CN100590223C - 采用气体分离型喷头的原子层沉积装置 - Google Patents

采用气体分离型喷头的原子层沉积装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用气体分离型喷头的原子层沉积(ALD)装置。因此，原子层沉积装置采用气体分离型喷头，所述气体分离型喷头包括气体供应模块、气体分离模块和气体注入模块。所述ALD装置包括：第一前体源，储存第一前体并连接到外供应管；第二前体源，储存第二前体并连接到内供应管；吹扫气体源，储存吹扫气体并连接到外供应管和内供应管；电源，将电离用的能量应用于气体分离模块；以及排气装置，排出反应室中的剩余材料。

Description

采用气体分离型喷头的原子层沉积装置
本发明的背景
技术领域
本发明涉及一种原子层沉积(ALD)工艺，更特别涉及一种采用气体分离型喷头的原子层沉积装置。
背景技术
ALD工艺是一种用于沉积厚度小于90nm的半导体薄膜以形成厚度均匀的薄膜、同时最大程度地抑制杂质的工艺。在一般的ALD工艺中，重复执行这样一种循环：其中一种前体(precursor)被吸附和清除，而另一种前体也被吸附和清除。
然而，在常规的ALD装置中，由于前体通过不同的注入孔被最终注入，因此气流的改变导致工艺条件中的一致性被打乱。反应时间增加。
另一方面，由于在用于ALD工艺的相对较低的处理温度时，反应气体和沉积气体之间的反应性必须较大，因此可用的前体种类少于在CVD工艺中可用的前体种类。为了解决上述问题，采用了这样一种沉积半导体薄膜的方法：通过等离子增强ALD(PE-ALD)来改善反应气体的反应性，其中等离子体被应用于反应室中。
在PE-ALD工艺中，当等离子体被应用于反应室中时，等离子体的直接影响可能会使半导体元件或衬底受损。为了使等离子体引起的损害最小，通常采用预先形成于反应室之外的远程等离子体。然而，在这种情况下，在将电离的前体通过供应管而提供给反应室时，离子的再结合使得等离子体效率降低。
发明内容
本发明提供一种采用气体分离型喷头的ALD装置，通过采用该喷头能够抑制喷头中副产品的生成，而且能够保持反应室中气流的均匀性。在该喷头中，前体可被单独提供并最终通过相同的注入孔而注入。
本发明还提供一种采用气体分离型喷头的ALD装置，其能够通过直接将电离用的能量提供给气体分离型喷头的气体分离模块来改善等离子体的效率，并能够使等离子体对半导体衬底的影响最小。
根据本发明的一个方面，提供了一种采用气体分离型喷头的原子层沉积(ALD)装置，所述气体分离型喷头包括：具有外供应管和内供应管的气体供应模块，通过外供应管提供第一前体，通过内供应管提供第二前体；具有第一分散区域和第二分散区域的气体分离模块，第一分散区域连接到外供应管，第二分散区域连接到内供应管；以及具有多个公共孔的气体注入模块，所述第一前体和所述第二前体通过所述多个公共孔交替地注入到反应室中，所述ALD装置包括第一前体源、第二前体源、吹扫气体源以及排气装置。
储存第一前体的第一前体源可以连接到外供应管。储存第二前体的第二前体源可以连接到内供应管。储存吹扫气体的吹扫气体源可以连接到外供应管和内供应管。排气装置可以排出反应室的剩余材料。
所述气体分离模块包括：连接到外供应管的第一分散区域，第一前体在第一分散区域中被分散；位于第一分散区域下方的第二分散区域，第二分散区域连接到内供应管且被分成多个区域，所述第二前体在所述多个区域中被分散；以及位于第二分散区域的多个区域的下侧的多个出口，第二前体通过所述多个出口被排放。第一前体从第一分散区域通过第二分散区域的多个区域的外部空间排放到围绕所述多个出口的空间。
根据本发明的另一个方面，提供了一种采用气体分离型喷头的原子层沉积(ALD)装置，所述气体分离型喷头包括：具有外供应管和内供应管的气体供应模块，通过外供应管提供第一前体，通过内供应管提供第二前体；具有第一分散区域和第二分散区域的气体分离模块，第一分散区域连接到外供应管，第二分散区域连接到内供应管；以及具有多个公共孔的气体注入模块，所述第一前体和所述第二前体通过所述多个公共孔交替地注入到反应室中，所述ALD装置包括第一前体源、第二前体源、吹扫气体源、电源以及排气装置。
