CN111270221A - 半导体设备中的气体分配器和半导体设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体设备中的气体分配器，包括分配器主体，分配器主体内设置有：气体分配管路、第一进气管路和多个第一出气管路，第一进气管路与气体分配管路的进气口连通，多个第一出气管路一一对应地与气体分配管路的多个出气口连通；分配器主体内还设有：气体分配腔、第二进气管路和多个第二出气管路，气体分配腔位于气体分配管路上方且环绕第一进气管路设置，气体分配腔的高度从中部至边缘逐渐减小，第二进气管路与气体分配腔的进气口连通，多个第二出气管路一一对应地与气体分配腔的多个出气口连通，第一出气管路和第二出气管路交错设置且均延伸至分配器主体的出气端面。本发明还提供一种半导体设备。本发明能够提高薄膜沉积的均匀性。

Description

半导体设备中的气体分配器和半导体设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体设备中的气体分配器和半导体设备。
背景技术
原子层沉积技术是一种以单原子层形式逐层吸附在衬底上的薄膜制备技术，原子层沉积技术主要包括两个反应过程：第一个反应过程为：第一种反应前驱物进入反应腔室并充分吸附在衬底上，达到饱和状态后，吹扫气体将剩余反应前驱物及副产物去除干净；第二个反应过程为：第二种反应前驱物进入反应腔室，并与已吸附在衬底表面的基团反应，释放反应副产物；形成饱和吸附后，吹扫气体将剩余反应前驱物及其副产物去除干净。
图1为现有的一种原子层沉积设备的示意图，如图1所示，反应腔室1中设置有基座3和气体分配器4，气体分配器4中形成有气体分配管路6，图2为现有气体分配器中的气体分配管路的示意图，结合图1和图2所示，在气体分配管路6中，主分配管路8、9、10和11的内端连接在一起并连通，主分配管路的两侧设有分配支路，主要包括：分配管路8-1～8-8、分配管路9-1～9-8、分配管路10-1～10-8、分配管路11-1～11-8。在各分配支路下方，均匀分布有出气管路7。在进行原子层沉积工艺时，气源通过进气管路5进入气体分配网络6，之后经过出气管路7均匀喷洒在待沉积薄膜的衬底2上。
目前，还有采用具有双层气体分配网络的气体分配器的方案，每层气体分配网络的结构如图2所示，双层气体分配网络分别传输两种反应源。其中，对于NH3、O2、Ar及N2等反应源，可以实现快速传输和吹扫；但是，对于较粘稠、易冷凝，不易吹扫的反应源，如气化后的H2O、TMA、TiCl4、PDMAT等，则极易在管道内残留，从而在出气管路的出气口周围发生化学气相沉积而形成薄膜，进而导致衬底上沉积薄膜出现中间薄，边缘厚的现象。图3为基于现有气体分配器沉积的薄膜的厚度分布示意图，从图3可以看出，薄膜的厚度均一性较差。
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，提出了一种半导体设备中的气体分配器和半导体设备。
为了实现上述目的，本发明提供一种半导体设备中的气体分配器，包括分配器主体，所述分配器主体具有出气端面，所述分配器主体内设置有：气体分配管路、第一进气管路和多个第一出气管路，所述第一进气管路与所述气体分配管路的进气口连通，所述多个第一出气管路一一对应地与所述气体分配管路的多个出气口连通；所述分配器主体内还设置有：气体分配腔、第二进气管路和多个第二出气管路，所述气体分配腔位于所述气体分配管路上方且环绕所述第一进气管路设置，所述气体分配腔的高度从所述气体分配腔的中部至边缘逐渐减小，所述第二进气管路与所述气体分配腔的进气口连通，所述多个第二出气管路一一对应地与所述气体分配腔的多个出气口连通，所述第一出气管路和所述第二出气管路交错设置且均延伸至所述分配器主体的出气端面。
