CN110499499A - 反应腔室和半导体设备 - Google Patents

反应腔室和半导体设备 Download PDF

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Abstract

一种反应腔室和半导体设备。反应腔室包括腔体(10)和设于腔体(10)内的第一内衬(5)，腔体(10)的底壁设有排气口(7)和第一进气口(11)，第一内衬(5)为筒状，第一内衬(5)与腔体中心轴的距离大于排气口(7)与腔体中心轴的距离，且小于第一进气口(11)与腔体中心轴的距离，排气口(7)和第一进气口(11)通过气道(2)相连通。反应腔室的内壁上不易形成反应副产物，且成膜质量高。

Description

反应腔室和半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体制造设备领域，特别涉及一种反应腔室和包括该反应腔室的半导体设备。
背景技术
氮化钛(Titanium nitride，TiN)薄膜由于良好的导电性、良好的热稳定性和优异的机械性能而成为IC领域的多用途材料。例如作为扩散阻挡层防止钨扩散进入氧化层和硅衬底中，作为附着层使钨附着于氧化硅表面，作为抗反射镀膜层(ARC)改进光刻解析度，在HKMG(High-K Metal-Gate)MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)工艺中TiN用于金属栅电极，在低k电介质双镶嵌刻蚀工艺中，作为金属硬掩膜保护OSG薄膜等。
物理气相沉积(PVD)方法是沉积TiN薄膜的主要方法，主要采用反应式溅射，即氩气(Ar)和氮气(N2)等离子体轰击Ti靶材。与PVD沉积的TiN薄膜相比较，采用原子层沉积(ALD)方法沉积的TiN薄膜台阶覆盖率更好，在14nm及更小特征尺寸的组件应用上具有更为广阔的前景。
采用ALD方法沉积TiN时，Ti的前驱体主要包括钛的卤化物(如TiCl4)和有机金属钛化合物。由于四氯化钛(TiCl4)热稳定性非常好，蒸汽压较高在室温下就能挥发，且沉积的TiN薄膜电阻低，因此经常采用钛的无机氯化物TiCl4作为前驱体。利用ALD反应制备TiN，反应过程为：脉冲通入前驱体TiCl4到腔室后采用高纯N2吹扫腔室和管路，反应物NH3脉冲通入腔室后同样采用高纯N2吹扫腔室和管路，完成一个ALD循环，重复ALD循环直至沉积薄膜达到预设厚度。除TiN外，反应产物HCl以及发生副反应形成的副产物均会对生成TiN产生不利的影响。其中主要的副反应有：形成的HCl和反应物NH3反应生成氯化铵，前驱体TiCl4和反应物NH3形成氨基化合物TiCl4.nNH3(n＝2,4,8等)及TiNxCly等。
理想的ALD反应是前驱体在基座表面而不是腔室和基座表面外的其它空间内进行反应。因此，在第二种前驱体脉冲注入到腔室前，第一种前驱体必须完全从腔室去除。滞留在腔室壁、加热器周围及腔室其它空间的痕量的前驱体和反应物之间都会发生反应形成非预期的杂质，对腔室和基底表面带来污染，并在薄膜中引入杂质。诸如在TiCl4和NH3发生ALD反应生成TiN反应中，非衬底表面形成的TiN、TiCl4.nNH3。
