CN1302152C - 化学气相沉积设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学气相沉积设备。在该化学气相沉积设备中，可与外部RF电源(302)相连的RF电源连接部分(303)安装在腔室(300)的上部；RF电极板(306)安装在所述腔室内，所述RF电极板以预定的间隔与所述腔室的内上表面隔开并且以预定的间隔与设置在所述RF电极板下方的喷头(309)隔开；利用由外部RF电源供给到RF电极板上的电能使等离子体产生在由RF电极板和喷头的上表面之间的间隙所限定的第一缓冲部分(310)中；喷头在垂直方向上被分成两个部分并且所述两个部分之间的间隔限定了第二缓冲部分(316)；反应气体被供给到产生有等离子体的第一缓冲部分；以及源气体被供给到第二缓冲部分。

Description

化学气相沉积设备
技术领域
本发明涉及一种化学气相沉积(CVD)设备。本发明特别涉及一种使用反应气体的游离基(radical)同时通过在喷头内产生等离子体或者利用喷头将外部等离子体喷射到腔室中顺序地供给处理气体的化学气相沉积设备。
背景技术
通常，为了在低温下获得极好的分层式覆层和薄膜质量特性，源气体和反应气体被顺序地供给到化学气相沉积设备中。这里，将参照图1A至图1C对能够顺序地供给处理气体的常规化学气相沉积设备进行简单的描述。
图1A是表示一种能够顺序地供给处理气体的常规化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。如图1A中所示，该常规化学气相沉积设备包括下部设有出口100的一个腔室101、安装在腔室的顶表面上以进入腔室101的内中央部分的至少一个源气体导管102、至少一个反应气体导管103和至少一个清洁气体导管104、其中形成有多个用于喷射处理气体的喷射孔105的喷头106以及用于支撑晶片或基体107(后面称为“基体”)并同时用作加热源的加热器108，利用通过喷头106喷入的处理气体能够使薄膜沉积在基体107上。
为了利用具有上述结构的常规化学气相沉积设备在基体107上形成薄膜，在一段预定的时间内通过喷头106喷入来自于至少一个源气体导管102的源气体以使源气体被基体107吸附，接着在一段预定的时间内从至少一个清洁气体导管104导入清洁气体以对残留在喷头106和腔室101中的源气体进行清洁。然后，通过出口100将气体排出。接着，在一段预定的时间内由至少一个反应气体导管导入的反应气体通过喷头106被喷射到基体107上，从而，利用反应气体与吸附在基体107中的源气体进行预定的反应在基体上形成薄膜。另外，在再次喷入源气体之前，在一段预定的时间内利用清洁气体对残留在喷头106和腔室101中的反应气体以及反应中所产生的气体副产物进行清洁并接着将它们排出。如上所述，重复喷入和清洁源气体以及喷入和清洁反应气体的过程使薄膜沉积在基体107上。
但是，使用这样一种常规化学气相沉积设备的技术存在沉积速率很低的缺点，并且当其应用于半导体的大规模生产中时会增加半导体的制造成本。
图1B是表示一种能够顺序地供给处理气体的常规等离子体化学气相沉积设备的一个示意图，并且该设备能够克服图1A中所示的化学气相沉积设备的缺点。即，如图1B中所示，该常规等离子体化学气相沉积设备具有这样的结构，喷头106设有能够与外部RF电源110相连的RF电源连接部分109，用于使喷头106和已与喷头106相连的RF电源110电绝缘的绝缘部分111安装在喷头106上，从而直接在腔室101内产生等离子体。
即，尽管图1B中所示的等离子体化学气相沉积设备具有常规的处理气体顺序供给系统，在所述常规的处理气体顺序供给系统中以与图1A中所示的化学气相沉积设备相同的方式重复喷入和清洁源气体以及喷入和清洁反应气体的过程，但是该等离子体化学气相沉积设备能够在喷入反应气体后直接在腔室101内产生等离子体并且使反应气体的等离子体与吸附在基体107中的源气体进行反应，从而能够在较低的温度下提供较高的反应速率。
图1B中所示的直接式等离子体产生系统与图1A中所示的系统相比，能够在相对较低的温度下略微提高沉积速率。但是，它所存在的缺点是，形成在基体上的基体元件和电路元件可能会由于在等离子体产生的开始阶段所产生的电弧、离子轰击和离子注入而受损，这样会降低生产率。
图1C表示一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备的常规化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。在一段预定的时间内通过喷头106喷入源气体后，利用清洁气体对残留在喷头106和腔室101中的源气体得到清洁并通过形成在腔室101一侧上的出口100将它们排出。在对源气体进行这样的清洁后，通过外部等离子体产生设备112将反应气体的等离子体直接喷射到腔室101中并喷入反应气体。接着，利用清洁气体对反应气体以及反应中所产生的气体副产物进行清洁并接着将它们排出。
在使用具有外部等离子体产生设备的化学气相沉积设备的情况下，能够略微减少由于等离子体而对形成在基体上的基体元件和电路元件造成的损害。但是，它所存在的缺点是，由于直接引入到腔室中的等离子体的不均匀性而不能使薄膜均匀地沉积在具有较大面积的基体上。
发明内容
本发明的一个目的是，提供一种使用反应气体的游离基(radical)同时通过在喷头内产生等离子体或者利用喷头将外部等离子体喷射到腔室中顺序地供给处理气体的化学气相沉积设备，从而避免使形成在基体上的基体元件和电路元件受损，甚至在低温下也能够保证较快的沉积速率并且沉积具有极好的分层式覆层和薄膜质量特性的薄膜。
