CN112126914A

CN112126914A - 衬底处理装置中的等离子体

Info

Publication number: CN112126914A
Application number: CN202010564372.2A
Authority: CN
Inventors: N·霍尔姆; 铃木俊哉
Original assignee: Picosun Oy
Current assignee: Picosun Oy
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2020-12-25
Also published as: FI129719B; EP3758044A1; US20200411294A1; FI20195560A1

Abstract

本公开的实施例涉及衬底处理装置中的等离子体。衬底处理装置(100)及相关方法，其中等离子体物质经由等离子体进料线(115)而被引入到针对沉积目标(160)的反应室(130)中。等离子体进料线(115)经过等离子体形成区。在等离子体进料线内的等离子体物质的速度通过等离子体形成区下游的收缩部(112)而加速。

Description

衬底处理装置中的等离子体

技术领域

本发明总体上涉及衬底处理方法和装置。更具体但非排他地，本发明涉及等离子体增强的原子层沉积(ALD)反应器。

背景技术

本部分说明了有用的背景信息，而非承认本文中描述的任何技术代表现有技术。然而，例如通过考虑授权的专利US 9,095,869B2，所描述的反应器结构可以被更好地理解。

在诸如原子层沉积(ALD)的化学沉积方法中，等离子体可以用于提供针对表面反应所需的附加能量。然而，等离子体源的使用可能引起沉积反应器的某些要求或特定问题。一个这样的问题是等离子体中的反应物质具有有限的寿命。

发明内容

本发明的某些实施例的一个目的是应对等离子体的有限寿命或至少提供现有技术的备选方案。

根据本发明的第一示例方面，提供了一种方法，该方法包括：

经由等离子体进料线，将等离子体物质引入到衬底处理装置中的针对沉积目标的反应室中，其中等离子体进料线经过等离子体形成区；以及

通过等离子体形成区下游的收缩部，来将在等离子体进料线内的等离子体物质的速度加速。

在某些实施例中，收缩部是以直的通道的形式。在某些实施例中，收缩部形成具有不变直径的直的通道。在某些实施例中，收缩部形成在其长度上具有不变直径的直通道。在某些实施例中，收缩部形成圆柱形的、直的通道。在某些实施例中，收缩部形成具有如下长度的直的通道，通道直径沿着该长度是恒定的。在某些实施例中，收缩部是管状制品或管状形式。

在某些实施例中，收缩部将进料线的截面流动面积减小至少8％。

在某些实施例中，经收缩的截面流动面积为收缩部之前的截面流动面积的92％或更小。在某些优选的实施例中，经收缩的截面流动面积为收缩部之前的截面流动面积的75％或更小。在某些优选的实施例中，经收缩的截面流动面积为收缩部之前的截面流动面积的50％或更小。在某些优选的实施例中，经收缩的截面流动面积为收缩部之前的截面流动面积的25％或更少。在某些优选的实施例中，经收缩的截面流动面积在收缩部之前的截面流动面积的从10％至75％的范围内。在某些优选实施例中，经收缩的截面流动面积在收缩部之前的截面流动面积的从20％至60％的范围内。在某些优选实施例中，经收缩的截面流动面积在收缩部之前的截面流动面积的从40％至50％的范围内。

术语“收缩部之前的截面流动面积”意指紧接在收缩部之前的进料线(流动通道)的截面流动面积(例如，等离子体源管的截面流动面积)。

在某些优选实施例中，进入等离子体形成区的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内，优选地在从4000sccm至10000sccm的范围内。

在某些优选实施例中，在如下范围内的等离子功率被应用到等离子体形成区：从10W至10000W、优选地从300W至1000W、更优选地从300至500W的范围内，或从1000W至10000W、更优选地从2000W至10000W，然而更优选地从3000W至10000W的范围内。

在某些优选实施例中，具有在从0.1秒至60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用。

在某些优选实施例中，其中所沉积的薄膜的均匀性要被优化，等离子体脉冲的持续时间，即，等离子体形成时段的持续时间，在从5秒至10秒的范围内，等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内、优选地在从4000sccm至10000sccm的范围内，并且可选地，等离子体功率在从300W至1000W的范围内、优选地在从300W至500W的范围内。在某些优选实施例中，其中在通过膜的低泄漏电流方面的薄膜质量要被优化，等离子体形成时段的持续时间在从20秒至40秒的范围内，等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内、优选地在从4000sccm至10000sccm的范围内，并且可选地，等离子体功率在从1000W至10000W的范围内、优选地在从2000W至10000W的范围内、更优选地在从3000W至10000W的范围内。

在某些优选实施例中，具有在从1秒至8秒的范围内的、更优选地在从4秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子前驱体的清洗时段应用。

在某些优选实施例中，其中所沉积的薄膜的均匀性要被优化，非等离子体前驱体的清洗时段的持续时间在从4秒到8秒的范围内，等离子体气体的流动速率在从500sccm到10000sccm的范围内、优选地从4000sccm到10000sccm的范围内，并且可选地，等离子体功率在从300W到1000W的范围内、优选地在从300W到500W的范围内，并且等离子体形成时段的持续时间在从5秒到10秒的范围内。在某些优选实施例中，其中在通过膜的低泄漏电流方面的薄膜质量要被优化，非等离子体前驱体的清洗时段的持续时间在从4秒至8秒的范围内，等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内、优选地从4000sccm至10000sccm的范围内，并且可选地，等离子体功率在从1000W至10000W的范围内、优选地在从2000W至10000W的范围内、更优选地在从3000W至10000W的范围内，并且可选地，等离子体形成时段具有在从20秒至40秒的范围内的持续时间。

在某些优选实施例中，进入等离子体形成区的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内，在从10W至10000W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区，具有在从0.1秒至60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且具有在从1秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

在某些优选实施例中，进入等离子体形成区的等离子体气体的流动速率在从4000sccm至10000sccm的范围内，在从300W至1000W的范围内的、优选地从300W至500W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区，具有在从5秒至10秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且具有在从4秒至8秒的范围内的持续时间非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

