TWI539025B - 用於短生命週期物種之具有內建電漿源的製程腔室蓋設計 - Google Patents

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Description

用於短生命週期物種之具有內建電漿源的製程腔室蓋設計
本發明之實施例大體上關於用於沉積材料之設備與方法，特別是關於設以在電漿強化製程期間沉積材料的氣相沉積腔室。
在半導體處理、平面顯示器處理、或其他電子元件處理的領域中，氣相沉積製程扮演沉積材料於基材上的重要角色。隨著電子元件幾何形狀持續縮小，而元件密度持續增加，特徵結構的尺寸與深寬比變得更加競爭性，例如，0.07 μm的特徵結構尺寸與10以上的深寬比。因此，共形沉積材料以形成該等元件逐漸變得重要。
雖已證實習知化學氣相沉積(CVD)成功地用於低達0.15 μm的元件幾何性狀與深寬比，但更具競爭性的元件幾何形狀需要替代性的沉積技術。一項備受矚目的技術是原子層沉積(ALD)。在ALD製程期間，反應物氣體依序導入含有基材的沉積腔室。大體而言，第一反應物是以脈衝式進入沉積腔室，並且吸附在基材表面上。第二反應物以脈衝式進入沉積腔室，並且與第一反應物反應而形成沉積的材料。沖淨步驟一般是在傳遞每一反應物氣體之間執行。沖淨步驟可為具有載氣的連續沖淨，或在傳遞反應物氣體之間的脈衝式沖淨。熱誘導ALD製程為最常見的ALD技術，並且使用熱以引發兩種反應物之間的化學反應。雖然熱ALD製程在沉積一些材料上運作良好，但這些製程經常具有緩慢的沉積速率。因此，製造的處理量可能受影響而達到無法接受的層級。沉積速率可在較高沉積溫度下增加，但許多化學前驅物(特別是金屬有機化合物)在升高的溫度下會分解。
電漿強化CVD(PECVD)與電漿強化ALD(PE-ALD)可用於形成各種材料。在PE-ALD製程的一些範例中，材料可由與熱ALD製程相同的化學前驅物形成，但該形成步驟是在較高沉積速率與較低溫度下。儘管存在數種技術的變化型式，但大體而言，PE-ALD製程提供反應物氣體與反應物電漿依序導入含有基材的沉積腔室。第一反應物氣體是以脈衝式進入沉積腔室，且吸附在基材表面。之後，大體上透過電漿源供應的反應物電漿脈衝式進入沉積腔室，並且與第一反應物氣體反應而形成沉積材料。類似於熱ALD製程，沖淨步驟可在遞送每一反應物之間實施。雖然PE-ALD製程克服了熱ALD製程的一些缺點(這是由於電漿內反應物自由基的高度反應性所致)，PE-ALD製程仍有許多限制。PE-ALD製程可引發電漿對基材的損壞(例如蝕刻)，可能與某些化學前驅物不相容，並且需要額外的硬體。
對於任何需要遠端電漿以生成活性反應物物種的基材製造製程而言，分開的遠端電漿單元大體是與製程腔室一起使用。儘管此類途徑對於遠離基材生成活性反應物物種作用良好，且不至於有透過反應物自由基對元件造成電漿損壞之風險，然而，抵達基材表面的活性物種的量相當受限，這是由於活性物種沿著至基材的行進距離進行快速重組之故。雖然可能施加高電漿功率而增加可得的活性物種量，但高電漿功率通常造成對電漿單元的硬體損壞，該硬體損壞呈現具有高粒子數的缺陷問題。此外，可得的遠端電漿源(RPS)單元一般設計成使得單元的維修困難。已知的維護具高缺陷度RPS之可行方法是置換該單元。因為高功率RPS單元需要頻繁的置換，此舉進而造成系統停工時間與操作成本增加。
因此，需要一種透過氣相沉積技術(諸如透過PE-ALD製程)沉積材料於基材上的設備與方法。
本發明的實施例大體上關於用於沉積材料的設備與方法，特別是關於氣相沉積腔室，例如PE-CVD或PE-ALD腔室，該等腔室設以在電漿強化製程期間沉積材料。在一個實施例中，提供用於處理一個或多個基材的腔室。該腔室包含：一腔室主體，其界定一製程空間；一基材支撐件，其配置在該製程空間中並且設以支撐一個或多個基材；一製程蓋組件，其配置在該基材支撐件上方，其中該製程蓋組件具有一電漿空腔，該電漿空腔設以生成一電漿並且提供一種或多種自由基物種到該製程空 間；一RF(射頻)功率源，其耦接氣體分配組件；一電漿形成氣體源，其耦接該製程蓋組件；以及一反應物氣體源，其耦接該製程蓋組件。
另一實施例中，提供一種用於提供一反應物氣體之自由基到一製程空間的製程蓋組件。該製程蓋組件包含：一第一電極，其具有複數個第一通道與複數個第二通道，該等第一通道耦接該第一電極的一第一表面與該第一電極的一第二表面，用於遞送一含電漿之氣體到一製程空間，其中該第一電極的該第一表面面向該製程空間，而該等第二通道使該第一電極的該第一表面與該第一電極的該第二表面耦接，以遞送一反應物氣體至該製程空間；一第二電極，其實質上平行於該第一電極，該第二電極具有複數個第三通道，該等第三通道耦接該第二電極的一第一表面與該第二電極的一第二表面，以遞送一電漿形成氣體至一電漿空腔，其中該電漿空腔界定於第一電極與第二電極之間，而該第二電極的該第一表面面向該電漿空腔；以及一絕緣體，其在該第一電極與第二電極之間配置於接近該第一電極與第二電極的周邊處，其中該第二電極適於耦接一RF功率源，而該第一電極適於耦接接地端。
