CN101448977B - 用于等离子体增强的原子层沉积的设备和工艺 - Google Patents

用于等离子体增强的原子层沉积的设备和工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的实施方式提供一种可在诸如等离子体增强的原子层沉积(PE-ALD)工艺的原子层沉积(ALD)工艺中形成材料的设备。在一实施例中，一工艺腔体是用以使一基材在PE-ALD工艺中接触一连串的气体与等离子体。该工艺腔体包含多个可电性绝缘、电性接地或射频启动的零件。在一个范例中，一腔体主体与一气体歧管(manifold)组件是接地且通过电性绝缘零件 分隔开来，该零件例如一绝缘套、一等离子体筛插件与一隔离环。一喷头、一等离子体隔板(plasma baffle)与一水盒(water box)是设置在这些绝缘零件之间，且在一等离子体产生器启动喷头、等离子体隔板与水盒时，其会变得射频热(RF hot)。本发明的其它实施例提供于工艺腔体中形成材料层的沉积工艺。

Description

用于等离子体增强的原子层沉积的设备和工艺
技术领域
本发明的实施例是涉及一种用于沉积材料的设备与工艺。更具体地说，是涉及一种在等离子体增强的工艺中沉积材料的原子层沉积腔体。
背景技术
在半导体工艺、平面显示器工艺或其它电子装置工艺的领域中，气相沉积方法对于沉积材料于基材上扮演着重要角色。随着电子装置的几何形状持续缩小与组件密度持续增加，特征的尺寸与深宽比变的更具挑战性，例如特征尺寸为0.07微米(μm)与深宽比为10或更大。因此，形成这些装置的材料的共形沉积变的日益重要。
公知的化学气相沉积工艺(CVD)可有效地使装置的几何形状与深宽比降至0.15微米规格，然而更精进的装置几何形状则需要其它沉积技术。其中一颇受注意的沉积技术为原子层沉积工艺(atomic layer deposition，ALD)。在原子层沉积工艺中，是相继地导入反应物气体至具有基材的工艺腔体中。通常，第一反应物是以脉冲方式注入工艺腔体中且被吸附至基材表面上。第二反应物以脉冲方式注入工艺腔体中并与第一反应物发生反应而形成一沉积材料。在每种反应气体的输送步骤之间通常会执行清洗(purge)步骤。清洗步骤可为利用载气做连续清洗的步骤或是在反应气体输送之间做脉冲清洗的步骤。热诱导原子层沉积工艺(thermally induced ALD process)是最常见的原子层沉积技术，且该技术使用热量来引发两种反应物之间的化学反应。热原子层沉积工艺虽可良好的沉积某些材料，但是通常有较慢的沉积速率。因此，会造成无法接受的制造产率。较高沉积温度可增加沉积速率，但是许多化学前驱物(precursor)，特别是金属有机化合物，会在高温时分解。
等离子体增强的原子层沉积工艺(PE-ALD)为另一种公知的材料形成技术。在一些PE-ALD工艺范例中，可利用热原子层沉积工艺所使用的相同化学前驱物来形成材料，但是却可具有较高沉积速率与较低温度。虽然存在各种技术，一般而言，PE-ALD工艺提供连续导入反应气体与反应物等离子体至具有基材的工艺腔体中。第一反应物气体是以脉冲方式注入工艺腔体中且被吸附至基材表面上。之后，第二反应物等离子体是以脉冲方式注入工艺腔体中并与第一反应物气体反应而形成沉积材料。与热ALD工艺类似的是，在每个反应物的输送步骤之间可进行清洗步骤。虽然由于反应物自由基在等离子体中的高反应性使PE-ALD工艺可克服某些热ALD工艺的缺点，但PE-ALD工艺同时也具有诸多限制。PE-ALD工艺可能造成等离子体对基材的损害(例如，侵蚀)，而与某些化学前驱物不兼容并且需要额外的硬件。
因此，对于利用气相沉积技术，较佳地为等离子体增强的技术，更佳为等离子体增强的原子层沉积技术来沉积或形成材料于基材上的设备与工艺存在着需求。
 发明内容
本发明的实施例提供一种可在诸如等离子体增强的原子层沉积(PE-ALD)之类的原子层沉积工艺中形成材料的设备。在一实施例中，工艺腔体是用以使基材于PE-ALD上艺中接触一连串的气体与等离子体。工艺腔体包含多个电性绝缘、电性接地或射频激化的零件。在一个范例中，腔体主体与气体歧管(manifold)组件是接地且通过例如绝缘套、等离子体筛插件与隔离环等电性绝缘零件加以分隔开。一喷头、一等离子体隔板与一水盒是设置在这些绝缘零件之间，并且在喷头、等离子体隔板与水盒受到等离子体产生器启动时会变成具有射频热(RF hot)。
在一范例中，提供一种处理基材的腔体，其包含一基材支持件与一腔体盖组件，该支持件包含基材接收表面，而且基材支持件与腔体盖组件之间具有一工艺区域。在一实施例中，腔体盖组件包含具有一内部区域与外部区域的一喷头组件、与该喷头组件接触之一冷却组件、设置在该喷头组件内部区域中的一等离子体隔板、位于该喷头组件上方且用以引导第一工艺气体至该等离子体隔板与引导第二工艺气体至该喷头组件外部区域的一等离子体筛、一位于该等离子体隔板与该等离子体筛之间的第一气体区域、以及位于该喷头外部区域与该冷却组件之间的第二气体区域。
在另一范例中，提供处理基材的一腔体，其包含一基材支持件与一腔体盖组件，该基材支持件包含一基材接收表面，该腔体盖组件包含一信道，该信道位于该腔体盖组件的中央部位。一端较窄的底表面(tapered bottomsurface)是从该通道延伸至等离子体筛处并且位于一等离子体隔板与一喷头的上方，其中该喷头的尺寸与形状可加以调整以实质涵盖该基材接收表面，一第一导管连接至该通道内的第一气体入口以及一第二导管连接至该通道内第二气体入口，其中该第一导管与第二导管是用以提供环形方向的气体流。
在另一实施例中，提供一种用以处理基材的腔体，其包含具有一基材接收表面的一基材支持件、具有一含内部区域与外部区域的喷头组件的腔体盖组件、位于该喷头组件上方且用以引导第一工艺气体至该内部区域与引导第二工艺气体至该外部区域的一等离子体筛、以及一位于该基材接收表面与该腔体盖组件之间的工艺区域。等离子体筛包含用以接收该第一工艺气体的一内面积(inner area)以及用以接收该第二工艺气体的一外面积。
在另一实施例中，盖组件是用以使基材于PE-ALD工艺中接触一连串的气体与等离子体。盖组件包含多个电性绝缘、电性接地或RF激化的组件。在一范例中，盖组件包含一接地的气体歧管组件，其位于例如绝缘套、等离子体筛插件与隔离环等电性绝缘零件的上方。一喷头、一等离子体隔板与一水盒(water box)是设置在绝缘零件之间，且在受到等离子体产生器启动时，喷头、等离子体隔板与水盒会变得射频热(RF hot)。
在一范例中，喷头组件包含一喷头面板，其具有一下表面以实质涵盖该基材接收表面。该喷头组件的内部区域包含一可移除式的等离子体隔板。该喷头组件与等离子体隔板通常包含导电材料，例如铝、不锈钢、钢、铁、铬、镍、上述金属的合金或组合物等。再者，该喷头面板的下表面与该等离子体隔板是与该基材接收表面平行或实质平行设置，且连接至一电源以激发等离子体。该喷头组件的外部区域包含多个与工艺区域流体连通的孔。每个孔的直径介于约0.2毫米(mm)至约0.8毫米之间，较佳地，是介于约0.4毫米至约0.6毫米之间，诸如0.51毫米。喷头面板可包含大约1000个或更多个孔，例如大约1500个或更多个孔。这些孔具有可抑制气体往回扩散或抑制次级等离子体(secondary plasma)形成的直径。
在另一个实施例中，提供一个用以在工艺腔体中执行气相沉积工艺的盖组件，其包含一绝缘套(insulation cap)与一等离子体筛(plasma screen)，其中该绝缘套包括用以导流第一工艺气体的第一通道，以及该等离子体筛具有一上表面，该上表面具有一内面积与一外面积。该绝缘套可位于该等离子体筛的上表面上。等离子体筛的内面积内的多个第一开口是用以将来自上表面的第一工艺气体引导到一下表面下方，以及在等离子体筛的外面积内的多个第二开口是用以将来自该上表面上方的第二工艺气体引导到该下表面下方。在一个范例中，该多个第一开口可以是多个孔，以及该多个第二开口可以是多个狭缝(slots)。再者，绝缘套可包含一第二通道，其用以导流该第二工艺气体至该等离子体筛的外面积处。该等离子体筛的该内面积包含一无孔区带，以及该第一工艺气体的第一流动型态(flow pattern)是以视距方向(line-of-sight)朝向该无孔区带。第一流动型态的视距方向会阻碍该多个孔，以避免在等离子体筛的上表面上方激发出次级等离子体。在一个范例中，每个孔的直径介于约0.5毫米至约5毫米之间，较佳地，是介于约1毫米至约3毫米之间，更佳地是约1.5毫米。该多个孔可包含至少约100个孔，较佳地至少约150个孔。绝缘套与等离子体筛可各自由一电性绝缘、绝热或电与热同时绝缘的材料所形成，例如陶瓷材料、石英材料或上述材料的衍生物。
在另一个实施例中，喷头组件包含一喷头与一等离子体隔板，用以于等离子体增强的气相沉积腔体中分散工艺气体。喷头面板包含一内面积与一外面积，该内面积是用以将该等离子体隔板设置于其中，以及该外面积具有多个用以释出工艺气体的孔。等离子体隔板包含一用以接收其它工艺气体且位于一上表面上的头锥(nose)、用以释出工艺气体的一下表面、以及用以将工艺气体由该上表面导流至工艺区域的多个开口。这些开口较佳地为狭缝(slot)，并以一预定角度设置成一环形流动型态用以释出工艺气体。
在一范例中，等离子体隔板组件包含多个狭缝，其由第一气体区域延伸通过该等离子体隔板组件以提供第一气体区域流体连通至工艺区域。等离子体隔板组件更包含一头锥，其由等离子体隔板的上表面延伸至等离子体筛的下表面。这些狭缝由中央部位以正切角度延伸横越介于头锥与等离子体隔板组件外缘的该上表面。每个狭缝是相对基材接收表面以一预设喷射角(injection angle)延伸穿过等离子体隔板组件。此预设喷射角可介于约20°至约70°之间，较佳地是介于约30°至60°之间，更佳地介于约40°至50°之间，例如约45°。每个狭缝的宽度是介于约0.6毫米至约0.9毫米之间，较佳地介于约0.7毫米至0.8毫米之间，例如约0.76毫米；以及其长度介于约10毫米至约50毫米之间，较佳地介于约20毫米至约30毫米之间，例如约23毫米或更长。等离子体隔板组件通常包含约10个或更多的狭缝，例如约20个或更多的狭缝。狭缝具有可抑制气体往回扩散或次级等离子体形成的宽度。在一个范例中，等离子体隔板的上表面是由头锥处向下延伸。上表面可具有角度以接收通过狭缝开口的工艺气体，并以均匀的流速分散该工艺气体。
在另一个实施例中，提供一种在等离子体增强的气相沉积腔体中用于接收工艺气体的等离子体隔板组件，其包含一等离子体隔板面板，该等离子体隔板面板具有一接收工艺气体的上表面以及一用以释出工艺气体的下表面。等离子体隔板组件包含多个开口，用以将来自上表面上方的工艺气体导流到下表面下方，其中每个开口是以一阻碍角度(obscured angle)或预设角度设置，该角度是由下表面的垂直轴处测量。
在另一个实施例中，冷却组件包含多个通路(passageway)，以使第二工艺气体通往第二气体区域。多个通路使该等离子体筛与第二气体区域之间流体连通。多个通路包含至少约10个通道，较佳地包含至少约20个通道，以及更佳地包含至少约30个通道，例如约36个通道。
在另一个范例中，提供一种用以进行气相沉积工艺的喷头组件，其包含一喷头面板；并且该喷头面板具有一可在工艺腔体中实质涵盖基材接收表面的底表面、一用以输配第一工艺气体通过相对基材接收表面具有预设喷射角的多个狭缝的内部区域、以及一用以输配第二工艺气体通过有多个孔的外部区域。
在另一个实施例中，提供一种在等离子体增强的气相沉积腔体中用于接收工艺气体的喷头组件，其包含一喷头面板，该喷头面板具有一用以接收气体的上表面以及一用以释出气体的下表面。用于接收第一工艺气体的上表面的一内面积包含多个第一开口，用以将上表面上方的第一工艺气体引导至下表面的下方。用于接收第二工艺气体的上表面的一外面积包含多个第二开口，用以将上表面上方的第二工艺气体导流至下表面的下方。例如，冷却组件可位于喷头面板上方且与其接触。一内部区域形成在该内面积与冷却组件之间，而一外部区域形成在该外面积与冷却组件之间。喷头面板的内部区域可包含一等离子体隔板。
在另一个范例中，冷却组件包含多个通路，用以引导第二工艺气体进入该外部区域中。每个通路是以一预设角度延伸至外部区域。该预设角度可抑制气体往回扩散或次级等离子体的形成。在一个范例中，此预设喷射角可介于约5°至约85°之间，较佳地是介于约10°至45°之间，更佳地介于约15°至35°之间。每个通路为第二工艺气体提供进入外部区域的隐匿流动路径(obscured flow path)。在范例中，冷却组件可具有约36个通路。
在另一个实施例中，提供用以在工艺腔体中进行气相沉积工艺的盖组件，其包含一绝缘套与一等离子体筛。在范例中，绝缘套具有一中央信道与一外信道，该中央信道用以将来自上表面的第一工艺气体引导至一扩充通道处(expanded channel)；以及该外通道是用以将来自上表面的第二工艺气体引导至一凹槽(groove)处，该凹槽包围着该扩充通道。在范例中，等离子体筛具有一上表面，该上表面包含一具有多个孔的内面积与一具有多个狭缝的外面积。绝缘套可位于等离子体筛的顶端，以形成一具有扩充信道的中央气体区域以及一具有凹槽的环形气体区域。
在另一个范例中，绝缘套位于等离子体筛的上方。绝缘套包含至少二个气体通路，使得一第一气体通路用以引导第一工艺气体进入等离子体筛的内部区域中，以及一第二气体通路用以引导第二工艺气体进入等离子体筛的外部区域中。绝缘套包含电性绝缘材料，例如陶瓷材料、石英材料或上述材料的衍生物。
在另一个范例中，气体歧管是设置在绝缘套上方且包含至少二个气体通路。设置一第一气体通路以提供第一工艺气体通至绝缘套处，以及设置一第二气体通路以提供第二工艺气体通至绝缘套处。一第一导管与一第二导管可连接至该第一气体通路并为该第一工艺气体提供环形方向的气流方式。第一与第二导管是独立设置以引导在第一气体通路内表面处的气体。气体流通常具有环形方向，其几何形状可为漩涡状(vortex)、螺纹状(helix)、螺旋状(spiral)、旋转状(twirl)、扭转状(twist)、盘绕状(coil)、圈状(whirlpool)或上述形状的衍生形状。第一与第二导管是各自与第一气体通路的中央轴间具有一角度。此角度可大于0°，较佳地大于约20°，更佳地大于约35°。一阀(valve)可连接在该第一导管与一前驱物源之间，以使ALD工艺具有大约10秒或更短的脉冲时间，较佳地是大约6秒或更短，更佳地是大约1秒或更短，例如介于约0.01秒至约0.5秒之间。
在另一个范例中，提供一种在工艺腔体中进行气相沉积工艺的覆盖组件(capping assembly)，其包含一绝缘套、一第一信道与一第二信道，该绝缘套具有一用以接收一接地气体歧管的上表面，该第一通道是用以将来自上表面的第一工艺气体引导至绝缘套的下表面，以及该第二通道是用以将来自上表面的第二工艺气体引导至下表面。该下表面更包含一内部区域与一外部区域，使得该第一信道与该内部区域流体连通，而该第二信道与该外部区域流体连通。在范例中，内部区域包含一扩充信道。扩充通道的直径介于约0.5厘米至约7厘米的范围内，较佳地介于约0.8厘米至约4厘米之间，更佳地介于约1厘米至约2.5厘米之间。再者，扩充通道可包含一外径，其介于约2厘米至约15厘米之间，较佳地介于约3.5厘米至约10厘米之间，更佳地是介于约4厘米至约7厘米之间。
在另一个范例中，提供一种用以在等离子体增强的气相沉积腔体中接收工艺气体的等离子体筛组件，其包含一等离子体筛。该等离子体筛具有一用以接收气体的上表面与一用以释出气体的下表面的等离子体筛、位于该上表面上且用以接收第一工艺气体的一内面积、以及位于该上表面且用以接收第二工艺气体的一外面积；其中该内面积包含可引导第一工艺气体由该上表面上方前往该下表面下方的多个第一开口，以及该外面积包含可引导第二工艺气体由该上表面上方前往该下表面下方的多个第二开口。该内面积更包含不具多个开口的区带以及该第一工艺气体的第一流动型态是在视距方向朝向该区带，该视距方向对多个开口造成阻碍。
在另一个范例中，等离子体筛组件包含一用以接收该第一工艺气体的内面积以及一用以接收该第二工艺气体的外面积。等离子体筛组件的内面积包含多个用以引导第一工艺气体至等离子体隔板组件的孔。每个孔的直径可介于约0.5毫米至约5毫米之间，较佳地介于约1毫米至约3毫米之间，例如约1.5毫米。等离子体筛的外面积包含多个狭缝，以引导第二工艺气体进入该第二气体区域中。该些狭缝可平行或实质平行于该基材接收表面，或该些狭缝可垂直或实质垂直于该多个位于等离子体筛第一面积内的孔。每个狭缝的宽度可介于约0.2毫米至约0.8毫米之间，较佳地介于约0.4毫米至约0.6毫米之间，例如约0.51毫米。等离子体筛组件包含至少约10个狭缝，较佳地约36个或更多个狭缝。再者，等离子体筛组件是由电性绝缘材料所形成，例如陶瓷材料、石英材料或上述材料的衍生物。
在另一个实施例中，提供一种在等离子体增强的气相沉积腔体中用于接收工艺气体的等离子体筛组件，其包含一可接收气体的上表面以及一可释出气体的下表面。位于用于接收第一工艺气体的上表面上的一内面积包含多个第一开口，以将该上表面上方的第一工艺气体导流至该下表面的下方。位于用于接收第二工艺气体的上表面上的一外面积包含多个第二开口，以将该上表面上方的第二工艺气体导流至该下表面的下方处。
本发明实施例也提供一种在热原子层沉积工艺与等离子体增强的原子层沉积(PE-ALD)工艺过程中形成材料于基材上的方法。在另一个实施例中提供一种方法，该方法包含：导入至少一工艺气体通过至少一导管以形成环形气体流动型态、暴露基材至该环形气体流动型态下、连续脉冲输入至少一化学前驱物至该工艺气体中以及由该工艺气体激发出一等离子体以沉积一材料于该基材上。在一范例中，该环形气体流动型态通常具有的环形几何形状可为漩涡状(vortex)、螺纹状(helix)、螺旋状(spiral)、旋转状(twirl)、扭转状(twist)、盘绕状(coil)、圈状(whirlpool)或上述图案的衍生形状。可利用上述方法沉积的材料包含钌(ruthenium)、钽(tantalum)、氮化钽(tantalum nitride)、钨(tungsten)或氮化钨(tungsten nitride)。
在另一个范例中，提供一种沉积一材料于一基材上的方法，其包含：放置一基材于具有腔体盖组件的工艺腔体内的基材支持件上、导入至少一载气(carrier gas)通过至少一导管以形成一环形气体流动型态、暴露该基材至该环形气体流动型态下、脉冲输入至少一前驱物至该至少一载气中、以及沉积含有来自该至少一前驱物中的至少一元素的材料于该基材上。腔体盖组件可包含：一具有一内部区域与一外部区域的喷头组件、一设置在该喷头组件上方用以引导一第一工艺气体至该内部区域与引导一第二工艺气体至该外部区域的等离子体筛、一位于该内部区域上方且介于该喷头组件与该等离子体筛之间的第一气体区域、以及一位于该外部区域上方的第二气体区域。
在另一个范例中，提供一种用以沉积一材料于一基材上的方法，其包含：设置一基材于包含一可形成环形方向气体流的气体输送系统的工艺腔体内的基材支持件上、导入至少一载气至该工艺腔体中以形成一环形气体流动型态、以及于等离子体增强的原子层沉积过程中暴露该基材至该环形气体流动型态下，其中该原子层沉积工艺包含连续地激发一等离子体并脉冲输入一前驱物至该至少一载气中以沉积一材料于该基材上。
在另一个范例中，提供一种用以形成钌材料于基材上的方法，该方法包含：设置一基材于具有一喷头、一等离子体隔板与一等离子体筛的等离子体增强的工艺腔体内，以及于原子层沉积工艺时将该基材连续暴露在吡咯钌(pyrrolyl ruthenium)前驱物与一试剂中，以形成钌材料于该基材上。吡咯钌前驱物包含钌以及至少一种吡咯配体(ligand)，该配体的化学分子式为：
其中R1、R2、R3、R4、R5是分别选自氢或有机官能基，例如甲基(methyl)、乙基(ethyl)、丙基(propyl)、丁基(butyl)、戊基(amyl)、上述官能基的衍生或组合等。在一个范例中，R2、R3、R4、R5中各自为氢基或甲基。在其它范例中，R2、R5中各自为甲基或乙基。
此方法更提供一种吡咯钌前驱物，其可包含第一吡咯配体与第二吡咯配体，且第一吡咯配体可与第二吡咯配体相同或不相同。或者，吡咯钌前驱物可包含第一吡咯配体与二烯配体(dienyl ligand)。例如，吡咯钌前驱物可为戊二烯吡咯钌(pentadienyl pyrrolyl ruthenium)前驱物、环戊二烯吡咯钌(cyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)前驱物、烷基戊二烯吡咯钌前驱物(alkylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)或烷基环戊二烯吡咯钌(alkylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)前驱物。因此，此方法提供的吡咯钌前驱物可为烷基吡咯钌(alkyl pyrrolyl ruthenium)前驱物、双(吡咯)钌(bis(pyrrolyl)ruthenium)前驱物、二烯吡咯钌(dienyl pyrrolyl ruthenium)前驱物或上述物质的衍生物。一些范例的吡咯钌前驱物包括双(四甲基吡咯)钌(bis(tetramethylpyrrolyl)ruthenium)、双(2，5-二甲基吡咯)钌(bis(2，5-dimethylpyrrolyl)ruthenium)、双(2，5-二乙基吡咯)钌(bis(2，5-diethylpyrrolyl)ruthenium)、双(四乙基吡咯)钌(bis(tetraethylpyrrolyl)ruthenium)、戊二烯四甲基吡咯钌(pentadienyl tetramethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯2，5-二甲基吡咯钌(pentadienyl 2，5-dimethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯四乙基吡咯钌(pentadienyl tetraethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯2，5-二乙基吡咯钌(pentadienyl 2，5-diethylpyrrolyl ruthenium)、1，3-二甲基戊二烯吡咯钌(1，3-dimethylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)、1，3-二乙基戊二烯吡咯钌(1，3-diethylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)、甲基环戊二烯吡咯钌(methylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)、乙基环戊二烯吡咯钌(ethylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)、2-甲基吡咯吡咯钌(2-methylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、2-乙基吡咯吡咯钌(2-ethylpyrrolylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。
