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TW202106922A - 沉積設備和使用其形成金屬氧化物層的方法 - Google Patents

沉積設備和使用其形成金屬氧化物層的方法 Download PDF

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TW202106922A
TW202106922A TW109114482A TW109114482A TW202106922A TW 202106922 A TW202106922 A TW 202106922A TW 109114482 A TW109114482 A TW 109114482A TW 109114482 A TW109114482 A TW 109114482A TW 202106922 A TW202106922 A TW 202106922A
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TW
Taiwan
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gas
process chamber
layer
hydrophobic
shower head
Prior art date
Application number
TW109114482A
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English (en)
Inventor
吳明發
何文龍
陳正隆
Original Assignee
台灣積體電路製造股份有限公司
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Publication date
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Abstract

本發明提供一種沉積設備，所述沉積設備包含製程腔室、晶圓平台以及噴淋頭。晶圓平台安置在製程腔室中。噴淋頭位於晶圓平台上方且包含噴淋板和疏水性膜。噴淋頭具有用於使反應氣體通過的多個施配孔。疏水性膜包覆在噴淋板的表面和多個施配孔的表面上。本發明進一步提供一種使用沉積設備來形成金屬氧化物層的方法。

Description

沉積設備和使用其形成金屬氧化物層的方法
本發明實施例是關於沉積設備和使用其形成金屬氧化物層的方法。
在製造半導體積體電路（integrated circuit，IC）裝置中，各種裝置特徵（例如絕緣層、金屬化層、鈍化層等）形成於半導體基底上。眾所周知，所製造的IC裝置的品質隨形成這些特徵的製程而變。IC製造製程的良率，其又隨所製造的裝置的品質而變且隨加工IC裝置的製造環境的清潔度而變。
半導體IC裝置的小型化的趨勢不斷增強要求更嚴格控制製造製程和進行製程的製程腔室中的清潔度。當膜沉積在晶圓上時，材料積聚在腔室的部件（例如噴淋板或閥）上，且材料可掉落在後續晶圓上。因此，已將注意力放在如何避免材料積聚在製程腔室的部件上。
根據本發明的一些實施例，沉積設備包含製程腔室、晶圓平台以及噴淋頭。晶圓平台安置在製程腔室中。噴淋頭位於晶圓平台上方且包含噴淋板和疏水性膜。噴淋頭具有用於使反應氣體通過的多個施配孔。疏水性膜包覆在噴淋板的表面和多個施配孔的表面上。
以下公開內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。下文描述元件和佈置的具體實例來簡化本發明。當然，這些元件和佈置僅僅是實例而並非旨在進行限制。舉例來說，在以下描述中，在第一特徵上方或在第一特徵上形成第二特徵可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，並且還可包含在第一特徵與第二特徵之間可形成額外特徵，使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本發明可在各種實例中重複附圖標記和/或字母。此重複是出於簡化和清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。
