TWI428963B - 化學氣相沉積裝置及方法 - Google Patents

Description

化學氣相沉積裝置及方法

本發明係關於一種化學氣相沉積裝置及方法，特別關於一種化學氣相沉積裝置，其係具有一電漿產生器，電漿產生器位於化學氣相深積裝置之一反應腔室之上，用以使製程反應氣體解離為自由基並經由一噴氣頭供應製程反應氣體至一反應腔室內部，本發明亦揭露一種使用上述化學氣相沉積裝置之化學氣相沉積方法。

在一半導體製程中，一薄膜沉積製程用以將一所需材料沉積在一晶圓上，並可分為一物理氣體沉積(PVD)方法與一化學氣相沉積(CVD)方法。其中，化學氣相沉積方法係提供製程氣體至反應腔室，而在使用高熱或電漿的情況下，使化學反應之氣體沉積於晶圓上。另外，在有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)方法中，有機金屬化合物係作為前驅物(precursor)，並被傳送至反應腔室作為載運氣體(carrier gas)，之後一有機金屬化合物薄膜便能成長於一加熱之晶圓表面。

圖1為一種習知化學氣相沉積裝置的示意圖。

請參照圖1所示，習知化學氣相沉積裝置包含一反應腔室100、一噴氣頭200以及一晶圓支撐體300。反應腔室100係密封，且其內部用以進行一沉積製程。噴氣頭200係供應反應氣體至反應腔室100之反應空間。晶圓支撐體300係容讓一晶圓設置於其上。

噴氣頭200設置有複數反應氣體傳輸孔220，其可將從一反應氣體入口120排出之反應氣體傳送到反應腔室100之反應空間。而在一些情況中，噴氣頭200可裝滿多孔性材料以取代反應氣體傳輸孔220。晶圓W係設置於晶圓支撐體300上，當然，晶圓W可為單個或複數個。一支撐桿320係設置於晶圓支撐體300下部的中心並支撐晶圓支撐體300。一氣體排出構件140設置於反應腔室100之底部或側部以將反應腔室100內的反應氣體排出外面。

另外，一化學氣相沉積系統，特別是一有機金屬化學氣相沉積系統，係用製程發光二極體。在有機金屬化學氣相沉積系統中，當作為第一反應氣體之有機金屬前驅物，例如三甲基鎵(trimethylgallium,TMG)或三乙基鎵(triethylgallium,TEG)與作為第二反應氣體之氨氣(NH3)被傳送至反應腔室時，該等反應氣體係解離或交互反應，而解離或交互反應之產物係沉積在反應腔室內之晶圓表面上以形成一薄膜層。

然而，在上述反應中，氨氣需要較高的製程溫度(達到1000℃)才能解離，而三甲基鎵或三乙基鎵在相對低的溫度下就容易解離出鎵，而儘管在高製程溫度下，氨氣亦不易解離。因此，對於三甲基鎵或三乙基鎵，在製程中就需要供應大量的氨氣。

據此，在習知技術中，高製程溫度造成製程成本的增加，並且大量供應的氨氣亦大幅增加材料成本。

此外，由於反應腔室內的高製程溫度，晶圓及其他次要材料係被高熱所損壞。

有鑒於上述課題，本發明之一目的在於提供一種化學氣相沉積裝置，其係具有一電漿產生器，電漿產生器位於化學氣相深積裝置之一反應腔室之上，用以使製程反應氣體解離為自由基並經由一噴氣頭供應自由基至一反應腔室內部。

為達上述目的，本發明之一種化學氣相沉積方法係應用於一化學氣相沉積裝置以進行反應氣體之電漿製程，化學氣相沉積裝置之反應腔室上方設有一電漿產生器。化學氣相沉積方法係經由噴氣頭供應電漿處理過之反應氣體至反應腔室，以使電漿處理過之反應氣體沉積在位於反應腔室內之晶圓上。

