CN114427084A - 一种等离子体增强化学气相沉积设备及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体增强化学气相沉积设备及其操作方法，该设备包括反应腔室、保持晶圆在其上的载台；还设置有第一气管、第一阀门；还设置位于晶圆上方的喷头、将反应气体激发为等离子体的等离子体发生器；还设置有给等离子体发生器供电的电源、电源开关。还包括设置在反应腔室上的排气口、向反应腔室内通净化气体以将晶圆与喷头之间的等离子体从排气口排出的第二气管，第二气管上设置有第二阀门。在关闭第一阀门且打开电源开关的情况下，打开第二阀门，向晶圆与喷头之间通入净化气体，将未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室。防止在电源开关关闭后，悬浮在喷头与晶圆之间的等离子体落到晶圆表面，污染晶圆表面的膜结构。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种等离子体增强化学气相沉积设备及其操作方法。
背景技术
采用等离子体增强化学气相沉积工艺(plasma enhanced chemical vapordeposition，简称PECVD)在晶圆表面沉积膜结构为半导体制造过程中经常用到的工艺。参考图1，现有技术中的等离子体增强化学气相沉积设备包括一个反应腔室，在反应腔室内设置有支撑晶圆2的支撑台1，在支撑台1的上方设置有向晶圆2表面喷洒等离子体的喷头3，喷头3与一气管连通，该气管用于向喷头内通入反应气体。在支撑台1与喷头3之间设置有射频发生器4，将反应气体激发为等离子体，并通过喷头3喷淋在晶圆2表面，在晶圆2表面形成膜结构。还设置有向射频发生器4供电的电源。参考图2，在电源打开时，即射频发生器4工作时，悬浮在晶圆2与喷头3之间的气体发生电离，形成电子及失去电子的原子核。由于电子的质量轻，在晶圆2表面附近会产生局部电中性区域，在局部电中性区域的上方也分布有电子与原子核，由于原子核失去电子后带正电，排布在局部电中性区域上方的正电荷与悬浮的原子核存在电排斥力，使悬浮的原子核不能落到晶圆2上。随着射频发生器4的电源关闭以及向喷头3通反应气体的气管关闭，射频发生器4停止工作，电排斥力消失，从而使尺寸较小的原子核附着到了在晶圆2正面沉积出的膜结构上，污染了刚刚沉积完成的膜结构，同时可能对晶圆2正面上的微电路结构造成短路等缺陷。
发明内容
本发明提供了一种等离子体增强化学气相沉积设备，用以防止未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体落到晶圆表面，从而污染晶圆表面的膜结构或对晶圆表面的微电路结构造成短路等缺陷。
第一方面，本发明提供了一种等离子体增强化学气相沉积设备，该等离子体增强化学气相沉积设备包括反应腔室、以及设置在反应腔室内且保持晶圆在其上的载台；还设置有反应腔室内通入反应气体的第一气管，在第一气管上设置有第一阀门；还设置有与第一气管连通且位于晶圆上方的喷头、以及设置在喷头及载台上且将反应气体激发为等离子体的等离子体发生器；还设置有给等离子体发生器供电的电源、以及控制电源打开或关闭的电源开关。还包括设置在反应腔室上的排气口、以及向反应腔室内通净化气体以将晶圆与喷头之间的等离子体从排气口排出的第二气管，第二气管上设置有第二阀门。
在上述的方案中，通过在反应腔室上设置排气口、以及向反应腔室内通净化气体的第二气管，以便于将晶圆与喷头之间的等离子体排出反应腔室。在应用时，在关闭第一阀门且打开电源开关的情况下，打开第二阀门，以向晶圆与喷头之间通入净化气体，从而将未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室。防止在电源开关关闭后，悬浮在喷头与晶圆之间的等离子体落到晶圆表面，从而污染晶圆表面的膜结构，或对晶圆表面的微电路结构造成短路等缺陷。
在一个具体的实施方式中，该等离子体增强化学气相沉积设备还包括与第一阀门连接以控制第一阀门关闭的控制装置；该控制装置还与第二阀门连接，以在第一阀门关闭后，控制第二阀门打开；该控制装置还与电源开关连接，以在第一阀门关闭的设定时间段后，控制电源开关关闭。通过控制装置控制第一阀门先关闭，之后打开第二阀门，以向晶圆与喷头之间通入净化气体，将未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室；之后控制关闭电源开关，从而防止在电源开关关闭后，悬浮在喷头与晶圆之间的等离子体落到晶圆表面，从而污染晶圆表面的膜结构，或对晶圆表面的微电路结构造成短路等缺陷。
