CN101567304B

CN101567304B - 一种气体分配装置及应用该分配装置的半导体处理设备

Info

Publication number: CN101567304B
Application number: CN2008101046647A
Authority: CN
Inventors: 肖青平
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: CN101567304A

Abstract

本发明公开了一种应用于反应腔室内部的气体分配装置，包括基座、覆盖环、挡板以及第一进气通道，在所述挡板内墙上设置有通孔，并且所述覆盖环的杯壁遮盖住所述挡板内墙上的通孔，借助于所述通孔而形成第二进气通道，所述第二进气通道包括所述基座与所述挡板内墙之间的间隙、所述通孔、以及所述挡板内墙与所述覆盖环之间的间隙，这样，工艺气体可经由所述第一进气通道和/或第二进气通道而进入到反应腔室内。此外，本发明还公开一种应用上述气体分配装置的半导体处理设备。本发明提供的气体分配装置和半导体处理设备不仅具有较大的工艺窗口，而且其结构还较为简单，便于加工、安装和维护，且成本较低。

Description

一种气体分配装置及应用该分配装置的半导体处理设备

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种气体分配装置以及应用该气体分配装置的半导体处理设备。

背景技术

随着电子技术的高速发展，人们对集成电路的集成度要求越来越高，这就要求生产集成电路的企业不断地提高半导体器件的加工/处理能力。目前，在半导体器件的加工/处理过程中广泛采用诸如等离子体沉积技术等的等离子体处理技术。所谓等离子体沉积技术指的是，工艺气体在射频功率的激发下产生电离形成含有大量电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子的等离子体，这些活性粒子与待沉积的物体(例如，晶片)的表面发生物理和化学反应，从而在待沉积的物体表面获得需要的沉积层。

等离子体沉积技术需要借助于相应的半导体处理设备来实现。通常，沉积技术所需的工艺气体通过设置在半导体处理设备反应腔室内的气体分配装置而进入到反应腔室，并在此受到射频功率的激发产生电离而形成等离子体。等离子体轰击靶材，以便在待沉积的物体表面获得需要的沉积层。

在半导体器件的加工/处理过程中，经常采用诸如溅射技术等的等离子体沉积技术，尤其是在集成电路制造中的金属互连层和阻挡层的制备过程中。所述金属互连层的作用是使芯片上各区域的电路电连接，并且金属互连层彼此之间以绝缘介质层相隔，在金属互连层和绝缘介质层之间设置一层阻挡层，该阻挡层用以防止金属互连层中的金属向绝缘介质层扩散，以减小电迁移，进而提高金属互连层与绝缘介质层之间的附着性。

目前，金属互连层中的金属可以采用铝、铜等。并且，对应于铝互连层而采用的阻挡层材料为TiN；对应于铜互连层而采用的阻挡层材料为TaN。TiN和TaN通常通过反应溅射制备。

反应溅射是一种在溅射过程中通入反应性气体来制备金属化合物薄膜的溅射技术。反应溅射所采用的装置与一般溅射装置相同，只是通入的气体除了溅射气体Ar之外还有反应气体，例如，对于氮化物薄膜而言，反应气体为N₂。

请参阅图1，其中示出了现有的一种反应溅射装置。在该反应溅射装置的腔室中设置有基座1，用以放置硅片等待处理的半导体器件，并且其可上下移动；在基座1的上方环绕有覆盖环2，其既可以限制基座1上的硅片移动，又可以防止等离子体泄露到基座1下面的腔室中；环绕反应腔室而设置有挡板3，用以保护腔室内壁和基座1不受溅射；并且在反应腔室内的上方设置有靶材30，其为所要溅射的金属材料。

该反应溅射装置的工作原理和过程为：反应溅射工艺时，通入Ar和反应气体，并在靶材30上施加负高压以电离上述气体而产生等离子体。等离子体中的正离子被靶材30上的负高压吸引而加速轰击靶材30，使靶材30的金属原子获得足够的动能脱离靶面束缚而被溅射出来。溅射出来的靶材30的原子与反应气体发生反应，从而在置于基座1上的硅片上沉积金属化合物薄膜。所谓靶面，指的是靶材30上朝向硅片的那一面。

通常，反应溅射工艺可包括不同的工艺模式，并且不同的工艺模式与所通入的反应气体的不同流量相对应，例如图2所示。图中，横坐标F表示反应气体(例如N₂)的流量；纵坐标V表示靶材上的电压，P表示腔室内的气压。

