CN111304628B - 原子层沉积设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的原子层沉积设备，包括：第一稀释气路、第一前驱体气路以及第一主路，其中，第一前驱体气路的进气端连接第一前驱体源，第一前驱体气路的出气端连接第一主路的进气端，且第一前驱体气路与第一主路选择性连通；第一稀释气路的进气端连接至第一稀释源，第一稀释气路的出气端连接第一主路的进气端，且第一稀释气路和第一主路选择性连通；第一主路的出气端连接反应腔室。通过在第一前驱气路上设置第一限流结构，限制输送至反应腔室的第一前驱气体流量，当第一前驱气体为高蒸汽压前驱体时，有效降低输送至反应腔室的第一前驱气体流量，以在后续第一吹扫步骤中，无需延长吹扫时长，即能将反应腔室中的第一前驱体彻底吹扫，提高沉积均匀性。

Description

原子层沉积设备及方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种原子层沉积设备及方法。

背景技术

原子层沉积(Atomic layer deposition)是通过将气相前驱体交替地通入反应器并发生化学反应而形成沉积膜的一种方法，该方法可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面。当前驱体到达沉积基体表面，它们会化学吸附在基体表面。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对反应器进行吹扫，以清除未吸附在基体表面的过剩前驱体，以保证化学反应只在基体表面发生。

图1为现有技术中的一种气体传输系统的示意图。如图1所示，该气体传输系统包括前驱体A储存瓶212，前驱体A携带气体自携带气体管路214通入前驱体A储存瓶212，并将携带前驱体A的携带气体通过管路225与前驱体A稀释管路217中的稀释气体一并输送至反应腔室200。在自携带气体管路214上设置有三通阀213，在需要通入前驱体A时，控制三通阀213，使前驱体A携带气体通过三通阀213使携带气体进入前驱体A储存瓶212；在吹扫前驱体A传输管路和反应腔室时，控制三通阀213，使前驱体A携带气体通过三通阀213不通过前驱体A储存瓶212，而是从旁路219直接进入反应腔室200。从而实现前驱体A以及吹扫气体的切换。

在上述气体传输系统中，当使用饱和蒸汽压较高的前躯体时，通常会在前驱体储存瓶外使用制冷机，制冷机温控范围为5℃-40℃，通过制冷机进行温度控制，以使前躯体达到反应所需使用量。水作为一种常见的前驱体，其饱和蒸气压过高，即便将制冷机的温度调节至5℃，水的饱和蒸气压为4.5851Torr，仍然存在传输进入腔室的前驱体过多，此时则需要提高吹扫时长以彻底吹扫残余前驱体，但是长时间的吹扫会影响薄膜厚度均匀性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种原子层沉积设备及方法。

