CN117877958B - 一种半导体加工设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体加工技术领域，公开了一种半导体加工设备。该半导体加工设备包括腔体、加热装置和调节结构。腔体包括内腔以及与内腔连通的进气通道，进气通道用于向内腔中通入工艺气体；加热装置包括朝向进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；调节结构包括环绕载物台设置用于向晶圆周边喷出气体的喷气件，以及可相对于喷气件移动而改变流动至晶圆周边气体量的调节件。本申请提供的半导体加工设备，可以通过调节件相对于喷气件的移动及控制载物台与喷气件之间的距离，从而调节辅助气体进入晶圆周边附近的多少和比例，增大了调节能力，保证了晶圆上薄膜沉积的均匀性。

Description

一种半导体加工设备

技术领域

本申请实施例涉及半导体加工技术领域，特别涉及一种半导体加工设备。

背景技术

薄膜沉积技术是在半导体生产制造过程中使用的重要核心工艺技术之一，是指在晶圆上沉积特定材料形成薄膜，使之具有光学、电学等某些方面特殊性能的一种加工技术。用于薄膜沉积的半导体加工设备设计制造涉及化学、物理、工程等多门学科的跨界综合运用，其中一些薄膜沉积设备采用化学反应的原理进行沉积，被称为化学气相沉积设备。化学气相沉积设备是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质，在一定温度、浓度条件下、在晶圆表面上进行化学反应生成薄膜的设备。例如在沉积钨薄膜的时候，在一定条下将六氟化钨与氢气进行化学反应还原生成钨，并将钨沉积在晶圆表面，以形成具有均匀钨沉积层的薄膜。

然而，现有用于薄膜沉积的半导体加工设备在晶圆上沉积薄膜的过程中，只能在辅助气体输入时，调节其流量和辅助气体中惰性气体的比例来控制晶圆边缘薄膜沉积效果，调节能力小，容易造成沉积不均匀。

发明内容

本申请实施方式的目的在于提供一种半导体加工设备，能够增加设备调节辅助气体进入晶圆附近的多少和比例的能力，保证晶圆上薄膜沉积的均匀性。

为解决上述技术问题，本申请的实施方式提供了一种半导体加工设备，该半导体加工设备包括腔体、加热装置和调节结构。腔体包括内腔以及与内腔连通的进气通道，进气通道用于向内腔中通入工艺气体；加热装置包括朝向进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；调节结构包括环绕载物台设置用于向晶圆周边喷出气体的喷气件，以及可相对于喷气件移动而改变流动至晶圆周边气体量的调节件。

本申请的实施方式提供的半导体加工设备，通过在载物台环绕设置用于向晶圆周边喷出气体的喷气件，以及可相对于喷气件移动而改变流动至晶圆周边气体量的调节件。这样，在薄膜沉积过程中，可以通过调节件相对于喷气件的移动及控制载物台与喷气件之间的距离，从而调节辅助气体进入晶圆周边附近的多少和比例，增大了调节能力，保证了晶圆上薄膜沉积的均匀性。

在一些实施方式中，喷气件设置有供辅助气体流通的气体通道，以及与气体通道连通、且朝向晶圆的喷气口，辅助气体自喷气口吹出到达晶圆的周边。

在一些实施方式中，调节件包括环绕载物台并与加热装置固定的挡板，以及与加热装置连接的升降组件，挡板位于喷气口的气体吹出路径上，升降组件用于控制挡板与加热装置一体升降。

在一些实施方式中，喷气件还设置有用于覆盖晶圆边缘的延伸部，以及位于延伸部上的泄气孔，挡板向延伸部延伸。

在一些实施方式中，挡板沿与载物台朝向呈锐角的方向延伸，挡板的一端邻近泄气孔环绕区域内的部分设置。

在一些实施方式中，锐角角度大于等于30度，小于等于60度。

在一些实施方式中，泄气孔延伸方向与挡板延伸方向一致。

在一些实施方式中，辅助气体包括惰性气体和工艺气体，工艺气体用于补充在晶圆边缘处以参与晶圆边缘的沉积反应。

在一些实施方式中，载物台可升降的设置在内腔中。

在一些实施方式中，腔体内可升降地设置有与进气通道连通的喷头，工艺气体通过进气通道后，由喷头向载物台所在区域喷出。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本申请一些实施例提供的半导体加工设备的结构示意图。

