專利名稱：用于半導(dǎo)體器件的使用大氣壓的材料原子層沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)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(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進(jìn)集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
背景技術(shù)：
集成電路已經(jīng)從制造在單個(gè)硅芯片上的少數(shù)的互連器件發(fā)展到數(shù)百萬個(gè)器件。傳統(tǒng)集成電路提供的性能和復(fù)雜度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)初的想象。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和電路密度(即，能夠被安置到給定芯片面積上的器件的數(shù)量)的提高，對(duì)于每一代集成電路，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復(fù)雜度和性能，而且也為客戶提供了更低成本的部件。集成電路或者芯片制造設(shè)備常?？赡芑ㄙM(fèi)成百上千萬，甚至十幾億美元來建造。每一制造設(shè)備具有一定的晶片生產(chǎn)量，而每片晶片上將會(huì)有一定數(shù)量的集成電路。因此，通過制造更小的集成電路個(gè)體器件，更多的器件可以被制造在每一個(gè)晶片上，這樣就可以增加制造設(shè)備的產(chǎn)量。要使器件更小是很有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)槊恳环N用于集成制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，于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(shè)計(jì)，工藝限制就伴隨某些傳統(tǒng)的工藝和材料而存在。
這樣的工藝的示例是使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)的膜的形成。這些化學(xué)氣相沉積技術(shù)(通常稱作CVD)經(jīng)常使用利用等離子體環(huán)境被引入的前驅(qū)體氣體。這些氣體通常形成包括絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體在內(nèi)的材料層。雖然已被廣泛地用于半導(dǎo)體器件的制造，但是CVD技術(shù)常常缺乏對(duì)于更小特征的良好的階梯覆蓋。這些更小的特征通常小于約0.2μm并且其長寬比為10，但是也可以是其他值。
因此，已經(jīng)提出了原子層沉積(ALD)技術(shù)。這些技術(shù)所提供的膜將良好地階段覆蓋這樣的更小特征。然而，ALD技術(shù)具有某些限制。例如，ALD技術(shù)通常很慢并且難以實(shí)現(xiàn)大量制造。在本說明書中，更具體地在下文中將更加詳細(xì)地描述這些和其他的限制。
從上面看出，用于處理半導(dǎo)體器件的改進(jìn)技術(shù)是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及集成電路的技術(shù)及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)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(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進(jìn)集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種用于利用原子層沉積形成膜的方法，該方法包括將多個(gè)襯底放置在一盒子中。該方法還包括取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)，并將所述一個(gè)襯底施加在例如帶的移動(dòng)構(gòu)件上。該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)。該方法還包括通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)。該方法在所述表面在所述移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)時(shí)，形成上覆于所述表面的原子層膜。優(yōu)選地，所述一個(gè)襯底被保持在大約大氣壓下，同時(shí)被經(jīng)歷所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于在例如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(gè)襯底放置在一盒子中，并取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)。該方法將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上，該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)。該方法還通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)，同時(shí)將所述襯底保持在大約大氣壓下。該方法當(dāng)所述表面在所述移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)同時(shí)被保持在大氣壓下時(shí)，形成上覆于所述表面的原子層膜。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于原子層沉積的方法。所述方法包括提供具有表面區(qū)域的襯底，并將所述襯底的所述表面區(qū)域暴露于大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下，并且利用原子層沉積形成上覆于所述表面區(qū)域的膜，同時(shí)所述襯底被保持在大約大氣壓下。優(yōu)選地，所述膜以大于每分鐘1納米的速率生長。
較傳統(tǒng)技術(shù)，通過本發(fā)明獲得了的很多優(yōu)點(diǎn)。例如，本技術(shù)為使用依賴于傳統(tǒng)技術(shù)的工藝提供了便利。在一些實(shí)施例中，本方法提供了對(duì)于每個(gè)晶片的按管芯計(jì)的更高的器件產(chǎn)率。此外，本方法提供了與傳統(tǒng)工藝技術(shù)兼容而不用對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備和工藝進(jìn)行實(shí)質(zhì)修改的工藝。優(yōu)選地，本發(fā)明為0.1微米以及更小的設(shè)計(jì)規(guī)范提供了改進(jìn)的工藝集成。此外，本發(fā)明可以適用于商業(yè)化器件的大量制造。依據(jù)實(shí)施例，可以獲得這些優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。這些優(yōu)點(diǎn)或其他優(yōu)點(diǎn)將在本說明書全文中并且更具體地在下文中，進(jìn)行更多的描述。