另外，為易於描述，在本文中可使用例如“在…下面”、“在…下方”、“下部”、“在…上”、“在…上方”、“上覆”、“在…上方”、“上部”等的空間相對術語來描述一個元件或特徵與如諸圖中所說明的另一（些）元件或特徵的關係。除圖中所描繪的定向之外，這些空間相對術語旨在涵蓋裝置在使用或步驟中的不同定向。設備可以其它方式定向（旋轉90度或處於其它定向），且本文中所使用的空間相對描述詞因此可相應地作出解釋。
本發明提供一種沉積設備，其中將疏水性塗層塗覆在部件表面上，以防止水吸附在部件表面上並防止膜堆積在部件表面上。利用此種沉積設備，顯著地減少腔室粒子，且因此提高了腔室維護性能，例如清潔間平均晶圓（mean wafers between clean，MWBC）。
圖1是根據一些實施例的沉積設備的示意性橫截面圖。
參考圖1，沉積設備1可用於將金屬氧化物層（例如氧化鋁（Al2 O3 ）膜）沉積在半導體晶圓W上。應理解，圖1中所示的沉積設備1僅僅是適合於實施本發明的原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）設備的一個實例。
在一些實施例中，半導體晶圓W是包含矽的半導體基底。可替代地或另外，半導體晶圓W包含：另一元素半導體，例如鍺；化合物半導體，包含碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦和/或銻化銦；合金半導體，包含SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP。在一些實施例中，半導體晶圓W包含若干摻雜區域、導電膜和/或絕緣膜。
在一些實施例中，沉積設備1包含製程腔室10、晶圓平台20、氣體供應單元30以及氣體分佈單元60。
晶圓平台20安置在製程腔室10中以將製程腔室區分成上部製程腔室10a和下部製程腔室10b。在一些實例中，晶圓平台20是指晶圓夾盤（chuck）。晶圓平台20配置成支撐晶圓W。在一些實施例中，晶圓W具有形成於其上的目標層（例如金屬層）。加熱器21可嵌入於晶圓平台20中以對支撐於晶圓平台20上的晶圓W進行加熱。在一些實施例中，將加熱器21加熱到約100℃到500℃，例如約180℃。加熱器頂蓋22安置在加熱器21上方，且配置成支撐晶圓W並防止膜形成於加熱器21上。在一些實施例中，將加熱器頂蓋22加熱到約80℃到500℃，例如約180℃。
流動控制環23安置在加熱器頂蓋22周圍且與加熱器頂蓋22間隔開一定距離，以防止反應氣體進入下部製程腔室10b。
氣體供應單元30配置成將反應氣體供應到製程腔室10中。在一些實施例中，反應氣體包含第一氣體和第二氣體。在一些實施例中，第一氣體包含水（H2 O），第二氣體包含三甲基鋁（trimethyl aluminum，TMA）。晶圓和TMA用於在晶圓W上的目標層上方形成氧化鋁（Al2 O3 ）層。在一些實施例中，鋁層充當用於圖案化晶圓W上的目標層的罩幕層。
氣體供應單元30包含第一氣體源31、第一氣體管線32以及第一氣體控制元件33。第一氣體源31是反應氣體容器且配置成存儲第一氣體，例如水。第一氣體管線32與第一氣體源31和製程腔室10流體連通。在一些實施例中，第一氣體管線32的一端連接到第一氣體源31，且第一氣體管線32的另一端連接到製程腔室10的第一入口11。在一些實施例中，第一入口11位於製程腔室10的頂部。第一入口11與第一氣體源31和製程腔室10流體連通。第一入口11面朝晶圓平台20，且位於晶圓平台20的支撐表面的中心上方。第一氣體控制元件33安裝在第一氣體管線32上。第一氣體控制元件33配置成控制第一氣體管線32中的第一氣體的流動速率。在一些實施例中，第一氣體控制元件33是閥或泵。
氣體供應單元30更包含第二氣體源41、第二氣體管線42以及第二氣體控制元件43。第二氣體源41是反應氣體容器且配置成存儲第二氣體，例如TMA。第二氣體管線42與第二氣體源41和製程腔室10流體連通。在一些實施例中，第二氣體管線42的一端連接到第二氣體源41，且第二氣體管線42的另一端連接到製程腔室10的第二入口12。在一些實施例中，第二入口12位於製程腔室10的頂部。第二入口12與第二氣體源41和製程腔室10流體連通。第二入口12面朝晶圓平台20，且位於晶圓平台20的支撐表面的中心上方。第二氣體控制元件43安裝在第二氣體管線42上。第二氣體控制元件43配置成控制第二氣體管線42中的第二氣體的流動速率。在一些實施例中，第二氣體控制元件43是閥或泵。