附图标记说明：10-腔体；101-内腔；102-进气通道；20-加热装置；201-载物台；30-晶圆；40-调节结构；401-喷气件；4011-气体通道；4012-喷气口；4013-延伸部；4014-泄气孔；402-调节件；4021-挡板；4022-升降组件；50-冷却器；60-喷头。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

薄膜沉积技术是在半导体生产制造过程中使用的重要核心工艺技术之一，是指在衬底材料上沉积特定物质材料形成薄膜，使之具有光学、电学等某些方面特殊性能的一种加工技术。现有的半导体加工中薄膜沉积方法主要分为物理方法和化学方法两类。物理方法是利用热蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等物理过程，实现物质原子从源物质到衬底材料表面的物质转移。化学方法是把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸汽，以合理的气流引入工艺腔室中，在衬底表面发生化学反应并在衬底表面上沉积薄膜的制备方法。

其中在利用化学方法进行薄膜沉积的设备中包括钨薄膜沉积设备，在沉积钨薄膜时，将一定温度、浓度、压强等条件下的六氟化钨与氢气进行反应生成钨和氢氟酸，氢氟酸气体被抽出反应腔，而生成的钨则沉积在晶圆上，形成具有特定理化性质的具有钨沉积层的晶圆。

这种利用化学方法沉积薄膜的半导体设备中，由于结构设计不合理，只能在辅助气体输入时，调节辅助气体本身的流量和辅助气体中惰性气体的比例来调节晶圆边缘薄膜沉积效果。因此，设备调节能力小，很容易造成沉积不均匀现象的发生，降低了产品优良率。

因此，为了增加设备的工艺调节能力，保证晶圆薄膜沉积的质量，本申请一些实施例提供了一种半导体加工设备。在载物台环绕设置了用于向晶圆周边喷出气体的喷气件，并设置了可相对于喷气件移动而改变流动至晶圆周边气体量的调节件。这样，在薄膜沉积过程中，可以通过调节件相对于喷气件的移动及控制载物台与喷气件之间的距离，从而调节辅助气体进入晶圆周边附近的多少和比例，增大了调节能力，保证了晶圆上薄膜沉积的均匀性。

下面结合图1说明本申请一些实施例提供的半导体加工设备。

如图1所示，本申请一些实施例提供的半导体加工设备，包括腔体10、加热装置20和调节结构40。腔体10包括内腔101以及与内腔101连通的进气通道102，进气通道102用于向内腔101中通入工艺气体；加热装置20包括朝向进气通道102、用于承载晶圆30的载物台201，以及用于加热晶圆30的加热单元；调节结构40包括环绕载物台201设置用于向晶圆30周边喷出气体的喷气件401，以及可相对于喷气件401移动而改变流动至晶圆30周边气体量的调节件402。

需要说明的是，上述腔体10为其他部件提供安装的空间，为沉积反应提供反应的场所，腔体10外观通常为立方体、圆柱体等，可根据加工工艺的需求确定腔体10的外形和材质，这里不加以限制。腔体10一侧的进气通道102通过管道与外部气源相连，为沉积反应提供参加反应所需要的气体，比如在钨沉积薄膜设备中提供一定比例和温度的六氟化钨和氢气气体。

加热装置20上的载物台201可以是加热装置20的部分外表面，也可以是连接在加热装置20上的具有独立结构的载物台201，载物台201用于放置晶圆30。载物台201导热性能和抗高温性能优异，能够在加热单元的加热下不变形，并且能够将温度高效的传导到晶圆30表面，为薄膜沉积反应提供合适的反应温度。加热单元（图1中未示出）可以是现有技术的满足功率要求的加热丝、加热管、加热板或者其他满足设备要求的加热结构，加热方式一般为电加热。

