CN110387536A - 原子层沉积方法及炉管设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原子层沉积方法及炉管设备，其中一种原子层沉积方法包括步骤S1至步骤S6共六个步骤，本发明一方面通过改进炉管设备中真空泵系统，另一方面通过原子层沉积方法的控制，使得原子层沉积的两种反应气体分别从不同的真空泵通过，致使真空泵内沉积薄膜大幅减少，降低了真空泵中的累积膜厚，提高真空泵的寿命，可以提高真空泵寿命达到两倍或两倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及半导体储存器制造技术，尤其涉及一种原子层沉积方法及炉管设备。
背景技术
原子层沉积(ALD)是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种方法(技术)。当前驱体达到沉积基体表面，它们会在其表面化学吸附并发生表面反应。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。由此可知沉积反应前驱体物质能否在被沉积材料表面化学吸附是实现原子层沉积的关键。气相物质在基体材料的表面吸附特征可以看出，任何气相物质在材料表面都可以进行物理吸附，但是要实现在材料表面的化学吸附必须具有一定的活化能，因此能否实现原子层沉积，选择合适的反应前驱体物质是很重要的。
在集成电路中原子层沉积通常在原子层沉积炉管设备中进行，现有的原子层沉积炉管设备中真空泵配备方法是每台炉管设备配备一台真空泵。氮化硅炉管设备的真空泵的使用寿命与累积膜厚有关，超过一定的累积膜厚需要对真空泵做维护。
现有原子层沉积(ALD)的炉管设备的真空泵系统和氮化硅炉管设备的真空泵系统相同，使用单真空泵系统。
原子层沉积(ALD)反应方式是两种不同气体分别交替饱和化学吸附从而生长成薄膜，两种气体不会同时存在于反应室(101)内；但在真空泵里，前半个循环的残留气体会与后续气体发生反应，使原子层沉积(ALD)炉管中真空泵的寿命大幅低于氮化硅炉管中真空泵的寿命，实际真空泵使用的时间也小于氮化硅炉管中真空泵的使用时间。
中国发明专利(公告号：CN101519771A)公开了一种原子层沉积设备，包括：金属源气体供应管，其布置在晶片一侧，以在晶片的整个表面上方延伸，并能从第一端到第二端提供源气体；以及活性气体供应管，其布置在该晶片一侧，以在晶片的整个表面上方延伸，并能从第一端到第二端提供源气体，其中该活性气体供应管提供有用于吹出活性气体的多个吹气口，该活性气体在晶片上方被激活，并且其中，利用随着朝向活性气体供应管的第二端而远离第一端时逐渐减小的开口间距离来布置该吹气口。
中国发明专利(公告号：CN104532210A)公开了一种原子层沉积设备和应用，惰性气体储罐通过输气管分别连接第一流量计的进气口和第二流量计的进气口，第一流量计的出气口和第二流量计的出气口分别通过输气管与反应腔体的进气口相连，反应腔体的出气口与真空泵相连，在第一流量计的出气口和反应腔体的进气口之间的输气管路上还设置有第一反应物料罐，在第二流量计的出气口和反应腔体的进气口之间的输气管路上设置有第二反应物料罐，第一反应物料罐内设置有第一温控装置，第二反应物料罐内设置有第二温控装置，反应腔体内设置第三温控装置。本发明结构简单，使用方便，成本降低，在进行使用时，通过控制通入的周期数来控制生长的薄膜的厚度。
上述专利都没有解决原子层沉积(ALD)过程中炉管设备中单泵系统存在跳泵的风险，为了避免该风险，往往会提前定期更换和维护真空泵，使其寿命或维护周期不能达到最大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种原子层沉积方法及炉管设备，通过硬件设备改进以及操作方法的改进，避免现有技术中单泵系统存在跳泵的风险，且大大延长了原子层沉积炉管设备中真空泵的使用寿命。为实现上述技术目的，本发明采取的具体的技术方案为：一种原子层沉积方法，包括如下步骤：
