TW202132618A - 噴淋頭板、反應器總成以及組態反應器總成的方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露是關於一種噴淋頭總成的實施例，其可用以使用諸如原子層沉積(ALD)之製程沉積半導體層。該噴淋頭總成具有一噴淋頭，其具有有利地減小反應器室大小並減小循環時間的一增加厚度。減小循環時間可改善產出量並減小成本。

Description

噴灑頭組合以及部件
本揭露大致上是關於用於氣相反應器之噴淋頭總成。更具體地，本揭露是關於用於氣相反應器之蒸氣分配系統，並關於蒸氣分配系統的組件。 [相關申請案之交叉參考]
本申請案主張2020年1月15日提出申請之美國臨時專利申請案第62/961,588號之優先權，其完整內容之全文特此以引用方式並針對所有目的併入本文中。
可將諸如化學氣相沉積(CVD)、電漿增強CVD (PECVD)、原子層沉積(ALD)、及類似者的氣相反應器用於各種應用，包括在基材表面上沉積及蝕刻材料。例如，氣相反應器可用以沉積及/或蝕刻基材上的層，以形成半導體裝置、平板顯示裝置、光伏打裝置、微機電系統(MEMS)、及類似者。
典型的氣相反應器系統包括反應器，其包括反應室；一或多個前驅物蒸氣源，其（等）經流體耦合至該反應室；一或多個載體或沖洗氣體源，其（等）經流體耦合至該反應室；氣體分配系統，其輸送氣體（例如，（多個）前驅物蒸氣及/或（多個）載體或沖洗氣體）至基材表面；及一排氣源，其經流體耦合至該反應室。該系統一般亦包括基座，其在處理期間將基材固持在適當位置。基座可經組態以上下移動以接收基材及/或可在基材處理期間旋轉。
蒸氣分配系統可包括噴淋頭總成，其用於分配（多個）蒸氣至基材表面。噴淋頭總成一般是位於基材上方。在基材處理期間，（多個）蒸氣在向下方向上從噴淋頭總成朝基材流動，並接著在基材上方徑向地向外流動。典型的噴淋頭總成包括噴淋頭，其具有相鄰於噴淋頭之一表面的室；及複數個孔口，其等跨越噴淋頭的室與分配表面（基材側）之間。孔口的形狀通常是圓柱形（不過其他形狀是可行的）且彼此隔開，在噴淋頭的室側表面與分配表面兩者上留下顯著的水平部分。
在一態樣中，提供一種用於分配一蒸氣至一反應室之一噴淋頭板，該噴淋頭板包括：一第一表面；一第二表面，其相對於該第一表面；及複數個孔口，其等從該第一表面延伸至該第二表面，其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的一厚度是在約27mm至約33mm的一範圍內。
在一些實施例中，該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的該厚度是在約29mm至約31mm的一範圍內。在一些實施例中，該噴淋頭板的一寬度是在約210mm至約260mm的一範圍內。在一些實施例中，該噴淋頭板的一寬度是在約310mm至約360mm的一範圍內。在一些實施例中，該噴淋頭板的一寬度是在約460mm至約500mm的一範圍內。在一些實施例中，該複數個孔口中之孔口數目是在約1,500至4,500個孔口的一範圍內。在一些實施例中，該孔口數目是在約1,500至2,500個孔口的一範圍內。
在一些實施例中，該複數個孔口中之至少一孔口包括：一第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的一垂直軸延伸自該第一表面；一第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包括一向內成角度側壁，其從該第一軸向入口區段向內成角度；一導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板的該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之一主要側向尺寸；及一第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包括一出口，其經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
在另一態樣中，提供一種反應器總成，其包括：一噴淋頭總成，其包括一噴淋頭充氣部及如先前所討論之噴淋頭板，該噴淋頭充氣部經設置在該噴淋頭板上方；一基材支撐，其適於支撐一基材；及一反應室，其至少部分地由該基材支撐及該噴淋頭板界定，其中該反應室介於該基材支撐的一頂表面至該噴淋頭板的一底表面之間的一高度是在3 mm至7 mm的一範圍內。
在一些實施例中，該反應器總成進一步包括一汽化器，其經組態以使一固體源前驅物蒸發。
在另一態樣中，提供一種用於分配一蒸氣至一反應室之噴淋頭板，該噴淋頭板包括：一第一表面；一第二表面，其相對於該第一表面，複數個孔口，其等從該第一表面延伸至該第二表面，其中該複數個孔口之多個孔口包括：一第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的一垂直軸延伸自該第一表面；一第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包括一向內成角度側壁，其從該第一軸向入口區段向內成角度；一導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板的該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之一主要側向尺寸；及一第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包含一出口，其經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
