TWI386513B - 於沉積製程中維持副產物揮發性之方法及裝置 - Google Patents

Description

於沉積製程中維持副產物揮發性之方法及裝置

本發明係關於一種方法及裝置，該方法及裝置係用於將一含氟流體流引入一沈積製程，以維持副産物揮發性並減少或消除副産物之形成及/或干擾。

人們已熟知用於沈積純及化合物材料薄膜之薄膜沈積製程。近年來，用於薄膜沈積之主要技術一直係化學氣體沈積(CVD)。就均一性及一致性而言，吾人認爲：作爲CVD之變形，原子層沈積(ALD)係對薄層沈積的一改進，尤其對於低溫沈積。ALD最初稱爲原子層磊晶法，其適宜之參考文獻係T. Sunola及M. Simpson(Blackie，Glasgo and London，1990)編輯之「原子層磊晶法」(Atomic Layer Epitaxy )。

通常，ALD係一其中將傳統CVD製程分爲單一單層沈積步驟之製程，其中理論上每一單獨沈積步驟在一單一分子或原子單層厚度上趨於飽和並自行終止。該沈積係反應分子前驅體與基板之間化學反應的結果。類似於CVD，構成該膜之成份係作爲分子前驅體提供。淨反應必須沈積純期望膜並消除構成該等分子前驅體(配體)之「多餘」原子。

就CVD而言，該等分子前驅體係同時注入CVD反應室。將一基板保持於一最佳優化溫度，以促進該等分子配體之間的化學反應，同時有效解吸副産物。因而，該反應得以持續沈積所期望薄膜。

對於ALD應用而言，該等分子前驅體係分別引入該ALD反應室。此藉由使一前驅體流動(通常係一金屬，其鍵結有原子或分子配體以形成一揮發性分子)來達成。該金屬前驅體反應通常繼之以惰性氣體吹掃，以在引入下一前驅體之前自該室中清除該前驅體。

因此，與CVD製程相反，ALD係以一循環方式利用該前驅體、反應物及沖洗氣之相繼交替脈衝來實施。通常，每一操作循環僅沈積一單層，且ALD通常在小於1 Torr之壓力下實施。

ALD製程通常用於製造及處理積體電路(IC)裝置及其他需要經界定之超薄層之基板。該等ALD製程産生副産物，該等副産物附著於該沈積裝置元件上且在其他方面會於該沈積裝置元件中産生有害處理效應。該等效應包括幫浦滯執、幫浦失靈、不純沈積、雜質附著於反應室壁等等，此需要暫停沈積製程，以移除該等副産物或更換該等積垢元件。暫停生産會耗時且因而成本高。

化學氣體沈積(CVD)製程中亦出現該等缺點。然而，由於在ALD製程中，該等氣體係注入反應室且預期之反應係一正處理基板(例如，IC裝置)上之表面反應，因而通常在ALD期間該等問題出現的頻率較高。因此，在ALD製程中，大多數供應氣體「未經反應」即離開該反應室，且進一步與來自先前及後續反應步驟之氣體混合。因此，該反應室外部存在相當體積之未反應氣體，其可在諸如製程前級管道或幫浦等位置處發生反應。據信，ALD製程中之該 狀況會導致較高的非期望非反應室沈積速率，此導致幫浦及前級管道「阻塞」並造成涉及滯執及重啟之幫浦故障。

人們已嘗試各種解決方案，但均耗時、昂貴，或因包括空間分配在內之各種原因在其他方面不實用。舉例而言，目前正使用的一方法係在該反應室之排氣處安裝一閥門。該閥門之作用係以物理方式將該流體交替切換至兩個前級管道及真空幫浦之一。該閥門之運作必須定時，以同步於用脈衝輸送各種氣體至該反應室所用循環時間。每一幫浦排氣必須分別送至一消除單元。因此，由於處理費用增加，該解決方案不甚合意。此外，該解決方案並不完善，此乃因部分該等反應氣體在到達到該室之出口閥之前仍會結合並反應。其他解決方案則使用一前級管道阱來捕集該過程副産物或選擇性捕集一或多種反應物質，以避免交叉反應。揭示於日本專利第JP 11181421號中的一CVD製程之建議解決方案係引入ClF₃ 或F₂ ，使其與CVD期間形成的附著於管道表面之副産物反應。然而，因大量副産物離開該反應室及該等物質之預計反應比例，該方法不適用於ALD系統。與其引入單獨的化學反應來分解不期望的沈積副産物，倒不如在第一階段即阻止副産物聚集更爲有效、破壞性更小、費用更少且因而更爲合意。

