TWI263257B - Cyclic pulsed two-level plasma atomic layer deposition apparatus and method - Google Patents

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1263257 九、發明說明 【發明所屬技術領域】 本务明係有關於電漿原子層沉積方法，更尤其是有關於一種循 %脈衝式雙鮮電漿原子層沉前置與方法，其可以糾㈣基板上 所形成半導體裝置中，將提供給反應室之電魏量最小化，而減少在 矽基板中所產生之損害。 【先前技術】 隨著在半導體中電路線寬度變得超級窄，因此存在一種須需要 ，，溫形成《貞示極佳特徵之非常薄之膜，而塗佈於：匪儲存電 容=電極薄膜、閘極絕緣薄膜、或形成為電極薄膜一部份之銅擴散 Pf止4膜上。在使職體材料化學反應之薄細彡成方法巾，此原子層 "L·積方法、於其中依序供應反應氣體且重覆此 之膜是非常有用的。 又尸币/寻 由Arther Sherman所提出標題為“如邮1&1 ΐ1〇ίΓ”之美國專利案號usp 5,916,365中揭示一種脈衝式雙位 其中，是在原子層沉積方法之反應氣體供 二二二:在低溫形成高品質薄膜。然而，此專利並未建議一 % 由於電漿在半導體基板中所產生之損#，以及在《 點火可靠度與《«產生能力之_。 薄膜r 錄板之反應室中產生賴赠在基絲面上沉積 Ξ Ζ fit彡錢正麵狀丰導魏置絲板會受到損 i度盘相同i 雙=電衆原子層沉積方法是在相同的基板 此半導體電路之設計標準加緊時，由於 + w衣置之尺寸進-步減小，·容緑生損害，以致 rtr劣Γ f此與半導體製造成本直接有關之良率降低。" 與美賴LrUSPe6==，專職usp «.ethod of Forming a 1263257 下， 中，則對其供應RF功率，且將來 了將反應才又體供應至反應至 此過程中將來源氣體與清除氣體與f除氣體之供應停止。在 火可靠度與電“匕在各時變得不穩定。因此，電聚點 為“Ra^r Sneh所提出之美國專號USP6, ，893 6卜其標題 錢卜嫌，其藉由 /式又曰臭供分子先質（precursor)而形 未建議方法崎決實際_，例如：在半 ^基板中所產生之損害、電漿點火之可靠度、以及電漿重覆產生之 此力，此_題在當例如朗之活化方法時會產生。 【發明内容】 ★將上及7或魏問題本發明提供—麵環脈衝式雙位準 二ΐ積裝置與方法，藉由此裝置與方法可以低的製程溫度形 门口貝其藉由提供低能量電漿而防止對半導體基板之損害。 本發明提供—麵環脈赋雙位準《原子層沉積裝置鱼方 法，其解決··由於铸體裝置絲板上電㈣造成半導體裝置特 性名化之問題/或與半導體製造成本直接有關良率之劣化問題。 、本發明提供一種循環脈衝式雙位準電漿原子層沉積裝置與方 /^ ’其將供應至反應室m能量強度最小化，以及調整供應電浆之 a寺間與舰’-直至反應室中壓力與溫度變得穩定為止，以致於相較 於:列傳統紐，其可以高度轉電雜火之可靠度與重複產生電聚 之能力，以及可以在低製程溫度形成高品質薄膜：電漿加強化學氣相 二、循環脈衝式電漿原子層沉積、或電聚加強原子層沉積 本發明提供一種循環脈衝式雙位準電漿原子層沉積裝置與方 法，其所產生薄膜之純度大於或等於傳統技術者，且亦大幅降低基板 1263257 製程溫度與電漿供應能量。 根據本發明之一觀點，藉由將供應給反應室之反應氣體預先活 化以供應僅可此低之電漿能置，而可以在低溫沉積高品質薄膜，而不 會損害到反應室中之矽基板。 根據本發明之另一觀點，將此提供給反應氣體具有低強度之電 漿能量，是在此顯示大化學活性之中性基經由反應氣體活化單元產生 後提供給反應室，至少此反應氣體被熱活化，或使用兩種功能。然後， 原子層’儿積過程期間，可以在低溫沉積所想要厚度之薄膜，即使當此 日守黾農之此里疋低於在傳統技術中提供給反應室之能量。因此，可以 大幅降低在半導體裝置或電路板中所產生之損害。而且，此方法可以 防止在具有起乍線i度半導體裝置特徵之劣化，且非常有效地改善 、 半 〇 、根據本發明之另一觀點，將此來源氣體供應至反應室且吸附在 裝載於反應ϋ：中基板上。然後停止供應此來源氣體，且以清除氣體將 ，遠於反應至中之來源氣體清除，在隨後步驟中，將此經活化之反應 氣體供應至反應室，且將電紐供給反應室，以絲職體吸附在基 ，上’且使反應氣體彼此反應。並不藉由供應清除氣體將殘留於反應 至中之來源纽清除，而是將此經活化之反餘體直接供應至反應室 而將來源氣體清除。在此處’此所殘留在於反應 供應杨氣體而清除，或藉經由反應氣體活化單元，將供應至錢室 ^反應，體直接清除。然而，在此等氣體切換過程期間，在反應室中 3生壓力與溫度之不穩定狀態。為避統不穩定狀態，在開始供應 及^應氣體後，在反魅中壓力與溫度穩定後，將電漿能量供應至 =至。糾如此，可以大幅改善·點火可靠度與電縣覆產生之 ㈣此在反應室巾溫度不穩錄態健力不穩錄態相當快地 =疋下來，且此由於溫度局部瞬間狀態對電漿點火與產生之影響較壓 局部狀態之影響為弱，因此，只須考慮壓力之穩定狀態。 【實施方式】 此矽基板218是裝載於反應室2〇〇中基板支持台212上。 1263257 在步驟1(101與301A)中，將此包括元素“a”之來源氣體經由來 源氣體供應管220供應至反應室200，以致而吸附在矽基板218上。 同時，將第一電漿G(3001C、3002C、以及3003C)供應至反應室。根 據本發明，在第一步驟中，可以跳過第一電漿G之第一供應循^ 3001C，這即是，此電漿之供應可以從下一個步驟開始，即，藉由桃 過第一電漿G之電漿應用循環3001C而從步驟2(102與302A)開始。 在第3C圖中’此第一電漿G改變至第一電漿6，(3〇〇2(：與3〇〇3(：)。

在步驟2(102與302A)中，將此殘留於反應室200而未吸附於矽 基板218上之來源氣體使用清除氣體藉由排氣單元2〇8清除。同時將 第一電漿G或第一電漿G，持續地供應至反應室2〇〇。使用此來源氣體 供應管220、反應氣體供應管222A與222B、或各別的供應管（未圖^ 供應清除氣體。 、 根據本發明，在步驟2中，可以跳過第一電漿G之第一供應循 環3001C與第二供應循環3002C，即，可以從下一個步驟開始提&電 漿’即可以藉由跳過第一電漿G之電漿供應循環3〇〇lc與3〇〇%而 步驟3(103與303A)開始。 、 在弟3C圖中，第一電漿G改變至第一電漿〇,，。在步驟3(1〇3、 303A)中’此包括力素“b”之反應氣體通過反應氣體供應f 2似與 222B與反應氣體活化單元施，然後經由供應至反應$ ，以致ς 實施骑過程之第-部份，在其中形成“a，，或“ab，，薄膜。在此沉積過 程之弟-部份中，此由反應氣體活化單元咖所活化之反應氣體盘此 吸附⑽基板218上之來源氣體、借助於第一電漿而實施沉積反廣。 ，同時將第—電漿G(第—電漿G’或第—電漿g，，)持續供應至反應室 200。在一個形成“a”薄膜而非“油，，薄膜之例中，例如，當此元素％，， 為就m)、此來源氣體為氯化鈦⑽1〇、此元素“b”為^⑻、以及 氫祕）日^則形紅_為包含鈦元素之鈦薄 朕。A 3為-她，其中，其主要將此供應 體之壓力雜敎下來。 d⑽ b”之反應氣體經由反 將第二電漿3004C供 在步驟4(104與304A)中，將此包括元素‘ 應氣體活化單元206持續地供應至反應室2〇〇， 1263257 應至反應至200中，以致於產生電毁離子與基（rajicai)。因此，因 此實施沉積過程之第二部份、其中在矽基板218上沉積“a，，或“ab，，薄 膜。然而，當此來源氣體在反應室200中如果沒有電漿之協助則與此 經活化之反應氣體不起反應或幾乎不起反應時，則將步驟2(1〇2與 302A)跳過，以致於將此在反應室200中殘留之來源氣體以清除氣體 清除。 最後，在步驟5(105與305A)中，在製程時間t5停止反應氣體 之供應與電漿之供應’且將此在反應室2〇〇中殘留之反應氣體以經由 排氣單元208之清除氣體清除。同時，將第一電製h(3〇〇5C)供應至 反應室200。藉由如同上述在步驟2中持續供應清除氣體一直至步驟 5元成為止，而在步驟2與3中實施清除腳色。而且，藉由持續提供 清除氣艟，且僅在步驟2與4中實施其供應與停止供應，可以清除殘 留在反應室200中之來源氣體與反應氣體。 為了形成所想要厚度之薄膜，將上述步驟丨至步驟5重複所想 要之N次。在上述製程中，此來源氣體、反應氣體、以及清除氣體^ 為製程氣體。 第2圖顯示用於執行本發明之薄膜沉積裝置之結構。此薄膜沉 積，置包括：反應室200，其提供空間以直接實施薄膜沉積過程；製 程乳體供應與控制單元21G，其供應製程氣體例如，來源氣體、反應 氣體、以及清除氣體；反應氣體活化單元2Q6，用於將反應氣體事先 活化，排氣單元208、RF功率產生單元2〇4、以及匹配器202，用於 將電漿供應至反應室2〇〇 ;來源氣體供應管22〇，連接此製程氣體供 應，控制單兀21G與反應室·，將反應氣體供應至反應室·;反 應氣體供應管222A與222B，將此製程氣體供應與控制單元21〇與反 ，氣體活化單元206連接至反應室200 :以供應反應氣體；以及排氣 管226，連接反應室200與排氣單元2〇8，將反應室2⑻中之製程 體清除。 ' 芩考第2、3A、3B、以及3C圖，此將矽基板或晶圓us承載於 /、上之基板支持台212是安裝於反應室2〇〇中。此用於將即功率提 i、、+ %漿而至反應至2〇〇之rf功率產生單元204與匹配器202是連 10 1263257 接至反應室200。此RF功率產生單元204與匹配器202 —起稱為RF 功率供應單兀，且可控制電漿能量之強度。此接地214為電極之一可 以連接至安裝於反應室200中之基板支持台212，或各別安裝於在此 並未顯示之反應室200中。 此提供給反應室200之電漿可以分割成兩組··第一電喂 G(3001C、3002C、以及 3003C)與第一電槳 H(3005C)，以及第二^ (3004C)。第一電漿 G(3001C、3002C、以及 3003C)與第一電漿 H(3〇〇5g 具有相當低之能量強度，且在步驟1(101與3〇1A)、步驟2Π〇2與 302Α)、步驟3(103、303Α)、以及步驟5(105與305Α)之循環期間Ϊ 持續供應給反應室200。此第二電漿（3004C)具有較第丄電漿 G(3001C、3002C、以及3003C)與第一電漿H(3005C)為高之㈣強度t 且只有在步驟4(104與304A)之循環期間將其持續提供給反應室 =〇胃，以使得來源氣體與反應氣體彼此反應。為了產生具有兩種^同 能量強度之電漿，可以使用與控制兩個獨立RF功率供應單元或單一 RF功率供應單元，根據製程循環可改變地提供具有兩個不同能量強 度之電漿。藉由使用雙位準電漿與反應氣體活化單元，可以降低薄膜 沉積反應溫度，減少由於電漿而對基板所造成之損害，可以形成高品 質薄膜，且可以改善電將點火之可靠度與重複產生電漿之能力。 此用於控制製程氣體之製程氣體供應與控制單元21〇經由來源 氣體供應管220連接至反應室2〇〇。此製程氣體供應與控制單元21〇 與反應至200、經由反應氣體活化單元206與反應氣體供應管222A 以及222B而連接，以致於在將反應氣體活化後，將其供應至反應室 200。可以設計此製程氣體供應與控制單元21〇以供應與控制清除氣 體。典型地使用此額外供應管（未圖示）將清除氣體供應至反應室 200。此用於將反應氣體活化之反應氣體活化單元2Q6、是連接介於 反應氣體供應管222A以及222B之間。可以設計此反應氣體活化單元 206使其具有：藉由熱之反應氣體活化功能，或藉由電漿之反應氣體 活化功能，或是兩者。可以設計此用於活化所須熱或電漿能源為可變 型式。此用於排出製程氣體之排氣單元208經由排氣管226連接至反 1263257 根據本發明，如同以上說明，可以藉由降低提供給反應室中基 板電漿能量強度，而可以降低製程溫度與大幅減少在基板中所產生二 損害。例如，在實施第丨與从圖中步驟4(104與3〇4幻之過程中， 當將所供應第二電漿（3004C)之能量強度相較於傳統技術降低1/3至 1/2，可以大幅減少由電漿對基板所造成之損害。可以使得第一電漿 G(3〇〇1C、30〇2C、以及3003C)與第一電漿H(3〇〇5c)之強度不超過第 二電漿（3004C)強度之1/2。 此來源氣體典型地包括金屬元素。詳細而言，為了執行薄膜沉 積過私例如形成氮化物薄膜，此反應氣體必須包括氮。這即是，當形 成來源氣體包括鈦(T!)、鈕(Ta)、或鎢（w)金屬混合物之一，以^反 應氣體為氮⑽、氨⑽）、或聯氨⑽4)氣體之一所形猶，可以形 成氮化物薄膜例如··氮化鈦⑽）、氮化組⑽）、或氮化鶴⑽之薄 膜。 广在本發明另一例中，此反應氣體可以由包括元素“b，，與氫(化）氣 之氣體混合物所形成。這即是，此反應氣體可以由：氮⑽氣與氮㈤ 合物、氨(眺)與氫㈤氣之混合物、或聯氨(跳）氣與氯㈤ 氣之混合物所形成。在步驟3與4中，將丽、腿2、或Η基(radicai) t、應至石夕基板218上，以形成金屬氮化物薄膜。而且，當此反應氣體 是由包1氧(〇2)之氣體、或由包括氧⑹氣與氫㈤氣之氣體混合物 7形成時’則形成氧化物薄膜。當此反應氣體是形成包括氫(出）氣 由於此來源氣體之金屬混合物在步驟3與4中去氧化，因此形 金屬薄膜。 每本發明之結構與操作原理將參考所附圖式詳細說明。然而，以 下貫施例僅為本發明之例而已，其用以協助熟習此技術人士瞭解本發 ，之基本原理。因此，應注意本發明並不受限於以下實施例，且以下 實施例之各種修正與應用均可供使用。 弟一霄施例 如同在第1圖之流程圖中所示，在此根據本發明之循環脈衝式 雙位準賴原子層沉積方法巾，在安裝於反應室·巾基板支持台 1263257 21Z上所裝載矽基板2i8之表面上形成包括元素“a”與、”之薄膜，是 以根據本發明之循環脈衝式雙位準電漿原子層沉積方法形成。第？ 圖顯利/1環麟式雙位準電漿原子層沉積裝置之觀念以齡本發明。 參考第；1、2、3A、3B、以及3C圖，在步驟Uim與3〇1/J中， 將此包括凡素“a”之來源氣體經由來源氣體供應管22〇供應至反應室 2^00，以致於此來源氣體吸附在矽基板218之表面上。同時，開始將 第一電漿G(3001C、3002C、以及3003C)提供給反應室2〇〇。 在步驟2(102與302A)中，停止來源氣體之供應且將清除氣體供 應至反應室200’以致於此殘留於反應室2〇〇中而未吸附於矽基板μ8 上之來源氣體被清除。使用氬(Ar)、氦(He)、氮(Ν〇、或氫(出）氣作 為清除氣體。在同時繼續供應第一電漿G(3001C、3002C、以及3〇〇3C)。 在步驟3(103與303A)中，停止供應此清除氣體，且將此包括元 素“b”之反應氣體經由反應氣體供應管222A與222B供應至反應室 200。此供應至反應室200之反應氣體通過反應氣體活化單元2⑼。 在此處，經由在反應氣體活化單元206中之電漿產生功能擷取基。此 反應氣體可以在反應氣體活化單元206中或藉由上述兩種功能而熱 性活化。同時，在步驟3之製程循環期間繼續供應第一電漿g(3〇〇1c、 3002C、以及3003C)。在此時，沉積過程之第一部份發生，這即是當 此吸附於反應室200中基板上之來源氣體、與供應至反應室2〇0之反 應氣體、借助於提供給反應室200之第一電漿G，在基板上產生沉積 反應。同時，在此製程循環期間，將當將反應氣體供應至反應室 時所產生之壓力不穩定狀態穩定下來。 在步驟4(104、304A)中，將此包括元素“b”之反應氣體持續供應 至反應室200。將此能量強度大於第一電漿〇能量強度之第二電漿 (3004C)供應至反應室200。由於在此時在反應室中反應氣體之壓力 已經穩定，此薄膜沉積過程借助於供應給反應室2〇〇之第二電漿而活 性地實施，以致於在矽基板218上形成“a”或“ab”薄膜。在此時，持 續供應清除氣體。此外，實施此沉積過程之第二部份，其為積極發生 之薄膜沉積現象，其不僅是由於當此供應至基板上之反應氣體通過反 應氣體活化單元206時離子與基增加，而且是由於此供應至反應室 1263257 』〇之具有南能量強度第二電漿所產生離子與基之混合 笑一 ^驟b( 105與305A)為最後之製程循環，停止反應氣體之供應與 广之供應。藉由清除氣體將反應室200中殘留之反應氣體清 二二’由於在上述原子層沉積法中所形成薄膜之層雖然具有高品 貝“旦太薄’為了獲得具有所想要厚度之薄膜，將步驟1至步驟5重覆 所想要次數Ν次。 «本發明上述第—實施例，由於使用此根據本發明之薄膜沉 牙貝衣置，將供應至反應室200電漿能量強度減少1/3至1/2，可以大 幅降低由於供應給反應室2〇〇之第二電漿對基板所造成之損宣。而ν 且’由於將在步驟3中用於將電聚供應至反應室之製程循環之點 釀輯至供纽經活化反應氣體之製程觀點之後，_直至在反應室 200中壓、力穩定為止。因此，可以逐漸改善此第二電漿點火之穩歧 與第二電漿重覆產生之能力。 ^ …由於在以上之製程魏巾，此在反應室中由於溫度不穩定 狀態對於第二電漿點火之可靠度與第二電漿重覆產生之能力^影 響、相當小於由於壓力不穩定狀態之影響，在此實施例中只考慮由於 在反應室200中所產生壓力不穩定狀態所造成電漿之不穩定。在實體 上，此溫度之不穩定狀態較壓力之不穩定狀態更快地穩定下來。 差二實施例 • 在第二實施例中，重覆在第-實施例中所實施之製程循環，只 有此將電漿供應至反應室2〇〇過程不同。這即是，參考第丨、2、3八、 3Β、以及3C圖，根據本發明第二實施例，在步驟ι(ι〇ι與3〇ιΑ)中， 將此包括元素“a”之來源氣體經由來源氣體供應管22〇供應至反應室 200，以致於此來源氣體吸附在石夕基板218之表面上。在步驟2(i〇2 與302A)中，停止來源氣體之供應且將清除氣體供應至反應室2〇〇， 以致於此殘留於反應室200中而未吸附於石夕基板8上之來源氣體被 清除。使用氬(Ar)、氦(He)、氣(⑹、或氫(HO氣作為清除氣體。在 步驟3(103、與303A)中，停止供應清除氣體，且將此包括元素、，， 之反應氣體經由反應氣體供應管222A與222B供應至反應室200。此 1263257 供應至反應室200之反應氣體通過反應氣體活化單元2〇6。如此，藉 由在反應氣體活化單元206中之電漿而擷取基，此反應氣體在反應氣 體活化單元206中熱性活化，或此反應氣體藉由此兩個過程而活化。 在步驟1至步驟3之製程循環期間，將第一電漿g(3〇〇1C、 3002C、以及3003C)持續供應至反應室200。此沉積過程之第一部份 藉由步驟3中第一電漿G而實施，且同時將在反應室2〇〇中反應氣體 壓力之不穩定狀態穩定下來。在步驟4(104與304A)中，此包括元素 “b”之反應氣體經由反應氣體供應管222Α與222Β持續供應至反應室 200。同時，將第二電漿G(3〇〇4C)持續供應至反應室200 Γ由於此在 反應室200中反應氣體之壓力已經穩定，此薄膜沉積現象在此基板上 所吸附之來源氣體與反應氣體之間在基板上積極實施，以致於在矽基 板218上形成a或“ab”；4膜。此沉過程積極實施不僅是由於：當此在 反應至200中之反應氣體通過反應氣體活化單元2⑽時所增加離子與 基之混合，而且是由於供應至反應室2〇〇第二電漿（300c)所產生之 離子與基所造成，以致於實施此沉積過程之第二部份。第一電敷 G(3001C、3002C、以及3003C)與第一電漿H(3005C)對於來源氣體與 反應氣體間之沉積反應直接或間接地作出供獻。 參考第3C圖，此施加至反應室200之電漿為具有兩個步驟能量 強度之電漿（3001C、3002C、3003C、3004C、以及 3005C)。此第一電 漿G(3001C、3002C、以及3003C)與第一電漿h(3005C)具有相同之能 里強度，其為弟一電漿（3004C)之大約1/2。此第二電装（3QQ4C)之能 量強度是傳統技術之1/3至1/2。在步驟5(1〇5與305A)中，在製程 循環t5之最初階段，將反應氣體之供應停止，且將第二電漿之供應 切斷。而且，藉由供應清除氣體，將殘留在反應室2〇〇中之反應氣體 清除。同時，將第一電漿H(3005C)持續供應至反應室2〇〇。最後，為 了獲得具有所想要厚度之薄膜，將步驟丨至步驟5重覆所想要次數N 次。 如同以上說明，此供應至反應室2〇〇之電漿能量是在第一電漿 G(3001C、3002C、以及 3003C)與第一電漿 H(3005C)、與第二電漿 (3004C)之兩個步驟中供應。此第一電漿G(3〇〇lc、3〇〇2c、以及3〇〇χ) 1263257 與第一電漿H(3005C)之能量強度相同，且在所有步驟ι(1〇1與 301A)、步驟 2(102 與 302A)、步驟 3(103 與 303A)、以及步驟 5(1〇5 與305A)中供應至反應室200。第一電漿G(3001C、3002C、以及3〇〇3〇 之供應可以在步驟1(101與301A)之點tl開始、或步驟2(102與3〇2A) 之點t2開始，其中，第一電漿G(3001C、3002C、以及3003C)改變至 第一電漿G’（3002C與3003〇(未圖示）。而且，第一電漿G(3〇〇ic、 3002C、以及3003C)之供應可以在步驟3(103與303A)之點t3開始， 其中，第一電漿G(3001C、3002C、以及3003C)改變至第一電装 G (3003C)(未圖示）。 在本實施例中，第二電漿（3004C)之能量強度是傳統技術之1/3 • 至1/2，且只在步驟4(104與304A)中供應，在其中供應反應氣體且 將其穩定。除了在步驟4(104與304A)，將第一電漿G(3001C、3002C、 以及3003C)與第一電漿H(3005C)持續供應。然而，當供應第一電聚 G’（3002C與3003C)與第一電漿G，，(3003C)時，將非對應之電漿供】: 環省略。此在反應室200中之電漿能量供應單元可以包括：兩對^立 電極，或其可以包括單一對電極且控制電漿能量強度與供應時間。當 供應第一電漿G(3001C、3002C、以及3003C)與第一電漿H(3005C)時， 此第二電漿3004C之點火可靠度與第二電漿3〇〇4C之重複產生能力改 善。可以供應第一電漿G，（3002C與3003C)與第一電漿G，，(3〇〇3C)。 此外，如同以上說明，藉由步驟3(103與303A)將反應室中壓力不穩 • 定狀態穩定後，將第二電激（3004C)供應至反應室，同時在步驟4(1〇: 與304A)中持續供應反應氣體。因此，藉由此為主要電漿之第二電漿 (3004C)實施沉積反應，以致於進一步改善第二電漿（3〇〇4C)之點火可 靠度與第二電漿（3004C)之重複產生能力。 … 詳細而言，作為薄膜沉積製程之例以形成氮化物薄膜，形成此 包括氮之製程氣體作為反應氣體。即，當形成來源氣體以包括鈦 (Ji)、钽(Ta)、或鎢(W)金屬混合物之一，以及反應氣體為氮(Ν2)、 氨()、或聯氨(關〇氣體之一所形成時，可以形成氮化物薄膜例如： 氮化鈦(TiN)、氮化鈕(TaN)、或氮化鎢（WN)之薄膜。在本發明另一例 中，此反應氣體可以由：氣(N2)氣與氫(H‘2)氣之混合物、氨與氮 16 1263257 凡风之混合物、我聯氨狐）氣與氫⑹氣之混合物所形成。在步驟 3^4 t ^ ^ ΝΉ ^ NH, ^ H 218 ± , 成五屬，化物薄。而當此反應氣體是由包括氧⑹之氣體、或 由包括祕）氣與氫⑽氣之氣體混合物所形成時，則形成氧化物薄 义。當此反應氣體是形成包括氫⑽氣時，由於此來源氣體之金屬混 合物在步驟3與4中去氧化，因此形成金屬薄膜。

第3A圖以製程時_序顯示p圖流程圖之步驟丨至步驟5之 製程步驟。參考第卜2、3A、3B、以及3C圖，在步驟·}與3〇1A) 中，此供應至反應t 200之來源氣體被吸附於：裝載 令基板支持台批上之錄板21δ上。將第一電漿G(_C=2C、 以及3003C)供應至反應室2〇〇。在步驟2(1〇2與3〇2A)中，將清除氣 體供應盖反應室2QG，經由排氣單元簡將此殘留於反應室中而 未吸附於碎基板218上之來源氣體清除。如同以上說明，此從步驟 1(101與301A)開始供應之第一電漿G(3〇〇lc、3〇〇2c、以及3〇〇3C)， 可以不在步“ 1中供應，而可以在步驟2(ι〇2與3G2A)或步驟3(103 與303A)中供應。 士當在步驟3(103與303A)開始停止將清除氣體供應至反應室2〇〇 呀，則立即開始反應氣體之供應。此製程氣體供應與控制單元 中控制閥之位置、此氣體供應管220、222A以及222B之長度、供應 線長度差異、以及製程氣體之切換，造成在反應室2q〇中壓力改變之 瞬間現象，以致於產生不穩定狀態313β。因此，根據本發明，在反 應室200被清除後，此清除氣體之供應並未停止。雖然，當在步驟 3(103與303Α)中持續供應反應氣體時在反應室2〇〇中產生之不穩定 狀態313Β，此不穩定狀態之程度低於停止供應清除氣體中不穩定狀 恶之程度。然而，根據本發明，如同在傳統技術中，當步驟3(1〇3 與303Α)開始時，停止供應清除氣體。當電漿之供應與供應至反應室 200製程氣體之切換一起實施時，由於此反應室2〇〇之壓力進入不穩 定狀態313Β，此供應給步驟4(104與304Α)之第二電漿（3004C)強度 會隨著第二電漿壓力或點火之改變之不穩定而失效。根據本發明，由 於在步驟3(103、303Α以及313Β)中將反應氣體供應至反應室2〇〇 1263257 ，，在步，驟4⑽、3G4A、314B、以及讀C)中將反應氣體持續地供 應室/⑽，因此使反應室_中之壓力穩定，當供應第二電聚 ' 而'又有改受反應氣體之流速時，會使得此第二電漿（3〇〇4Π 之點火導電穩定。因此，防止點火失敗而改善可靠度。而且，备 個製程循縣複此步料，可㈣度轉在反應氣 ς 複此第二電漿（3_)之重複產生。 編盾衣重 根據本發明，此將電衆供應至反應$ 2〇〇^RF功率 第二電漿(3·)而言是3GG至·W。此健據：來源氣體^應氣 體、以及製程條件而改變，且為傳統技術之1/3至1/2。此一中

H(3005C).«^J ”谷弟、U與第-電漿(^之能量強度相同，且為第二電 此置強度之大約1/2。因此，據本發明，藉由第二魏(聰c何將 對基板之游大幅減少。而且，根據本發明，可以將清除氣體持續供 應至反應室，_時在此製程步射將第二·(3_)供庫给反雇 室。最後，在步驟5⑽與3〇5Α)中，將反應氣體之㈣停止厂 且此持續供應之清崎翁殘留在反應室巾之反應顧清^當 ，2(102與3〇2Α)中停止供應清除氣體時，在步驟5(105貞305Α)中 停止供應反應氣體，且再度供應清除氣體，將殘留在反應室中之反廉 〔氣體清除。當在步驟2⑽與繼）中開始供應清除氣體時，在^ 105與3G5A)之時點t6停止供應清除氣體。否則，持續供應清除 體。 雖然，以上參考較佳實施例特別顯示與說明本發明，狹而，熟 習此技術人士瞭解，可以對其形式與細節作各種改變，而不會偏離由 所附申巧專利範圍所界定本發明之精神與範圍。 士皇上之應用 、如同以上說明’根據本發明，為了避免由於將反應氣體事先活 匕而造成對基板H而供應轉統麟大幅降低之rf功率，以 致於沉積薄膜。而且，藉由供應具有兩種不同能量強度之電激以降低 電漿之能量強度，可以在低溫形成高品質薄膜，以及大幅減少由於電 1263257 漿對於基板之損害。這即是，將已經在活化狀態中之反應氣體供應至 基板，且將具有低能量強度之電漿持續地供應至反應室，以致於即使 當此供應至反應室以使反應氣體反應之電漿能量強度大幅降低，仍然 :以形成南品質細。而且，藉由將電紧供應點延輸各反應氣體供 氣，應點為後，可以改善《點火之可靠度與重覆產 rurr可以防止具有超轉寬半導體裝置概之劣 仫 W257 【圖式簡單說明】 弟1圖為流程圖其說明根據 ㈣子—積方法; 心例之循環脈衝式雙 圖，用於執行此根據本發…/ 电水原子層沉積方法； 之.環脈衝式雙位 圖-兒明反應氣體供應循環之梦 第3B 式雙鲜電_从^方t’·㈣储據本發明 弟38圖顯示在第Έ m制扣上儿積方法， 及 ^中氣體反應室中壓力不穩定裳態之例；以 3C 其說_种提供給反應室之雙位準電漿 之雙位準RF功率之強度。 101 102 103 104 105 200 202 204 206 208 210 212 214 218 220 【主要元件符號說明】 步驟1 步驟2 步驟3 步驟4 步驟5 反應室 匹配器 RF功率產生單元 反應氣體活化單元 排氣單元 製程氣體供應與控制單元 基板支持台 接地 6夕基板 來源氣體供應管 20 1263257

222A 222B 226 301A 302A 303A 304A 305A 313B 314B 反應氣體供應管 反應氣體供應管 排氣管 步驟1 步驟2 步驟3 步驟4 步驟5 不穩定狀態（步驟3) 步驟4

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Claims (1)

1263257 十、申請專利範圍： 1· 一種用於沉積循環脈衝式雙位準電漿原子層而在基板上沉積薄膜之 裝置，包括： “ ' 基板支持台，其承載且支持基板； 反應室’其包括基板支持台且提供反應空間； 製私氣體供應與控制單元，其供應製程氣體例如，來源氣體、反應 氣體、以及清除氣體給反應室； 來源氣體供應管，其將來自製程氣體供應與控制單元之來源氣體供 應至反應室； • 反應氣體活化單元，其將反應氣體活化； 反應氣體供應管，經由此管將反氣體從製程氣體供應與控制單元經 由反應氣體活化單元供應至反應室； 可變RF功率供應單元，具有在反應室中至少雙位準能量強度之電漿 產生功能；以及 排氣單元，清除在反應室中之製程氣體。 2·如申晴專利範圍第1項之裝置，其中 反應氣體活化單元包括電漿供應功能。 鲁3.如申請專利範圍第1項之裝置，其中 反應氣體活化單元包括··經由熱處理之活化功能。 4·如申請專利範圍第丨項之裝置，其中 反應氣體活化單元包括：產生魏與經由熱處理而活化之功能。 5·如申清專利範圍第2或4項之裝置，其中 此電漿產生功能能夠控制RF功率之強度。 6.-種沉積魏脈衝式雙鱗電_子層之方法，其在反應室中基板 22 1263257 表面上沉積薄膜，包括以下步驟： 將來源氣體供應至反應室，而吸附在裝載於反應室中基板之表面上； 將第一電漿供應至反應室； 停止供應來源氣體，將沒有由所供應之清除氣體吸附之反應室中所 殘留來源氣體清除，且持續供應清除氣體； 使此反應氣體通過反應氣體活化單元，且將此反應氣體供應至反應 室； 在持續供應此活化反應氣體至反應室後，將能量強度高於第一電漿 但低於1200W之第二電漿供應至反應室，以致於將在反應室中 之壓力穩定； 停止供應反應氣體與第二電漿，且以持續供應之清除氣體將在反應 室中殘留之反應氣體清除； 停止供應清除氣體；以及 重複以上步驟一直至形成所想要厚度之薄膜為止。 7·如申請專利範圍第6項之方法，其中 在藉由供應清除氣體將將在反應室中殘留之來源氣體與反應氣體清 除後，停止供應此清除氣體。 8·如申請專利範圍第6項之方法，其中 供應給此反應至第^一電聚之此置強度不超過：第二電聚之能量強度 之 1/2。 9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中 並不以清除氣體將反應室中殘留之來源氣體清除，而是在隨後步驟 中以所直接供應之反應氣體’將在反應室中殘留之來源氣體清除， 同時將反應氣體供應之反應室。 10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中 此清除氣體是由以下所構成之組選出：氬(Ar)、氦(He)、氮（N2)、 23 1263257 以及氮（¾)。 11.如申請專利範圍第6項之方法，其中 此反應氣體包括氫(¾)元素。 12·—種沉積循環脈衝式雙位準電漿原子層之方法，其在反應室中基板 表面上沉積薄膜，包括以下步驟： 將來源氣體供應至反應室，而吸附在裝載於反應室中基板之表面上； 將第一電漿供應至反應室； 停止供應來源氣體’將沒有由所供應之清除氣體吸附之反應室中所 • 殘留來源氣體清除，且持續供應清除氣體； 使此包括氮(N)兀素之反應氣體通過反應氣體活化單元，且將此反應 氣體供應至反應室； 在持續供應此活化反應氣體至反應室後，將能量強度高於第一電聚 但低於1200W之第二電聚供應至反應室，以致於將在反應室中 之壓力穩定； 停止供應反應氣體與第二電衆，且以持續供應之清除氣體將在反應 室中殘留之反應氣體清除； 停止供應清除氣體；以及 重複以上步驟一直至形成所想要厚度之氮化物薄膜為止。 13 ·如申凊專利範圍第12項之方法，其中 將將在反應室中殘留之來源氣體與反應氣體清 除後，停止供應此清除氣體。 14·如申凊專利範圍苐12項之方法，其中 ，應 =此反應室第-«之能量強度不超過：第二綠之能量強度 之丄/」。 15·如申請專利範圍第12項之方法，其中 24 1263257 並不以清除氣體將反應室中殘留之來源氣體清除，而是在隨後步驟 中以所直接供應之反應氣體，將在反應室中殘留之來源氣體直接清 除，以及同時將反應氣體供應之反應室。 16·如申請專利範圍第12項之方法，其中 此反應氣體是由包括氮(A)氣與氫(¾)氣之氣體混合物所形成。 17.如申請專利範圍第12項之方法，其中 此來源氣體是過渡金屬例如：鈦(Ti)、钽(Ta)、或鎢之混合物， 而反應氣體包括由以下所構成組所選出之一：氮(N2)、氨(順3)、或 聯氨omo氣體，以致於所沉積膜包括過渡金屬之氮化物。 N 18·如申請專利範圍第12項之方法，其中 此清除氣體是由以下所構成之組所選出：氬(Ar)、氦(He)、氮(n2)、 或氫(¾)。 19. 一種沉積循環脈衝式雙位準電漿原子層之方法，其在反應室中基板 表面上沉積薄膜，包括以下步驟： 將，源氣體供應至反應室，而吸附在裝載於反應室中基板之表面上； 將第一電漿供應至反應室； 仔止供應來源氣體，將沒有由所供應之清除氣體吸附之反應室中所 殘留來源氣體清除，且持續供應清除氣體； 使此包括氧(〇)元素之反應氣體通過反應氣體活化單元 ，且將此反應 氣體供應至反應室； 在持續供應此活化反應氣體至反應室後，將能量強度高於第一電聚 仁低於1200W之第二電漿供應至反應室，以致於將在反應室中 之壓力穩定； ^止供應反應氣體與第二電漿，且輯續供應之清除氣體將在反應 室中殘留之反應氣體清除； 停止供應清除氣體；以及 1263257 物薄骐為止 重複以上轉―直至軸聰要厚度之氧化 2〇·如申凊專利範圍第19項之方法，其中 在猎由供應清除氣體將將在反應室中殘留之 除後，停止供應此清除氣體。 “、乂 〃反應氣體〉月 21.如申凊專利範圍第ig項之方法，其中 第二電漿之能量強度 供應給此反應室第一電漿之能量強度不超過 之 1/2。

22·如申請專利範圍第19項之方法，其中 2不以清除氣體將反應室巾殘留之來職體清除，而是在隨後步驟 中以所直接供應之反應氣體，將在反應室中殘留之來源氣體清除。 23.如申請專利範圍第19項之方法，其中 此反應氣體是由包括氧⑽氣與氫(H〇氣之氣體混合物所形成 24·如申睛專利範圍第19項之方法，其中 此清除氣體是由以下所構成之組所選出：氬(Ar)、氦(He)、氮（n2)、 或氫(¾)。 25·—種沉積循環脈衝式雙位準電漿原子層之方法，其在反應室中基板 表面上沉積薄膜，包括以下步驟： 將來源氣體供應至反應室，而吸附在裝載於反應室中基板之表面上； 供應電漿給反應室； 將第一電漿供應至反應室； 停止供應來源氣體，將沒有由所供應之清除氣體吸附之反應室中所 殘留來源氣體清除，且持續供應清除氣體； 使此包括氫(H)元素之反應氣體通過反應氣體活化單元，且將此反應 氣體供應至反應室； 26 1263257 在持續供應此活化反應氣體至反應室後，將能量強度高於第一電漿 但低於1200W之第二電漿供應至反應室，以致於將在反應室中 之壓力穩定； tr止供應反應氣體與第二電漿，且以持續供應之清除氣體將在反應 室中殘留之反應氣體清除； 停止供應清除氣體；以及 重複以上步驟一直至形成所想要厚度之金屬薄膜為止。 26. 如申請專利範圍第25項之方法，其中 在藉由供應清除氣體將將在反應室中殘留之來源氣體與反應氣體清 除後，停止供應此清除氣體。 N 27. 如申請專利範圍第25項之方法，其中 供應給此反應室第-電漿之能量強度不超過··第二電聚之能量強度 之 1/2 〇 28·如申請專利範圍第25項之方法，其中 f不以β除氣體將反應室中殘留之來源氣體清除，而是在隨後步驟 以所直接供應之反應氣體，將在反應室中殘留之來源氣體清除。 # 29.如申請專利範圍第25項之方法，其中 =除氣體是由以下所構成之組所選出：氬㈤、氨㈤ 、氮⑽、 或 1L(H2)。 3。· 積循環輯式雙位準絲原子層之方法，其在反應室中基板 表面上>儿積薄膜，包括以下步驟： 應至反應室’而吸附在裝載於反應室中基板之表面上; 除了體供應至反應室外之_外，在隨後製程循環中反覆 二應L體前’將第—電聚_供應至反應室； T i'應麵氣體，將沒有由所供應之清除氣體輯之反應室中所 27 1263257 殘留來源氣體清除，且持續供應清除氣體； 使此反應氣體通過反應氣體活化單元，且將此反應氣體供應至反應 室； 在持續供應此活化反應氣體至反應室後，將能量強度高於第一電漿 但低於1200W之第二電漿供應至反應室，以致於將在反應室中 之壓力穩定； #止供應反應氣體鮮二電漿，且赠續供狀清除氣體將在反應 室中殘留之反應氣體清除； 停止供應清除氣體；以及 藉由重複N次此由以上製程操作所構成之基本製程循環一直至形成 φ 所想要厚度之薄膜為止，其中N=1。 、 31·如申請專利範圍第3〇項之方法，其中 ，應，此反應室第_魏之能量強度不超過：第二電紅能量強度 之 1/2 〇 32·如申請專利範圍第3〇項之方法，其中 清來源氣體清除，而是在隨後步驟中以所供應之反 4體，將在反應室钱留之來職體直接清除。 33.如申請專利範圍第30項之方法，其中 體疋金屬混合物，以及此反應氣體是由包括氫⑹之氣體 34.如申請專利範圍第3〇項之方法，其中 氬(Ar)、氦(He)、氮(n2)、 此清除氣體是由以下所構成之組所選出: 以及氯（fL·)。 28