CN114561616A - 一种多腔体pvd-rta混合薄膜沉积系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多腔体PVD‑RTA混合薄膜沉积系统，包括：输运腔体，其内部设置有机械手；上载腔体，其设置于输运腔体旁，并与输运腔体之间设置有第一真空阀门，且上载腔体与外界直接设置有第三真空阀门；工艺腔体，其包括分布于输运腔体旁的薄膜沉积腔体、刻蚀腔体和真空快速退火腔体，并且工艺腔体与输运腔体之间设置有第二真空阀门，本发明将PVD与RTA结合，使晶圆的薄膜沉积、刻蚀和热处理过程中均在真空中，晶圆不需要接触大气，这样，不仅提高了工艺效率，而且提高了薄膜的性能和质量。

Description

一种多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统
技术领域
本发明属于离子溅射沉积系统技术领域，更具体的说涉及一种多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统。
背景技术
锆钛酸铅Pb(Zr0.53Ti0.47)O3(PZT)压电薄膜具有广泛的应用， 5G通信、个人语音助手、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗设备都是压电器件的应用领域。
PZT压电薄膜，是构成MEMS传感器和执行器的关键技术。目前，利用半导体工艺(包括MEMS工艺)制备PZT压电薄膜，可以使器件小型化、高度集成化、低成本、更低功耗和更高性能，以满足智能手机等消费类产品的海量需求。
磁控溅射技术及设备是微纳加工的基础技术和设备，是现代微电子行业制造的核心和基础。
它类似于传统工业的钢铁等材料制备行业，为半导体、微电子器件行业提供丰富、全面的各种器件构建、辅助材料。磁控溅射技术成熟，制备的薄膜性能优越，可以制造几乎各种金属、半导体、绝缘体薄膜材料，是半导体、MEMS、太阳能、显示器、LED等及各种现代微电子器件的核心技术；其设备成本较低、应用广泛，是现代半导体、微电子器件等制备超净间必备之设备。
目前，磁控溅射制备PZT压电薄膜的主要问题是其制备温度较高，在600-800℃之间，才可以形成PZT薄膜(100)取向的晶体结构，实现高效的压电性能。PZT压电薄膜器件的制备，需要与成熟的IC控制器件部分结合，以形成低成本的、完整的功能器件。目前，主要是通过键合工艺来实现。如果可以将PZT薄膜结构直接构建在标准控制器件上，则可以进一步降低成本，并提高器件整体性能。但是，制备标准控制器件的CMOS工艺可以承受的最高温度在400℃，温度过高，则会导致COMS器件内部薄膜的扩散效应，损坏CMOS器件。
所以目前磁控溅射制备PZT压电薄膜的设备和高温(>600℃)工艺难以和CMOS工艺兼容。因此，制造可以在温度<400℃下沉积具有优化(001)晶粒取向的PZT薄膜的PVD设备及工艺，成为PZT压电薄膜器件应用的关键。
在PZT压电薄膜的制备过程中，如果对于晶圆台上的晶圆长时间加热在600-800℃之间，则会导致晶圆台及近邻的真空部件加速老化、设备真空性能下降、设备可靠性下降、设备使用和维护成本提高等问题。
快速退火(RTA)是半导体、MEMS薄膜、器件等常用的一个工艺。它将工件快速加热到较高温度，同时根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行快速冷却，目的是使薄膜或器件内部的达到或接近需要的晶体结构、消除应力和减少缺陷等，获得良好的工艺性能和使用性能。
RTA可以用极快的升温速度(>100℃/s)至目标温度(1000℃以上)短暂持续，对晶圆进行热处理，并快速降温。由于RTA的升温、降温速度极快，导致在薄膜热处理的过程中，由薄膜表面向薄膜内部的热扩散的时间极短，只可以加热薄膜表面。通过适当控制RTA的工艺参数，可以仅仅加热薄膜表面的几个纳米至几个微米区域至指定温度，而不会导致使整个薄膜结构或器件加热至高温。
但是，现有的RTA都是独立的、在大气压下或保护气体下实行工艺操作退火设备；并且它并没有和其他薄膜沉积、刻蚀等晶圆处理真空工艺腔体连接，并不能充分发挥RTA在真空薄膜制备中的作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种将PVD与RTA结合，使晶圆的薄膜沉积、刻蚀和热处理过程中均在真空中，晶圆不需要接触大气，这样，不仅提高了工艺效率，而且提高了薄膜的性能和质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种多腔体 PVD-RTA混合薄膜沉积系统，包括：
