CN117867474B - 一种薄膜沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体加工技术领域，公开了一种薄膜沉积设备。该薄膜沉积设备包括腔体、加热装置和筒状结构。腔体包括内腔以及与内腔连通的进气通道，进气通道用于向内腔中通入工艺气体；加热装置包括朝向进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；筒状结构设置在加热装置外围，筒状结构设置有连通至外界气源的气体通道，以及与气体通道连通、且朝向晶圆周边的吹气口，辅助气体经过气体通道后，自吹气口吹向晶圆周边位置，筒状结构两端相互贯通。本申请提供的薄膜沉积设备，能够避免加热装置热应力形变的发生，保障了对晶圆加热的均匀性，进而保证了晶圆上薄膜沉积厚度的均匀性。

Description

一种薄膜沉积设备

技术领域

本申请实施例涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种薄膜沉积设备。

背景技术

薄膜沉积技术是在半导体生产制造过程中使用的重要核心工艺技术之一，是指在晶圆上沉积特定材料形成薄膜，使之具有光学、电学等某些方面特殊性能的一种加工技术。薄膜沉积设备的设计制造涉及化学、物理、工程等多门学科的跨界综合运用，其中一些薄膜沉积设备采用化学反应的原理进行沉积，被称为化学气相沉积设备。化学气相沉积设备是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质，在一定温度、浓度条件下、在晶圆表面上进行化学反应生成薄膜的设备。例如在沉积钨薄膜的时候，在一定条下将六氟化钨与氢气进行化学反应还原生成钨，并将钨沉积在晶圆表面，以形成具有均匀钨沉积层的薄膜。

在进行薄膜沉积反应过程中，除了通入反应气体外，也需要通过向晶圆周边通入辅助气体以避免晶圆背面和侧面出现钨沉积，并保证晶圆边缘的沉积反应效果，还需要从反应腔底部通入惰性气体阻止反应气体及反应产物在加热装置背面沉积。

然而，现有的这种薄膜沉积设备在通入气体反应加热时，加热装置会发生热应力形变，进而影响放置晶圆台面的平整度，造成薄膜沉积不均匀以及晶圆背面出现不必要的沉积。

发明内容

本申请实施方式的目的在于提供一种薄膜沉积设备，能够避免加热装置热应力形变的发生，保障了对晶圆加热的均匀性，进而保证了晶圆上薄膜沉积厚度的均匀性。

为解决上述技术问题，本申请的实施方式提供了一种薄膜沉积设备，该薄膜沉积设备包括腔体、加热装置和筒状结构。腔体包括内腔以及与内腔连通的进气通道，进气通道用于向内腔中通入工艺气体；加热装置包括朝向进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；筒状结构两端相互贯通，筒状结构一端连接内腔腔壁，另一端设置有供所述进气通道流出的工艺气体通过的开口，加热装置设置在筒状结构另一端的内部，筒状结构筒壁设置有连通至外界气源的气体通道，以及与气体通道连通、且朝向晶圆周边的吹气口，辅助气体经过气体通道后，自吹气口吹向晶圆周边位置。

本申请的实施方式提供的薄膜沉积设备，通过设置两端相互贯通的筒状结构，筒状结构一端连接内腔腔壁，另一端设置有供进气通道流出的工艺气体通过的开口，加热装置设置在筒状结构另一端的内部，筒状结构筒壁设置有连通至外界气源的气体通道，以及与气体通道连通、且朝向晶圆周边的吹气口。这样，在薄膜沉积过程中，原先经由加热装置内部管道流动的辅助气体，从加热装置外围设置的筒状结构中气体通道流出，并经由吹气口吹向晶圆周边。这种辅助气体不经过加热装置内部流动的结构，能够避免加热装置热应力形变的发生，保障了对晶圆加热的均匀性，进而保证了晶圆上薄膜沉积厚度的均匀性。

