CN115613009A - 原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及一种原子层沉积设备。该原子层沉积设备包含：过渡腔、扩散腔以及一或多个抽气结构。过渡腔具有进气口以接收气体。扩散腔从第一端部延伸到第二端部，且在径向方向上第一端部的宽度小于第二端部的宽度，且扩散腔与过渡腔连通且经配置以容纳待沉积的半导体晶片。一或多个抽气结构与扩散腔连通。与现有技术相比，本申请提供的一种原子层沉积设备，其通过对沉积设备的腔体结构和进源方式进行改进，减少了沉积过程的每个循环的时间，提高了沉积效率。

Description

原子层沉积设备

技术领域

本发明大体上涉及半导体制造领域，且更特定来说，涉及一种原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积(Atomic Layer Deposition)是通过腔体内交替引入气相反应物，通过交替的表面饱和反应，进行自限制薄膜沉积生长的技术。原子层沉积具有结合强度高、膜层均匀性好、成分均匀性好等优点，现已被广泛应用到微电子系统、存储器介电层、光学薄膜等诸多领域。

等离子体增强原子层沉积(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)扩展了普通原子层沉积系统对前驱体源的选择范围，提高了薄膜沉积速率，降低了沉积温度，因此可广泛应用于对温度敏感材料和柔性衬底上薄膜的沉积。因此，等离子体增强原子层沉积是原子层沉积的一种良好的补充。

然而，为满足等离子体能量均匀性的要求，等离子体增强原子层沉积腔体的体积一般设计都相对较大，这导致了原子层沉积过程的每个循环的时间较长、沉积效率低，从而严重制约了其在工业应用上的产能。

因此，需要对现有技术的原子层沉积设备进行改进，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本申请的目的之一在于提供一种原子层沉积设备，其解决了沉积过程的每个循环时间较长以及沉积效率低等问题。

根据本申请的一实施例，本申请提供了一种原子层沉积设备，其包括：过渡腔、扩散腔以及一或多个抽气结构。过渡腔具有进气口以接收气体。扩散腔从第一端部延伸到第二端部，且在径向方向上第一端部的宽度小于第二端部的宽度，且扩散腔与过渡腔连通且经配置以容纳待沉积的半导体晶片。一或多个抽气结构与扩散腔连通。

与现有技术相比，本申请提供的一种原子层沉积设备，其通过对沉积设备的腔体结构和进源方式进行改进，减少了沉积过程的每个循环的时间，提高了沉积效率。同时，本申请提供的沉积设备其既可以用于等离子体增强原子层沉积也可以用于原子层沉积。

附图说明

在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中的例示来获得其他实施例的附图。

图1为本申请实施例提供的一种原子层沉积设备的结构示意图。

图2A-2B为本申请实施例提供的两种喷淋构件的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种环形进源结构的结构示意图。

图4为图1中所示的结构A的放大示意图。

图5为本申请实施例提供的另一种环形进源结构的结构示意图。

图6为图1所示的原子层沉积设备的部分结构的剖视示意图。

图7为图6所示的结构B的放大示意图。

图8为具有两个环形进源结构的原子层沉积设备的部分结构的剖视示意图。

图9为根据本申请实施例提供的另一种原子层沉积设备的结构示意图。

具体实施方式

为更好的理解本申请的精神，以下结合本申请的部分优选实施例对其作进一步说明。

以下详细地讨论本申请的各种实施方式。尽管讨论了具体的实施，但是应当理解，这些实施方式仅用于示出的目的。相关领域中的技术人员将认识到，在不偏离本申请的精神和保护范围的情况下，可以使用其他部件和配置。

图1为本申请实施例提供的一种原子层沉积设备的结构示意图。

如图1所示，原子层沉积设备10包括过渡腔102、喷淋构件104、等离子体产生设备106、环形进源结构108、扩散腔110、环形抽气结构112以及晶片支撑平台114。

过渡腔102具有进气口102a以接收气体。该气体可为工艺气体或非工艺气体。

喷淋构件104设置于过渡腔102中且包括多个扩散孔104a。图2A-2B为本申请实施例提供的两种喷淋构件104的结构示意图。如图1和图2A-2B所示，扩散孔104a均匀分布于喷淋构件104上。图2A和图2B的区别仅在于图2A的中心区域部分105没有分布扩散孔104a。通过在过渡腔102中设置具有均匀分布的扩散孔104a的喷淋构件104，可以使得从进气口102a进入的气体可以均匀地进入过渡腔102内，从而有利于腔体内成分的均匀分布和沉积的均匀性。应当理解，具有均匀分布的扩散孔104a的喷淋构件104仅仅只是本申请的一个优选实施例，在本申请的其他实施例中，扩散孔104a也可不必均匀分布于喷淋构件104上。