在一些實施例中，該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的一厚度是在約27mm至約33mm的一範圍內。在一些實施例中，該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的該厚度是在約29mm至約31mm的一範圍內。在一些實施例中，該導管區段具有一長度，其在約15mm至約20mm的一範圍內。在一些實施例中，該第一軸向入口區段具有一垂直高度，其在約3.5mm至約4.5mm的一範圍內。在一些實施例中，該第一錐形區段具有一垂直高度，其在約3.5mm至約4.5mm的一範圍內。在一些實施例中，該第二錐形區段具有一垂直高度，其在約2.5mm至約3.5mm的一範圍內。
在一些實施例中，該第一錐形區段之相對側壁的一角度是在約60°至約90°的一範圍內。在一些實施例中，該第二錐形區段之相對側壁的一角度是在約60°至約90°的一範圍內。
在另一態樣中，提供一種反應器總成，其包括：一噴淋頭總成，其包括一噴淋頭充氣部及一噴淋頭板，該噴淋頭板包括複數個穿過其中的孔口，該噴淋頭充氣部經設置在該噴淋頭板上方；一基材支撐，其適於支撐一基材；及一反應室，其至少部分地由該基材支撐及該噴淋頭板界定，其中該反應室介於該基材支撐的一頂表面至該噴淋頭板的一底表面之間的一高度是在3 mm至7 mm的一範圍內。
在一些實施例中，該反應器總成進一步包括一間隔器，其機械地支撐該噴淋頭板。在一些實施例中，該反應室容積是在約1280至1920mm2的一範圍內。在一些實施例中，該反應室寬度是在約200 mm至約440 mm的一範圍內。在一些實施例中，反應室高度對反應室寬度的比率是在約1:80至1:29的一範圍內。在一些實施例中，該間隔器具有一厚度，其在約20mm至30mm的一範圍內。在一些實施例中，該反應器總成進一步包括一汽化器，其經組態以使一固體源前驅物蒸發。
在另一態樣中，提供一種用於分配一蒸氣至一反應室之噴淋頭板，該噴淋頭板包括：一第一表面；一第二表面，其相對於該第一表面；複數個孔口，其等從該第一表面延伸至該第二表面，該複數個孔口包括：複數個外部孔口，其等具有沿著該噴淋頭板之一垂直軸延伸的孔口部分；及一或多個內部孔口，其（等）朝該噴淋頭板的一中心區域向內成角度。
在一些實施例中，該一個或多個內部孔口是徑向地設置在外側，且至少部分地環繞該（等）內部孔口。在一些實施例中，該（等）內部孔口是相對於該噴淋頭板的該垂直軸向內成角度，該角度在5°至55°的一範圍內。在一些實施例中，該一個或多個內部孔口包括一第一成角度孔口，其位置最接近該噴淋頭板的該中心位置。在一些實施例中，該一個或多個內部孔口進一步包含一第二成角度孔口，其位在該噴淋頭板之該中心部分與該第一成角度孔口相對的一側處。在一些實施例中，該噴淋頭板在該噴淋頭板的一中心位置處不具有一孔口。在一些實施例中，該噴淋頭板之一板本體部分是設置在該噴淋頭板的一中心位置處。
在一些實施例中，該一個或多個內部孔口孔口中之至少一孔口包括：一第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的該垂直軸延伸自該第一表面；一第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包含一向內成角度側壁，其從該第一軸向入口區段向內成角度；一導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板的該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之一主要側向尺寸；及一第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包含一出口，其經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
在另一態樣中，提供一種反應器總成，其包括：一反應器歧管，其具有一孔；一噴淋頭總成，其包含一噴淋頭充氣部及先前所揭示之噴淋頭板，其中該孔是側向地定位在該噴淋頭板之一中心位置處；及一基材支撐，其適於支撐一基材。
在一些實施例中，該基材支撐適於在該噴淋頭板之該中心位置與該基材之一中心位置對準的一位置處支撐該基材。
在另一態樣中，提供一種組態一反應器總成之方法，該方法包括：提供一反應器總成，其具有一反應室，該反應室包括一基材支撐；選擇一噴淋頭板，該噴淋頭板具有提供一預定反應室高度的一厚度，該反應室高度至少部分地界定於該噴淋頭板的一底表面與該基材支撐的一頂表面之間；及在該基材支撐上方將該噴淋頭板安裝在該反應室中，以提供該預定反應室高度。
在一些實施例中，該方法進一步包括從該反應器總成移除一第二噴淋頭板以及以該噴淋頭板改裝該反應器總成。在一些實施例中，該噴淋頭板較該第二噴淋頭板厚。在一些實施例中，選擇該噴淋頭板包括從複數個噴淋頭板選擇該噴淋頭板以提供該預定反應室高度。
下文所提供之例示性實施例的描述僅是例示性且僅是意欲用於說明之目的；下列描述並非意欲限制本揭露或申請專利範圍之範疇。此外，詳述具有所述特徵之多個實施例不意欲排除具有額外特徵之其他實施例或納入所述特徵之不同組合的其他實施例。
在一些半導體處理裝置中，反應物蒸氣從散布裝置（諸如噴淋頭總成）的充氣部穿過散布總成的孔口（例如噴淋頭總成中的孔口）並朝基材（例如半導體晶圓）流動。以非活性氣體沖洗半導體處理裝置所耗費的時間可至少部分地取決於散布裝置之充氣部的容積。例如，具有大充氣部的散布裝置可能會增加沖洗時間（例如，額外的時間及/或降低的真空壓力可用以從散布裝置及反應室的表面沖洗掉（多個）反應物）。在典型ALD製程期間，呈蒸氣形式的反應物脈衝可循序地脈衝至反應室中，且在反應物脈衝之間具有沖洗步驟以避免呈氣相的反應物之間的直接交互作用。例如，可在反應物脈衝之間提供惰性或非活性氣體脈衝或者「沖洗」脈衝。非活性氣體在輸送下一反應物脈衝之前沖洗室中的一個反應物脈衝以避免氣相混合。增加的沖洗時間及/或降低的真空壓力在ALD處理期間可能會減少產出量並增加成本。因此，可是有利的是減小散布裝置之充氣部的大小以減少沖洗次數及改善產出量。
