利用原子层沉积制备薄膜的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用原子层沉积制备薄膜的方法，所述方法通过前驱体源及温度调控数据库来识别前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源，并根据识别出的前驱体源来控制反应腔室和样品的温度，可以实现在保证腔室真空度的情况下，抑制反应腔室各处的寄生化学气相沉积（CVD）反应，使成膜基底处于最优的原子层沉积所需温度，充分吸附所需前驱体源，同时解吸附需要排除的副产物，由此制备高质量的薄膜材料。
【专利说明】利用原子层沉积制备薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及原子层沉积【技术领域】，具体涉及一种利用原子层沉积制备薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]原子层沉积(ALD)技术是目前最先进的薄膜沉积技术之一，其独特的沉积方式(单原子逐层沉积)使得制备的薄膜在均一性、粗糙度等性能方面有了很大的改进，除生长速率较低外，其余方面都优于其他沉积方式。
[0003]ALD沉积原理与化学气相沉积(CVD)近似，反应前驱体的挥发性和稳定性都是反应过程中必须考虑的重要因素。不同的是，ALD反应前驱体需要能够迅速的与衬底材料、或者衬底材料表面集团表面进行有效化学反应，并达到饱和吸附来完成薄膜沉积过程；而CVD反应温度相对较高，这样前驱体材料才可以在强室内先发生气相反应，之后落于衬底上完成沉积过程。这些不同致使ALD沉积具有更好的台阶覆盖率，杂质更少的成分均匀性，以及更低的成膜温度。
[0004]ALD技术仍在不断完善中，到目前为止，虽不是所有适用于CVD的前躯体都能在ALD技术上适用，但还有大量的前驱体反应源是两者可以共用的，例如三甲基硼、三溴化硼、二乙基锌等。ALD与CVD的这些共性使得当两者同时适用的前驱体源进入反应腔室时，在合适的温度范围内(如300°C到600°C之间)，可以同时发生ALD的逐层沉积反应以及CVD的成核反应。
[0005]为了使ALD最大限度的发挥其特性及优势，需要抑制原子层沉积系统反应腔室各处的寄生CVD反应，使成膜基底处于最优的所需化学反应温度，充分吸附所需前驱体源，同时解吸附需要排除的副产物，由此制备ALD沉积所需的高质量薄膜材料。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种利用原子层沉积制备薄膜的方法，可以实现在保证反应腔室真空度的情况下，抑制反应腔室各处的寄生化学气相沉积(CVD)反应，由此制备高质量薄膜材料。
[0007]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]一种利用原子层沉积制备薄膜的方法，包括如下步骤:
[0009]步骤(1)将第一种前驱体源通入原子层沉积设备的反应腔室中；
[0010]步骤(2)检测所述第一种前驱体源，并与前驱体源及温度调控数据库比对，识别所述第一种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源；所述前驱体源及温度调控数据库包括了适用于原子层沉积和化学气相沉积的前驱体源，以及对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围；
[0011]步骤(3)当识别出所述第一种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围，调控样品的加热温度，在样品上进行第一次原子层沉积；当识别出所述第一种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第一次原子层沉积；
[0012]步骤(4)将第二种前驱体源通入所述反应腔室中；
[0013]步骤(5 )检测所述第二种前驱体源，并与所述前驱体源及温度调控数据库比对，识别所述第二种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源；
[0014]步骤(6)当识别出所述第二种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围，调控样品的加热温度，在样品上进行第二次原子层沉积；当识别出所述第二种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第二次原子层沉积；[0015]步骤(7)调整样品上沉积物表面反应活性至第一次通入第一种前驱体源之前；
[0016]步骤(8)循环重复步骤(1)至步骤(7)，获得原子层沉积薄膜。
[0017]上述方案中，所述样品的加热温度根据不同的前驱体源控制在300°C~600°C，所述样品的加热温度处于适用于原子层沉积所需温度，低于适用于化学气相沉积所需温度。
[0018]上述方案中，所述前驱体源及温度调控数据库还包括适用于原子层沉积和化学气相沉积的前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围。
[0019]上述方案中，所述步骤(3)还包括:当识别出所述第一种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围，调控反应腔室的温度，在样品上进行第一次原子层沉积；当识别出所述第一种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第一次原子层沉积。
[0020]上述方案中，所述步骤(6)还包括:当识别出所述第二种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围，调控反应腔室的温度，在样品上进行第二次原子层沉积；当识别出所述第二种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第二次原子层沉积。
