CN110894596A - 薄膜制备设备及其反应腔体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜制备设备及其反应腔体。反应腔体包括：设置有内腔的腔体，所述内腔内设置有电离区；载物平台，设置在所述内腔内且位于所述电离区的下方；多根侧管，多根所述侧管的出气口均设置在所述电离区的侧面、均匀环绕所述电离区分布且朝向所述电离区；顶管，所述顶管的出气口设置在所述内腔内、位于所述电离区的顶部且朝向所述载物平台的中部；电离装置，用于将所述电离区内的气体电离成等离子体；其中，所述侧管的出气口和所述顶管的出气口均用于向所述电离区喷射反应气体。采用这种反应腔室制备薄膜，良品率更高，薄膜的厚度更加均匀。
Description
技术领域
本发明总体来说涉及一种半导体加工技术领域，具体而言，涉及一种薄膜制备设备及其反应腔体。
背景技术
在半导体制造过程中，化学气相沉积(CVD)作为薄膜制程已经被广泛使用。CVD主要包含了常压CVD(APCVD)、低压CVD(LPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)。随着集成电路临界尺寸越来越窄、深宽比的越来越大，对设备的填洞能力要求越来越高。
HDPCVD由于同时具备沉积和溅射的功能，可以填充深宽比为10以上的间隙，同时也具有良好的阶梯覆盖和制备较致密的膜的功能，其在制造过程中所占比重越来越大。因此HDPCVD薄膜的均匀性和缺陷成为了工程师最为关心的问题。
在HDPCVD沉积薄膜过程中，反应气体通过气体管路进入反应腔体并扩散到晶圆表面从而形成薄膜。如图1所示，LAM公司制造的HDPCVD，反应气体从6根长管2a(LongInjector)和30根短管3a(Short Injector)进入反应腔体1a并在晶圆2表面沉积形成薄膜。然而，由于反应气体通过长管2a、短管3a进入反应腔体1a，反应气体不能均匀的分布在反应腔体1a中，造成晶圆2表面薄膜均匀性差。同时由于长管2a暴露于等离子体4a中，长管2a里会残留一部分薄膜难以清理。当长管2a未被彻底清理干净然后对另一片晶圆2进行加工时，长管2a里的残留的薄膜碎屑会随着反应气体飘落到反应腔体1a内的晶圆2上，在该晶圆2上生成的薄膜会在该处形成凸起，这些凸起就是该薄膜的缺陷。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种薄膜制备设备的反应腔体，其包括：设置有内腔的腔体，所述内腔内设置有电离区；载物平台，设置在所述内腔内且位于所述电离区的下方；多根侧管，多根所述侧管的出气口均设置在所述电离区的侧面、均匀环绕所述电离区分布且朝向所述电离区；顶管，所述顶管的出气口设置在所述内腔内、位于所述电离区的顶部且朝向所述载物平台的中部；电离装置，用于将所述电离区内的气体电离成等离子体；其中，所述侧管的出气口和所述顶管的出气口均用于向所述电离区喷射反应气体。
根据本发明的一个实施例，所述顶管包括竖直设置的管体以及覆盖在管体底端的底壳；所述底壳为中部向载物平台方向凸出的弧面形壳体；所述底壳包括设置在中间的中部区域以及环绕所述中部区域设置的边缘区域；所述底壳上设置有多个贯穿底壳的通孔，位于中部区域的通孔的直径小于位于边缘区域的通孔的直径。
根据本发明的一个实施例，位于中部区域的通孔的直径为1～5mm，小于位于边缘区域的通孔的直径为6～10mm。
根据本发明的一个实施例，通孔在所述中部区域中的分布比通孔在所述边缘区域中的分布更稀疏。
根据本发明的一个实施例，中部区域内的相邻两个通孔之间的间距为9～15mm，边缘区域内的相邻两个通孔之间的间距为2～8mm。
根据本发明的一个实施例，中部区域内的通孔数量占通孔总数的10％～30％，边缘区域内的通孔数量占通孔总数的70％～90％。
根据本发明的一个实施例，所述中部区域为与所述底壳同轴的球面区域，所述边缘区域为与所述底壳同轴的圆环形区域。
根据本发明的一个实施例，所述顶管包括管体以及覆盖在管体底端的底壳；所述底壳为中部向载物平台方向凸出的弧面形壳体；所述底壳上设置有多个贯穿底壳的通孔，所述通孔越靠近底壳的中部，其直径越小。
