TWI388688B - 化學氣相沈積法及設備 - Google Patents

Description

化學氣相沈積法及設備

本發明的實施例係大體上有關於用來汽化一液體並將該已汽化之液體與一載氣混合的設備與方法。本發明實施例特別適合用來提供汽化的反應物給化學氣相沉積系統的反應室，例如為半導體裝置製造設備的反應室提供汽化反應物。

化學氣相沉積(CVD)製程廣泛用來沉積半導體裝置與積體電路中的薄膜。此類製程涉及使數種化學物蒸汽發生反應而在一基材上產生均質或不均質的沉積作用。反應速率是藉由諸如溫度、壓力與反應物氣體流速等一或多種參數來加以控制。對於此類製程來說，使用低蒸氣壓的液體作為反應前驅物具有數項優點，也因此更廣為使用之。

習知的CVD製程涉及使用發泡器(bubbler)或汽化爐(boiler)來輸送低蒸汽壓的氣體。在這些製程中，載氣會寶含該液體而得以運輸該液體的蒸汽。有數種液態反應物與前驅物可用在藉著使液態反應物含於載氣中來輸送該液態反應物的CVD製程中。在使用液態反應物的CVD系統裡，載氣通常會被打成氣泡並以一控制的流速流經含有液態反應物的容器，使得該載氣中含有飽和的液態反應物，隨後將該飽和的載氣輸送至反應室。

也曾經試圖輸送固態反應物至CVD反應室中，但結果並不成功。在CVD製程中，是利用昇華/發泡方法來執行固態前驅物的輸送動作，該昇華/發泡方法通常係將前驅物置於一昇華/發泡儲槽中，隨後將該儲槽加熱至該前驅物的昇華溫度以將該前驅物轉化成氣態化合物後，再以諸如氫氣、氦氣、氬氣或氮氣等載氣將該氣態化合物輸送至CVD反應室中。然而，因為許多原因，此一方法無法可靠且具再現性地將固態前驅物輸送至反應室。此技術的主要問題在於不能穩定地以一控制速率來汽化固體，而無法以再現性的流速將已汽化的固態前驅物輸送至製程反應室中。再者，由於汽化系統中固態前驅物的暴露表面積是有限量的，並且缺乏能夠提供最大昇華作用的一致溫度，故此項技術難以保證快速流動的載氣氣流中能夠含有完全飽和的汽化固態前驅物。雖然固態前驅物昇華/發泡系統以及億態前驅物發泡系統均可用來輸送CVD反應物，然而這些系統各自具有不同的問題與考量。因此，用於固態昇華/發泡器的系統與設備並不非必然能用於液態前驅物發泡設備。

第1A與1B圖顯示用來輸送藉由產生一載氣氣泡使其通過一液態前驅物所產生之蒸汽的習知設備。第1A圖顯示一習知的汽化設備10，該汽化設備10包含一安瓿或容器12，該容器12中含有一液態前驅物材料11。氣體入口導管14連接至一載氣來源30。氣體入口導管14延伸在該液體11的液面下方。加壓輸送載氣30可提供一由已汽化之液態前驅物與載氣所組成的混合物32，隨後該混合物32通過一連接至CVD反應室(未繪出)的出口導管16而離開 該容器12。

擴散器材料20通常為多孔性的燒結金屬(sintered metal)，並可改善汽化設備10的發泡效率。顯示於第1A與1B圖中的汽化器藉著加熱容器中的液態材料並以一控制速率將載氣引導至靠近容器底面的液態材料中，而把從液態材料轉化而成的蒸汽輸送至一製程反應室內。當該載氣氣泡上升至容器頂面時，該載氣會飽合地含有由液態材料所形成的蒸汽。隨後，該飽和載氣被輸送至製程反應室中，例如輸送至用於半導體製造用途的CVD反應室內。

在第1A與1B圖中所示的設備中，載氣氣泡會產生不想要的液態前驅物小液滴，或可稱為微液滴。這些微液滴會隨著載氣與前驅物蒸汽的混合物被一同攜帶至出口管中，並送至製程反應室。此類微液滴可能造成完成產品中的缺陷。

