CN111370284A - 半导体热处理设备的清扫方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半导体热处理设备的清扫方法，包括：将承载有晶圆挡片的晶舟移入半导体热处理设备的反应腔室内；将半导体热处理设备的装卸载腔室调节至常压的大气环境；向反应腔室通入吹扫气体以进行清扫；清扫完毕后，将反应腔室的温度调节至预设温度，并将反应腔室的压力调节至常压；将晶舟移入装卸载腔室中，向装卸载腔室通入空气以进行清扫。将晶舟托载晶圆挡片进入反应腔室进行清扫，减少清扫时的腔室体积，增加反应腔室侧壁的气流流速，提高其侧壁颗粒物的去除效果，将承载有晶圆挡片的晶舟移至装卸载腔室内，利用晶圆挡片从反应腔室的热量和含氧的大气环境，使装卸载腔室内的有机物颗粒燃烧去除，有效清除反应腔室和装卸载腔室内的颗粒。

Description

半导体热处理设备的清扫方法
技术领域
本发明属于半导体制造工艺领域，更具体地，涉及一种半导体热处理设备的清扫方法。
背景技术
随着集成电路制造技术不断进步，集成电路特征尺寸不断缩小，对集成电路制造领域的设备各项性能和工艺指标，都提出了更高和更苛刻的要求。需要工艺设备不断改进，工艺过程不断优化，包括成膜均匀性、颗粒数量等在内的各项工艺指标都提出了更高的要求。其中，随着线宽缩小程度越来越大，对颗粒数量的控制要求也越来越严格。为了提高产品良率，将颗粒数量减少并稳定控制在较低水平就更加至关重要。
目前集成电路制造工艺由90nm、65nm向比较先进的40nm、28nm甚至更小线宽制程发展的过程中，对氮化硅工艺需要控制颗粒的数量要求也越来越少，对晶圆表面成膜后颗粒数量的控制和降低是检验氮化硅工艺水准的重要指标之一，特别是对由于膜掉落形成的大尺寸颗粒(>0.5um～1um)的控制。
以立式炉的LPCVD(低压化学气相沉积)工艺设备为例，其广泛应用在集成电路生产制造领域中，涵盖从0.35um到14nm～7nm工艺的各种集成电路产品相关制程。其中，氮化硅(SiN)成膜工艺具有成本低、成膜温度范围宽、反应腔室结构较简单可通用等优点，特别是DCS-SiN工艺广泛用于生长器件的隔离层和遮挡层，是目前应用最普遍的LPCVD工艺之一。但由于氮化硅的膜质和副生成物的特点，在工艺过程中易形成由副生成物以及腔室表面膜剥落混合组成的颗粒，因此氮化硅工艺成膜是LPCVD工艺中颗粒控制最为困难的膜种之一。通常为了控制颗粒数量，需要定期更换腔室内的石英部件进行清洗，这些定期作业会很大程度影响设备的产能、增加机台的不稳定因素。特别是设备的内环境中，线缆等元件会挥发出有机物，在新设备投入生产初期挥发物较多，这种有机物颗粒会在晶圆冷却和传输过程中掉落在晶圆表面，且该有机物颗粒尺寸更小，更难发现。图1示出了有机物小颗粒成膜后尺寸增大示意图，如图1所示，有机物小颗粒11掉落在沉积前的晶圆表面14，在工艺沉积膜13的有机物颗粒尺寸会增大至有机物大颗粒12，这些颗粒和污染会直接影响产品良率，特别是在超窄线宽的先进制程中愈加明显，需要引起重视和进行改善。
现有技术中定期对装卸载腔室进行人为清扫，清扫完成后恢复氮气环境进行循环过滤。同时针对LPCVD工艺腔室进行定期的维护保养，当腔室表面成膜累积到一定膜厚，形成大规模颗粒掉落之前进行拆卸，采用专用酸液中清洗去除腔室表面累积的沉积膜，并同时去除表面裂纹，从而恢复表面光洁状态，从而减少颗粒数量。
该人为清扫装卸载腔室的方法存在以下缺陷：
1、装卸载腔室的清扫过程只能去除明显的沾污和大尺寸颗粒；
2、装卸载腔室的氮气循环利用侧壁安装的大型过滤器进行循环气体携带过滤去除，只能过滤0.1um以上稍大尺寸颗粒，对于有机物等小尺寸颗粒或挥发性杂质没有去除作用，不能有效清洁晶圆冷却和传输等待的装卸载腔室；
3、增加了设备维护保养频度和时间，缩短周期内正常运行时间，减少了机台产能利用率；
4、在正常产品处理流程中增加了不确定性和不稳定因素；
5、重新清洗更换后，需重新测试沉积结果再处理产品，进一步缩短了设备正常运行时间；
6、同时需要储备更多更换备件，提高了设备运行成本。
图2示出了现有技术进行反应腔室清扫的流程图。在炉管内沉积工艺结束并取出晶圆后，对空置的炉管进行升降温处理，通过控制温度、升降温速率、气体类型和流量来清洁管内环境达到去除颗粒的目的。