本揭露大致上是關於蒸氣分配系統、蒸氣分配系統之噴淋頭總成、蒸氣分配系統之噴淋頭、包括蒸氣分配系統之反應器系統、以及使用蒸氣分配系統、噴淋頭總成、噴淋頭、及反應器系統之方法。如本文中所述之蒸氣分配系統、噴淋頭總成、噴淋頭、及反應器系統可用以在氣相反應器（諸如化學氣相沉積(CVD)反應器，包括電漿增強CVD (PECVD)反應器、低壓CVD (LPCVD)反應器、原子層沉積(ALD)反應器、及類似者）中處理基材（諸如半導體晶圓）。舉實例而言，本文中所述之總成及組件可用在噴淋頭型氣相反應器系統中，其中氣體通常在向下方向上從噴淋頭朝基材流動。
蒸氣分配系統可包括（但不限於）圖1所示之組件。圖1繪示半導體處理裝置10，其亦連同美國專利公開案第US 2017-0350011號的圖8B顯示及描述，該公開案全文之完整內容是以引用方式且針對所有目的併入本文中。圖1繪示歧管100，其是總體半導體處理裝置10的部分。歧管100可包括孔130，其向下朝包含噴淋頭總成820的散布裝置注入蒸氣。須瞭解，歧管100可如所繪示包括多個連接在一起的區塊，或者可包含一個單一本體。歧管100可在反應室810的上游連接。具體地，孔130的出口可與反應物注入器（具體是呈噴淋頭總成820之形式的散布機構）連通。噴淋頭總成820包括噴淋頭板822，其在板822上方界定噴淋頭充氣部824或室。噴淋頭總成820從歧管100將蒸氣傳送至噴淋頭820下方的反應空間826。反應室810包括基材支撐828，其經組態以在反應空間826中支撐基材829（例如半導體晶圓）。反應室亦包括排氣開口830，其經連接至真空源。雖然以單晶圓、噴淋頭型反應室顯示，所屬技術領域中具有通常知識者將理解，歧管亦可連接至具有其他類型的注入器之其他類型的反應室（例如批次型或爐床型、水平或交叉流反應器等）。
可將任何合適數目或類型的反應物供應至反應室810。本文中所揭示之各種實施例可經組態以沉積（多個）金屬氧化物層至基材上。在一些實施例中，反應物源之一或多者可含有天然氣態ALD反應物（諸如氮及氧前驅物，諸如H2 、NH3 、N2 、O2 、或O3 ）。額外或替代地，反應物源之一或多者可包括汽化器，其用於使室溫及大氣壓力下為固體或液體之反應物蒸發。（多個）汽化器可是例如液體起泡器或固體昇華容器。可在汽化器中保存及蒸發之固體或液體反應物的實例包括各種HfO及TiN反應物。例如，可經保存及蒸發的固體或液體反應物可包括，但不限於經蒸發的金屬或半導體前驅物，諸如液體有機金屬前驅物（諸如三甲基鋁(TMA)、TEMAHf、或TEMAZr）；液體半導體前驅物（諸如二氯矽烷(DCS)、三氯矽烷(TCS)、三矽烷、有機矽烷、或TiCl4 ）；及粉末化前驅物（諸如ZrCl4 或HfCl4 ）。在所屬技術領域中具有通常知識者將理解，實施例可包括天然氣態、固體、或液體反應物源之任何所欲的組合及配置。
半導體處理裝置10亦可包括至少一控制器860，包括（多個）處理器及具有程式的記憶體以用於控制裝置10的各種組件。雖然示意地顯示為連接至反應室810，所屬技術領域中具有通常知識者將理解，控制器860與反應器的各種組件（諸如蒸氣控制閥、加熱系統、閘閥、機器人晶圓載具等）通訊以實行沉積製程。在操作上，控制器860可配置用於將基材829（諸如半導體晶圓）裝載至基材支撐828上，並用於將反應室810關閉、沖洗、及一般準備就緒地泵回以用於沉積製程（具體是原子層沉積(ALD)）。控制器829可進一步經組態以控制沉積序列。例如，控制器829可發送控制指令至（多個）反應物閥以致使（多個）反應物閥打開並供應反應物蒸氣至歧管100。控制器829亦可發送控制指令至（多個）非活性氣體閥以致使（多個）非活性氣體閥打開並供應非活性沖洗氣體至歧管100。控制器829亦可經組態以控制製程的其他態樣。
歧管100可同時地（誘發混合）或循序地（在反應物之間循環）注入多個反應物（諸如第一反應物蒸氣及第二反應物蒸氣）。在一些製程期間，可從孔130注入沖洗氣體至噴淋頭總成820以便沖洗第一反應物蒸氣，使得第一反應物不會污染或與後續注入的第二反應物蒸氣混合。類似地，在沉積第二反應物蒸氣之後且在沉積另一反應物（例如第一反應物蒸氣或不同的反應物蒸氣）之前，額外的沖洗步驟發生，其中非活性氣體穿過入口120向下輸送至噴淋頭總成820及反應室826。
有利的是使沖洗時間（例如，非活性氣體從裝置10沖洗（多個）反應物所耗費的時間量）盡可能短，以便增加產出量及降低成本。沖洗時間可與反應器室826的大小及/或噴淋頭總成820的大小有關聯。減少噴淋頭總成820及反應室826之一或兩者的大小可有利地改善產出量。噴淋頭總成820及反應器室826是在下文圖2至圖4的描述中描述。
圖2繪示包括噴淋頭總成200之反應器總成20之一部分的截面圖。噴淋頭總成200包括噴淋頭板202，其包括形成於其中之複數個圓柱形孔口204。頂板212可至少部分地界定噴淋頭充氣部201，其可包含收集及側向散布從孔13輸送至噴淋頭總成200之氣體的室。頂板212可包括排氣開口216，其可連接至真空源。反應器總成20進一步包括間隔器208及適於支撐基材214（諸如半導體晶圓）之基材支撐210。反應室206可由噴淋頭202、間隔器208、及基材支撐210形成。替代地，可有其他環繞基材214以界定反應室206之組件。噴淋頭板厚度A可與室高度B成反比，因為噴淋頭厚度A越大，室高度B越小。在所繪示之配置中，形成在噴淋頭板202中之孔口204的數目是約1000。反應器總成20之室高度B是約8 mm。
