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TW202203301A - 利用電漿脈衝之薄層沉積 - Google Patents

利用電漿脈衝之薄層沉積 Download PDF

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TW202203301A
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Abstract

沉積薄膜用於例如半導體元件的電子元件之方法，包括不論是否具有反應物施加第一脈衝的電漿，及具有反應物的第二連續的電漿。

Description

利用電漿脈衝之薄層沉積
本揭露案的實施例大致關於用以沉積薄膜之裝置及方法。特定而言，本揭露案關於在電漿輔助的處理期間用以沉積薄膜之裝置及方法，例如電漿輔助的原子層沉積及電漿輔助的化學氣相沉積。電漿首先以電漿的脈衝的功率提供，例如脈衝的射頻（RF）電漿，以避免對電漿敏感的基板的損傷，且此後使用連續的電漿。
在電漿輔助的薄層沉積處理期間可能損傷半導體基板，包括電漿輔助的原子層沉積（PEALD）及電漿輔助的化學氣相沉積（PECVD）。損傷可為化學損傷及/或電氣損傷的形式。化學損傷可藉由離子衝擊造成。電氣損傷可藉由在暴露至電漿期間表面上累積的電荷造成。藉由電漿而易受損傷的基板為電漿敏感的基板。
在本領域中需要用於電漿輔助的薄層沉積處理之裝置及方法，而降低或消除例如電荷累積、能量及帶電的物種濃度（例如，離子及電子）的損傷。
本揭露案的一或更多實施例導向一種沉積膜之方法。將在處理腔室中的基板暴露至第一電漿，且可選地暴露至第一反應物，以形成第一材料膜，基板為電漿敏感的。在處理腔室中脈衝第一電漿的功率，以減輕對基板的損傷。此後將基板暴露至第二反應物及第二電漿，以在基板上形成第二材料膜，第二電漿以連續功率供應。基板可包含層的堆疊，堆疊的至少一層為電漿敏感的。至少一層可包含硫屬化物材料。在一實施例中，基板暴露至第一反應物以在基板上形成第一材料膜。在一實施例中，排除第一反應物，使得脈衝第一電漿的功率在形成第二材料膜之前預處置基板。該第二材料膜可為在層的堆疊上的共形層，堆疊的至少一層為電漿敏感的。
在一或更多實施例中，第一電漿包含射頻（RF）電漿。
在一或更多實施例中，脈衝功率包含脈衝時段，包括供應功率至第一電漿的ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的時間。ON：OFF時間可在約10：1至約1：10，或4：6至約6：4，或甚至1：1的範圍中。ON時間可在約0.5微秒至約50微秒的範圍中。第一電漿及第二電漿之各者可獨立地包含：氬氣（Ar）、氦氣（He）、氮氣（N2 ）、氧氣（O2 ）、氫氣（H2 ）、氨氣（NH3 ）或其結合。
本揭露案的額外實施例導向一種沉積膜之方法。將在電漿輔助的原子層沉積處理腔室中包含二或更多層的基板暴露至第一電漿，基板具有崩潰電壓。在電漿輔助的原子層沉積處理腔室中脈衝第一電漿的功率，以避免在基板上的電壓差超過崩潰電壓。此後將基板暴露至連續地供應的反應物及第二電漿，以在堆疊上形成材料膜。
在一或更多實施例中，第一電漿包含射頻（RF）電漿
在一或更多實施例中，將基板暴露至第一反應物及第一電漿，以在基板上形成第一材料膜。
在一或更多實施例中，脈衝功率包含脈衝時段，包括供應功率至第一電漿的ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的時間。ON：OFF時間可在約10：1至約1：10，或4：6至約6：4，或甚至1：1的範圍中。ON時間可在約0.5微秒至約50微秒的範圍中。第一電漿及第二電漿之各者可獨立地包含：氬氣（Ar）、氦氣（He）、氮氣（N2 ）、氧氣（O2 ）、氫氣（H2 ）、氨氣（NH3 ）或其結合。
本揭露案的進一步實施例導向一種非暫態電腦可讀取媒體。媒體包括指令，當藉由處理腔室的控制器執行時，造成處理腔室實行以下操作：脈衝第一電漿的功率至具有基板的處理腔室的處理空間中，以避免在基板上的電壓差超過基板的崩潰電壓；可選地流動第一反應物至處理空間中；流動第二反應物至處理空間中；及以連續功率供應第二電漿。方法可進一步包含：脈衝時段的操作，包括供應功率至預處置電漿的ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的時間。方法可進一步包含：一操作，包括控制以下一或更多者的射頻（RF）控制器：電漿功率、電漿頻率及脈衝時段。