储存第一前体的第一前体源可以连接到外供应管。储存所述第二前体的第二前体源可以连接到内供应管。储存吹扫气体的吹扫气体源可以连接到外供应管和内供应管。电源可以将电离用的能量应用于气体分离模块。排气装置可以排出反应室中的剩余材料。
所述气体分离模块包括：连接到外供应管的第一分散区域，第一前体在第一分散区域中被分散；位于第一分散区域下方的第二分散区域，第二分散区域连接到内供应管且被分成多个区域，所述第二前体在所述多个区域中被分散；以及位于第二分散区域的多个区域的下侧的多个出口，第二前体通过所述多个出口被排放。第一前体从第一分散区域通过第二分散区域的多个区域的外部空间排放到围绕所述多个出口的空间。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性的实施方案，本发明的上述特征和其它的特征以及优点将会更加清楚，其中：
图1示出了本发明所使用的气体分离型喷头的一个实施例；
图2详细示出了图1所示的气体分离型喷头的气体分离模块的一部分和气体注入模块的一部分；
图3示出了根据本发明的实施方案的ALD装置；
图4示出了根据本发明的另一个实施方案的ALD装置；以及
图5至图9示出了本发明所使用的气体分离型喷头的实施例。
具体实施方式
现在参考附图详细描述本发明的优选实施方案。
图1示出了本发明所使用的气体分离型喷头。图1所示的气体分离型喷头100包括气体供应模块110、气体分离模块120和气体注入模块130。
气体供应模块110包括彼此分开的外供应管110a和内供应管110b。第一前体A提供给外供应管110a，而第二前体B提供给内供应管110b。
气体分离模块120包括连接到外供应管110a的第一分散区域120a和连接到内供应管110b的第二分散区域120b。参考图1，第一前体A提供给外供应管110a并在第一分散区域120a中被分散，第二前体B提供给内供应管110b并在第二分散区域120b中被分散。
第一分散区域120a被构建成一个区域。第二分散区域120b位于第一分散区域120a下方，且被分成多个区域。在第二分散区域120b的分开区域中可以设置气体分配板210(图2)，以均匀地分散第二前体B。
第二分散区域120b的邻近的分开区域彼此隔开，也就是说，邻近的分开区域的外表面之间存在恒定的空间。此外，在第二分散区域120b的每个区域的下部设有出口125b。
图2详细示出了图1所示的气体分离型喷头的气体分离模块的一部分和气体注入模块的一部分。
参考图2，第二前体B通过多个出口125b排放到气体注入模块130。第一前体A通过第二分散区域120b的外部空间和围绕出口125b的空间125a，从第一分散区域120a排放到气体注入模块130。
第一前体A和第二前体B被注入的反应室中的位置150由出口125b端部的高度决定。根据处理的对象，出口125b可以位于高于气体注入模块130顶部的位置。可选地，出口125b可以位于气体注入模块130的顶部和底部之间。
气体注入模块130包括多个公共的孔135，第一前体A和第二前体B通过多个公共的孔135注入反应室中。
为了将气体分离型喷头100用于原子层沉积(ALD)工艺，第一前体A和第二前体B被交替地注入。即，当第一前体A注入反应室中时，只有第一前体A提供给外供应管110a，而第二前体B不提供给内供应管110b。可选地，当第二前体B注入反应室中时，只有第二前体B提供给内供应管110b，而第一前体A不提供给外供应管110a。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的ALD装置。
图3所示的ALD装置300采用图1所示的气体分离型喷头100。ALD装置300包括第一前体源310、第二前体源320、吹扫气体(purge gas)源330和排气装置340。
第一前体源310储存第一前体A。第一前体源310连接到气体分离型喷头100的气体供应模块110的外供应管110a。
第二前体源320储存第二前体B。第二前体源320连接到气体分离型喷头100的气体供应模块110的内供应管110b。