在另一个范例中，提供一种用以形成钌材料于基材上的方法，该方法包含设置一基材于具有一喷头、一等离子体隔板与一等离子体筛的等离子体增强的工艺腔体内，以及于PE-ALD工艺时连续暴露该基材至一活性试剂与一吡咯钌前驱物中。虽然等离子体可在PE-ALD工艺的任一时段中被激发，但是较佳地情况为在该基材暴露于该试剂中时激发等离子体。等离子体活化该试剂以形成一活性试剂。活性试剂的范例包含氨气等离子体、氮气等离子体与氢气等离子体。在一PE-ALD工艺的实施例中，等离子体是由工艺腔体的外部来源产生，例如由一远程等离子体产生器系统(PRS)来产生等离子体。然而，在一PE-ALD工艺的较佳实施例提供利用射频(RF)产生器的等离子体工艺腔体在原位(in-situ)产生等离子体。
在另一个范例中，提供一种用以形成钌材料于基材上的方法，该方法包含设置一基材于具有一喷头、一等离子体隔板与一等离子体筛的等离子体增强的工艺腔体内，以及于热原子层沉积工艺时连续暴露该基材至一试剂与一吡咯钌前驱物中。在各种原子层沉积工艺过程中，钌材料可沉积于在基材上的阻障层(barrier layer)上(例如，铜阻障层)或介电材料(例如，低k介电材料)上。阻障层材料可包含钽、氮化钽、氮化硅钽、钛、氮化钛、氮化硅钛、钨或氮化钨。在范例中，钌材料是沉积于先前由ALD工艺或PVD工艺所形成的氮化钽材料上。介电材料可包含二氧化硅(silicon dioxide)、氮化硅(siliconnitride)、氮氧化硅(silicon oxynitride)、掺杂碳的氧化硅(carbon-doped siliconoxides)或碳氧化硅(SiOxCy)材料。
可沉积导电金属于钌材料上。导电材料可包含铜、钨、铝、上述金属的合金或组合物等。在一方面，可在单一沉积工艺中形成单层的导电金属。在另一方面，也可形成多层导电金属，其中每层皆以不同的沉积工艺沉积形成。在一实施例中，利用初始沉积工艺以沉积一种晶层于该钌材料上，随后利用另一沉积工艺于该种晶层上沉积一主体层(bulk layer)。在范例中，利用无电沉积(electroless deposition)工艺、电镀工艺(ECP)或物理气相沉积工艺(PVD)以形成一铜种晶层，以及利用一无电沉积工艺、电镀工艺或化学气相沉积工艺(CVD)以形成铜主体层。在另一个范例中，利用ALD工艺或PVD工艺以形成钨种晶层，以及利用CVD工艺或PVD工艺以形成钨主体层。
附图说明
本发明的各项特征已于上述内容中阐述，有关本发明更特定的说明可参照附图。然而需先声明的是本发明的附图仅为代表性实施例，并非用以限定本发明的范围，其它等效的实施例仍应包含在本发明的范围中。
图1A至图1G绘示一本发明实施例中所述的工艺腔体的示意图；
图2A与图2B绘示一本发明实施例中所述的隔离环的示意图；
图3A与图3B绘示一本发明实施例中所述的喷头的示意图；
图4A至图4F绘示一本发明实施例中所述的水盒示意图；
图5A至图5F绘示一本发明实施例中所述的等离子体隔板插件的示意图；
图6A与图6B绘示一本发明实施例中所述的等离子体筛插件的示意图；
图7A至图7C绘示一本发明实施例中所述的绝缘套插件的示意图；
图8A至图8D绘示一本发明实施例中所述的气体歧管组件的示意图；
图9A至图9D绘示一本发明实施例中所述的气体流的示意图；以及
图10A至图10C绘示一本发明实施例中所述气体流的各种示意图。
其中，主要组件符号说明：
8基材                                 10轴
20支持控制器                          22等离子体产生控制器
30讯号总线系统                        34导管系统
36真空抽气系统                        37阀门
38抽气口                              40基材支持件
41支持表面                            42端口
44边环                                45加热组件
46温度传感器                          47间隙
48a、48b、48c内边环                   50工艺腔体
51控制单元                            52中央处理单元(CPU)
54支持电路                            56内存
58相关控制软件                        59内腔体区域
60工艺区域                            61阻气间隙
62上表面                              70a-e气体源
72a-72e阀门组件                       80腔体主体
82隔离环衬垫                          84腔体衬垫
88射频带                              90腔体主体组件
92等离子体产生器系统                  94射频尖端
95a-b绝缘体                           96匹配件
97等离子体产生器                      98连接器
100盖组件                             101调准狭缝
102下表面                             103盖支持件
104上表面                             106把手
107把手组件                           108热隔离体
110支持托架                           116-118端口
119孔                                 120开口
122凸缘表面                           124壁表面
200隔离环                             202a-d下表面
204上表面                             205a-d内表面
220开口                               300喷头
302a-c下表面                  303-304上表面
305a-b壁表面                  306上表面
310孔                         320开口
322凸缘                       324上表面
328环                         330环组件
332凸缘                       350接触
400、400c-f水盒               402a-c下表面
403、404上表面                405内表面
410入口                       411喷嘴
412出口                       413喷嘴
414a-b凸缘表面                416a-c内表面
420开口                       421源喷嘴
423返回喷嘴                   425、427线路
430通路                       432c讯号线圈
432d多线圈                    432e分支或支线线圈
440通路                       441气体区域
450接触                       500等离子体隔板插件
501沟槽                       502下表面
503上表面                     504下表面
505上表面                     506开口
508开口                       510狭缝
512下边缘                     513间隙
514上边缘                     515径向线
520头锥                       522锥表面
526a上通路                    526b下通路
528阻气门                     530孔
531、532、535、537线          533径向线
538轴向线                     539虚线圆形
540气体区域                   600等离子体筛插件
601中央部分                   602上表面
603下表面                    604上表面
605a-b内壁表面               606上表面
608上表面                    612孔
614狭缝                      622沟槽
624、626壁表面               630内部区域
631环组件                    632外部区域
640气体区域                  700绝缘套
703a-e下表面                 704上表面
707孔                        710、720通道
721上部分                    722扩展通道
723下部分                    725凹槽
726孔                        742气体
744气体区域                  780夹钳
782绝缘部                    784金属夹钳部
800气体歧管组件              806歧管档块
808隔离体                    810通道
811气体入口                  813气体入口
814凸缘                      815气体入口
816壁表面                    820通道
821通道导管                  822包围镜片
823通道导管                  824镜片边环
825表面                      826窗口组件
830气体导管组件              831导管
832、834凸缘                 836导管
838导管                      840导管组件
842下歧管                    843孔
844上歧管                    850歧管套组件
852、854气体通道支持件       880、882、884气体导管
910气体区域                  912、914流动型态
915a-c中央线                 916流动型态
917径向线       918流动型态
920气体区域     922、922a-c流动型态
923环形路径     950区域
1021通道导管    1082、1084导管
1086导管
具体实施方式
本发明实施例提供一种可在原子层沉积工艺(ALD)，或较佳在等离子体增强的原子层沉积工艺(PE-ALD)过程中沉积材料的设备。本发明的其它实施例提供于工艺腔体中形成材料的工艺。在实施例中，工艺腔体是用以进行等离子体增强的原子层沉积工艺并具有多个电性绝缘、接地或高频热的零件。在范例中，腔体主体与气体歧管组件是接地且以例如绝缘套、等离子体筛插件与隔离环等电性绝缘零件分隔开来。一喷头、一等离子体隔板与一水盒是设置在这些绝缘零件之间，且在受到等离子体产生器启动时，会具有射频热(RF hot)。
硬件
图1A至图1G绘示盖组件100的示意图，其可用以进行各种原子层沉积工艺。在实施例中，工艺腔体50可于热原子层沉积工艺或等离子体增强的原子层沉积工艺时形成材料于基材8上。图1A绘示工艺腔体50的剖面图，其可用以制作集成电路。工艺腔体50包含连接至腔体主体组件90的一盖组件100。处理基材的工艺区域60于是形成并通常位于盖组件100与腔体主体组件90之间，更明确来说，工艺区域60是位于基材支持件40的支持表面41与基材8的正上方以及位于上表面62的正下方。在一实施例中，在上表面62与支持表面41之间的腔体间隔(spacing)是介于约0.5毫米至约50毫米之间，较佳介于约1毫米至12毫米之间，更佳是介于约4毫米至8毫米之间，例如5.84毫米(0.23英时)。视沉积工艺中不同的输送气体与工艺条件，可改变该间隔。
基材支持件40包含边环(edge ring)44与加热组件45(图1A与图1G)。加热组件45是嵌入于基材支持件40内。边环44是设置在基材支持件40的周围并位于基材支持件40的上部位上。内边环48a、48b、48c是位于加热组件45上，且位于边环44覆盖住该基材支持件40的上部位的该区段下方。边环44可当作清洗环(purge ring)，以引导边缘清洗气体由基材支持件40处通过位于内边环48a、48b、48c之间的间隙47、边环44与加热组件45，最后通过基材8的边缘上方(图1G)。边缘清洗气体流可避免反应性工艺气体扩散至加热组件45处。
阻气间隙(choke gap)61是形成在边环44与上表面62之间的环绕间隙或间隔，更明确而言，是形成在边环44的上缘表面与隔离环200的下表面202d之间。靠着部分分开工艺区域60与内部腔体区域59的非均匀压力分布区，阻气间隙61也有助于在工艺区域60内提供更均匀压力分布。阻气间隙61可视工艺条件与所需的抽气效率而改变。利用调整阻气间隙61，可控制沉积工艺过程中的抽气效率。降低基材支持件40即可增加阻气间隙61，而升高基材支持件40可减少阻气间隙61。通过改变阻气间隙61的距离，可调整从位于工艺腔体50下部位的抽气口38(pumping port)至通道820中央间的抽气传导(pumping conductance)，来控制在沉积工艺中膜的厚度与均匀性。在一实施例中，上方阻气间隙61的间隔是介于约0.5毫米至约50毫米之间，较佳地介于约1毫米至5毫米之间，更佳地是介于约2.5毫米至4毫米之间，例如3.3毫米(0.13英时)。
在一实施例中，抽气传导的压差可加以控制，以减少或消除次级等离子体的生成。因为等离子体的生成与维持是与离子浓度相关，所以可减少在特定区域内的压力以将离子浓度最小化。因此，可避免次级等离子体生成于工艺腔体的特定区域中。在一较佳实施例中，工艺腔体50是用以进行PE-ALD工艺。因此，整个工艺腔体50内的各个区域与零件是电性绝缘、接地或具有高频热。在一范例中，腔体主体80与气体歧管组件800是接地且以电性绝缘的隔离环200、等离子体筛插件600以及绝缘套700加以分隔。在电性绝缘零件之间的喷头300、等离子体隔板插件500以及水盒400在受等离子体产生器系统92(第1E图)启动时会具有高频热。工艺腔体50也包含绝缘环衬垫(insulator ring liner)82、腔体衬垫84与其它绝缘衬垫，以减少或完全消除任何在上表面62与腔体主体组件90之间的可直视性(line-of-sight)。绝缘衬垫有助于减少或消除等离子体对腔体主体组件90的金属表面的腐蚀作用。因此，当产生等离子体时，基材支持件40与位于其上的晶片是与喷头300成为一接地通路(grounded path)。
参照图1A，因为工艺区域60与内部腔体区域59隔离开来，反应气体或清洗气体仅需要足以填充工艺区域60的量，以确保基材8能充分暴露于反应气体或清洗气体中。在公知的化学气相沉积工艺中，需要工艺腔体以同时并均匀地提供由数种反应物所构成的组合气流至整个基材表面上，以确保这些反应物的反应在基材8表面上均匀发生。在ALD工艺中，工艺腔体50是用以使基材8连续接触诸如气体或等离子体的化学反应物，这些化学反应物是如同一薄层般地吸附或发生反应于基材8的表面上。于是，ALD工艺不需要反应物同时到达基材8的表面。反而所提供的反应物量仅需要足以吸附在基材8表面而形成一薄层或足以与基材8表面上的吸附薄层发生反应的量。
相较于公知CVD腔体的内部容积，工艺区域60包含一较小体积，所以在ALD程序的特定工艺中需要用来填充工艺区域60的气体量较少。因为内腔体区域具有大约20升的体积，工艺区域60是与内腔体区域59分开以形成较小体积，例如大约3升或更小，较佳约2升，更佳约1升或更小。在一个适合处理直径200毫米的基材的腔体中，工艺区域60约为1000立方厘米或更小，较佳约500立方厘米或更小，更佳约为200立方厘米或更小。在一个适合处理直径300毫米的基材的腔体中，工艺区域60大约为3000立方厘米或更小，较佳约1,500立方厘米或更小，更佳约为1000立方厘米或更小，例如约800立方厘米或更小。在一个适合处理直径为300毫米的基材的腔体实施例中，工艺区域60的体积大约为770立方厘米或更小。在另一个实施例中，可升高或降低基材支持件40以调整工艺区域60的体积。例如，升高基材支持件40以形成体积具有770立方厘米或更小的工艺区域60。越小的工艺体积在工艺中需要注入工艺腔体50中的气体越少(例如，工艺气体、载气或清洗气体)。由于用来供应与移除气体的时间较短，所以工艺腔体50的产量可较大，且因为使用较少量的气体，减少化学前驱物与其它气体的浪费，因而降低运作成本。
图1B进一步显示盖组件100与其零件的分解图。具有下表面102与上表面104的盖支持件103可由各种材料所形成，包括金属材料。较佳地，盖支持件103是由金属所形成，诸如铝、钢、不锈钢(例如，可选择性包含镍的铁铬合金)、铁、镍、铬、上述金属的合金或组合物等。盖组件100可通过铰炼(hinge，未显示)而连结至腔体主体组件90上。一旦盖组件在闭合位置上时，于盖支持件103上的调准狭缝101是与连结至腔体主体组件90的一杆(post，未显示)对准。盖支持件103也包含位于上表面104的支持托架(support bracket)110与把手组件(handle assembly)107。把手组件107可包含一热绝缘体108，其位于把手106与上表面104之间。再者，盖组件100具有突出表面(ledge surface)122与壁表面(wall surface)124。多个孔与开口，例如端口116、117与118，也可贯穿盖支持件103而可提供供导管、软管、扣件(fasteners)、器具与其它装置的通路。盖支持件103更包含未贯穿的孔。例如，孔119可带有螺纹状，且用以接收诸如螺丝或螺栓等扣件。
盖组件100更包含隔离环200、喷头300、水盒400、等离子体隔板插件500、等离子体筛插件600、绝缘套700以及气体歧管组件800。盖组件100的每个零件(即，隔离环200、喷头300、水盒400、等离子体隔板插件500、等离子体筛插件600、绝缘套700或气体歧管组件800)的尺寸大小可加以改变以处理各种尺寸的基材，例如直径为150毫米、200毫米、300毫米或更大的晶片。再者，可设置每个零件并以夹钳(clip)780固定在盖支持件103上。夹钳780在水盒400的上表面404上方夹紧，且以穿过孔119的扣件将其固定住(图1A至图1G)。在范例中，夹钳780包含金属夹钳部(metal clipsegment)784，其位于绝缘部(insulator segment)782上。绝缘部782可由电性绝缘材料、绝热材料或上述材料的组合所形成。当夹钳780固定盖组件100的各种零件时，绝缘部782在上表面404与盖支持件103之间提供电性绝缘与热绝缘。当调准时，轴10会通过盖组件100的中央，包含通过盖支持件103的开口120、隔离环200的开口220、喷头300的开口320、水盒400的开口420、等离子体隔板插件500的头锥520、等离子体筛插件600的中央部位601、绝缘套700的通道720以及气体歧管组件800的信道820。
图1C绘示在盖组件100与轴10下方的视图以显示盖支持件103的上表面62与下表面102。工艺区域60的上表面62是由隔离环200的下表面202d与205d、喷头300的下表面302c以及等离子体隔板插件500的下表面502所共同形成。基材8是位于工艺区域60内的下表面62下方，且在沉积工艺中暴露在工艺气体下。在一实施例中，于ALD工艺时是相继暴露基材于至少两种工艺气体中(例如，气体或等离子体)。在ALD工艺的范例中，基材8是暴露在来自等离子体隔板插件500的狭缝510的第一工艺气体中，以及暴露在来自喷头300的孔310的第二工艺气体中。
沿着轴10的视图进一步显示，尽管在下表面502处可看见狭缝510的开口508，但看不见狭缝510的另一端，例如在上表面503的开口506(图5C)。此轴10下方的阻碍视图是起因于狭缝510的角度(图5B中的角度α1)，其显示位于等离子体隔板插件500上方介于工艺区域60与气体区域640之间的通路无法直视到底。在工艺区域60与气体区域640之间具有受阻路径较可直视到底的未受阻路径具有更多优点，包含减少或消除在等离子体隔板插件500内或上方的次级等离子体。
在本文中所使用的「直视」(Line-of-sight)是指在两点之间的直通路径或实质直通的路径。该直通路径或实质直通路径为至少两点之间的气体或等离子体提供未受阻碍或畅通的通路。一般来说，受阻碍或不直通(obscured)的通路可允许气体通过同时阻止或实质减少等离子体通过。因此，直视性通路通常允许气体或等离子体通过，而在两点间不具直视性的通路则阻止或实质减少等离子体通过但允许气体通过。
在一实施例中，可将上表面62的一部份，称其为下表面(lowersurface)302c与下表面502，予以粗糙化(例如，透过机械加工)以使上表面62具有更多的表面积。上表面62增加表面积可增加沉积工艺中累积材料的附着度，并因为减少累积材料的剥落进而减少污染。在范例中，下表面302c与下表面502各自的平均粗糙度(Ra)可至少约15微英时(大约0.38微米)，较佳地约100微英时(约2.54微米)，更佳约200微英时(约5.08微米)或更高。盖支持件103的下表面102也可粗糙化，以具有至少大约15微英时(约0.38微米)的粗糙度，较佳为至少约50微英时(约1.27微米)，例如大约54微英时(约1.37微米)。
图1B与图1D进一步绘示出气体歧管组件800，其包含导管组件840、歧管套组件850与气体导管组件830。歧管套组件850具有可观察激发等离子体的窗口组件826(图1A)。或者，歧管套组件850可包含不具窗口的表面825(图1D)。当气体导管组件830可在凸缘834处与端口117连接且流体连通，同时气体导管组件830延伸至与歧管档块(manifold block)806上的气体入口813连接且流体连通(图1D与图8D)。
在一实施例中，等离子体产生器系统92是借着射频带(RF strap)88而连结至盖组件100上(图1D)。一部份的等离子体产生器系统92，称其为射频尖端(RF stinger)94与绝缘体95a，突出并穿通位于盖支持件103上的端口116且连接至喷头300与水盒400。当RF带将RF尖端94电性连接至区域950时，绝缘体95a使RF尖端94与盖支持件103电性绝缘，其中该区域950包含位于喷头300与水盒400上的接触点(contact)350与450。RF尖端94为诸如金属杆或电极等导电材料，其包含铜、黄铜(brass)、不锈钢、钢、铝、铁、镍、铬、上述金属合金、其它导电材料或上述材料的组合。
