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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Halbleiterherstellung
und im Speziellen auf die Ablagerung einer Metallschicht, wie Kupfer,
in einem System für
Gasphasenabscheidung (CVD), unter Verwendung eines Flüssigprecursors.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
der Bildung integrierter Schaltkreise (ICs) ist es oft notwendig
dünne Materiallagen
oder Filme, wie Filme, die Metall und metallische Elemente enthalten,
auf der Oberfläche
eines Substrats, wie ein Halbleiterwafer abzulagern. Ein Zweck solcher dünnen Filme
ist, leitende und galvanische Kontakte für die ICs zu schaffen und leitende
Schichten oder Grenzschichten zwischen die verschiedenen Einheiten
eines ICs zu bringen. Beispielsweise könnte ein gewünschter
Film auf die exponierte Oberfläche
eines Kontaktlochs aufgebracht werden, das in einer Isolationsschicht
eines Substrats ausgebildet ist, wobei sich der Film durch die Isolationsschicht
erstreckt, um Stecker leitender Materialien zum Zwecke der Herstellung
elektrischer Verbindungen durch die Isolationsschicht hindurch bereitzustellen.
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Ein
gut bekannter Prozess zum Auftragen solcher Filme ist die Gasphasenabscheidung
(CVD), bei der ein Film auf ein Substrat aufgetragen wird, chemische
Reaktionen zwischen verschiedenen Bestandteilen oder Reaktionsgasen
ausgenutzt werden, auf die grundsätzlich als Prozessgase Bezug genommen
wird. In einem CVD-Prozess werden Reaktionsgase in einen Arbeitsraum
einer Reaktionskammer gepumpt, die ein Substrat beinhaltet. Die Gase
reagieren in dem Arbeitsraum in der Nähe einer Oberfläche des
Substrats, was zu der Ablagerung eines Films eines oder mehrere
Reaktions-Nebenprodukte auf der Oberfläche führt. Andere Reaktions-Nebenprodukte,
die nicht zu dem gewünschten Film
auf den exponierten Substratoberflächen beitragen, werden dann
abgepumpt oder durch ein Vakuumsystem abgesogen, das mit der Reaktionskammer
gekoppelt ist.
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Eine
Variation des CVD-Prozesses, die auch bei der IC-Herstellung viel
verwendet wird, besteht in einem plasmaunterstützten CVD-Prozess oder PECVD-Prozess bei dem ein
oder mehrere Reaktionsprozessgase in ein Gasplasma ionisiert werden, um
Energie für
den Reaktionsprozess bereit zu stellen. PECVD ist wünschenswert
zum Senken der Prozesstemperaturen des Substrats und zum Reduzieren
der Menge thermischer Energie, die normalerweise notwendig ist für eine korrekte
Reaktion einer Standard-CVD. Bei der PECVD wird RF-elektrische Energie
zu dem Prozessgas, oder den -gasen geliefert, um das Plasma zu bilden
und aufrecht zu erhalten und deshalb wird weniger thermische Energie
für die
Reaktion benötigt.
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Die
Ausmaße
von den IC-Bausteinen, die durch solche Filmablagertechniken gebildet
wurden, sind immer kleiner geworden, während die Dichte solcher Bausteine
auf den hergestellten Substratscheiben (-Wafers) sich verringert.
Insbesondere IC-Bausteine mit körperlichen
Merkmalen, die in ihrem Ausmaß im
Submikronbereich sind, werden immer häufiger. Darüber hinaus hat die Halbleiterindustrie
immer mehr gewünscht,
dass solche kleinen IC-Bauteile Verbindungen haben, die hochgradig
leitend sind. Wohingegen Aluminiumlegierungen und Wolfram traditionell
für leitende
Verbindungen innerhalb von IC-Bauteilen verwendet wurden, wurde Kupfer üblich für solche
Verbindungen innerhalb von Submikronbauteilen. Es wurde herausgefunden, dass
IC-Bauteile, die Kupferverbindungen statt Aluminium- oder Wolframverbindungen
einsetzten, größere Haltbarkeit
und Geschwindigkeit zeigen.
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Für chemische
Gasphasenabscheidung von Kupfer ist es üblich geworden, einen flüssigen kupferbeinhaltenden
Precursor einzusetzen, der in dem Fachgebiet als ein (hfac) Cu-
(TMVS) Precursor bezeichnet wird. Wie in dem Fachgebiet gut bekannt
ist, beinhaltet solch ein Precursor, in flüssiger Form, einen hexaflouracetylacetonat
(HFAC) organisch chemischen Ligand, der mit einem Trimethylvinylsilan (TMVS)
kombiniert wird. Der flüssige
Kupfer-Precursor muss dann vor dem Zuführen in eine CVD-Arbeitskammer
als ein Prozessgas verdampft werden. Auf die Verwendung solcher
Metall-Precursoren mit organischen, molekularen Ligands wird allgemein Bezug
genommen als metallorganische chemische Gasphasenabschaltung oder
MOCVD.
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Prozesssysteme,
die zur Zeit für
MOCVD für Kupfer
erhältlich
sind, haben etliche spezielle Nachteile. Zunächst ist zu nennen, dass während einige Systeme
darauf beruhen, den Precursor in den gasförmigen Zustand zu sprudeln
oder zu verdampfen, beruhen andere Systeme auf der Verwendung kommerziell
erhältlicher
Systeme direkter Flüssigkeitseinspritzung
(DLI) zum Zuführen
des MOCVD-Kupfer-Precursors
in den Arbeitsraum. Ein solches DLI-System ist das DLI-25B, das
von MKS Instruments of Andover, Massachusetts erhältlich ist. DLI-Systeme
verwenden Flüssigkeit
von einem Reservoir oder einer Ampulle und erhitzen die Flüssigkeit
dann in der Zuführleitung,
während
sie zu einer Arbeitskammer strömt.
Pumpen und Strömungssteuerungen
werden verwendet, um den Flüssigkeitsstrom
zu steuern. Solche DLI-Systeme sind im allgemeinen nicht speziell
für die
Einführung
von MOCVD-Kupfer-Precursoren entwickelt. Tatsächlich wurden die meisten solcher
DLI-Systeme zum Zuführen
von Wasserdampf in eine Arbeitskammer entwickelt. Als Folge davon
führen
Prozesssysteme, die kommerziell erhältliche DLI-Systeme verwenden,
oft zu Kupferkondensationen oder sogar -ablagerungen in den jeweiligen
Leitungen und Flusssteuerkomponenten des DLI-Systems, die das Einführen des
gasförmigen
Precursors in eine Arbeitskammer behindern. Beispielsweise kann
Kondensation in der Leitung nach dem Punkt auftreten, an dem der
Precursor verdampft wird, aber vor der Arbeitskammer. Zusätzlich zu
der ineffizienten Zuführung
des gasförmigen
Precursors kann eine Partikelgenerierung in dem DLI-System entstehen,
was ein bearbeitetes Substrat kontaminieren kann. Ablagerung in
dem DLI-System, die durch Partikelgenerierung begleitet wird, wird
schließlich
das DLI-System verstopfen und es unbrauchbar machen, bis es auseinander
gebaut und gereinigt werden kann. Wie verstanden werden wird, sind
solche Faktoren unerwünscht
in einem Prozesssystem, da sie die Effizienz und den Durchsatz des
Prozesssystems verringern und zusätzliche Wartung benötigen.
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Ein
anderer Nachteil von Kupfer-MOCVD-Systemen, als auch anderer CVD-Systeme, die eingebaut
sind in einem größeren Multikammerprozesswerkzeug,
ist das Unvermögen,
die Transmission von Nebenprodukten der CVD-Reaktion von der CVD-Arbeitskammer
zu einem Substrat-Handhabungsgerät
zu steuern, das mit den vielen Arbeitskammern des Prozesswerkzeugs
zusammen wirkt. Das Unvermögen
den Nebenproduktfluss in das Handhabungsgerät zu steuern, verhindert oft
die Verwendung einer Kupfer-MOCVD-Kammer in Kombination in dem gleichen
Prozesswerkzeug mit einer Kammer für die Abscheidung aus einer Dampfphase (PVD),
weil solche PVD-Prozesse sehr sensible auf Kontamination der Umgebung
reagieren, die durch die Nebenprodukte der CVD-Reaktion gebildet
wird. Für
die Kupferablagerung bildet solche Querkontamination einen signifikanten
Nachteil, weil eine der effektivsten Diffusionsbarrieren für Kupfer
Tantalnitrid (TaN) ist, das durch ein PVD-Verfahren abgelagert wird.
