CN103060772B - 化学气相沉积装置、化学气相沉积方法 - Google Patents

Abstract

一种化学气相沉积装置、化学气相沉积方法，所述化学气相沉积装置包括：腔体，设置有进气口，所述进气口用于通入反应气体；射频信号源，位于所述腔体外，用于提供激发等离子体的射频信号；上电极，位于所述腔体内，所述上电极设置有射频信号输入点，所述射频信号源通过所述射频信号输入点向所述上电极加载射频信号；下电极，位于所述腔体底部且接地；线圈组，与所述射频信号输入点的位置相对应，所述线圈组内通有控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转。所述化学气相沉积装置可以提高薄膜的均匀性。

Description

化学气相沉积装置、化学气相沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种化学气相沉积装置、化学气相沉积方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，集成电路向着高集成度的方向发展。高集成度的要求使半导体器件的线宽越来越小，线宽的减小对集成电路的形成工艺提出了更高的要求。

半导体器件通常包括多层金属层以及多层介质层，所述介质层中形成有连通所述金属层的互连线。

为了满足元件缩小后的互连线需求，两层及两层以上的多层金属互连线的设计成为超大规模集成电路技术所通常采用的一种方法。半导体制造的过程通常是在工艺线前段(front end of line，FEOL)形成MOS晶体管，及MOS晶体管与互连层中的最下层之间的介质层，在工艺线后段(back end of line，BEOL)形成所述两层及两层以上的多层金属互连线的设计。

例如在公告号为CN1270371C的中国专利中公开了一种在半导体装置中形成金属互连层的方法。

参考图1至图2，示出了现有技术BEOL制造方法形成的半导体器件一实施例的示意图。

首先，通过化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)平坦化第一金属层(图未示)，

如图1所示，在第一金属层上依次形成阻挡层10、低K介质层11，其中阻挡层10用于防止金属层材料的扩散，所述低K介质层11用于使第一金属层与待形成的第二金属层之间相互绝缘，具体地，所述阻挡层10的材料包括掺氮的碳化硅(Nitrogen Doped Silicon Carbon，NDC)。

如图2所示，通过等离子体蚀刻法在低K介质层11中形成凹槽12，在所述蚀刻过程中以所述阻挡层10作为蚀刻停止层，之后再向所述凹槽12中填充金属材料，以形成第二金属层。

随着半导体工艺特征尺寸的下降，现有技术中所述低K介质层11的厚度越来越小，通常在1000～的范围内，这对低K介质层11的厚度均匀性提出了较高的要求。

现有技术中，通常通过化学气相沉积的方式形成所述低K介质层11，参考图3示出了现有技术化学气相沉积装置一实施例的示意图。

所述化学气相沉积装置包括：腔体23、气体扩散板(Shower Head)21、射频信号源24和下电极22。其中所述气体扩散板21的底部装配有上电极(图未示)，所述上电极和下电极22位于腔体23内，所述上电极与射频信号源24相连，所述下电极22接地，腔体23顶部设置有进气口25，反应气体通过所述进气口25进入腔体23。

在以化学气相沉积方式形成薄膜的过程中，将衬底置于所述下电极22上，向腔体23中通入反应气体，通过射频信号源24向上电极通入射频信号以产生辉光放电，从而在上电极和下电极22之间形成等离子体(plasma)。所述等离子体中的电子与反应气体反应产生活性基(如图4中所示的等离子体30、活性基31)，所述活性基31扩散至衬底，并吸附于所述衬底上，进而形成薄膜。

继续参考图3，由于所述射频信号源24向上电极加载射频信号的位置处于腔体23顶部的中间位置，这使腔体23顶部中间位置处辉光放电形成的等离子体的密度较高，相应地，形成的活性基的密度也较高。这容易使化学气相沉积形成的薄膜中间区域厚度较大而周边区域较薄，从而造成薄膜厚度不均匀的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种化学气相沉积装置、化学气相沉积方法，以提高薄膜的均匀性。