在某些优选实施例中，进入等离子体形成区的等离子体气体的流动速率在4000sccm至10000sccm的范围内，在从1000W至10000W的范围内、优选地在2000W至10000W的范围内、更优选地在从3000W至10000W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区，具有在从20秒至40秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且具有在从4秒到8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

在某些实施例中，等离子体反应物气体由RF(射频)辐射来激发。在某些实施例中，等离子体反应物气体由微波辐射来激发。在某些实施例中，将等离子体反应物气体在不注入(inject)的情况下而被被馈送到等离子体源管中。在某些实施例中，在不将气体注入等离子体源管中的情况下，等离子体反应物气体可选地与载体和/或惰性气体一起被馈送到等离子体源管中。因此，等离子体反应物气体可选地与载体和/或惰性气体一起沿着(规则的)管线被传导到等离子体源管中(即，不具有特殊的注入布置)。在某些实施例中，管线包括至少一个阀(或等离子体反应物脉冲阀)。

在某些实施例中，等离子体进料线包括垂直等离子体源管，垂直等离子体源管包括等离子体形成区。在某些实施例中，等离子体进料线沿着垂直路径穿过等离子体形成区和收缩部。

在某些实施例中，喷射嘴(jet nozzle)入口衬垫被提供来实现收缩部。在某些实施例中，喷射嘴入口衬垫是管状制品。在某些实施例中，该部分的内径基本上小于气体引入部的其他部分的内径。已观察到的是，由于该部分的截面小于等离子体源管和反应室，因此气体速度在该部分内侧增加。该增加可以基于例如阻流效应。还已观察到的是，气体速度不仅在入口衬垫内侧增加，而且还在入口衬垫下游相对较长的距离处、甚至接近沉积目标处增加。所获得的喷射流将从等离子体源到沉积目标的传递时间最小化。在某些实施例中，喷射流与周围的气体接触，并且因此与固体材料的接触表面面积最小。由于反应物质的平均寿命变得更长，因此这进一步改进了反应物质(或等离子体物质)向沉积目标的传递。

在某些实施例中，收缩部由入口部分实现。在某些实施例中，入口部分包括管状部，该管状部具有比进料线的内径小的内径(或具有比等离子体源管的内径小的内径)。在某些实施例中，入口部分包括化学上惰性的管状部。在某些实施例中，入口部分包括电绝缘的管状部。在某些实施例中，入口部分包括容纳内部管的外部部分或外部管。

在某些实施例中，该方法包括提供收缩部作为收敛喷嘴布置或收敛-发散喷嘴布置。

在某些实施例中，该方法包括：

通过真空室来包围反应室。

在某些实施例中，该方法包括：

在反应室中的衬底表面上执行顺序的自饱和表面反应。

根据本发明的第二示例方面，提供了衬底处理装置，包括：

反应室；

等离子体进料线，用以将等离子体物质引入到针对沉积目标的反应室，其中

等离子体进料线经过等离子体形成区；并且

等离子体进料线包括在等离子体形成区的下游的收缩部，以将等离子体物质的速度加速。

在某些实施例中，该装置包括等离子体源。在某些实施例中，等离子体源被定位于收缩部的上游。在某些实施例中，等离子体源包括等离子体源管(跨等离子体源行进的管)。在某些实施例中，等离子体物质在等离子体源管内生成。在某些实施例中，提供收缩部的入口部分、以及等离子体源管是同中心的部分。

在某些实施例中，该装置包括在等离子体源与沉积目标之间的等离子体进料线，以将等离子体物质引入到针对沉积目标的反应室中。

在某些实施例中，沉积目标被定位于反应室内。在某些实施例中，沉积目标是衬底。在某些实施例中，沉积目标是一批次(batch)的衬底。在某些实施例中，衬底是晶片。在某些实施例中，一批次的衬底中的衬底是垂直定向的。

在某些实施例中，提供收缩部的入口部分被定位于等离子体源与反应室之间。在某些实施例中，等离子体源是远程等离子体源。在某些实施例中，等离子体源被定位在反应室的外侧。

在某些实施例中，等离子体物质包括气态等离子体。在某些实施例中，等离子体物质包括原子团(radicals)。在某些实施例中，等离子体物质包括离子。

在某些实施例中，入口部分被中心地定位在等离子体进料线内。在某些实施例中，入口部分具有比等离子体进料线中的其他部分/其余部分窄的内径。在某些实施例中，等离子体进料线在入口部分内具有其最窄的内径。在某些实施例中，入口部分提供等离子体进料线的最窄的通道宽度。

在某些实施例中，入口部分是以具有针对入口衬垫的保持器的入口衬垫的形式。在某些实施例中，入口衬垫是管状制品。在某些实施例中，入口衬垫对可见光是透明的。在某些实施例中，入口衬垫是化学上惰性的。在某些实施例中，入口衬垫(内部管)是电绝缘的。在某些实施例中，入口部分包括被外部管或外部部分包围的内部管。在某些实施例中，内部管和外部管是同中心部件。在某些实施例中，内部管和外部管具有环形截面。在某些实施例中，内部管和外部管彼此紧密地配合。在某些实施例中，外部部分或外部管形成针对内部管的保持器。在某些实施例中，外部部分或外部管是导电的。在某些实施例中，外部部分或外部管被施加有适当的电势(例如，***接地)。在某些实施例中，入口部分附接在管道部分之间中。

在某些实施例中，入口部分是可移除部分。在某些实施例中，内部管是可移除部分。在某些实施例中，入口部分提供具有突然的收缩部或狭窄部(stricture)的等离子体进料线，以提高气体速度。在某些实施例中，入口部分为等离子体进料线提供流动路径的逐步变窄。在某些实施例中，入口部分之后是扩展空间，该扩展空间朝向反应室扩展。在某些实施例中，从等离子体源到反应室的流动路径在接口处经历逐步扩展(或加宽)或与入口部分与扩展空间之间的接口相连接。在某些实施例中，入口部分是非致动部分(例如，不是阀)。在某些实施例中，入口部分是被动部分(即，非主动部分)。在某些实施例中，紧接在入口部分之后(或下游)的等离子体进料线(扩展空间)的截面面积大于紧接在入口部分之前(或上游)的等离子体进料线(等离子体源管)的截面面积。

