CN1937175B - 用于半导体器件的使用大气压的材料原子层沉积的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于原子层沉积的方法。所述方法包括提供具有表面区域的衬底，并将所述衬底的所述表面区域暴露于大气压。该方法还至少将所述衬底保持在大约大气压下，并且利用原子层沉积形成上覆于所述表面区域的膜，同时所述衬底被保持在大约大气压下。优选地，所述膜以大于每分钟1纳米的速率生长。

Description

用于半导体器件的使用大气压的材料原子层沉积的方法
技术领域
本发明涉及集成电路及其用于半导体器件制造的处理。更具体地，本发明提供在大气压条件下使用原子层沉积沉积一层或者多层材料膜的方法和结构。仅仅作为示例，本发明已经被应用于先进集成电路器件的制造，但是应该认识到，本发明具有更加广泛的可应用性。
背景技术
集成电路已经从制造在单个硅芯片上的少数的互连器件发展到数百万个器件。传统集成电路提供的性能和复杂度已远远超过了当初的想象。为了实现复杂度和电路密度(即，能够被安置到给定芯片面积上的器件的数量)的提高，对于每一代集成电路，最小器件线宽的尺寸(也被称为器件“几何”)变得越来越小。
不断增大的电路密度不仅已提高了集成电路的复杂度和性能，而且也为客户提供了更低成本的部件。集成电路或者芯片制造设备常常可能花费成百上千万，甚至十几亿美元来建造。每一制造设备具有一定的晶片生产量，而每片晶片上将会有一定数量的集成电路。因此，通过制造更小的集成电路个体器件，更多的器件可以被制造在每一个晶片上，这样就可以增加制造设备的产量。要使器件更小是很有挑战性的，因为每一种用于集成制造的工艺都存在限制。那也就是说，一种给定的工艺通常只能加工到某一特定的线宽尺寸，于是不是工艺就是器件布局需要被改变。此外，随着器件要求越来越快速的设计，工艺限制就伴随某些传统的工艺和材料而存在。
这样的工艺的示例是使用化学气相沉积技术的膜的形成。这些化学气相沉积技术(通常称作CVD)经常使用利用等离子体环境被引入的前驱体气体。这些气体通常形成包括绝缘体、半导体和导体在内的材料层。虽然已被广泛地用于半导体器件的制造，但是CVD技术常常缺乏对于更小特征的良好的阶梯覆盖。这些更小的特征通常小于约0.2μm并且其长宽比为10，但是也可以是其他值。
因此，已经提出了原子层沉积(ALD)技术。这些技术所提供的膜将良好地阶段覆盖这样的更小特征。然而，ALD技术具有某些限制。例如，ALD技术通常很慢并且难以实现大量制造。在本说明书中，更具体地在下文中将更加详细地描述这些和其他的限制。
从上面看出，用于处理半导体器件的改进技术是所希望的。
发明内容
根据本发明，提供了涉及集成电路的技术及其用于半导体器件制造的处理。更具体地，本发明提供在大气压条件下使用原子层沉积沉积一层或者多层材料膜的方法和结构。仅仅作为示例，本发明已经被应用于先进集成电路器件的制造，但是应该认识到，本发明具有更加广泛的可应用性。
在一个具体实施例中，本发明提供了一种用于利用原子层沉积形成膜的方法，该方法包括将多个衬底放置在一盒子中。该方法还包括取出所述多个衬底中的一个，并将所述一个衬底施加在例如带的移动构件上。该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数。该方法还包括通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个。该方法在所述表面在所述移动构件上移动时，形成上覆于所述表面的原子层膜。优选地，所述一个衬底被保持在大约大气压下，同时被经历所述气体分配构件中的一个或者多个。
在另一个具体实施例中，本发明提供一种用于在例如760Torr的大气压条件下利用原子层沉积形成膜的方法。该方法也包括将多个衬底放置在一盒子中，并取出所述多个衬底中的一个。该方法将所述一个衬底施加在移动构件上，该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数。该方法还通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个，同时将所述衬底保持在大约大气压下。该方法当所述表面在所述移动构件上移动同时被保持在大气压下时，形成上覆于所述表面的原子层膜。
在另一个具体实施例中，本发明提供一种用于原子层沉积的方法。所述方法包括提供具有表面区域的衬底，并将所述衬底的所述表面区域暴露于大气压。该方法还至少将所述衬底保持在大约大气压下，并且利用原子层沉积形成上覆于所述表面区域的膜，同时所述衬底被保持在大约大气压下。优选地，所述膜以大于每分钟1纳米的速率生长。
较传统技术，通过本发明获得了的很多优点。例如，本技术为使用依赖于传统技术的工艺提供了便利。在一些实施例中，本方法提供了对于每个晶片的按管芯计的更高的器件产率。此外，本方法提供了与传统工艺技术兼容而不用对传统设备和工艺进行实质修改的工艺。优选地，本发明为0.1微米以及更小的设计规范提供了改进的工艺集成。此外，本发明可以适用于商业化器件的大量制造。依据实施例，可以获得这些优点中的一个或多个。这些优点或其他优点将在本说明书全文中并且更具体地在下文中，进行更多的描述。
附图说明
图1是示出了用于原子层沉积的传统方法的简化图；以及
