專(zhuān)利名稱(chēng)：利用原子層淀積形成薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種利用原子層淀積(ALd)形成半導(dǎo)體器件薄膜的方法。
形成現(xiàn)有高集成半導(dǎo)體器件薄膜要求許多嚴(yán)格的制造條件，例如低熱預(yù)算，優(yōu)異的臺(tái)階覆蓋，膜厚的精確控制，簡(jiǎn)單工藝偏差及低顆粒污染。
例如低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVd)、等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)等常規(guī)CVD類(lèi)方法，不再適于形成現(xiàn)有技術(shù)器件的薄膜，無(wú)法滿(mǎn)足制造要求。例如，按典型CVD方法，薄膜是在較高溫度淀積的。由于可能會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生不良熱影響，所以不希望這樣。另外，CVD薄膜常常有例如厚度不均勻，即器件表面上厚度偏差或顆粒污染等缺點(diǎn)。
至于LPCVD，LPCVD薄膜中氫的含量一般較高，其臺(tái)階覆蓋經(jīng)常無(wú)法接受。
現(xiàn)已提出了原子層淀積(ALD)工藝代替這種常規(guī)薄膜形成技術(shù)。這種ALD工藝能在比常規(guī)CVD類(lèi)方法低的溫度下實(shí)施，而且還表現(xiàn)出優(yōu)異的臺(tái)階覆蓋。
美國(guó)專(zhuān)利6,124,158中公開(kāi)了一種這樣的ALD方法。這里，引入第一反應(yīng)劑，與被處理表面反應(yīng)，形成反應(yīng)物質(zhì)的鍵合單層。引入第二反應(yīng)劑，與表面反應(yīng)，形成希望的薄膜。在工藝周期的每一步驟后，都用惰性氣體凈化反應(yīng)室，防止除表面外的反應(yīng)。一般說(shuō)，由于例如維護(hù)制造設(shè)備的緣故，反應(yīng)劑的供應(yīng)和凈化在同樣的壓力下進(jìn)行。
然而，這種常規(guī)ALD技術(shù)也存在幾個(gè)缺點(diǎn)，例如，由于如原子層的較低生長(zhǎng)速率引起的問(wèn)題等造成的低產(chǎn)量。另外，例如行波型反應(yīng)器等常規(guī)ALD反應(yīng)器的反應(yīng)空間設(shè)計(jì)得非常小，減小了凈化副產(chǎn)物等的凈化量。常規(guī)ALD反應(yīng)器每次操作僅處理一、兩片晶片，一般說(shuō)，單個(gè)反應(yīng)器一次操作僅處理一個(gè)襯底。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致這些常規(guī)ALD技術(shù)難以付諸實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)上無(wú)法接受，即無(wú)法批量生產(chǎn)。
近來(lái)，為提高ALD工藝的產(chǎn)量，人們又做了幾種嘗試。美國(guó)專(zhuān)利6,042,652公開(kāi)了一種。這里，ALD反應(yīng)器包括多個(gè)組件和多個(gè)反應(yīng)空間(工作臺(tái))，即用多個(gè)組裝件隔離的空間。例如，下組件設(shè)置在上組件之下，由此在兩者間形成一個(gè)反應(yīng)空間(一工作臺(tái))，僅僅能容納一個(gè)半導(dǎo)體襯底。
然而，由于每個(gè)反應(yīng)空間(工作臺(tái))小且是間隔開(kāi)的，即彼此隔離，每個(gè)襯底只能一個(gè)一個(gè)插入反應(yīng)空間(工作臺(tái))。所以，很難利用自動(dòng)晶片傳送機(jī)構(gòu)裝/卸多個(gè)晶片。因此，要花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間裝/卸晶片。另外，可以裝載和處理的晶片數(shù)仍不夠多。
因此，顯然需要一種新穎具有高產(chǎn)量的ALD方法，能夠克服上述問(wèn)題，同時(shí)能提供高質(zhì)量的薄膜。
本發(fā)明提供一種利用原子層淀積(ALD)形成薄膜的方法。提供一種具有單反應(yīng)空間的反應(yīng)器。一批襯底可以同時(shí)裝載到該反應(yīng)器的單反應(yīng)空間中。
然后，將含反應(yīng)劑氣體引入到單反應(yīng)空間內(nèi)，在該單反應(yīng)空間中，部分反應(yīng)劑被化學(xué)吸附到該批襯底或晶片的上表面上。然后，從該單反應(yīng)空間中排除未被化學(xué)吸附的的反應(yīng)劑。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，引入含反應(yīng)劑氣體后，在該單反應(yīng)空間中稀釋未被化學(xué)吸附的的反應(yīng)劑，以便于未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑的排除。