氣體供應單元30更包含第三氣體源51、第三氣體管線52以及第三氣體控制元件53。第三氣體源51是惰性氣體容器且配置成存儲惰性氣體，例如氮氣。第三氣體管線52與第三氣體源51和製程腔室10流體連通。在一些實施例中，第三氣體管線52的一端連接到第三氣體源51，且第三氣體管線52的另一端連接到製程腔室10的第三入口13。在一些實施例中，第三入口13位於製程腔室10的頂部。第三入口13與第三氣體源51和製程腔室10流體連通。第三入口13面朝晶圓平台20，且位於晶圓平台20的支撐表面的中心上方。第三氣體控制元件53安裝在第三氣體管線52上。第三氣體控制元件53配置成控制第三氣體管線52中的第三氣體的流動速率。在一些實施例中，第三氣體控制元件53是閥或泵。
脈衝閥歧管（pulse valve manifold，PVM）15安置在製程腔室10與第一入口11、第二入口12以及第三入口13中的每一個之間。經由脈衝閥歧管15將製程饋料供應到製程腔室10。脈衝閥歧管15經由合適的閥和分佈管道工程（distribution plumbing）將製程饋料（包含反應氣體和/或惰性氣體）傳送到製程腔室10，所述閥和分佈管道工程在各種基底處理和/或模組維護操作期間管理製程饋料的流動。
在一些實施例中，當反應氣體（例如TMA或H2 O）流入上部製程腔室10a中時，惰性氣體（inert gas）（例如N2 ）流入下部製程腔室10b中以提供微正壓，且因此防止反應氣體（例如TMA或H2 O）流入下部腔室10b中。
氣體分佈單元60安置在製程腔室10中，且配置成將反應氣體分佈在製程腔室10中。在一些實施例中，氣體分佈單元60位於製程腔室10的頂部。氣體分佈單元60面朝晶圓平台20。
在一些實施例中，氣體分佈單元60包含氣體通道板61（gas channel plate）和噴淋頭62。在一些實施例中，氣體通道板61和噴淋頭62中的每一個包含鋁、鋁合金（例如5083或6063鋁合金）、不銹鋼（例如不銹鋼304或316）、哈斯特合金（hastelloy）（例如哈斯特合金C22）或鈦。
氣體通道板61位於晶圓平台20上方。在一些實施例中，將氣體通道板61加熱到約120℃到300℃，例如約180℃。在一些實施例中，氣體通道板61的溫度可為例如但不限於約120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃，包含前述值中的任何兩個之間的任何範圍。
氣體通道板61包含用於使反應氣體通過的至少一個施配孔61h。氣體通道板61具有其中傾斜側壁從施配孔61h朝向製程腔室10的側壁向下延伸的圓頂形狀，以允許反應氣體均勻地流向噴淋頭62。
噴淋頭62位於晶圓平台20上方且在氣體通道板61與晶圓平台20之間。在一些實施例中，將噴淋頭62加熱到約80℃到400℃，例如約180℃。在一些實施例中，噴淋頭62的溫度可為例如但不限於約80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃，包含前述值中的任何兩個之間的任何範圍。
在一些實施例中，如圖2中所示，噴淋頭62包含噴淋板63和疏水性膜66。噴淋板63設置有用於使反應氣體通過的多個施配孔63h。在一些實施例中，施配孔63h佈置成陣列。利用施配孔63h，反應氣體均勻地流向半導體晶圓W或晶圓平台20。在一些實施例中，疏水性膜66具有約0.01微米到100微米（例如20微米）的厚度。
在一些實施例（未示出）中，可設置多個噴淋頭62以改進反應氣體的均一性。舉例來說，上部噴淋頭62的上部施配孔63h和下部噴淋頭62的下部施配孔63h以交錯方式佈置。上部施配孔63h的直徑可不同於（例如，大於）下部施配孔63h的直徑。反應氣體經由上部施配孔63h均勻地流向下部施配孔63h。因此，流向半導體晶圓W或晶圓平台20的反應氣體的均一性由上部施配孔和下部施配孔63h改進。
在一些實施例中，如圖2中所示，疏水性膜66包覆在噴淋板63的表面和多個施配孔63h的表面上。在一些實施例中，施配孔63h中的每一個具有喇叭（horn）形狀。舉例來說，施配孔63h中的每一個包含接近氣體通道板61的上部孔64和遠離氣體通道板61的下部孔65。在一些實施例中，上部孔64具有筆直側壁，且下部孔65具有傾斜側壁。具體來說，施配孔63h中的每一個具有彼此連接的筆直孔和圓錐（cone）孔。
