CN115747765A - 具有保护网格的等离子体增强原子层沉积的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有保护网格的等离子体增强原子层沉积的***和方法。等离子体增强原子层沉积(PEALD)***包括工艺室。在工艺室内支撑靶材衬底。在工艺室内在靶材衬底之上放置网格。网格包括从网格的第一侧延伸到网格的第二侧的多个孔。在PEALD工艺期间，等离子体产生器产生等离子体。在等离子体与靶材衬底反应之前，通过使等离子体通过网格中的孔来降低等离子体的能量。

Description

具有保护网格的等离子体增强原子层沉积的***和方法
技术领域
本公开总体涉及具有保护网格的等离子体增强原子层沉积的***和方法。
背景技术
对提高电子设备(包括智能手机、平板电脑、台式电脑、笔记本电脑和许多其他类型的电子设备)中的计算能力的需求持续存在。提高集成电路中的计算能力的一种方法是增加给定面积的衬底中所包含的晶体管和其他集成电路特征的数量。
为了继续减小集成电路中的特征尺寸，实施了各种薄膜沉积技术、蚀刻技术和其他工艺技术。这些技术可以形成非常小的特征。然而，在确保器件和特征的高性能方面存在许多困难。
等离子体辅助沉积和蚀刻技术可用于限定集成电路中的小特征。然而，当执行等离子体辅助沉积或蚀刻技术时，在确保靶材衬底不会发生意外损坏方面存在困难。在执行基于等离子体的沉积工艺时，一些非常规衬底(例如，碳纳米管衬底)可能特别容易受到损坏。这可能导致集成电路功能不佳，甚至导致靶材报废。
发明内容
根据本公开的一个实施例，提供了一种用于执行薄膜工艺的***，包括：等离子体辅助薄膜沉积室，包括流体入口，所述流体入口被配置为使工艺流体流入所述等离子体辅助薄膜沉积室；靶材支撑件，所述靶材支撑件在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口下方，并且所述靶材支撑件被配置为支撑所述等离子体辅助薄膜沉积室内的靶材；以及第一网格，所述第一网格在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口和所述靶材支撑件之间，所述第一网格包括：第一侧，所述第一侧远离所述靶材支撑件；第二侧，所述第二侧靠近所述靶材支撑件；以及多个第一孔，所述多个第一孔在所述靶材支撑件之上在所述第一侧和所述第二侧之间延伸。
根据本公开的另一实施例，提供了一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：在薄膜工艺室内支撑靶材；使工艺流体经由所述靶材之上的流体入口进入所述薄膜工艺室；在所述薄膜工艺室内在所述流体入口和所述靶材之间支撑第一网格；使所述工艺流体流过所述第一网格中的第一孔；以及在使所述工艺流体流过所述第一孔之后，使所述工艺流体与所述靶材反应。
根据本公开的又一实施例，提供了一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：在工艺室内支撑靶材；在所述靶材与所述工艺室的流体入口之间支撑网格；在等离子体产生器中产生等离子体；使所述等离子体经由所述流体入口进入所述工艺室；通过使所述等离子体流过所述网格中的孔来降低所述等离子体的能量；以及通过使所述等离子体与所述靶材反应来执行薄膜工艺的一部分。
附图说明
在结合附图进行阅读时，可以通过下面的具体实施方式最佳地理解本公开的各个方面。应当注意，根据该行业的标准实践，各个特征不是按比例绘制的。事实上，为了讨论的清楚起见，各个特征的尺寸可能被任意增大或缩小。
图1是根据一些实施例的等离子体增强工艺***100的框图。
图2A和图2B是根据一些实施例的等离子体增强薄膜沉积***的示意图。
图3是根据一些实施例的等离子体增强薄膜沉积***的示意图。
图4是根据一些实施例的等离子体增强薄膜沉积***的示意图。
图5A-图5D是根据一些实施例的用于等离子体增强薄膜沉积***的网格的俯视图。
图6A和图6B是根据一些实施例的工艺室的俯视图。
图7A-图7D是根据一些实施例的用于等离子体增强薄膜沉积***的网格的放大截面图。
图8A-图8D是根据一些实施例的处于等离子体增强薄膜沉积工艺的连续阶段期间的靶材衬底的侧视图。
图8E和图8F是根据一些实施例的图8A-图8D中的靶材衬底的俯视图。
图9是根据一些实施例的用于在靶材上执行薄膜工艺的方法的流程图。
图10是根据一些实施例的用于在靶材上执行薄膜工艺的方法的流程图。
具体实施方式
下面的公开内容提供了用于实现本发明的不同特征的许多不同的实施例或示例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本公开。当然，这些仅是示例，而不意在进行限制。例如，在下面的描述中，在第二特征之上或第二特征上形成第一特征可以包括第一特征和第二特征以直接接触方式形成的实施例，并且还可以包括可在第一特征和第二特征之间形成附加特征使得第一特征和第二特征可能不直接接触的实施例。此外，本公开在各个示例中可以重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不影响所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
在以下描述中，针对集成电路管芯内的各种层和结构描述了许多厚度和材料。对于各种实施例，具体尺寸和材料以示例的方式给出。根据本公开，本领域技术人员将认识到，在许多情况下可以使用其他尺寸和材料而不背离本公开的范围。
此外，为了便于描述，本文可能使用空间相关术语(例如，“之下”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等)来描述附图中所示的一个要素或特征与另外(一个或多个)要素或(一个或多个)特征的关系。这些空间相关术语意在涵盖除图中所示的朝向之外，器件在使用或操作中不同的朝向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或以其他取向)，并且本文使用的空间相关的描述符也可以相应地被解释。
