TWI729121B

TWI729121B - 用於快速加熱製程的方法與反應腔室

Info

Publication number: TWI729121B
Application number: TW106114404A
Authority: TW
Inventors: 羅世宏; 陳坤宏; 劉修東; 宋佳展; 郭冠志
Original assignee: 聯華電子股份有限公司
Priority date: 2017-05-01
Filing date: 2017-05-01
Publication date: 2021-06-01
Also published as: TW201842588A

Abstract

本發明實施例提供一種用於快速加熱製程的方法，所述快速加熱製程的方法具有下述步驟。首先，提供反應腔室，並使反應腔室內的基材支持結構支持基材。接著，將反應氣體導入於反應腔室，其中反應氣體係從基材的側面與上面同時或分時地導入，且反應氣體於基材之上表面處以水平方向流動與由上往下之方向流動，以在基材之上表面處進行反應。

Description

用於快速加熱製程的方法與反應腔室

本發明係有關於一種半導體製程的方法與反應腔室，且特別是一種用於快速加熱製程(Rapid Thermal Processing，簡稱為RTP)的方法與反應腔室。

於閘極氧化製程(gate oxidation process)中，會在作為基材的矽晶圓上先長出二氧化矽層，接著，於二氧化矽層的表面導入氨氣(NH₃)作為反應氣體進行氮化，以得到較低的等效氧化層厚度(Equivalent Oxide Thickness，簡稱為EOT)之閘極介電層(gate dielectric layer)。

上述閘極氧化製程可以實現在快速加熱製程的方法中。現有技術是將氨氣從矽晶圓的側面導入，使氨氣以水平方向從矽晶圓上表面流過，並與矽晶圓之二氧化矽層的上表面進行氮化反應。然而，由於氨氣僅從晶圓的側面導入，造成氨氣於矽晶圓上的氮化反應之不均勻，導致閘極介電層的氮化程度(亦即，氧化物形成氮氧化物的量)有很大的差異。因此，矽晶圓之邊緣處的閘極介電層的氮化程度的較高，但矽晶圓之中心處的閘極介電層的氮化程度則較低。

於美國US 8980767B2號核准專利中，反應腔室將反應氣體從作為基材的基板之側面與下面導入，以分別接觸基板的上表面與下表面，但是反應氣體仍是於基板的上表面與下表面處以水平方向流動。美國US 8980767B2號核准專利係用於解決沉積材料過多地沉積於反應腔室而需要耗費時間清理導致生產效率降低的技術問題，但其仍未解決反應氣體與基材之反應程度不均勻的技術問題。

有鑑於上述現有技術之技術問題，本發明目的之一在於提供一種用於快速加熱製程的方法與反應腔室，透過本發明的方法或反應腔室，反應腔室內的基材能夠均勻地與導入的反應氣體反應，亦即基材之中心處與邊緣處與反應氣體進行反應的反應程度不會有太多差異。

本發明實施例還提供一種用於快速加熱製程的反應腔室，所述反應腔室包括內部腔室、基材支持結構以及反應氣體導入結構。內部腔室係由多個牆組成與一個門組成。基材支持結構位於內部腔室內，且能用以支持由門送入的基材。反應氣體導入結構係用以將反應氣體導入內部腔室，其中反應氣體導入結構具有多個第一導入孔與多個第二導入孔，以使反應氣體係從基材的側面與上面導入，且反應氣體於基材之上表面處以水平方向流動與由上往下之方向流動，以在基材之上表面處進行反應。

於本發明實施例中，上述基材可以是矽晶圓，矽晶圓上具有二氧化矽層，且反應氣體為氨氣。

於本發明實施例中，上述反應氣體係同時地從基材的側面與上面導入。

於本發明實施例中，上述反應氣體係分時地從基材的側面與上面導入。

於本發明實施例中，從上述基材的側面與上面導入之反應氣體的量可以不同。

於本發明實施例中，持續將上述反應氣體導入反應腔室並經過第一時間後，進行快速加熱使反應腔室內的溫度上升至特定溫度，並於反應腔室之溫度上升至特定溫度且經過第二時間後，進行冷卻。

