CN110896040A - 晶圆热处理腔室 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种晶圆热处理腔室，属于半导体技术领域。该腔室包括：壳体；载物台，设于所述壳体内；加热装置，至少部分设于所述壳体内，用于对所述载物台上的物体加热；测温装置，至少部分设于所述壳体内；阻隔板，设于所述载物台与所述测温装置之间。本公开可以降低热处理过程中晶圆残留物质挥发的气体对于热处理腔室控温精度的影响，改善晶圆热处理效果。

Description

晶圆热处理腔室

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆热处理腔室。

背景技术

在半导体制造中，热处理工艺经常被用于对晶圆进行内部晶格修复、离子激活以及生成氧化层、氮化层等。在热处理工艺中，通常将晶圆置于热处理设备的腔室中，控制腔室达到工艺所需的温度，使晶圆内部发生预期的变化。

现有的热处理腔室中，多数是在热处理腔室内部设置测温装置，通过测温装置的反馈调节加热装置的功率，使热处理腔室达到工艺温度。可见，热处理腔室的控温精度极大的依赖于测温装置的精度。然而在半导体的热处理工艺中，由于前置工艺可能导致晶圆表面存在光刻胶、离子注入杂质物等残留物质，在热处理中这些残留物质以气体形式挥发到腔室中，可能对测温装置产生腐蚀，或者在测温装置外部形成镀层等，影响测温装置的精度，进而影响热处理腔室的控温精度，导致晶圆热处理工艺不良。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种晶圆热处理腔室，进而至少在一定程度上克服现有的晶圆热处理腔室控温精度较低的问题。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一个方面，提供一种晶圆热处理腔室，包括：壳体；载物台，设于所述壳体内；加热装置，至少部分设于所述壳体内，用于对所述载物台上的物体加热；测温装置，至少部分设于所述壳体内；阻隔板，设于所述载物台与所述测温装置之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述加热装置包括红外灯管，所述载物台为环形结构，所述测温装置包括高温计；所述腔室还包括：反射板，设于所述阻隔板的远离所述载物台的一侧，所述高温计嵌入所述反射板中。

在本公开的一种示例性实施例中，所述阻隔板的外周与所述壳体的内壁贴合。

在本公开的一种示例性实施例中，所述阻隔板为透明阻隔板。

在本公开的一种示例性实施例中，所述透明阻隔板的材质包括SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂中的至少一种。

在本公开的一种示例性实施例中，所述载物台与所述阻隔板之间的距离为第一高度，所述阻隔板与所述反射板之间的距离为第二高度，所述第一高度小于或等于所述第二高度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一高度为0.5～0.8mm，所述第二高度为0.8～1.0mm，所述阻隔板的厚度为0.8～1.8mm。

在本公开的一种示例性实施例中，所述载物台在所述阻隔板所在平面的投影位于所述阻隔板的边缘以内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述腔室还包括：支撑杆，用于支撑所述阻隔板，所述阻隔板在所述支撑杆上的高度可调。

在本公开的一种示例性实施例中，所述载物台通过转轴与所述壳体转动连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述阻隔板通过所述转轴与所述壳体转动连接。

本公开的示例性实施例具有以下有益效果：

通过设置载物台与测温装置之间的阻隔板，一方面减少晶圆在热处理过程中挥发出的残留物质气体与测温装置的直接接触，降低残留物质气体对测温装置的腐蚀或镀层作用，从而提高测温装置的精度以及热处理腔室的控温精度；另一方面可以在晶圆的下方形成热量的堆积，提高晶圆背部的受热状况，使晶圆整体受热更加均匀，改善热处理效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

图1示出本示例性实施例中一种晶圆热处理腔室的结构示意图；

图2示出本示例性实施例中另一种晶圆热处理腔室的结构示意图；

图3示出本示例性实施例中一种放置晶圆的热处理腔室的结构示意图；

图4示出本示例性实施例中再一种晶圆热处理腔室的结构示意图；

图5示出不同热处理条件下晶圆各区域的方块电阻分布图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

本公开的示例性实施例首先提供了一种晶圆热处理腔室，参考图1所示，该腔室100可以包括壳体110、载物台120、加热装置130、测温装置140及阻隔层150。其中，载物台120设于壳体110内，可以用于放置晶圆；加热装置130至少部分设于壳体110内，用于对载物台120上的物体(如晶圆)加热；测温装置140至少部分设于壳体110内，并不与载物台120接触，例如图1所示测温装置140设于在载物台120的下方，也可以设于载物台120的上方、左侧、右侧等；阻隔板150，设于载物台120与测温装置140之间。

