通道。热传送流体可为加热流体或冷却剂，及用以在处理及基板传送期间控制腔室主体101的温度。示例性热传送流体包括水、乙二醇，或水与乙二醇的混合物。示例性热传送流体亦可包括氮气。
腔室主体101可进一步包括围绕支撑组件120的衬料108。较佳地，衬料108是可移除的以用于维护及清洗。衬料108可由诸如铝的金属或陶瓷材料制作而成。然而，衬料108可为任意与处理兼容的材料。衬料108可经珠粒冲击以增加在该衬料上沉积的任意材料的黏着力，藉此阻止导致处理腔室100的污染的材料剥脱。衬料108可包括一或更多个孔109及在衬料中形成的泵送通道106，该通道与真空系统流体连通。孔109为气体提供一条进入泵送通道106的流道，该流道为处理腔室100内的气体提供出口。
真空系统可包括真空泵104及节流阀105以调节流经处理腔室100的气流。真空泵104耦合至安置在腔室主体101上的真空口107，由此，真空泵104与在衬料108内形成的泵送通道106流体连通。
孔109允许泵送通道106与腔室主体101内的处理区域112流体连通。处理区域112由盖组件138的下表面与支撑组件120的上表面所界定，并由衬料108所围绕。孔109可具有均匀尺寸，且在衬料108周围均匀间隔。然而，可使用任意数量、定位、尺寸或形状的孔，且彼等设计参数中的每一参数可依据整个基板接收表面上的预期气体流型而变化，如下文中更为详尽的论述。此外，孔109的尺寸、数量及定位经配置以实现自处理腔室100中排出均匀气流。另外，孔尺寸及位置可经配置以提供快速或大容量泵送以促进自腔室100中快速排出气体。例如，与真空口107非常邻近的孔109的数量及尺寸可小于定位在远离真空口107之处的孔109的尺寸。
更为详尽地虑及盖组件138，图11图标了盖组件138的放大横截面视图，该盖组件可安置在腔室主体101的上端。请参看图3及图4，盖组件138包括多个组件，该等组件堆叠在彼此的顶部，以在彼此之间形成等离子体区域或空腔。盖组件138可包括第一电极141(“上部电极”)，该第一电极垂直安置在第二电极152(“下部电极”)上，并在两个电极之间限定等离子体体积或空腔149。第一电极141连接至电源144，例如射频(RF)电源，且第二电极152接地，从而在两个电极141、152之间形成电容。
盖组件138可包括一或更多个进气口142(仅图示一个进气口)，该等进气口至少部分形成于第一电极141的上部区段143内。一或更多个处理气体经由一或更多个进气口142进入盖组件138。一或更多个进气口142在该等进气口的第一端部与等离子体空腔149流体连通，及在该等进气口的第二端部耦合至一或更多个上游气体源及/或诸如气体混合器的其它气体输送组件。一或更多个进气口142的第一端部可通向等离子体空腔149中的扩展区段146的内径150的最高点处。同样，一或更多个进气口142的第一端部可通向等离子体空腔149中沿扩展区段146的内径150的任意高度间隔。尽管未图示，但两个进气口142可安置在扩展区段146的相对两侧，以产生漩涡流型或“涡流”气流进入扩展区段146，从而有助于使气体在等离子体空腔149内混合。
第一电极141可具有容置等离子体空腔149的扩展区段146。扩展区段146可与进气口142流体连通，如上所述。扩展区段146可为环状构件，该构件具有内表面或内径150，该内表面或内径自该构件的上部部分147至该构件的下部部分148逐渐增大。因此，第一电极141与第二电极152之间的距离是可变的。该变化距离有助于控制在等离子体空腔149内产生的等离子体的形成及稳定性。
扩展区段146可类似于锥形或“漏斗形”，如图10及图11所示。扩展区段146的内表面170可自扩展区段146的上部部分147至下部部分148逐渐倾斜。内径150的斜度或角度可依据处理要求及/或处理限制而变化。扩展区段146的长度或高度亦可依据特定处理要求及/或限制而变化。内径150的斜度，或扩展区段146的高度，或该两者皆可依据处理所需的等离子体体积而有所变化。
不希望受理论束缚，据信两个电极141、152之间的距离变化允许在等离子体空腔149中形成的等离子体找到必需的电力位准，以便在等离子体空腔149的某部分内(在等离子体并非遍布整体等离子体空腔149的情况下)保持等离子体本身。因此，等离子体空腔149内的等离子体对压力的依赖较少，从而允许在较宽的操作窗内产生及保持等离子体。由此，在盖组件138内可形成更具可重复性及更可靠的等离子体。
