CN115478262B - 晶圆承载结构、热力学原子层沉积设备及薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了晶圆承载结构、热力学原子层沉积设备及薄膜制备方法。所述晶圆承载结构包括边缘环。所述边缘环支撑并封闭晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆的背部空间。通过配置该边缘环，所述晶圆承载结构能够减少化学源气体在晶圆背面的扩散，以避免晶圆背面长膜的情况，从而提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及芯片制造技术，尤其涉及一种晶圆承载结构、一种热力学原子层沉积设备，以及一种薄膜制备方法。
背景技术
热力学原子层沉积(Thermal ALD)工艺，主要通过化学源气体在晶圆(wafer)表面的扩散，并依赖加热盘带给晶圆的热量完成薄膜沉积。如图1所示，现有的热力学原子层沉积设备一般采用陶瓷支撑柱11来支撑晶圆12的背面，再通过加热盘13向晶圆12提供的热量来完成薄膜沉积。然而，由于晶圆12背面与加热盘13表面存在间隙，化学源气体会不可避免地流入加热盘13与晶圆12之间的背部空间，并在原子扩散和加热盘13提供热量的共同作用下，在晶圆12的背面沉积薄膜。
如图2所示，在采用现有的热力学原子层沉积设备在晶圆12正面生长厚度为的薄膜时，该晶圆背面的所有区域都会形成薄膜沉积，并在距离晶圆边缘10mm深度的范围内达到/>以上的背面薄膜厚度，从而严重影响晶圆乃至芯片的电气参数及可靠性。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种薄膜制备技术，用于减少化学源气体在晶圆背面的扩散，以避免晶圆背面长膜的情况，从而提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种晶圆承载结构、一种热力学原子层沉积设备，以及一种薄膜制备方法，能够减少化学源气体在晶圆背面的扩散，以避免晶圆背面长膜的情况，从而提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。
具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述晶圆承载结构包括边缘环。所述边缘环支撑并封闭晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆的背部空间。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述边缘环中包括支撑平台及凹槽。所述支撑平台支撑并封闭所述晶圆的次外边缘。所述凹槽围绕所述支撑平台的外侧，以暴露所述晶圆的最外边缘。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述凹槽的内径是根据所述晶圆的功能区域的直径来确定，以将背面薄膜的覆盖范围控制在所述功能区域之外。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述边缘环中还包括引导斜坡。所述引导斜坡围绕所述凹槽的外侧，并向内部凹陷，以引导所述晶圆滑落到所述支撑平台。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述凹槽和/或所述引导斜坡的表面为粗糙表面。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述凹槽的深度是根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，以确保所述凹槽的底部到所述晶圆的第一距离大于所述防打火距离下限。此外，所述凹槽的宽度是根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，以确保所述引导斜坡的内侧到所述晶圆的最外边缘的第二距离，以及所述凹槽的内侧到所述晶圆的最外边缘的第三距离，都大于所述防打火距离下限。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述晶圆承载结构还包括至少一根支撑柱。所述至少一根支撑柱的高度小于所述支撑平台的高度，并被设置在所述边缘环的内侧，支撑所述晶圆的背部的中心区域，以调节所述晶圆的翘曲度。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述至少一根支撑柱的高度是根据所述晶圆的目标翘曲度来确定。所述目标翘曲度是根据所述晶圆的背面薄膜的目标深度来确定。
此外，根据本发明的第二方面提供的上述热力学原子层沉积设备包括至少一个晶圆承载结构以及加热盘。所述晶圆承载结构选自本发明的第一方面提供的上述晶圆承载结构。所述晶圆承载结构安装在所述加热盘的外围，支撑并封闭晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆与所述加热盘之间的背部空间。所述加热盘加热所述晶圆，以促进反应气体在所述晶圆的正面生长薄膜。
