CN1468975A - 原子层沉积反应设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原子层沉积(ALD)反应设备。该提供的设备包括：真空室，其具有进气口、出气口、以及连接进气口和出气口的气流通道；位于真空室内的反应器，其包括反应室和气体分配器，在反应室中，通过气流通道输入的气体与位于反应室内的样品进行反应，而气体分配器位于反应室内以均匀地供给气体；样品位置控制器，其将位于真空室内的样品移动到反应室内；以及分析器，其通过微管连接反应室，分析反应室内产生的气体。该提供的设备可通过维持反应气体的压力和流量来在样品上沉积均匀原子层，并同时沉积和分析原子层。

Description

原子层沉积反应设备
技术领域
本发明涉及一种原子层沉积(ALD)反应设备，尤其涉及一种ALD反应设备，该设备维持反应室内反应气体的压力和流量。
背景技术
其中的反应混合物顺序加入和去除的原子层沉积(ALD)技术是制造半导体器件时所需的薄膜生长技术之一。ALD反应设备通过与样品表面进行反应的反应气体在样品表面上形成原子层。
图1A是一示意性视图，示出用于ALD的采用行进法的传统反应设备。此处，行进法(即连续气流法)将气体连续地供应给样品，以沉积原子层。参见图1A，气体通过进气口11连续供给，该入口连接反应室13，且输入的气体与设置在反应室13内的样品17反应，以在样品17表面上形成原子层。其后，气体通过出气口15排至外界。
用于ALD的利用行进法的传统反应设备减小了切换气体所需的时间量，且形成了具有优异均匀性的原子层；然而，其难以应用于大尺寸衬底。
图1B是一示意性视图，示出用于ALD的采用簇射方法(showerheadmethod)的传统反应设备。此处，在簇射方法中，反应气体通过布置在反应室内的簇射头喷射到样品上。参见图1B，气体通过进气口21输入到反应室23内，并通过簇射头29均匀地喷射到样品27上。其后，气体通过出气口25排至外界。
用于ALD的利用簇射方法的传统反应设备易于在大尺寸衬底上形成原子层；然而，其难以调整衬底与簇射头之间的距离。
图1A和1B的ALD反应设备具有其尺寸大于进气口11和21的出气口15和25。因此，虽然反应过程后的残余反应气体可容易地排至外界，但是由于上述结构使得反应气体在反应过程中连续供给，所以该设备需要大量气体。此外，ALD传统反应设备被做成一个单独的单元，使得其难以附加安装分析器，该分析器测量反应过程中产生的反应副产物，或测量原子层的厚度、密度或化学键合状态。
发明内容
本发明提供一种用于原子层沉积(ALD)的反应设备，其减少了源气体和反应气体的用量，并在沉积原子层的同时分析反应副产物气体。
根据本发明的一个方面，提供一种用于原子层沉积(ALD)的反应设备，其包括：真空室，其具有进气口、出气口、以及连接进气口和出气口的气流通道；位于真空室内的反应器，其包括反应室和气体分配器，反应室中，通过气流通道输入的气体与位于反应室内的样品进行反应，而气体分配器位于反应室内以均匀地供给气体；样品位置控制器，其将位于真空室内的样品移动到反应室内；以及分析器，其通过微管连接反应室，分析反应室内产生的气体。
此处，气体分配器包括：用于均匀地供应气体的第一气体分配器，该气体通过进气口输入到反应室内；以及，第二气体分配器，其连接反应室的上部，用于将反应室内产生的气体排到出气口，以使反应室内的气体均匀。
优选的是，第一和第二气体分配器由具有多个孔的圆形筛网形成。
优选的是，第一气体分配器的直径大于第二气体分配器的直径。
优选的是，分析器是四极质谱仪(QMS)。
优选的是，真空室还包括用于安装椭圆仪的多个端口。
优选的是，真空室还包括用于将样品输运至真空室外部的样品输运通道。
优选的是，真空室还包括样品输运口，其连接样品输运通道，且样品输运口连接设置在外部的光电子光谱仪(photoelectronic spectrometer)。
根据本发明的ALD反应设备通过保持反应气体的压力和流量可在样品上沉积均匀的原子层。此外，根据本发明的反应设备包括反应设备中的分析器，以在保持沉积条件的同时通过分析产生的反应副产物来测量反应进程。此外，反应设备包括外部分析器来分析样品，以同时沉积和分析原子层。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的优选实施例，本发明的以上方面和优点将更为清晰，其中：