[0021]上述方案中，所述反应腔室的温度为在室温的基础上升温5°C~200°C，所述反应腔室的温度低于适用于原子层及化学气相沉积所需温度。
[0022]上述方案中，所述步骤(4)和步骤(7)在进行之前，吹扫所述反应腔室。
[0023]与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下:
[0024]本发明根据不同的前驱体源调控反应腔室和样品的加热温度，可以实现在保证腔室真空度的情况下，抑制反应腔室各处的寄生化学气相沉积(CVD)反应，使成膜基底处于最优的原子层沉积所需温度，充分吸附所需前驱体源，同时解吸附需要排除的副产物，由此制备高质量的薄膜材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明提供的原子层沉积方法的工艺流程图；
[0026]图2为ALD及CVD沉积与温度相关的反应分布曲线图。【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
[0028]如图1所示，本发明提供一种利用原子层沉积制备薄膜的方法，包括如下步骤:
[0029]步骤101，将第一种前驱体源通入原子层沉积设备的反应腔室中；
[0030]步骤102，检测第一种前驱体源，并与前驱体源及温度调控数据库比对，识别第一种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源；前驱体源及温度调控数据库包括了适用于原子层沉积和化学气相沉积的前驱体源，以及对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室和样品的温度范围；
[0031]步骤103，当识别出第一种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室和样品的温度范围，调控反应腔室的温度和样品的加热温度，在样品上进行第一次原子层沉积；当识别出第一种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第一次原子层沉积；
[0032]步骤104，吹扫反应腔室；
[0033]步骤105，将第二种前驱体源通入反应腔室中；
[0034]步骤106，检测第二种前驱体源，并与前驱体源及温度调控数据库比对，识别第二种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源；
[0035]步骤107，当识别出第二种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室和样品的温度范围，调控反`应腔室的温度和样品的加热温度，在样品上进行第二次原子层沉积；当识别出第二种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第二次原子层沉积；
[0036]步骤108，吹扫反应腔室；
[0037]步骤109，调整样品上沉积物表面反应活性至第一次通入第一种前驱体源之前；
[0038]步骤110,循环重复步骤101至步骤109,获得原子层沉积薄膜。
[0039]本实施例中，样品的加热温度根据不同的前驱体源控制在300°C~600°C，样品的加热温度处于适用于原子层沉积所需温度，低于适用于化学气相沉积所需温度。
[0040]本实施例中，反应腔室的温度为在室温的基础上升温或降温5°C~200°C，反应腔室的温度低于适用于原子层及化学气相沉积所需温度。加热反应腔室的主要目的是保持腔体真空度，以及吹扫的速度，低于适用于ALD及CVD两者的温度是为了避免腔体上有任何寄生的反应产物，造成气路堵塞。
[0041 ] 本发明中的反应腔室温度在整个薄膜制备期间是恒定的，根据识别的前驱体源种类，制定升温或者降温，当达到了设定的温度后，温度就不再发生变动了。不同的前驱体源具有不同的气化温度和压强，选定了某种前驱体源，根据经验性的数据记录，选定一个合适的腔体温度，使该前驱体源不至于在过热的腔体温度中在管道或者腔体壁上沉积，也不至于因为腔体温度过低而导致真空保持不利，吹扫不充分或者吹扫时间过长。
[0042]如图2所示，温度范围I内表示低于适用于ALD及CVD沉积所需温度的沉积反应曲线，温度范围2内表示适用于ALD沉积所需温度的沉积反应曲线，温度范围3内表示适用于CVD沉积所需温度的沉积反应曲线。从图2中可以看出，当反应温度处于温度范围I内时，由于这个温度低于ALD及CVD任何反应的温度，可以避免腔体上有任何寄生的反应产物；而当反应温度处于温度范围2和温度范围3重合的范围内时，且前驱体源同时适用于ALD及CVD沉积，那么前驱体源可以同时发生ALD的逐层沉积反应以及CVD的成核反应。
[0043]本发明就是在ALD与CVD沉积反应重合的温度范围内，针对不同前驱体源对样品进行温度调控、同时对反应腔室温度也进行调控，可以促进ALD反应获得更优的薄膜质量，同时对CVD反应有一定抑制作用。
[0044]实施例1:
[0045]本实施例提供一种原子层沉积方法，具体包括如下步骤:
[0046]步骤201，设定样品台温度，检测设定值达到后将样品放入反应腔室的样品台上，对样品进行加热；
[0047]步骤202，将第一种前驱体源通入反应腔，第一种前驱体源的种类包括三甲基硼、三甲基铝、三甲基铟、四氯化钛、三溴化硼、二茂镁、二乙基锌等多种ALD与CVD同时适用的前驱体反应源；
[0048]步骤203，通过前驱体源及温度调控数据库识别第一种前驱体源并制定反应腔室的温度；
[0049]步骤204，控制反应腔室升温，并开始第一次沉积，升温温度范围从室温上升5°C至 200。。；
[0050]步骤205，吹扫反应腔室；
`[0051]步骤206，将第二种前驱体源通入反应腔，第二种前驱体源包括水、氧气、氮气、氨气等多种；
[0052]步骤207，通过前驱体源及温度调控数据库识别第二种前驱体源并制定反应腔室的温度；
[0053]步骤208，控制反应腔室降温，并开始第二次沉积，降温温度范围从室温下降5°C至 200。。；
[0054]步骤209，吹扫反应腔室；
[0055]步骤210，调整样品的沉积物表面反应活性至第一次通入前驱体源之前；
