CN110819961B - 改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，该设备包括腔体、沉积源装置及加热装置；所述沉积源装置位于所述腔体上部，所述加热装置位于所述腔体下部；所述加热装置包括上下叠置的晶圆承载层、加热层及磁场调节层，所述加热层包括多个加热区域，所述多个加热区域用于实现多个不同的加热温度，磁场调节层用于改善沉积薄膜的应力均匀性。本发明的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，通过多个加热区域的分区温度控制，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺需要设定不同的工艺温度，并通过磁场调节层的磁场对沉积薄膜的应力均匀性进行进一步的调节，有助于改善沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性、提高沉积薄膜的品质，提高生产良率。

Description

改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及一种半导体制造设备，特别是涉及一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备。

背景技术

物理气相沉积工艺是半导体芯片制造过程中非常重要的一道工序，其是通过蒸发、电离或溅射等过程产生金属等粒子并与反应气体反应以最终在晶圆表面沉积形成薄膜。物理气相沉积工艺中的各项参数，包括气体流量、射频电源功率、工艺温度等，都可能对最终形成的薄膜品质产生重要影响，而这其中，温度的影响尤为突出。温度差异不仅造成不同晶圆表面沉积薄膜的特性呈现差异，而且晶圆片内的温度分布对于物理气相沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性等薄膜特性也有着非常大的影响，因而确保物理气相沉积过程中的工艺温度完全符合工艺要求、提高薄膜的方阻均匀性和应力均匀性以改善沉积薄膜的品质是半导体人一直努力的方向。但是在芯片制造过程中，由于各种各样的原因，温度的管控往往难以尽如人意，其中一大原因就是现有的物理气相沉积设备中的晶圆加热装置都是单区加热的，即整个加热装置仅能提供一种温度。这种单区加热方式往往会造成加热装置的中心区域比边缘区域的温度更高，相应造成了晶圆的中心区域比边缘区域的温度更高，导致晶圆上沉积的薄膜的方阻和应力的均匀性受到严重影响，导致生产良率的下降。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，用于解决现有技术中因为加热装置为单区加热等原因，导致沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性不佳，导致生产良率下降等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备包括腔体、沉积源装置及加热装置；所述沉积源装置位于所述腔体上部，所述加热装置位于所述腔体下部；所述加热装置包括上下叠置的晶圆承载层、加热层及磁场调节层，所述加热层的厚度为1.5~5mm；所述加热层包括多个加热区域，所述多个加热区域用于实现多个不同的加热温度，所述磁场调节层用于调节所述腔体内部晶圆附近的磁场分布，以改善沉积薄膜的应力均匀性。

可选地，所述多个加热区域包括位于所述加热层的中部的圆形加热区域及依次环绕于所述圆形加热区域外围的若干环形加热区域。

在另一可选方案中，所述多个加热区域呈轴对称分布。

在又一可选方案中，所述多个加热区域呈圆形阵列分布。

可选地，所述加热区域内设置有加热元件，不同加热区域的加热元件的密度相同，且不同加热区域的加热元件连接至不同的加热电源。

在另一可选方案中，所述加热区域内设置有加热元件，不同加热区域的加热元件的密度不同，且不同加热区域的加热元件连接至同一加热电源。

在又一可选方案中，所述多个加热区域连接至同一加热电源，不同加热区域的加热元件的功率不同。

在另一可选方案中，所述加热区域内设置有加热元件，所述多个加热区域的加热元件与所述加热装置的上表面具有不同的距离。

可选地，每个所述加热区域内都设有一个以上的加热元件，所述加热元件的形状包括丝状、片状、板状、网状、盘状、管状、棒状、筒状、布状、带状中的一种或多种，每个所述加热区域内的加热元件呈轴对称分布。

可选地，每个所述加热区域设置有外保护层，所述加热元件位于所述外保护层内。

更可选地，所述外保护层与所述加热元件之间填充有导热材料，所述导热材料包括氮化铝和氧化镁中的一种或两种。

可选地，相邻的所述加热区域之间设置有隔热用的隔热环或者填有绝热物质。

可选地，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括多个温控器，所述多个温控器与所述多个加热区域一一对应设置，用于调节对应加热区域的温度。

