CN103668120A - 一种多元物质原子层沉积膜制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元物质原子层沉积膜制备方法和装置，所述方法，即使基片相对于原子层沉积反应腔直线运动，依次通过其内用于完成不同原子层沉积的原子层沉积系统，基片通过每个原子层沉积系统时：调整基片温度为相应原子层沉积反应最适温度。所述装置，包括原子层沉积反应腔、基片承载台、运动平台和温度控制装置；原子层沉积反应腔依次设置有多个原子层沉积系统；基片承载台，设置在原子层沉积反应腔下方；运动平台，与基片承载台连接，带动基片承载台运动；温度控制装置，设置在基片承载台下方。所述方法能高效快速的制备多元物质原子层沉积膜，所述装置，能方便的通过现有原子层沉积系统组装，兼容性强，功耗低，沉积效率高。

Description

一种多元物质原子层沉积膜制备方法及装置

技术领域

本发明属于原子沉积镀膜领域，更具体地，涉及一种多元物质原子层沉积膜制备方法及装置。

背景技术

随着半导体技术的需求和发展，也对半导体制造技术提出了更高的要求。对于制造尺寸更小、性能更优的半导体材料的需求也更加强烈。薄膜技术是半导体技术其中的重要一环，在半导体技术的发展中起到重要的作用。在很多领域，由于功能的需求，常常会用到层叠结构形式的薄膜结构。原子层沉积（ALD）技术作为一种薄膜沉积技术，在薄膜沉积领域起到越来越重要的作用。由于原子层沉积反应的自限制性，使得通过此项技术沉积的薄膜厚度均匀且精确可控。由于原子层沉积的薄膜良好的质量，此项技术可被广泛应用于微电子制造领域、薄膜显示领域、以及镀膜保护等领域。

传统原子层沉积技术需在真空条件下进行，其基本原理如下：（1）首先将一种反应前驱体通入腔体。由于原子层沉积反应的自限制性，前驱体只在基底表面基团产生一层化学吸附，多余的前驱体会堆积在基底及腔体表面。（2）在完成化学吸附后，通入惰性气体。惰性气体将多余的前驱体清洗出腔体。（3）在清洗完成之后，再通入另一种前驱体。此种前驱体与（1）过程中的基团反应。（4）再次通入惰性气体，清洗腔体。这样就完成一个原子层沉积的过程，在基底上生长一层薄膜。薄膜的厚度可以通过改变反应的循环次数来实现。

对于传统的原子层沉积工艺，是利用交替通入反应前驱体，并由惰性气体将两种前驱体隔离。一个反应循环要完成：一种前驱体→清洗→另一种前驱体→清洗，整个工艺过程较为耗时，以致每个循环时间较长。因此，这种工艺沉积效率相对较低。近来，一种新兴的原子层沉积技术，即空间隔离原子层沉积，可极大地提高原子层沉积的效率。空间原子层沉积技术，是利用基底与反应腔之间的相对运动，实现基底交替通过不同的前驱体区域，来完成原子层沉积的过程。这项工艺可利用快速的相对运动，来加快单次循环的时间。

然而对于制作不同各类种类型的原子层沉积膜，利用传统的原子层沉积工艺则较难实现。在传统的原子层沉积工艺，要实现沉积不同种类的原子层沉积膜，如在同一腔体中，则需要在不同时间段通入相应的前驱体。这样对与不同的沉积膜，需花费更多的时间使得腔体温度改变到对应的温度，无法迅速沉积多元物质原子层沉积膜。如果在不同的反应腔体中，则需将基底交替推送入相应腔体中。各个腔体虽然可以维持不同的温度，减少单一腔体温度变化的时间，但是这种方式，反应发生装置体积较大、结构复杂，实现起来困难度很大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种不同种类原子层沉积膜的制备方法和装置，其目的在于通过对原子层沉积反应温度的迅速调整，由此解决目前空间隔离原子层沉积技术不能实时控制反应温度，从而不能快速沉积多元物质原子层沉积膜的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多元物质原子层沉积膜制备方法，即使基片相对于原子层沉积反应腔运动，依次通过其内用于完成不同原子层沉积的原子层沉积系统，基片通过每个原子层沉积系统时，调整基片温度为相应原子层沉积反应最适温度，采用空间隔离原子层沉积方法沉积单种物质原子层沉积膜。

