CN114381692A - 物理气相沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种物理气相沉积设备，包括：腔体、加热基座、靶材及匀气管路；靶材位于腔体上部，并与射频电源连接；加热基座位于腔体下部，用于承载晶圆；匀气管路位于位于靶材下方且位于加热基座上方，用于向晶圆表面均匀供应气体，匀气管路包括匀气外环管及匀气内环管以及连接于匀气外环管及匀气内环管之间的支撑管，匀气外环管及匀气内环管上分布有多个出气孔，匀气外环管通过连接管与腔体上的进气口连接。
Description
技术领域
本发明半导体制造设备领域，特别是涉及一种可有效改善金属化合物阻值分布均匀性的物理气相沉积设备。
背景技术
半导体物理气相沉积(PVD)技术广泛应用于集成电路、微传感器、先进封装等工艺的生产制造，利用半导体物理气相沉积技术所沉积的薄膜具有性质稳定、杂质少、厚度精准等特性，对于高熔点或合金材料亦可很好的通用性。PVD机台在业界已有大量的标准化配置和使用，对新技术推广有很好的生产基础。
集成电路、微传感器应用中，利用半导体物理气相沉积的金属薄膜阻值均匀性是一项重要性能指标。通常测试片内49点的数值，通过49点标准方差以表征其阻值均匀性，通常要求标准方差小于5％。实际使用中，有时需要沉积金属氧化物，在纯金属溅射时通入氧气，如图2所示，以氧化金属原子生成金属氧化物。金属氧化物阻值测试结果如图3所示，所得的半导体晶圆阻值分布通常偏向一侧，均匀性不佳。因为腔体进气口在单一方向，靠近进气口的位置氧的分布大于远离进气口的位置，所以造成一侧的阻值比另外一侧高。对腔体的压力、射频功率、上下极间距等参数进行调整，无法消除这样的差异，且均匀性大于7.5％。在实际产品应用中，金属氧化物阻值均匀性不佳会造成芯片终端封装后电性均匀性不佳，从而影响到产品性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种物理气相沉积设备，用于解决现有技术中沉积的金属化合物的阻值均匀性不佳的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种物理气相沉积设备，包括：腔体、加热基座、靶材及匀气管路；所述靶材位于所述腔体上部，并与射频电源连接；所述加热基座位于所述腔体下部，用于承载晶圆；所述匀气管路位于位于所述靶材下方且位于所述加热基座上方，用于向所述晶圆表面均匀供应气体，所述匀气管路包括匀气外环管及匀气内环管以及连接于所述匀气外环管及匀气内环管之间的支撑管，所述匀气外环管及匀气内环管上分布有多个出气孔，所述匀气外环管通过连接管与所述腔体上的进气口连接。
可选地，所述匀气外环管及匀气内环管的出气孔的数量各为3N且均匀分布，其中，N为大于或等于1的整数。
可选地，所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔交错分布，且在所述匀气内环管上的任意一个出气孔与在所述匀气外环管上的与该出气孔相邻的两个出气孔的连线呈等边三角形，在所述匀气外环管上的任意一个出气孔与在所述匀气内环管上的与该出气孔相邻的两个出气孔的连线呈等边三角形。
可选地，所述匀气外环管及匀气内环管的出气孔的方向为朝向各自的圆心。
可选地，所述所述匀气外环管通过均匀分布的多个支撑管与所述匀气内环管连接，所述匀气外环管通过均匀分布的多个连接管与所述腔体连接。
可选地，所述腔体上设置有与所述连接管一一对应的多个进气口。
可选地，所述匀气内环管的的半径为2～5厘米，所述匀气外环管的半径为5～15厘米，通过控制所述匀气外环管及匀气内环管的半径，以控制沉积于所述晶圆中心区域与边缘区域的薄膜的阻值均匀性。
可选地，所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔的直径为2～8毫米之间，通过控制所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔，以控制其提供反应气体的进气量。