可选地，所述磁场调节层内分布有多个永磁体，所述多个永磁体的分布包括放射状、条状、环状及螺旋状中的一种。

更可选地，所述永磁体使用的永磁材料包括铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、钕铁硼永磁材料和钐钴高温永磁材料中的一种或多种。

可选地，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括驱动装置，所述驱动装置与所述磁场调节层相连接，用于驱动所述磁场调节层旋转。

可选地，所述磁场调节层的厚度为3~10mm。

可选地，所述沉积源装置包括靶材固定盘及磁铁，所述靶材固定盘位于所述腔体的上部，用于承载靶材，所述磁铁位于所述靶材固定盘的上表面。

可选地，所述加热装置还包括冷却层，位于所述磁场调节层的下表面，用于所述加热装置的冷却和控温。

可选地，所述冷却层包括多个冷却区域，所述多个冷却区域与所述多个加热区域一一对应。

更可选地，所冷却层内设置有冷却管路，所述冷却管路内填充有冷却介质，所述冷却介质包括冷却气体和冷却液体中的一种或两种的混合。

本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，通过多个加热区域的分区温度控制，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺需要设定不同的工艺温度，并通过磁场调节层的磁场对沉积薄膜的应力均匀性进行进一步的改善，有助于改善沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性，提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。

附图说明

图1显示为本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备的结构示意图。

图2至图4显示为本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备的加热区域的例示性分布示意图。

图5显示为本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备的加热元件的例示性连接示意图。

图6至图8显示为本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备的磁场调节层中的永磁体的例示性分布示意图。

图9显示为采用现有技术中的单一加热区的物理气相沉积设备沉积出的氮化铝薄膜的应力分布示意图。

图10显示为采用现有技术中的单一加热区的物理气相沉积设备沉积出的氮化铝薄膜的应力曲线图。

图11显示为采用本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备仅通过分区温度控制沉积出的氮化铝薄膜的应力曲线图。

图12显示为采用本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备同时通过分区温度控制和磁场强度调节沉积出的氮化铝薄膜的应力曲线图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1至图8所示，本发明提供一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，包括腔体1、沉积源装置2及加热装置3；所述腔体1上设置有氩气进气口，比如设置于腔体1底部或侧壁的氩气进气口，所述沉积源装置2位于所述腔体1上部，用于产生薄膜沉积所需的原子/离子，所述加热装置3位于所述腔体1下部（腔体1内部的下部）；所述加热装置3包括上下叠置的晶圆承载层31、加热层32及磁场调节层33，所述加热层32的厚度为1.5~5mm；所述加热层32包括多个加热区域，所述多个加热区域用于实现多个不同的加热温度，所述磁场调节层33用于调节所述腔体1内部晶圆附近的磁场分布，以改善沉积薄膜的应力均匀性。本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，通过多个加热区域的分区温度控制，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺需要设定不同的工艺温度，并通过磁场调节层的磁场对沉积薄膜的应力均匀性进行进一步的改善，有助于改善沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性，提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。

所述晶圆承载层31位于所述加热装置3的顶部，用于承载晶圆4。所述晶圆承载层的大小及形状与待承载的晶圆4相匹配，通常等于或略大于晶圆4尺寸，故所述晶圆承载层31的表面形状（即俯视结构）通常呈圆形，所述加热层32及所述磁场调节层33位于所述晶圆承载层31的下表面，相应地所述加热层32及所述磁场调节层33的表面形状也呈圆形（可以与所述晶圆承载层31的表面积相同或略小于所述晶圆承载层31的表面积）。当然，如果待承载的晶圆为其他形状，所述晶圆承载层31、加热层32及磁场调节层33的形状相应可做调整，本实施例中并不严格限制。所述晶圆承载层31的材质与晶圆的材质相匹配，比如为氮化铝、氧化铝陶瓷等，或者是复合材质，比如为金属材质（比如不锈钢、铝合金等）表面镀有氧化铬、氧化铝、氮化铝等镀层的复合结构。晶圆可通过位于所述晶圆承载层31上方的压环（未图示）等结构的按压（仅按压晶圆外围的无器件区域）固定于所述晶圆承载层31上，或者是通过静电吸附或真空吸附等固定于所述晶圆承载层31的表面。