根据本发明的一个实施例，越靠近底壳中部，底壳的上的通孔越稀疏。
根据本发明的一个实施例，所述载物平台设置成圆板形，所述顶管垂直贯穿所述腔体的顶壁且与所述载物平台同轴设置。
根据本发明的一个实施例，所述腔室包括底座以及罩在所述底座上的顶罩，所述顶罩构造为半球形的壳体。
根据本发明的一个实施例，所述载物平台能绕自身轴线旋转。
根据本发明的一个实施例，所述载物平台的转速为0.1～2rps。
本发明还公开了一种薄膜制备设备，其包括如上所述的反应腔体。
由上述技术方案可知，本发明的反应腔体的优点和积极效果在于：
载物平台承载待加工的晶圆后，晶圆紧靠电离区或进入到电离区内。侧管和顶管向电离区输送反应气体，电离装置将反应气体电离成等离子体，这样，反应气体反应后附着在晶圆表面生成薄膜。由于侧管和顶管均没有伸入到等离子区内，也就不会直接接触到等离子体，侧管和顶管上均不会残留薄膜，从而不会污染后续加工的晶圆的薄膜，良品率提高。同时，由于顶管设置朝向载物平台的中部，从顶管喷射出的反应气体主要用于晶圆中部薄膜的生长，这样能使得晶圆上的薄膜生长得更加均匀。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是现有技术中的一种的反应腔体的示意图；
图2是根据一示例性实施方式示出的一种反应腔体的剖视示意图；
图3是根据一示意性实施方式示出的一种顶管的剖视示意图。
其中，附图标记说明如下：
1a、反应腔体；2a、长管；3a、短管；4a、等离子体；2、晶圆；
1、反应腔体；11、腔体；111、内腔；112、顶罩；113、底座；114、电离区；12、载物平台；13、侧管；14、顶管；141、管体；142、底壳；15、电离装置；16、支柱。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
参照图2，图2显示了本实施例中的一种薄膜制备设备的反应腔体1。该薄膜制备设备可以是高密度等离子体CVD台机。该反应腔体1包括腔体11、载物平台12、侧管13、顶管14和电离装置15。
腔体11为空腔结构。腔体11内设置有内腔111。在本实施例中，腔体11包括底座113和顶罩112。底座113为腔体11的基座。底座113可以设置成圆盘形或圆桶形。顶罩112构造为大致的半球形的壳体。顶罩112可以采用陶瓷制成，底座113可以采用铝合金制成。顶罩112罩在底座113上时，底座113和顶罩112之间密封，底座113和顶罩112围合出密闭的内腔111。为增加底座113与顶罩112之间的密封性能，底座113与顶罩112之间可以设置密封件，该密封件可以是密封圈。底座113与顶罩112之间可以采用铰接连接，顶罩112相对于底座113翻转后可以打开该内腔111。内腔111的轴线竖直。
内腔111内设置有电离区114。电离区114位于顶罩112内。由于顶罩112采用陶瓷制成，可以防止等离子体对其造成损伤。电离区114构造为大致圆盘形区域。电离区114与内腔111同轴设置。
载物平台12设置在电离区114的下方。载物平台12能紧贴电离区114。载物平台12的顶面用于承载晶圆2。载物平台12设置成圆形。载物平台12的顶面可以是紧贴电离区114或在电离区114内。载物平台12优选具备加热功能，载物平台12内可以是设置有电热丝。载物平台12能对所承载的晶圆2进行均匀加热。
侧管13用于向腔体11内输入反应气体，该反应气体可以是SiH4。侧管13设置有多根。多根侧管13均设置在电离区114的侧方位。多根侧管13的环绕电离区114均匀分布。侧管13均为直管。多根侧管13呈辐射状分布。侧管13朝外的一端固定在腔体11上，侧管13优选为固定在底座113的内壁上并斜向上延伸。侧管13朝外的一端连通用于供给反应气体的反应气体源。侧管13朝内的一端为侧管13的出气口，侧管13的出气口朝向电离区114。反应气体源向侧管13内输入反应气体，反应气体能被喷射到电离区114内。