可选地，所述气体分配腔中部的高度在2mm～4mm之间，所述气体分配腔边缘的高度在0.5mm～1mm之间。
可选地，所述气体分配管路包括：多个主管路、多个支路、至少一个环形管路，多个所述主管路呈辐射状分布，多个所述主管路的内端相互连通，并与所述第一进气管路连通，所述第一进气管路沿所述气体分配管路的轴线设置；
每个所述主管路的两侧均设置有与该主管路呈预设角度设置的的多个所述支路，所述支路的内端与所述主管路连通，所述气体分配管路的多个出气口设置在所述多个支路上，所述环形管路至少与所述多个主管路和所述多个支路中的部分支路连通。
可选地，所述环形管路的数量为多个，多个所述环形管路依次嵌套且同心设置，任意两个相邻的所述环形管路之间的距离相等。
可选地，从所述主管路的内端至外端，所述主管路的内径逐渐减小；从所述支路的内端至外端，所述支路的内径逐渐减小。
可选地，相邻两个所述主管路之间的多个所述支路相互平行。
可选地，同一个所述主管路两侧的所述支路对称设置。
可选地，所述第二进气管路的横截面呈环状，所述第二进气管路环绕所述第一进气管路设置。
相应地，本发明还提供一种半导体设备，包括上述气体分配器，所述第一进气管路的进气端与第一反应源供给装置连通，所述第二进气管路的进气端与第二反应源供给装置连通，所述第一反应源供给装置用于提供第一反应源，所述第二反应源供给装置用于提供第二反应源，所述第一反应源的扩散系数大于所述第二反应源的扩散系数。
可选地，还包括：设置在所述分配器主体上的进气块，所述进气块内设置有第一传输通道和第二传输通道，所述第一传输通道用于将所述第一进气管路与所述第一反应源供给装置连通，所述第二传输通道用于将所述第二进气管路与所述第二反应源供给装置连通；
所述进气块与所述分配器主体之间设置有：第一密封圈和环绕该第一密封圈的第二密封圈，所述第一传输通道与所述第一进气管路的连接处位于所述第一密封圈内侧，所述第二传输通道与所述第二进气管路的连接处位于所述第一密封圈与所述第二密封圈之间。
在利用本发明提供的半导体设备中的气体分配器进行薄膜沉积时，对于易扩散的反应气体，可以将其从第一进气管路通入气体分配管路，反应气体经过气体分配管路的分配后，从第一出气管路输出。对于较粘稠、易冷凝、不易吹扫的反应气体，将其通入第二进气管路，这类反应气体在气体分配腔内进行扩散后，从第二出气管路输出。和现有的气体分配管路相比，较粘稠、易冷凝、不易吹扫的反应气体在气体分配腔中不容易发生残留，因此不会出现因气体在管道内残留而导致在出气口发生化学气相沉积的现象，从而提高衬底上薄膜沉积的均匀性；气体分配腔的高度从气体分配腔的中部至边缘逐渐减小，从而保证气体分配腔中的气体压力均衡。另外，气体分配腔中不存在死角位置，因此不容易发生反应源残留，从而便于对气体分配器的清理，提高气体分配器的使用寿命。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有的一种原子层沉积设备的示意图；
图2为现有气体分配器中的气体分配管路的示意图；
图3为基于现有气体分配器沉积的薄膜的厚度分布示意图；
图4为本发明实施例提供的气体分配器的俯视图；
图5为沿图4中AA’线的剖视图；
图6为沿图4中BB’线的剖视图；
图7为本发明实施例提供的气体分配管路的俯视图；
图8为本发明实施例提供的半导体设备的示意图；
图9为本发明实施例提供的半导体设备所沉积的薄膜厚度分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