可选地，所述物理气相沉积设备用于沉积金属化合物，所述金属化合物包括金属氧化物及金属氮化物中的一种。
可选地，所述物理气相沉积设备沉积的所述金属化合物的阻值均匀性的标准方差小于4％。
如上所述，本发明的物理气相沉积设备，具有以下有益效果：
本发明设计匀气管路，通过匀气外环管与所述匀气内环管的半径调整来平衡金属化合物阻值分布不佳的问题，一方面改善了阻值单边分布为对称分布，另一方面减小了中心区域和边缘区域的阻值差异。同时，本发明通过调整出气孔的孔径大小，调整反应气体的进气量，进而调整金属化合物阻值分布。
本发明的出气孔朝向圆心，可以进一步改善反应气体在腔体内的气体分布，提高金属化合物阻值分布的均匀性。
本发明有利于改善沉积金属化合物薄膜的阻值均匀性，避免晶圆的局部区域，尤其是晶圆边缘区域阻值偏高的情况，有助于提高沉积薄膜的品质、提高生产良率，本发明的物理气相沉积设备沉积的金属化合物薄膜的阻值均匀性的标准方差小于4％。
附图说明
图1显示为现有技术中的物理气相沉积设备的进气口的结构示意图。
图2显示为现有技术中的物理气相沉积设备所沉积的金属化合物的阻值分布示意图。
图3显示为本发明的物理气相沉积设备的结构示意图。
图4显示为本发明的物理气相沉积设备的匀气管路的结构。
图5显示为本发明的物理气相沉积设备所沉积的金属化合物薄膜的阻值分布示意图。
图6显示为本发明的物理气相沉积设备所沉积的金属化合物薄膜的阻值均匀性的标准方差图标。
元件标号说明
101 腔体
102 靶材
103 加热基座
104 匀气管路
105 进气口
106 晶圆
107 加热器
108 真空装置
109 射频电源
201 匀气外环管
202 匀气内环管
203 出气孔
204 支撑管
205 连接管
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图3～图6所示，本实施例提供一种物理气相沉积设备，包括：腔体101、加热基座103、靶材102及匀气管路104。
所述腔体101可以为真空腔体101，所述腔体101的底部连接真空装置108，可以依据实际需要调整所述腔体101的真空度，以满足不同金属化合物的沉积条件。所述腔体101的材质可以为不锈钢等，所述腔体101的内壁可以涂覆光滑绝缘物涂层，进而减少腔体101侧壁的附着，提高沉积过程的稳定性。
所述加热基座103位于所述腔体101下部，用于承载晶圆106。所述加热底座的材料可以为石墨、不锈钢及铝合金等，所述加热底座内或加热底座的底部可以设置加热单元，加热单元与加热器107连接，用于对其上方的晶圆106进行加热。优选地，所述加热单元可以设置为液体腔形式，所述液体腔中填充有液态传热介质，可以通过如加热电阻等使所述液态传热介质进行加热，并通过液态传热介质进行热量吸收及分散后，最终传导至晶圆106上，从而大大提高晶圆106加热的均匀性。
所述靶材102位于所述腔体101上部，并与射频电源109连接。所述靶材102为物理气相沉积提供金属源，通过惰性气体轰击所述靶材102，将靶材102中的金属原子轰击至腔体101内部，通过电场或磁场加速后沉积于晶圆106上，并与反应气体反应，形成金属化合物薄膜。
所述匀气管路104位于位于所述靶材102下方且位于所述加热基座103上方，用于向所述晶圆106表面均匀供应气体，所述匀气管路104包括匀气外环管201及匀气内环管202以及连接于所述匀气外环管201及匀气内环管202之间的支撑管204，所述匀气外环管201及匀气内环管202上分布有多个出气孔203，所述匀气外环管201通过连接管205与所述腔体101上的进气口105连接。