图2示出了根据本发明的一个实施例的利用原子层沉积形成层的方法。
具体实施方式
根据本发明，提供了涉及集成电路的技术及其用于半导体器件制造的处理。更具体地，本发明提供在大气压条件下使用原子层沉积沉积一层或者多层材料膜的方法和结构。仅仅作为示例，本发明已经被应用于先进集成电路器件的制造，但是应该认识到，本发明具有更加广泛的可应用性。
图1是示出了用于原子层沉积的传统方法的简化图。如图所示，在传统的原子层沉积中存在四个主要的工艺或者步骤。步骤1包括用Me3Al(TMA)处理硅衬底。TMA是利用化学吸附制成的金属前驱体。该方法清除TMA，如步骤2所示。该方法将TMA与臭氧反应，形成氧化铝(Al2O3)，其中所述氧化铝为单层。通过步骤4，臭氧和含碳物质被清除。这些步骤在真空环境下进行，以使得多余的气体被排走。然而，传统的方法存在有限制。沉积速率通常很低，且小于每分钟1纳米，这使得该工艺对于商业化的大量半导体生产是不令人满意的。在本说明的全文中，更具体地在下文中，可以找到被本发明克服的这些和其他限制。
根据本发明的用于原子层沉积的方法可以被概括如下。
1.将多个衬底放置在一盒子中，并且取出所述多个衬底中的一个；
2.将所述一个衬底施加在移动构件上，该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数；
3.通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个，同时将衬底保持在大气压下；
4.当表面在移动构件上移动并且同时被保持在大气压下时，形成上覆于所述表面的原子层膜；以及
5.如果需要的话，进行其他的步骤。
上述顺序的步骤提供了根据本发明一个实施例的方法。如所示出的，该方法利用了包括利用在大气压下的原子层沉积形成膜的方法的多个步骤的组合。优选地，该方法在被耦合到多个气体分配构件的诸如带或者其他驱动器之类的可移动构件上进行。还可以提供许多其他可供选择的方法，其中在不背离这里的权利要求的范围的情况下，加入某些步骤，删去一个或多个步骤，或者一个或多个步骤按照不同的顺序被提供。使用用于原子层沉积的上述方法的细节在下面被提供。
图2是示出了根据本发明的一个实施例用于利用原子层沉积形成层的方法的简化图200。此图仅仅是示例，不应限制这里的发明的范围。本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。如图所示，该图包括布置在可移动构件209上方的多个气体分配构件。该可移动构件允许将晶片从第一位置运输到第二位置。可移动构件由电动机驱动。优选地，可移动构件可以是碳化硅涂层的碳材料。可移动构件允许每一个晶片的上表面暴露于气体分配构件中的每一个。在优选实施例中，每一个气体分配构件包括一个或者多个开口，以允许气体以层流方式通过。
取决于应用，每一个气体分配构件可以具有不同的气体。例如，气体分配构件201可以是用于清除气体。清除气体可以是惰性的。这样的清除气体的一个示例是氩气或者其他类似的物质。另一气体分配构件203用于TMA。在TMA之后的另一气体分配构件201a可以又是用于清除气体，所述清除气体驱走多余的TMA。另一气体分配构件205可以是用于臭氧或者其他类似的物质。与氩气、TMA、氩气和臭氧相关联的构件可以被组合在一起，以串行的方式处理上部区域。与氩气、TMA、氩气和臭氧相关联的另一组构件可以被组合在一起，以串行的方式处理所述上部区域，并且被串联到另一组包括氩气、TMA、氩气和臭氧的构件，如图所示。每一组氩气、TMA、氩气、臭氧为本方法的一个循环。
仅仅作为示例，某些工艺参数可以被概括如下：
带速：10厘米/分钟；
TMA流率(氩气鼓泡)：在25℃下0.5标准升/分钟(SLM)；
O3流速：3SLM(从臭氧发生器)；以及
温度：450℃。
该方法使用被沿着可移动构件的背面布置的多个灯模块211。每一个灯模块可以对应于一个气体供应器。优选地，灯模块是可单独控制的，但也可以是其他。灯模块也可以用快速热退火模块或者其他类似的热施加器件替换。当然，本领域的普通技术人员将认识到很多变化、替代和修改。
在具体的实施例中，本发明提供一种用于利用原子层沉积形膜的方法。该方法包括将多个衬底放置在一盒子中。该方法还包括取出所述多个衬底中的一个，并且将所述一个衬底施加在移动构件上。该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数。该方法还包括通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个。该方法当表面在移动构件上移动时形成上覆于所述表面的原子层膜。优选地，所述一个衬底被保持在大约大气压下，同时经历所述气体分配构件中的一个或者多个。
在另一具体实施例中，本发明提供一种在大气压条件下，例如760Torr条件下的原子层沉积方法。该方法也包括将多个衬底放置在一盒子中并取出所述多个衬底中的一个。该方法将所述一个衬底施加在移动构件上。该移动构件被耦合到多个气体分配构件。所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数。该方法还包括通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个，同时将衬底保持在大约大气压下。该方法当表面在移动构件上移动同时被保持在大气压下时形成上覆于所述表面的原子层膜。
