一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法，通过对源瓶出口管路、钛的前驱体传输管路进行分段梯度升温加热、对前级管路进行分段梯度降温加热，以及将氧化剂吹扫管路直接接入真空泵而不经过腔室，并在ALD反应中通过提高氧化剂与钛的前驱体蒸气之间的流量比例、进行工艺前的管路预处理，以及多次将腔室和管路抽真空，可降低腔室尤其是前级管路内颗粒的产生，延长真空泵的维护周期，提高使用寿命，并可有效清除前驱体和氧化剂在管路和腔室壁的残留，降低非预期反应的发生以及降低杂质污染，不仅可提高薄膜的纯度，而且避免了复杂的气体处理系统设置。

An atomic layer deposition device for titanium nitride and its deposition method

The invention discloses a titanium nitride atomic layer deposition apparatus and deposition method, through to the source bottle outlet pipe and the titanium precursor transmission line segment gradient heating, the foreline segmented gradient cooling heating and oxidant purging pipeline directly connected to vacuum pump without passing through the chamber, and in ALD by increasing the flow rate and the reaction between the precursor vapor oxidizing agent and titanium of the pipeline pretreatment process before, and several chamber and the vacuum chamber can reduce the pipeline, especially the foreline particles, prolonged vacuum pump maintenance cycle, improve the service life, and can effectively remove the precursor the body and the residual oxidant in the pipeline and the chamber wall, reduce unintended reactions and reduce the impurity pollution, not only can improve the purity of the membrane, but also avoids the complex Gas treatment system setting.

【技术实现步骤摘要】
一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法
本专利技术涉及半导体加工
，更具体地，涉及一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法。
技术介绍
氮化钛(Titaniumnitride，TiN)因其具有高硬度、高熔点和良好的热稳定性及化学稳定性而作为切割工具的涂层。并且，氮化钛由于其良好的导电性，薄膜良好的热稳定性及机械性能，使其成为IC领域的多用途材料。诸如应用于Cu扩散阻挡层(copperdiffusionbarrier)，CMOS二极管和DRAM电容组件的栅电极等。PVD和CVD方法是沉积TiN薄膜的主要方法。但是，研究表明，与PVD和CVD方法沉积的TiN薄膜相比较，采用原子层沉积(ALD)方法沉积的TiN薄膜台阶覆盖率(stepcoverage)更好。尤其是随着组件尺寸特征减小，孔洞深宽比例不断提高的技术发展趋势下，ALD沉积的TiN薄膜将具有更广的应用前景。原子层沉积是通过将反应前驱体独立通入到反应腔室，反应通过基底表面的催化来实现。ALD反应是自限制反应，也就是说，ALD的半反应(halfreactions)一直进行到可以获得的反应位置(reactionsites)消耗完，之后没有更多的前驱体进行反应。ALD反应能够在高深宽比的基底上发生共形性沉积，就是因为表面反应位置是反应的关键要素，并被反应所消耗。ALD方法制备TiN的前驱体主要包括钛的卤化物，如四氯化钛(TiCl4)和有机金属钛化合物，有机金属钛化合物如TDMAT(tetrakisdiethyl-aminotitanium)和TEMAT(tetrakisethyl-methyl-aminotitanium)。