CN117144339A - 薄膜沉积方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种薄膜沉积方法及设备，该方法包括以下步骤：S1，通过第一气道向缓冲腔中通入载气及其携带的第一前驱体，同时通过第二气道向缓冲腔中至少通入稀释气体；第一气道和第二气道均设置于缓冲腔的侧壁中，且出气口彼此相对；载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入气体的流量相同；S2，停止向缓冲腔内通入第一前驱体，保持载气的通入，并通过缓冲腔的第三气道向缓冲腔中通入吹扫气体，同时通过第二气道向缓冲腔中通入稀释气体和第二前驱体；S3，向反应腔中加载射频功率；S4，停止向反应腔中加载射频功率。本方案可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，从而可以提高薄膜厚度分布均匀性。

Description

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 LayerDeposition，以下简称PEALD)是一种在自由基或离子存在的环境下使传统的ALD(Atomic LayerDeposition，原子层沉积)工艺得以增强的工艺，PEALD工艺通过产生等离子体，可以有效提高薄膜沉积速度。
二氧化硅(SiO2)薄膜是半导体上最通用的薄膜之一，广泛用于半导体和显示领域等。PEALD工艺可用于沉积SiO2薄膜，由于PEALD工艺的工艺温度(一般在70℃～300℃)较低，其可以避免因高温引起的两种反应源在界面扩散，从而引起组件电学性能下降以及薄膜的图形结构在衬底上表面覆盖率差等的问题。
具体地，PEALD工艺沉积SiO2薄膜通常采用两种前驱体分别为SAM24(双二乙基氨基硅烷)和氧气(O2)，其中，在向反应腔通入SAM24的步骤中，SAM24一般由载气携带经由一进气通道进入与反应腔连通的缓冲腔，同时氧气和稀释气体的混合气体经由另一进气通道进入该缓冲腔，同时吹扫气体经由位于前述两个进气通道上方的倾斜向上的进气通道通入缓冲腔，用以在对缓冲腔顶部的等离子体清洗源(RPS)的阀门进行吹扫后，竖直向下流动。上述SAM24、载气、氧气、稀释气体和吹扫气体在缓冲腔混合后进入反应腔。
但是，上述PEALD工艺由于在向反应腔通入SAM24的步骤中，从不同位置通入缓冲腔的气体流量存在较大差异，以及气体进入混合腔的位置设计不合理，导致这些气体在缓冲腔混合不均匀，尤其是SAM24混合不均匀，从而导致SAM24在进入反应腔之后吸附在晶圆表面上的数量不均匀，形成SAM24吸附数量的偏单边现象，最终造成薄膜厚度分布不均匀。
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，其可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，从而可以提高薄膜厚度分布均匀性。
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，通过与反应腔相连通的缓冲腔的第一气道向所述缓冲腔中通入载气及其携带的第一前驱体，同时通过所述缓冲腔的第二气道向所述缓冲腔中至少通入稀释气体，以使所述第一前驱体与所述第二气道通入气体在所述缓冲腔中混合后流入所述反应腔；其中，所述第一气道和所述第二气道均设置于所述缓冲腔的侧壁中，且出气口彼此相对；所述载气及其携带的第一前驱体的流量之和与所述第二气道通入气体的流量相同；
S2，停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，保持所述载气的通入，并通过所述缓冲腔的第三气道向所述缓冲腔中通入吹扫气体，同时通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入所述稀释气体和第二前驱体，以对所述缓冲腔和所述反应腔进行吹扫；所述第三气道设置于所述缓冲腔的侧壁中，且位于所述第一气道和所述第二气道的上方；所述第二前驱体与所述第一前驱体在所述反应腔未加载射频功率时不发生反应；
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附着于晶圆上的所述第一前驱体反应形成薄膜；所述步骤S2通入的气体继续保持通入；
S4，停止向所述反应腔中加载射频功率；所述步骤S2通入的气体继续保持通入；
循环执行所述步骤S1至步骤S4，直至所述薄膜达到目标厚度。
可选地，所述步骤S1中，在通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入稀释气体的同时，还通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入所述第二前驱体。
可选地，所述步骤S1中，所述第三气道未通入所述吹扫气体。
可选地，所述步骤S1中，在通过所述第一气道向所述缓冲腔中通入所述载气及其携带的第一前驱体，通过所述第二气道向所述缓冲腔中仅通入所述稀释气体的同时，还通过所述第三气道向所述缓冲腔中通入所述吹扫气体。
可选地，所述第一前驱体包括双二乙基氨基硅烷；所述第二前驱体包括氧气；
所述薄膜包括二氧化硅。
可选地，所述反应腔为两个，分别为第一反应腔和第二反应腔；与所述第一反应腔相连通的所述缓冲腔为第一缓冲腔；与所述第二反应腔相连通的所述缓冲腔为第二缓冲腔；