等离子体产生器系统92更包含等离子体产生器97，其安装于腔体主体80下方(图1E)。绝缘体95b位于等离子体产生器97与腔体主体80之间以电性隔离等离子体产生器97。匹配件96可突出贯穿绝缘体95b且与腔体主体80电性接触。等离子体产生器97更包含连接器98。在一范例中，连接器98是为RF共轴缆线连接器(RF coaxial cable connector)，例如N型连接器。等离子体产生器系统92可通过连接至讯号总线系统(signal bus system)30的等离子体产生控制器(plasma generator controller)22来操作。在一个范例中，等离子体产生器系统92的工艺条件可设定以在电压约300瓦、电流约9安培的条件下具有大约4欧姆(ohms)的腔体阻抗。等离子体系统与工艺腔体可与盖组件100一同使用或可当作等离子体产生器系统92使用，以及腔体主体组件90是为可在加州圣塔克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc)购得的TXZ
Figure 2006800135356_0
CVD腔体。有关等离子体系统与工艺腔体是进一步公开于共同受让的美国专利号5846332、6079356与6106625中，该些案件公开出等离子体产生器、等离子体腔体、气相沉积腔体、基材底座以及腔体衬垫，在此是以参考方式纳入该些案件的内容。
工艺腔体50的腔体主体组件90包含绝缘环衬垫82，其用以降低等离子体接触腔体主体80且有助于将等离子体局限在工艺区域60中(图1F)。再者，腔体主体组件90通常罩盖住基材支持件40，该支持件40连结至位于内腔体区域59的杆42上。使用支持控制器20可使基材支持件40在工艺腔体50内的垂直方向移动。在实施例中，基材支持件40是可转动。工艺区域60位于基材支持件40的上方与盖组件100的下方，较佳是至少位于喷头300、等离子体隔板插件500与部分的隔离环200下方。
视特定工艺而定，于预处理步骤、沉积步骤、后处理步骤或其它在制作过程中使用的工艺步骤之前或当中，可加热基材8至某特定温度。例如，可利用嵌入式加热组件45以加热基材支持件40。通过施加来自交流电源的电流至加热组件45，可以电阻加热方式来加热基材支持件40。基材8是因基材支持件40而受热。另一个方式为透过诸如灯管(未显示)的辐射热源以加热基材支持件40。
也可将例如热偶计(thermocouple)等温度传感器46嵌入基材支持件40内以监测基材支持件40的温度。所测量的温度是用于前馈回路中以控制供应至加热组件45的交流电源供应，如此基材8的温度便可加以维持或控制在特定工艺的需求温度。基材升降插梢(lift pin)(未显示)也可嵌入至基材支持件40中以使基材由支持件表面41处升高。
真空抽气系统36是用以排空并维持在工艺腔体50内的压力(图1F)。真空抽气系统36通过抽气端口38与阀门37而与工艺腔体50连接。气体歧管组件800位于基材支持件40的上方，而工艺气体透过该气体歧管组件800进入工艺腔体50中。气体歧管组件800可连接至气体面板(gas panel)上，其控制并供给各种工艺气体注入工艺腔体50中。
气体源70a、70b、70c、70d、与70e提供前驱物气体、载气或清洗气体通过导管系统34进入工艺腔体50中。气体源70a、70b、70c、70d、与70e可直接或间接地连接至一化学供给或一气体供给。化学或气体供给包含储槽(tank)、安瓿(ampoule)、鼓泡器(bubbler)、喷雾器(vaporizer)或其它可储存、传送或形成化学前驱物的容器。化学或气体供给也可来自内部来源。连接至控制单元51的阀门组件72a、72b、72c、72d与72e可适当地控制与调节来自气体源70a、70b、70c、70d、与70e的气体流进入气体歧管组件800。气体歧管组件800能引导工艺气体进入工艺腔体50中，并且可选择性加热该歧管组件以避免任何气体凝结在歧管组件800的导管或管线内。
每个阀门组件72a、72b、72c、72d与72e可包含隔板(diaphragm)与阀座(valve seat)。可各自采用施加偏压或机械启动(actuated)的方式开启或关闭隔板。隔板可以气动或电子方式启动。气动阀门可于Fujikin与Veriflow公司购得，而电子启动阀门可于Fuiikin公司购得。控制单元51可耦接至阀门组件72a、72b、72c、72d与72e以控制阀门隔板的启动。气动阀门可提供时距大约0.02秒的气体脉冲。电子启动阀门可提供时距大约0.005秒的气体脉冲。一般而言，气动阀门与电子启动阀门可提供时距高达大约3秒的气体脉冲。虽然较高时距的气体脉冲是可行的，但是典型ALD工艺使用用来产生气体脉冲的ALD阀门在阀门开启的时距大约为5秒或更短，较佳大约为3秒，更佳大约为2秒或更短。在一实施例中，ALD阀门脉冲开合的时间间隔介于约0.005秒至3秒之间，较佳介于约0.02秒至约2秒之间，更佳介于约0.05秒与1秒之间。电子启动阀门通常需要耦接在阀门与控制单元51之间的驱动器。在另一个实施例中，每个阀门组件72a、72b、72c、72d与72e可包含质量流量控制器(MFC)以控制气体散布、气体流速与其它ALD脉冲程序相关因素。
在ALD设备内的前驱物或气体输送系统是用以储存与输配化学前驱物、载气、清洗气体或上述气体的组合物等。输送系统可包含阀门(例如，ALD阀门或质量流量控制器)、导管、储存器(reservoirs)、安瓿与鼓泡器、加热器以及/或控制单元系统，其可与工艺腔体50或盖组件100一起使用并与气体歧管800或导管系统34流体连通。在范例中，输送系统可包含气体源70a～70e以及连接至控制单元51的阀门组件。用于ALD工艺的输送系统是阐述在共同受让且审理中的美国专利申请案11/127753中，该案在2005年5月12日申请，名称为「用于含铪高k材料的原子层沉积的设备与方法」(Apparatus and Methods for Atomic Layer Deposition of Hafnium-ContainingHigh-k Materials)，公开号为2005-0271812；于2005年4月29日申请的美国专利申请案11/119388名称为「控制气流与输送以抑制微粒在MOCVD/ALD系统中生成的方法」(Control of Gas Flow and Delivery to Suppress theFormation of Particle in an MOCVD/ALD  System)，其公开号为2005-0252449；于2002年10月25日申请的美国专利申请案10/281079，名称为「用于原子层沉积的气体输送设备」(Gas Delivery Apparatus for AtomicLayer Deposition)，其公开号为2003-0121608；以及2003年11月3日申请的美国专利申请案10/700328，名称为「具有流速控制的前驱物输送系统」(Precursor Delivery System with Rate Control)，其公开号为2005-009859，在此是以参考方式纳入该些参考文献的内容。
诸如个人计算机或工作站计算机等控制单元51可耦接至工艺腔体50上以控制工艺条件。例如，控制单元51可设计在基材工艺程序的不同阶段中控制各种工艺气体与清洗气体由气体源70a-70e处通过阀门组件72a-72e。例如，控制单元51包含中央处理单元(CPU)52、支持电路(support circuitry)54与具有相关控制软件58的内存(memory)56。
软件例程可储存在内存56中或由一远程来源(例如，计算机或服务器)所执行。执行软件例程以启动工艺配方或程序。当执行软件例程时，普通计算机将转换成在腔体工艺过程中控制腔体运作的特定工艺计算机。例如，于执行根据本文中所述实施例的工艺程序时，软件例程可透过操作阀门组件72a-72e而精确控制气体源70a-70e的启动。或者，软件例程可在硬件中执行，例如特定用于集成电路的硬件或其它型式的硬件或是软件与硬件的组合等。
控制单元51可以是任何一种可用于工业设定以控制各种反应室与次处理器的普通计算机处理器。CPU52可利用任何合适的内存56，例如随机存取内存、只读存储器、软盘机、光驱、硬盘或其它内部或远程的数字储存形式。各种支持电路可耦接至CPU52上以支持工艺腔体50。控制单元51可耦接至邻近独立腔体零件的其它控制器，例如阀门组件72a-72e的程序逻辑控制器。控制单元51与工艺腔体50的其它零件之间的双向沟通是由多个集合的讯号缆线，也就是讯号总线30所处理，有些总线是绘示于图1F中。除了控制来自气体源70a-70e的工艺气体与清洗气体之外，阀门组件72a-72e、任何程序逻辑控制器与控制单元51可负责自动控制在制造工艺中的其它动作。控制单元51是连接至等离子体产生器控制器22、真空抽气系统36以及包含温度监控、控制与升降插梢(未显示)控制的支持控制器(supportcontroller)。
隔离环200包含开口220(图2A与图2B)且位于喷头300与盖支持件103之间(图1A与图1B)。隔离环200包含上表面204以支持喷头300。开口220可与开口120对准，使得轴10通过该些开口的中央。隔离环包含朝轴10向内逐渐变细的内表面205a、205b、205c与205d。
隔离环200更包含下表面202a、202b、202c与202d。当支撑住隔离环200时，下表面202a可用以接触盖支持件103的凸出表面(ledge surface)122。当下表面202d与205d为上表面62的一部份时，下表面202d与205d形成工艺区域60。上表面62中由下表面202d所形成该部份是在工艺区域60与内腔体区域59之间形成外环密封(outer ring seal)。隔离环200可由能抵抗等离子体或抵抗工艺反应物的电性绝缘材料所形成。隔离环200也可包含热绝缘材料。可作为隔离环200的材料包含陶瓷、石英、熔融石英块、蓝宝石、热解氮化硼(pyrolytic boron nitrite，PBN)材料、玻璃、塑料、上述材料的衍生物或组合等。
喷头300包含开口320(图3A与图3B)且可位于隔离环200与水盒400之间(图1A与图1B)。喷头300包含上表面303、304与306，其中上表面304与306可用以支撑水盒400。壁表面305a与305b位于上表面303、304与306之间。喷头300更包含下表面302a、302b与302c。当支撑住喷头300时，下表面302a可当作隔离环200的上表面204。当下表面302c成为上表面62的一部份时，其也形成工艺区域60(图1C)。喷头300可由各种材料所形成，包含金属或其它导电材料。较佳地，喷头300是由金属所形成，例如铝、钢、不锈钢、铁、镍、铬、上述金属的合金或组合等。
开口320贯穿喷头300且与开口120与220对准，使得轴10可通过每个开口的中央(图1B)。再者，开口320贯穿环组件330。环组件330位于喷头300的中央且可用以容纳等离子体隔板插件500。环组件330包含设置在上表面303表面上方的环328。凸出部(ledge)332由环328处向内朝轴10的方向突出，且用以支撑等离子体隔板插件500于凸出部332上。凸出部322由环328处以远离轴10的方向向外突出且用以配合上表面304与306一同支撑水盒400。环328的上表面324是用以支撑等离子体筛插件600。
喷头300的上表面303接收工艺气体，并透过孔310而输送至工艺区域60中。孔310从上表面303贯穿喷头300至下表面302c处以提供两处之间的流体连通。在喷头300中的孔310直径介于约0.1毫米与约1毫米之间，较佳地是介于约0.2毫米与0.8毫米之间，更佳地介于约0.4毫米至0.6毫米之间。喷头300可具有至少约100个孔，较佳地具有约1000个孔，更佳具有约1500或更多个孔。视孔310的大小、孔310的分布状况、基材大小与所需的暴露速率而定，喷头300可具有多达6000个孔或10000个孔。多个孔310之间可具有不同或一致的几何形状。在范例中，喷头300由金属所构成(例如，铝或不锈钢)，且具有1500个直径为0.5毫米的孔。
喷头300包含开口320(图3)且位于隔离环200与水盒400之间(图1A与图1B)。喷头300包含上表面303、304与306，其中上表面304与306可用以支撑水盒400。壁表面305a与305b介于上表面303、304与306之间。喷头300更包含下表面302a、302b与302c。当支撑喷头300时，下表面302a可当作隔离环200的上表面204。当下表面302c作为上表面62的一部份时，其也形成工艺区域60(图1C)。喷头300可由各种材料所形成，包含金属或其它导电材料。较佳地，喷头300是由金属所形成，例如铝、钢、不锈钢、铁、镍、铬、上述金属的合金或组合物等。
多个孔310是贯穿形成于喷头300中，使得上表面303与下表面302c间流体连通。孔310可具有各种大小且以多种图案散布在上表面303与下表面302c上。每个孔310的直径介于约0.1毫米至约1毫米之间，较佳地是介于约0.2毫米与0.8毫米之间，更佳地介于约0.4毫米至0.6毫米之间，例如约0.51毫米(0.02英时)。喷头300可具有至少约100个孔，较佳地具有约1000个孔，更佳地是具有约1500或更多个孔。视孔310的大小、孔310的分布状况、基材大小与所需的暴露速率而定，例如，喷头300可具有6000个孔或10000个孔。较佳地，喷头300由金属所构成(例如，铝或不锈钢)且具有1500个直径为0.5毫米的孔。
包含开口420的水盒400(图4A与图4B)可位于喷头300(图1A与图1B)的顶端且通过移除盖组件100的热而调节温度。开口420包含凸出表面414a与414b以及内表面416a、416b与416c。多个通路440由内表面416b处放射状地向内延伸贯穿水盒400直到下表面402c处。开口420是用以接收等离子体隔板插件500、等离子体筛插件600、绝缘套700。绝缘套700可位于凸出表面414a上。水盒400可由各种包含金属的材料所形成。较佳地，水盒400是由金属所形成，例如铝、钢、不锈钢、铁、镍、铬、上述金属的合金或组合物等。水盒400的下表面402a、402b是置于喷头300的上表面304与306上。水盒400也包含上表面403，其被具有上表面404的内表面405所包围。水盒400有助于移除盖组件100的热，尤其是喷头300处的热。上表面403包含入口410与出口412，该入口410与出口412与通路430间流体连通。在沉积工艺中，具有初期温度的流体是通过入口410而供应至水盒400处。当流体行经通路430时，流体可吸收热。具较高温度的流体可经由出口412而自水盒400处移除。
流体可为液态、气态或超临界状态，其可适时吸收并驱散热量。可用于水盒400中的液体包含水、油、酒精、乙二醇、乙二醇醚类、其它有机溶剂、超临界流体(例如二氧化碳)、上述液体的衍生物或混合物等。气体可包含氮气、氩气、空气、氢氟碳化合物(HFCs)或上述气体的组合物。较佳地，提供给水盒400的流体是水或水/酒精混合物。
入口410可用以接收连接至线路425(例如，软管(hose))的喷嘴411，该线路425与流体源流体连通。同样的，出口412可用以接收连接至线路427(例如，软管)的喷嘴413，该线路427与流体回收处(fluid retum)流体连通。流体源与流体回收处可以是内部冷却系统或独立的冷却系统。线路425与427连接至来源喷嘴421以及返回喷嘴423，该些喷嘴通过支持件托架110而固定在盖支持件103上。线路425与427可为圆管(tube)、软管、导管或线路。
在实施例中，供给至水盒400的流体具有介于约-20℃至约40℃的温度，较佳地介于约0℃至约20℃。可调整温度、流速与流体组成以适度移除包含喷头300的盖组件100的热，同时将水盒400保持在预定温度。水盒400可维持在预设温度内，此预定温度介于约0℃至约100℃之间，较佳介于约18℃至约65℃之间，更佳介于约20℃至约50℃之间。
在另一实施例中，图4C至图4F绘示可用以取代通路430的不同几何形状的通路430c、430d、430e与430f。通路430c-430f可包含围绕开口420的部分循环(loop)432c(图4C)、单一循环432d(图4D)、多循环432e(图4E)或包含分支或支线432f(图4F)。
气体区域540是位于喷头300的上表面303上方以及水盒400的下表面402c下方。通路440由内表面416b延伸贯穿水盒400并进入气体区域540。内表面416b可向内弯曲凹陷以形成气体区域441，该气体区域441位于内表面416b、等离子体筛插件600以及绝缘套700之间(图7C)。气体区域441包围等离子体筛插件600以维持与狭缝614间的流体连通。通路440在气体区域441与540之间提供流体连通。水盒400包含数个通路440。例如，水盒400可包含至少10个通路，较佳包含至少24个通路，更佳包含至少36个通路或更多。
图5A至图5F绘示等离子体隔板插件500的示意图，如一些实施例中所述般，其可作为盖组件100的一部份。等离子体隔板插件500是用以接收来自气体区域640的工艺气体，并输配或送出工艺气体至工艺区域60中。较佳地，等离子体隔板插件500是以一预设角度来输配工艺气体。下表面503包含多个狭缝510，这些狭缝510延伸贯穿等离子体隔板插件500直到下表面502，以输配工艺气体至工艺区域60中。
等离子体隔板插件500是如图所示般包含头锥520，其由上表面503处延伸至锥表面522(图5A)。锥表面522可具有各种几何形状，例如平面(图5B)，或者头锥520可延伸至一点(未显示)。较佳地，锥表面522是实质水平以接触等离子体筛插件600。头锥520可延伸至气体区域640中，该气体区域640形成在等离子体隔板插件500上方、等离子体筛插件600下方以及环组件330内。头锥520在气体区域640内占有一预定体积。若头锥520占据较大体积，则在沉积工艺中需要用来填充气体区域640的工艺气体量较少。于是，因为在每次ALD工艺的半周期中可较快地供给或移除在气体区域640中的工艺气体，因此可具有较短的ALD周期。
等离子体隔板插件500包含具有下表面502的下边缘(lower rim)512，以及具有上表面505与下表面504的上边缘514。下边缘512与上边缘514是以间隙513分隔开来。可设置一衬垫(gasket)在间隙513内以提供较佳导电性或较佳密封。衬垫可包含O型环(O-ring)或密封剂(sealant)。较佳地，衬垫是为RF衬垫且包含导电材料，例如金属缆线或掺杂导电材料的聚合物。在一较佳实施例中，诸如缠绕的不锈钢缆线等RF衬垫是沿着间隙513设置，以提供与喷头300间的导电接触。等离子体隔板插件500可位于喷头300的开口320内，以使上边缘514的下表面504位于喷头300的凸出部332上(图1A与图1B)。等离子体隔板插件500也被环组件330所围绕而位于开口320内。等离子体隔板插件500是由例如铝、钢、不锈钢、铁、镍、铬、其它金属、上述金属的合金或组合物所构成。
等离子体隔板插件500包含多个狭缝510，使得上表面503的开口508与下表面502的开口506间流体连通(图5与图5C)。这些狭缝510提供使工艺气体以一预定角度由气体区域640流入工艺区域60的信道。理想状况为，狭缝510引导工艺气体以喷射角α1的角度接触基材8或支持件表面41，该角度是从轴10至线段532之间所测得的角度。当线段532沿着狭缝510的平面延伸，同时轴10垂直通过下表面502。因此，位于等离子体隔板插件500内的狭缝510是设置成喷射角α1，并以引导具有工艺气体具有喷射角α1角度的流动型态，如图5C与图9C至图9D所示。
在一些实施例中，等离子体隔板插件500可包含沟槽(trough)501或多个孔530，以助于移动上表面503的工艺气体。在实施例中，如图5A至图5C所示般，等离子体隔板插件500可包含围绕在狭缝510外径的沟槽501。或者，狭缝510可延伸至沟槽501中(未显示)。
在另一个实施例中，如图5D至图5F所示般，等离子体隔板插件500可包含多个围绕在头锥520外径的孔530。每个孔530沿着轴线538由上表面503延伸至下表面502。在范例中，每个孔530沿着轴线538具有固定直径。较佳地，每个孔530包含以阻气门528分隔开来的上通路526a与下通路526b。上通路526a的通常直径大于下通路526b的直径。
在一些实施例中，具有与支持件表面41水平或垂直的流动型态(即，喷射角α1大约0°或大约90°)的工艺气体是不均匀地累积化学前驱物于基材8表面上。在气相沉积工艺中，基材8可以小于约90°但大于约0°的角度来接触工艺气体，以确保均匀接触工艺气体。在实施例中，狭缝510的喷射角α1可介于约20°至约70°之间，较佳介于约30°至60°之间，更佳介于约40°至50°之间，例如约45°。工艺气体可具有因狭缝510的喷射角α1所造成的环形路径。环形路径通常具有漩涡状(vortex)、螺纹状(helix)、螺旋状(spiral、corkscrew)、旋转状(twirl、swirl)、扭转状(twist)、盘绕状(coil)、圈状(whirlpool)或上述形状的衍生几何形状。
位于等离子体隔板插件500内的孔530是具有喷射角α5，以引导工艺气体使其具有喷射角α5的流动型态912，如图5F与图9C至图9D所示。在另一个实施例中，孔530的喷射角α5可介于约0°至约60°之间，较佳是介于约15°至50°之间，更佳介于约30°至40°之间，例如约35°。工艺气体的流动型态912可具有因孔530的喷射角α5所造成的锥形路径。
通过限制狭缝510与孔530的宽度与长度，可避免次级等离子体或气体往回扩散发生在等离子体隔板插件500之内或上方。再者，通过以预设喷射角度α1设置狭缝510，使得由支持件表面41穿过等离子体隔板插件500沿着轴10至气体区域640之间无法直视(图1C)，如此可避免在等离子体隔板插件500内或上方产生次级等离子体。通过以一预设喷射角度α5来设置孔530，使得由支持件表面41穿过等离子体隔板插件500沿着轴线538至气体区域640之间无法直视，如此可避免在等离子体隔板插件500内或上方产生次级等离子体(图1F)。
因此，无法直视性可在每个狭缝510或孔530下方形成受阻路径(obscured pathway)。例如，狭缝510的宽度可介于约0.5毫米至约1毫米之间，较佳是介于约0.6毫米至约0.9毫米之间，更佳介于约0.7毫米至0.8毫米之间，例如约0.76毫米(0.03英时)。再者，狭缝510的长度可介于约3毫米至约60毫米之间，较佳是介于约10毫米至约50毫米之间，更佳介于约20毫米至30毫米之间，例如约21.6毫米(0.85英时)。等离子体隔板插件500可具有至少约10个狭缝，较佳具有约15个狭缝，更佳具有约20或更多个狭缝。在一范例中，等离子体隔板插件500是由金属所构成(例如，铝或不锈钢)并具有20个宽度大约0.76毫米与长度约21.6毫米的狭缝。
在实施例中，每个孔530的直径介于约0.13毫米(0.005英时)至约2.54毫米(0.1英时)之间，较佳介于约0.26毫米(0.01英时)至约2.29毫米(0.09英时)之间，更佳介于约0.51毫米(0.02英时)至约1.9毫米(0.075英时)之间。在一范例中，每个孔530可包含上通路526a，其直径介于约1.27毫米(0.05英时)至约2.29毫米(0.09英时)之间，较佳介于约1.52毫米(0.06英时)至约2.03毫米(0.08英时)之间，例如约1.78毫米(0.07英时)。再者，每个孔530可包含下通路526b，其直径介于约0.38毫米(0.015英时)至约1.27毫米(0.05英时)之间，较佳介于约0.64毫米(0.025英时)至约1.02毫米(0.04英时)之间，例如约0.81毫米(0.032英时)。在范例中，每个孔530包含直径约1.5毫米至约2毫米之间的上通路526a以及直径约0.6毫米至约1毫米之间的下通路526b。等离子体隔板插件500可不具有孔或具有多个孔530，例如大约4个孔，较佳约8个孔，更佳约16个孔或更多个孔。在范例中，等离子体隔板插件500是由金属所构成(例如，铝或不锈钢)并具有8个孔。
