CN102400113A

CN102400113A - 远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置

Info

Publication number: CN102400113A
Application number: CN2011104159422A
Authority: CN
Inventors: 万军; 饶志鹏; 黄成强; 陈波; 李超波; 夏洋; 江莹冰; 赵珂杰
Original assignee: JIAXING KEMIN ELECTRONIC EQUIPMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIAXING KEMIN ELECTRONIC EQUIPMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-04-04

Abstract

远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，包括真空系统、远程脉冲等离子体发生系统、前驱体源输运系统、加热系统和计算机控制系统，所述真空系统包括真空反应腔室，所述真空反应腔室上连接有进气管路和真空泵，所述真空反应腔室内设有放置样品的样品台；所述远程脉冲等离子体发生系统包括连接在真空反应腔室上的石英管，所述石英管外绕设有感应线圈，所述感应线圈上依次连接阻抗匹配系统、脉冲射频电源；所述前驱体源输运系统包括连接在进气管路上的前驱体源瓶，所述前驱体源瓶与进气管路的连接管路上设有快速ALD电磁阀；所述计算机控制系统由PLC与计算机组成，所述PLC与加热系统、快速ALD电磁阀、脉冲射频电源连接。

Description

远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置

技术领域

本发明涉及等离子体技术及原子层沉积设备装置，尤其涉及一种远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置。

背景技术

原子层沉积（ALD）和等离子体增强原子层沉积（PEALD）已经作为22nm技术代集成电路制造COMS器件生产线前端（FEOL）中超薄栅极膜的制备和生产线后端（BEOL）中金属超薄阻挡层的制备，以及微电子机械系统（MEMS）、光电子材料和器件、存储器介电层、平板显示器等方面的超薄介质层的制备。在ALD中，两种或者多种处理气体，诸如膜前驱体和还原（氧化）气体，被交替和顺序的引入到反应腔室，在加热的衬底表面以一次形成一个单原子层的方式形成超薄膜材料。在PEALD中，在引入还原（氧化）气体的过程中形成等离子体，以形成还原（氧化）性气氛等离子体。PEALD扩展了ALD对沉积前驱体的选择范围和减少了原子层沉积循环时间，而且降低了反应的沉积温度，尤其适合于对温度敏感材料的沉积。目前PEALD中采用的等离子体的产生方式主要有射频放电和微波放电，微波放电与射频放电相比具有等离子体密度高、无极放电无污染等优点，但是其结构复杂且成本较高。射频放电根据放电电极结构可以分为电容耦合放电和电感耦合放电。其中电容耦合放电有直接平板电容耦合放电、远程平板电容耦合放电。采用射频电容放电的方式无论是直接等离子体还是远程等离子体都会存在由于电极放电所产生的电极杂质带来对沉积薄膜的污染，从而极大的影响器件的性能。电感耦合等离子体由于放电感应线圈在真空室外部，从而避免了电极的污染问题。

同时，为了使等离子体的产生过程与引入的氧化或还原性气体脉冲时间相匹配，等离子体在一个ALD沉积周期过程中也以脉冲的方式进行。目前脉冲等离子体的产生方式一般是在ALD反应腔室上方先形成稳态等离子体源，在稳态等离子体源与ALD反应腔室间使用隔板阀阻断等离子体向下扩散。通过对隔板阀的脉冲控制形成向下扩散的脉冲等离子体。由于ALD每一个沉积周期所需要的时间很短，隔板阀长时间的往复运动会使隔板阀上沉积的颗粒物掉落在样品台上带来额外的污染。而采用延时器控制形成的射频脉冲等离子体方案中，由于等离子体的引入是在引入一种前驱体并吹扫多余前驱体之后，不但等离子体的产生时间需要根据引入的前驱体的时间来设定延时时间，而且由于延时器的时间误差，在经过多个PEALD循环后，累计时间误差将会使等离子体的产生不能同步在前驱体完全吹扫干净之后，甚至可能与前驱体同步产生，从而导致PEALD工艺失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以避免等离子体对沉积薄膜的污染、提高薄膜的沉积速率和降低沉积温度，同时等离子体的产生与前驱体的净化时间顺序精确匹配的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置。

为达到发明目的本发明采用的技术方案是：

远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，包括真空系统、远程脉冲等离子体发生系统、前驱体源输运系统、加热系统和计算机控制系统，其特征在于：所述真空系统包括真空反应腔室，所述真空反应腔室上分别连接有进气管路和真空泵，所述真空反应腔室内设有放置样品的样品台；

