CN100569998C - 使用脉冲ald技术在衬底上沉积薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用脉冲馈送处理在衬底上沉积薄膜的方法。所述方法包括执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有所述衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理，和在所述第二反应气体连续馈送处理期间执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入所述腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并不依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理。所述第二反应气体连续馈送处理包括在所述第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送所述第二反应气体的第二反应气体脉冲处理。
Description
技术领域
本发明是关于薄膜沉积方法，且尤其是关于使用脉冲馈送处理有效地在衬底上沉积薄膜的方法。
背景技术
半导体业界中的当前趋势是制造细微化电路线宽并且不断降低薄膜沉积温度，在许多处理中达成所需结果。原子层沉积(ALD)技术是达成所需结果的众所周知的代表性技术。
开发ALD技术的努力始于90年代末期的半导体业界，并且迄今ALD技术已得到积极发展。然而，在传统意义且狭义上，ALD处理产生使用两种反应气体的交替脉冲并且重复在脉冲之间介入清除气体的操作(清除操作)，使得ALD技术在形成薄膜时并不有效。所述薄膜包括TiN和Ti。例如，当使用传统单晶片ALD技术而沉积TiN薄膜时，薄膜的纯度和阶梯覆盖是优良的，但是生产力太低。
发明内容
本发明提供在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法在减少沉积时间的同时能够提高薄膜的纯度。
根据本发明的一个方面，提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包括：执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理；和在第二反应气体连续馈送处理期间，执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入腔室的第一反应气体清除处理和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理，其中第二反应气体连续馈送处理包括在第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理。
根据本发明的另一方面，提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包括：同时执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理和将清除气体连续馈送于衬底上的清除气体连续馈送处理；和在第二反应气体连续馈送处理期间，执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理，其中第二反应气体连续馈送处理包括在第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理；并且清除气体连续馈送处理包括从第二反应脉冲处理的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理的开始以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的清除气体脉冲处理。
根据本发明的另一方面，提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包括：同时地执行将第二反应气体不连续地馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体不连续馈送处理和将清除气体连续馈送于衬底上的清除气体连续馈送处理；和在第二反应气体不连续馈送处理期间，执行多次处理周期，包括将第一反应气体馈送入腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理，其中第二反应气体不连续馈送处理包括在第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理，和从第二反应脉冲处理的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理的开始执行的第二反应气体馈送停止处理；且清除气体连续馈送处理包括与第二反应气体馈送停止处理同时执行的，以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的清除气体脉冲处理。
根据本发明的另一方面，提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包括：执行多次处理周期，所述处理周期包括将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理、清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理、将第二反应气体馈送入腔室中的第二反应气体馈送处理和清除与浮在衬底上的第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在衬底上的第一反应气体反应的第二反应气体的第二反应气体清除处理；且在处理周期期间执行将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理，其中清除气体馈送处理包括以大于基本流量的脉冲流量将清除气体馈送到衬底上的清除气体脉冲处理，所述清除气体脉冲处理在第一反应气体馈送处理之后开始并在第二反应气体馈送处理之前结束。
根据本发明的另一方面，提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包括：执行多次处理周期，所述处理周期包括将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理、清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理、将第二反应气体馈送入腔室中的第二反应气体馈送处理和清除与浮在衬底上的第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在衬底上的第一反应气体反应的第二反应气体的第二反应气体清除处理；和在执行处理周期期间执行将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理。清除气体连续馈送处理包括：以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第一清除气体脉冲处理、在第一反应气体馈送处理之后开始且在第二反应气体馈送处理之前结束的第一清除气体脉冲处理，和以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第二清除气体脉冲处理，所述第二清除气体脉冲处理在第二反应气体馈送处理之后开始且在下一处理周期的第一反应气体馈送处理之前结束。
附图说明
本发明的以上和其他特点和优势将参考附图通过详细描述其示范性实施例而变得更加明了，其中：
图1根据本发明的实施例说明薄膜沉积方法的处理次序；
图2根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序；