於本發明實施例中，上述第一時間與第二時間分別為注入時間(purge time)與浸潤時間(soak time)，且其比例可為1比1.1。

綜合以上所述，透過本發明實施例提供的用於快速加熱製程的方法與反應腔室，反應腔室內的基材能夠均勻地與導入的反應氣體反應。如此一來，不會有現有技術之基材之中心處與邊緣處與反應氣體之反應程度相差甚大的技術問題存在。由於，基材之中心處與邊緣處的反應程度相差不大，因此產生之成品也會有較佳的均勻度與較近似的物理特性。

1:反應腔室

11:內部腔室

11W:牆

11D:門

12:基材支持結構

13:反應氣體導入結構

131:第一導入孔

132:第二導入孔

133:阻隔板

134:可控制氣閥

14:反應氣體來源

H_GAS:以水平方向流動的反應氣體

LP:加熱燈源

31、32:步驟

SUB:基材

V_GAS:以由上往下之方向流動的反應氣體

第1圖是本發明實施例之用於快速加熱製程的反應腔室之示意圖。

第2圖是本發明實施例之反應氣體之流動方向的示意圖。

第3圖是本發明實施例之用於快速加熱製程的方法之流程圖。

為利貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係侷限本發明於實際實施上的專利範圍，合先敘明。

需注意的是，雖然「第一」、「第二」、「第三」等用語在文中用來描述各種元件，但這些被描述的元件不應被此類用語所限制。此類用語僅用於從一個元件區分另一個元件。因此，以下所討論之「第一」元件皆能被寫作「第二」元件，而不偏離本發明之教示。再者，「一個」之用語在一般情況下，並非限制僅有「一個」，本發明所屬技術領域具有通常知識者自當可以思及「多個」的情況與變化。

本發明實施例提供一種用於快速加熱製程的方法與反應腔室，其透過反應氣體在被導入反應腔室時，使反應氣體於基材之上表面處以水平方向與由上往下的方向流動，從而讓反應腔室內的基材能夠與反應氣體均勻地反應。

在其中一個實施例中，上述基材可以是矽晶圓且反應氣體可以是氨氣。進一步地說，氨氣可以從矽晶圓的側面與上面導入以接觸晶圓之上表面，其中氨氣於矽晶圓之上表面處以水平方向流動與由上往下之方向流動，以使氨氣於晶圓上表面的氮化反應更為均勻，從而獲得厚度較為均勻的閘極介電層。在此請注意，本發明不以基材與反應氣體的類型為限制，在其他情況下，例如面板的製作，基材可以玻璃基板，而反應氣體可以是氮氣或氧氣等。

首先，請參照第1圖，第一圖是本發明實施例之用於快速加熱製程的反應腔室之示意圖。如第1圖所示，用於快速加熱製程的反應腔室1包括內部腔室11、基材支持結構12以及反應氣體導入結構13。反應腔室1可以由Mattson^®科技所製造生產的Helios XP之反應腔室來進行步驟的配置來實現，然而，本發明並不以此為限制。

內部腔室11係由多個牆11W組成與一個門11D組成，其中牆11W由可包括上下左右四個牆，門11D可以設置在內部腔室11的一側，例如左側，並且門11D可以被控制而關閉或打開，以使基材SUB能夠進出內部腔室11。內部腔室11的內部上表面與內部下表面具有多個加熱燈源LP，以進行快速加熱製程，將內部腔室11的溫度提升到特定溫度。另外，在不失一般性的情況下，內部腔室11還可以具有用以對內部腔室11進行冷卻的冷卻元件(未繪示於圖面)以及用以抽出內部腔室11之氣體的真空泵件(未繪示於圖面)。

基材支持結構12設置於內部腔室11內，其與內部腔室11的內部下表面之部分連接。基材支持結構12能夠用以支持前述基材SUB。在不失一般性的情況下，基材SUB係先由基材傳輸部件(未繪示於圖面)所支持，並且被基材傳輸部件移動至門11D的附近。在門11D被打開後，基材SUB會被送至基材支持結構12的上面，並且被基材支持結構12所支持。在反應腔室1完成對基材SUB的處理後，門11D會再次被打開，且基材傳輸部件會將內部腔室11內的基材SUB取出。另外，基材支持結構12能夠進行轉動，以水平地(亦即，以垂直軸為轉軸)轉動基材SUB。