在以下描述中，阐述了某些特定细节以提供对本公开的各种实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本公开。在其他情况下，与电子元件和制造技术相关的众所周知的结构没有被详细描述以避免不必要地模糊本公开的实施例的描述。
除非上下文另有要求，否则在随后的说明书和权利要求书中，“包括”一词及其变体，例如“包含”和“含有”，应以开放、不排他的意义解释，即“包括，但不限于”。
诸如第一、第二和第三等序数的使用并不一定意味着排序的顺序，而是可能仅区分动作或结构的多个实例。
遍及本说明书对“一些实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例而描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，短语“在一些实施例中”或“在实施例中”在遍及该说明书的各个地方的出现不一定所有都指代同一实施例。此外，可以以任何合适的方式将特定特征、结构或特性组合在一个或多个实施例中。
如在本说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数所指物，除非上下文另有明确指示。还应注意，除非上下文另有明确指示，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。
本公开的实施例提供了一种等离子体增强原子层沉积(plasma enhanced atomiclayer deposition，PEALD)工艺***，其可以在敏感靶材衬底上安全地执行PEALD工艺而不损坏靶材衬底。在工艺室内支撑靶材。在工艺室内的靶材之上放置网格。网格包括远离靶材的第一侧、靠近靶材的第二侧、以及在第一侧和第二侧之间延伸的多个孔。在PEALD工艺期间，等离子体与靶材发生反应。然而，在等离子体与靶材发生反应之前，通过使等离子体流过网格的孔，等离子体的能量被改变，例如被降低。
本公开的实施例提供若干有益效果。通过网格降低等离子体能量可防止等离子体损坏靶材衬底。因此，需要报废的衬底或电路更少。此外，电路和器件具有更好的性能，并且薄膜具有更高的质量。
图1是根据一个实施例的等离子体增强工艺***100的框图。等离子体增强工艺***100包括工艺室102、在等离子体增强工艺***100的工艺室102中的靶材支撑件104、以及由靶材支撑件104支撑的靶材106。等离子体增强工艺***100包括在工艺室102中由网格支撑件110支撑的网格108。如下文将更详细阐述的，等离子体增强工艺***100的多个组件相互协作以确保能够在靶材106上执行等离子体增强工艺而不损坏靶材106。
在一些实施例中，等离子体增强工艺***100包括等离子体增强薄膜沉积***。等离子体增强薄膜沉积***利用等离子体来辅助在靶材106的顶表面上沉积薄膜。等离子体增强薄膜沉积***的一个示例包括等离子体增强原子层沉积(PEALD)***。等离子体增强薄膜沉积***的其他示例可以包括等离子体增强化学气相沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition，PECVD)***、等离子体增强物理气相沉积(plasma enhancedphysical vapor deposition，PEPVD)***、或其他类型的等离子体增强薄膜沉积***。
在一些实施例中，等离子体增强工艺***100包括等离子体蚀刻***。等离子体蚀刻***利用等离子体来辅助蚀刻靶材106的表面上的薄膜。等离子体蚀刻***可以包括干法蚀刻***或其他类型的蚀刻***。在一个示例中，等离子体蚀刻***包括等离子体增强原子层蚀刻(plasma enhanced atomic layer etching，PEALE)***。
等离子体增强工艺***100包括等离子体产生器114、电源116和流体源118。电源116耦合到等离子体产生器114。流体源118被配置为将流体提供到工艺室102中。
在等离子体增强工艺期间，流体源118将流体供应到等离子体产生器114中。电源116向等离子体产生器114供电。等离子体产生器114从由流体源118提供的流体产生等离子体。等离子体从等离子体产生器114输出到工艺室102中。等离子体包括朝向靶材106行进的粒子。粒子可以包括带电粒子和自由基。如本文所用，术语“带电粒子”可包括携带净电荷的原子、携带净电荷的分子或化合物、自由电子、和自由质子(其也可被认为是氢离子)。当等离子体遇到靶材106时，等离子体与靶材106的表面相互作用，并在靶材106上执行预期的工艺。例如，根据具体情况，等离子体可有助于沉积薄膜或蚀刻薄膜。
在一些情况下，等离子体产生器114可以产生具有非常高能量的等离子体。高能等离子体是其中带电粒子和自由基具有高动能的等离子体。在一些情况下，高能等离子体粒子可能会损坏靶材106。某些类型的靶材可能特别容易受到等离子体粒子的损坏。靶材106可以包括半导体晶圆、表面上有碳纳米管薄层的衬底、或能够在其上沉积薄膜的其他类型的衬底或表面。
为了降低对靶材106造成损坏的可能性，等离子体增强工艺***100包括位于等离子体产生器114和靶材106之间的网格108。网格108用于降低与靶材106相互作用的等离子体粒子的能量。当等离子体粒子朝向靶材106行进时，等离子体粒子将遇到网格108。网格108降低了等离子体粒子的能量，使得当等离子体粒子遇到靶材106时，等离子体粒子的能量不足以损坏靶材106。根据具体情况，等离子体粒子还能够执行沉积或蚀刻工艺。
在一些实施例中，网格108包括板或其他固体结构，其包括多个孔112。孔112对应于开口、洞或通道，等离子体粒子可以从网格108的一侧穿过这些开口、洞或通道以到达网格108的另一侧。例如，网格108的第一侧远离靶材106。网格108的第二侧靠近靶材106。等离子体粒子从网格108的远离侧经由孔112行进到网格108的靠近侧。
能量的降低是通过一些粒子在最终流过孔112之一之前遇到网格108的远离侧的固体表面来实现的。直接流过孔112而不遇到网格108的远离侧的固体表面的粒子将不会显著降低能量。撞击网格108的远离侧的固体表面的粒子在最终流过孔112之一朝向靶材106之前将具有降低的能量。结果是等离子体粒子的平均能量在到达靶材106之前被网格108降低。换言之，在一些实施例中，等离子体的一些粒子的能量被降低，而等离子体的其他粒子的能量不被降低。