为了解决上述问题，本发明提供一种化学气相沉积装置，包括：腔体，设置有进气口，所述进气口用于通入反应气体；射频信号源，位于所述腔体外，用于提供激发等离子体的射频信号；上电极，位于所述腔体内，所述上电极设置有射频信号输入点，所述射频信号源通过所述射频信号输入点向所述上电极加载射频信号；下电极，位于所述腔体底部且接地；线圈组，与所述射频信号输入点的位置相对应，所述线圈组内通有控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转。

可选地，所述进气口位于腔体顶部中心位置，所述上电极位于所述进气口的下方，所述射频信号输入点位于所述上电极的中心位置，所述线圈组设置于所述进气口的下方，所述线圈组用于使腔体中心区域的等离子体向腔体内周边区域偏转。

可选地，所述化学气相沉积装置还包括气体扩散板，所述上电极装配于所述气体扩散板的底部，所述线圈组放置于所述气体扩散板的上方且与所述气体扩散板相接触。

可选地，所述线圈组包括靠近腔体中心区域的内线圈和位于内线圈周边的外线圈。

可选地，还包括位于所述腔体外，与所述线圈组相连，用于向所述线圈组提供控制电流的控制电源，所述控制电源与所述内线圈和外线圈均相连，分别用于向内线圈和外线圈提供控制电流。

可选地，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供方向相同的控制电流。

可选地，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供方向不相同的控制电流。

可选地，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供大小相同的控制电流。

可选地，所述控制电源用于向内线圈和外线圈大小不相同的控制电流。

可选地，所述控制电流在50mA～1000A的范围内。

可选地，所述上电极的射频信号输入点位于靠近腔体侧壁的腔体内一侧，所述线圈组设置于与所述射频信号输入点同侧的腔体内，用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向腔体中心区域偏转。

可选地，所述化学气相沉积装置为等离子体增强化学气相沉积装置或者介质化学气相沉积装置。

相应地，本发明还提供一种应用所述化学气相沉积装置的化学气相沉积方法，包括：向腔体内通入反应气体；控制电源向线圈组提供控制电流；射频信号源通过射频信号输入点向上电极加载射频信号，在腔体内形成等离子体；线圈组形成的电磁场使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转；等离子体使反应气体电离，形成活性基；活性基沉积在放置于下电极的基板上，形成薄膜。

可选地，所述线圈组包括靠近腔体中心区域的内线圈和位于内线圈周边的外线圈，所述控制电源与所述内线圈和外线圈均相连，所述控制电源向线圈组提供控制电流的步骤包括：控制电源分别向内线圈和外线圈提供控制电流。

可选地，所述控制电源向内线圈和外线圈提供方向相同的控制电流。

可选地，所述控制电源向内线圈和外线圈提供方向不相同的控制电流。

可选地，所述控制电源向内线圈和外线圈提供大小相同的控制电流。

可选地，所述控制电源向内线圈和外线圈提供大小不相同的控制电流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述化学气相沉积装置中设置有线圈组，所述线圈组内通入控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转，从而使等离子体分布均匀，以沉积厚度均匀的薄膜。

附图说明

图1至图2示出了现有技术BEOL制造方法形成的半导体器件一实施例的示意图；

图3示出了现有技术化学气相沉积一实施例的示意图；

图4示出了现有技术化学气相沉积装置中一等离子体实施例的示意图；

图5示出了本发明化学气相沉积装置中一实施例的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

为了解决现有技术的问题，本发明提供一种化学气相沉积装置，包括：腔体，设置有进气口，所述进气口用于通入反应气体；射频信号源，位于所述腔体外，用于提供激发等离子体的射频信号；上电极，位于所述腔体内，所述上电极设置有射频信号输入点，所述射频信号源通过所述射频信号输入点向所述上电极加载射频信号；下电极，位于所述腔体底部且接地；线圈组，与所述射频信号输入点的位置相对应，所述线圈组内通有控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转。

