CN211445885U

CN211445885U - 一种半导体设备

Info

Publication number: CN211445885U
Application number: CN201921572824.0U
Authority: CN
Inventors: 林信南; 游宗龙; 刘美华; 李方华; 児玉晃; 板垣克則
Original assignee: SHENZHEN JINGXIANG TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHENZHEN JINGXIANG TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2029-09-20

Abstract

本实用新型提出一种半导体设备，包括：生长腔体；基座，设置在所述生长腔体内，所述基座允许放置基板；靶材，设置在所述生长腔体内；磁体，设置在所述靶材的相对的位置上；其中，所述基座包括：一加热器，设置在所述基座上；一测温装置，包括多个测温点，所述多个测温点分别设置在所述基座上。本实用新型提出的半导体设备设计合理，结构简单，可提高镀膜的质量。

Description

一种半导体设备

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，特别涉及一种半导体设备。

背景技术

在半导体工业集成电路制造行业中，多采用磁控溅射(Magnetron Sputtering)技术，主要用于铝、铜等金属薄膜的沉积，以构成金属接触、金属互连线等。

工艺中，磁控溅射过程可为：工艺腔室中的电子在电场作用下向基片运动，在飞向基片的过程中与氩原子碰撞，使氩原子电离得到带正电的氩离子和二次电子；其中，氩离子向具有负电势的靶材方向加速运动的过程中获得动量，轰击靶材使靶材发生溅射，以生成溅射粒子；二次电子在电场和外加磁铁产生的磁场的作用下，其运动轨迹近似于一条摆线，二次电子在沿其轨迹运动的过程中继续碰撞氩原子以电离得到新的氩离子和新的二次电子；再者，氩离子轰击靶材所生成溅射粒子中的中性靶材原子或分子迁移到硅片表面，并通过沉积的方式在硅片表面凝聚以形成薄膜，该薄膜具有和靶材基本相同的组份；且在由氩离子轰击靶材时所产生的尾气或其它杂质可由真空泵抽走。

但是在上述工艺中，在实际应用中会存在以下问题：直接溅射完成后薄膜的均匀性较差，使得在下一步的工艺中还需要后续处理，工艺过程繁琐。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本实用新型提出一种半导体设备，以提高镀膜的均匀性，提高镀膜的质量，提高工作效率。

为实现上述目的及其他目的，本实用新型提出一种半导体设备，该半导体设备包括：

生长腔体；

基座，设置在所述生长腔体内，所述基座允许放置基板；

靶材，设置在所述生长腔体内；

磁体，设置在所述靶材的相对的位置上；

其中，所述基座包括：

一加热器，设置在所述基座上；

一测温装置，包括多个测温点，所述多个测温点分别设置在所述基座上。

在一实施例中，所述加热器包括多个加热电极及加热线圈，所述多个加热电极连接所述加热线圈。

在一实施例中，所述多个加热电极分别设置在所述基座的四周。

在一实施例中，所述加热线圈包括第一部分及第二部分，所述第一部分及所述第二部分关于所述加热线圈的中心对称连接。

在一实施例中，所述第一部分从外至内依次包括第一弧边，第二弧边及第三弧边。

在一实施例中，所述第一弧边的一端连接所述第二弧边的一端，所述第二弧边的另一端连接所述第三弧边。

在一实施例中，所述第一弧边的另一端连接所述加热电极。

在一实施例中，所述第一部分通过所述第三弧边连接所述第二部分。

在一实施例中，所述多个测温点靠近所述多个加热电极。

在一实施例中，所述加热器及多个测温点设置在所述基座的一面上，所述基板设置在所述基座的另一面上。

综上所述，本实用新型提出一种半导体设备，通过在基座上设置一加热器，使得对基座进行均匀加热，然后通过测温装置对基座的多个位置进行实时测温，有效控制基座上各位置上的温度变化，从而使得基座及基座上的基板处于温度均匀的状态下，有利于溅射离子在基板上沉积，有利于提高镀膜的均匀性，提高工作效率。