如图所示，当N₂流量较小时，也就是N₂流量小于F_T时，靶面附近的N₂较少，这种情况下溅射的都是新鲜的金属靶面，称为金属溅射模式，并以标号70表示。当N₂流量较大时，也就是N₂流量大于F_T时，靶面附近的N₂较多，靶面不断形成氮化物并达到一定厚度时，这种情况下溅射的是氮化物靶面，称为中毒溅射模式，并以标号72表示。也就是说，F_T为金属溅射模式70和中毒溅射模式72之间的转变点，从图中可以看出，当N₂流量到达F_T时，靶材上的电压V和腔室气压P就会发生突变。

在实际应用中，可以使用上述两种工艺模式来满足相同的工艺要求，此时，每种模式所能调节的N₂流量范围称为该模式的工艺窗口。在金属溅射模式70下，一方面为了使制备的金属化合物完全氮化，则必须使N₂流量不能过小；另一方面为确保工艺过程处于金属溅射模式，则必须使N₂流量小于F_T。因此，在金属溅射模式70下，N₂流量的可调范围比较小，也就是说，金属溅射模式70下的工艺窗口较窄，如图2中的76所示。在中毒溅射模式72下，仅要求N₂的流量大于F_T，而对其流量的上限没有限制，因此，中毒溅射模式72下的N₂流量调节范围较大，即该模式下的工艺窗口较宽，如图2中的78所示。

众所周知，工艺窗口宽表明该工艺可以较好地重复再现和调节。因此，反应溅射工艺往往选择在中毒溅射模式下进行。通过上面结合图2所作的描述可以看出：在中毒溅射模式中影响工艺窗口的重要因素便是模式转换点F_T的大小，并且二者之间为反比关系，即，模式转换点F_T小，则工艺窗口大；反之，模式转换点F_T大，则工艺窗口小。而模式转换点F_T的大小，通常取决于反应气体气流的传导能力。当气流传导能力高时，较小的N₂流量就可以使靶面形成所需厚度的氮化物，也就是说，较小的N₂流量就可以进入到中毒溅射模式，即F_T较小；而当气流传导能力低时，就需要较大的N₂流量才能使靶面形成所需厚度的氮化物，也就是说，需要较大的N₂流量才能进入到中毒溅射模式，即F_T较大。

气流传导能力的大小与气体分配路径有着密切的联系。为此，人们一直试图设计出一种可应用于半导体处理设备并具有较高气流传导性的气体分配路径，以便在反应溅射工艺过程中获得较小的模式转换点F_T，扩大工艺窗口的范围，进而实现稳定的工艺过程。

例如，专利号为6296747、发明名称为“Baffled perforated shieldin a plasma sputtering reactor”的美国专利中就描述了一种挡板组合装置，其可用来提高半导体处理设备腔室中的气体传导能力，如图3 所示(以下称为现有技术一)。

图3中，该挡板组合装置包括内挡板96和外挡板90。外挡板90类似于图1中的挡板3，其外墙(即，外挡板上靠近反应腔室内壁且轴向长度较长的那个墙壁)环绕腔室内壁而设置，其内墙(即，外挡板上靠近基座22且轴向长度较短的那个墙壁)环绕基座22而设置，用以保护腔室内壁和基座22不受溅射。在外挡板90的外墙上开设有若干孔92，这些孔92沿外挡板90的周向均匀分布。内挡板93通过螺钉(图未示)固定在外挡板90上，并在外挡板90的孔92位置处与外挡板90之间的径向距离逐渐增大。

采用图3所示结构，从腔室下方通入工艺气体时，一部分工艺气体通过基座22、外挡板90的内墙以及覆盖环20之间所形成的通道34进入腔室，再有一部分工艺气体依次通过由外挡板90与腔室内壁之间所形成的通道110、位于外挡板90的外墙上的孔92、外挡板90的外墙与内挡板96之间的通道112而进入腔室。由此可见，图3所示结构可以提供两条气体分配路径，这样便可以提高气体的传导能力，减小转折点F_T的大小，进而增大反应溅射的工艺窗口。

尽管现有技术一所提供的用于半导体处理设备的挡板组合装置可以提高气体的传导能力，减小转折点F_T的大小，进而增大反应溅射的工艺窗口，但是在实际应用中，其不可避免地存在下述缺陷：

