用于原子层沉积工艺的进气系统和控制方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于原子层沉积工艺的进气系统和控制方法。

背景技术：

原子层沉积ald(atomiclayerdeposition)技术是一种可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面的方法，其生长过程具有周期性，一个制备周期(cycle)一般包括两个自限制反应(self-limitreaction)。在一定温度条件下，通过向反应腔室中通入第一种反应前驱物(precursor)使前驱物分子吸附(以化学吸附为主)在衬底表面上形成活性剂(species)；当前驱物的吸附达到饱和状态时，化学吸附反应结束，实现了第一种前驱物同衬底表面反应的自限制控制(第一个自限制反应)；在第一个自限制反应结束后，通过一定方法吹扫(purge)反应腔室中的第一种前驱物(一般还包括第一种前驱物同衬底表面反应的副产物)，并通入第二种反应前驱物；第二种前驱物与已吸附在衬底表面的活性剂(第一种前驱物)发生化学反应，在衬底表面生成所要制备的薄膜的单分子层，并释放气态的副产物。

如图1所示，两种前驱物分别为sih4和wf6，sih4mfc(massflowcontroller，气体质量流量控制器)和wf6mfc分别将sih4和wf6通过快速切换阀交替送入反应腔体，反应腔体的上方设有匀流腔，匀流腔的底部设置匀流盘(showerhead)，前驱物先进入反应腔体上方的匀流腔进行初步的匀气，再经过匀流盘进行进一步的匀气进入反应腔体内到达衬底表面，制备w成核层，残气或副产物经与反应腔体连通的前级真空管线排除。

现有的用于原子层沉积工艺的进气系统，通过交替控制ald阀的通断，实现两种前驱物交替且快速的进入腔体(chamber)，完成ald薄膜的制备。如果直接关闭ald阀，虽然前驱物不会进入腔体中，但会在进气管路端憋压，当下一次开启ald阀时，前驱物会以极不稳定的压力和流量进入到腔体，同时也不利用前端mfc对反应源的控制。在前驱物的进气端设立一支前级真空管线(foreline)旁路且配置了ald阀门，由mfc控制反应源的进气流量，由ald阀控制前驱物的去向，通过前级真空管线旁路和mfc的控制能够稳定流量。因为前驱物在一段时间内通入了前级真空管线中，进入腔体的气体总量减少，故而腔体内部的工艺压力会不稳定，对于腔体内部的总进气流量和工艺压力很难精准的稳定和控制，且由于cycle的时间非常短也不利用前级真空管线旁路上的adl阀的控压。而对于ald工艺来说，工艺温度窗口较宽，前驱物进气的流量变化足以影响腔体内部的压力变化，会造成颗粒的增加，也会影响工艺效果，尤其成膜的均匀性。因此，需要一种新型的进气装置。用于原子层沉积工艺的进气系统。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种用于原子层沉积工艺的进气系统和控制方法。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种用于原子层沉积工艺的进气系统，包括：连通匀流腔与反应腔体的第三管路，用于在吹扫阶段将所述匀流腔中的第一反应前驱物或第二反应前驱物经由所述反应腔体输送入前级真空管线。

可选地，包括：与所述匀流腔相连通的第一管路，用于在第一沉积阶段将第一反应前驱物输送入匀流腔；与所述匀流腔相连通的第二管路，用于在第二沉积阶段将第二反应前驱物输送入所述匀流腔。

可选地，在所述第一管路、所述第二管路和所述第三管路中分别设置有第一阀门、第二阀门和第三阀门。

可选地，所述第一阀门、所述第二阀门和所述第三阀门为电磁阀。

可选地，在所述第一管路和所述第二管路中设置有反应前驱物缓冲装置，所述反应前驱物缓冲装置分别设置在所述第一阀门和所述第二阀门的上游。

可选地，所述反应前驱物缓冲装置包括：空腔管路；其中，所述空腔管路的直径大于此空腔管路所在的所述第一管路或所述第二管路的直径。

可选地，所述第一反应前驱物、所述第二反应前驱物分别通过第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器输入所述第一管路、所述第二管路。

