CN112522682A - 原子层沉积设备与制程方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供原子层沉积设备与制程方法。原子层沉积设备包括腔体、加热台、载盘、中空部件、底部抽气口与喷头组件，其中载盘位于加热台的顶表面并用以承载基材，而载盘与中空部件可形成上抽气路径。透过上抽气路径缓慢地抽离制程流体(例如，前驱物)，可使制程流体的流场被稳定地调控，进而使原子层沉积制程中的基材可受前驱物均匀地沉积。

Description

原子层沉积设备与制程方法
技术领域
本发明涉及一种原子层沉积设备与制程方法，尤其指一种透过中空部件与载盘形成上抽气路径以调节制程流体的流场的原子层沉积设备，以及使用其的制程方法。
背景技术
随集成电路技术的发展已经成熟，目前电子产品朝向轻薄短小、高性能、高可靠性与智能化的趋势发展。电子产品中的晶体管的微缩技术非常重要，小尺寸的晶体管会对电子产品的性能产生重要影响，当晶体管的尺寸愈小，可减少电流传输时间并降低耗能，以达到快速运算并节能的效果。目前，在微小的晶体管中，部分关键的薄膜层几乎只有几个原子的厚度，而发展这些微量结构的技术之一为原子层沉积制程(atomic layer depositionprocess,ALD process)。
原子层沉积制程是一种将物质以单原子的形式一层一层地镀在基材表面的技术，其中在制程中，是使反应的前驱物与基材或前一层膜的材料表面进行化学吸附，来生产既薄且均匀的薄膜。在原子层沉积制程中，均匀的沉积薄膜是晶体管微缩的重要基础，如何有效的控制薄膜均匀度为现今的晶体管发展的重要课题。
目前原子层沉积制程的均匀度的控制仍然还没完善，其中一个问题来自前驱物的流场没有受到妥善的控制(例如，原子层沉积制程的前驱物如何在不干扰均匀的沉积行为下被抽离腔体)。目前的原子层沉积设备的设计大部分是使用大型的密闭式腔体，它可以在原子层沉积制程中容纳大量的前驱物，并确保前驱物滞留于腔体中与基材接触以进行沉积，其中密闭式的腔体设计可避免前驱物在沉积与反应完成之前提早流失。当沉积与反应完成，腔体内的前驱物再透过腔体的底部抽气口排出。
然而，这种大型的密闭式腔体需使用大量的前驱物，将使制程成本过高。再者，如果排出前驱物的时间控制的不好，那么单一的抽气装置(底部抽气口)则可能导致前驱物形成扰流，使得基材受沉积的均匀度受到不好的影响。
为了降低制程成本，其中一种方法是缩减腔体的容积来减少前驱物用量，然而这个方法会造成前驱物形成扰流，进而导致前驱物重复与基材接触，而使基材受沉积的均匀度下降。因此，如何降低制程成本且良好的控制前驱物沉积在基材的均匀度，是现今原子层沉积制程中需要克服的问题。
发明内容
因此，为了克服现有技术的不足之处，本发明实施例提供一种原子层沉积设备与制程方法，使前驱物(precursor)及/或清洗气体(purge gas)可呈现受控制的慢速流场，以藉此调节前驱物沉积于基材的均匀度。
基于前述目的的至少其中之一者，本发明实施例提供的原子层沉积设备包括腔体、加热台、载盘、至少一个中空部件、至少一个底部抽气口以及喷头组件。所述腔体具有容置空间，而加热台设置于腔体的容置空间内，其中加热台具有顶表面。所述载盘位于加热台的顶表面，且具有底盘与凸部，其中凸部连接底盘的上表面，而底盘用以承载基材。所述中空部件流体连通腔体的容置空间，且高于载盘，并具有至少一个抽气孔，其中载盘与中空部件形成上抽气路径。所述底部抽气口流体连通腔体的容置空间，且连接泵，并用以排出容置空间内的至少一种流体。所述喷头组件流体连通腔体的容置空间，提供至少一种前驱物或清洗气体至腔体内。
基于前述目的的至少其中之一者，本发明实施例提供的原子层沉积制程方法应用前述的原子层沉积设备。所述原子层沉积制程方法包括：透过底部抽气口对腔体的容置空间下抽气；提供前驱物到腔体的容置空间以与载盘上的基材反应；停止提供前驱物到腔体的容置空间内；提供清洗气体到腔体的容置空间内，并透过中空部件及载盘之间的上抽气路径对腔体的容置空间进行上抽气以移除前驱物；以及停止提供清洗气体至腔体的容置空间后，停止上抽气。