输运腔体，其内部设置有机械手；
上载腔体，其设置于输运腔体旁，并与输运腔体之间设置有第一真空阀门，且上载腔体与外界直接设置有第三真空阀门；
工艺腔体，其包括分布于输运腔体旁的薄膜沉积腔体、刻蚀腔体和真空快速退火腔体，并且工艺腔体与输运腔体之间设置有第二真空阀门。
进一步的所述薄膜沉积腔体设置有多个。
进一步的所述上载腔体设置有多个。
进一步的所述薄膜沉积腔体内设置有靶材和第一晶圆台，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和第一真空吸口，，靶材连接有外部电源，且靶材的背面设置有磁控管。
进一步的所述真空快速退火腔体内设置有第二晶圆台和红外加热元件，红外加热元件位于真空快速退火腔体的顶部，真空快速退火腔体对应红外加热元件的下方设置有透明的石英窗，且石英窗与真空快速退火腔体密封，所述真空快速退火腔体上设置有入气口和第二真空吸口。
进一步的所述晶圆台上方及红外加热元件的顶部均设置有红外反射板。
进一步的所述真空快速退火腔体外设置有水冷装置。
进一步的所述真空快速退火腔体连接有测量晶圆表面温度的红外测温仪。
进一步的还包括利用此系统进行生长PZT压电薄膜的方法，方法如下：
S1：上载晶圆，将Si/SiO2晶圆放在上载腔体内，关闭第三真空阀门，将上载腔体抽真空，当真空达到预定值时，第一真空阀门打开，输运腔体内的机械手伸入上载腔体内获取晶圆，并将其运送至Ti沉积腔体内；
S2：沉积下电极层，在Ti沉积腔体采用DC磁控溅射，晶圆加热至300-400℃之间，Ti的厚度在20-100nm之间，待结束后，机械手再将晶圆从Ti沉积腔体中取出，送至Pt沉积腔体，在Pt沉积腔体内，晶圆加热至300-400℃之间，Pt的厚度在150-300nm之间；
S3：沉积缓冲层，机械手从Pt沉积腔体中将已经完成下电极沉积工艺的晶圆取出，送至缓冲层薄膜沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，缓冲层厚度在1-10nm之间；
S4：沉积压电层，机械手从缓冲层薄膜沉积腔体中将已经完成沉积工艺的晶圆取出，送至压电层薄膜沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，压电层厚度在0.5-2um之间；
S5：真空快速热退火，机械手从压电层薄膜沉积腔体中取出已经完成沉积工艺的晶圆，送至真空快速退火腔体，打开红外加热电源，红外灯通过石英窗对晶圆加热，使晶圆经历升温、等温和降温的过程，其中升温速率为2-100℃/S，等温时间为30-600S之间，降温时，向真空快速退火腔体内通入氩气提高降温速率，氩气压力为0-500mTorr 之间，降温速率为1-20℃/S；
S6：沉积上电极层，采用DC磁控溅射，机械手再将晶圆从真空快速退火腔体中取出，送至Pt沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，Pt的厚度在50-300nm之间；
S7：下载晶圆，机械手伸入Pt腔体内获取晶圆，并将其运送至上载腔室内，之后，上载腔体充气，达到大气压后，打开上载腔体取出晶圆。
进一步的在步骤S5中，晶圆经历多个升温和等温过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.RTA腔体与薄膜沉积、刻蚀腔体通过真空传输腔体相连，晶圆的薄膜沉积、刻蚀和热处理过程中均在真空中，晶圆不需要接触大气，这样，不仅提高了工艺效率，而且提高了薄膜的性能和质量；
2.通过真空RTA腔体，可以对薄膜指定厚度区域进行高温快速退火，一方面，可以减少薄膜在沉积过程中的温度要求，及可以降低薄膜沉积温度，例如在PZT沉积过程中，保持晶圆温度<400℃；而通过之后的RTA工艺，快速加热至高温，例如，加热PZT薄膜至700-1000℃，并短时保温和快速冷却，可以减少Pb在高温时的层间扩散，有助于形成需要的钙钛矿(Perovskite)晶体结构；同时，也可以改善薄膜晶体结构，控制晶粒尺寸变大，减少应力和缺陷等；另一方面，由于加热的区域，仅仅到指定的PZT薄膜厚度，而不加热PZT薄膜以下的 CMOS器件结构；这样，就可以不损坏CMOS器件结构，以达到和CMOS 工艺兼容的目的；
