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TWI854051B - 半導體處理裝置以及沉積方法 - Google Patents

半導體處理裝置以及沉積方法 Download PDF

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TWI854051B
TWI854051B TW109136243A TW109136243A TWI854051B TW I854051 B TWI854051 B TW I854051B TW 109136243 A TW109136243 A TW 109136243A TW 109136243 A TW109136243 A TW 109136243A TW I854051 B TWI854051 B TW I854051B
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艾立克 詹姆斯 雪洛
卡爾 路易斯 懷特
陶德 羅伯特 杜恩
威廉 喬治 佩特羅
傑瑞德 李 威克勒
安妮凱特 奇塔萊
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荷蘭商Ａｓｍ Ｉｐ私人控股有限公司
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Abstract

本揭露是關於一種半導體處理裝置及使用該半導體處理 裝置之沉積方法的實施例，其等可用以使用諸如原子層沉積(ALD)之製程沉積半導體層。該半導體處理裝置具有孔、第一供應通道、及第二供應通道。有利地，該第一供應通道及該第二供應通道以偏移方式與該孔合併，其導致該等供應通道內的交叉污染減少。

Description

半導體處理裝置以及沉積方法
[相關申請案之交叉參考]
將於與本申請案共同提出申請之申請資料表中指出國外或國內優先權申請專利範圍的任何及所有申請案以引用的方式併入。
本領域大致上是關於用於氣相沉積的歧管，且具體是關於用於改善原子層沉積(ALD)反應器中之沉積品質的歧管。
針對在基材表面上沉積薄膜存在若干氣相沉積方法。這些方法包括真空蒸發沉積、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)的不同變體(包括低壓及有機金屬CVD以及電漿增強CVD)、及原子層沉積(Atomic Layer Deposition，ALD)。
在ALD製程中，將具有至少一個欲塗佈表面之一或多個基材引入沉積室中。將基材加熱至所欲溫度，一般高於所選擇之氣相反應物的凝結溫度且低於其等之熱分解溫度。一反應物可與先前反應物之經吸附物種起反應以在基材表面上形成所欲產物。一 般以空間及時間上分開的脈衝將二、三、或更多個反應物提供至基材。
在一實例中，於第一脈衝中，代表前驅物材料的第一反應物在自限制製程中是大量完整地吸附在晶圓上。該製程由於氣相前驅物無法與前驅物之經吸附部分起反應或吸附於其上而是自限制的。在從晶圓或室移除任何餘留的第一反應物之後，基材上之經吸附的前驅物材料與後續的反應物脈衝起反應以形成不多於單一分子層的所欲材料。後續的反應物可例如從經吸附的前驅物材料剝除配體以使表面再次具反應性、取代配體並留下額外材料以用於化合物等。在無摻雜的ALD製程中，導因於位阻現象，每循環平均形成少於一單層，藉此前驅物分子的大小妨礙到達基材上可用於後續循環中之吸附位點。通過重複的生長循環製成較厚的膜，直至達到目標厚度。生長率常以埃/循環提供，因為理論上，只要各脈衝飽和且溫度處在用於那些反應物的理想ALD溫度窗(無熱分解且無凝結)內，生長僅取決於循環數，而與所供應的質量或溫度無相依性。
反應物及溫度一般是經選擇以避免反應物在製程期間的凝結及熱分解兩者，使得化學反應通過多個循環控制生長。然而，在ALD處理之某些變體中，條件可經選擇以藉由利用混成的CVD及ALD反應機制來改變每循環的生長率，可能超出每循環一分子單層。其他變體可能允許反應物之間的一些空間量及/或時間量的重疊。在ALD及ALD的其他循序氣相沉積變體中，可在單一循 環中循序供應二、三、四、或更多個反應物，並可改變不同循環的含量以調整組成物。
在典型ALD製程期間，全部呈蒸氣形式的反應物脈衝是循序地脈衝至反應空間(例如，反應室)中，且在反應物脈衝之間具有移除步驟以避免呈氣相的反應物之間的直接交互作用。例如，可在反應物脈衝之間提供惰性氣體脈衝或「沖洗」脈衝。惰性氣體在下一反應物脈衝之前沖洗室中的一個反應物脈衝以避免氣相混合。欲得到自限制生長，提供足量的各前驅物以使基材飽和。由於真ALD製程之各循環中的生長率是自限制，生長率與反應序列之重複率而非反應物通量成比例。
在一態樣中，提供一種半導體處理裝置，其包括：歧管，該歧管包括：孔，其經組態以輸送氣化反應物至反應室，該孔沿著縱軸延伸；上部壁，其為設置在該歧管之上部部分處，該上部壁沿著該縱軸在該孔的第一端處界定一加蓋表面；出口，其在該歧管沿著該縱軸之下部部分處，該出口經組態以輸送氣體至反應器；第一供應通道，其經組態以供應氣體至該孔；及第二供應通道，其經組態以供應氣體至該孔，其中該第一供應通道及該第二供應通道沿著該縱軸在偏移位置處與該孔合併。
在一些實施例中，該加蓋表面是經成形以向下重新引導經向上引導的氣體反向通過該孔至該出口。
在一些實施例中，該半導體處理裝置進一步包括第一區塊，其為安裝至該歧管，該第一區塊及該歧管協作以至少部分地界定該第一供應通道。在一些實施例中，該半導體處理裝置進一步包括第二區塊，其為安裝至該歧管，該第二區塊及該歧管協作以至少部分地界定該第二供應通道。
