CN1458668A - 批量式原子层沉积设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种批量式原子层沉积设备，其可以在防止片电阻的均匀性下降的同时增大产量。本发明的原子层沉积设备包括：腔内的旋转托盘，其中，多个晶片位于该旋转托盘上距该旋转托盘中心相同的距离；气体注入装置，其面对该旋转托盘中心处的上表面；以及，能根据位置控制晶片的温度的加热板，其中，该加热板被安装在该底板上，并且在该加热板与该旋转托盘的底面之间设有一间隔。

Description

批量式原子层沉积设备
技术领域
本发明涉及一种原子层沉积(ALD)设备，特别地，本发明涉及一种用于沉积原子层的批量型设备。
背景技术
通常，在制造半导体器件时，溅射、化学气相沉积(CVD)、或原子层沉积(ALD)法被用于均匀地沉积薄膜。
首先，溅射方法是向一真空腔内注入惰性气体如氩(Ar)，同时向一目标施加高电压，以产生等离子状态的Ar离子。此时，Ar离子被溅射至目标的表面，且目标的原子被从目标的表面去除。该溅射方法可形成与衬底间具有良好黏附力的高纯薄膜。然而，通过溅射法沉积与普通薄膜不同的高度集成薄膜时，整个薄膜的表面变得粗糙。因此，溅射法在沉积精细图案时存在问题。
第二，CVD是应用最广泛的方法。其利用反应气体和溶解气体在一衬底上沉积一所需厚度的薄膜。例如，在CVD方法中，首先向反应腔内注入各种气体，然后该气体被用于在诸如热、光、以及等离子体等的高能量下进行化学反应，以沉积所需厚度的薄膜。
另外，在CVD方法中，通过控制诸如气体的数量和配比、或所提供的与反应能量相当的等离子体等的反应条件来提高沉积速率。
然而，由于反应速度很快，很难控制原子的热力学稳定性。总之，CVD方法使薄膜的物理化学电特性下降。
最后，ALD方法通过交替地供给原料气体(即，反应气体)和清洗气体来沉积原子基薄膜。通过进行ALD形成的薄膜在低压下十分均匀，并且其具有很高的长径比和出色的电学和物理特性。
由于CVD方法具有一缺点，即台阶覆盖性受到限制，尤其是对具有很大长径比的结构，所以近年来采用表面反应的ALD方法被用来克服这种台阶覆盖性的限制。
图1A为根据现有技术的行波型(traveling wave-type)ALD(原子层沉积)设备的示意图，图1B为利用图1A设备的ALD沉积的时标图。图1C为说明图1B所示设备的ALD工艺的流程图。
参照图1A，行波型腔10被形成为通道形状。腔10包括沿长度方向插入腔10并位于腔10的底部的长晶片11；形成在腔10的一侧的气体注入通道12A和12B，用于注入气体，如原料气体、反应气体和清洗气体；以及形成在腔10的另一侧的泵13，用于排出气体。
如上所述的行波型ALD设备根据图1B所示的时标图如图1C所示那样沉积原子层。
在T1时期，晶片11被加载入腔10，然后原料气体(A)被注入腔10以被化学吸收进晶片11。在T2时期，残余的原料气体(A)通过注入诸如惰性气体的清洗气体而排出。在T3期间，原子层(C)通过注入反应气体(B)并诱发化学吸附到晶片11上的原料气体(A)与反应气体(B)间的表面反应来沉积。在T4时期，残余的反应气体(B)以及其它的反应副产物通过再次注入诸如惰性气体的清洗气体而排出。区间T1至T4重复进行，直到将原子层沉积至所需厚度，区间T1至区间T4形成一循环。
上述现有技术可生产保形的且均匀的薄膜。由于原料气体与反应气体在它们被供给至腔以前由惰性气体分开，所以其还可以比CVD方法更加成功地抑制颗粒的产生，该颗粒由进行气相反应而引起。另外，其可以通过引入原料气体原子与晶片原子间的多重碰撞来改善该原料气体的利用效率，并减少循环时间。
