CN109321896B - 一种原子层沉积系统 - Google Patents

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    • C23C16/45544—Atomic layer deposition [ALD] characterized by the apparatus

Abstract

本发明提供了一种原子层沉积反应系统，包括：前驱物源分别连接载气管路的一端和前驱物气体管路的一端，载气管路中的载气通过载气管路流经前驱物源后，携带前驱物并沿着前驱物气体管路流动；稀释气体管路的一端与反应腔室相连；前驱物气体管路的另一端连接于稀释气体管路靠近反应腔室的一侧，从而使携带前驱物的载气与稀释气体混合后经稀释气体管路的一端流入反应腔室；压力平衡管路的一端连接稀释气体管路，另一端连接载气管路，用于在不向反应腔室内输送前驱物气体时，使载气从载气管路流向稀释气体管路，从而减小了前驱物的浪费，同时，使载气与稀释气体混合后进入反应腔室，确保了反应腔室的压力平衡和工艺稳定性。

Description

一种原子层沉积系统
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种减少原子层沉积反应前驱物消耗的系统。
背景技术
原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition)是一种半导体薄膜的制备技术，最早被称为原子层外延技术，由芬兰学者Tuomo Suntola提出。
随着半导体技术的发展，电子元器件已经进入nm级工艺制程，从而对半导体技术中沉积薄膜的质量，尤其是薄膜厚度和台阶覆盖率等，提出了更高的要求。原子层沉积技术在薄膜沉积方面具有众多优点，例如：优良的台阶覆盖率，精准的厚度控制，较低的反应温度，优异的薄膜性能等，被认为是最具潜力的薄膜制备技术之一。
原子层沉积技术主要分为以下四步：(1)在一定温度条件下，向腔室中通入第一种反应前驱物，使前驱物分子充分吸附在衬底表面上，达到饱和状态，形成活性剂；(2)通过吹扫气体将第一种反应前驱物及其副产物去除干净；(3)通入第二种反应前驱物，使之与已吸附在衬底表面的活性剂反应，并释放反应副产物；(4)通过吹扫气体将第二种反应前驱物及其副产物去除干净。此时，在衬底表面沉积了制备薄膜的单分子层，以此类推，即可实现原子层沉积。
图1为现有的原子层沉积系统的结构示意图，在反应腔室1中，反应腔室1内的顶部具有喷淋头2，喷淋头2的下方设置有底座3，底座3上用于承载衬底。质量流量控制器MFC2用来控制载气流量的大小，经过质量流量控制器MFC2的一定流量的载气，流经载气管路5和气动阀6后，进入前驱物源7，携带前驱物经过出气动阀8、载气管路9和气动阀10到达腔室上方，与此同时，通过质量流量控制器MFC1的一定流量的稀释气体，经过气动阀12和稀释气体管路13后，与前驱物在反应腔室1上方相遇，即稀释后，一起进入反应腔室1，稀释的前驱物更加有利于前驱物饱和吸附在衬底表面，而过剩前驱物及其副产物，则通过真空管路14，进入真空泵15。当前驱物不参与反应时，则通过关闭气动阀10、打开气动阀A，经管路B将前驱物排入真空泵15。将前驱物直接排入真空泵15，造成了前驱物浪费。
因此，为了实现原子层沉积反应步骤间的快速切换，当一种反应前驱体不通入腔室时直接通往真空泵，造成了反应前驱物的浪费，不利于工业化成本控制。此外，前驱物往往需要载气携带进入反应腔室，反应前驱物直接通往真空泵，会引起反应腔室的压力波动，影响沉积薄膜的质量。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种原子层沉积系统，避免原子层沉积反应前驱物的浪费以及保持反应腔室的压力平衡。
