專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種原子層薄膜淀積設(shè)備和工藝，特別涉及一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝，屬于薄膜淀積和應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
常規(guī)的原子層淀積(Atomic Layer Deposition,簡(jiǎn)稱(chēng)ALD)設(shè)備和工藝,是一種通過(guò)氣固反應(yīng)淀積薄膜的技術(shù)。其中每一步淀積薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程都是自限制的。它的最大特點(diǎn)是每個(gè)步驟僅生長(zhǎng)或吸附一個(gè)單原子層[I]。因此原子層淀積設(shè)備和工藝在控制薄膜的均勻性、厚度以及薄膜組分等方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是原子層淀積的生產(chǎn)批量小和成本高，成為實(shí)際使用中的最大障礙。
常規(guī)的低壓熱壁密集裝片化學(xué)氣相淀積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,簡(jiǎn)稱(chēng)LPCVD)設(shè)備和工藝,也是一種通過(guò)氣固反應(yīng)淀積薄膜的技術(shù)。它的特點(diǎn)是采用低壓熱壁密集裝片達(dá)到低成本和高產(chǎn)量的優(yōu)點(diǎn)[2 — 3]。但是在控制薄膜的均勻性、 厚度以及薄膜組分等方面沒(méi)有自限制單原子層的特點(diǎn)，達(dá)不到日益增長(zhǎng)的集成電路工藝的一些高要求。
隨著超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是進(jìn)入深亞微米技術(shù)后，傳統(tǒng)的薄膜設(shè)備和工藝出現(xiàn)了一系列的新問(wèn)題，諸如深溝道比的填充，反應(yīng)副產(chǎn)物的及時(shí)清除等。低壓熱壁密集裝片的原子層淀積設(shè)備和工藝具有低成本、生產(chǎn)批量大、均勻性好、深溝道比的填充，及反應(yīng)副產(chǎn)物的及時(shí)清除等[4]，它可成為在工業(yè)生產(chǎn)中使用的一種新的薄膜設(shè)備和工藝。
參考文獻(xiàn)[1]T. Suntola, J. Anston, Method for producing compound thin films[P]， US Patents,4058430,1977-11-15.[2]R. Chruma, P. G. Hilton, System and process for deposition of polycrystalline si I icon with si lane in vaccum[P], US Patents,3 900 597, 1975-08-19.[3]R. S. Rosier, Solid State Technology [J] 1977,20(4) 63.[4]J. E. J. Schmitz, Chemical Vapor Deposition of Tungsten and Tungsten Silicides for VLSI/USLI Applications, Park Ridge, NJ, Noyes Publications, 1991。發(fā)明內(nèi)容
為了改善現(xiàn)有的薄膜淀積設(shè)備和工藝，本發(fā)明的目的在于提出一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝。
本發(fā)明提出的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，包括脈沖氣源101、陪片102、 襯底片103、反應(yīng)管105、加熱爐組106和襯底片密集支架107，所述反應(yīng)管105位于加熱爐組106內(nèi)，反應(yīng)管105采用熱壁加熱低壓的反應(yīng)爐管，加熱爐組106為環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以是一段或多段控溫以達(dá)到合理的溫度分布；位于反應(yīng)管105內(nèi)的襯底片103采用密集裝片的方式布置，各襯底片103平面相互平行放置于襯底片密集支架107上，相鄰襯底片103之間的間隔為1-30毫米，各襯底片103的平面方向和反應(yīng)氣流的方向基本保持垂直；反應(yīng)管105 靠近氣流入口處以及最遠(yuǎn)離氣流入口處設(shè)有陪片102，所述陪片102位于襯底片密集支架 107上；反應(yīng)管105內(nèi)壁和襯底片103的四周設(shè)有2-40毫米寬度的氣體通道104 ;反應(yīng)管 105 一端為脈沖氣源101的入口端，所述脈沖氣源101入口端連接閥門(mén)；所述脈沖氣源采用組合氣體，通過(guò)依次打開(kāi)不同的閥門(mén)，使組合氣體以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管中。
