TW202426687A - 原子層沉積設備 - Google Patents

Abstract

本申請實施例係關於一種原子層沉積設備。該原子層沉積設備包含：過渡腔、擴散腔以及一或多個抽氣結構。過渡腔具有進氣口以接收氣體。擴散腔自第一端部延伸至第二端部，且在徑向方向上第一端部之寬度小於第二端部之寬度。擴散腔與過渡腔連通且經構形以容納待沉積之半導體晶圓。一或多個抽氣結構與擴散腔連通。與現有技術相比，本申請提供之該原子層沉積設備藉由對沉積設備之腔體結構及進源方式進行改良，減少了沉積製程之每次循環之時間，因此提高了沉積效率。

Description

原子層沉積設備

本發明大體上涉及半導體製造領域，且更特定而言，涉及一種原子層沉積設備。

原子層沉積(Atomic Layer Deposition)係藉由腔體內交替引入氣相反應物，藉由交替的表面飽和反應，進行自限制薄膜沉積生長之技術。原子層沉積具有結合強度高、膜層均勻性好、成分均勻性好等優點，現已被廣泛應用至微電子系統、記憶體介電層、光學薄膜等諸多領域。

電漿增強原子層沉積(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)擴展了普通原子層沉積系統對前驅體源之選擇範圍，提高了薄膜沉積速率，降低了沉積溫度，因此可廣泛應用於對溫度敏感材料及撓性基板上薄膜之沉積。因此，電漿增強原子層沉積係原子層沉積之一種良好的補充。

然而，為滿足電漿能量均勻性之要求，電漿增強原子層沉積腔體之體積一般設計皆相對較大，此導致了原子層沉積製程之每次循環之時間較長、沉積效率低，從而嚴重製約了其在工業應用上之產能。

因此，需要對現有技術之原子層沉積設備進行改良，以解決現有技術中存在之問題。

本申請之目的之一在於提供一種原子層沉積設備，其解決了沉積製程之每次循環時間較長以及沉積效率低等問題。

根據本申請之一實施例，本申請提供了一種原子層沉積設備，其包括：過渡腔、擴散腔以及一或多個抽氣結構。過渡腔具有進氣口以接收氣體。擴散腔自第一端部延伸至第二端部，且在徑向方向上第一端部之寬度小於第二端部之寬度，且擴散腔與過渡腔連通且經構形以容納待沉積之半導體晶圓。一或多個抽氣結構與擴散腔連通。

與現有技術相比，本申請提供之一種原子層沉積設備藉由對沉積設備之腔體結構及進源方式進行改良，減少了沉積製程之每次循環之時間，提高了沉積效率。同時，本申請提供之沉積設備其既可以用於電漿增強原子層沉積亦可以用於原子層沉積。

為更好地理解本申請之精神，以下結合本申請之部分較佳實施例對其作進一步說明。

以下詳細地討論本申請之各種實施方式。儘管討論了具體的實施，但應當理解，此等實施方式僅用於示出之目的。相關領域中之熟習此項技術者將認識到，在不偏離本申請之精神及保護範疇之情況下，可以使用其他部件及構形。

圖1係本申請實施例提供之一種原子層沉積設備之結構示意圖。

如圖1所示，原子層沉積設備10包括過渡腔102、噴淋構件104、電漿產生設備106、環形進源結構108、擴散腔110、環形抽氣結構112以及晶圓支撐平台114。

過渡腔102具有進氣口102a以接收氣體。該氣體可為製程氣體或非製程氣體。

噴淋構件104設置於過渡腔102中且包括多個擴散孔104a。圖2A至圖2B係本申請實施例提供之兩種噴淋構件104之結構示意圖。如圖1及圖2A至圖2B所示，擴散孔104a均勻分佈於噴淋構件104上。圖2A及圖2B之區別僅在於圖2A之中心區域部分105沒有分佈擴散孔104a。藉由在過渡腔102中設置具有均勻分佈之擴散孔104a之噴淋構件104，可以使得自進氣口102a進入之氣體可以均勻地進入過渡腔102內，從而有利於腔體內成分之均勻分佈及沉積之均勻性。應當理解，具有均勻分佈之擴散孔104a之噴淋構件104僅僅只係本申請之一個較佳實施例，在本申請之其他實施例中，擴散孔104a亦可不必均勻分佈於噴淋構件104上。

