CN114402416A - 用于衬底处理的氧化分布调节 - Google Patents

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杰拉尔德·约瑟夫·布雷迪
凯文·M·麦克劳克林
普拉提克·桑赫
巴特·J·范施拉芬迪克
施瑞拉姆·瓦桑特·巴帕特
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Abstract

本文提供了用于氧化衬底的环形边缘区域的方法和装置。一种方法可以包括将衬底提供给半导体处理室中的衬底支架，该半导体处理室具有位于衬底支架上方的喷头，并且在衬底由衬底支架支撑时，同时流动(a)氧化气体围绕衬底的***和(b)不包括氧气的惰性气体流过喷头并流到衬底上，从而在衬底的环形边缘区域上方产生环形气体区域并在所述衬底的内部区域上方产生内部气体区域；该同时流动不在材料沉积到衬底上的期间，并且环形气体区域具有高于内部气体区域的氧化率。

Description

用于衬底处理的氧化分布调节
通过引用并入
作为本申请的一部分，PCT请求表与本说明书同时提交。本申请要求在同时提交的PCT请求表中标识的利益或优先权的每个申请都通过引用的方式整体并入本文并用于所有目的。
背景技术
半导体制造通常涉及在衬底上执行多次和连续的沉积和蚀刻操作以形成期望的结构。可以在这些操作中的一些操作之间处理衬底，以为后续处理准备衬底。寻求方法和技术来使用这些处理以减少可能由连续操作引起的衬底缺陷。
发明内容
本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。以下非限制性实施方式被视为本公开的一部分；从本公开整体和附图中，其他实施方式也将是显而易见的。
在一些实施方案中，可以提供一种用于氧化衬底的环形边缘区域的方法。该方法可以包括将衬底提供给半导体处理室中的衬底支架，该半导体处理室具有位于衬底支架上方的喷头，并且在衬底由衬底支架支撑时，同时流动(a)氧化气体围绕衬底的***和(b)不包括氧气的惰性气体经过喷头并流到衬底上，从而在衬底的环形边缘区域上方产生环形气体区域，并在衬底的内部区域上方产生内部气体区域。该同时流动可以不在材料沉积到衬底上的期间，并且环形气体区域可以具有比内部气体区域高的氧化率。
在一些实施方案中，该方法还包括在氧化气体和惰性气体的同时流动期间从处理室排出气体。
在一些实施方案中，氧化气体可以包括氧气。在一些实施方案中，氧化气体可以仅包括氧气。
在一些实施方案中，氧化气体可以包括氧气和第二惰性气体。
在一些这样的实施方案中，第二惰性气体可以是氩气、氦气、氮气或其两种或更多种的组合。
在一些实施方案中，惰性气体可以是氩气、氦气、氮气或其组合。
在一些实施方案中，该方法还可以包括在同时流动期间将衬底加热到第一温度。
在一些实施方案中，加热进一步包括加热衬底支架并且将衬底直接支撑在衬底支架的表面上。
在一些实施方案中，第一温度为至少20℃。在一些实施方案中，第一温度为至少200℃。在一些实施方案中，第一温度在约200℃和400℃之间。在一些实施方案中，第一温度为至少400℃。
在一些实施方案中，同时流动可以进一步包括将衬底间接地支撑在衬底支架的表面上方的升降销上。
在一些实施方案中，该方法可进一步包括在同时流动之前使惰性气体流过喷头并流到衬底上，而氧化气体不流动。
在一些实施方案中，在同时流动期间，氧化气体的流速可以是至少500标准立方厘米每分钟(sccm)，惰性气体的流速可以是至少250sccm。
在一些这样的实施方案中，在同时流动期间，惰性气体的流速可以是至少500sccm。
在一些实施方案中，同时流动可以不在化学气相沉积处理期间，或者原子层沉积的给剂量、净化或激活步骤期间。在一些实施方案中，同时流动不在化学气相沉积处理期间，或者原子层沉积的给剂量、净化或激活步骤期间。
在一些实施方案中，使氧化气体流动还可以包括使氧化气体流动到垂直定位在处理室的顶部和喷头之间的挡板上。
在一些实施方案中，该方法可以进一步包括在同时流动之后净化处理室以去除氧化气体，并且在净化之后在衬底上执行一个或多个沉积操作。
在一些实施方案中，可以提供一种半导体处理***。该***可以包括处理室、气体输送***，该气体输送***具有配置为可与惰性气体源流体连接的惰性气体入口，配置为可与氧化气体源流体连接的氧化气体入口，以及配置为控制惰性气体和氧化气体的流的一个或多个阀、配置为支撑衬底的衬底支架、位于衬底支架上方并与惰性气体入口流体连接的喷头、配置为将衬底提供给衬底支架的衬底搬运机器人、***气流单元，其被配置为使经由氧化气体入口供应的氧化气体围绕衬底支架的***流动，***气流单元流体连接到氧化气体入口、以及控制器，其包括包含指令的机器可读、非暂时性介质。该指令可以用于使衬底搬运机器人将衬底提供给衬底支架，使得衬底直接或间接地由衬底支架支撑，并且在衬底由衬底支架支撑时，使得同时流动(a)氧化气体围绕衬底的***和(b)不包括氧气的惰性气体经过喷头并流到衬底上，并因此在衬底的环形边缘区域上方产生环形气体区域，并在衬底的内部区域上方产生内部气体区域。该同时流动可以不在材料沉积到衬底上的期间，并且环形气体区域可以具有比内部气体区域高的氧化率。
在一些实施方案中，该***还可以包括泵，该泵被配置为从处理室排出气体，并且控制器可以进一步包括用于在同时流动期间使泵从处理室排出气体的指令。
在一些这样的实施方案中，控制器可以进一步包括用于使泵在同时流动之后从处理室中排出气体并且使***在该排出之后在衬底上执行一个或多个沉积操作的指令。
在一些实施方案中，衬底支架可以包括衬底支撑表面和被配置为将衬底保持在衬底支撑表面上方的升降销，并且控制器可以进一步包括用于在同时流动期间使用升降销将衬底定位在衬底支撑表面上方的指令。
在一些实施方案中，衬底支架可以包括衬底支撑表面，并且控制器可以进一步包括用于在同时流动期间将衬底定位在衬底支撑表面上的指令。
在一些这样的实施方案中，衬底支架可以进一步包括加热器，该加热器被配置为加热位于衬底支撑表面上的衬底，并且控制器可以进一步包括用于在同时流动期间并且当衬底位于衬底支撑表面上时对衬底进行加热的指令。
在一些实施方案中，控制器还可以包括用于在同时流动之前使惰性气体流过喷头并流到衬底上的指令。
在一些实施方案中，***气流单元可以包括垂直***喷头主体和室顶部之间的挡板，以及流体连接到氧化气体源并配置为使氧化气体流到挡板上的气体喷射器。
在一些实施方案中，***气流单元可包括气体喷射器，其流体连接到氧化气体源，延伸穿过处理室的侧面，并且被配置为使氧化气体围绕衬底支架的***流动。
在一些实施方案中，氧化气体可以包括氧气。在一些实施方案中，氧化气体可以仅包括氧气。
在一些实施方案中，氧化气体可以包括氧气和第二惰性气体。
在一些这样的实施方案中，第二惰性气体可以是氩气、氦气、氮气或其两种或更多种的组合。
在一些实施方案中，惰性气体可以是氩气、氦气、氮气或其组合。
在一些实施方案中，气体输送***可以被配置为使氧化气体以至少500标准立方厘米每分钟(sccm)的流速流入处理室，并且使惰性气体以至少250sccm的流速流出喷头。
在一些这样的实施方案中，惰性气体的流速可以是至少500sccm。
在一些实施方案中，(a)和(b)的同时流动不在化学气相沉积处理期间，或者原子层沉积的给剂量、净化或激活步骤期间。
在一些实施方案中，***还可以包括泵，该泵被配置为净化处理室，并且控制器还可以包括指令，用于使泵在同时流动之后净化处理室以去除氧化气体，并且使该***在净化之后在衬底上执行一个或多个沉积操作。
附图说明
本文所公开的各种实施方式在附图的图中以示例的方式而非以限制的方式示出，其中相似的附图标记指代相似的元件。
图1描绘了根据所公开实施方案的示例性单站衬底处理装置。
图2A和2B描绘了示例性衬底的俯视图；图2C描绘了图2B的环形气体区域。
图3描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第一示例技术。
图3A描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第二示例技术。
图4描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第三示例技术。
图5描绘了衬底处理装置的另一个示例性示意图。
图6描绘了衬底处理装置的又一示例示意图。
图7描绘了衬底处理装置的另一个示例示意图。
图8提供了一个简单的框图，描绘了为实施本文所述的方法而布置的各种反应器部件。
图9是示例性多站工具的示意图。
图10描绘了两个衬底上的各种氧化厚度的图表。
