TWI753616B - 原子層沉積設備與製程方法 - Google Patents

Abstract

本案揭露一種原子層沉積設備與製程方法。原子層沉積設備包括腔體、加熱台、載盤、中空部件、底部抽氣口與噴頭組件，其中載盤位於加熱台的頂表面並用以承載基材，而載盤與中空部件可形成上抽氣路徑。透過上抽氣路徑緩慢地抽離製程流體(例如，前驅物)，可使製程流體的流場被穩定地調控，進而使原子層沉積製程中的基材可受前驅物均勻地沉積。

Description

原子層沉積設備與製程方法

本發明係關於一種原子層沉積設備與製程方法，尤其指一種透過中空部件與載盤形成上抽氣路徑以調節製程流體之流場的原子層沉積設備，以及使用其的製程方法。

積體電路技術的發展已經成熟，且目前電子產品朝向輕薄短小、高性能、高可靠性與智能化的趨勢發展。電子產品中的電晶體之微縮技術至關重要，小尺寸的電晶體會對電子產品的性能產生重要影響，當電晶體的尺寸愈小，可減少電流傳輸時間並降低耗能，以達到快速運算並節能的效果。在現今微小的電晶體中，部分關鍵的薄膜層幾乎僅有幾個原子的厚度，而發展這些微量結構的技術之一為原子層沉積製程（atomic layer deposition process, ALD process）。

原子層沉積製程是一種將物質以單原子的形式一層一層地鍍於基材表面的技術，其中於製程中，係使反應的前驅物與基材或前一層膜的材料表面進行化學吸附，以生產既薄且均勻的薄膜。於原子層沉積製程中，均勻的沉積薄膜是電晶體微縮的重要基礎，如何有效的控制薄膜均勻度為現今的電晶體發展的重要課題。

目前原子層沉積製程的均勻度之控制仍未完善，其中一個問題來自前驅物的流場未受到妥善的控制（例如，原子層沉積製程的前驅物如何在不干擾均勻的沉積行為下抽離腔體）。現行的原子層沉積設備之設計多使用大型的密閉式腔體，其可於原子層沉積製程中容納大量的前驅物，並確保前驅物滯留於腔體中與基材接觸以進行沉積，其中密閉式的腔體設計可避免前驅物在沉積與反應完成之前提早流失。當沉積與反應完成，腔體內的前驅物再透過腔體之底部抽氣口排出。

然而，此種大型的密閉式腔體需使用大量的前驅物，將使製程成本過高。再者，若排出前驅物的時間控制失當，則單一的抽氣裝置（底部抽氣口）則可能導致前驅物形成擾流，使得基材受沉積的均勻度受到不良影響。

為了降低製程成本，其中一種方法是縮減腔體的容積以減少前驅物用量，然而此法將造成前驅物形成擾流，進而導致前驅物重複與基材接觸，而使基材受沉積的均勻度下降。故如何降低製程成本且妥善控制前驅物沉積於基材的均勻度，為現今原子層沉積製程待克服之議題。

因此，為了克服昔知技術的不足之處，本發明實施例提供一種原子層沉積設備與製程方法，使前驅物（precursor）及/或滌洗氣體（purge gas）可呈現受控制的慢速流場，以藉此調節前驅物沉積於基材的均勻度。

基於前述目的的至少其中之一者，本發明實施例提供之原子層沉積設備包括一腔體、一加熱台、一載盤、至少一中空部件、至少一底部抽氣口以及一噴頭組件。所述腔體具有一容置空間，而加熱台設置於腔體的容置空間內，其中加熱台具有一頂表面。所述載盤位於加熱台的頂表面，且具有一底盤與一凸部，其中凸部連接底盤的一上表面，而底盤用以承載一基材。所述中空部件流體連通腔體的容置空間，且高於載盤，並具有至少一抽氣孔，其中載盤與中空部件形成一上抽氣路徑。所述底部抽氣口流體連通腔體的容置空間，且連接一泵，並用以排出容置空間內的至少一流體。所述噴頭組件流體連通腔體的容置空間，提供至少一前驅物或一滌洗氣體至腔體內。

