CN210916247U - 薄膜制备设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种薄膜制备设备，其包括：反应腔室；竖直设置在所述反应腔室内的第一注入管，设置有多个沿所述第一注入管依次排列的第一注入孔；设置在所述反应腔室内的第二注入管，包括沿竖直方向延伸的第一管段，设置有多个沿所述第一管段依次排列的多个第二注入孔；第二管段，其一端连通于所述第一管段的顶端、其另一端用于通入第一反应气体；其中，所述第一注入管的底端用于通入第一反应气体。采用这种薄膜制备设备在多个晶圆上生成薄膜，位于反应腔室上部的晶圆和位于反应腔室底部的晶圆其表面上生长出的薄膜的厚度趋于一致。

Description

薄膜制备设备

技术领域

本实用新型涉及半导体加工技术领域，具体而言，涉及一种薄膜制备设备。

背景技术

在半导体制造过程中，化学气相沉积(CVD)作为薄膜制程已经被广泛使用。

化学气相沉积在薄膜制备设备的反应腔室中进行。先将晶圆置于密闭的反应腔室中，再将反应气体输送至薄膜制备设备内，反应气体与晶圆在高温环境下发生化学反应能在晶圆表面沉积一层薄膜。以氮化硅层的沉积为例，二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、臭氧(O₃)等反应气体注入到反应腔室内后能与晶圆发生反应以在晶圆表面形成氧化硅层。

现有的一种反应腔室，为直立的圆柱形结构，例如为炉管。在该反应腔室内，多块晶圆从下至上依次排布。气体输入管从反应腔室的底部向上伸入到反应腔室内，且沿竖直方向延伸。气体输入管位于晶圆的一侧。气体输入管上设置有多个沿竖直方向均匀排布的多个进气口。气体输入管的下端连通入反应气体，反应气体从这些进气口进入到反应腔室内以在晶圆表面成膜。

在通过气体输入管向反应腔室内输入气体时，反应腔室内的反应气体气压从上至下压力逐渐减小，造成反应腔室上端和下端的反应气体通入量不相等，导致了位于反应腔室上端的晶圆其表面生长出的薄膜厚度大于位于反应腔室下端的晶圆其表面生长出的薄膜厚度。这会对最终生产出的半导体器件的稳定性造成不良影响。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本实用新型所要解决的一个技术问题为如何提升最终生产出的半导体器件的稳定性，提供一种薄膜制备设备，其包括：

反应腔室；

竖直设置在所述反应腔室内的第一注入管，设置有多个沿所述第一注入管依次排列的第一注入孔；

设置在所述反应腔室内的第二注入管，包括

沿竖直方向延伸的第一管段，设置有多个沿所述第一管段依次排列的多个第二注入孔；

第二管段，其一端连通于所述第一管段的顶端、其另一端用于通入第一反应气体；

其中，所述第一注入管的底端用于通入第一反应气体。

根据本实用新型的一个实施例，第二管段包括竖直延伸的竖直段以及拱形的连接段；

其中，所述连接段的两端分别连通于所述竖直段的顶端和所述第一管段的顶端，所述第一管段与所述竖直段均与所述连接段相切。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一注入管和所述第二注入管均为石英管。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一注入管设置有多根。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一注入管的顶端封闭，所述第一管段的底端封闭。