所述远程脉冲等离子体发生系统包括连接在真空反应腔室上的石英管，所述石英管外绕设有感应线圈，所述感应线圈上依次连接阻抗匹配系统、脉冲射频电源；

所述前驱体源输运系统包括连接在进气管路上的前驱体源瓶，所述前驱体源瓶与进气管路的连接管路上设有快速ALD电磁阀和手动隔膜阀；

所述加热系统设置在样品台、进气管路、泵线管路上；

所述计算机控制系统由PLC与计算机组成，所述PLC与加热系统、快速ALD电磁阀、脉冲射频电源连接。

进一步，所述远程脉冲等离子体发生系统的脉冲等离子体的引入是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和真空反应腔室内净化完毕后，所述计算机控制系统根据第一前驱体净化时间的完成与否来判断是否需要产生等离子体及等离子体在单次循环中的工作时间。

进一步，所述进气管路上设有控制充入气体流量的质量流量计和吹扫气动阀，所述质量流量计和吹扫气动阀与PLC连接。

进一步，所述真空泵通过泵线管路与真空反应腔室连接，所述泵线管路上设有泵线气动阀和监测压力的真空计，所述泵线气动阀和真空计与PLC连接。

进一步，所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。

进一步，所述样品台下表面与真空反应腔室抽气口相距20~50mm，与真空反应腔室内上表面相距40~80mm，与真空反应腔室内壁相距20~40mm。

本发明的技术构思，真空系统通过真空泵由泵气管路将真空反应腔室的本底压力抽至0.01~1Pa，由进气管路充入惰性气体氩气或者氦气至工艺压力10~100Pa，真空反应腔室的压力由真空计监测。充入气体的流量由质量流量计和吹扫气动阀控制，充入气体的流量为5~50sccm。

远程脉冲等离子体发生系统中脉冲射频电源的频率是工业标准用的13.56MHz，射频功率为0~300W，脉冲频率为1~120s。该脉冲射频电源配备阻抗匹配系统并与石英管外的感应线圈直接相连，同时石英管通过氟胶密封圈与真空反应腔室连接，石英管距离样品台上表面的距离为40~60mm。通过调节阻抗匹配系统中电容和电感的大小使射频的能量完全耦合到石英管内等离子体，石英管内等离子体扩散到真空反应腔室内样品台上方形成远程等离子体。等离子体是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和真空反应腔室内净化完毕后开始。脉冲等离子体的引入是通过在软件中采用模拟量控制，在沉积配方中根据前驱体净化时间的完成与否来判断是否需要产生等离子体及等离子体在单次循环中的工作时间。这样等离子体的产生时间与前驱体的净化时间顺序在整个ALD循环过程中能够实现高度的精确匹配。

前驱体源输运系统是前驱体源从前驱体源瓶挥发出来后由质量流量计和吹扫气动阀控制的载气经过进气管路带入到真空反应腔室；为了阻止前驱体源在进气管路内壁的沉积和快速净化反应腔室需要对进气管路进行加热。

加热系统设置在样品台、泵线管路和进气管路，由加热元件、固态继电器和热电偶组成；其中样品台的温度加热范围为25~400℃，泵气管路的温度加热范围为25~200℃，进气管路的温度加热范围为25~200℃。

计算机控制系统由PLC和计算机组成，用于监测和控制加热的温度、质量流量计的流量、射频功率和真空度等参数以及电磁阀和射频电源的开关状态，实现前驱体源的交替引入、净化、远程脉冲等离子体的产生和薄膜沉积。

本发明的优点：减少PEALD中脉冲等离子体源对沉积薄膜的污染、提高薄膜沉积的速率，同时实现了等离子体的产生时间与前驱体的净化时间在整个ALD循环过程中能够实现高度的精确匹配。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参照图1，远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，包括真空系统、远程脉冲等离子体发生系统、前驱体源输运系统、加热系统和计算机控制系统，所述真空系统包括真空反应腔室9，所述真空反应腔室9上分别连接有进气管路5和真空泵15，所述真空反应腔室9内设有放置样品10的样品台11；

所述远程脉冲等离子体发生系统包括连接在真空反应腔室9上的石英管6，所述石英管6外绕设有感应线圈7，所述感应线圈7上依次连接阻抗匹配系统、脉冲射频电源8；

所述前驱体源输运系统包括连接在进气管路5上的前驱体源瓶4，所述前驱体源瓶4与进气管路5的连接管路上设有快速ALD电磁阀3和手动隔膜阀；

所述加热系统设置在样品台11、进气管路5、泵线管路13上；

所述计算机控制系统由PLC16与计算机17组成，所述PLC16与加热系统、快速ALD电磁阀3、脉冲射频电源8连接。

所述远程脉冲等离子体发生系统的脉冲等离子体的引入是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和真空反应腔室内净化完毕后，所述计算机控制系统根据第一前驱体净化时间的完成与否来判断是否需要产生等离子体及等离子体在单次循环中的工作时间。

