半导体工艺腔室及半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体工艺设备中的工艺腔室及半导体工艺设备。

背景技术

在集成电路的研究中，以铜取代铝作为集成电路引线受到业界的广泛关注。而为了避免铜在硅和硅的氧化物中扩散、与硅发生反应，通常在铜和电路之间增加一层防扩散层。金属氮化物（比如：TaN/TiN）具有优异的热稳定性、良好的导电性、高熔点，而且晶格和晶界稳定性较高，因此成为了防扩散层的首选材料。

使用PVD磁控溅射沉积金属氮化物薄膜（比如：TaN/TiN）有着很多优点：工艺简单，重复性好，当基底的温度较低时就可得到结晶率较高的薄膜，而且使用这种方法制备的薄膜通常具有较好的外延薄膜结构，薄膜的厚度可通过溅射参数控制；此外，薄膜的致密性好，纯度高，而且沉积效率高。但是，使用PVD磁控溅射时，金属氮化物薄膜中金属和氮的化学计量比容易受硬件条件影响，比如TaN沉积时容易受到工艺套件（Process Kits）尺寸和冷泵抽速的变化而导致电阻率极不稳定。

现有技术中PVD设备的腔室结构如附图1所示，包括靶材1、腔体2、进气口8、冷泵9和冷泵门阀10，其中，进气口8设置于腔体2底部一侧，冷泵9设置于腔体2底部与进气口8相对的另一侧。腔体2内还设置有基座7、位于基座7上用于承载晶圆5的支撑台6、内衬3和卡环4，其中，内衬3和卡环4用于保护腔体内壁和冷泵不受溅镀污染。溅射工艺开始前基座7通过电机驱动升至工艺位，作为工艺气体的Ar/N从进气口8进入腔室内，配合冷泵9的抽气作用，共同维持腔内所需要的工艺压力。腔内气流从进气口8进入腔体2，通过内衬3与卡环4之间的弯折气流通道进入基座7上方工艺区，基座7靠近进气口8和冷泵9的两侧具有不同的气体流动，导致在基座7上方工艺区内气体运动的方向和速率不均匀，从而影响沉积膜厚的均匀性，且金属氮化物薄膜中金属和氮的化学计量比容易受冷泵抽速变化影响而导致电阻率不稳定。此外，受限于目前的腔室结构和进气方式，大量的Ar/N进入腔体2后被冷泵9直接抽走，仅有少量工艺气体通过内衬3与卡环4之间的弯折气流通道进入基座7上方工艺区，工艺成本较高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为至少解决上述技术问题之一，本发明提供了一种半导体工艺设备中的工艺腔室及半导体工艺设备，通过设计一种进气装置，使得工艺气体能够更精准地控制和分散于工艺腔室内，工艺区的气体运动更均匀，从而消除冷泵偏置对工艺腔室内气流运动的影响，避免金属氮化物薄膜中金属和氮的化学计量比因工艺套件尺寸和冷泵抽速变化的影响而导致电阻率不稳定，进而达到改善沉积薄膜均匀性、增强设备工艺能力以及提高产品质量的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种半导体工艺设备中的工艺腔室，包括腔室本体、进气装置、设置于所述腔室本体内部的基座，所述进气装置包括多条进气管路，多条所述进气管路围绕所述基座设置，且均位于所述基座的下方，每条所述进气管路上均设置有流量控制机构，用于控制进入所述进气管路的气体流量。

优选地，所述进气管路竖直地穿设于所述腔室本体的底壁上。

优选地，所述进气装置还包括多个升降机构，多个所述升降机构与多条所述进气管路一一对应地设置，所述升降机构用于驱动所述进气管路作升降运动。通过控制升降机构，对每条进气管路的高度进行调整，即通过调整进气管路伸入腔室本体的高度以调整进气管路端口与基座之间的距离，从而调整工艺气体在工艺腔室内纵向区域的布局。

优选地，所述升降机构穿设于所述底壁上，且与所述底壁密封连接；所述进气管路穿设于所述升降机构中，且与所述升降机构密封连接。

优选地，所述进气管路包括硬管段和软管段，所述硬管段穿设于所述升降机构中，且与所述升降机构密封连接，所述硬管段部分位于所述腔室本体内部，部分位于所述腔室本体外部，所述软管段位于所述腔室本体外部，一端与所述硬管段位于所述腔室本体外部的端连通，另一端与所述流量控制机构连通。软管段的设置，有利于升降机构驱动进气管路作升降运动。

优选地，多条所述进气管呈圆环状均匀排布。所述基座包括座体和支撑所述座体的支撑柱，所述座体与所述支撑柱同轴，多条所述进气管路沿所述座体在所述腔室本体底部的投影外沿竖直均匀设置，从而使得工艺气体更容易通过内衬与卡环之间的弯折气流通道进入基座上方工艺区。

优选地，所述流量控制机构为质量流量控制器（MFC）。

优选地，所述进气装置还包括混合气路、至少两条工艺气路，所述混合气路连通所述进气管路和所述工艺气路。所述工艺气路用于传输不同的工艺气体，所述混合气路用于将不同工艺气路传输的工艺气体进行预混合，并将混合后的混合气体传输至所述进气管路。

