專利名稱：用于原子層沉積的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜工藝，更具體地說(shuō)，涉及用于改善原子層沉積(ALD)工藝循環(huán)時(shí)間的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
在材料沉積領(lǐng)域中，稱之為原子層沉積(ALD)的工藝作為一種有希望的選擇已經(jīng)顯示出擴(kuò)展化學(xué)汽相沉積(CVD)技術(shù)的能力。一般ALD是一種工藝，其中把常規(guī)的CVD工藝分成若干單個(gè)的按順序的沉積步驟，所述步驟在理論上實(shí)現(xiàn)單分子或原子層厚度水平上的飽和(并表現(xiàn)為自限生長(zhǎng))。在每個(gè)沉積步驟之后，必需從反應(yīng)腔中除去其中所用的未反應(yīng)的化學(xué)先驅(qū)物(及不想要的反應(yīng)副產(chǎn)品)?，F(xiàn)有處理技術(shù)包括所謂的“泵送”或“抽空”方法和“吹掃(purge)”或“流動(dòng)”方法。在這些方法中，吹掃或流動(dòng)方法已變成用于ALD反應(yīng)器商業(yè)化生產(chǎn)選定的方法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)吹掃除去先驅(qū)物的效率與通過(guò)抽空所提供的效率相比得到改善。參見(jiàn)由H.S.Nalwa(編輯)的薄膜材料手冊(cè)，卷1，第二章(2002)中，M.Ritala和M.Leskela所著，“沉積和加工”。
在吹掃或流動(dòng)方法中，將化學(xué)分子先驅(qū)物分開加入一個(gè)反應(yīng)器中。通常，每次先驅(qū)物暴露之后，接著用一種惰性氣體吹掃，以便在剛好加入下一個(gè)先驅(qū)物之前，幫助從反應(yīng)器中除去過(guò)量的反應(yīng)先驅(qū)化學(xué)物質(zhì)。這種步驟順序可以重復(fù)幾次，以便完全形成所希望的材料膜。實(shí)施這些順序的步驟或階段的總時(shí)間叫做循環(huán)時(shí)間(CT)，這些步驟或階段為(i)暴露先驅(qū)物A，(ii)惰性或中性氣體吹掃(用于除去未反應(yīng)的先驅(qū)物A)，(iii)暴露先驅(qū)物B，及(iv)惰性或中性氣體吹掃(用于除去未反應(yīng)的先驅(qū)物B)。把上述4個(gè)階段分別叫做A的暴露階段，A的吹掃階段，B的暴露階段，和B的吹掃階段。把包括A的暴露階段和后面A的吹掃階段的時(shí)間階段叫做半循環(huán)A。同樣，把包括B的暴露階段和后面B的吹掃階段的時(shí)間階段叫做半循環(huán)B。
為了形成更大的晶片產(chǎn)量，半導(dǎo)體制造廠家的目標(biāo)是減少ALD工藝的CT。在文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)了許多脈沖/吹掃時(shí)間，并普遍發(fā)現(xiàn)，吹掃時(shí)間比暴露脈沖時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)希望在大面積襯底上有很好的薄膜均勻度時(shí)，這尤其如此。因此，在目前技術(shù)水平下，上述ALD循環(huán)的吹掃時(shí)間段一般來(lái)說(shuō)是CT的限制因素。實(shí)際上，典型的情況是所花的吹掃時(shí)間比暴露時(shí)間長(zhǎng)1.5-5倍。注意即使是在等離子體輔助的ALD工藝情況下也是如此，在上述等離子體輔助的ALD工藝中，只需要一次吹掃過(guò)程。參見(jiàn)受讓給本發(fā)明受讓人的Sneh的美國(guó)專利6,200,893。
為了增加所希望的晶片產(chǎn)量，必需減少循環(huán)時(shí)間，尤其是減少吹掃時(shí)間?？梢詫?shí)現(xiàn)的一種方法是增加吹掃氣體流量。提供較高流量下的吹掃氣體往往會(huì)使完成吹掃階段所需的時(shí)間減至最少。然而，如果采用常規(guī)的ALD反應(yīng)器設(shè)計(jì)(該設(shè)計(jì)利用恒定的吹掃氣體流量并利用下游節(jié)流閥來(lái)保持恒定的反應(yīng)腔壓力)，這往往會(huì)增加所需的先驅(qū)物暴露時(shí)間。這是由于增加吹掃氣體的流量(所述吹掃氣體在暴露階段期間作為一種中性載體)往往會(huì)比較低的吹掃氣體流量情況能更快地將化學(xué)物先驅(qū)物趕出反應(yīng)腔。因此，可以預(yù)料單位時(shí)間間隔內(nèi)將失去更多的化學(xué)物先驅(qū)物，所以必然增加暴露時(shí)間。
為了避免這種情況，可以實(shí)施一種雙級(jí)吹掃氣體流量。也就是說(shuō)，在先驅(qū)物暴露期間，可以用比較低的吹掃氣體流量(以使反應(yīng)腔內(nèi)先驅(qū)物滯留時(shí)間最長(zhǎng))，而在吹掃階段期間可以用比較高的吹掃氣體流量(以使所需的吹掃時(shí)間減至最少)。實(shí)施這種雙級(jí)吹掃氣體流量的第一個(gè)已知系統(tǒng)已由Steven Shatas為San Jose，CA模塊化工藝技術(shù)(“MPT”)公司在1998年研制出來(lái)。后來(lái)，在1999年，Shatas和MPT(與它的顧客之一協(xié)作)組合使用由一對(duì)質(zhì)量流量控制器驅(qū)動(dòng)的雙級(jí)吹掃氣流和反應(yīng)腔下游的快速轉(zhuǎn)換節(jié)流閥，以同時(shí)控制流量和反應(yīng)器壓力。這個(gè)系統(tǒng)使操作人員能在ALD循環(huán)期間改變先驅(qū)物的滯留時(shí)間，同時(shí)在先驅(qū)物除去期間提供低的滯留時(shí)間和在暴露期間提供長(zhǎng)的滯留時(shí)間。
最近，Shen描述了一種雙級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)，所述雙級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)在先驅(qū)物暴露期間利用一種吹掃氣體旁路進(jìn)入一個(gè)抽吸腔(位于反應(yīng)腔下游)中。見(jiàn)O.Sneh，WO 03/062490 A2，“ALD設(shè)備和方法”(2003.7.31)。在這種所謂的“同步調(diào)節(jié)流量抽吸”(SMFD)法中，在吹掃期間保持高流量穿過(guò)反應(yīng)腔，但在沉積期間采用低流量。低流量通過(guò)經(jīng)由一反應(yīng)器旁通管道將相當(dāng)大一部分吹掃氣體排放到下游抽吸腔中達(dá)到。因此，在沉積期間，只有一部分吹掃氣流通往反應(yīng)腔，因此能讓化學(xué)物先驅(qū)物于其中保持足夠的滯留時(shí)間。
用于提供雙級(jí)或多級(jí)流的Shatas系統(tǒng)和Sneh系統(tǒng)二者都有一些缺點(diǎn)。在Shatas系統(tǒng)中，利用質(zhì)量流量控制部件提供雙吹掃氣源。這些部件的響應(yīng)速度受到限制，并且在氣源不注入反應(yīng)器中期間還需要輔助的中性吹掃氣體流量(排放)。這就使吹掃氣體的利用效率比較低。同樣，在Sneh的SMFD裝置中，吹掃氣源在暴露期間繞過(guò)反應(yīng)器，但吹掃氣體從它的氣源總是以高速流動(dòng)。這往往會(huì)浪費(fèi)吹掃氣體。因此，需要一些新的方法和設(shè)備來(lái)減少吹掃時(shí)間而同時(shí)保持足夠的先驅(qū)物滯留時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供用一第一吹掃流量和第一泵送容量實(shí)施ALD工藝的暴露階段(在某些情況下，所述暴露階段可以是一種等離子體輔助的階段)，及用一第二吹掃流量和第二泵送容量實(shí)施ALD工藝的吹掃階段，上述第二吹掃流量大于第一吹掃流量，而上述第二泵送容量大于第一泵送容量。這些操作程序可以例如通過(guò)操作反應(yīng)腔下游的節(jié)流閥，以使節(jié)流閥在吹掃階段期間比暴露階段期間打開更多來(lái)實(shí)施，而同時(shí)使實(shí)施該ALD工藝的反應(yīng)腔保持在名義恒定的壓力下。在某些情況下，第一吹掃流量和第二吹掃流量可以利用不同的氣體和/或可以通過(guò)不同的流動(dòng)路線提供。
在某些情況下，第二吹掃流量和第二泵送容量可以在暴露階段期間材料沉積終止之前開始。可供選擇地，或者此外，第二吹掃流量和第二泵送容量可以如此起動(dòng)，以便阻止(break)反應(yīng)腔內(nèi)的紊流(比如，幫助除去各先驅(qū)物)。另外，ALD工藝的第二暴露階段可以用第三吹掃流量和第三泵送容量實(shí)施，上述第三吹掃流量和第三泵送容量分別與第一吹掃流量和第一泵送容量不同。在某些情況下，第三吹掃流量可以是沒(méi)有吹掃流量。
在各種實(shí)施例中，第一吹掃流量可以在暴露階段期間完成材料沉積之前，在時(shí)間上與第一泵送容量切換到第二泵送容量基本上是重合的點(diǎn)處切換到第二吹掃流量，或者在時(shí)間上與第一泵送容量切換到第二泵送容量不同的點(diǎn)處轉(zhuǎn)換到第二吹掃流量。在某些情況下，各吹掃流量可以通過(guò)下列方式來(lái)切換，即在與位于反應(yīng)腔下游的第二流量限制導(dǎo)流件被切換成與來(lái)自反應(yīng)腔的第二氣體流動(dòng)路線斷開的基本上重合的時(shí)間點(diǎn)處，將位于反應(yīng)腔上游的第一流量限制導(dǎo)流件切換成與通到反應(yīng)腔的第一氣體流動(dòng)路線斷開。
在還有另一些實(shí)施例中，本發(fā)明可供在半循環(huán)內(nèi)，利用第一吹掃流量實(shí)施ALD工藝的暴露階段，及利用比第一吹掃流量大的第二吹掃流量實(shí)施ALD工藝的吹掃階段，上述第一吹掃流量部分地由反應(yīng)腔內(nèi)一個(gè)環(huán)形氣流通道的第一導(dǎo)流系數(shù)限定，而上述第二吹掃流量部分地由反應(yīng)腔內(nèi)環(huán)形氣流通道的第二導(dǎo)流系數(shù)限定。反應(yīng)腔的壓力可以在暴露和吹掃階段期間保持名義恒定，并且在某些情況下第一吹掃流量和第二吹掃流量可以利用不同的氣體和/或通過(guò)不同的流動(dòng)路線提供。
