CN110230041B - 一种原子层沉积设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子层沉积设备及方法。该设备包括反应腔室和至少两路气体传输系统，所述气体传输系统向所述反应腔室通入气体，每路所述气体传输系统包括：前驱体源、前驱体携载管路、前驱体稀释管路、前驱体吹扫管路和前驱体供应管路；所述前驱体吹扫管路可通断性连接所述前驱体携载管路和所述前驱体稀释管路；所述前驱体携载管路与所述前驱体源可通断性连接。本发明通过增加前驱体吹扫管路而增大了管路吹扫时通入前驱体管路的吹扫气体流量，可以有效地减少附着在管路内拐角或是盲端位置的残留物，降低工艺颗粒污染。

Description

一种原子层沉积设备及方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，具体地，涉及一种原子层沉积设备及方法。

背景技术

原子层沉积(ALD，Atomic layer deposition)是通过将气相前驱体交替通入反应腔室并发生化学反应而形成沉积膜的一种方法，该方法可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面。当前驱体到达沉积基底表面会化学吸附在基底表面，在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对反应腔室进行吹扫，以清除未吸附在基体表面的过剩前驱体，以保证化学反应只在基体表面发生。ALD工艺受其生长原理限制，其生长速率较化学气相沉积技术(CVD，Chemical Vapor Deposition)和物理气相沉积技术(PVD，Physical VaporDeposition)是最低的，其产能也相应较低。但ALD技术在台阶覆盖、侧壁及底部覆盖等方面都表现优异，这将是它与PVD竞争的优势。

在ALD工艺生长过程中，气体传输系统将一种或是多种前驱体提供给反应腔室。前驱体源分为：气态源、固态源或是液态源。气态源则由气体管路加脉冲阀直接连接反应腔室，固态源和液态源将主要通过惰性气体载入源瓶，并将前驱体以气态形式携带进入反应腔室，参与ALD工艺。不同前驱体交替进入反应腔室的ALD工艺，以及两种前躯体脉冲之间，惰性气体对管路和腔室的吹扫，主要通过气体传输系统中脉冲阀的开启和关闭实现。

理想ALD工艺生长是两种前躯体与基底表面交替反应，避免两种前躯体相互发生CVD反应沉积在基底表面。因此在第一种前躯体通入到基底表面完成反应后，第二种前躯体进入腔室前，必须去除滞留在腔室和管路里第一种前躯体的残留物。这些残留物容易相互反应形成化合物，对基底表面带来杂质颗粒污染。

在常规ALD气体传输系统工艺循环中，当通入反应源时，前躯体管路中气体流量较小；通入前躯体结束后，管路及腔室吹扫时，前躯体管路内气体流量与通入反应源时相同，不足以达到将管路吹扫干净的程度。因此，有必要提出一种原子层沉积设备及方法，以增加前躯体管路吹扫流量。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种原子层沉积设备及方法，以解决现有技术中的上述问题。

根据本发明的一方面，提出一种原子层沉积设备，包括反应腔室和至少两路气体传输系统，所述气体传输系统向所述反应腔室通入气体，每路所述气体传输系统包括：前驱体源、前驱体携载管路、前驱体稀释管路、前驱体吹扫管路和前驱体供应管路；

所述前驱体吹扫管路可通断性连接所述前驱体携载管路和所述前驱体稀释管路；

所述前驱体携载管路与所述前驱体源可通断性连接；

所述前驱体携载管路的出口端以及所述前驱体稀释管路的出口端与所述前驱体供应管路的入口连接，所述前驱体供应管路的出口与所述反应腔室连接。

优选地，所述前驱体吹扫管路通过第一阀组件连接在所述前驱体携载管路和所述前驱体稀释管路之间。

优选地，所述第一阀组件包括第一三通阀，所述第一三通阀的第一入口和第一出口连接在所述前驱体稀释管路上，所述前驱体吹扫管路的一端与所述第一三通阀的第二出口连接，另一端与所述前驱体携载管路连接。

