CN1848380A - 化学气相沉积装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种为均匀地喷射供应于晶片的工程气体而改进气体分配面板结构的化学气相沉积装置及其方法。为此，本发明包含用于向工艺室内的晶片分配工程气体的喷头，该喷头包含形成多个气体喷射流路的气体分配面板，多个气体喷射流路中至少一个流路包含向气体分配面板开始流入工程气体的第一流路和为了改变通过第一流路的工程气体的流向而相对第一流路的方向按一定角度倾斜而形成的第二流路。此时，为了使工程气体通过第二流路并被扩散到更宽的面积，第二流路可以形成导槽形态。据此结构，本发明即使为了提高工艺效率而缩短气体分配面板和晶片之间的间距，也能将工程气体均匀沉积到晶片整个表面，因而具有能制造优质晶片的效果。

Description

化学气相沉积装置及其方法
                        技术领域
本发明涉及一种半导体制造工艺中所使用的化学气相沉积装置及其方法，尤其涉及一种为均匀地喷射供应于晶片的工程气体而改进了气体分配面板结构的化学气相沉积装置及其方法。
                        背景技术
化学气相沉积(CVD)作为半导体工艺技术之一，是指利用化学反应在晶片表面上形成单晶半导体膜或绝缘膜等的方法。传统的热性CVD工艺是通过向晶片表面供应反应性气体并利用在晶片表面上产生的热导化学反应来形成预定的薄膜。而等离子体增强CVD(PE CVD)技术是通过向基板表面周围的反应区域施加高频能量来形成等离子体，并由这些等离子体的高反应性来减少化学反应所需的能量，因而被利用在与传统的CVD工艺相比所需工艺温度较低的场合。由于这种优点通过高密度等离子体CVD(HDP CVD)工艺可进一步得到提高，因而为使高密度等离子体CVD比等离子体CVD具有更高的电离效果，通过在低压真空状态下施加电场和磁场来形成高密度的等离子体并分解源气体，以使在晶片上沉积绝缘膜。
通常用于CVD工艺的装置，具有用于对晶片进行所定工艺的工艺室、用于支持晶片的基座、用于供应工程气体的气体供应源及为了在工艺室内部向晶片分配工程气体而设在工艺室上部的气体分配装置。
在这种装置中只有工程气体通过气体分配装置均匀分配在晶片上时，才能使晶片表面的沉积均匀而得到优质的膜。但从另一方面，使用装置的用户希望通过提高工艺效率来增加工作量，而CVD装置的工艺效率在很大程度上受气体分配装置和晶片之间的间距的影响。即，要提高工艺效率就要尽可能地缩短晶片和气体分配装置之间的间距。但是，如果考虑到工艺效率而缩短晶片和气体分配装置之间的间距，将会导致晶片上产生斑纹或反应气体集中在晶片的特定部分而带来整个沉积不均匀的问题。由此，需要一种进一步改进的气体分配装置，以用于即使为了工艺效率而缩短与晶片之间的间距，也能向晶片上的反应区域均匀分配工程气体。
与此相关的美国专利“6,793,733号”揭示了一种气体分配喷头，该喷头包含为了向工艺室内部均匀分配工程气体而具有延长的导槽或沟槽形态的气体出口的面板。如图1a及图1b所示，所揭示的气体分配喷头包含具有将工程气体向径向扩散的孔1a的挡板1和位于挡板1下面的气体分配面板2。收容通过挡板1而大概均匀扩散分布的工程气体流动的面板2的入口侧，即面板2的上部表面具有多个被分离的孔3，将工程气体移送到晶片W的面板2的气体出口侧，即面板2的下部表面具有几个导槽4。
但是，这种现有的装置，形成在气体分配面板2的气体流路具有直线延伸的形态，从而存在工程气体流至晶片时未能均匀分配而集中在各个流路的中心轴底部的问题。如果为了提高工艺效率而缩短气体分配面板2和晶片W之间的间距，这种问题会更加严重。若在面板的气体出口侧形成导槽4，则可以在某种程度上提高气体分配的均匀性，但是工艺室内的气体流动基本上具有上下方向的运动特性，从而不能成为完全解决如上所述问题的方法。
并且，如图1b所述，气体分配面板2的孔3相对面板的中心轴对称形成，并且越接近面板2的中心轴附近孔3的分布密度越大，从而存在分配给晶片的工程气体集中在晶片中心附近的问题。
                        发明内容
本发明为了解决如上所述的问题，其目的在于提供一种改进气体分配面板结构的化学气相沉积装置及其方法，以用于即使考虑工艺效率而缩短气体分配面板和晶片之间的间距，也能在晶片整个表面形成均匀薄膜。
