双面沉积设备及方法与流程

1.本技术大体上涉及双面沉积技术，且更具体来说，涉及可双面同时沉积的等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)设备及方法。


背景技术：

2.化学气相沉积(cvd)是使反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术，常用于制造薄膜(如多晶硅、非晶硅、氧化硅等)。为使化学反应在较低温度下进行，可在cvd工艺中引入等离子体处理技术，利用等离子体的活性来促进反应，这就是等离子体增强型化学气相沉积(pecvd)技术。pecvd借助微波或射频等使含有薄膜组成的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，非常容易发生反应，从而在晶圆上沉积出所期望的薄膜。
3.异质结(hit)太阳能电池等新型半导体装置需要在晶圆的前侧和背侧都沉积若干层薄膜。此外，在某些微电子制造应用中，例如3d nand闪存，在晶圆的前侧沉积的膜层较厚，可能在晶圆中引入较多应力而导致晶圆翘曲。因此，在这些应用中，需要在晶圆的背侧也进行沉积以平衡应力，防止晶圆翘曲。
4.对于这些需要在晶圆的前侧和背侧都进行沉积的应用，通常，先在晶圆的一面(例如，前侧)进行沉积，再在晶圆的另一面(例如，背侧)进行沉积。这样的沉积方式操作繁琐，耗费时间长，导致产能较低，设备成本、生产成本高昂。而且，进行背侧沉积还可能需要翻转晶圆，翻转过程中会引入额外的问题，例如额外的搬运、潜在的颗粒暴露、处理良率的降低等。
5.因此，如何提高产能，减少单片晶圆的处理成本为一重要课题。


技术实现要素：

6.在一个方面中，本技术提供一种双面沉积设备，其包括：腔室；上电极，其设置于所述腔室中且包括第一喷淋头，所述第一喷淋头用于提供第一反应气体至晶圆的上表面，以在所述上电极与所述晶圆的上表面之间形成第一等离子体区；下电极，其设置于所述腔室中且包括第二喷淋头，所述第二喷淋头用于提供第二反应气体至所述晶圆的下表面，以在所述下电极与所述晶圆的下表面之间形成第二等离子体区，其中所述第一喷淋头提供第一反应气体的期间与所述第二喷淋头提供第二反应气体的期间至少有部分重叠。
7.在一些实施例中，所述双面沉积设备进一步包括：晶圆支撑结构，其设置于所述上电极与所述下电极之间且用于支撑所述晶圆；以及射频电源，其耦接至所述上电极与所述下电极中的至少一者，且用于提供射频功率以在所述上电极与所述晶圆的上表面之间形成用于在所述晶圆的所述上表面沉积第一薄膜的所述第一等离子体区，并在所述下电极与所述晶圆的下表面之间形成用于在所述晶圆的所述下表面沉积第二薄膜的所述第二等离子体区，所述第一薄膜由所述第一反应气体产生，且所述第二薄膜由所述第二反应气体产生。
8.在一些实施例中，所述晶圆支撑结构为不导电材料。根据本技术的一个实施例，所
述上电极和所述下电极中的一者耦接至所述射频电源，且所述上电极和所述下电极中的另一者接地。
9.在一些实施例中，所述晶圆支撑结构为导电材料。根据本技术的一个实施例，所述射频电源包括第一射频电源和第二射频电源，所述上电极耦接至所述第一射频电源，所述下电极耦接至所述第二射频电源，且所述晶圆支撑结构接地。其中，所述第一射频电源和所述第二射频电源频率相同且相位差锁定。在一些实施例中，所述第一射频电源和所述第二射频电源是同一射频电源经由功率分配器形成的两部分。所述两部分的功率比例可为1∶1，或是可调的。
10.在一些实施例中，所述晶圆支撑结构为圆环状、矩形环状或外圆内方形。
11.在一些实施例中，所述腔室的侧壁包含用于从所述腔室抽出气体的出气孔。
12.在一些实施例中，所述上电极与所述下电极中的至少一个包含加热器。
13.在一些实施例中，所述晶圆支撑结构包含移动结构，使得所述晶圆支撑结构能够向上或向下移动。
14.在另一方面中，本技术提供一种在根据本技术实施例的双面沉积设备中处理晶圆的方法。所述方法包括将所述晶圆提供至所述上电极与所述下电极之间的晶圆支撑结构；通过所述第一喷淋头提供所述第一反应气体；通过所述第二喷淋头提供所述第二反应气体；以及将射频电源的射频功率提供至所述上电极与所述下电极中的至少一者，以在所述晶圆的所述上表面沉积第一薄膜，并在所述晶圆的所述下表面沉积第二薄膜。