在一些實施例中，該第一供應通道是與第一反應物源流體連通，且經組態以輸送第一氣化反應物至該孔，而該第二供應通道是與第二反應物源流體連通，且經組態以輸送第二氣化反應物至該孔。
在一些實施例中，該第一供應通道是與非活性氣體流體連通以沖洗該孔。
在一些實施例中，該半導體處理裝置進一步包括噴淋頭裝置，其位於該出口下方，該噴淋頭裝置經組態以從該出口分配該氣體之流。該半導體處理裝置可進一步包括反應室，其位於該噴淋頭裝置下方；及基材支撐，其經組態以在該反應室中支撐基材。
在一些實施例中，該第一區塊包括第一氣相入口，其經組態以輸入第一反應物至該第一供應通道中。
在一些實施例中，該第一區塊進一步包括第二氣相入口及第三氣相入口。在一些實施例中，該第一區塊進一步包括第四氣相入口，其中該第四氣相入口是位在該第一區塊相對於該歧管的側邊上。
在一些實施例中，該第四氣相入口是經組態以輸入沖洗 氣體至該歧管中。
在一些實施例中，該第一供應通道是朝該加蓋表面成角度，且該第二供應通道是朝該出口成角度，該第二供應通道在該第一供應通道的下游。
在一些實施例中，該歧管包括單一單石區塊。
在一些實施例中，該孔沿著該縱軸連續地延伸。
在另一態樣中，提供一種半導體處理裝置，其包括：歧管，該歧管包括孔，其經組態以輸送氣體至反應室，該孔沿著縱軸設置；上部壁，其為設置在該歧管之上部部分處，該上部壁沿著該縱軸在該孔的第一端處界定加蓋表面；第一供應管線，其經組態以在該加蓋表面下游沿著該縱軸於第一位置處供應非活性沖洗氣體至該孔；第二供應管線，其經組態以沿著該縱軸在第二位置處供應一氣體至該孔，該第二位置不同於該第一位置。
在一些實施例中，該供應管線是連接至非活性氣體源以沖洗該孔。
在一些實施例中，該非活性氣體包含氬氣及氮氣之至少一者。
在另一態樣中，提供一種沉積方法。該方法包括：沿著歧管之孔的縱軸在第一位置處通過第一供應通道供應第一氣體至該孔，加蓋表面經設置在該孔之上部端處；沿著該孔之該縱軸在第二位置處通過一第二供應通道供應第二氣體至該歧管之該孔，該第二供應通道從該第一供應通道縱向地偏移；朝該孔之出口沿著該 縱軸往下游引導該第一氣體及該第二氣體之至少一者。
在一些實施例中，供應該第一及第二氣體包含供應第一氣化反應物及供應第二氣化反應物。在一些實施例中，該方法進一步包括在供應該第一氣化反應物之後以及在供應該第二氣化反應物之前以非活性氣體沖洗該反應室。該非活性氣體可包括氮氣及氬氣之至少一者。該第一氣化反應物可包括H2、NH3、N2、O2、或O之至少一者。該第二氣化反應物可包括二氯矽烷(DCS)、三氯矽烷(TCS)、三矽烷、有機矽烷、氯化鈦(TiCl4)、ZrCl4、及HfCl4之至少一者。該第一氣化反應物可包括NH3，且該第二氣化反應物可包括TiCl4。在一些實施例中，該方法包括使液體TiCl4氣化以產生該第二氣化反應物。
10、20:半導體處理裝置
19:開口
21:反應器
22:基材支撐
23:排氣管線
24:真空泵
30:反應室
32:充氣部
34:控制系統
35:分配裝置
36:基材
100、200:歧管
102、104、106、112、114、116、222、224、226:氣相入 口
102A、104A、106A、108A、112A、114A、116A、118A、220A、222A、224A、226A:內部通道
108、118、220:氣體入口/氣相入口
110a:第一閥區塊
110b:第二閥區塊
120、202:歧管主體
122a、122b、124a、124b、238a、238b、238c、504a、504b:供應通道
123:上部壁
126、230、502:孔
127a、127b:入口開口
128、506:加蓋表面
130、232、508:出口
132a、132b:惰性氣體閥/非活性氣體閥
134a、134b:反應物氣體閥
136a:第一閥
136b:第二閥
204、206、208:區塊
206a、206b、208a、208b、208c:子區塊
212a、212b:閥區塊
214a、214b:反應物閥
236:分配通道
237:O環
280:路徑
280a:第一側向部分
280b:偏移軸部分
280c:第二側向部分
L:軸
現將參照若干實施例的圖式來描述本發明的這些及其他特徵、態樣、及優點，該等實施例為意欲說明而非限制本發明。
圖1為半導體處理裝置之一說明性實施例的示意透視圖。
圖2為在歧管主體之上部部分處具有非活性氣體入口之半導體處理裝置的示意側視剖面圖。
圖3A至圖3C為圖2之半導體處理裝置之各種組件的影像。
圖4A為圖2之半導體處理裝置的額外截面圖。
圖4B為圖1之半導體處理裝置之一部分的截面圖。
圖5A為圖2之半導體處理裝置的由上往下俯視圖。
圖5B為圖1及圖4B之半導體處理裝置的由上往下俯視圖。
圖6A為圖4A之半導體處理裝置的俯視截面圖。
圖6B為圖4B之半導體處理裝置的俯視截面圖。
圖7A為根據各種實施例之半導體處理裝置之孔及供應管道的透視圖。
圖7B為圖4B、圖5B、及圖6B之半導體處理裝置之孔及供應管道的透視圖。
圖8A及圖8B為針對圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計之蒸氣穿過各別孔的速度圖。
圖9A及圖9B為用於圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計之各別孔之氨(NH3)反應物的莫耳分率圖。
圖10A及圖10B為分別用於圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計之供應通道及孔內的位置處之NH3反應物的莫耳分率圖。