优选地，所述原子层沉积膜制备方法，其基片通过所有原子层沉积系统后，回到初始位置，将所述基片经过所有原子层沉积系统并回到初始位置的过程作为一次循环操作，多次循环操作，从而沉积不同厚度的多元物质原子层沉积膜。

按照本发明的另一方面，提供了一种多元物质原子层沉积膜制备装置，包括原子层沉积反应腔、基片承载台、运动平台和温度控制装置；所述原子层沉积反应腔依次设置有多个原子层沉积系统，所述原子层沉积系统用于完成特定的原子层沉积反应；所述基片承载台，用于承载基片，设置在原子层沉积反应腔下方；所述运动平台，用于提供水平方向和垂直方向运动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动；所述温度控制装置，设置在基片承载台下方，用于调整基片承载台温度到相应原子层沉积反应最适温度。

优选地，所述原子层沉积膜制备装置，其运动平台在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

优选地，所述原子层沉积膜制备装置，其温度控制装置包括加热模块和冷凝模块，加热模块调整温度迅速上升，冷凝模块调整温度迅速下降。

优选地，所述原子层沉积膜制备装置，其原子层沉积系统为可拆卸原子层沉积系统，包括腔体支撑架和可拆卸喷头，所述可拆卸喷头采用压片、螺钉、卡扣、基孔配合的方式固定在腔体支架上。

优选地，所述原子层沉积膜制备装置，其可拆卸喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过度气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

优选地，所述原子层沉积膜制备装置，其腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）由于能够快速改变原子层沉积反应温度的温度，从而适应不同原子层沉积反应，因此能缩短多元物质原子层沉积膜的制备时间，高效的沉积多元物质原子层沉积膜。

（2）由于本发明提供的多元物质原子层沉积膜制备装置，因此能方便的通过现有的原子层沉积系统组装，兼容性强。

（3）本发明提供的温度控制装置，能快速改变基片承载台温度，从而改变基片温度，而无需改变整个反应腔的温度，功耗低，效果好，同时效率较高。

优选方案，采用可拆卸的原子层沉积系统，能根据不同的原子层沉积反应，组建原子层沉积反应系统，能进一步提高原子层沉积反应效率，更高效的制备多元物质原子层沉积膜。

优选方案，采用气体隔离的方式形成反应腔，无需苛刻的真空条件，因此能提高原子层沉积膜的质量，并且降低能耗。

附图说明

图1是多元物质原子层沉积膜结构示意图；

图2是本发明提供的装置结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为原子层沉积系统，102为基片承载台，103为温度控制装置，104为运动平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种多元物质原子层沉积方法，沉积如图1所示的多元物质原子层沉积膜，即使基片相对于反应腔直线运动，依次通过反应腔内用于完成不同原子层沉积的原子层沉积系统，基片通过每个原子层沉积系统时，调整基片温度为相应原子层沉积反应最适温度，采用空间隔离原子层沉积方法沉积单种物质原子层沉积膜。所述基片通过所有原子层沉积系统后，回到初始位置，将所述基片经过所有原子层沉积系统并回到初始位置的过程作为一次循环操作，多次循环操作，从而沉积不同厚度的多元物质原子层沉积膜。

本发明提供的多元物质原子层沉积膜制备装置，如图2所示，包括原子层沉积反应系统101、基片承载台102、温度控制装置103和运动平台104。

所述原子层沉积反应腔依次设置有多个原子层沉积系统101。所述原子层沉积系统用于完成特定的原子层沉积反应，可为现有技术的原子层沉积反应系统（ALD），也可为可拆卸原子层沉积系统。所述可拆卸原子层沉积系统,包括腔体支撑架和可拆卸喷头，所述可拆卸喷头采用压片、螺钉、卡扣、基孔配合的方式固定在腔体支架上,所述腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口。

