原子层沉积设备
阅读：254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。并且一种 原子 层沉积 设备，包括处理腔室、至少一个分隔和注入器。所述至少一个分隔安置于所述处理腔室中用于将所述处理腔室划分成多个区段。所述注入器包含安置于所述处理腔室中且被配置以将反应气流分别提供到所述多个区段中的每一个的多个 喷嘴 。本 发明 实施例 还提供一种 半导体 工艺。，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
[0002] 原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)工艺为半导体行业中众所周知的沉积技术。ALD工艺使用可与工艺中的表面反应或化学吸附于表面上以累积连续沉积的层的前驱体材料，所述层中的每一个特性在于约仅一个原子层的厚度。经受恰当选择的工艺条件，化性吸附反应具有自我限制特性，意味着在每一反应循环中沉积的前驱体材料的量是恒定的且前驱体材料限于在表面上生长，且因此，可易于且精确地通过应用的生长循环的数目来控制膜厚度。
发明内容
[0003] 本发明实施例提供一种原子层沉积设备包括处理腔室、至少一个分隔和注入器。至少一个分隔安置于处理腔室中用于将处理腔室划分成多个区段。注入器包含安置于处理腔室中且被配置以将反应气流分别提供到多个区段中的每一个的多个喷嘴。
附图说明
附图说明
[0004] 当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本揭露内容的各方面。应注意，根据行业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，可以任意增大或减小各种特征的尺寸。
[0005] 图1说明根据本揭露内容的实施例的ALD设备。
[0006] 图2说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0007] 图3说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0008] 图4说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0009] 图5说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0010] 图6说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0011] 图7说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。
[0012] 图8为说明根据本揭露内容的实施例的半导体工艺的流程图。
[0013] 图9为说明根据本揭露内容的另一实施例的半导体工艺的流程图。
[0014] 图10为说明根据本揭露内容的另一实施例的半导体工艺的流程图。
[0015] [符号的说明]
[0016] 100、200、300、400、500、600、700：ALD设备
[0017] 112、212、312、412、512、612、712：处理腔室
[0018] 112a、112b、112c、212a、212b、212c、312a、312b、312c、512a、512b、512c、712a、712b、712c：区段
[0019] 114、214、214a、214b、214c、314、514、714：抽汲端口
[0020] 120、420、620：分隔
[0021] 130、230、330、530、730：注入器
[0022] 132、132a、132b、132c、232、232a、232b、232c、332、532、732：喷嘴[0023] 134：注入器管
[0024] 162、262：衬底
[0025] 164、264：衬底载体
[0027] 180、280：加热装置
[0028] 182、282：顶部加热装置
[0029] 184、284：底部加热装置
[0030] 186、286：侧加热装置
[0031] 190、290：等离子管
[0032] 210、410、610：炉
[0033] 490、690：冷却腔室
[0034] 492、692：入口端口
[0035] 494、694：出口端口
[0036] 810、820、830、840、910、920、930、940、1012、1014、1020、1030、1040：步骤[0037] D1、D2、D3：开口大小
[0038] F：流体
具体实施方式
