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CN110249073A - 用于可流动cvd的扩散器设计 - Google Patents

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CN110249073A
CN110249073A CN201880009455.6A CN201880009455A CN110249073A CN 110249073 A CN110249073 A CN 110249073A CN 201880009455 A CN201880009455 A CN 201880009455A CN 110249073 A CN110249073 A CN 110249073A
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dome structure
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center manifold
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D·拉杰
G·奇可卡诺夫
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Abstract

本文所述的实施方式总体上涉及用于形成可流动膜的设备。在一个实施方式中，设备为扩散器，所述扩散器包括具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的主体、形成在所述第一表面中的多个圆顶结构、形成在所述第二表面中的中心歧管以及耦接在所述中心歧管与所述多个圆顶结构中的相应的圆顶结构之间的多个管状导管，所述多个管状导管的至少一部分相对于所述第一表面的平面对角地定位。

Description

用于可流动CVD的扩散器设计
背景技术
技术领域
本文所述的实施方式总体上涉及用于使用前驱物气体的等离子体来形成可流动膜的方法和设备；具体而言，涉及用于使在电子器件制造中所使用的前驱物气体的等离子体流动的扩散器设计。
现有技术
自从几十年前引入半导体器件几何形状以来，所述半导体器件几何形状的尺寸急剧下降。现代的半导体制造设备通常生产具有45nm、32nm和28nm特征尺寸的器件，且正在开发和实现新设备以制造具有甚至更小几何形状的器件。减小的特征尺寸导致器件上的结构特征具有减小的宽度。器件上的缝隙和沟槽的宽度窄，使得用介电材料填充缝隙变得更具挑战性。最近，已使用可流动薄膜以填充缝隙(诸如高纵横比的缝隙)。为了实现流动性，已使用具有在远程等离子体源(Remote Plasma Source；RPS)中产生并使用扩散器被输送至基板表面的自由基的化学气相沉积(Chemical vapor deposition；CVD)来将膜沉积至缝隙中。等离子体均匀性对于在基板上形成均匀的膜是重要的。例如，期望在基板的整个表面积上的膜厚/密度。然而，常规的扩散器通常包括用于等离子体的不同的电导路径。所述不同的电导路径可导致等离子体的一部分重新结合，这可能产生等离子体中的不均匀性。这可能导致基板的表面上的缺陷、沉积速率漂移或其他异常。
因此，需要改进的方法和设备以在基板上形成均匀的膜。
发明内容
本文所述的实施方式总体上涉及用于形成可流动膜的设备和方法。在一个实施方式中，设备为扩散器，所述扩散器包括具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的主体、形成在所述第一表面中的多个圆顶结构、形成在所述第二表面中的中心歧管以及耦接在中心歧管与多个圆顶结构中的对应的圆顶结构之间的多个管状导管，所述多个管状导管的至少一部分相对于第一表面的平面对角地定位。
在一些实施例中，每个管状导管由耦接至大直径通道的小直径通道组成。小导管的长度基本相同，而大导管的长度不同。利用具有相同长度的小直径导管以在其他小直径导管之间保持相同的电导。大导管可用于补偿中心歧管与扩散器边缘之间的不同的距离差。在另一实施方式中，处理腔室包括扩散器、腔室壁、设置在所述扩散器下方的基板支撑件以及设置在所述扩散器与基板支撑件之间的等离子体输送环，其中所述扩散器设置在所述腔室壁之上。