图11描绘了两个衬底上的各种氧化厚度的另一图表。
图12描绘了衬底上的各种氧化厚度的图表。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对所呈现的实施方案的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所公开的实施方案。在其他情况下，没有详细描述众所周知的处理操作，以免不必要地混淆所公开的实施方案。尽管将结合具体实施方案来描述所公开的实施方案，但应当理解，其并非意在限制所公开的实施方案。
介绍和背景
半导体器件的制造通常需要连续的沉积和蚀刻操作，以在衬底上产生期望的结构。沉积操作使用各种技术(例如化学气相沉积(“CVD”)、等离子体增强CVD(“PECVD”)、原子层沉积(“ALD”)、低压CVD、超高CVD和物理气相沉积(“PVD”))将一层或多层材料沉积到衬底上。CVD处理(可选地在PECVD中的等离子体的帮助下)通过使一种或多种气体反应物(也称为前体)流入它们在其中反应的反应器中，而在晶片表面上沉积膜，以在衬底表面形成产品(通常是膜)。在ALD处理中，前体被输送到晶片表面，在那里它们被晶片吸附，然后通过化学或物理化学反应进行转化，以在衬底上形成薄膜。等离子体可以存在于室中以促进反应。ALD处理采用多个膜沉积循环，每个循环产生“离散”膜厚度。典型的ALD循环通常包括以下步骤：(1)将衬底表面暴露于第一前体，(2)清扫衬底所位于的反应室，(3)可选地通过暴露于高温和/或等离子体，和/或通过暴露于第二前体，激活衬底表面的反应，和(4)清扫衬底所位于的反应室。
半导体制造处理还涉及各种材料(包括导体、半导体和电介质)的图案化和蚀刻。一些例子包括导体，例如金属或碳；半导体，例如硅或锗；以及电介质，例如氧化硅、氧化铝、二氧化锆、二氧化铪、氮化硅和氮化钛。蚀刻操作从衬底上部分或全部去除一种或多种材料。示例性蚀刻操作包括等离子体蚀刻、使用顺序自限制反应去除材料薄层的原子层蚀刻、和离子束蚀刻。
随着从平面到三维晶体管结构(例如，用于逻辑器件的FinFET栅极结构)和高级存储器结构(例如磁阻随机存取存储器(MRAM)和电阻随机存取存储器(ReRAM))的转变，蚀刻处理需要更加精确和统一，以生产优质产品。传统蚀刻技术的一个问题是蚀刻副产物有时会重新沉积在不期望这种沉积的表面上，而不是被扫除。例如，副产物可能沉积在衬底边缘附近。副产品通常是金属或富含金属的膜。这种再沉积现象在蚀刻非易失性物质时尤其成问题，在制造高级器件(如MRAM、ReRAM、交叉点存储器设备等)时经常出现这种情况。
衬底上不需要的蚀刻副产物沉积会导致许多问题，包括不良的蚀刻结果和不合标准的器件。已经发现，一些蚀刻技术导致金属再沉积在晶片的外部环形区域中，例如沉积在边缘区域中，该边缘区域可以被认为是包括外部圆形边缘(或基本上圆形，例如在圆形的+/-5％内)的环形区域，并径向向内延伸特定距离，例如约5毫米或3毫米。这种金属副产物沉积可能会导致电气问题，特别是在被蚀刻的结构具有交错的介电层和导电膜的情况下。在某些情况下，不需要的金属材料可能会沉积在蚀刻堆叠的径向外端，从而在本应电绝缘的层之间形成电连接。这种连接会在堆叠中产生短路，并可能导致器件故障。此类故障的一个示例是跨MRAM器件的磁隧道结(MTJ)势垒形成的短路。
因此，需要改进的半导体制造方法和装置，其在衬底已经被蚀刻之后去除不需要的材料对半导体衬底的影响，尤其是衬底的外部边缘区域中的材料。
对衬底上的不需要的金属和富含金属的材料进行氧化可以通过将这些不需要的金属和富含金属的材料转化为电介质来消除它们的不利影响，从而中和它们并防止它们引起短路。然而，在整个晶片上流动氧化气体以氧化和中和晶片的外部环形区域中的不需要的金属和富含金属的材料可能会通过氧化和/或过度氧化晶片内部而损坏和毁坏晶片。如上所述，晶片内部可能具有刻蚀特征，例如MRAM堆叠，其意于包含多种金属，并且这些金属的氧化或过度氧化会通过增加它们的电阻和损害它们的性能而对这些堆叠产生不利影响。在氧化环形边缘区域中的金属所需的时间内氧化整个晶片表面可能因此通过氧化或过度氧化晶片内部的这些金属而不利地影响和损坏这些堆叠。因此，期望仅氧化晶片中包含不需要的金属的区域，以防止晶片内部不需要的氧化和过度氧化。
本文描述了用于通过选择性地氧化外环形衬底区域来中和衬底的外环形区域中不需要的金属和富含金属的材料的影响的装置和技术。所述装置和技术包括使含氧气体(本文称为“氧化气体”)围绕包含晶片的基座的***流动，同时使惰性气体流过喷头并流到晶片上；流过喷头的这种惰性气体不含任何氧气。这种同时的双气流在包含不需要材料的晶片的环形边缘区域周围和顶部的环形气体区域中产生高氧浓度，在晶片内部顶部的内部气体区域中产生低氧浓度。环形气体区域比内部气体区域具有更高的氧化率，这允许在晶片的外部环形区域中选择性地和更大程度地氧化金属和富含金属的材料，并且晶片内部的氧化率低或不存在。流过喷头的惰性气体产生内部气体体积，该内部气体体积充当阻隔氧气的气体屏障，并防止或阻碍氧气径向向内流过晶片，包括晶片内部上方。在某些情况下，泵会从室底部排出气体，这种泵送可能会在室中向下抽吸或拉动氧化气体，并在衬底和衬底支架周围产生均匀的氧化气体流；氧化气体通过扩散沿衬底径向向内传输。
第一示例处理装置
本文所公开的装置被配置为同时使氧化气体围绕衬底支架的***以及喷头和衬底支架之间的间隙(以下称为“衬底支架-喷头间隙”或“间隙”)流动，以及使惰性气体流过衬底支架上方的喷头。这可以包括处理室内的特征和结构以引导氧化气体围绕衬底支架的***和衬底支架-喷头间隙流动。图1描绘了根据所公开实施方案的示例性单站衬底处理装置。该装置100包括具有内部容积103的单个处理室102和其上定位有衬底106的单个衬底支架104(例如，基座或静电卡盘)。流体连接到喷头108的气体输送***110也流体连接到室以输送(例如)膜前体、载体和/或净化和/或处理气体、二次反应物等。这里，气体输送***110包括氧化气体源112和惰性气体源114；该气体输送***110还可以包括气体(或液体)源、阀、气体管线和其他被配置为将气体(或液体)输送到喷头和处理室的流动元件。如图1所示，该装置被配置为选择性地使惰性气体从惰性气体源114流到喷头108，并从喷头108流到位于衬底支架104上的衬底106上；从喷头108到衬底106上的这种惰性气体流由非阴影(non-shaded)箭头132表示。衬底支架-喷头间隙被标识为项目191。图1中示意性示出的装置可用于执行任何膜沉积操作，例如ALD、CVD或等离子增强CVD。为简单起见，处理装置100的其他特征已从该图中省略并且在下文更详细地描述。
装置100还包括一个或多个气体入口116，用于使氧化气体流入室内部103。这些气体入口116延伸穿过室壁并进入室内部103，并与氧化气体源112连接，使得氧化气体可以从氧化气体源112流入室内部103。每个气体入口116配置为使气体流入室并且可以是例如孔、槽(slot)、喷嘴或环(annulus)。在一些情况下，气体入口116中的至少一个被配置为使氧化气体流入室，在垂直方向或具有垂直方向分量(如本文所用，“垂直”方向或移动是沿图1中z轴的方向)。在一些实施方案中，气体入口116中的至少一个可配置成使氧化气体流入室，沿水平方向或具有水平方向分量(如本文所用，“水平”方向或移动是沿与垂直于z轴的X-Y平面平行的方向)。一个或多个流量控制元件118可以定位在氧化气体源112和气体入口116之间的流体连接上和内部，这些流体连接被配置为控制这种气体的流动，例如阀、限流器和/或质量流量控制器(MFC)。
可以以各种方式配置该装置以使氧化气体围绕衬底的***流动。在一些实施方案中，该装置可以具有一个或多个元件，统称为***气流单元，其被配置为使氧化气体围绕衬底支架的***流动。在一些实施方案中，该装置可以具有位于喷头上方的挡板，该挡板被配置为引导氧化气体流向衬底的***。如图1所示，装置100包括挡板120，挡板120位于室102的内部103内，并被配置为至少部分地使氧化气体围绕衬底支架104和位于其上的衬底106的***流动。这可以包括将挡板120定位在气体入口116下方和喷头108上方，使得如实线黑色箭头124所示，氧化气体进入室顶部和挡板120之间的区域(被标识为虚线矩形126)中的室102，被导致径向向外和水平地朝向室侧壁122流动，垂直向下，流到衬底106边缘上，并且径向向内朝向衬底106的中心流动。在图1的实施方案中，可以认为***气流单元包括挡板120和气体入口116。