另外，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，公開(kāi)了一種形成薄膜的方法，其中提供一種具有單反應(yīng)空間的反應(yīng)器。向反應(yīng)空間中引入都具有處理表面的多個(gè)晶片。多個(gè)晶片的處理表面面向基本相同的方向。將第一反應(yīng)劑引入到反應(yīng)空間內(nèi)，使部分第一反應(yīng)劑化學(xué)吸附到多個(gè)晶片的處理表面上以備進(jìn)行ALD。然后，從反應(yīng)空間中排除第一反應(yīng)劑的未被化學(xué)吸附的部分。然后，向反應(yīng)空間中引入第二反應(yīng)劑。另外，一部分第二反應(yīng)劑化學(xué)吸附到多個(gè)晶片中的每一個(gè)的處理表面上。然后，從反應(yīng)空間中排除第二反應(yīng)劑的未被化學(xué)吸附的部分。
從以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)介紹中，更容易理解本發(fā)明的上述和其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的ALD反應(yīng)器的示意剖視圖。
圖2是展示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的ALD各步驟的ALD反應(yīng)器壓力的曲線圖。
圖3A-3D展示了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例形成ALD薄膜的各工藝步驟。
圖4是展示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的工藝條件的曲線圖。
圖5是展示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行的ALD工藝的結(jié)果的曲線圖。
圖6是展示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行的ALD工藝的結(jié)果的曲線圖。
本發(fā)明一般期待一種利用ALD技術(shù)來(lái)制造薄膜的方法，通過(guò)該方法，與常規(guī)ALD技術(shù)相比，產(chǎn)量明顯提高。
在以下說(shuō)明中，記載了數(shù)字化的具體細(xì)節(jié)，以便于徹底理解本發(fā)明。然而，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以不用這些具體細(xì)節(jié)實(shí)施本發(fā)明。某些情況下，未具體展示已知工藝步驟和技術(shù)，以避免混淆本發(fā)明。
下面將介紹根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例利用ALD技術(shù)形成薄膜的方法。
參見(jiàn)圖1，該圖示出了具有單反應(yīng)空間12的ALD反應(yīng)器10，反應(yīng)空間12在處理管11內(nèi)。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，省略了反應(yīng)器10的其它部件，例如加熱器等。ALD反應(yīng)器10優(yōu)選為立式爐反應(yīng)器(垂直取向)，與常規(guī)LPCVD爐類(lèi)似，如美國(guó)專(zhuān)利5,217,340和5,112,641所示。然而，任何其它類(lèi)型的反應(yīng)器，例如水平取向的反應(yīng)器，只要適于實(shí)施本發(fā)明，都可作替代品，而不會(huì)脫離本發(fā)明的精神和范圍。
根據(jù)本發(fā)明，反應(yīng)空間12可以是放置襯底15(或晶片)，進(jìn)行ALD的各工藝步驟的空間。另外，本發(fā)明中，單反應(yīng)空間12不是隔開(kāi)或隔離的。這不同于美國(guó)專(zhuān)利6,042,522和6,015,590中所示的在ALD反應(yīng)器中有多個(gè)(隔開(kāi)的)反應(yīng)空間常規(guī)反應(yīng)器的反應(yīng)空間。在這些常規(guī)ALD反應(yīng)器中，具體說(shuō)在美國(guó)6,015,590中所述的反應(yīng)器中，由于多個(gè)(隔開(kāi)的)反應(yīng)空間中的每個(gè)都有非常窄的載面，減小了反應(yīng)空間容各積，降低了凈化效率，可以裝在每個(gè)反應(yīng)器中的襯底數(shù)非常小，例如每個(gè)反應(yīng)空間中一、兩個(gè)襯底。另外，由于上述結(jié)構(gòu)上的局限，常規(guī)ALD反應(yīng)器的這一點(diǎn)限制了可以裝在反應(yīng)器中的襯底總數(shù)。例如，美國(guó)專(zhuān)利6,042,652所示形成每個(gè)反應(yīng)空間的組件本自會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)占用大量空間或容積。這些也嚴(yán)重降低了ALD工藝的產(chǎn)量。
然而，本發(fā)明中，由于爐式ALD反應(yīng)器10具有未隔開(kāi)的大容積單反應(yīng)空間12，所以ALD反應(yīng)器10中可以容納襯底1百(100)片以上，如圖1所示。所以，一次ALD操作要處理的襯底數(shù)可以明顯增加(產(chǎn)量顯著提高)。