Zur Zeit kann TaN nicht wirksam durch CVD-Techniken abgelagert werden.
Entsprechend kann eine PVD-TaN Arbeitskammer und Methodik nicht
wirksam mit einer MOCVD-Cu Arbeitskammer in einem einzigen Prozesswerkzeug
integriert werden, außer
wenn die kontaminierenden Reaktionsnebenprodukte aus der MOCVD-Kammer
davon abgehalten werden können,
in die PVD-Kammer einzudringen.
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Noch
ein weiterer Nachteil bei derzeitigen Kupfer-MOCVD-Prozesssystemen
resultiert aus der Tatsache, dass solche Systeme die Ablagerung
von Kupfer bis an die äußere Kante
des Substrats ermöglichen.
Im Allgemeinen wird sich die Barriereschicht (z. B. TaN), die unterhalb
der Kupferschicht auf das Substrat aufgetragen ist, die wie oben
besprochen durch ein PVD-Verfahren aufgetragen wurde, nicht bis
zur Kante des Wafers erstreckt. Deshalb wird ein Bereich der Kupferschicht,
der sich um die äußere Substratkante
erstreckt, nicht vollständig
auf eine Barriereschicht aufgetragen sein. Als Folge kann das Kupfer
an der Kante des Substrats frei in das Siliziumwafer diffundieren,
was die Arbeitsweise der IC-Bauteile beeinflussen kann, die auf
dem Substrat gebildet werden.
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Dementsprechend
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, MOCVD-Ablagerungstechniken
im Allgemeinen und Cu-MOCVD Ablagerungstechniken im Speziellen zu
verbessern, und somit ein Prozesssystem zu präsentieren, das sich auf die oben
diskutierten Nachteile derzeitiger Systeme richtet.
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Insbesondere
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen gasförmigen Kupfer-Precursor gleichmäßig in eine
Arbeitskammer einzuführen,
und dabei die Partikelentstehung solcher Precursor-Einführung zu reduzieren
und das Verstopfen, das im Zusammenhang mit Precursor-Einführsystemen
gemäß dem Stande
der Technik zusammenhängt,
zu reduzieren.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Querkontamination
zwischen benachbarten Prozesssystemen zu reduzieren, die notwendig sind
für die vielfältigen Schritte,
die mit der IC-Herstellung aus einem Substratwafer zusammenhängen.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ablagerung
von Kupfer auf Bereichen auf dem Substrat zu verhindern, welche nicht
ausreichend mit einer Diffusionsbarriereschicht bedeckt sind, um
somit das Diffundieren von Kupfer in ein Siliziumsubstrat zu verhindern.
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Die
U.S. 5505781 offenbart eine Vorrichtung für eine hydrophobische Behandlung
eines Halbleiterwafers. In einer Ausführungsform wird HMDS-Flüssigkeit über eine
Düse einer
beheizten Wanne zugeführt.
Das verdampfte Gas fließt
dann durch eine offene Platte zum Wafer.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung (wird vorgeschlagen), ein System zum
Auftragen einer Schicht auf ein Substrat durch einen CVD-Prozess,
wobei das System umfasst: eine Arbeitskammer mit einem Arbeitsraum
darin zum Aufnehmen und Bearbeiten eines Substrats, ein Verdampfelement,
das dazu betreibbar ist, auf eine Temperatur erhitzt zu werden,
die geeignet ist einen Flüssigprecursor
in ein Prozessgas zum Zuführen
in den Arbeitsraum zu verdampfen, eine Düse, die gegenüber von
dem Verdampfelement angeordnet und mit einer Flüssigprecursorversorgung verbindbar
ist, wobei die Düse
dazu betreibbar ist, den Flüssigprecursor
zu Atomisieren und zu Leiten, um direkt auf das Verdampferelement
zu treffen, so dass der Precursor in das Prozessgas verdampft werden
kann, ein Gasverteilelement zum Verteilen des gebildeten Prozessgases
in der Nähe
der Substrats, wobei das Gasverteilelement so von dem Verdampfelement
beabstandet ist, dass der Precursor überwiegend in ein Prozessgas
durch das Verdampferelement verdampft werden kann bevor er verteilt
wird, wobei das Gas in der Nähe
des Substrats reagiert, um darauf eine Schicht abzulagern, dadurch
gekennzeichnet, dass das System zum Auftragen einer Metallschicht
vorgesehen ist und der Precursor metallenthaltend ausgebildet ist;
dass das Verdampfelement in einem Verdampfraum der Kammer an den
Arbeitsraum angrenzend angeordnet ist und dass das Gasverteilelement
ein Dampfverteilungsring ist, der zwischen dem Verdampfungsraum
und dem Arbeitsraum angeordnet ist.
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Bevorzugt
beinhaltet der Precursor Kupfer, und das erfinderische System kann
dazu verwendet werden, eine Schicht Kupfer auf einem Substrat abzulagern.
Die Versorgung für
den Precursor, Leitungen zum Zuführen
der Flüssigkeit
zur Arbeitskammer und das Verdampferelement werden bei Raumtemperatur
gehalten, um Verdampfung, Kondensation und möglicherweise Ablagerung in
dem Zuführsystem
zu verhindern.
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Das
Prozessgas wird in den Arbeitsraum in der Nähe des Substrats verteilt.
Ein Gasverteilelement ist zwischen dem Verdampfraum und dem Arbeitsraum
angeordnet, um das Gas zu verteilen. In einer Ausführungsform
der Erfindung kann ein gasverteilender Duschkopf (showerhead) zusammen
mit dem Dampfverteilerring eingesetzt werden, um eine gleichmäßige Verteilung
verdampften Prozessgases in den Arbeitsraum zu schaffen.
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Die
Düse wird
mit der Versorgung flüssigen Precursors
durch ein Ventil gekoppelt, das durch ein Flüssigkeitsmassenstrommesser
gesteuert werden kann, das das Ventil steuert, um den gewünschten Flüssigprecursorfluss
dem Verdampfelement zuzuführen,
um einen gewünschten
Prozessgasdruck in der Arbeitskammer zu erreichen. Alternativ kann
eine steuerbare Pumpe zwischen der Precursorversorgung und dem Ventil
eingesetzt werden zum Zuführen
des gesteuerten Precursorflusses zu der Düse und dem Verdampferelement.
Bevorzugt werden alle Komponenten in den Precursorzuführsystem,
einschließlich
der Versorgung, des Ventils, der Düse und den Flusssteuerkomponenten,
wie der Flussmesser oder die Pumpe, bei der Raumtemperatur gehalten. Dadurch
wird der flüssige
Precursor nur in den Verdampfungsraum der Arbeitskammer in der Nähe des Verdampferelementes
und in der Nähe
des Arbeitsraums verdampft. Somit wird Ablagerung in dem Flüssigprecursorzuführsystem
vor der Verdampfung der Flüssigkeit
in dem Verdampferraum verhindert und anschließendes Verstopfen des Zuflusssystems wird
reduziert. Darüber
hinaus, da der Precursor bis zum Verdampfungsraum innerhalb der
Arbeitskammer nicht verdampft wird, hat der Precursor nicht die Möglichkeit,
zu verdampfen und anschießend
zu kondensieren und weiter den gleichmäßigen Fluss des Precursors
in die Arbeitskammer zu unterbrechen.
