原子层沉积设备
阅读：939发布：2020-05-11
专利汇可以提供原子层沉积设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供一种 原子 层沉积 设备，该设备包括一 真空 腔、一晶片运送机构、一第一气体来源、一第二气体来源及一再利用气体管路。真空腔分隔为包括一第一反应区、一第二反应区及一第三反应区的至少三个区域。晶片运送机构是用以将一晶片自该第一区域经由该第二区域运送该第三区域。第一气体来源经由一第一气体管路供应一第一气体至该第一反应区域，并且第二气体来源经由一第二气体管路供应一第二气体至该第二反应区域。再利用气体管路连结于该第一反应区域与第三反应区域之间，用以供应在该第一反应区域所收集的未使用的第一气体至该第三反应区域。，下面是原子层沉积设备专利的具体信息内容。
原子层沉积设备
技术领域
背景技术
[0003] 根据目前公开的一个部分，一个装置包括一真空腔、一晶片运送机构、一第一气体来源、一第二气体来源及一再利用气体管路。真空腔分隔为包括一第一反应区、一第二反应区及一第三反应区的至少三个区域。晶片运送机构是用以将一晶片自该第一区域经由该第二区域运送该第三区域。第一气体来源经由一第一气体管路供应一第一气体至该第一反应区域，并且第二气体来源经由一第二气体管路供应一第二气体至该第二反应区域。再利用气体管路连结于该第一反应区域与第三反应区域之间，用以供应在该第一反应区域所收集的未使用的第一气体至该第三反应区域。
[0004] 根据目前公开的另一部分，一个装置包括一真空腔、一晶片运送机构、一第一气体来源、一第二气体来源及一再利用气体管路。真空腔分隔为包括一第一反应区、一第二反应区及一第三反应区的至少三个区域。该等反应区域位于圆形的周缘上。晶片运送机构包括多个晶片载台位于上述圆形的周缘上，并且晶片运送机构运送晶片自一个反应区域至相邻的反应区域。用于供应一第一气体的第一气体来源经由一第一气体管路连结至该第一反应区域，用于供应一第二气体的第二气体来源经由一第二气体管路连结至该第二反应区域。再利用气体管路连结于该第一反应区域与第三反应区域之间，用以供应在该第一反应区域所收集的未使用的第一气体至该第三反应区域。
[0005] 根据目前公开的再另一部分，一通过使用一原子层沉积形成一层体的方法包括下列步骤。放置一晶片于一第一反应区域，并且供应一第一气体至该晶片，如此以至于在该晶片的一个表面吸收该第一气体。运送吸收有该第一气体的该晶片至一第二反应区域。供应一第二气体至在该第二反应区域的该晶片，如此以至于已吸收的该第一气体与该第二气体进行反应，以形成一物质的第一层。运送形成有该物质的第一层的该晶片至一第三反应区域。在该第三反应区域中，供应该第一气体至形成有该物质的第一层的该晶片，如此以至于该第一层的表面吸收该第一气体。在供应该第一气体至该第三反应区域的操作中，供应至该第一反应区域内且在第一反应区域未被使用的第一气体是被供应至该第三反应区域。附图说明
[0006] 根据以下的详细说明并配合所附附图做完整公开。应注意的是，根据本产业的一般作业，图示并未必按照比例绘制。事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸，以做清楚的说明。
[0007] 图1(a)至图1(d)显示一原子层沉积方法的一般概念。
[0008] 图2显示根据目前公开的一个实施例中用于原子层沉积的设备的示范性示意图。
[0010] 图3B显示一气体喷嘴以及一晶片的角关系的示范性示意图。
[0011] 图4显示根据目前公开的一实施例中用于原子层沉积的不同设备的示范性示意图。
[0012] 图5显示根据目前公开的一实施例中用于原子层沉积的不同设备的示范性示意图。
[0013] 图6显示根据目前公开的另一实施例中用于原子层沉积的设备的示范性示意图。
[0014] 图7显示根据目前公开的一个实施例中原子层沉积设备/方法在半导体工艺的应用的示例。