為處理襯底15，在其上形成ALD薄膜，一批14襯底15基本上同時(shí)裝入ALD反應(yīng)器10的單反應(yīng)空間12，如圖1所示。本發(fā)明中，一批14是指裝入反應(yīng)器10以進(jìn)行ALD操作從而在襯底15上形成薄膜的襯底總數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一批14優(yōu)選地包括約125-135片襯底。每片襯底15的上表面優(yōu)選地都具有處理表面17。
按本發(fā)明的ALD工藝，裝/卸襯底15期間，優(yōu)選利用圖1所示的自動(dòng)(即，非人工式)晶片傳送機(jī)構(gòu)18向ALD反應(yīng)器10中裝載一批14襯底15。這種自動(dòng)晶片傳送機(jī)構(gòu)18可以是美國(guó)專(zhuān)利5,217,340和5,112,641中公開(kāi)的那種。然而，可以采用任何適于實(shí)施本發(fā)明的自動(dòng)晶片傳送機(jī)構(gòu)，仍在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
換言之，本發(fā)明中，由于一次ALD操作的所有產(chǎn)品襯底15都可以放在單反應(yīng)空間12中，而不分布在反應(yīng)器的幾個(gè)反應(yīng)空間中，所以利用晶片傳送機(jī)構(gòu)18可以自動(dòng)地很快地裝/卸一批14襯底15。具體說(shuō)，一批14襯底按預(yù)定方式排列，插在舟19中。舟19一般由石英或其它常規(guī)材料制成，其內(nèi)表面上有多個(gè)凹槽，用于容納各襯底15。將裝有一批14襯底的舟19裝入ALD反應(yīng)器10，于是便按圖1所示的方式，將一批14襯底15同時(shí)裝入ALD反應(yīng)器10的單反應(yīng)空間12中。這里，基本上所有襯底15的上表面17(處理面)都面向自動(dòng)晶片傳送機(jī)的同一方向。
于是，與例如美國(guó)專(zhuān)利6,015,590中公開(kāi)的ALD技術(shù)等常規(guī)ALD技術(shù)相比，在產(chǎn)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在上述美國(guó)專(zhuān)利中，晶片的上表面面相相反的方向，所以自動(dòng)晶片傳送器將十分不方便或不可能。所以，按常規(guī)的ALD技術(shù)，僅僅可以在每個(gè)反應(yīng)空間中一次一次地裝少量襯底，多數(shù)為一片。其原因是襯底需要分布于反應(yīng)器的數(shù)個(gè)空間內(nèi)，這種分布幾乎是不可能或很難一次全部完成。美國(guó)專(zhuān)利6,042,652中公開(kāi)的常規(guī)ALD技術(shù)也一樣，如背景部分所介紹的，多個(gè)圓形半導(dǎo)體襯底只能一個(gè)一個(gè)地傳送到反應(yīng)空間(工作臺(tái))中。整個(gè)裝載過(guò)程要花很長(zhǎng)時(shí)間，極大地降低了產(chǎn)量，所以限制了ALD工藝的商業(yè)應(yīng)用。
如圖3A所示，按常規(guī)ALD技術(shù)的方式，將第一反應(yīng)劑40或含第一反應(yīng)劑氣體通過(guò)例如ALD反應(yīng)器40的供氣管線(未示出)等圖1所示入口16引入單反應(yīng)空間12。在單反應(yīng)空間12內(nèi)，第一反應(yīng)劑40的一部分化學(xué)吸附到一批14半導(dǎo)體襯底15的處理表面17上。如圖2所示，較好在約0.1乇和約0.5乇間的第一預(yù)定壓力P1下進(jìn)行配給步驟31。
另一方面，本發(fā)明中，為了進(jìn)一步提高ALD的產(chǎn)量，需要減少ALD的凈化時(shí)間。原因是凈化時(shí)間一般與反應(yīng)器的容積有關(guān)。由于本發(fā)明采用具有大容積的爐式反應(yīng)器，凈化量實(shí)質(zhì)大于例如美國(guó)專(zhuān)利6,042,552或6,015,590中所示的行波型設(shè)備等其它常規(guī)ALD技術(shù)。
為克服這方面的問(wèn)題，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，引入第一反應(yīng)劑40后，為有效地減少凈化時(shí)間，在從ALD反應(yīng)器10中排除第一反應(yīng)劑40中的未被化學(xué)吸附的部分之前，在單反應(yīng)空間12中，稀釋第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分，這里，第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分包括物理吸附的反應(yīng)劑，即第一反應(yīng)劑40物理地附著于其上，并松散地固定于ALD反應(yīng)器10內(nèi)第一反應(yīng)劑40的化學(xué)吸附部分上或任何殘留的反應(yīng)材料上。