吹扫气体源330储存吹扫气体。吹扫气体源330连接到气体分离型喷头100的气体供应模块110的外供应管110a和内供应管110b。吹扫气体可以是氮气(N2)。
第一前体源310、第二前体源320和吹扫气体源330连接到多个阀v/v 1到v/v 4，这些阀能够控制气流通过的孔的打开和关闭。如图4所示，设有能够控制每一气体的流速的多个质量流量控制器(MFC)。
在第一前体A或第二前体B通过气体分离型喷头100的气体注入模块130被注入之后，吹扫气体被提供给气体分离型喷头100的气体供应模块110的外供应管110a和内供应管110b至少之一，并且通过气体注入模块130中包括的多个孔135而注入反应室301中。
在第一前体A注入之后，为了净化第一前体A的例如外供应管110a和第一分散区域120a等的通道，吹扫气体可以提供给外供应管110a或者提供给外供应管110a和内供应管110b。类似地，在第二前体B注入之后，吹扫气体可以提供给气体分离型喷头100的气体供应模块110的内供应管110b或者提供给外供应管110a和内供应管110b。
由于第一前体A和第二前体B被交替地提供给气体分离型喷头100的气体供应模块110，因此当第一前体A提供给内供应管110b并注入反应室301中时，第一前体可能回流到多个出口125。因此，当第一前体A提供给外供应管110a时，通过将吹扫气体提供给内供应管110b可以防止第一前体A回流。类似地，当第二前体B提供给内供应管110b时，通过将吹扫气体提供给外供应管110a可以防止第二前体B回流。此时，由于提供的吹扫气体用来防止回流，因此吹扫气体可以具有比第一前体A或第二前体B低的流速。
在反应室301被吹扫气体净化之后，排气装置340排出反应室301中的剩余材料。为此，排气装置340设有泵。
排气装置340可以直接连接到第一前体源310和第二前体源320。在这种情况下，当注入第一前体时，第二前体被转向通过排气装置340而不穿过气体分离型喷头100。当注入第二前体时，第一前体被转向通过排气装置340而不穿过气体分离型喷头100。
图4示出了根据本发明另一个实施方案的ALD装置。
在图4所示的ALD装置400中，第一前体A可以与载气源410所提供的载气一起形成气泡并提供给气体分离型喷头100。第二前体B可以与惰性气体源420所提供的惰性气体一起提供给气体分离型喷头100。
此外，图4所示的ALD装置400还设有为电离供应能量的电源430。
在一般的ALD工艺中，为了保持第一前体A和第二前体B的原始形状，非电离的第一前体A和第二前体B注入反应室中。然而，在某些情况下，第一前体A和第二前体B中的一种气体需要被电离和注入，或者第一前体A和第二前体B均需要被电离和注入。
因此，当电源430直接将电离用的能量提供给气体分离型喷头100的气体分离模块120时，第一前体A和第二前体B中需要被电离的一种前体可以在气体分离型喷头100中被电离并提供到反应室301的内侧。
电离用的能量可以采用直流(DC)能量、射频(RF)能量和微波能量中的一种。
特别地，当电离用的能量为射频能量时，该能量可以具有单一的频率、两个频率或者更多的频率。例如，当电源430将电离用的能量提供给气体分离模块120时，该能量可以是具有13.56MHz的单一频率的能量或者可以是具有13.56MHz和370KHz频率的能量。
电源430可以将电离用的能量提供给单一位置。然而，随着喷头尺寸的增大，电源430可以将电离用的能量提供给气体分离模块120的多个位置。
图5示出了本发明所使用的气体分离型喷头的另一个实施例。
在图5所示的气体分离型喷头500中，电源430将电离用的能量提供给气体分离模块120。
当气体分离模块120与气体注入模块130之间具有绝缘体环510时，气体注入模块130便与气体分离模块120电绝缘。因此，在气体分离模块120和气体注入模块130之间，能量的影响受到阻止。因此，由电源430提供给气体分离模块120的能量不会影响气体注入模块130。
图6和图7示出了本发明所使用的气体分离型喷头的实施例。
