[0003] 本发明涉及一种半导体处理系统(semiconductor processing system)，且特别是涉及一种用于半导体处理系统的反应室(reaction chamber)。

[0004] 在诸如晶体管、二极管及集成电路半导体装置的处理中，通常在一半导体材料薄片(例如基板、晶片(wafer)或工件)上同时制作多个该种装置。在该种半导体装置的制造过程的半导体处理步骤的一实例中，通常将基板传送至反应室中，且在反应室中将材料薄膜或层沉积在晶片的外露表面上。一旦已将所期望厚度的半导体材料层沉积在基板的表面上，便将基板传送出反应室以供包装或进一步处理。

[0005] 用以将材料薄膜沉积在基板表面的已知方法包括(但不限于)(常压或低压)气相沉积、溅镀(sputtering)、喷涂及退火(spray-and-anneal)及原子层沉积(atomic layer deposition)。例如，化学气相沉积(Chemical vapor deposition；CVD)系为通过某些气态化合物在反应室内发生热反应或分解，而在受热基板上形成稳定的化合物。反应室提供受控环境，以在基板上安全地沉积稳定化合物。

[0006] 用于特定工具或过程的反应室的类型可视所执行过程的类型而不同。常用于CVD方法的一种反应室是水平流式冷壁型反应室(horizontal flow，cold-wall reaction chamber)，其中该反应室包括大致细长的室，而欲处理的基板即插入该室中。将过程气体喷射入或引入反应室的一端，且沿纵向长度流动，穿过基板后自相对端排出反应室。当过程气体穿过反应室内的受热基板时，在基板的表面处发生反应而使一材料层沉积在基板上。

[0007] 当气体沿水平流式反应室的长度流动时，流型(flow pattern)可能会不均匀，或者是因为气体接触反应室内的各种结构(例如基座、基板或反应室本身的壁)而形成局部区域的紊流。当局部区域的紊流与所处理的基板的表面交迭时，基板表面上的沉积均匀性将变差。与基板反应的过程气体所造成的局部区域紊流可能导致形成凸块、脊或其它会降低沉积均匀性的局部沉积物。由在至少有一部分通过反应室的是非层状且不稳定的气体流，因该沉积后的基板表面轮廓(profile)变得不可预测。

[0008] 因该，需要一种改良的反应室，该改良的反应室是可调节的，以减少或消除穿过反应室的过程气体流有不均匀的现象或者是在局部区域为紊流，进而在所处理基板上提高沉积的均匀性或产生可预测的沉积轮廓。

[0024] 参见图1，其示出半导体处理系统10的示例性实施例。半导体处理系统10包括喷射器配件12、反应室配件14及排气口配件16。半导体处理系统10被配置为接收欲在反应室配件14内处理的基板18(图2)。喷射器配件12被配置为将各种气体引入反应室配件14，其中在反应室配件14内，在所引入的气体与基板18之间发生至少一种化学反应，基板18支撑在反应室配件14中。然后，经排气口配件16自反应室配件14移除未反应的过程气体及废气。

[0025] 如图1与图2所示，喷射器配件12的实施例包括多个喷射器20，喷射器20可操作地连接至进气集管22。在一实施例中，进气集管22包括第一气体管线24及第二气体管线26。第一气体管线24被配置为将气体自喷射器20经进气集管22传送至反应室配件14的反应室30的上部。第二气体管线26可操作地连接至气体源且被配置为将气体自气体源经进气集管22传送至反应室配件14的反应室30的下部。本领域技术人员应理解，进气集管22可包括任何数量的用于载送欲引入反应室30的气体的气体管线。在一实施例中，排气口配件16可移除地连接至反应室配件14的反应室30的出口32。

[0026] 在一实施例中，如图2与图3所示，反应室配件14包括反应室30、基板支撑配件34及基座环配件36。基板支撑配件34包括基座38、可操作地连接至基座38的基座支撑构件40、及可操作地连接至基座支撑构件40并由基座支撑构件40延伸的管子42。在操作过程中，基板18支撑在基座38上。基板支撑配件34系为可旋转的，若沉积过程中需要旋转基板18时，则基板支撑配件34用以在操作过程中旋转基板18。

