CN111349899B

CN111349899B - 物理气相沉积材料的方法和设备

Info

Publication number: CN111349899B
Application number: CN201811561794.3A
Authority: CN
Inventors: 周云; 睢智峰; 张德培
Original assignee: Shanghai Betone Semiconductor Energy Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Betone Semiconductor Energy Technology Co ltd
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: CN111349899A

Abstract

本发明提供物理气相沉积材料的方法和设备。本发明提供一种在腔体内用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物薄膜沉积到晶圆表面的方法，所述永磁装置配合电磁线圈和软磁环产生初级磁场和次级磁场；其中，所述薄膜沉积所用反应气体通过进气环进入腔体内；其中，所述晶圆放置在加热盘装置上并通过晶圆旋转装置实现晶圆旋转，所述加热盘装置可以分区控制温度，所述加热盘上安装的永磁体或电磁铁装置会形成一个额外的次级磁场，并以此来改善薄膜厚度和应力的均匀性。

Description

物理气相沉积材料的方法和设备

技术领域

本发明涉及集成电路和微机械传感器制造领域，尤其涉及物理气相沉积材料的方法和设备。

背景技术

目前，许多与集成电路和微电机系统相关的装置（如红外夜视装置、存储式电容装置、压电MEMS传感器装置、体声波装置和射频电阻装置等等）都需要用到金属氮化物和氧化物。在上述这些装置中，为了确保器件性能的可靠性、稳定性以及产品的一致性，沉积的氮化物和氧化物薄膜厚度的不均匀性一般要求控制在1%左右甚至更低，而且片内的应力均匀性要求尽可能的低，比如体声波装置和压电MEMS传感器装置对膜厚的均匀性和应力的均匀性就有着极高的要求；

对于常规的物理气相沉积系统而言，薄膜的片内应力不均匀性常常偏高，是因为为实现良好的膜厚均匀性而专门设计的永磁装置往往会导致靶材边缘出现更大程度的电离，从而导致在晶圆边缘出现更强的离子轰击，晶圆边缘和中心因此会出现非常明显的应力差；

因此，目前亟需一种能同时保证氮化物和氧化物薄膜的拥有良好的膜厚均匀性和应力均匀性的物理气相沉积方法，针对此技术问题，特设计本发明专利。

发明内容

本发明第一方面，提供了一种在腔体内用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物薄膜沉积到晶圆表面的物理气相沉积方法，所述永磁装置配合电磁线圈和软磁环产生初级磁场和次级磁场；其中，所述薄膜沉积所用反应气体通过进气环进入腔体内;

所述的磁控溅射装置包括永磁装置、靶材和溅射动力源（可以是直流、交流或脉冲直流电源），永磁装置产生初级磁场；此外，在腔体外侧或内部安装电磁线圈或永磁环，并在腔内或腔外靠近电磁线圈的位置安装软磁环，同轴的电磁线圈和软磁环的联合装置会在腔体内产生次级磁场，通过调节电磁线圈的电流大小或者上下移动软磁环，可以调节次级磁场的分布;

所述永磁装置可用在水平方向以及与水平面垂直的方向进行短距离移动，也可调节与水平方向夹角，调节初级磁场分布;

所述加热盘装置，其中托盘放置在加热盘装置上，加热盘装置放置于腔体内部，通过对托盘施加偏压和对加热盘装置分区控制温度，调节沉积薄膜特性;

所述晶圆旋转装置，实现晶圆旋转功能，改善晶圆表面沉积薄膜的厚度均匀性;

所述进气环，采用圆环状，在圆环内壁有多个出气口，圆环外侧两端有进气口。反应气体（如氧气、氮气等）通过配气环进入反应腔体，溅射用惰性气体（氩气，氪气等）通过分离进气管道进入反应腔体;

所述靶材在永磁装置下方，向靶材通入直流、交流或脉冲直流溅射薄膜材料，永磁装置产生初级磁场，以获得高密度的等离子体，改善薄膜的沉积速率;