在另一具体实施例中，本发明提供一种用于原子层沉积的方法。该方法包括提供具有表面区域的衬底，并且将衬底的表面区域暴露于大气压。该方法还至少将所述衬底保持在大约大气压下并且利用原子层沉积形成上覆于表面区域的膜，同时衬底被保持在大约大气压下。优选地，膜以大于约每分钟1纳米的速率生长。对于低压LP-ALD批处理的情形，沉积速率为约3埃/分钟，或者为从2埃/分钟到5埃/分钟的范围。
还应当理解，这里所描述的示例和实施例只是为了说明的目的，本领域的普通技术人员可以根据上述示例和实施例对本发明进行各种修改和变化，这些修改和变化将被包括在本申请的精神和范围内，并且也在所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种用于原子层沉积的方法，该方法包括：
将多个衬底放置在一盒子中；
取出所述多个衬底中的一个；
将所述一个衬底施加在移动构件上，该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数；以及
通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个，同时将衬底保持在大气压下；以及
当所述表面在所述移动构件上移动并且面向所述多个气体分配构件中的一个或者多个时，形成上覆于所述表面的原子层膜，
其中，所述移动构件是碳化硅涂层的碳材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述被暴露的衬底被保持在大气压下。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述移动构件是耦合到可旋转设备上的带。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底是半导体晶片或者LCD衬底。
5.如权利要求1所述的方法，其中当所述一个衬底通过所述移动构件行进时，所述被暴露的衬底被保持在大气压下。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述原子层膜是氧化铝。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述原子层膜是半导体、金属和/或电介质。
8.如权利要求6所述的方法，其中对于所述氧化铝膜，所述衬底被保持在450℃的温度下。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述移动构件被耦合到多个灯模块。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述原子层膜由逐层沉积的膜限定出。
11.一种用于在大气压条件下的原子层沉积的方法，该方法包括：
将多个衬底放置在一盒子中；
取出所述多个衬底中的一个；
将所述一个衬底施加在移动构件上，该移动构件被耦合到多个气体分配构件，所述多个气体分配构件被编号为1到N，其中N为整数；以及
通过移动构件移动所述衬底，以串行方式从第一气体分配构件到第N气体分配构件将所述衬底的表面暴露于所述多个气体分配构件中的一个或者多个；
将所述衬底保持在大气压下；以及
当所述表面在所述移动构件上移动同时被保持在大气压下时，形成上覆于所述表面的原子层膜，
其中，所述移动构件是碳化硅涂层的碳材料。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述衬底通过所述移动构件以10cm/min到30cm/min的速度移动。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述衬底是半导体晶片或者LCD板。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述原子层膜包括氧化铝。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述气体分配构件中的一个或者多个提供前驱体气体。
16.如权利要求11所述的方法，其中所述气体分配构件中的一个或者多个提供清除气体。
17.如权利要求11所述的方法，其中所述气体分配构件中的一个或者多个提供氧化剂。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述气体分配构件中的一个或者多个提供氮化剂。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述氧化剂选自由臭氧或者H2O2组成的组。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述氮化剂包括N2H2。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述清除气体选自氩气或者氦气。
22.如权利要求11所述的方法，其中所述气体分配构件在所述衬底的暴露表面上提供层流。
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