電漿產生設備106設置於過渡腔102之外周緣。在本申請之一實施例中，電漿產生設備106可為射頻線圈。該射頻線圈可圍繞過渡腔102之外周緣，當射頻線圈中被通入高頻電流後，經過噴淋構件104之製程氣體可被激發為電漿。在本申請之另一實施例中，電漿產生設備106亦可為遠端電漿源。

環形進源結構108設置於過渡腔102與擴散腔110之間。圖3係本申請實施例提供之環形進源結構之結構示意圖。如圖1及圖3所示，環形進源結構108包括環形本體116、進源孔118、環形槽120、密封槽122以及進氣管道124。進源孔118具有多個，其圓周式分佈於環形本體116之內表面上，且與擴散腔110連通。圓周式均勻分佈之進源孔118可以保證擴散腔110內之前驅體之均勻分佈。在本申請之一些實施例中，進源孔118之數量係4個至40個，且每一進源孔118之孔徑係1 mm至2 mm。圖4係圖1中所示之結構A之放大示意圖。如圖4所示，在本申請一實施例中，進源孔118與水平面之夾角係30°。本申請之其他一些實施例中，進源孔118與水平面之夾角亦可為0°至30°。藉由對進源孔118之數量、孔徑以及與水平面之夾角之具體設定，本申請實施例提供之原子層沉積設備10可以產生更好的前驅體均勻擴散之效果，從而進一步有利於腔體內成分之均勻分佈及沉積之均勻性。環形槽120設置於環形本體116上並與進源孔118連通。環形槽120可以保證前驅體沿進源孔118進入至擴散腔110內。密封槽122設置於環形本體116上。密封槽122之內部安裝有密封圈(未示出)，以保證環形槽120內之前驅體不會擴散至外部。在本申請之其他實施例中，密封圈可為O型環。進氣管道124設置於環形本體116上並延伸至環形槽120中。進氣管道124經構形以接收前驅體以及載氣。圖5係本申請實施例提供之另一種環形進源結構之結構示意圖。如圖5所示，環形進源結構108'包括環形本體116'、進源孔118'、環形槽120'、密封槽122'以及進氣管道124'及125。環形進源結構108'及圖3所示之環形進源結構108之結構大體上類似，區別在於環形進源結構108'具有兩個進氣管道124'及125。藉由設置兩個進氣管道，其與來自過渡腔102之成分不僅可以達成使用單個進氣管道時可具有之A+B之反應模式，亦可以進行A+B+C或(A+B)+(A+C)或A+(B+C)等反應模式。

擴散腔110與過渡腔102連通且用於容納待沉積之半導體晶圓126。擴散腔110自第一端部110a延伸至第二端部110b，且在徑向方向上第一端部110a之寬度小於第二端部110b之寬度。此結構之擴散腔110可有利於擴散腔110內成分之均勻擴散。藉由在第一端部110a處與環形進源結構108之進源孔118連通，擴散腔110可以接收來自環形進源結構108之載氣以及前驅體。在本申請之一實施例中，如圖1所示，擴散腔110採用喇叭形結構設計。喇叭形結構設計可進一步有利於擴散腔110內成分之均勻擴散，同時亦可便於擴散腔110內部成分被快速置換(亦即，擴散腔110內過量之反應物被快速抽至腔外)。更具體而言，喇叭邊緣之曲線結構對氣體流場之存在有影響；圓滑的喇叭邊緣結構，對擴散腔110內氣體之平順流動有利，可以讓擴散腔110內之氣體以及反應物以佇列之形式，有序進入擴散腔110內，或有序被抽至擴散腔110外。然而，在本申請之其他實施例中，擴散腔110亦可以係其他結構形式，例如梯形結構或穹頂狀結構等。