所述电磁线圈或永磁环可固定在腔体外部或内部，跟靶材在同一高度或偏下，软磁环可安装在腔体外部或内部，跟靶材在同一高度或偏下；电磁线圈和软磁环产生的次级磁场可引起电子漂移，帮助改善晶圆边缘溅射速率，优化薄膜厚度均匀性;

在电磁线圈附近安装软磁环，软磁环易被磁化，可以聚集磁场，改变周围磁场分布和磁场强度；通过调节电磁线圈的电流大小或者上下移动软磁环，可以调节次级磁场的分布;

其中，电磁线圈可以是一个或多个电磁线圈，下方软磁环可是单个或多个软磁环;

沉积材料可以是金属氮化物或金属氧化物;

所述晶圆放置在托盘上，托盘放置在加热盘装置上;

所述晶圆直径为100毫米或更大直径;

所述晶圆材料可采用半导体、石英或陶瓷材料;

将一外加射频电源加载到托盘上，通过电容耦合在托盘上形成负偏压，反应腔体内的正电荷离子因此动能增加并向托盘方向移动，对晶圆上生长的薄膜进行轰击，可以提高薄膜致密性和改变薄膜应力;

所述的射频电源频率采用400 KHz至27 MHz;

所述的加热盘装置，包括磁铁盘、加热丝、波纹管、射频电源和马达，所述的磁铁盘和加热丝安装在加热盘装置内部，加热盘放置在腔体内部，通过波纹管与腔壁固定；马达在腔体外部，通过皮带、齿轮、转轴与磁铁盘相连，带动磁铁盘转动;

所述加热盘装置中磁铁盘可以是永磁体或电磁铁，或者为永磁体加软磁体组成的联合装置;

所述永磁体或电磁铁装置在物理气相沉积过程中采用连续旋转的方式，所述装置会在加热盘装置附近区域形成一个额外的次级磁场，该次级磁场会产生一个电场并作用于轰击晶圆的正离子，从而使得晶圆表面能受到较为均匀的离子轰击，并以此来改善晶圆表面沉积薄膜的应力均匀性;

所述加热盘装置表面可以设置单个或多个区域分别控制温度装置，温度控制范围为0℃至550℃;

所述多区域控温装置可设置成内环、外环双区域独立控温，或者内环、中环和外环三区域甚至更多区域独立控温;

所述晶圆旋转装置，上端呈圆环状，有四个支点，呈90°分布；下方有旋转支杆，连接腔体底部软磁体，软磁体和永磁体对应放置于腔体底部内外两侧，通过外侧永磁体转动，实现晶圆旋转。所述晶圆旋转装置亦可采用可旋转顶轴加上下移动波纹管的设计，或者采用磁流体旋转密封的方式;

根据本发明的第二方面，一种在腔体内用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物薄膜沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，包括：

腔体、进气环、晶圆旋转装置；所述的磁控溅射装置包括永磁装置、靶材和溅射动力源可以是直流、交流或脉冲直流电源），永磁装置产生初级磁场；其中，在电磁线圈附近安装软磁环，电磁线圈和软磁环在腔体内产生次级磁场，通过调节电磁线圈的电流大小或者上下移动软磁环，可以调节次级磁场的分布;

所述的加热盘装置，其中托盘放置在加热盘装置上，加热盘装置放置于腔体内部，通过对托盘施加偏压和对加热盘装置分区控制温度，调节沉积薄膜特性;

所述晶圆旋转装置，实现晶圆旋转功能，改善晶圆表面沉积薄膜的厚度和应力均匀性;

所述进气环，采用圆环状，在圆环内壁有多个出气口，圆环外侧两端有进气口;

所述靶材在永磁装置下方，向靶材通入直流、交流或脉冲直流溅射薄膜沉积材料，永磁装置产生初级磁场，以获得高密度的等离子体，有利于改善薄膜的沉积速率;

