[发明专利]原子层沉积设备及方法

说明书

本发明公开了一种原子层沉积设备及方法。该设备包括反应腔室和气体传输系统；所述气体传输系统包括前驱体传输管路、前驱体吹扫管路、连接管路、与所述前驱体传输管路可通断性连接的前驱体源瓶，以及设置在与所述前驱体源瓶的出口连接的前驱体传输管路上的气体存储器；所述前驱体传输管路和所述前驱体吹扫管路共同汇入所述反应腔室；所述连接管路可通断性连接所述前驱体传输管路和所述前驱体吹扫管路。本发明通过在与前驱体源瓶出口连接的前驱体传输管路段内增加气体存储器，保证了对腔室反应的气体有效均匀的供给，并且降低了前驱体源瓶出口处的管路内的高压。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，具体地，涉及一种原子层沉积设备及方法。

背景技术

原子层沉积(ALD，Atomic layer deposition)是通过将气相前驱体交替通入反应腔室并发生化学反应而形成沉积膜的一种方法，该方法可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面。ALD反应是自限制反应，即ALD的半反应(half reactions)一直进行到可以获得的反应位置(reaction sites)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是因为表面反应位置是反应的关键要素，并被反应所消耗。

在ALD方法沉积薄膜中，对反应气体传输和颗粒控制的挑战性大，尤其是对于氮化钛(TiN)、氧化铝(Al₂O₃)等的沉积过程中。因此，对于诸如TiN等材料沉积的ALD设备的重复性以及良好的颗粒控制能力非常重要。

例如，ALD方法制备TiN的前驱体主要包括钛的卤化物如氯化钛(TiCl₄)和有机金属钛化合物，如TDMAT(tetrakis diethyl-amino titanium)和TEMAT(tetrakis ethyl-methyl-amino titanium)。有机金属钛化合物主要缺点之一是它的热稳定性差，采用该前驱体具有挑战性。这些化合物中的一些可能在源容器中就发生分解，因为分解和挥发的温度窗口几乎不存在。例如，TDMAT发现在120℃已经分解，分解的结果造成薄膜均匀性和薄膜厚度控制变差，薄膜电阻高；而且，薄膜分解后碳和氧残留浓度通常非常高，必须有后处理以降低碳浓度和改善薄膜密度。

TiCl₄不仅热稳定性非常好，而且它的蒸汽压高，在室温下就能挥发，沉积的薄膜电阻低。在ALD反应制备TiN中，脉冲通入的TiCl₄和NH₃在腔室的衬底表面上形成了TiN薄膜：

6TiCl₄+8NH₃＝6TiN+N₂+24HCl (1)

然而，在制备TiN的ALD反应中，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。在ALD制备TiN中，除了形成TiN外，还可能形成形成NH₄Cl、TiCl₄.nNH₃(n＝2,4,8等)、TiN_xCl_y等。对于形成TiN薄膜来说，其余三种物质都是颗粒物质的来源，需要尽量减少甚至避免。