本发明的另一个目的是，提供一种化学气相沉积设备，该设备通过以预定间隔将喷头隔开并将喷头分成两个部分以将引入并喷入源气体的第一部分与引入和喷入反应气体的第二部分分开，从而能够有效地防止源气体和反应气体在喷头内相互混合。
为了达到上述目的，本发明提供了一种化学气相沉积设备，该设备包括下部设有出口的腔室；分别用于将处理气体供给到所述腔室中的源气体导管、反应气体导管和清洁气体导管；加热器，所述加热器设置在腔室中，用于支撑基体并用作加热源，薄膜沉积于所述基体上；喷头，所述喷头设置在所述加热器上方，所述喷头具有多个喷射孔，用于均匀地喷射通过所述导管供给的处理气体，所述设备的特征在于：
可与外部RF电源相连的RF电源连接部分安装在所述腔室的上部；
所述喷头在垂直方向被分为第一喷头和第二喷头；
RF电极板安装在所述腔室的上绝缘部分和第一喷头之间并在所述腔室内，所述上绝缘部分安装在腔室的内上表面上，从而将所述RF电极板与所述腔室的内上表面隔开，并且所述第一喷头设置在所述RF电极板下方；
下绝缘部分，该下绝缘部分设置在所述腔室的内侧上，用于将所述RF电极板与所述第一喷头和所述腔室的内侧隔开；
利用RF杆将RF电源连接部分与RF电极板连接在一起以使电能可从外部RF电源供给到RF电极板上；
利用由外部RF电源供给到RF电极板上的电能使等离子体产生在由RF电极板和喷头的上表面之间的间隙所限定的第一缓冲部分中；
反应气体被供给到产生有等离子体的第一缓冲部分，游离基通过所述第一喷头和第二喷头被喷射到基体上，而不与由第一喷头和第二喷头之间的空间所限定的第二缓冲部分接触；以及
源气体被供给到第二缓冲部分，并接着通过第二喷头被喷射到基体上；
其中所述第一喷头和第二喷头与所述腔室连接，从而被接地。
附图说明
从下面结合附图对本发明的优选实施例的描述中能够更容易地看出本发明的上述和其它目的、特征和优点，在附图中：
图1A是表示一种能够顺序地供给处理气体的常规化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图1B是表示一种能够顺序地供给处理气体的常规等离子体化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图1C表示一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备的常规等离子体化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图2A是表示本发明第一实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图2B是表示一种利用在如图2A中所示的化学气相沉积设备的喷头内产生等离子体顺序地供给处理气体和反应气体的游离基的方法的图表；
图2C是表示一种利用在如图2A中所示的化学气相沉积设备的喷头内产生等离子体顺序地供给处理气体和游离基的方法的图表，其中清洁气体处于始终被供给的状态；
图3A是表示本发明第二实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并且在以预定间隔分隔的喷头的上部中产生等离子体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图3B是表示作为图3A中所示化学气相沉积设备的一个重要部分的喷头的后表面的一个后视图；
图4是表示本发明第三实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备的化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图5是表示本发明第四实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备以使等离子体被引入到以预定间隔分隔的喷头的上部中的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图6A是表示本发明第五实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并且在以预定间隔分隔的喷头的下部中产生等离子体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图；
图6B是表示作为图6A中所示化学气相沉积设备的一个重要部分的喷头的后表面的一个后视图；
图7和图8是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中顺序地供给处理气体和反应气体的游离基的方法的图表；
图9和图10是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中顺序地供给处理气体和反应气体的游离基、同时能够使等离子体保持更稳定的状态的方法的图表；
图11是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中顺序地供给处理气体和反应气体的游离基、同时在供给难以在低温下被沉积的源气体和反应气体后能够使腔室保持更稳定的压力的方法的图表；以及
图12是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中顺序地供给处理气体和反应气体的游离基、同时在供给难以在等离子体低能态下和在低温下被沉积的源气体和反应气体后能够使腔室保持更稳定的压力和使等离子体保持更稳定的状态的方法的图表。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明优选实施例所涉及的化学气相沉积设备进行详细的描述。
<第一实施例>
