TWI636152B - Auxiliary device for plasma enhanced chemical vapor deposition reaction chamber and deposition method thereof - Google Patents

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Abstract

一種電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置及其沈積方法，其係針對一PECVD之反應室，提供至少一輔助裝置，其中該至少一輔助裝置得包含一設在該反應室之內腔的環周緣壁上的第一電場裝置，用以對反應室中的電漿產生電性吸力效應，使電漿中的源材料或薄膜先前物在吸附並沈積於基片表面上以形成薄膜之前，能藉該電性吸力效應而由反應室之中央朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性；又其中該至少一輔助裝置得包含一設在該反應室中用以承置基片之平台面下方的第二電場裝置，用以對在反應室內之電漿產生電性吸力效應，使該電漿中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於基片表面上，藉以有效控制及減小沈積薄膜的厚度，並可避免先前技術因沈積成較厚薄膜而須另進行研磨的麻煩，用以提昇該PECVD之反應室之使用效率及其製程效率。

Description

電漿增強化學氣相沈積之反應室的輔助裝置及其沈積方法
本發明係有關一種化學氣相沈積之反應室的輔助裝置及其沈積方法，尤指一種供應用於電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置及其沈積方法。
化學氣相沈積(CVD，Chemical Vapor Deposition)是將源材料(或稱薄膜先前物、反應源)以氣體形式(或稱製程氣體)引入反應室中，經由氧化、還原或與基片表面反應之方式進行化學反應，其生成物藉內擴散作用而沈積在基片表面上以形成薄膜。CVD在反應室中之製程步驟大致包含：(1)氣相源材料(或製程氣體)引進反應室內；(2)源材料擴散穿過邊界層並接觸基片表面；(3)源材料吸附在基片表面上；(4)吸附的源材料在基片表面上移動；(5)在基片表面上開始化學反應；(6)固態副產物在基片表面上形成晶核；(7)晶核生長成島狀物；(8)島狀物合併成連續的薄膜；(9)其他氣體副產品從基片表面上脫落釋出；(10)氣體副產品擴散過邊界層；(11)氣體副產品流出反應室。
在CVD領域中已存在一種電漿增強(輔助)CVD(PECVD，Plasma Enhanced CVD)，PECVD廣泛應用於氧化物與氮化物薄膜沈積。pECvD的沈積原理與一般的CVD並無太大差異，其中電漿中的反應物是化 學活性較高的離子或自由基，且基片表面受到離子的撞擊也會較高化學活性，故可促進基片表面的化學反應速率，因此PECVD具有能在較低溫度沈積薄膜的優點。此外，PECVD技術領域中亦存在一種遠端(Remote)PECVD，即在反應室外方設置一電漿產生室，即稱為遠端電漿產生室，使源材料以氣體形式先通入該電漿產生室中，供可利用微波方式或射頻功率方式以形成電漿，再將該電漿引進反應室內。
在CVD、PECVD、遠端PECVD等相關領域中，已存在甚多先前技術，如US5,908,602、US6,444,945、US2006/0177599、US申請案號61/137,839(TWI532414)等；其中，大多數習知的PECVD裝置係用於小規模(即小於1平方公尺)沈積，此乃因大多數電漿源極短而只可塗布小面積。其中US6,444,945雖揭示一種基於平行電子發射表面(即二平行電極板)之電漿源，但消耗較多能量而相對提高製作成本；US申請案號61/137,839則揭示分別產生線性及二維電漿供適用於PECVD之電漿源。
此外，利用CVD或PECVD技術沈積的薄膜，一般具有多種特性的要求，例如：好的階梯覆蓋能力、具有充填高深寬比間隙的能力、好的厚度均勻性、高的純度及密度等。以PECVD技術所沈積的薄膜而論，已知PECVD技術存有下列缺點：其一是，在反應室之電漿中，其源材料或薄膜先前物在沈積於基片表面上之前的均勻性常不足夠，致使沈積於基片表面上所形成之薄膜的均勻性也相對不夠好；其二是，其源材料或薄膜先前物一般是先成核至適足量之後才能自由落體沈積於基片表面上，致使沈積於基片表面上所形成之薄膜的厚度往往具有一基本厚度而無法更薄化，造成在進行後續之PECVD成膜製程之前，須多增加一研磨程序用以使該薄 膜更均勻平整。
因此，在PECVD技術領域中，如何使沈積薄膜能具有較好的厚度均勻性及較薄之厚度，此乃本發明主要解決的課題。
本發明主要目的乃在於提供一種電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置，其係在一PECVD之反應室中設置至少一電場裝置，其中該至少一電場裝置係一設在該反應室之內腔的環周緣壁上的第一電場裝置，用以對反應室中的電漿產生電性吸力效應，使電漿中的源材料或薄膜先前物在吸附並沈積於基片表面上以形成薄膜之前，能由反應室之中央朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性，用以提昇PECVD之反應室的使用效率及其製程效率。