在一个具体的实施方式中，该控制装置还用于在第一阀门关闭前，阻止关闭电源开关，以防止操作过程中在第一阀门关闭前，误关闭电源开关。
在一个具体的实施方式中，该控制装置还用于在第一阀门关闭前，关闭电源开关时，发出警告，并阻止关闭电源开关。以提醒操作人员存在不正确的操作流程，引起操作人员注意。
在一个具体的实施方式中，第一阀门到喷头之间第一气管的长度越长，上述设定时间段的时长越长，使第一阀门与喷头之间第一气管的长度与设定时间段的时长呈正相关，以便于将喷头与晶圆之间未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体完全排出反应腔室。在具体确定设定时间段的时长时，设定时间段的时长可以为
秒。
在一个具体的实施方式中，净化气体为氦气、氩气及氮气中的一种或几种，以防止净化气体参与化学反应，同时提高对喷头与晶圆之间的等离子体的净化效果。
在一个具体的实施方式中，等离子体发生器为射频发生器，该射频发生器包括设置在喷头上的第一电极板、以及设置在载台上且与第一极板位置相对的第二电极板，其中，在第一电极板与第二电极板之间形成有将反应气体激发为等离子体的电场区。
在一个具体的实施方式中，载台上还设置有用于加热晶圆到设定温度的加热器。
第二方面，本发明还提供了一种上述等离子体增强化学气相沉积设备的操作方法，该操作方法包括：关闭第一阀门，以停止向反应腔室通反应气体；打开第二阀门，向反应腔室内通净化气体，将晶圆与喷头之间的等离子体从排气口排出；在关闭第一阀门的设定时间段后，关闭电源开关，停止给等离子体发生器供电。通过先关闭第一阀门，之后打开第二阀门，向晶圆与喷头之间通入净化气体，将未沉积在晶圆表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室；之后关闭电源开关，防止在电源开关关闭后，悬浮在喷头与晶圆之间的等离子体落到晶圆表面，从而污染晶圆表面的膜结构，或对晶圆表面的微电路结构造成短路等缺陷。
附图说明
图1为现有技术中提供的等离子体增强化学气相沉积设备的结构示意图；
图2为图1中晶圆上表面的局部电中性区域的等离子体分布的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种等离子体增强化学气相沉积设备的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种等离子体增强化学气相沉积设备的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种等离子体增强化学气相沉积设备的操作方法流程图。
附图标记：
10-反应腔室 11-载台 12-晶圆 13-排气口
14-喷头 21-第一气管 22-第二气管
31-第一阀门 32-第二阀门 41-第一电极板
42-第二电极板 43-电源开关 44-加热器 50-控制装置
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明实施例提供的等离子体增强化学气相沉积设备，下面首先说明一下本发明实施例提供的等离子体增强化学气相沉积设备的应用场景，该等离子体增强化学气相沉积设备用于采用等离子化学气相沉积工艺在晶圆表面沉积形成膜结构，该膜结构可以为SiO2膜(二氧化硅膜)、SiON膜(氮氧化硅膜)、SiN膜(氮化硅膜)、Amorphous-C膜(非晶质-C膜)等。下面结合附图对等离子体增强化学气相沉积设备进行详细的叙述。
参考图3，本发明实施例提供的等离子体增强化学气相沉积设备包括一个反应腔室10，在反应腔室10内设置有保持晶圆12在其上的载台11。在设置反应腔室10时，反应腔室10可以采用一个具有中空腔体的壳体结构组成，且中空腔体可以为密封腔体。该壳体结构内的密封腔体作为反应腔室10。在设置载台11时，载台11可以采用具有支撑面的台体结构，晶圆12放置在台体结构的支撑面上。可以在支撑面上设置吸附晶圆12以固定晶圆12的真空吸附孔，将晶圆12固定在载台11上。
