CN107675143A - 包括双通道喷头的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括双通道喷头的装置。本文所公开的实施方式总体包括一种用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置。该装置包括：处理腔室；自由基源，所述自由基源被耦接到处理腔室；基板支撑件，所述基板支撑件设置在处理腔室中；以及双通道喷头，所述双通道喷头设置在自由基源与基板支撑件之间。双通道喷头包括多个管道和内部容积，所述内部容积围绕所述多个管道。多个管道和内部容积被嵌在双通道喷头中的一个或多个环形通道围绕。双通道喷头进一步包括：第一入口，所述第一入口被连接到所述一个或多个通道；以及第二入口，所述第二入口被连接到内部容积。处理腔室可以是PECVD腔室，并且该装置能够执行循环工艺(交替进行基于自由基的CVD和PECVD)。

Description

包括双通道喷头的装置
本申请是申请日为2015年5月19日、申请号为201580034916.1、名称为“用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本文所公开的实施方式总体涉及一种用于形成电介质膜的装置，并且更具体地涉及一种用于使用基于自由基的沉积来形成电介质膜的装置。
背景技术
形成无氢电介质膜(诸如无氢含硅电介质膜)是发展下一代的电子器件的关键任务。电介质膜常用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成。然而，用于沉积含非晶硅的电介质膜的当前PECVD技术导致含有高氢含量(诸如约15原子百分比或更多的氢)的膜。高氢含量大多呈硅-氢键的形式，这在电介质膜中产生了缺陷。此外，高氢含量导致具有低蚀刻敏感度、低热和机械性能和性质以及高收缩率的膜。另外，基于等离子体的工艺往往由于带电粒子轰击和高能紫外线(UV)辐照而损坏膜。因此，需要用于形成诸如无氢电介质膜等电介质膜的装置。
发明内容
本文所公开的实施方式总体包括一种用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置。所述装置包括：处理腔室；自由基源，所述自由基源被耦接到所述处理腔室；基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理腔室中；以及双通道喷头，所述双通道喷头设置在所述自由基源与所述基板支撑件之间。双通道喷头包括多个管道和内部容积，所述内部容积围绕所述多个管道。多个管道和内部容积被嵌在双通道喷头中的一个或多个通道围绕。双通道喷头进一步包括：第一入口，所述第一入口被连接到一个或多个通道；以及第二入口，所述第二入口被连接到内部容积。第二入口将气体/自由基向内部容积引导，而不穿过一个或多个通道。可以对双通道喷头的温度进行控制。另外，处理腔室能够执行PECVD，并且基板支撑件是可旋转的且能够加热置于其上的基板。处理腔室可以是PECVD腔室，并且所述装置能够执行循环工艺(交替进行基于自由基的化学气相沉积(CVD)和PECVD)。
在一个实施方式中，公开一种装置。该装置包括双通道喷头。双通道喷头包括：第一表面；以及第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对并与所述第一表面间隔开以提供内部容积。双通道喷头中的一个或多个环形通道围绕内部容积。双通道喷头进一步包括：第一入口；所述第一入口被连接到一个或多个环形通道；第二入口，所述第二入口绕过所述环形通道，其中所述第二入口被连接到内部容积；以及多个管道，所述多个管道从第一表面穿过内部容积延伸到第二表面。
在一个实施方式中，公开一种装置。该装置包括自由基源和处理腔室，所述处理腔室被耦接到所述自由基源。处理腔室包括基板支撑件和双通道喷头。双通道喷头包括第一表面；第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对并与所述第一表面间隔开以提供内部容积。双通道喷头中的一个或多个环形通道围绕内部容积。双通道喷头进一步包括：第一入口，所述第一入口被连接到一个或多个环形通道；第二入口；所述第二入口绕过所述环形通道，其中所述第二入口被连接到内部容积；以及多个管道，所述多个管道从第一表面穿过所述内部容积延伸到第二表面。
附图说明
因此，以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，上文所简要概述的本公开的更具体的描述可以参考实施方式进行，一些实施方式示出在附图中。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施方式，并且因此不应视为限制本公开的范围，因为本公开可允许其他等效实施方式。
图1是根据本文所述一个实施方式的用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置的剖视图。
