CN114774887A - 气体传输装置、方法和半导体沉积设备 - Google Patents

气体传输装置、方法和半导体沉积设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体设备技术领域，提供了一种气体传输装置、方法和半导体沉积设备。气体传输装置包括：进气传输单元和喷淋头，进气传输单元包括第一进气管道、第二进气管道、连通管道和截止阀，第一进气管道与第二进气管道之间设置连通管道，连通管道上设置截止阀；喷淋头分为第一喷淋分区和第二喷淋分区，第一喷淋分区与第一进气管道连接，第二喷淋分区与第二进气管道连接，第一喷淋分区和第二喷淋分区之间彼此独立不互通。通过设置独立进气管道和喷淋分区，控制进入各管道的气体，解决了反应腔室内气体分布不均的技术问题，达到了提高薄膜均匀性和清除效率的技术效果。

Description

气体传输装置、方法和半导体沉积设备
技术领域
本发明涉及半导体沉积设备技术领域，尤其是涉及一种气体传输装置、方法和半导体沉积设备。
背景技术
半导体沉积设备中，反应气体通过喷淋头进入反应腔，发生反应在半导体表面沉积一层薄膜。由于反应气体在反应腔内的气体密度和流动方向难以把控，如何保证薄膜的均一性一直是工艺的难题。比如沉积非晶碳膜时，喷淋头和加热盘分别作为上下电极，原位起等离子体沉积薄膜。通常情况下当压力较大时，边缘等离子体密度较小，因此边缘成膜较薄；当压力较小时，边缘等离子体密度较大，因此边缘成膜较厚。而为了不同性能的薄膜，压力是没法改变的。此时晶圆边缘膜厚存在有时偏厚有时偏薄的问题。
同时，在沉积过程中，由于等离子体的延展性，薄膜也会沉积在喷淋头和加热盘上，尤其是喷淋头和腔室内相交的侧壁，以及加热盘除了晶圆覆盖以外的区域，因为现有技术在清洁这两个区域的等离子体密度较小，为了把这两个区域清洁干净，常常会造成别的区域过刻蚀，引起颗粒物污染问题。现有喷淋头为了改善晶圆上沉积薄膜厚度均匀性只能通过调整喷淋头上喷淋孔的孔径分布，操作复杂，周期过长。且喷淋头边缘薄膜清洗效率过低，为了清洗干净，牺牲产能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体传输装置、方法和半导体沉积设备，以解决了现有技术中存在的薄膜沉积不均以及清除效率低的技术问题。
第一个方面，本发明实施例提供了一种气体传输装置，包括：进气传输单元和喷淋头，所述进气传输单元包括第一进气管道、第二进气管道、连通管道和截止阀，所述第一进气管道与所述第二进气管道之间设置所述连通管道，所述连通管道上设置所述截止阀；所述喷淋头分为第一喷淋分区和第二喷淋分区，所述第一喷淋分区与所述第一进气管道连接，所述第二喷淋分区与所述第二进气管道连接，所述第一喷淋分区和所述第二喷淋分区之间彼此独立不互通。
进一步的，所述喷淋头向喷淋方向的投影为第一圆形，所述第一喷淋分区向喷淋方向的投影为第二圆形，所述第一圆形的面积大于所述第二圆形的面积，且所述第一圆形和所述第二圆形的中心重合，所述第二喷淋分区向喷淋方向的投影为围绕所述第一喷淋分区的圆环形。
进一步的，所述第二圆形面积占所述第一圆形面积的50%至60%。
进一步的，所述喷淋头包括挡板，所述挡板将所述喷淋头分为所述第一喷淋分区和所述第二喷淋分区。
进一步的，所述喷淋头包括匀气板与匀气环，所述匀气板设置于所述第一喷淋分区，所述匀气板为所述第一喷淋分区提供均匀气体，所述匀气板上开设第一匀气通孔；所述匀气环设置于所述第二喷淋分区，所述匀气环为所述第二喷淋分区提供均匀气体，所述匀气环上开设第二匀气通孔。