在另一实施方式中，设备包括具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的主体；形成在所述第一表面中的多个圆顶结构，每个圆顶结构具有开口；形成在第二表面中的中心歧管，所述中心歧管具有多个开口；以及多个管状导管，每个管状导管耦接在所述中心歧管中的一个开口与所述多个圆顶结构之一中的对应的开口之间，其中所述多个管状导管中的每一个管状导管包括第一部分和与所述第一部分不同的第二部分，且所述多个管状导管的至少一部分相对于所述第一表面的平面对角地定位，并且其中圆顶结构的数量等于管状导管的数量。
在另一实施方式中，处理腔室包括扩散器、设置在所述扩散器之上的第一远程等离子体源、腔室壁、耦接至腔室壁的第二远程等离子体源、设置在所述扩散器下方的基板支撑件以及设置在所述扩散器与所述基板支撑件之间的等离子体输送环，其中所述扩散器设置在所述腔室壁之上。
附图简单说明
为了能够详细了解本公开文本的上述特征，可参考实施方式进行对上文简要总结的本公开文本的更具体描述，其中一些实施方式在附图中示出。然应注意到附图仅说明本公开文本的所选实施方式，因而不应被视为对本公开文本的范围的限制；本公开文本可允许其他等效的实施方式。
图1为根据一个实施方式的处理工具的示意性顶视平面图。
图2A为根据一个实施方式的处理腔室的示意性横截面侧视图。
图2B为图2A的扩散器的放大截面视图。
图3A为根据另一实施方式的扩散器的等距顶视图。
图3B为图3A的扩散器的等距低视图。
图4为扩散器的等距横截面视图，其中移除主体的部分以更详细地示出管状导管以及中心歧管。
为了促进理解，已尽可能使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。此外，一个实施方式中的元件可有利地经适配以在本文所描述的其他实施方式中使用。
具体实施方式
本文所述的实施方式总体上涉及用于使用扩散器来形成可流动膜的方法和设备。在一个实施方式中，设备为处理腔室，所述处理腔室包括耦接至包括扩散器的处理腔室的盖的第一远程等离子体源(RPS)。处理腔室可包括耦接至处理腔室的侧壁的第二RPS。第一RPS用于通过扩散器将沉积自由基输送至处理腔室中的处理区域中。第二RPS用于将清洁自由基输送至处理区域中。具有用于沉积和清洁的分离RPS并且使用分离的输送通道来将来自RPS的自由基引入处理区域中使RPS上的交叉污染和周期性变化最小化，从而导致了改进的沉积速率漂移和颗粒性能。
图1为根据一个实施方式的处理工具100的示意性顶视平面图。处理工具100(诸如如图1所示的群集工具)包括用于供应基板(诸如半导体晶片)的一对前开式标准舱(frontopening unified pods；FOUP)102，所述基板由机器人臂104接收且放置在装载锁定腔室106中。第二机器人臂110设置在耦接至装载锁定腔室106的传送腔室112中。第二机器人臂110用于将基板从装载锁定腔室106传输至耦接至传送腔室112的处理腔室108a-108f。
处理腔室108a-108f可包括用于在基板上沉积、退火、固化和/或蚀刻可流动膜的一个或多个系统部件。在一个配置中，可使用两对处理腔室(例如，108c-108d和108e-108f)来将可流动膜沉积在基板上，且可使用第三对处理腔室(例如，108a-108b)来退火/固化经沉积的可流动膜。在另一配置中，可使用相同的两对处理腔室(例如，108c-108d和108e-108f)来沉积并退火/固化基板上的可流动膜，而可使用第三对处理腔室(例如，108a-108b)利用紫外线(UV)或电子束(E束)来固化基板上的可流动膜。用于在基板上沉积可流动膜的处理腔室(例如，108c、108d、108e和108f)可各自包括设置在处理腔室的盖上的第一RPS(例如，109c、109d、109e和109f)。
