一种原子层沉积设备及方法
【专利摘要】本发明提供了原子层沉积设备及方法，在原子层沉积设备中设置了远程等离子体发生器，用于产生远程等离子体；并与之配合在反应腔的腔体上设置了远程等离子体入口；以及设置了远程等离子体管道，将远程等离子体发生器和远程等离子体入口相连通，将从远程等离子体发生器出来的远程等离子体输送至远程等离子体入口处。在原子层沉积过程中，使原子层沉积和远程等离子体去除杂质的过程循环进行，从而使每次沉积的原子层表面均可以得到清洁，从而减少原子层沉积过程中的杂质缺陷，提高原子层薄膜的洁净度；并且，利用远程等离子体可以避免对原子层以及硅片造成损伤；本发明原子层沉积设备，可以在现有的原子层沉积设备上进行改进，降低了更换设备的成本。
【专利说明】一种原子层沉积设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体【技术领域】，具体涉及一种原子层沉积设备及方法。
【背景技术】
[0002]随着芯片制造技术向尺寸更小的新工艺技术节点迈进，芯片制造商在提供更高性能芯片的同时需要解决日益突出的处理器能耗问题。相比传统多晶硅氮氧化硅工艺(Poly S1N)，在28纳米技术节点被广泛采用的高介电常数金属栅极工艺有效地解决了晶体管的栅极漏电流密度(Jg)过大导致的高能耗问题和多晶硅耗尽(Poly Si Deplet1n)问题，同时在重要器件参数如阈值电压(Vt)和等效氧化物厚度(EOT, Equivalent OxideThickness)控制方面有显著的改善。为了提高高介电常数金属栅极中介电质薄膜的均匀性，原子层沉积(Atomic Layer Deposit1n)技术被广泛运用。原子层沉积反应速度很快，反应温度不需要太高，多在400°C以下。
[0003]原子层沉积技术的一个问题是沉积过程中产生的杂质(impurity)，例如，在使用有机物前驱体时，含碳的有机成分杂质，会残留在所沉积的原子层薄膜中，并阻挡(block)前驱体(precursor)在所沉积的原子层薄膜上的吸附(adsorpt1n),影响后续成膜质量。
[0004]针对上述问题，一种改进的方法为:在原子层沉积循环过程中的增加快速热退火工艺(Rapid Thermal Anneal),以驱赶沉积过程中产生的杂质(impurity),给下一个沉积周期提供清洁的原子层薄膜界面。但受限于器件热预算(thermal budget)，退火工艺温度不能太高，影响了杂质去除效果。
【发明内容】
[0005]为了克服以上问题，本发明旨在提供一种原子层沉积设备和原子层沉积方法，从而有效去除所沉积的原子层表面的杂质。
[0006]本发明提供了一种原子层沉积设备，包括反应腔、供气口和供气管道、抽真空装置，所述原子层沉积设备还包括:
[0007]远程等离子体发生器，用于产生远程等离子体；
[0008]远程等离子体入口，设置于所述反应腔的腔体上，用于向所述反应腔中输入远程等离子体；
[0009]远程等离子体管道，将所述远程等离子体发生器和所述远程等离子体入口相连，用于将从所述远程等离子体发生器出来的远程等离子体输送至所述远程等离子体入口处。
[0010]优选地，所述原子层沉积设备还包括:远程等离子体流动方向控制器，用于控制所述远程等离子体沿硅片表面且与所述硅片表面平行的方向流动。
[0011]优选地，所述远程等离子体流动方向控制器，控制所述远程等离子体沿水平方向流动。
[0012]本发明还提供了一种采用上述的原子层沉积设备进行的原子层沉积方法，其包括:
[0013]步骤01:将硅片置于所述反应腔内，并利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态；
[0014]步骤02:开始通入所述反应气体，所述反应气体经过所述供气管道和供气口进入所述反应腔内，在所述硅片的表面沉积单层或多层原子层；
[0015]步骤03:停止通入所述反应气体，利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态；
[0016]步骤04:开始向所述反应腔内输入远程等离子体，从所述远程等离子体发生器出来的远程等离子体经过所述远程等离子体管道和所述远程等离子体入口进入到所述反应腔内；