根据本实用新型的一个实施例，相邻两个所述第一注入孔之间的间距相等，相邻两个所述第二注入孔的间距相等。

根据本实用新型的一个实施例，

所述薄膜制备设备还包括竖直布置在所述反应腔室外的第三注入管；

所述第三注入管的侧壁上设置有在竖直方向上依次排布的多个第三注入孔，所述第三注入管的底端用于通入第二反应气体；

所述反应腔室的侧壁上还设置有多个连接孔，多个所述连接孔沿竖直方向依次排布，所述连接孔与所述第三注入孔一一对应连通。

根据本实用新型的一个实施例，所述反应腔室为顶端封闭的圆筒结构。

根据本实用新型的一个实施例，所述反应腔室的底端还设置有开口；

所述薄膜制备设备还包括晶舟，所述晶舟包括基座、从所述基座向上延伸的支架以及设置在所述支架上且沿所述支架的延伸方向依次排布的多组托架；

其中，所述托架能从所述开口伸入到所述反应腔室内，每组托架用于托住一块晶圆。

由上述技术方案可知，本实用新型的薄膜制备设备的优点和积极效果在于：

在向反应腔室内注入第一反应气体时，第一注入孔越靠近反应腔室的底端其输出流量越小，第二注入孔越靠近反应腔室的底端其输出流量越大，因此，在第一注入孔和第二注入孔同时输送第一反应气体时，第二注入孔能对第一注入孔所输送的第一反应气体进行补偿使得第一反应气体在竖向上分布更均衡。由于整个反应腔室内的第一反应气体的浓度趋于一致，在进行反应后，位于反应腔室上部的晶圆和位于反应腔室底部的晶圆其表面上生长出的薄膜的厚度也趋于一致。这样就能提升最终生产出的半导体器件的稳定性。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本实用新型的优选实施例的详细说明，本实用新型的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本实用新型的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种薄膜制备设备的立体示意图；

图2是根据一示例性实施方式示出的一种薄膜制备设备的半剖示意图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种薄膜制备设备的剖视的俯视示意图；

图4是根据一示例性实施方式示出的一种薄膜制备设备的局部示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、薄膜制备设备；11、反应腔室；111、内腔；112、出气口；113、开口；114、连接孔；115、第三注入口；12、晶舟；121、基座；122、支架； 123、托架；13、第一注入管；130、第一注入孔；14、第二注入管；141、第一管段；142、第二管段；143、第二注入孔；145、竖直段；146、连接段； 15、第三注入管；151、第三注入孔；152、等离子体发生器；2、第一反应气体气源；3、抽气泵；5、晶圆。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1、2，图1、2公开了本实施例中的一种薄膜制备设备1。该薄膜制备设备1包括反应腔室11、第一注入管13、第三注入管15、第二注入管14和晶舟12。晶舟12用于承载多块晶圆5，并将多块晶圆5一同送入和送出反应腔室11。第一注入管13、第三注入管15和第二注入管14均连通于反应腔室11的内腔111。第一注入管13、第三注入管15和第二注入管14均用于向反应腔室11内充入反应气体。

反应腔室11通常由耐高温的材料制成，例如石英材料。反应腔室11为大致的圆桶形。反应腔室11竖直设置。反应腔室11内设置有一内腔111，晶圆5在该内腔111内成膜。反应腔室11的底部设置一开口113。晶舟12 能通过该开口113而将多块晶圆5送入到该内腔111内，晶舟12进入到该内腔111内后晶舟12的底部封堵该开口113。在晶舟12上，多块晶圆5沿竖直方向排布。反应腔室11可以构造为顶端封闭、底端没有封闭的圆筒结构，该开口113是反应腔室11的底端端口。反应腔室11上还可以设置挡板 (图中未示出)，挡板用于晶舟12处于反应腔室11外部时关闭开口113。

反应腔室11还设置有一出气口112，该出气口112可以靠近开口113设置。出气口112可以外接抽气泵3，抽气泵3用于对反应腔室11抽气以将反应腔室11内的气体抽出。

第一注入管13和第三注入管15均为直管，且竖直设置。第二注入管14 为弯管。第一注入管13和第二注入管14均设置在反应腔室11内，第三注入管15设置在反应腔室11外。第一注入管13和第三注入管15均从反应腔室11的底端向顶端延伸。

第一注入管13靠近反应腔室11的内侧壁设置。第一注入管13的顶端封闭。第一注入管13的侧壁上设置有多个第一注入孔130。第一注入孔130 沿第一注入管13均匀分布。第一注入孔130可以为通孔。第一注入孔130 的数量与晶舟12能承载的最大晶圆数一致，且在晶舟12处于反应腔室11 内时第一注入孔130与晶舟12上的晶圆5一一对应设置。

