CN114672788B - 半导体沉积设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体沉积设备，包括反应腔室、第一管路、第二管路、平衡气体管路和分流装置；第一管路、第二管路和平衡气体管路均与反应腔室相连通，第一管路设置有第一阀门组件，第二管路设置有第二阀门组件，平衡气体管路设置有第三阀门组件，第一管路用于通入第一反应源和载气，第二管路用于通入第二反应源，平衡气体管路用于通入平衡气体；分流装置包括分流管路和第一抽气泵，分流管路的一端与第二管路相连通，分流管路的另一端与第一抽气泵相连通，分流管路用于在反应腔室通入第二反应源时，分流第二反应源。上述方案能够解决半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体沉积设备。
背景技术
原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)可以将物质以单原子膜形式一层一层镀在晶圆表面。在镀膜过程中，两种化学气相反应源依次在晶圆表面发生化学反应从而产生固态的薄膜。原子层沉积具有精确的膜厚控制、优异的均匀性、良好的台阶覆盖率和较宽的温度窗口等优点。
半导体沉积设备包括反应腔室、第一管路和第二管路，第一管路和第二管路均与反应腔室相连通。第一管路用于通入第一反应源和载气，第二管路用于通入第二反应源，第一反应源和第二反应源交替通入反应腔室。
相关技术中，为了保证第一反应源和第二反应源切换后反应腔室内的总气量不变，因此半导体沉积设备还可以包括有平衡气体管路，平衡气体管路用于通入平衡气体，以使得第一反应源和第二反应源切换后反应腔室内的气体总量不变。当反应腔室内通入第一反应源时，第一反应源和平衡气体同时通入反应腔室。当反应腔室通入第二反应源时，载气通过第一管路通入反应腔室，同时通入第二反应源，停止通入平衡气体，第二反应源的流量与平衡气体的流量相同。
然而，在第二反应源与平衡气体切换时，一般先为反应腔室通入第二反应源，再停止通入平衡气体，因此在第二反应源与平衡气体切换的瞬间依然会引起反应腔室内气流场的扰动，造成反应腔室内的瞬时气流激增，因此使得反应腔室内总气量突变，从而造成半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性较差。
发明内容
本发明公开一种半导体沉积设备，以解决半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性较差的问题。
为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一种半导体沉积设备，包括反应腔室、第一管路、第二管路、平衡气体管路和分流装置；
所述第一管路、第二管路和所述平衡气体管路均与所述反应腔室相连通，所述第一管路设置有第一阀门组件，所述第二管路设置有第二阀门组件，所述平衡气体管路设置有第三阀门组件，所述第一管路用于通入第一反应源和载气，所述第二管路用于通入第二反应源，所述平衡气体管路用于通入平衡气体；
所述分流装置包括分流管路和第一抽气泵，所述分流管路的一端与所述第二管路相连通，且所述分流管路与所述第二管路的连通处位于所述第二阀门组件与所述分流管路的进气端之间，所述分流管路的另一端与所述第一抽气泵相连通，所述分流管路用于在所述反应腔室通入所述第二反应源时，分流所述第二反应源。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
本发明公开的半导体沉积设备中，分流管路与第二管路相连通，因此当第二管路为反应腔室通入第二反应源时，分流管路能够分流部分第二反应源。因此，在第二反应源与平衡气体切换时，分流管路能够起到分流的作用，因此反应腔室根据内部压强，吸入相应的第二反应源用以平衡压强，从而不容易造成反应腔室内的气量瞬时激增，因此反应腔室内的总气量不容易发生突变，进而使得反应腔室内的压力稳定，以提高半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例公开的半导体沉积设备的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的半导体沉积设备的针阀回转圈数折线图；
图3为针阀回转圈数为6圈时氧化铪薄膜厚度分布图；
图4是针阀回转圈数为0圈时氧化铪薄膜厚度分布图；
图5是针阀回转圈数为3圈时氧化铪薄膜厚度分布图。