可以选择孔的尺寸和孔之间的间距以提供到达靶材106的等离子体粒子的总能量或平均能量的期望降低。孔112越大，或孔112的数量越多，等离子体粒子的能量降低越小。换言之，网格108的远离侧处的固体表面与孔的比率越高，等离子体粒子的能量降低越大。在一个实施例中，孔表面面积与固体表面面积的比率在0.1到0.2之间。
在一个示例中，电源116是射频电源。电源116在等离子体产生器114的电极或线圈之间提供射频电压。在一些情况下，第一电极接地，而第二电极接收射频电压。射频电压可以具有500kHz到20MHz之间的频率，尽管在不脱离本公开的范围的情况下可以使用其他频率。
图2A和图2B是根据一些实施例的PEALD***200的示意图。参考图2A，PEALD***200包括工艺室102，工艺室102包括内部容积103。靶材支撑件104位于内部容积103内，并且被配置为在薄膜沉积工艺期间支撑靶材106。PEALD***200被配置为在靶材106上沉积薄膜。PEALD***200包括位于内部容积103内的网格支撑件110。网格108被支撑在靶材106之上的网格支撑件110上。如将在下文更详细阐述的，网格108有助于确保靶材106在薄膜沉积工艺期间不被损坏。
虽然图2A主要描述了PEALD***，但本公开的原理可以扩展到PEALE***和其他类型的沉积、蚀刻或半导体工艺***。
PEALD***包括等离子体产生器114。等离子体产生器114位于工艺室102之上。等离子体产生器114包括等离子体产生室130。等离子体产生器114在等离子体产生室130内产生等离子体。下面将提供关于等离子体产生器114的进一步细节。
PEALD***200包括在工艺室102的顶部处的流体入口。流体入口可以包括喷头结构126。喷头结构126包括多个孔128。等离子体和其他工艺流体可以从等离子体产生室130进入工艺室102的内部容积103。喷头结构126可以用作电极作为等离子体产生工艺的一部分。喷头结构126可以具有其他配置而不脱离本公开的范围。此外，等离子体工艺流体可以经由除了喷头结构126之外的其他结构进入内部容积103。
在一个实施例中，PEALD***200包括第一流体源118a和第二流体源118b。第一流体源118a将第一流体供应到内部容积103中。第二流体源118b将第二流体供应到内部容积103中。第一流体和第二流体都有助于在靶材106上沉积薄膜。虽然图2A示出了流体源118a和118b，但实际上，流体源118a和118b可以包括或供应除了流体之外的材料。例如，流体源118a和118b可以包括为沉积工艺提供所有材料的材料源。
PEALD***循环执行沉积工艺。每个循环包括使第一工艺流体从第一流体源118a流出，然后通过流动来自吹扫源122a和122b中的一个或两个的吹扫气体，从而从工艺室吹扫第一工艺流体。吹扫流体流过内部容积103，并经由一个或多个排气口132离开内部容积103，从而经由排气口132将任何剩余的工艺流体带出内部容积103。在第一吹扫工艺之后，使第二工艺流体从第二流体源118b流入内部容积103，然后通过流动来自吹扫源122a和122b中的一个或两个的吹扫气体，从而从工艺室吹扫第二工艺流体。这对应于单个ALD循环。每个循环将薄膜的原子层或分子层沉积在靶材106上。在一些实施例中，在靶材106上沉积薄膜的单个原子层或分子层时可能存在更多或更少的流体源和更多或更少的阶段。
在一些实施例中，在ALD工艺的第一阶段期间，前体通过喷头结构126流入内部容积103。前体可以从第一流体源118a流出。前体被吸附到靶材106的暴露表面上。前体形成一个原子或一个分子厚的层。前体可以流过等离子体产生器114而不操作等离子体产生器114，使得在使前体从第一流体源118a流出时不产生等离子体。然后吹扫气体从吹扫源122a和122b中的一个或两个流入内部容积103，以便经由排气口132从工艺室102清除任何剩余的前体或前体的副产物。
然后第二工艺流体从第二流体源118b流入等离子体产生室130。在这种情况下，电源116向等离子体产生器114供电，以便在等离子体产生室130内从第二工艺流体产生等离子体。接下来，等离子体从等离子体产生室130经由喷头结构126的孔128流入工艺室102的内部容积103。等离子体包括高能离子、自由基和带电粒子。离子、自由基和带电粒子轰击靶材106，与由前体在靶材106上形成的原子层或分子层反应。该反应改变原子层或分子层，从而完成第一层薄膜沉积。然后可以通过使来自吹扫源122a和122b中的一个或两个的吹扫流体流入内部容积103并经由排气口132排出来执行第二吹扫步骤。
在一些情况下，靶材106可能在被等离子体轰击期间遭到损坏。在这些情况下，等离子体可能会以不希望的方式使靶材106的部分***，而不是仅仅完成具有所需成分的原子层或分子层的形成。这可以发生在各种类型的靶材106上。在一个示例中，靶材106包括碳纳米管衬底，薄膜将通过PEALD工艺沉积在其上。然而，PEALD工艺的等离子体阶段可能会对碳纳米管衬底造成严重损坏。其他类型的衬底也可能被损坏，例如半导体衬底、电介质衬底、导电衬底或其他类型的衬底。因此，虽然提供了其中靶材106包括碳纳米管衬底的一些特定示例，但可以使用其他类型的靶材而不背离本公开的范围。
PEALD***200通过使用网格108有利地降低或防止在PEALD工艺的等离子体阶段期间对靶材106的损坏。网格108由耦合到工艺室102的内壁的网格支撑件110支撑在靶材106之上。网格108用于降低与靶材106相互作用的等离子体粒子的能量。当等离子体粒子朝向靶材106行进时，等离子体粒子将遇到网格108。网格108降低了等离子体粒子的能量，使得当等离子体粒子遇到靶材106时，等离子体粒子的能量不足以损坏靶材106。根据具体情况，等离子体粒子还能够执行沉积或蚀刻工艺。
在一些实施例中，网格108包括板或其他固体结构，其包括远离侧111和靠近侧113。靠近侧113靠近靶材106。远离侧111远离靶材106。网格108还包括从远离侧111延伸到靠近侧113的多个孔112。孔112对应开口、洞或通道，等离子体粒子可以从网格108的一侧穿过这些开口、洞或通道以到达网格108的另一侧。例如，等离子体粒子从网格108的远离侧经由孔112行进到网格108的靠近侧。