喷气件401用于向晶圆30周边喷出辅助气体，一方面可以阻挡工艺气体流向加热装置20外侧的底部，从而避免在加热装置20背面形成沉积而造成污染；另一方面可以在晶圆30周边和边缘位置形成屏障，阻止沉积反应的进行。调节件402位于辅助气体流动路径上，相对喷气件401移动，可以控制喷气件401流向晶圆30周边的辅助气体的量的多少。

本申请一些实施例提供的半导体加工设备，通过在载物台201环绕设置了用于向晶圆30周边喷出气体的喷气件401，并设置了可相对于喷气件401移动而改变流动至晶圆30周边气体量的调节件402。在薄膜沉积过程中，可以通过调节件402相对于喷气件401的移动，来控制调节件402与喷气件401之间的距离，从而调节辅助气体进入晶圆30周边附近的多少和比例，增大了设备工艺调节能力，保证了晶圆30上薄膜沉积的均匀性。

在本申请的一些实施例中，喷气件401设置有供辅助气体流通的气体通道4011，以及与气体通道4011连通、且朝向晶圆30的喷气口4012，辅助气体自喷气口4012吹出到达晶圆30的周边。

需要说明的是，气体通道4011在喷气件401上环绕载物台201一圈设置有多个，且设置的数量要满足在一般进气量的情况下，保证晶圆30周边侧面均匀吹气。气体通道4011在喷气件401的下方连通外部的辅助气体气源，辅助气体经由喷气件401中的气体通道4011吹出后，在喷气口4012处形成气帘，阻挡沉积材料移动至晶圆30侧边以及晶圆30下方结构的空隙中，避免不必要的沉积对设备造成的污染。

在本申请的一些实施例中，调节件402包括环绕载物台201并与加热装置20固定的挡板4021，以及与加热装置20连接的升降组件4022，挡板4021位于喷气口4012的气体吹出路径上，升降组件4022用于控制挡板4021与加热装置20一体升降。

也就是说，挡板4021固定在加热装置20上，加热装置20连接的升降组件4022可以调节加热装置20的升降，因此挡板4021可以和加热装置20一体升降，意味着挡板4021与喷气件401的空隙可调节。挡板4021位于喷气口4012的气体吹出路径上，辅助气体进入晶圆30附近量的多少也可以随挡板4021与喷气件401的空隙大小而调节，这样可以通过调节辅助气体进入晶圆30附近的多少以及占总辅助气体的比例来控制晶圆30边缘薄膜沉积状况，从而在工艺上增加了可调节的范围。

此外，也可以在加热装置20下方设置冷却器50，冷却器50中设置升降装置，通过升降装置控制加热装置20的升降，进而控制加热装置20上固定的挡板4021的升降。这只是一种优选的控制挡板4021升降的方式，在现有设备结构上改进，充分利用现有的结构，不对设备做大的改进，尽量保证现有设备的整体性能。

在本申请的一些实施例中，喷气件401还设置有用于覆盖晶圆30边缘的延伸部4013，以及位于延伸部4013上的泄气孔4014，挡板4021向延伸部4013延伸。

在有去边要求的沉积设备中，喷气件401上设置的延伸部4013覆盖晶圆30边缘，延伸部4013靠近内腔101中部处延伸形成一圈环状结构。延伸部4013不仅对晶圆30起到一定夹持作用，也阻碍了此处的沉积反应，在晶圆30边缘形成一圈没有沉积薄膜的留白区域，留白区域满足了某些后续加工对晶圆30去边的要求。晶圆30通过与现有技术沉积设备相似的开口放入载物台201上。

进一步的，辅助气体经由喷气件401中的气体通道4011吹出后，遇到挡板4021的阻隔，大部分气流经由泄气孔4014流出。同时一部分气体经由挡板4021与延伸部4013的空隙到达晶圆30周边边缘处，用于阻止晶圆30侧边以及边缘部分的沉积反应，还可用于对晶圆30边缘反应气体的流失进行补充，保证晶圆30的沉积质量。

