CN210215542U - 具有阴影板的原子层沉积设备与系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有阴影板的原子层沉积设备与系统，所述的原子层沉积设备包括一个反应室、一个等离子体生成装置、一个沉积室、一个真空装置、至少一个第一进气装置、以及至少一个第二进气装置。所述沉积室包括一个晶圆固定台，用于固定所述半导体衬底，所述半导体衬底包括至少一个晶圆。所述等离子体生成装置包括一个顶板、一个射频电极、以及一个阴影板，其中，所述阴影板是用于防止在所述射频电极附近产生的离子直接到达所述半导体衬底的表面，具有使所述等离子体通过的至少一个通孔，所述射频电极可以是网格状射频电极或圆环状射频电极，相应地，阴影板为网格状阴影板或圆环状阴影板。

Description

具有阴影板的原子层沉积设备与系统

相关申请

本实用新型申请要求新加坡专利申请第10201900235W号的申请日2019年01月10日为本实用新型的优先权日。所述新加坡优先权专利申请的题目为“具有阴影板的原子层沉积系统及其使用方法”(即原英文标题Atomic Layer Deposition System with ShadowPlate and Method of Deposition Using the Same)。此新加坡优先权专利申请的全部或有关内容以此引用的方式并入此中国实用新型(专利)申请。

技术领域

本申请涉及一种具有阴影板的原子层沉积设备与系统，属于等离子体辅助化学气相沉积(CVD技术)领域。

背景技术

在集成电路(IC)的制造中，原子层沉积(Atomic layer deposition(ALD))是一种广泛使用且经过验证的化学气相沉积方法，其可以在半导体衬底上沉积电介质、金属和半导体薄膜。在原子层沉积的过程中，引入两种随时间分离的反应气体进行薄膜沉积。在薄膜沉积的过程中，首先，将一片半导体晶圆放置在晶圆台上，并适当清洁该晶圆表面，从而吸收气态物质；其次，将第一反应气体引入腔室，使该第一反应气体的单层气体物质吸收到晶圆的表面；再次，将腔室抽真空以除去所有剩余的第一反应气体，然后再并引入第二反应气体；该第二反应气体与吸附在晶圆表面上的第一反应气体进行反应，形成单层固态薄膜；重复该工艺循环，直到晶圆表面上薄膜达到所需厚度即可。

原子层沉积过程可以仅通过热活化或通过化学物质的等离子体辅助活化进行，目前工业上通常采用等离子体辅助原子层沉积，因为它可以降低沉积温度，这也是制造大多数集成电路的关键要求。低温薄膜沉积的优点在于，其不受控掺杂剂扩散，可以使电路的损坏尽可能减小，并且由于其热膨胀系数(CTE)与下层不同，从而有助于减小薄膜应力，使得相互混合或与下层反应尽可能减小，同时还可以减小基板翘曲。

通常，在反应物质的活化过程中，需要防止将等离子体直接施加到基板表面，因为该等离子体可能对基板上的器件造成由电荷而引起的损坏。因此，目前将等离子体引入基板表面最常用的方法是使基板表面位于等离子体下游，即在相对于基板一定距离以外产生等离子体。

附图1是目前常用的一种等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)装置的横截面图，该装置包括一个晶圆固定台2；一个腔室1，用于容纳所述晶圆固定台2；一个等离子体生成管3，连接到腔室1并处于晶圆固定台2的上方；以及一个可连接真空系统的装置4。通常，晶片固定台2可以容纳200毫米(mm)或300毫米(mm)直径的晶圆7。为了与晶圆7的尺寸相符，腔室1的直径可在400毫米(mm)至600毫米(mm)之间。该装置中，通过将射频(Radio Frequency)功率施加到一个感应线圈5上来产生等离子体，感应线圈5围绕着等离子体生成管3。原子层沉积时可以在等离子体生成管3的最上部位置引入惰性气体或反应气体；或者分别使用气体入口6a和6b，将惰性气体和反应气体分别引入反应室中。通常是将惰性气体引入等离子体生成管3中，而将反应气体直接引入腔室中，因为将反应气体直接引入等离子体会使反应气体的分解程度更高，不利于沉积大部分所需的薄膜，并且，通过与来自等离子体下游的离子物质进行气相碰撞，可以控制反应气体分解至一定的程度。该装置中，等离子体生成管3位于距离晶圆固定台2相对较远的位置，使得离子物质不能直接到达晶圆7，从而避免充电损坏(charge-up damages)。然而，该装置将等离子体生成管3放置在远离晶圆固定台2的位置，导致其需要更大的反应室体积，从而需要更长的抽真空时间来移除所有剩余的反应气体物质，并且一旦释放一种新的气体，就需要更长的时间来稳定压力。

