[发明专利]具有等离子体源的原子层沉积

说明书

发明领域

本发明总的涉及具有等离子体源的沉积反应器。更具体地，但不是排他地，本发明涉及这样的沉积反应器，在其中材料通过顺序自饱和表面反应沉积在表面上。

发明背景

原子层外延（Atomic Layer Epitaxy,ALE）方法是Tuomo Suntola博士在1970年代初发明的。该方法的另一个通用名是原子层沉积（Atomic Laye Deposition,ALD），并且现在用它代替了ALE。ALD是基于向基材顺序引入至少两种反应性前体物质的特殊的化学沉积方法。所述基材位于反应空间内。反应空间通常被加热。ALD的基本生长机制依赖于化学吸附（chemisorption）与物理吸附（physisorption）之间的结合强度差异。在所述沉积过程期间，ALD利用化学吸附并消除物理吸附。化学吸附期间，在固相表面的原子和从气相抵达的分子之间形成强化学键。通过物理吸附的结合要弱的多，因为只涉及范德华力。当局部温度超过所述分子的凝结温度时，物理吸附键就很容易被热能断裂。

ALD反应器的反应空间包括能够交替和顺序地暴露于用于薄膜沉积的每种ALD前体的所有加热表面。基本的ALD沉积周期由四个顺序的步骤组成：脉冲A，吹扫A，脉冲B，和吹扫B。脉冲A通常由金属前体蒸气组成，而脉冲B由非金属前体蒸气组成，尤其是氮或氧前体蒸气。不活泼气体例如氮气或氩气、和真空泵用于在吹扫A和吹扫B期间从反应空间清除气态反应副产物和剩余的反应物分子。沉积顺序包括至少一个沉积周期。重复沉积周期，直到沉积顺序已经产生期望厚度的薄膜。

前体物质通过化学吸附与加热表面的反应性部位形成化学键。通常以一个前体脉冲期间在表面上形成不超过固体材料分子单层的方式来安排条件。因此，所述生长过程是自终结的或自饱和的。例如，第一种前体可以包括保持与所述吸附物质相连并使所述表面饱和的配位体，其阻止进一步的化学吸附。保持反应空间温度超过所使用的前体的凝结温度并低于其热分解温度，使得所述前体分子物质基本上完好地化学吸附在基材上。基本完好是指当前体分子物质化学吸附在表面上时，挥发性配位体可以离开所述前体分子。所述表面变得基本上被第一种类型的反应性部位、即第一种前体分子的吸附物质饱和。这个化学吸附步骤通常继之以第一吹扫步骤（吹扫A），其中过量的第一种前体和可能的反应副产物被从反应空间除去。然后将第二种前体蒸气引入反应空间。第二种前体分子通常与第一种前体分子的吸附物质反应，从而形成所期望的薄膜材料。一旦已经消耗了吸附的第一种前体的全部量并且所述表面已经被第二种类型的反应性部位基本饱和，则该生长终止。过量的第二种前体蒸气和可能的反应副产物蒸气然后通过第二个吹扫步骤（吹扫B）除去。然后重复所述周期，直到薄膜已经生长到所期望的厚度。沉积周期也可以更复杂。例如，所述周期可以包括被吹扫步骤分开的三个或更多个反应物蒸气脉冲。所有这些沉积周期形成了受逻辑单元或微处理器控制的定时沉积顺序。

通过ALD生长的薄膜是致密的，无针孔并具有均一的厚度。例如，从三甲基铝(CH₃)₃Al、也称为TMA和水在250-300℃通过热ALD生长的氧化铝，在100-200mm直径晶片上通常有约1%的不均一性。通过ALD生长的金属氧化物薄膜适合于栅极电介质、电致发光显示器绝缘体、磁读出头间隙的填充层、电容器电介质和钝化层。通过ALD生长的金属氮化物薄膜适合于扩散阻挡层，例如在双镶嵌结构中。

适合于在各种ALD反应器中的ALD方法的前体公开于，例如，综述R.Puurunen,Surface chemistry of atomic layer deposition:A case study for the trimethylaluminium/water process,J.Appl.Phys.,97（2005）,121301页中，所述文献通过引用并入本文。

在ALD方法中使用自由基可以获得一些优点，例如在非常低的沉积温度下使用热敏基材的可能性。在等离子体ALD反应器中，自由基由等离子体源产生。然而，使用等离子体源可能引起对沉积反应器的一定要求或特定的问题。

发明概述

根据本发明的第一个示例方面，提供了一种方法，所述方法包括：

操作等离子体原子层沉积反应器，所述反应器被构造成在反应室中在至少一个基材上通过顺序自饱和表面反应来沉积材料；和