虽然黑色箭头124通常描绘了氧化气体在室102内的流动，但挡板120和气体入口116的配置可以改变以形成这种氧化气体流动路径。例如，挡板120可以是基本上圆形的(例如，具有停留在环形区域内的外周边，该环形区域的内半径是其外半径的95％或更多)并且其外径(out diameter)可以基本上等于(例如，在相等的5％以内)或大于喷头108的外径。在某些情况下，挡板120和室顶部之间的垂直偏移距离可能会变化，这反过来可能会影响气体该区域126内的气体的气体流动特性。在某些情况下使用该挡板可能是有利的，因为它保护喷头免受不需要的背侧沉积，防止侧壁沉积，减少衬底中的缺陷，并且还可以有助于使在衬底支架和衬底支架-喷头间隙191周围的气体流均匀化。在一些实施方案中，气体入口116也可以具有不同的配置，使气体从各个方向(例如垂直或水平)流入到室102内的区域126中，这可能会影响氧化气体流。例如，氧化气体接触并沿挡板120流向室侧壁122。
该装置还被配置为导致氧化气体从衬底边缘径向向内流动到衬底上。在一些实施方案中，这种配置可以包括仅使氧化气体围绕衬底的***、衬底支架的***以及衬底支架-喷头间隙的***流动，这使得氧化气体能够流到衬底上。在一些情况下，这种配置可以包括在室102的底部区域中的排气口133(或出口)和泵135，该泵135被配置为将气体泵出室102。泵135，例如，一级或二级机械干泵和/或涡轮分子泵，可用于将气体抽出处理室102并通过使用诸如节流阀137或摆阀的闭环控制的流量限制设备来维持处理室102内的适当低压。将气体泵出室102会导致氧化气体在室102中向下流动，即沿z轴方向流动，从而使其围绕喷头108、衬底支架-喷头间隙191和衬底支架104流动，如图1所示。随着氧化气体在衬底支架104的***和衬底支架-喷头间隙191周围垂直向下流动，氧化气体通过扩散径向向内流入衬底支架-喷头间隙191，在衬底106的上方，并沿衬底106流动。如图1所示，氧化气体124通过扩散从衬底106的外边缘128向衬底106的中心130垂直向下流动并且还径向向内流动，即沿水平x轴方向，如箭头124A所示。
虽然图1是侧剖视图，但该装置被配置为使氧化气体围绕衬底支架的整个***和衬底支架-喷头间隙均匀地流动，并因此围绕该衬底支架上的衬底的整个***流动。也可以通过挡板和将气体泵送出室来实现这种围绕衬底支架的整个***和衬底支架-喷头间隙的均匀流动(有时称为围绕衬底支架的氧化气体帘流(curtain flow))。在一些实施方案中，使氧化气体流到挡板上并在室中用排气泵将其向下抽吸，导致氧化气体均匀地围绕挡板流动，并因此均匀地围绕喷头、衬底支架、衬底支架-喷头间隙和衬底流动。
同时使惰性气体流过喷头并流到衬底上以及使氧化气体围绕衬底***流动有助于产生氧化气体的环形气体区域。这种惰性气体流在衬底内部上方产生屏障，其允许氧化气体流过衬底的环形边缘区域，但防止或阻碍氧化气体径向向内流动过远，并在衬底的内部区域造成不需要的氧化或过度氧化。产生的环形气体区域在衬底的环形边缘区域顶部具有高氧浓度，并因此具有高氧化率，以氧化该区域中不需要的金属。同时惰性气体流过喷头并流到衬底上也防止氧化气体径向向内流动过远并在衬底的内部区域中造成不需要的氧化或过度氧化。如本文所述，流过喷头的惰性气体不包含任何氧气。
这些气流在图1和2A-2C中示出。如图1中的非阴影箭头132所示，惰性气体流过喷头108，流到衬底104上，并径向向外远离衬底中心130并朝向衬底边缘128。与氧化气体围绕衬底的***(以及衬底支架-喷头间隙的***)流动的同时使惰性气体流过喷头，即这些同时的气体流，在晶片内部上方产生内部气体区域(标识为浅阴影区域131)，该内部气体区域对氧化气体起到屏障的作用，并防止氧化气体径向向内流动超过所期望的程度。如果没有这种同时径向向外的惰性气体流，就没有能力抵消氧化气体流并防止其径向向内流动过远并氧化过多的衬底，并且对衬底上的氧化区域控制有限或者没有控制。该内部气体区域131具有低于环形气体区域的氧化率，使得在该内部气体区域中发生有限的氧化或不发生氧化。
图2A和2B描绘了示例衬底的俯视图。如图2A中所见，衬底206具有形成衬底***的一部分的外边缘228。不需要的金属和富含金属的材料可能存在于衬底106的环形边缘区域234(用深色阴影示出)中，该环形边缘区域234围绕衬底中心230延伸并且从边缘228朝向中心230径向向内延伸第一径向厚度236，该第一径向厚度236例如可以是3毫米或5毫米；环形边缘区域234的内半径标记为R1。衬底的内部区域238没有阴影并且可以被认为是氧化或过度氧化可能损坏衬底上的特征的区域。因此，希望在该环形边缘区域234的顶部上产生具有高氧化的环形气体区域，并在该内部区域238上和周围产生没有氧浓度或氧浓度低的区域。
图2B描绘了具有高氧浓度(即高氧化率)的环形气体区域240，其以虚线边界和半透明交叉影线示出。该环形气体区域围绕衬底206的边缘228延伸并朝向中心230径向向内延伸第二半径R2，并因此可以具有径向厚度242。在一些实施方案中，如图2B所示，该第二半径R2可以接近但小于第一半径R1，以氧化全部环形边缘区域234。在一些实施方案中，第二半径R2可大于第一半径R1，以防止内部区域238的任何氧化。在一些其他实施方案中，这两个半径可以相等或基本相等(例如，在彼此的+/-5％内)。在一些其他实施方案中，第二半径R2可以大于第一半径R1，以仅氧化环形边缘区域234的一部分；这对于防止内部区域238的氧化可能是有利的。
在图2B中，可以看到惰性气体132径向向外流动，而相对地氧化气体124径向向内流动，这共同有助于产生具有高氧化率的环形气体区域240，以及具有低氧浓度的内部气体区域131，其从环形气体区域径向向内描绘，并用浅色阴影表示。如上所述，内部气体区域131用作屏障，阻止氧化气体径向向内流动超过所期望的程度。同样如上所述，氧化气体124通过扩散径向向内流动。
返回参考图1，可以看到环形气体区域240的两个横截面切片，以及在这两个环形气体区域240切片之间的内部气体区域131的横截面切片。这两个环形气体区域240切片从衬底边缘128向衬底中心130径向向内延伸，使得它们具有径向厚度242(也在图2B中标识)。可以认为氧化气体的径向流动通常停止在内部气体区域131的边缘。
如图2A和2B所示，并且如本文所用，环形(annular)用于描述具有外圆圆周和较小内圆圆周的环形(ring-shaped)面积或区域，有内圆圆周的径向向内的开口面积。在一些实施方案中，内圆圆周和外圆圆周可能不是精确的圆形，并且在一些情况下可以是基本上圆形的(例如，具有处于环形区内并且具有其95％、90％、或85％或更多的外半径的外周边)。
此外，即使这些环形气体区域和衬底上的区域具有明确定义的边界，但在实践和操作中这些边界可能并不精确，因为衬底上的不需要的材料、气流、和气体体积的性质不精确且不准确。因此，在一些实施方案中，这些环形形状和半径可以被认为是平均标称半径、边界、周长和直径。例如，环形气环可能具有可变的内边界，它不是一个完美的圆，但可以定义为平均标称半径和周长。例如，如图2C所示，描绘了图2B的环形气体区域。在此，环形气体区域240的实际的、近似的内边界和外边界分别被显示和被标识为项目244和246。这些边界分别被认为具有平均半径R3和R4，它们代表环形气体区域240的平均标称内半径和平均标称外半径。虽然在这些图中没有描绘，但衬底的环形边缘区域也可以具有不准确、不均匀的内部边界。
如下文更详细描述的，可以通过调节惰性气体流量和氧化气体流量来调节氧化率以及环形气体区域的尺寸。例如减小惰性气体流速可以减小环形气体区域的内半径，从而允许更多的氧化气体在晶片上径向向内流动(即，通过扩散)，并增加衬底上环形气体区域的径向厚度并氧化更多的衬底表面。
还如下文更详细描述的，本文描述的半导体处理装置可以具有控制器，该控制器具有用于控制装置的特征的程序指令，包括用于执行本文描述的示例技术中的一种或多种。图1示出了具有处理器162和存储器设备164的控制器160，其中控制器160被配置为控制装置100的任何和所有方面。
示例技术
可以使用各种技术使惰性气体和氧化气体流到衬底上。图3描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第一示例技术。在操作301中，将衬底提供给处理室中的衬底支架。如本文所述，处理室具有至少一个衬底支架，其被配置为直接或间接地支撑衬底。这可以包括将衬底直接支撑在衬底支架的支撑表面上，以及间接地将衬底支撑在支撑表面上方，例如在升降销上。同样如上所述，处理室具有位于衬底支架上方的喷头，其被配置为使处理气体流到由衬底支架直接或间接支撑的衬底上。