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Entsprechend
eines anderen Merkmals der vorliegenden Erfindung beinhaltet das
System ein Temperatursteuersystem, das funktionell mit Heizelementen
in der Arbeitskammer gekoppelt ist, und das auch funktionell mit
dem Verdampferelement gekoppelt ist. Das Temperatursteuersystem
heizt das Verdampferele ment und das Heizelement der Arbeitskammer
unterschiedlich, so dass das Verdampferelement bei einer anderen
Temperatur als das Heizelement der Arbeitskammer und die Kammerwände gehalten
wird. Genauer gesagt behält
das Temperatursteuersystem das Verdampferelement auf einer gewünschten
Verdampfungstemperatur, wie z. B. 60°C für einen Kupferprecursor, um
eine korrekte Verdampfung des Precursors sicher zu stellen und Kondensation
in dem Verdampfungsraum zu reduzieren. Das Heizelement der Kammer
wird bei einer Temperatur gehalten, die geeignet ist die inneren
Wände der
Kammer über
die Verdampfungstemperatur des Verdampferelements zu heizen, um
Kondensation des flüssigen
Precursors in der Arbeitskammer zu verhindern, und gerade unter
einen oberen Temperaturbereich zu heizen, um Ablagerung an den Kammerwänden zu
verhindern. Bei Verwendung eines Kupferprecursors ist das Temperatursteuersystem dazu
eingerichtet, die Temperatur der Kammerwände ungefähr in dem Bereich von 60–90°C zu halten,
was gleichzeitig sowohl Kondensation des verdampften Precursors
in den Arbeitsraum verringert und auch Ablagerung an den Kammerwänden in
dem Arbeitsraum reduziert.
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Entsprechend
eines anderen Merkmals der vorliegenden Erfindung umfasst das System
einen Randausschlussring, der in dem Arbeitsraum angeordnet ist
und dazu ausgebildet ist, den äußeren Rand
eines Substrats zuumgeben, das in einem Arbeitsraum angeordnet ist.
Der Randausschlussring ist bevorzugt aus einem elektrisch isolierenden
Material geformt und verhindert die Ablagerung an dem äußeren Rand
des Substrats. Der Ring kann auch aus Metall oder einem mit einer
Isolation beschichteten Metall bestehen. Der Randausschlussring überlappt
den äußeren Rand
des Substrats und bildet einen schmalen Zwischenraum zwischen dem
Ring und dem Substratrand. In einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet
der Ring einen Gasdurchgang, der mit einer Versorgung eines Inertgases
wie Argon gekoppelt ist. Der Durchgang ist dazu ausgebildet, Gas
nach innen in den Ring und gegen den äußeren Rand des Substrats in
dem schmalen Zwischenraum zwischen dem Ring und Substratrand zu
leiten. Hierdurch behält
das Inertgas den Zwischenraum zwischen dem Ring und Substratrand
frei von Prozessgas und verhindert somit Ablagerung an dem äußeren Rand
des Substrats.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann der Gasdurchgang innerhalb eines Trägers, auf dem das Substrat
ruht, und in der Nähe
des äußeren peripheren Randes
des Trägers
ausgebildet sein. Der Inertgasstrom würde dann aufwärts blasen
und um den Rand des Substrats und durch die Öffnung zwischen dem Substratrand
und dem Randausschlussring, um Prozessgas in dem Raum zu reduzieren
und dadurch Ablagerung auf dem peripheren Rand des Substrats zu
verhindern.
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Zum
Verhindern von Querkontaminierung zwischen mehrfachen Arbeitskammern
in einem Mehrfachkammerprozesswerkzeug setzt das erfindungsgemäße System
bevorzugt eine Pufferkammer ein, die darin einen Pufferraum ausbildet
und unterhalb der Arbeitskammer positioniert ist. Ein Durchgang
ist zwischen der Arbeits- und Pufferkammer ausgebildet zum Bewegen
eines Substrats auf dem Substratträger zwischen einer Arbeitsposition
in der Arbeitskammer und einer Pufferposition in der Pufferkammer.
Ein Dichtungsmechanismus greift in den Durchgang ein und ist dazu
verwendbar den Durchgang abzudichten und den Arbeitsraum von dem
Pufferraum zu isolieren, wenn der Substratträger in der Pufferposition ist.
Ein Pumpsystem ist mit der Pufferkammer gekoppelt, um den Pufferraum
von Kontaminationen zu entleeren, die von da aus und in andere Arbeitskammern
durch eine allgemeine Transferkammer entweichen können. Die
Pufferkammer setzt Kühlplatten
bzw. kryogenische Platten ein, die an benachbarten Wänden der
Pufferkammer angeordnet sind, die zum Anziehen und dadurch Pumpen
von Gas von der Pufferkammer verwendbar sind, um Kontaminationen
darin zu reduzieren. Die Kühlplatten
sind alternativ gekoppelt mit einer Kühlmittelquelle oder einem Ausdehnkopf
zum schnellen Kühlen der
Platten um das Gaspumpen zu bewirken. Vorzugsweise ist ein Messsystem
in der Pufferkammer enthalten, um unerwünschte Gase zu erfassen, die zu
entfernen sind, um das Eindringen in die Pufferkammer durch eine
Transferkammer zu verhindern, bis die Pufferkammer ausreichend von
Gaskontaminationen evakuiert wurde. Hierdurch kann das erfindungsgemäße System
in einem Mehrfachkammerprozesswerkzeug eingesetzt werden zusammen
mit anderen kontaminierungssensitiven Arbeitskammern, wie z. B.
eine PVD-Kammer.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfinden werden durch die
folgende detaillierte Beschreibung schneller erkennbar werden.
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Kurze Beschreibung der
Figuren:
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind
und einen Teil davon bilden, beschreiben Ausführungsformen der Erfindung und
dienen zusammen mit einer allgemeinen Beschreibung der Erfindung,
die unten gegeben ist, dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
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1 ist
eine Seitenquerschnittsansicht einer Arbeitskammer entsprechend
der Prinzipien der vorliegenden Erfindung, die ein Substrat in der
Arbeitsposition zeigt;
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1A ist
eine Seitenansicht eines Dampfverteilungsrings entsprechend der
Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Querschnittsansicht entsprechend 1, die das
Substrat in einer Pufferposition zeigt;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Arbeitskammer
der Erfindung;
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4 ist
ein vergrößerter Ausschnitt
der 3, der den Randausschlussring zeigt.
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Detaillierte Beschreibung:
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1 stellt
ein System 10 entsprechend der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung dar, das verwendet werden kann, um eine Metalllage auf
ein Substrat abzulagern, das einen flüssigen metallenthaltenen Precursor
verwendet, der in ein Gas verdampf ist und dann in einem Gasphasenabscheidungsprozess
eingesetzt wird. Das System 10 ist insbesondere nützlich zum
Ablagern einer Lage Kupfer auf ein Substrat unter der Verwendung
eines kupferenthaltenden flüssigen
Precursors und eines MOCVD-Prozesses. In soweit beinhaltet das System 10 ein
Gehäuse 11,
in dem eine Arbeitskammer 12 ausgebildet ist, die einen
Arbeitsraum 14 darin zum Aufnehmen und Bearbeiten eines
Substrats 16 beinhaltet. Das Gehäuse 11 ist aus einem
geeigneten Metall wie beispielsweise rostfreier Stahl gebildet. Ein
Prozessgas oder -gase werden in dem Arbeitsraum 14 zuge führt zur
chemischen Gasphasenabscheidung einer Lage und insbesondere einer
Metalllage auf ein Substrat 16. Das Gehäuse 11 beinhaltet einen
Deckel 18 mit einer geeigneten Dichtung 19 zum
Dichten des Gehäuses
und der Arbeitskammer 12 und des Arbeitsraumes 14.
Unterhalb der Arbeitskammer 12 ist eine Pufferkammer 20 angeordnet,
die einen Pufferraum 22 darin ausbildet (siehe 2). Wie
in den Figuren dargestellt, kann die Arbeitskammer 12 und
Pufferkammer 20 aus einem einzigen Gehäuse 11 gebildet sein,
oder alternativ können
separate Kammern angemessen miteinander in einer abgedichteten Art
gekoppelt werden, so dass ein Vakuum in den Kammern aufrecht erhalten
werden kann. Der Pufferraum 22 ist mit dem Arbeitsraum 14 durch
einen Durchgang 26 gekoppelt, der in dem Gehäuse 11 zwischen
der Pufferkammer und der Arbeitskammer ausgebildet ist. Der Durchgang 26 ist
so ausgebildet und dimensioniert, dass das Substrat 16 zwischen
dem Pufferraum 22 und dem Arbeitsraum 14 bewegt
werden kann. In 1 ist das Substrat 14 in
dem Arbeitsraum 16 gezeigt, während in 2 der Substratraum
in dem Pufferraum 22 gezeigt ist.
