CN110387537A - 一种原子层沉积设备及气体传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子层沉积设备及气体传输方法。该设备包括旁通管路和冷却管路，所述冷却管路用于冷凝且存储至少一种前驱体，其中，所述旁通管路和所述冷却管路并联后连接在前驱体输入端和前驱体输出端之间，且所述前驱体输入端选择性地与所述旁通管路或所述冷却管路连通。本发明通过设置冷却管路以冷凝流经管路的前驱体，并将其存储在该段管路中，以防止多种前驱体同时进入真空泵，减少了真空泵中因多种前驱体的反应而产生粉末，降低了真空泵因粉末累积而发生卡死的风险，从而提高了真空泵运行的可靠性和寿命。

Description

一种原子层沉积设备及气体传输方法

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气体传输方法。

背景技术

原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)技术是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层地镀在基底表面的方法。在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子，即单原子层沉积,又称原子层外延(atomic layer epitaxy)。起初由于这一工艺沉积速度低，限制了其应用，但随着微电子和深亚微米芯片技术的发展要求器件和材料的尺寸不断降低，而器件中的高宽比不断增加，原子层沉积技术沉积速率慢的劣势逐渐被淡化，而优势逐渐体现出来。ALD工艺方法的优势主要包括：厚度高度可控及优异的均匀性，优良的台阶覆盖率(保形性)，优异的薄膜质量以及低热量消耗。

ALD工艺过程的一个特征是多种前驱体不是同时通入腔室，而是依次通入腔室，并且是在前一种前驱体停止通入并对腔室和管路进行充分的吹扫和抽气后，才开始后一种前驱体的通入。ALD的典型工艺流程如图1所示。当腔室环境就绪，即真空度、基座温度、腔室壁温度、管路温度等适宜时，第一前驱体通入腔室，附着在晶圆(wafer)上；然后，第一前驱体停止通入，通过吹扫(purge)气体(通常为高纯氮气)对腔室和管路进行吹扫，并通过真空泵抽走这些吹扫气体和多余的前驱体；当吹扫充分后，通入另一种第二前驱体；然后，第二前驱体停止通入，通过吹扫气体(通常为高纯氮气)对腔室和管路进行吹扫，并通过真空泵抽走这些吹扫气体和多余的前驱体。在此过程中，晶圆表面的第一前驱体和第二前驱体发生反应，在晶圆表面生成所需要的薄膜。通过循环执行上述过程，直到得到满足制成要求厚度的薄膜。

HKMG(high-k绝缘层+金属栅极)原子层沉积工艺主要是用于沉积28-14nm技术代的HKMGAl2O3/HfO2金属氧化物薄膜沉积。第一前驱体为TMA或TDMAHf，第二前驱体为H2O。工艺过程为：将腔室升至反应温度，基座升至工艺位后，通过快速切换气动阀，使TMA/TDMAHf或H2O交替的通入反应腔室，在晶片上沉积HKMGAl2O3/HfO2金属氧化物薄膜。

图2示出现有技术中典型的HKMG原子层沉积设备的示意图。第一前驱体和第二前驱体通过同一条管路进入真空泵，虽然工艺中第一前驱体和第二前驱体是交替通入，但由于交替间隔时间短，导致真空泵中会同时存在第一前驱体和第二前驱体。在此情况下，第一前驱体和第二前驱体在干泵中相遇并发生反应，生成Al2O3或HfO2，生成的Al2O3或HfO2会以粉末形式沉积在真空泵转子上，当粉末累积到一定量时，会导致真空泵卡死。严重情况下，真空泵无法再次启动，需更换真空泵。

因此，有必要提出一种能够避免多种前驱体同时进入真空泵的原子层沉积设备及气体传输方法。

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气体传输方法，以解决现有技术中多种前驱体前驱体在真空泵中发生反应生成粉末，造成真空泵卡死的问题。

根据本发明的一方面，提出一种原子层沉积设备，

包括旁通管路和冷却管路，所述冷却管路用于冷凝且存储至少一种前驱体，其中，

所述旁通管路和所述冷却管路并联后连接在前驱体输入端和前驱体输出端之间，且所述前驱体输入端选择性地与所述旁通管路或所述冷却管路连通。

优选地，所述冷却管路上设有热电偶和/或流量检测开关，以及液位传感器；

所述旁通管路上设有第一控制阀，所述冷却管路的入口处和出口处分别设有第二控制阀；

所述热电偶和/或所述流量检测开关位于两个所述第二控制阀之间。

优选地，所述冷却管路的外壁缠绕冷却套筒和/或所述冷却管路内设有冷却介质。

优选地，所述原子层沉积设备还包括工艺腔室、真空泵、多个前驱体源瓶，其中，

每个所述前驱体源瓶的出口端均与前驱体总管路的一端连接，且所述前驱体总管路的另一端分为第一传输支路和第二传输支路；

每个所述前驱体源瓶对应的所述第一传输支路汇入前驱体供应管路后与所述工艺腔室连接，每个所述前驱体源瓶对应的所述第二传输支路与腔室抽真空管路汇合后形成所述前驱体输入端；

