CN113029070B - 一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法 - Google Patents

一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，涉及半导体技术领域，通过将称重模块放置在衬底的下方，测量所述衬底的原始质量和所述衬底的原始表面积；将第一前驱体通入所述真空腔室反应结束，测量所述衬底的第一质量，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室测量所述衬底的第二质量；将第二前驱体通入所述真空腔室反应结束，测量所述衬底的第三质量，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室获得原子层沉积薄膜，测量所述衬底的第四质量；根据所述原子层沉积薄膜的密度计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。

Description

一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法。
背景技术
原子层沉积(atomic layer deposition，ALD),是一种特殊的化学气相沉积技术，可以实现单原子层沉积的薄膜制备装置，具有优异的保型性、大面积均匀性和精确的膜厚控制性等特点。自从2001年国际半导体行业协会将ALD列入与微电子工艺兼容的候选技术以来，其赢得了来自界和学术界的广泛关注。2007年Inter公司在半导体工业45nm技术节点上，将ALD沉积技术引入产线，使得微处理器功耗降低，运行速度提高。近年来ALD技术在微电子、光电子、光学、纳米技术、微机械系统、能源、催化等领域得到广泛应用。
ALD应用最关键的要求是对3D器件具有从顶部到底部的完整均一覆盖，如果器件底部的沉积较薄或不完整，会导致漏电和高故障率。目前，传统光学厚度测量对测试目标可以很好地检测器件顶部的厚度变化，但它无法捕捉底部的工艺偏差。
由于现有技术中采用单一传统光学厚度测量器件的整体覆盖薄膜厚度时，传统光学厚度测量无法捕捉底部的工艺偏差，故不能保证器件底部的包覆性良好。
发明内容
本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，用以解决现有技术中采用单一传统光学厚度测量器件的整体覆盖薄膜厚度时，传统光学厚度测量无法捕捉底部的工艺偏差，故不能保证器件底部的包覆性良好的技术问题，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，所述方法包括：将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S；将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2；将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4；待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1。
优选地，所述原子层沉积薄膜的第一厚度
Figure BDA0002334889010000021
其中，H1为所述原子层沉积薄膜的第一厚度，w4为原子层沉积结束时所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。
优选地，所述称重模块采用在线测量所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，且根据所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1判断所述原子层沉积的终点。
优选地，所述衬底采用晶圆，且所述称重模块与所述晶圆的下表面接触。
优选地，根据所述第一质量w1与所述衬底的原始质量w0之差计算所述第一前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第一前驱体的质量。
优选地，根据所述衬底的原始质量w0、所述第二质量w2计算所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度
Figure BDA0002334889010000031
其中，H2为所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度，w2为所述第一前驱体反应结束时所述衬底与所述第一前驱体反应后的第一产物的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。
优选地，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2与所述第一脉冲时间Δt1监测所述第一前驱体的第一反应速率。
优选地，根据所述第三质量w3与所述第二质量w2、之差计算所述第二前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第二前驱体的质量。
优选地，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2、所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1与所述第二脉冲时间Δt3监测所述第二前驱体的第二反应速率。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，所述方法包括：将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S；将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2；将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4；待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1。由于原子层沉积薄膜覆盖均匀性好，通过在衬底上做加法，采用置于衬底下方的称重模块在线测量衬底的原始质量、在原子层沉积过程中衬底的质量变化以及原子层沉积结束终点时衬底的质量，并根据原子层沉积薄膜的密度ρ与衬底的原始表面积S能够精确计算出薄膜在原子层沉积过程中的厚度变化值，从而实现监测薄膜的生长速率或者判断原子层沉积工艺终止的终点检测，从而解决了现有技术中采用单一传统光学厚度测量器件的整体覆盖薄膜厚度时，传统光学厚度测量无法捕捉底部的工艺偏差，故不能保证器件底部的包覆性良好的技术问题，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1为本说明书实施例中监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，用以解决现有技术中采用单一传统光学厚度测量器件的整体覆盖薄膜厚度时，传统光学厚度测量无法捕捉底部的工艺偏差，故不能保证器件底部的包覆性良好的技术问题，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。
本发明实施例中的技术方案总体思路如下：将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S；将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2；将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4；待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
实施例一
本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，请参考图1，所述方法包括步骤110-步骤140：
步骤110：将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S。
进一步的，所述衬底采用晶圆，且所述称重模块与所述晶圆的下表面接触。
具体而言，将在线称重模块放置在衬底的下方，且称重模块与衬底的下表面接触，测量薄膜质量直接在产品衬底上进行，只与衬底背面接触，不会导致电路损坏，故测量薄膜质量不具有破坏性。将称重模块与衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量未处理的衬底的原始质量w0以及在衬底未放置入真空腔室中时，测量衬底的原始表面积S。本申请实施例中的衬底采用晶圆，其中，晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆。晶圆是制造半导体芯片的基本材料，半导体集成电路最主要的原料是硅，因此对应的就是硅晶圆。硅在自然界中以硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾中，硅晶圆的制造可以归纳为三个基本步骤：硅提炼及提纯、单晶硅生长、晶圆成型。本申请实施例中采用晶圆作为衬底进行原子层沉积薄膜产品，并在原子层沉积过程中监测晶圆的厚度变化，进行判断原子层沉积工艺的终点检测或者监测原子层沉积薄膜的速率变化快慢。
步骤120：将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2。
进一步的，根据所述第一质量w1与所述衬底的原始质量w0之差计算所述第一前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第一前驱体的质量。进一步的，根据所述衬底的原始质量w0、所述第二质量w2计算所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度
Figure BDA0002334889010000061
