CN108690972A - 用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置。所述用于膜层沉积装置的气体注入管，包括位于所述气体注入管侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔，所述多个进气孔的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。本发明减小了膜层沉积装置内位于不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度差异性，改善了3D NAND存储器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置。
背景技术
随着平面型闪存存储器的发展，半导体的生产工艺取得了巨大的进步。但是最近几年，平面型闪存的发展遇到了各种挑战：物理极限、现有显影技术极限以及存储电子密度极限等。在此背景下，为解决平面闪存遇到的困难以及追求更低的单位存储单元的生产成本，各种不同的三维(3D)闪存存储器结构应运而生，例如3D NOR(3D或非)闪存和3D NAND(3D与非)闪存。
其中，3D NAND存储器以其小体积、大容量为出发点，将储存单元采用三维模式层层堆叠的高度集成为设计理念，生产出高单位面积存储密度，高效存储单元性能的存储器，已经成为新兴存储器设计和生产的主流工艺。
膜层沉积工艺是3D NAND存储器制造过程中的一步重要工艺。但是，现有的膜层沉积工艺由于其机台结构的限制，使得位于膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面沉积的膜层厚度不一致，从而影响存储器中存储单元的写入、读取和擦除，导致3D NAND存储器性能的降低。
因此，如何提高膜层沉积过程中位于膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面沉积的膜层厚度的均匀性，改善3D NAND存储器的性能，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置，用以解决现有的膜层沉积装置内部位于不同位置的晶圆表面沉积的膜层厚度差异较大的问题，以改善3DNAND存储器的性能。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于膜层沉积装置的气体注入管，包括位于所述气体注入管侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔，多个所述进气孔的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。
优选的，在位于中间的进气孔指向位于端部的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐增大；
所述端部为顶端和/或底端。
优选的，在位于中间的进气孔指向位于端部的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐减小；
所述端部为顶端和/或底端。
优选的，在位于顶端的进气孔指向位于底端的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐减小。
优选的，在位于顶端的进气孔指向位于底端的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐增大。
优选的，多个所述进气孔沿所述轴向方向等间隔分布。
优选的，所述进气孔的孔径为0.1mm-3mm。
优选的，所述气体注入管为石英管。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种膜层沉积装置，包括：
反应腔室，适于放置用于承载晶圆的晶舟；
上述任一项所述的气体注入管，至少设置有多个所述进气孔的一段位于所述反应腔室内，以向所述晶舟喷射气体，所述轴向方向与反应腔室的高度方向平行；
多个所述进气孔的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
优选的，还包括开设在所述反应腔室上的排气口；
所述排气口与所述注入管分布于所述晶舟的相对两侧，用于排出所述反应腔室内的多余气体。
优选的，所述膜层沉积装置为原子层沉积装置。
本发明提供的用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置，将气体注入管上进气孔的孔径沿所述气体注入管的轴向方向进行渐变式排列，以调整喷射至所述膜层沉积装置内部不同位置的气体量，使得气体在所述膜层沉积装置内均匀分布，从而使得与所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆接触的气体量均等，减小了所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度差异性，改善了3D NAND存储器的性能。
附图说明
附图1是本发明第一具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图；
附图2是本发明第一具体实施方式中膜层沉积装置的结构示意图；
附图3是本发明第二具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图；
附图4是本发明第三具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图；
附图5是本发明第四具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的原子层沉积装置的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