附图说明

图1：本实施例提出的半导体设备的简要示意图。

图2：本实施例中基座的仰视图。

图3：本实施例中加热线圈的俯视图。

图4：本实施例中加热线圈另一种简要示意图。

图5：本实施例中测温装置的简要示意图。

图6：本实施例中另一种半导体设备的简要示意图。

图7：本实施例中氮化铝薄膜的分析图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

以下说明阐述许多特定细节，比如工艺腔室配置和材料体系，以提供对本实用新型实施例彻底的理解。对本领域技术人员显而易见的是本实用新型的实施例可在没有这些特定细节的情况下被实施。在其他情况中，不详述诸如特定二极管配置之类的熟知的特征，以免让本发明的实施例变得晦涩难懂。另外，应理解各图所示各种实施例是示例性说明，而没有必要地按比例绘制。此外，本文实施例中可能未明确揭示其他布置和配置，但所述其他布置和配置仍被视为在本实用新型的精神和范围内。

请参阅图1，本实施例提出一种半导体设备100，该半导体设备100包括生长腔体110，基座111，磁体118及靶材119。

请参阅图1，在本实施例中，该基座111设置在生长腔体110内，基座111可设置在生长腔体110的底端，在基座111上允许放置多个基板112，例如可放置六个或八个或更多或更少个基板112，基板112可放置在基座111的正面上。在本实施例中，基座111上设置一个基板112，基座111的直径范围可例如为200mm-800mm，例如在400mm-600mm。基座111 可由多种材料形成，包括碳化硅或涂有碳化硅的石墨。在一些实施例中，基座111包括碳化硅材料并具有2000平方厘米或以上的表面积，例如为5000平方厘米或以上，又例如为6000 平方厘米或以上。

请参阅图1，在本实施例中，该基板112例如为硅衬底或碳化硅衬底，可例如在硅衬底碳化硅衬底上形成金属化物膜，例如为氮化铝膜，例如为(002)取向的氮化铝膜。在本实施例中，基座111还可通过连杆113连接一驱动单元114，驱动单元114连接控制单元(未显示)，驱动单元114用于驱动基座111上升或下降，驱动单元114可以采用诸如伺服电机或步进电机等的驱动装置，控制单元用于在磁控溅射的过程中控制驱动单元114驱动基座111上升，以使靶材119与基座111的间距始终保持预定值不变，该预定值可以根据具体需要设定为可获得理想的薄膜均匀性、沉积速率等的工艺结果的最优值。因此，通过借助控制单元在磁控溅射的过程中控制驱动单元114驱动基座111上升，以使靶基间距始终保持最优值不变，可以提高薄膜均匀性和沉积速率，进而可以提高工艺质量。控制单元可以采用上位机或PLC等。在其他实施例中，基座111还可连接一旋转装置(未显示)，旋转装置用于在膜沉积期间使基座111旋转，进一步改善镀膜的厚度均匀性，及改善镀膜的应力均匀性。

值得说明的是，在一些实施例中，半导体设备100还可例如包括负载锁定室、承载盒和选择性附加的MOCVD反应腔室(未显示)以供大量应用。

在一些实施例中，基板的选择包括但不限于蓝宝石，SiC，Si，金刚石，LiAlO₂，ZnO、W，Cu，GaN，AlGaN，AlN，碱石灰/高硅玻璃，具有匹配的晶格常数与热膨胀系数的基板、与生长于基板上的氮化物材料相容的基板或根据生长于基板上的氮化物材料而被处理(engineered)的基板、在要求的氮化物生长温度下呈热与化学稳定的基板以及未图案化或图案化的基板。在一些实施例中，靶材的选择包括，但不限于含Al金属、合金、化合物，比如Al、 AlN、AlGa、Al₂O₃等，且靶材可以II/IV/VI族元素掺杂，以改善层相容性与装置性能。在一实施例中，溅射工艺气体可包括，但不限于，比如N₂、NH₃、NO₂、NO等的含氮气体和比如 Ar、Ne、Kr等的惰性气体。

在一些实施例中，本实用新型的半导体设备可涉及用于形成高质量缓冲层和III-V族层的设备和方法，所述高品质缓冲层和III-V族层可用来形成可能的半导体组件，如射频组件、功率组件、或其它可能组件。