继续参考图3，还设置有与反应腔室10连通的第一气管21，该第一气管21用于向反应腔室10内通入反应气体。具体的，在载台11的方式设置有喷头14，该喷头14与第一气管21连通，以使第一气管21内的反应气体通过喷头14喷淋在晶圆12表面。在第一气管21上设置有第一阀门31，以控制第一气管21的打开或关闭，从而控制喷头14向晶圆12表面喷淋反应气体或停止向晶圆12表面喷淋反应气体。该反应气体具体可以包括SiH4(四氢化硅)气体或气化的TEOS(Tetraethyl orthosilicate，正硅酸乙酯)，以提供原料Si(硅)；该反应气体还可以包括C3H6(丙烯)，以提供原料C(碳)。
如图3所示，在反应腔室10内还设置由等离子体发生器，该等离子体发生器设置在喷头14及载台11上，以将反应气体激发为等离子体，通过等离子体增强化学气相沉积工艺在晶圆12表面沉积出膜结构。还设置有给等离子体发生器供电的电源、以及控制电源打开或关闭的电源开关43。通过电源开关43的打开或关闭，控制电源是否给等离子体发生器供电，从而控制等离子体发生器是否工作。
在设置等离子体发生器时，该等离子体发生器可以选用射频发生器。参考图3，该射频发生器包括设置在喷头14上的第一电极板41、以及设置在载台11上且与第一极板位置相对的第二电极板42；且在第一电极板41与第二电极板42之间形成有将反应气体激发为等离子体的电场区。可以采用第二电极板42接地，在第一电极板41上加一定的电压，从而使第一电极板41与第二电极板42之间具有电势差，以形成将反应气体激发为等离子体的电场区。应当理解的是，射频发生器的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。另外，应当注意的是，等离子体发生器并不限于选用射频发生器，除此之外，还可以采用现有技术中常规的其他类别的等离子体发生器。
参考图3，还可以在载台11上设置用于加热晶圆12到设定温度的加热器44，以便于对晶圆12表面进行加热，同时可以根据等离子化学气相沉积工艺中的温度要求，调整晶圆12的温度，提高等离子体增强化学气相沉积工艺所形成膜结构的效果。
继续参考图3，在反应腔室10上还设置有排气口13，同时在反应腔室10上还设置有向反应腔室10内通净化气体以将晶圆12与喷头14之间的等离子体从排气口13排出的第二气管22，以便于将晶圆12与喷头14之间的等离子体排出反应腔室10。如图3所示，在第二气管22上还设置有第二阀门32，以控制第二气管22的打开或闭合，从而控制是否想反应腔室10内通入净化气体。在应用时，首先打开第一阀门31及电源开关43，以采用等离子体增强化学气相沉积工艺在晶圆12表面沉积一层膜结构。在沉积完成后，先关闭第一阀门31，此时保持电源开关43为打开状态，使晶圆12表面上的电互斥力继续存在，阻止悬浮在喷头14与晶圆12之间的等离子体落到晶圆12表面。之后打开第二阀门32，以向晶圆12与喷头14之间通入净化气体，从而将未沉积在晶圆12表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室10。防止在电源开关43关闭后，晶圆12表面上的电互斥力消失，使悬浮在喷头14与晶圆12之间的等离子体落到晶圆12表面，从而污染晶圆12表面的膜结构，或对晶圆12表面的微电路结构造成短路等缺陷。在关闭第一阀门31设定时间段后，再关闭电源开关43，以将等离子体发生器关闭。此时即使消除了晶圆12表面上的电互斥力，由于在晶圆12表面与喷头14之间没有悬浮的等离子体，所以也不用担心悬浮的等离子体落到晶圆12表面，影响刚刚沉积在晶圆12表面的膜结构的质量，或对晶圆12表面上的微电路结构造成短路等缺陷。
在具体设置第二气管22及排气口13时，参考图3，可以将第二气管22的端口设置在朝向晶圆12及喷头14之间的空间位置，将排气口13设置在反应腔室10的下方，使从第二气管22喷出的净化气体直接流通到晶圆12与喷头14之间的空间内，之后从位于反应腔室10下方的排气口13排出，以便于排空晶圆12与喷头14之间的等离子体。可以在第二气管22的端口设置一喷嘴或在第二气管22内增加一定的压强，提高从第二气管22排出的净化气体的流速，以提高净化气体对悬浮在晶圆12与喷头14之间的等离子体的排空效果。
在选择净化气体时，该净化气体可以为氦气、氩气及氮气中的一种或几种，以防止净化气体参与化学反应，同时提高对喷头14与晶圆12之间的等离子体的净化效果。具体的，该净化气体可以只包含氦气、氩气及氮气中的一种气体。该净化气体还可以包含氦气、氩气及氮气中的任意两种气体，例如，可以选择由氦气及氩气组成的混合气体作为净化气体，或选择由氦气及氮气组成的混合气体作为净化气体，或选择由氩气及氮气组成的混合气体作为净化气体。该净化气体还可以选择由氦气、氩气及氮气三种气体组成的混合气体作为净化气体。