附图2是目前常用的另一种等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)装置的横截面图，其中，反应室11包括一个晶圆固定台12；一个等离子体生成腔13；一个过滤器14，位于等离子体生成腔13和晶圆固定台12之间；以及一个可连接真空系统的装置15。晶圆16和反应室11的直径与图1中类似。该装置是通过将射频(Radio Frequency(RF))电流施加到一个射频(Radio Frequency)电极21来产生电容耦合等离子体(capacitively coupled plasma)。射频(Radio Frequency)电极21位于等离子体生成腔13内。图2中等离子体是通过电容耦合机制(capacitive coupled mechanism)而产生；此外，也可以通过将电感耦合射频线圈(inductively coupled RF coil)放置在等离子体生成腔内，来制造等离子体。在操作期间，等离子体在等离子体产生腔13中产生，然后通过过滤器14；在等离子体中产生的离子物质是否可以通过过滤器14，由过滤器14中的孔的直径和高度决定，因为离子物质即使和侧壁仅发生单次碰撞也会消除其离子状态。对于给定的系统布局，过滤器14中的孔的直径是固定的，因此可以到达晶圆的离子或自由基也已确定，使得该装置在用于在开发工艺配方的新材料时，限制了选择气态物质的灵活性。另外，该装置在引入第二反应气体之前需要对反应室抽真空，而反应室较大的体积会导致抽真空时间较长，从而导致生产量较低。

由上可见，目前的等离子辅助原子层沉积还存在吞吐量较低以及反应气体分解的可控性较差的缺陷，其中，吞吐量是指在单位时间内可以处理的晶圆数量，是任何晶圆加工的工业应用时都需要考虑的重要因素。

等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)本质上是一个缓慢的过程，其主要由于以下两个原因：

第一个原因是，等离子辅助原子层沉积时，气体是被分别引入，引入期间需要抽真空或清洗步骤，该操作对热原子层沉积(thermal ALD)也同样适用，这就导致与常规化学气相沉积(CVD)系统中两种气体被同时引入的情况相比，在等离子辅助原子层沉积中，沉积单层薄膜所需时间较长。

针对此问题，目前主要是通过减小腔室容积来减少腔室抽真空的时间。然而，在等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)系统中，减小腔室容积非常困难，因为等离子体和基板之间需要一段距离以限制等离子体到达晶圆。否则，高能离子体将轰击晶圆表面，并除去在表面吸收的一些反应气体，这将导致晶圆表面沉积的薄膜的厚度不均匀。

此外，也有在一个单独空腔中产生电感耦合等离子体，该单独空腔可以设置晶圆表面的正上方，电感耦合等离子体通过过滤器到达晶圆表面。其系统配置与图2中所显示的装置大致相同。但是此方法等离子体空腔和过滤器扩展到覆盖整个晶圆表面，需要对更大的体积进行抽真空，虽然过滤器和晶圆之间的距离可以缩短，以使晶圆上方的体积减小；然而，需要被抽真空的总体积仍然很大，因为它也包括了等离子体空腔体积。

此外，也有通过在侧壁上的射频(Radio Frequency)电极的电容耦合产生等离子体。这种配置大致与图2中的相同。此种方法由于产生的等离子体需要均匀地分散在整个等离子体空腔中，因此腔体必须具有合理的高度和体积，这使得总体积较大，因此，这种配置需要抽真空的体积也较大。

总之，由于目前的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)装置需要抽真空的总体积较大，抽真空时间较长，因此，等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)产量较低。

第二个原因是，目前的等离子辅助原子层沉积时稳定引入腔室和等离子体中的新气体所需的时间较长，操作过程中，等离子体遭受频繁的打开和关闭状态，当等离子体打开时，需要几秒钟形成稳定的等离子体，这也使得产量减小。

另外，大多数等离子体辅助原子层沉积(PE-ALD)系统都需要具有等离子体产生区域和过滤器。通常在等离子体下游中使用过滤器有助于减小腔室总的容积，否则必须在远离基板的区域产生等离子体。其中，过滤器限制了转移到晶圆处理区域的离子或自由基的能量，如果过滤器的孔的直径较小，则离子和自由基会因为与侧壁的反复碰撞而损失能量，因此，增加过滤器的孔的直径可以使具有更高能量的气态物质进入反应室。然而，问题是对于给定的设备配置，过滤器的规格是固定的，因此在工艺开发中，不可能对离子或自由基的能量进行调整，这就限制了选择气态物质的灵活性，进而导致反应气体分解的可控性较差。

因此，有必要开发出一种可以提高原子层沉积产量，以及在工艺开发中可以对气态物质进行多种选择的原子层沉积设备及系统。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有阴影板的原子层沉积设备与系统。

为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种具有阴影板的原子层沉积设备，包括一个可封闭或气密的反应室，所述反应室包括：

一个装置室，可用于容纳一个等离子生成装置；以及

一个沉积室，可容纳至少一个晶圆固定台；

其中，所述装置室与沉积室相连通；

所述等离子体生成装置包括：

一个射频电极，可用于产生所述等离子体；以及

一个阴影板(亦称挡板或电极挡板)，位于所述晶圆固定台和所述射频电极之间，可防止由所述射频电极上产生的等离子直接抵达所述晶圆固定台或固定于所述晶圆固定台上的衬底(例如，所述半导体晶圆)的表面；

