CN116752106A - 用于反应溅射的物理气相沉积设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，包括：溅射腔体、溅射组件、基座及导气组件；基座位于溅射腔体内，用于承载基板；溅射组件位于溅射腔体顶部，用于产生溅射粒子；导气组件位于溅射腔体内，且间隔设置于基座上方，导气组件包括进气管、3个以上喷气管及遮蔽板，进气管与反应气体源相连通，3个以上喷气管一端与进气管相连通，另一端朝基座中心上方水平延伸，用于沿水平方向供应反应气体，3个以上喷气管在同一水平面上间隔分布，遮蔽板位于所有喷气管的中央，且遮蔽板与各喷气管的喷气口具有水平间距。采用本发明可以大幅优化反应气体分压的分布均匀性，改善反应溅射膜层的厚度和方阻均匀性，提升产品良率以及厂家的产出率。

Description

用于反应溅射的物理气相沉积设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种半导体设备，特别是涉及一种用于反应溅射的物理气相沉积设备。

背景技术

PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）磁控溅射是芯片制造过程中沉积金属氧化物和氮化物膜等相关材料层时广泛采用的方法。

传统的PVD溅射腔中，反应气体进气口位置的设计通常有两种：一种是设置在腔体侧面靠近靶材侧面的位置，即设置在腔体上部；另一种是在腔体侧面靠近腔体底部的位置，即设置在腔体下部。这两种设计都存在缺陷。比如如果进气口是位于腔体上部，通入的反应气体会沿着基座外围的环形排气通道被迅速抽走，造成晶圆中心的气体分压明显低于晶圆边缘的气体分压。此外，因为进气口靠近靶材，容易造成靶材“中毒”。如果进气口位于腔体下部，气体也很难在晶圆上实现均匀分布。因此以上两种进气口设计都很难实现反应气体在晶圆表面区域的均匀分布。尤其是对于一些反应速度极快的氧化膜反应溅射，从晶圆边缘向晶圆中心扩散的氧气等反应气体往往来不及扩散就在晶圆边缘附近被消耗掉了，因而沉积出来的导电氧化物膜层常常会出现晶圆边缘方阻明显高于晶圆中心方阻的情形，导致方阻均匀性很差，由此导致生产良率的下降。

为解决此类问题，业内开始尝试水平供气方案。例如公开号为CN109536901A的专利申请中公开了一种反应溅射系统腔体进气装置，其包括通气圆环和八个气嘴。沉积过程中，气体从进气管注入，流经底座和通气圆环，分别自八个气嘴排出，所行经的八个气路的路径长度相同，八个圆环出气口对称均匀分布，使气体流经八个路径长度相同的气路，同时自八个处于同一水平面的气嘴中快速均匀等量出气，并且使气体相对比较均匀地分布于真空腔体中心以实现薄膜沉积。但是本申请的发明人针对此方案进行了大量实验及研究发现，这种方案虽然可以一定程度上改善薄膜沉积均匀性，但也存在新的问题。比如：1）由于所有气嘴的出气口都朝向晶圆中心，因此所有气嘴同时喷气会造成晶圆中心反应气体分压过大；2）由于气嘴具有一定长度，会对上方溅射下来的靶材粒子形成遮挡，造成一部分粒子会落在气嘴上而无法沉积到晶圆上，只有晶圆最中心没有气嘴遮挡，因此晶圆最中心易出现膜层偏厚的问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，用于解决现有的PVD溅射腔的进气口设置在腔体上部或下部的方式难以实现反应气体在晶圆表面区域的均匀分布，且已有公开的利用多个气嘴向晶圆中心方向水平供气的方案容易导致晶圆中心反应气体分压过大以及对溅射粒子的局部遮挡，造成晶圆中心沉积膜层偏厚等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，包括：溅射腔体、溅射组件、基座及导气组件；所述基座位于溅射腔体内，用于承载基板；所述溅射组件位于溅射腔体顶部，用于产生溅射粒子；所述导气组件位于溅射腔体内，且间隔设置于基座上方，所述导气组件包括进气管、3个以上喷气管及遮蔽板，所述进气管与反应气体源相连通，3个以上喷气管一端与进气管相连通，另一端朝基座中心上方水平延伸，用于沿水平方向供应反应气体，3个以上喷气管在同一水平面上间隔分布，所述遮蔽板位于所有喷气管的中央，且遮蔽板与各喷气管的喷气口具有相同的水平间距。