本發(fā)明還有另一些實(shí)施例提供利用第一壓力下的第一吹掃流量實(shí)施ALD工藝的暴露階段，及利用大于第一壓力的第二壓力下的第二吹掃流量實(shí)施ALD工藝的吹掃階段，上述第一吹掃流量通過(guò)位于反應(yīng)腔上游第一氣流通道內(nèi)的第一流量限制導(dǎo)流件，和通過(guò)位于反應(yīng)腔下游第二氣流通道內(nèi)的第二流量限制導(dǎo)流件，上述第二吹掃流量經(jīng)過(guò)位于第一氣流通道內(nèi)的第三流量限制導(dǎo)流件和位于第二氣流通道內(nèi)的第四流量限制導(dǎo)流件，其中第一流量限制導(dǎo)流系數(shù)與第二流量限制導(dǎo)流系數(shù)二者比值等于第三流量限制導(dǎo)流系數(shù)與第四流量限制導(dǎo)流系數(shù)二者的比值，并且在ALD工藝期間使反應(yīng)腔的壓力保持名義恒定的。
另一個(gè)實(shí)施例提供一種ALD系統(tǒng)，所述ALD系統(tǒng)包括一個(gè)第一吹掃流量通道，所述第一吹掃流量通道連接反應(yīng)器的上游；一個(gè)第二吹掃流量通道，所述第二吹掃流量通道連接反應(yīng)器的上游；及一個(gè)泵送裝置，所述泵送裝置連接反應(yīng)器的下游，并構(gòu)造成在當(dāng)?shù)谝淮祾吡髁客ǖ拦ぷ鲿r(shí)的第一泵送容量和當(dāng)?shù)诙祾吡髁客ǖ拦ぷ鲿r(shí)的第二泵送容量之間切換，上述第二泵送容量大于第一泵送容量。第一和第二吹掃流量通道可以享有一共同的氣流歧管，所述共同的氣流歧管具有一個(gè)或多個(gè)先驅(qū)物注入通道，或者至少一個(gè)吹掃流量通道可以獨(dú)立于另一個(gè)直接連接到反應(yīng)器上。在某些情況下，第一和第二泵送容量包括一個(gè)實(shí)際泵的兩種操作方式。
本發(fā)明另外一些實(shí)施例提供一種ALD系統(tǒng)，所述ALD系統(tǒng)具有一個(gè)吹掃流量通道，所述吹掃流量通道通過(guò)可選擇的限制上游流量的導(dǎo)流件連接到反應(yīng)腔的上游，上述限制上游流量的導(dǎo)流件具有兩種或多種操作方式，該操作方式包括低流量方式和高流量方式；及一個(gè)泵送裝置，所述泵送裝置通過(guò)可選擇的限制下游流量的導(dǎo)流件連接反應(yīng)器的下游，上述限制下游流量的導(dǎo)流件具有兩種或多種操作方式，該操作方式包括一種低流量方式和一種高流量方式，其中限制上游流量的導(dǎo)流件和限制下游流量的導(dǎo)流件構(gòu)造成以時(shí)間一相位來(lái)相互切換操作方式。限制上游流量的導(dǎo)流件可以構(gòu)造成在限制下游流量的導(dǎo)流件切換操作方式之前，切換操作方式。在某些情況下，限制下游流量的導(dǎo)流件包括一個(gè)節(jié)流閥，所述節(jié)流閥可以是位于反應(yīng)腔內(nèi)的環(huán)形節(jié)流閥。
本發(fā)明還有另一些實(shí)施例提供一種ALD系統(tǒng)，所述ALD系統(tǒng)包括一個(gè)氣體輸送系統(tǒng)，該氣體輸送系統(tǒng)連接到反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔具有設(shè)置于其中的一個(gè)環(huán)形節(jié)流閥，節(jié)流閥位于從反應(yīng)腔到一個(gè)泵送系統(tǒng)的一個(gè)氣流通道內(nèi)，上述泵送系統(tǒng)連接反應(yīng)腔的下游。環(huán)形節(jié)流閥具有兩種或多種操作方式，每種操作方式都構(gòu)造成提供一種與反應(yīng)腔不同的流動(dòng)路線的導(dǎo)流能力。


本發(fā)明通過(guò)附圖和非限制性實(shí)施例示出，其中圖1示出一種具有分流氣體歧管的常規(guī)ALD工藝設(shè)備。
圖2示出示于在恒定的壓力和流量下ALD反應(yīng)器運(yùn)行的常規(guī)(理想化)的開始狀態(tài)。
圖3A示出由于加入化學(xué)物先驅(qū)物ALD反應(yīng)器流量變化圖。
圖3B示出化學(xué)物先驅(qū)物加入對(duì)ALD反應(yīng)器壓力的影響曲線。
圖4示出一根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)造成具有兩級(jí)吹掃氣源和雙泵送容量布置的ALD工藝設(shè)備。
圖5示出按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例，采用一種直接連接的吹掃氣流管道。
圖6示出一種ALD設(shè)備，所述ALD設(shè)備構(gòu)造成通過(guò)使用按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的跟蹤導(dǎo)流提供多級(jí)吹掃流量。
圖7示出一種ALD設(shè)備，所述ALD設(shè)備構(gòu)造成利用按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的直接連接的吹掃氣體管道跟蹤導(dǎo)流操作。
圖8示出一種ALD設(shè)備，所述ALD設(shè)備構(gòu)造成具有按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的環(huán)形節(jié)流閥。
圖9示出用于按照本發(fā)明一些實(shí)施例的各種環(huán)形節(jié)流閥實(shí)例。
為了便于參考起見(jiàn)，附圖中的標(biāo)記通常是取“圖編號(hào)”再在后面加兩位數(shù)××；例如，在圖4上的標(biāo)號(hào)可以用數(shù)字4××表示；在圖5上，標(biāo)記可以用數(shù)字5××表示；依此類推。在某些情況下，一個(gè)標(biāo)記可以用在一個(gè)圖上，并且可以在另一些圖上利用相同的標(biāo)記(圖編號(hào)指示不同)，來(lái)指相同的物項(xiàng)。
具體實(shí)施例方式
這里所描述的是改善ALD工藝中循環(huán)時(shí)間的方法和系統(tǒng)。在各種實(shí)施例中，本發(fā)明利用壓力控制部件和/或非能動(dòng)導(dǎo)流部件與一雙(或者，更一般地是多)泵(或者兩個(gè)或者多個(gè)泵送容量)一起提供多級(jí)流動(dòng)源。與上述多級(jí)流動(dòng)系統(tǒng)不同，在本發(fā)明中高吹掃流量在暴露脈沖期間不一定流動(dòng)，在消耗品使用上實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)地工作。在某些實(shí)施例中，通過(guò)用壓力控制部件代替質(zhì)量流量控制器，實(shí)現(xiàn)低成本和更好的動(dòng)態(tài)的隨時(shí)間變化的性能。另外，在某些實(shí)施例中，用一種獨(dú)立的直接連接的中性氣流管道代替一種吹掃旁路，提供多級(jí)吹掃源能力，而不需要高吹掃流量的連續(xù)操作。
除了減少消耗品的消耗之外，由本發(fā)明兩級(jí)或多級(jí)流量吹掃操作所提供的另一個(gè)好處是更好的分級(jí)范圍。為了達(dá)到更好的分級(jí)范圍，需要更高的暴露(定義為分壓乘以時(shí)間)。通過(guò)限制泵送速率和先驅(qū)物的稀釋，本發(fā)明保證在規(guī)定的暴露階段內(nèi)更多的先驅(qū)物分子到達(dá)大高寬比/復(fù)雜延伸結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端部和/或溝槽底部。
應(yīng)該記住，本文所描述的各種不同實(shí)施例僅是旨在舉例說(shuō)明包括本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，而不是限制本發(fā)明的總體范圍。在ALD工藝期間改變滯留時(shí)間的時(shí)間相應(yīng)式多級(jí)流量的原理，可以用既改變流量又控制在ALD循環(huán)中的壓力的方法說(shuō)明，并且有許多不同的實(shí)施操作程序的方法。例如，在沒(méi)有約束限制件的情況下，如在非恒定反應(yīng)腔壓力下操作，理想的順序可以是i)在反應(yīng)劑暴露時(shí)間期間通過(guò)命令(或者移向閉合位置)關(guān)閉一個(gè)下游節(jié)流閥。這能使先驅(qū)物在反應(yīng)腔中滯留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以便實(shí)現(xiàn)基本上約99％或大于99％完成飽和的ALD半反應(yīng)。
ii)盡可能快地除去多余的先驅(qū)物。這可以通過(guò)在吹掃階段期間利用上游更高壓力等級(jí)的氣源切換作用，將吹掃氣體流量驅(qū)使到更高的值做到。
然而，在反應(yīng)腔壓力被限制在一個(gè)名義恒壓下，本發(fā)明可以在反應(yīng)劑暴露期間通過(guò)保持節(jié)流閥在低流量下打開較少和在高流量下打開較多同樣實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。另外，由于第一先驅(qū)物(A)的ALD半反應(yīng)可能與第二先驅(qū)物(B)的ALD半反應(yīng)有很大不同，所以在A循環(huán)和B循環(huán)期間的流量可以不同。為了適應(yīng)由于不同先驅(qū)物要求而改變暴露流量的需要，本發(fā)明提供一種包括兩個(gè)或多個(gè)流量級(jí)別的“多值”或“多級(jí)”流量。
因此總體上本發(fā)明提供一些系統(tǒng)和方法，所述系統(tǒng)和方法在暴露時(shí)間期間提供與低泵送容量協(xié)調(diào)匹配的低流量等級(jí)，而在吹掃時(shí)間期間提供與較高泵送容量協(xié)調(diào)匹配的高流量等級(jí)。在該技術(shù)中已知的其它循環(huán)時(shí)間改善技術(shù)，如由于采用流量控制器或壓力控制法(見(jiàn)比如受讓給本發(fā)明受讓人的美國(guó)專利6,503,330，包括在本文中作為參考文獻(xiàn))的化學(xué)物質(zhì)輔助轉(zhuǎn)送的技術(shù)，或者從“裝料管”輸送的ALD先驅(qū)物(見(jiàn)比如Gadgil等人申請(qǐng)的WO 0079019)或者加壓的先驅(qū)物體積，都可以與本方法和設(shè)備結(jié)合使用。
在詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，提供ALD反應(yīng)器設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)的一些背景是有益的。這將給不熟悉該技術(shù)的讀者提供足夠的更好理解本發(fā)明的基礎(chǔ)。因此，我們首先參見(jiàn)圖1，圖1示出一種ALD工藝系統(tǒng)100，并摘自上面引用的受讓人的美國(guó)專利。
ALD工藝系統(tǒng)100包括一個(gè)分流氣體切換歧管102，通過(guò)所述分流氣體切換歧管102可以將一種中性吹掃氣體(來(lái)自氣源104)及一種或多種化學(xué)物質(zhì)源(或工藝氣體)106和108輸送到反應(yīng)腔110中。中性載氣可以伴隨或者不伴隨有化學(xué)物質(zhì)先驅(qū)物。在反應(yīng)腔110內(nèi)有一個(gè)加熱器組件112，一個(gè)半導(dǎo)體晶片114擱在上述加熱器組件112上。當(dāng)兩個(gè)截止閥116和118關(guān)閉，中性氣體流過(guò)反應(yīng)腔110時(shí)，建立基準(zhǔn)的吹掃流量和壓力條件。一般，分流歧管可以包括一個(gè)或多個(gè)通向反應(yīng)器110的注入管道；而所示出的系統(tǒng)100具有雙注入。
在先驅(qū)物注入之前，反應(yīng)器110中的流量和壓力由下列條件決定在吹掃氣源104處設(shè)定的上游壓力，在反應(yīng)腔110處設(shè)定的壓力以及下游節(jié)流閥120的操作。節(jié)流閥120是一種閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)122的一部分，當(dāng)各種化學(xué)物質(zhì)先驅(qū)物加入反應(yīng)器110中時(shí)，上述反饋控制系統(tǒng)工作，以使反應(yīng)腔中的壓力保持恒定(或近乎恒定)。可能用到的各種“限制器”和管道導(dǎo)流限制件設(shè)置在氣體切換歧管102中(比如，在反應(yīng)器吹掃通道126和124中)，但它們未詳細(xì)示出。在使用這些限制器和導(dǎo)流件的地方也可以決定壓力量和流量值。總之，分流結(jié)構(gòu)為ALD的操作提供一種名義恒定的氣體壓力和(連續(xù)的)流動(dòng)背景，如圖2中所示。
用一種中性載氣(與吹掃氣體不同)，進(jìn)行先驅(qū)物注入以便將先驅(qū)物化學(xué)物質(zhì)移入吹掃流中。也就是說(shuō)，將各先驅(qū)物分別通過(guò)閥116和118從它們各自的氣源106，108加到吹掃氣流中。通過(guò)隨時(shí)交替地和按順序地進(jìn)行這些操作。
在閥116(或118)處注入到吹掃氣流中的條件由一個(gè)壓力值建立，該壓力值用剛好在閥116(118)上游位置的控制器117(119)整定。這能在歧管102的每一側(cè)上使先驅(qū)物注入或混合到吹掃氣流中。在通向反應(yīng)腔的入口128處，兩個(gè)先驅(qū)物管線在入口下方通向反應(yīng)器(形成多個(gè)注入)。
一旦帶有先驅(qū)物的載氣流量加入到基準(zhǔn)的吹掃流量中，反應(yīng)器110中的總流量就增加。如果載氣流量比吹掃流量小，也許情況就是這樣(并且經(jīng)常是這樣)，則總流量增加及反應(yīng)器壓力的增加將很少，但依然可觀察到，如圖3A中所示。這種壓力升高超過(guò)基準(zhǔn)值的一個(gè)原因也許是節(jié)流閥120的響應(yīng)時(shí)間比注入閥116，118的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。也就是說(shuō)，在吹掃階段期間，節(jié)流閥的慣性可能導(dǎo)致反應(yīng)器壓力的波動(dòng)。注入閥116和118的典型響應(yīng)時(shí)間也許是約20-30毫秒，而典型下游節(jié)流閥120的響應(yīng)時(shí)間也許是約500-1000毫秒左右(雖然響應(yīng)時(shí)間少于100毫秒的節(jié)流閥最近已能實(shí)現(xiàn))。因此，反應(yīng)器110中的壓力可以隨流量的增加同時(shí)升高。
實(shí)際上，反應(yīng)器110中的壓力在暴露脈沖階段期間及之后可以在基準(zhǔn)流量水平的壓力上下變動(dòng)和波動(dòng)，如圖3B中所示。通常，在吹掃半循環(huán)中間和快結(jié)束時(shí)都保持總的反應(yīng)器壓力不變，其中先驅(qū)物的分壓足夠低，以開始另一種先驅(qū)物注入，因?yàn)楣?jié)流閥120及其閉環(huán)控制系統(tǒng)122都已經(jīng)校正，以重新建立所希望的反應(yīng)器壓力。一種精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將具有壓力隨時(shí)間平穩(wěn)減少的性能。
這樣已描述了現(xiàn)有技術(shù)的ALD工藝系統(tǒng)，現(xiàn)在我們回到對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)討論。如上所述，本發(fā)明利用在時(shí)間一相位多級(jí)流量在ALD工藝中改變先驅(qū)物滯留時(shí)間。滯留時(shí)間定義為用于將反應(yīng)物氣體的分子移動(dòng)穿過(guò)具有一定體積的空間(比如，反應(yīng)腔)所花的時(shí)間。如果反應(yīng)物氣體的壓力為P，空間的體積為V，及流量為F，則滯留時(shí)間r.t.由下式給出，即r.t.＝pV/F，例如，如果p＝200mTorr(0.2/760Atm)，V＝1000cm3，F(xiàn)＝200sccm(3.33cm3/sec)，則r.t.＝0.079sec＝79msec。此外也可選擇，滯留時(shí)間可以按照反應(yīng)器體積(V)和先驅(qū)物從該體積中移去的孔口處有效泵送速度(S)表示r.t.～v/s。
在反應(yīng)物暴露時(shí)間(又稱之為脈沖時(shí)間，一般說(shuō)來(lái)，具有大約或者大于數(shù)百毫秒)期間，理想的是具有長(zhǎng)的滯留時(shí)間(比如，保形涂裝大高寬比裝置)。因?yàn)榉磻?yīng)腔體積和壓力相對(duì)恒定，及滯留時(shí)間與流量成反比，所以為了達(dá)到較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，就必需采用較低的流量。然而，在反應(yīng)物除去時(shí)間(吹掃時(shí)間)期間不希望滯留時(shí)間長(zhǎng)，因?yàn)闇魰r(shí)間越長(zhǎng)意味著吹掃時(shí)間越長(zhǎng)。為了得到較短的滯留時(shí)間，必需采用較高的流量。因此，在反應(yīng)劑暴露的需求和反應(yīng)劑除去之間有矛盾。
本發(fā)明的在一個(gè)時(shí)間一相位多級(jí)流量通過(guò)采用不同的流量來(lái)克服這種矛盾，這樣在ALD循環(huán)不同的時(shí)間里可以優(yōu)化反應(yīng)物分子的滯留時(shí)間。通過(guò)那樣做，縮短了總的ALD循環(huán)時(shí)間(與常規(guī)系統(tǒng)所需的時(shí)間相比)，可以形成更大的晶片生產(chǎn)能力。重要的是，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不需要用往往會(huì)造成浪費(fèi)的連續(xù)高流量吹掃。實(shí)際上，如果在整個(gè)ALD循環(huán)中簡(jiǎn)單地增加吹掃流量，則在暴露期間先驅(qū)物排出反應(yīng)腔太快，而這樣嚴(yán)重增加了暴露時(shí)間。通過(guò)在先驅(qū)物暴露期間采用比較低的流量，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)際上能縮短脈沖時(shí)間，進(jìn)一步幫助減少總的ALD循環(huán)時(shí)間。
除了采用時(shí)間相應(yīng)式多級(jí)流量之外，本發(fā)明的某些實(shí)施例還在不同的ALD半循環(huán)期間利用不同的吹掃氣體。也就是說(shuō)，在吹掃階段期間可以使用與暴露階段期間使用的不同的吹掃氣體。為了理解這種使用不同吹掃氣體的原理，考慮如下?？梢圆捎糜睬蚺鲎怖碚搧?lái)計(jì)算吹掃氣體“P”每單位時(shí)間單位體積對(duì)先驅(qū)物“A”或“B”的碰撞次數(shù)。見(jiàn)，比如K.J.Laidler所著，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，第81-87頁(yè)(1987)。對(duì)兩種不相同的分子，碰撞率為NP×NA×r2×(KT/m*)1/2式中NP吹掃氣體的濃度，NA是先驅(qū)物氣體“A”的濃度，及m*是吹掃氣體分子和先驅(qū)物氣體分子的有效質(zhì)量(mAmP/mA+mP)。這表明吹掃氣體密度的較高濃度使碰撞率增加和使用于除去先驅(qū)物氣體的前進(jìn)動(dòng)量增加。盡管當(dāng)有效質(zhì)量降低 時(shí)碰撞速率更高，但對(duì)先驅(qū)物氣體的傳遞動(dòng)量與中性吹掃氣體分子的質(zhì)量呈線性關(guān)系，所以有利地通過(guò)m*的平方根選擇氣體較重的質(zhì)量。在這方面，原子量為40的Ar比原子量為28的N2更有利。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，在吹掃階段中用Ar，而在暴露階段中可以用N2作為獨(dú)立的控制氣體，以便降低氣體利用的成本。