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Zum
Bewegen des Substrats 16 zwischen dem Arbeitsraum und Pufferraum
ist ein bewegbarer Substratträger 30,
wie beispielsweise ein Susceptor zum vertikalen Bewegen zwischen
den in den 1 und 2 gezeigten
Positionen eingerichtet. Hierin wird auf die in der 2 dargestellte
Position, wobei das Substrat 16 in dem Pufferraum 22 ist,
als die „erste
Position" oder „Pufferposition" Bezug genommen. Wenn
der Substratträger 30 in
die Position in 1 bewegt wurde, ist es in der „zweiten
Position" oder „Arbeitsposition". Hierdurch kann
das Substrat 16 zum Bearbeiten in die Arbeitsposition bewegt
werden und in die Pufferposition zum Puffern, um Querkontamination
innerhalb eines Mehrkammersystems zu verhindern, das mehrere Arbeitskammern
verwendet, wie nachfolgend diskutiert wird.
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Der
Substratträger
oder der Susceptor 30 beinhalten ein Heizelement 32,
das in den Figuren in den Susceptor eingebettet gezeigt ist. Das
Heizelement 32 ist mit einem Temperatursteuersystem 34 gekoppelt,
zum Heizen des Susceptors 30 und somit zum Heizen des Substrats 16 während des
Ablagerungsprozesses, wie aus der CVD-Technik gut bekannt ist. Die
Plattform 30 beinhaltet einen geeigneten Verfahrmechanismus 36,
wie beispielsweise eine bewegliche Achse zum mechanischen Bewegen
des Substratträgers
zwischen den Arbeits- und Pufferpositionen. Der Mechanismus 36 ist
in den Figuren als eine Achse darge stellt, kann aber jeder geeigneter Mechanismus
sein, der im Stande der Technik zum vertikalen oder horizontalen
Bewegen eines Substratträgers
oder eines Substratsusceptors bekannt ist. Der Mechanismus 36 wird
geeignet abgedichtet sein, wie beispielsweise mit Balgen 39,
so dass ein Vakuum in die Arbeits- und Pufferräume entsprechend eines CVD-Prozesses
eingebracht werden kann.
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Der
Arbeitsraum 14 ist über
den Durchgang 40 in dem Gehäuse 11 mit einer Vakuumpumpe 42 zum
Erzeugen eines Vakuums in dem Arbeitsraum gekoppelt. Zum Einbringen
eines Substrats in den Pufferraum 22 beinhaltet das Gehäuse 11 einen
geeignet geformten Durchgang 44, der mit dem Pufferraum 22 kommuniziert
und durch den ein Substrat von einer Transferkammer 46 unter
Verwendung einer geeignet Substrattransportvorrichtung (nicht gezeigt)
bewegt werden kann. Beispielsweise kann das System 10 mit
einer Mehrzahl anderer Prozesssysteme (nicht dargestellt) innerhalb
eines Mehrkammerprozesswerkzeugs über die Verbindungsstelle einer allgemeinen
Transferkammer 46 gekoppelt sein. Ein solches Prozesswerkzeug
kann ein Verdunklungssystem (Eclipse System) sein, das in der Vergangenheit
durch Materials Research Corporation verkauft wurde (es wird nun
durch Tokyo Electron Arizoner, Inc. verkauft). Ein Isolationsventil 28 ist
zwischen der Transferkammer 46 und der Pufferkammer 20 angeordnet
zum Isolieren der Transferkammer 26 von dem Pufferraum 22 und
dem Arbeitsraum 14, um Querkontamination zwischen dem System 10 und jedweder
anderer Prozesssysteme zu reduzieren, die mit dem System 10 über eine
allgemeine Transferkammer 46 gekoppelt sind.
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Zum
Schaffen weiterer Isolation zwischen der Arbeitskammer 12 und
der Transferkammer 46 ist ein Dichtungsmechanismus 50 in
der Nähe
des Durchgangs 26 angeordnet und ist mit dem Durchgang 26 gekoppelt,
um den Durchgang zu öffnen
und zu schließen
und selektiv die Pufferkammer 20 von der Arbeitskammer 12 zu
isolieren. Beispielsweise ist ein geeigneter Abdichtungsmechanismus 50 ein Schieberventil,
wie in den Figuren gezeigt ist. Der Abdichtungsmechanismus bewegt
sich durch einen geeignet geformten Durchgang 51 in dem
Gehäuse 11 und
bewegt sich translatorisch in die Richtung des Pfeils 53.
Entsprechend ist der Schieber 50 mit einem geeigneten translatorischen
Mechanismus (nicht gezeigt) gekoppelt. Zum Bearbeiten wird der Schieber 50 in
die geöffnete
Position bewegt, wie in der 1 gezeigt
ist. Nachdem das Substrat bearbeitet und aus der Arbeitskammer entfernt
wurde, wird das Schieberventil geschlossen (2). Die
Pufferkammer kann dann von Kontaminationen unter Verwendung einer
geeigneten Vakuumpumpe 52 entleert werden. Die Schieberanordnung 50 wird
geschlossen, um auch den Durchgang 26 abzudichten, jedesmal
wenn das Isolationsventil 28 geöffnet ist, so dass dann, wenn
das Substrat 16 zwischen der Transferkammer 46 und
der Pufferkammer 20 übergehen wird,
die Arbeitskammer 12 von der Pufferkammer 20 abgedichtet
wird.
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Dadurch
wird die Pufferkammer 20 entweder mit der Arbeitskammer 12 oder
mit der Transferkammer 46 eine Verbindung haben, jedoch
nicht mit beiden zur gleichen Zeit. Wenn das Substrat 16 durch den
Substratträger 30 zum
Arbeitsraum 14 bewegt wird, ist das Isolationsventil 28 geschlossen
und die Schieberventilanordnung 50 ist wieder geöffnet, um einen
Zugriff auf den Arbeitsraum 14 zu schaffen. Das Schieberventil 50 beinhaltet
eine geeignete Dichtungsstruktur 55, die gegen eine Seitenwand des
Gehäuses 11 abdichtet,
und geeignet ist eine Dichtung zwischen dem Pufferraum 22 und
dem Arbeitsraum 14 darzustellen. Wenn der Substratträger 30 in
die Arbeitsposition bewegt wird, wie in 1 dargestellt
ist, bildet ein äußerer Rand 60 des
Susceptors 30 eine geeignete Dichtung mit einem äußeren Ansatz 62,
der in dem Gehäuse 11 ausgebildet ist,
zwischen den Arbeits- und Pufferräumen. Dadurch kann der Arbeitsraum 14 abgedichtet
und geeignet auf den nötigen
Vakuumdruck für
einen CVD-Prozess gebracht werden. Entsprechend eines Prinzips der
vorliegenden Erfindung beinhaltet die Pufferkammer 20 eine
Vielfalt anderer Pumpmechanismen, die dazu eingesetzt werden können, den Pufferraum 22 ausreichend
zu entleeren, um jegliche Querkontaminationen mit anderen Prozesssystemen oder
Kammern zu verhindern, die mit einer gemeinsamen Transferkammer 46 gekoppelt
sind, wie nachfolgend diskutiert wird. Weitere Details, die sich
auf die Pufferkammerkonstruktion und die Integration einer CVD-Arbeitskammer
in einem Mehrkammersystem beziehen, sind offenbart in der US-Anmeldung, Seriennummer
09/190,870, die am 12. November 1998 eingereicht wurde und den Titel
trägt „Buffer Chamber
and Method for Integrating Physical and Chemical Vapor Deposition
Chambers Together in a Processing System", und wobei diese Anmeldung hierin durch
Bezugname in ihrer Gesamtheit enthalten ist.
