CN117467984A - 薄膜沉积装置及沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜沉积装置及沉积方法。根据本发明实施例的薄膜沉积装置包括：反应腔，具有进气口和出气口；电极板，设置在反应腔内；以及基座，设置在反应腔内，具有用于承载晶圆的承载表面，承载表面与电极板相对设置；其中，电极板的第一端、基座的第一端与进气口相邻设置，电极板的第二端、基座的第二端与出气口相邻设置，以使气体由进气口经电极板与基座之间的气流通道流出至出气口；电极板的第一端与基座的第一端之间的距离为第一距离；电极板的第二端与基座的第二端之间的距离为第二距离，且第一距离小于第二距离。根据本发明实施例的薄膜沉积装置及沉积方法，能够沉积得到均匀性更好的薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及半导体沉积技术领域，特别涉及一种薄膜沉积装置及沉积方法。
背景技术
横流沉积技术广泛应用于半导体工业中，能够在半导体材料表面形成薄膜。在横流沉积过程中，反应气体分子通过一个狭窄的反应区域，在飞行过程中和基片表面发生化学反应最终形成薄膜。
在现有技术中，横流沉积得到的薄膜的均匀性往往比较差。
因此，希望能有一种新的薄膜沉积装置及沉积方法，能够克服上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜沉积装置及沉积方法，从而沉积得到均匀性更好的薄膜。
根据本发明的一方面，提供一种薄膜沉积装置，包括：反应腔，具有进气口和出气口；电极板，设置在所述反应腔内；以及基座，设置在所述反应腔内，具有用于承载晶圆的承载表面，所述承载表面与所述电极板相对设置；其中，所述电极板的第一端、所述基座的第一端与所述进气口相邻设置，所述电极板的第二端、所述基座的第二端与所述出气口相邻设置，以使气体由所述进气口经所述电极板与所述基座之间的气流通道流出至所述出气口；所述电极板的第一端与所述基座的第一端之间的距离为第一距离；所述电极板的第二端与所述基座的第二端之间的距离为第二距离，且所述第一距离小于所述第二距离。
可选地，所述基座包括设置在所述承载表面的加热装置，用于对所述晶圆进行加热。
可选地，所述基座的承载表面与所述电极板之一呈水平设置，所述基座的承载表面与所述电极板中的另一个倾斜设置；或所述基座的承载表面与所述电极板均倾斜设置；
所述第一距离与所述第二距离的距离差根据沉积制程设置，以使晶圆表面各处的沉积层厚度均匀。
可选地，所述电极板的第一端和/或所述电极板的第二端与驱动单元相连接，所述驱动单元用于驱动所述电极板的第一端和/或所述电极板的第二端接近或远离所述基座。
可选地，所述基座与驱动单元相连接，所述驱动单元用于驱动所述基座接近或远离所述电极板。
可选地，所述基座的第一端固定，所述驱动单元与所述基座的第二端相连接；所述基座的第二端在所述驱动单元的驱动下接近或远离所述电极板上极板的第二端。
可选地，所述薄膜沉积装置还包括：
控制单元，用于提供驱动信号至所述驱动单元，以控制所述第一距离和/或所述第二距离。
可选地，所述薄膜沉积装置用于执行至少一次沉积制程，所述控制单元被配置为：在每次沉积制程开始前，提供相应的所述驱动信号以调整所述第一距离和/或所述第二距离，使得：
在后的沉积制程对应的第一距离不同于在先的沉积制程对应的第一距离，和/或，
在后的沉积制程对应的第二距离不同于在先的沉积制程对应的第二距离。
可选地，所述驱动单元包括步进电机，所述步进电机以步进方式调节所述第一距离和/或所述第二距离。
根据本发明的另一方面，提供一种沉积方法，应用于如前所述的薄膜沉积装置，包括：
在形成至少一个沉积层之前，根据当前沉积制程调整所述电极板和/或所述基座，使得所述第一距离小于所述第二距离；以及
在每个沉积层的形成阶段，经由所述进气口向所述反应腔内通入反应气体，以使所述晶圆表面形成沉积层。
根据本发明实施例的薄膜沉积装置及沉积方法，电极板的第一端与基座的第一端之间的间距小于电极板的第二端与基座的第二端之间的间距，沉积得到的薄膜的均匀性和质量都更好。
进一步地，电极板和/或基座倾斜设置，电极板与基座之间的间距沿着气流流动方向均匀增大，保证了沉积薄膜各部分的均匀性和质量。
进一步地，电极板与基座之间的间距可调，能够应用于不同种类的沉积气体的沉积。
进一步地，电极板与基座之间的间距可调，能够在同一个晶圆上沉积得到均匀性和质量更好的多层薄膜。
进一步地，基座水平设置，电极板倾斜设置，在保证薄膜沉积均匀性和质量的同时，保证了晶圆转运的便捷性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的薄膜沉积装置的结构示意图。