在本申请的一些实施例中，挡板4021沿与载物台201朝向呈锐角的方向延伸，挡板4021的一端邻近泄气孔4014环绕区域内的部分设置。

也就是说，挡板4021从加热装置20处倒向喷气口4012倾斜设置，挡板4021远离加热装置20的一端邻近泄气孔4014环绕区域内的部分设置，并且这一端在空间上位于喷气口4012和晶圆30之间，这种结构有利于挡板4021将辅助气体导入到泄气孔4014中，从而排除大部分的辅助气体，更有利于调节辅助气体吹到晶圆30周边的量。挡板4021材料需要满足耐高温、且物化性质稳定，不与反应气体和设备中任何物质发生物化反应，可以是陶瓷板或者满足条件的金属板等。

在本申请的一些实施例中，锐角角度大于等于30度，小于等于60度。

需要说明的是，挡板4021与载物台201的夹角为30度至60度之间，这是优选的角度范围，在这个范围内，挡板4021调控辅助气体进入晶圆30周边的能力较强。其中45度的角度是最合适的挡板4021与载物台201的夹角。

在本申请的一些实施例中，泄气孔4014延伸方向与挡板4021延伸方向一致。

很明显的，泄气孔4014的延伸方向与挡板4021优选的倾斜方向一致，辅助气体经由挡板4021阻挡后，更加易于沿着挡板4021的方向，流入到泄气孔4014中。保证挡板4021更好的将辅助气体引导至泄气孔4014，从而从泄气孔4014流出。

在本申请的一些实施例中，辅助气体包括惰性气体和工艺气体，工艺气体用于补充在晶圆30边缘处以参与晶圆30边缘的沉积反应。

也就是说，辅助气体除了利用惰性气体避免影响腔体10内正常的工艺反应，还可以添加一定比例的工艺气体补充晶圆30边缘处的气体反应。需要说明的是，在辅助气体吹入晶圆30与延伸部4013的空隙处后，由于吹气造成晶圆30靠近延伸部4013一圈的反应气体的流失，会对此处晶圆30表面沉积反应造成不利影响，加入一定比例的工艺气体弥补此处沉积工艺气体的不足，保证晶圆30边缘薄膜沉积的质量。

实际情形中，惰性气体可以是氩气、氮气、氦气或者其他不参与反应的经济气体，工艺气体可以是参与反应中分子量较小的氢气，例如钨薄膜沉积中的氢气。需要说明的是，在钨薄膜沉积设备中，由于氢气分子量远远小于六氟化钨的分子量，导致反应气体中原有的还原剂氢气从晶圆30边缘一圈靠近延伸部4013附近被辅助气体吹走。因此，为了弥补该吹走部分，可以在上述气体中添加氢气，而不需要添加六氟化钨。

在本申请的一些实施例中，载物台201可升降的设置在内腔101中。

也就是说，除了加热装置20与挡板4021一体升降外，载物台201可以在加热装置20上单独升降。可以在载物台201与加热装置20之间设置升降机构（图1中未示出），来实现载物台201的升降。载物台201可以单独升降，意味着载物台201与喷气件401之间的距离可以调节，从而调节辅助气体进入晶圆30周边附近的多少和比例，进一步增大了设备工艺调节能力，保证了晶圆30上薄膜沉积的均匀性；也意味着延伸部4013与晶圆30的空隙可以调节，从而使得载物台201可以适应不同厚度的晶圆30。