[0027] 在一实施例中，如图2与图3所示，基座环配件36包括基座环44及基座环支架46。基座环44被配置为围绕基座38，以消除或减少在处理过程中自基座38的外径向边缘所损失的热量。基座环支架46自反应室30的下表面延伸并可操作地连接至基座环44，以使基座环相对在基板支撑配件34保持处在实质固定的位置。

[0028] 参见图2至图6，其示出为反应室30的示例性实施例。所示反应室30系为一水平流(horizontal flow)、单程(single pass)、分流式(split flow)冷壁型室。尽管所示反应室30是以分流式室为例，然本领域技术人员应理解，改良的反应室30可为分流式室或单室。在一实施例中，反应室30是由石英制成。图1与图2中所示的反应室30通常用于反应室30内的压力处在或接近大气压的过程。本领域技术人员应理解，以下所论述的概念是与所示的常压反应室30相关，但相同的概念亦可与反应室内的压力小在大气压的减压反应室结合。反应室30包括入口28、出口32及位于入口28与出口32之间的反应空间48。入口28及出口32由凸缘50围绕。喷射器配件12(图1)可操作地连接至围绕入口28的凸缘50，排气口配件16(图1)则可操作地连接至围绕出口32的凸缘50。反应室30包括上室52及下室54，其中上室52通过邻近入口28的第一板56及邻近出口32的第二板58而与下室54隔开。第一板56与第二板58是在纵向上间隔开，以留出配置基板支撑配件34及基座环配件36的空间。如图2所示，第一板56、第二板58、基板支撑配件34及基座环配件36界定出上室52与下室54之间的边界。在一实施例中，上室52与下室54流体连通。
在另一实施例中，上室52与下室54之间实质上为密封隔绝。

[0029] 在一实施例中，如图2至图6所示，反应室30包括上壁60、下壁62及在上壁60与下壁62之间延伸的相对的侧壁64。在一实施例中，上壁60与下壁62实质相互平行。在另一实施例中，上壁60与下壁62则不相互平行。例如，在一实施例中，上壁60(图未示出)在相对的侧壁64之间向上弯曲，使上壁60具有半圆形。在另一实施例中，上壁60自相对的侧壁64向上倾斜以形成纵向接合部，该纵向接合部实质平行在反应室30的纵轴。本领域技术人员应理解，反应室30的上壁60及/或下壁62可形成为平面壁或非平面壁。本领域技术人员亦应理解，上壁60及下壁62可形成为相同或不同的形状。上壁60、下壁62及侧壁64延伸在相对的凸缘50之间，以在反应室30内形成一体积。反应空间48是反应室30内的总体积的至少一部分，且过程气体与设置在反应空间48内的基板18反应，以在基板
18上形成一沉积层。

[0030] 在分流式反应室30的一实施例中，如图2至图6所示，反应空间48是大致由上壁60、第一板56、第二板58、基板支撑配件34、基座环配件36、侧壁64、入口28及出口32所界定的体积。反应空间48通常是分流式反应室30的上室52内所界定的体积。本领域技术人员应理解，在单室式反应室30(图未示出)的一实施例中，反应空间48是由上壁60、下壁62、侧壁64、入口28及出口32所界定。单室式反应室30的反应空间48可被界定为反应室30的总体积。反应空间48亦可被界定为紧邻所处理基板18的上外露表面的体积。
反应空间48提供使基板18(图2)与引入反应室30的过程气体之间在其中进行化学反应的体积。

[0031] 在一实施例中，如图2至图6所示，第一板56是与反应室30的侧壁64一体成型。在另一实施例中，第一板56则与反应室30分别形成，且第一板56在组装期间插入反应室
30中。当分别形成时，例如是可将第一板56设置在与反应室30的侧壁64一体成型的一对突沿上(图未示出)。在一实施例中，第一板56以实质水平的方式定向，或以实质平行在反应室30的上壁60及下壁62的方式定向。在另一实施例中，第一板56则以与上壁60及下壁62之间夹有一夹角的方式定向。在一实施例中，第一板56的前缘实质对准围绕入口28的凸缘50的正面。在另一实施例中，第一板56的前缘自围绕入口28的凸缘50的正面向内间隔开。在邻近反应室30的入口28处的上室52与下室54之间，第一板56提供障壁。

