CN111755314A - 薄膜生长装置及薄膜生长方法 - Google Patents

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Abstract

公开了薄膜生长装置及薄膜生长方法。薄膜生长装置包括反应腔室和位于反应腔室内部的用于承载晶片的基板支撑件，以及位于反应腔室顶部的背板和位于背板下方的带有气体通道的气体分配喷淋头，还包括：射频发生器，位于背板上方，用于提供射频电流；射频带，连接背板和射频发生器，形成射频发生器与背板之间的射频通道，将射频电流导入反应腔室；射频带为多个，间隔分布在背板上方，气体在射频电流的作用下解离为射频等离子体，再扩散至晶片上进行薄膜生长。该薄膜生长装置在背板上方设置多个射频带，并从多个方向向反应腔室内导入射频电流，使得反应腔室内产生的等离子体的浓度均匀，使得晶片表面可以形成厚度均匀的薄膜，提高薄膜生长的一致性。

Description

薄膜生长装置及薄膜生长方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及一种薄膜生长装置及薄膜生长方法。
背景技术
在半导体芯片的制造过程中，需要在晶片表面上生长数层材质不同、厚度不同的薄膜，包括导电膜层以及绝缘膜层等。薄膜的材料一般是厚度介于单原子到几毫米之间的薄金属或有机物层。常见的薄膜生长技术可以分为物理方法和化学方法。根据不同的作用和位置，薄膜生长技术可以包括热氧化法、化学气相沉积以及物理气相沉积等。薄膜的制备是半导体集成电路制造过程中的重要环节。
EC(Extinction coefficient，消光系数)和薄膜厚度是薄膜工艺中需要考量的两项重要参数，其大小及均匀度直接影响后续工艺中特征尺寸的大小及薄膜的均匀性。通常能够影响消光系数和薄膜厚度均匀性的直接参数有温度分布，射频等离子体分布等。现行工艺中，射频等离子体在薄膜生长中极易出现梯度分布的现象，生长出的薄膜均匀性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的薄膜生长装置及薄膜生长方法，在反应腔室的背板上设置多个射频带，并通过多个射频带从多个不同的方向将射频发生器产生的射频电流导入至充气室，使得反应腔室的处理区域中产生的等离子体分布均匀，从而使得晶片表面的各个部位可以接收到均匀的等离子体，形成厚度均匀的薄膜，提高薄膜生长的一致性。
根据本发明的第一方面，提供一种薄膜生长装置，包括反应腔室和位于反应腔室内部的用于承载晶片的基板支撑件，以及位于反应腔室顶部的背板和位于背板下方的带有气体通道的气体分配喷淋头，还包括：
射频发生器，位于所述背板上方，用于提供射频电流；以及
射频带，连接所述背板和所述射频发生器，用于形成所述射频发生器与所述背板之间的射频通道，将射频电流导入所述反应腔室；
其中，所述射频带为多个，间隔分布在所述背板上方，气体在射频电流的作用下解离为射频等离子体，再扩散至所述晶片上进行薄膜生长。
优选地，所述射频带均匀分布在所述背板的上方。
优选地，所述气体在通过所述气体通道时被解离，并且通过所述气体通道达到所述晶片表面。
优选地，所述射频带的数量为大于或等于3的整数。
优选地，所述射频电流经由所述背板进入所述反应腔室。
优选地，多个所述射频带中至少一个分布在所述背板上方的中心处。
优选地，所述射频发生器发射至多个所述射频带的射频功率按照比例分配。
根据本发明的第二方面，提供一种薄膜生长方法，包括：
放置待测晶片于基板承载件上；
在反应腔室上方的背板上设置多个射频带；
射频发生器通过多个射频带向反应腔室提供射频电流；
气体来源提供的气体通过气体分配喷淋头上的气体通道进入处理区域，并在射频电流的作用下被解离，均匀扩散至晶片表面；
在晶片表面进行薄膜生长。
优选地，所述射频等离子体在通过所述气体通道时被解离，并且通过所述气体通道达到所述晶片表面。
优选地，所述射频带的数量为大于或等于3的整数。
优选地，所述射频发生器发射至多个所述射频带的射频功率按照比例分配。
根据本发明实施例的薄膜生长装置和薄膜生长方法，在反应腔室的背板上设置多个射频带，并通过多个射频带从多个不同的方向将射频发生器产生的射频电流导入至充气室，将原有的单一射频等离子体产生源扩展成多个，从而提升整个反应腔室中等离子体浓度的均匀性，从而使得晶片表面的各个部位可以接收到均匀的等离子体，以消除晶片上薄膜的等离子体梯度分布，生长出均匀性高的薄膜，提高薄膜生长的一致性。