可选地，所述第一反应前驱物包括：sih4；所述第二反应前驱物包括：wf6。

根据本发明的另一方面，提供一种如上的用于原子层沉积工艺的进气系统的控制方法，包括：通过控制第一阀门、第二阀门和第三阀门的开启和关闭，用以进行原子层沉积工艺的制备周期操作，包括：在第一沉积阶段中通过第一管路将第一反应前驱物输入匀流腔、在第二沉积阶段中通过第二管路将第二反应前驱物输入所述匀流腔、在吹扫阶段中通过第三管路将所述匀流腔中的所述第一反应前驱物或所述第二反应前驱物经由所述反应腔体输送入前级真空管线。

可选地，所述通过控制第一阀门、第二阀门和第三阀门的开启和关闭包括：在所述第一沉积阶段中，控制所述第一阀门开启并控制所述第二阀门和所述第三阀门关闭；在所述第二沉积阶段中，控制所述第二阀门开启并控制所述第一阀门和所述第三阀门关闭；在处于所述第一沉积阶段和所述第二沉积阶段之间以及在所述第二沉积阶段之后的所述吹扫阶段中，控制所述第三阀门开启并控制所述第一阀门和所述第二阀门关闭。

本发明的用于原子层沉积工艺的进气系统和控制方法，能够有效地隔离两种不同反应前驱物且实现快速交替切换，可以稳定控制反应前驱物的流量，能够稳定控制反应腔体内部的工艺压力，可以有效地降低工艺过程中因压力或流量波动造成的颗粒的产生，能够正向提高ald成膜的均匀性，提高成膜良率。

本发明实施例附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图：

图1为现有技术aldw工艺进气示意图；

图2为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气系统的示意图；

图3为根据本发明的用于原子层沉积工艺的进气系统的控制方法中的一个原子层沉积工艺的制备周期的操作示意图；

其中,1-第一管线、2-第二管线、3-第一阀门、4-第三管线、5-第二阀门、7-匀流腔、8-反应腔体(chamber)、9-前级真空管线(foreline)、10-第三阀门、11-第一反应前驱物缓冲装置、12-第二反应前驱物缓冲装置。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合图和实施例对本发明的技术方案进行多方面的描述。

下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致。下文中的“第一”、“第二”等，仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。

如图2所示，本发明提供一种用于原子层沉积工艺的进气系统，包括：连通匀流腔7与反应腔体8的第三管路4，第三管路4用于在吹扫阶段将匀流腔7中的第一反应前驱物或第二反应前驱物经由反应腔体(chamber)8输送入前级真空管线(foreline)9。第三管路4的数量可以为1个、2个等，可以根据具体的工艺需求进行设置。第一反应前驱物包括sih4等，第二反应前驱物包括wf6等。

上述实施例中的用于原子层沉积工艺的进气系统，将反应前驱物通入前级真空管线的管路去除，增加由匀流腔至反应腔体的第三管路，反应前驱物在吹扫(purge)阶段即可从匀流腔流至反应腔体再流至前级真空管线，可以避免反应前驱物在进气端进入前级真空管线而造成的分流。

在一个实施例中，与匀流腔7相连通的第一管路1，用于在第一沉积阶段将第一反应前驱物输送入匀流腔7。与匀流腔7相连通的第二管路2，用于在第二沉积阶段将第二反应前驱物输送入匀流腔7。在第一管路1、第二管路2和第三管路4中分别设置有第一阀门3、第二阀门5和第三阀门10，第一阀门3、第二阀门5和第三阀门10为ald阀门，ald阀门可以为多种类型的阀门，例如为电磁阀等。

第一反应前驱物、第二反应前驱物分别通过第一气体质量流量控制器、第二气体质量流量控制器输入第一管路1、第二管路2。在第一管路1和第二管路2中的至少一个管路中设置有反应前驱物缓冲装置。例如，在在第一管路1中设置有第一反应前驱物缓冲装置11，在第二管路2中设置有第二反应前驱物缓冲装置12。第一反应前驱物缓冲装置11、第二反应前驱物缓冲装置12分别设置在第一阀门3和第二阀门5的上游。反应前驱物缓冲装置可以有多种。例如，反应前驱物缓冲装置包括：空腔管路；其中，空腔管路的直径大于此空腔管路所在的第一管路1或第二管路2的直径。

