一种新型氧化铝原子层沉积装置及其沉积方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种新型氧化铝原子层沉积装置及其沉积方法，在ALD反应中通过多次将腔室和管路抽真空，可有效清除前驱体和氧化剂在管路和腔室壁的残留，降低非预期反应的发生以及降低杂质污染，因而可提高薄膜的纯度，而且避免了复杂的气体处理系统；还通过设置腔室阀门吹扫管路，在腔室阀门打开或关闭时，通过对腔室阀门及其周边区域进行吹扫，可减少由于腔室阀门开关过程中产生的颗粒聚集，从而减少腔室污染，降低薄膜所含杂质。

A New Type of Alumina Atomic Layer Deposition Device and Its Deposition Method

The present invention discloses a new type of alumina atomic layer deposition device and its deposition method. By vacuum the chamber and pipeline several times in ALD reaction, the residual of precursor and oxidant in the pipeline and chamber wall can be effectively removed, the occurrence of unexpected reaction can be reduced, and impurity pollution can be reduced, thus the purity of the film can be improved, and the complex gas processing system can be avoided. By setting the purging pipeline of the chamber valve, when the chamber valve is opened or closed, purging the chamber valve and its surrounding area can reduce the particle aggregation caused by the process of the opening and closing of the chamber valve, thereby reducing the pollution of the chamber and the impurities contained in the film.

【技术实现步骤摘要】
一种新型氧化铝原子层沉积装置及其沉积方法
本专利技术涉及半导体加工
，更具体地，涉及一种新型氧化铝原子层沉积装置及其沉积方法。
技术介绍
随着集成电路产业的发展，器件的特征尺寸(devicecriticaldimension)逐渐降低，深宽比(aspectratio)逐渐增加。这对于沉积工艺、尤其是对在非常高深宽比的基底上沉积共形性好的膜层提出了严峻挑战。原子层沉积(Atomiclayerdeposition,ALD)就是为了应对这种挑战而提出的一种新的薄膜沉积方法。传统的沉积方法诸如化学或物理气相沉积在高深宽比结构上难以获得需要的厚度均匀性。原子层沉积是通过将反应前驱体独立通入到反应器，反应通过基底表面的催化实现。ALD反应是自限制反应，也就是说，ALD的半反应(halfreactions)一直进行到可以获得的反应位置(reactionsites)消耗完，之后没有更多的前驱体进行反应。ALD反应能够在高深宽比的基底上发生共形性沉积，就是因为表面反应位置是反应的关键要素，并被反应所消耗。ALD工艺的变量包括多种前驱体以及可能采用的化学反应路径(chemicalpathways)。其中，氧化物路径即采用金属烷基前驱体和氧化剂，被广泛用于沉积氧化物层。其它工艺中变量包括在反应物脉冲注入之间反应腔室抽气到高真空，或者当反应物通过反应空间时采用惰性气体持续净化反应腔室。ALD反应比较难以控制。理想的ALD反应是前驱体在基座表面而不是基座上的空间内反应。因此，在第二种前驱体脉冲注入到腔室前，第一种前驱体必须完全从腔室去除。滞留在传输管路和腔室上部空间痕量的前驱体发生反应后在腔室和管道壁上形成化合物，对基底表面就会带来污染并引入杂质。一些前驱体和腔室材料之间吸附性好，将它们从腔室排空比较困难并且费时。前驱体或者吹扫气体材料中的湿气和氧杂质在ALD工艺中尤其不受欢迎。采用ALD沉积氧化铝(Al2O3)的技术已经非常成熟。常用的反应源为三甲基铝(TMA)和水(H2O)或氧气、臭氧等，反应温度200℃～400℃，沉积速率约图1为现有的一种用于沉积氧化铝的ALD装置结构示意图。如图1所示，反应腔室1由气体分配装置(gasdistributor，即喷淋头(showerhead))2和加热基座4等构成，薄膜沉积在衬底(wafer)3上。反应腔室侧面设有和反应腔室连接的气动阀门5，反应腔室连接有真空泵6，源瓶7用于装载前驱体TMA，载气8用于携带前驱体和氧化剂蒸汽以及用于吹扫管路，一般采用氮气等惰性气体。图中MFC1～MFC2为质量流量控制器，PV1～PV6为真空气动阀门，MV1～MV4为手动阀门。现有ALD沉积氧化铝的沉积过程一般采用含Al的前驱体如TMA和氧化剂如H2O的四步方案。其完整的工艺流程如图2所示，即第一步，载气如惰性气体氮气携带铝的前驱体如TMA蒸汽通过PV2、MV2、MV3、PV3和PV5后以脉冲方式进入腔室1中并吸附在衬底3上；第二步，采用惰性气体吹扫(purge)前驱体TMA传输管路和腔室，即惰性气体经过PV1、PV5后到达腔室1；第三步，载气携带氧化剂如H2O的蒸汽以脉冲方式进入腔室并与饱和吸附在衬底上的前驱体反应；第四步，采用惰性气体吹扫氧化剂传输管路到达腔室。重复以上四步直到达到预期厚度。上述方法中，由于ALD反应中前驱体和氧化剂如H2O脉冲进入腔室后的吹扫时间较短，前驱体和氧化剂可能残留在各自管路，尤其是腔室壁等空间内，发生非预期反应导致腔室及衬底表面的污染。前驱体和氧化剂蒸汽还可能在衬底边缘尤其是衬底下部反应成膜，造成衬底边缘和下部的污染，最终污染衬底表面和腔室其它部位。另外，诸如阀门和密封处的泄露，尤其是ALD工艺中很小的泄露都会严重影响工艺结果，并给工艺控制带来更多挑战。因此，需要对现有的ALD工艺和传输系统加以优化以应对这些挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新型氧化铝原子层沉积装置及其沉积方法，以实现减少铝的前驱体和氧化剂在铝的前驱体传输管路和氧化剂传输管路的残留，减少甚至避免在腔室内发生非预期的反应，同时通过管路优化，减少由于腔室阀门开关过程中产生的颗粒，从而减少腔室污染，降低薄膜所含杂质。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种新型氧化铝原子层沉积装置，包括：反应腔室，其设有与反应腔室连接的腔室阀门，还设有与反应腔室连接的真空泵；腔室压强维持管路，其一端连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路；铝的前驱体传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与铝的前驱体传输管路之间还并联设有用于装载铝的前驱体的源瓶；氧化剂传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与氧化剂传输管路之间还并联设有用于装载氧化剂的源瓶；腔室阀门吹扫管路，其一端连接腔室阀门，另一端连接载气及吹扫气体管路；载气及吹扫气体管路，连接载气及吹扫气体源，并分别通向腔室压强维持管路、铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路及腔室阀门吹扫管路。优选地，所述载气及吹扫气体管路、腔室压强维持管路、腔室阀门吹扫管路上分别设有质量流量控制器。优选地，所述铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路、腔室压强维持管路、腔室阀门吹扫管路上分别设有控制阀。优选地，所述铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路上分别设有连接真空泵的排气分路，所述排气分路上设有控制阀。本专利技术还提供了一种新型氧化铝原子层沉积方法，使用上述的新型氧化铝原子层沉积装置，包括以下步骤：步骤S01：对原子层沉积装置的所有管路及反应腔室进行气体预吹扫；步骤S02：向反应腔室通入由载气携带的铝的前驱体；步骤S03：对反应腔室进行抽真空；步骤S04：对铝的前驱体传输管路及反应腔室进行气体吹扫；步骤S05：对反应腔室进行抽真空；步骤S06：向反应腔室通入由载气携带的氧化剂；步骤S07：对反应腔室进行抽真空；步骤S08：对氧化剂传输管路及反应腔室进行气体吹扫；步骤S09：对反应腔室进行抽真空。优选地，重复所述步骤S01至S09，直至氧化铝厚度达到要求。优选地，步骤S02中，向载气及吹扫气体管路通入一定流量的惰性气体作为载气，进入装载铝的前驱体的源瓶，携带经过加热控温的铝的前驱体蒸汽进入铝的前驱体传输管路，并汇入腔室压强维持管路，与腔室压强维持管路通入的一定流量的惰性气体混合进入反应腔室，以保持反应腔室的压强。优选地，步骤S03中，通过限制铝的前驱体传输管路中载气的流量和腔室压强维持管路中气体的流量来实现对反应腔室的抽真空。优选地，步骤S05中，当反应腔室的压强持续缓慢降低时，重复执行步骤S04。当腔室阀门开关时，通过向腔室阀门吹扫管路中通入惰性气体作为吹扫气体，对腔室阀门的开口区域进行吹扫。本专利技术具有以下优点：1)在ALD反应中通过多次将腔室和管路抽真空，有效清除了前驱体和氧化剂在管路和腔室壁的残留，从而降低了非预期反应的发生，降低了杂质污染，提高了薄膜的纯度，而且避免了复杂的气体处理系统。2)在腔室阀门一侧引入吹扫气体，减少了因为阀门开关带来的颗粒聚集。附图说明图1是现有的一种用于沉积氧化铝的ALD装置结构示意图；图2是现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，包括：反应腔室，其设有与反应腔室连接的腔室阀门，还设有与反应腔室连接的真空泵；腔室压强维持管路，其一端连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路；铝的前驱体传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与铝的前驱体传输管路之间还并联设有用于装载铝的前驱体的源瓶；氧化剂传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与氧化剂传输管路之间还并联设有用于装载氧化剂的源瓶；腔室阀门吹扫管路，其一端连接腔室阀门，另一端连接载气及吹扫气体管路；载气及吹扫气体管路，连接载气及吹扫气体源，并分别通向腔室压强维持管路、铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路及腔室阀门吹扫管路。