所述可拆卸喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过度气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

所述基片承载台102，用于承载基片，设置在原子层沉积反应腔下方。

所述温度控制装置103，设置在基片承载台下方，在特定的温度控制段，用于调整基片承载台温度到特定值，所述温度控制装置，包括加热模块和冷凝模块，加热模块通过电热、油浴加热等方式调整温度迅速上升，冷凝模块通过水冷、油浴等方式调整温度迅速下降。

所述运动平台104，用于提供水平方向和垂直方向运动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动。所述运动平台在水平方向上做直线往复运动，在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

以下为实施例：

实施例1

应用本发明提供的多元物质原子层沉积膜制备方法，在硅基片上交替沉积氧化铝和氧化钛薄膜。

沉积Al₂O₃膜，前驱体A为三甲基铝，前驱体B为H₂O。沉积TiO₂膜，前驱体C为四氯化钛，前驱体D为H₂O。ALD1区域生长Al₂O₃膜，ALD2区域生长TiO₂膜。基片前驱体进气口间距为1mm。ALD1区域温度设定在150℃，ALD2区域温度设定在180℃。

硅基片运动速度设定为0.1m/s，硅基片运动至ALD1区域内，其温度被加热到150℃，硅基片先去前驱体A三甲基铝发生原子层沉积半反应，然后再与前驱体B水蒸气发生原子层沉积半反应，沉积Al₂O₃膜。之后，硅基片运动至ALD2区域，其温度被加热到180℃，Al₂O₃膜表面先与前驱体C四氯化钛发生原子层沉积半反应，然后再与前驱体B水蒸气发生原子层沉积半反应，沉积TiO₂膜。至此完成多元氧化物沉积的一次循环，硅基片回到初始位置，运动至ALD1区域内，其温度被冷却到150℃，继续循环，每次循环Al₂O₃膜、TiO₂膜各生长0.1nm左右，设定循环次数至50次，达到所需薄膜厚度为10nm。

实施例2

一种多元物质原子层沉积膜制备装置，用于在硅基片上依次沉积Al₂O₃膜、TiO₂膜、ZnO膜，包括原子层沉积反应腔、基片承载台、运动平台和温度控制装置。

所述原子层沉积反应腔依次设置有3个原子层沉积系统。所述原子层沉积系统分别用于完成Al₂O₃膜、TiO₂膜、ZnO膜的原子层沉积反应，为现有技术的相应的原子层沉积反应系统（ALD）。现有传统空间隔离原子层沉积系统中，前驱体、隔离气体进气口和残余气体出气口均加工成一整体结构，反应系统中，进气口和出气口形状均为长方体槽状，长为40mm，宽为20mm，高为40mm，槽之间的距离控制在10mm，基片与进气口间距为0.5mm。ALD1区域沉积Al₂O₃膜，ALD2区域沉积TiO₂膜，ALD3区域沉积ZnO膜，每次循环Al₂O₃膜、TiO₂膜、ZnO膜各沉积0.1nm左右，总共0.3nm薄膜。

所述基片承载台，用于承载硅基片，设置在原子层沉积反应腔下方。

所述温度控制装置，设置在基片承载台下方，用于调整基片承载台温度到特定值。所述温度控制装置，包括加热模块和冷凝模块，加热模块通过电加热的方式迅速升温到特定温度，冷凝模块通过水冷却的方式迅速降温到特定温度：ALD1区域温度为150℃，ALD2区域温度为180℃，ALD3区域温度为200℃。

所述运动平台，用于提供水平方向和垂直方向运动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动。所述运动平台在水平方向上做直线往复运动，在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