等离子体产生设备106设置于过渡腔102的外周缘。在本申请的一实施例中，等离子体产生设备106可为射频线圈。该射频线圈可围绕过渡腔102的外周缘，当射频线圈中被通入高频电流后，经过喷淋构件104的工艺气体可被激发为等离子体。在本申请的另一实施例中，等离子体产生设备106也可为远程等离子体源。

环形进源结构108设置于过渡腔102和扩散腔110之间。图3为本申请实施例提供的环形进源结构的结构示意图。如图1和图3所示，环形进源结构108包括环形本体116、进源孔118、环形槽120、密封槽122以及进气管道124。进源孔118具有多个，其圆周式分布于环形本体116的内表面上，且与扩散腔110连通。圆周式均匀分布的进源孔118可以保证扩散腔110内的前驱体的均匀分布。在本申请的一些实施例中，进源孔118的数量为4个-40个，且每一进源孔118的孔径为1mm-2mm。图4为图1中所示的结构A的放大示意图。如图4所示，在本申请一实施例中，进源孔118与水平面的夹角为30°。本申请的其他一些实施例中，进源孔118与水平面的夹角还可为0°-30°。通过对进源孔118的数量、孔径以及与水平面的夹角的具体设定，本申请实施例提供的原子层沉积设备10可以产生更好的前驱体均匀扩散的效果，从而进一步有利于腔体内成分的均匀分布和沉积的均匀性。环形槽120设置于环形本体116上并与进源孔118连通。环形槽120可以保证前驱体沿进源孔118进入到扩散腔110内。密封槽122设置于环形本体116上。密封槽122的内部安装有密封圈(未示出)，以保证环形槽120内的前驱体不会扩散到外部。在本申请的其他实施例中，密封圈可为O型环。进气管道124设置于环形本体116上并延伸到环形槽中120。进气管道124经配置以接收前驱体以及载气。图5为本申请实施例提供的另一种环形进源结构的结构示意图。如图5所示，环形进源结构108'包括环形本体116'、进源孔118'、环形槽120'、密封槽122'以及进气管道124'和125。环形进源结构108'和图3所示的环形进源结构108的结构大体上类似，区别在于环形进源结构108'具有两个进气管道124'和125。通过设置两个进气管道，其与来自过渡腔102的成分不仅可以实现使用单个进气管道时可具有的A+B的反应模式，还可以进行A+B+C或(A+B)+(A+C)或A+(B+C)等反应模式。

扩散腔110与过渡腔102连通且用于容纳待沉积的半导体晶片126。扩散腔110从第一端部110a延伸到第二端部110b，且在径向方向上第一端部110a的宽度小于第二端部110b的宽度。这种结构的扩散腔110可有利于扩散腔110内成分的均匀扩散。通过在第一端部110a处与环形进源结构108的进源孔118连通，扩散腔110可以接收来自环形进源结构108的载气以及前驱体。在本申请的一实施例中，如图1所示，扩散腔110采用喇叭形结构设计。喇叭形结构设计可进一步有利于扩散腔110内成分的均匀扩散，同时还可便于扩散腔110内部成分被快速置换(即，扩散腔110内过量的反应物被快速抽到腔外)。更具体而言，喇叭边缘的曲线结构对气体流场的存在着影响；圆滑的喇叭边缘结构，对扩散腔110内气体的平顺流动有利，可以让扩散腔110内的气体以及反应物以队列的形式，有序进入扩散腔110内，或有序被抽到扩散腔110外。然而，在本申请的其他实施例中，扩散腔110还可以为其他结构形式，例如梯形结构或穹顶状结构等。