本文所揭示之實施例可與半導體處理裝置併用，該等半導體處理裝置經組態用於任何合適的氣體或氣相沉積製程，包括交替供應至基材的反應物暴露(例如，脈衝)的製程。例如，所繪示之實施例顯示各種系統，其等用於使用原子層沉積(ALD)技術在基材上沉積材料。在氣相沉積技術之中，ALD具有許多優點，包括低溫下之高一致性及製程期間對組成物的精細控制。ALD型 製程為基於前驅物化學物質之受控、自限制之表面反應。藉由將前驅物交替且循序地饋入反應室中來避免氣相反應。氣相反應物為例如藉由在反應物脈衝之間從反應室移除過量的反應物及/或反應物副產物而在反應室中彼此分開。移除可藉由各種技術來實現，包括在脈衝之間進行沖洗及/或降低壓力。脈衝可為以連續流方式循序，或者反應器可經隔離並可針對各脈衝回填。當然，本文所揭示的設備可用於其他氣相沉積製程(特別是在反應物的交替是為所欲之製程中)，使得設備所用的製程可包括某種程度的熱分解及/或前驅物在空間或時間上的重疊。
簡而言之，基材為載入反應室中，且通常在降低的壓力下加熱至合適的沉積溫度。沉積溫度一般是維持在低於前驅物熱分解溫度但在足夠高的位準下，以避免反應物凝結並提供用於所欲表面反應之活化能。當然，用於任何給定的ALD反應之適當的溫度窗將取決於表面終止作用及所涉及之反應物物種，且允許凝結或熱分解之任一者的製程可使用本文所述之設備實施。
第一反應物可以氣相脈衝的形式導入室中，並與基材表面接觸。可將任何合適的反應物蒸氣脈衝至室中。例如，在各種實施例中，第一氣化反應物可包含氨(NH3)。條件可經選擇，使得不多於約一個的前驅物單層以自限制方式經吸附在基材表面上。常使用惰性氣體(諸如氮或氬)的脈衝從反應室沖洗過量的第一反應物及反應副產物(若有的話)。
沖洗反應室意指諸如藉由以真空泵排空室及/或藉由以諸 如氬或氮之惰性氣體置換反應器內之氣體而從反應室移除氣相前驅物及/或氣相副產物。用於單一晶圓反應器之典型沖洗時間是從約0.05至20秒，具體介於約1與10秒之間，且仍更具體地介於約1與2秒之間。然而，若為所欲，可使用其他沖洗時間，諸如當需要在極高深寬比結構或其他具有複雜表面形態之結構上方沉積層時或者當使用高容積批式反應器時。在所屬技術領域中具有通常知識者可基於具體情況輕易地判定適當的脈衝時間。
可將第二氣態反應物脈衝至室中，其在該處與結合至表面之第一反應物起反應。可將任何合適的反應物蒸氣脈衝至室中。例如，在各種實施例中，第二氣化反應物可包含氯化鈦或TiCl4。較佳地借助惰性氣體從反應室沖走過量的第二反應物及表面反應之氣態副產物。重複脈衝及沖洗步驟，直到已在基材上形成具有所欲厚度的薄膜，其中各循環留下不多於一個分子單層。一些ALD製程可具有更複雜的序列，其中有三或更多個前驅物脈衝交替，其中各前驅物為生長中的膜貢獻元素。反應物亦可以其等自身的脈衝或以前驅物脈衝供應，以剝除或吸收經黏附的配體及/或游離副產物，而非為膜貢獻元素。此外，所有循環不須完全相同。例如，為了控制膜的化學計量，可藉由偶發地(例如，每隔五個循環)添加第三反應物脈衝而以第三元素摻雜二元膜，且頻率可在沉積期間改變以便分級膜組成物。此外，雖然描述為始於吸附反應物，一些配方可始於其他反應物或始於分開的表面處理，以例如確保最大反應位點以便起始ALD反應(例如，針對某些配方，水脈衝可 在基材上提供羥基以針對某些ALD前驅物增強反應性)。
如上文所述，對ALD反應而言，各循環之各脈衝或相較佳地為自限制的。過量的反應物前驅物在各相中供應以使易感的結構表面飽和。表面飽和確保反應物佔據所有可用的反應性位點(受控於例如實體大小或位阻限制)，從而確保基材上之任何表面型態上方之優越的步階覆蓋。在一些配置中，自限制行為之程度可藉由例如允許一些反應物脈衝重疊以達成沉積速度(藉由允許一些CVD型反應)與一致性之互償而進行調整。反應物在其中於時間及空間上充分分開之理想的ALD條件提供接近完美的自限制行為，從而提供最大一致性，但位阻卻導致每循環小於一個分子層。與自限制ALD反應混合之受限的CVD反應可提高沉積速度。雖然本文所述之實施例特別有利於循序脈衝沉積技術(如ALD和混合模式ALD/CVD)，歧管亦可用於脈衝或連續CVD處理。可使用能夠實現ALD薄膜生長之許多種類的反應器，包括配備適當設備及構件以用於脈衝前驅物之CVD反應器。在一些實施例中，相較於回填式反應器，使用流動型ALD反應器。在一些實施例中，歧管是位於注入器的上游處，該注入器經設計以分配氣體至反應空間中，具體為單晶圓反應空間上方之分配機構(諸如噴淋頭總成)。
ALD製程能夠可選地在經連接至叢集工具之反應室或反應空間中實行。在叢集工具中，由於各反應空間為專用於一種類型的製程，各模組中之反應空間的溫度可保持恆定，相較於在各運轉前於其中將基材加熱至製程溫度之反應器而言，其改善產出量。獨 立式反應器可配備負載鎖定。在該情況下，在各運轉之間不必冷卻反應室或反應空間。此等製程亦可在經設計以同時處理多個基材的反應器(例如，微型批次式噴淋頭反應器)中實行。
本文揭示之各種實施例是關於半導體裝置(諸如氣相沉積裝置(例如，ALD裝置、CVD裝置等))，該半導體裝置包括用於輸送(多個)反應物蒸氣至反應室的歧管。無論化學物質在標準條件下的天然狀態為何，反應物蒸氣在本文中可稱為「氣體(gas)」。本文所揭示之實施例可有利地分別通過第一供應通道及第二供應通道提供第一反應物及第二反應物，該等通道為沿著歧管的孔彼此偏移。第一及第二供應通道可分別供應第一及第二反應物蒸氣至歧管。此外，第一及第二供應通道亦可供應(多個)沖洗氣體(例如惰性載體氣體)至歧管以從歧管及供應通道沖洗反應物。如本文所解釋，第一供應通道及第二供應通道的偏移性質使第一反應物至第二供應通道中及第二反應物至第一供應通道中的穿透得以減少。第一反應物至第二供應通道中及第二反應物至第二供應通道中之穿透可導致供應通道中之反應物的交叉污染，其可能導致不良的沉積品質。供應通道間之增加的偏移可減少反應物至相對供應通道中的穿透。
