CN109609930A - 原子层沉积设备及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种原子层沉积设备及其清洗方法，该原子层沉积设备包括：腔室；排气管路，连接在所述腔室和真空泵之间；进气组件，连接至所述腔室，用于向所述腔室提供包含反应离子的清洗气体，所述清洗气体与工艺后沉积产物反应生成中间产物；以及温度控制单元，用于对所述原子层沉积设备加热以使所述中间产物呈气态该原子层沉积设备的主进气管路可以向腔室提供清洗气体，并且腔室具有温度控制单元，使中间产物呈气态，从而能在不降温、不拆卸设备零件的条件下，对原子层沉积设备进行有效的清洗。

Description

原子层沉积设备及其清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体沉积设备清洗技术领域，更具体地，涉及一种原子层沉积设备及其清洗方法。
背景技术
在半导体器件的制造领域中，在衬底上形成若干层材质厚度不同的薄膜，以形成各种类型的半导体器件，例如集成电路、太阳能电池、显示器、二极管等。薄膜沉积的常见方法包括原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)、物理气相沉积(Physical VaporDeposition,PVD)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)等。随着半导体器件尺寸的持续缩小，原子层沉积技术已经逐渐替换化学气相沉积技术，成为业界主流。
在原子层沉积过程中，具有所期性质、厚度和均质性的薄膜被沉积在衬底或基板上。与此同时，由于化学反应的前驱气体不仅存在于衬底或基板中，也会在流动过程中吸附于反应腔室的各组件及排气管道等部件中，因此会在各处形成大量的工艺后沉积产物。随着生长炉次的增加，形成工艺后沉积产物的数量及厚度增加，当工艺后沉积产物的晶体颗粒之间的粘合力小于晶体颗粒的重力时，晶体颗粒就会脱落，在反应腔室中形成悬浮颗粒，悬浮颗粒落数量的增加使得工艺不满足要求，需要对设备进行清洗维护。而目前对设备的清洗维护措施，需进行降温、零件拆除以及开腔等操作，维护时间长，成本高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种原子层沉积设备及其清洗方法，其中，主进气管路可以向腔室提供清洗气体，并且该设备具有温度控制单元，使中间产物呈气态，从而能在不降温、不拆卸设备零件的条件下，对原子层沉积设备进行有效的清洗。
根据本发明的一方面，提供一种原子层沉积设备，其特征在于，包括：腔室；排气管路，连接在所述腔室和真空泵之间；进气组件，连接至所述腔室，用于向所述腔室提供包含反应离子的清洗气体，所述清洗气体与工艺后沉积产物反应生成中间产物；以及温度控制单元，用于对所述原子层沉积设备加热以使所述中间产物呈气态。
优选地，还包括：等离子源，与所述进气组件通过第一进气通道相连，用于提供所述反应离子，稀释气体经第二进气通道进入所述进气组件以与所述反应离子混合成所述清洗气体。
优选地，所述沉积产物包括TaN，所述反应离子包括F-离子和N3+离子，所述稀释气体包括N2，所述中间产物包括TaF5。
优选地，所述进气组件包括：主进气管路，用于向所述腔室通入所述清洗气体；副进气管路，氮气或惰性气体中的一种或多种经第三进气通道进入所述副进气管路；以及喷淋头，用于使所述清洗气体在所述腔室中均匀扩散。
优选地，所述腔室包括腔体和盖板，所述盖板位于所述腔体的顶部，所述喷淋头设置于所述盖板的内表面，在所述温度控制单元的控制下，所述喷淋头、所述腔体、所述排气管路和所述真空泵的温度按照气流方向逐渐升高。
优选地，所述腔室、所述排气管路和所述进气组件由金属材料制成。
优选地，还包括：保护层，所述保护层与所述清洗气体不发生反应，所述保护层覆盖所述腔室的内表面、所述排气管路的内表面以及所进气组件的内表面。
优选地，所述腔室、所述排气管路和所述进气组件的材料包括铝，所述保护层包括AlF3。
根据本发明的另一方面，提供一种原子层沉积设备的清洗方法，所述原子层沉积设备包括如权利要求1至8任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述清洗方法包括：经所述进气组件向所述腔室内提供含有所述反应离子的所述清洗气体，所述清洗气体与所述沉积产物反应生成所述中间产物；控制所述原子层沉积设备的温度使得所述中间产物呈气态；以及经所述排气管路将所述中间产物排出。