通过ALD反应沉积TiN采用的反应源为TiCl4和NH3，热ALD制备TiN反应的温度一般在500℃～650℃。在TiCl4和NH3反应生成TiN的工艺过程中，进入ALD循环后，反应源TiCl4的蒸汽在载气的携带下从气体分配装置均匀流向衬底晶片上，TiCl4前驱体分子吸附在衬底晶片上达到饱和。为了将反应物蒸汽束缚在相对较小的腔室空间内，提高TiCl4源蒸气和反应物NH3在衬底晶片表面的均匀吸附，在加热基座周围设置第一内衬，第一内衬可以使腔室内的气体均匀的流向加热基座的四周。在ALD循环的第二步，即氮气吹扫TiCl4传输管路和腔室后，吹扫气体从第一内衬的出气口流向外侧空间，经过排气口后到达前级管路和真空泵被排出腔室。为了防止TiCl4源蒸气和NH3气体在加热基座侧面、衬底晶片边缘等位置发生反应引入颗粒物污染，在加热基座下引入向上的吹扫气体，向上的吹扫气体也采用氮气。吹扫气体吹扫加热基座的底部和侧壁，然后也从第一内衬的出气口流向外侧空间，经过排气口排出。通过引入向上的吹扫气体，可以尽量减少甚至避免在衬底晶片边缘和加热基座侧壁形成沉积物。此外，为了避免腔室内壁形成沉积物，设置从腔室底壁沿腔室侧壁延伸到腔室顶部的第二内衬。
但是，目前的腔室设计还存在以下不足：
1、由于第二内衬一直向上贯通到腔室顶部，理论上第二内衬和腔室内壁之间形成的空间没有源TiCl4和NH3的气体进入，但在实际应用中，由于第二内衬与腔室内壁之间不可避免的存在着微小缝隙，因此，部分气体会进入该缝隙内。由于腔室内壁温度较低，TiCl4和NH3的气体容易吸附在温度较低的腔室内壁，发生系列副反应形成TiCl4.nNH3吸附在腔室内壁上，这种反应副产物吸附并聚集在腔室内壁，既无法在腔室维护时更换，又由于TiCl4.nNH3的性质决定其无法通过NF3等离子体方法清除，从而增加处理难度。
2、第一内衬可以在吹扫步骤中将腔室内前驱体TiCl4蒸气和NH3比较均匀的吸附到第一内衬外侧的空间内，但在从第一内衬外侧空间通过排气口排向前级管路和真空泵时，由于排气口唯一，因此气体排出速度受距离排气口远近的影响，靠近排气口的残余气体排出速度较快，远离排气口的位置气体排出速度较慢，滞留的气体可能发生反应形成副产物。
因此，期待开发一种能够克服上述缺陷的反应腔室。
发明内容
本发明的目的是提出一种反应腔室，以克服现有反应腔室内壁容易形成反应副产物以及排气速度较慢的问题。
本发明一方面提供一种反应腔室，包括腔体和设于所述腔体内的第一内衬，所述腔体的底壁设有排气口和第一进气口，所述第一内衬为筒状，所述第一内衬与腔体中心轴的距离大于所述排气口与所述腔体中心轴的距离，且小于所述第一进气口与所述腔体中心轴的距离，所述排气口和第一进气口通过气道相连通。
优选地，所述第一内衬的顶部与所述腔体的顶壁之间设有间隙。
优选地，所述反应腔室还包括基座、设于所述基座上方的气体分配装置和套设于所述基座外部的第二内衬，所述气体分配装置与所述第二内衬连接形成反应空间，所述反应空间通过设于所述第二内衬上的气孔与所述排气口相连通。
优选地，所述腔体的底壁上设有第二进气口，所述第二进气口与所述反应空间相连通，且靠近所述基座与所述腔体的连接处。
优选地，所述第一内衬包括环形侧壁和与所述环形侧壁连接的环形底壁，所述环形底壁上设有与所述排气口连通的底部排气孔。
优选地，所述第一进气口为多个，且多个所述第一进气口沿所述第一内衬的外周均匀分布。
优选地，所述第一进气口为两个，且两个所述第一进气口相对于所述腔体中心轴对称设置。
优选地，所述排气口为多个，且多个所述排气口沿所述第一内衬的内周均匀分布。
优选地，所述排气口为两个，且两个所述排气口相对于所述腔体中心轴对称设置。
本发明另一方面提供一种半导体设备，包括所述的反应腔室。
本发明的有益效果在于：
1、本申请通过在第一内衬的径向外侧设置第一进气口，从第一进气口可通入向上流动的吹扫气体，能够避免反应空间内排出的尾气流向第一内衬与腔体侧壁之间的空间，防止在腔体侧壁上形成难以清除的反应副产物。