所述匀气外环管201及匀气内环管202的出气孔203的数量各为3N且均匀分布，其中，N为大于或等于1的整数。例如，所述匀气外环管201及匀气内环管202的出气孔203的数量各为6个。在本实施例中，所述匀气外环管201的出气孔203与所述匀气内环管202的出气孔203交错分布，，且在所述匀气内环管202上的任意一个出气孔203与在所述匀气外环管201上的与该出气孔203相邻的两个出气孔203的连线呈等边三角形，在所述匀气外环管201上的任意一个出气孔203与在所述匀气内环管202上的与该出气孔203相邻的两个出气孔203的连线呈等边三角形，以进一步提高气体在腔体101内分布的均匀性。
所述匀气外环管201及匀气内环管202的出气孔203的方向为朝向各自的圆心，可以进一步改善反应气体在腔体101内的气体分布，提高金属化合物阻值分布的均匀性。
所述所述匀气外环管201通过均匀分布的多个支撑管204与所述匀气内环管202连接，所述匀气外环管201通过均匀分布的多个连接管205与所述腔体101连接。在本实施例中，所述腔体101上设置有与所述连接管205一一对应的多个进气口105，本实施例通过在述腔体101上设置有与所述连接管205一一对应的多个进气口105，可以进一步提高匀气管路104进气的均匀性。
所述匀气内环管202的的半径为2～5厘米，所述匀气外环管201的半径为5～15厘米，通过控制所述匀气外环管201及匀气内环管202的半径，以控制沉积于所述晶圆106中心区域与边缘区域的薄膜的阻值均匀性。本实施例通过设置所述匀气内环管202的的半径为2～5厘米，所述匀气外环管201的半径为5～15厘米，通过匀气外环管201与所述匀气内环管202的半径调整来平衡金属化合物阻值分布不佳的问题，一方面改善了阻值单边分布为对称分布，另一方面减小了中心区域和边缘区域的阻值差异。具体地，匀气外环管201及匀气内环管202的半径的实际值可以根据薄膜阻值分布进行定义。假设纯金属阻值中心高边缘低，可将匀气内环管202的半径加大远离中心减少反应气体量，过匀气外环管201加大增加边缘反应气体气量，通过内外圈半径调整来平衡薄膜阻值分布不佳的问题；实际可以根据腔体101具体的薄膜阻值分布来定义合适的匀气外环管201及匀气内环管202的半径。
所述匀气外环管201的出气孔203与所述匀气内环管202的出气孔203的直径为2～8毫米之间，通过控制所述匀气外环管201的出气孔203与所述匀气内环管202的出气孔203，以控制其提供反应气体的进气量。本发明既能避免因出气孔203太小容易导致匀气管路104堵塞，又能避免因出气孔203太大导致气体分布不够均匀的问题。同时，本发明通过调整出气孔203的孔径大小，调整反应气体的进气量，进而调整金属化合物阻值分布。具体地，出气孔203的孔径大反应气体进气量就大，对应附近的阻值会高；出气孔203的孔径小反应气体的进气量就小，对应附近的阻值会低。如果遇到薄膜阻值分布出现一处或多处非同心圆的偏高或偏低，可以通过将附近的一个或多个进气口105的孔径的减小或增加来调节。
本发明通过将图1所示的进气口改造成如图4所示的进气口，可以得到如图5所示的金属氧化物阻值分布图。可见，相较于图2所示的阻值分布图，本发明一方面善了阻值单边分布为对称分布，另一方面减小了中心和边缘的阻值差异。
所述物理气相沉积设备可以用于沉积金属化合物，所述金属化合物包括金属氧化物及金属氮化物中的一种。所述物理气相沉积设备沉积的所述金属化合物的阻值均匀性的标准方差小于4％。例如，所述金属氧化物可以为氧化钒、氧化钛、氧化铟锡等；所述金属氮化物可以为氮化钛、氮化钽铝等；当然，本发明的物理气相沉积设备也可以用于沉积其它需要通入气体的金属化合物。
在一个应用示例中，可以将本发明的物理气相沉积设备用于改进金属氧化物(氧化钒)阻值均匀性，其包括：
1)沉积金属钒，并测试金属钒的阻值分布，其为阻值中心低边缘高同心圆分布。
2)根据金属钒阻值分布确认并设计匀气外环管的与所述匀气内环管的半径。
3)改进腔体进气口，由单一进气口改成本发明的匀气外环管的与所述匀气内环管202双圈式多出气孔的进气口。
