TWI364785B - System and method for depositing a gaseous mixture onto a substrate surface using a showerhead apparatus - Google Patents

Description

1364785 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明得關於—種使用蓮蓬頭設備將氣體混合物 於基板表面上的系統和方法。 【先前技術】 半導體晶圓處理系統一般包含一個處理室，此處理室 具有-臺#，用以將半導體晶圓支撐於—個處理區附近： 處理室内。處理室形成真空封閉結構，可局部地界定出此 處理區域。氣體分配組件或蓮蓬頭可提供—種或多種氣體 至此處理區域。然後，這些氣體被加熱及/或提供能量而形 成電漿，此電漿可對晶圓執行一些處理。這些處理可包^ 化學蒸氣沉積（CVD)以便在晶圓上沉澱一層薄膜，或者進 行飯刻反應以便從晶圓上移除材料。

在需要多種氣體的處理中，一般將這些氣體混合於— 混合室内，此混合室接著藉由一根導管而連接至蓮蓬頭。 例如，在使用四氣化鈦（TiCl4)及氨（NH3)作為處理氣體的氡 化鈦沉積中，將這兩種處理氣體供應至混合室，且連同氧 與氫等各別的載流氣體（carrier gas)，在混合室中它們被社 合而形成一氣體混合物。然後，此氣體混合物透過—根導 管而連接至一分配板’其中此分配板含有多數個孔洞，敎 使’氣體混合物可以均勻地分配到處理區域。當氣體混A 物進入處理區域且充滿能量時，則在四氣化鈦與氨之間便 產生化學反應，致使’四氣化鈦會與氨產生化學作用（亦即， 四氣化鈦被氨還原而產生氮化鈦），此氮化鈦在化學蒸氣沉 6 1364785 澱反應中沉積於晶圓上。 其他兩氣體式的化學蒸氣沉積反應包括： tetradiethylaminotitanium(TDEAT)與氨結合的熱分解以產 生鼠化鈦、tetradimethylaminotitanium (TDMAT)結合氨咬 氮氣/氫氣混合物的熱分解以產生氮化鈦、或者使用氫氣（h2) 還原/、氣化鶴（WF6)以產生鷄。在任何·一種情形中以及需要 兩種以上氣體以處理晶圓的情形中，這些多種氣體均需要 被均勻地供應至處理區域。 雖然在將氣體釋放至處理區域之前先將這些氣體混 合’一般來說能有利地確保這些氣體被均勻地分配到處理 區域内，但是，這些氣體會傾向在此混合室内開始產生還 原或其他反應。因此’在氣體混合物到達處理區域之前， 混合室、導管及/或其他容室零件等會產生沉積或蝕刻。此 外’產物所引起的反應可能會在容室氣體輸送零件内產生 累積。在一些情形下，最好將氣體分配至處理區域内，致 使’這些氣體不會均勻地散佈在氣體混合物内。 因此，對於此項技術來說，的確需要一種蓮蓮頭，可 長:供至少兩種氣體至處理區域内，而不會在抵達此處理區 域之前使這些氣體產生混合，而且，能夠控制在處理區域 中產生父互作用的氣體之摩耳數比（m〇lar ratio)及分佈程 度。 【發明内容】 根據本發明’提供與基板處理裝備等有關的技術。更 特別地是關於一種使用CVD蓮蓮頭將氣體混合物沉積於 7 1364785 基板表面上之系統與方法。僅藉由範例的方式，本發明的 系統’、方法被用以控制欲沉積於基板表面上的氣體混合物 之摩耳數比及分佈程度。本系統及方法可被運用至其他用 於半導體基板的處理上，例如，形成㈣電路時所使用之 處理。 本發明的實施例提供一種使用蓮蓮頭將氣體混合物沉 積於基板表面上的系統。每個不同的實施例均包含：一個 ，定出處理室的外殼、—個放置在處理室内的基板固持 斋、-第-氣體源、及一第二氣體源。此系統亦包括一個 放置在基板固持器上的CVD蓮蓮頭，此蓮蓮頭包含一第 一充氣室（pienum)，係與第一氣體源流體相通。第一充氣 室具有多個與處理室的内部流體相通之通道。匚^〇蓮蓮頭 亦包含-第二充氣室，係與第二氣體源流體相通。此cvd 蓮蓬頭另外包含多個管# ’這些管件係從第二充氣室延伸 通過這些通道且進入處理室的㈣。管#的直徑小於通道 的直徑’吏，第：氣體可通過這些管件而流入處理室的 内部，且第-氣體透過管件的外表面與通道的表面之間所 界定的空間’而流入處理室的内部。 ，在一實施例中K申至處S室内冑的管件長度可決定 第一氣體與第二氣體在沉積於基底固持器上所放置的基板 表面上之氣體混合物中的分佈程度。 在另一實施例中，延伸至處理室内部的管件直徑可決 定第一氣體與第二氣體在沉積於基底固持器上所放置的基 板表面上之氣體混合物中的摩耳數比。

