CN110592553B - 工艺腔室及半导体设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种工艺腔室及半导体设备，该工艺腔室包括腔室本体和设于所述腔室本体内基座及进气管路，所述进气管路包括主进气通道和多条分流通道，多条所述分流通道均设于所述基座内，并分别与所述主进气通道连通，且各所述分流通道的出气口均位于所述基座的外周面上。应用本发明，可以有效减弱了冷泵偏置抽气对沉积薄膜均匀性的影响，使工艺区的气体运动更均匀，改善了沉积薄膜的均匀性，提升了设备的工艺能力和产品品质。

Description

工艺腔室及半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种工艺腔室及半导体设备。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，工艺过程中对晶圆表面成膜的膜厚均匀性要求也越来越严格严格，例如在某些光学领域，ITO(氧化铟锡)薄膜在纳米级厚度均匀性要求其波动范围不超过数埃(A)，这就要求PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)设备具备更加精细可控的工艺能力。
而现有的PVD设备的成膜工艺腔室，其进气口一般位于腔体一侧，靠近底部，冷泵抽气口位于腔室底部另一侧，使得基座靠近进气口和抽气口的两侧具有不同方向的气体流动，导致在基座上方工艺区内气体运动的方向和速率不均匀，因而影响沉积膜厚的均匀性。此外受限于目前的腔室结构和进气方式，工艺气体在进入工艺区时，有大部分都被冷泵直接抽走，不仅降低了工艺气体的电离效率，还可能影响溅射启辉(两电极之间有绝缘气体时，电极间气体被击穿发光的启动瞬间可称为启辉)和工艺的稳定性。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种工艺腔室及半导体设备。
为实现本发明的目的，一方面提供一种工艺腔室，包括腔室本体、设置于所述腔室本体内的基座、衬底以及进气管路，其特征在于，
所述进气管路包括主进气通道和与所述主进气通道气路相通的多条分流通道；
所述分流通道设置于所述基座内部，且所述分流通道的出气口位于所述基座的侧周壁上；和/或，
所述分流通道设置于所述衬底内部，且所述分流通道的出气口位于所述衬底的侧周壁上。
可选地，所述工艺腔室还包括设置于所述腔室本体内的内衬和压环；
所述内衬的下部形成第一凹槽结构；
所述基座的侧壁与所述压环形成第二凹槽结构；
所述第一凹槽结构的槽口与所述第二凹槽结构相对设置，形成弯折气流通道。
可选地，所述第一凹槽结构的槽内容纳有所述压环的下部侧板，且所述下部侧板与所述第一凹槽结构无接触；
所述第二凹槽结构的槽内容纳有所述内衬的内侧板，且所述内侧板与所述第二凹槽结构无接触。
可选地，所述内侧板上开设有多个通气孔，所述通气孔的数量与所述分流通道的数量一一对应；所述通气孔的位置与所述分流通道的位置一一对应。
可选地，当所述分流通道设置于所述基座内部时，设置于所述基座内部的多条所述分流通道，均经所述基座的圆心，沿所述基座的径向设置；且任意相邻两条所述分流通道的夹角相等。
可选地，所述基座包括座体和支撑所述座体的支撑柱，所述主进气通道经由所述支撑柱延伸至所述座体内部。
可选地，当所述分流通道设置于所述衬底内部时，均经所述衬底的圆心，沿所述衬底的径向设置，且任意相邻两条所述分流通道的夹角相等。
可选地，所述分流通道为铺设于所述座体内的金属管。
可选地，所述分流通道为开设于所述座体内的通孔。
可选地，还包括可伸缩的连接管路，所述连接管路设置于所述基座下端的升降机构内；
所述主进气通道的进气端通过所述连接管路，与位于所述工艺腔室之外的气源相连通。
为实现本发明的目的，另一方面提供一种半导体设备，包括工艺腔室和抽气装置，所述工艺腔室为上述的工艺腔室。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的工艺腔室，可以将引入腔室本体内的工艺气体快速地分散于腔室本体内的工艺区，有效减弱了冷泵偏置抽气对沉积薄膜均匀性的影响，使工艺区的气体运动更均匀，改善了沉积薄膜的均匀性，提升了设备的工艺能力和产品品质；该工艺腔室的进气管路的设计使得腔室本体内的压力可以更快达到平衡，有效减少沉积开始前的进气时间，从而提升了产能；该进气管路还可以使更多的工艺气体进入到工艺区，提升了工艺气体的电离效率，可降低工艺气体的消耗，节约成本；该进气管路的设计应用到溅射工艺中，还可提升工艺气体与靶材溅射粒子的碰撞效率，提高所沉积的化合物薄膜成分，并有利于维持沉积过程中从开始到结束时薄膜成分的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的工艺腔室的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的多条分流通道的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的工艺腔室的结构示意图二。