第一电极141可由任意与处理兼容的材料构造而成，例如铝、阳极氧化铝、镀镍铝、镀镍铝6061-T6、不锈钢，及上述各者的组合及合金。在一或更多个实施例中，将整体第一电极141或第一电极的部分镀镍以减少不期望的粒子形成。较佳地，至少将扩展区段146的内表面170镀镍。
第二电极152可包括一或更多个堆叠的板材。当需要两个或两个以上的板材时，板材彼此之间应为电讯连通。每一板材应包括多个孔或气体通路，以允许一或更多个来自等离子体空腔149的气体流经该等孔或通路。
盖组件138可进一步包括隔离环151以使第一电极141与第二电极152电气隔离。隔离环151可由氧化铝或任意其它绝缘性的、与处理兼容的材料制作而成。较佳地，隔离环151围绕或大体上围绕至少该扩展区段146。
第二电极152可包括顶板153、分配板158，及将处理腔室中的基板与等离子体空腔分离的阻隔板162。顶板153、分配板158及阻隔板162堆叠在一起并安置在盖缘164上，该盖缘连接至腔室主体101，如图3所示。如本领域中已知的，铰链组件(未图标)可用以将盖缘164耦合至腔室主体101。盖缘164可包括嵌入式通道或通路165以用于容置热传递介质。热传递介质可依据处理要求而决定用于加热、冷却，或加热与冷却两者。
顶板153可包括在等离子体空腔149下方形成的多个气体通路或孔156以允许来自等离子体空腔149的气体流经该等通路或孔。顶板153可包括凹槽部分154，该凹槽部分经调整以容置第一电极141的至少一部分，或包括凹槽部分154以容置第一电极的至少一部分。在一或更多个实施例中，孔156在凹槽部分154的下方贯穿顶板153的横截面。顶板153的凹槽部分154可呈阶梯状，如图11所示，以在凹槽部分与第一电极之间提供更佳的密封配合。此外，顶板153的外径可经设计以安装或安放在分配板158的外径上，如图11所示。诸如弹性O形环175的O形环类密封件可至少部分地安置在顶板153的凹槽部分154内，以确保该凹槽部分与第一电极141的流体密性接触。同样地，O形环类密封件157可用以在顶板153的外周边与分配板158的外周边之间提供流体密性接触。
分配板158大体上为碟形，并包括多个孔161或通路以分配气流流经该等孔或通路。孔161的尺寸及在分配板158周围的定位可向处理区域112提供可控及均匀的气流分配，待处理的基板60位于该处理区域112中。而且，除藉由均匀分配气流以在整个基板60表面提供均匀的气体分配以外，孔161亦藉由减缓流动气体的速度剖面并使流动气体改向，来阻止一或多种气体直接冲击基板60表面。
分配板158亦可包括在该分配板的外周边处形成的环状安装凸缘159。安装凸缘159的尺寸可使该凸缘安放在盖缘164的上表面之上。诸如弹性O形环的O形环类密封件可至少部分安置在环状安装凸缘159内，以确保该凸缘与盖缘164的流体密性接触。
分配板158可包括一或更多个嵌入式通道或通路172以用于容置加热器或加热流体以提供对盖组件138的温度控制。可将电阻加热元件插入通路172内以加热分配板158。可将热电偶连接至分配板158以调节分配板的温度。可在反馈回路中使用热电偶以控制施加至加热元件的电流，如本领域已知。
或者，可使热传递介质穿过通路172。若需要，则一或更多个通路172可含有冷却介质以依据腔室主体101内的处理要求而更佳地控制分配板158的温度。如前文所述，可使用任意热传递介质，例如，氮气、水、乙二醇，或上述各者的混合物。
可使用一或更多个加热灯(未图标)加热盖组件138。通常情况下，加热灯排列在分配板158的上表面周围以藉由辐射加热盖组件138的构件，该等组件包括分配板158。
阻隔板162视情况安置在顶板153与分配板158之间。较佳地，将阻隔板162以可移除的方式安装至顶板153的下表面。阻隔板162应与顶板153进行良好的热接触及电接触。可使用螺钉或类似的紧固件将阻隔板162耦合至顶板153。亦可将阻隔板162螺纹旋在或拧在顶板153的外径上。
阻隔板162包括多个孔163以提供自顶板153至分配板158的多个气体通路。孔163的尺寸及在阻隔板162周围的定位可向分配板158提供可控及均匀的气流分配。
图12图标说明性支撑组件120或基板支撑件的部分横截面视图。支撑组件120可至少部分安置在腔室主体101内。支撑组件120可包括支撑构件122以支撑用于在腔室主体101内处理的基板60(本视图中未图示)。支撑构件122可经由轴126耦合至升举机构131，该轴126延伸贯穿腔室主体101底表面中形成的中心定位开口103。可藉由波纹管132将升举机构131可挠地密封至腔室主体101中，该波纹管132阻止轴126周围发生的真空泄漏。升举机构131允许在腔室主体101内的处理位置与下部传送位置之间垂直移动支撑构件122。传送位置略低于在腔室主体101的侧壁中形成的流量阀111开口。