其中，为了便于晶圆的传入与传出，壳体110上可以设置开口，例如图1所示壳体110的右侧设置可上下滑动开关的门，也可以是上部开口或可分离的壳体结构等。

载物台120可以是圆盘、圆环、机械爪等可以承载晶圆的形状，图1所示载物台120还包括一底部的支撑杆，并通过支撑杆连接至壳体110或其外部，在其他实施例中，载物台120也可以不设置支撑杆，而直接固定于壳体110的侧壁上，或者通过顶部的吊杆等其他方式形成固定，本实施例不限定于此。此外，载物台还可以包括用于使晶圆局部升降的顶针、吸附晶圆的吸附盘或负压气孔等半导体设备的晶圆载物台常用的装置，本实施例不限定于此。

加热装置130可以设于壳体110内部的任意位置，例如顶部、底部、侧壁等，也可以同时在壳体110的多个部位设置加热装置130，每个位置可以设置任意数量的加热装置130。通常采用电热丝、碳硅棒等加热元件作为加热装置130，具体可视工艺所需的加热温度而定。

测温装置140也可以设于壳体110内部的任意位置，例如顶部、底部、侧壁等，可以同时在壳体110的多个部位设置测温装置140，每个位置可以设置任意数量的测温装置140。通常采用热电偶、热电阻、高温计等测温元件作为测温装置140。

阻隔板150可以设于载物台120与测温装置140之间，可以连接至载物台120的支撑杆，也可以连接至另外的支撑杆，还可以固定于壳体110的侧壁上等等。熔点在热处理工艺温度以上的耐高温材料都可以用做阻隔板150的材料。当载物台120上的晶圆在热处理过程中挥发出残留物质的气体时，阻隔板150可以阻挡气体直接流向测温装置140，从而减少气体与测温装置140的直接接触。

在一示例性实施例中，为了准确测定壳体110内部各位置的温度，可以在多个位置设置测温装置140，例如可以同时在载物台120的上方、下方、左侧、右侧设置测温装置140，则相应的可以在载物台120与每一侧的测温装置140之间设置阻隔板150，例如可以设置4个阻隔板。本实施例对于阻隔板的数量不做具体限定。

在一示例性实施例中，为了较好的实现阻隔效果，载物台120在阻隔板150所在平面的投影可以位于阻隔板150的边缘以内，例如载物台120与阻隔板150都水平设置时，载物台120的水平投影位于阻隔层150的边缘以内，换而言之，阻隔层150的形状轮廓大于载物台120的形状轮廓。

需要说明的是，图1中仅示出了壳体110内部的结构，图1中的一些装置可能还包含位于壳体110外部的部分，例如加热装置130位于壳体110外部的加热回路，测温装置140位于壳体110外部的信号控制回路，载物台120的支撑杆的外部延伸部分等，此外，壳体110上还可以设置必要的通风口、接线口等，虽然图中未示出，包含上述部分的热处理腔室也应当属于本公开的保护范围。

基于上述说明，在本示例性实施例的晶圆热处理腔室中，通过设置载物台与测温装置之间的阻隔板，一方面减少晶圆在热处理过程中挥发出的残留物质气体与测温装置的直接接触，降低残留物质气体对测温装置的腐蚀或镀层作用，从而改善测温装置的精度以及热处理腔室的控温精度；另一方面，可以在阻隔层与载物台之间形成热量的堆积，从而提高晶圆背部的受热情况，使晶圆整体受热更加均匀，改善热处理效果。

在半导体热处理工艺中，快速热处理是较为常用的一种工艺。在一示例性实施例中，热处理腔室可以是快速热处理设备的腔室。参考图2所示，该腔室200可以包括壳体210及其内部的载物台220、加热装置230、测温装置240、阻隔板250、反射板260，其中，载物台220可以是环形结构，加热装置230可以是红外灯管或红外灯管模组，测温装置240可以是高温计，反射板260可以设于阻隔板250的远离载物台220的一侧，例如图2中载物台220设于阻隔板250上方，则反射板260可以设于阻隔板250的下方，高温计可以嵌入反射板260中，即高温计的上表面与反射板260的上表面齐平。

图2所示的腔室200中，采用红外辐射的方式对晶圆进行加热，高温计接收晶圆背部的红外辐射以实现测温，因此载物台220可以是中部镂空的结构，以使晶圆背部的红外辐射可以到达反射板。除了环形结构外，载物台220也可以是分布在晶圆外缘的三个或三个以上的支撑片，还可以是网状结构等。阻隔板250也应当具有较好的红外穿透性以及耐热性，其材质可以是石英、萤石等。