附图标记说明：
100-反应腔室、200-第一管路、201-主管路、203-第一连接管、204-第二连接管、210-第一阀门组件、211-第一控制阀、212-第二控制阀、213-第三控制阀、300-第二管路、310-第二阀门组件、320-第五阀门组件、400-平衡气体管路、410-第三阀门组件、500-分流装置、510-分流管路、520-第一抽气泵、530-限流件、600-排空管路、610-第四阀门组件、700-第二抽气泵、800-第三管路、810-第六阀门组件、900-储存装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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。
以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。
如图1所示，本发明实施例公开一种半导体沉积设备，所公开的半导体沉积设备包括反应腔室100、第一管路200、第二管路300、平衡气体管路400和分流装置500。
反应腔室100为薄膜的沉积提供反应空间，晶片在反应腔室100内进行薄膜沉积。反应腔室100包括但不限于腔室本体、承载台等部件。反应腔室100的具体结构和工作原理为公知技术，本文不作限制。具体地，上述半导体沉积设备可以为原子层沉积设备，当然还可以为其他设备，本文不作限制。
第一管路200、第二管路300和平衡气体管路400均与反应腔室100相连通。第一管路200设置有第一阀门组件210，第一阀门组件210用于控制第一管路200与反应腔室100的通断。第二管路300设置有第二阀门组件310，第二阀门组件310用于控制第二管路300与反应腔室100的通断。平衡气体管路400设置有第三阀门组件410，第三阀门组件410用于控制平衡气体管路400与反应腔室100的通断。
第一管路200用于通入第一反应源和载气。具体地，第一反应源可以为金属有机前驱体。例如，Si2Cl6。金属有机前驱体通过载气携带进入到反应腔室100内。载气可以为氮气或氩气。
第二管路300用于通入第二反应源，具体地，第二反应源可以为臭氧或者水蒸汽等气体。
平衡气体管路400用于通入平衡气体，以使得第一反应源和第二反应源切换后反应腔室100内的气体总量不变。平衡气体可以为氮气或氩气。
分流装置500包括分流管路510和第一抽气泵520，分流管路510的一端与第二管路300相连通，且分流管路510与第二管路300的连通处位于第二阀门组件310与第二管路300进气端之间。分流管路510的另一端与第一抽气泵520相连通。分流管路510用于在反应腔室100通入第二反应源时，分流第二反应源。第一抽气泵520为分流管路510提供负压，从而将第二管路300内的部分第二反应源抽入到分流管路510内，以实现分流。
具体的操作过程中：
第一步、通入第一反应源，第一阀门组件210和第三阀门组件410打开，第二阀门组件310关闭，载气携带第一反应源通过第一管路200通入反应腔室100，平衡气体通过平衡气体管路400进入反应腔室100。
第二步，停止通入第一反应源，第一管路200仅通入载气，对第一管路200和反应腔室100进行吹扫。
第三步，通入第二反应源，第一管路200仅通入载气，打开第二阀门组件310，关闭第三阀门组件410，第二反应源通过第二管路300通入反应腔室100。同时，部分第二反应源流入到分流管路510内。
第四步，关闭第二阀门组件310，打开第三阀门组件410，第一管路200仅通入载气，此时，对反应腔室100进行吹扫。
由上述步骤可知，在工艺过程中，平衡气体管路400和第二管路300只有其中一个路与反应腔室100相连通，为了保证通入反应腔室100内的总气量不变，平衡气体的流量可以与第二反应源的流量相同。
本申请公开的实施例中，在第二反应源与平衡气体切换时，分流管路510能够起到分流的作用，因此反应腔室100根据内部压强，吸入相应的第二反应源用以平横压强，从而不容易造成反应腔室100内的气量瞬时激增，因此反应腔室100内的总气量不容易发生突变，进而使得反应腔室100内的压力稳定，以提高半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性。