在某些实施例中，反应室被真空室包围。

在某些实施例中，该装置被配置为在反应室中的衬底表面上执行顺序的自饱和表面反应。在某些实施例中，该装置被配置为应用等离子体辅助的原子层沉积。

根据另外的示例方面，提供了一种方法，该方法包括：

经由等离子体进料线，将等离子体物质引入到衬底处理装置中的针对沉积目标的反应室中；以及

通过入口部分，将等离子体进料线内的气体速度加速。

根据另外的示例方面，提供了衬底处理装置，包括：

反应室；

等离子体进料线，用以将等离子体物质引入到针对沉积目标的反应室中，其中

等离子体进料线包括被配置为将气体速度加速的入口部分。

前面已例示了不同的非约束性示例方面和实施例。以上实施例仅用于解释所选择的方面或步骤，其可以在本发明的实现中被利用。一些实施例可以仅参考某些示例方面来呈现。应当理解，对应实施例也适用于其他示例方面。可以形成实施例的任何适当的组合。

附图说明

现在将通过仅示例的方式参考附图来描述本发明，其中：

图1示出了根据某些实施例的装置；

图2示出了根据另外的实施例的装置；

图3示出了处于装载位置中的图2的装置。

图4示出了根据某些实施例的入口部分；

图5示出了根据某些实施例的装置中的气体速度的模拟结果；

图6-图10示出了在具有改变的几何形状的装置中的气体速度的模拟结果；

图11示出了图5至图10所示的装置的某些尺寸；

图12示出了根据某些实施例的过程定时图；

图13示出了定时图的另一表示；

图14示出了根据某些实施例的装置的另一表示；

图15a-图15d进一步展示了根据某些实施例的装置的操作；

图16示出了根据某些示例实施例的控制***的框图；

图17示出了根据某些示例实施例的具有收敛喷嘴布置的装置的示意图；以及

图18示出了根据某些示例实施例的具有收敛-发散喷嘴布置的装置的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，原子层沉积(ALD)技术被用作示例。

ALD生长机制的基础对于技术人员是已知的。ALD是一种特殊的化学沉积方法，其基于将至少两种反应前驱体物质(precursor species)顺序引入到至少一个衬底。基本的ALD沉积循环包括四个顺序的步骤：脉冲(pulse)A、清洗(purge)A、脉冲B和清洗B。脉冲A包括第一前驱体蒸气，并且脉冲B包括另一前驱体蒸气。在清洗A和清洗B期间，非活性的气体和真空泵通常用于从反应空间中将气态反应副产物和残留的反应物分子清洗。沉积序列包括至少一个沉积循环。沉积循环被重复，直到沉积序列已产生期望厚度的薄膜或涂层。沉积循环也可以是更简单或更复杂的。例如，循环可以包括由清洗步骤分隔开的三个或更多个反应物蒸气脉冲，或者某些清洗步骤可以被省略。或者，由于对于等离子体辅助的ALD(例如，本文所讨论的PEALD(等离子体增强的原子层沉积))，沉积步骤中的一个或多个沉积步骤可以通过借助等离子体进料(plasma in-feed)来提供针对表面反应所需的附加能量来辅助，或者反应前驱体中的一个反应前驱体可以由等离子体能量代替，后者导致单个前驱体的ALD过程。因此，脉冲和清洗序列可以取决于每种特定情况而不同。沉积循环形成由逻辑单元或微处理器来控制的经定时的沉积序列。通过ALD生长的薄膜致密、无针孔且具有均匀的厚度。

对于衬底处理步骤，至少一个衬底通常在反应容器(或室)中被暴露于在时间上分隔开的前驱体脉冲，以通过顺序的、自饱和的表面反应将材料沉积在衬底表面上。在本申请的上下文中，术语ALD包括所有适用的基于ALD的技术以及任何等效技术或紧密相关的技术，例如，诸如以下ALD子类型：MLD(分子层沉积)、等离子体辅助ALD(例如，PEALD(等离子增强原子层沉积))和光子增强原子层沉积(也被称为闪光增强ALD或光子ALD)。

然而，本发明不限于ALD技术，而是可以在各种各样的衬底处理装置中被利用，例如，在化学气相沉积(CVD)反应器中、或者在蚀刻反应器(例如，在原子层蚀刻(ALE)反应器)中被利用。

图1示出了根据某些实施例的装置100。装置100是可以是例如等离子体辅助的ALD反应器的衬底处理装置。装置包括反应室130以及用以针对被定位在反应室130中的沉积目标(deposition target)160来引入等离子体(例如，气态等离子体)的进料线(in-feedline，或进料布置)115。沉积目标160可以是衬底(或晶片)或一批次的衬底。

装置100还包括通向真空泵150的排放线(exhaust line)145。反应室130可以是以圆柱体的一般形式，该圆柱体在其底部为圆形，或者反应室130可以适配于任何其他衬底形状。在某些实施例中，排放线145被定位于反应室130的圆形底部中。真空泵150为反应室130提供真空。在某些实施例中，该装置包括外室、围绕反应室130的真空室140。非活性的保护气体可以被馈送到真空室140和反应室130之间的中间空间中。通过抽吸，中间空间内的压力被保持在与反应室130内的主要压力相比较高的水平。相同的真空泵150或另一泵可以用于布置来自中间空间的(非活性气体的)流出流。