【技术特征摘要】
1.一种新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，包括：反应腔室，其设有与反应腔室连接的腔室阀门，还设有与反应腔室连接的真空泵；腔室压强维持管路，其一端连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路；铝的前驱体传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与铝的前驱体传输管路之间还并联设有用于装载铝的前驱体的源瓶；氧化剂传输管路，其一端通过腔室压强维持管路连接反应腔室，另一端连接载气及吹扫气体管路，所述载气及吹扫气体管路与氧化剂传输管路之间还并联设有用于装载氧化剂的源瓶；腔室阀门吹扫管路，其一端连接腔室阀门，另一端连接载气及吹扫气体管路；载气及吹扫气体管路，连接载气及吹扫气体源，并分别通向腔室压强维持管路、铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路及腔室阀门吹扫管路。2.根据权利要求1所述的新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，所述载气及吹扫气体管路、腔室压强维持管路、腔室阀门吹扫管路上分别设有质量流量控制器。3.根据权利要求1所述的新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，所述铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路、腔室压强维持管路、腔室阀门吹扫管路上分别设有控制阀。4.根据权利要求1所述的新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，所述铝的前驱体传输管路、氧化剂传输管路上分别设有连接真空泵的排气分路，所述排气分路上设有控制阀。5.一种新型氧化铝原子层沉积方法，使用权利要求1所述的新型氧化铝原子层沉积装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦海丰，李春雷，纪红，赵雷超，
申请(专利权)人：北京北方华创微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11