在說明本揭露案的範例實施例之前，應理解本揭露案並非限於以下說明中提及的構造或處理步驟的細節。本揭露案能夠包括其他實施例，且能夠以各種方式實施或執行。
在圖式中顯示的許多細節、尺寸、角度及其他特徵僅為特定實施例的圖示。因此，其他實施例可具有其他細節、部件、尺寸、角度及特徵而不會悖離本揭露案的精神及範疇。此外，本揭露案的進一步實施例無須以下所述的數個細節而可實施。
如本說明書及隨附請求項中所使用，「基板」一詞代表在其上作用處理的表面或表面之部分。本領域中技藝人士將理解參考基板亦可代表僅基板的部分，除非內文清楚另外指示。此外，參考在基板上沉積可意味著裸基板及具有一或更多膜或特徵沉積或形成於其上的基板。
如此處所使用「基板」、「基板表面」或類似者代表任何基板或在其上實行處理的形成於基板上的材料表面。舉例而言，在其上可實行處理的基板表面包括但非限於材料，例如矽、氧化矽、應變矽、絕緣體上矽（SOI）、碳摻雜的氧化矽、氮化矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石，及其他材料，例如金屬、金屬氮化物、金屬合金，及其他導電材料，取決於應用。基板包括但非限於半導體晶圓。基板可暴露至預處置處理，以拋光、蝕刻、還原、氧化、羥化（或者生成或移接目標化學部分以賦予化學功能）、退火及/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上處理之外，在本揭露案中，所揭露的任何膜處理步驟亦可在形成於基板上的下層上實行，如以下將更詳細揭露，且「基板表面」一詞意圖包括如內文指示的此下層。因此，舉例而言，當膜/層或部分膜/層已沉積至基板表面上時，新沉積的膜/層的暴露的表面變成基板表面。給定基板表面所包含者取決於待沉積的材料以及所使用的特定化學物。
如本說明書及隨附請求項中所使用，「反應化合物」、「反應氣體」、「反應物種」、「前驅物」、「處理氣體」及類似者可交換使用以意味著具有能夠與基板表面或在基板表面上的材料在表面反應（例如，化學吸附、氧化、還原）中反應的物種的基板。舉例而言，第一「反應氣體」可單純吸附至基板的表面上，且能夠用於與第二反應氣體進一步化學反應。
如本說明書及隨附請求項中所使用，「前驅物」、「反應物」、「反應氣體」及類似者可交換使用以代表可與基板表面反應的任何氣態物種。
此處的一或更多實施例有利地提供方法以降低、減輕及/或避免對電漿敏感基板在電漿的連續施加期間的化學及/或電氣損傷，包括來自離子衝擊的化學損傷及/或藉由在使用電漿的處理期間於表面上累積的電荷造成的電氣損傷。舉例而言，此處的實施例避免在基板上的電壓差超過基板的崩潰電壓。於電漿的連續施加期間，臨界電壓（Vt ）偏移導致電子元件的損傷及性能的相對應降級。脈衝的電漿的施加為有效的方式以減輕Vt 偏移。
對存在的PEALD及PECVD賦予脈衝電漿可使用關於此處第4圖所討論的RF控制器（RFC）及軟體演算輕易實施。此外，可調節電漿功率及開啟/關閉脈衝頻率與其他處理條件結合，以最小化電漿損傷同時維持良好膜品質及ALD處理的其他優越特性：例如均勻膜及良好步階覆蓋。CVD處理亦可受益。
參考「電漿敏感」意味著從電漿積累表面電荷及/或帶電物種的化學作用的基板，使得在半導體元件中包括基板的基板的性能降級。
相變隨機存取記憶體（PCRAM）為具有增加數量的應用及快速市場成長浮現的非揮發性記憶體的類型。PCRAM依賴以硫屬化物材料組成的相變層。硫屬化物材料對空氣及濕氣為敏感的。氮化矽（SiN）薄膜可使用作為封裝層，以保護硫屬化物材料。使用於PCRAM的堆疊為「電漿敏感」基板的範例。
第1圖根據本揭露案的一或更多實施例，圖示用於範例方法100的流程圖。方法100在操作105處，將電漿敏感基板暴露至脈衝的電漿而開始。在此步驟中，反應物為可選地存在。在一個實施例中，脈衝的電漿及反應物施加至電漿敏感基板以形成第一膜。第一膜導致對基板最小至無損傷，且可選額外脈衝電漿可使用以後處置第一膜，以在後續層的沉積之前獲得更高膜品質。
在另一實施例中，僅脈衝的電漿施加至電漿敏感基板，以後處置基板的表面，以促進此後高品質及實質上均勻膜的沉積。
此處所使用的「脈衝」意圖代表中斷或非連續地引入處理腔室的電漿的量。在各個脈衝之中特定化合物的量可隨著時間改變，取決於脈衝的時期。