因此需要一種用於液體汽化器的方法與設備，其能以可用於CVD製程的流率來汽化液體，並減少或避免輸送小液滴液體至製程反應室中。

本發明實施例係有關於在反應室中執行薄膜形成製程中用以處理一晶圓的設備與方法。根據本發明第一實施例，一化學氣相沉積設備包含一化學氣相反應室，該反應室具有一氣體入口埠與一液態反應物汽化器。該液態反應物汽化器具有一出口埠，並且該出口埠連接至該反應器入口埠。該汽化器包含一容器，該容器具有一上部份、一下部份、多個內側面與一底面。根據本發明第一實施例，該容器含有一液態反應物，並且介於該內等內側面之間的空間則定義出一容器內徑。該設備更包括一連接至一載氣來源的入口埠、一多孔物以及一氣體輸送導管，其中該多孔物的外徑實質等於該容器的內徑，以插入該容器的下部份並位於該液態反應物液面的下方，並且在該多孔物與該容器底面之間定義出一氣室，以及該氣體輸送導管延伸穿通該氣體入口埠與該多孔物。

介於該多孔物與該容器底面之間的間隙定義出該氣室。在某些實施例中，該多孔物為盤狀造型。根據某些實施例，該多孔盤係由諸如燒結金屬熔塊(sintered metalfrit)等燒結金屬所構成，例如不鏽鋼熔塊。再一或多個實施例中，該設備適合用來形成基材上的膜層。

本發明的另一實施例係有關於一種包含一化學氣相沉積反應室與一汽化器的化學氣相沉積設備。該汽化器包含一封閉的實質圓桶狀安瓿，該安瓿具有一頂部份、一底部份、一底面、由多個內壁所圍出的一內徑以及從該頂部份延伸出的一入口埠與一出口埠，其中該出口埠與該反應室流體連通，並且該入口埠與一氣體來源流體連通。汽化器更包括一多孔板，該多孔板具有多個邊緣表面，該等邊緣表面係與靠近該底面處的該等安瓿內壁接觸，且該多孔板浸入液態反應物中，該多孔板設置成能在該多孔板與該底面之間提供一間隙；以及，一氣體導管從該入口埠延伸出並穿過該多孔板。在某些實施例中，該多孔板與該底面之間的間隙至少約2毫米(mm)。

本發明又一實施例係有關於一種化學氣相沉積方法，該方法包括使一載氣流經一液態反應物，其中該液態反應物容納在由多多個側壁與一底面所定義出的一容器中，並且該容器包含一多孔物，該多孔物延伸在該等容器側壁之間並且在該容器的該底部份中定義出一氣室，該多孔物浸入該液態反應物中而造成該載氣與該液態反應物流經該多孔物而從該液態反應物產生一蒸汽，並且在能轉化該液態反應物使其在一反應室內的一基材上形成一膜層的條件下，將該蒸汽輸送至一反應室中。在一或多個實施例中，該多孔物包含一燒結熔塊，例如一燒結金屬熔塊，比如說燒結的不鏽鋼熔塊。

在描述本發明示範性實施例之前，並需明白本發明並不僅限於以下將敘述的設備結構或製程步驟。本發明還可做出其他實施例以及不同的實施與執行方法。本發明的多個態樣提供數種用於化學氣相沉積的方法與設備，其可用於諸如在基材上形成一薄膜的用途上。

參考第2圖，其顯示一示範性化學氣相沉積設備210。CVD設備210包含一內含液態反應物或前驅物211的安瓿或容器212。該安瓿或容器212可為圓桶形或任何其他適當的造型。如第2圖所示，容器212是一個由多個內壁218與一底面222所圈圍出的封閉容器。該液態反應物211容納在該容器212的底部份。液態反應物的非限制性範例包括如TEOS、硼酸三甲酯(trimethyl borate)、硼酸四乙酯(tetraethyl borate)、磷酸四乙酯(tetraethyl phosphate)、膦酸四乙酯(tetraethyl phosphite)、(二乙基)四(二甲胺)鈦類似物(tetrakis(dimethylamino)titanium diethyl analog)、水或來自一液體大量輸送槽的類似物。氣體入口導管214提供一入口埠，用以連接至一載氣230的來源250。該載氣可儲存於加壓容器中，並可利用多個習知的流量調節器及/或質量流量控制器來控制氣體的流量。

