採用氣體分離型噴頭的原子層沉積裝置的製作方法
2023-10-05 17:17:54
專利名稱：採用氣體分離型噴頭的原子層沉積裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種原子層沉積(ALD)工藝，更特別涉及一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積裝置。
背景技術：
ALD工藝是一種用於沉積厚度小於90nm的半導體薄膜以形成厚度均勻的薄膜、同時最大程度地抑制雜質的工藝。在一般的ALD工藝中，重複執行這樣一種循環其中一種前體(precursor)被吸附和清除，而另一種前體也被吸附和清除。
然而，在常規的ALD裝置中，由於前體通過不同的注入孔被最終注入，因此氣流的改變導致工藝條件中的一致性被打亂。反應時間增加。
另一方面，由於在用於ALD工藝的相對較低的處理溫度時，反應氣體和沉積氣體之間的反應性必須較大，因此可用的前體種類少於在CVD工藝中可用的前體種類。為了解決上述問題，採用了這樣一種沉積半導體薄膜的方法通過等離子增強ALD(PE-ALD)來改善反應氣體的反應性，其中等離子體被應用於反應室中。
在PE-ALD工藝中，當等離子體被應用於反應室中時，等離子體的直接影響可能會使半導體元件或襯底受損。為了使等離子體引起的損害最小，通常採用預先形成於反應室之外的遠程等離子體。然而，在這種情況下，在將電離的前體通過供應管而提供給反應室時，離子的再結合使得等離子體效率降低。
發明內容
本發明提供一種採用氣體分離型噴頭的ALD裝置，通過採用該噴頭能夠抑制噴頭中副產品的生成，而且能夠保持反應室中氣流的均勻性。在該噴頭中，前體可被單獨提供並最終通過相同的注入孔而注入。
本發明還提供一種採用氣體分離型噴頭的ALD裝置，其能夠通過直接將電離用的能量提供給氣體分離型噴頭的氣體分離模塊來改善等離子體的效率，並能夠使等離子體對半導體襯底的影響最小。
根據本發明的一個方面，提供了一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積(ALD)裝置，所述氣體分離型噴頭包括具有外供應管和內供應管的氣體供應模塊，通過外供應管提供第一前體，通過內供應管提供第二前體；具有第一分散區域和第二分散區域的氣體分離模塊，第一分散區域連接到外供應管，第二分散區域連接到內供應管；以及具有多個公共孔的氣體注入模塊，所述第一前體和所述第二前體通過所述多個公共孔交替地注入到反應室中，所述ALD裝置包括第一前體源、第二前體源、吹掃氣體源以及排氣裝置。
儲存第一前體的第一前體源可以連接到外供應管。儲存第二前體的第二前體源可以連接到內供應管。儲存吹掃氣體的吹掃氣體源可以連接到外供應管和內供應管。排氣裝置可以排出反應室的剩餘材料。
根據本發明的另一個方面，提供了一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積(ALD)裝置，所述氣體分離型噴頭包括具有外供應管和內供應管的氣體供應模塊，通過外供應管提供第一前體，通過內供應管提供第二前體；具有第一分散區域和第二分散區域的氣體分離模塊，第一分散區域連接到外供應管，第二分散區域連接到內供應管；以及具有多個公共孔的氣體注入模塊，所述第一前體和所述第二前體通過所述多個公共孔交替地注入到反應室中，所述ALD裝置包括第一前體源、第二前體源、吹掃氣體源、電源以及排氣裝置。
儲存第一前體的第一前體源可以連接到外供應管。儲存所述第二前體的第二前體源可以連接到內供應管。儲存吹掃氣體的吹掃氣體源可以連接到外供應管和內供應管。電源可以將電離用的能量應用於氣體分離模塊。排氣裝置可以排出反應室中的剩餘材料。
通過參照附圖詳細描述本發明的示例性的實施方案，本發明的上述特徵和其它的特徵以及優點將會更加清楚，其中圖1示出了本發明所使用的氣體分離型噴頭的一個實施例；圖2詳細示出了圖1所示的氣體分離型噴頭的氣體分離模塊的一部分和氣體注入模塊的一部分；圖3示出了根據本發明的實施方案的ALD裝置；圖4示出了根據本發明的另一個實施方案的ALD裝置；以及圖5至圖9示出了本發明所使用的氣體分離型噴頭的實施例。