由于许多或大部分等离子体粒子将遇到远离侧111的固体表面而不是直接流入孔112之一中，因此实现了能量的降低。当等离子体粒子撞击远离侧111的固体表面时，等离子体粒子将失去其部分动能。压力差和总体流体流动最终将携带能量降低的等离子体粒子穿过孔112。许多等离子体粒子140将遇到靶材106并且将执行与前体层反应的期望功能，以在靶材106上完成薄膜的原子层或分子层沉积。等离子体粒子140经由网格108在聚集体中损失足够的能量，使得靶材106不会被等离子体粒子损坏。网格108降低了等离子体粒子的冲击和平均自由程。等离子体粒子仍将完成它们在ALD工艺中的作用，而不会对靶材106造成实质性损坏。
虽然图2A示出了具有孔112的网格108，其中孔112在远离侧111和靠近侧113之间具有基本上垂直的截面，但是孔112可以具有其他截面形状。例如，孔112可以是渐缩的，使得孔在远离侧111的表面积大于在靠近侧113的表面积，或者使得孔在远离侧111的表面积小于在靠近侧113的表面积。孔112可以具有非直线形状，例如弯曲截面、阶梯状截面或其他形状。当从顶部或底部观察时，孔112可以具有圆形、矩形、正方形、卵形、椭圆形或具有其他形状。
直接流过孔112而不遇到网格108的远离侧的固体表面的粒子可能不会显著降低能量。撞击网格108的远离侧111的固体表面的粒子在最终流入孔112之一朝向靶材106之前将具有降低的能量。结果是等离子体粒子的平均能量在到达靶材106之前被网格108降低。
可以选择孔112的尺寸和孔112之间的间距以提供到达靶材106的等离子体粒子的总能量或平均能量的期望降低。孔112越大，或孔112的数量越多，等离子体粒子的能量降低越小。换言之，网格108的远离侧处的固体表面与孔的比率越高，等离子体粒子的能量降低越大。
靶材支撑件104和喷头结构126的底部之间的距离D1可以在20mm到300mm之间。当D1小于20mm时，可能没有足够的高度来容纳样品和网格的厚度。在一个实施例中，当D1大于20mm时，保留足够的高度来容纳样品和网格的厚度。在一个实施例中，如果D1大于300mm，则腔室中的流场可能难以控制，等离子体粒子的能量可能会急剧下降。
图2A示出了等离子体产生器114位于工艺室102之上的***。在这样的***中，距离D1可能相对较大。然而，在其他***中，例如在电容耦合等离子体产生器中，等离子体产生器114可以包括位于工艺室102内相对靠近靶材106的电极。在这些情况下，距离D1可能相对较小。在每种情况下，网格108都位于等离子体粒子在遇到靶材106之前的行进路径中。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用除上述距离之外的其他距离。
网格108可以与喷头结构126分开距离D2。距离D2可以对应于远离侧111和喷头结构126的底部之间的距离。距离D2可以大于1mm。在将喷头结构126用作等离子体产生的电极的实施例中，该距离可能足以确保在网格108和喷头结构126之间不发生电弧放电。在一些实施例中，D2可以小于1mm，前提是可以避免网格108和喷头结构126之间的电弧放电。靠近侧113和靶材106之间的距离将是D1和D2的函数。在一些实施例中，靠近侧113和靶材106之间的距离大约等于D1和D2之间的差。靠近侧113和靶材106之间的距离不应小到使削减等离子体能量的功效降低的程度。
孔112可以具有1mm到30mm之间的横向尺寸D3。根据本公开的实施例，D3不限于上述范围。例如，D3可以小于1mm，前提是制造具有横向尺寸D3的孔112的网格不会面临不合理的挑战。在其他实施例中，D3可以大于30mm，前提是实现了等离子体能量的充分降低。如上所述，横向尺寸从远离侧111到靠近侧113可以是恒定的，如图2A所示，或者可以是可变的，例如在孔112的弯曲、渐缩、阶梯或其他形状的情况下。因此，孔112可以在远离侧111具有第一尺寸并且在靠近侧113具有大于或小于第一尺寸的第二尺寸。
在一些实施例中，网格108可以包括金属。金属可以包括不锈钢、钨、或铝合金。不锈钢可以具有足够的硬度和强度以及抗热损伤的优点。不锈钢可以焊接，并且当其表面完全钝化时，该表面不会发生化学反应。钨可能是有益的，因为它具有高熔点并且可以承受高温工艺。铝合金可能是有益的，因为它成本低、重量轻、导热率高且磁导率低。在不脱离本公开的范围的情况下，可以将其他金属和合金用于网格108。
在一些实施例中，网格108可以包括陶瓷材料。陶瓷材料可以包括石英、Y2O3、ZrO2、Al2O3、SiO2、B2O3、Er2O3、Nd2O3、Nb2O5、CeO2、Sm2O3、Yb2O3、或这些材料在上述金属网格上的涂层。可以使用其他陶瓷材料而不脱离本公开的范围。陶瓷材料可能是有益的，因为它耐腐蚀、耐高温且耐磨损。
在一些实施例中，网格108可以包括稀土氟化物。稀土氟化物可包括钪(Sc)、钇(Y)、铱(Ir)、铑(Rh)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镝(Dy)、或铒(Er)、或铪(Hf)的氟化物、或这些材料在上述金属网格上的涂层。稀土氟化物可以提高网格108的强度和导热性。
在一些实施例中，网格108包括低热膨胀材料，例如氧化物、氮化物、硼化物、碳化物、或这些材料的涂层。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他低热膨胀材料。
网格108可以包括箔、刚性结构板、或其他材料、形状或连贯性。网格可以电接地。替代地，网格可以用电压偏置，而不接地。
等离子体增强工艺***100可以包括耦合到网格108的马达。马达可以将网格移动到等离子体辅助工艺需要的位置。在等离子体辅助工艺之后，马达可以将网格108从原来的位置移出，以便进行非等离子体工艺，使得网格不会影响非等离子体工艺。
等离子体产生器114可以包括导电线圈124。可以将电压施加到导电线圈124以便在等离子体产生室130内产生等离子体。在一个示例中，电源116是导电线圈124的射频电源。射频电压可以具有500kHz到20MHz之间的频率，尽管在不脱离本公开的范围的情况下可以使用其他频率。
