反应腔室及半导体加工设备的制作方法

本实用新型涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种反应腔室及半导体加工设备。

背景技术：

磁控溅射物理气相沉积是半导体制造领域中广泛采用的方法。现有的磁控溅射物理气相沉积设备如图1所示，具有接地的反应腔室1。基座8位于反应腔室1内，承载待加工工件10。卡环9放置于待加工工件10四周。靶材4密封反应腔室1。支撑组件2和靶材4形成密封腔体，其中充满去离子水3。工艺时，驱动装置6驱动磁控管5扫描靶材4表面，磁控管5会在靶材4的中心区域和边缘区域来回经过。激励源12施加偏压至靶材4，使其相对于反应腔室1为负压，激励工艺气体产生等离子体，并将带正电的等离子体吸引至靶材4。当等离子体的能量足够高时，会使金属原子逸出靶材表面并沉积在待加工工件10上。反应腔室1内设置内衬7，以防止腔壁被污染。为提高待加工工件深孔的薄膜覆盖率，通过射频电源11向基座8施加射频功率。

在工艺过程中，由于磁控管5经过靶材中间区域的次数会多于经过靶材中心区域和边缘区域的次数，导致沉积在待加工工件上的薄膜分布不均匀。另一方面，由于靶材逸出的金属原子缺乏良好的方向性，对于待加工工件的深孔尤其是其边缘区域的深孔，只有部分方向的金属原子可以沉积于深孔侧壁，影响了深孔侧壁的覆盖率，并且部分深孔侧壁更难以被金属离子沉积，导致深孔侧壁覆盖率的对称性较差。尤其接近深孔底部的侧壁位置，由于该位置深宽比较高，导致该位置的薄膜沉积效果难以令人满意。

技术实现要素：

根据本实用新型的一个方面，提供了一种反应腔室，包括：基座，用于承载待加工工件；靶材，设置在所述反应腔的上部空间中；以及准直器，设置在所述靶材以下、所述待加工工件以上的空间中，以提高所述待加工工件深孔底部的覆盖率以及深孔侧壁覆盖率的对称性。

在本实用新型的一些实施例中，所述准直器包括中心区域、中间区域及边缘区域；所述中心区域、所述中间区域、所述边缘区域均包括多个沿所述反应腔侧壁方向延伸的通孔，在所述中心区域中通孔的深宽比为中心深宽比，在所述中间区域中的通孔的深宽比为中间深宽比，在所述边缘区域中的通孔的深宽比为边缘深宽比；其中，所述中间深宽比大于所述中心深宽比和所述边缘深宽比中的至少一者。

在本实用新型的一些实施例中，所述中间深宽比大于所述中心深宽比，所述中间深宽比大于所述边缘深宽比。

在本实用新型的一些实施例中，所述中心深宽比与所述边缘深宽比相同。

在本实用新型的一些实施例中，所述中间深宽比比所述中心深宽比和/或所述边缘深宽比大15％以上。

在本实用新型的一些实施例中，所述中心深宽比与所述边缘深宽比的比值大于2。

在本实用新型的一些实施例中，所述中心区域、所述中间区域、所述边缘区域具有相同的通孔面积，且所述中间区域的通孔深度大于所述中心区域及所述边缘区域的通孔深度。

在本实用新型的一些实施例中，所述中心区域、所述中间区域、所述边缘区域具有相同的通孔深度，且所述中间区域的通孔面积小于所述中心区域及所述边缘区域的通孔面积。

在本实用新型的一些实施例中，所述反应腔室还包括：线圈，环绕耦接在所述准直器与所述基座之间的所述腔侧壁，其中，所述线圈耦合到射频电源。

在本实用新型的一些实施例中，所述反应腔室还包括：上内衬，所述上内衬是所述腔侧壁的一部分，且所述准直器耦接至所述上内衬；及法拉第内衬，所述法拉第内衬也是所述腔侧壁的一部分，位于所述上内衬与所述基座之间，且所述线圈设置在所述法拉第内衬外侧。