基於前述目的的至少其中之一者，本發明實施例提供之原子層沉積製程方法應用前述的原子層沉積設備。所述原子層沉積製程方法包括：透過底部抽氣口對腔體的容置空間下抽氣；提供前驅物到腔體的容置空間以與載盤上的基材反應；停止提供前驅物到腔體的容置空間內；提供滌洗氣體到腔體的容置空間內，並透過中空部件及載盤之間的上抽氣路徑對腔體的容置空間進行上抽氣以移除前驅物；以及停止提供滌洗氣體至腔體的容置空間後，停止上抽氣。

基於前述目的的至少其中之一者，本發明實施例提供之原子層沉積製程方法應用前述的原子層沉積設備。所述原子層沉積製程方法包括：透過底部抽氣口對腔體的容置空間下抽氣，及透過中空部件與載盤之間的上抽氣路徑對腔體的容置空間進行上抽氣，其中上抽氣在原子層沉積製程期間不中斷；提供前驅物到腔體的容置空間以與載盤上的基材反應；停止提供前驅物到腔體的容置空間內；提供滌洗氣體到腔體的容置空間內；以及停止提供滌洗氣體至腔體的容置空間後，持續上抽氣。

可選地，所述原子層沉積設備還包括一固定件，連接加熱台與載盤，以將載盤固定於該加熱台。

可選地，所述載盤的底盤為一圓盤，而凸部為一凸環，且凸環的直徑小於圓盤的直徑。

可選地，所述凸部對應於中空部件的抽氣孔。

可選地，所述抽氣孔位於中空部件的底部。

可選地，所述原子層沉積設備還包括一升降裝置，連接加熱台，其中升降裝置驅動加熱台與載盤靠近或遠離中空部件，以調整中空部件與載盤之間的第一距離。

簡言之，本發明實施例提供的原子層沉積設備與製程方法，可透過中空部件與載盤形成上抽氣路徑，以使原子層沉積製程中的前驅物與/或滌洗氣體形成慢速流場且自中空部件抽離，藉此以動態的方式對基材進行反應與沉積，進而調控原子層沉積製程中的基材受沉積的均勻度。故本發明所述之原子層沉積設備與製程方法於對原子層沉積有需求之製程與市場（例如積體電路）具有優勢。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，配合所附圖示，做詳細說明如下。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後。

本發明提供一種原子層沉積設備與使用其的原子層沉積製程方法。所述原子層沉積設備除了具有連接腔體的底部抽氣口之外，還可透過中空部件與載盤形成上抽氣路徑，以引導過剩的前驅物被抽離腔體，有別於傳統沉積設備只可透過底部抽氣口抽除過剩的前驅物。藉由載盤之結構設計，可使過剩的前驅物形成穩定而緩慢的氣流，以使基材可受到前驅物均勻地沉積。

透過升降裝置驅動加熱台與載盤靠近或遠離中空部件，可使中空部件與載盤之間的第一距離受到調整，如此，可調控上抽氣路徑所引導之前驅物的流動情形，並可進一步地調控將與基材反應的前驅物的沉積狀況，進而使基材受沉積的均勻度受到優化。

首先，請參照圖1，圖1是本發明實施例之原子層沉積設備的示意圖。如圖1所示，原子層沉積設備1包括腔體101、至少一底部抽氣口O101、加熱台102、載盤1031、複數個中空部件103以及噴頭組件104。腔體101具有容置空間S，而底部抽氣口O101流體連通腔體101的容置空間S，其中底部抽氣口O101可連接動力裝置（例如，泵）形成下抽氣裝置，以排出容置空間S內的至少一種流體。

所述加熱台102設置於腔體101的容置空間S中，且具有一頂表面S1，而載盤1031位於加熱台102的頂表面S1，且可透過固定件1021(例如，螺絲)連接加熱台102與載盤1031，以將載盤1031固定於加熱台102。

