專利名稱：遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體技術(shù)及原子層沉積設(shè)備裝置，尤其涉及一種遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置。
背景技術(shù)：
原子層沉積(ALD)和等離子體增強(qiáng)原子層沉積(PEALD)已經(jīng)作為22nm技術(shù)代集成電路制造COMS器件生產(chǎn)線前端(FEOL)中超薄柵極膜的制備和生產(chǎn)線后端(BEOL)中金屬超薄阻擋層的制備，以及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、光電子材料和器件、存儲器介電層、平板顯示器等方面的超薄介質(zhì)層的制備。在ALD中，兩種或者多種處理氣體，諸如膜前驅(qū)體和還原(氧化)氣體，被交替和順序的引入到反應(yīng)腔室，在加熱的襯底表面以一次形成一個(gè)單原子層的方式形成超薄膜材料。在PEALD中，在引入還原(氧化)氣體的過程中形成等離子體， 以形成還原(氧化)性氣氛等離子體。PEALD擴(kuò)展了 ALD對沉積前驅(qū)體的選擇范圍和減少了原子層沉積循環(huán)時(shí)間，而且降低了反應(yīng)的沉積溫度，尤其適合于對溫度敏感材料的沉積。目前PEALD中采用的等離子體的產(chǎn)生方式主要有射頻放電和微波放電，微波放電與射頻放電相比具有等離子體密度高、無極放電無污染等優(yōu)點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高。射頻放電根據(jù)放電電極結(jié)構(gòu)可以分為電容耦合放電和電感耦合放電。其中電容耦合放電有直接平板電容耦合放電、遠(yuǎn)程平板電容耦合放電。采用射頻電容放電的方式無論是直接等離子體還是遠(yuǎn)程等離子體都會存在由于電極放電所產(chǎn)生的電極雜質(zhì)帶來對沉積薄膜的污染，從而極大的影響器件的性能。電感耦合等離子體由于放電感應(yīng)線圈在真空室外部，從而避免了電極的污染問題。同時(shí)，為了使等離子體的產(chǎn)生過程與引入的氧化或還原性氣體脈沖時(shí)間相匹配， 等離子體在一個(gè)ALD沉積周期過程中也以脈沖的方式進(jìn)行。目前脈沖等離子體的產(chǎn)生方式一般是在ALD反應(yīng)腔室上方先形成穩(wěn)態(tài)等離子體源，在穩(wěn)態(tài)等離子體源與ALD反應(yīng)腔室間使用隔板閥阻斷等離子體向下擴(kuò)散。通過對隔板閥的脈沖控制形成向下擴(kuò)散的脈沖等離子體。由于ALD每一個(gè)沉積周期所需要的時(shí)間很短，隔板閥長時(shí)間的往復(fù)運(yùn)動會使隔板閥上沉積的顆粒物掉落在樣品臺上帶來額外的污染。而采用延時(shí)器控制形成的射頻脈沖等離子體方案中，由于等離子體的引入是在引入一種前驅(qū)體并吹掃多余前驅(qū)體之后，不但等離子體的產(chǎn)生時(shí)間需要根據(jù)引入的前驅(qū)體的時(shí)間來設(shè)定延時(shí)時(shí)間，而且由于延時(shí)器的時(shí)間誤差，在經(jīng)過多個(gè)PEALD循環(huán)后，累計(jì)時(shí)間誤差將會使等離子體的產(chǎn)生不能同步在前驅(qū)體完全吹掃干凈之后，甚至可能與前驅(qū)體同步產(chǎn)生，從而導(dǎo)致PEALD工藝失敗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以避免等離子體對沉積薄膜的污染、提高薄膜的沉積速率和降低沉積溫度，同時(shí)等離子體的產(chǎn)生與前驅(qū)體的凈化時(shí)間順序精確匹配的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置。為達(dá)到發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述真空系統(tǒng)包括真空反應(yīng)腔室，所述真空反應(yīng)腔室上分別連接有進(jìn)氣管路和真空泵，所述真空反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)有放置樣品的樣品臺；
所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應(yīng)腔室上的石英管，所述石英管外繞設(shè)有感應(yīng)線圈，所述感應(yīng)線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；
所述前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)包括連接在進(jìn)氣管路上的前驅(qū)體源瓶，所述前驅(qū)體源瓶與進(jìn)氣管路的連接管路上設(shè)有快速ALD電磁閥和手動隔膜閥； 所述加熱系統(tǒng)設(shè)置在樣品臺、進(jìn)氣管路、泵線管路上；
