專利名稱：在沉積過程中維持副產(chǎn)物揮發(fā)性的方法和設備的制作方法
技術領域：
用來沉積純物質(zhì)和化合物薄膜的沉積法已為人們了解。近年來，薄膜沉積的主要技術一直是化學氣相沉積(CVD)。CVD的一種不同形式，原子層沉積(ALD)被認為是對薄膜沉積中均勻性和貼合性的改進，尤其是低溫沉積。ALD原來稱之為原子層取向生長，對此，有用的參考文獻是Atomic Layer Epitay，由T.Sunola和M.Simpson(Blackie Glasgo and London，1990)編輯。
在AlD法中，一般是常規(guī)的CVD法劃分成一個個單層沉積步驟，各分開的沉積步驟理論上達到單分子層或原子層厚度的飽和，然后自動終止。這種沉積是反應活性分子前體與基材之間化學反應的結果。與CVD法類似，構成薄膜的元素是以分子前體提供的。凈反應必須能沉積所要求的純薄膜，并除去“多余”的構成分子前體(配體)的原子。
在CVD法中，幾種分子前體同時輸入CVD反應室?；谋３衷谧顑?yōu)化能促進各分子前體之間的化學反應，同時能有效脫附副產(chǎn)物的溫度。因此，反應進行的結果是沉積出要求的薄膜。
在ALD法中，是幾種分子前體先后分開通入ALD反應室。這是通入一種前體(通常是一種金屬，鍵合到一種原子或分子配體上，產(chǎn)生揮發(fā)性分子)來作到的。金屬前體反應，然后，通入惰性氣體吹掃反應室除去該前體，再通入下一種前體。
因此，與CVD法不同，ALD是以依序通入前體、反應物和吹掃氣體作為一個循環(huán)進行的。通常，以低于1乇壓力下進行ALD，每一操作循環(huán)僅沉積一個單層。
ALD法一般用來制造和處理集成電路(IC)，也用于其他要求限定的超薄膜的基材上。這樣的ALD方法會產(chǎn)生副產(chǎn)物，粘附在沉積設備部件上，或以其他方式在沉積設備部件中對操作產(chǎn)生有害作用。這些作用包括泵卡住，泵故障，雜質(zhì)沉積，雜質(zhì)粘附到反應室壁等等，此時沉積過程必須中斷，除去副產(chǎn)物，或替換結垢的部件。要及時中斷生產(chǎn)，因此成本提高。
這樣的缺陷也發(fā)生在化學氣相沉積(CVD)法中。然而，在ALD方法中這類問題發(fā)生的機會較高，因為，在ALD法中，氣體輸入反應室，且需要的反應是在需處理基材(如，IC器件)上的表面反應。因此，在ALD法中，供給的氣體大部分“未反應”就離開反應室，與來自前面反應步驟和隨后反應步驟的氣體混合。結果，會有相當大量的未反應氣體，在反應室外的部位，如在過程的前級管道和泵中發(fā)生反應?？梢哉J為，ALD方法的這種情況將導致不希望的室外高沉積速率，使泵和前級管道“阻塞”，導致泵卡住和重新啟動困難的故障。
已經(jīng)嘗試了各種解決方法，但這些方法耗時，成本高，或由于其他各種原因包括空間位置而而不能實施。例如，目前采用的一種方法是在反應室排氣處安裝一個閥。該閥的作用是物理地交替切換氣流到兩個前級管道之一以及真空泵中。閥的操作必須定時，與各種氣體脈沖式通入反應室的循環(huán)時間同步。每個泵的廢氣必須分開排放到一個去除裝置中。結果，這種方法由于增加了成本而是不適用的。此外，這種解決辦法并不完善，因為部分反應物氣體仍會在達到反應室出口閥之前合并和反應。其他辦法采用一個前級管道捕集器，用來或捕集過程的副產(chǎn)物，或選擇性捕集一種或多種反應物，避免交叉反應。對CVD法提出的一種解決方法披露于JP 1118142中，該方法通入ClF3或F2，與CVD過程中形成的粘附在管道壁上的副產(chǎn)物反應。然而，有大量副產(chǎn)物從反應室排出，且對該副產(chǎn)物預料的較大反應活性，使得這種方法不能在ALD系統(tǒng)中運作。與分開各化學反應以防止不希望的沉積副產(chǎn)物發(fā)生相比，若首先阻止副產(chǎn)物的積累，則會更有效，較少破壞，低成本，因此是更為希望的。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種提高沉積體系效率的方法，系統(tǒng)和裝置，是通過提供一種氣氛來預先保持副產(chǎn)物的揮發(fā)性，防止不希望體積的副產(chǎn)物沉積在系統(tǒng)的泵、管道和室的內(nèi)壁以及其他部件表面上，減少或基本消除沉積體系產(chǎn)生的副產(chǎn)物量。