为了实现上述目的，依据本发明提供的化学气相沉积装置，包含用于向工艺室内部的晶片分配工程气体的喷头，其特征在于所述喷头包含形成多个气体喷射流路的气体分配面板(faceplate)，所述多个气体喷射流路中至少一个流路包含相对工程气体的最初流向倾斜一定角度而形成的倾斜流路，以使通过所述气体分配面板的工程气体按水平方向分散而喷向晶片。
尤其在所述多个气体喷射流路中至少一个流路包含开始向所述气体分配面板流入工程气体的第一流路、为了改变已通过第一流路的工程气体的流向而相对第一流路的方向倾斜一定角度而形成的第二流路。
所述第二流路相对所述第一流路的方向倾斜的角度θ(θ为锐角)范围如下：
0°＜θ≤45°
如上所述，本发明通过形成在气体分配面板的第二流路中分散工程气体的流向使工程气体均匀分配到晶片。
所述第二流路其形状具有被延长的导槽形态，从而可以使工程气体通过第二流路并被扩散到更宽的面积。
所述导槽其延长方向的长度大于垂直方向的长度，并且至少与一个以上的第一流路连通。
所述导槽其延长方向相对所述气体分配面板的圆周方向倾斜一定角度，从而当为了支持晶片而设在工艺室内部的晶片支持装置旋转时可以向晶片半径方向分配工程气体。
所述第二流路的内表面具有流路截面积向第二流路出口侧扩大的圆锥形状。
并且，所述气体喷射流路相对于所述气体分配面板的中心轴以非轴对称形成在所述气体分配面板。
另一方面，本发明在半导体制造工艺中通过使用形成多个气体喷射流路的气体分配面板(faceplate)将工程气体分配到工艺室内的晶片来形成化学沉积膜的一种半导体制造方法，包含：通过形成在所述气体分配面板上部表面的流入口向所述气体喷射流路的内部流入工程气体的流入阶段；在所述气体喷射流路的内部转换工程气体的流向而使所流入的工程气体向水平方向分散的分散阶段；通过形成在所述气体分配面板下部表面的流出口向晶片喷射工程气体的喷射阶段。
尤其所述分散阶段是通过相对于流经所述气体分配面板内部的工程气体最初流向按一定角度倾斜而形成的流路而进行的。
                        附图说明
图1a是表示现有的化学气相沉积装置的纵向剖面图；
图1b是表示图1a装置的现有的气体分配面板的底部表面透视图；
图2是表示依据本发明的化学气相沉积装置概略结构的纵向剖面图；
图3是表示依据本发明一实施例的气体分配面板上部表面的平面图；
图4是表示图3的气体分配面板A部分的底部表面透视图；
图5是表示图4中B-B′部分的侧剖面图；
图6是表示依据本发明的用于化学气相装置的另一种气体分配面板的下部表面部分透视图。
                      具体实施方式
以下，参照附图来详细说明依据本发明的优选实施例。图2是表示依据本发明的化学气相沉积装置概略结构的纵向剖面图。
如图2所示，依据本发明的化学气相沉积装置由上部机体11和下部机体12组成，并包含：形成密封空间的工艺室10，以用于向晶片W上沉积膜；贯通下部机体12布置并可使晶片W旋转而构成的晶片支持装置20，以使喷射到晶片W侧的工程气体沉积到晶片W表面；贯通上部机体11布置的喷头50，而该喷头50包含形成喷射工程气体的多个气体喷射流路30的气体分配面板(faceplate)40。所述晶片支持装置20使用不能旋转的结构也无妨。下部机体12的下侧形成用于排出工艺室10内的反应附带物及未反应气体的排出口13，而连接于排出口13的排出管14上设置可以使工艺室10内部维持真空状态的真空泵15及压力控制装置16。
对于这种化学气相装置而言，若由连接于喷头50的气体供应装置(未图示)供应工程气体，则通过所述喷头50分配工程气体并喷射到位于其下部的晶片W侧，而被喷射的工程气体通过晶片W表面上发生的化学反应形成预定的薄膜。此时，为了通过提高工艺效率来增加生产量，需要尽可能地使喷头的气体分配面板和晶片W表面之间的距离(d)接近。然而，这样一来由于通过气体分配面板喷射的工程气体没有空间余地可用于喷射，而集中在晶片W的特定部分，尤其将集中在气体喷射流路的中心轴正下部，致使晶片镀膜质量下降。为此，本发明包含具有气体喷射流路30的气体分配面板40，该气体喷射流路30被设计为即使将晶片W置于接近气体分配面板40的位置，也能将工程气体均匀喷射到晶片W上。即，本发明的气体喷射流路30中至少一个流路包含倾斜一定角度而形成的倾斜流路，以使通过气体分配面板40的工程气体按水平方向分散而喷射到晶片。以下对具有作为倾斜流路而形成的第二流路的气体分配面板进行说明。