每对用于在基板上沉积可流动膜的处理腔室(例如，108c-108d和108e-108f)共享第二RPS(例如，109g和109h)，所述第二RPS设置在每对处理腔室之间。例如，第二RPS 109g设置在处理腔室108c与处理腔室108d之间，且第二RPS 109h设置在处理腔室108e与处理腔室108f之间。在一些实施方式中，每对处理腔室108a-108b、108c-108d和108e-108f为包括两个基板支撑件且能处理两个基板的单个处理腔室。在此种实施方式中，每个处理腔室包括两个第一RPS，每个第一RPS设置在对应的基板支撑件之上的处理腔室的盖上，且一个第二RPS设置在两个第一RPS之间的处理腔室的盖上。
第一RPS 109c、109d、109e和109f中的每一个经配置以激发前驱物气体(诸如含硅气体、含氧气体和/或含氮气体)以形成前驱物自由基，所述前驱物自由基在分别设置在处理腔室108c、108d、108e和108f中的每一个处理腔室中的基板上形成可流动膜。第二RPS109g和109h中的每一个经配置以激发清洁气体(诸如含氟气体)以形成分别清洁处理腔室108c-108d和108e-108f中的每一对处理腔室的部件的清洁自由基。
图2A为根据一个实施方式的处理腔室200的示意性横截面侧视图。处理腔室200可为沉积腔室，诸如CVD沉积腔室。处理腔室200可为图1中所示的处理腔室108a-108f中的任何一个。处理腔室200可经配置以在基板205上沉积可流动膜。处理腔室200包括设置在腔室壁215之上的盖组件210。绝缘环220可设置在盖组件210和腔室壁215之间。
第一RPS 222设置在盖组件210上，其中形成前驱物气体的离子和/或自由基(例如，等离子体)。形成在第一RPS 222中的等离子体经由等离子体入口组件230流入处理腔室200的扩散器225中。前驱物气体入口232设置在第一RPS 222上，以使一种或多种前驱物气体流入第一RPS 222中。扩散器225可为将来自第一RPS 222的等离子体均匀分布至基板205上的喷头。
扩散器225包括与等离子体入口组件230流体连通的中心歧管235。中心歧管235包括耦接至管状导管240的多个端口。每个管状导管240可为形成在扩散器225的主体中的钻孔。每个管状导管240终止于扩散器225面向基板205的表面上的对应的圆顶结构245。
图2B为图2A的放大截面视图，此视图示出扩散器225的细节。每个圆顶结构245包括壁247，壁247可倾斜或者包括半径。在一个实施例中，圆顶结构245的至少一部分的壁247以相对于扩散器225的第一(底)表面249成角度248形成。角度248可小于约20度，诸如16度至20度(例如，约18度)。在一些实施例中，圆顶结构245经配置成具有约115度至约130度(诸如约120度)的扩张角246的扩张开口。下文更详细地描述扩散器225的构造和性能。
处理腔室200包括用于在处理期间支撑基板205的基板支撑件250。处理区域255限定在扩散器225的下表面与基板支撑件250的上表面之间。等离子体输送环260设置在扩散器225与基板支撑件250之间。等离子体输送环260用于将清洁自由基从耦接至处理腔室200的腔室壁215的第二RPS 263输送至处理区域255。等离子体输送环260包括多个通道265，以将清洁气体的离子和/或自由基(即，等离子体)输送至处理区域255中。第二RPS 263可耦接至形成在腔室壁215中的入口270，且等离子体输送环260与入口270对准以接收来自第二RPS 263的清洁等离子体。由于来自扩散器225的等离子体在扩散器225下方的处理区域255中混合并反应，因此沉积主要发生在扩散器225下方(除了一些小的反扩散之外)。因此，应在周期性处理后清洁设置在扩散器225下方的处理腔室200的部件。
在替代或另外的实施例中，第二RPS 263可耦接至等离子体入口组件230，使得可提供清洁气体的等离子体以通过扩散器225流向处理区域255。因此，若需要的话，可以清洁扩散器225的内部表面以及扩散器225下方的元件。
清洁是指去除沉积在腔室部件表面上的材料。因为小的沉积可能发生在扩散器225上方(上游)的位置，所以清洁等离子体流入扩散器225中可导致部件表面变化(诸如表面氟化)，因为氟自由基可用作清洁自由基。因此，从第一RPS 222引入清洁自由基可导致对扩散器225上方的部件的不必要的清洁。因此，在一些实施例中，清洁自由基在扩散器225下方(下游)的位置被引入到处理区域255中。
