CN107723681A - 用于半导体工艺的气体喷射器及成膜装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于半导体工艺的气体喷射器及成膜装置，其中，该气体喷射器包含多个气体入口、多个气体流道及多个气体出口。该多个气体入口导入多种气体，并经由该多个气体流道输送至相应的气体出口。该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是逐渐改变。

Description

用于半导体工艺的气体喷射器及成膜装置
技术领域
本发明是关于一种于半导体基板上形成薄膜的气相成膜装置，详细而言，是关于一种用于半导体工艺的成膜装置中气体喷射器。
背景技术
在半导体基板上形成薄膜过程中，成膜装置容纳基板的反应腔内是利用气体喷射器将气体源供应的气体水平(或垂直)喷射至承载盘(susceptor)上的基板上方进行混合，再利用加热所引起的物理或化学反应，从而在基板(例如：晶圆)上沉积薄膜。气体喷射器的设计必须令气源气体水平喷出并达成均匀分布于旋转的基板表面，从而于基板表面产生均匀的边界层，以利沉积薄膜的进行。除此之外，喷射器气源出口的间距与倾角等对于工艺的结果亦有决定性的影响。
图1为一常见成膜装置的反应腔的剖视示意图。一成膜装置包含一用于产生气相沉积薄膜的反应腔10，其是由腔壁11围设一接近真空的密闭腔室。该腔室内设有一基板保持构件12，是用以承载及固定至少一片基板W。与基板保持构件12相对有一对向面形成构件13，又该二者间形成并设有一气体喷射器14。该气体喷射器14包含第一喷射构件141、第二喷射构件142及气体流道通过基板保持构件12、第一喷射构件141、第二喷射构件142及对向面形成构件13中相邻两者，依序构成独立的三个气体流道一般分别用于导入及输送用于工艺的气体，例如：H2/N2/V族原料气体、III族原料气体与载送气体(carrier gas)的混合及H2/N2/V族原料气体，并水平喷射至基板W之上进行混合，再利用加热所引起的物理或化学反应，从而在晶圆W上沉积薄膜。
上述气体流道的出口端(最右端)会因为气体有紊流现象而造成回流(back stream)，使得未反应完全的工艺气体残留于气体喷射器14内，如此造成气体流道的污染，从而影响后续形成薄膜的工艺。
综上所述，半导体制造亟需要一种能改善前述回流问题的气相成膜装置，由此可以提升沉积薄膜的品质。
发明内容
本申请案提供一种气体喷射器及成膜装置，其通过改善气体喷射器的结构，从而增进工艺气体的流速，并避免回流问题的产生。
本申请案提供一种气体喷射器及成膜装置，通过改变各气体流道的出口端的截面积大小，可调整气体离开各出口的流速，亦即改变气体流经基板表面的化学反应时间长短，由此有效提升沉积成膜的效率。
申请案提供一种气体喷射器及成膜装置，其通过改善气体喷射器的结构，从而改变工艺气体的流速，以调整气体及前驱物(precursor)的反应物之间的化学反应速度。
于是，本发明提出一实施例，一种用于半导体工艺的气体喷射器，包含：多个气体入口，导入多种气体；多个气体出口，向外喷射出该多个气体；以及多个气体流道，分别连接该多个气体入口至该多个气体出口，并输送该多个气体至相应的该多个气体出口；其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是逐渐改变。
于另一实施例中，其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是渐增或渐减。
于另一实施例中，该气体流道具有改变截面积的该部分是延伸至该气体出口。
于另一实施例中，该气体流道具有改变截面积的该部分未延伸至该气体出口。
于另一实施例中，该气体喷射器另包含多个分隔该等气体流道的喷射构件，其中于该气体流道具有改变截面积的该部分中该等喷射构件中至少一个的厚度是渐增或渐减。
于另一实施例中，该多个气体出口中的一个是位于中央的开口，其他是围绕该中央的开口的环状开口。该位于中央的开口及环状开口是以同心排列。
于另一实施例中，通过该截面积相对于该气体出口逐渐改变，以调整该气体离开该气体出口的流速，从而改变该多种气体的化学反应时间长短。
于另一实施例中，该多种气体III族原料气体及载送气体的混合及H 2/N2/V族原料气体的混合。
本发明另提出一实施例，一种用于半导体工艺的成膜装置，包含：一反应腔，包括至少一基板保持构件；以及一气体喷射器，包括：多个气体入口，导入多种气体；多个气体出口，向该基板保持构件喷射出该多个气体；及多个气体流道，分别连接该多个气体入口至该多个气体出口，并输送该多个气体至相应的该多个气体出口；其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是逐渐改变。
于另一实施例中，该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是渐增或渐减。
于另一实施例中，该气体流道具有改变截面积的该部分延伸至该气体出口。
于另一实施例中，该气体流道具有改变截面积的该部分未延伸至该气体出口。
于另一实施例中，该气体喷射器另包含多个分隔该等气体流道的喷射构件，其中于该气体流道具有改变截面积的该部分中该等喷射构件中至少一个的厚度是渐增或渐减。
