TWI742397B - 半導體設備以及半導體製程方法 - Google Patents

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Abstract

在一些實施例中提供一種半導體設備，包括基座、氣體注入器、以及控制器。基座具有基板袋體。氣體注入器設置在基座上方，氣體注入器具有第一製程區域，氣體注入器包括第一氣體混合樞紐部以及第一分配閥，第一分配閥將第一氣體混合樞紐部連接到第一製程區域。控制器連接到氣體注入器以及基座，控制器係配置以：將第一前驅物材料以及載氣連接到第一氣體混合樞紐部；在第一氣體混合樞紐部中混合第一前驅物材料以及載氣，以製造第一前驅氣體；旋轉基座以旋轉設置在基板袋體中之其中一者之第一基板；以及當旋轉基座時，控制第一分配閥以在第一基板進入各個第一製程區域中時，依序將第一前驅氣體引入各個第一製程區域中。

Description

半導體設備以及半導體製程方法
本揭露提供一種半導體設備以及半導體製程方法。
半導體裝置被用於各種電子應用中，例如個人電腦、手機、數位相機和其他電子設備。通常是藉由在半導體基板上沉積絕緣或介電層、導電層和半導體材料層，並使用微影法來圖案化上述各種材料層，以在其上形成電路部件和元件來製造半導體裝置。
半導體業界藉由不斷降低最小特徵尺寸以持續改善各種電子元件(如電晶體、二極體、電阻器、電容器等)的整合密度，以允許將更多元件整合到給定的區域中。但是，隨著最小特徵尺寸降低，出現了其他應該要解決的問題。
在一些實施例中提供一種半導體設備，包括基座、氣體注入器、以及控制器。基座具有基板袋體。氣體注入器設置在基座上方，氣體注入器具有第一製程區域，氣體注入器包括第一氣體混合樞紐部以及第一分配閥，第一分配閥將第一氣體混合樞紐部連接到第一製程區域。控制器連接到氣體注入器以及基座，控制器係配置以：將第一前驅物材料以及載氣連接到第一氣體混合樞紐部；在第一氣體混合樞紐部中混合第一前驅物材料以及載氣，以製造第一前驅氣體；旋轉基座以旋轉設置在基板袋體中之其中一者之第一基板；以及當旋轉基座時，控制第一分配閥以在第一基板進入各個第一製程區域中時，依序將第一前驅氣體引入各個第一製程區域中。
在一些實施例中提供一種半導體設備，包括基座、氣體注入器、第一前驅物材料供應部、第二前驅物材料供應部、以及控制器。基座包括基板袋體。氣體注入器設置在基座上方，氣體注入器具有第一前驅氣體端口以及第二前驅氣體端口。第一前驅物材料供應部連接到第一前驅氣體端口。第二前驅物材料供應部連接到第二前驅氣體端口。控制器連接到氣體注入器以及基座，其中控制器係配置以：開始旋轉基座，以旋轉設置在基板袋體其中一者中的第一基板；從第一前驅物材料供應部引入第一前驅氣體到第一前驅氣體端口，當基座旋轉時，第一基板暴露於第一前驅氣體；以及在引入第一前驅氣體之後，從第二前驅物材料供應部引入第二前驅氣體到第二前驅氣體端口，當第一基板在各個第二前驅氣體端口下方旋轉時，第二前驅氣體被依序引入到第二前驅氣體端口之各個第二前驅氣體端口。
在一些實施例中提供一種半導體製程方法，包括：開始旋轉基座，基座設置在氣體注入器下方，基座包括基板袋體，第一基板設置在基板袋體之一者之中；引入第一前驅氣體到氣體注入器之第一製程區域，當基座旋轉時，第一基板暴露於第一前驅氣體；在引入第一前驅氣體之後，引入第二前驅氣體到氣體注入器之第二製程區域，當第一基板進入各個第二製程區域時，第二前驅氣體被依序引入到各個第二製程區域；以及在引入第二前驅氣體後，繼續旋轉基座以將第一基板暴露於第一製程區域以及第二製程區域，在第一製程區域以及第二製程區域中進行用以在第一基板上形成第一材料層之沉積製程的半反應，其中基座係旋轉直到第一材料層包括預定厚度。
以下公開內容提供了用於實現本揭露的不同特徵的許多不同實施例或示例。以下描述組件和佈置的具體示例以簡化本揭露。當然，這些僅僅是示例，而不是限制性的。例如，在以下描述中在第二特徵之上或之上形成第一特徵可以包括其中第一和第二特徵以直接接觸形成的實施例，並且還可以包括其中可以在其之間形成附加特徵的實施例。第一和第二特徵，使得第一和第二特徵可以不直接接觸。另外，本揭露可以在各種示例中重複參考數字及/或字母。該重複是為了簡單和清楚的目的，並且本身並不表示所討論的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，其中可能用到與空間相關用詞，例如“在…下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞，這些空間相關用詞係為了便於描述圖示中一個(些)元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係，這些空間相關用詞包括使用中或操作中的裝置之不同方位，以及圖式中所描述的方位。當裝置被轉向不同方位時(旋轉90度或其他方位)，則其中所使用的空間相關形容詞也將依轉向後的方位來解釋。
根據一些實施例，沉積系統的氣體注入器包括在氣體混合樞紐部之後的額外前驅物分配閥。分配閥由控制器控制，並允許準確地定時分佈前驅物。在開始和結束之序列期間，當一或多個基板在氣體注入器下方旋轉時，分配閥會依序打開或關閉。藉由依序地控制分配閥，在開始和結束之序列期間會將整個基板暴露於前驅物。與在開始和停止之序列期間時僅有基板的部分可以暴露於前驅物的沉積系統相比，可以改善沉積層的均勻性。
