CN102459695A - 气相沉积反应器以及用于形成薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

气相沉积反应器和用于形成薄膜的方法。气相沉积反应器包括用于将反应材料注入气相沉积反应器的第一部分中的凹槽内的至少一个第一注入部分。第二部分连接至第一空间并且具有连接至第一部分的凹槽的凹槽。第二部分的凹槽被维持在具有低于第一空间内的压力的压力下。第三部分连接至第二空间，并且排气部分连接至第三空间。

Description

气相沉积反应器以及用于形成薄膜的方法
技术领域
本公开涉及一种气相沉积反应器以及用于使用该反应器来形成薄膜的方法。
背景技术
一般而言，淋浴头型反应器用于在化学气相沉积(CVD)中注入前驱物。在淋浴头型的反应器中，通过在淋浴头的内部内将源前驱物和反应剂前驱物进行混合并且然后将经混合的前驱物注入到衬底上来执行沉积。另一方面，在用于原子层沉积(ALD)的反应器中，源前驱物和反应剂前驱物被交替喷射以使得它们彼此不会混合。基于前驱物喷射的方向，反应器被划分为(i)错流或行波类型的反应器以及(ii)一种将前驱物垂直注入至衬底表面类型的反应器。错流或行波类型的反应器在平行于衬底表面的表面的方向上注入前驱物以便沉积前驱物。
ALD应用了与物理吸附层的键合力不同的化学吸附层的键合力。在ALD中，前驱物被吸入到衬底表面中并且然后使用惰性气体吹扫。结果，前驱物的物理吸附分子(通过范德瓦尔斯力键合)从衬底中解吸。然而，前驱物的化学吸附分子共价键合，并且因此这些分子极强地吸附在衬底中。因此，化学吸附分子不会从衬底中解吸。ALD通过使用前驱物的化学吸附分子(吸附在衬底中)与反应剂前驱物反应和/或替换反应剂前驱物的特性来执行。
更具体地，源前驱物注入到腔室中，以使得源前驱物过量地吸附在衬底上。然后，通过注入吹扫气体和/或对通过腔室抽气来移除过量的前驱物或物理吸附分子，从而使得仅有化学吸附分子保留在衬底上。化学吸附分子导致单分子层。随后，反应剂前驱物(或置换剂)注入到腔室中。然后，通过注入吹扫气体和/或通过对腔室抽气来移除过量的前驱物或物理吸附分子，从而得到最终的原子层。
在ALD中，由这四个工艺构成的基本单元通常称为周期。如果得到了处于饱和态的化学吸附层，就得到了约每周期
Figure BPA00001480177300021
的沉积速率。但是，当前驱物未以饱和态吸附在衬底上时，沉积速率低于约每周期如果物理吸附分子层未完全移除而是有部分物理吸附分子层保留在衬底上，则沉积速率增加。
在ALD中，通常每个周期形成一个原子单层。在ALD中，源前驱物、反应剂前驱物和吹扫气体重复地注入到腔室中，并且阀门和泵用于抽气。例如，ALD技术已经在美国专利No.7,422,636、No.7,402,210、No.6,511,539和No.6,820,570中公开，这些专利通过引用全文并入本文。
如果在每个工艺步骤中注入到腔室中的前驱物保留在腔室中，则通过源前驱物和反应剂前驱物的反应而发生气相反应(称作CVD反应)。因此，仅需要以高速工作的用于ALD的阀门来执行ALD，并且必须要执行吹扫和/或抽气以便使得没有前驱物保留在腔室内。此时，用于ALD的阀门需要大量的操作次数。例如，对于注入源前驱物、吹扫、注入反应剂前驱物、吹扫等等的每个工艺，通常需要超过103的操作次数来沉积具有100nm厚度的原子层。结果，阀门的寿命缩短，其可靠性也降低。当以高速操作的阀门的操作次数增加时，就会发生与阀门寿命相关的问题，例如误操作或颗粒。
然而，当使用ALD来形成薄膜时，重要的是形成具有满足器件的需求的均匀特性(即，物理特性、化学特性和电学特性)的薄膜。就这一点而言，在注入源和反应剂前驱物的过程中，相应的源前驱物和反应剂前驱物到达衬底的次数需要相等。在其中用于ALD的前驱物平行注入至衬底的错流或行波类型的反应器中，当衬底从邻近前驱物注入部分的一侧移至排气部分一侧时，逐渐发生吸附现象。因此，吸附现象体现为时间的函数。具体地，对于大面积衬底而言，这种现象变得更明显，并且因此薄膜的组分、厚度或特性依赖于衬底每个部分而变化。具体地，分别定位于注入和排气部分处的薄膜的组分、厚度或特性相互不同。
在用于接收前驱物的反应器中，前驱物沿垂直于衬底的方向注入以便避免该问题。然而，当前驱物的注入部分(通常为淋浴头)与衬底之间的距离较短时，薄膜的厚度会由通过其注入前驱物的淋浴头的孔洞的邻近区域中的邻近现象而增大或减小，并因此得到具有淋浴头的孔洞图案的不规则薄膜。因此，注入部分与衬底之间的距离必须足够大。结果，增加了腔室的空间部分。此外，因为为了前驱物在衬底表面上的饱和吸收，需要足够量前驱物填充在腔室内部，所以要求大量的前驱物。此外，源前驱物和反应剂前驱物不能彼此接触，以避免CVD反应。因此，花费大量时间执行足够的吹扫和/或抽气以便防止源前驱物或反应剂前驱物保留在腔室内。此外，因为源前驱物和反应剂前驱物从相同的排气管线排出，所以这些前驱物反应产生反应副产品(例如粉末、胶等等)。因此，不但产出了更薄的薄膜，而且器件的可靠性、耐用性和经济性也下降。
在美国专利No.6,821,563中，例如，流经多个气体端口的气流供应至衬底，并且吹扫端口和抽气端口相互邻近安装，以使得通过连续注入前驱物的同时进行吹扫和抽气来执行ALD。然而，安装了用于使端口相互隔离或分隔的隔墙，并且抽气端口分别定位在每个分区的两侧。因此，其结构是复杂的。此外，因为分区仅作为用于使端口相互隔离的物理屏蔽，因此存在结构性限制，该结构限制在于抽气端口必须定位在每个前驱物经其注入或吹扫的端口的两侧(或左侧和右侧)上。
发明内容
各个实施例提供了一种闭合环路类型的气相沉积反应器，该反应器在其内部执行一系列工艺，即在衬底上吸附源前驱物或反应剂前驱物，解吸源前驱物或反应剂前驱物的物理吸附层，以及向外排出所解吸的分子层。
在一个实施例中，气相沉积反应器包括至少一个第一注入部分。该至少一个第一注入部分注入第一材料。气相沉积反应器的第一部分具有形成在其中的第一凹槽。该第一凹槽连接至至少一个第一注入部分以接收第一材料。第二部分邻近于该第一部分并且具有形成在其中的第二凹槽。该第二凹槽连接至该第一凹槽以便使该第一材料经由第一凹槽。第三部分具有在其中形成的第三凹槽，第三凹槽连接至第二凹槽并且经由第二凹槽接收第一材料。通过排气部分，将第三凹槽的压力维持为低于第一凹槽的压力。衬底移动经过第一凹槽、第二凹槽以及第三凹槽，以便在其表面中吸附该第一材料。
在一个实施例中，第一部分包括多个第一凹槽，并且第二部分包括多个第二凹槽。气相沉积反应器可以通过顺次地连接第一凹槽中的一个、第二凹槽中的一个、第三部分的第三凹槽、第一凹槽的另一个以及第二凹槽的另一个来配置。
在一个实施例中，气相沉积反应器进一步包括附加的第一部分和附加的第二部分。附加的第一部分和附加的第二部分具有分别形成在其中的附加的第一凹槽以及附加的第二凹槽。在附加的第二凹槽中的压力低于在附加的第一凹槽中的压力。附加的第一凹槽和附加的第二凹槽用第二材料填充。衬底移动经过该第一凹槽和第二凹槽以在衬底上吸附该第二材料。
附图说明
从结合附图的所给出的优选实施例的以下描述中，本发明的上述方面以及其他方面、特征和优点将变得明显，其中：
图1A是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图1B是根据一个实施例的、图1A的气相沉积反应器的底视图。
图1C是根据一个实施例的、图1A的气相沉积反应器中的第一部分的剖视图。
图1D是根据一个实施例的、图1A的气相沉积反应器中的第二部分的剖视图。
图1E是根据一个实施例的、图1A的气相沉积反应器中的第三部分的剖视图。
图2A至图2D是根据一些实施例的气相沉积反应器的局部剖视图。
图3是根据一个实施例的气相沉积反应器的底视图。
图4A至图4C是根据一个实施例的、图3的气相沉积反应器的局部剖视图。
图5是根据又一实施例的气相沉积反应器的底视图。
图6A至图6C是根据一个实施例的、图5的气相沉积反应器的局部剖视图。
图7A至图7C是根据一个实施例的气相沉积反应器的局部剖视图。
图8A是根据一个实施例的气相沉积反应器的底视图。
