CN111058012A - 进气装置及半导体加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种进气装置及半导体加工设备，包括进气件、第一进气管路和第二进气管路，其中，进气件用于向反应腔室内喷入气体的进气件，第一进气管路与进气件连接，用于通过进气件向反应腔室内通入第一前驱体；第二进气管路与反应腔室连通，用于直接向反应腔室内通入第二前驱体。本发明提供的进气装置及半导体加工设备，能够减少前驱体在进气件上形成的沉积物，从而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。

Description

进气装置及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体地，涉及一种进气装置及半导体加工设备。
背景技术
随着半导体行业的发展，集成电路元器件逐渐向着多样化、微型化发展。精确控制薄膜厚度和均匀性，保持较高深宽比的覆盖都显得尤为重要。原子层沉积(Atomic layerdeposition，ALD)技术可以精确控制薄膜厚度，并且具有良好的保型性。采用原子层沉积工艺制备的氮化钛(TiN)薄膜不仅薄膜厚度可以精确控制，而且均匀致密并具有较低的电阻率，能够有效的阻挡金属材料向硅器件中的扩散，是优秀的阻挡层薄膜材料。
现有的氮化钛原子层沉积工艺中，通过进气件(Showerhead)将前躯体四氯化钛(TiCl4)和氨气(NH3)喷入反应腔室中，具体的，在进气件中设置有与反应腔室连通的喷气通道，首先将四氯化钛通过喷气通道通入反应腔室内，使四氯化钛吸附在衬底的表面上，之后对喷气通道和反应腔室进行吹扫，之后将氨气通过喷气通道通入反应腔室内，与吸附在衬底表面上的四氯化钛反应生成氮化钛。
但是，在现有的氮化钛原子层沉积工艺中，当四氯化钛经过喷气通道喷出后，会扩散并吸附在进气件位于喷气通道的出气端的周边区域上，并且这些位置不易被吹扫到，而当氨气经过喷气通道喷出后，也会扩散到喷气通道的出气端的周边区域，从而导致氨气与四氯化钛在喷气通道的周边区域的进气件上反应生成氧化钛沉积物，而当沉积物累积到一定厚度时，不仅影响进气件向反应腔室内喷入气体的效果，缩短进气件的清洗周期，影响进气件寿命，而且氧化钛沉积物还会被吹扫气体吹落，或者自身自然脱落到衬底表面，导致衬底表面上的薄膜的颗粒度提高，影响薄膜均匀性，影响薄膜的质量。
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，提出了一种进气装置及半导体加工设备，其能够减少工艺气体在进气件上形成的沉积物，从而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
为实现本发明的目的而提供一种进气装置，包括用于向反应腔室内喷入气体的进气件，还包括：
第一进气管路，与所述进气件连接，用于通过所述进气件向所述反应腔室内通入第一前驱体；
第二进气管路，与所述反应腔室连通，用于直接向所述反应腔室内通入第二前驱体。
优选的，所述第二进气管路的出气端伸入至所述反应腔室内，且所述第二进气管路的出气端位于所述进气件的下方。
优选的，所述第二进气管路的出气端的位置与所述反应腔室的抽气口的位置相对于所述反应腔室的中心对称。
优选的，还包括第一吹扫管路，所述第一进气管路的两端分别与所述第一吹扫管路和所述进气件连接。
优选的，还包括第一支路、第二支路、第一前驱体源瓶和多个通断阀，所述第一支路的两端分别与所述第一前驱体源瓶和所述第一吹扫管路连接，所述第二支路的两端分别与所述第一前驱体源瓶和所述第一进气管路连接；
所述第二支路的进气端伸入至所述第一前驱体源瓶内，且位于所述第一支路的出气端的下方，并且所述第二支路的进气端位于所述第一前驱体的上方；
在所述第一吹扫管路、所述第一支路和所述第二支路上都设置有所述通断阀。
优选的，还包括第二吹扫管路，所述进气件包括与反应腔室连通的第一喷气通道和第二喷气通道，且所述第一喷气通道和所述第二喷气通道相互独立设置，所述第一进气管路与所述第一喷气通道连接，用于通过所述第一喷气通道向所述反应腔室内通入所述第一前驱体；
