一种原子层沉积装置的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种原子层沉积装置。


背景技术：

2.目前，随着半导体工艺的不断发展，基于微结构的集成器件在进一步微型化和集成化，特征尺寸已经缩小到了亚微米和纳米量级。在原子层沉积工艺中，等离子增强原子层沉积（peald）技术不仅保留了传统热原子层沉积（tald）的诸多优点，还兼具沉积温度更低，沉积速度更快等优点，因此受到越来越多企业的青睐。但是现在的等离子增强原子层沉积技术在沉积过程中气场分布不够均匀，导致沉积在晶圆上的原子层厚度不一，镀膜效果较差。
3.有鉴于此，设计制造出一种镀膜效果好的原子层沉积装置特别是在半导体工艺中显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种原子层沉积装置，能够保证沉积过程中气场分布均匀，提高沉积在晶圆上的原子层厚度的一致性，镀膜效果好。
5.本发明是采用以下的技术方案来实现的。
6.一种原子层沉积装置，包括电离筒、扩散壳和样品台，扩散壳包括依次连接且同轴设置的第一筒段、扩散段和第二筒段，扩散段呈锥台状，扩散段的小端与第一筒段连接，第一筒段与电离筒连接，扩散段的大端与第二筒段连接，第二筒段与样品台抵持，样品台用于承载晶圆，扩散段的锥角范围为40度至50度。
7.可选地，扩散段的锥角为45.5度。
8.可选地，扩散壳沿其轴向的高度范围为230毫米至240毫米。
9.可选地，第一筒段的内径范围为100毫米至105毫米，第二筒段的内径范围为210毫米至220毫米。
10.可选地，第一筒段沿其轴向的高度范围为45毫米至50毫米，第二筒段沿其轴向的高度范围为55毫米至60毫米。
11.可选地，原子层沉积装置还包括进气筒，进气筒固定连接于第一筒段的周面上，进气筒的轴向垂直于第一筒段的轴向设置。
12.可选地，原子层沉积装置还包括安装板和等离子体发生器，电离筒远离扩散壳的一端与安装板抵持，等离子体发生器固定安装于安装板上，且设置于电离筒内，等离子体发生器用于对工艺气体进行电离。
13.可选地，安装板内开设有进气通道，进气通道与电离筒连通。
14.可选地，原子层沉积装置还包括容置腔室和第一加热丝，扩散壳固定连接于容置腔室内，第一加热丝安装于容置腔室内，且盘旋设置于扩散壳外。
15.可选地，原子层沉积装置还包括第二加热丝，第二加热丝卷绕设置于样品台远离
扩散壳的一侧。
16.本发明提供的原子层沉积装置具有以下有益效果：本发明提供的原子层沉积装置，扩散壳包括依次连接且同轴设置的第一筒段、扩散段和第二筒段，扩散段呈锥台状，扩散段的小端与第一筒段连接，第一筒段与电离筒连接，扩散段的大端与第二筒段连接，第二筒段与样品台抵持，样品台用于承载晶圆，扩散段的锥角范围为40度至50度。与现有技术相比，本发明提供的原子层沉积装置由于采用了呈锥台状设置且锥角范围为40度至50度的扩散段，所以能够保证沉积过程中气场分布均匀，提高沉积在晶圆上的原子层厚度的一致性，镀膜效果好。
附图说明
17.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。
18.图1为本发明实施例提供的原子层沉积装置的剖视图；图2为本发明实施例提供的原子层沉积装置中第二加热丝的结构示意图；图3为本发明实施例提供的原子层沉积装置中扩散壳的结构示意图；图4为本发明实施例提供的原子层沉积装置中扩散壳的剖视图；图5为本发明实施例提供的原子层沉积装置中扩散壳的数学模型图；图6为本发明实施例提供的原子层沉积装置在原子层沉积过程中的气体流动仿真模拟图；图7为本发明实施例提供的原子层沉积装置在原子层沉积过程中的气体流动示意图；图8为本发明实施例提供的原子层沉积装置中安装板的剖视图。
19.图标：100-原子层沉积装置；110-电离筒；120-扩散壳；121-第一筒段；122-扩散段；123-第二筒段；130-样品台；140-进气筒；150-安装板；151-进气通道；160-等离子体发生器；170-容置腔室；180-第一加热丝；190-第二加热丝；200-沉积空腔；300-晶圆。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
26.请结合参照图1和图2，本发明实施例提供了一种原子层沉积装置100，用于通过原子层沉积的方式在晶圆300上镀膜。其能够保证沉积过程中气场分布均匀，提高沉积在晶圆300上的原子层厚度的一致性，镀膜效果好。
27.需要说明的是，原子层沉积装置100应用于等离子增强原子层沉积工艺中，原子层沉积装置100能够将工艺气体电离成等离子气体，并使等离子气体均匀地吸附在晶圆300的表面，以实现在晶圆300上镀膜的功能。