第一方面，本发明实施例提供一种半导体设备中的气体分配器，可选地，半导体设备为薄膜沉积设备。图4为本发明实施例提供的气体分配器的俯视图，图5为沿图4中AA’线的剖视图，图6为沿图4中BB’线的剖视图，结合图4至图6所示，气体分配器包括分配器主体110，分配器主体110具有出气端面111，分配器主体110内设置有：气体分配管路120、第一进气管路130和多个第一出气管路140，第一进气管路130与气体分配管路120的进气口连通，多个第一出气管路140一一对应地与气体分配管路120的多个出气口连通。另外，分配器主体110内还设置有：气体分配腔150、第二进气管路160和多个第二出气管路170，气体分配腔150位于气体分配管路120上方且环绕第一进气管路130设置。第二进气管路160与气体分配腔150的进气口连通，多个第二出气管路170一一对应地与气体分配腔150的多个出气口连通，第一出气管路140和第二出气管路170交错设置且均延伸至分配器主体110的出气端面111。应当理解的是，气体分配腔150位于气体分配管路120上方是指，气体分配腔150位于气体分配管路120远离出气端面111的一侧。
气体分配腔150为环绕第一进气管路130的空腔，气体分配腔150中不设置影响气体流动的结构件。
如图5所示，气体分配腔150的进气口位于靠近气体分配腔150中心的位置，气体分配腔150的高度从气体分配腔150的中部至边缘逐渐减小，从而保证气体分配腔150中的气体压力均衡。应当理解的是，气体分配腔150的高度为气体分配腔150在其轴向上的尺寸。
本发明实施例提供的气体分配器用于向反应腔室内的衬底上输出反应气体。其中，本发明实施例对气体分配管路120的结构不作具体限定，例如，为了将反应气体快速均匀地传输至反应腔室的各位置，气体分配管路120可以采用与图2中相同或相似的网络状结构。在进行薄膜沉积时，对于易扩散的反应气体(例如，NH3、O2、Ar和N2等)，可以将其通入第一进气管路130，反应气体经过气体分配管路120的分配后，从第一出气管路140输出。对于较粘稠、易冷凝、不易吹扫的反应气体(例如，气化后的H2O、TMA、TiCl4、PDMAT等)，将其通入第二进气管路160，这类反应气体在气体分配腔150内进行扩散后，从第二出气管路170输出。和图2中的气体分配管路120相比，较粘稠、易冷凝、不易吹扫的反应气体在气体分配腔150中不容易发生残留，因此不会出现因气体在管道内残留而导致在出气口发生化学气相沉积的现象，从而提高衬底上薄膜沉积的均匀性；另外，气体分配腔150中不存在死角位置，因此不容易发生反应源残留，从而便于对气体分配器的清理，提高气体分配器的使用寿命。
为了提高气体分配器输出气体的均匀性，第一出气管路140和第二出气管路170在分配器主体110内均匀分布，并且，第一出气管路140和第二出气管路170的内径相同。具体地，第一出气管路140和第二出气管路170的内径均在0.5mm～1mm之间，优选地，第一出气管路140和第二出气管路170的内径均为1mm。
在一些实施例中，气体分配腔150中部的高度在2mm～4mm之间，气体分配腔150边缘的高度在0.5mm～1mm之间。优选地，气体分配腔150中部的高度为3mm，边缘的高度为1mm。其中，气体分配腔150的底面可以与气体分配器的出气端面111大致平行，气体分配腔150的顶面高度从气体分配腔150中部至边缘逐渐降低。
结合图4和图5所示，在一些实施例中，第二进气管路160的横截面呈环状，第二进气管路160环绕第一进气管路130设置。其中，第二进气管路160的横截面为大致平行于出气端面111的截面。
图7为本发明实施例提供的气体分配管路的俯视图，结合图4、图5和图7所示，气体分配管路120包括：多个主管路121和多个支路122，多个主管路121呈辐射状分布，多个主管路121的内端相互连通，并与第一进气管路130连通，第一进气管路130沿气体分配管路120的轴线设置。主管路121的数量在3～6个之间，且均匀分布。例如，如图7中所示，主管路121的数量为4个，每相邻两个主管路121相互垂直。每个主管路121的两侧均设置有与该主管路121呈预设角度设置的多个支路122，支路122的内端与主管路121连通，气体分配管路120的多个出气口设置在支路122上，图7中黑色圆点表示气体分配管路120的出气口。其中，预设角度可以为：30°、45°或60°等锐角。