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Das
System 10 der vorliegenden Erfindung ist dazu eingerichtet,
eine Metallschicht auf ein Substrat abzulagern unter Verwendung
eines flüssigen metallenthaltenden
Precursors. Insbesondere ist das erfinderische System 10 darauf
ge richtet, eine Schicht Kupfer auf ein Substrat abzulagern, unter Verwendung
eines flüssigen
kupferenthaltenden Precursors. Wie gesagt haben Kupferlagen bei
der IC-Fertigung eine breite Popularität bei der Industrie wegen ihrer
leitenden Eigenschaften erreicht. Weiterhin haben für die Ablagerung
solcher Kupferlagen flüssige
Presursoren eine einigermaßen
weit verteilte Benutzung erreicht. Solche Precursoren sind organo-metallische
Flüssigkeiten,
und der Prozess für
die Lagenabscheidung wird bezeichnet als metallorganische Gasphasenabscheidung
oder MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Ein solcher kupferorgano-metallischer
Flüssigprecursor
wird bezeichnet als (hfac) Cu (TMVS). Der Precursor verwendet Hexafluoroacetylacetonate
(hfac), welches ein organischer Ligand ist, der sich an Kupfer anlagert.
Das TMVS oder Trimethylvinylsilane wird verwendet, um das kupferorganische
Molekül
zu stabilisieren, wenn der Precursor entweder, unter moderaten Temperaturbedingungen
(das ist weniger als 130°C)
eine Flüssigkeit
oder ein Gas ist. Unter CVD-Bedingungen bei höheren Substrattemperaturen
(größer als
130°C) trennt
sich TMVS von dem Kupfermolekühl,
was dann ein Kupfermetall und ein Nebenprodukt in einem sehr sauberen
Metallisierungsprozess ergibt. Der Prozess benötigt keine zusätzlichen
reaktiven Lösungsmittel
(Agents) oder Prozessgase, um die Ablagerung zu bewirken. Im Allgemeinen
wird eine solche Anlagerung auf Leitern bewirkt und weniger auf
Isolatoren, so dass eine selektive Ablagerung genutzt werden kann.
Beim Ablagern solcher Kupferlagen wird ein Barrierefilm (nicht dargestellt),
wie beispielsweise Tantal, Titannitrid oder Wolfram zwischen der
Kupferlage und dem Siliziumsubstrat 16 verwendet.
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Das
System 10 verwendet eine Zuführung oder Ampulle 70 eines
flüssigen,
metallenthaltenden Precursors. In einer bevorzugten Ausführungsform ist
der Precursor ein kupferenthaltender Precursor, wie beispielsweise
(hfac) Cu (TMVS). Einer solcher geeigneten Precursoren ist CupraSelect,
der von Schumacher, Carlsbad, California erhältlich ist. Die Versorgung 70 ist über ein
Ventil 72 mit einer Düse 74 gekoppelt.
Die Düse 74 erstreckt
sich in eine geeignet ausgebildete Öffnung 75 in dem Gehäuse 11 um den
Precursor von der Versorgung 70 in einen Verdampfungsraum 76 neben
dem Arbeitsraum 14 einzuführen. Der Verdampfungsraum 76 wird
durch einen Kanal innerhalb des Gehäuses 24 gebildet,
der sich um den Arbeitsraum 14 und einigermaßen peripher
dazu erstreckt, wie in den 1 und 2 gezeigt
ist. Wie in den Figuren dargestellt ist, erstreckt sich der Verdampfungsraum 76 um
die Kammer oberhalb des Arbeitsraumes 14 und außerhalb
des Gasdispersionselements 78 und 80. Wie weiter
unten diskutiert wird, dispergieren die Gasdispersionselemente 78, 80 das
Gas, das aus dem flüssigen
Precursor gebildet ist, in den Arbeitsraum 14 für den Ablagerungsprozess.
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In
dem Raum 76 angeordnet ist ein Verdampferelement 82,
das dazu betreibbar ist, auf eine Temperatur erhitzt zu werden,
die ausreichend ist den Flüssigprecursor
in ein Gas zum Zuliefern zum Arbeitsraum zu verdampfen. Ein geeignetes
Verdampferelement ist eine Metallverdampferplatte, die aus einem
leitfähigen
Metall wie Aluminium gebildet ist, und die auf eine gesteuerte Temperatur
erhitzt werden kann. Die Verdampferplatte ist mit einem Temperatursteuersystem 34 zum
selektiven Erhitzen der Platte verbunden. Die Düse 74 ist dazu eingerichtet,
dazu betreibbar zu sein, den flüssigen
Precursor zu atomisieren, wenn er von der Versorgung 70 dort hindurch
geführt
wird. Der atomisierte Precursor trifft dann auf die erhitzte Verdampferplatte 82 und
wird verdampft (vaporized or evaporated) in ein Prozessgas. Das
Gas wird dann durch die Elemente 78 und 80 in
den Arbeitsraum 14 dispergiert. Die Düse 74 ist entsprechend
gut bekannter Düsenprinzipien
ausgebildet, um den Precursor an dem Auslass 77 der Düse zu atomisieren.
Der atomisierte Precursor wird dann sofort durch die Platte 82 verdampft.
In einer Ausführungsform
der Erfindung wird die Platte eine Vertiefung 83 beinhalten,
die darin ausgebildet ist, um jeden Precursor einzufangen, der nicht
sofort verdampft wird oder der in der Nähe der Platte 82 rekondensiert,
bevor er wieder verdampft wird.
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Um
den Fluss des Precursors zu steuern, kann das Ventil 72 mit
einem Flüssigkeitsmassendurchflussmesser 85 durch
bekannte Techniken gekoppelt sein um den Fluss des Flüssigprecursors durch
die Düse 74 und
in den Verdampfungsraum 76 zu überwachen. Das Ventil 72 ist
auswählbar
durch den Durchflussmesser 85 gesteuert, um die richtige Länge des
Precursors durch die Düse 74 zuzuführen. Alternativ
kann eine steuerbare Pumpe 86 verwendet und direkt zwischen
die Versorgung 70 und das Ventil 72 gekoppelt
werden. Die Pumpe 86 steuert unabhängig den Fluss des Flüssigprecursors
und somit wird die Düse 72 einfach
geöffnet
oder geschlossen, abhängig
von der gewünschten
Zufuhr des Precursors. Eine geeignete Pumpe, die für präzise Flüssigkeitszufuhr
kalibriert sein kann, ist eine Flüssigkeitschromatographiepumpe,
die von MKS von Andover, Massachusetts erhältlich ist. Das Ventil 72,
Düse 74 und
Pumpe 86 werden alle bei Raumtemperatur gehalten, um den
Flüssigprecursor
vom frühzeitigen Verdampfen
abzuhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Precursor
nur in dem Raum 76 verdampft und dann in den Arbeitsraum 14 durch Gasdispersionselement 78 und 80 zugeführt. Dadurch
verdampft und kondensiert der Precursor nicht in großem Umfang
vor der Einführung
in den Arbeitsraum 76 durch die Düse 74. Ablagerung
und Kondensation in dem Precursorzuführsystem wird dadurch reduziert,
so dass Verstopfen und Warten des Systems reduziert wird.
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Wenn
der Precursor in ein Gas verdampft wurde, wird das Gas dem Arbeitsraum 14 durch
die Elemente 78 und 80 zugeführt. Das Element 78 ist ein
Dampfverteilungsring, der eine Reihe radialer Löcher aufweist, um den Dampf
zuzuführen.
Die radialen Löcher 90 sind
so geformt, dass sie sich von dem Raum 76 in einen Bereicht
oberhalb des Elements 80 erstrecken, um den Dampf zu dispergieren.
Bezugnehmend auf 1A ist ein Querschnitt des Elements 78 dargestellt.