此外，根据本发明的第三方面提供的上述薄膜制备方法包括以下步骤：根据晶圆的功能区域，确定背面薄膜的目标深度；根据所述目标深度，确定所述晶圆的目标翘曲度；根据所述目标翘曲度，确定晶圆承载结构的边缘环的目标高度；将所述晶圆放置在所述晶圆承载结构，由所述目标高度的边缘环支撑并封闭所述晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆的背部空间；以及向所述晶圆提供所述反应气体，以制备所述薄膜。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了现有热力学原子层沉积设备的剖面结构示意图。
图2示出了现有热力学原子层沉积设备生成的背面薄膜的厚度与深度的曲线图。
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的热力学原子层沉积设备的剖面结构示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施例提供的边缘环的剖面结构示意图。
图5示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜制备方法的流程示意图。
图6示出了根据本发明的一些实施例提供的热力学原子层沉积设备生成的背面薄膜的厚度与深度的曲线图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施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示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有的热力学原子层沉积设备一般采用陶瓷支撑柱11来支撑晶圆12的背面，再通过加热盘13向晶圆12提供的热量来完成薄膜沉积。然而，由于晶圆12背面与加热盘13表面存在间隙，化学源气体会不可避免地流入加热盘13与晶圆12之间的背部空间，并在原子扩散和加热盘13提供热量的共同作用下，在晶圆12的背面沉积薄膜，从而严重影响晶圆乃至芯片的电气参数及可靠性。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种晶圆承载结构、一种热力学原子层沉积设备，以及一种薄膜制备方法，能够减少化学源气体在晶圆背面的扩散，以避免晶圆背面长膜的情况，从而提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。
在一些非限制性的实施例中，本发明的第三方面提供的上述薄膜制备方法，可以经由本发明的第一方面提供的上述晶圆承载结构来实施。进一步地，在热力学原子层沉积(Thermal ALD)工艺的特定应用中，本发明的第一方面提供的上述晶圆承载结构可以安装于加热盘的外围，以构成本发明的第二方面提供的上述热力学原子层沉积设备，再经由该热力学原子层沉积设备来实施本发明的第三方面提供的上述薄膜制备方法。
首先请参考图3，图3示出了根据本发明的一些实施例提供的热力学原子层沉积设备的剖面结构示意图。
在图3所示的实施例中，本发明的第二方面提供的上述热力学原子层沉积设备中可以配置有加热盘31，以及安装于该加热盘外围的晶圆承载结构32。该加热盘31设于晶圆(未绘示)的下方，用于加热晶圆，以促进反应气体在晶圆表面产生薄膜沉积。该晶圆承载结构32用于支撑并封闭晶圆的外边缘，以防止反应气体进入晶圆与加热盘31之间的背部空间，从而避免晶圆背面长膜的情况，并提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。此外，通过减少进入晶圆与加热盘31之间的背部空间的反应气体，本发明还能有效减少加热盘31表面的薄膜沉积，从而延长加热盘31的使用时间和生命周期。
进一步地，在本发明的一些实施例中，该加热盘31以及该晶圆承载结构32可以被分别设置为圆盘形和圆环形，而其直径可以适应晶圆的实际尺寸来确定，在此不做限定。此外，该加热盘31可以选用铝材等导热材质来制备，并优选地具有平整表面，以提升晶圆受热的实时性及均匀性。此外，该晶圆承载结构32可以选用陶瓷等热稳定较高的绝缘材料来制备，用于防止晶圆边缘与晶圆承载结构32之间的打火现象，以避免该打火现象损坏晶圆。
请进一步参考图4，图4示出了根据本发明的一些实施例提供的边缘环的剖面结构示意图。
在图4所示的实施例中，上述边缘环32中可以设置有支撑平台41及凹槽42。该支撑平台41支撑并封闭晶圆的次外边缘(例如：晶圆最外边缘向内0.5～3mm的深度范围)，而该凹槽42围绕该支撑平台41的外侧，以暴露所述晶圆的最外边缘。通过设置该凹槽42，本发明可以暴露晶圆最外边缘的非功能区来消耗支撑平台41与晶圆背面交界位置的反应气体，并在晶圆背面最外边缘的非功能区生成薄膜来提升支撑平台41与晶圆背面交界位置的密封性，从而进一步防止反应气体进入晶圆与加热盘31之间的背部空间，以进一步避免晶圆背面长膜的情况。此外，通过设置凹槽42，本发明可以在防止反应气体进入晶圆与加热盘31之间的背部空间的前提下，增大晶圆的高曲率边缘与晶圆承载结构32的间隙距离，以进一步降低打火损坏晶圆的风险。
