[发明专利]具有存在反应性气体空间分离的气体输送头和通过该输送头的基材运动的形成薄膜用的方法和沉积系统

说明书

发明领域

本发明一般性涉及薄膜材料的沉积，更具体地涉及使用将同时气流引导到基材上的分配头在基材上进行原子层沉积的装置和方法。

发明背景

广泛用于薄膜沉积的技术包括使用在反应室中反应以在基材上沉积所需膜的化学反应性分子的化学气相沉积(CVD)。可用于CVD用途的分子前体包括要沉积的膜的元素(原子)成分，并且一般也包括其它元素。CVD前体是气相输送到室中以在基材上反应从而在其上形成薄膜的挥发性分子。化学反应沉积具有所需膜厚度的薄膜。

大多数CVD技术通常需要将一种或多种分子前体的良好受控流施加到CVD反应器中。使基材在受控压力条件下保持在良好受控温度下以促进这些分子前体之间的化学反应，同时有效除去副产物。获得最佳CVD性能要求能在整个过程中达到并维持气流、温度和压力的稳态条件和能尽量减少或消除瞬变现象。

尤其在半导体、集成电路和其它电子器件领域中，需要超过常规CVD技术的可实现限度的具有优异保形涂覆性能的薄膜，尤其是较高品质的较致密膜，尤其是能在较低温度下制成的薄膜。

原子层沉积(“ALD”)是与其CVD前身相比可提供改进的厚度分辨率和保形能力的可供选择的膜沉积技术。ALD法将常规CVD的常规薄膜沉积过程分割成单原子层沉积步骤。有利地，ALD步骤自终止并在进行到或超出自终止暴露时间时沉积一个原子层。原子层通常为约0.1至约0.5个分子单层，典型尺寸大约不大于几埃。在ALD中，原子层的沉积是反应性分子前体与基材之间的化学反应的结果。在各个独立的ALD反应-沉积步骤中，净反应沉积所需原子层并基本消除分子前体中最初包含的“额外”原子。在其最纯形式中，ALD在不存在其它反应前体的情况下包括各前体的吸附和反应。实际上，在任何系统中都难以避免不同前体的一定程度的直接反应，导致少量化学气相沉积反应。要求保护用于进行ALD的任何系统的目的是获得与ALD系统相称的装置性能和属性，同时承认可容许少量CVD反应。

在ALD用途中，一般将两种分子前体在单独阶段中引入ALD反应器。例如，金属前体分子ML_x包含键合到原子或分子配体L上的金属元素M。例如，M可以是但不限于Al、W、Ta、Si、Zn等。在基材表面经制备以与分子前体直接反应时，金属前体与基材反应。例如，基材表面一般经制备以包含能与金属前体反应的含氢配体AH等。硫(S)、氧(O)和氮(N)是一些典型的A物类。气态金属前体分子有效地与基材表面上的所有配体反应，以致沉积单个金属原子层：

基材-AH+ML_x→基材-AML_x-1+HL    (1)

其中HL是反应副产物。在反应期间，初始表面配体AH消耗，表面被不能进一步与金属前体ML_x反应的L配体覆盖。因此，在表面上的所有初始AH配体被AML_x-1物类替代时，反应自终止。在反应阶段后一般接着惰性气体吹扫阶段，其在单独引入第二反应物气态前体材料前从室中除去过量金属前体。

然后使用第二分子前体恢复基材对金属前体的表面反应性。这例如通过除去L配体和再沉积AH配体来进行。在这种情况下，第二前体一般包含所需(通常为非金属)元素A(即O、N、S)和氢(即H₂O、NH₃、H₂S)。下一反应如下：

基材-A-ML+AH_γ→基材-A-M-AH+HL    (2)

这将表面转化回其AH-覆盖态。(在此，为简单起见，化学反应不平衡。)将所需附加元素A引入膜，不想要的配体L作为挥发性副产物消除。该反应仍消耗反应性位点(这次为L终止位点)并且当在基材上的反应性位点完全耗尽时自终止。随后在第二吹扫阶段中通过流过惰性吹扫气体从沉积室中除去第二分子前体。

总之，随后，基本ALD法要求按顺序改变化学物质到基材的流量。如上所述，代表性的ALD法是具有四个不同操作阶段的循环：

1.ML_x反应；

2.ML_x吹扫；

3.AH_y反应；和

4.AH_y吹扫，随后回到阶段1。