[0032] 在一实施例中，如图2至图4及图6所示，第一板56划分入口28，以为反应室30的上室52及下室54提供单独且不同的入口。在一实施例中，入口28可包括上入口70与下入口72，上入口70与上室52流体连通以引入气体在上室52中，下入口72则与下室54流体连通以引入气体在下室54中。在一实施例中，可将上入口70及/或下入口72分为多个相间隔的入口，其中每一相间隔的入口将气体引入分流式反应室30的同一室中。在一实施例中，第一板56的前缘实质对准邻近在入口28的凸缘50正面，使第一板56接触进气集管22(图2)，藉该将来自第一气体管线24的气体与来自第二气体管线26的气体分开。

[0033] 在一实施例中，第二板58与反应室30的侧壁64一体成型。在另一实施例中，如图2、图3及图6所示，第二板58则与反应室30分别形成，且第二板58在组装期间插入反应室30。当分别形成时，例如是可将第二板58设置在与反应室30的侧壁64一体成型的一对相对突沿66上。在一实施例中，第二板58是以实质水平的方式定向，或以实质平行在反应室30的上壁60及下壁62的方式定向。在另一实施例中，第二板58是以与上壁60及下壁62之间夹有一夹角的方式定向。在一实施例中，第二板58自紧邻基座环44的后缘的位置延伸。在一实施例中，第二板58的后缘实质对准围绕出口32的凸缘50的后表面。在另一实施例中，第二板58的后缘自围绕出口32的凸缘50的后表面向内间隔开。第二板58在邻近反应室30的出口32处的上室52与下室54之间提供障壁。

[0034] 在一实施例中，如图2及图5所示，指向出口32的第二板58的边缘自出口32向内间隔开，使出口32包含单个开孔，自第一气体管线24及第二气体管线26引入反应室30的全部气体皆透过该开孔排出反应室30。在另一实施例中，第二板58的朝后表面与围绕出口32的凸缘50实质上共面，使第二板58提供上出口(图未示出)及下出口(图未示出)，其中引入上室52的气体透过上出口排出反应室30并且引入下室54的至少一部分的气体透过下出口排出反应室30。

[0035] 在一实施例中，如图2所示，第二板58包含自其向下延伸的挡板68。挡板68延伸至邻近或接触反应室30的下壁62的位置。在一实施例中，挡板68实质上延伸至相对的侧壁64之间的整个距离。在另一实施例中，挡板68仅延伸至相对的侧壁64之间的一部分宽度。挡板68被配置为在入口28及出口32之间阻挡下室54内的至少一部分气体流。在操作中，挡板68还可被配置为在下室54与上室52之间产生压力差，使下室54内的压力大在上室52内的压力，藉该迫使引入下室54的气体的至少一部分进入上室52。例如，下室54内的气体可通过流经基座环配件36与板56、58之间的间隙或流经基座环配件36与基板支撑配件34之间的间隙而流至上室52。通过迫使引入下室54的气体的至少一部分流入上室52，流入上室52的气体流可减少或消除可能由上室52流至下室54的过程气体。

[0036] 喷射器20被配置为将至少一种气体引入至分流式反应室30的上室52。喷射器20经由入口28引入气体，以在入口28与出口32之间在反应空间48内形成气体的流动速度，其中气体的流动速度沿实质水平的流动路径。一般而言，可提供由计算机操作的控制器，用于控制来自各种来源及喷射器20的气体流。喷射器20是可调节的或可调整的，以在反应空间48内形成不同的流动速度。可别调整各个喷射器20，以修改或调整自喷射器排至反应室30的气体的流量剖面(flow profile)。例如，排出每一喷射器20的气体的速度可相同或不同，以形成自入口集管22引入反应室30的气体的总体流量剖面，该流量剖面在入口28与出口32之间具有实质上稳定的层流。在一实施例中，喷射器20为可调整的，以引入气体至反应室30的上室52中，以在反应室30内且在实质大气压下进行的过程中，形成在5厘米/秒-100厘米/秒、特别是在约15厘米/秒-40厘米/秒的气体流动速度。在另一实施例中，喷射器20为可调整的，以在反应室30内且在实质大气压下进行的过程中，形成在20厘米/秒-25厘米/秒的气体流动速度。本领域技术人员应理解，对在在减低的压力下或在低在大气压的压力下进行的过程，流经反应室30的气体的流动速度可有所不同。