所述真空泵的入口端和所述前驱体输出端连通。

优选地，所述前驱体总管路上设有第三控制阀，所述第一传输支路上设有第四控制阀，所述第二传输支路上设有第五控制阀；

所述前驱体总管路通过所述第三控制阀和所述第四控制阀与所述工艺腔室选择性连通，所述前驱体总管路通过所述第三控制阀和所述第五控制阀与所述前驱体输入端选择性连通。

优选地，所述腔室抽真空管路上设有第六控制阀；

所述腔室抽真空管路通过所述第六控制阀将所述工艺腔室与所述前驱体输入端选择性连通。

根据本发明的另一方面，提出一种基于上述原子层沉积设备的气体传输方法，包括：

将前驱体输入端与旁通管路连通，由所述前驱体输入端进入的其中一种前驱体流经所述旁通管路后由前驱体输出端流出；

将前驱体输入端与冷却管路连通，由所述前驱体输入端进入的其余种前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中。

优选地，所述原子层沉积设备包括用于容置第一前驱体的第一前驱体源瓶和用于容置第二前驱体的第二前驱体源瓶，其特征在于，所述原子层沉积设备的气体传输方法具体包括下述步骤：

打开腔室抽真空管路上的第六控制阀和所述旁通管路上的第一控制阀，工艺腔室内残余的第一前驱体流经所述旁通管路后经所述真空泵抽出；

打开所述第一前驱体源瓶对应的前前驱体总管路上的第三控制阀、第二传输支路上的第五控制阀以及所述旁通管路上的第一控制阀，所述第一前驱体流经所述旁通管路后经所述真空泵抽出。

优选地，所述原子层沉积设备的气体传输方法具体包括下述步骤：

打开所述腔室抽真空管路上的第六控制阀和所述冷却管路的入口处和出口处的第二控制阀，所述工艺腔室内残余的第二前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中；

打开所述第二前驱体源瓶对应的前驱体供应管路上的第三控制阀、所述第二传输支路上的第五控制阀以及所述冷却管路的入口处和出口处的第二控制阀，所述第二前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中。

优选地，在前驱体通入所述工艺腔室之前进行下述步骤：

打开所述腔室抽真空管路上的第六控制阀、所述旁通管路上的第一控制阀，通过所述真空泵对所述工艺腔室抽真空。

本发明通过设置冷却管路以冷凝流经管路的前驱体，并将其存储在该段管路中，以防止多种前驱体同时进入真空泵，减少了真空泵中因多种前驱体的反应而产生粉末，降低了真空泵因粉末累积而发生卡死的风险，从而提高了真空泵运行的可靠性和寿命。

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例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例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例进行更详细的描述，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例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出现有原子层沉积方法的典型工艺流程；

图2示出现有HKMG原子层沉积工艺管路示意图；

图3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4示出根据本发明的示例性实施方案的气体传输方法的流程图；

图5示出根据本发明的示例性实施方案的气体传输方法中抽取第一前驱体的流程图；

图6示出根据本发明的示例性实施方案的气体传输方法中抽取第二前驱体的流程图。

主要附图标记说明：

1-工艺腔室，2-真空泵，3-第一前驱体源瓶，4-第二前驱体源瓶，11-前驱体供应管路，12-抽腔室真空管路；

20、30-前驱体总管路，22、32-第一传输支路，23、33-第二传输支路，29、39-流量计；

40-前驱体输入端，50-前驱体输出端，41-冷却管路，42-旁通管路；

51-第一控制阀，52、53-第二控制阀，54、64-第三控制阀，55、65-第四控制阀，56、66-第五控制阀；57-第六控制阀，58、68-第七控制阀。

具体实施方式

本发明提出一种新型原子层沉积工艺的实现方法，其通过设置冷却管路冷凝流经管路的前驱体，并将其存储在该段管路中，以防止多种前驱体同时进入真空泵。

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例，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例所限制。相反，提供这些实施例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。