其一，现有技术一中需要在外挡板的外墙上开设若干通孔，在实际应用中，如果不为此附设内挡板以遮盖所述通孔，则在半导体处理过程中会产生这样的问题：即，溅射原子穿过所述通孔并沉积在腔室内壁上，和/或等离子体泄露；若附设内挡板以遮盖所述通孔，则增加了腔室部件，也就相应地增加了成本。

其二，由于现有技术一中需要设置用以遮盖外挡板上的通孔的内挡板，而且还需要将外挡板和内挡板配合安装在一起，因此，现有技术一提供的挡板组合装置结构较为复杂，加工、安装和维护过程较为繁琐。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种气体分配装置，其不仅具有较大的工艺窗口，而且其结构还较为简单，便于加工、安装和维护，且成本较低。

本发明还提供一种应用该气体分配装置的半导体处理设备，其同样具有较大的工艺窗口，并且还具有结构简单，便于加工、安装和维护，成本低等特点。

为此，本发明提供了一种应用于反应腔室内部的气体分配装置，包括基座、覆盖环、挡板以及第一进气通道，其中，所述基座置于反应腔室底部，用以支撑待处理的半导体器件；所述挡板包括外墙、内墙以及连接在二者之间的中间连接部分，所述挡板外墙环绕反应腔室内壁设置，所述挡板内墙环绕所述基座设置并与其保持有间隙，以供工艺气体通过，而且，所述挡板内墙的顶端低于所述基座的上表面；所述覆盖环呈大致杯形，罩扣在所述基座和所述挡板内墙的外围，并且杯底为中空的环形且置于所述基座之上，杯壁环绕所述挡板内墙和所述基座，所述覆盖环与所述挡板内墙之间保持有间隙；所述第一进气通道包括所述挡板内墙与所述基座之间的间隙以及所述挡板内墙与所述覆盖环之间的间隙。其中，所述挡板内墙上设置有通孔，并且所述覆盖环的杯壁遮盖住所述挡板内墙上的通孔，借助于所述通孔而形成第二进气通道，所述第二进气通道包括所述基座与所述挡板内墙之间的间隙、所述通孔、以及所述挡板内墙与所述覆盖环之间的间隙，这样，工艺气体可经由所述第一进气通道和第二进气通道而进入到反应腔室内。

其中，所述通孔沿所述挡板内墙的周向均匀设置。

其中，所述通孔的数量为10～60个。

其中，所述通孔的形状为圆形、椭圆形、方形、菱形、不规则多边形。

其中，所述通孔的内径在2～5cm之间。优选地，所述通孔的内径在3～4cm之间。

其中，所述覆盖环的杯壁自所述杯底向下倾斜延伸或者向下垂直延伸。

其中，所述杯壁自所述杯底向下倾斜延伸时，所述杯壁与所述覆盖环轴线之间的夹角的取值范围在0～45°之间。优选地，所述杯壁与所述覆盖环轴线之间的夹角的取值范围在0～25°之间。

其中，所述挡板的材料采用不锈钢或者铝，并对其表面进行粗糙化处理。

其中，所述覆盖环的材料采用不锈钢，并对其表面进行粗糙化处理。

其中，所述挡板的表面和/或所述覆盖环的表面采用喷砂或者电弧喷涂的方式进行粗糙化处理。

此外，本发明还提供一种半导体处理设备，其包括反应腔室，并且在所述反应腔室内的下方位置处设置有如上所述的气体分配装置，用以提高工艺气体向反应腔室内的传导性能。

其中，在所述反应腔室内的上方位置处，对应于所述气体分配装置而设置沉积工艺所需的靶材。

相对于现有技术，本发明具有这样的有益效果：

其一，结构简单。由于本发明提供的气体分配装置是在挡板内墙上开设通孔以形成第二气体通道，并且是借助于覆盖环的杯壁来遮盖住所述挡板内墙上的通孔，而无需像现有技术那样在挡板外墙上开设形成第二进气通道的通孔，并另外附设内挡板来遮盖所述通孔，因此，本发明提供的气体分配装置的结构较为简单。

其二，由于本发明提供的气体分配装置的结构较为简单，因此加工、安装和维护过程也相应地较为简单。

其三，由于本发明提供的气体分配装置的结构较为简单，无需另外配置诸如内挡板之类的附件，因此，其成本也相应地较低。

此外，由于本发明提供的气体分配装置具有上述有益效果，因此应用该气体分配装置的半导体处理设备同样也具有这样的特点，即，结构较为简单，便于加工、安装和维护，同时成本较低。