在一些实施方式中，辅助气体包括惰性气体和工艺气体，工艺气体用于补充在晶圆边缘处以参与晶圆边缘的沉积反应。

在一些实施方式中，气体通道包括垂直连通的第一段与第二段，第二段的一端形成吹气口。

在一些实施方式中，筒状结构外壁面邻近内腔腔壁设置。

在一些实施方式中，筒状结构还设置有抽气通道，以及与抽气通道连通的环状通道，环状通道环绕筒状结构中心设置，环状通道远离抽气通道的一端贯穿至筒状结构表面。

在一些实施方式中，环状通道与抽气通道连通的一端相对于环状通道开口于筒状结构表面的一端距离筒状结构中心轴线更近。

在一些实施方式中，环状通道沿中心轴线上截面的形状呈弯折状或者圆弧状。

在一些实施方式中，腔体内可升降地设置有与进气通道连通的喷头，工艺气体通过进气通道后，由喷头向载物台所在区域喷出。

在一些实施方式中，加热装置远离进气通道一侧设置有冷却装置。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一些实施例提供的薄膜沉积设备的结构示意图；

图2是现有技术薄膜沉积设备腔体内的一种结构示意图；

图3是本申请一些实施例提供的薄膜沉积设备中筒状结构俯视结构示意图。

附图标记说明：10-腔体；101-内腔；102-进气通道；20-加热装置；201-载物台；30-晶圆；40-筒状结构；401-气体通道；4011-第一段；4012-第二段；402-吹气口；403-抽气通道；404-环状通道；开口-405；50-喷头；60-冷却装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，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、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

薄膜沉积技术是在半导体生产制造过程中使用的重要核心工艺技术之一，是指在衬底材料上沉积特定物质材料形成薄膜，使之具有光学、电学等某些方面特殊性能的一种加工技术。现有的薄膜沉积工艺主要分为物理方法和化学方法两类。物理方法是利用热蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等物理过程，实现物质原子从源物质到衬底材料表面的物质转移。化学方法是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽，以合理的气流引入工艺腔室中，在衬底表面发生化学反应并在衬底表面上沉积薄膜的制备方法。

其中在利用化学方法进行薄膜沉积的设备中包括钨薄膜沉积设备，在沉积钨薄膜时，将一定温度、浓度、压强等条件下的六氟化钨与氢气进行反应生成钨和氢氟酸，氢氟酸气体被抽出反应腔，而生成的钨则沉积在晶圆上，形成具有特定理化性质的具有钨沉积层的晶圆。

这种利用化学方法沉积薄膜的设备，在进行薄膜沉积反应的过程中，除了通入反应气体外，也需要通过向晶圆周边通入辅助气体，以避免晶圆背面和侧面出现沉积，并保证晶圆边缘的沉积反应效果，还需要从反应腔底部通入惰性气体阻止反应气体及反应产物在加热装置背面部位沉积。原设备的通入辅助气体的通气管道经由加热装置的内部，在加热装置内部形成较多的孔道，这种孔道过多的加热装置在高温下容易发生热应力形变，进而影响放置晶圆台面的平整度，造成薄膜沉积不均匀以及晶圆背面出现不必要的沉积，也对加热装置的使用寿命产生影响。

因此，为了避免加热装置发生热应力形变，保证对晶圆加热的均匀性和薄膜沉积的均匀性，本申请一些实施例提供了一种薄膜沉积设备。通过在加热装置外围设置筒状结构，筒状结构设置有连通至外界气源的气体通道，以及与气体通道连通、且朝向晶圆周边的吹气口。这样，在薄膜沉积过程中，原先经由加热装置内部管道流动的辅助气体，从加热装置外围设置的筒状结构中气体通道流出，并经由吹气口吹向晶圆周边。这种辅助气体不经过加热装置内部流动的结构，避免了在加热过程中加热装置中存在过多的孔道造成的热应力变形，保障了对晶圆加热的均匀性，进而保证了晶圆上薄膜沉积厚度的均匀性。

下面结合图1说明本申请一些实施例提供的薄膜沉积设备。

如图1所示，本申请一些实施例提供的薄膜沉积设备，包括腔体10、加热装置20和筒状结构40。腔体10包括内腔101以及与内腔101连通的进气通道102，进气通道102用于向内腔101中通入工艺气体；加热装置20包括朝向进气通道102、用于承载晶圆30的载物台201，以及用于加热晶圆30的加热单元；筒状结构40两端相互贯通，筒状结构40一端连接内腔101腔壁，另一端设置有供进气通道102流出的工艺气体通过的开口405，加热装置20设置在筒状结构40另一端的内部，筒状结构40筒壁设置有连通至外界气源的气体通道401，以及与气体通道401连通、且朝向晶圆30周边的吹气口402，辅助气体经过气体通道401后，自吹气口402吹向晶圆30周边位置，筒状结构40两端相互贯通。

