CN113862647A - 一种薄膜沉积设备及方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种薄膜沉积设备，包括腔室以及位于腔室内部的多个工艺站，每个工艺站包括：基座，用于承载待加工元件；以及与基座相对设置的气体喷头，用于向待加工元件表面提供反应气体；其中，每个气体喷头对应连接一个进气管，且每个进气管上设置加热装置，用于向气体喷头导入相同或不同温度的反应气体。本发明实施例在每个进气管上均设置加热装置，以对每个进气管的进气温度进行单独调节，进而每个喷头的进气流量进行单独单独调节，以匹配每个基座上待加工元件的不同成膜厚度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种薄膜沉积设备及方法。
背景技术
薄膜沉积是半导体领域中重要的环节，薄膜沉积工艺主要有主要有PVD、CVD等气相沉积工艺。
薄膜的制程工艺中，为了提高生产效率，同一机台同时成膜四片及以上待加工元件，由于多片待加工元件在一个腔室内完成，且成膜的时间相同，适于成膜厚度相同的待加工元件的成膜过程。但是，同一腔室内待加工元件的膜厚往往不匹配。
现有技术中，解决待加工元件的膜厚不匹配的问题经常通过调节喷头与基座之间的距离来实现。但是这种调机方法通常存在操作复杂，可控性较弱，效率低等缺点。这样不仅影响存储芯片的良率，甚至对大FAB厂量产造成较大的影响。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜沉积设备及方法，以匹配每个基座上待加工元件的不同成膜厚度。
本发明提供一种一种薄膜沉积设备，包括腔室以及位于腔室内部的工艺站，每个工艺站包括：
基座，用于承载待加工元件；以及
与基座相对设置的气体喷头，用于向待加工元件表面提供反应气体；
其中，每个气体喷头对应连接一个进气管，且每个进气管上设置加热装置，用于向气体喷头导入相同或不同温度的反应气体。
优选地，采用加热装置调节进气管进气温度的方式调节每个气体喷头进气流量。
优选地，每个进气管反应气体的进气温度和对应基座上待加工元件的成膜厚度相关。
优选地，每个进气管反应气体的进气温度和对应基座上待加工元件的成膜厚度呈负相关。
优选地，所述加热装置为加热带，所述加热带缠绕于所述进气管的外壁。
优选地，所述加热装置为电热丝，所述进气管的内壁和外壁之间设置有夹层，所述电热丝设置于所述进气管的内壁和外壁之间。
优选地，所述薄膜沉积设备还包括控制装置，所述控制装置与所述加热装置连接。
优选地，所述控制装置为薄膜沉积设备的机台人机交互模块。
优选地，所述薄膜沉积设备还包括温度监测装置。
优选地，所述待加工元件为晶圆。
一种薄膜沉积方法，所述方法用于实现不同成膜厚度的待加工元件的薄膜沉积，包括确定每个待加工元件的成膜厚度；
根据每个待加工元件的成膜厚度确定对应的反应气体的进气温度；
将反应气体加热至与待加工元件成膜厚度对应的进气温度，并以该进气温度输送至待加工元件表面。
优选地，所述待加工元件为晶圆。
本发明提供的薄膜沉积设备在每个进气管上均设置加热装置，以对每个进气管的进气温度进行单独调节，进而每个喷头的进气流量进行单独单独调节，以匹配每个基座上待加工元件的不同成膜厚度。
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，在附图中：
图1示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的立体结构示意图；
图3示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的原理示意图；
图4示出了同一批成膜的一组晶圆成膜厚度的热力图；
图5示出了SiN薄膜成膜厚度与所述进气管的进气温度的关系图；
图6示出了本发明实施例工艺站的截面图；
图7示出了本发明实施例的薄膜沉积方法的流程图。
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。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
本发明应用于待加工元件薄膜的工艺中，薄膜设备可以为外延、掺杂、刻蚀、沉积、离子注入等设备，本发明实施例以薄膜沉积设备为例进行说明，待加工元件元件通常为晶圆、加工过程中的器件半成品等，本发明实施例以晶圆为例进行说明。
图1示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的结构示意图；图2示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的立体结构示意图；如图1和图2所示，所述薄膜沉积设备100包括腔室110以及腔室110内的多个工艺站120(例如四个)。
所述腔室110底部的腔室壁上设置有排气管111，所述排气管111连接至抽气装置140。所述抽气装置140用于对腔室110内部抽真空，例如为真空泵。
