CN114641592A

CN114641592A - 金属沉积

Info

Publication number: CN114641592A
Application number: CN202080075633.2A
Authority: CN
Inventors: 拉维·韦兰基; 埃里克·H·伦茨; 维纳亚卡拉迪·古拉巴尔; 桑杰·戈皮纳特; 米卡尔·达内克; 普罗德尤特·玛久姆德; 诺维·特约克洛; 陈彦璋; 施卢蒂·维维克·托姆贝尔; 戈鲁恩·布泰尔; 帕特里克·A·范克利蒙布特
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2022-06-17
Also published as: WO2021042114A1; US20220290300A1; JP2022546404A; KR20220052996A; TW202124767A

Abstract

提供各种喷头及方法。一种喷头可以包含：面板，其部分地由前表面和背表面限定；背板，其具有气体入口、第一圆锥台表面以及第二圆锥台表面；充气部容积，其流体连接至所述气体入口，且至少部分地由所述气体入口、所述面板的所述背表面、所述第一圆锥台表面、以及所述第二圆锥台表面限定；以及挡板，其位于所述充气部容积内，且具有多个挡板通孔，所述多个挡板通孔延伸穿过所述挡板。所述第二圆锥台表面可以相对于所述喷头的中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位，并且所述第二圆锥台表面可以沿着所述中心轴而定位成比所述第一圆锥台表面更远离所述气体入口。

Description

金属沉积

通过引用并入

PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。

背景技术

使用化学气相沉积(CVD)技术的钨(W)膜沉积是半导体制造工艺的不可或缺的部分。例如，钨膜可用作水平互连形式中的低电阻率电连接件，相邻金属层之间的通孔，以及第一金属层和硅衬底上的装置之间的触点。钨膜也可用在多种存储器应用中，包括用于动态随机存取存储器(DRAM)的掩埋字线(bWL)架构的形成、用于3D NAND的字线的形成、以及逻辑应用中。然而，特征尺寸和膜厚度的持续减小带来了各种挑战，这些挑战包括较薄的膜的较高的电阻率。诸如钼(Mo)之类的其他金属正受评估以作为W的低电阻率替代品。

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

发明内容

本说明书中所述的主题的一或更多实现方案的细节在附图及以下说明中阐述。通过说明书、附图、以及权利要求，其他特征、方面以及优点将变得显而易见。以下的非限制性实现方案被视为本公开内容的一部分；通过本公开内容全文及附图，其他实现方案将是明显的。

在一些实施方案中，可以提供一种喷头。该喷头可以包含：面板，其部分地由前表面和背表面限定，且具有多个面板通孔，所述多个面板通孔从所述前表面延伸穿过所述面板到达所述背表面；背板，其具有气体入口、第一圆锥台表面以及第二圆锥台表面；充气部容积，其流体连接至所述气体入口，且至少部分地由所述气体入口、所述面板的所述背表面、所述第一圆锥台表面、以及所述第二圆锥台表面限定；以及挡板，其位于所述充气部容积内，且部分地由顶表面和底表面限定，且具有多个挡板通孔，所述多个挡板通孔从所述顶表面延伸穿过所述挡板到达所述底表面。所述第二圆锥台表面可以相对于所述喷头的中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位，所述第二圆锥台表面可以沿着所述中心轴而定位成比所述第一圆锥台表面更远离所述气体入口，所述第一圆锥台表面可以相对于所述中心轴而成第一角度，并且所述第二圆锥台表面可以相对于所述中心轴而成第二角度。

在一些实施方案中，所述第二圆锥台表面的内圆周可以相对于所述中心轴而从所述第一圆锥台表面的外圆周径向地往外定位。

在一些实施方案中，所述第一角度可以大于所述第二角度。

在一些这样的实施方案中，所述第一角度介于约50°至约90°之间，且所述第二角度介于约45°至约85°之间。

在一些实施方案中，所述背板还包含第三表面，其横跨于所述第一圆锥台表面与所述第二圆锥台表面之间。

在一些实施方案中，所述第三表面可以包含垂直于所述中心轴的平面部分。

在一些实施方案中，所述背板还可以包含第三圆锥台表面，其相对于所述中心轴而从所述第二圆锥台表面径向地往外定位，使得所述第二圆锥台表面径向地插入所述第一圆锥台表面与所述第三圆锥台表面之间，并且可以将所述第三圆锥台表面定位成相对于所述中心轴而成第三角度。

在一些这样的实施方案中，所述第三角度可以大于所述第一角度和所述第二角度。

在一些实施方案中，所述挡板的外缘可以相对于所述中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位。

在一些这样的实施方案中，所述挡板的所述外缘可以相对于所述中心轴而定位成径向地插入所述第二圆锥台表面的内圆周与所述第二圆锥台表面的外圆周之间。

在一些实施方案中，所述挡板可以沿着所述中心轴而定位成使得所述第一圆锥台表面比所述挡板更靠近所述气体入口。

在一些这样的实施方案中，所述挡板的所述顶表面可以面对所述气体入口，且所述挡板的所述底表面可以面对所述面板，并且所述挡板还可以沿着所述中心轴而定位，使得所述挡板的所述顶表面沿着所述中心轴而介于所述第二圆锥台表面的内圆周与所述第二圆锥台表面的外圆周之间。

在还有的一些实施方案中，所述挡板还可以沿着所述中心轴定位，使得所述挡板的所述底表面比所述第二圆锥台表面的外圆周更远离所述气体入口。

在一些实施方案中，所述挡板还包含挡板圆锥台表面，其面对所述背板。

在一些这样的实施方案中，所述挡板圆锥台表面可以从所述中心轴偏移第四角度，其中所述第四角度与所述第二角度互补。

在一些实施方案中，所述多个挡板通孔可以具有随着所述径向位置相对于所述中心轴距离增大而增大的外径。

在一些这样的实施方案中，第一数量的挡板通孔可以定位于所述挡板的第一区段中，且具有第一外径，第二数量的挡板通孔可以定位于所述挡板的第二区段中，且具有第二外径，所述第二外径大于所述第一外径，并且所述第二区段可以相对于所述中心轴而从所述第一区段径向地往外偏移。

在还有的一些这样的实施方案中，所述第一外径可以介于约0.3mm至约0.65mm之间，且所述第二外径介于约0.5mm至约0.75mm之间。

在还有的一些这样的实施方案中，第三数量的挡板通孔可以定位于所述挡板的第三区段中，且具有第三外径，所述第三外径大于所述第二外径，并且所述第三区段可以相对于所述中心轴而从所述第二区段径向地往外偏移。

在一些实施方案中，所述第三外径介于约0.7mm至约1.1mm之间。

在一些实施方案中，所述第一圆锥台表面的内圆周可以部分地限定所述气体入口。

在一些实施方案中，所述面板还可以包含面板圆锥台表面，所述面板圆锥台表面相对于所述中心轴而从所述面板的所述前表面径向地往外定位，且从所述中心轴偏移第五角度，所述第五角度大于90°。

在一些实施方案中，所述喷头还可以包含：端口，其包含第一端和位于第二端的开口，并且延伸通过所述面板，并且所述开口可以位于所述面板中且位于从所述前表面径向往外处，以及窗部，其定位成邻近所述端口的所述第一端。

在一些此类实施方案中，所述喷头还可以包含传感器，其定位成邻近所述窗部，使得所述窗部介于所述第一端与所述传感器之间。

在还有的一些这样的实施方案中，所述传感器可以被配置成判定以下一者或多者：所述开口外部的物体的距离、所述开口外部的温度、以及所述开口外部的气体种类。

在一些这样的实施方案中，所述窗部可以由包含蓝宝石的材料所制成。

在一些这样的实施方案中，所述喷头还可以包含三个端口和三个窗部。每个窗部可以被定位成邻近一个相应端口的所述第一端，并且所述三个端口可以围绕所述中心轴基本上等距间隔开。

在一些实施方案中，所述面板通孔的外径都可以相同。

在一些这样的实施方案中，所述面板通孔中的每一者的外径可以介于约0.03英寸至0.05英寸之间。

在一些实施方案中，可提供一种方法。所述方法可包含经由喷头将反应物气体的顺序剂量导入至处理室，以在衬底上通过原子层沉积处理沉积膜。所述喷头可包含：面板，其部分地由前表面和背表面限定，且具有多个面板通孔，所述多个面板通孔从所述前表面延伸穿过所述面板到达所述背表面；背板，其具有气体入口、第一圆锥台表面以及第二圆锥台表面；充气部容积，其流体连接至所述气体入口，且至少部分地由所述气体入口、所述面板的所述背表面、所述第一圆锥台表面、以及所述第二圆锥台表面限定；以及挡板，其位于所述充气部容积内，且部分地由顶表面和底表面限定，且具有多个挡板通孔，所述多个挡板通孔从所述顶表面延伸穿过所述挡板到达所述底表面。所述第二圆锥台表面可以相对于所述喷头的中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位，所述第二圆锥台表面可以沿着所述中心轴而定位成比所述第一圆锥台表面更远离所述气体入口，所述第一圆锥台表面可以相对于所述中心轴而成第一角度，并且所述第二圆锥台表面可以相对于所述中心轴而成第二角度。

在一些实施方案中，可提供一种方法。所述方法可包含使结构暴露于多个沉积循环以在结构的特征中用主体导电层填充结构的特征，且每个沉积循环可包含按顺序输送氢(H₂)的剂量及与氮(N2)共流的含金属前体的剂量。

在一些实施方案中，所述结构可为经部分加工的三维(3D)NAND结构，其包含侧壁及在侧壁中的多个开口，所述多个开口通向具有多个内部区域的多个特征，所述多个内部区域经由开口而可流体访问。

在一些实施方案中，含金属前体可以是金属卤化物。

在一些实施方案中，含金属前体可以是金属氧卤化物。

在一些实施方案中，含金属前体可以是含钨前体。

在一些这样的实施方案中，所述含钨前体可以是六氟化钨(WF₆)、六氯化钨(WCl₆)、五氯化钨(WCl₅)、四氯化钨(WCl₄)、二氯化钨(WCl₂)、四氯氧化钨(WOCl₄)、或二氯二氧化钨(WO₂Cl₂)。

在一些实施方案中，含金属前体可以是含钼前体。

在一些这样的实施方案中，所述含钼前体可为五氯化钼(MoCl₅)、六氟化钼(MoF₆)、二氯二氧化钼(MoO₂Cl₂)、四氯氧化钼(MoOCl₄)、及四氟氧化钼(MoOF₄)。

在一些实施方案中，所述方法还可以包含在所述多个沉积循环之前的NH₃浸泡处理。

在一些实施方案中，所述多个沉积循环可包含经由上述实施方案的任一者中所提供的喷头将氢(H₂)的剂量以及与氮(N₂)共流的含金属前体的剂量中的至少一者导入。

在一些实施方案中，可提供一种方法。所述方法可包含提供待用金属填充的结构、以及使所述结构暴露于多个沉积循环。每个沉积循环可包含按顺序输送氢(H₂)的剂量以及与氮(N₂)共流的含金属前体的剂量。