然而，上述的现有技术存在一问题，即低至3～4WPH(晶片每小时)的低产量。因此，需要大量的机械设备以及很高的维护费用。
同样，如图2所示，该行波型原子层沉积设备通过使用顶部加热器14A和底部加热器14B来均匀地控制反应区的温度。因此，存在这样一个问题，即原子层15不仅沉积在设置有原子层基本沉积在其上的晶片11的底板10B上，还沉积在顶板10A上。
另外，由于该ALD设备为行波型，所以加热区的后端(即气体停止流动的部分)，其中原子层应该在此沉积，相对于该加热区的前端，在反应后具有更多的气体残余，并且产生更多的反应副产物16。残余气体和副产物非常易于再沉积在加热区后端的晶片上。
最终，原子层的非电阻特性由于温度的均一和再沉积而退化，跟随而来的制约是，在原子层沉积循环中应当将晶片旋转90度以改善其厚度以及片电阻(Rs)的均匀性。此制约阻碍了半导体器件的批量生产。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种原子层沉积设备，其可以提高产量并抑制片电阻均匀度的下降。
根据本发明的一个方面，提供一种用于沉积原子层的设备，其包括：一腔，其具有一顶板、一底板和一侧壁；一位于该腔中的旋转托盘，其中多个晶片放置在该旋转托盘上距该旋转托盘的中心相等的距离；一气体注入装置，其面对该旋转托盘中心处的上表面；以及，一个能够根据位置控制晶片的温度的加热板，其中，该加热板安装在该底板上，并且在该加热板与该旋转托盘的底表面之间设有一间隔。
附图说明
本发明的上述和其它目的及特征将因参照附图对优选实施例所作的如下说明而变得清晰，图中：
图1A为根据现有技术的行波型原子层沉积(ALD)设备的示意图；
图1B为利用图1A设备的ALD沉积的时标图；
图1C为描述图1B所示设备的ALD工艺的流程图；
图2为示出现有技术的问题的示意图；
图3为示出根据本发明第一实施例的用于沉积原子层的批量型设备的示图；
图4A为示出图3所示的加热板的详细截面图；
图4B为示出图3所示的加热板的细节平面图；
图5为一分布图，示出利用图3的反应腔沉积TiN后片电阻的均匀性；
图6为一示图，示出根据本发明第二实施例的用于沉积原子层的批量型设备；
图7为一示图，示出使用图6的ALD设备沉积原子层时该原子层的沉积状态；以及
图8为一分布图，示出利用图6的反应腔沉积TiN后片电阻的均匀性。
具体实施方式
本发明的其它目的和方面将因参照附图对实施例作出的以下说明而清晰，这将在以下述及。
图3为示出根据本发明第一实施例的用于沉积原子层的批量型设备的示图。如图3所示，该批量型原子层沉积(ALD)设备包括：反应腔30，其具有一侧壁31c、一顶板31a和一底板31b；一孔型喷头32，用于通过反应腔30的顶板31a的中心注入气体，如，原料气体、反应气体、以及清洗气体；加热板33，其被安装在底板31b上，从而在底板31b与旋转托盘35的底表面之间提供了一间隔，并且能根据位置控制晶片温度；一旋转轴34穿透底板31b和加热板33的中心；旋转托盘35，其上放置有多个晶片36距旋转托盘35的中心相等的距离，其中旋转托盘由连接在该旋转托盘底表面中心处的旋转轴34支撑；以及，一挡板型(baffle-type)排气口37，用于向外排出由孔型喷头32注入的气体，排气口37沿侧壁31c穿透底板31b。
加热板33自中心开始被分为彼此相对的三个加热区。在每个加热区中，多个环形ARC灯33a按照彼此间的预设间隔排列。该用于原子层沉积(ALD)的晶片加热区被分为三部分：Z1、Z2和Z3。