现有的快速热处理设备中，晶圆在热处理过程中挥发出的残留物质气体容易在反射板上形成镀层，影响晶圆背部的红外辐射在反射板上的正常反射，导致高温计无法精确测定晶圆的温度，进而导致热处理腔室无法精确控温。基于图2中的热处理腔室，增设阻隔板以减少残留物质气体在反射板上镀层的情况，可以提高高温计的测温精度，以精确测定晶圆每一区域的温度，并通过红外加热装置的精确控温，使晶圆每一区域的受热都达到工艺要求，以进一步改善热处理效果。

在一示例性实施例中，阻隔板250的外周可以与壳体210的内壁贴合，如图2所示的情况，则阻隔板250可以完全分隔出腔室内部的两侧空间，以完全阻隔晶圆的残留物质挥发气体与反射板260或高温计的接触，并且由于晶圆背部的红外辐射可以完全穿过阻隔板250以到达反射板260与高温计，因此不影响正常的测温；在其他实施例中，阻隔板250的外周也可以不与壳体210的内壁贴合，在边缘留出一定的空间，有利于腔室两侧空间的温度平衡。

在一示例性实施例中，阻隔板可以为透明阻隔板，以完全透过晶圆背部的红外辐射，并且当残留物质气体在透明阻隔板上形成镀层时，可以明显的被观察到，以便于维护人员及时发觉并进行清洁。

进一步的，透明阻隔板的材质可以包括SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂中的至少一种。由于残留物质多数为光刻胶、离子注入残留物等，上述三种物质与残留物质的反应活性较低，且熔点高于快速热处理的一般工艺温度，适合于制备透明阻隔板。

在一示例性实施例中，载物台与阻隔板之间的距离为第一高度，阻隔板与反射板之间的距离为第二高度，第一高度可以小于或等于第二高度。具体而言，第一高度是指载物台与阻隔板之间的空隙在轴向上的长度，第二高度是指阻隔板与反射板之间的空隙在轴向上的长度，轴向的轴是指载物台的垂直轴。

当图2中的载物台220放置晶圆时，可以参考图3所示，晶圆270的下表面(即载物台220的承载面)与阻隔板250的上表面之间的距离为第一高度H1，阻隔板250的下表面与反射板260的上表面之间的距离为第二高度H2，H1≤H2。即相较于反射板260，阻隔板250可以更靠近晶圆270，在热处理过程中，阻隔板250在靠近晶圆270的一侧可以堆积较多的热量，不利于残留物质气体在阻隔板250表面沉积或形成镀层，以增加阻隔板250的使用周期。

进一步的，在快速热处理设备中，晶圆下表面与反射板之间的距离通常为毫米级，则第一高度可以为0.5～0.8mm，第二高度可以为0.8～1.0mm，阻隔板的厚度可以为0.8～1.8mm。该厚度的阻隔板易于制造，且在尺寸方面与大部分快速热处理设备的腔室具有较好的适配性。

在一示例性实施例中，腔室还可以包括支撑杆，用于支撑阻隔板，阻隔板在支撑杆上的高度可调。例如阻隔板可以通过螺纹连接到支撑杆上，通过旋动阻隔板，可以调节其在支撑杆上的高度；或者参考图3所示，阻隔板250的支撑杆上设置6个弹性卡槽280，弹性卡槽280受力时可以弹入支撑柱内，正常状态下向外弹出，阻隔板250可以固定在支撑杆的多级弹性卡槽280上，通过切换弹性卡槽以调节其在支撑杆上的高度。

在其他实施例中，阻隔板可以固定连接到支撑杆上，支撑杆从腔室外部连通到腔室内部，并可以调节支撑杆在腔室内部的延伸高度，从而使阻隔板在腔室内的位置可调。此外，本公开对于支撑杆的数量不做具体限定。

通过设置阻隔板在腔室内的位置可调，可以在不同条件下调节阻隔板到不同位置，例如当前置工艺中晶圆表面残留物质较多时，可以适当调整阻隔板使其更远离晶圆，以减少残留物质气体在阻隔板可能的沉积或镀层，当热处理工艺温度较低时，可以适当调整阻隔板使其更接近晶圆，以加强晶圆背部的热量堆积，有利于晶圆的均匀受热等，从而满足实际应用中的具体需求。

在一示例性实施例中，载物台可以通过转轴与壳体转动连接，例如参考图4所示，载物台220中心可以连接支撑杆290，支撑杆290底部可以通过连接转机等方式转动，使载物台220随支撑杆290自转。在热处理过程中，晶圆随载物台自转，可以均匀受热，进一步改善热处理效果。

