TWI901951B - 半導體處理裝置 - Google Patents

Abstract

本申請案係關於一種半導體處理裝置。在本申請案之一個實施例中，半導體處理裝置包括製程腔、汽化裝置及氣體管線。上述汽化裝置用以使經由第一管線進入上述汽化裝置之液態反應源物質汽化。上述氣體管線耦接在上述汽化裝置與上述製程腔之間，用以向上述製程腔輸送上述汽化裝置產生之經汽化之反應源物質。

Description

半導體處理裝置

本申請案大體上係關於半導體製造領域，且更具體而言，係關於半導體處理裝置。

在半導體製造領域，原子層沈積(ALD)製程係最廣泛應用的沈積製程之一。在ALD製程中，通常將少量反應源物質(例如前驅體(precursor)或反應物(reactant))裝入一個小鋼瓶中，將載氣通入反應源物質液體中，進而攜帶反應源物質蒸汽流入製程腔，然後進行薄膜沈積。為滿足沈積需求，通常採用以下兩種方法來提高反應源物質之蒸汽量：第一，增大載氣之流量，以藉由增大反應源物質液體內部之鼓泡量來提高反應源物質之蒸發量；第二，加熱反應源物質液體至一定的溫度(例如對容納反應源物質之鋼瓶瓶體包加熱套)，由於反應源物質在較高溫度時具有較高的飽和蒸汽壓，藉由升高溫度可提高反應源物質之蒸發量。然而，一些反應源物質(例如Zr類或Ta類反應源物質)常溫下之飽和蒸汽壓比較低(例如0.01托至1托)，且其飽和蒸汽壓隨溫度之變化不顯著，使用上述兩種方法很難獲得高蒸汽濃度，因此，在使用此類反應源物質進行薄膜沈積時，為使沈積反應具備足夠的蒸汽濃度，使晶圓表面能夠飽和吸附一層反應源物質分子，往往需要較長時間之反應源物質注入，否則將會引起薄膜生長不均一的問題。但因此類反應源物質活性較低、薄膜之沈積速率較低，從而導致使用此類反應源物質之ALD設備產能較低且沈積薄膜之成本較高。

此外，在較深的凹槽中沈積薄膜時，保型性及底部覆蓋率係重要的效能指標。現有的ALD設備所生產之此類薄膜所實現的側壁與底部之台階覆蓋率通常小於90%，無法滿足製程之需要。

因此，需要改良之半導體處理裝置來滿足對於沈積速率、成膜品質、產能及經濟性之需求。

本申請案提供一種半導體處理裝置，上述半導體處理裝置具有使液態反應源物質汽化之汽化裝置，因此可在製程過程中增大反應源物質之蒸汽濃度，提高反應源物質之有效利用率，以此提高沈積速率及薄膜之保型性，縮短薄膜沈積週期，提高製程生產品質及效率，並創造良好的生產經濟價值。

在本申請案之半導體處理裝置中，可利用載氣協助汽化裝置產生之反應源物質蒸汽快速進入製程腔，並協助其在製程腔內均勻擴散，從而有效地縮短反應源物質之注入時間，大幅度地提高產能並改善薄膜品質。上述載體可提供至汽化裝置中，或提供至汽化裝置前端或後端。

根據本申請案之一些實施例，半導體處理裝置可包括：製程腔；汽化裝置，其用以使經由第一管線進入上述汽化裝置之液態反應源物質汽化；及氣體管線，其耦接在上述汽化裝置與上述製程腔之間，用以向上述製程腔輸送上述汽化裝置產生之經汽化之反應源物質。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括第一氣體源，上述第一氣體源藉由上述第一管線耦接至上述汽化裝置，上述第一管線上設置有靠近上述汽化裝置之第一閥及靠近上述第一氣體源之第二閥。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括反應源物質槽，上述反應源物質槽用以容納液態反應源物質，上述反應源物質槽藉由第一支管線耦接至位於上述第二閥遠離上述第一氣體源之一端的上述第一管線，且藉由第二支管線耦接至位於上述第二閥靠近上述第一氣體源之一端的上述第一管線，其中上述第一支管線之端部位於上述反應源物質槽中之反應源物質液面下方，且上述第二支管線之端部位於上述反應源物質槽中之反應源物質液面上方。

根據本申請案之一些實施例，上述第一支管線上設置有第三閥，及/或上述第二支管線上設置有第四閥。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括第二氣體源，上述第二氣體源藉由第二管線耦接在上述第一閥與上述汽化裝置之間的上述第一管線上，或耦接至上述汽化裝置之進氣口，或耦接至上述氣體管線。