環形抽氣結構112環繞擴散腔110配置並與擴散腔110連通。圖6係圖1所示之原子層沉積設備之部分結構之剖視示意圖。參見圖1及圖6，環形抽氣結構112包括：環形主體128、環形抽氣通道130以及抽氣管道132。環形抽氣通道130設置於環形主體128上，以形成環形抽氣通路。圖7係圖6所示之結構B之放大示意圖。參見圖6及圖7，環形抽氣通道130與擴散腔110之間設置有狹縫134。在本申請一實施例中，狹縫134具有一高度h。在本申請一實施例中，狹縫134之高度h可為1 mm至3 mm。然而，應當理解，在本申請之其他實施例中，狹縫134之高度h也可為其他的數值，在此不做具體限定。狹縫134用以將環形抽氣結構112之環形抽氣通道130與擴散腔110連通，從而可將擴散腔110中之成分抽出。抽氣管道132設置於環形主體128上並延伸至環形抽氣通道130。擴散腔110中之成分可依次經由狹縫134、環形抽氣通道130以及抽氣管道132抽出。抽氣管道132可進一步與外部的抽氣構件(未示出)相連，以達成真空抽氣。在本申請一實施例中，環形抽氣通道130之等效直徑可為20 mm至100 mm。然而，應當理解，在本申請之其他實施例中，環形抽氣通道130之等效直徑也可為其他的數值，在此不做具體限定。

晶圓支撐平台114用於支撐待沉積之半導體晶圓126。晶圓支撐平台114可具有加熱構件(未示出)，以對承載於晶圓支撐平台114上之半導體晶圓126進行加熱。

圖8係具有兩個環形進源結構之原子層沉積設備之部分結構之剖視示意圖。如圖8所示，在本申請另一實施例中，原子層沉積設備可包括兩個環形進源結構，亦即環形進源結構108以及環形進源結構109。環形進源結構109設置於環形進源結構108上。環形進源結構109之結構與環形進源結構108之結構相同，在此不再贅述。藉由設置兩個環形進源結構，其與來自過渡腔102之成分不僅可以達成使用單個環形進源結構時可具有之A+B之反應模式，亦可以進行A+B+C或(A+B)+(A+C)或A+(B+C)等反應模式。

以圖1為例，當使用本申請實施例提供之一種原子層沉積設備10進行原子層沉積時，首先，保證載氣在循環製程中始終藉由環形進源結構108之進氣管道124穩定持續地通入擴散腔110中。沉積開始時，自環形進源結構108之進氣管道124通入載氣及前驅體，前驅體會隨載氣均勻地進入至擴散腔110中，此時上方之過渡腔102內經由噴淋構件104通入來自過渡腔102之進氣口102a之非製程氣體，從而快速均勻地擴散至半導體晶圓126之表面，達成半導體晶圓126之表面之飽和吸附；接著，關閉前驅體，而來自環形進源結構108之進氣管道124之載氣及過渡腔102上方之非製程氣體則持續通入擴散腔110，直至未反應之前驅體被完全吹掃乾淨；隨後，關閉非製程氣體，自過渡腔102之進氣口102a通入製程氣體(此操作可保證腔體內氣體壓力之穩定)，製程氣體可進一步經由過渡腔102中之噴淋構件104均勻地進入至過渡腔102中，並同時啟動遠端電漿源或射頻線圈，使該製程氣體處於具有較高活效能之激發態，隨著氣體之流動，處於激發態之製程氣體，可藉由喇叭形的擴散腔110均勻地到達半導體晶圓126之表面，與半導體晶圓126之表面上之前驅體發生反應；最後，關閉製程氣體及遠端電漿源或射頻線圈，通入非製程氣體(此操作可保證腔體內氣體壓力之穩定)，直至過量的製程氣體經由載氣被完全吹掃乾淨；如此達成了一層沉積。重複執行1至4次上述步驟，從而可達成原子層沉積。