附图说明

本文所公开的各种实现方案以示例而非限制的方式描述。在附图的图中，相似的附图标记指相似的元件。

图1A及1B为材料堆叠件的示意性示例，这些材料堆叠件可利用本文所述的方法及装置而形成。

图2描绘了动态随机存取存储器(DRAM)结构的示意性示例，该DRAM结构包含位于硅衬底中的埋入式字线(bWL)。

图3A描绘了形成于衬底上的3D NAND结构中的字线310的示意性示例。

图3B描绘了字线与氧化物层之间的接口的细节。

图3C描绘了经部分加工的3D NAND结构的横截面侧视图。

图3D描绘了图3C中所示的相同3D NAND结构的横截面俯视图。

图4A-4C描绘了可用于以金属填充3D NAND结构的技术。

图5描绘了所沉积的钨膜的氟浓度(以原子/cc为单位)比较。

图6描绘了根据实施方案适合执行沉积处理的处理系统的示意图。

图7描绘了一示例性沉积站。

图8描绘了示例性气体歧管系统的示意图。

图9描绘了根据所公开的实施方案的示例性喷头的等角视图。

图10描绘了图9的喷头的横截面侧视图。

图11A描绘了图10的横截面图。

图11B仅描绘了充气部容积的通过喷头中心轴的横截面切面。

图11C描绘了背板的局部轮廓的横截面侧视图。

图11D描绘了背板的下侧的平面图。

图11E描绘了图11C的右侧的表面。

图12描绘了说明性的圆锥台表面。

图13A描绘了挡板的侧视图。

图13B描绘了挡板的俯视图。

图13C描绘了图13B的放大图。

图14描绘了图10的喷头的横截面图的右半部的放大部分。

图15A描绘了面板的平面图。

图15B描绘了图15A的面板的中间的局部放大部分。

图15C描绘了一些面板通孔的规格。

图16A描绘了喷头以及示例性基座的横截面侧视图。

图16B描绘了图16A的放大部分。

图17A和17B描绘了两个沉积膜的电阻不均匀性的测量结果。

图17C和17D描绘了两个其他沉积膜的电阻不均匀性的测量结果。

具体实施方式

在以下的描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施方案的充分理解。所公开的实施方案可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他实例中，未详细描述公知的处理操作，以避免不必要地使所公开的实施方案模糊不清。虽然将结合具体实施方案描述所公开的实施方案，但应当理解的是其并不旨在限制所公开的实施方案。

在半导体设备加工中经常使用特征的钨(W)填充以形成电触点。在沉积钨薄膜的常规方法中，首先将成核钨层沉积于通路(via)或触点中。一般而言，成核层为薄保形层，其用于促进随后在其上形成主体材料。可沉积钨成核层以保形地涂布特征的侧壁及底部。下方特征底部及侧壁的保形对于维持高质量的沉积会是关键的。通常使用原子层沉积(ALD)或脉冲成核层(PNL)方法以沉积成核层。

在ALD或PNL技术中，将反应物的脉冲顺序地注入、并从反应室中清扫掉，通常通过反应物之间的清扫气体的脉冲进行。可将第一反应物吸附于衬底上，该第一反应物可与下一反应物反应。以循环方式重复该处理，直到达成期望厚度为止。在所公开的实施方案的背景下，化学气相沉积(CVD)包含将反应物一同导入反应器以进行气相或表面反应的处理。PNL及ALD处理不同于CVD处理，反之亦然。

在沉积钨成核层之后，可通过使用诸如氢(H₂)之类的还原剂还原六氟化钨(WF₆)的CVD处理以沉积主体钨。主体钨不同于钨成核层。本文所用的主体钨是指用于填充大部分或全部的特征(例如至少约50％的特征)的钨。与成核层不同(成核层为用于促进后续在其上形成主体材料的薄保形膜)，主体钨用于承载电流。与成核膜相比，主体钨可具有较大晶粒尺寸以及较低电阻率的特征。在许多实施方案中，主体钨为沉积达至少

的厚度的钨。类似地，钼的沉积可涉及首先沉积成核层，然后沉积较低电阻率的主体层。

随着设备缩小至更小的技术节点并且使用更为复杂的图案化结构，在导电膜填充方面面临许多挑战。挑战之一为在这些结构中进行保形沉积以使材料在整个结构中均匀分布。在特征或结构内的材料分布可通过其台阶覆盖率(step coverage)来表征。为说明的目的，“台阶覆盖率”被定义为两种厚度的比值。例如，台阶覆盖率可以是在特征内部的材料的厚度除以在开口附近的材料的厚度。为说明的目的，术语“在特征内部”被表示为沿着特征轴而位于特征中点附近(例如沿着从特征开口所测量的特征深度的约25％与75％之间的距离(或在某些实现方案中，约40％与60％之间的距离)的区域)的特征中间部分，或者位于沿着从该开口所测量的特征轴的约75％与95％之间的距离的特征末端部分。术语“在特征的开口附近”或“在特征开口附近”表示位于开口边缘(或代表开口边缘的其他元件)的25％内(或更具体而言，在10％内)的特征的顶部。例如可通过在特征的中间或底部附近比在特征开口填充较宽的特征而实现超过100％的台阶覆盖率。

另一个挑战为降低沉积膜中的氟浓度或含量，其在使用含氟金属前体时可能是一个问题。与较大特征相比，膜中氟浓度与较大特征相同的较小特征对设备性能的影响更为显著。例如，特征越小，沉积的膜越薄。因此，沉积膜中的氟更可能扩散通过较薄的膜，从而潜在地导致设备故障。对于诸如3D NAND设备之类的设备而言，粗糙度(包括侧壁粗糙度)也是一个挑战。

特征填充及其他沉积与非沉积处理的另一个挑战是均匀性。在晶片或其他衬底上各处的不均匀处理可能导致集成上的挑战及设备故障。

本文提供利用导电膜填充结构的方法及装置。这些方法涉及利用原子层沉积(ALD)处理以使用氢(H₂)作为还原剂来沉积主体层。ALD处理涉及含金属前体及H₂的顺序投配，并且使氮(N₂)与含金属前体一起流动。还提供被配置以执行所述方法的装置。

根据许多实施方案，可实现一或更多优点。在一些实施方案中，使N₂与含金属前体一起流动能够在较高沉积温度下获得良好的填充效果，这允许沉积较低应力的膜。氮的使用也可提供沉积膜的平滑形貌。在一些实施方案中，这使得主体金属膜能够在没有中间成核层的情况下直接沉积在氧化物表面上。

还提供了可在用于沉积及其他衬底处理的装置中使用的低容积喷头。在一些实施方案中，喷头包含由背板的多个圆锥台表面所部分限定的充气部容积、以及位于充气部容积内的具有通孔的挡板。这些特征会导致下列情况中的一或多者：喷头的内部容积减小、喷头内的流动更为均匀、以及喷头内的颗粒生成减少。根据许多实施方案，可实现一或更多优点。在一些实施方案中，使得反应物消耗及清扫时间减少。在一些实施方案中，喷头内的均匀流动改善沉积膜的均匀性。

图1A-8描述利用导电膜填充结构的方法及装置。图9-17D描述用于衬底处理的低容积喷头。在一些实施方案中，使用低容积喷头以实施这些方法。

首先，关于导电膜沉积，图1A及1B为材料堆叠件的示意性示例，这些材料堆叠件可利用本文所述的方法及装置而形成。图1A和1B显示了特定堆叠件中的材料的顺序，且可以与任何适当架构及应用一起使用，如以下针对图2、3A、及3B而进一步描述的。在图1A的示例中，衬底102具有沉积于其上的成核层108。衬底102可以是硅或其他半导体晶片(例如200-mm晶片、300-mm晶片、450-mm晶片)，包括具有一或更多层的材料(例如电介质、导电、或半导电材料)沉积于其上的晶片。也可应用这些方法以在其他衬底(例如玻璃、塑料等)上形成金属化堆叠结构。

在图1A中，介电层104位于衬底102上。可将介电层104直接沉积在衬底102的半导体(例如硅)表面上，或者可存在任何数目的中间层。介电层的示例包含经掺杂及未掺杂的氧化硅、氮化硅、以及氧化铝层，其中特定示例包含经掺杂或未掺杂的层SiO₂及Al₂O₃。并且，在图1A中，扩散阻挡层106被设置于成核层108与介电层104之间。扩散阻挡层的示例包含氮化钛(TiN)、钛/氮化钛(Ti/TiN)、氮化钨(WN)、以及碳氮化钨(WCN)。金属层110被沉积在成核层108上，且为结构的主导体(也称为主体导体或主体层)，且成核层108提供金属生长的模板。金属层的示例包含钨(W)和钼(Mo)层。成核层108可包含与金属层110相同或不同的金属。

图1B显示了材料堆叠件的另一示例。在该示例中，堆叠件包含衬底102、介电层104、以及直接沉积于介电层104上的成核层108，没有中间扩散阻挡层。如同图1A的示例，金属层110被沉积在成核层108上，且为结构的主导体。

虽然图1A和1B显示了金属化堆叠件的示例，但方法与所得堆叠件并非如此受限。例如，在一些实施方案中，可将成核层108省略，而将主导体直接沉积在下伏层上。在一些实施方案中，可将成核层直接沉积在Si或其他半导体衬底上以作为金属生长的模板。在可容纳于室中的衬底上执行本文所述的方法。

可以各种结构实施上述及下文进一步描述的材料堆叠件。图2、3A以及3B提供可采用堆叠件的结构的示例。图2描绘了DRAM结构的示意性示例，该DRAM结构包含位于硅衬底202中的埋入式字线(bWL)210。bWL210是在蚀刻于硅衬底202中的沟槽中形成。保形成核层208及绝缘层204作为该沟槽的衬里，绝缘层204被设置于保形成核层208与硅衬底202之间。在图2的示例中，绝缘层204可以是由高k介电材料(例如氧化硅或氮化硅材料)所形成的栅极氧化物层。在一些实施方案中，可将保形阻挡层(例如TiN或含钨层)插入成核层208与绝缘层204之间。

图3A描绘了形成于衬底300上的3D NAND结构323中的字线310的示意性示例。字线310由氧化物层311分隔开。在图3B中，显示出字线310与氧化物层311之间的接口的细节，其包含氧化铝(Al₂O₃)304以及成核层308。在一些实施方案中，可将成核层308直接沉积于氧化物层311上、或TiN或本文所述的其他阻挡层上。成核层可例如介于约

至

之间、或

至

之间，以用于沉积厚度介于约10nm至100nm之间的字线310。

图3C呈现了部分制造的3-D NAND结构333的横截面侧视图并且说明了金属填充的挑战。结构330形成在半导体衬底300上并且包括3D NAND堆叠件(左325和右326)、中央竖直结构330以及在中央竖直结构330的相对侧壁340上具有开口322的多个堆叠的字线结构320。请注意，图3C显示了所展示的部分制造的3-D NAND结构333的两个堆叠件325和326，它们共同形成沟槽状中央竖直结构330。但是，在一些实施方案中，可以有两个以上的堆叠件按顺序排列并且在空间上彼此平行地延伸，每一相邻的堆叠件对之间的间隙形成中央竖直结构330，类似于图3C中明确示出的。在图3C的示例中，字线特征320可以通过开口322从中央竖直结构330流体地访问。尽管在图中未明确指出，但是在图3C中所示的3-D NAND堆叠件325和326(即，左3-D NAND堆叠件325和右3-D NAND堆叠件326)都存在的水平特征320也可以通过附加的3-D NAND堆叠件形成的类似竖直结构(位于最左侧和最右侧，但未显示)从堆叠件的其他侧(分别为最左侧和最右侧)访问。换句话说，每个3-D NAND堆叠件325、326包含字线特征的堆叠件，这些字线特征可穿过中央竖直结构330从3-D NAND堆叠件的两侧进行流体访问。