本發(fā)明還涉及一種提高沉積體系效率的方法，系統(tǒng)和裝置，是通過提供一種氣氛來預先再揮發(fā)所有已沉積在泵和部件表面上的副產(chǎn)物，減少或基本消除沉積體系產(chǎn)生的副產(chǎn)物量。
更具體的，本發(fā)明涉及一種提高沉積體系效率的方法，系統(tǒng)和裝置，是通過在沉積過程中提供氟氣氛并在前級管道的裝置中通入氟氣氛，減少或基本消除沉積體系產(chǎn)生的副產(chǎn)物量，所述氣氛包含分子氟(F2)或自由基形式的氟(F*)。
附圖簡述本領域技術人員通過參見了附圖后，當能更好理解本發(fā)明，本發(fā)明的目的，特征和優(yōu)點。為易于理解和簡便，各圖中相同部件使用相同數(shù)字。


圖1是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中，通過等離子體發(fā)生器，由NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2得到氟，提供給系統(tǒng)。
圖2是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中，源自氟發(fā)生器的氟提供給系統(tǒng)。
圖3是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中，源自F2鋼瓶的氟提供給系統(tǒng)。
圖4是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中，源自NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2的氟提供給系統(tǒng)，不分解。
圖5是本發(fā)明一個實施方案的示意圖，其中，通過熱分解，由NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2得到氟。
發(fā)明詳細描述試看附圖，下面更詳細地描述本發(fā)明，這些圖給出本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。然而，本發(fā)明可以以不同形式實施，并不受在此提出的實施方案的限制；這些實施方案使本說明書對本領域技術人員而言更完整，并完整傳達本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明涉及將一種含氟氣體注入泵，或泵送系統(tǒng)和去除系統(tǒng)，以便保持過程副產(chǎn)物的揮發(fā)性，防止或基本消除不希望的副產(chǎn)物在泵和系統(tǒng)進料管中的沉積，再揮發(fā)所有在泵和進料管道表面上可能形成的沉積物。
一個實施方案中，本發(fā)明涉及將分子氟(F2)或自由基形式氟(F*)的氟氣注入沉積體系的前級管道，較好在泵前的前級管道位置。需要的氣體體積一般與氣體反應活性成反比。因此，F(xiàn)*優(yōu)于元素氟，F(xiàn)2。然而，F(xiàn)*會非常迅速地再結合形成F2，盡管有結構方面的考慮，可影響發(fā)生再結合的速率。為本發(fā)明目的，術語“氟氣”指F2或F*，或兩者，除非另行指出。
根據(jù)本發(fā)明，氟氣來源可以有數(shù)種不同選擇，用來將氟氣通入前級管道，也可直接通入泵中，相對于廢氣去除系統(tǒng)如何安排注入系統(tǒng)和泵也有幾種選擇。因此，本發(fā)明認為，所有這些選擇，氣體處理領域的技術人員是容易理解的。
例如，氟氣可來自氣體容器或“鋼瓶”供給系統(tǒng)。然而，預期望這樣的氟氣源僅適合于小規(guī)模研究，用來證實氟的效果，但由于調(diào)節(jié)上的原因，有適用的高壓氟筒鋼瓶不太可能。
氟氣還可從氣流如NF3，C2F6，SF6等，使用等離子體發(fā)生器如MKS Astron(MKSASTex Products，Wilmington，MA)提取或類似的產(chǎn)生氟自由基的設備得到，供給本發(fā)明的設備和系統(tǒng)。氟自由基在相當短的距離會再結合為F2。從NF3/C2F6氣流分離出F2/F自由基的另一種方法要使用中空陰極，其詳情披露于美國專利5,951,742中，其內(nèi)容全文參考結合于此。
