CN111286721A - 一种薄膜沉积方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄膜沉积方法及设备，所述方法包括以下步骤：S1，向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体与补充气体，所述补充气体为吹扫气体或第二前驱体，以使所述补充气体与所述第一前驱体在所述缓冲腔中混合，且二者混合后流入所述反应腔；S2，停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，向所述缓冲腔通入所述吹扫气体与所述第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、所述缓冲腔以及所述反应腔；S3，向所述反应腔中加载射频功率，以激发所述反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使所述等离子体与所述第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。通过本发明，改善了沉积薄膜厚度的分布均匀性。

Description

一种薄膜沉积方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种薄膜沉积方法及设备。

背景技术

等离子体增强型原子层沉积(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition，以下简称PEALD)，采用PEALD沉积薄膜的方法，一般包括以下四步：

第一步：第一前驱体、第二前驱体以及等离子清洗源的阀门吹扫气体在缓冲腔中混合后，进入反应腔室，第一前驱体吸附在反应腔室中的晶片上。

第二步：停止第一前驱体输入，第二前驱体与阀门吹扫气体继续通入反应腔室，以吹扫反应腔室中未吸附的第一前驱体。

第三步：开启射频器，使反应腔室中产生的等离子体电浆激发第二前驱体的分子，与第一前驱体发生反应形成目标物，从而在晶片上沉积了薄膜。

第四步：停止射频器并继续向反应腔室中通入第二前驱体与吹扫气体，以吹扫反应腔室。

进一步，现有技术中缓冲腔的进气口分布中，第一前驱体从第一进气口进入缓冲腔，第二前驱体从与第一进气口顺时针间隔90°的第二进气口进入缓冲腔；与第一进气口逆时针90°间隔接口的是缓冲腔室压强量测的真空规接口，并且真空规接口也是吹扫气体的进气口。采用此种缓冲腔以及上述PEALD沉积薄膜的方法，会使第一前驱体与第二前驱体在缓冲腔混合不均匀，进一步，就会形成晶体表面吸附第一前驱体数量的偏单边现象，从而最终造成沉积薄膜厚度的分布不均匀。

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，提出了一种薄膜沉积方法及设备。

为实现本发明的目的而提供一种薄膜沉积方法，所述方法包括以下步骤：

S1，向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体与补充气体，所述补充气体为吹扫气体或第二前驱体，以使所述补充气体与所述第一前驱体在所述缓冲腔中混合，且二者混合后流入所述反应腔；

S2，停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，向所述缓冲腔通入所述吹扫气体与所述第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、所述缓冲腔以及所述反应腔；

S3，向所述反应腔中加载射频功率，以激发所述反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使所述等离子体与所述第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。

优选地，在所述步骤S1中，利用载气携带所述第一前驱体通入所述缓冲腔；

在所述步骤S2中：停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，且继续向所述缓冲腔通入所述载气、所述第二前驱体。

优选地，在所述步骤S3之后，还包括：

步骤S4，停止向所述反应腔中加载射频功率，并继续向所述缓冲腔通入所述第二前驱体。

优选地，在所述步骤S4中，继续向所述缓冲腔通入所述吹扫气体以及所述载气。

优选地，在所述步骤S3之后，还包括：

步骤S4，停止向所述反应腔中加载射频功率，并继续向所述缓冲腔通入所述第二前驱体。

优选地，在所述步骤S1、步骤S2和步骤S3中，向所述缓冲腔内通入稀释气体。

一种薄膜沉积设备，包括反应腔和位于所述反应腔上方，且与之连通的缓冲腔，所述沉积设备采用本申请中所述的薄膜沉积方法制备薄膜；其中，所述缓冲腔包括腔体，在所述腔体的侧壁中沿其周向间隔设置有第一气道、第二气道以及第三气道，其中，所述第一气道用于将输送第一前驱体的管路与所述腔体内部连通，所述第二气道用于将输送第二前驱体的管路与所述腔体内部连通，所述第三气道用于将输送吹扫气体的管路与所述腔体内部连通，并且，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口水平设置，且相对于所述腔体的竖直轴线对称。

优选地，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口相对设置。

优选地，所述第一气道与所述第二气道分别沿与所述腔体的圆周的两条切线方向设置。

优选地，所述沉积设备还包括等离子体清洗源，所述等离子体清洗源设置在所述缓冲腔的顶部，且通过阀门与之连通；

所述第三气道的出气口朝向所述阀门倾斜设置，以能够使所述吹扫气体吹扫所述阀门，并竖直向下流动。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的薄膜沉积方法，在PEALD工艺中，同时向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体和补充气体，以使二者在缓冲腔中混合后流入反应腔；停止向缓冲腔内通入第一前驱体，且向缓冲腔通入第二前驱体与吹扫气体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、缓冲腔以及反应腔；向反应腔中加载射频功率，以激发反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使等离子体与第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。通过本发明，可以大幅度改善了沉积薄膜厚度的均匀性，并能保证腔室颗粒污染可控。