图2A是表示本发明第一实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。
从该图中可以看出，本发明所涉及的这种化学气相沉积设备具有这样的结构，即，利用包括喷入和清洁源气体以及喷入和清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的方法形成薄膜，其中反应气体是在这样的一个状态下被喷入的，即在将它们喷入后在喷头内产生等离子体。
如图2A中所示，在本发明所涉及的这种化学气相沉积设备中，顶板212安装在腔室201的顶部上并构成了腔室201的一部分，可与外部RF电源210相连的RF电源连接部分209安装在顶板212的一侧上。RF电源连接部分209与RF杆211相连，并且利用形成在RF杆211周围的RF杆绝缘部分213使RF杆211与顶板212电绝缘。
RF杆211与安装在顶板212内侧的RF电极板214相连，并且利用该RF电极板214能够在喷头206内产生等离子体。此时，为了使RF电极板214电绝缘，将上绝缘部分215安装在RF电极板214上方，即安装在RF电极板214和顶板212之间。另外，以这样一种方式将下绝缘部分216安装在RF电极板214的底部上，即，利用下绝缘部分216在RF电极板214和设置在RF电极板214下方的喷头206之间以预定间隙限定缓冲部分217。即，下绝缘部分216使RF电极板214与顶板212的内表面绝缘同时以预定的间隙与设置在RF电极板214下方的喷头206隔开。
喷头206安装在具有由下绝缘部分216所限定的预定间隙的缓冲部分下方，并且喷头206形成有多个用于均匀地喷射处理气体的喷射孔205。另外，喷头206通过与顶板212的连接而被接地。在本发明所涉及的具有上述结构的化学气相沉积设备中，等离子体产生在具有预定间隙的缓冲部分217中，所述预定间隙是由安装在顶板212上的RF电极板214、下绝缘部分216和喷头206限定的。
在腔室201内的加热器208支撑晶片或基体207(下面，称为“基体”)同时为基体提供预定的热量，薄膜实际形成在所述基体上，腔室201设置在顶板212的下方并且被供给的处理气体在所述腔室中相互反应。
至少一个源气体导管202、至少一个反应气体导管203和至少一个清洁气体导管204形成在顶板212的外侧并与顶板212的内部相通。另外用于使顶板212保持恒温的加热器218埋设在顶板212中。即，利用加热器218能够使腔室201顶部周围的温度保持恒定。
下面将对利用具有上述结构的本发明所涉及的化学气相沉积设备在基体上形成薄膜的方法进行详细的描述。
在一段预定时间内通过形成在顶板212外侧的至少一个源气体导管202导入源气体，并且通过喷头206喷入源气体以使源气体被吸附在基体207上。在一段预定时间内以这样喷入源气体后，在一段预定时间内利用通过安装在顶板212上侧的至少一个清洁气体导管204导入的清洁气体对残留在喷头106和腔室201中的源气体进行清洁，并且通过安装腔室201一侧上的出口200将它们排出。
接着，在一段预定时间内利用喷头106将通过安装在顶板212外侧的至少一个反应气体导管203导入的反应气体喷射到基体207上，以使被喷入的反应气体与吸附在基体207上的源气体进行还原反应并在基体207上形成薄膜。此时，通过将电能从RF电源210供给到RF电极板214上以在缓冲部分217内产生等离子体以及通过喷头206喷八反应气体的游离基使被喷入的反应气体和吸附在基体207上的源气体之间的反应得到进一步激化。
在一段预定时间内喷入反应气体的游离基后，在一段预定时间内利用通过清洁气体导管204导入的清洁气体对残留在喷头106和腔室201中的反应气体进行清洁并将它们排出。这样，本发明通过重复包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的过程能够使薄膜形成在晶片或基体上。
这样，本发明所涉及的化学气相沉积设备能够利用产生在缓冲部分217内的等离子体对反应气体和吸附在晶片或基体上的源气体之间的反应进行进一步的激化，从而可在较低的温度下保证较快的沉积速率并且在基体上形成具有极好的分层式覆层和薄膜质量特性的薄膜。另外，根据本发明所涉及的化学气相沉积设备，由于等离子体没有直接暴露在腔室和基体上，因此能够防止形成在基体上的基体元件和电路元件由于在等离子体产生过程中可能产生的电弧、离子轰击和离子注入而受到具体伤害。
图2B是表示一种利用包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的方法同时在如图2A中所示的化学气相沉积设备的喷头内产生等离子体的图表。
如图2B(ii)中所示，首先，在预定的一段时间内通过喷头喷入清洁气体，从而在喷头和腔室中形成惰性气体氛围。接着，如图2B(i)中所示，在预定的一段时间内喷入源气体以使其能够被吸附在晶片或基体上。然后，如图2B(ii)中所示，在一段预定时间内利用清洁气体对残留在喷头和腔室中的源气体进行清洁并将它们排出。接着，如图2B(c)和图2(d)中所示，在一段预定时间内将反应气体导入喷头中，同时，在喷头中产生等离子体以使反应气体的游离基被喷射到晶片或基体上。在通过以这样一种方式在一段预定时间内喷入反应气体的游离基而使具有预定厚度的薄膜形成在晶片或基体上后，停止反应气体的喷射以及从RF电源向RF电极板供给电能以停止产生等离子体。然后，利用清洁气体对残留在喷头和腔室中的反应气体和反应中所产生的气体副产物进行清洁并将它们排出。从而，通过重复这样的过程能够在晶片或基体上形成具有预定厚度的薄膜。