在一或更多个实施例中，可使用真空卡盘将基板60(图12中未显示)固定至支撑组件120。顶板123可包括多个洞124，该多个洞与在支撑构件122中形成的一或更多个凹槽127流体连通。凹槽127经由安置在轴126及支撑构件122内的真空导管115而与真空泵(未图示)流体连通。在某些条件下，当基板60并未安置在支撑构件122上时，真空导管115可用以向支撑构件122的表面供应净化气体。真空导管115亦可在处理期间递送净化气体以阻止反应性气体或副产物接触基板60的背侧。
支撑构件122可包括贯穿该构件而形成的一或更多个孔洞129以容置升举销139。每一升举销139通常由陶瓷或含有陶瓷的材料构造而成，并用于基板的处理及运输。每一升举销139以可滑动的方式安装在孔洞129中。藉由啮合安置在腔室主体101内的环状升举环件128，升举销139可在该升举销的相应孔洞129中移动。升举环件128为可移动的，使得当升举环件128处于上部位置时，升举销139的上表面可位于支撑构件122的基板支撑表面之上。反之，当升举环件128处于下部位置时，升举销139的上表面位于支撑构件122的基板支撑表面之下。由此，当升举环件128自下部位置移至上部位置时，每一升举销139的一部分均穿过支撑构件122中的该升举销的相应孔洞129。
当启动升举销139时，该等升举销推抵基板60的下表面，从而升举起基板60离开支撑构件122。反之，可停止升举销139以降低基板60，藉此将基板60安放在支撑构件122上。
支撑组件120可包括安置在支撑构件122周围的边缘环件121。边缘环件121是环状构件，该构件用以覆盖支撑构件122的外周边及保护支撑构件122。边缘环件121可定位在支撑构件122上或邻近处以在支撑构件122的外径与边缘环件121的内径之间形成环状净化气体通道133。环装净化气体通道133可与贯穿支撑构件122及轴126而形成的净化气体导管134流体连通。较佳地，净化气体导管134与净化气体供应器(未图示)流体连通，以向净化气体通道133提供净化气体。在操作中，净化气体流经导管134，进入净化气体通道133，并到达安置在支撑构件122上的基板的边缘周围。由此，净化气体与边缘环件121的协同操作阻止在基板的边缘及/或背侧处发生沉积。
支撑组件120的温度受控于流体，该流体在嵌入支撑构件122主体中的流体通道137内循环流通。流体通道137可与贯穿支撑组件120的轴126而安置的热传递导管136流体连通。流体通道137可定位在支撑构件122周围以向支撑构件122的基板接收表面提供均一的热传递。流体通道137及热传递导管136可使热传递流体流动以加热或冷却支撑构件122。支撑组件120可进一步包括嵌入式热电偶(未图示)以用于监测支撑构件122的支撑表面的温度。
在操作中，可将支撑构件122升高至与盖组件138紧密相邻之处以控制正在被处理的基板60的温度。由此，可经由自分配板158发射出的辐射来加热基板60，该分配板158受控于加热元件474。或者，可使用由升举环件128启动的升举销139升举起基板60离开支撑构件122至与已经加热的盖组件138紧密相邻之处。
在一些实施例中，在等离子体增强原子层沉积(plasma enhanced atomiclayer deposition；PEALD)处理期间可形成一或更多个层。在一些处理中，等离子体的使用提供充足的能量，以促使物质进入激发态，在该状态下，表面反应变得有利及更易成功。可以连续或脉冲方式将等离子体引入处理中。在一些实施例中，使用前驱物(或反应性气体)及等离子体的顺序脉冲以处理层。在一些实施例中，可在本地(亦即，在处理区域内)或在远程(亦即，在处理区域外)电离试剂。在一些实施例中，远程电离可发生在沉积室的上游处，使得离子或其它能量物质或发光物质不与沉积薄膜直接接触。在一些PEALD处理中，藉由诸如远程等离子体产生器系统在处理腔室之外产生等离子体。可经本领域技术人员所熟知的任意适合的等离子体产生过程或技术来产生等离子体。举例而言，可藉由微波(MW)频率产生器或射频(RF)产生器中的一或更多者来产生等离子体。可依据正在使用的特定反应性物质而调谐等离子体的频率。适合的频率包括但不限于2百万赫、13.56百万赫、40百万赫、60百万赫，及100百万赫。尽管可在本文所揭示的沉积处理期间使用等离子体，但应注意，等离子体并非必需。实际上，其它实施例涉及在非常温和的条件下沉积处理，而未使用等离子体。