进一步的，所述第一喷淋分区包括第一喷淋分区通孔，所述第二喷淋分区包括第二喷淋分区通孔，所述第一喷淋分区通孔的直径D1满足0.2mm≤D1≤0.4mm，所述第二喷淋分区通孔的直径D2满足0.2mm≤D2≤0.4mm。
进一步的，所述第一喷淋分区通孔和所述第二喷淋分区通孔的形状为喇叭形或直筒形。
第二个方面，本发明实施例提供了一种气体传输方法，基于前项任一项所述的气体传输装置，包括如下步骤：沉积时，截止阀关闭，第一组气体和第三组气体通过所述第一进气管道向所述第一喷淋分区供气，第三组气体通过所述第二进气管道向所述第二喷淋分区供气；清洁时，截止阀开启，第二组气体通入所述第二进气管道，第三组气体通入所述第一进气管道，通过所述连通管道实现所述第二组气体和所述第三组气体的混合流动。
进一步的，所述第一组气体为沉积反应气，所述第二组气体为清洁反应气，所述第三组气体为载气。
第三个方面，本发明实施例提供了一种半导体沉积设备，包括：腔室，加热盘以及至少具有一组如前项任一项所述的气体传输装置：所述腔室，至少设置一个，所述气体传输装置与所述腔室一一对应；所述气体传输装置安装于所述腔室顶部，所述气体传输装置在沉积时向所述腔室传输第一组气体和第三组气体，在清洁时向所述腔室传输第二组气体和第三组气体；所述加热盘位于所述腔室内部，设置于所述喷淋头下方。
本发明实施例至少具有以下技术效果：
本发明实施例提供的一种气体传输装置，通过两条进气管道分别接入喷淋头两个的独立喷淋分区，两条进气管道之间设置连通管道和截止阀，在不同的工艺状态下通过对截止阀的开启和关闭，实现对喷淋出气体分布的控制。沉积时，截止阀关闭，第三组气体通过第一进气管道和第二进气管道分别进入第一喷淋分区和第二喷淋分区，第一喷淋分区和第二喷淋分区分别喷淋出的第三组气体可以调节第一组气体在反应区域内的浓度分布，提升薄膜均匀性；清洁时，截止阀开启，第二组气体经由第二进气管道进入第二喷淋分区，同时经由连通管道和第一进气管道进入第一喷淋分区，第三组气体进入第一进气管道通过第一喷淋分区和第二喷淋分区后对第二组气体密度进行调节，提升清洁效率并减少颗粒物污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种气体传输装置及半导体沉积设备的局部剖面图；
图2为本发明实施例提供的一种气体传输装置的喷淋头的局部剖面图；
图3为本发明实施例提供的一种气体传输装置的结构原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种气体传输装置及半导体沉积设备的双子腔局部剖面图。
图标：3-截止阀；11-第一进气管道；12-第二进气管道；13-连通管道；20-挡板；21-第一喷淋分区；22-第二喷淋分区；41-第一腔室；42-第二腔室；51-第一加热盘；52-第二加热盘；211-匀气板；221-匀气环；2110-第一匀气通孔；2210-第二匀气通孔；2111-第一喷淋分区通孔；2211-第二喷淋分区通孔。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种气体传输装置，包括：进气传输单元和喷淋头，进气传输单元包括第一进气管道11、第二进气管道12、连通管道13和截止阀3，第一进气管道与第二进气管道之间设置连通管道，连通管道上设置截止阀；喷淋头分为第一喷淋分区21和第二喷淋分区22，第一喷淋分区21与第一进气管道11连接，第二喷淋分区22与第二进气管道12连接，第一喷淋分区21和第二喷淋分区22之间彼此独立不互通。