图2A-2C示出根据本文所述实施方式的双通道喷头。
为了促进理解，已尽可能使用相同附图标记来标示各图所共有的相同元素。应预见到，一个实施方式中公开的要素可有利地用于其他实施方式，而无需特定叙述。
具体实施方式
本文所公开的实施方式总体包括一种用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置。所述装置包括：处理腔室；自由基源，所述自由基源被耦接到所述处理腔室；基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理腔室中；以及双通道喷头，所述双通道喷头设置在所述自由基源与所述基板支撑件之间。所述双通道喷头包括多个管道和内部容积，所述内部容积围绕所述多个管道。多个管道和内部容积被嵌在双通道喷头中的一个或多个通道围绕。双通道喷头进一步包括：第一入口，所述第一入口被连接到一个或多个通道；以及第二入口，所述第二入口被连接到内部容积。所述第二入口被配置成将气体/自由基向内部容积引导，而不穿过一个或多个通道。
图1是根据本文所述一个实施方式的用于电介质膜的基于自由基的沉积的装置100的剖视图。在一个实施方式中，装置100包括处理腔室102和自由基源104，自由基源104被耦接到处理腔室102。自由基源104可以是能够产生自由基的任何合适的源。基于自由基的CVD具有以下优点：良好受控的生长条件、低热预算、无缺陷且较高质量的膜。自由基源104可以是远程等离子体源，诸如射频(RF)或甚高射频(VHRF)的电容性耦合的等离子体(CCP)源、电感性耦合的等离子(ICP)源、微波诱导(MW)等离子体源、DC辉光放电源、电子回旋共振(ECR)腔室、或高密度等离子体(HDP)腔室。或者，自由基源104可以是紫外线(UV)源，或为热丝化学气相沉积(HW-CVD)腔室中的细丝。自由基源104可以包括一个或多个气体入口106，并且自由基源104可通过自由基导管108耦接到处理腔室102。可作为自由基形成气体的一种或多种工艺气体可经由一个或多个气体入口106进入自由基源104。一种或多种工艺气体可以包括含氢气体，诸如氢、H2O、或氨。在自由基源104中产生的自由基(诸如氢自由基)穿过自由基导管108行进到处理腔室102中。
自由基导管108是盖组件112的一部分，盖组件112还包括自由基腔110、顶板114、盖缘116和双通道喷头118。自由基导管108可以包含基本不与自由基反应的材料。例如，自由基导管108可以包含AlN(氮化铝)；SiO2(二氧化硅)；Y2O3(三氧化二钇)；MgO(氧化镁)；阳极化Al2O3(三氧化二铝)；蓝宝石；含Al2O3(三氧化二铝)、蓝宝石、AlN(氮化铝)、Y2O3(三氧化二钇)、MgO(氧化镁)或塑料中的一种或多种的陶瓷。合适的二氧化硅材料的代表示例是石英。替代或另外地，自由基导管108可以在操作中接触自由基的表面上具有涂层。该涂层也可包含AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlN、Y2O3、MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷。如果使用涂层，那么所述涂层的厚度可在约1μm与约1mm之间。涂层可使用喷涂工艺来涂覆。可将自由基导管108设置在自由基导管支撑构件120内并且由自由基导管支撑构件120支撑。可将自由基导管支撑构件120设置在顶板114上，顶板114搁置在盖缘116上。
自由基腔110被定位在自由基导管108下方并耦接到所述自由基导管，并且在自由基源104中产生的自由基穿过自由基导管108向自由基腔110行进。自由基腔110由顶板114、盖缘116和双通道喷头118限定。任选地，自由基腔110可以包括衬垫122。衬垫122可以覆盖顶板114和盖缘116的位于自由基腔110内的表面。衬垫122可以包含基本不与自由基反应的材料。例如，衬垫122可以包含AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlO、Y2O3、MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷。替代或另外地，自由基腔110的与自由基接触的表面可由基本不与自由基反应的材料组成或涂布有这种材料。例如，表面可由AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlN、Y2O3、MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷组成或涂布有上述材料。如果使用涂层，那么所述涂层的厚度可在约1μm与约1mm之间。通过不消耗掉产生的自由基，通向被置于处理腔室102中的基板的自由基通量增大。