为解决上述问题，本发明提供了一种原子层沉积设备，包括：第一稀释气路、第一前驱体气路以及第一主路，其中，

所述第一前驱体气路的进气端连接至第一前驱体源，所述第一前驱体气路的出气端连接至所述第一主路的进气端，且所述第一前驱体气路与所述第一主路选择性连通；

在所述第一前驱气路上设置有第一限流结构，用以限制输送至反应腔室内的第一前驱气体的流量；

所述第一稀释气路的进气端连接至所述第一稀释源，所述第一稀释气路的出气端连接至所述第一主路的进气端，且所述第一稀释气路和所述第一主路选择性连通；

所述第一主路的出气端连接至所述反应腔室。

进一步地，所述第一限流结构包括限流本体，在所述限流本体上设置有限流通孔。

进一步地，还包括设置在所述第一前驱气路上的第一质量流量计，所述第一质量流量计设置在所述第一限流结构的下游。

进一步地，在所述第一前驱气路上设置有第一前驱通断阀，在所述第一主路上设置有第一主路通断阀。

进一步地，所述抽真空装置包括第真空气路、真空泵、真空蝶阀和尾气收集结构，其中，

所述抽真空气路的进气端连接至所述反应腔室，所述抽真空气路的出气端连接至所述尾气收集结构；

所述真空泵设置在所述抽真空气路上，用于对所述反应腔室抽真空；

所述真空蝶阀设置在所述抽真空气路上，且位于所述反应腔室和所述真空泵之间；

所述旁路的出气端连接至所述抽真空气路，且位于所述真空泵和所述真空蝶阀之间。

进一步地，还包括设置在所述第一稀释气路上的第二质量流量计。

进一步地，所述第一旁路的进气端连接至所述第一稀释气路，所述第一旁路的出气端连接至抽真空装置，且所述第一旁路和所述第一稀释气路选择性连通；

在所述第一旁路上设置有第一旁路通断阀。

本发明还提供了一种原子层沉积方法，其包括以下步骤：

第一前驱体通入步骤，使流经第一前驱体气路的第一前驱体和流经第一稀释气路的第一稀释气体共同汇入第一主路后进入反应腔室；

第一抽真空步骤，所述第一稀释气路经所述第一稀释气路和所述第一旁路进入抽真空装置；

第一吹扫步骤，所述第一稀释气路经所述第一稀释气路和所述第一主路进入所述反应腔室。

进一步地，所述第一抽真空步骤和所述第一吹扫步骤循环执行，且在所述第一吹扫步骤执行完成后，判断第一循环次数是否达到第一预设次数，或者，判断第一累积工艺时间是否达到第一预设时间；若是，则进入第二前驱体通入步骤，若否，则返回所述第一抽真空步骤；其中，所述第一累积工艺时间为所述第一抽真空步骤与所述第一吹扫步骤的工艺时间之和。

进一步地，所述第一前驱体通入步骤中，打开第一前驱通断阀和第一主路通断阀，以使所述第一前驱气体与所述第一稀释气体进入所述反应腔室；

所述第一抽真空步骤中，关闭第一主路通断阀和第一前驱体通断阀，打开第一旁路通断阀；

所述第一吹扫步骤中，打开第一主路通断阀，关闭第一前驱通断阀，使所述第一稀释气体进入所述反应腔室，以进行吹扫。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的原子层沉积设备，包括：第一稀释气路、第一前驱体气路以及第一主路，其中，第一前驱体气路的进气端连接至第一前驱体源，第一前驱体气路的出气端连接至第一主路的进气端，且第一前驱体气路与第一主路选择性连通；第一稀释气路的进气端连接至第一稀释源，第一稀释气路的出气端连接至第一主路的进气端，且第一稀释气路和第一主路选择性连通；第一主路的出气端连接至反应腔室。本发明通过在第一前驱气路上设置第一限流结构，限制输送至反应腔室的第一前驱气体的流量，当第一前驱气体为高蒸汽压前驱体时，有效降低输送至反应腔室的第一前驱气体的流量，进而在后续第一吹扫步骤中，无需延长吹扫时长，即能够将反应腔室中的第一前驱体彻底吹扫，提高沉积均匀性。

本发明提供的原子层沉积方法，当第一前驱体为高蒸汽压前驱体时，为避免反应腔室中的第一前驱体吹扫不彻底的情况，在第一前驱体通入步骤与第一吹扫步骤之间增加第一抽真空步骤，以对反应腔室和第一前驱气路进行抽真空，以确保高蒸汽压前驱体排出反应腔室，避免第一前驱气体滞留在反应腔室内影响沉积的均匀性。

附图说明

图1为现有技术中的一种气体传输系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种气体传输装置的示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种气体传输装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种气体传输方法的流程图；

图5为本发明另一实施例提供的一种气体传输方法的流程图。

其中：

1-第一前驱体源瓶；11-第一限流结构；12-第一前驱体气路；13-第一前驱通断阀；14-第一质量流量计；15-第一总阀；21-第二质量流量计；22-第一稀释气路；3-第一主路；31-第一主路通断阀；41-第一旁路；42-第一旁路通断阀；51-尾气收集结构；52-真空泵；53-真空蝶阀；100-反应腔室；200-反应腔室；212-前驱体A储存瓶；213-三通阀；214-自携带气体管路；217-稀释管路；219-旁路。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的原子层沉积设备及方法、原子层沉积设备进行详细描述。

