專利名稱：用于原子層沉積的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及用于薄膜沉積的設(shè)備和方法，具體涉及用于被稱為原子層沉積的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
許多種現(xiàn)代技術(shù)都要求在基材上沉積薄膜。例如，集成電路技術(shù)要求沉積介電質(zhì)，金屬和半導(dǎo)體的膜。介電材料的例子包括用于場效應(yīng)晶體管柵極的氧化硅和氮化硅以及用于動態(tài)隨機(jī)存儲器(DRAM)電容的氧化鉭。導(dǎo)體材料的例子包括用來形成電路元件之間電連接線的Al和Cu以及用來例如作為氧化硅和銅之間阻擋層的TiN和TaN。沉積層可以是單晶，多晶，或非晶態(tài)的，取決于包括材料，沉積條件，以及薄膜沉積于上的基材這些因素。
已經(jīng)開發(fā)了各種沉積技術(shù)。根據(jù)包括沉積材料和下層材料或基材的考慮來決定所用特定技術(shù)的選擇。例如，長久以來使用物理蒸氣沉積，如濺射，來沉積鋁和其他材料。在這種方法中，一個顆粒，例如一個離子，撞擊著靶，動量使物質(zhì)從靶轉(zhuǎn)移到基材上。雖然這種方法足以滿足多種用途和材料的要求，但是這種沉積技術(shù)在處理某些用途時，例如鎢，若其尺寸大約是0.5微米或更小時，仍然是很困難的。已經(jīng)知道沉積整合性足夠好的涂層是很困難的，而且填充小接觸孔也幾乎是不可能的。當(dāng)非平面基材上所沉積的材料在所有方向上都變得很均勻時，就能獲得一個整合性涂層；即，涂層在表面不規(guī)則部位都能形成均勻的厚度。另一種沉積技術(shù)是化學(xué)氣相沉積(CVD)。一種或多種前體氣體，可能還有一種惰性載氣，流入裝有基材的反應(yīng)腔中，熱分解成所要求材料的薄膜或?qū)?。反?yīng)主要是在基材上發(fā)生的，但是也有少量氣相反應(yīng)發(fā)生。從反應(yīng)腔中以連續(xù)方式除去未反應(yīng)的前體氣體。這種技術(shù)被用于多種材料，包括硅，氧化硅，和鎢。典型的CVD過程要求將基材加熱到高溫；通常遠(yuǎn)高于400℃。這些高溫與新器件結(jié)構(gòu)的最高允許溫度日益變得不相容。
隨著集成電路尺寸日益縮小到亞微米級，使用上述沉積技術(shù)獲得要求厚度和組成的層變得更加困難，所以開發(fā)了其他的沉積技術(shù)。其中的一種技術(shù)通常被稱為原子層沉積(ALD)。將第一前體氣體引入反應(yīng)腔中，在基材上被吸附形成一個單分子層。從反應(yīng)腔中吹掃出未反應(yīng)的該前體氣體，并向該反應(yīng)腔中引入第二前體氣體。形成第二單分子層。調(diào)整過程條件，使第一和第二單分子層彼此之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。再次從該反應(yīng)腔中吹掃出未反應(yīng)的前體氣體，以及所有反應(yīng)產(chǎn)物。這兩個單分子層都是以自限方式形成的；即，在外露表面上形成單分子層之后，吸附停止?？梢允褂贸^兩種前體氣體，可以將這些前體氣體與一種載氣一起引入。適于促進(jìn)兩個單分子層之間反應(yīng)的過程條件，包括氣體的選擇，基材溫度或其他氣體激活方式，例如用等離子體引發(fā)的氣體游離基化。膜的生長速率可能比較慢，但是通過ALD過程，能對層的厚度和膜的整合性以及膜的組成進(jìn)行精確控制。ALD的一個明顯問題是，該方法中要使用具有相互反應(yīng)活性的氣體。在時間上分開引入這睦前體氣體能減少并可能消除發(fā)生這些氣相反應(yīng)的可能性。
成功地進(jìn)行ALD過程需要從反應(yīng)腔中吹掃出前體氣體，有許多參考文獻(xiàn)都涉及吹掃反應(yīng)腔，保護(hù)排氣系統(tǒng)中的泵，防止其受到前體氣體及其反應(yīng)產(chǎn)物不利影響的設(shè)備和方法。腐蝕過程和沉積過程都要求頻繁地吹掃反應(yīng)腔。以下簡要說明一些參考文獻(xiàn)。
于1987年3月3日公布的Visser的美國專利4647338中說明了一種沉積技術(shù)，使用了一種惰性氣體和前體(Visser稱之為“反應(yīng)”)氣體。有一個冷卻捕集器位于泵和反應(yīng)腔之間，未反應(yīng)的前體氣體或其他氣體凝聚在冷卻捕集器中。留在冷卻捕集器中的凝聚氣體可能是腐蝕性非常強(qiáng)的，從而可能使泵損壞。為了減少反應(yīng)腔中需要的惰性氣體量，向冷卻捕集器和泵之間的系統(tǒng)中輸入與凝聚氣體相等量的另一種惰性氣體，從而優(yōu)化Visser的過程。Visser清楚地描述了腐蝕過程。
