专利名称：薄膜沉积反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种反应器，尤指一种可于同一反应室(process chamber)中沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层(tetra-ethyl-ortho-silicate based siliconoxide layer，TEOS-based SiOxlayer)以及基于硅甲烷的氧化硅层(silane basedsilicon oxide layer，SiH4-based SiOxlayer)的等离子增强化学气相沉积(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)反应器。
背景技术：
化学气相沉积工艺，是一种被广泛应用于各种显示(display)组件、半导体(semiconductor)组件以及其它光电子(photo-electronics)组件的技术。该工艺是利用化学反应的方式，在反应室中将通常为气体的反应物(reactants)生成固态的生成物，并沉积在基材(substrate)表面的一种薄膜沉积技术。在经过数十年的发展之后，CVD已经俨然成为上述这些产品的相关技术中，最重要且最主要的薄膜沉积手段，凡上述产品所需要的薄膜，不论是导体薄膜、半导体薄膜或是介电薄膜，都可以利用CVD法来进行沉积。尤其是近年来非常受欢迎的等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)工艺，除了反应所需温度在450℃以下之外，还包括具有良好阶梯覆盖能力(step coverage ability)、低应力(low stress)、及合宜的沉积材质电气性能等优点，基于优良的适用性，其已成为一种无可取代的主流技术。
在利用PECVD法所沉积的各种介电薄膜中，氧化硅层的应用范围可以说是非常的广泛。以液晶显示器产品而言，氧化硅层不仅可以用来作为闸极绝缘层(gate insulating layer，GI layer)与电容介电层(capacitor dielectric layer)，也常被用来作为绝缘层(isolation layer)、平面化层(planarization layer)等。同时在各种半导体产品以及光电产品中，也常常可以看到氧化硅层的踪迹。氧化硅层依其反应方式之不同，可分为基于硅甲烷的氧化硅层以及基于原硅酸四乙酯的氧化硅层。前者以硅甲烷(silane，SiH4)以及笑气(N2O)作为反应气体，而后者以四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)以及氧气(O2)或是臭氧(O3)来作为反应气体。由于工艺用的硅甲烷与氧气或是臭氧，一旦混合就会燃烧，将造成极大的安全问题。因此，在处理这两种氧化硅层的沉积时，必需非常的小心。
请参考图1，图1为已知用来沉积基于四乙氧基硅烷的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层的等离子增强化学气相沉积反应器10的局部示意图。如图1所示，已知的等离子增强化学气相沉积反应器10包括一第一气体阀门12以及一第二气体阀门14，第一气体阀门12用来控制硅甲烷的流通，而第二气体阀门14用来控制氧气或是臭氧的流通。等离子增强化学气相沉积反应器10另包括多个反应室，在图1中以两个反应室16、18为例来做说明。硅甲烷经由被开启的第一气体阀门12被导入反应室16中，而氧气或是臭氧经由被开启的第二气体阀门14被导入反应室18中。由图1中可以清楚的看到，用来引导硅甲烷进入反应室16的第一气体阀门12与第一管线22，完全独立于用来导通氧气或是臭氧进入反应室18的第二气体阀门14与第二管线24，同时反应室16与反应室18之间，亦经由完善的真空(vacuum)技术而互相独立，完全不会有气体逸出或混合的情形。
等离子增强化学气相沉积反应器10另包括一第三气体阀门26，用以导入一四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)气体至反应室18中。第一气体阀门12、第二气体阀门14以及第三气体阀门26均为常闭式阀门(normally closed valve)，也就是说，在一般的情形之下，此三个阀门保持在关闭(turned-off)状态，只有当等离子增强化学气相沉积反应器10的控制工艺(control process)要求特定阀门开启时，该特定阀门才会被开启并导入气体至反应室16或是反应室18中，然后进行沉积工艺。同时，等离子增强化学气相沉积反应器10的反应室16以及反应室18，各包括至少一流量控制器(massflow controller，MFC，未显示)，而这些流量控制器依据一些预先设定的指令(commands)来控制各气体流进各反应室的流量，以使反应进行时，各气体的流量均被控制得十分精确。