进一步地，多个射频带沿周向等间距分布，使得晶片表面各个方向接收到的等离子体的量均是一致的，从而提升薄膜厚度和消光系数分布的均匀性，提升后续工艺中的工艺均匀性。
进一步地，射频发生器发射至多个射频带的射频电流的量按照比例分配，可以根据实际需要调节每个射频带导入反应腔室的射频电流的量，在厚度较厚的区域减小分配比例，在厚度较薄的区域增大分配比例，从而对晶片表面的薄膜厚度等形成一定的补偿，使得晶片表面的薄膜生长的均匀性和一致性得到有效提升。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1a示出了传统薄膜生长装置的结构示意图；
图1b示出了传统薄膜生长装置的射频带的分布示意图；
图2a示出了根据本发明实施例的薄膜生长装置的结构示意图；
图2b示出了根据本发明实施例的薄膜生长装置的射频带的分布示意图；
图3示出了根据本发明另一实施例的薄膜生长装置的射频带的分布示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造存储器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1a示出了传统薄膜生长装置的结构示意图；图1b示出了传统薄膜生长装置的射频带的分布示意图。
在半导体制造工艺中，在晶片表面生长薄膜是一种常见的工艺。如图1a所示，为传统的薄膜生长装置的结构示意图，该薄膜生长装置100包括腔室主体102，腔室主体102的至少一面腔壁上具有贯穿腔壁的开口104，透过开口104，基板或晶片118可以进入和退出腔室主体102。在腔室主体102内部，晶片118由基板支撑件126承载，屏蔽框124位于晶片118侧部，基板支撑件126可与支撑杆128一同沿着箭头示出的方向上下移动，气体分配喷淋头110相对于基板支撑件126配置在腔室中，置于晶片118上方。腔室主体102顶部设置有背板108，气体分配喷淋头110通过支架132悬置于背板108下方，背板108与气体分配喷淋头110之间形成充气室112。基板支撑件126的移动方向垂直于气体分配喷淋头110的相对背板108的表面，如箭头A所示。晶片118置于反应腔室102中进行晶片表面上的薄膜生长。
处理及/或清洁气体从气体来源106被供应到薄膜生长装置100的处理区域122。气体通过背板108进入反应腔室102内部，气体在离开背板108的开口时，即扩张到位于气体分配喷淋头110与背板108之间的充气室(plenum)112内。气体接着从充气室112经由分配喷淋头110上的气体通道114进入到处理区域122内。一旦到了处理区域122之中，气体就被点燃成为等离子体。
在操作过程中，射频功率(RF power)从射频发生器130被供应到背板108上，由射频带140连接射频发生器130和背板108，将射频电流沿着背板108传输到支架132，支架132不只是支撑气体分配喷淋头110，同时也将气体分配喷淋头110电性耦接至背板108。射频电流沿着气体分配喷淋头110的表面传输，并且射频电流在处理区域122点燃处理气体成为等离子体120。
如图1b所示，为射频带的分布示意图，射频带140仅有一个，设置在背板108上的某一位置处，例如图1b中示出的边缘某处。由于仅有一个射频带140，气体被解离的浓度不同，当经过一段时间的使用之后，反应腔室102中的等离子体的分布会不均匀，靠近射频带140的位置的等离子体浓度较高，例如在图1a中，等离子体的分布从左到右依次减少，此时极易出现晶片表面上的等离子体的梯度分布，使得晶片117上的薄膜生长时，例如沿晶片118径向从一边到另一边等离子体的分布由厚减薄，从而进一步影响膜厚和消光系数的梯度分布，进而造成后续工艺中特征尺寸的大小不均匀，甚至影响最终半导体产品的良率以及性能。所以，单一的射频带140已经不能满足薄膜生长工艺所需的离子分布了。
图2a示出了根据本发明实施例的薄膜生长装置的结构示意图；图2b示出了根据本发明实施例的薄膜生长装置的射频带的分布示意图。