2、第一进气口、第二进气口和排气口的设置能够在反应腔室内形成理想的气幕，避免反应腔室内不同位置气流场不均衡，有利于在衬底上方的反应空间内形成均匀的气流场，从而形成均匀的薄膜，能够减少颗粒的产生，提高成膜质量。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示根据本发明示例性实施例的反应腔室的剖视图；
图2显示图1中A-A剖面的剖视图。
附图标记说明：
1气体分配装置，2气道，3基座，4第二内衬，5第一内衬，6空间，7排气口，8气孔，9第二进气口，10腔体，11第一进气口，12底部排气孔。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的反应腔室，包括腔体和设于腔体内的第一内衬，腔体的底壁设有排气口和第一进气口，第一内衬为筒状，第一内衬与腔体中心轴的距离大于排气口与腔体中心轴的距离，且小于第一进气口与腔体中心轴的距离，排气口和第一进气口通过气道相连通。
在反应腔室的腔体内设置第一内衬，在腔体的底壁设置排气口和第一进气口。腔体一般为圆柱体或长方体，通过调整第一内衬、第一进气口和排气口与腔体中心轴之间的距离，即第一内衬与腔体中心轴的距离大于排气口与腔体中心轴的距离，且小于第一进气口与腔体中心轴的距离(换言之，沿腔体的径向方向，第一内衬设于第一进气口与排气口之间)，第一内衬将第一进气口与排气口隔开。当从第一进气口通入向上流动的吹扫气体时，吹扫气体流经第一内衬与腔体侧壁之间的空间，经过气道再通过排气口排出，从而能够清除腔体侧壁上的反应副产物，避免反应副产物沉积在腔体侧壁上。其中，第一进气口与腔体中心轴的距离即第一进气口的中心轴与腔体中心轴之间的距离，排气口与腔体中心轴的距离即排气口的中心轴与腔体中心轴之间的距离，第一内衬为筒状，其与腔体中心轴的距离即腔体中心轴与第一内衬的内壁之间的距离。
在一个示例中，第一内衬的顶部与腔体的顶壁之间设有间隙，气道从设于腔体底壁的第一进气口延伸至第一内衬的顶部，延伸通过该间隙，再从第一内衬的顶部延伸至排气口。当从第一进气口通入向上流动的吹扫气体时，吹扫气体能够从腔体侧壁的底部一直吹扫到顶部，再通过该间隙最终从排气口排出，彻底清除腔体侧壁上的反应副产物，吹扫效果好。
在一个示例中，反应腔室还包括基座、设于基座上方的气体分配装置和套设于基座外部的第二内衬，气体分配装置与第二内衬连接形成反应空间，反应空间通过设于第二内衬上的气孔与排气口相连通。基座用于承载晶片，反应源蒸汽通过气体分配装置进入反应空间内，流向晶片，设置第二内衬有利于将反应源蒸汽束缚在相对较小的空间内，提高反应源蒸汽在晶片表面的均匀吸附。
在一个示例中，腔体的底壁上设有第二进气口，第二进气口与反应空间相连通，且靠述基座与腔体的连接处。
从第二进气口通入向上流动的吹扫气体，吹扫气体流经基座的底面和侧壁，可以减少甚至避免在这些位置形成沉积物。向上流动的吹扫气体通过基座侧壁与第二内衬内壁之间的空隙，并通过第二内衬上的气孔最终从排气口排出。此外，从第一进气口和第二进气口同时通入向上流动的吹扫气体，通过排气口排出尾气，有利于在反应腔室内形成理想的气幕，避免反应腔室内不同位置气流场不均衡，有利于在衬底上方的反应空间内形成均匀的气流场，从而形成均匀的薄膜，减少颗粒的产生。
在一个示例中，第一内衬包括环形侧壁和与环形侧壁连接的环形底壁，环形底壁上设有与排气口连通的底部排气孔。第一内衬的环形底壁可覆盖于腔体底壁上，可避免腔体底壁上沉积反应副产物。通过在环形底壁上设有与排气口连通的底部排气孔，吹扫气体可依次流经底部排气孔、排气口排出反应腔室。优选地，第一内衬包括圆环形侧壁和与圆环形侧壁连接的圆环形底壁。
