一种原子层沉积系统及方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种原子层沉积系统及方法。

背景技术：

随着集成电路产业的发展，组件的特征尺寸(devicecriticaldimension)逐渐降低，深宽比(aspectratio)逐渐增加，这种技术发展对于沉积工艺，尤其是高深宽比的衬底上沉积出共形性好的膜层提出了严峻挑战。原子层沉积(atomiclayerdeposition,ald)就是为了应对这种挑战而提出的一种新的薄膜沉积方法。原子层沉积是通过将反应前驱体独立通入到反应器，反应通过基底表面的催化实现。第一种前驱体物质以脉冲方式进入反应器后吸附在衬底表面，随后多余的前驱体物质从反应器中吹扫出，完成第一个半反应(halfreactions)；接着是第二种前驱体物质脉冲进入到反应器并和吸附在衬底表面的第一种前驱体物质反应，并在衬底上形成分子层，通过吹扫将多余物质从反应器中吹扫出，这样完成了第二个半反应。通过两个半反应的不断重复直到获得期望的厚度值，因此，反应腔室的压强频繁变动，给ald反应带来不良影响。

ald工艺的变量包括多种前驱体以及可能采用的化学反应路径(chemicalpathways)。其中，氧化物路径即采用金属烷基前驱体和氧化剂，这种化学反应方法被广泛用于沉积氧化物层。其它工艺变量包括在反应物脉冲之间反应腔室抽气到高真空，或者当反应物通过反应空间时采用惰性气体持续净化反应腔室。

ald反应比较难以控制。理想的ald反应是前驱体在衬底表面而不是衬底上的腔室内空间反应。因此，在第二种前驱体脉冲注入到腔室前，第一种前驱体必须完全从腔室去除。滞留在传输管路和腔室尤其是腔室空间的痕量前驱体发生反应后在腔室上形成化合物，对衬底表面就会带来污染并引入杂质。一些前驱体和腔室材料之间吸附性好，将它们从腔室排空比较困难且费时。并且，吹扫时，前驱体不进入反应腔室，而是被真空泵直接抽走，浪费前驱体，特别是有机金属前驱源，通常价格比较昂贵。此外，前驱体或者吹扫气体材料中的湿气和氧杂质在ald工艺中尤其不受欢迎，都会严重影响工艺结果，并给工艺控制带来更多挑战。

因此，需要对ald工艺和腔室吹扫系统优化以应对这些挑战。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种原子层沉积系统及方法，从而简化工艺，提高原子层沉积的薄膜的致密性和纯度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种原子层沉积系统，所述沉积系统包括

一反应腔室；

前驱体传输管路，与反应腔室连接，用于向反应腔室传输前驱体；

第一惰性气体传输管路，与反应腔室相连接，用于向反应腔室传输惰性气体，以维持反应腔室压力平稳；

第二惰性气体传输管路，与反应腔室连接，用于向反应腔室输送惰性气体，对反应腔室内进行吹扫；

以及真空管路和真空泵，与反应腔室连接，用于抽出反应腔室内多余的气体。

在一实施例中，所述第二惰性气体传输管路还与真空管路连接。

在一实施例中，所述第二惰性气体传输管路具有一个主路以及从

主路分开的两个支路，第一支路连接到反应腔室，第二支路连接

到真空管路上。

在一实施例中，所述第一惰性气体传输管路、第二惰性气体传输

管路的第一支路和第二支路以及前驱体传输管路上还分别设置

有气动阀和质量流量控制器，用于控制各自管路的开闭。

在一实施例中，反应腔室的载物台上安装有衬底；

进行反应时，真空泵开启，第二惰性气体管路关闭，前驱体传输管路开启，第一惰性气体传输管路开启，前驱体和第一惰性气体进入反应腔室，前驱体吸附在衬底上；

进行吹扫时，真空泵开启，保持第一惰性气体传输管路开启，第二惰性气体管路开启，前驱体传输管路关闭，第二惰性气体经第一支路进入反应腔室进行吹扫，第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种采用上述的原子层沉积系统进行的原子层沉积方法，所述前驱体传输管路包括第一前驱体传输管路和第二前驱体传输管路，进行原子层沉积工艺时，真空泵始终处于开启状态，

