[发明专利]一种增强清洗效果的沉积系统及方法

说明书

本发明公开了一种增强清洗效果的沉积系统及方法，沉积系统包括：反应腔室，内设有基座，基座上方设有喷淋头，喷淋头周围通过绝缘环与腔室上盖相连，喷淋头上方覆盖有绝缘板，基座周围设有约束环，约束环以内、喷淋头和基座之间空间区域为反应区域，约束环和腔室内壁之间空间区域为非反应区域；初级清扫通道，用于对反应区域通入清扫气体进行清扫；次级清扫通道，用于对非反应区域通入清扫气体进行清扫。本发明能够增加对非反应区域的清扫程度，减少副反应生成物在非反应区域壁上的沉积，并阻挡微粒在腔室上盖与绝缘环之间的间隙内积累形成微粒源，从而能保证工艺性能的稳定性，提高等离子体源对死区的清洗效果。

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，更具体地，涉及一种可增强清洗效果的沉积系统及方法。

背景技术

在半导体行业中，随着电子器件的几何尺寸不断减小以及器件的密集度不断提高，特征尺寸和高宽比变得越来越有挑战性。原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)就是为了应对这种挑战而提出的一种新的薄膜沉积方法。原子层沉积以其独特的自限制性生长模式，使其具有薄膜生长厚度精确可控、优异的保形性、成分可控等优点，越来越受到全世界科技工作者的关注。

热诱导ALD过程是最普通的ALD技术，其使用热量使两种反应物之间产生化学反应。尽管热诱导ALD过程有效地用于沉积一些材料，但是该过程也同时具有低沉积率的问题。因此，其加工产量可能缩减到不能接受的水平。此外，虽然沉积率在更高的沉积温度下可能增加，但是，许多化学先驱物，特别是金属有机化合物，在高温下却会分解。

等离子体增强原子层沉积(PEALD)可以用于形成各种材料。在一些PEALD过程的示例中，材料可以由与热诱导ALD过程相同的化学先驱物形成，但是会以更高的沉积率和更低的温度形成。尽管存在一些不同的技术，但是一般地，PEALD过程提供的是将反应气体和反应等离子体相继地引入含有基底的沉积室中。第一种反应气体被脉冲引入沉积室中并被吸收到基底表面上。之后，反应等离子体被脉冲引入沉积室并与第一种反应气体反应，以形成沉积材料。类似热诱导ALD过程，可以在各反应物的传输之间进行净化步骤。尽管PEALD过程由于等离子体内反应基的高度反应而克服了热诱导ALD过程的一些缺点，但是PEALD过程还是具有很多局限性。例如，PEALD过程可能对基底造成等离子体损伤，也可能与一些化学先驱物不相容，并且需要额外的硬件。

一种典型的容性耦合PEALD反应腔室100的具体结构可如图1所示：等离子体源(RPS)110通过主管道121直接与喷淋头(showerhead)111连接。反应气体和清扫气体通过清扫气体管道112通入主管道121。喷淋头111周围通过绝缘环125与腔室上盖119相连。喷淋头上方通过覆盖在腔室上盖上的绝缘板117与外界隔离。基座114位于喷淋头下方的反应腔室内。在基座周围设有约束环116，约束环用于将等离子体束缚在反应区域127内。反应区域是指约束环116以内、喷淋头11和基座114之间的空间区域；而约束环116和腔室内壁120之间的空间区域则为非反应区域128。

如图2所示，当PEALD的交替反应进行时，除了位于反应区域内基座上的基片表面会有反应生成物，反应区域外非反应区域的腔室内壁上、约束环以及绝缘环上也会有少量的副反应沉积物134生成。为防止固体电解质沉积在绝缘环上导通喷淋头和腔室，导致射频耦合接地问题，同时也考虑到喷淋头和腔室的热膨胀系数，一般都会选择使绝缘环和腔室上盖之间保持3mm左右的间隙133。但是经过长时间的工艺反应，该间隙133很容易积累微小颗粒，成为颗粒源。

在PM周期中进行等离子源清洗时，由于用于清洗的气体是在腔室外进行激发，因此在腔室内的分布与是否接地无关，只受到气流的影响，并且气流距离越远、越长清洗效果就越差。因此经过喷淋头进入腔室的清洗气体很难清洗到约束环外壁、绝缘环与腔室上盖之间的间隙等死区(即等离子源很难清洗到的区域)。

当PEALD反应与清洗过程不断交替进行时，非反应区域的约束环外壁上附着的沉积物会越来越多，绝缘环与腔室上盖之间的间隙中积累的颗粒也会不断增多，从而影响到颗粒、放电稳定性等工艺性能。