施配孔63h的形狀不受本發明限制。施配孔63h中的每一個可具有除所描述的喇叭形狀之外的形狀。在一些實施例中，如圖3中所示，施配孔63h中的每一個是具有豎直側壁的筆直孔。具體來說，施配孔63h中的每一個具有從上到下恆定的直徑。在替代性實施例中，如圖4中所示，施配孔63h中的每一個是具有階梯式側壁的筆直孔。具體來說，施配孔63h中的每一個具有兩個不同直徑，接近氣體通道板61的上部孔64具有較小尺寸，且遠離氣體通道板61的下部孔65具有較大尺寸。
此外，相同噴淋頭62的施配孔63h的尺寸和/或形狀可改變，以將反應氣體均勻地分佈到晶圓W。舉例來說，處於中心的施配孔63h可具有與在噴淋頭62的邊緣處的施配孔63h不同的形狀和/或尺寸。
在一些實施例中，疏水性膜66具有小於約70 mN/m的表面能。在一些實施例中，疏水性膜66的表面能可為例如但不限於約70 mN/m、65 mN/m、60 mN/m、55 mN/m、50 mN/m、45 mN/m、40 mN/m、35 mN/m、30 mN/m、25 mN/m、20 mN/m、15 mN/m，包含前述值中的任何兩個之間的任何範圍和小於前述值中的任何一個的任何範圍。在一些實施例中，疏水性膜66的表面能如此以為疏水性表面提供大於90度且小於180度（例如約100度到約165度）的接觸角。
在一些實施例中，疏水性膜66包含聚合材料或絕緣材料。舉例來說，疏水性膜66包含聚四氟乙烯（PTFE）（例如特富龍（Teflon））、聚矽氧、聚(偏二氟乙烯)、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)（PVC）、尼龍（例如尼龍-6,6）、聚(對苯二甲酸乙二醇酯)（PET）或疏水性SiO2 。
在一些實施例中，包覆有特富龍的部件可由於氟鈍化的碳鏈（fluorine passivated carbon chain）而防止-OH接合在特富龍表面上。在一些實施例中，噴淋頭62（例如5083或6063鋁合金）通過包覆有PTFE而具有疏水性表面，且PTFE的厚度為約1微米到約2,000微米，例如約20微米。
在替代性實施例中，疏水性膜66包含金屬或金屬氧化物。舉例來說，疏水性膜66包含疏水性鎳或LaO。在一些實施例中，鑭系氧化物（例如LaO）由於其電子結構而為疏水性的。具體來說，由於金屬原子的未填充內部4f軌道被完整八隅外部殼體5s2 p6 與周圍環境的相互作用遮蔽，因此稀土氧化物與水分子形成氫鍵的傾向較小，從而導致疏水性。在一些實施例中，當鎳具有奈米微圓錐陣列結構（其水接觸角約155度）時，鎳是疏水性的。
在一些實施例中，通過靜電包覆低表面能材料（例如特富龍）來形成疏水性膜66。在替代性實施例中，通過電沉積超疏水性材料（例如紋理化Ni）來形成疏水性膜66。在又一些替代性實施例中，通過執行熱化學反應且緊接著執行He/Ar處理來形成疏水性膜66，以形成疏水性材料，例如疏水性SiO2 。
在以上實施例中，噴淋頭62和疏水性膜66形成有實質上平滑的表面，但本發明不限於此。在一些實施例中，可視需要將噴淋頭62和疏水性膜66中的至少一個改性為具有粗糙或微奈米結構（micro-nanostructure）。此粗糙或微奈米結構能夠提供疏水性表面。此部件因其層級粗糙度或其表面上的微奈米結構而為疏水性的。
在一些實施例中，在形成氧化鋁膜的ALD製程期間，兩個前驅體（例如TMA和H2 O）通過承載氣體（例如氮氣）交替地流動到製程腔室中。前驅體脈衝時間為約0.05秒到5秒，且氮氣清除時間（purge away time）為約0.1秒到5秒。在一些實施例中，反應氣體（例如TMA或H2 O）的流動速率介於約100 sccm到約2,000 sccm的範圍內。
本發明的疏水性表面可防止水吸附在部件表面上並防止膜堆積在部件表面上。本發明的疏水性表面可減少工作程式（recipe）中的H2 O清除時間，並且因此提高工作程式產出率。具體來說，H2 O蒸汽不易吸附在腔室部件的表面上且易於在循環的清除操作中通過N2 清除。將使部件表面上的TMA與H2 O的混合與反應最小化。