所述晶圆固定台，可固定至少一个衬底，用于沉积薄膜；

所述原子层沉积设备还包括：一个可连接真空系统的装置，可用于将所述沉积室内的物质抽到所述沉积室的外部；

至少一个第一进气装置，可用于将惰性气体和至少一种反应气体引入所述沉积室；以及

至少一个第二进气装置，可用于将所述至少一种反应气体引入所述沉积室；

其中，所述等离子体生成装置与所述晶圆固定台彼此间隔(例如，在所述原子层沉积设备运行时，所述等离子体生成装置位于所述沉积室(包括晶圆固定台)上方，并与所述晶圆固定台相对)。本申请的反应室的容积明显小于传统的原子层沉积设备，可以显著减少抽真空的时间，提高产量。

本申请中，所述的反应室可以为任意合适的形状和大小。优选地，所述的反应室为圆形，其内径在360毫米(mm)至500毫米(mm)的范围内取值。相应地，所述晶片固定台也可以为圆形，其直径在320毫米(mm)至400毫米(mm)的范围内取值。

可选地，所述阴影板具有至少一个通孔，可允许所述等离子体从所述至少一个通孔中通过，从而间接抵达所述晶圆固定台或处于所述晶圆固定台上的衬底(例如半导体晶圆)的表面。

可选地，所述原子层沉积设备还包括一个顶板，用于密封所述沉积室。其中，所述顶板包括一个上顶板和一个下顶板；其中，所述上顶板用于密封所述沉积室；所述下顶板和所述上顶板相对。当沉积室抽真空后，上顶板需要能够承受外部大气压力。优选地，上顶板由金属材料制成。

可选地，所述下顶板由绝缘材料制成。优选地，该绝缘材料是陶瓷材料。

所述射频电极可以以多种形式连接于所述下顶板。例如，所述射频电极连接在下顶板的下表面。或者，所述射频电极处于下顶板内，其下表面从所述下顶板的下表面处露出。换句话说，所述射频电极的三面(上表面、左右表面)包裹于所述下顶板中。优选地，所述射频电极的下表面和所述下顶板的下表面平齐。

所述射频电极可以根据需要设计为任意形状。优选地，所述射频电极为圆形，其直径比所述固定于所述晶片固定台的晶圆的直径大20毫米(mm)至50毫米(mm)。

所述射频电极可以是网格状射频电极，其包括一系列带状电极，具体分为多个横向带状电极和多个纵向带状电极。所述横向带状电极和所述纵向带状电极相互交叉，形成所述网格状射频电极。具体而言，相邻的两个横向带状电极和相邻的两个纵向带状电极相交，形成了中空网格。因此，所述网格状射频电极具有多个中空网格。所述多个中空网格可以为任何形状。可选地，该形状均为矩形。优选地，该形状均为正方形。

所述射频电极也可以是圆环状射频电极，其包括一系列同心圆环电极。具体而言，相邻的两个同心圆环状电极圈之间形成了中空圆环。所述同心圆环电极的数量可以根据所述圆环状射频电极的设计任意选择。优选地，所述同心圆环电极的数量在2个到10个的范围内取值。

所述网格状射频电极或圆环状射频电极可根据设计任意选择单个电极的宽度。优选地，所述横向带状电极、纵向带状电极或同心圆环电极的宽度在1毫米(mm)至20毫米(mm)的范围内取值。

对于网格状射频电极，相邻的两个横向带状电极之间具有一个横向间距。因此，网格状射频电极具有多个横向间距。可选地，所述多个横向间距都相同。相应地，相邻的两个纵向带状电极之间具有一个纵向间距。因此，网格状射频电极具有多个纵向间距。可选地，所述纵向间距都相同。可选地，所述横向间距和所述纵向间距也相同。对于圆环状射频电极，相邻的两个同心圆环电极之间具有一个圆环间距。因此，圆环状射频电极具有多个圆环间距。可选地，所述多个圆环间距均相同。优选地，所述横向间隔、纵向间距和圆环间距均在2毫米(mm)至10毫米(mm)的范围内取值。

或者，对于网格状射频电极，所述横向间距和纵向间距都从中心到边缘按比例减小。优选地，所述横向间隔和纵向间距在2毫米(mm)至10毫米(mm)的范围内取值。例如，网格状射频电极具有11条横向带状电极和11条纵向带状电极，还具有一个外围电极，用于连接横向带状电极和纵向带状电极的两端。11条横向带状电极中心对称分布，其中心具有第一横向带状电极，从中心向外一侧具有第二横向带状电极至第六横向带状电极。其中，第一横向带状电极和第二横向带状电极之间的第一横向间距为10毫米；第二横向带状电极和第三横向带状电极之间的第二横向间距为8毫米；第三横向带状电极和第四横向带状电极之间的第三横向间距为6毫米；第四横向带状电极和第五横向带状电极之间的第四横向间距为4毫米；以及第五横向带状电极和第六横向带状电极之间的第五横向间距为2毫米。11条纵向带状电极排布与11条横向带状电极排布类似，具有第一纵向间距、第二纵向间距、第三纵向间距、第四纵向间距、以及第五纵向间距，分别为10毫米、8毫米、6毫米、4毫米、以及2毫米。