在另一实施例中，等离子体隔板插件500的上表面503由头锥520处朝上边缘514倾斜。在一较佳实施例中，工艺气体是由孔612朝向头锥520以及由上表面503下方朝上边缘514行进。在一实施例中，等离子体隔板插件500具有由头锥520向下倾斜的上表面503，以提供较大的机械强度以及在工艺中控制不同的传导性与流速。上表面503可具有一倾斜度，该倾斜度是从线535至线537之间所测得的夹角α2。线535沿着上表面503的平面延伸，而线537与轴10垂直或实质垂直(图5B)。上表面503是用以接收沿着相对角度α2的各种开口506的工艺气体。因此，为了使来自狭缝510的开口508的工艺气体在沿着开口506长度上有一致流速，角度α2可为一预设的角度。在实施例中，上表面503可呈现角度α2的倾斜，该角度α2介于约0°与约45°之间，较佳介于约5°与30°之间，更佳介于约10°与20°之间，例如约15°。在另一个实施例中，上表面503可呈现角度α2的倾斜，该角度介于约0°与约45°之间，较佳介于约2°与20°之间，更佳介于约3°至10°之间，例如约5°。
设置在头锥520周围的狭缝510在贯穿介于上表面503上的开口506(图5C)与下表面504上的开口508(图1C)之间的等离子体隔板插件500。开口506与508可以角度α3设置在头锥520周围，该角度α3是为线531与径向线533所夹的角度。线531沿着开口506的长度延伸，而径向线533与轴10呈垂直地延伸。线531也可沿着开口508的长度延伸(未显示)。在实施例中，开口506与508可设置在头锥520周围，且以角度α3正切或实质正切圆形虚线539。因此，沿着开口506长度延伸的线531可与圆形虚线539上的一点相交，且以角度α3正切或实质正切圆形虚线539。圆形虚线539的半径介于约0.5毫米至约5毫米之间，较佳介于约1毫米至约3毫米之间，更佳介于约1.5毫米至约2.5毫米之间，例如，约2毫米(约0.081英时)。在其它实施例中，开口506与508是径向配置于头锥520周围或切线方式围绕在头锥520周围。再者，开口506与508可具有角度α3，该角度α3介约0°至约90°之间，较佳是介于约20°至45°之间，更佳介于约30°至40°之间，例如约35°。
在实施例中，等离子体筛插件600与绝缘套700可设置在气体歧管组件800与等离子体隔板插件500之间，以防止或限制等离子体在其间产生(图1A与图1B)。等离子体筛插件600与绝缘套700也可防止或限制等离子体隔板插件500上的热传递至气体歧管组件800。等离子体筛插件600与绝缘套700各自包含电性绝缘材料，例如陶瓷、石英、玻璃、蓝宝石或上述材料的衍生物。
等离子体筛插件600包含以环组件631分隔开来的内部区域630与外部区域632(图6A与图6B)。环组件631包含壁表面626、内壁表面605a、605b以及上表面604与606。内部区域630是界定在内壁表面605a与605b内。内部区域630包含中央部分601，其由多个贯穿等离子体筛插件600的孔612所围绕。在内部区域630中的工艺气体是接触上表面602，且该气体通过孔612而与下表面603以及气体区域640间流体连通。中央部分601通常不具有介于上表面602与下表面603之间的孔。
外部区域632由环组件631处开始延伸且包含多个沿着上表面608径向延伸的狭缝614。狭缝614引导第二工艺气体由外部区域632进入气体区域540。轴10延伸贯穿等离子体筛插件600的中央，使得多个孔612平行或实质平行轴10而延伸，以及多个狭缝垂直或实质垂直于轴10。
图1A绘示位于喷头300的环组件330与等离子体隔板插件500的头锥520上的等离子体筛插件600。锥表面522与下表面603的中央部分601接触。在沉积工艺中，通过限制狭缝614的宽度与长度以及限制孔612的直径，可避免在气体区域640的等离子体筛插件600上方产生次级等离子体。例如，狭缝614的宽度可介于约0.1毫米至约1毫米之间，较佳是介于约0.2毫米至约0.8毫米之间，更佳介于约0.4毫米至0.6毫米之间，例如约0.5毫米。等离子体筛插件600可至少具有约10个狭缝，较佳具有约20个狭缝，更佳具有约36个或更多的狭缝。在实施例中，等离子体筛插件600具有的狭缝614数量如同水盒400具有的通路440数量。
等离子体筛插件600包含多个孔612，每个孔的直径介于约0.5毫米至约5毫米之间，较佳介于约1毫米至3毫米之间，更佳介于约1.2毫米至1.8毫米之间，例如约1.5毫米(0.06英时)。等离子体筛插件600包含多个孔612，例如大约50个孔或更多，较佳至少约100个孔，更佳约150个或更多个孔。在范例中，等离子体筛插件600是由陶瓷所构成，且具有36个宽度大约0.51毫米(0.02英时)的狭缝，以及具有156个直径大约1.52毫米的孔。较佳地，等离子体筛插件600为圆形，但在其它实施例中可具有不同的几何形状，例如椭圆形。等离子体筛插件600的直径介于约1英时(约2.54厘米)至12英时(约30.52厘米)之间，较佳介于约2英时(5.08厘米)至约8英时(20.36厘米)之间，更佳介于约3英时(约7.62厘米)至约4英时(约10.16厘米)之间。等离子体筛插件600的厚度可约为1英时(约2.54厘米)或更薄，较佳约0.5英时(约1.27厘米)或更薄，更佳是约0.25英时(约0.64厘米)，例如约0.125英时(约0.32厘米)，其中这些数值是从与轴10平行的平面穿通等离子体筛插件600的厚度。在等离子体筛插件600的范例中，内部区域630的厚度大约0.125英时(约0.32厘米)或更薄，以及环组件631的厚度约0.25英时(约0.64厘米)或更薄。
绝缘套700具有上表面704与下表面703a、703b、703c、703d与703e(图7A至图7C)。绝缘套700包含至少一个由上表面704延伸至下表面703a-703e的通道。在范例中，绝缘套700仅包含一通道，且绝缘套700外侧的一导管可用以引导第二工艺气体。在另一个范例中，绝缘套700包含多数个信道，例如三个信道、四个信道或更多(未显示)。在较佳范例中，绝缘套700包含至少两个信道，例如信道710与720。通道720由上表面704处延伸穿过绝缘套700而形成扩展通道722(expanding channel)。扩展信道722由上部分721的通道720处朝下部分723逐渐变宽(tapered)，且包含下表面703e(图7B)。轴10可贯穿信道720与扩展信道722的中央(图7C)。通道710由上表面704延伸穿过绝缘套700直到凹槽(groove)725。在实施例中，信道710的半径小于信道720的半径。凹槽725包含下表面703c且环绕绝缘套700的底部(图7B)。上表面704也包含多个孔707，这些孔可接收扣件(例如螺栓或螺丝)以固定在其上的气体歧管组件800。
绝缘套700可位于水盒400上，使得下表面703a接触水盒并由水盒400支撑。下表面703b、703c、703d与703e可接触等离子体筛插件600或在表面之间形成区域(图7C)。下表面703d是与等离子体筛插件600的上表面602接触以形成气体区域744。气体区域742与744以及间隙726各自形成于绝缘套700与等离子体筛插件600之间。
在具有下表面703c的凹槽725以及等离子体筛插件600的一部份外部区域632之间形成的气体区域742，包含沟槽622以及壁表面624与626(图7C)。气体区域742围绕外区域632延伸且位于外区域632上方以包围气体区域744。信道710通过下表面703c而与气体区域742间流体连通。再者，因为狭缝614由壁表面624处延伸至通路440，而通路更贯穿水盒400而延伸至气体区域540处，因此气体区域540与气体区域742流体连通。狭缝614与绝缘套700的下表面703b共同形成这些通路。在沉积工艺中，工艺气体向下流经信道710，进入气体区域742，沿着沟槽622流动并经由狭缝614离开。盖组件100中的间隙726通常包含O型环。
部分的气体区域744由绝缘套700的下表面703e与等离子体筛插件600的一部份内部区域630所形成，该部份的内部区域包含上表面602与中央部分601。信道720通过下表面703e而与气体区域744流体连通。通道720垂直的与中央部分601同轴(沿着轴10)，该中央部分不具有孔612。在较佳范例中，信道720的直径小于中央部分601的直径以帮助工艺气体的转向。扩展通道722由上部分721延伸至下部分723，且覆盖气体区域744内的大部分内部区域630与上表面602。再者，因为孔612于等离子体筛插件600处贯穿延伸，所以气体区域640是与气体区域744流体连结。
在沉积工艺中，工艺气体向下流经信道720，进入气体区域744，并经由孔612离开。中央部分601使任何来自信道720且其流动路径垂直于上表面602的工艺气体转向。因而，此受阻路径减少或消除在等离子体隔板插件500与气体歧管组件800之间形成的次级等离子体。
扩展通道722具有从上部分721往下部分723扩大的内径(图7B)。在一个用以处理直径300毫米基材的腔体实施例中，扩展通道722在上部分721处的内径介于约0.5厘米至约7厘米之间，较佳介于约0.8厘米至约4厘米之间，更佳介于约1厘米至约2.5厘米之间；而扩展通道722在下部分723处的内径介于约2厘米至约15厘米之间，较佳介于约3.5厘米至约10厘米之间，更佳介于约4厘米至与约7厘米之间。通常，上述扩展通道的尺寸可提供介于约100sccm与约10000sccm之间的总气体流速。
在特定的实施例中，扩展通道722的大小可加以改变以符合某些气体流速。一般来说，欲达到较快的气体流速则需要较大直径的扩展通道722。在实施例中，扩展通道722可为截头圆锥状(包含类似截头圆锥的形状)。不论工艺气体朝向扩展通道722的壁或直接向下朝基材8流动，气体流速都会因为工艺气体流经扩展通道722而降低，因为工艺气体会膨胀。工艺气体流速降低有助于降低气体流将基材8表面已吸附的反应物吹离的机会。
扩展通道722的直径由上部分721往下部分723递增。递增的直径可使工艺气体流经扩展通道722时些微的绝热膨胀(adiabatic expnsion)，此有助于控制工艺气体的温度。例如，流经气体导管882与884而进入通道820与720的气体突然绝热膨胀，会导致气体温度突降，进而使气相前驱物凝结并形成微粒。另一方面，根据本发明某些实施例的递增扩展通道722，可使工艺气体有较少的绝热膨胀。因此，更多的热可传至或传出工艺气体，如此一来通过控制周围温度(即，由水盒400控制温度)即可较轻易控制气体温度。扩展通道722可包含一或多个一端较窄的内表面，例如一端较窄的平直表面、凹面、凸面、上述组合或可包含一或多段一端较窄的内表面(即，一部份一端较窄表面与一部份不变窄的表面)。
间隙726也形成在绝缘套700与等离子体筛插件600之间。因为在凹槽725内的下表面703c有一部份未接触在等离子体筛插件600上的环组件631的上表面604、606以及内壁表面605a，所以形成间隙726。当设置绝缘套700于等离子体筛插件600上时，O型环可位于间隙726内。
气体歧管组件800包含导管组件840与具有气体导管组件830的歧管套组件850(图8A与图8B)。导管组件840包含气体导管836与838，其位于上歧管844与下歧管842内。通过贯穿孔843的扣件(例如，螺栓或螺丝)而将气体歧管组件800连接至盖组件100上。在实施例中，导管836与838是分别与导管系统34流体连通以提供前驱气体、清洗气体、载气以及其它工艺气体(图1F)。在其它实施例中，导管836与838分别与不同工艺气体供给流体连通，该气体供给包含前驱气体供给、清洗气体供给、或载气供给。气体导管组件830包含位于导管831相对两侧上的凸缘832与凸缘834。凸缘834是耦接至盖支持件103的端口117上，以提供端口117与导管831间流体连通。再者，凸缘832是耦接至歧管档块(manifold block)806上的气体入口815，以提供导管831与导管884间的流体连通。隔离体808是设置在歧管档块806上，且为接地歧管提供热绝缘与电性绝缘。隔离体808由绝缘材料所形成，例如陶瓷材料、石英材料或上述材料的衍生物。较佳地，隔离体808是由绝缘聚合物、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)，例如TEFLON
Figure 2006800135356_1
，所形成。
图8B至图8D绘示在歧管套组件850内，由气体入口811延伸至通道导管823的气体导管880。信道导管823的内部可支撑通道810。工艺气体可顺着流动型态914流经气体导管880并进入位于信道导管823内的信道810。通道导管821是流体连通地耦接至从气体入口813延伸的气体导管882以及从气体入口815延伸的气体导管884。顺着流动型态916通过气体导管882的一工艺气体以及以流动型态918通过气体导管884的其它工艺气体可在位于信道导管821中的信道820内结合，以形成具有流动型态922的工艺气体(图8C与图8D)。气体通道导管821与823可由连结于气体歧管组件800内的气体支持件852与854所支撑。
在其它实施例中，气体导管880与通道导管823位于气体歧管组件800外部。气体导管880与通道导管823直接流体连通至绝缘套700、等离子体筛插件600、水盒400或喷头300。在另外的实施例中，气体歧管组件800包含多个电控阀门(未显示)。此处的电控阀门是为任何可提供快速且准确气体流速至工艺腔体50内的控制阀门，该阀门具有开关周期在大约0.01秒至约10秒之间，较佳介于约0.1秒至约5秒之间，例如较长的周期可持续大约3秒而较短周期可持续大约0.5秒。
在范例中，歧管套组件850具有窗口组件826以观察等离子体的辐射(图8A)。窗口组件826包含镜片边环(1ens edge ring)824包围着镜片822，且窗口组件826位于凸出部814上且在歧管档块806内被壁表面816所围绕。在另一个范例中，歧管套组件850可包含不具窗口的表面825(图1D)。当气体导管组件830与歧管文件块806上的气体入口813连接且具流体连通时，其在凸缘834处与端口117连接且流体连通。
在实施例中，气体导管882与884是邻近信道导管821与信道820的上部位(图8C-8D、图9A与图10A)。在其它实施例中，一或多个气体导管882与884可沿着介于通道820上部位与绝缘套700之间的通道820长度设置。不希望受限于理论，由气体导管882与884流出而经过通道820的工艺气体可形成环形流动型态，例如流动型态992a与992b(图10A)。虽然通过信道820的实际流动型态922形状未知，但是可确定的是工艺气体可以具有漩涡形、螺旋形、卷曲形、盘旋形或上述形状所衍生的流动型态922。
可提供这些具有流动型态922的工艺气体至由通道720与820结合而成的气体区域920以及界定在扩展信道722中的气体区域744内(图9B)。在一方面，由于环形气流在整个气体区域920的内表面的清洗动作，流动型态922的环形流动型态有助于在气体区域920中建立更有效的清洗。流动型态922的环形流动型态也提供一致且共形的工艺气体输送于等离子体筛插件600的整个表面602上。
在另一个实施例中，以流动型态922通过气体区域920的工艺气体也被导入至等离子体筛插件600的中央部位601中(图9A与图9C)。因为中央部位601不具有孔612，工艺气体被向外且朝该上表面602中的孔612处引导。通过形成流动型态922，可有效获得位于气体区域920与气体区域640间供工艺气体经过的受阻路径。受阻路径较在工艺区域920与气体区域640之间具有直视性的未受阻路径具有更多优点，包含减少或消除在等离子体隔板插件500与位于气体区域920内气体歧管组件800之间的次级等离子体。
因为工艺气体的方向符合孔612的角度，所以流动型态922形成垂直流动型态(即，与轴10平行)。进入气体区域640的工艺气体是由头锥520向外行进并进入狭缝510或孔530。工艺气体以具有与轴10夹α1角的流动型态922由狭缝510进入工艺区域60，以及以具有与轴10夹α5角的流动型态912由孔530进入工艺区域60(图9B-9D)。位于等离子体隔板插件500中的狭缝510具有喷射角度α1以引导具有喷射角α1的流动型态的工艺气体。工艺气体的喷射角可介于约20°至约70°之间，较佳介于约30°至60°之间，更佳介于约40°至50°之间，例如约45°。位于等离子体隔板插件500内的孔530具有喷射角度α5以引导具有喷射角α5的流动型态的工艺气体。工艺气体的喷射角α5可介于约0°至约60°之间，较佳介于约15度至50度之间，更佳介于约30度至40度之间，例如约35度。因此，工艺气体的流动型态922可具有因狭缝510的喷射角α1而造成的环形路径。环形路径通常具有漩涡形、螺旋形或上述形状衍生的几何形状。再者，工艺气体的流动型态912可具有因孔530的喷射角α5所造成的圆锥形路径。具有流动型态912的工艺气体可导入基材8的中央。在工艺区域60内的基材可暴露在具有流动型态912与922的工艺气体下。
再者，狭缝510的喷射角α1对工艺气体形成在气体区域640与工艺区域60之间的第二受阻路径。第二受阻路径更有助于减少或避免次级等离子体，该次级等离子体可能形成于气体区域920内的等离子体隔板插件500与气体歧管组件800之间或在等离子体隔板插件500的上表面503的开口506内。
在另一个实施例中，当工艺气体通过气体区域910、信道710与810的结合区域以及局限在凹槽725内的气体区域742时，工艺气体可能具有流动型态914(图9B)。一旦工艺气体进入气体区域742，因为工艺气体沿着环形路径923被导入等离子体筛插件600周围，流动型态914于是改变(图9A)。工艺气体是向外通过等离子体筛插件600上的狭缝614并进入气体区域441中。工艺气体流动型态914额受阻路径是形成于气体区域910与气体区域441之间。受阻路径较位于工艺区域910与气体区域441之间具有直视性的未受阻路径具有更多优点，包含减少或消除在等离子体隔板插件300与位于气体区域910内的气体歧管组件800之间的次级等离子体。
因为工艺气体方向性地符合水盒400内的通路440角度，所以流动型态914以向下流动方式由气体区域441前进。工艺气体进入气体区域540，且向外行进通过喷头300的上表面303。具有平行或实质平行于轴10的流动型态914的工艺气体是由孔310进入工艺区域60(图9B)。在工艺区域60内的基材可暴露至具有流动型态914的工艺气体下。工艺气体的第二受阻路径是由气体区域441通过气体区域540而到达工艺区域60。第二受阻路径更有助于减少或避免在喷头300与气体区域910内的气体歧管组件800间所形成的次级等离子体。
可通过导入单一工艺气体或多种工艺气体至气体区域820中而形成具有环形流动型态922的工艺气体(图10A与图10C)。在实施例中，图10A显示信道导管821的信道820内的俯视剖面图，该通道导管是用以接收来自气体导管882的工艺气体以及来自气体导管884的工艺气体。每个气体导管882与气体导管884是耦接至不同的工艺气体源。气体导管882与884可分别具有角度α4，该角度为气体导管884的中心线915a或气体导管882的中心线915b与从通道导管821中央伸出的径向线917(例如，轴10)所夹的角度。设置气体导管882与884，使其具有角度α4(即，当α4＞0°)以使工艺气体具有环形方向，例如流动型态922a与922b。流动型态922a与922b形成以漩涡模式通过信道820的工艺气体的流动型态922。在一方面，由于环形气流在内表面的清洗能力，流动型态922的环形流动型态有助于更有效清洗工艺区域60。再者，流动型态922的环形流动型态能一致且共形地输送工艺气体至狭缝510处。
在另一个实施例中，图10B是信道820与信道导管1021的俯视剖面图，该通道导管用以接收流经连接至工艺气体源的气体导管1084的单一气体流。气体导管1084是配置成在气体导管1084的中心线915a与通道导管1021中央的径向线917(例如，轴10)之间具有一夹角α4。气体导管1084可具有角度α4(即，当α4＞0°)以使工艺气体以环形方向流动，例如流动型态922a，以及使工艺气体以漩涡模式连续流经信道820。
在另一替代实施例中，图10C为信道导管1021的信道820的俯视剖面图，该通道导管是用以接收三种气体流，使该些气体一起、部分一起(即，三种气体中的两种)或分别通过三个气体入口，例如各自耦接至不同工艺气体源上的气体导管1082、1084与1086。每个气体导管1082、1084与1086可个别在气体导管1082、1084与1086的中心线915a、915b、915c以及自通道导管1021中央伸出的径向线917之间夹有α4的角度。每个气体导管1082、1084、1086具有角度α4以使工艺气体以环形方向流动，例如流动型态922a，以及使工艺气体以漩涡模式连续流经信道820。有关利用三种或更多工艺气体流的工艺腔体是阐述于共同受让的美国专利6916398中，在此是以参考方式纳入该案的内容。
在一形成高k材料的范例中，三种气体流可包含铪前驱物、硅前驱物与氧化气体，其中第一流体包含四(二乙基胺)铪(TDEAH)、四(二甲基胺)铪(TDMAH)或氯化铪(HfCl4)，第二流体包含三(二甲基胺)甲烷(TDMAS)、三-二甲基胺甲烷(Tris-DMAS)或硅甲烷，以及第三流体包含具有来自水蒸气产生系统(WVG)的水蒸气的氧化气体。使用工艺腔体50并形成高介电材料的工艺是阐述于共同受让且在审理中的美国专利申请号11/127767中，其于2005年5月12日申请，名称为「含铪高k材料的原子层沉积的设备与方法」(Apparatus and Methods for Atomic Layer Deposition of Hafnium-ContainingHigh-k Materials)，公开号为2005-0271813，在此是以参考方式纳入该案的内容。
在另一个实施例中，导管系统34更包含多个前驱物储存槽以及在末端形成喷嘴的逐步扩大的气体导管，这些导管与气体入口811、813与815间流体连通。在一些实施例中可使用的喷嘴或末端是进一步阐述于共同受让的美国专利申请号11/119388中，其于2005年4月29日申请，名称为「控制气体流与输送以抑制微粒形成于MOCVD/ALD系统」(Control of Gas Flowand Delivery to Suppress the Formation of Particles in an MOCVD/ALDSystem)，公开号为2005-0252449，在此是以参考方式纳入该案内容以支持前驱物储存器与逐步扩大气体导管的公开。气体导管的几何形状可使通过气体经过一渐渐扩增的流动通道(increasing tapered flow channel)而逐渐膨胀，此避免温度的急遽下降。在实施例中，流动通道的转变意指在30毫米至约100毫米的距离内，从截面内径约3毫米至约15毫米的输送气体线路到具有约10毫米至约20毫米的较大直径气体入口811、813与815。直径渐增的流动通道可使膨胀气体接近平衡态且可避免热的快速流失，以维持实质不变的温度。扩展气体导管可包含一或多个一端较窄(tapered)的内表面，例如一端较窄的平直表面、凹面、凸面、上述组合或可包含一或多段一端较窄的内表面，即一部份窄表面与一部份不渐窄的表面。