在确定关闭第一阀门31与电源开关43之间的设定时间段的延迟时间时，如果第一阀门31到喷头14之间第一气管21的长度越长，则上述设定时间段的时长越长；同理，如果第一阀门31到喷头14之间第一气管21的长度越短，则上述设定时间段的时长越短。通过使第一阀门31与喷头14之间第一气管21的长度与设定时间段的时长呈正相关，以便于将喷头14与晶圆12之间未沉积在晶圆12表面形成膜结构的等离子体完全排出反应腔室10。在具体确定设定时间段的时长时，设定时间段的时长可以为
秒，具体的，该设定时间段的时长可以为0.5秒、0.8秒、1.0秒、1.2秒、1.5秒、1.7秒、2.0秒等介于
秒之间的任意时长。
参考图4，还可以设置一控制装置50，该控制装置50与第一阀门31连接，以控制第一阀门31关闭。具体的，在完成在晶圆12上沉积膜结构工序后，控制装置50控制第一阀门31关闭。该控制装置50还与第二阀门32连接，以在第一阀门31关闭后，控制第二阀门32打开，向反应腔室10内通入净化气体，以将晶圆12与喷头14之间悬浮的等离子体排出反应腔室10。防止在电源开关43关闭，等离子体发生器停止工作后，晶圆12表面的互斥力消失，从而使悬浮的等离子体落到晶圆12表面上刚沉积的膜结构。该控制装置50还与电源开关43连接，以在第一阀门31关闭的设定时间段后，控制电源开关43关闭，以将等离子体发生器关闭。此时即使消除了晶圆12表面上的电互斥力，由于在晶圆12表面与喷头14之间没有悬浮的等离子体，所以也不用担心悬浮的等离子体落到晶圆12表面，影响刚刚沉积在晶圆12表面的膜结构的质量，或对晶圆12表面上的微电路结构造成短路等缺陷。
在设置控制装置50时，该控制装置50可以为具有控制功能的终端设备，比如控制装置50可以为诸如工控机、上位机等计算机。在连接控制装置50与第一阀门31、第二阀门32及电源开关43时，可以采用有线的方式连接，也可以采用无线通信的方式连接。即只要能够实现控制装置50对第一阀门31、第二阀门32及电源开关43的打开及关闭的控制，都在本发明实施例的保护范围之内。
该控制装置50还可以用于在第一阀门31关闭前，阻止关闭电源开关43，以防止操作过程中在第一阀门31关闭前，误关闭电源开关43。具体的实现方式可以通过设置软件编程的方式实现。还可以设置控制装置50在第一阀门31关闭前，关闭电源开关43时，发出警告，并阻止关闭电源开关43。以提醒操作人员存在不正确的操作流程，引起操作人员注意。具体发出警告的方式可以采用在终端设备的显示屏上弹窗提醒的方式，也可以采用发出鸣警声音的方式，还可以采用通过提示灯亮灯或闪灯的方式。
另外，还可以设置在操作人员在关闭第一阀门31前，关闭电源开关43时，控制装置50通过编程的方式自动先关闭第一阀门31，同时打开第二阀门32，并在设定时间段后，关闭电源开关43。此时，操作人员即使没有按照先关闭第一阀门31，再关闭电源开关43的先后顺序操作，但是由于控制装置50具有收到在关闭第一阀门31的输入信号时，先关闭第一阀门31，同时打开第二阀门32，并在设定时间段后，关闭电源开关43的工作流程，从而也能够保证先关闭第一阀门31，之后关闭电源开关43的操作顺序。
通过在反应腔室10上设置排气口13、以及向反应腔室10内通净化气体的第二气管22，以便于将晶圆12与喷头14之间的等离子体排出反应腔室10。在应用时，在关闭第一阀门31且打开电源开关43的情况下，打开第二阀门32，以向晶圆12与喷头14之间通入净化气体，从而将未沉积在晶圆12表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室10。防止在电源开关43关闭后，悬浮在喷头14与晶圆12之间的等离子体落到晶圆12表面，从而污染晶圆12表面的膜结构，或对晶圆12表面的微电路结构造成短路等缺陷。
另外，本发明还提供了一种上述等离子体增强化学气相沉积设备的操作方法，参考图5，该操作方法包括：
S10：关闭第一阀门31，以停止向反应腔室10通反应气体；
S20：打开第二阀门32，向反应腔室10内通净化气体，将晶圆12与喷头14之间的等离子体从排气口13排出；
S30：在关闭第一阀门31的设定时间段后，关闭电源开关43，停止给等离子体发生器供电。