为了达到上述目的，本发明提供了一种原子层沉积系统，包括：反应腔室，载气管路，前驱物气体管路，稀释气体管路，前驱物源，压力平衡管路，与反应腔室通过一真空管路连接的真空泵；其中，
前驱物源分别连接载气管路的一端和前驱物气体管路的一端，载气管路中的载气通过载气管路流经前驱物源后，携带前驱物并沿着前驱物气体管路流动；
稀释气体管路的一端与反应腔室相连；
前驱物气体管路的另一端连接于稀释气体管路靠近反应腔室的一侧，从而使携带前驱物的载气与稀释气体混合后经所述稀释气体管路的一端流入反应腔室，前驱物吸附在衬底表面，过剩的前驱物及反应副产物在真空泵的驱动下通过所述真空管路排出反应腔室；
压力平衡管路的一端连接稀释气体管路，另一端连接载气管路，用于在不向反应腔室内输送前驱物气体时，使载气从载气管路流向稀释气体管路，从而使载气与稀释气体混合后进入反应腔室。
优选地，载气管路、稀释气体管路、压力平衡管路以及前驱物气体管路上均设置有气动阀，用于控制相应管路的启闭；在向反应腔室输送携带有前驱物的载气时，载气管路、稀释气体管路、前驱物气体管路的气动阀打开，压力平衡管路上的气动阀关闭；在不需要向反应腔室输送前驱物时，前驱物气体管路的气动阀关闭，载气管路上的气动阀关闭，压力平衡管路上的气动阀打开，使得载气不能流向前驱物源而只能流经压力平衡管路到稀释气体管路中
优选地，前驱物气体管路的两端均设置有气动阀。
优选地，还进一步包括检测器、预判断器、计算器和控制器；
当采用前驱物进行反应时，计算器根据携带有前驱物的载气从前驱物源到反应腔室的路径和流速，计算出携带有前驱物的载气从前驱物源到反应腔室的运动时间；
预判断器判断前驱物的反应剩余时间与运动时间的大小，当反应剩余时间和运动时间相等时，判断器发送信号给控制器，控制器控制关闭前驱物气体管路靠近前驱物源的气动阀；
检测器实时判断流入反应腔室的前驱物浓度，当流入反应腔室的前驱物浓度接近预设值时，检测器向控制器发送关闭信号，控制器控制前驱物气体管路靠近反应腔室一端的气动阀关闭。
优选地，检测器还判断流入反应腔室的前驱物浓度与流入反应腔室的气体总含量的比例，当该比例小于预设比例时，检测器向控制器发送关闭信号。
优选地，所述反应腔室顶部设置喷淋头，所述稀释气体管路的一端与喷淋头连通。
优选地，稀释气体管路的另一端连接第一质量流量控制器，载气管路的另一端连接第二质量流量控制器。
本发明的原子层沉积系统，通过设置压力平衡管路，不仅减少了前驱物的浪费，同时确保反应腔室的压力平衡，提高薄膜沉积质量和工艺稳定性。
附图说明
图1为现有的原子层沉积系统的结构示意图
图2为本发明的一个较佳实施例的原子层沉积系统的结构示意
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
本发明中，在载气管路和稀释气体管路之间设置压力平衡管路，减少前驱物浪费，同时，在关闭前驱物气体管路时，不会造成反应腔室的压力波动，维持反应腔室的压力平衡。
以下结合附图2和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图2，本实施例的一种原子层沉积消耗的系统包括：反应腔室1，载气管路5，前驱物气体管路9，稀释气体管路13，前驱物源7，压力平衡管路17，与反应腔室1通过一真空管路14连接的真空泵15。此外，还可以进一步包括检测器、预判断器、计算器和控制器。这里前驱物源7容纳于一器皿中，如带橡皮塞的玻璃杯等。反应腔室1内的顶部具有喷淋头2，喷淋头2下方设置有底座3，底座3上用于承载衬底。
这里的前驱物源7分别连接载气管路5的一端和前驱物气体管路9的一端，载气管路5中的载气通过载气管路5流经前驱物源7后，携带前驱物并沿着前驱物气体管路9流动。