[0015] 其中，附图标记说明如下：
[0016] 10～第一气体喷射埠
[0017] 12～气体喷射喷嘴
[0018] 15～气体抽气埠
[0019] 20～第二气体喷射埠
[0020] 25～气体抽气埠
[0021] 30～第三气体喷射埠
[0022] 35～气体抽气埠
[0023] 95～喷射埠
[0024] 100～真空腔
[0025] 110～晶片运送机构
[0026] 120～晶片载台
[0027] 200～真空腔
[0028] 210～晶片运送机构
[0029] 220～晶片载台
[0031] 225～栅极电极
[0032] 230～悬臂
[0033] 235～栅极介电层
[0034] 240～旋转驱动机构
[0035] 242～源极/漏极
[0037] 250～侧边间隔物
[0038] 260～掩模层
[0039] 270～接触窗蚀刻停止层
[0040] A～元素
[0041] B～元素
[0042] CH1～第一反应区域
[0043] CH2～第二反应区域
[0044] CH3～第三反应区域
[0045] CH4～第四反应区域
[0046] CH5～第五反应区域
[0047] CH6～第六反应区域
[0048] CH7～第七反应区域
[0049] CH8～第八反应区域
[0050] G0～非反应气体来源
[0051] G1～第一气体来源
[0052] G2～第二气体来源
[0053] F1、F2、F3、F4～气流控制器
[0054] L～线段
[0055] P0、P1、P2、P3～气体管路
[0056] PP1～泵
[0057] RP～再利用气体管路
[0058] RP1～第一再利用气体管路
[0059] RP2～第二再利用气体管路
[0060] RP3～第三再利用气体管路
[0061] RPA～额外的再利用气体管路
[0062] WA～晶片
[0063] V1、V2、V3、V4、V5、V6～阀
[0064] ～角度
具体实施方式
[0065] 以下将特举数个具体的较佳实施例，并配合所附附图做详细说明，图上显示数个实施例。然而，本公开可以许多不同形式实施，不局限于以下所述的实施例，在此提供的实施例可使得公开得以更透彻及完整，以将本公开的范围完整地传达予本领域技术人员。
[0066] 而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作相应的解释。应该理解，可以在方法之前、期间和之后提供额外的操作，并且对于方法的其他实施例，可以替换或消除一些描述的操作。
[0067] 图1显示一原子层沉积方法的一种一般概念。利用原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)的方法形成一薄膜(例如：金属氮化物)的步骤说明如下。气化一第一前驱物材料(包括元素A)并提供该气化的第一前驱物材料气体(第一前驱物气体)至放置在一真空腔的一基板上，如图1(a)所示。第一前驱物气体(分子)在晶片上吸收，并以例如热的方式在晶片的表面分解第一前驱物气体，藉此制造包括元素A的一单原子层(mono-atomic layer)在基板上。接着，导入一排除气体(purge gas)，以排除来源气体中不必要的部份，如图1(b)所示。接着，导入包括元素B的一第二前驱物气体(反应气体)至晶片的表面，如此第二前驱物气体(元素B)与元素A的单原子层进行反应，如图1(c)所示。再次导入一排除气体，以清除反应气体不必要的部份，并且形成元素A与元素B的反应产物的物质的单一层体，如图1(d)所示。重复图1(a)至图1(d)的步骤，以形成具有期望厚度的物质的薄膜。因为层体是对于每一个单原子层而被形成，所以以原子层沉积方法形成的层体，层体具有可以共形成长至一凸起(projection)或是一具有高深宽比(aspect ratio)的小孔洞/凹口当中的特色。