第1圖示出根據一些實施例的沉積系統100的細節。沉積系統100可用於執行空間原子層沉積(spatial atomic layer deposition，spatial ALD)。在空間原子層沉積中，係在沉積腔室的不同空間區域(或位置)中進行原子層沉積製程的半反應。當基座在沉積腔室中旋轉時，基座的不同區域暴露於原子層沉積製程的不同前驅物。空間原子層沉積可以比時間分隔的(time-separated)原子層沉積沉積出更均勻的膜，並且可以比時間分隔的原子層更快地沉積。沉積系統100包括沉積腔室102，沉積腔室102具有設置在沉積腔室102中的基座104和氣體注入器106。可操作控制器108(隨後參考第4圖進一步描述)以控制沉積系統100的各種元件。沉積系統100接收前驅物材料以形成一系列單層材料(monolayers of materials)。單層材料可以形成以覆蓋基板50上所形成的一或多個特徵，而基板50係由基座104所支撐。使用氣體注入器106以將不同的前驅物材料供應到基座104上方的沉積腔室102的不同區域，並且旋轉基座104以使基板50依序暴露於各個區域。也可以在基座104的其他區域中進行排氣步驟和吹掃步驟，例如在分配前驅物材料的區域之間進行。
沉積腔室102接收期望的前驅物材料並將前驅物材料暴露於基板50。沉積腔室102可為任何期望的形狀，以適合於分散前驅物材料並使前驅物材料與基板50接觸。在一些實施例中，沉積腔室102具有圓柱形的側壁和底部。然而，沉積腔室102並不限於圓柱形，亦可使用任何其他合適的形狀，例如中空立方體、八邊形棱柱等。此外，可由殼體110圍繞沉積腔室102，殼體110由對各種製程材料呈惰性的材料所製成。殼體110可以由能夠承受沉積製程中的化學品和壓力的任何合適的材料形成。在一些實施例中，殼體110係由鋼、鎳、鋁、其組合等所形成。
基座104設置在沉積腔室102中，並且具有多個袋體(pockets)112。基板50可以放置在袋體112中，以便在沉積製程中定位、控制、以及旋轉基板50。基座104可具有任何數量的袋體112。在一些實施例中，基座104具有六個袋體112。基座104可以在沉積製程期間加熱基板50。由基座104產生的熱量可以由控制器108控制。基座104由軸114支撐，軸114可用於升高、降低和旋轉基座104。驅動機構116可以耦接到軸114。驅動機構116可包括例如一或多個馬達，並且可由控制器108所控制，以在沉積製程期間旋轉基座104。基座104藉由間隙118與氣體注入器106分離。在操作期間，驅動機構116可以進一步由控制器108控制以升高和降低基座104，從而增加或減少間隙118的尺寸。
氣體注入器106可為任何類型的可接受的氣體分配組件。氣體注入器106具有面朝基座104的前表面106S。氣體注入器106可包括噴頭、氣體通道等，以將前驅物和吹掃氣體輸送到基座104的不同區域。在所示的實施例中，氣體注入器106是單個靜止的注入器單元。在一些實施例中，氣體注入器106包括圍繞基座104的多個區域設置(例如圍繞基座104的邊緣)的多個注入器單元部分。
氣體注入器106從前驅物供應部120(例如第一前驅物供應部120A和第二前驅物供應部120B)接收前驅物材料。氣體注入器106還從載氣供應部122接收載氣，並從吹掃氣體供應部124接收吹掃氣體(purge gas)。在操作期間，氣體注入器106接收原子層沉積製程的前驅物材料和載氣，並將它們混合以產生前驅氣體。舉例來說，可以藉由將第一前驅物供應部120A的材料與來自載氣供應部122的載氣混合來製造第一前驅氣體，並且可以將第二前驅物供應部120B的材料與來自載氣供應部122的載氣混合來製造第二前驅氣體。
前驅物供應部120、載氣供應部122和吹掃氣體供應部124可為容器(例如儲氣罐)，並且位於沉積腔室102或遠離沉積腔室102。或者上述供應部亦可為獨立地製備前驅物材料並將前驅物材料輸送到氣體注入器106的設備。可以使用任何合適的前驅物材料和載體/吹掃氣體源作為供應源。儘管繪示了兩個前驅物供應部120和一個載氣供應部122，但應理解的是，沉積系統100可包括任何數量的供應部。其他實施例可包括不同數量的供應部。
此外，氣體注入器106連接到真空幫浦126。真空幫浦126有助於從沉積腔室102排出廢氣，例如從基座104的區域排出廢氣。真空幫浦126可以由控制器108控制，以將沉積腔室102的多個區域內的壓力減少並控制到期望的壓力，並且還可以用於從沉積腔室102排出前驅物材料和吹掃氣體。
沉積系統100可用於沉積任何材料。舉例來說，沉積系統100可用於形成介電層。在一些實施例中，沉積系統100用於形成SiN或Al2 O3 層。然而，應理解的是，沉積系統100可以用於形成其他介電層。此外，在一些實施例中，可以形成其他膜層，例如阻障層(barrier layer)、導電層、閘極介電層等。在沉積系統100用於形成Al2 O3 層的實施例中，第一前驅物材料可為三甲基鋁(trimethylaluminum，TMA)，並且第二前驅物材料可為水(H2 O)。同樣地，在沉積系統100用於形成SiN層的實施例中，第一前驅物材料可為NH3 ，第二前驅物材料可為SiH2 Cl2 。介電層在半導體製程中具有許多應用，並且舉例來說可以用於形成閘極間隔物、蝕刻停止層或其他間隔物層。這種介電層可為薄膜，特別是當半導體裝置尺寸縮小時。在一些實施例中，薄膜介電層的厚度可以在約30Å至約50Å的範圍內。隨著裝置尺寸(以及介電層厚度)縮小，如電晶體的半導體裝置中的漏電可能會惡化。舉例來說，對於較薄的閘極間隔物來說，在電晶體的閘極和源極/汲極之間的漏電可能會增加，並且閘極間隔物厚度的變化可能更明顯。改善閘極隔離物厚度的均勻性可有助於減少較小電晶體中的漏電並可提高製造良率。同樣地，改善蝕刻停止層的均勻性可以允許改善後續蝕刻製程的均勻性。
第2圖繪示根據一些實施例的氣體注入器106的細節。示出了氣體注入器106的前表面106S。氣體注入器106包括前驅氣體端口202，例如第一前驅氣體端口202A和第二前驅氣體端口202B。氣體注入器106更包括吹掃氣體端口204和真空端口206。在操作期間，前驅氣體端口202、吹掃氣體端口204和真空端口206朝向基座104。
前驅氣體端口202接收前驅氣體並將沉積腔室的不同區域暴露於前驅氣體。在所示的實施例中，第一前驅氣體端口202A從第一前驅物供應部120A接收前驅氣體，第二前驅氣體端口202B從第二前驅物供應部120B接收第二前驅氣體。