Das Element 78 ist in der Gestalt eines Rings mit einer
Mehrzahl radialer Löcher 90,
die sich dadurch strecken. Die Löcher
erhalten Dampf von dem Raum 76 und dispergieren den Dampf über das
Element 80 um den Dampf dadurch in den Arbeitsraum 14 zu
dispergieren. Der gasförmige
Dampf oder Precursor strömt
durch die Löcher 90 und
das ringförmige
Element 78 erstreckt sich bevorzugt um die Peripherie des
Arbeitsraumes 14, um das Prozessgas einheitlich einer Seite
des Elements 80 zuzuführen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sind die Löcher
um das Ringelement 78 angeordnet, um die Druckunterschiede
innerhalb des Raumes 76 zu kompensieren. Insbesondere besteht ein
Druckabfall in dem Raum 76, so dass der Druck in der Nähe des Auslasses 77,
der in 1A durch einen Referenzpfeil
gekennzeichnet ist, an einem Abschnitt des Ringelements 78 größer ist
als an einem Bereich 180° entfernt
von dem Auslass 77. Das heißt, je weiter weg von dem Auslass,
um so geringer der Dampfdruck. Um die Druckdifferenz zu kompensieren
und eine gleichmäßige Gaszuführung um
das Ringelelement 78 zu schaffen, ist der Raum zwischen
der Mehrzahl von Löchern
um den Ring variiert. Bezugnehmend auf 1A ist
die Anzahl oder Dichte der Löcher
in der Nähe
des Auslasses 77 geringer als die Anzahl oder Dichte der
Löcher,
ungefähr
180° von
dem Auslass 77 weg. Um eine einheitliche Gasverteilung
zu schaffen, wird entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
der Raum zwi schen den Löchern
kleiner gemacht bei Fortschreiten in einer der beiden Richtungen
weg von dem Auslass 77, wie durch die Bezugnummer 92 dargestellt
ist. Dadurch wird die größere Anzahl
von Löchern 90 den
reduzierten Gasdruck in der Nähe
dieser Löcher
kompensieren, um eine gleichmäßige Gasverteilung
durch das Ringelement 78 zu erreichen. Die Lochanzahl und
exakte Lochanordnung in dem Ringelement 78 wird abhängig von
dem einzelnen Prozess und Prozessparametern, wie beispielsweise
der Precursorflussrate und dem Druck in dem Arbeitsraum 76 variieren.
Darüber
hinaus können
die Variationen beim Beabstanden von d zwischen den Löchern um
das Ringelement herum eingestellt werden für eine gewünschte einheitliche Gasverteilung. Je
größer die
Precursorflussrate und der Dampfdruck sind, umso kleiner ist die
Anzahl der Löcher 90,
die notwendig sind zum Zuführen
der richtigen Menge Gas bei dem richtigen Druck in den Arbeitsraum 14.
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Ein
anderes Gasdispersionselement, das für einheitliche Verteilung von
Gas in dem Arbeitsraum eingesetzt werden kann, ist ein Duschkopf
(Showerhead) 80, der Apperaturen 94 beinhaltet,
die darin zum gleichmäßigen Verteilen
von Gas von dem Verdampfungsraum ausgebildet sind. Gas wird über den Duschkopf 80 von
dem Ring 78 oder direkt von dem Raum 76 zugeführt, wenn
der Ring 78 nicht verwendet wird. Die Verwendung von Duschköpfen für die Gasverteilung
ist gut bekannt, und somit können
die Durchlässe 94 entsprechend
bekannter Prinzipien bemessen dimensioniert werden, um das Gas gleichmäßig dem
Arbeitsraum zuzuführen.
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Der
Ring 78 und der Duschkopf 80 können in einigen Prozessen als
redundante Elemente betrachtet werden und deshalb kann das eine
oder andere selektiv für
einen bestimmten Prozess eliminiert werden. Alternativ können beide
Elemente für
eine noch gleichmäßigere Gasverteilung
auf dem Substrat 16 verwendet werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Verdampfungsraum 76 so essentiell von
dem Arbeitsraum 14 abgedichtet, dass jedes in dem Raum 76 erzeugte
Gas durch die Gasdispersionselemente 78, 80 strömen muss.
Insoweit werden eine Reihe von Dichtungen 95 geeignet angeordnet zwischen
den Gasdispersionselementen 78 und 80, dem Deckel 18 und
einem Ansatz 96 des Gehäuses 12.
Dadurch wird, wenn der Deckel 18 geschlossen ist, eine
Dichtung gebildet, um alles Gas aus dem Raum 76 durch die
Elemente 78 und 80 und in den Arbeitsraum 14 zu
drängen.
Der Deckel 18, Ring 78 und Duschkopf 80 sind
alle auf dem Ansatz 96 des Gehäuses 12 gestapelt.
Eine andere solche Stapelanordnung für einen Duschkopf, die zur
Verwendung entsprechend der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
geeignet ist, ist dargestellt in der U. S. Patentanmeldung mit der
Seriennummer 09/057,818, die am 8. April 1998 eingereicht wurde
und den Titel trägt „Stacked
Showerhead Assembly for Delivering Gases and RF Power to a Reaction
Chamber", und wobei
diese anhängige
Anmeldung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten
ist.
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Wie
oben gesagt, haftet eine Kupferablagerung von einem flüssigen Precursor
leichter an metallisch leitfähigen
Oberflächen
als an isolierenden Oberflächen.
Somit können
verschiedene leitfähige Elemente
innerhalb der Kammer 20, zusätzlich zu dem Substrat 16,
unerwünscht
mit einer Kupferschicht während
eines Ablagerungsprozesses beschichtet werden. Beispielsweise können die
metallischen Gasdispesionselemente 78, 80 ebenso
wie die Seitenwände 97 des
Gehäuses 11 im
Arbeitsraum 14 mit Kupfer beschichtet werden. Darüber hinaus
kann die Verdampferplatte 82 auch mit einer unerwünschten
Kupferlage beschichtet werden. Somit kann entsprechend eines weiteren
Prinzips der vorliegenden Erfindung ein Mittel zum Reinigen der
Wände und
anderer leitfähiger
Elemente der Arbeitskammer 12 notwendig werden. Eine Art
des Entfernens einer unerwünschten
Kupferlage besteht darin, zunächst
die Kupferlage durch Zugeben von Sauerstoff dazu zu oxidieren und
dann die organische (hfac) Ligandchemikalie zu verwenden, die das
oxidierte Kupfer ätzen wird.
Der (hfac) Ligand ätzt
jedenfalls nicht eine metallische Kupferlage, so dass das Kupfer
zuerst oxidiert werden muss. Insoweit kann die Versorgung von (hfac) 100 geeignet
mit dem System 10 gekoppelt sein, wie z. B. durch den Deckel 18,
zum Einführen der
(hfac) Chemikalie in den Arbeitsraum 14, den Verdampfraum 76 und
andere Räume
dazwischen.
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Alternativ
kann eine plasma-aktivierte Reinigung eingesetzt werden, wobei HCl
in den Arbeitsraum 14 zugeführt wird und in ein Plasma
durch eine Elektrode wie den Duschkopf 80 aktiviert wird,
der mit einer RF-Energiequelle 102 gekoppelt und durch
diese vorgespannt sein kann. Periodisches Reinigen des Arbeitsraums 14,
Verdampfungsraums 76 und der Räume und Elemente dazwischen
stellt eine saubere, fremdkörperfreie
Metallablagerung auf dem Substrat 16 sicher.
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Entsprechend
eines anderen Prinzips der vorliegenden Erfindung sind die Verdampferplatte 82 und
die Arbeitskammer 12 mit einem Temperatursteuersystem gekoppelt,
um selektiv erhitzt zu werden, um die Ablagerung auf dem Substrat 16 zu
erhalten, jedoch Rekondensation des verdampften Precursors zu reduzieren,
und auch um Kupferablagerungen an den Arbeitskammerwänden 97 zu
reduzieren. Insoweit werden die Arbeitskammer 12 und insbesondere
die Wände 97 der
Kammer selektiv durch Heizelemente 103 erhitzt, die mit
dem Temperatursteuersystem 34 gekoppelt sind. Das Temperatursteuersystem 34 bietet
eine unabhängige
Steuerung der Verdampferplatte 82, der Kammerwände 97 und
des Trägers 30.