所述薄膜沉积方法用于同时在所述第一反应腔和第二反应腔中的晶圆上沉积薄膜，且包括：
在通过所述第一缓冲腔和所述第一反应腔执行所述步骤S1的同时，通过所述第二缓冲腔和所述第二反应腔执行所述步骤S2至所述步骤S4；在通过所述第一缓冲腔和所述第一反应腔执行所述步骤S2至所述步骤S4的同时，通过所述第二缓冲腔和所述第二反应腔执行所述步骤S1。
作为另一个技术方案，本发明还提供一种薄膜沉积设备，包括反应腔和位于所述反应腔上方，且与之相连通的缓冲腔，所述薄膜沉积设备采用本发明提供的上述薄膜沉积方法制备薄膜；
所述缓冲腔的侧壁中设置有第一气道和第二气道，以及第三气道，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口彼此相对，所述第三气道位于所述第一气道和所述第二气道的上方；
所述第一气道用于向所述缓冲腔中通入载气及其携带的第一前驱体；所述第二气道用于向所述缓冲腔中通入稀释气体，或者通入稀释气体和第二前驱体；所述第三气道用于向所述缓冲腔中通入吹扫气体。
可选地，所述薄膜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，且在所述等离子体清洗源与所述缓冲腔之间设置有阀门，用于将二者连通或断开；
所述第三气道的出气方向倾斜向上。
可选地，所述第一气道的轴线与所述第二气道的轴线分别沿与所述缓冲腔的侧壁所在圆周的两条相互平行的切线方向设置。
可选地，所述反应腔为两个，分别为第一反应腔和第二反应腔；与所述第一反应腔相连通的所述缓冲腔为第一缓冲腔；与所述第二反应腔相连通的所述缓冲腔为第二缓冲腔；
所述薄膜沉积设备还包括气体供应装置和射频装置，其中，所述气体供应装置与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道、所述第二气道和所述第三气道连通，用于选择性地将载气及其携带的第一前驱体、第二前驱体、稀释气体和吹扫气体中的相应气体分别通入所述第一缓冲腔和第二缓冲腔；
所述射频装置与所述第一反应腔和所述第二反应腔连接，用于选择性地向所述第一反应腔和所述第二反应腔中的至少一者加载射频功率。
可选地，所述气体供应装置包括第一进气管路、第二进气管路、第三进气管路、第一进气支路、第二进气支路和切换管路组，其中，
所述第一进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道连通，所述第一进气管路用于输送载气及其携带的第一前驱体；
所述第二进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第二气道连通，所述第二进气管路的输入端分别与所述第一进气支路和所述第二进气支路的输出端连接，所述第一进气支路和所述第二进气支路用于分别输送稀释气体和第二前驱体；
所述第三进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第三气道连通，所述第三进气管路用于输送吹扫气体；
所述切换管路组用于将所述第一进气管路、第二进气管路和第三进气管路中的每一者选择性地与所述第一缓冲腔和/或第二缓冲腔的相应气道连通。
可选地，所述切换管路组包括两个第一支路、两个第二支路和两个第三支路，其中，
两个所述第一支路的进气端均与所述第一进气管路的出气端连通，两个第一支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道的进气口连通，在两个所述第一支路上均设置有第一通断阀；
两个所述第二支路的进气端均与所述第二进气管路的出气端连通，两个第二支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第二气道的进气口连通，在两个所述第二支路上均设置有第二通断阀；
两个所述第三支路的进气端均与所述第三进气管路的出气端连通，两个第三支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第三气道的进气口连通，在两个所述第三支路上均设置有第三通断阀。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的薄膜沉积方法及设备的技术方案中，在PEALD工艺中，在经由第一气道向缓冲腔通入载气及其携带的第一前驱体的同时，经由第二气道向缓冲腔中至少通入稀释气体，以使第一前驱体与第二气道通入的气体在缓冲腔中混合后流入反应腔，通过使第一气道和第二气道均设置于缓冲腔的侧壁中，且出气口彼此相对，并使载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入的气体的流量相同，这种进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，有利于使进入混合腔的气体混合均匀，从而可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，进而可以提高薄膜厚度分布均匀性。
附图说明
图1为相关技术中一种缓冲腔的径向截面图；
图2为相关技术中一种缓冲腔的轴向截面图；
图3为本发明实施例提供的一种薄膜沉积设备的结构图；
图4为本发明实施例采用的缓冲腔的径向截面图；
图5为本发明实施例提供的薄膜沉积方法的流程框图；
图6为采用相关技术中的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图；