進一步地，在各種實施例中，歧管包括由兩個閥區塊環繞之中間區塊。沖洗氣體入口為在閥區塊的表面上提供，該等表面為相對於中間區塊及兩個閥區塊交會的表面。
圖1為半導體處理裝置10的透視圖，該半導體處理裝置 可包括歧管100以輸送氣體至反應室(未圖示)。圖1的主要組件為在下文連同圖4B及圖5B的描述詳細地描述。例如，半導體處理裝置10可包括歧管100，其包含歧管主體120。第一閥區塊110a及第二閥區塊110b可安裝至歧管主體120，並可包括一個或複數個氣相入口以輸送反應物蒸氣及/或非活性氣體(例如沖洗氣體)至歧管主體120。半導體處理裝置10可包括複數個閥以控制反應物蒸氣及非活性氣體至歧管主體120的輸送。例如，如本文所述，裝置10可包含惰性氣體閥132a、132b，其等控制非活性氣體至歧管100的供應；反應物氣體閥134a、134b，其等控制反應物蒸氣至歧管100的供應；及第一閥136a及第二閥136b，其等控制蝕刻劑及塗層蒸氣至歧管100的供應。
在各種配置中，第一閥136a及第二閥136b中之一者可控制來自遠端電漿單元(RPU)之(多個)蝕刻劑的流動，以從反應室表面週期性地清潔沉積物(例如，在處理每一晶圓之後或在處理每一設定數目的晶圓之後)。蝕刻劑可在RPU中活化並供應至歧管100及反應室。在各種配置中，第一閥136a及第二閥136中之另一者可控制塗層前驅物(諸如三甲基鋁或TMA)的流動，該塗層前驅物連同氧源(諸如水、遠端活化氧、臭氧等)可用以使用保護塗層(諸如氧化鋁)週期性地塗佈室以去活化室壁、減少室壁上的沉積、及/或保護室壁免於其他化學品(諸如蝕刻劑)。
圖2為半導體處理裝置20的示意側視剖面圖，其可包括歧管200以輸送氣體至反應室(未圖示)。圖2所示之半導體處理 裝置20及歧管200通常可類似於美國專利第9,574,268號及美國專利公開案第US 2017-0350011號中所顯示及描述的半導體處理裝置及歧管，其等之揭露全文是以引用方式併入本文中且用於所有目的。美國專利公開案第US 2017-0350011號以及圖2之歧管200之間可存在各種差異，但總體功能及設計可類似於例如美國專利公開案第US 2017-0350011號之圖6A至圖6J及/或圖8A至圖8F。此外，本揭露之歧管可與美國專利公開案第US 2017-0350011號之圖2的閥組合；及/或與美國專利公開案第US 2017-0350011號之圖3A的反應物/惰性氣體源、氣體分配機構、控制器、反應室、及真空源組合。
歧管200可包括歧管主體202，其與顯示為在歧管主體202之相對側上的閥區塊212a、212b連接。反應物閥及惰性氣體閥(未圖示)是設置在區塊212a、212b上或在其他上游區塊(未圖示)上。惰性氣體入口220可例如從歧管200的上部部分供應惰性氣體至歧管200。歧管主體202包含多個區塊，其等堆疊於彼此之上以至少部分地界定(多個)氣體沿著其流動之孔230，該等區塊包括例如上部區塊204、中間區塊206、及下部區塊208。在圖2A之配置中，中間區塊206包含子區塊206a及機械地連接至子區塊206a之子區塊206b。下部區塊208包含第一子區塊208a；第二子區塊208b，其機械地連接至第一子區塊208a；及第三子區塊208c，其機械地連接至第二子區塊208b。使用多個區塊及子區塊可致能歧管200之模組化構造，其可致能使用具有彎曲形狀或 成角度形狀的內部通道以及其他內部管腔。
圖2為針對美國專利公開案第US 2017-0350011號之圖6A至圖6J所述之歧管的修改版本。子區塊208a至208c可界定延伸的混合長度路徑280，其具有第一側向部分280a、偏移軸部分280b、及第二側向部分280c。路徑280可在供應氣體經引入至孔230之下游處提供延伸的混合長度。歧管200可包括複數個氣體分配通道，包括圖2A所示之氣體分配通道236。供應通道238a至238c從分配通道236將氣體運送至孔230。如所示，供應通道238a至238c包含成角度的供應通道，其等是往下成角度以接合孔230，其中流亦是往下朝向出口232。在圖2A之配置中，氣體流過孔230，包括沿著延伸的混合長度路徑280，並通過出口232退出歧管200。出口232可設置在分配機構(諸如噴淋頭)上方，其可在反應室(未圖示)中之基材上方分配氣體。
雖然圖2之配置可有利地提供延伸的混合長度，延伸的混合長度路徑280及歧管200中的其他路徑包括彎曲及轉折，其等可例如在反應物氣體之沖洗期間引入呆體積。呆體積的形成可降低沉積製程的效率及有效性。圖2所示之配置之彎曲且成角度的流動路徑亦可在基材上產生「落差(throw)」。例如，使用彎曲路徑280可授予氣體角動量，其可在基材上引入不均勻性。
此外，如圖2所示，歧管200在孔230的頂部處利用漏斗形結構作為非活性氣體入口(氣體入口220)，以引入沖洗氣體以便沖洗系統。然而，針對一些製程，在第一反應物及/或第二反 應物的注入期間，通過非活性氣體入口(氣體入口220)注入之沖洗氣體可是不足的，且呆體積可存在於孔230的頂部處，使得所供應的反應物蒸氣可回流至漏斗形入口(氣體入口220)中。在區塊204、206之間使用O環237可進一步增加入口(氣體入口220)內的呆體積。從非活性氣體入口(氣體入口220)引入的沖洗氣體無法有效地沖洗這些呆體積。在第一反應物及/或第二反應物注入期間沿著入口(氣體入口220)的部分之反應物的寄生化學氣相沉積(CVD)可使裝置20的性能降級。