具体实施方式
下面详细描述本申请，本申请的实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的，则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可包括复数形式。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
下面结合附图以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
本实施例提供一种工艺腔室，如图1和图3所示，包括腔室本体70和设于腔室本体70内的基座22、衬底23及进气管路，进气管路包括主进气通道11和多条分流通道12，多条分流通道12均与主进气通道11连通。多条分流通道12可以均设置于基座22内，且多条分流通道12的出气口可以均位于基座22的侧周壁上；或者多条分流通道12可以均设置于衬底23内，且多条分流通道12的出气口均位于衬底23的侧周壁上。
如图1所示(图中箭头所指为气体的流动方向)，该工艺腔室可以但不限于是磁控溅射腔室，腔室本体70的顶壁内侧设有靶材50，腔室本体70的侧壁内侧设有内衬，腔室本体70的底部一侧设有冷泵抽气口，腔室本体70内设有基座22，基座22可以包括具有一定厚度的圆盘结构，基座22上设有起防护作用的压环40(防止靶材50溅射从基座22与内衬的空隙溅射到腔室本体70内壁或冷泵)。腔室本体70内还设有进气管路，进气管路包括主进气通道11和多条分流通道12，主进气通道11用于将腔室本体70外的工艺气体引入腔室本体70内，多条分流通道12分别与主进气通道11连通，可以均设于基座22内，并且各分流通道12的出气口可以均位于基座22的侧周壁上；或者多条分流通道12可以均设置于衬底23内，且多条分流通道12的出气口均位于衬底23的侧周壁上，用于将引入腔室本体70内的工艺气体分散于腔室本体70内的工艺区(可以理解为腔室本体70内靶材50与晶圆60之间的空间区域)。需要说明的是，本实施例并不限定工艺腔室为磁控溅射腔室，也不限定工艺腔室的具体结构，其可以是任意需要通入工艺气体的半导体真空制造工艺过程中的工艺腔室，其中，工艺气体可以是通入工艺腔室的任意气体。
本实施例提供的工艺腔室，将条分流通道12均设于基座22或者衬底23内，并且各分流通道12的出气口可以均位于基座22或者衬底23的侧周壁上，使得工艺气体的出气口，距离工艺区较近，距离冷泵抽气口较远，可以将引入腔室本体70内的工艺气体快速地分散于腔室本体70内的工艺区，有效减弱了冷泵偏置抽气对沉积薄膜均匀性的影响，使工艺区的气体运动更均匀，改善了沉积薄膜的均匀性，提升了设备的工艺能力和产品品质；该进气管路的设计使得腔室本体70内的压力可以更快达到平衡，有效减少沉积开始前的进气时间，从而提升了产能；该进气管路还可以使更多的工艺气体进入到工艺区，提升了工艺气体的电离效率，可降低工艺气体的消耗，节约成本；该进气管路的设计应用到溅射工艺中，还可提升工艺气体与靶材50溅射粒子的碰撞效率，提高所沉积的化合物薄膜成分，并有利于维持沉积过程中从开始到结束时薄膜成分的稳定性。
需要说明的是，本实施例对分流通道12的出气口的具体位置不做限定，分流通道12也可以同时设置在基座22和衬底23内，分流通道12的出气口也可以设置在基座22的上表面靠近衬底23边缘的位置，若进行工艺的晶圆60尺寸较小，还可以设置遮挡装置，将设于基座22上表面的出气口进行遮挡，以防溅射过程中，将出气口堵塞。
于一具体实施方式中，工艺腔室还包括设置于腔室本体70内的内衬和压环40；内衬可以包括主体31，主体31可以是环腔室本体70设置的环形结构，主体31的下部形成第一凹槽结构32；基座22的侧壁与压环40形成第二凹槽结构；第一凹槽结构32的槽口与第二凹槽结构相对设置，形成弯折气流通道。该气流通道可以对基座22内出来的工艺气体具有一定的导向作用，使气体的流动更加稳定、均匀。
