CN111455349A - 半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体工艺设备，其中，包括：反应腔室、第一输气管路、第二输气管路和预加热装置；所述第一输气管路将气源与所述预加热装置的进气端连通，所述反应腔室通过所述第二输气管路与所述预加热装置的出气端连通；所述预加热装置用于将所述气源输出的工艺气体预加热至预设温度后，输出至所述反应腔室。本发明可以使工艺气体在进入反应腔室前被充分加热。

Description

半导体工艺设备
技术领域
本发明涉及半导体加工技术领域，具体涉及一种半导体工艺设 备。
背景技术
随着半导体技术的发展，晶圆氧化物的厚度越来越薄，其成膜 质量直接决定晶圆氧化物的电学性能，成为影响最终产品的良率和可 靠性的重要因素。
目前，在制备晶圆氧化物时通常采用热处理设备，热处理工艺 设备按使用压力不同分为常压热处理设备和低压热处理设备。与常压 热处理设备相比，通过低压热处理设备采用低压力化学气相沉积工艺 (Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)生长出的晶圆 氧化物的成膜质量更好，被广泛应用于形成晶体管的重要器件(如栅 介质)。然而，随着新器件、新工艺的发展，对晶圆氧化物的膜厚均 匀性的要求越来越高，传统的低压热处理设备生长的晶圆氧化物的成 膜质量已无法满足要求。
为提高晶圆氧化物的成膜质量，目前通常使工艺气体先进行预 加热，图1为传统的热处理设备进行预加热的示意图，如图1所示， 热处理设备包括腔室和设置在腔室中的基座10，基座10被划分为反 应区域14和位于反应区域14靠近进气口11一侧的预加热区域13， 工艺气体通过腔室的进气口11后经过扩散孔12分散，气体分散平行 流过预加热区域13之后到达反应区域14，预加热区域13和反应区 域14中设置有加热结构15，用于对工艺气体进行加热。经过预加热 后的工艺气体在反应区域14可以更快的达到目标温度，从而提高沉 积速率及成膜均匀性，进而改善晶圆氧化物的成膜质量。但是，由于 腔室的空间有限，导致工艺气体平行流过预加热区域13后加热效果 较差，难以满足半导体工艺的需求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了 一种半导体工艺设备。
为了实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备，其中， 包括：反应腔室、第一输气管路、第二输气管路和预加热装置；
所述第一输气管路将气源与所述预加热装置的进气端连通，所 述反应腔室通过所述第二输气管路与所述预加热装置的出气端连通；
所述预加热装置用于将所述气源输出的工艺气体预加热至预设 温度后，输出至所述反应腔室。
可选地，所述预加热装置包括：
加热腔室，所述加热腔室内设置有多个分隔壁，多个所述分隔 壁将所述加热腔室分隔为第一加热子腔、第二加热子腔、第三加热子 腔和第四加热子腔，所述第一加热子腔、所述第二加热子腔和所述第 三加热子腔从所述预加热装置的进气端到出气端依次排列，所述第四 加热子腔的腔体为环绕所述第一加热子腔、所述第二加热子腔和所述 第三加热子腔的环形腔；所述第一加热子腔与所述第二加热子腔和所 述第四加热子腔均连通，所述第三加热子腔与所述第四加热子腔和所 述预加热装置的出气端均连通；
进气结构，所述进气结构的一端与所述第一输气管路连通，所 述进气结构的另一端伸入所述第二加热子腔中，以将所述第一输气管 路输出的工艺气体导入所述第二加热子腔中；
加热结构，所述加热结构的一端固定在所述第一加热子腔远离 所述第二加热子腔的侧壁上，另一端穿过所述第一加热子腔并延伸至 所述第二加热子腔中，所述加热结构用于至少对所述二加热子腔内的 工艺气体加热。
可选地，所述预加热装置包括多个所述加热结构，多个所述加 热结构沿所述第四加热子腔的周向均匀分布。
可选地，所述加热结构包括：保护壳和设置在所述保护壳中的 加热棒。
可选地，所述预加热装置还包括加热控制模块，所述加热控制 模块与所述加热结构相连，用于控制所述加热结构的加热温度。