图2B示出了在沉积薄膜层的第二阶段期间图2A的PEALD***200，其中从工艺流体产生等离子体。工艺流体从第二流体源118b通过流体管道134流入等离子体产生室130。电源116向导电线圈124供电，从而从第二工艺流体产生等离子体。等离子体包括等离子体粒子140。如本文所用，术语“等离子体粒子”包括但不限于离子、电子、质子和自由基。等离子体粒子140从等离子体产生室130通过喷头结构126的孔128流入工艺室102的内部容积103。等离子体粒子140最初可以具有非常高的能量。然而，至少一部分等离子体粒子遇到网格108的远离侧111的表面并失去它们的部分能量。这些等离子体粒子沿着远离侧111的表面流动，直到遇到孔112并通过孔112流到网格108的靠近侧113。其他等离子体粒子可能不接触网格108的远离侧并且可以经由孔112直接穿过网格108。这些等离子体粒子140然后可以继续遇到靶材106。虽然未在图2B中显示，但是等离子体粒子140也可以围绕网格108的边缘流动并穿过网格支撑件110中的间隙。在随后的吹扫期间，等离子体粒子140将通过排气口132流出工艺室102。
图3是根据一些实施例的PEALD***300的示意图。PEALD***300在大多数方面与PEALD***200基本相似。PEALD***300与PEALD***200的不同之处在于，PEALD***300包括由第一网格支撑件110a支撑的第一网格108a和由第二网格支撑件110b支撑的第二网格108b。第一网格108a包括远离侧111a、靠近侧113a和孔112a。第二网格108b包括远离侧111b、靠近侧113b和孔112b。第一网格108a和第二网格108b可以彼此基本相似，只是孔112a和112b彼此横向偏移，使得垂直向下行进通过孔112a的等离子体粒子140，在通过第二网格108b的孔112b之前，将遇到第二网格108b的远离侧111b的固体表面。
因此，相对于任一单独网格，第一网格108a和第二网格108b一起可以降低等离子体粒子140更多的能量。因此，等离子体粒子140将遇到远离侧111a的固体表面，然后流过孔112a，接着遇到远离侧111b，然后流过孔112b。与仅存在网格108a或108b之一的情况相比，这导致在等离子体粒子遇到靶材106之前等离子体粒子140的能量有更大的降低。
在一些实施例中，第一网格108a与第二网格108b分开垂直距离D4。垂直距离D4可以在1mm到10mm之间。当垂直距离D4在此范围之外时，粒子可能在短时间内无法击中网格，从而不能达到降低粒子能量的目的。此外，如果D4<1mm，前体或粒子可能会阻塞管道或孔并阻碍网格的运行。在其他实施例中，D4小于1mm或大于10mm。D4应该足以确保等离子体粒子的能量被降低，同时仍然能够流过两个网格流向靶材106。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用垂直距离D4的其他值。
虽然图3示出了两个网格108a和108b，但实际上***300可以包括三个或更多个设置有偏移孔的网格。此外，网格可以具有不同数量的孔、不同尺寸的孔、不同形状的孔和不同的材料。在一个实施例中，孔的尺寸从上网格到下网格逐渐减小。在其他实施例中，孔的尺寸从上网格到下网格增加。此外，网格本身可能具有不同的尺寸。例如，根据腔室的形状，较高的网格可以小于较低的网格。因此，可以使用不同数量的网格而不背离本公开的范围。在一些实施例中，单独的网格可以包括不同尺寸的孔(例如，在远离侧或靠近侧表面处的不同表面面积)，或不同形状的孔。
图4是根据一些实施例的PEALD***400的示意图。PEALD***400基本上类似于图2A的PEALD***200，只是网格108在PEALD***400中的位置不同。具体地，PEALD***400包括设置在靶材支撑件104上的网格支撑件110。具体地，网格支撑件110横向设置在靶材106周围。网格108位于靶材106之上的网格支撑件110上。网格108设置在靶材106之上距离D5处。距离D5可以在5mm到100mm之间，但是可以使用其他距离而不背离本公开的范围。在工艺室102的内部容积103中，网格108可以容易地被移除并再次更换。在一些实施例中，网格支撑件110也可以容易地被移除和更换。在一些实施例中，网格支撑件110和网格108固定在一起。在一些实施例中，网格支撑件110和网格108可以彼此成为一体。在一些实施例中，网格108仅放置在网格支撑件110上。虽然未在图4中示出，但是类似于PEALD***300，PEALD***400中可以使用多个网格108，例如，通过在网格108上堆叠一个或多个网格，使用间隔件将网格分开。
图5A是根据一些实施例的网格108的俯视图。图5A的网格108是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。图5A的网格108是圆形的。每个孔112与相邻的孔112分开距离D6。距离D6可以在5mm到50mm之间，但是可以使用其他距离而不脱离本公开的范围。每个孔112具有横向尺寸D7。横向尺寸D7可以在1mm到30mm之间。小于1mm的孔112可能难以制造。大于30mm的孔112可能会由于不能将等离子体粒子的能量降低到足够的量而导致在防止对靶材106的损坏方面的功效降低。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，孔112可以具有除这些之外的其他尺寸。例如，在一些实施例中，D7可以小于1mm或大于30mm。网格108是圆形的并且具有总体尺寸(或直径)D8。尺寸D8可以在100mm到400mm之间，尽管可以使用其他尺寸而不脱离本公开的范围。根据一些实施例，D6与D7的比率在50:1和1:6之间。
图5B是根据一些实施例的网格108的俯视图。图5B的网格108是具有圆形孔112的矩形。图5B的网格是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。与图5B的网格108相关联的尺寸可以类似于结合图5A所描述的那些。
