一种原子层刻蚀设备及刻蚀方法与流程

1.本发明涉及原子层刻蚀技术领域，尤其涉及一种原子层刻蚀设备及刻蚀方法。


背景技术：

2.随着ic集成度的不断提高，特征尺寸不断缩小。3d晶体管、鳍式场效应晶体管等复杂结构的应用，对刻蚀槽深宽比、刻蚀槽形貌控制等的要求进一步提高，尤其是随着小于10nm技术的开发，原子尺度的偏差也可能影响器件的性能。传统刻蚀在一些关键步骤中显然难以满足要求，原子精度的控制能力成为影响特征尺度进一步缩小的关键。在此背景下，原子层刻蚀(atomic layer etching,ale)技术的进步，使得具有原子精度控制能力的ale逐渐进入到产业应用的阶段。ale由于具有自限性，即一个操作周期内，当顶层的原子被刻蚀掉后，刻蚀会自动停止，因此它能达到单个或多个原子层的分辨率。由于传统的ale在一个反应腔内进行所有的反应以及吹扫动作，导致腔体污染，薄膜刻蚀效率低下。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决背景技术中存在的缺点，而提出的一种原子层刻蚀设备及刻蚀方法。
4.本发明提供的技术方案如下：一种原子层刻蚀设备，包括：用于基片氟化的第一反应腔室，用于基片配体交换反应的第二反应腔室，设置在所述第一反应腔室和所述第二反应腔室之间用于基片吹扫的缓冲腔室，及设置在所述缓冲腔室内，带动所述基片在所述第一反应腔室、所述缓冲腔室和所述第二反应腔室内循环往复运动的传输机构。
5.进一步的，所述第一反应腔室内远离所述缓冲腔室的一侧连接有第一管道，所述第一管道向所述缓冲腔室的一侧面上开设有单排或双排第一出气孔。
6.进一步的，所述第一反应腔室和所述缓冲腔室的连接处开设有用于所述传输机构运动的第一传输口，于所述缓冲腔室内的所述第一传输口的上方连接有第一风刀，所述第一风刀的出风口设有多排第二出气孔。
7.进一步的，于所述第一传输口处连接有用于关闭所述第一传输口的第一阀门。
8.进一步的，所述第二反应腔室内远离所述缓冲腔室的一侧连接有第二管道，所述第二管道向所述缓冲腔室的一侧面上开设有单排或多排第三出气孔。
9.进一步的，所述第二反应腔室和所述缓冲腔室的连接处开设有用于所述传输机构运动的第二传输口，于所述缓冲腔室内的所述第二传输口的上方连接有第二风刀，所述第二风刀的出风口设有多排第四出气孔。
10.进一步的，于所述第二传输口处连接有用于关闭所述第二传输口的第二阀门。
11.进一步的，所述缓冲腔室顶部连接有吹扫机构，所述吹扫机构出风口处设有多排第五出气孔并与所述缓冲腔室连通。
12.进一步的，所述第一反应腔室、所述第二反应腔室和所述缓冲腔室底部分别对应的连通有第一真空泵、第二真空泵和第三真空泵。
13.一种原子层刻蚀方法，适用于上述任一项所述的原子层刻蚀设备，包括以下步骤：
14.s101基片表面吸附，通过前驱体于基片刻蚀表面形成化学吸附层；
15.s102过量反应物的排出；
16.s103基片吹扫，通过惰性气体将基片表面气体残留吹扫干净；
17.s104基片表面去除，通过前驱体将化学吸附层转化为挥发性刻蚀物；
18.s105所述挥发性刻蚀物排出；
19.s106基片吹扫，通过惰性气体将基片表面气体残留吹扫干净；
20.s107重复上述步骤，至基片满足刻蚀层数要求。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.(1)所述本发明的原子层刻蚀设备，通过设置第一反应腔室和第二反应腔室，用于分别实现基片的两个半反应，并通过传输机构使基片在各腔体之间往复运动，不断反应，可以精确控制刻蚀的层数，由于分立的反应腔内只通一种前驱体,可以杜绝交叉污染。
23.(2)所述本发明的原子层刻蚀设备，由于第一反应腔、第二反应腔和缓冲腔室分立设置，可以针对不同的前驱体进行防腐蚀的特殊设计。