优选地，在向所述腔室通入所述清洗气体之前，还包括：向所述腔室内通入一定量的氮气或惰性气体中的一种或多种。
优选地，在向所述腔室通入所述清洗气体之前，还包括：设置所述腔室、所述排气管路以及所述真空泵的温度按照气流方向逐渐升高。
优选地，在向所述腔室内通入所述清洗气体之前，还包括：对所述进气组件、所述腔室和所述排气管路的内表面进行表面处理，以形成不与所述清洗气体发生反应的保护层。
优选地，所述表面处理包括硫酸硬质氧化处理或氟化处理。
优选地，所述清洗方法还包括：设置所述反应离子在所述清洗气体中的质量占比随清洗时间的延长而逐渐降低。
本发明提供的原子层沉积设备及其清洗方法，原子层沉积设备的进气组件连接有等离子源，并且在该原子层沉积设备中设置温度控制单元，设备具有加热功能，使清洗气体与工艺后沉积产物反应生成中间产物气化呈气态，并经排气管路排出。该方法能能够有效地去除形成于原子层沉积设备内部各处的工艺后沉积产物，保证了原子层沉积设备的工艺稳定性。
进一步地，本发明提供的原子层沉积设备及其清洗方法，通过将工艺后沉积产物经化学反应转变为中间产物，并且将中间产物气化，利用真空泵排出气化的中间产物，从而在不降温和不拆卸设备部件的情况下，能对原子层沉积设备进行原位清洗，避免了设备开腔维护，缩短了清洗时间，降低了工作强度，提高了设备的利用率。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的原子层沉积的流程图。
图2示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的清洗方法的流程图。
附图标记列表
100 腔体
110 衬底
120 反射盘
130 加热基座
140 盖板
141 喷淋头
150 排气管路
151 真空泵
160 主进气管路
161 副进气管路
171 第一阀门
172 第二阀门
173 第三阀门
174 第四阀门
175 第五阀门
180 等离子源
181 第一进气通道
182 第二进气通道
183 第三进气通道
184 第四进气通道
185 第五进气通道
190 传输口
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据现有技术的原子层沉积的流程图。
如图1所示，在现有技术中，在步骤S101中，在反应腔室中通入第一前驱气体，使第一前驱气体吸附在衬底上。在步骤S102中，在反应腔室中通入氮气，以吹扫未被衬底吸附的第一前驱气体。在步骤S103中，在反应腔室中通入第二前驱气体，与第一前驱气体生成所需的中间产物薄膜。在步骤S104中，在反应腔室中通入氮气，以吹扫未被衬底吸附的第二前驱气体。
以形成氮化钽(TaN)薄膜为例，在步骤S101中，在反应腔室中通入第一前驱气体，第一前驱气体例如为氨气，使氨气吸附在衬底上。在步骤S102中，在反应腔室中通入氮气，以吹扫未被衬底吸附的氨气。在步骤S103中，在反应腔室中通入第二前驱气体，第二前驱气体例如为含有PDMAT(化学式为C10H30N5Ta)的氮气或者含有氯化钽(化学式为TaCl5)的氮气，与氨气生成所需的中间产物薄膜。在步骤S104中，在反应腔室中通入氮气，以吹扫未被衬底吸附的含有PDMAT的氮气。
在步骤S01至S04中，在衬底上形成了单层原子膜，可通过控制步骤S01至S04的循环次数，以获得所需层数的薄膜。在循环形成具有多层原子膜的薄膜的过程中，在原子层沉积设备的腔室内壁和排气管路内壁也会吸附各类前驱气体，因此薄膜还形成于进气组件、腔室和排气组件的表面。在衬底上生长厚度为2至5μm的薄膜后，位于进气组件、腔室和排气组件的表面的薄膜脱落，形成颗粒，颗粒物数量增加至不能满足工艺要求，这时需要对腔室、排气管路进行维护。
图2示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。
如图2所示，在该实施例中，原子层沉积设备主要包括腔室、进气组件、排气组件和连接至进气组件的等离子源180。