如图2所示，在炉管内进行化学沉积工艺结束后将空置炉管升至一定温度，然后通入清洁气体进行循环吹扫，吹扫同时降温操作，提高吹扫效果。通过控制炉管的温度、升降温速率、气体类型和流量来达到去除颗粒的效果，需要间隔一定时间通入气体，进行循环操作。
由于炉管体积较大并且以较宽的分区控温方式进行温度控制，同时工艺温度和待机温度存在较大差距，执行升温和降温的操作至一定温度区间以上需要较长升温时间，再降到所需温度区间以下需要较长降温时间。尤其是降温操作效率较低，所需时间更长。
因此，需要提供一种半导体热处理设备，能够有效地降低反应腔室内和装卸载腔室的颗粒数量。
发明内容
本发明的目的提供一种半导体热处理设备，能够有效地降低反应腔室内和装卸载腔室的颗粒数量，提高反应腔室及装卸载腔室清洁效率。
为了实现上述目的，本发明提供一种半导体热处理设备，包括：
将承载有晶圆挡片的晶舟移入所述半导体热处理设备的反应腔室内；
将所述半导体热处理设备的装卸载腔室调节至常压的大气环境；
向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫；
清扫完毕后，将所述反应腔室的温度调节至预设温度，并将所述反应腔室的压力调节至常压；
打开所述反应腔室，将所述晶舟移入所述装卸载腔室中，向所述装卸载腔室通入空气以进行清扫。
优选地，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，包括：
向所述反应腔室通入所述吹扫气体的同时，将所述反应腔室的温度调节至第一清扫温度，并维持第一预设时间段；
持续向所述反应腔室通入所述吹扫气体，在所述第一预设时间段结束后，将所述反应腔室的温度调节至第二清扫温度，并维持第二预设时间段。
优选地，所述第一清扫温度高于所述第二清扫温度，所述预设温度高于所述第二清扫温度低于所述第一清扫温度。
优选地，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，还包括：
在所述第一预设时间段内，在第一压力和第二压力之间往复调节所述反应腔室的压力；
在所述第二预设时间段内，在所述第一压力和所述第二压力之间往复调节所述反应腔室的压力。
优选地，所述第一清扫温度的取值范围为750～850℃，所述第二清扫温度的取值范围为350～450℃，所述预设温度的取值范围为650～700℃。
优选地，所述第一压力的取值范围为0-1Torr，第二压力的取值范围为1-100Torr。
优选地，所述向所述装卸载腔室通入空气以进行清扫之后，还包括：
在所述晶圆挡片冷却至待机温度之后，从所述晶舟中移除所述晶圆挡片。
优选地，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，包括：在向所述反应腔室通入所述吹扫气体的同时，旋转所述晶舟。
本发明的有益效果在于：将晶舟托载晶圆挡片进入反应腔室进行清扫，减少清扫时的腔室体积，增加反应腔室侧壁的气流流速及气体覆盖的均匀度，提高反应腔室侧壁颗粒物的去除效果。同时清扫气体对晶圆挡片和晶舟进行吹扫，减少晶圆挡片和晶舟上附着的颗粒物。反应腔室清扫完毕后，将承载有晶圆挡片的晶舟移至装卸载腔室内，向装卸载腔室通入空气进行清扫，利用晶圆挡片从反应腔室带出的热量和通入空气所形成的有氧环境，使装卸载腔室内的有机物颗粒燃烧去除，有效降低工艺颗粒数量，该方法充分利用主工艺流程之外时间，在不提高设备维护保养频度的前提下，有效降低工艺颗粒数量，提高清洁效果和清洁效率。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了有机物小颗粒成膜后尺寸增大示意图。
图2示出了现有技术进行反应腔室清扫的流程图。
图3示出了根据本发明一个实施例的反应腔室及装卸载腔室的清扫方法的流程图。
图4示出了根据本发明一个实施例的反应腔室的清扫示意图。
图5示出了根据本发明一个实施例的装卸载腔室的清扫示意图。
图6示出了根据本发明一个实施例的生产工艺、反应腔室清扫及装卸载腔室清扫地工艺参数以及工艺流程图。
附图标记说明：