所述进气管路5上设有控制充入气体流量的质量流量计1和吹扫气动阀2，所述质量流量计1和吹扫气动阀3与PLC16连接。

所述真空泵15通过泵线管路13与真空反应腔室9连接，所述泵线管路13上设有泵线气动阀14和监测压力的真空计12，所述泵线气动阀14和真空计12与PLC16连接。

所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。

所述样品台11下表面与真空反应腔室9抽气口相距20~50mm，与真空反应腔室9内上表面相距40~80mm，与真空反应腔室9内壁相距20~40mm。

本发明的技术构思，真空系统通过真空泵15由泵气管路13将真空反应腔室9的本底压力抽至0.01~1Pa，由进气管路5充入惰性气体氩气或者氦气至工艺压力10~100Pa，真空反应腔室9的压力由真空计12监测。充入气体的流量由质量流量计1和吹扫气动阀2控制，充入气体的流量为5~50sccm。

远程脉冲等离子体发生系统中脉冲射频电源8的频率是工业标准用的13.56MHz，射频功率为0~300W，脉冲频率为1~120s。该脉冲射频电源8配备阻抗匹配系统并与石英管6外的感应线圈7直接相连，同时石英管6通过氟胶密封圈与真空反应腔室9连接，石英管6距离样品台11上表面的距离为40~60mm。通过调节阻抗匹配系统中电容和电感的大小使射频的能量完全耦合到石英管6内等离子体，石英管6内等离子体扩散到真空反应腔室9内样品台11上方形成远程等离子体。等离子体的引入是在第一种前驱体在样品10表面饱和吸附和真空反应腔室9内净化完毕后开始。等离子体的引入通过PLC16和计算机17来控制其产生时间点和工作时间。

前驱体源输运系统是前驱体源从前驱体源瓶4挥发出来后由质量流量计1和吹扫气动阀2控制的载气经过进气管路5带入到真空反应腔室9；为了阻止前驱体源在进气管路5内壁的沉积和快速净化反应腔室需要对进气管路5进行加热。

加热系统设置在样品台11、泵线管路13和进气管路5，由加热元件、固态继电器和热电偶组成；其中样品台11的温度加热范围为25~400℃，泵气管路13的温度加热范围为25~200℃，进气管路5的温度加热范围为25~200℃。

计算机控制系统由PLC16和计算机17组成，用于监测和控制加热的温度、质量流量计1的流量、射频功率和真空度等参数以及电磁阀和射频电源的开关状态，实现前驱体源的交替引入、净化、远程脉冲等离子体的产生和薄膜沉积。

Claims

1. 远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，包括真空系统、远程脉冲等离子体发生系统、前驱体源输运系统、加热系统和计算机控制系统，其特征在于：所述真空系统包括真空反应腔室，所述真空反应腔室上分别连接有进气管路和真空泵，所述真空反应腔室内设有放置样品的样品台；

所述加热系统设置在样品台、进气管路、泵线管路上；

2. 根据权利要求1所述的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述远程脉冲等离子体发生系统的脉冲等离子体的引入是在第一种前驱体在样品表面饱和吸附和真空反应腔室内净化完毕后，所述计算机控制系统根据第一前驱体净化时间的完成与否来判断是否需要产生等离子体及等离子体在单次循环中的工作时间。

3. 根据权利要求1或2所述的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述进气管路上设有控制充入气体流量的质量流量计和吹扫气动阀，所述质量流量计和吹扫气动阀与PLC连接。

4. 根据权利要求3所述的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述真空泵通过泵线管路与真空反应腔室连接，所述泵线管路上设有泵线气动阀和监测压力的真空计，所述泵线气动阀和真空计与PLC连接。

5. 根据权利要求4所述的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述加热系统由加热元件、固态继电器和热电偶组成。

6. 根据权利要求5所述的远程脉冲射频电感耦合放电等离子体增强原子层沉积装置，其特征在于：所述样品台下表面与真空反应腔室抽气口相距20~50mm，与真空反应腔室内上表面相距40~80mm，与真空反应腔室内壁相距20~40mm。