图13图示依据本发明的一或更多个实施例的原子层沉积室的示意图示。在图示的实施例中，基板60安放在喷淋头1330以下的晶圆支撑环1365上。注入口1380定位在处理腔室之侧以自不同于喷淋头1330的路径提供前驱物流，以便自不同路径将不兼容的前驱物输送至腔室。排气口亦可定位在处理腔室内以将气体自处理腔室排出。快速热灯头1390定位在基板60以下。典型的处理循环可为：曝露于前驱物、净化、加热处理、净化；或曝露于前驱物1、净化、曝露于前驱物2、净化、热处理、净化；或曝露于前驱物1、净化、热处理、净化、曝露于前驱物2、净化、热处理、净化；其中，净化步骤是可选的。
图14图示依据本发明的一或更多个实施例的沉积室的示意图示。在图示的实施例中，基板自第一前驱物区域1430a移动穿过差动泵送区域1483(例如，气幕区域或空气净化区域)到达前驱物区域1430b接受热处理，再穿过另一差动泵送区域1483到达可选的第二前驱物区域1430c。热处理可利用RTP灯头或线热源来完成，该线热源诸如以扫描模式实施热处理的聚焦激光线、线形灯，或微波加热区域。移动速度及激光功率将决定热预算。支撑件上的晶圆在区域之间往返移动以实现ALD循环。在加热区域之外，将晶圆曝露于前驱物。可插入适当的气幕及差动泵送以确保有关曝露/处理的区域隔离及净化。
图15图示依据本发明的另一实施例的沉积室的示意图示。在图示的实施例中，基板60按圆形路径或圆形隧道移动，该圆形路径或圆形隧道被划分为多个区域，包括前驱物区域、净化区域，及热处理区域。可按小批量处理多个晶圆，且该等晶圆可以连续圆形运动的方式穿过该等区域以实现单晶圆小批量处理。每一区域可泵送至中央排气装置以排出未反应的气体。可藉由气幕1583或类似物来分离每一段路径。图示的本实施例具有四分之一的圆形路径，该路径用于利用适合的热处理装置1590实施热处理。
根据一或更多个实施例，基板在形成层之前及/或之后经受处理。可在同一腔室中或在一或更多个独立处理腔室中实施此处理。在一些实施例中，将基板自第一腔室移至独立的第二腔室以实施进一步处理。可将基板自第一腔室直接移至独立处理腔室，或可将该基板自第一腔室移至一或更多个移送室，然后移至预期的独立处理腔室。由此，处理设备可包含多个与移送站相连通的腔室。此类设备可称作“丛集工具”或“丛集系统”，及其类似物。
一般情况下，丛集工具是模块系统，该系统包含多个实施各种功能的腔室，该等功能包括基板中心搜寻及定向、脱气、退火、沉积，及/或蚀刻。根据一或更多个实施例，丛集工具包括至少一个第一腔室及中央移送室。中央移送室可容置机器人，该机器人可使基板在处理腔室与负载锁定腔室之间穿梭。通常情况下，移送室维持在真空条件下，且提供中间级(intermediate stage)以用于使基板自一个腔室穿梭至另一腔室及/或穿梭至定位在丛集工具前端处的负载锁定腔室。可经调适以用于本发明的两个众所熟知的丛集工具是及该两个工具皆可购自美国加利福尼亚州圣克拉拉市的美国应用材料有限公司(Applied Materials,Inc.)。由Tepman等人申请于1993年2月16日且标题名为“Staged-Vacuum Wafer Processing Apparatus and Method(分级真空晶圆处理设备及方法)”的美国专利案第5,186,718号中揭示了一个此类分级真空基板处理设备的细节。然而，可改变确切的腔室排列及组合，以达到执行本文所述的特定处理步骤的目的。可使用的其它处理腔室包括但不限于循环层沉积(cyclical layer deposition；CLD)、原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)、物理气相沉积(physical vapordeposition；PVD)、蚀刻、预清洗、化学清洗、诸如RTP的热处理、等离子体氮化、脱气、定向、羟化，及其它基板处理。藉由在丛集工具上的腔室内实施处理，可避免大气杂质对基板表面的污染，而无需在沉积后续薄膜之前实施氧化。
请参看图16，说明性丛集工具300包括中央移送室304，该中央移送室一般包括多基板机器人310，该机器人经调适以将多个基板传送入及传送出负载锁定腔室320及各种处理腔室。尽管图示的丛集工具300具有例如可为空间ALD处理腔室的处理腔室20、例如可为时域ALD处理腔室的处理腔室100，及例如快速热处理腔室的第三处理腔室500，但本领域技术人员将理解，亦可存在多于或少于三个的处理腔室。此外，处理腔室可用于不同类型(例如，ALD、CVD、PVD)的基板处理技术。