根據本申請案之一些實施例，上述氣體管線上設置有第五閥。

根據本申請案之一些實施例，上述氣體管線進一步包括支路，上述支路之一端耦接在上述第五閥與上述汽化裝置之間的上述氣體管線上，且另一端耦接至真空泵，上述支路上設置有排氣閥。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括第二氣體源，上述第二氣體源藉由第二管線耦接在上述汽化裝置與上述支路之間的上述氣體管線上，或耦接至上述汽化裝置之進氣口，或耦接至上述第一管線。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括控制器，上述控制器經組態以：在反應源物質注入階段期間，關閉上述第二閥，開啟上述第一閥、上述第三閥及上述第四閥，以使上述反應源物質槽中之液態反應源物質在來自上述第一氣體源之第一氣體的推動下進入上述汽化裝置。

根據本申請案之一些實施例，上述控制器進一步經組態以控制上述第一閥在上述反應源物質注入階段期間保持開啟之時間，以控制進入上述汽化裝置之液態反應源物質之量。

根據本申請案之一些實施例，上述控制器進一步經組態以：在淨化階段期間，使上述第三閥及上述第四閥保持開啟，關閉上述第一閥及上述第二閥，以使上述反應源物質槽中之液態反應源物質在上述第一氣體的推動下進入上述第一管線而不進入上述汽化裝置。

根據本申請案之一些實施例，上述半導體處理裝置進一步包括控制器，上述控制器經組態以：在反應源物質注入階段期間，關閉上述排氣閥，開啟上述第五閥，以使來自上述第二氣體源之第二氣體攜帶上述汽化裝置產生之經汽化之反應源物質進入上述製程腔。

根據本申請案之一些實施例，上述控制器進一步經組態以：在淨化階段期間，關閉上述第五閥，開啟上述排氣閥，以使上述第二氣體攜帶上述氣體管線中之殘留反應源物質進入上述真空泵。

根據本申請案之一些實施例，上述氣體管線上設置有加熱裝置，上述加熱裝置用以使上述氣體管線中之上述經汽化之反應源物質保持一定的溫度。

本申請案亦提供一種操作上述半導體處理裝置之方法，上述方法可有效地縮短沈積時間，大幅度地提高產能並改善薄膜品質。

在以下附圖及描述中闡述本申請案之一或多個實例之細節。其他特徵、目標及優勢將根據上述描述及附圖以及申請專利範圍而顯而易見。

為更好地理解本申請案之精神，以下結合本申請案之部分實施例對其作進一步說明。

本說明書內使用之詞彙「在一實施例中」或「根據一實施例」並不必要參照相同具體實施例，且本說明書內使用之「在其他(一些/某些)實施例中」或「根據其他(一些/某些)實施例」並不必要參照不同的具體實施例。其目的在於例如主張之主題包括全部或部分範例具體實施例之組合。本文所指「上」及「下」之意義並不限於圖式所直接呈現之關係，其應可包含具有其他明確對應關係之描述，例如「左」及「右」，或係「上」及「下」之相反。本文所稱之「連接」應理解為涵蓋「直接連接」及「經由一或多個中間部件連接」。本文中之詞彙「晶圓」應理解為可與術語「晶元」、「基板」、「基材」、「基底」等術語互換使用，可指任何在其上進行沈積製程之元件，而非某一具有特定結構及組成之元件。本說明書中所使用之各種部件之名稱僅出於說明之目的，並不具備限定作用，不同廠商可使用不同的名稱來指代具備相同功能之部件。

以下詳細地論述本申請案之各種實施方案。儘管論述了具體的實施方案，但應當理解，此等實施方案僅用於示出之目的。熟習相關技術者將認識到，在不偏離本申請案之精神及保護範疇的情況下，可使用其他部件及組態。本申請案之實施方案可不必包含說明書所描述之實施例中之所有部件或步驟，亦可根據實際應用而調整各步驟之執行順序。

如前所述，當前用於ALD製程之半導體處理裝置具有沈積速率低、沈積時間長、沈積成本高、產能低、保型性低等缺點。本申請案提供了改良之半導體處理裝置及方法來解決上述問題中之至少一者。

本申請案之半導體處理裝置及方法可用於形成SnO ₂、InO ₂、TaN、HfO ₂、ZrO ₂等薄膜，但本申請案不限於此。本申請案之半導體處理裝置可用於包括但不限於熱原子層沈積(Thermal ALD)、電漿增強型原子層沈積(PEALD)等之ALD製程，亦可用於其他類似製程。