图3是表示依据本发明一个实施例的气体分配面板上部表面的平面图，图4是表示图3的气体分配面板A部分的底部表面透视图，图5是表示图4中B-B′部分的侧剖面图。
如图3至图5所示，本发明的气体分配面板40中形成多个气体喷射流路30，该气体分配面板40的上部表面41形成用于使工程气体开始流入多个气体喷射流路30的多个流入口31a，气体分配面板40的下部表面42形成用于将通过各流路的工程气体喷射到晶片W上的多个流出口32a。这种多个气体喷射流路30中至少一个流路包含使工程气体通过所述流入口31a开始流入的第一流路31、为了改变已通过第一流路31的工程气体的流向而相对所述第一流路31的方向倾斜一定角度而形成的第二流路32。此时，所形成的第二流路没有一致的方向性，如图4所示，可以从第一流路按任意方向倾斜而形成。而在图4中，按一直线方向布置的三个流路只是表示第二流路朝气体分配面板40的中心方向具有一定方向性而形成的情况。
如上所述，使第二流路相对第一流路倾斜一定角度是为了通过第二流路32的内表面反射通过第一流路31的工程气体来弱化工程气体的垂直方向速度成分的同时，使工程气体通过第二流路32时具有水平方向的速度成分，从而当晶片W和气体分配面板40的距离接近时，也能使工程气体均匀分配到晶片W上。
但是，如果第二流路32相对第一流路31方向的倾斜角度过大，会使通过第一流路31的工程气体进入第二流路32时受到很大阻力，从而可能产生对工程气体的喷射消耗很多能量和损坏气体分配面板40等问题。因此，第二流路32相对第一流路31方向的倾斜角度θ最好在如下范围之内。
0°＜θ≤45°
如图1b的现有技术，若气体喷射流路相对于气体分配面板的中心轴对称形成，则相对于晶片外围更多的气体喷射流路位于晶片中心附近而产生工程气体分配的不均衡，因而当形成多个气体喷射流路30时，最好使多个气体喷射流路30相对气体分配面板40中心轴以非轴对称而形成(参照图3)。
另外，第二流路32如图5中的最右侧的流路所示，可以使其内表面具有流路截面积向第二流路出口侧扩大的圆锥形状，由此使在倾斜的第二流路32中被反射的工程气体分散到更宽的范围。图5中的附图符号D1、D2表示第二流路的内表面分别为圆筒形状和圆锥形状时通过第二流路32的工程气体的分散范围。
图6是表示依据本发明的用于化学气相装置的另一种气体分配面板的下部表面部分透视图。如图6所示，可以使第二流路32具有被延长的导槽32s形状，这是为了使通过第一流路31的工程气体流经被延长的导槽形状的第二流路32时能被分散到更宽的面积，以使工程气体均匀分配到位于其下侧的晶片上。此时，所述导槽32s至少与一个以上的第一流路31连通。图6中是表示三个第一流路31公用一个导槽32s时的情况。
所述导槽32s的延长方向的长度最好大于其垂直方向的长度，即导槽的厚度。
并且，如图6所示，可以使所述导槽32s的延长方向相对气体分配面板40的圆周方向倾斜一定角度α而形成。导槽32s相对圆周方向倾斜也可以通过气体分配面板40的中心0和导槽32s的两个末端(p，q)之间的距离互不相同来表现。如此形成导槽32s是为了在沉积工艺中旋转收容晶片的晶片支持装置20时，用于获得通过导槽32s喷射的工程气体成比于导槽32s的倾斜程度而分散供应到晶片径向一定范围内的效果。
本实施例中，第一流路31通过其流入口31a与气体分配面板40的上部空间连通，第二流路32通过其流出口32a与气体分配面板40的下部空间连通，但并不局限于这种情况。即，本实施例中的第一流路31、第二流路32并不只适用于某一个流路被分为两个流路的情况，在流路分为三个部分以上时，只要由这种部分流路导致工程气体流向的变化，使工程气体的垂直方向的速度成分变缓和并且向水平方向分散，则通常都可以适用。
若通过如上所述的具有经改进的气体分配面板的化学气相沉积装置来进行半导体制造工艺，则可以在晶片上形成均匀的化学沉积膜而最终可以制造优质的半导体。具体地说，与依据本发明的化学气相沉积装置相关的半导体制造方法包含：气体供应阶段，由气体供应装置(未图示)向工艺室内的喷头50供应工程气体；流入阶段，使被供应的工程气体通过形成在气体分配面板40上部表面的流入口31a流入到气体喷射流路30内部；分散阶段，在所述气体喷射流路30内部转换工程气体的流向，弱化垂直方向的速度成分而产生水平方向的速度成分来分散所流入的工程气体；喷射阶段，使被分散的工程气体通过形成在气体分配面板40下部表面的流出口32a喷射到晶片。尤其所述分散阶段是通过相对于流经所述气体分配面板内部的工程气体最初流向按一定角度倾斜而形成的流路而进行的。