[0017]步骤05:所述远程等离子体驱赶走所述原子层表面所沉积的杂质；
[0018]步骤06:停止输入所述远程等离子体，并利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态；
[0019]步骤07:重复循环所述步骤02至所述步骤06，直至所述原子层达到目标厚度。
[0020]优选地，所述原子层沉积设备包括远程等离子体流动方向控制器；所述步骤05包括:利用远程等离子体流动方向控制器控制所述远程等离子体沿所述硅片表面且与所述硅片表面平行的方向流动，从而去除所述原子层表面所沉积的杂质。
[0021]优选地，所述远程等离子体流动方向控制器控制所述远程等离子体沿水平方向流动。
[0022]本发明的原子层沉积设备和原子层沉积方法，通过在原子层沉积设备中设置远程等离子体发生器、以及与之相配合的远程等离子体管道和在反应腔上设置远程等离子体入口，在进行原子层沉积的过程中，使原子层沉积和远程等离子体去除杂质的过程循环进行，从而使每次沉积的单层或多层原子层表面均可以得到清洁，为后续原子层沉积提供清洁表面，多次循环沉积之后，可以得到所需厚度的原子层薄膜；进一步地，还可以通过远程等离子体流动方向控制器，来控制远程等离子体沿硅片表面平行的方向流动，从而更好的去除原子层表面的杂质；并且，利用远程等离子体来去除原子层表面的杂质，可以避免对原子层以及硅片造成损伤；由此可见，通过本发明，可以减少原子层沉积过程中的杂质缺陷，提高原子层薄膜的洁净度，并减少对原子层和硅片的损伤；本发明原子层沉积设备，可以在现有的原子层沉积设备上进行改进，降低了更换设备的成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明的一个较佳实施例的反应腔的结构图
[0024]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】
[0025]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。
[0026]如前所述，现有的原子层沉积过程中，在原子层表面会有杂质缺陷，虽然改进工艺来克服此杂质缺陷，但是由于受到工艺温度的限制，从而不能有效去除原子层表面的杂质；由此，本发明对现有的原子层沉积方法和设备作了改进，从而可以有效地去除原子层表面的杂质缺陷，并且避免对原子层和硅片造成损伤。
[0027]本发明的原子层沉积设备，可以包括现有的原子层沉积设备的任何结构；比如，反应腔、供气口和供气管道、抽真空装置；本发明的原子层沉积设备还包括:远程等离子体发生器、远程等离子体入口和远程等离子体管道；远程等离子体发生器，用于产生远程等离子体；远程等离子体入口，设置于反应腔的腔体上，用于向反应腔中输入远程等离子体；远程等离子体管道，将远程等离子体发生器和远程等离子体入口相连，用于将从远程等离子体发生器出来的远程等离子体输送至远程等离子体入口处。
[0028]以下将结合附图1和具体实施例对本发明的原子层沉积设备作进一步详细说明。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。
[0029]本实施例中，请参阅图1，为本发明的一个较佳实施例的反应腔的结构图；
[0030]本实施例的原子层沉积设备，包括反应腔00、硅片夹持装置03、供气口 01和供气管道、抽真空装置、真空出口 04、远程等离子体发生器、远程等离子体入口 02和远程等离子体管道；其中，
[0031 ] 硅片W放置于硅片夹持装置03上；
[0032]供气口 01用于通入原子层沉积的反应气体，其可以设置于反应腔00的腔体的任何位置，本实施例中，设置于反应腔00的侧壁中，如图1所示；供气管道上可以设置有启闭供气管道的装置；
[0033]真空出口 04，设置于反应腔00的侧壁上，与供气口 01相对，以便于将反应气体抽出。
[0034]远程等离子体发生器，用于产生远程等离子体；
[0035]这里，远程等离子体发生器可以采用现有的远程等离子体发生器，由于远程等离子体发生器的原理可以为本领域技术人员所知晓，在这里不再赘述。