第二注入管14靠近反应腔室11的内侧壁设置。第二注入管14包括第一管段141和第二管段142。第一管段141竖直设置。第二管段142从反应腔室11的底部延伸到第一管段141的顶部，且与第一管段141相接通。在本实施例中，第二管段142包括竖直段145和连接段146。竖直段145竖直延伸，竖直段145与第一管段141并排设置。竖直段145与第一管段141之间可以是相互靠近。连接段146的两端分别连通于第一管段141和竖直段145 的顶端。连接段146优选为拱形，且连接段146的两端分别与第一管段141 和第二管段142相切，这样设置可以减小反应气体经过连接段146时的阻力。第一管段141的侧壁上设置有多个第二注入孔143。第二注入孔143为通孔。第二注入孔143的数量可以是在6个以上，多个第二注入孔143沿竖直方向依次排布。

参照图3，第三注入管15与反应腔室11的外侧壁相抵靠。第三注入管 15的侧壁上设置有多个第三注入孔151。第三注入孔151为通孔。第三注入孔151的数量可以是在6个以上，多个第三注入孔151沿竖直方向依次排布。反应腔室11的侧壁上设置有多个连接孔114，连接孔114为通孔。连接孔 114的数量与第三注入孔151的数量一致。多个连接孔114沿竖直方向依次排布，连接孔114与第三注入孔151一一对应设置，连接孔114与其相对应的第三注入孔151相接通。连接孔114朝向反应腔室11内一端端口为第三注入口115。

第一注入孔130、第二注入孔143和第三注入口115均能朝向晶舟12喷射反应气体。相邻两个第一注入孔130之间的间距相等，相邻两个第三注入口115之间的间距相等，相邻两个第二注入孔143之间的间距相等。

第一注入管13、第三注入管15和第一管段141均包括顶端以及与顶端相对的底端。第一注入管13和第三注入管15的顶端的端部均封闭，第一管段141的底端封闭。在本实施例中，第一注入管13、第三注入管15和第二管段142的底端均靠近反应腔室11的底端。第一注入管13和第二管段142 的底端均外接第一反应气体气源2。第三注入管15的底端外接第二反应气体气源。第一反应气体气源2用于提供第一反应气体，第二反应气体气源用于提供第二反应气体。

第一反应气体气源2可以是装载有第一反应气体的储罐。第一反应气体可以是含硅源气体，例如二氯硅烷(SiH₂Cl₂)。第一反应气体气源2内的第一反应气体从第一注入孔130注入到反应腔室11内，同时第一反应气体还从第二注入孔143注入到反应腔室11内。

第二反应气体气源可以是用于制造第二反应气体的等离子体发生器152，等离子体发生器152设置在第三注入管15的底端。第二反应气体可以是臭氧(O₃)。将氧气(O₂)通入到等离子体发生器152中后，等离子体发生器152能将氧气(O₂)电离而生成臭氧(O₃)，这些臭氧(O₃)作为第二反应气体被输送到第三注入管15中，然后从第三注入口151注入到反应腔室11内。

第一反应气体和第二反应气体在高温环境下反应以在晶圆5表面生成薄膜。下面以采用原子层沉积的方法在晶圆表面沉积氧化硅薄膜为例进行更详细的说明：

先通过第一注入孔130和第二注入孔143同时向反应腔室11内注入第一反应气体，第一反应气体在晶圆表面沉积一层硅原子层后将第一反应气体从反应腔室内抽出；再通过第三注入口151向反应腔室11内注入臭氧，臭氧作为第二反应气体与晶圆表面的硅原子反应生成二氧化硅后抽出第二反应气体；交替进行上述两个步骤，直至晶圆上的二氧化硅薄膜达到预设的厚度。

在第一注入管13中，底端的气压均小于顶端的气压，因此，靠近该底端的第一注入孔130的第一反应气体输出流量小于靠近该顶端的第一注入孔 130的第一反应气体输出流量。第二注入管14的第二管段142将第一管段 141的顶端和第一反应气体气源连通起来，第一管段141的顶端的气压小于第一管段141的底端的气压，因此，靠近顶端的第二注入孔143的第一反应气体输出流量小于靠近底端的第二注入孔143的第一反应气体输出流量。

这样，第一注入管13上的第一注入孔130越靠近反应腔室的底端其输出流量越小，第二注入管14上的第二注入孔143越靠近反应腔室的底端其输出流量越大，因此，在第一注入孔130和第二注入孔143同时输送第一反应气体时，第二注入孔143能对第一注入孔130所输送的第一反应气体进行补偿使得第一反应气体在竖向上分布更均衡。由于整个反应腔室11内的第一反应气体的浓度趋于一致，在进行反应后，位于反应腔室11上部的晶圆5 和位于反应腔室11底部的晶圆5其表面上生长出的薄膜的厚度趋于一致。