根据一或更多个实施例，基板连续处于真空或“负载锁定”条件下，且当将该基板自一腔室移至下一腔室时，不将该基板曝露于周围空气。由此，移送室处于真空状态，并在真空压力之下被“泵空(pumped down)”。惰性气体可存在于处理腔室中或移送室中。在一些实施例中，在基板表面上形成硅层之后，使用惰性气体作为净化气体以移除一些或全部反应物。根据一或更多个实施例，在沉积室的出口处注入净化气体以阻止反应物自沉积室移至移送室及/或额外处理腔室。由此，惰性气体流在腔室的出口处形成气幕。
可在单基板沉积室中处理基板，在该等沉积室中，加载、处理及卸载单个基板，然后再处理另一基板。亦可以连续的方式处理基板，例如使用传送系统，在该系统中，将多个基板分别单独加载至腔室的第一部分中，使该等基板移动通过腔室，并自腔室的第二部分卸载该等基板。腔室的形状及相关联的传送系统可形成直线路经或弯曲路径。此外，处理腔室可为回转料架，在该回转料架中，使多个基板围绕中心轴移动，并在回转料架的整条路径中将该多个基板曝露于沉积、蚀刻、退火、清洗等处理。
在处理期间，可加热或冷却基板。此加热或冷却可藉由任意适合的手段来完成，该等手段包括但不限于改变基板支撑件的温度及使已加热或已冷却的气体流动至基板表面。在一些实施例中，基板支撑件包括加热器/冷却器，该加热器/冷却器可经控制以用传导的方式改变基板温度。在一或更多个实施例中，加热或冷却所采用的气体(反应性气体或惰性气体)以局部地改变基板温度。在一些实施例中，加热器/冷却器定位在与基板表面相邻的腔室内以用对流的方式改变基板温度。
在处理期间，亦可使基板静止或旋转。可连续旋转基板或以离散的步骤旋转基板。举例而言，可在整体处理期间旋转基板，或在基板曝露于不同反应性气体或净化气体之间轻微地旋转基板。在处理期间旋转基板(连续旋转或分步骤旋转)有助于藉由将诸如气流几何形状的局部变异的效果降至最低而产生更为均一的沉积或蚀刻。
本发明的一或更多个实施例针对在基板或基板的一部分上形成薄膜的方法。如本说明书及所附的权利要求中所使用，及本领域技术人员将理解，对基板表面的提及未必意谓整体基板表面，亦可意谓基板的一限定区域或一部分。在第一温度将基板曝露于第一反应性气体。在第一温度，使第一反应性气态物质吸收在基板表面上。所吸收物质可形成薄膜，或仅成为所吸收分子。然后，使所吸收的反应性气体的温度自第一温度快速升高至高于第一温度的第二温度。快速升温可使所吸收物质发生转变。举例而言，若所吸收物质仅成为所吸收分子，则快速加热可使该等所吸收分子直接形成外延薄膜。若所吸收物质为薄膜，则快速加热该薄膜可使该薄膜的特性发生改变(例如，自非晶薄膜转化至外延薄膜)。
在一些实施例中，将所吸收的反应性气态物质曝露于与第一反应性气体不同的第二反应性气体。第二反应性气体可在基板上独立于第一反应性物质而形成薄膜或结合该第一反应性物质而形成薄膜，或仅可成为所吸收分子。再次快速加热可使所吸收物质发生转变。举例而言，快速加热可导致以下情况中的一或更多者：促使第一吸收物质与第二吸收物质之间发生化学反应以产生薄膜(例如，高介电常数介电质薄膜或外延薄膜)或导致薄膜转化成具有不同特性的薄膜，如将非晶薄膜转化至外延薄膜。
在一些实施例中，将基板及/或第一吸收物质曝露于第二反应性气体，再使所吸收的反应性气体的温度快速上升。在一或更多个实施例中，在使所吸收的反应性气体的温度快速上升之后，将基板及/或第一吸收物质曝露于第二反应性气体。在将所吸收物质及/或所形成薄膜曝露于第二反应性气体之后，可再次使该等所吸收物质及/或所形成薄膜的温度快速上升。
在一些实施例中，低温使第一反应性物质及/或第二反应性物质能够被选择性吸收至基板的第一部分而非基板的第二部分。举例而言，在半导体处理中经常遇到此种情况：基板上覆有薄膜，该薄膜形成特征结构，而通过该特征结构的沟道则使基板表面曝露在外。基板上的薄膜可为任意适合的薄膜，该等薄膜包括但不限于高介电常数介电质层、介电质层，及金属层。由于薄膜可形成在特征结构顶部及沟道底部，因此在该种装置上沉积薄膜十分复杂。在低温下将基板(该基板上具有特征结构)曝露于第一反应性物质，可导致第一反应性物质被选择性吸收至特征结构或沟道底部中的一者而非另外一者。然后，温度的快速上升导致所吸收的反应性物质转化为薄膜(例如，介电质薄膜或外延薄膜)。由于ALD反应具有自限性，因此第一反应性气体可被选择性地吸收至特征结构上或沟道底部。然后，快速加热所吸收的第一反应性气体可活化所吸收物质，以便用于与第二反应性气体的进一步反应。在该种情况下，第二反应性气体可与经活化的所吸收物质反应，而不与基板上未吸收第一反应性物质的部分反应。
