CN112553594A - 反应腔室和半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应腔室和半导体工艺设备，包括：腔体，腔体设有进气口，进气口用于通入沉积薄膜的反应气体或用于清洗薄膜的清洗气体；加热基座，加热基座可升降的设置在腔体内；排气通道，排气通道设置于加热基座和腔体的内周壁之间，用于排出反应腔室内的气体；辅助加热组件，辅助加热组件设置于临近排气通道的位置上，用于对排气通道进行加热；从而够提高反应腔室内组件的清洗效率，提高工艺环境的颗粒控制能力，提升工艺性能。

Description

反应腔室和半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体设备领域，具体地，涉及一种反应腔室和半导体工艺设备。

背景技术

钨塞(W-plug)是在当代半导体行业中广泛应用的一道工艺，它是以独特的方法将金属钨填充于孔洞(Via)或沟槽(Trench)中，利用金属钨的良好导电性和抗电迁移特性，最终实现了前道器件与后道金属互联之间可靠电导通的工艺需求。在钨塞工艺中，最重要的工艺指标就是对孔洞和沟槽这类结构的金属填充。当前行业中主流的是采用化学气相沉积法(CVD)进行钨的沉积，CVD方法基本能够很好的实现上述微结构(Via and Trench)的金属填充。在金属钨的CVD腔室内，工艺时除了在晶圆上沉积外也会在安装于腔室内的各个工艺组件上沉积上钨薄膜。而由于金属钨的性质，工艺组件上沉积的钨薄膜不能太厚，否则很容易发生脱落进而使得腔室内的工艺环境被破坏。

为了防止腔室内的钨在工艺组件上过量沉积，目前行业内采取的方式是定期对腔室进行干法清洗，具体是通过远程等离子体源(RPS)向腔室内输入含活化氟(F)的气体与工艺组件上沉积的固态钨反应生成气态的氟化钨(WFx)排出腔室来实现清洗的。既然采取的是基于化学反应的干法清洗，那么一定的反应温度就是必须的。气相沉积W反应腔室内的热源是加热基座，它为CVD沉积和远程等离子体源清洗提供反应所需的热源。但由于加热基座的温度覆盖范围有限，并不能充分覆盖至全部工艺组件保持温度一致，而根据实际使用的要求，远程等离子体源对腔室清洗的过程则必须要在较短的时间内完成，高温部位的清洗效率较高，能够在较短的时间内清洗完成，而温度较低的部位由于清洗效率较低，则不容易彻底清洗干净，由此带来的缺点主要有：

1、温度较低的各个工艺组件上沉积的W不能被彻底清除，仍以固态形残留，所以即便终点检测器从腔室尾气中检测到气态的WFx信号减弱至终点阈值以下也并不意味着腔室内已清洗干净，开腔维护时仍发现有明显的W薄膜或W碎屑存在。

2、在正常使用的情况下，由于存在一些未彻底清洗的区域，腔室颗粒数据恶化较快。

因此，有必要提供一种反应腔室和半导体工艺设备，尤其是能够对气相沉积W后的反应腔室具有更高效、更彻底地清洗效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种反应腔室和半导体工艺设备，能够提高反应腔室的清洗效果。

为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种反应腔室，包括：

腔体，所述腔体设有进气口，所述进气口用于通入沉积薄膜的反应气体或用于清洗所述薄膜的清洗气体；

加热基座，所述加热基座可升降的设置在所述腔体内；

排气通道，所述排气通道设置于所述加热基座和所述腔体的内周壁之间，用于排出所述反应腔室内的气体；

辅助加热组件，所述辅助加热组件设置于临近所述排气通道的位置上，用于对所述排气通道进行加热。

优选地，所述排气通道为环状结构；

所述辅助加热组件包括导热环，所述导热环为导热材质，所述导热环可升降的设置于所述排气通道内周壁与所述加热基座之间，所述导热环的内环面与所述加热基座的外周面接触，所述导热环的外环面与所述排气通道的内周壁接触。