[0039] 以下揭露内容提供用于实施所提供的标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例以简化本揭露内容。当然，这些只是实例且并不希望为限制性的。举例来说，在以下描述中第一特征在第二特征上方或上的形成可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，并且还可包含额外特征可在第一特征与第二特征之间形成使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。此外，本揭露内容可在各种实例中重复参考数字和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的，并且本身并不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
[0040] 另外，例如“在……下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”和类似者的空间相对术语本文中为易于描述而使用，以描述如图中所说明的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除图中所描绘的定向之外，空间相对术语希望涵盖在使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)，且本文中所使用的空间相对描述词可同样地相应地进行解释。
[0041] 图1说明根据本揭露内容的实施例的ALD设备。ALD设备100包含具有处理腔室112的炉110，且分隔120安置于处理腔室112中用于将处理腔室112划分成多个区段，例如，区段112a、112b和112c。此外，包括多个喷嘴132的注入器130安置于处理腔室112中，其中喷嘴
132被配置以将反应气流分别提供到区段112a、112b和112c中的每一个。更具体地说，喷嘴
132可划分成喷嘴132a、132b和132c的三个群组，其可个别地加以控制(例如，MFC程序)以将反应气流分别提供到区段112a、112b和112c。
132被配置以将反应气流分别提供到区段112a、112b和112c中的每一个。更具体地说，喷嘴
132可划分成喷嘴132a、132b和132c的三个群组，其可个别地加以控制(例如，MFC程序)以将反应气流分别提供到区段112a、112b和112c。
[0042] 在一些实施例中，ALD设备100可更包含在处理腔室112中用于增强ALD工艺的等离子管190，以确保膜均匀性且使前驱体消耗和循环时间两者最小化。
[0043] 在一些实施例中，可应用ALD设备100以在由衬底载体164承载的一批衬底162(例如，硅晶片)上形成结构。举例来说，可执行多个ALD反应循环，其中ALD反应循环中的每一个因此涉及执行以下步骤：由注入器130将包含气态前驱体的反应气流引入到衬底162中的每一个的表面，对惰性气体加脉冲以在用气态前驱体的原子层使衬底162中的每一个的表面饱和后冲洗或抽空过多气态前驱体。连续地重复单一ALD反应循环，直到达成用于在工艺中的表面上的沉积的原子层的目标厚度。
[0044] 在一些实施例中，处理腔室112与真空泵170可控制地连通，所述真空泵能够通过经炉110的抽汲端口114提取来抽空过多气态前驱体或其它气体。
[0045] 在一些实施例中，ALD设备100广泛可适用于在半导体电子元件中生长薄膜，例如，高k介电层、扩散势垒层、种子层、侧壁、侧壁氧化物、用于栅极的侧壁间隔物、金属互连件和金属衬等。举例来说，在高k介电层的形成中，为了形成充当高k介电层的膜(例如，Al2O3膜、HfO2膜和ZrO2膜)，可将对应的候选前驱体材料对选择为Al(CH3)3加H2O或O3，或HfCl4或TEMAH加H2O和ZrCl4加H2O。H2O可为用于充当前驱体材料的流行候选者，这是由于H2O蒸气吸附于包含硅晶片的表面的多数材料或表面上。
[0046] 一般来说，归因于“图案效应(pattern effect)”和“负载效应(loading effect)”，难以控制全批ALD工艺。更具体地说，一批ALD工艺可仅针对炉中的晶片上的ALD层形成一个标度的厚度。然而，全批中的晶片的部分的图案密度(例如，大小、厚度等)可不同于其他(所谓的“图案效应”)，或不同晶片可能需要不同热容量用于ALD工艺(所谓的“负载效应”)。因此，引起达到全批控制的困难，且导致对用于衬底容量利用的ALD工艺的效率的限制，同时工艺中晶片(waferinprocess；WIP)的相同厚度的量将低于全批负荷。
[0047] 关于以上，本实施例的ALD设备100具备被划分成多个区段(例如，112a、112b和112c)的处理腔室112。借此，可个别地控制在处理腔室112的不同区段112a、112b和112中的ALD工艺以改善WIP性能且达成分批负荷工艺中的高工具效率。
[0048] 更具体地说，注入器130的喷嘴132a、132b和132c的独立群组可具备相互不同的几何参数。本文中，几何参数为(例如)喷嘴132a、132b或132c的开口大小。在一些实施例中，喷嘴132a、132b或132c的开口大小可从2mm变化到3mm。此外，来自喷嘴132a、132b和132c的反应气流可在同步化的ALD工艺中通过注入器管134同步提供，而可仍通过具有不同开口大小的喷嘴132a、132b和132c达成不同区段112a、112b和112c当中的不同处理控制。