于另一实施例中，该多个气体出口中一个是位于中央的开口，其他是围绕该中央的开口的环状开口。
于另一实施例中，该气体出口喷射出该气体的方向是平行于该基板保持构件的表面。
于另一实施例中，该气体出口喷射出该气体的方向是垂直于该基板保持构件的表面。
于另一实施例中，该位于中央的开口及环状开口是以同心排列。
于另一实施例中，通过该截面积相对于该气体出口逐渐改变，以调整该气体离开该气体出口的流速，从而改变该多种气体的化学反应时间长短。
于另一实施例中，该多种气体III族原料气体及载送气体的混合及H2/N2/V族原料气体的混合。
本发明另提出一实施例，一种用于半导体工艺的成膜装置，包含：一反应腔，包括一承载盘及一相对于该承载盘的对向面形成构件；以及一气体喷射器，包括：多个喷射构件，设置于该承载盘及该对向面形成构件之间；及多个气体流道，是由该多个喷射构件分隔该承载盘及该对向面形成构件之间的空间所形成独立的气体输送路径；其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积是逐渐增加或减少。
附图说明
图1为一现有成膜装置的反应腔的剖视示意图。
图2为本申请案一实施例的成膜装置的反应腔的剖视示意图。
图3为图2中气体喷射器的喷射构件的立体示意图。
图4为本申请案又一实施例的气体喷射器的剖视示意图。
图5为本申请案另一实施例的气体喷射器的剖视示意图。
图6为本申请案另一实施例的气体喷射器的剖视示意图。
图7为本申请案另一实施例的气体喷射器的剖视示意图。
图8A为图8中沿I－I剖面线的剖面示意图。
图8B为图8中沿II－II剖面线的剖面示意图。
图9为本申请案另一实施例的气体喷射器的剖视示意图。
主要元件符号说明：
10、20 反应腔
11 腔壁
22 承载盘
13、23 对向面形成构件
14、24、44、54、64、74 气体喷射器
25 气体排气部
12、221 基板保持构件
222 均热板
223 承受部
141、241、441、541、641、741、941 第一喷射构件
142、242、442、542、642、742、942 第二喷射构件
946 第三喷射构件
气体流道
气体入口
气体出口
2411 第一导入部
2421 第二导入部
W 基板
具体实施方式
以下，就实施本发明的各种实施形态来加以说明。请参照随附的附图，并参考其对应的说明。另外，本说明书及附图中，实质相同或相同的构成会给予相同的符号而省略其重复的说明。
图2为本申请案一实施例的成膜装置的反应腔的剖视示意图。如图所示，反应腔20用于III/V族化合物半导体成膜装置的范例。反应腔20包含承载盘22、相对于该承载盘22的对向面形成构件23、气体喷射器24及气体排气部25。基板W通过基板保持构件221来加以承载，并通过均热板222加热基板W的背面(无电路表面)，又基板保持构件221被置于承载盘22的承受部223。本实施例的反应腔20可以同时于多个基板W上形成薄膜，然也可以就一片基板W进行沉积工艺。如图所示，本实施例的基板W的表面(有电路表面)虽是垂直向下(所谓面向下型装置)，但在一般成膜条件中，重力的影响轻微，故在基板W的表面朝上(所谓面向上型装置)的其他实施例，亦能同样地获得本申请案的效果。因此，本案并未限定于面向下型者。
本实施例的反应腔20具有中心对称性，而承载盘22会相对其中心轴公转，与此同时基板W会自转的构造。该等自转、公转的方式及使用的机构并不能用于限制本发明。气体喷射器24是以第一喷射构件241与第二喷射构件242所构成，并分为上、中、下的3层气体流道大多实施例是从上方气体流道243导入H2/N2/V族原料气体，从中间气体流道244导入III族原料气体及载送气体(carrier gas)，从下面气体流道245导入H2/N2/V族原料气体。气体流道输送III族及V族原料气体的安排不受此实施例限制，上、中、下的3层气体流道也可以采不同的顺序，例如：分别为V/III/V族原料气体。载送气体可以是H2、N2、H2+N2、NH3(V族)、H2+NH3(V族)或前述气体的任意组合。
气体喷射器24包括多个气体入口多个气体流道及多个气体出口该多个气体入口导入多种气体，并分别输送该等气体至各相应的该气体出口自该气体出口向基板W上方喷射出该等气体并进行混合，再利用加热所引起的物理或化学反应，从而在晶圆W上沉积薄膜。于本实施例中，第一喷射构件241与第二喷射构件242间的距离是朝向气体出口渐减，亦即中间气体流道244的截面积会渐减，而上方气体流道243及下方气体流道245的截面积会渐增。此处截面积指各气体流道可让气体经过的中空部分的一截面的面积。如此中间的气体流道244的气体出口24e可加快离开气体的流速，并避免有前述回流的问题。本实施例中气体流道的截面积改变方式仅为例示，然该等气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该等气体出口是逐渐改变亦为本申请案的保护范围，或气体流道的数目及排列方式可不同于此例所示。
本实施例通过改变各气体流道的截面积大小，故能调整气体离开各气体出口的流速，亦即改变气体流经基板W表面的化学反应时间长短，由此有效提升沉积成膜的效率。