28.原子层沉积装置100包括电离筒110、扩散壳120、样品台130、进气筒140、安装板150、等离子体发生器160、容置腔室170、第一加热丝180和第二加热丝190。扩散壳120的一端与电离筒110连接，另一端与样品台130抵持，电离筒110远离扩散壳120的一端与安装板150抵持，安装板150、电离筒110、扩散壳120和样品台130共同形成一密闭的沉积空腔200，样品台130用于承载晶圆300，原子层沉积装置100能够在该沉积空腔200内对晶圆300进行原子层沉积，以实现晶圆300的镀膜功能。本实施例中，扩散壳120和电离筒110均沿竖直方向设置，样品台130水平设置，电离筒110位于扩散壳120的上方，样品台130位于扩散壳120的下方。
29.需要说明的是，等离子体发生器160固定安装于安装板150上，且设置于电离筒110内，等离子体发生器160用于对工艺气体进行电离，以使其变成等离子气体。该等离子气体在沉积空腔200内向下流动，在此过程中，扩散壳120对等离子气体进行扩散，使其被饱和吸附在晶圆300表面。进气筒140安装于扩散壳120上，进气筒140用于向沉积空腔200内通气。
30.进一步地，扩散壳120固定连接于容置腔室170内，即沉积空腔200位于容置腔室170内，内外腔的设置能够使得原子层沉积装置100在镀膜时等离子气体只会接触到扩散壳120的内表面，并在扩散壳120的内表面镀上膜，而不会溢出至容置腔室170，这样一来，便于清洁和维护，降低维护成本，提高维护效率。同时，由于将等离子体的扩散范围集中于样品台130上，所以也有利于放置于样品台130的晶圆300获得更高的沉积质量。
31.具体地，第一加热丝180安装于容置腔室170内，且盘旋设置于扩散壳120外，第一加热丝180能够在得电状态下发热升温，以将热量均匀地传递至扩散壳120，从而使得沉积空腔200的侧面均匀受热，提高原子层沉积效果。第二加热丝190卷绕设置于样品台130远离扩散壳120的一侧，第二加热丝190能够在得电状态下发热升温，以将热量均匀地传递至样
品台130，从而使得沉积空腔200的底面均匀受热，提高原子层沉积效果。第一加热丝180与第二加热丝190共同作用，以在扩散壳120内产生均匀的热场，从而保证原子层沉积效果，提高镀膜效果。
32.请结合参照图3、图4和图5，扩散壳120包括第一筒段121、扩散段122和第二筒段123，其中，第一筒段121、扩散段122和第二筒段123依次连接且同轴设置，扩散段122用于对等离子气体进行扩散。本实施例中，第一筒段121、扩散段122和第二筒段123一体成型，以提高连接强度。扩散段122呈锥台状，扩散段122的小端与第一筒段121连接，第一筒段121与电离筒110连接；扩散段122的大端与第二筒段123连接，第二筒段123与样品台130抵持。等离子体发生器160电离形成的等离子气体沿着电离筒110流入第一筒段121，并通过扩散段122流入第二筒段123，直至吸附于样品台130承载的晶圆300上。
33.值得注意的是，扩散段122的锥角范围为40度至50度，合理的扩散段122的锥角能够保证得到均匀的层流气场，利于实现均匀的原子层沉积，提高沉积在晶圆300上的原子层厚度的一致性，提高镀膜效果。本实施例中，扩散段122的锥角为45.5度，但并不仅限于此，在其它实施例中，扩散段122的锥角可以为40度，也可以为50度，对扩散段122的锥角不作具体限定。
34.进一步地，扩散壳120沿其轴向的高度范围为230毫米至240毫米，由于扩散壳120沿竖直方向设置，所以扩散壳120的轴向即为竖直方向。当扩散壳120沿其轴向的高度过高时，流经晶圆300表面的等离子气体会因为电中和而浓度下降；当扩散壳120沿其轴向的高度过低时，带电的等离子气体会损伤晶圆300。因此，合理的扩散壳120沿其轴向的高度即能够保证所需要的等离子气体浓度，又能够保证晶圆300不会受到电损伤，具有最佳的综合效果。本实施例中，扩散壳120沿其轴向的高度为235毫米，但并不仅限于此，在其它实施例中，扩散壳120沿其轴向的高度可以为230毫米，也可以为240毫米，对扩散壳120沿其轴向的高度不作具体限定。
35.具体地，第一筒段121沿其轴向的高度范围为45毫米至50毫米，第二筒段123沿其轴向的高度范围为55毫米至60毫米，合理的第一筒段121沿其轴向的高度和第二筒段123沿其轴向的高度能够进一步地保证等离子气体浓度，并且防止晶圆300受到电损伤。本实施例中，第一筒段121沿其轴向的高度为48.5毫米，第二筒段123沿其轴向的高度为57.5毫米，但并不仅限于此，在其它实施例中，第一筒段121沿其轴向的高度可以为45毫米，也可以为50毫米，第二筒段123沿其轴向的高度可以为55毫米，也可以为60毫米，对第一筒段121沿其轴向的高度以及第二筒段123沿其轴向的高度不作具体限定。