图5C是根据一些实施例的多个网格108a和108b的俯视图。第二网格108b位于第一网格108a下方并且被第一网格108a遮挡。第一网格108a的孔112a相对于第二网格108b的孔112b横向偏移。网格108a和108b是能够在图3的***中使用的网格的一个示例，尽管在不脱离本公开的范围的情况下也可以使用其他类型的网格。网格108a和108b可以被配置为使得孔112b横向定位在孔112a之间的大约一半处。网格108a和108b可以具有与结合图5A描述的基本相似的尺寸。
图5D是根据一些实施例的网格108的俯视图。图5D的网格108是具有方形孔112的圆形。图5D的网格是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。与图5D的网格108相关联的尺寸可以类似于结合图5A描述的那些。
图6A是根据一些实施例的工艺室102的内部容积103的俯视图。工艺室102是能够在图1-图4的***中使用的工艺室的一个示例。图6A的俯视图示出了设置在工艺室102的内部容积103内的网格支撑件110。网格支撑件110包括由单独的条、杆或其他类型的固体支撑件构成的框架。图6A没有示出可以存在于工艺室102的内部容积103内的靶材支撑件104和靶材106。在不脱离本公开的范围的情况下，网格支撑件110可以具有其他形状和构造。网格支撑件110可以包括导电材料、电介质材料、陶瓷材料或其他类型的材料。
图6B示出了图6A的工艺室102，其中圆形网格108放置在网格支撑件110上。网格108下方的网格支撑件110的部分以虚线示出。网格108包括多个孔112。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在网格支撑件110上使用具有其他形状和配置的网格108。
图7A是网格108的一部分的放大截面图。图7A的网格108是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。图7A示出了网格108的孔112包括渐缩侧壁150，使得孔112在网格108的远离侧111处具有比在网格108的靠近侧113处更大的尺寸，例如表面面积。替代地，孔112在靠近侧113处可具有比在远离侧111处更大的尺寸，例如表面面积。侧壁150基本上是直的并且倾斜地延伸而不是竖直地延伸。
图7B是网格108的一部分的放大截面图。图7B的网格108是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。图7B示出了网格108的孔112包括弯曲的侧壁150，使得孔112在网格108的远离侧111处具有比在网格108的靠近侧113处更大的尺寸，例如表面面积。替代地，孔112在靠近侧113处可具有比在远离侧111处更大的尺寸，例如表面面积。
图7C是网格108的一部分的放大截面图。图7C的网格108是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。图7C示出了网格108的孔112包括阶梯式侧壁150，使得孔112在网格108的远离侧111处具有比在网格108的靠近侧113处更大的尺寸，例如表面面积。替代地，孔112在靠近侧113处可具有比在远离侧111处更大的尺寸，例如表面面积。侧壁150包括台阶152。
图7D是网格108的一部分的放大截面图。图7D的网格108是能够在图1-图4的***中使用的网格108的一个示例。图7D示出了网格108的孔112包括阶梯式侧壁150。台阶152设置在远离侧111和靠近侧113之间的中间，使得孔112在网格108的远离侧111处具有与在网格108的靠近侧113处相同的尺寸，例如表面面积。在不脱离本公开的范围的情况下，可以将各种其他形状用于孔112。
图8A-图8D是根据一些实施例的处于用于在靶材106上沉积薄膜的PEALD工艺期间的靶材106的简化截面图。图8A-图8D中所示的工艺在靶材106上沉积薄膜的单个原子层或分子层。在一个实施例中，靶材106是碳纳米管的多孔衬底。图8E是包括多个相互缠绕的碳纳米管的靶材106的一部分的放大俯视图。图8A-图8D的工艺在碳纳米管靶材106上沉积单分子氮化硅层。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他靶材和材料。
参考图2和图8A，在图8A中，第一工艺流体从第一流体源118a穿过非工作的等离子体产生室130流入工艺室102的内部容积103。该流体包括多个前体分子156。在一个示例中，前体分子156包括SAM24(C8H22N2Si)。为分子态氮(N2)的载气也可以用于帮助前体分子156流到靶材106上。前体分子156被吸附到碳纳米管靶材106的暴露表面上。如图8B所示，前体分子156在靶材106上形成薄膜的单个分子层160。
在图8B中，吹扫源122a和122b中的一个或两个使吹扫气体流入工艺室102的内部容积103。吹扫气体将剩余的前体分子156和其他副产物经由排气口132排出工艺室102。在一个示例中，吹扫气体包括分子态氮(N2)，尽管还可以使用其他吹扫气体而不背离本公开的范围。
在图8C中，第二工艺流体从第二流体源118b流入等离子体产生室130。电源116向导电线圈124提供电压并且在等离子体产生室130内从第二工艺流体产生等离子体。在一个示例中，第二工艺流体包括H2或N2。第二工艺流体可以以与流动第一工艺流体时使用的温度和压力相似的温度和压力的流速流动。产生等离子体以使氢分子和氮分子电离。结果是等离子体包括氢离子、氮离子以及自由电子。载气也可流入工艺室102以将等离子体粒子140穿过一个或多个网格108运送到靶材106上。载气可以包括氩气或其他类型的载气，并且可以具有80sccm的流速。等离子体粒子可以破坏薄膜层160中的化学键，从而改变薄膜的组成，进而可以沉积另一轮前体并使其***以形成第二层薄膜。在一个示例中，薄膜是氮化硅，尽管也可以使用其他薄膜。因为在工艺室102内使用了一个或多个网格108，等离子体粒子140的能量被降低到不会损坏或破坏靶材106的碳纳米管的水平。
在图8D中，吹扫源122a和122b中的一个或两个使吹扫气体流入工艺室102的内部容积103。吹扫气体将剩余的等离子体粒子140和其他副产物经由排气口132排出工艺室102。在一个示例中，吹扫气体包括分子态氮(N2)，尽管还可以使用其他吹扫气体而不背离本公开的范围。