加热板33被置于旋转托盘35的正下方。三个加热区中最靠近喷头32的第一加热区Z1由三个ARC灯33a形成，而布置在旋转托盘35外周处的第三加热区Z3由一个ARC灯33a形成。第二加热区Z2位于第一加热区Z1与第三加热区Z3之间，其由两个ARC灯33a形成。
因此，通过控制ARC灯33a的功率比率(power rate)，可以有区别地控制每个加热区的温度。例如，以第二加热区Z2的ARC灯的功率比率为基础，第一加热区Z1的ARC灯的功率比率可升高，第三加热区Z3的灯的功率比率可降低。反过来，第一加热区Z1的ARC灯的功率比率可降低，第三加热区Z3的灯的功率比率可升高。同时，ARC灯的功率比率是决定其上将要沉积原子层的晶片的温度的参数。该ARC灯被设定为温度足够高以加热晶片并沉积原子层。
旋转托盘35被设置为在其上表面具有用于放置晶片36的晶片凹槽35a。该晶片凹槽阻止了原子层在晶片36的底表面上沉积并防止晶片36在旋转托盘35旋转时受振动。
在具有上述结构的ALD设备中，原料气体、反应气体和清洗气体通过顶板31a的中心部分(即，孔型喷头)供给。供给的气体形成朝向旋转托盘35外侧的行波型气流，然后通过旋转托盘35外侧的排气口37泵送至反应腔30的外面。
旋转旋转托盘35，以保证沉积的均匀性并放置晶片。在旋转托盘35下，流动有惰性气体，如Ar，以防止原子层沉积于旋转托盘35的底表面上。在旋转托盘35下流动的该惰性气体通过一附加的气体注入通道(未示出)由外界供给。
如上所述，在本发明的第一实施例中，气体通过喷头32由反应腔30的中心部分供给，并且多个晶片36被安装在旋转托盘35上。通过将加热区分为三个部分Z1、Z2和Z3，并控制在其上沉积原子层的晶片36的温度，可以保证片电阻的均匀。
同时，具有环型ARC灯33a阵列的加热板33控制每个加热区的加热功率比率，以使其具有不同的温度，以代替在晶片36的整个区域周围维持均一的温度。
图4A为示出图3中所示的加热板的细节截面图，而图4B为示出图3中所示的加热板的细节平面图。参照图4A和4B，加热板33包括一形成在反应腔的底板31b上的绝缘体33b，一形成在绝缘体33b上的ARC灯33a，以及覆盖ARC灯33a的石英33c。此处，ARC灯33a为利用电弧发光的灯，如钨，该电弧在电流流过电极间时产生。
如图4B所示，邻近旋转轴34的ARC灯33a形成第一加热区Z1，而邻近排气口37的ARC灯33a形成第三加热区Z3。第一加热区Z1与第三加热区Z3之间的ARC灯33a形成第二加热区Z2。第二加热区Z2的温度成为设定加热板33的温度的参考温度。
图4B示出了具有由三个ARC灯组成的阵列的第一加热区Z1，具有由两个ARC灯组成的阵列的第二加热区Z2，以及具有一个ARC灯的第三加热区Z3。这用以彼此不同地控制加热区的温度。
如上所述，当在邻近该排气口的第三加热区Z3中仅设置一个ARC灯时，注入的气体变为具有行波型气流，从而残留气体和其它反应副产物不易于再沉积(re-deposit)在该加热区(即，第三加热区)的端部。
图5为示出在利用图3的反应腔沉积TiN后片电阻的均匀性的分布图。为了获得图5的结果，50sccm的TiCl4，一种原料气体，在腔压为3torr下被注入至该反应腔，持续1.2秒。然后，1200sccm的NH3，一种反应气体，被注入其中，持续1.2秒；以及800sccm的Ar，一种清洗气体，被注入，持续1.2秒。在该旋转托盘的底表面上，3000sccm的Ar被注入，持续1.2秒。该喷头与该旋转托盘之间的间隔为3.5mm，并且该旋转托盘以5rmp的速度旋转。加热单元被设定为480℃。通过将第一加热区Z1的ARC灯的功率比率设定为62％，将第二加热区Z2的ARC灯的功率比率设定为65％，将第三加热区Z3的ARC灯的功率比率设定为85％，该晶片的温度被维持在480℃。当在上述工艺条件下沉积TiN时，平均片电阻为72.6±7.51Ω/sq，并且该均匀性被测定为10.3％(1σ)。