于1993年10月5日公布的Miyazaki的美國專利5250323中說明了一種化學(xué)氣相沉積過程，其排氣系統(tǒng)中包括一個捕集器。Miyazaki認(rèn)識到，在反應(yīng)腔之前，某些分別作為前體氣體和惰性氣體的源氣體可能會殘留在流量控制器中，應(yīng)該在向反應(yīng)腔中引入另一種氣體之前將其除去。由此，Miyazaki說明了在流量控制器和排氣系統(tǒng)之間使用一個捕集器。
于1998年1月6日公布的Fujikawa，Murikami和Hatano(Fujikawa)的美國專利5704214中示出了一個位于反應(yīng)腔和排氣系統(tǒng)之間的冷卻捕集器，能冷凍被Fujikawa稱為“外來雜質(zhì)”的氣體。術(shù)語“外來雜質(zhì)”包括未反應(yīng)的氣體以及反應(yīng)產(chǎn)物。Fujikawa認(rèn)識到，外來雜質(zhì)可能會凝聚在泵中，從而損壞泵，甚至堵塞反應(yīng)腔和泵之間的管道。該專利中描述了兩個泵。第一個泵被稱為精密泵或牽引泵，第二個泵被稱為低真空泵或干式泵。排氣系統(tǒng)中每個泵之前都有冷卻捕集器。
于2003年1月14日公布的Lindfors和Hyvarihen(Lindfors)的美國專利6506352中使用了一種大表面積捕集器，在未反應(yīng)的前體氣體進(jìn)入泵之前對其進(jìn)行捕集。該捕集器被稱為二次反應(yīng)腔或反應(yīng)物捕集器，該捕集器具有由多孔材料提供的很大表面積。反應(yīng)物捕集器中的條件與主反應(yīng)腔中的大致相同。這種相似的條件和大表面積導(dǎo)致氣體在反應(yīng)物捕集器中發(fā)生沉積。由此，未反應(yīng)的前體氣體和反應(yīng)產(chǎn)物就沉積在此多孔材料捕集器中，不會到達(dá)泵中。但是，與不含多孔材料的捕集器相比，多孔材料的存在降低了前者捕集器的氣導(dǎo)率。Lindfors清楚地提到其設(shè)備被用于ALD中。于2002年12月12日公布的美國專利申請2002/0187084是上述專利申請的繼續(xù)。
發(fā)明概述從設(shè)備的一個方面看，本發(fā)明涉及的化學(xué)氣相沉積設(shè)備中包括第一和第二前體氣體源，與所述第一和第二前體氣體源相連的第一和第二閥；吹掃氣體源，所述吹掃氣體源具有第三閥，所述這些氣體源依次工作，構(gòu)成了一個沉積循環(huán)；反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔與所述第一，第二，和第三閥相連；與所述反應(yīng)腔相連的捕集器；所述捕集器具有入口和出口，所述入口與所述反應(yīng)腔相連，所述捕集器的停留時間至少等于沉積周期；并且有前級泵與所述捕集器的出口和排氣口相連。
從設(shè)備的另一個方面看，本發(fā)明涉及的原子層蒸氣沉積設(shè)備中包括第一和第二前體氣體源，與所述第一和第二前體氣體源相連的第一和第二閥；吹掃氣體源，所述吹掃氣體源具有第三閥，所述氣體源依次工作，構(gòu)成了一個沉積循環(huán)；反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔與所述第一，第二，和第三閥相連；與所述反應(yīng)腔相連的捕集器；所述捕集器具有入口和出口，所述入口與所述反應(yīng)腔相連，所述捕集器的停留時間至少等于沉積周期；并且有前級泵與所述捕集器的出口和排氣口相連。
從方法的一個方面看，本發(fā)明包括以下步驟向反應(yīng)腔中依次輸入第一和第二前體氣體；在每次輸入所述前體氣體之后，輸入一種吹掃氣體，從而構(gòu)成了一個沉積循環(huán)；從所述反應(yīng)腔中清除氣相流出物至捕集器中，所述清除包括在捕集器中捕集氣相流出物，所述氣相流出物在所述捕集器中的停留時間至少等于所述沉積周期。
從設(shè)備的另一個方面看，本發(fā)明涉及的沉積設(shè)備中包括第一和第二前體氣體源，與所述第一和第二前體氣體源相連的第一和第二閥；吹掃氣體源，所述吹掃氣體源具有第三閥，所述閥允許惰性氣體流入，所述第一和第二前體氣體源以及吹掃氣體源依次工作，構(gòu)成了一個沉積循環(huán)；反應(yīng)腔，所述反應(yīng)腔與所述第一，第二，和第三閥相連；并且有捕集器與所述反應(yīng)腔相連；所述捕集器具有入口和出口，所述入口與所述反應(yīng)腔相連，所述捕集器的停留時間至少等于一個沉積周期。