圖1為根據本申請案之實施例之半導體處理裝置100的結構示意圖。如圖1所示，半導體處理裝置100包括製程腔1、汽化裝置2及氣體管線3。製程腔1用於容納晶圓，可在其內部對晶圓執行沈積製程。汽化裝置2用以使經由第一管線4進入汽化裝置2之液態反應源物質汽化。在一些實施例中，進入汽化裝置2之反應源物質可為前驅體或反應物。氣體管線3耦接在汽化裝置2與製程腔1之間，用以向製程腔1輸送汽化裝置2產生之經汽化之反應源物質。在一些實施例中，汽化裝置2可藉由加熱之方式使液態反應源物質汽化。在一些實施例中，汽化裝置2之溫度可小於或等於200℃。熟習此項技術者應瞭解可用於使液體汽化之各種裝置及方法，此等裝置及方法可用於實施汽化裝置2。

根據本申請案之實施例，液態反應源物質在汽化裝置2中汽化，可實現高蒸汽濃度。經汽化之高濃度之反應源物質通過氣體管線3進入製程腔1，可提高沈積速率。因此，本申請案可縮短沈積週期，增加每小時可處理之製程片數量，使得產能大幅度提高。

氣體管線3可具有任意的長度及形狀。在一些實施例中，氣體管線3具有0.1 m至10 m之長度。在一些實施例中，氣體管線3上亦可設置圖1中未示出之其他裝置，例如，加熱裝置等。在一些實施例中，氣體管線3上之加熱裝置可使得進入氣體管線3中之反應源物質蒸汽保持在一定的溫度(例如，等於或大於汽化裝置2之溫度)，使得反應源物質蒸汽經由氣體管線3順利進入製程腔1且保持良好的反應活性。

如圖1所示，半導體處理裝置100進一步包括第一氣體源5。第一氣體源5藉由第一管線4耦接至汽化裝置2。第一氣體源5可提供用於推動液態反應源物質進入汽化裝置2之第一氣體。第一氣體又可稱為推動氣(push gas)。在一些實施例中，第一氣體包括惰性氣體，例如氬氣(Ar)，或氮氣(N2)，或氦氣(He)等。在一些實施例中，第一氣體源5提供之第一氣體可具有較大的流速，以滿足推動力需求。在一些實施例中，第一氣體源5提供之第一氣體之流速可大於或等於約0.1 L/min且小於約10 L/min。

第一管線4上設置有靠近汽化裝置2之第一閥41及靠近第一氣體源5之第二閥42。在一些實施例中，第一閥41可為快速開關之氣動閥，可藉由控制器控制該閥之開關時間來控制流入汽化裝置2之液體之量。在一些實施例中，第一閥41可為ALD閥，但其不限於此。

第一管線4可具有任意的長度及形狀。在一些實施例中，第一管線4具有0.1 m至10 m之長度。在一些實施例中，第一管線4上亦可設置圖1中未示出之其他裝置。

在一些實施例中，半導體處理裝置100進一步包括反應源物質槽6。反應源物質槽6用以容納液態反應源物質，反應源物質槽6藉由第一支管線7耦接至位於第二閥42遠離第一氣體源5之一端的第一管線4，且藉由第二支管線8耦接至位於第二閥42靠近第一氣體源5之一端的第一管線4。第一支管線7之端部位於反應源物質槽6中之反應源物質液面下方，且第二支管線8之端部位於反應源物質槽6中之反應源物質液面上方。在此組態下，經由第一管線4及第二支線管8進入反應源物質槽6中之第一氣體集中在反應源物質液面上方並對反應源物質液面施加一定的壓力。液態反應源物質在第一氣體之壓力作用下經由第一支線管7及第一管線4進入汽化裝置2。在一些實施例中，第一支管線7之端部位於反應源物質槽6之底部，第二支管線8之端部位於反應源物質槽6之頂部。