15.在一些实施例中，所述晶圆和所述晶圆支撑结构均为不导电材料。将所述射频功率提供至所述上电极与所述下电极中的所述至少一者可包括将所述射频功率提供至所述上电极和所述下电极中的一者，且将所述上电极和所述下电极中的另一者接地。
16.在一些实施例中，所述晶圆和所述晶圆支撑结构均为导电材料。所述射频电源可包括第一射频电源和第二射频电源，将所述射频功率提供至所述上电极与所述下电极中的所述至少一者可包括将所述第一射频电源施加至所述上电极，将所述第二射频电源施加至所述下电极，且将所述晶圆支撑结构接地。其中，所述第一射频电源和所述第二射频电源频率相同且相位差锁定。在一些实施例中，所述第一射频电源和所述第二射频电源是同一射频电源经由功率分配器形成的两部分。所述两部分的功率比例可为1∶1。在另一些实施例中，所述方法进一步包括调节所述两部分的功率比例。
17.在一些实施例中，所述方法进一步包括通过所述腔室的侧壁上的出气孔从所述腔室抽出气体。
18.在一些实施例中，所述方法进一步包括加热所述上电极与所述下电极中的至少一个。
19.在一些实施例中，所述方法进一步包括向上或向下调整所述晶圆支撑结构在所述上电极与所述下电极之间的位置。
20.在一些实施例中，所述方法进一步包括调整所述第一反应气体和所述第二反应气体中的至少一者的流量。
21.在以下附图及描述中阐述本技术的一或多个实例的细节。其它特征、目标及优势将根据所述描述及附图以及权利要求书而显而易见。
附图说明
22.本文中的公开内容提及且包含以下各图：
23.图1说明根据本技术的实施例的一种双面沉积设备的结构示意图；
24.图2说明根据本技术的实施例的晶圆支撑结构的截面形状示意图；
25.图3说明根据本技术的实施例的一种双面沉积设备的结构示意图；
26.图4说明根据本技术的实施例的一种双面沉积设备的结构示意图；
27.图5说明根据本技术的实施例的一种双射频电源供电的示意图；
28.图6说明根据本技术的实施例的一种双射频电源供电的示意图；和
29.图7说明根据本技术的实施例的一种在双面沉积设备中处理晶圆的方法流程图。
30.根据惯例，图示中所说明的各种特征可能并非按比例绘制。因此，为了清晰起见，可任意扩大或减小各种特征的尺寸。另外，为了清楚起见，可简化图示中所说明的实施方案。因此，图示可能并未说明给定设备或装置的全部组件。最后，可贯穿说明书和图示使用相同参考标号来表示相同特征。
具体实施方式
31.以下将参考图式更完整说明本发明，并且藉由例示显示特定范例具体实施例。不过，本主张主题可具体实施于许多不同形式，因此所涵盖或申请主张主题的建构并不受限于本说明书所揭示的任何范例具体实施例；范例具体实施例仅为例示。同样，本发明在于提供合理宽阔的范畴给所申请或涵盖之主张主题。除此之外，例如主张主题可具体实施为方法、装置或系统。因此，具体实施例可采用例如硬件、软件、固件或这些的任意组合(已知并非软件)的形式。
32.本说明书内使用的词汇“在一实施例”或“根据一实施例”并不必要参照相同具体实施例，且本说明书内使用的“在其他(一些/某些)实施例”或“根据其他(一些/某些)实施例”并不必要参照不同的具体实施例。其目的在于例如主张的主题包括全部或部分范例具体实施例的组合。本文所指“上”和“下”的意义并不限于图式所直接呈现的关系，其应包含具有明确对应关系的描述，例如“左”和“右”，或者是“上”和“下”的相反。本文中的词汇“晶圆”应理解为可与术语“晶元”、“基板”、“衬底”等术语互换使用。本文所称的“耦接”应理解为涵盖“直接连接”以及“经由一或多个中间部件连接”。
33.图1展示了根据本技术的实施例的一种用于处理晶圆110的双面沉积设备100的结构示意图。设备100包括腔室102、上电极104、下电极106以及晶圆支撑结构108。
34.上电极104设置于腔室102中，面对晶圆110的上表面。上电极104可设置或包含第一喷淋头结构(未示出)，以用于向腔室102中提供第一反应气体，所述第一反应气体用于在晶圆110的上表面沉积第一薄膜。第一喷淋头结构可包含大体上均匀布置的多个喷淋孔，以实现均匀布气。在一些实施例中，可采用不同的喷淋孔布置形式。