本發明的實施例大體上關於用於沉積材料的設備與方法，特別是關於設以在電漿強化製程期間沉積材料的氣相沉積腔室。某些實施例中，提供一製程腔室蓋，其具有一內建(built-in)電漿源，相鄰製程腔室之製程空間，以用於生成活性反應物種。在某些實施例中，製程腔室蓋組件包含多重部件，其形成電漿空腔(在該處生成活性反應物物種)，該組件具有兩個分開的通路，每一通路用於遞送反應氣體與電漿之各者至製程空間。相較於使用RPS的系統，在製程蓋組件內部生成電漿的能力減少了電漿活化物種必須行進到達製程腔室之製程空間中的基材表面之距離。製程空間中可得的活性物種的量顯著增加，而達成增加可得活性物種的所需功率同時減少。
第1圖是根據本發明一個實施例的製程腔室100的概略視圖。一個實施例中，製程腔室適於形成金屬氮化物膜，該金屬氮化物膜具有至少一種由電漿生成的前驅物。
製程腔室100包含腔室主體110、配置在腔室主體110內的基材支撐件112，以及配置在腔室主體110上的製程腔室蓋組件114。
基材支撐件112設於支撐一個或多個基材116，以將一個或多個基材116暴露至製程空間118(其由腔室主體110及製程蓋組件114界定)中的前驅物。一個實施例中，基材支撐件112包含加熱器120，該加熱器適於加熱一個或多個基材116至執行製程所需的溫度。
製程蓋組件114包含噴頭組件122，該噴頭組件具有水箱140以提供定位在噴頭組件122上的製程蓋組件114的溫度控制。噴頭組件122包含第一電極124、第二電極128、絕緣體132、以及阻擋板136，該第一電極亦作用如蓋板，該第二電極作用如電漿空腔RF電極且其定位成實質上平行第一電極124，該絕緣體定位在第一電極124與第二電極128之間，而阻擋板136定位在第二電極128上。第一電極124、第二電極128、以及絕緣體132界定一電漿空腔144，在該處可生成電容式電漿145。一個實施例中，第一電極124耦接RF(射頻)接地端，第二電極128耦接RF功率源146，而絕緣體132電絕緣第一電極124與第二電極128。
第一氣體源148透過氣體入口149A、149B耦接電漿空腔144，用於提供一種或多種電漿形成氣體至電漿空腔144。當RF功率施加到第二電極128時，電容式電漿145可在電漿空腔144中生成。其他諸如載氣或沖淨氣體之類的氣體可耦接電漿空腔，用於將電漿形成氣體遞送到電漿空腔，並且沖淨具電漿形成氣體的製程腔室100。
第一電極124包含鄰接製程空間118的第一表面150(或下表面)，以及鄰接電漿空腔144的第二表面(或上表面)，複數個第一通道154形成於該等表面之間。複數個第一通道154將製程空間118耦接電漿空腔144，並且提供導管以將活性反應物物種從電漿空腔144遞送到製程空間118。複數個第一通道154亦可用於遞送其他氣體(諸如載氣、沖淨氣體、及/或清潔氣體)至製程腔室100。在一個實施例中，複數個第一通道154橫越第一電極124的表面區域(其相對應於基材支撐件112的表面區域)均等分佈。第一電極124亦具有複數個第二通道156，該等第二通道透過氣體入口159將製程空間118耦接第二氣體源158，以供應一種或多種前驅物到製程空間118。複數個第二通道156亦可用於遞送其他氣體(諸如載氣、沖淨氣體、及/或清潔氣體)至製程腔室100。
一個實施例中，第一電極124可由導電材料形成，諸如金屬或金屬合金。一個實施例中，第一電極124是平坦碟。一個實施例中，第一電極124由金屬形成。示範性的金屬可選自由鋁、鋼、不鏽鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述者之合金、與前述者之組合。
第二電極128包含第一表面160(或下表面)以及第二表面162(或上表面)，該第一表面鄰接電漿空腔144，而該第二表面相對於第一表面，而複數個第三通道164形成於第一表面160與第二表面162之間，用於從第一氣體源148提供一種或多種電漿形成氣體至電漿空腔144。複數個第三通道164亦可用於遞送諸如載氣、沖淨氣體、及/或清潔氣體之其他氣體至製程腔室100。如第1圖中所示，複數個第二通道156橫切電漿空腔144，延伸通過第二電極128的第一表面160至第二電極128的第二表面162。
一個實施例中，第二電極128可由導電材料形成，諸如金屬或金屬合金。一個實施例中，第二電極128由金屬形成。示範性的金屬可選自由鋁、鋼、不鏽鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述者之合金、與前述者之組合。一個實施例中，第二電極128是平坦碟。