或者，对于圆环状射频电极，所述圆环间距从中心到边缘按比例减小。例如，圆环状射频电极具有6条同心圆环电极，其中心具有第一同心圆环电极，从中心向外具有第二同心圆环电极至第六同心圆环电极。其中，第一同心圆环电极和第二同心圆环电极之间的第一圆环间距为10毫米，第二同心圆环电极和第三同心圆环电极之间的第二圆环间距为8毫米，第三同心圆环电极和第四同心圆环电极之间的第三圆环间距为6毫米，第四同心圆环电极和第五同心圆环电极之间的第四圆环间距为4毫米，以及第五同心圆环电极和第六同心圆环电极之间的第五圆环间距为2毫米。

可选地，所述射频电极由金属材料制成。优选地，所述金属材料可以是铜。

本申请中，所述阴影板与上述射频电极具有相同或类似的形状和构造。

例如，对于网格状射频电极，所述阴影板为网格状阴影板，包括一系列带状板，具体分为多个横向带状板和多个纵向带状板。其中，所述横向带状板和纵向带状板之间的间隙为所述阴影板的开口，所述射频电极产生的等离子体可从所述间隙中通过。优选地，所述网格状阴影板的带状板的宽度比所述网格状射频电极的带状电极的宽度大，并且带状板分别和所述带状电极对齐。因此，网格状射频电极的带状电极均分别被网格状阴影板相应的带状板所完全遮蔽。

又例如，对于圆环状射频电极，所述阴影板为圆环状阴影板，包括一系列同心圆环状板。其中，所述圆环状阴影板之间的间隙为所述阴影板的开口，所述射频电极产生的等离子体可从所述间隙中通过。优选地，所述圆环状阴影板的同心圆环状板的宽度比所述圆环状射频电极的同心圆环电极的宽度大，并且同心圆环状板分别和所述同心圆环状电极对齐。因此，圆环状射频电极的同心圆环电极均分别被圆环状阴影板的同心圆环电极完全遮蔽。

所述阴影板可以具有任何尺寸，只要可以将其放置于上述沉积室中即可。优选地，所述阴影板和所述射频电极的尺寸形同或相近。因此，所述阴影板和所述射频电极可以容易地一起放置在沉积室中。

所述阴影板需要足够厚来阻挡所述射频电极产生的等离子体。同时，所述阴影板也不能太厚，防止占用所述沉积室中过多空间。优选地，所述阴影板的厚度在0.5毫米(mm)至5毫米(mm)的范围内取值。

优选地，当所述原子层沉积设备运行时，所述阴影板位于所述射频电极的正下方。优选地，所述阴影板与所述射频电极之间的距离在5毫米(mm)至10毫米(mm)的范围内取值。所述阴影板可以位于所述沉积室之中。可选地，所述阴影板位于所述晶圆固定台的正上方。优选地，所述阴影板的上表面和所述晶圆固定台的上表面之间的距离在10毫米(mm)至20毫米(mm)的范围内取值。

所述阴影板可以由任何可以阻挡等离子体的材料制成，包括金属材料和无机非金属材料，例如硅(Si)、陶瓷或玻璃。优选地，所述阴影板由金属材料，并采用电磨的方法制备。

当所述阴影板由金属材料制备时，其可以电接地或电浮地。优选地，所述阴影板以预定的时间间隔，在电接地和电浮地之间切换。具体而言，当等离子体生成装置处于打开状态时，所述阴影板处于电浮地或电接地；相应地，当等离子体生成装置处于关闭状态时，所述阴影板相应地处于电接地或电浮地。

可选地，所述顶板还包括一个空腔，位于所述上顶板和所述下顶板之间，用于暂时容纳惰性气体。惰性气体由所述空腔到达所述射频电极周围，进而形成等离子体。

可选地，所述第一进气装置还包括一个主气体传输管和一个从气体传输管。所述主气体传输管具有一个主气体第一端和一个主气体第二端；其中，所述主气体第一端连接一个外部惰性气体源或至少一个反应气体源，所述主气体第二端连接所述空腔。所述从气体传输管具有一个从气体第一端和一个从气体第二端；其中，所述从气体第一端连接所述空腔，所述从气体第二端位于所述射频电极附近。具体而言，惰性气体或反应气体通过主气体入口进入空腔，并通过从气体入口从空腔传输到所述射频电极周围。当所述射频电极处于所述沉积室时，惰性气体将由从气体第二端进入所述沉积室。

优选地，所述从气体第二端是一个淋浴型气体出口，其包括一系列气体出口小孔。这样，惰性气体或反应气体由多个气体出口小孔到达所述射频电极附近，因此可以更加均匀地分布在所述射频电极周围，从而使由惰性气体或反应气体分解得到的等离子体在所述射频电极周围的分布也更加均匀，最终使反应气体所产生的离子物质更加均匀地分布在所述半导体衬底(例如晶圆)的表面。

可选地，所述等离子体生成装置还包括一个电极盖板，位于所述射频电极和所述阴影板之间，用于完全覆盖所述射频电极。这样，可以进一步减少直接接触到所述半导体衬底(例如晶圆)表面的等离子体。