所述多个加热区域可以以任意合适的方式实现不同的温度控制。本实施例中，作为示例，所述多个加热区域内设置有一个以上的加热元件321，所述加热元件321可以是丝状、片状、板状、网状、盘状、管状、棒状、筒状、布状、带状或其他形状中的一种或多种形状的电阻，每个所述加热区域内的加热元件321的布局可以根据所述加热元件321的结构不同而不同，比如如果所述加热元件321为片状或条状，则根据需要，所述加热元件321在对应的所述加热区域内可呈轴对称分布（也可以是所有加热区域内的加热元件均呈轴对称分布）。所述加热元件321的材料可以是镍铬、镍铬铁合金、铁铬铝合金、铂、钽、铌、钨、钼或其他金属或合金，也可以是包括碳化硅、二氧化钼、石墨、氧化铝和氮化铝在内的非金属材料，或者是多种材料的组合。在一示例中，多个所述加热区域内的加热元件321的结构（包括形状、材质、分布密度等）可以完全相同，此时不同加热区域的加热元件321可连接至不同的加热电源，通过不同的功率管控以实现不同加热区域所需的温度。多个所述加热区域内的加热元件321的结构完全相同有助于加热元件321的标准化管理，有助于减少库存压力。当然，在其他示例中，当不同加热区域的加热元件321的结构完全相同时，不同加热区域的加热元件321也可以连接至同一加热电源，此时可以通过其他结构，比如设置与加热区域一一对应设置的温度补偿单元以实现不同加热区域所需的温度。

在另一示例中，不同加热区域的加热元件321的结构（包括形状、材质、分布密度等）不同（包括完全不同和不完全相同等情况），此时不同加热区域的加热元件321可连接至同一加热电源，通过所述加热元件321的结构上的不同实现不同加热区域所需的温度，需要较高温度的加热区域的加热元件321的分布密度/数量可以相应增加，而需要较低温度的加热区域的加热元件321的分布密度/数量可相应减小，这种设置可以减少加热电源的数量，有助于整个系统结构的简化。当然，在其他示例中，当不同加热区域的加热元件321的结构不同时，不同加热区域的加热元件321也可以连接至不同的加热电源，通过加热元件321和加热电源的功率共同管控实现不同加热区域所需的温度。

在又一示例中，所述多个加热区域的加热元件321位于不同的水平面上，即不同的加热区域的加热元件321与所述加热装置3的上表面具有不同的距离，也即距离所述晶圆承载层31的垂直距离不同，同时也是距离晶圆的距离不同，因而即便是在加热元件321结构相同和电源功率的情况下，不同的加热区域也将呈现出不同的温度，比如需要较高温度的加热区域的加热元件321距离所述加热装置3的上表面（也即晶圆承载层31）的距离较近而需要较低温度的加热区域的加热元件321距离所述加热装置3的上表面（也即晶圆承载层31）的距离较远。当然，在其他示例中，还可以通过距离和加热元件321结构的差异和/或加热电源功率的调节等共同实现不同加热区域所需的温度，比如所有加热区域的加热元件321连接至同一加热电源而不同加热区域的加热元件321的功率不同，需要较高温度的加热区域内的加热元件321的功率较大而需要较低温度的加热区域内的加热元件的功率较小。

作为示例，所述不同加热区域可设置保护层（未图示），对应的加热元件321设置于保护层内，保护层和加热元件321之间可以填充导热材料，比如填充氮化镁、氧化镁等材料中的一种或两种，导热材料不仅有助于所述加热区域内的温度的进一步均衡，而且有助于固定保护所述加热元件321。所述加热元件321可通过导线322连接至外部的加热电源，导线322自所述加热装置3的底部引入，由下而上连接至所述加热元件321。

为确保所述多个加热区域内的温度完全满足工艺要求，作为示例，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括多个温控器323，所述多个温控器323与所述多个加热区域一一对应设置且与加热电源相连接，用于调节对应加热区域的温度。所述温控器323包括测温元件及与测温元件相连接的调节器（比如功率调节器），调节器与加热电源相连接，所述测温元件伸入到对应的加热区域进行温度测量。所述测温元件包括但不限于测温光纤、热电偶和热电阻，所述调节器根据所述测温元件的测量结果调节加热电源的功率以实现对应的所述加热区域所需的温度。所述温控器323的外表面可以设置保护管324（通常是设置在测温元件的外围，比如套设在测温光纤的外围），连接测温元件的导线同样可以自所述加热装置3的底部引入，由下而上直至延伸到对应的加热区域。