圖3A繪示根據各種實施例之包括噴淋頭總成300的反應器室總成30之一部分的截面圖。類似於圖2的噴淋頭總成200，噴淋頭總成300包括噴淋頭板302，其包括複數個形成於其中的孔口304及頂板312，該頂板至少部分地界定噴淋頭充氣部301以收集及散布從孔130進入噴淋頭板302的氣體。如圖3A及圖3B所示，孔口304的形狀可顯著不同於圖2所示之孔口204。孔口的形狀是進一步顯示及描述於圖3B。反應器室總成30進一步包括基材支撐310，其經組態以支撐基材314。反應室306可由噴淋頭板302、間隔器308、及基材支撐310形成。如圖3A所示，間隔器308可用以機械地支撐噴淋頭板302並可與基材支撐310的末端部分機械地耦合。從噴淋頭板302的底表面303至基材支撐310的支撐頂表面305之距離可決定室高度B，且因此決定反應室306的容積。可包括流量控制環316及下部室隔離組件318以隔離反應室306與下部裝載室（未圖示）。裝載室可提供對基材支撐310或基座的存取。例如，基材支撐310可降下至下部裝載室中，且基材（諸如晶圓）可裝載至基材支撐310上。基材支撐310可上升以使基材暴露至反應室306。控制環316及隔離組件318可因此用以防止製程氣體逸散至下部裝載室。在所繪示之實施例中，隔離組件318可接觸基材支撐310。流量控制環316可由間隔器308支撐，並可連接至或可接觸隔離組件318。
相較於圖2之噴淋頭板202，圖3A之噴淋頭板302的厚度A可製作得更厚以減小室高度B，且與圖2之噴淋頭板202相比，從而減小反應室306的總體容積。減少的室尺寸導致減少的沖洗時間，其如上文提及般可改善產出量及降低成本。雖然有其他減小室尺寸的方式，實施具有增加厚度的噴淋頭板302導致室尺寸的客製化增加而不顯著增加室建構的費用，並允許經由置換噴淋頭板302便宜且迅速地客製化有效的室尺寸。在一些實施例中，室高度B可從圖2的配置中之約8 mm減小至在約2 mm至7 mm的範圍內、在2.5 mm至7 mm的範圍內、在2.5 mm至6.5 mm的範圍內、在3 mm至7 mm的範圍內、在3 mm至6.5 mm的範圍內、在3 mm至6 mm的範圍內、在3 mm至5 mm的範圍內、在3.5 mm至4.5 mm的範圍內（例如，在一些實施例中約4 mm）之室高度B。在各種實施例中，例如，噴淋頭板302的厚度A可在約25 mm至約35 mm的範圍內、在約26 mm至約34 mm的範圍內、在約27mm至約33mm的範圍內、或在約29mm至約31mm的範圍內。在一些實施例中，噴淋頭板302的厚度A可是約27 mm、約31 mm、或33mm。噴淋頭板302的厚度A可包含板302的最小厚度。例如，若噴淋頭板302的厚度跨其寬度改變，則上述之厚度A可包含在包括孔口304的板部分中之板302的最小厚度。
噴淋頭板的寬度可取決於反應器室適於處理之基材大小。在一些實施例中，反應器室可適於處理200mm基材，且在這些實施例中，噴淋頭板的寬度可介於約210mm至約260mm或約210mm至約230mm之間。在一些實施例中，反應器室可適於處理300mm基材，且在這些實施例中，噴淋頭板的寬度可介於約310mm至約360mm或約310mm至約330mm之間。在一些實施例中，反應器室可適於處理450mm基材，且在這些實施例中，噴淋頭板的寬度可介於約460mm至約500mm或約460mm至約475mm之間。
本文中所揭示之實施例可致能使用者客製化反應室以具有所欲或預定的反應室高度B。在各種實施例中，可將噴淋頭板302改裝至具有現有的噴淋頭板之現有的反應器總成中。在此類實施例中，可移除現有的噴淋頭板，並可安裝噴淋頭板302。在一些實施例中，使用者可從例如具有不同厚度的複數個噴淋頭板作出選擇。使用者可將所選的噴淋頭板安裝至現有的反應器中，或者可設計新的反應器以容納多種大小的噴淋頭板。
然而，使用如圖3B所示之減少的室高度B可導致入射氣體流在基材314上的衝擊力增加，其可在沉積中產生不均勻性。為了分散衝擊力及減小衝擊力，圖3A至圖3B之噴淋頭板302可具有與圖2之噴淋頭板202相比之數目增加的孔口304。例如，圖2之噴淋頭板202包括1000個孔口204。在圖3A所繪示之實施例中，噴淋頭板302可包括孔口304的數目是在約1,500至4,500的範圍內、在1,500至4,000的範圍內、在2,000至4,500的範圍內、在2,000至4,000的範圍內、或在2,500至3,500的範圍內（例如，在一些實施例中約3,000個孔口304）。噴淋頭板302可包括至少1,200、至少1,500、或至少2,000個孔口304。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，孔口的數目僅是適於某一基材大小的噴淋頭總成之例示，且替代的基材大小將具有數目增加或減小的孔口304。
圖3B繪示圖3A所示之噴淋頭總成300之一部分的放大截面圖。孔口304是經放大以顯示額外的結構細節。在圖3B中，複數個孔口304之各者具有入口部分304a。入口部分304a可具有第一軸向區段307，其在噴淋頭板302的上部部分處，且經暴露至噴淋頭充氣部301，如圖3A至圖3B所示者。如所示，第一軸向區段307可包含垂直地平直側壁，其等沿著噴淋頭板302的垂直軸y 延伸。垂直軸y 可對應於從噴淋頭充氣部301穿過噴淋頭板302流入反應室306中之氣體的方向。第一軸向區段307的側壁通常可垂直於經暴露至噴淋頭充氣部301之噴淋頭板302的頂表面311。第一軸向區段307可有利地充當擴孔，以協助製造較厚噴淋頭板302的孔口304。如下文所解釋，如從俯視圖或仰視圖所見到之第一軸向區段307的形狀可是多邊形（例如六邊形），不過其他形狀（例如其他多邊形形狀或圓形形狀）可是合適的。
進一步地，入口部分304a可具有第二錐形區段309，其從第一軸向區段307過渡至沿著垂直軸y 延伸之細長導管部分304b。第二錐形區段309可具有成角度側壁，其等相對於垂直軸y 從第一軸向區段307向內成角度。例如，如圖3B所示，孔口304的主要側向尺寸可從第一軸向部分304a往導管部分304b減小。
如第一軸向部分307的情況，導管部分304b可具有垂直地平直側壁，其等沿著噴淋頭板302的垂直軸y 延伸。導管部分304b的側壁通常可垂直於噴淋頭板302的頂表面311。導管304b通向出口部分304c，該出口部分可包含經暴露至反應器室306的錐形區段。如圖3B所示，出口部分304c的側壁可相對於垂直軸y 向外成角度，使得孔口304的主要側向尺寸從導管部分304b往噴淋頭板302的底表面303增加。包括用於出口部分304c的錐形區段可減少氣體停滯點並可促成氣體在所欲方向上的流動。例如，入口部分304a及出口部分304c中的錐形區段可促成氣體在實質上垂直於基材314的表面之方向上流動。入口部分304a及出口部分304c中的錐形區段可持續地逐漸變細（諸如線性地逐漸變細）、或以另一輪廓（例如平截頭方錐形狀或平截頭圓錐形狀）逐漸變細、或包括曲率（諸如部分球體狀或部分橢圓體狀）。垂直軸y 與錐形區段309、304c的側壁之間的角度可在約30°至約90°的範圍內、在約60°至約90°的範圍內、在約75°至90°的範圍內、或在約77°至約85°的範圍內（例如，在一實施例中約82°）。