本發明再一目的乃在於提供一種電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置，其係在一PECVD之反應室設置至少一電場裝置，其中該至少一電場裝置係一設在該反應室中供用以承置基片之平台面下方的第二電場裝置，用以對反應室內之電漿產生電性吸附力效應，使該電漿中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於基片表面上，藉以有效控制及減小沈積薄膜的厚度，並可避免先前技術在沈積成較厚薄膜後常須再研磨加工的麻煩，用以提昇PECVD之反應室的製程效率。
本發明另一目的乃在於提供一種電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置，其進一步在一PECVD之反應室內設置一射頻磁場裝置，該射頻磁場裝置係設在該反應室中供用以承置基片之平台 面的中央下方處，用以控制沈積於基片表面上之磊晶角度。
本發明另一目的乃在於提供一種利用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)的沈積方法，其包含下列步驟：(a)將一由源材料或薄膜先前物形成之電漿引入在一PECVD之反應室中，其中該反應室中設有一平台面供用以承置至少一基片；(b)提供一第一電場裝置，該第一電場裝置係設在該反應室之內腔的環周緣壁上，用以對反應室中的電漿產生電性吸力效應，使該電漿中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於該至少一基片之表面上以形成薄膜之前，能由反應室之中央朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性。
本發明另一目的乃在於提供一種利用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)的沈積方法，其中在該步驟(b)之後，進一步包含步驟(c)：提供一第二電場裝置，該第二電場裝置係設置在該反應室中該平台面用以承置基片之相對面的下方，用以對在反應室內之電漿產生電性吸力效應，使該電漿中之源材料或薄膜先前物得進一步藉該電性吸附力而較快速地吸附並沈積於基片表面上。
本發明另一目的乃在於提供一種利用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)的沈積方法，其中在該步驟(c)之後，進一步包含步驟(d)：提供一射頻磁場裝置，該射頻磁場裝置係設置在該反應室中供用以承置基片之平台面的中央下方處，用以控制沈積於基片表面上之磊晶角度。
為達成上述目的，本發明之電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置之一優選實施例包含至少一輔助裝置，其中該至少一輔助裝置得包含一設在該反應室之內腔的環周緣壁上的第一電 場裝置，用以對反應室中的電漿產生電性吸力效應，使電漿中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於基片表面上以形成薄膜之前，由反應室之中央朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性；又其中該至少一輔助裝置得更包含一設在該反應室中用以承置基片之平台面下方的第二電場裝置，用以對在反應室內之電漿產生電性吸力效應，使該電漿中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於基片表面上，藉以有效控制及減小沈積薄膜的厚度；又其中該至少一輔助裝置得更包含一設在該反應室中供用以承置基片之平台面的中央下方處之射頻磁場裝置，用以控制沈積於基片表面上之磊晶角度，藉以避免先前技術在沈積後常須再研磨加工的麻煩，用以提昇PECVD之反應室的使用效率及製程效率。
為達成上述目的，本發明之利用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)的沈積方法之一優選實施例，包含以下步驟：(a)將一由源材料或薄膜先前物形成之電漿引入在一PECVD之反應室中，其中該反應室中設有一平台面供用以承置至少一基片；(b)提供一第一電場裝置，使該第一電場裝置設在一PECVD之反應室之內腔的環周緣壁上，用以對反應室中的電漿產生電性吸力效應，使電漿中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於該至少一基片之表面上以形成薄膜之前，能藉該電性吸力效應而由反應室之中央朝外環周緣移動擴張，藉以增進沈積薄膜的均勻性；(c)提供一第二電場裝置，使該第二電場裝置設置在該反應室中該平台面用以承置基片之相對面的下方，用以對在反應室內之電漿產生電性吸力效應，使該電漿中的源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效 應而吸附並沈積於基片表面上；及(d)提供一射頻磁場裝置，使該射頻磁場裝置設在該反應室中供用以承置基片之平台面的中央下方處，用以控制沈積於基片表面上之磊晶角度。