本发明还提供了一种沉积设备，沉积设备采用上述薄膜沉积方法制备薄膜，沉积设备包括：位于反应腔上方并与反应腔相连通的缓冲腔，腔体的侧壁中沿其周向间隔设置有第一气道、第二气道以及第三气道，第一气道用于将输送第一前驱体的管路与腔体内部连通，第二气道用于将输送第二前驱体的管路与腔体内部连通，第一气道的出气口与第二气道的出气口水平设置，且相对于腔体的竖直轴线对称。

采用本发明提供的沉积设备可以改善沉积薄膜厚度的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例薄膜沉积方法的第一种流程图；

图2为本发明实施例薄膜沉积方法的第二种流程图；

图3为本发明实施例薄膜沉积方法的第三种流程图；

图4为本发明实施例中反应腔气体通入与射频加载一种示意图；

图5为本发明实施例中反应腔气体通入与射频加载另一种示意图；

图6为本发明实施例薄膜沉积设备的一种结构示意图；

图7为本发明实施例中缓冲腔的一种俯视图；

图8为本发明实施例中缓冲腔的另一种俯视图。

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薄膜沉积方法及设备进行详细描述。

如图1所示为本发明实施例薄膜沉积方法的第一种流程图，包括以下步骤：

步骤S1：向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体与补充气体，补充气体为吹扫气体或第二前驱体，以使补充气体与第一前驱体在缓冲腔中混合，且二者混合后流入反应腔。

本发明实施例中，吹扫气体为吹扫等离子体清洗源的阀门的气体，第二前驱体为与第一前驱体不反应的物质。由于缓冲腔中仅通入第一前驱体与补充气体，气体容量相对于现有的沉积工艺中通气量较小，因此可以增大第一前驱体的气体流量，从而保障缓冲腔以及反应腔中第一前驱体的容量，保障沉积薄膜厚度的均匀性。

步骤S2：停止向缓冲腔内通入第一前驱体，向缓冲腔通入吹扫气体与第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、缓冲腔以及反应腔。

本发明实施例中，第一前驱体与第二前驱体不直接反应。

步骤S3：向反应腔中加载射频功率，以激发反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使等离子体与第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。

本发明实施例中，向反应腔中加载射频功率的同时，还可以保持步骤S3中通入的气体不变，即在步骤S3中继续向缓冲腔中通入第二前驱体、吹扫气体。

本发明实施例提供的薄膜沉积方法，在第一前驱体与吹扫气体在步骤S1的通入缓冲腔中混合工艺流程中不通入第二前驱体或吹扫气体，排除了第二前驱体或吹扫气体对第一前驱体在缓冲腔室的分布的影响，并且本实施例还可以在第一前驱体与吹扫气体通入缓冲腔的工艺中，增大第一前驱体的流量从而保证第一前驱体的反应量，因此，本实施例明显改善了沉积的薄膜厚度的均匀性。

如图2所示为本发明实施例薄膜沉积方法的第二种流程图，包括以下步骤：

步骤101：向与反应腔相连的缓冲腔通过补充气体，同时利用载气携带第一前驱体通入缓冲腔，以使补充气体分别与第一前驱体、载气在缓冲腔混合，且三者混合后流入反应腔。

步骤102：停止向缓冲腔内通入第一前驱体，向缓冲腔通入载气、吹扫气体以及第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、缓冲腔以及反应腔。

步骤103：向反应腔中加载射频功率，以激发反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使等离子体与第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。

本发明实施例中，向反应腔中加载射频功率的同时，还可以保持步骤102中通入的气体不变，即步骤103中继续向缓冲腔中通入第二前驱体、吹扫气体以及载气。

步骤104：停止向反应腔中加载射频功率，并继续向缓冲腔通入第二前驱体。

需要说明的是，本发明的另一个实施例中，为了提升吹扫效果，在步骤104中，还可以继续向缓冲腔通入吹扫气体以及载气。

进一步，需要说明的是，本发明的另一个实施例中，为了提升吹扫效果，在步骤104中，还可以继续向缓冲腔通入第二前驱体以及载气。

本发明实施例提供的薄膜沉积方法，使用载体携带第一前驱体通入缓冲腔，并且在步骤101第一前驱体与吹扫气体在通入缓冲腔中混合工艺流程中不通入第二前驱体或吹扫气体，排除了第二前驱体或吹扫气体对第一前驱体在缓冲腔室的分布的影响，使沉积薄膜厚度的均匀性更好；进一步，在步骤102的停止通入第一前驱体后的吹扫工艺流程中，通入第二前驱体，并继续通入载气，从而使吹扫更彻底；更进一步，在步骤104的停止加载射频功率后的吹扫工艺流程中，还可以继续通入载体、第二前驱体以及吹扫气体，从而保障了吹扫的彻底性。

