CN109898072B - 半导体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体处理装置，包括：处理腔室；位于所述处理腔室内的至少一个基座，所述基座用于放置待处理晶圆，所述基座能够在所述处理腔室内进行圆周运动；至少一个管状喷头，位于所述处理腔室内，设置于所述基座上方，用于向所述晶圆表面喷洒工艺气体，所述管状喷头包括管体和沿所述管体分布的气孔；所述管状喷头倾斜设置，且随着与所述圆周运动的旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头高度逐渐降低。可以提高半导体处理的均匀性。

Description

半导体处理装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体处理装置。

背景技术

原子层沉积(ALD)是一种先进薄膜制作工艺，其阶梯覆盖率高，薄膜致密并且容易控制薄膜元素比例，在集成电路先进工艺中应用广泛。三维存储器(3D NAND)制备中，ALD工艺几乎覆盖了栅极叠层、通孔填充层、高K介质层等重要功能层的制备过程，其工艺稳定性对存储器性能有决定性影响。

在单腔室原子层沉积设备中对晶圆进行薄膜沉积过程中，晶圆在腔室内的转动平台上顺时针旋转，不断循环经过吸附区和反应区，完成原子沉积。

在其他工艺的半导体处理装置中，例如离子注入机台等，也会存在需要晶圆不断进行旋转的需要。

而晶圆在旋转过程中，容易发生薄膜沉积厚度不均匀的问题，影响后续工艺甚至产品良率。

如何避免晶圆在半导体处理过程中的不均匀问题，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种半导体处理装置，提高半导体处理的均匀性。

本发明的技术方案提供一种半导体处理装置，包括：处理腔室；位于所述处理腔室内的至少一个基座，所述基座用于放置待处理晶圆，所述基座能够在所述处理腔室内进行圆周运动；至少一个管状喷头，位于所述处理腔室内，设置于所述基座上方，用于向所述晶圆表面喷洒工艺气体，所述管状喷头包括管体和沿所述管体分布的气孔；所述管状喷头倾斜设置，且随着与所述圆周运动的旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头高度逐渐降低。

可选的，所述管状喷头的倾斜角度大于0°，小于90°，所述倾斜角度为所述管状喷头长度方向与水平面之间的夹角。

可选的，随着与所述旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头的气孔的分布密度逐渐增大。

可选的，所述气孔沿所述管状喷头的长度方向均匀分布。

可选的，所述管状喷头的长度方向经过所述旋转圆心。

可选的，所述处理腔室包括吸附区域、吹扫区域和反应区域；所述吸附区域用于通入吸附于晶圆表面的吸附气体，所述吹扫区域用于通入吹扫气体以对晶圆表面进行吹扫去除晶圆表面多余的吸附气体，所述反应区域用于通入反应气体，与所述晶圆表面吸附的气体进行反应，在晶圆表面形成沉积膜层。

可选的，所述吸附区域内至少设置有一个所述管状喷头。

可选的，所述基座表面倾斜，且随着与所述旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述基座表面各处高度逐渐增高。

可选的，所述基座表面的倾斜角度大于0°，小于90°，所述倾斜角度为所述基座表面与水平面之间的夹角。

可选的，所述半导体处理装置用于进行原子层沉积工艺。

本发明的半导体处理装置，包括处理腔室和基座，还包括设置于基座上方的管状喷头，所述管状喷头倾斜设置，使得随着与所述旋转圆心之间的距离逐渐增大，基座表面各处和所述管状喷头之间的垂直距离逐渐减小。晶圆表面与所述管状喷头的距离随着与旋转圆心距离的变化，产生梯度差异，可以补偿与气体接触时间不同带来的差异，从而补偿最终半导体处理效果的差异，例如补偿最终形成的沉积薄膜的厚度差异，在晶圆表面形成厚度均匀的薄膜。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的基座上方式晶圆后侧视示意图；

图3为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的半导体处理装置基座以及管状喷头的侧视示意图；

图5为本发明一具体实施方式的管状喷头的结构示意图；

图6为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的基座与管状喷头的侧视示意图；

图7为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的基座与管状喷头的侧视示意图。

具体实施方式

如背景技术中所述，现有技术中的半导体处理装置中，需要向旋转中的晶圆表面喷洒工艺气体时，对于径向设置的气体喷头，由于晶圆不同位置相对于喷头的运动角速度相同，而线速度则随着晶圆位置与旋转圆心距离不同而逐渐变化。晶圆离旋转圆心较远边缘转动线速度较大，相对喷头移动速度更快，接收气体的时间更短，导致晶圆远离旋转圆心位置沉积薄膜厚度较低，导致晶圆表面沉积的薄膜厚度不均匀，影响厚度工艺甚至良率。