在每次或数次的沉积步骤完成之后，也常会由一些预设的指令来控制对反应室16或是反应室18进行清洗(purge)的步骤或是等离子清洁(plasmaclean)的步骤，或是依序进行清洗步骤以及等离子清洁步骤。其中清洗步骤利用特定流量(flow rate)的氮气(nitrogen gas)在一些管线以及反应室中流通一特定时间，再同时以真空泵浦抽气，以将这些管线以及反应室中的残余气体(residual gas)带出。等离子清洁步骤则借着结合物理与化学两种机构来移除附着于反应室壁的氧化硅沉积。值得一提的是，以上是以等离子增强化学气相沉积反应器10包括两个反应室16、18为例来做说明，但事实上，等离子增强化学气相沉积反应器10可能包括两个以上的反应室，不论等离子增强化学气相沉积反应器10包括几个反应室，用来引导硅甲烷进入反应室的阀门与管线，仍必需完全独立于用来引导氧气或是臭氧进入反应室的阀门与管线，且反应室与反应室之间也必需互相独立，以达到安全上的要求。
然而，在此种硬件结构之下，硅甲烷与氧气或是臭氧固然完全不会混合在一起以至于产生燃烧的安全性问题，但是就设备的利用性而言，效率却非常低。由于基于硅甲烷的氧化硅层会含有相当多的氢原子，可作为元件氢化的氢原子来源，以修补多晶硅薄膜中的缺陷，但其阶梯覆盖能力不佳，所以容易生成孔洞；而基于原硅酸四乙酯的氧化硅层虽在进行沉积时具有较佳的阶梯覆盖能力，但却不能提供氢化工艺的氢原子来源，所以需额外提供另一氢化工艺，往往会增加氢化工艺的设备成本以及制作时间。在此两种氧化硅薄膜各具有优、缺点的情况之下，常面临取舍的问题，当单一反应室16、18只能沉积一种氧化硅薄膜时，设备中的某些反应室常常被迫闲置(idle)，造成生产能力上的浪费。同时，设备上的成本因而增加，维修的成本也因而增加，并进而衍生出额外的人事以及物料成本，对产品的价格竞争力十分不利。
因此，如何对等离子增强化学气相沉积反应器做一调整，使其单一反应室可以沉积两种不同的氧化硅薄膜，以增进设备利用率，使生产能力被提升，并生产出具价格竞争力的产品，便成为十分重要的课题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种等离子增强化学气相沉积反应器，尤指一种可于同一反应室中沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层的化学气相沉积反应器，以解决上述问题。
在本发明的最佳实施例中，本发明的薄膜沉积反应器包括一第一气体阀门用以控制一第一气体的流量，一第二气体阀门用以控制一第二气体的流量，一控制单元用以控制该第一气体阀门以及该第二气体阀门的作动，以及一反应室，与第一气体阀门、第二气体阀门连接，以供第一气体或第二气体容设并进行沉积工艺。其中第一气体阀门与第二气体阀门不得同时开启，以使第一气体或第二气体可于同一反应室中进行沉积工艺。
本发明的等离子增强化学气相沉积反应器利用一控制单元搭配一预先设定的控制工艺程序来控制第一气体阀门以及第二气体阀门的动作，以防止第一气体阀门与第二气体阀门同时被开启，并经由对各流量控制器的设定来防止硅甲烷以及氧气或是臭氧同时流进反应室中，同时辅以周全的清洗以及等离子清洁步骤，故本发明的等离子增强化学气相沉积反应器可于同一反应室中沉积基于四乙氧基硅烷的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层。在这种情形之下，设备中的反应室不会因闲置而造成生产能力上的浪费。同时，设备成本以及维修成本不会因而增加，也不会衍生额外的人事与物料成本，对产品的价格竞争力十分有利。
图1为已知用来沉积基于四乙氧基硅烷的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层的等离子增强化学气相沉积反应器的局部示意图。
图2为本发明用来沉积基于四乙氧基硅烷的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层的等离子增强化学气相沉积反应器的局部示意图。
附图标记的说明10等离子增强化学气相沉积反应器12第一气体阀门14第二气体阀门16反应室18反应室22第一管线24第二管线26第三气体阀门100等离子增强化学气相沉积反应器102第一气体阀门104第二气体阀门106反应室108控制单元
112第三气体阀门114管线116管线118远程等离子清洗系统具体实施方式
请参考图2，图2为本发明用来沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层的等离子增强化学气相沉积反应器100的局部示意图。如图2所示，本发明的等离子增强化学气相沉积反应器100包括一第一气体阀门102以及一第二气体阀门104，第一气体阀门102用来控制硅甲烷的流通，而第二气体阀门104用来控制氧气或是臭氧的流通。由于硅甲烷被用以提供氢，故又可以被称为氢基气体(H-based gas)，而由于氧气或是臭氧用于用以提供氧，故又可以被称为氧基气体(O-based gas)。