最后，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供使反應(yīng)器壓力保持名義恒定。這一條件在ALD(及CVD)過(guò)程期間是理想的，因?yàn)樗兄谑狗磻?yīng)腔內(nèi)的微粒污染保持最少。為了理解這是什么原因，一般認(rèn)為所有的化學(xué)沉積技術(shù)都伴隨有在反應(yīng)器壁和表面上的寄生沉積。在一定的總厚度和積累之后，沉積物由于應(yīng)力效應(yīng)而剝落，并提供二次大微粒污染。這些微粒粒徑可以高達(dá)微米級(jí)(與由氣相成核作用所引起的小得多的亞微米級(jí)微粒不同)。在反應(yīng)器內(nèi)大的壓力變化可能導(dǎo)致這些微粒過(guò)早剝落，即造成加劇沉積反應(yīng)器維修的情況。盡管沒(méi)有精心設(shè)計(jì)的在CVD或ALD工藝中反應(yīng)器壓力必需控制的范圍，一種經(jīng)驗(yàn)上限定的可用于薄膜沉積的工作壓力范圍提出一種約為基準(zhǔn)工作壓力的1-3倍的“基本上恒定的壓力”可能是合適的，但壓力變化大于基準(zhǔn)工作壓力5倍可能是不合適的(不過(guò)在某些情況下這種操作對(duì)于中斷波動(dòng)(break turbulence)幫助消除可能已捕集在反應(yīng)腔中的先驅(qū)物也許是所希望的)。
因而在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用一種閉環(huán)反饋控制的或一種開環(huán)指令控制的下游節(jié)流閥，將ALD反應(yīng)器控制在一名義恒定的壓力下。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器保持一種合適的基本上是恒定的壓力，可使二次大微粒污染減至最少。如果吹掃氣體的流量快速降到一個(gè)低的值，則節(jié)流閥將(至少開始)移動(dòng)到一個(gè)更關(guān)閉的位置，這樣造成先驅(qū)物在反應(yīng)腔中有更長(zhǎng)的滯留時(shí)間。這在脈沖時(shí)間期間是所希望的，但在吹掃時(shí)間期間是不希望有的。因此，本發(fā)明除了節(jié)流閥之外還包括二級(jí)或多級(jí)吹掃流量能力。如果采用兩種吹掃流量級(jí)(低和高)，則在暴露脈沖期間采用低吹掃流量(可用于相對(duì)增加先驅(qū)物暴露和在一規(guī)定時(shí)間里增加化學(xué)吸收作用及化學(xué)物質(zhì)利用)，及在吹掃期間采用高吹掃流量(以便減少殘留先驅(qū)物的滯留時(shí)間)，同時(shí)提供對(duì)暴露和吹掃半循環(huán)二者有利的情況。
更一般地是，本發(fā)明提供幾個(gè)可供選擇的實(shí)施例用于時(shí)間相應(yīng)式多級(jí)流量(TMF)ALD工藝的操作。一種這樣的方法包括利用兩個(gè)或多個(gè)下游泵(或者如果用一個(gè)泵的話，具有多泵送容量泵)，上述兩個(gè)下游泵基本上與兩個(gè)或多個(gè)上游吹掃流量(比如，在低級(jí)和高級(jí)之間)以時(shí)間一相位切換。這種方法可以按下述兩種方式的其中之一使用方式I，在較低的流量級(jí)吹掃期間不用第二個(gè)泵(泵送容量)來(lái)提供更長(zhǎng)的滯留時(shí)間；或者方式II，在較高的流量級(jí)吹掃期間用第二個(gè)泵(或者泵送容量)接通。如果較高級(jí)流量與組合泵抽吸容量(或者如果用一個(gè)泵的話那么用較高的泵送容量)匹配，則通?？梢员３謮毫愣?。
在第二種方法中，吹掃流量通過(guò)用以時(shí)間一相位隨下游導(dǎo)流能力(比如，對(duì)于低和高流量分別從低等級(jí)轉(zhuǎn)換到高等級(jí))切換上游限制流量的導(dǎo)流能力(比如，對(duì)于低和高流量分別從低值轉(zhuǎn)換到高值)進(jìn)行控制。這種方法在本文中稱之為系統(tǒng)中的“跟蹤導(dǎo)流”。這種方法不僅提供使反應(yīng)器壓力保持名義恒定的能力(只要在切換循環(huán)中上游和下游導(dǎo)流部分在某一時(shí)間點(diǎn)處相同)，而且還可用于很寬的吹掃流量動(dòng)態(tài)范圍。切換上游導(dǎo)流能力可以以各種構(gòu)造設(shè)置例如，與化學(xué)物質(zhì)分流歧管串聯(lián)或者埋置在化學(xué)物質(zhì)歧管內(nèi)，或者與化學(xué)物質(zhì)輸送歧管管線并聯(lián)。切換下游導(dǎo)流能力也可以設(shè)置在各種不同的位置例如，在剛好是反應(yīng)區(qū)下游的第一下游限制件(constriction)的位置，或者集成為下游節(jié)流閥的一部分(在這種情況下下游節(jié)流閥單獨(dú)控制以便處于設(shè)計(jì)的位置或開口，并且不以一種閉環(huán)控制方式使用)。
在第三種方法中，將一個(gè)獨(dú)立的吹掃氣體控制管線(也可以稱之為直接連接式管道或DDC)在節(jié)流閥的上方或節(jié)流閥的下方加到反應(yīng)器泵組中或加到第一限制件中，上述獨(dú)立的吹掃氣體控制管線獨(dú)立于分流歧管中的化學(xué)物質(zhì)源，而上述第一限制件從反應(yīng)空間中引出。若用這種路線，則獨(dú)立控制的氣流等級(jí)可以用一個(gè)獨(dú)立的壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整。該氣源可以是與用作主ALD反應(yīng)器吹掃氣體(比如Ar)無(wú)關(guān)的氣體類型(比如N2或He)。這種獨(dú)立的吹掃氣體控制管線也可以相對(duì)于暴露脈沖的結(jié)束階段異步定時(shí)(在所希望的作用階段之前)，因而提供優(yōu)化多級(jí)流量的靈活性。這種管線獨(dú)立的更高溫度控制在不加快具有低分解溫度的先驅(qū)物分解的情況下提供更好的吹掃能力。
一般，DDC可以平行于分流歧管通過(guò)，或者是一種ALD系統(tǒng)的一部分，上述DDC具有所有直接連接到反應(yīng)器上的氣源。因此，多級(jí)流量吹掃氣體可以與化學(xué)物質(zhì)源并聯(lián)或者串聯(lián)式通過(guò)化學(xué)物質(zhì)源。為了證實(shí)這種思想，可以將一個(gè)第二中性吹掃管道線加到具有合適的快速氣體切換閥裝置的設(shè)備上?？梢杂脷埩魵怏w分析儀來(lái)檢測(cè)先驅(qū)物濃度如何改變。如果控制吹掃氣體管線的閥距反應(yīng)腔十分遠(yuǎn)，則響應(yīng)時(shí)間也許不適宜地長(zhǎng)(比如幾秒鐘)。為了使這個(gè)問(wèn)題減至最小，可以將各閥適當(dāng)?shù)乜拷磻?yīng)腔放置和/或在上游壓力源和反應(yīng)腔之間使用較大直徑的吹掃管線。所有控制閥都可以集成到一個(gè)共用的轂或塊中，因而保證最少的響應(yīng)時(shí)間，這在該技術(shù)中是已知的。
為了實(shí)現(xiàn)上述多級(jí)吹掃法，提供一種ALD設(shè)備400，所述ALD設(shè)備400具有一個(gè)第二吹掃管道，所述第二吹掃管道在化學(xué)氣體切換歧管的上游加入，并與第一吹掃管道并聯(lián)。這種裝置(可以稱之為雙流量吹掃歧管403)在圖4中示出。兩個(gè)吹掃氣源可以是壓力控制式(比如用壓力控制器409和411)，其壓力整定值可能有很大不同。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，壓力控制器409和411不可能在少于幾百毫秒內(nèi)作快速氣體切換(然而，將來(lái)的壓力控制器可以進(jìn)行直接快速電子控制)。通過(guò)使加壓氣體通過(guò)快速切換氣動(dòng)閥(和由在壓力源409/411之間向下直到并包括通向反應(yīng)器410的入口裝置428的管線、彎管、閥門及一些限流器所確定的導(dǎo)管)，我們可以避免這個(gè)缺點(diǎn)。這種實(shí)施方案每個(gè)都具有引向切換閥405和407的吹掃管道。這些閥可以象先驅(qū)物注入閥416和418一樣快(比如約20毫秒左右)。
在雙流量吹掃歧管403內(nèi)，閥405可以構(gòu)造成在適合于暴露脈沖期間使用的較低壓力下開動(dòng)。另一方面，閥407可以構(gòu)造成在適合于吹掃階段期間使用的較高壓力下開動(dòng)。這些閥開關(guān)的精確定時(shí)是在約10-30毫秒的時(shí)間范圍內(nèi)。開關(guān)時(shí)間可以不必也不需要與暴露脈沖的開關(guān)時(shí)間一致。這允許可靠的軟件控制來(lái)優(yōu)化和減少在反應(yīng)腔410內(nèi)在暴露流量和吹掃流量之間的實(shí)際切換之間的時(shí)間。這將在下面使用異步流動(dòng)概念進(jìn)一步探討最佳的時(shí)間一相位多級(jí)流動(dòng)的概念時(shí)討論。
ALD設(shè)備400還具有與第一系統(tǒng)泵430一起放置在下游位置處的第二泵432的措施。泵432可以切換成，與打開上游較高壓力的閥407基本同時(shí)，打開閥434投入操作。此處所述的兩個(gè)泵可以是兩個(gè)實(shí)體的泵，或者是一個(gè)實(shí)體泵的泵送容量的兩部分。后一種情況稱之為虛擬泵。如果適當(dāng)選定閥434的導(dǎo)流能力，則結(jié)果可以是在整個(gè)ALD循環(huán)期間內(nèi)保持名義上恒定的壓力。
具有這種兩級(jí)ALD吹掃設(shè)備400的操作可以有利地用許多方式進(jìn)行，其中一些方式在下列表中示出。在下列各表中所反映的時(shí)間要素代表一個(gè)特定階段TX或一個(gè)特定瞬間tx。這些時(shí)間階段和時(shí)間瞬間的圖解示例反映在圖3B中，然而，圖中的反應(yīng)器壓力示例不一定意味著與各表中所反映的操作條件相對(duì)應(yīng)。
操作方式I非恒定壓力。在這種操作方式中(表1中示出)，可以將一個(gè)下游節(jié)流閥420設(shè)定在一個(gè)固定位置處比如設(shè)定在與所希望的反應(yīng)器基準(zhǔn)壓力相對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置處，或者可以固定為完全打開(O)。通過(guò)閥407接通上游較高級(jí)壓力可能造成在脈沖吹掃操作的時(shí)幀內(nèi)在反應(yīng)腔410中壓力的偏移。在這種方式中不用泵432，而泵434關(guān)閉(C)。
表I在非恒定壓力下操作

操作方式II名義恒定壓力。這里，下游節(jié)流閥420可以設(shè)定到一個(gè)固定位置處比如，在與所希望的反應(yīng)器基準(zhǔn)壓力相對(duì)應(yīng)的一個(gè)位置處，或者可以固定成完全打開。如表2中所示，通過(guò)閥407接通上游較高等級(jí)的壓力及下游節(jié)流閥420動(dòng)作經(jīng)由閥434切換到泵432上，可以保證在脈沖吹掃操作的時(shí)幀內(nèi)發(fā)生一種朝向基準(zhǔn)反應(yīng)腔壓力的較正或較正到基準(zhǔn)反應(yīng)腔壓力。