在进行膜层沉积工艺时，晶圆放置于膜层沉积装置内，且沿所述膜层沉积装置的轴向方向间隔排布。气体注入管上具有多个进气孔，反应气体自所述气体注入管上的进气孔朝向所述膜层沉积装置内部喷射。但是，现有的气体注入管上的进气孔孔径大小相同(均为0.5mm或者1mm)，当气体自所述进气孔喷出时，由于所述膜层沉积装置本身结构、以及反应气体自身特性等原因，导致传输至所述膜层沉积装置内的气体分布不均匀，最终导致位于所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度不一致。为了解决这一问题，现有技术中采用的方法是，减少单次膜层沉积工艺制程中膜层沉积装置所承载的晶圆数量，即将晶圆集中放置于膜层沉积装置的某一区域，例如膜层沉积装置的中部、顶部或者底部，其他区域则闲置。这种方式虽然能够在一定程度上提高位于不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度的均匀性，但是却牺牲了大量的产能，导致生产成本的增加，生产周期的大幅度延长。
为了解决上述问题，本具体实施方式提供了一种用于膜层沉积装置的气体注入管，附图1是本发明第一具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图。
如图1所示，本具体实施方式提供的用于膜层沉积装置的气体注入管12，包括位于所述气体注入管12侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔121，所述多个进气孔121的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。其中，所述气体注入管12优选为石英管。
其中，多个所述进气孔121的孔径沿所述轴向方向渐变是指，多个所述进气孔121具有多种不同的孔径，且多个所述进气孔121根据其孔径的大小沿所述气体注入管12的轴向方向进行分布式排列。其中，所述进气孔121的孔径优选为0.1mm-3mm。
本具体实施方式中，将所述气体注入管12上的多个进气孔121按照孔径大小进行渐变式排布，以对喷射至所述膜层沉积装置内不同位置的气体流量进行控制，以使得所述膜层沉积装置内部气体分布均匀性提高，例如对于所述膜层沉积装置内部易出现气体密度稀疏的区域，增大相应所述进气孔121的孔径；对于所述膜层沉积装置内部易出现气体密度聚集的区域，减小相应所述进气孔121的孔径。通过多个所述进气孔121孔径的渐变式排布，调整喷射至所述膜层沉积装置相应区域的气体流量，使得所述气体在所述膜层沉积装置内部均匀分布，进而使得位于所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度的一致性得到提高。
优选的，如图1所示，在位于中间的进气孔121指向位于端部的进气孔121的所述轴向方向上，所述气体注入管12上的多个所述进气孔121的孔径逐渐增大；所述端部为顶端和/或底端。
具体来说，本具体实施方式中将所述气体注入管12中的多个所述进气孔121的孔径设置为，沿所述气体注入管12的中部指向端部的方向逐渐增大，以对所述膜层沉积装置的端部进行额外的气体补偿，增大与位于所述膜层沉积装置端部的晶圆接触的气体量，从而减少位于所述膜层沉积装置内不同位置处的晶圆表面生长的膜层厚度的差异性，确保了3D NAND存储器的性能。
在本具体实施方式中，所述气体注入管12中多个进气孔121的孔径可以互不相同，只要确保多个所述进气孔121的孔径沿位于中间的进气孔指向位于端部的进气孔的所述轴向方向逐渐增大即可；还可以是沿自位于中间的进气孔121指向位于顶端的进气孔121的所述轴向方向上的若干个进气孔121的孔径互不相同，且沿自位于中间的进气孔121指向位于顶端的进气孔121的所述轴向方向上的若干个进气孔121与沿自位于中间的进气孔121指向位于底端的进气孔121的所述轴向方向上的若干个进气孔121关于所述气体注入管12中心所在的平面对称分布，即存在部分孔径相同的进气孔。
优选的，多个所述进气孔121沿所述轴向方向等间隔分布。具体来说，如图1所示，所述等间隔分布，是指相邻进气孔121边缘之间、沿所述轴向方向的距离W相等。其中，所述W的具体数值，本领域技术人员可以根据实际需要，例如根据气体注入管12的具体长度、进气孔121的孔径大小等进行选择，本具体实施方式对此不作限定。一般来说，所述W的数值越小，越便于提高所述晶舟13内气体分布的均匀性。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种膜层沉积装置，附图2是本发明第一具体实施方式中膜层沉积装置的结构示意图，本具体实施方式中气体注入管的结构参见图1。
如图1、图2所示，本具体实施方式提供的膜层沉积装置，包括反应腔室11和所述气体注入管12。所述反应腔室11，适于放置用于承载晶圆10的晶舟13；所述气体注入管12，至少设置有多个所述进气孔121的一段位于所述反应腔室11内，以向所述晶舟13喷射气体，所述轴向方向与所述反应腔室11的高度方向平行；多个所述进气孔121的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室11内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
如图2所示，用于向所述反应腔室11内传输气体的气体注入管12整体呈L型结构，多个所述进气孔121分布于位于所述反应腔室11内部的一段所述气体注入管12的侧壁上。所述轴向方向为位于所述反应腔室11内部的一段所述气体注入管12的轴向方向。