图3根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序；
图4根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序；和
图5根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
具体实施方式
现将参考附图而更全面地描述本发明，附图中展示本发明的示范性实施例。
图1根据本发明的实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
参考图1，薄膜沉积方法包括：执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理S12；和在第二反应气体连续馈送处理S12期间，执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入腔室的第一反应气体馈送处理S13a和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理13b。
第二反应气体连续馈送处理S12包括在第一反应气体清除处理S13b期间，以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理S12a。
图2根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
参考图2，薄膜沉积方法包括：同时执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理S12和将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理S14；和在第二反应气体连续馈送处理S12期间，执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入腔室中的第一反应气体馈送处理S13a和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理S13b。
第二反应气体连续馈送处理S12包括在第一反应气体清除处理S13b期间，以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理S12a。
清除气体连续馈送处理S14包括从第二反应气体脉冲处理S12a的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理S13a′的开始以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的清除气体脉冲处理S14a。
如上所述，和图1的实施例的薄膜沉积方法不同，图2的实施例的薄膜沉积方法进一步包括：在处理周期期间执行的清除气体连续馈送处理S14；和从第二反应脉冲处理S12a的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理S13a′的开始而执行的清除气体脉冲处理S14a。
图3根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
参考图3，薄膜沉积方法包括：同时执行将第二反应气体不连续地馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体不连续馈送处理S12和将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理S14；和在第二反应气体不连续馈送处理S12期间，执行多次处理周期，其包括将第一反应气体馈送入腔室中的第一反应气体馈送处理S13a和清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理S13b。
第二反应气体不连续馈送处理S112包括：在第一反应气体清除处理S13b期间以大于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体的第二反应气体脉冲处理S112a；和从第二反应气体脉冲处理S112a的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理S13a′的开始执行的第二反应气体馈送停止处理S112b。
清除气体连续馈送处理S14包括与第二反应气体馈送停止处理S112b同时执行的，以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的清除气体脉冲处理S14a。
如上所述，和图2的实施例的薄膜沉积方法不同，图3的实施例的薄膜沉积方法包括：包括第二反应气体脉冲处理S112a和第二反应气体馈送停止处理S112b的第二反应气体不连续馈送处理S112；和包括与第二反应气体馈送停止处理S112b同时执行的清除气体脉冲处理S14a的清除连续馈送处理S14。
图4根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
参考图4，薄膜沉积方法包括：执行多次处理周期，包括将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理S13a、清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理S13b、将第二反应气体馈送入腔室中的第二反应气体馈送处理12a和清除与浮在衬底上的第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在衬底上的第一反应气体反应的第二反应气体的第二反应气体清除处理S12b；和在重复的处理周期期间执行将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理S14。
清除气体连续馈送处理S14包括以大于基本流量的脉冲流量将清除气体馈送到衬底上的清除气体脉冲处理S14a。清除气体脉冲处理S14a在第一反应气体馈送处理S13a之后开始并且在第二反应气体馈送处理S12a之前结束。
图5根据本发明的另一实施例说明薄膜沉积方法的处理次序。
参考图5，薄膜沉积方法包括：执行多次处理周期，包括将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理S13a、清除并未依附在衬底上的第一反应气体的第一反应气体清除处理S13b、将第二反应气体馈送入腔室中的第二反应气体馈送处理12a和清除与浮在衬底上的第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在衬底上的第一反应气体反应的第二反应气体的第二反应气体清除处理S12b；和在重复的处理周期期间执行将清除气体连续馈送到衬底上的清除气体连续馈送处理S14。
清除气体连续馈送处理S14包括：以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第一清除气体脉冲处理S14a、在第一反应气体馈送处理S13a之后开始且在第二反应气体馈送处理S12a之前结束的第一清除气体脉冲处理S14a，和以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第二清除气体脉冲处理S14b，所述第二清除气体脉冲处理S14b在第二反应气体馈送处理S12a之后开始且在下一处理周期的第一反应气体馈送处理S13a′之前结束。
如上所述，和图4的实施例的薄膜沉积方法不同，图5的实施例的薄膜沉积方法包括：在第一反应气体馈送处理S13a之后开始且在第二反应气体馈送处理S12a之前结束的第一清除气体脉冲处理S14a；和在第二反应气体馈送处理S12a之后开始并在下一处理周期的第一反应气体馈送处理S13a′之间结束的第二清除气体脉冲处理S14b。
当与常规的ALD薄膜沉积方法相比时，上述实施例的薄膜沉积方法可由于以下三点原因而提供薄膜的增加的沉积速度、提高的阶梯覆盖和提高的纯度：