图1A是示出用于原子层沉积(ALD)的利用行进方法的传统反应设备的示意性视图；
图1B是示出用于ALD的利用离子簇射方法的传统反应设备的示意性视图；
图2是示出根据本发明的ALD反应设备的示意性视图；
图3是示出根据本发明的ALD反应设备的剖视图；
图4是示出根据本发明的ALD反应设备的第一气体分配器的透视图；
图5A是一曲线图，示出了光电子光谱分析图谱，其由利用根据本发明的ALD反应设备沉积的原子层获得；以及
图5B是示出图5A的部分A的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参照附图说明本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。
图2是示出根据本发明的原子层沉积(ALD)反应设备的示意性视图。参见图2，根据本发明的ALD反应设备包括反应器31、包括反应器31的真空室33、在真空室33内移动样品的样品位置控制器35、以及分析反应器31内反应副产物气体的分析器37。
真空室33内部被抽真空，以形成用于在反应器31内平稳地产生物理和化学反应的环境。其后，源气体和反应气体被输入到反应器31，使得原子层因反应器31中源气体和反应气体与样品的反应而形成。此处，反应气体和ALD过程中产生的副产物用分析器37进行定性和定量分析，该分析器连接到反应器31上。此外，布置在真空室33外部的样品位置控制器35将真空室33内的样品移动到反应器31中的适当位置。
图3是示出根据本发明的ALD反应设备的剖视图。此处，根据本发明的反应设备使用了基于行进方法和簇射方法的复合方法。
参见图3，反应器31包括：反应室42，其中，ALD通过源气体和反应气体在样品40上发生；第一气体分配器44，其向反应室42均匀地供给反应气体；以及，第二气体分配器46，其在ALD反应在设置在反应室42内的样品40上发生后，将反应副产物气体排出，以均匀地维持反应室42内的反应气体。
此外，真空室33包括：用于化学气相沉积(CVD)或ALD的反应器31；用于将气体输入到反应器31的进气口52；用于将反应器31中反应过程之后的反应副产物气体排出的出气口54；用于移动样品40的样品输运通道57；连接样品输运通道57以将样品40输运到设置在反应设备外部的光电子光谱仪(未示出)的第一和第二样品输运口58a和58b；以及，用于布置椭圆仪(未示出)的第一和第二端口56a和56b。
反应器31和分析器37布置在真空室33内，或者其它分析器布置在真空室33外部，以同时进行ALD和分析过程。也就是说，由于在ALD过程中产生的气体得以分析，所以可实时分析反应过程的反应状态，且不用附加的设备即可同时进行沉积和分析。
样品位置控制器35将样品40移动到反应室42中的预定位置，以沉积原子层；或将样品40向其上安装椭圆仪的第一和第二口56a和56b移动，以测量样品40的厚度和密度。
分析器37的一个例子包括四极质谱仪(QMS)，或残余气体分析器，其通过微管48连接到反应室42，以探测和分析ALD过程中产生的气体、反应副产物气体、以及从样品40上除下的气体。
QMS测量离子的分子量。气态离子通过四极根据质荷比而分散，且探测器收集分散的离子并放大与离子数成比例的电信号。此外，数据系统探测放大电信号以将电信号转变为质谱。
安装在第一和第二口56a和56b上的椭圆仪向样品40上输入一偏振光束，并利用反射的偏振光束探测样品40上的信息。
光电子光谱仪向样品40输入一特定的X射线，并分析自样品40表面发射的光电子能量，以探测样品40上的原子层的成分和化学键合状态。
源气体和反应气体通过进气口52输入到反应室42，并利用第一气体分配器44均匀地供给到反应室42。源气体和反应气体于样品40反应，以在样品40表面上沉积原子层。其后，残余气体集中到样品40的中部，并通过第二气体分配器46排至出气口54。ALD过程中产生的气体、反应副产物气体、以及从样品40去除的气体通过微管48输入到分析器37。当分析器37为QMS时，根据上述方法分析该些气体。
真空室33中的气体从具有高压的反应室42通过微管48移动到具有低压的分析器37。此处，气体的流速由微管48的长度和截面积、以及维持真空室33的真空状态的泵的抽气速率等确定。