在本实用新型的一些实施例中，所述法拉第内衬悬浮设置。

在本实用新型的一些实施例中，所述法拉第内衬上设置有至少一个开缝，所述开缝沿所述法拉第内衬轴向设置。

在本实用新型的一些实施例中，所述开缝宽度小于10mm。

在本实用新型的一些实施例中，所述中心区域和所述边缘区域在反应腔横截面的投影面积之和占所述准直器在反应腔横截面平面投影总面积的60％以上。

在本实用新型的一些实施例中，所述准直器的材料为铝或者不锈钢。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种半导体加工设备，包括上述任一项所述的反应腔室。

通过设置准直器，可以提高待加工工件的薄膜沉积均匀性、深孔底部的薄膜覆盖率以及深孔侧壁覆盖率的对称性，并可在薄膜沉积工艺中更加精确地控制薄膜生长。

附图说明

图1是现有技术的磁控溅射物理气相沉积设备的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例的反应腔室的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例的准直器在XY面上的投影图；

图4是本实用新型一实施例的准直器的俯视图；

图5是本实用新型一实施例的法拉第内衬的结构示意图；

图6是本实用新型一实施例的第二等离子体轰击深孔底部的原理图。

符号说明

【现有技术】

1-腔室本体；2-支撑组件；3-去离子水；4-靶材；5-磁控管；6-驱动装置；7-内衬；8-基座；9-卡环；10-待加工工件；11-射频电源；12-激励源。

【本实用新型】

1-腔室本体；11-侧壁；12-底壁；111-上筒体；112-中间筒体；113-下筒体；131-上内衬；132-法拉第内衬；133-下内衬；1321-开缝；14、15-适配器；16-绝缘柱；

2-基座；21-压环；22-射频电源；

3-靶材；

4-准直器；41-中心区域；42-中间区域；43-边缘区域；44-通孔；

5-上电极组件；501-磁控管；502-驱动装置；503-支撑组件；504-等离子体激励源；505-去离子水；

6-线圈；

7-射频电源；

X-待加工工件；

101-第二等离子体；102-金属。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型一实施例提供了一种反应腔室，如图2所示，反应腔室包括：腔室本体1、基座2、靶材3和准直器4。

基座2设置于反应腔室的下部空间，具体可以是设置在腔室本体1的底部，用于承载待加工工件X，并通过射频电源22施加射频功率。待加工工件X的四周还设置有压环21，用于固定待加工工件X在基座2上的位置。

靶材3设置在反应腔室的上部空间中，具体可以是设置在腔室本体1的顶部。

准直器4设置在靶材3以下、待加工工件X以上的空间中，采用Al或者不锈钢等金属材料制成。

反应腔室上部可以设置有上电极组件5，上电极组件5包括：磁控管501，驱动装置502、支撑组件503和等离子体激励源504。

支撑组件503底端固定靶材3，靶材3的下表面暴露在反应腔体的空间中。支撑组件503和靶材3形成适于容纳去离子水505的密封腔室，去离子水505用于对靶材3进行冷却。磁控管501位于该密封腔室中，并连接密封腔室外的驱动装置502。磁控管501在驱动装置502的驱动下扫描靶材3，以在靶材3表面附近产生磁场。在工艺过程中，等离子体激励源504施加偏压至靶材3，使其相对于接地的腔室本体1形成负压，使反应腔室内例如氩气的工艺气体放电而产生氩离子和电子。磁控管501所产生的磁场可以延长电子的运动轨迹，电子运动过程中不断与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子，可增加靶材的离化率。带正电的氩离子被吸引至负偏压的靶材3处。当氩离子的能量足够高时，撞击靶材3，会使金属原子逸出靶材3表面并向下运动沉积在待加工工件X上。

结合图2和3所示，本实施例的准直器4设置于腔室本体1内并靠近腔室本体1顶端，并且准直器4的各个区域具有不同的深宽比。准直器4与腔室本体1同轴，以准直器4轴线为中心，从中心至边缘依次分为三个区域：中心区域41、中间区域42及边缘区域43。中心区域41为以准直器4轴线为其轴线的圆柱状区域，中间区域42和边缘区域43为依次包覆在中心区域41外部的圆筒状区域，中间区域42位于中心区域41和边缘区域43之间。