參照圖1，第一支管線7上設置有第三閥71，且第二支管線8上設置有第四閥81。在需要向汽化裝置2提供液態反應源物質時(例如在反應源物質注入階段期間)，可關閉第二閥42並開啟第一閥41、第三閥71及第四閥81，以使來自第一氣體源5之第一氣體經由第一管線4及第二支管線8進入反應源物質槽6，並使反應源物質槽6中之液態反應源物質在第一氣體的推動下經由第一支管線7及第一管線4進入汽化裝置2。在不需要向汽化裝置2提供液態反應源物質時(例如在淨化階段期間)，可關閉第一閥41及第二閥42並使第三閥71及第四閥81保持開啟，以使反應源物質在第一氣體的推動下進入第一管線4而不進入汽化裝置2；等下一反應源物質注入階段開始時，第一管線4中之反應源物質可快速進入汽化裝置2。在一些製程階段(例如需要清除第一管線4中殘留之反應源物質時)，可開啟第二閥42並關閉第三閥71及第四閥81，以使來自第一氣體源5之第一氣體直接進入第二閥42後端的第一管線4。在一些實施例中，可省略第三閥71及第四閥81中之一者。例如，第一支管線7上設置有第三閥71，而第二支管線8上沒有閥；或者，第二支管線8上設置有第四閥81，而第一支管線7上沒有閥。

由於半導體處理裝置100藉由汽化裝置2汽化反應源物質，因此反應源物質槽6可保持常溫而無需加熱。在一些實施例中，反應源物質槽6中之反應源物質可係飽和蒸汽壓隨溫度之變化不顯著的反應源物質，例如Zr類或Ta類反應源物質。由於此類反應源物質藉由習知提高蒸發量之方法難以獲得高蒸汽濃度，因此使用現有半導體處理裝置難以獲得較高的沈積速率。本申請案之半導體處理裝置100使用第一氣體將液態反應源物質推入汽化裝置2，在汽化裝置2中將反應源物質汽化，並使汽化後之反應源物質通過氣體管線3進入製程腔1，因此可提高反應源物質之蒸汽濃度，從而提高沈積速率，縮短沈積週期。在一些實施例中，反應源物質槽6中之反應源物質可係常溫(例如約25℃)蒸汽壓較低(例如0.01托至10托)之反應源物質。

再參照圖1，氣體管線3上設置有第五閥31。當第五閥31敞開時，氣體管線3中之氣體可進入製程腔1。

在一些實施例中，氣體管線3進一步包括支路9。支路9之一端耦接在第五閥31與汽化裝置2之間的氣體管線3上，且另一端耦接至真空泵10。支路9上設置有排氣閥91。當排氣閥91敞開時，氣體管線3中之氣體可經由支路9釋放至真空泵10 (例如，藉由真空泵10之抽吸)。支路9上亦可設置圖1中未示出之其他裝置。在一些實施例中，支路9上亦可設置加熱裝置，使得支路9可具有等於或大於汽化裝置2之溫度，從而氣體管線3中之氣體可經由支路9順利排出而不會冷凝在支路9中。在半導體處理裝置100之操作期間，真空泵10可一直開啟或僅在需要抽吸氣體管線3中之氣體時才開啟。

在一些實施例中，半導體處理裝置100進一步包括第二氣體源11。如圖1所示，第二氣體源11藉由第二管線12耦接至汽化裝置2之進氣口(圖中未示出)。第二氣體源11可提供用於攜帶反應源物質之第二氣體。第二氣體又可稱為載氣(carrier)。在一些實施例中，第二氣體包括惰性氣體，例如氬氣(Ar)，或氮氣(N2)，或氦氣(He)等。一方面，第二氣體源11提供之第二氣體可協助汽化裝置2產生之反應源物質蒸汽快速進入製程腔1，並協助反應源物質在製程腔1內擴散，以使反應源物質在製程腔1內分佈更均勻，從而使得沈積之薄膜均一性更好。另一方面，第二氣體源11提供之第二氣體可用於吹掃氣體管線3，加速氣體管線3之淨化，使氣體管線3內殘留之反應源物質經由支路9釋放至真空泵10，以避免氣體管線3內殘留有反應源物質而在後續的作業中流入製程腔1並引起顆粒問題。在一些實施例中，第二氣體源11提供之第二氣體具有較大的流速以加快輸送經汽化之反應源物質。在一些實施例中，第二氣體源11提供之載氣之流速可大於或等於約0.5 L/min且小於約30 L/min，例如約0.5 L/min至約10 L/min或約5 L/min至約10 L/min等。第二管線12上亦可設置圖1中未示出之其他裝置。在一些實施例中，第二管線12亦包括加熱裝置，以使進入第二管線12之第二氣體加熱至一定的溫度。在一些實施例中，第二氣體之溫度可小於或等於80℃。

根據本申請案之一些實施例，使用半導體處理裝置100進行之沈積製程可包括反應源物質注入階段。在反應源物質注入階段期間，可關閉第二閥42及排氣閥91，開啟第一閥41、第三閥71、第四閥81及第五閥31。在此種組態下，反應源物質槽6中之液態反應源物質在來自第一氣體源5之第一氣體的推動下進入汽化裝置2，並在汽化裝置2中汽化，與此同時，來自第二氣體源11之第二氣體進入汽化裝置2並攜帶經汽化之反應源物質通過氣體管線3進入製程腔1。