优选地，所述前驱体携载管路通过第二阀组件与所述前驱体源连接。

优选地，所述第二阀组件包括第二三通阀和脉冲阀，所述前驱体携载管路分为与所述前驱体源的入口连接的前驱体源进气管路以及与所述前驱体源的出口连接的前驱体源出气管路，所述第二三通阀的第一入口和第一出口连接在所述前驱体源进气管路上，所述脉冲阀连接在所述前驱体源出气管路上，所述第二三通阀的第二出口连接在所述脉冲阀的下游。

优选地，所述前驱体携载管路的入口处设置有第一流量计，所述前驱体稀释管路的入口处设置有第二流量计。

根据本发明的另一方面，提出一种原子层沉积方法，其利用以上所述的原子层沉积设备进行原子层沉积，包括以下步骤：

1)惰性气体进入其中一路气体传输系统的前驱体携载管路，携带前驱体的惰性气体与从前驱体稀释管路进入的惰性气体汇合后，进入所述反应腔室；

2)从前驱体稀释管路进入、经由前驱体吹扫管路进入前驱体携载管路的惰性气体，与从所述前驱体携载管路入口进入的惰性气体汇合，不携带前驱体进入所述反应腔室；

3)惰性气体进入另一路气体传输系统的前驱体源进气管路，重复步骤1)-2)；

4)重复步骤1)-3)，直到反应循环次数达到设定循环数时进入步骤5)；

5)从前驱体稀释管路进入的惰性气体与从前驱体携载管路进入的惰性气体汇合，不携带前驱体进入所述反应腔室；

6)通过真空泵干抽所述反应腔室和各个管路中的气体；

7)重复步骤5)-6)，直到吹扫与干抽循环次数达到设定循环数时结束工艺。

优选地，在步骤1)中，第一三通阀的第一入口和第一出口连通，脉冲阀开启，并且第二三通阀的第一入口和第一出口连通；

在步骤2)和步骤5)中，第一三通阀的第一入口和第二出口连通，脉冲阀关闭，并且第二三通阀的第一入口和第二出口连通。

优选地，在步骤4)之前重复执行步骤3)，使惰性气体进入其他不同的传输管道。

优选地，所述惰性气体为氮气或氩气。

本发明具有以下有益技术效果：

现有技术中进行管路吹扫时前躯体管路内气体流量与通入反应源时相同，存在前驱体管路吹扫流量较小的问题，本发明通过增加前驱体吹扫管路而增大了管路吹扫时通入前驱体管路的吹扫气体流量，可以有效地减少附着在管路内拐角或是盲端位置的残留物，降低工艺颗粒污染。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方案中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方案中进行详细陈述，这些附图和具体实施方案共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方案进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方案中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出根据本发明的示例性实施方案的原子层沉积设备的示意图；

图2示出图1中的设备所采用的原子层沉积工艺的流程图。

主要附图标记说明：

101-前驱体携载管路，102-前驱体稀释管路，103-前驱体吹扫管路，104-前驱体源进气管路，105-前驱体源出气管路，106-前驱体供应管路，111-第一三通阀，112-第二三通阀，113-脉冲阀，114-前驱体旁路，115-前驱体A源，121-第一流量计，122-第二流量计；

200-反应腔室，201-气体分配器，202-样品工艺平台，203-真空泵，204-尾气处理装置。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方案，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方案所限制。相反，提供这些实施方案是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

以下参考图1-图2详细描述根据本发明的示例性实施方案的原子层沉积设备及方法。

如图1所示，该原子层沉积设备包括反应腔室200和两路气体传输系统(图1中仅示出其中一路气体传输系统100，另一路气体传输系统未示出)，气体传输系统向反应腔室200通入气体。本领域技术人员应当理解，该原子层沉积设备还可以包括多于两路的气体传输系统。