稀释气体管路13的一端与反应腔室1相连，前驱物气体管路9的另一端连接于稀释气体管路13靠近反应腔室1的一侧，从而使携带前驱物的载气与稀释气体混合后经稀释气体管路13的一端流入反应腔室1，前驱物落在衬底表面，过剩的前驱物及其副产物在真空泵15的驱动下通过真空管路14排出反应腔室1；这里，还可以结合吹扫过程来排出过剩的前驱物及其副产物。
本实施例中还可以将稀释气体管路13的另一端连接第一质量流量控制器11，载气管路5的另一端连接第二质量流量控制器4；第一质量流量控制器11和第二质量流量控制器4分别用于控制稀释气体管路13和载气管路5中的气体流量。
压力平衡管路17的一端连接稀释气体管路13，另一端连接载气管路5，用于在不向反应腔室1内输送前驱物气体时，使载气从载气管路5流向稀释气体管路13，从而使载气与稀释气体混合后进入反应腔室1。
载气管路5、稀释气体管路13、压力平衡管路17以及前驱物气体管路9上均可以设置有气动阀，用于控制相应管路的启闭；具体的，载气管路5的气动阀6设置于靠近前驱物源7的一端，压力平衡管路17与稀释气体管路13相交连通，稀释气体管路13的气动阀12设置于远离压力平衡管路17和稀释气体管路13相交处的位置；压力平衡管路17上设置有气动阀16，稀释气体管路13的一端与反应腔室1的喷淋头2相连通；前驱物气体管道9的两端可以都设置启动阀8,10。
在向反应腔室1输送携带有前驱物的载气时，载气管路5的气动阀6、稀释气体管路13的气动阀12、前驱物气体管路9的气动阀8和10都打开，压力平衡管路17上的气动阀16关闭.
在不需要向反应腔室1输送前驱物时，前驱物气体管路9的气动阀10和/或8关闭，载气管路5上的气动阀6关闭，压力平衡管路17上的气动阀16打开，使得载气不能流向前驱物源7而只能流经压力平衡管路17到稀释气体管路13中，从而避免了前驱物的浪费，同时避免由于前驱物气体管路9的关闭，导致反应腔室1内的气压的突然波动而导致薄膜质量下降的问题。
本实施例中，容纳于器皿中的前驱物源7的纯净度较高。这里，还在前驱物气体管路9的两端均设置有气动阀8和气动阀10，气动阀8可以方便切断反应源的供给，方便更换源瓶。此外，较佳的，气动阀10尽量靠近稀释气体管路13，其作用能够提高对反应腔室1的吹扫效果，能够防止前驱物气体管路9中存在较长的吹扫不到的死区，导致两种前驱物源相遇发生CVD反应。并且，将气动阀8和气动阀10同时开启或关闭，从而确保前驱物源的流动的流畅性，以及提高对反应腔室1的吹扫效果。
为了进一步避免前驱物气体管路9中的前驱物的不必要污染而造成的浪费，以及避免反应腔室1由于突然关闭前驱物气体管路9而导致的压力突变，本实施例还采用了如下方法：
当采用前驱物进行反应时，计算器根据携带有前驱物的载气从前驱物源7到反应腔室1的路径和流速，计算出携带有前驱物的载气从前驱物源7到反应腔室1的运动时间；
预判断器判断前驱物的反应剩余时间与运动时间的大小，当反应剩余时间和运动时间相等时，判断器发送信号给控制器，控制器控制关闭前驱物气体管路9靠近前驱物源的气动阀8；需要说明的是，当前驱物气体管路9靠近前驱物源7的气动阀8关闭后，前驱物气体管路9中的携带有前驱物的载气流速就降低，从而导致实际的运动时间会大于上述计算出的运动时间，因此，当反应剩余时间和运动时间相等时，关闭前驱物气体管路9上的靠近前驱物源7的气动阀8，可以确保反应剩余时间所需的前驱物的量与前驱物气体管路9中所剩余的前驱物的量接近或相等，从而确保关闭前驱物气体管路9的气动阀8的动作，不会影响到最终形成的反应物的质量和性能。并且，后续对原子层沉积反应的控制不以剩余时间为基准，而以流入反应腔室1的前驱物浓度为基准，当流入反应腔室1的前驱物浓度接近零时，可以停止反应的进行，然后控制器控制反应腔室1内进行吹扫过程，并利用真空泵15和真空管14将反应副产物排出反应腔室1。