腔室包括顶部具有开口的腔体100和位于腔体100顶部的盖板140，腔室的内壁覆盖有腔室内衬。腔体100的上端与盖板140连接，腔体100与盖板140之间形成容纳空间，用于容纳功能部件。腔体100和盖板140采用分离式结构，能够方便地安装位于腔体100中的部件以及拆卸功能部件。在设备正常工作时，盖板140将位于腔体100顶部的开口密封，以形成真空状态的腔室。腔体100内包括功能部件，功能部件例如包括加热基座130、反射盘120和衬底110。加热基座130位于腔室的底部，用于承载衬底110。在腔体100的侧壁还包括传输口190，传输口190用于方便地安装和拆卸衬底110。在腔体100的底部包括反射盘120，反射盘120具有镜面表面，用于反射腔室内的红外波，提高能量的利用率。
进气组件包括主进气管路主进气管路160、副进气管路161和喷淋头141(showerhead)，主进气管路160和副进气管路161分别连接至盖板140，并延伸至邻接于盖板140下表面的喷淋头141，喷淋头用于使通入腔室的气体在腔室中均匀扩散。
主进气管路160连接有第五进气通道185和第二进气通道182，第五进气通道185和第二进气通道182分别用于向腔室中通入第二前驱气体和氮气，分别受控于第五阀门175、第二阀门172。主进气管路160还通过第一进气通道181连接至等离子源180，第一进气通道181受控于第一阀门171，等离子源180例如为远程等离子源，用于向腔室提供等离子体。
副进气管路161连接有第三进气通道183和第四进气通道184，第三进气通道183和第四进气通道184分别用于向腔室中通入第一前驱气体和氮气，分别受控于第三阀门173、第四阀门174。
排气组件包括排气管路150和真空泵151，用于排出腔室内的气体。腔体100的下端设置有出气口，排气管路150的一端连接至腔室的出气口，排气管路150的另一端与真空泵151连接，真空泵151例如为干泵。
在该实施例中，在原子层沉积设备的表面和内部还设置有温度控制单元，温度控制单元例如为加热器(图中未示出)，加热器例如为加热棒和加热带中的至少一种，加热的温度范围为80℃至350℃。例如，温度控制单元设置在腔室内、进气组件、排气管路150和真空泵151上，并且腔室、进气组件、排气管路150和真空泵151各处的温度可以在温度控制单元的控制下，根据需要进行调整。优选地，设置进气组件、腔室、排气管路150和真空泵151的温度按气流方向温度逐渐升高，以避免在清洗设备的过程中，中间产物由于温度逐渐减低而再次由气态固化为固态。
进气组件、腔室、腔室内衬、和排气组件的材料为金属材料。优选地，进气组件、腔室、腔室内衬、和排气组件的材料为铝。进一步地，对进气组件、腔室、腔室内衬、和排气组件进行表面处理，以形成保护层，避免其暴露在反应气体中的表面被腐蚀，表面处理例如为硫酸硬质氧化或氟化处理，优选的表面处理为氟化处理。例如，通过主进气管路160向腔室中输入氟化氢(HF)气体，使氟化氢气体与进气组件、腔室、腔室内衬、和排气组件的表面充分接触反应，以在主进气管路160、腔室、腔室内衬、和排气组件暴露在氟化氢气体中的表面形成氟化铝(AlF3)薄膜，避免在清洗过程中被F-离子腐蚀，保证了设备的使用寿命。在替代的实施例中，在清洗原子层沉积设备的过程中，进气组件中的副进气管路161中通入氮气或稀有气体的一种或多种，因此副进气管路161的不进行表面处理。
以清洗氮化钽为例，在清洗过程中，利用温度控制单元，将进气组件、腔室、排气管路150和真空泵151的温度设定在230℃至250℃，并且设置进气组件、腔室、排气管路150和真空泵151的温度按气流方向温度逐渐升高，以避免在清洗过程中，中间产物由于温度逐渐减低而再次由气态固化为固态。设置腔室内压强为1000mtorr。反射盘120在腔室的热传导下温度升到230℃以上。