24.(3)所述本发明的原子层刻蚀设备，通过设置缓冲腔室，使基片经过缓冲腔室时迅速实现吹扫，不必在第一反应腔和第二反应腔内针对基片特别做吹扫，这样可以提高吹扫的效率，加快刻蚀的速度。
25.(4)所述本发明的原子层刻蚀设备，第一出气孔和第三出气孔排布为单边或圆环排布，气体由载气携带喷射到腔体，保证气场均匀，加快气体传输速率。
26.(5)所述本发明的原子层刻蚀设备，第一风刀和第二风刀的设置隔绝了第一反应腔与缓冲腔、隔绝了第二反应腔与缓冲腔，确保每个半反应的顺利进行。
附图说明
27.图1是本发明原子层刻蚀设备的结构图；
28.图2是本发明中第一出气孔的结构图；
29.图3是本发明中第二出气孔的结构图；
30.图4是本发明中第三出气孔的结构图；
31.图5是本发明中第四出气孔的结构图；
32.图6是本发明中第五出气孔的结构图；
33.图7是本发明原子层刻蚀方法的流程图。
34.附图标记如下：1、第一反应腔室，2、第二反应腔室，3、缓冲腔室，4、传输机构，5、第一管道，6、第一出气孔，7、第一传输口，8、第一风刀，81、第二出气孔，9、第一阀门，10、第二管道，11、第三出气孔，12、第二传输口，13、第二风刀，131、第四出气孔，14、第二阀门，15、吹扫机构，16、第五出气孔，17、第一真空泵，18、第二真空泵，19、第三真空泵。
具体实施方式
35.以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.如图1-7所示，本发明是一种原子层刻蚀设备及刻蚀方法，原子层刻蚀设备，包括：
用于基片氟化的第一反应腔室1，用于基片配体交换反应的第二反应腔室2，设置在第一反应腔室1和第二反应腔室2之间用于基片吹扫的缓冲腔室3，及设置在缓冲腔室3内，带动基片在第一反应腔室1、缓冲腔室3和第二反应腔室2内循环往复运动的传输机构4。
37.本实施例的第一反应腔室1、缓冲腔室3和第二反应腔室2两两相连。
38.本实施例的第一反应腔室1内输送有前驱体，可用于基片的氟化反应。
39.本实施例的第二反应腔室2内输送有前驱体，可用于基片的配体交换反应。
40.本实施例的前驱体被载气携带分别喷射到第一反应腔室1和第二反应腔室2内，保证气场均匀，加快前驱体的传输速率。
41.本实施例的前驱体为活性气体。
42.本实施例的缓冲腔室3内输送有惰性气体，可用于基片反应后吹扫，将基片表面气体残留吹扫干净。
43.本实施例的惰性气体为氮气或氩气等本领域常用的单原子气体，是一种不易进行化学反应的气体。
44.本实施例的第一反应腔室1、缓冲腔室3和第二反应腔室2的内腔的横截面可以是圆形、矩形等常见的形状结构。
45.本实施例的第一反应腔室1、缓冲腔室3和第二反应腔室2可以根据工艺要求，配置等离子发生器。
46.本实施例的传输机构4，可以是机械手臂、传输带、等常见的，用于物品传输的机构。
47.具体的，于第一反应腔室1内喷射有前驱体，基片放于第一反应腔室1内，当基片在第一反应腔室1内完成氟化反应，传输机构4带动基片至缓冲腔室3内，同时，缓冲腔室3内喷射的惰性气体对基片表面进行吹扫，直至传输机构4带动基片至第二反应腔室2内，基片至第二反应腔室2内后，与第二反应腔室2内的前驱体发生配体交换反应；当基片在第二反应腔室2内完成配体交换反应后，传输机构4带动基片至缓冲腔室3内，同时，缓冲腔室3内喷射的惰性气体对基片表面进行吹扫，直至传输机构4带动基片至第一反应腔室1内；往复上述流程，不断地反应，精确控制刻蚀的层数。
48.本实施例所优选的，通过设置第一反应腔室1和第二反应腔室2，用于分别实现基片的两个半反应，并通过传输机构4使基片在第一反应腔室1、第二反应腔室2和缓冲腔室3之间往复运动，不断反应，可以精确控制刻蚀的层数，由于分立的反应腔内只通一种前驱体，可以杜绝交叉污染。