优选地，所述排气通道的内周壁的顶部设有排气口，所述腔体的外周壁的底部设有与所述排气通道的底部连通的抽气口，所述加热基座能够在所述排气口与所述抽气口之间升降；

所述辅助加热组件还包括导热环支架和与所述导热环支架连接的升降结构，所述导热环与所述导热环支架连接，所述升降机构用于在通入所述清洗气体时，驱动所述导热环支架与所述加热基座同步升降。

优选地，所述导热环通过弹性缓冲元件与所述导热环支架连接。

优选地，所述导热环的高度与所述加热基座的厚度相同。

优选地，所述导热环的内环面的形状与所述加热基座的外周面的形状相适应；和/或

所述导热环的外环面的形状与所述排气通道的内周壁的形状相适应。

优选地，其特征在于，所述加热基座的轴向剖面为梯形，所述导热环的轴向剖面为直角梯形。

优选地，所述导热环、所述加热基座和所述排气通道均为铝材质。

优选地，所述排气通道与所述腔体的侧壁和底壁连接；

所述辅助加热组件包括加热元件，所述加热元件设置于所述腔室的侧壁和底壁内。

优选地，所述腔体的外周壁设有隔热保温层。

根据本发明的另一方面，提供一种半导体工艺设备，包括：远程等离子体源和上述所述的反应腔室，所述反应腔室的进气口可通入反应气体或经所述远程等离子体源输入的清洗气体。

本发明具有以下有益技术效果：辅助加热组件设置于临近排气通道的的位置上，用于对排气通道进行加热，从而够提高反应腔室内组件的清洗效率，提高工艺环境的颗粒控制能力，提升工艺性能。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了现有技术的气相沉积反应腔室的结构示意图。

图2示出根据本发明实施例的导热环处于高位时反应腔室结构示意图。

图3示出根据本发明实施例的导热环处于低位时反应腔室结构示意图。

图4示出根据本发明实施例的导热环的结构示意图。

图5示出根据本发明实施例的导热环的剖视图。

图6示出根据本发明实施例的另一种反应腔室结构示意图。

附图标记说明：

1、反应腔室；2、喷淋头；3、加热基座；4、排气通道；5、抽气口；6、清洗气体；7、反应气体；8、隔离阀；9、导热环；10、导热环支架；11、弹性缓冲元件；12、升降机构；13、加热元件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1示出了现有技术的气相沉积反应腔室的结构示意图。如图1所示，进行CVD沉积时，晶圆置于传进反应腔室1后，水平置于加热基座3之上，并被加热至设定的反应温度，反应气体7通入腔室后通过喷淋头2均匀分散于晶圆上发生反应并沉积W薄膜；反应生成的副产物以及未完全消耗的反应物均以气态形式从晶圆周围的小孔进入排气通道4，随后从抽气口5排出反应腔室，排气通道4由置于反应腔室1内且紧贴反应腔室1内壁的可拆卸环形组件组成，图1中虚线箭头所示为气体流向示意。上述CVD过程中隔离阀8处于关闭状态，远程等离子体源不工作，清洗气体6也不通入。

当CVD沉积进行一段时间后，反应腔室1内的各个工艺组件，如喷淋头2、加热基座3、排气通道4的内壁等以及另一部分未在本示意图1上标出的各个工艺组件上均会沉积上厚度不等的W薄膜，通常温度越高的部位所累积的W薄膜越厚，然后就要进行腔室清洗(chamber clean)。腔室清洗时加热基座3继续维持加热状态、反应气体7停止通入反应腔室1，隔离阀8打开，远程等离子体源启动工作，清洗气体6通入远程等离子体源被活化后经过隔离阀8通入反应腔室1，经喷淋头2分散开后对前文所述反应腔室1内各个工艺组件上沉积的W薄膜进行清洗。