10‧‧‧反應室
11‧‧‧製程氣體入口
12‧‧‧副產品抽出口
13‧‧‧平台
14‧‧‧平台面
15‧‧‧電極板
151‧‧‧射頻產生器
20‧‧‧基片
30‧‧‧電漿30
40‧‧‧第一電場裝置
50‧‧‧第二電場裝置
60‧‧‧射頻磁場裝置
70‧‧‧反應室
71‧‧‧製程氣體入口
72‧‧‧副產品抽出口
73‧‧‧平台
74‧‧‧平台面
80‧‧‧遠端電漿產生室
第1圖係本發明之電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置一實施例之結構剖面示意圖。
第2圖係本發明之電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置另一實施例之結構剖面示意圖。
為使本發明更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖示，將本發明之結構及其技術特徵詳述如後；其中在圖式中各部件的尺寸並非依實際比例繪示：參考第1圖所示，本實施例之反應室10可利用習知一般電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室作成但非用以限制本發明。該反應室10包含：一製程氣體入口11，其中該製程氣體包含源材料(或稱反應源、薄膜先前物)之氣體形式；一副產品抽出口12，如利用真空泵浦以使氣體副產品流出於反應室10之外；一平台13，其可用於加熱；一平台面14，其設在該平台13上，供用以承置至少一基片20。以本實施例而言，其係利用二平行之電極板15並藉射頻產生器151施予射頻(radio frequency)但非用以限制本發明，以使製程氣體能在該反應室10中形成電漿30。該電漿30乃是當外加 能量大於該製程氣體的解離能時所產生，該外加能量可以直流高壓電、射頻、微波等形式提供；該外加能量大部分由電子獲得，電子獲得能量後與其他粒子碰撞，若為彈性碰撞則與較大分子碰撞幾乎不傳遞能量；當電子累積足夠能量後與較重的中性粒子非彈性碰撞可解離而激發電子，再不斷地與重粒子碰撞而維持電漿；故電漿是一種由正電荷(離子)、負電荷(電子)及中性自由基(radical)所構成的部分解離氣體(partiallyionized gas)。由於該反應室10中各部件之結構及其功能，皆能利用現有技術來完成，故其各部件如製程氣體入口11、副產品抽出口12、平台13、平台面14、二平行之電極15、射頻產生器151等之詳細結構及其功能，在此不再贅述。
本發明之主要特徵在於：該反應室10的輔助裝置包含至少一電場裝置，其中該至少一電場裝置係包含一設在該反應室10之內腔的環周緣壁上的第一電場裝置40，該第一電場裝置40係利用射頻電流通過線圈來形成電場，使其所形成之電場可以對該反應室10中的電漿30產生電性吸力效應，使該電漿30中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於該基片20至少一表面上以形成薄膜之前，由該反應室10之中央(如第1圖中Z軸所示)朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性。
此外，在本實施中，該第一電場裝置40係利用射頻電流通過線圈來形成電場，其中該射頻可依源材料密度而選用不同射頻，如包含：700v/m±6%、1300v/m±6%、或1900v/m±6%，但非用以限制本發明。
本發明之再一特徵在於：該反應室10的輔助裝置更包含一設在該反應室10中該平台面14下方的第二電場裝置50，其係利用射頻電流通過一螺旋狀線圈(以Z軸為中心繞設如第1圖所示)來形成電場，使該第二 電場裝置50所形成之電場可以對在反應室10內之電漿30產生電性吸力效應，使該電漿30中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於該基片20至少一表面上。通常在操作時，是先關閉該第一電場裝置40的電場效應後，再啟動該第二電場裝置50的電場效應但非用以限制本發明，也就是，該第一電場裝置40及該第二電場裝置50得分別設置或實施。由於該第二電場裝置50在啟動後，其所形成之電場效應可以主動地對在反應室10內之電漿30產生電性吸力效應，可以迫使該電漿30中之源材料或薄膜先前物得加速或較快速地吸附並沈積於該基片20至少一表面上，故可以有效控制及減小沈積薄膜的厚度。
此外，在本實施中，該第二電場裝置50係利用射頻電流通過一螺旋狀線圈(以Z軸為中心繞設)來形成電場，其中該射頻可依源材料氣相層濃度而選用不同射頻，如包含：90uv/m±4.5%、500uv/m±4.5%、或1100v/m±4.5%，但非用以限制本發明。
本發明之另一特徵在於：該反應室10的輔助裝置更包含一射頻磁場裝置60，該射頻磁場裝置60係設在該反應室10中該平台面14的中央(如第1圖中Z軸所示)下方處，用以控制沈積於基片20至少一表面上之磊晶角度。