附圖簡要說明

圖1用于描述原子層沉積過程；圖2所示是本發(fā)明一個設(shè)備實例的示意圖；圖3所示是本發(fā)明一個設(shè)備實例的排氣部分示意圖。
本發(fā)明優(yōu)選實施方式試看圖1，簡要說明一種原子層沉積過程的特征。如圖1中所示，基材1上沉積有第一物質(zhì)3和第二物質(zhì)5的單分子層，分別用x和o表示。在生長過程中，基材1位于反應(yīng)腔(未示出)中，通常要進(jìn)行加熱，并將含有物質(zhì)3的第一前體氣體引入反應(yīng)腔。在基材1的表面上吸附第一前體氣體的單分子層。過量的第一前體氣體，即未吸附的物質(zhì)，被吹掃離開反應(yīng)腔；并向反應(yīng)腔中引入含有物質(zhì)5的第二前體氣體。在基材1上吸附第二前體氣體的單分子層。吸附的第一和第二前體氣體之間的反應(yīng)只在基材1上分別留下第一物質(zhì)3和第二物質(zhì)5。吹掃反應(yīng)腔，使未反應(yīng)的第二前體氣體以及反應(yīng)產(chǎn)物被清除出反應(yīng)腔。
可以對所述過程進(jìn)行變化。例如，可以使用超過兩種前體氣體。另外，可以用等離子體激活第二前體氣體，對第一單分子層進(jìn)行化學(xué)處理?？梢圆捎眠@種過程沉積多種物質(zhì)，例如各種氧化物和氮化物，用于上述各種及其他用途中。然后重復(fù)依次向反應(yīng)腔中輸入前體氣體以及中間吹掃氣體脈沖的過程，按照要求生長許多附加層。
本發(fā)明一種設(shè)備實例如圖2中所示。反應(yīng)腔211中裝有基材213。基材的載體未示出。第一和第二前體氣體源分別是215和217；分別通過閥219和221以及合適管道與反應(yīng)腔211相連。吹掃氣體源223通過閥225和合適管道與反應(yīng)腔211相連。吹掃氣體是一種惰性氣體。排氣系統(tǒng)227從反應(yīng)腔211中除去不需要的氣體；即氣相流出物，將結(jié)合圖3對其進(jìn)行詳細(xì)說明。管道229連接反應(yīng)腔211和排氣系統(tǒng)227。氣相流出物包括，例如，未反應(yīng)的前體氣體和反應(yīng)產(chǎn)物?？梢詫Ψ磻?yīng)腔進(jìn)行加熱，但是也不總是需要加熱，所以沒有表示出加熱裝置。
現(xiàn)在說明設(shè)備的操作。以預(yù)先確定的量和時間向反應(yīng)腔中輸入第一前體氣體，再以預(yù)先確定的量和時間輸入吹掃氣體。然后以預(yù)先確定的量和時間向反應(yīng)腔中輸入第二前體氣體，再以預(yù)先確定的量和時間輸入吹掃氣體；即，依次引入前體氣體，在輸入前體氣體的脈沖之間引入吹掃氣體。第一前體氣體，吹掃氣體，第二前體氣體，和吹掃氣體的順序形成一個沉積循環(huán)。通過與每種氣體相關(guān)的閥控制氣體流量。應(yīng)該理解，必須快速操作這些閥，提高設(shè)備效率。還要理解，排氣系統(tǒng)必須能有效地操作，才能不僅保證設(shè)備的效率，還能保證沉積物質(zhì)的質(zhì)量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮了要求沉積的物質(zhì)以及其下面的基材等因素之后，不難選擇合適的前體氣體。通常選用氬等惰性氣體作為吹掃氣體。有時也可以使用氮?dú)狻?br> 排氣系統(tǒng)227如圖3所示。圖中包括反應(yīng)腔211，閘閥311，工藝過程用泵313，捕集器315，前級泵317。閘閥311位于工藝過程用泵313和反應(yīng)腔211之間。捕集器315位于工藝過程用泵313和前級泵317之間。捕集器315具有入口321和出口323。離開前級泵317的流出物進(jìn)入主排氣口319。如果需要的話，還可以包括其他裝置，例如局部氣體洗滌器，但是本發(fā)明無須對此進(jìn)行說明。排氣系統(tǒng)227中除了反應(yīng)腔211之外的全部裝置都如圖2所示。除了捕集器315之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員能很容易地制造本設(shè)備，無須對其所用的裝置進(jìn)行額外說明。
可以包括以下裝置，下文將作具體說明。電極329位于捕集器315中，使其通過接地線331接地?？梢允褂眉訜崞?33對捕集器315加熱。涌流抑制器335則與出口323相連。