图8B和图8C是根据一个实施例的、图8A的气相沉积反应器的局部剖视图。
图9A和图9B是根据一个实施例的气相沉积反应器的局部剖视图。
图10A是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图10B是根据一个实施例的、图10A的气相沉积反应器的底视图。
图11是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图12是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图13A是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图13B是根据一个实施例的、图13A的气相沉积反应器的底视图。
图14是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图15A是根据一个实施例的气相沉积反应器的剖视图。
图15B是根据一个实施例的、图15A的气相沉积反应器的底视图。
图16A至图16C是图示了根据实施例的用于形成薄膜的方法的流程图。
图17A至图17E是根据实施例的、包括气相沉积反应器的原子层沉积(ALD)设备的示例性剖视图。
图18A至图18D是根据实施例的包括气相沉积反应器的ALD设备的示例性平面图。
图19是根据一个实施例的使用气相沉积反应器的实验设备的示意图。
图20是根据一个实施例的、图19的实验设备中的气相沉积反应器的一部分的示意透视图。
图21A是根据一个实施例的、图19的实验设备的示意性剖视图。
图21B是根据一个实施例的、图19的实验设备的同轴等离子体发生器的示意性剖视图。
图22A至图22D是根据一个实施例的、使用气相沉积反应器形成的TiN薄膜的扫描电镜(SEM)照片。
图23A至图23D是根据一个实施例的、使用气相沉积反应器形成的TiN薄膜的透射电镜(TEM)照片。
图24A至图24D是根据一个实施例的、使用气相沉积反应器形成的TiN薄膜的TEM照片。
具体实施方式
以下将参照在其中示出了示例性实施例的附图来更完全描述示例性实施例。然而，本发明可体现为多种不同形式，并且不应当被解释成限定于在此阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例以使得本公开透彻和完整，并且向本领域技术人员传达本公开的范围。在说明书中，将省略对公知特征和技术的细节以避免不必要地模糊本发明实施例。
在此所用的术语目的仅在于描述特定实施例并且不意在限制本公开。如在此所用的，除非上下文明确给出相反指示，否则单数形式“一”、“一个”、“所述”意在也包括复数形式。此外，术语“一”、“一个”等的使用不表示数量的限定，而是表示存在所参考的至少一个所述项目。术语“第一”、“第二”等等的使用并非暗示任何特定顺序，而是包括它们来标识各个元件。此外，术语第一、第二等的使用并非表示任何顺序或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件加以区分。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括了”、或“包含”和/或“包含了”时，这些术语指定了存在所阐述的特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。
除非相反限定，否则在此所用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本领域技术人员通常理解的相同含义。还将理解的是，这些术语(例如那些经常使用的字典中所定义的)应当被解释为具有与它们在相关领域以及本发明的上下文中含义一致的含义，并且并不应当以理想的或过度正式的意义解释，除非在此特别限定。
在附图中，图中类似的附图标记表示类似元件。附图的形状、大小和区域等等为了清晰起见可能夸大。
图1A是根据实施例的气相沉积反应器的剖视图。图1B是图1A的气相沉积反应器的底视图。气相沉积反应器的本体9包括第一部分10、第二部分20和第三部分30。在第一部分10、第二部分20和第三部分30中形成的凹槽或空间可相互连接以允许气体连通。气相沉积反应器可以包括一个或多个注入部分11，以用于将反应材料注入到第一部分10中。注入部分11可连接至通道12，反应材料通过通道12输运。
例如，当气相沉积反应器用于原子层沉积(ALD)时，反应材料可以为源前驱物或反应剂前驱物。源前驱物可以依赖于最终将要在气相沉积反应器中形成的薄膜的种类来决定。例如，源前驱物可以为包含了用于形成金属、绝缘体或半导体薄膜的原子的化合物，并且有机化合物或无机化合物也都可用作源前驱物。反应剂前驱物是通过与源前驱物反应和/或将源前驱物置换为反应剂前驱物而形成金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体用材料等等的材料，由此得到薄膜。例如，反应剂前驱物可包括H2O、H2O2、O2、N2O、NO、O3、O*自由基、NH3、NH2-NH2、N*自由基、CO、CO2、CH4、C2H6、H2和H*自由基的一个或多个。
在一个实施例中，可以通过将衬底移动经过气相沉积反应器来将衬底(未示出)从第一部分10传递至第三部分30，以使得原子层或分子层薄膜形成在衬底上。例如，衬底可邻近气相沉积反应器的下部而以线性或旋转方式移动，以使得薄膜形成在衬底上。在另一实施例中，衬底固定，而气相沉积反应器可相对于衬底移动。
第一部分10和第二部分20包括形成在气相沉积反应器本体9的底部上的方柱形凹槽并且具有预定的宽度WE和WC、高度H和Z以及长度L。第三部分30可以具有预定的宽度WX和长度L，并且第三部分30的上部可连接至排气部分32，在排气部分32中形成排气部分31。气相沉积反应器的结构仅为示意性的。也就是说，第一部分10至第三部分30的形状可依赖于气相沉积反应器的目的而被配置成不同于上面所述的。
第一部分10至第三部分30的每个的宽度在此指的是形成在第一部分10至第三部分30中的凹槽的平行于衬底移动方向上的尺度。此外，第一部分10至第三部分30的每个的长度指的是第一部分10至第三部分30中的每一个在垂直于衬底移动方向上的尺度。此外，第一部分10和第二部分20的每个的高度指的是本体9的下表面与在第一部分10和第二部分20中的相应的凹槽的内部上表面之间的距离。
形成在衬底上的薄膜的特性可至少部分地基于第一部分10的宽度WE和高度H、第二部分20的宽度WC和高度Z、第三部分30的宽度WX以及衬底的移动速率v来确定。例如，假设衬底的移动速率是v，并且衬底穿过其从第一部分10传递到第三部分30的对应部分的宽度是x，则衬底针对对应部分的暴露时间由以下方程确定：
t＝x/v            (1)
第一部分10的凹槽可以用通过注入部分11注入的反应材料填充。如果衬底以移动速率v移动经过第一部分10的下部，则衬底暴露于反应材料的时间为WE/v。结果，反应材料的物理吸附和化学吸附层可以形成在衬底上。当第一部分10的宽度WE增大时，增大量的反应材料被供应至第一部分10。当第一部分10的宽度WE减小时，反应材料吸附在衬底上的概率降低。因此，在设计气相沉积反应器时，第一部分10的宽度WE可基于反应材料的特性而确定。当反应材料的气流压力增大时，第一部分10的宽度WE可以降低，和/或衬底的移动速率v可以增大。结果，可以调整吸附在衬底上的反应材料的量，这是因为衬底驻留在第一部分10处的时段减小。
经过第一部分10的下部的衬底随后经过第二部分20的下部。第二部分20的凹槽中的压力PC可以相对低于第一部分10的凹槽中的压力PE(PC＜PE)。结果，吸附在衬底上的反应剂前驱物的一部分可以在衬底经过第二部分20的下部的时间WC/v期间解吸。例如，当衬底经过第二部分20的下部时，反应材料的物理吸附层可从衬底的表面解吸。
经过第二部分20的下部的衬底随后经过第三部分30的下部。当衬底经过第二部分20时从衬底解吸的反应材料可通过排气部分31以衬底经过第三部分30的下部的时间WX/v被排出至气相沉积反应器的外部。结果，反应材料的物理吸附层至少部分地从衬底移除，但是反应材料的化学吸附层保留在衬底上。在一个实施例中，第三部分30中的压力PX可相对低于第一部分10中的压力PE(PX＜PE)。