图6所示的气体分离型喷头600的气体注入模块130由绝缘体610制成。
当气体注入模块130由绝缘体610制成时，由于等离子体的影响受到绝缘体的阻止，因此，可以使等离子体对半导体衬底和反应室301中的其他装置的影响最小。
绝缘体610可以是例如氧化铝(Al2O3)和氮化铝(AlN)的陶瓷、例如Teflon的聚合物、或者陶瓷化合物和聚合物。
图7所示的气体分离型喷头700的气体注入模块130通过使上板710与下板720组合来构建。
上板710由绝缘体制成以阻止等离子体。下板720由例如铝(Al)的导体制成，以相对于电离用的能量起到接地的作用。
在图6和图7所示的气体分离型喷头600和700中，由于气体注入模块130包括绝缘体，因此当电源430将电离用的能量提供给气体分离模块120时，该绝缘体能够有效地阻止电离用的能量的影响而无需插入分离的绝缘体环510(图5)。在图6和图7所示的气体分离型喷头600和700中，由于绝缘体610和710设置在喷头的下侧，因此等离子体对喷头的注入表面的影响大大降低。因此，能够避免靠近喷头的半导体的损害。
在图8所示的气体分离型喷头800中，图6所示的绝缘体延伸到喷头的侧面。在图9所示的气体分离型喷头900中，上板710和下板720延伸到喷头的侧面。在气体分离型喷头800和900的结构中，绝缘体610和710的面积被扩大。反应室301中的等离子体的影响可以进一步降低。
下面将描述ALD工艺的实施例，其中在通过采用ALD装置来提供第二前体时应用等离子体，其中所述ALD装置采用根据本发明的实施方案的气体分离型喷头。
首先，第一前体源310通过气体分离型喷头100将第一前体A注入反应室301中，以便在半导体衬底表面吸附第一前体。然后，吹扫气体源330通过气体分离型喷头100将吹扫气体注入反应室301中，以净化反应室301的内部。
然后，电源430将电离用的RF能量应用于气体分离型喷头100的气体分离模块120。第二前体源320通过气体分离型喷头100将电离的第二前体B注入反应室301中，以使第二前体B与第一前体A反应。
然后，停止能量的应用，并且吹扫气体源330通过气体分离型喷头100将吹扫气体注入反应室中，以净化反应室301的内部。
期望的ALD膜可以通过反复执行上述工艺而形成。
此时，在提供第一前体A时，通过允许少量的吹扫气体流过内供应管110b可以防止第一前体A回流。在提供第二前体B时，通过允许少量的吹扫气体流过外供应管110a可以防止第二前体B回流。
如上所述，在根据本发明的实施方案的ALD装置中，前体不会相互反应。通过采用其中前体最终通过相同的注入孔而被注入的喷头，可以抑制喷头中副产品的生成，并且可以保持反应室中气流的均匀，
此外，在根据本发明的实施方案的ALD装置中，通过直接将电离用的能量应用于气体分离型喷头的气体分离模块而产生等离子体。通过在气体分离型喷头的下侧设置绝缘体并通过最少的通道来提供前体，可以使等离子体的损耗以及等离子体对半导体衬底或反应室中的装置的影响最小。
虽然已经参考本发明的示例性实施方案特别示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的范围和精神的情况下，形式上和细节上还可以进行各种改变。

Claims (13)

1.一种采用气体分离型喷头的原子层沉积装置，所述气体分离型喷头包括：具有外供应管和内供应管的气体供应模块，通过所述外供应管提供第一前体，通过所述内供应管提供第二前体；具有第一分散区域和第二分散区域的气体分离模块，所述第一分散区域连接到所述外供应管，所述第二分散区域连接到所述内供应管；以及具有多个公共孔的气体注入模块，所述第一前体和所述第二前体通过所述多个公共孔交替地注入到反应室中，所述原子层沉积装置包括：
第一前体源，其储存所述第一前体并连接到所述外供应管；
第二前体源，其储存所述第二前体并连接到所述内供应管；
吹扫气体源，其储存吹扫气体并连接到所述外供应管和所述内供应管；以及
排气装置，其排出所述反应室中的剩余材料，
其中所述气体分离模块包括：
第一分散区域，其连接到所述外供应管，所述第一前体在所述第一分散区域中被分散；