本發明之化學氣相沉積裝置係能降低製程溫度並減少反應氣體的供應量。

在一實施例中，化學氣相沉積裝置包含一反應腔室、一電漿腔室以及一噴氣頭。反應腔室係容置一晶圓，並藉由第一反應氣體與第二反應氣體之反應而使化學氣相沉積形成於晶圓上。第二反應氣體係於電漿腔室內藉由一電漿產生器改變為電漿態。噴氣頭係設置於反應腔室之上，且排出第一反應氣體與第二反應氣體，第二反應氣體係從電漿腔室導入至反應腔室而未與第一反應氣體接觸。

在一實施例中，噴氣頭包含一第一反應氣體腔室、複數第一反應氣體通道以及複數第二反應氣體通道。第一反應氣體係導入至第一反應氣體腔室。第一反應氣體通道係連通第一反應氣體腔室與反應腔室，第一反應氣體係經由該等第一反應氣體通道流通。第二反應氣體通道係連通電漿腔室與反應腔室，第二反應氣體係經由該等第二反應氣體通道流通。

在一實施例中，第一反應氣體腔室係位於電漿腔室與反應腔室之間，並且該等第二反應氣體通道貫穿第一反應氣體腔室。較佳者，噴氣頭更包含一冷卻腔室，第一反應氣體通道與第二反應氣體通道係貫穿冷卻腔室。

在一實施例中，第一反應氣體係至少選自三甲基鎵、三乙基鎵或其他有機金屬化合物。第二反應氣體係至少選自氮氣、氨氣或其他氫氧化物。

在一實施例中，電漿產生器包含一微波產生器、一微波導引板以及複數波導元件。微波導引板將微波產生器所產生之微波放射至電漿腔室。波導元件係呈管狀並將微波產生器所產生之微波傳送至微波導引板。該等波導元件係在微波導引板內並呈板狀，且相互平行間隔設置。

在一實施例中，微波導引板之材質包含石英或百麗玻璃(Pyrex，美國康寧公司)。

在一實施例中，電漿產生器包含一射頻(radio frequency,RF)電力供應單元以及一射頻線圈。射頻線圈從射頻電力供應單元接收電力而產生一電場與一磁場，以將電場及磁場誘導進入電漿腔室。

在一實施例中，本發明之一種化學氣相沉積方法包含將一第一反應氣體導入至一第一反應氣體腔室；將一第二反應氣體導入至一電漿腔室，並藉由使用一電漿產生器將導入之第二反應氣體改變為一電漿態；以及經由一噴氣頭將第一反應氣體與該第二反應氣體導入至一反應腔室之上部，且使第一反應氣體與第二反應氣體在通入反應腔室之前互相不接觸。

在一實施例中，第一反應氣體與該第二反應氣體係分別經由一第一反應氣體通道及一第二反應氣體通道導入至反應腔室，第一反應氣體通道及第二反應氣體通道係設置於噴氣頭內且互相不干涉。第二反應氣體通道之一直徑與一長度之一比值較佳係大於等於10。

在一實施例中，第二反應氣體係經由下列步驟變為電漿態：藉由一微波產生器產生微波；藉由複數波導元件將微波產生器所產生之微波傳送至一微波導引板；以及藉由微波導引板將從該等波導元件所傳送之微波放射至電漿腔室，其中該等波導元件係在微波導引板內平行間隔設置。

承上所述，反應氣體包含一氫氧化物，例如氨氣，其係預先處理為電漿態，並供應至一反應腔室，與習知技術相比，藉此可大幅降低一製程溫度，並且節省裝置的操作成本，並可避免一晶圓與其他構件被高熱所損壞。

此外，反應氣體變為電漿態並供應至反應腔室，與習知技術相較，藉此能減少反應氣體的使用量，並因而節省材料成本。

此外，從電漿態之反應氣體所產生之電子與離子型式自由基，在經過一噴氣頭時係形成中性粒子，藉此可避免一晶圓與一沉積層被電子損壞。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置及方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖2為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置的剖面示意圖，圖3為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置之一噴氣頭的局部放大示意圖，圖4為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置之一電漿產生器的示意圖。