3.降低薄膜沉积的温度至<400℃，这可以减缓晶圆台及近邻的真空部件老化，使得设备真空性能、可靠性提高，设备使用和维护成本降低，使用寿命延长。
附图说明
图1为本发明多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统的结构示意图；
图2为本发明中薄膜沉积腔体的结构示意图；
图3为本发明中真空快速退火腔体的结构示意图；
图4为生长PZT压电薄膜的流程图；
图5为晶圆在RTA内进行升温、等温和降温过程的第一种实施例；
图6为晶圆在RTA内进行升温、等温和降温过程的第二种实施例。
附图标记：1、输运腔体；11、机械手；2、上载腔体；31、薄膜沉积腔体；311、第一晶圆台；312、靶材；313、磁控管；314、工艺气体进口；315、第一真空吸口；32、刻蚀腔体；33、真空快速退火腔体；331、第二晶圆台；332、红外加热元件；333、石英窗；334、水冷装置；335、反射板；336、红外测温仪；337、第二真空吸口； 338、入气口；6、晶圆。
具体实施方式
参照图1至图6对本发明多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统的实施例做进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，包括：
输运腔体1，其内部设置有机械手11；
上载腔体2，其设置于输运腔体1旁，并与输运腔体1之间设置有第一真空阀门，且上载腔体2与外界直接设置有第三真空阀门；
工艺腔体，其包括分布于输运腔体1旁的薄膜沉积腔体31、刻蚀腔体32和真空快速退火腔体33，并且工艺腔体与输运腔体1之间设置有第二真空阀门。
在本实施例中所有腔体均连接有真空泵，通过真空泵可以将每个腔体抽至真空状态。
具体的如图1所示，本实施例中，上载腔体2具有两个，输运腔体1具有一个，工艺腔体具有五个，五个工艺腔体包括一个真空快速退火腔体33、一个刻蚀腔体32和三个薄膜沉积腔体31。
输运腔体1内的机械手11，可以在打开第一真空阀门后，伸入上载腔体2内获取晶圆6，并将其运送至输运腔体1内，在打开第二真空阀门后，已载有晶圆6的机械手11伸入工艺腔体内，将晶圆6 送至工艺腔体内的晶圆台上，这样就完成了晶圆6上载至工艺腔体的过程，可以在工艺腔体内对晶圆6实施设定的工艺流程，同样的，待工艺流程完成后，输运腔体1内的机械手11，可以逆序完成晶圆6 下载的过程。
如图2所示，其示出的是薄膜沉积腔体31的结构，具体的：
1.该薄膜沉积腔体31具有第一真空吸口315，通过第一真空吸口315连接至真空泵等真空形成装置，其运行之后，将该腔体抽至真空。
2.同时，该薄膜沉积腔体31具有至少一个工艺气体进口314，用于引入工艺气体，通常是氩气。
3.第一晶圆台311用于承载晶圆6，可依据具体需要，对该第一晶圆台311加热、冷却、施加偏置磁场、电场；该第一晶圆台311也可以静止、旋转、倾斜等等。在本案例中，第一晶圆台311内置加热装置，可以将晶圆6加热至>400℃。
4.靶材312通常连接至外部电源，电源可以是直流(DC)、射频 (RF)、交流(AC)、脉冲直流(Pulsed DC)、大功率脉冲磁控溅射电源(HIPIMS)或其他能量产生部件。
5.通常，在真空腔体之外，靶材312背板背面且平行于靶材312 之处，还置有磁控管313，磁控管313一般由永磁材料和软铁组成，可以在靶材312表明形成磁场，控制靶材312表面正负离子、电子的运动，且将其束缚于靶材312表面一定区域，提高其碰撞几率，使得工艺气体离化率增加，进而提高轰击靶材312表面的离子密度，最终提高薄膜沉积速率。
如图3所示，其示出的是真空快速退火腔体33的结构，具体的：
1.该真空快速退火腔体33具有第二真空吸口337，它连接至真空泵等真空形成装置，其运行之后，将该真空快速退火腔体33抽至真空。
2.同时，真空快速退火腔体33有至少一个入气口338，用于引入气体，通常是氩气，可以协助提高退火速度。
3.第二晶圆台331用于承载晶圆6，晶圆6之下有反射板335，用于反射加热灯产生的热量，以提高加热效率，同时避免第二晶圆台 331被加热。
4.第二晶圆台331上方有透明的石英窗333，它与真空快速退火腔体33密封，形成真空。
5.石英窗333上方，有红外加热元件332(红外加热灯)，它接通电源后，形成光热源，并通过透明的石英窗333，辐射加热晶圆6。
6.石英窗333背面也有反射板335，用于反射红外加热元件332 产生的热量，以提高加热效率，同时避免周围被加热。