35.下电极106设置于腔室102中，面对晶圆110的下表面。下电极106可设置或包含第二喷淋头结构(未示出)，以用于向腔室102中提供第二反应气体，所述第二反应气体用于在晶圆110的下表面沉积第二薄膜。第二喷淋头结构可包含大体上均匀布置的多个喷淋孔，以实现均匀布气。在一些实施例中，可采用不同的喷淋孔布置形式。
36.尽管图1中没有示出，本领域技术人员应能理解，设备100还可包含顶部进气管和
底部进气管，分别向上电极104和下电极106输送第一反应气体和第二反应气体。顶部进气管和底部进气管可同时进气。在一些实施例中，可分别控制顶部进气管和/或底部进气管的气体输送速度来调整第一反应气体和/或第二反应气体的流量。
37.根据本技术的一些实施例，上电极104与下电极106中的至少一者可包含加热器(未示出)，以提高晶元表面和反应气体的温度，进一步促进反应。例如，可在上电极104中埋入加热器，或在下电极106中埋入加热器，或者在上电极104与下电极106两者中都埋入加热器。在处理晶圆110的过程中，可视需要加热上电极104与下电极106中的至少一者，以调整晶圆110的上表面和/或下表面的成膜速度。
38.腔室102的侧壁可实施为挡板或类似结构。侧壁上可设置多个出气孔112，用于从侧面抽出气体，从而在腔室102内实现均匀的气流分布。因此，出气孔112也可称为匀气孔。仅出于示例性的目的，图1中展示了4个出气孔。本领域技术人员应理解，腔室102的侧壁上可设置更多或更少的出气孔，出气孔的位置也可与图1的示例不同。
39.晶圆支撑结构108设置于上电极104与下电极106之间，且用于支撑晶圆110。尽管图1中没有示出，本领域技术人员应能理解，在晶圆支撑结构108与腔室102的顶部、侧壁或底部之间可设置连接结构，使得晶圆支撑结构108能够定位在腔室102内合适的高度处。在一些实施例中，晶圆支撑结构108还可包括移动结构，使得晶圆支撑结构108能够向上或向下移动。为了能够对晶圆110的下表面进行沉积，晶圆支撑结构108呈环状围绕晶圆110，支撑在晶圆110的边缘位置，露出需要沉积的晶圆110的下表面的部分。
40.对于不同的晶圆形状和腔体结构，晶圆支撑结构108可设计为具有不同的截面形状。图2展示了根据本技术的实施例的几种晶圆支撑结构的截面形状示意图。例如，对于圆形晶圆和圆形腔体，可采用a类圆环状晶圆支撑结构；对于矩形晶圆和矩形腔体，可采用b类矩形环状晶圆支撑结构；对于矩形晶圆和圆形腔体，可采用c类外圆内方形晶圆支撑结构。应理解，图2所提供的几种晶圆支撑结构的截面形状仅是为了示例说明的目的，不应视为对本发明的限制。
41.图1所示的设备100还包括射频电源(未示出)，其耦接至上电极104与下电极106中的至少一者，且用于提供射频功率以在上电极104与晶圆110的上表面之间形成用于在晶圆110的上表面沉积第一薄膜的第一等离子体区，同时在下电极106与晶圆110的下表面之间形成用于在晶圆106的下表面沉积第二薄膜的第二等离子体区。此处“同时”并不要求第一等离子体区和第二等离子体区形成的时间完全重叠；只要二者至少有部分重叠，即可称为“同时”。
42.与每次在晶圆的一个表面上进行沉积的设备相比，在设备100中，晶圆110和晶圆支撑结构108将腔室102分隔成上、下两个空间，这两个空间要分别满足沉积第一薄膜和第二薄膜的工艺条件，例如晶圆表面与相应喷淋头之间的距离、温度和气流分布的均匀性等。施加射频功率后，上、下两个空间都形成类似单面沉积时的电场，每个空间中的电场在时间、空间分布上和单面沉积类似。晶圆110和晶圆支撑结构108的材质和电位也会影响电场的分布，进而会影响电离产生的等离子体分布以及沉积的薄膜质量。因此，根据本技术的实施例，针对不同材质的晶圆，可采用不同材质的晶圆支撑结构，并采用不同的射频功率施加方式，从而实现双面都能得到均匀性好、膜厚可控的薄膜。
43.图3展示了根据本技术的实施例的一种双面沉积设备300的结构示意图。设备300
可以是图1中的设备100的一个实例。在图3中用相同的附图标记表示与图1相同的组件，例如腔室102、上电极104、下电极106以及晶圆支撑结构108等。