在一些實施例中，如圖5中所示，可省略疏水性膜66，且噴淋頭62設置有粗糙表面或具有微奈米結構，以提供疏水性表面。在一些實施例中，應用化學蝕刻製程以經由化學反應去除金屬表面上的層，並且因此獲得微奈米結構表面。在一些實施例中，以化學方式蝕刻6063鋁合金，以使噴淋板63的表面和施配孔63h的表面粗糙化。具體來說，在超聲槽中使用1M鹼性NaOH溶液（pH為14）以化學方式蝕刻6063鋁合金。在用DI水清理之後，蝕刻後的鋁合金在70℃的烘箱中進行乾燥。通過在室溫下將蝕刻後的鋁合金浸沒於0.01M乙醇硬脂酸（stearic acid，SA）溶液中來執行鈍化製程。在5秒的SA鈍化之後在蝕刻後的表面上出現的微奈米結構特徵具有約145度的接觸角。
在一些實施例中，將電沉積應用在腔室部件上以提供超疏水性表面。在一些實施例中，用浸沒於含有金屬離子的電解液中（例如浸沒於含水的有機溶液或離子液體溶液中）的陽極和陰極（通常為待包覆的金屬部件）建立電沉積。
在一些實施例中，執行槽中的Ni電沉積（成分：NiCl2 、H3 BO3 、乙二胺、二氫氯化物）以得到具有約155度的水接觸角的奈米微圓錐陣列結構。
在一些實施例中，如圖6中所示，噴淋頭62形成有實質上平滑的表面，而疏水性膜66形成有粗糙表面或形成為具有微奈米結構，以提供疏水性表面。在一些實施例中，用電沉積方法製造Ni微奈米圓錐的陣列，以提供超疏水性表面。在一些實施例中，通過低表面能材料（例如PTFE）改性疏水性膜66的粗糙表面。
在一些實施例中，如圖7中所示，疏水性膜66在其中包含疏水性粒子57。舉例來說，疏水性粒子57包含金屬基質複合疏水性粒子（metal matrix composite hydrophobic particles），例如Ni-PTFE複合塗層或鑭系共沉積的Ni氧化物。具體來說，通過與共沉積的惰性和疏水性粒子的複合電沉積（例如Ni-PTFE複合）來製造部件上的疏水性表面。
鑒於上文，噴淋頭62的疏水性通過以下方式中的至少一個來實現：（1）僅表面粗糙度；（2）表面粗糙度和具有低表面能材料的表面化學改性；以及（3）具有金屬基質的疏水性粒子的共沉積。
將噴淋頭改性為提供疏水性且因此防止水吸附在部件表面上並防止膜堆積在部件表面上的以上實施例是出於說明的目的而提供的，且不應理解為限制本發明。在一些實施例中，沉積設備的另一金屬部件可以相同方式改性為提供疏水性。舉例來說，金屬部件包含閥（例如隔離閥歧管）、環（例如流動控制環）、管、管道、管線（例如氣體管線或泵送管線）、歧管（例如脈衝閥歧管）、板（例如氣體通道板）、頂蓋（例如加熱器頂蓋）、加熱器或其組合。管、管道以及管線可在內表面、外表面或二者中包覆有疏水性膜。
轉而參看圖1，在一些實施例中，沉積設備1更包含排放單元70。排放單元70與製程腔室10流體連通。排放單元70配置成從製程腔室10去除過量反應氣體和/或副產物。
在一些實施例中，排放單元70包含泵送管線（pumping line）71、隔離閥76、節流閥（throttle valve）77以及真空泵80。泵送管線71與製程腔室10和真空泵80流體連通。在一些實施例中，泵送管線的直徑的範圍可介於約50毫米到300毫米，例如約100毫米。在一些實施例中，製程腔室10包含位於製程腔室10的一側處的出口14。泵送管線71的一端連接到出口14，且泵送管線71的另一端連接到真空泵80。
隔離閥76和節流閥77安裝在泵送管線71上。隔離閥76與製程腔室10流體連通，且節流閥77安裝在隔離閥76的下游。節流閥77配置成控制泵送管線71中的氣體流動速率。
在沉積製程期間，隔離閥76保持開啟，而節流閥77在開啟位置與關閉位置之間循環（cycle）以調節製程腔室10中的氣體壓力。
在一些實施例中，節流閥77包含外殼78和節流板79。外殼78連接到泵送管線71。節流板79在外殼78中樞轉。可經由節流板79的旋轉調整泵送管線71中的流動速率。當節流板79位於阻擋位置中時，阻擋製程腔室10中的氣體從製程腔室10排放。當節流板79位於如圖1中所示的排放位置中時，製程腔室10中的過量反應氣體和/或副產物從製程腔室10排放。具體來說，當沉積設備1開始半導體製造製程（例如ALD製程）時，將節流板79旋轉到排放位置，且真空泵80開始對製程腔室10抽真空。
真空泵80安裝在泵送管線71上。真空泵80配置成對製程腔室10抽真空。在製程腔室10中的過量反應氣體和/或副產物由真空泵80抽吸。
在一些實施例中，排放單元70更包含配置成捕集來自製程腔室10的水的捕集元件72。舉例來說，安裝捕集元件72以捕捉未反應氣體（例如TMA和H2 O），從而防止被真空泵捕捉。在一些實施例中，如圖1中所示，捕集元件72安置在製程腔室10與隔離閥76之間。然而，捕集元件72的位置不受本發明限制。在替代性實施例中，捕集元件72可安置在節流閥77與真空泵80之間。