表2在名義恒定壓力下操作

當(dāng)然，可以使用另外的結(jié)構(gòu)變化或不同操作方式的組合。一種這樣的結(jié)構(gòu)是惰性吹掃氣體的通道直接通向反應(yīng)器(采用合適的時(shí)序)，并且并聯(lián)旁通先驅(qū)物切換歧管402。在吹掃步驟期間可以增加額外的吹掃氣體流量，以便提供總流量的增加并因此減少吹掃時(shí)間。這種氣體可以通過(guò)一個(gè)專門設(shè)計(jì)的氣體歧管輸送，以便達(dá)到最佳吹掃效率。
有關(guān)圖4所示設(shè)計(jì)的變體包括一種具有一個(gè)泵和連接閥(代替泵432和閥434或再增加)的ALD設(shè)備，上述泵和連接閥連接到節(jié)流閥420上方的泵的氣道上。這種布置可以允許更有效的泵送。該閥可以是一種大直徑氣動(dòng)切換閥的并聯(lián)陣列，或者是一種快速切換(比如，大約或少于100毫秒)節(jié)流閥。
另一種變體包括一種高流量吹掃氣源，所述高流量吹掃氣源直接和單獨(dú)連接到反應(yīng)器410上。這種高流量吹掃氣源與化學(xué)物質(zhì)切換歧管402無(wú)關(guān)并與之平行。在這種情況下，獨(dú)立的吹掃氣源(可以包括多個(gè)吹掃流量)可以是高流量或者低流量，另一個(gè)是來(lái)自化學(xué)物質(zhì)切換歧管402的吹掃。
參見(jiàn)上述直接連接式管道(DCC)方法，在圖5中示出一種實(shí)施這種管道的ALD設(shè)備500的一個(gè)實(shí)施例。這里，管道536并聯(lián)旁通分流歧管502，使吹掃能通過(guò)閥538切換。這種高流量吹掃管線獨(dú)立于穿過(guò)化學(xué)物質(zhì)切換歧管的主吹掃管線，所述主吹掃管線可以是壓力源509和511中管線的其中之一或二者。這種獨(dú)立的管線可以在暴露期間用來(lái)限制下游的泵送速度，以便影響泵在反應(yīng)區(qū)中的有效的泵送速度。在吹掃期間高流量由壓力控制器540驅(qū)動(dòng)及由閥538執(zhí)行。如果閥516和518在循環(huán)的暴露期間關(guān)閉，則先驅(qū)物化學(xué)物質(zhì)可以在有或沒(méi)有載氣的情況下注入，也可以在有或沒(méi)有來(lái)自吹掃的中性氣體情況下注入。
在一些可供選擇的實(shí)施例中，DDC可以是從閥507(或505)的下游側(cè)直接到達(dá)反應(yīng)器510，同時(shí)繞過(guò)(或者不繞過(guò))分流路線?；蛘撸诓捎靡环N非分流歧管的地方，獨(dú)立的先驅(qū)物管道可以進(jìn)料給ALD反應(yīng)器，而DDC可以與其并聯(lián)。在這種情況下，DCC吹掃可能與其他管線不同，因?yàn)樗谇逑措A段期間含有高等級(jí)中性氣流進(jìn)料給反應(yīng)腔，和/或通過(guò)與先驅(qū)物進(jìn)給管線相比比較大的導(dǎo)流能力來(lái)促進(jìn)反應(yīng)腔吹掃。
在還有另一個(gè)實(shí)施例中，DCC本身可以修改成允許兩級(jí)或多級(jí)流量控制(比如，通過(guò)用一分源或多源歧管代替壓力控制器540和閥538)。在這一實(shí)施例中，在暴露期間可以通過(guò)DCC536使用較低的流量等級(jí)，而在吹掃期間可以使用較高的流量等級(jí)。在這種構(gòu)造中，無(wú)論是一種或是兩種化學(xué)物質(zhì)先驅(qū)物都可以在沒(méi)有中性氣體稀釋的情況下運(yùn)行。
圖6中所示的另一個(gè)實(shí)施例可以用來(lái)實(shí)施涉及上面提到的跟蹤導(dǎo)流系數(shù)法。在ALD設(shè)備600中，用壓力控制器642，使上游吹掃壓力相同并且固定。通過(guò)兩個(gè)分別具有低和高導(dǎo)流值的不同導(dǎo)流限制(比如，計(jì)量閥)648和650切換(比如經(jīng)由閥644和646)上游流量，可以設(shè)置總的吹掃流量(分別是低的或高的吹掃流量)。這種低流量和高流量基本上隨下游導(dǎo)流能力以時(shí)間相應(yīng)從低等級(jí)轉(zhuǎn)換到高等級(jí)(分別對(duì)應(yīng)于低流量和高流量)。只要在切換循環(huán)期間上游和下游導(dǎo)流系數(shù)在任何點(diǎn)處相同，這種方法就提供使反應(yīng)器的壓力保持名義上恒定的能力。在暴露階段和吹掃階段的穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)定點(diǎn)處的情況肯定是這樣。這種解決方案提供了吹掃流量的一種很寬的動(dòng)態(tài)范圍，以及一種限制在名義恒定壓力下操作的設(shè)計(jì)。
在一個(gè)限制上游流量的導(dǎo)流系數(shù)和一個(gè)限制下游流量的導(dǎo)流系數(shù)之間相串聯(lián)放置的用于具有很大導(dǎo)流系數(shù)(與來(lái)自氣源642的管線中的導(dǎo)流系數(shù)相比)的反應(yīng)器的反應(yīng)器壓力，可以用下面腔室壓力表達(dá)式近似表示Pcham～UP×[(1/dC)/(1/dC+1/UC)](1)，式中UP是可以用一壓力控制器調(diào)整的上游壓力，dC和UC分別是下游和上游導(dǎo)流系數(shù)。導(dǎo)流系數(shù)的倒數(shù)與流動(dòng)阻力成正比，因此在任何恒定的流量下反應(yīng)腔壓力剛好是下游阻力件上的壓降與總阻抗力比值。
這個(gè)模型可以用方程(1)寫出來(lái)，并與電路所提供的方程式類似，該電路具有一個(gè)恒定的電源電壓VS(類似于上游壓力)，上游串聯(lián)電阻Ru(類似于上游導(dǎo)流系數(shù)的倒數(shù))及在Ru下面的節(jié)點(diǎn)電壓(類似于反應(yīng)腔壓力)，一個(gè)下游電阻(類似于下游導(dǎo)流系數(shù)的倒數(shù))和地面(類似于下游泵)。在這種線性等效電路中，節(jié)點(diǎn)電壓由下式給出
VS×[Rd/(Rd+Ru)。
在氣流情況下的一種關(guān)鍵不同是，導(dǎo)流元件相對(duì)于它們與壓力的關(guān)系，不工作在線性范圍內(nèi)。然而，與跨過(guò)導(dǎo)流部件的壓降功能形式無(wú)關(guān)，這種比例關(guān)系是可以使用的。
上游壓力通常是大約幾十到一百乇(Torr)而反應(yīng)腔壓力為大約100毫乇到1乇。因此典型的阻力比，即下游阻力與總阻力之比是10-100倍之間。按照本發(fā)明所述構(gòu)造的ALD設(shè)備通常提供比值在高達(dá)約100范圍內(nèi)的流量，不過(guò)在某些情況下更高的比值可能存在，因?yàn)橄掠蔚淖枇赡苤饕晒?jié)流閥的位置(最小)和泵送容量(最大)決定。
然后考慮典型的情況，對(duì)流動(dòng)的總阻力必需能改變大約100倍或更多。如果dC的值在它的最低值時(shí)為大約10l/s(下游節(jié)流閥幾乎關(guān)閉)，則相應(yīng)的UC值可以通過(guò)設(shè)計(jì)定在大約0.5l/s，以提供21∶1的壓降，但該流量是小的并且由上游導(dǎo)流件限制。如果上游壓力為10乇，則反應(yīng)腔壓力將是10/21乇或者大約500毫乇，則流量是10×0.5Torrl/s。這代表當(dāng)流量處于低狀態(tài)時(shí)流量和壓力的條件。
如果dC值在其最大值處為大約1000l/s(下游節(jié)流閥幾乎打開)，則相應(yīng)的UC值可以通過(guò)設(shè)計(jì)合宜地設(shè)定在約50l/s，同時(shí)也提供21∶1的壓降，并且現(xiàn)在該流量大且受上游導(dǎo)流限制件限制。如果上游壓力是10乇，則反應(yīng)腔壓力將也是10/21乇或者大約500毫乇并且流量為10×50Torr l/s。這表示當(dāng)流量處于高狀態(tài)時(shí)流量和壓力的條件，上述高流量狀態(tài)是低流量狀態(tài)的100倍。
這個(gè)實(shí)施例可以有利地推廣，以便反應(yīng)腔中的壓力在ALD循環(huán)的所有時(shí)間里都保持名義恒定。如果上游和下游導(dǎo)流系數(shù)是它們整個(gè)范圍的分?jǐn)?shù)值，也可以做到這點(diǎn)，上述分?jǐn)?shù)值總是相同的分?jǐn)?shù)Pcham～UP×[(1/dfdc)/(1/dfdc)+1/ufuc)](2)，式中df和uf分別是下游和上游導(dǎo)流系數(shù)的導(dǎo)流范圍的分?jǐn)?shù)。如果df與uf的比值(把該比值叫做f)在任何時(shí)點(diǎn)點(diǎn)處總是相同，并且是下游和上游的閥或限制器的導(dǎo)流范圍的一個(gè)共同系數(shù)f，則這些f值在表達(dá)式中被消去，并且壓力典型地是恒定的，Pcham～UP×[(1/dc)/(1/dc+f/uc)]。
如圖7中所示，跟蹤導(dǎo)流法可以用DCC 736實(shí)施。DCC氣體壓力水平可以用一個(gè)單獨(dú)的壓力調(diào)節(jié)器742設(shè)定，并且該氣源與來(lái)自氣源752的用作主ALD反應(yīng)器吹掃氣體(比如Ar)的氣源相比，可以是一種單獨(dú)的氣體類型(比如N2或He)。跟蹤導(dǎo)流件748和750可以分別設(shè)定，用于低的(暴露)和高的(吹掃)流量。切換閥744和746可以設(shè)定成低流量和高流量，這些流量與節(jié)流閥720的下游導(dǎo)流能力的設(shè)定基本上一致，以便在暴露和吹掃期間達(dá)到名義恒定的壓力。