为尽量减少不同加热区域的温度干扰，作为示例，相邻的加热区域之间可以设置隔热用的隔热环或者填有绝热物质。

所述加热区域的形状可以根据需要设置，比如可以为圆形、扇形、条形等，其数量同样可以根据需要设置，比如为2个或2个以上，包括3个、4个或更多个。

在一示例中，所述加热区域为2个以上，所述加热区域包括位于所述加热层32中部的圆形加热区域及依次环绕于所述圆形加热区域外围的若干环形加热区域。图2示例了所述加热区域为3个时的截面结构示意图，而图3为图2的俯视图。其中，第一加热区A为位于所述加热层32的中部的圆形加热区，第二加热区B为位于第一加热区A外围的环形加热区，第三加热区C位于所述第二加热区B的外围且同样为环形。从图2和图3可以看到，多个环形加热区以圆形加热区，也即以所述加热层32的中部（该中部的中心通常对应放置的晶圆的圆心）向外依次分布。由于物理气相沉积腔体设计和沉积工艺本身的特点，晶圆上的薄膜特性，包括方阻均匀性和应力均匀性，通常呈现出环状分布的特性，因而晶圆的温度需求也呈现出环状分布的特点，故所述加热区域设置为圆形加热区及环形加热区的结合与晶圆的工艺特点相吻合，有助于简化晶圆的温度调节，有利于实现环状等对称式温度补偿，有助于提高薄膜沉积过程中的温度均匀性，提高沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性。

在另一示例中，所述加热区域为2个以上，2个以上所述加热区域呈轴对称分布，具体可参考图4，其中，图4中的a、b、e和f同时呈现出对称分布和环状分布的特点。比如a为包括位于加热层32中部的圆形加热区域和位于圆形加热区域外围的单个环形加热区域；b为包括位于加热层32中部的圆形加热区域和位于圆形加热区域外围的3个环形加热区域；c为包括若干个平行分布的条状区域，d为包括4个对称分布的扇形加热区域，e为包括位于加热层32中部的圆形加热区域和位于圆形加热区域外围的4个呈对称分布的扇形加热区域，f为包括位于加热层32中部的圆形加热区域和位于圆形加热区域外围的4个呈对称分布的扇形区域，而在每个扇形区域内又沿远离所述圆心加热区域的方向依次细分为多个环形区域；g为包括环绕所述加热层32的中心且依次相连接的5个圆形加热区域，h为包括位于所述加热层32中部的圆形加热区域及位于所述圆形加热区域外围且呈依次相连接的6个圆形加热区域，即呈圆形阵列分布。这些不同的加热区域分布可以适用于不同的工艺需要。比如g和h的示意图中，不同加热区域的大小尺寸完全相同，这种结构尤其适用于在同一所述加热装置3上进行多片小尺寸晶圆的沉积，有助于根据不同晶圆的情况设置不同的加热温度，而a图中的分布则适用于晶圆尺寸较小且器件分布较为均匀的工艺中。当然，根据不同的工艺需要，所述加热区域的分布还可以为其他形状，本实施例中不做严格限制。

图5例示性示意了当所述加热区域为3个时的加热元件321的连接示意图。如图5所示，作为示例，每一个加热区域都有一个独立电源负责供电，每一个加热区域内所有加热元件321都并联到这个独立电源上，每一个加热区域内都有且只有一条独立的火线，而零线为公用导线，所有加热区域共用一条零线，从而方便对每个加热区域进行单独地控温。图5中，位于中间的第一加热区A的加热元件321通过导线322a连接至第一个独立电源，位于半中间的第二加热区B内的加热元件321都通过导线322b连接至第二个独立电源，位于边缘的第三加热区C内的加热元件321都通过导线322c连接至第三个独立电源，所有的加热区域的加热元件321连接至同一个为零线的导线322d上。