吹掃氣體端口204連接到吹掃氣體供應部124，並且將沉積腔室102的不同區域暴露於吹掃氣體。真空端口206連接到真空幫浦126。當操作真空幫浦126時，前驅物和吹掃氣體通過真空端口206從沉積腔室102排出。每個真空端口206設置成圍繞對應的一個前驅氣體端口202。吹掃氣體端口204設置在各對真空端口206之間。
氣體注入器106具有製程區域208和簾幕區域210。在所示的實施例中，製程區域208包括第一製程區域208A和第二製程區域208B。交替的製程區域208由簾幕區域210所分開。舉例來說，簾幕區域210中的每一者係設置在其中一個第一製程區域208A與其中一個第二製程區域208B之間。在製程區域208中，基板50暴露於原子層沉積製程的前驅物。在所示的實施例中，基板50在第一製程區域208A中暴露於第一前驅氣體，並且基板50在第二製程區域208B中暴露於第二前驅氣體。在簾幕區域210中，從基板50的表面去除前驅氣體。本說明書中所述的「簾幕區域」包括氣流(例如吹掃氣流)及/或真空的任何組合，其分隔不同類型的製程區域208的前驅氣體並且防止或至少實質上減少前驅氣體混合的可能性。製程區域208包括對應的前驅氣體端口202。在所示的實施例中，第一製程區域208A包括第一前驅氣體端口202A，第二製程區域208B包括第二前驅氣體端口202B。此外，簾幕區域210包括吹掃氣體端口204中的一者，並且包括設置在相鄰的製造區域208的前驅氣體端口202周圍的真空端口206。
在原子層沉積製程期間，基板50沿著第2圖中所示的路徑128在氣體注入器106下方旋轉。作為範例，示出了其中一基板50的相對位置。當基板50旋轉時，基板50的頂表面暴露於製程區域208和簾幕區域210。基板50以交替的方式暴露於第一製程區域208A中的一者(在此執行原子層沉積製程的第一半反應)、暴露於簾幕區域210中的一者(在此去除第一半反應的前驅氣體)、暴露於第二製程區域208B中的一者(在此執行原子層沉積製程的第二半反應)、以及暴露於另一個簾幕區域210(在此去除第二半反應的前驅氣體)。藉由將基板50暴露於第一製程區域208A和第二製程區域208B，而在基板50上執行原子層沉積製程的完全反應。在原子層沉積製程的每次完全反應之後，在基板50的特徵上沉積一層單層(monolayer)。在所示的實施例中，氣體注入器106包括四個第一製程區域208A、四個第二製程區域208B和八個簾幕區域210，其允許每旋轉基座104一次即沉積四層單層。應理解的是，氣體注入器106可包括任何數量的製程區域208和簾幕區域210。
第3圖示出根據一些實施例的前驅物傳送系統300的細節。前驅物傳送系統300是氣體注入器106的一部分。前驅物傳送系統300從前驅物供應部120中的一者接收前驅物材料，並從載氣供應部122接收載氣。藉由混合前驅物材料和載氣以產生前驅氣體，並且將前驅氣體供應到前驅氣體端口202。前驅物供應部120可為第一前驅物供應部120A或第二前驅物供應部120B，且前驅氣體端口202分別可為第一前驅氣體端口202A或第二前驅氣體端口202B。氣體注入器106包括在原子層沉積製程所使用的每個前驅物(在一些實施例中可為兩個前驅物)的前驅物傳送系統300。前驅物傳送系統300包括氣體混合樞紐部(gas mixing hub)302、流量控制器304和分配閥306。
氣體混合樞紐部302接收前驅物材料和載氣。前驅物材料可為氣態、固態或液態，並且可以與載氣混合以產生前驅氣體。當前驅物材料為固態或液態時，載氣可以在前驅物蒸發或昇華為前驅氣體時推動並攜帶前驅物。
流量控制器304用於控制前往氣體混合樞紐部302的前驅物材料和載氣的流動。流量控制器304可為例如比例閥(proportional valves)、調節閥(modulating valves)、針閥(needle valves)、壓力調節器、質量流量控制器、或其組合等。
分配閥306用於控制前往前驅氣體端口202的前驅氣體的流動。值得注意的是，分配閥306中之其中一者連接在氣體混合樞紐部302和前驅氣體端口202的其中一者之間。分配閥306是響應於接收到的控制訊號而可快速致動的閥，例如氣動閥(pneumatic valves)。在一些實施例中，分配閥306的致動時間小於1秒，這可以允許精確控制前驅氣體分佈的時間。分配閥306是氣體注入器106的一部分，能夠承受高溫並且可在高壓真空下操作。在一些實施例中，分配閥306能夠承受100℃至約1000℃的溫度，並且能夠在最多100托(Torr)的真空壓力下操作。分配閥306緊接在氣體混合樞紐部302之後，使得當分配閥306打開相同的量時，通過每個分配閥306的混合氣體的體積流量可以實質相等。每個分配閥306具有相應的製程區域208，並且分配閥306係由控制器108個別控制，以在氣體注入器106的不同區域分配前驅氣體。具體來說，控制器108可以在開始及結束沉積製程或序列期間對分配閥306的開/關進行計時，以助於改善沉積膜的均勻性。
可以由任何控制器控制前驅物傳送系統300的元件。在所示的實施例中係以控制器108來控制上述元件。應理解的是，可由不同的控制器來控制上述元件。舉例來說，可由第一控制器(如控制器108)來控制流量控制器304，並且可由與第一控制器不同的第二控制器來控制分配閥306。可以使用控制器的任何組合，並且控制器可(或可不)在操作期間彼此通訊。舉例來說，控制器可為電子閥(electronic valve，EV)控制器。在一些實施例中，由第一控制器來控制流量控制器304，第一控制器位於氣體注入器106的外部，並且由第二控制器來控制分配閥306，第二控制器與分配閥306一起位在氣體注入器106中。