扩散器225的实施例同时提供小的面积-容积比以及小的容积。小的容积使扩散器225中的等离子体停留时间最小化，而小的面积-容积比为自由基重新结合提供较少的表面相互作用。因此，等离子体路径(即，管状导管240的容积)可使沉积等离子体和清洁等离子体两者的重新结合最小化。在一个示例中，若清洁等离子体在管状导管240的容积中流动，则可以使由于氟重新结合而导致的表面形态变化最小化。
扩散器225的实施例也对于流经扩散器225的沉积等离子体和清洁等离子体两者产生均匀的等离子体或基本上均匀的等离子体。可将“基本上”定义为约90％至略小于约100％的等离子体均匀性(例如，10％的不均匀性)。若清洁等离子体流过扩散器225，则基本上均匀的等离子体可进一步有利于最小化清洁时间以及最小化局部过度清洁和颗粒产生。
在一些实施例中，第一RPS 222经配置以激发前驱物气体(诸如含硅气体、含氧气体和/或含氮气体)以形成等离子体，所述等离子体在设置在基板支撑件250上的基板205上提供可流动膜。第二RPS 263经配置以激发清洁气体(诸如含氟气体)以形成清洁处理腔室200的部件(诸如基板支撑件250和腔室壁215)的清洁等离子体。使第一RPS 222设置在处理腔室200的盖组件210上同时使第二RPS 263耦接至腔室壁215可由于沉积的优先度而实现较好的沉积均匀性。此外，在扩散器225以及基板支撑件250之间引入清洁等离子体可实现高的清洁蚀刻速率并改进清洁速率分布。此外，用于在基板205上沉积可流动膜的等离子体由扩散器225引入至处理区域中，同时用于清洁处理腔室200的部件的自由基由等离子体输送环260引入至处理区域255中。通过分离用于输送沉积等离子体和清洁等离子体的通道，减少了处理腔室200的部件上的交叉污染和周期性变化，这导致了改进的沉积速率漂移和颗粒性能。
处理腔室200进一步包括底部275、形成在底部280中的狭缝阀开口280以及耦接至底部280的泵送环285。泵送环285用于从处理腔室200去除残留前驱物气体以及等离子体。处理腔室200进一步包括用于将基板205从基板支撑件250提升的多个升降杆290以及支撑基板支撑件250的轴292。轴292耦接至可旋转轴292的电机294，轴292进而旋转基板支撑件250以及被设置在基板支撑件250上的基板205。在处理或清洁期间旋转基板支撑件250可实现改进的沉积均匀性以及清洁均匀性。
图3A为扩散器300的等距顶视图，且图3B为图3A的扩散器300的等距底视图。扩散器300可以在处理腔室200中作为如图2A中所述的扩散器225使用。
扩散器300包括如图2A中所述的等离子体入口组件230。等离子体入口组件230包括耦接至管状导管240的多个开口305(图2A中所示)。扩散器300也包括主体310，主体310具有耦接至主体310的安装凸缘315。主体310和安装凸缘315可由单种材料(诸如铝)制成。中心歧管235可包括穿孔罩。中心歧管235可被铣削或钻孔到主体310的第二(顶)表面320中。顶表面320可基本上平行于第一表面249(图2B和图3B中所示)。如图3B所示，圆顶结构245的至少一部分的壁247可接触相邻圆顶结构245的壁247。每个管状导管240(图2中所示)终止于在圆顶结构245的对应的壁247中形成的偏移开口325。
图4为扩散器300的等距横截面视图，其中主体310的材料的一部分被移除以更详细地示出管状导管240和中心歧管235的表面的位置的一部分。
单个管状导管240定位在中心歧管235与对应的圆顶结构245之间。每个管状导管240可包括耦接至第二部分405的第一部分400。每个第一部分400可具有比与其耦接的每个对应的第二部分405的直径小的直径。管状导管240的每个第一部分400耦接至中心歧管235的单个开口305。中心歧管235的开口305作为等离子体进入管状导管240的第一部分400的进入点。开口305的直径和管状导管240的第一部分400的直径提供高流阻和/或高压力梯度。第一部分400中的每一个的长度可基本上相同或变化到期望的比率。在一些实施例中，为了控制在其中流动的等离子体的电导，第一部分400的长度可基本上相同。因此，管状导管240的第一部分400也可控制来自中心歧管235的等离子体的均匀的或期望的流动分布。
