CN114481089A - 原子层沉积方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子层沉积方法和设备，其将微波和前驱体气体均导入同一喷头，再通过同一喷头导入沉积室，可通过微波增加喷头中的前驱体气体的动能，减少前驱体气体在喷头中的沉积，减轻沉积室中的前驱体气体残留问题，提高前驱体气体利用率，提高沉积效率。且通过喷头对微波的空间限制，可提高微波的集中度，提高微波能量利用率，提高对前驱体气体的加热效果，提高提供至沉积室的前驱体气体的动能，提高系统效能。

Description

原子层沉积方法及设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及原子层沉积方法及设备。
背景技术
传统的二维(2D)存储器在存储容量方面的局限性随着存储需求的增加日趋显著，由三维(3D)存储器带来的行业突破性革新对于满足海量数据存储需求具有重要价值。
在3D存储器中，闪存层数，即存储器结构中的字线(Word Line，简称WL)，其数量的倍增速度一直作为各大厂商闪存技术比拼的重要参数。然而，持续增加的字线堆栈数目又给后续的金属栅深孔填充带来极大的挑战。在现有的栅极金属化生产工艺中，通常会在栅极(材料例如为金属钨(W))填充的前段工艺中增加一层原子层沉积(Atomic LayerDeposition，简称ALD)沉积(DEP)的纳米级厚度的氮化钛(TiN)薄膜作为缓冲层。一方面，氮化钛薄膜可作为粘合层(glue layer)来优化金属栅(一般为W)和绝缘层(例如氧化硅SiO2)之间的接触；另一方面，一定厚度的氮化钛薄膜可作为阻挡层(Barrier layer)来阻挡由金属栅极填充所致的残留(residual)氟(F)对底层氧化硅(SiO2)的侵蚀。
随着存储单元堆栈数目的提升，如何在较大深宽比的条件下均匀沉积一层高质量的TiN薄膜已成为现阶段栅极金属化工艺中的研究热点。
在现有技术中，通过提升ALD DEP过程中前驱体气流量来补偿堆栈层数增加带的沉积量(S/C，单分子层的面密度)不足的问题，但其作用并不显著且易引起沉积过程中杂质含量(例如氯Cl)升高和晶圆移位(Wafer shift)等问题，并且沉积的TiN薄膜结晶性较差，后续需要热处理(thermal)来消除晶格缺陷。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种原子层沉积方法及设备，从而提高沉积效率。
根据本发明的一方面，提供一种原子层沉积方法，包括：
向沉积腔室中提供前驱体气体，所述沉积腔室中设置有放置待处理晶圆的承载平台；
向所述沉积腔室中提供微波，以加热所述前驱体气体；
持续反应预定时间后，获得目标薄膜，
其中，所述微波和所述前驱体气体通过一个喷头导入所述沉积室。
可选地，所述待处理晶圆为三维存储器晶圆，所述目标薄膜为氮化钛薄膜，所述氮化钛薄膜至少沉积在所述三维存储器晶圆的栅孔的底层的绝缘氧化层上。
可选地，所述前驱体气体包括氯化钛和氨气。
可选地，所述喷头包括多个喷出口，所述多个喷出口的覆盖面积与所述待处理晶圆的尺寸相匹配。
可选地，通过至少一个微波发生器提供微波，并通过微波导管将所述至少一个微波发生器提供的微波导入所述喷头。
可选地，所述微波导管包括多个微波导出端口，所述多个微波导出端口连接至所述喷头的位置在所述喷头上均匀分布。
根据本发明的另一方面，提供一种原子层沉积设备，包括：
沉积室，设置有承载平台，所述承载平台用于放置待处理晶圆；
前驱体气体导管，导入所述沉积室，用于向所述沉积室内提供前驱体气体；
微波发生器，用于提供微波，并通过微波导管向所述沉积室提供微波加热所述前驱体气体；
喷头，所述前驱体气体和所述微波均导入所述喷头，并通过所述喷头导入所述沉积室。
可选地，所述微波发生器包括多个。
可选地，所述喷头包括多个喷出口，所述多个喷出口的覆盖面积与所述待处理晶圆的尺寸相匹配。