本發明係關於一種用於改良一沈積系統效率之方法、系統及裝置，其藉由提供一氣氛以可預測方式維持所産生副産物揮發性來防止不期望體積之副産物沈積於該系統幫 浦、管道及室之內表面及其他元件表面上，藉此減少或實質上消除沈積期間系統所産生之副産物量。

此外，本發明係關於一種用於改良一沈積系統效率之方法、系統及裝置，其藉由提供一氣氛以可預測方式重新揮發任何已沈積於幫浦及元件表面上之沈積副産物來減少或實質上消除沈積期間系統所産生之副産物量。

更具體而言，本發明係關於一種用於改良一沈積系統效率之方法、系統及裝置，其藉由在沈積製程中提供一氟氣氛來減少或實質上消除沈積期間系統所産生之副産物量，該氣氛包括分子氟(F₂ )或自由基形式之氟(F*)，且該氟氣氛係在前級管道中引入該裝置。

下文中將根據顯示有本發明之較佳實施例的附圖來更詳細闡述本發明。然而，亦可以諸多不同形式實施本發明，且不應將本發明理解爲僅限於本文所闡述之實施例；相反，提供該等實施例旨在使該揭示內容更詳盡及完全，且向彼等熟悉此項技術者應完整傳達本發明之範疇。

本發明係關於將一含氟氣體注入一唧送或唧送與消除系統中，以此方式來維持製程副産物之揮發性並防止或實質上消除幫浦及系統進給管路中不期望之副産物沈積，並重新揮發已形成於該幫浦及進給管路內表面上之任何沈積物。

在一實施例中，本發明係關於將一分子(F₂ )或自由基(F*)形式之氟氣注入該沈積系統前級管道，較佳在該幫浦 上游之前級管道位置處注入。通常，所需氣體體積與該氣體之反應性成反比。因此，F*優於元素氟F₂ 。然而，儘管存在若干設計考慮可影響再結合之發生速率，但F*仍將極快地再結合形成F₂ 。對於本發明之目的，除非另有說明，否則術語「氟氣體」係指F₂ 、或F*或兩者。

根據本發明，對於該氟氣體源有數個可行選擇，例如，在何處將該氣體引入該前級管道，及在何處直接將該氣體引入該幫浦，及相對於該排氣消除系統如何佈置該注入系統及幫浦。因此，熟悉氣體處理領域者應易於理解，本發明涵蓋所有該等選擇。

舉例而言，氟氣體可自一氣體容器、鋼瓶或「瓶」輸送至該系統。然而，預期此僅可勉強接受用於小規模研究來檢驗氟之效能，但出於管理原因，存在一高壓氟鋼瓶通常不可能爲人們所接收。

此外，可藉由利用一電漿産生器(例如，MKS Astron (MKS ASTex Products，Wilmington，MA))或類似裝置自一諸如NF₃ 、C₂ F₆ 、SF₆ 或類似氣體之氣流抽取而産生氟自由基之發生將氟氣體供給本發明之裝置及系統。該等氟自由基將在相當短距離內重新結合爲F₂ 。自NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ 流分離F₂ /F自由基之另一方法係使用一空心陰極，如美國專利第5,951,742號中所詳細闡述，其內容以整體引用的方式併入本文中。

此外，本發明涵蓋使用一位於該系統外部或整合於其中之氟産生器，該氟産生器將HF水溶液電解爲F₂ 及H₂ 。由於 本發明不需要高純度氟氣用於其預期目的，故該産生器不需通常存在之緩衝體積及純化設備。