参照图5，靠近排气口的部分和靠近喷头的部分中的TiN层中的Cl含量不同。也就是说，在TiN层的相对于旋转托盘35中心部分的部分中，Cl含量较低，因此片电阻小。相反地，TiN层的相对于旋转托盘35外周部分的部分中，Cl的含量高，因此片电阻高。
从而，为均匀地控制TiN层中的Cl的量，Cl应该通过利用Ar的清洗工艺有效地清洗，或通过依赖加热区进行加热来去除再沉积的Cl。
图6为示出根据本发明第二实施例的用于沉积原子层的批量型设备的示图。图中，该原子层沉积设备包括：反应腔40，其具有一侧壁41c、一顶板41a和一底板41b；一锥形喷头42，用于通过反应腔40的顶板41a的中心注入气体，如原料气体、反应气体和清洗气体；加热板43，其安装在底板41b上；旋转轴44，其同时穿透底板41b和加热板43的中心；旋转托盘45，其具有多个晶片46，和固定在旋转托盘45底表面的中心处的旋转轴44；挡板型排气口47，其沿邻近旋转托盘45外周的侧壁41c穿透底板41b，并向外界排出由锥形喷头42注入的气体；以及，冷却板48，其安装在顶板41a上。
锥形喷头42与孔型喷头相比，具有更高的薄膜沉积均匀度，且通过在顶板41a上设置冷却板48防止了顶板41a上形成沉积层。
正如第一实施例那样，加热板43被分为三个晶片加热区以进行ALD：Z1、Z2和Z3。每个加热区具有由环型ARC灯43a按彼此间一定的预设间隔形成的阵列。
加热板43被置于旋转托盘45的正下方。三个加热区中最靠近锥形喷头42的第一加热区Z1由三个ARC灯43a形成，最靠近旋转托盘45外周的第三加热区Z3由一个ARC灯43a形成。位于第一加热区Z1与第三加热区Z3之间的第二加热区Z2由两个ARC灯43a形成。
因此，通过控制ARC灯43a的功率比率，可以有差别地控制每个加热区的温度。例如，以第二加热区Z2的ARC灯的功率比率为基础，第一加热区Z1的ARC灯的功率比率可升高，第三加热区Z3的灯的功率比率可降低。反过来，第一加热区Z1的ARC灯的功率比率可降低，而第三加热区Z3的灯的功率比率可升高。同时，ARC灯的功率比率是决定其上将要沉积原子层的晶片的温度的参数。ARC灯被设定为温度足够高以加热晶片并沉积原子层。
旋转托盘45在其上表面上设置有晶片凹槽45a以放置晶片46。该晶片凹槽45a阻止了原子层在晶片46的底表面上沉积，并保护了晶片46使其在旋转托盘45旋转时不受振动。
在具有上述结构的ALD设备中，原料气体、反应气体和清洗气体通过顶板41a的中心部分(即，锥形喷头)供给。供给的气体形成朝向旋转托盘45外侧的行波型气流，然后它们通过旋转托盘45外面的排气口47泵送到反应腔40的外面。
使旋转托盘45旋转以保证沉积均匀性并放置晶片。在旋转托盘45下方，流动有惰性气体，如Ar，以防止原子层沉积于旋转托盘45的底表面。在旋转托盘45下表面上流动的惰性气体通过一附加的气体注入通道(未示出)自外界供给。
如上所述，在本发明的第二实施例中，气体通过锥形喷头42由反应腔40的中心部分供给，并且多个晶片46被安装在旋转托盘45上。通过将加热区分为三个部分Z1、Z2和Z3，并控制其上将沉积原子层的晶片46的温度，可以保证片电阻的均匀性。
同时，具有环型ARC灯43a阵列的加热板43控制每个加热区的加热功率比率，以使其具有不同的温度，以代替全在晶片46的整个区域周围维持均一的温度。