所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC與計(jì)算機(jī)組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。進(jìn)一步，所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅(qū)體在樣品表面飽和吸附和真空反應(yīng)腔室內(nèi)凈化完畢后，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅(qū)體凈化時(shí)間的完成與否來判斷是否需要產(chǎn)生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時(shí)間。進(jìn)一步，所述進(jìn)氣管路上設(shè)有控制充入氣體流量的質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥，所述質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥與PLC連接。進(jìn)一步，所述真空泵通過泵線管路與真空反應(yīng)腔室連接，所述泵線管路上設(shè)有泵線氣動閥和監(jiān)測壓力的真空計(jì)，所述泵線氣動閥和真空計(jì)與PLC連接。進(jìn)一步，所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。進(jìn)一步，所述樣品臺下表面與真空反應(yīng)腔室抽氣口相距2(T50mm，與真空反應(yīng)腔室內(nèi)上表面相距4(T80mm，與真空反應(yīng)腔室內(nèi)壁相距2(T40mm。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，真空系統(tǒng)通過真空泵由泵氣管路將真空反應(yīng)腔室的本底壓力抽至0. ΟΓΙΡβ,由進(jìn)氣管路充入惰性氣體氬氣或者氦氣至工藝壓力l(Tl00Pa，真空反應(yīng)腔室的壓力由真空計(jì)監(jiān)測。充入氣體的流量由質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥控制，充入氣體的流量為5 50sccmo遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)中脈沖射頻電源的頻率是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用的13. 56MHz，射頻功率為(T300W，脈沖頻率為廣120s。該脈沖射頻電源配備阻抗匹配系統(tǒng)并與石英管外的感應(yīng)線圈直接相連，同時(shí)石英管通過氟膠密封圈與真空反應(yīng)腔室連接，石英管距離樣品臺上表面的距離為4(T60mm。通過調(diào)節(jié)阻抗匹配系統(tǒng)中電容和電感的大小使射頻的能量完全耦合到石英管內(nèi)等離子體，石英管內(nèi)等離子體擴(kuò)散到真空反應(yīng)腔室內(nèi)樣品臺上方形成遠(yuǎn)程等離子體。等離子體是在第一種前驅(qū)體在樣品表面飽和吸附和真空反應(yīng)腔室內(nèi)凈化完畢后開始。脈沖等離子體的引入是通過在軟件中采用模擬量控制，在沉積配方中根據(jù)前驅(qū)體凈化時(shí)間的完成與否來判斷是否需要產(chǎn)生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時(shí)間。這樣等離子體的產(chǎn)生時(shí)間與前驅(qū)體的凈化時(shí)間順序在整個(gè)ALD循環(huán)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)高度的精確匹配。前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)是前驅(qū)體源從前驅(qū)體源瓶揮發(fā)出來后由質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥控制的載氣經(jīng)過進(jìn)氣管路帶入到真空反應(yīng)腔室；為了阻止前驅(qū)體源在進(jìn)氣管路內(nèi)壁的沉積和快速凈化反應(yīng)腔室需要對進(jìn)氣管路進(jìn)行加熱。
加熱系統(tǒng)設(shè)置在樣品臺、泵線管路和進(jìn)氣管路，由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成；其中樣品臺的溫度加熱范圍為25、00°C，泵氣管路的溫度加熱范圍為25 20(TC，進(jìn)氣管路的溫度加熱范圍為25 200°C。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC和計(jì)算機(jī)組成，用于監(jiān)測和控制加熱的溫度、質(zhì)量流量計(jì)的流量、射頻功率和真空度等參數(shù)以及電磁閥和射頻電源的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體源的交替引入、凈化、遠(yuǎn)程脈沖等離子體的產(chǎn)生和薄膜沉積。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)減少PEALD中脈沖等離子體源對沉積薄膜的污染、提高薄膜沉積的速率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了等離子體的產(chǎn)生時(shí)間與前驅(qū)體的凈化時(shí)間在整個(gè)ALD循環(huán)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)高度的精確匹配。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不將本發(fā)明局限于這些具體實(shí)施方式