S 1364785 本發明的另一實施例，提供一種使用CVD蓮蓬頭將氣 體混合物沉積於基板表面上的方法。此蓮蓬頭被定位在一 處理室的内部。第一氣體是從蓮蓬頭中的第一氣體充氣室 通過在蓮蓬頭的外殼中所界定之通道而配送至處理室的内 部，致使，第一充氣室是與處理室的内部流體相通。第二 氣體是從蓮蓬頭的第二氣體充氣室透過管件而與處理室的 内部流體相通，這些管件從第二氣體充氣室延伸而通過這 些通道。管件的直徑小於通道的直徑，致使，第一氣體可 透過管件外表面與第一通道的表面之間所界定的空間，而 流入處理室的内部。藉由將第一氣體與第二氣體在處理室 的内部混合，而形成此氣體混合物。然後，將此氣體混合 物’儿積於基板表面上。 在一實施例中，延伸至處理室内部的管件長度可決定 第一氣體與第二氣體在氣體混合物中的分佈程度。 ――在另一實施例中，延伸至處理室内部的管件直徑可決 疋第一氣體與第二氣體在氣體混合物中的摩耳數比。 從以下參考附圖及實施方式的說明中’可以更加清楚 地了解本發明的特性與優點。在謝，類似的元件符號 係用以標示類似的零件。 【實施方式】 提供與基板處理裝備等有關的技術。更