沉积Al₂O₃膜，前驱体A为三甲基铝，前驱体B为H₂O；沉积TiO₂膜，前驱体C为四氯化钛，前驱体D为H₂O；沉积ZnO膜，前驱体E为二乙基锌，前驱体F为双氧水。硅基片运动至ALD1区域内，温度控制装置电加热升温至150℃，硅基片先与前驱体A三甲基铝发生原子层沉积半反应，然后再与前驱体B水发生原子层沉积半反应，沉积完Al₂O₃膜；之后，硅基片运动至ALD2区域，温度控制装置电加热升温至180℃，Al₂O₃膜表面先与前驱体C四氯化钛发生原子层沉积半反应，再与水发生原子层沉积半反应，沉积TiO₂膜；接着，硅基片运动至ALD3区域，温度控制装置电加热升温至180℃，TiO₂膜表面先与前驱体E二乙基锌发生原子层沉积反应，再与双氧水发生原子层沉积半反应，沉积ZnO膜。至此完成多元氧化物沉积的一次循环，基片回到初始位置，运动至ALD1区域内，温度控制装置通过水冷凝方式冷却到150℃，继续循环，设定循环次数至50次，达到所需薄膜厚度为15nm。基片运动速度设定为0.08m/s。

实施例3

一种多元物质原子层沉积膜制备装置，用于在硅基片上交替沉积Al₂O₃膜和TiO₂膜，包括原子层沉积反应腔、基片承载台、运动平台和温度控制装置。

所述原子层沉积反应腔依次设置有2个原子层沉积系统。所述原子层沉积系统分别用于完成Al₂O₃膜和TiO₂膜的原子层沉积反应，为可拆卸原子层沉积系统。所述可拆卸原子层沉积系统,包括腔体支撑架和依次排列的7个可拆卸喷头，其出气口尺寸为30mm*20mm，所述可拆卸喷头采用螺钉固定在腔体支架上,所述腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口。第1至第4喷头正下方区域沉积Al₂O₃膜，第4至第7喷头正下方沉积TiO₂膜，每次循环Al₂O₃膜、TiO₂膜各沉积0.1nm左右，总共0.2nm薄膜。

所述可拆卸喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其下半部分与基片尺寸相同，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过度气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

所述基片承载台，用于承载基片，设置在原子层沉积反应腔下方。

所述温度控制装置，设置在基片承载台下方，用于调整基片承载台温度到特定值。所述温度控制装置包括加热模块和冷凝模块，加热模块通过油浴加热的方式迅速升温到特定温度，冷凝模块通过油浴冷却的方式迅速降温到特定温度。第1至第4喷头正下方为第一温度控制端，控制温度为150℃，第4至第7喷头正下方为第二温度控制段，控制温度为180℃。

所述运动平台，用于提供水平方向和垂直方向运动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动。所述运动平台在水平方向上做直线往复运动，在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

在硅片上，交替沉积Al₂O₃膜和TiO₂膜，前驱体A为三甲基铝，沉积Al₂O₃膜，前驱体A为三甲基铝，前驱体B为H₂O。沉积TiO₂膜，前驱体C为四氯化钛。

交替沉积Al2O3膜和TiO2膜是，第1、第3、第5、第7喷头通入氦气，第2喷头通入三甲基铝，第4喷头通入水蒸气，第6喷头通入四氯化钛气体。腔体支撑架侧面通入的氦气，形成气体隔离，为原子层沉积提供反应条件。基片承载台上设置硅片作为基片，尺寸为30*20mm，与喷头出气口内空腔下半部分尺寸相同。运动平台调整基片承载台与喷头的距离1mm。反应时，基片承载台随着运动平台在水平方向上的往复运动，形成与腔体支撑架的相对运动。温度控制装置，控制反应温度。