1、反应腔室；2、加热炉体；3、晶舟；4、装卸载腔室；5、反应腔室内管；6、反应腔室外管；7、有机物杂质颗粒；8、热交换器；9、晶圆挡片；11、有机物小颗粒；12、有机物大颗粒；13、沉积膜；14、晶圆表面。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明实施例的一种半导体热处理设备的清扫方法，包括：
步骤1：将承载有晶圆挡片的晶舟移入半导体热处理设备的反应腔室内；
在工艺结束后，取出晶舟上的产品晶圆，并将晶舟承载晶圆挡片重新升入反应腔室，以减少腔室清扫时的腔室体积，增加反应腔室侧壁的气流流速及气体覆盖的均匀度，提高反应腔室侧壁颗粒物的去除效果。同时清扫气体对晶圆挡片和晶舟进行吹扫，减少其表面附着的颗粒物。
作为一个示例，优选晶舟满载晶圆挡片，可最大限度的减少清扫腔室时的体积，增加反应腔室侧壁的气流流速，提高气流对腔室内壁颗粒物的吹扫力度。
作为一个示例，如沉积工艺结束后，调整反应腔室的压力至常压，保持反应腔室的待机温度，以待机温度装载晶片，装载完成后将承载晶圆挡片的晶舟升入反应腔室内，关闭反应腔室的炉门。
步骤2：向反应腔室通入吹扫气体以进行清扫；
作为优选方案，向反应腔室通入吹扫气体的同时，将反应腔室的温度调节至第一清扫温度，并维持第一预设时间段；持续向反应腔室通入吹扫气体，在第一预设时间段结束后，将反应腔室的温度调节至第二清扫温度，并维持第二预设时间段。通过对反应腔室升温和降温的温度变化，使工艺反应时附着于反应腔室内壁的工艺膜由于热胀冷缩而剥落，以更优效果清扫和去除腔室内表面颗粒，减少工艺颗粒数量。同时清扫气体对晶圆挡片和晶舟进行吹扫，减少工艺中由于晶舟和晶圆挡片掉落产生的颗粒。
作为一个示例，吹扫气体可为工艺反应时所使用的工艺气体和保护气体等，如沉积工艺时，向反应腔室通入氮气作为保护气体，形成氮气环境，清扫时也可通入氮气作为吹扫气体，也可根据反应腔室内残留的反应物颗粒通入相应的工艺气体作为吹扫气体。
作为一个示例，吹扫气体包括氮气、氩气、氨气、一氧化氮等。
作为一个示例，升舟进入反应腔室后，切换装卸载腔室的气体氛围由工艺反应时的保护气体环境至大气环境，减少保护气体消耗，节约成本，同时也为装卸载腔室清扫做准备。
作为一个示例，通过反应腔室的进排气系统对反应腔室内通入吹扫气体，使气流沿晶舟长度的单一方向进行清扫，提高清扫效率。
作为优选方案，向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，还包括：在第一预设时间段内，在第一压力和第二压力之间往复调节反应腔室的压力；在第二预设时间段内，在第一压力和第二压力之间往复调节反应腔室的压力。在反应腔室的清扫过程中，反复地将反应腔室的压力调节为在第一清扫压力和第二清扫压力之间切换，使反应腔室内形成间歇性的真空状态，增加气体流速，有利于将吹扫剥落的颗粒从出气管路迅速排出，提高吹扫效率。
作为一个示例，压力反复的次数以清扫预期效果确定。
作为一个示例，对反应腔室清扫时，先将反应腔室内的温度由待机温度升高至第一清扫温度，并保持第一清扫温度为第一预热时间段，同时在第一压力和第二压力之间往复调节反应腔室的压力至一定次数；然后将反应腔室内的温度由第一清扫温度降至第二清扫温度，并保持第二清扫温度为第二预热时间段，同时在第一压力和第二压力之间往复调节反应腔室的压力至一定次数。对反应腔室内的升温和降温的变化，有利于将附着于反应腔室内壁的沉积膜和颗粒物剥落，同时对反应腔室内的压力往复调节，能够促进沉积的颗粒物快速排出反应腔室，在温度变化和压力变化共同作用下，提高反应腔室的清扫的效果和效率。
作为优选方案，第一压力的取值范围为0-1Torr，第二压力的取值范围为1-100Torr，使反应腔室内形成负压，增加气体流速，促进气流将反应腔室内的颗粒的排出，进一步提高清扫效率。
作为优选方案，第一清扫温度高于第二清扫温度。对反应腔室内大幅度的升温和降温的变化，有利于将附着于反应腔室内壁的沉积膜剥落，提高清扫效果。
作为优选方案，第一清扫温度的取值范围为750～850℃，第二清扫温度的取值范围为350～450℃。
作为优选方案，向反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，包括：在向反应腔室通入吹扫气体的同时，旋转晶舟。