本發(fā)明還設想可使用氟發(fā)生器，位于系統(tǒng)外部，或整合在系統(tǒng)內(nèi)，該氟發(fā)生器足電解HF水溶液生成F2和H2。這種發(fā)生器可不需要通常用的緩沖容器和純化設備，因為本發(fā)明不需要高純度氟氣用于其所用的目的。
根據(jù)本發(fā)明，對系統(tǒng)、方法和設備的優(yōu)選設計考慮，包括將氟氣注入或通入前級管道的具體位置，較好靠近泵系統(tǒng)。如果在前級管道中加入了增壓器，該位置可在增壓泵上方，以便將在全部增壓泵中通有氟。此外，氟氣流可通入增壓泵和前級泵之間，提供某種程度的保護，以防前級管道中氟的回流，同時在增壓泵中通入一些氟氣。
一定程度直接吹掃一些前級泵級可能是必需的，以便使F*能深入泵內(nèi)。此外，本發(fā)明可設想泵廢氣包括氟的去除。理想的，廢氣在從反應室排出后處理，用于成為本系統(tǒng)的又一個氟氣來源，或作為另一操作的氟來源(即，本方法還可成為制備氟的方法，儲備以供他用，或循環(huán)至本發(fā)明過程中)。本發(fā)明還可加入各種調(diào)節(jié)、傳感和監(jiān)測裝置以減少氟的泄漏，還可加入通用的系統(tǒng)配合和控制裝置。本系統(tǒng)、方法和設備的進一步考慮和實際優(yōu)點包括結構材料包括靜態(tài)和動態(tài)密封材料的腐蝕；過程壓力的穩(wěn)定性，設備連接；氟發(fā)生器的等離子體發(fā)生器與清潔氣體供應裝置、真空泵和去除裝置的連鎖；設備上所用各過程泵共用一個氟氣源。不難理解，如果一個系統(tǒng)有多個在線泵，則需要氟清潔處理的所有泵可以共用氟氣源和支持設備。
如前面指出的，供給沉積室的大部分氣體不發(fā)生反應。一般需要，仔細監(jiān)測并控制通入室的氣體量，提供要求的沉積層，并了解有多少未反應氣體排出該室。因此，可以監(jiān)測和控制供給前級管道的氟氣量，以便優(yōu)化本發(fā)明系統(tǒng)的使用。
下面描述本發(fā)明可用的一些實施方案。圖1-5所示的那些實施方案之間最明顯的差異是氟氣來源和通入系統(tǒng)的位置。在每一實施方案中，每一個晶片反應或設備的每一反應室有一個，對每根前級管道(18)真空泵系統(tǒng)包括一個前級泵(11)和一個增壓泵(10)。泵通過管道(13)將廢氣排放到廢氣去除系統(tǒng)(14)，設想它在工藝上和結構上類似于例如熱氧化器和濕去除系統(tǒng)。流出物管道連通到設備的廢氣管(16)，而液體廢物則送到設備的酸廢物處理系統(tǒng)(15)。泵和去除裝置安裝在一個殼體(12)如Zenith式系統(tǒng)的殼體內(nèi)，此殼體通過一室式提取系統(tǒng)(17)連通到設備的排放系統(tǒng)。這一殼體對本發(fā)明是可用的，盡管這提供了泄漏監(jiān)測和封閉環(huán)境。同樣，增壓器(10)也只是可用的。
在此描述的以及圖1-5中所示各實施方案中，氟氣(21)注入到增壓器(10)和前級泵(11)之間，但是將氟氣“注入”到增壓器上面的前級管道(18)中，理想的是在殼體(12)范圍內(nèi)的前級管道中，可同樣或更加有效。如果不使用增壓器，注入部位在前級泵(11)的上方。
在各情況下，來自泵的流出物需要去除，加入的氟需要合適的去除，例如使用熱氧化器和濕去除系統(tǒng)(14)。還要理解，按照本發(fā)明提供的氟氣流，可以連續(xù)的低流量通入，或高流量的脈沖式流動，或這兩種的組合。
泵壓系統(tǒng)結合的可能排列示于附圖。如圖1所示，通過等離子體發(fā)生器(201)如MKS Astron，類似的發(fā)生器，或?qū)ｉT設計并為這些應用優(yōu)化的等離子體發(fā)生器，氟是來自NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2。較好通過一根管道從NF3或SF6或C2F6等的控制源，從一背試驗臺上的容器得到向等離子體發(fā)生器(201)供氣?；蛘撸驈囊豢刂圃?，從工廠內(nèi)或背試驗臺上的氟發(fā)生器使用點輸入。這種應用中，還可以使用中空陰極。參見例如，美國專利5,951,742，其全文參考結合于此。