各個脈衝的時期可為相同的或可變的，且可調整以例如適應處理腔室的空間容量以及耦合至此的真空系統的能力。
在某些實施例中，於電漿輔助的原子層沉積（PEALD）方法期間進行操作105，其中包含在適合的處理腔室中實行複數個處理。PEALD處理包含至少一個沉積週期，包含將基板表面暴露至第一反應氣體及第一電漿。
在其他實施例中，於電漿輔助的化學氣相沉積（PECVD）方法期間進行操作105，其中包含在適合的處理腔室中實行複數個處理。PECVD處理包含至少一個沉積週期，包含將基板表面暴露至第一反應氣體及第一電漿。
清洗110為可選的操作，取決於薄膜沉積方法。舉例而言，在時域ALD處理中，暴露至各個反應物及電漿藉由時間延遲分開，以允許各個化合物在基板表面上黏著及/或反應，且接著從處理腔室清洗。在空間ALD處理中，基板表面的不同部分，或在基板表面上的材料同時暴露至反應物及電漿，使得基板上任何給定的點實質上不會同時暴露超過一個反應化合物。如本說明書及隨附請求項中所使用，以此方式使用的「實質上」一詞如本領域中技藝人士將理解意味著歸因於擴散，可能具有小部分的基板可同時暴露至多重反應氣體，且此同時暴露並非有意的。
在操作115處，基板暴露至連續的電漿及反應物以形成膜。
清洗120為可選的操作，取決於關於清洗110討論的薄膜方法。
暴露至第一脈衝的電漿操作及第二連續的電漿操作的基板此後可在操作125處進一步處理。在操作130處亦可進行可選的後處理。
轉向第2圖，電子元件200，例如半導體元件，包含電漿敏感的基板205。第一材料膜210使用脈衝的電漿及反應物沉積。第二材料膜215使用連續的電漿及反應物沉積。在一或更多實施例中，電漿敏感的基板205包含複數個層。在一或更多實施例中，複數個層包含含有硫屬化物材料的一或更多層。電漿敏感的範例層包含鍺、銻及碲（GST）。電漿敏感的範例層包含鍺、矽、砷及碲（OST）。
在一或更多實施例中，第一材料層210可包含技藝人士已知的任何適合的材料。在一或更多實施例中，第一材料層包含介電材料或金屬之一或更多者。在一或更多實施例中，第一材料層包含SiN、SiOx （其中x在1-4的範圍中）、SiCN、SiCON及其結合。
在一或更多實施例中，第二材料層215可包含技藝人士已知的任何適合的材料。在一或更多實施例中，第一材料層包含介電材料或金屬之一或更多者。在一或更多實施例中，第一材料層包含SiN、SiOx （其中x在1-4的範圍中）、SiCN、SiCON及其結合。
脈衝電漿（具有優化功率及脈衝週期而不會造成任何基板損傷）可用以直接在敏感基板上沉積膜的第一層。此後，連續電漿（例如具有更高功率，且非脈衝）可用以在第一膜的頂部上沉積更高的膜品質。
舉例而言，對於三個或更多膜的堆疊，可進行以下方式。第一膜：使用最低功率，最短脈衝以減輕及/或避免損傷。第二膜：以更高功率，時間上更長的脈衝沉積。且第三膜：最高功率，無脈衝。
在具有膜堆疊方式的一或更多實施例中，第一膜對基板不會造成損傷，且可使用更高功率及更短暴露時間以強化沉積率且強化生產量而不會犧牲膜品質。
以此膜堆疊方式，第一膜導致對基板最小至無損傷，且可選的額外脈衝電漿可使用於後處置膜，以在後續層的沉積之前獲得更高膜品質。
在第3A-3C圖中，於生產期間不同階段顯示本揭露案的一或更多實施例的電子元件。在第3A圖中，電子元件300a包含基板305及層的堆疊：第一層310、第二層315、第三層320及第四層325。應理解層的數量可根據元件的設計而改變。在一或更多實施例中，堆疊為PCRAM堆疊。在堆疊之中為電漿敏感層。在一或更多實施例中，電漿敏感層含有硫屬化物材料。電漿敏感層的範例包含：鍺、銻及碲（GST）。電漿敏感的範例層包含：鍺、矽、砷及碲（OST）。電漿敏感的另一範例層包含：鍺、矽、砷及碲（OST）。
在第3B圖中，電子元件300b藉由在缺乏反應物下將電子元件300a暴露至脈衝的電漿處置而形成。獲得的電子元件300b包含與層的堆疊一起存在的處置的表面330：層的堆疊包括第一層310、第二層315、第三層320及第四層325之部分。
在第3C圖中，電子元件300c藉由在反應物的存在下將電子元件300b暴露至連續的電漿處置而形成，藉此形成膜。獲得的電子元件300c包含在層的堆疊上高品質且均勻共形地沉積的共形膜335：層的堆疊包括第一層310、第二層315、第三層320及第四層325之部分。在一或更多實施例中，共形膜包含氮化矽（SiN）。在膜沉積之前可進行脈衝電漿以在基板上提供預處置以避免成核延遲：此舉當敏感基板由具有非常不同表面成分的不同材料組成時為有利的，例如用於PCRAM應用。脈衝的電漿的施加最小化及/或避免基板損傷，且幫助在膜的整個堆疊上均勻地沉積膜。