基于前述目的的至少其中之一者，本发明实施例提供的原子层沉积制程方法应用前述的原子层沉积设备。所述原子层沉积制程方法包括：透过底部抽气口对腔体的容置空间下抽气，及透过中空部件与载盘之间的上抽气路径对腔体的容置空间进行上抽气，其中上抽气在原子层沉积制程期间不中断；提供前驱物到腔体的容置空间以与载盘上的基材反应；停止提供前驱物到腔体的容置空间内；提供清洗气体到腔体的容置空间内；以及停止提供清洗气体至腔体的容置空间后，持续上抽气。
可选地，所述原子层沉积设备还包括固定件，连接加热台与载盘，以将载盘固定于该加热台。
可选地，所述载盘的底盘为圆盘，而凸部为凸环，且凸环的直径小于圆盘的直径。
可选地，所述凸部对应于中空部件的抽气孔。
可选地，所述抽气孔位于中空部件的底部。
可选地，所述原子层沉积设备还包括升降装置，连接加热台，其中升降装置驱动加热台与载盘靠近或远离中空部件，以调整中空部件与载盘之间的第一距离。
简言之，本发明实施例提供的原子层沉积设备与制程方法，可透过中空部件与载盘形成上抽气路径，以使原子层沉积制程中的前驱物与/或清洗气体形成慢速流场且从中空部件被抽离，藉此以动态的方式对基材进行反应与沉积，进一步调控原子层沉积制程中的基材受沉积的均匀度。因此，本发明所述的原子层沉积设备与制程方法于对原子层沉积有需求的制程与市场(例如集成电路)具有优势。
附图说明
图1是本发明实施例的原子层沉积设备的示意图；
图2是本发明实施例的载盘的俯视示意图；
图3是本发明另一实施例的原子层沉积设备的局部示意图；
图4是本发明又一实施例的原子层沉积设备的局部示意图；
图5是本发明实施例的原子层沉积制程的步骤与时间的趋势关系图；
图6是本发明另一实施例的原子层沉积制程的步骤与时间的趋势关系图。
附图标记说明：1-原子层沉积设备；101-腔体；102、202、302-加热台；1021-固定件；103-中空部件；1031、2031、3031-载盘；104-喷头组件；105-升降装置；d3、d5-第一距离；G101-前驱物；G102-清洗气体；H1031、H2031、H3031204-底盘；line1～line5-线；O101-底部抽气口；O103、O203、O303-抽气孔；P1031-上抽气路径；V1031、V2031、V3031-凸部；W-基材。
具体实施方式
以下结合附图来详细说明本发明的具体实施方式。相同的符号代表具有相同或类似功能的构件或装置。
本发明提供一种原子层沉积设备与使用其的原子层沉积制程方法。所述原子层沉积设备除了具有连接腔体的底部抽气口之外，还可透过中空部件与载盘形成上抽气路径，以引导过剩的前驱物被抽离腔体，有别于现有技术的沉积设备只可透过底部抽气口抽除过剩的前驱物。藉由载盘的结构设计，可使过剩的前驱物形成稳定而缓慢的气流，以使基材可受到前驱物均匀地沉积。
透过升降装置驱动加热台与载盘靠近或远离中空部件，可以让中空部件与载盘之间的第一距离受到调整，如此一来，可调控上抽气路径所引导的前驱物的流动情形，并可进一步地调控将与基材反应的前驱物的沉积状况，并且进一步使基材受沉积的均匀度受到优化。
首先，请参照图1，图1是本发明实施例的原子层沉积设备的示意图。如图1所示，原子层沉积设备1包括腔体101、至少一底部抽气口O101、加热台102、载盘1031、复数个中空部件103以及喷头组件104。腔体101具有容置空间S，而底部抽气口O101流体连通腔体101的容置空间S，其中底部抽气口O101可连接动力装置(例如，泵)形成下抽气装置，以排出容置空间S内的至少一种流体。
所述加热台102设置于腔体101的容置空间S中，且具有顶表面S1，而载盘1031位于加热台102的顶表面S1，且可透过固定件1021(例如，螺丝)连接加热台102与载盘1031，以将载盘1031固定于加热台102
所述载盘1031具有底盘H1031与凸部V1031，凸部V1031连接底盘H1031的上表面，而底盘H1031用以承载基材W(例如但不限制为晶圆)。
请参照图2，图2是本发明实施例的载盘的俯视示意图。所述载盘1031的底盘H1031可以是圆盘，而凸部V1031可以是圆形的凸环，其中凸环的直径可小于圆盘的直径。在其他实施例中，底盘H1031也可以是多边形盘体，而凸部V1031可以是由多个构件组成连续或不连续的凸起。