图2为本发明实施例提供的一种气体传输装置的示意图。如图2所示，本发明提供了一种气体处理系统，包括：第一稀释气路22、第一前驱气路12以及第一主路3。其中，第一前驱体气路12的进气端连接至第一前驱体源1，第一前驱体气路12的出气端连接至第一主路3的进气端，且第一前驱体气路12与第一主路3选择性连通，在第一前驱气路12上设置有第一限流结构11，用以限制输送至反应腔室100的第一前驱气体的流量；第一稀释气路22的进气端连接至第一稀释源，第一稀释气路22的出气端连接至第一主路3的进气端，且第一稀释气路22和第一主路3选择性连通；第一主路3的出气端连接至反应腔室100。

其中，第一前驱体源瓶1用于存储前驱气体，特别是，存储饱和蒸汽压较高的前躯体，例如水。

其中，第一稀释气体为氮气等惰性气体。

其中，在第一主路3中，第一前驱体气体和第一稀释气体混合，之后一并通入反应腔室100。

现有技术中，当使用饱和蒸汽压较高的前躯体时，通常会在前驱体储存瓶外使用制冷机，制冷机温控范围为5℃-40℃，通过制冷机进行温度控制，以使前躯体达到反应所需使用量。水作为一种常见的前驱体，其饱和蒸气压过高，即便将制冷机的温度调节至5℃，水的饱和蒸气压为4.5851Torr，仍然存在传输进入腔室的前驱体过多，此时则需要提高吹扫时长以彻底吹扫残余前驱体，但是长时间的吹扫会影响薄膜厚度均匀性。

本发明通过在第一前驱气路上设置有第一限流结构11，限制输送至反应腔室100的第一前驱气体的流量，当第一前驱气体为高蒸汽压前驱体时，有效降低输送至反应腔室100的第一前驱气体的流量，进而在后续第一吹扫步骤中，无需延长吹扫时长，即能够将反应腔室100中的第一前驱体彻底吹扫，进而提高沉积均匀性。

作为第一限流结构11的一种具体结构，第一限流结构11为限流垫片，包括限流本体，在限流本体上设置有限流通孔，其中，限流通孔的直径可以根据实际工艺进行选择。此时，为了能够精确获得第一前驱气体的流量，气体传输装置还包括设置在第一前驱气路上的第一质量流量计14，第一质量流量计14设置在第一限流结构11的下游。其中，第一质量流量计14的量程为0～100sccm。优选地，限流通孔的直径为0.1mm～0.5mm，并且，根据第一质量流量计14测得的流量进一步优化限流通孔的直径。

当然，本发明并不对第一限流结构11的具体结构进行限定，只要能够实现限流的功效即可，例如，质量流量计等等。

在本实施例中，如图2所示，在第一前驱气路12上设置有第一前驱通断阀13。

优选地，在第一前驱气路上还设置有第一总阀15，控制第一前躯体源瓶1的开启和关闭。在工艺开始前及整个工艺过程中，第一总阀15处于常开状态。

在本实施例中，如图2所示，气体处理还包括抽真空装置，抽真空装置连接至反应腔室100，用于对反应腔室100抽真空。具体地，抽真空装置包括抽真空气路、真空泵52、真空蝶阀53和尾气收集结构51，其中，抽真空气路的进气端连接至反应腔室100，其出气端连接至尾气收集结构51，真空泵52设置在抽真空气路上，用于对反应腔室100抽真空，真空蝶阀53设置在抽真空气路上，且位于反应腔室100和真空泵52之间。

优选地，原子层沉积设备还包括第一旁路41。如图3所示，第一旁路41的进气端连接至第一主路3，且位于第一主路通断阀的上游，第一旁路41的出气端连接至抽真空装置，且第一旁路41和第一稀释气路22选择性连通，并且，在第一旁路41上设置有第一旁路通断阀42。