在清洗过程中，第一阀门171处于开启状态，等离子源180通过第一进气通道181和主进气管路160向腔室提供反应离子。第二阀门172处于开启状态，用于提供稀释气体，以稀释反应离子，避免反应离子浓度过高造成器件的损坏以及原料的浪费。例如，等离子源180将NF3分解获得F-离子和N3+离子，形成含有F-离子和N3+离子的反应离子，反应离子随稀释气体流经过主进气管路160进入腔室与氮化钽反应，生成氟化钽(化学式为TaF5)。在进气组件、腔室、排气管路150和真空泵151加热的条件下，位于进气组件、腔室、排气管路150和真空泵151表面的氟化钽在高温环境下升华，气体状态的氟化钽在真空泵151的作用下经过排气管路150排出，从而完成原位清洗。第三阀门173处于开启状态，以使一定量的氮气经过副进气管路161进入腔室，防止在清洗过程中，反应离子进入副进气管路，造成副进气管路被腐蚀和原料的浪费。在替代的实施例中，也可以向副进气管路通入氮气或稀有气体中的一种或多种，防止副进气管路被腐蚀。第四阀门174处于关闭状态，防止第一前驱气体进入腔室。第五阀门175处于关闭状态，防止第二前驱气体进入腔室。
图3示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的清洗方法的流程图。
该清洗方法开始于一个待清洗的原子层沉积设备，原子层沉积设备如图2所示。在循环形成具有多层原子膜的薄膜的过程中，主进气管路和副进气管路分别用于向腔室内通入不同的前驱气体，使薄膜形成于衬底表面。在原子层沉积设备的腔室内壁和排气管路内壁也会吸附各类前驱气体，因此，薄膜还形成于进气组件、腔室和排气组件的表面，位于进气组件、腔室和排气组件表面的薄膜即为工艺后沉积产物。在衬底上生长厚度为2至5μm的薄膜后，工艺后沉积产物脱落形成颗粒，当颗粒物数量增加至不能满足工艺要求，这时需要对腔室、排气管路进行维护。
在步骤S201中，加热腔室以达到预设温度。
原子层沉积设备的表面和内部设置有温度控制单元，温度范围为80℃至350℃。以清洗氮化钽薄膜为例，设置进气组件、腔室、排气管路和真空泵的温度为230℃至250℃。加热原子层沉积设备的腔室有利于化学反应的快速进行，提高了清洗的效率。在该实施例中，加热原子层沉积设备的进气组件、腔室、排气管路和真空泵，使进气组件、腔室、排气管路和真空泵等部件的温度升高至所需温度。在替代的实施例中，还可以加热原子层沉积设备的腔室、进气组件、排气管路中的至少一个，利用热传导效应，使进气组件、腔室、排气管路、真空泵等部件的温度升高至所需温度。优选地，设置进气组件、腔室、排气管路和真空泵的温度按气流方向逐渐升高。
在步骤S202中，向副进气管路通入氮气或稀有气体中的一种或多种。
向原子层沉积设备的副进气管路通入氮气或稀有气体中的一种或多种，例如通入高纯氮(purity N2,PN2)，用于防止用于清洗的反应离子进入副进气管路，避免副进气管路被腐蚀，同时可以节省工艺成本。在替代的实施例中，可以省去步骤S202，例如通过在副进气管路与腔室的连接处设置阀门，在清洗过程中关闭阀门，来达到使反应离子不进入副进气管路的目的。在又一替代的实施例中，可以省去步骤S202，副进气管路的表面经过氟化处理，从而副进气管路不会被反应离子腐蚀。
在步骤S203中，经主进气管路向腔室内提供含有反应离子的清洗气体，清洗气体与沉积产物反应生成中间产物，中间产物在预设温度下呈气态。
反应离子由等离子源提供，通过连接至等离子源的第一进气管路和原子层沉积设备的进气组件进入原子层沉积设备的腔室及排气管路。例如，将含有反应离子的氮气通过主进气管路和喷淋头进入原子层沉积设备的腔室及排气组件。反应离子与稀释气体的质量之比为1:0.5至1:20，优选地，反应离子与稀释气体的质量之比为1:10。优选地，由于化学反应的速率随反应时间的增加而逐渐变缓慢，因此设置反应离子与稀释气体的质量之比随清洗时间的延长而逐渐降低，可以节省工艺成本。反应离子进入原子层沉积设备的腔室及排气组件后，与位于进气组件、腔室、排气管路和真空泵的表面的工艺后沉积产物充分反应，生成中间产物。工艺后沉积产物例如为氮化物薄膜，中间产物例如为氟化物，反应离子例如包括F-离子和N3+离子，稀释气体例如包括氮气。
设置腔室、进气组件、排气管路和真空泵的压强为2mtorr至10000mtorr，优选地设置为1000mtorr。由于中间产物的饱和蒸气压高于沉积产物的饱和蒸气压，因此在同样的外界条件下，中间产物比沉积产物更容易挥发。在步骤S201中，原子层沉积设备的多个部件均已得到加热，并且加热的温度高于中间产物升华所需的温度，因此在形成中间产物之后，中间产物随即升华为气态。
以清洗氮化钽薄膜为例，反应离子中含有氟离子，使氟离子与氮化钽充分反应，以获得氟化钽，化学反应离子方程式为Ta3++N3-+5F-+N3+→TaF5+N2。在该实施例中，稀释气体例如为氮气，反应离子与稀释气体的质量之比为1:0.5至1:20。优选地，在清洗开始时，反应离子与稀释气体的质量之比为1:10，随着清洗时间的延长，反应离子与稀释气体的质量之比逐渐减小。