49.进一步的，第一反应腔室1内远离缓冲腔室3的一侧连接有第一管道5，第一管道5向缓冲腔室3的一侧面上开设有单排或双排第一出气孔6。
50.本实施例的第一管道5根据第一反应腔室1的内腔形状进行设计，与第一反应腔室1内远离缓冲腔室3的一侧壁契合。
51.本实施例的第一管道5的管路截面可以是圆形、矩形等常规形状。
52.本实施例的第一管道5与源输送系统连接。
53.参考图2，本实施例的第一出气孔6为双排设计，本实施例的第一出气孔6在基片位置的左侧上方。
54.进一步的，第一反应腔室1和缓冲腔室3的连接处开设有用于传输机构4运动的第
一传输口7，于缓冲腔室3内的第一传输口7的上方连接有第一风刀8，第一风刀8的出风口设有多排第二出气孔81。
55.本实施例的第一风刀8用于隔绝第一反应腔室1和缓冲腔室3，确保基片氟化反应的顺利进行。
56.参考图3，本实施例的第一风刀8的出风口设有两排第二出气孔81，在出风口所留余量部分，可以根据出风要求选择开设第二出气孔81。
57.进一步的，于第一传输口7处连接有用于关闭第一传输口7的第一阀门9。
58.本实施例的第一阀门9处于常开状态，当本实施例的原子层刻蚀设备完成工作后关闭，防止第一反应腔室1与缓冲腔室3内的气体混合交叉污染。
59.进一步的，第二反应腔室2内远离缓冲腔室3的一侧连接有第二管道10，第二管道10向缓冲腔室3的一侧面上开设有单排或多排第三出气孔11。
60.本实施例的第二管道10根据第二反应腔室2的内腔形状进行设计，与第二反应腔室2内远离缓冲腔室3的一侧壁契合。
61.本实施例的第二管道10的管路截面可以是圆形、矩形等常规形状。
62.本实施例的第二管道10与源输送系统连接。
63.参考图4，本实施例的第三出气孔11为双排设计，本实施例的第三出气孔11在基片位置的右侧上方。
64.进一步的，第二反应腔室2和缓冲腔室3的连接处开设有用于传输机构4运动的第二传输口12，于缓冲腔室3内的第二传输口12的上方连接有第二风刀13，第二风刀13的出风口设有多排第四出气孔131。
65.本实施例的第二风刀13用于隔绝第二反应腔室2和缓冲腔室3，确保基片配体交换反应的顺利进行。
66.参考图5，本实施例的第二风刀13的出风口设有两排第四出气孔131，在出风口所留余量部分，可以根据出风要求选择开设第四出气孔131。
67.进一步的，于第二传输口12处连接有用于关闭第二传输口12的第二阀门14。
68.本实施例的第二阀门14处于常开状态，当本实施例的原子层刻蚀设备完成工作后关闭，防止第二反应腔室2与缓冲腔室3内的气体混合交叉污染。
69.进一步的，缓冲腔室3顶部连接有吹扫机构15，吹扫机构15出风口处设有多排第五出气孔16并与缓冲腔室3连通。
70.本实施例的吹扫机构15向缓冲腔室3内吹有惰性气体，在基片进入缓冲腔室3内时，即可对基片进行吹扫，当基片离开缓冲腔室3，即完成吹扫工作。
71.参考图6，本实施例的第五出气孔16呈多行多列排布。
72.进一步的，第一反应腔室1、第二反应腔室2和缓冲腔室3底部分别对应的连通有第一真空泵17、第二真空泵18和第三真空泵19。
73.本实施例的第一真空泵17用于将第一反应腔室1内过量的反应物排出。
74.本实施例的第二真空泵18用于将第二反应腔室2内挥发性刻蚀物排出。
75.本实施例的第三真空泵19处于常开状态，用于将缓冲腔室3内反应物、挥发性刻蚀物等混合气体排出。
76.一种原子层刻蚀方法，适用于的原子层刻蚀设备，包括以下步骤：
77.s101基片表面吸附，通过前驱体于基片刻蚀表面形成化学吸附层。
78.具体的，第一管道5向第一反应腔室1内喷射前驱体，前驱体于基片刻蚀表面完成氟化反应，形成化学吸附层。
