CN111696848B - 一种成膜设备和成膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种成膜设备，包括反应腔室和第一进气管路，还包括吹扫管路、排气管路和尾气处理装置。本发明还提供一种采用该成膜设备进行成膜工艺的成膜方法，该方法在成膜工艺前，仅对第一进气管路进行吹扫；在成膜工艺后，对第一进气管路和反应腔室同时进行吹扫。上述成膜设备和成膜方法可以避免前一组被加工工件工艺时，管路中残留的工艺气体对本组被加工工件的成膜均匀性造成影响；还可以避免管路和反应腔室中残留的工艺气体对下一组被加工工件的成膜均匀性造成影响。从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种成膜设备和成膜方法。
背景技术
目前，DCE(二氯乙烯)氧化工艺是在CMOS芯片制造前端的主要成膜工艺，其目的是在晶圆表面制备高质量的二氧化硅薄膜，以对晶圆或器件起保护、钝化、绝缘、缓冲等作用。DCE氧化工艺主要过程如下：①HCl+O2→H2O+Cl2；②Na+Cl2→NaCl；③Si+O2→SiO2；④Si+H2O→SiO2+H2。使用DCE氧化工艺可以提升膜层生长速率，提高膜层质量。
然而，在比较先进的40nm/28nm线宽集成电路工艺制程中，成膜的厚度越来越薄，对膜厚均匀性的要求也越来越高，尤其对于批次成膜的立式炉设备，既需要保证每一批次处理中从上自下每一片晶圆的工艺结果一致，还需要保证不同批次处理中晶圆的工艺结果一致，因此，如何才能保证立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求，就成为本领域技术人员急需解决的问题。
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，提出了一种成膜设备和成膜方法，以提高立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求。
为实现本发明的目的而提供一种成膜设备，包括反应腔室和第一进气管路，所述第一进气管路的出气端与所述反应腔室连接，且在所述第一进气管路上设置有第一通断阀，其特征在于：还包括吹扫管路、排气管路和尾气处理装置，其中，所述吹扫管路的出气端与所述第一进气管路连接，且连接点位于所述第一通断阀的上游；所述排气管路分别与所述第一进气管路和所述尾气处理装置连接，所述排气管路与所述第一进气管路的连接点位于所述第一通断阀和所述吹扫管路与所述第一进气管路的连接点之间，且在所述排气管路上设置有第二通断阀。
优选的，在所述反应腔室的顶部设有第一进气口，所述第一进气管路的出气端与所述第一进气口连接；并且，在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上设有第二进气口；所述成膜设备还包括用于向所述反应腔室内通入稀释气体的第二进气管路，所述第二进气管路的出气端与所述第二进气口连接。
优选的，在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上还设置有排气口；所述成膜设备还包括尾气管路，所述尾气管路分别与所述排气口和所述尾气处理装置连接。
优选的，所述成膜设备还包括第一支路、第二支路和源瓶，所述源瓶内盛放有反应物，并且，在所述吹扫管路上设置有第三通断阀；所述第一支路的进气端与所述吹扫管路连接，且位于所述第三通断阀的上游；所述第一支路的出气端与所述源瓶的进气端连接；并且，在所述第一支路上设置有第四通断阀；所述第二支路的出气端与所述吹扫管路连接，且位于所述第三通断阀的下游；所述第二支路的进气端与所述源瓶的出气端连接；并且，在所述第二支路上设置有第五通断阀。
优选的，所述第一进气管路的进气端与氧气源连接；所述源瓶内盛放有液态或固态的DCE。
优选的，所述稀释气体包括氮气。
优选的，所述吹扫管路的进气端与氮气源连接。