可选地，所述电极盖板包括一系列盖板单元，用于分别完全地覆盖所述一系列带状电极或者一系列同心圆环电极。

所述电极盖板可以由任何能够阻挡等离子体的材料制成。可选地，所述的电极盖板由非金属材料制成，优选地为硅(Si)或玻璃。

可选地，所述等离子体生成装置还包括一个电机装置，用于移动所述射频电极。

可选地，所述等离子体生成装置还包括一个移动装置，用于移动所述阴影板。

优选地，所述电机装置和移动装置使所述射频电极和所述阴影板同步运动。这样可以消除由阴影板在所述半导体衬底(例如晶圆)上沉积薄膜时产生的阴影效应。

进一步优选地，所述射频电极的移动距离可以是所述射频电极网格的对角线的一半。相应地，所述阴影板的移动距离可以是所述阴影板网格的对角线的一半。

可选地，所述第二进气装置包括一个或多个进气口和一个或多个圆形管。其中，所述进气口连接所述圆形管；所述圆形管位于所述晶圆固定台的附近。这样，反应气体可以通过所述进气口和所述圆形管传送到所述晶圆固定台附近，从而更加容易地吸附在所述晶圆固定台上固定的所述半导体衬底(例如晶圆)上。优选地，所述圆形管的尺寸大于所述晶圆固定台的尺寸。这样，反应气体可以更加均匀地吸附在所述晶圆固定台上固定的所述半导体衬底(例如晶圆)上。

优选地，引入所述原子层沉积设备的多种反应气体中的每一种反应气体，均由单独的一个或多个进气口和圆形管传送。换言之，进气口和圆形管的数量需要大于等于所需引入的反应气体的种类。

如前所述，所述反应气体源既可以连接于所述第一进气装置，也可以连接于所述第二进气装置。当所述反应气体源连接于所述第一进气装置时，反应气体被引入所述射频电极附近，因此反应气体的分解将更加有效，这样可以得到更加多样的离子和自由基等反应气体粒子。

可选地，所述晶圆固定台还包括一个嵌入式加热器，用于加热晶圆。这样可以加快反应气体的沉积速度。

可选地，所述等离子体生成装置是电容耦合等离子体生成装置或者电感耦合等离子体生成装置。

可选地，所述的原子层沉积设备还包括一个压力调节装置，用于调节沉积室内的压力，从而控制气相碰撞的数量，直到产生所需的气体物质并到达半导体衬底(例如晶圆)。

基于上述原子层沉积设备，本申请还提供了一种原子层沉积系统。

一种原子层沉积系统，包括：

一个如如前所述的原子层沉积设备；

一个射频匹配电路，连接到所述原子层沉积设备；

一个射频发生器，连接到所述射频匹配电路；

至少一个惰性气体源，连接到所述原子层沉积设备；

一个或多个反应气体源，连接到所述原子层沉积设备；

以及一个抽真空装置，连接到所述原子层沉积设备。

具体而言，所述射频匹配电路连接到如前所述的原子层沉积设备的上顶板。优选地，所述射频匹配电路连接到所述上顶板的中心。这样，可以更加均匀地在射频电极周围产生等离子体。

可选地，所述惰性气体源和所述反应气体源分别连接到如前所述的原子层沉积设备的第一进气装置和所述的第二进气装置。可选地，所述惰性气体源和所述反应气体源均连接到如前所述的原子层沉积设备的第一进气装置。

所述抽真空装置连接到如前所述的原子层沉积设备的可连接真空系统的装置。所述抽真空装置可以是任何合适的常规的抽真空装置。由于本申请中的沉积室的容积显著低于传统的原子层沉积设备，因此本申请采用常规的抽真空装置的抽真空时间仅为传统的原子层沉积设备所需时间的1/7至1/10。

所述原子层沉积系统还可包括一个远程操控系统，用于远距离操作和控制所述原子层沉积设备。例如，操作员可以通过有线或无线网络远程操控所述原子层沉积系统。

所述原子层沉积系统还可包括一个报警系统，用于当所述原子层沉积设备发生故障时发出警报。可选地，所述报警系统监视所述原子层沉积系统地每一个部件。只有当故障修复或警报解除时，所述原子层沉积系统才能重新运行。这样，可以更加安全地操作所述原子层沉积系统。

相较于现有技术，本实用新型的有益技术效果在于：

本实用新型提供的原子层沉积设备与系统，具有可以防止在射频电极附近产生的离子直接到达晶圆表面的阴影板，无需在等离子体的下游使用过滤器即可有效减小反应室的容积，进而有效减低抽真空时间，从而可以有效提高原子层沉积的生产效率，同时使得该原子层沉积设备与系统在工艺开发中可以对多种气态物质进行选择，结构简单，使用方便，具有极强的实用价值，值得广泛推广应用。

附图说明

图1显示了一种传统的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)装置的横截面图；

图2显示了另一种传统的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)装置的横截面；

图3显示了第一实施例中的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)设备的横截面示意图；

图4显示了第一实施例中的网格状射频电极的仰视图和横截面视图；其中，图4(a)是网格状射频电极的仰视图，图4(b)和图4(c)是网格状射频电极沿着虚线AB的横截面视图；