管状导管240的每个第二部分405可具有比管状导管240的对应的第一部分400的长度大的长度。如上所述，管状导管240的第二部分405包括直径(例如，平均内径)，所述直径大于管状导管240的第一部分400的直径(例如，平均内径)。第二部分405可具有比管状导管240的第一部分400的流阻小的流阻。可从对应的圆顶结构245加工(例如，钻孔)管状导管240的第一部分400和第二部分405。第二部分405的经扩大的内径促进对对应的第一部分400和开口305钻孔。圆顶结构245促进等离子体在基板的局部区域中的扩散(图2中所示)，并且可为管状导管240的偏移开口325(图3B中所示)与环形凹陷区域410(扩散器225的第一表面249)之间的瞬态流动通道。环形凹陷区域410可由在安装凸缘315内部的主体310中形成的台阶415形成。环形凹陷区域410可促进来自各个管状导管240的等离子体的混合。环形凹陷区域410也可最小化由圆顶结构245提供的容积所引起的局部不均匀性的图案。
圆顶结构245的数量等于管状导管240的数量。在一些实施例中，圆顶结构245的数量大于约30。圆顶结构245的直径(基于在扩散器225的第一表面249处测量的壁247的边缘)可为约1.5英寸至约2英寸。在一些实施例中，管状导管240的第一部分400的直径为约0.12英寸至约0.2英寸(诸如约0.15英寸)。在其它的实施例中，管状导管240的第二部分405的直径为约0.22英寸至约0.32英寸(诸如约0.28英寸)。管状导管240的长度可在约1.5英寸至约7英寸之间变化。管状导管240相对于扩散器225的纵轴LA的角度(图2A中所示)可根据管状导管240的位置而变化。例如，外部(例如较长的)管状导管240可相对于扩散器225的纵轴LA成约20度角形成，而中心管状导管240可相对于扩散器225的纵轴LA成约0度角(例如，平行于纵轴LA)形成。
与常规的喷头相比，如本文所述的扩散器225和/或扩散器300的实施例使等离子体不均匀性最小化。例如，常规的喷头可具有第一板、与所述第一板相对的第二板以及形成在所述第一板和所述第二板之间的气室，所述第一板具有多个穿孔且所述第二板中形成有中心入口。等离子体流过中心入口，且所述等离子体的一部分流过第一板中的多个穿孔。然而，由于常规的喷头的此种构造，等离子体密度出于多种原因而不能均匀地分布到基板。等离子体的流动路径是不同的(例如，与中心入口正下方的穿孔相反，与中心入口间隔开的穿孔更长)。较长的流动路径可促进一些等离子体的重新结合，并且因此以高不均匀百分比来向基板提供等离子体。此外，与第一板、第二板和/或气室壁的表面碰撞可能导致等离子体失去能量并重新结合。已经尝试了所描述的常规喷头的变体。例如，已尝试了与在第二板材的中心部分中的穿孔相反在第二板材的边缘处的较大穿孔、在第一板中形成的多个等离子体入口以及气室壁和/或第一板和第二板的涂层。然而，在这些常规的喷头设计中，基板表面处的等离子体密度具有高的不均匀性百分比。这些常规的喷头也允许等离子体的再循环，这可能由于重新结合而导致等离子体损失。
另一常规的等离子体分布设计包括具有从中心入口朝向基板周边延伸的扩展的锥形表面的板。挡板可定位在中心入口附近，以将等离子体引向基板周边。与上述的常规喷头相比，此种常规设计可通过使有效表面积最小化而使等离子体损失最小化。然而，此种常规设计几乎不给予对于等离子体流动模式的控制并且允许等离子体的再循环，此可能导致由于重新结合而引起的等离子体损失。此种常规的设计也取决于流速。例如，当流速高时，等离子体以更高的速度冲击挡板且偏离角小于低流速下的偏离角。另外，挡板可具有比扩展的锥形表面的温度高得多的温度。这可导致许多问题，诸如与挡板附近的等离子体反应以及挡板的失效(例如，挡板熔化)。
本文所述的扩散器225和/或扩散器300的实施例具有比上述常规喷头设计小得多的有效表面积。这通过最小化表面碰撞来减少等离子体的重新结合。此外，如本文所述的扩散器225和/或扩散器300的流体容积小于常规喷头设计，这减少了等离子体在其中的停留时间且减少了由于表面碰撞而导致的重新结合。如本文所述的扩散器225和/或扩散器300的实施例使用管状导管240来控制穿过其中的等离子体的流动路径。这最小化了可能导致表面碰撞的等离子体再循环以及较长的停留时间，这两者都可能导致重新结合。