關(guān)于圖2所示的稀釋步驟33，如圖1所示，ALD反應(yīng)器10包括與排氣管25相連的壓力控制閥21或用于從ALD反應(yīng)器10中排除第一反應(yīng)劑40的稀釋的未被化學(xué)吸附的部分的粗管。排氣管25與用于將從第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分排出到外邊的泵23相連。稀釋步驟33期間，控制閥21基本上關(guān)閉，惰性氣體通過(guò)入口16供應(yīng)到反應(yīng)器10中，第一反應(yīng)劑40到ALD反應(yīng)器10的引入基本停止。即，降低ALD反應(yīng)10的排氣管線25的傳導(dǎo)性。
或者，稀釋步驟33期間，將其量明顯大于第一反應(yīng)劑40的量的惰性氣體引入ALD反應(yīng)器10，同時(shí)停止向反應(yīng)器10引入第一反應(yīng)劑40。
較好是，如圖2所示，在第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分的稀釋期間，反應(yīng)器壓力從第一預(yù)定壓力P1提高到第二預(yù)定壓力P2，第二預(yù)定壓力P2大于第一預(yù)定壓力P1。第二預(yù)定壓力P2較好是第一預(yù)定壓力P1的約1.5倍。
這些步驟允許在非常短的時(shí)間內(nèi)，例如幾秒內(nèi)，稀釋反應(yīng)器10中的第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分，所以與常規(guī)ALD技術(shù)相比，凈化步驟32期間，顯著減少總凈化時(shí)間，提高凈化效率。該稀釋過(guò)程明顯降低了ALD反應(yīng)器10中第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分的分壓。所以，在反應(yīng)劑40已被稀釋?zhuān)谝环磻?yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分被排除后，僅有很少量第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分留在反應(yīng)器10內(nèi)，所以提高了凈化效率。另外，由于稀釋了第一反應(yīng)劑40，所以可有效地防止第一反應(yīng)劑40間的混雜。
然后，如圖3B所示，在引入第二反應(yīng)劑(配給步驟35)，利用化學(xué)交換形成圖3D所示希望的ALD薄膜44之前，從單反應(yīng)空間12中排除(抽空)被稀釋的第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分。第一反應(yīng)劑40的未被化學(xué)吸附的部分的排除較好是利用泵23抽吸反應(yīng)器10進(jìn)行，從而將反應(yīng)器10內(nèi)的壓力降低到第三預(yù)定壓力P3(見(jiàn)圖2)。第三預(yù)定壓力P3低于配給步驟31的第一預(yù)定壓力。第三預(yù)定壓力P3較好是第一預(yù)定壓力P1約0.5倍。
該步驟期間，到第三預(yù)定壓力P3的壓力下降，通過(guò)停止或減少惰性氣體的引入，并打開(kāi)控制閥21實(shí)現(xiàn)。即，提高排氣管線的傳導(dǎo)性。
現(xiàn)參見(jiàn)圖3C，向反應(yīng)空間12引入第二反應(yīng)劑42，第二反應(yīng)劑42中的一部分化學(xué)吸附到一批14襯底15的處理表面17上，發(fā)生化學(xué)交換。自然，稀釋步驟37較好在第二反應(yīng)劑42的配給步驟35之后進(jìn)行。
現(xiàn)參見(jiàn)圖3D，在排除步驟34期間，利用上述與應(yīng)用于第一反應(yīng)劑40相同的方法，從反應(yīng)空間12排除第二反應(yīng)劑42的未被化學(xué)吸附的部分。
可以重復(fù)上述引入第一和第二反應(yīng)劑40、42和從反應(yīng)空間排除反應(yīng)劑41、42的未被化學(xué)吸附的部分的步驟，實(shí)現(xiàn)希望的膜厚。
應(yīng)注意，本發(fā)明建議的凈化方法與反應(yīng)劑的類(lèi)型無(wú)關(guān)，因而可應(yīng)用于形成各種ALD薄膜。所述ALD薄膜例如可以是Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、Y2O3、SiO2、In2O3、RuO2或IrO2構(gòu)成的氧化層。其它例子如下SrTiO3，PbTiO3，SrRuO3，CaRuO3，(Ba，Sr)TiO3，Pb(Zr，Ti)O3，(Pb，La)(Zr，Ti)O3，(Sr，Ca)RuO3，(Ba，Sr)RuO3，摻Sn的In2O3(ITO)，摻Fe的In2O3，或摻Zr的In2O3構(gòu)成的復(fù)合氧化物；SiN，NbN，ZrN，TiN，TaN，Y3N5，AlN，GaN，WN或BN構(gòu)成的氮化物層；WBN，WSiN，TISiN，TaSiN或AlTiN構(gòu)成的復(fù)合氮化物層；Si，Al，Cu，Ti，Ta，Mo，Pt，Ru，Rh，Ir，W或Ag構(gòu)成的金屬層；Al，W，Ti或Co的硅化物層；及金屬硅酸鹽材料(M1-xSixO2)。