第4圖示出根據一些實施例的控制器108的細節。控制器108可為可在工業設定中用於控制製程機器之任何形式的電腦處理器。在一實施例中，控制器108包括處理單元402，例如桌上型電腦、工作站、筆記型電腦或為特定應用而客製化的專用單元。控制器108可以配備有顯示器404和一或多個輸入/輸出元件406，例如指令輸出(instruction outputs)、感測器輸入(sensor inputs)、滑鼠、鍵盤、印表機、或其組合等。處理單元402可包括中央處理器(Central Processing Unit，CPU)408、記憶體410、大容量儲存裝置412、影音轉接器414、以及連接到匯流排418的輸入/輸出介面416。
匯流排418可為任何類型的匯流排架構的一或多者，包括記憶體匯流排(memory bus)或記憶體控制器(memory controller)、外圍匯流排(peripheral bus)或影音匯流排(video bus)。中央處理器408可以包括任何類型的電子數據處理器，並且記憶體410可以包括任何類型的系統記憶體，例如靜態隨機存取記憶體(static random access memory，SRAM)、動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory，DRAM)或唯讀記憶體(read-only memory，ROM)。大容量儲存裝置412可包括任何類型的儲存裝置，配置以儲存數據、程式和其他資訊，並允許藉由匯流排418來讀取上述數據、程式和其他資訊。大容量儲存裝置412可包括例如硬碟、磁碟或光碟中的一或多者。記憶體410及/或大容量儲存裝置412可為儲存有程式的非暫時性電腦可讀媒體(non-transitory computer readable medium)。上述程式可以包括當由中央處理器408執行時會使控制器108執行本文所描述的控制功能的指令。
影音轉接器414和輸入/輸出介面416提供將外部輸入和輸出裝置耦接到處理單元402的介面。如第4圖所示，輸入和輸出裝置的範例包括耦接到影音轉接器414的顯示器404和耦接到輸入/輸出介面416的輸入/輸出元件406，例如滑鼠、鍵盤、印表機等。其他裝置可以耦接到處理單元402，並且可使用更多或更少的介面卡。舉例來說，串列介面卡(serial interface card，未示出)可用於為印表機提供串列介面。處理單元402還可以包括網路介面420，其可為連接到區域網路(local area network，LAN)或廣域網路(wide area network，WAN)422的有線連接及/或無線連接。
應注意的是，控制器108可包括其他元件。舉例來說，控制器108可以包括電源供應部、纜線、主機板、移動式儲存媒體、殼體等。儘管未在第4圖中示出，但這些其他元件被認為是控制器108的一部分。
第5圖示出根據一些實施例的第2圖的氣體注入器106的不同區域。在第5圖中繪示了所有製程區域208。第一製程區域208A包括第一製程區域208A-1、208A-2、208A-3和208A-4。第二製程區域208B包括第二製程區域208B-1、208B-2、208B-3和208B-4。參考第6圖以描述第5圖。
第6圖是根據一些實施例的沉積方法600的流程圖。當在基板50上形成一系列單層材料時，沉積方法600係由沉積系統100來執行，例如藉由控制器108來執行。
在沉積製程開始時，在沉積腔室102中執行預清潔步驟(步驟602)。在一些實施例中，預清潔步驟包括用惰性氣體填充沉積腔室102。上述惰性氣體可為Ar、He等。可使用真空以從沉積腔室102中去除惰性氣體和任何雜質。此外，可以藉由打開第一和第二前驅氣體的前驅物輸送系統300的流量控制器304來開始混合第一和第二前驅氣體。
基板50放置在沉積腔室中(步驟604)，例如放置在基座104的袋體112中。然後基座104在氣體注入器106下方旋轉。可以開始旋轉，並且可以在繼續下一步之前先旋轉預定的時間量，以確保基座104的旋轉速度已經穩定。
使用第一前驅物進行預浸泡製程(步驟606)。藉由打開與第一前驅物相關的所有製程區域208(如第一製程區域208A)來執行預浸泡製程。控制器108藉由打開與製程區域208相關的對應分配閥306來打開給定的製程區域208，從而使得前驅氣流能夠流到此製程區域208。同樣地，控制器108藉由關閉與製程區域208相關的對應分配閥306來關閉給定的製程區域208，從而禁止前驅氣流流到此製程區域208。因此前驅氣體不會流到製程區域208。基板50可以旋轉預定的時間量，使其浸泡在第一前驅氣體中。舉例來說，在形成Al2 O3 的實施例中，打開第一製程區域208A以將基板50浸泡在TMA氣體中。
依序引入第二前驅物(步驟608)。藉由打開與第二前驅物相關的所有製程區域208(如第二製程區域208B)來引入第二前驅物。當基座104旋轉時，一個接著一個地打開第二製程區域208B。當第一個基板50進入對應的一個第二製程區域208B時，各自打開該第二製程區域208B。第一基板可以稱為「前導基板」(leading substrate)，因為它是第一個將被暴露於第二前驅物的基板50，並且其他的基板50將在前導基板後暴露於第二前驅物。
舉例來說，當前導基板的前緣進入第二製程區域208B-1的覆蓋範圍時，打開第二製程區域208B-1。因此，前導基板暴露於第二前驅物。第二製程區域208B-1在引導基板離開時保持開啟，使得在前導基板之後的其他基板50暴露於第二前驅物。然後，當前導基板進入第二製程區域208B-2時，打開第二製程區域208B-2，並且當引導基板離開它時保持開啟。然後，當前導基板進入第二製程區域208B-3時，打開第二製程區域208B-3，並且當前導基板離開時保持開啟。然後，當前導基板進入第二製程區域208B-4時，打開第二製程區域208B-4，並且當引導基板離開時保持開啟。在打開每個第二製程區域208B之後，它們繼續保持開啟。