在一个示例中，第一进气口为多个，且多个第一进气口沿第一内衬的外周均匀分布。沿着第一内衬的外周均匀设置多个第一进气口有利于吹扫气体彻底吹扫腔体侧壁，从而有效地防止在腔体侧壁上形成难以清除的反应副产物。
在一个示例中，第一进气口为两个，且两个第一进气口相对于腔体中心轴对称设置。一般情况下，对称设置两个第一进气口即可满足使用要求，能够有效地防止在腔体侧壁上形成难以清除的反应副产物。
在一个示例中，排气口为多个，且多个排气口沿第一内衬的内周均匀分布。均匀分布的多个排气口可以保证在第一内衬与第二内衬之间的不同位置处，尾气被快速、均匀地排出，避免了现有技术因为单一排气口而造成的部分位置的尾气滞留而在第二内衬的外侧壁上发生反应的现象。
在一个示例中，排气口为两个，且两个排气口相对于腔体中心轴对称设置。一般情况下，设置两个对称的排气口即可满足快速、均匀排气的要求。更为优选地，第一进气口和排气口均为两个，且每个第一进气口与一个排气口对齐，更有利于吹扫气体在彻底吹扫腔体内壁之后快速、均匀地排出反应腔室。
本发明实施例还提供一种半导体设备，包括所述的反应腔室。
实施例
图1显示根据本发明示例性实施例的反应腔室的剖视图，图2显示图1中A-A剖面的剖视图。如图1和图2所示，根据本发明示例性实施例的反应腔室包括腔体10和设于腔体10内的第一内衬5，第一内衬5的顶部与腔体10的顶壁之间设有间隙，腔体10的底壁设有排气口7和第一进气口11，第一内衬5为方筒状，第一内衬5与腔体中心轴的距离T大于排气口7与腔体中心轴的距离L2，且小于第一进气口11与腔体中心轴的距离L1，排气口7和第一进气口11通过气道2相连通。
其中，第一内衬5包括环形侧壁和与环形侧壁连接的环形底壁，环形底壁上设有与排气口7连通的底部排气孔12。
反应腔室还包括设于腔体10内的基座3、设于基座3上方的气体分配装置1和套设于基座3外部的第二内衬4，第二内衬4为圆筒状，气体分配装置1和第二内衬4连接形成反应空间，反应空间通过设于第二内衬上的气孔8与排气口7相连通。
腔体10的底壁上设有第二进气口9，第二进气口9与反应空间相连通，且靠近基座3与腔体10的连接处。
其中，第一进气口11为两个，且两个第一进气口相对于腔体中心轴对称设置，类似的，第二进气口9、排气口7各两个，且均相对于腔体中心轴对称设置。如图1所示，所有的第一进气口11、第二进气口9和排气口7均设置在通过腔体中心轴的同一个剖面内。
该反应腔室不仅适用于ALD沉积TiN，也适用于ALD沉积HfO2、Al2O3等。以下参考ALD沉积TiN来描述该反应腔室的工作原理。首先，晶片(未显示)传送到基座3的顶针上，顶针下降后晶片落在基座3上，电机带动基座3和晶片升高到工艺位置后开始工艺。进入ALD循环后，反应源TiCl4的蒸汽在载气(一般采用氮气)的携带下从气体分配装置1均匀流至晶片上，TiCl4前驱体分子吸附在晶片上达到饱和。第二内衬4可以将反应物蒸气束缚在相对较小的反应空间内，并有效提高TiCl4源蒸气和反应物NH3在晶片表面的均匀性吸附。在ALD循环的第二步，即通过第二进气口9进入反应腔室的吹扫气体吹扫基座3的底面和侧壁以及第二内衬4的内壁之后(如图1中虚线箭头所示)，吹扫气体从第二内衬4的气孔8流向第二内衬4与第一内衬5之间的空间6。与此同时，通过第一进气口11进入反应腔室的吹扫气体吹扫第一内衬5与腔体10的侧壁之间的气道2，并通过第一内衬5顶部的间隙进入空间6，由于间隙设置于第一内衬5的顶部与腔体10的顶壁之间，因此利于吹扫气体从腔体低部一直流动到腔体顶部，彻底吹扫腔体侧壁，如图1中虚线箭头所示。排气口7与真空泵相连，空间6中的尾气通过底部排气孔12、排气口7排出反应腔室。