如图3所示为本发明实施例薄膜沉积方法的第三种流程图，包括以下步骤：

步骤201：向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体、补充气体以及稀释气体，以使补充气体分别与第一前驱体、稀释气体在缓冲腔中混合，且三者混合后流入反应腔。

步骤202：停止向缓冲腔内通入第一前驱体，向缓冲腔通入吹扫气体、稀释气体以及第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、缓冲腔以及反应腔。

步骤203：向反应腔中加载射频功率，以激发反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使等离子体与第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。

本发明实施例中，在步骤203中，保持向缓冲腔内通入稀释气体。进一步，本发明另一个实施例中，向反应腔中加载射频功率的同时还可以保持步骤202中通入的气体不变，即在步骤203中继续向缓冲腔通入第二前驱体、稀释气体以及吹扫气体。

步骤204：停止向反应腔中加载射频功率，并继续向缓冲腔通入第二前驱体。

本发明实施例中，步骤204中，还可以保持向缓冲腔内通入稀释气体。进一步，本发明另一个实施例中，继续向缓冲腔通入第二前驱体的同时，还可以保持步骤203中向缓冲腔中通入的气体，即在步骤204中继续向缓冲腔通入吹扫气、稀释气体。

本发明实施例提供的薄膜沉积方法，在沉积的工艺流程中增加稀释气体，从而便于保持第一前驱体的浓度，进一步，在步骤202与步骤204吹扫工艺流程中，稀释气体、吹扫气体以及第二前驱体共同作用，使吹扫效果更好。进一步，在步骤204的停止向反应腔中加载射频功率后，继续向缓冲腔通入第二前驱体，便于薄膜沉积设备的清洁。

需要说明的是，本发明的另一实施例中，在步骤201中，还可以利用载气携带第一前驱体通入缓冲腔。而在步骤202、步骤203、步骤204中也可以均有载气参与。具体地，本实施中，当补充气体为第二前驱体时，参见图4所示的反应腔气体通入与射频加载一种示意图，在图4中，一个周期T包括与本实施例的步骤相对应的四个阶段，在第一阶段，载气D、第一前驱体P、第二前驱体R均通入反应腔；在第二阶段，载气D、第一前驱体P、第二前驱体R、吹扫气体M均通入反应腔；在第三阶段维持第二阶段气体通入反应腔的同时，射频功率S加载到反应腔；在第四阶段，维持第三阶段气体通入反应腔的同时，停止射频功率S的加载。

具体地，当补充气体为吹扫气体时，参见图5所示的反应腔气体通入与射频加载另一种示意图。在图5中，一个周期T包括本实施例的步骤相对应的四个阶段，在第一阶段，载气D、第一前驱体P、吹扫气体M均通入反应腔；在第二阶段，载气D、第一前驱体P、第二前驱体R、吹扫气体M均通入反应腔；在第三阶段维持第二阶段气体通入反应腔的同时，射频功率S加载到反应腔；在第四阶段，维持第三阶段气体通入反应腔的同时，停止射频功率S的加载。

综上所述，本发明实施例提供的薄膜沉积方法，可以大幅改善沉积薄膜的厚度均匀性，并能保证腔室颗粒污染水平可控；节约了吹扫气体第二前驱体的用量；该工艺流气方式可适用但不局限于二氧化硅的沉积；气流场的分布改善拓宽工艺实用范围。

针对上述薄膜沉积方法，本发明实施例还提供了一种采用上述薄膜沉积方法制备薄膜的薄膜沉积设备，如图6所示，薄膜沉积设备包括：反应腔1和位于反应腔上方，且与之连通的缓冲腔2，如图7所示，缓冲腔2包括腔体21，在腔体21的侧壁中沿其周向间隔设置有第一气道22、第二气道23以及第三气道24，其中，第一气道22用于将输送第一前驱体的管路与腔体21内部连通，第二气道23用于将输送第二前驱体的管路与腔体21内部连通，第三气道24用于将输送吹扫气体的管路与腔体21内部连通，并且，第一气道22的出气口与第二气道23的出气口水平设置，且相对于腔体21的竖直轴线对称。