絕緣體132提供第一電極124與第二電極128之間的電絕緣，且該絕緣體132可由電絕緣材料形成。一個實施例中，絕緣體132由陶瓷材料形成，例如，氮化鋁(AlxNy)或氧化鋁(Al2O3)。
阻擋板136配置在第二電極128上，並且具有凹陷部份166，該凹陷部份形成第二氣體區域168，該第二氣體區域168是由凹陷部份166與第二電極128的第二表面162所界定。第二氣體區域168定位在製程空間118上方並且透過複數個第二通道156與製程空間耦接，以用於將前驅物氣體供應至製程空間118。阻擋板136包含第一表面170(或下表面)以及第二表面172(或上表面)，第二氣體區域168被界定於阻擋板136的第一表面170及第二電極128的第二表面162之間。複數個第四通道178用於將阻擋板136的第一表面170耦合阻擋板136的第二表面172，用於耦接複數個第三通道164，以將電漿形成氣體遞送到電漿空腔144。
一個實施例中，一種或多種來自第二氣體源158的氣體透過氣體入口159流進第二氣體區域168，並且通過複數個第二通道156、進入製程空間118，在該處他們朝一個或多個基材116的表面遞送。一個實施例中，阻擋板136可包含多重板，阻擋板136可經設計以助前驅物氣體均勻地遞送到製程空間118。
一個實施例中，水箱140配置在阻擋板136上。水箱140可具有凹陷部份174，其形成第一氣體區域176，該第一氣體區域176是由凹陷部份174與阻擋板136的第二表面172所界定。第一氣體區域176定位在電漿空腔144上方並且透過複數個第三通道164與電漿空腔耦接，以用於將電漿形成氣體供應至電漿空腔。電漿形成氣體由第一氣體源148透過氣體入口149A、149B流至第一氣體區域176，此處電漿形成氣體徑向上分佈通過複數個第三通道164進入電漿空腔144，此處RF功率供應到第二電極128以在電漿空腔144中形成電容式電漿145。電容式電漿145中活化的自由基隨後透過複數個第一通道154遞送到製程空間118。
如第1圖所示，複數個第一通道154偏離複數個第三通道164(例如，不具有準直線(line of sight))，此舉助於均勻地使活化的物種分佈於晶圓表面。如此所論及，在某些實施例中，期望複數個第一通道154能夠對準複數個第三通道164或與複數個第三通道164呈準直線。在此所用的「準直線」一詞是指兩點之間的筆直路徑或實質上筆直的路徑。筆直路徑或實質上筆直的路徑可提供不受阻礙的途徑或清楚的途徑，以供氣體或電漿流於至少兩點之間。大體而言，受阻礙的途徑或不清楚的途徑遏止或實質上減少在電漿通過同時容許氣體通過。因此，準直線途徑通常容許氣體或電漿通過，而兩點間不具有準直線的途徑遏止或實質上減少電漿通過而使氣體通過。
水箱140用於透過將熱從製程蓋組件(例如製程蓋組件114)移除而調節製程腔室100的溫度。水箱140可定位在噴頭組件122的頂部上。水箱140將熱從製程蓋組件114(諸如從噴頭組件122)移除。沉積製程期間，在最初溫度下的流體透過入口(圖中未示)被引入水箱140。流體吸收熱，同時沿通路(圖中未示)行進。在較高溫度下的流體從水箱140透過出口(圖中未示)移除。水箱140可含有金屬或由金屬形成，該金屬諸如鋁、鋁合金(例如鋁鎂矽合金，諸如鋁6061)、鍍鋁的金屬、不鏽鋼、鎳、鎳合金(例如INCONEL®或HASTELLOY®)、鍍鎳的鋁、鍍鎳的金屬、鉻、鐵、前述者之合金、前述者之衍生物、或前述者之組合。在一個實施例中，水箱140可含有鋁或鋁合金，或由鋁或鋁合金形成。
水箱140可連接到流體源179，該流體源用於在沉積製程期間供應流體至水箱140。該流體可為液體、氣體、或超臨界狀態，且能夠及時地吸附及消散熱。可用於水箱140中的液體包括水、油、醇類、二醇類、乙二醇醚、其他有機溶劑、超臨界流體(例如CO2)、前述者之衍生物或前述者之混合物。氣體可包括氮、氬、空氣、氟氯碳化合物(HFC)、或前述者之組合。較佳為以水或水/醇類混合物供應水箱140。
製程腔室100進一步包含真空泵180，該真空泵180設以泵抽製程空間118而獲得製程空間118中期望的壓力層級。處理期間，真空泵180提供相對於電漿空腔144的製程空間118中的負壓，因此使電漿空腔144中的物種得以流至製程空間118。
在某些實施例中，含鐵氧體(ferrite)元件190A、190B與190C定位在鄰接氣體入口149A、149B與159之至少一者處。含鐵氧體元件190A、190B與190C可定位在鄰接氣體入口149A、149B與159處以減少接近氣體入口149A、149B與159處電弧作用與寄生電漿的形成。含鐵氧體元件190A、190B與190C可形成平行鐵氧體邊界，而抑制垂直鐵氧體邊界的RF電流與吸收平行邊界的磁場分量。