所述磁场调节层33内可包含任意可产生磁场的结构，通过所述磁场调节层33调整晶圆附近的磁场分布，从而优化晶圆上沉积薄膜的应力均匀性。比如所述磁场调节层33可包含单个或多个普通磁体或永磁体331，优选永磁体331，有助于确保所述加热装置3的性能保持稳定。所述磁场调节层33的结构可以根据需要设置，比如为单一区域结构（比如仅设置在对应晶圆器件密度分布最大的区域），也可以为包括多个磁场调节区的结构，所述多个磁场调节区与所述多个加热区域上下一一对应，所述磁场调节区内分布有多个永磁体331。所述磁场调节层33可以位于所述加热层32的上方，也可以位于所述加热层32的下方，本实施例中优选位于所述加热层32的下方，以避免所述磁场调节层33在高温下出现退磁而导致晶圆表面附近的磁场变弱。所述加热层32的厚度需精心设置，以避免因所述加热层32太厚导致所述磁场调节层33距离晶圆太远导致的磁场变弱。而所述磁场调节层33的厚度同样需精心设置以确保所述磁场调节层33产生的磁场足够强能够对晶圆表面附近的磁场分布进行优化调节。现有的物理气相沉积设备中的加热层的厚度通常大于20mm，无法满足本发明的要求。本申请的发明人经大量试验发现，当所述加热层32的厚度为1.5~5mm，且所述磁场调节层33的厚度进一步优选为3~10mm时，能够在加热温度和磁场强度之间达到较好的平衡，可以有效避免磁场随距离的迅速衰减（测量数据证实本发明的磁场调节层在晶圆表面附近产生的磁场强度可以达到200高斯左右）。且此时所述加热区域内的加热元件321优选超薄加热丝的氧化铝或氮化铝陶瓷加热片，而所述磁场调节层33的永磁体331优选高温SmCo（钐钴）系列永磁体，从而可以有效保证晶圆附近的磁场强度满足要求（比如介于120~200高斯），有利于通过调整所述磁场调节层33中的永磁体331的排布来优化所述腔体内，尤其是晶圆附近的磁场分布，以实现晶圆表面附近的氩离子能量的均匀分布，从而可以改善晶圆上沉积薄膜的应力均匀性，比如改善氮化钛、氮化钽、氮化铝、氮化硅等薄膜的应力均匀性。当然，在其他示例中，所述永磁体331的材料还可以是钕铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、钕铁硼永磁材料和钐钴高温永磁材料中的任意一种或多种，但较优的材料为钐钴高温永磁材料。

所述永磁体331的分布可以根据需要设置，比如为图7所示的放射状、或图8所示的条状、或图9所示的环状，亦或是螺旋状（未图示）等，重要的是根据需要设置，比如根据所述加热区域的设置而对应设置。如图7-9所示的磁场调节层33都是由若干块小永磁体组成，同一个磁场调节层中使用至少两种不同材料磁性大小不同的小永磁体，这样可以根据需要在晶圆4表面不同区域获得不同的磁场强度。小永磁体的尺寸介于3mm -20mm，较优的小永磁体尺寸≤5mm；因为所述磁场调节层33的直径跟晶圆4的直径基本一致，从而使得每一块小永磁体都对应晶圆4上的一个小区域，所以对所述磁场调节层中小永磁体的材料和排布进行优化就可以对晶圆表面各个区域的应力进行更直接更精准的优化控制，从而可以获得最佳的晶圆片内的应力均匀性。

所述永磁体331层可以是静止不动，可以通过永磁体331层内部永磁体的均匀对称排布或者晶圆的转动以改善晶圆表面沉积薄膜的应力均匀性。而在另一示例中，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括驱动装置，所述驱动装置与所述磁场调节层33相连接，用于驱动所述磁场调节层33旋转，比如所述磁场调节层33可以与滚珠丝杆相连接，通过马达带动滚珠丝杆以实现所述磁场调节层33的旋转，有助于薄膜应力的进一步优化。

作为示例，所述加热装置3还包括冷却层34，位于所述磁场调节层33的下表面，所述冷却层34可以为单一冷却区，以实现对加热装置3的冷却和控温以及晶圆整体降温，比如在薄膜沉积工艺结束后对晶圆进行降温。而在另一示例中，所述冷却层34包括多个冷却区域，所述多个冷却区域与所述多个加热区域一一对应，通过所述多个冷却区域和所述多个加热区域的共同作用对各个加热区进行有效控温，有助于进一步改善薄膜沉积过程中的工艺温度，有助于提高沉积薄膜的品质。作为示例，所冷却层34内设置有冷却管路，所述冷却管路内填充有冷却介质，所述冷却介质包括冷却气体和冷却液体中的一种或两种的混合.