[0068] 图2显示根据目前公开的一个实施例中用于原子层沉积的设备的示范性示意图。
[0069] ALD设备包括具有一泵系统(图未示)的一真空腔100，以维持真空腔内部的压力在一期望程度。
[0070] 真空腔100分隔为多个反应区域，举例而言，包括一第一反应区域CH1、一第二反应区域CH2及一第三反应区域CH3。第一、二、三反应区域CH1、CH2、CH3依顺序排列。当然，反应区域的数量不限制为三个。反应区域可为四个或多个，在一些示例中反应区域可为八个。
[0071] 多个反应区域可为物理性的墙板所区隔，或者利用由来自非反应气体来源G0并经由气体管路P0所供应的非反应气体(惰性气体)所产生的气流所区隔。举例而言，非反应气体包括氦气、氩气或氮气。用于气帘的非反应气体是自多个喷射埠95供应至各个相邻反应区域间的区域，如此以至于在一反应区域中的气体不会扩散至相邻反应区域当中。气体管路P0可包括一气流控制器以及/或者一阀。
[0072] 在真空腔100内，晶片运送机构110用于运送一放置于晶片载台120上的晶片WA(或一基板)自第一反应区域CH1经由第二反应区域CH2运送至第三反应区域CH3。晶片运送机构110以连续的方式(以固定的速度)或是步进式的方式运送晶片WA。晶片运送机构110可包括一输送带、一机械手(robotic)、一滚轮(spin-wheel)、以及/或者其他在此产业中已知的晶片运送机构/系统。晶片运送机构110可以连同晶片载台120一起运送晶片WA或者单仅运送晶片WA。
[0073] 原子层沉积设备更包括一第一气体来源G1及一第二气体来源G2。第一气体来源G1经由气体管路P1、P3供应含有作为活性物质(active component)的一第一前驱物的一第一气体至第一反应区域CH1及第三反应区域CH3。第二气体来源G2经由气体管路P2供应含有作为活性物质的一第二前驱物的一第二气体。每一个气体管路P1、P2、P3可各自包括一气流控制器F1、F2、F3以及/或者一阀V1、V2、V3。另外，也提供有用于供应一清除气体(purge gas)，例如：非反应气体，的一气体来源，以自晶片WA清除多余的第一/第二气体。
[0074] 第一反应区域CH1提供有连结至气体管路P1的一第一气体喷射埠10，以当晶片WA放置在第一反应区域CH1时供应第一气体至晶片WA，以及一气体抽气埠15，以抽去在第一反应区域CH1内未使用于原子层沉积的沉积作用的第一气体。
[0075] 相似的，第二反应区域CH2提供有连结至气体管路P2的一第二气体喷射埠20，以当晶片WA放置在第二反应区域CH2时供应第二气体至晶片WA，以及一气体抽气埠25，以抽去在第二反应区域CH2内未使用于原子层沉积的沉积作用的第二气体。并且，第三反应区域CH3提供有连结至气体管路P3的一第三气体喷射埠30，以当晶片WA放置在第三反应区域CH3时供应第三气体至晶片WA，以及一气体抽气埠35，以抽去在第三反应区域CH3内未使用于原子层沉积的沉积作用的第三气体。
[0076] 原子层沉积设备更包括一再利用气体管路RP，再利用气体管路RP连结在第一反应区域CH1的气体抽气埠15与第三反应区域CH3的第三气体喷射埠30之间。在第一反应区域CH1内所收集到的未使用的第一气体经由再利用气体管路RP供应至第三反应区域CH3。一气体运送机构，例如一泵PP1、一气流控制器F4以及/或者一阀V4可提供在再利用气体管路RP。
[0077] 如图2所示，第三气体喷射埠30可连结至再利用气体管路RP以及气体管路P3，藉此当晶片WA放置于第三反应区域CH3时，供应由第一反应区域CH1所供应的未使用的第一气体以及由气体来源G1所供应的新进的第一气体至少其中之一者至晶片WA。通过阀V3、V4的操作，可以供应未使用的第一气体以及新进的第一气体其中之一者或者两者至第三反应区域CH3。在部分实施例中，阀V3、V4可由三向阀(three-way valve)所取代。