根據本申請案之一些實施例，沈積製程亦可包括淨化階段。在淨化階段期間，可關閉第一閥41、第二閥42及第五閥31，開啟第三閥71、第四閥81及排氣閥91。在此種組態下，反應源物質槽6中之液態反應源物質在來自第一氣體源5之第一氣體的推動下進入第一管線4而不進入汽化裝置2，氣體管線3中殘留之反應源物質將隨第二氣體一起被抽吸至真空泵10。通常ALD之沈積反應需重複循環多次，直至達到指定的膜厚才停止，因此在整個沈積過程中，反應源物質注入階段及淨化階段會多次重複進行，且每一階段之時間可在0.01 ms至10 s之範圍內。

半導體處理裝置100藉由汽化裝置2增大了進入製程腔1之反應源物質濃度，而且，藉由載氣之攜帶，可加速反應源物質在氣體管線及製程腔內之擴散，提高反應效率，從而可縮短反應源物質注入之脈衝時間，使得單位時間內流入製程腔1之反應源物質之量得到有效提昇，因而可縮短製程腔1之沈積時間。因此，本申請案可縮短沈積週期，增加每小時可處理之製程片數量，使得產能大幅度提高。此外，增大之反應源物質濃度可使得沈積而成之薄膜具有高的保型性，有效提高薄膜品質。

半導體處理裝置100可進一步包括控制器(圖中未示出)，其用以控制並完成各個部件之操作及配合。例如，可將關於在各製程階段中各閥門需要設定之狀態(例如，開啟或關閉)之資料(亦可稱為「配方(recipe)」)儲存在控制器(或與控制器耦接之記憶體)中，控制器可根據所儲存之資料及將要進行之製程階段產生各別控制信號控制各閥門之狀態，從而執行製程。

在一些實施例中，控制器經組態以：在反應源物質注入階段期間，關閉第二閥42，開啟第一閥41、第三閥71及第四閥81，以使反應源物質槽6中之液態反應源物質在來自第一氣體源5之第一氣體的推動下進入汽化裝置2。

在一些實施例中，控制器進一步經組態以：在反應源物質注入階段期間，關閉排氣閥91，開啟第五閥31，以使來自第二氣體源11之第二氣體攜帶汽化裝置2產生之經汽化之反應源物質進入製程腔1。

在一些實施例中，控制器進一步經組態以控制第一閥41在反應源物質注入階段期間保持開啟之時間，以控制進入汽化裝置2之液態反應源物質之量。ALD反應具有自終止之特性，即當單原子層吸附達到飽和後，就無法繼續吸附多餘的反應源物質。因此，在每一沈積週期內，由汽化裝置2汽化後之反應源物質在晶圓表面之吸附達到飽和後，剩餘的反應源物質將無法繼續有效使用，只能排出。本申請案利用ALD之此反應特性設計採用第一閥41控制汽化時間之方法來控制反應源物質之量，即，只要反應源物質之量夠即可，而無需採用更為精準的液體流量計來控制反應源物質之量。在使用液體流量計之情形中，需要等待液體流量計穩定(通常需要約7 s之時間)後才能精確控制進入汽化裝置之反應源物質液體之量，即，在液體流量計穩定前汽化裝置產生之反應源物質蒸汽不能流入製程腔，只能排掉，此會造成昂貴的浪費。為節省沈積時間及成本，本申請案之半導體處理裝置100可藉由控制器控制第一閥41之開啟與關閉來控制液態反應源物質進入汽化裝置2之時間及流量。當第一閥41開啟時，液態反應源物質直接進入汽化裝置2並在汽化裝置2中汽化，因此，反應源物質可在較短時間內汽化並流入製程腔1。由於液體反應源物質可在第一閥41的控制下進入汽化裝置2並進行汽化，而無需像使用液體流量計那樣等待額外的穩定時間，因此本申請案之半導體處理裝置100可應用於沈積週期較短的ALD沈積製程，且成本較低。

在一些實施例中，控制器進一步經組態以：在淨化階段期間，使第三閥71及第四閥81保持開啟，關閉第一閥41及第二閥42，以使反應源物質槽6中之液態反應源物質在第一氣體的推動下進入第一管線4而不進入汽化裝置2。