含鐵氧體元件190A、190B與190C可由能夠提供所生成的場(例如磁場，由製程腔室100的幾個部份內的RF電流流動所創造)優先流過之路徑的任何材料所形成。一個範例中，含鐵氧體元件190A、190B與190C可由鐵氧體材料形成，或嵌有鐵氧體材料。鐵氧體材料可包括非導電性的鐵磁性陶瓷化合物，該等化合物源自鐵氧化物，諸如赤鐵礦(hematite,Fe2O3)或磁鐵礦(magnetite,Fe3O4)，以及其他金屬之氧化物。鐵氧體材料可進一步含鎳、鋅、及/或錳化合物。示範性鐵氧體材料包括錳鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、以及前述者之組合。
含鐵氧體元件190A、190B與190C可採取任何形狀之形式抑制垂直於鐵氧體邊界的RF電流並且吸收平行邊界的磁場分量。含鐵氧體元件190A、190B與190C的示範性形狀包括環形(ring)、超環形(toroid)、以及線圈狀。在一個示範性實施例中，氣體入口149B是鋁管，而含鐵氧體元件190B含有複數個超環狀或甜甜圈形、含有鎳鋅鐵氧體的鐵氧體構件。另一示範性實施例中，如第1圖中所示，氣體入口149A、149B與159為鋁管，每一鋁管被個別的含鐵氧體元件190A、190B與190C所環繞，該等鐵氧體元件含有複數個超環狀或甜甜圈形、含有鎳鋅鐵氧體的鐵氧體構件。
第2圖是根據本發明一個實施例、具有製程蓋組件214之另一實施例的另一製程腔室200之概略視圖。該製程腔室200類似於第1圖所示的製程腔室100，惟製程腔室100的第二電極128是以具有複數個多重錐形空腔264的第二電極228置換。錐形空腔結合第一電極124與第二電極228之間可變的距離容許更寬廣的電漿點燃裕度(window)。電漿能夠在錐形空腔264中有效起始，並且因此均勻的電漿能夠維持在第一電極124與第二電極228之間遍及整個電漿空腔。
製程蓋組件214包含噴頭組件222，而水箱140定位在噴頭組件222上。噴頭組件222包含包含第一電極124、第二電極228、絕緣體132、以及阻擋板136，該第二電極定位成實質上平行第一電極124，該絕緣體定位在第一電極124與第二電極228之間，而阻擋板136定位在第二電極228上。第一電極124、第二電極228、以及絕緣體132界定一電漿空腔244，在該處可生成電容式電漿。一個實施例中，第一電極124耦接RF(射頻)接地端，第二電極228耦接RF功率源146，而絕緣體132電絕緣第一電極124與第二電極228。
第3A圖是根據本發明一個實施例的製程蓋組件214之第二電極228的部份截面視圖。第3B圖是第3A圖之第二電極228的底部視圖，而第3C圖是第3A圖之第二電極228的頂部視圖。第二電極228包含第一表面260(或下表面)以定位在鄰接電漿空腔244處，並且包含第二表面262(或上表面)，該第二表面相對於第一表面260，而複數個第二通道256用以供應一種或多種前驅物至製程空間，且複數個第三通道264形成於該二表面之間以提供一種或多種反應性氣體由氣體源到電漿空腔244。
一個實施例中，複數個第三通道264可均等地分佈在第二電極228上。一個實施例中，複數個第三通道264包含窄鑽孔270，該窄鑽孔耦接錐形通道272，該通道的直徑隨著複數個第三通道264從第二電極228的第二表面262延伸到第二電極228的第一表面260而擴張。一個實施例中，錐形通道272的側壁形成角度「α」。一個實施例中，該角度「α」介於20度至約30度之間。
一個實施例中，複數個第二通道256可均等地分佈於第二電極228上。一個實施例中，複數個第二通道256包含窄鑽孔258，該窄鑽孔258從第一表面260延伸而耦接筆直通道259，該筆直通道延伸到第二電極228的第二表面262。
一個實施例中，第二電極228可由導電材料形成，諸如金屬或金屬合金。一個實施例中，第二電極228由金屬形成。示範性的金屬可選自由鋁、鋼、不鏽鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述者之合金、與前述者之組合所構成的群組。一個實施例中，第二電極228是平坦碟。
第4圖是根據本發明一個實施例的製程蓋組件的噴頭組件422之部份截面視圖。噴頭組件422類似於噴頭222，不同處為第一電極424具有複數個第一通道454，該等通道對準複數個第三通道264的準直線，或在該第三通道264的準直線中，以遞送活化的物種到製程腔室(諸如製程腔室100、200)的製程空間。某些複數個第一通道454對準複數個第三通道264的實施例中，更大量的反應性物種可使用較低的功率層級遞送到製程空間。