为了进一步提高半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性，在另一种可选的实施例中，分流装置500还可以包括限流件530，限流件530可以设置于分流管路510，限流件530可以用于限流第二反应源。此方案中，限流件530能够对分流管路510内的第二反应源进行限流，从而能够进一步提高第二反应源的分流量的精度，进而使得气路之间的切换操作更加平稳，从而进一步提高了半导体沉积设备沉积薄膜的均匀性。
另外，限流件530能够减少分流管路510分流第二反应源的流量，从而能够保证反应腔室100内有足量的第二反应源参与反应，进而不容易影响薄膜的质量。
在另一种可选的实施例中，限流件530可以为针阀。此方案中，通过调节针阀的阀针回转圈数，从而调节针阀的开度，进而能够实现对分流量的调节。
具体地，针阀的阀针回转圈数可以为0至6圈。当针阀的阀针回转圈数为0圈时，表示针阀全开，气路畅通，针阀不发挥限流作用。当针阀的阀针回转圈数为6圈时，代表分流管路510不通，分流管路510不发挥分流作用。因此可以通过记录0至6圈针阀回转圈数的薄膜均匀性值，得到某一回转圈数处的薄膜均匀性最佳。采用此圈数进行沉积工艺。
如图2所示，由0至3圈可得，随着针阀回转圈数的增加薄膜的不均匀性降低。由3至6圈可得，随着针阀回转圈数的增加薄膜的不均匀性升高。因此针阀的回转圈数为3圈时，薄膜的均匀性较佳。
以制备氧化铪薄膜为例，第一反应源可以为铪源，第二反应源可以为臭氧，载气可以为氩气或氮气。图3是针阀回转圈数为6圈时氧化铪薄膜厚度分布图，此时针阀关闭，分流管路510不起分流作用。图4是针阀回转圈数为0圈时氧化铪薄膜厚度分布图，此时针阀全开，针阀无限流作用。图5是针阀回转圈数为3圈时氧化铪薄膜厚度分布图，此时针阀起限流作用。
图3至图5中，晶圆的表面建立X和Y坐标系，用于测定晶圆各点的坐标。图3至图5中的右侧的图例表示薄膜的厚度，不同的颜色表示不同的厚度值。从图3至图5中可以看出，在针阀回转圈数为3圈时，氧化铪薄膜厚度分布较为均匀，各区域的厚度值相差较小。因此针阀的回转圈数为3圈时，薄膜的均匀性较佳。
另外，还可以通过测量晶圆表面多个点的薄膜厚度值，并通过所测量的多个点的薄膜厚度值计算标准差及薄膜厚度平均值，而后用标准差除以薄膜厚度平均值所得的百分数代表薄膜的不均匀性，即附图2中的竖坐标所表示的数值，其数值越小代表薄膜的均匀性越好，其数值越大代表薄膜均匀性越差。
限流件530不限于上述的针阀，还可以为限流垫片，限流垫片开设有限流孔。通过限流孔对分流管路510起到限流的作用。此时限流垫片结构简单，成本较低。不同的限流垫片所开设的限流孔的孔径不同，从而通过更换不同的限流垫片，可以实现不同的限流效果。
在另一种可选的实施例中，半导体沉积设备还可以包括排空管路600和第二抽气泵700，排空管路600的一端与第二管路300相连通，排空管路600的另一端与第二抽气泵700相连通，且排空管路600与第二管路300的连通处可以位于第二阀门组件310与第二管路300的进气端之间。第二抽气泵700用于为排空管路600提供负压。
排空管路600可以设置有第四阀门组件610，第四阀门组件610用于控制排空管路600与第二管路300通断。在第二反应源未通入反应腔室100时，第二反应源可以通入排空管路600，用于稳定第二反应源的流量。在第二反应源通入反应腔室100时，第四阀门组件610关闭，排空管路600与第二管路300不连通。
具体的操作步骤中，在上述第一步时，打开第四阀门组件610，由于第二阀门组件310关闭，因此第二反应源不会通入反应腔室100，而是通入排空管路600，以将第二反应源的流量调至稳定状态。
此方案中，在第二反应源通入前其流量已经调至平稳状态，从而避免反应腔室100内的气量发生突变，提高半导体沉积设备的工艺性能，同时还能够缩短气路之间的切换时间。
在另一种可选的实施例中，第二管路300还可以设置有第五阀门组件320，具体地，第二阀门组件310靠近反应腔室100，第五阀门组件320靠近第二反应源供气源。排空管路600与第二管路300的连通处可以位于第二阀门组件310和第五阀门组件320之间，分流管路510与第二管路300的连通处也可以位于第二阀门组件310和第五阀门组件320之间。此方案中，在排空管路600进行稳流操作时，分流管路510同时进行分流，因此使得分流管路510内的第二反应源流量稳定，因此进一步提高气路切换的稳定性。
上述实施例中，反应腔室100连接有抽气泵，用于将反应腔室100内的气体抽出，从而使得反应腔室100内的总量不变。在另一种可选的实施例中，第二抽气泵700可以与反应腔室100可以相连通。此方案中，反应腔室100与排空管路600共用同一个抽气泵，从而能够简化半导体沉积设备的结构，降低半导体沉积设备的制造成本。