具體實施例方式
現在參考附圖詳細描述本發明的優選實施方案。
圖1示出了本發明所使用的氣體分離型噴頭。圖1所示的氣體分離型噴頭100包括氣體供應模塊110、氣體分離模塊120和氣體注入模塊130。
氣體供應模塊110包括彼此分開的外供應管110a和內供應管110b。第一前體A提供給外供應管110a，而第二前體B提供給內供應管110b。
氣體分離模塊120包括連接到外供應管110a的第一分散區域120a和連接到內供應管110b的第二分散區域120b。參考圖1，第一前體A提供給外供應管110a並在第一分散區域120a中被分散，第二前體B提供給內供應管110b並在第二分散區域120b中被分散。
第一分散區域120a被構建成一個區域。第二分散區域120b位於第一分散區域120a下方，且被分成多個區域。在第二分散區域120b的分開區域中可以設置氣體分配板210(圖2)，以均勻地分散第二前體B。
第二分散區域120b的鄰近的分開區域彼此隔開，也就是說，鄰近的分開區域的外表面之間存在恆定的空間。此外，在第二分散區域120b的每個區域的下部設有出口125b。
圖2詳細示出了圖1所示的氣體分離型噴頭的氣體分離模塊的一部分和氣體注入模塊的一部分。
參考圖2，第二前體B通過多個出口125b排放到氣體注入模塊130。第一前體A通過第二分散區域120b的外部空間和圍繞出口125b的空間125a，從第一分散區域120a排放到氣體注入模塊130。
第一前體A和第二前體B被注入的反應室中的位置150由出口125b端部的高度決定。根據處理的對象，出口125b可以位於高於氣體注入模塊130頂部的位置。可選地，出口125b可以位於氣體注入模塊130的頂部和底部之間。
氣體注入模塊130包括多個公共的孔135，第一前體A和第二前體B通過多個公共的孔135注入反應室中。
為了將氣體分離型噴頭100用於原子層沉積(ALD)工藝，第一前體A和第二前體B被交替地注入。即，當第一前體A注入反應室中時，只有第一前體A提供給外供應管110a，而第二前體B不提供給內供應管110b。可選地，當第二前體B注入反應室中時，只有第二前體B提供給內供應管110b，而第一前體A不提供給外供應管110a。
圖3示出了根據本發明的一個實施方案的ALD裝置。
圖3所示的ALD裝置300採用圖1所示的氣體分離型噴頭100。ALD裝置300包括第一前體源310、第二前體源320、吹掃氣體(purge gas)源330和排氣裝置340。
第一前體源310儲存第一前體A。第一前體源310連接到氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110的外供應管110a。
第二前體源320儲存第二前體B。第二前體源320連接到氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110的內供應管110b。
吹掃氣體源330儲存吹掃氣體。吹掃氣體源330連接到氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110的外供應管110a和內供應管110b。吹掃氣體可以是氮氣(N2)。
第一前體源310、第二前體源320和吹掃氣體源330連接到多個閥v/v1到v/v4，這些閥能夠控制氣流通過的孔的打開和關閉。如圖4所示，設有能夠控制每一氣體的流速的多個質量流量控制器(MFC)。
在第一前體A或第二前體B通過氣體分離型噴頭100的氣體注入模塊130被注入之後，吹掃氣體被提供給氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110的外供應管110a和內供應管110b至少之一，並且通過氣體注入模塊130中包括的多個孔135而注入反應室301中。
在第一前體A注入之後，為了淨化第一前體A的例如外供應管110a和第一分散區域120a等的通道，吹掃氣體可以提供給外供應管110a或者提供給外供應管110a和內供應管110b。類似地，在第二前體B注入之後，吹掃氣體可以提供給氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110的內供應管110b或者提供給外供應管110a和內供應管110b。