钌原子层沉积工艺
本发明实施例提供利用气相沉积工艺，例如原子层沉积(ALD)或等离子体增强的原子层沉积(PE-ALD)，以沉积各种材料(例如，钌材料)于基材上的方法。在一方面，工艺仅有些许或没有初始延迟(initiation delay)，且在形成钌材料的过程中维持高沉积速率。所沉积的钌材料具有良好的阶梯覆盖率、强附着力且包含低的碳浓度以具有高导电性。
在实施例中，钌材料可在PE-ALD工艺中形成，该工艺包含固定的反应气体流并同时提供钌前驱物与等离子体的连续脉冲。在另一个实施例中，钌材料可在另一种提供钌前驱物与反应物等离子体的连续脉冲的PE-ALD工艺中形成。在这两种实施例中，反应物在工艺中通常会离子化。再者，PE-ALD工艺中的等离子体可在工艺腔体外部产生，例如通过一远程等离子体产生器(PRS)系统，或较佳地，等离子体可在能够产生等离子体的ALD工艺腔体中原位产生。在PE-ALD工艺中，等离子体可由微波(MW)频率产生器或射频(RF)产生器所生成。在一较佳范例中，原位等离子体可由RF产生器所生成，例如在工艺腔体50内或在具有盖组件100的工艺腔体50中。在另一个实施例中，钌材料可在另一种提供钌前驱物与试剂的连续脉冲的热原子层沉积工艺中形成。
用于本文所述实施例中的ALD工艺腔体可为上述的工艺腔体50或其它可容纳盖组件100、盖组件100的任何部分或零件的腔体主体或上述腔体的变化型。其它ALD工艺腔体也可用于某些本文所述的实施例中，且这些腔体都可从位于加州圣塔克拉拉的应用材料公司所购得(Applied Material，Inc.)。有关ALD工艺腔体的详细叙述是公开于共同受让的美国专利6916398与6878206中，以及共同受让且审理中的美国专利申请案10/281079中，该案于2002年10月25日申请，名称为「原子层沉积的气体输送设备」(GasDelivery Apparatus for Atomic Layer Deposition)，公开号为2003-0121608，在此是以参考方式纳入这些案件的内容。在另一个实施例中，能用以执行ALD以及公知CVD模式的腔体也可用以沉积钌材料，该腔体是阐述于共同受让且审理中的美国专利申请案10/712690中，该案于2003年11月13日申请，名称为「用于混合化学工艺的设备与方法」(Apparatus and Method for HybridChemical Processing)，公开号为2004-0144311，在此是以参考方式纳入该案的内容。
ALD工艺中的工艺腔体可调整至具有介于约0.1托(Torr)至约80托的压力，较佳介于约0.5托至约10托之间，更佳介于约1托至5托之间。再者，腔体或基材可加热至低于约500℃的温度，较佳介于约100℃至约450℃之间，更佳介于约150℃至约400℃之间，例如300℃。在PE-ALD工艺中，若为原位等离子体工艺则等离子体在工艺腔体内激发，或者也可由外部来源所产生，例如使用远程等离子体产生器系统(PRS)来产生等离子体。等离子体可由微波产生器所生成，较佳可由射频(RF)产生器所生成。例如，等离子体可在工艺腔体50内或具有盖组件100的工艺腔体50中激发。射频产生器可设定在介于约100千赫至约1.6百万赫之间的频率。在范例中，具有13.56百万赫频率的RF产生器可加以设定以具有介于约100瓦至约1000瓦之间的功率输出，较佳介于约250瓦至600瓦之间，更佳介于约300瓦与至约500瓦之间。在范例中，具有400千赫频率的RF产生器可加以设定以具有介于约200瓦至约2000瓦之间的功率输出，较佳介于约500瓦至1500瓦之间。基材表面可暴露在具有每表面积功率介于约0.01瓦/平方厘米(watts/cm2)至约10瓦/平方厘米之间的等离子体下，较佳介于约0.05瓦/平方厘米至约6瓦/平方厘米之间。
例如，该基材可为一硅基材，其具有被形成于其上的一或多层介电材料层中定义有内联机图案。范例中，基材包含阻障层形成其上；而另一个范例则为基材包含介电表面。诸如温度与压力等工艺腔体条件可加以调整以加强工艺气体在基材上的吸附，以帮助吡咯钌前驱物与反应气体的反应。
在实施例中，基材可在整个ALD循环中暴露在反应气体下。将基材暴露在通过使载气(例如氮气或氩气)通过一安瓿的钌前驱物而形成的钌前驱气体下。视工艺所使用的钌前驱物而决定是否加热安瓿。在范例中，包含甲基环戊二烯吡咯钌((MeCp)(Py)Ru)的安瓿可被加热至介于约60℃与约100℃之间的温度，例如约80℃。钌前驱物气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。钌前驱物气体与反应气体可结合以形成沉积气体。反应气体通常具有介于约100sccm至约3000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约2000sccm之间，更佳介于约500sccm至约1500sccm之间。在范例中，氨气是当作反应气体使用并具有约1500sccm的流速。基材可暴露至钌前驱物气体或包含钌前驱物与反应气体的沉积气体中一段介于约0.1秒至约8秒之间的时间，较佳介于约1秒至约5秒之间，更佳介于约2秒至约4秒之间。一旦钌前驱物被吸附至基材上时，可停止输送钌前驱物。钌前驱物可为一非连续层、一连续层或多层。
在停止注入钌前驱物气体后，基材与腔体可进行清洗步骤。在清洗步骤中，反应气体的流速可加以维持如先前步骤般或加以调整。较佳地，反应气体流可维持与先前步骤相同。或者，清洗气体可以介于约100sccm至约2000sccm之间的流速注入工艺腔体中，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。清洗步骤移除任何多余的钌前驱物与其它在工艺腔体内的污染物。清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳地介于约2秒至4秒之间。载气、清洗气体与工艺气体可包含氮气、氢气、氨气、氩气、氖气、氦气或上述气体的组合等。在一个较佳实施例中，载气包含氮气。
之后，在激发等离子体之前，可调整或维持反应气体流。基材可暴露在等离子体下一段时间，时间是介于约0.1秒至20秒之间，较佳介于约1秒至10秒之间，更佳介于约2秒至8秒之间。随后，关闭等离子体功率。在范例中，反应物可为氨气、氮气、氢气或上述气体的组合物，以形成氨气等离子体、氮气等离子体、氢气等离子体或组合等离子体。反应等离子体与被吸附至基材上的钌前驱物反应以形成钌材料于基材上。在范例中，反应等离子体是当作还原剂以形成金属钌。当然，可使用各种反应物以形成具有多种组成的钌材料。在范例中，含硼反应物化合物(例如，乙硼烷)是用以形成含硼化物的钌材料。在另一个范例中，含硅反应物化合物(例如，硅甲烷)是用以形成含硅化物的钌材料。
工艺腔体可进行第二清洗步骤以移除过多的前驱物或先前步骤的污染物。于清洗步骤中，反应气体的流速可维持如先前步骤般或加以调整。一种选用性的清洗气体可以介于约100sccm至约2000sccm之间的流速注入工艺腔体中，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。第二清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。
可重复原子层沉积循环直到一定厚度的钌材料沉积在基材上。可沉积钌材料至具有小于约1000埃的厚度，较佳小于约500埃，更佳介于约10埃与约100埃之间，例如约30埃。在此阐述的工艺可以至少0.15埃/循环的速率沉积钌材料，较佳至少为0.25埃/循环，更佳至少为0.35埃/循环或更快。在另一个范例中，本文中所述的工艺克服了先前技术有关成核延迟的缺点。本发明在多数沉积钌材料的实施例中，并无侦测到成核延迟的现象。
在另一个实施例中，钌材料可在另一种将基材连续暴露至钌前驱物与诸如反应等离子体等活性反应物中的PE-ALD工艺里形成。基材可暴露至通过使载气通过含钌前驱物的安瓿而形成的钌前驱物气体中，如同本文中所述。钌前驱物气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。基材可暴露在含钌前驱物与反应气体的沉积气体中一段大约介于约0.1秒至约8秒之间的时间，较佳介于约1秒至约5秒之间，更佳介于约2秒至约4秒之间。一旦钌前驱物被吸附至基材上时，可停止输送钌前驱物。钌前驱物可为一非连续层、一连续层或多层。
接着，对基材与腔体进行清洗步骤。清洗气体可在清洗步骤时施加至工艺腔体中。在一方面，清洗气体是为反应性气体，例如氨气、氮气或氢气。在另一方面，清洗气体可为与反应气体不同的气体。例如，反应气体可为氨气而清洗气体可为氮气、氢气、或氩气。清洗气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。清洗步骤移除任何多余的钌前驱物与在工艺腔体内的其它污染物。清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。载气、清洗气体与工艺气体可包含氮气、氢气、氨气、氩气、氖气、氦气或上述气体的组合等。
在ALD工艺的后续步骤中，基材与已被吸附于基材上的钌前驱物可暴露在反应气体中。或者，载气可与反应气体同时注入工艺腔体中。反应气体可被激发以形成等离子体。反应气体通常具有介于约100sccm至约3000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约2000sccm之间，更佳介于约500sccm至约1500sccm之间。在范例中，氨气是当作反应气体使用并具有约1500sccm的流速。基材可暴露在等离子体下一段时间，时间是介于约0.1秒至20秒之间，较佳介于约1秒至10秒之间，更佳介于约2秒至8秒之间。随后，关闭等离子体功率。在范例中，反应物可为氨气、氮气、氢气或上述气体的组合，而等离子体可为氨气等离子体、氮气等离子体、氢气等离子体或上述等离子体的组合。反应等离子体与被吸附至基材上的钌前驱物反应以形成钌材料于基材上。较佳地，反应物等离子体是当作还原剂以形成金属钌。当然，可如文中所述般，使用各种反应物以形成具有各种组成的钌材料。
工艺腔体可进行第二清洗步骤以移除过多的前驱物或前述步骤的污染物。反应气体流可在前一个步骤结束时停止，若反应气体当作清洗气体时，则可在清洗步骤时开始。或者，与反应气体不同的清洗气体可注入至工艺腔体中。反应气体或清洗气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。第二清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。
可重复原子层沉积循环直到一定厚度的钌材料沉积在基材上。可沉积钌材料至具有小于约1000埃的厚度，较佳小于约500埃，更佳介于约10埃与约100埃之间，例如约30埃。在此阐述的工艺可以至少0.15埃/循环的速率沉积钌材料，较佳至少为0.25埃/循环，更佳至少为0.35埃/循环或更快。在另一个范例中，本文中所述的工艺克服了先前技术有关成核延迟的缺点。本发明在许多沉积钌材料过程中，并无侦测到成核延迟的现象。
一般而言，除非表面以羟基(例如，-OH)终止或是为一个富含电子的表面(例如，金属层)，否则为了在ALD工艺中使用环戊二烯钌(ruthenocene)化合物，需要进行表面处理步骤。在诸如氮化钽等阻障层上，需经过预处理步骤(pre-treatment)才可透过ALD工艺使环戊二烯钌前驱物沉积成钌材料。即使有预处理步骤，例如将阻障层表面氢氧化(羟化)，随机散置的成核位置使环戊二烯钌在沉积工艺中形成的钌呈卫星散布或岛状。因此，使用环戊二烯钌前驱物的ALD工艺而常常沉积出具有较高电阻的钌材料，可能就是因为不平坦的钌材料所致。再者，沉积工艺因为环戊二烯钌前驱物而有成核延迟的现象。再者，环戊二烯钌前驱物通常需要400℃以上的高吸附温度。如此高温可能在易受影响的低k介电环境中，例如在铜的后段工艺(BEOL)中，损害装置。因此，比较好的情况是在温度小于400℃时进行ALD工艺，较佳温度则小于350℃。再者，在ALD工艺中使用环戊二烯钌前驱物来沉积钌材料于介电表面上，会因为该钌材料与下方膜层之间的粘附力低，所以不容易通过胶带测试。因此，在许多实施例中，环戊二烯钌化合物，例如双(乙基环戊二烯)钌(bis(ethylcyclopentadienyl)ruthenium)、双(环戊二烯)钌(bis(cyclopentadienyl)ruthenium)与双(戊甲基环戊二烯)钌(bis(pentamethylcyclopentadienyl)ruthenium)是较不乐意使用的钌前驱物。
本发明实施例包含克服先前技术缺点的方法论以及提供其它优于先前技术的较佳前驱物与化合物。在本文中阐述的沉积工艺中对于形成钌材料有帮助的钌前驱物家族包含吡咯钌前驱物。用于沉积钌材料的ALD工艺是阐述于共同受让且审理中的美国专利申请案11/470466中，该案于2006年9月6日申请，名称为「钌材料的原子层沉积工艺」(Atomic Layer DepositionProcess for Ruthenium Materials)，在此是以参考方式纳入该案的内容。吡咯配体提供在ALD工艺中优于公知钌前驱物(例如，环戊二烯钌与其衍生物)的为咯钌前驱物。吡咯配体比许多配体更具热力学稳定特性，以及其可形成非常容易挥发的化学前驱物。吡咯钌前驱物包含钌与至少一种吡咯配体或至少一种吡咯衍生物配体。吡咯钌前驱物可具有吡咯配体，例如：
其中R1、R2、R3、R4与R5分别为氢、烷基(例如，甲基、乙基、丙基、丁基、戊基或更高碳数的烷基)、胺基、烷氧基、醇基、芳香基(aryl group)、其它吡咯基(例如2，2′-双吡咯基)、吡唑基(pyrazole group)、上述基团衍生物或结合物等。吡咯配体可具有两个或更多以化学基连接在一起的R1、R2、R3、R4与R5。例如，R2与R3可为一个环结构的一部份，例如吲哚基(indolylgroup)或其衍生物。在此所使用的吡咯钌前驱物是指任何含钌以及至少一种吡咯配体或至少一种吡咯配体衍生物的化合物。在较佳实施例中，吡咯钌前驱物可包含双(四甲基吡咯)钌(bis(tetramethylpyrrolyl)ruthenium)、双(2，5-二甲基吡咯)钌(bis(2，5-dimethylpyrrolyl)ruthenium)、双(2，5-二乙基吡咯)钌(bis(2，5-diethylpyrrolyl)ruthenium)、双(四乙基吡咯)钌(bis(tetraethylpyrrolyl)ruthenium)、戊二烯四甲基吡咯钌(pentadienyl tetramethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯2，5-二甲基吡咯钌(pentadienyl 2，5-dimethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯四乙基吡咯钌(pentadienyl tetraethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯2，5-二乙基吡咯钌(pentadienyl 2，5-diethylpyrrolyl ruthenium)、1，3-二甲基戊二烯吡咯钌(1，3-dimethylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)、1，3-二乙烯戊二烯吡咯钌(1，3-diethylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)、甲基环戊二烯吡咯钌(methylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)、乙基环戊二烯吡咯钌(ethylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium)、2-甲基吡咯吡咯钌(2-methylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、2-乙基吡咯吡咯钌(2-ethylpyrrolylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。
前驱物的重要特性为具有良好的蒸汽压。沉积前驱物可在大气温度与压力下为气态、液态或固态。然而，在ALD腔体中，前驱物通常挥发成气体或等离子体。前驱物通常在输送至工艺腔体前会先加热。虽然许多变量会在ALD工艺中影响形成钌材料的沉积速率，但是为了达到预定的沉积速率，在吡咯钌前驱物上的配体大小仍是重要因素之一。配体大小会影响对用来汽化吡咯钌前驱物所需的特定温度与压力的决定。再者，吡咯钌前驱物具有与配体大小成正比的特殊配体立体阻碍(steric hindrance)。一般来说，较大配体会有较大的立体阻碍。因此，当基材暴露前驱物中，在达半反应的过程时，具有较大配体的前驱物吸附在基材表面上的分子数量会比具有较小配体的前驱物吸附在基材表面上的分子数量要来得少。立体阻碍效应限制表面吸附前驱物的量。因此，通过减少配体的立体阻碍，可形成具有更密集分子的单层吡咯钌前驱物。因为吸附在表面上的前驱物较多时可达到较高的沉积速率，因此整体沉积速率会与表面上吸附的前驱物量成比例关系。具有较小官能基的配体(例如，氢或甲基)通常比具有较大官能基的配体(例如，芳香基)会有较小的立体阻碍。再者，配体的位置可影响前驱物的立体阻碍。通常，较内部的位置(R2与R5)比起外部的位置(R3与R4)会造成较小影响。例如，R2与R5为氢基而R3与R4为甲基的吡咯钌前驱物，比起R2与R5为甲基而R3与R4为氢基的吡咯钌前驱物具有更大的立体阻碍。
吡咯配体可缩写为「py」而吡咯衍生物配体可缩写为「R-py」。可在本文所述沉积工艺中用来形成钌材料的吡咯前驱物包含烷基吡咯钌前驱物(例如，(RX-py)Ru)、双吡咯钌前驱物(例如，(py)2Ru)以及二烯吡咯钌前驱物(例如，(Cp)(py)R)。烷基吡咯钌前驱物的范例包含甲基吡咯钌(methylpyrrolylruthenium)、乙基吡咯钌(ethylpyrrolyl ruthenium)、丙基吡咯钌(propylpyrrolylruthenium)、二甲基吡咯钌(dimethylpyrrolyl ruthenium)、二乙基吡咯钌(diethylpyrrolyl ruthenium)、二丙基吡咯钌(dipropylpyrrolyl ruthenium)、三甲基吡咯钌(trimethylpyrrolyl ruthenium)、三乙基吡咯钌(triethylpyrrolylruthenium)、四甲基吡咯钌(tetramethylpyrrolyl ruthenium)、四乙基吡咯钌(tetraethylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。双吡咯钌前驱物的范例包含双吡咯钌(bis(pyrrolyl)ruthenium)、双(甲基吡咯)钌(bis(methylpyrrolyl)ruthenium)、双(乙基吡咯)钌(bis(ethylpyrrolyl)ruthenium)、双(丙基吡咯)钌(bis(propylpyrrolyl)ruthenium)、双(二甲基吡咯)钌(bis(dimethylpyrrolyl)ruthenium)、双(二乙基吡咯)钌(bis(diethylpyrrolyl)ruthenium)、双(二丙基吡咯)钌(bis(dipropylpyrrolyl)ruthenium)、双(三甲基吡咯)钌(bis(trimethylpyrrolyl)ruthenium)、双(三乙基吡咯)钌(bis(triethylpyrrolyl)ruthenium)、双(四甲基吡咯)钌(bis(tetramethylpyrrolyl)ruthenium)、双(四乙基吡咯)钌(bis(tetraethylpyrrolyl)ruthenium)、甲基吡咯基吡咯钌(methylpyrrolyl pyrrolylruthenium)、乙基吡咯基吡咯钌(ethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、丙基吡咯基吡咯钌(propylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、二甲基吡咯基吡咯钌(dimethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、二乙基吡咯基吡咯钌(diethylpyrrolylpyrrolyl ruthenium)、二丙基吡咯基吡咯钌(dipropylpyrrolyl pyrrolylruthenium)、三甲基吡咯基吡咯钌(trimethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、三乙基吡咯基吡咯钌(triethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、四甲基吡咯基吡咯钌(tetramethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)、四乙基吡咯基吡咯钌(tetraethylpyrrolyl pyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。
二烯吡咯钌(dienyl pyrrolyl rutheniu)前驱物包含至少一个二烯配体与至少一个吡咯配体。二烯配体可包含具有少至四个碳原子或多至十个碳原子的碳主链，较佳大约为五个或六个。二烯配体可具有环状结构(例如，环戊二烯基)或可为开链结构(例如，戊二烯基)。再者，二烯配体可不具烷基或具有一烷基或更多烷基。