自由基分配板123可设置在顶板114与双通道喷头118之间的自由基腔110中。自由基分配板123可由与衬垫122相同的材料制成。自由基分配板123可以用于控制自由基流量轮廓。自由基分配板123在自由基腔110中的位置(即自由基分配板123与顶板114之间的距离和自由基分配板123与双区域喷头118之间的距离)就自由基的分配而言可以是关键的。接着，自由基穿过设置在双通道喷头118中的多个管道124进入处理区域128中。双通道喷头118进一步包括直径要小于多个管道124的多个开口126。多个开口126被连接到内部容积(未示出)，所述内部容积不与多个管道124流体连通。至少两个气体/自由基源119、121可耦接到双通道喷头118。可加热或冷却双通道喷头118。在一个实施方式中，双通道喷头118被加热至约100摄氏度至约250摄氏度的温度。在另一实施方式中，双通道喷头118被冷却至约25摄氏度至约75摄氏度的温度。双通道喷头118在图2中进行详细描述。
处理腔室102可以包括盖组件112、腔室主体130和支撑组件132。支撑组件132可至少部分地设置在腔室主体130内。腔室主体130可以包括狭缝阀开口135，以提供到处理腔室102的内部的进出口。腔室主体130可以包括衬垫134，衬垫134覆盖腔室主体130的内表面。衬垫134可以包括一个或多个孔136和形成在其中的泵送通道138，所述泵送通道与真空系统140流体连通。孔136为气体提供进入泵送通道138的流动路径，所述泵送通道为处理腔室102内的气体提供出口。或者，可将孔和泵送通道设置在腔室主体130的底部中，并且可将气体从腔室主体130的底部泵送到处理腔室102外。
真空系统140可以包括真空端口142、阀144和真空泵146。真空泵146经由真空端口142与泵送通道138流体连通。孔136使泵送通道138与腔室主体130内的处理区域128流体连通。处理区域128由双通道喷头118的下表面148和支撑组件132的上表面150限定，并且处理区域128由衬垫134围绕。
支撑组件132可以包括支撑构件152，以支撑用于在腔室主体130内进行处理的基板(未示出)。基板可以是任何标准晶片大小，比如，例如300mm。或者，基板可以大于300mm，诸如450mm或更大。取决于操作温度，支撑构件152可以包含氮化铝或铝。支撑构件152可配置成卡紧基板，并且支撑构件152可以是静电卡盘或真空卡盘。
支撑构件152可通过延伸穿过形成在腔室主体130的底表面中的中心定位开口158的轴156耦接到升降机构154。升降机构154可由波纹管160来柔性密封到腔室主体130，这防止从轴156周围真空泄漏。升降机构154允许支撑构件152在腔室主体130内在工艺位置与较低的传送位置之间竖直移动。该传送位置略低于狭缝阀135的开口。在操作过程中，可最小化基板与双通道喷头118之间的间距，以便使基板表面处的自由基通量最大化。升降机构154能够使轴156旋转，轴156继而又使支撑构件152旋转，从而使被置于支撑构件152上的基板在操作期间旋转。基板旋转帮助提高沉积的均匀性。
可将一个或多个加热元件162以及冷却通道164嵌在支撑构件152中。加热元件162和冷却通道164可以用于在操作过程中控制基板的温度。加热元件162可以是任何合适的加热元件，诸如一个或多个电阻加热元件。加热元件162可连接到一个或多个电源(未示出)。加热元件162可单独地控制，以便具有对多区域加热或冷却的独立加热和/或冷却控制。在能够具有对多区域加热和冷却的独立控制的情况下，基板温度轮廓在任何给定工艺条件下都可被增强。冷却剂可流过通道164，以将基板冷却。支撑构件152可进一步包括延伸到上表面150的气体通道，用以使冷却气体向基板背侧流动。
RF源可耦接到双通道喷头118或支撑构件152。RF源可以是低频、高频或甚高频的。在一个实施方式中，双通道喷头118被耦接到RF源，并且支撑构件152接地，如图1中所示。在另一实施方式中，双通道喷头118是接地的，并且支撑构件152被耦接到RF源。在任一实施方式中，在操作过程中，可将电容性耦合的等离子体形成在双通道喷头118与支撑构件152之间的处理区域128中。当自由基源是远程等离子体源时，除了自由基源中形成的等离子体之外，还有处理区域128中形成的电容性耦合的等离子体。支撑构件152可利用DC源偏置以增加离子轰击。因此，处理腔室102可以是PECVD腔室，并且装置100能够执行循环工艺(交替进行基于自由基的CVD和PECVD)。
图2A是根据本文所述实施方式的双通道喷头118的剖视图。双通道喷头118可以具有第一表面202和第二表面204，第一表面202面对自由基腔110，第二表面204与第一表面202相对。第二表面204可以面对支撑组件132。可将第一表面202与第二表面204间隔开以提供内部容积206。第一表面202和第二表面204可由基本不与自由基反应的材料组成或涂布有这种材料。例如，表面202、204可由AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlN、Y2O3、MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷组成或涂布有上述材料。如果使用涂层，那么所述涂层的厚度可在约1μm与约1mm之间。可将多个管道124形成在双通道喷头118中。管道124可以从第一表面202延伸到第二表面204，并且由自由基源104产生的自由基可以穿过管道124到达被置于支撑组件132上的基板。内部容积206可以围绕多个管道124，并且一个或多个环形通道208、210可以围绕内部容积206和多个管道124。