根據本發明，該等系統、方法及裝置之較佳設計考慮包括在該前級管道中之特定位置(較佳靠近該唧送系統)處將該氟氣注入或引入。若將一升壓器納入該前級管道，則一本發明所涵蓋之位置係該升壓器之上方，以較佳將整個升壓器暴露於氟。此外，可在該升壓器與預抽幫浦之間引入該氟氣流，此可提供某種防止氟回流至前級管道之保護，且同時使部分氟氣暴露於該升壓器。

必須於該預抽幫浦級內實施一定程度之直接洗滌，以使F*進入該幫浦之足夠有效深度。此外，本發明涵蓋消除該幫浦排氣，該幫浦排氣包括氟。實際上，出於變成本系統中其他氟源氣體或作爲一氟源用於一單獨作業(即，本發明方法亦可變爲一氟生産方法，其可儲存用於其他用途或再循環至本發明之製程)之預期有用目的，理想之狀況係在該排氣離開該室排氣裝置時即予以處理。本發明亦涵蓋納入各種用於減少氟泄漏及通用系統順從性及控制之調節、感測及監測構件。其他本發明系統、方法及裝置所涵蓋之考慮及實用優點包括：包括靜態及動態密封在內的構造材料之腐蝕；製程壓力、設備連接之穩定性；氟産生器之電漿産生器與清洗氣供應、真空幫浦及消除構件間之聯鎖；及該設備上之製程幫浦對氟氣體源之共用。不難理解，假若一系統具有若干連線幫浦，所有需要氟清洗處理之幫浦可共用該氟源及其支援設備。

如上所述，供給至該沈積室之大部分氣體未反應。通常需仔細監測及控制引入該室之氣體量，並進而提供所期望沈積層，且知曉多少未反應氣體離開該室。因此，可監測並控制提供至該前級管道的氟氣體量，以最佳化本發明系統之用途。

下文闡述本發明所涵蓋之某些實施例。圖1至5中所示該等實施例之間的最明顯差異涉及該氟氣體發源及引入該系統之位置。在每一實施例中，該真空幫浦系統皆包括一用於每一前級管道(18)之預抽幫浦(11)及升壓器(10)，即該設備上每一晶圓反應或處理室皆具有一個。該等幫浦經由管道(13)排氣至廢氣消除系統(14)，該廢氣消除系統在技術及構造上擬類似於一(例如)熱氧化器及濕式消除系統。將流出物藉由管道輸送至設備排氣導管(16)，同時將廢液送至設備酸性廢水處理系統(15)。該等幫浦及消除系統係裝納於一諸如天頂型系統外殼之外殼(12)中，該外殼經由一艙式萃取系統(17)引出至設備排氣系統。儘管該外殼確實可提供泄漏偵測及密封環境，但對於本發明而言其仍係可選擇件。同樣，升壓器(10)亦係視情況而存在。

在本文所述之每一實施例及圖1至5中所示之彼等實施例中，氟氣(21)係在升壓器(10)與預抽幫浦(11)之間注入，但可同樣或更有效地將該氟氣「注入」升壓器上方之前級管道(18)(理想地係在外殼(12)內)。若不使用升壓器，則該注入點係位於預抽幫浦(11)之上方。

在每一情況下，需要消除來自該等幫浦之流出物且需要 (例如)使用熱氧化器及濕式消除系統(14)適當消除所添加之氟。此外，應瞭解，根據本發明所提供之氟流可爲一連續低含量流體，或爲一較高含量之脈衝流體，或兩者之組合。

整合該等唧送系統之可能佈置顯示於該等圖中。如圖1所示，氟係經由一電漿産生器(201)(例如MKS Astron、一類似産生器或一經特別設計並針對該等應用最佳化之電漿産生器)發源於NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ 。電漿産生器(201)較佳係經由一管路自一背墊上之容器的NF₃ 或SF₆ 或C₂ F₆ 或類似物質之經調節源供料。或者，其可自該氟産生器所處fab內或於該背墊上之一使用點之經調節源供料。此外，此應用中可使用空心陰極。參見(例如)美國專利第5,951,742號，其以引用方式併入本文中。