本实施例中，通过两条进气管道分别接入喷淋头两个的独立喷淋分区，两条进气管道之间设置连通管道和截止阀，在不同的工艺状态下通过对截止阀的开启和关闭，实现对喷淋出气体分布的控制。以本气体传输装置在沉积非晶碳膜工艺的应用为例，在沉积时，将截止阀关闭，成膜反应气体C3H6或C2H2通过第一进气管道进入第一喷淋分区，根据工艺中的实际成膜情况，将载气He、Ar、或He和Ar的混合气通入第一进气管道或第二进气管道，载气从第一喷淋分区进入到反应腔室可以稀释晶圆上方中间反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，从第二喷淋分区进入到反应腔室可以稀释晶圆上方边缘反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，通过控制气体进入的区域来调整晶圆上方反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，从而提升薄膜均匀性；在清洁时，将截止阀开启，清洁反应气体经由第二进气管道进入第二喷淋分区，同时经由连通管道和第一进气管道进入第一喷淋分区，载气进入第一进气管道通过第一喷淋分区和第二喷淋分区后对反应腔室内的清洁反应气体或等离子体密度进行调节，提升清洁效率并减少颗粒物污染。
可选的，喷淋头向喷淋方向的投影为第一圆形，第一喷淋分区向喷淋方向的投影为第二圆形，第一圆形的面积大于第二圆形的面积，且第一圆形和第二圆形的中心重合，第二喷淋分区向喷淋方向的投影为围绕第一喷淋分区的圆环形。优选的，第二圆形面积占第一圆形面积的50%至60%。第一喷淋分区为圆形以及第二喷淋分区为圆环形的设计可以满足气体向周围扩散的均一性。
可选的，如图2所示，喷淋头包括挡板20，挡板将喷淋头分为第一喷淋分区21和第二喷淋分区22。挡板20在喷淋方向上的投影为圆形，圆形的内部区域为第一喷淋分区21，圆形的外部区域为第二喷淋分区22。
可选的，喷淋头包括匀气板211与匀气环221，匀气板211设置于第一喷淋分区21，匀气板为第一喷淋分区提供均匀气体，匀气板211上开设第一匀气通孔2110；匀气环221设置于第二喷淋分区22，匀气环为第二喷淋分区提供均匀气体，匀气环221上开设第二匀气通孔2210。设置匀气板及匀气环的目的是缓冲及均匀气体，从管道而来的气体冲力较大，直接喷淋会导致气体分布不均，设置匀气板及匀气环后，从第一匀气通孔和第二匀气通孔流出的气体压力均匀，喷淋到反应腔室的气体才会更加均匀，增加成膜均匀性。
可选的，第一喷淋分区21包括第一喷淋分区通孔2111，第二喷淋分区22包括第二喷淋分区通孔2211，第一喷淋分区通孔的直径D1满足0.2mm≤D1≤0.4mm，第二喷淋分区通孔的直径D2满足0.2mm≤D2≤0.4mm。这样的孔径设计兼顾了气体流通速度和气体均匀性，孔径太小，气体流动速度变慢影响薄膜的沉积速率及清除速率，孔径太大，喷淋出的气体不够均匀影响生成薄膜的均匀性。通过调整孔径的大小，同样可以均匀气体分布，当薄膜中间薄、边缘厚时，可以通过增大第一喷淋分区通孔的直径或减小第二喷淋分区通孔的直径，从而减小边缘区域的反应气体或等离子体密度，调节薄膜整体均匀性。
可选的，第一喷淋分区通孔和第二喷淋分区通孔的形状为喇叭形或直筒形。本实施例中第一喷淋分区通孔2111为喇叭形，直径D1优选的为0.4mm，第二喷淋分区通孔2211为直筒形，直径D2优选的为0.32mm。当然也可以根据实际的生产需求进行调整，包括且不限于：第一喷淋分区通孔和第二喷淋分区通孔的形状都为喇叭形；第一喷淋分区通孔和第二喷淋分区通孔的形状都为直筒形；第一喷淋分区通孔的形状为直筒形，第二喷淋分区通孔的形状为喇叭形。