在一些實施例中，控制器進一步經組態以：在淨化階段期間，關閉第五閥31，開啟排氣閥91，以使第二氣體攜帶氣體管線3中之殘留反應源物質進入真空泵10。

圖2為根據本申請案之又一實施例之半導體處理裝置200的結構示意圖。圖2中之半導體處理裝置200與圖1中之半導體處理裝置100的區別之處僅在於：圖2中之第二氣體源11藉由第二管線12a耦接在汽化裝置2之後端(例如汽化裝置2與支路9之間的氣體管線3上)。

如圖2所示，在反應源物質注入階段期間，可關閉第二閥42及排氣閥91，開啟第一閥41、第三閥71、第四閥81及第五閥31。在此種組態下，反應源物質槽6中之液態反應源物質在來自第一氣體源5之第一氣體的推動下進入汽化裝置2，並在汽化裝置2中汽化，經汽化之反應源物質進入氣體管線3，與此同時，來自第二氣體源11之第二氣體經由第二管線12a進入氣體管線3，並攜帶經汽化之反應源物質一起通過氣體管線3進入製程腔1。在淨化階段期間，可關閉第一閥41、第二閥42及第五閥31，開啟第三閥71、第四閥81及排氣閥91。在此種組態下，反應源物質槽6中之液態反應源物質在來自第一氣體源5之第一氣體的推動下進入第一管線4而不進入汽化裝置2，氣體管線3中殘留之反應源物質將隨第二氣體一起被抽吸至真空泵10。

與半導體處理裝置100類似，半導體處理裝置200亦可進一步包括控制器(圖中未示出)，其用以控制並完成各個部件之操作及配合。

圖3為根據本申請案之又一實施例之半導體處理裝置300的結構示意圖。圖3中之半導體處理裝置300與圖1中之半導體處理裝置100的區別之處僅在於：圖3中之第二氣體源11藉由第二管線12b耦接在汽化裝置2之前端(例如，第一閥41與汽化裝置2之間的第一管線4上)。

半導體處理裝置300中各閥門之狀態設定可與半導體處理裝置100及200相似，此處不再贅述。與半導體處理裝置100及200類似，半導體處理裝置300亦可進一步包括控制器(圖中未示出)，其用以控制並完成各個部件之操作及配合。

根據本申請案之一些實施例，一種操作半導體處理裝置(例如半導體處理裝置100、200或300)之方法可包括：在反應源物質注入階段期間，將液態反應源物質提供至汽化裝置(例如汽化裝置2)，在汽化裝置中將液態反應源物質汽化，並將經汽化之反應源物質通過氣體管線(例如氣體管線3)提供至製程腔(例如製程腔1) (例如，藉由關閉第二閥42及排氣閥91，並開啟第一閥41、第三閥71、第四閥81及第五閥31)；及在淨化階段期間，將液態反應源物質提供至第一管線(例如第一管線4)而不提供至汽化裝置(例如，藉由關閉第二閥42及第一閥41，並開啟第三閥71及第四閥81)，並將氣體管線中殘留之反應源物質釋放至真空泵(例如真空泵10)中(例如，關閉第五閥31並開啟排氣閥91)。淨化階段可緊接在反應源物質注入階段之後進行。

在一些實施例中，操作半導體處理裝置之方法可進一步包括：在反應源物質注入階段期間，提供第二氣體(例如，來自第二氣體源11之第二氣體)攜帶經汽化之反應源物質進入製程腔；及在淨化階段期間，提供第二氣體攜帶氣體管線中殘留之反應源物質蒸汽一起被抽吸至真空泵。第二氣體可協助經汽化之反應源物質快速進入製程腔及快速排出，因此可縮短反應源物質注入及淨化時間，從而縮短沈積週期並提高產能。

圖1至圖3中僅示出半導體處理裝置中向製程腔提供一種經汽化之反應源物質(例如前驅體或反應物)之相關氣體管路及部件。應瞭解，半導體處理裝置亦可包括向上述製程腔提供其他反應源物質(例如反應物或前驅體)之相關氣體管路及部件，其可採用與圖1至圖3類似的結構。在一些實施例中，操作半導體處理裝置之方法可包括多個製程循環，每一製程循環包括：前驅體注入階段、前驅體淨化階段、反應物注入階段及反應物淨化階段。應瞭解，該方法亦可包含其他階段或步驟(例如製程腔淨化等)。前驅體注入階段及前驅體淨化階段係藉由提供前驅體之相關氣體管路及部件來進行(例如，依照本文所描述之反應源物質注入階段及淨化階段之相關設定)。反應物注入階段及反應物淨化階段係藉由提供反應物之相關氣體管路及部件來進行(例如，依照本文所描述之反應源物質注入階段及淨化階段之相關設定)。因此，前驅體注入階段、前驅體淨化階段、反應物注入階段及反應物淨化階段不必順序地進行，某些階段前驅體與反應物相關作業可同時並列進行。