如前文所述，气相沉积W反应腔室内的唯一热源是位于中央的加热基座3，而无论是W薄膜的沉积还是清洗，温度都是影响其发生速率的关键因素。一部分各个工艺组件(未在图1上标出)是置于加热基座3之上的，它们与加热基座3有良好的热接触，温度较高，故而无论是CVD反应时W薄膜的累积还是腔室清洗时W薄膜的去除效率都较高。而排气通道4不与加热基座3接触，最近距离>10mm，故温度较低(实测温度<150℃)。虽然在较低的温度下W薄膜的沉积和清洗速率都较低，但是CVD沉积的过程通常要持续发生数十小时到数天不等，甚至更长至数十天，所以温度较低的排气通道4内，图1中所示α区域与β区域，也有足够的时间累积上较为可观的W薄膜。而根据实际使用的要求，远程等离子体源对腔室清洗的过程则必须要在较短的时间内完成，高温部位的清洗效率较高，能够在较短的时间内清洗完成，而温度较低的部位由于清洗效率较低，则不容易彻底清洗干净，由此带来的缺点主要有：

1、温度较低的各个工艺组件上沉积的W不能被彻底清除，仍以固态形残留，所以即便终点检测器从腔室尾气中检测到气态的WFx信号减弱至终点阈值以下也并不意味着腔室内已清洗干净，开腔维护时仍发现有明显的W薄膜或W碎屑存在。

2、在正常使用的情况下，由于存在一些未彻底清洗的区域，腔室颗粒数据恶化较快。

实施例1

图2示出根据本发明实施例的导热环处于高位时反应腔室结构示意图，图3示出根据本发明实施例的导热环处于低位时反应腔室结构示意图，图4示出根据本发明实施例的导热环的结构示意图，图5示出根据本发明实施例的导热环的剖视图。

为解决上述缺陷问题，本实施例提供一种反应腔室，包括：腔体1、加热基座3、排气通道4和辅助加热组件，腔体1设有进气口，进气口用于通入沉积薄膜的反应气体或用于清洗薄膜的清洗气体；加热基座可升降的设置在腔体1内；排气通道4设置于加热基座和腔体1的内周壁之间，用于排出反应腔室内的气体；辅助加热组件设置于临近排气通道4的位置上，用于对排气通道4进行加热。

辅助加热组件设置于临近排气通道4的位置，即辅助加热组件与排气通道4的内周壁相邻或/和排气通道4的外周壁相邻，从而实现对排气通道4进行加热的作用。

作为一个示例，如图2和图3所示，排气通道为环状结构；辅助加热组件包括导热环，导热环为导热材质，导热环可升降的设置于排气通道4内周壁与加热基座3之间，导热环9的内环面与加热基座3的外周面接触，导热环9的外环面与排气通道4的内周壁接触。

由于反应腔室处于一定真空而缺少导热介质，所以加热基座3对排气通道温度的传热效率较低，本实施例的辅助加热组件设置于排气通道4内周壁与加热基座3之间，加热基座3与排气通道4通过导热环9实现物理接触，从而使加热基座3的热量传递到排气通道4进行加热。即提升排气通道4的温度，尤其是能够对气相沉积W后的反应腔室具有更高效、更彻底地清洗效果。

现有技术中加热基座3与排气通道4材质均为铝质，本实施例的导热环9的材质最优应相同选为铝质。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，排气通道4的内周壁的顶部设有排气口，腔体1的外周壁的底部设有与排气通道的底部连通的抽气口，加热基座3能够在排气口与抽气口之间升降；辅助加热组件还包括导热环支架10和与导热环支架10连接的升降结构12，导热环9与导热环支架10连接，升降机构12用于在通入清洗气体时，驱动导热环支架10与加热基座3同步升降。

具体的，排气通道内设有隔板，隔板上设有通气孔，且隔板位于排气口和抽气口之间。通过设置隔板，可将排气通道分成α区域和β区域，通过分区可进一步提升对排气通道内沉积的薄膜进行去除。本申请并不限于设置一个隔板，也可已设置多个隔板，形成多个区域，仅以一个隔板进行举例，具体实施过程中，可根据需要设置多个隔板实现多个分区，本申请并不限定隔板的具体数量，只要能实现分区即可。