S1：提供一原子层沉积炉管设备，包括炉管外体、排气管组、真空泵一及真空泵二，所述炉管外体一侧设有两个进气口，分别为第一进气口和第二进气口，用于通入不同特气，在所述第一进气口和所述第二进气口相对于所述炉管外体的另一侧面设置有排气口；所述排气管组设置在所述炉管外体相对于所述排气口的另一面，所述排气管组包含主排气管一、主排气管二、支排气管一、支排气管二、支排气管三和支排气管四；所述支排气管一相对于所述主排气管一的另一端与真空泵一相连通，所述真空泵一另一端通过所述支排气管三与所述主排气管二连通；所述支排气管二相对于所述主排气管一的另一端与真空泵二相连通；所述真空泵二另一端通过所述支排气管四与所述主排气管二连通；所述支排气管一上设有支阀门一；所述支排气管二上设有支阀门二；S1步骤包括：通入惰性气体至所述炉管外体中，并通过所述真空泵一及所述真空泵二的任一者将所述炉管外体内抽真空；
S2：从所述第一进气口通入第一特气至所述炉管外体中，同时打开所述支阀门一并关闭所述支阀门二(152)，使得第一特气由所述支阀门一通过所述真空泵一，再经由所述支排气管三、所述主排气管二排出；
S3：停止第一特气通入，通过抽真空和通入惰性气体至所述炉管外体中，将里面的残留漂浮的第一特气及副产物通过所述真空泵一排出；
S4：从所述第二进气口通入第二特气至所述炉管外体中，同时关闭所述支阀门一，打开所述支阀门二，使得第二特气经由所述支阀门二通过所述真空泵二排出；
S5：停止第二特气通入，通过抽真空，将所述炉管外体中里面的残留漂浮的第二特气及副产物通过所述真空泵二排出；
S6：通入惰性气体至所述炉管外体中，使得所述炉管外体中及所述排气管组内微量残留反应气体及微量残留副产物排出。
作为本发明改进的技术方案，步骤S1-S6中所述真空泵一和所述真空泵二是常开的，选择所述真空泵一和所述真空泵二分别通过控制其前端的所述支阀门一和所述支阀门二来实现。
作为本发明改进的技术方案，所述第一特气至少包含硅源、铝源、锆源、铪源、铬源气体中的任一种。
作为本发明改进的技术方案，所述第二特气至少包含氧气、氨气、臭氧、水蒸气中的任一种。
作为本发明改进的技术方案，所述惰性气体至少包含氮气、氩气中的任一种。
作为本发明改进的技术方案，步骤S1中排气使用的真空泵是所述真空泵二。
作为本发明改进的技术方案，步骤S2中在切换所述支阀门一和所述支阀门二时，选择先将所述支阀门一开启，再将所述支阀门二关闭。
作为本发明改进的技术方案，步骤S4中在切换所述支阀门一和所述支阀门二时，选择先将所述支阀门二开启，再将所述支阀门一关闭。
作为本发明改进的技术方案，步骤S6中从所述第二进气口通入部分第二特气以消耗微量残余的第一特气，此时选择所述真空泵二排出气体。
本发明还提供一种原子层沉积炉管设备，包括：
炉管外体，所述炉管外体一侧设有两个进气口，分别为第一进气口和第二进气口，用于通入不同特气，在所述第一进气口和所述第二进气口相对于所述炉管外体的另一侧面设置有排气口；
排气管组，设置在所述炉管外体相对于所述排气口的另一面，所述排气管组包含主排气管一、主排气管二、支排气管一、支排气管二、支排气管三和支排气管四；
真空泵一，所述支排气管一相对于所述主排气管一的另一端与所述真空泵一相连通，所述真空泵一另一端通过所述支排气管三与所述主排气管二连通；
真空泵二，所述支排气管二相对于所述主排气管一的另一端与所述真空泵二相连通，所述真空泵二另一端通过所述支排气管四与所述主排气管二连通。