捕集元件72安裝在泵送管線71上。在一些實施例中，如圖8中所示，捕集元件72包含外殼73和多個金屬板74，所述多個金屬板74各自包覆有疏水性膜75。
在一些實施例中，如圖9中所示，金屬板74形成為圓環形薄板。在替代性實施例中，如圖10中所示，金屬板74形成為矩形環狀薄板。金屬板74的形狀不受本發明限制。在一些實施例中，金屬板74形成為帶狀薄板，或連接為形成網狀結構。在一些實施例中，金屬板的厚度的範圍可介於約0.1毫米到約10毫米，例如約0.5毫米。金屬板的間距的範圍可介於約0.1毫米到約20毫米，例如約5毫米。
在一些實施例中，捕集元件72在範圍介於約20℃到約300℃（例如約100℃）的溫度下加熱。在替代性實施例中，捕集元件72在範圍介於約80℃到約250℃（例如約130℃）的溫度下加熱。在一些實施例中，捕集元件72的溫度可例如為但不限於約20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃、250℃、260℃、270℃、280℃、290℃、300℃，包含前述值中的任何兩個之間的任何範圍。
反應氣體（例如TMA和H2 O）可在金屬板表面上熱反應。疏水性膜75配置成防止水吸附在金屬板表面上並防止膜堆積在金屬板表面上。
在一些實施例中，疏水性膜75的材料和形成方法類似於上文所描述的疏水性膜66的材料和形成方法。在一些實施例中，疏水性膜75具有小於約70 mN/m的表面能。在一些實施例中，疏水性膜包含聚四氟乙烯（PTFE）、聚矽氧、聚(偏二氟乙烯)、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)（PVC）、尼龍、聚(對苯二甲酸乙二醇酯)（PET）、疏水性SiO2 、疏水性鎳或LaO。在一些實施例中，疏水性膜75在其中包含疏水性粒子。捕集元件72中的疏水性粒子類似於噴淋頭62中的疏水性粒子57，因此在本文中未重複這些細節。在一些實施例中，金屬板74和疏水性膜76中的至少一個設置有粗糙表面或具有微奈米結構。
沉積設備1是單腔室ALD設備的以上實施例是出於說明的目的而提供的，且不應被理解為限制本發明。在一些實施例中，如圖11中所示，沉積設備2是雙腔室ALD設備。
參考圖11，兩個製程腔室10並排佈置。製程腔室10中的每一個設置有晶圓平台20和氣體分佈單元60，且兩個製程腔室10共用氣體供應單元30和排放單元70。
在以上實施例中，沉積設備1是用於沉積金屬氧化物層（例如氧化鋁（Al2 O3 ）膜）的ALD設備，但本發明不限於此。在一些實施例中，沉積設備1可以是用於沉積ZrO、HfO或任何使用水作為前驅體的化合物的ALD設備。
在以下實施例，金屬氧化物層（例如氧化鋁膜）充當罩幕層，但本發明不限於此。在一些實施例中，金屬氧化物層可在半導體製程期間充當蝕刻停止層或絕緣層。
圖12A到圖12B是根據一些實施例的形成金屬氧化物層的方法的示意性橫截面圖。
參考圖12A，提供基底100。在一些實施例中，基底100具有區域A和區域B。在一些實施例中，區域A是N型裝置區域，且區域B是P型裝置區域。基底100具有從基底100突出的鰭片102、覆蓋鰭片102的下部部分的隔離層101、形成於基底100上方且具有暴露出鰭片102的開口的層間介電層103、形成於鰭片102的表面上的介面層104、形成於介面層104和層間電介質層103的表面上方的高k層106、形成於高k層106上方的金屬層108以及填充層間電介質層103的開口的底部層110。在一些實施例中，金屬層108是目標層。在一些實施例中，金屬層108是氮化鈦（TiN）層。
參考圖12B，金屬氧化物層112形成於底部層110上方。在一些實施例中，金屬氧化物層112是用於蝕刻製程的罩幕層。在一些實施例中，金屬氧化物層112是氧化鋁（Al2 O3 ）膜。在一些實施例中，基底100設置在ALD設備（例如圖1的沉積設備1）的製程腔室中，其中基底100具有形成於其上的目標層（例如金屬層108）。具體來說，經由沉積設備1的噴淋頭62將第一氣體和第二氣體引入到製程腔室10中，以在目標層（例如金屬層110）上形成金屬氧化物層112（例如氧化鋁膜），其中第一氣體包含水（H2 O），第二氣體包含三甲基鋁（TMA），且噴淋頭62包覆有疏水性膜66。