在一些实施例中，将基板表面或基板表面的一部分曝露于第一反应性气体及第二反应性气体，然后快速加热。可将基板同时或分别曝露于第一反应性气体及第二反应性气体。若第一温度低于第一反应性气体与第二反应性气体反应的温度，则可使该两种气体一起流动至处理腔室，或可使该两种气体同时但经由不同的导管流动至处理腔室。
低温曝露至第一及/或第二反应性气体可使该气体被选择性地吸收至基板或基板的一部分。此举允许在基板或基板的部分上形成混合薄膜。举例而言，第一反应性气体及第二反应性气体皆可被吸收至基板或基板的部分。然后，快速加热可使薄膜作为第一反应性物质及第二反应性物质的混合薄膜而形成，或可使第一反应性物质与第二反应性物质在基板表面或表面的部分上反应。在一些实施例中，第一反应性气体经选择用于基板的第一部分，及第二反应性气体经选择用于基板的第二部分。由此，快速加热可导致在基板的不同部分上(例如，沟道或特征结构)同时形成两个薄膜。每一薄膜可为不同类型的薄膜(例如，介电质薄膜、高介电常数介电质薄膜、金属薄膜，及外延薄膜)。
本发明的一或更多个实施例针对在基板上形成外延薄膜的方法。将基板曝露于第一反应性气体以在基板表面上形成非晶薄膜。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“反应性气体”与“前驱物”可互换地使用并意谓一种气体包括在原子层沉积处理中具有反应性的物质。在第一温度形成非晶薄膜，该温度为使ALD反应形成非晶薄膜的任意适合的温度。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“非晶”及“实质上非晶”可互换地使用且意谓薄膜具有至少约90％的非晶，或至少约95％的非晶，或至少约99％的非晶。本领域技术人员理解，在低温下形成的薄膜中少量薄膜可为外延薄膜，其原因在于隔离区域中的晶体结构可与基板的晶体结构保形。此外，本文所述的一般处理可用以在不经过非晶相的情况下直接生长外延薄膜。举例而言，可藉由热处理来活化反应性气体以直接形成外延薄膜。可藉由在表面上吸收前驱物而使外延薄膜生长，泵出剩余气体，然后对薄膜实施热处理。此处理可有利地使用低温，以实现对前驱物的选择性吸收并由此实现选择性外延生长。
在一些实施例中，仅需要单一反应性气体以在基板表面上形成非晶薄膜。在此类实施例中，薄膜的形成具有自限性，其原因在于基板的整体可用表面与反应性气体物质仅反应一次。然而，单一反应性气体形成的薄膜在实质上为非晶。
使非晶薄膜的温度快速上升至高于第一温度的第二温度。使温度快速上升使实质上的非晶薄膜转化为实质上的外延薄膜。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“外延”及“实质上的外延”可互换地使用以意谓薄膜是高于约90％外延的，或高于约95％外延的，或高于约99％外延的。如本说明书及所附的权利要求中所使用，术语“快速”意谓温度以高于约50℃/秒的速率上升。在一些实施例中，温度以高于约100℃/秒的速率、或高于约150℃/秒的速率、或高于约200℃/秒的速率、或高于约250℃/秒的速率、或高于约300℃/秒的速率，或高于约350℃/秒的速率上升。在一或更多个实施例中，温度以约50℃/秒至约400℃/秒的范围中的速率上升。在一些实施例中，例如当使用激光退火时，降温速率可为极其之高。激光退火处理可具有每秒百万度的降温速率。在一或更多个实施例中，降温速率处于约50℃/秒至约2百万℃/秒的范围中。
在一些实施例中，实质上为非晶的薄膜是由于第一反应性气体与基板的反应及随后第二反应性气体与第一反应性气体在基板上的反应而形成。第二反应性气体不同于第一反应性气体。此类型的两个部分的反应常用在原子层沉积中以形成最终薄膜。然而在本文中，所形成的薄膜实质上为非晶。可在与将基板曝露于第一反应性气体的相同温度或不同温度下，将该基板曝露于第二反应性气体。温度对于气态物质的表面反应程度可具有显着影响。举例而言，若温度过低，则反应根本不会发生。若温度过高，则可能破坏反应效率，或反应不再是就能量而言的最有利的结果。
在一些实施例中，在自处理腔室移除第一反应性气体之后，将基板曝露于第二反应性气体。此举使第一反应性气体与第二反应性气体之间发生气相反应的可能性最小化，以使基板表面上的反应最大化。