。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。參照圖1，遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空反應(yīng)腔室9，所述真空反應(yīng)腔室9上分別連接有進(jìn)氣管路5和真空泵15，所述真空反應(yīng)腔室9內(nèi)設(shè)有放置樣品10的樣品臺11 ；
所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應(yīng)腔室9上的石英管6，所述石英管6外繞設(shè)有感應(yīng)線圈7，所述感應(yīng)線圈7上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源8 ；
所述前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)包括連接在進(jìn)氣管路5上的前驅(qū)體源瓶4，所述前驅(qū)體源瓶4與進(jìn)氣管路5的連接管路上設(shè)有快速ALD電磁閥3和手動隔膜閥； 所述加熱系統(tǒng)設(shè)置在樣品臺11、進(jìn)氣管路5、泵線管路13上；
所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC16與計(jì)算機(jī)17組成，所述PLC16與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥3、脈沖射頻電源8連接。所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅(qū)體在樣品表面飽和吸附和真空反應(yīng)腔室內(nèi)凈化完畢后，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅(qū)體凈化時(shí)間的完成與否來判斷是否需要產(chǎn)生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時(shí)間。所述進(jìn)氣管路5上設(shè)有控制充入氣體流量的質(zhì)量流量計(jì)1和吹掃氣動閥2，所述質(zhì)量流量計(jì)1和吹掃氣動閥3與PLC16連接。所述真空泵15通過泵線管路13與真空反應(yīng)腔室9連接，所述泵線管路13上設(shè)有泵線氣動閥14和監(jiān)測壓力的真空計(jì)12，所述泵線氣動閥14和真空計(jì)12與PLC16連接。所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。所述樣品臺11下表面與真空反應(yīng)腔室9抽氣口相距2(T50mm，與真空反應(yīng)腔室9 內(nèi)上表面相距4(T80mm，與真空反應(yīng)腔室9內(nèi)壁相距2(T40mm。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思，真空系統(tǒng)通過真空泵15由泵氣管路13將真空反應(yīng)腔室9的本底壓力抽至0. ΟΓΙΡβ,由進(jìn)氣管路5充入惰性氣體氬氣或者氦氣至工藝壓力l(TlOOPa， 真空反應(yīng)腔室9的壓力由真空計(jì)12監(jiān)測。充入氣體的流量由質(zhì)量流量計(jì)1和吹掃氣動閥 2控制，充入氣體的流量為5 50sCCm。遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)中脈沖射頻電源8的頻率是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用的13. 56MHz, 射頻功率為(T300W，脈沖頻率為廣120s。該脈沖射頻電源8配備阻抗匹配系統(tǒng)并與石英管 6外的感應(yīng)線圈7直接相連，同時(shí)石英管6通過氟膠密封圈與真空反應(yīng)腔室9連接，石英管 6距離樣品臺11上表面的距離為4(T60mm。通過調(diào)節(jié)阻抗匹配系統(tǒng)中電容和電感的大小使射頻的能量完全耦合到石英管6內(nèi)等離子體，石英管6內(nèi)等離子體擴(kuò)散到真空反應(yīng)腔室9 內(nèi)樣品臺11上方形成遠(yuǎn)程等離子體。等離子體的引入是在第一種前驅(qū)體在樣品10表面飽和吸附和真空反應(yīng)腔室9內(nèi)凈化完畢后開始。等離子體的引入通過PLC16和計(jì)算機(jī)17來控制其產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)和工作時(shí)間。前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)是前驅(qū)體源從前驅(qū)體源瓶4揮發(fā)出來后由質(zhì)量流量計(jì)1和吹掃氣動閥2控制的載氣經(jīng)過進(jìn)氣管路5帶入到真空反應(yīng)腔室9 ；為了阻止前驅(qū)體源在進(jìn)氣管路5內(nèi)壁的沉積和快速凈化反應(yīng)腔室需要對進(jìn)氣管路5進(jìn)行加熱。加熱系統(tǒng)設(shè)置在樣品臺11、泵線管路13和進(jìn)氣管路5，由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成；其中樣品臺11的溫度加熱范圍為25、00°C，泵氣管路13的溫度加熱范圍為 25 200°C，進(jìn)氣管路5的溫度加熱范圍為25 200°C。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC16和計(jì)算機(jī)17組成，用于監(jiān)測和控制加熱的溫度、質(zhì)量流量計(jì)1的流量、射頻功率和真空度等參數(shù)以及電磁閥和射頻電源的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)前驅(qū)體源的交替引入、凈化、遠(yuǎn)程脈沖等離子體的產(chǎn)生和薄膜沉積。