可由任何方式來決定前導基板何時進入每個第二製程區域208B中。舉例來說，基座104的起始位置和旋轉速度可為已知的數值。因此，可以基於基板50的已知速度和起始位置以即時計算基板50相對於製程區域208的位置。可以根據基座104的位置和旋轉速度來控制依序打開分配閥306的時間。換句話說，可以根據基座104的位置和旋轉速度來決定每個分配閥306的致動之間的時間跨度(time span)。
在基板50上形成所需材料的多個單層(步驟610)。每當基板50進入一個第一製程區域208A和一個第二製程區域208B其中一者時，形成一層單層。基座104可以根據需要而旋轉好幾圈，以產生所需厚度的材料層。在一些實施例中，控制器108基於材料層的期望厚度來決定所需的旋轉圈數，然後基座104旋轉此旋轉圈數。舉例來說，控制器108可以根據
Figure 02_image001
來計算旋轉圈數，其中r是旋轉圈數，td 是材料層的期望厚度，tm 是單層材料層的厚度，qr 是氣體注入器106的製程區域208A或製程區域208B的數量。
依序去除第一前驅物(步驟612)。藉由關閉與第一前驅物相關的所有製程區域208(例如第一製程區域208A)來去除第一前驅物。當基座104旋轉時，一個接著一個地關閉第一製程區域208A。當前導基板的前緣進入第一製程區域208A中對應的一者的時候，此第一製程區域208A被關閉。舉例來說，當前導基板進入第一製程區域208A-1時，第一製程區域208A-1被關閉。因此，前導基板不再暴露於第一前驅物。第一製程區域208A-1在前導基板離開時保持關閉，使得在前導基板之後的其他基板50也不暴露於第一前驅物。然後當前導基板進入第一製程區域208A-2時，關閉第一製程區域208A-2，並且當前導基板離開時保持關閉。然後當前導基板進入第一製程區域208A-3時，關閉第一製程區域208A-3，並且當前導基板離開時保持關閉。然後，當前導基板進入第一製程區域208A-4時，關閉第一製程區域208A-4，並且當前導基板離開時保持關閉。在關閉所有第一製程區域208A之後，它們保持關閉。可由與決定何時前導基板進入第二製程區域208B類似的方式來決定前導基板何時進入第一製程區域208A中的每一者。可以根據基座104的位置和旋轉速度來決定依序關閉分配閥306的時間。
使用第二前驅物進行後浸泡製程(步驟614)。一旦與第一前驅物相關的製程區域208(如第一製程區域208A)全部關閉，便執行後浸泡製程。而與第二前驅物相關的製程區域208(例如第二製程區域208B)保持開啟。因此，基板50可以浸泡在第二前驅氣體中。舉例來說，在形成Al2 O3 的實施例中，第二製程區域208B保持開啟以將基板50浸泡在H2 O氣體中。
執行沉積腔室102的吹掃(purge)(步驟616)。可以藉由用惰性氣體再次填充沉積腔室102來執行吹掃。惰性氣體可為Ar、He等。可由真空來吹掃惰性氣體和任何剩餘的前驅氣體。然後可以從沉積腔室102去除基板50。
在將基板50預浸泡在第一前驅物中之後將第二前驅物依序引入基板50可以改善所形成的材料層的均勻性。一些原子層沉積製程具有高的沉積速率。藉由依序打開第二製程區域208B，可以避免基板50部分地暴露於前驅氣體。舉例來說，如果第二製程區域208B全部同時打開，則基板50中的至少一者可能不會完全位於第二製程區域208B之一的下方，例如當基座104中袋體112的數量不等於製程區域208的數量的倍數時。繼續說明上述範例，當存在六個袋體112和八個製程區域208時，基板50中的至少一者將總是部分地設置在製程區域208中的一者之外。僅有此基板的一部份會暴露於第二前驅氣體，而造成在此基板上形成不均勻的材料層。在所需材料層是薄介電層(如30Å厚的Al2 O3 層)的例子中，厚度均勻性提高了多達370%。
第7A圖至第7C圖是根據一些實施例的用於在基板50上製造半導體裝置的製程的中間步驟的剖面圖。半導體裝置可為例如鰭式場效應電晶體(FinFET)，並且基板50可以包括從塊體基板(bulk substrate)延伸的半導體條(semiconductor strips)。在基板50中形成輕度摻雜源極/汲極區52和磊晶源極/汲極區54。包括閘極介電層56和閘極電極58的閘極堆疊形成在基板50的通道區域上方以及形成在磊晶源極/汲極區54之間。閘極間隔物60沿閘極堆疊的側面延伸。第一層間介電層(inter-layer dielectric，ILD)62形成在磊晶源極/汲極區54上方並且沿著閘極間隔物60的側面。在第一層間介電層62上形成第二層間介電層64。
在第7A圖中，開口66形成在層間介電層62和64中。可以藉由例如可接受的微影和蝕刻製程形成開口66。間隔層68可以形成在開口66中。可以使用沉積系統100並藉由空間原子層沉積來形成間隔層68。在一些實施例中，間隔層68包含Al2 O3 ，並且在空間原子層沉積期間第一前驅物是TMA，而第二前驅物是H2 O。當形成間隔層68時，基座104可以以約5RPM至約20RPM的旋轉速度進行旋轉。沉積腔室102可具有約250℃至約400℃的溫度，以及為約10托至約30托的壓力範圍。這種製程參數可以允許在開口66中形成薄的間隔層68。舉例來說，間隔層68的厚度可以在約30Å至約50Å的範圍內。
在第7B圖中，執行蝕刻製程以去除間隔層68的水平部分，從而在開口66中留下間隔層68的剩餘垂直部分。上述蝕刻可為各向異性(anisotropic)蝕刻製程，例如濕蝕刻或乾蝕刻。間隔層68的剩餘垂直部分是額外的接點間隔物70，其有助於防止閘極電極58短路。在一些實施例中，接點間隔物70具有位於第二層間介電層64的頂表面下方的頂表面。由於初始的間隔層68具有改善的均勻性，接點間隔物70在其厚度和高度方面也具有改善的均勻性，因此可以改善用於磊晶源極/汲極區54和閘極電極58的接點之間的物理隔離。所以可以避免在磊晶源極/汲極區54和閘極電極58之間發生短路。