反应腔室200在上壁处设置气体分配器201，以使来自各路气体传输系统的气体进入反应腔室；反应腔室200的下部设置有样品工艺平台202，用于布置衬底以进行反应；反应腔室200通过真空泵203与尾气处理装置204连接，真空泵203对反应腔室200以及与反应腔室连接的管道进行抽真空，并将所抽取的气体送入尾气处理装置204。

如图1所示，气体传输系统100包括前驱体A源115、前驱体携载管路101、前驱体稀释管路102、前驱体吹扫管路103。另一路气体传输系统包括前驱体B源，该路气体传输系统的结构与气体传输系统100相同。

前驱体吹扫管路103可通断性连接前驱体携载管路101和前驱体稀释管路102。

在一个示例中，前驱体吹扫管路103通过第一阀组件连接在前驱体携载管路101和前驱体稀释管路102之间。

具体地，所述第一阀组件包括第一三通阀111，其中，将惰性气体进入第一三通阀111的端口称为第一入口，将惰性气体流出的两个端口分别称为第一出口和第二出口。本领域技术人员应当理解，以上端口名称的设置是为了便于说明本实施方案中各个部件的连接关系，并不对第一三通阀的结构起限定作用。

第一三通阀111的第一入口和第一出口连接在前驱体稀释管路102上，前驱体吹扫管路103的一端与第一三通阀111的第二出口连接，另一端与前驱体携载管路101连接。

本领域技术人员应当理解，前驱体吹扫管路103还可以通过其他适当的方式实现前驱体携载管路101和所述前驱体稀释管路102之间可通断地连接。

当前驱体携载管路101和前驱体稀释管路102连通时，从前驱体稀释管路102进入的气体可以全部通过前驱体吹扫管路103进入前驱体携载管路101，也可以部分通过前驱体吹扫管路103进入前驱体携载管路101而另一部分进入与第一三通阀111的第一出口连接的前驱体稀释管路102中。当从前驱体稀释管路102进入的气体全部进入前驱体携载管路101时，更有助于增大前驱体携载管路中吹扫气体的流量。

前驱体携载管路101与前驱体A源115可通断性连接。

在一个示例中，前驱体携载管路101通过第二阀组件实现与前驱体A源115之间的可通断性连接。

具体地，所述第二阀组件包括第二三通阀112和脉冲阀113，其中，其中，将惰性气体进入第二三通阀112的端口称为第一入口，将惰性气体流出的两个端口分别称为第一出口和第二出口。本领域技术人员应当理解，以上仅为便于说明本实施方案中各个部件的连接关系，并不对第二三通阀的结构起限定作用。

前驱体携载管路101分为与前驱体A源的入口连接的前驱体源进气管路104以及与前驱体A源的出口连接的前驱体源出气管路105。

第二三通阀112的第一入口和第一出口连接在前驱体源进气管路104上，脉冲阀113连接在前驱体源出气管路113上。第二三通阀112的第二出口连接在脉冲阀113的下游。第二三通阀112的第二出口可以通过前驱体旁路114连接在脉冲阀113的下游。

脉冲阀113的下游是指前驱体源出气管路113中脉冲阀113与前驱体A源之间的部分，上施是指脉冲阀113与前驱体源出气管路105的出口端之间的部分。本领域技术人员应当理解，以上仅为便于说明本实施方案中各个部件的连接关系，并不对脉冲阀的结构起限定作用。

基于以上连接方式，通过控制第二三通阀112实现其第一入口和第一出口的连通，以及控制脉冲阀113开启，可以实现前驱体携载管路101与前驱体A源115连通，即进入前驱体携载管路101的惰性气体携带前驱体A进入反应腔室200；通过控制第一三通阀113实现其第一入口和第二出口的连通，以及控制脉冲阀113关闭，可以实现前驱体携载管路101与前驱体A源115断开，即进入前驱体携载管路101的惰性气体不携带前驱体A直接进入反应腔室200。