第一電極424包含鄰接製程空間118的第一表面450(或下表面)以及鄰接電漿空腔244的第二表面452(或上表面)，而複數個第一通道454形成於該二表面之間。複數個第一通道454將製程空間118耦接電漿空腔244並且提供導管以將活性反應物物種從電漿空腔244遞送到製程空間118。複數個第一通道454亦可用於遞送其他氣體(諸如載氣、沖淨氣體、及/或清潔氣體)到製程腔室100。一個實施例中，複數個第一通道454均等地橫越與基材支撐件112的表面區域相對應的第一電極424的表面區域分佈。第一電極424亦具有複數個第二通道456，該等第二通道將製程空間118耦接第二氣體源，以供應一種或多種前驅物到製程空間118。複數個第二通道456亦可用於遞送其他氣體(諸如載氣、沖淨氣體、及/或清潔氣體)到製程腔室100。
一個實施例中，第一電極424可由導電材料形成，諸如金屬或金屬合金。一個實施例中，第一電極424是平坦碟。一個實施例中，第一電極424由金屬形成，諸如鋁、鋼、不鏽鋼(例如，視情況含有鎳的鐵鉻合金)、鐵、鎳、鉻、前述者之合金、與前述者之組合。
每一部件(例如第一電極124、424、絕緣體132、第二電極128、228、阻擋板136、水箱140、及氣體分配組件)可改變尺寸以處理不同尺寸的基材，諸如具有150 mm直徑、200 mm直徑、300 mm直徑、或超過300 mm直徑的晶圓。每一部件可定位及固定在第一電極124、424或蓋板上，此舉是透過此技術領域中已知的任何固定手段達成，例如夾子及/或緊固件。
此述的實施例提供透過氣相沉積製程(諸如原子層沉積(ALD)或電漿強化ALD(PE-ALD))沉積各種材料(例如氮化鈦)於基材上的方法。一個態樣中，該製程有極微或無啟動的延遲並且在形成鈦材料(諸如金屬鈦、氮化鈦、氮化矽鈦、或前述者之衍生物)的同時維持快速沉積速率。
一個實施例中，可與此述的PE-ALD製程一起使用的鈦前驅物包括四(二甲胺基)鈦(tetrakis(dimethylamino)titanium,TDMAT)、四(二乙胺基)鈦(tetrakis(diethylamino)titanium,TDEAT)、四氯化鈦(TiCl4)、及前述者之衍生物。此述的PE-ALD製程包括依序暴露基材於氮前驅物與氮電漿或其他離子化試劑(reagent)電漿。
一個實施例中，氮化鈦材料可在一PE-ALD製程期間形成，該製程含有恆定的試劑氣體流動，同時提供依序的鈦前驅物或電漿之脈衝。另一實施例中，鈦材料可在另一PE-ALD製程期間形成，該製程提供依序脈衝的鈦前驅物(例如TDMAT)與試劑電漿(例如氮電漿)。在該等實施例之二者中，試劑大體上在製程期間離子化。PE-ALD製程提供電漿生成於噴頭組件內部，因而相較於使用RPS的系統，電漿活化的物種必須行進而抵達基材表面的距離大幅減少。製程空間中可得的活性物種的量顯著增加，而達成可得活性物種增加的所需功率同時減少。PE-ALD製程期間，電漿可由微波(MW)頻率生成器、射頻(RF)生成器、或脈衝DC電流生成。另一實施例中，鈦材料可在熱ALD製程期間形成，該製程提供依序的鈦前驅物與試劑的脈衝。含TDMAT製程氣體與氮電漿二者依序脈衝至噴頭組件122、222、並且通過噴頭組件122、222。之後，基材依序暴露到製程氣體與氮電漿。
在此的實施例中所述的ALD製程期間可利用製程蓋組件114或214，且製程蓋組件114或214可耦接各種此述的ALD腔室主體。其他ALD腔室亦可用在此述的一些實施例期間，且可購自美國加州Santa Clara的應用材料公司。可與此述的製程蓋組件一併使用的ALD腔室之詳細說明可見於共同讓渡的美國專利號6,916,398與6,878,206，以及共同讓渡的美國專利申請號10/281,079(於2002年10月25日提出申請，且公開為US 2003-0121608)，該等文件在此併入做為參考。另一實施例中，設以在ALD模式與習知CVD模式中操作的腔室可用於沉積鈦材料，該腔室描述於共同讓渡的美國專利號7,204,886，其全文在此併入作為參考。
一些實施例中，沉積腔室可在此述的ALD製程期間於範圍在約0.01 Torr至約80 Torr內的壓力加壓，該範圍較佳是從約0.1 Torr至約10 Torr，且更佳是約0.5 Torr至約2 Torr。亦然，可將腔室或基材在此述的數個ALD製程期間加熱到低於約500℃的溫度，較佳為約400℃以下，諸如在約200℃至約400℃的範圍內，更佳為從約340℃至約370℃，例如約360℃。電漿可透過微波(MW)生成器或射頻(RF)生成器生成。例如，電漿生成器可被設定成具有範圍在約200瓦(W)至約40千瓦(kW)的功率輸出，較佳為約200W至約10kW，更佳為從約500W至約3kW。
