CN111118473A - 反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备，包括腔室本体，还包括第一抽气管路和分子泵，其中，第一抽气管路的一端与腔室本体连接，第一抽气管路的另一端与分子泵的进气口连接，分子泵用于通过第一抽气管路将腔室本体抽真空至第一预设真空度。本发明提供的反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备能够降低腔室本体内污染物的含量，从而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。

Description

反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备。
背景技术
氮化钛(TiN)薄膜具有熔点高、硬度大、电阻率低及化学稳定性好等众多优点，被广泛应用的集成电路制程中扩散阻挡层、粘附层、金属硬掩膜等领域。随着半导体行业的发展，电子元器件的尺寸逐渐缩小，性能不断提高，集成电路元器件逐渐向着多样化、微型化发展，精确控制薄膜厚度和均匀性，及优异的台阶覆盖率都显得尤为重要。原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)技术可以精确控制薄膜厚度，并且具有较高的台阶覆盖率。因此，原子层沉积技术制备氮化钛薄膜受到越来越多人的关注。
现有的原子层沉积技术制备氮化钛薄膜的工艺中，通常以四氯化钛(TiCl4)和氨气(NH3)为反应源通入反应腔室中，在工艺压力下，四氯化钛(TiCl4)和氨气(NH3)均匀扩散至衬底的表面上，从而在衬底的表面上形成氮化钛薄膜，在工艺过程前的吹扫过程中，通常使用干泵将反应腔室调整至0.5托(torr)-1托的工艺压力，并在工艺过程中通过干泵持续调整反应腔室中的压力，以使整个工艺过程能够在稳定的工艺压力状态下进行。
但是，在现有的原子层沉积技术制备氮化钛薄膜的工艺中，在将衬底放入反应腔室，或者将衬底从反应腔室内取出的过程中，会有空气进入反应腔室，而由于干泵抽真空的能力有限，使得反应腔室中的压力不易对氧元素含量进行控制，而氧元素含量过高会降低氮化钛成膜质量，并导致薄膜电阻率升高，影响半导体器件的电性能。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备，其能够降低腔室本体内污染物的含量，从而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
为实现本发明的目的而提供一种反应腔室，包括腔室本体，还包括第一抽气管路和分子泵，其中，所述第一抽气管路的一端与所述腔室本体连接，所述第一抽气管路的另一端与所述分子泵的进气口连接，所述分子泵用于通过所述第一抽气管路将所述腔室本体抽真空至第一预设真空度。
优选的，还包括第二抽气管路和干泵，其中，所述第二抽气管路的一端与所述腔室本体连接，所述第二抽气管路的另一端与所述干泵的进气口连接，所述干泵用于通过所述第二抽气管路将所述腔室本体抽真空至第二预设真空度。
优选的，所述第一预设真空度的取值范围为小于3×10-7托。
优选的，所述第二预设真空度的取值范围为0.1毫托-10毫托。
优选的，还包括进气管路和第二吹扫管路，其中，所述进气管路的一端与所述第二吹扫管路连接，所述进气管路的另一端与所述腔室本体连接，所述进气管路用于向所述腔室本体内通入工艺气体，所述第二吹扫管路用于向所述进气管路和所述腔室本体内通入吹扫气体。
优选的，所述第一抽气管路上设有控制阀，所述控制阀用于控制所述腔室本体和所述分子泵之间的通断。
本发明还提供一种原子层沉积方法，在工艺开始前进行预吹扫的步骤，所述预吹扫包括以下步骤：
S1、通过第一吹扫管路和第二吹扫管路共同向腔室本体内通入吹扫气体第一预设时间；
S2、利用干泵将所述腔室本体抽真空至第二预设真空度，并利用分子泵将所述腔室本体抽真空至第一预设真空度；
S3、判断所述步骤S1和S2的循环次数是否达到预设循环次数，是则开始执行工艺，否则返回所述步骤S1。
优选的，所述步骤S1中还包括：将其中一种前驱体直接通入所述干泵中吹扫第二预设时间，所述前驱体包括NH3。
优选的，所述步骤S3中，开始执行工艺后，控制阀呈关闭状态。