上游和下游導(dǎo)流系數(shù)(跟蹤導(dǎo)流)比例的匹配設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)在暴露期間的低流量，所述低流量相應(yīng)于高的滯留時(shí)間，在先驅(qū)物去除或吹掃期間達(dá)到一高流量，所述高流量相應(yīng)于低的滯留時(shí)間。通過(guò)使導(dǎo)流系數(shù)的比值保持恒定(或幾乎恒定)，在反應(yīng)器中得到基本上恒定的壓力。一種可供選擇的達(dá)到恒定的壓力但仍然具有不同流量的方法，是使用單獨(dú)的直接連接的管線。一個(gè)第一氣體管線可以把在等級(jí)“Fp”的吹掃流量直接注射到反應(yīng)空間中，而一個(gè)直接連接到反應(yīng)空間下游的第二單獨(dú)的(分開的)管線可以提供合適的流量級(jí)“Fe”給泵。上游和下游流量值如此選定，以便在吹掃和暴露階段期間在反應(yīng)器中達(dá)到的名義恒定壓力(比如在平均值±50％的范圍內(nèi))。在下游注射位置和反應(yīng)空間之間存在限制導(dǎo)流能力的小流量的情況下，流量也可以基本上相同。上游吹掃氣體可以選擇，以便增加先驅(qū)物反應(yīng)劑的夾帶以將先驅(qū)物反應(yīng)劑除去。例如，可以用Ar(具有較重的質(zhì)量)來(lái)使吹掃期間夾帶最大化。較重的中性氣體(Kr，Xe等)，盡管作為夾帶氣體比較有效，但似乎價(jià)錢太貴，以致不能在商用反應(yīng)器中使用。下游吹掃氣體可以選擇，以便降低成本，如果在吹掃期間該氣體不活潑，N2是可供選擇的氣體(He比N2更貴)。
另一個(gè)可供選擇的方案是布置單獨(dú)的氣體控制管線，以便將一個(gè)流量提供給泵730，所述泵730在暴露時(shí)間內(nèi)降低對(duì)反應(yīng)腔710的有效泵送速度，因此增加了其中先驅(qū)物的滯留時(shí)間。在這種設(shè)備中，DCC管線736將連接到節(jié)流閥720和泵730之間的區(qū)域，而不是到反應(yīng)器710。
在一個(gè)實(shí)施例中，ALD設(shè)備700可供多級(jí)氣流源用，所述多級(jí)氣流源具有一上游經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的入口壓力為35乇，同時(shí)引入到一分流歧管中。分流歧管可以具有一個(gè)低流量分支和高流量分支，上述低流量分支設(shè)定在10sccm處，如通過(guò)一種具有Cv為0.005-0.03的計(jì)量式針閥(比如，SSVR4型)來(lái)確定，而上述高流量分支設(shè)定在1000sccm處，如通過(guò)一種具有Cv為0.05-0.3的計(jì)量式針閥(比如，4BMRC-VCR型)來(lái)確定。低流量分支可以具有一個(gè)快速切換氣動(dòng)閥(比如，Veriflo955AOLP型，Cv＝0.55)，所述快速切換氣動(dòng)閥位于針閥的上游。吹掃流量可以輸入到反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)(可以是200毫乇)，與A和B化學(xué)物質(zhì)供應(yīng)氣流管線無(wú)關(guān)。具體地說(shuō)，吹掃流量可以經(jīng)過(guò)一個(gè)氣體分配組件，所述組件具有的流量系數(shù)(Cv)為大于70，并且不產(chǎn)生顯著的壓降，及從該組件穿過(guò)晶片周邊外部的周邊孔環(huán)(具有大于150的Cv)到達(dá)反應(yīng)容器的下面部分。從反應(yīng)容器開始，氣體路線可以通向并穿過(guò)一個(gè)限制件，所述限制件由一快速切換壓力控制節(jié)流閥(比如，具有一個(gè)4″喉管的VAT 61型)設(shè)定，引向一個(gè)直徑為6″的前側(cè)管道到達(dá)一個(gè)初級(jí)泵(rough pump，比如，BOC Edwards iH1 800型)，所述初級(jí)泵在反應(yīng)器壓力為200毫乇(mlorr)時(shí)可以保持氣流量高出2000sccm好多。節(jié)流閥可控制的導(dǎo)流范圍為1-1400l/s。對(duì)這種系統(tǒng)，在反應(yīng)器壓力為200毫乇時(shí)，100sccm的流量將要求導(dǎo)流能力為6.3l/s，而1000sccm的流量將要求導(dǎo)流能力為63l/s，二者完全都在節(jié)流閥的范圍之內(nèi)。
單獨(dú)的吹掃管線為優(yōu)化最少暴露時(shí)間提供了靈活性。如果DCC切換是在起動(dòng)暴露時(shí)間之前的一個(gè)時(shí)間dt開始，則在出口孔的點(diǎn)處對(duì)反應(yīng)體積的有效泵送容量可以使其時(shí)間-相位到與先驅(qū)物進(jìn)入到達(dá)反應(yīng)體積相一致。這樣，降低到達(dá)反應(yīng)腔的泵送速度的延遲與先驅(qū)物穿過(guò)上游切換歧管的到達(dá)相匹配。dt由先驅(qū)物氣體在注入閥和反應(yīng)腔之間的滯留時(shí)間確定，并且dt包括連接管線，小孔和分配組件(比如蓮蓬頭部件)的導(dǎo)流能力。我們把這種方法稱這為異步定時(shí)(AT)，用于優(yōu)化循環(huán)時(shí)間中暴露和清除階段的邊緣。AT可以與本文所述本發(fā)明的任何方法或設(shè)備一起應(yīng)用。
在還有另一個(gè)實(shí)施例中，跟蹤導(dǎo)流法可以用一種環(huán)形節(jié)流閥(ATV)854實(shí)施，如圖8所示的ALD設(shè)備800所示出的。利用ATV854來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器810中環(huán)形氣流通道的導(dǎo)流能力，以便可以調(diào)節(jié)通過(guò)反應(yīng)器的氣體流量。回憶一下分子在一具有體積V和流量F的空間中的滯留時(shí)間(r.t.)由下式給出r.t.＝pV/F。當(dāng)ATV854打開時(shí)，它提供高導(dǎo)流能力(亦即，高流量)。因此反應(yīng)物分子的滯留時(shí)間短。當(dāng)ATV854關(guān)閉時(shí)，它提供低導(dǎo)流能力(亦即，低流量)。因此反應(yīng)物分子的滯留時(shí)間長(zhǎng)。這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)ATV(比如，在完全打開位置和完全關(guān)閉位置之間，或者它們之間的任何位置)，可以按照暴露時(shí)間和清除時(shí)間的不同需要來(lái)調(diào)節(jié)滯留時(shí)間或先驅(qū)物。
這種方法進(jìn)行一種快速切換(比如，小于或大約100毫秒)，導(dǎo)流限制件盡可能靠近反應(yīng)空間。這提供了在最少先驅(qū)物回流的情況下靈敏的滯留時(shí)間控制的優(yōu)點(diǎn)。也就是說(shuō)，很少或沒(méi)有先驅(qū)物流過(guò)ATV的低導(dǎo)流狀態(tài)，并且對(duì)滯留時(shí)間的影響將有最小延遲的感覺(jué)。
本發(fā)明的ATV854是一種節(jié)流閥，所述節(jié)流閥用環(huán)形橫截面調(diào)節(jié)管道的導(dǎo)流能力。ATV的導(dǎo)流能力可以用電學(xué)、磁學(xué)、機(jī)械、氣動(dòng)方法或通過(guò)另外方法進(jìn)行調(diào)節(jié)(比如，打開、關(guān)閉或者移動(dòng)到打開和關(guān)閉之間的一個(gè)位置，如果設(shè)置更多的不同的方式)。ATV可以適用于任何方便的打開/關(guān)閉結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例在圖9中示出。這些ATV每個(gè)都設(shè)計(jì)成通過(guò)一個(gè)具有環(huán)形橫截面的開口958提供變化的導(dǎo)流能力。
在第一個(gè)實(shí)施例中，一種楔形葉片ATV 960提供一種連續(xù)導(dǎo)流能力調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。這種ATV具有多個(gè)楔形葉片962，每個(gè)葉片都繞其軸線964旋轉(zhuǎn)(該軸線964在示圖中位于低的平面內(nèi))。當(dāng)葉片的平面平行于晶片架(基座)的平面時(shí)，葉片處于它的完全關(guān)閉位置。當(dāng)所有葉片(它們可以單獨(dú)控制)都處于這個(gè)位置時(shí)，ATV 960處于其完全關(guān)閉位置，并且管道的導(dǎo)流能力處于最小。當(dāng)葉片的平面垂直于晶片架的平面時(shí)，葉片處于它的完全打開位置。當(dāng)所有葉片都處于這個(gè)打開位置時(shí)，ATV 960完全打開，并且管道的導(dǎo)流能力處于最大。通過(guò)改變完全打開或完全關(guān)閉的葉片數(shù)量，可以將管道的導(dǎo)流能力從它的最小(所有葉片完全關(guān)閉)調(diào)到它的最大(所有葉片完全打開)。當(dāng)然，能夠?qū)嵤┦谷~片可以處于不同于完全打開或完全關(guān)閉的位置，以便在調(diào)節(jié)管道的導(dǎo)流能力方面提供“細(xì)調(diào)”能力。一般，應(yīng)使葉片的重量和慣性矩減至最小，以便供快速響應(yīng)時(shí)間。
在第二實(shí)施例中，一種照像機(jī)快門(或者光圈)的ATV 960也提供一種連續(xù)導(dǎo)流能力調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。這種ATV具有多個(gè)葉片968，所述葉片968在幾乎與基座平面平行的平面中移動(dòng)。它模仿照相機(jī)快門運(yùn)動(dòng)，除了照相機(jī)快門是從某一直徑移動(dòng)到零直徑位置，而這種ATV是從環(huán)的外徑位置關(guān)閉到環(huán)的內(nèi)徑位置之外，環(huán)的內(nèi)徑通常是很接近基座的直徑。當(dāng)照相機(jī)快門ATV 966的葉片從完全打開位置移動(dòng)到完全關(guān)閉位置時(shí)，可以連續(xù)調(diào)節(jié)管道的導(dǎo)流能力。