附图说明

图1为现有的用于反应溅射的半导体处理设备的结构示意图；

图2为反应溅射过程中工艺模式示意图；

图3为现有技术一提供的一种气体分配装置的部分结构的剖面示意图；以及

图4为本发明提供的一种气体分配装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的气体分配装置以及应用该气体分配装置的半导体处理设备进行详细描述。

请参阅图4，本发明提供的应用于反应腔室中的气体分配装置包括基座1、覆盖环2和挡板3。

其中，基座1置于反应腔室底部的大致中央位置处，用以支撑诸如硅片等的待处理半导体器件。其具体结构类似于现有技术，在此不再赘述。

挡板3包括：外墙4、内墙6以及连接在二者之间且呈环状的中间连接部分5。其中，外墙4的形状可以与反应腔室内壁的形状相适配，并环绕反应腔室内壁设置，而且其轴向长度较大。内墙6的形状可以与基座1的形状相适配，并环绕基座1而设置，且与其保持有一定间隙，以供工艺气体通过。而且，该挡板内墙6的顶端低于基座1的上表面，以便在挡板内墙6的顶端与覆盖环2之间留有一定间隙，以供工艺气体通过。

而且，本实施例中的挡板3的内墙6上设置有若干通孔10，优选地，环绕内墙6的周面均匀地设置这些通孔10，以便工艺气体可以均匀地进入到反应腔室内。至于这些通孔10的形状、大小和数目，可以有多种实现形式。例如，通孔10的形状可以是圆形、椭圆形、方形，或者为其它任意形状，优选为圆形。通孔10的大小，例如可以在2～5cm之间，优选为3～4cm。通孔10的分布方式，例如可以是沿着内墙6的周面均匀分布，并且个数在10～60之间。事实上，为了保持进入反应腔室内的工艺气体流量较为稳定，则可以在通孔10的面积较大时，将其数目设置得较少；在通孔10的面积较小时，将其数目设置得较多。

可以理解，前面所说的外墙4的形状可以与反应腔室内壁的形状相适配具体指的是，若反应腔室内壁呈圆筒状，则外墙4也为圆筒状，如本实施例所示；若反应腔室内壁呈方形筒状，则外墙4相应地也为方形筒状。类似地，若基座1的形状为圆柱状，则内墙6的形状相应地也为圆筒状；若基座1的形状为方形柱状，则内墙6的形状相应地也为方形筒状。至于中间连接部分5的形状，则取决于外墙4和内墙6的形状。

覆盖环2呈大致杯形，罩扣在基座1和挡板内墙6之外。杯底为中空的环形且置于基座1之上，用以遮盖基座1并限制基座1上的硅片等待处理半导体器件的位移。杯壁与杯底相连并倾斜向下延伸，以环绕基座1和挡板内墙6。而且，杯壁还与基座1和挡板内墙6保持一定间隙，以供工艺气体通过。

至于杯壁的倾斜程度，例如可以采用这样的标准：即，使杯壁与覆盖环2的轴线之间的夹角α在0～45°之间，优选地在0～25°之间。这样，杯壁与挡板内墙6之间的径向距离沿轴向向下逐渐增加，也就是说，二者之间所形成的空间逐渐增大，从而便于气体传导。

在实际应用中，覆盖环2的长度至少要能遮盖住挡板内墙6上所设置的通孔10。这样，覆盖环2既能够对基座1及其下面的腔室进行保护以避免其受到等离子体的影响，又能够对挡板内墙6上的通孔10起到遮蔽的作用，以避免通孔10附近受到溅射，并防止等离子体由此泄露。

可以理解，尽管前述实施例中的杯壁自杯底倾斜向下延伸而使得覆盖环2呈锥台状，然而在实际应用中，杯壁也可以自杯底垂直向下延伸，只要其能够保证工艺气体顺畅传导并能够遮盖住挡板内墙6上所开设的通孔10即可。