本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置包含一反應腔室10、一噴氣頭20、一電漿腔室30以及一電漿產生器40。反應腔室10係讓反應氣體交互反應以及沉積製程進行的地方。噴氣頭20係提供反應氣體至反應腔室10之反應空間。電漿腔室30係設置於噴氣頭20之上，用以儲存電漿態之反應氣體。電漿產生器40設置於電漿腔室30之上，用以使電漿腔室30內的反應氣體變化為電漿態。

反應腔室10包含一晶圓W，其係位於反應空間，藉由第一反應氣體與第二反應氣體之反應，可產生一材料，該材料係化學氣相沉積於晶圓W。晶圓W係設置於一晶圓支撐體14上。至少一晶圓W設置於晶圓支撐體14上。當複數晶圓W設置於晶圓支撐體14上時，較佳者係該等晶圓W沿著晶圓支撐體14之一中心軸對稱設置，或者該等晶圓W係均勻分佈。一支撐桿16用以支撐晶圓支撐體114並位於晶圓支撐體14之下。支撐桿16可藉由一晶圓支撐體驅動馬達(圖未顯示)驅動而轉動。一加熱器(圖未顯示)用以加熱晶圓支撐體14至一製程溫度，並位於晶圓支撐體14之下。一氣體排出構件12設置於反應腔室10之下，並且反應腔室10內之反應氣體係排出至反應腔室10之外。

另外，在本實施例中，三甲基鎵作為第一反應氣體，而氨氣作為第二反應氣體60並且在電漿腔室30內轉變為電漿態。三甲基鎵與氨氣經由噴氣頭20傳送至反應腔室10內，然後兩者相互反應以沉積於晶圓W上。

在本實施例中，三甲基鎵作為第一反應氣體，然而本發明不限於此，另外例如三乙基鎵、三甲基銦(trimethylindium,TMI)、三甲基鋁(trimethylaluminum,TMAL)、二乙基鋅(diethylzinc,DEZn)或其他類似材料皆可作為第一反應氣體，此外像金屬烷基(metal alkyl)材料、或其他有機金屬化合物亦可作為第一反應氣體。

此外，在本實施例中，雖然氨氣作為第二反應氣體，但像其他預定的氫氧化物(hydrate)，例如氮氣、磷化氫(PH3)、砷化氫(AsH3)、或偏二甲肼(Unsymmetrical Dimethyl Hydrazine,UDMH)皆可作為第二反應氣體。

噴氣頭20設置於電漿腔室30與反應腔室10之間，其可避免第一反應氣體與第二反應氣體相互接觸，並可將各別反應氣體傳送至反應腔室10。

請參照圖2及圖3，一第一反應氣體腔室23係形成於噴氣頭20之上，並且至少一第一反應氣體入口25係形成於第一反應氣體腔室23之一側。此外，一第一反應氣體通道21係連通第一反應氣體腔室23與反應腔室10，並且一第二反應氣體通道22係連通電漿腔室30與反應腔室10，第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22係間隔設置，並且各有複數個。亦即，第一反應氣體腔室23與反應腔室10係經由複數第一反應氣體通道21而相互連接，並且電漿腔室30與反應腔室10係經由複數第二反應氣體通道22而相互連接。在此態樣中，第二反應氣體通道22係貫穿第一反應氣體腔室23，然而第二反應氣體通道22並無與第一反應氣體腔室23連通，而是直接與反應腔室10連通。在此態樣中，第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22係相互不干涉。

此外，一冷卻腔室24係形成於第一反應氣體腔室23之下，因而第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22係貫穿冷卻腔室24。第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22係貫穿冷卻腔室24，但並無與冷卻腔室24連通。一冷卻材料70係於冷卻腔室24內流動，且第一反應氣體50與第二反應氣體60係無與冷卻材料70接觸。

第一反應氣體50係經由第一反應氣體入口25導入第一反應氣體腔室23，並經由第一反應氣體通道21導入反應腔室10。第二反應氣體60經由一第二反應氣體入口32導入電漿腔室30，然後被變化為電漿態，並經由第二反應氣體通道22導入反應腔室10。在此態樣中，由於第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22係相互不干涉，因此第一反應氣體50與第二反應氣體60係無相互接觸，直到皆導入反應腔室10始進行反應。