步骤01：关闭第二惰性气体传输管路，打开第一前驱体传输管路，打开第一惰性气体传输管路，第一前驱体经第一前驱体传输管路进入反应腔室，并且吸附在衬底上，第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室；

步骤02：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室，关闭第一前驱体传输管路，打开第二惰性气体传输管路，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路进入反应腔室进行吹扫工艺；

步骤03：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室，关闭第二惰性气体传输管路，打开第二前驱体传输管路，第二前驱体经第二前驱体传输管路进入反应腔室，并且与衬底上的第一前躯体反应生成薄膜；

步骤04：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室，关闭第二前驱体传输管路，打开第二惰性气体传输管路，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路进入反应腔室进行吹扫工艺；

步骤05：重复循环步骤01～04，完成所需薄膜的制备。

在一实施例中，所述第二惰性气体传输管路具有一个主路以及从主路分开的两个支路，第一支路连接到反应腔室，第二支路连接到反应腔室真空管路上；

步骤01具体包括：关闭第一支路，开启第二支路，打开真空泵，打开第一前驱体传输管路，打开第一惰性气体传输管路；第一前驱体经第一前驱体传输管路进入反应腔室，并且吸附在衬底上；第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室；第二惰性气体经所述主路进入第二支路，再经过真空管被真空泵抽出；

步骤02具体包括：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室；关闭第一前驱体传输管路、关闭第二支路，打开第一支路，第二惰性气体经主路进入第一支路，再进入反应腔室进行吹扫工艺；

步骤03具体包括：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室；关闭第一支路，打开第二支路，打开第二前驱体传输管路，第二前驱体经第二前驱体传输管路进入反应腔室，并且与衬底上的第一前躯体反应生成薄膜；

步骤04具体包括：保持第一惰性气体传输管路的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室；关闭第二前驱体传输管路，关闭第二支路，打开第一支路，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路进入反应腔室进行吹扫工艺。

在一实施例中，在步骤01之前，还包括：采用惰性气体对第一前驱体管路和第二前驱体管路进行充气流通。

在一实施例中，在所述步骤04之后和所述步骤05之前还包括：判断薄膜是否达到所需厚度；若是，则结束原子层薄膜沉积工艺；若否，则执行步骤05。

本发明的原子层沉积系统及方法，避免了复杂的气体清洁过程，减少了前驱体反应源的浪费；同时，确保了反应腔室的压强和气流场的稳定，避免气路扰动引起的杂质，从而获得致密性好、杂质含量低的薄膜。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的原子层沉积系统的结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的原子层沉积方法的流程示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本发明的原子层沉积系统，与反应腔室相连通的第一前驱体传输管路、第二前驱体传输管路以及第一惰性气体传输管路，与反应腔室相连通的真空管路以及真空泵，以及第二惰性气体传输管路，其与反应腔室连接，用于向反应腔室输送惰性气体，对反应腔室内进行吹扫。

以下结合附图1～2和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例中，原子层沉积反应系统中具有反应腔室1，反应腔室中具有载物台5，载物台5上承载有衬底4，第一惰性气体管路d1连接有第一质量流量控制器mfc1；第一前驱体传输管路l1连接有第二质量流量控制器mfc2；第二前驱体传输管路l2连接有第三质量流量控制器mfc3；第二惰性气体管路d2连接有第四质量流量控制器mfc4；这里，第一前驱体传输管路l1一端连接第一惰性气体传输管路d1上，另一端连接于前驱体源31中，另一个管路连接前驱体源31与第二质量流量控制器mfc2。第二前驱体传输管路l2一端连接第一惰性气体传输管路d1上，另一端连接于前驱体源32中，另一个管路连接前驱体源32与第三质量流量控制器mfc3。