3-D NAND堆叠件中的字线特征可以通过以下方式形成：沉积交替的氧化硅和氮化硅层的堆叠件，然后选择性地去除氮化物层，从而留下氧化物层311的堆叠件，在它们之间具有间隙。这些间隙是字线特征320。只要有可用的形成字线的技术，以及可用于成功地完成竖直特征的基本上无空隙填充的任何字线的技术，就可以在这种3-D NAND结构中竖直堆叠任意数量的字线。因此，例如，3D-NAND堆叠件可包括介于2个至256个之间的水平字线特征，或介于8至128个之间的水平字线特征，或介于16至64个之间的水平字线特征等等(所列范围理解为包括所述端点)。

图3D示出了在图3C中示出的相同3-D NAND结构的截面顶视图，其中截面通过如在图3C中的水平虚线所示的水平部分360截取。图3C的横截面示出了几排柱355，其从半导体衬底300的基部竖直延伸到3-D NAND堆叠件的顶部。在一些实施方案中，这些柱355由多晶硅材料制成并且对3-D NAND结构333在结构上和功能上是重要的。在一些实施方案中，这样的多晶硅柱可以用作在柱内形成的堆叠存储器单元的栅电极。图3D的顶视图示出了柱355在字线特征320的开口322中形成收缩部，即字线特征320从中央竖直结构330经由开口322的流体可访问性(如图3D中的箭头所示)被柱355抑制。在一些实施方案中，相邻的多晶硅柱之间的水平间隙的尺寸在约1至20nm之间。流体可访问性的降低增加了用导电材料均匀填充字线特征320的难度。

图4A-4C描述了可被执行以用金属填充3D NAND结构的方法。首先转向图4A，执行图4A的操作402-410以通过ALD沉积成核层。在本文所述的一些实施方案中，操作402-410在比操作480中的后续主体沉积更低的压强下执行。例如，对于钨沉积，操作402-410可以在小于约10托的低压下执行。在一些示例中，对于钨沉积，操作402-410在大约10托的压强或大约3托的压强下执行。钼成核层的沉积可使用较高的压强，例如10-60托。该范围的下限的压强可用于减轻氟掺入作用。

在一些实施方案中，在低压下执行操作402-410使得所沉积的膜中的氟浓度降低，其归因于当沉积膜时室中的含氟前体(如果使用)的分压较低，从而使得较少的氟被掺入膜中。

在操作402中，将衬底暴露于含金属的前体。该操作可以被称为“脉冲”或“投配”，它们在本文中可以互换使用。含金属前体包含金属，该金属将是成核层的主要成分，并且在许多实施方案中(尽管不是必须)，是随后沉积的主体层的主要成分。

成核层的示例包括含钨成核层和含钼成核层，它们分别使用含钨前体和含钼前体。含钨前体的示例包括卤化钨和卤氧化钨。卤化钨的示例包括六氟化钨(WF₆)，氯化钨(WClx)，包括六氯化钨(WCl₆)、五氯化钨(WCl₅)、四氯化钨(WCl₄)、二氯化钨(WCl₂)，以及氯氧化钨(WO_xCl_y)，例如四氯氧化钨(WOCl₄)和二氯二氧化钨(WO₂Cl₂)。进一步的示例包括六羰基钨W(CO)₆和有机钨前体，例如MDNOW(甲基环戊二烯基-二羰基亚硝酰基-钨)和EDNOW(乙基环戊二烯基-二羰基亚硝酰基-钨)。

含钼前体的示例包括卤化钼和卤氧化钼。卤化钼的示例包括五氯化钼(MoCl₅)和六氟化钼(MoF₆)。钼氧卤化物的示例包括二氯二氧化钼(MoO₂Cl₂)、四氯氧化钼(MoOCl₄)和四氯氧化钼(MoOF₄)。

含金属的前体可以包括这些化合物的组合。在一些实施方案中，在操作402期间可以使载气，例如氮气(N₂)、氩气(Ar)、氦气(He)或其他惰性气体流动。

操作402可以在任何合适的持续时间和在任何合适的温度下执行。在一些示例中，操作402可执行约0.25秒至约30秒、约0.25秒至约5秒或约0.5秒至约3秒之间的持续时间。在一些实施方案中，该操作可以在足以使衬底表面上的活性位点饱和的持续时间内进行。

在操作404中，任选地清扫室以去除没有吸附到衬底表面的过量前体。可通过在固定压强下使惰性气体流动而进行清扫操作，从而降低室的压强并且在开始另一气体暴露步骤之前对室重新加压。

在操作406中，将衬底暴露于共反应物以沉积成核层。在一些实施方案中，共反应物是还原剂，例如氢(H₂)、硼烷、硅烷或锗烷。示例性的硼烷包括硼烷(BH₃)、乙硼烷(B₂H₆)、三硼烷、烷基硼烷、氨基硼烷、碳硼烷和卤硼烷。示例性的硅烷包括硅烷(SiH₄)、乙硅烷(Si₂H₆)、丙硅烷(Si₃H₈)、烷基硅烷、氨基硅烷、碳硅烷和卤代硅烷。锗烷包括Ge_nH_n+4、Ge_nH_n+6、Ge_nH_n+8和Ge_nH_m，其中n是1到10的整数，并且n是与m不同的整数。也可以使用其他锗烷，例如烷基锗烷、氨基锗烷、碳锗烷和卤化锗烷。通常，卤代锗可能没有显著的还原潜力，但可能存在适合使用卤代锗形成膜的处理条件和前体。

在一些实施方案中，可以使用金属卤化物或金属卤氧化物前体和含氮还原剂例如氨(NH₃)沉积无定形成核层。这种成核层在2019年1月28日提交的美国临时专利申请No.62/797,860中有描述，并且可以表征为金属氧氮化物或金属氮化物成核层。金属氧氮化物或金属氮化物成核层可以在后续处理中(包括在主体层沉积期间)转化为金属层。

操作406可以执行任何合适的持续时间。示例性的持续时间包括介于约0.25秒至约30秒、约0.25秒至约5秒或约0.5秒至约3秒之间。在一些实施方案中，该操作可能足以与衬底表面上的含金属前体的吸附层反应。可以在这些示例范围之外的持续时间内执行操作406。在一些实施方案中，可以使用载气，例如氩气(Ar)、氦气(He)或氮气(N₂)。

在操作408之后，可以有任选的清扫步骤以清扫未与特征的表面上的含金属前体反应的仍处于气相的过量共反应物。可通过在固定压强下使惰性气体流动而进行清扫操作，从而降低室的压强并在开始另一气体暴露步骤之前对室重新加压。

操作402-408的每次重复可被称为ALD“循环”。应当理解，操作402和406的顺序可以颠倒，使得在特定循环中首先引入共反应物，同时清扫任选地将含金属的前体和共反应物剂量分开。在操作410中，确定成核层是否已经沉积到足够的厚度或预设的循环次数。如果不是，则重复操作402-408。

在成核层沉积到足够的厚度之后，在操作480中，如下所述沉积主体金属。在各种实施方案中，操作280可以在大于操作202-210期间的压强的压强下执行。例如，对于钨主体层，操作280可以在大于或等于约10托，例如约10托、或约40托的压强下执行。在一些实施方案中，在成核层和主体层沉积期间的压强可为约5-20托，或10托。在其他实施方案中，在操作280中可以使用相同的压强和/或可以使用较低的压强。对于钼沉积，压强在一些实施方案中可以为约10-60托，或30-60托。

图4B提供了可以在操作480期间执行的操作的处理流程图。注意，可以在不执行图4A的操作的情况下执行图4B的操作。即，在一些实施方案中，可以在不首先沉积成核层的情况下执行图4B的方法。图4C提供了描述处理400中的示例性ALD循环的时序图。

在图4B中，在操作482中，将衬底暴露于共反应物。在一些实施方案中，这是一种还原剂，例如H₂，其可以在不使另一反应物流动的情况下被脉冲化。虽然共反应物脉冲被描述为由操作482-488定义的循环中的第一脉冲，但在一些实施方案中，操作482和486的顺序可以颠倒，使得含金属的前体可以在前。操作482可以涉及H₂分子在表面上的吸附和/或与含金属的前体分子反应以形成单层的亚单层膜。

在一些实施方案中，可以使载气流动。载气可以是上文关于图4A中的操作404所描述的那些中的任何一种。操作482可以执行任何合适的持续时间。在一些示例中，示例性的持续时间包括介于约0.25秒至约30秒、约0.25秒至约5秒或约0.5秒至约3秒之间。

返回图4B，在操作484中，清扫室。该清扫操作可除去残留在气相中的过量共反应物。如上所述，可通过在固定压强下使惰性气体流动而进行清扫操作，从而降低室的压强并在开始另一气体暴露之前对室重新加压。室可以被清扫任何合适的持续时间，例如在约0.1秒和约3秒之间的持续时间。在操作486中，将衬底暴露于含金属的前体。这可以在衬底上形成亚单层或单层膜。在多种实施方案中，在该操作期间含金属的前体在约0.1秒和约3秒之间或约0.5秒之间的持续时间流入室。在一些实施方案中，含金属前体可以在配料前转向以填充气体管线和管线变化。

金属前体的示例包含六氟化钨(WF₆)、氯化钨(WC1_X)(包括六氯化钨(WCl₆)、五氯化钨(WCl₅)、四氯化钨(WCl₄)、二氯化钨(WCl₂))、以及氧氯化钨(WO_xCl_y)(例如四氯氧化钨(WOCl₄)和二氯二氧化钨(WO₂Cl₂))。进一步的示例包含六羰钨(W(CO)₆)和有机钨前体，例如MDNOW(甲基环戊二烯基-二羰基亚硝酰基-钨)与EDNOW(乙基环戊二烯基-二羰基亚硝酰基-钨)。进一步的示例包含含钼前体，例如卤化钼及氧卤化钼。卤化钼的示例包含五氯化钼(MOCl₅)和六氯化钼(MOCl₆)。氧卤化钼的示例包含二氯二氧化钼(MOO₂Cl₂)和四氯氧化钼(MOOCl₄)

在图4B的操作488中，清扫室以从室中去除反应的副产物和气相含金属的前体。在一些实施方案中，清扫持续时间介于约0.1秒和约2秒之间。

在图4B的操作490中，确定主体金属是否已经沉积到足够的厚度或预设数量的循环是否完成。如果不是，则重复操作482-488直到沉积所需的厚度。在一些实施方案中，重复操作482-488直到特征被填充。

在操作480中使用的含金属前体可以与用于成核层沉积的前体相同或不同。如果不同，它可以包含相同或不同的金属，例如，在一些实施方案中，钨主体层可以沉积在钨成核层上或在一些实施方案中沉积在钼成核层上。

所述方法涉及在ALD循环中(例如，图4A中的操作402和/或图4B中的操作486)使氮(N₂)与含金属前体共流。图4C提供了一时序图，其描绘了在处理400中使用H₂还原剂及含金属前体的ALD的示例性循环。该时序图与图4B中所示的相似，且包含在金属前体的投配期间使N₂共流。尤其是，图4C显示了沉积循环411A中的H₂投配420A，其可对应于图4B的操作482。在H₂投配420A期间，可使载气流动、脉冲化H₂还原剂、并且关闭含金属前体及N₂的流动。在此之后可进行清扫阶段440A。沉积循环411A还包含含金属前体+N₂投配460A及清扫阶段470A。如图4C所示，在清扫阶段440A及470A期间，使载气流动，且其他流动关闭。在后续的沉积循环中，重复进行这些操作，如420B、440B、460B、及470B所示。