本发明还提供一种半导体加工设备，包括本发明提供的上述反应腔室，其中，所述反应腔室包括第一抽气管路和分子泵，所述分子泵通过所述第一抽气管路将腔室本体抽真空至第一预设真空度。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的反应腔室，借助抽真空能力高于干泵的分子泵通过第一抽气管路对腔室本体进行抽真空，使腔室本体内的真空度达到低于干泵所能达到的最低真空度的第一预设真空度，以将更多的污染物从腔室本体内抽出，从而降低腔室本体内污染物的含量，进而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
本发明提供的原子层沉积方法，在工艺开始前的预吹扫步骤中，通过一吹扫管路和第二吹扫管路共同向腔室本体内通入吹扫气体第一预设时间，以对腔室本体内的污染物进行吹扫，借助干泵将腔室本体抽真空至第二预设真空度，以将污染物从腔室本体内抽出，从而降低腔室本体内污染物的含量，进而提高成膜质量，提高薄膜的电性能，并借助本发明提供的反应腔室中的分子泵，将腔室本体内的真空度抽至低于第二预设真空度的第一预设真空度，以将更多的污染物从腔室本体内抽出，进一步降低腔室本体内污染物的含量，从而进一步提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
本发明提供半导体加工设备，借助本发明提供的反应腔室能够降低腔室本体内污染物的含量，从而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
附图说明
图1为本发明提供的反应腔室的结构示意图；
图2为本发明提供的原子层沉积方法在工艺开始前进行预吹扫的一种具体过程的流程框图；
图3为本发明提供的原子层沉积方法在工艺开始前进行预吹扫的另一种具体过程的流程框图；
附图标记说明：
1-腔室本体；2-衬底；3-第一吹扫管路；41-第一抽气管路；42-分子泵；51-第二抽气管路；52-干泵；61-第一进气管路；62-第二吹扫管路；71-第二进气管路；72-排气管路；8-控制阀。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的反应腔室、原子层沉积方法及半导体加工设备进行详细描述。
如图1-图3所示，本实施例提供一种反应腔室，包括腔室本体1，还包括第一抽气管路41和分子泵42，其中，第一抽气管路41的一端与腔室本体1连接，第一抽气管路41的另一端与分子泵42的进气口连接，分子泵42用于通过第一抽气管路41将腔室本体1抽真空至第一预设真空度。
本实施例提供的反应腔室，借助抽真空能力高于干泵52的分子泵42通过第一抽气管路41对腔室本体1进行抽真空，使腔室本体1内的真空度达到低于干泵52能达到的最低真空度的第一预设真空度，以将更多的污染物从腔室本体1内抽出，从而降低腔室本体1内污染物的含量，进而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
在本实施例中，反应腔室还包括第二抽气管路51和干泵52，其中，第二抽气管路51的一端与腔室本体1连接，第二抽气管路51的另一端与干泵52的进气口连接，干泵52用于通过第二抽气管路51将腔室本体1抽真空至第二预设真空度。
在本实施例中，第二预设真空度的取值范围为0.1毫托-10毫托。
在实际应用中，干泵52可以在分子泵42工作之前对腔室本体1进行抽真空，一方面可以将部分污染物从腔室本体1内抽出，另一方面可以降低腔室本体1内的压力，以使分子泵42可以在较低的压力下起动，从而避免分子泵42的损坏，一般分子泵42的起动压力需要小于1托(torr)。
在本实施例中，反应腔室还包括进气管路和第二吹扫管路62，其中，进气管路的一端与所述第二吹扫管路62连接，所述进气管路的另一端与腔室本体1连接，进气管路用于向腔室本体1内通入工艺气体，第二吹扫管路62用于向进气管路和腔室本体1内通入吹扫气体，从而对进气管路和腔室本体1进行吹扫。
在本实施例中，第一预设真空度的取值范围为小于3×10-7托。
在本实施例中，第一抽气管路41上设有控制阀8，控制阀8用于控制腔室本体1和分子泵42之间的通断。具体的，在需要使用分子泵42时，打开控制阀8，使分子泵42通过第一抽气管路41与腔室本体1内连通，以对腔室本体1进行抽真空，在不需要使用分子泵42时，关闭控制阀8，以阻断分子泵42与腔室本体1之间的连通。