由於第一前體A和第二前體B被交替地提供給氣體分離型噴頭100的氣體供應模塊110，因此當第一前體A提供給內供應管110b並注入反應室301中時，第一前體可能回流到多個出口125。因此，當第一前體A提供給外供應管110a時，通過將吹掃氣體提供給內供應管110b可以防止第一前體A回流。類似地，當第二前體B提供給內供應管110b時，通過將吹掃氣體提供給外供應管110a可以防止第二前體B回流。此時，由於提供的吹掃氣體用來防止回流，因此吹掃氣體可以具有比第一前體A或第二前體B低的流速。
在反應室301被吹掃氣體淨化之後，排氣裝置340排出反應室301中的剩餘材料。為此，排氣裝置340設有泵。
排氣裝置340可以直接連接到第一前體源310和第二前體源320。在這種情況下，當注入第一前體時，第二前體被轉向通過排氣裝置340而不穿過氣體分離型噴頭100。當注入第二前體時，第一前體被轉向通過排氣裝置340而不穿過氣體分離型噴頭100。
圖4示出了根據本發明另一個實施方案的ALD裝置。
在圖4所示的ALD裝置400中，第一前體A可以與載氣源410所提供的載氣一起形成氣泡並提供給氣體分離型噴頭100。第二前體B可以與惰性氣體源420所提供的惰性氣體一起提供給氣體分離型噴頭100。
此外，圖4所示的ALD裝置400還設有為電離供應能量的電源430。
在一般的ALD工藝中，為了保持第一前體A和第二前體B的原始形狀，非電離的第一前體A和第二前體B注入反應室中。然而，在某些情況下，第一前體A和第二前體B中的一種氣體需要被電離和注入，或者第一前體A和第二前體B均需要被電離和注入。
因此，當電源430直接將電離用的能量提供給氣體分離型噴頭100的氣體分離模塊120時，第一前體A和第二前體B中需要被電離的一種前體可以在氣體分離型噴頭100中被電離並提供到反應室301的內側。
電離用的能量可以採用直流(DC)能量、射頻(RF)能量和微波能量中的一種。
特別地，當電離用的能量為射頻能量時，該能量可以具有單一的頻率、兩個頻率或者更多的頻率。例如，當電源430將電離用的能量提供給氣體分離模塊120時，該能量可以是具有13.56MHz的單一頻率的能量或者可以是具有13.56MHz和370KHz頻率的能量。
電源430可以將電離用的能量提供給單一位置。然而，隨著噴頭尺寸的增大，電源430可以將電離用的能量提供給氣體分離模塊120的多個位置。
圖5示出了本發明所使用的氣體分離型噴頭的另一個實施例。
在圖5所示的氣體分離型噴頭500中，電源430將電離用的能量提供給氣體分離模塊120。
當氣體分離模塊120與氣體注入模塊130之間具有絕緣體環510時，氣體注入模塊130便與氣體分離模塊120電絕緣。因此，在氣體分離模塊120和氣體注入模塊130之間，能量的影響受到阻止。因此，由電源430提供給氣體分離模塊120的能量不會影響氣體注入模塊130。
圖6和圖7示出了本發明所使用的氣體分離型噴頭的實施例。
圖6所示的氣體分離型噴頭600的氣體注入模塊130由絕緣體610製成。
當氣體注入模塊130由絕緣體610製成時，由於等離子體的影響受到絕緣體的阻止，因此，可以使等離子體對半導體襯底和反應室301中的其他裝置的影響最小。
絕緣體610可以是例如氧化鋁(Al2O3)和氮化鋁(AlN)的陶瓷、例如Teflon的聚合物、或者陶瓷化合物和聚合物。
圖7所示的氣體分離型噴頭700的氣體注入模塊130通過使上板710與下板720組合來構建。
上板710由絕緣體製成以阻止等離子體。下板720由例如鋁(Al)的導體製成，以相對於電離用的能量起到接地的作用。
在圖6和圖7所示的氣體分離型噴頭600和700中，由於氣體注入模塊130包括絕緣體，因此當電源430將電離用的能量提供給氣體分離模塊120時，該絕緣體能夠有效地阻止電離用的能量的影響而無需插入分離的絕緣體環510(圖5)。在圖6和圖7所示的氣體分離型噴頭600和700中，由於絕緣體610和710設置在噴頭的下側，因此等離子體對噴頭的注入表面的影響大大降低。因此，能夠避免靠近噴頭的半導體的損害。