作为本发明改进的技术方案，所述支排气管一上设有支阀门一，用于开关由所述支排气管一至所述真空泵一的通道。
作为本发明改进的技术方案，所述支排气管二(上设有支阀门二，用于开关由所述支排气管二至所述真空泵二的通道。
作为本发明改进的技术方案，所述主排气管一上设有主阀门，用于开关由所述主排气管一至所述支排气管一及所述支排气管二的通道。
有益效果
本发明通过改进原子层沉积炉管设备中真空泵系统，由单泵系统改进为双泵系统，并通过特殊的原子层沉积方法，控制原子层沉积的两种特气分别从不同的真空泵通过，大幅减少了两种特气相互接触的可能性，使真空泵内沉积薄膜大幅减少，降低了真空泵中的累积膜厚，减少排气系统的颗粒源，提高泵的寿命，可以提高真空泵寿命达到两倍或两倍以上。
另一方面，由于真空泵中相同时间内累积薄膜的厚度变薄，那么要想达到能致使真空泵损坏的薄膜厚度的时间变长，也即延长了真空泵的维护周期，节省了大量人力、物力和财力。
且由于真空泵维护周期变长，不用经常停机来维修，大幅提高了原子层炉管设备产出的能力，从而大大提高了晶圆企业产能。
附图说明
图1绘示本发明原子层沉积方法的工艺流程图。
图2绘示本发明原子层沉积炉管设备示意图。
图3绘示为本发明原子层沉积方法步骤S1示意图。
图4a绘示本发明原子层沉积方法步骤S2示意图。
图4b绘示本发明原子层沉积方法步骤S2中阀门开关和特气流量示意图。
图5a绘示本发明原子层沉积方法步骤S3示意图。
图5b绘示本发明原子层沉积方法步骤S3中阀门开关和特气流量示意图。
图6a绘示本发明原子层沉积方法步骤S4示意图。
图6b绘示本发明原子层沉积方法步骤S4中阀门开关和特气流量示意图。
图7a绘示本发明原子层沉积方法步骤S5示意图。
图7b绘示本发明原子层沉积方法步骤S5中阀门开关和特气流量示意图。
图8绘示本发明原子层沉积方法步骤S6示意图。
图9绘示本发明原子层沉积炉管设备出现故障时的工作示意图。
图中，10、炉管外体；101、反应室；11、第一进气口；12、第二进气口；13、排气口；14、排气管组；141、主排气管一；1411、支排气管一；1412、支排气管二；1413、支排气管三；1414、支排气管四；142、主排气管二；15、主阀门；151、支阀门一；152、支阀门二；161、真空泵一；162、真空泵二；20、晶圆；A、第一特气；B、第二特气；C、惰性气体；D、副产物；S1-S6、步骤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例1
本发明提供一种原子层沉积方法，参阅图1及图2，包括如下步骤：
S1：通入惰性气体C至所述炉管外体10中，并通过所述真空泵一161及所述真空泵二162的任一者将所述炉管外体10内抽真空。
具体的，见图3，此步骤中惰性气体C至少包含氮气、氩气中的任一种，步骤中所述真空泵一161和所述真空泵二162是常开的，选择所述真空泵一161和所述真空泵二162分别通过控制其前端的所述支阀门一151和所述支阀门二152来实现，由于第一特气A，第二特气B未通入反应室101，反应室101内只有通入的惰性气体C或残留的空气，此时排气真空泵既可以使用真空泵一161,也可以使用真空泵二162，优选的使用真空泵二162；抽真空一方面使得炉管外体10内的残余空气排出，起到清洁炉管外体10内以及相应管道的作用，另一方面可以起到降压的作用，为下一步通入特气做好准备。
S2：从所述第一进气口11通入第一特气A至所述炉管外体10中，同时打开所述支阀门一151并关闭所述支阀门二152，使得第一特气A由所述支阀门一151通过所述真空泵一161，再经由所述支排气管三1413、所述主排气管二142排出。