在本申请的一些实施例中，腔体10内可升降地设置有与进气通道102连通的喷头60，工艺气体通过进气通道102后，由喷头60向载物台201所在区域喷出。

需要说明的是，在沉积反应中，喷头60与晶圆30之间的距离与沉积反应薄膜厚度的均匀性强相关，距离过大，反应气体逸散较多而且喷到晶圆30处的气体不均匀；距离过小，反应气体冲击晶圆30的动力过大造成沉积不均匀。在现有设备中，喷头60是固定的，只能通过载物台201的上下移动来调节喷头60与晶圆30之间的距离。相对于现有设备而言，本申请中还能通过可升降设置的喷头60来调节喷头60与载物台201之间的距离，从而可以控制载物台201上晶圆30的沉积反应，保证晶圆30上钨沉积层的质量。喷头60的尺寸大于晶圆30的大小并且小于喷气件401的尺寸，这样保证即满足晶圆30表面全部覆盖工艺气体，又不至于使得工艺气体过多造成在除晶圆30以外的其他位置不必要的钨沉积。

通过以上一些实施例的详细说明中，可以清楚的看到，在本申请的半导体加工设备中，通过在载物台201环绕设置用于向晶圆30周边喷出气体的喷气件401，以及可相对于喷气件401移动而改变流动至晶圆30周边气体量的调节件402。这样，在薄膜沉积过程中，可以通过调节件402相对于喷气件401的移动及控制载物台201与喷气件401之间的距离，从而调节辅助气体进入晶圆30周边附近的多少和比例，增大了调节能力，保证了晶圆30上薄膜沉积的均匀性。工艺气体可以为六氟化钨与氢气的气体，辅助气体可以是氩气和一定比例的氢气的气体。工艺气体通过可升降的喷头60喷射到载物台201上放置的晶圆30表面上，通过加热装置20对晶圆30进行加热，为晶圆30表面的沉积反应提供合适的温度。如图1中箭头所示，辅助气体从气体通道4011的入口处进入，经由喷气口4012吹出，并形成横向气帘，阻挡工艺气体移动至晶圆30侧边以及晶圆30下方结构的空隙中，使得晶圆30下方结构的腔壁不再沉积钨层，减少了设备的污染。由于辅助气体中，加入一定比例的氢气，弥补了晶圆30边缘处沉积工艺气体的不足，保证了晶圆30边缘薄膜沉积的质量。载物台201可以升降从而可以调节延伸部4013与晶圆30的空隙，使得载物台201可以适应不同厚度的晶圆30。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (9)

1.一种半导体加工设备，其特征在于，包括：

腔体，包括内腔以及与所述内腔连通的进气通道，所述进气通道用于向所述内腔中通入工艺气体；

加热装置，包括朝向所述进气通道、用于承载晶圆的载物台，以及用于加热晶圆的加热单元；

调节结构，包括环绕所述载物台设置用于向所述晶圆周边喷出气体的喷气件，以及可相对于喷气件移动而改变流动至晶圆周边气体量的调节件；

所述调节件包括环绕所述载物台并与所述加热装置固定的挡板，以及与所述加热装置连接的升降组件，所述挡板位于所述喷气件的气体吹出路径上，所述升降组件用于控制所述挡板与所述加热装置一体升降。

2.根据权利要求1所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述喷气件设置有供辅助气体流通的气体通道，以及与所述气体通道连通、且朝向晶圆的喷气口，辅助气体自所述喷气口吹出到达所述晶圆的周边。

3.根据权利要求2所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述喷气件还设置有用于覆盖晶圆边缘的延伸部，以及位于所述延伸部上的泄气孔，所述挡板向所述延伸部延伸。

4.根据权利要求3所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述挡板沿与所述载物台朝向呈锐角的方向延伸，所述挡板的一端邻近所述泄气孔环绕区域内的部分设置。

5.根据权利要求4所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述锐角角度大于等于30度，小于等于60度。

6.根据权利要求3所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述泄气孔延伸方向与所述挡板延伸方向一致。

7.根据权利要求2所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述辅助气体包括惰性气体和工艺气体，所述工艺气体用于补充在晶圆边缘处以参与晶圆边缘的沉积反应。

8.根据权利要求1所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述载物台可升降的设置在所述内腔中。

9.根据权利要求1所述的一种半导体加工设备，其特征在于，所述腔体内可升降地设置有与所述进气通道连通的喷头，工艺气体通过所述进气通道后，由所述喷头向所述载物台所在区域喷出。