为说明的目的，图4C中的各个投配的量大致相同。Ar或其他载气可具有最高的流率。

虽然载气被描绘成在整个程序中为恒定的，但其可独立地与H₂流和/或含金属前体-N₂共流一起提供。例如，可以在投配420A和420B中提供H₂(或其他共反应物)而没有提供载气流动。

在一些实施方案中，除了在含金属前体投配期间之外，还可以在H₂投配阶段420A及420B期间和/或清扫阶段440A和440B期间使N₂流动。

在一些实施方案中，含金属前体为含氟前体，例如WF₆。通过使N₂与含氟前体共流，使得金属层中的氟浓度降低。图5显示了通过以下处理所沉积的钨膜的F浓度(以原子/cc为单位)比较：

N₂ H₂共流：N₂+H₂/清扫/WF₆/清扫

N₂ WF₆共流：H₂/清扫/N₂+WF₆/清扫

尤其是，在1-10nm处的浓度显示沉积膜中的F含量，且N₂WF₆共流处理比N₂ H₂共流处理低超过一个数量级(1×10¹⁷对6×10¹⁸)。

此外，实现较低的电阻率，其中对于

的膜而言，电阻率相对于N₂H₂共流而改善约10％。

在一些实施方案中，使得含金属前体的消耗量降低。上述的N₂WF₆共流处理中的含金属前体消耗量比N₂ H₂共流少17％。

在一些实施方案中，使得沉积速率及产能获得改善。尽管WF₆的量在两个程序中为恒定的(300sccm)，但N₂ WF₆共流的沉积速率比N₂ H₂共流的沉积速率高30％。在一些实施方案中，通过使N₂与含金属前体共流而显著地降低粗糙度。

主体层的ALD沉积可能导致高应力薄膜。通过使用高温可减轻该情况，然而，高温可能导致不良的填充。在一些实施方案中，可通过本文所述的方法通过使N₂与含金属前体共流以沉积低应力膜。钨的ALD期间的温度可介于200℃至550℃之间，例如介于300℃至450℃之间。钼的ALD期间的温度可介于450℃至800℃之间，例如介于600℃至750℃之间。

在一些实施方案中，在进行沉积之前可进行含氮浸泡(soak)，尤其是NH₃浸泡。

实验

高温ALD处理用于在无衬里的3D NAND结构中沉积Mo。Mo被沉积在Al₂O₃上。

基座温度(℃)	NH<sub>3</sub>浸泡	N<sub>2</sub>共流	生长速率(埃/循环)	成核延迟(循环)
					650	否	否	0.74	41
650	否	是	0.63	21
					650	是	否	0.66	23
650	是	是	0.58	0

针对NH₃/N₂共流处理，观察到最低的粗糙度，而针对无浸泡/无共流的处理，观察到最高的粗糙度。

装置

任何合适的室均可用于实施所公开的实施方案。示例性的沉积装置包括多种系统，例如

和

Max，其可从加州弗里蒙特的Lam Research Corp.获得，或多种其他市售的处理系统中的任何一种。在一些实施方案中，原子层沉积(ALD)可以在第一站处执行，该第一站是位于单个沉积室内的两个、五个或甚至更多个沉积站中的一个。因此，例如，氢(H₂)和六氟化钨(WF₆)或其他含金属前体可以使用在半导体衬底的表面产生局部气氛的单独的气体供给系统以交替的脉冲引入到在第一站处的该衬底表面。另一站可用于钨主体层沉积。可以使用两个或更多个站来以并联处理方式沉积钨。替代地，可以将晶片换位，以顺序地在两个或更多个站上执行操作。

图6是根据实施方案适合于进行沉积处理的处理系统的示意图。系统600包括传送模块603。传送模块603提供清洁、加压的环境以最小化被处理的衬底在各种反应器模块之间移动时其被污染的风险。根据多种实施方案，能够执行ALD和CVD的多站式反应器609安装在传输模块603上。多站式反应器609可以包括多个站611、613、615和617，其可以根据所公开的实施方案顺序地执行操作。例如，可以配置多站式反应器609，以使得站611使用金属卤化物或金属卤氧化物执行成核层沉积，并且站613根据多种实施方案执行ALD沉积操作。

站可以包括加热基座或衬底支撑件、一个或多个气体入口或喷头或分散板。沉积站700的实例在图7中示出，其包括衬底支撑件702和喷头703。加热器可以设置在基座部分701内。

回到图6，也可以安装在所述传送模块503上的是一个或更多个单或多站式模块607，其能进行等离子体或化学(非等离子体)预清洗、其他沉积操作或者蚀刻操作。该模块也可用于多种处理，以例如制备用于沉积处理的衬底。所述系统600还包括一个或更多个晶片源模块601，在处理之前和之后晶片被存储在晶片源模块601。大气传送室619中的大气机械手(未示出)可以首先将晶片从源模块601移动到装载锁621。传送模块603中的晶片传送装置(通常为机械手臂单元)将晶片从装载锁621移动到安装在传送模块603上的模块上以及将晶片在这些模块之间移动。

在多种实施方案中，采用系统控制器629控制沉积过程中的处理条件。所述控制器629将通常包括一个或更多个存储器器件和一个或更多个处理器。所述处理器可包括CPU或计算机、模拟和/或数字输入/输出连接、步进电机控制器板等。

所述控制器629可控制所有沉积装置的活动。所述系统控制器629运行系统控制软件，所述系统控制软件包括用于控制定时、气体混合、室压力、室温度、晶片温度、射频(RF)功率电平、晶片卡盘或基座位置和特定处理的其他参数的指令集。在一些实施方案中，可以使用存储在与控制器629相关的存储器器件上的其他计算机程序。

通常，将有与控制器629相关联的用户界面。用户界面可包括显示屏，所述装置和/或处理条件的图形软件显示器和用户输入装置，例如定点装置、键盘、触摸屏、麦克风等。

系统控制逻辑可以任何合适的方式进行配置。一般情况下，所述逻辑可被设计或配置在硬件和/或软件中。用于控制驱动电路的指令可被硬编码或作为软件提供。所述指令可通过“编程”提供。这样的编程被理解为包括任何形式的逻辑，该逻辑包括数字信号处理器、专用集成电路以及具有作为硬件实施的具体算法的其他装置中的硬编码逻辑。编程也被理解为包括可在通用处理器上执行的软件或固件指令。系统控制软件可以以任何合适的计算机可读编程语言编码。

用于控制处理序列中的含锗还原剂脉冲、氢气流、和含钨前体脉冲以及其他处理的计算机程序代码可以任何常规的计算机可读编程语言：例如，汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它写入。由处理器执行编译后的目标代码或脚本以进行程序中识别的任务。还如所指示的，程序代码可以是硬编码的。

控制器参数涉及处理条件，诸如例如处理气体组成和流率、温度、压力、冷却气体压强、衬底温度和室壁温度。这些参数以配方的形式提供给用户，并且可利用用户界面输入。

用于监控处理的信号可以通过系统控制器629的模拟和/或数字输入连接来提供。用于控制处理的信号通过沉积装置600的模拟和数字输出连接件输出。

所述系统软件可以许多不同的方式进行设计或配置。例如，可以写入多个室部件子程序或控制目标以控制根据公开的实施方案执行沉积处理所需要的室部件的操作。用于此目的的程序或程序段的示例包括衬底定位代码、处理气体控制代码、压强控制代码、和加热器控制代码。

在一些实施方案中，控制器629是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统包括半导体处理装备，半导体处理装备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定的处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之前、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型的不同，控制器629可以被编程，以控制本发明所公开的处理中的任何一些，包括控制处理气体的输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压强设置、真空设置、功率设置、在一些系统中的射频(RF)发生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、等离子体脉冲频率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片的进出工具和其他传送工具和/或连接到特定系统的或与该系统接口的加载锁的传送。

从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是以各种不同的设置(或程序文件)形式输送到控制器或系统的指令，不同的设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片上或针对半导体晶片进行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的用以完成在晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或裸芯片的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。

在一些实施方案中，控制器629可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器629可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主计算机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前进程，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，以改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的处理。在一些实施例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供处理配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些参数和/或设置然后从远程计算机传输到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，这些指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，这些参数可以针对将要执行的处理类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本文所述的处理和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例将是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的在室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内的处理。

示例性系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、CVD室或模块、ALD室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联的或使用的任何其他的半导体处理系统。

如上所述，根据工具将要执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。

控制器629可以包括不同的程序。衬底定位程序可包括用于控制室组件的程序代码，所述室组件用于将衬底加载到基座或卡盘上并控制衬底和室的其他部件例如气体入口和/或靶之间的间隔。处理气体控制程序可包括用于控制气体组成、流率、脉冲时间以及任选地用于在沉积之前使气体流入室以便稳定室中的压力的代码。压力控制程序可包括用于通过调节例如室中的排气系统中的节流阀而控制室中的压力的代码。加热器控制程序可包括用于控制用于加热衬底的加热单元的电流的代码。或者，所述加热器控制程序可控制传热气体例如氦气向晶片卡盘的输送。

可在沉积过程中被监控的室传感器的示例包括质量流量控制器、压力传感器例如压力计和位于基座或卡盘中的热电偶。经适当编程的反馈和控制算法可与来自这些传感器的数据一起用于维持所需的处理条件。

装置可包含气体歧管系统，该气体歧管系统向各种气体分配管线提供管线填料，如图8示意性地示出的。歧管804具有来自含金属前体气体的源801、氮(N₂)的源802、及氩(Ar)或其他载气的源803的输入。歧管811具有来自氢(H₂)或其他还原气体的源(未显示)的输入809。如上所述，可能存在或可能不存在从载气到歧管811的输入。歧管821具有来自惰性清扫气体的源819的输入。歧管804、811、及821分别通过带阀分配管线805、813、以及825将含金属前体气体及N₂共流气体、共反应物气体、及清扫气体提供至沉积室。可以打开或关闭各种阀以提供管线填料，即，对分配管线加压。例如，为了给分配管线805加压，将阀806朝真空关闭，并且将阀808关闭。在适当的时间增量之后，将阀808打开并且共流气体被输送到室。在输送气体的适当时间之后，关闭阀808。然后可以通过朝真空打开阀806以将室清扫至真空。

类似的处理可以用于输送还原气体和清扫气体。为了引入还原气体，例如，通过朝向真空关闭阀815以及关闭阀817将分配管线813填充。阀815的打开使得能将还原气体输送到室。类似地，为了引入清扫气体，通过朝向真空关闭阀827和关闭阀823对分配管线825进行填充。阀827的打开使得能将氩气或其他惰性清扫气体输送到室。管线填料所允许的时间量改变了气体初始输送的量和时序。

图8还示出了真空泵，其中可以分别打开阀806、817和823以清扫系统。通过各种分配管线的气体供应由控制器(例如质量流量控制器)控制，该控制器由微处理器、数字信号处理器等控制，其用流率、流量持续时间和处理的排序进行编程。