此外，第二惰性气体传输管路d2具有一个主路d20以及从主路d20分开的两个支路d21和d22，第一支路l21连接到第一惰性气体管路d1靠近反应腔1的一侧，第二支路l22连接到反应腔室1下方的真空管路上。第一惰性气体传输管路d1上设置有气动阀pv1，第二惰性气体传输管路d2的第一支路l21上设置有气动阀pv4和第二支路l22上设置有气动阀pv6、第一前驱体传输管路l1上设置有pv5和pv3，连接前驱体源3和第二质量流量控制器mfc2的管路上设置有启动阀pv2，第二前驱体传输管路也设置有气动阀，用于控制各自管路的启闭。这里，第一前驱体传输管路l1的两端分别设置有气动阀pv3和pv5，第二前驱体传输管路的两端分别也有气动阀。这里的第一惰性气体和第二惰性气体可以相同，可以为n2。本实施例中，所制备的薄膜可以为al2o3，此时，第一前驱体采用氧化铝的前驱体物质，第二前驱体可以采用氧化物前驱体，例如，水，过氧化物，氧气，臭氧等。

为了相互不干扰，本实施例中，第二惰性气体管路d2连接到第一惰性气体管路d1靠近反应腔1的一侧，第一前驱体传输管路l1、第二前驱体传输管路l2分别连接到第一惰性气体传输管路d1靠近反应腔1的一侧，且第二惰性气体管路d2与第一惰性气体管路d1连接的位置位于第一前驱体传输管路l1与第一惰性气体管路d1连接的位置的下方，且在第二前驱体传输管路l2与第一惰性气体管路d2连接位置的下方。第二惰性气体传输管路d1还与真空管路连接。

本实施例中，原子层沉积工艺包括反应过程和吹扫过程的交替，直至形成所需厚度的薄膜。

进行反应时，真空泵2开启，保持第四质量流量控制器mfc4处于开启状态，第一支路d21关闭，第二前驱体传输管路关闭，第二支路d22开启，第一前驱体传输管路l1开启或第二前驱体传输管路l2开启，第一惰性气体传输管路d1开启，第一前驱体或第二前驱体进入反应腔室1，以及第一惰性气体进入反应腔室1，第一前驱体吸附在衬底4上，第二惰性气体经主路d20、第二支路d22进入真空管路然后被真空泵2排出；

进行吹扫时，真空泵2开启，保持第四质量流量控制器mfc4处于开启状态，第二支路d22关闭，第一前驱体传输管路l1关闭，第二前驱体传输管路l2关闭，第一支路d21开启，第一惰性气体传输管路d1开启，第二惰性气体经第一支路d21进入反应腔室1进行吹扫，第一惰性气体经第一惰性气体传输管路进入反应腔室1。

此外，本实施例中，在进行原子层沉积工艺时，真空泵2始终处于开启状态；同时，第一质量流量控制器mfc1、第二质量流量控制器mfc2、第三质量流量控制器mfc3和第四质量流量控制器mfc4也始终处于开启状态。这是因为，真空泵2，以及第一质量流量控制器mfc1、第二质量流量控制器mfc2、第三质量流量控制器mfc3和第四质量流量控制器mfc4无法实现快速切换，所以，要保持常开状态来确保原子层沉积工艺的顺利进行和薄膜的质量。

关于本实施例的原子层沉积的具体过程可以采用如下步骤：

首先，采用惰性气体对所有前驱体管路l1、l2进行充气流通，这里包括第一前驱体管路l1和第二前驱体管路l2进行充气流通，也即是使惰性气体通过第一前驱体管路l1和第二前驱体管路l2，从而防止第一前驱体通过第一前驱体管路l1和第二前驱体通过第二前驱体管路l2时的回流。

