專利名稱：遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及等離子體技術及原子層沉積設備裝置，尤其涉及一種遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置。
背景技術：
原子層沉積(ALD)和等離子體增強原子層沉積(PEALD)已經作為22nm技術代集成電路制造COMS器件生產線前端(FEOL)中超薄柵極膜的制備和生產線后端(BEOL)中金屬超薄阻擋層的制備，以及微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、光電子材料和器件、存儲器介電層、平板顯示器等方面的超薄介質層的制備。在ALD中，兩種或者多種處理氣體，諸如膜前驅體和還原(氧化)氣體，被交替和順序的引入到反應腔室，在加熱的襯底表面以一次形成一個單原子層的方式形成超薄膜材料。在PEALD中，在引入還原(氧化)氣體的過程中形成等離子體， 以形成還原(氧化)性氣氛等離子體。PEALD擴展了 ALD對沉積前驅體的選擇范圍和減少了原子層沉積循環(huán)時間，而且降低了反應的沉積溫度，尤其適合于對溫度敏感材料的沉積。目前PEALD中采用的等離子體的產生方式主要有射頻放電和微波放電，微波放電與射頻放電相比具有等離子體密度高、無極放電無污染等優(yōu)點，但是其結構復雜且成本較高。射頻放電根據(jù)放電電極結構可以分為電容耦合放電和電感耦合放電。其中電容耦合放電有直接平板電容耦合放電、遠程平板電容耦合放電。采用射頻電容放電的方式無論是直接等離子體還是遠程等離子體都會存在由于電極放電所產生的電極雜質帶來對沉積薄膜的污染，從而極大的影響器件的性能。電感耦合等離子體由于放電感應線圈在真空室外部，從而避免了電極的污染問題。同時，為了使等離子體的產生過程與引入的氧化或還原性氣體脈沖時間相匹配， 等離子體在一個ALD沉積周期過程中也以脈沖的方式進行。目前脈沖等離子體的產生方式一般是在ALD反應腔室上方先形成穩(wěn)態(tài)等離子體源，在穩(wěn)態(tài)等離子體源與ALD反應腔室間使用隔板閥阻斷等離子體向下擴散。通過對隔板閥的脈沖控制形成向下擴散的脈沖等離子體。由于ALD每一個沉積周期所需要的時間很短，隔板閥長時間的往復運動會使隔板閥上沉積的顆粒物掉落在樣品臺上帶來額外的污染。而采用延時器控制形成的射頻脈沖等離子體方案中，由于等離子體的引入是在引入一種前驅體并吹掃多余前驅體之后，不但等離子體的產生時間需要根據(jù)引入的前驅體的時間來設定延時時間，而且由于延時器的時間誤差，在經過多個PEALD循環(huán)后，累計時間誤差將會使等離子體的產生不能同步在前驅體完全吹掃干凈之后，甚至可能與前驅體同步產生，從而導致PEALD工藝失敗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種以避免等離子體對沉積薄膜的污染、提高薄膜的沉積速率和降低沉積溫度，同時等離子體的產生與前驅體的凈化時間順序精確匹配的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置。為達到發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術方案是遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅體源輸運系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，其特征在于所述真空系統(tǒng)包括真空反應腔室，所述真空反應腔室上分別連接有進氣管路和真空泵，所述真空反應腔室內設有放置樣品的樣品臺；
所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應腔室上的石英管，所述石英管外繞設有感應線圈，所述感應線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；
所述前驅體源輸運系統(tǒng)包括連接在進氣管路上的前驅體源瓶，所述前驅體源瓶與進氣管路的連接管路上設有快速ALD電磁閥和手動隔膜閥； 所述加熱系統(tǒng)設置在樣品臺、進氣管路、泵線管路上；
所述計算機控制系統(tǒng)由PLC與計算機組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。進一步，所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅體在樣品表面飽和吸附和真空反應腔室內凈化完畢后，所述計算機控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅體凈化時間的完成與否來判斷是否需要產生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時間。進一步，所述進氣管路上設有控制充入氣體流量的質量流量計和吹掃氣動閥，所述質量流量計和吹掃氣動閥與PLC連接。進一步，所述真空泵通過泵線管路與真空反應腔室連接，所述泵線管路上設有泵線氣動閥和監(jiān)測壓力的真空計，所述泵線氣動閥和真空計與PLC連接。進一步，所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。進一步，所述樣品臺下表面與真空反應腔室抽氣口相距2(T50mm，與真空反應腔室內上表面相距4(T80mm，與真空反應腔室內壁相距2(T40mm。本發(fā)明的技術構思，真空系統(tǒng)通過真空泵由泵氣管路將真空反應腔室的本底壓力抽至0. ΟΓΙΡβ,由進氣管路充入惰性氣體氬氣或者氦氣至工藝壓力l(Tl00Pa，真空反應腔室的壓力由真空計監(jiān)測。