内部容积206可与一个或多个环形通道208、210流体连通。多个开口126可以从内部容积206延伸到第二表面204。一个或多个环形通道208、210可连接到入口212，所述入口被耦接到气源121。气源121可以将前体气体(诸如含硅气体)提供到双通道喷头118，并且前体气体流过一个或多个环形通道208、210到达内部容积206并且经由多个开口126到达处理区域128。含硅前体气体的示例包括有机硅、四烷基原硅酸酯气体和二硅氧烷。有机硅气体包括具有至少一个碳-硅键的有机化合物的气体。四烷基原硅酸酯气体包括由附连至SiO4 4-离子的四个烷基基团组成的气体。更具体地，一种或多种前体气体可以是(二甲基甲硅烷基)(三甲基甲硅烷基)甲烷((Me)3SiCH2SiH(Me)2)、六甲基乙硅烷((Me)3SiSi(Me)3)、三甲基硅烷((Me)3SiH)、四甲基硅烷((Me)4Si)、四乙氧基硅烷((EtO)4Si)、四甲氧基硅烷((MeO)4Si)、四(三甲基甲硅烷基)硅烷((Me3Si)4Si)、(二甲基氨基)二甲基甲硅烷((Me2N)SiHMe2)二甲基二乙氧基硅烷((EtO)2Si(Me)2)、二甲基二甲氧基硅烷((MeO)2Si(Me)2)、甲基三甲氧基硅烷((MeO)3Si(Me))、二甲氧基四甲基二硅氧烷(((Me)2Si(OMe))2O)、三(二甲基氨基)硅烷((Me2N)SiH)、双(二甲基氨基)甲基硅烷((Me2N)2CH3SiH)、二硅氧烷((SiH3)2O)和上述气体的组合。
由于多个管道124中的开口不与内部容积206流体连通，因此穿过多个管道124的自由基不与双通道喷头118中的前体气体混合。由于喷头118包含彼此不流体连通的两个通道，因此喷头118是双通道喷头118。多个管道124各自具有约0.10英寸至约0.35英寸的内径。多个开口126各自具有约0.01英寸至约0.04英寸的直径。
一个或多个环形通道208、210可由一个或多个连接通道216连接，所述连接通道的横截面比环形通道208、210小得多。这种配置帮助前体气体均匀分配到内部容积206中和开口126外。然而，如果自由基将进入入口212，那么当从较大的环形通道208向较小的连接通道216流动时，自由基可重组。为了给与在自由基源104中形成的自由基不同的自由基提供路径，在双通道喷头118中形成第二入口214，并且将第二入口214连接到内部容积206，从而绕过一个或多个环形通道208、210。第二入口214可不同于第一入口212，并且可配置成将来自自由基源119的自由基向内部容积206引导，而不穿过一个或多个环形通道208、210。在一个实施方式中，氟自由基在自由基源119中产生，并且经由第二入口214被引入内部容积206中。接着，引导氟自由基通过多个开口126到处理区域128。氟自由基可以用于清洁处理腔室102的内表面。可以不从自由基源104传递氟自由基，以便提高自由基源104的寿命。
图2B是根据本文所述实施方式的双通道喷头118的顶视图。双通道喷头118包括第一表面202和多个管道124，所述多个管道从第一表面202延伸到第二表面204。一个或多个环形通道208、210和内部容积206全都嵌在双通道喷头118中，因此，所述环形通道和内部容积未示出于双通道喷头118的顶视图之中。
图2C是根据本文所述实施方式的双通道喷头118的底视图。双通道喷头118包括第二表面204、多个管道124和多个开口126，所述多个管道从第一表面202延伸到第二表面204。一个或多个环形通道208、210和内部容积206全都嵌在双通道喷头118中，因此，所述环形通道和内部容积未示出于双通道喷头118的底视图之中。多个管道124和多个开口126的布置可以增强横跨基板的气体/自由基分配的均匀性，并且可以基于工艺条件发生变化。
总之，一种用于使用基于自由基的沉积来形成电介质膜的装置被公开。该装置可以包括耦接到自由基源的处理腔室。所述处理腔室可以包括双通道喷头，所述双通道喷头具有多个管道、围绕所述管道的内部容积以及围绕所述管道和所述内部容积的一个或多个通道。双通道喷头可包括：第一入口，所述第一入口被连接到所述一个或多个通道；以及第二入口，所述第二入口被连接到所述内部容积。第二入口被配置成将自由基向内部容积引导，而不穿过所述一个或多个通道。在这种配置中，从第二入口进入的自由基不会在一个或多个通道中重组。
尽管上述内容针对各个实施方式，但是可设计其他和进一步的实施方式而不背离基本范围，并且本发明的范围是由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种包括双通道喷头的装置，其中所述双通道喷头包括：
第一表面；