如上所述，当衬底经过气相沉积反应器的第一部分10至第三部分30时，执行一系列工艺。在该系列工艺期间，衬底暴露于诸如源前驱物和/或反应剂前驱物的反应材料，并且反应材料吸附在衬底的表面中。然后，反应材料的物理吸附层至少部分地从衬底移除从而从衬底解吸，而反应材料的化学吸附层则形成在衬底上。
上述工艺可以通过在一个气相沉积反应器中使用源前驱物作为反应材料而执行，并且上述工艺可通过在后续气相沉积反应器中使用反应剂前驱物作为反应材料而执行。结果，衬底经过了吸附源前驱物、移除物理吸附层、吸附反应剂前驱物以及移除物理吸附层的四个工艺，从而在衬底上形成薄膜。所产生的薄膜可以为原子层或单分子层或者可以包括多个分子层。衬底经过填充有源前驱物的气相沉积反应器的移动速率可以被控制为等于或不同于衬底经过填充有反应剂前驱物的气相沉积反应器的移动速率。
上述工艺也可以通过使用单个气相沉积反应器而将源前驱物和反应剂前驱物交替注入到气相沉积反应器的第一部分10的凹槽中来执行。例如，用于ALD的阀门(未示出)及其驱动单元可以连接至通道12。源前驱物和反应剂前驱物可根据阀门的开启或关闭而以交替方式喷入。此外，惰性气体可在源前驱物和反应剂前驱物的每个的注入之后作为吹扫气体注入。在此情况下，经过第一部分10的衬底经受以下四个步骤：吸附源前驱物、注入惰性气体、吸附反应剂前驱物以及注入惰性气体。结果，原子层薄膜可以形成在衬底上。当衬底经过第二部分20和第三部分30时，吸附在衬底上的前驱物和/或惰性气体的一部分可以从衬底解吸并且排出。
当源前驱物、惰性气体和反应剂前驱物以交替方式注入到单个气相沉积反应器中时，经过单个气相沉积反应器的衬底的移动速率可相对小于经过另一个在其中仅有源前驱物和反应剂前驱物之一被注入的气相沉积反应器的衬底的移动速率。例如，当衬底经过第一部分10时，衬底移动速率可以被控制为使得衬底依次暴露于源前驱物、惰性气体、反应剂前驱物和惰性气体。当根据上述工艺执行ALD时，原子层薄膜可通过使用单个气相沉积反应器来形成。因此，使用相同数目的气相沉积反应的原子层薄膜的数目可以增加。
同时，气相沉积反应器的下部可以与衬底隔开。例如，气相沉积反应器的下部可以与衬底隔开为约0.5mm至几毫米。备选地，气相沉积反应器的下部与衬底之间的间距可以为约1mm。当气相沉积反应器的下部与衬底之间的间距足够小时(例如，当气相沉积反应器下部和衬底之间的间距为约1mm或更小时)，从气相沉积反应器泄漏到外部的反应材料的量可以忽略。然而，为了最小化泄漏的反应材料的量，惰性气体可以注入在气相沉积反应器周围，或者可以在气相沉积反应器周围执行抽气。在此情况下，惰性气体可包括选自由N2、Ar和He构成的群组中的一种或多种气体。
第一部分10和第二部分20的形状影响吸附在衬底上的反应材料的有效解吸。使用具有各种不同形状的第一部分10和第二部分20来进行实验，以导出与反应材料的解吸有关的参数。例如，三甲基铝(TMA)一秒内足够地吸附在维持在约250℃下的衬底上，并且衬底然后传递经过气相沉积反应器的下部。此时，例如Ar气的惰性气体可以注入到第一部分10中。因为当衬底经过第二部分20的下部时Ar气的压力降低，所以吸附在衬底上的TMA分子解吸，并且解吸的TMA分子与Ar气一起经由第三部分30排出至外部。在此情况下，在改变第一部分10和第二部分20的形状时检验解吸。备选地，可以使用由气相沉积反应器形成的原子层薄膜的厚度来检验解吸。
使用在其中第一部分10的高度H大于第一部分10的宽度WE的气相沉积反应器来检验第一部分10的宽度WE、第二部分20中的凹槽的高度z与解吸之间的相关性。结果，得到以下表1的结果。此时，在其中第一部分10的宽度WE等于第三部分30的宽度WX并且第二部分20的宽度WC约为第一部分10的宽度WE的1/2的状态下进行实验。
表1
Figure BPA00001480177300121
此外，使用在其中第一部分10的高度H大于第一部分10的宽度WE的气相沉积反应器来检验第二部分20的宽度WC、第二部分的高度z和解吸之间的相关性。结果，得到以下表2。在其中第一部分10的WE等于第三部分30的宽度WX并且第二部分20的高度z约为第一部分10的宽度WE的1/2的状态下进行实验。
表2
Figure BPA00001480177300122
另一方面，使用其中第一部分10的高度H小于第一部分10的宽度WE的气相沉积反应器来检验第一部分10的高度H、第二部分的高度z和解吸之间的相关性。结果，得到以下表3。在其中第二部分20的宽度WC约为第三部分30的宽度WX的1/2的状态下进行实验。
表3
Figure BPA00001480177300131
在表1至表3中，当第二部分20的高度z为零时，反应材料泄漏并且扩散至气相沉积反应器的周围，因此无法评估由第二部分20引起的解吸。在表1至3中未示出当第二部分20的高度z为零时得到的结果。
从表1至表3的结果可以看出，解吸效果随着第二部分20的高度z的减小而增大。此外，也可以看出，当第二部分20的高度z为常数时，解吸效果也随着第二部分20的宽度WC增大而增大。在一个实施例中，第二部分20的宽度WC可大于第二部分20的高度z的约1/2。在另一实施例中，第二部分20的高度z可大于零并且等于或小于第一部分10的宽度WE的2/3。备选地，第二部分20的高度z可大于零并且等于或小于第一部分10的高度H。在又一实施例中，第二部分20的高度z可等于或小于第三部分30的宽度WX。
图1C是上述气相沉积反应器中的第一部分10的剖视图。图1D是气相沉积反应器中的第二部分20的剖视图。图1E是气相沉积反应器中的第三部分30的剖视图。
参照图1E，为了最大化当衬底经过第三部分30时的电导率，第三部分30中的连接至排气部分31的曲线可以被配置为在多个部分301、302和303处具有相互不同的曲率。例如，因为在一个部分301处的曲率为负(-)值，所以部分301具有从第三部分30向外凹的形状。同时，因为在另一部分303处的曲率为正(+)值，所以部分303具有从第三部分30向内凸的形状。另一部分302对应于两个部分301和303之间的拐点。
图2A是根据实施例的气相沉积反应器中的第二部分20的局部剖视图。第一部分10、第二部分20和第三部分30被提供在气相沉积反应器的本体209的下部。第二部分20定位在第一部分10和第三部分30之间。第二部分具有由隔墙200限定的凹槽，隔墙200具有预定宽度WC并且被定位在距离衬底40预定距离z处。第二部分20的压力P2低于第一部分10中的压力P1。结果，当衬底经过第二部分20时，吸附在衬底40上的反应材料的物理吸附层可以由于较低压力而从衬底40解吸。
在图2A所示的第二部分20中，隔墙200的表面被形成为平行于衬底40的表面。然而，在另一实施例中，隔墙200的表面可以形成为具有弯曲的表面形状，该形状相对于衬底40表面具有变化的高度。例如，图2B示出了由隔墙200限定的第二部分20，隔墙200具有朝向衬底40凸起的表面。图2B中所示的隔墙200具有关于其中心对称的下表面。然而，在另一实施例中，隔墙200的下表面可以被形成为非对称的。例如，图2C示出了由隔墙200限定的第二部分20，隔墙200被形成为具有在邻近第一部分10的区域处具有相对大的高度梯度的表面。相反，图2D示出了由隔墙200限定的第二部分20，隔墙200被形成为具有在邻近第三部分30的区域处具有相对大的高度梯度的表面。
同时，在其中多个衬底被装载并且随后在旋转的同时进行沉积的旋转类型的气相沉积反应器的情况下，角速度依赖于旋转半径而变化。例如，当衬底被装载在旋转台上并且该台被激活时，在旋转台外侧的角速度大于在旋转台内侧的角速度。在此情况下，在旋转台外侧处的衬底的一部分经受由气相沉积反应器的工艺的时间不同于在旋转台内侧的衬底的其他部分暴露于气相沉积反应器的时间，并且因此在两个部分处的反应材料的解吸比率相互不同。