參考第2圖所示，其係本發明之電漿增強化學氣相沈積(PECVD)之反應室的輔助裝置另一實施例之結構剖面示意圖。本實施例之反應室70可利用習知遠端電漿增強化學氣相沈積(Remote PECVD)之反應室作成但非用以限制本發明。該反應室70包含：一製程氣體入口71，其中該製程氣體包含源材料(或稱反應源、薄膜先前物)之氣體形式；一遠端 電漿產生室80，以本實施例而言，其可利用直流高壓電、射頻、微波等形式提供外加能量但非用以限制本發明，以使製程氣體能在該遠端電漿產生室80中先形成電漿30再引入該反應室70中；一副產品抽出口72，如利用真空泵浦以使氣體副產品流出於反應室70之外；一平台73，其可用於加熱；一平台面74，其設在該平台73上，供用以承置至少一基片20。由於本實施例具有一遠端電漿產生室80以使製程氣體能先形成電漿30再引入該反應室70中，故第2圖所示實施例中與第1圖所示實施例之間的主要不同處在於：第2圖所示實施例並不再利用如第1圖所示之二平行之電極板15並藉該射頻產生器151施予射頻(radio frequency)來使製程氣體在該反應室70中形成電漿30。此外，由於該反應室70之各部件之結構及其功能，皆能利用現有技術來完成，故其各部件如製程氣體入口71、副產品抽出口72、平台73、平台面74等之詳細結構及其功能，在此不再贅述。
本發明如第2圖所示實施例之技術特徵所在，包含：第一電場裝置40、第二電場裝置50、及該射頻磁場裝置60，該等技術特徵係與如第1圖所示實施例之技術特徵完全相同，故不另說明。
本發明之利用電漿增強化學氣相沈積(PECVD)的沈積薄膜方法，包含下列步驟：(a)將一由源材料或薄膜先前物形成之電漿30引入在一PECVD之反應室10(或70)中，其中該反應室10(或70)中設有一平台面14(或74)供用以承置至少一基片20；(b)提供一第一電場裝置40，使該第一電場裝置40設在一PECVD之反應室10(或70)之內腔的環周緣壁上如第1、2圖所示，用以對 反應室10(或70)中的電漿30產生電性吸力效應，使電漿30中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於該至少一基片20之表面上以形成薄膜之前，能由反應室10(或70)之中央(Z軸)朝外環周緣擴張移動，藉以增進沈積薄膜的均勻性。
本發明在該步驟(b)後，進一步包含步驟(c)：提供一第二電場裝置50，使該第二電場裝置50設置在該反應室10(或70)中該平台面14(或74)用以承置基片之相對面的下方，用以對在反應室10(或70)內之電漿30產生電性吸力效應，使該電漿30中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於基片表面上。
本發明在該步驟(c)後，進一步包含步驟(d)：提供一射頻磁場裝置60，使該射頻磁場裝置60設在該反應室10(或70)中該平台面14(或74)的中央下方處，用以控制沈積於基片表面上之磊晶角度。
以上所述僅為本發明的優選實施例，對本發明而言僅是說明性的，而非限制性的；本領域普通技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效變更，但都將落入本發明的保護範圍內。

Claims (2)

  1. 一種電漿增強化學氣相沈積之反應室的輔助裝置，該反應室包含：一製程氣體入口，其中該製程氣體包含源材料之氣體形式；一副產品抽出口用以使氣體副產品流出於反應室之外；一平台；一平台面其設在該平台上供用以承置至少一基片；其中在該反應室中存有由該製程氣體所形成之電漿；其特徵在於：該反應室內設有至少一輔助裝置，該至少一輔助裝置係包含至少一電場裝置，其中該至少一電場裝置係設置在該反應室之內腔中，使該至少一電場裝置能在該反應室之內腔中產生至少一電場效應，用以對該反應室中的電漿產生電性吸力效應；其中該至少一電場裝置係包含一設在該反應室之內腔的環周緣壁上的第一電場裝置，使該第一電場裝置所形成之電場能對該反應室中的電漿產生電性吸力效應，使該電漿中的源材料或薄膜先前物得在吸附並沈積於該基片至少一表面上並形成薄膜之前，由該反應室之中央朝外環周緣移動擴張，藉以增進沈積薄膜的均勻性；其中該第一電場裝置係利用射頻電流通過線圈來形成電場，其中該第一電場裝置之射頻係依源材料密度而選用不同射頻，其中該射頻包含：700v/m±6%、1300v/m±6%、900v/m±6%；其中該至少一電場裝置係更包含一設在該反應室中該平台面下方的第二電場裝置，使該第二電場裝置所形成之電場可以對在反應室內之電漿產生電性吸力效應，使該電漿中之源材料或薄膜先前物得藉該電性吸力效應而吸附並沈積於該基片至少一表面上，藉以控制沈積薄膜的厚度； 其中該第二電場裝置係利用射頻電流通過一螺旋狀線圈來形成電場，其中該第二電場裝置係依源材料氣相層濃度而選用不同射頻，其中該射頻包含：90uv/m±4.5%、500uv/m±4.5%、1100v/m±4.5%；其中該反應室的輔助裝置更包含一射頻磁場裝置，該射頻磁場裝置係設在該反應室中該平台面的中央下方處，用以控制沈積於基片至少一表面上之磊晶角度。
  2. 如請求項1所述之反應室的輔助裝置，其中該反應室中所存有由該製程氣體所形成之電漿係在該反應室中形成，或在一遠遠端電漿產生室形成之後再引入該反應室中。
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