每个所述工艺站120包括基座121以及喷头122。所述基座121位于腔室110内部，用于承载晶圆200；所述喷头122位于所述腔室110内部，且与所述基座121相对设置，用于向所述基座121上的晶圆200表面提供反应气体；每个喷头122对应连接一个进气管130，进气管贯穿所述腔室110顶部的腔室壁，以向腔室110内部通入反应气体。
本实施例中，所述基座121通过支架固定在腔室110内部；所述腔室110顶部的腔室壁上设置有法兰，用于将所述进气管130固定于所述腔室110顶部的腔室壁。
每个进气管130上均设置加热装置150，以对每个进气管130的进气温度进行单独调节。
在薄膜沉积工艺中，将多个晶圆200分别放置在多个工艺站120的基座121上，经由进气管130以及喷头122向腔室110内通入反应气体，以在晶圆200表面形成薄膜。
图3示出了本发明实施例的薄膜沉积设备的原理示意图；如图3所示，所述所述薄膜沉积设备100还包括歧管160，所述歧管160将每个进气管130进行汇聚，连接至反应气体的气源，其中，所述进气管130上设置有加热装置150。
没有所述加热装置150时，由于每个进气管130由同一气源进行供气，进入到每个进气管130内的气体压力以及进气流量相同，而且同一腔室110内的晶圆的成膜时间相同，所以每一晶圆表面的膜厚相同。
但是，在每个工艺站120的基座121上的晶圆的成膜厚度不同时，同样的进气流量以及同样的成膜时间会造成晶圆的报废。
图4示出了同一批成膜的一组晶圆成膜厚度的热力图，该组晶圆包括第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆，图4(a)为第一晶圆的膜厚的热力图，图4(b)为第二晶圆的膜厚的热力图，图4(c)为第三晶圆的膜厚的热力图，图4(d)为第四晶圆的膜厚的热力图；如图4所示，每片晶圆的热力图中，不同颜色部分代表不同的膜厚，其中每片晶圆中心处膜厚值最大，边缘处膜厚值最小；具体的膜厚参数如表1所示。
表1为同一批晶圆200的成膜情况
由图4和表1可知，第四晶圆的成膜厚度与其他三片晶圆的成膜厚度存在差异；从而导致所有晶圆膜厚的一致性较差，进而造成了大量的晶圆报废。
本发明实施例在每个进气管130上均设置加热装置150，以对每个进气管130的进气温度进行单独调节，进而每个喷头122的进气流量进行单独单独调节，以匹配每个基座上晶圆200的不同成膜厚度。
本发明实施例中，每个进气管130内反应气体的进气温度和对应基座121上晶圆200的成膜厚度相关。
本实施例中，每个基座121上的晶圆200的成膜厚度相同或者不同。每个基座121上的晶圆200的成膜厚度相同时，则调节每个进气管130上的加热装置150，使得每个进气管130的进气温度相同；每个基座121上的晶圆200的成膜厚度不同时，则调节每个进气管130上的加热装置150，使得每个进气管130的进气温度根据成膜厚度不同而不同。
其中，每个进气管130反应气体的进气温度和对应基座121上晶圆200的成膜厚度负相关。
具体地，多片晶圆200处于同一真空的腔室110中，每个喷头122内的压强P相等，多个进气管130的体积V相等且均为定值，基于PV＝NRT气体状态理论，当所述进气管130的温度T升高时，单位气体物质的量N将减少(R为常量)，即所述喷头的出气流量减小，在相同的成膜时间内，所述喷头的出气流量减小，相应的晶圆200表面的成膜厚度减小。
在该实施例中，根据薄膜的类型选择合适的反应气体。例如在形成SiN膜的工艺中，采用的反应气体包括SiH4、N2以及NH3。以下将以SiN薄膜为例，来对本发明实施例的薄膜沉积设备的成膜过程进行说明。
图5示出了SiN薄膜成膜厚度与所述进气管的进气温度的关系图；如图5所示，SiN薄膜成膜厚度与所述进气管130的进气温度呈负相关的类线性关系：
y＝-0.1325x+939.64，R2＝0.916
其中，X坐标为所述进气管的进气温度，Y坐标为SiN薄膜成膜厚度。
通过上述对应关系，当每个工艺站120上的晶圆200的成膜厚度不同时，根据图5示出的成膜厚度与进气管的进气温度的对应关系，分别确定不同成膜厚度对应的进气温度，然后调节每个晶圆200对应的进气管130上的加热装置150，将每个进气管130的进气温度调节至的进气温度。
例如，当工艺站内晶圆200的成膜厚度为925时，工艺站STN1对应的进气管130的进气温度为110℃，调节该进气管130上的加热装置，将第一进气管130的进气温度调节至110℃。同理，对其他工艺站所对应的进气管130的进气温度进行调节。调节完成之后，通过歧管260向每个进气管130通入反应气体。
图6示出了本发明实施例工艺站的截面图，如图6所示，反应气体经过所述进气管130时被加热，所述反应气体加热之后进入所述喷头122，由于气体温度的改变，所述喷头122喷出的气体流程发生改变，从而改变晶圆200表面的成膜速度。
本发明实施例以SiN薄膜的制程来进行说明，不难理解，本发明不限于此，不同的薄膜成膜过程中，成膜厚度以及进气管的进气温度的对应关系可能会发生变化，其反应气体也会发生相应的变化，本发明实施例不再一一赘述。
