TWI769631B

TWI769631B - 原子層沉積裝置

Info

Publication number: TWI769631B
Application number: TW109145365A
Authority: TW
Inventors: 林俊成
Original assignee: 天虹科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-07-01
Also published as: TW202225464A

Abstract

本案揭露一種原子層沉積裝置，包括腔體、前驅物進氣口、加熱台、載盤、中空部件與擋件。當加熱台與載盤受到升降裝置驅動並靠近中空部件，載盤與擋件將圍繞出反應空間，並使製程流體(例如，前驅物或滌洗氣體)的流場被穩定地調控，進而使基材受前驅物均勻地沉積。

Description

原子層沉積裝置

本發明係關於一種原子層沉積裝置，尤其指一種透過載盤與擋件形成反應空間以調節製程流體(例如，前驅物或滌洗氣體)之流場的原子層沉積裝置。

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，為了克服習知技術的不足之處，本發明實施例提供一種原子層沉積裝置，可減少前驅物(precursor)用量並使前驅物可呈現受控制的流場，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裝置包括腔體、前驅物進氣口、加熱台、載盤、擋件與至少一中空部件。所述腔體具有容置空間，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，並用以承載基材。所述前驅物進氣口流體連通腔體的容置空間，用以輸送至少一前驅物到容置空間。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。所述擋件高於載盤並圍繞中空部件，且具有阻擋部與接觸部，其中擋件連接腔體或中空部件，而在擋件受到重力向下位移時，阻擋部用以將擋件限制在腔體或中空部件。

可選地，所述原子層沉積裝置還包括升降裝置，連接加熱台，其中升降裝置驅動加熱台與載盤靠近中空部件，而載盤接觸擋件的接觸部並帶動擋件垂直位移，以使擋件與載盤圍繞出反應空間。

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裝置包括腔體、前驅物進氣口、加熱台、載盤、擋件、馬達與至少一中空部件。所述腔體具有容置空間。所述前驅物進氣口流體連通腔體的容置空間，用以輸送至少一前驅物到容置空間。所述加熱台設置於腔體的容置空間內，且具有頂表面。所述載盤位於加熱台的頂表面，並用以承載至少一基材。所述中空部件流體連通容置空間且高於載盤，並具有至少一抽氣孔。所述擋件高於載盤並圍繞中空部件，且具有阻擋部與接觸部。所述馬達連接擋件的阻擋部，並用以驅動擋件垂直位移。

可選地，所述原子層沉積系統還包括升降裝置，連接加熱台，其中升降裝置驅動加熱台與載盤靠近中空部件，而擋件與載盤圍繞出反應空間。

可選地，所述擋件的接觸部還包括遮擋環，且相鄰載盤，以在擋件與載盤圍繞出反應空間時，減少前驅物自擋件與載盤之間洩漏。

可選地，所述原子層沉積裝置還包括緩衝單元，位於擋件的阻擋部與接觸部之間，以在擋件向下位移時緩衝擋件。

可選地，所述緩衝單元為彈簧或線性滑軌緩衝單元。

可選地，所述接觸部為環形圈體，而擋件還包括複數連接桿，位於阻擋部與接觸部之間。

可選地，所述原子層沉積裝置還包括至少一開口，流體連通容置空間，用以將氣體導入腔體與擋件之間，以防止該前驅物沉積於擋件。

可選地，所述原子層沉積裝置還包括至少一抽氣口，流體連通腔體，且與前驅物進氣口彼此相對，用以排出容置空間內的至少一流體。

簡言之，本發明實施例提供的原子層沉積裝置，可透過擋件與載盤圍繞反應空間，以使原子層沉積製程中的前驅物自中空部件被抽離，藉此以動態的方式對基材進行反應與沉積，進而調控基材受沉積時的均勻度，故於對原子層沉積有需求的市場(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。