前驱体携载管路101的出口端以及前驱体稀释管路102的出口端连接至反应腔室200。具体地，前驱体携载管路101和前驱体稀释管路102可以汇合成前驱体供应管路106，通过前驱体供应管路106与反应腔室200连接，如图1所示；也可以前驱体携载管路101和前驱体稀释管路102分别与反应腔室200连接。

前驱体携载管路101的入口处设置有第一流量计121，用于控制进入前驱体携载管路101的携带气体的流量。第一流量计121的量程优选为500sccm。前驱体稀释管路102的入口处设置有第二流量计122，用于控制进入前驱体稀释管路102的稀释气体的流量。第二流量计122的量程优选为5000sccm。

根据本发明的示例性实施方案的原子层沉积设备进行薄膜沉积的过程如下：

①前驱体A进入腔室：

惰性气体作为携带气体进入气体传输系统100的前驱体携载管路101，携带前驱体与从前驱体稀释管路102进入的作为稀释气体的惰性气体汇合，之后进入反应腔室200。

此时，第一三通阀113的第一入口和第一出口连通，脉冲阀113开启，并且第二三通阀115的第一入口和第一出口连通。

通过第一流量计121控制进入前驱体携载管路101的携带气体的流量，例如可以将其控制为100sccm；通过第二流量计122控制进入前驱体稀释管路102的稀释气体的流量，例如可以将其控制在2000～5000sccm之间，优选为3000sccm。

惰性气体可以是氮气或者氩气，也可以是其他适于携带前驱体和进行稀释的惰性气体。

当前驱体A在反应腔室200饱和吸附或反应后，进入下面步骤。

②吹扫前驱体A传输管路和腔室：

从前驱体稀释管路102进入的惰性气体经由前驱体吹扫管路103进入前驱体携载管路101，与从前驱体携载管路101入口进入的惰性气体汇合后，经由前驱体旁路114、不携带前驱体A进入反应腔室。此时，第一三通阀111的第一入口和第二出口连通，脉冲阀113关闭，并且第二三通阀112的第一入口和第二出口连通。

在此步骤中，进入反应腔室200的惰性气体总流量为来自前驱体稀释管路102的稀释气体流量和来自前驱体携载管路101的前驱体A携带气体流量之和。在本实施方案中，管路吹扫气体流量远大于常规ALD流程内单一前躯体A携带气体的吹扫。

③前驱体B进入腔室：

该过程与步骤①前驱体A进入腔室的过程相同。

④扫前驱体A传输管路和腔室：

该过程与步骤②吹扫前驱体A传输管路和腔室的过程相同。

步骤①-④为ALD工艺循环步骤，本发明通过增大管路吹扫时通入前驱体管路的吹扫气体流量，可以有效地减少附着在管路内拐角或是盲端位置的残留物，降低工艺颗粒污染。

以上为原子层沉积设备包括两路气体传输系统的情况，本领域技术人员可以理解，当原子层沉积设备包括多路气体传输系统时，可以基于相似的方法选择不同的管道进行操作，以使惰性气体携带多种前躯体进入反应腔室与衬底表面交替反应。

在ALD工艺循环次数达到设定循环数后进入以下步骤：

⑤从前驱体稀释管路102进入的惰性气体与从前驱体携载管路101进入的惰性气体汇合，不携带前驱体A进入反应腔室200。

从前驱体稀释管路102进入的惰性气体，可以经由前驱体吹扫管路103进入前驱体携载管路101与其中传输的惰性气体汇合，也可以经由前驱体稀释管路102流入前驱体供应管路106与从前驱体携载管路101进入的惰性气体汇合。