图7为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图；
图8为本发明第二实施例中不同种类的气体在不同阶段的流通状态时序图；
图9为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图；
图10为本发明第三实施例中不同种类的气体在不同阶段的流通状态时序图；
图11为本发明实施例提供的另一种薄膜沉积设备的结构图；
图12为本发明实施例采用的另一种缓冲腔的径向截面图。
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。
相关技术中，PEALD设备包括反应腔和设置于该反应腔顶部的缓冲腔，以及设置于该缓冲腔顶部的等离子体清洗源(RPS)，其中，如图1所示，该缓冲腔01的侧壁中设置有四个进气通道(011,012,013,014)，且两两相对，并且相邻的两个进气通道011和012中，进气通道011用于通入载气及其携带的第一前驱体(例如SAM24)，进气通道012用于通入第二前驱体(例如O2)和稀释气体的混合气体。相邻的两个进气通道013和014中，进气通道013设置有堵头，进气通道014用作真空规接口。另外，如图2所示，在缓冲腔01的侧壁中还设置有进气通道015，其位于上述四个进气通道的上方，且倾斜向上设置，用于通入吹扫气体，以对等离子体清洗源02的阀门021进行吹扫，之后向下流动。
利用上述PEALD设备沉积SiO2薄膜的PEALD工艺包括：
第一步：向缓冲腔通入载气及其携带的第一前驱体(例如SAM24)、第二前驱体(例如O2)、稀释气体以及吹扫气体，以使这些气体在缓冲腔中混合后进入反应腔，此步骤中的第一前驱体会吸附在反应腔中的晶圆表面。
第二步：停止通入第一前驱体，其余气体继续通入反应腔，以对缓冲腔和反应腔进行吹扫，去除未吸附的第一前驱体。
第三步：开启射频电源，激发反应腔中的第二前驱体(例如O2)形成等离子体，该等离子体可以与第一前驱体发生反应，从而在晶圆表面形成薄膜(例如SiO2薄膜)。
第四步：关闭射频电源。
上述第三步和第四步通入的气体种类与上述第二步相同。
发明人经研究发现：在执行上述第一步时，由于SAM24的饱和蒸汽压较高，携带SAM24所需要的载气的流量相对较小(一般在50sccm～100sccm)，而稀释气体和氧气的流量相对较大(一般在1500sccm～2000sccm)，而且气体进入混合腔的位置设计不合理，具体来说，在两个进气通道011和012相邻的情况下，大流量的混合气体(稀释气体和O2)沿图2中的背离纸面的方向流动，其与载气及其携带的SAM24的流动方向(图2中的向右侧流动的方向)呈直角，这必然会阻碍载气及其携带的SAM24向前方对侧流动(从左向右)，而且在二者的流动方向呈直角的情况下，如果其中一个方向的流量明显很大，那么其与另一个方向的气体混合效果会很差，同时向下流动的吹扫气体(流动方向如图2中的虚线箭头所示)也会阻碍载气及其携带的SAM24向前方对侧流动，从而导致SAM24在靠近进气通道011的出口处的浓度大于远离该出口处的浓度，进而造成SAM24混合不均匀，从而导致SAM24在进入反应腔之后吸附在晶圆表面上的数量不均匀，形成SAM24吸附数量的偏单边现象，最终造成薄膜厚度分布不均匀。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种薄膜沉积方法及薄膜沉积设备，请一并参阅图3和图4，该设备包括反应腔1和位于反应腔1上方，且与之相连通的缓冲腔2，其中，缓冲腔2的侧壁中设置有第一气道21和第二气道22，以及第三气道23，第一气道21的出气口与第二气道22的出气口彼此相对，第三气道23位于第一气道21和第二气道22的上方；第一气道21用于向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体；第二气道22用于向缓冲腔2中通入混合气体；第三气道23用于向缓冲腔2中通入吹扫气体。
在本发明的一个具体实施例中，薄膜沉积设备还包括第一进气管路41、第二进气管路42和第三进气管路43，第一前驱体的气源5以及等离子体清洗源3，其中，第一进气管路41的输出端与第一气道21的进气口连接，第一前驱体的气源5与第一进气管路41连接，并利用多个快速气动阀门(包括PV1～PV3)来控制载气是否经过气源5，以使载气能够携带第一前驱体经第一气道21流入缓冲腔2，或不携带第一前驱体经第一气道21流入缓冲腔2。在第一进气管路41上还设置有第一质量流量控制器MFC1，用于控制载气的流量；第二进气管路42的输出端与第二气道22的进气口连接，第二进气管路42的输入端分别与第一进气支路421和第二进气支路422的输出端连接，第一进气支路421用于向第二进气管路42输送稀释气体，第二进气支路422用于向第二进气管路42输送第二前驱体，并且在第一进气支路421和第二进气支路422上分别设置有第二质量流量控制器MFC2和第三质量流量控制器MFC3，用于分别控制稀释气体的流量和第二前驱体的流量。第三进气管路42的输出端与第三气道的进气口连接，用于输送吹扫气体，且在第三进气管路42上设置有第四质量流量控制器MFC4，用于控制吹扫气体的流量。
等离子体清洗源3设置在缓冲腔2的顶部，且在等离子体清洗源3与缓冲腔2之间设置有阀门31，用于将二者连通或断开；上述第三气道23的出气方向倾斜向上，其通入的吹扫气体可以对等离子体清洗源3与缓冲腔2之间的阀门31进行吹扫，从而可以保证腔室颗粒污染水平可控。
第一实施例