權(quán)利要求
1.遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述真空系統(tǒng)包括真空反應(yīng)腔室，所述真空反應(yīng)腔室上分別連接有進(jìn)氣管路和真空泵，所述真空反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)有放置樣品的樣品臺；所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應(yīng)腔室上的石英管，所述石英管外繞設(shè)有感應(yīng)線圈，所述感應(yīng)線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；所述前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)包括連接在進(jìn)氣管路上的前驅(qū)體源瓶，所述前驅(qū)體源瓶與進(jìn)氣管路的連接管路上設(shè)有快速ALD電磁閥和手動隔膜閥；所述加熱系統(tǒng)設(shè)置在樣品臺、進(jìn)氣管路、泵線管路上；所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC與計(jì)算機(jī)組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，其特征在于所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅(qū)體在樣品表面飽和吸附和真空反應(yīng)腔室內(nèi)凈化完畢后，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅(qū)體凈化時(shí)間的完成與否來判斷是否需要產(chǎn)生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，其特征在于所述進(jìn)氣管路上設(shè)有控制充入氣體流量的質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥，所述質(zhì)量流量計(jì)和吹掃氣動閥與PLC連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，其特征在于所述真空泵通過泵線管路與真空反應(yīng)腔室連接，所述泵線管路上設(shè)有泵線氣動閥和監(jiān)測壓力的真空計(jì)，所述泵線氣動閥和真空計(jì)與PLC連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，其特征在于所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，其特征在于所述樣品臺下表面與真空反應(yīng)腔室抽氣口相距2(T50mm，與真空反應(yīng)腔室內(nèi)上表面相距4(T80mm，與真空反應(yīng)腔室內(nèi)壁相距2(T40mm。
全文摘要
遠(yuǎn)程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強(qiáng)原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空反應(yīng)腔室，所述真空反應(yīng)腔室上連接有進(jìn)氣管路和真空泵，所述真空反應(yīng)腔室內(nèi)設(shè)有放置樣品的樣品臺；所述遠(yuǎn)程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應(yīng)腔室上的石英管，所述石英管外繞設(shè)有感應(yīng)線圈，所述感應(yīng)線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；所述前驅(qū)體源輸運(yùn)系統(tǒng)包括連接在進(jìn)氣管路上的前驅(qū)體源瓶，所述前驅(qū)體源瓶與進(jìn)氣管路的連接管路上設(shè)有快速ALD電磁閥；所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由PLC與計(jì)算機(jī)組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。
文檔編號C23C16/52GK102400113SQ20111041594
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者萬軍, 夏洋, 李超波, 江瑩冰, 趙珂杰, 陳波, 饒志鵬, 黃成強(qiáng) 申請人:嘉興科民電子設(shè)備技術(shù)有限公司