在一或更多實施例中，PCRAM元件的主要材料堆疊可考量電漿敏感基板。在PCRAM的一或更多生產步驟中，介電膜（例如，SiN）沉積於材料堆疊的頂部，材料堆疊包含：C/GST/OTS及其他金屬電極，例如鈦（Ti）、鎢（W）及類似者。電極可為金屬或金屬的結合。
在第4圖中，顯示根據本揭露案的一或更多實施例的範例控制方案400。此控制方案可應用至操作105，提供第1圖中方法100的脈衝的電漿。脈衝藉由閉迴路系統控制且驗證電漿脈衝是否以正確頻率適當地工作來控制。軟體演算控制RF控制器且驗證來自脈衝的回饋訊號。具體而言，射頻（RF）控制器405如本領域中已知的接收來自中央系統控制的通訊及複數個RF匹配模組415。RF控制器405提供通訊至RF子系統狀態模組。在此實施例中，具有4個電漿源及相對應數量的RF匹配模組415及RF產生器模組410。應理解電漿源、RF匹配模組及RF產生器模組的數量可根據處理的需要而修改。RF控制器405提供通訊至RF產生器模組410用於4x相位控制及4x脈衝控制。RF產生器模組410發送及接收通訊進出中央系統控制。RF產生器模組410藉由標準阻抗RF傳送線（50 Ohm）通訊至RF匹配模組415。RF匹配模組415亦發送且接收通訊進出中央系統控制。RF匹配模組415通訊至電漿源420以控制電漿阻抗匹配的RF功率。
在一或更多實施例中，適合的電漿硬體包括但非限於：3mm孔洞的CCP電漿派（plasma pie）、槽道RF派垂直電漿源（VPS）或微波（MW）。在一或更多實施例中，電漿頻率在從10 MHz至1.5 GHz的範圍中提供。在一或更多實施例中，脈衝時段（ON/OFF）具有在從1微秒至100微秒的時間中的時期範圍。其他處理參數包括：電漿功率、處理壓力及電漿暴露時間。在PEALD或PECVD中廣泛使用的氣體的任何結合為適合的：氬氣（Ar）、氦氣（He）、氮氣（N2 ）、氧氣（O2 ）、氫氣（H2 ）、氨氣（NH3 ）及其結合，而具有各種比例。處理參數可結合及調整以獲得良好的膜品質膜及良好的步階覆蓋。
本說明書全篇參考「一個實施例」、「某些實施例」、「一或更多實施例」或「一實施例」意味著與實施例連接說明的特定特徵、結構、材料或特性包括在本揭露案的至少一個實施例中。因此，本說明書全篇各處中例如「在一或更多實施例中」、「在某些實施例中」、「在一個實施例中」或「在一實施例中」的詞彙的存在並非必須代表本揭露案的相同實施例。再者，特定特徵、結構、材料或特性可以任何適合的方式結合於一或更多實施例中。
儘管此處已參考特定實施例說明本揭露案本領域技藝人士將理解所述實施例僅為原理之圖示及本揭露案的應用。本領域技藝人士將理解可對本揭露案的方法及裝置作成各種修改及改變而不會悖離本揭露案的精神及範疇。因此，本揭露案可包括在隨附請求項及其均等的範疇之中的修改及改變。
100:方法 105:操作 110:操作 115:操作 120:操作 125:操作 130:操作 200:電子元件 205:基板 210:第一材料膜 215:第二材料膜 300a:電子元件 300b:電子元件 300c:電子元件 305:基板 310:第一層 315:第二層 320:第三層 325:第四層 330:表面 335:共形膜
由此方式可詳細理解本揭露案以上所載之特徵，以上簡要概述的本揭露案的更特定說明可藉由參考實施例而獲得，某些實施例圖示於隨附圖式中。然而，應理解隨附圖式僅圖示本揭露案的通常實施例，且因此不應考量為其範疇之限制，因為本揭露案可認可其他均等效果的實施例。
第1圖根據本揭露案的一或更多實施例，圖示範例方法的流程圖；
第2圖根據本揭露案的一或更多實施例，描繪電子元件的剖面視圖；
第3A-3C圖顯示在生產期間不同階段的本揭露案的一或更多實施例的電子元件；及
第4圖根據本揭露案的一或更多實施例，顯示範例控制方案的流程圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
200:電子元件
205:基板
210:第一材料膜
215:第二材料膜

Claims (20)

