晶圆表面沉积薄膜凹凸形状可控的半导体设备及成膜方法与流程

本发明属于半导体领域晶圆制造工艺，尤其涉及一种晶圆表面沉积薄膜凹凸形状可控的半导体设备及成膜方法。

背景技术：

1、在集成电路生产中，广泛使用化学气相沉积技术沉积各种半导体单晶外延薄膜、多晶硅薄膜、半绝缘的掺氧多晶硅薄膜、绝缘二氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃以及金属薄膜等。化学气相沉积是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程，一般包括四个步骤：反应气体向材料表面扩散、反应气体吸附于材料表面、在材料表面发生化学反应、气态副产物脱离材料表面。

2、半导体薄膜沉积时主要考量的指标有薄膜沉积厚度均匀性、薄膜凹凸形状和薄膜的台阶覆盖率等。薄膜的均匀性直接影响器件性能，例如在金属布线层中，若薄膜存在局部厚度差异，可能导致导电性不均，进而引发电路短路或电阻异常。复杂三维结构（如沟槽、台阶）要求薄膜具备良好台阶覆盖能力，例如在浅槽隔离（sti）工艺中，需在晶圆表面形成均匀覆盖的介质膜以隔离不同电路区域。

3、薄膜的凹凸形状（即膜厚在晶圆径向上的分布轮廓）是沉积工艺的关键指标。薄膜凹凸形状控制不当可能导致多种问题：凹凸性可能导致局部电场集中，增加隧穿电流或击穿风险（如栅极氧化物薄膜的粗糙度会降低绝缘性能）；金属与凹凸表面接触时，有效接触面积减小，导致接触电阻升高（如源漏电极与半导体层的接触）；凹凸表面可能导致刻蚀速率局部差异，引发过度刻蚀或残留（如沟槽填充后的回刻工艺），从而影响后道刻蚀均匀性；在3dnand的多层堆叠结构中，上层薄膜沉积时凹凸会逐层放大，导致界面缺陷或应力累积。

4、现有技术中实现薄膜凹凸形状调控的方式主要有以下两类：

5、第一类：通过更换不同结构的气体喷淋盘实现。例如，单片平台式半导体薄膜沉积设备通过更换不同孔径、不同分布、不同数量小孔的气体喷淋盘来实现薄膜凹凸形状的调整。该方式需要停机、破真空、更换硬件、重新调试，严重影响生产效率和工艺一致性，不适用于集成电路制造工厂的大规模量产。

6、第二类：通过机械驱动装置改变气体喷射角度实现。例如，部分现有技术通过输气部件在安装腔内相对运动（轴向移动或周向旋转），使通气端选择性地与不同角度的出气孔连通，从而实现对反应腔进气角度的自由选择；或者通过驱动机构驱动活动分支管路以其轴线为中心旋转，从而改变气体喷出口的喷出角度。该方式虽然无需更换硬件，但涉及可动部件，存在机械磨损、密封失效、颗粒污染等风险，且结构复杂、成本高昂，长期运行的可靠性和稳定性难以保证。

7、上述两种方式均未能提供一种既无需更换硬件、又无需可动部件，仅通过工艺参数调节即可实现薄膜凹凸形状灵活控制的解决方案。换言之，现有技术中，本领域技术人员普遍认为，要实现薄膜凹凸形状的调控，必须通过硬件层面的改变（更换喷淋盘或机械调节角度）来实现，而通过工艺参数（如气体流量）的调节仅能影响薄膜的沉积速率和整体均匀性，无法对薄膜的凹凸形状进行有效控制。基于这一技术偏见，本领域技术人员难以想到通过“固定角度差异+流量配比调节”的非机械方式实现凹凸形状的灵活控制。

8、因此，亟需一种无需更换硬件、无需可动部件、仅通过工艺参数调节即可实现薄膜凹凸形状精确控制的半导体设备及成膜方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种晶圆表面沉积薄膜凹凸形状可控的半导体设备及成膜方法，为大批量多片立式设备，可以在批量晶圆薄膜沉积工艺过程中，通过合理的硬件设计实现薄膜的凹凸形状控制，从而提高工艺调试的灵活性，满足半导体薄膜沉积不同制程的需求。采用的技术方案为：