作为另一个技术方案，本实施例还提供一种原子层沉积方法，在工艺开始前进行预吹扫的步骤，预吹扫包括以下步骤：
S1、通过第一吹扫管路3和第二吹扫管路62共同向腔室本体1内通入吹扫气体第一预设时间；
S2、利用干泵52将腔室本体1抽真空至第二预设真空度，并利用分子泵42将腔室本体1抽真空至第一预设真空度；
S3、判断步骤S1和S2的循环次数是否达到预设循环次数，是则开始执行工艺，否则返回步骤S1。
本实施例提供的原子层沉积方法，在工艺开始前的预吹扫步骤中，通过第一吹扫管路3和第二吹扫管路62共同向腔室本体1内通入吹扫气体第一预设时间，以对腔室本体1内的污染物进行吹扫，借助干泵52将腔室本体1抽真空至第二预设真空度，以将污染物从腔室本体1内抽出，从而降低腔室本体1内污染物的含量，进而提高成膜质量，提高薄膜的电性能，并借助本实施例提供的反应腔室中的分子泵42，将腔室本体1内的真空度抽至低于第二预设真空度的第一预设真空度，以将更多的污染物从腔室本体1内抽出，进一步降低腔室本体1内污染物的含量，从而进一步提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
在本实施例中，步骤S1中还包括：将其中一种前驱体直接通入干泵52中吹扫第二预设时间，前驱体包括NH3。
在本实施例中，步骤S3中，开始执行工艺后，控制阀8呈关闭状态，以避免工艺过程中的高压通过第一抽气管路41对分子泵造成损害。
在实际应用中，第一预设时间的取值范围为1秒-30秒，第二预设时间的取值范围为1秒-30秒。
下面以四氯化钛(TiCl4)和氨气(NH3)原子层沉积氮化钛(TiN)薄膜工艺开始前的预吹扫为例，对本实施例提供的反应腔室中的干泵52和分子泵42进行说明，在该工艺中，反应腔室包括腔室本体1，由于前驱体为两种，为了避免两种前驱体在进气管路中相互影响，将进气管路设置为两个，分别第一进气管路61和第二进气管路71，其中，第一进气管路61用于向腔室本体1内通入四氯化钛，第二吹扫管路62与第一进气管路61连接，第二进气管路71用于向腔室本体1内通入氨气，第二进气管路71还连接有排气管路72，并且在第二吹扫管路62、第二进气管路71、第一抽气管路41、第二抽气管路51和排气管路72上都设置有控制阀8。
但是，进气管路的数量并不以此为限制，也可以是一个或更多个，可以根据前驱体的种类对进气管路的数量进行设置。
在实际应用中，该工艺连续进行，在前一个沉积氮化钛薄膜工艺结束之后，需要将沉积有氮化钛薄膜的衬底2从腔室本体1内取出，并将待加工的衬底2放入腔室本体1中，而在衬底2取放的过程中，会有污染物进入腔室本体1中，在该工艺中，空气中的氧元素会影响四氯化钛和氨气的反应，在氮化钛薄膜中形成杂质，从而导致氮化钛薄膜电阻率升高，影响半导体器件的电性能，所以，该工艺中的污染物包括氧元素。
当待加工的衬底2放入腔室本体1后，需要对原子层沉积参数进行设置，一般需要将温度设置为300℃-550℃，反应压力设置为0.5托-1托，吹扫气体的流量为10标准毫升每分钟-5000标准毫升每分钟，在设置参数的过程中，第一抽气管路41上的控制阀8处于关闭状态，以避免损坏分子泵42，吹扫气体包括氮气或惰性气体的一种或多种，优选采用高纯氮气。在参数设置完成后，打开第二吹扫管路62和第二抽气管路51上的控制阀8，关闭其余的控制阀8，通过第一吹扫管路3向腔室本体1内通入高纯氮气和惰性气体，以及通过第二吹扫管路62向第一进气管路61和腔室本体1内通入高纯氮气和惰性气体，并使高纯氮气和惰性气体经过腔室本体1和第二抽气管路51进入干泵52中，从而通过干泵52将腔室本体1内的氧元素抽出，一般高纯氮气和惰性气体的流量为20标准毫升每分钟-2000标准毫升每分钟，并持续吹扫1秒-30秒。
另外，在此过程中，还可以打开排气管路72上的控制阀8，并向其中通入携带有其中一种前驱体氨气的气体，由于此时，第二进气管路71上的控制阀8处于关闭状态，氨气会通过排气管路72和第二抽气管路51直接进入干泵52中，以在第二进气管路71上的控制阀8之前的第二进气管路71中形成稳定的携带有氨气的气流，已在工艺过程氨气能够稳定的进入腔室本体1中，在实际应用中，通入的携带有氨气的气体流量为100标准毫升每分钟-10000标准毫升每分钟。