所述第二吹扫管路与所述第二喷气通道连接。
优选的，所述第二进气管路的出气端位于所述进气件的下方10mm处。
优选的，还包括多个流量计，在所述第二进气管路、所述第一吹扫管路和所述第二吹扫管路上都设置有所述流量计。
优选的，所述第一吹扫管路和所述第二吹扫管路中通入的吹扫气体包括氮气或惰性气体。
本发明还提供一种半导体加工设备，包括所述反应腔室和上述的所述进气装置，用于向所述反应腔室内通入所述第一前驱体和所述第二前驱体。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的进气装置，借助与反应腔室连通的第二进气管路，使第二前驱体不经过进气件就能够直接通入反应腔室内，从而减少第二前驱体与进气件的接触，以减少前驱体在进气件上形成的沉积物，进而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
本发明提供的半导体加工设备，包括反应腔室和本发明提供的进气装置，用于向反应腔室内通入第一前驱体和第二前驱体，并借助本发明提供的进气装置，减少前驱体在进气件上形成的沉积物，从而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
附图说明
图1为本发明提供的进气装置的结构示意图；
附图标记说明：
11-反应腔室，12-板状本体；13-衬底；14-抽气口；21-第一进气管路；22-第二进气管路；23-第一吹扫管路；24-第二吹扫管路；25-第一支路；26-第二支路；27-第三吹扫管路；28-调压管路；3-第一前驱体源瓶；4-通断阀；5-流量计。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的进气装置及半导体加工设备进行详细描述。
如图1所示，本实施例提供一种进气装置，包括进气件、第一进气管路21和第二进气管路22，其中，进气件用于向反应腔室11内喷入气体的进气件，第一进气管路21与进气件连接，用于通过进气件向反应腔室11内通入第一前驱体；第二进气管路22，与反应腔室11连通，用于直接向反应腔室11内通入第二前驱体。
在本实施例中，进气件包括板状本体12、第一喷气通道、第二喷气通道、第一组出气孔和第二组出气孔，其中，板状本体12包括上层和下层，第一喷气通道自板状本体12的上层伸入至板状本体12中，并在上层中分为多个支路，并向下延伸至下层，且贯穿下层，以在板状本体12的下表面形成第一组出气孔，第二喷气通道自板状本体12的上层伸入至板状本体12中，并在下层中分为多个支路，且贯穿下层，以在板状本体12的下表面形成第二组出气孔，且第一喷气通道的多个支路与第二喷气通道的多个支路均匀间隔分布，使第一组出气孔和第二组出气孔均匀间隔分布在板状本体12的下表面上，具体的，第一进气管路21与第一喷气通道连接，使第一前驱体经过第一喷气通道，从第一组出气孔通入反应腔室11内。
本实施例提供的进气装置，借助与反应腔室11连通的第二进气管路22，使第二前驱体不经过进气件就能够直接通入反应腔室11内，从而降低第二前驱体与进气件的接触，以减少前驱体在进气件上形成的沉积物，进而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
具体的，借助与反应腔室11连通的第二进气管路22，使第二前驱体不经过进气件就能够直接通入反应腔室11内，降低第二前驱体与板状本体12的下表面的接触，从而减少前驱体在板状本体12的下表面上形成的沉积物，减少沉积物掉落至薄膜表面上的可能性，进而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，并降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
可选的，第二进气管路22的出气端伸入至反应腔室11内，且第二进气管路22的出气端位于进气件的下方，使得第二前驱体在经过第二进气管路22的出气端通入反应腔室11后的位置处于板状本体12的下表面的下方，避免因第二前驱体向四周扩散或向下扩散而与板状本体12的下表面接触，进一步降低第二前驱体扩散至板状本体12的下表面上的数量，以减少第二前驱体与第一前驱体在板状本体12的下表面上反应形成的沉积物。