一旦衬底直接或间接地由衬底支架支撑，氧化气体和惰性气体可以同时流入处理室，如操作303所提供的。如上所述，在该操作中，氧化气体围绕衬底的***(也可以包括衬底支架-喷头间隙)流动，并且惰性气体同时流过喷头并流到衬底上。可以以本文所述的任何方式执行围绕衬底***的氧化气体的流动，包括使氧化气体流入室并流到如上文所述和图1所示的挡板上。该操作303还可以包括，如本文所讨论的，同时从处理室排出气体以在处理室中向下抽吸或拉动氧化气体。在一些实施方案中，该氧化气体可以仅包括分子氧，尽管在其他实施方案中它也可以包括其他元素，例如一种或多种通常为惰性的气体，包括例如氩气、氦气、氮气或其组合。在一些实施方案中，在操作305中流过喷头的惰性气体可以包括氩气、氦气、氮气或其组合；在操作303和305中流过喷头的惰性气体不包括任何氧化气体，即它不包含任何氧。在一些实施方案中，在此同时流动期间，衬底由衬底支架的衬底支撑表面直接支撑，而在一些其他实施方案中，衬底可以由衬底支架的升降销支撑(并因此由衬底支架间接支撑)。
如操作305所示，操作303的这些同时气体流在衬底的环形边缘区域上产生环形气体区域并在衬底的内部区域上产生内部气体区域。同样如上所述，在一些实施方案中，操作305的环形气体区域的产生可以通过在氧化气体和惰性气体都流动的同时从处理室排出气体来实现。例如，如图2A和2B所示，内部气体区域131在衬底的内部238上方产生，而环形气体区域240在衬底的环形边缘区域234上方产生。该内部气体区域131具有小于环形气体区域240的氧浓度，因此具有小于环形气体区域240的氧化率，使得在该内部气体区域231中发生有限的氧化或不发生氧化。环形气体区域240氧化衬底的环形边缘区域234，以氧化该环形边缘区域234中的不需要的金属和含金属材料。在一些实施方案中，内部气体区域可以具有在氧化气体-惰性气体界面处(即，氧化气体和惰性气体相遇之处，在图1中用标识符133标识)最高并且在衬底的中心处最低的氧化率梯度。类似地，在一些实施方案中，环形气体区域可具有不均匀的氧化率，例如，氧化率梯度，其在外边缘处最高而在氧化气体-惰性气体界面133A处最低。
在一些实施方案中，氧化气体和惰性气体的流速可以相同，而在其他实施方案中它们可以不同。例如，氧化气体流速可以大于或等于惰性气体流速。在一些实施方案中，氧化气体可以是至少500标准立方厘米每分钟(sccm)并且惰性气体的流速可以是至少250sccm、300sccm、400sccm、500sccm、1,000sccm和2,000sccm。如下所述，本发明人发现，随着惰性气体流速的增加，环形边缘区域中的氧化率相对于内部区域降低。此外，在操作403和405的至少一部分期间，氧化气体和惰性气体的流速可以保持恒定。这些恒定的流速可能有利于产生稳态气体区域和条件，这反过来又可以在衬底上产生更均匀的氧化结果。
如上所述，在沉积步骤或操作期间不执行操作303和305。这包括在CVD沉积操作、PECVD或ALD操作(例如给剂量、净化或激活步骤)期间不执行这些操作。在一些实施方案中，操作303和305可以被认为是蚀刻后步骤和/或沉积前步骤。
在一些实施方案中，操作301、303和305作为用于CVD沉积的处理室中的预沉积操作被执行，并且在一些这样的实施方案中，在这三个操作之后执行的CVD沉积可能与氧化气体不相容。例如，被困在通道、管线和其他管道中的分子氧有可能与前体气体(例如硅烷(SiH4)、氨(NH3)和氢气(H2))发生反应，从而导致不需要的颗粒形成和不需要的O2掺入沉积的膜。在某些情况下，SiH4和O2会形成SiO2，这是潜在的不需要的缺陷源。为了在同一处理室中执行这些预沉积和具有不相容化学物质的沉积操作，可以执行净化操作以从处理室中去除不相容的氧化气体和其他不需要的材料，例如微粒。图3进一步显示了可以在操作303和305之后执行的这个可选的净化操作307。在净化操作中，净化气体，例如惰性气体，可以流过喷头并流过相同的氧化气体流动路径进入室，且流出室中的排气口。也如图3所示，可以在操作303和305之后，并且在一些实施方案中，在可选操作307之后，在同一室中执行可选的沉积操作309，例如CVD沉积。
如上所述，该技术可以包括至少在同时的氧化气体流和惰性气体流期间从室中排出气体。图3A描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第二示例技术。这里，操作303A类似于但不同于图3的操作303。如在该操作303A中可以看出，氧化气体和惰性气体同时流入室中，并且在此同时的气体流期间，室中的气体也同时从处理室的底部排出。如图1所示，该室排出可由泵135执行，该泵将气体抽出处理室102的底部，该处理室102的底部又将氧化气体124向下抽吸并使其均匀地围绕挡板、喷头、喷头-衬底支架间隙、衬底和衬底支架。围绕喷头-衬底支架间隙的氧化气体通过扩散在衬底上方和衬底上径向向内传输。同时的惰性气体和氧化气体流以及室排出有助于产生操作305的环形氧化气体区域。可选的操作307和309也可以在图3A的第二示例技术中执行。在一些实施方案中，室排出在氧化和惰性气体的同时流动之前或同时开始，而在一些其他实施方案中，其可以在气体的同时流动之后开始。在一些实施方案中，在气体的同时流动停止之后，室排出可以继续。
本文描述的技术还可以包括如图4所示的其他操作，图4描绘了用于氧化衬底的环形边缘区域的第三示例技术。在一些实施方案中，该技术可以包括在氧化气体和惰性气体同时流动之前的衬底加热操作和/或惰性气体流动操作。在该第三示例技术中，操作401、403和405与图3中的操作301、303和305相同。在一些实施方案中，尽管未在图4中描绘，但图4的操作403可以与图3A的操作303A相同，其中处理室在氧化和惰性气体同时流入处理室期间被抽空。在图4的可选操作411中，惰性气体可以在操作403和405的同时惰性气体和氧化气体流之前流过喷头(没有伴随的氧化气体流)并流到衬底上。这可以在氧化气体流动之前，在衬底上方产生和定位惰性气体屏障，这可以保护更多的衬底并且还允许对衬底上方的环形气体区域进行更多控制。在一些情况下，操作411中的惰性气体的流速可以与操作403中的相同，而在其他实施方案中它们可以不同。例如，操作411中的惰性气体流速可以高于操作403中的。在操作411已经执行特定时间段之后，氧化气体流可以开始，从而开始操作403。
在可选操作413中，可以在操作403和405的惰性气体和氧化气体的同时流动、以及环形和内部气体区域的产生期间加热衬底。衬底的加热可以通过例如增加氧化率来改善衬底的氧化。在该加热期间衬底的温度可以是至少20℃或23℃，并且在一些实施方案中，在大约200℃和400℃之间。在一些实施方案中，这种加热可以通过将衬底定位在衬底支架的衬底支撑表面上并加热衬底支架来实现。衬底支架的这种加热可以通过用加热流体或电阻加热线圈加热衬底支架来实现。在执行操作411和413两者的一些情况下，操作413中的衬底的加热也可以在操作411的惰性气体流期间发生。在一些实施方案中，可以通过使用升降销降低或升高衬底来调节衬底和衬底支架之间的分离距离，并由此调节或控制衬底的温度。例如，可以通过将衬底降低到衬底支架上来将衬底加热到最高温度，并且可以通过使用升降销升高衬底来降低衬底温度，从而以更大的分离距离实现更低的温度。
如上所述，可以调节各种处理条件以改变晶片上方的环形气体区域的尺寸和氧化率；这些条件包括惰性气体流速、惰性气体分压、惰性气体成分、氧化气体流速、氧化气体分压、氧化气体成分和室压力。例如，环形气体区域的氧化率可以通过改变氧化气体的组成来调节，例如通过改变氧化气体中分子氧的百分比。这可能包括向氧化气体中添加其他组分，例如惰性气体，或去除组分以使氧化气体仅包含分子氧。在一些实施方案中，可以调节氧化气体和惰性气体的流速以使环形气体区域的径向厚度更大或更小和/或使环形气体区域的氧化率更高或更低。例如，相对于氧化气体流速增加惰性气体流速可以减小环形气体区域的径向厚度和/或减小环形气体区域的氧化率。
额外示例装置和特征
额外的室配置可用于使氧化气体围绕衬底的***流动，例如，使用***气流单元的各种配置。这可以包括使氧化气体流过围绕枝形吊灯式喷头的杆设置的套环、流过基座和/或流过喷头。例如，如描绘了衬底处理装置500的另一示例示意图的图5所示，装置500包括处理室502、喷头508和氧化气体流过的喷头套环550。如上所述，来自惰性气体源514的惰性气体532通过喷头508的头部的底面流入室502，而来自氧化气体源512的氧化气体124通过围绕喷头508的杆部的喷头套环550中的孔流入室502。氧化气体524被引入处理室502中，靠近喷头508的背面的中心轴，并且以基本上平行于由衬底支架104支撑的衬底506的平面(并且基本上平行于喷头508的头部的底面)的流引入(例如，在x轴)。