在持续向腔室本体1内通入高纯氮气和惰性气体1秒-30秒之后，仅保持第二抽气管路51上的控制阀8处于打开状态，关闭其余的控制阀8，使用干泵52通过第二抽气管路51对腔室本体1进行抽真空，并将腔室本体1内的压力抽至0.1毫托-10毫托，一般需要1秒-15秒即可达到。之后，关闭第二抽气管路51上的控制阀8，打开第一抽气管路41上的控制阀8，使用分子泵42对腔室本体1进一步抽真空，进一步降低腔室本体1内的真空度，使腔室本体1内达到小于3×10-7托的真空环境，进一步降低腔室本体1内污染物的含量，从而进一步提高成膜质量，提高薄膜的电性能。在这个之后将第一抽气管路41上的控制阀8关闭，以避免后续的加工工艺损坏分子泵42。
在实际应用中，当通过分子泵42将腔室本体1抽真空至小于3×10-7托之后，还需对该过程的次数进行判断，若未达到设置的循环次数，返回通过第一吹扫管路3和第二吹扫管路62共同向腔室本体1内通入吹扫气体第一预设时间的步骤，若到达设置的循环次数，则开始执行工艺，一般循环次数设置为3-5个循环，即可将腔室本体1内的氧元素完全去除。但是循环次数并不以此为限制，还可以是一个循环、两个循环或更多个循环。
作为另一个技术方案，本实施例还提供一种半导体加工设备，包括上述反应腔室，其中，反应腔室包括第一抽气管路41和分子泵42，分子泵42通过第一抽气管路41将腔室本体1抽真空至第一预设真空度。
本实施例提供的半导体加工设备，借助本发明提供的反应腔室能够降低腔室本体1内污染物的含量，从而提高成膜质量，提高薄膜的电性能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种反应腔室，包括腔室本体，其特征在于，还包括第一抽气管路和分子泵，其中，所述第一抽气管路的一端与所述腔室本体连接，所述第一抽气管路的另一端与所述分子泵的进气口连接，所述分子泵用于通过所述第一抽气管路将所述腔室本体抽真空至第一预设真空度。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括第二抽气管路和干泵，其中，所述第二抽气管路的一端与所述腔室本体连接，所述第二抽气管路的另一端与所述干泵的进气口连接，所述干泵用于通过所述第二抽气管路将所述腔室本体抽真空至第二预设真空度。
3.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述第一预设真空度的取值范围为小于3×10-7托。
4.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述第二预设真空度的取值范围为0.1毫托-10毫托。
5.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括进气管路和第二吹扫管路，其中，所述进气管路的一端与所述第二吹扫管路连接，所述进气管路的另一端与所述腔室本体连接，所述进气管路用于向所述腔室本体内通入工艺气体，所述第二吹扫管路用于向所述进气管路和所述腔室本体内通入吹扫气体。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的反应腔室，其特征在于，所述第一抽气管路上设有控制阀，所述控制阀用于控制所述腔室本体和所述分子泵之间的通断。
7.一种原子层沉积方法，其特征在于，在工艺开始前进行预吹扫的步骤，所述预吹扫包括以下步骤：
S1、通过第一吹扫管路和第二吹扫管路共同向腔室本体内通入吹扫气体第一预设时间；
S2、利用干泵将所述腔室本体抽真空至第二预设真空度，并利用分子泵将所述腔室本体抽真空至第一预设真空度；
S3、判断所述步骤S1和S2的循环次数是否达到预设循环次数，是则开始执行工艺，否则返回所述步骤S1。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：将其中一种前驱体直接通入所述干泵中吹扫第二预设时间，所述前驱体包括NH3。
9.根据权利要求7所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述步骤S3中，开始执行工艺后，控制阀呈关闭状态。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述的反应腔室，其中，所述反应腔室包括第一抽气管路和分子泵，所述分子泵通过所述第一抽气管路将腔室本体抽真空至第一预设真空度。
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