本發明的系統與方法被用以控制欲 根據本發明，提供與 特別地，本發明是關於一 。僅藉由範例的方式， 沉積於基板表面上的氣 9 1364785 劑充氣室205含有冷卻劑時，管件225被塞住以防止冷卻 劑進入處理室。在另-實施例中，第一冷卻劑充氣室2〇5 被一個欲在基板沉積處理中使用的氣體所填滿。此氣體是 藉由連接至氣體輸送系統的供應線路所提供。當第一冷卻 劑充氣室205含有氣體時，管件225並未被塞住可允許 氣體流入此處理室。第一冷卻劑充氣室2〇5接近此處理室， 能夠使第一冷卻劑充氣室205中的氣體被維持成接近處理 室溫度之一溫度。通道235係形成於蓮蓬頭2〇〇的一外殼 籲内，致使，第一氣體充氣室210係流體式連接至處理室。 在一實施例中，通道235具有一個固定的直徑。在另一實 施例中，通道235具有一個變化的直徑，致使，此通道表 面具有一個圓錐狀或沙漏的形狀。 第一氣體.充氣至21 〇係設置在第一冷卻劑充氣室2 0 5 的上方。設置於蓮蓬頭外殼内的通道235允許第一氣體充 氣室210中的氣體（例如：氣體1)流入此處理室。當第一 冷卻劑充氣室205含有冷卻劑時，來自第一氣體充氣室210 _ 的氣體受到冷卻，而同時進入此處理室。第二氣體充氣室 215係設置在第一氣體充氣室210的上方。管件240從第 二氣體充氣室215通過外殼内的通道235，而延伸進入此 處理室内’以允許第二氣體充氣室215内中的氣體（例如氣 體2)流入處理室。管件240的直徑小於通道235的直徑， 以允許第一氣體充氣室210中的氣體，經由管件240的外 表面與外殼中的通道235内表面之間所界定的開口 245而 流入此處理室。 14 1364785 第二冷卻劑充氣室220係選擇性地設置於第二氣體充 氣室215上方。在—實施例中，第二冷卻劑充氣室220含 有冷卻劑，以便控制第二氣體充氣室215中的氣體之溫度。 在另一實施例中，假如在第二氣體充氣室中的氣體並不需 要皿度控制的話，第二冷卻劑充氣室220可以包含一個欲 沉積於此處理室的氣體。第二冷卻劑充氣室220中的氣體， 可以透過第二氣體充氣室215中的管件（未顯示）’而配送 至處理室内。 圖3是範例性蓮蓬頭300的簡化圖，以平面圖顯示此 蓮蓬頭表面的基本結構。此蓮蓬頭300包括多個孔洞3 1 〇 及多個透過蓮蓬頭300的外殼所界定的通道320。在一實 施例中，這些孔洞31〇比通道32〇更小。管件330從蓮蓬 頭3 00的第一冷卻劑充氣室延伸而通過這些孔洞31〇。管 件330的外表面緊貼著孔洞3丨〇表面。在一實施例中，第 一冷卻劑充氣室被冷卻劑所填滿，且管件330被塞住，使 得沒有任何冷卻劑可以流入處理室。在另一實施例中，管 件.3 30並未被塞住’致使，第一冷卻劑充氣室所含的氣體（例 如氣體3) ’可以流入此處理室内。管件34〇可以從第二氣 體充氣室延伸通過通道320,致使’來自第二氣體充氣室 的氣體（例如：氣體2)可經由管件340而流入處理室内。 管件340並未緊貼著通道3 2〇的表面，致使，來自第一貪 體充氣室的氣體（例如：氣體〇，可以在流入管件34〇 通道320之間的空間中流入處理室内。因此，通道32〇 官件340 —起形成一個氣體的同心流動，從蓮蓬、 15 1364785 與第二氣體充氣室流入到處理室内。 在一實施例中，第一冷卻劑充氣室及第二冷卻劑充氣 室各包含一個欲沉積在基板表面上的先驅物氣體（precursor gas) °在具有高揮發性化學物質之情形中，最好延遲這些 先驅物氣體的混合，直到這些氣體接近基板表面為止。這 一點可藉由在第一氣體充氣室中提供惰性氣體而達成。惰 性氣體流經通道32〇，且遮蔽流經管件34〇的先驅物氣體1 因此，先驅物氣體的混合受到耽延，直到經過基板表面附 • 近的蓮蓬頭之一小段距離為止。延遲混合可以防止形成加 合物（adduct)，這些加合物係沉澱於蓮蓬頭表面上，而導致 顆粒且改變蓮蓬頭表面的發射率。 圖4a與4b顯示一範例性蓮蓬頭的簡化圖，係以放大 切開圖的形式顯示此蓮蓮頭的基本結構。