圖3A描繪沿著非活性氣體入口(氣體入口220)的部分之反應物的寄生沉積，其呈形成於漏斗(氣體入口220)內的黃色加成物之形式。進一步地，圖3B顯示氣相入口222的區塊，其連接至漏斗(氣體入口220)的頂部，供應沖洗氣體至漏斗(氣體入口220)中。可見到指示沉積反應物的黃色加成物形成於第一入口中，該第一入口供應非活性氣體(例如氮氣、氬氣、或其他非活性氣體)至漏斗(氣體入口220)。圖3C顯示氣相入口222的區塊的另一側，第二入口(例如用於三甲基鋁或TMA的入口)是位於該處。可將TMA供應至反應器以在室壁上形成保護塗層(例如氧化鋁保護塗層)。在一些配置中，TMA可在設定數目的清潔之後施加至室。可見到黃色加成物形成於第二入口中，該第二入口供應TMA至系統。可能難以沿著入口(氣體入口220)移除所繪示的加成物，該加成物可污染基材並使裝置品質降級。因此，對氣體至反應器的改善輸送存在需求。
圖4A顯示半導體處理裝置20的另一示意側視剖面圖，其共用圖2的所有組件且因此不會再次討論。圖4B為圖1所呈現之半導體處理裝置10的示意側視剖面圖。圖4B之裝置10可包括歧管100，其界定通過歧管主體120之孔126。如圖4A之狀況，在一些實施例中，歧管100可藉由將多個區塊安裝至彼此來構成。然而，有利地，在圖4B所繪示的實施例中，歧管100可由單一單石區塊構成，其組成歧管主體120。一體式區塊可藉由提供防漏孔126(例如藉由排除O環及/或其他界面的使用)來改善歧管主體120。在各種實施例中，亦可避免可導致污染的盲管。然而，或者，歧管主體120可替代地以上部區塊、中間區塊、及下部區塊製成，如圖4A及圖2之實施例所示者。在所屬技術領域中具有通常知識者將體認到，基於成本及製造取捨，多個區塊及一體式區塊是可互換的。使用多個區塊可致能模組的模組構造，包括彎曲、成角度、或其他複雜幾何。歧管主體120的底部可包括出口130。第一閥區塊110a及第二閥區塊110b亦可安裝至歧管主體120。
歧管主體120之孔126可經由歧管主體120的底部處之出口130將反應物及/或惰性氣體輸送至反應器21之反應室30。分配裝置35(諸如所示之噴淋頭)或其他實施例中之水平注入裝置可包括充氣部32，其與複數個開口19流體連通。反應物蒸氣可通過開口19並供應至反應室30中。基材支撐22可經組態或定大小或成形以在反應室30內支撐基材36(諸如晶圓)。經分配的反應物蒸氣可接觸基材且起反應以在基材上形成一層(例如，一單 層)。分配裝置35可以便於在基材上形成均勻層的方式分配反應物蒸氣。
排氣管線23可與反應室30流體連通。真空泵24可施加抽吸至排氣管線23以從反應室30抽空蒸氣及過量材料。反應器21可包含任何合適類型的半導體反應器(諸如原子層沉積(ALD)裝置、化學氣相沉積(CVD)裝置等)。此外，裝置10可包含控制系統34，其與反應器21電子及資料通訊。控制系統34可包含一或複數個處理器，其等經組態以控制裝置10的操作。可提供額外的組件以管理裝置10的操作。
可提供供應通道124a及124b以從對應的氣體分配通道供應氣體至孔126。第一供應通道124a及第二供應通道124b可與位於第一閥區塊110a及第二閥區塊110b之供應通道122a及122b流體連接。第一供應通道124a及第二供應通道124b可在沿著歧管主體120之縱軸L的大約相同區域處與孔126合併，但進入孔126的入口開口127a、127b可沿著縱軸L稍微偏移。如圖4B所示，孔126可沿著縱軸L連續地延伸，使得孔126不包括任何轉折或彎曲的路徑，不同於圖2及圖4A之配置。孔126的上部端可由上部壁123加蓋，該上部壁在孔126的上部端處界定加蓋表面128。第一供應通道124a可向上朝加蓋表面128成一角度，且第二供應通道124b可向下朝出口130成一角度。或者，可將第一供應通道124a及第二供應通道124b製造為處於不同水平並到達孔126處的交錯位置處。因此，第一供應通道124a及第二供應通道 可向上、向下、或筆直跨越地成一角度，並可沿著縱軸L在偏移位置處與孔126合併。在圖4B中，第一閥區塊110a及第二閥區塊110b可在不使用O環的情況下機械地連接至歧管主體120。在一些實施例中，例如，金屬密封件可用在歧管主體120與第一閥區塊110a及第二閥區塊110b之間。
第一供應通道124a的入口開口127a可向上引導氣體至加蓋表面128中，其可向下重新引導所供應的(多個)氣體通過孔130。或者，第一供應通道124a可適宜地終止於加蓋表面128下方。加蓋表面128可包含經成形的彎曲表面，以便有效率地引導氣體以反向向下通過孔126的一角度撞擊表面128。在圖4B中，加蓋表面128及出口130可沿著孔126之線性縱軸L設置。因此，不同於在上部區塊204中提供惰性氣體入口220之圖4A，在圖2B之實施例中，歧管主體120之最上部部分經加蓋，使得包括反應物及惰性氣體之供應氣體是從歧管100的側邊提供。
有利地，當第一供應通道124a及第二供應通道124b在交錯偏移位置處與孔126交會時，存在第一反應物至第二供應通道中之減少的穿透。在圖7B中見到第一供應通道124a及第二供應通道124b在交錯偏移位置處與孔126交會的圖例。相比之下，圖7A繪示第一供應通道124a及第二供應通道124b在相同位置處與孔126交會的配置。圖7A及圖7B為在下文更詳細地描述。進一步地，在一些實施例中，第一反應物蒸氣(諸如氨)可沿著第一供應通道124a供應至孔126。第二反應物蒸氣(諸如氯化鈦) 可沿著第二供應通道124b供應至孔126。如圖4B所示，第一供應通道124a及第二供應通道124b可彼此相對於孔126設置。