所述載盤1031具有底盤H1031與凸部V1031，凸部V1031連接底盤H1031的上表面，而底盤H1031用以承載基材W（例如但不限制為晶圓）。

請參照圖2，圖2是本發明實施例之載盤的俯視示意圖。所述載盤1031的底盤H1031可以是圓盤，而凸部V1031可以是圓形的凸環，其中凸環的直徑可小於圓盤的直徑。在其他實施例中，底盤H1031也可以是多邊形盤體，而凸部V1031可以是由多個構件組成連續或不連續的凸起。

請參照圖3與圖4，在其他實施例中，當載盤2031、3031的底盤H2031、H3031為圓盤及凸部V2031、V3031為圓形的凸環，則凸環的直徑也可以等於圓盤的直徑，或者當底盤H2031、H3031不為圓盤及凸部V2031、V3031不為圓形的凸環，則凸部V2031、V3031可以與底盤H2031、H3031切齊。

接著，請繼續參照圖1，所述中空部件103流體連通腔體101的容置空間S，且中空部件103高於載盤1031。中空部件103具有至少一個抽氣孔O103及頂部開口O102，並具有貫穿抽氣孔O103及頂部開口O102的中空區，其中中空區可以與外部連通，而中空區的中空路徑沒有任何限制。

具體而言，抽氣孔O103位於中空部件103的底部，而載盤1031的凸部V1031可以對應於中空部件103的抽氣孔O103。在其他實施例中，抽氣孔O103也可以位於中空部件103的側邊，而載盤1031的凸部V1031也可以對應於中空部件103的抽氣孔O103。

如圖4所示，在其他實施例中，載盤3031的凸部V3031也可以不對應於中空部件303之底部的抽氣孔O303，且載盤3031的凸部V3031可圍繞並位於中空部件303的下方。在其他實施例中，載盤3031的凸部V3031也可以不對應於中空部件303之側邊的抽氣孔O303，且載盤3031的凸部V3031可圍繞中空部件103及其抽氣孔O303。

所述噴頭組件104連體連通腔體101的容置空間S，用以提供前驅物G101或滌洗氣體G102到腔體101中。

請繼續參照圖1~圖3，在原子層沉積製程中，載盤1031、2031、3031與中空部件103、203、303形成上抽氣路徑P1031。具體而言，載盤1031、2031、3031與中空部件103、203、303可形成小區域的空間，並透過連接中空部件103、203、303的泵緩慢的抽離原子層沉積製程中未反應的前驅物G101，使前驅物G101可形成緩慢而穩定的流場，並使大部分未反應的前驅物G101被中空部件103、203、303抽離。

載盤1031、2031、3031與中空部件103、203、303形成之小區域的空間，可提供前驅物G101與基材W一個小空間反應區，如此，可減少前驅物G101的使用量，以降低成本。再者，小空間反應區也可降低前驅物G101的擾流，使前驅物G101可緩慢而穩定地被中空部件103、203、303抽離，如此，可使基材W受前驅物G101沉積後的均勻度提高。

所述載盤1031、2031、3031的底盤H1031、H2031、H3031與中空部件103、203、303的底部之間具有可調整的第一距離d3、d5。具體而言，原子層沉積設備1還可包括升降裝置105，連接加熱台102，其中升降裝置105驅動加熱台102與載盤1031、2031、3031靠近或遠離中空部件103、203、303，以調整中空部件103、203、303與載盤1031、2031、3031之間的第一距離d3、d5，以對前驅物G101的流動進行更細微的調控。

接著，請參照圖5以知悉原子層沉積製程的流程與方法，圖5是本發明實施例之原子層沉積製程的步驟與時間的趨勢關係圖。

首先，請參照線line5，當基材W放置到載盤1031後，原子層沉積設備1的下抽氣裝置透過腔體101的底部抽氣口O101對腔體101的容置空間S進行下抽氣，其中下抽氣自製程開始到結束沒有間斷。