可选地，所述微波导管包括多个微波导出端口，所述多个微波导出端口连接至所述喷头的位置在所述喷头上均匀分布。
本发明提供的原子层沉积方法将微波和前驱体气体均导入同一喷头，再通过同一喷头导入沉积室，可通过微波增加喷头中的前驱体气体的动能，从而增加前驱体在结构晶圆中传输路径和效能，使其达到深孔底部从而实现高台阶覆盖率填充。其次，前驱体(特别是TiCl4)从导气管道导入喷头后由于温度的差异容易在喷头内部沉积，从而导致前驱体气体导气管道堵塞的问题；在喷头部位增加微波加热功能能够将前驱体充分气化并均匀充满喷头，减轻沉积室中的前驱体气体残留问题，提高前驱体气体利用率，提高沉积效率。且通过喷头对微波的空间限制，可提高微波的集中度，提高微波能量利用率，有效防止微波泄露问题，提高对前驱体气体的加热效果，提高提供至沉积室的前驱体气体的动能，提高系统效能。
本发明提供的原子层沉积设备包括沉积室、前驱体气体导管、微波发生器和喷头，微波和前驱体气体均导入同一喷头，再通过同一喷头导入沉积室，可通过微波增加喷头中的前驱体气体的动能，减少前驱体气体在喷头中的沉积，减轻沉积室中的前驱体气体残留问题，提高前驱体气体利用率，提高沉积效率。且通过喷头对微波的空间限制，可提高微波的集中度，提高微波能量利用率，提高对前驱体气体的加热效果，提高提供至沉积室的前驱体气体的动能，提高系统效能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了现有技术的3D存储器件中粘附膜的示意图；
图2示出了现有技术的粘附膜的原子层沉积设备的结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1A和图1B示出了现有技术的3D存储器件中粘附膜的示意图。
参考图1A和图1B，在3D存储器件100中，在衬底101上形成有栅叠层结构和存储单元串，存储单元串分别包括各自的沟道柱110，以及公共的栅极导体。栅极导体与存储单元串中的晶体管的堆叠顺序一致，相邻的栅极导体122之间彼此采用层间绝缘层121隔开，从而形成栅叠层结构。
在3D存储器件中，还包括贯穿栅叠层结构的栅线缝隙150，在栅线缝隙150中形成有导电通道131，在导电通道131的侧壁与栅叠层结构之间，还形成有氧化层132和粘附膜141，其中，氧化层132用于分隔栅极导体122与导电通道131，粘附膜141与衬底101接触的部分会形成接触层102，从而降低衬底101与粘附膜102的接触电阻。
其中，黏附膜141在形成栅极导体122和导电通道131之前，根据原子层沉积工艺形成于栅线缝隙150的内表面，此时的栅线缝隙150为为鱼骨形空腔结构，为保障黏附膜的质量，其对原子层沉积中的前驱体气体的动能要求高，以保障前驱体气体可有效深入鱼骨形空腔结构的内部，保障形成的黏附膜131的厚度和连续性。
图2示出了现有技术的粘附膜的原子层沉积设备的结构示意图。
参照图2，该原子层沉积设备200主要包括沉积室210、承载平台220、前驱体气体导管230、喷头240，承载平台220用于放置待处理晶圆201。
对应氮化钛薄膜的沉积，前驱体气体包括用于提供钛的第一反应气体(例如四氯化钛TiCl4)和提供氮的第二反应气体(例如氨气NH3)，通过前驱体气体导管230先后向反应室210中提供第一反应气体和第二反应气体(通入不同反应气体之前还通入惰性气体，排除残留在沉积室中的反应气体，避免不同的反应气体在沉积室中反应，保障反应生成的氮化钛薄膜均位于待处理晶圆201的暴露表面)，第一反应气体中的钛黏附于待处理晶圆201的暴露表面，再与第二反应气体反应，在待处理晶圆201的暴露表面上获得一层氮化钛薄膜，循环多次获得目标厚度的氮化钛薄膜，即可获得黏附膜150。