若第一供應通道124a及第二供應通道124b沿著縱軸L在相同位置處直接跨彼此設置，則可驅動第一反應物蒸氣(例如氨)至相對的第二供應管線124b中。此效應之一實例為繪示於圖10A，並在下文更詳細地描述。類似地，可驅動第二反應物蒸氣(例如氯化鈦)至相對的第一供應管線124a中。在一些配置中，可通過第一供應管線124a及第二供應管線124b提供低流量的非活性氣體，其可充當反應物蒸氣至相對供應管線的障壁。然而，可在足夠高的壓力下引導反應物蒸氣，以便克服非活性氣體的低壓。因此，在所繪示之實施例中，第一供應通道124a及第二供應通道124b的入口開口127a、127b可沿著縱軸L彼此偏移。此外，在一些實施例中，入口開口127a、127b可沿著縱軸L相對於彼此成一角度。例如，如圖4B所示，上游的第一入口開口127a可成一角度，以具有面朝上部壁123之加蓋表面128的方向組件。下游的第二入口開口127b可成一角度，以具有面朝出口130的方向組件。因此，第一供應通道124a及第二供應通道124b的定向及/或定位可減少或排除第一反應物至第二供應通道124b中及第二反應物至第一供應通道124a中的穿透，其可減少交叉污染效應並改善總體沉積品質。此減少交叉污染之一實例為繪示於圖10B，並在下文更詳細地描述。
此外，與圖4A之配置相比，由於使用較大直徑的孔126， 圖4B的孔126可提供改善的流導(例如高流量率)。較大直徑或主要尺寸可增加流至反應器21之氣體的流量率。
進一步地，不同於圖4A的配置，沖洗或非活性氣體入口108及118可位在側邊處，該側邊相對於閥區塊110a/110b在其中與歧管主體120交會的一側。因此，不同於非活性沖洗氣體在其中經向下引導通過漏斗形結構至孔230之圖4A的入口220，在圖4B之實施例中，非活性沖洗氣體可經側向引導通過供應通道至孔126。在一些實施例中，可引導(多個)非活性沖洗氣體通過第一供應通道124a及第二供應通道124b，第一及第二反應物蒸氣是通過該等通道供應至孔126。在其他實施例中，可引導(多個)非活性沖洗氣體通過額外的供應通道，該等供應通道從孔126的側部分而非孔126的上部部分合併至孔126中。有利地，對反應物蒸氣及可發生於圖4A之裝置20中之所得的寄生沉積而言，圖4B之實施例可減少或排除合併點上方的呆體積。進一步地，沖洗或非活性氣體入口108及118可位在供應通道的最末段處，使得沖洗氣體可直接觸及整體通道。因此，在沖洗循環期間，可沖洗整個供應通道，其可減少或排除呆體積。
圖5A顯示圖2及圖4A之實施例的由上往下俯視圖。各閥區塊212b及212a包括氣體入口。第一閥區塊212b包括氣相入口220，其用以輸入第一氣體或氣相反應物。第一閥區塊212b亦包括氣相入口222，其用以輸入低流量率的非活性氣體以便運載氣化反應物至反應器21及/或提供抗衡來自其他反應物的交叉污染 之緩衝。第二閥區塊212a包括氣相入口224，其用以輸入第二氣體或氣相反應物。第二閥區塊212a亦包括氣相入口222，其用以供應非活性氣體以便運載氣化反應物至反應器21及/或提供抗衡來自其他反應物的交叉污染之緩衝。歧管主體202包括漏斗形入口220，其中高流量率的非活性氣體進入系統以便沖洗裝置20。如上文連同圖2及圖4A所解釋的，漏斗形入口220可向下引導非活性沖洗氣體至孔230中。同樣地，額外的蝕刻劑(例如來自RPU)及塗佈劑(諸如TMA)可從漏斗形入口220進入孔230。圖5A亦繪示反應物閥214a、214b，其等經安裝至各別閥區塊212a、212b。反應物閥214a、214b可分別用以調節第一反應物蒸氣及第二反應物蒸氣的流動。
非活性氣體的實例包括氬(Ar)氣或氮(N2)氣，不過可使用任何合適的非活性氣體。可使用兩種不同的非活性氣體之混合。第一氣相反應物之實例是天然氣態ALD反應物(諸如H2、NH3、N2、O2、或O)。第二氣體或氣相反應物可由用於氣化反應物之氣化器(未圖示)生成，該反應物在室溫及大氣壓力下為固體或液體。(多個)氣化器可包含例如液體起泡器或固體昇華容器。可在氣化器中保存及氣化之固體或液體反應物之實例包括，但不限於液體有機金屬前驅物(諸如三甲基鋁(TMA)、TEMAHf、或TEMAZr)；液體半導體前驅物(諸如二氯矽烷(DCS)、三氯矽烷(TCS)、三矽烷、有機矽烷、或TiCl4)；及粉末化前驅物(諸如ZrCl4或HfCl4)。在所屬技術領域中具有通常知識者將理解，實施例可包括天然氣態、固 體、或液體反應物源之任何所欲的組合及配置。在一實施方案中，第一反應物蒸氣包含NH3，且第二反應物蒸氣包含TiCl4。
圖5B顯示圖1及圖4B之實施例的由上往下俯視圖。類似於圖5A之第一閥區塊212b，第一閥區塊110b包括氣相入口116，其用以供應第一氣體或氣相反應物；及氣相入口114，其用以供應非活性氣體以充當載體或緩衝。第一閥區塊110b包括額外的氣相入口112，其用以供應蝕刻劑(諸如RPU)。須注意，入口112是設置在歧管主體120的側邊上(例如在閥區塊110b中)，而非與圖5A所示之漏斗形入口220連通。有利地，使氣相入口112位於歧管主體的側邊導致呆體積減小，其減小寄生沉積的量。進一步地，第一閥區塊110b亦包括額外的非活性氣相入口118，其中高流量率的非活性氣體進入孔126以便沖洗歧管120。氣相入口118亦可設置在歧管主體120的側邊上(例如在閥區塊110b中)，而非與圖5A所示之漏斗形入口220連通。例如，如圖5B所示，可將非活性氣相入口118放在與第一閥區塊110b在其中與歧管主體120交會的一側相對的一側上。