圖12C到圖12F是根據一些實施例的通過將金屬氧化物層用作罩幕的圖案化方法的示意性橫截面圖。
參考圖12C，底部抗反射塗佈（bottom anti-reflection coating，BARC）層114形成於金屬氧化物層112上。其後，圖案化光阻層116形成於BARC層114上。在一些實施例中，圖案化光阻層116覆蓋區域B中的BARC層114且暴露出區域A中的BARC層114。
參考圖12D，通過將圖案化光阻層116用作罩幕來按順序圖案化BARC層114和金屬氧化物層112。去除圖案化光阻層116和下伏BARC層114。圖案化金屬氧化物層112a覆蓋區域B中的底部層110且暴露出區域A中的底部層110。通過將圖案化金屬氧化物層112a用作罩幕來去除底部層110。圖案化底部層110a覆蓋區域B中的金屬層108且暴露出區域A中的金屬層108。
參考圖12E，通過將圖案化金屬氧化物層112a和圖案化底部層110a用作罩幕來圖案化作為目標層的金屬層108。圖案化金屬層108a覆蓋區域B中的高k層106且暴露出區域A中的高k層106。
參考圖12F，去除圖案化金屬氧化物層112a和圖案化底部層110a。由此完成本發明的圖案化製程。
鑒於上文，將疏水性塗層塗覆在部件表面上，以防止水吸附在部件表面上並防止膜堆積在部件表面上。利用具有疏水性部件的沉積設備，顯著地減少腔室粒子，且因此提高了腔室維護性能，例如清潔間平均晶圓（MWBC）。
可將本發明的沉積設備的概念應用於具有與圖1中所示的製程腔室1的部件配置不同的部件配置的另一沉積設備。舉例來說，本發明的沉積設備可以是化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）設備。
根據本發明的一些實施例，沉積設備包含製程腔室、晶圓平台以及噴淋頭。晶圓平台安置在製程腔室中。噴淋頭位於晶圓平台上方且包含噴淋板和疏水性膜。噴淋頭具有用於使反應氣體通過的多個施配孔。疏水性膜包覆在噴淋板的表面和多個施配孔的表面上。
在一些實施例中，所述疏水性膜具有小於70 mN/m的表面能。在一些實施例中，所述噴淋頭在80℃到400℃下加熱。在一些實施例中，所述疏水性膜包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚矽氧、聚(偏二氟乙烯)、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)（PVC）、尼龍、聚(對苯二甲酸乙二醇酯)（PET）、疏水性二氧化矽、疏水性鎳或氧化鑭。在一些實施例中，所述疏水性膜包括疏水性粒子。在一些實施例中，所述疏水性膜設置有粗糙表面或具有微奈米結構。在一些實施例中，更包括：第一氣體管線，與第一氣體源和所述製程腔室流體連通；以及第二氣體管線，與第二氣體源和所述製程腔室流體連通，其中所述第一氣體源包括水（H2 O），且所述第二氣體源包括三甲基鋁（TMA）。在一些實施例中，所述沉積設備是用於將金屬氧化物層沉積在基板上的原子層沉積設備。在一些實施例中，所述金屬氧化物層包括三氧化二鋁、氧化鋯或氧化鉿。
根據本發明的替代性實施例，沉積設備包含製程腔室、晶圓平台以及排放單元。晶圓平台安置在製程腔室中。排放單元配置成從製程腔室去除水且包含真空泵、泵送管線、節流閥以及捕集元件。泵送管線與真空泵和製程腔室流體連通。節流閥配置成控制泵送管線中的氣體流動速率。捕集元件配置成捕集來自製程腔室的水。
在一些實施例中，所述捕集元件具有多個金屬板，所述多個金屬板各自包覆有疏水性膜。在一些實施例中，所述捕集元件在20℃到300℃下加熱。在一些實施例中，所述沉積設備是用於將金屬氧化物層沉積在基板上的原子層沉積設備。在一些實施例中，所述沉積設備的金屬部件包覆有疏水性膜。在一些實施例中，所述金屬部件包括噴淋頭、閥、環、管道、管線、歧管、板、頂蓋、加熱器或其組合。在一些實施例中，所述金屬部件包括鋁、鋁合金、不銹鋼、哈斯特合金或鈦。在一些實施例中，所述疏水性膜包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚矽氧、聚(偏二氟乙烯)、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)（PVC）、尼龍、聚(對苯二甲酸乙二醇酯)（PET）、疏水性二氧化矽、疏水性鎳或氧化鑭。