Dadurch können
die Arbeitskammerwände 97 bei
einer Temperatur gehalten werden, unterhalb derer Kupferablagerung
nicht auftritt. Gleichzeitig wird die Verdampferplatte 82 auf eine
Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um große Flüssigprecursorinjektionsraten
auf die Verdampferplatte zu unterstützen zur Verdampfung ohne signifikante
Rekondensation des Precursors. Entsprechend eines Beispiels der
vorliegenden Erfindung wird das Temperatursteuersystem betrieben,
um die Verdampferplatte 82 auf eine Temperatur von etwa 60°C zu erhitzen,
was den Kupferprecursor von der Versorgung 70 verdampfen
wird, um einen Dampfdruck zu erzeugen von etwa 1,5 Torr (bei Verwendung
eines CupraSelect Precursors). Die Arbeitskammer 12 wiederum
wird durch die Elemente 103 so erhitzt, dass die inneren
Arbeitskammerwände 97 bei
einer Temperatur gehalten werden, die grundsätzlich über 60°C und unter 90°C liegt.
Wenn die Wände
oberhalb von 60°C
oder oberhalb der Temperatur der Verdampferplatte 82 gehalten
werden, wird das Rekondensieren an den Wänden 97 grundsätzlich verhindert.
Wenn die Wandtemperatur unterhalb 90°C gehalten wird, wird die Ablagerung
an den Kammerwänden 97 grundsätzlich reduziert.
Temperaturen oberhalb von 90°C
können
Ablagerungen in ähnlichem
Maße produzieren,
in dem Ablagerungen auf dem Substrat 16 produziert werden.
Grundsätzlich
wird das Temperatursteuersystem 34 dazu betreibbar sein,
das Susceptorheizelement 32 bei einer ausreichenden Temperatur
zum Heizen des Substrats 16 in dem Bereich von 130°C bis 200°C zu halten,
um den gewünschten
Grad an Kupferablagerung auf dem Substrat zu erreichen. Entsprechend
wird das Temperatursteuersystem 34 die Arbeitskammerwände etwa
in dem Bereich von 60–90°C in einem Beispiel
der vorliegenden Erfindung halten. Es wird gleich verständlich sein,
dass andere Temperaturbereiche für
andere kupferenthaltenden Precursoren verwendet werden können. Jedenfalls
sind die obigen Temperaturen und Bereiche typisch für Kupferablagerung
bei Verwendung des CupraSelect (hfac) Cu (TMVS) Flüssigprecursor.
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Entsprechend
eines anderen Prinzips der vorliegenden Erfindung ist ein Randausschlussring 110 in
dem Arbeitsraum angeordnet und mit dem Gehäuse 11 gekoppelt,
um um die Peripherie des Substrats 16 angeordnet zu werden.
Bezugnehmend auf die 3 und 4 ist eine
Randausschlussringstruktur gezeigt, die in dem Arbeitsraum 14 um den
peripheren Rand des Substratträgers 30 und
des Substrats 16 angeordnet ist. Der Randausschlussring
ist dazu ausgebildet, den peripheren Rand des Substrats zu umgehen,
wenn das Substrat in der Arbeitsposition ist, und kann aus einem
elektrisch isolierenden Material gebildet sein, wie z. B. Quarz,
um Ablagerung an dem äußeren peripheren
Rand 112 zu verhindern. Der Randausschlussring kann auch
ein Metallring sein, oder alternativ ein Metallring mit einer elektrisch
isolierenden Lage darauf, wie beispielsweise eine Quarzlage. Wie
in 4 dargestellt, erstreckt sich ein Abschnitt des
peripheren Substratrands unterhalb des am weitesten innenliegenden
Rands 114 des Randausschlussrings. Wenn der Substratträger 30 in
die Arbeitsposition gehoben wird, bildet ein oberer peripherer Rand 117 des
Trägers
eine Dichtung mit einem unteren Rand 119 des Rings 110,
was den Arbeitsraum 14 von dem Pufferraum 22 trennt.
Der Ring 110 beinhaltet einen Gashohlraum 116,
der darum mit einem Durchgang 118 geformt ist, der Gas von
dem Hohlraum 116 unter den Ring 110 und zu dem äußeren peripheren
Rand 112 des Substrat leitet. Eine Versorgung eines Inertgases
(nicht gezeigt), wie beispielsweise Argon, ist mit dem Hohlraum 116 gekoppelt,
so dass das Gas durch den Durchgang 118 über den
Rand 112 des Substrats geleitet werden kann. Eine Flussrate
von etwa 100 sccm sollte ausreichend sein, um den peripheren Rand 112 des Substrats
frei von Kupferablagerungen zu halten. Der Raum oder Zwischenraum
zwischen dem Ringrand 114 und dem peripheren Rand 112 des
Substrats sollte genügend
kein sein, um eine starke Gasgeschwindigkeit über den Rand 112 zu
erhalten, um reaktive Gase davon abzuhalten, in den Zwischenraum 120 einzudringen,
der zwischen dem Ringrand 114 und dem Substratrand 112 ausgebildet
ist. Dadurch wird die Kupferablagerung an dem peripheren Rand des
Substrats 112 reduziert, wodurch die Ablagerung auf einem
Abschnitt des Substrats 16 reduziert wird, der nicht ausreichend
durch eine Barrierelage abgedeckt ist, wie beispielsweise eine Tantal-
oder Titannitridbarrierelage, wie oben diskutiert wurde.
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In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann der Susceptorträger 30 so geformt sein,
dass er einen peripheren Gashohlraum 122 beinhaltet, der
mit einer Versorgung (nicht gezeigt) eines Inertgases gekoppelt
ist. Der Hohlraum 122 beinhaltet ein sich nach oben erstreckenden
Durchgang 124, der Gas nach oben in Richtung auf die untere Oberfläche des
Substrats 16 und somit über
den äußeren peripheren
Rand 112 davon leiten wird. Das Substrat 16 wird
geeignet an den Susceptor 30 entsprechend gut bekannter
Prinzipien geklammert werden, so dass Gas aus dem Durchgang 124 nicht
das Substrat anheben wird. Bei Verwendung des Ringes 110 zum
Bilden eines engen Zwischenraums 120 an dem Substratrand 112 kann
eine starke Inertgasgeschwindigkeit durch den Hohlraum 120 gehalten
werden, um reaktives Gas davon abzuhalten, in den Zwischenraum 120 einzudringen,
und somit Kupferlagenabscheidungen an dem peripheren Rand 112 des Substrats 16 zu
verhindern. Der Hohlraum 122 und der Durchgang 124 können geeignet
in dem Susceptor 30 gefertigt sein.
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Die
Pufferkammer 20 hat eine hohe Volumenpumpleistungsfähigkeit
zum Entleeren des Pufferraumes von Verunreinigungen entsprechend
eines weiteren Aspekts der Erfindung. Insoweit, wie in den 1 und 2 zu
sehen ist, umfasst ein Pumpsystem eine oder mehrere Kühlkörper bzw.
-platten (cryogenic panels) 140, die benachbart zu oder
als Teil der inneren Wände
der Pufferkammer 20 angeordnet bzw. ausgebildet sind. Die
Kühlkörper 140 bieten
extrem hohe Pumpgeschwindigkeiten für viele reaktive Verunreinigungsgasspezies,
die von der Arbeitskammer 12 in die Pufferkammer eindringen
können.
Die Körper 140 werden
bevorzugt einen großen
Bereich einnehmen entsprechend des Pufferraums 22 der Kammer 20.