通过设置第一旁路41，将第一稀释气路22由第一旁路41流通到第一抽真空装置，进而，在对反应腔室100抽真空的基础上，还对第一前驱体气路12抽真空，确保第一前躯体气路12中气体动态流动的状态，减少颗粒污染，保持第一前驱体气路12内第一前驱气体的压力平衡，可以控制第一前驱气体进入反应腔室100的流量稳定。

此时，第一旁路41的出气端连接至抽真空气路，且位于真空泵52和真空蝶阀53之间。

其中，第一前驱通断阀13、第一主路通断阀31和第一旁路通断阀42为脉冲阀。

在本实施例中，还包括设置在第一稀释气路22上的第二质量流量计21。其中，该第二质量流量计21的量程为0～5000sccm。

在本实施例中，还包括第二前驱体输送装置，包括：第二前驱体源瓶，用于存储第二前驱气体；第二前驱气路，用于向反应腔室100提供第二前驱气体；第二稀释源，用于存储第二稀释气体；第二稀释气路，用于向反应腔室100提供第二稀释气体。

本发明对第二前驱体输送装置的具体结构并不做限制，既可以采用现有技术中的输送装置，也可以本发明提供的气体输送装置。

作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种原子层处理方法，如图4所示，其包括如下步骤：

S1、第一前驱体通入步骤，使流经第一前驱体气路的第一前驱体和流经第一稀释气路的第一稀释气体共同汇入第一主路后进入反应腔室。

S2、第一抽真空步骤，第一稀释气路经第一稀释气路和第一旁路进入抽真空装置。

S3、第一吹扫步骤，第一稀释气路经第一稀释气路和所述第一主路进入反应腔室。

本发明实施例提供的原子层沉积方法，当第一前驱气体为高蒸汽压前驱体时，为避免反应腔室中的第一前驱气体吹扫不彻底的情况，在第一前驱体通入步骤S1与第一吹扫步骤S3之间增加第一抽真空步骤S2，以对反应腔室和第一前驱气路进行抽真空，以确保高蒸汽压前驱体排出反应腔室，避免第一前驱气体滞留在反应腔室内影响沉积的均匀性。

需要说明的是，在采用如图3中所示的本发明提供的原子层沉积设备进行原子层沉积时：

在第一前驱体通入步骤中，打开第一前驱通断阀13和第一主路通断阀31，使第一前驱气体与第一稀释气体进入反应腔室100。

其中，第一前驱体源瓶1内的压力大于2Torr，反应腔室100的压力小于1Torr。反应腔室100的压力有第一真空泵52控制，优选地，反应腔室100的压力约为0.5Torr。

在第一抽真空步骤中，关闭第一主路通断阀31和第一前驱体通断阀13，打开第一旁路通断阀42。

在第一吹扫步骤中，打开第一主路通断阀31，关闭第一前驱通断阀13，使第一稀释气体进入反应腔室，以进行吹扫。

图5为本发明另一实施例提供的一种气体传输方法的流程图。在气体处理装置包括第二前驱体输送装置的情况下，在第一吹扫步骤S3之后，还包括：

S4、第一判断步骤，判断第一循环次数是否达到第一预设次数，或者，判断第一累积工艺时间是否达到第一预设时间，若是，则进入步骤S5，若否，则返回步骤S2。

其中，第一累积工艺时间为第一抽真空步骤与第一吹扫步骤的工艺时间之和。

第一抽真空步骤与第一吹扫步骤为本实施例的内循环，其中，每个步骤所需时间、循环次数视工艺情况而定，以保证充分饱和吸附或第一前躯体全部排出腔室，达到薄膜均匀性良好的目的。其中，根据优化试验，一般循环次数不超过5次。

通过步骤S4，在采用如图3中所示的本发明提供的原子层沉积设备进行原子层沉积时，能够在不改变第一真空蝶阀53的开度的情况下，达到抽真空的目的，避免第一真空蝶阀53频繁转动而带来的颗粒污染。