這里，金屬“M”可以是鉿(Hf)，鋯(Zr)，鉭(Ta)，鈦(Ti)，銫(Cs)，或鋁(Al)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，所列例子是不詳盡的或不排它的，不想以任何方式限制所要求的本發(fā)明的范圍。例1利用本發(fā)明的ALD工藝淀積SiN膜。所用反應(yīng)劑是由間接等離子體(remote plasma)(400W)激活的DCS(SiCl2H2)和NH3氣體。淀積溫度是375℃，反應(yīng)劑流量是DCS為500sccm，NH3為2000sccm。關(guān)于排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑之前的稀釋?zhuān)蚍磻?yīng)器中引入5000sccm的N2氣體。DCS供應(yīng)、DCS凈化、NH3供應(yīng)和NH3凈化中每步的時(shí)間和壓力示于表1，并另外示于圖4中。另外，圖5示出了上述ALD工藝的結(jié)果。
表1
根據(jù)上述ALD工藝的生長(zhǎng)速率是1埃/周期，可以實(shí)現(xiàn)良好的ALD處理特性。
另外，已觀察到，不用本發(fā)明的凈化方法，會(huì)發(fā)生以下問(wèn)題。第一，如果在與反應(yīng)劑的配給步驟期間的壓力相同的壓力下，用例如Ar或N2等惰性氣體進(jìn)行凈化步驟，則大量惰性氣體會(huì)留在反應(yīng)器內(nèi)。這樣便會(huì)降低反應(yīng)劑的分壓。因此，用于下一配給步驟的反應(yīng)劑配給時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)。此外，凈化時(shí)間也會(huì)增加。第二，如果在像本發(fā)明的實(shí)施例那樣的抽吸前不稀釋?zhuān)阃ㄟ^(guò)抽吸進(jìn)行凈化步驟，則凈化會(huì)花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。例2在室溫下將HCD(Si2Cl6)存放在起泡器中，并用500sccm的N2氣作載氣引入反應(yīng)器。然后，用5000sccm的N2氣稀釋未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，然后從反應(yīng)器中抽掉(排除)未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，進(jìn)行凈化。然后，供應(yīng)2000sccm的間接等離子體(400W)NH3，并通過(guò)用5000sccm的N2氣稀釋未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，然后，從反應(yīng)器中抽掉未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，進(jìn)行凈化。
此時(shí)，向反應(yīng)器供應(yīng)HCD 20秒。反應(yīng)器壓力從0.1乇變到2乇，然后保持在2乇。凈化期間的壓力在稀釋步驟(4秒)從2乇變到10乇，然后，在抽吸期間(6秒)降低到0.1乇。NH3的供應(yīng)(30秒)和凈化(4+6秒)按與上述相同的方式實(shí)施。圖6示出了上述ALD工藝的結(jié)果。
生長(zhǎng)速率為2.3埃/周期，可以實(shí)現(xiàn)良好的ALD處理特性。
上述本發(fā)明的一些特征如下所述1、配給步驟期間和凈化步驟期間反應(yīng)器的壓力可以不同。
2、不同反應(yīng)劑的每個(gè)配給步驟的反應(yīng)器壓力可以基本相同或不同。
3、凈化步驟可以包括稀釋步驟和排除或抽空步驟，稀釋步驟期間，反應(yīng)器壓力從反應(yīng)劑配給步驟期間的壓力上升，排除或抽空步驟期間，其壓力下降到低于反應(yīng)劑配給期間的壓力。
利用這些特征，可以實(shí)現(xiàn)以下效果。
1、每種反應(yīng)劑的配給步驟與分壓和時(shí)間相關(guān)(如Langmuirer所示的反應(yīng)劑暴露依賴(lài)關(guān)系)。因此，通過(guò)增大反應(yīng)劑配給期間所供應(yīng)反應(yīng)劑的分壓，處理時(shí)間可以縮短。
2、不同于保持恒定壓力的常規(guī)ALD工藝，通過(guò)抽吸進(jìn)行了凈化后，完成每種反應(yīng)劑的配給步驟。因此，希望的壓力可以由低壓得到。
3、在大容積反應(yīng)器中實(shí)施凈化時(shí)，首先供應(yīng)惰性氣體，以稀釋反應(yīng)劑。然后，進(jìn)行抽吸，以便在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到希望的凈化效果。
