TWI502095B - 氣體處理裝置與沉積系統 - Google Patents

Description

氣體處理裝置與沉積系統

本發明係有關於一種氣體處理裝置，特別是有關於一種具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置。

半導體製程中的薄膜沉積製程例如或化學氣相沉積製程係在具有噴氣頭(showerhead)的反應室進行。半導體晶圓係置於一具有加熱功能的晶圓載台，而噴氣頭則噴淋製程所需的反應氣體進入反應室內以及晶圓載台上的半導體晶圓之上。當例如含有欲沉積材料之前驅物氣體的反應氣體透過噴氣頭噴淋至半導體晶圓上，反應室內進行一化學反應，因此形成薄膜於半導體晶圓上。在化學反應過程中，反應室內必須維持高溫以進行化學反應。

噴氣頭通常具有氣體噴頭以將前驅物氣體導向反應室內供半導體晶圓進行製程的晶圓載台。在理想的情況下，前驅物氣體被導向晶圓載台使得前驅物氣體儘量接近晶圓並且儘量在半導體晶圓上分布均勻。

在許多有機金屬化學氣相沉積製程中，例如包含金屬有機物及氫化物(例如氨或砷化氫)前驅物氣體組合透過噴氣頭導入反應室內。促進製程的載送氣體，例如惰性氣體的氬氣或氦氣亦透過噴氣頭導入反應室 內。前驅物氣體於反應室內混合並反應形成一薄膜位於反應室內的半導體晶圓上。載送氣體一般有助於維持晶圓載台上的氣體層流。

不過現有噴氣頭卻有許多源自於氣體通道設計會造成干擾影響製程效率或沉積均勻度等的問題。舉例來說，現有噴氣頭的氣體噴灑可能造成反應室內一些缺乏來自噴氣頭噴氣口至半導體晶圓的有效氣流的空間，導致氣體的不均勻分布。

氣體的不均勻分布可能造成不想要的沉積或不均勻的沉積。這些不想要的沉積會消耗反應物以及降低效率而不均勻的沉積將進一步減少製程的產出率。因此許多現有系統要求反應器必須頻繁洗滌，將進一步減低產能。

由於反應室內必須維持高溫以進行化學反應，均勻且有效冷卻通道設計對於維持反應器的效率、產能及生產力而言十分重要。一些現有噴氣頭也有因冷卻設計造成的操作效率或沉積均勻的問題。由於無效率的冷卻設計，噴氣頭上濃縮物的形成及氣相微粒之形成與不想要的前驅物的反應產物會對沉積在半導體晶圓上的薄膜成分產生不利的影響。在美國專利申請案US20070163440中，可分離提供二種不同氣體但無冷卻設計的氣體分離形式噴氣頭可能造成反應及不需要的沉積發生在噴氣口並形成氣流的障礙物。在美國專利US7976631中，噴氣頭的每一熱交換通道的排列僅鄰近於二相鄰氣體通道的一側，使得此種冷卻設計明顯不能提供均勻的熱交換。在美國專利申請案US20090095222中，噴氣頭的氣體混合通道及熱交換通道均為螺旋通道，其中氣體混合通道鄰近於熱交換通道。熱交換通道 也僅位於兩相鄰氣體通道的一側，而此種無效率的冷卻設計將造成噴氣頭上濃縮物及氣相微粒之形成。