去往反应室130中的等离子体进料115是从等离子体源或远程等离子体源而被布置。该进料从反应室130的顶侧发生。等离子体物质(plasma species)从等离子体源管125在向下的方向上行进。在某些实施例中，等离子体源管125形成进料线115的一部分。进料线115包括由入口部分110提供的收缩部(constriction)，收缩部被配置为将气体速度加速。在某些实施例中，入口部分110被定位于等离子体源管125的下游。在某些实施例中，入口部分110是具有比在入口部分110之前的等离子体源管125更窄的内径的管状部。在一些实施例中，等离子体源管125形成等离子体源的一部分。在某些实施例中，在等离子体源管125与入口部分110之间可以存在另一管道部分。

当等离子体物质进入入口部分110时，其速度增加。到沉积目标160的传递时间相应地减少。

入口部分110可以由容纳内部管112的外部部分或外部管111形成，内部管112提供收缩部。外部管111可以由例如金属制成。示例材料是铝或钢。外部管可以是导电部分。内部管112可以是化学上惰性的。在某些实施例中，内部管112由石英制成。在某些实施例中，内部管112由蓝宝石制成。内部管112可以是电绝缘的。外部管111可以包括在其底部部分中的向内突出的形状，以用于内部管112搁置在其上。此外，外部管111可以包含在其顶部部分中的向外突出的形状，以用于通过固定部件113或类似物将入口部分110固定在管道部分之间。内部管112可以是针对外部管111的入口衬垫。内部管112可以形成喷嘴入口衬垫(inletliner)。

在某些实施例中，入口部分110具有输入开口，输入开口用于在入口部分110的顶部部分中将等离子体物质接收到内部管112的内侧中。内部管112提供直的、圆柱形的通道，以用于等离子体物质向下流动，直到在入口部分110的底部部分中的输出开口将具有经增加的速度的等离子体物质从内部管112的内侧输出到反应室130的内侧中(但是，在其他实施例中，入口部分110可以备选地将等离子体物质输出到被定位在入口部分110与反应室130之间的中间部分中，使得等离子体物质仅经由中间部分进入反应室130)。

在某些实施例中，如图1所示，在将等离子体物质输出到反应室130的内侧中时，等离子体物质经历流动路径的阶梯状(逐步地)扩大。因此，在某些实施例中，扩大之后的流动路径由反应室130的圆柱形壁在侧向上被限制。

图2示出了根据某些实施例的装置200。装置200及其操作通常与装置100相对应。因此，参考前面的描述。然而，在图2所示的实施例中，与衬底装载和卸载相关的其他特征被呈现。

可变形的进料部分221(作为中间部分)被定位在入口部分110与沉积目标160之间。可变形的进料部分221具有用于例如通过等离子体辅助ALD进行衬底处理的闭合配置、以及用于衬底装载的开放配置。在闭合配置中，进料部分221可以处于经延伸的形状，而在开放配置中可以处于经缩短的形状。图2中描绘了闭合配置，图3中描绘了开放配置。

可变形的进料部分221包括一组嵌套的子部分或环状构件，其是可移动以配合在彼此之内。在图2和图3所示的实施例中，子部分的数目是两个。子部分201和202形成套筒式可伸缩(telescopic)结构。在图2和图3所示的示例实施例中，上部子部分201附接到真空室140的壁。取决于实施例，该附接可以在真空室140的顶壁中或在另一合适的位置中。在其他实施例中，上部子部分可以附接到入口部分110的出口。从入口部分110到反应室130内侧的逐渐加宽的流动路径可以以这种方式被提供来代替阶梯状扩大。在某些实施例中，诸如图2和3所示，下部子部分202如图2所描绘的将下部子部分202与反应室130(或反应室壁)之间的接口闭合，或者如图3所描绘的提供用于去往反应室130中衬底装载的装载间隙。

如图3所示，升降机190的可收起轴(retractable shaft)附接到可变形的进料部分221或与其连接。升降机190对可变形的进料部分221进行操作。借助通过将进料部分221垂直变形为其开放配置而形成的装载间隙，衬底260(或一批次的衬底)由装载器206(末端执行器、装载机器人等)经由装载端口205而被装载到反应室130中。

等离子体物质作为垂直流的形式从等离子体源通过等离子体源管125，并且用经增加的速度通过入口部分110，去往入口部分110的输出开口或出口，并且从此沿着逐渐加宽的流动路径进入(在反应室130中的)沉积目标160。

在某些实施例中，保护性惰性气体流235在向下方向上围绕入口部分110被提供(见图2)。

图4示出了根据某些实施例的入口部分110。入口部分110包括容纳内部管或入口衬垫112的外部管111。入口部分110可选地包括开口114，开口114在径向上延伸通过至少一侧的整个外部管111(但不通过内部管112)，以用于从侧方向观察等离子体。在某些实施例中，压力传感器118被定位于开口114内。

图5示出了根据某些实施例的装置中的气体速度的模拟结果。装置是前述图1-图3、特别是图2-图3中所示的类型。因此，装置包括等离子体源管125，其之后是入口部分(具有所示出的内部管112)，该入口部分具有比管125的内径窄的内径。入口部分之后是朝向反应室130中的沉积目标160扩展的扩展体积(部分221或类似)。出于模拟的目的，等离子体源管125具有22mm的内径、内部管112的内径为15mm。观察到的是，气体速度不仅在部分112内侧增加，而且在部分112下游的相对较长的距离处，甚至接近沉积目标160处增加。

图6-图10示出了根据其他实施例的装置中的气体速度的模拟结果。图6-图10所示的实施例中的每个实施例示出了类似的效果。气体速度不仅在部分112的内侧(其充当收缩部)增加，而且进一步在部分112的下游也增加。在图6-图9所示的实施例中的等离子体源管125的内径为22mm，并且在图10所示的实施例中的等离子体源管125的内径为63mm。在图6所示的实施例中，内部管112的内径为10mm。在图7所示的实施例中，内部管112的内径为19mm。在图8所示的实施例中，内部管112的内径为21mm。在图9所示的实施例中，内部管112的内径是4mm。在图10所示的实施例中，内部管112的内径为15mm。