请参阅图1，在本实施例中，靶材119设置在生长腔体110的顶部，靶材119与溅射电源(未显示)电连接，在磁控溅射过程中，溅射电源向靶材119输出溅射功率，以使在生长腔体110内形成的等离子体刻蚀靶材119，溅射电源可以包括直流电源、中频电源或射频电源。靶材119具有至少一个表面部分是由将在设置在基座111上的基板112上溅射沉积的材料组成的。在一些实施例中，当例如形成AlN的缓冲层时，可使用大体上的纯铝靶材形成含 AlN的缓冲层，通过使用包括惰性气体(例如氩气)和含氮气体的等离子体而溅射所述纯铝靶材。在一些实施例中，在将一或更多个外延准备就绪的基板112载入生长腔体110之后，通过使用含铝靶材和含氮处理气体在基板112上沉积连续的AlN薄膜。在一些实施例中，靶材119可由一材料形成，所述的材料选自但不限于以下各者的群组：大体上的纯铝、含铝合金、含铝化合物(如AlN，AlGa，Al₂O₃)和掺杂有II/IV/VI族元素以改良层兼容性和装置性能的含铝靶材。在溅射工艺期间使用的处理气体可包括但不限于含氮气体和惰性气体，含氮气体如氮气(N₂)、氨气(NH₃)、二氧化氮(NO₂)、氧化氮(NO)等等，惰性气体如氩气(Ar)、氖气(Ne)、氪气(Kr)等等。在一些实施例中，可通过用掺杂靶材料和/或将掺杂气体输送至所产生溅射等离子体来将掺杂原子添加至沉积薄膜，以调节沉积的AlN缓冲层的电特性、机械特性和光学特性，例如以使得薄膜适合在其上制造III族氮化物装置。在一些实施例中，生长腔体110内所形成的薄膜(例如AlN缓冲层)的厚度可在0.1-1000纳米之间。

请参阅图1，磁体118位于靶材119的上方，磁体118固定在固定板117上，固定板117通过连杆116连接旋转单元115，该旋转单元115带动固定板117绕自身的中心轴旋转，从而带动磁体118旋转，且旋转单元115的中心轴穿过靶材119的中心轴，因此，磁体118围绕靶材119的中心轴旋转，由此形成一均匀的磁场。该均匀的磁场均匀扫描到靶材119的每个位置，以在靶材119的溅射面附近电离出更多的氩离子，使氩离子能均匀地溅射靶材119 的整个表面的各个位置，提高靶材119的利用率和溅射时的均匀性，从而提高沉积薄膜的质量。磁体118随固定板117旋转运动时，靶材119可保持静止状态，也可绕自身中心轴旋转，但是靶材119的旋转速度与固定板117绕自身中心轴旋转的速度不相等，目的是使靶材119 和磁体118之间存在速度差。固定安装有磁体118的固定板117保持静止时，可以通过动力源如电机来驱动靶材119环绕自身中心轴旋转，以使靶材119和磁体118之间存在速度差。靶材119和磁体118的相对运动，可使得磁体118所产生的磁场均匀地扫描过靶材119的溅射面，且由于本实施例中电场与均匀分布于靶材119溅射面的磁场同时作用于二次电子，可调整二次电子的运动轨迹以增加二次电子与氩原子的碰撞次数，使得靶材119溅射面附近的氩原子被充分电离，以产生更多的氩离子；且通过更多的氩离子轰击靶材119，可有效地提高靶材119的溅射利用率和溅射均匀性。在一些实施例中，该旋转单元115还可带动固定板 117沿着旋转单元115的中心轴上升或下降，即沿着靶材119的中心轴上升或下降，即磁体 118在旋转的同时上升或下降，从而可以使靶材均匀腐蚀，提高靶材的利用率。

请参阅图2-3，图2显示为基座111的背面，在基座111的背面上设置有一个加热器，其中，加热器包括多个加热电极121及加热线圈122，多个加热电极121分别设置在基座111的四周，加热电极121还设置在基座111的中心位置上，多个加热电极121连接加热线圈122。在本实施例中，加热线圈122同时也设置在基座111的背面，本实施例对该加热线圈122进行特定的设计，例如该加热线圈122包括第一部分及第二部分，第一部分及第二部分关于该加热线圈122的中心对称连接，其中第一部分从外至内依次包括第一弧边122a，第二弧边122b及第三弧边122c，第一弧边122a，第二弧边122b及第三弧边122c可以为同心圆形状。第一弧边122a的一端连接第二弧边122b的一端，第二弧边122b的另一端连接第三弧边122c，第一部分通过第三弧边122c连接第二部分，形成圆形的加热线圈122。多个加热电极121分别连接加热线圈122，多个加热电极121连接外部电源后，该加热线圈122开始对该基座111 进行加热。本实施例通过这样的加热线圈122能够保证对基座111的加热均匀性，从而能够保证基板112的温度均匀性。该加热线圈122可例如设置在热解氮化硼基底上。在一些实施例中，为进一步提高加热的均匀性，可对该加热线圈122的形状及圈数进行调整。本实施例在基座111的背面设置例如七个加热电极121，在其他实施例中，为提高加热的均匀性，可设置8个或更多或更少个加热电极121。