图8F是在碳纳米管上形成多个氮化硅分子层之后碳纳米管靶材106的俯视图。在一个示例中，执行图8A-图8D所示工艺的20个循环，以形成图8F所示的碳纳米管上的共形氮化硅膜。在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他数量的循环。
虽然图8A-图8F描述了用于在碳纳米管靶材上沉积氮化硅薄膜的工艺，但是根据本公开的实施例，其他类型的薄膜可以沉积在碳纳米管靶材106上或不同类型的靶材106上。
图9是根据一些实施例的用于在靶材上执行薄膜工艺的方法900的流程图。方法900可以使用结合图1-图8F描述的***、组件和工艺。在步骤902，方法900包括在薄膜工艺室内支撑靶材。靶材的一个示例是图1所示的靶材106。工艺室的一个示例是图1所示的工艺室102。在步骤904，方法900包括使工艺流体经由靶材之上的流体入口进入薄膜工艺室。工艺流体的一个示例是图2B所示的等离子体粒子140。流体入口的一个示例是图2A所示的喷头结构126。在步骤906，方法900包括在薄膜工艺室内在流体入口和靶材之间支撑第一网格。第一网格的一个示例是图1所示的网格108。在步骤908，方法900包括使工艺流体流过第一网格108中的第一孔。第一孔的一个示例是图2A所示的孔112。在步骤910，方法900包括在使工艺流体流过第一孔之后，使工艺流体与靶材反应。
图10是根据一些实施例的用于在靶材上执行薄膜工艺的方法1000的流程图。方法1000可以使用结合图1-图9描述的***、组件和工艺。在步骤1002，方法1000包括在工艺室内支撑靶材。靶材的一个示例是图1所示的靶材106。工艺室的一个示例是图1所示的工艺室102。在步骤1004，方法1000包括在靶材与工艺室的流体入口之间支撑网格。网格的一个示例是图1所示的网格108。流体入口的一个示例是图2A所示的喷头结构126。在步骤1006，方法1000包括在等离子体产生器中产生等离子体。等离子体产生器的一个示例是图1所示的等离子体产生器114。在步骤1008，方法1000包括使等离子体经由流体入口进入工艺室。在步骤1010，方法1000包括通过使等离子体流过网格中的孔来降低等离子体的能量。孔的一个示例是图2A所示的孔112。在步骤1012，方法1000包括通过使等离子体与靶材反应来执行薄膜工艺的一部分。
在一些实施例中，一种***，包括：工艺室，包括流体入口，该流体入口被配置为使工艺流体流入工艺室；靶材支撑件，在工艺室内在流体入口下方，并被配置为支撑工艺室内的靶材；以及第一网格，在工艺室内在流体入口和靶材支撑件之间。网格包括远离靶材支撑件的第一侧、靠近靶材支撑件的第二侧、以及在靶材支撑件之上在第一侧和第二侧之间延伸的多个第一孔。
在一些实施例中，一种方法，包括：在薄膜工艺室内支撑靶材；使工艺流体经由靶材之上的流体入口进入薄膜工艺室；以及在薄膜工艺室内在流体入口和靶材之间支撑第一网格。该方法包括使工艺流体流过第一网格中的第一孔，并且在使工艺流体流过第一孔之后，使工艺流体与靶材反应。
在一些实施例中，一种方法，包括：在工艺室内支撑靶材；在靶材与工艺室的流体入口之间支撑网格；以及在等离子体产生器中产生等离子体。该方法包括：使等离子体经由流体入口进入工艺室；通过使等离子体流过网格中的孔来降低等离子体的能量；以及通过使等离子体与靶材反应来执行薄膜工艺的一部分。
本公开的实施例提供了一种等离子体增强原子层沉积(PEALD)工艺***，其可以在敏感靶材衬底上安全地执行PEALD工艺而不损坏靶材衬底。在工艺室内支撑靶材。在工艺室内在靶材之上放置网格。网格包括远离靶材的第一侧、靠近靶材的第二侧以及在第一侧和第二侧之间延伸的多个孔。在PEALD工艺期间，等离子体与靶材发生反应。然而，在等离子体与靶材反应之前，通过使等离子体通过网格的孔，等离子体的能量被降低。
本公开的实施例提供若干有益效果。通过网格降低等离子体能量可防止等离子体损坏靶材衬底。因此，需要报废的衬底或电路更少。此外，电路和器件具有更好的性能，并且薄膜具有更高的质量。
上文概述了若干实施例的特征，以使本领域技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域的技术人员应理解，他们可以容易地使用本公开作为基础来设计或者修改其他工艺和结构以实现与本文介绍的实施例相同的目的和/或达到与本文介绍的实施例相同的优点。本领域技术人员还应当认识到，这些等同构造并不脱离本公开的精神和范围，并且他们可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替代和变更。
可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。如果需要，可以修改实施例的各个方面以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供更进一步的实施例。
根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
示例1是一种用于执行薄膜工艺的***，包括：等离子体辅助薄膜沉积室，包括流体入口，所述流体入口被配置为使工艺流体流入所述等离子体辅助薄膜沉积室；靶材支撑件，所述靶材支撑件在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口下方，并且所述靶材支撑件被配置为支撑所述等离子体辅助薄膜沉积室内的靶材；以及第一网格，所述第一网格在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口和所述靶材支撑件之间，所述第一网格包括：第一侧，所述第一侧远离所述靶材支撑件；第二侧，所述第二侧靠近所述靶材支撑件；以及多个第一孔，所述多个第一孔在所述靶材支撑件之上在所述第一侧和所述第二侧之间延伸。
示例2是示例1所述的***，还包括：等离子体产生器，所述等离子体产生器被配置为从所述工艺流体产生包括等离子体粒子的等离子体，其中，所述第一网格被配置为在所述等离子体粒子与由所述靶材支撑件支撑的靶材反应之前，降低所述等离子体粒子的能量。