图2C是表示一种以在顺序地供给处理气体和在如图2A中所示的化学气相沉积设备的喷头内产生等离子体的过程中仅顺序地供给源气体和反应气体但连续地供给清洁气体的方式来防止源气体和反应气体在喷头和腔室内混合的方法的图表。
如图2C中所示，当连续地供给清洁气体并且仅顺序地供给源气体和反应气体时，能够使腔室压力的变化达到最小，从而能够提高该方法的重复性。
<第二实施例>
图3A是表示本发明第二实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并且在以预定的方式被分隔的喷头的上部中产生等离子体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。
从该图中可以看出，本发明所涉及的这种化学气相沉积设备具有这样的结构，即，利用包括喷入和清洁源气体以及喷入和清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的方法形成薄膜；通过将喷头分隔成两个部分以将引入并喷入源气体的第一部分与引入和喷入反应气体的第二部分分开可完全防止源气体和反应气体之间的混合；以及在喷入反应气体后，通过在喷头中的引入和喷入反应气体的部分内产生等离子体可喷射反应气体的游离基。
如图3A中所示，在本发明所涉及的这种化学气相沉积设备中，顶板301安装在腔室300的顶部上并构成了腔室300的一部分，可与外部RF电源302相连的RF电源连接部分303安装在顶板301的一侧上。RF电源连接部分303与RF杆304相连，并且利用形成在RF杆304周围的RF杆绝缘部分305使RF杆304与顶板301电绝缘。
RF杆304与安装在顶板301内侧的RF电极板306相连，并且利用该RF电极板306能够在喷头内产生等离子体。此时，为了使RF电极板306电绝缘，将上绝缘部分307安装在RF电极板306上方，即安装在RF电极板306和顶板301之间。另外，以这样一种方式将下绝缘部分308安装在RF电极板306的底部上，即，利用下绝缘部分308在RF电极板306和设置在RF电极板306下方的第一喷头309之间以预定间隙限定第一缓冲部分310。即，下绝缘部分308使RF电极板306与顶板301的内表面绝缘同时以预定的间隙与设置在RF电极板306下方的第一喷头309隔开。
第一喷头309安装在具有由下绝缘部分308所限定的预定间隙的缓冲部分下方，并且第一喷头309形成有多个用于均匀地喷射反应气体的游离基的游离基喷射管311。另外，第一喷头309通过与顶板301的连接而被接地。
在本发明所涉及的具有上述结构的化学气相沉积设备中，等离子体产生在具有预定间隙的第一缓冲部分310中，所述预定间隙是由安装在顶板301上的RF电极板306、下绝缘部分308和第一喷头309限定的。
另外，具有预定高度的底板312安装在第一喷头309的底部上，底板312构成了腔室300的一部分。第二喷头313安装在底板312的下侧。即，第一喷头309和第二喷头313是以在垂直方向上相互面对的方式被设置的并且具有由底板312在它们之间所限定的预定间隙。以这种方式设置的第二喷头313形成有多个通孔314和多个用于均匀地喷射源气体的源气体喷射孔315，形成在第一喷头309中的多个游离基喷射管311能够穿过所述多个通孔314。当通过将第一喷头309的游离基喷射管311安装到第二喷头313的通孔314中并且在第一喷头309和第二喷头313之间形成预定间隙而使具有上述结构的第一喷头309和第二喷头313被设置在适当位置时，限定了第二缓冲部分316。
另外，至少一个反应气体导管317和第一清洁气体导管318被安装在顶板301的外侧并使这些导管穿过所述顶板301。利用反应气体导管317和第一清洁气体导管318将反应气体和清洁气体供给到第一缓冲部分310。另外，至少一个源气体导管319和第二清洁气体导管320被安装在底板312的外侧并使这些导管穿过所述底板312。利用源气体导管319和第二清洁气体导管320将源气体和清洁气体供给到第二缓冲部分316。
在腔室300内的加热器323支撑晶片或基体322(下面，称为“基体”)同时为基体提供预定的热量，薄膜实际形成在所述基体上，腔室300设置在底板312的下方并且被供给的处理气体在所述腔室中相互反应。另外，用于使顶板301保持恒温的加热器321埋设在顶板301中。即，利用加热器321能够使腔室300顶部周围的温度保持恒定。
图3B是表示作为图3A中所示化学气相沉积设备的一个重要部分的喷头的后表面的一个后视图。多个游离基喷射管311的孔325和源气体喷射孔315是以一种网格的形式设置在第二喷头313的后表面上。
下面将对利用具有上述结构的本发明所涉及的化学气相沉积设备在基体上形成薄膜的方法进行详细的描述。
在一段预定时间内通过安装在底板312上的源气体导管319将源气体导入到第二缓冲部分316中并且通过形成在第二喷头313中的源气体喷射孔315喷入源气体以使源气体被吸附在基体322上。在一段预定时间内以这样的方式喷入源气体后，在一段预定时间内利用通过第二清洁气体导管320导入的清洁气体对残留在第二喷头313和腔室300中的源气体进行清洁并且通过安装腔室300一侧上的出口324将它们排出。在以这样的方式排出残留的源气体后，在一段预定时间内通过安装在顶板301上的反应气体导管317将反应气体供给到第一缓冲部分310并通过形成在第一喷头309中的游离基喷射管311将反应气体喷射到基体322上以使被喷入的反应气体与吸附在基体322上的源气体进行还原反应并在基体322上形成薄膜。此时，通过将电能从RF电源302供给到RF电极板306上以在第一缓冲部分310内产生等离子体以及通过安装在第二喷头313的通孔314中的游离基喷射管311喷入反应气体的游离基使被喷入的反应气体和吸附在基体322上的源气体之间的反应得到进一步激化。
