[发明专利]用化学汽相沉积制作薄膜的方法和装置

说明书

                  本发明背景

1、发明领域

本发明涉及以高沉积率在基片上沉积高品质复合材料薄膜的方法和实施这些方法的装置。本发明特别涉及以高沉积率从种种复合金属氧化物化合物的高品质薄膜的液源提高化学汽相沉积和实施这些方法的装置。本发明还特别涉及制作铁电分层超点阵材料的高品质薄膜的装置和方法。

2、问题概述

沉积金属氧化物之类复合化合物、铁电材料、超导体、高介电常数材料、宝石等等的薄膜的公知方法有多种。这类公知方法包括RF溅射、化学汽相沉积(″CVD″)和旋涂。RF溅射无法生成可实际用于集成电路的品质合格的薄膜，此外，不说不可能，也是很难控制生成符合集成电路严格要求的材料所需的理想配比。旋涂克服了溅射的上述缺点，但其逐步覆盖性差，生产过程长，无法商品化。现有化学汽相沉积方法虽然逐步覆盖性好，但根本无法生成符合集成电路品质要求的复合材料。

最近发现，某些在本文中称为分层超点阵材料(或分层超点阵化合物)的分层化合物比任何现有材料远更适用于铁电和高介电常数存储器。这些材料高度复合，尚无方法可用来以高沉积率、用适合于制作现有集成电路的逐步覆盖性可靠、大规模制作高品质分层超点阵化合物。对分层超点阵材料之类复合材料使用公知CVD方法会造成反应物过早分解、从而常常是干燥灰尘而不是固体材料沉积在基片上；或造成材料品质低下，不适合用作集成电路中的有源元件。

在现有CVD方法中，一种或多种液态前体用起泡器(bubbler)汽化成气态，其中，载气以气泡穿过液态前体。这一过程步骤要求该前体在起泡温度下挥发性足够大，以便传质率足够高而可商品化。但是，即使传质率符合要求，但也很难正确、精确控制传质率。当气化多个液态前体时，过程流中的质量传递率和质量传递的任何不加控制的变动都会造成产品理想配比的波动。此外，为了以符合商品化的速度汽化、即气化足够数量的液态前体，在起泡过程中一般需要加热液态前体。但是，现有技术中所使用的前体在实现前体从液态到气态的足够质量传递所需高温下一般化学不稳定。因此，前体中的化学化合物发生过早分解。过早分解造成过程流和最终产品的化学理想配比无法控制的讨厌变动以及CVD反应器中基片上的沉积不均匀。因此过早分解造成电子和铁电特性很差。过早分解还造成CVD装置很快变脏，必须常常停机清洗。

现有技术中液态前体汽化的另一种典型方法是用针管把液体喷成雾状微滴。雾通常直接喷入沉积反应器。为了迅速气化雾滴，沉积反应器的温度必须足够高。但是，这一方法既不生成连续流，也不生成液滴平均粒度小且分布集中、可控的流体。较大粒度液滴的气化需要提高温度，从而必然导致前体的过早分解。当前体在沉积反应器中在到达基片之前分解时，它们在基片上形成粒子而不是材料的连续、均匀薄膜。此外，存在装置变脏问题。

在CVD过程中汽化液态前体的另一种现有方法是使用超声波雾发生器形成雾状液滴，然后把液滴传入沉积反应器本身一受热区以用提高的温度气化液滴。人们发现，超声波雾发生器赋予液态前体过多能量，从而它们变得化学不稳定而过早分解。此外，由超声波雾发生器生成的液滴的粒度的差别很大，因此气化速率也不同。最后，在沉积反应器中气化液滴需要高温，从而造成过早分解。

现有技术中的CVD过程和装置的一个共同特征是，无法充分混合雾化前体与气相反应物，从而无法控制CVD中的反应条件和所沉积薄膜的理想配比和品质。此外，现有技术中的液态前体的蒸气压力低，在汽化它们所需的高温下容易分解。

因此需要有规模制作集成电路中薄膜的方法、装置和液态前体，能良好控制所沉积薄膜的理想配比，避免过早分解问题，但具有CVD过程所具有的优点，例如逐步覆盖性良好，薄膜品质均匀。

3、问题的解决方案

为解决上述问题，本发明提供有机金属化合物、特别是分层超点阵材料的前体的薄膜的化学汽相沉积(″CVD″)的方法、前体和装置，能避免反应物的过早分解、便于控制流向CVD反应器的气相反应流的组成和流率、生成由具有混合取向和良好电性能的小晶粒构成的薄膜。

本发明提供包含至少一种复合有机金属化合物构成的至少一个液态前体。

本发明提供一种多步骤气化(或汽化)过程，包括：用文丘里雾发生器生成各液态前体的雾；以及，在一独立气化器中迅速、低温气化该雾。各液态前体的雾在气化前最好在一独立的雾混合器中组合和混合。