2、一种晶圆表面沉积薄膜凹凸形状可控的半导体设备，包括：

3、第一气体分配管301，其上开设有气体喷出通道一；

4、及第二气体分配管302，其上开设有气体喷出通道二；

5、所述气体喷出通道一的中心线与水平方向呈第一夹角α设置，以使从其中喷出的工艺气体一经a2方向流动至晶圆外部区域2031；

6、所述气体喷出通道二的中心线与所述水平方向呈第二夹角β设置，以使从其中喷出的工艺气体二经b2方向流动至晶圆外部区域2031和晶圆内部区域2032；

7、其中，工艺气体一和工艺气体二的流量可调节，以控制二者在晶圆外部区域2031和晶圆内部区域2032的浓度分布。

8、优选地，所述第一夹角α为10°~60°，所述第二夹角β为0°。

9、优选地，所述进气法兰503上设有密封接头505，所述密封接头505的数量为多个，每个所述密封接头505分别与所述进气法兰503上的一个工艺气体进气口连通；

10、所述第一气体分配管301和所述第二气体分配管302均安装于所述进气法兰503上，且分别与对应的所述工艺气体进气口连通；

11、连通所述第一气体分配管301的所述密封接头505与气源一连通，连通所述第二气体分配管302的所述密封接头505与气源二连通；

12、所述气源一与对应的所述密封接头505之间依次串联设置有气动阀一和流量计一，所述气源二与对应的所述密封接头505之间依次串联设置有气动阀二和流量计二。

13、优选地，沿竖直方向，与晶圆203的下表面距离d处均设有一个气体喷出通道一和气体喷出通道二。

14、优选地，进一步包括：

15、反应腔内管201，其腔体形成反应区，其为一顶端封闭，底面敞开的中空结构；所述反应腔内管201的下端面可拆卸地设置于所述进气法兰503的内壁上；所述反应腔内管201的侧壁上开设供杂质气体排出的排气口；

16、晶圆支撑架303，用于放置若干片晶圆203，所述晶圆支撑架303设置于所述反应腔内管201的腔体内，包括若干沿轴向延伸的支撑条，每个所述支撑条上均开设用于承接晶圆且沿轴向分布的若干栅格，所有支撑条共同承接同一片晶圆203；所述支撑条之间焊接成一体，所述支撑条的下端承接在底部密封法兰504上；

17、反应腔外管202，用于将反应腔内管201中的杂质气体排出，所述反应腔外管202套设在所述反应腔内管201上，其下端面可拆卸地设置于所述进气法兰503的外壁上；所述反应腔内管和反应腔外管之间形成用于供杂质气体排出的区域，所述反应腔外管的外壁上设置排气管道，所述杂质气体经反应腔内管201的排气口、供杂质气体排出的区域，最后由排气管道排出；

18、所述底部密封法兰504，用于封闭所述反应区，与所述进气法兰503的下端面接触；

19、所述第一气体分配管301和第二气体分配管302，均位于反应腔内管201的腔体内，晶圆203置于所有气体分配管围成的区域内；

20、支撑环506，所述反应腔内管201置于所述支撑环上，所述支撑环通过多个螺栓固定于进气法兰503的内壁上；

21、及固定压环508，所述反应腔外管202置于进气法兰503上，由所述固定压环508压紧反应腔外管202，所述固定压环通过多个螺栓连接进气法兰503的外壁上。

22、一种晶圆表面沉积薄膜成膜方法，利用所述的晶圆表面沉积薄膜凹凸形状可控的半导体设备，包括以下步骤：

23、通入工艺气体一至第一气体分配管301，使其经气体喷出通道一沿a2方向流向晶圆外部区域2031；

24、通入工艺气体二至第二气体分配管302，使其经气体喷出通道二沿b2方向流向所述晶圆外部区域2031和晶圆内部区域2032；

25、调节所述工艺气体一和/或所述工艺气体二的流量，以控制二者在所述晶圆外部区域2031和晶圆内部区域2032的浓度分布。

26、优选地，所述工艺气体一和所述工艺气体二为相同气体、不同气体或不同气体的混合气体。

27、与现有技术相比，本发明的优点为：

28、1、本发明无需更换任何硬件（如气体喷淋盘），也无需任何可动部件（如机械驱动装置），仅通过调节第一气体分配管和第二气体分配管中工艺气体的流量配比，即可在同一设备上实现晶圆表面薄膜“中心凸”（中心区域膜厚大于边缘）、“边缘凸”（边缘区域膜厚大于中心）以及“均匀”等多种凹凸形状的自由切换，极大地提高了工艺调试的灵活性，降低了设备复杂度和维护成本，适用于集成电路制造工厂的大规模量产。

29、2、与现有技术中通过机械驱动改变气体喷射角度的方案相比，本发明不涉及任何可动部件，从根本上消除了机械磨损、密封失效、颗粒污染等风险，具有结构简单、可靠性高、响应速度快（流量调节为毫秒级）等显著优势。

30、3、上述效果并非通过简单调整喷气角度或简单调节流量所能预见。本领域技术人员在现有技术（仅能通过更换喷淋盘或机械调角度来实现轮廓调控）的教导下，难以预期通过“固定角度差异+流量配比调节”这一非机械方式即可在同一硬件平台上实现多种轮廓的自由切换。本发明克服了“必须通过硬件改变才能调控薄膜凹凸形状”的技术偏见，取得了预料不到的技术效果。

31、需要强调的是，本发明中第一气体分配管的特定角度设置（其中心线与水平方向呈10°~60°）并非独立的技术手段，其必须与第二气体分配管的0°角度设置以及两路气体流量的独立调节协同作用，才能实现对晶圆外部区域和内部区域气体浓度分布的精确调控。单独改变喷气角度或单独调节流量均无法实现本发明的技术效果（具体协同机理详见具体实施方式部分）。