如图2a所示，为了解决上述问题，本具体实施方式提供了一种新的薄膜生长装置，在背板108的表面上设置了多个射频带240，以便使得反应腔室102内各部分气体能被均匀解离，射频等离子体的分布更加均匀，从而避免晶片表面等离子体的梯度分布。本具体实施方式提供的薄膜生长装置包括：腔室主体202，腔室主体202的至少一面腔壁上具有贯穿腔壁的开口204，透过开口204，基板或晶片218可以进入和退出腔室主体202。在腔室主体202内部，晶片218由基板支撑件226承载，屏蔽框224位于晶片218侧部，基板支撑件226可与支撑杆228一同沿着箭头示出的方向上下移动，支撑杆228穿过腔室主体202的底部腔壁进入腔室内部，带动基板支撑件226垂直运动，从而带动晶片218运动。腔室主体202顶部设置有背板208，与腔室主体202的腔室侧壁连接，气体分配喷淋头210相对于基板支撑件226配置在腔室中，置于晶片218上方且置于背板208下方。气体分配喷淋头210为板状结构，开有多个通孔，作为气体通道214，气体分配喷淋头210通过支架232悬置于背板208下方，背板208与气体分配喷淋头210之间形成充气室212。背板208与支架232均为导体，用于传导射频电流。基板支撑件226的移动方向垂直于气体分配喷淋头210的相对背板208的表面，如箭头A所示。晶片218置于反应腔室202中进行晶片表面上的薄膜生长，晶片218与气体分配喷淋头210之间为处理区域222，在处理区域222内，气体被解离成等离子体。而气体经由气体通道114进入处理区域222。
处理及/或清洁气体从气体来源206被供应到薄膜生长装置200的处理区域222。气体通过背板208进入反应腔室202内部，气体在离开背板208的开口时，即扩张到位于气体分配喷淋头210与背板208之间的充气室212内。气体接着从充气室212经由分配喷淋头210上的气体通道214进入到处理区域222内。一旦到了处理区域222之中，在射频电流的作用下，气体就被点燃成为等离子体。在处理过程中，射频功率(RF power)从射频发生器230经由射频带240被供应到背板208上，由射频带240将射频电流沿着背板208传输到支架232，从而导入到反应腔室202内部。支架232不只是支撑气体分配喷淋头210，同时也将气体分配喷淋头210电性耦接至背板208。射频电流沿着气体分配喷淋头210的表面传输，并且射频电流在处理区域222点燃处理气体成为等离子体220。
气体通过气体分配喷淋头210进入处理区域222，再由射频带240将射频电流导入，使气体发生解离，生成等离子体，轰击晶片218，在晶片表面发生一系列反应，进而进行薄膜生长。射频带240连接在背板208上，例如固定在背板208远离腔室的表面上，射频带240为多个，用于形成射频发生器230与背板208之间的射频等离子体通道，多个射频带240均匀间隔分布在背板208上方。气体在通过气体通道214时，由于射频电流的作用被解离，并且通过气体通道114达到晶片表面。
在导电的背板208上设置多个射频带240，并且射频带240均匀分布，使得射频发生器230与背板208之间形成多条扩散通道，使得反应腔室202内部的各个位置的气体被解离的程度均匀，达到反应腔室中的等离子体的分布更加均匀的效果，从而降低晶片表面的梯度分布问题。
如图2a，标号为1、2和3的3个射频带240设置在背板208表面上，射频等离子体的扩散路径如图中箭头所示，可见反应腔室中各处的等离子体的浓度均匀，所以薄膜生长时厚度均匀。
如图2b，为图2a中射频带240的分布示意图，该示意图例如是图2a中的俯视图。由图中可以看出，射频带240是沿背板208的周向等间距设置的，编号为1、2和3的3个射频带240为三个顶点，构成了等边三角形，三条边的长度a均相等。从三个不同的方向同时向反应腔室202内部提供射频电流，经由背板208和支架232的传输，使得射频电流的分布均匀，射频电流对反应腔室202内部的各处的气体进行解离。解离后的等离子体就能均匀的分散在处理区域222中，从而使得晶片218表面分布的等离子体的浓度均匀，生长的薄膜均匀性好。
进一步地，射频带240的数量为大于或等于3的整数。射频带240的数量根据实际需要设定，不做限定。
进一步地，射频发生器230发射至多个射频带240的射频电流或射频功率的量按照比例分配。即多个射频带240获得的功率按比例分配，例如3个射频带240依次接收到的功率比例为40％，37％和23％。由于薄膜生长工艺中，等离子体的生长仅是其中的一步，可能在之前的工艺中，薄膜的厚度已经出现了不均匀的现象，那么需要调整现在反应腔室中各处的等离子体浓度，此时就可以调整每个射频带240的接收比例，以此来改变腔室中的等离子体的浓度分布，更加灵活地进行薄膜生长。