更优选地，所述混合气路包括主混气管、进气支管、多条出气支管，所述进气支管和多条所述出气支管均与所述主混气管连通；多条所述出气支管与多条所述进气管路一一对应，所述出气支管通过所述流量控制机构与所述进气管路连通，至少两条所述工艺气路均与所述进气支管连通。

本发明还提供了一种半导体工艺设备，包括上述工艺腔室。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的工艺腔室，通过多条进气管路围绕基座的设置方式，在一定程度上改善了工艺腔室内部气流不均的问题，且可避免大量工艺气体直接被冷泵抽走，有效降低了工艺成本；同时，通过在每条进气管路上设置流量控制机构，可以合理调控每条进气管路的气体流量，从而实现工艺腔室内不同位置的精准供气，进一步改善工艺腔室内部气流的均匀性。

进一步的，通过设置升降机构以调节进气管路的高度，可以调整工艺气体在工艺腔室内纵向区域的布局。通过对工艺气体在整个工艺腔室空间3D立体均匀控制，可以消除冷泵偏置对工艺腔室内气流运动的影响，进而改善沉积薄膜均匀性和氮化物电阻率稳定性，增强设备工艺能力，有效提高产品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中工艺腔室的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种工艺腔室的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种工艺腔室的剖面俯视图；

图4（a）为本发明实施例提供的TaN薄膜在气流优化前的表面电阻率分布示意图；图4（b）为本发明实施例提供的TaN薄膜在气流优化后的表面电阻率分布示意图。

主要元件符号说明：

101-靶材；102-腔室本体；103-内衬；104-卡环；1041-第一延伸部；1042-第二延伸部；105-晶圆；106-支撑台；107-基座；1071-座体；1072-支撑柱；108-冷泵门阀；109-冷泵；110、111-工艺气路；112-混合气路；1121-主混气管；1122-进气支管；1123-出气支管；113-MFC；114-软管段；115-硬管段；116-升降机构；117-进气管路；203-支撑柱投影外沿；204-座体投影外沿；205-冷泵口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”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；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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的一个实施方式提供了一种半导体工艺设备中的工艺腔室，如附图2所示，包括腔室本体102、进气装置、设置于腔室本体102内部的基座107，该进气装置包括多条进气管路117，多条进气管路117围绕基座107设置，且均位于基座107的下方，每条进气管路117上均设置有流量控制机构113，用于控制进入进气管路117的气体流量；其中，流量控制机构113优选质量流量控制器（MFC）。

作为一种具体的实施方式，该工艺腔室可以是磁控溅射腔室，其还包括靶材101、设置于基座107上方用于承载晶圆105的支撑台106、冷泵109、设置于冷泵109上的冷泵门阀108，其中，基座107包括座体1071和支撑该座体的支撑柱1072，座体1071与支撑柱1072同轴设置，即座体1071在腔室主体102底部的座体投影外沿204与支撑柱1072在腔室主体102底部的支撑柱投影外沿203构为同心圆（如附图3所示）；冷泵109设置于腔室主体102底部一侧，用于抽气以维持工艺腔室内所需要的工艺压力。

进一步地，该工艺腔室还包括设置于腔室本体102内壁的内衬103和设置于座体1071边缘上方的卡环104，其中，内衬103包括靠近座体1071侧壁且开口向上的翻边结构，卡环104包括沿径向延伸的第一延伸部1041和沿轴向延伸的第二延伸部1042，卡环104与座体1071侧壁形成下弯折结构，该翻边结构与该下弯折结构相对交错设置，形成弯折气流通道。工艺气体通过进气管路进入工艺腔室内部，并通过该弯折气流通道进入基座上方工艺区。多条进气管路围绕基座的设置，缩短了工艺气体进入弯折气流通道的距离，在一定程度上改善了工艺腔室内部气流不均的问题，且可避免大量工艺气体直接被冷泵抽走，有效降低了工艺成本。

同时，通过在每条进气管路上设置流量控制机构，可以合理调控每条进气管路的气体流量，从而实现工艺腔室内不同位置的精准供气，进一步改善工艺腔室内部气流的均匀性。

作为一个优选的实施方式，多条进气管路117围绕基座107竖直穿设于腔室本体102的底壁上。将多条进气管路117竖直地穿设于腔室本体102的底壁上，实现起来较为容易，且可以在对腔室内部气流进行控制时降低控制难度。但本发明并不限制进气管路117的设置方式，例如也可以基于侧壁固定，进气管路117也可以与竖直方向呈一定角度，这都是具有可行性的。

作为一个优选的实施方式，进气装置还包括多个升降机构116，多个升降机构116与多条进气管路117一一对应地设置，升降机构116穿设于腔室本体102的底壁上，且与底壁密封连接，用于驱动进气管路作升降运动；多条进气管路117穿设于升降机构116中，且与升降机构116密封连接。