示圖中的第三個(gè)實(shí)施例顯示一種隔板ATV 970，所述隔板ATV970可供兩種狀態(tài)(打開和關(guān)閉)操作用。這種ATV由兩個(gè)相同的環(huán)形件或葉片組成，一個(gè)放在另一個(gè)的上部，在上述兩個(gè)環(huán)形件或葉片內(nèi)各具有一組孔972，每個(gè)孔都起管道的作用。當(dāng)兩個(gè)環(huán)形件的孔重合時(shí)，氣體可以流過(guò)孔，而把ATV說(shuō)成打開。當(dāng)兩個(gè)環(huán)形件具有彼此相對(duì)角位移，以致沒(méi)有一個(gè)孔重疊時(shí)，氣體不能流動(dòng)，把ATV說(shuō)成關(guān)閉。因此，通過(guò)改變?nèi)~片彼此相對(duì)的角位移，可以使管道的導(dǎo)流能力接通和關(guān)閉。如果小心控制兩個(gè)葉片的位移，以便兩組孔部分重疊，則導(dǎo)流能力可在完全打開和完全關(guān)閉狀態(tài)之間連續(xù)調(diào)節(jié)?？晒┻x擇地，或者此外，通過(guò)改變孔的位置或者增加葉片數(shù)(每個(gè)都可能具有不同的孔的布置和/或尺寸)，這種ATV形式可以適用于三種、四種或更多種操作方式，每種操作方式都將提供變動(dòng)的開孔數(shù)(或許是尺寸)，(并因此提供變動(dòng)的導(dǎo)流能力)，以便使氣體能通過(guò)孔。
與常規(guī)的節(jié)流閥相比，環(huán)形節(jié)流閥更靠近晶片，這樣使腔壓響應(yīng)時(shí)間更短(由于減少了閥上方的體積)。它還增加了反應(yīng)物利用的效率。與Sneh所描述的“抽吸控制腔”方法相比，環(huán)形節(jié)流閥的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它可以防止反向擴(kuò)散(back diffusion)到反應(yīng)區(qū)中，上述反向擴(kuò)散到反應(yīng)區(qū)干擾先驅(qū)物分布。
ATV可以用一種與上述常規(guī)節(jié)流閥很相似的型式操作。一般，ATV提供更有效的與上游組件的連接。上述上游組件提供時(shí)間-相位多級(jí)流量。表3示出用于ATV的某些操作方式。
表3ATV用的操作方式

這樣，已經(jīng)說(shuō)明了在ALD工藝中改善循環(huán)時(shí)間的方法和設(shè)備。在上述討論中，本發(fā)明對(duì)各種所示的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，然而，應(yīng)該記住，這些說(shuō)明僅是為了方便起見(jiàn)，并且不應(yīng)看成是限制本發(fā)明的更廣范圍。例如，盡管上述方法和設(shè)備是參照熱ALD論述，但它們同樣地可用于等離子體輔助的ALD。在這種情況下，其中一種先驅(qū)物可以首先在沒(méi)有等離子體的情況下暴露，隨后進(jìn)行一種高流量等級(jí)的吹掃操作，然等離子體輔助暴露第二種先驅(qū)物，接著或者是不吹掃或者是較高流量等級(jí)吹掃。等離子體輔助工藝在改善循環(huán)時(shí)間方面的好處在數(shù)量上少于熱ALD的情況下在改善循環(huán)時(shí)間方面的好處，因?yàn)榈入x子體輔助的ALD循環(huán)在等離子體輔助半反應(yīng)之后可以在沒(méi)有吹掃階段的情況下運(yùn)行。不過(guò)在某些應(yīng)用中，在較高流量壓力下，一種等離子體輔助的步驟可能是有利的。此外，如果等離子體吹掃對(duì)襯底/晶片上沉積的薄膜沒(méi)有有害影響，則可以選擇用一種中性等離子體方式操作吹掃。一種合適設(shè)計(jì)的在等離子體吹掃期間與主動(dòng)吹掃一起使用的電極構(gòu)造，在用于改善薄膜質(zhì)量的表面先驅(qū)物吸附期間，可以產(chǎn)生一種受限制的反應(yīng)及一種更好的受控表面反應(yīng)。最后，由本發(fā)明發(fā)明人其中幾位配合使用這里所描述的方法和設(shè)備所開發(fā)出的經(jīng)典ALD的某些變體，如亞飽和ALD(比如，瞬時(shí)強(qiáng)化ALD和不充分反應(yīng)ALD(Starved Reaction ALD)，可以通過(guò)本方法和設(shè)備進(jìn)一步增強(qiáng)。在這些方法中，自限式ALD反應(yīng)或者設(shè)計(jì)成剛好達(dá)到開始飽和，或者不讓飽和完成。這樣，本發(fā)明的整個(gè)范圍將只由下面的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括利用第一吹掃流量和第一泵送容量實(shí)施原子層沉積(ALD)工藝的暴露階段，及利用大于第一吹掃流量的第二吹掃流量和大于第一泵送容量的第二泵送容量實(shí)施ALD工藝的吹掃階段。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在暴露階段和吹掃階段期間，使在其內(nèi)實(shí)施ALD工藝的反應(yīng)腔壓力保持名義恒定。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中反應(yīng)腔的壓力通過(guò)操作反應(yīng)腔下游的節(jié)流閥，以使該節(jié)流閥在吹掃階段期間比在暴露階段期間打開更多，來(lái)保持名義恒定。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一吹掃流量和第二吹掃流量包括不同的氣體。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一吹掃流量和第二吹掃流量通過(guò)不同的流動(dòng)路線提供。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第二吹掃流量和第二泵送容量在暴露階段期間材料沉積終止之前起動(dòng)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中起動(dòng)第二吹掃流量和第二泵送容量，以便阻止反應(yīng)腔內(nèi)存在的紊流，ALD工藝在上述反應(yīng)腔內(nèi)實(shí)施。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括用第三吹掃流量和第三泵送容量實(shí)施ALD工藝的第二暴露階段，上述第三吹掃流量和第三泵送容量分別與第一吹掃流量和第一泵送容量不同。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中第三吹掃流量包括沒(méi)有吹掃流量。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中暴露階段包括一種等離子體輔助工藝。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)?shù)谝槐盟腿萘壳袚Q到第二泵送容量時(shí)，第一吹掃流量在與該切換基本上重合的點(diǎn)處切換到第二吹掃流量。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中在暴露半循環(huán)期間完成材料沉積之前，將第一吹掃流量切換到第二吹掃流量。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一吹掃流量在與第一泵送容量切換到第二泵送容量的不同時(shí)間點(diǎn)處切換到第二吹掃流量。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中第一吹掃流量在第一泵送容量切換到第二泵送容量之前切換到第二吹掃流量。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中第一吹掃流量在第一泵送容量切換到第二泵送容量之后切換到第二吹掃流量。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一吹掃流量通過(guò)下述方式切換到第二吹掃流量，即在與位于反應(yīng)腔下游的第二流量限制導(dǎo)流件被切換成與從內(nèi)部實(shí)施ALD工藝的反應(yīng)腔引出的第二氣體流動(dòng)路線斷開基本重合的時(shí)間點(diǎn)處，將位于反應(yīng)腔上游的第一流量限制導(dǎo)流件切換成與通到反應(yīng)腔的第一氣體流動(dòng)路線斷開。
17.一種方法，包括用第一吹掃流量實(shí)施原子層沉積(ALD)循環(huán)的第一階段和用比第一吹掃流量大的第二吹掃流量實(shí)施ALD循環(huán)的第二階段，上述第一吹掃流量部分地由反應(yīng)腔內(nèi)一個(gè)環(huán)形氣流通道的第一導(dǎo)流系數(shù)限定，ALD工藝在上述反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，而上述第二吹掃流量部分地由反應(yīng)腔內(nèi)環(huán)形氣流通道的第二導(dǎo)流系數(shù)限定。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在第一階段和第二階段期間使反應(yīng)腔的壓力保持名義恒定。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中第一吹掃流量和第二吹掃流量包括不同的氣體。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中第一吹掃流量和第二吹掃流量通過(guò)不同的流動(dòng)路線提供。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中第二吹掃流量在第一階段期間材料沉積終止之前起動(dòng)。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括用第三吹掃流量實(shí)施ALD循環(huán)的第三階段，上述第三吹掃流量部分地由環(huán)形氣流通道的第三導(dǎo)流系數(shù)限定，并且與第一吹掃流量和第二吹掃流量不同。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中第三吹掃流量包括沒(méi)有吹掃流量。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中第一階段包括等離子體輔助工藝。
25.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一吹掃流量部分通過(guò)下述方式切換到第二吹掃流量，上述方式是在與反應(yīng)腔內(nèi)環(huán)形氣流通道的第二導(dǎo)流件被切換成與從反應(yīng)腔引出的第二氣體流動(dòng)路線連通基本上重合的時(shí)間點(diǎn)處將位于反應(yīng)腔上游的第一流量限制導(dǎo)流件切換成與通到反應(yīng)腔的第一氣體流動(dòng)路線斷開。