如圖2所示，氟還可源自氟發(fā)生器(202)。此實施方案大部分與實施方案1相同，不同之處是，氟氣源是從在氟發(fā)生器(202)的HF水溶液電解分離的F2。因此，從氟發(fā)生器(202)產(chǎn)生的是F2，而不是F*，而要求產(chǎn)生F*時則用等離子體發(fā)生器。由于氣體去除系統(tǒng)的液體排出物包含HF，還可以使用HF回收系統(tǒng)(22)和至氟發(fā)生器(202)的進料返回環(huán)路(23)來回收廢氣流中的HF。這種情況下，泵不要求處理室要求的純度和流量穩(wěn)定性，因此典型氟發(fā)生器的一些部件可去除，或與系統(tǒng)的其他部分共用。這一實施方案的其他部分與圖1所示相同。
另一實施方案示于圖3，其中，氟氣來自F2“鋼瓶”(203)(如，N2中20％的F2)。這種情況下，氟氣來自裝在在系統(tǒng)殼體(12)內(nèi)或位于另一處但靠近氣體室的鋼瓶(203)。該系統(tǒng)使用氟控制和配送系統(tǒng)(30)，氣體制造和配送領域的技術人員是不難理解的。此實施方案的其他部分和圖1所示的相同。
圖4所示為氟氣來自NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2，不發(fā)生分解的實施方案，這種情況僅需要配送歧管(204)，這樣的歧管(204)具有控制和監(jiān)測功能。也可以相同方式使用來自外部源的F2。此實施方案的其他部分與圖1所示相同。
如圖5所示，氟還可來自通過使用熱裂解器(205)的熱分解的NF3/C2F6/SF6/ClF3/F2。此實施方案的其他部分與圖1所示相同。
本發(fā)明方法，系統(tǒng)和設備，對鎢沉積的ALD法特別有用，此鎢沉積生成鎢成核層和鎢屏障層，其中存在含氨物質(zhì)，或不存在?？蓞⒁娒绹鴮＠?,635,965，其全文參考結合于此。當含氨物質(zhì)存在時，預料氟氣流會反應，并以受控的反應產(chǎn)生要求的副產(chǎn)物HF和NF3，它們可以在下游分離，或循環(huán)到系統(tǒng)作為進一步的氟氣源，或輸送到儲存設備儲備或進一步純化。
實施例獲得的試驗結果表明，本發(fā)明提供的方法是有活力的，試驗結果列于下表1。
表1
本領域技術人員可以理解對本發(fā)明的許多修改和其他實施方案具有在前面說明書和相關附圖所揭示的益處。因此，可以理解，本發(fā)明不限于揭示的這些具體實施方案，修改和其他實施方案都包含在所附權利要求書范圍之內(nèi)。盡管在此使用了具體術語，它們僅用于廣義的描述，不構成限制。
權利要求
1.一種在基材上沉積薄膜的方法，包括下列步驟提供沉積設備，包括反應室，所述室具有進口，與前級管道連接的排放口，所述前級管道與泵連接；在所述室內(nèi)提供一基材；將需沉積的組分通入到所述室的所述基材上；在所述基材上沉積所述組分；向所述前級管道通入含氟組分。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分選自氟和氟自由基。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分由選自下列的氟氣源設備提供氟容器，氟發(fā)生器和氟等離子體發(fā)生器。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分由選自下列的氟前體產(chǎn)生F2、NF3、C2F6、SF6和ClF3。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分通入到泵中。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分通入到所述泵和一增壓泵之間的前級管道。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟組分通入到所述泵前面的前級管道。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材是集成電路。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材是晶片。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述組分是選自下列的物質(zhì)含銠化合物、含鉬化合物、含鈦化合物和含鎢化合物。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述組分是含氨化合物。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括下列步驟在第一氣流中提供預定量的所述組分，使第一氣流的一部分仍未反應，并從所述排放口排出；使所述第一氣流的未反應部分與所述含氟組分在所述前級管道中接觸；由所述第一氣流和所述含氟組分的反應產(chǎn)生副產(chǎn)物。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，對所述副產(chǎn)物進行純化。
