一种电子枪补偿的等离子体增强原子层沉积系统及工艺

本发明属于原子层沉积，具体涉及一种电子枪补偿的等离子体增强原子层沉积系统及工艺。

背景技术：

1、等离子体增强原子层沉积（peald）技术由于其优异的低温生长能力、高薄膜致密性和极佳的阶梯覆盖率，已成为先进集成电路制造的核心工艺，特别是在高k介电层、绝缘阻挡层以及复杂三维纳米器件的制备中。peald工艺主要通过引入等离子体（如氧气、氮气或氢气等离子体）来提供表面反应活化能，从而摆脱了传统热ald对高温环境的依赖。公开号为cn101147247a的等离子体增强原子层沉积系统和方法，公开了一种典型的peald工艺方法，该方法利用高活性等离子体加速衬底表面处的化学还原反应，以实现薄膜的沉积。然而，在此类传统peald系统与工艺中，为了提高反应速率和薄膜质量，往往需要引入高功率等离子体放电，这不可避免地导致腔体内产生极高浓度的正离子与高能电子。由于系统内部未配置针对反应腔内空间电荷及基片表面静电荷的主动调控与动态补偿机制，在执行高介电常数介质等绝缘或半绝缘薄膜的长周期、多循环沉积时，表现出以下显著的技术局限性：

2、高密度电荷积累引发严重荷电效应，导致沉积速率衰减：在传统高功率peald放电过程中，等离子体中高能电子的微观平均自由程长且扩散速率极快，极易向外扩散并被腔壁或接地组件捕获；而相对较重的正离子则在电场作用下更容易在绝缘基片表面及附近空间残留和堆积。在长周期、多循环的连续镀膜过程中，这种电荷捕获的非对称性导致绝缘基片表面积累大量净正电荷。带正电的表面会产生强烈的静电排斥力，阻碍后续循环中的工艺正离子到达基片反应前沿，导致薄膜的实际沉积速率随工艺时间的延长而严重衰减。

3、局域电势剧烈波动与鞘层畸变，恶化薄膜均匀性与重复性：由于传统peald系统无法对基片表面的局域电势演化进行毫秒级的主动动态补偿，基片表面累积的正电荷会剧烈改变晶圆表面的局域电势分布，进而导致晶圆上方的等离子体鞘层物理特性发生严重畸变。鞘层电场的偏转会改变工艺离子的运动轨迹、能量分布及入射通量，导致同一片晶圆的不同区域（如中心与边缘）以及不同工艺批次之间的反应动力学条件发生漂移，破坏了薄膜厚度与性能的均匀性及量产重复性。

4、诱发高强度局域击穿电场，产生内部缺陷与器件损伤：此外，高功率等离子体带来的表面电荷持续积聚，还极易在沉积的绝缘薄膜内部诱发高强度的局域电场，导致薄膜产生针孔、内应力不均甚至局域电学击穿等物理缺陷。这不仅降低了薄膜的致密性与漏电阻挡性能，还会严重恶化微电子器件的成品率与可靠性，限制了现有 peald技术在超大规模集成电路关键绝缘介质层制备中的实际应用。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电子枪补偿的等离子体增强原子层沉积系统及工艺，实现了针对荷电效应消除的原子层沉积动态电荷补偿单元；基于热阴极电子枪释放加速电子，精密调控补偿电子的通量与能量，并与等离子体时序进行精密同步；实现了利用电子枪主动电荷中和与按需释放的特性，提高长周期薄膜沉积速率的稳定度与薄膜致密性，实现了高稳定性、超低缺陷薄膜沉积工艺的发展。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种电子枪补偿的等离子体增强原子层沉积系统，包括peald反应腔，peald反应腔内部设有用于承载基片的加热基片台，且所述peald反应腔的侧壁或顶部开设有电子枪引入端口；

4、所述电子枪引入端口处密封对接热阴极电子枪组件，用于向所述加热基片台上的基片反应区域注入可控的加速电子流；

5、所述热阴极电子枪组件通过精密时序控制系统控制；所述热阴极电子枪组件的电极连接可调负偏压电源的电信号输出端，用以对热阴极施加负偏压，形成排斥加速电场；

6、所述peald反应腔顶部设置等离子体源，等离子体源与rf电源电气连接；所述peald反应腔与气体输送单元连通；所述peald反应腔连通排气系统，用于维持腔体真空度并排出废气。

7、所述精密时序控制系统控制热阴极电子枪组件在等离子体反应阶段按需发射加速电子束，实时中和基片表面积聚的正电荷，维持基片局域电势稳定与等离子体鞘层不畸变，从而提高长周期薄膜沉积速率的稳定度与薄膜致密性。

