增加原子层沉积速率的方法

摘要

一种增加原子层沉积速率的方法。首先，提供一基底于一原子层沉积反应室中，通过第一反应气体入口导入第一反应气体，使第一反应气体化学吸附于基底上；然后，导入惰性气体来吹净原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第一反应气体于原子层沉积反应室中；接着，通过第二反应气体入口导入第二反应气体，使第二反应气体与吸附于基底上的第一反应气体产生化学反应，并且同时地第二反应气体与残留的第一反应气体产生化学反应，因而形成一化合物层于基底上；之后，导入惰性气体来吹净原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第二反应气体于原子层沉积反应室中。

说明书

技术领域

本发明是有关于半导体制程，特别是有关于一种原子层沉积(atomiclayer deposition，ALD)制程，更特别是有关于一种通过减少吹净时间(purgetime)和控制排气阀开口率，以增加原子层沉积速率(deposition rate)的方法。

背景技术

近年来，为因应能够沉积更精密的结构，以及更致密、更平坦、无缺陷、无杂质的薄膜，一些设备制造商(例如应用材料公司)便推出了原子层沉积装置(atomic layer deposition apparatus)，可在低温度范围下沉积薄且均匀的纯净薄膜。

图1-图4所示，为传统的原子层沉积(ALD)制程的机制(mechanism)，为说明方便，在此以沉积TiN层的一回制程(one process cycle)为例。

首先，参阅图1所示，导入TiCl₄气体110于一原子层沉积反应室(ALDchamber)中，使部分TiCl₄气体化学吸附(chemi sorption)于一基底100上。并且在此步骤中，原子层沉积反应室中的排气阀全开(throttle valve fullyopen)。

然后，参阅2所示，导入氩气120一定时间(约1-2秒)来吹净原子层沉积反应室内部，用以完全冲净(flush)残留于原子层沉积反应室中的未吸附(un-absorbed)的TiCl₄气体。并且在此步骤中，原子层沉积反应室中的排气阀全开(throttle valve fully open)。

然后，参阅图3所示，导入NH₃气体130，使NH₃气体130与吸附于基底100上的TiCl₄气体110产生化学反应，因而形成一TiN层140于该基底100上。并且在此步骤中，原子层沉积反应室中的排气阀全开(throttle valvefully open)。

接着，参阅图4所示，导入氩气120来吹净该原子层沉积反应室内部，用以完全冲净(flush)残留于原子层沉积反应室中残留的NH₃气体。并且在此步骤中，原子层沉积反应室中的排气阀全开(throttle valve fully open)。其主要缺陷在于：

由于传统的原子层沉积机制是通过化学吸附作用来进行沉积，所以沉积速率非常地慢，一般是小于10/min。所以传统的原子层沉积方法对于需要沉积较厚的薄膜时，是相当不利于大量生产的。

另外，在美国专利第6399491号中，有揭示一种增加原子层沉积速率的方法，该专利是利用脉冲地重合(pulse overlap)第一反应气体与第二反应气体的部份输入时间，使其具有ALD与CVD的机制，而增加沉积速率。其主要缺陷在于：

然而该方法必须一直开启吹净气体(purge gas，例如惰性气体)，因而增加了成本，而且还要精确地控制重合时间(overlapping time)，所以较难控制制程条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增加原子层沉积速率的方法，克服现有技术的缺陷，达到提升生产效率的目的。

本发明的另一目的在于提供一种增加原子层沉积速率的方法，通过缩短惰性气体吹净时间及控制排气阅的开口率，达到能够增加原子层沉积速率的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种增加原子层沉积速率的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

(a)提供一基底于一原子层沉积反应室中，该原子层沉积反应室至少具有一惰性气体入口、一第一反应气体入口、一第二反应气体入口与一排气口，该惰性气体入口导入惰性气体来吹净该原子层沉积反应室内部，该排气口具有一节流阀；

(b)通过该第一反应气体入口导入第一反应气体，使第一反应气体化学吸附于该基底上；

(c)导入惰性气体来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第一反应气体于该原子层沉积反应室中；

(d)通过该第二反应气体入口导入第二反应气体，使第二反应气体与吸附于该基底上的第一反应气体产生化学反应，并且同时第二反应气体与残留的第一反应气体产生化学反应，因而形成一化合物层于该基底上；

(e)导入惰性气体来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第二反应气体于该原子层沉积反应室中。

它更包括下列步骤：至少重复所述步骤(b)-(e)一次。所述的步骤(b)更包括下列步骤：通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率。所述的节流阀的开口率是控制在20-50％。所述的步骤(c)更包括下列步骤：通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率，以利残留部分第一反应气体于该原子层沉积反应室中。它更包括下列步骤：通过缩短惰性气体的吹净时间，以利残留部分第一反应气体于该原子层沉积反应室中。所述的惰性气体的吹净时间是0.2-1秒。所述的步骤(d)更包括下列步骤：通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率。所述的步骤(e)更包括下列步骤：通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率，以利残留部分第二反应气体于该原子层沉积反应室中。所述的原子层沉积反应室中的反应温度是200-600℃。所述的惰性气体包含氩气。

