阅读说明：本技术 一种半导体设备 (Semiconductor device ) 是由 张文强 史小平 兰云峰 秦海丰 纪红 赵雷超 于 2019-02-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种半导体设备,该半导体设备可避免载流气体与工艺气体源直接接触,进而避免工艺气体在载流气体中的含量达到饱和。本发明的半导体设备的供气管路中载流气体所携带的工艺气体更少,在原子层沉积反应中多余的工艺气体也更少,从而可以避免由过量的工艺气体引起的薄膜颗粒掺杂问题。(The invention provides a semiconductor device which can prevent a carrier gas from directly contacting a process gas source, thereby preventing the content of the process gas in the carrier gas from being saturated. The gas supply pipeline of the semiconductor equipment has less process gas carried by carrier gas and less redundant process gas in atomic layer deposition reaction, thereby avoiding the problem of doping of film particles caused by excessive process gas.)

一种半导体设备

技术领域

本发明涉及微电子加工设备领域，具体地，涉及一种半导体设备。

背景技术

随着半导体行业的发展，集成电路元器件逐渐向着多样化、微型化发展。精确控制薄膜厚度和均匀性，保持较高深宽比的覆盖率都显得尤为重要。原子层沉积(ALD，Atomiclayer deposition)技术可以精确控制薄膜厚度，并且具有良好的保型性。随着集成电路元器件尺寸的减小，原子层沉积技术的优势越来越明显。

原子层沉积是气相沉积薄膜的方法的一种，当进行原子层沉积工艺时，两种参与薄膜沉积的工艺气体交替进入工艺腔内，并在衬底表面吸附后进行化学反应。

在现有技术中，为了避免直接通入高纯度的工艺气体造成浪费，采用将惰性的载流气体通入工艺气体源中，利用从工艺气体源中流出的载流气体将混合在载流气体中的工艺气体载入工艺腔内。

但是，这种方法制得的薄膜容易出现颗粒，严重影响薄膜质量，因此，如何改进原子层沉积设备或原子层沉积工艺以提高原子层沉积薄膜质量，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于原子层沉积的半导体设备。所述半导体设备能够显著降低原子层沉积工艺所使用的工艺气体在载流气体中的含量。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种半导体设备，所述半导体设备包括供气管路和工艺腔，所述供气管路包括多个供气单元，每个供气单元都包括载流气体管和工艺气体管，在每个所述供气单元中，所述载流气体管与所述工艺气体管连通，所述载流气体管的出口端成为所述供气单元的出口，多个所述供气单元的出口均与所述工艺腔连通，其中，多个供气单元中的至少一个为第一供气单元，所述第一供气单元的工艺气体管的延伸方向与该第一供气单元的载流气体管的延伸方向交叉，且所述第一供气单元的工艺气体管与该第一供气单元的载流气体管选择性地连通，以使得通过所述第一供气单元的载流气体管的入口端通入的载流气体能够将通过该第一供气单元的工艺气体管通入至该第一供气单元的载流气体管的工艺气体吹送至所述第一供气单元的出口。

优选地，至少一个所述供气单元还包括稀释气体管，所述稀释气体管的出口端连接在包括该稀释气体管的供气单元的工艺气体管与包括该稀释气体管的供气单元的载流气体管的连接处以及包括该稀释气体管的供气单元的出口之间，且所述稀释气体管与包括该稀释气体管的供气单元的载流气体管选择性地连通。

优选地，所述第一供气单元包括两条所述稀释气体管。

优选地，所述第一供气单元还包括吹扫管，所述吹扫管的入口端与所述第一供气单元的一条稀释气体管连通，所述吹扫管的出口端与所述第一供气单元的载流气体管连通，且所述吹扫管的出口端位于所述第一供气单元的载流气体管的入口端以及所述第一供气单元的工艺气体管与该第一供气单元内的载流气体管的相交处之间，所述吹扫管选择性地将所述第一供气单元的载流气体管与和所述吹扫管的入口端相连的稀释气体管连通。