具体的，见图4a，该步骤中所述第一特气A至少包含硅源、铝源、锆源、铪源、铬源气体中的任一种，实际应用中，第一特气A可以包含二氯乙硅烷，六氯乙硅烷(Hexachlorodisilane，HCDS),三甲基铝(Trimethyl Aluminum，TMA)气体中的任一种；在切换所述支阀门一151和所述支阀门二152，选择先将所述支阀门一151开启，再将所述支阀门二152关闭，此时的第一特气A流量及支阀门一151的开关情况见图4b中的A1部分。图4b、图5b、图6b和图7b中，X轴表示时间；Y1表示随工艺流程时间第一特气A的流量变化，Y2表示随工艺流程时间第二特气B的流量变化，Y3表示随工艺流程时间支阀门一151的开关情况，Y4表示随工艺流程时间支阀门二152的开关情况。图4b中的A1部分表示该步骤中只通入第一特气A，不通入第二特气B，支阀门一151开启，支阀门二152关闭。
S3：停止第一特气A通入，通过抽真空和通入惰性气体C至所述炉管外体10中，将里面的残留漂浮的第一特气A及副产物D通过所述真空泵一161排出。
具体的，见图5a，此步骤先停止第一特气A通入后，通入惰性气体C，该惰性气体C同样至少包含氮气、氩气中的任一种，或者类似的惰性气体，再开启支阀门一151，用真空泵一161将反应室101内的多余第一特气A以及相应的副产物D排出，具体特气流量和阀门开关情况见图5b中的A2部分。
S4：从所述第二进气口12通入第二特气B至所述炉管外体10中，同时关闭所述支阀门一151，打开所述支阀门二152，使得第二特气B经由所述支阀门二152通过所述真空泵二162排出。
具体的，见图6a，该步骤中所述第二特气B至少包含氧气、氨气、臭氧、水蒸气中的任一种，或者类似的气体，在切换所述支阀门一151和所述支阀门二152，选择先将所述支阀门二152开启，再将所述支阀门一151关闭，在所述炉管外体10内，第二特气B与先前步骤S2中通入并附着在晶圆20表面的第一特气A发生反应，生成一种非常薄的原子层沉积薄膜，以Al(CH3)3与H2O反应为例，反应式为：
Al(CH3)3+H2O＝Al2O3+CH4
该反应式中，Al(CH3)3为第一特气A，H2O为第二特气B，反应生成了Al2O3薄膜，其中CH4为副产物，具体特气流量和阀门开关情况见图6b中的A3部分。
S5：停止第二特气B通入，通过抽真空，将所述炉管外体10中里面的残留漂浮的第二特气B及副产物D通过所述真空泵二162排出。
具体的，见图7a，该步骤不再通入第一特气A，也不再通入第二特气B，只开启真空泵二162，通过真空泵二162将反应室101抽真空，排出反应室101内的残余的第二特气B以及反应的副产物D，具体特气流量和阀门开关情况见图7b中A4部分。
S6：通入惰性气体C至所述炉管外体10中，使得所述炉管外体10中及所述排气管组14内微量残留反应气体及微量残留副产物D排出。
具体的，见图8，该步骤同样停止通入第一特气A和第二特气B，通入惰性气体C，该惰性气体C至少包含氮气、氩气中的任一种，或者包含类似的惰性气体，排除所述炉管外体10内及排气管内的微量残留反应气体及微量残留副产物D，此时排气真空泵可以选择真空泵一161，也可以选择使用真空泵二162，优选的使用真空泵二162。
在这个步骤中也可以从第二进气口12通入少量第二特气B来消耗微量残余的第一特气A，此时，要选用真空泵二162排出气体。
通过S1-S6步骤后在晶圆20上沉积了一层薄膜，这步骤S1到步骤S6是一个循环，如果需要多沉积几层薄膜，可以反复重新从步骤S1开始，至步骤S6结束，如此循环下去，在晶圆20上可以沉积多层原子层沉积的薄膜。
本发明通过改进原子层沉积炉管设备中真空泵系统，由单泵系统改进为双泵系统，通过原子层沉积方法，控制原子层沉积的两种反应气体如第一特气A和第二特气B分别从真空泵一161和真空泵二162通过，大幅减少了两种反应气体相互接触的可能性，使得真空泵内沉积薄膜大幅减少，可以降低真空泵中的累积膜厚，从而减少了排气系统的颗粒源，提高了真空泵的寿命，可以提高真空泵寿命达到两倍或两倍以上；延长了真空泵的维护周期，从而大大提高了产能。
