用於半導體器件的使用大氣壓的材料原子層沉積的方法
2023-06-08 04:18:21
專利名稱：用於半導體器件的使用大氣壓的材料原子層沉積的方法
技術領域：
本發明涉及集成電路及其用於半導體器件製造的處理。更具體地，本發明提供在大氣條件下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結構。僅僅作為示例，本發明已經被應用於先進集成電路器件的製造，但是應該認識到，本發明具有更加廣泛的可應用性。
背景技術：
集成電路已經從製造在單個矽晶片上的少數的互連器件發展到數百萬個器件。傳統集成電路提供的性能和複雜度已遠遠超過了當初的想像。為了實現複雜度和電路密度(即，能夠被安置到給定晶片面積上的器件的數量)的提高，對於每一代集成電路，最小器件線寬的尺寸(也被稱為器件「幾何」)變得越來越小。
不斷增大的電路密度不僅已提高了集成電路的複雜度和性能，而且也為客戶提供了更低成本的部件。集成電路或者晶片製造設備常常可能花費成百上千萬，甚至十幾億美元來建造。每一製造設備具有一定的晶片生產量，而每片晶片上將會有一定數量的集成電路。因此，通過製造更小的集成電路個體器件，更多的器件可以被製造在每一個晶片上，這樣就可以增加製造設備的產量。要使器件更小是很有挑戰性的，因為每一種用於集成製造的工藝都存在限制。那也就是說，一種給定的工藝通常只能加工到某一特定的線寬尺寸，於是不是工藝就是器件布局需要被改變。此外，隨著器件要求越來越快速的設計，工藝限制就伴隨某些傳統的工藝和材料而存在。
這樣的工藝的示例是使用化學氣相沉積技術的膜的形成。這些化學氣相沉積技術(通常稱作CVD)經常使用利用等離子體環境被引入的前驅體氣體。這些氣體通常形成包括絕緣體、半導體和導體在內的材料層。雖然已被廣泛地用於半導體器件的製造，但是CVD技術常常缺乏對於更小特徵的良好的階梯覆蓋。這些更小的特徵通常小於約0.2μm並且其長寬比為10，但是也可以是其他值。
因此，已經提出了原子層沉積(ALD)技術。這些技術所提供的膜將良好地階段覆蓋這樣的更小特徵。然而，ALD技術具有某些限制。例如，ALD技術通常很慢並且難以實現大量製造。在本說明書中，更具體地在下文中將更加詳細地描述這些和其他的限制。
從上面看出，用於處理半導體器件的改進技術是所希望的。
發明內容
根據本發明，提供了涉及集成電路的技術及其用於半導體器件製造的處理。更具體地，本發明提供在大氣條件下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結構。僅僅作為示例，本發明已經被應用於先進集成電路器件的製造，但是應該認識到，本發明具有更加廣泛的可應用性。
在一個具體實施例中，本發明提供了一種用於利用原子層沉積形成膜的方法，該方法包括將多個襯底放置在一盒子中。該方法還包括取出所述多個襯底中的一個，並將所述一個襯底施加在例如帶的移動構件上。該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數。該方法還包括通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個。該方法在所述表面在所述移動構件上移動時，形成上覆於所述表面的原子層膜。優選地，所述一個襯底被保持在大約大氣壓下，同時被經歷所述氣體分配構件中的一個或者多個。
在另一個具體實施例中，本發明提供一種用於在例如760 Torr的大氣條件下利用原子層沉積形成膜的方法。該方法也包括將多個襯底放置在一盒子中，並取出所述多個襯底中的一個。該方法將所述一個襯底施加在移動構件上，該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數。該方法還通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個，同時將所述襯底保持在大約大氣壓下。該方法當所述表面在所述移動構件上移動同時被保持在大氣壓下時，形成上覆於所述表面的原子層膜。
在另一個具體實施例中，本發明提供一種用於原子層沉積的方法。所述方法包括提供具有表面區域的襯底，並將所述襯底的所述表面區域暴露於大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下，並且利用原子層沉積形成上覆於所述表面區域的膜，同時所述襯底被保持在大約大氣壓下。優選地，所述膜以大於每分鐘1納米的速率生長。
較傳統技術，通過本發明獲得了的很多優點。例如，本技術為使用依賴於傳統技術的工藝提供了便利。在一些實施例中，本方法提供了對於每個晶片的按管芯計的更高的器件產率。此外，本方法提供了與傳統工藝技術兼容而不用對傳統設備和工藝進行實質修改的工藝。優選地，本發明為0.1微米以及更小的設計規範提供了改進的工藝集成。此外，本發明可以適用於商業化器件的大量製造。依據實施例，可以獲得這些優點中的一個或多個。這些優點或其他優點將在本說明書全文中並且更具體地在下文中，進行更多的描述。
圖1是示出了用於原子層沉積的傳統方法的簡化圖；以及圖2示出了根據本發明的一個實施例的利用原子層沉積形成層的方法。
具體實施例方式
根據本發明，提供了涉及集成電路的技術及其用於半導體器件製造的處理。更具體地，本發明提供在大氣條件下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結構。僅僅作為示例，本發明已經被應用於先進集成電路器件的製造，但是應該認識到，本發明具有更加廣泛的可應用性。