充入氣體的流量由質量流量計和吹掃氣動閥控制，充入氣體的流量為5 50sccmo遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)中脈沖射頻電源的頻率是工業(yè)標準用的13. 56MHz，射頻功率為(T300W，脈沖頻率為廣120s。該脈沖射頻電源配備阻抗匹配系統(tǒng)并與石英管外的感應線圈直接相連，同時石英管通過氟膠密封圈與真空反應腔室連接，石英管距離樣品臺上表面的距離為4(T60mm。通過調節(jié)阻抗匹配系統(tǒng)中電容和電感的大小使射頻的能量完全耦合到石英管內等離子體，石英管內等離子體擴散到真空反應腔室內樣品臺上方形成遠程等離子體。等離子體是在第一種前驅體在樣品表面飽和吸附和真空反應腔室內凈化完畢后開始。脈沖等離子體的引入是通過在軟件中采用模擬量控制，在沉積配方中根據(jù)前驅體凈化時間的完成與否來判斷是否需要產生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時間。這樣等離子體的產生時間與前驅體的凈化時間順序在整個ALD循環(huán)過程中能夠實現(xiàn)高度的精確匹配。前驅體源輸運系統(tǒng)是前驅體源從前驅體源瓶揮發(fā)出來后由質量流量計和吹掃氣動閥控制的載氣經過進氣管路帶入到真空反應腔室；為了阻止前驅體源在進氣管路內壁的沉積和快速凈化反應腔室需要對進氣管路進行加熱。
加熱系統(tǒng)設置在樣品臺、泵線管路和進氣管路，由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成；其中樣品臺的溫度加熱范圍為25、00°C，泵氣管路的溫度加熱范圍為25 20(TC，進氣管路的溫度加熱范圍為25 200°C。計算機控制系統(tǒng)由PLC和計算機組成，用于監(jiān)測和控制加熱的溫度、質量流量計的流量、射頻功率和真空度等參數(shù)以及電磁閥和射頻電源的開關狀態(tài)，實現(xiàn)前驅體源的交替引入、凈化、遠程脈沖等離子體的產生和薄膜沉積。本發(fā)明的優(yōu)點減少PEALD中脈沖等離子體源對沉積薄膜的污染、提高薄膜沉積的速率，同時實現(xiàn)了等離子體的產生時間與前驅體的凈化時間在整個ALD循環(huán)過程中能夠實現(xiàn)高度的精確匹配。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例來對本發(fā)明進行進一步說明，但并不將本發(fā)明局限于這些具體實施方式
。本領域技術人員應該認識到，本發(fā)明涵蓋了權利要求書范圍內所可能包括的所有備選方案、改進方案和等效方案。參照圖1，遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅體源輸運系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空反應腔室9，所述真空反應腔室9上分別連接有進氣管路5和真空泵15，所述真空反應腔室9內設有放置樣品10的樣品臺11 ；
所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應腔室9上的石英管6，所述石英管6外繞設有感應線圈7，所述感應線圈7上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源8 ；
所述前驅體源輸運系統(tǒng)包括連接在進氣管路5上的前驅體源瓶4，所述前驅體源瓶4與進氣管路5的連接管路上設有快速ALD電磁閥3和手動隔膜閥； 所述加熱系統(tǒng)設置在樣品臺11、進氣管路5、泵線管路13上；
所述計算機控制系統(tǒng)由PLC16與計算機17組成，所述PLC16與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥3、脈沖射頻電源8連接。所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅體在樣品表面飽和吸附和真空反應腔室內凈化完畢后，所述計算機控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅體凈化時間的完成與否來判斷是否需要產生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時間。所述進氣管路5上設有控制充入氣體流量的質量流量計1和吹掃氣動閥2，所述質量流量計1和吹掃氣動閥3與PLC16連接。所述真空泵15通過泵線管路13與真空反應腔室9連接，所述泵線管路13上設有泵線氣動閥14和監(jiān)測壓力的真空計12，所述泵線氣動閥14和真空計12與PLC16連接。所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。所述樣品臺11下表面與真空反應腔室9抽氣口相距2(T50mm，與真空反應腔室9 內上表面相距4(T80mm，與真空反應腔室9內壁相距2(T40mm。本發(fā)明的技術構思，真空系統(tǒng)通過真空泵15由泵氣管路13將真空反應腔室9的本底壓力抽至0. ΟΓΙΡβ,由進氣管路5充入惰性氣體氬氣或者氦氣至工藝壓力l(TlOOPa， 真空反應腔室9的壓力由真空計12監(jiān)測。充入氣體的流量由質量流量計1和吹掃氣動閥 2控制，充入氣體的流量為5 50sCCm。遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)中脈沖射頻電源8的頻率是工業(yè)標準用的13. 