TWI380406B - Apparatus for atomic layer deposition - Google Patents

Description

1380406 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明-般有關用於沉積薄膜的裝置及方法，尤其有關 用於稱為「原子層沉積」之沉積方法的裝置及方法。 【先前技術】 當代技術的許多方面均需要在基板上沉積薄膜。例如， 積體電路技術需要沉積介電質、金屬及半導體薄膜。介電 質的範例包括用在場效電晶體之閘極中的氧化石夕及氮化石夕 及用在動態隨機存取記憶體（DRAM)之電容器中的氧化 鈕。導電材料的範例包括以電路元件之間形成電連接 的紹（A1)及銅（Cu) ’還有在如氧化碎及銅之間用作障壁層 的氮化欽（TiN)及氮化组（蘭這些沉積層可根據包括材 料、沉積條件、及其上沉積薄臈的基板等因素而為單晶、 多晶或非晶。 已發展出各種沉積技術。可考慮包括沉積的材料及底下 的材料或基板以決定選擇特定的技術。例如，物理氣相沉 積，如濺錢，長久以來用於沉積紹及其他材料。在此方法 中，粒子，例如’離子，會撞擊目標，及動量傳送會將材 枓移出目標’使材料可行進至基板。雖然適於許多應用及 材科，但此沉積技術如在尺寸變成約〇5微米或更小時變 得很難使用鶴。沉積足夠的保形塗層證實很困難，且小麼 接觸孔的填充變得幾乎不可能。當沉積材料在非平面基板 上的所有方向中生县_ $A ni --7- ^ 夺了獲付保形塗層；也就是說， 保形塗層具有克服表面不規則的均勾厚度。另一種沉積技 97884.doc 1380406 術疋化學氣相沉積（CVD)。一或多個前驅氣體，可能和惰 性載氣一起流進含有基板的反應室及熱分解，以形成所需 材料的薄膜或薄層。反應主要都在基板上，不過也會有少 ϊ的氣相反應。會從反應室持續移除未反應的前驅氣體。 此技術可使用許多材料，包括矽、氧化矽及鎢^典型的 CVD程序需要將基板加熱·至高溫，通常高於攝氏4〇〇度。 适些高溫將逐漸和新裝置結構的最大允許溫度不相容。 隨著積體電路尺寸已進一步縮減至次微米範圍，使用上 述沉積技術獲得具有所需厚度及組成物的薄層變得更加困 難因而已發展其他的沉積技術。一項此種技術一般稱為 厂原子層沉積（ALD)」。會將第一前驅氣體引入其可在基板 上吸附及形成單層的反應室。從反應室中會清除未反應的 前驅氣體，然後將第二前驅氣體引入腔室。因而形成第二 單層。程序條件已調整成致使第一及第二單層彼此會有化 學反應。同樣地，會將未反應的前驅氣體和任何反應生成 物一起從腔室中清除。兩個單層均以自限性的方式形成， 也就疋說，在暴路表面上形成單一層後，吸附即會終止。 可以使用多於兩個的前驅氣體，及可將前驅氣體和載氣一 起引入。有利於促進兩個單層間之反應的程序條件包括： 氣體的選擇、基板溫度或任何其他氣體活化（如以電漿氣 體激化）的構件。薄膜的生長速率可能相對較慢，但使用 ALD程序，即可精確控制層厚度及薄膜等形且獲得薄膜組 成物。ALD—個很明顯的問題是，此方法涉及使用互相反 應的氣體。在時間上分開引入前驅氣體可減少及可能實際 97884.doc 1380406 消除這些氣相反應的可能性。 ALD的成功實施需要清除反應室的前驅氣體，現在文獻 中有許多清除反應室及保護排氣系統之幫浦不會受到前驅 氣體及其反應生成物之不利影響之裝置及方法的參考資 料。蝕刻程序以及沉積程序也經常需要清除腔室。現在將 簡單說明若干此種參考資料。 1987年3月3日核發給Visser的美國專利案4,647,338說明 一種一起使用惰性氣體和前驅（Visser稱為「反應」）氣體 的沉積技術。