具体地，采用反应腔室内的挡片晶圆进行清扫的同时，晶舟托载晶圆挡片旋转，增大气流对反应腔室内颗粒的作用效果，进一步增强清扫效率。
步骤3：清扫完毕后，将反应腔室的温度调节至预设温度，并将反应腔室的压力调节至常压。
作为优选方案，预设温度高于第二清扫温度并低于第一清扫温度。
作为优选方案，预设温度的取值范围为650～700℃，预设温度高于待机温度。
清扫完成后，将反应腔室升温至预设温度，预设温度高于待机温度。待预设温度和压力符合出舟温度条件后，将承载晶圆挡片的晶舟移出反应腔室。
步骤4：打开反应腔室，将晶舟移入装卸载腔室中，向装卸载腔室通入空气以进行清扫，利用高温和含有氧气的大气环境对装卸载腔室进行热循环清扫。
晶舟移至装卸载腔室的过程，反应腔室的热辐射和晶舟的移动导致装卸载腔室的气流变化，使装卸载腔室的热量均匀覆盖，晶舟完全移至装卸载腔室后，关闭反应腔室的炉门，利用晶圆挡片的热量对反应腔室外部的装卸载腔室进行有机物高温清扫，使装卸载腔室内的有机物颗粒燃烧，从而提升颗粒去除效果。
作为一个示例，装卸载腔室为反应腔室外的传输等待区域。
作为一个示例，通过装卸载腔室的进排气系统对装卸载腔室内通入空气，使气流沿垂直晶舟长度或宽度的单一方向进行清扫，更好的清除装卸载腔室和晶圆挡片上的有机物。
作为一个示例，晶舟从反应腔室移至装卸载腔室内之后，部分热量被晶舟带入装卸载腔室，使反应腔室的温度低于待机温度，在装卸载腔室内的清扫过程中，反应腔室内的温度也逐渐恢复至待机温度，充分利用主工艺流程之外时间对装卸载腔室进行清扫，同时也为下一批晶圆产品的工艺做好了准备，提高了设备产能利用率。
步骤5：向装卸载腔室通入空气以进行清扫之后，还包括：在晶圆挡片冷却至待机温度之后，从晶舟中移除晶圆挡片。
待晶圆挡片冷却至室温后清扫完成，取出全部晶圆挡片，设备恢复进入待机状态，开始进入下一批产品晶圆的生产工艺。
本发明可广泛运用在反应腔室的各种工艺制程的清扫，减少设备维护时间，有效降低工艺颗粒数量。
实施例
图3示出了根据本发明一个实施例的反应腔室及装卸载腔室的清扫方法的流程图。图4示出了根据本发明一个实施例的反应腔室的清扫示意图。图5示出了根据本发明一个实施例的装卸载腔室的清扫示意图。图6示出了根据本发明一个实施例的生产工艺、反应腔室清扫及装卸载腔室清扫地工艺参数以及工艺流程图。
如图3至图6所示，本实施例的一种半导体热处理设备的清扫方法，包括：
一、沉积工艺的流程：
步骤1：反应腔室1的待机温度的范围为600～650℃，利用反应腔室1的加热炉体2进行加热，以待机温度1将晶舟3进行装载晶片，晶片包括：产品片、监控片和挡片，装载完成后升舟进入反应腔室1，关闭反应腔室1的炉门。
步骤2：升高温度同时降低压力达到沉积工艺要求设定值，其工艺温度的范围为650～780℃，工艺压力为0.1～0.5torr，如采用氮气作为沉积工艺的保护气体，向反应腔室1通入氮气和工艺气体，向装卸载腔室4通入氮气，并保持工艺温度和工艺压力至完成晶圆的沉积工艺。
步骤3：沉积工艺完成后，降低温度至待机温度，同时升高压力至常压，温度和压力达到出舟条件后，将晶舟3从反应腔室1移出至装卸载腔室4，通过热交换器8使晶片逐渐冷却，待晶片冷却至室温后取出。
二、反应腔室的清扫流程：
步骤1：反应腔室1的待机温度的范围为600～650℃，将反应腔室1的温度调至待机温度，反应腔室1的压力调至常压，将承载有晶圆挡片9的晶舟升入反应腔室1内，关闭反应腔室1的炉门；
步骤2：向反应腔室内通入吹扫气体进行清扫，采用氮气作为吹扫气体，升舟完成后切换装卸载腔室的气体氛围由氮气环境至大气环境，将反应腔室的温度升高至第一清扫温度，第一清扫温度的为800℃，将反应腔室的压力调节为在第一压力和第二压力之间进行反复切换，第一压力的取值范围为0-1Torr，第二压力的取值范围为1-100Torr，压力循环三次以上，以清扫预期效果确定，压力循环清扫至一定次数后，再将反应腔室1的温度降低至第二清扫温度，第二清扫温度为400℃，降温同时继续进行第一压力和第二压力之间切换的循环压力清扫，压力循环三次以上，以清扫预期效果确定。