圖1是示出了用于原子層沉積的傳統(tǒng)方法的簡(jiǎn)化圖；以及圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的利用原子層沉積形成層的方法。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及集成電路的技術(shù)及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)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(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進(jìn)集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
圖1是示出了用于原子層沉積的傳統(tǒng)方法的簡(jiǎn)化圖。如圖所示，在傳統(tǒng)的原子層沉積中存在四個(gè)主要的工藝或者步驟。步驟1包括用Me3Al(TMA)處理硅襯底。TMA是利用化學(xué)吸附制成的金屬前驅(qū)體。該方法清除TMA，如步驟2所示。該方法將TMA與臭氧反應(yīng)，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(zhì)被清除。這些步驟在真空環(huán)境下進(jìn)行，以使得多余的氣體被排走。然而，傳統(tǒng)的方法存在有限制。沉積速率通常很低，且小于每分鐘1納米，這使得該工藝對(duì)于商業(yè)化的大量半導(dǎo)體生產(chǎn)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(fā)明克服的這些和其他限制。
根據(jù)本發(fā)明的用于原子層沉積的方法可以被概括如下。
1.將多個(gè)襯底放置在一盒子中，并且取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)；2.將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上，該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)；3.通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)，同時(shí)將襯底保持在大氣壓下；4.當(dāng)表面在移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)并且同時(shí)被保持在大氣壓下時(shí)，形成上覆于所述表面的原子層膜；以及5.如果需要的話，進(jìn)行其他的步驟。
上述順序的步驟提供了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(gè)步驟的組合。優(yōu)選地，該方法在被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件的諸如帶或者其他驅(qū)動(dòng)器之類的可移動(dòng)構(gòu)件上進(jìn)行。還可以提供許多其他可供選擇的方法，其中在不背離這里的權(quán)利要求的范圍的情況下，加入某些步驟，刪去一個(gè)或多個(gè)步驟，或者一個(gè)或多個(gè)步驟按照不同的順序被提供。使用用于原子層沉積的上述方法的細(xì)節(jié)在下面被提供。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例用于利用原子層沉積形成層的方法的簡(jiǎn)化圖200。此圖僅僅是示例，不應(yīng)限制這里的發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到很多變化、替代和修改。如圖所示，該圖包括布置在可移動(dòng)構(gòu)件209上方的多個(gè)氣體分配構(gòu)件。該可移動(dòng)構(gòu)件允許將晶片從第一位置運(yùn)輸?shù)降诙恢??？梢苿?dòng)構(gòu)件由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，可移動(dòng)構(gòu)件可以是碳化硅涂層的碳材料?？梢苿?dòng)構(gòu)件允許每一個(gè)晶片的上表面暴露于氣體分配構(gòu)件中的每一個(gè)。在優(yōu)選實(shí)施例中，每一個(gè)氣體分配構(gòu)件包括一個(gè)或者多個(gè)開口，以允許氣體以層流方式通過。
取決于應(yīng)用，每一個(gè)氣體分配構(gòu)件可以具有不同的氣體。例如，氣體分配構(gòu)件201可以是用于清除氣體。清除氣體可以是惰性的。這樣的清除氣體的一個(gè)示例是氬氣或者其他類似的物質(zhì)。另一氣體分配構(gòu)件203用于TMA。在TMA之后的另一氣體分配構(gòu)件201a可以又是用于清除氣體，所述清除氣體驅(qū)走多余的TMA。另一氣體分配構(gòu)件205可以是用于臭氧或者其他類似的物質(zhì)。與氬氣、TMA、氬氣和臭氧相關(guān)聯(lián)的構(gòu)件可以被組合在一起，以串行的方式處理上部區(qū)域。與氬氣、TMA、氬氣和臭氧相關(guān)聯(lián)的另一組構(gòu)件可以被組合在一起，以串行的方式處理所述上部區(qū)域，并且被串聯(lián)到另一組包括氬氣、TMA、氬氣和臭氧的構(gòu)件，如圖所示。每一組氬氣、TMA、氬氣、臭氧為本方法的一個(gè)循環(huán)。
僅僅作為示例，某些工藝參數(shù)可以被概括如下帶速10厘米/分鐘；TMA流率(氬氣鼓泡)在25℃下0.5標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(SLM)；O3流速3SLM(從臭氧發(fā)生器)；以及溫度450℃。
該方法使用被沿著可移動(dòng)構(gòu)件的背面布置的多個(gè)燈模塊211。每一個(gè)燈模塊可以對(duì)應(yīng)于一個(gè)氣體供應(yīng)器。優(yōu)選地，燈模塊是可單獨(dú)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(dāng)然，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到很多變化、替代和修改。
在具體的實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于利用原子層沉積形膜的方法。該方法包括將多個(gè)襯底放置在一盒子中。該方法還包括取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)，并且將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上。該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)。該方法還包括通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)。該方法當(dāng)表面在移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)時(shí)形成上覆于所述表面的原子層膜。優(yōu)選地，所述一個(gè)襯底被保持在大約大氣壓下，同時(shí)經(jīng)歷所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)。
在另一具體實(shí)施例中，本發(fā)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(gè)襯底放置在一盒子中并取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)。該方法將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上。該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件。所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)。該方法還包括通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)，同時(shí)將襯底保持在大約大氣壓下。該方法當(dāng)表面在移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)同時(shí)被保持在大氣壓下時(shí)形成上覆于所述表面的原子層膜。