由于设置了第一进气口11，可通过第一进气口11通入吹扫气体，吹扫气体流经第一内衬5与腔体10的侧壁之间的空间6，经过第一内衬5顶部的间隙再通过排气口7排出，从而可以避免反应空间内排出的尾气流向第一内衬与腔体侧壁之间的空间，防止在腔体侧壁上形成难以清除的反应副产物。此外，实施例中对称设置两个排气口7，能够保证空间6内不同位置的尾气被均匀、快速地抽出，避免了气体残留形成副产物，还有利于在晶片上方的反应空间内形成均匀的气流场，从而形成均匀的薄膜，减少颗粒的产生。
此外，在本实施例中，由于腔体侧壁上不易形成副反应产物，因此无需在腔室维护时对侧壁进行清理，也不必拆卸第一内衬，降低了维护成本。因此，第一内衬5可以是一体式结构，由耐高温的陶瓷等材料制成。另外，第二内衬4可以是分体式结构，其下部可由耐高温的陶瓷等材料制成，上部可由金属材料制成，以便于加工和更换。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种反应腔室，其特征在于，包括腔体(10)和设于所述腔体(10)内的第一内衬(5)，所述腔体(10)的底壁设有排气口(7)和第一进气口(11)，所述第一内衬(5)为筒状，所述第一内衬(5)与腔体中心轴的距离大于所述排气口(7)与所述腔体中心轴的距离，且小于所述第一进气口(11)与所述腔体中心轴的距离，所述排气口(7)和第一进气口(11)通过气道(2)相连通。
2.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述第一内衬(5)的顶部与所述腔体(10)的顶壁之间设有间隙。
3.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，还包括基座(3)、设于所述基座(3)上方的气体分配装置(1)和套设于所述基座(3)外部的第二内衬(4)，所述气体分配装置(1)与所述第二内衬(4)连接形成反应空间，所述反应空间通过设于所述第二内衬上的气孔(8)与所述排气口(7)相连通。
4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述腔体(10)的底壁上设有第二进气口(9)，所述第二进气口(9)与所述反应空间相连通，且靠近所述基座(3)与所述腔体(10)的连接处。
5.根据权利要求4所述的反应腔室，其特征在于，所述第一内衬(5)包括环形侧壁和与所述环形侧壁连接的环形底壁，所述环形底壁上设有与所述排气口(7)连通的底部排气孔(12)。
6.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述第一进气口(11)为多个，且多个所述第一进气口沿所述第一内衬(5)的外周均匀分布。
7.根据权利要求6所述的反应腔室，其特征在于，所述第一进气口(11)为两个，且两个所述第一进气口相对于所述腔体中心轴对称设置。
8.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述排气口(7)为多个，且多个所述排气口沿所述第一内衬(5)的内周均匀分布。
9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述排气口(7)为两个，且两个所述排气口相对于所述腔体中心轴对称设置。
10.一种半导体设备，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的反应腔室。
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