需要说明的是，本实施例对内衬的材质和结构不作具体限定，其可以但不限于是不锈钢、碳钢及铝合金等，第一凹槽结构32及内侧板33可以与主体31为一体式结构，也可以是分体式结构等。
具体地，第一凹槽结构32的槽内容纳有压环40的下部侧板，且下部侧板与第一凹槽结构32无接触；第二凹槽结构的槽内容纳有内衬的内侧板33，且内侧板33与第二凹槽结构无接触。其中，下部侧板与第一凹槽结构32无接触，可以理解为下部侧板的底面和侧面与第一凹槽结构32均无接触，即下部侧板整体与第一凹槽结构32没有任何接触。同理，内侧板33与第二凹槽结构无接触，可以理解为内侧板33的底面和侧面与第二凹槽结构均无接触，即内侧板33整体与第二凹槽结构没有任何接触。如此，工艺气体从基座22的外周壁出来后，沿着下部侧板进入第一凹槽结构32，然后在下部侧板的底部与第一凹槽结构32之间的间隙进行180°弯折，再沿着下部侧板出第一凹槽结构32，进入工艺区，实现了对工艺气体的导向作用。
进一步地，可以在内侧板33上开设有多个通气孔331，通气孔331的数量与分流通道12的数量一一对应；通气孔331的位置与分流通道12的位置一一对应。通过设置多个通气孔331，可以进一步提升基座22附近工艺气体的流通速率，使工艺气体更加均匀地扩散到上层工艺区，从而使气体在基座22与靶材50之间的运动更加均匀，极大地减弱了冷泵偏置抽气对气体运动的影响，同时也改善了腔内气体运动不均匀对沉积薄膜均匀性的影响，还提高了工艺气体进入工艺区的速度。
于一具体实施方式中，如图1-2所示，当分流通道12设置于基座22内部时，分流通道12可以包括八条，均经基座的圆心，位于同一平面内，沿基座22的径向设置，可呈“米”字形排列，且可以设置任意相邻两条分流通道12的夹角相等。如此，使得所有分流通道12的出气口可以均匀地设于基座22的外周壁上，使得工艺气体可以更加均匀地分散于腔室本体70内的工艺区，使工艺区的气体运动更加均匀，进一步改善了沉积薄膜的均匀性，进一步提升了设备的工艺能力和产品品质；该进气管路的设计应用到溅射工艺中，还可进一步提升工艺气体与靶材50溅射粒子的碰撞均匀性，使得所沉积的化合物薄膜成分和厚度更加均匀，并进一步维持沉积过程中从开始到结束时薄膜成分的稳定性。
需要说明的是，本实施例对分流通道12的具体数量和分布位置不作具体限定，分流通道12的数量也可以是六条、九条、十条等，所有分流通道12也可以位于不同的平面内，也可以沿径向向上或向下倾斜设置等。
于一具体实施方式中，如图1所示，基座22包括座体和支撑座体的支撑柱21，座体和支撑柱21可以是一体式结构，也可以是分体结构，支撑柱21可以一直延伸至腔室本体70外，与基座22的升降机构连接，支撑柱21带着座体一起随着升降机构运动而升降。主进气通道11可以设于支撑柱21内，经由支撑柱21延伸至座体内部，每条分流通道12均可以是沿径向设置的直通道，使得各分流通道12的出气方向可以均沿座体的径向设置。如此，将主进气通道11和所有分流通道12均设于基座22内，进气管路整体随基座22的运动而运动，可以有效保障工艺气体的稳定性；且工艺气体的出气方向均沿座体的径向设置，可以进一步增强工艺气体的出气稳定性和均匀性。
同理，当分流通道12设置于衬底23内部时，均经衬底23的圆心，沿衬底23的径向设置，且任意相邻两条分流通道12的夹角相等。如此，同样可以进一步增强工艺气体的出气稳定性和均匀性，且分流通道12的出气口更接近工艺区，几乎可以是直接进入工艺区，可节省工艺气体的输送时间，提高工艺处理的效率，且在一定程度上节省工艺气体。
于一具体实施方式中，如图2所示，基座22可以是中空结构，多条分流通道12可以为设于座体内的多条金属管路。如此，气体直接从管路内输入和输出，不与基座22及外界接触，可以保持工艺气体的清洁度。需要说明的是，本实施例并对管路的具体材质进行限定，其可以是不锈钢、碳钢、铝合金等，基座22内也可以只具有能够容置管路的空间即可。
于一具体实施方式中，多条分流通道12可以为开设于座体内，从中心到边缘的多条通孔，工艺气体可以直接从通孔内输送，整体结构更加简单，制作成本较低。
于一具体实施方式中，主进气通道11的进气端与工艺腔室外的气源相连通，出气端分别与多条分流通道12连接。如此，可以将主进气通道11内的工艺气体同时输送至多条分流通道12内，可以进一步保障工艺气体的稳定性和均匀性。需要说明的是，多条分流通道12也可以分别连接在主进气通道11的不同位置，即本实施例对分流通路与主进气通道11的连接位置不做具体限定。