图11示出了图5至图10所示的装置的某些尺寸。等离子体源管125的内径由

表示，内部管112的内径由

表示，内部管112的长度由H₁表示，扩展空间221在逐步扩大的点处的内径由

表示，并且从内部管112的反应室侧端到沉积目标(或晶片)160的距离由H₂表示。

内部管112充当在等离子体进料线中的收缩部。

通过测试和/或模拟已观察到的是，在收缩部通道直径

的宽的范围内，对气体速度机型加速的效果是成功的。观察到的是，即使利用对流动通道(等离子体进料线)非常轻微的缩窄(slight narrowing)，也令人惊讶地获得了效果。实际上，当紧接在收缩部112之前的通道直径

为22mm时，利用收缩部通道直径值

该效果已获得。

而且，利用对流动通道的非常大的缩窄，即，利用收缩部通道直径值

)，也获得了该效果。

此外，令人惊讶地，甚至利用较大的

值(例如，

)，也获得了该效果。

在某些优选实施例中，收缩部112将进料线115的截面流动面积减小至少8％。例如，在其中

为21mm且

为22mm的实施例中，实际上获得了8％的减小。

已观察到的是，当

为22mm时，当

在从10mm至19mm的范围内时，对气体速度进行加速的效果进一步增强。因此，在某些更优选的实施例中，经收缩的截面流动面积是在收缩部112之前的截面流动面积的从20％至75％的范围内。

已观察到，当

为约15mm时，对气体速度进行加速的效果进一步增强。因此，在某些更优选的实施例中，经收缩的截面流动面积是在收缩部112之前的截面流动面积的从40％至50％的范围内。

但是，当

为4mm且

为63mm时-在其中流动通道总共缩窄了99.6％的情况场景，该效果也被获得。

在某些优选的实施例中，其中等离子体源管125通常较大(即，更接近63mm，而不是22mm)，经收缩的截面流动面积可以是收缩部112之前的截面流动面积的15％或更少。在某些优选的实施例中，经收缩的截面流动面积是在收缩部112之前的截面流动面积的从0.40％至15％的范围内。

在某些优选实施例中，收缩部112为具有减小的内径(该内径与进料线的其余部分的(多个)内径相比是减小的)的管状形状。在某些优选实施例中，如前所述，收缩部112具有在从4mm至21mm的范围内的通道直径

在某些更优选的实施例中，收缩部112具有在10mm-21mm的范围内的通道直径

在某些实施例中，当涂覆8英寸/200mm晶片时，这些值是特别优选的。因此，在某些实施例中，通道直径

是在圆形衬底(例如，晶片)的直径的从2％至10.5％的范围内、或更优选在其5％至10.5％的范围内。尽管这些值对于8英寸/200mm晶片是特别优选的，但是本文呈现的值和原理也一般地适用于其他晶片大小(例如，12英寸/300mm晶片)。

在某些更一般的实施例中，收缩部112、以及在收缩部112之前的等离子体进料线125是管状形式的，并且收缩部112的内径

在从4mm到50mm的范围内、更优选地在从10mm到50mm的范围内，并且在收缩部112之前的等离子体进料线125的内径

大于收缩部112的内径

并且其中

选自从20mm至100mm的内径范围。在某些优选实施例中，收缩部112、以及在收缩部之前的等离子体进料线是管状形式的，并且收缩部112的内径

在从10mm至20mm的范围内，并且在收缩部112之前的等离子体进料线的内径

大于收缩部112的内径

并且

选自从50mm至70mm的内径范围。

与经收缩的截面流动面积或直径相关的优选实施例提供了如下效果：等离子体物质从等离子体源到沉积目标的减少的行进时间(与缺乏收缩部的解决方案相比)。

已观察到，收缩部112的许多长度(纵向尺寸)H₁可以被用来获得所提及的对气体速度进行加速的效果。然而，通常，长度应足够大(例如，至少大于

或更优选地，是宽度

的至少两倍或三倍)来充分地加速。然而，到沉积目标的距离不应通过选取太长的长度H₁，而被不必要地延长。在某些优选的实施例中，已观察到的是，范围在从50mm至100mm的长度是优选的。在更优选的实施例中，在从60mm至70mm范围内的长度H₁已被使用。

在某些实施例中，紧接在收缩部112之后(或在其下游)的等离子体进料线(扩展空间221)的截面面积大于紧接在收缩部之前(或在其上游)的等离子体进料线(等离子体源管125)的截面面积。在某些实施例中，扩展空间221是管状形式的或具有环形或圆形的截面。由扩展空间形成的通道朝向沉积目标160在宽度上扩展。在某些示例实施例中，宽度

在从20mm至70mm的范围内，并且宽度

大于

且在从70mm至200mm的范围内(例如，77mm)。

在某些实施例中，从内部管112到沉积目标(或晶片)160的距离H₂为至少30cm，以用于等离子体物质的横向的散布。在某些更优选的实施例中，距离H₂在从50cm至100cm的范围内。

图12示出了根据某些实施例的过程定时图。等离子体增强的原子层沉积循环被呈现。该循环在时刻t₁处由前驱体脉冲开始。前驱体脉冲在时刻t₂处结束。在该前驱体脉冲时段期间，来自前驱体源的前驱体蒸气被馈送到反应室中以消耗沉积目标的反应部位。单层材料的一半被沉积。前驱体蒸气经由不经过等离子体源的路线而被馈送，即，到反应室的前驱体蒸气路线与等离子体源分隔开。前驱体蒸气通常是金属前驱体或半导体前驱体的蒸气。到沉积目标上的吸附方法通常是热ALD。

前驱体脉冲时段之后是前驱体清洗时段。在该时段期间，前驱体蒸气的(多个)进料线通过第一惰性气体(例如，氮气N₂(惰性气体1))进行清洗。前驱体清洗时段在时刻t₃处结束。