在另一具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于原子層沉積的方法。該方法包括提供具有表面區(qū)域的襯底，并且將襯底的表面區(qū)域暴露于大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下并且利用原子層沉積形成上覆于表面區(qū)域的膜，同時(shí)襯底被保持在大約大氣壓下。優(yōu)選地，膜以大于約每分鐘1納米的速率生長。對(duì)于低壓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/分鐘的范圍。
還應(yīng)當(dāng)理解，這里所描述的示例和實(shí)施例只是為了說明的目的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)上述示例和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化，這些修改和變化將被包括在本申請(qǐng)的精神和范圍內(nèi)，并且也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于原子層沉積的方法，該方法包括將多個(gè)襯底放置在一盒子中；取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)；將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上，該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)；以及通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)，同時(shí)將襯底保持在大氣壓下；以及當(dāng)所述表面在所述移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)并且面向所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)時(shí)，形成上覆于所述表面的原子層膜。
2.如權(quán)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(quán)利要求1所述的方法，其中所述移動(dòng)構(gòu)件是耦合到可旋轉(zhuǎn)設(shè)備上的帶。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底是半導(dǎo)體晶片或者LCD襯底。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)所述一個(gè)襯底通過所述移動(dòng)構(gòu)件行進(jìn)時(shí)，所述被暴露的襯底被保持在大約大氣壓下。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原子層膜是氧化鋁。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原子層膜是半導(dǎo)體、金屬和/或電介質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)于所述氧化鋁膜，所述襯底被保持在約450℃的溫度下。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)燈模塊。
10.如權(quán)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。
11.一種用于在大氣條件下的原子層沉積的方法，該方法包括將多個(gè)襯底放置在一盒子中；取出所述多個(gè)襯底中的一個(gè)；將所述一個(gè)襯底施加在移動(dòng)構(gòu)件上，該移動(dòng)構(gòu)件被耦合到多個(gè)氣體分配構(gòu)件，所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件被編號(hào)為1到N，其中N為整數(shù)；以及通過移動(dòng)構(gòu)件移動(dòng)所述襯底，以串行方式從第一氣體分配構(gòu)件到第N氣體分配構(gòu)件將所述襯底的表面暴露于所述多個(gè)氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)；將所述襯底保持在大約大氣壓下；以及當(dāng)所述表面在所述移動(dòng)構(gòu)件上移動(dòng)同時(shí)被保持在大氣壓下時(shí)，形成上覆于所述表面的原子層膜。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述襯底通過所述移動(dòng)構(gòu)件以約10cm/min到約30cm/min的速度移動(dòng)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述襯底是半導(dǎo)體晶片或者LCD板。
14.如權(quán)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(quán)利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)提供前驅(qū)體氣體。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)提供清除氣體。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)提供氧化劑。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構(gòu)件中的一個(gè)或者多個(gè)提供氮化劑。
19.如權(quán)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(quán)利要求16所述的方法，其中所述氮化劑包括N2H2。
21.如權(quán)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(quán)利要求11所述的方法，其中所述氣體分配構(gòu)件在所述襯底的暴露表面上提供層流。
23.一種用于原子層沉積的方法，所述方法包括提供具有表面區(qū)域的襯底；將所述襯底的所述表面區(qū)域暴露于大氣壓；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于所述表面區(qū)域的膜，同時(shí)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于每分鐘1納米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于原子層沉積的方法。所述方法包括提供具有表面區(qū)域的襯底，并將所述襯底的所述表面區(qū)域暴露于大氣壓。該方法還至少將所述襯底保持在大約大氣壓下，并且利用原子層沉積形成上覆于所述表面區(qū)域的膜，同時(shí)所述襯底被保持在大約大氣壓下。優(yōu)選地，所述膜以大于每分鐘1納米的速率生長。
文檔編號(hào)H01L21/31GK1937175SQ200510029998
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者三重野文健 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司