根據本發明的又一些替代性實施例，形成金屬氧化物層的方法包含以下操作。在原子層沉積設備的製程腔室中提供基底，其中所述基底具有形成於其上的目標層。經由原子層沉積設備的噴淋頭將第一氣體和第二氣體引入到製程腔室中，以在目標層上形成氧化鋁膜，其中第一氣體包含水（H2 O），第二氣體包含三甲基鋁（TMA），且噴淋頭包覆有疏水性膜。在氧化鋁膜上形成圖案化光阻層。通過將圖案化光阻層用作罩幕來圖案化氧化鋁膜，以形成圖案化氧化鋁膜。通過將圖案化氧化鋁膜用作罩幕來圖案化目標層。
在一些實施例中，所述疏水性膜具有小於70 mN/m的表面能。在一些實施例中，所述噴淋頭設置有粗糙表面或具有微奈米結構。
前文概述若干實施例的特徵以使本領域的技術人員可更好地理解本發明的各個方面。本領域的技術人員應瞭解，其可易於使用本發明作為設計或修改用於進行本文中所引入的實施例的相同目的和/或獲得相同優點的其它製程和結構的基礎。本領域的技術人員還應認識到，此類等效構造並不脫離本發明的精神和範圍，且本領域的技術人員可在不脫離本發明的精神和範圍的情況下在本文中進行各種改變、替代以及更改。
1、2:沉積設備 10:製程腔室 10a:上部製程腔室 10b:下部製程腔室 11:第一入口 12:第二入口 13:第三入口 14:出口 15:脈衝閥歧管 20:晶圓平台 21:加熱器 22:加熱器頂蓋 23:流動控制環 30:氣體供應單元 31:第一氣體源 32:第一氣體管線 33:第一氣體控制元件 41:第二氣體源 42:第二氣體管線 43:第二氣體控制元件 51:第三氣體源 52:第三氣體管線 53:第三氣體控制元件 57:疏水性粒子 60:氣體分佈單元 61:氣體通道板 61h、63h:施配孔 62:噴淋頭 63:噴淋板 64:上部孔 65:下部孔 66:疏水性膜 70:排放單元 71:泵送管線 72:捕集元件 73、78:外殼 74:金屬板 75:疏水性膜 76:隔離閥 77:節流閥 79:節流板 80:真空泵 100:基底 101:隔離層 102:鰭片 103:層間介電層 104:介面層 106:高k層 108:金屬層 108a:圖案化金屬層 110:底部層 110a:圖案化底部層 112:金屬氧化物層 112a:圖案化金屬氧化物層 114:底部抗反射塗層 116:圖案化光阻層 A、B:區域 W:半導體晶圓
根據結合附圖閱讀的以下詳細描述會最佳地理解本發明的各方面。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵並未按比例繪製。實際上，為了論述清楚起見，可任意增大或減小各種特徵的關鍵尺寸。 圖1是根據一些實施例的沉積設備的示意性橫截面圖。 圖2是圖1中的沉積設備的噴淋頭的局部放大圖。 圖3到圖7是根據一些實施例的各種噴淋頭的局部放大圖。 圖8是根據一些實施例的捕集元件（trap element）的放大視圖。 圖9到圖10是根據一些實施例的各種捕集元件的示意性俯視圖。 圖11是根據替代性實施例的沉積設備的示意性橫截面圖。 圖12A到圖12B是根據一些實施例的形成金屬氧化物層的方法的示意性橫截面圖。 圖12C到圖12F是根據一些實施例的通過將金屬氧化物層用作罩幕的圖案化方法的示意性橫截面圖。
1:沉積設備
10:製程腔室
10a:上部製程腔室
10b:下部製程腔室
11:第一入口
12:第二入口
13:第三入口
14:出口
15:脈衝閥歧管
20:晶圓平台
21:加熱器
22:加熱器頂蓋
23:流動控制環
30:氣體供應單元
31:第一氣體源
32:第一氣體管線
33:第一氣體控制元件
41:第二氣體源
42:第二氣體管線
43:第二氣體控制元件
51:第三氣體源
52:第三氣體管線
53:第三氣體控制元件
60:氣體分佈單元
61:氣體通道板
61h:施配孔
62:噴淋頭
70:排放單元
71:泵送管線
72:捕集元件
76:隔離閥
77:節流閥
78:外殼
79:節流板
80:真空泵
W:半導體晶圓

Claims (1)

  1. 一種沉積設備，包括： 製程腔室； 晶圓平台，安置在所述製程腔室中；以及 噴淋頭，位於所述晶圓平台上方且包括： 噴淋板，具有用於使反應氣體通過的多個施配孔；以及 疏水性膜，包覆在所述噴淋板的表面和所述多個施配孔的表面上。
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