为实现本发明的目的而提供一种成膜方法，采用上述任意一项所述的成膜设备进行成膜工艺，所述成膜方法包括以下步骤：S1：关闭所述第一通断阀，开启所述第二通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入所述吹扫气体，以对管路进行吹扫，通入所述第一进气管路的吹扫气体经由所述排气管路直接进入所述尾气处理装置；S2：关闭所述第二通断阀，开启所述第一通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入吹扫气体和反应物的混合物，并利用所述第一进气管路向所述反应腔室内通入工艺气体，以对被加工工件进行所述成膜工艺；S3：保持所述第一通断阀开启，且开启所述第二通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入所述吹扫气体，以同时对所述管路和所述反应腔室进行吹扫。
优选的，在所述反应腔室的顶部设有第一进气口，所述第一进气管路的出气端与所述第一进气口连接；并且，在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上设有第二进气口；所述成膜设备还包括用于向所述反应腔室内通入稀释气体的第二进气管路，所述第二进气管路的出气端与所述第二进气口连接；在所述步骤S2中，利用所述第一进气管路向所述反应腔室内通入工艺气体的同时，利用所述第二进气管路向所述反应腔室内通入所述稀释气体。优选的
优选的，在进行所述步骤S1的整个过程中，使所述反应腔室的温度逐渐升高到第一预设值。
优选的，在进行所述步骤S3的整个过程中，将所述反应腔室的温度自所述第一预设值逐渐下降。
本发明具有以下有益效果：本发明提供一种成膜设备，包括反应腔室和第一进气管路，还包括吹扫管路、排气管路和尾气处理装置。本发明还提供一种采用该成膜设备进行成膜工艺的成膜方法，该方法在成膜工艺前，仅对第一进气管路进行吹扫；在成膜工艺后，对第一进气管路和反应腔室同时进行吹扫。上述成膜设备和成膜方法可以避免前一组被加工工件工艺时，管路中残留的工艺气体对本组被加工工件的成膜均匀性造成影响；还可以避免管路和反应腔室中残留的工艺气体对下一组被加工工件的成膜均匀性造成影响。从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种成膜设备的结构示意图；
图2为本发明还提供的一种成膜方法的流程图。
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成膜设备和成膜方法进行详细描述。
请参见图1，本发明提供的一种成膜设备，包括反应腔室1和第一进气管路11，第一进气管路11的出气端与反应腔室1连接，且在第一进气管路11上设置有第一通断阀31，该成膜设备还包括吹扫管路13、排气管路12和尾气处理装置5，其中，吹扫管路13的出气端与第一进气管路11连接，且连接点A位于第一通断阀31的上游，用于向第一进气管路11输送吹扫气体；排气管路12分别与第一进气管路11和尾气处理装置5连接，排气管路12与第一进气管路11的连接点B位于第一通断阀31和吹扫管路13与第一进气管路11的连接点A之间，且在排气管路12上设置有第二通断阀32。
借助分别与第一进气管路11和尾气处理装置5连接的排气管路12，该设备可以实现在成膜工艺前，仅对第一进气管路进行吹扫，避免前一组被加工工件工艺时，管路中残留的工艺气体对本组被加工工件的成膜均匀性造成影响；还可以实现在成膜工艺后，对第一进气管路和反应腔室同时进行吹扫，避免管路和反应腔室中残留的工艺气体对下一组被加工工件的成膜均匀性造成影响。从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求。
优选的，该成膜设备在反应腔室1的顶部设有第一进气口6，第一进气管路11的出气端与第一进气口6连接；并且，在反应腔室1的靠近基座3的腔室壁上设有第二进气口7；该成膜设备还包括用于向反应腔室1内通入稀释气体的第二进气管路14，所述第二进气管路14的出气端与第二进气口7连接。