图3是当衬底经过气相沉积反应器的速率依区域而不同时所使用的气相沉积反应器的底视图。图4A是沿图3的线A-A’截取的第二部分的剖视图。图4B是沿图3的线B-B’截取的第二部分的剖视图。图4C是沿图3的线C-C’截取的第二部分的剖视图。
参照图4A至图4C，在气相沉积反应器的部分C-C’处第二部分20中的凹槽的高度Z3可以小于在气相沉积反应器的部分A-A’处第二部分20中的凹槽的高度Z1(Z1＞Z3)。在气相沉积反应器的部分B-B’处第二部分20的高度Z2可以具有在气相沉积反应器的两端部分处第二部分20的高度Z1和Z3之间的值(Z1＞Z2＞Z3)。当第二部分20的高度减小时，第二部分20中的压力减小，并且因此在经过相应部分的衬底上反应材料的解吸率增大。因此，以较高速率移动的部分经过气相沉积反应器的部分C-C’，而以较低速率移动的部分经过气相沉积反应器的部分A-A’，借此均衡了在整个衬底区域之上的解吸率。
图5示出了当衬底经过气相沉积反应器的速率依区域而不同时所使用的另一气相沉积反应器的底视图。图6A是沿图5的线A-A’截取的第二部分的剖视图。图6B是沿图5的线B-B’截取的第二部分的剖视图。图6C是沿图5的线C-C’截取的第二部分的剖视图。
参照图6A，气相沉积反应器的部分A-A’处隔墙200的表面可以平行于衬底40。在此情况下，隔墙200的整个宽度变为部分A-A’处第二部分20的有效宽度Weff1。参照图6B，气相沉积反应器的部分B-B’处隔墙200的表面可具有相对于衬底40的倾斜度。在此情况下，部分B-B’处第二部分20的有效宽度Weff2被限制在隔墙200表面平行于衬底40的区域内，并且因此小于部分A-A’处第二部分20的有效宽度Weff1(Weff1＞Weff2)。参照图6C，当气相沉积反应器的部分C-C’处隔墙200的倾斜度更多地增大时，部分C-C’处第二部分20的有效宽度Weff3小于部分B-B’处第二部分20的有效宽度Weff2(Weff2＞Weff3)。
图7A至图7C为根据又一实施例的气相沉积反应器中的第二部分的剖视图。参照图7A至图7C，根据该实施例的气相沉积反应器可以具有通过组合图4A至图4C所示的结构与图6A至图6C所示的结构而得到的结构。也就是说，第二部分20的高度可从气相沉积反应器的一端部分至另一端部分逐渐减小(Z1＞Z2＞Z3)。此外，当衬底40从气相沉积反应器的一端部分传输至另一端部分时，隔墙200的倾斜度增大，并且因此第二部分20的有效宽度可以逐渐减小(Weff1＞Weff2＞Weff3)。
同时，气相沉积反应器的形状可以依赖于反应材料的种类和特性而调整。具体地，因为吸附和解吸特性依赖于第二部分的形状而不同，所以第二部分的形状可以基于所使用的反应材料而优化。例如，当具有低蒸汽压和/或高粘度的前驱物用作反应材料时，需要具有相对高解吸率的结构。当具有高蒸汽压和/或低粘度的前驱物用作反应材料时，需要具有相对低解吸率的结构。第二部分的特性可以针对一个气相沉积反应器中的不同的反应材料而改变。
图8A是根据又一实施例的、被配置成改变第二部分特性的气相沉积反应器的底视图。根据该实施例的气相沉积反应器可以包括限定了第二部分的隔墙200以及形成隔墙200的至少部分区域的可调翼210。
图8B是图8A的气相沉积反应器中的第二部分的剖视图。图8C是当可调翼210移动至驱动位置时图8A的气相沉积反应器中的第二部分的剖视图。如果可调翼210从图8B所示的初始位置移动至图8C所示的驱动位置，则有效高度Zeff相对于初始高度Z0减小。因为经过第二部分20的气体的路径由于可调翼210而被拉长，所以邻近可调翼210的区域25中的压力进一步减小。因此，尽管使用了具有相同排气能力的气相沉积反应器，但是反应材料的解吸率可由可调翼210改变，并且因此可以改变薄膜的沉积特性。此外，具有不同化学特性(例如粘度或气压)的反应材料可以用在相同的气相沉积反应器中。
同时，当可调翼210被定位在图8C所示的驱动位置时，从衬底40解吸的反应材料可以进入隔墙200与可调翼210之间的缝隙。为了解决这一问题，惰性气体可以被注入作为隔墙200与可调翼210之间的屏蔽气体。
图9A是包括在隔墙和可调翼之间的屏蔽气体的注入部分的、在气相沉积反应器中的第二部分20的剖视图。图9B是当可调翼210被移动至驱动位置时图9A的气相沉积反应器中的第二部分的剖视图。通道22以及一个或多个注入部分21可以形成在可调翼之上的隔墙200中的区域处。惰性气体可以通过注入部分21作为屏蔽气体而注入。例如，惰性气体可以包括选择由N2、Ar和He构成的群组中的一种或多种。惰性气体以比第二部分20中高的压力注入，以使得可防止从衬底40解吸的反应材料进入隔墙200和可调翼210之间的缝隙。
在参照图8和图9描述的实施例中，可调翼210插入到隔墙200中，以改变第二部分20的局部区域的形状。然而，在另一实施例中，隔墙200的位置可以在衬底40前进的方向上移动。如果隔墙200的位置改变，则第一部分10的宽度WE和与第二部分20的宽度WC的比率WE/WC也改变，并且因此吸附在衬底40上的反应材料的量也改变。例如，当隔墙200从其初始位置朝向第一部分10移动时，反应材料的解吸量可在第一部分10中减小。另一方面，当隔墙200从其初始位置朝向第二部分20移动时，反应材料的吸附量可在第一部分10中增大。
在又一实施例中，可调翼210可以改变隔墙200与衬底40之间的距离z，即，第二部分20的高度z。如果隔墙200与衬底40之间的距离减小，则第二部分20的高度z减小，并且第二部分20中的压力减小。因此，反应材料从衬底40的解吸率可以增大。另一方面，如果隔墙200与衬底40之间的距离增大，则第二部分20的高度z增大，并且第二部分20中的压力增大。因此，反应材料从衬底40的解吸率可以减小。
根据前述实施例，通过使用可调翼，具有不同粘度的反应材料可以在具有相同大小的气相沉积反应器中使用。此外，原子层薄膜的沉积特性和/或吸附的分子的解吸率可以通过使用气相沉积反应器来改变。
图10A是根据又一实施例的气相沉积反应器的剖视图。图10B是图10A的气相沉积反应器的底视图。气相沉积反应器包括本体309。在本体309中形成了一个或多个用于注入反应材料的第一注入部分11，以及一个或多个用于注入惰性气体的第二注入部分13。第一注入部分11可以连接至第一通道12，反应材料通过第一通道12输运，并且第二注入部分13可以连接至第二通道14，惰性气体通过第二通道14输运。第一通道12可以连接至转移管线120，反应材料通过转移管线120从气相沉积反应器的外部注入，并且第二通道14可以连接至转移管线140，惰性气体通过转移管线140从气相沉积反应器的外部注入。第一注入部分11和第二注入部分13提供在第一部分10中，以利用反应材料和惰性气体填充第一部分10中的凹槽。
如图10A所示，第二注入部分13被设置成比第一注入部分11更远离衬底(即，第二注入部分13具有更高的高度)。但是，实施例仅用于示意目的。在另一实施例中，如图11所示，气相沉积反应器包括其中形成有第一注入部分11和第二注入部分13的本体409，其中第二注入部分13被形成在比第一注入部分11更靠近衬底的位置处。备选地，如图12所示，第一注入部分11和第二注入部分13可以形成在离衬底大致相同的距离处。
通过使用上述的气相沉积反应器，惰性气体可与源前驱物或反应剂前驱物一起被注入到第一部分10的凹槽中。惰性气体功能在于当衬底经过第二部分20时吹扫吸附在衬底上的反应材料，并且因此保留在衬底上的物理吸附层的量少于当仅使用源前驱物或反应剂前驱物时保留在衬底上的物理吸附层的量。因此，气相沉积反应器有利于形成原子单层。
图13A是根据又一实施例的具有用于一起注入惰性气体和反应材料的本体609的气相沉积反应器的剖视图。图13B是图13A的气相沉积反应器的底视图。一个或多个注入部分11以及一个或多个第二注入部分13可以交替地布置在垂直于衬底移动方向的一条线上。
图14是根据又一实施例的用于一起注入惰性气体和反应材料的气相沉积反应器的剖视图。参照图14，气相沉积反应器可包括本体709，在该本体709中仅形成有一个注入部分11和一个通道12。然而，与通道12相连以允许材料经其注入的转移管线120可以由阀门V3划分为两个相互不同的转移管线121和122。每个转移管线121和122中的材料流可通过阀门V1和V2来控制。