在一或更多个实施例中，将第一反应性气体及第二反应性气体同时曝露于基板。此举允许各个反应物在基板表面上反应，亦允许随后可与基板表面反应的反应性气体的气相反应。将基板同时曝露于该两种气体可实现为曝露于例如CVD类型反应中的混合气体，或曝露于例如空间ALD类型处理中的独立及隔离的同时气流，如上所述。在一些实施例中，将基板同时曝露于第一反应性气体及第二反应性气体，分别将第一反应性气体及第二反应性气体中的每一气体输送至基板表面，并在不混合的情况下自基板表面移除该两种气体。
在一或更多个实施例中，在移除第一反应性气体之后，将基板曝露于第二反应性气体。举例而言，在常用的ALD反应中，将基板曝露于第一反应性气体，将该第一反应性气体自系统中排出净化，然后将基板曝露于第二反应性气体，及将该第二反应性气体自系统中排出净化。
可依据所使用的特定试剂而修正反应温度。每一反应具有最有利于薄膜形成的处理的条件。在一些实施例中，第一温度高达约400℃。当分别输送第一反应性气体及第二反应性气体时，该等气体可处于相同温度或不同温度之下。若第二反应性气体与第一反应性气体处于不同温度下，为了区分各种反应的温度，可假设第二反应性气体处于第三温度。当该两种气体处于不同温度下时，第一反应性气体反应的温度与第二反应性气体反应的温度可皆低于约400℃。在一些实施例中，第一温度处于约50℃至约400℃的范围中，或处于约100℃至约300℃的范围中。
第二温度是用于使实质上非晶的薄膜转化为实质上外延的薄膜的温度，该第二温度亦依据所形成的特定薄膜而定。一些材料将需要更高或更低的第二温度以用于外延薄膜的形成。在一或更多个实施例中，第二温度高于约600℃。在一些实施例中，第二温度处于约600℃至约1600℃的范围中，或该第二温度处于约600℃至约1300℃的范围中，或处于约700℃至约1200℃的范围中。
将温度增至第二温度的速率十分快速，以形成外延薄膜及尽量保全更多热预算。由此，达到第二温度所耗的时长将依据温度增高的速率及第一温度与第二温度之间的温差或第三温度与第二温度之间的温差。在一些实施例中，使非晶薄膜的温度快速上升在至多约60秒的时段内发生。
将薄膜保持在第二温度的时间量亦影响热预算及薄膜质量。在一些实施例中，将薄膜保持在第二温度的时长在约0.1秒至约60秒的范围中。在一些实施例中，依据所使用的温度及技术，曝露时间可为毫微秒等级。在短时间内，温度可高达1500℃。
特定薄膜形成的处理可有所不同。在一些实施例中，在使温度快速升高以形成外延薄膜之前，所形成的非晶薄膜达约一个单层厚度。在一或更多个实施例中，在快速热处理之前，所形成的非晶薄膜可达约五个单层厚度。一些反应可导致在基板上形成的薄膜少于一完整单层，因为该等反应处理在停止反应之前并未自饱和。例如，请参看图3，基板可在气体分配板下穿过，从而形成了具有至少一部分单层的厚度的薄膜。然后，将基板移至快速热处理装置，在该装置中，使薄膜转化为外延。该处理可反复实施任意次数，使得非晶薄膜反复沉积及转化为外延以累积外延薄膜的厚度。换言之，该处理可依序在外延薄膜上形成非晶薄膜，该非晶薄膜达约一个单层厚度，随后使非晶薄膜的温度快速上升以形成外延薄膜。
快速热处理装置可为用于以可控的方式使薄膜的温度快速上升的任意适合的装置。在一些实施例中，藉由IR灯、紫外线灯、激光、射频(RF)、微波，及曝露于等离子体中的一或更多个方法使非晶薄膜的温度快速上升。
在一些实施例中，在基板上形成外延薄膜之前及之后的一或更多个情况下，实施额外处理而不将基板曝露于周围环境。举例而言，清洗处理、抛光处理、额外薄膜沉积、蚀刻，及退火。
本发明的额外实施例针对在基板上形成外延薄膜的方法。藉由原子层沉积而在基板表面上形成实质上的非晶薄膜。在第一温度形成实质上的非晶薄膜。使实质上的非晶薄膜的温度自第一温度快速上升至第二温度，以将实质上的非晶薄膜转化至实质上的外延薄膜。
在一或更多个实施例中，形成实质上非晶的薄膜的步骤包含将基板的表面曝露于第一反应性气体，随后曝露于第二反应性气体。本领域技术人员将理解，基板的表面无需是裸基板表面，而亦可包括已在基板上形成的薄膜。
本发明的其它实施例针对在基板表面上形成外延薄膜的方法。将基板定位在基板支撑件上。使基板支撑件在将基板固定在气体分配板下方的同时侧向移动，该气体分配板包含多个伸长的喷气口，如图1所图示。喷气口包括第一出口A以输送第一反应性气体及第二出口B以输送第二反应性气体。将第一反应性气体输送至基板表面或基板表面上的薄膜。将第二反应性气体输送至基板表面或基板表面上的薄膜(例如，由第一反应性气体所形成的薄膜)以在基板表面上形成实质上的非晶薄膜。快速改变实质上的非晶薄膜的至少一部分的局部温度，以使实质上的非晶薄膜转化为实质上的外延薄膜。