[0036]远程等离子体入口 02，设置于反应腔00的腔体上，用于向反应腔00中输入远程等离子体；
[0037]这里，远程等离子体入口 02的位置可以设置于反应腔00的上部、下部或侧壁，在本实施例中，远程等离子体入口 02选择设置于反应腔00的上部的腔体中，如图1所示；原子层沉积的反应气体从反应腔00的侧壁进入，远程等离子体从反应腔00的上部进入；这样，通过交替循环通入反应气体和远程等离子体，可以交替循环进行原子层沉积和杂质去除过程，从而得到洁净的原子层表面。
[0038]为了更加有效地去除所沉积的原子层表面杂质缺陷，可以在原子层沉积设备中设置远程等离子体流动方向控制器，用于控制远程等离子体沿与硅片W表面且与硅片W表面平行的方向流动，例如，硅片W水平放置于反应腔中，则控制远程等离子体沿硅片W表面且为水平方向流动。
[0039]远程等离子体流动方向控制器可以利用磁场或电场来使远程等离子体发生偏转，并以一定的速度流动；远程等离子体的流速应以不损伤原子层和硅片为宜。
[0040]远程等离子体管道，将远程等离子体发生器和远程等离子体入口 02相连，用于将从远程等离子体发生器出来的远程等离子体输送至远程等离子体入口 02处。
[0041]这里，远程等离子体管道的一端与远程等离子体发生器相连，另一端与反应腔上的远程等离子体入口 02相连，也即是远程等离子体管道将远程等离子体发生器与远程等离子体入口 02相连通。远程等离子体管道设置可以有多种方法，比如，采用管状物作为远程等离子体管道，在原子层沉积设备中设置孔隙形成远程等离子体管道等。远程等离子体管道上可以设置有启闭远程等离子体管道的装置，比如阀门等。
[0042]本发明的原子层沉积设备，可以在现有的原子层沉积设备上进行改进，避免了更换设备造成的成本增加。
[0043]以下将结合附图2和具体实施例对本发明的原子层沉积方法作进一步详细说明。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。
[0044]请参阅图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；本实施例的原子层沉积方法采用本发明的原子层沉积设备，其包括以下步骤:
[0045]步骤01:将硅片置于反应腔内，并利用抽真空装置将反应腔抽至真空状态；
[0046]具体的，抽真空装置可以采用真空泵等现有的抽真空设备，这里不再赘述。抽真空时，气体可以从反应腔上的空气出口排出；真空状态应为现有的原子层沉积所需要的真空条件，例如在KT4-KT6Pa之间。
[0047]步骤02:开始通入反应气体，反应气体经过供气管道和供气口进入反应腔内，在硅片的表面沉积单层或多层原子层；
[0048]具体的，可以通过打开供气管道的供气阀或者打开反应气体源来通入反应气体；在硅片表面沉积的原子层可以为单层或多层，这要根据实际工艺中原子层的目标厚度来设置沉积的层数，当然，这里的多层原子层的厚度远远小于目标厚度，否则，只能将原子层最表面的杂质去除，而又杂质包裹在原子层内部就不能有效达到多次循环去除原子层杂质缺陷的目的。
[0049]步骤03:停止通入反应气体，利用真空装置将反应腔抽至真空状态；
[0050]具体的，可以通过关闭供气管道的供气阀或关闭反应气体源来停止通入反应气体；这里的真空状态可以在10_4_10_6Pa之间。
[0051]步骤04:开始向反应腔内输入远程等离子体，从远程等离子体发生器出来的远程等离子体经过远程等离子体管道和远程等离子体入口进入到反应腔内；
[0052]具体的，可以在此时开启远程等离子体发生器，如果远程等离子体管道上设置有阀门等控制启闭的装置，则可以相应地将其开启；
[0053]步骤05:远程等离子体驱赶走原子层表面所沉积的杂质；
[0054]具体的，为了更好地去除所沉积的原子层表面的杂质缺陷，可以利用远程等离子体流动方向控制器控制所述远程等离子体沿硅片表面且与硅片表面平行的方向流动，从而去除原子层表面所沉积的杂质；例如，硅片水平放置，则可以控制远程等离子体沿硅片表面且为水平方向流动。远程等离子体的流速应当适当，应以不损坏原子层和硅片为宜。