44.在图3所示的实施例中，晶圆110为不导电材料(例如玻璃)，晶圆支撑结构108也由不导电材料制成。上电极104耦接至射频电源302，下电极106接地。尽管图3展示为上电极104直接连接至射频电源302，本领域技术人员应理解，射频电源302可经由相应的匹配电路连接至上电极，以获得更好的射频效率。在其他实施例中，也可以是下电极106耦接至射频电源，上电极104接地。晶圆110和晶圆支撑结构108既不耦接至射频电源，也不接地，即它们都处于悬浮电位。以这种配置方式施加射频功率，可以使得晶圆110和晶圆支撑结构108的电势接近，从而可整体成为电极，实现更好的膜厚均匀性。
45.图4展示了根据本技术的另一实施例的一种双面沉积设备400的结构示意图。设备400可以是图1中的设备100的一个实例。在图4中用相同的附图标记表示与图1相同的组件，例如腔室102、上电极104、下电极106以及晶圆支撑结构108等。
46.在图4所示的实施例中，晶圆110为导电材料，晶圆支撑结构108也由导电材料(例如金属)制成。上电极104耦接至第一射频电源402，下电极106耦接至第二射频电源404，晶圆支撑结构108接地。由于晶圆110与晶圆支撑结构108之间存在导电接触，因此，晶圆110实际也处于接地电位，即晶圆110和晶圆支撑结构108电位相同。以这种配置方式施加射频功率，也可以实现较好的膜厚均匀性。而且，由于第一等离子体区和第二等离子体区由接地的晶圆110和晶圆支撑结构108分隔开，可以施加不同的射频功率值，因而可以相对比较独立地调整两侧的工艺条件。尽管图4展示为上电极104和下电极106分别直接连接至第一射频电源402和第二射频电源404，本领域技术人员应理解，第一射频电源402和第二射频电源404可分别经由相应的匹配电路连接至上电极104和下电极106，以获得更好的射频效率。
47.在本技术的一些实施例中，第一射频电源402和第二射频电源404可以是两个不同的射频电源。施加两个射频电源会在腔室102内形成两个电场。为了防止在两个电场交叠的区域出现拍频现象而导致电离产生的等离子体不稳定，第一射频电源402和第二射频电源404应具有相同的频率且相位差锁定。
48.图5展示了根据本技术的实施例的一种双射频电源供电的示意图，其可应用于图1所示的设备100或图4所示的设备400。为了清晰起见，图5中仅示出了腔室102中的上电极104和下电极106，而没有示出腔室102中的其它组件。如图5所示，上电极104耦接至第一射频电源502，下电极106耦接至第二射频电源504，第一射频电源502和第二射频电源504可以是图4中的第一射频电源402和第二射频电源404的实例。尽管图5展示为上电极104和下电极106分别直接连接至第一射频电源502和第二射频电源504，本领域技术人员应理解，第一射频电源502和第二射频电源504可分别经由相应的匹配电路连接至上电极104和下电极106。第一射频电源502和第二射频电源504的频率相同，且通过同步电路506使得二者具有固定的相位差。本领域技术人员了解实现同步电路的各种方式。在一些实施例中，可以采用共同激励(common exciter，cex)技术实现相位差锁定。此类技术以为本领域技术人员所熟知，故在此不作赘述。
49.在本技术的另一些实施例中，第一射频电源402和第二射频电源404可以是同一射频电源经由功率分配器形成的两部分。图6展示了根据这些实施例的双射频电源供电的示意图，其可应用于图1所示的设备100或图4所示的设备400。为了清晰起见，图6中仅示出了
腔室102中的上电极104和下电极106，而没有示出腔室102中的其它组件。如图6所示，射频电源602的输出耦接至功率分配器604。尽管图6展示为射频电源602直接连接至功率分配器604，本领域技术人员应理解，射频电源602可经由相应的匹配电路连接至功率分配器604。功率分配器604将射频电源602输出的射频功率按一定比例分成两部分，第一部分(可对应于图4中的第一射频电源402)供应给上电极104，第二部分(可对应于图4中的第二射频电源404)供应给下电极106。在一些实施例中，功率分配器604将射频电源602输出的射频功率平均分配给上电极104和下电极106，也就是说，两部分的功率比例固定为1∶1。在另一些实施例中，功率分配器604的功率分配比是可调的，例如，两部分的功率比例可以在0.9-1.1范围内调整。