為了理解本發(fā)明，需要對捕集器315的設(shè)計和工作進(jìn)行額外說明。此捕集器應(yīng)能保證氣體分子在捕集器中具有較長的停留時間。氣體分子的停留時間越長，第一和第二前體氣體之間發(fā)生氣相反應(yīng)的可能性越大，從而降低這些氣體在進(jìn)入前級泵之后在彼此之間發(fā)生反應(yīng)的可能性，氣體之間的反應(yīng)可能使泵損壞，或者影響泵吸機(jī)構(gòu)的正常工作。通過以下內(nèi)容，能更好地理解捕集器315的具體設(shè)計，包括長停留時間的含義。
氣體分子以一定體積V以流量Q在壓力P氣流中的停留時間是PV/Q。因此，低壓和小體積，例如在反應(yīng)腔中，會導(dǎo)致短的停留時間和較小的發(fā)生氣相反應(yīng)的可能性。在反應(yīng)腔的后面壓力增加，大部分壓力增加發(fā)生在泵吸系統(tǒng)中，其壓差接近于一個大氣壓。隨著壓力的增加，發(fā)生氣相反應(yīng)并形成粉末導(dǎo)致影響泵效率的可能性增加。捕集器315的結(jié)構(gòu)要能保證在捕集器315中同時存在活性前體氣體，即第一和第二前體氣體同時存在，并反應(yīng)形成粉末在捕集器315中。捕集器315的結(jié)構(gòu)能使體積V氣體的停留時間至少等于ALD過程的一個完整周期。優(yōu)選該停留時間比ALD過程的一個完整周期更長。
在另一個實施方式中，不用工藝過程用泵313，捕集器315與反應(yīng)腔211相連。雖然該結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)勢，但是其優(yōu)越性不如采用工藝過程用泵313的實施方式。以下說明有助于理解為什么這個實施方式的優(yōu)越性不夠。工藝過程用泵313能保證捕集器315處于較高壓力環(huán)境中。與處于低壓環(huán)境的情況相比，這種捕集器可以在物理意義上被做得更小。還能增加在前級泵之前發(fā)生氣相反應(yīng)的可能性。在捕集器315的高壓區(qū)域中，氣體密度較高，分子平均自由程就較短，從而增加了在離開捕集器之前發(fā)生氣相反應(yīng)的可能性。另外，氣體流速較低時會減少粉末被氣體夾帶離開捕集器的可能性。
捕集器的氣導(dǎo)率在工作期間不應(yīng)降低。這可以通過將入口321和出口323布置在捕集器頂部實現(xiàn)，即捕集器的大部分體積低于入口和出口。由此，粉末和固體沉積物會被留在捕集器中，而不會嚴(yán)重降低其氣導(dǎo)率。采用一種反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，即入口321和出口323都位于底部的結(jié)構(gòu)；或者部分反轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，即入口321或出口323位于底部的結(jié)構(gòu)，會降低氣導(dǎo)率，因為粉末會發(fā)生積聚，并堵塞入口321和出口323中的一個或者都堵塞。
通常要求創(chuàng)造有利于反應(yīng)發(fā)生的能量條件，從而促進(jìn)前體氣體在長停留時間捕集器315中的反應(yīng)。例如，當(dāng)兩種反應(yīng)氣體是WF6和H2時，能在室溫下以低流量進(jìn)行反應(yīng)。為了保證捕集器315中能發(fā)生反應(yīng)，可以用加熱器333加熱捕集器315或其一部分到足夠高的溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員能很容易地確定該溫度。另外，可以在電極329和接地線331之間施加合適的電壓，在捕集器315中產(chǎn)生等離子體。
捕集器315和泵317之間的涌流抑制器335能避免產(chǎn)生壓力脈動，并避免產(chǎn)生的高速氣流夾帶已經(jīng)存在于捕集器315中的粉末。這些涌流抑制器是本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的，無須更具體地進(jìn)行說明。
雖然已經(jīng)就原子層沉積具體說明了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，該設(shè)備也能用于其他化學(xué)氣相沉積過程中，在這些過程中依次輸入前體氣體，并用惰性氣體脈沖使其彼此分開。還應(yīng)該理解，清除步驟中使用捕集器，還可以包括其他步驟。即使在沒有泵的情況下使用捕集器也是有益的。