如图2所示，导热环9底部与导热环支架10相连，然后通过升降机构12可以实现在腔室内部的升降。图2所示，加热基座3处于腔体1内的高位时，导热环9升至高位，导热环9的内周面与加热基座4的外周面贴合，导热环9的外周面与排气通道4的内壁贴合，使得排气通道4的上部被加热，即α区域被加热。图3所示，加热基座3处于腔体1内处于低位时，导热环9下降到低位，导热环9的内周面与加热基座4的外周面贴合，导热环9的外周面与排气通道4的内壁贴合，如此使得排气通道4的下部被加热，即β区域被加热。实际上同加热基座3一样，导热环9在高位与低位之间的位置是连续可变的，即可以通过上述方式使得排气通道4任意一处被加热。

如图2和图3所示，在本实施例的反应腔室在增加了导热环后，为实现提升清洗效率的目的，腔室清洗配方按照如下程序设计，包括：

步骤一：当加热基座3位于腔体1内的高位，导热环9位于腔体1内的低位时，此时清洗气体遍布反应腔室各处，能够清洗喷淋头2、加热基座3上下表面、加热基座3上安装的其它工艺组件；

步骤二：当加热基座3位于腔体1内的高位，导热环9也位于腔体1内的高位时，此时排气通道4上部被加热，清洗气体流入、能够清洗排气通道内的α区域；

步骤三：当加热基座3位于腔体1内的低位，导热环9也位于腔体1内的低位时，此时排气通道下部4被加热，清洗气体注入，能够清洗排气通道内的β区域。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，导热环9通过弹性缓冲元件11与导热环支架10连接。

作为一个示例，导热环9由升降机构独立驱动进行升降，同时又要与加热基座3的升降进行位置匹配，因此为了避免运动部件之间硬接触造成损坏，同时又要保证导热环9与加热基座3和排气通道4接触良好，在导热环支架10的顶部与导热环9连接部位设置弹簧11进行缓冲。使用中，可利用升降机构12精确控制导热环9接近目的位置，当运动的两个组件相互接触时，弹簧会发生微小的弹性压缩，避免了组件之间的直接撞击，所产生的弹性压缩力足以使导热环9紧贴于加热基座3和排气通道4。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，导热环9的高度与加热基座3的厚度相同，提高导热环9的导热效率。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，导热环9的内环面的形状与加热基座3的外周面的形状相适应；和/或导热环9的外环面的形状与排气通道4的内周壁的形状相适应。导热环9导热效应要越高越好，故其外形和尺寸方面设计原则是尽量与加热基座3的外侧和排气通道4的内侧紧密贴合。

作为一个示例，如图4所示，导热环9为圆环状，垂直方向高度与加热基座3厚度相同，其内周面尺寸与加热基座3外围面尺寸相同，以实现紧密贴合；其外周面尺寸与排气通道4尺寸相同，以实现紧密贴合。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，加热基座的轴向剖面为梯形，导热环9的轴向剖面为直角梯形。

作为一个示例，由于加热基座3和排气通道4是直接与CVD工艺结果相关的重要组件，所以导热环9的具体外形和尺寸应当由加热基座3和排气通道4的外形和尺寸决定。如图5所示，其单侧的截面呈直角梯形状。

实施例2

图6示出根据本发明实施例的另一种反应腔室结构示意图。

如图6所示，本发明实施例的另一种反应腔室，包括：腔体1、加热基座3、排气通道4和辅助加热组件，腔体1设有进气口，进气口用于通入沉积薄膜的反应气体或用于清洗薄膜的清洗气体；加热基座可升降的设置在腔体1内；排气通道4设置于加热基座和腔体的内周壁之间，用于排出反应腔室内的气体；排气通道4与腔体1的侧壁和底壁连接；辅助加热组件包括加热元件13，加热元件设置于腔室的侧壁和底壁内，用于对排气通道4进行加热。