在一段预定时间内喷入反应气体的游离基后，在一段预定时间内利用通过第一清洁气体导管318导入的清洁气体对残留在第一喷头309和腔室300中的反应气体进行清洁并将它们排出。这样，本发明通过分开地导入源气体和反应气体并重复包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的过程能够使具有预定厚度的薄膜形成在晶片或基体上。
这样，本发明所涉及的化学气相沉积设备能够利用通过游离基喷射管311喷入的反应气体的游离基对反应气体和吸附在晶片或基体上的源气体之间的反应进行进一步的激化，从而可保证较快的沉积速率并且在基体上形成具有极好的分层式覆层和薄膜质量特性的薄膜。另外，根据本发明所涉及的化学气相沉积设备，由于将等离子体与喷入源气体的第二喷头313分开，因此能够完全防止即使通过利用清洁气体进行清洁的步骤仍然没有被完全去除的源气体在喷头内与反应气体的等离子体进行反应，从而避免颗粒的产生并且破坏分层式覆层。另外，根据本发明所涉及的化学气相沉积设备，由于等离子体没有直接暴露在腔室和基体上，因此能够防止形成在晶片或基体上的基体元件和电路元件由于在等离子体产生过程中可能产生的电弧、离子轰击和离子注入而受到具体伤害。
<第三实施例>
图4是表示本发明第三实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备的化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。
如该图中所示，本发明所涉及的这种化学气相沉积设备包括下部设有出口400的腔室401、其中形成有多个用于喷射处理气体的喷射孔405的喷头406以及用于支撑晶片或基体407(后面称为“基体”)并同时用作加热源的加热器408，利用通过喷头406喷入的处理气体能够使薄膜沉积在基体407上。
顶板409安装在腔室401的顶部上并构成了腔室401的一部分。外部等离子体产生设备410与腔室401相连并且在顶板409的外侧相互连通。至少一个反应气体导管403和至少一个清洁气体导管(第二清洁气体导管)404安装在外部等离子体产生设备410的一侧上并进入到外部等离子体产生设备410中，从而当等离子体产生在外部等离子体产生设备410内以后能够产生等离子体和反应气体的游离基。
在外部等离子体产生设备410中产生的等离子体和游离基通过所形成的并进入到顶板409的一部分中的等离子体导管411被引入到利用在顶板409和喷头406之间间隙所限定的缓冲部分412中。此时，由于在外部等离子体产生设备410中产生的等离子体和游离基当与导体碰撞时会由于产生重新结合的现象而停止产生，因此应该在等离子体导管411中安装绝缘部分413以防止等离子体和游离基的停止产生直至它们达到缓冲部分412。
另外，至少一个源气体导管402和至少一个清洁气体导管(第一清洁气体导管)414与在等离子体导管411一侧上的一个部分相通。另外，用于使顶板409保持恒温的加热器415埋设在顶板409中。利用加热器415能够使腔室401顶部周围的温度保持恒定。
即，本发明所涉及的化学气相沉积设备能够利用包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的方法并通过利用导管和外部等离子体产生设备供给处理气体的方式在晶片或基体上形成具有预定厚度的薄膜。
下面将对利用具有上述结构的本发明所涉及的化学气相沉积设备在基体上形成薄膜的方法进行详细的描述。
首先，在预定的一段时间内通过安装在外部等离子体产生设备410的侧面上的第二清洁气体导管404喷头将清洁气体导入到由在顶板409内的预定间隙所限定的缓冲部分412和设置在缓冲部分412下方的喷头406，从而在喷头406和腔室401中形成惰性气体氛围。接着，在预定的一段时间内通过安装在等离子体导管411一侧上的一部分处并进入到等离子体导管411中的源气体导管引入源气体，以使其能够被吸附在基体407上。然后，在一段预定时间内利用通过安装在等离子体导管411一侧上的一部分处并进入到等离子体导管411中的第一清洁气体导管414供给清洁气体对残留在喷头406和腔室401中的源气体进行清洁，并将它们排出。
接着，在一段预定时间内通过安装在外部等离子体产生设备410一侧上的反应气体导管403将反应气体导入到外部等离子体产生设备410中。同时，在一段预定时间内在外部等离子体产生设备410中产生等离子体以使反应气体的等离子体通过等离子体导管411被引入到缓冲部分412中，并且通过喷头406将反应气体的游离基喷射到基体407上。在通过以这样一种方式在一段预定时间内喷入反应气体的游离基而使具有预定厚度的薄膜形成在基体407上后，停止反应气体的导入以及停止在外部等离子体产生设备410中产生等离子体。然后，利用通过第二清洁气体导管的清洁气体对残留在喷头406和腔室401中的反应气体和反应中所产生的气体副产物进行清洁并将它们排出。从而，通过重复这样的过程能够在晶片或基体上形成具有预定厚度的薄膜。
<第四实施例>
图5是表示本发明第四实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并使用外部等离子体产生设备以使等离子体被引入到以预定形式被分隔的喷头的上部中的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。
如该图中所示，在本发明所涉及的化学气相沉积设备中，顶板501安装在腔室500的顶部上并构成了腔室500的一部分。外部等离子体产生设备503与腔室500相连并且在顶板501的外侧相互连通。至少一个反应气体导管517和第一清洁气体导管518安装在外部等离子体产生设备503的一侧上并进入到外部等离子体产生设备513中，从而当等离子体产生在外部等离子体产生设备503内以后能够产生等离子体和反应气体的游离基。