在采用上述薄膜沉积设备的基础上，请参阅图5，并结合图3和图4，本发明实施例提供的薄膜沉积方法包括以下步骤：
S1，通过第一气道21向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体，同时通过第二气道22向缓冲腔2中至少通入稀释气体，以使第一前驱体与第二气道22通入的气体在缓冲腔2中混合后流入反应腔1；
其中，载气例如包括氩气，也可以是其他惰性气体。稀释气体例如包括氩气，也可以是其他惰性气体。载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道22通入的气体的流量相同。
在上述步骤S1中，通过第二气道22向缓冲腔2中通入的气体仅包括稀释气体，这与相关技术中将稀释气体与第二前驱体同时通入缓冲腔2相比，将第二前驱体的气体流量彻底减少至0，并通过相应地调整稀释气体的流量(可适当减少，也可以不变)和/或载气及其携带的第一前驱体的流量(可适当增加，也可以不变)，可以达到使载气及其携带的第一前驱体的流量之和与稀释气体的流量相同的目的。例如，载气及其携带的第一前驱体的流量之和可以调整为1000sccm左右，同时稀释气体的流量也调整为1000sccm左右。另外，相对于相关技术，通过增大载气及其携带的第一前驱体的流量之和，还可以增大第一前驱体的反应量，反应量的增加有利于进一步提高薄膜厚度分布均匀性。
在此基础上，结合本发明实施例提供的薄膜沉积设备的上述硬件改进，即，如图4所示，用于向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体的第一气道21与用于向缓冲腔2中通入混合气体的第二气道22，二者的出气口彼此相对，可以使流量相当的两路气流相互对冲，这与相关技术中两路气流呈直角，且一路气流流量明显很大相比，气体混合效果更好，因此，这种进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，有利于使进入混合腔的气体混合均匀，从而可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，进而可以提高薄膜厚度分布均匀性。此外，在上述步骤S1中，未通入第二前驱体(例如氧气)，还可以较大幅度地降低工艺成本。
在本发明的一个实施例中，上述第一前驱体包括双二乙基氨基硅烷(SAM24)；第二前驱体包括氧气(O2)；PEALD工艺可以采用二者沉积的薄膜包括二氧化硅(SiO2)。本发明实施例提供的薄膜沉积方法，结合本发明实施例提供的薄膜沉积设备的上述硬件改进，由于其沉积的薄膜厚度分布均匀性较好，这大大扩大了薄膜沉积工艺的使用范围，例如可以应用于高深宽比结构的填充，可以改善结构中的侧壁厚度的均匀性，尤其是将沉积二氧化硅(SiO2)薄膜应用于double pattern(双重图形)工艺中。当然，本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备，也适用于沉积其他薄膜，本发明实施例对此没有限制。
在本发明的一个实施例中，在上述步骤S1中，未经由第三气道23向缓冲腔2通入吹扫气体，这样可以排除吹扫气体在缓冲腔2中的气流对第一前驱体的气体分布产生的影响，从而可以进一步提高第一前驱体在缓冲腔2中的气体混合均匀性。需要说明的是，在本实施例中，虽然在上述步骤S1中未通入吹扫气体，但是可以在其他步骤中通入吹扫气体，以能够在其他步骤中对等离子体清洗源与缓冲腔2之间的阀门进行吹扫，从而可以保证腔室颗粒污染水平可控。
S2，停止向缓冲腔2内通入第一前驱体，保持载气的通入，并通过第三气道23向缓冲腔2中通入吹扫气体，同时通过第二气道22向缓冲腔2中通入稀释气体和第二前驱体，以对缓冲腔2和反应腔1进行吹扫；
其中，第二前驱体与第一前驱体在反应腔1未加载射频功率时不发生反应。可选的，第二前驱体与稀释气体可以混合后通入缓冲腔2，也可以分别通入缓冲腔2。
上述吹扫气体例如包括氩气(Ar)，或者也可以包括其他惰性气体。
上述步骤S2用于通过对缓冲腔2和反应腔1进行吹扫，以去除缓冲腔2和反应腔1中未反应的第一前驱体。
S3，向反应腔1中加载射频功率，以激发反应腔1中的第二前驱体形成等离子体，以使等离子体与附着于晶圆上的第一前驱体反应形成薄膜；上述步骤S2通入的气体继续保持通入；
具体的，如图3所示，薄膜沉积设备还包括上电极装置和射频源6，该射频源6例如包括匹配器和射频电源；上电极装置例如包括电极板或者线圈，射频电源通过匹配器与上电极装置电连接，用于向上电极装置加载射频功率，以激发反应腔1中的第二前驱体形成等离子体。
S4，停止向反应腔1中加载射频功率；上述步骤S2通入的气体继续保持通入；
循环执行步骤S1至步骤S4，直至薄膜达到目标厚度。
在上述步骤S2至步骤S4中均通入有吹扫气体，对等离子体清洗源3与缓冲腔2之间的阀门31进行吹扫，从而即使在上述步骤S1中未通入吹扫气体，仍然可以保证腔室颗粒污染水平可控。
图6为采用相关技术中的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图。由图6可知，SiO2薄膜的平均厚度为108.40埃，薄膜厚度均匀性为1.75％。而且，薄膜厚度的分布呈现明显的偏单边现象，即，在左侧厚度较厚，而右侧厚度较薄。图7为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图。由图7可知，SiO2薄膜的平均厚度为105.94埃，厚度均匀性为0.86％。这与图3相比，SiO2薄膜的厚度变化很小，但薄膜厚度均匀性明显改善，即，薄膜厚度均匀性由1.75％下降至0.86％，而且也未出现明显的偏单边现象。