图5显示了第一实施例中的网格状阴影板；其中，图5(a)是网格状阴影板的仰视图，图5(b)是网格状阴影板沿着虚线AB的横截面视图；

图6显示了第二实施例中的圆环状射频电极的仰视图和横截面视图；其中，图6(a)是圆环状射频电极的仰视图；图6(b)和图6(c)是圆环状射频电极沿着虚线AB的横截面视图；

图7显示了第二实施例中的圆环状阴影板；其中，图7(a)是圆环状阴影板的仰视图，图7(b)是圆环状阴影板沿着虚线AB的横截面视图；

图8显示了第三实施例中的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)设备的横截面示意图；

图9显示了第三实施例中的网格状射频电极移动的最大距离；

图10描述了本实用新型的技术效果；

图中标号示意如下：1、腔室；2、图1传统装置中的晶圆固定台；3、等离子体生成管；4、图1传统装置中的真空系统；5、感应线圈；6a、惰性气体入口；6b、图1传统装置中的反应气体入口；7、图1传统装置中的晶圆；8、图1传统装置中的阀门；9、图1传统装置中的射频匹配电路；10、图1传统装置中的射频发电机；11、反应器；12、晶圆固定台；13、等离子体生成腔；14、过滤器；15、图2传统装置中的真空系统；16、图2传统装置中的晶圆；17、图2传统装置中的阀门；18a/18b：图2传统装置中的反应气体入口；19、图2传统装置中的匹配电路；20、图2传统装置中的射频发电机；21、射频电极；22、图2传统装置中的离子的路径；

101、原子层沉积设备；102、晶圆固定台；103、网格状射频电极；103a/103b：带状电极；104、可连接真空系统的装置；105、顶板；105a、上顶板；105b、下顶板；106、射频发生器；107、本申请设备中的射频电流匹配电路；108、顶板内的空腔；109、从气体传输管；110、主气体传输管；111、网格状阴影板；111a/111b：带状物；112、反应室内的进气口；113、圆形管；114、本申请设备中的晶圆；115、加热晶圆固定器；116、支持晶圆固定器的陶瓷固定器；117、本申请设备中的离子移动路径；118、盖板；119、电极盖板；120、轴承；122、圆环状射频电极；122a/122b：同心圆环电极；124、圆环状阴影板；124a/124b：同心圆环状板；126、网格状射频电极移动的最大距离；130、反应室；132、装置室；134、沉积室。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步清楚、完整地描述。

第一实施例

图3-5描述了本实用新型的第一实施例。图3显示了本实用新型的第一实施例中的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)设备的横截面示意图。该等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)设备101包括一个反应室130，一个晶圆固定台102，一个用于产生电容等离子体的网格状射频电极103，以及一个可连接真空系统的装置104。晶圆固定台102还可以具有嵌入式加热器(未示出)。该设备可以使用200毫米(mm)或300毫米(mm)的晶圆114作为半导体衬底。在使用300毫米(mm)晶圆114的情况下，晶片固定台102的直径在320毫米(mm)至400毫米(mm)的范围内，而反应室的内径在360毫米(mm)至500毫米(mm)的范围内。其他硬件也需要具有相应的尺寸，例如网格状射频电极103、网格状阴影板111、顶板105等。

如图3所示，所述顶板105由两部分组成：上顶板105a和下顶板105b，其中上顶板105a由金属制成，而下顶板105b由绝缘材料制成，例如陶瓷。上顶板105a的厚度需要承受腔室内部与外部大气压力之间的压力差。一个射频(RF)发生器106经由射频电流匹配电路107连接到上顶板105a的中心位置处。网格状射频电极103在其外周边处与上顶板105a电连接。

所述原子层沉积设备101还可包括一个淋浴型气体引入系统。首先，使用主气体传输管110将气体引入顶板105内的空腔108中；然后使用较小的从气体传输管109将所述气体引入上述网格状射频电极103周围。网格状射频电极103位于上述沉积室134顶部。

图4显示了第一实施例中的网格状射频电极103的仰视图和横截面视图。

图4(a)显示了上述网格状射频电极103的仰视图。网格状射频电极103用于连接到射频电流，从而产生等离子体。所述网格状射频电极103由金属制成，优选地，所述金属为铜。

图4(b)和图4(c)是网格状射频电极103沿着虚线AB的横截面视图。图4(b)示出了上述网格状射频电极103的一种可能的位置，即所述网格状射频电极103附着到下顶板105b的下表面。上述网格状射频电极103由分布在顶板105上的6个带状电极103a/103b等组成。所述带状电极103a/103b等的宽度没有特别限制，可以在1毫米(mm)至20毫米(mm)的范围内取值；而网格状射频电极103的直径比晶圆114的直径大20毫米(mm)至50毫米(mm)。而且，带状电极103a/103b等之间的间隔也没有特别限制，其取决于带状电极03a/103b等的宽度，可以在2毫米(mm)至10毫米(mm)的范围内取值。如图4(b)所示，任何两个相邻的带状电极103a，103b之间的间隔均匀。或者，该间隔也可以从中心到边缘按比例减小，以便在晶圆表面上获得均匀的径向等离子体密度。