[0078] 第一至第三反应区域CH1、CH2、CH3提供有一加热器(图未示)以加热晶片以及在晶片周遭的大气。在部分实施例中，加热器可提供在晶片载台120内。并且，在原子层沉积设备内也提供有一真空泵系统以及一负载锁室(load-lock)系统。
[0079] 目前实施例中，通过使用原子层沉积设备的原子层沉积的沉积作用描述如下。
[0080] 通过晶片运送机构110运送一晶片WA至第一反应区域CH1。在第一反应区域CH1中，供应第一气体，例如：SiH4、SiH6以及/或者SiH2Cl2，至晶片WA表面。这些气体可通过非反应气体，例如：He、Ar或N2，进行稀释。如图1(a)及图1(b)所示，形成一硅的单原子层于晶片WA表面。
[0081] 在硅的单原子层形成于晶片WA表面后，通过晶片运送机构110运送晶片WA至第二反应区域CH2。在第二反应区域CH2中，供应第二气体，例如：NH3，至晶片WA表面。此气体可通过非反应气体，例如：He、Ar或N2，进行稀释。如图1(c)及图1(d)所示，形成介于硅与氮之间(硅氮化物)的一第一“原子”层于晶片WA的表面。
[0082] 接着，通过晶片运送机构110运送晶片WA至第三反应区域CH3。并且再一次的供应第一气体在已形成有硅氮化物的第一层的晶片WA表面。形成一硅的单原子层在硅氮化物的第一层。
[0083] 在此，在第三反应区域CH3中供应至晶片的气体包括未使用的第一气体，未使用的第一气体在第一反应区域CH1中未使用于原子层沉积的沉积作用。通过再次利用自第一反应区域CH1收集的未使用气体，有可能提升在来源气体使用的效率并且降低形成薄膜的成本。举例而言，若未使用气体未进行再利用，在气体使用的效率上是小于0.1％(亦即，超过99.9％的气体是遭到浪费)。相反的，通过再利用未使用气体，效率可以提升超过1％。
[0084] 此外，如上所述，第三气体喷射埠30能够供应来自气体来源G1的新进的气体。通过控制控制阀V3以及气流控制器F3，加入新进的气体至来自第一反应区域CH1的未使用气体当中，藉此维持第一气体当中反应物质(前驱物)的浓度。
[0085] 在第三反应区域CH3的操作之后，更进一步运送晶片WA至第四反应区域(图未示)，第四反应区域具有相似于第二反应区域CH2的配置，并且供应第二气体至晶片WA的表面，藉此形成硅氮化物的一第二“原子”层在晶片WA表面。若有接续的反应区域，例如：第五反应区域、第六反应区域...，使用第一气体与第二气体的原子层沉积的沉积作用则会重复。或者，在第四反应区域的沉积作用之后，回送晶片WA至第一个反应区域，并且使用第一气体以及第二气体进行原子层沉积的沉积作用在第一至第四反应区域重复。在特定的一些实施例中，在第四反应区域的原子层沉积的沉积作用之后，晶片WA是在相反方向上自第四反应区域运送至第一反应区域CH1。
[0086] 并且，在部分实施例中，以相似于图2中在第三反应区域CH3内再利用在第一反应区域CH1所收集到的未使用的第一气体的方式，收集在第二反应区域CH2未使用的第二气体并供应至第四反应区域。
[0087] 在一实施例中，如图2所示，包括一或多个气体喷射喷嘴的气体喷射埠10、20、30位于每一反应区域的第一端(亦即，在晶片运送方向的上游端)，且气体抽气埠15、25、35位于每一反应区域的第二端(亦即，在晶片运送方向的下游端)。在特定的一些实施例中，第一端可为晶片运送方向的下游端，并且第二端可为晶片运送方向的上游端。在此配置下，有可能可以维持气流相对晶片的表面平行或者相对晶片的表面构成一个小的角度，进而使抽气埠更容易收集未使用的气体。多个气体喷射埠以及/或者多个气体抽气埠可提供于一个反应区域内。
[0088] 虽然在图2中供第一来源气体的第一反应区域CH1以及供第二来源气体的第二反应区域CH2彼此相邻，一个缓冲区域可以存在于第一反应区域CH1与第二反应区域CH2之间，以利用惰性气体清除多余的第一来源气体。