作为一个示例，排气通道4为可拆卸环形组件，设置于反应腔室内且紧贴反应腔室内壁，由于排气通道4与墙体1的内壁具有良好的热接触，故可以通过在反应腔室壁内增加热元件13来控制提升反应腔室壁的温度，从而提高排气通道4的温度。气相沉积工艺时保持反应腔室壁处于现有技术方案下的温度即可，当需要腔室清洗时，设定反应腔室壁的温度加热至更高，以实现对排气通道4加热的效果。本实施例中，加热元件13可采用电加热丝。

在上述实施例提供的技术方案的基础上，作为优选方案，反应腔室外壁为人员可接触区域，如工作温度过高需要额外加强人员的安全防护，在腔体1的外周壁设有隔热保温层。

作为一个示例，由于反应腔室外壁上安装或接触其它部件，在升高温度后需要考虑这些部件的耐温设计，如导线、CDA气管、密封胶圈等。

实施例3

本实施例提供的半导体工艺设备，远程等离子体源和上述实施例1和/或实施例2所述的反应腔室，该反应腔室的进气口可通入反应气体或经所述远程等离子体源输入的清洗气体。反应腔室的辅助加热组件设置于临近排气通道的的位置上，用于对排气通道进行加热，从而够提高反应腔室内组件的清洗效率，提高工艺环境的颗粒控制能力，提升工艺性能。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种反应腔室，用于半导体工艺设备，其特征在于，包括：

腔体，所述腔体设有进气口，所述进气口用于通入沉积薄膜的反应气体或用于清洗所述薄膜的清洗气体；

加热基座(3)，所述加热基座可升降的设置在所述腔体(1)内；

排气通道(4)，所述排气通道(4)设置于所述加热基座和所述腔体的内周壁之间，用于排出所述反应腔室内的气体；

辅助加热组件，所述辅助加热组件设置于临近所述排气通道(4)的位置上，用于对所述排气通道(4)进行加热。

2.根据权利要求1所述反应腔室，其特征在于，所述排气通道为环状结构；

所述辅助加热组件包括导热环，所述导热环为导热材质，所述导热环可升降的设置于所述排气通道(4)内周壁与所述加热基座(3)之间，所述导热环(9)的内环面与所述加热基座(3)的外周面接触，所述导热环(9)的外环面与所述排气通道(4)的内周壁接触。

3.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述排气通道(4)的内周壁的顶部设有排气口，所述腔体的外周壁的底部设有与所述排气通道的底部连通的抽气口，所述加热基座(3)能够在所述排气口与所述抽气口之间升降；

所述辅助加热组件还包括导热环支架(10)和与所述导热环支架(10)连接的升降结构(12)，所述导热环(9)与所述导热环支架(10)连接，所述升降机构(12)用于在通入所述清洗气体时，驱动所述导热环支架(10)与所述加热基座(3)同步升降。

4.根据权利要求3所述的反应腔室，其特征在于，所述导热环(9)通过弹性缓冲元件(11)与所述导热环支架(10)连接。

5.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述导热环(9)的高度与所述加热基座(3)的厚度相同。

6.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述导热环(9)的内环面的形状与所述加热基座(3)的外周面的形状相适应；和/或

所述导热环(9)的外环面的形状与所述排气通道(4)的内周壁的形状相适应。

7.根据权利要求6所述的用于气相沉积的反应腔室，其特征在于，所述加热基座的轴向剖面为梯形，所述导热环(9)的轴向剖面为直角梯形。

8.根据权利要求2所述的反应腔室，其特征在于，所述导热环(9)、所述加热基座和所述排气通道均为铝材质。

9.根据权利要求1所述的反应腔室，其特征在于，所述排气通道与所述腔体的侧壁和底壁连接；

所述辅助加热组件包括加热元件(13)，所述加热元件设置于所述腔室的侧壁和底壁内。

10.根据权利要求9所述的反应腔室，其特征在于，所述腔体(1)的外周壁设有隔热保温层。

11.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：远程等离子体源和如权利要求1-10中任一项所述的反应腔室，所述反应腔室的进气口可通入反应气体或经所述远程等离子体源输入的清洗气体。

Images