欲在圖3A至圖3B之噴淋頭板302中容納數目增加的孔口304，可減少孔口304的最大側向尺寸。在各種實施例中，例如，入口部分304a之第一軸向區段307的第一寬度w1可在約5mm至約6mm的範圍內或在一實施例中約5.66mm。導管部分304b的第二寬度w2可在約.5mm至約1mm的範圍內或在一實施例中約0.79mm。出口部分304b的第三寬度w3可在約5mm至約6mm的範圍內或在一實施例中約5.48mm。此外，如上文所解釋，可增加噴淋頭板302的厚度A。在各種實施例中，第一軸向區段307的第一長度l1可在約3.5mm至約4.5mm的範圍內或在一實施例中約4mm。第二錐形區段309的第二長度l2可在約3.5mm至約4.5mm的範圍內或在一實施例中約4mm。導管部分304b的第三長度l3可在約15mm至約20mm的範圍內或在一實施例中約17.97mm。出口部分304c的第四長度l4可在約2.5mm至約3.5mm的範圍內或在一實施例中約3mm。
可是挑戰的是在圖3A至圖3B的厚噴淋頭板302中製造高深寬比孔口304。有利地，平直的第一軸向區段307的使用可充當擴孔以改善細長導管部分304b的可製造性。此外，在一些裝置中，高深寬比孔口可是非所欲的（例如，反應物蒸氣可分解及/或沉積至孔口上或堵塞孔口）。孔口304的形狀可包括軸向部分及錐形部分，其等可協助緩解這些問題。
圖4繪示包括噴淋頭總成400之反應器室總成40的截面圖。噴淋頭總成400包括噴淋頭板302，其可相同於或大致上類似於圖3A及圖3B的噴淋頭板302。噴淋頭板302可包括複數個孔口304，其等具有上文在圖3B中所述之形狀及大小。圖4亦顯示基材支撐310，其經組態以支撐基材314。然而，圖4之反應器總成40的間隔器402是不同於圖3A的間隔器308。在圖4中，間隔器402可用以藉由將噴淋頭板302與基材支撐310隔開而設定噴淋頭板302與基材支撐310之間的高度，其變更室高度B。噴淋頭板302具有厚度A。在圖4中，間隔器402的大小可經修改，以將基材支撐310定位得更靠近噴淋頭板302，從而減小室高度B及減小室容積。藉由變更間隔器308的大小，室尺寸可基於用於不同製程配方的不同參數而客製化。例如，在所繪示之實施例中，可減少反應器容積，其可有利地增加產出量。
在一些實施例中，室高度可在2.5 mm至15 mm的範圍內、在2.5 mm至14 mm的範圍內、在3 mm至13 mm的範圍內、在4 mm至12 mm的範圍內、或在5 mm至10 mm的範圍內（例如在一些實施例中約8 mm或在一些實施例中約6 mm）。在一些實施例中，反應室容積可在約1280 mm2至1920 mm2的範圍內。進一步地，在一些實施例中，反應室寬度可在約200 mm至約440 mm的範圍內。反應室高度對反應室寬度的比率可在約1:80至約1:29的範圍內。進一步地，間隔器的厚度可在約20mm至約30mm的範圍內。
圖5A及圖5B分別繪示比較圖2之噴淋頭板202與圖3A之噴淋頭板302的仰視圖。如上文在圖3A中所述，圖3A之噴淋頭板302包括數目多於圖2之噴淋頭板202的孔口304。如圖5A及圖5B所示，圖3A之噴淋頭板302中不僅孔口304的數目較多，且圖3A之孔口密度高於圖2者。
例如，如上文所解釋，噴淋頭板302之孔口304的數目可是1,500或更多或者2,000或更多（例如，在1,500至5,000的範圍內、在1,500至4,000的範圍內、在2,000ㄒ5,000的範圍內、在2,000至4,000的範圍內、或在2,500至3,500的範圍內，例如在一些實施例中約3,000個孔口304）。圖5B的噴淋頭板302可因此具有增加的孔口密度，其減小孔口之間的空間以及衝擊基材之氣體流的衝擊力。孔口304之間的空間減少可降低接觸基材之氣體的衝擊力。如圖5B所示，如從仰視圖（或俯視圖）所見到之孔口304的形狀可是多邊形（例如六邊形）。然而，在其他實施例中，孔口304的形狀可不同（例如圓形、橢圓形、三角形、矩形、正方形、五邊形、七邊形、八邊形等）。
圖6A繪示噴淋頭板402在第一反應物蒸氣之注入期間的截面圖。圖6A可與任何合適的製程配方併用（諸如沉積金屬鹵化物材料、來自固體前驅物的金屬（在較低蒸氣壓力下）、金屬氯化物前驅物、氧化劑、水、金屬氧化物、HfO2 等）。在所繪示之實施例中，反應物蒸氣包含四氯化鉿(HfCl4) 。圖6A的實施例可用在循環沉積製程中。在各種實施例中，板402可用在ALD製程中。噴淋頭板402可包括複數個孔口404，其中各孔口404具有入口錐形部分404a、細長導管部分404b、及出口錐形部分404c。圖6A的孔口404可不包括入口處的軸向部分（諸如連同圖3B所述之第一軸向節段307）。第一反應物蒸氣（例如HfCl4 ）是由圖6A中的標記部分繪示，其退出孔口404的出口部分404c。然而，如圖6A所示，噴淋頭板402上之相鄰孔口404之間的表面及/或容積可捕集來自先前沖洗循環的非活性沖洗氣體（諸如N2 ）或來自其他製程步驟的其他蒸氣（諸如H2 O）。圖6A中的箭頭繪示經捕集的蒸氣（諸如H2 O）可擴散至經脈衝至反應室中之第一反應物（例如HfCl4 ）中。此擴散可導致在擴散發生的同時，第一反應物蒸氣（例如HfCl4 ）之不均等的濃度。
圖6B繪示在先前的沖洗步驟之後，圖6A之噴淋頭402在第一反應物蒸氣（諸如HfCl4 ）之短期注入期間的截面圖。第一反應物蒸氣（諸如HfCl4 ）是由標記部分繪示，其退出孔口404的出口部分404c。非活性沖洗氣體（例如N2 ）是由標記點及部分表示。如圖6A中所描述，在HfCl4 的注入期間，沖洗氣體可在注入孔口404之間經捕集，並可因此稀釋第一反應物蒸氣（例如HfCl4 ）的表面濃度。由於反應物必須在有限時間內擴散至注入孔口404之間的區域中，此問題尤其可普遍地在短期注入反應物的情況下發生。藉由限制循環時間，短期注入時間發生，且在注入孔口404之間所捕集的氣體可成問題。
圖7A及圖7B繪示根據各種實施例的示意仰視圖噴淋頭板。在圖7A中，噴淋頭板702包括複數個形成穿過其中之孔口704。噴淋頭板702可包括約1000個孔口704。對照之下，圖7B繪示噴淋頭板706，其可包括數目多於板702的孔口708。例如，如上文所解釋，噴淋頭板706之孔口708的數目可是1,500或更多或者2,000或更多（例如，在1,500至5,000的範圍內、在1,500至4,000的範圍內、在1,500至2,500的範圍內、在2,000至5,000的範圍內、在2,000至4,000的範圍內、或在2,500至3,500的範圍內，例如在一些實施例中約3,000個孔口304）。圖7B的噴淋頭板706可因此具有增加的孔口密度，其減小孔口之間的空間。藉由減小孔口之間的空間，噴淋頭706在孔口708之間可具有較少量的捕集氣體，如圖6A及圖6B中所述者，從而使注入更均勻（尤其在短期注入時間期間）。如圖7B所示，如從仰視圖（或俯視圖）所觀看之孔口708的形狀可是多邊形（例如六邊形）。然而，在其他實施例中，孔口708的形狀可不同（例如圓形、橢圓形、三角形、矩形、正方形、五邊形、七邊形、八邊形等）。
圖8A繪示噴淋頭總成800的截面圖。噴淋頭總成800包括頂板802，其在具有複數個孔口806的噴淋頭板804上方界定噴淋頭充氣部801。孔口806可如圖2所示般垂直地平直或者可如圖3A及圖3B所示般具有錐形區段。進一步地，噴淋頭總成800可包括其他組件，如圖2或圖3A所示者。如圖1所示，蒸氣穿過孔130進入噴淋頭總成820。孔130將蒸氣注入至噴淋頭總成800的噴淋頭充氣部801中，其使蒸氣分散至噴淋頭板804上。蒸氣可通過孔口806至反應器室中。在噴淋頭802的中心處，蒸氣的高速流動區可導致在基材818的中間之增加的蒸氣沉積，其可在基材818的中間產生不均等的沉積。例如，直接在噴淋頭804中間之複數個孔口806的孔口806a可具有通過其中的最高速蒸氣，因為例如孔口806a可與孔130的中心對準。在中間孔口806a的旁邊或以其他方式在鄰近處之複數個孔口806的孔口806b亦可以高速傳輸蒸氣。因此，在噴淋頭板804的中心區域中具有直接位於從孔130輸送之蒸氣的路徑中之垂直孔口806a、806b的噴淋頭板804可導致基材818之中心區域中的過量沉積。
圖8B繪示根據各種實施例之噴淋頭總成808的截面圖。噴淋頭總成808包括頂板810，其在具有複數個孔口814的噴淋頭板812上方界定噴淋頭充氣部810。類似於圖8A，孔口814可如圖2所示般垂直地平直或者可如圖3A及圖3B所示般具有錐形區段。進一步地，噴淋頭總成808可包括其他組件，如圖2或圖3A所示者。如圖1所示，蒸氣穿過孔130進入噴淋頭總成820。在噴淋頭812的中心處，蒸氣的高速流動區可衝擊噴淋頭板812的中心區域816。為了補償高速流動區，複數個孔口814在噴淋頭板812之中心位置處可不包括孔口，使得蒸氣流的最大速度分量不通過噴淋頭板812。反而，噴淋頭板812的板本體817可沿著噴淋頭板812的中心位置延伸。此外，如圖8B所示，複數個孔口814可包括第一外部孔口814a及第二內部孔口814b，該等第二內部孔口在噴淋頭板812的中心區域816中設置在噴淋頭板812的中心附近。第一孔口814a可徑向或側向地設置在第二內部孔口814b外側，且在一些實施例中可環繞內部孔口814b。第一孔口814a可包含垂直地平直或軸向孔口814a，其等沿著噴淋頭板812的垂直軸y 延伸。第一孔口814a亦可包括如上文之圖3A至圖3B所示之錐形部分。
此外，如圖8B所示，內部孔口814b可向內成角度，以便引導至少一些蒸氣流動至基材818的中心區域。由於圖8B的實施例在噴淋頭板812之中心處不包括孔口，基材818的中心區域可能不會沉積足量的反應物。為了確保基材818的中心區域經施以足夠的反應物劑量，因此，成角度的內部孔口814b可以相對較慢的速度提供蒸氣流動至基材818的中心區域。雖然僅將相鄰於或接近中心區域816的內部孔口814b繪示為成角度，較遠離中間816的更多孔口也可是成角度的。內部孔口814b的角度可相對於垂直軸y 在5°至55°的範圍內或在5°至25°的範圍內。
雖然為清楚理解起見而經由繪示及實例詳細描述前述內容，但所屬技術領域中具有通常知識者當明白可實行某些變化及修改。因此，不應將描述及實例解釋為將本發明之範疇限制在本文所述之特定實施例及實例，而是亦涵蓋伴隨本發明之真實範疇及精神的所有修改及替代。此外，欲實行本發明，不一定需要上述之所有特徵、態樣及優點。
10:半導體處理裝置 13、130:孔 20:反應器總成 30:反應器室總成 40:反應器室總成/反應器總成 100:歧管 120:入口 200、300、400、800、808、820:噴淋頭總成 201、301、801、824:噴淋頭充氣部 202、302、702、706、822:噴淋頭板 204:圓柱形孔口 206、306:反應室 208、308:間隔器 210、310、828:基材支撐 212、312:頂板 214、314、818、829:基材 216、830:排氣開口 303:底表面 304、404、704、708、806、806a、806b、814:孔口 304a:入口部分 304b:導管部分 304c:出口部分 305:支撐頂表面 307:第一軸向區段 309:第二錐形區段 311:頂表面 316:流量控制環 318:下部室隔離組件 402:間隔器/噴淋頭板 404a、404c:錐形部分 404b:細長導管部分 802:頂板/噴淋頭 804:噴淋頭板/噴淋頭 810:反應室/頂板/噴淋頭充氣部 812:噴淋頭板/噴淋頭 814a:第一外部孔口 814b:第二內部孔口 816:中心區域 817:板本體 826:反應空間/反應室/反應器室 860:控制器 A:厚度 B:高度 l1 、l2 、l3 、l4 :長度 w2:寬度 y:垂直軸
