CN101215692B - 多反应腔原子层沉积装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体制造装备和加工技术领域的一种多反应腔的原子层沉积装置和方法。该原子层沉积装置为A、B两相反应腔通过一个过渡腔并联在一组真空泵组上；A相反应腔、B相反应腔各自下部的反应室分别通过通道阀门和过渡腔连通，在A相反应腔、B相反应腔分别通过真空阀与各自下部的a、b反应室相通。所述沉积方法是在该装置内，集成电路的圆片在a、b反应室之间经过通道阀门来回传送，A、B两相反应交替进行，将在圆片表面逐原子层地生长出集成电路所要求厚度的纳米薄层或复合结构材料。对反应腔室的沾污小，提高淀积质量；节约反应源用量，降低工艺成本，使环境危害程度最低。

Description

多反应腔原子层沉积装置和方法
技术领域
本发明属于半导体制造装备和加工技术领域，特别涉及一种多反应腔原子层沉积装置和方法。
背景技术
原子层沉积(Atomic Layer Deposition)简称ALD，是在一个加热反应腔体中进行两相反应的淀积技术。其中第一相反应，主要是反应气相前驱体的吸附过程，该过程当表面饱和时将自动终止，而第二相反应，通过引入另外一种反应前驱体，可以在衬底圆片的表面生成一原子层的特定材料。如此一层一层地生长上去，直至材料淀积达到所需的厚度。
当前采用ALD技术可以沉积的材料包括：氧化物，氮化物，氟化物，金属，碳化物，和硫化物，可以得到它们的纳米薄层及其复合结构。在半导体制造领域，ALD可用作晶体管栅介质层(高k材料)淀积，集成电路后道工艺中的互连阻挡层，铜互连种子层等。
ALD的应用限制主要是生长速率方面的问题(由于是一个原子层，一个原子层地生长)，随着集成电路尺寸日益缩小，淀积薄膜的厚度也越来越薄，因此这一限制性的因素已不再是一个重要的问题。据预测，在集成电路制造的45nm技术节点及以后，ALD将有可能全面替代传统的CVD等淀积技术，成为IC工艺应用中的主流。
目前常规的ALD设备，均采用单腔配置，使用两个质量流量计及通断控制装置来控制腔室内的气氛，两相反应轮流进行，在每一相反应结束时，腔室抽真空，然后通入另一种反应物，进行另一相的反应。由于反复的抽真空，会造成反应源的浪费、操作时间加长，同时也会带来环境隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种多反应腔的原子层沉积装置和方法。其特征在于，
所述多反应腔的原子层沉积装置为A相反应腔、B相反应腔通过一个过渡腔13并联在一组真空泵组12上；A相反应腔下部的a反应室5通过第一通道阀门7和过渡腔13连通；B相反应腔下部的b反应室11通过第二通道阀门9和过渡腔13连通，在A相反应腔内设置贮存室隔板a和贮存室a，贮存室a通过第一真空阀与下部的a反应室相通，B相反应腔内设置b贮存室和b隔板，b贮存室通过第二真空阀与下部的b反应室相通，在各贮存室上部设置反应物进气阀。
所述多反应腔的原子层沉积方法是在该装置内，集成电路的圆片在a反应室、b反应室之间经过第一通道阀门、第二通道阀门来回传送，传送至a反应室时将发生A相反应，传送至b反应室时将发生B相反应，A、B两相反应交替进行，将在圆片表面逐原子层地生长出集成电路所要求厚度的纳米薄层或复合结构材料。
本发明的有益效果是，在多反应腔的原子层沉积装置内的圆片通过一个过渡腔，在两个反应腔之间来回移动，可以实现更好的反应控制。此外两个腔均采用了反应源复用的技术措施，可减少因抽真空造成反应源的浪费和可能的环境危害。由于两个反应腔的使用，避免了单反应腔装置中，需要反复充不同的反应源，反复抽空反应腔室的过程；可以使反应气氛更为均匀，避免了常规的单腔ALD装置的抽真空、反应、排空的反复进行过程，也避免了不同反应物残余随时间逐渐积累而造成的对反应腔室的沾污，此类沾污将会影响ALD淀积的质量。
多反应腔的原子层沉积装置在不同腔室之间用通、断阀门对反应源进行隔离，这样可以大大地节省反应源的用量；由于ALD淀积的反应源多为金属有机物，制备成本很高，对于反应源的节省能够大大地降低工艺成本。
更为重要的是，金属有机物对于环境有不良的影响，在本发明中，由于反应源绝大部分仅用于形成淀积薄膜，仅有极少量被真空泵组排出(将进行后续无害化处理)，相对于传统的单腔设备而言，本发明提出的多腔设备，将对环境损害的危险程度降低到了最小的程度，是环保型的ALD设备。
附图说明
图1为多腔ALD反应装置的***示意图。
图中符号说明：
1.是A相反应腔的反应源贮存室(本文中简称a贮存室)；
2.是B相反应腔的反应源贮存室(本文中简称b贮存室)；
3.是A相反应腔中的a隔板；
4.是B相反应腔中的b隔板；
5.是A相反应腔下面的a反应室；
6.是第一真空阀门；
7.是第一通道阀门；
8.是真空泵阀门；
9.是第二通道阀门；
10.是第二真空阀门；
11.是B相反应腔下面的b反应室；
12.是真空泵组；
13.是过渡腔；
14.是A相反应腔的a进气阀；
15.是气相反应物B的进气阀。
具体实施方式
本发明提供一种多反应腔的原子层沉积装置和方法。装置的主体结构如图1所示，图中A相反应腔、B相反应腔通过一个过渡腔13并联在一组真空泵组12上；A相反应腔下部的a反应室5通过第一通道阀门7和过渡腔13连通；B相反应腔下部的b反应室11通过第二通道阀门9和过渡腔13连通，在A相反应腔内设置a贮存室1和a隔板3，a贮存室1通过第一真空阀6与下部的a反应室5相通，B相反应腔内设置b贮存室2和b隔板4，b贮存室2通过第二真空阀10与下部的b反应室11相通；在a贮存室1上部设置反应物进气的a进气阀14，在b贮存室2上部设置反应物进气的b进气阀15。
所述多反应腔的原子层沉积方法是在上述多反应腔的原子层沉积装置内，集成电路的圆片在a反应室5、b反应室11之间经过第一通道阀门7、第二通道阀门9来回传送，传送至a反应室5时将发生A相反应，传送至b反应室11时将发生B相反应，A、B两相反应交替进行，将在圆片表面逐原子层地生长出集成电路所要求厚度的纳米薄层或复合结构材料。
具体的淀积方法说明如下：
1)装置的初始化状态为，除作为反应源进气阀的a进气阀14，b进气阀15处在关闭状态之外，所有的阀门均打开；a贮存室1中a隔板3、b贮存室2中b隔板4置于最上端的位置；真空泵组12通过真空泵阀门8对过渡腔13及a反应室5和b反应室11抽真空至真空度达到10-4Pa以上，将所有阀门关闭；
2)装载一片圆片，进入过渡腔13；过渡腔13抽真空至真空度达到10-4Pa以上；
3)打开A、B两相反应的反应源进气a进气阀14和b进气阀15，将一定量的反应源分别充入a贮存室、b贮存室；
4)关闭真空泵阀门8，打开第一通道阀门7；圆片进入a反应室5；
5)关闭第一通道阀门7，打开第一真空阀6，a贮存室1中a隔板3降下，a反应室5中反应源气体的浓度增加，控制反应源气体的浓度，A相反应进行；
6)A相反应结束，a贮存室中的a隔板3上升，大量的未用于反应的反应源气体返回a贮存室1；第一真空阀6关闭；
7)第一通道阀门7打开，圆片送入过渡腔13；第一通道阀门7关闭，过渡腔13抽真空至真空度达到10-4Pa以上；
8)打开A、B两相反应的反应源进气阀a进气阀14和b进气阀15，将一定量的反应源分别补充入a贮存室1、b贮存室2；
9)关闭真空泵阀门8，打开第二通道阀门9；圆片进入b反应室11；
10)第二通道阀门9关闭，打开第二真空阀10，b贮存室中b隔板4降下，b反应室11中反应源气体的浓度增加，控制反应源气体的浓度，B相反应进行；
11)b贮存室2中的b隔板4上升，大量的未用于反应的反应源气体返回b贮存室2；第二真空阀10关闭；
12)第二通道阀门9打开，圆片送入过渡腔13；第二通道阀门9关闭；过渡腔13抽真空；
13)以上的过程往复进行，直至在圆片表面逐原子层地生长出集成电路所要求厚度的纳米薄层或复合结构材料，淀积完成。