一个循环内，基片随基片承载台直线往复运动：运动至第1喷头正下方，通入氦气，氦气清理物理吸附于基片表面的杂志；运动至第2喷头正下方通入三甲基铝气体，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第3喷头正下方，通入氦气，氦气一方面隔离三甲基铝和水蒸气，防止前驱体混合发生交叉污染，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余三甲基铝气体；运动至第4喷头正下方，通入水蒸气，与基片表面发生原子层沉积半反应；此阶段为第一题温度控制段，温度控制装置油浴加热至150℃。运动至第5喷头正下方；通入氦气，氦气一方面隔离水蒸气和四氯化钛，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余水蒸气；运动至第6喷头正下方，通入四氯化钛气体，与基片表面发生原子层沉积半反应；运动至第7喷头正下方，通入氦气，氦气一方面隔离四氯化钛和水蒸气，另一方面清理物理吸附于基片表面的残余四氯化钛；此后，基片随着基片承载台折返，运动至第6、第5喷头正下方的过程如上所述；运动至第4喷头正下方时，通入水蒸气，与基片表面发生原子层沉积半反应，为第二温度控制段，温度控制装置油浴加热至180℃。至此，完成一次循环，沉积一层厚0.1nm的Al₂O₃膜和一层厚0.1nm的TiO₂膜。基片承载台继续运动至第3、第2、第1喷头正下方，进入第一温度控制段，温度控制装置油浴冷却至150℃，然后折返，如此循环，交替沉积Al₂O₃膜和TiO2膜，一次循环原子层沉积膜厚度增加0.2nm，最终原子层沉积膜厚度为单次循环增加量与基片往复运动的循环数的积，根据需要确定基片承载台往复运动循环数即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多元物质原子层沉积膜制备方法，其特征在于，使基片相对于原子层沉积反应腔运动，依次通过其内用于完成不同原子层沉积的原子层沉积系统，基片通过每个原子层沉积系统时，调整基片温度为相应原子层沉积反应最适温度，采用空间隔离原子层沉积方法沉积单种物质原子层沉积膜。

2.如权利要求1所述的原子层沉积膜制备方法，其特征在于，所述基片通过所有原子层沉积系统后，回到初始位置，将所述基片经过所有原子层沉积系统并回到初始位置的过程作为一次循环操作，多次循环操作，从而沉积不同厚度的多元物质原子层沉积膜。

3.实现如权利要求1或2所述的原子层沉积方法的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，包括原子层沉积反应腔、基片承载台、运动平台和温度控制装置；所述原子层沉积反应腔依次设置有多个原子层沉积系统，所述原子层沉积系统用于完成特定的原子层沉积反应；所述基片承载台，用于承载基片，设置在原子层沉积反应腔下方；所述运动平台，用于提供水平方向和垂直方向运动，与基片承载台连接，带动基片承载台运动；所述温度控制装置，设置在基片承载台下方，用于调整基片承载台温度到相应原子层沉积反应最适温度。

4.如权利要求3所述的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，所述运动平台在垂直方向上的移动精度达到100um级别。

5.如权利要求3所述的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，所述温度控制装置包括加热模块和冷凝模块，加热模块调整温度迅速上升，冷凝模块调整温度迅速下降。

6.如权利要求3至5任意一项所述的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，所述原子层沉积系统为可拆卸原子层沉积系统，包括腔体支撑架和可拆卸喷头，所述可拆卸喷头采用压片、螺钉、卡扣、基孔配合的方式固定在腔体支架上。

7.如权利要求6所述的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，所述可拆卸喷头，包括进气管路、进气口和出气口；所述进气口内部为空腔，其横截面为上窄下宽的梯形；所述出气口内部形成空腔，分为上半部分和下半部分，其上半部分与进气口内部空腔下端的尺寸相同，其上半部分与下半部分之间设有漏斗形结构，用于过度气流；所述可拆卸喷头外壁设有凸台；进气管路与进气口固定连接，进气口与出气口可拆分的密闭连接；气体通过进气管路进入进气口，在进气口内部的空腔缓冲进入出气口，从出气口喷洒在基片上。

8.如权利要求6所述的原子层沉积膜制备装置，其特征在于，所述腔体支撑架侧面设有隔离气体进气口。

Images