接著，請參照線line1，第一前驅物G101透過噴頭組件104被提供至腔體101的容置空間S，並擴散到基材W上方以與基材W表面的材料進行反應與沉積。

當第一前驅物G101注入腔體101達到目標量後（根據製程參數以決定目標量），噴頭組件104停止供應第一前驅物G101到腔體101內。

接著，請參照線line3與線line4，於停止供應第一前驅物G101到腔體101的容置空間S後，滌洗氣體G102（例如但不限制為氮氣）透過噴頭組件104被提供至腔體101的容置空間S，以對第一前驅物G101進行滌洗（purge），同步地，透過中空部件103與載盤1031之間形成的上抽氣路徑P1031將腔體101內的前驅物G101抽離。

具體而言，第一前驅物G101多數存在於中空部件103與載盤1031所創造的小空間反應區，並藉由連接中空部件103的泵將第一前驅物G101緩慢地抽離，使第一前驅物G101呈現慢速流場。如此，第一前驅物G101可以動態的方式對基材W進行反應與沉積。同樣地，滌洗氣體G102的流場也可受到穩定地控制。

當腔體101內的第一前驅物G101與滌洗氣體G102呈現慢速的流動，流場將可穩定地被控制，並避免擾流產生，以使基材W受原子層沉積時的均勻度受到良好的控制。

接著，請繼續參照線line3與線line4，當滌洗氣體G102停止供應至腔體101後，上抽氣裝置先持續上抽氣而後停止對腔體101的容置空間S抽氣。

在一個實施例中，上抽氣的時間大於提供滌洗氣體G102的時間，但本發明不以此為限制，上抽氣的時間也可以相同於提供滌洗氣體的時間。

接著，請參照線line2，提供第二前驅物的步驟相似於提供第一前驅物的步驟。當滌洗氣體G102停止供應至腔體101的一段時間，且上抽氣裝置停止抽氣後，第二前驅物透過噴頭組件104由被提供至腔體101的容置空間S，並擴散到基材W上方以與基材W表面的材料進行反應與沉積。

接著，當第二前驅物注入腔體101達到目標量後，噴頭組件104停止供應第二前驅物到腔體101的容置空間S。

進一步地，請參照線line3與線line4，於停止供應第二前驅物到腔體101的容置空間S後，滌洗氣體透過噴頭組件104被提供至腔體101的容置空間S，以對第二前驅物進行滌洗。同步地，透過中空部件103與載盤1031之間形成的上抽氣路徑P1031可將腔體101內的第二前驅物G101抽離，以穩定地控制第二前驅物與滌洗氣體之流場。

最後，停止供應滌洗氣體至腔體101的容置空間S後，停止透過上抽氣路徑P1031對腔體101的容置空間 S抽離第二前驅物。請注意，在原子層沉積製程的不同階段中， 透過上抽氣路徑P1031從腔體101的容置空間S被抽離的流體可能是不同的，其中流體可能是空氣、滌洗氣體、前驅物或為製程開始之前所留在腔體101之容置空間S中的任何物質。

在一個實施例中，上抽氣的時間大於提供滌洗氣體的時間，但本發明不以此為限制，上抽氣的時間也可以相同於提供滌洗氣體的時間。

當第一前驅物與第二前驅物完成對基材W表面的反應與沉積後，即對原子層沉積之流程達成完整的一次循環，而後續的每一次循環之步驟流程皆與上述相同。

請參照圖6以知悉另一種原子層沉積製程的流程與方法，圖6是本發明另一實施例之原子層沉積製程的步驟與時間的趨勢關係圖。

首先，請參照線line4與線line5，當基材W放置到載盤1031後，原子層沉積設備1的下抽氣裝置透過腔體101的底部抽氣口O101對腔體101的容置空間S進行下抽氣以抽出腔體101內的流體，其中下抽氣自製程開始到結束沒有中斷。再者，透過中空部件103與載盤1031之間形成的上抽氣路徑P1031將腔體101內的流體抽離，其中上抽氣自製程開始到結束沒有中斷。