因此，需要一種可提供均勻薄膜沉積及熱交換效能的改良沉積裝置及製程。

本發明的一實施例提出一種氣體處理裝置。氣體處理裝置包含一具有一外圍循環氣體通道的外圍環狀氣體噴灑部分、至少二區域以及一位於外圍環狀氣體噴灑部分及上方氣體噴灑部分之上的蓋板。每一區域包含一包含一第一氣源通道、複數個第一氣體通道及複數個第一熱交換流體通道的上方氣體噴灑部分、一包含一第二氣源通道、複數個第二氣體通道、該第一氣體通道及複數個第二熱交換流體通道的下方氣體噴灑部分。第一氣源通道位於第一熱交換流體通道之上，第一氣源通道連接氣體輸送裝置，第一熱交換流體通道在上方氣體噴灑部分內彼此大致平行排列，每一第一氣體通道係與第一熱交換流體通道交插排列。第二氣源通道係位於第一熱交換流體通道之下及第二熱交換流體通道之上，第二氣源通道連接氣體輸送裝置，第二熱交換流體通道在下方氣體噴灑部分中彼此大致平行排列，每一第二氣體通道圍繞每一第一氣體通道且均與每一第二熱交換流體通道交錯排列，第二氣體通道連接第二氣源通道至製程空間，每一第二氣體通道圍繞第一氣體通道以形成一第一氣體通道與第二氣體通道的組合。相鄰區域中之第一氣體通道與第二氣體通道的組合係以一角度排列。

本發明的另一實施例提出一種沉積系統，此沉積系統包含一包圍一製程空間的反應室、一氣體輸送裝置及一氣體處理裝置。氣體處理裝置包含一具有一外圍循環氣體通道的外圍環狀氣體噴灑部分、至少二區域以及一位於外圍環狀氣體噴灑部分及上方氣體噴灑部分之上的蓋板。每一區域包含一上方氣體噴灑部分與一下方氣體噴灑部分。上方氣體噴灑部分包含一第一氣源通道、複數個第一氣體通道及複數個第一熱交換流體通道，其中第一氣源通道位於第一熱交換流體通道之上，第一氣源通道連接氣體輸送裝置，第一熱交換流體通道在上方氣體噴灑部分內彼此大致平行排列，每一第一氣體通道係與第一熱交換流體通道交插排列，第一氣體通道連接第一氣源通道至反應室的製程空間。下方氣體噴灑部分包含一第二氣源通道、複數個第二氣體通道、該第一氣體通道及複數個第二熱交換流體通道，其中第二氣源通道係位於第一熱交換流體通道之下及第二熱交換流體通道之上，第二氣源通道連接氣體輸送裝置，第二熱交換流體通道在下方氣體噴灑部分中彼此大致平行排列，每一第二氣體通道圍繞每一第一氣體通道且均與每一第二熱交換流體通道交錯排列，第二氣體通道連接第二氣源通道，每一第二氣體通道圍繞第一氣體通道。

100‧‧‧外圍環狀氣體噴灑部分

101‧‧‧外圍循環氣體通道

200‧‧‧上方氣體噴灑部分

201‧‧‧第一氣體通道

202‧‧‧第一熱交換流體通道

204‧‧‧第一氣源通道

300‧‧‧下方氣體噴灑部分

301‧‧‧第二氣體通道

302‧‧‧第二熱交換流體通道

304‧‧‧第二氣源通道

400‧‧‧蓋板

本發明上述的特徵可藉由更詳細的描述、前述的簡單說明以及參照實施例說明而得到更深入的了解，實施例均伴隨所附圖式。值得注意的是，儘管所附圖式僅顯示本發明典型的實施例，但並不限制本發明的範圍，而本發明包含其他等效實施例。

第一圖顯示本發明一實施例之沉積系統的一具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置的截面圖。

第一A圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體處理裝置的細部截面圖。

第一B圖為第一圖所示本發明另一實施例之氣體處理裝置的細部截面圖。

第一C圖為第一圖中沿C-C線的部份截面圖。

第一D圖為第一圖中沿D-D線的部份截面圖。

第一E圖與第一F圖分別顯示兩個第一氣體通道與第二氣體通道的實施例。

第一G圖為第一圖中沿G-G線的截面圖。

為了有助於了解，使用了參考符號標示圖示中的元件。一實施例的特徵及元件可應用於其他實施例中而無須進一步的描述。

以下將完成針對本發明的特定實施例參考內容。本發明的一些實施例將詳細描述如下。這些實施例的範例係伴隨著圖式以進行說明。然而，除了如下描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發明的範圍並不受實施例之限定。相反地，本發明的範圍實包含符合本發明實施例的替換、修改及等效實施例並以之後的本發明的申請專利範圍為準。在以下的說明敘述中，提出的許多特定細節以使本發明能更被透徹了解。但本發明仍可在沒有部分或全部特定細節的情況下實施。此外習知的製程步驟及元件在此並不詳細描述以避免不必要混淆本發明焦點。