通常，基座3位于反应腔室1的下部，工艺气体在基座3处容易产生滞留，影响立式炉设备的成膜均匀性。借助新增的第二进气管路14，该设备可以实现在成膜工艺时，向反应腔室1内靠近基座3的区域通入稀释气体。从而可以减少工艺气体在基座3处的滞留量，降低该处的工艺气体浓度，在不影响反应腔室1内其它区域的被加工工件2表面的成膜速率的条件下，提高该处的被加工工件2和反应腔室1内其他区域处的被加工工件2的工艺结果一致性，保证每一批次处理中自上至下所有被加工工件2的成膜均匀性，提高立式炉设备的成膜均匀性。并且，无需改变反应腔室1、基座3等的硬件设计条件，结构简单，成本低。
优选的，成膜设备还包括尾气管路15，该尾气管路15分别与设置在反应腔室1的靠近基座3的腔室壁上的排气口8和尾气处理装置5连接。从而可以将反应腔1内的副产物和废气等排出。
优选的，该成膜设备还包括第一支路21、第二支路22和盛放有反应物的源瓶，并且，在吹扫管路13上设置有第三通断阀33；第一支路21的进气端与吹扫管路13连接，且位于第三通断阀33的上游；第一支路21的出气端与源瓶的进气端连接；并且，在第一支路21上设置有第四通断阀34；第二支22路的出气端与吹扫管路13连接，且位于第三通断阀33的下游；第二支路22的进气端与源瓶的出气端连接；并且，在第二支路22上设置有第五通断阀35。从而可以选择性的向第一进气管路11中通入吹扫气体或携带有前驱物的工艺气体。
优选的，第一进气管路11的进气端与氧气源连接；源瓶中盛放有液态或固态的DCE。吹扫管路13的进气端与氮气源连接。第二气体管路14与稀释气体源连接，且稀释气体包括氮气。
相应的，请参见图2，本发明还提供一种成膜方法，该成膜方法采用上述成膜设备进行成膜工艺，包括以下步骤：
S1：关闭第一通断阀31，开启第二通断阀32，利用吹扫管路13向第一进气管路11中通入吹扫气体，以对管路进行吹扫，通入第一进气管路11中的吹扫气体经由排气管路12直接进入尾气处理装置5；
S2：关闭第二通断阀32，开启第一通断阀31，利用吹扫管路13向第一进气管路中通入吹扫气体和反应物的混合物，并利用第一进气管路11向反应腔室1内通入工艺气体，以对被加工工件2进行成膜工艺；
S3：保持第一通断阀31开启，且开启第二通断阀32，利用吹扫管路13向第一进气管路11中通入吹扫气体，并以同时对管路和反应腔室1进行吹扫。
与现有技术相比，上述成膜方法在成膜工艺前仅对第一进气管路进行吹扫，以避免前一组被加工工件工艺时，管路中残留的工艺气体对本组被加工工件的成膜均匀性造成影响；之后对本组被加工工件进行成膜工艺；最后在成膜工艺后，对第一进气管路和反应腔室同时进行吹扫，以避免成膜工艺后，管路和反应腔室中残留的工艺气体对下一组被加工工件的成膜均匀性造成影响。从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性，达到DCE氧化工艺要求。
优选的，该成膜方法在步骤S2中，利用第一进气管路11向反应腔室1内通入工艺气体的同时，利用第二进气管路14向反应腔室1内通入稀释气体。
通常，反应腔室1内气流流速受尾气管路15上的压力控制器4控制，可以保证一个稳定的压力值，但是受基座3的阻碍影响，反应腔室1的底部会有局部的工艺气体滞留，导致该处工艺气体浓度过大，该处的被加工工件2和反应腔室1内其他区域处的被加工工件2的工艺结果不一致，立式炉设备的成膜均匀性不好。
请参见图1虚线框内的部分，上述成膜方法在反应腔室1的底部通入一路稀释气体，从而可以减少工艺气体在基座3处的滞留量，降低该处的工艺气体浓度，在不影响反应腔室1内其它区域的被加工工件2表面的成膜速率的条件下，提高该处的被加工工件2和反应腔室1内其他区域处的被加工工件2的工艺结果一致性，保证每一批次处理中自上至下所有被加工工件2的成膜均匀性，提高立式炉设备的成膜均匀性。
优选的，该成膜方法在进行步骤S1的整个过程中，还进行了如下子步骤：S11，将装载有被加工工件2的晶舟传入反应腔室；S12，使反应腔室1的温度逐渐升高；S13，在达到第一预设值时使之保持在该第一预设值不变。
优选的，该成膜方法在进行步骤S3的整个过程中，还进行了如下子步骤：S31，将反应腔室1的温度自所述第一预设值逐渐下降；S32，在达到第二预设值时使之保持在该第二预设值不变；S33，将装载有被加工工件2的晶舟传出反应腔室。
下面，结合表1，对本发明提供的一种成膜方法的工艺流程进行具体描述。
表1：本发明提供的一种成膜方法的工艺阶段及其通气方式对应表