冷卻的陷阱係位在幫浦及反應室之間，及未 反應的刖驅或其他氣體會在冷卻的陷阱中凝結。留在冷卻 之陷阱中的凝結氣體腐蝕性可能很強，因而會損壞幫浦。 為了減少反應室中所需的惰性氣體量，可將數量等於凝結 氣體的另一惰性氣體饋進冷卻陷阱及幫浦間的系統，藉此 最佳化Visser的程序。Visser將蝕刻程序說明得很明確。 1993年10月5日核發給Miyazaki的美國專利案5,250,323 β兑明包括陷牌之排氣系統的化學氣相沉積。Miyazakis 現’在反應室之前’一些來源氣體可能留在分別用於前驅 及惰性氣體的流率控制器中，因而應在將另一氣體引入反 應至刖先行移除。因此，Miyazaki指示使用流率控制器及 排氣裝置間的陷阱。 1998 年 1 月 6 日核發給 Fujikawa ' Murikami 及 Hatano(Fujikawa)的美國專利案5,7〇4,214顯示反應室及排 氣裝置間的冷凍阱’該陷阱可凝固Fujikawa稱為「不定」 材料的氣體。用語「不定（tramp)」包括未反應的氣體以及 97884.doc 1380406 反應生成物。Fujikawa發現，不定材料可能會在幫浦中凝 結’因而損壞幫浦或甚至堵塞反應室及幫浦間的管子。其 描述的有兩種幫浦。第一種稱為精確或拖曳式幫浦，第二 種稱為粗略或乾式幫浦。在排氣系統中，冷床阱位在兩個 幫浦之前。 2003 年 1 月 14 日核發給Lindfors 及 Hyvarinen(Lindfors)的 美國專利案6,506,352使用大表面面積的陷阱在未反應的前 驅氣體進入幫浦之前將其捕獲。此陷阱稱為次反應空間或 反應物陷阱，具有如以多孔材料所提供的大表面面積。次 反應空間的維持條件實質上和主反應空間的條件相同。相 同的條件及大表面面積致使氣體沉積在反應物陷阱中。未 反應的前驅材料及反應生成物因此會沉積在多孔材料陷阱 中，因而無法到達幫浦。然而，和不含多孔材料之陷阱的 傳導相比，多孔材料的存在會降低陷阱的傳導。Lindfors 明確提及使用ALD及其裝置。2002年12月12日發表的美國 專利申請公開案2002/0187084是前一項專利案之申請案的 延續。 【發明内容】 從一裝置方面來看，本發明包括具有以下項目的化學氣 相沉積裝置：第一及第二前驅氣體來源，連接至該第一及 第一前驅氣體來源的第一及第二閥；一清除氣體來源，該 清除氣體來源具有—第三閥，該等氣體來源係連續操作以 定義一沉積週期；—反應室，該反應室係連接至該第一' δ玄第一及s玄第二閥；—連接至該反應室的陷阱；該陷阱具 97884.doc ^»U406 有一入口及一出口，該入口係連接至該反應室，該陷阱具 有一滯留％間至少等於該沉積週期；及一連接至該陷阱之 該出口及排氣裝置的備用幫浦。 從另一裝置方面來看’本發明包括具有以下項目的原子 層氣相沉積裝置及第二前驅氣體來源，連接至該第 及第一則驅氣體來源的第一及第二閥；一清除氣體來 源’言玄清除氣體來源具有一第三閱，該等氣體來源係連續 操作以疋義- >儿積週期；—反應室，該反應室係連接至該 $、該第一及該第三間；一連接至該反應室的陷阱；該 阱八有入口及—出口，該入口係連接至該反應室，該 味具有~滞留時 5 /1、<4* 笛f間至> 4於該沉積週期；及一連接至該 陷啡之該出口及轴备壯$ 及徘瑕^裝置的備用幫浦。 4足 ^'夕古品 Hi 丨 一 <万面來看，本發明包括：連續流動第一及第 二前驅氣體至一及施6 至中，在各該等前驅氣體後流動一清 除氣體，藉此玄基 ^ 義—沉積週期；及從一陷阱中的該反應室 于…亥氣體4出物，該移除包括捕獲-陷中的該氣體流 Λ氣體机出物在該陷阱中具有一滞留時間至少等於 該沉積週期。 