进一步的，阻隔板也可以通过转轴与壳体转动连接，例如参考上述图4所示，阻隔板250中心可以连接支撑杆290，以随支撑杆290自转。阻隔板自转可以增加残留物质气体在阻隔板表面沉积或形成镀层的难度，进一步增加阻隔板的使用周期，并且可以进一步改善晶圆背部的热量分布均匀性。

此外，支撑杆也可以是中空结构，内部设置转轴，转轴连接载物台或阻隔板。在热处理过程中，支撑杆保持静止，而内部的转轴转动，带动载物台或阻隔板自转。

当然，在其他实施例中，也可以设置不可转动的阻隔板，例如使阻隔板通过不可转动的支撑杆与壳体固定连接，或者使阻隔板固定在壳体的侧壁上等，从而进一步简化了热处理腔室的内部结构。

图5示出了不同热处理条件下测试晶圆不同区域的方块电阻分布图，横坐标表示各测试点到晶圆中心的距离，对于300mm的晶圆，测试点分布在-150～150mm的范围内，即覆盖了整张晶圆；图5中各区域共测试75个点，当然本实施例不限定于此。纵坐标表示各测试点的方块电阻，单位为ohm/sq。测试过程举例说明如下：将三张晶圆进行相同条件的前置工艺(如光刻、离子注入等)；第一张晶圆在初始热处理腔室中进行热处理(例如热处理设备A包括腔室B与腔室C，在刚对两个腔室进行维护后，利用其中的任一个腔室热处理第一张晶圆)，热处理后测试各区域的方块电阻，得到曲线a；腔室B维持常规热处理腔室结构(即不增加阻隔层)，使用一段时间(例如连续热处理300张晶圆)后，对上述三张晶圆中的第二张晶圆进行热处理，在热处理后测试各区域的方块电阻，得到曲线b；腔室C为本实施例中加阻隔层的热处理腔室(实际采用图2所示的热处理腔室)，使用相同的时间后(连续热处理300张晶圆)，对上述三张晶圆中的第三张晶圆进行热处理，热处理后测试各区域的方块电阻，得到曲线c。

由曲线a可见，初始热处理腔室的状况较好，控温精度较高，因此晶圆各区域的方块电阻分布较为均匀。由曲线b可见，通过常规热处理腔室进行热处理后，晶圆各区域的方块电阻波动增大，说明各区域受到的热处理程度一致性较差，这是由于测温装置或反射板更容易受到晶圆表面挥发气体的腐蚀或镀层，在使用相同时间后热处理腔室恶化的程度较高，控温精度明显下降。由曲线c可见，通过增加阻隔板的热处理腔室进行热处理后，晶圆各区域的方块电阻仍然维持了较好的均一性，说明各区域受到的热处理程度较为一致，这是由于阻隔层降低了晶圆表面挥发气体与测温装置或反射板的接触，在使用相同时间后热处理腔室能够维持较好的状况，控温精度较高，导致热处理效果较好。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理，并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围的情况下进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (11)

1.一种晶圆热处理腔室，其特征在于，包括：

壳体；

载物台，设于所述壳体内；

加热装置，至少部分设于所述壳体内，用于对所述载物台上的物体加热；

测温装置，至少部分设于所述壳体内；

阻隔板，设于所述载物台与所述测温装置之间。

2.根据权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述载物台为环形结构，所述加热装置包括红外灯管，所述测温装置包括高温计；所述腔室还包括：

反射板，设于所述阻隔板的远离所述载物台的一侧，所述高温计嵌入所述反射板中。

3.根据权利要求2所述的腔室，其特征在于，所述阻隔板的外周与所述壳体的内壁贴合。

4.根据权利要求2所述的腔室，其特征在于，所述阻隔板为透明阻隔板。

5.根据权利要求4所述的腔室，其特征在于，所述透明阻隔板的材质包括SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的腔室，其特征在于，所述载物台与所述阻隔板之间的距离为第一高度，所述阻隔板与所述反射板之间的距离为第二高度，所述第一高度小于或等于所述第二高度。

7.根据权利要求6所述的腔室，其特征在于，所述第一高度为0.5～0.8mm，所述第二高度为0.8～1.0mm，所述阻隔板的厚度为0.8～1.8mm。

8.根据权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述载物台在所述阻隔板所在平面的投影位于所述阻隔板的边缘以内。

9.根据权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述腔室还包括：

支撑杆，用于支撑所述阻隔板，所述阻隔板在所述支撑杆上的高度可调。

10.根据权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述载物台通过转轴与所述壳体转动连接。

11.根据权利要求10所述的腔室，其特征在于，所述阻隔板通过所述转轴与所述壳体转动连接。

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