一擴散元件232插入該容器212中，且其延伸在該等內壁218之間並鄰近底面222，其中該擴散元件232可為板狀或盤狀。根據本發明一或多個實施例，介在該擴散元件232與底面222之間的距離「D」小於約2毫米。該擴散元件232的外徑或其他剖面尺寸實質上等於該容器212的內徑或其他剖面尺寸。如此一來，該擴散元件232可施壓套入或是焊接於容器中，並置於與該容器的底面222相距一段所欲的距離，使得擴散元件232的外緣與該容器212的該等內側壁相接觸。介在該容器212之底面222與該擴散元件232之間的間隙或間距則定義出一氣室226。所輸送的氣體會進入這個由擴散元件232之邊緣與該容器側壁相接所圈圍出來的氣室中，並且大部份的氣體會從該擴散盤的孔洞中釋出。

擴散元件232係由一多孔材料所製成。一多孔材料的 範例如燒結熔塊。燒結金屬熔塊可用來製造該擴散元件232。適當燒結金屬熔塊的其中一範例便是不鏽鋼。多孔性的不鏽鋼燒結熔塊可購自Mott股份有限公司(Farmington,CT)。在一實施例中，該擴散元件製造成直徑約5.75英吋、厚約0.078英吋且孔徑約40微米的盤狀造型。然而，可了解到，本發明並不僅侷限於具有此特定尺寸或孔徑的擴散元件。

擴散元件232位於容器的下部份內，並且浸入該液態反應物211中。氣體入口導管214延伸在該液態反應物211的液面下並穿過該擴散元件232。加壓輸送該載氣230可提供由載氣與已汽化液態前驅物所構成的混合物32，隨後該混合物32通過出口導管或出口埠216而離開容器212，並且該出口導管或出口埠216係連接至一CVD反應室260。並了解到，可在該容器212與CVD反應室260之間連接一或多個質量流量控制器或調節器，此外該CVD反應室可為傳統的熱增強式或電漿增強式化學氣相沉積反應室。例如，此反應室260可為於1991年3月19日授予Adamik等人的美國專利5000113號、於1987年5月26日授予Foster等人的美國專利4668365號、於1986年4月1日授予Benzing等人的美國專利4579080號、於1985年1月29日授予Benzing等人的美國專利4496609號以及於1980年11月4日授予East等人的美國專利4232063號等專利中所敘述的反應室，在此將該等文獻納入本文中以供參考。

使用時，方才所述的該些CVD反應室可用來在諸如半導體基板等基材上形成膜層。因此，化學氣相沉積方法包括使一載氣從一氣體供應源透過入口導管或管子214而流經該液態反應物211。流經液態反應物的載氣氣流會造成該載氣與該液態反應物流過該多孔物，而從該液態反應物產生蒸汽，並且在能轉化該液態反應物使其在反應室260內的一基材上形成一膜層的條件下，將該蒸汽輸送至該反應室260中。

根據本發明多個實施例，使用延伸在容器212之整個剖面中的多孔物，能夠產生讓形成且混入載氣與液態前驅物蒸汽所組成之混合氣流中的微液滴數量幾可忽略的結果。並藉著利用該熔塊盤分配液體而能使用任何剩餘的液態前驅物體積，而允許更有效地消耗該液態反應物。此多孔物設置在液體中，並且使該多孔物的底面與該容器或安瓿底面之間具有一固定為2毫米的間隙或氣室。

雖然已參考數個特定實施例來描述本發明，但需明白的是，該些實施例僅用來示範說明本發明原理與用途。熟悉該項技藝者了解可在不偏離本發明精神與範圍下對本發明方法做出各種修飾與變化。因此，本發明亦涵蓋該些落入後附申請專利範圍中的修飾與變化態樣及其均等物。