在第7C圖中，接點72形成在開口66中。在開口66中形成襯層(liner)，例如擴散阻障層、黏著層等，並形成導電材料。襯層可包括鈦、氮化鈦、鉭、氮化鉭等。導電材料可為銅、銅合金、銀、金、鎢、鋁、鎳等。可以執行如化學機械平坦化的平坦化製程以從第二層間介電層64的表面去除多餘的材料。剩餘的襯層和導電材料在開口中形成接點72。可以執行退火(anneal)製程以在磊晶源極/汲極區54和接點72之間的界面處形成矽化物。接點72物理性和電性耦接到磊晶源極/汲極區54。
第8A圖示出根據一些其他實施例的前驅物傳送系統300的細節。在此實施例中，前驅物傳送系統300更包括連接在分配閥306和前驅氣體端口202之間的稀釋氣體混合器308。稀釋氣體混合器308連接到稀釋氣體源310，並且在前驅氣體在前驅氣體端口202進行分散之前進一步稀釋前驅氣體。在一些實施例中，使用載氣以進行稀釋，並且稀釋氣體源310與載氣供應部122相同。在一些實施例中，稀釋氣體源310提供水(H2 O)和氮氣(N2 )的混合物。舉例來說，稀釋氣體源310可提供包含以約10mg的水與約100sccm的流速的氮氣混合的混合物。稀釋氣體源310可包括用於氣體源的流量控制器，例如用於水的液體流量計(liquid flow meter，LFM)和用於氮氣的質量流量控制器(mass flow controller，MFC)。稀釋氣體混合器308可為噴頭或其他氣體混合裝置。第8B圖中繪示稀釋氣體混合器308的一個範例。稀釋氣體混合器308包括前驅氣體端口702、稀釋氣體端口704和輸出端口706。前驅氣體端口702連接到對應的分配閥306並接收前驅氣體。稀釋氣體端口704連接到稀釋氣體源310並接收稀釋氣體，因此前驅氣體將會被稀釋。輸出端口706連接到氣體注入器106的前驅氣體端口202，並且供應稀釋的前驅氣體。可選地，在一些實施例中，稀釋氣體混合器308更包括控制端口708。控制端口708允許在輸出端口706處調節流速，並且可以由如控制器108的控制器來控制。
第9圖示出根據一些其他實施例的前驅物傳送系統300的細節。在此實施例中，前驅物傳送系統300更包括壓力監測器312。壓力監測器312可為例如氣壓計。壓力監測器312連接在流量控制器304和前驅物供應部120之間，以及連接在流量控制器304和載氣供應部122之間。當打開和關閉分配閥306時，氣體混合樞紐部302和相關的氣體管線中可能會發生氣體壓力的突然變化。控制器(如控制器108)利用壓力監測器312來監測氣體壓力。在正常的操作期間預期會有一些壓力變化。然而，壓力的異常變化可能表示依序打開/關閉分配閥306的時間有錯誤及/或分配閥306發生故障。在一些實施例中，當壓力監測器312檢測到壓力增加大於預定閾值時，控制器可以執行定時校準製程。可以在校準製程期間調整用於依序打開/關閉分配閥306的時間。在一些實施例中，當壓力監測器312檢測到壓力增加大於預定閾值時，可以完全停止製程。預定閾值可為遠高於常壓變化的壓力等級。在一些實施例中，預定閾值可以在約10托至約50托的範圍內。此外，壓力監測器312能夠承受大的壓力峰值，例如對於TMA和H2 O前驅物材料高達1000托。
應理解的是，第9圖的實施例的特徵可以與第8A圖和8B的實施例的特徵組合。舉例來說，稀釋氣體混合器308和稀釋氣體源310也可以與壓力監測器312一起實施。
實施例可以達成各種優點。藉由使用分配閥306，可以控制氣體注入器106以釋放前驅氣體，尤其是在開始和結束沉積的序列期間。當前導基板在氣體注入器106下方旋轉時，分配閥306允許依序將前驅物引入基座。因此，基板50中的每一者在開始和結束序列期間完全暴露於前驅物，避免了在開始和結束序列期間當基板50中的一或多者部分地設置在製程區域208外部時可能出現的問題。因此可以改善沉積材料層的均勻性。
在一些實施例中提供一種半導體設備，包括基座、氣體注入器、以及控制器。基座具有基板袋體。氣體注入器設置在基座上方，氣體注入器具有第一製程區域，氣體注入器包括第一氣體混合樞紐部以及第一分配閥，第一分配閥將第一氣體混合樞紐部連接到第一製程區域。控制器連接到氣體注入器以及基座，控制器係配置以：將第一前驅物材料以及載氣連接到第一氣體混合樞紐部；在第一氣體混合樞紐部中混合第一前驅物材料以及載氣，以製造第一前驅氣體；旋轉基座以旋轉設置在基板袋體中之其中一者之第一基板；以及當旋轉基座時，控制第一分配閥以在第一基板進入各個第一製程區域中時，依序將第一前驅氣體引入各個第一製程區域中。
在此設備的一些實施例中，控制器與氣體注入器分開設置。在此設備的一些實施例中，控制器與第一分配閥一起位在氣體注入器中。在此設備的一些實施例中，控制器係配置以藉由響應於確定當第一基板已進入各個第一製程區域之一者時，致動第一分配閥中之對應之第一閥，以依序引入第一前驅氣體至各個第一製程區域。在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：根據基座之旋轉速度以及初始位置來決定何時第一基板會進入各個第一製程區域中。在此設備的一些實施例中，氣體注入器具有第二製程區域，且氣體注入器更包括第二氣體混合樞紐部以及第二分配閥，第二分配閥將第二氣體混合樞紐部連接到第二製程區域。在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：將第二前驅物材料以及載氣連接到第二氣體混合樞紐部；在第二氣體混合樞紐部中混合第二前驅物材料以及載氣，以製造第二前驅氣體；以及在依序引入第一前驅氣體之前，在氣體注入器之第二製程區域引入第二前驅氣體。在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：在引入第一前驅氣體以及第二前驅氣體之後，繼續旋轉基座以將第一基板暴露於第一製程區域以及第二製程區域，而在第一製程區域以及第二製程區域執行用以在第一基板上形成第一材料層之沉積製程的半反應。在此設備的一些實施例中，在引入第一前驅氣體以及第二前驅氣體之後，將基座轉動第一轉動圈數，且第一轉動圈數係基於第一材料層之目標厚度來決定。在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：在引入第一前驅氣體以及第二前驅氣體之後，在第一基板進入各個第二製程區域時，對第二分配閥進行控制，以從各個第二製程區域排除第二前驅氣體。在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：將載氣連接到第一分配閥，從而在將第一前驅氣體引入到第一製程區域時進一步稀釋第一前驅氣體。在此設備的一些實施例中，更包括：第一壓力監測器，連接到第一氣體混合樞紐部，其中控制器係配置以響應於第一壓力監測器所監測之在第一氣體混合樞紐部中之第一壓力來停止第一基板的製程，且第一壓力大於預定閾值。