在一組對比實驗中，藉由使用汽化裝置汽化反應源物質(例如，前驅體)之方法(例如，結合附圖1至3中任一者描述之方法)與習知不使用汽化裝置之方法分別製備氧化鋯薄膜。實驗中兩種方法製備之氧化鋯薄膜之生長速率都約為0.83 Å/循環且厚度均勻性都約為98%，但是，習知方法中前驅體注入時間為4 s，而使用汽化裝置之方法中前驅體注入時間可縮短至1.5 s甚至更短。由此可見，根據本申請案之實施例的使用汽化裝置汽化反應源物質之沈積方法可使液態源汽化後之蒸汽具備較高的溫度，此不僅可有效縮短吸附時間，亦能縮短吹掃時間，在保證薄膜品質的同時，並進一步縮短循環週期，從而提高前驅體之有效利用率，降低沈積成本。

圖4示出採用根據本申請案之實施例之半導體處理裝置在凹槽中沈積薄膜後用掃描電子顯微鏡拍攝的凹槽剖面圖。圖5A至圖5C分別示出圖4中位於凹槽之不同位置處之薄膜的部分放大圖。具體而言，圖5A示出圖4中位於凹槽頂部1之薄膜的部分放大圖，圖5B示出圖4中位於凹槽側壁2之薄膜的部分放大圖，圖5C示出圖4中位於凹槽底部3之薄膜的部分放大圖。圖5A至圖5C顯示位於凹槽頂部1之薄膜之厚度為56.5 nm，位於凹槽側壁2之薄膜之厚度為54.2 nm，位於凹槽底部3之薄膜之厚度為55.1 nm。可見，位於凹槽之不同位置處之薄膜之厚度基本相近。因此，薄膜基本上均勻地形成在凹槽之頂部、側壁及底部上，具有較高的保型性。

下表示出圖4中之凹槽之深寬比以及位於凹槽之側壁及底部之薄膜之台階覆蓋率。如下表所示，採用本申請案之實施例之半導體處理裝置對深寬比為10:1之深凹槽沈積薄膜，凹槽側壁具有95.9%之台階覆蓋率(側壁薄膜厚度/頂部薄膜厚度)，且凹槽底部具有97.5%之台階覆蓋率(底部薄膜厚度/頂部薄膜厚度)。

深度比	(側壁)台階覆蓋率(%)	(底部)台階覆蓋率(%)
10:1	95.9%	97.5%

由此可見，採用本申請案提供之裝置及方法可提高沈積薄膜之生長速率、厚度均勻性及保型性。

本說明書中之描述經提供以使熟習此項技術者能夠進行或使用本申請案之技術方案。熟習此項技術者將易於顯而易見對本申請案之各種修改，且本說明書中所定義之一般原理可應用於其他變化形式而不會脫離本申請案之精神或範疇。因此，本申請案不限於本說明書所述之實例及設計，而是被賦予與本說明書所揭示之原理及新穎特徵一致的最寬範疇。

1:製程腔 2:汽化裝置 3:氣體管線 4:第一管線 5:第一氣體源 6:反應源物質槽 7:第一支管線 8:第二支管線 9:支路 10:真空泵 11:第二氣體源 12:第二管線 12a:第二管線 12b:第二管線 31:第五閥 41:第一閥 42:第二閥 71:第三閥 81:第四閥 91:排氣閥 100:半導體處理裝置 200:半導體處理裝置 300:半導體處理裝置

本說明書中之揭示內容提及且包含以下各圖： 圖1為根據本申請案之實施例之半導體處理裝置的結構示意圖； 圖2為根據本申請案之又一實施例之半導體處理裝置的結構示意圖； 圖3為根據本申請案之另一實施例之半導體處理裝置的結構示意圖； 圖4示出採用根據本申請案之實施例之半導體處理裝置在凹槽中沈積薄膜後用掃描電子顯微鏡拍攝的凹槽剖面圖； 圖5A示出圖4中位於凹槽頂部之薄膜的部分放大圖； 圖5B示出圖4中位於凹槽側壁之薄膜的部分放大圖；且 圖5C示出圖4中位於凹槽底部之薄膜的部分放大圖。