通过使用气相沉积反应器，阀门V1至V3被开启或关闭，以使得两种不同材料(例如，反应材料和惰性气体)可以通过一个注入部分11和一个通道12注入到第一部分10中。在此情况中，反应材料和惰性气体可以通过同时开启或关闭阀门V1和V2而同时注入到第一部分10的凹槽中。备选地，反应材料和惰性气体可通过交替地开启或关闭阀门V1和V2而分别注入到第一部分10中。同时，多个第一部分可以设置在一个气相沉积反应器中，以使得源前驱物和反应剂前驱物均注入到一个气相沉积反应器中的衬底上。图15A是根据又一实施例的包括具有多个第一部分的本体809的气相沉积反应器的剖视图。图15B是图15A的气相沉积反应器的底视图。
参照图15A和图15B，气相沉积反应器的本体809可包括两个第一部分10和10’、两个第二部分20和20’、以及第三部分30。两个第二部分20和20’可以分别设置在第三部分30的两侧处。两个第一部分10和10’可以分别设置在第二部分20和20’的两个外侧。也就是说，第一部分10、第二部分20、第三部分30、第二部分20’和第一部分10’依次布置在气相沉积反应器中。此外，第三部分30由设置在第三部分30的不同侧处的第二部分20和20’与第一部分10和10’共享。
第一注入部分11和11’可以分别形成在第一部分10和10’中。第一注入部分11和11’可以分别连接至通道12和12’。反应材料可以通过第一注入部分11或11’注入到第一部分10或10’中。通过使用具有定位在气相沉积反应器中的两个第一部分10和10’的气相沉积反应器，当衬底经过一个气相沉积反应器时，反应材料可以两次吸附在衬底上。
作为示例，源前驱物可以注入到第一部分10中，而反应剂前驱物可以注入到第一部分10’中。当经过气相沉积反应器的衬底经过第一部分10时，源前驱物吸附在衬底上。当衬底经过第二部分20、第三部分30和第二部分20’时，源前驱物的物理吸附层解吸并且被排出。当衬底经过第一部分10’时，反应剂前驱物与衬底上的源前驱物反应和/或置换衬底上的源前驱物，借此形成原子层薄膜。如上所述，原子层薄膜的形成被描述为示例。然而，明显的是，化学气相沉积(CVD)也可以使用气相沉积反应器来执行。
第二注入部分13和13’可以进一步形成在相应的第一部分10和10’中。第二注入部分13和13’可以分别连接至通道14和14’。惰性气体可以通过第二注入部分13和13’注入到第一部分10或10’中。当惰性气体与源前驱物或反应剂前驱物一起注入时，其功能在于当衬底经过第二部分20和20’以及第三部分30时吹扫被吸附在衬底上的物理吸附层，以使得更有效地执行解吸。因此，衬底上物理吸附层的量小于当仅注入源前驱物或反应剂前驱物时衬底上的物理吸附层的量。因此，有利于形成原子单层。
同时，形成原子层薄膜之后物理吸附的反应剂前驱物保留在经过气相沉积反应器的衬底上。随后，如果衬底经过另一气相沉积反应器，则物理吸附在衬底上的反应剂前驱物与从新气相沉积反应器注入的源前驱物反应和/或置换，由此形成薄膜。因此，薄膜的沉积速率可以增大。这也称作伪ALD模式。
同时，作为另一示例，源前驱物(或反应剂前驱物)可以作为反应材料注入到第一部分10的凹槽中，并且仅有惰性气体而没有反应材料可注入到第一部分10’的凹槽中。在此情况下，当衬底经过第一部分时，反应材料吸附在衬底上。当衬底经过第二部分20、第三部分30以及第二部分20’时，反应材料解吸并且被排出。反应材料的解吸通过注入第一部分10’中的惰性气体而加速，从而使得可以得到具有优良品质的吸附层。当将要形成原子层薄膜时，需要附加的气相沉积反应器以用于吸附反应剂前驱物(或源前驱物)的目的。然而，可以形成具有极佳特性的原子层薄膜。
在图15A和图15B中所示的气相沉积反应器基于图10A和图10B中所示的气相沉积反应器的形状被设置为使得两个反应器对称地彼此相对布置，而第三部分插入在它们之间。然而，气相沉积仅提供为示意目的。也就是说，气相沉积反应器可以被配置为使得两个反应器基于参照图1至图14所述的前述实施例的形状而布置。
图16A是示出了根据实施例的用于形成薄膜的方法的流程图。步骤S11，反应材料注入到气相沉积反应器的第一部分中。例如，反应材料可以为源前驱物和/或反应剂前驱物。在一个实施例中，步骤S11，惰性气体可以在该工艺中与反应材料一起注入到第一部分中。
随后，步骤S12，相对于第一部分移动衬底，从而使得反应材料吸附在衬底的表面上。此时，在衬底上形成了反应材料的化学吸附层和物理吸附层。衬底相对于第一部分的相对移动可以通过在气相沉积反应器固定的状态中将衬底移动至邻近气相沉积反应器而执行。备选地，气相沉积反应器可以在衬底固定的状态中移动。
随后，步骤S13，相对于第二部分移动衬底，从而使得反应材料的物理吸附层从衬底解吸。就这一点而言，第二部分中的压力可以低于第一部分中的压力。此外，可以通过控制第二部分的定位、宽度及高度和/或通过控制第二部分中的可调翼的定位来调整物理吸附层的解吸量。可以从衬底移除整个物理吸附层。备选地，可以通过允许部分物理吸附层保留在衬底上而提高沉积速率。
随后，步骤S14，相对于第三部分移动衬底，从而使得解吸的反应材料通过排气部分被排出至气相沉积反应器的外部。结果，可以至少部分地移除物理吸附在衬底上的反应材料。通过上述工艺，可以在衬底上形成包括反应材料的化学吸附层的薄膜。
当前述工艺S11至工艺S14重复执行而同时变更反应材料时，例如当通过交替使用源前驱物和反应剂前驱物用作步骤S11中的反应材料来执行前述工艺S11至工艺S14时，可以在衬底上形成原子层薄膜。备选地，源前驱物和反应剂前驱物可以交替地注入到第一部分中以用作单个步骤S11中的反应材料。结果，当前述步骤S11至步骤S14执行一次时，可以在衬底上形成原子层薄膜。在此情况中，源前驱物和反应剂前驱物的每个的注入之后，惰性气体可以作为吹扫气体注入。
图16B是图示了根据另一实施例的用于形成薄膜的方法的流程图。图16B的方法可以使用两个气相沉积反应器来执行。例如，方法可以使用根据参照图1至图14所述的实施例的两个气相沉积反应器来执行。
参照图16B，步骤S12，源前驱物和惰性气体注入到第一反应器的第一部分中，并且衬底相对于第一反应器的第一部分移动。结果，源前驱物可以吸附在衬底的表面上。同时，在另一实施例中，步骤S21，仅有源前驱物而没有惰性气体在工艺步骤中可以注入。
步骤S22，相对于第一反应器的第二部分移动衬底。此时，第二部分中的压力可以低于第一部分中的压力。随后，步骤S23，相对于第一反应器的第三部分移动衬底。当衬底经过第二部分和第三部分时，吸附在衬底上的源前驱物的物理吸附层至少部分地从衬底解吸并且被排出至第一反应器的外部。
步骤S24，反应剂前驱物和惰性气体注入到第二反应器的第一部分中，并且相对于第二反应器的第一部分移动衬底。结果，反应剂前驱物吸附在衬底的表面上，并且吸附在衬底上的源前驱物与吸附在衬底上的反应剂前驱物反应，借此形成原子层薄膜。同时，另一实施例中，步骤S24，仅有反应剂前驱物而没有惰性气体在工艺步骤中注入。
步骤S25，相对于第二反应器的第二部分移动衬底。此时，第二部分中的压力可以低于第一部分中的压力。随后，步骤S26，相对于第二反应器的第三部分移动衬底。当衬底经过第二部分和第三部分时，反应剂前驱物的一部分可以从衬底解吸并且随后被排出至第二反应器的外部。
执行上述步骤(S21至S26)直至形成了具有最终厚度的原子层薄膜(S27)，借此形成具有预期厚度的原子层薄膜。
图16C是示出了根据又一实施例的用于形成薄膜的方法的流程图。图16的方法可以使用包括两个第一部分的气相沉积反应器来执行。例如，该方法可以使用根据参照图15A和图15B所述的实施例的气相沉积反应器来执行。
参照图16C，步骤S31，源前驱物和惰性气体注入到气相沉积反应器的主要第一部分，相对于主要第一部分移动衬底。结果，源前驱物可以吸附在衬底的表面上。同时，另一实施例中，步骤S31，仅有源前驱物而没有惰性气体在工艺步骤中可以注入。