進一步地，類似於圖5A之第二閥區塊212a，第二閥區塊110a包括氣相入口106，其用以輸入第二氣體或氣相反應物；及氣相入口104，其用以供應低流量率的非活性氣體以充當載體或緩衝。第二閥區塊110a包括額外的氣相入口102，其用以輸入塗層材料(例如TMA)。須注意，入口102可設置在歧管主體120的側邊上(例如在閥區塊110a中)，而非與圖5A所示之漏斗形入口(氣 體入口220)連通。進一步地，第二閥區塊110a亦包括額外的氣相入口108，其中高流量率的非活性氣體進入孔126以便沖洗歧管120。非活性氣相入口108亦可設置在歧管主體120的側邊上(例如在閥區塊110a中)，而非與圖5A所示之漏斗形入口(氣體入口220)連通。例如，如圖5B所示，可將非活性氣相入口108放在與第二閥區塊110a在其中與歧管主體120交會的一側相對的一側上。類似於圖5A，圖5B亦繪示反應物氣體閥134a、134b，其等經安裝至各別閥區塊110a、110b。圖5B進一步繪示非活性氣體閥132a、132b及額外的第一閥136a及第二閥136b，其等經安裝至各別的閥區塊110a/110b。非活性氣體閥132a、132b控制從額外的氣相入口108、118進入之惰性氣體。進一步地，如上文所解釋，第一閥136a及第二閥136b可分別控制從氣相入口102進入的塗層材料(例如TMA)及從氣相入口112進入的蝕刻劑(例如來自RPU的蝕刻劑)。在上文於圖5A的描述中所描述之惰性氣體、第一反應物、及第二之實例的描述亦可適用於圖5B且將不再重複。
圖6A及圖6B分別為圖5A及圖5B之配置的俯視截面圖，其等顯示歧管內的內部通道。在圖6A中，內部通道220A、222A、224A、226A對應於內部供應管線，其等傳送來自氣相入口220、222、224、226之各別蒸氣，其中用於入口的參考數字附加字母「A」是指對應的內部供應通道。類似地，在圖6B中，內部通道102A、104A、106A、108A、112A、114A、116A、118A對應於內部供應管線，其等傳送來自對應的氣相入口102、104、106、 108、112、114、116、118之各別蒸氣，其中用於入口的參考數字附加字母「A」是指對應的內部供應通道。在圖6A中，內部通道是與反應物閥214a、214b流體連通，該等閥調節第一反應物及第二反應物至反應室中的流動。在圖6B中，內部通道亦與反應物氣體閥134a、134b流體連通，該等閥調節第一反應物及第二反應物的流動。額外地，圖6B繪示如上述之非活性氣體閥132a、132b及第一閥136a與第二閥136b。有利地，來自非活性氣體閥132a、132b之非活性氣體可流過整個通道，其允許從整個通道沖洗反應物並得出減少的呆體積。
圖7A及圖7B為針對第一供應管線及第二供應管線至孔之兩種不同配置之內部孔及供應通道的透視圖。圖7B為圖4B所示之偏移設計，其中加蓋表面128經設置在孔126的上部部分處，並引導蒸氣順著孔126向下通過出口130。圖7A亦顯示類似設計，其中加蓋表面506引導蒸氣順著孔502向下通過出口508。在圖7B中，如圖4B的情況，供應通道124a、124b在相對於縱軸L偏移的位置處與孔126合併。在圖7A中，相反地，供應通道504a、504b沿著縱軸L與孔126在相同位置處交會。如上文所解釋，圖7B的配置可有利地減少供應通道124a、124b中之反應物的交叉污染。
圖8A及圖8B針對圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計顯示各別孔的速度圖。在圖8B中，觀察到極少或無「落差」，意指減少了導因於蒸氣角動量的不均勻性。圖9A及圖9B分別繪 示用於圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計之各別孔之NH3反應物的莫耳分率。圖9A所顯示的不均勻性低於圖9B所顯示的不均勻性。進一步地，須注意圖2、圖4A、圖5A、及圖6A之設計中的孔之不均勻性顯著低於圖9A及圖9B所顯示的不均勻性。雖然相較於圖4A，兩反應物之混合沉積期間的不均勻性在圖7A及圖7B(以及圖4B)的設計中可較高，在一些實施例中，可為更重要的是提供高流量率或流導脈衝，例如以達成高深寬比結構。在此類製程中，混合不均勻性的重要性可小於高流導，且圖4B的設計可為較佳的。
圖10A及圖10B分別繪示用於圖7A及圖7B之兩種不同的供應通道設計之供應通道及孔內的位置處之NH3反應物的莫耳分率。垂直延伸的黃色加亮區域之左側的區域C描繪第一供應通道內輸入NH3反應物的位置。在區域C內，兩種不同的供應通道設計中之NH3位準均高。垂直延伸的黃色加亮區域內之區域A描繪孔區域。針對圖10A及圖10B比較區域A的右邊緣部分，NH3位準在圖7B所描繪的偏移設計中逐漸變細的速度遠快於圖7A的筆直T設計。垂直延伸的黃色加亮區域之右側的區域B描繪第二供應管線內的區域。顯示孔與第二供應管線在其中交會之區域B的左邊緣部分在圖10A中顯示高NH3濃度，而在圖10B的相同區域中顯示相對低的NH3濃度，圖10B的該區域針對圖7B的偏移設計描繪至第二供應管線中之顯著較少的NH3穿透。因此，在圖7B的偏移設計中有較少非所欲的NH3穿透進入第二供應管 線中。
雖然為清楚理解起見而經由繪示及實例詳細描述前述內容，但所屬技術領域中具有通常知識者當明白可實行某些變化及修改。因此，不應將描述及實例詮釋為將本發明之範疇限制在本文所述之特定實施例及實例，而是亦涵蓋伴隨本發明之真實範疇及精神的所有修改及替代。此外，欲實行本發明，不一定需要上述之所有特徵、態樣、及優點。
10:半導體處理裝置
19:開口
21:反應器
22:基材支撐
23:排氣管線
24:真空泵
30:反應室
32:充氣部
34:控制系統
35:分配裝置
36:基材
100:歧管
108、118:氣體入口/氣相入口
110a:第一閥區塊
110b:第二閥區塊
120:歧管主體
122a、122b、124a、124b:供應通道
123:上部壁
126:孔
127a、127b:入口開口
128:加蓋表面
130:出口
L:軸

Claims (26)