因此，发明人提出新的半导体处理装置以解决上述问题。

下面结合附图对本发明提供的半导体处理装置的具体实施方式做详细说明。

请参考图1为本发明一具体实施方式的半导体处理装置的结构示意图。

该具体实施方式中，所述半导体处理装置包括处理腔室100和位于所述处理腔室100内的至少一个基座101。所述基座101用于放置待处理晶圆，所述基座101能够在所述处理腔室100内进行圆周运动。所述基座101表面倾斜，且随着与所述圆周运动的旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述基座101表面各处高度逐渐增大。

所述半导体处理装置可以为原子层沉积设备、离子注入设备等晶圆在处理过程中不断进行圆周运动的设备。该具体实施方式中，所述半导体处理装置内包括6个基座101，可以同时放置6片晶圆，同时对6片晶圆进行半导体工艺处理。各个基座101可围绕所述处理腔室的中心，进行顺时针或逆时针的圆周运动，各基座101运动方向和速度一致，避免发生碰撞。

所述基座101可以为石英材料，表面具有与晶圆尺寸对应的凹槽，用于放置晶圆并固定所述晶圆位置。在其他具体实施方式中，所述基座101表面还可以设置有静电吸附单元，用于通过静电吸附放置于基座101表面的晶圆。在其他具体实施方式中，所述基座101表面还可以具有气孔，通过抽真空单元将晶圆吸附与所述基座101表面。本领域的技术人员也可以通过其他方式将晶圆固定，避免基座101在旋转过程中，晶圆脱落基座101表面。

为了避免晶圆从基座101表面脱离，还需要对所述基座101的旋转速率进行控制。在一个具体实施方式中，所述基座101进行圆周运动的旋转速率小于等于240周/分钟。

请参考图2，为其中一基座101上放置晶圆201的侧视示意图。

所述基座101表面向圆周运动的旋转圆心方向倾斜。该具体实施方式中，所述基座101整个座体倾斜，使得基座101表面倾斜。所述基座101底部可以设置有至少两根可升降支柱，通过调整可升降支柱的高度，可以调整所述基座101整体的倾斜度，从而实现对所述基座101表面倾斜度的调整。

在其他具体实施方式中，基座101底面水平，通过基座101座体厚度的变化，使得所述基座101的表面倾斜。这种情况下，基座101表面的倾斜度固定，无法调整。

该具体实施方式中，所述基座101表面的法线与所述圆周运动旋转轴线L位于同一平面内，使得各个基座101的倾斜度易于控制一致。所述基座101表面的倾斜角度α大于0°，小于90°，所述倾斜角度α为所述基座表面与水平面之间的夹角。较佳的，0＜α≤45°。若倾斜角度过大，晶圆201容易自基座101表面掉落；在基座101上方垂直于水平面通入工艺气体的情况下，倾斜角度α过大，也不利于晶圆201与工艺气体充分接触。

所述基座101围绕旋转圆心O进行圆周运动，晶圆201各位置处受到的向心力和与旋转圆心O之间的距离成正比。由于所述基座101表面倾斜，使得晶圆201的倾斜放置，相对于水平放置，晶圆201上各位置处距离旋转圆心O处的距离缩小。假设，晶圆201水平放置时，晶圆201边缘距离旋转圆心O的最大距离L1＝2R+d，2R为晶圆201直径，d为晶圆边缘与旋转圆心O之间的最短距离。当基座101倾斜角为α时，晶圆201边缘距离旋转圆心O的最大距离L2＝2Rcosα+d，L2＜L1。可见，由于晶圆201倾斜放置，使得晶圆201上各点与旋转圆心O之间的距离缩小，在晶圆201围绕旋转圆心O进行圆周运动角速度不变的情况下，晶圆201各位置处受到的向心力变小，减少向心力对晶圆201造成损伤的可能性。