14.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述副產(chǎn)物是HF或NF3。
15.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將所述副產(chǎn)物循環(huán)用于沉積過程。
16.如權利要求12所述的方法，其特征在于，將所述副產(chǎn)物儲存。
17.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉積方法選自化學氣相沉積和原子層沉積。
18.一種用來在基材上沉積薄膜的設備，包括反應室，所述室具有進口，與前級管道連接的排放口，所述前級管道與泵連接；第一氣流源，與所述進口相連，向所述室提供第一氣流；第二氣流源，與所述前級管道相連，向所述前級管道提供第二氣流，所述第二氣流是含氟化合物；控制所述第一氣流和第二氣流的裝置，使第二氣流以和所述第一氣流量充分反應的量供給前級管道。
19.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述含氟組分選自氟和氟自由基。
20.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第二氣流源選自氟容器，氟發(fā)生器和氟等離子體發(fā)生器。
21.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述含氟化合物由選自下列的氟前體產(chǎn)生F2、NF3、C2F6、SF6和ClF3。
22.如權利要求18所述的設備，其特征在于，將所述第二氣流通入所述泵。
23.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述設備還包括與所述泵前面的前級管道相連的增壓泵，所述第二氣流通入到所述泵和增壓泵之間的前級管道。
24.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第二氣流通入到所述泵前面的前級管道。
25.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第一氣流選自下列的物質(zhì)含銠化合物、含鉬化合物、含鈦化合物和含鎢化合物。
26.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第一氣流是含氨化合物。
27.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述設備選自化學氣相沉積設備和原子層沉積設備。
28.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第一氣流和所述第二氣流發(fā)生反應生成副產(chǎn)物。
29.如權利要求28所述的設備，其特征在于，對所述副產(chǎn)物進行純化。
30.如權利要求28所述的設備，其特征在于，所述副產(chǎn)物是HF或NF3。
31.如權利要求28所述的設備，其特征在于，所述設備還包括一個循環(huán)回路，能將所述副產(chǎn)物直接輸入所述前級管道。
32.如權利要求28所述的設備，其特征在于，所述設備還包括用于所述副產(chǎn)物的儲存室。
全文摘要
一種通入含氟氣流到沉積過程用以保持過程副產(chǎn)物的揮發(fā)性并及減少或消除副產(chǎn)物的形成和/或干擾的方法和設備。
文檔編號C23C16/44GK1676666SQ20041008188
公開日2005年10月5日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權日2003年12月31日
發(fā)明者C·M·白利, R·A·霍格爾, S·普頓, R·P·卡斯馬爾卡, A·沙利文, C·馬, Q·M·王 申請人:波克股份有限公司