第一个原因在于与不连续地馈送第二反应气体的常规ALD薄膜沉积方法相比，在前述实施例的薄膜沉积方法中是连续馈送第二反应气体的。第二个原因在于连续地或不连续地馈送清除气体。第三个原因在于第二反应气体和清除气体是以基本流量或以脉冲流量而馈送的。因为这三个原因，未反应气体或残留在衬底上的反应副产物可迅速流到衬底外且可密集地且迅速执行与依附在衬底上的第一反应气体的散热置换反应。
现将详细描述以上实施例的技术应用的实例。
在技术应用中，第一反应气体是从含有金属元素的先驱液体材料中蒸发的蒸汽，或从压缩气体容器中输出的气体。第二反应气体是含H(氢)反应气体。使用第一和第二反应气体沉积的薄膜是含有以上金属元素的薄膜，诸如Ti薄膜、W薄膜、Ta薄膜和Ru薄膜。
在另一技术应用中，第一反应气体是从含有金属元素的先驱液体材料中蒸发的蒸汽，或从压缩气体容器输出的气体。第二反应气体是含N(氮)反应气体。使用第一和第二反应气体沉积的薄膜是含有以上金属元素的金属氮化物薄膜，诸如TiN薄膜、WN薄膜和TaN薄膜。对于TiN薄膜而言，第一反应气体是一种从TIC14、TEMATi、TDMAti及其化合物组成的群中选择的气体，且第二反应气体是NH3。
同样，依据薄膜种类和处理腔室的环境，沉积是在0.1-10torr的腔室压力下和600℃或600℃以下的衬底温度下执行的。
如上所述，和常规的ALD薄膜沉积方法不同，本发明的薄膜沉积方法进一步包括以低于基本流量的脉冲流量馈送第二反应气体或清除气体的脉冲馈送处理，由此提高薄膜的沉积速度和特征。
尽管本发明已参考其示范性实施例而经特别展示和描述，但所属领域的技术人员将了解，在不偏离以上权利要求书中所界定的本发明的精神和范畴的情况下，可作出形式和细节上的各种改变。
Claims (9)
1.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包含：
执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有所述衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理；和
在所述第二反应气体进馈送处理期间执行多次处理周期，其包含将第一反应气体馈送入所述腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并不依附在所述衬底上的所述第一反应气体的第一反应气体清除处理，
其中所述第二反应气体连续馈送处理包含在所述第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送所述第二反应气体的第二反应气体脉冲处理。
2.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包含：
同时执行将第二反应气体连续馈送入其中安装有所述衬底的腔室中的第二反应气体连续馈送处理和将清除气体连续馈送到所述衬底上的清除气体连续馈送处理；和
在所述第二反应气体连续馈送处理期间执行多次处理周期，其包含将第一反应气体馈送入所述腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并不依附在所述衬底上的所述第一反应气体的第一反应气体清除处理，
其中所述第二反应气体连续馈送处理包含在所述第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送所述第二反应气体的第二反应气体脉冲处理；且所述清除气体连续馈送处理包含从所述第二反应脉冲处理的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理的开始以大于基本流量的脉冲流量馈送所述清除气体的清除气体脉冲处理。
3.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包含：
同时执行将第二反应气体不连续地馈送入其中安装有衬底的腔室中的第二反应气体不连续馈送处理和将清除气体连续馈送到所述衬底上的清除气体连续馈送处理；和
在所述第二反应气体不连续馈送处理期间执行多次处理周期，其包含将第一反应气体馈送入所述腔室中的第一反应气体馈送处理和清除并不依附在所述衬底上的所述第一反应气体的第一反应气体清除处理，
其中所述第二反应气体不连续馈送处理包含：在所述第一反应气体清除处理期间以大于基本流量的脉冲流量馈送所述第二反应气体的第二反应气体脉冲处理，和从所述第二反应气体脉冲处理的结束到下一处理周期的第一反应气体馈送处理的开始执行的第二反应气体馈送停止处理；且所述清除气体连续馈送处理包含与所述第二反应气体馈送停止处理同时执行的，以大于基本流量的脉冲流量馈送所述清除气体的清除气体脉冲处理。
4.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包含：
执行多次处理周期，所述处理周期包含：将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理、清除并不依附在所述衬底上的所述第一反应气体的第一反应气体清除处理、将第二反应气体馈送入所述腔室中的第二反应气体馈送处理，和清除与浮在所述衬底上的所述第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在所述衬底上的所述第一反应气体反应的所述第二反应气体的第二反应气体清除处理；和
在所述处理周期的执行期间，执行将清除气体连续馈送到所述衬底上的清除气体连续馈送处理，
其中所述清除气体连续馈送处理包含清除气体脉冲处理，所述清除气体脉冲处理以大于基本流量的脉冲流量将所述清除气体馈送到所述衬底上，所述清除气体脉冲处理在所述第一反应气体馈送处理之后开始且在所述第二反应馈送处理之前结束。
5.一种在衬底上沉积薄膜的方法，所述方法包含：
执行多次处理周期，所述处理周期包含：将第一反应气体馈送入其中安装有衬底的腔室中的第一反应气体馈送处理、清除并不依附在所述衬底上的所述第一反应气体的第一反应气体清除处理、将第二反应气体馈送入所述腔室中的第二反应气体馈送处理，和清除与浮在所述衬底上的所述第一反应气体反应而产生的反应副产物或并未与依附在所述衬底上的所述第一反应气体的所述第二反应气体的第二反应气体清除处理；和
在所述处理周期的执行期间，执行将清除气体连续馈送到所述衬底上的清除气体连续馈送处理，
其中所述清除气体连续馈送处理包含：以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第一清除气体脉冲处理，所述第一清除气体脉冲处理在所述第一反应气体馈送处理之后开始且在所述第二反应气体馈送处理之前结束；和以大于基本流量的脉冲流量馈送清除气体的第二清除气体脉冲处理，所述第二清除气体脉冲处理在所述第二反应气体馈送处理之后开始且在下一处理周期的第一反应气体馈送处理之前结束。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述第一反应气体是从含金属元素的先驱液体材料中蒸发的蒸汽，或从压缩气体容器中输出的气体；所述第二反应气体是含H的反应气体；且使用所述第一和第二反应气体沉积的所述薄膜是含所述金属元素的薄膜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述薄膜是Ti薄膜、W薄膜、Ta薄膜和Ru薄膜中的一者。
8.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的方法，其中所述第一反应气体是从含金属元素的先驱液体材料中蒸发的蒸汽，或从压缩气体容器中输出的气体；所述第二反应气体是含N的反应气体；且使用所述第一和第二反应气体沉积的所述薄膜是含所述金属元素的金属氮化物薄膜。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述金属氮化物薄膜是TiN薄膜、WN薄膜和TaN薄膜中的一者。
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