在圖8所示的氣體分離型噴頭800中，圖6所示的絕緣體延伸到噴頭的側面。在圖9所示的氣體分離型噴頭900中，上板710和下板720延伸到噴頭的側面。在氣體分離型噴頭800和900的結構中，絕緣體610和710的面積被擴大。反應室301中的等離子體的影響可以進一步降低。
下面將描述ALD工藝的實施例，其中在通過採用ALD裝置來提供第二前體時應用等離子體，其中所述ALD裝置採用根據本發明的實施方案的氣體分離型噴頭。
首先，第一前體源310通過氣體分離型噴頭100將第一前體A注入反應室301中，以便在半導體襯底表面吸附第一前體。然後，吹掃氣體源330通過氣體分離型噴頭100將吹掃氣體注入反應室301中，以淨化反應室301的內部。
然後，電源430將電離用的RF能量應用於氣體分離型噴頭100的氣體分離模塊120。第二前體源320通過氣體分離型噴頭100將電離的第二前體B注入反應室301中，以使第二前體B與第一前體A反應。
然後，停止能量的應用，並且吹掃氣體源330通過氣體分離型噴頭100將吹掃氣體注入反應室中，以淨化反應室301的內部。
期望的ALD膜可以通過反覆執行上述工藝而形成。
此時，在提供第一前體A時，通過允許少量的吹掃氣體流過內供應管110b可以防止第一前體A回流。在提供第二前體B時，通過允許少量的吹掃氣體流過外供應管110a可以防止第二前體B回流。
如上所述，在根據本發明的實施方案的ALD裝置中，前體不會相互反應。通過採用其中前體最終通過相同的注入孔而被注入的噴頭，可以抑制噴頭中副產品的生成，並且可以保持反應室中氣流的均勻，此外，在根據本發明的實施方案的ALD裝置中，通過直接將電離用的能量應用於氣體分離型噴頭的氣體分離模塊而產生等離子體。通過在氣體分離型噴頭的下側設置絕緣體並通過最少的通道來提供前體，可以使等離子體的損耗以及等離子體對半導體襯底或反應室中的裝置的影響最小。
雖然已經參考本發明的示例性實施方案特別示出並描述了本發明，但是本領域的普通技術人員應該理解的是，在不脫離如所附權利要求所限定的本發明的範圍和精神的情況下，形式上和細節上還可以進行各種改變。
權利要求
1.一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積裝置，所述氣體分離型噴頭包括具有外供應管和內供應管的氣體供應模塊，通過所述外供應管提供第一前體，通過所述內供應管提供第二前體；具有第一分散區域和第二分散區域的氣體分離模塊，所述第一分散區域連接到所述外供應管，所述第二分散區域連接到所述內供應管；以及具有多個公共孔的氣體注入模塊，所述第一前體和所述第二前體通過所述多個公共孔交替地注入到反應室中，所述原子層沉積裝置包括第一前體源，其儲存所述第一前體並連接到所述外供應管；第二前體源，其儲存所述第二前體並連接到所述內供應管；吹掃氣體源，其儲存吹掃氣體並連接到所述外供應管和所述內供應管；以及排氣裝置，其排出所述反應室中的剩餘材料。
2.如權利要求1所述的原子層沉積裝置，其中，在所述第一前體或所述第二前體被注入之後，所述吹掃氣體被提供給所述外供應管和所述內供應管至少之一，並通過所述多個公共孔注入所述反應室中。
3.如權利要求1所述的原子層沉積裝置，其中當所述第一前體被提供給所述外供應管時，所述吹掃氣體被提供給所述內供應管，以及其中當所述第二前體被提供給所述內供應管時，所述吹掃氣體被提供給所述外供應管。
4.如權利要求1所述的原子層沉積裝置，其中所述排氣裝置分別直接連接到所述第一前體源和所述第二前體源，其中當注入所述第一前體時，所述第二前體被轉向通過所述排氣裝置而不穿過所述氣體分離型噴頭，以及其中當注入所述第二前體時，所述第一前體被轉向通過所述排氣裝置而不穿過所述氣體分離型噴頭。
5.如權利要求1所述的原子層沉積裝置，其中所述氣體分離模塊包括第一分散區域，其連接到所述外供應管並被構建成一個區域，所述第一前體在所述區域中被分散；第二分散區域，其位於所述第一分散區域下方，連接到所述內供應管且被分成多個區域，所述第二前體在所述多個區域中被分散；以及多個出口，其位於所述第二分散區域的所述多個區域的下側，所述第二前體通過所述多個出口被排放。
6.如權利要求5所述的原子層沉積裝置，其中所述第二分散區域的所述多個區域包括氣體分配板，用於均勻分散所述第二前體。