腔室本体1包括侧壁11和底壁12。结合图2和图4所示，中心区域41、中间区域42、边缘区域43均包括多个沿侧壁方向延伸的通孔44，其中，侧壁方向是指图2所示的Z方向。通孔44的截面形状不做限定，例如可以是多边形或圆形等形状。在图4中，通孔44的截面为正六边形，准直器4呈蜂窝状结构。位于同一区域内的多个通孔44的深宽比是相同的，深宽比是指通孔44的深度与宽度D的比值，深度是指沿侧壁方向的长度，宽度D是指垂直于侧壁方向的长度。

在中心区域41中通孔44的深宽比称为中心深宽比，中间区域42中的通孔44的深宽比称为中间深宽比，边缘区域43中的通孔44的深宽比称为边缘深宽比。本实施例的中间深宽比大于中心深宽比，且中间深宽比大于边缘深宽比，即中间深宽比既大于中心深宽比，又大于边缘深宽比。中心深宽比与边缘深宽比数值相同，即中心区域和边缘区域具有相同的深宽比，且中间深宽比比中心深宽比和边缘深宽比大15％以上，并且中心深宽比与边缘深宽比的比值均大于2。

本实施例的准直器4的中心区域41、中间区域42和边缘区域43与靶材3的中心区域、中间区域和边缘区域分别对应。在工艺过程中，由于准直器中间区域42的深宽比较大，当靶材3中间区域产生的金属原子经过准直器4时，会有更多的金属原子沉积在准直器4上。这样虽然靶材3中间区域产生的金属原子比其中心区域和边缘区域多，但由于准直器中间区域42出来的金属原子数量与其中心区域41和边缘区域43的基本相同，不会有明显差别。准直器4相当于一个过滤器，起到过滤作用，从而降低待加工工件X中间区间的沉积速度，减小待加工工件中间区域的薄膜厚度，提高了薄膜沉积的均匀性。

同时，通过设置准直器4，使金属原子经过准直器4后具有良好的方向性，入射到待加工工件X的金属原子的也具有良好的方向性，使得金属原子更容易沉积至待加工工件深孔底部，并且更均匀地沉积至深孔的两个侧壁，从而提高了深孔底部的薄膜覆盖率以及深孔侧壁覆盖率的对称性。准直器4对靶材3各区域产生的金属原子进行不同程度的过滤，起到降低沉积速率的作用，可以在更薄的薄膜沉积工艺中更加精确地控制薄膜生长。准直器4还使基座2的负偏压增加，有利于提高薄膜覆盖率。

在本实施例中，中心区域41、中间区域42、边缘区域43可以具有相同的通孔面积，即各个区域的通孔44的横截面面积相等。在这种情况下，中间区域42的通孔44的深度应大于中心区域41及边缘区域43的通孔44的深度，其中，中心区域41和边缘区域43的通孔44深度均为50mm及以上。中心区域41、中间区域42、边缘区域43也可以具有相同的通孔深度。在这种情况下，中间区域42的通孔面积应小于中心区域41及边缘区域43的通孔面积。准直器的中心区域41、中间区域42和边缘区域43的大小可根据靶材对应区域的大小来设置，但中心区域41和边缘区域43的在反应腔室横截面(图2中XY平面)上的投影面积之和应占整个准直器4在反应腔室横截面投影总面积的60％以上。

以上只是示例性说明，本实施例并不限于此。例如，中间深宽比可以大于中心深宽比和边缘深宽比中的其中一个，且中间深宽比比中心深宽比或边缘深宽比大15％以上，这样也可以起到提高薄膜沉积的均匀性、深孔底部的薄膜覆盖率以及深孔侧壁覆盖率的对称性的效果。另外，当中间深宽比大于中心深宽比和边缘深宽比时，中心深宽比与边缘深宽比的数值也可以不同，但仍然满足中间深宽比比中心深宽比和边缘深宽比大15％以上。