如圖2所示，氟亦可源自一氟産生器(202)。該實施例在大多數方面與實施例1相同，不同之處在於該氟源係以電解方式自氟産生器(202)中之HF水溶液分離出的F₂ 。因此，氟産生器(202)之輸出物係F₂ ，而非F*，因為製備F*需要電漿産生器。由於該氣體消除系統之液體輸出物包含HF，亦可使用一HF回收系統(22)及通至氟産生器(202)之回饋迴路(23)自該廢流中回收HF。在此情況下，該幫浦不需要一處理室所需的純度及流率穩定性，且因此可省卻該典型氟産生器之某些組份、簡化或與該系統之其他部分共用。該實施例之其他元件與圖1中所示之彼等相同。

圖3顯示另一實施例，其中氟氣可源自一F₂ 「瓶」(203)(例 如，20%F₂ 於N₂ 中)。在此情況下，該氟氣係源自一容納於系統外殼(12)內或位於一單獨但接近氣體室內的罐(203)。熟悉氣體生産及分配領域者應易於瞭解，該系統係利用一氟控制及分配系統(30)。該實施例之其他元件與圖1中所示之彼等相同。

圖4顯示一實施例，其中氟可源自未解離之NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ ，在此情況下僅需要一包括控制及監測功能之分配歧管(204)。亦可以相同方式使用源自一外部源之F₂ 。該實施例之其他元件與圖1中所示之彼等相同。

如圖5所示，氟亦可源自藉使用一熱裂解器(205)經熱解離之NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ 。該實施例之其他元件與圖1中所示之彼等相同。

本發明之方法、系統及裝置尤其適用於ALD製程中鎢晶核層及鎢障壁層形式之鎢沈積，其中該等層即可存在含氨物質亦可不存在含氨物質。參見美國專利第6,635,965號，其整體內容以引用的方式併入本文。當存在含氨物質時，該氟氣體流將以可預測方式並在一受控反應中反應，産生所期望之副産物HF及NF₃ ，該等副産物可在下游分離或再循環至該系統作爲其他氟源，或輸送至儲存設備供儲存或進一步純化。

實例

吾人已獲得測試結果，藉以證實本發明所提供解決方案之可行性，該等測試結果顯示於下表1中。

獲益於前述說明及相關圖示所提供之教示，熟悉此項技術者將聯想到本發明之諸多修改及其他實施例。因此，應瞭解，本發明不受限於所揭示之特定實施例而意欲將該等修改及其他實施例皆包括在隨附申請專利範圍之範疇內。儘管本文使用特定術語，但其使用僅具有一般及敍述性意義且並非出於限制之目的。

10‧‧‧升壓器

11‧‧‧預抽幫浦

12‧‧‧外殼

13‧‧‧管路

14‧‧‧廢氣消除系統

15‧‧‧設備酸性廢水處理系統

16‧‧‧設備排氣導管

17‧‧‧艙式萃取系統

18‧‧‧前級管道

21‧‧‧氟氣

22‧‧‧HF回收系統

201‧‧‧電漿産生器

202‧‧‧氟産生器

23‧‧‧回饋迴路

203‧‧‧F₂ 罐

204‧‧‧分配歧管

205‧‧‧熱裂解器

彼等熟悉此項技術者藉由參考附圖可更容易理解本發明，且其諸多目的、特徵及優點更顯而易見。爲易於理解及簡捷起見，若該等圖示中某一元件係相同，則對該元件採用相同編號。

圖1係本發明一實施例之示意圖，其中氟係藉助電漿産 生器自NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ 供給該系統。

圖2係本發明一實施例之示意圖，其中氟係自一氟産生器供給該系統。

圖3係本發明一實施例之示意圖，其中氟係自一F₂ 瓶供給該系統。

圖4係本發明一實施例之示意圖，其中氟係源自未解離之NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ 。

圖5係本發明一實施例之示意圖，其中氟係源自經熱解離之NF₃ /C₂ F₆ /SF₆ /ClF₃ /F₂ 。

10‧‧‧升壓器

11‧‧‧預抽幫浦

12‧‧‧外殼

13‧‧‧管路

14‧‧‧廢氣消除系統

15‧‧‧設備酸性廢水處理系統

16‧‧‧設備排氣導管

17‧‧‧艙式萃取系統

18‧‧‧前級管道

21‧‧‧氟氣

201‧‧‧電漿産生器

Claims (32)