所述电磁线圈或永磁环固定在腔体内部或外部，跟靶材在同一高度或偏下，软磁环可安装在腔体外部或内部，跟靶材在同一高度或偏下；电磁线圈和软磁环产生的次级磁场可引起电子漂移，帮助改善晶圆边缘溅射速率,从而可以优化沉积薄膜的厚度均匀性;

沉积材料可以是金属氮化物或金属氧化物;

所述晶圆放置在托盘上，托盘放置在加热盘装置上;

所述晶圆直径为100毫米或更大直径;

所述晶圆材料可采用半导体、石英或陶瓷材料。将一外加射频电源加载到托盘上，通过电容耦合在托盘上形成负偏压，反应腔体内的正电荷离子因此动能增加并向托盘方向移动，对晶圆上沉积的薄膜进行轰击，提高薄膜致密性和改变薄膜应力;

所述的射频电源频率采用400 KHz至27 MHz;

所述的加热盘装置，包括磁铁盘、加热丝、波纹管、射频电源和马达，所述的磁铁盘和加热丝安装在加热盘装置内部，加热盘装置放置在腔体内部，通过波纹管与腔壁固定；马达在腔体外部，通过皮带、齿轮、转轴与磁铁盘相连，带动磁铁盘转动;

所述永磁体或电磁铁在薄膜沉积过程中采用连续旋转的方式;

所述晶圆旋转装置，上端呈圆盘状，有四个支点，呈90°分布；下方有旋转支杆，连接腔体底部软磁体，软磁体和永磁体对应放置于腔体底部内外两侧，通过外侧永磁转动，实现晶圆托盘旋转。晶圆旋转装置亦可采用可旋转顶轴加上下移动波纹管的设计，或者采用磁流体旋转密封的方式;

根据本发明的第三方面，提供了一种制造红外夜视装置的方法，所述方法包括使用第一方面的方法将金属氧化物或金属氮化物材料沉积到晶圆上;

根据本发明的第四方面，提供了一种制造存储式电容装置的方法，所述方法包括使用第一方面的方法将金属氧化物或金属氮化物材料沉积到晶圆上;

根据本发明的第五方面，提供了一种制造压电MEMS传感器装置的方法，所述方法包括使用第一方面的方法将金属氧化物或金属氮化物材料沉积到晶圆上;

根据本发明的第六方面，提供了一种制造体声波装置的方法，所述方法包括使用第一方面的方法将金属氧化物或金属氮化物材料沉积到晶圆上;

根据本发明的第七方面，提供了一种制造射频电阻装置的方法，所述方法包括使用第一方面的方法将金属氧化物或金属氮化物材料沉积到晶圆上。

附图说明

图1为本发明专利设备总体结构示意图；

图2为本发明专利进气环结构示意图；

图3为本发明专利加热盘装置结构示意图；

图4为本发明专利加热盘装置俯视图；

图5为本发明专利晶圆旋转装置结构示意图；

图6为本发明专利晶圆旋转装置中支架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明;

图1所示，本发明提供的一种通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氧化物或金属氮化物沉积到托盘112承载的晶圆110表面的物理气相沉积设备，包括磁控溅射装置、电磁线圈105、软磁环106、腔体107、进气环111、托盘112、晶圆110、加热盘装置108、马达113和晶圆旋转装置109。磁控溅射装置安装在腔体107上方，电磁线圈105安装在腔体107外围，软磁环106安装在腔体内部，跟靶材103在同一高度或偏下，晶圆110放置在托盘112上，托盘112放置在加热盘装置108上，加热盘装置108和晶圆旋转装置109在腔体107内部。所述的磁控溅射装置包括永磁装置102、靶材104和溅射动力源101，永磁装置102产生初级磁场，溅射动力源101连通靶材104，溅射到晶圆110上形成氧化物或金属氮化物薄膜;

所述永磁装置102可用在水平方向以及与水平面垂直的方向进行短距离移动，也可调节与水平方向夹角，调节初级磁场分布;