等离子增强化学气相沉积反应器100另包括至少一反应室，在图2中以一个反应室106为例来做说明，且硅甲烷以及氧气或是臭氧分别经由被开启的第一气体阀门102以及第二气体阀门104而导入反应室106中。同时，等离子增强化学气相沉积反应器100亦包括一控制单元108，用来接受一控工艺序的指令，以防止第一气体阀门102以及第二气体阀门104同时(simultaneously)被开启。控制单元108为一逻辑电路(logic circuits)，其具有逻辑栅的功能，因此当控制工艺程序中预先设定第一气体阀门102以及第二气体阀门104无法被同时开启之后，控制单元108便会接受控制工艺程序的指令，对第一气体阀门102以及第二气体阀门104做控管。
等离子增强化学气相沉积反应器100另包括一第三气体阀门112，用以导入一原硅酸四乙酯气体至反应室106中。第一气体阀门102、第二气体阀门104以及第三气体阀门112均为常闭式阀门，也就是说，在一般的情形之下，此三个阀门保持在关闭状态，只有当等离子增强化学气相沉积反应器100的控制工艺程序要求特定阀门开启时，该特定阀门才会被开启并导入气体至反应室106中，进行沉积工艺。此外，等离子增强化学气相沉积反应器100的反应室106，包括至少一个流量控制器，而这些流量控制器接受控制工艺程序预先设定的指令，来控制各气体流进反应室106的流量，以使反应进行时，各气体的流量均被控制得十分精确。
事实上，等离子增强化学气相沉积反应器100依据控制工艺程序来运作，控制工艺程序除了设定第一气体阀门102以及第二气体阀门104无法同时被开启之外，亦分别设定第一气体阀门102和第二气体阀门104，使得第二气体阀门104被关闭后的一时间间隔中第一气体阀门102才能被开启，且硅甲烷的流量以及氧气或是臭氧的流量其中之一为零。时间间隔依照实际的需要而设定，例如可设定为30秒(seconds)。
当控制工艺程序设定等离子增强化学气相沉积反应器100必需进行基于硅甲烷的氧化硅层的沉积时，第一气体阀门102会被开启，而第二气体阀门104以及第三气体阀门112会保持关闭，以将硅甲烷导入至反应室106中，连同其它反应气体进行沉积工艺，并且此时控制工艺程序设定氧气或是臭氧的流量为零，故流量控制器(未显示)之一会协助防止任何氧气或是臭氧流进反应室106中。而当控制工艺程序设定等离子增强化学气相沉积反应器100必需进行基于四乙氧基硅烷的氧化硅层的沉积时，第一气体阀门102会保持在关闭状态，而第二气体阀门104以及第三气体阀门112则会被开启，以将氧气或是臭氧以及四乙氧基硅烷气体导入反应室106中，进行沉积工艺，并且此时控制工艺程序设定硅甲烷的流量为零，故另一流量控制器(未显示)会协助防止任何硅甲烷气体流进反应室106中。如此一来，即使基于硅甲烷的氧化硅层以及基于四乙氧基硅烷的氧化硅层都是在反应室106中被沉积，也不会导致硅甲烷与氧气或是臭氧混合并燃烧的情形，使等离子增强化学气相沉积反应器100在安全无虞的防护措施之下顺利运作。
此外，为了更加确保整个等离子增强化学气相沉积反应器100运作上的安全性，控制工艺程序另设定有一清洗(purge)步骤，实施于每一次的氧化硅薄膜沉积之后，借着持续通入特定流量的氮气一特定时间，再同时以真空泵浦抽气，来清除第一气体阀门102以及第二气体阀门104之后所有管线114、116以及反应室106内的残余气体。等离子增强化学气相沉积反应器100另包括一远程等离子清洗系统(remote plasma cleaning system，RPCS)118，设置于第一气体阀门102、第二气体阀门104以及反应室106之间，以于每一次的清洗步骤之后，依照控制工艺程序的设定，进行一等离子清洗(plasma clean)步骤，借着通入三氟化氮(NF3)气体，并结合物理与化学两种机构，来清除连接反应室106的所有管线116以及反应室106内的残余气体与副产物(byproduct)。由于远程等离子清洗系统118会把清洁来源的气体在进入反应室106前先转化成等离子，然后这些等离子才被送进反应室106中，所以这些等离子会选择性地移除反应室106壁的物质，却不会损害到反应室106中的金属或陶瓷成份，对成膜的质量以及组件的良率，有非常显著的改善。
值得一提的是，以上是以等离子增强化学气相沉积反应器100包括一个反应室106为例来做说明，但事实上，等离子增强化学气相沉积反应器100可能包括多个反应室，但不论等离子增强化学气相沉积反应器100包括几个反应室，仍可依照本发明的原则来设计并设定软、硬件，使等离子增强化学气相沉积反应器100达到安全上的要求。同时，本发明中的第一气体阀门102以及第二气体阀门104并不限于分别用来控制硅甲烷以及氧气或是臭氧的流通，第一气体阀门102也可以用来控制氧气或是臭氧的流通，而第二气体阀门104也可以用来控制硅甲烷的流通，只是在这种情况之下，所有软、硬件的设计与设定都必需做相应的改变。