如图3所示，可更清楚了解第一喷射构件241与第二喷射构件242的立体结构及相对关系。第一喷射构件241位于第二喷射构件242的下方，且两者分别呈现圆板状。于第一喷射构件241的中央有第一导入部2411，又于第二喷射构件242的中央有第二导入部2421。如图2所示，当第一喷射构件241与第二喷射构件2422等组合时，第一导入部2411是环绕于第二导入部2421外侧。该第二导入部2421和第一导入部2411的两端部中间隙即为气体入口24b，第一导入部2411和对向面形成构件23中间隙即为气体入口24a，及第二导入部2421的端部开口即为气体入口24c。第一喷射构件241相对于第一导入部2411是呈钝角，又第二喷射构件242相对于第二导入部2421呈锐角，二者均非直角而能形成该等气体流道的截面积逐渐改变。
图4为本申请案又一实施例的气体喷射器的剖视示意图。气体喷射器44以第一喷射构件441与第二喷射构件442所构成，其包括多个气体入口多个气体流道及多个气体出口第一喷射构件441与第二喷射构件442并非等厚度，于接近气体出口44e的部分是厚度逐渐增加，当然也可整个厚度都是逐渐增加。因此，于此实施例中，仅中间气体流道444下游端部分的截面积朝向气体出口44e逐渐减少，上方气体流道443及下方气体流道445的截面积实质上维持不变。
相较于图4，图5为本申请案另一不同实施例的气体喷射器的剖视示意图。气体喷射器54以第一喷射构件541与第二喷射构件542所构成，其包括多个气体入口多个气体流道及多个气体出口 第一喷射构件541与第二喷射构件542并非等厚度，于接近气体出口54e的部分是厚度逐渐减少，当然也可整个厚度都是逐渐减少。因此，于此实施例中，仅中间气体流道544下游端部分的截面积朝向气体出口54e逐渐增加，上方气体流道543及下方气体流道545的截面积实质上维持不变。
图6为本申请案另一实施例的气体喷射器的剖视示意图。气体喷射器64以第一喷射构件641与第二喷射构件642所构成，其包括多个气体入口多个气体流道及多个气体出口第一喷射构件641与第二喷射构件642并非等厚度，于接近气体出口64e的部分是厚度逐渐减少，然末端的部分仍维持等厚度，即厚度逐渐变化部分未延伸至气体出口64e。因此，于此实施例中，仅中间气体流道644的一部分的截面积朝向气体出口64e逐渐增加，上方气体流道643及下方气体流道645的截面积实质上维持不变。
上述实施例通过改变各气体流道中接近气体出口部分的截面积大小，故能调整气体离开各气体出口的流速，亦即改变气体流经基板W表面的化学反应时间长短，由此有效提升沉积成膜的效率。
如前面实施例所示，气体出口喷射出气体的方向是实质上平行于晶圆的表面，另气体出口喷射出气体的方向垂直于晶圆的表面亦为本案的保护范围。图7为本申请案另一实施例的垂直型气体喷射器的剖视示意图。气体喷射器74以第一喷射构件741与第二喷射构件742所构成，其包括多个气体流道及多个气体出口第一喷射构件741并非等厚度，于接近气体出口74d的部分是厚度逐渐减少，其厚度逐渐部分延伸至气体出口74d。因此，于此实施例中，仅中间气体流道743的一部分的截面积朝向气体出口74d逐渐增加，外围气体流道744的截面积实质上维持不变。
图8A为图8中沿I－I剖面线的剖面示意图，又图8B为图8中沿II－II剖面线的剖面示意图。如图8A所示，第一喷射构件741与第二喷射构件742是两个同心圆的管状体。二者之间的间隙为外围气体流道744，又管状第一喷射构件741中为气体流道743。由此两剖面示意图更可知第一喷射构件741的厚度变化。
此实施例虽例示具两个气体流道的气体喷射器，然本申请案并未限定气体流道的数目，亦即多个或至少两个气体流道均为本申请案的保护范围。图8为本申请案另一实施例的垂直型气体喷射器的剖视示意图。气体喷射器94以第一喷射构件941、第二喷射构件942与第三喷射构件946所构成，其包括多个气体流道及多个气体出口第一喷射构件941并非等厚度，于接近气体出口94d的部分是厚度逐渐减少，然末端的部分仍维持等厚度，即厚度逐渐变化部分未延伸至气体出口94d。于此实施例中，第二喷射构件942的厚度不变，但朝向气体出口94e渐缩或向内倾斜。另，第三喷射构件946也非等厚度，于接近气体出口94f的部分是厚度逐渐增加，厚度逐渐变化部分延伸至气体出口94f。因此，气体流道943的一部分的截面积朝向气体出口94d逐渐增加，又气体流道944的截面积朝向气体出口94e逐渐增加，最外围气体流道945的截面积朝向气体出口94f呈现两段式减少。虽然此实施例中气体流道均有截面积改变，实际上应视沉积工艺的需求和条件而选择气体流道的改变数量，或是调整截面积的改变方式。
本申请案的垂直型气体喷射器可以应用及任意组合前述水平型气体喷射器中各气体流道的截面积改变方式，并不受上述实施例的限制。通过改变各气体流道中接近气体出口部分的截面积大小，故能调整气体离开各气体出口的流速，亦即改变气体流经基板表面的化学反应时间长短，由此有效提升沉积成膜的效率。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。

Claims (21)

1.一种用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，包含：
多个气体入口，导入多种气体；