可选的，第二进气管路22的出气端靠近衬底13，使第二前驱体在从第二进气管路22通入反应腔室11后，可以快速扩散到衬底13的表面上，进一步减少第二前驱体扩散至板状本体12的下表面上的数量。
可选的，第二进气管路22的出气端位于板状本体12的下表面的下方10mm处，不过第二进气管路22的出气端的位置不以此为限，可以根据反应腔室11的大小进行调整，只要使第二进气管路22的出气端位于板状本体12的下表面的下方并处于衬底13的上方即可。
可选的，第二进气管路22的出气端的位置与反应腔室11的抽气口14的位置相对于反应腔室11的中心对称，具体的，在反应腔室11的底壁上设置有抽气口14，用于对反应腔室11进行抽气，从而对反应腔室11内的压力进行调节，而第二进气管路22与抽气口14相对于反应腔室11中心对称的设置方式，可以避免第二前躯体通过第二进气管路22通入反应腔室11后直接被抽气口14抽出，并且可以使第二前躯体在反应腔室底部扩散，避免第二前躯体与板状本体12的下表面接触。
在本实施例中，进气装置还包括第一吹扫管路23，第一进气管路21的两端分别与第一吹扫管路23和进气件连接，用于通过第一吹扫管路23向第一进气管路21、进气件和反应腔室11内通入吹扫气体。
具体的，在第一进气管路21通过进气件向反应腔室11内通入第一前驱体后，停止向反应腔室11内通入第一前驱体，并通过第一吹扫管路23向第一进气管路21中通入吹扫气体，使吹扫气体经过第一进气管路21和进气件进入反应腔室11内，从而对第一进气管路21、进气件和反应腔室11进行吹扫。第一吹扫管路23还用于在通过第二进气管路22向反应腔室11内通入第二前驱体时，向第一进气管路21、进气件12向反应腔室11内通入吹扫气体，借助从进气件12喷出的吹扫气体，以阻挡第二前驱体向上扩散至板状本体12的下表面上，进一步降低第二前驱体扩散至板状本体12的下表面上的数量，以减少第二前驱体与第一前驱体在板状本体12的下表面上反应形成的沉积物。
在实际应用中，通过第一吹扫管路23对第一进气管路21、进气件和反应腔室11进行吹扫，一方面可以避免第一进气管路21、进气件和反应腔室11内残留的第一前驱体，在通过第二进气管路22向反应腔室11内通入第二前驱体时，与第二前驱体反应，影响衬底13表面的成膜质量。另一方面还可以防止在通过第二进气管路22向反应腔室11内通入第二前驱体时，吹扫气体将第一进气管路21和进气件内残留的第一前驱体吹扫至反应腔室11内与第二前驱体发生反应，影响成膜质量。
在本实施例中，进气装置还包括第一支路25、第二支路26、第一前驱体源瓶3和多个通断阀4，第一支路25的两端分别与第一前驱体源瓶3和第一吹扫管路23连接，第二支路26的两端分别与第一前驱体源瓶3和第一进气管路21连接；第二支路26的进气端伸入至第一前驱体源瓶3内，且位于第一支路25的出气端的下方，并且第二支路26的进气端位于第一前驱体的上方；在第一吹扫管路23、第一支路25和第二支路26上都设置有通断阀4。
具体的，在需要通过第一进气管路21向反应腔室11内通入第一前驱体时，打开位于第一支路25和第二支路26上的通断阀4，关闭位于第一吹扫管路23上的通断阀4，首先通过第一吹扫管路23向第一支路25中通入吹扫气体，使吹扫气体经过第一支路25进入第一前驱体源瓶3中，以使吹扫气体能够携带第一前驱体，随后吹扫气体携带第一前驱体进入第二支路26中，并经过第二支路26流入第一进气管路21中，最后经过第一进气管路21和进气件通入反应腔室11内。在需要对第一进气管路21、进气件和反应腔室11进行吹扫时，关闭位于第一支路25和第二支路26上的通断阀4，打开位于第一吹扫管路23上的通断阀4，使第一吹扫管路23直接将吹扫气体通入第一进气管路21中，从而对第一进气管路21、进气件和反应腔室11进行吹扫。