在现有技术中，第一反应气体和第二反应气体反应生成氮化钛的反应温度一般为100至200摄氏度，需要通过热辐射或红外加热的方式进行加热，同时对于3D存储器晶圆的深度较深的栅线缝隙，需要提高前驱体气体的进气气流，以保障前驱体气体可有效快速到达栅线缝隙的底层。
图3示出了根据本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。本发明实施例的原子层沉积设备200与现有技术的原子层沉积设备200的主要区别在于加热方式的不同，在此对其相同部分不再赘述。
参照图3，本发明实施例的原子层沉积设备300包括微波发生器351、微波导管352和电源353，电源353用于向微波发生器351提供能源，微波发生器351提供的微波通微波导管352导入沉积室210，以通过微波加热前驱体气体，并通过微波增加前驱体气体的分子动能，进而增大前驱体气体在待处理晶圆201的栅线缝隙中传输的平均自由程，提高沉积的氮化钛薄膜的沉积量(S/C)和连续性，为3D存储器的堆栈结构的层数拓展提供便利。微波加热前驱体气体，可在较低的进气气流条件下保障前驱体气体有效传递至待处理晶圆201的暴露表面，可有效降低气流导致的晶圆移位风险。
且微波对于基本为非金属的待处理晶圆201的渗透力强，可深入至待处理晶圆201的栅线缝隙底层加热，有助于氮化钛薄膜生长过程中由于晶格缺陷导致的应力的释放，渗透至氮化钛薄膜内部消除结构缺陷，起到后期热处理(post anneal)的作用，提高直接获得的氮化钛薄膜的结构质量。
在本实施例中，微波导管352的微波导出端口导通至喷头340，通过喷头340进一步固定，喷头340对应采用金属材料(或其它可反射选择的微波的材料)，可通过喷头340整合微波导出方向，使其与前驱体气体的导出方向一致，可通过单个微波导管实现最终输出微波对待处理晶圆201的均匀覆盖，可节约微波导管的数量，降低成本。且可通过微波降低前驱体气体在喷头340中的沉积，可减轻沉积室210中的前驱体气体残留(particle)的问题，金属材料的喷头340还可反射部分微波至前驱体气体导管230中，进一步减少前驱体气体导管230中的前驱体气体的沉积，提高供应的前驱体气体的利用率。
在可选实施例中，微波发生器351包括多个，对应设置多个微波导管352，并将多个微波导管352的微波导出端口在喷头340的顶部均匀排列设置，使提供至喷头340的微波均匀分布，保障对前驱体气体的微波处理的均匀性。
微波导管352的微波导出端口与喷头340的位置相对应，设置在沉积室210的顶部，且导出方向指向承载平台220上放置的待处理晶圆201，根据该微波处理的前驱体气体的气体分子动能指向待处理晶圆201，提高前驱体气体的指向性，降低发散，可提高前驱体气体的利用率。
在本实施例中，喷头340包括多个喷出口，便于前驱体气体通过多个喷出口均匀喷向待处理晶圆201，保障沉积反应对待处理晶圆201的均匀覆盖。
其中，喷头340的多个喷出口的覆盖面与待处理晶圆201的尺寸相匹配，在本实施例中，喷头340的多个喷出口的覆盖面尺寸与承载平台220的尺寸一致，待处理晶圆201的尺寸小于承载平台220的尺寸，可保障喷头340的多个喷出口的覆盖面可完全覆盖待处理晶圆201，保障前驱体气体和微波至待处理晶圆201的直接传递，进而保障沉积反应的均匀性。在可选实施例中，基于喷出的前驱体气体和导出的微波的空间发散性，喷头340的多个喷出口的覆盖面略小于待处理晶圆201的尺寸，也可保障前驱体气体和微波至待处理晶圆201的传递的有效性，保障沉积的氮化钛薄膜在待处理晶圆201上覆盖的均匀性，方便沉积反应的控制。
在可选实施例中，喷头340采用非金属材料(例如碳纤维、陶瓷等)，微波导管352固定在沉积室210上，且微波导管352的微波导出端口位于喷头340上方，通过沉积室210固定微波导出方向，导出的微波可透过非金属材料的喷头340向待处理晶圆201传输。对应多个微波导管352，沉积室210设置多个接入端口。