可选地，所述预加热装置还包括套设在所述加热腔室外部的外 加热腔器，所述外加热器用于对所述加热腔室进行加热。
可选地，所述外加热器上设置有温度检测件，所述温度检测件 用于检测所述外加热器的温度。
可选地，所述第四加热子腔与所述第一加热子腔和所述第三加 热子腔之间的分隔壁上设置有多个第一通气孔，多个所述第一通气孔 用于将所述第四加热子腔与所述第一加热子腔和所述第三加热子腔 连通；
所述第一加热子腔和所述第二加热子腔之间的分隔壁上设置有 多个第二通气孔，多个所述第二通气孔用于将所述第一加热子腔与所 述第二加热子腔连通。
可选地，所述进气结构包括：进气通道和喷洒结构，所述喷洒 结构位于所述第二加热子腔内，所述进气通道穿过所述第一加热子腔 并延伸进入所述第二加热子腔，所述进气通道的进气口与所述第一输 气管路连通，所述进气通道的出气口与所述喷洒结构的进气口连通， 所述喷洒结构具有多个喷气口，多个所述喷气口用于朝向多个方向喷 气。
可选地，所述喷洒结构为多孔陶瓷件或多孔石英件。
本发明具有以下有益效果：
采用本发明的半导体工艺设备，其可以通过预加热装置使工艺 气体在进入反应腔室前被充分加热，充分加热后的工艺气体在进入反 应腔室后有利于沉积工艺的进行，从而可以改善晶圆氧化物的薄膜沉 积速率以及膜厚均匀性，进而提高晶圆氧化物的成膜质量。
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为传统的半导体工艺设备进行预加热的示意图；
图2为本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的预加热装置的结构示意图之一；
图4为本发明实施例提供的图3沿剖线AA’的剖视图；
图5为本发明实施例提供的预加热装置的结构示意图之二；
图6为本发明实施例提供的晶圆氧化物沉积速率的示意图；
图7为本发明实施例提供的晶圆氧化物膜厚均匀性的示意图。
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。
本发明实施例提供一种半导体工艺设备，图2为本发明实施例 提供的半导体工艺设备的结构示意图，图3为本发明实施例提供的预 加热装置的结构示意图之一，结合图2和图3所示，本发明实施例提 供的半导体工艺设备包括：反应腔室31、第一输气管路5、第二输气 管路6和预加热装置21。第一输气管路5将气源4与预加热装置21 的进气端连通，反应腔室31通过第二输气管路6与预加热装置21 的出气端连通。预加热装置21用于将气源4输出的工艺气体加热至 预设温度后，输出至反应腔室31。
具体地，工艺气体从气源4输出后，经第一输气管路5被传输 至预加热装置21中，预加热装置21根据预设温度(如600℃)对工 艺气体进行加热，使工艺气体被加热活化，之后，被加热活化的工艺 气体再经过第二输气管路6被输送至反应腔室中31中参与反应。充分加热后的工艺气体在进入反应腔室31后有利于沉积工艺的进行， 从而可以改善晶圆氧化物的薄膜沉积速率以及膜厚均匀性，进而提高 晶圆氧化物的成膜质量。
采用本发明的半导体工艺设备，其可以通过预加热装置21使工 艺气体在进入反应腔室31前被充分加热，充分加热后的工艺气体在 进入反应腔室31后有利于沉积工艺的进行，从而可以改善晶圆氧化 物的薄膜沉积速率以及膜厚均匀性，进而提高晶圆氧化物的成膜质量。
在一些具体实施例中，如图2所示，半导体工艺设备还可以包 括加热炉体33。反应腔室31的一部分设置在加热炉体33中，另一 部分从加热炉体33的底部伸出，反应腔室31的底部设置有工艺门 34，工艺门34与驱动模块(图中未示出)相连，工艺门34可以在驱 动模块的驱动下升降和/或旋转，工艺门34上设置有晶舟32，晶舟 32用于承载待加工的晶圆，工艺门34和晶舟32之间还设置有保温 桶35，保温桶35用于防止反应腔室31中的热量流失，反应腔室31 的底部还设置有排气管路36、排气管路36用于将废气排出反应腔室 31。
在一些具体实施例中，第二输气管路6上设置有流量控制结构7， 流量控制结构7可以是阀门，流量控制结构7用于控制第二输气管路 中6的气体的流量，从而可以根据实际需要，调整通入半导体工艺装 置3中工艺气体的流量，以满足不同工艺对工艺气体流量的需求。
