CN115852337A - 喷淋板、半导体器件的加工设备以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷淋板、一种半导体器件的加工设备以及一种半导体器件的加工方法。所述喷淋板包括：顶板，设于所述喷淋板的顶部，其中心区域设有第一进气口，用于获取反应气体；喷淋头，设于所述喷淋板的底部，配合所述顶板形成混气腔，并经由设于所述喷淋头底部的多个出气孔，向下方的反应腔输出反应气体；以及限流环，设于所述喷淋板的中心区域与边缘区域之间，占据所述混气腔的部分高度，用于降低所述反应气体从所述中心区域向所述边缘区域的扩散流速。

Description

喷淋板、半导体器件的加工设备以及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工技术领域，一种喷淋板、一种半导体器件的加工设备以及一种半导体器件的加工方法。

背景技术

在半导体加工领域中，喷淋板对于半导体的加工至为重要。本领域目前的喷淋板使得反应气体和净化气体通过中心管路流入喷淋头，上述气体分别从喷淋头和中心管路外侧排除，并不能实现分区控制以及对于晶圆沉积薄膜厚度的均匀性的控制。因此，现有技术的喷淋板，在晶圆沉积时，会造成中心与边缘膜厚不均匀且难以独立控制，从而造成均匀性无法满足要求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种喷淋板，通过限流模块环来增加边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性，并且可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，从而减少成本并提高半导体加工的可靠性以及经济性。

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，本发明提供了一种喷淋板、一种半导体器件的加工设备以及一种半导体器件的加工方法，能够通过限流模块环来增加或降低边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性，并且可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，从而减少成本并提高半导体加工的可靠性以及经济性。

具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述喷淋板包括：顶板，设于所述喷淋板的顶部，其中心区域设有第一进气口，用于获取反应气体；喷淋头，设于所述喷淋板的底部，配合所述顶板形成混气腔，并经由设于所述喷淋头底部的多个出气孔，向下方的反应腔输出反应气体；以及限流环，设于所述喷淋板的中心区域与边缘区域之间，占据所述混气腔的部分高度，用于降低所述反应气体从所述中心区域向所述边缘区域的扩散流速。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述限流环设于所述顶板朝向所述喷淋头的下表面，或者所述喷淋头朝向所述顶板的上表面。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述限流环沿所述喷淋板的径向的截面形状选自三角形、半圆形、梯形或矩形。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述限流环的形状和/或高度是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述顶板的边缘区域还设有第二进气口，用于向所述边缘区域输入稀释气体，以降低所述喷淋板下方的晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述限流环与所述喷淋板的边缘之间的第一距离、所述第二进气口与所述边缘之间的第二距离，和/或所述限流环与所述第二进气口之间的第二距离，是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

进一步地，在本发明的一些实施例中，设于所述边缘区域的所述多个出气孔的孔径、密度和/或间距，是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

此外，根据本发明的第二方面提供的上述半导体器件的加工设备包括：反应腔，其中包括晶圆托盘，用于承载半导体器件的晶圆；以及如上所述的喷淋板，设于所述反应腔的上方，用于获取反应气体，并经由所述喷淋板底部的多个出气孔向所述反应腔输出反应气体，其中，所述反应气体在所述喷淋板的中心区域的第一流速大于其在所述喷淋板的边缘区域的第二流速。

此外，根据本发明的第三方面提供的上述半导体器件的加工方法包括以下步骤：将待加工的晶圆放置到反应腔中的晶圆托盘上；以及经由如权利要求1～4中任一项所述的喷淋板的第一进气口，向所述喷淋板输入反应气体，并经由所述喷淋板底部的多个出气孔向所述反应腔输出所述反应气体，其中，所述喷淋板设于所述反应腔的上方，所述反应气体在所述喷淋板的中心区域的第一流速大于其在所述喷淋板的边缘区域的第二流速。

进一步地，在本发明的一些实施例中，上述加工方法还包括以下步骤：经由所述喷淋板的第二进气口，向所述喷淋板输入稀释气体，以调节所述晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率，其中，所述第二进气口设于所述喷淋板的顶板的边缘区域。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述经由所述喷淋板的第二进气口，向所述喷淋板输入稀释气体，以调节所述晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率的步骤包括：监测所述晶圆的中心区域的第一薄膜厚度及所述晶圆的边缘区域的第二薄膜厚度；响应于所述第一薄膜厚度大于所述第二薄膜厚度，减小所述稀释气体的流量；以及响应于所述第一薄膜厚度小于所述第二薄膜厚度，增大所述稀释气体的流量。