本發(fā)明中，所述加熱爐組106連接電源。
本發(fā)明中，所述反應(yīng)管105 —端為脈沖氣源101的入口端，而另一端連接抽氣系統(tǒng)。
本發(fā)明中，所述反應(yīng)管105的材質(zhì)是用石英、玻璃、陶瓷、碳化硅或金屬。
本發(fā)明中，所述每個(gè)襯底片密集支架107上的襯底片103的數(shù)量為3-500片。
本發(fā)明中，反應(yīng)氣體在低壓中密集裝片的反應(yīng)管中流動(dòng)時(shí)形成氣流的渦流模式， 以此來(lái)達(dá)到密集裝片的襯底表面有均勻的氣體環(huán)境。陪片不是真正的生產(chǎn)用的襯底片，它的目的就是保證其他生產(chǎn)用的襯底片都處于均勻的氣體環(huán)境中，并得到均勻的薄膜淀積。
本發(fā)明提出的一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備的操作工藝，具體步驟如下(1)開(kāi)啟加熱爐組的電源，使加熱爐組的一段或多段達(dá)到所要求的溫度分布；(2)在襯底片密集支架上安裝需要淀積薄膜的襯底片，在襯底片密集支架的兩端安裝非生產(chǎn)用的陪片；(3)把裝好襯底片的襯底片密集支架放入反應(yīng)管中，反應(yīng)管和加熱爐組可以是水平方向或垂直于地面的直立方向等；(4)關(guān)閉好反應(yīng)管的爐門(mén)，連接真空泵的抽氣系統(tǒng)，使反應(yīng)管內(nèi)的壓強(qiáng)降低，通過(guò)依次打開(kāi)不同的閥門(mén)，使組合氣體以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管中，若需要淀積的薄膜是由AB 兩種原子組成，或是由A和B兩種氣體反應(yīng)生成，反應(yīng)氣體依次是A種成分氣體、惰性氣體、 B種成分氣體、惰性氣體，四步一個(gè)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)A和B的原子層淀積，或A和B兩種成分反應(yīng)的原子層淀積，而其中每一步都必須使垂直于氣流密集裝片的多量襯底片得到均勻的淀積覆蓋；(5)完成一定循環(huán)次數(shù)的原子層淀積后取出襯底片密集支架上的襯底片，結(jié)束一次工藝流程。
本發(fā)明中，所述反應(yīng)管內(nèi)的壓力為幾帕到幾千帕。
利用本發(fā)明工藝方法得到的薄膜淀積的片內(nèi)均勻性達(dá)到土(O. 1_10)%。(片內(nèi)均勻性即片內(nèi)的厚度偏差)。
本發(fā)明中，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤獾取?br> 本發(fā)明中，所述反應(yīng)氣體在A和B組合氣源的基礎(chǔ)上，可以增加反應(yīng)組合氣體源A’ 和B’，以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管，以形成復(fù)合的原子層淀積薄膜。
本低壓熱壁密集裝片的原子層薄膜淀積設(shè)備和工藝，利用低壓密集裝片、形成氣流的渦流模式、和單原子層吸附自限制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大批量、低成本和高度的均勻性薄膜淀積。


圖I為低壓熱壁密集裝片密集裝片原子層淀積反應(yīng)區(qū)的綜合示意圖。
圖2為低壓熱壁密集裝片密集裝片原子層淀積反應(yīng)區(qū)的截面示意圖。
圖3為低壓熱壁密集裝片密集裝片原子層淀積氣流渦流模式示意圖。
圖4為反應(yīng)組合氣體交替脈沖氣流的時(shí)間序列示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)101為脈沖氣源，102為非生產(chǎn)用的陪片，103為襯底片，104為爐管內(nèi)壁和襯底片間的氣體通道，105為反應(yīng)管，106為加熱爐組，107為襯底片密集支架。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。在圖中，為了方便說(shuō)明，放大或縮小了不同部分的尺寸或時(shí)間的長(zhǎng)短，所示大小并不代表實(shí)際尺寸或時(shí)間的長(zhǎng)短，也不反映尺寸或時(shí)間的比例關(guān)系。
參考圖是本發(fā)明的實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示部件的特定形狀，比如自動(dòng)裝片的支架下方需要增加懸臂引起的偏心。但在本發(fā)明實(shí)施例的截面示意圖中，以同心圓表示，但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明的范圍。同時(shí)在下面的描述中，所使用的術(shù)語(yǔ)襯底片可以理解為圓形的硅片，對(duì)其它類(lèi)型的襯底片需作相應(yīng)的變化。