4)测试改进后的金属氧化物(氧化钒)的阻值均匀性如图6所示，由图6可见，采用本发明的物理气相沉积设备所沉积的氧化钒的阻值均匀性的方差达到小于5％的要求，具体为均小于4％。
如上所述，本发明的物理气相沉积设备，具有以下有益效果：
本发明设计匀气管路，通过匀气外环管与所述匀气内环管的半径调整来平衡金属化合物阻值分布不佳的问题，一方面改善了阻值单边分布为对称分布，另一方面减小了中心区域和边缘区域的阻值差异。同时，本发明通过调整出气孔的孔径大小，调整反应气体的进气量，进而调整金属化合物阻值分布。
本发明的出气孔朝向圆心，可以进一步改善反应气体在腔体内的气体分布，提高金属化合物阻值分布的均匀性。
本发明有利于改善沉积金属化合物薄膜的阻值均匀性，避免晶圆的局部区域，尤其是晶圆106边缘区域阻值偏高的情况，有助于提高沉积薄膜的品质、提高生产良率，本发明的物理气相沉积设备沉积的金属化合物薄膜的阻值均匀性的标准方差小于4％。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种物理气相沉积设备，其特征在于，包括：腔体、加热基座、靶材及匀气管路；所述靶材位于所述腔体上部，并与射频电源连接；所述加热基座位于所述腔体下部，用于承载晶圆；所述匀气管路位于位于所述靶材下方且位于所述加热基座上方，用于向所述晶圆表面均匀供应气体，所述匀气管路包括匀气外环管及匀气内环管以及连接于所述匀气外环管及匀气内环管之间的支撑管，所述匀气外环管及匀气内环管上分布有多个出气孔，所述匀气外环管通过连接管与所述腔体上的进气口连接。
2.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述匀气外环管及匀气内环管的出气孔的数量各为3N且均匀分布，其中，N为大于或等于1的整数。
3.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔交错分布，且在所述匀气内环管上的任意一个出气孔与在所述匀气外环管上的与该出气孔相邻的两个出气孔的连线呈等边三角形，在所述匀气外环管上的任意一个出气孔与在所述匀气内环管上的与该出气孔相邻的两个出气孔的连线呈等边三角形。
4.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述匀气外环管及匀气内环管的出气孔的方向为朝向各自的圆心。
5.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述所述匀气外环管通过均匀分布的多个支撑管与所述匀气内环管连接，所述匀气外环管通过均匀分布的多个连接管与所述腔体连接。
6.根据权利要求5所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述腔体上设置有与所述连接管一一对应的多个进气口。
7.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述匀气内环管的的半径为2～5厘米，所述匀气外环管的半径为5～15厘米，通过控制所述匀气外环管及匀气内环管的半径，以控制沉积于所述晶圆中心区域与边缘区域的薄膜的阻值均匀性。
8.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔的直径为2～8毫米之间，通过控制所述匀气外环管的出气孔与所述匀气内环管的出气孔，以控制其提供反应气体的进气量。
9.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述物理气相沉积设备用于沉积金属化合物，所述金属化合物包括金属氧化物及金属氮化物中的一种。
10.根据权利要求9所述的物理气相沉积设备，其特征在于：所述物理气相沉积设备沉积的所述金属化合物的阻值均匀性的标准方差小于4％。
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