再從另〜裝署十 ^ a 方面看來，本發明包括具有以下項目的沉 積裝置：苐_另笛—a ^ 弟一則驅氣體來源，連接至該第一及第二 月1J驅氣體來源的第_ ^ ^ 及第一閥，一清除氣體來源’該清除 氣體來源具有_坌= —此·片 弟二閥，忒閥允許惰性氣流，第一及該第 7削驅氣體來源及該清除氣體係連續操作以；t義-沉積週 ’月’-反應室，該反應室係連接至該第一、該第二及該第 97884.doc 1380406 ’ ϋ玄陷味具有一入口及 5亥陷拼具有一滞留時 二閥，及一連接至該反應室的陷阱 一出口，該入口係連接至該反應室 間至少專於一沉積週期。 【實施方式】 原子層沉積程序的明顯特色將參考圖丨加以簡述。圖1所 示為其上沉積第一種類3及第二種類5之單層（分別表示為χ 及〇)的基板1。在生長程序期間，基板丨係位在通常已加熱 的反應室（未顯示）中，且會將含有種類3的第一前驅氣體引 入腔室巾。在基板1的表面上會吸附第-前驅氣體的單 層。第-前驅氣體的過多量’也就是說，未被吸附的材料 接著會從腔室中清㊉，然後將含有種類5的第二前驅氣體 引入腔室中。在基板1上會吸附第二前驅氣體的單層。已 吸附之第一及第二前驅間的反應只會在基板丨上分別留下 第一種類3及第二種類5。現在會清除腔室並將第二前驅氣 體之未反應的部分及反應生成物一起從反應室中移除。 所述程序可以有各種變化。例如，可以使用多於兩個的 前驅氣體。此外，可以利用電漿活化第二前驅氣體以進行 第一單層的化學處理。對於上述應用及其他應用而言，均 可以此程序沉積許多材料，例如，許多氧化物及氮化物。 然後重複以中間清除氣體脈衝連續容納前驅氣體至反應室 中的程序’以生長所需的許多附加層。 本發明裝置的具體實施例如圖2所示。反應室211中含有 基板213。基板托架並未顯示出來。第一前驅來源215及第 一洳驅來源21 7分別透過閥2 19及2 21及適當的管子分別連 97884.doc •】0· i38〇4〇6 接至反應室211。清除氣體來源223則透過閥225及適當的 官子連接至反應室211。該清除氣體係為一惰性氣體。排 氣系統227可從反應室21丨移除不要的氣體，也就是說，氣 體流出物’以下將參考圖3加以詳細說明。管子229可連接 反應室211及排氣系統227。氣體流出物包括如.：未反應的 前驅氣體及反應生成物。可將反應室加熱，不過加熱元件 並未描繪出來且非必備項目。 現在將說明裝置的操作。可以讓預定量的第一前驅氣體 進入反應室一預定的時間’之後再讓預定量的清除氣體進 入反應室一預定的時間數。然後可讓預定量的第二前驅氣 體進入反應室一預定的時間’之後也讓預定量的清除氣體 進入反應室一預定的時間數’也就是說’會連續引入前驅 氣體並在前驅氣體的脈衝之間引入清除氣體。第一前驅氣 體、清除氣體、第二前驅氣體及清除氣體的順序可形成一 個沉積週期。藉由和個別氣體關連的閥即可控制氣流。正 如所明白的，閥的操作必須快速以增加裝置效率。還有， 正如所明白的’必須有效操作排氣系統不僅是為了裝置效 率，並可確保已沉積之材料的品質。 在考慮諸如所需材料及底下的基板等參數後，熟習本技 術者很快即可選擇適當的前驅氣體。通常會選擇為惰性氣 體（如氬）的清除氣體。有時亦可使用氮。 排氣系統227如圖3所示。所示為反應室211、閘閥3 11、 程序幫浦313、陷阱315及備用幫浦317。閘閥311位在程序 幫浦313及反應室211之間。陷阱3丨5位在程序幫浦313及備 97884.doc 1380406 用幫浦3i7之間。陷啡315具有入口 321及出口⑵。備用幫 浦317的流出物會進入主排氣裝置319。