[0037] 改良的反应室30被配置为稳定气流，或减少及/或消除在入口28与出口32之间发生的过程气体的局部区域紊流，藉该提高在反应室30内进行处理的基板18上的沉积均匀性。改良的反应室30亦被配置为最佳化流经反应空间48的气流，以改善气体的层流。入口28与出口32之间的该种稳定气体层流使基板18表面上的沉积更为均匀。本领域技术人员应理解，所处理基板上的更均匀沉积将提供如下所述的沉积轮廓：尽管其并非必定为平面，但是只要是在稳定的气体层流流过基板的表面的条件下，其将至少为较可预测的轮廓。该改良的反应室30可用于处理任何规格的基板18，包括但不限于150毫米基板、200毫米基板、300毫米基板及450毫米基板。以下所讨论的反应室30的尺寸是针对用于处理300毫米基板的反应室30为例，但本领域技术人员应理解，用于在处理300毫米基板的反应室内改善层流及均匀沉积的最佳化技术同样可用于在被配置为处理其它规格基板的反应室
30中，以改善气体的层流及基板上的均匀沉积。

[0038] 在用于处理300毫米基板18的分流式反应室30的一示例性实施例中，如图2与图3所示，反应空间48是上室52内所涵盖的体积的至少一部分。相对的侧壁64之间提供一宽度W，且上壁60在上壁60与第一板56之间提供第一高度H1、并在上壁60与第二板58之间提供第二高度H2。在一实施例中，上壁60与第一板56之间的第一高度H1相同在上壁60与第二板58之间的第二高度H2。在另一实施例中，上壁60与第一板56之间的第一高度H1不同在上壁60与第二板58之间的第二高度H2。相对的侧壁64之间的宽度W宽至足以使基座38及基座环44配置在其间。在一实施例中，如第2图所示，反应空间48在沿反应室30的长度的方向上具有实质为矩形的截面，该截面由宽度W及各凸缘50之间的长度所界定。尽管反应室30的长度及宽度可加以修改，然而本领域技术人员应理解，由在受限在反应室30内将安装的工具尺寸，在各种反应室30中，反应室30的该等尺寸将可能保持实质恒定。

[0039] 在一实施例中，上壁60与侧壁64一体成型，以界定出上室52的一部分。当上壁60与侧壁64一体成型时，上室52为可调节的，以在上室52内的入口28与出口32之间形成实质稳定的气体层流。在一实施例中，可利用建模程序调节上室52，该建模程序对上室
52内的气流进行建模以最佳化流过上室的气体流。在最佳化流过反应室30的上室52的气流的过程中，可修改第一高度H1及第二高度H2、宽度W、反应空间48的长度、及/或上室
52内的流经入口28与出口32之间的气体的速度。该建模程序可用于预先确定上室52的尺寸，以最佳化流过上室52的气体流。该种建模亦可用于预先确定由气体喷射器20引入反应室的气体的气体速度及流量剖面。

[0040] 在用于调节上室52的一实施例中，上室52的尺寸是固定的，且对来自喷射器20的气体速度及流量剖面进行建模，以最佳化来自每一喷射器20的流动速度及排出入口集管22的气体的流量剖面，进而在入口28与出口32之间提供实质稳定的气体层流。在用于调节上室52的另一实施例中，来自每一喷射器20的流动速度及排出入口集管22的气体的流量剖面是固定的，且对上室52的尺寸进行建模，以使尺寸最佳化，进而在入口28与出口32之间提供实质稳定的气体层流。