第二实施例
本实施例提供的薄膜沉积方法，其与上述第一实施例相比，区别仅在于，上述步骤S1中，混合气体在包括稀释气体的基础上，还包括第二前驱体。并且，未经由第三气道23向缓冲腔2通入吹扫气体。
具体来说，如图8所示，一个周期T包括与本实施例提供的薄膜沉积方法的上述步骤S1至步骤S4相对应的四个阶段，在第一阶段，稀释气体D、第一前驱体(和载气)P、第二前驱体R均通入反应腔1；在第二阶段，稀释气体D、第一前驱体(和载气)P、第二前驱体R、吹扫气体M均通入反应腔1；在第三阶段，维持第二阶段中各种气体通入反应腔1的同时，射频功率S加载到反应腔1；在第四阶段，维持第二阶段中各种气体通入反应腔1的同时，停止射频功率S的加载。
在这种情况下，载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入气体的流量(即稀释气体和第二前驱体的流量之和)相同。
在上述步骤S1中，可以通过相应地调整稀释气体的流量(可适当减少，也可以不变)和/或载气及其携带的第一前驱体的流量(可适当增加)，可以达到使载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入气体的流量相同的目的。
在此基础上，结合本发明实施例提供的薄膜沉积设备的上述硬件改进，即用于向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体的第一气道21与用于向缓冲腔2中通入混合气体的第二气道22，二者的出气口彼此相对，可以使流量相当的两路气流相互对冲，这与相关技术中两路气流呈直角，且一路气流流量明显很大相比，气体混合效果更好，因此，这种进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，有利于使进入混合腔的气体混合均匀，从而可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，进而可以提高薄膜厚度分布均匀性。
而且，在上述步骤S1中，由于未经由第三气道23向缓冲腔2通入吹扫气体，这样可以排除吹扫气体在缓冲腔2中的气流对第一前驱体的气体分布产生的影响，从而可以进一步提高第一前驱体在缓冲腔2中的气体混合均匀性。需要说明的是，在本实施例中，虽然在上述步骤S1中未通入吹扫气体，但是可以在其他步骤中通入吹扫气体，以能够在其他步骤中对等离子体清洗源与缓冲腔2之间的阀门进行吹扫，从而可以保证腔室颗粒污染水平可控。
本实施例提供的薄膜沉积方法的其他步骤与上述第一实施例的相应步骤相同，在此不再赘述。
图9为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备沉积的SiO2薄膜的厚度分布图。由图9可知，SiO2薄膜的平均厚度为107.49埃，厚度均匀性为0.93％。这与图3相比，SiO2薄膜的厚度变化很小，但薄膜厚度均匀性明显改善，即，薄膜厚度均匀性由1.75％下降至0.93％，而且也未出现明显的偏单边现象。
第三实施例
本实施例提供的薄膜沉积方法，其与上述第一实施例相比，区别仅在于，上述步骤S1中，在通过第一气道21向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体，通过第二气道22向缓冲腔2中通入的气体仅包括稀释气体的同时，还通过第三气道23向缓冲腔2中通入吹扫气体。也就是说，本实施例在上述第一实施例的基础上，增加了吹扫气体的通入。
具体来说，如图10所示，一个周期T包括本实施例提供的薄膜沉积方法的上述步骤S1至步骤S4相对应的四个阶段，在第一阶段，稀释气体D、第一前驱体(和载气)P、吹扫气体M均通入反应腔1；在第二阶段，稀释气体D、第一前驱体(和载气)P、第二前驱体R、吹扫气体M均通入反应腔1；在第三阶段，维持第二阶段中各种气体通入反应腔1的同时，射频功率S加载到反应腔1；在第四阶段，维持第二阶段中各种气体通入反应腔1的同时，停止射频功率S的加载。
在本实施例中，虽然向缓冲腔2通入吹扫气体，对第一前驱体的气体分布产生一定的影响，但是，本实施例通过将进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，即，使第一气道21和第二气道22的出气口彼此相对，并使载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入气体(仅包括稀释气体)的流量相同，这已经相对于现有技术明显提高了第一前驱体在缓冲腔2中的气体混合均匀性，而且本实施例还可以在薄膜沉积方法的各个步骤均通入吹扫气体，从而可以有效降低腔室颗粒污染水平。
本实施例提供的薄膜沉积方法的其他步骤与上述第一实施例的相应步骤相同，在此不再赘述。
第四实施例
本实施例提供的薄膜沉积方法，其是在上述第一至第三实施例的基础上所作的进一步改进。具体地，本实施例提供的薄膜沉积方法应用于包括两个反应腔和两个缓冲腔的薄膜沉积设备，用于同时在两个反应腔中的晶圆上沉积薄膜，从而可以大幅提高工艺效率，进而提高产能。
具体地，请参阅图11，反应腔为两个，分别为第一反应腔1a和第二反应腔1b；与第一反应腔1a相连通的缓冲腔为第一缓冲腔2a；与第二反应腔1b相连通的缓冲腔为第二缓冲腔2b。在此基础上，本实施例提供的薄膜沉积方法用于同时在第一反应腔1a和第二反应腔1b中的晶圆上沉积薄膜，且包括：
