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近年来,随着半导体技术的高速发展,器件的特征尺寸在不断减小,以致对半导体中的栅极介质、电容器介质、阻挡层等薄膜的要求越来越高。原子层沉积(ALD)以其独特的自限制性使得该技术对薄膜的厚度和成份具有出色的控制能力,所制备的薄膜具有覆盖率高、均匀性好、纯度高等优点,在未来半导体制造领域有重要应用价值。为了设计符合技术要求的工艺流程和面向应用的ALD沉积系统,我们在研究ALD技术机理和工艺过程的基础上,经过一番探索,设计了一套ALD沉积系统,取得了一些成果。该系统具有以下特点：
(1)可对最大8英寸硅片进行薄膜沉积；
(2)反应腔内温度可达600℃,可满足绝大多数沉积过程的要求；
(3)配备前驱体加热电路,可使用液态/气态前驱体；
(4)配备监控系统以实现自动控制。监控系统使用基于ARM 7和uCLinux的嵌入式系统,具有稳定、处理能力强、易于功能扩展等优点；配备LCD显示屏、标准计算机键盘使操作简易直观；设计了以太网接口,以进行远程监控,或将工艺参数实时存于计算机中便于分析；
(5)温度、气压、前驱体脉冲宽度、沉积周期数等工艺参数可灵活设置,便于工艺研究。所有参数由监控系统自动控制在设置范围内,无需人工干预。
在实验中,我们使用该系统,以Al2(CH3)3和H2O为前驱体在Si和SiO2基片上沉积Al2O3高k电介质薄膜。使用电子探针分析仪分析Si上的薄膜成份后,发现O和Al的原子数之比稍稍大于1.5,证实了所沉积的薄膜是Al2O3。使用XPS(X射线光电子能谱仪)分析表面成份的检测中只出现了Al、O、C元素,没有检测到Si元素,说明Al2O3薄膜完整地覆盖了Si表面。使用XPS检测元素面分布的结果显示,Al、O在Si上具有很好均匀性。使用不同的温度进行沉积后,发现ALD沉积过程可以在很宽的温度窗口(>140℃)内进行,而且温度窗口的下限较低,对于Al2O3而言低于200℃；对比Si和SiO2基片上的薄膜生长情况,我们发现基片表面特性对薄膜的生长具有很大影响。此外,我们使用电子束照射沉积了Al2O3的Si基片时,发现有大量电子累积在薄膜表面,说明了所沉积的Al2O3具有良好介电性。
沉积系统设计的成功为进一步深入研究ALD的技术原理,探讨工艺参数对薄膜的影响,以及设计优化的工艺流程打下基础。同时,也为设计面向应用的ALD沉积系统提供参考。目前关于ALD的研究,无论在理论方面还是在实际应用中,国内尚处于起步阶段,本课题的研究具有一定创新性意义。