一個實施例中，基材可在整個ALD循環期間暴露至試劑氣體。基材可暴露至鈦前驅物氣體，該鈦前驅物氣體由第二氣體源158供應並且透過將載氣(例如氮或氬)傳遞通過鈦前驅物的安瓿而達成。可取決於製程期間所用的鈦前驅物而加熱安瓿。一個範例中，含有TDMAT的安瓿可被加熱到在約25℃至約80℃之範圍內的溫度。鈦前驅物氣體通常具有在約100sccm至約2000sccm之範圍內的流率，較佳為約200sccm至約1000sccm，更佳為約300sccm至約700sccm，例如約500sccm。鈦前驅物氣體與試劑氣體可結合而形成沉積氣體。試劑氣體通常具有在約100sccm至約3000sccm之範圍內的流率，較佳為約200sccm至約2000sccm，更佳為約500sccm至約1500sccm。在一個範例中，氮電漿做為試劑氣體，其流率為約1500sccm。基材可暴露到鈦前驅物氣體或含有鈦前驅物的沉積氣體與試劑氣體達一時間歷程，該時間歷程在從約0.1秒至約8秒的範圍內，較佳為從約1秒到約5秒，更佳為約2秒至約4秒。一旦鈦前驅物層吸附於基材上，可停止鈦前驅物的流動。鈦前驅物層可為不連續層、連續層、或甚至是多層。
在停止鈦前驅物氣體流動後，基材和腔室可暴露於沖淨步驟。沖淨步驟期間，可維持試劑氣體的流率，或從先前步驟調整之。較佳為試劑氣體的流動從先前步驟維持。視情況而定，沖淨氣體可導入沉積腔室，其流率在約100 sccm至約2000 sccm之範圍內，較佳為約200 sccm至約1000 sccm，更佳為約300 sccm至約700 sccm，例如約500 sccm。沖淨步驟移除沉積腔室內任何過剩的鈦前驅物與其他污染物。沖淨步驟可實行一段時間歷程，該時間歷程在從約0.1秒至約8秒的範圍內，較佳為從約1秒至約5秒，更佳為從約2秒至約4秒。載氣、沖淨氣體、與製程氣體可含有氮、氫、氨、氬、氖、氦、或前述者之組合。較佳實施例中，載氣含有氮。
之後，可維持試劑氣體的流動，或於點燃電漿之前調整試劑氣體的流動。處理期間，諸如氮氣之氮源從第一氣體源148供應。氮氣流進電漿空腔144，在此處當氮氣的電漿被RF功率(於第一電極124及第二電極128之間施加)點燃時，氮氣解離。自由的氮自由基(氮原子)隨後流過複數個第一通道154進入製程空間118。
基材可暴露至電漿達一時間歷程，該時間歷程在從約0.1秒到約20秒的範圍內，較佳為從約1秒到約10秒，更佳為從約2秒到約8秒。之後，關掉電漿功率。一個實施例中，試劑可為氨、氮、氫、或前述者之組合，以形成氨電漿、氮電漿、氫電漿、或組合的電漿。反應物電漿與基材上所吸附的鈦前驅物反應，而形成鈦材料於基材上。一個範例中，反應物電漿用做還原劑以形成金屬鈦。然而，各種反應物可用於形成具有大範圍組成的鈦材料。
沉積腔室暴露至第二沖淨步驟，以移除先前步驟的過剩前驅物與污染物。試劑氣體的流率可在沖淨步驟期間維持或從先前步驟調整。視情況任選的沖淨氣體可導進沉積腔室，其流率在從約100 sccm至約2000 sccm之範圍內，較佳為約200 sccm至約1000 sccm，更佳為約300 sccm至約700 sccm，例如約500 sccm。第二沖淨步驟可實行一段時間歷程，該時間歷程在從約0.1秒至約8秒的範圍內，較佳為從約1秒至約5秒，更佳為從約2秒至約4秒。
可重複ALD循環直到預定厚度的鈦材料沉積於基材上為止。鈦材料可沉積成具有低於1000 之厚度，較佳為低於500 ，更佳為從約10 到約100 ，例如約30 。此述的製程可以至少0.15 /循環、較佳為至少0.25 /循環、更佳為至少0.35 /循環以上之速率沉積鈦材料。另一實施例中，此述的製程克服先前技術相關於成核延遲的缺點。在許多(若非大多數)沉積鈦材料的實驗期間，沒有可被偵測到的成核延遲。
即使金屬氮化物膜的形成是以此述的實施例一併討論，應瞭解，需要自由基的其他製程亦能夠使用此述的設備與方法執行。
此述的實施例提供於製程蓋組件內部生成電漿的能力，相較於使用RPS的系統，該能力減少在製程腔室的製程空間中電漿活化的物種必須行進而抵達基材表面的距離。製程空間中可得的活性物種量大幅增加，而達成增加的可得活性物種的所需功率同時減少。
前述者是導向本發明的實施例，其他與進一步的本發明實施例可在不背離本發明基本範疇的情況下設計，該範疇由隨後的申請專利範圍所確定。
100．．．製程腔室
110．．．腔室主體
112．．．基材支撐件
114．．．製程腔室蓋組件
116．．．基材
118．．．製程空間
120．．．加熱器
122．．．噴頭組件
124．．．第一電極
128．．．第二電極
132．．．絕緣體
136．．．阻擋板
140．．．水箱
144．．．電漿空腔
145．．．電容式電漿
146．．．阻擋板