所述膜层沉积装置可以为原子层沉积装置，也可以为化学气相沉积装置。其中，原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)工艺是一种基于有序、自限制性反应的化学气相方式来沉积膜层的方法。由于其优异的深孔填充能力，能够获得非常好的台阶覆盖性和保形性，因而在3D NAND存储器制造领域具有广泛的应用，例如实现具有高深宽比的沟道孔内的膜层制备。
所述膜层沉积装置还包括开设在所述反应腔室11上的排气口111；所述排气口111与所述气体注入管12分布于所述晶舟13的相对两侧，用于排出所述反应腔室11内的多余气体。
具体来说，所述晶舟13包括顶板131、与所述顶板131相对设置的底板132、以及位于所述顶板131与所述底板132之间的若干支撑柱133；所述支撑柱133上设置有凹槽，用于承载所述晶圆10，即多个所述晶圆10沿所述晶舟13的轴向方向(即所述反应腔室11的高度方向)依次排布。所述气体注入管12在所述反应腔室11内部一段的延伸方向与所述晶舟13的轴向方向平行。为了及时排出所述反应腔室11内部的多余气体，在所述反应腔室11上还设置有排气口111，所述排气口111与所述气体注入管12位于所述反应腔室11的相对两端，一真空泵与所述排气口111连通，以快速排出所述反应腔室11内的多余气体。同时，所述排气口111的位置与所述晶舟13的中部对应。然而，由于真空泵的真空吸力，所述反应腔室11内部的气体有自所述晶舟13向所述排气口111聚集的趋势，使得所述晶舟两端的气体密度较小、中部的气体密度较大。本具体实施方式中将与所述晶舟13端部对应的进气孔121的孔径设置的比与所述晶舟13中部对应的进气孔121的孔径大，能够及时对所述晶舟13的端部进行气体补充，弥补因所述排气口111的位置设置导致的沿所述反应腔室11的高度方向气体分布不均匀的问题，减小了晶舟内各晶圆表面生长的膜层厚度差异性，改善了3D NAND存储器的性能。
本具体实施方式提供的用于膜层沉积装置的气体注入管及膜层沉积装置，将气体注入管上进气孔的孔径沿所述气体注入管的轴向方向进行渐变式排列，以调整喷射至所述膜层沉积装置内部不同位置的气体量，使得气体在所述膜层沉积装置内均匀分布，从而使得与所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆接触的气体量均等，减小了所述膜层沉积装置内不同位置的晶圆表面生长的膜层厚度差异性，改善了3D NAND存储器的性能。
第二具体实施方式
在进行膜层沉积工艺的过程中，当用于传输气体的气体注入管上的进气孔孔径相同时，由于所述气体沿竖直方向自气体注入管的底端向顶端传输，且由于制程工艺的要求，需要持续对反应腔室进行加热。这就间接实现了对所述气体注入管的加热，使得位于所述气体注入管顶部的气体温度高于位于所述气体注入管底部的气体温度，因而使得分布于所述膜层沉积装置顶端的晶圆表面的气体温度高于分布于所述膜层沉积装置底端的晶圆表面的气体温度，易造成在所述膜层沉积装置顶端的晶圆表面生长的膜层厚度高于位于所述膜层沉积装置底端的晶圆表面生长的膜层厚度。
为了解决这一问题，本具体实施方式提供了一种用于膜层沉积装置的气体注入管，附图3是本发明第二具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图。对于与第一具体实施方式相同之处，本具体实施方式不再赘述，以下主要叙述与第一具体实施方式不同之处。
本具体实施方式提供的用于膜层沉积装置的气体注入管，包括位于所述气体注入管32侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔321，所述多个进气孔321的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。
优选的，如图3所示，在位于顶端的进气孔321指向位于底端的进气孔321的所述轴向方向上，所述气体注入管32上的多个所述进气孔321的孔径逐渐增大。
本具体实施方式通过增大与所述膜层沉积装置底部对应的进气孔321的孔径，对所述膜层沉积装置底部进行额外的气体补偿，增大与位于所述膜层沉积装置底部的晶圆接触的气体量，从而提高了所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性，减少了所述膜层沉积装置内各晶圆表面生长的膜层厚度的差异性，确保了3D NAND存储器的性能。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种膜层沉积装置。本具体实施方式提供的膜层沉积装置，包括反应腔室和所述气体注入管32。所述反应腔室，适于放置用于承载晶圆的晶舟；所述气体注入管32，至少设置有所述多个进气孔321的一段位于所述反应腔室内，以向所述晶舟喷射气体，所述轴向方向与所述反应腔室的高度方向平行；所述多个进气孔321的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
第三具体实施方式
在进行膜层沉积工艺的过程中，当用于传输气体的气体注入管上的进气孔孔径相同时，由于所述气体沿竖直方向自气体注入管的底端向顶端传输，所述气体注入管内部的气体压力沿自顶端指向底端的方向逐渐增大，使得所述气体注入管内气体的流量沿自底端指向顶端的方向逐渐减小，因而使得喷射至膜层沉积装置内的气体量沿与所述气体注入管的轴向方向平行的方向自底端指向顶端的方向逐渐减小，从而最终导致在所述膜层沉积装置顶部的晶圆表面生长的膜层厚度低于位于所述膜层沉积装置底部的晶圆表面生长的膜层厚度。
为了解决这一问题，本具体实施方式提供了一种用于膜层沉积装置的气体注入管，附图4是本发明第三具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图。对于与第一具体实施方式相同之处，本具体实施方式不再赘述，以下主要叙述与第一具体实施方式不同之处。