继续参见图2，腔室本体1的侧壁11包括：上筒体111、下筒体113、以及位于上筒体111和下筒体113之间的中间筒体112，中间筒体112为绝缘筒。

反应腔室还包括线圈6，线圈6环绕耦接在准直器4与基座2之间的侧壁11上，其中，线圈6耦合到射频电源7。

具体来说，线圈6可以环绕于中间筒体112的外侧，由一匝或多匝螺旋形线圈缠绕形成，并连接外部的射频电源7。射频电源7提供射频功率，线圈6产生的电磁场经中间筒体112耦合至腔室本体1内。线圈6位于等离子体环境外部，不需要对线圈6单独进行更换，减少了使用成本。

上筒体111、下筒体113采用金属材料并接地，中间筒体112为绝缘筒，可采用陶瓷、石英等绝缘材料制成，其作为腔室本体1的一部分，以实现腔室本体1内部良好的真空度，并使线圈6发出的电磁场能量可以耦合至腔室本体1内。

反应腔室还包括：上内衬131、法拉第内衬132和下内衬133。上内衬131是侧壁11的一部分，且准直器4耦接至上内衬。准直器4可以与上内衬131一体加工而成，也可以通过连接件悬挂在上内衬131上。法拉第内衬132也是侧壁11的一部分，位于上内衬131与基座2之间，且线圈6设置在法拉第内衬132的外侧。

上内衬131顶端通过适配器14固定于上筒体111，下内衬33一端通过适配器15固定于下筒体113上，另一端延伸至基座2。法拉第内衬132位于上内衬131和下内衬133之间，并与中间筒体112和线圈6的位置相对应。通过设置上内衬131、法拉第内衬132和下内衬133，工艺时腔室本体1内的金属原子将沉积到上述内衬上，而不会沉积到外侧的筒体上，从而有效防止了筒体被污染，提高了反应腔室的使用寿命，降低了使用成本。

上内衬131和下内衬133通过适配器接地，法拉第内衬132设置为悬浮电位，并通过陶瓷或石英等绝缘材料与接地的上内衬131和下内衬133进行隔绝。如图5所示，法拉第内衬132可通过陶瓷材料的绝缘柱16固定于适配器14上，以悬挂在腔室本体1，使其电位悬浮。通过将法拉第内衬132的电位设置为悬浮，可以使线圈6更多的能量通过法拉第内衬132耦合进腔室本体1内，进一步提高了能量耦合效率。

同时，为了防止法拉第内衬132对线圈6发出的能量产生涡流损耗和发热，法拉第内衬132上设置有至少一个开缝，开缝沿法拉第内衬132轴向设置。如图5所示，法拉第内衬132沿周向排布有四条开缝1321，开缝1321沿图2所示Z方向延伸，法拉第内衬在开缝1321处完全断开，开缝1321将法拉第内衬132分为互不接触的四块板材。这样可以有效防止上述涡流损耗和发热，使线圈6的能量可以有效耦合至腔室本体1内。

法拉第内衬132的开缝数量也可以少于或多于四个，开缝宽度小于10mm。法拉第内衬也可以接地或者连接电气元件使其处于不同电位。

结合图2和图6所示，本实施例的线圈6、射频电源7构成一辅助等离子体激励源。工艺时腔室本体1内通入例如氩气的工艺气体，除上电极组件的等离子体激励源504可激励工艺气体产生等离子体外，线圈6发出的能量经中间筒体112、法拉第内衬132耦合至腔室本体1内，激励氩气产生第二等离子体Ar⁺101。在基座2的负偏压作用下，第二等离子体Ar⁺101加速轰击待加工工件X深孔底部的薄膜，使深孔底部已经沉积的一部分金属M102沉积到深孔的两个侧壁，由此提高了深孔侧壁的覆盖率。

由此可见，本实用新型实施例通过在反应腔室设置辅助等离子体激励源和准直器，提高了深孔侧壁的覆盖率、深孔底部的覆盖率、深孔侧壁覆盖率的对称性，并提高了薄膜沉积的均匀性；并且有效防止了绝缘筒被污染，提高了反应腔室的使用寿命，降低了使用成本。

本实用新型另一实施例提供了一种半导体加工设备，该半导体加工设备为磁控溅射物理气相沉积设备，可以用于Cu、Ta、Ti、Al等溅射材料及薄膜的制备。半导体加工设备包括上一实施例的反应腔室。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该实用新型的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面实用新型的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。