在一些實施例中提供一種半導體設備，包括基座、氣體注入器、第一前驅物材料供應部、第二前驅物材料供應部、以及控制器。基座包括基板袋體。氣體注入器設置在基座上方，氣體注入器具有第一前驅氣體端口以及第二前驅氣體端口。第一前驅物材料供應部連接到第一前驅氣體端口。第二前驅物材料供應部連接到第二前驅氣體端口。控制器連接到氣體注入器以及基座，其中控制器係配置以：開始旋轉基座，以旋轉設置在基板袋體其中一者中的第一基板；從第一前驅物材料供應部引入第一前驅氣體到第一前驅氣體端口，當基座旋轉時，第一基板暴露於第一前驅氣體；以及在引入第一前驅氣體之後，從第二前驅物材料供應部引入第二前驅氣體到第二前驅氣體端口，當第一基板在各個第二前驅氣體端口下方旋轉時，第二前驅氣體被依序引入到第二前驅氣體端口之各個第二前驅氣體端口。
在此設備的一些實施例中，控制器係進一步配置以：繼續旋轉基座，以將第一基板暴露於第一前驅氣體以及第二前驅氣體，而在第一基板暴露於第一前驅氣體以及第二前驅氣體時進行沉積製程之半反應，以在第一基板上形成第一材料層，基座的旋轉持續到第一材料層包括預定厚度。
在一些實施例中提供一種半導體製程方法，包括：開始旋轉基座，基座設置在氣體注入器下方，基座包括基板袋體，第一基板設置在基板袋體之一者之中；引入第一前驅氣體到氣體注入器之第一製程區域，當基座旋轉時，第一基板暴露於第一前驅氣體；在引入第一前驅氣體之後，引入第二前驅氣體到氣體注入器之第二製程區域，當第一基板進入各個第二製程區域時，第二前驅氣體被依序引入到各個第二製程區域；以及在引入第二前驅氣體後，繼續旋轉基座以將第一基板暴露於第一製程區域以及第二製程區域，在第一製程區域以及第二製程區域中進行用以在第一基板上形成第一材料層之沉積製程的半反應，其中基座係旋轉直到第一材料層包括預定厚度。
在一些實施例中，此方法更包括：從氣體注入器之第一製程區域去除第一前驅氣體，當第一基板進入各個第一製程區域時，第一前驅氣體依序從各個第一製程區域被去除。在此方法的一些實施例中，氣體注入器包括第一分配閥，且將第一前驅氣體引入到第一製程區域之操作包括：制動各個第一分配閥，以在第一製程區域中分配第一製程氣體。在此方法的一些實施例中，氣體注入器包括第二分配閥，且該第二製程氣體引入到第二製程區域之操作包括：根據基座之位置以及旋轉速度決定時間跨度；以及制動各個第二分配閥，以在第二製程區域中分配第二前驅氣體，其中制動各個第二分配閥包括在制動各個第二分配閥之間等待時間跨度。在一些實施例中，此方法更包括：混合第二前驅物材料以及載氣，以產生第二前驅氣體；以及響應於在混合第二前驅物材料以及載氣期間所偵測到之氣壓增加量來調整引入第二前驅氣體的時間。在一些實施例中，此方法更包括：在將第二前驅氣體引入氣體注入器之第二製程區域時，以載氣稀釋第二前驅氣體。
上述內容概述許多實施例的特徵，因此任何所屬技術領域中具有通常知識者，可更加理解本發明之各面向。任何所屬技術領域中具有通常知識者，可能無困難地以本發明為基礎，設計或修改其他製程及結構，以達到與本發明實施例相同的目的及/或得到相同的優點。任何所屬技術領域中具有通常知識者也應了解，在不脫離本發明之精神和範圍內做不同改變、代替及修改，如此等效的創造並沒有超出本發明的精神及範圍。
50:基板 52:輕摻雜源極/汲極區 54:磊晶源極/汲極區 56:閘極介電層 58:閘極電極 60:閘極間隔物 62:層間介電層(第一層間介電層) 64:層間介電層(第二層間介電層) 66:開口 68:間隔層 70:接點間隔物 72:接點 100:沉積系統 102:沉積腔室 104:基座 106:氣體注入器 106S:前表面 108:控制器 110:殼體 112:袋體 114:軸 116:驅動機構 118:間隙 120:前驅物供應部 120A:第一前驅物供應部 120B:第二前驅物供應部 122:載氣供應部 124:吹掃氣體供應部 126:真空幫浦 128:路徑 202:前驅氣體端口 202A:第一前驅氣體端口 202B:第二前驅氣體端口 204:吹掃氣體端口 206:真空端口 208:製程區域 208A、208A-1、208A-2、208A-3、208A-4:第一製程區域(製程區域) 208B、208B-1、208B-2、208B-3、208B-4:第二製程區域(製程區域) 210:簾幕區域 300:前驅物傳送系統 302:氣體混合樞紐部 304:流量控制器 306:分配閥 308:稀釋氣體混合器 310:稀釋氣體源 312:壓力監測器 402:處理單元 404:顯示器 406:輸入/輸出元件 408:中央處理器 410:記憶體 412:大容量儲存裝置 414:影音轉接器 416:輸入/輸出介面 418:匯流排 420:網路介面 422:區域網路或廣域網路 600:沉積方法 602、604、606、608、610、612、614、616:步驟 702:前驅氣體端口 704:稀釋氣體端口 706:輸出端口 708:控制端口