由于本发明的等离子增强化学气相沉积反应器采用一控制单元搭配一预先设定的控制工艺程序来控管第一气体阀门以及第二气体阀门，以防止第一气体阀门与第二气体阀门同时被开启，并进而防止硅甲烷以及氧气或是臭氧同时流进反应室，再辅以周全的清洗以及等离子清洁步骤，因此，完全不会造成安全上的问题。总而言之，本发明的等离子增强化学气相沉积反应器可于同一反应室中沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层。利用本发明的等离子增强化学气相沉积反应器于实际的生产线时，将可以制作出具有高产能、低成本产品。
相较于已知等离子增强化学气相沉积反应器使用不同的反应室来沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层，本发明的等离子增强化学气相沉积反应器利用一控制单元搭配一预先设定的控制工艺程序来控管第一气体阀门以及第二气体阀门，以防止第一气体阀门与第二气体阀门同时被开启，并经由对各流量控制器的设定来防止硅甲烷以及氧气或是臭氧同时流进反应室，再辅以周全的清洗以及等离子清洁步骤，故本发明的等离子增强化学气相沉积反应器可于同一反应室中沉积基于原硅酸四乙酯的氧化硅层以及基于硅甲烷的氧化硅层。在这种情形之下，设备中的反应室不会被闲置并造成产能上的浪费。同时，设备成本以及维修成本不会因而增加，也不会衍生额外的人事与物料成本，对产品的价格竞争力十分有利。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利所涵盖的范围。
权利要求
1.一种薄膜沉积反应器，该反应器包括一第一气体阀门，用以控制第一气体的流量；一第二气体阀门，用以控制第二气体的流量；一控制单元，用以控制该第一气体阀门以及该第二气体阀门的动作；以及一反应室，与该第一气体阀门、该第二气体阀门连接，以供容纳该第一气体或该第二气体并进行沉积工艺；其中，该第一气体阀门与该第二气体阀门不得同时开启，以使该第一气体或该第二气体可于同一反应室中进行沉积工艺。
2.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该反应器为一等离子增强化学气相沉积反应器。
3.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该第一气体阀门以及该第二气体阀门为一常闭式阀门。
4.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该第一气体为氢基气体。
5.如权利要求4所述的反应器，其中该氢基气体包括硅甲烷。
6.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该第二气体为氧基气体。
7.如权利要求6所述的反应器，其中该氧基气体选自氧或臭氧。
8.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该控制单元包括一逻辑电路。
9.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该反应室包括至少一流量控制器，用来接受一预先设定的控制工艺程序的指令以控制该第一气体以及该第二气体的流量。
10.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该第一气体阀门与该第二气体阀门的动作存在一时间间隔。
11.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，其中该第一气体阀门以及该第二气体阀门之后所有管线与该反应室内的残余气体借助于一净化步骤加以清除。
12.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，该反应器还包括一远程等离子清洗系统设置于该第一气体阀门、该第二气体阀门以及该反应室之间，用以清除连接该反应室的所有管线以及该反应室内的残余气体与副产物。
13.如权利要求1所述的薄膜沉积反应器，该反应器还包括一第三气体阀门用以导入第三气体至该反应室中，其中该第三气体包括原硅酸四乙酯。
全文摘要
一种依据控制程序运行的薄膜沉积反应器，该反应器包括第一、第二阀门，用以防止第一、第二阀门同时被开启的控制单元，以及反应室。第一、第二气体分别经由被开启的第一、第二阀门被导入反应室。控制程序分别设定第一阀门和第二阀门，使得这二个阀门之中的每一个是在另一个被关闭后的一时间间隔内被开启，并且第一气体流速和第二气体流速之一为零。
文档编号C23C16/448GK1600897SQ03159779
公开日2005年3月30日 申请日期2003年9月25日 优先权日2003年9月25日
发明者林辉巨 申请人:统宝光电股份有限公司