可选地，所述进气管为环形管路，所述喷气管为偶数个，偶数个喷气管在进气管内侧对称分布。

可选地，所述喷气管的出气端管径大于进气端管径。

更可选地，所述喷气管的喷气端管径为5mm-10mm。

可选地，所述喷气管管口与基板中心点的水平距离为50mm-100mm。

可选地，所述遮蔽板为圆形板，遮蔽板所在平面低于喷气管所在的平面。

可选地，所述遮蔽板的相对两端与连接杆相连接而固定于腔体内。

可选地，所述遮蔽板的直径为50mm-90mm，所述遮蔽板与喷气管管口的水平距离为20mm-50mm。

可选地，所述遮蔽板为金属板，所述遮蔽板与直流电源电连接，以根据需要对遮蔽板进行通断电，改变遮蔽板对溅射粒子的吸附力。

可选地，所述物理气相沉积设备还包括与所述导气组件相连接的升降装置，以根据需要改变导气组件相较于溅射组件的垂直间距。

可选地，所述物理气相沉积设备还包括与遮蔽板相连接的驱动组件，所述驱动组件用于驱动遮蔽板旋转，以根据需要改变遮蔽板与水平面的夹角。

可选地，所述驱动组件驱动遮蔽板在0-45°的角度内往复旋转。

如上所述，本发明的用于反应溅射的物理气相沉积设备，具有以下有益效果：本发明提供的物理气相沉积设备经改善的结构设计，通过喷气管和遮蔽板的配合，能大幅优化反应气体分压的均匀性，由此改善反应溅射膜层的厚度均匀性和方阻均匀性，提升产品良率以及厂家的产出率，从而极大地提高集成电路/半导体器件生产厂家的经济效益。

附图说明

图1显示为本发明提供的用于反应溅射的物理气相沉积设备的例示性截面结构示意图。

图2显示为本发明提供的物理气相沉积设备的导气组件的例示性俯视结构示意图。

图3显示为本发明提供的物理气相沉积设备的遮蔽板于一示例中的旋转示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

如图1至图3所示，本发明提供一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，包括：溅射腔体11、溅射组件、基座13及导气组件。所述溅射腔体11通常为金属腔体，腔体上设置有排气口（未示出），排气口可以设置于低于基板14的位置，例如设置于腔体底部或腔体侧壁靠近底部的位置。所述基座13位于溅射腔体11内，用于承载基板14，基板14放置于基座13上并可通过环设于基板边缘上方的压环22固定。所述基板14例如为硅晶圆，但不仅限于此，例如还可以为玻璃基板14、SiC基板或GaN基板等。即本实施例提供的物理气相沉积设备不限于硅晶圆的薄膜沉积，还可以用于SiC和GaN基板的薄膜沉积以及其他基板14的薄膜沉积。所述基座13内可以设置有加热和/或冷却装置，以根据需要对基板14温度进行调节。所述基座13底部设置有支撑轴15，该支撑轴15延伸到溅射腔体11外部。支撑轴15可以驱动基座13旋转和/或升降，由此带动基板14旋转和/或升降。

所述溅射组件位于溅射腔体11顶部，用于产生溅射粒子。所述溅射组件通常包括磁铁121以及靶材122。磁铁121可以为永磁体和/或电磁铁，优选永磁体。所述靶材122的材质则根据沉积需要而定，例如可以是钽靶、铜靶、铝靶、钒靶等单一材质靶，也可以是复合靶。靶材122与溅射电源电连接，以向靶材122输出溅射功率，使得靶材122表面的原子或原子团被氩离子轰击并逸出而形成溅射粒子。所述溅射组件还可以进一步包括惰性气体管路（未示出），惰性气体管路的进气口可以临近靶材122设置，以向靶材122周围输送氩气等惰性气体。惰性气体经电激发产生用于轰击靶材122的正离子。

所述导气组件位于溅射腔体11内，且间隔设置于基座13上方，或者说导气组件与基座13在纵向上具有距离，该距离较佳地为10mm-50mm。所述导气组件包括进气管16、3个以上喷气管17及遮蔽板18，所述进气管16与反应气体源相连通。反应气体例如为氧气或氮气。3个以上喷气管17一端与进气管16相连通，另一端朝基座13中心上方，也即朝环状进气管16的中心水平延伸，用于沿水平方向供应反应气体，3个以上喷气管17在同一水平面上间隔分布，所述遮蔽板18则位于所有喷气管17的中央，且遮蔽板18与各喷气管17的喷气口具有相同的水平间距（即遮蔽板18与喷气管17在同一平面的正投影没有任何重合）。在较佳的示例中，各喷气管17的尺寸，包括长度及管径等参数均相同，各喷气管17的喷气口距离基板14中心的水平距离相同。也就说，各喷气管17的喷气口间隔位于同一圆周上，而该圆周则位于基座13正上方，且该圆周的中心点与基座13中心点在同一垂线上。