Claims (3)

1.一种多反应腔的原子层沉积装置，其特征在于，所述多反应腔的原子层沉积装置为A、B两相反应腔通过一个过渡腔并联在一组真空泵组上；A相反应腔下部的a反应室通过第一通道阀门和过渡腔连通；B相反应腔下部的b反应室通过第二通道阀门和过渡腔连通，在A相反应腔内设置a贮存室和a隔板，a贮存室通过第一真空阀与下部的a反应室相通，B相反应腔内设置b贮存室和b隔板，b贮存室通过第二真空阀与下部的b反应室相通，在各贮存室上部设置反应物进气阀。
2.根据权利要求1所述多反应腔的原子层沉积装置，其特征在于，所述贮存室利用贮存室隔板来调节贮存室的有效容积，既在反应进行时，减少贮气量，使得反应气体都用来进行反应；又在一相反应结束时，扩大贮气量，减少排出装置的反应源的量，达到节约和环保的目的。
3.一种多反应腔的原子层沉积方法，其特征在于，所述多反应腔的原子层沉积方法是在权利要求1所述的多反应腔的原子层沉积装置内，集成电路的圆片在a反应室、b反应室之间经过第一通道阀门、第二通道阀门来回传送，传送至a反应室时将发生A相反应，传送至b反应室时将发生B相反应，A、B两相反应交替进行，将在圆片表面逐原子层地生长出集成电路所要求厚度的纳米薄层或复合结构材料。
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