需要说明的是，上述腔体10为其他部件提供安装的空间，为沉积反应提供反应的场所，腔体10外观通常为立方体、圆柱体等，可根据加工工艺的需求确定腔体10的外形和材质，这里不加以限制。腔体10一侧的进气通道102通过管道与外部气源相连，为沉积反应提供参加反应所需要的气体，比如在钨沉积薄膜设备中提供一定比例和温度的六氟化钨和氢气气体。

加热装置20上的载物台201可以是加热装置20的部分外表面，也可以是连接在加热装置20上的具有独立结构的载物台201，载物台201用于放置晶圆30。载物台201可设置顶针，便于晶圆30的取放。载物台201导热性能和抗高温性能优异，能够将温度高效的传导到晶圆30表面，为薄膜沉积反应提供合适的反应温度。加热单元（图中未示出）可以是现有技术的满足功率要求的加热丝或者其他满足设备要求的加热方式。

气体通道401沿着筒状结构40侧壁一圈环绕设置有多个，可以内置特定材料制成的管道，也可以是筒状结构40侧壁本身围成的通道，气体通道401设置的数量要满足在一般进气量的情况下，保证晶圆30周边吹气均匀。气体通道401在筒状结构40的下方连通外部的辅助气体气源，如图1中箭头所示，辅助气体经由气体通道401后由吹气口402吹出，形成气帘，可以阻挡工艺气体流向加热装置20外侧的底部，从而避免在加热装置20底部位形成沉积。筒状结构40可以是用陶瓷材料制作的陶瓷环，陶瓷材料制作工艺成熟、能够在高温下保持性能稳定、不对沉积反应产生任何不利影响，能够很好的满足本申请一些实施例的要求。

此外，由于钨沉积反应的温度达到300摄氏度至500摄氏度，而通入的辅助气体温度一般是室温或者预热后温度不超过100摄氏度的气体。当向现有技术设备的通气管道中通入远低于反应温度的辅助气体时，辅助气体经由加热装置的通气管道流向晶圆周边，加热装置内部受辅助气体的影响会发生掉温现象，从而不能对晶圆表面均匀加热，影响晶圆表面的沉积反应，造成钨沉积层的厚度和均匀性不满足工艺要求。本申请提供的这种辅助气体不经过加热装置20内部结构流动的设备，也避免了这种掉温现象的发生，保证了晶圆30沉积质量。

本申请一些实施例提供的薄膜沉积设备通过在加热装置20外围设置筒状结构40，筒状结构40设置有连通至外界气源的气体通道401，以及与气体通道401连通、且朝向晶圆30周边的吹气口402。这样，在薄膜沉积过程中，原先经由加热装置20内部管道流动的辅助气体，从加热装置20外围设置的筒状结构40中气体通道401流出，并经由吹气口402吹向晶圆30周边。这种辅助气体不经过加热装置20内部流动的结构，可以避免如图2所示在加热装置20内部流通气体，使用过多的孔道而对加热装置20造成的热应力变形的发生，保障了对晶圆30加热的均匀性，进而保证了晶圆30上薄膜沉积厚度的均匀性。

在本申请的一些实施例中，辅助气体包括惰性气体和工艺气体，工艺气体用于补充在晶圆30边缘处以参与晶圆30边缘的沉积反应。

也就是说，辅助气体除了利用惰性气体避免影响腔体10内正常的工艺反应，还可以添加一定比例的工艺气体补充晶圆30边缘处的气体反应。需要说明的是，在辅助气体吹入晶圆30周边后，由于吹气造成晶圆30靠近周边一圈的反应气体的流失，会对此处晶圆30表面沉积反应造成不利影响，加入一定比例的工艺气体弥补此处沉积工艺气体的不足，保证晶圆30边缘薄膜沉积的质量。

实际情形中，惰性气体可以是氩气、氮气、氦气或者其他不参与反应的经济气体，工艺气体可以是参与反应中分子量较小的氢气，例如钨薄膜沉积中的氢气。需要说明的是，在钨薄膜沉积设备中，由于氢气分子量远远小于六氟化钨的分子量，导致反应气体中原有的还原剂氢气从晶圆30边缘一圈附近被辅助气体吹走。因此，为了弥补该吹走的部分，可以在上述气体中添加氢气，不需要添加六氟化钨。