当晶圆水平放置时，由于向心力朝向旋转圆心沿晶圆的表面方向作用于晶圆，会导致产生的应力集中与晶圆距离旋转圆心最远处的边缘处，使得边缘容易受损。而在本发明的具体实施方式中，由于晶圆201倾斜放置时，晶圆201受到的向心力作用可分解为部分沿平行晶圆201表面方向，部分沿垂直晶圆表面方向，因此，由于向心力产生的部分应力会分散于整个晶圆整体，进而减少晶圆边缘受到的应力作用，从而避免晶圆201边缘发生破损，进而减少处理腔室内的颗粒污染问题，提高产品的良率。进一步的，晶圆201背面朝向远离旋转圆心O的方向，使得向心力产生的应力由晶圆201背面加持，可以减少对晶圆201正面的影响，避免晶圆201正面形成的器件或膜层受影响。。

请参考图3，为本发明另一具体实施方式的半导体处理装置的结构示意图。

该具体实施方式中，所述半导体处理装置为原子层沉积设备。所述半导体处理装置包括：吸附区域301、吹扫区域302和反应区域303。所述吸附区域301用于通入吸附于晶圆表面的吸附气体，所述吹扫区域302用于通入吹扫气体以对晶圆表面进行吹扫去除晶圆表面多余的气体，所述反应区域303用于通入反应气体，与所述晶圆表面吸附的吸附气体进行反应，在晶圆表面形成沉积膜层。在所述吸附区域301和反应区域303之间，均设置有所述吹扫区域302。

在一个具体实施方式中，所述原子层沉积设备用于沉积氧化硅层。所述吸附区域301用于通入硅源气体，例如三甲基硅烷等；所述吹扫区域302通入氮气或者氦气、氩气等惰性气体进行吹扫；所述反应区域303内用于通入氧化气体，例如氧气、臭氧等。

晶圆放置于所述基座101内依次经过吸附区域301吸附硅源气体，在晶圆表面形成稳定的化学吸附、经过吹扫区域302吹扫去除晶圆表面多余的硅源气体，再进入氧化区域，氧化气体与晶圆表面吸附的硅源气体反应，形成氧化硅层。基座101旋转一周，在晶圆表面沉积一层薄膜。

所述半导体处理装置还包括至少一个管状喷头310，位于所述处理腔室100内，设置于所述基座101上方，用于向晶圆表面喷洒工艺气体；所述管状喷头包括管体和沿所述管体分布的气孔。

该具体实施方式中，在所述吸附区域301和所述反应区域303内均设置有所述管状喷头310。通过所述管状喷头310向所述吸附区域301内通入吸附气体，例如形成氧化硅薄膜时的硅源气体；通过所述管状喷头310向所述反应区域303内通入反应气体，例如形成氧化硅薄膜时的氧化气体。各区域之间设置有气帘装置，用于在进行半导体处理的过程中，在各区域之间形成气帘隔离，以避免不同区域内的气体产生干扰。

所述管状喷头310的长度方向沿所述基座101进行圆周运动的径向方向，长度方向经过所述旋转圆心。且长度大于基座101上待放置的晶圆的直径，使得晶圆表面各处均能被喷洒到气体。

请参考图4，为基座101表面放置有晶圆，且上方具有管状喷头310时的侧视示意图。

所述管状喷头310的管体通常为石英管，水平设置，气孔朝向基座101，用于向基座101表面的晶圆201喷洒工艺气体。由于所述基座101在处理过程中，不断进行圆周运动，相对所述管状喷头310进行转动。所述晶圆201相对于所述管状喷头310的运动速度，随着与旋转圆心O的距离的增大而变大，相对于管状喷头310运动速度增大，意味着与所述管状喷头310喷下的工艺气体接触的时间较短。当所述基座101位于吸附区域301(请参考图3)时，所述晶圆201远离旋转圆心O处与吸附气体接触的时间较短，吸附时间较短；而晶圆201靠近旋转圆心O处与吸附气体接触的时间较长，吸附时间较长，有利于形成较大密度的吸附。

该具体实施方式中，由于所述基座101向旋转圆心O方向倾斜，使得随着与所述旋转圆心O之间的距离逐渐增大，基座101表面各处和所述管状喷头310之间的垂直距离逐渐减小。使得晶圆201表面与所述管状喷头310的气孔之间的距离随着与旋转圆心距离的变化，产生梯度差异，离旋转圆心O较近位置距离气孔较远，气体丰度较低；离旋转圆心O较远位置距离气孔较远，气体丰度较大，可以补偿与气体接触时间不同带来的差异，从而补偿最终形成的沉积膜层的差异。