喷头套环550可以具有圆柱形的内腔，该内腔接收喷头508的杆部分。多个槽形孔可以在套环中形成以允许从内腔到喷头套环的外表面的氧化气体流。因此，氧化气体可以流过喷头套环中的孔并沿基本平行于衬底平面并且也基本平行于喷头头部的底面的方向流入处理室。在该实施方案中，***气流单元包括套环。气流可以围绕喷头508流动并且在z方向垂直向下流动，使得氧化气体围绕衬底支架-喷头间隙591、衬底506和衬底支架504流动。氧化气体524通过扩散径向向内流动，如由区域524A环绕的箭头所示。与图1类似，氧化气体围绕喷头均匀流动，从而形成均匀的氧化气体帘并且围绕衬底支架-喷头间隙591、衬底506和衬底支架504流动。在一些实施方案中，如上所述，可以通过用泵(未描绘)同时抽空室来实现环形气体区域的形成。
类似地，图6描绘了衬底处理装置的又一示例示意图。该装置中的处理室602的顶部可以具有与氧化气体源612流体连接的气体入口616，氧化气体源612被配置为使氧化气体624流入处理室602中。图6旨在显示从处理室主体(例如处理室的顶部)流出的氧化气体的一般概念，因此，所描绘的一些特征与其他特征中的那些相似和/或相同，并且出于说明目的而省略了一些特征。这些气体入口616可以是以圆形图案布置的孔口(orifice)，其直径大于或等于喷头608的直径。在一些情况下，气体入口616可以是孔、槽或喷嘴。在一些其他实施方案中，圆形图案的直径可以小于喷头608的直径。在一些其他实施方案中，气体入口616可以是围绕喷头608以圆形图案布置的单个槽或孔。在本实施方案中，***气流单元包括气体入口。这些实施方案中的气流可以在z轴的向下垂直方向上，其在喷头顶部具有最小水平流动至没有水平流动。类似于图5和1，图6的氧化气体624通过扩散径向向内流动，如由区域624A环绕的箭头所示。此处的氧化气体围绕喷头均匀流动，从而形成均匀的氧化气体帘并且围绕衬底支架-喷头间隙591、衬底506和衬底支架504流动。在一些实施方案中，如上所述，可以通过用泵(未描绘)同时抽空室来实现环形气体区域的形成。
图7描绘了衬底处理装置的另一示例示意图并且包括具有衬底支架708以及本文描述和包括的一些特征的装置700。衬底支架708流体连接到氧化气体源712并且被配置为使氧化气体724流入处理室702。图7旨在显示从衬底支架708流出的氧化气体的一般概念。衬底支架708的配置可以包括孔、槽或喷嘴，其配置为使氧化气体流出衬底支架708。在该实施方案中，***气流单元包括配置为使氧化气体流出衬底支架的特征。这里，氧化气体724再次通过扩散径向向内流动，如由区域724A环绕的箭头所示。图7中的氧化气体围绕喷头均匀流动，从而形成均匀的氧化气体帘并且围绕衬底支架-喷头间隙、衬底和衬底支架流动。
在一些实施方案中，本文描述的半导体处理装置可以具有控制器，该控制器具有用于执行本文描述的任何和所有示例技术的程序指令。例如，图1和5至7的工具可以具有用于执行上面提供的任何和所有示例技术的控制器。这包括控制氧化气体和惰性气体的流量和流速，以及衬底支架的温度。例如，控制器可以具有程序指令来控制阀和其他流量控制设备(例如，质量流量控制器)以控制气流。控制器还可以具有用于以下各项的程序指令：将衬底提供给衬底支架，使得衬底由衬底支架直接或间接地支撑；升高和降低衬底支架的升降销；以及同时使氧化气体围绕衬底的***流动，和使惰性气体流过喷头并流到衬底上。
在此描述的半导体处理装置还可以具有特征和控制器，该控制器具有用于在执行示例技术之后执行将材料沉积到衬底上的程序指令。本文提供的沉积技术可以在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)室或保形膜沉积(CFD)室或在一些实施方案中的原子层沉积(ALD)室中实施。这样的室可以采取多种形式，并且可以是包括一个或多个室或反应器(有时包括多个站)的装置的一部分，例如关于图9进一步详细描述的，每个室或反应器可以容纳一个或多个衬底或晶片并且可以被配置为执行各种衬底处理操作。一个或多个室可将衬底保持在一个或多个限定位置(在该位置内有或没有运动，例如旋转、振动或其他搅动)。在一种实施方式中，可以在处理期间将经历膜沉积的衬底从室内的一个站转移到另一个(或从装置内的一个室转移到另一个)。在其他实施方式中，衬底可在装置内从一个室转移到另一个室以执行不同的操作，例如UV曝光操作、蚀刻操作或光刻操作。对于任何沉积步骤，全膜沉积可以完全发生在单个站或总膜厚度的任何部分。在处理中，每个衬底可以通过基座、衬底卡盘和/或其他衬底保持装置保持在适当位置。对于要加热衬底的某些操作，该装置可以包括加热器，例如加热板。
图8提供了一个简单的框图，描绘了为实施本文所述的方法而布置的各种反应器部件。如本文所述，反应器800可用于沉积层。如图所示，反应器800包括处理室802，该处理室802包围反应器的其他部件并用于包含由电容放电型***产生的等离子体，该电容放电型***包括与接地的加热器块820一起工作的喷头818。高频(HF)射频(RF)发生器821和低频(LF)RF发生器823可以连接到匹配网络825和喷头818。由匹配网络825提供的功率和频率可能足以从供应到处理室802的处理气体生成等离子体。例如，匹配网络825可以提供100W到1000W的功率。HFRF分量通常可以在1MHz到100MHz之间，例如13.56MHz。在存在LF分量的操作中，LF分量可以来自小于约1MHz，例如100kHz。在一些实施方案中，等离子体可以以约300Hz和约1.5kHz之间的脉冲频率脉冲，例如对于一个占空比为约500Hz。控制器860可以被配置为将每个等离子体脉冲的持续时间设置为约0.01ms至约5ms的持续时间，例如在约0.05ms和约1.9ms之间。在一些实施方案中，可开启等离子体以进行周期性等离子体处理，作为本文所述的后处理。对于周期性等离子体处理，等离子体可以开启约10秒至约50秒的持续时间。
在反应器800内，衬底支撑件808(可以支撑衬底806)。衬底支撑件808可以包括卡盘、叉子或升降销(未示出)以在沉积和/或预/后处理操作期间和之间保持和转移衬底806。卡盘可以是静电卡盘、机械卡盘或可用于工业和/或研究的各种其他类型的卡盘。
可以通过入口827引入各种处理气体。例如，气体可以包括含IV族前体，例如含硅前体或含锗前体。气体可以包括反应物，例如含氮反应物(例如氮或氨)、含碳反应物、含氧反应物、含氧和碳反应物及其组合。在一些实施方案中，惰性气体或载体气体也可以流动。示例惰性气体包括氩气、氦气、氮气和氨气。在一些实施方案中，载体气体在将处理气体输送到处理室802之前被转移。
多个源气体管线829连接到歧管831。可以预混合或者不预混合气体。可以采用适当的阀和质量流量控制机制来确保在处理的沉积和后处理阶段输送正确的处理气体。在一或多种化学前体以液体形式输送的情况下，可以采用液体流量控制机制。然后，在到达处理室802之前，这些液体可以在被加热到高于以液体形式供应的化学前体的汽化点的歧管中的运输期间被汽化并与处理气体混合。
室802中的任何气体可以通过出口833离开处理室802。真空泵835，例如，一级或二级机械干泵和/或涡轮分子泵，可用于将处理气体抽出处理室802，并通过使用例如节流阀或摆阀的闭环控制的流量限制设备维持处理室802内的适当低压。
装置800包括控制器860，其可以包括一个或多个存储器设备、一个或多个大容量存储设备以及一个或多个处理器。处理器可以包括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。装置800包括***控制器860，用于控制处理条件和处理工具800的硬件状态。控制器860可以被配置成在特定持续时间内以各种流速输送特定处理气体并控制等离子频率、等离子脉冲频率、等离子功率和如本文所述的其他处理条件。根据一些实施方案，控制器860可以被配置为开启和关闭等离子体。控制器860可以具有以下关于图9描述的控制器860的任何特征。
如本文所讨论的用于预处理和沉积的技术可以在多站或单站工具上实施。图1、5-7和8描绘了示例单站工具，而图9是示例多站工具的示意图。在具体实施方式中，可以使用具有4站沉积方案的300mm Lam VectorTM工具或具有6站沉积方案的200mm SequelTM工具。在一些实施方式中，可以使用用于处理450mm衬底的工具。在各种实施方式中，可以在每次沉积和/或沉积后等离子体处理之后对衬底进行索引，或者如果蚀刻室或站也是同一工具的一部分，则可以在蚀刻步骤之后对衬底进行索引，或者可以在索引衬底之前在单个站进行多次沉积和处理。