50.图7展示了根据本技术的实施例的一种在双面沉积设备中处理晶圆的方法700的流程图。方法700可在设备100、设备300、设备400或具有类似结构或功能的设备中执行。
51.如图7所示，在方法700的步骤702中，将待处理的晶圆(例如图1、3、4中的晶圆110)提供至晶圆支撑结构(例如图1、3、4中的晶圆支撑结构108)。待处理的晶圆可以是需要在前侧和背侧都沉积薄膜的晶圆。接着，在步骤704中，通过第一喷淋头(例如图1、3、4中的上电极104中设置的喷淋头)提供第一反应气体；在步骤706中，通过第二喷淋头(例如图1、3、4中的下电极106中设置的喷淋头)提供第二反应气体。尽管步骤704和步骤706在图7中展示为顺序执行，调换这两个步骤的执行顺序或者同时执行这两个步骤均应理解为在本发明的范围之内。而且，步骤704和步骤706可理解为开始提供反应气体，反应气体在沉积过程中应持续供应，直到沉积完成。例如，在第一持续时间内提供第一反应气体，在第二持续时间内提供第二反应气体。为实现双面同时沉积，第一持续时间和第二持续时间应至少部分重叠。
52.在步骤708中，将射频功率提供至上电极(例如图1、3、4中的上电极104)与下电极(例如图1、3、4中的下电极106)中的至少一者，以在晶圆的上表面沉积第一薄膜，同时在晶圆的下表面沉积第二薄膜。其中，第一薄膜由第一反应气体产生，且第二薄膜由第二反应气体产生。类似的，步骤708也可与步骤704和步骤706任意调换执行顺序，或者同时执行。在沉积过程中应持续提供射频功率，直到沉积完成。
53.在本技术的一些实施例中，方法700用于在如图3所示的设备300中处理由不导电材料构成的晶圆。在这些实施例中，步骤708可包括将射频功率(例如图3中的射频电源302的输出功率)提供至上电极和下电极中的一者(例如图3中的上电极104)，且将上电极和下电极中的另一者(例如图3中的下电极106)接地。
54.在本技术的另一些实施例中，方法700用于在如图4所示的设备400中处理由导电材料构成的晶圆。在这些实施例中，步骤708可包括将第一射频电源(例如图4中的第一射频电源402、图5中的第一射频电源502、图6中功率分配器604输出的第一部分射频功率)施加至上电极(例如图4-6中的上电极104)，将第二射频电源(例如图4中的第二射频电源404、图5中的第二射频电源504、图6中功率分配器604输出的第二部分射频功率)施加至下电极(例如图4-6中的下电极106)，且将晶圆支撑结构(例如图4中的晶圆支撑结构108)接地。根据本技术的一个实施例，方法700可额外包括调节第一射频电源和第二射频电源的功率比例的步骤，例如，通过调节功率分配器604的功率分配比来调节两部分的功率比例。
55.为了在腔室内实现均匀的气流分布，方法700还可额外包括通过腔室的侧壁上的出气孔(例如图1、3、4中的出气孔112)从腔室中抽出气体的步骤。方法700还可额外包括加
热上电极与下电极中的至少一者的步骤，从而调整晶圆的上表面和/或下表面的成膜速度。
56.根据本技术的一些实施例，方法700还可包括额外的调整步骤，以对腔室被晶圆和晶圆支撑结构分隔成的上、下两个空间内的工艺条件进行一定程度的调整。例如，方法700可包括(例如，利用品圆支撑结构的移动结构)向上或向下调整晶圆支撑结构在上电极与下电极之间的位置。例如，方法700还可包括调整第一反应气体和第二反应气体中的至少一者的流量。
57.本技术提供了一种可实现双面同时沉积的设备以及相应的方法，可以达到提高产能、减少成本的效果。虽然本说明书主要是结合pecvd设备和方法进行描述，本发明的方案也可应用于其它类似设备或方法。
58.本文中的描述经提供以使所述领域的技术人员能够进行或使用本发明。所属领域的技术人员将易于显而易见对本发明的各种修改，且本文中所定义的一般原理可应用于其它变化形式而不会脱离本发明的精神或范围。因此，本发明不限于本文所述的实例和设计，而是被赋予与本文所揭示的原理和新颖特征一致的最宽范围。