1:原子層沉積裝置

101:腔體

1011:抽氣口

1012:開口

1013:進氣口

102:加熱台

103:中空部件

104:前驅物進氣口

1041:噴頭

105、205:擋件

1051:接觸部

1052:連接桿

1053:阻擋部

106:載盤

107:緩衝單元

1071:彈簧

1072:線性滑軌緩衝單元

108:升降裝置

109:馬達

110:遮蔽件

G:氣體

G101:前驅物

O103:抽氣孔

O2051:開孔

R1051:遮擋環

S:容置空間

S0:內表面

S1:反應空間

S2:內牆面

S3:內底面

W:基材

圖1是本發明實施例的原子層沉積裝置的示意圖。

圖2是本發明另一實施例的原子層沉積裝置的示意圖。

圖3是本發明實施例的擋件的示意圖。

圖4是本發明實施例的擋件的俯視示意圖。

圖5是本發明實施例的擋件的立體示意圖。

圖6是本發明再一實施例的擋件的立體示意圖。

圖7是本發明又一實施例的原子層沉積裝置的示意圖。

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。

首先，請參照圖1與圖2，圖1是本發明實施例的原子層沉積裝置的示意圖。如圖1所示，原子層沉積裝置1包括腔體101、加熱台102、載盤106、擋件105、至少一中空部件103以及前驅物進氣口104。所述具有腔體101具有容置空間S，而前驅物進氣口104流體連通腔體101的容置空間S，並用以輸送至少一前驅物G101到容置空間S。在其他實施例中，前驅物進氣口104也可以是噴頭1041，並鑲嵌於腔體101頂部，或設置在腔體101的容置空間S內。

所述加熱台102設置在腔體101的容置空間S內，且加熱台102具有頂表面，而載盤106位於加熱台102的頂表面，並用以承載至少一基材W。在一個實施例中，基材W可以是晶圓。

所述中空部件103流體連通腔體101的容置空間S且高於載盤106，並具有至少一抽氣孔O103。中空部件103可連接泵(圖未示)，以抽離腔體101的容置空間S內的流體，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容置空間S中的任何物質。在一個實施例中，抽氣孔O103位於中空部件103的底部。在其他實施例中，抽氣孔O103也可以位於中空部件103的側邊。

所述擋件105高於載盤106並圍繞中空部件103，具體而言，擋件105具有阻擋部1053與接觸部1051，而阻擋部1053高於接觸部1051。所述阻擋部 1053是用以限制擋件105的位置，使擋件105受重力之下不掉落到腔體101的底部。請參照圖1，在一個實施例中，擋件105連接腔體101，而在擋件105受到重力向下位移時，阻擋部1053用以將擋件105限制在腔體101，使擋件105不掉落。具體而言，擋件105可直接連接腔體101，例如透過鎖固或卡合的方式將擋件105限制在腔體101。或者，擋件105也可以間接連接腔體101，例如透過其他構件將擋件105與腔體101連接。所述擋件105連接腔體101的位置，不限制是腔體101的頂部或側邊。

請參照圖2，在其他實施例中，擋件105也可以連接中空部件103，而在擋件105受到重力向下位移時，阻擋部1053用以將擋件105限制在中空部件103，其中，擋件105需圍繞中空部件103的抽氣孔O103，以使抽氣孔O103位於在反應空間S1。

在一個實施例中，擋件105的阻擋部1053與接觸部1051之間還可以具有緩衝單元107。在擋件105受到重力向下位移時，緩衝單元107可以緩衝擋件105，使擋件105不會快速地向下位移，如此，可減少因擋件105快速位移所造成的髒污產生。在一個實施例中，緩衝單元107可以是彈簧1071，但本發明不以此為限制。

請參照圖3，圖3是本發明實施例的擋件的示意圖。在一個實施例中，擋件105可連接線性滑軌，例如擋件105被限制在線性滑軌之間，而緩衝單元107則是線性滑軌緩衝單元1072，以減緩擋件105受重力向下位移時的速度，如此，可降低髒污產生的機率。所述線性滑軌可設置在中空部件103，以使擋件 105與中空部件103連接，或者，線性滑軌也可以與腔體101連接，以使擋件105與腔體101連接。

所述原子層沉積裝置1還具有升降裝置108，而升降裝置108連接加熱台102。當升降裝置108驅動加熱台102與載盤106靠近中空部件103時，載盤106可接觸自然垂落的擋件105，並帶動擋件105垂直向上位移。具體而言，載盤106接觸擋件105的接觸部1051並帶動擋件105垂直位移，以使擋件105與載盤106圍繞出反應空間S1。

請參照圖4與圖5，圖4是本發明實施例的擋件的俯視示意圖，而圖5是本發明實施例的擋件的立體示意圖。具體而言，擋件105接觸部1051為環形圈體，而擋件105還包括複數連接桿1052，連接桿1052位於阻擋部1053與接觸部1051之間，且多個連接桿1052平均地配置並連接接觸部1051。當升降裝置108驅動加熱台102與載盤106靠近中空部件103時，載盤106會接觸擋件105的接觸部1051並帶動擋件105向上位移，而擋件105則形成牆面並與載盤106圍繞出反應空間S1。所述前驅物G101可被保留在反應空間S1中以與基材W反應，而不需對腔體101提供填充容置空間S的前驅物G101使用量，故可節省前驅物G101的用量。

透過升降裝置108調整升降裝置108與中空部件103之間的距離，可控制反應空間S1的大小，如此，可調控前驅物G101對基材W沉積時的基材W的均勻度。具體而言，小空間的反應空間S1可降低前驅物G101的擾流，前驅物G101可緩慢而穩定地被中空部件103抽離，如此，可使基材W受前驅物G101沉積後的均勻度提高。