在外部等离子体产生设备503中产生的等离子体和游离基通过所形成的并进入到顶板501的一部分中的等离子体导管504被引入到利用在顶板501和第一喷头509之间间隙所限定的缓冲部分510中。此时，由于在外部等离子体产生设备503中产生的等离子体和游离基当与导体碰撞时会由于产生重新结合的现象而停止产生，因此应该在等离子体导管504中安装绝缘部分505以防止等离子体和游离基的停止产生直至它们达到缓冲部分510。
第一喷头509安装在第一缓冲部分510下方并且形成有多个用于均匀地喷射反应气体的游离基的游离基喷射管511。
另外，具有预定高度的底板512安装在第一喷头509的底部上，底板512构成了腔室500的一部分。第二喷头513安装在底板512的下侧。即，第一喷头509和第二喷头513是以在垂直方向上相互面对的方式被设置的并且具有由底板512在它们之间所限定的预定间隙。以这种方式设置的第二喷头513形成有多个通孔514和多个用于均匀地喷射源气体的源气体喷射孔515，形成在第一喷头509中的多个游离基喷射管511能够穿过所述多个通孔514。当通过将第一喷头509的游离基喷射管511安装到第二喷头513的通孔514中并且在第一喷头509和第二喷头513之间形成预定间隙而使具有上述结构的第一喷头509和第二喷头513被设置在适当位置时，限定了第二缓冲部分516。另外，第二喷头513通过与底板512的连接而被接地。
另外，至少一个源气体导管519和第二清洁气体导管520被安装在底板512的外侧并使这些导管穿过所述底板512。利用源气体导管519和第二清洁气体导管520将源气体和清洁气体供给到第二缓冲部分516。
在腔室500内的加热器523支撑晶片或基体522(下面，称为“基体”)同时为基体提供预定的热量，薄膜实际形成在所述基体上，腔室500设置在底板512的下方并且被供给的处理气体在所述腔室中相互反应。另外，用于使顶板501保持恒温的加热器521埋设在顶板501中。即，利用加热器521能够使腔室500顶部周围的温度保持恒定。
下面将对利用具有上述结构的本发明所涉及的化学气相沉积设备在基体上形成薄膜的方法进行详细的描述。
在一段预定时间内通过安装在底板512上的源气体导管519将源气体导入到第二缓冲部分516中并且通过形成在第二喷头513中的源气体喷射孔515喷入源气体以使源气体被吸附在基体522上。在一段预定时间内以这样的方式喷入源气体后，在一段预定时间内利用通过第二清洁气体导管520导入的清洁气体对残留在第二喷头513和腔室500中的源气体进行清洁并且通过安装腔室500一侧上的出口524将它们排出。
接着，在一段预定时间内通过安装在外部等离子体产生设备503一侧上的反应气体导管517将反应气体导入到外部等离子体产生设备503中。同时，在一段预定时间内在外部等离子体产生设备503中产生等离子体以使反应气体的等离子体通过等离子体导管504被引入到第一缓冲部分510中并且通过第一喷头509将反应气体的游离基喷射到基体522上。
在一段预定时间内喷入反应气体的游离基后，在一段预定时间内利用通过第一清洁气体导管518导入的清洁气体对残留在第一喷头509和腔室500中的反应气体进行清洁并将它们排出。这样，本发明通过分开地导入源气体和反应气体并重复包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的过程能够使具有预定厚度的薄膜形成在晶片或基体上。
<第五实施例>
图6A是表示本发明第五实施例所涉及的一种能够顺序地供给处理气体并且在以预定间隔分隔的喷头的下部中产生等离子体的游离基辅助(radical assisted)化学气相沉积设备的结构元件的一个示意图。
如该图中所示，在本发明所涉及的这种化学气相沉积设备中，顶板601安装在腔室600的顶部上并构成了腔室600的一部分，可与外部RF电源602相连的RF电源连接部分603安装在顶板601的一侧上。RF电源连接部分603与RF杆604相连，并且利用形成在RF杆604周围的RF杆绝缘部分605使RF杆604与顶板601电绝缘。
RF杆604与安装在顶板601内侧的第一喷头609相连。此时，为了使第一喷头609与顶板601电绝缘，以预定的间隙将上绝缘部分607安装在第一喷头609的上方以顶板601的内表面紧密接触。通过以这样的方式设置第一喷头609和上绝缘部分607，限定了具有预定间隙的第一缓冲部分610。
另外，具有预定高度的下绝缘部分608安装在第一喷头309的底部上，下绝缘部分608构成了腔室600的一部分。底板612安装在下绝缘部分608的外侧。接着，使第二喷头613被安装在下绝缘部分608和底板612的下方以使第一喷头309和第二喷头313以相互面对的方式被设置并且在它们之间具有预定的间隙。这样，具有预定间隙的第二缓冲部分616被第一喷头609和第二喷头613限定。此时，第二喷头613通过与底板612的连接而被接地。
在本发明所涉及的具有上述结构的化学气相沉积设备中，等离子体产生在具有预定间隙的第二缓冲部分616中，所述预定间隙是由第一喷头609、下绝缘部分608和第二喷头613限定的。
具有多个用于均匀地分配被导入的源气体的喷射孔的中间板606被安装在第一缓冲部分610中。利用设置在中间板606下方的支承销626将中间板606固定在第一喷头609上。另外，第一喷头609形成有多个用于均匀地喷射源气体的源气体喷射管611。