7.如權利要求5所述的原子層沉積裝置，其中所述第一前體從所述第一分散區域通過所述第二分散區域的所述多個區域的外部空間排放到圍繞所述多個出口的空間。
8.一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積裝置，所述氣體分離型噴頭包括具有外供應管和內供應管的氣體供應模塊，通過所述外供應管提供第一前體，通過所述內供應管提供第二前體；具有第一分散區域和第二分散區域的氣體分離模塊，所述第一分散區域連接到所述外供應管，所述第二分散區域連接到所述內供應管；以及具有多個公共孔的氣體注入模塊，所述第一前體和所述第二前體通過所述多個公共孔交替地注入到反應室中，所述原子層沉積裝置包括第一前體源，其儲存所述第一前體並連接到所述外供應管；第二前體源，其儲存所述第二前體並連接到所述內供應管；吹掃氣體源，其儲存吹掃氣體並連接到所述外供應管和所述內供應管；電源，其將電離用的能量提供給所述氣體分離模塊；以及排氣裝置，其排出所述反應室中的剩餘材料。
9.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中所述氣體分離型噴頭進一步包括絕緣體環，以使所述氣體注入模塊與所述氣體分離模塊電絕緣。
10.如權利要求9所述的原子層沉積裝置，其中所述氣體注入模塊由絕緣體製成。
11.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中所述氣體注入模塊通過使上板和下板組合而被構建，以及其中所述上板由絕緣體製成，而所述下板由導體製成以用於接地。
12.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中，在所述第一前體和所述第二前體被注入之後，所述吹掃氣體被提供給所述外供應管和所述內供應管至少之一併通過所述多個公共孔而注入所述反應室中。
13.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中當所述第一前體被提供給所述外供應管時，所述吹掃氣體被提供給所述內供應管，以及其中當所述第二前體被提供給所述內供應管時，所述吹掃氣體被提供給所述外供應管。
14.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中所述排氣裝置分別直接連接到所述第一前體源和所述第二前體源，其中當注入所述第一前體時，所述第二前體被轉向通過所述排氣裝置而不穿過所述氣體分離型噴頭，以及其中當注入所述第二前體時，所述第一前體被轉向通過所述排氣裝置而不穿過所述氣體分離型噴頭。
15.如權利要求8所述的原子層沉積裝置，其中所述氣體分離模塊包括第一分散區域，其連接到所述外供應管並被構建成一個區域，所述第一前體在所述區域中被分散；第二分散區域，其位於所述第一分散區域下方，連接到所述內供應管且被分成多個區域，所述第二前體在所述多個區域中被分散；以及多個出口，其位於所述第二分散區域的所述多個區域的下側，所述第二前體通過所述多個出口被排放。
16.如權利要求15所述的原子層沉積裝置，其中所述第二分散區域的所述多個區域包括氣體分配板，用於均勻分散所述第二前體。
17.如權利要求15所述的原子層沉積裝置，其中所述第一前體從所述第一分散區域通過所述第二分散區域的所述多個區域的外部空間排放到圍繞所述多個出口的空間。
全文摘要
本發明提供一種採用氣體分離型噴頭的原子層沉積(ALD)裝置。因此，原子層沉積裝置採用氣體分離型噴頭，所述氣體分離型噴頭包括氣體供應模塊、氣體分離模塊和氣體注入模塊。所述ALD裝置包括第一前體源，儲存第一前體並連接到外供應管；第二前體源，儲存第二前體並連接到內供應管；吹掃氣體源，儲存吹掃氣體並連接到外供應管和內供應管；電源，將電離用的能量應用於氣體分離模塊；以及排氣裝置，排出反應室中的剩餘材料。
文檔編號H01L21/02GK101041893SQ200710005658
公開日2007年9月26日 申請日期2007年3月8日 優先權日2006年3月21日
發明者裵根鶴, 金京洙, 金昊植 申請人:韓商奧拓股份有限公司