请参阅图4，在一些实施例中，为进一步提高基座111的加热均匀性，可对该加热线圈 122进行调整，例如该加热线圈122可通过一漆包线122d经过弯折形成的，该漆包线122d的横截面可为圆形或方形或扁平形。可根据实际情况，调整该漆包线122d的饶制圈数，或者将该加热线圈122设置成非对称形状，或者将漆包线饶制成其他形状。

请参阅图2及图5，在本实施例中，靠近加热电极121的位置上还设有测温点123，该测温点123连接至测温装置，在本实施例中，该测温装置包括依次连接的检测回路124以及温度采集模块125。其中检测回路124由两种不同材质的导体构成，该检测回路124的一端(工作端)与测温点123接触，以产生热电信号。温度采集模块125用于通过检测回路124的另一端(自由端)的第一检测点和第二检测点，接收热电信号，并根据该热电信号计算测温点123的温度。由于检测回路124由两种不同材质的导体构成，该热电信号对第一检测点和第二检测点的电势差会产生影响，温度采集模块125通过计算第一检测点和第二检测点的电势差来计算测温点123的温度。本实施例中，该测温装置可例如为热电偶。在一些实施例中，还可以使用其他测温仪来测量基座111上的温度，例如还可以通过红外感温仪来测量基座111 上的温度。本实施例中通过测温装置可实时得知基座111各个位置上的温度情况，可以保证基座111上的温度处于均匀稳定的状态，同时还可以保证基座111上的基板112处于均匀稳定的温度环境中。

在一些实施例中，该半导体设备10还可包括至少一进气口，该进气口连接外部气源，该半导体设备10还可包括至少一抽气口，该抽气口连接真空泵。在溅射工艺期间使用的处理气体可包括但不限于含氮气体和惰性气体，含氮气体如氮气(N₂)、氨气(NH₃)、二氧化氮(NO₂)、氧化氮(NO)等等，惰性气体如氩气(Ar)、氖气(Ne)、氪气(Kr)等，上述气体可通过外部气源输送至腔体内。真空泵对该腔体进行抽真空处理，使得该腔体处于真空状态。

请参阅图6，本实施例还提出另一种半导体设备10，该半导体设备10包括装/卸载腔体 11，去气腔体12，预清洗腔体13，生长腔体14，传输腔体15及遮挡盘存放腔体16。传输腔体15具有个可连接其它腔体的侧壁，上述各个腔体分别连接在传输腔体15不同的侧壁上，具体地，传输腔体15的侧壁通过密封闸门实现与上述各个腔体密封连接。该传输腔体15用于在正常工艺时用于为各个生长腔体14存取基板，并在去除生长腔体14内的靶材氧化物时，用于将至少一个遮挡盘在遮挡盘存放腔室16与各个生长腔体14之间进行传送和转移，具体地，在实际应用中，可以在传输腔体15内部设置机械手(图未示)，借助该机械手而实现将遮挡盘在遮挡盘存放腔体16与生长腔体14之间的存取操作。此外，本实施例中，由于生长腔体14的数量为两个，因而最多只需两个遮挡盘即可满足所有生长腔体14的需求；而当各个生长腔体14进行去除靶材氧化物的操作相互错开时，少于两个的遮挡盘即可满足所有生长腔体14的需求。在实际应用中，为避免生长腔体14因等待遮挡盘而造成的产能浪费问题，通常会在遮挡盘存放腔体16内放置与生长腔体14数量相等的遮挡盘。在使用该半导体设备10 时，首先将基板设置在装/卸载腔体11内，然后由运输腔体15的机械手将该基板依次运送至去气腔体12及预清洗腔体13，然后在将该基板运送至生长腔体14内进行镀膜作业，其中生长腔体14内的温度处于均匀稳定的状态，例如在基板上沉积氮化铝薄膜或氮化镓薄膜。