于一具体实施方式中，还包括可伸缩的连接管路，连接管路设于基座22下端的升降机构内，主进气通道11通过连接管路与位于工艺腔室外的气源相连通。如此，设置可伸缩的连接管路，当升降机构做升降运动时，连接管路进行伸缩，可以使得主进气通道11固定在支撑柱21内，防止支撑柱21运动时与住进去通道发生相对运动，从而影响主进气通道11内的气体稳定性。需要说明的是，本实施例对连接管路的具体材质和形状不作限定，其可以是金属波纹管，也可以是橡胶波纹管等。
基于上述工艺腔室相同的发明构思，本实施例还提供一种半导体设备，包括工艺腔室和抽气装置，该工艺腔室为上述的工艺腔室。
该半导体设备至少具有以下有益效果：
该半导体设备的工艺腔室，将条分流通道12均设于基座22或者衬底23内，并且各分流通道12的出气口可以均位于基座22或者衬底23的外周壁上，使得工艺气体的出气口，距离工艺区较近，距离冷泵抽气口较远，可以将引入腔室本体70内的工艺气体快速地分散于腔室本体70内的工艺区，有效减弱了冷泵偏置抽气对沉积薄膜均匀性的影响，使工艺区的气体运动更加均匀，改善了沉积薄膜的均匀性，提升了设备的工艺能力和产品品质；该进气管路的设计使得腔室本体70内的压力可以更快达到平衡，有效减少沉积开始前的进气时间，从而提升了产能；该进气管路还可以使更多的工艺气体进入到工艺区，提升了工艺气体的电离效率，可降低工艺气体的消耗，节约成本；该进气管路的设计应用到溅射工艺中，还可提升工艺气体与靶材50溅射粒子的碰撞效率，提高了所沉积的化合物薄膜成分，并有利于维持沉积过程中从开始到结束时薄膜成分的稳定性。
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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

Claims (11)

1.一种工艺腔室，包括腔室本体、设置于所述腔室本体内的基座、衬底以及进气管路，其特征在于，
所述进气管路包括主进气通道和与所述主进气通道气路相通的多条分流通道；
所述分流通道设置于所述基座内部，且所述分流通道的出气口位于所述基座的侧周壁上；和/或，
所述分流通道设置于所述衬底内部，且所述分流通道的出气口位于所述衬底的侧周壁上。
2.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述工艺腔室还包括设置于所述腔室本体内的内衬和压环；
所述内衬的下部形成第一凹槽结构；
所述基座的侧壁与所述压环形成第二凹槽结构；
所述第一凹槽结构的槽口与所述第二凹槽结构相对设置，形成弯折气流通道。
3.根据权利要求2所述的工艺腔室，其特征在于，
所述第一凹槽结构的槽内容纳有所述压环的下部侧板，且所述下部侧板与所述第一凹槽结构无接触；
所述第二凹槽结构的槽内容纳有所述内衬的内侧板，且所述内侧板与所述第二凹槽结构无接触。
4.根据权利要求3所述的工艺腔室，其特征在于，所述内侧板上开设有多个通气孔，所述通气孔的数量与所述分流通道的数量一一对应；所述通气孔的位置与所述分流通道的位置一一对应。
5.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，当所述分流通道设置于所述基座内部时，设置于所述基座内部的多条所述分流通道，均经所述基座的圆心，沿所述基座的径向设置；且任意相邻两条所述分流通道的夹角相等。
6.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，所述基座包括座体和支撑所述座体的支撑柱，所述主进气通道经由所述支撑柱延伸至所述座体内部。
7.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，
当所述分流通道设置于所述衬底内部时，均经所述衬底的圆心，沿所述衬底的径向设置，且任意相邻两条所述分流通道的夹角相等。
8.根据权利要求6所述的工艺腔室，其特征在于，所述分流通道为铺设于所述座体内的金属管。
9.根据权利要求6所述的工艺腔室，其特征在于，所述分流通道为开设于所述座体内的通孔。
10.根据权利要求1所述的工艺腔室，其特征在于，还包括可伸缩的连接管路，所述连接管路设置于所述基座下端的升降机构内；
所述主进气通道的进气端通过所述连接管路，与位于所述工艺腔室之外的气源相连通。
11.一种半导体设备，包括工艺腔室和抽气装置，其特征在于，所述工艺腔室为如权利要求1-10任一项所述的工艺腔室。
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