8、所述气体输送单元用于在前驱体吸附阶段向peald反应腔内输送前驱体与载气，在吹扫阶段输送载气或惰性气体，并在等离子体反应阶段输送反应气体。

9、所述精密时序控制系统为多通道可编程逻辑控制器，包含信号输入端、处理器与控制信号输出端；其中，所述信号输入端与rf电源及气体输送单元的信号反馈端电连接，用于实时采集等离子体脉冲及气路吹扫的运行状态信号；所述处理器用于根据所述运行状态信号提取原子层沉积的等离子体脉冲与吹扫时序特征，并计算出对应的触发时间与负偏压脉冲宽度；所述控制信号输出端分别与可调负偏压电源的脉冲使能端、rf电源的触发端及气体输送单元的阀门电连接，用于根据所述处理器的计算结果输出控制信号，以统筹和控制整个系统的运行脉冲时序；

10、所述精密时序控制系统通过预设的ald时序特征，在检测到rf电源开启等离子体脉冲的同时，同步向可调负偏压电源发出高电平使能信号，驱动热阴极电子枪组件发射电子束；在等离子体脉冲结束时，立即切断负偏压使能信号，使电子枪降至微电流待机状态，实现按需动态电荷补偿。

11、提取原子层沉积的等离子体脉冲与吹扫时序特征，计算对应的触发时间与负偏压脉冲宽度，具体的实现方法是：

12、信号采集与边缘特征提取：精密时序控制系统的信号输入端实时采集rf电源的输出功率反馈信号以及气体输送单元中反应气体阀门与载气阀门的电平状态信号；plc处理器通过内置边缘检测算法，当监测到rf电源输出功率反馈信号出现上升沿且功率跨越预设起辉阈值时，判定等离子体真实起辉，提取并记录当前时刻的时间戳tstart；当检测到功率反馈信号出现下降沿跌破预设阈值或载气吹扫阀门开启时，判定等离子体熄灭，提取并记录当前时刻的时间戳tend；

13、核心参数算法计算：处理器将起辉时间戳tstart直接计算设定为动态电荷补偿的触发时间；同时，处理器计算熄灭时间戳与起辉时间戳的差值δt = tend－tstart，并将该差值△t计算设定为负偏压脉冲宽度；

14、硬件同步控制输出：在到达计算出的触发时间点时，精密时序控制系统通过控制信号输出端向可调负偏压电源的脉冲使能端发送高电平使能信号，驱动热阴极电子枪组件瞬间发射加速电子束；当高电平持续时间达到计算出的负偏压脉冲宽度后，控制信号输出端迅速拉低使能信号，使热阴极电子枪组件恢复至微电流待机状态，实现与等离子体放电周期的毫秒级伴随式精准同步。

15、所述气体输送单元包括前驱体、反应气体、载气以及对应的气路控制阀门与质量流量控制器（mfc）。

16、所述排气系统包括依次连接的真空干泵、分子泵以及位于排气管路上的压力调节阀，用于维持腔内预设真空度并在吹扫阶段快速排出残余气体与反应副产物。

17、所述可调负偏压电源对热阴极整体施加的负偏压范围在-100 v至-1000 v之间；热阴极电子枪组件采用高熔点钨丝作为热阴极电子发射源，其钨丝加热电流在2 a至6 a之间，发射的电子束电流在1 ma至50 ma之间内调控。

18、所述热阴极电子枪组件包括高熔点钨丝热阴极、阴极电极以及聚焦引出电极，高熔点钨丝热阴极作为电子发射源，在可调负偏压电源的作用下产生面向基片表面的加速电子束；

19、高熔点钨丝热阴极与所述可调负偏压电源的灯丝加热输出端电连接，形成闭环加热回路，用于接收所述可调负偏压电源提供的预设加热电流，驱动高熔点钨丝热阴极受热发生热电子发射；

20、阴极电极与所述可调负偏压电源的主负高压输出端电连接，用于被施加预设幅值的负高压偏置，以在阴极电极与基片之间建立主加速电场，推动发射的热电子向基片方向定向加速；

21、聚焦引出电极与所述可调负偏压电源的聚焦控制输出端电连接，用于被施加相对于阴极电极具有预设电位差的聚焦/引出偏压，以在阴极电极前端形成呈对称收缩的聚焦引出电场，用以约束电子束发散角并调控热电子束的引出通量；

22、所述加速电子束的引入通过主动与基片表面及附近空间累积的正离子发生碰撞与复合，实时中和荷电效应产生的局域正电荷，消除静电排斥力，确保后续工艺反应离子顺利到达薄膜生长前沿。