可以合理设置所述基座101的倾斜度，以及管状喷头310的喷出的气体流速，使得晶圆201各位置处吸附的气体均匀分布，消除由于晶圆201不同位置与管状喷头310相对速度不同带来的差异。

在本发明的具体实施方式中，所述管状喷头310至少设置于所述吸附区域301内。在一个具体实施方式中，可以仅在所述吸附区域301内设置管状喷头310，在其他区域内设置圆形喷头或其他类型的喷头。所述吸附区域301可以设置一个或两个以上所述管状喷头310。

对于原子层沉积工艺，晶圆在吸附区域301内吸附的气体在晶圆表面分布的均匀性，决定了后续在晶圆表面形成的沉积膜层厚度的均匀性。因此，尤其需要在吸附区域301内克服由于进行圆周运动时，晶圆相对喷头的相对运动速度不同而导致的气体吸附不均匀的问题。因此，至少需要在吸附区域301内设置所述管状喷头310。根据需要，可以在所述吸附区域301内设置两个或更多数量的所述管状喷头310。

本发明的具体实施方式中，也可以在所有区域内均设置所述管状喷头310。

在该具体实施方式中，所述反应区域303也设置有所述管状喷头310。反应区域303内用于喷入与晶圆表面吸附的吸附气体分子进行反应的气体，通过设置所述管状喷头310，也可以提高晶圆各位置处与反应气体进行反应的均匀性。不过，通常为了确保所述晶圆表面的吸附气体完全反应生成沉积薄膜，所述反应区域303内通常通入的气体量较大，反应区域303空间较大，使得晶圆经过反应区域303的时间较长，即便晶圆各位置处反应的均匀性不一致，但是由于反应时间较长，通入的反应气体浓度较大，晶圆表面各处的吸附气体分子均能够完全参与反应，形成沉积膜层。所以，在其他具体实施方式中，为了降低成本，所述反应区域303内也可以仅设置圆形或其他类型的喷头，无需考虑空间内各位置处的气体丰度不均匀的问题。

所述吹扫区域302内通入的气体主要用于吹扫晶圆表面吸附的多余气体分子，通常采用氮气或其他惰性气体，不参与反应，因此，也不存在气体丰度不均匀的影响。在本具体实施方式中，所述吹扫区域302设置圆形喷头320(请参考图3)；其他具体实施方式中，也可以在所述吹扫区域302设置其他类型的喷头。

请参考图5，为本发明一具体实施方式的管状喷头310的结构示意图。

该具体实施方式中，所述管状喷头310包括管体311和位于所述管体311上的气孔312。所述管状喷头310的管体311的横截面为矩形，在其他具体实施方式中，所述管体311的横截面还可以为圆形或椭圆形等，在此不做限定。

该具体实施方式中，随着与旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述气孔312的分布密度逐渐增大，即随着与旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头310喷出的气体量越大。该具体实施方式中，各位置处气孔312的尺寸一致，通过调整不同位置处的气孔312的数量，调整气孔312的分布密度。在其他具体实施方式中，也可以通过在不同位置处设置不同尺寸的气孔，实现气孔分布密度的不同。例如，气孔312的尺寸自靠近旋转圆心处向远离旋转圆心的方向上逐渐增大。

通过调整气孔312的密度分布，也可以提高在远离旋转圆心处的气体丰度，进一步补偿由于晶圆相对运动速度差异造成不同位置处与气体接触时间不同带来的差异，从而补偿在晶圆不同位置处的半导体处理效果的差异。

在其他具体实施方式中，所述气孔也可以沿所述管状喷头的长度方向均匀分布，使得各位置处的喷出气体的量均匀。

请参考图6，为本发明另一具体实施方式的半导体处理装置的基座与管状喷头的侧视示意图。

该具体实施方式中，所述半导体处理装置包括处理腔室；位于所述处理腔室内的至少一个基座601，所述基座601用于放置待处理晶圆602，所述基座601能够在所述处理腔室内进行圆周运动；至少一个管状喷头603，位于所述处理腔室内，设置于所述基座601上方，用于向所述晶圆602表面喷洒工艺气体，所述管状喷头603包括管体和沿所述管体分布的气孔；所述管状喷头603倾斜设置，且随着与所述旋转圆心O之间的距离逐渐增大，所述管状喷头603高度逐渐降低。