7.通常，有水冷装置334，环绕红外加热元件332及上方的反射板335背面，以进一步隔绝加热元件对周围环境的加热。
8.通常，装有红外测温仪336，测量晶圆6表面的温度，并反馈至计算机控制系统，以即时调整加热器功率，控制晶圆6表面温度。
还包括利用此系统进行生长PZT压电薄膜的方法，通常采用 Si/SiO2晶圆6作为生长PZT压电薄膜的基片；
如图4所示，方法如下：
S1.上载晶圆6：将晶圆6放入上载腔室内，该腔室将被抽真空，当真空达到预定值时，第一真空阀门打开；输运腔体1内的机械手11伸入上载腔体2内获取晶圆6，并将其运送至Ti薄膜沉积腔体31 内。
S2.沉积下电极层：
1)通常下电极层由Ti/Pt两层薄膜构成，Ti可以很好地提高Pt 与SiO2/Si晶圆6的结合力，同时，由于薄膜层间扩散的原因，Ti 可以通过扩散至Pt表面，提高PZT薄膜的晶化，Ti也在控制 Pb/(Zr+Ti)比例的过程中起重要作用；通常，Ti/Pt的比例为 0.02-0.17之间，以协助PZT形成钙钛矿(Perovskite)结构。Pt主要作用在于其化学稳定性、优良的导电性和与PZT相近的晶体点阵参数，这有助于PZT形成钙钛矿(Perovskite)结构。
2)通常采用DC磁控溅射，基片加热至300-400℃之间，典型为 400℃，Ti的厚度在20-100nm之间。待结束后，机械手11再将晶圆 6从Ti沉积腔体中取出，送至Pt沉积腔体，基片加热至300-400℃之间，典型为400℃，Pt的厚度在150-300nm之间。
S3.沉积缓冲层：
1)缓冲层通常由SrRuO3、PbTiO3、La0.7Sr0.3MnO、IrO2、TiOx 等薄膜材料构成。缓冲层可以阻止Pd在高温下向Pt/Ti电极层中扩散，减少Pd的流失；同时，它还可以提供更多的钙钛矿(Perovskite) 结构的形核点，有助于形成钙钛矿(Perovskite)晶体结构，例如，以TiOx为缓冲层，TiOx可以减小PZT在表面的形核能量，细化晶粒，形成更多的PZT生长核，形成钙钛矿(Perovskite)相结构。
2)通常采用RF溅射。机械手11从Pt沉积腔体中取出已经完成下电极沉积工艺的晶圆6取出，送至缓冲层薄膜沉积腔体31。基片加热至300-400℃之间，典型为400℃，典型的缓冲层厚度在1-10nm 之间。
S4.沉积压电层：
1)压电层靶材312成分通常为Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，通常会增加Pd含量0-10％，以补偿薄膜成分中Pd元素的流失。
2)通常采用RF溅射，机械手11从缓冲层沉积腔体中取出已经完成沉积工艺的晶圆6取出，送至压电层薄膜沉积腔体31，基片加热至300-400℃之间，典型为400℃，典型的压电层厚度在0.5-2um之间。
S5.真空快速热退火：
1)PVD-RTA混合系统下的真空RTA工艺，可以提高薄膜的性能和产能，有助于形成需要的钙钛矿(Perovskite)晶体结构，且可以不损坏CMOS器件结构，达到和CMOS工艺兼容的目的。
2)机械手11从压电层沉积腔体中取出已经完成沉积工艺的晶圆 6，送至RTA腔体。打开红外加热电源，红外灯通过石英窗333对晶圆6加热，RTA通常包含升温、等温和降温的过程。
(1)升温速率通常在2-100℃/s；典型的升温速率在20-30℃/s。
(2)等温时间通常在30-600s之间；典型的等温时间在100-200s 之间。
(3)降温时，也可以通入氩气协助提高降温速率，氩气压力通常在0-500mTorr之间。降温速率通常在1-20℃/s。
RTA可以包含一个或者多个升温、等温过程。如图5所示，晶圆 6由室温以25℃/sec速度升温至700℃，并等温600sec，随后降温；或者如图6所示，晶圆6由室温以25℃/sec速度升温至500℃，并等温120sec，之后又以25℃/sec速度升温至700℃，并等温600sec，随后降温。
6.沉积上电极层：
1)通常上电极层为Pt，它具有优良的化学稳定性和导电性。
2)通常采用DC磁控溅射。机械手11再将晶圆6从RTA腔体中取出，送至Pt沉积腔体。基片加热至300-400℃之间，典型为400℃， Pt的厚度在50-300nm之间。
7.下载晶圆6：
输运腔体1内的机械手11在阀门打开后，伸入Pt腔体内获取晶圆6，并将其运送至上载腔室内。之后，上载腔体2充气，达到大气压后，则可以打开上载腔体2门，取出晶圆6。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于，包括：