反應氣體導入結構13包括多個第一導入孔131(註：第1圖為剖面圖，故僅看到一個第一導入孔131)、多個第二導入孔132、阻隔板133與可控制氣閥134。可控制氣閥134透過管路連接反應氣體來源14，透過對可控制氣閥134的控制，反應氣體會選擇性進入第一導入孔131與/或透過阻隔板133之側面進入第二導入孔132。當透過控制，允許反應氣體進入第一導入孔131時，反應氣體會由基材SUB的側面進入反應腔室，並且於基材SUB之上表面處以水平方向流動，以在基材SUB之上表面處進行反應。第二導入孔132係設置於阻隔板133中，透過如此的設計，當可控制氣閥134被控制而讓反應氣體由阻隔板133側面流入時，反應氣體可以透第二導入孔132以由上往下之方向向基材SUB的上表面處流動，以在基材SUB之上表面處進行反應。

簡單地說，反應氣體導入結構13用以將反應氣體導入內部腔室11，其中反應氣體導入結構13具有多個第一導入孔131與多個第二導入孔132，以使反應氣體係從基材的側面與上面導入，且反應氣體於基材SUB之上表面處以水平方向流動與由上往下之方向流動，以在基材SUB之上表面處進行反應。

於上述的實施例中，基材SUB可以是矽晶圓，矽晶圓上具有二氧化矽層，且反應氣體為氨氣，以用形成閘極介電層於矽晶圓上。反應氣體可以同時地從基材SUB的側面與上面導入，也可以選擇是分時地從基材SUB的側面與上面導入。再者，在一些情況下，可控制氣閥134更可以控制導入之反應氣體的量，使得從基材SUB的側面與上面導入之反應氣體的量可以不同。

反應氣體係持續地導入反應腔室1的內部腔室11，且持續一段第一時間。接著，停止導入反應氣體後，透過加熱燈源LP進行快速加熱使內部腔室11的溫度上升至特定溫度，並於內部腔室11之溫度上升至特定溫度且經過第二時間後，進行冷卻，以完成反應氣體與基材SUB之上表面的反應。上述第一時間與第二時間分別為注入時間與浸潤時間。另外，在基材SUB是矽晶圓，矽晶圓上具有二氧化矽層，且反應氣體為氨氣的情況下，第一時間與第二時間的比例較佳地可為1比1.1，但本發明並不限制上述的比例關係。

接著，請參照第2圖，第2圖是本發明實施例之反應氣體之流動方向的示意圖。如第2圖所示，透過第1圖的反應腔室1之架構，透過第一導入孔131 可以讓以水平方向流動的反應氣體H_GAS流經基材SUB的上表面處，以及透過第二導入孔132可以讓以由上往下之方向流動的反應氣體V_GAS流向基材SUB的上表面處。如此一來，可以解決現有技術無法使反應氣體與基材SUB之上表面處反應均勻的問題。

之後，請參照第3圖，第3圖是本發明實施例之用於快速加熱製程的方法之流程圖。於此實施例中，用於快速加熱製程的方法可以由第1圖的反應腔室1來實現，但本發明並不以此為限制。

首先，在步驟31中，提供反應腔室，並使反應腔室內的基材支持結構支持基材。接著，在步驟32中，將反應氣體導入於反應腔室的內部腔室中，其中反應氣體係從基材的側面與上面同時或分時地導入，且反應氣體於基材之上表面處以水平方向流動與由上往下之方向流動，以在基材之上表面處進行反應。