图7是一示图，示出了使用图6的ALD设备沉积原子层时，该原子层的沉积状态。参照图7，当气体被注入该腔时，该气体通过锥形喷头42，其出口比入口大。从而，更多的气体原子与晶片46碰撞，使得该清洗工艺更为有效。
也就是说，锥形喷头42具有一气体注入孔和一气体出射孔，且由于该气体出射孔以一预设的角度θ扩大，所以与该气体出射孔正下方的旋转托盘45碰撞的气体原子比与晶片46碰撞的多。由于气流的范围变宽，所以随着其达到接近晶片46的区域，残留气体和反应副产物可被有效清洗至旋转托盘45的外周。
如果顶板41a与旋转托盘45之间的间隔(d)变大，该清洗效果会大大增强。换言之，当该间隔(d)窄时，随着气体到达第三加热区Z3，更多气体残留下来，并且产生更多的副产物，于是阻挡该气流，并导致第三加热区Z3中残留气体的再沉积。然而，如果间隔(d)宽，则气体平滑地流动，从而可有效地清洗残余气体和副产物，于是防止残余气体再沉积。
原子层在顶板41a上的沉积可通过在反应腔40中的顶板41a的外侧形成一冷却板48来防止。此处，冷却板48应该被保持在一温度，如200～230℃，其低于进行ALD的温度。
如果在反应腔的顶板41a上的原子层沉积被防止，则副产物的生成也可被抑制，从而清洗效果被增强。
同时，锥形喷头42的气体出射孔保持140～160度的角度。如果其小于140度，则清洗效果降低；而如果其大于160度，则沉积在晶片上的原子层具有较差的厚度均匀性。例如，如果气体出射孔的角度大于160度，则原子层可能沉积在进一步远离邻近锥形喷头42的晶片46的外周的区域上。因此，晶片46的中心区域将比其外周区域薄。
锥形喷头42与旋转托盘45之间的间隔(d)保持在3.5～7mm。如果该间隔小于3.5mm，则该清洗效果下降；而如果该间隔大于7mm，则该原子层无法稳定沉积。相应地，该片电阻的均匀性变差。
图8为示出在利用图6的反应腔沉积TiN后片电阻的均匀性的分布图。为沉积TiN，50sccm的TiCl4，一种原料气体，在3torr的腔压下被供给至该反应腔，持续1.2秒。接着，作为反应气体，1200sccm的NH3被注入其中，持续1.2秒；然后作为清洗气体，800sccm的Ar被注入，持续1.2秒。在晶片台(wafer stage)的底表面上，3000sccm的Ar被注入至反应腔中，持续1.2秒。
喷头与晶片台间的间隔保持为5mm，且该晶片台以5rpm的速度旋转。将加热单元设定为480℃。通过将第一加热区Z1的ARC灯功率比率设定为55％，将第二加热区Z2的ARC灯功率比率设定为65％，将第三加热区Z3的ARC灯功率比率设定为95％，该晶片的温度被维持在480℃。该冷却板保持在200～230℃。喷头的气体出射孔具有160度的角度，且气体注入孔的直径为1.0cm。
在上述条件下沉积TiN时，平均片电阻为72.9±2.99Ω/sq，并且该片电阻均匀性被测定为3.7％，如图8所示。特别地，由于因第三加热区Z3的大功率比率而去除了Cl，所以第三加热区Z3的片电阻与平均片电阻相近。
与第一实施例不同，本发明的第二实施例使用了一种锥形喷头，并且喷头与旋转托盘之间的间隔宽。同样，片电阻的均匀度由于降低了第一加热区Z1的功率比率并升高了第三加热区Z3的功率比率而得到明显的降低。