再者，還可透過中空部件103、載盤106與擋件105形成上抽氣路徑，以引導過剩的前驅物G101被抽離腔體101，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G101。藉由本發明所述的原子層沉積裝置的結構設計，可使過剩的前驅物G101形成穩定而緩慢的氣流，以使基材W可受到前驅物G101均勻地沉積。

所述原子層沉積裝置1還可以具有開口1012，流體連通容置空間S，並用以將氣體G導入腔體101與擋件105之間。具體而言，氣體G是不與前驅物G101反應的氣體，例如氮氣或惰性氣體。如圖1所示，開口1012可設置在腔體101的頂部，而氣體G被導入到腔體101與擋件105之間，以形成氣牆，並防止前驅物G101沉積於擋件105。在一個實施例中，氣體G被導入到腔體101與擋件105的阻擋部1053之間，但本發明不以此為限制，氣體G也可以透過開口2012被導入到腔體101與擋件105的連接桿1052之間，或被導入到腔體101與擋件105的接觸部1051之間。在其他實施例中，開口1012也可以設置在腔體101的側邊，並通入氣體G於腔體101與擋件之間。

在一個實施例中，原子層沉積裝置1還包括抽氣口1011，流體連通腔體101，且抽氣口1011與前驅物進氣口104彼此相對，並用以排出容置空間S內的至少一流體，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容置空間S中的任何物質。在一個實施例中，抽氣口位於腔體101的底部，且連接泵。當抽氣口1011對腔體101下抽氣時，可形成一下抽氣路徑。當抽氣口1011與前驅物進氣口104彼此相對的配置，也可提升對前驅物G101或滌洗氣體的流動控制。

請參照圖6，圖6是本發明再一實施例的擋件的立體示意圖。在一個實施例中，擋件205的接觸部2051還包括複數開孔O2051，以在抽氣口1011排出容置空間S內的流體時，調節流體的流動。具體而言，可設計不同數量與/或不同大小的開孔O2051，來調整下抽氣時流體的流速與流量。

在一個實施例中，原子層沉積製程的步驟可如下所述。首先，透過抽氣口1011對腔體101的容置空間S抽氣，而升降裝置108驅動加熱台102、載盤106與擋件105、205垂直向上位移，使載盤106與擋件105、205圍繞出反應空間S1。當擋件105的接觸部1051不具有開孔O2051時，容置空間S內的流體可自載盤106與擋件105之間的縫隙被抽氣口1011抽離。當擋件205的接觸部2051具有開孔O2051時，容置空間S內的流體還可自開孔O2051被抽氣口1011抽離。

接著，前驅物G101透過前驅物進氣口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)，前驅物進氣口104停止供應前驅物G101到腔體101。

接著，滌洗氣體(例如但不限制為氮氣)被提供至腔體101的容置空間S，以對前驅物G101進行滌洗(purge)，同步地，透過中空部件103、載盤106與擋件105、205所形成的反應空間S1及上抽氣路徑，可將腔體101內的前驅物G101抽離。

具體而言，前驅物G101多數存在於反應空間S1，並藉由連接中空部件103的泵將前驅物G101緩慢地抽離，使前驅物G101呈現慢速流場。如此，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，滌洗氣體的流場也可受到穩定地控制。

當腔體101內的前驅物G101與滌洗氣體呈現慢速的流動，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。

在其他實施例中，中空部件對腔體101的容置空間S抽氣，也可以與抽氣口1011對腔體101的容置空間S抽氣同步進行，即，對基材W沉積之前，可同步透過抽氣口1011與中空部件103對腔體101的容置空間S抽氣。

接著，請參照圖7，圖7是本發明又一實施例的原子層沉積裝置的示意圖。所述原子層沉積裝置2與前述實施例大致相同，差別僅在原子層沉積裝置2的擋件105的接觸部1051還包括遮擋環，以及原子層沉積裝置2還包括馬達109。

所述遮擋環R1051相鄰載盤106，並用以密合擋件105與載盤106之間的縫隙，以在擋件105與載盤106圍繞出反應空間S1時，減少前驅物G101自擋件105與載盤106之間洩漏。所述遮擋環R1051可應用於前述實施例。同樣地，擋件105可以是包括或不包括開孔O2051。

具體而言，原子層沉積裝置2包括腔體101、加熱台102、載盤106、擋件105、馬達109、至少一中空部件103以及前驅物進氣口104。所述馬達109連接擋件105，具體而言，馬達109連接擋件105的阻擋部1053，並用以驅動擋件105垂直位移，以使擋件不僅僅受重力或升降裝置108間接地帶動而位移。當透過馬達109調整擋件105的位置，可進一步調控腔體101內的流體的流動。