进一步地，在本发明的一些实施例中，上述凹槽42的内径(即凹槽42内侧到加热盘31圆心的距离)可以根据晶圆功能区域的直径来确定，通过将背面薄膜的覆盖范围控制在晶圆功能区域之外，以防止背面薄膜对晶圆乃至芯片的电气参数及可靠性产生影响。例如，凹槽42的内径可以设置为300～302mm，以确保晶圆直径300～302mm范围的中心区域具有精确、可靠的电气性能。
请进一步参考图4，在本发明的一些实施例中，上述边缘环32中还可以优选地设置有引导斜坡43。该引导斜坡43围绕凹槽42的外侧，并沿朝向内部的支撑平台41的方向逐渐向下凹陷。如此，在向热力学原子层沉积设备装填晶圆时，晶圆将在重力的作用下自由向下滑落，以自动落位到支撑平台41上方，并实现晶圆与加热盘31的圆心对准，从而提升晶圆的装填效率和热力学原子层沉积的效率。
更进一步地，在本发明的一些实施例中，凹槽42和/或引导斜坡43的表面可以被优选地设置为粗糙表面。通过提升凹槽42和/或引导斜坡43的表面粗糙度，本发明可以进一步促进薄膜在凹槽42和/或引导斜坡43表面的生长，促进反应气体在支撑平台41与晶圆背面交界位置的消耗，并提升薄膜与凹槽42和/或引导斜坡43表面之间的牢固度。例如，通过将凹槽42及引导斜坡43的表面粗糙度Ra提升到6.3，本发明可以提升反应气体在支撑平台41与晶圆背面交界位置的消耗速率，提升薄膜在凹槽42及引导斜坡43表面的生长速率，并将薄膜累计厚度上限从光滑表面的5μm提升到10μm以上。如此，本发明一方面可以进一步防止反应气体进入晶圆与加热盘31之间的背部空间，另一方面可以减少薄膜脱落导致的开腔维护次数，从而提升热力学原子层沉积工艺的生产效率及经济效益。
更进一步地，在本发明的一些实施例中，凹槽42的深度可以根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，用以确保凹槽42的底部到晶圆的纵向距离(即第一距离)大于该防打火距离下限，从而进一步防止晶圆的高曲率边缘与凹槽42底部的打火现象，并避免该打火现象损坏晶圆。在此，该防打火距离下限可以根据薄膜制备工艺的具体参数来确定，在此不做赘述和限定。该深度可以根据该防打火距离下限的范围，设置在0.5～0.6mm之间。
此外，在一些实施例中，凹槽42的宽度也可以根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，用以确保引导斜坡43的内侧到晶圆的高曲率边缘的横向距离(即第二距离)，以及凹槽42内侧到晶圆的高曲率边缘的横向距离(即第三距离)，都大于该防打火距离下限，从而进一步防止晶圆的高曲率边缘与引导斜坡43内侧及凹槽42内侧的打火现象，并避免该打火现象损坏晶圆。在此，该防打火距离下限可以根据薄膜制备工艺的具体参数来确定，在此不做赘述和限定。该宽度可以根据该防打火距离下限的范围，设置在1.0～1.5mm之间。
进一步地，由于本发明采用边缘环32来支撑晶圆的外边缘，而其中部处于悬空状态，晶圆的中心区域将在重力作用下发生轻微的向下塌陷，而其边缘区域将随中心区域的塌陷而向上翘曲，并在支撑平台41与晶圆背面交界位置产生一定横向深度的缝隙，从而增大背面薄膜的横向深度。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，为了调节并控制背面薄膜的横向深度，晶圆承载结构还可以优选地包括至少一根支撑柱33。该至少一根支撑柱的高度小于支撑平台41的高度，并被设置在边缘环32的内侧，以支撑晶圆的背部的中心区域。通过配置该至少一根支撑柱33来支撑晶圆背部的中心区域，以限制晶圆中心的塌陷程度，本发明可以有效调节晶圆边缘的翘曲度，以控制背面薄膜的横向深度。
具体来说，在一些实施例中，该至少一根支撑柱33可以选用陶瓷等热稳定较高的绝缘材料来制备，其末端可以倒圆角，以防止支撑柱33末端与晶圆背面之间的打火现象，从而避免该打火现象损坏晶圆。此外，在一些实施例中，该至少一根支撑柱33可以具有比加热盘31高出0.03～0.05mm的固定高度，并通过更换具有不同高度的边缘环32来调节晶圆边缘的翘曲度。
以下将结合一些薄膜制备方法的实施例，描述上述晶圆承载结构及热力学原子层沉积设备调节晶圆边缘的翘曲度的原理。本领域的技术人员可以理解，这些薄膜制备方法的实施例只是本发明提供一些非限制性的实施方式，旨在清楚的展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该晶圆承载结构及热力学原子层沉积设备的全部功能或全部工作方式。同样地，该晶圆承载结构及该热力学原子层沉积设备也只是本发明提供一种非限制性的实施方式，不对这些薄膜制备方法中各步骤的实施主体构成限制。