优选地，多个所述供气单元还包括第二供气单元，所述第二供气单元包括所述稀释气体管，所述第二供气单元的工艺气体管包括载流气体支管、工艺气体支管和连通支管，所述载流气体支管的入口端和所述工艺气体支管的出口端均与所述第二供气单元的载流气体管选择性地连通，所述连通支管的一端连接至所述载流气体支管的入口端和出口端之间，所述连通支管的另一端连接至所述工艺气体支管的入口端和出口端之间，使所述载流气体支管和所述工艺气体支管通过所述连通支管选择性地连通。

优选地，所述原子层沉积设备还包括三甲基铝源瓶和水蒸气源瓶，所述第一供气单元的工艺气体管与所述三甲基铝源瓶连通，所述第二供气单元的载流气体支管的出口端和工艺气体支管的入口端均与所述水蒸气源瓶连通。

优选地，所述三甲基铝源瓶的侧壁上形成有冷却液通道。

优选地，所述供气管路还包括总管道，各个所述供气单元的载流气体管的入口端均与所述总管道连通。

优选地，所述工艺腔还包括排气管，所述排气管的一端与所述工艺腔内部连通，所述排气管的另一端位于所述工艺腔的外部。

优选地，所述第一供气单元的工艺气体管的延伸方向与该第一供气单元的载流气体管的延伸方向垂直。

与现有技术中载流气体直接通入工艺气体源与工艺气体混合在一起的方案相比，本发明的工艺腔通入的载流气体中混入的工艺气体的量更少，因此，在每一步原子层沉积反应后，工艺腔内不容易留下多余的工艺气体，从而可以避免由过量的工艺气体引起的薄膜颗粒掺杂问题。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的

具体实施方式

一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的半导体设备的示意图；

图2为图1中的半导体设备的供气管路的示意图。

附图标记说明

MFC1-MFC5：质量流量控制器 PV1-PV13：一级控制阀

MV1至MV7：二级控制阀 1：半导体设备

10：供气管路 20：工艺腔

21：腔室壁 22：喷头

23：基台 100：第一供气单元

200：第二供气单元 110、210：载流气体管

120：工艺气体管 130、140、230：稀释气体管

150：吹扫管 221：载流气体支管

222：工艺气体支管 223：连通支管

300：总管道

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

经本发明的发明人反复研究发现，在现有的原子层沉积技术中薄膜上出现颗粒的原因如下：

对于原子层沉积而言，最理想的反应状态是每种工艺气体均以一层分子的形式吸附在衬底基板上。但是，在现有技术的方案中，载流气体直接通入工艺气体源中，导致工艺气体大量混合在载流气体中，从而使得工艺腔内工艺气体的量远高于反应所需的量，过量的工艺气体分散在腔室内或吸附在腔室壁以及喷头等设备的表面，与其它种类的工艺气体发生反应产生颗粒，所述颗粒落在衬底上，进而严重影响了薄膜质量。因此，现有技术中出现影响薄膜质量的颗粒的根本原因是进入工艺腔的工艺气体的量过多。

作为本发明的一个方面，如图1和图2所示，提供一种半导体设备1，半导体设备1包括供气管路10和工艺腔20，供气管路10包括多个供气单元，每个供气单元都包括载流气体管和工艺气体管，在每个供气单元中，载流气体管与工艺气体管连通，每个载流气体管的出口端成为该供气单元的出口，多个所述供气单元的出口均与工艺腔20连通。

如图1和图2所示，多个供气单元中的至少一个为第一供气单元100，第一供气单元100的工艺气体管120的延伸方向与该第一供气单元100的载流气体管110的延伸方向交叉，且第一供气单元100的工艺气体管120与该第一供气单元100的载流气体管110选择性地连通，以使得通过第一供气单元100的载流气体管110的入口端通入的载流气体能够将通过该第一供气单元100的工艺气体管120通入至该第一供气单元100的载流气体管110的工艺气体吹送至第一供气单元100的出口。