本发明公开的化学气相沉积装置中设置有线圈组，所述线圈组内通入控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转，从而使等离子体分布均匀，以沉积厚度均匀的薄膜。

参考图5，示出了本发明化学气相沉积装置一实施例，为了使附图更加简洁、清楚，附图5只示出了化学气相沉积装置的腔体内的各部件，而未示意出腔体及腔体以外的部件。

本实施例的化学气相沉积装置包括：

腔体，所述腔体为所述化学气相沉积过程的处理腔，所述腔体包括顶部、底部、位于所述顶部和底部之间的侧壁。所述腔体的底部、顶部和侧壁围成化学气相沉积的工艺区域。

所述腔体还设置有进气口，所述进气口用于通入反应气体，本实施例中所述进气口设置位于腔体顶部的中心位置，但是本发明并不限制于此。

射频信号源，位于所述腔体之外，用于提供激发等离子体的射频信号。

上电极103，位于所述腔体内，所述上电极103设置有射频信号输入点，所述射频信号源通过所述射频信号输入点向所述上电极加载射频信号。本实施例中，所述上电极103位于所述进气口的下方，所述射频信号输入点位于所述上电极103的中心位置。

具体地，本发明化学气相沉积装置还包括气体扩散板，所述气体扩散板位于进气口的下方，用于均匀化所述反应气体。所述上电极103装配于所述气体扩散板的下方，并且与所述气体扩散板相接触。

在化学气相沉积的过程中，与远离射频信号输入点的区域相比，靠近射频信号输入点附近的射频信号的功率密度较大，这会使位于所述射频信号输入点附近的反应气体在射频信号的激励下形成大量等离子体，而在远离射频信号输入点的射频信号的功率密度较小，相应地，形成的等离子体较少。

本实施例中，进气口位于腔体顶部的中心位置，上电极103位于进气口下方，并且所述射频信号输入点位于所述上电极103的中心位置，因此，所述射频信号输入点位于腔体的中心区域。因此，在化学气相沉积过程，在射频信号激励下形成等离子体时，腔体内的中心区域会形成大量等离子体，而腔体内的周边区域形成少量的等离子。

下电极101，位于所述腔体底部且接地，所述上电极103和下电极101之间会形成朝向下电极101的平行电场110。在化学气相沉积的过程中，在所述下电极101上会放置基板102，等离子体与反应气体反应产生的活性基在所述平行电场110的电场力作用下加速向基板102移动，从而在基板102上沉积形成薄膜。

本发明的化学气相沉积装置还包括与射频信号输入点的位置相对应的线圈组106、与所述线圈组106相连的控制电源(图未示)，所述控制电源位于腔体外，用于向所述线圈组106通入控制电流，以形成电磁场109，使靠近射频信号输入点区域的等离子体在所述电磁场109产生的洛伦兹力的作用下，向远离射频信号输入点的方向偏转。

由于靠近线圈组106的位置处的电磁场强度大，而远离线圈组106的位置处的电磁场强度小。此处，所述线圈组106与射频信号输入点的位置相对应指的是，线圈组106与所述射频信号输入点的距离足够近，可使线圈组106形成的电磁场可对射频信号输入点处形成的等离子体产生偏转作用。

本实施例中，由于射频信号输入点位于腔体内的中心区域，相应地，所述线圈组106形成的电磁场109用于使靠近腔体中心区域的等离子体在向下电极101运动的过程中向腔体内周边区域进行偏转(参考图5中等离子体的运动轨迹108)。

具体地，所述电磁场109在图5由右侧区域沿图面垂直穿出，并在图5左侧区域沿图面垂直穿入，在这样的电磁场109的作用下，等离子体向周边区域偏转(可基于左手定则进行等离子体偏转方向的判断)。

等离子体在电磁场的作用下向腔体内周边区域进行偏转，从而实现了等离子体的重新分布，图5所示的虚线以上、上电极103以下的区域为等离子体重新分布区107，电磁场在所述等离子体重新分布区107中的磁场强度较大，可以对等离子体起到良好的偏转作用，进而实现等离子体的重新分布。