注意，上述处理可能在沉积过程中需要阀和向半导体衬底供应试剂脉冲的质量流量控制器(MFC)的精确定时。在使得这成为可能的一种方式中，将阀和MFC命令以离散的信息包形式传递到嵌入式数字输入输出控制器(IOC)，该信息包中包含针对沉积序列的全部或一部分的所有时间关键命令的指令。Lam Research的ALTUS系统至少提供一种IOC序列。IOC可以物理上位于装置中的各个位置，例如，在处理模块内或在位于离处理模块一定距离处的独立电源架上。每个模块中可以有多个IOC(例如，每个模块3个IOC)。关于序列中包含的实际指令，所有用于(针对所有载气和反应气体)控制阀和设置MFC的流量的命令都可以包含在单个IOC序列中。这确保了所有设备的定时从绝对角度以及彼此相对的角度被严格控制。通常存在在任何给定时间运行的多个IOC序列。举例来说，这使得ALD能在站1-2运行，其中控制在这些工作站上沉积ALD成核层所需的用于所有硬件部件的所有定时。第二序列可以同时运行以在相同模块中的其他沉积站使用如上所述的时序序列沉积主体金属。控制将试剂输送到站3-4的设备的相对定时在该组设备中很重要，但是在站1-2处ALD处理的相对定时可以偏离站3-4的相对定时。IOC以打包的序列转换信息，并将数字或模拟命令信号直接传递到MFC或控制阀的气动螺线管组。

可以如下产生含金属前体气体的脉冲。最初，系统在MFC或其他流量控制设备稳定的同时将WF₆转移到真空泵持续一段时间。在一个示例中，这可以进行介于约0.5到5秒之间的时段。接下来，系统通过关闭转向出口606和通往沉积室的出口608两者来对钨气输送歧管加压。例如，这可以进行约0.1秒至5秒之间的时段，以在打开通往沉积室的出口时产生试剂的初始脉冲。在一个示例中，这通过打开出口808持续约0.1至10秒来实现。之后，使用合适的清扫气体从沉积室清扫含钨气体。其他试剂的脉冲流可以类似的方式进行。

如上所述，在一些实施方案中，本文所述的装置可包含低容积喷头。在半导体处理装置中，喷头常用于在整个半导体衬底上分配处理气体。喷头可包含由背板和面板所限定的充气部容积，其中该面板具有通向喷头外部的多个气体分配孔。该面板面向半导体处理室或其他反应室内的衬底反应区域，且衬底被设置在半导体处理室内、在面板下方，例如在支撑晶片的基座上。

在沉积处理中所使用的反应物可能很昂贵，减少它们的消耗量使得与处理每个晶片相关的成本降低。各种处理步骤还可具有最少完成时间，且减少这些时间中的一些时间(例如在如上述的ALD沉积循环中的多个处理步骤之间清扫喷头的时间)可使产能增加。增加气相中的反应物输送的流动均匀性可改善沉积膜的均匀性。尤其是在投配以及(如果进行的话)等离子体操作的期间。然而，增加喷头内的清扫流动均匀性还可通过更有效地将喷头清扫和移除喷头中非所需要的气体(包括可能发生反应的气体)而改善膜均匀性。

低容积喷头可包含被配置成减小喷头与基座之间的间隙(下文中称为“间隙”或“喷头-基座间隙”)的外部几何结构。减小该间隙使得气体消耗量减少，并改善沉积膜的均匀性。有些基座可以将衬底定位于空腔中，该空腔部分地由衬底支撑表面(衬底被定位于其上)和外壁所限定，该外壁在衬底支撑表面的周围和上方延伸。喷头的这种外部结构可使喷头的一部分能被定位于此基座空腔内。在一些实施方案中，外部几何结构可包含将喷头的前表面的外径的尺寸设定为小于基座外壁的内径，其中喷头的前表面面向晶片且包含用于将气体分配至晶片上的通孔；外部几何结构还可包含外侧圆锥台表面(例如倒角)，其围绕喷头的前表面而延伸，并且在喷头与外壁之间提供间隙，以进一步使前表面能够被定位于基座空腔内。

在一些实施方案中，喷头可被配置成具有一或更多个传感器，用于测量室的各方面。喷头可具有位于面板中的具有开口的端口、以及位于端口附近或位于端口的一端的窗部、以及位于窗部附近的传感器，该传感器可经由窗部、端口、以及开口而检测喷头外部的状况。例如，该端口可位于基座上方，且具有激光器的传感器可位于喷头内，以使该激光器可发射光束通过窗部、端口、以及开口至基座上，以便测量喷头与基座之间的距离。在一些情况下，基座可被配置成在多个方向上移动，包括竖直、水平(例如，x与y方向)、以及围绕一或更多轴的角旋转、以及相对于一点的倾斜运动。可基于喷头的传感器所提供的测量结果而调整基座，以便使基座与喷头对齐，包括使基座支撑表面与喷头的前表面平行或更接近平行。

本文所述的喷头可被认为是低容积喷头，使得其具有等于或小于250毫升(包括约214毫升)的内部充气部容积。相比之下，大多数的常规喷头具有大于500毫升的总内部容积。

一般而言，有两种主要类型的喷头：枝形吊灯型及嵌入安装型。枝形吊灯型喷头模块具有一端附着于室顶部且另一端附着于面板或背板的杆部。杆部的一部分可从室顶部突出，以连接气体管线和RF功率。嵌入安装型喷头被集成在室顶部中且通常不具有杆部。虽然所描绘的图一般指嵌入安装型喷头，但应理解，本公开还可应用于枝形吊灯型喷头。此外，虽然可实施本文所述的喷头以进行热或等离子体增强ALD处理，但其也可实施于关注反应物消耗及处理均匀性的其他处理技术中。这些处理技术包括化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD、以及蚀刻，其包括原子层蚀刻(ALE)处理。

图9描绘了根据所公开的实施方案的示例性喷头的等角视图。在该图中，喷头900包含具有气体入口904的背板902、以及连接至背板902的面板906。

图10描绘了图9的喷头的横截面侧视图；该横截面图是沿图9中的剖面线A-A截取的。背板902和面板906一起部分地限定喷头900内的充气部容积908，且挡板910被定位于充气部内。可以在喷头中将背板102和面板104彼此相对地定位，使得它们具有彼此面对的表面。一般而言，充气部容积的第一表面130可具有与衬底的直径相似或基本上相似的直径，其中该喷头被配置成用于该衬底。面板906包含部分地限定充气部容积908且面对背板902的背表面912、以及被配置成面对定位于处理室中的衬底的前表面914。面板906还包含多个通孔916(在图10中标识一个)，其从背表面912延伸通过面板906至前表面914，并且使得流体能够从充气部容积908流至喷头902的外部并流至衬底上。

如图10中进一步所示的，面板906位于下方并连接至背板902，并且一个通孔916自背表面912通过面板906至前表面914。这些通孔916的排列与配置在下文中更详细地描述。充气部容积908被流体连接至气体入口904和通孔916，使得流体可流过气体入口904而进入充气部容积908，并经由通孔916而流过面板906。可经由气体入口而对充气部容积供应气体，例如反应物气体或清扫气体。可将气体入口连接至一或更多气体供应源，以进行气体输送。气体入口可包含杆部(未图示)。

利用图11A-11E进一步描述充气部容积。在图11A中，图10的横截面图描绘有充气部容积908，其以深色阴影显示，但为了说明和清楚起见，将挡板910连同面板906及背板902的交叉影线一起去除。在图11B中，仅描绘了充气部容积的通过喷头中心轴的横截面切面。面板906的背表面914部分地限定充气部容积908，如图11A及11B所示。在一些实施方案中，如图10至11E所示，背板902包含多个表面，其也部分地限定充气部容积908；该多个表面可包含一或更多个圆锥台表面。

圆锥台表面为没有尖端的锥形表面；与圆锥台的基底平行的平面将该尖端切除或割除。图12描绘了说明性的圆锥台表面。可以看出，圆锥台表面S由具有第一半径R₁的第一圆周C₁以及具有第二半径R₂的第二圆周C₂所限定，其中第二半径R₂大于第一半径R₁；两个圆周彼此偏移高度H。圆锥台表面的长度L横跨于第一圆周C₁和第二圆周C₂之间。圆锥台表面还具有中心轴，且圆锥台表面从该中心轴偏移第一角度θ₁。

在一些实施方案中，如图9-11E所示，背板可包含三个圆锥台表面。本文的叙述并不仅限于三个圆锥台表面；在一些实施方案中，背板可具有两个圆锥台表面，且在其他实施方案中可具有多于三个的圆锥台表面。图11B标识第一圆锥台表面918的两个切面、第二圆锥台表面920的两个切面、以及第三圆锥台表面922的两个切面。图11C描绘了背板的局部轮廓的横截面侧视图。在此，该轮廓以粗线分别显示图11B中所标识的三个圆锥台表面918、920、及922中的每一者的两个切面，且背板的其他表面以虚线描绘。三个圆锥台表面918、920、以及922中的每一者分别具有长度L₁、L₂、以及L₃，且还从图11C中所示的喷头的中心轴924分别偏移第一角度θ₁、第二角度θ₂、以及第三角度θ₃。各个圆锥台表面的内半径与外半径也被描绘于图11C中：第一圆锥台表面918具有内半径R_1A及外半径R_2A，第二圆锥台表面920具有内半径R_1B和外半径R_2B，且第三圆锥台表面922具有内半径R_1C及外半径R_2C。

图11D描绘了背板902的下侧的平面图。三个圆锥台表面918、920、以及922用阴影标识。该三个圆锥台表面完全围绕背板902的中心轴924(以“X”标示)而延伸；这些圆锥台表面中的每一者的中心轴彼此共线，并且与背板902的中心轴924共线。该三个圆锥台表面中的每一者具有由表面的内半径所限定的第一圆周、以及由表面的较大的外半径所限定的第二圆周，从而使得第二圆周大于第一圆周。图11D包含对以下每一者的标识：第一圆锥台表面918的第一圆周C_1A和第二圆周C_2A、第二圆锥台表面920的第一圆周C_1B和第二圆周C_2B、以及第三圆锥台表面922的第一圆周C_1C和第二圆周C_2C。

在一些实施方案中，如图11B-11E所示，可将背板的圆锥台表面定位于气体入口904的径向外侧并围绕气体入口904；这些表面也可以在各个径向位置处间隔开并与背板的中心轴间隔开。在图11B-11E中，第一圆锥台表面918被显示为与气体入口904相邻，且在某些情况下，第一圆锥台表面的内半径可形成气体入口904的边界。第二圆锥台表面920相对于背板902的中心轴924而从第一圆锥台表面918径向向外偏移，使得例如当沿着中心轴观看和以垂直于中心轴的横截面观看时，第一圆锥台表面918插入气体入口904与第二圆锥台表面920之间，如图11B-11E所描绘的。在某些这样的实施方案中，第一圆锥台表面918的外半径R_1B小于第二圆锥台表面920的内半径R_2A。

在一些实施方案中，其他的一或更多表面可横跨于第一与第二圆锥台表面918与920之间。例如，如图11B所示，表面926(未加阴影)横跨于第一圆锥台表面918的外半径R_2A与第二圆锥台表面920的内半径R_1B之间。在某些情况下，此表面可包含呈平面且垂直于背板902的中心轴924的一或更多部分。归因于例如制造公差及瑕疵，使得此垂直度可能并不精确且可视为是基本上垂直的。该表面926还可以包含一或更多个弯曲部分以便在平面表面与圆锥台表面之间产生平滑过渡部分，且还可包含圆锥台表面以便实现沿着这些表面的平稳流体流动。此表面还显示于图11C中。