请参照图3与图4，在其他实施例中，当载盘2031、3031的底盘H2031、H3031为圆盘及凸部V2031、V3031为圆形的凸环，则凸环的直径也可以等于圆盘的直径，或者当底盘H2031、H3031不为圆盘及凸部V2031、V3031不为圆形的凸环，则凸部V2031、V3031可以与底盘H2031、H3031切齐。
接着，请继续参照图1，所述中空部件103流体连通腔体101的容置空间S，且中空部件103高于载盘1031。中空部件103具有至少一个抽气孔O103及顶部开口O102，并具有贯穿抽气孔O103及顶部开口O102的中空区，其中中空区可以与外部连通，而中空区的中空路径没有任何限制。
具体而言，抽气孔O103位于中空部件103的底部，而载盘1031的凸部V1031可以对应于中空部件103的抽气孔O103。在其他实施例中，抽气孔O103也可以位于中空部件103的侧边，而载盘1031的凸部V1031也可以对应于中空部件103的抽气孔O103。
如图4所示，在其他实施例中，载盘3031的凸部V3031也可以不对应于中空部件303的底部的抽气孔O303，且载盘3031的凸部V3031可围绕并位于中空部件303的下方。在其他实施例中，载盘3031的凸部V3031也可以不对应于中空部件303的侧边的抽气孔O303，且载盘3031的凸部V3031可围绕中空部件103及其抽气孔O303。
所述喷头组件104连体连通腔体101的容置空间S，用以提供前驱物G101或清洗气体G102到腔体101中。
请继续参照图1～图3，在原子层沉积制程中，载盘1031、2031、3031与中空部件103、203、303形成上抽气路径P1031。具体而言，载盘1031、2031、3031与中空部件103、203、303可形成小区域的空间，并透过连接中空部件103、203、303的泵缓慢的抽离原子层沉积制程中未反应的前驱物G101，使前驱物G101可形成缓慢而稳定的流场，并使大部分未反应的前驱物G101被中空部件103、203、303抽离。
载盘1031、2031、3031与中空部件103、203、303形成的小区域的空间，可提供前驱物G101与基材W一个小空间反应区，如此，可减少前驱物G101的使用量，以降低成本。再者，小空间反应区也可降低前驱物G101的扰流，使前驱物G101可缓慢而稳定地被中空部件103、203、303抽离，如此，可使基材W受前驱物G101沉积后的均匀度提高。
所述载盘1031、2031、3031的底盘H1031、H2031、H3031与中空部件103、203、303的底部之间具有可调整的第一距离d3、d5。具体而言，原子层沉积设备1还可包括升降装置105，连接加热台102，其中升降装置105驱动加热台102与载盘1031、2031、3031靠近或远离中空部件103、203、303，以调整中空部件103、203、303与载盘1031、2031、3031之间的第一距离d3、d5，以对前驱物G101的流动进行更细微的调控。
接着，请参照图5以知悉原子层沉积制程的流程与方法，图5是本发明实施例的原子层沉积制程的步骤与时间的趋势关系图。
首先，请参照线line5，当基材W放置到载盘1031后，原子层沉积设备1的下抽气装置透过腔体101的底部抽气口O101对腔体101的容置空间S进行下抽气，其中下抽气从制程开始到结束没有间断。
接着，请参照线line1，第一前驱物G101透过喷头组件104被提供至腔体101的容置空间S，并扩散到基材W上方以与基材W表面的材料进行反应与沉积。
当第一前驱物G101注入腔体101达到目标量后(根据制程参数以决定目标量)，喷头组件104停止供应第一前驱物G101到腔体101内。
接着，请参照线line3与线line4，于停止供应第一前驱物G101到腔体101的容置空间S后，清洗气体G102(例如但不限制为氮气)透过喷头组件104被提供至腔体101的容置空间S，以对第一前驱物G101进行涤洗(purge)，同步地，透过中空部件103与载盘1031之间形成的上抽气路径P1031将腔体101内的前驱物G101抽离。
具体而言，第一前驱物G101多数存在于中空部件103与载盘1031所创造的小空间反应区，并藉由连接中空部件103的泵将第一前驱物G101缓慢地抽离，使第一前驱物G101呈现慢速流场。如此，第一前驱物G101可以动态的方式对基材W进行反应与沉积。同样地，清洗气体G102的流场也可受到稳定地控制。