進一步地，請參照線line1，第一前驅物G101透過噴頭組件104被提供至腔體101的容置空間S，並擴散到基材W上方以與基材W表面的材料進行反應與沉積。

當第一前驅物G101注入腔體101達到目標量後（根據製程參數以決定目標量），噴頭組件104停止供應第一前驅物G101到腔體101內。

接著，在停止供應第一前驅物G101到腔體101的容置空間S後，滌洗氣體G102（例如但不限制為氮氣）透過噴頭組件104被提供至腔體101的容置空間S，以對第一前驅物G101進行滌洗。

最後，停止供應滌洗氣體G102至腔體101的容置空間S，並持續透過上抽氣路徑P1031從腔體101的容置空間S抽出前驅物G101，以使第一前驅物G101及滌洗氣體G102的流場可持續受到穩定地控制。請注意，在原子層沉積製程的不同階段中， 透過上抽氣路徑P1031從腔體101的容置空間S被抽離的流體可能是不同的，其中流體可能是空氣、滌洗氣體、前驅物或為製程開始之前所留在腔體101之容置空間S中的任何物質。

提供第二前驅物的步驟相似於提供第一前驅物的步驟。當第一前驅物與第二前驅物完成對基材W表面的反應與沉積後，即對原子層沉積之流程達成完整的一次循環，而後續的每一次循環之步驟流程皆與上述相同。

在原子層沉積製程中，還可以透過升降裝置105驅動加熱台102與載盤1031靠近或遠離中空部件103，以調整載盤1031與中空部件103的底部之間的第一距離，以控制製程中的流體之流場。

所述原子層沉積設備1與使用其的製程方法的效果請參照表1，表1為12吋矽晶圓經原子層沉積製程後的晶圓厚度表，如表1所示，取12吋矽晶圓進行的原子層沉積製程後，晶圓的厚度均勻度為0.34686並達到良好的效果。

基材：12吋矽晶圓
晶圓中心厚度	19.80奈米
晶圓右側厚度	19.81奈米
晶圓左側厚度	19.97奈米
晶圓底部厚度	19.89奈米
晶圓頂部厚度	19.88奈米
晶圓平均厚度	19.87奈米
晶圓厚度均勻度(U%)	0.34686

表1

綜合以上所述，相較於昔知技術，本發明實施例所述之原子層沉積設備與製程方法之技術效果，係說明如下。

昔知技術中，原子層沉積製程多使用大型腔體並通入大量反應前驅物以對基材進行反應與沉積，故使製程之成本較高，而傳統的降低成本的方法是縮減腔體的容積，但此方法常造成前驅物於腔體內部產生擾流，導致基材受沉積後的均勻度不佳。反觀本發明所述之原子層沉積設備與製程方法，可透過中空部件與載盤形成小空間反應區，以節省製程前驅物的用量，並透過上抽氣裝置使前驅物形成穩定慢速且均勻的流場，以優化基材受沉積後的均勻度。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，上述實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與前述實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。

1:原子層沉積設備 101:腔體 102、202、302:加熱台 1021:固定件 103:中空部件 1031、2031、3031:載盤 104:噴頭組件 105:升降裝置 d3、d5:第一距離 G101:前驅物 G102:滌洗氣體 H1031、H2031、H3031:底盤 line1~line5:線 O101:底部抽氣口 O103、O203、O303:抽氣孔 P1031:上抽氣路徑 V1031、V2031、V3031:凸部 W:基材