图9示出了具有入站装载锁941和出站装载锁943的多站处理工具900的实施方案的示意图，其中一个或两个可以包括远程等离子体源。在大气压下，机器人945被配置为将晶片从通过舱(pod)947装载的盒子通过大气端口949移动到入站装载锁941中。晶片由机器人945放置在入站装载锁941中的基座951上，大气端口949被关闭，装载锁941被泵压(pumpdown)。在入站装载锁941包括远程等离子体源的情况下，晶片可以在被引入处理室902之前在入站装载锁941中暴露于远程等离子体处理。此外，还可以在入站装载锁941中加热晶片，例如，以去除水分和所吸收的气体。在一些实施方案中，晶片可以在入站装载锁941中经受如本文其他地方所述的“温度浸泡(temperature soak)”。
到处理室902的室传送端口953被打开，并且另一个机器人(未示出)将晶片放置到反应器中显示在反应器中的第一站的基座上，以进行处理。虽然图9中描绘的实施方案包括装载锁，但是应当理解，在一些实施方案中，可以提供晶片直接进入处理站。
所描绘的处理室902包括四个处理站，在图9所示的实施方案中从1到4编号。每个站具有加热的基座(在站1处显示为955)和气体管线入口。应当理解，在一些实施方案中，每个处理站可以具有不同的或多个目的。例如，在一些实施方案中，处理站可以在脉冲等离子体PECVD沉积模式和周期性等离子体后处理处理模式之间切换。在一些实施方案中，处理站可以在化学气相沉积(CVD)处理模式和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)处理模式之间切换。额外地或替代地，在一些实施方案中，处理室902可以包括一对或多对匹配的后等离子体PECVD处理站。虽然所描绘的处理室902包括四个站，但应理解，根据某些公开的实施方案的处理室可具有任何合适数量的站。例如，在一些实施方案中，处理室可具有五个或更多站，而在其他实施方案中，处理室可具有三个或更少站。
图9描绘了用于在处理室902内传送晶片的晶片搬运***957的实施方案。在一些实施方案中，晶片搬运***957可以在各个处理站之间和/或在处理站和装载锁之间传送晶片。应当理解，可以采用任何合适的晶片搬运***。非限制性示例包括晶片转盘(carousel)和晶片搬运机器人。图9还描绘了用于控制处理工具900的处理条件和硬件状态的***控制器960的实施方案。***控制器960可以包括一个或多个存储器设备964、一个或多个大容量存储设备966和一个或多个处理器962。一个或多个处理器962可以包括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。
在一些实施方案中，***控制器960控制处理工具900的所有活动。***控制器960执行存储在大容量存储设备964中、加载到存储设备966中、并在处理器962上执行的***控制软件968。替代地，控制逻辑可以硬编码在控制器960中。专用集成电路、可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列或FPGA)等可以用于这些目的。在以下讨论中，无论在何处使用“软件”或“代码”，都可以使用功能类似的硬编码逻辑来代替它。***控制软件968可以包括用于控制以下各项的指令：时间、气体混合、气体流量、室和/或站压力、室和/或站温度、晶片温度、目标功率电平、RF功率电平、衬底基座、卡盘和/或感受器(susceptor)位置、等离子体脉冲频率、等离子体暴露持续时间和由处理工具900执行的特定处理的其他参数。***控制软件968可以任何合适的方式配置。例如，可以编写各种处理工具组件子例程或控制对象以控制执行各种处理工具处理所必需的处理工具组件的操作。***控制软件968可以任何合适的计算机可读编程语言编码。
在一些实施方案中，***控制软件968可以包括用于控制上述各种参数的输入/输出控制(IOC)排序指令。在一些实施方案中，可以采用存储在与***控制器960相关联的大容量存储设备964和/或存储器设备966上的其他计算机软件和/或程序。为此目的的程序或程序部分的示例包括衬底定位程序、处理气体控制程序、压力控制程序、加热器控制程序和等离子体控制程序。
衬底定位程序可包括用于处理工具组件的程序代码，这些工具组件用于将衬底装载到基座上并控制衬底与处理工具的其他部分之间的间距。
处理气体控制程序可以包括用于控制气体成分(例如，如本文所述的含硅气体、含锗气体、含氮气体、含碳气体、含氧和碳气体以及含碳气体)和流速，并且可选地用于在沉积之前使气体流入一个或多个处理站以稳定处理站中的压力，的代码。压力控制程序可以包括用于通过调节例如处理站的排气***中的节流阀、进入处理站的气体流量等来控制处理站中的压力的代码。
加热器控制程序可以包括用于控制流向用于加热衬底的加热单元的电流的代码。或者，加热器控制程序可以控制传热气体(例如氦气)到衬底的输送。
根据本文的实施方案，等离子体控制程序可以包括用于设置施加到一个或多个处理站中的处理电极的RF功率电平的代码。
压力控制程序可以包括根据本文实施方案用于维持反应室中的压力的代码。
在一些实施方案中，可以存在与***控制器960相关联的用户界面。用户界面可以包括显示屏、装置的图形软件显示和/或处理条件，以及诸如点击设备、键盘、触摸屏、麦克风等的用户输入设备。
在一些实施方案中，由***控制器960调整的参数可以与处理条件有关。非限制性示例包括处理气体成分和流速、温度、压力、等离子体条件(例如RF偏置功率电平)等。这些参数可以以配方的形式提供给用户，可以使用用户界面进行输入。
用于监控处理的信号可以通过来自各种处理工具传感器的***控制器960的模拟和/或数字输入连接来提供。用于控制处理的信号可以在处理工具500的模拟和数字输出连接上输出。可以被监控的处理工具传感器的非限制性示例包括质量流量控制器、压力传感器(例如压力计)、热电偶等。适当编程的反馈和控制算法可以与来自这些传感器的数据一起使用，以维持处理条件。
***控制器960可以提供用于实施上述沉积处理的程序指令。程序指令可以控制各种处理参数，例如直流功率电平、射频偏置功率电平、压力、温度、等离子脉冲频率、等离子曝光持续时间、UV曝光持续时间等。根据本文所述的各种实施方案，指令可以控制参数以操作膜堆叠的原位沉积。
***控制器960通常将包括一个或多个存储器设备和一个或多个被配置为执行指令的处理器，使得该装置将执行根据所公开实施方案的方法。根据公开的实施方案，包含用于控制处理操作的指令的机器可读、非暂时性介质可以耦合到***控制器960。
在一些实施方式中，控制器960是***的一部分，其可以是上述示例的一部分。这样的***可以包括半导体处理设备，包括一个或多个处理工具、一个或多个室、一个或多个用于处理的平台、和/或特定的处理组件(晶片基座、气流***等)。这些***可以与电子设备集成，用于在处理半导体晶片或衬底之前、期间和之后控制它们的操作。电子设备可以被称为“控制器”，它可以控制一个或多个***的各种组件或子部分。根据处理要求和/或***类型，控制器可被编程以控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、温度设置(例如，加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)发生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流速设置、等离子脉冲频率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出一种工具和连接到特定***或与特定***接口的其他转移工具和/或装载锁。