环形抽气结构112环绕扩散腔110布置并与扩散腔110连通。图6为图1所示的原子层沉积设备的部分结构的剖视示意图。参见图1和图6，环形抽气结构112包括：环形主体128、环形抽气通道130以及抽气管道132。环形抽气通道130设置于环形主体128上，以形成环形抽气通路。图7为图6所示的结构B的放大示意图。参见图6和图7，环形抽气通道130和扩散腔110之间设置有狭缝134。在本申请一实施例中，狭缝134具有一高度h。在本申请一实施例中，狭缝134的高度h可为1mm-3mm。然而，应当理解，在本申请的其他实施例中，狭缝134的高度h也可为其他的数值，在此不做具体限定。狭缝134用以将环形抽气结构112的环形抽气通道130与扩散腔110连通，从而可将扩散腔110中的成分抽出。抽气管道132设置于环形主体128上并延伸到环形抽气通道130。扩散腔110中的成分可依次经由狭缝134、环形抽气通道130以及抽气管道132抽出。抽气管道132可进一步与外部的抽气构件(未示出)相连，以实现真空抽气。在本申请一实施例中，环形抽气通道130的等效直径可为20mm-100mm。然而，应当理解，在本申请的其他实施例中，环形抽气通道130的等效直径也可为其他的数值，在此不做具体限定。

晶片支撑平台114用于支撑待沉积的半导体晶片126。晶片支撑平台114可具有加热构件(未示出)，以对承载于晶片支撑平台114上的半导体晶片126进行加热。

图8为具有两个环形进源结构的原子层沉积设备的部分结构的剖视示意图。如图8所示，在本申请另一实施例中，原子层沉积设备可包括两个环形进源结构，即环形进源结构108以及环形进源结构109。环形进源结构109设置于环形进源结构108上。环形进源结构109的结构与环形进源结构108的结构相同，在此不再赘述。通过设置两个环形进源结构，其与来自过渡腔102的成分不仅可以实现使用单个环形进源结构时可具有的A+B的反应模式，还可以进行A+B+C或(A+B)+(A+C)或A+(B+C)等反应模式。

以图1为例，当使用本申请实施例提供的一种原子层沉积设备10进行原子层沉积时，首先，保证载气在循环过程中始终通过环形进源结构108的进气管道124稳定持续地通入扩散腔110中。沉积开始时，从环形进源结构108的进气管道124通入载气和前驱体，前驱体会随载气均匀地进入到扩散腔110中，此时上方的过渡腔102内经由喷淋构件104通入来自过渡腔102的进气口102a的非工艺气体，从而快速均匀地扩散到半导体晶片126的表面，实现半导体晶片126的表面的饱和吸附；接着，关闭前驱体，而来自环形进源结构108的进气管道124的载气和过渡腔102上方的非工艺气体则持续通入扩散腔110，直至未反应的前驱体被完全吹扫干净；随后，关闭非工艺气体，从过渡腔102的进气口102a通入工艺气体(此操作可保证腔体内气体压力的稳定)，工艺气体可进一步经由过渡腔102中的喷淋构件104均匀地进入到过渡腔102中，并同时启动远程等离子体源或射频线圈，使该工艺气体处于具有较高活性能的激发态，随着气体的流动，处于激发态的工艺气体，可通过喇叭形的扩散腔110均匀地到达半导体晶片126的表面，与半导体晶片126的表面上的前驱体发生反应；最后，关闭工艺气体和远程等离子体源或射频线圈，通入非工艺气体(此操作可保证腔体内气体压力的稳定)，直至过量的工艺气体经由载气被完全吹扫干净；如此实现了一层沉积。重复执行1-4次上述步骤，从而可实现原子层沉积。

本申请实施例所提供的原子层沉积设备至少具有以下优点：1、工艺气体可均匀地进入过渡腔内，从而有利于腔体内成分的均匀分布和沉积的均匀性；2、载气可带着前驱体可均匀地进入到扩散腔中，从而可快速均匀地扩散到半导体晶片的表面；3、通过对扩散腔的形状构造进行改进，有利于扩散腔内成分的均匀扩散，同时还可便于扩散腔内部成分被快速置换；以及4、通过环形抽气结构，提高了气体在半导体晶片表面水平方向上的流动性，进一步保证半导体晶片表面成分的一致性，有效提高了沉积薄膜的均匀性。5、与现有技术相比，本申请实施例通过设置环形抽气结构，改变了常规的抽气方式，节省了原子层沉积设备的底部空间。