步骤S32，相对于主要第二部分移动衬底。此时，第二部分中的压力可以低于第一部分中的压力。然后，步骤S33，相对于第三部分移动衬底。然后，步骤S34，相对于次要第二部分移动衬底。当衬底经过两个第二部分以及第三部分时，吸附在衬底上的源前驱物的物理吸附层至少部分地解吸并且被排出到气相沉积反应器的外部。
步骤S35，反应剂前驱物和惰性气体注入到气相沉积反应器的次要第一部分中，并且相对于次要第一部分移动衬底。结果，反应剂前驱物被吸附在衬底的表面上，并且当衬底经过主要第一部分时所吸附的源前驱物与反应剂前驱物反应，借此在衬底上形成原子层薄膜。在另一实施例中，步骤S35，仅有反应剂前驱物而没有惰性气体在工艺中被注入。
执行上述工艺(S31至S35)直至在步骤S36形成具有最终厚度的原子层薄膜，借此得到具有预期厚度的原子层薄膜。
图17A是示出了在其中根据一实施例的气相沉积反应器应用于原子层沉积(ALD)设备的示例的剖视图。ALD设备可以被配置为使得每个都具有第一部分10、第二部分20和第三部分30的一个或多个气相沉积反应器1和2被设置在腔室5中。衬底40由承载器400支撑，并且被移动经过每个气相沉积反应器的下部。可以使用泵或类似物而将腔室5的内部控制为处于真空状态。腔室5的内部的除了邻近衬底40的区域之外可以利用填充物50填充。填充物50可以由与腔室5的外壁相同的材料制成。
在ALD设备中，源前驱物和惰性气体可以填充在第一气相沉积反应器1的第一部分中。此外，反应剂前驱物和惰性气体也可以填充在第二气相沉积反应器2的第一部分10中。当衬底40经过第一气相沉积反应器1的第一部分10时，源前驱物可以吸附在衬底40上。随后，当衬底40经过第一气相沉积反应器1的第二部分20和第三部分30时，压力被降低。因此，吸附在衬底40上的源前驱物的物理吸附层从衬底40解吸并且被排出到第一气相沉积反应器1的外部。
随后，当衬底经过第二气相沉积反应器2的第一部分10时，反应剂前驱物可以吸附在衬底40上。反应剂前驱物与吸附在衬底上的源前驱物反应，借此形成原子层薄膜。随后，当衬底40经过第二气相沉积反应器2的第二部分20和第三部分20时，反应剂前驱物至少部分地从衬底40解吸并且被排出到第二气相沉积反应器2的外部。此时，源前驱物和反应剂前驱物分别从第一和第二气相沉积反应器1和2注入以及排出。因此，源前驱物和反应剂前驱物不相互接触。因此，可以使例如排气管线中产生的粉末或胶或反应剂产物的反应剂副产物最小化。
图17B是示出了在其中根据另一实施例的气相沉积反应器应用于ALD设备的示例的剖视图。气相沉积反应器与图17A所示的类似，但是第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2由填充物50相互分隔开预定间距。因此，可以使注入到第一气相沉积反应器1中的源前驱物与注入到第二气相沉积反应器2的中反应剂前驱物之间的混合最小化。此时，第一气相沉积反应器1与第二气相沉积反应器2之间的间距可以基于衬底40与第一气相沉积反应器10和第二气相沉积反应器2之间的间距、用于对腔室5抽气的泵(未示出)的性能、源前驱物和反应剂前驱物的特性和/或类似物来确定。
图17C是示出了在其中根据又一实施例的气相沉积反应器应用于ALD设备的示例的剖视图。参照图17C，气相沉积反应器与图17B所示的类似，但是一个或多个注入部分51以及连接到注入部分51的通道52被形成在第一气相沉积反应器1与第二气相沉积反应器2之间的填充物50中。惰性气体可以通过通道52和注入部分51注入。可以通过惰性气体来大大降低气体在第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2之间被混合的概率。
图17D是示出了在其中根据又一实施例的气相沉积反应器应用于ALD设备的示例的剖视图。参照图17D，气相沉积反应器与图17C所示的类似，但是用于注入惰性气体的注入部分51和通道52不仅形成在第一气相沉积反应器1与第二气相沉积反应器2之间，还形成在第一气相沉积反应器1与第二气相沉积反应器2的外侧。
在图17C和图17D所示的ALD设备中，腔室5的内部由独立的泵(未示出)抽气。因此，通过注入部分51注入的惰性气体可以被控制为具有比在第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的每个的第一部分10中的压力更高的压力。结果，第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2周围的压力可以比第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的第一部分10中的压力更高。因此，可以使源前驱物和反应剂前驱物向第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的外部的泄漏最小化。
已在图17A至图17D中示出了使用图10A和图10B所示的气相沉积反应器作为第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的ALD设备。然而，ALD设备仅提供用于示意目的。也就是说，ALD设备可以使用根据其他实施例的气相沉积反应器来配置。例如，ALD设备可以使用包括两个第一部分的气相沉积反应器来配置。
图17E是使用包括两个第一部分的气相沉积反应器的配置的ALD设备的剖视图。在该ALD设备中，第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的每个均可以包括两个第一部分10和10’，两个第二部分20和20’以及第三部分30。在如上配置的ALD设备中，源前驱物可以注入到第一气相沉积反应器1的主要第一部分10中，并且惰性气体可以注入到第一气相沉积反应器1的次要第一部分10’中。反应剂前驱物可以注入到第二气相沉积反应器2的主要第一部分10中，并且惰性气体可以注入第二气相沉积反应器2的次要第一部分10’中。
当衬底40经过第一气相沉积反应器1时，执行以下工艺。首先，当衬底40经过主要第一部分10时，源前驱物可以吸附在衬底上。当衬底40经过主要第二部分20和第三部分30时，源前驱物的物理吸附层可以解吸并且被排出。随后，当衬底40经过次要第二部分20’时，注入到次要第一部分10’中的惰性气体经过次要第二部分20’。因此，压力被降低，并且因此发生附加的解吸。通过上述步骤，可以仅有纯化学吸附层保留在经过第一气相沉积反应器1的衬底40上。
当衬底40经过第二气相沉积反应器2时执行的工艺与当衬底经过第一气相沉积反应器1时执行的工艺类似地执行。然而，第二气相沉积反应器2与第一气相沉积反应器1的不同之处在于，反应剂前驱物注入第二气相沉积反应器2的主要第一部分10中。反应剂前驱物与吸附在衬底40上的源前驱物的化学吸附层反应，从而使得可以在经过所有第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的衬底上形成单分子层的原子层薄膜。
如上所述，包括在参照图17A至图17E所述的ALD设备中的气相沉积反应器的形状仅出于示意目的而提供。也就是说，本领域技术人员容易理解的是，ALD设备可以使用根据本公开所描述的其他实施例或者未在此描述的各种变形的气相沉积反应器来配置。
图18A是包括根据一个实施例的气相沉积反应器的ALD设备的平面图。参照图18A，在ALD设备中，衬底40可以由承载器400支撑，并且被设置在可以旋转移动的旋转台410上。第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2设置在旋转台410上。第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2可以被设置为使得当旋转台410旋转时，衬底40依次经过第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的下部。第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2的数目以及形状仅出于示意目的而提供。气相沉积反应器1和2的形状和/或数目可以基于将要形成的薄膜的特性而合适地控制。