根據慣例，圖示中所繪示之各種特徵可能並非按比例繪製。因此，為了清晰起見，可能任意擴大或減小各種特徵之尺寸。圖示中所繪示之各部件之形狀僅為例示性形狀，並非限定部件之實際形狀。另外，為了清楚起見，可能簡化圖示中所繪示之實施方案。因此，圖示可能並未繪示給定設備或裝置之全部組件。最後，可貫穿說明書及圖示使用相同參考標號來表示相同特徵。

1:製程腔

2:汽化裝置

3:氣體管線

4:第一管線

5:第一氣體源

6:反應源物質槽

7:第一支管線

8:第二支管線

9:支路

10:真空泵

11:第二氣體源

12:第二管線

31:第五閥

41:第一閥

42:第二閥

71:第三閥

81:第四閥

91:排氣閥

100:半導體處理裝置

Claims (13)

1. 一種半導體處理裝置，其包括： 製程腔； 汽化裝置，其用以使經由第一管線進入該汽化裝置之液態反應源物質汽化； 氣體管線，其耦接在該汽化裝置與該製程腔之間，用以向該製程腔輸送該汽化裝置產生之經汽化之反應源物質；及 第一氣體源，該第一氣體源藉由該第一管線耦接至該汽化裝置，該第一管線上設置有靠近該汽化裝置之第一閥及靠近該第一氣體源之第二閥， 其中該第一閥為原子層沈積(ALD)閥，且該第一管線上不包含液體流量計。
2. 如請求項1之半導體處理裝置，其進一步包括： 反應源物質槽，其用以容納液態反應源物質，該反應源物質槽藉由第一支管線耦接至位於該第二閥遠離該第一氣體源之一端的該第一管線，且藉由第二支管線耦接至位於該第二閥靠近該第一氣體源之一端的該第一管線，其中該第一支管線之端部位於該反應源物質槽中之反應源物質液面下方，且該第二支管線之端部位於該反應源物質槽中之反應源物質液面上方。
3. 如請求項2之半導體處理裝置，其中： 該第一支管線上設置有第三閥，及/或 該第二支管線上設置有第四閥。
4. 如請求項1之半導體處理裝置，其進一步包括： 第二氣體源，該第二氣體源藉由第二管線耦接在該第一閥與該汽化裝置之間的該第一管線上，或耦接至該汽化裝置之進氣口，或耦接至該氣體管線。
5. 如請求項1之半導體處理裝置，其中該氣體管線上設置有第五閥。
6. 如請求項5之半導體處理裝置，其中該氣體管線進一步包括： 支路，其一端耦接在該第五閥與該汽化裝置之間的該氣體管線上，且另一端耦接至真空泵，該支路上設置有排氣閥。
7. 如請求項6之半導體處理裝置，其進一步包括： 第二氣體源，該第二氣體源藉由第二管線耦接在該汽化裝置與該支路之間的該氣體管線上，或耦接至該汽化裝置之進氣口，或耦接至該第一管線。
8. 如請求項3之半導體處理裝置，其進一步包括控制器，該控制器經組態以： 在反應源物質注入階段期間，關閉該第二閥，開啟該第一閥、該第三閥及該第四閥，以使該反應源物質槽中之液態反應源物質在來自該第一氣體源之第一氣體的推動下進入該汽化裝置。
9. 如請求項8之半導體處理裝置，其中該控制器進一步經組態以控制該第一閥在該反應源物質注入階段期間保持開啟之時間，以控制進入該汽化裝置之液態反應源物質之量。
10. 如請求項8之半導體處理裝置，其中該控制器進一步經組態以： 在淨化階段期間，使該第三閥及該第四閥保持開啟，關閉該第一閥及該第二閥，以使該反應源物質槽中之液態反應源物質在該第一氣體的推動下進入該第一管線而不進入該汽化裝置。
11. 如請求項7之半導體處理裝置，其進一步包括控制器，該控制器經組態以： 在反應源物質注入階段期間，關閉該排氣閥，開啟該第五閥，以使來自該第二氣體源之第二氣體攜帶該汽化裝置產生之經汽化之反應源物質進入該製程腔。
12. 如請求項11之半導體處理裝置，其中該控制器進一步經組態以： 在淨化階段期間，關閉該第五閥，開啟該排氣閥，以使該第二氣體攜帶該氣體管線中之殘留反應源物質進入該真空泵。
13. 如請求項1之半導體處理裝置，其中該氣體管線上設置有加熱裝置，該加熱裝置用以使該氣體管線中之該經汽化之反應源物質保持一定的溫度。