由于第二支路26的进气端位于第一支路25的出气端的下方，所以在第一前驱体源瓶3中会有吹扫气体的聚集，使第一前驱体源瓶3中的总压强增大，也就减小了第一前驱体的分压，使随吹扫气体进入第二支路26中的第一前驱体减少，从而减少第一前驱体在板状本体12的下表面上的数量。
在实际应用中，还可以在第二进气管路22上设置通断阀4，以控制第二进气管路22的通断。
在本实施例中，进气装置还包括第二吹扫管路24，进气件包括与反应腔室11连通的第一喷气通道和第二喷气通道，第一进气管路21与第一喷气通道连接，用于通过第一喷气通道向反应腔室11内通入第一前驱体；第二吹扫管路24与第二喷气通道连接，用于通过第二吹扫管路24向反应腔室11内通入吹扫气体。
在实际应用中，还可以在第二吹扫管路24上设置通断阀4，以控制第二吹扫管路24的通断。
但是，本实施例中的进气件的喷气通道的数量不以此为限，还可以包括一个、三个，四个或更多个喷气通道，通过使用多个喷气通道的进气件，可以单独向反应腔室11内喷入多种气体，并且避免多种气体在进气件12内发生反应，影响进气件12的使用寿命。
在实际应用中，在通过第一喷气通道向反应腔室11内通入第一前驱体后，通过第一吹扫管路23向第一进气管路21、第一喷气通道和反应腔室11内通入吹扫气体，以对第一进气管路21、第一喷气通道和反应腔室11进行吹扫，之后在通过第二进气管路22向反应腔室11内通入第二前驱体时，通过从第一喷气通道和第二喷气通道都喷出吹扫气体，以阻挡第二前驱体扩散至板状本体12的下表面上与第一前驱体反应，从而降低第二前驱体扩散至板状本体12的下表面上的数量，以减少第二前驱体与第一前驱体在板状本体12的下表面上反应形成的沉积物。
在实际应用中，进气装置还包括与第一进气管路21连接，且不与第一前驱体源瓶3连接的第三吹扫管路27，通过第三吹扫管路27向反应腔室11内通入吹扫气体，可以在第一前驱体在衬底13的表面上沉积的过程中，维持反应腔室11内的压力稳定，通常通过第三吹扫管路27通入的吹扫气体的流量为800sccm-1000sccm。另外，由于在整个工艺过程中，每条管路通入气体的流量是不进行改变的，向第一吹扫管路23中通入的吹扫气体用于携带第一前驱体，而第一前驱体的流量是根据所需制备薄膜进行设定的，所以通过第三吹扫管路27，可以通入与第一吹扫管路23中不同流量的吹扫气体，提高对第一进气管路21、第一喷气通道和反应腔室11的吹扫效果。
在实际应用中，在向反应腔室11内通入第二前驱体后，对第二进气管路22和反应腔室11进行吹扫，具体的，向第二进气管路22中通入吹扫气体，使吹扫气体经过第二进气管路22进入反应腔室11内，从而对第二进气管路22和反应腔室11进行吹扫。
在本实施例中，第一前驱体包括四氯化钛(TiCl4)，第二前驱体包括氨气(NH3)，以通过第一前驱体和第二前驱体制备氮化钛(TiN)薄膜。在该工艺中，反应温度通常在400℃-550℃，反应腔室11内压强通常为1torr，通过第一吹扫管路23向第一支路26中通入吹扫气体的流量为30sccm-50sccm，在对第一进气管路和反应腔室进行吹扫时，一般需要吹扫0.5s-1s，通过第二进气管路22向反应腔室11内通入第二前驱体的流量为1000sccm-2000sccm，一般通入时间为2s-3s，通过第二吹扫管路24向反应腔室11内通入吹扫气体的流量为2000sccm。
另外，在实际应用中，进气装置还包括与第二吹扫管路24连接的调压管路28，在成膜工艺中，需要使反应腔室11内的压强保持稳定，例如在停止向反应腔室11内通入第一前驱体和第二前驱体时，第一前驱体和第二前驱体在反应腔室11内发生反应，会使反应腔室11内的压强发生变化，通过调压管路28向反应腔室11内通入吹扫气体可以使反应腔室11内的压强保持稳定。
在实际应用中，还可以在第三吹扫管路27和调压管路28上都设置通断阀4，以控制第三吹扫管路27和调压管路28的通断。
在本实施例中，进气装置还包括多个流量计5，在第二进气管路22、第一吹扫管路23和第二吹扫管路24上都设置有流量计5，通过设置在第二进气管路22上的流量计5，以测量通过第二进气管路22的气体的流量，通过设置在第一吹扫管路23上的流量计5，以测量通过第一吹扫管路23的气体的流量，通过设置在第二吹扫管路24上的流量计5，以测量通过第二吹扫管路24的气体的流量。