实施例2
从图2可以看出，本发明还提供的一种原子层沉积炉管设备，包括：炉管外体10，所述炉管外体10一侧设有两个进气口，分别为第一进气口11和第二进气口12，用于通入不同特气，在所述第一进气口11和所述第二进气口12相对于所述炉管外体10的另一侧面设置有排气口13；设置在所述炉管外体10相对于所述排气口13的另一面的排气管组14，所述排气管组14包含主排气管一141、主排气管二142、支排气管一1411、支排气管二1412、支排气管三1413和支排气管四1414；所述支排气管一1411上设有支阀门一151，用于开关由所述支排气管一1411至所述真空泵一161的通道。
所述支排气管一1411相对于所述主排气管一141的另一端与所述真空泵一161相连通，所述真空泵一161另一端通过所述支排气管三1413与所述主排气管二142连通；所述主排气管一141上设有主阀门15，用于开关由所述主排气管一141至所述支排气管一1411及所述支排气管二1412的通道；所述支排气管二1412相对于所述主排气管一141的另一端与所述真空泵二162相连通，所述真空泵二162另一端通过所述支排气管四1414与所述主排气管二142连通；所述支排气管二1412上设有支阀门二152，用于开关由所述支排气管二1412至所述真空泵二162的通道；由于设置了两个排气路径，使得进入原子层沉积炉管设备内的不同反应气体从不同的途径排出，避免了残余气体在真空泵内接触而发生反应产生薄膜沉积，从而进一步避免了因过多沉积薄膜造成真空泵寿命过短。
实施例3
当在原子层沉积工艺过程中，出现其中一只真空泵出现故障或者停止运转的情况，系统启动备选的应急方案，任何情况下都开启正常的真空泵对应的阀门，关闭异常真空泵，直到整个工艺过程正常安全结束，如图9绘示，以真空泵一161故障或者停止运转为例，出现真空泵一161异常，立即开启支阀门二152，关闭支阀门一151，维持到整个原子层沉积工艺过程结束，可以保证工艺过程的安全进行，避免对产品造成损失。
因此，利用并联的双真空泵系统及异常应急方案，在其中一个真空泵突发异常情况下，并联双泵系统还可以起到备份作用，另一个真空泵可以承担临时真空作用，使产品安全完成制程反应，降低由于真空泵异常对制程反应和产品的受损概率，并使真空泵寿命和维护周期安全达到最大成为可能，从而进一步降低了企业生产成本。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供一原子层沉积炉管设备，包括炉管外体、排气管组、真空泵一及真空泵二，所述炉管外体一侧设有两个进气口，分别为第一进气口和第二进气口，用于通入不同特气，在所述第一进气口和所述第二进气口相对于所述炉管外体的另一侧面设置有排气口；所述排气管组设置在所述炉管外体相对于所述排气口的另一面，所述排气管组包含主排气管一、主排气管二、支排气管一、支排气管二、支排气管三和支排气管四；所述支排气管一相对于所述主排气管一的另一端与真空泵一相连通，所述真空泵一另一端通过所述支排气管三与所述主排气管二连通；所述支排气管二相对于所述主排气管一的另一端与真空泵二相连通；所述真空泵二另一端通过所述支排气管四与所述主排气管二连通；所述支排气管一上设有支阀门一；所述支排气管二上设有支阀门二；S1步骤包括：通入惰性气体至所述炉管外体中，并通过所述真空泵一及所述真空泵二的任一者将所述炉管外体内抽真空；
S2：从所述第一进气口通入第一特气至所述炉管外体中，同时打开所述支阀门一并关闭所述支阀门二(152)，使得第一特气由所述支阀门一通过所述真空泵一，再经由所述支排气管三、所述主排气管二排出；