[0041] 在用于调节上室52的再一实施例中，可修改第一高度H1及第二高度H2，同时亦修改引入上室52的气体的流动速度及流量剖面。通过调整上壁60以增大或减小第一高度H1及第二高度H2而对反应室30的上壁60进行建模。由在是相对在第一板56及第二板58来调整上壁60的高度，故排出喷射器的气体的速度亦得到调整，以保持排出入口集管22的气体的预定流量剖面或最佳化排出入口集管22的气体的预定流量剖面。例如，以形成预定流动速度为约20厘米/秒-25厘米/秒的以实质稳定层流形式流过上室52的过程气体为例，当上壁60被建模成与第一板56及第二板58相距为更大距离时，调整喷射器20以引入更多的气体至上室52内，藉该保持流过上室52的气体的预定流动速度。可通过比较流过上室52的各气体的流型而调节上室52，以最佳化第一高度H1及第二高度H2，进而以预定流动速度来形成实质稳定的层流。本领域技术人员应理解，可修改及建模(例如，例如建模软件)上室的尺寸、来自喷射器20的气体速度、排出入口集管22的气体的流量剖面、或其任意组合，以最佳化上室52内的气流，进而在所处理基板的表面提供实质稳定的气体层流，藉该形成沉积在基板上的实质均匀的材料层。

[0042] 在一实施例中，上室52(或整个反应室30)的尺寸在操作过程中是固定不变的，且通过使用建模软件来预先确定反应空间48的尺寸，而在操作的前确定对上室60的调整。在一实施例中，在处理过程中，上室60为可移动的，例如通过搭配使用一顶篷嵌件80(如下所述)与一自动化位置控制系统而达成。

[0043] 在采用错流式(cross-flow)反应室30(诸如图2所示的反应室)的实施例中，基板18自正面的上入口70送入反应室30，在该等实施例中，可通过调整上壁60与第一及第二板56、58之间的相对距离而最佳化反应室30的上室52的体积。本领域技术人员应理解，不应减小第一高度H1，否则基板18将无法载入上室52并设置在基座38上。第一高度H1应至少大到足以容许透过上入口70插入及移除一末端执行器(图未示出)。然而，对在基座38的位置较低的反应室(图未示出)而言，由在基板18设置在基座38上的实质低在第一板56及第二板58的位置处，因该可将第一高度H1及第二高度H2减小至第一板56及第二板58几乎触及上壁60、但仍在其间保持一较小间隙为止，以容许过程气体流过上室52。

[0044] 在一实施例中，通过使上壁60保持在使第一高度H1及第二高度H2保持固定值的预定位置而可调节上室52，并调整喷射器20以修改引入上室52的流动速度及/或流量剖面。调整喷射器20以增大或减小气体的流动速度，其中气体经入口集管22流入上室52，并对流经反应室的所得流型进行建模。

[0045] 在又一实施例中，可通过调整上壁60相对在第一板56及第二板58的位置以修改第一高度H1及第二高度H2以及通过调整喷射器20来对流过上室52的气体的流型进行建模，藉该可调节上室52，其中将上室52的体积以及引入上室52的气体的流动速度及流量剖面最佳化，以形成流过上室52的实质稳定的气体层流。

[0046] 在调节用于处理300毫米基板的分流式反应室30的上室52的一示例性过程中，上壁60在第一板56及第二板58上方并与其间隔开，以提供约1.2英寸(3.05厘米)的第一高度H1及第二高度H2并在相对的侧壁64之间提供约17英寸(43.18厘米)的宽度W，其中上室52的体积约为590立方英寸(9.67升)。利用约为20厘米/秒-25厘米/秒的气体流动速度及上述示例性尺寸进行的流体动力学建模(dynamic modeling)显示，形成穿过上室52且实质稳定的层流，从而使在反应室30内处理的基板上的沉积均匀性达到最佳化。在调节用于处理300毫米基板的分流式反应室30的上室52的另一示例性过程中，上壁60在第一板56及第二板58上方并与其间隔开，以提供约0.8英寸(2.03厘米)的第一高度H1及第二高度H2并在相对的侧壁64之间提供约17英寸(43.18厘米)的宽度，其中上室52的体积约为393立方英寸(6.44升)。利用约为20厘米/秒-25厘米/秒的气体流动速度及上述示例性尺寸进行的流体动力学建模显示，形成穿过上室52且实质稳定的层流，从而使在反应室30内处理的基板上的沉积均匀性达到最佳化。本领域技术人员应理解，可利用第一高度H1及第二高度H2与引入上室52的流动速度及流量剖面的任意组合来形成穿过上室52的实质稳定的气体层流，以在在反应室30中制作的基板上提供最佳的沉积均匀性。