如上所述，依据本发明的化学气相沉积装置具有经改进的气体分配面板，以用来防止工程气体集中于在晶片的气体喷射流路的中心轴底部，从而即使气体分配面板和晶片之间的距离接近，也能使工程气体均匀沉积在晶片的整个表面而具有能制造优质晶片的效果。因此，使用依据本发明的化学气相沉积装置，可以在提高工艺效率的同时还能生产优质的晶片，因而具有提高生产性的效果。

Claims (14)

1、化学气相沉积装置，包含用于向工艺室内部的晶片分配工程气体的喷头，其特征在于：
所述喷头包含形成多个气体喷射流路的气体分配面板(faceplate)，所述多个气体喷射流路中至少一个流路包含开始向所述气体分配面板流入工程气体的第一流路和为了改变通过所述第一流路的工程气体流向而相对所述第一流路方向倾斜一定角度而形成的第二流路。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第二流路相对所述第一流路的方向倾斜的角度θ(θ为锐角)范围如下：
                0°＜θ≤45°。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述第二流路其形状具有被延长的导槽形态。
4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述导槽其延长方向的长度大于垂直方向的长度。
5、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述导槽与至少一个以上的第一流路连通。
6、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述导槽其延长方向相对所述气体分配面板的圆周方向倾斜一定角度。
7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第二流路的内表面具有流路截面积向第二流路出口侧扩大的圆锥形状。
8、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述气体喷射流路相对于所述气体分配面板的中心轴以非轴对称形成在所述气体分配面板。
9、根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述工艺室内部还包含用于支持晶片的晶片支持装置，并且所述晶片支持装置被设为可旋转。
10、化学气相沉积装置，包含用于向工艺室内部的晶片分配工程气体的喷头，其特征在于
所述喷头包含形成多个气体喷射流路的气体分配面板(faceplate)，所述多个气体喷射流路中至少一个流路包含相对垂直方向倾斜一定角度而形成的倾斜流路，以使通过所述气体分配面板的工程气体按水平方向分散而喷向晶片。
11、根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述倾斜流路相对垂直方向倾斜的角度θ′(θ′为锐角)范围如下：
                 0°＜θ′≤45°。
12、根据权利要求11所述的装置，其特征在于所述倾斜流路其形状具有被延长的导槽形态。
13、在半导体制造工艺中通过利用形成多个气体喷射流路的气体分配面板(faceplate)将工程气体分配到工艺室内的晶片来形成化学沉积膜的一种半导体制造方法，其特征在于包含：
通过形成在所述气体分配面板上部表面的流入口向所述气体喷射流路的内部流入工程气体的流入阶段；在所述气体喷射流路的内部转换工程气体的流向而使所流入的工程气体向水平方向分散的分散阶段；通过形成在所述气体分配面板下部表面的流出口将工程气体喷射到晶片的喷射阶段。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述分散阶段是通过相对于流经所述气体分配面板内部的工程气体最初流向按一定角度倾斜而形成的流路而进行的。
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