实际应用中，可以根据需要等离子体偏转的方向，推定电磁场的方向，再基于所述电磁场的方向设计线圈组106的电流方向，本实施例中为了形成图5所示的电磁场109，所述线圈组106中电流方向向上。

较佳地，所述线圈组106还可以包括内线圈105和外线圈104，其中，内线圈105位于靠近腔体中心区域的位置，外线圈104位于内线圈105周边区域。

控制电源与所述内线圈105和外线圈104均相连，分别用于向内线圈105和外线圈104提供控制电流。

本实施例中，控制电源向所述内线圈105和外线圈104提供的控制电流不同，以在腔体中心区域和腔体周边区域形成不同磁场强度的电磁场。本实施例中，所述控制电源向内线圈105通入的控制电流大于向外线圈104内通入的控制电流，以使腔体中心区域的电磁场大于腔体内周边区域的电磁场。这样可以使腔体内中心区域的等离子体的偏转较大，而腔体内周边区域的等离子体的偏转较小，从而使等离子体重新分布区107内的等离子体分布较为均匀。

本实施例中，控制电源向所述内线圈105和外线圈104提供的控制电流方向相同，均沿竖直方向向上，但是本发明并不限制于此。所述内线圈105和外线圈104内的控制电流方向可以不同，例如外线圈104的控制电流方向向下，而内线圈105的控制电流方向向上，这样，外线圈104产生的电磁场与所述内线圈105产生的电磁场方向相反，这样在靠近内线圈105的腔体中心区域形成较强的电磁场。而在远离内线圈105、靠近外线圈104的腔体内周边区域，由于外线圈104产生的电磁场与所述内线圈105产生的电磁场方向相反，外线圈104产生的电磁场会抵消部分内线圈105所产生的电磁场，从而使腔体内周边区域的电磁场小于腔体内中心区域的电磁场。

在等离子体重新分布区107使等离子体分布均匀之后，等离子体再和反应气体作用形成的活性基也可以实现在腔体内的均匀分布，从而在基板102上形成厚度均匀的薄膜。

需要说明的是，控制电流在50mA～1000A的范围内，具体地，所述控制电源包括变压器，用于分别向内线圈105和外线圈104提供控制电流。

需要说明的是，上述实施例是以射频信号输入点位于靠近腔体顶部的上电极中心点为例，但是本发明并不限制于此，在其他实施例中，还可以是所述进气口位于腔体侧壁上，所述上电极的射频信号输入点位于靠近设置有进气口的侧壁的腔体内一侧，所述线圈组设置于与所述射频信号输入点同侧的腔体内，用于使靠近射频信号输入点的等离子体向腔体中心区域偏转。本领域技术人员可以根据上述实施例进行相应地修改、替换和变形。

相应地，本发明还提供一种应用上述化学气相沉积装置的化学气相沉积方法，所述方法大致包括以下步骤：

向腔体内通入反应气体；

控制电源向线圈组提供控制电流；

射频信号源通过射频信号输入点向上电极加载射频信号，在腔体内形成等离子体；

线圈组形成的电磁场使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转；

等离子体使反应气体电离，形成活性基；

活性基沉积在放置于下电极的基板上，形成薄膜。

本发明提供的化学气相沉积方法中，在腔体内形成等离子体之前，通过控制电源向线圈组提供控制电流，产生可使等离子体偏转的电磁场。

之后，射频信号源通过射频信号输入点向上电极加载射频信号，在射频信号的激励下，在靠近射频信号输入点的区域形成大量等离子体，而在远离射频信号输入点的区域形成较少的等离子体，所述电磁场使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转，这样可使等离子体的分布更加均匀，从而使等离子体电离反应气体所形成的活性基分布更加均匀，进而提高了所形成薄膜的均匀性。