有机金属钛化合物的主要缺点之一是它的热稳定性差，采用该前驱体具有挑战性。这些化合物中的一些可能在源容器中就发生分解，因为分解和挥发的温度窗口几乎不存在。例如，发现TDMAT在120℃已经分解，分解的结果造成薄膜均匀性和薄膜厚度控制变差，薄膜电阻变高。而且，薄膜分解后碳和氧残留浓度通常非常高，必须有后处理措施以降低碳浓度和改善薄膜密度。四氯化钛热稳定性非常好且它的蒸气压较高，在室温下就能挥发，沉积的薄膜电阻较低。在ALD反应制备TiN中，反应过程为：依次脉冲通入四氯化钛到腔室；采用高纯氮气吹扫腔室和管路；氨气(NH3)脉冲通入腔室；采用高纯氮气吹扫腔室和管路。在低压和高温下，脉冲通入的四氯化钛和氨气在腔室的衬底表面上形成了TiN薄膜，其反应为：6TiCl4+8NH3＝6TiN+N2+24HCl(1)ALD反应比较难以控制。理想的ALD反应是前驱体在基座表面而不是基座上的空间内反应。因此，在第二种前驱体脉冲注入到腔室前，第一种前驱体必须完全从腔室去除。滞留在传输管路和腔室上部空间的前驱体发生反应后在腔室和管道壁上形成化合物，对基底表面会带来污染并引入杂质。类似的情形也会在ALD沉积TiN工艺中出现。ALD制备TiN中，反应过程中形成的盐酸(HCl)是四氯化钛前驱体的缺点之一；盐酸和氨气反应将形成氯化铵，发生如下反应：形成NH4Cl：NH3+HCl＝NH4Cl(2)TiCl4分解：TiCl4＝TiCl3+Cl(3)气相形成的加合物：TiCl4+nNH3＝TiCl4.nNH3，n＝2,4,8等(4)实际上，除了上述第(1)个反应外，其余(2)、(3)、(4)三个反应对于目标物TiN来说都是多余的反应，但是却不能完全避免。如果反应气体没有完全在工艺腔室发生目标反应，而是有部分在下游的前级管路和真空泵内发生反应(2)和(4)，形成的NH4Cl和TiCl4.nNH3都是副产物，浓缩后将成为固体物质，如果浓缩在真空泵前级管路和真空泵组件上，就会引起泵的异常，影响泵的寿命。ALD沉积TiN采用的反应源一般为四氯化钛(TiCl4)和氨气(NH3)，热ALD制备TiN反应的温度一般在400℃～600℃。图1为现有的一种用于沉积TiN的ALD装置结构示意图，其显示包括前驱体传输管路在内的部分管路。如图1所示，反应腔室1由气体分配装置(gasdistributor，即喷淋头(showerhead))2和加热基座4等构成，薄膜沉积在衬底(wafer)3上。反应腔室侧面设有和反应腔室连接的气动阀门5，反应腔室连接有真空泵6，源瓶7用于装载前驱体四氯化钛，载气8用于携带前驱体蒸气以及用于吹扫管路，一般采用氮气等惰性气体。图中MFC1～MFC2为质量流量控制器，PV1～PV6为真空气动阀门，MV1～MV4为手动阀门。现有ALD沉积TiN的沉积过程，一般采用含Ti的前驱体(如四氯化钛)和氧化剂(如氨气)的四步方案。其完整的工艺流程如图2所示，即第一步，载气(如惰性气体氮气)携带钛的前驱体(如四氯化钛蒸气)通过PV2、MV2、MV3、PV3和PV5后脉冲进入腔室1中并吸附在衬底3上；第二步，采用惰性气体如氮气吹扫(purge)前驱体四氯化钛传输管路到腔室，即惰性气体经过PV1、PV5后到达腔室1；第三步，氧化剂氨气气体以脉冲方式进入腔室并与饱和吸附在衬底上的前驱体四氯化钛反应；第四步，采用惰性气体吹扫氨气氧化剂传输管路到达腔室。重复以上四步直到达到预期厚度。然而，上述现有的装置及方法存在以下缺点：1)由于ALD反应中前驱体四氯化钛和氧化剂氨气脉冲进入腔室后的吹扫时间较短，四氯化钛和氨气可能有少量残留在各自的管路中，尤其是残留在腔室壁等空间内，发生非预期反应导致腔室及衬底表面的污染。2)前驱体和氧化剂蒸气还可能在衬底边缘尤其是衬底下部反应成膜，造成衬底边缘和下部的污染，最终污染衬底表面和腔室其它部位。3)从源瓶出口到腔室之间的各段管路中有的没有加热功能，有的虽可加热但设定温度保持一致；而四氯化钛蒸气在进入腔室的过程中一旦遇到冷点，就可能部分聚集吸附甚至冷凝，尤其是容易在源瓶出口手阀MV3到气动阀门PV3的一段内聚集吸附或冷凝。4)从工艺腔室排除的气体到真空泵前的前级管路中，只有腔室出口处的部分管路(腔室出口前级管路)装有加热带；从腔室吹扫出的气体在到达真空泵前，容易在真空泵前级管路内吸附并发生反应，形成NH4Cl和TiCl4.nNH3的加合物等。因此，需要对现有的ALD沉积TiN的工艺和传输及尾气处理系统加以优化以应对这些挑战。在ALD等真空沉积系统中的一个共同问题是处理腔室的废弃物，包括防止或者尽量减少由于产生的固体物质或者原料气的反应副产物在真空泵中的聚集。这些问题对于特定的原料气，反应和采用的工艺条件都可能具有特定性，因此在一种沉积体系中解决该类问题的方案在别的体系中可能不会有效甚至完全无效。