23、一种基于上述系统的电子枪补偿的等离子体增强原子层沉积工艺，其特征在于，包括以下步骤：

24、步骤一：系统搭建与初始化

25、搭建集成电子枪引入端口的等离子体增强原子层沉积系统，依次装配热阴极电子枪组件、可调负偏压电源、等离子体源、加热基片台、气体输送单元及精密时序控制系统；将待沉积基片放置于加热基片台，完成peald反应腔真空密封与环境参数初始化；

26、步骤二：工艺参数设定

27、通过精密时序控制系统设定工艺参数：可调负偏压电源输出负偏压在-100 v至-1000 v之间，热阴极钨丝加热电流设在2 a至6 a之间，电子束电流调控在1 ma至50 ma之间，调整发散覆盖直径使其完全覆盖加热基片台面；同步设置等离子体源功率、气体流量与工艺循环时序；

28、步骤三：前驱体单层吸附（非补偿阶段）

29、启动精密时序控制系统，进入标准工艺循环，首先通入前驱体气体，使其在基片表面完成单层自限性吸附；此时时序处于非等离子体反应阶段，精密时序控制系统判定无需电荷补偿，可调负偏压电源断开，热阴极电子枪组件维持极低电流预热的截止待机状态，不发射高能电子束；

30、步骤四：第一阶段惰性气体吹扫（非补偿阶段）

31、前驱体吸附完成后，气体输送单元通入载气或惰性气体进行第一阶段吹扫，排气系统配合排出腔体内多余前驱体与杂质；吹扫过程中热阴极电子枪组件持续保持截止待机状态；

32、步骤五：等离子体反应与动态电荷补偿（按需补偿阶段）

33、精密时序控制系统实时检测rf电源的输出功率信号；

34、步骤六：第二阶段惰性气体吹扫（非补偿阶段）

35、等离子体反应阶段结束，精密时序控制系统停止触发可调负偏压电源，热阴极电子枪组件恢复低电平截止待机；同时通入载气或惰性气体进行第二阶段吹扫，移除反应副产物与多余气体；

36、步骤七：多循环持续沉积

37、重复上述步骤三至步骤六的ald循环流程，每轮循环均通过精密时序控制系统保持电子枪与等离子体时序精密同步，按需执行电荷补偿；持续循环直至基片表面沉积的薄膜达到目标厚度，完成后关闭等离子体源与热阴极电子枪组件，破真空取出样品。

38、所述步骤三中极低电流定义为0.1 a至1 a的阴极预热电流。

39、所述步骤五具体为：

40、当检测到等离子体脉冲启动时，判定需要动态电荷补偿，立即同步触发可调负偏压电源与热阴极电子枪组件；电子枪瞬间发射定向加速电子束注入基片表面反应区域，实时中和等离子体放电累积的正电荷，稳定等离子体鞘层与基片局域电势；

41、当检测到rf电源的等离子体脉冲信号结束时，精密时序控制系统停止输出触发信号；可调负偏压电源断开，热阴极电子枪组件恢复至极低电流预热待机状态，完成本轮电荷补偿。

42、所述工艺中待沉积的薄膜的材料采用二氧化铪（hfo2）、二氧化锆（zro2）、氧化铝（al2o3）高k介电材料或绝缘氮化硅（sinx）薄膜中的一种。

43、本发明的有益效果：

44、本发明利用外加的可控热阴极电子枪源向工艺腔内或基片表面主动发射加速电子，实时中和等离子体放电过程中累积的净正电荷，实现针对荷电效应消除的原子层沉积动态电荷补偿单元。

45、通过精确控制电子枪的加热电流、负偏压大小以及与等离子体脉冲时序的精密同步，来调控补偿电子的通量与能量，无需改变现有的等离子体源结构或进行频繁的停机除电，扩展了连续长周期peald工艺的应用窗口。

46、本发明通过精密时序控制系统控制热阴极电子枪组件在等离子体反应阶段按需发射加速电子束，实时中和基片表面积聚的正电荷，从而解决了现有peald系统在长时间、多周期沉积绝缘或半绝缘薄膜时，由于电荷积累导致沉积速率衰减、等离子体鞘层畸变以及薄膜局域击穿缺陷多、工艺重复性差的技术问题。

47、同时，本发明利用热阴极电子枪组件发射的加速电子束，主动中和基片表面及空间累积的正电荷，消除静电排斥并稳定等离子体鞘层电场；通过该微观电荷补偿原理，精准控制局域电势，保障后续反应离子顺利到达薄膜表面，从而显著提高长周期沉积速率的稳定性与薄膜致密性，突破荷电效应对沉积效率的限制。