總之，本發(fā)明具有優(yōu)于常規(guī)ALD技術(shù)的許多優(yōu)點(diǎn)，克服了常規(guī)ALD技術(shù)的許多缺點(diǎn)。例如，本發(fā)明顯著提高了ALD工藝的產(chǎn)量。具體說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，由于本發(fā)明的爐式ALD反應(yīng)器具有未隔開(kāi)的大容積單反應(yīng)空間，所以一次可以容納和處理襯底100片以上，明顯多于任何其它常規(guī)ALD技術(shù)。另外，由于所有用于ALD工藝的產(chǎn)品晶片都可以放在單反應(yīng)空間中，而不是分布在數(shù)個(gè)反應(yīng)空間內(nèi)，所以成批襯底的裝/卸可利用自動(dòng)晶片傳送機(jī)械自動(dòng)快速完成。另外，在從反應(yīng)空間中排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑之前，在單反應(yīng)空間中稀釋未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，所以可以顯著縮短凈化時(shí)間，提高凈化效率。
除這些優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的ALD反應(yīng)器比常規(guī)ALD反應(yīng)器成本低，容易維護(hù)。所以，本發(fā)明的ALD工藝將產(chǎn)量和可制造性提高到了可以利用ALD進(jìn)行批量生產(chǎn)的程度。
上面已利用優(yōu)選實(shí)施例介紹和展示了本發(fā)明的原理。但應(yīng)理解，在不背離這些原理的的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的設(shè)置和細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。我們要求落在以下權(quán)利要求書(shū)精神和范圍內(nèi)的所有改進(jìn)和變化的權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種利用原子層淀積形成薄膜的方法提供具有單反應(yīng)空間的反應(yīng)器；將一批襯底同時(shí)裝載在反應(yīng)器的單反應(yīng)空間內(nèi)；向單反應(yīng)空間中引入含反應(yīng)劑的氣體，在單反應(yīng)空間，將反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到襯底的上表面上；及從單反應(yīng)空間中排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括，引入含反應(yīng)劑的氣體后，稀釋在單反應(yīng)空間內(nèi)的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在第一預(yù)定壓力下進(jìn)行所述引入含反應(yīng)劑的氣體的步驟，在第二預(yù)定壓力下進(jìn)行所述稀釋步驟，其中第二預(yù)定壓力大于第一預(yù)定壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中第一預(yù)定壓力介于約0.1乇到約0.5乇之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述第二預(yù)定壓力是第一預(yù)定壓力的約1.5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在第一預(yù)定壓力下進(jìn)行所述引入含反應(yīng)劑的氣體的步驟，其中所述去除步驟包括抽吸反應(yīng)器，從而將反應(yīng)器壓力降低到第三預(yù)定壓力，及其中第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中第三預(yù)定壓力是第一預(yù)定壓力的約0.5倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述裝載步驟包括利用自動(dòng)晶片傳送機(jī)械傳送所述一批襯底。
9.一種利用原子層淀積形成薄膜的方法在反應(yīng)器內(nèi)提供半導(dǎo)體襯底；以第一預(yù)定壓力向反應(yīng)器中引入含反應(yīng)劑的氣體，將反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到襯底表面上；稀釋在反應(yīng)器內(nèi)的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，使反應(yīng)器的壓力升高到第二預(yù)定壓力；及從反應(yīng)器中排除稀釋的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中第一預(yù)定壓力介于約0.1乇到約0.5乇之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述第二預(yù)定壓力大于第一預(yù)定壓力的約1.5倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中通過(guò)抽吸反應(yīng)器進(jìn)行所述排除步驟，從而將反應(yīng)器壓力降低到第三預(yù)定壓力，其中第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力的約0.5倍。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中反應(yīng)器包括與排除稀釋的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑的排氣管線相連的壓力控制閥，其中所述稀釋步驟包括，在基本上停止向反應(yīng)器引入含反應(yīng)劑的氣體的同時(shí)，基本上關(guān)閉控制閥，并向反應(yīng)器供應(yīng)惰性氣體。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中反應(yīng)器包括與排氣管線相連的壓力控制閥，其中所述稀釋步驟包括，在停止向反應(yīng)器引入氣體反應(yīng)劑的同時(shí)，以實(shí)際高于氣體反應(yīng)劑的量向反應(yīng)器供應(yīng)惰性氣體。