10‧‧‧汽化設備

11‧‧‧前驅材料

12‧‧‧安瓿或容器

14‧‧‧入口導管

16‧‧‧出口導管

20‧‧‧擴散器材料

30‧‧‧載氣

32‧‧‧混合物

210‧‧‧化學氣相沉積設備

211‧‧‧液態反應物

212‧‧‧安瓿或容器

214‧‧‧入口導管

218‧‧‧內壁

222‧‧‧底面

226‧‧‧氣室

230‧‧‧載氣

232‧‧‧擴散元件

250‧‧‧來源

260‧‧‧CVD反應室

216‧‧‧出口埠

第1A圖顯示習知的汽化設備；第1B圖顯示習知的汽化設備；第2圖顯示根據本發明之汽化設備的其一實施例。

210．．．化學氣相沉積設備

211．．．液態反應物

212．．．安瓿或容器

214．．．入口導管

218．．．內壁

222．．．底面

226．．．氣室

230．．．載氣

232．．．擴散元件

250．．．來源

260．．．CVD反應室

Claims (11)

1. 一種化學氣相沉積設備，其包含：一化學氣相沉積反應室，其具有一反應室氣體入口埠；以及一液態反應物汽化器，該汽化器具有一出口埠，該出口埠連接至該反應室氣體入口埠，該汽化器包含：一容器，該容器包含一上部份、一下部份、多個內側面與一底面，該容器中含有一液態反應物，並且介於該等內側面之間的空間界定出一容器內徑；一容器入口埠，其連接至一載氣來源；一多孔燒結金屬熔塊，其外徑實質等於該容器內徑，且該多孔燒結金屬熔塊插入該容器的該下部份中直至低於該液態反應物的液面，並且在該多孔燒結金屬熔塊與該容器的該底面之間界定出一氣室(plenum)；以及一氣體輸送導管，其延伸穿過該反應室氣體入口埠與該多孔燒結金屬熔塊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該氣室是由介於該多孔燒結金屬熔塊與該容器之該底面之間的一間隙所界定。
3. 如申請專利範圍第2項所述之設備，其中該多孔燒結金屬熔塊呈現一盤狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該多孔燒結金屬熔塊包括不鏽鋼。
5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該設備係用以在基材上形成膜層。
6. 一種化學氣相沉積設備，其包括：一化學氣相沉積反應室；一汽化器，其包含：一密閉的實質圓桶狀安瓿，該安瓿具有一頂部份、一底部份、一底面、由多個內壁所圍出的一內徑；從該頂部份延伸出的一入口埠與一出口埠，其中該出口埠與該反應室流體連通，且該入口埠與一氣體來源流體連通；一多孔燒結金屬熔塊，其具有多個邊緣表面，該等邊緣表面係與靠近該底面處的該等安瓿內壁接觸，且該多孔燒結金屬熔塊浸入一液態反應物中，該多孔燒結金屬熔塊設置成在該多孔燒結金屬熔塊與該底面之間提供一空間；以及一氣體導管，其從該入口埠延伸出並通過該多孔燒結金屬熔塊。
7. 如申請專利範圍第6項所述之化學氣相沉積設備，其中介於該多孔燒結金屬熔塊與該底面之間的空間小於約2毫米。
8. 如申請專利範圍第7項所述之化學氣相沉積設備，其中該多孔燒結金屬熔塊係由不鏽鋼所製成。
9. 一種化學氣相沉積方法，該方法包括：使一載氣流過一液態反應物，該液態反應物係容納在由多個壁與一底面所界定的一容器內，該容器包含一多孔燒結金屬熔塊，該多孔燒結金屬熔塊延伸在該容器的該等壁之間並在該容器的一底部份中界定一氣室，該多孔燒結金屬熔塊浸入該液態反應物中；使該載氣與該液態反應物流經該多孔燒結金屬熔塊而從該液態反應物產生一蒸汽；以及將該蒸汽輸送至一反應室中，該反應室處在能轉化該液態反應物而在該反應室內所含的一基材上形成一膜層的條件下。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該多孔燒結金屬熔塊包括不鏽鋼。
11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該多孔燒結 金屬熔塊與該容器的該底面以小於2毫米的距離間隔開來。