在一個實施例中，開口2012是設置在腔體101的側邊，而氣體G被導入到腔體101與擋件105之間，以形成氣牆，並防止前驅物G101沉積於擋件105。舉例而言，氣體G被導入到腔體101與擋件105的接觸部1051之間，但本發明不以此為限制，氣體G也可以被導入到擋件105的任意處與腔體101之間。或者，開口2012也可以設置在腔體101的頂部。

在一個實施例中，原子層沉積製程的步驟可如下所述。首先，透過抽氣口1011對腔體101的容置空間S抽氣，升降裝置108驅動加熱台102、載盤106與擋件105垂直向上位移，而馬達109驅動擋件105垂直向下位移。所述載盤106與擋件105之間可具有或不具有縫隙，並透過調整升降裝置108與/或馬達109的移動或驅動力，以控制縫隙大小，藉此調整容置空間S內的流體的流量與流速。

接著，前驅物G101透過前驅物進氣口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，而馬達109可驅動擋件105位移，以調整前驅物G101的流動。舉例而言，當馬達109驅動擋件105位移，使載盤106與擋件105之間具有縫隙時，前驅物G101可被抽氣口1011抽離。藉由調整縫隙大小，以調控前驅物G101的流量與流速。

當前驅物G101注入腔體101達到目標量後(根據製程參數以決定目標量)，前驅物進氣口104停止供應前驅物G101到腔體101。

接著，滌洗氣體(例如但不限制為氮氣)被提供至腔體101的容置空間S，以對前驅物G101進行滌洗(purge)，同步地，透過中空部件103、載盤106與擋件105所形成的反應空間S1及上抽氣路徑，可將腔體101內的前驅物G101抽離。同樣地，馬達109可驅動擋件105位移，以調整前驅物G101的流動。舉例而言，當馬達109驅動擋件105位移，使載盤106與擋件105之間具有縫隙時，前驅物G101可同時被抽氣口1011與中空部件103抽離。藉由調整縫隙大小，以調控前驅物G101的流量與流速。

同樣地，前驅物G101可以動態的方式對基材W進行反應與沉積，而滌洗氣體的流場也可受到穩定地控制。當腔體內的前驅物G101與滌洗氣體呈現慢速的流動，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。

同樣地，在其他實施例中，中空部件對腔體101的容置空間S抽氣，也可以與抽氣口1011對腔體101的容置空間S抽氣同步進行，即，對基材W沉積之前，可同步透過抽氣口1011與中空部件103對腔體的容置空間S抽氣。

所述原子層沉積裝置1、2還可包括遮蔽件110與至少一進氣口1013，所述遮蔽件110設置於容置空間S內，並遮擋部分腔體101的內表面S0，且遮蔽件110與腔體101的內表面S0之間具有間隙，而間隙連通容置空間S。所述進氣口1013位於腔體101的內表面S0，且遮蔽件110遮蔽進氣口1013，而進氣口1013用以將氣體G導入遮蔽件110與腔體101的內表面S0之間，使得氣體G擴散到遮蔽件110與腔體101之間的間隙，並經由間隙擴散到腔體101的容置空間S，其中氣體G例如但不限制為氮氣或惰性氣體。

具體而言，所述內表面S0包括內牆面S2與內底面S3，遮蔽件110遮擋部分內牆面S2及部分內底面S3，而氣體G則經由進氣口1013導入並擴散到遮蔽件110與內牆面S2之間的間隙，及擴散到遮蔽件110與內底面S3及內牆面S2之間的間隙，並經由間隙擴散至容置空間S。

透過進氣口1013於腔體101的內表面S0與遮蔽件110之間通入氣體G，使氣體G流通於內表面S0與遮蔽件110之間後，再進入腔體101的容置空間S以產生正壓，以輔助多數的未反應前驅物G101被抽氣口1011與/或中空部件103抽除。殘餘少量之未反應前驅物G101則可黏附於遮蔽件110而非附著於腔體101的內表面S0，以降低腔體101內的髒污累積，進而延長腔體101壽命並使設備的清潔週期可被延長。

所述原子層沉積裝置1、2與使用其的製程方法的效果請參照表1與表2，表1為經原子層沉積製程並長20奈米薄膜的晶圓厚度表，如表1所示，晶圓的厚度均勻度為0.368並達到良好的效果。表2為經原子層沉積製程並長120奈米薄膜的晶圓厚度表，如表2所示，晶圓的厚度均勻度為0.407並達到良好的效果。

綜合以上所述，相較於習知技術，本發明實施例所述之原子層沉積裝置之技術效果，係說明如下。

習知技術中，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裝置，可透過中空部件、擋件與載盤形成反應空間，以節省製程前驅物的用量，並透過中空部件抽氣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。