在另一种可选的实施例中，第一管路200包括主管路201、第一连接管203路和第二连接管204路，主管路201的一端用于与载气气源相连通，主管路201的另一端与反应腔室100相连通。
第一连接管203的一端与主管路201相连通，第一连接管203的另一端与第一反应源的储存装置900连通。第二连接管204的一端与主管路201相连通，第二连接管204的另一端与第一反应源的储存装置900连通。此时主管路201与第一反应源的储存装置900形成回路。
第一阀门组件210可以包括第一控制阀211、第二控制阀212和第三控制阀213，第一控制阀211位于第一连接管203与第二连接管204之间，第一连接管203可以设置有第二控制阀212，第二连接管204可以设置有第三控制阀213，第二连接管204可以位于主管路201靠近反应腔室100的一端，也就是说，第一连接管203位于靠近载气气源的一端。
在上述第一步中，第一控制阀211关闭，第二控制阀212和第三控制阀213打开，通入的载气由主管路201进入到第一连接管203，然后进入到第一反应源的储存装置900内，携带储存装置900内的第一反应源进入到第二连接管204，再返回主管路201，然后进入到反应腔室100内。
在上述第二步、第三步和第四步中，打开第一控制阀211，关闭第二控制阀212和第三控制阀213，此时，载气不经过第一连接管203、储存装置900和第二连接管204，而是由主管路201直接进入到反应腔室100内。
此方案中，通过控制第一控制阀211、第二控制阀212和第三控制阀213的开启或关闭，即可完成气路的转换，因此使得半导体沉积设备的操作方式简单可靠。同时，也进一步缩短了气路的切换时间。
在另一种可选的实施例中，本申请公开的半导体沉积设备还可以包括第三管路800，第三管路800与反应腔室100相连通，第三管路800用于通入载气。此方案中，第三管路800通入的载气能够对反应腔室100进行吹扫，从而使得反应腔室100内的第一反应源和第二反应源能够分布的更加均匀，进一步提高薄膜沉积的均匀性。
在另一种可选的实施例中，平衡气体管路400可以通过第二管路300与反应腔室100相连通，第二管路300与反应腔室100连通的一端可以为第一端。平衡气体管路400与第二管路300的连通处可以位于第二阀门组件310与第一端之间。此方案中，平衡气体管路400通过第二管路300与反应腔室100连通，因此反应腔室100可以仅开设一个连通孔，从而使得反应腔室100的开孔数量较少，进而提高了反应腔室100的密封性能。同时优化了半导体沉积设备的部部件之间的布局。
在另一种可选的实施例中，第三管路800可以通过主管路201与反应腔室100相连通，主管路201与反应腔室100连通的一端可以为第二端，第三管路800与主管路201的连通处可以位于第二连接管204和主管路201的连通处与第二端之间。此方案与上述方案所达到的效果相同，本文不再赘述。
可选地，第三管路800可以设置有第六阀门组件810，第六阀门组件810用于控制第三管路800与主管路201的通断。
本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体沉积设备，其特征在于，包括反应腔室(100)、第一管路(200)、第二管路(300)、平衡气体管路(400)和分流装置(500)；
所述第一管路(200)、所述第二管路(300)和所述平衡气体管路(400)均与所述反应腔室(100)相连通，所述第一管路(200)设置有第一阀门组件(210)，所述第二管路(300)设置有第二阀门组件(310)，所述平衡气体管路(400)设置有第三阀门组件(410)，所述第一管路(200)用于通入第一反应源和载气，所述第二管路(300)用于通入第二反应源，所述平衡气体管路(400)用于通入平衡气体；
所述分流装置(500)包括分流管路(510)和第一抽气泵(520)，所述分流管路(510)的一端与所述第二管路(300)相连通，且所述分流管路(510)与所述第二管路(300)的连通处位于所述第二阀门组件(310)与所述第二管路(300)的进气端之间，所述分流管路(510)的另一端与所述第一抽气泵(520)相连通，所述分流管路(510)用于在所述反应腔室(100)通入所述第二反应源时，分流所述第二反应源。