虽然本发明已以参考特定实施例的方式描述如上，但应理解，该等实施例仅以说明本发明的原理及应用为目的。对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明的方法及设备作各种更动及润饰。因此，本发明意欲包括所附的权利要求及其等效物的范畴内的更动及润饰。

Claims (15)

1.一种在基板上形成薄膜的方法，所述方法包含以下步骤：
在第一温度将所述基板曝露于第一反应性气体以使所述第一反应性气体吸收至所述基板；及
使所吸收的反应性气体的温度快速上升至第二温度以形成薄膜，所述第二温度高于所述第一温度。
2.一种在基板上形成外延薄膜的方法，所述方法包含以下步骤：
在第一温度将所述基板曝露于第一反应性气体以在所述基板的表面上形成非晶薄膜；及
使所述非晶薄膜的温度快速上升至第二温度以形成外延薄膜，所述第二温度高于所述第一温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包含以下步骤：将所述基板上所吸收的反应性气体曝露于第二反应性气体，所述第二反应性气体与所述第一反应性气体不同。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述基板曝露于所述第二反应性气体，再使所吸收的反应性气体的温度快速上升。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在使所吸收的反应性气体的温度快速上升之后，将所述基板曝露于所述第二反应性气体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在使所述第一反应性气体吸收至所述基板和曝露于所述第二反应性气体中的每一者之后使所述薄膜的温度快速上升。
7.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述第一温度高达约400℃，及所述第二温度高于约600℃。
8.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在所述第一温度，所述第一反应性气体被选择性地吸收至所述基板的第一部分上，而非所述基板的第二部分上。
9.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，所形成的所述薄膜为外延薄膜。
10.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述基板定位在处理腔室中的基板支撑环上，所述处理腔室包含面对所述基板的正面及所述基板的背面中的一或更多者的灯头、及位于所述处理腔室的侧壁中的喷淋头及气体注入器中的一或更多者，所述喷淋头定位在所述基板的与所述灯头相对的一侧。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述非晶薄膜的温度以高于约50℃/秒的速率上升。
12.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，将所述基板同时曝露于所述第一反应性气体及所述第二反应性气体，将所述第一反应性气体及所述第二反应性气体中的每一气体单独输送至所述基板表面，并在不混合的情况下自所述基板表面移除所述两种气体。
13.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，将所述基板依序地在第一温度曝露于所述第一反应性气体、曝露于所述第二反应性气体以及随后快速地加热至所述第二温度以形成所述外延薄膜。
14.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，使所述非晶薄膜的所述温度快速上升的步骤在至多约60秒的时段内发生。
15.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其特征在于，在使所述温度快速升高以形成所述外延薄膜的步骤之前，所形成的所述非晶薄膜达约一个单层厚度。
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