当腔体101内的第一前驱物G101与清洗气体G102呈现慢速的流动，流场将可稳定地被控制，并避免扰流产生，以使基材W受原子层沉积时的均匀度受到良好的控制。
接着，请继续参照线line3与线line4，当清洗气体G102停止供应至腔体101后，上抽气装置先持续上抽气而后停止对腔体101的容置空间S抽气。
在一个实施例中，上抽气的时间大于提供清洗气体G102的时间，但本发明不以此为限制，上抽气的时间也可以相同于提供清洗气体的时间。
接着，请参照线line2，提供第二前驱物的步骤相似于提供第一前驱物的步骤。当清洗气体G102停止供应至腔体101的一段时间，且上抽气装置停止抽气后，第二前驱物透过喷头组件104由被提供至腔体101的容置空间S，并扩散到基材W上方以与基材W表面的材料进行反应与沉积。
接着，当第二前驱物注入腔体101达到目标量后，喷头组件104停止供应第二前驱物到腔体101的容置空间S。
进一步地，请参照线line3与线line4，于停止供应第二前驱物到腔体101的容置空间S后，清洗气体透过喷头组件104被提供至腔体101的容置空间S，以对第二前驱物进行涤洗。同步地，透过中空部件103与载盘1031之间形成的上抽气路径P1031可将腔体101内的第二前驱物G101抽离，以稳定地控制第二前驱物与清洗气体的流场。
最后，停止供应清洗气体至腔体101的容置空间S后，停止透过上抽气路径P1031对腔体101的容置空间S抽离第二前驱物。请注意，在原子层沉积制程的不同阶段中，透过上抽气路径P1031从腔体101的容置空间S被抽离的流体可能是不同的，其中流体可能是空气、清洗气体、前驱物或为制程开始之前所留在腔体101的容置空间S中的任何物质。
在一个实施例中，上抽气的时间大于提供清洗气体的时间，但本发明不以此为限制，上抽气的时间也可以相同于提供清洗气体的时间。
当第一前驱物与第二前驱物完成对基材W表面的反应与沉积后，即对原子层沉积的流程达成完整的一次循环，而后续的每一次循环的步骤流程皆与上述相同。
请参照图6以知悉另一种原子层沉积制程的流程与方法，图6是本发明另一实施例的原子层沉积制程的步骤与时间的趋势关系图。
首先，请参照线line4与线line5，当基材W放置到载盘1031后，原子层沉积设备1的下抽气装置透过腔体101的底部抽气口O101对腔体101的容置空间S进行下抽气以抽出腔体101内的流体，其中下抽气从制程开始到结束没有中断。再者，透过中空部件103与载盘1031之间形成的上抽气路径P1031将腔体101内的流体抽离，其中上抽气从制程开始到结束没有中断。
进一步地，请参照线line1，第一前驱物G101透过喷头组件104被提供至腔体101的容置空间S，并扩散到基材W上方以与基材W表面的材料进行反应与沉积。
当第一前驱物G101注入腔体101达到目标量后(根据制程参数以决定目标量)，喷头组件104停止供应第一前驱物G101到腔体101内。
接着，在停止供应第一前驱物G101到腔体101的容置空间S后，清洗气体G102(例如但不限制为氮气)透过喷头组件104被提供至腔体101的容置空间S，以对第一前驱物G101进行涤洗。
最后，停止供应清洗气体G102至腔体101的容置空间S，并持续透过上抽气路径P1031从腔体101的容置空间S抽出前驱物G101，以使第一前驱物G101及清洗气体G102的流场可持续受到稳定地控制。请注意，在原子层沉积制程的不同阶段中，透过上抽气路径P1031从腔体101的容置空间S被抽离的流体可能是不同的，其中流体可能是空气、清洗气体、前驱物或为制程开始之前所留在腔体101的容置空间S中的任何物质。
提供第二前驱物的步骤相似于提供第一前驱物的步骤。当第一前驱物与第二前驱物完成对基材W表面的反应与沉积后，即对原子层沉积的流程达成完整的一次循环，而后续的每一次循环的步骤流程皆与上述相同。
在原子层沉积制程中，还可以透过升降装置105驱动加热台102与载盘1031靠近或远离中空部件103，以调整载盘1031与中空部件103的底部之间的第一距离，以控制制程中的流体的流场。
所述原子层沉积设备1与使用其的制程方法的效果请参照表1，表1为12吋硅晶圆经原子层沉积制程后的晶圆厚度表，如表1所示，取12吋硅晶圆进行的原子层沉积制程后，晶圆的厚度均匀度为0.34686并达到良好的效果。