图3示出了根据本发明另一实施例的薄膜生长装置的射频带的分布示意图。
本实施例中，射频带340为5个，其中，多个射频带340中至少一个分布在背板308上方的中心处。即编号为1-4的射频带340均匀沿周向分布在背板308上，而编号为5的射频带340分布在背板308表面的中心处。图3也仅是给出一种可行的实施例，不作为对本发明的限制。
图3示出的实施例中，射频带340为奇数个，在其他实施例中，射频带的个数还可以为偶数个，偶数个射频带例如均匀分布在背板的表面上；或者偶数个射频带的其中一个分布在背板的中心，其余的均匀分布在位于背板中心的射频带的四周。
本发明实施例设置的多个射频带均是为了使反应腔室中的等离子体的浓度更加均匀，可以按照实际需要去调整各处的等离子体浓度，从而使得生长的薄膜均匀性高，一致性好。
在一个实施例中，本发明还公开了一种薄膜生长方法，由图2a示出的薄膜生长装置进行薄膜生长，主要包括以下步骤：
步骤S01，放置待测晶片218于基板承载件226上；
步骤S02，在反应腔室202上方的背板208上设置多个射频带240；
步骤S03，射频发生器230通过多个射频带240向反应腔室202提供射频电流；
步骤S04，气体来源206提供的气体通过气体分配喷淋头210上的气体通道214进入处理区域，并在射频电流的作用下被解离，均匀扩散至晶片表面；
步骤S05，薄膜生长。
其中，气体在通过气体通道214时被解离，并且通过气体通道214达到晶片表面。射频带240的数量为大于等于3的整数。射频发生器230发射至多个射频带240的射频功率可以按照比例分配。
根据本发明实施例的薄膜生长装置和薄膜生长方法，在反应腔室上方的背板上间隔设置多个射频带，并通过多个射频带从不同方向向反应腔室内部导入射频电流，使得气体被均匀解离，从而使得晶片表面分布的射频等离子体的浓度均匀，将原有的单一射频等离子体产生源扩展成多个，从而提升整个反应腔室中等离子体浓度的均匀性，以消除晶片上薄膜的等离子体梯度分布，生长出均匀性高的薄膜。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (11)

1.一种薄膜生长装置，其中，包括反应腔室和位于反应腔室内部的用于承载晶片的基板支撑件，以及位于反应腔室顶部的背板和位于背板下方的带有气体通道的气体分配喷淋头，还包括：
射频发生器，位于所述背板上方，用于提供射频电流；以及
射频带，连接所述背板和所述射频发生器，用于形成所述射频发生器与所述背板之间的射频通道，将射频电流导入所述反应腔室；
其中，所述射频带为多个，间隔分布在所述背板上方，气体在射频电流的作用下解离为射频等离子体，再扩散至所述晶片上进行薄膜生长。
2.根据权利要求1所述的薄膜生长装置，其中，所述射频带均匀分布在所述背板的上方。
3.根据权利要求1所述的薄膜生长装置，其中，所述气体在通过所述气体通道时被解离，并且通过所述气体通道达到所述晶片表面。
4.根据权利要求1所述的薄膜生长装置，其中，所述射频带的数量为大于或等于3的整数。
5.根据权利要求1所述的薄膜生长装置，其中，所述射频电流经由所述背板进入所述反应腔室。
6.根据权利要求4所述的薄膜生长装置，其中，多个所述射频带中至少一个分布在所述背板上方的中心处。
7.根据权利要求1所述的薄膜生长装置，其中，所述射频发生器发射至多个所述射频带的射频功率按照比例分配。
8.一种薄膜生长方法，其中，包括：
放置待测晶片于基板承载件上；
在反应腔室上方的背板上设置多个射频带；
射频发生器通过多个射频带向反应腔室提供射频电流；
气体来源提供的气体通过气体分配喷淋头上的气体通道进入处理区域，并在射频电流的作用下被解离，均匀扩散至晶片表面；
在晶片表面进行薄膜生长。
9.根据权利要求8所述的薄膜生长方法，其中，所述射频等离子体在通过所述气体通道时被解离，并且通过所述气体通道达到所述晶片表面。
10.根据权利要求8所述的薄膜生长方法，其中，所述射频带的数量为大于或等于3的整数。
11.根据权利要求8所述的薄膜生长方法，其中，所述射频发生器发射至多个所述射频带的射频功率按照比例分配。
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