第二喷头613形成有多个通孔614，形成在第一喷头609中的源气体喷射管611能够穿过所述多个通孔614。第二喷头613还形成有多个用于均匀地喷射在第二缓冲部分616中由等离子体所产生的反应气体的游离基的游离基喷射孔615。当通过将第一喷头609的源气体喷射管611安装到第二喷头613的通孔614中并且在第一喷头609和第二喷头613之间形成预定间隙而使具有上述结构的第一喷头609和第二喷头613被设置在适当位置时，限定了第二缓冲部分616。
另外，至少一个源气体导管619和第一清洁气体导管618被安装在顶板601的外侧并使这些导管穿过所述顶板601。利用源气体导管619和第一清洁气体导管618将反应气体和清洁气体供给到第一缓冲部分610。另外，至少一个反应气体导管617和第二清洁气体导管620被安装在顶板601的另一个外侧并使这些导管穿过所述顶板601。已经通过以这样的方式被安装的反应气体导管617和第二清洁气体导管620导入的反应气体和清洁气体通过形成在第一喷头609中的圆形反应气体缓冲部分627被分配，接着通过反应气体分配孔628被导向反应气体入口629。已经通过反应气体入口629被导入的反应气体和清洁气体流到第二缓冲部分616中。
在腔室600内的加热器623支撑晶片或基体622(下面，称为“基体”)同时为基体提供预定的热量，薄膜实际形成在所述基体上，腔室600设置在底板612的下方并且被供给的处理气体在所述腔室中相互反应。另外，用于使顶板601保持恒温的加热器621埋设在顶板601中。即，利用加热器621能够使腔室600顶部周围的温度保持恒定。
图6B是表示作为图6A中所示化学气相沉积设备的一个重要部分的喷头的后表面的一个后视图。多个源气体喷射管611的孔625和游离基喷射孔615是以一种网格的形式设置在第二喷头613的后表面上。
下面将对利用具有上述结构的本发明所涉及的化学气相沉积设备在基体上形成薄膜的方法进行详细的描述。
在一段预定时间内通过安装在顶板601上的源气体导管619将源气体导入到第一缓冲部分610中并且通过形成在第一喷头609中的源气体喷射管孔611喷入源气体以使源气体被吸附在基体622上。在一段预定时间内以这样的方式喷入源气体后，在一段预定时间内利用通过第一清洁气体导管618导入的清洁气体对残留在第一喷头609和腔室600中的源气体进行清洁并且通过安装腔室600一侧上的出口624将它们排出。在以这样的方式排出残留的源气体后，在一段预定时间内通过安装在顶板601上的反应气体导管617将反应气体供给到第二缓冲部分616并通过形成在第二喷头613中的游离基喷射孔615将反应气体喷射到基体622上以使被喷入的反应气体与吸附在基体622上的源气体进行还原反应并在基体622上形成薄膜。此时，通过将电能从RF电源602供给到第一喷头609上以在第二缓冲部分616内产生等离子体以及通过安装在第二喷头613的游离基喷射孔615喷入反应气体的游离基使被喷入的反应气体和吸附在基体622上的源气体之间的反应得到进一步激化。
在一段预定时间内喷入反应气体的游离基后，在一段预定时间内利用通过第二清洁气体导管620导入的清洁气体对残留在第二喷头613和腔室600中的反应气体进行清洁并将它们排出。这样，本发明通过分开地导入源气体和反应气体并重复包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的过程能够使具有预定厚度的薄膜形成在晶片或基体上。
下面将对在具有上述结构的本发明第二至第五实施例所涉及的化学气相沉积设备中顺序供给处理气体和游离基的方法进行详细描述。
图7和图8是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体的方法的图表。
如图7中所示，在预定的一段时间内通过第一和第二喷头喷入清洁气体，从而在喷头和腔室中形成惰性气体氛围。接着，在预定的一段时间内喷入源气体以使其能够被吸附在晶片或基体上。然后，在一段预定时间内利用清洁气体对残留在喷头和腔室中的源气体进行清洁并将它们排出，接着，在一段预定时间内将反应气体导入喷头中，同时，在喷头中产生等离子体以使反应气体的游离基被喷射到晶片或基体上。
在在一段预定时间内喷入反应气体的游离基而使具有预定厚度的薄膜形成在晶片或基体上后，停止反应气体的喷射以及从RF电源(或外部等离子体产生设备的电源)供给电能以停止产生等离子体。然后，利用清洁气体对残留在喷头和腔室中的反应气体和反应中所产生的气体副产物进行清洁并将它们排出。从而，通过重复这样的过程能够在晶片或基体上形成具有预定厚度的薄膜。此时，如图8中所示，通过连续地导入第一和第二清洁气体能够使清洁源气体和反应气体所需时间达到最少。另外，通过使腔室的压力的变化达到最小能够提高该方法的重复性。
图9和图10是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序供给处理气体同时能够使等离子体保持更稳定的状态的方法的图表。
如图9中所示，尽管在喷头中产生等离子体的状态是通过从低压RF电源(或外部等离子体产生设备的低压电源)供给的电能来保持的，但是等离子体处于一种能量很低的状态下。这样，等离子体被控制并且由于与游离基喷射孔的内壁之间的碰撞所产生的重新结合现象而会使等离子体的产生停止，因此游离基会受到控制而不会被导入到腔室中。利用这样一种能够使等离子体态保持在喷头中并且不将游离基导入到腔室中的方式在顺序供给反应气体的游离基后能够保持更稳定的等离子体态，同时不会影响反应过程。另外，如图10中所示，通过连续地导入第一和第二清洁气体能够使清洁源气体和反应气体所需时间达到最少。另外，通过使腔室的压力的变化达到最小能够提高该方法的重复性。
图11是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序地供给处理气体和反应气体的游离基同时在供给源气体和反应气体过程中能够使腔室保持更稳定的压力的方法的图表。