148．．．第一氣體源
149A、149B．．．氣體入口
150．．．第一表面
152．．．第二表面
154．．．第一通道
156．．．第二通道
158．．．第二氣體源
159．．．氣體入口
160．．．第一表面
162．．．第二表面
164．．．第三通道
166．．．凹陷部份
168．．．第二氣體區域
170．．．第一表面
172．．．第二表面
174．．．凹陷部份
176．．．第一氣體區域
178．．．第四通道
179．．．流體源
180．．．真空泵
190A-C．．．含鐵氧體元件
200．．．製程腔室
214．．．製程蓋組件
222．．．噴頭組件
228．．．第二電極
244．．．電漿空腔
256．．．第二通道
258．．．窄鑽孔
259．．．筆直通道
260．．．第一表面
262．．．第二表面
264．．．第三通道
270．．．窄鑽孔
272．．．錐形通道
422．．．噴頭組件
424．．．第一電極
450．．．第一表面
452．．．第二表面
454．．．第一通道
456．．．第二通道
參考某些繪示於附圖的實施例，可得到之前簡要總括的本發明之更詳細之描述，如此，可詳細瞭解之前陳述的本發明的特色。但應注意，附圖只繪示本發明的典型實施例，因本發明允許其他同等有效的實施例，故不將該等附圖視為本發明的範圍限制。
第1圖是根據本發明一個實施例、具有製程蓋組件的一個實施例的製程腔室之概略視圖。
第2圖是根據本發明一個實施例、具有製程蓋組件另一實施例的另一製程腔室之概略視圖。
第3A圖是根據本發明一個實施例的製程蓋組件之電極的部份截面視圖。
第3B圖是第3A圖之電極的底部視圖。
第3C圖是第3A圖之電極的頂部視圖。
第4圖是根據本發明一個實施例的製程蓋組件的噴頭組件之部份截面視圖。
為有助瞭解，如可能則使用單一元件符號以指定共通於該等圖式之單一元件。應考量到一實施例中的元件及特徵可有利地結合其他實施例而無需附加描述。
100．．．製程腔室
110．．．腔室主體
112．．．基材支撐件
114．．．製程腔室蓋組件
116．．．基材
118．．．製程空間
120．．．加熱器
122．．．噴頭組件
124．．．第一電極
128．．．第二電極
132．．．絕緣體
136．．．阻擋板
140．．．水箱
144．．．電漿空腔
145．．．電容式電漿
146．．．阻擋板
148．．．第一氣體源
149A、149B．．．氣體入口
150．．．第一表面
152．．．第二表面
154．．．第一通道
156．．．第二通道
158．．．第二氣體源
159．．．氣體入口
160．．．第一表面
162．．．第二表面
164．．．第三通道
166．．．凹陷部份
168．．．第二氣體區域
170．．．第一表面
172．．．第二表面
174．．．凹陷部份
176．．．第一氣體區域
178．．．第四通道
179．．．流體源
180．．．真空泵
190A-C．．．含鐵氧體元件

Claims (18)

  1. 一種用於電漿強化處理一個或多個基材的腔室，包含：一腔室主體，界定一製程空間；一基材支撐件，配置在該製程空間中並且設以支撐一個或多個基材；一製程蓋組件，配置在該基材支撐件上方，其中該製程蓋組件具有：一電漿空腔，該電漿空腔設以生成一電漿並且提供一種或多種自由基物種到該製程空間；一第一電極，具有：一第一表面，面向該製程空間；一第二表面，與該第一電極之該第一表面相對；複數個第一通道，從該第一電極的該第一表面延伸到該第一電極的該第二表面，且設以從該電漿空腔遞送該一種或多種自由基物種到該製程空間；以及複數個第二通道，從該第一電極的該第一表面延伸到該第一電極的該第二表面，且設以遞送一反應物氣體至該製程空間； 一第二電極，實質上平行該第一電極並且具有：一第一表面，面向該電漿空腔；一第二表面，與該第二電極之該第一表面相對；複數個第三通道，從該第二電極的該第一表面延伸到該第二電極的該第二表面，且設以遞送一電漿形成氣體至該電漿空腔；一絕緣體，配置在該第一電極與第二電極之間位於接近該第一電極與第二電極的周邊處，其中該電漿空腔界定於該第一電極、該第二電極與該絕緣體之間；一第一氣體區域，定位在該電漿空腔上方，並且透過該複數個第三通道流體連通式耦接該電漿空腔，其中該複數個第三通道設以從該第一氣體區域將該電漿形成氣體遞送至該電漿空腔；一第二氣體區域，定位在該第一氣體區域與該電漿空腔之間，設以將該反應物氣體遞送至該製程空間，其中該第二氣體區域透過該複數個第二通道流體連通式耦接該製程空間；以及一阻擋板，定位在該第二電極上，且具有： 一第一表面；一第二表面，與該阻擋板之該第一表面相對；複數個第四通道，從該阻擋板之該第一表面延伸到該阻擋板之該第二表面；其中該複數個第四通道對準該複數個第三通道，且設以從該複數個第三通道將該電漿形成氣體遞送至該電漿空腔；以及其中該第二氣體區域界定於該阻擋板與該第二電極之該第二表面之間。