在通过第一缓冲腔2a和第一反应腔1a执行步骤S1的同时，通过第二缓冲腔2b和第二反应腔1b执行步骤S2至步骤S4；
在通过第一缓冲腔2a和第一反应腔1a执行步骤S2至步骤S4的同时，通过第二缓冲腔2b和第二反应腔1b执行步骤S1。
也就是说，在第一缓冲腔2a和第一反应腔1a执行步骤S1，即使第一前驱体与第二气道通入的气体在第一缓冲腔2a中混合后流入第一反应腔1a的同时，第二缓冲腔2b和第二反应腔1b依次执行步骤S2至步骤S4，即，吹扫、加载射频功率和停止加载射频功率。反之，在第二缓冲腔2b和第二反应腔1b执行步骤S1，即使第一前驱体与混合气体在第二缓冲腔2b中混合后流入第二反应腔1b的同时，第一缓冲腔2a和第一反应腔1a依次执行步骤S2至步骤S4。通过使第一反应腔1a和第二反应腔1b交错执行不同的步骤，可以使第一反应腔1a和第二反应腔1b能够共用用于提供第一前驱体的气源5和射频源6，即，不存在两个反应腔同时需要通入第一前驱体，同时加载射频功率的情况，从而可以在大幅提高工艺效率的基础上，降低设备和工艺成本。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种薄膜沉积设备，请一并参阅图3和图4，其包括反应腔1和位于反应腔1上方，且与之相连通的缓冲腔2，该薄膜沉积设备采用本发明实施例提供的上述薄膜沉积方法制备薄膜。
而且，缓冲腔2的侧壁中设置有第一气道21和第二气道22，以及第三气道23，第一气道21的出气口与第二气道22的出气口彼此相对，第三气道23位于第一气道21和第二气道22的上方；第一气道21用于向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体；第二气道22用于向缓冲腔2中通入稀释气体，或者稀释气体和第二前驱体；第三气道23用于向缓冲腔2中通入吹扫气体。
通过使用于向缓冲腔2中通入载气及其携带的第一前驱体的第一气道21与用于向缓冲腔2中通入混合气体的第二气道22，二者的出气口彼此相对，可以使流量相当的两路气流相互对冲，这与相关技术中两路气流呈直角，且一路气流流量明显很大相比，气体混合效果更好，因此，这种进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，有利于使进入混合腔的气体混合均匀，从而可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，进而可以提高薄膜厚度分布均匀性。
在本发明的另一个实施例中，如图12所示，第一气道21的轴线与第二气道22的轴线分别沿与缓冲腔2的侧壁所在圆周的两条相互平行的切线方向设置。这样更有利于载气及其携带的第一前驱体向前方流动，且流动路径更长，从而使其在缓冲腔2中能够更加均匀地混合，进一步增强了进入反应腔1中的气体分布均匀性，有利于第一前驱体在晶圆表面的吸附，从而进一步改善了薄膜厚度均匀性。另外，在缓冲腔2的侧壁中还设置有第四气道24和第五气道25，其中，第四气道24和第五气道25中的一者可以设置有堵头，另一者用作真空规接口。
在本发明的一个实施例中，薄膜沉积设备还包括等离子体清洗源3，该等离子体清洗源3设置在缓冲腔2的顶部，且在等离子体清洗源3与缓冲腔2之间设置有阀门31，用于将二者连通或断开；上述第三气道23的出气方向倾斜向上，其通入的吹扫气体可以对等离子体清洗源3与缓冲腔2之间的阀门31进行吹扫，从而可以保证腔室颗粒污染水平可控。
在本发明的一个实施例中，本实施例提供的薄膜沉积设备包括两个反应腔和两个缓冲腔，从而可以采用上述第四实施例提供的薄膜沉积方法在两个反应腔中的晶圆上沉积薄膜，进而可以大幅提高工艺效率，进而提高产能。
具体地，如图11所示，反应腔为两个，分别为第一反应腔1a和第二反应腔1b；与第一反应腔1a相连通的缓冲腔为第一缓冲腔2a；与第二反应腔1b相连通的缓冲腔为第二缓冲腔2b。在此基础上，可选的，为了可以使第一反应腔1a和第二反应腔1b能够共用用于提供第一前驱体的气源5和射频源6，从而可以在大幅提高工艺效率的基础上，降低设备和工艺成本，薄膜沉积设备还包括气体供应装置和射频装置(例如包括射频源6)，其中，气体供应装置与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第一气道21、第二气道22和第三气道23连通，用于选择性地将载气及其携带的第一前驱体、第二前驱体、稀释气体和吹扫气体中的相应气体分别通入第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b；射频装置(例如包括射频源6)与第一反应腔1a和第二反应腔1b连接，用于选择性地向第一反应腔1a和第二反应腔1b中的至少一者加载射频功率。需要说明的是，射频装置可以通过继电器等控制开关来实现射频装置在第一反应腔1a与第二反应腔1b之间的切换。