本發明之一實施例提供一種沉積系統，其中具有一具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置。此沉積系統包含一包圍一製程空間的反應室、一氣體輸送裝置及一具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置，此沉積系統可用於有機金屬化學氣相的薄膜沉積製程。值得注意的是本發明之實施例可被用於其他沉積技術中。

第一圖顯示本發明一實施例之沉積系統的一具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置的截面圖。具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置在薄膜沉積製程中係設置於基板上方。在一實施例中，具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置包含一外圍環狀氣體噴灑部分100、一上方氣體噴灑部分200、一下方氣體噴灑部分300及一蓋板400。外圍環狀氣體噴灑部分100包含外圍循環氣體通道101。上方氣體噴灑部分200包含一第一氣源通道204、複數個第一氣體通道201及複數個第一熱交換流體通道202。下方氣體噴灑部分300包含一第二氣源通道304、複數個第二氣體通道301、第一氣體通道201及複數個第二熱交換流體通道302。

具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置係設置於製程空間之上或一端，而一基板載台則設置於製程空間之下或另一端。基板載台係用於承載至少一置於其上以進行製程的基板。典型載入沉積系統以進行製程的基板包含矽晶圓、藍寶石基板、碳化矽基板或氮化鎵或三五族半導體基板等。必須了解的是其他種類的基板，例如玻璃基板亦可載入沉積系統以進行製程。必須了解的是任何包圍一製程空間的反應室及氣體輸送裝置的設計均可用於沉積系統，因此在此處將不會特別描述兩者之特定的實例。沉積系統可進一步包含其他對於本領域具一般技藝者而言係顯而易見的所需的元件。不過與具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置相關的元件將於以下的敘述中提及。

第一圖顯示本發明一實施例之沉積系統的一具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置的截面圖。具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置在薄膜沉積製程中係設置於基板上方。在一實施例中，具有環繞噴幕氣簾的氣體處理裝置包含一外圍環狀氣體噴灑部分100、一上方氣體噴灑部分200、一下方氣體噴灑部分300及一蓋板400。外圍環狀氣體噴灑部分100包含外圍循環氣體通道101。上方氣體噴灑部分200包含一第一氣源通道204、複數個第一氣體通道201及複數個第一熱交換流體通道202。下方氣體噴灑部分300包含一第二氣源通道304、複數個第二氣體通道301、第一氣體通道201及複數個第二熱交換流體通道302。

第一氣源通道204位於第一熱交換流體通道202上方及蓋板400下方。第一氣源通道204自氣體輸送裝置接收第一氣體。在此實施例中，第一熱交換流體通道202的排列為彼此平行。這種第一熱交換流體通道202的平行安排僅為一範例，不是限制。第一氣體通道201也彼此平行排列。第一氣體通道201亦可以其他方式排列。每一第一氣體通道201係與第一熱交換流體通道202交插排列，第一熱交換流體通道202在上方氣體噴灑部分200內則彼此大致平行排列，使得流過第一熱交換流體通道202的流體可均勻調節上方氣體噴灑部分200的溫度。第一氣體通道201連接第一氣源通道204至基板載台上方的反應室製程空間，使得第一氣體或其他氣體可以從第一氣源通道204流至製程空間。在一實施例中，熱交換流體包含水，而在第一氣體通道201之間交插排列的第一熱交換流體通道202可以提供均勻且有效的溫度控制或冷卻效果。