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示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋板的示意图。

图2示出了根据本发明的一些实施例提供的限流模块环的示意图。

图3示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体器件的加工方法的流程示意图。

图4示出了根据传统喷淋板的各区域的沉积速率的示意图。

图5示出了根据本发明的一些实施例提供的各区域的沉积速率的示意图。

附图标记：

11 顶板；

12 喷淋头；

13 限流环；

111 第一进气口；

121 出气孔；

21 第二进气口；

22 限流环。

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，在半导体加工领域中，喷淋板对于半导体的加工至为重要。本领域目前的喷淋板使得反应气体和净化气体通过中心管路流入喷淋头，上述气体分别从喷淋头和中心管路外侧排除，并不能实现分区控制以及对于晶圆沉积薄膜厚度的均匀性的控制。因此，现有技术的喷淋板，在晶圆沉积时，会造成中心与边缘膜厚不均匀且难以独立控制，从而造成均匀性无法满足要求。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种喷淋板、一种半导体器件的加工设备以及一种半导体器件的加工方法，能够通过限流模块环来增加边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性，并且可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，从而减少成本并提高半导体加工的可靠性以及经济性。

在一些非限制性的实施例中，本发明的第一方面提供的喷淋板可以被配置于本发明的第二方面提供的上述半导体加工设备以实施本发明的第三方面提供的上述半导体器件的加工方法。

在本发明的一些实施例中，本发明的第二方面提供的半导体加工设备可以包括反应腔以及本发明的第一方面提供的喷淋板。在此，该反应腔可以包括晶圆托盘以承载半导体器件的晶圆。该喷淋板可以设于该反应腔的上方，用于获取反应气体。该喷淋板还可以经由该喷淋板底部的多个出气孔向该反应腔输出反应气体。在此，该反应气体可以在该喷淋板的中心区域的第一流速大于其在该喷淋板的边缘区域的第二流速。

请结合参考图1以及图2，图1示出了根据本发明的一些实施例提供的喷淋板的示意图。图2示出了根据本发明的一些实施例提供的限流模块环的示意图。

如图1以及图2所示，在本发明的一些实施例中，上述喷淋板可以包括：顶板11、喷淋头12以及限流环13。在此，该顶板11可以设于该喷淋板的顶部。该顶板11的中心区域可以设有第一进气口111，用于获取反应气体。该喷淋头12可以设于该喷淋板的底部，以配合该顶板形成混气腔，并经由设于该喷淋头底板的多个出气孔121，向下方的反应腔输出反应气体。上述限流环13可以设于该喷淋板的中心区域与边缘区域之间，占据该混气腔的部分高度，用于降低上述反应气体从上述中心区域向上述边缘区域的扩散流速。

进一步地，在本发明的一些实施例中，上述限流环13可以设于上述顶板11朝向上述喷淋头12的下表面，或者喷淋头朝向上述顶板11的上表面。

进一步地，在本发明的一些实施例中，上述限流环22沿上述喷淋板的径向的截面形状可以选自不同高度的三角形、半圆形、梯形或矩形。该限流环的具体形状以及对应高度可以根据边缘区域的沉积速率确定，并具有不同设计。具体来说，边缘区域的沉积速率较高时，可以选择三角形、半圆形等限制效果较弱的限流环形状并减小限流环的高度，以增大反应气体在边缘区域的扩散速率，从而减小边缘区域的沉积速率。反之，当边缘区域的沉积速率较低时，可以选择梯形、矩形等限制效果较强的限流环形状并增大限流环高度，以减小反应气体在边缘区域的扩散速率，从而增大边缘区域的沉积速率。