在实施例中，二烯吡咯钌前驱物包含戊二烯配体或烷基戊二烯配体。戊二烯吡咯钌前驱物的范例包含戊二烯吡咯钌前驱物(pentadienyl pyrrolylruthenium)、戊二烯甲基吡咯钌(pentadienyl methylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯乙基吡咯钌(pentadienyl ethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯丙基吡咯钌(pentadienyl propylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯二甲基吡咯钌(pentadienyldimethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯二乙基吡咯钌(pentadienyl diethylpyrrolylruthenium)、戊二烯二丙基吡咯钌(pentadienyl dipropylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯三甲基吡咯钌(pentadienyl trimethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯三乙基吡咯钌(pentadienyl triethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯四甲基吡咯钌(pentadienyltetramethylpyrrolyl ruthenium)、戊二烯四乙基吡咯钌(pentadienyltetraethylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。烷基戊二烯吡咯前驱物包含烷基戊二烯吡咯钌(alkylpentadienyl pyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯甲基吡咯钌(alkylpentadienyl methylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯乙基吡咯钌(alkylpentadienyl ethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯丙基吡咯钌(alkylpentadienyl propylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯二甲基吡咯钌(alkylpentadienyl dimethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯二乙基吡咯钌(alkylpentadienyl diethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯二丙基吡咯钌(alkylpentadienyl dipropylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯三甲基吡咯钌(alkylpentadienyl trimethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯三乙基吡咯钌(alkylpentadienyl triethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯四甲基吡咯钌(alkylpentadienyl tetramethylpyrrolyl ruthenium)、烷基戊二烯四乙基吡咯钌(alkylpentadienyl tetraethylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。
在另一个实施例中，二烯吡咯钌前驱物包含环戊二烯基配体(cyclopentadienyl ligand)或烷基环戊二烯基配体(alkylcyclopentadienylligand)。环戊二烯吡咯钌前驱物的范例包含环戊二烯吡咯钌(cyclopentadienylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯甲基吡咯钌(cyclopentadienyl methylpyrrolylruthenium)、环戊二烯乙基吡咯钌(cyclopentadienyl ethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯丙基吡咯钌(cyclopentadienyl propylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯二甲基吡咯钌(cyclopentadienyl dimethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯二乙基吡咯钌(cyclopentadienyl diethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯二丙基吡咯钌(cyclopentadienyl dipropylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯三甲基吡咯钌(cyclopentadienyl trimethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯三乙基吡咯钌(cyclopentadienyl triethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯四甲基吡咯钌(cyclopentadienyl tetramethylpyrrolyl ruthenium)、环戊二烯四乙基吡咯钌(cyclopentadienyl tetraethylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。烷基环戊二烯吡咯钌前驱物的范例包含烷基环戊二烯吡咯钌(alkylcyclopentadienylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯甲基吡咯钌(alkylcyclopentadienylmethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯乙基吡咯钌(alkylcyclopentadienylethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯丙基吡咯钌(alkylcyclopentadienylpropylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯二甲基吡咯钌(alkylcyclopentadienyldimethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯二乙基基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl diethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯二丙基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl dipropylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯三甲基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl trimethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯三乙基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl triethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯四甲基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl tetramethylpyrrolyl ruthenium)、烷基环戊二烯四乙基吡咯钌(alkylcyclopentadienyl tetraethylpyrrolyl ruthenium)或上述化合物的衍生物。
在另一个实施例中，钌前驱物未包含吡咯配体或吡咯衍生物配体，而是包含至少一开链二烯配体，例如CH2CRCHCRCH2，其中R可独立为烷基或氢。钌前驱物可具有两个开链二烯配体，例如戊二烯基或庚二烯基(heptadienyl)。双(戊二烯)钌化合物具有化学通式(CH2CRCHCRCH2)2Ru，其中R可独立为烷基或氢。通常，R可独立为氢、甲基、乙基、丙基或丁基。因此，钌前驱物可包含双(二烷基戊二烯)钌化合物(bis(dialkylpentadienyl)ruthenium compounds)、双(烷基戊二烯)钌化合物(bis(alkylpentadienyl)ruthenium compounds)、双(戊二烯)钌化合物(bis(pentadienyl)rutheniumcompounds)或上述化合物的组合。钌前驱物的范例包含双(2，4二甲基戊二烯)钌(bis(2，4-dimethylpentadienyl)ruthenium)、双(2，4-二乙基戊二烯)钌(bis(2，4-diethylpentadienyl)ruthenium)、双(2，4-二异丙基戊二烯)钌(bis(2，4-diisopropylpentadienyl)ruthenium)、双(2，4-二叔丁基戊二烯)钌(bis(2，4-ditertbutylpentadienyl)ruthenium)、双(甲基戊二烯)钌(bis(methylpentadienyl)ruthenium)、双(乙基戊二烯)钌(bis(ethylpentadienyl)ruthenium)、双(异丙基戊二烯)钌(bis(isopropylpentadienyl)ruthenium)、双(叔丁基戊二烯)钌(bis(tertbutylpentadienyl)ruthenium)、上述化合物的衍生物或组合物等。在一些实施例中，其它钌前驱物包含三(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮)钌tris(2，2，6，6-tetramethyl-3，5-heptanedionato)ruthenium、二羰基戊二烯钌(dicarbonyl pentadienyl ruthenium)、钌乙酰丙酮盐(ruthenium acetyl acetonate)、2，4-二甲基戊二烯环戊二烯钌(2，4-dimethylpentadienyl cyclopentadienylruthenium)、双(2，2，6，6-四甲基-3，5-庚二酮)(1，5-环八二烯)钌(bis(2，2，6，6-tetramethyl-3，5-heptanedionato)(1，5-cyclooctadiene)ruthenium)、2，4-二甲基戊二烯甲基环戊二烯钌(2，4-dimethylpentadienylmethylcyclopentadienyl ruthenium)、1，5-环八二烯环戊二烯钌(1，5-cyclooctadiene cyclopentadienyl ruthenium)、1，5-环八二烯甲基环戊二烯钌(1，5-cyclooctadiene methylcyclopentadienyl ruthenium)、1，5-环八二烯乙基环戊二烯钌(1，5-cyclooctadiene ethylcyclopentadienyl ruthenium)、2，4-二甲基戊二烯乙基环戊二烯钌(2，4-dimethylpentadienyl ethylcyclopentadienylruthenium)、2，4-二甲基戊二烯异丙基环戊二烯钌(2，4-dimethylpentadienylisopropylcyclopentadienyl ruthenium)、双(N，N-二甲基1，3-四甲基二亚胺)1，5-环八二烯钌(bis(N，N-dimethyl 1，3-tetramethyl diiminato)1，5-cyclooctadieneruthenium)、双(N，N-二甲基  1，3-二甲基二亚胺)1，5-环八二烯钌(bis(N，N-dimethyl 1，3-dimethyl diiminato)1，5-cyclooctadiene ruthenium)、双(烷基)1，5-环八二烯钌(bis(allyl)1，5-cyclooctadiene ruthenium)、η6-苯1，3-环六二烯钌(η6-C6H6 1，3-cyclohexadiene ruthenium)、双(1，1-二甲基-2-胺基乙氧基)1，5-环八二烯钌(bis(1，1-dimethyl-2-aminoethoxylato)1，5-cyclooctadieneruthenium)、双(1，1-二甲基-2-胺基乙基胺基)1，5-环八二烯钌)(bis(1，1-dimethyl-2-aminoethylaminato)1，5-cyclooctadiene ruthenium)或上述化合物的衍生物或组合物等。
各种包含吡咯配体、开链二烯配体或上述配体的组合的钌前驱物可与至少一种反应物一起使用以形成钌材料。钌前驱物与反应物可在热原子层沉积工艺或等离子体增强的原子层沉积工艺中相继导入至工艺腔体中。适合用于形成钌材料的反应试剂可为还原气体与包含氢(例如，氢气或原子氢)、原子氮(atomic-N)、氨气(ammonia，NH3)、联胺(hydrazine，N2H4)、甲硅烷(silane，SiH4)，乙硅烷(disilane，Si2H6)、三硅烷(trisilane，Si3H8)、四硅烷(tetrasilane，Si4H10)、二甲基硅烷(dimethylsilane，SiC2H8)、甲基硅烷(methyl silane，SiCH6)、乙基硅烷(ethylsilane，SiC2H8)、氯硅烷(chlorosilane，ClSiH3)、二氯硅烷(dichlorosilane，Cl2SiH2)、六氯二硅烷(hexachlorodisilane，Si2Cl6)、硼烷(borane，BH3)、乙硼烷(diborane，B2H6)、三硼烷(triborane)、四硼烷(tetraborane)、五硼烷(pentaborane)、三乙基硼烷(triethylborane，Et3B)与上述化合物的衍生物、等离子体或组合等。
在另一个实施例中，反应气体可包含多种含氧气体，例如氧气(O2)、氧化亚氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、上述气体的衍生物或组合物等。再者，传统的还原剂可与含氧气体组合成为反应气体。可在沉积工艺中用来形成钌材料的含氧气体可以是通常在化学领域中可作为于氧化剂者。然而，在包含惰性金属(例如，钌)的金属有机化合物上的配体对含氧还原剂的接收度通常高于惰性金属对氧化剂的接收度。因此，配体通常被氧化掉而从金属中心脱离出来，使得金属离子被还原成元素金属。在实施例中，反应气体包含空气中的氧气，空气可过筛干燥以移除大气中的水气。对于利用含氧气体以沉积钌材料的工艺是进一步阐述于共同受让且审理中的美国专利申请案10/811230中，该案于2004年3月26日申请，名称为「用于铜薄膜沉积的钌层形成」(Ruthenium Layer Formation for Copper Film Deposition)，公开号为2004-0241321，在此是以参考方式纳入该案的内容。
钌前驱物的脉冲时距(time interval)可由诸多因素决定，例如在ALD工艺中使用的工艺腔体的体积容量、耦接至腔体上的真空系统以及反应物的挥发度/反应性等因素。例如，(1)大容积的工艺腔体可能需要较长的时间以稳定诸如载气/清洗气体流与温度的工艺条件，因此需要较长的脉冲时间；(2)工艺气体的流速较低也需要较长的时间以稳定工艺条件，因此需要较长的脉冲时间；以及(3)较低的腔体压力意味着可快速排空工艺腔体中的工艺气体，因此需要较长的脉冲时间。一般来说，可选择有益的工艺条件，使得钌前驱物的脉冲可提供足量的前驱物，以使至少单层的钌前驱物被吸附在基材上。之后，通过固定流速的载气气流与真空系统，可将腔体内过多的钌前驱物由工艺腔体中移除。
钌前驱物与反应气体的脉冲时距可以相同。也就是，钌前驱物的脉冲时间可与反应气体的脉冲时间相同。在这样的实施例中，钌前驱物的脉冲时距(T1)等于反应气体的脉冲时距(T2)。
或者，钌前驱物与反应气体的每个脉冲时距可以不同。也就是，钌前驱物的脉冲时间可长于或短于反应气体的脉冲时间。在这样的实施例中，钌前驱物的脉冲时距(T1)不同于反应气体的脉冲时距(T2)。
此外，介于每次钌前驱物与反应气体的脉冲之间的非脉冲时间也可以相同。也就是，在每次钌前驱物脉冲与每次反应气体脉冲之间的非脉冲时距相同。在这样的实施例中，钌前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)等于反应气体脉冲与钌前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)。在非脉冲时距当中，仅提供载气进入工艺腔体中。
或者，在每次钌前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时间也可以不同。也就是，在每次钌前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距短于或长于每次反应气体脉冲与钌前驱物脉冲之间的非脉冲时距。在这样的实施例中，介于钌前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)不同于介于反应气体脉冲与钌前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)。在非脉冲时距当中，仅提供载气进入工艺腔体中。
此外，在每个沉积循环中的钌前驱物与反应气体的每次脉冲时距与介于每次脉冲之间的非脉冲时距可具有相同时间。在这样的实施例中，每次沉积循环当中，钌前驱物的时距(T1)、反应气体的时距(T2)、在钌前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)以及在反应气体脉冲与钌前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)可为相同值。例如，在第一沉积循环(C1)中，钌前驱物的脉冲时距(T1)与后续沉积循环(C2...Cn)中的钌前驱物时距(T1)相同。同样的，在第一沉积循环(C1)中，反应气体的每次脉冲时距以及介于钌前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距分别等于后续沉积循环(C2...Cn)中反应气体的每次脉冲时距以及介于钌前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距。
或者，钌前驱物、反应气体的至少一个脉冲的时距与介于脉冲之间的非脉冲时距在钌材料沉积工艺的一或多个沉积循环中具有不相同的值。在这样的实施例中，钌前驱物的脉冲中一或多个时距(T1)、反应气体脉冲中时距(T2)、在钌前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)以及反应气体与钌前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)在循环沉积工艺的一或多个沉积循环中具有不同数值。例如，在第一沉积循环(C1)中，钌前驱物的脉冲时距(T1)可长于或短于后续沉积循环(C2...Cn)中的钌前驱物时距(T1)。同样的，在第一沉积循环(C1)中，反应气体每次脉冲的时距以及介于钌前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距等于后续沉积循环(C2...Cn)中反应气体每次脉冲的时距以及在钌前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距。
在一些实施例中，可将固定流速的载气或清洗气体流提供至工艺腔体中，并交错穿插脉冲与非脉冲的周期来调整该工艺腔体，其中脉冲周期是随着载气/清洗气体流来交替输入该金属前驱物与该反应气体，同时非脉冲期间仅包含载气/清洗气体流。
PE-ALD工艺腔体(例如，工艺腔体50)可用以形成许多诸如钽、氮化钽、钛、氮化钛、钌、钨、氮化钨与其它等材料。在实施例中，钌材料可在ALD工艺中被沉积在含钽以及/或氮化钽的阻障层上，此部分是阐述于共同受让的美国专利号6951804中，在此是以参考方式纳入该案的内容。用于沉积钨材料于钌材料上的工艺是阐述于共同受让且审理中的美国专利申请案11/009331中，该案于2004年12月10日申请，名称为「钌作为钨薄膜沉积的下垫层」(Ruthenium as an Underlayer for Tungsten Film Deposition)，公开号为2006-0128150，在此是以参考方式纳入该案的内容。
在范例中，可利用CVD工艺形成铜种晶层于钌材料上，之后，利用ECP工艺沉积主体铜以填充内联机。在另一个范例中，可利用PVD工艺形成铜种晶层于钌材料上，之后，利用ECP工艺沉积主体铜以填充内联机。在另一个范例中，可利用无电镀层工艺形成铜种晶层于钌材料上，之后，利用ECP工艺沉积主体铜以填充内联机。在其它范例中，钌材料可当作种晶层，且利用ECP工艺或无电镀层沉积工艺以直接填充铜主体。
在另一个范例中，可利用ALD工艺形成钨种晶层于钌材料上，之后，利用CVD工艺或脉冲式CVD工艺沉积主体钨以填充内联机。在另一个范例中，可利用PVD工艺形成钨种晶层于钌材料上，之后，利用CVD工艺或脉冲式CVD工艺沉积主体钨以填充内联机。在另一个范例中，可利用ALD工艺形成钨种晶层于钌材料上，之后，利用ECP工艺沉积主体钨以填充内联机。在其它范例中，钌材料可当作种晶层，且利用CVD或脉冲式CVD工艺直接填充钨主体。
可进行数种整合程序以形成钌材料于内联机中。在范例中，后续步骤如下：(a)预清洗基材；(b)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(c)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(d)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜并接着以ECP沉积主体铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(b)穿洞步骤(punch through step)；(c)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(d)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜并接着以ECP沉积主体铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)以原子层沉积工艺沉积钌；(b)穿洞步骤(punch through step)；(c)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(d)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜并接着以无电镀层、ECP或PVD沉积主体铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)以原子层沉积工艺沉积钌；(b)穿洞步骤；(c)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(d)利用无电镀层或ECP沉积铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)预清洗基材；(b)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(c)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜并接着以ECP沉积主体铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(b)以原子层沉积工艺沉积钌；(c)穿洞步骤；(d)以原子层沉积工艺沉积钌；(e)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜并接着以ECP沉积主体铜。在另一个范例中，后续步骤如下：(a)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(b)穿洞步骤；(c)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(d)利用无电镀层、ECP或PVD沉积种晶铜；以及(e)并接着以ECP沉积主体铜。在范例中，后续步骤如下：(a)预清洗基材；(b)沉积阻障层(例如，氮化钽的原子层沉积)；(c)以原子层沉积工艺沉积钌；以及(d)以无电镀层或ECP沉积主体铜。