在一些其他实施方案中，虽然未描绘于图9-11E中，但第一圆锥台表面918和第二圆锥台表面920可彼此紧邻，使得第一圆锥台表面918的外半径R_2B与第二圆锥台表面920的内半径R_1B相同。在一些这样的情况下，第一圆锥台表面918的第二圆周C_2A可以与第二圆锥台表面920的第一圆周C_1B相同。

返回参照图11B-11E，可使第三圆锥台表面922相对于背板902的中心轴924而从第二圆锥台表面920径向地往外定位，使得当沿着中心轴924观看或以垂直于中心轴的横截面观看时，第二圆锥台表面920插入第一圆锥台表面918与第三圆锥台表面922之间，如图11C和11E所描绘的。在某些此等实施方案中，如图11D所示，第二圆锥台表面920的外半径R_2B小于第三圆锥台表面922的内半径R_1C。与上述相似，在一些实施方案中，另一表面928可横跨于第二圆锥台表面920与第三圆锥台表面922之间。该另一表面可具有垂直于中心轴924的一或更多平面部分(如同表面926)，且其还可包含与圆锥台表面连接的一或更多弯曲表面以便实现沿着这些表面的平稳流动。示例性弯曲表面930A、930B、以及930C被显示于图11C及11D中。

在一些实施方案中，背板的圆锥台表面可沿着背板的中心轴而彼此垂直偏移。在某些情况下，第一圆锥台表面可沿着中心轴而定位于最靠近或邻近气体入口处，并且可沿着中心轴而定位于与气体入口相同的位置处。在图11E中，其描绘了图11C的右侧的表面，显示出这些表面的竖直偏离。在此，第一圆锥台表面918的第一圆周C_1A沿着中心轴924而定位于与气体入口904相同的位置。第一圆锥台表面918的第二圆周C_2A沿中心轴924而偏移第一高度H₁。第二圆锥台表面可沿中心轴而竖直偏移得比第一圆锥台表面更远离气体入口。在某些这样的情况下，第一圆锥台表面的第二圆周可沿中心轴而位于与第二圆锥台表面的第一圆周相同的位置处；在其他实施方案中，第二圆锥台表面的第一圆周可沿中心轴而比第一圆锥台表面的第二圆周更偏离气体入口。在图11E中，第二圆锥台表面920的第一圆周C_1B沿中心轴924而位于与第一圆锥台表面918的第二圆周C_2A相同的位置处。第二圆锥台表面920的第二圆周C_2B沿中心轴924而偏移第二高度H₂。在某些这样的实施方案中，第一圆锥台表面可视为沿中心轴而插入气体入口与第二圆锥台表面之间。

类似地，第三圆锥台表面可以沿中心轴而竖直偏移得比第一和第二圆锥台表面更远离气体入口。在某些这样的情况下，第二圆锥台表面的第二圆周可沿着中心轴而位于与第三圆锥台表面的第一圆周相同的位置处；在其他实施方案中，第三圆锥台表面的第一圆周可沿中心轴而比第二圆锥台表面的第二圆周更偏离气体入口。在图11E中，第三圆锥台表面922的第一圆周C_1C沿中心轴924而位于与第二圆锥台表面920的第二圆周C_2B相同的位置处。第三圆锥台表面922的第二圆周C_2C沿中心轴924而偏移第三高度H₃。在某些这样的实施方案中，第二圆锥台表面可视为沿中心轴而介于第一与第三圆锥台表面之间。

在一些实施方案中，第一圆锥台表面918的内半径R_1A可介于约0.20英寸至0.045英寸之间(包括0.3英寸)，且第一圆锥台表面918的外半径R_2A可介于约1.25英寸至3.0英寸之间(包括1.5英寸)；第二圆锥台表面920的内半径R_1B可介于约2.00英寸至3.75英寸之间(包括3.0英寸)，且第二圆锥台表面920的外半径R_2B可介于约2.5英寸至4.25英寸之间(包括3.5英寸)；并且第三圆锥台表面922的内半径R_1C可介于约4.25英寸至5.75英寸之间(包括约5.00英寸)，且第三圆锥台表面922的外半径R_2C可介于约4.75英寸至6.25英寸之间(包括5.75英寸)。在一些实施方案中，第一圆锥台表面918的长度L₁可介于约1.15英寸至2.5英寸之间(包括约1.5英寸)，第二圆锥台表面920的长度L₂可介于约0.25英寸至1.5英寸之间(包括0.5英寸)，并且第三圆锥台表面922的长度L₃可介于约0.25英寸至1.75英寸之间(包括0.75英寸)。在一些实施方案中，第一圆锥台表面918的第一角度θ₁可介于约50°至95°之间，第二圆锥台表面920的第二角度θ₂可介于约45°至85°之间，并且第三圆锥台表面922的第三角度θ₃可介于65°至89°之间。在一些实施方案中，第一圆锥台表面918的第一高度H₁可介于约0.1英寸至0.5英寸之间(包括0.17英寸)，第二圆锥台表面920的第二高度H₂可介于约0.1英寸至0.3英寸之间(包括0.17英寸)，并且第三圆锥台表面922的第三高度H₃可介于约0.005英寸至0.25英寸之间(包括0.04英寸)。本发明人已确定，这些尺寸在一些实施方案中改善喷头内与面板外的流动均匀性，并同时有利地减少喷头的充气部容积。

现将讨论挡板的各方面。返回参照图10，挡板910定位于喷头900的充气部容积908内。该挡板包含面对背板902的气体入口904的顶表面、面对面板906的底表面、以及从顶表面延伸通过挡板910至底表面的挡板通孔。挡板910定位于充气部容积908内，以将气体向外引导至整个充气部容积908，并朝向面板906而向下引导通过挡板910。图13A描绘了挡板的侧视图，而图13B描绘了挡板的俯视图。在图13A中，标识出挡板910的顶表面932和底表面934。在一些实施方案中，挡板的顶表面和底表面可呈平面且彼此平行(包括在给定制造公差和其他公差下基本上彼此平行)。挡板910还可以以气体入口904为中心而居中，以在喷头内提供均匀气流。

在一些实施方案中，如图13A所示，挡板910可具有围绕挡板的外侧区域的圆锥台表面936。圆锥台表面936可面对背板902；可具有平行于中心轴的角分量；且在某些情况下可面对背板908的第二圆锥台表面920。该圆锥台表面936的第一圆周可由顶表面932的外径938所限定。在某些情况下，圆锥台表面936的第二圆周可与另一表面(例如可形成挡板910的外径942的弯曲表面940)相交。类似地，在顶表面932与圆锥台表面936之间可存在弯曲表面，其在图13A和13B中标识为937。在一些实施方案中，外径942可介于约140mm至200mm之间。这些表面和配置实现在挡板边缘周围的均匀流体流动，其可减小挡板上的剪力，从而减少微粒的产生。

在一些实施方案中，挡板的圆锥台表面936的角度θ₄(从平行于挡板910的中心轴的轴测量)可与背板902的第二圆锥台表面920的角度互补。这可使得背板902的第二圆锥台表面920与挡板的圆锥台表面彼此平行。图14描绘了图10的喷头的横截面图的右半部的放大部分。挡板910定位于充气部容积908的内部；标识出挡板的圆锥台表面936、其与中心轴924之间的角度θ₄、背板902的第二圆锥台表面920、以及第二角度θ₂。这些表面和角度被配置为使得角度θ₄与第二角度θ₂彼此互补且总计为180°。在一些实施方案中，在给定的制造偏差和公差的情况下，这些角度可能并非精确地互补，而是可能非常接近互补且基本上互补，例如与180°相差+/-5°内。在一些实施方案中，角度θ₄可为约110°，而第二角度θ₂可为约70°。返回参照图13B中的挡板的俯视图，用阴影凸显的圆锥台表面936被显示为围绕整个挡板910而延伸。

挡板的通孔可配置以至少部分地实现整个充气部容积中(包括横过挡板和通过挡板)的均匀流动。在一些实施方案中，挡板910中的通孔数量可能影响横过挡板910和通过挡板910的流动的均匀性。一般而言，气体沿着阻力最小的路径流动，因此如果挡板910的通孔例如造成低压降，则气体流可能喷射通过挡板910的中心区域中的通孔及面板的中心区域中的通孔；然而，较高的压降会使气体流更向外地朝向挡板910的边缘及面板的边缘推动。这些潜在的结果可能造成不均匀的气流流出面板，这样可能导致衬底上的不均匀性增加。为了促进较高的压降，可使挡板910中的通孔的数量、通孔的直径、或以上两者减小，以伴随相比于常规喷头而减小的内部容积。否则，如果挡板910中的通孔数量过多、如果通孔直径过大、或以上两者，则压降可能过低，且通量在从中心至边缘的整个挡板910上将是不均匀的。因此，挡板中的通孔的数量及其直径被配置成提供穿过和横过挡板的均匀流动。在图14中，示例性的流动向量被显示为黑色箭头，其显示从气体入口904流入、横过挡板910的一些部分、并流向面板906的边缘和流过挡板通孔946的气体流。

返回到图13B，可以看到从顶表面至底表面延伸通过挡板910的多个挡板通孔。在一些实施方案中，如图13B所描绘的，有些通孔可具有与其他通孔的外径不同的外径。在某些这样的情况下，通孔的外径的尺寸可随着其距挡板中心的径向距离增加而增加。例如，挡板的第一区段可以具有第一数量的通孔，其各自具有第一外径，且相对于挡板中心轴从第一区段径向往外偏移的第二区段可具有第二数量的通孔，其各自具有第二外径，其中该第二外径大于该第一外径。

图13C描绘了图13B的放大图。在此，挡板910的各个区段被阴影化，且挡板的中心轴951被描绘为“X”；如上所述，挡板的中心轴951可与喷头的中心轴924共线。挡板的第一区段944(以深色阴影显示)被定位为最靠近并包围挡板的中心轴951；第一数量的通孔946A定位于该区段内，且其都具有第一外径。这些通孔946A还按围绕挡板的中心轴951延伸的环形排列。第二区段948(以浅色阴影显示)相对于中心轴951从第一区段944径向往外偏移，且与第一区段相邻；该第二区段948比第一区段944更远离中心轴951。第二区段948包含第二数量的通孔946B，且其都具有第二外径，该第二外径大于第一区段944中的第一数量的通孔946A的第一直径。第三区段950(以深色阴影显示)从第一区段944和第二区段948两者径向往外偏移，且与第二区段948相邻；该第三区段950比第一和第二区段更远离中心轴951。第三区段950包含第三数量的通孔946C，且其都具有第三外径，该第三外径大于第一区段944中的第一数量的通孔946A的第一直径和第二区段946中的第二数量的通孔946B的第二直径两者。第三数量的通孔946C还沿围绕中心轴951的三个环设置；第一和第二区段具有两个环的孔洞。