第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对并与所述第一表面间隔开以提供内部容积，其中所述双通道喷头中的一个或多个环形通道围绕所述内部容积；
第三表面，所述第三表面连接所述第一表面与所述第二表面；
第一入口，所述第一入口被连接到所述一个或多个环形通道，其中所述第一入口被形成在所述第三表面中；
第二入口，所述第二入口被定位成将自由基向所述内部容积引导而不穿过所述一个或多个环形通道，其中所述第二入口被形成在所述第三表面中，其中所述第一入口被定位成向所述一个或多个环形通道的上游的位置提供气体，且所述第二入口被定位成向所述一个或多个环形通道的下游的位置提供自由基；以及
多个管道，所述多个管道从所述第一表面穿过所述内部容积延伸到所述第二表面。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一表面和所述第二表面涂布有AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlN、Y2O3、以及MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个环形通道是两个环形通道，并且所述两个环形通道由一个或多个连接通道连接。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述一个或多个连接通道中的每一个的横截面积小于所述两个环形通道中的每一个的横截面积。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述多个管道各自具有约0.10英寸至约0.35英寸的内径。
6.如权利要求5所述的装置，进一步包括多个开口，所述多个开口从所述内部容积延伸到所述第二表面。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述多个开口各自具有约0.01英寸至约0.04英寸的直径。
8.一种装置，所述装置包括：
自由基源；以及
处理腔室，所述处理腔室被耦接到所述自由基源，其中所述处理腔室包括：
基板支撑件；以及
双通道喷头，所述双通道喷头设置在所述自由基源与所述基板支撑件之间，其中所述双通道喷头包括：
第一表面，所述第一表面面对所述自由基源；
第二表面，所述第二表面面对所述基板支撑件并与所述第一表面间隔开以提供内部容积，其中所述双通道喷头中的一个或多个环形通道围绕所述内容容积；
第三表面，所述第三表面连接所述第一表面与所述第二表面；
第一入口，所述第一入口被连接到所述一个或多个环形通道，其中所述第一入口被形成在所述第三表面中；
第二入口，所述第二入口被定位成将自由基向所述内部容积引导而不穿过所述一个或多个环形通道，其中所述第二入口被形成在所述第三表面中，其中所述第一入口被定位成向所述一个或多个环形通道的上游的位置提供气体，且所述第二入口被定位成向所述一个或多个环形通道的下游的位置提供自由基；以及
多个管道，所述多个管道从所述第一表面穿过所述内部容积延伸到所述第二表面。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述第一表面和所述第二表面涂布有AlN；SiO2；Y2O3；MgO；阳极化Al2O3；蓝宝石；含Al2O3、蓝宝石、AlN、Y2O3、以及MgO或塑料中的一种或多种的陶瓷。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述一个或多个环形通道是两个环形通道，并且所述两个环形通道由一个或多个连接通道连接。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述一个或多个连接通道中的每一个的横截面积小于所述两个环形通道中的每一个的横截面积。
12.如权利要求8所述的装置，其中所述多个管道各自具有约0.10英寸至约0.35英寸的内径。
13.如权利要求12所述的装置，进一步包括多个开口，所述多个开口从所述内部容积延伸到所述第二表面。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述多个开口各自具有约0.01英寸至约0.04英寸的直径。
15.如权利要求8所述的装置，其中所述双通道喷头被连接到RF源，并且所述基板支撑件是接地的。
16.如权利要求8所述的装置，其中所述双通道喷头是接地的，并且所述基板支撑件被连接到RF源。
17.如权利要求8所述的装置，其中所述基板支撑件包括一个或多个加热元件以及冷却通道。
18.如权利要求8所述的装置，其中所述基板支撑件被连接到DC源。
19.如权利要求8所述的装置，其中所述基板支撑件是可旋转的。
20.如权利要求8所述的装置，其中所述处理腔室是PECVD腔室，并且所述装置能够执行循环工艺，其中所述循环工艺包括交替进行基于自由基的CVD和PECVD。
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