Die Körper
werden kontinuierlich gekühlt
und pumpen kontinuierlich Verunreinigungen aus dem Raum 22 durch
Anziehen der Verunreinigungsgaspartikeln. Somit werden schnelle
Pumpgeschwindigkeiten bezogen auf den Raum 22 erreicht. Solche
Kühlkörper 140 sind
im allgemeinen geeignet zum Pumpen von Verunreinigungen wie Wasser, HCl,
und NH3. Die Kühlkörper 140 sind kommerziell erhältlich und
können
entweder gekühlt
werden durch Koppeln der Körper
mit einer Versorgung mit Kühlfluiden 142 oder
mit einem Ausdehnkopf (expander head) 144. Bei einer Kühlfluidversorgung 142 werden
die Fluide durch die Kanäle 143 in
den Körpern 140 zirkulieren,
um kontinuierliches Pumpen von Verunreinigungen durch die Körper zu
schaffen. Geeignete Kühlfluide
sind flüssiger
Stickstoff und/oder Kühlmittel
wie Freon. Andererseits wird ein Ausdehnkopf 144 auf dem
Prinzip der schnellen Ausdehnung einer Substanz, wie beispielsweise
flüssigem
Helium, zum Bewirken des Kühlens
beruhen. Die Kühlkörper 140 werden
allgemein in einen Temperaturbereich zwischen 100 und 150 Kelvin
gehalten.
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Die
Körper 140 sind
vielleicht geeignet, alle der Verunreinigungsgasspezies zu fangen,
die eventuell in die Pufferkammer 20 entweichen, bevor
das Substrat aus der Pufferkammer 20 zu transportieren ist.
Entsprechend einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beinhaltet deshalb das Pufferkammerpumpsystem
eine Hochvakuumpumpe 52 zum Entfernen jeglicher zusätzlicher
Verunreinigungen, die nicht durch die Körper 140 eingesammelt wurden.
Die Pufferkammer 20 wird somit von Verunreinigungen entleert,
bevor das Substrat 16 von dort und in die Transferkammer 46 durch
die Substrattransportvorrichtung (nicht gezeigt) bewegt wird.
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Entsprechend
eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Gasmesssystem bzw.
Gasspürsystem 146 eingesetzt
zum Erfassen der Mengen der Verunreinigungsgasspezies innerhalb
der Pufferkammer 20. Das Gasmesssystem 146 ist
funktionell mit dem Isolationsventil 28 gekoppelt, wie
in den Figuren gezeigt ist, um Öffnen
des Isolationsventils 28 und Transferieren des Substrats
aus der Pufferkammer 24 und in eine Transferkammer 46 zu
verhindern, wenn eine große
Menge Verunreinigungen noch in der Pufferkammer 24 vorhanden
ist. Das Gasmesssystem 146 kann einen geeigneten Sensor 147 beinhalten,
der in dem Pufferraum angeordnet ist, wie beispielsweise ein kommerziell
erhältlicher
Restgasanalysator (RGA). Das Gasmesssystem 146 kann auch
kommerziell erhältliche
optische Sensoren und eine Plasmaröhre (nicht gezeigt) verwenden.
Beispielsweise würde
eine Plasmaröhre
in dem Pufferraum angeordnet sein und würde Verunreinigungsgaspartikel
anregen, wie beispielsweise Chlor- oder Fluorionen, die dann durch
die optischen Sensoren detektiert werden, die darauf eingestellt sind,
die erregten Zustände
solcher Gasspezies zu detektieren. Andere geeignete Messsysteme
können auch
für das
Gasmesssystem 146 verwendet werden.
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Eine
typische Arbeitssequenz, die das System 10 der Erfindung
verwendet, ist hilfreich zum Offenbaren wie Verunreinigungen zwischen
der Arbeitskammer 12 und der Transferkammer 46 reduziert
werden. Zuerst wird ein Substrat in die Transferkammer 46 von
einer externen Position oder anderen Arbeitskammern (nicht gezeigt)
durch eine Substrattransportvorrichtung (nicht gezeigt) gebracht.
Das Substrat ist dann dazu bereit, in der Arbeitskammer 12 bearbeitet
zu werden. Der Dichtungsmechanismus, wie beispielsweise die Schiebeventilanordnung 50,
wird geschlossen und das Isolationsventil 28 wird geöffnet. Das
Substrat wird dann auf den Susceptor 30 geladen, der sich
in der Pufferposition befindet, wie in 2 gezeigt
ist. Die Substrattransportvorrichtung (nicht gezeigt), wie beispielsweise
ein Roboterarm, wird dann durch das Isolationsventil 28 entnommen
und das Isolationsventil wird geschlossen. Als nächstes wird die Schieberventilanordnung 50 geöffnet, und
der Substratträger 30 wird
vertikal in die Arbeitsposition gehoben, wie in 1 dargestellt
ist. Die Schieberventilanordnung 50 wird nicht zum Bewegen
des Substrats 16 und eines Abschnitts des Trägers 30 durch
den Durchgang 26 geöffnet,
bis das Isolationsventil geschlossen ist. Gleichzeitig mit der Bewegung
des Substratträgers 30 wird
der Druck in der Pufferkammer 20 erhöht oder verringert, um mit dem
Druck in der Arbeitskammer 12 überein zu stimmen. Wenn der
Druck in der Pufferkammer 20 abgesenkt werden muss, wird
die Vakuumpumpe 52 eingesetzt, um die Pufferkammer zu entleeren.
Der Substratträger 30 wird
dann in die Arbeitsposition gehoben, wie in 1 gezeigt
ist. Dadurch wird der Durchgang 26 abgedichtet, um die
Arbeitskammer 12 von der Pufferkammer 20 zu isolieren.
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Nachdem
das Substrat in der Arbeitskammer 12 positioniert wurde,
wird der Arbeitsprozess durchgeführt.
Nachdem der Arbeitsprozess durchgeführt wurde, wird der Arbeitsraum 14 zunächst entleert, wie
beispielsweise durch die Vakuumpumpe 42. Ein solches Entleeren
wird eine große
Menge der Verunreinigungen entfernen, die durch das Mehrkammersystem
eindringen könnten.
Jedenfalls wird die Pufferkammer 20 entsprechend eines
Aspektes der vorliegenden Erfindung Verunreinigungsspezien weiter reduzieren,
die in andere Arbeitskammern eindringen könnten. Nachdem der Arbeitsraum 14 entleert
ist, wird der Träger 30 abgesenkt
womit der Durchgang 26 geöffnet wird. Die Schieberventilanordnung 50 wird
dann geschlossen, um den Pufferraum von dem Arbeitsraum zu isolieren.
Die Kühlkörper 140 und
die Kühlpumpe 52 werden
zum Pumpen und Entleeren des Pufferraums 22 von Verunreinigungen
eingesetzt. Der Pufferraum 22 ist Gasen aus der Arbeitskammer 12 ausgesetzt
gewesen, und somit müssten diese
Gase entfernt werden, um Verunreinigungen zu verringern und zu verhindern.
Der Pufferraum wird wegen der geschlossenen Schieberventilanordnung unabhängig von
dem Arbeitsraum entleert. Das Gasmesssystem 146 wird eingesetzt, um
zu verifizieren dass der Verunreinigungslevel in dem Arbeitsraum 22 akzeptabel
niedrig ist. Wenn der Verunreinigungslevel niedrig genug ist, wird
das Isolationsventil 28 geöffnet und die Substrattransportvorrichtung
(nicht gezeigt) entnimmt das Substrat aus der Pufferkammer 20 und
bewegt es zu weiteren Arbeitskammern oder vollständig aus dem Prozesssystem.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere nützlich zum Isolieren einer
CVD Arbeitskammer von einer PVD Arbeitskammer innerhalb eines Mehrkammerprozesswerkzeugs.
Die CVD Arbeitskammer wird im Allgemeinen bei einem höheren Druck
gehalten. Somit tendieren Verunreinigungsgasspezies davon zum Eindringen
in die PVD Kammer niedrigeren Drucks. Mit der Erfindung könnte eine
PVD Kammer mit dem CVD System der Erfindung integriert werden. Eine
PVD Kammer zum Ablagern von Tantal kann beispielsweise mit dem System 10 über eine
allgemeine Transferkammer 40 integriert werden, so dass
eine Barrierelage auf einem Substrat abgelagert werden kann, bevor
Kupfer abgelagert wird.
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Während die
vorliegende Erfindung anhand der Beschreibung von Ausführungsformen
davon dargestellt wurde und während
die Ausführungsformen
sehr detailliert beschrieben wurden, werden zusätzliche Vorteile und Modifikationen
dem Fachmann leicht klar werden: