TWI300958B - An apparatus for depositing thin film on a wafer - Google Patents

Description

1300958 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一獐沈積薄膜於晶圓上的裝置，特別是 關於種薄膜沈積裝置，其能夠預熱用於傳送或清洩化學 原料之惰性氣體。 【先前技術】 用於沈積薄膜於晶圓上之裝置一般包含一反應器和一 用以供應化學原料至該反應器之氣體容匿（gas b〇x)。 反應器大致上分為兩種型式：一種是等溫式反應器， 其内部之溫度和晶圓上之溫度相$;另一種是非等溫式反 應器，其内部之溫度和晶圓上之溫度不同。一般而言，批 -人沈積设備（例如熔爐式批次LPCVD設備）係一種等溫式反 應器，而單晶i沈積設備（例如單晶圓ALD或CVD設備）則 是一種非等溫式反應器。

不論是等溫式或非等溫式反應器，其化學原料均會先 被加熱以增加蒸氣壓，但是用來傳送或㈣該化學原料之 惰性軋體則未被加熱。因此，一旦該惰性氣體被注入該反 應器，該反應器或晶圓之溫度會於升高和降低之間波動。 第一圖係用於傳統式薄膜沈積裝置之一非等溫式反應 器10。第二圖以圖形顯示相對於進入第一圖之非等溫式反 應器之惰性氣體流量之溫度變化。 非等溫式反應器10係一種原子層沈積（atomic layer deposition，ALD)反應器。如第一圖和第二圖所示，當 一化學原料經由一來源輸送線S1和_噴灑頭14流入反應 5 1300958 器1 0之處理室11，且當一清洩氣體經由一來源輸送線S2 和一喷灑頭14流入反應器10之處理室u之時，位於基 座（susceptor) 12上之一晶圓W溫度隨之變化。 換言之，多數沈積製程均於3001；或更高之高溫執行。 畲處於室溫之清洩氣體注入反應器1 〇之時，反應器1〇的 内部溫度和晶圓W的表面溫度將快速降低，其結果是反應 器10和晶圓W之溫度會經歷一於下降和上升間之波動（參 見第二圖之ΔΤ〗）。因此，該化學原料並未被清洩而是局部 地固化或凝結，導致產生非預期之微粒或不均勻之薄膜。 田使用具有低蒸氣遷之有機金屬化合物時，此等固化或凝 結效應尤其嚴重。 利用清洩氣體之清洩程序需要一段長時間，從數秒到 數十秒* #。化學原、料之固化和凝結延長_過程之時 間’結果即是延長了沈積過程之時間。 ^肇因於反應器和晶圓溫度快速變化之化學原料之固化 和結作用不僅發生於C V D ^ Λ 35' TV* 丨里知王〜υνυ夂應态亦發生於等溫式反應 器。 L努、明内容】 本發明提出一種薄膜沈積裝置，其將用於傳送或清 化Τ原料之惰性氣體所造成之反應器内部溫度快速變化 到最小，以避免化學原料之固化和 ^ 0* pe ^ ^ 域m，冋時因為避免 戈寸間之增加，亦免於沈積效率之下降。 人—依據本發明之一特色，提出—種薄膜沈積裝置，其 3 -反應器以及一供應反應氣體至該反應器之氣體容直 6 1300958 個對用於像送或清洩化學原料之惰性氣體加熱之惰性氣 肢加熱單元裂設於該反應器及/或該氣體容匣之一惰性氣 體輸送線之上。 、，&丨生氣體加熱單元包含：一加熱器以加熱惰性氣體輸 运線’一溫度感測器以偵測該惰性氣體輸送線之溫度，以 ^防止過熱單元以在前述之溫度感測器發出一過熱信號 ^ =低4述之加熱器所發出之熱量。惰性氣體輸送線呈迷 #呂仏31或疋具有栓形結構（Pins)以增加惰性氣體輸送線内 部之表.面積。 一主氣版加熱單兀包含用於加熱一清洩惰性氣體之第 性氣體加熱單元和加熱用於傳送化學原料之惰性氣體 丨“生虱體加熱單兀。第—惰性氣體加熱單元用於加 :咖情性氣體所散發之熱量係控制於使得其溫度大於 或寺於對用於傳送化學原料 < h性亂體加熱後之溫度。 惰性氣體加熱單元發出 綠^⑶ ®之熱1使得流經惰性氣體輸送

h性氣體加熱至4 G到3 5 0 。 此種反應器包含··一處理 a π 至，其中裝設一用於承載一 日日圓於其上之基座；一噴灑 —广 、員破設於處理室内部之上方 以贺灑氣體至前述之基座。惰 ^ ^ & 11氧體加熱單元裝設於處理 至之上以加熱流經連接至前 之惰性氣體輸送線之 另一種反應器包含：一處 複數個晶圓於其上之晶圓支承 體於晶圓之上。惰性氣體加熱 理室，其中裝設一用於承載 ;以及一注入器，其喷灑氣 單元裝設於處理室之預定部 7 1300958 入器之惰性氣體輸送線之惰性氣 位以加熱流經連接至注 體。 【實施方式】 本發明之特徵和優點藉由以下例舉之實施例配合所附 圖式坪細說明將變得更為清楚。以下將配合顯示本發明實 施狀圖式詳細說明依據本發明之薄膜沈積裝置〆

第三圖係依據本發明一實施例之薄膜沈積裝置之示意 圖’該裝置使用一惰性氣體加熱單元3〇〇。如第三圖所示： 此薄膜沈積裝置大致分為—反應、器、_和供應—反應氣體 予反應盗100之一氣體容厘200。反應器1〇〇和氣體容民 200經由用於傳送一化學原料之複數個來源輸送線S1和用 於運送-惰性氣體以清㈣化學原料之惰性氣體輸送線S2 彼此連結。依據本發明，惰性氣體加熱單元300係裝設於 反應器100及/或氣體容匣200之惰性氣體輸送線S2之上，

以加熱用於傳送或清洩該化學原料之惰性氣體。本實施例 中，惰性氣體加熱單元300裝設於反應器1〇〇和氣體容匣 0 0内加熱流過惰性氣體輸送線S 2内之惰性氣體之惰性 氣體加熱單元300可以實施為各種不同之形式。 第四圖圖示惰性氣體加熱單元3 0 0之一實施例。第五 A圖和第五β圖分別為惰性氣體加熱單元3〇〇另一實施例 之前視圓和側剖面圖。 如第四圖所示，惰性氣體加熱單元300可被實作為將 惰性氣體輸送線S2纏繞於一加熱器之結構。 如第五Α圖和第五Β圖所示，惰性氣體加熱單元3 〇 〇 8 13〇〇958 可被實施為其内之惰性氣體通道係一迷宮M造型之惰性氣 豆加熱早元300 。換言之，惰性氣體加熱單元且有一 平面造型之惰性氣體輪送線S2，，迷宮Μ於其中形成。當 一加熱器310’如第五β圖所示裝設於平面造型之惰性氣體 輪送線S2'之内時’其中之惰性氣體可被有效地加熱。 惰性氣體加熱單元300(300，）有機地連接至用以偵測惰 性氣體輸送線S2(S2，）溫度之一溫度感測器（未顯示於圖中） 和當該溫度感測器發出一過熱信號則降低加熱器31〇(31〇,) 發散熱量之防止過熱單元。其使得惰性氣體輸送線s2(s2,) 可、准持於一適當之溫度。由於溫度感測器和防止過熱單元 係習知技術，其細節將不於此處贅述。 昂穴主笫 / 、、、八Οώ，具内含有 形結構以增加惰性氣體輸送線接觸惰性氣體之面積。 、如第六圖所示，一圓柱形惰性氣體輸送線“之内部可 以含有從兩側水平交錯伸出之栓形結構ρι。如第七固 示，圓柱形惰性氣體輸送線S2U部可以含有栓形、= ’其自惰性氣體輪送線S2之中心放射狀向外延伸至复 第八圖所示，一長方形區境狀惰性氣體輪 ^線82’其内部可以含有從兩側水平交錯伸出 P3。栓形結構P1、p 〜π構 攻 矛Ρ3“加了惰性氣體輸送線以和 …之惰性氣體接觸之面積，造成對該惰性氣體 加熱更有效率。 ( 1300958 惰性氣體之第二惰性氣體加熱單元所組成。此例中，第一 惰性氣體加熱單元用於加熱該清洩惰性氣體所發出之熱量 應控制於使得其溫度大於或等於用於傳送化學原料之惰性 氣體加熱後之溫度。 惰性氣體加熱單元3 0 0發出之熱量應使得流經惰性氣 體輸送線S2之惰性氣體加熱至4〇到350°C。 反應器100可以是一等溫式反應器，其内部溫度和晶 圓上之溫度相同，或者，反應器1〇〇可以是一非等溫式反 應斋，其内部溫度和晶圓上之温度不同。 第九圖圖示一非等溫式反應器，其使用了用於第三圖 V專膜沈積裝置之惰性氣體加熱單元3 〇 〇。第十圖以圖形顯 不相對於進入第九圖之非等溫式反應器之惰性氣體流量之 溫度變化。 當反應器100(如第九圖所示）為一使用ALD或CVD方 法之非等溫式反應器時，此非等溫式反應器包含：一處理 室no,其中含有用於承載一晶圓w於其上之一基座12〇, 和喷灑頭13 〇，其裝設於處理室11 〇内部之上方以喷灑 氣體至前述之基座120。惰性氣體加熱單元3〇〇裝設於處 理至11 0之上以加熱連接至喷灑頭丨3 〇之一惰性氣體輸送 線S2 〇 田使用ALD方法時，沈積發生於一諸如3 〇〇或3 〇 〇 〇c 以上之高溫。一清洩氣體於被導引入反應器1〇〇之前，先 經由惰性氣體加熱單元300將其從室溫加熱至一預定之溫 度，因此，相較於未使用加熱單元之傳統技術，被導引入 1300958 反應器100之加熱清洩氣體之溫度和晶圓W之溫度差異較 小（茶見第十圖）。因此，化學原料之局部固化或凝結作用 可被減到最小’而獲致一均勻之清洩。同時，非預期之微 粒產生減少，導致一均勻之反應和一均勻薄膜之形成。此 等效應於使用具有低蒸氣壓之有機金屬化合物做為化學原 料之情況變得更顯著。 第十一圖圖示一等溫式反應器，其使用了用於第三圖 •薄膜沈積裝置之惰性氣體加熱單元300。當反應器1〇〇係 如第十一圖所示之等溫式反應器時，該等溫式反應器1〇〇 包a · —處理室15〇，其中含有一承載複數個晶圓w於其 上之晶圓支承16〇，和一注入器17〇，用以喷灑氣體至晶 圓W上。惰性氣體加熱單元3〇〇裝設於處理室15〇上之預 定部位以加熱連接至注入器17〇之一惰性氣體輸送線S2。 第十二圖圖示一第三圖之氣體容匣2〇〇之範例，其使 用惰性氣體加熱單元3 0 0。如第十二圖所示，該氣體容匿 包含：一容納化學原料之小型金屬容器（caniste：〇21()， 複數個連接至小型金屬容器21〇之氣體輸送線（來源輸送 線），和複數個氣閥。這些部件裝設於一容匣22〇之内。 惰性氣體加熱單元300裝設於容匣220之上。一惰性氣體 以加熱單元3 〇 〇加熱，而後傳送至小型金屬容器21 〇或經 由來源輸送線S2導引入反應器1 0〇。惰性氣體係氮（&)或 氬（Ar)。本實施例中，加熱單元3〇0加熱一加熱輸送線32〇 至1 20°C或更高之溫，，使得流過加熱輸送線32〇之惰性 氣體可以具有60°C或更高之溫度。該惰性氣體於氣體容匿 11 1300958 200内再次被加熱至80至150〇C。用來做為生 ^ ^ 〇 馬β ^軋體之惰 性虱體之溫度最好和沈積之溫度相同。但是，卩單晶圓沈 積設備而f，用來做為清&氣體之惰性氣體之

150°C效率較佳。 又杜穴A 第十三圖之圖解數據顯示.’當未使用情性氣體加轨單 凡時’其產生微粒之數目隨著沈積晶圓之數目增加而辦 加。第十四圖之圖解數據顯^當有使用惰性氣體加熱^ 兀時’其產生微粒之數目於沈積晶圓之數目增加時並未有 顯著之變化。 第十三圖和第十四圖中，代表微粒之數目。使用惰 性氣體加熱單元時（參見第十四圖）產生之微粒之數目遠比 未使用惰性氣體加熱單元時（參見第十三圖）要小。 如上所述，於一依據本發明之薄膜沈積裝置中，惰性 W加熱單π 300裝設於反應器m及/或氣體容£ 2〇〇 中以加熱諸如氮氣或氬氣之惰性氣體至一高溫。藉此達成 更具效率之沈積。 己八疋¥ t月性氣體作為一承載氣體（carrier gas)時， 低療氣>1之化學原料將具有足夠之蒸氣壓，因此微粒之產 生可減到最小’而諸如清洩效率提升之附帶效應則得以發 生此外’局部之固化或凝結作用得以避免，而使得微粒 產生之數目可以顯著降低。 由於惰性氣體加熱單元之使用，可獲得具有優越階梯 面覆ά率（step coverage)之薄膜。由於承載氣體（惰性氣 體）加熱至南溫，可改善化學原料之吸收並避免固化。因 12 1300958 此，達成有效率之清洩，且覆蓋保 以增進。 /特別疋在一 ALD方法中，當一化學原料注入反應器1 〇〇 之後用來只留下吸附至晶圓表面之化·學吸附分子層而移 t物理吸附分子層之清洩步驟是所有步驟中費時最長的。 T此’沈積-原子層所需之時間長度可因清洩之時間長度 鈿紐而降低。此導致單位沈積時間長度之降低 生產力之增進。 運成 依據本發明之加熱單元改進了使用ALD方法之薄膜特 =和生產力。同時，該加熱單元可應用於和ALD方法有相 同概念之所有製程以製成高品質之薄膜。 及广^斤述，依據本發明之薄膜沈積裝置藉由預熱引入 及/或氣體容E之惰性氣體（清洩氣體或承載氣 使侍由惰性氣體造成之反應器内部溫度驟然變化減 非此，可避免化學原料之固化或凝結，同時Μ 广“立產生。此外，經由避免清洩時間 積效率得以改善。 斯疏Γ然本發明特別藉由示範性實施例圖示和解說，習於 之變化 “解其據此可做各種不同形式和細節 和範嘴。，而並不脫離申請專利範圍所定義之本發明之精神 【圖式簡單說明】 器；第—㈣Μ傳統式f膜沈積裝置之料溫式反應 13 1300958 〇d第二圖以圖解表示相對於進入第一圖之非等溫式反應 器之惰性氣體流量之溫度變化； 时第三圖係依據本發明之—實施例，使用—惰性氣體加 熱單元之薄膜沈積裝置之示意圖； 第四圖例舉如第三圖所示之惰性氣體加熱單元之一實 施例； f五A圖和第五B圖分別為如第三圖所示之惰性氣體 加熱單元之另一實施例之正視圖和側面剖視圖； 第六到第八圖例舉内含检形結構以增加惰性氣體輸送 線和惰性氣體接觸面積之惰性氣體輸送線； 。。第九圖例舉使用-惰性氣體加熱單元之非等溫式反應 态，其使用於第二圖之薄膜沈積裝置； 第十圖以圖解表㈣目對於進人第九圖之料溫式反應 為之惰性氣體流量之溫度變化； π第十-圖例舉使用-惰性氣體加熱單元之等溫式反應 态，其使用於第三圖之薄膜沈積裝置； 〜第十二圖舉出使用-惰性氣體加熱單元之氣體容匡之 貫例，其使用於第三圖之薄膜沈積裝置； _ 士第十三圖之圖解數據顯示，當未使用惰性氣體加熱單 兀時’其產生微粒之數目隨著沈積晶圓之數目增加而增 加； 第十四圖之圖解數據顯示，當有使用惰性氣體加孰單 凡時’其產生微粒之數目於沈積晶圓之數目增加時並未有 顯著之變化。 14 1300958 【主要元件符號說明】 1 〇非等溫式反應器 11、 110、150 處理室 12、 120晶圓基座 14、130喷灑頭 100反應器 160晶圓支承 170注入器 200氣體容匣 21 0小型金屬容器 220容匣 300、30(Γ惰性氣體加熱單元 31 0、31 (Γ加熱器 320加熱輸送線 Μ迷宮結構 PI、Ρ2、Ρ3栓形結構 51、 S1'來源輸送線 52、 S2'惰性氣體輸送線 W 晶圓 15

Claims (1)

1300958 十、申請專利範圍： 1. 一種薄膜沈積裝置，其包含： 一反應器；以及 氣體今S，其^共應一反應氣體至該反應器， 其中針對用於傳送或清洩一化學原料之惰性氣體加 熱之惰性氣體加献置-UJ- …、早凡A设於該反應器及/或該氣體容匣 之一惰性氣體輸送線之上。 _ 2·如申清專利範圍帛1工員之薄膜沈積裝置，其中上述 之惰性氣體加熱單元包含： 一加熱器，其加熱上述之惰性氣體輸送線； 1度感測益，其偵測該惰性氣體輸送線之溫度；以 及 二一防止過熱單元，當該溫度感測器發出一過熱信號時， 忒防止過熱單元降低由該加熱器發散出之熱量。 主3·如申請專利範圍第2項之薄膜沈積裝置，其中上述 _ [生乳體輸送線具有一迷宮造型，以增加該惰性氣體輸 送線内部之表面積。 之太4·如申清專利範圍第2項之薄膜沈積裝置，其中上述 &性氣體輸送線具有栓形結構，以增加該惰性氣體 線内部之表面積。 5·如申請專利範圍帛i項之薄膜沈積裝置，其中上述 月随氧體加熱單元包含： -第-惰性氣體加熱單元，其加熱—清洩惰性氣體； 16 1300958 用於傳送上述化 一第二惰性氣體加熱單元，其加熱一 學原料之惰性氣體， 、其中該第一惰性氣體加熱單元發散出之熱量使得該清 洩惰性氣體被加熱後之溫度大於或等於該用於傳送化學^ 料之惰性氣體被加熱後之溫度。 '、 6·如申請專利範圍第1項之薄膜沈積裝置，其中上述 之惰性氣體加熱單元發散出之熱量使得流過上述惰性氣體 輸送線之惰性氣體被加熱至4〇到35(rc。 7·如申請專利範圍第1項之薄膜沈積裝置，其中上述 之反應器包含：一處理室，其中裝設有一承載一晶圓於其 上之基座，以及一喷灑頭，其裝設於該處理室内部之上方 以對該基座喷灑氣體；而 上述之惰性氣體加熱單元裝設於該處理室之上，以對 /氣過連接至該喷灑頭之一惰性氣體輸送線之一惰性氣體加 熱0

8·如申請專利範圍第j項之薄膜沈積裝置，其中上述 之反應器包含··一處理室，其中裝設有一承載複數個晶圓 於其上之B曰圓支承；以及一注入器，其喷灑氣體至晶圓上； 而 上述之惰性氣體加熱單元裝設於該處理室上之一預定 邛位以對流過連接至該注入器之一惰性氣體輸送線之一 惰性氣體加熱。 17