在本发明提供的半导体设备1中，载流气体管110与工艺气体源之间只通过一条工艺气体管120相连通。当载流气体管110中通过具有一定流速的载流气体时，载流气体管110内部的气压将低于工艺气体管120入口端的工艺气体的压强。在压强差的作用下，工艺气体通过工艺气体管120进入载流气体管110，从而与载流气体管110中的载流气体混合，最终运输到工艺腔20中进行原子层沉积反应。

与现有技术中载流气体直接通入工艺气体源与工艺气体混合在一起的方案相比，本发明所提供的半导体设备1在执行原子层沉积工艺时，载流气体中混入的工艺气体的量更少，因此，在每一步原子层沉积反应后，工艺腔内不容易留下多余的工艺气体，从而可以避免由过量的工艺气体引起的薄膜颗粒掺杂问题。

此处，需要解释的是，所谓“工艺气体管120与载流气体管110选择性地连通”是指，在需要向工艺腔内通入工艺气体管120入口端的工艺气体时，控制工艺气体管120与载流气体管110连通，不需要通入工艺气体的时候，控制二者断开。

优选地，可通过在工艺气体管120上设置开关阀的方式实现工艺气体管120与载流气体管110选择性地连通，在需要向工艺腔内通入工艺气体管120入口端的工艺气体时，打开所述开关阀，不需要通入工艺气体的时候，关闭所述开关阀。例如，在图1所示的实施方式中，工艺气体管120上设置有一级控制阀PV11，通过一级控制阀PV11的开关即可控制工艺气体管120与载流气体管110是否相连通。

为尽可能稀释工艺气体、减少进入到工艺腔内的工艺气体的量，以使得沉积在基板的上的气体分子为单层，优选地，至少一个所述供气单元还包括稀释气体管，所述稀释气体管的出口端连接在包括该稀释气体管的供气单元的工艺气体管与包括该稀释气体管的供气单元的载流气体管的连接处以及包括该稀释气体管的供气单元的出口之间，且所述稀释气体管与包括该稀释气体管的供气单元的载流气体管选择性地连通。

以图1所示的实施方式为例，第一供气单元100包括稀释气体管130(和稀释气体管140)，稀释气体管130(和稀释气体管140)的出口端连接在工艺气体管120与载流气体管110的连接处以及第一供气单元100的出口之间，且稀释气体管130与载流气体管110选择性地连通。

优选地，可通过在每一条稀释气体管上设置开关阀的方式实现该条稀释气体管和与其对应的载流气体管之间的选择性连通。例如，在图1所示的实施方式中，稀释气体管130、稀释气体管140和稀释气体管230上分别设置有一级控制阀PV8、一级控制阀PV7和一级控制阀PV6，通过上述三个阀门的开关即可控制每条稀释气体管和与其对应的载流气体管之间是否连通。

本发明通过在每个供气单元中设置稀释气体管，提高了从每个供气单元的出口输出的混合气体中载流气体的含量，从而降低了工艺气体的含量。

为了进一步降低饱和蒸气压较大的工艺气体在载流气体中的含量，优选地，如图1和图2所示，第一供气单元100包括稀释气体管130和稀释气体管140。

当反应所需的工艺气体中有饱和蒸气压较大的工艺气体(如，三甲基铝等气体)时，利用包括两条稀释气体管的第一供气单元100来运输该饱和蒸气压较大的工艺气体，可进一步降低该气体在混合气体中的含量。

优选地，第一供气单元100还包括吹扫管150，吹扫管150的入口端与第一供气单元100的稀释气体管130连通，吹扫管150的出口端与载流气体管110连通，且吹扫管150的出口端位于载流气体管110的入口端以及工艺气体管120与载流气体管110的相交处之间，吹扫管150选择性地将载流气体管110与稀释气体管130连通。

优选地，可通过在吹扫管150上设置开关阀的方式实现稀释气体管130与载流气体管110之间的选择性连通。例如，在图1所示的实施方式中，吹扫管150上设置有一级控制阀PV9，通过一级控制阀PV9的开关即可控制稀释气体管130与载流气体管110之间是否连通。