圖1是示出了用於原子層沉積的傳統方法的簡化圖。如圖所示，在傳統的原子層沉積中存在四個主要的工藝或者步驟。步驟1包括用Me3Al(TMA)處理矽襯底。TMA是利用化學吸附製成的金屬前驅體。該方法清除TMA，如步驟2所示。該方法將TMA與臭氧反應，形成氧化鋁(Al2O3)，其中所述氧化鋁為單層。通過步驟4，臭氧和含碳物質被清除。這些步驟在真空環境下進行，以使得多餘的氣體被排走。然而，傳統的方法存在有限制。沉積速率通常很低，且小於每分鐘1納米，這使得該工藝對於商業化的大量半導體生產是不令人滿意的。在本說明的全文中，更具體地在下文中，可以找到被本發明克服的這些和其他限制。
根據本發明的用於原子層沉積的方法可以被概括如下。
1.將多個襯底放置在一盒子中，並且取出所述多個襯底中的一個；2.將所述一個襯底施加在移動構件上，該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數；3.通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個，同時將襯底保持在大氣壓下；4.當表面在移動構件上移動並且同時被保持在大氣壓下時，形成上覆於所述表面的原子層膜；以及5.如果需要的話，進行其他的步驟。
上述順序的步驟提供了根據本發明一個實施例的方法。如所示出的，該方法利用了包括利用在大氣壓下的原子層沉積形成膜的方法的多個步驟的組合。優選地，該方法在被耦合到多個氣體分配構件的諸如帶或者其他驅動器之類的可移動構件上進行。還可以提供許多其他可供選擇的方法，其中在不背離這裡的權利要求的範圍的情況下，加入某些步驟，刪去一個或多個步驟，或者一個或多個步驟按照不同的順序被提供。使用用於原子層沉積的上述方法的細節在下面被提供。
圖2是示出了根據本發明的一個實施例用於利用原子層沉積形成層的方法的簡化圖200。此圖僅僅是示例，不應限制這裡的發明的範圍。本領域的普通技術人員將認識到很多變化、替代和修改。如圖所示，該圖包括布置在可移動構件209上方的多個氣體分配構件。該可移動構件允許將晶片從第一位置運輸到第二位置。可移動構件由電動機驅動。優選地，可移動構件可以是碳化矽塗層的碳材料。可移動構件允許每一個晶片的上表面暴露於氣體分配構件中的每一個。在優選實施例中，每一個氣體分配構件包括一個或者多個開口，以允許氣體以層流方式通過。
取決於應用，每一個氣體分配構件可以具有不同的氣體。例如，氣體分配構件201可以是用於清除氣體。清除氣體可以是惰性的。這樣的清除氣體的一個示例是氬氣或者其他類似的物質。另一氣體分配構件203用於TMA。在TMA之後的另一氣體分配構件201a可以又是用於清除氣體，所述清除氣體驅走多餘的TMA。另一氣體分配構件205可以是用於臭氧或者其他類似的物質。與氬氣、TMA、氬氣和臭氧相關聯的構件可以被組合在一起，以串行的方式處理上部區域。與氬氣、TMA、氬氣和臭氧相關聯的另一組構件可以被組合在一起，以串行的方式處理所述上部區域，並且被串聯到另一組包括氬氣、TMA、氬氣和臭氧的構件，如圖所示。每一組氬氣、TMA、氬氣、臭氧為本方法的一個循環。
僅僅作為示例，某些工藝參數可以被概括如下帶速10釐米/分鐘；TMA流率(氬氣鼓泡)在25℃下0.5標準升/分鐘(SLM)；O3流速3SLM(從臭氧發生器)；以及溫度450℃。
該方法使用被沿著可移動構件的背面布置的多個燈模塊211。每一個燈模塊可以對應於一個氣體供應器。優選地，燈模塊是可單獨控制的，但也可以是其他。燈模塊也可以用快速熱退火模塊或者其他類似的熱施加器件替換。當然，本領域的普通技術人員將認識到很多變化、替代和修改。
在具體的實施例中，本發明提供一種用於利用原子層沉積形膜的方法。該方法包括將多個襯底放置在一盒子中。該方法還包括取出所述多個襯底中的一個，並且將所述一個襯底施加在移動構件上。該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數。該方法還包括通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個。該方法當表面在移動構件上移動時形成上覆於所述表面的原子層膜。優選地，所述一個襯底被保持在大約大氣壓下，同時經歷所述氣體分配構件中的一個或者多個。
在另一具體實施例中，本發明提供一種在大氣條件下，例如760 Torr條件下的原子層沉積方法。該方法也包括將多個襯底放置在一盒子中並取出所述多個襯底中的一個。該方法將所述一個襯底施加在移動構件上。該移動構件被耦合到多個氣體分配構件。所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數。該方法還包括通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個，同時將襯底保持在大約大氣壓下。該方法當表面在移動構件上移動同時被保持在大氣壓下時形成上覆於所述表面的原子層膜。
在另一具體實施例中，本發明提供一種用於原子層沉積的方法。該方法包括提供具有表面區域的襯底，並且將襯底的表面區域暴露於大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下並且利用原子層沉積形成上覆於表面區域的膜，同時襯底被保持在大約大氣壓下。優選地，膜以大於約每分鐘1納米的速率生長。對於低壓LP-ALD批處理的情形，沉積速率為約3埃/分鐘，或者為從2埃/分鐘到5埃/分鐘的範圍。