前驱体清洗时段之后是等离子体脉冲时段。等离子脉冲时段在时刻t₃处开始并且在时刻t₆处结束。首先，通过等离子体源来馈送等离子体气体(等离子体反应物，例如，氧气O₂)开始。在延伸到时刻t₄的气体稳定时段之后，等离子源的电源切换为“导通”(ON)。在时刻t₄开始的等离子体形成时段期间，等离子体反应物和第二惰性气体(例如，氩Ar(惰性气体2))通过等离子体源沿着等离子体源管而被馈送。在等离子体形成时段期间，等离子体物质在等离子体形成区中由等离子体反应物形成，直到在时刻t₅处将等离子体电源切换为“关断”(OFF)。等离子体物质进入反应室，以通过所吸附的前驱体在沉积目标的表面上反应。完全单层的薄膜被获得。到沉积目标上的吸附方法是等离子体增强的ALD。

在从时刻t₅到t₆的短暂的等离子体去激活(deactivation)时段之后，等离子体清洗时段在时刻t₆处开始。在等离子体去激活时段期间，等离子体反应物和第二惰性气体均流过等离子体源。但是，由于等离子体源的电源为“OFF”，故等离子体未形成。

在从时刻t₆到t₇的等离子清洗时段期间，借助等离子体源而进料的等离子体反应物为“OFF”。等离子体源通过第二惰性气体进行清洗。该沉积循环在时刻t₇处结束。该沉积循环被重复来获得所期望的膜厚度。

在某些实施例中，在整个沉积循环期间，第一惰性气体和第二惰性气体两者的流为“ON”。

图13示出了定时图的另一表示。氮气N₂被用作第一惰性气体，氩气Ar被用作第二惰性气体。含氧气体(例如O₂)被用作等离子体反应物来沉积氧化物。在等离子体形成时段期间(从时刻t₄到t₅)，等离子体电源(本实施例中为射频RF电源)为“ON”，以产生O*等离子体。取决于所使用的前驱体，形成氧化物薄膜。例如，通过使用双(二乙基氨基)硅烷SiH₂[N(CH₂CH₃)₂]₂作为前驱体，获得氧化硅SiO₂薄膜。

因此，在某些实施例中，含氧气体(例如，O₂)被用作等离子体反应物，并且含Si的前驱体被用作另一前驱体来沉积SiO₂。在其他实施例中，诸如O₂的含氧气体被用作等离子体反应物，并且含铝前驱体被用作另一前驱体来沉积Al₂O₃。含铝前驱体的一个示例是TMA(Al(CH₃)₃)。其他适用的氧化物涂层是例如TiO₂、HfO₂、Y₂O₃、Co₃O₄、Ta₂O₅、MgO₂、ZrO₂、La₃O₃。此外，在其他实施例中，例如N₂、NH₃或N₂/H₂的含氮气体被用作等离子体反应物来沉积氮化物薄膜。取决于所使用的其他前驱体，诸如，AlN、TiN、Si₃N₄的氮化物薄膜被形成。在其他实施例中，元素Pt、Ir或Ru被沉积。在这些实施例中，尤其地，等离子体反应物不用作前驱体，而仅被用作用以提供所需的缺少反应能量以沉积所期望的薄膜材料的手段。

图14示出了根据某些实施例的装置100的另一表示。等离子体反应物和第二惰性气体如箭头1402所描绘的进入等离子体源104的等离子体源管125。等离子体物质在等离子体源104的等离子体形成区1420中形成。装置100包括在反应室130的顶部上的加宽的扩展空间221。在已经通过收缩部112后，所形成的等离子体物质流动通过扩展空间221向下到反应室130，以在沉积目标(晶片或另一衬底)160的表面上进行反应。

类似地，如箭头1401所描绘的，前驱体(非等离子体前驱体)和第一惰性气体经由进料部分1410进入反应室130。在某些实施例中，前驱体到反应室130中的进料是从反应室130的一侧或多侧，而等离子体物质到反应室的流动方向是从反应室的顶部。进料部分1410可以是被定位于反应室1430的侧壁中的入口。在反应室130的壁与外部室140的壁之间的中间空间由附图标记1430表示。

第一惰性气体和/或第二惰性气体可以充当针对对应的前驱体或反应物的载气。

该装置的操作由控制***1480来控制。

图15a-图15d进一步展示了根据某些实施例的装置100的操作。

图15a示出了在(i)前驱体脉冲时段期间的气体流动配置。(非等离子体)前驱体和第一惰性气体(此处：N₂)经由进料部分1410流动到反应室130中朝向沉积目标160。第二惰性气体(此处为Ar)经由(未通电的)等离子体源104朝向沉积目标160流动。

图15b示出了(ii)前驱体清洗时段期间的气体流动配置。第一惰性气体(此处：N₂)经由进料部分1410流动到反应室130中。第二惰性气体(此处：Ar)经由(未通电的)等离子体源104朝向沉积目标160流动。

图15c示出了在(iii)等离子体脉冲期间(即，等离子体形成时段期间)的气体流动配置。第一惰性气体(此处：N₂)经由进料部分1410流动到反应室130中。等离子体反应物和第二惰性气体(此处：Ar)流动到等离子体源104中，以用于由RF辐射来激发。从等离子体反应物气体产生的等离子体物质和第二惰性气体从等离子体源104流动到反应室130。

图15d示出了在(iv)等离子体清洗时段期间的气体流动配置。第一惰性气体(此处：N₂)经由进料部分1410流动到反应室130中。第二惰性气体(此处：Ar)经由(未通电的)等离子体源104朝向沉积目标160流动。

图16示出了根据某些示例实施例的控制***1480的框图。控制***1480包括至少一个处理器1481来控制装置100的操作。控制***还包括至少一个存储器1482，至少一个存储器1482包括计算机程序或软件1483。软件1483包括待由至少一个处理器1481来执行以控制装置100的指令或程序代码。软件1483通常可以包括操作***和不同的应用程序。

至少一个存储器1481可以形成装置100的一部分，或者它可以包括可附接的模块。控制***1480还包括至少一个通信单元1484。通信单元1484提供用于装置100的内部通信的接口。在某些示例实施例中，控制单元1480使用通信单元1484来向装置100的不同部分发送指令或命令，并且从装置100的不同部分接收数据，例如，根据情况，测量和控制设备、阀门、泵和加热器。