[0047] 一旦完成对上室52的建模而使流过上室52的气体流达到最佳化，因而形成实质稳定的层流以在基板上形成更均匀的沉积，便可将反应室30建造成在建模过程中所确定的尺寸。在反应室30安装在半导体处理系统10中的后，将喷射器20校准至在建模过程中所确定的设定值，以形成所确定的流动速度及流量剖面。本领域技术人员应理解，为了使流过上室52的气体流达到完全最佳化，可能需要对喷射器20进行更精细的调整，以在在反应室30中处理的基板18上形成更均匀的沉积。

[0048] 在另一实施例中，如图7所示，将顶篷嵌件80嵌入反应室30的上室52中。顶篷嵌件80为上室52内的反应空间48提供可调整的上边界。顶篷嵌件80相对在第一板56及第二板58为可移动的。在一实施例中，可手动调整顶篷嵌件80，以改变高度H1及高度H2。在另一实施例中，可通过一机械调整器(图未示出)以机械方式调整顶篷嵌件80，以在各基板处理循环期间或在一基板处理循环期间调整顶篷嵌件80。本领域技术人员将容易了解，有许多种不同的机械及/或机电结构及装置可用于调整顶篷嵌件80的位置以改变高度H1及高度H2，并且在虑及尺寸与出入条件下，则可采用任何该等结构及装置。顶篷嵌件80为可调整的，以通过避免来自喷射器20的过程气体流过顶篷嵌件80与反应室30的上壁60之间来增大或减小上室52的有效体积。通过调整顶篷嵌件80的相对位置可调节上室52，以使流过反应空间48的气体流型达到最佳化，进而在入口28与出口32之间形成实质线性的流型。顶篷嵌件80使得能够针对不同的过程或过程配方而可轻易地调节上室52，而无需制作及安装全新的反应室30。亦可调整顶篷嵌件80以控制前后及/或左右斜度，使顶篷嵌件80实质不平行在上壁60或第一板56及第二板58。以该方式调整顶篷嵌件
80的能力可有助在控制或消除上室52内的过程损耗(process depletion)或其它不对称效应(asymmetric effects)。

[0049] 在一实施例中，通过利用顶篷嵌件80使基板18上的沉积均匀性达到最佳化来调节上室52的步骤包括：在顶篷嵌件80处在第一高度H1时，处理反应室30内的基板18，以确定基板18上的沉积均匀性。然后，将顶篷嵌件80调整至第二高度H2，并处理另一基板18，以确定基板18上的沉积均匀性。可对基板18进行进一步的处理，以进一步使引入反应空间48内的气体的流动速度及流量剖面达到最佳化，从而在在反应室30中处理的基板18上形成更均匀的沉积。本领域技术人员应理解，一旦确定出能达到完全最佳化的上室52的尺寸及/或形状，便可将顶篷嵌件80固定(即不可移动的)在反应室30内，或者顶篷嵌件
80仍为可调整的，以针对反应室30内的不同过程或配方进行进一步最佳化。本领域技术人员亦应理解，一旦确定出顶篷嵌件80相对在完全最佳化的上室52的位置，便可制造如下反应室30并将其安装在半导体处理系统10中：该反应室30具有处在完全最佳化位置的上室
52，其中反应室30的上壁60位于顶篷嵌件80的位置上。

[0050] 虽然本发明已揭露优选实施例，但是应该理解其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的条件下可进行修改。本发明的范围由所附权利要求限定，在所述权利要求的意思内的所有设备、处理和方法不论是字面上还是等同形式地都包括在内。