還應當理解，這裡所描述的示例和實施例只是為了說明的目的，本領域的普通技術人員可以根據上述示例和實施例對本發明進行各種修改和變化，這些修改和變化將被包括在本申請的精神和範圍內，並且也在所附權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種用於原子層沉積的方法，該方法包括將多個襯底放置在一盒子中；取出所述多個襯底中的一個；將所述一個襯底施加在移動構件上，該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數；以及通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個，同時將襯底保持在大氣壓下；以及當所述表面在所述移動構件上移動並且面向所述多個氣體分配構件中的一個或者多個時，形成上覆於所述表面的原子層膜。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述被暴露的襯底被保持在大約大氣壓下。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述移動構件是耦合到可旋轉設備上的帶。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述襯底是半導體晶片或者LCD襯底。
5.如權利要求1所述的方法，其中當所述一個襯底通過所述移動構件行進時，所述被暴露的襯底被保持在大約大氣壓下。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述原子層膜是氧化鋁。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述原子層膜是半導體、金屬和/或電介質。
8.如權利要求1所述的方法，其中對於所述氧化鋁膜，所述襯底被保持在約450℃的溫度下。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述移動構件被耦合到多個燈模塊。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述原子層膜由逐層沉積的膜限定出。
11.一種用於在大氣條件下的原子層沉積的方法，該方法包括將多個襯底放置在一盒子中；取出所述多個襯底中的一個；將所述一個襯底施加在移動構件上，該移動構件被耦合到多個氣體分配構件，所述多個氣體分配構件被編號為1到N，其中N為整數；以及通過移動構件移動所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構件到第N氣體分配構件將所述襯底的表面暴露於所述多個氣體分配構件中的一個或者多個；將所述襯底保持在大約大氣壓下；以及當所述表面在所述移動構件上移動同時被保持在大氣壓下時，形成上覆於所述表面的原子層膜。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述襯底通過所述移動構件以約10cm/min到約30cm/min的速度移動。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述襯底是半導體晶片或者LCD板。
14.如權利要求11所述的方法，其中所述原子層膜包括氧化鋁。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構件中的一個或者多個提供前驅體氣體。
16.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構件中的一個或者多個提供清除氣體。
17.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構件中的一個或者多個提供氧化劑。
18.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構件中的一個或者多個提供氮化劑。
19.如權利要求17所述的方法，其中所述氧化劑選自由臭氧或者H2O2組成的組。
20.如權利要求16所述的方法，其中所述氮化劑包括N2H2。
21.如權利要求16所述的方法，其中所述清除氣體選自氬氣或者氦氣。
22.如權利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構件在所述襯底的暴露表面上提供層流。
23.一種用於原子層沉積的方法，所述方法包括提供具有表面區域的襯底；將所述襯底的所述表面區域暴露於大氣壓；將所述襯底保持在大約大氣壓下；利用原子層沉積形成上覆於所述表面區域的膜，同時所述襯底被保持在大約大氣壓下，以將所述膜的沉積速率提高到大於每分鐘1納米。
全文摘要
本發明提供一種用於原子層沉積的方法。所述方法包括提供具有表面區域的襯底，並將所述襯底的所述表面區域暴露於大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下，並且利用原子層沉積形成上覆於所述表面區域的膜，同時所述襯底被保持在大約大氣壓下。優選地，所述膜以大於每分鐘1納米的速率生長。
文檔編號H01L21/31GK1937175SQ200510029998
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月20日 優先權日2005年9月20日
發明者三重野文健 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司