第二个方面，请参阅图3，本发明实施例提供了一种气体传输方法，基于前项任一项的气体传输装置，包括如下步骤：沉积时，截止阀关闭，第一组气体和第三组气体通过第一进气管道向第一喷淋分区供气，第三组气体通过第二进气管道向第二喷淋分区供气；清洁时，截止阀开启，第二组气体通入第二进气管道，第三组气体通入第一进气管道，通过连通管道实现第二组气体和第三组气体的混合流动。
以沉积非晶碳膜工艺的应用为例，在沉积时，将截止阀关闭，第一组气体为成膜反应气体C3H6或C2H2，第一组气体通过第一进气管道进入第一喷淋分区，根据工艺中的实际成膜情况，第三组气体为载气，载气可以是He、Ar、或He和Ar的混合气，第三组气体通入第一进气管道或第二进气管道，第三组气体从第一喷淋分区进入到反应腔室可以稀释晶圆上方中间反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，从第二喷淋分区进入到反应腔室可以稀释晶圆上方边缘反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，通过控制气体进入的区域来调整晶圆上方反应区域的成膜反应气体或等离子体密度，从而提升薄膜均匀性；在清洁时，将截止阀开启，第二组气体为清洁反应气体，清洁反应气体可以是O2、或O2、He、Ar的混合气，经由第二进气管道进入第二喷淋分区，同时经由连通管道和第一进气管道进入第一喷淋分区，第三组气体进入第一进气管道通过第一喷淋分区和第二喷淋分区后对反应腔室内的清洁反应气体或等离子体密度进行调节，提升清洁效率并减少颗粒物污染。
本实施例的重点在于，截止阀的开启和关闭与工艺状态密切相关，在沉积时，截止阀一定是关闭的，这样可以避免第一组气体也就是反应气体串流，从而影响第三组气体对反应区域反应气体或等离子体的控制效果；在清洁时，截止阀一定是开启的，因为要让第二组气体，也就是清洁反应气体，同时进入第一喷淋分区和第二喷淋分区，通过在第一进气管道通入第三组气体，也就是载气，调节清洁反应气体或等离子体密度在腔室内的分布，达到提升清洁效率，减少过刻的目的。
可选的，第一组气体为沉积反应气，第二组气体为清洁反应气，第三组气体为载气。载气既不与沉积反应气发生反应，也不与清洁反应气发生反应。因此，可以通过调节载气的通入量或载气的进气路径实现对腔室内反应气体或等离子体密度的调节。
第三个方面，本发明实施例提供了一种半导体沉积设备，包括：腔室，加热盘以及至少具有一组如前项任一项的气体传输装置：至少设置一个腔室，气体传输装置与腔室一一对应；气体传输装置安装于腔室顶部，气体传输装置在沉积时向腔室传输第一组气体和第三组气体，在清洁时向腔室传输第二组气体和第三组气体；加热盘位于腔室内部，设置于喷淋头下方。
本实施例以双子腔为例，请参阅图4，第一腔室41和第二腔室42上分别有如前项所述的气体传输装置，第一加热盘51位于第一腔室41内，第二加热盘52位于第二腔室42内，两个第一进气管道11相互独立，两个连通管道13相互独立，第二进气管道12为类“凸”字形，“凸”字中央凸出部分管道为两腔室共用管道，这样设计结构紧凑，减少管道分布便于设备集成小型化，节省占地面积。