參考圖4a，第二 充氣室氣體400透過管件410而進入此容室4〇5。第一充 氣室氣體415透過管件410外表面及蓮蓮頭外殼中所界定 的通道425表面之間的一個開口 42〇，而進入此容室4〇5。 _這些氣體彼此隔開地進入此容室405内，而在容室4〇5中 開始混合在一起。然後，此氣體混合物會沉積在基板435 的表面上。在一實施例中，第一冷卻劑充氣室43〇包含一 冷卻劑440，此冷卻劑440係用以控制第一氣體充氣室415 的溫度。 當第二充氣室氣體400在管件41〇尾端抵達容室4〇5 時，則第一充氣室氣體415與第二充氣室氣體4〇〇開始混 合。因此，管件410延伸至此容室4〇5内的長度，可決定 16 1364785 在氣體混合物沉積於基板435的表面之前，此氣體混八物 中第一充氣室氣體415與第二充氣室氣體4〇〇之分佈程 度。如圖4a所示，管件410的長度對齊開口 42〇，而第一 充氣室氣體41 5係通過此開口而被配送至容室4〇5内。、言 樣的配置方式可允許第一充氣室氣體415與第-古# 穴示一充軋室氣 體400徹底地混合，致使，第一充氣室氣體415與第二充 氣室氣體400在氣體混合物沉積於基板435的表面上之 前，可以大致上均勻分佈。可以根據容室405中欲混人的 • 氣體之想要的摩耳數比，而選擇管件410的直徑。例如， 具有大直徑的管件（亦即，稍微小於通道425的直徑），可 允許比第一充氣室氣體415的量更多的第二充氣室氣體4〇〇 進入此容室。同樣地，具有較小的直徑之管件（亦即，顯著 小於通道425的直徑），可允許比第一充氣室氣體415的量 更少的第二充氣室氣體400進入此容室。在—實施例中， 管件410的直徑被選定用以允許大致上等量的第一充氣室 氣體415及弟一充氣室氣體400能夠被配送到此容室‘os ❿内。 參考圖4b’管件410延伸至容室405内的長度，可以 根據在氣體混合物沉積於基板435的表面上之前，氣體混 合物中第一充氣室氣體415與第二充氣室氣體4〇〇的想要 分佈程度’而相對於基板435的表面產生變化。如圖朴 所示，管件410的長度被延伸的更加接近基板435的表面， 如此一來’第二充氣室氣體400可沉積於基板435的表面 上，且與第一充氣室氣體415產生較小的反應。熟知此項 17 六二者可以了解到.選擇管彳⑽的長度與直徑可決定在 + 的氣體之摩耳數比’以及在沉積於基板 表，面上之刖氣體混合物的均勻程度。 —圖5的〃IL程圖可顯示本發明實施例的概觀，此圖 形簡述-個利用蓮蓬頭將氣體混合物沉積於基板表面上的 一六—此基板被封閉於一外殼内，此外殼在基板周圍形成 一谷室m頭被定位於成接近基板表面，致使，從蓮蓬 頭所配送出來且在容室中混合的氣體可以沉積於此基板的 〇在蓮蓬頭的第一氣體充氣室中所含的第一氣體，係在 操作500肖被配送至此容室内。第一氣體係通過蓮蓬頭的 外殼中所界定的通道而被配送至此容室中。在一實施例 中可以在接近第一氣體充氣室及容室的蓮蓬頭之一個充 氣室内含有冷卻劑，如此一 | ’第一氣體的溫度則可藉由 此冷卻劑加以控制。因&，當第一氣體被配送至此容室内 時，可以控制第一氣體的溫度。 蓮蓬頭的第二氣體充氣室中所含的第二氣體，係在操 作510時被配送至此容室内。第二氣體可以在第一氣體被 配送至容室内的同時被配送至容室内。第二氣體是透過延 伸通過外殼内所界定的通道之管件，而被配送至此容室 内。這些管件並未緊貼著通道的表面，如此一來，第一氣 體可以通過管件外表面與通道表面所界定的一空間。因 此，管件的直徑相對於通道的直徑，可決定進入容室的第 /氣體與第二氣體之摩耳數比。管件的可選擇性直徑能允 18 1364785 許當氣體· 混合物沉積於基板表面上時控制這些氣體的摩耳 數比。在一實施例中，在接近第二氣體充氣室的蓮 一個充氣室中可含有冷卻劑，如此一來，第二氣體 蓬頭之 的溫度 則可藉由此冷卻劑而控制。因此，第二氣體的溫度可以藉 由冷卻劑，而在第二氣體充氣室中受到控制。 曰 在操作520時’第一氣體與第二氣體在此容室中混合。