所述晶圆承载层31、加热层32、磁场调节层33及冷却层34可固定于一壳体内，比如一铝制或陶瓷壳体内，前述的各种导线也可以包覆于所述壳体内，各种导线还可以进一步包覆在保护套325内，所述晶圆承载层31、加热层32、磁场调节层33及冷却层34通常距离腔体1底部有一定距离。

作为示例，所述沉积源装置2包括靶材固定盘21及磁铁22，所述靶材固定盘21位于所述腔体1的上部，用于承载靶材5，所述磁铁22位于所述靶材固定盘21的上表面。靶材5被固定于所述靶材固定盘21上并朝向晶圆，所述靶材5距离所述晶圆承载层31的距离为30~60mm，更优选地为40~50mm。所述磁铁22同样优选永磁体，所述磁铁22可以进一步连接至交流电源或直流电源，即本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备可以是基于磁控溅射的物理气相沉积设备。当然，本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还可以是非磁控溅射、真空蒸镀、离子镀物理气相沉积设备，因而所述沉积源装置2还可以是其他结构，本实施例中并不严格限制，但无论是何种方式的沉积源装置，基于本发明的改进，都可以有效改善沉积薄膜的品质。

发明人对本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备的薄膜沉积效果进行了验证。以氮化铝薄膜沉积工艺为例，使用现有技术中的仅具有单一加热区域的物理气相沉积设备沉积出的氮化铝薄膜的应力轮廓图如图9所示（以200mm晶圆为例），普通的单区晶圆加热装置虽然可以在晶圆中间和边缘获得比较均匀的温度分布，但是由于氮化铝薄膜沉积腔自身的设计和氮化铝沉积工艺自身的特点（腔内等离子体中间区域的氩离子轰击晶圆表面的能量小，而等离子体边缘区域的氩离子轰击晶圆表面的能量大），所以一般而言，如图9和图10 所示，氮化铝薄膜的应力是晶圆中间区域为较大的拉应力（符号为正），而晶圆半中间区域为较小的压应力（符号为负），晶圆边缘区域为较大的压应力（符号为负），此时晶圆从中间到边缘的薄膜应力的极差约为300 MPa。而采用本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，利用升高晶圆温度能够降低氮化铝薄膜压应力的特性，通过具有三个加热区域的加热装置单独控制第三加热区（即晶圆边缘区域）的温度，使第三加热区的温度升高，比如使晶圆边缘区域的温度比中间区域高50度左右，可将晶圆边缘的薄膜应力的最小值从-150MPa降至-50MPa，具体如图11所示。本实施例中仅通过温度的分区控制（即未加入磁场控制，比如将磁场屏蔽或将磁场调节层卸除）从而将晶圆内部的这一应力极差从300 MPa降低到200 MPa，实现对产品良率的改善。在进一步的示例中，除利用所述多个加热区域进行温度的分区控制之外，发明人还利用所述磁场调节层中永磁体的排布来优化晶圆附近的磁场分布，以实现晶圆表面附近的氩离子能量的均匀分布，从而可以进一步改善晶圆上沉积的氮化铝薄膜的应力均匀性。比如对应所述三个加热区域，本示例中的磁场调节层为环形设置，一方面通过独立控温让第三加热区（即晶圆边缘区域）的温度升高50度左右，另一方面通过调整环形磁场调节层（如图8所示）的磁体排布而优化了晶圆附近的磁场分布，可将晶圆内部的应力极差从实施例1中的200 MPa进一步降低到100 MPa，具体可参考图12，即采用包括多个加热区域的加热层和磁场调节层的加热装置，可以极大地改善薄膜的应力分布均匀性，提高产品生产良率。当然，前述过程仅是示例性的。本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备不仅可以用于沉积氮化铝薄膜，还可以用于沉积氮化钛、氮化钽、氮化硅等其他金属或非金属薄膜。采用本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，通过分区温度控制和磁场的调节以针对性地对腔室、进气口、抽气口和等离子体本身的不对称性进行补偿，从而可以优化晶圆表面沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性等薄膜特性，大大提升产品的良率，可以为半导体集成电路和MEMS制造厂家带来可观的经济效益。