示例3是示例2所述的***，还包括：第二网格，所述第二网格在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述第一网格和所述靶材支撑件之间，并且所述第二网格包括：第三侧，所述第三侧远离所述靶材支撑件；第四侧，所述第四侧靠近所述靶材支撑件；以及多个第二孔，所述多个第二孔在所述靶材支撑件之上在所述第三侧和所述第四侧之间延伸。
示例4是示例3所述的***，其中，所述第二孔相对于所述第一孔横向偏移。
示例5是示例4所述的***，其中，所述第二孔相对于所述第一孔横向偏移，使得穿过任一个所述第一孔的垂直线不穿过任一个所述第二孔。
示例6是示例3所述的***，其中，所述第一网格与所述第二网格垂直地分开1mm到10mm之间的距离。
示例7是示例1所述的***，其中，所述流体入口是喷头结构，并且其中，所述第一网格与所述喷头结构分开大于1mm的距离。
示例8是示例1所述的***，其中，所述第一孔在所述第一侧处比在所述第二侧处更宽。
示例9是一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：在薄膜工艺室内支撑靶材；使工艺流体经由所述靶材之上的流体入口进入所述薄膜工艺室；在所述薄膜工艺室内在所述流体入口和所述靶材之间支撑第一网格；使所述工艺流体流过所述第一网格中的第一孔；以及在使所述工艺流体流过所述第一孔之后，使所述工艺流体与所述靶材反应。
示例10是示例9所述的方法，其中，所述工艺流体包括等离子体。
示例11是示例10所述的方法，包括：通过使所述等离子体与所述靶材反应而在所述靶材上执行等离子体增强原子层沉积工艺的一部分。
示例12是示例11所述的方法，其中，所述靶材包括碳纳米管。
示例13是示例12所述的方法，其中，使所述等离子体与所述靶材反应包括：使所述等离子体与所述碳纳米管上的前体材料反应。
示例14是示例10所述的方法，包括：通过使所述等离子体与所述靶材反应而在所述靶材上执行等离子体增强原子层蚀刻工艺的一部分。
示例15是示例10所述的方法，包括：通过使所述等离子体流过所述第一网格中的所述第一孔来降低所述等离子体的能量。
示例16是示例10所述的方法，包括：在所述靶材和所述第一网格之间支撑第二网格；以及在使所述等离子体流过所述第一网格中的所述第一孔之后并且在使所述等离子体与所述靶材反应之前，使所述等离子体流过所述第二网格中的第二孔。
示例17是示例9所述的方法，其中，所述第一孔的宽度在1mm到30mm之间。
示例18是一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：在工艺室内支撑靶材；在所述靶材与所述工艺室的流体入口之间支撑网格；在等离子体产生器中产生等离子体；使所述等离子体经由所述流体入口进入所述工艺室；通过使所述等离子体流过所述网格中的孔来降低所述等离子体的能量；以及通过使所述等离子体与所述靶材反应来执行薄膜工艺的一部分。
示例19是示例18所述的方法，其中，所述孔具有渐缩形侧壁。
示例20是示例18所述的方法，其中，所述网格包括稀土材料。

Claims (10)

1.一种用于执行薄膜工艺的***，包括：
等离子体辅助薄膜沉积室，包括流体入口，所述流体入口被配置为使工艺流体流入所述等离子体辅助薄膜沉积室；
靶材支撑件，所述靶材支撑件在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口下方，并且所述靶材支撑件被配置为支撑所述等离子体辅助薄膜沉积室内的靶材；以及
第一网格，所述第一网格在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述流体入口和所述靶材支撑件之间，所述第一网格包括：
第一侧，所述第一侧远离所述靶材支撑件；
第二侧，所述第二侧靠近所述靶材支撑件；以及
多个第一孔，所述多个第一孔在所述靶材支撑件之上在所述第一侧和所述第二侧之间延伸。
2.根据权利要求1所述的***，还包括：等离子体产生器，所述等离子体产生器被配置为从所述工艺流体产生包括等离子体粒子的等离子体，其中，所述第一网格被配置为在所述等离子体粒子与由所述靶材支撑件支撑的靶材反应之前，降低所述等离子体粒子的能量。
3.根据权利要求2所述的***，还包括：第二网格，所述第二网格在所述等离子体辅助薄膜沉积室内且在所述第一网格和所述靶材支撑件之间，并且所述第二网格包括：
第三侧，所述第三侧远离所述靶材支撑件；
第四侧，所述第四侧靠近所述靶材支撑件；以及
多个第二孔，所述多个第二孔在所述靶材支撑件之上在所述第三侧和所述第四侧之间延伸。
4.根据权利要求3所述的***，其中，所述第二孔相对于所述第一孔横向偏移。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述第二孔相对于所述第一孔横向偏移，使得穿过任一个所述第一孔的垂直线不穿过任一个所述第二孔。
6.根据权利要求3所述的***，其中，所述第一网格与所述第二网格垂直地分开1mm到10mm之间的距离。
7.根据权利要求1所述的***，其中，所述流体入口是喷头结构，并且其中，所述第一网格与所述喷头结构分开大于1mm的距离。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一孔在所述第一侧处比在所述第二侧处更宽。
9.一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：
在薄膜工艺室内支撑靶材；
使工艺流体经由所述靶材之上的流体入口进入所述薄膜工艺室；
在所述薄膜工艺室内在所述流体入口和所述靶材之间支撑第一网格；
使所述工艺流体流过所述第一网格中的第一孔；以及
在使所述工艺流体流过所述第一孔之后，使所述工艺流体与所述靶材反应。
10.一种用于执行薄膜工艺的方法，包括：
在工艺室内支撑靶材；
在所述靶材与所述工艺室的流体入口之间支撑网格；
在等离子体产生器中产生等离子体；
使所述等离子体经由所述流体入口进入所述工艺室；
通过使所述等离子体流过所述网格中的孔来降低所述等离子体的能量；以及
通过使所述等离子体与所述靶材反应来执行薄膜工艺的一部分。
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