本申請實施例所提供之原子層沉積設備至少具有以下優點：1、製程氣體可均勻地進入過渡腔內，從而有利於腔體內成分之均勻分佈及沉積之均勻性；2、載氣可帶著前驅體可均勻地進入至擴散腔中，從而可快速均勻地擴散至半導體晶圓之表面；3、藉由對擴散腔之形狀構造進行改良，有利於擴散腔內成分之均勻擴散，同時亦可便於擴散腔內部成分被快速置換；以及4、藉由環形抽氣結構，提高了氣體在半導體晶圓表面水準方向上之流動性，進一步保證半導體晶圓表面成分之一致性，有效提高了沉積薄膜之均勻性。5、與現有技術相比，本申請實施例藉由設置環形抽氣結構，改變了慣用抽氣方式，節省了原子層沉積設備之底部空間。

與現有技術相比，本申請實施例所提供之原子層沉積設備採用特殊的腔體結構及進源方式，便於腔體內氣體之置換，減少了每次循環之循環時間，提高了沉積效率。

圖9係根據本申請實施例提供之另一種原子層沉積設備之結構示意圖。如圖9所示，原子層沉積設備20包括過渡腔202、噴淋構件204、電漿產生設備206、環形進源結構208、擴散腔210、環形抽氣結構212以及晶圓支撐平台214。原子層沉積設備20與如圖1所示之原子層沉積設備10之主要結構相同，區別僅在於原子層沉積設備20亦包括底部抽氣結構216。該底部抽氣結構216設置於擴散腔210之底部。底部抽氣結構216可與外部的抽氣構件(未示出)相連，以達成真空抽氣。在圖9中，底部抽氣結構216表現為底部抽氣通道之形式。然而，在本申請之其他一些實施例中，底部抽氣結構216亦可以係其他結構形式，只要能夠達成真空抽氣即可。藉由同時設置環形抽氣結構212以及抽氣通道216，可以進一步提高單一抽氣模式時氣體在半導體晶圓表面水準方向上之流動性，進一步保證半導體晶圓表面成分之一致性，可以進一步提高沉積薄膜之均勻性。另外，藉由兩種抽氣模式結合，可提高抽氣速率，減少沉積時間，進一步提高沉積速率。

另外，在本申請之一些實施例中，可以僅設置底部抽氣結構216，而無需環形抽氣結構212。這樣的結構同樣能夠保證半導體晶圓表面成分之一致性，提高沉積薄膜之均勻性。

需要說明的係，在本說明書通篇中對「本申請一實施例」或類似術語之參考意指連同其他實施例一起闡述之特定特徵、結構或特性包含於至少一個實施例中且可未必呈現在所有實施例中。因此，片語「本申請一實施例」或類似術語在本說明書通篇中之各處之相應出現未必指同一實施例。此外，可以任何適合方式來組合任何特定實施例之該特定特徵、結構或特性與一或多個其他實施例。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟習此項技術者仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範疇應不限於實施例所揭示之內容，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為本專利申請之申請專利範圍所涵蓋。

10:原子層沉積設備 20:原子層沉積設備 102:過渡腔 102a:進氣口 104:噴淋構件 104a:擴散孔 105:中心區域部分 106:電漿產生設備 108:環形進源結構 108':環形進源結構 109:環形進源結構 110:擴散腔 110a:第一端部 110b:第二端部 112:環形抽氣結構 114:晶圓支撐平台 116:環形本體 116':環形本體 118:進源孔 118':進源孔 120:環形槽 120':環形槽 122:密封槽 122':密封槽 124:進氣管道 124':進氣管道 125:進氣管道 126:半導體晶圓 128:環形主體 130:環形抽氣通道 132:抽氣管道 134:狹縫 202:過渡腔 204:噴淋構件 206:電漿產生設備 208:環形進源結構 210:擴散腔 212:環形抽氣結構 214:晶圓支撐平台 216:底部抽氣結構/抽氣通道 A:結構 B:結構 h:高度