综上所述，本发明提供一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备包括腔体、沉积源装置及加热装置；所述沉积源装置位于所述腔体上部，所述加热装置位于所述腔体下部；所述加热装置包括上下叠置的晶圆承载层、加热层及磁场调节层，所述加热层的厚度为1.5~5mm；所述加热层包括多个加热区域，所述多个加热区域用于实现多个不同的加热温度，所述磁场调节层用于调节所述腔体内部晶圆附近的磁场分布，以改善沉积薄膜的应力均匀性。本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备通过改善的结构设计，通过多个加热区域的分区温度控制，由此可以根据晶圆表面不同区域的工艺需要设定不同的工艺温度，并通过磁场调节层的磁场对沉积薄膜的应力均匀性进行进一步的调节，有助于改善沉积薄膜的方阻均匀性和应力均匀性，提高沉积薄膜的品质，有助于提高生产良率。本发明不仅可以用于150mm以下小尺寸晶圆的薄膜沉积，同时适用于200mm及以上大尺寸晶圆的薄膜沉积，尤其是晶圆尺寸越大、晶圆上的器件分布情况越复杂，采用本发明的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备进行分区温度控制和磁场调节所带来的良率改善将愈加突出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (21)

1.一种改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于，包括：腔体、沉积源装置及加热装置；所述沉积源装置位于所述腔体上部，所述加热装置位于所述腔体下部；所述加热装置包括上下叠置的晶圆承载层、加热层及磁场调节层，所述加热层的厚度为1.5~5mm；所述加热层包括多个加热区域，所述多个加热区域用于实现多个不同的加热温度，所述磁场调节层用于调节所述腔体内部晶圆附近的磁场分布，以改善沉积薄膜的应力均匀性。

2.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述多个加热区域包括位于所述加热层的中部的圆形加热区域及依次环绕于所述圆形加热区域外围的若干环形加热区域。

3.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述多个加热区域呈轴对称分布。

4.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述多个加热区域呈圆形阵列分布。

5.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述加热区域内设置有加热元件，不同加热区域的加热元件的密度相同，且不同加热区域的加热元件连接至不同的加热电源。

6.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述加热区域内设置有加热元件，不同加热区域的加热元件的密度不同，且不同加热区域的加热元件连接至同一加热电源。

7.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述多个加热区域连接至同一加热电源，不同加热区域的加热元件的功率不同。

8.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述加热区域内设置有加热元件，所述多个加热区域的加热元件与所述加热装置的上表面具有不同的距离。

9.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：每个所述加热区域内都设有一个以上的加热元件，所述加热元件的形状包括丝状、片状、板状、网状、盘状、管状、棒状、筒状、布状、带状中的一种或多种，每个所述加热区域内的加热元件呈轴对称分布。

10.根据权利要求9所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：每个所述加热区域设置有外保护层，所述加热元件位于所述外保护层内。

11.根据权利要求10所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述外保护层与所述加热元件之间填充有导热材料，所述导热材料包括氮化铝和氧化镁中的一种或两种。

12.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：相邻的所述加热区域之间设置隔热用的隔热环或者填有绝热物质。

13.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括多个温控器，所述多个温控器与所述多个加热区域一一对应设置，用于调节对应加热区域的温度。

14.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述磁场调节层内分布有多个永磁体，所述多个永磁体的分布包括放射状、条状、环状及螺旋状中的一种。

15.根据权利要求14所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述永磁体使用的永磁材料包括钕铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、钕铁硼永磁材料和钐钴高温永磁材料中的一种或多种。

16.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备还包括驱动装置，所述驱动装置与所述磁场调节层相连接，用于驱动所述磁场调节层旋转。

17.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述磁场调节层的厚度为3~10mm。

18.根据权利要求1所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述沉积源装置包括靶材固定盘及磁铁，所述靶材固定盘位于所述腔体的上部，用于承载靶材，所述磁铁位于所述靶材固定盘的上表面。

19.根据权利要求1-18任一项所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述加热装置还包括冷却层，位于所述磁场调节层的下表面，用于所述加热装置的冷却和控温。

20.根据权利要求19所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所述冷却层包括多个冷却区域，所述多个冷却区域与所述多个加热区域一一对应。

21.根据权利要求19所述的改善薄膜均匀性的物理气相沉积设备，其特征在于：所冷却层内设置有冷却管路，所述冷却管路内填充有冷却介质，所述冷却介质包括冷却气体和冷却液体中的一种或两种的混合。

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