16.一種利用原子層淀積形成薄膜的方法在單反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置多個(gè)晶片；以第一預(yù)定壓力向單反應(yīng)器中引入氣體反應(yīng)劑，將反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到多個(gè)襯底的上表面上；將在單反應(yīng)器內(nèi)的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑稀釋到第二預(yù)定壓力；及從單反應(yīng)器中排除稀釋的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，其中所述第二預(yù)定壓力高于第一預(yù)定壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中反應(yīng)器包括與排氣管線相連的壓力控制閥，其中所述稀釋步驟包括，在停止向反應(yīng)器引入氣體反應(yīng)劑的同時(shí)，基本上關(guān)閉控制閥，并向反應(yīng)器供應(yīng)惰性氣體。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中反應(yīng)器包括與排氣管線相連的壓力控制閥，其中所述稀釋步驟包括，在停止向反應(yīng)器引入氣體反應(yīng)劑的同時(shí)，以實(shí)際高于氣體反應(yīng)劑的量向反應(yīng)器供應(yīng)惰性氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中第一預(yù)定壓力介于約0.1乇到約0.5乇之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述第二預(yù)定壓力大于第一預(yù)定壓力的約1.5倍。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中通過(guò)抽吸所述處理室進(jìn)行所述排除步驟，從而將反應(yīng)器壓力降低到第三預(yù)定壓力，其中第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力的約0.5倍。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中通過(guò)抽吸所述處理室進(jìn)行所述排除步驟，從而將反應(yīng)器壓力降低到第三預(yù)定壓力，其中第三預(yù)定壓力低于第一預(yù)定壓力。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中反應(yīng)器是爐式反應(yīng)器，其中基本上所有襯底的上表面都面對(duì)自動(dòng)晶片傳送器的相同方向。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中多個(gè)襯底的數(shù)量大于一百。
26.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中反應(yīng)器有一個(gè)用于原子層淀積單反應(yīng)空間，使所有襯底都裝在該單反應(yīng)空間內(nèi)。
27.一種形成薄膜層的原子層淀積方法，包括a)在處理室內(nèi)插入一個(gè)或更多個(gè)半導(dǎo)體襯底；b)以第一預(yù)定壓力向反應(yīng)器中引入第一氣體反應(yīng)劑，反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到一個(gè)以上襯底的表面上；c)通過(guò)向處理室內(nèi)注入惰性氣體，將反應(yīng)室內(nèi)的壓力增大為高于第一預(yù)定壓力；d)從所述處理室中排除未被化學(xué)吸附的的第一反應(yīng)劑；e)以第二預(yù)定壓力向反應(yīng)器中引入第二氣體反應(yīng)劑，從而利用化學(xué)交換形成單原子金屬層；f)稀釋反應(yīng)器中的未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑，使反應(yīng)器壓力升高；及g)從所述處理室中排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中第一預(yù)定壓力基本與第二預(yù)定壓力相同。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中第一預(yù)定壓力不同于第二預(yù)定壓力。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述第一和第二稀釋步驟期間，反應(yīng)器壓力分別升高到不小于第一和第二預(yù)定壓力的約1.5倍。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中通過(guò)將所述處理室抽吸到實(shí)際低于第一或第二預(yù)定壓力的第三預(yù)定壓力，實(shí)施所述排除步驟。