本发明还提供一种增加原子层沉积速率的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

(a)提供一基底于一原子层沉积反应室中、该原子层沉积反应室至少具有一氩气入口、一TiCl₄气体入口、一NH₃气体入口与一排气口，其中该氩气入口用以导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，而该排气口具有一节流阀；

(b)通过该TiCl₄气体入口导入TiCl₄气体，使TiCl₄气体化学吸附于该基底上；

(c)导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分TiCl₄气体于该原子层沉积反应室中；

(d)通过该NH₃气体入口导入NH₃气体，使NH₃气体与吸附于该基底上的TiCl₄气体产生化学反应，并且同时地NH₃气体与残留的TiCl₄气体产生化学反应，因而形成一TiN层于该基底上；

(e)导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分NH₃气体于该原子层沉积反应室中。

本发明再提供一种增加原子层沉积速率的方法，它适用于一电容的一TiN电极层的制程，其特征在于：它包括下列步骤：

(a)提供一基底于一原子层沉积反应室中，该原子层沉积反应室至少具有一氩气入口、一TiCl₄气体入口、一NH₃气体入口与一排气口，该氩气入口用以导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，该排气口具有一节流阀；

(b)通过该TiCl₄气体入口导入TiCl₄气体，使TiCl₄气体化学吸附于该基底上，并同时通过该排气口的该节流阀的开口率用以降低排气效率，该节流阀的开口率是控制在20-50％；

(c)导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分TiCl₄气体于该原子层沉积反应室中，并同时通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率，以利残留部分TiCl₄气体于该原子层沉积反应室中，该节流阀的开口率是控制在20-50％，以及通过缩短氩气的吹净时间，以利残留部分TiCl₄气体于该原子层沉积反应室中，该氩气的吹净时间是0.2-1秒；

(d)通过该NH₃气体入口导入NH₃气体，使NH₃气体与吸附于该基底上的TiCl₄气体产生化学反应，形成该电容的该TiN电极层于该基底上，同时通过该排气口的该节流阀的开口率，用以降低排气效率，以利残留部分NH₃气体于该原子层沉积反应室中，该节流阀的开口率是控制在20-50％；

(e)导入氩气来吹净该原子层沉积反应室内部，并通过缩短氩气的吹净时间，以利残留部分NH₃气体于该原子层沉积反应室中，该氩气的吹净时间是0.2-1秒，同时通过该排气口的该节流板的开口率，用以降低排气效率，以利残留部分NH₃气体于该原子层沉积反应室中，该节流阀的开口率是控制在20-50％。它适用于该电容的该TiN电极层的制程，其中该原子层沉积反应室中的反应温度是400℃。

本方面有提供一种增加原子层沉积速率的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

提供一基底于一原子层沉积反应室中；

导入第一反应气体，使第一反应气体化学吸附于该基底上；

导入惰性气体来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第一反应气体于该原子层沉积反应室中；

导入第二反应气体，使第二反应气体与吸附于该基底上的第一反应气体产生化学反应，并同时第二反应气体与残留的第一反应气体产生化学反应，因而形成一化合物层于该基底上；

导入惰性气体来吹净该原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第二反应气体于该原子层沉积反应室中；

该原子层沉积反应室的腔压是大于500mTorr。

所述的残留部分第一或第二反应气体于该原子层沉积反应室中的方法，是通过降低该原子层沉积反应室的排气效率来达成。所述的残留部分第一或第二反应气体于该原子层沉积反应室中的方法，是通过缩短惰性气体的吹净时间来达成。

本发明还提供一种增加原子层沉积速率的方法，其特征在于：它包括下列步骤：

提供一基底于一原子层沉积反应室中；以及进行一原子层沉积程序，该程序是包括分别导入至少一第一反应气体与一第二反应气体，其中在导入第一反应气体与第二反应气体之间时，进行一惰性气体吹净程序；该原子层沉积反应室的腔压是大于500mTorr。所述的使该反应室的腔压是大于500mTorr的方法，是通过降低该原子层沉积反应室的排气效率，而使得残留部分第一或第二反应气体于该原子层沉积反应室中来达成。所述的使该反应室的腔压是大于500mTorr的方法，是通过缩短惰性气体的吹净时间，使得残留部分第一或第二反应气体于该原子层沉积反应室中来达成。

以下配合附图及较佳实施例详细说明。

附图说明

图1-图4是传统的原子层沉积制程的机制示意图。

图5-图8是本发明的原子层沉积制程的机制示意图。

具体实施方式

参阅图5-图8所示，为本发明的原子层沉积制程示意图，在此要特别说明的是，为方便说明，本实施例虽以沉积TiN层的一回制程(one processcycle)为例，但是实际上本发明并未限定于形成TiN层，也不限定进行多少回的沉积制程(cycle times)。