图2示出了巴申原理示意图。
图3示出了根据本发明实施例一的薄膜沉积装置的结构示意图。
图4示出了根据本发明实施例二的薄膜沉积装置的结构示意图。
图5示出了根据本发明实施例三的薄膜沉积装置的结构示意图。
图6示出了根据本发明实施例四的薄膜沉积装置的结构示意图。
图7a示出了根据现有技术的沉积效果示意图。
图7b示出了根据本发明实施例的沉积效果示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
横流(cross flow)沉积装置可以应用于化学气相沉积(CVD，PECVD)和原子层沉积(ALD，PEALD)等。图1示出了根据现有技术的薄膜沉积装置的结构示意图。如图1所示，(沉积)气体从反应腔400的一端流入，从另一端流出。沉积气体沉积在电极板100和基座200间的晶圆600上。
发明人发现，现有的横流沉积装置沉积得到的薄膜的均匀性往往很差。发明人经过认真研究发现，现有横流沉积装置的进气口通常前驱体浓度较高，压力较大，反应物吸附/沉积在样品表面的可能性高于出气口，从而造成进气口薄膜厚度较高。此外，结合图2(图2中的虚线框部分为等离子工作区)所示，根据巴申(Paschen)定理(压力×距离＝pd值)，进气口通常压力较高，在同一等离子体脉冲时间内，靠近进气口的薄膜质量(密度、杂质含量、结晶度等)会更好，而出气口薄膜质量会略差，导致薄膜的一致性也比较差。
为了克服现有横流沉积装置沉积厚度不均匀、沉积质量不一致等问题，发明人提出了一种新的沉积装置及方法(横流反应腔腔体)。
图3示出了根据本发明实施例一的薄膜沉积装置的结构示意图。如图3所示，根据本发明实施例一的(横流)沉积装置包括电极板100、基座200和反应腔400。其中，电极板100包括电极板的第一端101和电极板的第二端102；基座200包括基座的第一端201和基座的第二端202；电极板100与基座200之间形成有气流通道300。
具体地讲，反应腔400具有进气口401和出气口402。
电极板100设置在反应腔400内。
基座200设置在反应腔400内，具有用于承载晶圆的承载表面，该承载表面与电极板100相对设置。可选地，承载表面为基座200上表面的至少一部分，且承载表面为一平面。
电极板的第一端101、基座的第一端201与进气口401相邻设置，电极板的第二端102、基座的第二端202与出气口402相邻设置，以使(沉积/反应)气体由进气口401经电极板100与基座200之间的气流通道300流出至出气口401。
电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离为第一距离(D1)；电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离为第二距离(D2)，且第一距离(D1)小于第二距离(D2)。
在本发明的可选实施例中，基座200包括设置在承载表面的加热装置(图中未示出)。加热装置用于对晶圆进行加热。
可选地，气体在流经气流通道300时，靠近进气口401处的气压(高压)会高于靠近出气口402处的气压(低压)。
根据本发明实施例的横流沉积装置，沿着气体流动(沉积)方向倾斜设置电极板和/或基座，保证了沿沉积方向薄膜沉积的厚度均匀性和质量一致性。
进一步地，在本发明的可选实施例中，基座的承载表面与电极板之一呈水平设置，基座的承载表面与电极板中的另一个倾斜设置；或基座的承载表面与电极板均倾斜设置。第一距离与第二距离的距离差根据沉积制程设置，以使晶圆表面各处的沉积层厚度均匀。可选地，沉积装置还包括驱动单元和控制单元。驱动单元与基座和/或电极板相连接以驱动基座和/或电极板移动。控制单元用于提供驱动信号至驱动单元，以控制所述第一距离和/或所述第二距离。
图4示出了根据本发明实施例二的沉积装置的结构示意图。如图4所示，根据本发明实施例二的横流沉积装置包括电极板100、基座200和反应腔400。其中，基座200的承载表面上放置有晶圆600。
具体地讲，基座200水平设置。电极板100倾斜设置，且固定在反应腔400中。基座200与驱动单元(图中未示出)相连接。驱动单元驱动基座200(上下移动以)接近或远离电极板100，从而调节第一距离和第二距离的具体数值。
晶圆600设置在基座200的承载表面上。沉积气体经由进气口401流入气流通道300，以在晶圆600上沉积。沉积后的气体经由出气口402流出气流通道300。
在本发明的可选实施例中，电极板100、基座200、反应腔400、基座500和晶圆600等的结构，均可以是现有结构或在现有结构的基础上改装得到。