1. 一種用於沈積一薄膜於一基板上之方法，其包括以下步驟：提供一包含一反應室之沈積裝置，該室具有一入口及一與前級管道成連通狀態之排氣裝置，該前級管道與一幫浦成連通狀態；向該室提供一基板；將一欲沈積於該基板上之組份引至該室；將該組份沈積於該基板上；及將一含氟組份引入該前級管道中。
2. 如請求項1之方法，其中該含氟氣體係選自由氟及氟自由基組成之群。
3. 如請求項1之方法，其中該含氟組份係自一選自由氟容器、氟産生器及一氟電漿産生器組成之群之氟源裝置提供。
4. 如請求項1之方法，其中該含氟組份係自一選自由F₂ 、NF₃ 、C₂ F₆ 、SF₆ 及ClF₃ 組成之群之氟前驅體中産生。
5. 如請求項1之方法，其中該含氟組份係引至該幫浦。
6. 如請求項1之方法，其中該含氟組份係引至該幫浦與一升壓器之間的該前級管道。
7. 如請求項1之方法，其中該含氟組份係引至該幫浦上游之該前級管道。
8. 如請求項1之方法，其中該基板係一積體電路。
9. 如請求項1之方法，其中該基板係一晶圓。
10. 如請求項1之方法，其中該組份包括一選自由含錸、含鉬、含鈦及含鎢化合物組成之群之材料。
11. 如請求項1之方法，其中該組份包括一含氨化合物。
12. 如請求項1之方法，其進一步包括以下步驟：在一第一流中以一預定量提供該組份，以使該第一流之一部分保持未反應且自該排氣裝置離開該室；在該前級管道中使該第一流之該未反應部分接觸該含氟組份；及自該第一流與該含氟組份之反應中産生一副産物。
13. 如請求項12之方法，其中將該副産物純化。
14. 如請求項12之方法，其中該副産物係HF或NF₃ 。
15. 如請求項12之方法，其中將該副産物再循環以用於該沈積製程中。
16. 如請求項12之方法，其中儲存該副産物。
17. 如請求項1之方法，其中該沈積方法係選自由化學氣體沈積與原子層沈積組成之群。
18. 一種用於沈積薄膜於一基板上之裝置，其包括：一反應室，該室具有一入口及一與一前級管道成連通狀態之排氣裝置，該前級管道與一幫浦成連通狀態；一第一流源，其與該入口成連通狀態以向該室提供一第一流；一第二流源，其與該入口成連通狀態以向該室提供一第二流，該第二流包括一含氟化合物；及調節構件，其用於調節該第一流及該第二流，以便將該第二流以一足夠之量提供至該前級管道以使其與一定量之該第一流發生反應。
19. 如請求項18之裝置，其中該含氟組份係選自由氟與氟自由基組成之群。
20. 如請求項18之裝置，其中該第二流源係選自由氟容器、氟産生器及氟電漿産生器組成之群。
21. 如請求項18之裝置，其中該含氟化合物係自一選自由F₂ 、NF₃ 、C₂ F₆ 、SF₆ 及ClF₃ 組成之群之氟前驅體中産生。
22. 如請求項18之裝置，其中該第二流係引至該幫浦。
23. 如請求項18之裝置，其進一步包括一與該幫浦上游之前級管道成連通狀態之升壓器，其中該第二流係引至該幫浦與該升壓器之間的該前級管道。
24. 如請求項18之裝置，其中該第二流係引至該幫浦上游之該前級管道。
25. 如請求項18之裝置，其中該第一流包括一選自由含錸、含鉬、含鈦及含鎢化合物組成之群之材料。
26. 如請求項18之裝置，其中該第一流包括一含氨化合物。
27. 如請求項18之裝置，其中該裝置係選自由化學氣體沈積裝置及原子層沈積裝置組成之群。
28. 如請求項18之裝置，其中該第一流與該第二流反應産生一副産物。
29. 如請求項28之裝置，其中將該副産物純化。
30. 如請求項28之裝置，其中該副産物係HF或NF₃ 。
31. 如請求項28之裝置，其進一步包括一用於將該副産物引導至該前級管道之循環迴路。
32. 如請求項28之裝置，其進一步包括一該副産物用儲存室。