至少一冷卻材料入口26形成於冷卻腔室24之一側，並且至少一冷卻材料出口27係形成於冷卻腔室24之另一側。藉此，冷卻材料，例如水、油或其他類似者，係導入並流動，並冷卻第一反應氣體通道21與第二反應氣體通道22，然後被排出。

一個以上之第一第二反應氣體入口32設置於電漿腔室30之一側，並且第二反應氣體60係經由第二反應氣體入口32導入至電漿腔室30。導入至電漿腔室30之第二反應氣體60在經由噴氣頭20傳送至反應腔室10之前，係藉由電漿產生器40而變化為電漿態，並因而以離子型式存在。

電漿產生器40將電漿腔室30內之第二反應氣體60改變為電漿態，以從第二反應氣體60產生自由基(radicals)。請參照圖4，電漿產生器40包含一微波產生器42、一微波導引板44以及複數波導元件46。微波產生器42係產生微波，微波導引板44係將微波產生器42所產生之微波放射至電漿腔室30，波導元件46係將微波產生器42所產生之微波傳送至微波導引板44。當電漿產生器40產生之微波到達電漿腔室30時，電漿腔室30內之第二反應氣體60係變為電漿態，並因而產生離子型式自由基與自由電子。

微波產生器42係為將第二反應氣體60變化為電漿態之能量來源，並產生微波，且將微波發送至各波導元件46。

各波導元件46係為管狀，並與微波產生器42連接，以將從微波產生器42所振盪出來的微波傳送至微波導引板44。

微波導引板44較佳者係為一石英板或一派熱克斯板(Pyrex plate)。微波導引板44係導引從電漿產生器40振盪之微波，並使其均勻地放射至電漿腔室30。為此，在本實施例中，微波導引板44係形成為方形，並且波導元件46係在微波導引板44內間隔、平行設置。

在其他實施例中，波導元件46可為螺旋狀，且在此態樣中，微波導引板44之形狀可調整為適合波導元件46。

另外，除了微波之外，像中頻(medium frequency,MF)、高頻(high frequency,HF)、射頻(radio frequency,RF)、特高頻(very high frequency,VHF)、超高頻(ultrahigh frequency,UHF)皆可用來產生電漿。圖5為本發明另一實施例之利用射頻產生電漿之一種化學氣相沉積裝置的示意圖，圖6為使用射頻之一種電漿產生器的示意圖。

請參照圖5及圖6，電漿產生器包含一射頻電力供應單元，其係包含一射頻產生器86、一射頻匹配器(RF matcher)88以及一射頻線圈82，射頻線圈82與射頻電力供應單元連接。射頻線圈82設置於一陶瓷板84上並且與電漿腔室30電性隔絕。

射頻線圈82係鄰設於電漿腔室30之上方，從射頻電力供應單元接收射頻電力而產生一電場與一儲存磁場，且電場與儲存磁場被誘導進入電漿腔室30而激發在電漿腔室30內之第二反應氣體60，而使其變為電漿態。

在本實施例中，射頻線圈82係形成為螺旋狀並設置於陶瓷板84上，陶瓷板84係使射頻線圈82與電漿腔室30電性隔離。因此，本實施例之陶瓷板84係用以作為一絕緣元件，但在其他實施例中，石英板或其他可使射頻線圈82及電漿腔室30電性隔離之元件亦可作為絕緣元件。

本發明最大之技術特徵係為反應氣體預先處理為電漿態，再經由噴氣頭20將反應氣體傳送至反應腔室10之頂部，以與另一反應氣體產生反應，如此就能輕易地在低製程溫度的情況下形成沉積。然而，在習知技術中，當反應氣體變為電漿態時，反應氣體係離子化而產生帶正電電荷之自由基以及帶負電電荷之自由電子。當電子直接導入反應腔室10時，電子會撞擊晶圓及一沉積層，因而使得晶圓及沉積層被電子之電荷所損壞。然而，在本實施例中，當反應氣體變為電漿態所產生之電子通過噴氣頭20之第二反應氣體通道22時，會撞擊並吸收帶正電電荷之N+自由基，因而使得導入反應腔室10之電子的量有顯著的減少。