2.根据权利要求1所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述分流装置(500)还包括限流件(530)，所述限流件(530)设置于所述分流管路(510)，所述限流件(530)用于限流所述第二反应源。
3.根据权利要求2所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述限流件(530)为针阀。
4.根据权利要求2所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述限流件(530)为限流垫片，所述限流垫片开设有限流孔。
5.根据权利要求1所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述半导体沉积设备还包括排空管路(600)和第二抽气泵(700)，所述排空管路(600)的一端与所述第二管路(300)相连通，且所述排空管路(600)与所述第二管路(300)的连通处位于所述第二阀门组件(310)与所述第二管路(300)的进气端之间，所述排空管路(600)的另一端与所述第二抽气泵(700)相连通，所述排空管路(600)设置有第四阀门组件(610)，所述第四阀门组件(610)用于控制所述排空管路(600)与所述第二管路(300)通断，在所述第二反应源未通入所述反应腔室(100)时，所述第二反应源通入所述排空管路(600)，用于稳定所述第二反应源的流量。
6.根据权利要求5所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述第二管路(300)还设置有第五阀门组件(320)，所述排空管路(600)与所述第二管路(300)的连通处位于所述第二阀门组件(310)和所述第五阀门组件(320)之间，所述分流管路(510)与所述第二管路(300)的连通处位于所述第二阀门组件(310)和所述第五阀门组件(320)之间。
7.根据权利要求6所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述第二抽气泵(700)与所述反应腔室(100)相连通。
8.根据权利要求1所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述第一管路(200)包括主管路(201)、第一连接管(203)和第二连接管(204)，所述主管路(201)的一端用于与载气气源相连通，所述主管路(201)的另一端与所述反应腔室(100)相连通；
所述第一连接管(203)的一端与所述主管路(201)相连通，所述第一连接管(203)的另一端用于与所述第一反应源的储存装置(900)连通，所述第二连接管(204)的一端与所述主管路(201)相连通，所述第二连接管(204)的另一端用于与所述储存装置(900)连通；
所述第一阀门组件(210)包括第一控制阀(211)、第二控制阀(212)和第三控制阀(213)，所述第一控制阀(211)位于所述第一连接管(203)与所述第二连接管(204)之间，所述第一连接管(203)设置有第二控制阀(212)，所述第二连接管(204)设置有第三控制阀(213)，所述第二连接管(204)位于所述主管路(201)靠近所述反应腔室(100)的一端。
9.根据权利要求8所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述半导体沉积设备还包括第三管路(800)，所述第三管路(800)与所述反应腔室(100)相连通，所述第三管路(800)用于通入所述载气。
10.根据权利要求9所述的半导体沉积设备，其特征在于，所述平衡气体管路(400)通过所述第二管路(300)与所述反应腔室(100)相连通，所述第二管路(300)与所述反应腔室(100)连通的一端为第一端，所述平衡气体管路(400)与所述第二管路(300)的连通处位于所述第二阀门组件(310)与所述第一端之间；
所述第三管路(800)通过所述主管路(201)与所述反应腔室(100)相连通，所述主管路(201)与所述反应腔室(100)连通的一端为第二端，所述第三管路(800)与所述主管路(201)的连通处位于所述第二连接管(204)和所述主管路(201)的连通处与所述第二端之间。
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