其中，相邻两个主管路121之间的多个支路122相互平行且均匀分布，同一个主管路121两侧的支路122对称设置对称分布，从而有利于气体分配管路120向反应腔室均匀地输出反应气体。具体地，相邻两个主管路121之间，每相邻两个支路122之间的间距相等，均为21mm左右。
另外，从主管路121的内端到外端，主管路121的内径逐渐减小；从支路122的内端到外端，支路122的内径逐渐减小，从而保证气体分配管路120中的气体压力均衡。具体地，主管路121内端的内径在2～4mm之间，主管路121外端的直径在1～2mm之间；支路122外端的内径在1～2mm之间；支路122内端的内径根据主管路121与该支路122连接处的内径设置。示例性地，主管路121内端的内径为2.5mm，主管路121外端的内径和支路122外端的内径均为1.5mm。
为了提高气体分配管路120中的气体扩散速度，提高吹扫效率，优选地，如图7所示，本发明实施例中的气体分配管路120还包括：至少一个环形管路(如图7中的1231～1235)，环形管路至少与多个主管路121和多个支路122中的部分支路122连通。
其中，环形管路的数量可以为多个，多个环形管路1231～1235依次嵌套且同心设置，每个环形管路以主管路121的内端为圆心。每个支路122的外端均与其中一个环形管路1235连通。气体分配管路120的出气口可以位于支路122与环形管路的相交位置。其中，环形管路的内径可以根据主管路121与该环形管路连接处的内径来设置。
进一步地，每相邻两个环形管路之间的距离相等，从而进一步提高反应气体在气体分配管路120中的扩散的均匀性。
图7中示意出设置5个环形管路1231～1235的情况，但应当理解的是，环形管路也可以设置为其他数量，例如，只设置图中的环形管路1231、1233和1235。
第二方面，本发明实施例还提供一种半导体设备，其中，该半导体设备可以用于进行薄膜沉积。图8为本发明实施例提供的半导体设备的示意图，如图8所示，半导体设备包括：反应腔室300和上述实施例提供的气体分配器，气体分配器通过第一固定销430固定在反应腔室300顶部。反应腔室300内还设置有基座301，基座301用于承载待沉积薄膜的衬底302。其中，气体分配器的第一进气管路130与第一反应源供给装置连通，气体分配器的第二进气管路160的进气端与第二反应源供给装置连通。第一反应源供给装置用于提供第一反应源，第二反应源供给装置用于提供第二反应源，第一反应源的扩散系数大于第二反应源的扩散系数。
其中，扩散系数为表示气体扩散程度的参数，扩散系数越大，表示气体越容易扩散和吹扫；扩散系数越小，表示气体较为粘稠、易冷凝，不易吹扫。
本发明实施例中，将易扩散、不易冷凝的第一反应源通入气体分配管路120中，从而快速、均匀地在气体分配管路120中扩散开，进而均匀地输出至反应腔室300的各个位置；而气体分配腔150中并无其他遮挡结构，因此，将较为粘稠、易冷凝、不易吹扫的第二反应源通入气体分配腔150中，可以提高第二反应源在气体分配器中的扩散效率，防止第二反应源在气体分配器中发生残留，进而提高薄膜沉积的均匀性；且气体分配腔150中并无死角，从而便于清洗，提高气体分配器的使用寿命。
在一些实施例中，半导体设备还包括进气块200，进气块200通过第二固定销440固定设置在分配器主体110上。其中，进气块200内还设置有第一传输通道210和第二传输通道220，第一传输通道210用于将第一进气管路130与第一反应源供给装置连通，第二传输通道220用于将第二进气管路160与第二反应源供给装置连通。