實(shí)施例I :氧化鋁(Al3O2)的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝如圖I，提供一個(gè)低壓熱壁密集裝片密集裝片原子層淀積反應(yīng)區(qū)的綜合示意圖。它包括一個(gè)反應(yīng)組合氣體交替脈沖氣源101、一個(gè)低壓反應(yīng)管105、一個(gè)加熱爐組106、垂直于氣流方向的襯底片103，一個(gè)襯底片密集支架107 ;所述的反應(yīng)組合氣體源為A和B，且兩種氣源以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管105內(nèi)；如再增加反應(yīng)組合氣體源為A’和B’，也以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)爐管，以形成復(fù)合的原子層淀積薄膜。
在A、B兩種氣源交替脈沖進(jìn)入反應(yīng)爐管的間隔中通入不參與反應(yīng)的惰性氣體，以清除反應(yīng)腔體中多余的A或B以及反應(yīng)副產(chǎn)物。其目的是避免A、B兩種氣體成分直接發(fā)生反應(yīng)淀積，同時(shí)排除了反應(yīng)副產(chǎn)物的不良影響。
所述低壓反應(yīng)管105的截面形狀和需要淀積的襯底片103的形狀相似并且略大， 確保襯底片103四周氣體通道基本均勻，寬度為2-40毫米。所述的反應(yīng)管105的材質(zhì)是用石英、玻璃、陶瓷、碳化硅或金屬中任一種。各襯底片103平面都是相互平行的，同時(shí)各襯底片103之間的間隔為1-30毫米。
具體步驟如下開(kāi)啟加熱爐組106的電源，使加熱爐組106的多段都達(dá)到約300°C的均勻溫度分布； 在襯底片密集支架107上安裝需要淀積薄膜的10片襯底片103，在襯底片密集支架 107的兩端是各裝3片非生產(chǎn)用的陪片102 ；把裝好襯底片的襯底片密集支架107放入反應(yīng)管105中；封閉反應(yīng)管105的爐門(mén)，連接真空泵的抽氣系統(tǒng)，使反應(yīng)管105內(nèi)的壓強(qiáng)降低到10帕 (Pa)以下；以下反應(yīng)組合氣體交替脈沖氣源101都是以突然開(kāi)啟或突然停止的方式進(jìn)入反應(yīng)管，反應(yīng)管105內(nèi)的壓強(qiáng)基本上保持恒定，例如約200帕(Pa)先通入三甲基鋁[Tri-Methyl Alumiun, (CH3)3Al簡(jiǎn)稱(chēng)TMA]或(N2) (TMA +惰性氣體) 的混合物作為A種氣體進(jìn)入反應(yīng)管，TMA中的鋁原子(Al)和襯底表面羥基(HO-)中的氧原子(O)反應(yīng)生成甲基鋁氧基[(CH3)2AlO-或CH3Al (O-)2]吸附于襯底表面，同時(shí)釋放出甲烷 (CH4)副產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間達(dá)到接近自限制程度，例如約5秒鐘以后，變更閥門(mén)停止TMA氣流的進(jìn)入；切換為氮?dú)?N2)作為惰性氣體進(jìn)入反應(yīng)管，清除殘余的TMA以及副產(chǎn)物CH4以后，例如持續(xù)10秒鐘，變更閥門(mén)停止N2氣流的進(jìn)入；切換為水汽(H2O)或(H2O+惰性氣體)的混合物作為B種氣體進(jìn)入反應(yīng)管，使反應(yīng)吸附于襯底表面甲基鋁氧基中的甲基和H2O反應(yīng)生成表面的羥基，同時(shí)釋放出CH4副產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間達(dá)到接近自限制程度，例如約5秒鐘以后，變更閥門(mén)停止H2O氣流的進(jìn)入；切換為氮?dú)?N2)作為惰性氣體進(jìn)入反應(yīng)管，清除殘余的H2O以及副產(chǎn)物CH4以后，例如持續(xù)10秒鐘，變更閥門(mén)停止N2氣流的進(jìn)入；這四步作為一個(gè)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁原子(Al)和氧原子(O)交替的原子層淀積，并其中氣流形成渦流模式使垂直于氣流密集裝片的多量襯底片得到均勻的淀積覆蓋；重復(fù)以上的循環(huán)來(lái)達(dá)到所要求的Al3O2薄膜厚度后，抽空反應(yīng)管，充入N2到接近常壓； 打開(kāi)爐門(mén)取出襯底片支架及襯底片，結(jié)束一次工藝流程。
如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構(gòu)成許多有很大差別的實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，除了如所附的權(quán)利要求，本發(fā)明不限于在說(shuō)明書(shū)中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于包括脈沖氣源(101)、陪片(102)、襯底片(103)、反應(yīng)管(105)、加熱爐組(106)和襯底片密集支架(107)，所述反應(yīng)管(105)位于加熱爐組(106)內(nèi)，反應(yīng)管(105)采用熱壁加熱低壓的反應(yīng)爐管，加熱爐組 (106)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，可以是一段或多段控溫以達(dá)到合理的溫度分布；位于反應(yīng)管(105)內(nèi)的襯底片(103)采用密集裝片的方式布置，各襯底片(103)平面相互平行放置于襯底片密集支架(107)上，相鄰襯底片(103)之間的間隔為1-30毫米，各襯底片(103)的平面方向和反應(yīng)氣流的方向基本保持垂直；反應(yīng)管(105)靠近氣流入口處以及最遠(yuǎn)離氣流入口處設(shè)有陪片(102)，所述陪片(102)位于襯底片密集支架(107)上；反應(yīng)管(105)內(nèi)壁和襯底片(103)的四周設(shè)有2-40毫米寬度的氣體通道(104);反應(yīng)管(105)—端為脈沖氣源(101) 的入口端，所述脈沖氣源(101)入口端連接閥門(mén)；所述脈沖氣源采用組合氣體，通過(guò)依次打開(kāi)不同的閥門(mén)，使組合氣體以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于所述加熱爐組(106)連接電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于所述反應(yīng)管 (105)另一端連接抽氣系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于所述反應(yīng)管 (105)的材質(zhì)是用石英、玻璃、陶瓷、碳化硅或金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于所述每個(gè)襯底片密集支架(107)上的襯底片(103)的數(shù)量為3-500片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備，其特征在于反應(yīng)氣體在低壓中密集裝片的反應(yīng)管中流動(dòng)時(shí)形成氣流的渦流模式，以此來(lái)達(dá)到密集裝片的襯底表面有均勻的氣體環(huán)境。
7.—種如權(quán)利要求I所述的低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備的操作工藝，其特征在于具體步驟如下(1)開(kāi)啟加熱爐組的電源，使加熱爐組的一段或多段達(dá)到所要求的溫度分布；(2)在襯底片密集支架上安裝需要淀積薄膜的襯底片，在襯底片密集支架的兩端可安裝非生產(chǎn)用的陪片；(3)把裝好襯底片的襯底片密集支架放入反應(yīng)管中，反應(yīng)管和加熱爐組可以是水平方向或垂直于地面的直立方向；(4)關(guān)閉好反應(yīng)管的爐門(mén)，連接真空泵的抽氣系統(tǒng)，使反應(yīng)管內(nèi)的壓強(qiáng)降低，通過(guò)依次打開(kāi)不同的閥門(mén)，使組合氣體以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管中，若需要淀積的薄膜是由AB 兩種原子組成，或是由A和B兩種氣體反應(yīng)生成，反應(yīng)氣體依次是A種成分氣體、惰性氣體、 B種成分氣體、惰性氣體，四步一個(gè)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)A和B的原子層淀積，或A和B兩種成分反應(yīng)的原子層淀積，其中每一步都必須使垂直于氣流密集裝片的多量襯底片得到均勻的淀積覆蓋；(5)完成一定循環(huán)次數(shù)的原子層淀積后取出襯底片密集支架上的襯底片，結(jié)束一次工藝流程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于所述反應(yīng)管內(nèi)的壓力為幾帕到幾千帕。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝，其特征在于所述反應(yīng)氣體在A和B組合氣源的基礎(chǔ)上，增加反應(yīng)組合氣體源A’和B’，以交替脈沖的方式進(jìn)入反應(yīng)管，形成復(fù)合的原子層淀積薄膜。
11.一種如權(quán)利要求7所述工藝制備得到的薄膜淀積的片內(nèi)均勻性達(dá)到土(O. 1-10)%。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低壓熱壁密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝，它包括一個(gè)反應(yīng)組合氣體交替脈沖氣源、一個(gè)低壓反應(yīng)爐管、一個(gè)加熱爐組、一個(gè)垂直于氣流密集裝片組和一個(gè)襯底片支架。該低壓密集裝片原子層淀積設(shè)備和工藝?yán)玫蛪簹怏w的渦流和原子層淀積的自限制生長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)低廉的大批量、均勻原子層淀積薄膜。
文檔編號(hào)C23C16/44GK102936720SQ20121045756
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者王季陶 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)