控制***1480还可以包括用户接口1486以与用户协作，例如以接收来自用户的诸如过程参数的输入。

关于装置100的操作，控制***1480控制例如装置100的过程定时、控制阀的打开和关闭、控制衬底的装载和卸载、设定流动速率、设定等离子体功率以及控制装置100不同部分中的压力和温度。

在某些优选实施例中，进入等离子体形成区1420的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内、更优选在从4000sccm至10000sccm的范围内。已观察到，较大的流动速率有助于所沉积的薄膜在低泄漏电流以及薄膜的低不均匀度二方面的质量。此外，已观察到，在低泄漏电流和膜的低不均匀度方面，较大的流动速率与使用收缩部112一起提供了非常好的结果。

在某些优选的实施例中，在如下范围内的等离子体功率应用到等离子体形成区1420：在从10W至10000W、优选地从300W至1000W、更优选从300W至500W的范围，或从1000W至10000W、优选地从2000W至10000W、然而更优选地从3000W至10000W的范围。已观察到，在低泄漏电流方面(借助较高的等离子体密度)，较大的等离子体功率有助于所沉积的薄膜的质量。然而，适度的等离子体功率，即，从300W至1000W、更优选从300W至500W在膜的不均匀度方面确实提供了良好的结果。此外，已观察到，如果与从4000sccm至10000sccm的范围内的等离子体气体的流动速率组合，则在低泄漏电流方面，较大的等离子体功率与使用收缩部112一起提供了非常好的结果。此外，已观察到，如果与4000sccm至10000sccm的范围内的等离子体气体的流动速率组合，则在低不均匀度方面，适度的等离子体功率与使用收缩部112一起提供了非常好的结果。

在某些示例实施例中，具有在从0.1秒到60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用。然而，在某些其他实施例中，等离子体形成时段可以更长或长得多。

在某些优选的实施例中，等离子体形成时段在从5秒至10秒的范围内。在该范围内的等离子体形成时段已被观察到有助于所沉积的薄膜的低不均匀度。在某些优选的实施例中，等离子体形成时段在从20秒至40秒的范围内。在该范围内的等离子体形成时段已被观察到有助于膜的低泄漏电流。

此外，已观察到的是，在与从4000sccm至10000sccm的范围内的等离子体气体的流动速率组合的情况下，并且还可选地，在与从300W至1000W、优选地从300W至500W的等离子功率组合情况下，在从5秒至10秒的范围内的等离子体形成时段与使用收缩部112一起，特别低的不均匀度被获得。此外，已观察到的是，在与从4000sccm至10000sccm的范围内的等离子体气体的流动速率组合的情况下，并且可选地，在与从1000W至10000W、优选地从2000W至10000W、更优选地从3000W至10000W的范围内的等离子功率组合的情况下，在从20秒至40秒的范围内的等离子体形成时段与使用收缩部112一起，特别低的泄漏电流值被获得。

在某些优选的实施例中，具有在如下范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用：从1秒至8秒、优选地从4秒至8秒。已观察到的是，在从4秒到8秒的范围内的非等离子体前驱体清洗时段在低泄漏电流和低薄膜不均匀度二方面均有助于所沉积的薄膜的质量。此外，已观察到的是，在从4秒至8秒的范围内的非等离子体前驱体清洗时段与使用收缩部112一起，可选地与使用在从4000sccm至10000sccm的范围内的等离子体气体流动速率一起，在低泄漏电流和低的膜不均匀度方面提供了非常好的结果。

在某些优选实施例中，收缩部112与以下一组过程参数一起使用：进入等离子体形成区1420的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内；在从10W至10000W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区1420；具有在从0.1秒至60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段(等离子体脉冲)被应用；并且具有在从1秒至8秒的范围内的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。该组合可以用于获得所沉积的薄膜的不均匀度的低值和/或通过该薄膜的泄漏电流的低值。

在某些优选实施例中，收缩部112与以下一组过程参数一起使用：进入等离子体形成区1420的等离子体气体的流动速率在从4000sccm至10000sccm的范围内；在从300W至1000W的范围内、优选地从300W至500W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区1420；具有在从5秒至10秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用；并且在从4秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。该组合可以用于获得所沉积的薄膜的不均匀度的特别地低值。

在某些优选实施例中，收缩部112与以下一组过程参数一起使用：进入等离子体形成区1420的等离子体气体的流动速率在从4000sccm至10000sccm的范围内；在从1000W至10000W的范围内、优选地从2000W至10000W的范围内、更优选地从3000W至10000W的范围内的等离子体功率被应用到等离子体形成区1420；具有在从20秒至40秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用；并且具有在从4秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。该组合可以用于获得通过所沉积的薄膜的泄漏电流的特别地低值。

图17示出了根据某些另外的实施例的装置的示意图。在这些实施例中，入口部分110(参见前面的图1-图4)由收敛喷嘴(converging nozzle)布置1705实现。在如图17所示的实施例中，等离子体反应物(或所形成的等离子体物质)进入喷嘴部分112'(如箭头1701所描绘)。喷嘴部分112'在其他方面可以与前面所述的内部管或入口衬垫112相似，但是代替具有不改变的几何形状和直径的流动通道，喷嘴部分112'提供了收敛通道。例如，喷嘴部分112'可以包含上下倒置的截锥112'，其形成在其中的收敛流动通道。气体速度在由喷嘴部分112'提供的收敛通道内加速。在喷嘴部分112'的反应室端部处，流动通道包括逐步加宽的流动通道(流动路径)。此时，如箭头1702所示，等离子体物质以经增加的速度被释放朝向(在反应室130中的)沉积目标160。(多个)非等离子体前驱体到反应室130中的进料被布置为经由另一路线(即，不通过收敛喷嘴布置1705的路线)。在某些实施例中，(多个)非等离子体前驱体的进料被布置为从反应室130的一侧或多侧(在收敛喷嘴布置1705的下游)，而等离子体物质到反应室的流动方向是从反应室的顶部。