  1. 一種半導體處理裝置，其包含：一歧管，其包含：一孔，其經組態以輸送氣化反應物至一反應器，該孔包含平行於一縱軸的複數個直壁；一上部壁，其經設置在該歧管之一上部部分處，該上部壁沿著該縱軸在該孔的一第一端處界定一加蓋表面；一出口，其沿著該縱軸在該歧管的一下部部分處，該出口經組態以輸送氣體至該反應器；一第一供應通道，其經組態以供應該氣體至該孔；及一第二供應通道，其經組態以供應該氣體至該孔，其中該第一供應通道相對於該第一供應通道上方的該孔的一長度以一鈍角與該孔合併及該第二供應通道相對於該第二供應通道上方的該孔的一長度以一銳角與該孔合併，其中該第一供應通道的一入口開口在沿著該縱軸的一第一位置處與該孔合併，並且其中該第二供應通道的一入口開口在沿著該縱軸的一第二位置處與該孔合併，該第一位置不同於該第二個位置。
  2. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該加蓋表面經成形以向下重新引導經向上引導的該氣體反向通過該孔至該出口。
  3. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其進一步包含一第一區塊，該第一區塊經安裝至該歧管，該第一區塊及該歧 管協作以至少部分地界定該第一供應通道。
  4. 如請求項3所述的半導體處理裝置，其進一步包含一第二區塊，該第二區塊經安裝至該歧管，該第二區塊及該歧管協作以至少部分地界定該第二供應通道。
  5. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該第一供應通道與一第一反應物流體連通，並經組態以輸送一第一氣化反應物至該孔，且其中該第二供應通道與一第二反應物源流體連通，並經組態以輸送一第二氣化反應物至該孔。
  6. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該第一供應通道與一非活性氣體流體連通以沖洗該孔。
  7. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其進一步包含一噴淋頭裝置，該噴淋頭裝置位於該出口下方，該噴淋頭裝置經組態以分配來自該出口之該氣體之一流。
  8. 如請求項7所述的半導體處理裝置，其進一步包含一反應室，其位於該噴淋頭裝置下方；及一基材支撐，其經組態以在該反應室中支撐一基材。
  9. 如請求項3所述的半導體處理裝置，其中該第一區塊包含一第一氣相入口，其經組態以輸入一第一反應物至該第一供應通道中。
  10. 如請求項9所述的半導體處理裝置，其中該第一區塊進一步包含一第二氣相入口及一第三氣相入口。
  11. 如請求項10所述的半導體處理裝置，其中該第一區塊進一步包含一第四氣相入口，其中該第四氣相入口位在該第一區塊相對於該歧管的一側邊上。
  12. 如請求項11所述的半導體處理裝置，其中該第四氣相入口經組態以輸入一沖洗氣體至該歧管中。
  13. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該第一供應通道朝該加蓋表面成一角度，且該第二供應通道朝該出口成一角度，該第二供應通道在該第一供應通道的下游。
  14. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該歧管包含一單一單石區塊。
  15. 如請求項1所述的半導體處理裝置，其中該孔沿著該縱軸連續地延伸。
  16. 一種半導體處理裝置，其包含：一歧管，其包含一孔，其經組態以輸送氣體至一反應室，該孔包含平行於一縱軸的複數個直壁；一上部壁，其經設置在該歧管之一上部部分處，該上部壁沿著該縱軸在該孔的一第一端處界定一加蓋表面；一第一供應管線，其經組態以在該加蓋表面下游沿著該縱軸在一第一位置處供應一非活性沖洗氣體至該孔，其中該第一供應管線相對於該孔的一上部長度以一鈍角與該孔聯接，以便將該非活性沖洗氣體引導向該加蓋表面；一第二供應管線，其經組態以沿著該縱軸在一第二位置處供應一氣體至該孔，該第二位置不同於該第一位置，其中該第二供應管線相對於該孔的該上部長度以一銳角與該孔聯接，以便沿著該縱軸將該氣體引導向該歧管的一下部處的出口，其中該第一供應管線和該第二供應管線中的每一者的一入口開口合併到該孔中。
  17. 如請求項16所述的半導體處理裝置，其中該第一供應管線連接至一非活性氣體源以沖洗該孔。
  18. 如請求項16所述的半導體處理裝置，其中該非活性氣體包含氬氣及氮氣之至少一者。
  19. 一種沉積方法，該方法包含：沿著一歧管之一孔的一縱軸在一第一位置處通過一第一供應通道供應一第一氣體至該孔，一加蓋表面經設置在該孔之一上部端處；沿著該孔的該縱軸在一第二位置處通過一第二供應通道供應一第二氣體至該歧管之該孔，該第二供應通道從該第一供應通道縱向地偏移；朝該孔之一出口沿著該縱軸往下游引導該第一氣體及該第二氣體之至少一者。
  20. 如請求項19所述的沉積方法，其中供應該第一氣體及該第二氣體包含供應一第一氣化反應物及供應一第二氣化反應物。
  21. 如請求項20所述的沉積方法，其進一步包含在供應該第一氣化反應物之後以及在供應該第二氣化反應物之前以一非活性氣體沖洗該反應室。
  22. 如請求項21所述的沉積方法，其中該非活性氣體包含氮氣及氬氣之至少一者。
  23. 如請求項22所述的沉積方法，其中該第一氣化反應物包含H2、NH3、N2、O2、或O之至少一者。
  24. 如請求項23所述的沉積方法，其中該第二氣化反 應物包含二氯矽烷(DCS)、三氯矽烷(TCS)、三矽烷、有機矽烷、氯化鈦(TiCl4)、四氯化鋯(ZrCl4)、及四氯化鉿(HfCl4)之至少一者。
  25. 如請求項24所述的沉積方法，其中該第一氣化反應物包含NH3，且該第二氣化反應物包含氯化鈦。
  26. 如請求項25所述的沉積方法，其進一步包含使液體氯化鈦氣化以產生該第二氣化反應物。
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