由于本发明提供的气体分配装置具有上述结构，因而，从腔室下方通入工艺气体时，工艺气体沿着箭头所示方向通过两路进气通道(即，第一进气通道和第二进气通道)而进入到反座腔室内。其中，第一进气通道由挡板内墙6与基座1之间的间隙以及挡板内墙6与覆盖环2之间的间隙构成。挡板内墙6与覆盖环2之间的间隙包括：挡板内墙6的顶部与覆盖环2的杯底之间的间隙，以及挡板内墙6与覆盖环2的杯壁之间的间隙。第二进气通道由基座1和挡板内墙6之间的间隙、通孔10以及挡板内墙6与覆盖环2之间的间隙构成。这样，便会有一部分工艺气体经由上述第一进气通道而进入到反应腔室内，再有一部分工艺气体经由上述第二进气通道而快速进入到反应腔室内。因此，本发明所提供的气体分配装置通过上述两路进气通道可以提高气体的传导能力，从而在反应溅射工艺过程中获得较小的模式转换点F_T，以扩大工艺窗口的范围，进而实现稳定的工艺过程。

在实际应用中，挡板3的材料例如可以采用不锈钢或者铝。并且，挡板3的表面需要进行粗糙化处理，以便增强其抓附溅射原子的能力，并减少颗粒的产生。表面粗糙化处理例如可以采用喷砂或者电弧喷涂等方式。

至于覆盖环2的材料，例如可以采用不锈钢。并且其表面也可以进行粗糙化处理，其表面处理的方式可以与挡板3的表面处理方式相同。

此外，本发明还提供了一种半导体处理设备，其包括反应腔室，在所述反应腔室内的下方位置处设置有本发明提供的气体分配装置，用以提高工艺气体向反应腔室内的传导性能。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种应用于反应腔室内部的气体分配装置，包括基座、覆盖环、挡板以及第一进气通道，其中

所述基座置于反应腔室底部，用以支撑待处理的半导体器件；

所述挡板包括外墙、内墙以及连接在二者之间的中间连接部分，所述挡板外墙环绕反应腔室内壁设置，所述挡板内墙环绕所述基座设置并与其保持有间隙，以供工艺气体通过，而且，所述挡板内墙的顶端低于所述基座的上表面；

所述覆盖环呈大致杯形，罩扣在所述基座和所述挡板内墙的外围，并且杯底为中空的环形且置于所述基座之上，杯壁环绕所述挡板内墙和所述基座，所述覆盖环与所述挡板内墙之间保持有间隙；

所述第一进气通道包括所述挡板内墙与所述基座之间的间隙以及所述挡板内墙与所述覆盖环之间的间隙，

其特征在于：所述挡板内墙上设置有通孔，并且所述覆盖环的杯壁遮盖住所述挡板内墙上的通孔，借助于所述通孔而形成第二进气通道，所述第二进气通道包括所述基座与所述挡板内墙之间的间隙、所述通孔、以及所述挡板内墙与所述覆盖环之间的间隙，这样，工艺气体可经由所述第一进气通道和第二进气通道而进入到反应腔室内。

2.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述通孔沿所述挡板内墙的周向均匀设置。

3.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述通孔的数量为10～60个。

4.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述通孔的形状为圆形、椭圆形、方形、菱形、不规则多边形。

5.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述通孔的内径在2～5cm之间。

6.根据权利要求5所述的气体分配装置，其特征在于，所述通孔的内径在3～4cm之间。

7.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述覆盖环的杯壁自所述杯底向下倾斜延伸或者向下垂直延伸。

8.根据权利要求7所述的气体分配装置，其特征在于，所述杯壁自所述杯底向下倾斜延伸时，所述杯壁与所述覆盖环轴线之间的夹角的取值范围在0～45°之间。

9.根据权利要求8所述的气体分配装置，其特征在于，所述杯壁自所述杯底向下倾斜延伸时，所述杯壁与所述覆盖环轴线之间的夹角的取值范围在0～25°之间。

10.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述挡板的材料采用不锈钢或者铝，并对其表面进行粗糙化处理。

11.根据权利要求1所述的气体分配装置，其特征在于，所述覆盖环的材料采用不锈钢，并对其表面进行粗糙化处理。

12.根据权利要求10或11所述的气体分配装置，其特征在于，所述挡板的表面和/或所述覆盖环的表面采用喷砂或者电弧喷涂的方式进行粗糙化处理。

13.一种半导体处理设备，包括反应腔室，其特征在于，在所述反应腔室内的下方位置处设置有如权利要求1至12中任意一项所述的气体分配装置，用以提高工艺气体向反应腔室内的传导性能。

14.根据权利要求13所述的半导体处理设备，其特征在于，在所述反应腔室内的上方位置处，对应于所述气体分配装置而设置沉积工艺所需的靶材。