图18示出了根据某些其他实施例的装置的示意图。在这些实施例中，代替收敛喷嘴布置1705，装置包括收敛-发散喷嘴(converging-diverging nozzle)布置1805。在如图18所示的实施例中，等离子体反应物(或所形成的等离子体物质)进入喷嘴部分112”(如箭头1801所描绘)。喷嘴部分112”在其他方面可以类似于喷嘴部分112'，但是代替由部分112'提供的仅收敛通道，喷嘴部分112”提供收敛通道、之后是发散(在体积上扩展的)通道。在某些实施例中，收敛与发散通道部分之间包括接口，该接口提供了流动通道(流动路径)的逐步加宽。逐步加宽是为了防止通过与(多个)流动通道侧壁碰撞而引起等离子体重组。例如，喷嘴部分112”可以包含上下倒置的截锥，其形成收敛流动通道，之后是另一截锥221'，其形成在其中的发散的(扩展的)流动通道。气体速度在由喷嘴部分112”提供的收敛通道内加速。如箭头1802所描绘的，在收敛与发散通道之间的接口处，等离子体物质以经增加的速度被释放朝向沉积目标160(被定位于反应室130内)。(多个)非等离子体前驱体到反应室130中的进料被布置为经由另一路线(即，不通过收敛-发散喷嘴布置1805的路线)。在某些实施例中，(多个)非等离子体前驱体的进料被布置为从反应室130的一侧或多侧(在收敛-发散喷嘴布置1805的下游)，而等离子体物质到反应室的流动方向是从反应室的顶部。利用收敛-发散喷嘴布置1805，甚至超音速气体喷射流也是可能的。

被呈现在图17和图18所示的实施例中的所呈现的收敛喷嘴特征和收敛-发散喷嘴特征适用于所有其他呈现的实施例。类似地，其他实施例的特征可应用于图17和图18所示的实施例中。

在不限制专利权利要求的范围和解释的情况下，以下列出了本文所公开的一个或多个示例实施例的某些技术效果。一种技术效果是提供到沉积目标的改进的反应物质传递。另外的技术效果是形成在金属部分与反应等离子体物质之间的耐化学腐蚀的阻挡层。另外的技术效果是提供具有有吸引力的性质(例如，低不均匀度和低泄漏电流)的薄膜。

前述描述已通过本发明的特定实现和实施例的非限制性示例的方式，提供了由发明人目前构想的用于实现本发明的最佳模式的全面和信息性的描述。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明不限于以上呈现的实施例的细节，而是可以在不脱离本发明的特性的情况下，使用等效方式在其他实施例中来实现。

此外，可以在不对应使用其他特征的情况下，有利地使用本发明的上述公开的实施例的一些特征。这样，前述描述应被认为仅是本发明原理的例示，而并非对其进行限制。因此，本发明的范围仅由所附专利权利要求书限制。

Claims

1.一种方法，包括：

经由等离子体进料线(115)，将等离子体物质引入到在衬底处理装置(100)中的针对沉积目标(160)的反应室(130)中，其中所述等离子体进料线(115)经过等离子体形成区(1420)；以及

通过在所述等离子体形成区(1420)下游的收缩部(112)，将在所述等离子体进料线内的等离子体物质的速度加速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述收缩部(112)将所述进料线(115)的截面流动面积减小至少8％。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中进入所述等离子体形成区(1420)的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内、优选地在从4000sccm至10000sccm的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在如下范围内的等离子体功率被应用到所述等离子体形成区(1420)：在从10W至10000W的范围内、优选地在从300W至1000W的范围内、更优选地在从300W至500W的范围内，或者在从1000W至10000W的范围内、优选地在从2000W至10000W的范围内、更优选地在从3000W至10000W的范围内。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中具有在从0.1秒至60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中具有在如下范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用：在从1秒至8秒的范围内、优选地在从4秒至8秒的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中进入所述等离子体形成区(1420)的等离子体气体的流动速率在从500sccm至10000sccm的范围内，在从10W至10000W的范围内的等离子体功率被应用到所述等离子体形成区(1420)，具有在从0.1秒至60秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且具有在从1秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中进入所述等离子体形成区(1420)的等离子体气体的流动速率在从4000sccm至10000sccm的范围内，在从300W至1000W的范围内的、优选地在从300W至500W的范围内的等离子体功率被应用到所述等离子体形成区(1420)，在从5秒至10秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且在从4秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中进入所述等离子体形成区(1420)的等离子体气体的流动速率在从4000sccm至10000sccm的范围内，在从1000W至10000W的范围内的、优选地在从2000W至10000W的范围内的、更优选地在从3000W至10000W范围内的等离子体功率被应用到所述等离子体形成区(1420)，具有在从20秒至40秒的范围内的持续时间的等离子体形成时段被应用，并且具有在从4秒至8秒的范围内的持续时间的非等离子体前驱体的清洗时段被应用。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括：将所述收缩部提供为收敛喷嘴(112')或收敛-发散喷嘴(112”)。

11.一种衬底处理装置(100)，包括：

反应室(130)；

等离子体进料线(115)，用以将等离子体物质引入到针对沉积目标(160)的反应室(130)中，其中

所述等离子体进料线(115)经过等离子体形成区；并且

所述等离子体进料线(115)包括在所述等离子体形成区的下游的收缩部(112)，用以将等离子体物质的速度加速。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述收缩部(112)将所述进料线(115)的截面流动面积减小至少8％。

13.根据权利要求11或12所述的装置，包括收敛喷嘴(112')或收敛-发散喷嘴(112”)，用以提供所述收缩部(112)。

14.根据前述权利要求1至9中的任一项所述的方法或根据权利要求11或12所述的装置，其中所述收缩部(112)提供直的、圆柱形的通道。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法或装置，其中所述收缩部(112)为管状形式。