[0049] 此外，参看图1，ALD设备100可更包含在处理腔室112外的加热装置180。举例来说，加热装置180可包含安置于炉110的顶部上方的顶部加热装置182、安置于炉110的底部下方的底部加热装置184和在炉110的侧壁旁的侧加热装置186，以达成用于处理腔室112的不同区段112a、112b和112c的充分周围温度控制。
[0050] 图2说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。ALD设备200包含具有处理腔室212的炉210，且分隔220安置于处理腔室212中用于将处理腔室212划分成多个区段，例如，区段212a、212b和212c。此外，包括多个喷嘴232的注入器230安置于处理腔室212中，其中喷嘴232被配置以将反应气流分别提供到区段212a、212b和212c中的每一个。更具体地说，喷嘴232可划分成喷嘴232a、232b和232c的三个群组，其可个别地加以控制(例如，MFC程序)以将反应气流分别提供到区段212a、212b和212c。
[0051] 在一些实施例中，ALD设备200可更包含在处理腔室212中用于增强ALD工艺的等离子管290，以确保膜均匀性且使前驱体消耗和循环时间两者最小化。
[0052] 在一些实施例中，可应用ALD设备200以在由衬底载体264承载的一批衬底262(例如，硅晶片)上形成结构。举例来说，可执行多个ALD反应循环，其中ALD反应循环中的每一个因此涉及执行以下步骤：由注入器230将包含气态前驱体的反应气流引入到衬底262中的每一个的表面，对惰性气体加脉冲以在用气态前驱体的原子层使衬底262中的每一个的表面饱和后冲洗或抽空过多气态前驱体。连续地重复单一ALD反应循环，直到达成用于在工艺中的表面上的沉积的原子层的目标厚度。
[0053] 类似于如图1中所绘示的以上实施例，本实施例的ALD设备200具备被划分成具有相互不同的几何参数的多个区段(例如，212a、212b和212c)的处理腔室212。本文中，几何参数为(例如)喷嘴232a、232b或232c的开口大小。在一些实施例中，喷嘴232a、232b或232c的开口大小可从2mm变化到3mm。并且，可通过注入器管234同步提供来自喷嘴232a、232b或232c的反应气流。
[0054] 此外，在本实施例中，处理腔室212通过炉210上的多个抽汲端口214与真空泵270可控制地连通，以从处理腔室212抽空反应气流。更具体地说，抽汲端口214可包含对应于区段212a、212b和212c的抽汲端口214a、214b和214c，用于分别从区段212a、212b和212c抽空反应气流。通过抽汲端口214a、214b和214c抽空可由真空泵270同步执行。
[0055] 根据以上，不同区段212a、212b和212c当中的不同或个别处理控制可通过个别喷嘴232a、232b和232c和不同抽汲端口214a、214b和214c达成。在一些实施例中，抽汲端口214具备不同几何参数，例如，开口大小。举例来说，抽汲端口214a具备开口大小D1，抽汲端口214b具备开口大小D2，且抽汲端口214c具备开口大小D3，而D1大于D2，且D2大于D3，以提供不同抽汲效率。借此，在本实施例中可个别地控制处理腔室212的不同区段212a、212b和212中的同步化的ALD工艺以改善WIP性能且达成分批负荷工艺中的高工具效率。
[0056] 此外，参看图2，ALD设备200可更包含在处理腔室212外的加热装置280。举例来说，加热装置280可包含安置于炉210的顶部上方的顶部加热装置282、安置于炉210的底部下方的底部加热装置284和在炉210的侧壁旁的侧加热装置286，以达成用于处理腔室212的不同区段212a、212b和212c的充分周围温度控制。
[0057] 图3说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。本实施例的ALD设备300类似于如图2中所绘示的先前实施例的ALD设备200，除了任选地去除图2中的分隔220外。虽然不存在提供于本实施例的处理腔室312中的分隔，但不同区段312a、312b和312c当中的不同或个别处理控制可仍通过注入器330的个别控制的喷嘴332或不同几何参数下的抽汲端口314达成，如在先前实施例中所说明。
[0058] 图4说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。本实施例的ALD设备400类似于如图1中所绘示的先前实施例的ALD设备100，除了本实施例的ALD设备400更包含容纳处理腔室412的冷却腔室490外。冷却腔室490包含安置于处理腔室412的一侧处的一或多个入口端口492和安置于处理腔室412的相对侧处的一或多个出口端口494。换句话说，一或多个入口端口492与一或多个出口端口494可安置于处理腔室412外的对称位置上。借此，例如气体或液体的冷却流体F可通过一或多个进口孔口492提供，在实质上水平方向上从一侧穿过处理腔室412到另一侧，且接着从一或多个出口端口494输出。