第一氣體與第二氣體彼此隔離地進入此容室，且直到第二 氣體離開此管件為止才開始混合。管件相對於基板表面而 延伸至此容室内的長度，可決定在氣體混合物沉積於基板 之剛第一氣體與第二氣體在此氣體混合物中的分佈程度。 例如，在氣體混合物沉積於氣體混合物之前，假如管件的 長度並未超過蓮蓬頭外殼的話，則第一氣體與第二氣體將 會充分地混合（亦即，實質上為一均勻分佈的氣體混合物）。 相反地，假如管件的長度延伸超過蓮蓬頭外殼，致使管件

的開口接近基板表面的話，則在氣體沉積於基板表面上之 刚第氣體與第二氣體將無法充分地混合。管件的可選 擇性長度，可允許當氣體混合物沉積於基板表面上時控制 氣體的分佈程度。然後，在操作530時，第一氣體與第二 氣體的混合物則沉積於基板表面上。 此圖形所顯不的個別步驟，可以包括多個子步驟這 些子步驟可以不同的順序執行。而且，也可以設置其他的 替代方案，例如增加一些步驟、移除一個或多個步驟、或 者以不同的順序提供一個或多個步驟，這些均未違背以下 申請專利範圍所界定的範圍。熟知此項技術者可輕易地了 19 1364785

135 基板 140 基板支撐結構 145 加熱器 150 箭頭 155 環狀泵抽通道 160 箭頭 165 排放管線 170 節流閥系統 200 蓮蓬頭 205 第一冷卻劑充氣室 210 第一氣體充氣室 215 第二氣體充氣室 220 第二冷卻劑充氣室 225 管件 235 通道 240 管件 245 開口 300 蓮蓬頭 310 孔洞 320 通道 330 管件 340 管件 400 第二充氣室氣體 405 容室 21 1364785 410 管件 415 第一 充氣室氣體 420 開口 425 通道 430 第一 冷卻劑充氣室 435 基板 440 冷卻劑

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Claims (1)

1364785 第；夂/V號專利案崎；？月修正厂·- 十、申請專利範圍： ~年7肋時正替換頁 1. 一種用於將氣體混合物沉積於基板表面上之系統，包 含： 一個界定出處理室的外殼； —個放置在該處理室内的基板固持器； 第一氣體源； 第二氣體源； 第一冷卻劑源； 第二冷卻劑源；以及 # —個放置在該基板固持器上的CVD蓮蓬頭，該CVD 蓮蓬頭包含： 第一充氣室，係與該第一氣體源流體相通且具有多 個與該處理室的内部流體相通之通道； 一第二充氣室，係與該第二氣體源流體相通； 一第二充氣室，係與該第一冷卻劑源流體相通且被放 置在第一充氣室之下且該處理室的内部之上，其中，該第 冷卻劑控制該第一充氣室内的第一氣體之溫度； _ 第四充氣室，係與該第二冷卻劑源流體相通且被放 置於該第二充氣室之上，其中，該第二冷卻劑控制該第二 充氣室内的第二氣體之溫度；以及 多個管件，係從該第二充氣室延伸通過該等通道且進 入該處理室的内部，其中，該等管件的直徑小於該等通道 的直徑，致使，第二氣體可通過該等管件而流入該處理室 的内部，且第一氣體透過該等管件的外表面與該等通道的 23 1364785 表面之間所界定的一空間，而流入該處理室的内部； 其中，當第一氣體進入該處理室内部時，該第一冷卻 劑控制該第一氣體之溫度。 2.如申請專利範圍第1項之系統，其中，延伸至該處理 室内部的管件直徑可決定第一氣體與第二氣體在沉積於基 板固持器上所放置的基板表面上之氣體混合物中的摩耳數 比0 3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該等通道具有 可改變的直徑。 4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，含有第一氣體 與第二氣體的該氣體混合物直到第二氣體離開管件且進入 該處理室的内部之後才開始成形。 5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中，該第一氣體與 第二氣體係彼此隔開地進入該處理室的内部。

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號專利案κ年I i月修正 ^年/夂月〆曰修正替換買

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1364785 /«>〇年^月/如修正替換頁 第號專利案卜°年/仴修正 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 100 化學蒸氣沉積系統 105 處理室 110 氣體輸送系統 115 真空系統 120 封閉組件 125 氣體反應區 130 蓮蓬頭 135 基板 140 基板支撐結構 145 加熱器 150 箭頭 155 環狀泵抽通道 160 箭頭 165 排放管線 170 節流閥系統 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： (無） 5