进气块200与分配器主体110之间设置有：第一密封圈410和环绕该第一密封圈410的第二密封圈420，第一传输通道210与第一进气管路130的连接处位于第一密封圈内侧(即，第一传输通道210与第一进气管路130的连接处被第一密封圈环绕)。第二传输通道220与第二进气管路160的连接处位于第一密封圈410与第二密封圈420之间。第一密封圈410可以防止第一反应源和第二反应源在进气块200和分配器主体110的相接位置发生反应，第二密封圈420可以将第二反应源与外界大气隔离开。
下面以制备TiN薄膜为例，对半导体设备的成膜过程进行介绍。其中，TiN薄膜由第一反应源(例如，NH3)和第二反应源(Ti卤化物或Ti金属有机物，例如TiCl4)反应生成。结合图5、图6和图8所示，成膜过程如下：
第一步：设置相关生长参数。具体地，反应腔室300的温度为300℃～550℃，反应压力为0.5～10托，所采用的吹扫气体为高纯氮气或惰性气体，吹扫气体的流量为10～5000标准毫升每分钟。
第二步：将第二反应源(TiCl4)通入反应腔室300。具体地，将第二反应源与稀释气体(例如，高纯氮气或惰性气体)混合后通入气体分配腔150。在气体分配腔150中，第二反应源随稀释气体快速分散，进而从第二出气管路170朝衬底302输出，均匀分布在衬底302上。其中，第二反应源供给装置的蒸气压控制在1torr，第二反应源的气体流量选取20～500标准毫升每分钟，优选为20～80标准毫升每分钟；稀释气体流量选取400～5000标准毫升每分钟，优选500～1000标准毫升每分钟；第二反应源在衬底302上吸附时间0.05～1s，优选0.1～0.5s，即可实现饱和吸附。
与此同时，由第一进气管路130向气体分配管路120通入稀释气体，稀释气体在气体分配管路120中快速分散后，从第一出气管路140输出。其中，稀释气体进入第一进气管路130的流量为400～5000标准毫升每分钟，优选为3000标准毫升每分钟。向气体分配管路120通入稀释气体是为了防止第二反应源进入气体分配管路120中而形成残留。
第三步：对气体分配腔150中的残留气体进行吹扫。具体地，在第二步的基础上，停止向气体分配腔150通入第二反应源，保持向气体分配腔150和气体分配管路120通入稀释气体，该状态持续0.1～5s，优选0.5～2s，即可将残留的第二反应源吹扫干净。
第四步：将第一反应源(NH3)通入反应腔室。具体地，在第三步基础上，将第一反应源和稀释气体混合后，由第一进气管路130进入气体分配管路120。在气体分配管路120中，第一反应源随稀释气体快速分散后，由第一出气管路140输出，从而均匀分布在衬底302上。同时，保持向气体分配腔150通入稀释气体。在此过程中，第一反应源的流量为500～5000标准毫升每分钟，优选为2000～4000标准毫升每分钟；稀释气体流量选取400～5000标准毫升每分钟，优选500～1000标准毫升每分钟；第一反应源在衬底302上吸附时间为1～5s，优选为1～3s，即可实现饱和吸附。
第五步：对气体分配管路120的残留气体进行吹扫。具体地，在第四步基础上，停止向气体分配管路120通入第一反应源，保持向气体分配腔150和气体分配管路120通入稀释气体。该状态持续0.1～5s，优选0.5～1s，即可将气体分配管路120中残留的第一反应源吹扫干净。
第六步：判断是否完成薄膜沉积，若已完成，则结束工艺，否则，返回第二步。
图9为本发明实施例提供的半导体设备所沉积的薄膜厚度分布示意图，其中，横轴表示薄膜各位置的横坐标，纵轴表示薄膜各位置的纵坐标，图中以不同的灰度表示膜层的厚度。可以看出，相较于图3中的厚度分布，本发明实施例所形成的薄膜的厚度均一性明显提高。