请结合参考图3及图5，图5示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜制备方法的流程示意图。
如图5所示，在薄膜的制备过程中，技术人员可以首先根据晶圆的功能区域的范围(例如：直径300～302mm)确定允许生长背面薄膜的目标深度(例如：0.5～1.0mm)，再根据该目标深度确定晶圆的目标翘曲度。之后，技术人员可以根据该目标翘曲度，确定晶圆承载结构的边缘环32与该至少一根支撑柱33的目标高度差，并由此确定该边缘环32的目标高度(例如：0.1～1.0mm)。再之后，技术人员可以经由卡扣、螺纹、螺栓等可拆卸架构，将具有目标高度边缘环32的晶圆承载结构安装到底座(例如：加热盘31)，并晶圆放置到该晶圆承载结构，由目标高度的边缘环32支撑并封闭该晶圆的外边缘，以防止反应气体进入该晶圆的背部空间。再之后，技术人员可以向晶圆提供反应气体，以在其正面制备薄膜。进一步地，在图3所示的热力学原子层沉积工艺的具体应用中，技术人员还可以在向晶圆提供反应气体的同时，经由加热盘31加热晶圆，以促进反应气体在晶圆表面产生薄膜沉积。
请参考图6，图6示出了根据本发明的一些实施例提供的热力学原子层沉积设备生成的背面薄膜的厚度与深度的曲线图。
如图6所示，通过采用本发明的第一及第二方面提供的上述晶圆承载结构及热力学原子层沉积设备，并向晶圆加热并提供反应气体，以在其正面生长厚度为的薄膜，晶圆背面的薄膜厚度都得到了显著的降低。尤其是在边缘环32与加热盘31的相对高度(CHB)达到0.24mm(即边缘环32与支撑柱33的相对高度达到0.2mm)时，晶圆背面的薄膜深度被进一步降低到0.2mm以内。此时，晶圆背面几乎不长膜，具有极佳的电气参数及可靠性。
综上，本发明提供的上述晶圆承载结构、一种热力学原子层沉积设备，以及一种薄膜制备方法，能够减少化学源气体在晶圆背面的扩散，以避免晶圆背面长膜的情况，从而提升制备的晶圆及芯片的电气参数及可靠性。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (9)
1.一种晶圆承载结构，其特征在于，包括边缘环，其中，所述边缘环中包括支撑平台及凹槽，所述支撑平台支撑并封闭所述晶圆的次外边缘，所述凹槽的表面为粗糙表面，并围绕所述支撑平台的外侧，暴露所述晶圆的最外边缘的非功能区来消耗所述支撑平台与所述晶圆背面交界位置的反应气体，并在所述晶圆背面的最外边缘的非功能区生成薄膜来提升所述支撑平台与所述晶圆背面交界位置的密封性，以防止反应气体进入所述晶圆的背部空间。
2.如权利要求1所述的晶圆承载结构，其特征在于，所述凹槽的内径是根据所述晶圆的功能区域的直径来确定，以将背面薄膜的覆盖范围控制在所述功能区域之外。
3.如权利要求1所述的晶圆承载结构，其特征在于，所述边缘环中还包括引导斜坡，所述引导斜坡围绕所述凹槽的外侧，并向内部凹陷，以引导所述晶圆滑落到所述支撑平台。
4. 如权利要求3所述的晶圆承载结构，其特征在于，所述引导斜坡的表面为粗糙表面。
5.如权利要求3所述的晶圆承载结构，其特征在于，所述凹槽的深度是根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，以确保所述凹槽的底部到所述晶圆的第一距离大于所述防打火距离下限，和/或
所述凹槽的宽度是根据薄膜制备工艺的防打火距离下限来确定，以确保所述引导斜坡的内侧到所述晶圆的最外边缘的第二距离，以及所述凹槽的内侧到所述晶圆的最外边缘的第三距离，都大于所述防打火距离下限。
6.如权利要求1所述的晶圆承载结构，其特征在于，还包括至少一根支撑柱，所述至少一根支撑柱的高度小于所述支撑平台的高度，并被设置在所述边缘环的内侧，支撑所述晶圆的背部的中心区域，以调节所述晶圆的翘曲度。
7.如权利要求6所述的晶圆承载结构，其特征在于，所述至少一根支撑柱的高度是根据所述晶圆的目标翘曲度来确定，所述目标翘曲度是根据所述晶圆的背面薄膜的目标深度来确定。
8. 一种热力学原子层沉积设备，其特征在于，包括：
至少一个如权利要求1~7中任一项所述的晶圆承载结构；以及
加热盘，其中，所述晶圆承载结构安装在所述加热盘的外围，支撑并封闭晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆与所述加热盘之间的背部空间，所述加热盘加热所述晶圆，以促进反应气体在所述晶圆的正面生长薄膜。
9.一种薄膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据晶圆的功能区域，确定背面薄膜的目标深度；
根据所述目标深度，确定所述晶圆的目标翘曲度；
根据所述目标翘曲度，确定晶圆承载结构的边缘环的目标高度；
将所述晶圆放置在如权利要求1~7中任一项所述晶圆承载结构，由所述目标高度的边缘环支撑并封闭所述晶圆的外边缘，以防止反应气体进入所述晶圆的背部空间；以及
向所述晶圆提供所述反应气体，以制备所述薄膜。
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