顶管14用于向腔体11内输入反应气体，该反应气体为SiH4和O2的混合气体。顶管14设置在电离区114的顶部。顶管14设置成直管，且竖直设置。顶管14垂直贯穿腔体11的顶壁，且与载物平台12同轴设置。在本实施例中，顶管14竖直贯穿顶罩112。顶管14的顶端连通反应气体源，反应气体源向顶管14中输入反应气体。顶管14的底端为顶管14的出气口，且朝向载物平台12的中部。顶管14的出气口能朝电离区114喷射反应气体。
电离装置15设置在顶罩112外。电离装置15靠近顶罩112设置。电离装置15用于将电离区114内的气体电离成等离子体。电离装置15优选为电感耦合等离子体反应器。电感耦合等离子体反应器包括缠绕在顶罩112上的线圈和连接线圈的射频电源。射频电源对线圈加载射频交流电流使得线圈产生一个随时间快速变化的电感耦合型电场，电感耦合型电场能使得电离区114内的气体电离形成等离子体。
载物平台12承载待加工的晶圆2后，晶圆2紧靠电离区114或进入到电离区114内。侧管13和顶管14向电离区114输送反应气体，电离装置15将反应气体电离成等离子体，这样，反应气体反应后附着在晶圆2表面生成薄膜。由于侧管13和顶管14均没有伸入到等离子区内，也就不会直接接触到等离子体，侧管13和顶管14上均不会残留薄膜，从而不会污染后续加工的晶圆2的薄膜，良品率提高。同时，由于顶管14设置朝向载物平台12的中部，从顶管14喷射出的反应气体主要用于晶圆2中部薄膜的生长，这样能使得晶圆2上的薄膜生长得更加均匀。
进一步地，载物平台12下方设置有支柱16。支柱16从载物平台12的中部向下延伸并贯穿底座113。支柱16与底座113之间形成密封。支柱16支撑起载物平台12并能驱动载物平台12绕自身轴线旋转。在晶圆2上生成薄膜时，载物平台12带动晶圆2绕自身轴线转动，晶圆2上生长出的薄膜的厚度能更加均匀。载物平台12的转速优选为0.1～2rps，这既有利于气体的沉积，又能使得薄膜的厚度的均匀程度较好。
进一步地，参照图3，顶管14包括管体141和底壳142。管体141优选为圆管状且呈直条状。管体141竖直设置。底壳142覆盖在管体141底端。底壳142为中部向载物平台12方向凸出的弧面形壳体，优选为半球形壳体。底壳142包括中部区域和边缘区域。中部区域设置在底壳142的中部。中部区域优选为与底壳142同轴的球面形区域。边缘区域呈环状，边缘区域优选为与所述中部区域同轴的圆环形区域。边缘区域环绕中部区域。
底壳142上设置有多个贯穿底壳142的通孔。该通孔可以是圆孔。位于中部区域的通孔的直径小于位于边缘区域的通孔的直径。位于中部区域的通孔的直径优选为1～5mm，小于位于边缘区域的通孔的直径优选为6～10mm。
由于底壳142设置有多个通孔，并且底壳142呈顶端凸出的弧面形，当反应气体从多个通孔向晶圆2喷射时，反应气体散布的范围更广。同时，由于中部区域的通孔直径小、边缘区域的通孔直径大，这样还能使得反应气体散布得更加均匀，晶圆2表面上生长出的薄膜厚度更均匀。
进一步地，通孔在中部区域中的分布比通孔在边缘区域中的分布更稀疏。中部区域内的相邻两个通孔之间的间距优选为9～15mm，边缘区域内的相邻两个通孔之间的间距优选为2～8mm。这样设置的好处在于，进一步使得从多个通孔喷出的反应气体更加均匀地散布到晶圆2上，使得晶圆2上方的反应气体浓度分布更加均匀，由此，晶圆2表面上生长出的薄膜厚度更加均匀。
进一步地，中部区域内的通孔数量占通孔总数的10％～30％，边缘区域内的通孔数量占通孔总数的70％～90％。边缘区域的通孔的数量大于中部区域的通孔数量，使得晶圆2上方的反应气体浓度分布更加均匀，由此，晶圆2表面上生长出的薄膜厚度更加均匀。
在另一个示意性的实施例中，顶管14包括管体141和底壳142。管体141优选为圆管状且呈直条状。管体141竖直设置。底壳142覆盖在管体141底端。底壳142为中部向载物平台12方向凸出的弧面形壳体，优选为半球形壳体。底壳142上设置有多个贯穿底壳142的通孔。通孔越靠近底壳142的中部，其直径越小。
由于底壳142设置有多个通孔，并且底壳142呈顶端凸出的弧面形，当反应气体通过多个通孔向晶圆2喷射时，反应气体散布的范围更广。同时，越靠近底壳142的中部，通孔的直径越小，这样还能使得反应气体散布得更加均匀，晶圆2表面上生长出的薄膜厚度更均匀。