在步骤S204中，经排气通道将中间产物排出所述腔室。利用真空泵，将气态的中间产物排出腔室，从而使得原子层沉积设备的表面恢复至洁净表面，并且腔室内未残留中间产物，便于后续沉积工艺的进行。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (14)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括：
腔室；
排气管路，连接在所述腔室和真空泵之间；
进气组件，连接至所述腔室，用于向所述腔室提供包含反应离子的清洗气体，所述清洗气体与工艺后沉积产物反应生成中间产物；以及
温度控制单元，用于对所述原子层沉积设备加热以使所述中间产物呈气态。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括：等离子源，与所述进气组件通过第一进气通道相连，用于提供所述反应离子，稀释气体经第二进气通道进入所述进气组件以与所述反应离子混合成所述清洗气体。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述沉积产物包括TaN，所述反应离子包括F-离子和N3+离子，所述稀释气体包括N2，所述中间产物包括TaF5。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述进气组件包括：
主进气管路，用于向所述腔室通入所述清洗气体；
副进气管路，氮气或惰性气体中的一种或多种经第三进气通道进入所述副进气管路；以及
喷淋头，用于使所述清洗气体在所述腔室中均匀扩散。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述腔室包括腔体和盖板，所述盖板位于所述腔体的顶部，所述喷淋头设置于所述盖板的内表面，
在所述温度控制单元的控制下，所述喷淋头、所述腔体、所述排气管路和所述真空泵的温度按照气流方向逐渐升高。
6.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述腔室、所述排气管路和所述进气组件由金属材料制成。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括：保护层，所述保护层与所述清洗气体不发生反应，所述保护层覆盖所述腔室的内表面、所述排气管路的内表面以及所进气组件的内表面。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述腔室、所述排气管路和所述进气组件的材料包括铝，所述保护层包括AlF3。
9.一种原子层沉积设备的清洗方法，所述原子层沉积设备包括如权利要求1至8任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述清洗方法包括：
经所述进气组件向所述腔室内提供含有所述反应离子的所述清洗气体，所述清洗气体与所述沉积产物反应生成所述中间产物；
控制所述原子层沉积设备的温度使得所述中间产物呈气态；以及
经所述排气管路将所述中间产物排出。
10.根据权利要求9所述的清洗方法，其特征在于，在向所述腔室通入所述清洗气体之前，还包括：向所述腔室内通入一定量的氮气或惰性气体中的一种或多种。
11.根据权利要求9所述的清洗方法，其特征在于，在向所述腔室通入所述清洗气体之前，还包括：设置所述腔室、所述排气管路以及所述真空泵的温度按照气流方向逐渐升高。
12.根据权利要求9所述的清洗方法，其特征在于，在向所述腔室内通入所述清洗气体之前，还包括：对所述进气组件、所述腔室和所述排气管路的内表面进行表面处理，以形成不与所述清洗气体发生反应的保护层。
13.根据权利要求12所述的清洗方法，其特征在于，所述表面处理包括硫酸硬质氧化处理或氟化处理。
14.根据权利要求9所述的清洗方法，其特征在于，所述清洗方法还包括：设置所述反应离子在所述清洗气体中的质量占比随清洗时间的延长而逐渐降低。
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