图3示出根据本发明的示例性实施方案的原子层沉积设备。如图3所示，该原子层沉积设备包括冷却管路41和旁通管路42，冷却管路41具有冷凝流经管路的前驱体并将其存贮在管路内的功能。即，冷却管路41将流经管路的前驱体重新转变为液态，并其暂存在管路中。其中，旁通管路42和冷却管路41并联后连接在前驱体输入端40和前驱体输出端50之间，且所述前驱体输入端40选择性地与旁通管路42或冷却管路41连通。

当输入第一前驱体时，前驱体输入端40通过旁通管路42与前驱体输出端连通，第一前驱体经由旁通管路42到达前驱体输出端；当输入第二前驱体时，前驱体输入端40通过冷却管路41与前驱体输出端50连通，第二前驱体流经冷却管路41时被冷凝在该管路中。

本领域技术人员应当理解，该原子层沉积设备不限于冷凝第二前驱体并且使第一前驱体通过，其可用于冷凝任意一种流经冷却管路41的前驱体并将其存储在该段管路中，以防止多种前驱体同时到达前驱体输出端50。

在一个示例中，旁通管路42上设有第一控制阀51，以控制旁通管路42的开启和关闭；冷却管路41的入口处和出口处分别设有第二控制阀52、53，以控制冷却管路41的开启和关闭。

在进行冷却管路41的维护时，可以通过将第二控制阀52、53关闭，以拆除冷却管路41，清除管路中的前驱体，然后再将冷却管路41重新装回。在冷却管路41进行维护时，前驱体经由旁通管路42到达前驱体输出端50。

冷却管路41上安装热电偶和/或流量和温度检测开关，其位于两个第二控制阀52、53之间，用于测量冷却管路41的温度；冷却管路41上还安装有液位传感器，以检测冷却管路41中前驱体的量，作为冷却管路41维护的提示器。

在一个示例中，冷却管路41的外壁缠绕冷却套筒或者管内设有冷却介质，本领域技术人员应当理解，可以采取其他的方式来实现冷却管路41的冷凝功能。

根据本发明的示例性实施方案的原子层沉积设备还包括工艺腔室1、真空泵2、多个前驱体源瓶。在图3所示的设备中，包含两个前驱体源瓶，第一前驱体源瓶3、第二前驱体源瓶4。第一前驱体源瓶3、第二前驱体源瓶4的出口端分别与前驱体总管路20、30的一端连接，且前驱体总管路20、30的另一端分别分为第一传输支路22、32和第二传输支路23、33；第一前驱体源瓶3、第二前驱体源瓶4对应的第一传输支路22、32汇入前驱体供应管路11后与工艺腔室1连接，第一前驱体源瓶3、第二前驱体源瓶4对应的第二传输支路23、33与腔室抽真空管路12汇合后形成前驱体输入端40；真空泵2的入口端和前驱体输出端50连通。

具体地，第一前驱体源瓶3的出口端与前驱体总管路20的一端连接，另一端分为第一传输支路22和第二传输支路23；第二前驱体源瓶4的出口端与前驱体总管路30的一端连接，另一端分为第一传输支路32和第二传输支路33。第一前驱体源瓶3对应的第一传输支路22和第二前驱体源瓶4对应的第一传输支路32汇入前驱体供应管路11后与工艺腔室1连接；第一前驱体源瓶3对应的第二传输支路23和第二前驱体源瓶4对应的第二传输支路33与腔室抽真空管路12汇合后形成所述前驱体输入端。

真空泵2优选为干式真空泵。

当来自第一前驱体源瓶3的第一前驱体或者无前驱体通入工艺腔室1时，通过旁通管路42进行腔室和管路的抽真空过程；当来自第二前驱体源瓶4的第二前驱体通入工艺腔室1时，通过冷却管路41进行腔室和管路的抽真空过程。也即，第二前驱体被抽吸到冷却管路41中，并在冷却管路41中被冷凝，从而被存储在该段管路中。

通过以上方式，防止了多种前驱体同时进入真空泵，减少了真空泵中因多种前驱体的反应而产生粉末，降低了真空泵因粉末累积而发生卡死的风险，从而提高了真空泵运行的可靠性和寿命。

在一个示例中，前驱体总管路20、30上分别设有第三控制阀54、64，第一传输支路22、32上分别设有第四控制阀55、65，第二传输支路23、33上分别设有第五控制阀56、66。前驱体总管路20、30分别通过第三控制阀54、64和第四控制阀55、65与工艺腔室1选择性连通，前驱体总管路20、30通过第三控制阀54、64和第五控制阀56、66与所述前驱体输入端选择性连通。