进一步的，本实施例中，检测器实时判断流入反应腔室1的前驱物浓度，当流入反应腔室1的前驱物浓度接近预设值时，检测器向控制器发送关闭信号，控制器控制前驱物气体管路9靠近反应腔室1的一端的气动阀10关闭，从而避免前驱物气体管路9中存留大量的前驱物，进一步减少前驱物的消耗和不必要的污染、浪费。
为了更加精确的判断流入反应腔室的前驱物是否接近零来用于关闭前驱物气体管路9的气动阀，减小判断误差，本实施例中，检测器还判断流入反应腔室1的前驱物浓度与流入反应腔室1的气体总含量的比例，当该比例小于预设比例时，检测器向向控制器发送关闭信号。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种原子层沉积系统，其特征在于，包括：反应腔室、载气管路、前驱物气体管路、稀释气体管路、前驱物源、压力平衡管路以及与反应腔室通过一真空管路连接的真空泵；其中，
前驱物源分别连接载气管路的一端和前驱物气体管路的一端，载气管路中的载气通过载气管路流经前驱物源后，携带前驱物并沿着前驱物气体管路流动；
稀释气体管路的一端与反应腔室相连；
前驱物气体管路的另一端连接于稀释气体管路靠近反应腔室的一侧，从而使携带前驱物的载气与稀释气体混合后经所述稀释气体管路的一端流入反应腔室，前驱物吸附在衬底表面，过剩的前驱物及反应副产物在真空泵的驱动下通过所述真空管路排出反应腔室；
压力平衡管路的一端连接稀释气体管路，另一端连接载气管路，用于在不向反应腔室内输送前驱物气体时，使载气从载气管路流向稀释气体管路，从而使载气与稀释气体混合后进入反应腔室。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积系统，其特征在于，载气管路、稀释气体管路、压力平衡管路以及前驱物气体管路上均设置有气动阀，用于控制相应管路的启闭；在向反应腔室输送携带有前驱物的载气时，载气管路、稀释气体管路、前驱物气体管路的气动阀打开，压力平衡管路上的气动阀关闭；在不需要向反应腔室输送前驱物时，前驱物气体管路的气动阀关闭，载气管路上的气动阀关闭，压力平衡管路上的气动阀打开，使得载气不能流向前驱物源而只能流经压力平衡管路到稀释气体管路中。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积系统，其特征在于，前驱物气体管路的两端均设置有气动阀。
4.根据权利要求3所述的原子层沉积系统，其特征在于，还进一步包括检测器、预判断器、计算器和控制器；
采用前驱物进行反应，计算器根据携带有前驱物的载气从前驱物源到反应腔室的路径和流速，计算出携带有前驱物的载气从前驱物源到反应腔室的运动时间；
预判断器判断前驱物的反应剩余时间与运动时间的大小，当反应剩余时间和运动时间相等时，判断器发送信号给控制器，控制器控制关闭前驱物气体管路靠近前驱物源的气动阀；
检测器实时判断流入反应腔室的前驱物浓度，当流入反应腔室的前驱物浓度接近预设值时，检测器向控制器发送关闭信号，控制器控制前驱物气体管路靠近反应腔室一端的气动阀关闭。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积系统，其特征在于，检测器还判断流入反应腔室的前驱物浓度与流入反应腔室的气体总含量的比例，该比例小于预设比例，检测器向控制器发送关闭信号。
6.根据权利要求1所述的原子层沉积系统，其特征在于，所述反应腔室顶部设置喷淋头，所述稀释气体管路的一端通过所述喷淋头与所述反应腔室相连。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积系统，其特征在于，稀释气体管路的另一端连接第一质量流量控制器，载气管路的另一端连接第二质量流量控制器。
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