在本申请的一些实施例中，气体通道401包括垂直连通的第一段4011与第二段4012，第二段4012的一端形成吹气口402。

需要说明的是，分成两段的气体通道401可以将其他方向吹来的辅助气体，转换成与晶圆30水平方向一致的方向，有利于辅助气体在晶圆30边缘附近形成横向气帘，阻挡了工艺气体流向加热装置20外侧的底部，从而避免在加热装置20底部位形成沉积。可选的一种结构是：气体通道401第一段4011和第二段4012构成垂直弯折结构，第一段4011通道一端作为入气孔，位于筒状结构40的下方并与腔体10下端内壁连通，第一段4011通道另一端与第二段4012通道连通，第二段4012通道远离第一段4011通道的一端形成吹气口402，并且第二段4012通道延伸方向与晶圆30水平方向一致。

在本申请的一些实施例中，筒状结构40外壁面邻近内腔101腔壁设置。

也就是说，筒状结构40的外侧与腔体10内壁间隔较小，筒状结构40较大，在使用中再配合抽气通道403，将筒状结构40与腔体10内衬处空隙的气体抽走，上端的反应气体和反应生成物不会流入或沉积到腔体10下部。现有技术的等离子薄膜沉积设备，阻止晶圆30侧边反应的吹气通道设置在加热器内部，而在外部需要增加一条额外的吹气通道，用来阻止反应气体和钨下沉到沉积设备底部中加热器外部的空间。本申请通过增设筒状结构40将气体通道401集成到筒状结构40中，并通过筒状结构40的大小、以及抽气通道403和环状通道404的配合，不需要在加热器外的腔体10底部增加吹气管道，减少了吹气通道，简化了设备，节约了气源。

在本申请的一些实施例中，筒状结构40还设置有抽气通道403，以及与抽气通道403连通的环状通道404，环状通道404环绕筒状结构40中心设置，环状通道404远离抽气通道403的一端贯穿至筒状结构40表面。

需要说明的是，抽气通道403设置有一个或者两个，或者其他符合实际需求的数目，本申请不做任何限定。如图3和图1所示，环状通道404呈圆形设置在筒状结构40边缘，并从筒状结构40表面向内部延伸一段后与抽气通道403连通。环状结构具有一定的缓冲作用，可以避免抽气通道403直接连通到筒状结构40表面后，正对抽气通道403处抽气太快，抽气比例比其他区域大，造成抽气不均匀，对沉积反应不利的影响。抽气通道403和环状通道404的设置，将沉积反应中溢出的气体和通入的辅助气体抽出腔体10，利于腔体10内总气体量的稳定、保证沉积反应的正常进行。

在本申请的一些实施例中，环状通道404与抽气通道403连通的一端相对于环状通道404开口于筒状结构40表面的一端距离筒状结构40中心轴线更近。

也就是说，环状通道404并不是从筒状结构40表面垂直向内部延伸的，而是向筒状结构40中心轴线处倾斜延伸，这种结构增强了环状通道404的缓冲作用，有利于将反应腔中的气体均匀稳定的抽出，保证沉积反应的正常进行。

在本申请的一些实施例中，环状通道404沿中心轴线上截面的形状呈弯折状或者圆弧状。

环状通道404在侧视图上的形状呈弯折状或者圆弧状，这种结构是一种优选的环状通道404结构，大大增加了环状通道404的缓冲效果，避免了抽气通道403直接连通到筒状结构40表面后，正对抽气通道403处抽气太快，抽气比例比其他区域大，造成抽气不均匀，对沉积反应不利的影响。有利于将反应腔中的气体均匀稳定的抽出，保证沉积反应的正常进行。