具体地，第三控制阀54、64开启，第四控制阀55、65开启，第五控制阀56、66关闭时，前驱体总管路20、30与工艺腔室1连通；第三控制阀54、64开启，第五控制阀56、66开启，第四控制阀55、65关闭时，前驱体总管路20、30与前驱体输入端40连通。

在一个示例中，腔室抽真空管路12上设有第六控制阀57；腔室抽真空管路12通过第六控制阀57将工艺腔室1与前驱体输入端40选择性连通。

在一个示例中，冷却管路41为多级冷却管路，以提高前驱体的回收效果。并且，冷却管路41可以采取如图3所示的弯折管路的形式，以增加管路的长度，也可以采取其他的形式。

在一个示例中，第一前驱体源瓶3和第二前驱体源瓶4的入口端分别设置有流量计29、39，用于控制进入第一前驱体源瓶3和第二前驱体源瓶4的气体流量。

在一个示例中，第一前驱体源瓶3和第二前驱体源瓶4的入口端还设置有第七控制阀58、68，以控制气体是否能够进入第一前驱体源瓶3和第二前驱体源瓶4。

本发明还提出了一种基于上述原子层沉积设备的气体传输方法。如图4所示，该方法包括：

S10：将前驱体输入端40与旁通管路42连通，由前驱体输入端40进入的其中一种前驱体流经旁通管路42后由前驱体输出端50流出；

S20：将前驱体输入端40与冷却管路41连通，由前驱体输入端40进入的其余种前驱体流经冷却管路41，且经冷却管路冷凝呈液态后存储在冷却管路41中。

在该设备中，所传输的前驱体包括来自第一前驱体源瓶3的第一前驱体和来自第二前驱体源瓶4的第二前驱体。当前驱体输入端40与旁通管路42连通时，由前驱体输入端40进入的第一前驱体流经旁通管路42后由前驱体输出端50流出；当前驱体输入端40与冷却管路41连通时，由所述前驱体输入端40进入的第二前驱体流经冷却管路41，且经冷却管路冷凝呈液态后存储在冷却管路41中。也即，该设备中的前驱体输出端50仅输出第一前驱体，除第一前驱体之外的第二前驱体或者其它前驱体都在被冷凝后呈液态存储在冷却管路41中。

对于包括用于容置第一前驱体的第一前驱体源瓶3和用于容置第二前驱体的第二前驱体源瓶4的原子层沉积设备，其气体传输方法如图5所示，具体包括下述步骤：

S101：打开腔室抽真空管路12上的第六控制阀57和旁通管路42上的第一控制阀51，工艺腔室1内残余的第一前驱体流经旁通管路42后经真空泵2抽出；

S102：打开第一前驱体源瓶3对应的前驱体总管路20上的第三控制阀54、第二传输支路23上的第五控制阀56以及旁通管路42上的第一控制阀51，所述第一前驱体流经旁通管路42后经真空泵2抽出。

即，在该原子层沉积设备中传输第一前驱体时，通过旁通管路42对工艺腔室1和管路进行抽真空。

如图6所示，基于该原子层沉积设备的气体传输方法还包括下述步骤：

S201：打开腔室抽真空管路12上的第六控制阀57和冷却管路41的入口处和出口处的第二控制阀52、53，工艺腔室1内残余的第二前驱体流经冷却管路41，且经冷却管路41冷凝呈液态后存储在冷却管路41中；

S202：打开第二前驱体源瓶4对应的前驱体供应管路30上的第三控制阀64、第二传输支路33上的第五控制阀66以及冷却管路41的入口处和出口处的第二控制阀52、53，所述第二前驱体流经冷却管路41，且经冷却管路41冷凝呈液态后存储在冷却管路41中。

即，在该原子层沉积设备中传输第二前驱体时，通过冷却管路41对工艺腔室1和管路进行抽真空，从而将第二前驱体冷凝呈液体后存储在却管路41中，以避免其进入真空泵2，减少了真空泵2中因多种前驱体的反应而产生粉末，降低了真空泵因粉末累积而发生卡死的风险，从而提高了真空泵运行的可靠性和寿命。

在一个示例中，在前驱体通入工艺腔室1之前进行下述步骤：打开腔室抽真空管路12上的第六控制阀57、旁通管路42上的第一控制阀51，通过真空泵2对所述工艺腔室1抽真空。即，在没有前驱体进入工艺腔室1时或者冷却管路41在进行维护时，通过旁通管路42对工艺腔室1进行抽真空。