尽管前述内容针对本公开内容的实施方式，但可在不背离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，且本公开内容的范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种扩散器，包括：
主体，所述主体具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
多个圆顶结构，所述多个圆顶结构形成在所述第一表面中，每个圆顶结构具有开口；
中心歧管，所述中心歧管形成在所述第二表面中，所述中心歧管具有多个开口；以及
多个管状导管，每个管状导管具有两个整体部分并且耦接在所述中心歧管中的一个开口与所述多个圆顶结构中的一个圆顶结构中的对应的开口之间，所述多个管状导管的至少一部分相对于所述第一表面的平面对角地定位。
2.如权利要求1所述的扩散器，其中所述多个管状导管中的每一个包括第一部分以及与所述第一部分不同的第二部分。
3.如权利要求2所述的扩散器，其中所述第一部分包括比所述第二部分的直径大的直径。
4.如权利要求2所述的扩散器，其中所述第一部分的一部分的长度是变化的，而所述第二部分中的每一个的长度是相同的。
5.如权利要求1所述的扩散器，其中所述多个圆顶结构中的每一个包括相对于所述第一表面的所述平面成角度的壁。
6.如权利要求5所述的扩散器，其中所述壁的一部分接触另一圆顶结构的相邻的壁。
7.如权利要求1所述的扩散器，其中所述多个圆顶结构中的每一个包括约120度的扩张角。
8.如权利要求1所述的扩散器，其中所述多个管状导管包括中心管状导管，并且所述中心导管相对于所述第一表面的所述平面成约180度角。
9.如权利要求1所述的扩散器，其中圆顶结构的数量等于管状导管的数量。
10.一种扩散器，包括：
主体，所述主体具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
多个圆顶结构，所述多个圆顶结构形成在所述第一表面中，每个圆顶结构具有开口；
中心歧管，所述中心歧管形成在所述第二表面中，所述中心歧管具有多个开口；以及
多个管状导管，所述多个管状导管中的每一个耦接在所述中心歧管中的开口与所述多个圆顶结构中的一个圆顶结构中的对应的开口之间，其中所述多个管状导管中的每一个包括第一部分以及与所述第一部分不同的第二部分，并且所述多个管状导管的至少一部分相对于所述第一表面的平面对角地定位，并且其中圆顶结构的数量等于管状导管的数量。
11.如权利要求10所述的扩散器，其中所述第一部分包括比所述第二部分的直径大的直径。
12.如权利要求10所述的扩散器，其中所述第一部分的一部分的长度是变化的，而所述第二部分中的每一个的长度是相同的。
13.如权利要求10所述的扩散器，其中所述多个圆顶结构中的每一个包括相对于所述第一表面的所述平面成角度的壁。
14.一种处理腔室，包括：
扩散器；
第一远程等离子体源，所述第一远程等离子体源设置在所述扩散器之上；
腔室壁，其中所述扩散器设置在所述腔室壁之上；
第二远程等离子体源，所述第二远程等离子体源耦接至所述腔室壁；
基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述扩散器下方；以及
等离子体输送环，所述等离子体输送环设置在所述扩散器与所述基板支撑件之间。
15.如权利要求14所述的处理腔室，其中所述扩散器包括：
主体，所述主体具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
多个圆顶结构，所述多个圆顶结构形成在所述第一表面中；
中心歧管，所述中心歧管形成在所述第二表面中；以及
多个管状导管，所述多个管状导管耦接在所述中心歧管与所述多个圆顶结构中的对应的圆顶结构之间。
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