进一步地，通孔越靠近底壳142中部，底壳142的上的通孔越稀疏。这样设置的好处在于，进一步使得从多个通孔喷出的反应气体更加均匀地散布到晶圆2上，使得晶圆2上方的反应气体浓度分布更加均匀，由此，晶圆2表面上生长出的薄膜厚度更加均匀。
应理解，以上描述的多个示例可沿多个方向(如倾斜、颠倒、水平、垂直，等等)并且以多个构造被利用，而不背离本发明的原理。附图中示出的实施例仅作为本发明的原理的有效应用的示例而被示出和描述，本发明并不限于这些实施例的任何具体的细节。
当然，一旦仔细考虑代表性实施例的以上描述，本领域技术人员就将容易理解，可对这些具体的实施例做出多种改型、添加、替代、删除以及其他变化，并且这些变化在本发明的原理的范围内。因此，前面的详细描述应被清楚地理解为是仅以说明和示例的方式来给出的，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书及其等同物限定。
Claims (14)
1.一种薄膜制备设备的反应腔体，其特征在于，包括：
设置有内腔的腔体，所述内腔内设置有电离区；
载物平台，设置在所述内腔内且位于所述电离区的下方；
多根侧管，多根所述侧管的出气口均设置在所述电离区的侧面、均匀环绕所述电离区分布且朝向所述电离区；
顶管，所述顶管的出气口设置在所述内腔内、位于所述电离区的顶部且朝向所述载物平台的中部；
电离装置，用于将所述电离区内的气体电离成等离子体；
其中，所述侧管的出气口和所述顶管的出气口均用于向所述电离区喷射反应气体。
2.如权利要求1所述的反应腔体，其特征在于，所述顶管包括竖直设置的管体以及覆盖在管体底端的底壳；
所述底壳为中部向载物平台方向凸出的弧面形壳体；
所述底壳包括设置在中间的中部区域以及环绕所述中部区域设置的边缘区域；
所述底壳上设置有多个贯穿底壳的通孔，位于中部区域的通孔的直径小于位于边缘区域的通孔的直径。
3.如权利要求2所述的反应腔体，其特征在于，位于中部区域的通孔的直径为1～5mm，小于位于边缘区域的通孔的直径为6～10mm。
4.如权利要求2或3所述的反应腔体，其特征在于，通孔在所述中部区域中的分布比通孔在所述边缘区域中的分布更稀疏。
5.如权利要求4所述的反应腔体，其特征在于，中部区域内的相邻两个通孔之间的间距为9～15mm，边缘区域内的相邻两个通孔之间的间距为2～8mm。
6.如权利要求5所述的反应腔体，其特征在于，中部区域内的通孔数量占通孔总数的10％～30％，边缘区域内的通孔数量占通孔总数的70％～90％。
7.如权利要求2所述的反应腔体，其特征在于，所述中部区域为与所述底壳同轴的球面区域，所述边缘区域为与所述底壳同轴的圆环形区域。
8.如权利要求1所述的反应腔体，其特征在于，所述顶管包括管体以及覆盖在管体底端的底壳；
所述底壳为中部向载物平台方向凸出的弧面形壳体；
所述底壳上设置有多个贯穿底壳的通孔；
所述通孔越靠近底壳的中部，其直径越小。
9.如权利要求8所述的反应腔体，其特征在于，越靠近底壳中部，底壳的上的通孔越稀疏。
10.如权利要求1所述的反应腔体，其特征在于，所述载物平台设置成圆板形，所述顶管垂直贯穿所述腔体的顶壁且与所述载物平台同轴设置。
11.如权利要求10所述的反应腔体，其特征在于，所述腔室包括底座以及罩在所述底座上的顶罩，所述顶罩构造为半球形的壳体。
12.如权利要求10所述的反应腔体，其特征在于，所述载物平台能绕自身轴线旋转。
13.如权利要求12所述的反应腔体，其特征在于，所述载物平台的转速为0.1～2rps。
14.一种薄膜制备设备，其特征在于，包括如权利要求1～13中任一项所述的反应腔体。
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- 2018-09-13 CN CN201811068157.2A patent/CN110894596A/zh active Pending
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