在本申请的一些实施例中，腔体10内可升降地设置有与进气通道102连通的喷头50，工艺气体通过进气通道102后，由喷头50向载物台201所在区域喷出。

需要说明的是，在沉积反应中，喷头50与晶圆30之间的距离与沉积反应薄膜厚度的均匀性强相关。在现有设备中，喷头50是固定的，只能通过载物台201的上下移动来调节喷头50与晶圆30之间的距离。相对于现有设备而言，本申请中通过可升降设置的喷头50来调节喷头50与载物台201之间的距离，从而可以控制载物台201上晶圆30的沉积反应，保证晶圆30上钨沉积层的质量。喷头50的尺寸大于晶圆30的大小并且小于筒状结构40的尺寸，这样保证即满足晶圆30表面全部覆盖工艺气体，又不至于使得工艺气体过多造成在除晶圆30以外的其他位置不必要的反应气体的扩散以及反应产物的沉积。

在本申请的一些实施例中，加热装置20远离进气通道102一侧设置有冷却装置60。

也就是说，可以在加热装置20下方设置冷却装置60，这样反应腔中的高温不会传导到底座的外侧面，避免烫伤事件的发生。通过制冷机泵送冷却液使其流通循环，达到给底座降温的作用。此外冷却装置60可以置于内腔101底部，还起到支撑作用。

通过以上一些实施例的详细说明，可以清楚的看到，在用于钨薄膜沉积的设备中，工艺气体可以为六氟化钨与氢气的气体，辅助气体可以是氩气和一定比例的氢气的气体。工艺气体通过可升降的喷头50喷射到载物台201上放置的晶圆30表面上，通过加热装置20对晶圆30进行加热，为晶圆30表面的沉积反应提供合适的温度。如图1中箭头所示，辅助气体从气体通道401的第一段4011入口处进入，经过第二段4012后，由第二段4012的吹气口402吹出，并形成横向气帘，阻挡工艺气体移动至晶圆30侧边以及晶圆30下方结构的空隙中，使得晶圆30下方结构的腔壁不再沉积钨层，减少了污染。由于辅助气体中，加入一定比例的氢气，弥补了晶圆30边缘处沉积工艺气体的不足，保证了晶圆30边缘薄膜沉积的质量。

本申请中，原先经由加热装置20内部管道流动的辅助气体，从加热装置20外围设置的筒状结构40中气体通道401流出，能够避免加热装置20掉温现象的发生，保障了对晶圆30加热的均匀性，进而保证了晶圆30上薄膜沉积厚度的均匀性。也避免了原先加热装置20中过多的孔道造成的热变形；通过增设筒状结构40将气体通道401集成到筒状结构40中，并通过筒状结构40的大小、以及抽气通道403和环状通道404的配合，不需要在加热器外的腔体10底部增加吹气管道，减少了吹气通道，简化了设备，节约了气源。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (5)

1.一种薄膜沉积设备，其特征在于，包括：

腔体，包括内腔以及与所述内腔连通的进气通道，所述进气通道用于向所述内腔中通入工艺气体；

加热装置，包括朝向所述进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；

筒状结构，两端相互贯通，所述筒状结构一端连接所述内腔腔壁，另一端设置有供所述进气通道流出的工艺气体通过的开口，所述加热装置设置在所述筒状结构另一端的内部，所述筒状结构筒壁设置有连通至外界气源的气体通道，以及与所述气体通道连通、且朝向晶圆周边的吹气口，辅助气体经过所述气体通道后，自吹气口吹向晶圆周边位置，所述筒状结构外壁面邻近所述内腔腔壁设置；

所述筒状结构还设置有抽气通道，以及与抽气通道连通的环状通道，所述环状通道环绕所述筒状结构中心设置，所述环状通道远离抽气通道的一端贯穿至所述筒状结构表面；

所述辅助气体包括惰性气体和工艺气体，所述工艺气体用于补充在晶圆边缘处以参与晶圆边缘的沉积反应；

所述环状通道与所述抽气通道连通的一端相对于所述环状通道开口于所述筒状结构表面的一端距离所述筒状结构中心轴线更近。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜沉积设备，其特征在于，所述气体通道包括垂直连通的第一段与第二段，所述第二段的一端形成所述吹气口。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜沉积设备，其特征在于，所述环状通道沿中心轴线上截面的形状呈弯折状或者圆弧状。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜沉积设备，其特征在于，所述腔体内可升降地设置有与所述进气通道连通的喷头，工艺气体通过所述进气通道后，由所述喷头向所述载物台所在区域喷出。

5.根据权利要求1所述的一种薄膜沉积设备，其特征在于，所述加热装置远离所述进气通道一侧设置有冷却装置。