挡板的三个额外区段还用阴影突出显示。第四区段952从第三区段950径向往外定位，且包含第四数量的通孔(未标示)，其具有大于第三外径的第四外径；该区段还包含三个环的通孔。类似地，第五区段954从第四区段952径向往外定位，且包含第五数量的通孔(未标示)，其具有大于第四外径的第五外径；该区段还包含三个环的通孔。第六区段956包含第六数量的通孔(未标示)，其具有大于第五外径的第六外径；该区段也包含两个环的通孔。在一些实施方案中，第一直径可以介于约0.30mm至0.65mm之间，第二直径可以介于约0.50mm至0.75mm之间，第三直径可以介于约0.60mm至0.9mm之间，第四直径可以介于约0.7mm至1.1mm之间，第五直径可以介于0.8mm至1.25mm之间，且第六直径可以介于约0.9mm至1.4mm之间。挡板的配置提供通过充气部容积(包括穿过、横过、和围绕挡板)的均匀流动。

挡板还定位于充气部容积内以提供通过喷头的更快且更均匀流体流动。在一些实施方案中，这包含将挡板的中心轴定位，使其与背板的气体入口的中心轴共线。这还可包含沿中心轴将挡板定位，使得挡板沿着中心轴而比第一圆锥台表面更远离气体入口。这也可以包含将挡板定位，使得挡板的顶表面沿着中心轴而比第二圆锥台表面的第一圆周更远离气体入口；这还可以包含将挡板顶表面沿着中心轴而定位于第二圆锥台表面的第一与第二圆周之间。在某些情况下，挡板的底表面可沿着中心轴而定位成比第三圆锥台表面的第一圆周更远离气体入口。挡板的底表面也可沿着中心轴而偏离面板。

返回到图14，挡板被定位于充气部容积内，使得挡板910沿着中心轴924而比第一圆锥台表面918更远离气体入口904；挡板910的顶表面932沿着中心轴924而比第二圆锥台表面920的第一圆周C_1B更远离气体入口904；顶表面932还沿着中心轴924而定位于第二圆锥台表面920的第一圆周C_1B与第二圆周C_2B之间；并且挡板910的底表面934沿着中心轴924而定位成比第三圆锥台表面922的第一圆周C_1c更远离气体入口904。从图14中还可以看到，第三圆锥台表面922的第二圆周C_2C沿着中心轴而偏离面板906的背表面912。挡板在充气部容积内的这些定位方式实现通过喷头的均匀、快速、且有效率的流体流动，并且同时减小喷头的体积，其使得流体消耗减少，并且减少颗粒污染。如本文所述，挡板的定位及配置使得气体流不仅被引导通过挡板通孔，而且还被向外引导遍及充气部容积并朝向面板的边缘。通过引导气体流通过通孔并向外遍及充气部容积，尽管喷头的总内部容积相比于常规喷头而降低，但仍可获得空间上更为均匀的气体流。

如上所述，面板还包含多个通孔，其延伸通过面板，并且使气体能够自充气部容积流至喷头的外部且流至衬底上。类似于以上关于挡板通孔所描述的，面板906中的通孔的数量也可能影响横过面板906的流动的均匀性。在此，为了促进较高的压降，可使面板906中的通孔的数量减少，以伴随相比常规喷头而减小的内部容积。如果面板906中的通孔数量过多，则压降可能过低，且通量在从中心至边缘的整个面板906上可能不均匀。在一些实施方案中，面板906中的通孔的数量可介于约1000个通孔至约3,000个通孔之间、或介于约2,500至约2,750个通孔之间。

在一些实施方案中，这些通孔可全部具有相同的外径，例如介于约0.015英寸至0.1英寸之间。这些面板通孔还可以设置于整个面板中，以便产生流出面板的均匀流动。图15A描绘了面板的平面图，其中前表面(其被配置成面对衬底的表面)和通孔是可见的。可以看出，面板906的通孔916延伸通过面板和前表面914。这些通孔还沿着以面板的中心轴为中心而围绕的多个圆设置，并且使这些孔洞彼此偏移。例如，面板可具有以面板的中心轴为中心而居中的通孔，其为图11A中所标识的通孔916。紧邻该中心通孔者可以是多个孔洞，其沿着具有第一直径的第一圆而等间隔地排列；从该圆径向往外紧邻者可以是具有第二多个孔洞的另一圆，该第二多个孔洞具有比该多个孔洞更多的孔洞，且该第二多个孔洞可沿着该第二圆等距地间隔。该等距间隔可能并非总是精确且可视为是基本上等间隔的(其可归因于制造或其他的不一致性)，使得该间距可以与相等值相差在约+/-5％内。

图15B描绘了图15A的面板的中间的局部放大部分。标识出中心通孔916，且显示出多个其他通孔。中心通孔可以面板的中心轴为中心而居中。第一参考圆958被显示为围绕中心通孔916而延伸，且六个孔洞沿着该第一参考圆而等距间隔开。两个通孔在基线961上居中。第二参考圆960径向偏离第一参考圆958，并且围绕第一参考圆958而延伸；12个通孔围绕该第二参考圆960而等距间隔开，但这些通孔从基线961偏移第一角度，例如15°。第三参考圆962径向偏离第二参考圆960，并围绕第二参考圆960而延伸；18个通孔围绕该第三参考圆962而等距间隔开，且这些通孔并未从基线961偏移。第四参考圆964径向偏离第三参考圆962，并围绕第三参考圆962而延伸；24个通孔围绕该第四参考圆964而等距间隔开，但这些通孔从基线961偏移第二角度，例如7.5°。该间距可如图15C所示的表格中所述地继续，该表格描绘了面板通孔的规格，使得面板906包含总共2,610个通孔，每个通孔的直径为大约0.04英寸(+/-0.001英寸)。在一些实施方案中，通孔的直径可介于约0.03至0.05英寸之间，包括0.04英寸。所提供的角度也可能并不精确，且因变化性及制造偏差而可能在例如+/-1°或0.5°的范围内。

面板的外部也可配置以定位成比常规喷头更靠近位于基座上的衬底；这进而可协助减少流体消耗并改善均匀性。如上所述，有些衬底支撑件(例如基座及静电卡盘(ESC))可将衬底定位于空腔中，该空腔部分地由衬底支撑表面(衬底被定位于其上)及在衬底支撑表面上方的外壁所限定。许多喷头被设计成停留在衬底支撑件的空腔之上和之外。本文所公开的面板的外部几何结构可使其一部分能够被定位于该基座空腔中，并因此减小基座-喷头间隙。

图16A描绘了喷头以及示例性基座的横截面侧视图。示例性基座1680包含被配置成保持和支撑衬底的衬底支撑表面1682、具有壁部顶表面1686的外壁1684(被点线形状包围)、以及空腔1688(以阴影及虚线显示)，其中该空腔1688至少部分地由衬底支撑表面1682以及外壁1684所限定。面板906的前表面914面对基座1680，并且显示出在面板906的前表面914与衬底支撑表面1682之间所测量的基座-喷头间隙1690。还可看出，面板906的前表面914、以及面板906的一部分定位于基座的空腔1688内，使得前表面914更靠近衬底支撑表面1682，即，基座-喷头间隙1690比壁部顶表面1686与衬底支撑表面1682之间的距离小。

图16B描绘了图16A的放大部分，其与图14相似，不同的是，图16B包含基座1680的一部分。在此，显示喷头900与基座1680之间的间隔。再次，面板906的前表面914面对基座1680和基座-喷头间隙1690，且面板906的前表面914能够被定位成比壁部顶表面1686与衬底支撑表面1682之间的距离更靠近衬底支撑表面1682。面板906更能够被定位于基座1680的空腔1688内。

在一些实施方案中，可以将面板906的前表面914的外径的尺寸定为小于基座壁部的内径的尺寸，以使面板可配合在衬底支撑空腔内。此外，面板可具有围绕喷头的中心轴延伸的圆锥台表面，其进一步使得面板的前表面能够被定位成更靠近基座。在图11A、14和16中，标识出面板圆锥台表面966。在图15中，面板圆锥台表面966也以阴影显示；该表面966围绕面板906的整体而延伸，并且相对于中心轴924而从前表面914径向往外偏移。在一些实施方案中，该圆锥台表面可具有介于约0.05英寸至0.4英寸之间的长度、介于约0.02英寸至1.0英寸之间的高度、以及与中心轴924之间大于约90°的角度，包括介于约95°至150°之间的角度。

喷头的一些元件可以由金属或金属合金制成。例如，背板、挡板、以及面板均可由金属或金属合金制成，例如有铝、铝6061、石英、以及不锈钢制成。该材料可与远程清洁兼容，且可以是使氨/氟自由基钝化或不易与氨/氟自由基反应的材料。

喷头也可以具有一或更多端口，其延伸通过喷头的一部分，以使传感器能够从喷头外部获取数据。各个端口可以在喷头的面板中具有开口，其被配置成面对衬底支撑件。在一些实施方案中，可以将窗部定位于一端或沿该端口而定位，以保护传感器以免于喷头外部环境的影响，同时仍使传感器能够经由该端口而收集数据。参照图10和11A，喷头包含端口968(用虚线形状包围)，其延伸通过面板906和背板902，且在面板902中具有开口970；窗部972也定位于端口968的后端974处；这些特征也被标识于图14的放大部分中。喷头也可包含两个或更多端口(例如三个)，如图15A所示，其标识出面板906中的各个端口968的开口970。可自面板的前表面914径向地往外将端口定位，如图10、11A、14、以及15所示。这些端口可沿着面板的圆周而等距地间隔开。在某些情况下，该等距间隔可能并非总是精确的且可视为是基本上等间隔的(其可归因于制造或其他的不一致性)，使得该间距可以与相等值相差在约+/-5％内。窗部也显示在这些图中，且其可由能够承受各种处理气体暴露的材料(例如蓝宝石和石英)制成。

喷头可以包含各种传感器，其被定位成邻近窗部，且被配置成从喷头中的端口的开口外部获取数据。在一些实施方案中，喷头可以包含三个激光器，各个激光器定位成邻近端口，因此激光器可发射激光穿过窗部、端口以及开口。这些激光器可被配置成检测衬底支撑件与喷头之间的距离，且这些距离测量结果可以用于各种有利的调整。例如，来自激光器的距离测量结果能够更准确且精确地检测基座-喷头间隙，因此可减小该间隙，其进而可改善均匀性并减少气体消耗。常规的基座及喷头配置测量基座-喷头间隙的准确程度无法达到使用激光测量可获得的程度。此外，这些激光器能够在处理期间当基座和喷头在真空中处于高热(例如450℃)(其可能导致这些元件翘曲)时进行测量。准确且精确地测量基座-喷头间隙以获取原位距离和状态，使得喷头及基座能够被定位和调整至正确的期望距离和位置。

在某些情况下，这些测量也有助于判定喷头是否与基座平行。这可视为喷头与基座之间的平行度。可在基座的外壁或基座的衬底支撑表面与喷头的前表面之间测量该平行度。基座与喷头之间的平行度的偏差可能对流至晶片上的气体流造成巨大百分比的影响，包括气体消耗及晶片均匀性。基座-喷头间隙越小(其由该喷头实现)，平行度可能对流至晶片上的气体流造成的影响的百分比越大。