為了理解現有技術與本發明之間的功效差異，於本發明實施例中，選擇基材為其上表面具有二氧化矽層的矽晶圓，以及選擇反應氣體為氨氣，以形成閘極介電層。由於氮化程度無法透過光學量測厚度的方式來得之(註：閘極介電層的厚度不會因為氮化程度的差異而變厚或變薄)，因此本發明實施例選擇在形成閘極介電層之後，刻意將氧氣導入反應腔室內，並透過氧氣在閘極介電層形成氧化物的厚度來觀察反應是否均勻。一般來說，由於在氮化程度較高的區域氧化物成長速度極慢，在氮化程度較低的區域氧化物成長速度快，故造成最後氧化物厚度會有差異，此時若量測厚度結果為邊緣薄且中心厚，則代表矽晶圓的邊緣處的氮化程度高而矽晶圓的中心處的氮化程度低。

透過上述的量測方式，若使用現有技術，最後會發現矽晶圓之邊緣處與中心處的氧化物的厚度相差甚大，其中矽晶圓之邊緣處氧化物的厚度遠小於矽晶圓之中心處氧化物的厚度，亦即表示氮化程度並不均勻。然而，透過本發明實施例之用於快速加熱製程的方法與反應腔室，會發現矽晶圓之邊緣處與中心處的氧化物的厚度相差不大，亦即表示氮化程度較為均勻。

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，均應包括於後附之申請專利範圍中。

132‧‧‧第二導入孔

133‧‧‧阻隔板

H_GAS‧‧‧以水平方向流動的反應氣體

SUB‧‧‧基材

V_GAS‧‧‧以由上往下之方向流動的反應氣體

Claims

一種用於快速加熱製程的方法，包括：提供一反應腔室，並使該反應腔室內的一基材支持結構支持一基材；以及將反應氣體導入於該反應腔室，其中該反應氣體來自於一反應氣體來源，並係從該基材的側面與上面同時或分時地導入，且該反應氣體於基材之上表面處以一水平方向流動與由上往下之一方向流動，以在該基材之上表面處進行反應；以及在持續將該反應氣體導入該反應腔室並經過一第一時間後，進行快速加熱使該反應腔室內的溫度上升至一特定溫度，並於該反應腔室之溫度上升至該特定溫度且經過一第二時間後，進行冷卻，其中該第一時間與該第二時間分別為一注入時間與一浸潤時間，且其兩者之比例為1比1.1。
如請求項第1項所述之用於快速加熱製程的方法，其中該基材為一矽晶圓，該矽晶圓上具有一二氧化矽層，且該反應氣體為氨氣。
如請求項第1項所述之用於快速加熱製程的方法，其中從該基材之側面與上面導入之該反應氣體的量彼此不相同。
一種用於快速加熱製程的反應腔室，包括：一內部腔室，係由多個牆組成與一個門組成；一基材支持結構，位於該內部腔室內，用以支持由該門送入的一基材；以及一反應氣體導入結構，用以將一反應氣體來源的一反應氣體導入該內部腔室，其中該反應氣體導入結構包括多個第一導入孔、多個第二導入孔、一阻隔板與一可控制氣閥，該些第二導入孔設置於該阻隔板中，而該可控制氣閥連接該反應氣體來源，並用於使該反應氣體選擇性進入該第一導入孔與/或透過該阻隔板之側面進入該第二導入孔；當該反應氣體進入該第一導入孔時，該反應氣體於該基材之上表面處以一水平方向流動；當該反應氣體由該阻隔板的側面流入時，該反應氣體透過該第二導入孔以由上往下之方向向該基材的上表面處流動。
如請求項第4項所述之用於快速加熱製程的反應腔室，其中該基材為一矽晶圓，該矽晶圓上具有一二氧化矽層，且該反應氣體為氨氣。
如請求項第4項所述之用於快速加熱製程的反應腔室，其中該反應氣體係同時或分時地從該基材的側面與上面導入。
如請求項第4項所述之用於快速加熱製程的反應腔室，其中從該基材的側面與上面導入之該反應氣體的量可以不同。
如請求項第4項所述之用於快速加熱製程的反應腔室，其中在持續將該反應氣體導入該反應腔室並經過一第一時間後，進行快速加熱使該反應腔室內的溫度上升至一特定溫度；以及於該反應腔室之溫度上升至該特定溫度且經一過第二時間後，進行冷卻；其中該第一時間與該第二時間分別為一注入時間與一浸潤時間，且其兩者之比例為1比1.1。