[0060] 图5说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。本实施例的ALD设备500类似于如图4中所绘示的先前实施例的ALD设备400，除了任选地去除图4中的分隔420外。虽然不存在提供于本实施例的处理腔室512中的分隔，但不同区段512a、512b和512c当中的不同或个别处理控制可仍通过注入器530的个别控制的喷嘴532或不同几何参数下的抽汲端口514达成，如在先前实施例中所说明。
[0061] 图6说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。本实施例的ALD设备600类似于如图2中所绘示的先前实施例的ALD设备200，除了在本实施例中提供容纳处理腔室612的冷却腔室690外。冷却腔室690包含安置于处理腔室612的一侧处的一或多个入口端口692和安置于处理腔室612的相对侧处的一或多个出口端口694。换句话说，一或多个入口端口692与一或多个出口端口694可安置于处理腔室612外的对称位置上。借此，例如气体或液体的冷却流体F可通过一或多个进口孔口692提供，在实质上水平方向上从一侧穿过处理腔室612到另一侧，且接着从一或多个出口端口694输出。
[0062] 在一些实施例中，可控制冷却流体F的温度以根据不同ALD反应循环按梯度变化，以便控制和加速冷却效率且降低冷却腔室690中的装置(例如，炉610)的裂痕风险。
[0063] 图7说明根据本揭露内容的另一实施例的ALD设备。本实施例的ALD设备700类似于如图6中所绘示的先前实施例的ALD设备600，除了任选地去除图6中的分隔620外。虽然不存在提供于本实施例的处理腔室712中的分隔，但不同区段712a、712b和712c当中的不同或个别处理控制可仍通过注入器730的个别控制的喷嘴732或不同几何参数下的抽汲端口714达成，如在先前实施例中所说明。
[0064] 图8为说明根据本揭露内容的实施例的半导体工艺(例如，ALD工艺)的流程图。
[0065] 首先，提供具有多个区段的处理腔室(步骤810)。并且，将一批衬底162装载到处理腔室112内(步骤820)。举例来说，如图1中所绘示，处理腔室112可由分隔120划分成多个区段，例如，区段112a、112b和112c。
[0066] 接着，处理所述一批衬底162，其中可个别地控制注入器的多个喷嘴以将反应气流分别提供到多个区段中的每一个(步骤830)。举例来说，如图1中所绘示，注入器130的喷嘴132a、132b和132c的独立群组可具备相互不同的几何参数。本文中，几何参数为(例如)喷嘴
132a、132b和132c的开口大小，使得可通过具有不同开口大小的喷嘴132a、132b和132c达成不同区段112a、112b和112c当中的个别处理控制。
132a、132b和132c的开口大小，使得可通过具有不同开口大小的喷嘴132a、132b和132c达成不同区段112a、112b和112c当中的个别处理控制。
[0067] 接下来，从多个区段抽空反应气流(步骤840)。举例来说，如图1中所绘示，处理腔室112与真空泵170可控制地连通，所述真空泵能够通过经炉110的抽汲端口114提取来抽空过多气态前驱体或其它气体。
[0068] 图9为说明根据本揭露内容的另一实施例的半导体工艺(例如，ALD工艺)的流程图。
[0069] 首先，提供具有多个区段的处理腔室(步骤910)。并且，将一批衬底262装载到处理腔室212内(步骤920)。举例来说，如图2中所绘示，处理腔室212可由分隔220划分成多个区段，例如，区段212a、212b和212c。
[0070] 接着，处理所述一批衬底262，其中可个别地控制注入器的多个喷嘴以将反应气流分别提供到多个区段中的每一个(步骤930)。举例来说，如图2中所绘示，注入器230的喷嘴232a、232b和232c的独立群组可具备相互不同的几何参数。本文中，几何参数为(例如)喷嘴
232a、232b和232c的开口大小，使得可通过具有不同开口大小的喷嘴232a、232b和232c达成不同区段212a、212b和212c当中的个别处理控制。
232a、232b和232c的开口大小，使得可通过具有不同开口大小的喷嘴232a、232b和232c达成不同区段212a、212b和212c当中的个别处理控制。
[0071] 接下来，从多个区段抽空反应气流(步骤940)。举例来说，如图2中所绘示，抽汲端口214具备不同几何参数，例如，开口大小。举例来说，抽汲端口214a具备开口大小D1，抽汲端口214b具备开口大小D2，且抽汲端口214c具备开口大小D3，而D1大于D2，且D2大于D3，以提供不同抽汲效率。借此，在本实施例中可个别地控制处理腔室212的不同区段212a、212b和212中的同步化的ALD工艺以改善WIP性能且达成分批负荷工艺中的高工具效率。