在一些实施方案中，基座或ESC在各个方向上是可调的，所述方向包括平行于喷头的中心轴的竖直z-方向、以及在垂直于z-方向的x-y平面内、以及相对于一或更多轴或点的一或更多倾斜方向。当衬底支撑件处于高操作温度(例如450℃)时，衬底支撑件可能会翘曲，并导致其变得未与喷头对齐，包括中心轴变得不平行、偏移、和非共线。由在喷头上的传感器所进行的测量可用于判定衬底支撑件相对于喷头的位置和决定对衬底支撑件的调整，因此可使喷头与基座更加对齐。这可包含例如测量衬底支撑件、判定衬底支撑件的平面、判定衬底的平面是否在与喷头对齐的特定阈值内、并且使喷头在一或更多方向上移动、转动、或以上两者。例如，如果衬底支撑件与喷头之间的距离的三个测量结果不相等或彼此差距未在特定阈值内，则可判定衬底支撑件未与喷头平行。这些测量结果可用于判定衬底支撑件应如何移动以变得更加对齐，例如使衬底支撑件绕着轴转动，其可能使衬底支撑件变得与喷头更为平行，例如在三个点处的距离变得更加彼此相等。

本文所述的控制器可包含以下指令：用于控制衬底支撑件以执行这样的移动、控制传感器、以及进行上文所述的判定。

本文所述的喷头可提供一个或更多优点。充气部容积的表面(例如，圆锥台表面)、挡板、以及挡板在充气部容积内的定位的配置使得喷头的充气部容积减小，其使得在前体投配以及清扫期间流经喷头并流至衬底上的流体消耗量减少。这种减少的容积也使流经喷头的时间减少，其减少清扫时间，且还可减少剂量(以及等离子体活化(如果执行)时间)；这些减少的时间使得产能增加。本发明人发现，在使用相同处理配方(气体、流率、时间等)的一些实验中，使用常规喷头导致每个衬底使用10L的前体以产生具有一定厚度的膜，而使用本文所述的喷头导致每个衬底使用6.5L的前体以产生具有相同厚度的膜。

本文所述的喷头的配置还改善流动均匀性，其进而改善填充性能和膜均匀性。沉积性能的一种量度为沉积膜的填充空隙率，其中较低的填充空隙率表示较佳的填充和沉积。与常规喷头相比，使用本文所述的喷头改善沉积膜的填充空隙率。如以下的表1所示，本发明人进行了四个实验，在这些实验中，使相同的气体配方流过本文所公开的喷头和常规的喷头持续特定时间。可以看出，针对相同的处理配方，与常规的喷头相比，使用所公开的喷头导致较低的填充空隙率，并因此导致较佳的沉积性能。

使用本文所述的喷头还改善沉积膜的均匀性。均匀性的一种测量指标为沉积膜的电阻不均匀性Rs NU，其为膜均匀性的倒数。图17A及17B描绘了两个沉积膜的电阻不均匀性的测量结果；这些膜利用相同的处理配方进行沉积，而不同之处在于：图17A中所示的测量结果是针对常规喷头的，而图17B中所示的测量结果是针对本文所公开的喷头的。从这两个图可以看出，图17B显示出所公开的喷头导致在整个膜上更为均匀的电阻，这表示其具有更均匀的膜。类似地，图17C及17D描绘了两个其他沉积膜的电阻不均匀性的测量结果，该两个其他沉积膜利用相同处理配方(但与图17A及17B不同)进行沉积，而不同之处在于：图17C中所示的测量结果是针对常规的喷头的，而图17D中所示的测量结果是针对本文所公开的喷头的。同样，图17D显示出所公开的喷头导致在整个膜上更均匀的电阻，并因此导致更均匀的膜。

可以将本公开的低容积喷头安装在半导体处理室中。处理室可包含安装在室外壳顶部的低容积喷头。衬底支撑件可以将半导体衬底支撑在处理室内且在低容积喷头下方。可在衬底支撑件与低容积喷头之间形成微容积。该微容积可用作衬底反应区域，且可以在处理期间协助将处理气体集中和保持在半导体衬底附近。衬底支撑件可被配置成向上和向下移动，以促进装载及卸除操作。在一些实施方案中，可通过杆部将低容积喷头悬挂于处理室的盖部，且低容积喷头可能本身不构成处理室的“盖部”的一部分。在这种实施方案中，低容积喷头可配置成向上和向下移动，以促进衬底装载及卸载操作。

在一些实施方案中，可提供一个或更多处理室以作为多站半导体处理工具中的处理站。上文中参照图6提供多站室的示例。在一些实施方案中，单一处理室可包含多个处理站，其中一些或所有的处理站可具有其自身的如本文所述的喷头组件。

上述内容描述了在单室或多室半导体加工工具中实施的本发明所公开的实施方案。本文描述的设备和处理可以与光刻图案化工具或处理结合使用，例如，用于制备或制造半导体器件、显示器、LED、光伏电池板等。通常，虽然不是必要地，这些工具/过程将在共同的制造设施中一起使用或操作。膜的光刻图案化通常包括以下步骤中的一些或所有，每个步骤启用多个可行的工具：(1)使用旋涂或喷涂工具在工件，即，衬底上涂覆光致抗蚀剂；(2)使用热板或加热炉或紫外线固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用例如晶片步进曝光机之类的工具使光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外线或X射线；(4)使抗蚀剂显影以便选择性地去除抗蚀剂并且从而使用例如湿式清洗台之类的工具将其图案化；(5)通过使用干式或等离子体辅助蚀刻工具将抗蚀剂图案转印到下方的膜或工件上；并且(6)使用例如射频或微波等离子体抗蚀剂剥离器之类的工具去除抗蚀剂。

结论

虽然为了清楚理解的目的，已经在一定程度上详细描述了上述实施方案，但显而易见的是，某些变化和修改可在所附权利要求的范围内实施。应当注意，有实现本发明的实施方案的处理、系统、和设备的许多替代方式。因此，本发明的实施方案应被认为是说明性的而不是限制性的，并且这些实施方案并不受限于这里给出的细节。

Claims

1.一种喷头，其包含：

面板，其部分地由前表面和背表面限定，且具有多个面板通孔，所述多个面板通孔从所述前表面延伸穿过所述面板到达所述背表面；

背板，其具有气体入口、第一圆锥台表面以及第二圆锥台表面；

充气部容积，其流体连接至所述气体入口，且至少部分地由所述气体入口、所述面板的所述背表面、所述第一圆锥台表面、以及所述第二圆锥台表面限定；以及

挡板，其位于所述充气部容积内，且部分地由顶表面和底表面限定，且具有多个挡板通孔，所述多个挡板通孔从所述顶表面延伸穿过所述挡板到达所述底表面，其中：

所述第二圆锥台表面相对于所述喷头的中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位，

所述第二圆锥台表面沿着所述中心轴而定位成比所述第一圆锥台表面更远离所述气体入口，

所述第一圆锥台表面相对于所述中心轴而成第一角度，并且

所述第二圆锥台表面相对于所述中心轴而成第二角度。

2.根据权利要求1所述的喷头，其中所述第二圆锥台表面的内圆周相对于所述中心轴而从所述第一圆锥台表面的外圆周径向地往外定位。

3.根据权利要求1所述的喷头，其中所述第一角度大于所述第二角度。

4.根据权利要求3所述的喷头，其中所述第一角度介于约50°至约90°之间，且所述第二角度介于约45°至约85°之间。

5.根据权利要求1所述的喷头，其中所述背板还包含第三表面，其横跨于所述第一圆锥台表面与所述第二圆锥台表面之间。

6.根据权利要求5所述的喷头，其中所述第三表面包含垂直于所述中心轴的平面部分。

7.根据权利要求1所述的喷头，其中：

所述背板还包含第三圆锥台表面，其相对于所述中心轴而从所述第二圆锥台表面径向地往外定位，使得所述第二圆锥台表面径向地插入所述第一圆锥台表面与所述第三圆锥台表面之间，并且

将所述第三圆锥台表面定位成相对于所述中心轴而成第三角度。

8.根据权利要求7所述的喷头，其中所述第三角度大于所述第一角度和所述第二角度。

9.根据权利要求1所述的喷头，其中所述挡板的外缘相对于所述中心轴而从所述第一圆锥台表面径向地往外定位。

10.根据权利要求9所述的喷头，其中所述挡板的所述外缘相对于所述中心轴而定位成径向地插入所述第二圆锥台表面的内圆周与所述第二圆锥台表面的外圆周之间。

11.根据权利要求1所述的喷头，其中所述挡板沿着所述中心轴而定位成使得所述第一圆锥台表面比所述挡板更靠近所述气体入口。

12.根据权利要求11所述的喷头，其中：

所述挡板的所述顶表面面对所述气体入口，且所述挡板的所述底表面面对所述面板，并且

所述挡板还沿着所述中心轴而定位，使得所述挡板的所述顶表面沿着所述中心轴而插入在所述第二圆锥台表面的内圆周与所述第二圆锥台表面的外圆周之间。

13.根据权利要求12所述的喷头，其中所述挡板还沿着所述中心轴定位，使得所述挡板的所述底表面比所述第二圆锥台表面的外圆周更远离所述气体入口。

14.根据权利要求1所述的喷头，其中所述挡板还包含挡板圆锥台表面，其面对所述背板。

15.根据权利要求14所述的喷头，其中所述挡板圆锥台表面从所述中心轴偏移第四角度，其中所述第四角度与所述第二角度互补。

16.根据权利要求1所述的喷头，其中所述多个挡板通孔具有随着所述径向位置相对于所述中心轴距离增大而增大的外径。

17.根据权利要求16所述的喷头，其中：

第一数量的挡板通孔定位于所述挡板的第一区段中，且具有第一外径，

第二数量的挡板通孔定位于所述挡板的第二区段中，且具有第二外径，所述第二外径大于所述第一外径，并且

所述第二区段相对于所述中心轴而从所述第一区段径向地往外偏移。

18.根据权利要求17所述的喷头，其中所述第一外径介于0.3mm至0.65mm之间，且所述第二外径介于0.5mm至0.75mm之间。

19.根据权利要求17所述的喷头，其中：

第三数量的挡板通孔定位于所述挡板的第三区段中，且具有第三外径，所述第三外径大于所述第二外径，并且

所述第三区段相对于所述中心轴而从所述第二区段径向地往外偏移。

20.根据权利要求19所述的喷头，其中所述第三外径介于0.7mm至1.1mm之间。

21.根据权利要求1所述的喷头，其中所述第一圆锥台表面的内圆周部分地限定所述气体入口。

22.根据权利要求1所述的喷头，其中所述面板还包含面板圆锥台表面，所述面板圆锥台表面相对于所述中心轴而从所述面板的所述前表面径向地往外定位，且从所述中心轴偏移第五角度，所述第五角度大于90°。

23.根据权利要求1所述的喷头，其还包含：

端口，其包含第一端和位于第二端的开口，并且延伸通过所述面板，其中所述开口位于所述面板中且位于从所述前表面径向往外处，以及

窗部，其定位成邻近所述端口的所述第一端。

24.根据权利要求23所述的喷头，其还包含传感器，其定位成邻近所述窗部，使得所述窗部介于所述第一端与所述传感器之间。

25.根据权利要求24所述的喷头，其中所述传感器被配置成判定以下一者或多者：所述开口外部的物体的距离、所述开口外部的温度、以及所述开口外部的气体种类。

26.根据权利要求23所述的喷头，其中所述窗部由包含蓝宝石的材料所制成。

27.根据权利要求23所述的喷头，其还包含三个端口和三个窗部，其中：

每个窗部被定位成邻近一个相应端口的所述第一端，并且

所述三个端口围绕所述中心轴基本上等距间隔开。

28.根据权利要求1所述的喷头，其中所述面板通孔的外径都相同。

29.根据权利要求28所述的喷头，其中所述面板通孔中的每一者的外径介于0.03英寸至0.05英寸之间。