79.s102过量反应物的排出。
80.具体的，当基片完成氟化反应后，启动第一真空泵17，将第一反应腔室1内过量的反应物排出。
81.s103基片吹扫，通过惰性气体将基片表面气体残留吹扫干净。
82.具体的，传输机构4将基片从第一反应腔室1内移动至缓冲腔室3内，同时，吹扫机构15持续向缓冲腔室3内喷出惰性气体，惰性气体对基片表面进行吹扫，直至传输机构4将基片从缓冲腔室3内移出进入第二反应腔室2，完成吹扫工作，吹扫的同时，第三真空泵19将缓冲腔室3内气体迅速排出。
83.s104基片表面去除，通过前驱体将化学吸附层转化为挥发性刻蚀物。
84.具体的，第二管道10向反应腔室2内喷射前驱体，基片与前驱体完成配体交换反应，产生挥发性刻蚀物。
85.s105挥发性刻蚀物排出。
86.具体的，第二真空泵18启动，将挥发性刻蚀物排出。
87.s106基片吹扫，通过惰性气体将基片表面气体残留吹扫干净。
88.具体的，传输机构4将基片从第二反应腔室2内再次移动至缓冲腔室3内，同时，吹扫机构15持续向缓冲腔室3内喷出惰性气体，惰性气体对基片表面进行吹扫，直至传输机构4将基片从缓冲腔室3内移出进入反应腔室1内，完成吹扫工作，吹扫的同时，第三真空泵19将缓冲腔室3内气体排出。
89.s107重复上述步骤，至基片满足刻蚀层数要求。
90.具体的，传输机构4带基片完成上述流程后，继续重复上述流程，不断地反应，精确控制刻蚀的层数。
91.图1中箭头均表示各气体的运动方向。
92.本实施例以tma和hf刻蚀氧化铝为例说明：
93.al2o3薄膜的腐蚀采用hf和trimethylaluminum(al(ch3)3,tma)作为反应物；ai2o3薄膜的腐蚀通过本实施例的原子层刻蚀设备及刻蚀方法实现。
94.总反应式如下：
95.al2o3(s)+6hf(g)+4al(ch3)3(g)
→
6alf(ch3)2(g)+3h2o(g)。
96.这个总反应式可以分成两个半反应：a和b:
97.a:al2o3|al2o3*(s)+6hf(g)
→
al2o3|2alf3*(s)+3h2o(g)。
98.b:al2o3|2alf3*(s)+4al(ch3)3(g)
→
al2o3*(s)+6alf(ch3)2(g)。
99.工作原理：传输机构4将基片放入第一反应腔室1内，通过第一管道5向第一反应腔室1内输送前驱体，前驱体与基片表面发生反应，基片表面完成氟化；传输机构4带动基片到缓冲腔室3内，吹扫机构15向缓冲腔室3内喷出惰性气体将基片上气体残留吹扫干净；传输机构4带动基片到第二反应腔室2内，通过第二管道10向第二反应腔室2内输送前驱体，前驱体与基片完成配体交换反应，即被刻蚀掉一层；传输机构4带动基片往复运动，不断地反应，精确控制刻蚀的层数。
100.本实施例所优选的刻蚀方法以tma和hf刻蚀氧化铝为例，但刻蚀物质并不限于此，诸如氧化铪、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化钛等均可以用本设备刻蚀。同时针对一些需要等离子参与刻蚀的材料，第一反应腔室1和第二反应腔室2内可以增加等离子发生装置完成表面去除类半反应的过程，同样可以实现刻蚀的功能。
101.需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。
102.还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，如涉及“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本技术的保护范围。
103.上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。