在一些施例中，可通过控制器提供多腔室处理平台的适当控制。控制器可以是任何形式的通用数据处理系统之一，控制器能用于工业设定来控制各种子处理器和子控制器。通常，控制器包括中央处理单元(CPU)，CPU与存储器和在其他共用元件当中的输入/输出(I/O)电路通信。作为一实例，控制器可执行或以其他方式初始化本文所述的任何方法/工艺的操作的一或更多个操作。执行和/或初始化这些操作的任何计算机程序代码可表现成电脑程序产品。本文所述的每个电脑程序产品可由计算机可读取媒介(例如软盘、光盘、DVD、硬盘驱动器、随机存取存储器等)运行。

请参阅图7，本实施例对基板上的氮化铝镀膜进行分析，从图中可以看出，当相对温度小于0.1时，A区表现为疏松纤维状微晶，在该结构为倒锥状纤维，同时晶界存在大量间隙，薄膜强度差。当相对温度在0.1-0.3时，B区表现为致密纤维状微晶，在该区域内微晶仍为直径为数十纳米的细纤维状结构，纤维内部缺陷密度仍然很高，纤维边界致密化，纤维间孔洞基本消失，薄膜强度较A区显著提高，薄膜表面基本平直，起伏较小。当相对温度在0.3-0.5 时，C区表现为柱状晶特征，在该区域内各个晶粒分别生长获得均匀柱状晶，柱状晶晶体内缺陷密度低，晶界致密度高，呈现出晶体学平面特征。当相对温度大于0.5时，D区表现为粗大的等轴晶，等轴晶内缺陷密度很低，薄膜结晶非常完整，强度较高。由此，当相对温度较低时，即0-0.3时，溅射离子在入射到基板表面后，未能发生充分的表面扩散，就被后续溅射离子不断覆盖，由此形成相互平行生长的较致密纤维组织，纤维间被相对较疏松的边界所包围，纤维组织边界致密度低，结合强度低，薄弱而易于开裂，且在断面形貌上表现出明显的束状纤维特征。当相对稳定较高时，即0.3-0.7时，溅射离子在入射到基板表面后，能发生充分的表面扩散，溅射离子的迁移距离增加，微细纤维组织由于表面扩散形成柱状晶，柱状晶在经过体扩散及晶界移动形成粗大的等轴晶，晶界间的缺陷减少。本实施例在均匀高温下沉积镀膜，成膜速度快，氮化铝的晶格排列呈现柱状晶方向生长，成膜的结晶性好，成膜均匀性也得到提高。其中，相对温度为基板温度与薄膜熔化温度的比值，如果基板温度较低，则相对温度较低，如果基板温度较高，则相对温度较高。

综上所述，本实用新型提出一种半导体设备，通过在基座上设置一加热器及测温装置，能够对基座及基板进行均匀加热，同时还通过测温装置实时感知基座及基板的温度变化情况，保证了基座和基板处于均匀的高温环境中，从而提高了镀膜的质量，提高了镀膜的均匀性。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims

1.一种半导体设备，其特征在于，包括：

生长腔体；

基座，设置在所述生长腔体内，所述基座允许放置基板；

靶材，设置在所述生长腔体内；

磁体，设置在所述靶材的相对的位置上；

其中，所述基座包括：

一加热器，设置在所述基座上；

2.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于：所述加热器包括多个加热电极及加热线圈，所述多个加热电极连接所述加热线圈。

3.根据权利要求2所述的半导体设备，其特征在于：所述多个加热电极设置在所述基座的四周。

4.根据权利要求3所述的半导体设备，其特征在于：所述加热线圈包括第一部分及第二部分，所述第一部分及所述第二部分关于所述加热线圈的中心对称连接。

5.根据权利要求4所述的半导体设备，其特征在于：所述第一部分从外至内依次包括第一弧边，第二弧边及第三弧边。

6.根据权利要求5所述的半导体设备，其特征在于：所述第一弧边的一端连接所述第二弧边的一端，所述第二弧边的另一端连接所述第三弧边。

7.根据权利要求6所述的半导体设备，其特征在于：所述第一弧边的另一端连接所述加热电极。

8.根据权利要求7所述的半导体设备，其特征在于：所述第一部分通过所述第三弧边连接所述第二部分。

9.根据权利要求2所述的半导体设备，其特征在于：所述多个测温点靠近所述多个加热电极。

10.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于：所述加热器及多个测温点设置在所述基座的一面上，所述基板设置在所述基座的另一面上。