36.相应地，第一筒段121的内径范围为100毫米至105毫米，第二筒段123的内径范围为210毫米至220毫米，合理的第一筒段121的内径和第二筒段123的内径能够进一步地提高等离子气体流动的均匀性，保证沉积过程中气场分布均匀。本实施例中，第一筒段121的内径为103毫米，第二筒段123的内径为214毫米，但并不仅限于此，在其它实施例中，第一筒段121的内径可以为100毫米，也可以为105毫米，第二筒段123的内径可以为210毫米，也可以为220毫米，对第一筒段121和第二筒段123的内径不作具体限定。
37.为了便于理解，将扩散段122的锥角表示为a，将扩散壳120沿其轴向的高度表示为h，将第一筒段121沿其轴向的高度表示为a，将第二筒段123沿其轴向的高度表示为b，将第一筒段121的内径表示为m，将第二筒段123的内径表示为n。
38.在沉积过程中，并不期望气体在扩散过程中发生绝热膨胀，研究表明，逐渐形成锥形的气体通道有利于降低绝热膨胀的程度，但锥形通道会导致气流发生例如涡流、旋流等流通模式从而形成环形气流。本发明致力于研究如何控制包含直流与环形气流的气体形成均匀的流场从而提高沉积的均匀性，通过对扩散段122形状尺寸（如扩散段122的锥角、扩散壳120的高度、第一筒段121的高度、第二筒段123的高度、第一筒段121的内径和第二筒段123的内径）的限定，能够得到合理的沉积空腔200形状设计，以使原子层沉积过程中具有更均匀的热场和气场，热场和气场相互影响，以使等离子气体在沉积空腔200内均匀流动，从而提高沉积在晶圆300上的原子层厚度的一致性。
39.其中，扩散段122的锥角被证实为对气流均匀性影响最大的因素，一种可能的解释是锥角对于环形气流的影响力较大，而直流气流与环形气流的构成比例与环形气流的方向对于气场的均匀性具有较大的影响。此外，扩散壳120的高度、第一筒段121的高度和内径以及第二筒段123的高度和内径的尺寸优化可以进一步提升气场的均匀性，从而进一步优化沉积的均匀性。
40.具体地，基于沉积空腔200建立仿真模型，根据设定的参数对仿真模型进行等离子体气体扩散仿真，得到气体流速的流线图如图6和图7所示。由图6和图7可知，本发明的原子层沉积装置100中沉积空腔200内气流速度分布均匀，能够达到高均匀度的沉积效果。
41.请参照图8，本实施例中，进气筒140固定连接于第一筒段121的周面上，进气筒140的轴向垂直于第一筒段121的轴向设置，以便于向沉积空腔200内通气。安装板150内开设有进气通道151，进气通道151与电离筒110连通，进气通道151用于向沉积空腔200内通气。
42.值得注意的是，利用原子层沉积装置100进行原子层沉积的工艺包括以下步骤：步骤s110：将工艺气体（例如氮气、氨气等）从进气通道151通入沉积空腔200，启动等离子体发生器160，以将工艺气体电离成等离子气体，等离子气体在气压作用下向下流动，在流经扩散壳120后向外扩散，最后均匀地流过晶圆300表面并被晶圆300吸附，而多余未被吸附的等离子气体通过真空泵向外抽出。
43.步骤s120：将惰性气体（例如氮气、氩气等）从进气通道151通入沉积空腔200，关闭等离子体发生器160，以将沉积空腔200内残余的等离子气体以及晶圆300表面多余的等离子气体吹除干净，并将其通过真空泵向外抽出。
44.步骤s130：将金属有机化合物气体从进气筒140通入沉积空腔200，金属有机化合物气体在流经扩散壳120后向外扩散，均匀地流过晶圆300表面并被晶圆300吸附，而多余未被吸附的金属有机化合物气体通过真空泵向外抽出。
45.步骤s140：将惰性气体（例如氮气、氩气等）从进气筒140通入沉积空腔200，以将沉积空腔200内残余的金属有机化合物气体以及晶圆300表面多余的金属有机化合物气体吹除干净，并将其通过真空泵向外抽出。
46.循环重复执行步骤s110、步骤s120、步骤s130和步骤s140，直至晶圆300上沉积的原子层达到预设厚度，完成原子层沉积。
47.本发明实施例提供的原子层沉积装置100，扩散壳120包括依次连接且同轴设置的第一筒段121、扩散段122和第二筒段123，扩散段122呈锥台状，扩散段122的小端与第一筒段121连接，第一筒段121与电离筒110连接，扩散段122的大端与第二筒段123连接，第二筒段123与样品台130抵持，样品台130用于承载晶圆300，扩散段122的锥角范围为40度至50
度。与现有技术相比，本发明提供的原子层沉积装置100由于采用了呈锥台状设置且锥角范围为40度至50度的扩散段122，所以能够保证沉积过程中气场分布均匀，提高沉积在晶圆300上的原子层厚度的一致性，镀膜效果好。
48.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。