此外，在本发明的一些实施例中，上述限流环与上述喷淋板的边缘之间的第一距离、上述第二进气口与上述边缘之间的第二距离，以及该限流环与该第二进气口之间的第二距离，也可以根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定，并具有不同设计。具体来说，当边缘区域的沉积速率较高时，可以适当地减小上述第一距离并增大上述第二距离，以增大反应气体在边缘区域的扩散速率，从而减小边缘区域的沉积速率。反之，当边缘区域的沉积速率较低时，可以适当地增大上述第一距离并减小上述第二距离，以减小反应气体在边缘区域的扩散速率，从而增大边缘区域的沉积速率。

本领域的技术人员可以理解，上述三角形、半圆形、梯形或矩形截面的限流环只是本发明提供的一种优选方案，旨在调节通过的气体的流量，从而调节边缘区域的沉积速率，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，限流环也可以选用其他的截面形状，以取得对应的技术效果。

此外，在本发明的另一些实施例中，上述限流环22的高度可以根据在中心区域以及边缘区域的晶圆薄膜的厚度差值确定，从而限制中心流向边缘气体的流速，进而实现对于晶圆薄膜厚度的控制。

此外，在本发明的一些实施例中，上述顶板11的边缘区域还可以设有第二进气口21，用于向上述边缘区域输入稀释气体，以降低上述喷淋板下方的晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率。如此，本发明便能够根据需求通过结合限流模块环和边缘的稀释气体流量来增加或降低边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性，并且可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，从而减少成本，进而提高半导体加工的可靠性以及经济性。

此外，在本发明的另一些实施例中，稀释气体的出口孔的密度、间距、直径也被划分为不同的设计，以根据需求通过结合限流模块环和边缘的稀释气体流量来增加或降低边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性。该边缘区域的出气孔的孔径、密度以及间距可以根据边缘薄膜的沉积速率确定。具体来说，当边缘区域的沉积速率较高时，可以适当地增大边缘区域的出气孔的孔径和/或密度，和/或减小各出气孔之间的间距，以增大反应气体在边缘区域的扩散速率，从而减小边缘区域的沉积速率。反之，当边缘区域的沉积速率较低时，可以适当地减小边缘区域的出气孔的孔径和/或密度，和/或增大各出气孔之间的间距，以减小反应气体在边缘区域的扩散速率，从而增大边缘区域的沉积速率。

以下将结合一些半导体器件的加工方法的实施例来描述上述喷淋板的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些半导体器件的加工方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地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，而非用于限制该喷淋板的全部功能或全部工作方式。同样地，该喷淋板也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些半导体器件的加工方法中各步骤的执行主体构成限制。

请结合参考图1～图3。图3示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体器件的加工方法的流程示意图。

如图1～图3所示，上述半导体器件的加工方法可以首先将待加工的晶圆放置到反应腔中的晶圆托盘上。之后，该方法可以经由上述喷淋板的第一进气口23向上述喷淋板输入反应气体，并经由该喷淋板底部的多个出气孔121向上述反应腔输出所述反应气体。在此，该喷淋板设于该反应腔的上方，上述反应气体在该喷淋板的中心区域的第一流速大于其在该喷淋板的边缘区域的第二流速。如此，该方法便可以通过限流模块环来增加边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性。此外，该方法还可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，并减少成本。

进一步地，在半导体器件的加工过程中，上述加工方法还可以经由上述喷淋板的第二进气口21，向上述喷淋板输入稀释气体。在此，该第二进气口21可以设于该喷淋板的顶板11的边缘区域。如此，本发明可以根据需求通过结合限流模块环和边缘的稀释气体流量来增加或降低边缘薄膜的沉积速率，进而更精确地控制薄膜的均匀性。

具体来说，在本发明的一些实施例中，在经由上述喷淋板的第二进气口21，向该喷淋板输入稀释气体，以调节上述晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率的过程中，该加工方法可以监测上述晶圆的中心区域的第一薄膜厚度及所述晶圆的边缘区域的第二薄膜厚度。当该第一薄膜厚度大于该第二薄膜厚度，减小所述稀释气体的流量。当该第一薄膜厚度小于该第二薄膜厚度，增大上述稀释气体的流量。

请结合参考图4以及图5。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的各区域的沉积速率的示意图。图5示出了根据本发明的一些实施例提供的各区域的沉积速率的示意图。