当位于进气端的第一阀门3、第二阀门5处于关闭状态时，较多的第一反应前驱物、第二反应前驱物会分别存储在第一反应前驱物缓冲装置11、第二反应前驱物缓冲装置12中，当第一阀门3、第二阀门5再次开启时不会产生较大的流量和压力波动。由于第一阀门3、第二阀门5的切换时间非常短，故此种缓冲器方式可以有效的平稳反应前驱物的压力和流量且不对mfc的控制造成影响。

在一个实施例中，本发明提供一种如上的用于原子层沉积工艺的进气系统的控制方法，通过控制第一阀门3、第二阀门5和第三阀门10的开启和关闭，用以进行原子层沉积工艺的制备周期(aldcycle)操作，原子层沉积工艺的制备周期操作包括：在第一沉积阶段中通过第一管路1将第一反应前驱物输入匀流腔7、在第二沉积阶段中通过第二管路2将第二反应前驱物输入匀流腔7、在吹扫阶段中通过第三管路4将匀流腔7中的第一反应前驱物或第二反应前驱物经由反应腔体8输送入前级真空管线9。

在一个原子层沉积工艺的制备周期操作中，控制第一阀门3、第二阀门5和第三阀门10的开启和关闭包括：在第一沉积阶段中，控制第一阀门3开启并控制第二阀门5和第三阀门10关闭；在第二沉积阶段中，控制第二阀门5开启并控制第一阀门3和第三阀门10关闭；在处于第一沉积阶段和第二沉积阶段之间以及在第二沉积阶段之后的吹扫阶段中，控制第三阀门10开启并控制第一阀门3和第二阀门5关闭。

例如，以一个原子层沉积工艺的制备周期为例，第一步骤，对于第一沉积阶段，第一阀门3开启，通过第一管道1将第一反应前驱物通过匀流腔7输入反应腔体10，同时第二阀门5(第二反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置12中)和第三阀门10保持关闭，处于第一反应前驱物的沉积阶段。

第二步骤，对于吹扫阶段，第三阀门10开启(匀流腔7中残余的第一反应前驱物通过反应腔体8输入至前级真空管线9)，同时第一阀门3(第一反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置11中)和第二阀门5(第二反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置12中)保持关闭，处于对于第一反应前驱物的吹扫阶段。

第三步骤，对于第二沉积阶段，第二阀门5开启(将第二反应前驱物通过匀流腔7输入反应腔体8)，同时第一阀门3(第一反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置11中)和第三阀门10保持关闭，处于对于第二反应前驱物的沉积阶段。

第四步骤，对于吹扫阶段，第三阀门10开启(匀流腔7中残余的第二反应前驱物通过反应腔体8输入至前级真空管线9)，同时第一阀门3(第一反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置11中)和第二阀门5(第二反应前驱物处于第二反应前驱物缓冲装置12中)保持关闭，处于对于第二反应前驱物的purge阶段。

通过在进气系统中增加第三管路以及反应前驱物缓冲装置，并通过对各个管路中的阀门进行开启、关闭控制，可以在每一个原子层沉积工艺的制备周期中，最小程度地减少反应前驱物的流量和压力的波动，保证通入反应腔体的总进气量一定，可以很好的控制的稳定反应腔体内部的工艺压力，从而减少工艺过程中因压力或流量波动而产生的颗粒，提高ald薄膜的质量，膜厚均匀性，同时提高成膜的良率。

本发明的用于原子层沉积工艺的进气系统和控制方法，能够有效地隔离两种不同反应前驱物且实现快速交替切换，可以稳定控制反应前驱物的流量，能够稳定控制反应腔体内部的工艺压力，可以有效地降低工艺过程中因压力或流量波动造成的颗粒的产生，能够正向提高ald成膜的均匀性，提高成膜良率，可以适用于各种ald工艺。

上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。

同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。