预清洗步骤包含清洗或净化介电窗孔的方法，例如移除在介电窗孔底部的残余物(例如，碳)或还原氧化铜为铜金属。穿洞步骤包含由介电窗孔底部移除材料(例如阻障层)以暴露导电层(例如，铜)。有关穿洞步骤的公开是阐述在共同受让的美国专利案6498091号中，在此是以参考方式纳入该案的内容。穿洞步骤可在工艺腔体中进行，例如在阻障层腔体或清洗腔体中。本发明的实施例中，清洗步骤与穿洞步骤是施加在钌阻障层上。有关整体整合方法的进一步公开内容是阐述在共同受让的美国专利7,049,226中，在此是以参考方式纳入该案的内容。
在各种实施例中使用的吡咯钌前驱物与沉积化学品可提供更显著的优点。由本发明所提供的钌方法与前驱物(例如吡咯钌前驱物)所形成的层具有高成核密度与均匀性。相较于以先前技术并采用单独环戊二烯钌化合物所沉积的层而言，相信本发明有助于免除诸如在钌材料中的卫星状或岛状等表面缺陷。
用以形成钌材料的吡咯钌前驱物在原子层沉积工艺中提供较少或没有成核延迟。再者，所沉积的钌材料具有较低的碳浓度且因此具有高导电性。
再者，吡咯钌前驱物与反应气体是应用于各种ALD工艺的实施例中，以沉积钌材料于阻障层上，特别是沉积在氮化钽阻障层上。不像其它使用环戊二烯钌(ruthenocene)的ALD工艺，本发明的钌方法与前驱物不受限于需要在钌材料沉积之前先预处理阻障层。通过在ALD工艺中施加吡咯钌前驱物，可避免因过多工艺步骤(例如，预处理步骤)而降低生产线的整体产量。
再者，以本发明所沉积的钌材料，特别是当使用吡咯钌前驱物所沉积钌材料，具有对阻障层以及介电材料的优越粘附特性。相信优越的粘附性至少部分是由于高度均匀性与高成核密度所造成，通过产生平整的表面与较少表面缺陷。再者，为了能在ALD工艺中被吸附至基材表面上，环戊二烯钌化合物通常需要高于400℃的温度。然而，因为许多低介电质装置的温度阈值(threshold)约在400℃，所以环戊二烯钌化合物并非ALD工艺中适当的钌前驱物。
在如本文所述的ALD工艺中由吡咯钌前驱物所形成的钌材料一般具有小于2000Ω/sq的薄膜电阻，较佳小于1000Ω/sq，更佳小于约500Ω/sq。例如钌材料可具有介于约10Ω/sq与约250Ω/sq之间的薄膜电阻。
在此所使用的「基材表面」是指任意一种可在其上进行薄膜工艺的基材表面或材料表面。例如，工艺可在其上进行的基材表面包含诸如硅、氧化硅、应变硅(strained silicon)、绝缘层上覆硅(SOI)、掺杂碳的硅氧化物、氮化硅、掺杂硅、锗(germanium)、砷化镓(gallium arsenide)、玻璃、蓝宝石(sapphire)等材料，以及任何其它诸如金属、金属氮化物、金属合金与其它导电材料等。基材表面上的阻障层、金属或金属氮化物包含钛、氮化钛、氮化钨、钽与氮化钽。基材可具有各种尺寸，例如，200毫米或300毫米直径的晶片，以及矩形或方形板。除非特别指明，本文中所述的实施例与范例是在直径为200毫米或300毫米的基材上进行，较佳地为直径300毫米的基材。本文所述实施例的工艺可沉积钌材料于许多基材与表面上。可应用本发明实施例的基材包含，但不限于，半导体晶片，例如晶硅(如，Si<100>、Si<111>)、氧化硅、应变硅、硅锗、掺杂或非掺杂多晶硅、掺杂或非掺杂硅晶片或具图案或不具图案的晶片。可对基材进行预处理工艺以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟基化、退火以及/或烘烤基材表面。
本文中所使用的「原子层沉积(ALD)」或「循环沉积(cyclical deposition)」是指相继导入两种或多种反应性化合物以沉积材料层于基材表面上。两种、三种或更多种的反应性化合物可交替地导入工艺腔体的反应区中。反应性化合物可为气体、等离子体、蒸汽、流体等状态或其它可用于气相沉积工艺的状态。通常，使用一时间延迟来隔开每种反应性化合物，以使每种化合物可在基材表面上粘着以及/或反应。在一方面，第一前驱物或化合物A是以脉冲方式进入反应区，接着有第一次时间延迟。接着，第二前驱物或化合物B是以脉冲方式进入反应区，接着有第二次时间延迟。化合物A与化合物B反应以形成沉积材料。在每次时间延迟当中，是将例如氮气等清洗气体导入工艺腔体中，以清洗反应区或从反应区中移除任何残留的反应性化合物或副产物。或者，可在整个沉积工艺中持续导入清洗气体，使得介于反应化合物的脉冲之间的时间延迟中仅有清洗气体流入。反应化合物是以脉冲方式交替地导入，直到所需的膜层或膜层厚度形成在基材表面上。在另一个情况中，脉冲输入化合物A、清洗气体、脉冲输入化合物B与清洗气体的ALD工艺作为一个循环。循环可由输入化合物A或化合物B开始，且持续循环的各个步骤顺序直到达到所需膜层的厚度。在另一个实施例中，包含化合物A的第一前驱物、包含化合物B的第二前驱物以及包含化合物C的第三前驱物是分别独立地脉冲输入至工艺腔体中。或者，第一前驱物的脉冲可与第二前驱物的脉冲重迭，而第三前驱物的脉冲未与第一或第二前驱物的脉冲重迭。本文中所使用的「工艺气体」一词是指单一气体、多种气体、含等离子体的气体、气体以及/或等离子体的组合等。工艺气体可包含至少一种用于气相沉积工艺的反应性化合物。反应性化合物可为气体、等离子体、蒸汽、流体等状态或其它可用于气相沉积工艺的状态。再者，工艺气体可包含清洗气体或载气，但不包含反应化合物。
实验
在本节中的实验是在具有热长成3000埃厚度的二氧化硅层的基材上进行。接着，以ALD工艺沉积厚度为10埃的氮化钽层。沉积技术的详细说明是阐述于已共同受让的美国专利案6951804号中，在此是以参考方式纳入该案的内容。氮化钽膜是为具有薄膜电阻大于约20,000Ω/sq的介电质。
ALD实验是在上述ALD腔体中完成，该腔体可从位于加州圣塔克拉拉的应用材料公司(Applied Materials，Inc)购得。腔体间隔(介于晶片与腔体主体顶端之间的距离)是为230密尔(5.84毫米)。
实验1：具有固定流速的氨气(NH3)与中间等离子体的(DMPD)2Ru在此实验中所使用的钌前驱物为双(2，4-二甲基戊二烯)钌(bis(2，4-dimethylpentadienyl)ruthenium，(DMPD)2Ru))。在实验中，工艺腔体内的压力维持在约2托(Torr)且基材被加热至约300℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿(ampoule)且已加热至约80℃的(DMPD)2Ru而形成钌前驱物气体。基材暴露在流速约为500sccm的钌前驱物气体以及流速约为1500sccm的氨气中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体的流速同时维持氨气气体的流速。清洗步骤大约进行2秒。接着，激发等离子体以由氨气气体形成一氨气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约125瓦与13.56百万赫(MHz)的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。之后，关闭等离子体功率并使腔体进行固定流速的氨气的第二清洗步骤大约2秒。在重复大约140次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约5埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均沉积速率是大约为0.22埃/循环。
实验2：具有固定流速的氨气与中间等离子体的(MeCp)(EtCp)Ru
在此实验中所使用的钌前驱物为甲基环戊二烯乙基环戊二烯钌(methylcyclopentadienyl ethylcyclopentadienyl ruthenium，(MeCp)(EtCp)Ru)。在实验中，工艺腔体内的压力维持在约2托且基材加热至约300℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(EtCp)Ru而形成钌前驱物气体。基材暴露在流速约为500sccm的钌前驱物气体以及流速约为1500sccm的氨气中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体的流速同时维持氨气气体的流速。清洗步骤大约进行2秒。接着，激发一等离子体以由氨气气体形成氨气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约125瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。之后，关闭等离子体功率并使腔体进行具有固定流速的氨气的第二清洗步骤大约2秒。在重复大约140次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约6埃的厚度。分析实验数据之后判断有成核延迟。
实验3：具有固定流速的氨气与中间等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在此实验中所使用的钌前驱物为甲基环戊二烯吡咯钌(methylcyclopentadienyl pyrrolyl ruthenium((MeCp)(Py)Ru))。在实验中，工艺腔体内的压力维持在约2托且基材被加热至约300℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速有约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材暴露在流速约为500sccm的钌前驱物气体以及流速约为1500sccm的氨气中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体的流速同时维持氨气气体的流速。清洗步骤大约进行2秒。接着，激发等离子体以由氨气气体形成氨气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约300瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。之后，关闭等离子体功率并使腔体进行具有固定流速的氨气的第二清洗步骤大约2秒。在重复大约140次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约49埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均沉积速率是大约为0.35埃/循环。
实验4：具有固定流速的氮气与中间等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在实验中，工艺腔体内的压力维持在大约4托且基材是加热至大约350℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材暴露在流速约为500sccm的钌前驱物气体以及流速约为1500sccm的氮气中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体的流速同时维持氮气气体的流速。清洗步骤大约进行2秒。接着，激发等离子体以由氮气气体形成氮气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约500瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。之后，关闭等离子体功率并使腔体进行具有固定流速的氮气的第二清洗步骤大约2秒。在重复大约140次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约46埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均沉积速率是大约为0.33埃/循环。
实验5：具有固定流速的氢气与中间等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在实验中，工艺腔体内的压力维持在大约4托且基材是加热至大约350℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材暴露在流速约为500sccm的钌前驱物气体以及流速约为1500sccm的氢气中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体的流速同时维持氢气气体的流速。清洗步骤大约进行2秒。接着，激发等离子体以由氢气气体中形成氢气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约500瓦与13.56百万赫的RF产生器可在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。之后，关闭等离子体功率并使腔体进行具有固定流速的氢气的第二清洗步骤大约2秒。在重复大约140次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约45埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均沉积速率是大约为0.32埃/循环。
实验6：具有中间氨气等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在实验中，工艺腔体内的压力维持在约2托且基材加热至约300℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材是暴露在具有约500sccm流速的钌前驱物气体中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体流且注入具有大约500sccm流速的氮气清洗气体。清洗步骤大概进行约2秒。之后，在停止氮气流之后，注入具有大约1500sccm流速的氨气至腔体中。接着，激发等离子体以由氨气气体形成氨气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约300瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。随后，关闭氨气流与等离子体功率。使腔体是暴露在流速约500sccm的氮气的第二清洗步骤中大约2秒。在重复大约150次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约51埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均的沉积速率是大约为0.34埃/循环。
实验7：具有中间氮气等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在实验中，工艺腔体内的压力维持在约4托且基材加热至约350℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材是暴露在具有约500sccm流速的钌前驱物气体中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体流并且注入具有大约500sccm流速的氮气清洗气体。清洗步骤大概进行约2秒。接着，激发等离子体以由氮气气体形成氮气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约500瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。随后，关闭氮气流体与等离子体功率。腔体是暴露在具有约500sccm流速的氮气的第二清洗步骤中大约2秒。在重复大约150次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约50埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均的沉积速率是大约为0.33埃/循环。
实验8：具有中间氢气等离子体的(MeCp)(Py)Ru
在实验中，工艺腔体内的压力维持在大约4托且基材是加热至大约350℃。一个原子层沉积(ALD)循环包含下列步骤。通过使流速约500sccm的氮气载气通过一安瓿且已加热至约80℃的(MeCp)(Py)Ru而形成钌前驱物气体。基材是暴露在具有约500sccm流速的钌前驱物气体中大约3秒。在清洗步骤中，停止钌前驱物气体流且注入具有大约500sccm流速的氮气清洗气体。清洗步骤大概进行约2秒。之后，在停止氮气流之后，注入具有大约1500sccm流速的氢气至腔体中。接着，激发等离子体以由氢气气体形成氢气等离子体并维持该流速。使用功率输出设定在约500瓦与13.56百万赫的RF产生器在等离子体步骤中产生大约4秒的等离子体。随后，关闭氢气流体与等离子体功率。使腔体暴露在具有约500sccm流速的氮气的第二清洗步骤中大约2秒。在重复大约150次ALD循环之后，停止沉积工艺。钌材料层是沉积在基材上且具有大约48埃的厚度。分析实验数据之后确定无成核延迟且平均的沉积速率是大约为0.32埃/循环。
其它原子层沉积工艺
本发明实施例提供通过热原子层沉积工艺或等离子体增强的原子层沉积工艺并使用工艺腔体50或盖组件100以沉积各种含金属材料(例如含钽或钨材料)于基材上的方法。在PE-ALD工艺范例中，通过连续暴露基材至钽前驱物与等离子体中以沉积氮化钽。在另一个PE-ALD工艺范例中，通过连续暴露基材至钨前驱物与等离子体中以沉积氮化钨。在另一个PE-ALD工艺范例中，通过连续暴露基材至钽前驱物或钨前驱物与等离子体中以沉积金属钽或金属钨。
可用于本文中所述的气相沉积工艺中的钽前驱物包含五(二甲基胺)钽(pentakis(dimethylamido)tantalum，PDMAT或Ta(NMe2)5)、五(乙基甲基胺)钽(pentakis(ethylmethylamido)tantalum，PEMAT或Ta[N(Et)Me]5)、五(二乙基胺)钽(pentakis(diethylamido)tantalum，PDEAT或Ta(NEt2)5)、乙基亚胺-三(二甲基胺)钽(ethylimido-tris(dimethylamido)tantalum，(EtN)Ta(NMe2)3)、乙基亚胺-三(二乙基胺)钽(ethylimido-tris(diethylamido)tantalum，(EtN)Ta(NEt2)3)、乙基亚胺-三(乙基甲基胺)钽(ethylimido-tris(ethylmethylamido)tantalum，(EtN)Ta[N(Et)Me]3)、三级丁基亚胺-三(二甲基胺)钽(tertiarybutylimino-tris(dimethylamino)tantalum，TBTDMT或(tBuN)Ta(NMe2)3)、三级丁基亚胺-三(二乙基胺)钽(tertiarybutylimino-tris(diethylamino)tantalum，TBTDET或(tBuN)Ta(NEt2)3)、三级丁基亚胺-三(乙基甲基胺)钽(tertiarybutylimino-tris(ethylmethylamino)tantalum，TBTEAT或(tBuN)Ta[N(Et)Me]3)、三级戊基亚胺-三(二甲基胺)钽(tertiaryamylimido-tris(dimethylamido)tantalum，TAIMATA或(tAmylN)Ta(NMe2)3)，其中tAmyl为三级戊基(C5H11-或CH3CH2C(CH3)2-)、三级戊基亚胺-三(二乙基胺)钽(tertiaryamylimido-tris(diethylamido)tantalum，TAIEATA或(tAmylN)Ta(NEt2)3)、三级戊基亚胺-三(乙基甲基胺)钽(tertiaryamylimido-tris(ethylmethylamido)tantalum，TAIMATA或(tAmylN)Ta([N(Et)Me]3)、卤化钽(tantalum halides)，例如氟化坦(TaF5)或氯化钽(TaCl5)、上述化合物的衍生物或组合物。
可用于本文中所述的气相沉积工艺中的钨前驱物包含双(三级丁基亚胺)双(三级丁基胺)钨(bis(tertiarybutylimido)bis(tertiarybutylamido)tungsten，(tBuN)2W(N(H)tBu)2)、双(三级丁基亚胺)双(二甲基胺)钨(bis(tertiarybutylimido)bis(dimethylamido)tungsten，(tBuN)2W(NMe2)2)、双(三级丁基亚胺)双(二乙基胺)钨(bis(tertiarybutylimido)bis(diethylamido)tungsten，(tBuN)2W(NEt2)2)、双(三级丁亚胺)双(乙基甲基胺)钨(bis(tertiarybutylimido)bis(ethylmethylamido)tungsten，(tBuN)2W(NEtMe)2)、六氟化钨(tungsten hexafluoride)、上述化合物的衍生物或组合物等。
可于本文所述的气相沉积工艺中用于形成含金属材料的氮气前驱物包含氨气(NH3)、联胺(hydrazine，N2H4，或称肼)、甲基联胺(methylhydrazine，Me(H)NNH2)、二甲基联胺(dimethyl hydrazine，Me2NNH2或Me(H)NN(H)Me)、三级丁基联胺(tertiarybutylhydrazine，tBu(H)NNH2)、苯基联胺(phenylhydrazine，C6H5(H)NNH2，或称苯肼)、氮气等离子体源(例如，氮原子、氮气、氮气/氢气、氨气或联胺等离子体)、2，2-偶氮三级丁烷(2，2′-azotertbutane，tBuNNtBu)、叠氮化物源(azide source)(例如，叠氮乙烷(ethyl azide，EtN3)、叠氮三甲基硅烷(trimethylsilyl azide，Me3SiN3)、上述化合物的衍生物、等离子体或组合物等。