其他元件如本機 洗氣機可視需要存在’但本發明說明並不需要將其繪製出 來。圖3所示排氣系統227包括除了反應室21丨以外的所有 元件。該裝置，除了陷牌315以外’均可由熟習本技術者 加以製造’因此將不再說明這些元件。 ΊΓ以存在的元件如下，且詳細說明如下文。電極U9位 在陷阱315中及接地331係連接至陷阱315。加熱器333可用 來加熱陷阱315。突波流抑制器335係連接至出口 323。 陷阱315的設計及操作需要額外說明以瞭解本發明。其 係設計可確保氣體分子在陷阱中能夠具有較長的滯留時 間。氣體分子的滯留時間越長，第一及第二前驅氣體之間 便越有可能發生氣相反應，因而可降低氣體在進入備用幫 浦後互相反應的可能性，這些氣體在備用幫浦中可能會損 壞幫浦或妨礙抽送機構的正確操作。要更加瞭解陷拼315 的詳細設計’包括較長滞留時間的意義，請參考下列說 明。 容量V之氣體分子在壓力P之氣流中按流率Q流動的滯留 時間為PV/Q。因此，如在反應室中的低壓力及小容量將造 成較短的滯留時間，因而發生氣相反應的可能性很低。反 應室中的壓力從下游增加，其中大多數的壓力增加發生於 其上壓力差幾近一大氣壓的抽送系統中。隨著壓力增加， 也會增加氣相反應及後續形成粉末而損及幫浦效率的可能 性。陷阱3 1 5的建構可確保反應的前驅氣體同時存在於陷 97884.doc -12· 1380406 牌315中’也就是說，第一及第二前驅氣體會同時存在， 因此會反應而形成留在陷阱315中的粉末。建構具有容量v 的陷味315可具有一滞留時間至少等於ALD程序的一個完 整週期。滯留時間較佳長於ALD程序的一個完整週期。 在另一項具體實施例中’會跳過程序幫浦3 13及將陷阱 3 15連接至反應室211。雖然此配置就先前技術而言具有好 處’但對程序幫浦3 13的具體實施例卻比較差。以下說明 將有助於瞭解為何此具體實施例比較差。程序幫浦3丨3可 確保能將陷阱3 15放在相對較高的壓力環境中。該陷阱因 此實際上比在低壓力環境中還小。這也會增加在備用幫浦 則發生氣相反應的可能性。在陷阱3丨5的高壓區中，氣體 达度相對較高及分子平均自由路徑較短，藉此增加在離開 陷阱前發生氣相反應的可能性。此外，低的氣體速率可降 低粉末在氣體離開陷阱前留在氣體中的可能性。 陷阱的傳導在操作期間不應降低。要做到這點可將入口 321及出口 323放在如圖所示之陷阱的頂部，也就是說，大 部分的陷拼容量均低於入口及出口。因此，粉末及固體沉 積會留在陷时，且;^會顯著降低其傳導。相反的配置， 也就是說’人口321及出口 323在底部的配置；或部分相反 的配置’也就是說，入口 321或出σ 323在底部的配置，隨 著粉末堆積將會降低傳導，因而開始堵塞入口 321及出口 323之一或二者皆堵塞。 通常會希望藉由積極建立發生反應的有利條件，以促進 較長滯留時間陷牌315中前驅氣體的反應。例如，在兩個 97884.doc 13 1380406 反應物氣體是—2的情況中，反應將在室溫下按低速 率也續進行。為了確保能在陷胖315中發生反應，可以加 熱器333將_315或其中部分加熱至足夠的高溫。孰習本 技術者很快即可決定此溫度。此外，可藉由在電極329及 接地33]之間施加適當的電壓而在陷阱315中形成電漿。 q陷拼315及幫浦317間的突波流抑制器奶可避免壓力瞬 變’因而所產生的鬲氣流會留住已在陷阱3 ^ 5中的粉末。 這些突波流抑制H料熟習本技術者所熟知，因此: 細說明。 °干 雖然本發明已特別針對原子層沉積加以說明，但應明 白，該裝置亦可用於其他化學氣相沉積程序，其中可^ 容納及以惰性氣體脈衝互相隔開的前驅氣體。