所述物理气相沉积设备还可以设置有挡板21，挡板21沿着溅射腔体11内壁自溅射组件向下延伸到基座13外围。挡板21可以用于防止溅射粒子沉积至溅射腔体11内壁造成污染。所述物理气相沉积设备进一步设置有压环22，压环22自基板14边缘上方延伸到挡板21表面。压环22可与基板边缘直接接触，也可以不接触。当压环未与基板接触时，压环22与基板14之间的间隙（该间隙为两者之间的纵向距离，该距离例如为1mm-5mm）形成环形排气通道，未反应的反应气体经该排气通道流经至位于腔体下部的排气口排出。

使用本实施例提供的物理气相沉积设备进行反应溅射薄膜沉积时，反应气体通过喷气管17向基板14中心上方水平喷出并沿水平方向扩散，与溅射粒子结合而在基板14表面反应形成薄膜。由于各喷气管17均向中心方向水平喷出反应气体，因而对应基板14中心正上方的反应气体浓度相较于其他区域会偏大，这虽然可以弥补现有的反应溅射沉积设备中基板14中心反应气体浓度不足的缺陷，但是又可能会导致中心膜层沉积偏厚的问题。而配合使用遮蔽板18就可以有效解决此类问题。遮蔽板18的设置，可以防止反应气体在中心过度聚集（反应气体过度聚集会造成中心气体分压过高，甚至造成靶材122中毒）。在进一步的示例中，还可以通过转动遮蔽板18以加速反应气体的均匀分布。同时，遮蔽板18可以遮挡溅射粒子，减少中心区域的粒子沉积速率，避免中心区域的膜层沉积过厚。因而，采用本发明提供的物理气相沉积设备，通过喷气管和遮蔽板的配合，能显著优化反应气体分压的均匀性，由此改善反应溅射薄膜沉积的厚度均匀性和方阻均匀性，提升产品良率以及厂家的产出率，从而极大地提高集成电路/半导体器件生产厂家的经济效益。

所述导气组件的设置可以根据薄膜沉积需要灵活调整。但在较佳的示例中，所述进气管16为环形管路，所述喷气管17为偶数个，偶数个喷气管17在进气管16内侧对称分布。例如喷气管17为4个，6个或8个（发明人经大量实验发现，若用于8寸晶圆沉积，则最佳的数量为6个，若用于12寸晶圆沉积，则最佳的数量为8个）。偶数个喷气管17成对设置，即每两个喷气管17位于同一直径上。导气组件各部分的材质优选相同，例如均为金属材质，包括但不限于不锈钢，铝或者钛合金。

喷气管17管口与基座13中心点（更确切地说是与喷气管17位于同一平面，且与基座13中心点位于同一垂线上的点）的距离对反应气体浓度分布均匀性影响很大。若不希望中心浓度过高，则应适当加大距离，反之则应减小该距离。发明人经大量实验发现，当喷气管17管口与基板14中心点的水平距离为50mm-100mm（本实施例中在涉及数值范围时，如无特殊说明，均包括端点值），更佳地为65-85mm时，可以满足现有大部分反应溅射薄膜沉积需求。且较佳地，所述喷气管17的出气端管径等于或略大于进气端管径，有助于确保反应气体沿水平喷出。而喷气管17的喷气端管径较佳地为5mm-10mm。遮蔽板18的尺寸同样对反应气体分布及溅射粒子的分布有很大的影响。在各喷气管17中心形成一圆形区域的情况下，所述遮蔽板18为圆形板，且遮蔽板18所在平面略低于喷气管17所在的平面。发明人经大量实验发现，在确保所述遮蔽板18与喷气管17管口的距离保持在20mm-50mm的前提下，所述遮蔽板18的直径较佳地为50mm-90mm。