第二氣源通道304係位於第一熱交換流體通道202之下及第二熱交換流體通道302之上。第二氣源通道304自氣體輸送裝置接收第二氣體。在此實施 例中，第二熱交換流體通道302為彼此平行排列。這種第二熱交換流體通道302的平行排列僅為範例，並非限制。第二氣體通道301也是彼此平行排列。第二氣體通道301亦可以其他方式排列。每一第二氣體通道301圍繞每一第一氣源通道201在下方氣體噴灑部分300中的部份。第二熱交換流體通道302在下方氣體噴灑部分300中彼此大致平行排列。每一第二氣體通道301與每一第一氣體道201與每一第二熱交換流體通道302交錯排列，使得流過第二熱交換流體通道302的流體可均勻調節下方氣體噴灑部分300的溫度。第二氣體通道301連接第二氣源通道304至基板載台上方的反應室製程空間，使得第二氣體或其他氣體可以從第二氣源通道304流至製程空間。在一實施例中，熱量交換流體包含水，而在第二氣體通道301之間交插排列的第二熱交換流體通道302可以提供均勻且有效的溫度控制或冷卻效果從而防止濃縮物或氣相微粒之形成。

氣體輸送裝置包含多個氣體源，取決於所進行的製程。然後，氣體可在輸送至反應室之前與載送氣體混合。不同的氣體，例如前驅氣體，載送氣體或其他氣體可由氣體輸送裝置透過輸送管線供應至氣體處理裝置。輸送管線可包含控制閥與流量控制器或其他類型的控制器以監測並調節在每一管線中的氣體流量。

一熱交換流體或水流過第一熱交換流體通道202及第二熱交換流體通道302以調節氣體處理裝置的溫度。熱交換流體可循環通過一換熱器以根據需要控制熱交換流體的溫度，以使氣體處理裝置保持在所需的溫度範圍內。

第一A圖為第一圖所示本發明一實施例之氣體處理裝置的細部截面圖。如第一A圖所示，每一第一熱交換流體通道202係位於每一第二熱交換流體 通道302之上，其中在上方氣體噴灑部分200中第一氣體通道201與第二氣體通道301係位於二相鄰第一熱交換流體通道202之間，在下方氣體噴灑部分300中第一氣體通道201與第二氣體通道301係位於二相鄰第二熱交換流體通道302之間。每一第一氣體通道201位於上方氣體噴灑部分200下方的部份係由每一第二氣體通道301包圍或環繞。

第一B圖為第一圖所示本發明另一實施例之氣體處理裝置的細部截面圖。如第一B圖所示，當氣體輸送裝置供應至氣體氣體處理裝置，外圍環狀氣體噴灑部分100的外圍循環氣體通道101係以環狀形式圍繞第一氣體通道201與第二氣體通道301的多重組合以提供環狀氣幕，此環狀氣幕環繞所有組合氣幕，每一組合氣幕包含由一第二氣幕圍繞的第一氣幕。在一實施例中，外圍環狀氣體噴灑部分100連接氣體輸送裝置，使得來自氣體輸送裝置的洗滌氣體可流過外圍循環氣體通道101。洗滌氣體包含惰性氣體。自氣體輸送裝置具流入外圍循環氣體通道101並向下朝位於製程空間中氣體處理裝置下的基板流動。

第一C圖為第一圖中沿C-C線的部份截面圖。在第一C圖中，明確顯示每一第一氣體通道201由每一第二氣體通道301圍繞或包圍的特徵。第一C圖同時顯示由第一氣體通道201與圍繞的每一第二氣體通道301構成的每一組合為彼此平行排列。不過此平行的排列僅為一範例並非限制。此外，兩個側向相鄰由第一氣體通道201與圍繞的第二氣體通道301構成的組合之間的距離可設計為有利於氣體處理裝置的溫度調節。同樣地，兩個縱向相鄰由第一氣體通道201與圍繞的第二氣體通道301構成的組合之間的距離亦可設計為有利於氣體處理裝置 的溫度調節。由於實際上C-C線並非取自氣體處理裝置中，第一C圖實際上是氣體處理裝置的底部視圖。