首先，提供例如是硅晶圆(wafer)的一半导体基底200于一原子层沉积反应室(ALD Chamber，未图示)中，原子层沉积反应室至少具有一惰性气体(inert gas)入口、一第一反应气体(reactant gas)入口、一第二反应气体入口与一排气(exhaust)口，其中惰性气体入口用以导入惰性气体来吹净(purge)原子层沉积反应室内部，而排气口具有可以控制排气效率的一节流阀(throttle valve)。

然后，参阅图5所示，通过第一反应气体入口导入例如是TiCl₄的第一反应气体210，使第一反应气体210化学吸附(chemisorption)于基底200上，并且此时的原子层沉积反应室中的排气口的节流阀可以不全开，其开口率是20-50％，用以降低排气效率。此时，该原子层沉积反应室的腔压可以约大于500mTorr。

然后，参阅图6所示，导入例如是氩气的惰性气体220来吹净(purge)原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第一反应气体210于原子层沉积反应室中。在此要特别说明的是：为了要达成残留部分第一反应气体210的目的，发明者是将传统吹净时间缩短，并且配合控制排气口的节流阀的开口率。例如，以是0.2-1秒(亦即传统吹净时间的20％-50％)的时间来吹净原子层沉积反应室，并且此时的原子层沉积反应室中的排气口的节流阀的开口率控制在20-50％。此时，该原子层沉积反应室的腔压可以约大于500mTorr。

然后，参阅图7所示，通过第二反应气体入口导入例如是NH₃的第二反应气体230，使第二反应气体230与吸附于基底200上的第一反应气体210产生化学反应(即所谓8urface reaction)，并且同时地第二反应气体230与残留的第一反应气体210产生化学反应(即所谓gas phase reaction)，因而形成一例如是TiN的化合物层240于基底200上，并且此时的原子层沉积反应室中的排气口的节流阀不全开，其开口率是20-50％，用以降低排气效率。

此时，该原子层沉积反应室的腔压可以约大于500mTorr。

其次，参阅图8所示，导入例如是氩气的惰性气体220来吹净(purge)原子层沉积反应室内部，但仍残留部分第二反应气体230于原子层沉积反应室中。在此要特别说明的是，为了要达成残留部分第二反应气体230的目的，发明者是将传统吹净时间缩短，并且配合控制排气口的节流阀的开口率。例如，以是0.2-1秒(亦即传统吹净时间的20％-50％)的时间来吹净原子层沉积反应室，并且此时的原子层沉积反应室中的排气口的节流阀的开口率控制在20-50％。此时，该原子层沉积反应室的腔压可以约大于500mTorr。

之后，可以重复如所述图5-8所示的制程，直到沉积至所希望的薄膜厚度。还有，该原子层沉积反应室中的反应温度一般是控制在200-600℃，而本实施例的沉积TiN层的反应温度则例如是控制在400℃。

另外要特别说明的是：为了制程的稳定性，在所述图5-8所示的制程中，其各步骤的排气口的节流阀的开口率最好是固定，例如固定在25％。

在此，本发明提供一沉积TiN层的实验例(参阅所述图1-4所示的传统制程，以及图5-8所示的本发明制程)的结果比较表，用以比较本发明与传统ALD方法，其实验条件是在400℃的反应温度下进行，并且沉积TiN层至厚度约220，实验结果如下述表1所示：

表1

  条件  排气阀的  开口率(％)惰性气体吹净的时间(sec)TiN层的阻 值(μΩ-cm)  TiN层的沉积  速率(/min)Ar-1    Ar-2  传统  1001.0    1.5 175  6.4  本发明ALD(仅缩短氩  气冲净时间)  1000.3    0.3 227  24.0  本发明ALD(排气阀不  全开，且又缩短氩气  冲净时间)  250.3    0.3 345  74.4

Ar-1：是表示以氩气来冲净TiCl₄气体

Ar-2：是表示以氩气来冲净NH₃气体

排气阀：是表示排气口的节流阀

由所述表1可以得知：本发明的方法(通过控制排气阀的开口率以及/或缩短惰性气体吹净时间)可以有效地增加原子层沉积速率。

另外，发明者亦发现：本发明方法所沉积的TiN层的阻值介于传统ALD方法与传统CVD方法所沉积的TiN层的阻值，因此推论可通过本发明的方法而调整TiN层电性。

注：例如在400℃时，传统CVD所沉积的TiN层的阻值约为传统ALD的10倍以上。

以上仅为应用例，但并非限定本发明的应用范围。本发明方法所沉积的TiN层拿来当做是金属-绝缘体-金属电容(MIM capacitor)的上/下电极层时，发现其电性(electrical performance，例如漏电流、电容值等等)与传统ALD TiN所制成的电容非常相近，因此证明了本发明方法的实用性。、

本发明的主要特征及效果如下。

本发明的制程特征在于：通过缩短惰性气体吹净时间以及控制排气闷的开口率，而能够增加原子层沉积速率。

本发明的主要优点至少有：

(1).本发明可以有效地提升原子层沉积速率。

(2).本发明方法所沉积的TiN层的阻值介于根据传统ALD方法与传统CVD方法所沉积的TiN层的阻值，因此可通过本发明的方法而调整TiN层电性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作更动与润饰，都属于本发明的保护范围之内。