[0089] 图3A显示一气体喷嘴以及一晶片的角关系的示范性示意图。举例而言，气体喷射埠10包括多个气体喷射喷嘴12，气体喷射喷嘴12排列于气体喷射埠10的宽度方向上。如图3A所示，晶片WA表面与气体分嘴延伸的方向(线段L)夹设一角度 在一实施例中，角度可设定介于约0度至约20度之间。在另一些实施例中，角度 可设定介于约0度至约10度之间。
[0090] 在一些实施例中，如图3B所示，气体喷射埠10可以具有弯曲的出口表面，气体喷嘴12提供于其内。上述出口表面的曲率可对应于晶片的曲率。
[0091] 在图2中，第一反应区域CH1以及第二反应区域CH2在水平方向上间并肩地设置。在其他实施例中，第一反应区域CH1以及第二反应区域CH2可在垂直方向上迭置。在这种情况下，晶片通过一个垂直晶片运送机构(举例而言，一上下的载台或一机械手)上下移动，并且在第一反应区域CH1以及第二反应区域CH2之间水平提供的一气帘气体可用作为排除气体。
[0092] 图4、图5显示根据目前公开的部分实施例中用于原子层沉积的不同的设备的示范性示意图。
[0093] 在图4中，气体喷射埠10位于晶片WA的中心或者中心附近，或者位于晶片载台120的中心或者中心附近，并且气体抽气埠15位于晶片WA的边缘上或者位于晶片载台120的边缘上。气体抽气埠15可为环形并围绕晶片WA或者晶片载台120。相似于图3A，以相对小的角度供应气体至晶片WA。气体喷射埠10与气体抽气埠15的位置可以对换。
[0094] 在图5中，反应区域(例如：第一反应区域CH1)内提供有一额外的(代替的)再利用气体管路RPA。额外的再利用气体管路RPA自再利用气体管路RP的阀V5分歧而出并在阀V6连结至气体管路P1。通过此配置，在相同的反应区域内可能再利用未使用的气体，藉此增加气体使用效率。在部分实施例中，额外的再利用气体管路RPA是再利用气体管路RP的替代。
[0095] 图6显示根据目前公开的另一实施例中用于原子层沉积的设备的示范性示意图。
[0096] 图6显示的原子层沉积设备包括一真空腔200，真空腔200分隔成多个反应区域，例如：反应区域CH1至CH8。反应区域的数量可为双数，例如2、4、6、12、10、14、16个。多个反应区域位于一个圆形的周边。一晶片运送机构210包括多个晶片载台220，每一晶片载台220受自一旋转驱动机构240延伸而出的一悬臂230所支承。晶片运送设备210将晶片自一个反应区域运送至相邻的反应区域。也可使用具有多个晶片支架的一转盘(wheel disc)而非上述悬臂230。在其他实施例中，具有一或多个关节的一或多个机械手臂可被使用，以运送晶片自一反应区域至另一相邻的反应区域。并且，在原子层沉积设备内也提供有一真空泵系统以及一负载锁室(load-lock)系统。
[0097] 相似于图2，用于供应一第一气体的第一气体来源G1经由气体管路P1连结至第一反应区域CH1。用于供应一第二气体的第二气体来源G2经由气体管路P2连结至第一反应区域CH2。第一再利用气体管路RP1连结于第一反应区域CH1与第三反应区域CH3之间，并用于供应自第一反应区域CH1收集的未使用的第一气体至第三反应区域CH3。并且，第一气体可以利用相似于图2所示的方式供应至第三反应区域CH3。阀、气流控制器、气帘系统以及气体喷射/抽气埠也相似于图2被提供。图2-图5相同或相似的结构可被使用于图6的设备当中。
[0098] 此外，第二再利用气体管路RP2可提供于第二反应区域CH2与第四反应区域CH4之间，且第三再利用气体管路RP3可提供于第三反应区域CH3与第五反应区域CH5之间。并且，额外的再利用气体管路可提供于第四反应区域CH4与第六反应区域CH6之间、第五反应区域CH5与第七反应区域CH7之间、第六反应区域CH6与第八反应区域CH7之间、及第七反应区域CH7与第一反应区域CH1之间。