在遮蔽板18为金属板的情况下，所述遮蔽板18可与直流电源电连接，以根据需要对遮蔽板18进行通断电，改变遮蔽板18对溅射粒子的吸附力。例如溅射出的金属粒子部分带正电，则在沉积的初始阶段，可以使遮蔽板18带正电，以减少对溅射粒子的吸附，增加基板14中心的薄膜沉积量；而在沉积后期，则可以使遮蔽板18带负电，因而遮蔽板18对金属粒子的吸附力增加，以使基板14中心的薄膜沉积相对放缓，由此使得最终沉积出的薄膜具有良好的均匀性。

所述遮蔽板18可以任意适宜的方式固定于基座13中心上方。例如其可以通过连接件直接固定于腔体内。例如于一示例中，所述遮蔽板18的相对两端与连接杆19相连，连接杆19穿过工艺腔体的转接法兰，并与外面的驱动组件相连（未示出），由此将遮蔽板18固定于腔体内。

在一些示例中，导气组件的位置可以是固定不变的，包括遮蔽板18和喷气管17的位置均固定不变。而在另外的示例中，所述物理气相沉积设备还包括与所述导气组件相连接的升降装置（未示出），以根据需要改变导气组件，包括改变喷气管17和遮蔽板18相较于溅射组件的垂直间距，有助于进一步提高薄膜沉积均匀性。在另外一些示例中，也可以驱动进气管和喷气管的旋转。

在另一示例中，喷气管17保持固定不动，所述物理气相沉积设备还包括与遮蔽板18和连接杆19相连接的驱动组件，所述驱动组件用于驱动遮蔽板18旋转，以根据需要改变遮蔽板18与水平面的夹角。遮蔽板18的转动可以加速反应气体的流动，进一步促进反应气体的均匀分布，且还可以改变遮蔽板18在水平面上的遮挡面积，改变对溅射粒子的遮挡能力，由此有助于进一步提高薄膜的方阻均匀性和厚度均匀性。例如如图3所示，可以设置与遮蔽板18相连接的转轴，以驱动遮蔽板18在角度θ范围内往复转动。在另外的示例中，若遮蔽板18的相对两端与连接杆19固定连接，也可以通过驱动连接杆19的旋转带动遮蔽板18的旋转，对此不做限制。遮蔽板18最大旋转角度可以根据膜厚调整的需要进行调整，但发明人经大量实验发现，该角度较佳地为0-45°，更佳地为0-30度。具体地，在薄膜沉积过程中，如果只是最中心小范围，例如直径10-20cm的中心区域的膜厚偏厚，则需要增加最大旋转角度，只遮蔽最中心区域；如果直径20-40cm的中心区域都有膜厚偏厚的问题，则需要减小最大旋转角度，增大遮蔽区域的面积。遮蔽板18转动类似于电风扇摇头装置围绕转轴的往复转动，夹角运动范围是先从0°到 θ， 再从θ到0°，如此往复旋转，直至完成所需厚度的薄膜沉积。

在另外的示例中，还可以驱动遮蔽板18在同一水平面内旋转，也可以对反应气体形成扰动，加速反应气体的均匀扩散。或者遮蔽板18在同一水平面旋转以及绕水平面旋转相结合，可以进一步改善沉积均匀性。

在前述的示例中，遮蔽板18可以是表面积固定不变的平面板。而在另外一些示例中，遮蔽板18可以是表面积可调的结构，例如遮蔽板可以为类似伞状结构，通过另外设置的与遮蔽板18的伞面相连接的开合装置，在沉积过程中根据沉积需要，调整遮蔽板18的开合面积（即像收伞过程一样），由此调整遮蔽板18的遮蔽面积。在另外的示例中，遮蔽板可以是由两个半圆形板或若干扇形板拼接构成的圆形板，根据沉积需要调整板块间的间距以调整遮蔽面积。

沉积过程中，可以根据经验调整遮蔽板18的遮蔽面积。但较佳地为在沉积过程中，采用膜厚量测装置获取薄膜沉积厚度分布情况，根据量测结果及时调整遮蔽板18的遮蔽面积，比如采用前述方案中的使遮蔽板18绕转轴旋转或者调整遮蔽板18的开合大小。这将有助于进一步提高薄膜沉积均匀性。

在另外一些示例中，可以设置位于导气组件上方的喷气装置（未示出），以在需要时，例如在薄膜沉积后期向遮蔽板18方向供应惰性气体，这些惰性气体将沿着遮蔽板18的表面向四周扩散，与反应气体混合而加速反应气体的均匀扩散，有助于提高薄膜沉积均匀性。或者在其他的示例中，可以在遮蔽板18上设置惰性气体管路，以在需要时沿与反应气体供应方向相对的方向供应惰性气体。