56MHz, 射頻功率為(T300W，脈沖頻率為廣120s。該脈沖射頻電源8配備阻抗匹配系統(tǒng)并與石英管 6外的感應線圈7直接相連，同時石英管6通過氟膠密封圈與真空反應腔室9連接，石英管 6距離樣品臺11上表面的距離為4(T60mm。通過調節(jié)阻抗匹配系統(tǒng)中電容和電感的大小使射頻的能量完全耦合到石英管6內等離子體，石英管6內等離子體擴散到真空反應腔室9 內樣品臺11上方形成遠程等離子體。等離子體的引入是在第一種前驅體在樣品10表面飽和吸附和真空反應腔室9內凈化完畢后開始。等離子體的引入通過PLC16和計算機17來控制其產生時間點和工作時間。前驅體源輸運系統(tǒng)是前驅體源從前驅體源瓶4揮發(fā)出來后由質量流量計1和吹掃氣動閥2控制的載氣經過進氣管路5帶入到真空反應腔室9 ；為了阻止前驅體源在進氣管路5內壁的沉積和快速凈化反應腔室需要對進氣管路5進行加熱。加熱系統(tǒng)設置在樣品臺11、泵線管路13和進氣管路5，由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成；其中樣品臺11的溫度加熱范圍為25、00°C，泵氣管路13的溫度加熱范圍為 25 200°C，進氣管路5的溫度加熱范圍為25 200°C。計算機控制系統(tǒng)由PLC16和計算機17組成，用于監(jiān)測和控制加熱的溫度、質量流量計1的流量、射頻功率和真空度等參數(shù)以及電磁閥和射頻電源的開關狀態(tài)，實現(xiàn)前驅體源的交替引入、凈化、遠程脈沖等離子體的產生和薄膜沉積。
權利要求
1.遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅體源輸運系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，其特征在于所述真空系統(tǒng)包括真空反應腔室，所述真空反應腔室上分別連接有進氣管路和真空泵，所述真空反應腔室內設有放置樣品的樣品臺；所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應腔室上的石英管，所述石英管外繞設有感應線圈，所述感應線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；所述前驅體源輸運系統(tǒng)包括連接在進氣管路上的前驅體源瓶，所述前驅體源瓶與進氣管路的連接管路上設有快速ALD電磁閥和手動隔膜閥；所述加熱系統(tǒng)設置在樣品臺、進氣管路、泵線管路上；所述計算機控制系統(tǒng)由PLC與計算機組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，其特征在于所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)的脈沖等離子體的引入是在第一種前驅體在樣品表面飽和吸附和真空反應腔室內凈化完畢后，所述計算機控制系統(tǒng)根據(jù)第一前驅體凈化時間的完成與否來判斷是否需要產生等離子體及等離子體在單次循環(huán)中的工作時間。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，其特征在于所述進氣管路上設有控制充入氣體流量的質量流量計和吹掃氣動閥，所述質量流量計和吹掃氣動閥與PLC連接。
4.根據(jù)權利要求3所述的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，其特征在于所述真空泵通過泵線管路與真空反應腔室連接，所述泵線管路上設有泵線氣動閥和監(jiān)測壓力的真空計，所述泵線氣動閥和真空計與PLC連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，其特征在于所述加熱系統(tǒng)由加熱元件、固態(tài)繼電器和熱電偶組成。
6.根據(jù)權利要求5所述的遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，其特征在于所述樣品臺下表面與真空反應腔室抽氣口相距2(T50mm，與真空反應腔室內上表面相距4(T80mm，與真空反應腔室內壁相距2(T40mm。
全文摘要
遠程脈沖射頻電感耦合放電等離子體增強原子層沉積裝置，包括真空系統(tǒng)、遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)、前驅體源輸運系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)，所述真空系統(tǒng)包括真空反應腔室，所述真空反應腔室上連接有進氣管路和真空泵，所述真空反應腔室內設有放置樣品的樣品臺；所述遠程脈沖等離子體發(fā)生系統(tǒng)包括連接在真空反應腔室上的石英管，所述石英管外繞設有感應線圈，所述感應線圈上依次連接阻抗匹配系統(tǒng)、脈沖射頻電源；所述前驅體源輸運系統(tǒng)包括連接在進氣管路上的前驅體源瓶，所述前驅體源瓶與進氣管路的連接管路上設有快速ALD電磁閥；所述計算機控制系統(tǒng)由PLC與計算機組成，所述PLC與加熱系統(tǒng)、快速ALD電磁閥、脈沖射頻電源連接。
文檔編號C23C16/52GK102400113SQ20111041594
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權日2011年12月14日
發(fā)明者萬軍, 夏洋, 李超波, 江瑩冰, 趙珂杰, 陳波, 饒志鵬, 黃成強 申請人:嘉興科民電子設備技術有限公司