实现上述功能的气体供应装置例如包括第一进气管路41、第二进气管路42、第三进气管路43、第一进气支路421、第二进气支路422和切换管路组，其中，第一进气管路41通过切换管路组与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第一气道21连通，第一进气管路41用于输送载气及其携带的第一前驱体；第二进气管路42通过切换管路组与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第二气道22连通，第二进气管路42的输入端分别与第一进气支路421和第二进气支路422的输出端连接，第一进气支路421和第二进气支路422用于分别输送稀释气体和第二前驱体；第三进气管路43通过切换管路组与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第三气道23连通，第三进气管路43用于输送吹扫气体；切换管路组用于将第一进气管路41、第二进气管路42和第三进气管路43中的每一者选择性地与第一缓冲腔2a和/或第二缓冲腔2b的相应气道连通。由此，可以实现选择性地将载气及其携带的第一前驱体、第二前驱体、稀释气体和吹扫气体中的相应气体分别通入第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b。
进一步地，实现上述功能的切换管路组例如包括两个第一支路(71a,71b)、两个第二支路(72a,72b)和两个第三支路(73a,73b)，其中，两个第一支路(71a,71b)的进气端均与第一进气管路41的出气端连通，两个第一支路(71a,71b)的出气端分别与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第一气道21的进气口连通，在两个第一支路(71a,71b)上均设置有第一通断阀(81a,81b)；两个第二支路(72a,72b)的进气端均与第二进气管路42的出气端连通，两个第二支路(72a,72b)的出气端分别与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第二气道22的进气口连通，在两个第二支路(72a,72b)上均设置有第二通断阀(82a,82b)；两个第三支路(73a,73b)的进气端均与第三进气管路43的出气端连通，两个第三支路(73a,73b)的出气端分别与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的第三气道的进气口连通，在两个第三支路(73a,73b)上均设置有第三通断阀(83a,83b)。
在本实施例中，等离子体清洗源为两个，分别为第一等离子体清洗源3a和第二等离子体清洗源3b，二者分别设置于第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b的顶部，且在第一等离子体清洗源3a和第二等离子体清洗源3b与第一缓冲腔2a和第二缓冲腔2b之间分别设置有第一阀门31a和第二阀门31b，用于将二者连通或断开。但是，本发明实施例并不局限于此，在实际应用中，第一反应腔1a和第二反应腔1b也可以共用一个等离子体清洗源。
综上所述，本发明实施例提供的薄膜沉积方法及设备的技术方案中，在PEALD工艺中，在经由第一气道向缓冲腔通入载气及其携带的第一前驱体的同时，经由第二气道向缓冲腔中至少通入稀释气体，以使第一前驱体与第二气道通入的气体在缓冲腔中混合后流入反应腔，通过使第一气道和第二气道均设置于缓冲腔的侧壁中，且出气口彼此相对，并使载气及其携带的第一前驱体的流量之和与第二气道通入的气体的流量相同，这种进气位置设计与相对的两侧气体流量平衡的结合，有利于使进入混合腔的气体混合均匀，从而可以避免出现第一前驱体吸附数量的偏单边现象，进而可以提高薄膜厚度分布均匀性。
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 (12)

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，通过与反应腔相连通的缓冲腔的第一气道向所述缓冲腔中通入载气及其携带的第一前驱体，同时通过所述缓冲腔的第二气道向所述缓冲腔中至少通入稀释气体，以使所述第一前驱体与所述第二气道通入气体在所述缓冲腔中混合后流入所述反应腔；其中，所述第一气道和所述第二气道均设置于所述缓冲腔的侧壁中，且出气口彼此相对；所述载气及其携带的第一前驱体的流量之和与所述第二气道通入气体的流量相同；
S2，停止向所述缓冲腔内通入所述第一前驱体，保持所述载气的通入，并通过所述缓冲腔的第三气道向所述缓冲腔中通入吹扫气体，同时通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入所述稀释气体和第二前驱体，以对所述缓冲腔和所述反应腔进行吹扫；所述第三气道设置于所述缓冲腔的侧壁中，且位于所述第一气道和所述第二气道的上方；所述第二前驱体与所述第一前驱体在所述反应腔未加载射频功率时不发生反应；
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附着于晶圆上的所述第一前驱体反应形成薄膜；所述步骤S2通入的气体继续保持通入；
S4，停止向所述反应腔中加载射频功率；所述步骤S2通入的气体继续保持通入；
循环执行所述步骤S1至步骤S4，直至所述薄膜达到目标厚度。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述步骤S1中，在通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入稀释气体的同时，还通过所述第二气道向所述缓冲腔中通入所述第二前驱体。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述第三气道未通入所述吹扫气体。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述步骤S1中，在通过所述第一气道向所述缓冲腔中通入所述载气及其携带的第一前驱体，通过所述第二气道向所述缓冲腔中仅通入所述稀释气体的同时，还通过所述第三气道向所述缓冲腔中通入所述吹扫气体。