优选地，第一真空蝶阀53的碟片角度为40°。

其中，每个步骤所需时间小于2秒。

S5、第二前驱体通入步骤，使第二前驱气体与第二稀释气体进入反应腔室。

其中，第二前驱气体的流量为0～500sccm，第二稀释气体的流量为1000～2000sccm。

进一步地，在步骤S5之后，还包括：

S6、第二吹扫步骤，用以对反应腔室100进行吹扫。

S7、第二判断步骤，判断第二循环次数是否达到第二预设次数，若是，则结束，若否，则返回步骤S1。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，包括：第一稀释气路、第一前驱体气路以及第一主路，其中，

所述第一前驱体气路的进气端连接至第一前驱体源，所述第一前驱体气路的出气端连接至所述第一主路的进气端，且所述第一前驱体气路与所述第一主路选择性连通，其中，所述第一前驱体源仅连接所述第一前驱体气路；

在所述第一前驱气路上设置有第一限流结构，用以在第一前驱体为高蒸汽压前驱体时限制输送至反应腔室内的第一前驱体蒸汽的流量；

所述第一稀释气路的进气端连接至所述第一稀释源，所述第一稀释气路的出气端连接至所述第一主路的进气端，且所述第一稀释气路和所述第一主路选择性连通；

所述第一主路的出气端连接至所述反应腔室。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，

所述第一限流结构包括限流本体，在所述限流本体上设置有限流通孔。

3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括设置在所述第一前驱气路上的第一质量流量计，所述第一质量流量计设置在所述第一限流结构的下游。

4.根据权利要求1-3中任一所述的原子层沉积设备，其特征在于，在所述第一前驱气路上设置有第一前驱通断阀，在所述第一主路上设置有第一主路通断阀。

5.根据权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述抽真空装置包括抽真空气路、真空泵、真空蝶阀和尾气收集结构，其中，

抽真空气路的进气端连接至所述反应腔室，所述抽真空气路的出气端连接至所述尾气收集结构；

所述真空泵设置在所述抽真空气路上，用于对所述反应腔室抽真空；

所述真空蝶阀设置在所述抽真空气路上，且位于所述反应腔室和所述真空泵之间；

旁路的出气端连接至所述抽真空气路，且位于所述真空泵和所述真空蝶阀之间。

6.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括设置在所述第一稀释气路上的第二质量流量计。

7.根据权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于，第一旁路的进气端连接至所述第一稀释气路，所述第一旁路的出气端连接至抽真空装置，且所述第一旁路和所述第一稀释气路选择性连通；

在所述第一旁路上设置有第一旁路通断阀。

8.一种原子层沉积方法，应用于如权利要求1-7任一项所述的原子层沉积设备，其特征在于，包括以下步骤：

第一前驱体通入步骤，使流经第一前驱体气路的第一前驱体和流经第一稀释气路的第一稀释气体共同汇入第一主路后进入反应腔室；并通过设置在所述第一前驱气路上的第一限流结构，限制输送至所述反应腔室内的第一前驱体蒸汽的流量；

第一抽真空步骤，所述第一稀释气路经所述第一稀释气路和第一旁路进入抽真空装置；

第一吹扫步骤，所述第一稀释气路经所述第一稀释气路和所述第一主路进入所述反应腔室。

9.根据权利要求8所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一抽真空步骤和所述第一吹扫步骤循环执行，且在所述第一吹扫步骤执行完成后，判断第一循环次数是否达到第一预设次数，或者，判断第一累积工艺时间是否达到第一预设时间；若是，则进入第二前驱体通入步骤，若否，则返回所述第一抽真空步骤；其中，所述第一累积工艺时间为所述第一抽真空步骤与所述第一吹扫步骤的工艺时间之和。

10.根据权利要求8所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一前驱体通入步骤中，打开第一前驱通断阀和第一主路通断阀，以使所述第一前驱体与所述第一稀释气体进入所述反应腔室；

所述第一抽真空步骤中，关闭第一主路通断阀和第一前驱体通断阀，打开第一旁路通断阀；

所述第一吹扫步骤中，打开第一主路通断阀，关闭第一前驱通断阀，使所述第一稀释气体进入所述反应腔室，以进行吹扫。

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