广义地说，控制器960可以被定义为具有各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件的电子设备，其接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或一个或多个微处理器，或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式传送到控制器的指令，定义用于在半导体晶片上或为半导体晶片或为***执行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是处理工程师定义的配方的一部分，以在制造一层或多层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实施方式中，控制器960可以是与***集成、耦合到***、以其他方式联网到***或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或晶片厂(fab)主机***的全部或一部分中，这可以允许远程访问晶片处理。计算机可以实现对***的远程访问以监控制造操作的当前进度、检查过去制造操作的历史、检查来自多个制造操作的趋势或性能指标，以改变当前处理的参数、设置遵循当前处理的处理步骤，或启动新处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络向***提供处理配方，该网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将其从远程计算机传送到***。在一些示例中，控制器960接收数据形式的指令，该指令为要在一个或多个操作期间执行的每个处理步骤指定参数。应当理解，这些参数可以特定于要执行的处理的类型和控制器被配置为与之交互或控制的工具的类型。因此，如上所述，控制器960可以是分布式的，例如通过包括一个或多个分立的控制器，这些控制器联网在一起并且朝着共同的目的工作，例如在此描述的处理和控制。用于这种目的的分布式控制器的一个示例是室上的一个或多个集成电路，其与一个或多个位于远程(例如在平台级别或作为远程计算机的一部分)的集成电路(结合以控制室中的处理)通信。
在一些实施方案中，可以提供一种装置，其被配置为执行本文描述的技术。根据所公开的实施方案，合适的装置可以包括用于执行各种处理操作的硬件以及具有用于控制处理操作的指令的***控制器960。***控制器960通常包括一个或多个存储器设备和一个或多个与各种处理控制设备通信连接(例如阀、RF发生器、衬底搬运***等)的处理器，并被配置为执行指令以使装置将执行根据所公开实施方案的技术，例如在图3和图4的操作中提供的技术。包含用于控制根据本公开的处理操作的指令的机器可读、非暂时性介质可以耦合到***控制器960。控制器960可以与各种硬件设备(例如质量流量控制器、阀、RF发生器、真空泵等)通信连接，以促进对与在此描述的沉积操作相关的各种处理参数的控制。
在一些实施方案中，***控制器960可以控制反应器900的所有活动。***控制器960可以执行存储在大容量存储设备中、加载到存储器设备中并且在处理器上执行的***控制软件。***控制软件可以包括用于控制气流的定时、衬底移动、RF发生器激活等的指令，以及用于控制气体混合、室和/或站压力、室和/或站的温度、衬底温度、目标功率电平、RF功率电平、衬底基座、卡盘和/或感受器位置，以及由反应器装置900执行的特定处理的其他参数的指令。例如，对于上述每种流动化学物质，软件可以包括用于控制含硅前体的流速、反应物的流速、等离子体频率、等离子体脉冲频率、等离子体功率以及前体和反应物暴露时间的指令或代码。可以以任何合适的方式配置***控制软件。例如，可以编写各种处理工具组件子例程或控制对象以控制执行各种处理工具处理所必需的处理工具组件的操作。***控制软件可以以任何合适的计算机可读编程语言编码。
***控制器960通常可以包括一个或多个存储器设备964和一个或多个处理器962，该处理器962被配置为执行指令，使得该装置将执行根据所公开实施方案的技术。根据公开的实施方案，包含用于控制处理操作的指令的机器可读、非暂时性介质可以耦合到***控制器960。
非限制性地，示例***可以包括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、斜边蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(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，以及可以与半导体晶片的制造和/或生产相关联或在半导体晶片的制造和/或生产中使用的任何其他半导体处理***。
如上所述，根据工具要执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与以下各项中的一者或多者通信：其他工具电路或模块、其他工具组件、集群工具、其他工具接口、相邻工具、邻近的工具、位于工厂各处的工具、主计算机、另一个控制器、或者将晶片容器往返运输于半导体生产工厂中的工具位置和/或装载端口的用于材料运输的工具。
本文所述的装置和处理可以与光刻图案化工具或处理结合使用，例如，用于半导体器件、显示器、LED、光伏面板等的制造或生产。通常，尽管不是必须的，这样的工具/处理将在共同的制造设施中一起使用或进行。膜的光刻图案化通常包括以下的一些或全部操作，每个操作以多个可能的工具实现：(1)使用旋涂或喷涂工具将光致抗蚀剂施加到工件(即衬底)上；(2)使用热板或加热炉或UV固化工具固化光致抗蚀剂；(3)使用晶片步进机等工具将光致抗蚀剂暴露于可见光或紫外光或X射线光；(4)使抗蚀剂显影，以选择性地去除抗蚀剂，从而使用例如湿式工作台的工具将其图案化；(5)使用干法或等离子辅助蚀刻工具将抗蚀图案转移到底层膜或工件上；(6)使用例如RF或微波等离子抗蚀剂剥离器等工具去除抗蚀剂。
实验结果
如上所述，本发明人发现同时使氧化气体围绕衬底***流动并且使惰性气体流过喷头可以在晶片的环形边缘区域周围和之上产生更高氧化的区域。图10描绘了两个衬底上的各种氧化厚度的图。纵轴是以埃为单位的铜氧化厚度，而横轴是沿衬底到衬底中心的径向距离；衬底中心点0位于图的中间。在第一个实验中，其中的数据标有标识符1052，衬底放置在类似于图1的室中，由衬底支架支撑，氧化气体仅流过衬底上方的喷头，而室由泵抽空并保持在低压。可以看出，衬底的氧化分布具有凹形，其中最高的氧化发生在衬底的中心，最低的发生在衬底的边缘。以这种方式使氧化气体流动对于氧化衬底的边缘区域可能不太有利，因为为了将外部环形区域氧化所需的量，这种流动导致衬底中心和内部的过度氧化。在第二个实验中，其中的数据标有标识符1054，另一个衬底被放置在与图1类似的室中，由衬底支架支撑，当室被泵抽空并保持在低压下时，执行同时使惰性气体流过喷头并使氧化气体围绕衬底***流动。可以看出，氧化的整体形状从第一个实验1052翻转为在衬底外边缘具有最高氧化率并且在衬底中心具有最低氧化的凸形。因此，根据所公开的技术同时使氧化和惰性气体流动提供了更有利的氧化分布，用于选择性地氧化衬底的外边缘环形区域。
图11描绘了两个衬底上的各种氧化厚度的另一图。纵轴还是以埃为单位的铜氧化厚度，而横轴是沿衬底到衬底中心的径向距离；衬底中心点0位于图的中间。与图10相似，进行了第一个实验1152，其中将衬底放置在类似于图1的室中，由衬底支架支撑，氧化气体流过衬底上方的喷头并流到喷头上方的挡板上(因此导致氧化气体围绕衬底的***流动)，同时室被泵抽空并保持在低压下。可以看出，衬底的氧化分布具有大致恒定的平坦分布形状。以这种方式使氧化气体流动对于氧化衬底的边缘区域可能不太有利，因为为了将外部环形区域氧化所需的量，这种流动再次导致衬底中心和内部的过度氧化。如本文所述，希望选择性地氧化衬底的环形区域而不氧化或过度氧化衬底内部。在第二个实验1154中，与1054一样，将另一个衬底放置在与图1类似的室中，由衬底支架支撑，当室被泵抽空并保持在低压下时，执行同时使惰性气体流过喷头并使氧化气体围绕衬底***流动。可以看出，氧化的整体形状呈凸形，在衬底的外边缘处氧化率最高，在衬底的中心处氧化最低。因此，根据本文公开的技术同时使氧化和惰性气体流动提供了更有利的氧化分布，用于选择性地氧化衬底的外边缘环形区域。
如上所述，惰性和/或氧化气体的流速可以影响氧化区域的尺寸和形状以及在衬底上产生的氧化分布。例如，如图12所示，其描绘了衬底上各种氧化厚度的图，与氧化气体流速相比，增加惰性气体流速降低了环形边缘区域中的氧化分布。在图12中，与图10和11一样，纵轴是以埃为单位的铜氧化厚度，而横轴是沿衬底到衬底中心的径向距离；衬底中心点0位于图的中间。在图12中，对三种不同的衬底进行了三个不同的实验，在每个实验中，将不同的衬底放置在与图1类似的室中，由衬底支架支撑，当室被泵抽空并保持在低压下时，执行同时使惰性气体流过喷头并使氧化气体围绕衬底***流动。每个实验的不同之处在于惰性气体流速的变化，其余条件保持不变，包括保持相同的氧化气体流速。第一个实验1252具有最低惰性气体流速500sccm，第二个实验1254具有中等惰性气体流速1,000sccm，第三个实验1256具有最高惰性气体流速2,000sccm；在所有三个实验中，纯分子氧的氧化气体均为500sccm。如图所示，增加惰性气体流速会减小氧化率和面积，中心首先减小，然后跨过晶片向边缘进展。