图18B是包括根据另一实施例的气相沉积反应器的ALD设备的平面图。参照图18B，配置了一对第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2，并且可以布置一个或更多对的第一气相沉积反应器1和第二气相沉积反应器2。每当衬底40经过第一气相沉积反应器和第二气相沉积反应2的各个对的每个的下部时，可以形成一层薄膜。
图18C是包括根据又一实施例的气相沉积反应器的ALD设备的平面图。参照图18C，ALD设备可以使用各自均包括两个第一部分10和10’、两个第二部分20和20’以及第三部分30的气相沉积反应器来配置。源前驱物和反应剂前驱物分别注入到两个第一部分10和10’中，从而使得每当衬底40经过气相沉积反应器1的每个时就可以在衬底40上形成一层原子层薄膜。备选地，源前驱物和惰性气体可以分别注入到一个气相沉积反应器1的两个第一部分10和10’中，并且反应剂前驱物和惰性气体可以注入到后续气相沉积反应器1的两个第一部分10和10’中。
在参照图18A至图18C所述的实施例中，旋转台410被旋转，并且因此在旋转台410的内侧处移动的衬底40的角速度不同于在旋转台的外侧处移动的衬底40的角速度。结果，形成在经过气相沉积反应器1和2的衬底上的薄膜的厚度和/或特性可以不均匀。为了解决该问题，承载器400与旋转台410的旋转相分离地旋转，从而使得衬底40可以在被旋转的同时经过气相沉积反应器1和2的下部。例如，当衬底经过气相沉积反应器1和2之一时，衬底40被旋转一次。然而，衬底的转速不限于此，而是可以基于薄膜的特性等等来合理控制。
同时，分别在旋转台410内侧和外侧旋转的衬底40的移动速率相互不同的问题可以通过修改气相沉积反应器的形状来解决。图18D是包括根据又一实施例的气相沉积反应器的ALD设备的平面图。参照图18D，因为分别在旋转台410内侧和外侧旋转的衬底40的移动速率相互不同，气相沉积反应器1可以被配置为具有扇形形状，其在旋转台410内侧处的宽度较窄，而在旋转台410外侧处的宽度较宽。通过上述设计，无需旋转承载器400。
使用气相沉积反应器形成TiN薄膜的示例
图19是根据一个实施例的用于使用气相沉积反应器来形成TiN原子层薄膜的实验设备的示意图。图20是根据一个实施例的图19的实验设备中气相沉积反应器的一部分的透视图。图21A是图19的实验设备的示意性剖视图。图21B是根据一个实施例的同轴电容性等离子体生成器的示意性剖视图。
参照图19至图21B，实验设备可以包括旋转承载器410，旋转承载器410中形成有深度为0.5mm的凹槽，使得两个2英寸衬底和两个3英寸衬底可以分别放置在凹槽中。通过旋转承载器410支撑的衬底可以由安装在旋转承载器410下部处的金属加热器66直接加热。腔室5可以包括用于抽真空的孔65，孔65可以连接至具有40mm直径的排气管线。气相沉积反应器1的排气部分31可以连接至用于抽气目的的具有20mm直径的排气管线。此时，节流阀(未示出)可以安装在腔室5或气相沉积反应器1的排气管线中，以便控制其排气速率。腔室5的真空度可以由真空计62测量，并且旋转承载器410的转速与电机61转速相比可以以10∶1减速至约18rpm。
实验设备还可以包括石英管63和线圈64，以便提供ICP(感应耦合等离子体)类型的远程-等离子体。可以向线圈64供应约5瓦至100瓦的射频(RF)电压以产生NH3等离子体。然而，在另一实施例中，可以通过简单热反应而不用产生等离子体来形成TiN原子层薄膜。此时，在该实验设备中，附加的气相沉积反应器可以安装在待安装石英管63和线圈64的部分处，并且NH3可以作为反应剂前驱物而注入到附加的气相沉积反应器中。TiCl4可以作为源前驱物使用Ar气泡法被提供至气相沉积反应器1。在气相沉积反应器中，沉积效率，即，形成薄膜所用的源前驱物与所提供的源前驱物的比率较高，并且因此从被冷却至约-4℃的罐中提供TiCl4。
气相沉积反应器1的第一部分的高度约为20mm，第一部分的宽度约为10mm，并且第一部分的长度约为100mm。气相沉积反应器1的第三部分的宽度约为16mm。从表1、2和3中的结果可得，气相沉积反应器1可以配置为使得第二部分的高度约为2mm并且第二部分的宽度约为4mm。当衬底40经过气相沉积反应器1的下部时，当旋转台410的转速约为10rpm时，在靠近旋转台410的中心处的衬底40的内侧处，衬底40暴露于第一部分的时间约为105ms，而当旋转台410的转速约为18rpm时该时间约为60ms。同时，远离旋转台410的中心的衬底40的外侧的角速度要大于衬底40的内侧的角速度。结果，当旋转台410的转速约为10rpm和18rpm时，衬底40的外侧暴露于第一部分的时间分别为约80ms和约44ms。
当旋转台410的转速约为10rpm时，衬底40的内侧经过第二部分和第三部分的时间约为210ms，并且当旋转台410的转速约为18rpm时，该时间约为120ms。此外，当旋转台转速约为10rpm时，衬底40的内侧完全经过气相沉积反应器1的时间约为315ms，而当旋转台410转速约为18rpm时，该时间约为180ms。
该实验设备还可以包括如图21B所示的同轴远程等离子体产生器2。等离子体产生器2包括本体2100和阀门Va、Vb和Vc，以用于船运和控制用于产生等离子体1200的材料的速率。跨第一部分10中的电极12A和12B来供应500V至1500V的电压以产生等离子体1200。所产生的等离子体1200通过狭缝形式的喷射器1100来提供。在一个实施例中，狭缝具有不小于2mm的宽度。在一个实施例中，衬底与喷射器1100的上端之间的距离优选地为15mm至20mm。保持等离子体1200的圆柱形空间的直径为10mm至20mm。在一个实施例中，衬底与喷射器之间的距离为12mm。
在一个实施例中，例如O2、H2或NH3的反应剂气体经由管线2202、2204、2206以及阀门Va、Vb、Vc被提供至圆柱形空间。通过在存在反应剂气体的情况下跨电极12A和12B提供电压，产生了同轴电容性等离子体。衬底的顶表面被暴露于由同轴电容性等离子体得到的O*自由基、N*自由基或H*自由基以形成ALD层。剩余的O*自由基、N*自由基或H*自由基经由第二部分20、第三部分30和排气部分310被排出。
同时，该实验设备可以包括安装在气相沉积反应器1之间或位于衬底40的最后位置处的卤素灯(未示出)，从而使得可以在薄膜沉积期间或这之后执行附加的热处理。此外，在沉积原子层薄膜之前，可以对于衬底40进行自然氧化膜的清洁或移除。在此情况中，用于移除氧化膜的气体，例如ClF3或NF3，可以注入到气相沉积反应器1中，或者可以在气相沉积反应器1中产生氢远程等离子体。因此，可以通过在沉积原子层薄膜之前执行表面处理或预处理工艺来在原位沉积原子层薄膜。备选地，在移除自然氧化膜之后，可以使用氮远程等离子体产生的氮自由基来对衬底执行氮化处理。然后，可以在原位沉积高k薄膜。
图22A是根据一实施例的使用气相沉积反应器形成的TiN薄膜的扫描电镜(SEM)照片。图22B至图22D分别是通过放大得到的图22A的上部2200、中部2210和下部2220的SEM照片。
图23A是根据一实施例的使用气相沉积反应器形成TiN薄膜的透射电镜(TEM)照片。图23B至图23D分别是通过放大得到的图23A的上部2300、中部2310和下部2320的TEM照片。
图22和图23中所示的TiN薄膜被沉积在具有约135nm直径的沟道图案上，以便检查原子层薄膜特性的保形性。此时，沟道的深度约为8μm，而图案密度为1∶2。约3sccm的Ar气用作使作为源前驱物的TiCl4起泡，而约20sccm的NH3气用作反应剂前驱物。薄膜的沉积温度约为380℃，并且旋转台以约10rpm的转速旋转200次，借此沉积了具有约13.5nm厚度的TiN原子层薄膜。每次衬底经过气相沉积反应器，就形成具有厚度约
Figure BPA00001480177300311
的TiN薄膜。TiN薄膜具有(111)晶向和柱形形状，并且具有极佳的保形性，其底部覆盖率为95％。
图24A是根据另一实施例的使用气相沉积反应器形成的TiN薄膜的SEM照片。图24B至图24D分别是通过放大得到的图24A的上部2400、中部2410和下部2420的SEM照片。图24示出了使用远程等离子体形成的TiN原子层薄膜。