圖1是本發明實施例之原子層沉積設備的示意圖。

圖2是本發明實施例之載盤的俯視示意圖。

圖3是本發明另一實施例之原子層沉積設備的局部示意圖。

圖4是本發明又一實施例之原子層沉積設備的局部示意圖。

圖5是本發明實施例之原子層沉積製程的步驟與時間的趨勢關係圖。

圖6是本發明另一實施例之原子層沉積製程的步驟與時間的趨勢關係圖。

1:原子層沉積設備

101:腔體

102:加熱台

1021:固定件

103:中空部件

1031:載盤

104:噴頭組件

105:升降裝置

G101:前驅物

G102:滌洗氣體

H1031:底盤

O101:底部抽氣口

O103:抽氣孔

P1031:上抽氣路徑

S1:頂表面

V1031:凸部

W:基材

Claims (10)

1. 一種原子層沉積設備，包括：一腔體，具有一容置空間；一加熱台，設置於該腔體的該容置空間內，且具有一頂表面；一載盤，位於該加熱台的該頂表面，且具有一底盤與一凸部，其中該凸部連接該底盤的一上表面，而該底盤的該上表面用以承載一基材，其中該凸部為一凸環，並環繞設置在該基材的周圍；一噴頭組件，連通該腔體的該容置空間，並用以提供至少一前驅物或一滌洗氣體至該腔體的該容置空間；至少一中空部件，位於該腔體的該容置空間，該中空部件高於該載盤，並具有至少一抽氣孔，其中該中空部件環繞設置在該噴頭組件的周圍，且該中空部件較噴頭組件靠近該載盤，使得該載盤的該凸部與該中空部件形成一上抽氣路徑；及至少一底部抽氣口，流體連通該腔體的該容置空間且連接一泵，並用以排出該容置空間內的至少一流體。
2. 如請求項1所述之原子層沉積設備，還包括一固定件，連接該加熱台與該載盤，以將該載盤固定於該加熱台。
3. 如請求項1所述之原子層沉積設備，其中該載盤的該底盤為一圓盤，而該凸環的直徑小於該圓盤的直徑。
4. 如請求項1所述之原子層沉積設備，其中該凸部環繞設置在該中空部件的外側。
5. 如請求項1所述之原子層沉積設備，其中該抽氣孔位於該中空部件的一底部，而該載盤的該凸部則朝向該中空部件的該抽氣孔。
6. 如請求項1所述之原子層沉積設備，還包括一升降裝置，連接該加熱台，其中該升降裝置驅動該加熱台與該載盤靠近或遠離該中空部件，以調整該中空部件與該載盤之間的一第一距離。
7. 一種應用請求項1的原子層沉積設備的原子層沉積製程方法，包括：透過該底部抽氣口對該腔體的該容置空間下抽氣；提供一前驅物到該腔體的該容置空間以與該載盤上的一基材反應；停止提供該前驅物到該腔體的該容置空間內；提供一滌洗氣體到該腔體的該容置空間內，並透過該中空部件及該載盤之間的該上抽氣路徑對該腔體的該容置空間進行上抽氣以移除該前驅物；以及停止提供該滌洗氣體至該腔體的該容置空間後，停止上抽氣。
8. 如請求項7所述之原子層沉積製程方法，更包括：透過一升降裝置驅動該加熱台與該載盤靠近或遠離該中空部件，以調整該載盤與該中空部件的一底部之間的一第一距離。
9. 一種應用請求項1的原子層沉積設備的原子層沉積製程方法，包括： 透過該底部抽氣口對該腔體的該容置空間下抽氣，及透過該中空部件及該載盤之間的該上抽氣路徑對該腔體的該容置空間進行上抽氣，其中上抽氣在原子層沉積製程期間不中斷；提供一前驅物到該腔體的該容置空間以與該載盤上的一基材反應；停止提供該前驅物到該腔體的該容置空間內；提供一滌洗氣體到該腔體的該容置空間內；以及停止提供該滌洗氣體至該腔體的該容置空間後，持續上抽氣。
10. 如請求項9所述之原子層沉積製程方法，更包括：透過一升降裝置驅動該加熱台與該載盤靠近或遠離該中空部件，以調整該載盤與該中空部件的一底部之間的一第一距離。

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