[0072] 图10为说明根据本揭露内容的另一实施例的半导体工艺(例如，ALD工艺)的流程图。所述ALD工艺包含：提供具有多个区段的处理腔室(步骤1014)，将一批衬底装载到处理腔室内(步骤1020)，个别地控制注入器的多个喷嘴以将反应气流分别提供到多个区段中的每一个(步骤1030)，和分别通过多个抽汲端口从多个区段抽空反应气流，所述多个抽汲端口被配置以提供相互不同的抽汲效率(步骤1040)，这些步骤类似于图9的先前实施例的步骤910到940。因此，步骤1014、1020、1030和1040的详细描述可参考先前实施例，且下文不重复。
[0073] 此外，本实施例的ALD工艺更包含在冷却腔室中容纳处理腔室以提供从冷却腔室的一侧到冷却腔室的相对侧的冷却流体(步骤1012)。举例来说，如图6中所绘示，提供容纳处理腔室612的冷却腔室690。冷却腔室690包含安置于处理腔室612的一侧处的一或多个入口端口692和安置于处理腔室612的相对侧处的一或多个出口端口694。借此，例如气体或液体的冷却流体F可通过一或多个入口端口692提供，在实质上水平方向上从一侧穿过处理腔室612到另一侧，且接着从一或多个出口端口694输出。在一些实施例中，可控制冷却流体F的温度以根据不同ALD反应循环按梯度变化，以便控制和加速冷却效率且降低冷却腔室690中的装置(例如，炉610)的裂痕风险。
[0074] 根据一些实施例，原子层沉积设备包括处理腔室、至少一个分隔和注入器。所述至少一个分隔安置于所述处理腔室中用于将所述处理腔室划分成多个区段。所述注入器包含安置于所述处理腔室中且被配置以将反应气流分别提供到所述多个区段中的每一个的多个喷嘴。
[0075] 在进一步的实施例中，所述多个喷嘴包括：第一喷嘴，其具有第一几何参数且被配置以将第一反应气流提供到所述处理腔室的第一区段；以及，第二喷嘴，其具有与所述第一几何参数不同的第二几何参数且被配置以将第二反应气流提供到所述处理腔室的第二区段。
[0076] 在进一步的实施例中，所述第一几何参数包括所述第一喷嘴的开口大小，且所述第二几何参数包括所述第二喷嘴的开口大小。
[0077] 在进一步的实施例中，所述处理腔室包括被配置以从所述处理腔室抽空所述反应气流的多个抽汲端口。
[0078] 在进一步的实施例中，所述多个抽汲端口包括：第一抽汲端口，其具有第三几何参数且被配置以从所述处理腔室的第一区段抽空第一反应气流；以及，第二抽汲端口，其具有与所述第三几何参数不同的第四几何参数且被配置以从所述处理腔室的第二区段抽空第二反应气流。
[0079] 在进一步的实施例中，所述第三几何参数包括所述第一抽汲端口的开口大小，且所述第四几何参数包括所述第二抽汲端口的开口大小。
[0080] 在进一步的实施例中，所述原子层沉积设备更包括在所述处理腔室外的加热装置。
[0081] 在进一步的实施例中，所述多个加热装置包括：顶部加热装置，其安置于所述处理腔室的顶部上方；底部加热装置，其安置于所述处理腔室的底部下方；以及，侧加热装置，其在所述处理腔室的侧壁旁。
[0082] 在进一步的实施例中，所述原子层沉积设备更包括容纳所述处理腔室的冷却腔室，其中所述冷却腔室包括：入口端口，其安置于所述处理腔室的一侧处；以及，出口端口，其安置于所述处理腔室的相对侧处。
[0083] 根据一些实施例，原子层沉积设备包含处理腔室、注入器、加热装置和冷却腔室。所述处理腔室具有多个区段。所述注入器包含安置于所述处理腔室中且被配置以将反应气流分别提供到所述多个区段中的每一个的多个喷嘴。所述处理腔室包含多个抽汲端口，其被配置以分别从所述处理腔室的区段抽空反应气流。所述加热装置位于所述处理腔室外。
所述冷却腔室容纳所述处理腔室和所述加热装置。
所述冷却腔室容纳所述处理腔室和所述加热装置。
[0084] 在进一步的实施例中，所述原子层沉积设备更包括安置于所述处理腔室中用于将所述处理腔室划分成所述多个区段的至少一个分隔。
[0085] 在进一步的实施例中，所述喷嘴具有相互不同的几何参数。
[0086] 在进一步的实施例中，所述几何参数包括所述喷嘴中的一个的开口大小。
[0087] 在进一步的实施例中，所述抽汲端口具有相互不同的几何参数。
[0088] 在进一步的实施例中，所述几何参数包括所述抽汲端口中的一个的开口大小。
[0089] 在进一步的实施例中，所述多个冷却腔室包括：入口端口，其安置于所述处理腔室的一侧处；以及，出口端口，其安置于所述处理腔室的相对侧处。
[0090] 根据一些实施例，半导体工艺包括：提供具有多个区段的处理腔室；将一批衬底装载到所述处理腔室内；通过个别地控制注入器的多个喷嘴以将反应气流分别提供到所述多个区段中的每一个来处理所述一批衬底；以及从所述多个区段抽空反应气流。
[0091] 在进一步的实施例中，分别通过被配置以提供相互不同的抽汲效率的多个抽汲端口从所述多个区段抽空所述反应气流。
[0092] 在进一步的实施例中，所述半导体工艺更包括在冷却腔室中容纳所述处理腔室以提供从所述冷却腔室的一侧到所述冷却腔室的相对侧的冷却流体。
[0093] 在进一步的实施例中，所述冷却流体的温度按梯度变化。
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