第二分散区域，其位于所述第一分散区域下方，连接到所述内供应管且被分成多个区域，所述第二前体在所述多个区域中被分散；以及
多个出口，其位于所述第二分散区域的所述多个区域的下侧，所述第二前体通过所述多个出口被排放，
其中所述第一前体从所述第一分散区域通过所述第二分散区域的所述多个区域的外部空间排放到围绕所述多个出口的空间。
2.如权利要求1所述的原子层沉积装置，其中，在所述第一前体或所述第二前体被注入之后，所述吹扫气体被提供给所述外供应管和所述内供应管至少之一，并通过所述多个公共孔注入所述反应室中。
3.如权利要求1所述的原子层沉积装置，
其中当所述第一前体被提供给所述外供应管时，所述吹扫气体被提供给所述内供应管，以及
其中当所述第二前体被提供给所述内供应管时，所述吹扫气体被提供给所述外供应管。
4.如权利要求1所述的原子层沉积装置，
其中所述排气装置分别直接连接到所述第一前体源和所述第二前体源，
其中当注入所述第一前体时，所述第二前体被转向通过所述排气装置而不穿过所述气体分离型喷头，以及
其中当注入所述第二前体时，所述第一前体被转向通过所述排气装置而不穿过所述气体分离型喷头。
5.如权利要求1所述的原子层沉积装置，其中所述第二分散区域的所述多个区域包括气体分配板，用于均匀分散所述第二前体。
6.一种采用气体分离型喷头的原子层沉积装置，所述气体分离型喷头包括：具有外供应管和内供应管的气体供应模块，通过所述外供应管提供第一前体，通过所述内供应管提供第二前体；具有第一分散区域和第二分散区域的气体分离模块，所述第一分散区域连接到所述外供应管，所述第二分散区域连接到所述内供应管；以及具有多个公共孔的气体注入模块，所述第一前体和所述第二前体通过所述多个公共孔交替地注入到反应室中，所述原子层沉积装置包括：
第一前体源，其储存所述第一前体并连接到所述外供应管；
第二前体源，其储存所述第二前体并连接到所述内供应管；
吹扫气体源，其储存吹扫气体并连接到所述外供应管和所述内供应管；
电源，其将电离用的能量提供给所述气体分离模块；以及
排气装置，其排出所述反应室中的剩余材料，
其中所述气体分离模块包括：
第一分散区域，其连接到所述外供应管，所述第一前体在所述第一分散区域中被分散；
第二分散区域，其位于所述第一分散区域下方，连接到所述内供应管且被分成多个区域，所述第二前体在所述多个区域中被分散；以及
多个出口，其位于所述第二分散区域的所述多个区域的下侧，所述第二前体通过所述多个出口被排放，
其中所述第一前体从所述第一分散区域通过所述第二分散区域的所述多个区域的外部空间排放到围绕所述多个出口的空间。
7.如权利要求6所述的原子层沉积装置，其中所述气体分离型喷头进一步包括绝缘体环，以使所述气体注入模块与所述气体分离模块电绝缘。
8.如权利要求7所述的原子层沉积装置，其中所述气体注入模块由绝缘体制成。
9.如权利要求6所述的原子层沉积装置，
其中所述气体注入模块通过使上板和下板组合而被构建，以及
其中所述上板由绝缘体制成，而所述下板由导体制成以用于接地。
10.如权利要求6所述的原子层沉积装置，其中，在所述第一前体和所述第二前体被注入之后，所述吹扫气体被提供给所述外供应管和所述内供应管至少之一并通过所述多个公共孔而注入所述反应室中。
11.如权利要求6所述的原子层沉积装置，
其中当所述第一前体被提供给所述外供应管时，所述吹扫气体被提供给所述内供应管，以及
其中当所述第二前体被提供给所述内供应管时，所述吹扫气体被提供给所述外供应管。
12.如权利要求6所述的原子层沉积装置，
其中所述排气装置分别直接连接到所述第一前体源和所述第二前体源，
其中当注入所述第一前体时，所述第二前体被转向通过所述排气装置而不穿过所述气体分离型喷头，以及
其中当注入所述第二前体时，所述第一前体被转向通过所述排气装置而不穿过所述气体分离型喷头。
13.如权利要求6所述的原子层沉积装置，其中所述第二分散区域的所述多个区域包括气体分配板，用于均匀分散所述第二前体。
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