所述的电磁线圈105固定在腔体107外壁上，电磁线圈105产生次级磁场，软磁环106安装在腔体内部，跟靶材104在同一高度或偏下；软磁环106易被磁化，可以聚集磁场，改变周围磁场分布；通过调节电磁线圈105的电流大小或者上下移动软磁环106，可以调节次级磁场的分布;

图2所示，所述进气环111，采用圆环状，在圆环内壁有多个出气口，圆环外侧两端有进气口;

图3所示，为本发明加热盘装置108，包括磁铁盘302、加热丝301、波纹管、射频电源303和马达113，所述的磁铁盘302和加热丝301安装在加热盘装置108内部，加热盘装置108放置在腔体107内部，通过波纹管与腔壁固定。马达113在腔体107外部，通过皮带、齿轮304、转轴与磁铁盘302相连，带动磁铁盘302转动;

所述加热盘装置108中磁铁盘302可以是永磁体或电磁铁，或者为永磁体加软磁体组成的联合装置。所述磁铁盘302在沉积过程中采用连续旋转的方式，通过马达113带动磁铁盘302旋转。所述磁铁盘302可以在加热盘装置108附近区域形成一个次级磁场，因此会吸引来自阴极靶材104的电子并形成一个电场，该电场会作用于离子，因此可以用来调整晶圆110附近正离子运动的方向和能量，通过优化所述次级磁场（或电场）的分布可以让晶圆110表面受到更为均匀的离子轰击，并以此来改善晶圆110上溅射薄膜的应力均匀性;

所述加热盘装置108表面可以设置单个或多个区域分别控制温度装置，温度控制范围为0℃至550℃;

图4所示，所述加热盘装置108设置不同直径内环和外环加热丝301，实现单区或多区温度控制;

将一外加射频电源303加载到托盘112上，通过电容耦合在托盘112上形成负偏压，反应腔体107内的正电荷离子因此动能增加并向托盘112方向移动，对托盘112晶圆110上生长的薄膜进行轰击，可以提高薄膜致密性和改变薄膜应力。

所述晶圆110放置在托盘112上，托盘112放置在加热盘装置108上;

所述的射频电源303频率采用400 KHz至27 MHz;

图5所示，为本发明晶圆旋转装置109，所述晶圆旋转装置109由支架501、支杆502、轴承505、软磁体503和永磁体504组成;

所述支架501上端呈圆盘状，有四个支点，呈90°分布；所述支杆502连接软磁体503，软磁体503和永磁体504对应放置于腔体107底部内外两侧，支杆502和加热盘装置108之间通过轴承505连接，便于旋转;

晶圆旋转装置109使用时，在薄膜沉积反应过程中，加热盘装置108处在高位，晶圆110紧贴加热盘装置108上的托盘112进行反应，此时，支杆502与支架501相脱离。当反应部分完成需要旋转晶圆110时，加热盘装置108下降，支杆502与支架501相接触固定，晶圆110脱离加热盘装置108并位于支架501之上。然后，腔外永磁体504进行旋转，通过永磁耦合带动支杆502、支架501和晶圆110旋转一定角度。旋转结束后，加热盘装置108上升，支杆502与支架501相脱离,晶圆110重新回到托盘112上，薄膜沉积反应继续进行。晶圆旋转装置亦可采用可旋转顶轴加上下移动波纹管的设计，或者采用磁流体旋转密封的方式。在整个工艺过程中磁铁盘302在沉积过程中采用连续旋转的方式，通过马达113带动磁铁盘302旋转。所述薄膜沉积反应可分两步或多步进行，在沉积步骤之间，晶圆旋转装置109可带动晶圆110可进行一次或多次旋转;

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

1.一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，包括：

腔体，底部设有软磁体；

磁控溅射装置，包括永磁装置、靶材和溅射动力源；所述溅射动力源是直流、交流或脉冲直流电源；所述永磁装置用于产生初级磁场，并可在水平方向以及与水平面垂直的方向进行短距离移动，也可调节与水平方向夹角，以调节所述初级磁场分布；所述靶材在所述永磁装置下方，向所述靶材通入直流、交流或脉冲直流溅射薄膜沉积材料，所述永磁装置产生所述初级磁场并获得高密度的等离子体，可改善薄膜的沉积速率；