在本发明的可选实施例中，电极板100倾斜设置，但不固定在反应腔400中。具体地，电极板100包括电极板的第一端101和电极板的第二端102。电极板的第一端101位于进气口401一侧；电极板的第二端102位于出气口402一侧。电极板的第一端101和/或电极板的第二端102与驱动单元(图中未示出)相连接。驱动单元驱动电极板的第一端101和/或电极板的第二端102接近或远离基座200。
图5示出了根据本发明实施例三的沉积装置的结构示意图。如图5所示，根据本发明实施例三的横流沉积装置包括反应腔400、电极板100、基座200和驱动单元700。其中，电极板100包括电极板的第一端101和电极板的第二端102；基座200包括基座的第一端201和基座的第二端202。
具体地讲，基座的第一端201固定。基座的第二端202与驱动单元700相连接。驱动单元700驱动基座的第二端202接近或远离电极板的第二端102，以控制基座的第二端202与电极板的第二端102之间的距离。
在本发明的可选实施例中，电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离为第一距离。驱动单元700控制电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离为第二距离。其中，第一距离小于第二距离，且第一距离与第二距离之间的距离差d介于1mm至10mm之间(以直径300mm的晶圆为例)。当然，第一距离与第二距离之间的距离差d的具体数值可以根据实际情况进行设置。可选地，第一距离和/或第二距离并非某个具体的数值，仅指两端之间的距离；第一和第二是用于区分不同位置处的距离。
图6示出了根据本发明实施例四的沉积装置的结构示意图。如图6所示，根据本发明实施例四的横流沉积装置包括电极板100、基座200、驱动单元700和控制单元(图中未示出)。其中，电极板100包括电极板的第一端101和电极板的第二端102；基座200包括基座的第一端201和基座的第二端202。
具体地讲，控制单元用于控制电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离和/或控制电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离。控制单元例如为数控设备、计算机等。
驱动单元700与控制单元相连接以接收控制单元发送(提供)的驱动(控制)信号。驱动单元700分别与电极板的第一端101和/或电极板的第二端102和/或基座的第一端201和/或基座的第二端202相连接，并根据驱动信号驱动电极板的第一端101和/或电极板的第二端102和/或基座的第一端201和/或基座的第二端202移动。在控制单元的控制下、驱动单元700的执行下，可以任意调节/控制电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离，和/或调节/控制电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离。
可选地，驱动单元700包括步进电机。步进电机以步进方式调节电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离，和/或调节电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离。
在本发明的可选实施例中，沉积装置用于执行至少一次沉积制程。控制装置被配置为：在每次沉积制程开始前，提供相应的驱动信号以调整第一距离和/或第二距离，使得：在后的沉积制程对应的第一距离不同于在先的沉积制程对应的第一距离，和/或，在后的沉积制程对应的第二距离不同于在先的沉积制程对应的第二距离。
在一个具体实施例中，结合图6所示，横流沉积装置可以用于沉积多层薄膜。该横流沉积装置包括电极板100、基座200、反应腔400、驱动单元700和控制单元(图中未示出)。其中，横流沉积装置具有多种形态的工位(初始工位、第一工位、第二工位等)。
在初始工位下，基座200水平设置。转运装置将晶圆600转运至基座200的上方，放置在基座200上。
在晶圆600转运至基座200的上方后，控制单元控制电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离为第一距离，且控制电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离为第二距离，以形成横流沉积装置的第一工位。在第一工位下，第一沉积气体从进气口401进入，在晶圆600上进行第一次沉积以得到第一层薄膜；沉积后的气体从出气口402流出。