在前驱体携载管路101中的惰性气体经由前驱体旁路114进行传输，而未通过前驱体A源。

⑥通过真空泵干抽反应腔室1和各个管路中的气体；

重复步骤⑤-⑥，直到吹扫与干抽循环次数达到设定循环数时结束工艺。

以上重复执行的吹扫与干抽为外循环步骤，本发明通过在ALD工艺循环完成后增加外循环步骤，可以降低管路和腔室内壁附着的反应源或生成物。

以上已经描述了本发明的各实施方案，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方案。在不偏离所说明的各实施方案的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方案的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方案。

Claims (9)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括反应腔室和至少两路气体传输系统，所述气体传输系统向所述反应腔室通入气体，每路所述气体传输系统包括：前驱体源、前驱体携载管路、前驱体稀释管路、前驱体吹扫管路和前驱体供应管路；

所述前驱体吹扫管路通过第一阀组件可通断性连接所述前驱体携载管路和所述前驱体稀释管路；

所述第一阀组件包括第一三通阀，所述第一三通阀的第一入口和第一出口连接在所述前驱体稀释管路上，所述前驱体吹扫管路的一端与所述第一三通阀的第二出口连接，另一端与所述前驱体携载管路连接，所述前驱体吹扫管路用于增大所述前驱体携载管路中吹扫气体的流量；

所述前驱体携载管路与所述前驱体源可通断性连接；

所述前驱体携载管路的入口端连接惰性气体源；

所述前驱体携载管路的出口端以及所述前驱体稀释管路的出口端与所述前驱体供应管路的入口连接，所述前驱体供应管路的出口与所述反应腔室连接。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述前驱体吹扫管路通过第一阀组件连接在所述前驱体携载管路和所述前驱体稀释管路之间。

3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述前驱体携载管路通过第二阀组件与所述前驱体源连接。

4.根据权利要求3所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述第二阀组件包括第二三通阀和脉冲阀，所述前驱体携载管路分为与所述前驱体源的入口连接的前驱体源进气管路以及与所述前驱体源的出口连接的前驱体源出气管路，所述第二三通阀的第一入口和第一出口连接在所述前驱体源进气管路上，所述脉冲阀连接在所述前驱体源出气管路上，所述第二三通阀的第二出口连接在所述脉冲阀的下游。

5.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述前驱体携载管路的入口处设置有第一流量计，所述前驱体稀释管路的入口处设置有第二流量计。

6.一种原子层沉积方法，其利用如权利要求1-5中任一项所述的原子层沉积设备进行原子层沉积，其特征在于，包括以下步骤：

1）惰性气体进入其中一路气体传输系统的前驱体携载管路，携带前驱体的惰性气体与从前驱体稀释管路进入的惰性气体汇合后，进入所述反应腔室；

2）从前驱体稀释管路进入、经由前驱体吹扫管路进入前驱体携载管路的惰性气体，与从所述前驱体携载管路入口进入的惰性气体汇合，不携带前驱体进入所述反应腔室；

3）惰性气体进入另一路气体传输系统的前驱体源进气管路，重复步骤1）-2）；

4）重复步骤1）-3），直到反应循环次数达到设定循环数时进入步骤5）；

5）从前驱体稀释管路进入的惰性气体与从前驱体携载管路进入的惰性气体汇合，不携带前驱体进入所述反应腔室；

6）通过真空泵干抽所述反应腔室和各个管路中的气体；

7）重复步骤5）-6），直到吹扫与干抽循环次数达到设定循环数时结束工艺。

7.根据权利要求6所述的原子层沉积方法，其特征在于，

在步骤1）中，第一三通阀的第一入口和第一出口连通，脉冲阀开启，并且第二三通阀的第一入口和第一出口连通；

在步骤2）和步骤5）中，第一三通阀的第一入口和第二出口连通，脉冲阀关闭，并且第二三通阀的第一入口和第二出口连通。

8.根据权利要求6所述的原子层沉积方法，其特征在于，在步骤4）之前重复执行步骤3），使惰性气体进入其他气体传输系统。

9.根据权利要求6所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气或氩气。

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