Figure BDA0002758813670000081
表1
综合以上所述，相较于现有技术，本发明实施例提供的原子层沉积设备与制程方法的技术效果，说明如下。
现有技术中，原子层沉积制程多使用大型腔体并通入大量反应前驱物以对基材进行反应与沉积，故使制程的成本较高，而传统的降低成本的方法是缩减腔体的容积，但此方法常造成前驱物于腔体内部产生扰流，导致基材受沉积后的均匀度不佳。反观本发明所述的原子层沉积设备与制程方法，可透过中空部件与载盘形成小空间反应区，以节省制程前驱物的用量，并透过上抽气装置使前驱物形成稳定慢速且均匀的流场，以优化基材受沉积后的均匀度。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备包括：
腔体，具有容置空间；
加熱台，设置于所述腔体的所述容置空间内，且具有顶表面；
載盤，位于所述加热台的所述顶表面，且具有底盘与凸部，其中所述凸部连接所述底盘的上表面，而所述底盘用以承载基材；
至少一中空部件，流体连通所述腔体的所述容置空间，高于所述载盘，并具有至少一抽气孔，其中所述载盘与所述中空部件形成上抽气路径；
至少一底部抽气口，流体连通所述腔体的所述容置空间且连接泵，并用以排出所述容置空间内的至少一流体；以及
一噴頭組件，流體連通所述腔體的所述容置空間，提供至少一前驅物或清洗氣體至所述腔體內。
2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括固定件，连接所述加热台与所述载盘，以将所述载盘固定于所述加热台。
3.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，其中所述载盘的所述底盘为圆盘，所述凸部为凸环，而所述凸环的直径小于所述圆盘的直径。
4.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，其中所述凸部对应于所述中空部件的所述抽气孔。
5.如权利要求4所述的原子层沉积设备，其特征在于，其中所述抽气孔位于所述中空部件的底部。
6.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于，所述原子层沉积设备还包括升降装置，连接所述加热台，其中所述升降装置驱动所述加热台与所述载盘靠近或远离所述中空部件，以调整所述中空部件与所述载盘之间的第一距离。
7.一种应用权利要求1的原子层沉积设备的原子层沉积制程方法，其特征在于，所述原子层沉积制程方法包括：
透过所述底部抽气口对所述腔体的所述容置空间下抽气；
提供前驱物到所述腔体的该容置空间以与所述载盘上的基材反应；
停止提供所述前驱物到所述腔体的所述容置空间内；
提供清洗气体到所述腔体的所述容置空间内，并透过所述中空部件及所述载盘之间的所述上抽气路径对所述腔体的所述容置空间进行上抽气以移除所述前驱物；以及
停止提供所述清洗气体至所述腔体的所述容置空间后，停止上抽气。
8.如权利要求7所述的原子层沉积制程方法，其特征在于，所述原子层沉积制程方法还包括透过升降装置驱动所述加热台与所述载盘靠近或远离所述中空部件，以调整所述载盘与所述中空部件的底部之间的第一距离。
9.一种应用权利要求1的原子层沉积设备的原子层沉积制程方法，其特征在于，所述原子层沉积制程方法包括：
透过所述底部抽气口对所述腔体的所述容置空间下抽气，及透过所述中空部件及所述载盘之间的所述上抽气路径对所述腔体的所述容置空间进行上抽气，其中上抽气在原子层沉积制程期间不中断；
提供前驱物到所述腔体的所述容置空间以与所述载盘上的基材反应；
停止提供所述前驱物到所述腔体的所述容置空间内；
提供清洗气体到所述腔体的所述容置空间内；以及
停止提供所述清洗气体至所述腔体的所述容置空间后，持续上抽气。
10.如权利要求9所述的原子层沉积制程方法，其特征在于，所述原子层沉积制程方法还包括透过升降装置驱动所述加热台与所述载盘靠近或远离所述中空部件，以调整所述载盘与所述中空部件的底部之间的第一距离。
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