进一步地，第一注入管13和第二注入管14均为石英管。

石英材质的第一注入管13和第二注入管14更耐高温，不会因为反应腔室内温度过高而变形或熔化。同时，石英材质的第一注入管和第二注入管14 的化学性质稳定，在高温下也不会与反应气体发生反应。

进一步地，参照图4，第一注入管13可设置多根。在本实施例中，第一注入管13可以是设置两根，两个第一注入管13和第二注入管14均设置在反应腔室的同一侧。两根第一注入管13相互靠近设置，第二注入管14设置在一根第一注入管13背离另一根第一注入管的一侧。两根第一注入管13上的第一注入孔130和第二注入管14上的第二注入孔143的喷射方向均朝向反应腔室的中间区域。

这样设置后，多个第一注入管13和第二注入管14同时向反应腔室内注入第一反应气体，能使得反应腔室内的第一反应气体分布更加均匀，各个晶圆上所生成的薄膜更加均匀。多根第一注入管13和第二注入管14同时向反应腔室内注入第一反应气体时能加速第一反应气体的注入、减少晶圆加工时间。

进一步地，晶舟12包括基座121、支架122和多组托架123。基座121 可以为板状，例如圆板。基座121可以水平设置。支架122安装在基座121 的上表面上。支架122从基座121的上表面向上延伸。多组托架123沿着支架122的延伸方向依次布置在支架122上，每组托架123能托住一块晶圆5。支架122能从反应腔室11的底部开口113伸入到反应腔室11内，以使得托架123上的所有晶圆5都能进入到反应腔室11内。

尽管已经参照某些实施例公开了本实用新型，但是在不背离本实用新型的范围和范畴的前提下，可以对所述的实施例进行多种变型和修改。因此，应该理解本实用新型并不局限于所阐述的实施例，其保护范围应当由所附权利要求的内容及其等价的结构和方案限定。

Claims (9)

1.一种薄膜制备设备，其特征在于，包括：

反应腔室；

竖直设置在所述反应腔室内的第一注入管，设置有多个沿所述第一注入管均匀排布的第一注入孔；

设置在所述反应腔室内的第二注入管，包括

沿竖直方向延伸的第一管段，设置有多个沿所述第一管段均匀排布的多个第二注入孔；

第二管段，其一端连通于所述第一管段的顶端、其另一端用于通入第一反应气体；其中，所述第一注入管的底端用于通入第一反应气体。

2.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，第二管段包括竖直延伸的竖直段以及拱形的连接段；

其中，所述连接段的两端分别连通于所述竖直段的顶端和所述第一管段的顶端，所述第一管段与所述竖直段均与所述连接段相切。

3.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，所述第一注入管和所述第二注入管均为石英管。

4.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，所述第一注入管设置有多根。

5.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，所述第一注入管的顶端封闭，所述第一管段的底端封闭。

6.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，相邻两个所述第一注入孔之间的间距相等，相邻两个所述第二注入孔的间距相等。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的薄膜制备设备，其特征在于，

所述薄膜制备设备还包括竖直布置在所述反应腔室外的第三注入管；

所述第三注入管的侧壁上设置有在竖直方向上依次排布的多个第三注入孔，所述第三注入管的底端用于通入第二反应气体；

所述反应腔室的侧壁上还设置有多个连接孔，多个所述连接孔沿竖直方向依次排布，所述连接孔与所述第三注入孔一一对应连通。

8.根据权利要求1所述的薄膜制备设备，其特征在于，所述反应腔室为顶端封闭的圆筒结构。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的薄膜制备设备，其特征在于，所述反应腔室的底端还设置有开口；

所述薄膜制备设备还包括晶舟，所述晶舟包括基座、从所述基座向上延伸的支架以及设置在所述支架上且沿所述支架的延伸方向依次排布的多组托架；

其中，所述托架能从所述开口伸入到所述反应腔室内，每组托架用于托住一块晶圆。

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