如本文所用，术语“晶片”可以指半导体晶片或衬底或其他类似类型的晶片或衬底。
还应理解，本文序数指示符的使用，例如，(a)、(b)、(c)、…，仅用于组织目的，并不旨在传达任何特定的顺序或重要性到与每个序数指示符关联的项目。例如，“(a)获得有关速度的信息和(b)获得有关位置的信息”将包括在获得有关速度的信息之前获得有关位置的信息，在获得有关位置的信息之前获得有关速度的信息，以及同时获得有关位置的信息和获取有关速度的信息。然而，在某些情况下，与序数指示符相关联的一些项目可能固有地需要特定顺序，例如，“(a)获得有关速度的信息，(b)根据有关速度的信息确定第一加速度，以及(c)获得职位信息”；在本例中，(a)将需要被执行(b)，因为(b)依赖于(a)-(c)中获得的信息，但是，可以在(a)或(b)之前或之后执行。
对本公开中描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且在不背离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他实施方式。因此，权利要求不旨在限于本文中所示的实施方式，而是要被赋予与本公开、在此公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实现。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管特征可以在上面描述为在某些组合中起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在某些情况下可以从要求保护的组合中删除一个或多个特征，并且要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按序列顺序执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘另一个示例过程。然而，未描绘的其他操作可以并入示意性说明的示例过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施方式中各种***组件的分离不应理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和***通常可以一起集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。此外，其他实施方式在所附权利要求的范围内。在某些情况下，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍能实现期望的结果。

Claims (22)

1.一种用于氧化衬底的环形边缘区域的方法，所述方法包括：
将所述衬底提供给半导体处理室中的衬底支架，所述半导体处理室具有位于所述衬底支架上方的喷头；和
在所述衬底由所述衬底支架支撑时，同时流动(a)氧化气体围绕所述衬底的***和(b)不包括氧气的惰性气体经过所述喷头并流到所述衬底上，从而在所述衬底的环形边缘区域上方产生环形气体区域并在所述衬底的内部区域上方产生内部气体区域，其中：
所述同时流动不在材料沉积到所述衬底上的期间，并且
所述环形气体区域具有高于所述内部气体区域的氧化率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述氧化气体和所述惰性气体的所述同时流动期间，从所述半导体处理室的底部排出气体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化气体由氧气组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化气体包括氧气和第二惰性气体。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二惰性气体选自由以下各项组成的组：氩气、氦气、氮气以及其两种或更多种的组合。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述惰性气体选自由以下各项组成的组：氩气、氦气、氮气及其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述同时流动期间将所述衬底加热到第一温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一温度为至少20℃。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述同时流动之前，当所述氧化气体不流动时使所述惰性气体流过所述喷头并流到所述衬底上。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述同时流动期间：
所述氧化气体的流速为至少500标准立方厘米每分钟(sccm)，并且
所述惰性气体的流速为至少250sccm。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述同时流动期间，所述惰性气体的流速为至少500sccm。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述同时流动不在：
化学气相沉积处理期间，或者
原子层沉积的给剂量、净化或激活步骤期间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中使所述氧化气体流动还包括使所述氧化气体流动到垂直定位在所述半导体处理室的顶部和所述喷头之间的挡板上。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述同时流动之后，净化所述半导体处理室以去除所述氧化气体；和
在所述净化之后，在所述衬底上执行一个或多个沉积操作。
15.一种半导体处理***，其包括：
处理室；
气体输送***，其具有配置为可与惰性气体源流体连接的惰性气体入口、配置为可与氧化气体源流体连接的氧化气体入口、以及配置为控制所述惰性气体和所述氧化气体的流的一个或多个阀；
衬底支架，其被配置为支撑衬底；
喷头，其位于所述衬底支架上方并与所述惰性气体入口流体连接；
衬底搬运机器人，其被配置为将所述衬底提供给所述衬底支架；
***气流单元，其被配置为使经由所述氧化气体入口供应的氧化气体围绕所述衬底支架的***流动，所述***气流单元流体连接到所述氧化气体入口；和
控制器，其包括包含指令的机器可读、非暂时性介质，所述指令用于：
使所述衬底搬运机器人将所述衬底提供给所述衬底支架，使得所述衬底直接或间接地由所述衬底支架支撑，以及
使得当所述衬底由所述衬底支架支撑时，所述一个或多个阀使得同时流动(a)所述氧化气体围绕所述衬底的***和(b)不包含氧气的惰性气体经过所述喷头并流到所述衬底上，以由此在所述衬底的环形边缘区域上方产生环形气体区域并在所述衬底的内部区域上方产生内部气体区域，其中：
所述同时流动不在材料沉积到所述衬底上的期间，并且
所述环形气体区域具有高于所述内部气体区域的氧化率。
16.根据权利要求15所述的半导体处理***，还包括泵，所述泵被配置为从所述处理室的底部排出气体，其中所述控制器还包括用于在所述同时流动期间使所述泵从所述处理室排出气体的指令。
17.根据权利要求16所述的半导体处理***，其中所述控制器还包括用于以下各项的指令：
在所述同时流动之后，使所述泵从所述处理室排出气体；和
使所述***在所述排出之后在所述衬底上执行一个或多个沉积操作。
18.根据权利要求15所述的半导体处理***，其中：
所述衬底支架还包括加热器，所述加热器被配置为加热位于所述衬底支架上的所述衬底，以及
所述控制器还包括用于在所述同时流动期间并且当所述衬底位于所述衬底支架上时对所述衬底进行加热的指令。
19.根据权利要求18所述的半导体处理***，其中所述加热器被配置为将所述衬底加热到至少20℃。
20.根据权利要求15所述的半导体处理***，其中所述控制器还包括用于在所述同时流动之前使所述惰性气体流过所述喷头并流到所述衬底上的指令。
21.根据权利要求15所述的半导体处理***，其中所述惰性气体选自由以下各项组成的组：氩气、氦气、氮气及其组合。
22.根据权利要求15所述的半导体处理***，其中所述气体输送***被配置为：
使所述氧化气体以至少500标准立方厘米每分钟(sccm)的流速流入所述处理室，以及
使所述惰性气体以至少250sccm的流速从所述喷头流出。
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