5.根据权利要求1、2或4中任意一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述第一前驱体包括双二乙基氨基硅烷；所述第二前驱体包括氧气；
所述薄膜包括二氧化硅。
6.根据权利要求1、2或4中任意一项所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述反应腔为两个，分别为第一反应腔和第二反应腔；与所述第一反应腔相连通的所述缓冲腔为第一缓冲腔；与所述第二反应腔相连通的所述缓冲腔为第二缓冲腔；
所述薄膜沉积方法用于同时在所述第一反应腔和第二反应腔中的晶圆上沉积薄膜，且包括：
在通过所述第一缓冲腔和所述第一反应腔执行所述步骤S1的同时，通过所述第二缓冲腔和所述第二反应腔执行所述步骤S2至所述步骤S4；在通过所述第一缓冲腔和所述第一反应腔执行所述步骤S2至所述步骤S4的同时，通过所述第二缓冲腔和所述第二反应腔执行所述步骤S1。
7.一种薄膜沉积设备，包括反应腔和位于所述反应腔上方，且与之相连通的缓冲腔，其特征在于，所述薄膜沉积设备采用权利要求1-6任意一项所述的薄膜沉积方法制备薄膜；
所述缓冲腔的侧壁中设置有第一气道和第二气道，以及第三气道，所述第一气道的出气口与所述第二气道的出气口彼此相对，所述第三气道位于所述第一气道和所述第二气道的上方；
所述第一气道用于向所述缓冲腔中通入载气及其携带的第一前驱体；所述第二气道用于向所述缓冲腔中通入稀释气体，或者通入稀释气体和第二前驱体；所述第三气道用于向所述缓冲腔中通入吹扫气体。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述薄膜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，且在所述等离子体清洗源与所述缓冲腔之间设置有阀门，用于将二者连通或断开；
所述第三气道的出气方向倾斜向上。
9.根据权利要求7所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述第一气道的轴线与所述第二气道的轴线分别沿与所述缓冲腔的侧壁所在圆周的两条相互平行的切线方向设置。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述反应腔为两个，分别为第一反应腔和第二反应腔；与所述第一反应腔相连通的所述缓冲腔为第一缓冲腔；与所述第二反应腔相连通的所述缓冲腔为第二缓冲腔；
所述薄膜沉积设备还包括气体供应装置和射频装置，其中，所述气体供应装置与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道、所述第二气道和所述第三气道连通，用于选择性地将载气及其携带的第一前驱体、第二前驱体、稀释气体和吹扫气体中的相应气体分别通入所述第一缓冲腔和第二缓冲腔；
所述射频装置与所述第一反应腔和所述第二反应腔连接，用于选择性地向所述第一反应腔和所述第二反应腔中的至少一者加载射频功率。
11.根据权利要求10所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述气体供应装置包括第一进气管路、第二进气管路、第三进气管路、第一进气支路、第二进气支路和切换管路组，其中，
所述第一进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道连通，所述第一进气管路用于输送载气及其携带的第一前驱体；
所述第二进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第二气道连通，所述第二进气管路的输入端分别与所述第一进气支路和所述第二进气支路的输出端连接，所述第一进气支路和所述第二进气支路用于分别输送稀释气体和第二前驱体；
所述第三进气管路通过所述切换管路组与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第三气道连通，所述第三进气管路用于输送吹扫气体；
所述切换管路组用于将所述第一进气管路、第二进气管路和第三进气管路中的每一者选择性地与所述第一缓冲腔和/或第二缓冲腔的相应气道连通。
12.根据权利要求11所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述切换管路组包括两个第一支路、两个第二支路和两个第三支路，其中，
两个所述第一支路的进气端均与所述第一进气管路的出气端连通，两个第一支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第一气道的进气口连通，在两个所述第一支路上均设置有第一通断阀；
两个所述第二支路的进气端均与所述第二进气管路的出气端连通，两个第二支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第二气道的进气口连通，在两个所述第二支路上均设置有第二通断阀；
两个所述第三支路的进气端均与所述第三进气管路的出气端连通，两个第三支路的出气端分别与所述第一缓冲腔和第二缓冲腔的所述第三气道的进气口连通，在两个所述第三支路上均设置有第三通断阀。
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