第一D圖為第一圖中沿D-D線的部份截面圖。由於D-D線是位於第二氣源通道304上及上方氣體噴灑部分200之下，因此只顯示第一氣體通道201。此第一氣體通道201的排列方式的實施例在只是一個範例，並非限制。此外，兩個側向相鄰由第一氣體通道201之間的距離可設計為有利於氣體處理裝置的溫度調節。同樣地，兩個線性縱向相鄰第一氣體通道201之間的距離亦可設計為有利於氣體處理裝置的溫度調節。

第一E圖與第一F圖分別顯示兩個第一氣體通道與第二氣體通道的實施例。在第一E圖中，第一氣體通道201與第二氣體通道301均為具有圓弧化兩端的狹縫形狀。第二氣體通道301的狹縫圍繞第一氣體通道201的狹縫。每一第一氣體通道201與第二氣體通道301係由一分隔牆分隔。分隔牆的厚度可設計為有利於氣體處理裝置的溫度調節。在第一F圖中，只有第二氣體通道301為具有圓弧化兩端的狹縫形狀，而第一氣體通道201包含複數個噴氣出口。第二氣體通道301的狹縫包圍第一氣體通道201的噴氣出口。

第一G圖為第一圖中沿G-G線的截面圖。在第一G圖中，於本發明一實施例中，氣體處理裝置區分為八個區域，其中每一區域具有複數個由第一氣體通道201與第二氣體通道301構成的組合。而氣體處理裝置區分的區域不限於八個區域。在每一個區域中，每一由第一氣體通道201與第二氣體通道301構成的組合彼此平行。如以上所述，此種組合及排列方式僅為範例，並非限制。此外，兩個側向相鄰由第一氣體通道201與圍繞的第二氣體通道301構成的組合之間的 距離可根據氣體處理裝置的設計需求調整。兩個縱向相鄰由第一氣體通道201與圍繞的第二氣體通道301構成的組合之間的距離亦可為了滿足氣體處理裝置的設計需求而調整。相鄰區域中由第一氣體通道201與第二氣體通道301的組合係以一角度排列。在第一G圖中，角度為約90度至約180度。

本發明的氣體處理裝置包含不同氣體噴灑部分，每個氣體噴灑部分均具有熱交換流體通道，以提供均勻且有效率的溫度控制或冷卻效果因此可防止濃縮物或氣相微粒在氣體處理裝置內形成。反應氣體以氣幕方式噴灑以提高薄膜沉積的品質與效率。多重氣幕係由一外部環狀氣幕圍繞以實現外部環狀氣幕內穩定的氣體流動。

雖然已描述本發明之特定實施例，熟悉此技藝之人士均可明瞭仍有其他實施例與上述特定實施例等效。因此，必須理解的是本發明不受限於上述特定實施例，本發明之範圍係由以下之申請專利範圍界定。

100‧‧‧外圍環狀氣體噴灑部分

200‧‧‧上方氣體噴灑部分

201‧‧‧第一氣體通道

202‧‧‧第一熱交換流體通道

204‧‧‧第一氣源通道

300‧‧‧下方氣體噴灑部分

301‧‧‧第二氣體通道

302‧‧‧第二熱交換流體通道

304‧‧‧第二氣源通道

400‧‧‧蓋板

Claims (14)