  1. 一種沉積一膜之方法，該方法包含以下步驟： 將在一處理腔室中的一基板暴露至一第一電漿，且可選地暴露至一第一反應物，以形成一第一材料膜，該基板為電漿敏感的； 在該處理腔室中脈衝該第一電漿的一功率，以減輕對該基板的損傷； 此後將該基板暴露至一第二反應物及一第二電漿，以在該基板上形成一第二材料膜；及 以一連續功率供應該第二電漿。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該基板包含層的一堆疊，該堆疊的至少一層為電漿敏感的。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該至少一層包含一硫屬材料。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該基板暴露至該第一反應物以在該基板上形成該第一材料膜。
  5. 如請求項1所述之方法，包含以下步驟：排除該第一反應物，使得脈衝該第一電漿的該功率在形成該第二材料膜之前預處置該基板。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該第二材料膜為在層的一堆疊上的一共形層，該堆疊的至少一層為電漿敏感的。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該第一電漿包含一射頻（RF）電漿。
  8. 如請求項1所述之方法，其中脈衝該功率包含一脈衝時段，包括供應功率至該第一電漿的一ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，該脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的一時間。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該ON：OFF時間在約1：10至約10：1的一範圍中。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該ON：OFF時間為約1：1。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該ON時間在約0.5微秒至約50微秒的該範圍中。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該第一電漿及該第二電漿之各者獨立地包含：氬氣（Ar）、氦氣（He）、氮氣（N2 ）、氧氣（O2 ）、氫氣（H2 ）、氨氣（NH3 ）或其結合。
  13. 一種沉積一膜之方法，該方法包含以下步驟： 將在一電漿輔助的原子層沉積處理腔室中包含二或更多層的一基板暴露至一第一電漿，該基板具有一崩潰電壓； 在該電漿輔助的原子層沉積處理腔室中脈衝該第一電漿的一功率，以避免在該基板上的一電壓差超過該崩潰電壓；及 此後將該基板暴露至連續地供應的一反應物及一第二電漿，以在該堆疊上形成一材料膜。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該第一電漿包含一射頻（RF）電漿
  15. 如請求項13所述之方法，進一步包含以下步驟：將該基板暴露至一第一反應物及該第一電漿，以在該基板上形成一第一材料膜。
  16. 如請求項13所述之方法，其中脈衝該功率包含一脈衝時段，包括供應功率至該第一電漿的一ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，該脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的一時間。
  17. 如請求項15所述之方法，其中該ON時間在約0.5微秒至約50微秒的該範圍中。
  18. 一種非暫態電腦可讀取媒體，包括指令，當藉由一處理腔室的一控制器執行時，造成該處理腔室實行以下操作： 脈衝一第一電漿的一功率至具有一基板的該處理腔室的一處理空間中，以避免在該基板上的一電壓差超過該基板的一崩潰電壓； 可選地流動一第一反應物至該處理空間中； 流動一第二反應物至該處理空間中；及 以一連續功率供應一第二電漿。
  19. 如請求項18所述之非暫態電腦可讀取媒體，進一步包含一脈衝時段的一操作，包括供應功率至該預處置電漿的一ON時間及不供應功率的OFF時間兩者，該脈衝時段具有在1微秒至100微秒的範圍中的一時間。
  20. 如請求項18所述之非暫態電腦可讀取媒體，進一步包含一操作，包括一射頻（RF）控制器：該電漿功率、一電漿頻率及一脈衝時段。
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