步骤S11、S12、S13为成膜工艺前阶段，通入的吹扫气体为N2和少量O2，其中，第一通断阀31、第四通断阀34、第五通断阀35关闭，第二通断阀32和第三通断阀33开启。N2经吹扫管路13通入第一进气管路11，O2直接进入第一进气管路11，仅对第一进气管路中残留的DCE进行吹扫，以避免前一组被加工工件工艺时，管路中残留的工艺气体对本组被加工工件的成膜均匀性造成影响，从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性。
同时，吹扫气体不进入反应腔室1，而是经排气管路12直接进入尾气处理装置5。因为升温时，反应腔室1主要依靠缠绕在其外侧的加热丝加热，并通过辐射传热。此时在被加工工件2的表面上，边缘温度变化比中间温度变化快，边缘温度比中间温度高(2-3℃)，如果在这个阶段有第一进气管路中残留的DCE进入反应腔室1，就会与少量O2进行反应并成膜，导致在被加工工件2的表面上，温度较高的边缘区域的成膜厚度要比温度较低的中间区域的成膜厚度大，这样被加工工件2的成膜均匀性就会变差。所以在成膜工艺S2前的步骤S1中，仅对第一进气管路进行吹扫，还可以提高每一片被加工工件2表面的成膜均匀性。
步骤S2为成膜工艺阶段，通入的工艺气体为DCE和O2，其中，第一通断阀31、第四通断阀34、第五通断阀35开启，第二通断阀32和第三通断阀33关闭。N2作为载气经第一支路21、DCE源瓶、第二支路，携带DCE气体后再经吹扫管13通入第一进气管路11；O2直接进入第一进气管路11。工艺气体自第一进气口6进入反应腔室1，以在被加工工件2的表面上反应生成SiO2薄膜。
同时，如图1虚线框内的部分，在靠近基座3的反应腔室1的底壁上设有第二进气口7，在成膜工艺时，自第二进气管路14，经第二进气口7向反应腔室1内通入稀释气体(通常为N2)。从而可以减少工艺气体在该处的滞留量，降低该处的反应气体浓度，在不影响反应腔室1内的其它区域的被加工工件2表面的成膜速率的条件下，提高该处和反应腔室1其他区域处的被加工工件2的工艺结果一致性，保证每一批次处理中从上自下所有被加工工件2的成膜均匀性，提高立式炉设备的成膜均匀性。
步骤S31、S32、S33为成膜工艺后阶段，通入的吹扫气体为N2和少量O2，其中，第一通断阀31、第二通断阀32、第三通断阀33开启，第四通断阀34和第五通断阀35关闭。N2经吹扫管路13通入第一进气管路11，O2直接进入第一进气管路11。然后，一路吹扫气体经第一进气口6进入反应腔室1，之后自排气口8经尾气管路15进入尾气处理装置5，另一路吹扫气体经排气管路12直接进入尾气处理装置5，以对第一进气管路11和反应腔室1同时进行吹扫，避免本组被加工工件工艺时，第一进气管路11和反应腔室1中残留的工艺气体对下一组被加工工件2的成膜均匀性造成影响，从而可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，提高立式炉设备的成膜均匀性。
同时，将第一进气管路11中残余的DCE吹扫进反应腔室1，使其与少量O2进行反应并成膜。与升温时的温度变化趋势类似，降温时，在被加工工件2的表面上，边缘温度变化比中间温度变化快，边缘温度比中间温度低(2-3℃)，边缘区域的成膜厚度比中间区域的成膜厚度小而通常在步骤S2中，反应腔室1仍然依靠缠绕在其外侧的加热丝加热，并通过辐射传热，以维持其内温度不变。所以成膜工艺阶段时，在被加工工件2的表面上，边缘区域的成膜厚度要比中间区域的成膜厚度大。所以在步骤S3中，对反应管路和炉管同时进行吹扫，还可以对被加工工件2的中心区域和边缘区域在成膜工艺阶段的成膜厚度差异进行补偿，从而还可以提高每一片被加工工件2表面的成膜均匀性。
通过本发明提供的一种成膜设备和成膜方法，可以达到提高成膜均匀性的目的，并且结构简单，成本低。不仅可以保证不同批次处理中被加工工件的工艺结果一致，而且可以保证每一批次处理中从上自下所有被加工工件的工艺结果一致，还可以保证每一片被加工工件表面的成膜均匀性。从而，可以全面提高立式炉设备的批次间、批次内(片间)、片内的成膜均匀性，尤其适用于目前对成膜均匀性要求比较高的先进线宽制程(40nm/28nm/14nm)。