另外，通过实验表明，在气体分配管路120未设置环形管路的情况下，步骤四中第一反应源(NH3)通入时间为2s、步骤五中的吹扫时间大于或等于1s时，沉积的薄膜的均匀性为1％左右；步骤五中的吹扫时间小于1s时，沉积的薄膜的均匀性在2％～10％之间。在气体分配器采用图7中的结构的情况下，步骤四中第一反应源(NH3)通入时间为2s、步骤五中的吹扫时间为0.7s左右时，薄膜均匀性可达到1％左右；可见，通过设置环形管路，可以使气体分配管路的吹扫效率提高约30％。
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)

1.一种半导体设备中的气体分配器，包括分配器主体，所述分配器主体具有出气端面，其特征在于，所述分配器主体内设置有：
气体分配管路、第一进气管路和多个第一出气管路，所述第一进气管路与所述气体分配管路的进气口连通，所述多个第一出气管路一一对应地与所述气体分配管路的多个出气口连通；
所述分配器主体内还设置有：
气体分配腔、第二进气管路和多个第二出气管路，所述气体分配腔位于所述气体分配管路上方且环绕所述第一进气管路设置，所述气体分配腔的高度从所述气体分配腔的中部至边缘逐渐减小，所述第二进气管路与所述气体分配腔的进气口连通，所述多个第二出气管路一一对应地与所述气体分配腔的多个出气口连通，所述第一出气管路和所述第二出气管路交错设置且均延伸至所述分配器主体的出气端面。
2.根据权利要求1所述的气体分配器，其特征在于，所述气体分配腔中部的高度在2mm～4mm之间，所述气体分配腔边缘的高度在0.5mm～1mm之间。
3.根据权利要求1所述的气体分配器，其特征在于，所述气体分配管路包括：多个主管路、多个支路、至少一个环形管路，多个所述主管路呈辐射状分布，多个所述主管路的内端相互连通，并与所述第一进气管路连通，所述第一进气管路沿所述气体分配管路的轴线设置；
每个所述主管路的两侧均设置有与该主管路呈预设角度设置的的多个所述支路，所述支路的内端与所述主管路连通，所述气体分配管路的多个出气口设置在所述多个支路上，所述环形管路至少与所述多个主管路和所述多个支路中的部分支路连通。
4.根据权利要求3所述的气体分配器，其特征在于，所述环形管路的数量为多个，多个所述环形管路依次嵌套且同心设置，任意两个相邻的所述环形管路之间的距离相等。
5.根据权利要求3所述的气体分配器，其特征在于，从所述主管路的内端至外端，所述主管路的内径逐渐减小；从所述支路的内端至外端，所述支路的内径逐渐减小。
6.根据权利要求3所述的气体分配器，其特征在于，相邻两个所述主管路之间的多个所述支路相互平行。
7.根据权利要求3所述的气体分配器，其特征在于，同一个所述主管路两侧的所述支路对称设置。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的气体分配器，其特征在于，所述第二进气管路的横截面呈环状，所述第二进气管路环绕所述第一进气管路设置。
9.一种半导体设备，其特征在于，包括权利要求1至8中任意一项所述的气体分配器，所述第一进气管路的进气端与第一反应源供给装置连通，所述第二进气管路的进气端与第二反应源供给装置连通，所述第一反应源供给装置用于提供第一反应源，所述第二反应源供给装置用于提供第二反应源，所述第一反应源的扩散系数大于所述第二反应源的扩散系数。
10.根据权利要求9所述的半导体设备，其特征在于，还包括：设置在所述分配器主体上的进气块，所述进气块内设置有第一传输通道和第二传输通道，所述第一传输通道用于将所述第一进气管路与所述第一反应源供给装置连通，所述第二传输通道用于将所述第二进气管路与所述第二反应源供给装置连通；
所述进气块与所述分配器主体之间设置有：第一密封圈和环绕该第一密封圈的第二密封圈，所述第一传输通道与所述第一进气管路的连接处位于所述第一密封圈内侧，所述第二传输通道与所述第二进气管路的连接处位于所述第一密封圈与所述第二密封圈之间。
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