現將參照若干實施例的圖式來描述本發明的這些及其他特徵、態樣、及優點，該等實施例是意欲說明而非限制本發明。 圖1是根據各種實施例之半導體處理裝置的側視截面圖。 圖2是噴淋頭總成之一部分的側視截面圖。 圖3A是根據各種實施例之噴淋頭總成之一部分的側視截面圖。 圖3B是圖3A所示之截面的放大圖。 圖4是根據另一實施例之噴淋頭總成的側視截面圖。 圖5A是圖2之噴淋頭總成之噴淋頭板的仰視圖。 圖5B是圖3A及圖3B之噴淋頭總成之噴淋頭板的仰視圖。 圖6A是第一反應物蒸氣注入期間之汽化反應物注入期間之噴淋頭總成的截面圖。 圖6B是先前沖洗步驟之後，第一反應物蒸氣之短期注入期間之噴淋頭總成的截面圖。 圖7A是根據各種實施例之噴淋頭板的仰視圖。 圖7B是根據各種實施例之噴淋頭板的仰視圖。 圖8A是根據各種實施例之具有中心孔口之噴淋頭總成的截面圖。 圖8B是根據各種實施例之無中心孔口之噴淋頭總成的截面圖。
30:反應器室總成
300:噴淋頭總成
301:噴淋頭充氣部
302:噴淋頭板
303:底表面
304:孔口
305:支撐頂表面
306:反應室
308:間隔器
310:基材支撐
311:頂表面
312:頂板
314:基材
316:流量控制環
318:下部室隔離組件
A:厚度
B:高度

Claims (41)

  1. 一種用於將蒸氣分配至反應室之噴淋頭板，該噴淋頭板包含： 第一表面； 第二表面，其相對於該第一表面；及 複數個孔口，從該第一表面延伸至該第二表面， 其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的厚度是在約25 mm至約35 mm的範圍內。
  2. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的厚度是在約27 mm至約33 mm的範圍內。
  3. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的厚度是在約29 mm至約31 mm的範圍內。
  4. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板的寬度是在約210 mm至約260 mm的範圍內。
  5. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板的寬度是在約310 mm至約360 mm的範圍內。
  6. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板的寬度是在約460 mm至約500 mm的範圍內。
  7. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該複數個孔口包括孔口數目，該孔口數目是在約1,500至4,500個孔口的範圍內。
  8. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該孔口數目是在約1,500至2,500個孔口的範圍內。
  9. 如請求項1所述的噴淋頭板，其中該複數個孔口中之至少一個孔口包含： 第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的垂直軸延伸自該第一表面； 第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包含從該第一軸向入口區段向內成角度之向內成角度側壁； 導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板之該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之主要側向尺寸；及 第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包含出口，該出口經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
  10. 一種反應器總成，其包含： 噴淋頭總成，其包含噴淋頭充氣部及如請求項1所述的噴淋頭板，該噴淋頭充氣部經設置在該噴淋頭板上方； 基材支撐，其適於支撐基材；及 反應室，其至少部分地由該基材支撐及該噴淋頭板界定，其中介於該基材支撐之頂表面至該噴淋頭板之底表面之間的該反應室之高度是在3 mm至7 mm的範圍內。
  11. 如請求項10所述的反應器總成，其進一步包含汽化器，其經組態以使固體源前驅物蒸發。
  12. 一種用於將蒸氣分配至反應室的噴淋頭板，該噴淋頭板包含： 第一表面； 第二表面，其相對於該第一表面； 複數個孔口，從該第一表面延伸至該第二表面，其中該複數個孔口之多個孔口包含： 第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的垂直軸延伸自該第一表面； 第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包含從該第一軸向入口區段向內成角度之向內成角度側壁； 導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板之該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之主要側向尺寸；及 第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包含出口，該出口經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
  13. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的厚度是在約27mm至約33mm的範圍內。