本发明通过设置吹扫管150和一级控制阀PV9，在吹扫载流气体管110中残余的蒸气压较大的工艺气体时，可以将一级控制阀PV9打开，使一条稀释管中的载流气体与载流气体管110混合，从而可以有效提高从载流气体管110排出残余工艺气体的效率，进而降低了饱和蒸气压较大的工艺气体在载流气体管110中的残余量，避免了残余的工艺气体附着在管道上，影响下一次原子层沉积反应。

进一步优选地，如图1和图2所示，多个所述供气单元还包括第二供气单元200，第二供气单元200包括稀释气体管230，第二供气单元200的工艺气体管包括载流气体支管221、工艺气体支管222和连通支管223，载流气体支管221的入口端和工艺气体支管222的出口端均与载流气体管210选择性地连通，连通支管223的一端连接至载流气体支管221的入口端和出口端之间，连通支管223的另一端连接至工艺气体支管222的入口端和出口端之间，使载流气体支管221和工艺气体支管222通过连通支管223选择性地连通。

优选地，如图1和图2所示，可通过在载流气体支管221上设置一级开关阀PV2的方式实现载流气体支管221与载流气体管210之间的选择性连通；通过在工艺气体支管222上设置一级开关阀PV3的方式实现工艺气体支管222与载流气体管210之间的选择性连通；通过在连通支管223上设置二级开关阀MV1的方式实现载流气体支管221和工艺气体支管222之间的选择性连通。

当工艺气体中有饱和蒸气压较小的工艺气体(如，水蒸气等)时，采用载流气体支管221将载流气体管210中的载流气体全部引入该工艺气体源，使该工艺气体在载流气体中的含量达到饱和，工艺气体饱和的混合气体再通过工艺气体支管222回到载流气体管210中，从而可以增加饱和蒸气压较小的工艺气体的含量，以便于维持不同的工艺气体含量的平衡。

优选地，如图1和图2所示，供气管路10还包括总管道300，各个供气单元的载流气体管的入口端均与总管道300连通。

通过一条总管道300向每条载流气体管通入同种载流气体，简化了管道结构，同时使得回收的废弃更加单一，使气体的回收利用更加方便。

优选地，在载流气体管110上安装有质量流量控制器MFC1，在稀释气体管130上安装有质量流量控制器MFC2，在稀释气体管140上安装有质量流量控制器MFC3，在载流气体管210上安装有质量流量控制器MFC4，在稀释气体管230上安装有质量流量控制器MFC5。上述5个质量流量控制器可实现对各供气单元供气量的精确控制，从而实现对不同工艺气体的比例的精确控制，使工艺气体在原子层沉积时反应更充分，进一步减少工艺气体的残留。

优选地，如图1所示，工艺腔20包括腔室壁21、喷头22和基台23。喷头22与各供气单元的出口连接，进行原子层沉积反应时，所述工艺气体通过喷头22充分弥散在工艺腔20中，使工艺气体与衬底充分接触；原子层沉积反应结束后，所述载流气体通过喷头22对工艺腔20进行吹扫，保证清除残余的工艺气体。基台23用于将工艺腔20内的气体加热至合适的反应温度。

优选地，如图1所示，当供气管路10包括第一供气单元100和第二供气单元200时，半导体设备1还包括三甲基铝(TMA)源瓶和水蒸气(H₂O)源瓶。第一供气单元100的工艺气体管120与所述三甲基铝源瓶连通，第二供气单元200的载流气体支管221的出口端和工艺气体支管222的入口端均与所述水蒸气源瓶连通。

优选地，所述三甲基铝源瓶的侧壁上形成有冷却液通道。所述冷却液通道中可通入冷却液，为所述三甲基铝源瓶内的三甲基铝蒸气降温，以降低三甲基铝在载流气体中的饱和蒸汽压，进一步减小三甲基铝在载流气体中的含量。

优选地，半导体设备1还包括干泵(说明书附图未示出)，工艺腔20上设置有排气管(图1和图2中二级控制阀MV7所在的管道)，所述排气管的一端与工艺腔20连通，所述排气管的另一端连接至所述干泵。