以沉积含碳的薄膜后的清洗过程为例，比如清洁含碳的薄膜在沉积过程，由于等离子体的延展性，薄膜也会沉积在喷淋头和加热盘上，尤其是喷淋头和腔室内相交的侧壁以及加热盘除了晶圆覆盖以外的区域，这两个区域是较难清洁的位置，且这两处清洁的清洁反应气体O2等离子体密度较小，在相同的清洁时间里，为了把这两个区域清洁干净，常常会造成别的区域过刻蚀，引起颗粒物污染问题。本发明改善该问题的具体实施方法为：让截止阀3为开启状态，通过增加从第二进气管道进入的O2流量，来提高上述两个区域的清洁效率，从而减少过刻；也可以通过调节从第一进气管道进入的载气流量，来调节反应区域的清洁反应气体O2等离子体密度，从而提升清洁效率。
本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种气体传输装置，其特征在于，包括：
进气传输单元，所述进气传输单元包括第一进气管道、第二进气管道、连通管道和截止阀，所述第一进气管道与所述第二进气管道之间设置所述连通管道，所述连通管道上设置所述截止阀；
喷淋头，所述喷淋头分为第一喷淋分区和第二喷淋分区，所述第一喷淋分区与所述第一进气管道连接，所述第二喷淋分区与所述第二进气管道连接，所述第一喷淋分区和所述第二喷淋分区之间彼此独立不互通。
2.根据权利要求1所述的气体传输装置，其特征在于，所述喷淋头向喷淋方向的投影为第一圆形，所述第一喷淋分区向喷淋方向的投影为第二圆形，所述第一圆形的面积大于所述第二圆形的面积，且所述第一圆形和所述第二圆形的中心重合，所述第二喷淋分区向喷淋方向的投影为围绕所述第一喷淋分区的圆环形。
3.根据权利要求2所述的气体传输装置，其特征在于，所述第二圆形面积占所述第一圆形面积的50%至60%。
4.根据权利要求1所述的气体传输装置，其特征在于，所述喷淋头包括挡板，所述挡板将所述喷淋头分为所述第一喷淋分区和所述第二喷淋分区。
5.根据权利要求1所述的气体传输装置，其特征在于，所述喷淋头包括匀气板与匀气环，所述匀气板设置于所述第一喷淋分区，所述匀气板为所述第一喷淋分区提供均匀气体，所述匀气板上开设第一匀气通孔；
所述匀气环设置于所述第二喷淋分区，所述匀气环为所述第二喷淋分区提供均匀气体，所述匀气环上开设第二匀气通孔。
6.根据权利要求1所述的气体传输装置，其特征在于，所述第一喷淋分区包括第一喷淋分区通孔，所述第二喷淋分区包括第二喷淋分区通孔，所述第一喷淋分区通孔的直径D1满足0.2mm≤D1≤0.4mm，所述第二喷淋分区通孔的直径D2满足0.2mm≤D2≤0.4mm。
7.根据权利要求6所述的气体传输装置，其特征在于，所述第一喷淋分区通孔和所述第二喷淋分区通孔的形状为喇叭形或直筒形。
8.一种气体传输方法，基于权利要求1-7任一项所述的气体传输装置，其特征在于，包括如下步骤：
沉积时，截止阀关闭，第一组气体和第三组气体通过所述第一进气管道向所述第一喷淋分区供气，第三组气体通过所述第二进气管道向所述第二喷淋分区供气；
清洁时，截止阀开启，第二组气体通过所述第二进气管道通入，第三组气体通过所述第一进气管道通入，所述连通管道实现所述第二组气体和所述第三组气体的混合流动。
9.根据权利要求8所述的气体传输方法，其特征在于，所述第一组气体为沉积反应气，所述第二组气体为清洁反应气，所述第三组气体为载气。
10.一种半导体沉积设备，其特征在于，包括：腔室，加热盘以及至少具有一组如权利要求1-7中任一项所述的气体传输装置：
所述腔室，至少设置一个，所述气体传输装置与所述腔室一一对应；
所述气体传输装置安装于所述腔室顶部，所述气体传输装置在沉积时向所述腔室传输第一组气体和第三组气体，在清洁时向所述腔室传输第二组气体和第三组气体；
所述加热盘位于所述腔室内部，设置于所述喷淋头下方。
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