[0055]步骤06:停止输入远程等离子体，并利用真空装置将反应腔抽至真空状态；
[0056]具体的，可以通过关闭远程等离子体管道上的启闭装置比如阀门，或者关闭远程等离子体发生器来停止输入远程等离子体。
[0057]步骤07:重复循环步骤02至步骤06,直至原子层达到目标厚度。
[0058]具体的，为了使原子层达到目标厚度，需要不断重复地进行原子层沉积；为了在下一循环中的原子层沉积时具有洁净的原子层表面，远程等离子体的去除过程也交替夹杂于每一个循环的原子层沉积过程中，也即是重复循环步骤02至步骤06 ；目标厚度可以根据实际工艺要求来设定。
[0059]本发明的原子层沉积方法可以应用于任何薄膜沉积工艺中，比如，原子层沉积工艺用来制备金属栅中的介质薄膜等。
[0060]综上所述，通过本发明，可以减少原子层沉积过程中的杂质缺陷，提高原子层薄膜的洁净度，并减少对原子层和硅片的损伤；本发明原子层沉积设备，可以在现有的原子层沉积设备上进行改进，降低了更换设备的成本。
[0061]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述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所述为准。
【权利要求】
1.一种原子层沉积设备，包括反应腔、供气口和供气管道、抽真空装置，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括: 远程等离子体发生器，用于产生远程等离子体； 远程等离子体入口，设置于所述反应腔的腔体上，用于向所述反应腔中输入远程等离子体； 远程等离子体管道，将所述远程等离子体发生器和所述远程等离子体入口相连，用于将从所述远程等离子体发生器出来的远程等离子体输送至所述远程等离子体入口处。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括:远程等离子体流动方向控制器，用于控制所述远程等离子体沿硅片表面且与所述硅片表面平行的方向流动。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述远程等离子体流动方向控制器，控制所述远程等离子体沿水平方向流动。
4.一种采用权利要求1所述的原子层沉积设备进行的原子层沉积方法，其特征在于，包括: 步骤Ol:将硅片置于所述反应腔内，并利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态； 步骤02:开始通入所述反应气体，所述反应气体经过所述供气管道和供气口进入所述反应腔内，在所述硅片的表面沉积单层或多层原子层； 步骤03:停止通入所述反应气体，利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态；步骤04:开始向所述反应腔内输入远程等离子体，从所述远程等离子体发生器出来的远程等离子体经过所述远程等离子体管道和所述远程等离子体入口进入到所述反应腔内； 步骤05:所述远程等离子体驱赶走所述原子层表面所沉积的杂质； 步骤06:停止输入所述远程等离子体，并利用所述真空装置将所述反应腔抽至真空状态； 步骤07:重复循环所述步骤02至所述步骤06，直至所述原子层达到目标厚度。
5.根据权利要求4所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述原子层沉积设备包括远程等离子体流动方向控制器；所述步骤05包括:利用远程等离子体流动方向控制器控制所述远程等离子体沿所述硅片表面且与所述硅片表面平行的方向流动，从而去除所述原子层表面所沉积的杂质。
6.根据权利要求5所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述远程等离子体流动方向控制器控制所述远程等离子体沿水平方向流动。
【文档编号】C23C16/455GK104233227SQ201410487817
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】钟斌 申请人:上海华力微电子有限公司