反应腔室内管5的外部套设有反应腔室外管6，反应腔室外管6的外部套设加热炉体2，反应腔室内管5的外壁与反应腔室外管6的内壁之间设有排气间隙，反应腔室1内通入吹扫气体的流向如图4所示，吹扫气体由反应腔室内管5的底部进入反应腔室，并向反应腔室1的顶部进行单一方向的吹扫，吹扫至反应腔室1顶部的气流沿排气间隙向下流动，从反应腔室1的底部排出，如此气流循环清扫。
三、装卸载腔室的清扫流程：
步骤1：反应腔室清扫完毕后，将反应腔室的温度调节至预设温度，预设温度的取值范围为650～700℃，同时升高压力至常压待温度和压力达到出舟条件后，打开反应腔室1的炉门，将晶舟3移出反应腔室1至装卸载腔室4，关闭反应腔室1的炉门，向装卸载腔室通入空气以进行清扫。此时利用晶舟3及晶圆挡片9的高温和装卸载腔室4内含氧的大气环境进行热循环清扫，使装卸载腔室4内的有机物杂质颗粒7燃烧清除。同时反应腔室1内逐渐恢复至待机温度。
装卸载腔室4内通入空气的流向如图5所示，空气由装卸载腔室4的一侧进入，并从装卸载腔室4的另一侧排出，如此气流循环清扫。
步骤2：通过装卸载腔室4的热交换器8使晶圆挡片9逐渐冷却至室温后清扫完成，取出全部晶圆挡片9，设备恢复进入待机状态。
该方法能够有效清除反应腔室和装卸载腔室内的颗粒，提高了设备产能利用率，减少频繁更换所需的腔室备件，降低设备运行的物力、人力成本，减少设备维护时间。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，包括：
将承载有晶圆挡片的晶舟移入所述半导体热处理设备的反应腔室内；
将所述半导体热处理设备的装卸载腔室调节至常压的大气环境；
向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫；
清扫完毕后，将所述反应腔室的温度调节至预设温度，并将所述反应腔室的压力调节至常压；
打开所述反应腔室，将所述晶舟移入所述装卸载腔室中，向所述装卸载腔室通入空气以进行清扫。
2.根据权利要求1所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，包括：
向所述反应腔室通入所述吹扫气体的同时，将所述反应腔室的温度调节至第一清扫温度，并维持第一预设时间段；
持续向所述反应腔室通入所述吹扫气体，在所述第一预设时间段结束后，将所述反应腔室的温度调节至第二清扫温度，并维持第二预设时间段。
3.根据权利要求2所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于：所述第一清扫温度高于所述第二清扫温度，所述预设温度高于所述第二清扫温度低于所述第一清扫温度。
4.根据权利要求2所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，还包括：
在所述第一预设时间段内，在第一压力和第二压力之间往复调节所述反应腔室的压力；
在所述第二预设时间段内，在所述第一压力和所述第二压力之间往复调节所述反应腔室的压力。
5.根据权利要求3所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述第一清扫温度的取值范围为750～850℃，所述第二清扫温度的取值范围为350～450℃，所述预设温度的取值范围为650～700℃。
6.根据权利要求4所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述第一压力的取值范围为0-1Torr，第二压力的取值范围为1-100Torr。
7.根据权利要求1-6任一项所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述向所述装卸载腔室通入空气以进行清扫之后，还包括：
在所述晶圆挡片冷却至待机温度之后，从所述晶舟中移除所述晶圆挡片。
8.根据权利要求1-6任一项所述的半导体热处理设备的清扫方法，其特征在于，所述向所述反应腔室通入吹扫气体以进行清扫，包括：
在向所述反应腔室通入所述吹扫气体的同时，旋转所述晶舟。
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