图4(c)示出了上述网格状射频电极103的另一种可能的位置，即网格状射频电极103的6个带状电极103a，103b嵌入下顶板105b；但是多个带状电极103a，103b的下表面从下顶板105b的下表面露出。

图5显示了第一实施例中的网格状阴影板111。图5(a)显示了上述网格状阴影板111的仰视图。图5(b)是网格状阴影板111沿着虚线AB的横截面视图，显示了上述网格状阴影板111的横截面。所述网格状阴影板111的直径与网格状射频电极103的直径相当，而厚度可以在0.5毫米(mm)至5毫米(mm)的范围内取值。网格状阴影板111位于网格状射频电极103的下方，两者之间具有几毫米的距离。网格状射频电极103和网格状阴影板111之间的间隔没有特别限制，可以在5毫米(mm)至10毫米(mm)的范围内取值。网格状阴影板111中的带状板111a，111b等与网格状射频电极103的带状电极103a，103b等对齐。优选地，网格状阴影板111由金属制成并且电接地。或者，网格状阴影板111也可以设置为电浮地状态，以便控制一些等离子体的参数。其它可用于制造所述网格状阴影板111的材料包括硅(Si)、陶瓷或玻璃。

第一实施例还具有一个或多个进气口112。通常使用一个圆形管113连接到上述进气口112，从而将气体引入反应室130。优选地，所述圆形管113的直径大于晶圆固定台102的直径。

反应室中的晶圆固定台102包括一个或多个嵌入式加热器(未显示)，用于加热晶圆114。可选地，晶圆固定台102和网格状阴影板111的上侧之间的距离保持在10毫米(mm)至20毫米(mm)的范围内。本发明的目的是使该距离尽可能小，以使反应室总体积减小，从而减少反应室抽真空所需的时间。

第二实施例

图6-7描述了本实用新型的第二实施例。

图6显示了第二实施例中的圆环状射频电极122的仰视图和横截面视图。图6(a)显示了上述圆环状射频电极122的仰视图。其中圆环状射频电极122包括4个同心圆环电极122a，122b等。优选地，上述同心圆环电极122a，122b等由圆环形状的薄铜(Cu)板制成。圆环状射频电极122的直径和厚度与第一实施例中所述相当。圆环的数量没有特别限制，其可以在2个到10个的范围内取值，具体取决于下顶板105b的直径。

图6(b)和图6(c)示出了上述圆环状射频电极122沿着虚线AB的横截面视图。

图6(b)示出了上述圆环状射频电极122的一种可能的位置，即所述圆环状射频电极122附着到下顶板105b的下表面。上述圆环状射频电极122由分布在顶板105上的4个同心圆环电极122a，122b等组成。

图6(c)示出了上述圆环状射频电极122的另一种可能的位置，即圆环状射频电极122的4个同心圆环电极122a，122b嵌入下顶板105b；但是4个同心圆环电极122a，122b的下表面从下顶板105b的下表面露出。第二实施例中的圆环状射频电极122和第一实施例中的网格状射频电极103的设计和尺寸类似。

图7显示了第二实施例中的圆环状阴影板124。图7(a)和图7(b)分别显示了上述圆环状阴影板124的仰视图和沿着虚线AB的横截面视图。为了与所述圆环状射频电极122对准，圆环状阴影板124也是圆形的。圆环状阴影板124中的同心圆环状板124a，124b等与圆环状射频电极122的同心圆环电极122a，122b等对齐。圆环状射频电极122和圆环状阴影板124之间的间隔与第一实施例中所述相同或类似。此外，其他特征也与第一实施例中所述相同，例如圆环状阴影板124的材料、电气状态和作用。

第三实施例

图8和图9描述了本实用新型的第三实施例，其是第一实施例的扩展。图8显示了第三实施例中的等离子辅助原子层沉积(PE-ALD)设备的横截面示意图。网格状射频电极103完全被固定在其底侧的一个电极盖板119所覆盖。所述电极盖板119由非金属材料制成，优选地为硅(Si)或玻璃。网格状射频电极103的外边缘由轴承120支撑，使得整个网格状射频电极103可以在一个电机系统的支撑下移动一小段距离。网格状射频电极103需要移动的最大距离126如图9所示，即单个网格的对角线距离的一半。

网格状阴影板111也连接到一个移动装置，使得其可以与网格状射频电极103一起移动。这样，网格状射频电极103和网格状阴影板111的同步运动，因此两者103,111可作为单个系统而移动。

第三实施例中的硬件除上所述之外，其余部分和操作机制与第一实施例中描述的相同。在第三实施例中所述的硬件配置的目的在于，当所述硬件用于类似化学气相沉积(CVD)的情况下，消除由网格状阴影板111在晶圆上沉积薄膜时产生的阴影效应。

在原子层沉积机制中，在一个工艺循环期间仅可沉积单个分子层。利用第一实施例和第二实施例中的配置，晶圆上的气态原子和分子通量(flux)足以覆盖晶圆表面而形成单分子层。因此，具有固定的网格状阴影板111对薄膜厚度的均匀性没有影响。