在图24中所示的TiN薄膜中，约3sccm的Ar气用作使作为源前驱物的TiCl4起泡，而约15sccm的NH3气用作反应剂前驱物。10W的电能被供应以产生等离子体。薄膜的沉积温度约为380℃，并且旋转台以约10rpm的转速旋转200次，借此形成具有厚度约15.5nm的TiN原子层薄膜。每次衬底经过气相沉积反应器，就形成具有厚度约
Figure BPA00001480177300321
的TiN薄膜。TiN薄膜的台阶覆盖率为80％。
将图22和图23中所示的TiN薄膜与图24中所示的TiN薄膜进行比较。当使用等离子体产生的自由基时，沉积速度增加，但是保形性下降。
在传统的原子层沉积方法中，前驱物被注入到腔室中，并且仅使用吸附在衬底表面上的分子层来得到薄膜。因此，在原子层的形成中，沉积效率，即，沉积所使用的源与注入的总源的比值与腔室尺度具有紧密的相关性。
然而，如果使用根据前述实施例的气相沉积反应器，则反应材料仅填充在气相沉积反应器的第一部分中，并且因此沉积效率比传统气相沉积反应器中的沉积效率高得多。此外，因为当衬底经过气相沉积反应器的下部时执行分子层的吸附和解吸，持续地为ALD或驱动单元供应前驱物而不使用阀门，并且因此可以简化气相沉积反应器的配置。
此外，因为反应材料的注入、解吸和排气时在气相沉积反应器的内部执行，所以无论腔室内部气氛如何均可以执行沉积。此外，因为源前驱物和反应剂前驱物分别从分立的气相沉积反应器注入和排出，所以不会在排气管线中产生例如粉末或胶的反应副产物。因此，除了得到薄膜外，设备的可靠性、耐用性和经济性可以得到改进。
尽管已集合某些示例性实施例描述了本发明，但是需要理解的是，本发明并非限于所公开的实施例，而是相反，意在覆盖包括在所附权利要求及其等同方案的精神和范围内的各种变形和等同布置。

Claims (29)

1.一种气相沉积反应器，包括：
第一部分，形成有第一凹槽，所述第一凹槽连通地连接至用于将反应材料注入到所述第一凹槽中的至少一个第一注入部分，所述第一凹槽经受第一压力；
第二部分，邻近所述第一部分，所述第二部分形成有第二凹槽，所述第二凹槽连通地连接至所述第一凹槽，所述第二凹槽经受低于所述第一压力的第二压力；
第三部分，邻近所述第二部分，所述第三部分形成有第三凹槽，所述第三凹槽连通地连接至所述第二凹槽；以及
排气部分，连接至所述第三凹槽，以用于将所述反应材料从所述气相沉积反应器排出。
2.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第二部分的宽度大于所述第二部分的高度的一半。
3.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第二部分的高度不大于所述第一部分的宽度的2/3。
4.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第二部分的高度不大于所述第一部分的高度的2/3。
5.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第三部分的宽度大于所述第二部分的高度。
6.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第三部分经受低于所述第一压力的第三压力。
7.如权利要求1所述的气相沉积反应器，进一步包括第一可调翼，所述第一可调翼被配置为至少部分地改变所述第二部分的高度。
8.如权利要求1所述的气相沉积反应器，进一步包括第二可调翼，所述第二可调翼被配置为改变所述第二部分的宽度与所述第一部分的宽度的比值。
9.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述反应材料包括源前驱物和反应剂前驱物。
10.如权利要求9所述的气相沉积反应器，其中，所述源前驱物包括无机化合物和有机化合物。
11.如权利要求9所述的气相沉积反应器，其中，所述反应剂前驱物包括选自由H2O、H2O2、O2、N2O、NO、O3、O*自由基、NH3、NH2-NH2、N*自由基、CO、CO2、CH4、C2H6、H2和H*自由基构成的群组中的一个或多个。
12.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第一注入部分进一步将惰性气体注入到所述第一凹槽中。
13.如权利要求12所述的气相沉积反应器，其中，所述惰性气体包括选自由N2、Ar和He构成的群组中的一个或多个。
14.如权利要求1所述的气相沉积反应器，进一步包括至少一个第二注入部分，所述第二注入部分连接至所述第一凹槽并且被配置为将惰性气体注入到所述第一凹槽中。
15.如权利要求14所述的气相沉积反应器，其中，所述惰性气体包括选自由N2、Ar和He构成的群组中的一个或多个。
16.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第一部分包括多个第一凹槽，并且所述第二部分包括多个第二凹槽。
17.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述第一凹槽、所述第二凹槽、所述第三凹槽依次连接。
18.如权利要求1所述的气相沉积反应器，其中，所述反应材料为前驱物、惰性气体、自由基及其组合。
19.一种用于形成薄膜的方法，包括：
通过经由至少一个注入部分提供第一材料，而在形成在气相沉积反应器的第一部分中的第一凹槽中填充所述第一材料至第一压力；
经由所述第一凹槽在形成在所述气相沉积反应器的第二部分中的第二凹槽中接收所述第一材料，所述第二部分邻近于所述第一部分来定位；
经由所述第二凹槽在形成在所述气相沉积反应器的第三部分中的第三凹槽中接收所述第一材料，所述第三部分邻近于所述第二部分来定位；
经由所述气相沉积反应器的排气部分排出所述第三凹槽中的所述第一材料；
将衬底移动经过所述第一凹槽、所述第二凹槽和所述第三凹槽。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述第一材料包括选自由源前驱物、反应剂前驱物和惰性气体构成的群组的一个或多个。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述源前驱物包括无机化合物和/或有机化合物。
22.如权利要求20所述的方法，其中，所述反应剂前驱物包括选自由H2O、H2O2、O2、N2O、NO、O3、O*自由基、NH3、NH2-NH2、N*自由基、CO、CO2、CH4、C2H6、H2和H*自由基构成的群组中的一个或多个。
23.如权利要求20所述的方法，其中，所述惰性气体包括选自由N2、Ar和He构成的群组中的一个或多个。
24.如权利要求19所述的方法，进一步包括：
在所述气相沉积反应器的附加的第一部分中填充第二材料；
经由所述第一部分在所述气相沉积反应器的附加的第二部分中接收所述第二材料；
经由所述第二部分在所述气相沉积反应器的附加的第三部分中接收所述第二材料；
将所述衬底移动经过所述附加的第一部分、所述附加的第二部分和所述附加的第三部分。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述第二材料包括选自由源前驱物、反应剂前驱物和惰性气体构成的群组的一个或多个。
26.如权利要求25所述的方法，其中，所述源前驱物包括无机化合物和/或有机化合物。
27.如权利要求25所述的方法，其中，所述反应剂前驱物包括选自由H2O、H2O2、O2、N2O、NO、O3、O*自由基、NH3、NH2-NH2、N*自由基、CO、CO2、CH4、C2H6、H2和H*自由基构成的群组中的一个或多个。
28.如权利要求25的方法，其中，所述惰性气体包括选自由N2、Ar和He构成的群组中的一个或多个。
29.如权利要求19所述的方法，其中，所述反应材料为前驱物、惰性气体、自由基或其组合。
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