图4是说明根据本发明的ALD反应设备中第一气体分配器的透视图。参见图4，具有多个孔的筛网44a形成在第一气体分配器44中，以均匀地将自外界输入的气体喷射到反应室42。第二气体分配器46具有与第一气体分配器44相似的结构。因此，在反应室42内产生的气体有效地排至出气口54，以均匀地维持反应室42内的气体。
在ALD过程中，当源气体在样品表面上沉积至一层或少于两层时，源气体由于自约束反应而不再在样品上沉积。因此，当源气体的量大于形成一层所需的量时，源气体的量得以减少，以降低源气体的浪费。此外，源气体和反应气体的浪费可通过形成如图4所示的第一和第二气体分配器44和46、以及将源气体和反应气体流到具有大面积的筛网44a的外部而大大减少。
图5A是示出光电子光谱分析图谱的曲线图，该图谱由利用根据本发明的ALD反应设备沉积的原子层得到。图5B是示出图5A的部分A的曲线图。
此处，图5A的曲线图是光电子光谱分析图谱，其由在硅衬底上沉积至3nm厚的氧化铪(HfO2)薄层得到，硅衬底上沉积有厚约2nm的氧化硅(SiO2)层。现在将说明在硅衬底的SiO2层上沉积HfO2薄层的过程。
首先，通过ALD反应设备的进气口52输入作为源气体的氯化铪(HfCl4)，并对其进行净化。作为反应气体的氧化氢(H2O)通过进气口52输入并净化。于是，通过化学反应产生作为反应气体的氧化铪(HfO2)、氢气(H2)和氯化氢(HCl)。当输入反应气体时，反应气体通过第一气体分配器44均匀地分配到反应室42，产生的反应副产物气体通过出气口54由第二气体分配器46轻易地排出。
参见图5A，沿x轴自右至左示出了由HfO2薄层的Hf4f轨道电子产生的铪(Hf)峰、由硅衬底产生的硅(Si)2p峰和Si2s峰、以及因样品暴露在空气中导致的污染产生的碳(C)1s峰和氧(O)1s峰。
图5B是示出图5A的部分A的曲线图，在该部分中示出了Hf4f峰。参见图5B，Hf4f峰在约17eV的结合能处出现，该结合能低于仅包括Hf元素的情形下出现的峰所在的约19eV的结合能。因此，表明所测得的Hf4f由HfO2产生。
根据本发明的ALD反应设备可在进行CVD或ALD的同时分析反应室中产生的反应副产物气体。另外，根据本发明的ALD反应设备可同时进行ALD和反应分析，而无需单独的设备。
如上所述，根据本发明的ALD反应设备可通过维持反应气体的压力和流量来在样品上沉积均匀原子层。另外，根据本发明的反应设备可在维持沉积条件的同时，测量反应过程中产生的反应副产物、测量原子层的厚度、密度和化学键合态。
虽然已经参照本发明的优选实施例对其进行了具体地显示和说明，但是本领域技术人员应当了解，在不脱离由所附权利要求所定义的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作形式和细节上的各种改变。

Claims (9)

1.一种原子层沉积(ALD)反应设备，该设备包括：
真空室，其具有进气口、出气口、以及连接进气口和出气口的气流通道；
位于真空室内的反应器，其包括反应室和气体分配器，反应室中，通过气流通道输入的气体与位于反应室内的样品进行反应，而气体分配器位于反应室内以均匀地供给气体；
样品位置控制器，其将位于真空室内的样品移动到反应室内；以及
分析器，其通过微管连接反应室，分析反应室内产生的气体。
2.如权利要求1所述的反应设备，其中，气体分配器包括：
用于均匀地供应气体的第一气体分配器，该气体通过进气口输入到反应室内；以及
第二气体分配器，其连接反应室的上部，用于将反应室内产生的气体排到出气口，以使反应室内的气体均匀。
3.如权利要求2所述的反应设备，其中，第一和第二气体分配器由具有多个孔的圆形筛网形成。
4.如权利要求3所述的反应设备，其中，第一气体分配器的直径大于第二气体分配器的直径。
5.如权利要求1所述的反应设备，其中，分析器是四极质谱仪(QMS)。
6.如权利要求1所述的反应设备，其中，真空室还包括用于安装椭圆仪的多个端口。
7.如权利要求1所述的反应设备，其中，真空室还包括用于将样品输运至真空室外部的样品输运通道。
8.如权利要求7所述的反应设备，其中，真空室还包括样品输运口，其连接样品输运通道。
9.如权利要求8所述的反应设备，其中，样品输运口连接设置在外部的光电子光谱仪。
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