根据本发明实施例的原子层沉积设备的原子层沉积方法包括：向沉积室中提供前驱体气体，向沉积室中提供微波，通过微波加热前驱体气体和放置在沉积室中的待处理晶圆，反应预定时间后，获得目标薄膜，其中，微波和前驱体气体通过同一喷头导入沉积室。
本发明的原子层沉积方法通过微波加热前驱体气体，相比于传统的热辐射和红外加热，其加热速率可提升4至10倍，能够很好地适应原子层沉积的较短的前驱体气体通气时间的要求，降低反应需求的前驱体气体的通气时间，可降低前驱体气体的浪费，降低沉积反应时间，提高原子层沉积效率。且可降低前驱体气体中的杂质的引入，提高沉积薄膜的质量。
且前驱体气体可吸收微波能量提升动能，提高穿透力，对于3D存储器晶圆，可保障前驱体气体可深入3D存储器晶圆的栅线缝隙的深孔底边，保障深孔的原子层沉积的有效进行，为3D存储器的堆栈层数的提升提供了便利，且尤其适用于鱼骨型空腔的横向和纵向深孔底边内表面的原子层沉积，保障3D存储器的栅叠层结构中的栅极导体外的原子层沉积的氮化钛薄膜的厚度和连续性。
微波和前驱体气体通过同一喷头导入沉积室，可通过微波提高喷头中的前驱体气体动能，减少前驱体气体在通气管道和喷头上的沉积，减少沉积室内的前驱体气体粒子残留问题，提高前驱体气体利用率。且喷头对微波的空间约束，可集中微波能量，提高加热效果，进一步提升原子层沉积速度，以及可防止微波外泄，提高安全性能。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种原子层沉积方法，包括：
向沉积腔室中提供前驱体气体，所述沉积腔室中设置有放置待处理晶圆的承载平台；
向所述沉积腔室中提供微波，以加热所述前驱体气体；
持续反应预定时间后，获得目标薄膜，
其中，所述微波和所述前驱体气体通过一个喷头导入所述沉积室。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其中，
所述待处理晶圆为三维存储器晶圆，所述目标薄膜为氮化钛薄膜，所述氮化钛薄膜至少沉积在所述三维存储器晶圆的栅孔的底层的绝缘氧化层上。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积方法，其中，
所述前驱体气体包括氯化钛和氨气。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其中，
所述喷头包括多个喷出口，所述多个喷出口的覆盖面积与所述待处理晶圆的尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其中，
通过至少一个微波发生器提供微波，并通过微波导管将所述至少一个微波发生器提供的微波导入所述喷头。
6.根据权利要求5所述的原子层沉积方法，其中，
所述微波导管包括多个微波导出端口，所述多个微波导出端口连接至所述喷头的位置在所述喷头上均匀分布。
7.一种原子层沉积设备，包括：
沉积室，设置有承载平台，所述承载平台用于放置待处理晶圆；
前驱体气体导管，导入所述沉积室，用于向所述沉积室内提供前驱体气体；
微波发生器，用于提供微波，并通过微波导管向所述沉积室提供微波加热所述前驱体气体；
喷头，所述前驱体气体和所述微波均导入所述喷头，并通过所述喷头导入所述沉积室。
8.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其中，
所述微波发生器包括多个。
9.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其中，
所述喷头包括多个喷出口，所述多个喷出口的覆盖面积与所述待处理晶圆的尺寸相匹配。
10.根据权利要求7所述的原子层沉积设备，其中，
所述微波导管包括多个微波导出端口，所述多个微波导出端口连接至所述喷头的位置在所述喷头上均匀分布。
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