本具体实施方式提供的用于膜层沉积装置的气体注入管，包括位于所述气体注入管42侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔421，所述多个进气孔421的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。
优选的，如图4所示，在位于顶端的进气孔421指向位于底端的进气孔421的所述轴向方向上，所述气体注入管42上的多个所述进气孔421的孔径逐渐减小。
本具体实施方式通过增大与所述膜层沉积装置顶部对应的进气孔421的孔径，对所述膜层沉积装置顶部进行额外的气体补偿，增大与位于所述膜层沉积装置顶部的晶圆接触的气体量，从而提高了所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性，减少了所述膜层沉积装置内各晶圆表面生长的膜层厚度的差异性，确保了3D NAND存储器的性能。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种膜层沉积装置。本具体实施方式提供的膜层沉积装置，包括反应腔室和所述气体注入管42。所述反应腔室，适于放置用于承载晶圆的晶舟；所述气体注入管42，至少设置有所述多个进气孔421的一段位于所述反应腔室内，以向所述晶舟喷射气体，所述轴向方向与所述反应腔室的高度方向平行；所述多个进气孔421的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
第四具体实施方式
本具体实施方式提供了一种原子层沉积装置，附图5是本发明第四具体实施方式中用于膜层沉积装置的气体注入管的截面示意图。对于与第一具体实施方式相同之处，本具体实施方式不再赘述，以下主要叙述与第一具体实施方式不同之处。
本具体实施方式提供的用于膜层沉积装置的气体注入管，包括位于所述气体注入管52侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔521，所述多个进气孔521的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。
优选的，如图5所示，在位于中间的进气孔521指向位于端部的进气孔521的所述轴向方向上，所述气体注入管52上的多个所述进气孔521的孔径逐渐减小；所述端部为顶端和/或底端。
本具体实施方式通过增大与所述膜层沉积装置中部对应的进气孔521的孔径，对所述膜层沉积装置中部进行额外的气体补偿，增大与位于所述膜层沉积装置中部的晶圆接触的气体量，从而提高了所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性，减少了所述膜层沉积装置内各晶圆表面生长的膜层厚度的差异性，确保了3D NAND存储器的性能。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种膜层沉积装置。本具体实施方式提供的膜层沉积装置，包括反应腔室和所述气体注入管52。所述反应腔室，适于放置用于承载晶圆的晶舟；所述气体注入管52，至少设置有所述多个进气孔521的一段位于所述反应腔室内，以向所述晶舟喷射气体，所述轴向方向与所述反应腔室的高度方向平行；所述多个进气孔521的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种用于膜层沉积装置的气体注入管，其特征在于，包括位于所述气体注入管侧壁上并沿轴向方向间隔排列的多个进气孔，多个所述进气孔的孔径沿所述轴向方向渐变，以提高所述膜层沉积装置内气体分布的均匀性。
2.如权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，在位于中间的进气孔指向位于端部的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐增大；
所述端部为顶端和/或底端。
3.如权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，在位于中间的进气孔指向位于端部的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐减小；
所述端部为顶端和/或底端。
4.如权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，在位于顶端的进气孔指向位于底端的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐减小。
5.如权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，在位于顶端的进气孔指向位于底端的进气孔的所述轴向方向上，所述气体注入管上的多个所述进气孔的孔径逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，多个所述进气孔沿所述轴向方向等间隔分布。
7.根据权利要求1所述的气体注入管，其特征在于，所述进气孔的孔径为0.1mm-3mm。
8.如权利要求1至7任一项所述的气体注入管，其特征在于，所述气体注入管为石英管。
9.一种膜层沉积装置，其特征在于，包括：
反应腔室，适于放置用于承载晶圆的晶舟；
权利要求1至8任一项所述的气体注入管，至少设置有多个所述进气孔的一段位于所述反应腔室内，以向所述晶舟喷射气体，所述轴向方向与反应腔室的高度方向平行；
多个所述进气孔的孔径沿所述轴向方向渐变以提高所述反应腔室内气体在所述高度方向上的分布均匀性。
10.如权利要求9所述的膜层沉积装置，其特征在于，还包括开设在所述反应腔室上的排气口；
所述排气口与所述气体注入管分布于所述晶舟的相对两侧，用于排出所述反应腔室内的多余气体。
11.如权利要求9所述的膜层沉积装置，其特征在于，所述膜层沉积装置为原子层沉积装置。
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