然而，如果薄膜沉积过程和化学气相沉积(CVD)类似，其沉积速度取决于晶圆表面上的原子或分子的通量(flux)，则具有固定的网格状阴影板111可能会产生问题，因为其遮蔽了反应活性的原子和分子通量在晶圆表面上的通量(flux)。这将导致晶圆上的薄膜不均匀。作为一种解决方案，网格状射频电极103和网格状阴影板111移动一个网格一半的距离。这将于平均时间在晶圆表面上提供均匀的反应物质通量，从而最终产生均匀厚度的薄膜。

图10描述了本实用新型的技术效果；其中，图10(a)描述了在如图2所述的现有技术的常规反应室中，离子从等离子体中移动到反应室的示意图。相对地，图10(b)描述了本实用新型中的原子层沉积(ALD)系统中的离子移动路径117，参考图3至图7进行说明。

在等离子体发生系统中，无论电容耦合还是电感耦合，离子都是由加速电子与中性原子碰撞产生；这个过程发生在射频电极附近，通常在亚毫米(sub-millimeter)范围内，具体取决于气体压力。然后，所述离子通过扩散或对流过程漂移到整个腔室内。

在常规系统中，离子在到达反应室之前经历许多次碰撞。在与中性气体物质、与反应室或过滤器的侧壁碰撞几次后，等离子体中产生的所述离子将失去其离子状态。因此，到达晶圆的所有气态物质都是中性自由基或中性气体。

在本实用新型的原子层沉积(ALD)系统中，存在网格状阴影板111，其可以防止在射频电极103附近产生的离子直接到达晶圆表面。产生的离子在到达晶圆之前，基本上与网格状阴影板111、下顶板105b或其他气体物质发生多次碰撞。由于所述的多次碰撞，离子将失去其离子状态。

相应地，本实用新型的硬件配置产生的气体环境与传统系统中具有过滤器产生的气体环境相同，但反应室具有最小的容积。

另外，在本实用新型的原子层沉积(ALD)系统中，通过将反应气体引入顶板105中的从气体传输管109，可以增加反应气体的分解程度。然后，分解的自由基在向晶圆114漂移的过程中经历气相碰撞。每个气相碰撞将引起能量从高能自由基转移到中性气体分子，该中性气体分子通过圆形管113引入到下游。而且，一些反应气体自由基可以在到达晶圆之前，与被引入下游的合适的其他气体分子重新结合。因此，通过控制反应室压力，可以调节气相碰撞的数量，直到产生所需的气体物质并到达晶圆。这种气相自由基的选择能力为获得新材料提供了新的机会。

最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有阴影板的原子层沉积设备，其特征在于，包括一个可封闭或气密的反应室，所述反应室包括：

一个装置室，可用于容纳一个等离子生成装置；以及

一个沉积室，可容纳至少一个晶圆固定台；

其中，所述装置室与沉积室相连通；

所述等离子体生成装置包括：

一个射频电极，可用于产生所述等离子体；以及

一个阴影板，位于所述晶圆固定台和所述射频电极之间，可防止由所述射频电极上产生的等离子直接抵达所述晶圆固定台；

所述晶圆固定台，可固定至少一个衬底，用于沉积薄膜；

所述原子层沉积设备还包括：一个可连接真空系统的装置，可用于将所述沉积室内的物质抽到所述沉积室的外部；

至少一个第一进气装置，可用于将惰性气体和至少一种反应气体引入所述沉积室；以及

至少一个第二进气装置，可用于将所述至少一种反应气体引入所述沉积室；

其中，所述等离子体生成装置与所述晶圆固定台彼此间隔。

2.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述阴影板具有至少一个通孔，可允许所述等离子体通过。

3.如权利要求2所述的原子层沉积设备，其特征在于，还包括：

一个顶板，用于密封所述沉积室；

其中，所述顶板包括一个上顶板和一个下顶板；

其中，所述上顶板用于密封所述沉积室；以及

所述下顶板和所述上顶板相对。

4.如权利要求3所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述射频电极处于下顶板内，其下表面从所述下顶板的下表面露出。

5.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述阴影板为网格状阴影板，包括一系列横向带状板和一系列纵向带状板；其中，所述一系列横向带状板和一系列纵向带状板相互交叉。

6.如权利要求1所述的原子层沉积设备，其特征在于：所述阴影板为圆环状阴影板，包括一系列同心圆环状板。

7.一种原子层沉积系统，其特征在于，该系统包括：

一个如权利要求1至6中任意一项所述的原子层沉积设备；

一个射频匹配电路，连接到所述原子层沉积设备；

一个射频发生器，连接到所述射频匹配电路；

至少一个惰性气体源，连接到所述原子层沉积设备；

至少一个反应气体源，连接到所述原子层沉积设备；以及

一个抽真空装置，连接到所述原子层沉积设备。

8.如权利要求7所述的原子层沉积系统，其特征在于：所述射频匹配电路连接到所述的原子层沉积设备中的上顶板。

9.如权利要求7所述的原子层沉积系统，其特征在于：所述抽真空装置连接到所述的原子层沉积设备中的可连接真空系统的装置。

10.如权利要求7所述的原子层沉积系统，其特征在于：还包括一个远程操控系统，用于远距离操作和控制所述原子层沉积设备。

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