1. 一種氣體處理裝置，包含一外圍環狀氣體噴灑部分，包含一外圍循環氣體通道；至少二區域，每一該區域包含一上方氣體噴灑部分，包含一第一氣源通道、複數個第一氣體通道及複數個第一熱交換流體通道，其中該第一熱交換流體通道位於該上方氣體噴灑部分之一第一板結構內，該第一氣源通道位於該第一熱交換流體通道之上，該第一氣源通道連接一氣體輸送裝置，該第一熱交換流體通道在該第一板結構內彼此大致平行排列，每一該第一氣體通道係與該第一熱交換流體通道交插排列；及一下方氣體噴灑部分，包含一第二氣源通道、複數個第二氣體通道、該第一氣體通道及複數個第二熱交換流體通道，其中該第二熱交換流體通道位於該下方氣體噴灑部分之一第二板結構內，該第二氣源通道由該第一板結構與該第二板結構封閉形成，該第二氣源通道係位於該第一熱交換流體通道之下及該第二熱交換流體通道之上，該第二氣源通道連接該氣體輸送裝置，該第二熱交換流體通道在該第二板結構中彼此大致平行排列，每一該第二氣體通道圍繞每一該第一氣體通道且均與二相鄰該第二熱交換流體通道交錯排列並均位於二相鄰該第二熱交換流體通道之間，該第二氣體通道連接該第二氣源通道，每一該第二氣體通道圍繞該第一氣體通道以形成一該第一氣體通道與該第二氣體通道的組合；及 其中相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合係以一角度排列；一蓋板，位於該外圍環狀氣體噴灑部分及該區域之上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中該氣體處理裝置具有八個區域。
3. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中該第一氣體通道與該第二氣體通道具有一狹縫形狀，該狹縫形狀具有圓弧化兩端，該第二氣體通道的該狹縫圍繞該第一氣體通道的該狹縫。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中該第二氣體通道具有一狹縫形狀而該第一氣體通道包含複數個噴氣出口，該狹縫形狀具有圓弧化兩端，該第二氣體通道的該狹縫圍繞該第一氣體通道的該噴氣出口。
5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中每一該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此平行。
6. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中在相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此垂直。
7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體處理裝置，其中在相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此平行。
8. 一種沉積系統，包含：一包圍一製程空間的反應室；一氣體輸送裝置；及 一氣體處理裝置，包含一外圍環狀氣體噴灑部分，包含一外圍循環氣體通道；至少二區域，每一該區域包含一上方氣體噴灑部分，包含一第一氣源通道、複數個第一氣體通道及複數個第一熱交換流體通道，其中該第一熱交換流體通道位於該上方氣體噴灑部分之一第一板結構內，該第一氣源通道位於該第一熱交換流體通道之上，該第一氣源通道連接一氣體輸送裝置，該第一熱交換流體通道在該第一板結構內彼此大致平行排列，每一該第一氣體通道係與該第一熱交換流體通道交插排列；及一下方氣體噴灑部分，包含一第二氣源通道、複數個第二氣體通道、該第一氣體通道及複數個第二熱交換流體通道，其中該第二熱交換流體通道位於該下方氣體噴灑部分之一第二板結構內，該第二氣源通道由該第一板結構與該第二板結構封閉形成，該第二氣源通道係位於該第一熱交換流體通道之下及該第二熱交換流體通道之上，該第二氣源通道連接該氣體輸送裝置，該第二熱交換流體通道在該第二板結構中彼此大致平行排列，每一該第二氣體通道圍繞每一該第一氣體通道且均與二相鄰該第二熱交換流體通道交錯排列並均位於二相鄰該第二熱交換流體通道之間，該第二氣體通道連接該第二氣源通道，每一該第二氣體通道圍繞該第一氣體通道以形成一該第一氣體通道與該第二氣體通道的組合；及其中相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合係以一角度排列； 一蓋板，位於該外圍環狀氣體噴灑部分及該區域之上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中該沉積系統包含一金屬有機化學氣相沉積系統。
10. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中該第一氣體通道與該第二氣體通道具有一狹縫形狀，該狹縫形狀具有圓弧化兩端，該第二氣體通道的該狹縫圍繞該第一氣體通道的該狹縫。
11. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中該第二氣體通道具有一狹縫形狀而該第一氣體通道包含複數個噴氣出口，該狹縫形狀具有圓弧化兩端，該第二氣體通道的該狹縫圍繞該第一氣體通道的該噴氣出口。
12. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中每一該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此平行。
13. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中在相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此垂直。
14. 如申請專利範圍第8項所述之沉積系統，其中在相鄰該區域中之該第一氣體通道與該第二氣體通道的該組合彼此平行。