  14. 如請求項13所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板介於該第一表面與該第二表面之間的厚度是在約29 mm至約31 mm的範圍內。
  15. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該導管區段具有長度，該長度在約15mm至約20mm的範圍內。
  16. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該第一軸向入口區段具有垂直高度，該垂直高度在約3.5mm至約4.5mm的範圍內。
  17. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該第一錐形區段具有垂直高度，該垂直高度在約3.5mm至約4.5mm的範圍內。
  18. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該第二錐形區段具有垂直高度，該垂直高度在約2.5mm至約3.5mm的範圍內。
  19. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該第一錐形區段之相對側壁的角度是在約60°至約90°的範圍內。
  20. 如請求項12所述的噴淋頭板，其中該第二錐形區段之相對側壁的角度是在約60°至約90°的範圍內。
  21. 一種反應器總成，其包含： 噴淋頭總成，其包含噴淋頭充氣部及噴淋頭板，該噴淋頭板包含複數個穿過其中的孔口，該噴淋頭充氣部經設置在該噴淋頭板上方； 基材支撐，其適於支撐基材；及 反應室，其至少部分地由該基材支撐及該噴淋頭板界定，其中介於該基材支撐之頂表面至該噴淋頭板之底表面之間的該反應室之高度是在3 mm至7 mm的範圍內。
  22. 如請求項21所述的反應器室總成，其進一步包含間隔器，該間隔器機械地支撐該噴淋頭板。
  23. 如請求項21所述的反應器室總成，其中該反應室的容積是在約1280至1920 mm2 的範圍內。
  24. 如請求項21所述的反應器室總成，其中該反應室的寬度是在約200 mm至約440 mm的範圍內。
  25. 如請求項21所述的反應器室總成，其中該反應室的高度對該反應室的寬度的比率是在約1:80至1:29的範圍內。
  26. 如請求項21所述的反應室總成，其中該間隔器具有在約20 mm至30 mm的範圍內之厚度。
  27. 如請求項21所述的反應室總成，其進一步包含汽化器，其經組態以使固體源前驅物蒸發。
  28. 一種用於將蒸氣分配至反應室的噴淋頭板，該噴淋頭板包含： 第一表面； 第二表面，其相對於該第一表面； 複數個孔口，從該第一表面延伸至該第二表面，該複數個孔口包含： 複數個外部孔口，其等具有沿著該噴淋頭板之垂直軸延伸的孔口部分；及 一個或多個內部孔口，其朝該噴淋頭板之中心區域向內成角度。
  29. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該複數個外部孔口是徑向地設置在該一個或多個內部孔口外側並至少部分地環繞該一個或多個內部孔口。
  30. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該一個或多個內部孔口是相對於該噴淋頭板的該垂直軸向內成角度，該角度在5°至55°的範圍內。
  31. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該一個或多個內部孔口包含第一成角度孔口，其位置最接近該噴淋頭板的中心位置。
  32. 如請求項31所述的噴淋頭板，其中該一個或多個內部孔口進一步包含第二成角度孔口，其位在該噴淋頭板之中心部分與該第一成角度孔口相對的一側處。
  33. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板在該噴淋頭板之中心位置處不具有孔口。
  34. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該噴淋頭板之板本體部分是設置在該噴淋頭板的中心位置處。
  35. 如請求項28所述的噴淋頭板，其中該複數個外部孔口中之至少一個孔口包含： 第一軸向入口區段，其沿著該噴淋頭板的該垂直軸延伸自該第一表面； 第一錐形區段，其延伸自該第一軸向入口區段，該第一錐形區段包含從該第一軸向入口區段向內成角度之向內成角度側壁； 導管區段，其延伸自該第一錐形區段並沿著該噴淋頭板之該垂直軸定向，該導管區段具有小於該第一軸向入口區段之主要側向尺寸；及 第二錐形區段，其從該導管區段延伸至該第二表面，該第二錐形區段包含出口，該出口經組態以輸送該蒸氣至該反應室。
  36. 一種反應器總成，其包含： 反應器歧管，其具有孔； 噴淋頭總成，其包含噴淋頭充氣部及如請求項28所述的噴淋頭板，其中該孔是側向地定位在該噴淋頭板的中心位置處；及 基材支撐，其適於支撐基材。
  37. 如請求項36所述的反應器室總成，其中該基材支撐適於在該噴淋頭板之中心位置與該基材之中心位置對準的位置處支撐該基材。
  38. 一種組態反應器總成的方法，該方法包含： 提供反應器總成，其具有包括基材支撐之反應室； 選擇噴淋頭板，其具有提供預定反應室高度的厚度，該反應室高度至少部分地界定於該噴淋頭板的底表面與該基材支撐的頂表面之間；及 在該基材支撐上方將該噴淋頭板安裝在該反應室中，以提供該預定反應室高度。
  39. 如請求項38所述的方法，其進一步包含從該反應器總成移除第二噴淋頭板以及以該噴淋頭板改裝該反應器總成。
  40. 如請求項39所述的方法，其中該噴淋頭板較該第二噴淋頭板厚。
  41. 如請求項38所述的方法，其中選擇該噴淋頭板包含從複數個噴淋頭板選擇該噴淋頭板以提供該預定反應室高度。
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