如附图2所示，每条进气管路117均连接一个升降机构116及一个质量流量控制器（MFC）113。如此设置，可根据实际需要对每条进气管路的高度及气体流量进行调整，从而实现工艺气体在整个腔室3D立体均匀控制。具体地，通过控制不同位置的进气管路MFC的流量，从而实现不同腔室位置的精准供气，例如，适当增加靠近冷泵109的进气管路的工艺气体流量，并适当减少远离冷泵109的进气管路的工艺气体流量，从而实现不同区域梯度供气，进而实现整个腔室不同区域的供气平衡；同时，通过控制进气管路位置的升降，使工艺气体在纵向区域进行合理布局，从而实现了整个腔室空间3D立体均匀控制，进而达到改善沉积薄膜均匀性、增强设备工艺能力以及提高产品质量的技术效果。

进一步地，多条进气管路117呈圆环状均匀排布。如图3所示，进气管路117沿座体1071在腔室本体102底部的座体投影外沿204竖直均匀设置，任意相邻两条进气管路117之间的距离相等。如此设置，进气管路端口与弯折气流通道相对应，从而使得工艺气体更容易通过弯折气流通道进入基座107上方工艺区，此外，进气管路沿座体圆周的均匀设置，结合进气管路纵向高度的调节以及进气管路流量的合理控制，使得工艺气体在工艺腔室内的分布及流动实现均衡，可以有效消除冷泵偏置对工艺腔室内气流运动的影响，改善薄膜均匀性。

作为一种可选的实施方式，进气管路117包括软管段114和硬管段115，其中，硬管段115穿设于升降机构116中，且与升降机构116密封连接，硬管段115部分位于腔室本体102内部，部分位于腔室本体102外部，软管段114位于腔室本体102外部，一端与硬管段115位于腔室本体102外部的端连通，另一端与MFC 113连通。采用上述结构可以更有效且稳定的实现气路连接，在保证气路完整性的前体下，实现进气管路117的升降移动。

如图2所示，进气装置还包括混合气路112、工艺气路110和111，其中，混合气路112连接进气管路117及工艺气路110和111，用于将工艺气路110和111传输的工艺气体进行预混合并传输至进气管路117。本实施例中，工艺气路的数量不作特别限定，可根据实际工艺中所需工艺气体的种类进行设置；同样，进气管路的数量也可根据实际控制需要进行合理设置。

进一步地，混合气路112包括主混气管1121、进气支管1122、多条出气支管1123，进气支管1122和多条出气支管1123均与主混气管1121连通；多条出气支管1123与多条进气管路117一一对应，出气支管1123通过MFC 113与进气管路117连通，两条工艺气路110和111均与进气支管1122连通。采用上述混合气路112，可以为MFC 113提供稳定的设置基础，以实现MFC 113与进气管路117软管段114的稳定连接。同时，工艺气路110和111均与进气支管1122连通的设置方式，可以最大程度上保证不同工艺气体的充分混合。

本发明的另一实施方式提供了一种半导体工艺设备，包括本发明上述实施例提供的工艺腔室。

本发明实施例提供的技术方案尤其适用于使用PVD磁控溅射沉积金属氮化物薄膜的场景，可以有效避免金属氮化物薄膜中金属和氮的化学计量比因工艺套件尺寸和冷泵抽速变化的影响而导致电阻率不稳定。但是，需要说明的是，本发明实施例提供的技术方案的应用并不限于磁控溅射设备，也不不限于制备金属氮化物，任何其他具有类似问题的半导体工艺设备以及工艺场景，均可以适用，例如其它二元金属化合物的制备，其中非金属元素由气体提供。

下面以一具体实施例来简单说明本发明实现的技术效果。

本实施例提供的半导体工艺腔室如图2和图3所示，其包括8条进气管路117，沿座体1071在腔室本体102底部的座体投影外沿204竖直均匀设置。以TaN薄膜制备为例，当薄膜电阻率出现不均匀或者有偏心情况时，如附图4（a）所示，靠近冷泵口位置（图左侧）的薄膜电阻率偏差尤为明显，则适当调高靠近冷泵口205的三条进气管路117的MFC流量和/或其高度，并适当调低远离冷泵口205的三条进气管路117的MFC流量和/或其高度。例如，可以将图3中的靠近冷泵口的三个MFC 113的流量设置为70sccm Ar/50sccm N2，远离冷泵口的三个MFC 113的流量为60sccm Ar/40sccm N2，位于二者之前的两个MFC 113的流量设置为65sccm Ar/45sccm N2，这样的梯度设置可以保证整个工艺腔室和晶圆附近的气流保持均匀。

图4为气流优化前后晶圆表面电阻率分布对比图，该图是使用等高线分布图表示电阻率在晶圆表面的大小分布情况，等高线越接近同心圆，说明电阻率在晶圆表面分布由内而外越均匀。气流优化前晶圆上靠近冷泵口附近区域电阻率较其他区域分布极为不均匀（如附图4（a）），出现偏离现象；通过优化气流分布，整个晶圆表面的电阻率分布极为均匀，呈现完美的同心圆分布（如附图4（b））。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“优选实施方式”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。