多个气体出口，向外喷射出该多个气体；以及
多个气体流道，分别连接该多个气体入口至该多个气体出口，并输送该多个气体至相应的该气体出口；
其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是逐渐改变。
2.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是渐增或渐减。
3.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该气体流道具有改变截面积的该部分延伸至该气体出口。
4.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该气体流道具有改变截面积的该部分未延伸至该气体出口。
5.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该气体喷射器另包含多个分隔该等气体流道的喷射构件，其中于该气体流道具有改变截面积的该部分中该等喷射构件中至少一个的厚度是渐增或渐减。
6.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该多个气体出口中的一个是位于中央的开口，其他是围绕该中央的开口的环状开口。
7.如权利要求6所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该位于中央的开口及环状开口是以同心排列。
8.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，通过该截面积相对于该气体出口逐渐改变，以调整该气体离开该气体出口的流速，从而改变该多种气体的化学反应时间长短。
9.如权利要求1所述的用于半导体工艺的气体喷射器，其特征在于，该多种气体是III族原料气体及载送气体的混合及H2/N2/V族原料气体的混合。
10.一种用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，包含：
一反应腔，包括至少一基板保持构件；以及
一气体喷射器，包括：
多个气体入口，导入多种气体；
多个气体出口，向该基板保持构件喷射出该多个气体；及
多个气体流道，分别连接该多个气体入口至该多个气体出口，
并输送该多个气体至相应的该多个气体出口；
其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是逐渐改变。
11.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积相对于该气体出口是渐增或渐减。
12.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该气体流道具有改变截面积的该部分是延伸至该气体出口。
13.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该气体流道具有改变截面积的该部分未延伸至该气体出口。
14.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该气体喷射器另包含多个分隔该等气体流道的喷射构件，其中于该气体流道具有改变截面积的该部分中该等喷射构件中至少一个的厚度是渐增或渐减。
15.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该多个气体出口中一个是位于中央的开口，其他是围绕该中央的开口的环状开口。
16.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该气体出口喷射出该气体的方向是平行于该基板保持构件的表面。
17.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该气体出口喷射出该气体的方向是垂直于该基板保持构件的表面。
18.如权利要求15所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该位于中央的开口及环状开口是以同心排列。
19.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，通过该截面积相对于该气体出口逐渐改变，以调整该气体离开该气体出口的流速，从而改变该多种气体的化学反应时间长短。
20.如权利要求10所述的用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，该多种气体是III族原料气体及载送气体的混合及H2/N2/V族原料气体的混合。
21.一种用于半导体工艺的成膜装置，其特征在于，包含：
一反应腔，包括一承载盘及一相对于该承载盘的对向面形成构件；以及
一气体喷射器，包括：
多个喷射构件，设置于该承载盘及该对向面形成构件之间；及
多个气体流道，由该多个喷射构件分隔该承载盘及该对向面形成构件之间的空间所形成独立的气体输送路径；
其中该多个气体流道中至少一个的一部分的截面积逐渐增加或减少。
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