換言之，傳送至反應腔室10之氨氣在電漿腔室30內變為電漿態，並解離為離子型式之自由基與電子。從氨氣所產生的電子通過噴氣頭時，其係撞擊並吸收離子型式之N+自由基，並產生中性自由基(N)。結果，導入反應腔室10之電子的數量便大幅減少。

以下進一步說明化學氣相沉積裝置。電子係通過通道而撞擊帶正電荷之自由基，該通道之氣壓小於1毫陶爾(mTorr)，且通道之一直徑與一長度之比值係約為5。該比值與氣壓呈反比。一般來說，有機金屬化學氣相沉積製程係在10陶爾(=104 mTorr)之氣壓下進行。因此，在一般之有機金屬化學氣相沉積製程中，電子所通過之通道而撞擊帶正電電荷之自由基，通道之直徑與長度之比值為5x10-4。在本實施例中，第二反應氣體通道22之一直徑D與一長度L分別為600 μm與6 mm。因此，第二反應氣體通道22之直徑與長度之比值為10。據此，在本實施例中，當電子通過第二反應氣體通道22時，將會與帶正電電荷之自由基產生2×104(10/(5×10-4))次的碰撞。

依據在上述之環境下所得到的實驗結果，當第二反應氣體60在電漿腔室30內呈電漿態時，氮(N)自由基濃度為1010/cm3，而氮自由基在反應腔室10內之濃度為1012~14/cm3。亦即，第二反應氣體60在電漿腔室30內形成電漿態，以致產生濃度1010/cm3之氮自由基。然而，當氮自由基通過噴氣頭20之第二反應氣體通道22時，自由電子碰撞並吸收N+自由基以產生中性粒子，藉此使得電漿腔室30內之氮自由基之濃度與反應腔室10內之氮自由基的濃度產生差異。換言之，此差異所應的電子數量即在通過噴氣頭20時吸收N+自由基，如此，導入反應腔室10內之電子的濃度便因而減少，進而避免晶圓W與沉積層被電子所損壞。

依據本發明較佳實施例，一種化學氣相沉積裝置，特別是一種有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)裝置係預先處理反應氣體，使其在高溫下解離而形成電漿態，並將其均勻地傳送至一反應腔室，進而提高化學氣相沉積程程之效能。這也使得本發明具有非常高的產業應用性。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10．．．反應腔室

12．．．氣體排出構件

14．．．晶圓支撐體

16．．．支撐桿

20．．．噴氣頭

21．．．第一反應氣體通道

22．．．第二反應氣體通道

23．．．第一反應氣體腔室

24．．．冷卻腔室

25．．．第一反應氣體入口

26．．．冷卻材料入口

27．．．冷卻材料出口

30．．．電漿腔室

32．．．第二反應氣體入口

40．．．電漿產生器

42．．．微波產生器

44．．．微波導引板

46．．．波導元件

50．．．第一反應氣體

60．．．第二反應氣體

70．．．冷卻材料

82．．．射頻線圈

84．．．陶瓷板

86．．．射頻產生器

88．．．射頻匹配器

100．．．反應腔室

120．．．反應氣體入口

140．．．氣體排出構件

200．．．噴氣頭

220．．．反應氣體傳輸孔

300．．．晶圓支撐體

320．．．支撐桿

D．．．直徑

L．．．長度

W．．．晶圓

圖1為一種習知化學氣相沉積裝置的示意圖；

圖2為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置的剖面示意圖；

圖3為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置之一噴氣頭的局部放大示意圖；

圖4為本發明較佳實施例之一種化學氣相沉積裝置之一電漿產生器的示意圖；

圖5為本發明另一實施例之一種化學氣相沉積裝置的剖面示意圖；以及

圖6為本發明另一實施例之一種化學氣相沉積裝置之一種電漿產生器的示意圖。

10．．．反應腔室

12．．．氣體排出構件

14．．．晶圓支撐體

16．．．支撐桿

20．．．噴氣頭

25．．．第一反應氣體入口

26．．．冷卻材料入口

27．．．冷卻材料出口

30．．．電漿腔室

32．．．第二反應氣體入口

40．．．電漿產生器

W．．．晶圓

Claims (12)