通过先关闭第一阀门31，之后打开第二阀门32，向晶圆12与喷头14之间通入净化气体，将未沉积在晶圆12表面形成膜结构的等离子体排出反应腔室10；之后关闭电源开关43，防止在电源开关43关闭后，悬浮在喷头14与晶圆12之间的等离子体落到晶圆12表面，从而污染晶圆12表面的膜结构，或对晶圆12表面的微电路结构造成短路等缺陷。具体实现每一步骤的操作方式，参考前述关于设备部分的描述，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，包括：
反应腔室；
设置在所述反应腔室内且保持晶圆在其上的载台；
向所述反应腔室内通入反应气体的第一气管，所述第一气管上设置有第一阀门；
与所述第一气管连通且位于所述晶圆上方的喷头；
设置在所述喷头及所述载台上且将所述反应气体激发为等离子体的等离子体发生器；
给所述等离子体发生器供电的电源，以及控制所述电源打开或关闭的电源开关；
还包括：
设置在所述反应腔室上的排气口；
向所述反应腔室内通净化气体以将所述晶圆与所述喷头之间的等离子体从所述排气口排出的第二气管，所述第二气管上设置有第二阀门。
2.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，还包括：
与所述第一阀门连接以控制所述第一阀门关闭的控制装置；
所述控制装置还与所述第二阀门连接，以在所述第一阀门关闭后，控制所述第二阀门打开；
所述控制装置还与所述电源开关连接，以在所述第一阀门关闭的设定时间段后，控制所述电源开关关闭。
3.如权利要求2所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述第一阀门关闭前，阻止关闭所述电源开关。
4.如权利要求3所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述控制装置还用于在所述第一阀门关闭前，关闭所述电源开关时，发出警告，并阻止关闭所述电源开关。
5.如权利要求2所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述第一阀门到所述喷头之间所述第一气管的长度越长，所述设定时间段的时长越长。
6.如权利要求5所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述设定时间段的时长为0.5～2.0秒。
7.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述净化气体为氦气、氩气及氮气中的一种或几种。
8.如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述等离子体发生器为射频发生器，所述射频发生器包括：
设置在所述喷头上的第一电极板；
设置在所述载台上且与所述第一极板位置相对的第二电极板；
其中，所述第一电极板与第二电极板之间形成有将所述反应气体激发为等离子体的电场区。
9.如权利要求8所述的等离子体增强化学气相沉积设备，其特征在于，所述载台上还设置有用于加热所述晶圆到设定温度的加热器。
10.一种如权利要求1所述的等离子体增强化学气相沉积设备的操作方法，其特征在于，包括：
关闭所述第一阀门，以停止向所述反应腔室通所述反应气体；
打开所述第二阀门，向所述反应腔室内通净化气体，将所述晶圆与所述喷头之间的等离子体从所述排气口排出；
在关闭所述第一阀门的设定时间段后，关闭所述电源开关，停止给所述等离子体发生器供电。
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| CN202011185028.9A CN114427084A (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 一种等离子体增强化学气相沉积设备及其操作方法 |
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| CN1375575A (zh) * | 2001-03-19 | 2002-10-23 | 株式会社Apex | 化学气相沉积设备 |
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2020
- 2020-10-29 CN CN202011185028.9A patent/CN114427084A/zh active Pending
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