与现有技术相比，本申请实施例所提供的原子层沉积设备采用特殊的腔体结构和进源方式，便于腔体内气体的置换，减少了每次循环的循环时间，提高了沉积效率。

图9为根据本申请实施例提供的另一种原子层沉积设备的结构示意图。如图9所示，原子层沉积设备20包括过渡腔202、喷淋构件204、等离子体产生设备206、环形进源结构208、扩散腔210、环形抽气结构212以及晶片支撑平台214。原子层沉积设备20与如图1所示的原子层沉积设备10的主要结构相同，区别仅在与原子层沉积设备20还包括底部抽气结构216。该底部抽气结构216设置于扩散腔210的底部。底部抽气结构216可与外部的抽气构件(未示出)相连，以实现真空抽气。在图9中，底部抽气结构216表现为底部抽气通道的形式。然而，在本申请的其他一些实施例中，底部抽气结构216还可以为其他结构形式，只要能够实现真空抽气即可。通过同时设置环形抽气结构212以及抽气通道216，可以进一步提高单一抽气模式时气体在半导体晶片表面水平方向上的流动性，进一步保证半导体晶片表面成分的一致性，可以进一步提高沉积薄膜的均匀性。另外，通过两种抽气模式结合，可提高抽气速率，减少沉积时间，进一步提高沉积速率。

另外，在本申请的一些实施例中，可以仅设置底部抽气结构216，而无需环形抽气结构212。这样的结构同样能够保证半导体晶片表面成分的一致性，提高沉积薄膜的均匀性。

需要说明的是，在本说明书通篇中对“本申请一实施例”或类似术语的参考意指连同其它实施例一起描述的特定特征、结构或特性包含于至少一个实施例中且可未必呈现在所有实施例中。因此，短语“本申请一实施例”或类似术语在本说明书通篇中的各处的相应出现未必指同一实施例。此外，可以任何适合方式来组合任何特定实施例的所述特定特征、结构或特性与一或多个其它实施例。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。

Claims (13)

1.一种原子层沉积设备，其包括：

过渡腔，其具有进气口以接收气体；

扩散腔，其从第一端部延伸到第二端部，且在径向方向上所述第一端部的宽度小于所述第二端部的宽度，所述扩散腔与所述过渡腔连通且经配置以容纳待沉积的半导体晶片；以及

一或多个抽气结构，其与所述扩散腔连通。

2.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其中所述扩散腔包括喇叭形结构、梯形结构或穹顶状结构中的一者。

3.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其中所述一或多个抽气结构包括环绕所述扩散腔并与所述扩散腔连通的环形抽气结构，所述环形抽气结构包括：

环形主体；

环形抽气通道，其设置于所述环形主体上；以及

抽气管道，其设置于所述环形主体上并延伸到所述环形抽气通道。

4.根据权利要求3所述的原子层沉积设备，其中所述环形抽气通道和所述扩散腔之间设置有狭缝，以将所述环形抽气结构与所述扩散腔连通。

5.根据权利要求1或3所述的原子层沉积设备，其中所述一或多个抽气结构包括底部抽气结构，其设置于所述扩散腔的底部。

6.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其进一步包括：

喷淋构件，其设置于所述过渡腔中且包括多个扩散孔。

7.根据权利要求6所述的原子层沉积设备，其中所述多个扩散孔均匀分布于所述喷淋构件的表面上。

8.根据权利要求6所述的原子层沉积设备，其中所述多个扩散孔均匀分布于所述喷淋构件的除中心区域部分以外的表面上。

9.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其进一步包括：

等离子体产生设备，其设置于所述过渡腔的外周缘。

10.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其进一步包括：一或多个环形进源结构，其设置于所述过渡腔和所述扩散腔之间；其中所述一或多个环形进源结构包括：

环形本体；

多个进源孔，其圆周式分布于所述环形本体的内表面上；

环形槽，其设置于所述环形本体上并与所述多个进源孔连通；以及

一或多个进气管道，其设置于所述环形本体上并延伸到所述环形槽中。

11.根据权利要求10所述的原子层沉积设备，其中所述一或多个环形进源结构进一步包括设置于所述环形本体上的密封槽以及设置于所述密封槽中的密封圈。

12.根据权利要求10所述的原子层沉积设备，其中所述多个进源孔中的每一者与水平面的夹角为0°-30°。

13.根据权利要求1所述的原子层沉积设备，其进一步包括：晶片支撑平台，其设置于所述扩散腔中且经配置以支撑所述半导体晶片。

Images