在第一次沉积完成后，控制单元控制电极板的第一端101与基座的第一端201之间的距离为第一距离，且控制电极板的第二端102与基座的第二端202之间的距离为第三距离(第三距离大于第一距离)，以形成横流沉积装置的第二工位。在第二工位下，第二沉积气体从进气口401进入，在晶圆600上进行第二次沉积以得到第二层薄膜(第二层薄膜例如位于第一层薄膜的上方)；沉积后的气体从出气口402流出。可选地，在第一次沉积完成后，通入第二沉积气体前，通入清洁气体(例如氮气)清洁反应腔400。
图7a示出了根据现有技术的沉积效果示意图。结合图1、图2以及相关文字描述可知，在现有技术中，沿着气流通道(沉积方向)，沉积得到的薄膜800厚度不均匀，靠近气体进入一端的薄膜的厚度较大，靠近气体流出一端的薄膜的厚度较小。
图7b示出了根据本发明实施例的沉积效果示意图。结合图3至图6所示的本申请的横流沉积装置以及相关文字描述可知，根据本发明实施例的横流沉积装置沉积得到的薄膜800的一致性好，沿着气流方向也厚度一致。
根据本发明的另一方面，提供一种(横流)沉积方法。该横流沉积方法应用于如上所述的沉积装置，包括以下步骤：
在形成至少一个沉积层之前，根据当前沉积制程调整电极板和/或基座，使得第一距离(进气口一侧的电极板与基座之间的距离)小于第二距离(出气口一侧的电极板与基座之间的距离)；以及
在每个沉积层的形成阶段，经由进气口向反应腔内通入反应气体，以使晶圆表面形成沉积层。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种薄膜沉积装置，包括：
反应腔，具有进气口和出气口；
电极板，设置在所述反应腔内；以及
基座，设置在所述反应腔内，具有用于承载晶圆的承载表面，所述承载表面与所述电极板相对设置；
其中，所述电极板的第一端、所述基座的第一端与所述进气口相邻设置，所述电极板的第二端、所述基座的第二端与所述出气口相邻设置，以使气体由所述进气口经所述电极板与所述基座之间的气流通道流出至所述出气口；
所述电极板的第一端与所述基座的第一端之间的距离为第一距离；所述电极板的第二端与所述基座的第二端之间的距离为第二距离，且所述第一距离小于所述第二距离。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中，所述基座包括设置在所述承载表面的加热装置，用于对所述晶圆进行加热。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中，所述基座的承载表面与所述电极板之一呈水平设置，所述基座的承载表面与所述电极板中的另一个倾斜设置；或所述基座的承载表面与所述电极板均倾斜设置；
所述第一距离与所述第二距离的距离差根据沉积制程设置，以使晶圆表面各处的沉积层厚度均匀。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中，所述电极板的第一端和/或所述电极板的第二端与驱动单元相连接，所述驱动单元用于驱动所述电极板的第一端和/或所述电极板的第二端接近或远离所述基座。
5.根据权利要求1所述的薄膜沉积装置，其中，所述基座与驱动单元相连接，所述驱动单元用于驱动所述基座接近或远离所述电极板。
6.根据权利要求5所述的薄膜沉积装置，其中，所述基座的第一端固定，所述驱动单元与所述基座的第二端相连接；所述基座的第二端在所述驱动单元的驱动下接近或远离所述电极板上极板的第二端。
7.根据权利要求4或5所述的薄膜沉积装置，其中，所述薄膜沉积装置还包括：
控制单元，用于提供驱动信号至所述驱动单元，以控制所述第一距离和/或所述第二距离。
8.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其中，所述薄膜沉积装置用于执行至少一次沉积制程，所述控制单元被配置为：在每次沉积制程开始前，提供相应的所述驱动信号以调整所述第一距离和/或所述第二距离，使得：
在后的沉积制程对应的第一距离不同于在先的沉积制程对应的第一距离，和/或，
在后的沉积制程对应的第二距离不同于在先的沉积制程对应的第二距离。
9.根据权利要求7所述的薄膜沉积装置，其中，所述驱动单元包括步进电机，所述步进电机以步进方式调节所述第一距离和/或所述第二距离。
10.一种沉积方法，应用于如权利要求1-9中任一项所述的薄膜沉积装置，包括：
在形成至少一个沉积层之前，根据当前沉积制程调整所述电极板和/或所述基座，使得所述第一距离小于所述第二距离；以及
在每个沉积层的形成阶段，经由所述进气口向所述反应腔内通入反应气体，以使所述晶圆表面形成沉积层。
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