如图11中所示，能够在源气体不会与反应气体进行反应的低温处理的过程中通过连续地导入反应气体使腔室压力的变化达到最小。这样，可进一步提高该方法的重复性。
在确定能够顺序地供给处理气体的化学气相沉积设备的沉积速率中的一个重要特征是源气体相对于晶片或基体的吸附比率。为了提高源气体的吸附比率，甚至在没有产生等离子体的状态下也供给反应气体。这样，可提高源气体的吸附比率。可通过利用反应气体和吸附在晶片和基体上的源气体停止供给源气体和清洁源气体、产生等离子体以及接着利用反应气体的游离基形成薄膜的方法来提高薄膜的沉积速率。
图12是表示在本发明所涉及的化学气相沉积设备中包括喷入和清洁源气体、喷入反应气体的游离基以及清洁反应气体步骤的顺序地供给处理气体和反应气体的游离基同时在供给通常不会在较低的温度下和等离子体低能态下被沉积的源气体和反应气体的过程中能够使腔室保持更稳定的压力和使等离子体保持更稳定的状态的方法的图表。
如图12中所示，在源气体不会在低温下与反应气体进行反应的过程中，以及在喷头中产生等离子体的状态是通过从低压RF电源(或外部等离子体产生设备的低压电源)供给的电能来保持的过程中，连续地导入反应气体。但是，等离子体处于一种能量很低的状态。这样，等离子体被控制并且由于与游离基喷射孔的内壁之间的碰撞所产生的重新结合现象而会使等离子体的产生停止。这样，反应气体的游离基不会被导入到腔室中。即使在连续导入反应气体和利用低压电源在喷头中产生等离子体的状态下，在顺序供给处理气体后也可更稳定地保持腔室压力和等离子体态并且不会影响反应过程。
如上面详细描述的，本发明所涉及的化学气相沉积设备可对低沉积速率进行改进，低沉积速率是能够顺序地供给处理气体的常规化学气相沉积设备的一个问题，并且能够防止出现诸如等离子体电弧的产生、离子轰击、离子注入等问题。另外，它能够防止导入可能包含在利用化学气相沉积方法所沉积的薄膜中的大量微粒或杂质(诸如C、H、Cl、Br、I和O)。
另外，根据本发明所涉及的化学气相沉积设备，它所具有的一个优点是，可通过低温处理来形成高质量的薄膜，从而可提高该方法的重复性。它所具有的另一个优点是，可保证极好的分层式覆层的特性以及高的沉积速率，从而能够提高产品的生产率。
尽管前面已经参照附图对本发明所涉及的化学气相沉积设备的技术细节进行了描述，但是它们仅是本发明的优选实施例并不是对本发明的限定。
另外，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明的保护范围的基础上对本发明进行各种改进和变型是显而易见的。

Claims (7)

1.一种化学气相沉积设备，该设备包括下部设有出口的腔室；分别用于将处理气体供给到所述腔室中的源气体导管、反应气体导管和清洁气体导管；加热器，所述加热器设置在腔室中，用于支撑基体并用作加热源，薄膜沉积于所述基体上；喷头，所述喷头设置在所述加热器上方，所述喷头具有多个喷射孔，用于均匀地喷射通过所述导管供给的处理气体，所述设备的特征在于：
可与外部RF电源相连的RF电源连接部分安装在所述腔室的上部；
所述喷头在垂直方向被分为第一喷头和第二喷头；
RF电极板安装在所述腔室的上绝缘部分和第一喷头之间并在所述腔室内，所述上绝缘部分安装在腔室的内上表面上，从而将所述RF电极板与所述腔室的内上表面隔开，并且所述第一喷头设置在所述RF电极板下方；
下绝缘部分，该下绝缘部分设置在所述腔室的内侧上，用于将所述RF电极板与所述第一喷头和所述腔室的内侧隔开；
利用RF杆将RF电源连接部分与RF电极板连接在一起以使电能可从外部RF电源供给到RF电极板上；
利用由外部RF电源供给到RF电极板上的电能使等离子体产生在由RF电极板和喷头的上表面之间的间隙所限定的第一缓冲部分中；
反应气体被供给到产生有等离子体的第一缓冲部分，游离基通过所述第一喷头和第二喷头被喷射到基体上，而不与由第一喷头和第二喷头之间的空间所限定的第二缓冲部分接触；以及
源气体被供给到第二缓冲部分，并接着通过第二喷头被喷射到基体上；
其中所述第一喷头和第二喷头与所述腔室连接，从而被接地。
2.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一喷头具有多个用于均匀地喷射游离基的喷射管，以及所述第二喷头具有多个通孔和多个用于均匀地喷射源气体的喷射孔，多个喷射管穿过所述通孔；所述第一喷头的喷射管安装在所述第二喷头的通孔中。
3.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，至少一个反应气体导管和至少一个清洁气体导管安装在所述第一缓冲部分的一侧并且与所述第一缓冲部分相互连通，至少一个源气体导管和至少一个清洁气体导管安装在所述第二缓冲部分的一侧并且与第二缓冲部分相互连通。
4.如权利要求2所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一缓冲部分是由用于使RF电极板与腔室的内表面绝缘并且将RF电极板与第一喷头隔开的下绝缘部分限定的。
5.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，利用形成在RF杆周围的RF杆绝缘部分使RF杆与所述腔室电绝缘。
6.如权利要求2所述的化学气相沉积设备，其特征在于，所述导管喷射管和喷射孔是以网格的形式设置的。
7.如权利要求1所述的化学气相沉积设备，其特征在于，用于使所述腔室的顶部保持恒温的一加热器被安装在所述腔室的顶部上。
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