本发明的第一和第二实施例中可被沉积的原子层为氮化物，如TiN，SiN，NbN，ZrN，TiN，TaN，Ya3N5，AlN，GaN，WN，BN，WBN，WSiN，TiSiN，TaSiN，AlSiN，以及AlTiN。除此以外，金属氧化物以及金属薄膜同样可以沉积。可沉积的金属氧化物是选自Al2O3，TiO2，HfO2，Ta2O5，Nb2O5，CeO2，Y2O3，SiO2，In2O3，RuO2，IrO2，SrTiO3，PbTiO3，SrRuO3，CaRuO3，(Ba，Sr)TiO3，Pb(Zr，Ti)O3，(Pb，La)(Zr，Ti)O3，(Sr，Ca)RuO3，以及(Ba，Sr)RuO3构成的组中的任意一种。可沉积的金属薄膜是选自由Al，Cu，Ti，Ta，Mo，Pt，Ru，Ir，W以及Ag构成的组中的任意一种。
同时，在制造半导体器件的工艺中，上述氮化物、金属氧化物和金属薄膜用于栅极氧化物层，栅极电极，电容器的顶/底部电极，电容器的介电层，阻挡层和金属引线。因此，该批量型ALD设备具有很宽的应用范围。
另外，由于本发明的ALD设备具有大容积(可以容纳四个200mm的晶片)的反应腔，所以200mm晶片的加工条件可用于使用300mm晶片的情况中。例如，如果采用300mm的晶片，则可以在一个腔内放置三个晶片。
如上所述，本发明的该ALD设备通过将加热区划分为三个并且控制每个区域的功率比率，而生产出具有改善的片电阻均匀性的原子层。由于其每批可处理四片晶片，所以其可以确保精确的生产量并可被用于批量生产。
虽然本发明已通过特定的优选实施例进行了描述，但是对本领域技术人员而言，明显的是，在不脱离本发明的由所附权利要求限定的范围的条件下，可作各种改进与修饰。

Claims (13)

1.一种沉积原子层的设备，包括：
一个腔，其具有一顶板、一底板和一侧壁；
一个位于该腔中的旋转托盘，其中，多个晶片位于该旋转托盘上并距该旋转托盘中心相等的距离；
一个气体注入装置，其面对该旋转托盘在中心处的上表面；以及
一个能根据位置控制晶片的温度的加热板，其中，该加热板被安装在该底板上，并且在该加热板与该旋转托盘的底表面之间设有一间隔。
2.根据权利要求1的设备，其中，该气体注入装置是一放射形喷头。
3.根据权利要求2的设备，其中，该气体注入装置穿过该顶板的中心。
4.根据权利要求1的设备，还包括：
一旋转轴，其穿过该加热板和该底板的中心，并连接至该旋转托盘的底表面的中心；以及
一气体出口，用于排出气体，其中该气体出口沿该腔的侧壁穿透该底板。
5.根据权利要求1的设备，其中，该加热板包括：
一第一加热区，面对该旋转托盘的底表面的中心；
一第三加热区，对着该旋转托盘的底表面的外周；以及
一第二加热区，位于该第一加热区与该第三加热区之间。
6.根据权利要求5的设备，其中，该第二加热区具有比该第一加热区高并且比该第三加热区低的加热功率比率，并且当该第二加热区的加热功率比率固定时，如果降低该第一加热区的加热功率比率，则增大该第三加热区的加热功率比率。
7.根据权利要求5的设备，其中，该第一、第二和第三加热区是ARC灯的组合。
8.根据权利要求7的设备，其中，该第一加热区由三个ARC灯形成，第二加热区由两个ARC灯形成，而第三加热区包括一个ARC灯。
9.根据权利要求1的设备，还包括安装在顶板上表面上的一冷却板。
10.根据权利要求9的设备，其中，该冷却板的温度保持在200～230℃。
11.根据权利要求2的设备，其中，该放射形喷头具有一气体注入孔和一气体出射孔，并且该气体出射孔的直径从该气体出射孔与该气体注入孔接触的部分起逐渐变大，该气体出射孔仅穿透该顶板。
12.根据权利要求11的设备，其中，该顶板的底表面和该气体出射孔形成140～170度的角度。
13.根据权利要求9的设备，其中，该顶板和该旋转托盘其间隔着一个3.5～7mm的间隔。
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