本发明实施例中，所述加热装置150为加热带，所述加热带缠绕于所述进气管130的外壁。
不难理解，所述加热装置150还可以为采用其他的加热形式，例如电热丝、热交换器等。在一个具体的实施例中，所述加热装置150为电热丝，所述进气管130的内壁和外壁之间设置有夹层，所述电热丝夹装于所述进气管130的内壁和外壁之间。在另一个具体的实施例中，所述加热装置150为热交换器，热交换器的热介质管缠绕于所述进气管130的外壁，通过热介质的不断循环来实现对进气管130的加热。
本发明不对加热装置150的种类做出限制，本领域技术人员可以根据具体的应用环境以及工艺需要来进行具体的选择。
所述薄膜沉积设备100还包括控制装置，所述控制装置与所述加热装置150连接，对加热装置150的启停进行控制。
所述薄膜沉积设备100还包括温度监测装置，所述温度监测装置例如为温度传感器，设置于所述进气管130上，用于对进气管130内的温度进行监测。所述温度监测装置180与所述控制装置连接，所述温度监测装置将测得的温度值传输给所述控制装置，当所述进气管130内的温度达到预定温度时，所述控制装置控制所述加热装置150停止加热。
本发明实施例中，所述控制装置180例如为薄膜沉积设备的机台人机交互模块，所述机台人机交互模块进一步还能实现所述进气管130的温度值的显示。当然，所述控制装置180也可以采用其他能够实现温控以及温度显示的控制组件，本发明实施例对此不做限制。
图7示出了本发明实施例的薄膜沉积方法的流程图；如图7所示，薄膜厚度控制方法包括以下步骤。
S10：确定每个工艺站内晶圆的薄膜类型以及成膜厚度。
该步骤中，薄膜类型不同，其对应的反应气体不同，同时薄膜厚度与进气管进气温度的对应关系不同，故需要确认薄膜的类型。同时，不同的薄膜厚度对应着不同的进气温度，故需确认每个工艺站内晶圆的成膜厚度，以对与之对应的进气管的进气温度进行确定。
S20：根据每个晶圆的成膜厚度确定与其对应的进气管的进气温度。
该步骤中，针对同一薄膜类型，其薄膜厚度以及进气管的进气温度之间存在着一一对应的关系，例如负相关，本实施例根据该对应关系，可以确认每个进气管的进气温度。
S30：将反应气体加热至与晶圆成膜厚度对应的进气温度，并以该进气温度输送至晶圆表面。
该步骤中，每个进气管均设置有加热装置，可以是每个进气管进气温度的单独调节，将每个进气管的进气温度调节至相应的温度，以匹配不同的膜厚。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (12)
1.一种薄膜沉积设备，其特征在于，包括腔室以及位于腔室内部的工艺站，每个工艺站包括：
基座，用于承载待加工元件；以及
与基座相对设置的气体喷头，用于向待加工元件表面提供反应气体；
其中，每个气体喷头对应连接一个进气管，且每个进气管上设置加热装置，用于向气体喷头导入相同或不同温度的反应气体。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，采用加热装置调节进气管进气温度的方式调节每个气体喷头进气流量。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，每个进气管反应气体的进气温度和对应基座上待加工元件的成膜厚度相关。
4.根据权利要求1或4所述的薄膜沉积设备，其特征在于，每个进气管反应气体的进气温度和对应基座上待加工元件的成膜厚度呈负相关。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述加热装置为加热带，所述加热带缠绕于所述进气管的外壁。
6.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述加热装置为电热丝，所述进气管的内壁和外壁之间设置有夹层，所述电热丝设置于所述进气管的内壁和外壁之间。
7.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述薄膜沉积设备还包括控制装置，所述控制装置与所述加热装置连接。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述控制装置为薄膜沉积设备的机台人机交互模块。
9.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述薄膜沉积设备还包括温度监测装置。
10.根据权利要求1所述的薄膜沉积设备，其特征在于，所述待加工元件为晶圆。
11.一种薄膜沉积方法，其特征在于，所述方法用于实现不同成膜厚度的待加工元件的薄膜沉积，包括：
确定每个待加工元件的成膜厚度；
根据每个待加工元件的成膜厚度确定对应的反应气体的进气温度；
将反应气体加热至与晶圆待加工元件成膜厚度对应的进气温度，并以该进气温度输送至待加工元件表面。
12.根据权利要求11所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述待加工元件为晶圆。
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