输运腔体，其内部设置有机械手；
上载腔体，其设置于输运腔体旁，并与输运腔体之间设置有第一真空阀门，且上载腔体与外界直接设置有第三真空阀门；工艺腔体，其包括分布于输运腔体旁的薄膜沉积腔体、刻蚀腔体和真空快速退火腔体，并且工艺腔体与输运腔体之间设置有第二真空阀门。
2.根据权利要求1所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述薄膜沉积腔体设置有多个。
3.根据权利要求1所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述上载腔体设置有多个。
4.根据权利要求1所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述薄膜沉积腔体内设置有靶材和第一晶圆台，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和第一真空吸口，，靶材连接有外部电源，且靶材的背面设置有磁控管。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述真空快速退火腔体内设置有第二晶圆台和红外加热元件，红外加热元件位于真空快速退火腔体的顶部，真空快速退火腔体对应红外加热元件的下方设置有透明的石英窗，且石英窗与真空快速退火腔体密封，所述真空快速退火腔体上设置有入气口和第二真空吸口。
6.根据权利要求5所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述晶圆台上方及红外加热元件的顶部均设置有红外反射板。
7.根据权利要求6所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述真空快速退火腔体外设置有水冷装置。
8.根据权利要求7所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于：所述真空快速退火腔体连接有测量晶圆表面温度的红外测温仪。
9.根据权利要求8所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于，还包括利用此系统进行生长PZT压电薄膜的方法，方法如下：
S1：上载晶圆，将Si/SiO2晶圆放在上载腔体内，关闭第三真空阀门，将上载腔体抽真空，当真空达到预定值时，第一真空阀门打开，输运腔体内的机械手伸入上载腔体内获取晶圆，并将其运送至Ti沉积腔体内；
S2：沉积下电极层，在Ti沉积腔体采用DC磁控溅射，晶圆加热至300-400℃之间，Ti的厚度在20-100nm之间，待结束后，机械手再将晶圆从Ti沉积腔体中取出，送至Pt沉积腔体，在Pt沉积腔体内，晶圆加热至300-400℃之间，Pt的厚度在150-300nm之间；
S3：沉积缓冲层，机械手从Pt沉积腔体中将已经完成下电极沉积工艺的晶圆取出，送至缓冲层薄膜沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，缓冲层厚度在1-10nm之间；
S4：沉积压电层，机械手从缓冲层薄膜沉积腔体中将已经完成沉积工艺的晶圆取出，送至压电层薄膜沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，缓冲层厚度在0.5-2um之间；
S5：真空快速热退火，机械手从压电层薄膜沉积腔体中取出已经完成沉积工艺的晶圆，送至真空快速退火腔体，打开红外加热电源，红外灯通过石英窗对晶圆加热，使晶圆经历升温、等温和降温的过程，其中升温速率为2-100℃/S，等温时间为30-600S之间，降温时，向真空快速退火腔体内通入氩气提高降温速率，氩气压力为0-500mTorr之间，降温速率为1-20℃/S；
S6：沉积上电极层，采用DC磁控溅射，机械手再将晶圆从真空快速退火腔体中取出，送至Pt沉积腔体，晶圆加热至300-400℃之间，Pt的厚度在50-300nm之间；
S7：下载晶圆，机械手伸入Pt腔体内获取晶圆，并将其运送至上载腔室内，之后，上载腔体充气，达到大气压后，打开上载腔体取出晶圆。
10.根据权利要求8所述的多腔体PVD-RTA混合薄膜沉积系统，其特征在于，在步骤S5中，晶圆经历多个升温和等温过程。
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