发明人对本发明的物理气相沉积设备进行了大量实验，实验过程包括沉积氧化物薄膜和氮化物薄膜，沉积薄膜的厚度在100 nm以上。实验证实，采用本发明提供的物理气相沉积设备，即便按照常规方式进行薄膜沉积，也可以把氧化物膜层的方阻不均匀度（标准差为1个sigma）从现有的10%优化至4%以下，膜厚不均匀度从现有的6-8%优化至5%以下。若在沉积过程中根据需要对遮蔽板旋转以改变遮蔽板与水平面的夹角（可以使用某一个或者某几个角度，也可以在溅射的过程中持续旋转遮蔽板），则可以把氧化物膜层的方阻不均匀度和膜厚不要均匀度均降至3%以下。

本发明提供的物理气相沉积设备可以用于多种反应性复合薄膜的沉积，例如沉积诸如氧化铝、氧化钛和氧化钒等氧化物薄膜，或者沉积诸如氮化铝、氮化钛等氮化物薄膜等。对于氧化物薄膜，采用本发明的设备沉积出的薄膜的均匀性相较于现有技术的改善是最明显的。

综上所述，本发明提供一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，包括：溅射腔体、溅射组件、基座及导气组件；所述基座位于溅射腔体内，用于承载基板；所述溅射组件位于溅射腔体顶部，用于产生溅射粒子；所述导气组件位于溅射腔体内，且间隔设置于基座上方，所述导气组件包括进气管、3个以上喷气管及遮蔽板，所述进气管与反应气体源相连通，3个以上喷气管一端与进气管相连通，另一端朝基座中心上方水平延伸，用于沿水平方向供应反应气体，3个以上喷气管在同一水平面上间隔分布，所述遮蔽板位于所有喷气管的中央，且遮蔽板与各喷气管的喷气口具有相同的水平间距。本发明提供的物理气相沉积设备经改善的结构设计，通过喷气管和遮蔽板的配合，能大幅优化反应气体分压的分布均匀性，改善反应溅射膜层的厚度均匀性和方阻均匀性，提升产品良率，以及厂家的产出率，从而极大地提高集成电路/半导体器件生产厂家的经济效益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于反应溅射的物理气相沉积设备，其特征在于，包括：溅射腔体、溅射组件、基座及导气组件；所述基座位于溅射腔体内，用于承载基板；所述溅射组件位于溅射腔体顶部，用于产生溅射粒子；所述导气组件位于溅射腔体内，且间隔设置于基座上方，所述导气组件包括进气管、3个以上喷气管及遮蔽板；所述进气管与反应气体源相连通，3个以上喷气管一端与进气管相连通，另一端朝基座中心上方水平延伸，用于沿水平方向供应反应气体，3个以上喷气管在同一水平面上间隔分布，所述遮蔽板位于所有喷气管的中央，且遮蔽板与各喷气管的喷气口具有相同的水平间距。

2.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述进气管为环形管路，所述喷气管为偶数个，偶数个喷气管在进气管内侧对称分布。

3.根据权利要求2所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述喷气管的出气端管径大于进气端管径，所述喷气管的喷气端管径为5mm-10mm，所述喷气管管口与基板中心点的水平距离为50mm-100mm。

4.根据权利要求2所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述遮蔽板为圆形板，遮蔽板所在平面低于喷气管所在的平面。

5.根据权利要求4所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述遮蔽板的直径为50mm-90mm，所述遮蔽板与喷气管管口的水平距离为20mm-50mm。

6.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述遮蔽板的相对两端与连接杆相连接而固定于腔体内。

7.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述遮蔽板为金属板，所述遮蔽板与直流电源电连接，以根据需要对遮蔽板进行通断电，改变遮蔽板对溅射粒子的吸附力。

8.根据权利要求1所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述物理气相沉积设备还包括与所述导气组件相连接的升降装置，以根据需要改变导气组件相较于溅射组件的垂直间距。

9.根据权利要求1至8任一项所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述物理气相沉积设备还包括与遮蔽板相连接的驱动组件，所述驱动组件用于驱动遮蔽板旋转，以根据需要改变遮蔽板与水平面的夹角。

10.根据权利要求9所述的物理气相沉积设备，其特征在于，所述驱动组件驱动遮蔽板在0-45°的角度内往复旋转。