如图4所示，当边缘区域沉积速率比中心区域低时，由于现有技术的喷淋板无法调节气体浓度，因此晶圆会出现中间厚两边薄的不均匀分布。然而，如图5所示，当边缘区域沉积速率较慢时，本发明可以降低甚至截断边缘区域的稀释气体流量，仅通过限流环阻碍从中心管路流出的气体扩散到喷淋板的边缘区域的反应气体流速。如此，低流速会增大边缘区域反应气体的浓度，最终提高晶圆边缘区域的沉积速率。

反之，当上述晶圆边缘区域沉积速率较快时，本发明可以通过增加稀释气体的流量来降低其沉积速率。如此，本发明便能够根据需求通过结合限流模块环和边缘的稀释气体流量来增加或降低边缘薄膜的沉积速率，进而控制薄膜的均匀性，并且可以通过简单的硬件设计达到工艺需求，从而减少成本并提高半导体加工的可靠性以及经济性。

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 (11)

1.一种喷淋板，其特征在于，包括：

顶板，设于所述喷淋板的顶部，其中心区域设有第一进气口，用于获取反应气体；

喷淋头，设于所述喷淋板的底部，配合所述顶板形成混气腔，并经由设于所述喷淋头底部的多个出气孔，向下方的反应腔输出反应气体；以及

限流环，设于所述喷淋板的中心区域与边缘区域之间，占据所述混气腔的部分高度，用于降低所述反应气体从所述中心区域向所述边缘区域的扩散流速。

2.如权利要求1所述的喷淋板，其特征在于，所述限流环设于所述顶板朝向所述喷淋头的下表面，或者所述喷淋头朝向所述顶板的上表面。

3.如权利要求1所述的喷淋板，其特征在于，所述限流环沿所述喷淋板的径向的截面形状选自三角形、半圆形、梯形或矩形。

4.如权利要求3所述的喷淋板，其特征在于，所述限流环的形状和/或高度是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

5.如权利要求1所述的喷淋板，其特征在于，所述顶板的边缘区域还设有第二进气口，用于向所述边缘区域输入稀释气体，以降低所述喷淋板下方的晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率。

6.如权利要求5所述的喷淋板，其特征在于，所述限流环与所述喷淋板的边缘之间的第一距离、所述第二进气口与所述边缘之间的第二距离，和/或所述限流环与所述第二进气口之间的第二距离，是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

7.如权利要求1所述的喷淋板，其特征在于，设于所述边缘区域的所述多个出气孔的孔径、密度和/或间距，是根据所述边缘区域的目标沉积速率来确定。

8.一种半导体器件的加工设备，其特征在于，包括：

反应腔，其中包括晶圆托盘，用于承载半导体器件的晶圆；以及

如权利要求1～7中任一项所述的喷淋板，设于所述反应腔的上方，用于获取反应气体，并经由所述喷淋板底部的多个出气孔向所述反应腔输出反应气体，其中，所述反应气体在所述喷淋板的中心区域的第一流速大于其在所述喷淋板的边缘区域的第二流速。

9.一种半导体器件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待加工的晶圆放置到反应腔中的晶圆托盘上；以及

经由如权利要求1～7中任一项所述的喷淋板的第一进气口，向所述喷淋板输入反应气体，并经由所述喷淋板底部的多个出气孔向所述反应腔输出所述反应气体，其中，所述喷淋板设于所述反应腔的上方，所述反应气体在所述喷淋板的中心区域的第一流速大于其在所述喷淋板的边缘区域的第二流速。

10.如权利要求9所述的加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：

经由所述喷淋板的第二进气口，向所述喷淋板输入稀释气体，以调节所述晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率，其中，所述第二进气口设于所述喷淋板的顶板的边缘区域。

11.如权利要求10所述的加工方法，其特征在于，所述经由所述喷淋板的第二进气口，向所述喷淋板输入稀释气体，以调节所述晶圆的边缘区域的薄膜沉积速率的步骤包括：

监测所述晶圆的中心区域的第一薄膜厚度及所述晶圆的边缘区域的第二薄膜厚度；

响应于所述第一薄膜厚度大于所述第二薄膜厚度，减小所述稀释气体的流量；以及

响应于所述第一薄膜厚度小于所述第二薄膜厚度，增大所述稀释气体的流量。

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