优选地，如图1和图2所示，供气管路10的每一个供气单元均设置有一条排气管道(图1和图2中一级控制阀PV4、一级控制阀PV13所在的管道)，所述排气管道的一端与其所在的供气单元的载流气体管(载流气体管110、载流气体管210)连通，所述排气管道的另一端位于工艺腔20的外部。

优选地，所述排气管道的一端与其所在的供气单元的载流气体管连通，所述排气管道的另一端连接至所述干泵。

本发明通过排气管、排气管道和干泵的设置，可以在工艺腔20中的反应完成后，快速地从工艺腔中排出反应废气，快速地从每个供气单元的载流气体管中排出多余的工艺气体，并通过所述干泵将反应废气和多余的工艺气体排出至废气处理装置。当工艺气体不止一种时，每种工艺气体可以由干泵通过不同供气单元的排气管道在极短时间内交替排出至废气处理装置。

为提高工艺气体通过工艺气体管120进入载流气体管110的流速，优选地，第一供气单元100的工艺气体管120的延伸方向与该第一供气单元100的载流气体管110的延伸方向垂直。在本发明中，将工艺气体管120的延伸方向设置为与载流气体管110的延伸方向垂直，从而在载流气体管110中流过载流气体时，载流气体管110与工艺气体管120内的压强梯度的方向与工艺气体的流动方向一致，从而提高了工艺气体的流速。

本发明提供的半导体设备1中载流气体管110与工艺气体源之间只通过一条工艺气体管120相连通。通过压强差的作用使工艺气体经由工艺气体管120进入载流气体管110，从而与载流气体管110中的载流气体混合，最终运输到工艺腔20中进行原子层沉积反应。与现有技术中载流气体直接通入工艺气体源与工艺气体混合在一起的方案相比，本发明的载流气体中混入的工艺气体的量更少，因此，在每一步原子层沉积反应后，工艺腔内不容易留下多余的工艺气体，从而可以避免由过量的工艺气体引起的薄膜颗粒掺杂问题。

采用本发明的半导体设备1进行三甲基铝与水蒸气之间的原子层沉积反应分为五个阶段：

水蒸气输入阶段：水蒸气经过一级控制阀PV2、二级控制阀MV2、水蒸气源瓶、二级控制阀MV3、一级控制阀PV3、一级控制阀PV5，然后经过喷头22，进入工艺腔20内并吸附在衬底表面；

水蒸气清除阶段：通过一级控制阀PV3进入载流气体管210并携带有水蒸气的载流气体直接通过一级控制阀PV4和二级控制阀MV4进入干泵，而稀释气体管230中的载流气体经过一级控制阀PV6后从一级控制阀PV5的后方吹扫一级控制阀PV5到腔室的一段管路，将管路中的水蒸气清除干净；

三甲基铝输入阶段：二级控制阀MV5和一级控制阀PV11打开，三甲基铝蒸汽在工艺气体管120两端的压力差的作用下从三甲基铝源瓶自动进入载流气体管110，经过一级控制阀PV12后与稀释气体管130和140内的载流气体混合后经过喷头22进入工艺腔20，与吸附在衬底表面的H2O发生反应生成氧化铝；

反应腔吹扫阶段：关闭一级控制阀PV11，载流气体管110内的三甲基铝蒸汽在稀释气体管130和140流出的载流气体的作用下被完全带入腔室；

三甲基铝清除阶段：关闭一级控制阀PV8和一级控制阀PV12，打开一级控制阀PV9和一级控制阀PV13，载流气体管110入口端通入的载流气体和由吹扫管150进入载流气体管110的载流气体一起对载流气体管110进行吹扫，将一级控制阀PV11到一级控制阀PV13之间残存的三甲基铝蒸气吹扫到所述干泵，与此同时，稀释气体管140中的气体经过喷头22进入工艺腔20，对工艺腔进行吹扫，排除了管路内残存的三甲基铝蒸气。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。