鉴于此，本专利技术提出了一种氮化钛沉积工艺并优化了相关设备，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种氮化钛原子层沉积装置及其沉积方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种氮化钛原子层沉积装置，包括：反应腔室，其通过前级管路连接真空泵；钛的前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端与载气及吹扫气体管路的一端对接，所述载气及吹扫气体管路与钛的前驱体传输管路接口的两端之间还并联设有用于装载钛的前驱体的源瓶；其中，所述源瓶通过源瓶进口管路接入载气及吹扫气体管路，并通过源瓶出口管路接入钛的前驱体传输管路；载气及吹扫气体管路，其一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，包括：反应腔室，其通过前级管路连接真空泵；钛的前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端与载气及吹扫气体管路的一端对接，所述载气及吹扫气体管路与钛的前驱体传输管路接口的两端之间还并联设有用于装载钛的前驱体的源瓶；其中，所述源瓶通过源瓶进口管路接入载气及吹扫气体管路，并通过源瓶出口管路接入钛的前驱体传输管路；载气及吹扫气体管路，其一端分别连接钛的前驱体传输管路和源瓶，另一端连接载气及吹扫气体源；腔室压强维持管路，其一端接入钛的前驱体传输管路后连接反应腔室，另一端接入载气及吹扫气体管路；氧化剂传输管路，其一端连接反应腔室，另一端连接氧化剂源；氧化剂吹扫管路，其一端连接至载气及吹扫气体源，另一端在依次经氧化剂传输管路上游接入并由氧化剂传输管路下游接出后，直接接入真空泵；其中，所述源瓶出口管路、钛的前驱体传输管路、前级管路上设有加热单元，以对源瓶出口管路、钛的前驱体传输管路进行分段梯度升温加热，以及对前级管路进行分段梯度降温加热。

【技术特征摘要】
1.一种氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，包括：反应腔室，其通过前级管路连接真空泵；钛的前驱体传输管路，其一端连接反应腔室，另一端与载气及吹扫气体管路的一端对接，所述载气及吹扫气体管路与钛的前驱体传输管路接口的两端之间还并联设有用于装载钛的前驱体的源瓶；其中，所述源瓶通过源瓶进口管路接入载气及吹扫气体管路，并通过源瓶出口管路接入钛的前驱体传输管路；载气及吹扫气体管路，其一端分别连接钛的前驱体传输管路和源瓶，另一端连接载气及吹扫气体源；腔室压强维持管路，其一端接入钛的前驱体传输管路后连接反应腔室，另一端接入载气及吹扫气体管路；氧化剂传输管路，其一端连接反应腔室，另一端连接氧化剂源；氧化剂吹扫管路，其一端连接至载气及吹扫气体源，另一端在依次经氧化剂传输管路上游接入并由氧化剂传输管路下游接出后，直接接入真空泵；其中，所述源瓶出口管路、钛的前驱体传输管路、前级管路上设有加热单元，以对源瓶出口管路、钛的前驱体传输管路进行分段梯度升温加热，以及对前级管路进行分段梯度降温加热。2.根据权利要求1所述的氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，还包括：腔室阀门吹扫管路，所述反应腔室设有与反应腔室连接的腔室阀门，所述腔室阀门吹扫管路的一端接至腔室阀门，另一端接入载气及吹扫气体管路。3.根据权利要求1所述的氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，还包括：钛的前驱体排气分路，所述钛的前驱体排气分路的一端在腔室压强维持管路与钛的前驱体传输管路接口之前接入钛的前驱体传输管路，另一端接入前级管路。4.根据权利要求1所述的氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，所述前级管路包括连接反应腔室的腔室出口前级管路和连接真空泵的真空泵前级管路，自所述腔室出口前级管路至所述真空泵前级管路的方向进行分段梯度降温加热。5.根据权利要求1-4任意一项所述的氮化钛原子层沉积装置，其特征在于，所述加热单元包括：设于源瓶出口管路上的第一加热器，设于钛的前驱体传输管路上并位于钛的前驱体传输管路与源瓶出口管路接口、钛的前驱体传输管路与钛的前驱体排气分路接口之间的第二加热器，设于钛的前驱体传输管路上并位于钛的前驱体传输管路与钛的前驱体排气分路接口、钛的前驱体传输管路与腔室压强维持管路接口之间的第三加热器和第四加热器，以及设于钛的前驱体传输管路上并位于钛的前驱体传输管路与腔室压强维持管路接口、钛的前驱体传输管路与反应腔室接口之间的第五...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦海丰，史小平，李春雷，纪红，赵雷超，张文强，
申请(专利权)人：北京北方华创微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11