1. 一種化學氣相沉積裝置，包含：一反應腔室，係容置一晶圓，並藉由一第一反應氣體與一第二反應氣體之反應而使一化學氣相沉積形成於該晶圓上；一電漿腔室，該第二反應氣體係於該電漿腔室內藉由一電漿產生器改變為電漿態；以及一噴氣頭，係設置於該反應腔室之上，且排出該第一反應氣體與該第二反應氣體，該第二反應氣體係從該電漿腔室導入至該反應腔室，且在導入該反應腔室之前未與該第一反應氣體接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沉積裝置，其中該噴氣頭包含：一第一反應氣體腔室，該第一反應氣體係導入至該第一反應氣體腔室；複數第一反應氣體通道，係連通該第一反應氣體腔室與該反應腔室，該第一反應氣體係經由該等第一反應氣體通道流通；以及複數第二反應氣體通道，係連通該電漿腔室與該反應腔室，該第二反應氣體係經由該等第二反應氣體通道流通。
3. 如申請專利範圍第2項所述之化學氣相沉積裝置，其中該第一反應氣體腔室係位於該電漿腔室與該反應腔室之間，並且該等第二反應氣體通道貫穿該第一反應氣體腔室。
4. 如申請專利範圍第3項所述之化學氣相沉積裝置，其中該噴氣頭更包含一冷卻腔室，該第一反應氣體通道與該第二反應氣體通道係貫穿該冷卻腔室。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項之任一項所述之化學氣相沉積裝置，其中該第一反應氣體係至少選自三甲基鎵、三乙基鎵或其他有機金屬化合物。
6. 如申請專利範圍第1項至第4項之任一項所述之化學氣相沉積裝置，其中該第二反應氣體係至少選自氮氣、氨氣或其他氫氧化物。
7. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沉積裝置，其中該電漿產生器包含：一微波產生器；一微波導引板，將該微波產生器所產生之微波放射至該電漿腔室；以及複數波導元件，係呈管狀並將該微波產生器所產生之微波傳送至該微波導引板，其中該等波導元件係在該微波導引板內並呈板狀，且相互平行間隔設置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之化學氣相沉積裝置，其中該微波導引板之材質包含石英或百麗玻璃(Pyrex)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之化學氣相沉積裝置，其中該電漿產生器包含：一射頻電力供應單元；以及一射頻線圈，從該射頻電力供應單元接收電力而產生一電場與一磁場，以將該電場及該磁場誘導進入該電漿腔室。
10. 一種化學氣相沉積方法，包含：將一第一反應氣體導入至一第一反應氣體腔室；將一第二反應氣體導入至一電漿腔室，並藉由使用一電漿產生器將導入之該第二反應氣體改變為一電漿態；以及經由一噴氣頭將該第一反應氣體與該第二反應氣體導入至一反應腔室之上部，且使該第一反應氣體與該第二反應氣體在通入該反應腔室之前互相不接觸。
11. 如申請專利範圍第10項所述之化學氣相沉積方法，其中該第一反應氣體與該第二反應氣體係分別經由一第一反應氣體通道及一第二反應氣體通道導入至該反應腔室，該第一反應氣體通道及該第二反應氣體通道係設置於該噴氣頭內且互相不干涉。
12. 如申請專利範圍第10項所述之化學氣相沉積方法，其中該第二反應氣體係經由下列步驟變為電漿態：藉由一微波產生器產生微波；藉由複數波導元件將該微波產生器所產生之微波傳送至一微波導引板；以及藉由該微波導引板將從該等波導元件所傳送之微波放射至該電漿腔室，其中該等波導元件係在該微波導引板內平行間隔設置。