在对冷却管路41进行维护时，关闭冷却管路41的入口处和出口处的第二控制阀52、53控制阀，拆除冷却管路41以清除管路中的前驱体。

在一个示例中，当冷却管路上41的温度，即设置在冷却管路上41上的热电偶和/或流量和温度检测开关所测得温度过高时，通过上位机发生提醒警告，提醒设备人员检查冷却管路41的冷却效果，避免本应冷凝在冷却管路41中的前驱体进入真空泵。

以上已经描述了本发明的各实施例，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例。在不偏离所说明的各实施例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例的原理、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例。

Claims (10)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括旁通管路和冷却管路，所述冷却管路用于冷凝且存储至少一种前驱体，其中，

所述旁通管路和所述冷却管路并联后连接在前驱体输入端和前驱体输出端之间，且所述前驱体输入端选择性地与所述旁通管路或所述冷却管路连通。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述冷却管路上设有热电偶和/或流量检测开关，以及液位传感器；

所述旁通管路上设有第一控制阀，所述冷却管路的入口处和出口处分别设有第二控制阀；

所述热电偶和/或所述流量检测开关位于两个所述第二控制阀之间。

3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述冷却管路的外壁缠绕冷却套筒和/或所述冷却管路内设有冷却介质。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括工艺腔室、真空泵、多个前驱体源瓶，其中，

每个所述前驱体源瓶的出口端均与前驱体总管路的一端连接，且所述前驱体总管路的另一端分为第一传输支路和第二传输支路；

每个所述前驱体源瓶对应的所述第一传输支路汇入前驱体供应管路后与所述工艺腔室连接，每个所述前驱体源瓶对应的所述第二传输支路与腔室抽真空管路汇合后形成所述前驱体输入端；

所述真空泵的入口端和所述前驱体输出端连通。

5.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述前驱体总管路上设有第三控制阀，所述第一传输支路上设有第四控制阀，所述第二传输支路上设有第五控制阀；

所述前驱体总管路通过所述第三控制阀和所述第四控制阀与所述工艺腔室选择性连通，所述前驱体总管路通过所述第三控制阀和所述第五控制阀与所述前驱体输入端选择性连通。

6.根据权利要求5所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述腔室抽真空管路上设有第六控制阀；

所述腔室抽真空管路通过所述第六控制阀将所述工艺腔室与所述前驱体输入端选择性连通。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述原子层沉积设备的气体传输方法，其特征在于，包括：

将前驱体输入端与旁通管路连通，由所述前驱体输入端进入的其中一种前驱体流经所述旁通管路后由前驱体输出端流出；

将前驱体输入端与冷却管路连通，由所述前驱体输入端进入的其余种前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中。

8.根据权利要求7所述的原子层沉积设备的气体传输方法，所述原子层沉积设备包括用于容置第一前驱体的第一前驱体源瓶和用于容置第二前驱体的第二前驱体源瓶，其特征在于，所述原子层沉积设备的气体传输方法具体包括下述步骤：

打开腔室抽真空管路上的第六控制阀和所述旁通管路上的第一控制阀，工艺腔室内残余的第一前驱体流经所述旁通管路后经所述真空泵抽出；

打开所述第一前驱体源瓶对应的前驱体总管路上的第三控制阀、第二传输支路上的第五控制阀以及所述旁通管路上的第一控制阀，所述第一前驱体流经所述旁通管路后经所述真空泵抽出。

9.根据权利要求8所述的原子层沉积设备的气体传输方法，其特征在于，所述原子层沉积设备的气体传输方法具体包括下述步骤：

打开所述腔室抽真空管路上的第六控制阀和所述冷却管路的入口处和出口处的第二控制阀，所述工艺腔室内残余的第二前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中；

打开所述第二前驱体源瓶对应的前驱体供应管路上的第三控制阀、所述第二传输支路上的第五控制阀以及所述冷却管路的入口处和出口处的第二控制阀，所述第二前驱体流经所述冷却管路，且经所述冷却管路冷凝呈液态后存储在所述冷却管路中。

10.根据权利要求9所述的原子层沉积设备的气体传输方法，其特征在于，在前驱体通入所述工艺腔室之前进行下述步骤：

打开所述腔室抽真空管路上的第六控制阀、所述旁通管路上的第一控制阀，通过所述真空泵对所述工艺腔室抽真空。