进气环，设置为圆环状，圆环内壁设有多个出气口，圆环外侧两端设有进气口；

电磁线圈或永磁环，固定在所述腔体内部或外部，跟所述靶材在同一高度或偏下位置；

软磁环，安装在所述腔体外部或内部，且安装在所述电磁线圈附近，跟所述靶材在同一高度或偏下位置；所述软磁环易被磁化，可聚集磁场，改变周围磁场分布和磁场强度；所述电磁线圈和所述软磁环可产生次级磁场，通过调节所述电磁线圈的电流大小或者上下移动所述软磁环，可调节所述次级磁场的分布；所述次级磁场可引起电子漂移，帮助改善晶圆边缘溅射速率，优化沉积薄膜的厚度均匀性；

托盘，用于放置晶圆；将一外加射频电源加载到所述托盘上，通过电容耦合在所述托盘上形成负偏压，所述腔体内的正电荷离子因此动能增加并向所述托盘方向移动，对晶圆上沉积的薄膜进行轰击，可提高薄膜致密性和改变薄膜应力；

加热盘装置，所述加热盘装置放置于所述腔体内部，且所述托盘放置在所述加热盘装置上，通过对所述加热盘装置分区控制温度，可调节沉积薄膜特性；所述加热盘装置包括磁铁盘、加热丝、波纹管、射频电源和马达，所述加热盘装置通过所述波纹管与腔壁固定；所述马达设置在腔体外部，通过皮带、齿轮、转轴与所述磁铁盘相连，并带动所述磁铁盘转动；所述磁铁盘和所述加热丝安装在所述加热盘装置内部，所述磁铁盘为永磁体或电磁铁，或永磁体加软磁体组成的联合装置；所述永磁体或电磁铁在物理气相沉积过程中采用连续旋转的方式，并在所述加热盘装置附近区域形成一个额外的次级磁场，该次级磁场会产生一个电场并作用于轰击晶圆的正离子，从而使得晶圆表面能受到较为均匀的离子轰击，并以此来改善晶圆表面沉积薄膜的应力均匀性；

晶圆旋转装置，用以实现晶圆旋转功能，改善晶圆表面沉积薄膜的厚度和应力均匀性；所述晶圆旋转装置，上端呈圆盘状，有四个支点，呈90°分布，下方设有旋转支杆，连接所述腔体底部的所述软磁体，所述软磁体和所述永磁体对应放置于所述腔体底部内外两侧，通过外侧永磁转动，实现所述托盘旋转。

2.根据权利要求1所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，所述加热盘装置表面设置单个或多个区域分别控制温度，温度控制范围为0℃至550℃；所述多个区域设置成内环、外环双区域独立控温，或者内环、中环和外环三区域或更多区域独立控温。

3.根据权利要求1所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，所述晶圆旋转装置采用可旋转顶轴加上下移动波纹管的设计，或者采用磁流体旋转密封的方式。

4.根据权利要求1所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，所述电磁线圈是一个或多个电磁线圈，或所述软磁环也是单个或多个软磁环。

5.根据权利要求1所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，所述沉积材料是金属氮化物或金属氧化物，所述晶圆直径为100毫米或更大直径，所述晶圆材料采用半导体、石英或陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备，其特征在于，将一外加射频电源加载到所述托盘上，通过电容耦合在所述托盘上形成负偏压；所述射频电源频率采用400 kHz 至27 MHz。

7.一种物理气相沉积材料的方法，其特征在于，所述物理气相沉积材料的方法依权利要求1-6任一项所述的一种在腔体内使用永磁装置通过直流、交流或脉冲直流磁控溅射将金属氮化物或金属氧化物沉积到晶圆表面的物理气相沉积设备进行。