以下將配合所附圖式詳述本揭露之實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪示且僅用以說明例示。事實上，可能任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本揭露的特徵。 第1圖繪示根據一些實施例的沉積系統的細節。 第2圖繪示根據一些實施例的氣體注入器的細節。 第3圖繪示根據一些實施例的前驅物傳送系統的細節。 第4圖繪示根據一些實施例的控制單元的細節。 第5圖繪示根據一些實施例的氣體注入器的不同區域。 第6圖是根據一些實施例的沉積方法的流程圖。 第7A圖至第7C圖是根據一些實施例的製造半導體裝置的製程的中間步驟的剖面圖。 第8A圖和8B繪示根據一些其他實施例的前驅物傳送系統的細節。 第9圖繪示根據一些其他實施例的前驅物傳送系統的細節。
50:基板
106:氣體注入器
106S:前表面
128:路徑
202:前驅氣體端口
202A:第一前驅氣體端口
202B:第二前驅氣體端口
204:吹掃氣體端口
206:真空端口
208:製程區域
208A:第一製程區域
208B:第二製程區域
210:簾幕區域

Claims (10)

  1. 一種半導體設備，包括：一基座，包括複數個基板袋體；一氣體注入器，設置在該基座上方，該氣體注入器具有複數個第一製程區域以及複數個簾幕區域，該等簾幕區域分隔該等第一製程區域並且具有複數個真空端口，該等第一製程區域的每一個分別由該等真空端口的不同的真空端口所圍繞，該氣體注入器包括一第一氣體混合樞紐部以及複數個第一分配閥，該等第一分配閥將該第一氣體混合樞紐部連接到該等第一製程區域；以及一控制器，連接到該氣體注入器以及該基座，該控制器係配置以：將一第一前驅物材料以及一載氣連接到該第一氣體混合樞紐部；在該第一氣體混合樞紐部中混合該第一前驅物材料以及該載氣，以製造一第一前驅氣體；旋轉該基座以旋轉設置在該等基板袋體中之其中一者之一第一基板；以及當旋轉該基座時，控制該等第一分配閥以在該第一基板進入各個該等第一製程區域中時，依序將該第一前驅氣體引入各個該等第一製程區域中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體設備，其中該控制器與該氣體注入器分開設置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體設備，其中該控制器與該等第一分配閥一起位在該氣體注入器中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體設備，其中該控制器係配置以藉由響應於確定當該第一基板已進入各個該等第一製程區域時，致動該等第一分配閥中之對應之一第一閥，以依序引入該第一前驅氣體至各個該等第一製程區域。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體設備，其中該氣體注入器具 有複數個第二製程區域，且該氣體注入器更包括一第二氣體混合樞紐部以及複數個第二分配閥，該等第二分配閥將該第二氣體混合樞紐部連接到該等第二製程區域。
  6. 一種半導體設備，包括：一基座，包括複數個基板袋體；一氣體注入器，設置在該基座上方，該氣體注入器具有複數個第一前驅氣體端口、複數個第二前驅氣體端口、以及複數個真空端口，該等第一前驅氣體端口以及該等第二前驅氣體端口的每一個分別由該等真空端口的不同的真空端口所圍繞；一第一前驅物材料供應部，連接到該等第一前驅氣體端口；一第二前驅物材料供應部，連接到該等第二前驅氣體端口；一控制器，連接到該氣體注入器以及該基座，其中該控制器係配置以：開始旋轉該基座，以旋轉設置在該等基板袋體其中一者中的一第一基板；從該第一前驅物材料供應部引入一第一前驅氣體到該等第一前驅氣體端口，當該基座旋轉時，該第一基板暴露於該第一前驅氣體；以及在引入該第一前驅氣體之後，從該第二前驅物材料供應部引入一第二前驅氣體到該等第二前驅氣體端口，當該第一基板在各個該等第二前驅氣體端口下方旋轉時，該第二前驅氣體被依序引入到各個該等第二前驅氣體端口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體設備，其中該控制器係進一步配置以：繼續旋轉該基座，以將該第一基板暴露於該第一前驅氣體以及該第二前驅氣體，而在該第一基板暴露於該第一前驅氣體以及該第二前驅氣體時進行一沉積製程之半反應，以在該第一基板上形成一第一材料層，該基座的旋轉持續到該第一材料層包括一預定厚度。
  8. 一種半導體製程方法，包括：開始旋轉一基座，該基座設置在一氣體注入器下方，該基座包括複數個基板袋體，一第一基板設置在該等基板袋體之一者之中；引入一第一前驅氣體到該氣體注入器之複數個第一製程區域，當該基座旋轉時，該第一基板暴露於該第一前驅氣體；在引入該第一前驅氣體之後，引入一第二前驅氣體到該氣體注入器之複數個第二製程區域，當該第一基板進入各個該等第二製程區域時，該第二前驅氣體被依序引入到各個該等第二製程區域，其中該氣體注入器包括複數個真空端口，該等第一製程區域以及該等第二製程區域的每一個分別由該等真空端口的不同的真空端口所圍繞；以及在引入該第二前驅氣體後，繼續旋轉該基座以將該第一基板暴露於該等第一製程區域以及該等第二製程區域，而在該等第一製程區域以及該等第二製程區域中進行用以在該第一基板上形成一第一材料層之一沉積製程的半反應，其中該基座係旋轉直到該第一材料層包括一預定厚度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體製程方法，更包括：從該氣體注入器之該等第一製程區域去除該第一前驅氣體，當該第一基板進入各個該等第一製程區域時，該第一前驅氣體依序從各個該等第一製程區域被去除。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體製程方法，其中該氣體注入器包括複數個第一分配閥，且將該第一前驅氣體引入到該等第一製程區域之操作包括：制動各個該等第一分配閥，以在該等第一製程區域中分配該第一製程氣體。
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