S3：停止第一特气通入，通过抽真空和通入惰性气体至所述炉管外体中，将里面的残留漂浮的第一特气及副产物通过所述真空泵一排出；
S4：从所述第二进气口通入第二特气至所述炉管外体中，同时关闭所述支阀门一，打开所述支阀门二，使得第二特气经由所述支阀门二通过所述真空泵二排出；
S5：停止第二特气通入，通过抽真空，将所述炉管外体中里面的残留漂浮的第二特气及副产物通过所述真空泵二排出；
S6：通入惰性气体至所述炉管外体中，使得所述炉管外体中及所述排气管组内微量残留反应气体及微量残留副产物排出。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，步骤S1-S6中所述真空泵一和所述真空泵二是常开的，选择所述真空泵一和所述真空泵二分别通过控制其前端的所述支阀门一和所述支阀门二来实现。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一特气至少包含硅源、铝源、锆源、铪源、铬源气体中的任一种。
4.根据权利要求3所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第二特气至少包含氧气、氨气、臭氧、水蒸气中的任一种。
5.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述惰性气体至少包含氮气、氩气中的任一种。
6.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，步骤S1中排气使用的真空泵是所述真空泵二。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，步骤S2中在切换所述支阀门一和所述支阀门二时，选择先将所述支阀门一开启，再将所述支阀门二关闭。
8.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，步骤S4中在切换所述支阀门一和所述支阀门二时，选择先将所述支阀门二开启，再将所述支阀门一关闭。
9.根据权利要求1-8任一所述的原子层沉积方法，其特征在于，步骤S6中从所述第二进气口通入部分第二特气以消耗微量残余的第一特气，此时选择所述真空泵二排出气体。
10.一种原子层沉积炉管设备，其特征在于，包括：
炉管外体，所述炉管外体一侧设有两个进气口，分别为第一进气口和第二进气口，用于通入不同特气，在所述第一进气口和所述第二进气口相对于所述炉管外体的另一侧面设置有排气口；
排气管组，设置在所述炉管外体相对于所述排气口的另一面，所述排气管组包含主排气管一、主排气管二、支排气管一、支排气管二、支排气管三和支排气管四；
真空泵一，所述支排气管一相对于所述主排气管一的另一端与所述真空泵一相连通，所述真空泵一另一端通过所述支排气管三与所述主排气管二连通；
真空泵二，所述支排气管二相对于所述主排气管一的另一端与所述真空泵二相连通，所述真空泵二另一端通过所述支排气管四与所述主排气管二连通。
11.根据权利要求10所述的原子层沉积炉管设备，其特征在于，所述支排气管一上设有支阀门一，用于开关由所述支排气管一至所述真空泵一的通道。
12.根据权利要求11所述的原子层沉积炉管设备，其特征在于，所述支排气管二(上设有支阀门二，用于开关由所述支排气管二至所述真空泵二的通道。
13.根据权利要求10、11或12所述的原子层沉积炉管设备，其特征在于，所述主排气管一上设有主阀门，用于开关由所述主排气管一至所述支排气管一及所述支排气管二的通道。
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