其中，H2为所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度，w2为所述第一前驱体反应结束时所述衬底与所述第一前驱体反应后的第一产物的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。进一步的，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2与所述第一脉冲时间Δt1监测所述第一前驱体的第一反应速率。
具体而言，由于原子层沉积薄膜的生长速率较慢，薄膜生长过程包括第一前驱体的第一脉冲时间Δt1，第一惰性气体的第一吹扫时间Δt2，第二前驱体的第二脉冲时间Δt3，第一惰性气体的第二吹扫时间Δt4，生成第一层薄膜，将这四个步骤重复循环，得到理想厚度的薄膜，故采取在每个以上时间节点进行测量衬底质量，并且根据上述步骤的循环次数进行多次测量薄膜厚度以判断工艺终点，即理想厚度的薄膜。将第一前驱体通入真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量衬底的第一质量w1，其中，第一质量w1包括第一前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第一前驱体的质量。用第一惰性气体吹扫真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量衬底的第二质量w2，其中，第二质量w2为第一前驱体反应结束时衬底与第一前驱体反应后的第一产物的质量。根据衬底的原始质量w0、第二质量w2计算第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度
Figure BDA0002334889010000071
可以根据第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2与第一脉冲时间Δt1监测第一前驱体的第一反应速率。
步骤130：将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4。
进一步的，根据所述第三质量w3与所述第二质量w2、之差计算所述第二前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第二前驱体的质量。进一步的，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2、所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1与所述第二脉冲时间Δt3监测所述第二前驱体的第二反应速率。
具体而言，将第二前驱体通入真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量衬底的第三质量w3，其中，第三质量w3包括第二前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的第二前驱体的质量。用第一惰性气体吹扫真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量衬底的第四质量w4，并计算原子层沉积薄膜的第一厚度H1，根据第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2与原子层沉积薄膜的第一厚度H1的差，再结合第二脉冲时间Δt3监测第二前驱体的第二反应速率。
步骤140：待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1。
进一步的，所述原子层沉积薄膜的第一厚度
Figure BDA0002334889010000072
其中，H1为所述原子层沉积薄膜的第一厚度，w4为原子层沉积结束时所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。进一步的，所述称重模块采用在线测量所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，且根据所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1判断所述原子层沉积的终点。
具体而言，待第一前驱体与第二前驱体在真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据原子层沉积薄膜的密度ρ计算原子层沉积薄膜的第一厚度
Figure BDA0002334889010000081
其中，H1为原子层沉积薄膜的第一厚度，w4为原子层沉积结束时衬底与原子层沉积薄膜的质量，w0为衬底的原始质量，ρ为原子层沉积薄膜的密度，S为衬底的原始表面积。本申请实施例中可以重复循环通入第一前驱体并采用第一惰性气体吹扫，再通入第二前驱体并采用第一惰性气体吹扫，根据在线测量原子层沉积薄膜的厚度判断所述原子层沉积的终点，同时，可以对比光学测量的结果，能够分析出薄膜生长在晶圆上的厚度和包覆情况，能够精确的测量出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性，实施监测器件底部的工艺偏差。
本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供了一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，所述方法包括：将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S；将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2；将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4；待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1。解决了现有技术中采用单一传统光学厚度测量器件的整体覆盖薄膜厚度时，传统光学厚度测量无法捕捉底部的工艺偏差，故不能保证器件底部的包覆性良好的技术问题，达到了采用在线测量衬底质量变化，更精确的测出衬底各处的薄膜厚度，保证器件整体具有良好包覆性的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，所述方法包括：
将称重模块放置在衬底的下方，将所述称重模块与所述衬底一同置于原子层沉积的真空腔室中，测量所述衬底的原始质量w0和所述衬底的原始表面积S；
将第一前驱体通入所述真空腔室待第一脉冲时间Δt1结束，测量所述衬底的第一质量w1，用第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第一吹扫时间Δt2结束，测量所述衬底的第二质量w2；
将第二前驱体通入所述真空腔室待第二脉冲时间Δt3结束，测量所述衬底的第三质量w3，用所述第一惰性气体吹扫所述真空腔室待第二吹扫时间Δt4结束，测量所述衬底的第四质量w4；
待所述第一前驱体与所述第二前驱体在所述真空腔室中进行原子层沉积，获得原子层沉积薄膜，根据所述原子层沉积薄膜的密度ρ计算所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1；
所述称重模块采用在线测量所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，且根据所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1判断所述原子层沉积的终点；
所述衬底采用晶圆，且所述称重模块与所述晶圆的下表面接触。
2.如权利要求1所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，所述原子层沉积薄膜的第一厚度
Figure FDA0003909738390000011
其中，H1为所述原子层沉积薄膜的第一厚度，w4为原子层沉积结束时所述衬底与所述原子层沉积薄膜的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。
3.如权利要求1所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，根据所述第一质量w1与所述衬底的原始质量w0之差计算所述第一前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第一前驱体的质量。
4.如权利要求1所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，根据所述衬底的原始质量w0、所述第二质量w2计算所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度
Figure FDA0003909738390000021
其中，H2为所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度，w2为所述第一前驱体反应结束时所述衬底与所述第一前驱体反应后的第一产物的质量，w0为所述衬底的原始质量，ρ为所述原子层沉积薄膜的密度，S为所述衬底的原始表面积。
5.如权利要求4所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2与所述第一脉冲时间Δt1监测所述第一前驱体的第一反应速率。
6.如权利要求1所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，根据所述第三质量w3与所述第二质量w2、之差计算所述第二前驱体反应过程中的副反应产物与未反应的所述第二前驱体的质量。
7.如权利要求4所述的监测原子层沉积薄膜生长厚度的方法，其特征在于，根据所述第一前驱体反应后的第一产物的第二厚度H2、所述原子层沉积薄膜的第一厚度H1与所述第二脉冲时间Δt3监测所述第二前驱体的第二反应速率。
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