[0056]步骤211，以上步骤循环重复。
[0057]实施例2:
[0058]本实施例提供了一种原子层沉积方法，具体包括如下步骤:
[0059]步骤301，设定样品台温度，检测设定值达到后将样品放入反应腔室的样品台上，对样品进行加热；
[0060]步骤302，将第一种前驱体源通入反应腔，第一种前驱体源的种类包括三甲基硼、三甲基铝、三甲基铟、四氯化钛、三溴化硼、二茂镁、二乙基锌等多种ALD与CVD同时适用的前驱体反应源；
[0061]步骤303，通过前驱体源及温度调控数据库识别第一种前驱体源并制定反应腔室的温度；
[0062]步骤304，控制反应腔室降温，并开始第一次沉积，降温温度范围从5°C至200°C ；
[0063]步骤305，吹扫反应腔室；[0064]步骤306，将第二种前驱体源通入反应腔，第二种前驱体源包括水、氧气、氮气、氨气等多种；
[0065]步骤307，通过前驱体源及温度调控数据库识别第二种前驱体源并制定反应腔室的温度；
[0066]步骤308，控制反应腔室升温，并开始第二次沉积，升温温度范围从5°C至200°C ；
[0067]步骤309，吹扫反应腔室；
[0068]步骤310，调整样品的沉积物表面反应活性至第一次通入前驱体源之前；
[0069]步骤311，以上步骤循环重复。
[0070]本发明根据不同的前驱体源调控反应腔室和样品的加热温度，可以实现在保证腔室真空度的情况下，抑制反应腔室各处的寄生化学气相沉积(CVD)反应，使成膜基底处于最优的原子层沉积所需温度，充分吸附所需前驱体源，同时解吸附需要排除的副产物，由此制备高质量的薄膜材料。
[0071]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤(1)将第一种前驱体源通入原子层沉积设备的反应腔室中； 步骤(2 )检测所述第一种前驱体源，并与前驱体源及温度调控数据库比对，识别所述第一种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源；所述前驱体源及温度调控数据库包括适用于原子层沉积和化学气相沉积的前驱体源，以及对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围； 步骤(3)当识别出所述第一种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围，调控样品的加热温度，在样品上进行第一次原子层沉积；当识别出所述第一种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第一次原子层沉积； 步骤(4)将第二种前驱体源通入所述反应腔室中； 步骤(5)检测所述第二种前驱体源，并与所述前驱体源及温度调控数据库比对，识别所述第二种前驱体源是否为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源； 步骤(6)当识别出所述第二种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的样品的温度范围，调控样品的加热温度，在样品上进行第二次原子层沉积；当识别出所述第二种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第二次原子层沉积； 步骤(7)调整样品上沉积物表面反应活性至第一次通入第一种前驱体源之前； 步骤(8)循环重复步骤(1)至步骤(7)，获得原子层沉积薄膜。
2.如权利要求1所述的利用原子`层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述样品的加热温度根据不同的前驱体源控制在300°C~600°C，所述样品的加热温度处于适用于原子层沉积所需温度，低于适用于化学气相沉积所需温度。
3.如权利要求1所述的利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述前驱体源及温度调控数据库还包括适用于原子层沉积和化学气相沉积的前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围。
4.如权利要求3所述的利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括:当识别出所述第一种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围，调控反应腔室的温度，在样品上进行第一次原子层沉积；当识别出所述第一种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第一次原子层沉积。
5.如权利要求3所述的利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(6)还包括:当识别出所述第二种前驱体源为原子层沉积和化学气相沉积同时适用的前驱体源时，根据所述前驱体源及温度调控数据库中对应前驱体源进行化学气相沉积反应的反应腔室的温度范围，调控反应腔室的温度，在样品上进行第二次原子层沉积；当识别出所述第二种前驱体源为仅适用于原子层沉积的前驱体源时，按照原子层沉积反应的常规参数在样品上进行第二次原子层沉积。
6.如权利要求4或5所述的利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述反应腔室的温度为在室温的基础上升温或降温5°C~200°C，所述反应腔室的温度低于适用于原子层及化学气相沉积所需温度。
7.如权利要求1所述的利用原子层沉积制备薄膜的方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(7)在进 行之前，吹扫所述反应腔室。
【文档编号】C23C16/44GK103866285SQ201210552777
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月18日 优先权日:2012年12月18日
【发明者】解婧, 李超波, 夏洋 申请人:中国科学院微电子研究所