  2. 如請求項1所述之腔室，其中該製程蓋組件進一步包含：一水箱，定位在該阻擋板上，其中該第一氣體區域界定於該阻擋板與該水箱之間。
  3. 如請求項1所述之腔室，其中從該第二電極的該第一表面延伸至該第二電極的該第二表面的該複數個第三通道之每一者是由一錐形通道界定，該錐形通道具有一開口，該開口朝向該第二電極的該第一表面，且該錐形通道連接至朝向該第二電極的該第二表面的一鑽孔開口。
  4. 如請求項3所述之腔室，其中該錐形通道形成一介於約20度至約30度之間的角度。
  5. 如請求項1所述之腔室，其中該第一電極與該第二電極每一者個別由一金屬形成，該金屬選自由鋁、鋼、不鏽鋼、鐵、鎳、鉻、前述金屬之合金、與前述金屬之組合所構成之群組。
  6. 如請求項1所述之腔室，進一步包含：一氣體入口，將設以遞送該電漿形成氣體之一氣體源耦接該製程蓋組件；以及一含鐵氧體(ferrite)元件，定位在鄰接該氣體入口處，用於減少該氣體入口附近寄生電漿或電弧作用的形成。
  7. 如請求項1所述之腔室，進一步包含：一RF(射頻)功率源，耦接該製程蓋組件；一電漿形成氣體源，耦接該製程蓋組件；以及一反應物氣體源，耦接該製程蓋組件。
  8. 如請求項1所述之腔室，其中該第二電極適於耦接一RF功率源，且該第一電極適於耦接接地端。
  9. 如請求項1所述之腔室，其中該複數個第二通道橫切該電漿空腔，且延伸通過該第二電極之該第一表面至該第二電極之該第二表面。
  10. 一種用於提供反應物氣體之自由基到製程空間的製程蓋組件，具有：一電漿空腔，設以生成一電漿並且提供一種或多種自由基物種到該製程空間；一第一電極，具有：複數個第一通道，從該第一電極的一第一表面延伸至該第一電極的一第二表面，且設以從該電漿空腔遞送該一種或多種自由基物種到一製程空間，其中該第一電極的該第一表面適於面向該製程空間；以及複數個第二通道，從該第一電極的該第一表面延伸到該第一電極的該第二表面，且設以遞送一反應物氣體至該製程空間；一第二電極，實質上平行於該第一電極，且具有複數個第三通道，該等第三通道從該第二電極的一第一表面延伸到該第二電極的一第二表面，其中該複數個第三通道設以遞送一電漿形成氣體至該電漿空腔，其中該電漿空腔界定於該第一電極與該第二電極之間，而該第二電極的該第一表面面向該電漿空腔； 一第一氣體區域，定位在該電漿空腔上方，並且透過複數個第三通道流體連通式耦接該電漿空腔，其中該複數個第三通道設以從該第一氣體區域將該電漿形成氣體遞送至該電漿空腔；一第二氣體區域，定位在該第一氣體區域與該電漿空腔之間，設以將該反應物氣體遞送至該製程空間，其中該第二氣體區域透過該複數個第二通道流體連通式耦接該製程空間；以及一阻擋板，定位在該第二電極上，其中該第二氣體區域界定於該阻擋板與該第二電極之間，該阻擋板具有複數個第四通道，該複數個第四通道從該阻擋板之一第一表面延伸到該阻擋板之一第二表面，該複數個第四通道對準該複數個第三通道，且該複數個第四通道設以從該複數個第三通道將該電漿形成氣體遞送至該電漿空腔。
  11. 如請求項10所述之製程蓋組件，進一步包含：一絕緣體，配置在該第一電極與第二電極之間位於接近該第一電極與第二電極的周邊處，其中該絕緣體進一步界定該電漿空腔。
  12. 如請求項10所述之製程蓋組件，進一步包含：一水箱，定位在該阻擋板上，其中該第一氣體區域界定於該阻擋板與該水箱之間。
  13. 如請求項10所述之製程蓋組件，其中從該第二電極的該第一表面延伸到該第二電極的該第二表面的該複數個第三通道之每一者是由一錐形通道界定，該錐形通道具有一開口，該開口朝向該第二電極的該第一表面，且該錐形通道連接至朝向該第二電極的該第二表面的一鑽孔開口。
  14. 如請求項13所述之製程蓋組件，其中該錐形通道形成一介於約20度至約30度之間的角度。
  15. 如請求項10所述之製程蓋組件，其中該第一電極與該第二電極每一者個別由一金屬形成，該金屬選自由鋁、鋼、不鏽鋼、鐵、鎳、鉻、前述金屬之合金、與前述金屬之組合所構成之群組。
  16. 如請求項10所述之製程蓋組件，進一步包含：一氣體入口，用於耦接一第一氣體源至該電漿空腔；以及一含鐵氧體元件，定位在鄰接該氣體入口處，用於減少該氣體入口附近寄生電漿或電弧作用的形成。
  17. 如請求項10所述之製程蓋組件，其中該第二電極適 於耦接一RF功率源，且該第一電極適於耦接接地端。
  18. 如請求項10所述之製程蓋組件，其中該複數個第二通道橫切該電漿空腔，且延伸通過該第二電極之該第一表面至該第二電極之該第二表面。
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