[发明专利]具有减少的基于石英的污染物的等离子体增强原子层沉积方法

说明书

技术领域

本发明涉及原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)，并且特别地涉及等离子体增强ALD(Plasma-Enhanced ALD,PE-ALD)，并且更特别地涉及以减少基于石英的污染物的方式执行PE-ALD的方法，基于石英的污染物由等离子体与用于感应耦合等离子体源的石英等离子体管的相互作用所致。

背景技术

原子层沉积(ALD)是一种在基材上以很受控制的方式沉积薄膜的方法。通过使用一种或多种蒸气形式的化学物质(“前体”)并且使其在基材的表面以自限制的方式依序反应来控制沉积工艺。重复该依序的工艺以层层堆叠薄膜，其中每一层为原子尺度。

ALD被用来形成各种膜，例如用于先进栅极与电容器电介质的二元、三元及四元氧化物，以及用于互连阻挡体(interconnect barriers)与电容器电极的金属基化合物。ALD工艺的概述呈现在George的名为“Atomic Layer Deposition:an Overview,”Chem.Rev.2010,110,pp 111-113”的文章中(于2009年11月20日发表于网络)。还在美国专利号7,128,787中描述ALD工艺。在美国专利申请公开号US2006/0021573中公开实例ALD系统。

ALD的一种类型称为等离子体增强ALD或“PE-ALD”，其中由等离子体源产生等离子体。等离子体包含通过分子供应气体的解离所产生的自由基。因此，PE-ALD还可称作自由基增强(Radical-Enhanced)ALD或“RE-ALD”。自由基通过反应器腔室中的压力差而被导向靶基材。在WO 2015/080979中描述实例PE-ALD系统。

各种等离子体源能够用于PE-ALD。一种实例等离子体源为感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma,ICP)源。一种类型的ICP源利用介电等离子体管，工艺气体(前体)在减少的压力(例如1毫乇至10乇)下流过该管。介电等离子体管典型地由石英(SiO₂)制成。在介电等离子体管周围缠绕感应线圈，并且将射频(RF)能量由RF电源传送至该线圈，由此从流过介电等离子体管的低压供应气体产生高密度等离子体。常见的等离子体气体包括：氩、氮、氧、氢、氨等。

当由氢或氢与氩的组合形成等离子体时，并且当介电等离子体管为石英时，由于等离子体与石英之间的物理及化学相互作用，石英的硅(Si)原子和氧(O)原子(单独地或者作为Si_xO_y团簇)能够以各种形式(例如各种分子化合物以及以原子形式)从石英等离子体管的内壁转移至靶基材。这种基于石英的污染物能够消极地影响在基材上形成的膜的性质。

发明内容

本公开的一个方面是执行具有减少的基于石英的污染物的PE-ALD的方法。该方法包括：使用前体气体在基材上形成初始膜；排除该前体气体；在石英等离子体管中，由供应气体感应地形成基于氢(基于H)的等离子体，该供应气体主要由氢与氮或者氢、氩与氮组成，其中氮构成该供应气体的2体积％或更少，其中该基于H的等离子体包括一种或多种反应物质；以及导引该一种或多种反应物质至该基材从而引起该一种或多种反应物质与该初始膜反应。

本公开的另一方面是上述方法，其中该基材位于反应器腔室的内部，在气动式耦合至该反应器腔室的内部的等离子体源内形成该基于H的等离子体，并且其中导引该一种或多种反应物质至该基材的行为包括在该基于H的等离子体与该反应器腔室的内部之间形成压力差。

本公开的另一方面是上述方法，该方法还包括通过组合氮与氢或者氮、氢与氩形成该供应气体，其中以N₂气体或NH₃气体的形式添加氮，并且其中以H₂气体的形式添加氢。

本公开的另一方面是上述方法，其中氮构成该供应气体的0.1体积％和2体积％之间。

本公开的另一方面是上述方法，其中氮构成该供应气体的0.5体积％和1.5体积％之间。

本公开的另一方面是上述方法，其中氮构成该供应气体的1体积％或更少。

本公开的另一方面是上述方法，其中该前体气体含有以下的至少一者：铌、钨、钼、铝、镓、铟、硼、铜、钆、铪、硅、钽、钛、钒和锆。

本公开的另一方面是上述方法，其中该基于石英的污染物的减少量是与在该供应气体中没有使用氮的情况下相比的大于50倍。