權(quán)利要求
1.一種沉積設(shè)備，包括第一和第二前體氣體源(215，217)，與所述第一和第二前體氣體源(215，217)相連的第一和第二閥(219，221)；吹掃氣體源(223)，所述吹掃氣體源(223)具有第三閥(225)，所述第三閥(225)允許惰性氣體流過，依次操作所述第一和第二前體氣體源(215，217)以及所述吹掃氣體源，構(gòu)成沉積循環(huán)；反應(yīng)腔(211)，所述反應(yīng)腔(211)與所述第一，第二，和第三閥(219，221，225)相連；與所述反應(yīng)腔(211)相連的捕集器(315)；所述捕集器(315)具有入口(321)和出口(323)，所述入口(321)與所述反應(yīng)腔(211)相連，所述捕集器(315)的停留時間至少等于一個沉積周期。
2.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括與所述捕集器(315)的出口(323)和排氣口(319)相連的前級泵(317)。
3.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述入口(321)和所述出口(323)位于所述捕集器(315)的頂部。
4.如權(quán)利要求3所述沉積設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括工藝過程用泵(313)，所述工藝過程用泵(313)被連接在所述捕集器(315)的入口(321)和所述反應(yīng)腔(211)之間。
5.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述停留時間長于所述沉積周期。
6.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述捕集器(315)進(jìn)一步包括加熱器(333)。
7.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述捕集器(315)進(jìn)一步包括位于所述捕集器(315)中的電極(329)和與所述捕集器(315)相連的接地線(331)。
8.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括與所述捕集器(315)的出口(323)相連的涌流抑制器(335)。
9.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備是一種化學(xué)氣相沉積設(shè)備。
10.如權(quán)利要求1所述沉積設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備是一種原子層沉積設(shè)備。
11.一種原子層沉積方法，包括以下步驟向反應(yīng)腔中依次輸入第一和第二前體氣體；在輸入了所述第一和第二前體氣體之后向所述反應(yīng)腔中輸入吹掃氣體，輸入所述第一和第二前體氣體以及所述吹掃氣體形成了一個沉積循環(huán)；并將氣相流出物從所述反應(yīng)腔清除到捕集器中，所述清除包括在捕集器中捕集氣相流出物，所述氣相流出物在所述捕集器中的停留時間至少等于所述沉積周期。
12.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于所述清除進(jìn)一步包括在所述捕集器之后用前級泵抽吸所述氣相流出物。
13.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于所述清除進(jìn)一步包括在所述捕集器之前用工藝過程用泵抽吸所述氣相流出物。
14.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于所述停留時間長于所述沉積周期。
全文摘要
一種捕集器，其停留時間至少等于原子層沉積(ALD)過程的一個完整周期時間，這種捕集器能在流出物進(jìn)入前級泵之前從反應(yīng)腔和反應(yīng)產(chǎn)物中捕集氣相流出物。這種捕集器可以直接連接到反應(yīng)腔，或者通過一個工藝過程用泵間接連接。這種捕集器在用于原子層沉積過程中時很有益處。
文檔編號C23C16/44GK1644756SQ20041008187
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者F·詹森 申請人:波克股份有限公司