另外，還: 明白’移除步驟涉及使用_，而且還可以有其他步驟= 另外，亦可考慮使用甚至沒右簦 王，又有幫浦的陷阱仍可獲得好處。 【圖式簡單說明】 圖1係用來說明原子層沉積程序； 圖2為本發明裝置之具體實施例的示意圖；及 圖3為本發明裝置之具體實施例之排氣裝置截面之 實施例的示意圖。 【主要元件符號說明】 1 基板 3 第一種類 5 第二種類 211 反應室 97884.doc 1380406 213 基板 215 第一前驅來源 217 第二前驅來源 219 閥 221 閥 223 清除氣體來源 225 閥 227 排氣系統 229 管子 311 閘閥 313 程序幫浦 315 陷阱 317 備用幫浦 319 主排氣裝置 321 入口 323 出口 329 電極 331 接地 333 加熱器 335 突波流抑制β

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Claims (1)

1380406 十、申請專利範圍： L 一種沉積裝置，其包含： 第一及第二前驅氣體來源（2 15、217)、連接至該第一 及第二前驅氣體來源（215、21 7)的第一及第二閥（219、 221)； 一清除氣體來源（223)，該清除氣體來源（223)具有一 第三閥（225)，該第三閥（225)允許惰性氣流，第一及該 第二前驅氣體來源15、217)及該清除氣體可連續操作 以定義一沉積週期；及 一反應室（211)，該反應室（2 11)係連接至該第一、該第 二、及該第三閥（219 ' 221、225); 一連接至該反應室（211)的陷阱（315);該陷阱（3 15)具 有一入口（321)及一出口 (323)，該入口（321)係連接至該 反應室（211)，該陷阱（3〗5)具有一滯留時間至少等於一沉 積週期。 2·如請求項1之沉積裝置，其進一步包含一連接至該陷阱 (1 213)之該出口（323)及排氣裝置（319)的備用幫浦（317)。 97884.doc 1 ·如°月求項1之沉積裝置，其中該入口（321)及該出口（323) 位在該陷阱（315)的頂部。 2 4.如請求項3之沉積裝置，其進一步包含一程序幫浦 3 (313) ’该程序幫浦（313)係連接於該陷阱（3 15)之該入口 (32丨）及該反應室（211)之間。 月求員1之"L·積裝置，其中該滯留時間大於該沉積週 期。 1380406 6. 如明求項1之’/儿積裝置，其中該陷阱（3 15)進一步包括一 加熱器（333)。 7. 如請求項1之沉積裝置，其中該陷拼（315)進一步包括在 該陷钟（315)中的-電極（329)及至該㈣（315)的一接地 (331) 〇 8. 士 》月求項1之，儿積if ，其進一纟&含—連接至該陷_ (3 15)之該出口（323)的突波流抑制器（335)。 9·如請求们之沉積裝置，其中該裝置為一化學氣相沉積 裝置。 10.如請求们之沉積裝置’其中該裝置為一原子層沉積裝 置。 11 一種原子層沉積的方法，其包含以下步驟： 連續流動第一及第二前驅氣體至一反應室中； 在該第-及該第二前驅氣體之後流動—清除氣體至該 反應室’該第-及該第二前驅氣體及該清除氣體的流動 形成—沉積週期；及

從—陷阱中的該反應室移除該氣體流出物，該移陈 括捕獲一陷阱中的該氣體流出物，該氣體流出物在該 啡中具有一滯留時間至少等於該沉積週期。 12.如請求項U之方法，其中該移除進—步包含在該陷醉 後以—備用幫浦抽送該氣體流出物。 13. :請求項u之方法，其_該移除進—步包含在該陷牌之 前以—程序幫浦抽送該氣體流出物。 14. 如請求仙之方法，其中該滯留時間大於該沉積週期。 97884.doc