本发明实施例提供的薄膜沉积设备，缓冲腔包括腔体，在腔体的侧壁中沿其周向间隔设置有第一气道、第二气道以及第三气道，第一气道用于将输送第一前驱体的管路与腔体内部连通，第二气道用于将输送第二前驱体的管路与腔体内部连通，第一气道的出气口与第二气道的出气口水平设置，且相对于腔体的竖直轴线对称。采用此缓冲腔可以使第一前驱体与第二前驱体在腔体中更加均匀的混合，从而明显改善沉积的薄膜厚度的均匀性。

进一步，本发明的另一个实施例中，如图7所示，第一气道22的出气口与第二气道23的出气口相对设置。

进一步，本发明的另一个实施例中，如图8所示，第一气道22与第二气道23分别沿与腔体21的圆周的两条切线方向设置。

本发明实施例中，腔体可以任意形状，而腔体圆周是指以腔体中心为圆形所做的最大的圆。将第一气道与第二气道设置为分别沿腔体圆周的两条切线方向，可以使第一气道与第二气道的长度较长，便于第一前驱体与第二前驱体进行充分混合，进一步增强了进入反应腔中的混合气的均匀性，有利于第一前驱在晶片表面的吸附，从而进一步改善了沉积的薄膜厚度的均匀性。

进一步，本发明的另一个实施例中，沉积设备还包括等离子体清洗源，等离子体清洗源设置在缓冲腔的顶部，且通过阀门与之连通；第三气道24的出气口朝向阀门倾斜设置，以能够使吹扫气体吹扫阀门，并竖直向下流动。

本发明实施例中，缓冲腔与等离子体清洗源之间设置有阀门，为了便于对阀门污染进行清理，引入吹扫气体对阀门进行吹扫，保障腔室的清洁。

综上，本发明实施例提供的沉积方法由于只是针对前驱体脉冲吸附到腔室步骤的改善，在其它步骤中仍然采用吹扫气体，因此薄膜沉积设备的颗粒污染不会因为采用新的工艺流气方式而变差，保证腔室颗粒污染水平可控。气流场的分布改善拓宽工艺实用范围，尤其可用于高深宽比结构的应用上。本发明实施例提供的薄膜沉积设备，改善了沉积薄膜厚度的均匀性，节约了改造成本，提高了机台的有效性和研发的时效性；拓宽了沉积薄膜的使用范围，诸如高深宽比结构的填充中，改善了中腔室侧壁中气道的均匀性。

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)

1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，向与反应腔相连的缓冲腔中通入第一前驱体与补充气体，所述补充气体为吹扫气体或第二前驱体，以使所述补充气体与所述第一前驱体在所述缓冲腔中混合，且二者混合后流入所述反应腔；

S2，停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，向所述缓冲腔通入所述吹扫气体与所述第二前驱体，以依次吹扫等离子体清洗源的阀门、所述缓冲腔以及所述反应腔；

S3，向所述反应腔中加载射频功率，以激发所述反应腔中的第二前驱体形成等离子体，以使所述等离子体与所述第一前驱体反应，从而在晶片上形成薄膜。

2.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用载气携带所述第一前驱体通入所述缓冲腔；

在所述步骤S2中：停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，且继续向所述缓冲腔通入所述载气、所述第二前驱体。

3.根据权利要求2所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，还包括：

步骤S4，停止向所述反应腔中加载射频功率，并继续向所述缓冲腔通入所述第二前驱体。

4.根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述步骤S4中，继续向所述缓冲腔通入所述吹扫气体以及所述载气。

5.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，还包括：

步骤S4，停止向所述反应腔中加载射频功率，并继续向所述缓冲腔通入所述第二前驱体。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述步骤S1、步骤S2和步骤S3中，向所述缓冲腔内通入稀释气体。

7.一种薄膜沉积设备，包括反应腔和位于所述反应腔上方，且与之连通的缓冲腔，其特征在于，所述沉积设备采用权利要求1-7任意一项所述的薄膜沉积方法制备薄膜；其中，所述缓冲腔包括腔体，在所述腔体的侧壁中沿其周向间隔设置有第一气道、第二气道以及第三气道，其中，所述第一气道用于将输送第一前驱体的管路与所述腔体内部连通，所述第二气道用于将输送第二前驱体的管路与所述腔体内部连通，所述第三气道用于将输送吹扫气体的管路与所述腔体内部连通，并且，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口水平设置，且相对于所述腔体的竖直轴线对称。

8.根据权利要求7所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口相对设置。

9.根据权利要求7所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气道与所述第二气道分别沿与所述腔体的圆周的两条切线方向设置。

10.根据权利要求7～9任一项所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述沉积设备还包括等离子体清洗源，所述等离子体清洗源设置在所述缓冲腔的顶部，且通过阀门与之连通；

所述第三气道的出气口朝向所述阀门倾斜设置，以能够使所述吹扫气体吹扫所述阀门，并竖直向下流动。

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