在下文中將簡要地說明為了闡述本申請實施例或現有技術所必要之附圖以便於闡述本申請之實施例。顯而易見地，下文說明中之附圖僅只係本申請中之部分實施例。對熟習此項技術者而言，在不需要創造性勞動之前提下，依然可以根據此等附圖中之例示來獲得其他實施例之附圖。 圖1係本申請實施例提供之一種原子層沉積設備之結構示意圖。 圖2A至圖2B係本申請實施例提供之兩種噴淋構件之結構示意圖。 圖3係本申請實施例提供之一種環形進源結構之結構示意圖。 圖4係圖1中所示之結構A之放大示意圖。 圖5係本申請實施例提供之另一種環形進源結構之結構示意圖。 圖6係圖1所示之原子層沉積設備之部分結構之剖視示意圖。 圖7係圖6所示之結構B之放大示意圖。 圖8係具有兩個環形進源結構之原子層沉積設備之部分結構之剖視示意圖。 圖9係根據本申請實施例提供之另一種原子層沉積設備之結構示意圖。

10:原子層沉積設備

102:過渡腔

102a:進氣口

104:噴淋構件

104a:擴散孔

106:電漿產生設備

108:環形進源結構

110:擴散腔

110a:第一端部

110b:第二端部

112:環形抽氣結構

114:晶圓支撐平台

124:進氣管道

126:半導體晶圓

130:環形抽氣通道

132:抽氣管道

A:結構

Claims (13)

1. 一種原子層沉積設備，其包括： 過渡腔，其具有進氣口以接收氣體； 擴散腔，其自第一端部延伸至第二端部，且在徑向方向上該第一端部之寬度小於該第二端部之寬度，該擴散腔與該過渡腔連通且經構形以容納待沉積之半導體晶圓；以及 一或多個抽氣結構，其與該擴散腔連通。
2. 如請求項1之原子層沉積設備，其中該擴散腔包括喇叭形結構、梯形結構或穹頂狀結構中之一者。
3. 如請求項1之原子層沉積設備，其中該一或多個抽氣結構包括環繞該擴散腔並與該擴散腔連通之環形抽氣結構，該環形抽氣結構包括： 環形主體； 環形抽氣通道，其設置於該環形主體上；以及 抽氣管道，其設置於該環形主體上並延伸至該環形抽氣通道。
4. 如請求項3之原子層沉積設備，其中該環形抽氣通道與該擴散腔之間設置有狹縫，以將該環形抽氣結構與該擴散腔連通。
5. 如請求項1或3之原子層沉積設備，其中該一或多個抽氣結構包括底部抽氣結構，其設置於該擴散腔之底部。
6. 如請求項1之原子層沉積設備，其進一步包括： 噴淋構件，其設置於該過渡腔中且包括多個擴散孔。
7. 如請求項6之原子層沉積設備，其中該多個擴散孔均勻分佈於該噴淋構件之表面上。
8. 如請求項6之原子層沉積設備，其中該多個擴散孔均勻分佈於該噴淋構件之除中心區域部分以外的表面上。
9. 如請求項1之原子層沉積設備，其進一步包括： 電漿產生設備，其設置於該過渡腔之外周緣。
10. 如請求項1之原子層沉積設備，其進一步包括：一或多個環形進源結構，其設置於該過渡腔與該擴散腔之間；其中該一或多個環形進源結構包括： 環形本體； 多個進源孔，其圓周式分佈於該環形本體之內表面上； 環形槽，其設置於該環形本體上並與該多個進源孔連通；以及 一或多個進氣管道，其設置於該環形本體上並延伸至該環形槽中。
11. 如請求項10之原子層沉積設備，其中該一或多個環形進源結構進一步包括設置於該環形本體上之密封槽以及設置於該密封槽中之密封圈。
12. 如請求項10之原子層沉積設備，其中該多個進源孔中之每一者與水平面之夾角係0°至30°。
13. 如請求項1之原子層沉積設備，其進一步包括：晶圓支撐平台，其設置於該擴散腔中且經構形以支撐該半導體晶圓。