[0099] 通过旋转驱动机构240旋转悬臂220，供晶片放置的晶片载台220自一反应区域移动至下一个反应区域。举例而言，放置于晶片载台220的晶片是在第一反应区域CH1内进行加工，如此以在晶片上形成第一材料(例如：硅)的单原子层。接着，通过旋转悬臂，晶片载台220连同晶片移动至第二反应区域CH2，在此形成介于第一材料与第二材料(例如：氮)之间的物质的一第一”原子”层在晶片表面。接着，运送晶片至第三反应区域CH3到第八反应区域CH8，以重复原子层沉积的沉积作用。若有必要，晶片接续回送至第一反应区域CH1，并且重复形成第一材料的单原子层。
[0100] 在上述实施例中，是使用二个气体。在部分实施例中，是使用三种或多种气体以形成多层薄膜。举例而言，通过使用含硅的气体(例如：SiH4、Si2H6以及/或者SiH2Cl2)、含氮的气体(例如：NH3)、含氧的气体(例如：O2)可形成硅氮化物以及硅氧化物的多个层体。含硅的气体供应至第一、三、五、七反应区域，同时含氮的气体供应至第二、四、六、八反应区域，且含氧的气体供应至第四、八反应区域。
[0101] 虽然在图6中供第一来源气体的第一反应区域CH1以及供第二来源气体的第二反应区域CH2彼此相邻，一个缓冲区域可以存在于第一反应区域CH1与第二反应区域CH2之间，以利用惰性气体清除多余的第一来源气体。
[0102] 图7显示根据目前公开的一个实施例中原子层沉积设备/方法在半导体制造工艺的应用的示例。
[0103] 上述原子层沉积设备/方法可应用于在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的工艺中以形成一接触窗蚀刻停止层(contact etching stop layer,CESL)。如图7所示，形成例如是鳍式场效晶体管的金属氧化物半导体场效应晶体管于基板200之上。二个鳍式场效晶体管可以通过隔离区域210所隔离。鳍式场效晶体管包括一栅极电极222、一栅极介电层232及一源极/漏极242。源极/漏极242的上部分包括一硅化物层245。并且，在栅极电极222两侧面提供一侧边间隔物250。在部分实施例中，用于形成栅极电极222的掩模层260可保留于栅极电极222的上侧面。
[0104] 接触窗蚀刻停止层270是以例如硅氮化物所制成并形成于鳍式场效晶体管上方。通过使用上述原子层沉积设备/方法，一硅氮化物的毯覆层(blanket layer)有可能在低成本下共形地形成在下方结构的上方。并且，通过使用上述原子层沉积设备/方法，有可能形成多层具有理想薄膜特性的接触窗蚀刻停止层。
[0105] 本公开描述的多样实施例相较现存技术提供多种优点。举例而言，在目前公开中，由于再利用一前躯物气体，因此有可能提高来源气体的使用效率并且减少形成薄膜的成本。
[0106] 应当理解的是，不必在此讨论本发明的所有优点，其他实施例可具有其他优点，且所有实施例不需具有特定优点。
[0107] 以上虽然详细描述了实施例及它们的优势，但应该理解，在不背离所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，对本公开可作出各种变化、替代和修改。此外，本申请的范围不旨在限制于说明书中所述的工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法和步骤的特定实施例。作为本领域的普通技术人员将容易地从本公开中理解，根据本公开，可以利用现有的或今后将被开发的、执行与在本公开所述的对应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些工艺、机器、制造、物质组成、工具、方法或步骤包括它们的范围内。此外，每一个权利要求构成一个单独的实施例，且不同权利要求和实施例的组合都在本公开的范围内。
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