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)
1.一种成膜设备，包括反应腔室和第一进气管路，所述第一进气管路的出气端与所述反应腔室连接，且在所述第一进气管路上设置有第一通断阀，其特征在于：还包括吹扫管路、排气管路和尾气处理装置，其中，所述吹扫管路的出气端与所述第一进气管路连接，且连接点位于所述第一通断阀的上游；所述排气管路分别与所述第一进气管路和所述尾气处理装置连接，所述排气管路与所述第一进气管路的连接点位于所述第一通断阀和所述吹扫管路与所述第一进气管路的连接点之间，且在所述排气管路上设置有第二通断阀；
在所述反应腔室的顶部设有第一进气口，所述第一进气管路的出气端与所述第一进气口连接；并且，
在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上设有第二进气口；所述成膜设备还包括用于向所述反应腔室内通入稀释气体的第二进气管路，所述第二进气管路的出气端与所述第二进气口连接。
2.根据权利要求1所述的成膜设备，其特征在于：在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上还设置有排气口；所述成膜设备还包括尾气管路，所述尾气管路分别与所述排气口和所述尾气处理装置连接。
3.根据权利要求1所述的成膜设备，其特征在于：所述成膜设备还包括第一支路、第二支路和源瓶，所述源瓶内盛放有反应物，并且，在所述吹扫管路上设置有第三通断阀；
所述第一支路的进气端与所述吹扫管路连接，且位于所述第三通断阀的上游；所述第一支路的出气端与所述源瓶的进气端连接；并且，在所述第一支路上设置有第四通断阀；
所述第二支路的出气端与所述吹扫管路连接，且位于所述第三通断阀的下游；所述第二支路的进气端与所述源瓶的出气端连接；并且，在所述第二支路上设置有第五通断阀。
4.根据权利要求3所述的成膜设备，其特征在于，所述第一进气管路的进气端与氧气源连接；所述源瓶内盛放有液态或固态的DCE。
5.根据权利要求1所述的成膜设备，其特征在于，所述稀释气体包括氮气。
6.根据权利要求1所述的成膜设备，其特征在于，所述吹扫管路的进气端与氮气源连接。
7.一种成膜方法，其特征在于，所述成膜方法采用如权利要求1-6任意一项所述的成膜设备进行成膜工艺，所述成膜方法包括以下步骤：
S1：关闭所述第一通断阀，开启所述第二通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入吹扫气体，以对管路进行吹扫，通入所述第一进气管路的吹扫气体经由所述排气管路直接进入所述尾气处理装置；
S2：关闭所述第二通断阀，开启所述第一通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入吹扫气体和反应物的混合物，并利用所述第一进气管路向所述反应腔室内通入工艺气体，以对被加工工件进行所述成膜工艺；
S3：保持所述第一通断阀开启，且开启所述第二通断阀，利用所述吹扫管路向所述第一进气管路中通入所述吹扫气体，以同时对所述管路和所述反应腔室进行吹扫。
8.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：在所述反应腔室的顶部设有第一进气口，所述第一进气管路的出气端与所述第一进气口连接；并且，在所述反应腔室的靠近基座的腔室壁上设有第二进气口；所述成膜设备还包括用于向所述反应腔室内通入稀释气体的第二进气管路，所述第二进气管路的出气端与所述第二进气口连接；
在所述步骤S2中，利用所述第一进气管路向所述反应腔室内通入工艺气体的同时，利用所述第二进气管路向所述反应腔室内通入所述稀释气体。
9.根据权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：在进行所述步骤S1的整个过程中，使所述反应腔室的温度逐渐升高到第一预设值。
10.根据权利要求9所述的成膜方法，其特征在于：在进行所述步骤S3的整个过程中，将所述反应腔室的温度自所述第一预设值逐渐下降。
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