在实际应用中，还可以在第三吹扫管路27和调压管路28上都设置流量计5，以测量通过第三吹扫管路27和调压管路28的气体的流量。
在本实施例中，第一吹扫管路23和第二吹扫管路24中通入的吹扫气体包括氮气或惰性气体，优选采用高纯度的氮气(PN2)。
本实施例还提供一种半导体加工设备，包括反应腔室11和本实施例提供的进气装置，用于向反应腔室11内通入第一前驱体和第二前驱体。
借助本本实施例提供的进气装置减少前驱体在进气件上形成的沉积物，从而延长进气件的清洗周期，增加进气件的使用寿命，还能够降低薄膜的颗粒度，提高薄膜的均匀性和质量。
在实际应用中，半导体加工设备还包括与反应腔室11连接的干泵，干泵与第二进气管路22可以相对于反应腔室11的中心对称设置，以在对反应腔室11和第二进气管路22进行吹扫之前，对反应腔室11进行抽气，以将第二进气管路22和反应腔室11内残留的第二前驱体抽出，以缩短后续对第二进气管路22和反应腔室11吹扫的时间。一般的第二进气管路22外径为1/4英寸，内径为4.6mm，使用干泵抽速为600m3/h，抽气0.5s-1s即可使第二进气管路22内残留的第二前驱体含量趋近于0，并且第二进气管路22与反应腔室11连通，当反应腔室11真空度达到10mtorr以下时，第二进气管路22内残留的第二前驱体已经被排出干净，这样可以使后续对第二进气管路22和反应腔室11吹扫0.5s即可。
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。

Claims (10)

1.一种进气装置，包括用于向反应腔室内喷入气体的进气件，其特征在于，还包括：
第一进气管路，与所述进气件连接，用于通过所述进气件向所述反应腔室内通入第一前驱体；
第二进气管路，与所述反应腔室连通，用于直接向所述反应腔室内通入第二前驱体。
2.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述第二进气管路的出气端伸入至所述反应腔室内，且所述第二进气管路的出气端位于所述进气件的下方。
3.根据权利要求2所述的进气装置，其特征在于，所述第二进气管路的出气端的位置与所述反应腔室的抽气口的位置相对于所述反应腔室的中心对称。
4.根据权利要求1所述的进气装置，其特征在于，还包括第一吹扫管路，所述第一进气管路的两端分别与所述第一吹扫管路和所述进气件连接。
5.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，还包括第一支路、第二支路、第一前驱体源瓶和多个通断阀，所述第一支路的两端分别与所述第一前驱体源瓶和所述第一吹扫管路连接，所述第二支路的两端分别与所述第一前驱体源瓶和所述第一进气管路连接；
所述第二支路的进气端伸入至所述第一前驱体源瓶内，且位于所述第一支路的出气端的下方，并且所述第二支路的进气端位于所述第一前驱体的上方；
在所述第一吹扫管路、所述第一支路和所述第二支路上都设置有所述通断阀。
6.根据权利要求4所述的进气装置，其特征在于，还包括第二吹扫管路，所述进气件包括与反应腔室连通的第一喷气通道和第二喷气通道，且所述第一喷气通道和所述第二喷气通道相互独立设置，所述第一进气管路与所述第一喷气通道连接，用于通过所述第一喷气通道向所述反应腔室内通入所述第一前驱体；
所述第二吹扫管路与所述第二喷气通道连接。
7.根据权利要求2所述的进气装置，其特征在于，所述第二进气管路的出气端位于所述进气件的下方10mm处。
8.根据权利要求6所述的进气装置，其特征在于，还包括多个流量计，在所述第二进气管路、所述第一吹扫管路和所述第二吹扫管路上都设置有所述流量计。
9.根据权利要求6所述的进气装置，其特征在于，所述第一吹扫管路和所述第二吹扫管路中通入的吹扫气体包括氮气或惰性气体。
10.一种半导体加工设备，其特征在于，包括所述反应腔室和权利要求1-9任意一项的所述进气装置，用于向所述反应腔室内通入所述第一前驱体和所述第二前驱体。
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