步骤01：关闭第二惰性气体传输管路d2，关闭第二前驱体传输管路l2，打开第一前驱体传输管路l1，打开第一惰性气体传输管路l1；第一前驱体经第一前驱体传输管路l1进入反应腔室1，并且吸附在衬底4上；第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；

这里，关闭第一支路d21，开启第二支路d22，打开真空泵2，打开第一前驱体传输管路l1，打开第一惰性气体传输管路d1；第一前驱体经第一前驱体传输管路l1进入反应腔室1，并且吸附在衬底4上；第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；第二惰性气体经主路d20进入第二支路d22，再经过真空管被真空泵2抽出。本实施例中，打开第一前驱体传输管路l1包括：打开第一前驱体传输管路l1的两端的两个气动阀pv3、pv5。

需要说明的是，由于第四质量流量控制器mfc4处于开启状态，为了避免第二惰性气体憋在主路d20中，所以，将设置第二支路d22与反应腔室1下方的真空管连接，从而使第二惰性气体被真空泵2抽走。

步骤02：保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第一前驱体传输管路l1、打开第二惰性气体传输管路d2，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路d2进入反应腔室1进行吹扫工艺；

这里，保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第一前驱体传输管路l1、关闭第二支路d22，打开第一支路d21，第二惰性气体经主路d20进入第一支路d21，再进入反应腔室1进行吹扫工艺。本实施例中，关闭第一前驱体传输管路l1包括：关闭第一前驱体传输管路l1的两端的任意一个气动阀pv3、pv5或两个都关闭。

需要说明的是，进行吹扫工艺时，第一支路d21开启，第二支路d22关闭，使得第二惰性气体通过第一支路d21进入反应腔室1，一方面能够对反应腔室1进行吹扫清理，另一方面还能够维持反应腔室1的压强平衡和气流稳定。

步骤03：保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第二惰性气体传输管路d2，打开第二前驱体传输管路l2，第二前驱体经第二前驱体传输管路进入反应腔室1，并且与衬底4上的第一前躯体反应生成薄膜；

这里，保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第一支路d21，打开第二支路d22，打开第二前驱体传输管路l2，第二前驱体经第二前驱体传输管路l2进入反应腔室1，并且与衬底4上的第一前躯体反应生成薄膜。本实施例中，打开第二前驱体传输管路包l2括：打开第二前驱体传输管路l2的两端的两个气动阀。

同上述描述，由于第四质量流量控制器mfc4处于开启状态，为了避免第二惰性气体憋在主路d20中，所以，将设置第二支路d22与反应腔室1下方的真空管连接，从而使第二惰性气体被真空泵2抽走。

步骤04：保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第二前驱体传输管路l2，打开第二惰性气体传输管路d2，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路d2进入反应腔室1进行吹扫工艺；

这里，保持第一惰性气体传输管路d1的开启，保持第一惰性气体经第一惰性气体传输管路d1进入反应腔室1；关闭第二前驱体传输管路l2，关闭第二支路d22，打开第一支路d21，第二惰性气体经第二惰性气体传输管路d2进入反应腔室1进行吹扫工艺。本实施例中，关闭第二前驱体传输管路l2包括：关闭第二前驱体传输管路的两端的任意一个气动阀或两个都关闭。

同上述描述，进行吹扫工艺时，第一支路d21开启，第二支路d22关闭，使得第二惰性气体通过第一支路d21进入反应腔室1，一方面能够对反应腔室1进行吹扫清理，另一方面还能够维持反应腔室1的压强平衡和气流稳定。

本实施例中，可以根据实际需要，来调整工艺的循环次数，在步骤04之后和步骤05之前还包括：判断薄膜是否达到所需厚度；若是，则结束原子层薄膜沉积工艺；若否，则执行步骤05。

步骤05：重复循环步骤01～04，完成所需薄膜的制备。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。