适合用于形成含金属材料的反应物可为还原气体，包含氢(例如，氢气或氢原子)、氮原子(atomic-N)、氨气(ammonia，NH3)、联胺(hydrazine，N2H4)、甲硅烷(silane，SiH4)、乙硅烷(disilane，Si2H6)、三硅烷(trisilane，Si3H8)、四硅烷(tetrasilane，Si4H10)、二甲基硅烷(dimethylsilane，SiC2H8)、甲基硅烷(methyl silane，SiCH6)、乙基硅烷(ethylsilane，SiC2H8)、氯硅烷(chlorosilane，ClSiH3)、二氯硅烷(dichlorosilane，Cl2SiH2)，六氯二硅烷(hexachlorodisilane，Si2Cl6)、硼烷(borane，BH3)、乙硼烷(diborane，B2H6)、三硼烷(triborane)、四硼烷(tetraborane)、五硼烷(pentaborane)、三乙基硼烷(triethylborane，Et3B)、上述化合物的衍生物、等离子体或组合物等。
载气、清洗气体与工艺气体可包含氮气、氢气、氨气、氩气、氖气、氦气或上述气体的组合物等。可激发含有任何气体的等离子体。较佳地，在本文中所述的气相沉积工艺中可用于形成含金属材料的等离子体前驱物气体包含氮气、氢气、氨气、氩气或上述气体的组合物。在范例中，等离子体包含氮气与氢气。在另一个范例中，等离子体包含氮气与氨气。在另一个范例中，等离子体包含氨气与氢气。
可在本文所述的ALD或PE-ALD工艺中形成的含金属材料包含钽、氮化钽、钨、氮化钨、钛、氮化钛、上述材料的合金、衍生物或组物等。在实施例中，含金属材料可在包含一固定流速的反应物气体并同时提供金属前驱物与等离子体的连续脉冲输入的PE-ALD工艺中形成。在另一个实施例中，含金属材料可在另一种提供金属前驱物与反应物等离子体的连续脉冲的PE-ALD工艺中形成。在这两种实施例中，反应物在工艺中通常会离子化。再者，PE-ALD工艺中的等离子体可在工艺腔体外产生，例如通过一远程等离子体产生器(PRS)系统来产生等离子体，或较佳地，等离子体可在能够产生等离子体的ALD工艺腔体中原位产生。在PE-ALD工艺中，等离子体可由微波(MW)频率产生器或射频(RF)产生器所生成。例如，等离子体可在工艺腔体50内或具有盖组件100的工艺腔体50中激发。在一个较佳实施例中，可由RF产生器生成原位(in situ)等离子体。在另一个实施例中，含金属材料可在另一种提供连续脉冲输入金属前驱物与反应物的热原子层沉积工艺中形成。
ALD工艺中的工艺腔体的压力可控制至介于约0.1托至约80托之间，较佳地介于约0.5托至约10托之间，更佳地介于约1托至5托之间。再者，腔体或基材可加热至小于约500℃的温度，较佳介于约100℃至约450℃之间，更佳介于约150℃至约400℃之间，例如300℃。在PE-ALD工艺中，若为原位生成的等离子体工艺则等离子体可在工艺腔体内被激发，或者等离子体也可由外部生成源所产生，例如由远程等离子体产生器系统(PRS)产生等离子体。等离子体可由微波产生器所生成，较佳地可由RF产生器所生成。例如，等离子体可在工艺腔体50内或具有盖组件100的工艺腔体50内被激发。RF产生器可设定在介于约100千赫至约1.6百万赫之间的频率之间。在一范例中，具有13.56百万赫频率的RF产生器可设定成具有介于约100瓦至约1000瓦之间的功率输出，较佳介于约250瓦至600瓦之间，更佳地介于约300瓦至约500瓦之间。在一范例中，具有400千赫频率的RF产生器可设定成具有介于约200瓦至约2000瓦之间的功率输出，较佳介于约500瓦至1500瓦之间。基材表面可暴露在单位表面积功率介于约0.01瓦/平方厘米(watts/cm2)至约10瓦/平方厘米之间的等离子体下，较佳介于约0.05瓦/平方厘米至约6瓦/平方厘米之间。
该基材可为基材上的一或多层介电材料层中定义有内联机图案的硅基材。范例中，基材具有阻障层形成于其上；而另一个范例则为基材具有介电表面。诸如温度与压力的工艺腔体条件可加以调整以增强工艺气体在基材上的吸附，以便帮助吡咯金属前驱物与反应气体间的反应。
在实施例中，基材可在整个ALD循环中都暴露在反应气体下。基材可暴露在通过使载气(例如氮气或氩气)通过一安瓿的金属前驱物而形成的金属前驱物气体下。视工艺所使用的金属前驱物而决定是否加热安瓿。在范例中，包含甲基环戊二烯吡咯钌((MeCp)(Py)Ru)的安瓿可被加热至介于约60℃至约100℃之间的温度，例如约80℃。金属前驱物气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。金属前驱物气体与反应物气体可结合以形成沉积气体。反应物气体通常具有介于约100sccm至约3000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约2000sccm之间，更佳地介于约500sccm至约1500sccm之间。在范例中，氨气是当作反应物气体使用并具有约1500sccm的流速。基材可暴露在金属前驱物气体中或暴露在包含金属前驱物与反应气体的沉积气体中一段介于约0.1秒至约8秒之间的时间，较佳介于约1秒至约5秒之间，更佳介于约2秒至约4秒之间。一旦金属前驱物被吸附至基材上时，可停止输送金属前驱物。金属前驱物可为非连续层、连续层或多层。
在停止注入金属前驱物气体后，基材与腔体可进行清洗步骤。在清洗步骤过程中，反应气体的流速可维持与先前步骤相同或加以调整。较佳地，反应气体流速可维持与先前步骤相同。或者，清洗气体可以介于约100sccm与约2000sccm之间的流速注入工艺腔体中，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。清洗步骤移除任何多余的金属前驱物与其它在工艺腔体内的污染物。清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。载气、清洗气体与工艺气体可包含氮气、氢气、氨气、氩气、氖气、氦气或上述气体的组合物等。在一个较佳实施例中，载气包含氮气。
随后，在激发等离子体之前，可调整或维持反应气体流。基材可暴露在等离子体下一段时间，时间是介于约0.1秒至20秒之间，较佳介于约1秒至10秒之间，更佳介于约2秒至8秒之间。随后，关闭等离子体功率。在范例中，反应物可为氨气、氮气、氢气或上述气体的组合物，以形成氨气等离子体、氮气等离子体、氢气等离子体或组合等离子体。反应物等离子体与被吸附至基材上的金属前驱物反应以形成含金属材料于基材上。在范例中，反应等离子体是当作还原剂以形成金属钌、钽、钨、钛或上述金属的合金。当然，可使用各种反应物以形成具有很多成分的含金属材料。在范例中，含硼反应物化合物(例如，乙硼烷)是用以形成含硼化物的含金属材料。在另一个范例中，含硅反应物化合物(例如，硅甲烷)是用以形成含硅化物的含金属材料。
工艺腔体可进行第二个清洗步骤以移除过多的前驱物或先前步骤的污染物。在清洗步骤中，反应气体的流速可维持与先前步骤一样或加以调整。选用性的清洗气体可注入工艺腔体中且具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。第二清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。
可重复原子层沉积循环直到预设厚度的含金属材料沉积在基材上。可沉积含金属材料至具有小于约1000埃的厚度，较佳小于约500埃，更佳介于约10埃与约100埃之间，例如约30埃。在此阐述的工艺可以至少0.15埃/循环的速率沉积含金属材料，较佳至少为0.25埃/循环，更佳至少为0.35埃/循环或更快。在另一个范例中，本文中所述的工艺克服了先前技术有关成核延迟的缺点。本发明在多数沉积含金属材料过程中，并无侦测到成核延迟的现象。
在另一个实施例中，含金属材料可在另一种将基材连续暴露至金属前驱物与诸如反应物等离子体等活性反应物中的PE-ALD工艺里形成。如文中所述，基材可暴露至通过使载气通过含金属前驱物的安瓿而形成的金属前驱物气体中。金属前驱物气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。基材可暴露在含金属前驱物与反应气体的沉积气体中一段介于约0.1秒至约8秒之间的时间，较佳介于约1秒至约5秒之间，更佳地介于约2秒至约4秒之间。一旦金属前驱物被吸附至基材上时，可停止输送金属前驱物。金属前驱物可为一非连续层、一连续层或多层。
接着，对基材与腔体进行清洗步骤。清洗气体可在清洗步骤中施加至工艺腔体中。在一方面，清洗气体是为反应气体，例如氨气、氮气或氢气。在另一方面，清洗气体可为与反应气体不同的气体。例如，反应气体可为氨气而清洗气体可为氮气、氢气或氩气。清洗气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。清洗步骤移除任何多余的金属前驱物与其它在工艺腔体内的污染物。清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳介于约2秒至4秒之间。载气、清洗气体与工艺气体可包含氮气、氢气、氨气、氩气、氖气、氦气或上述气体的组合物等。
在ALD工艺的下个步骤中，将基材与已被吸附基材上的金属前驱物暴露于反应气体中。或者，载气可与反应气体同时注入工艺腔体中。反应气体可被激发以形成等离子体。反应气体通常具有介于约100sccm至约3000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约2000sccm之间，更佳介于约500sccm至约1500sccm之间。在范例中，氨气是当作反应气体使用并具有约1500sccm的流速。基材可暴露在等离子体下一段时间，时间是介于约0.1秒至20秒之间，较佳介于约1秒至10秒之间，更佳介于约2秒至8秒之间。随后，关闭等离子体功率。在范例中，反应物可为氨气、氮气、氢气或上述气体的组合物，同时等离子体可以是氨气等离子体、氮气等离子体、氢气等离子体或组合等离子体。反应物等离子体与被吸附至基材上的金属前驱物反应以于基材上形成含金属材料。在范例中，反应物等离子体是当作还原剂以形成金属钌、钽、钨、钛或上述金属的合金。当然，可如本文中所述般，使用各种反应物以形成具有很多组成的含金属材料。
工艺腔体可进行第二清洗步骤以移除过多的前驱物或前述步骤的污染物。反应气体流可在前一个步骤结束时停止，若反应气体当作清洗气体时，其可在清洗步骤时再度开始。或者，可注入与反应气体不同的清洗气体至工艺腔体中。反应气体或清洗气体通常具有介于约100sccm至约2000sccm之间的流速，较佳介于约200sccm至约1000sccm之间，更佳介于约300sccm至约700sccm之间，例如约500sccm。第二清洗步骤可进行一段时间，时间是介于约0.1秒至8秒之间，较佳介于约1秒至5秒之间，更佳地于约2秒至4秒之间。
可重复原子层沉积循环直到预设厚度的含金属材料沉积在基材上。可沉积含金属材料至具有小于约1000埃的厚度，较佳小于约500埃，更佳介于约10埃至约100埃之间，例如约30埃。在此阐述的工艺可以至少0.15埃/循环的速率沉积含金属材料，较佳至少为0.25埃/循环，更佳至少为0.35埃/循环或更快。在另一个范例中，本文中所述的工艺克服了先前技术有关成核延迟的缺点。本发明在大多数沉积含金属材料过程中，并无侦测到成核延迟的现象。
金属前驱物的脉冲时间间隔(时距)可视诸多因素而定，例如视ALD工艺中使用的工艺腔体的体积容量、耦接至腔体上的真空系统以及反应物的挥发度/反应性等因素。例如，(1)大容积的工艺腔体可能需要较长的时间以稳定诸如载气/清洗气体流速与温度的工艺条件，因此需要较长的脉冲时间；(2)较低流速的工艺气体也需要较长的时间以稳定工艺条件，因此需要较长的脉冲时间；以及(3)较低的腔体压力意味着可快速排空工艺腔体中的工艺气体，因此需要较长的脉冲时间。一般来说，可选择有益的工艺条件，使得金属前驱物的脉冲输入可提供足量的前驱物，以使至少单层的金属前驱物被吸附在基材上。之后，通过固定的载气气流配合真空系统，可将腔体内过多的金属前驱物由工艺腔体中移除。
金属前驱物与反应气体各自的脉冲时距可以相同。也就是，金属前驱物的脉冲时间可与反应气体的脉冲时间相同。在这样的实施例中，金属前驱物的脉冲时距(T1)等于反应气体的脉冲时距(T2)。
或者，金属前驱物与反应气体各自的脉冲输入时距可以不同。也就是，金属前驱物的脉冲时间可长于或短于反应气体的脉冲时间。在这样的实施例中，金属前驱物的脉冲时距(T1)不同于反应气体的脉冲时距(T2)。
此外，在每个金属前驱物与反应气体的脉冲之间的非脉冲间隔也可以相同。也就是，在每个金属前驱物脉冲与每个反应气体脉冲之间的非脉冲时距是相同的。在这样的实施例中，在金属前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)等于反应气体脉冲与金属前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)。在非脉冲期间，仅提供固定的载气气流进入工艺腔体中。
或者，在每次金属前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲期间也可以不同。也就是，在每次金属前驱物脉冲与每次反应气体脉冲之间的非脉冲时距短于或长于每次反应气体脉冲与金属前驱物脉冲之间的非脉冲时距。在这样的实施例中，在金属前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)不同于反应气体脉冲与金属前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)。在非脉冲期间中，仅提供固定的载气气流进入工艺腔体中。
此外，在沉积循环中，金属前驱物与反应气体的每次脉冲时距以及在每次脉冲之间的非脉冲时距可以相同。在这样的实施例中，每次沉积循环的金属前驱物的时距(T1)、反应气体的时距(T2)、在金属前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)以及在反应气体脉冲与金属前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)各自具有相同值。例如，在第一沉积循环(C1)中，金属前驱物的脉冲时距(T1)与后续沉积循环(C2...Cn)中的金属前驱物时距(T1)相同。同样的，在第一沉积循环(C1)中，反应气体每次脉冲间的时距以及在金属前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距各自等于后续沉积循环(C2...Cn)中反应气体每次脉冲的时距以及在金属前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距。
或者，在金属材料沉积工艺的一或多个沉积循环中，金属前驱物、反应气体的至少一个脉冲的时距与每次脉冲之间的非脉冲期间可能不相同。在这样的实施例中，一或多个金属前驱物的脉冲时距(T1)、反应气体的脉冲时距(T2)、在金属前驱物脉冲与反应气体脉冲之间的非脉冲时距(T3)以及反应气体与金属前驱物脉冲之间的非脉冲时距(T4)可能在该循环沉积工艺的一或多个沉积循环中具有不同数值。例如，在第一沉积循环(C1)中，金属前驱物的脉冲时距(T1)可长于或短于后续沉积循环(C2...Cn)中的金属前驱物时距(T1)。同样的，在第一沉积循环(C1)中，反应气体每次脉冲的时距以及在金属前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距可能等于或不等于后续沉积循环(C2...Cn)中反应气体每次脉冲的时距以及在金属前驱物与反应气体脉冲之间的非脉冲时距。
在一些实施例中，可将固定流速的载气或清洗气体供应至工艺腔体中，并交错穿插脉冲与非脉冲的周期来调整该工艺腔体，其中该脉冲周期是随着载气/清洗气体流来交替输入该金属前驱物与该反应气体，而非脉冲周期仅含有载气/清洗气体流。
虽前文已阐述本发明的具体实施例，然在不脱离本发明的基本精神与范围下，当可设计出本发明的其它具体实施例，且本发明的范围是由后述的权利要求书所界定之。

Claims (25)

1.一种处理基材的腔体，包含：
一基材支持件，其具有一基材接收表面；
一腔体盖组件，包含：
一喷头组件，其具有一内部区域以及一外部区域；
一冷却组件，其与该喷头组件接触；
一等离子体隔板，设置在该喷头组件的该内部区域中；
一等离子体筛，位于该喷头组件的上方且用以引导一第一工艺气体至该等离子体隔板，以及引导一第二工艺气体至该喷头组件的该外部区域；
一第一气体区域，位于该等离子体隔板与该等离子体筛之间；以及
一第二气体区域，位于该喷头组件的该外部区域与该冷却组件之间；以及
一工艺区域，位于该基材接收表面以及该腔体盖组件之间。
2.根据权利要求1所述的腔体，其中该喷头组件包含一喷头面板，该喷头面板具有一底表面以实质涵盖该基材接收表面和该喷头面板的该底表面是与该基材接收表面平行或实质平行。
3.根据权利要求2所述的腔体，其中该喷头面板包含一导电材料，其选自由铝、钢、铁、铬、镍、上述材料的合金与上述材料的组合物所构成的群组中。
4.根据权利要求1所述的腔体，其中该喷头组件的该外部区域包含多个孔，这些孔与该工艺区域流体连通，该多个孔中每一个孔的直径是介于0.20毫米至0.80毫米之间，该多个孔包含1000个或更多个孔。
5.根据权利要求1所述的腔体，其中该喷头组件的该内部区域包含该等离子体隔板，该等离子体隔板为该喷头组件的可移除部分。
6.根据权利要求1所述的腔体，其中该冷却组件包含多个通路，以使该第二工艺气体由该等离子体筛通至该第二气体区域，该多个通路在该第二气体区域以及该等离子体筛的该上表面之间形成一受阻路径，该多个通路包含至少10个通路。
7.根据权利要求1所述的腔体，其中该等离子体隔板包含多个狭缝，其由该第一气体区域延伸通过该等离子体隔板，并且该多个狭缝提供该第一气体区域与该工艺区域间流体连通，该等离子体隔板更包含一头锥，其由该等离子体隔板的一上表面延伸至该等离子体筛的一下表面，该多个狭缝的每一个狭缝相对于该基材接收表面以一预设喷射角延伸贯穿该等离子体隔板，且该预设喷射角是介于20°至70°之间。
8.根据权利要求7所述的等离子体隔板组件，其中该预设喷射角介于30°至40°之间
9.根据权利要求7所述的腔体，其中该等离子体隔板包含一导电材料，其选自由铝、钢、铁、铬、镍、上述材料的合金与上述材料的组合物所构成的群组中。
10.根据权利要求7所述的腔体，其中该等离子体隔板之一底表面是与该基材接收表面平行或实质平行，该多个狭缝包含10个或更多个狭缝，该多个狭缝中的每一个狭缝的宽度介于0.60毫米至0.90毫米之间。
11.根据权利要求7所述的腔体，其中该等离子体隔板更包含多个孔，其由该第一气体区域延伸通过该等离子体隔板通向该工艺区域，该多个孔径向配置于该头锥周围。
12.根据权利要求1所述的腔体，其中该等离子体筛包含用以接收该第一工艺气体的一内面积，以及用以接收该第二工艺气体的一外面积，该等离子体筛的该内面积包含多个孔，用以引导该第一工艺气体至该等离子体隔板，该等离子体筛的该外面积包含多个狭缝，以引导该第二工艺气体进入该第二气体区域中。
13.根据权利要求12所述的腔体，其中该多个狭缝是与基材接收表面平行或实质平行，该多个狭缝中每一个狭缝的宽度介于0.20毫米至0.80毫米之间。
14.根据权利要求1所述的腔体，更包含一绝缘套，其位于该等离子体筛上方，其中该绝缘套包含至少二气体通路，位于该绝缘套内的一第一气体通路是设置以引导该第一工艺气体进入该等离子体筛的内部区域中，以及位于该绝缘套内的一第二气体通路是设置以引导该第二工艺气体进入该等离子体筛的外部区域中，该等离子体筛以及该绝缘套是各自独立包含一选自陶瓷、石英及其衍生物与组合物所构成的群组中的材料。
15.根据权利要求1所述的腔体，更包含一气体歧管，位于该绝缘套和等离子体筛的上方，其中该气体歧管包含至少二气体通路，一第一气体通路用以提供该第一工艺气体至该绝缘套，以及一第二气体通路用以提供该第二工艺气体至该绝缘套。
16.根据权利要求15所述的腔体，其中一第一导管与一第二导管耦接至该第一气体通路，并且为该第一工艺气体提供一环形气体流动型态，该第一导管与该第二导管是独立设置，以引导在该第一气体通路之一内表面处的气体。
17.根据权利要求16所述的腔体，其中该环形气体流动型态包含一选自由漩涡状、螺纹状、螺旋状、旋转状、扭转状、盘绕状、和圈状所组成的群组中的流动型态。
18.根据权利要求16所述的腔体，其中一阀门耦接至该第一导管，以及一前驱物源是与该第一阀门流体连通，以及该阀门使一原子层沉积工艺具有2秒或更短的脉冲时间。
19.一种处理基材的腔体，包含：
一基材支持件，其具有一基材接收表面；
一腔体盖，包含：
一通道，位于该腔体盖的中央部分；
一端较窄底表面，其由该通道延伸至一位于一等离子体隔板与一喷头上方的一等离子体筛，其中该喷头的形状与大小调整成可实质涵盖该基材接收表面；
一第一导管，耦接至该通道内的一第一气体入口；以及
一第二导管，耦接至该通道内的一第二气体入口，其中该第一导管与该第二导管是设置用以提供一工艺气体的一环形气体流动型态。
20.一种于一基材上沉积一材料的方法，包含：
将一基材安置于一处理腔体内的一基材支持件上，该处理腔体包含一腔体盖组件，该盖组件包括：
一喷头组件，其具有一内部区域与一外部区域；
一等离子体筛，位于该喷头组件的上方，且用以引导一第一工艺气体至该内部区域以及引导一第二工艺气体至该外部区域；
一第一气体区域，位于该该内部区域上方，并介于该喷头组件与该等离子体筛之间；以及
一第二气体区域，位于该外部区域上方；
使至少一载气流经至少一导管以形成一环形流动方向气体；
暴露该基材于该环形流动方向气体中；
脉冲输入至少一前驱物至该至少一载气中；以及
从该至少一前驱物来沉积一含有至少一元素的材料于该基材上。
21.根据权利要求20所述的方法，其中该环形流动方向气体具有选自于由漩涡状、螺纹状、螺旋状、旋转状、扭转状、盘绕状、和圈状所构成的群组中的环形方向。
22.根据权利要求20所述的方法，其中在一原子层沉积工艺过程中，使该基材相继暴露于一等离子体与该至少一前驱物中，该等离子体包含选自于由氨、氮、氢、上述气体的自由基、衍生物与组合物所构成的群组中的一成员。
23.根据权利要求20所述的方法，其中该材料包含钌和至少一前驱物是选自于由双(四甲基吡咯)钌、双(2，5-二甲基吡咯)钌、双(2，5-二乙基吡咯)钌、双(四乙基吡咯)钌、戊二烯四甲基吡咯钌、戊二烯2，5-二甲基吡咯钌、戊二烯四乙基吡咯钌、戊二烯2，5-二乙基吡咯钌、1，3-二甲基戊二烯吡咯钌、1，3-二乙基戊二烯吡咯钌、甲基环戊二烯吡咯钌、乙基环戊二烯吡咯钌、2-甲基吡咯吡咯钌、2-乙基吡咯吡咯钌与上述化合物的衍生物及组合物所构成的群组中。
24.根据权利要求20所述的方法，其中该材料包含钽或氮化钽和至少一前驱物是选自于由五(二甲基胺)钽、五(乙基甲基胺)钽、五(二乙基胺)钽、乙基亚胺-三(二甲基胺)钽、乙基亚胺-三(二乙基胺)钽、乙基亚胺-三(乙基甲基胺)钽、叔丁基亚胺-三(二甲基胺)钽、叔丁基亚胺-三(二乙基胺)钽、叔丁基亚胺-三(乙基甲基胺)钽、叔戊基亚胺-三(二甲基胺)钽、叔戊基亚胺-三(二乙基胺)钽、叔戊基亚胺-三(乙基甲基胺)钽、氟化坦、氯化钽、上述化合物的衍生物与组合物所构成的群组中。
25.根据权利要求20所述的方法，其中该材料包含钨或氮化钨和至少一前驱物是选自于由双(叔丁基亚胺)双(叔丁基胺)钨、双(叔丁基亚胺)双(二甲基胺)钨、双(叔丁基亚胺)双(二乙基胺)钨、双(叔丁基亚胺)双(乙基甲基胺)钨、六氟化钨、上述化合物的衍生物与组合物所构成的群组中。
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