26.一種方法，包括在第一壓力下用第一吹掃流量實(shí)施原子層沉積(ALD)工藝的暴露階段和在大于第一壓力的第二壓力下用第二吹掃流量實(shí)施ALD工藝的吹掃階段，上述第一吹掃流量經(jīng)過(guò)位于一個(gè)反應(yīng)腔上游第一氣流通道內(nèi)的第一流量限制導(dǎo)流件和位于反應(yīng)腔下游第二氣流通道內(nèi)的第二流量限制導(dǎo)流件，ALD工藝在上述反應(yīng)腔內(nèi)實(shí)施，上述第二吹掃流量經(jīng)過(guò)位于第一氣流通道內(nèi)的第三導(dǎo)流件和位于第二氣流通道中的第四導(dǎo)流件，其中第一導(dǎo)流件與第二導(dǎo)流件的導(dǎo)流系數(shù)之比值等于第三導(dǎo)流件與第四導(dǎo)流件的導(dǎo)流系數(shù)的比值，并且在ALD工藝期間使反應(yīng)腔的壓力保持名義恒定。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中用于第二吹掃流量的第二吹掃氣體與用于第一吹掃流量的第一吹掃氣體不同。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中暴露階段包括一種等離子體輔助的工藝。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中當(dāng)?shù)谝粴饬魍ǖ纼?nèi)的第一導(dǎo)流件切換到第三導(dǎo)流件時(shí)，第一吹掃流量在與該切換時(shí)間基本上重合的點(diǎn)處切換到第二吹掃流量。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中在暴露階段期間完成材料沉積之前，將第一吹掃流量切換到第二吹掃流量。
31.如權(quán)利要求26所述的方法，其中第一吹掃流量在與第二氣流通道中的第二導(dǎo)流件切換到第四導(dǎo)流件的不同時(shí)間點(diǎn)處切換到第二吹掃流量。
32.一種原子層沉積(ALD)系統(tǒng)，包括一個(gè)第一吹掃流量通道，所述第一吹掃流量通道連接反應(yīng)器的上游；一個(gè)第二吹掃流量通道，所述第二吹掃流量通道連接反應(yīng)器的上游；及一個(gè)泵送裝置，所述泵送裝置連接反應(yīng)器的下游，并構(gòu)造成在第一吹掃流量通道工作時(shí)的第一泵送容量和在第二吹掃流量通道工作時(shí)的第二泵送容量之間切換，上述第二泵送容量大于第一泵送容量。
33.如權(quán)利要求32所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二吹掃流量通道享用一共同的氣流歧管，所述共同的氣流歧管具有一個(gè)或多個(gè)先驅(qū)物注入通道。
34.如權(quán)利要求32所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二吹掃流量通道的至少其中之一獨(dú)立于另一個(gè)流量通道連接到反應(yīng)器上。
35.如權(quán)利要求32所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二泵送容量包括一個(gè)實(shí)體泵的兩種操作方式。
36.如權(quán)利要求32所述的ALD系統(tǒng)，還包括一個(gè)節(jié)流閥，所述節(jié)流閥在反應(yīng)腔的下游。
37.如權(quán)利要求36所述的ALD系統(tǒng)，其中第二泵送容量至少部分地由一個(gè)實(shí)體泵提供，所述實(shí)體泵連接到反應(yīng)腔的下游但在節(jié)流閥的上游。
38.如權(quán)利要求36所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二泵送容量由一個(gè)或多個(gè)泵提供，上述一個(gè)或多個(gè)泵連接節(jié)流閥的下游。
39.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中將第一和第二吹掃流量通道構(gòu)造成分別在第一和第二吹掃氣體壓力下操作，該第一壓力小于第二壓力。
40.如權(quán)利要求39所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二吹掃流量通道享用一共同的氣流歧管，所述共同的氣流歧管具有一個(gè)或多個(gè)先驅(qū)物注入通道。
41.如權(quán)利要求39所述的ALD系統(tǒng)，其中第一和第二吹掃流量通道的至少其中之一獨(dú)立于另一個(gè)流量通道直接連接到反應(yīng)器上。
42.一種原子層沉積(ALD)系統(tǒng)，包括一個(gè)吹掃流量通道，所述吹掃流量通道通過(guò)可選擇的限制上游流量的導(dǎo)流件連接反應(yīng)腔的上游，上述可選擇的限制上游流量的導(dǎo)流件具有兩種或多種操作方式，該操作方式包括一種低流量方式和一種高流量方式；及一個(gè)泵送裝置，所述泵送裝置通過(guò)可選擇的限制下游流量的導(dǎo)流件連接反應(yīng)器的下游，上述可選擇的限制下游流量的導(dǎo)流件具有兩種或多種操作方式，該操作方式包括一種低流量方式和一種高流量方式，其中限制上游流量的導(dǎo)流件和限制下游流量的導(dǎo)流件構(gòu)造成以時(shí)間-相位相互切換操作方式。
43.如權(quán)利要求42所述的ALD設(shè)備，其中限制上游流量的導(dǎo)流件構(gòu)造成在限制下游流量的導(dǎo)流件切換操作方式之前，切換其操作方式。
44.如權(quán)利要求42所述的ALD設(shè)備，其中限制下游流量的導(dǎo)流件包括一個(gè)節(jié)流閥。
45.如權(quán)利要求44所述的ALD設(shè)備，其中節(jié)流閥包括一種位于反應(yīng)腔內(nèi)的環(huán)形節(jié)流閥。
46.如權(quán)利要求42所述的ALD設(shè)備，其中吹掃流量通道包括多個(gè)用于吹掃氣體和化學(xué)物先驅(qū)物的氣流通道，上述多個(gè)氣流通道享有一個(gè)或多個(gè)共同的到反應(yīng)腔的輸入。
47.如權(quán)利要求46所述的ALD設(shè)備，其中至少一個(gè)吹掃氣流通道獨(dú)立于化學(xué)物先驅(qū)物的氣流通道。
48.一種原子層沉積(ALD)系統(tǒng)，包括一個(gè)氣體輸送系統(tǒng)，所述氣體輸送系統(tǒng)連接到一個(gè)反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔具有一個(gè)設(shè)置在其中的環(huán)形節(jié)流閥，所述環(huán)形節(jié)流閥位于從反應(yīng)腔到一個(gè)泵送系統(tǒng)的氣流通道內(nèi)，上述泵送系統(tǒng)連接反應(yīng)腔的下游。
49.如權(quán)利要求48所述的ALD系統(tǒng)，其中環(huán)形節(jié)流閥具有兩種或多種操作方式，每種操作方式都構(gòu)造成從反應(yīng)腔提供不同的流動(dòng)路線導(dǎo)流能力。
50.如權(quán)利要求49所述的ALD系統(tǒng)，其中氣體輸送系統(tǒng)構(gòu)造成提供兩個(gè)或多個(gè)流量等級(jí)的吹掃流量。
51.如權(quán)利要求50所述的ALD系統(tǒng)，其中環(huán)形節(jié)流閥連接到一個(gè)控制系統(tǒng)上，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造成按照吹掃流量等級(jí)切換環(huán)形節(jié)流閥的操作方式，因此保持一個(gè)名義恒定的反應(yīng)腔壓力。
52.如權(quán)利要求48所述的ALD系統(tǒng)，其中環(huán)形節(jié)流閥包括多個(gè)葉片，每個(gè)葉片都具有一個(gè)穿過(guò)它的軸線，一個(gè)單獨(dú)的葉片繞上述軸線從一個(gè)第一位置旋轉(zhuǎn)到一個(gè)第二位置。
53.如權(quán)利要求48所述的ALD系統(tǒng)，其中環(huán)形節(jié)流閥包括多個(gè)葉片，所述葉片設(shè)置成一種光圈結(jié)構(gòu)。
54.如權(quán)利要求48所述的ALD系統(tǒng)，其中環(huán)形節(jié)流閥包括多個(gè)板片，每個(gè)板片都具有許多穿過(guò)板片的孔，至少一個(gè)板片可繞一軸線旋轉(zhuǎn)，以便貫穿可旋轉(zhuǎn)板片的各孔與另一些板片的至少其中之一板片上的各孔對(duì)準(zhǔn)，以便提供穿過(guò)環(huán)形節(jié)流閥的通道。
55.一種ALD設(shè)備，包括一個(gè)第一中性氣體管線和一個(gè)不同的第二中性氣體管線，上述第一中性氣體管線構(gòu)造成將一種流量等級(jí)的Ar氣流在ALD循環(huán)的吹掃階段期間注入到一個(gè)反應(yīng)空間，而上述第二中性氣體管線構(gòu)造成在反應(yīng)空間下游注入一種流量等級(jí)的N2氣流，這些流量等級(jí)如此選定，以便在反應(yīng)空間中提供基本上穩(wěn)定的壓力。
全文摘要
用不同的吹掃流量，及在某些情況下用不同的泵送容量，實(shí)施ALD循環(huán)的不同階段。同時(shí)使反應(yīng)腔保持在名義恒定的壓力下。在某些情況下，吹掃流量可以利用不同的氣體和/或通過(guò)不同的流動(dòng)路線提供。這些操作提供ALD循環(huán)時(shí)間的改善和在消耗品使用方面提供經(jīng)濟(jì)的操作。在某些實(shí)施例中，利用環(huán)形節(jié)流閥提供一種機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)用于控制來(lái)自反應(yīng)腔的氣體流動(dòng)路線中的限制下游流量的導(dǎo)流件。
文檔編號(hào)C23F1/00GK1777696SQ200480010657
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月14日
發(fā)明者劉辛葉, 托馬斯·E·塞德?tīng)? 愛(ài)德華·李, 肯·多林, 薩桑甘·拉馬納坦 申請(qǐng)人:杰努斯公司