需要说明的是，所述线圈组可以包括靠近腔体中心区域的内线圈和位于内线圈周边的外线圈，所述控制电源与所述内线圈和外线圈均相连，所述控制电源分别向内线圈和外线圈提供控制电流。

具体地，所述控制电源可以向内线圈和外线圈提供方向相同或不相同的控制电流；所述控制电源还可以向内线圈和外线圈提供大小相同或不相同的控制电流。

本领域技术人员可以根据需要等离子体偏转的方向和偏转的程度，获得所需电磁场的方向和大小，进而设计内线圈和外线圈内控制电流的方向和大小。

需要说明的是，所述化学气相沉积装置可以是等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)装置、介质化学气相沉积(Dielectric Chemical Vapor Deposition，DCVD)装置或者其他的化学气相沉积装置，本发明对此不做限制。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种化学气相沉积装置，其特征在于，包括：

腔体，设置有进气口，所述进气口用于通入反应气体；

射频信号源，位于所述腔体外，用于提供激发等离子体的射频信号；

上电极，位于所述腔体内，所述上电极设置有射频信号输入点，所述射频信号源通过所述射频信号输入点向所述上电极加载射频信号；

下电极，位于所述腔体底部且接地；

线圈组，与所述射频信号输入点的位置相对应，所述线圈组内通有控制电流，用于形成电磁场，所述电磁场用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转；

所述进气口位于腔体顶部中心位置，所述上电极位于所述进气口的下方，所述射频信号输入点位于所述上电极的中心位置，所述线圈组设置于所述进气口的下方，所述线圈组用于使腔体中心区域的等离子体向腔体内周边区域偏转；

所述化学气相沉积装置还包括气体扩散板，所述上电极装配于所述气体扩散板的底部，所述线圈组放置于所述气体扩散板的上方且与所述气体扩散板相接触；

所述线圈组包括靠近腔体中心区域的内线圈和位于内线圈周边的外线圈。

2.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，还包括位于所述腔体外，与所述线圈组相连，用于向所述线圈组提供控制电流的控制电源，所述控制电源与所述内线圈和外线圈均相连，分别用于向内线圈和外线圈提供控制电流。

3.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供方向相同的控制电流。

4.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供方向不相同的控制电流。

5.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述控制电源用于向内线圈和外线圈提供大小相同的控制电流。

6.如权利要求2所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述控制电源用于向内线圈和外线圈大小不相同的控制电流。

7.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述控制电流在50mA～1000A的范围内。

8.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述上电极的射频信号输入点位于靠近腔体侧壁的腔体内一侧，所述线圈组设置于与所述射频信号输入点同侧的腔体内，用于使靠近射频信号输入点区域的等离子体向腔体中心区域偏转。

9.如权利要求1所述的化学气相沉积装置，其特征在于，所述化学气相沉积装置为等离子体增强化学气相沉积装置或者介质化学气相沉积装置。

10.一种应用权利要求1所述化学气相沉积装置的化学气相沉积方法，其特征在于，包括：

向腔体内通入反应气体；

控制电源向线圈组提供控制电流；

射频信号源通过射频信号输入点向上电极加载射频信号，在腔体内形成等离子体；

线圈组形成的电磁场使靠近射频信号输入点区域的等离子体向远离射频信号输入点的方向偏转；

等离子体使反应气体电离，形成活性基；

活性基沉积在放置于下电极的基板上，形成薄膜；

所述线圈组包括靠近腔体中心区域的内线圈和位于内线圈周边的外线圈，所述控制电源与所述内线圈和外线圈均相连，所述控制电源向线圈组提供控制电流的步骤包括：控制电源分别向内线圈和外线圈提供控制电流。

11.如权利要求10所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述控制电源向内线圈和外线圈提供方向相同的控制电流。

12.如权利要求10所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述控制电源向内线圈和外线圈提供方向不相同的控制电流。

13.如权利要求10所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述控制电源向内线圈和外线圈提供大小相同的控制电流。

14.如权利要求10所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述控制电源向内线圈和外线圈提供大小不相同的控制电流。