32.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述單原子層是由Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、CeO2、Y2O3、SiO2、In2O3、RuO2或IrO2構(gòu)成的氧化層。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是由SrTiO3，PbTiO3，SrRuO3，CaRuO3，(Ba，Sr)TiO3，Pb(Zr，Ti)O3，(Pb，La)(Zr，Ti)O3，(Sr，Ca)RuO3，(Ba，Sr)RuO3，摻Sn的In2O3(ITO)，摻Fe的In2O3，或摻Zr的In2O3構(gòu)成的復(fù)合氧化物。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是由SiN，NbN，ZrN，TiN，TaN，Y3N5，AlN，GaN，WN或BN構(gòu)成的氮化物層。
35.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是由WBN，WSiN，TiSiN，TaSiN或AlTiN構(gòu)成的復(fù)合氮化物層。
36.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是由Si，Al，Cu，Ti，Ta，Mo，Pt，Ru，Rh，Ir，W或Ag構(gòu)成的金屬層。
37.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是Al，W，Ti或Co的硅化物層。
38.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中單原子層是金屬硅酸鹽材料(M1-xSixO2)。這里，金屬“M”可以是鉿(Hf)，鋯(Zr)，鉭(Ta)，鈦(Ti)，銫(Cs)，或鋁(Al)。
39.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，還包括重復(fù)步驟(b)-(g)中的至少一步的步驟。
40.一種形成薄膜的方法，包括a)提供具有單反應(yīng)空間的反應(yīng)器；b)在所述反應(yīng)空間中裝入多個(gè)具有處理表面的晶片，其中所述晶片的處理表面面向基本相同的方向；c)在所述反應(yīng)空間中引入第一反應(yīng)劑，其中第一反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到多個(gè)晶片的每一個(gè)的處理表面上；d)從所述反應(yīng)空間中排除第一反應(yīng)劑的未被化學(xué)吸附的部分；e)在所述反應(yīng)空間中引入第二反應(yīng)劑，其中第二反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到多個(gè)晶片的每一個(gè)的處理表面上；f)從所述反應(yīng)空間中排除第二反應(yīng)劑的未被化學(xué)吸附的部分。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，還包括重復(fù)步驟(c)-(f)中至少一步的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用原子層淀積(ALd)形成薄膜的方法。提供一種具有單反應(yīng)空間的ALD反應(yīng)器?？梢栽谒鯝LD反應(yīng)器的單反應(yīng)空間中同時(shí)裝載一批襯底。然后,在單反應(yīng)空間中引入含反應(yīng)劑的氣體,在單反應(yīng)空間內(nèi),反應(yīng)劑的一部分化學(xué)吸附到該批襯底的上表面上。然后,從單反應(yīng)空間中排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,引入含反應(yīng)劑氣體后,在單反應(yīng)空間內(nèi)稀釋未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑,以便于排除未被化學(xué)吸附的反應(yīng)劑。
文檔編號(hào)H01L21/316GK1389910SQ02107879
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月31日
發(fā)明者金營(yíng)寬, 樸泳旭, 李承換 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社