该具体实施方式中，所述管状喷头603倾斜设置，所述基座601的表面水平设置，使得随着与所述旋转圆心O之间的距离逐渐增大，基座601表面各处和所述管状喷头603之间的垂直距离逐渐减小。晶圆602表面与所述管状喷头603的气孔之间的距离随着与旋转圆心距离的变化，产生梯度差异，离旋转圆心O较近位置距离气孔较远，气体丰度较低；离旋转圆心O较远位置距离气孔较远，气体丰度较大，可以补偿与气体接触时间不同带来的差异，从而补偿最终半导体处理效果的差异，例如补偿最终形成的沉积薄膜的厚度差异，在晶圆602表面形成厚度均匀的薄膜。

可以合理设置所述管状喷头603的倾斜度，以及管状喷头603的喷出的气体流速，使得晶圆602各位置处吸附的气体均匀分布，消除由于晶圆602不同位置与管状喷头603相对速度不同带来的差异。

所述管状喷头603的倾斜角度β大于0°，小于90°，所述倾斜角度α为所述管状喷头603的长度方向与水平面之间的夹角。较佳的，0＜β≤45°。一方面，受到处理腔室空间限定，倾斜角度不能过大；另一方面，角度过大也容易导致管状喷头603不稳定。

请参考图7，为本发明另一具体实施方式的半导体处理装置的基座与管状喷头的侧视示意图。

该具体实施方式中，所述管状喷头703和基座701表面均倾斜设置。随着与圆周运动的旋转圆心O之间的距离逐渐增大，所述基座701表面各处高度逐渐增大；随着与圆周运动的旋转圆心O之间的距离逐渐增大，所述管状喷头703高度逐渐降低。随着与所述旋转圆心O之间的距离逐渐增大，基座701表面各处和所述管状喷头703之间的垂直距离逐渐减小。

晶圆702置于所述基座701上时，所述晶圆702朝向所述旋转圆心倾斜。与水平放置时相比，晶圆702倾斜放置时，晶圆702上各点与旋转圆心O之间的距离缩小，在晶圆702围绕旋转圆心O进行圆周运动角速度不变的情况下，晶圆702各位置处受到的向心力变小，可以减少向心力对晶圆702造成损伤的可能性。并且，晶圆702倾斜放置时，晶圆702受到的向心力作用可分解为部分沿平行晶圆702表面方向，部分沿垂直晶圆702表面方向，因此，由于向心力产生的部分应力会分散于整个晶圆702整体，进而减少晶圆边缘受到的应力作用，从而避免晶圆702边缘发生破损，从而减少处理腔室内的颗粒污染问题，提高产品的良率。进一步的，晶圆702背面朝向远离旋转圆心O的方向，使得向心力产生的应力由晶圆702的背面加持，可以减少对晶圆702正面的影响，避免晶圆702正面形成的器件或膜层受影响。

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 (10)

1.一种半导体处理装置，其特征在于，包括：

处理腔室；

位于所述处理腔室内的至少一个基座，所述基座用于放置待处理晶圆，所述基座能够在所述处理腔室内进行圆周运动；

至少一个管状喷头，位于所述处理腔室内，设置于所述基座上方，用于向所述晶圆表面喷洒工艺气体，所述管状喷头包括管体和沿所述管体分布的气孔；

所述管状喷头倾斜设置，且随着与所述圆周运动的旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头高度逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述管状喷头的倾斜角度大于0°，小于90°，所述倾斜角度为所述管状喷头长度方向与水平面之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，随着与所述旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述管状喷头的气孔的分布密度逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述气孔沿所述管状喷头的长度方向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述管状喷头的长度方向经过所述旋转圆心。

6.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述处理腔室包括吸附区域、吹扫区域和反应区域；所述吸附区域用于通入吸附于晶圆表面的吸附气体，所述吹扫区域用于通入吹扫气体以对晶圆表面进行吹扫去除晶圆表面多余的吸附气体，所述反应区域用于通入反应气体，与所述晶圆表面吸附的气体进行反应，在晶圆表面形成沉积膜层。

7.根据权利要求6所述的半导体处理装置，其特征在于，所述吸附区域内至少设置有一个所述管状喷头。

8.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述基座表面倾斜，且随着与所述旋转圆心之间的距离逐渐增大，所述基座表面各处高度逐渐增高。

9.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述基座表面的倾斜角度大于0°，小于90°，所述倾斜角度为所述基座表面与水平面之间的夹角。

10.根据权利要求1所述的半导体处理装置，其特征在于，所述半导体处理装置用于进行原子层沉积工艺。

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