下面结合图2至图5对本发明实施例的预加热装置21的具体结 构进行详细介绍，图4为本发明实施例提供的图3沿剖线AA’的剖视 图，如图3以及图4所示，本发明实施例提供的预加热装置21包括： 加热腔室22、进气结构24和加热结构25，加热腔室22的材料可以包括石英或其他耐高温材料。加热腔室22内设置有多个分隔壁23， 多个分隔壁23将加热腔室22分隔为第一加热子腔2a、第二加热子 腔2b、第三加热子腔2c和第四加热子腔2d，第一加热子腔2a、第 二加热子腔2b和第三加热子腔2c从预加热装置21的进气端到出气 端依次排列，第四加热子腔2d为环绕第一加热子腔2a、第二加热子 腔2b和第三加热子腔2c的环形腔。第一加热子腔2a与第二加热子 腔2b和第四加热子腔2d均连通，第三加热子腔2c与第四加热子腔 2d和第二输气管路6均连通。进气结构24的一端与第一输气管路5 连通，进气结构24的另一端伸入第二加热子腔2b中，以将第一输气 管路5输出的工艺气体导入第二加热子腔2b中。加热结构25的一端 固定在第一加热子腔2a远离第二加热子腔2b的侧壁(即图3中第一 加热子腔2a的左侧壁)上，加热结构25的另一端穿过第一加热子腔 2a并延伸至第二加热子腔2b中，加热结构25用于至少对第二加热 子腔2b内的工艺气体加热。
如图3所示，预加热装置21的进气端可以为图3中预加热装置 21的左端，预加热装置21的出气端可以为图3中预加热装置21的 右端，第一加热子腔2a、第二加热子腔2b和第三加热子腔3c沿图3 中从左至右的方式依次排列，进气结构24沿第二加热子腔2b的轴向设置(图3中的水平方向)，在穿过第一加热子腔2a后，伸入第二 加热子腔2b中。
在本发明实施例中，四个加热子腔可以通过彼此之间的分隔壁 23上的通气孔连通，在一些具体实施例中，如图3所示，第四加热 子腔2d与第一加热子腔2a和第三加热子腔2c之间的分隔壁23上设 置有多个第一通气孔23a和23b，多个第一通气孔23a和23b将第四加热子腔2d与第一加热子腔2a和第三加热子腔2c连通。第一加热 子腔2a和第二加热子腔23b之间的分隔壁23上设置有多个第二通气 孔23c，多个第二通气孔23c将第一加热子腔2a和第二加热子腔23b 连通。其中，多个第一通气孔23a和23b可沿第四加热子腔2d的周 向均匀分布，多个第二通气孔23c可沿第一加热子腔23a的周向均匀 分布，从而使工艺气体被均匀的输送至第四加热子腔2d中进行再次 加热，进而提高工艺气体预加热的均匀性。
采用本发明实施例的预加热装置21，在工艺气体进入加热腔室 22时，可以通过进气结构24先进入第二加热子腔室2b，并通过位于 第二加热子腔2b中的加热结构25进行加热。之后，工艺气体依次经 过第一加热子腔2a、第四加热子腔2d和第三加热子腔2c流动，由于第四加热子腔2d环绕第二加热子腔2b，因此，工艺气体在经过第 四加热子腔2d时，受第二加热子腔2b的温度影响，可以再次被加热， 从而实现对工艺气体的充分加热，以满足半导体工艺对工艺气体预加 热的需求。
如图3所示，在一些具体实施例中，预加热装置21包括多个加 热结构25，每个加热结构25沿第四加热子腔2d的轴向延伸，多个 加热结构25沿第四加热子腔2d的周向均匀分布，从而实现对进入加 热腔室22中的工艺气体均匀加热。具体地，加热结构25的形状可以为圆柱形或长方体，在此不做限制。第四加热子腔2d的周向是指， 在垂直于第二加热子腔2d的轴向的平面上，第四加热子腔2d的圆周 方向。
在一些具体实施例中，预加热装置21还包括加热控制模块(图 中未示出)，加热控制模块与加热结构25相连，加热控制模块用于 控制加热结构25的加热温度，以使经过预加热装置21加热后的工艺 气体的温度可以满足多种工艺需求。
在一些具体实施例中，加热结构25包括：保护壳25a和设置在 保护壳25a中的加热棒25b。具体地，保护壳25a可以与加热腔室22 形成为一体结构，加热棒25b的一部分可以设置在加热腔室22的外 部，用于与加热控制模块相连，加热棒25b另一部分设置在加热腔室22中，并且，设置在加热腔室22中的部分置于保护壳25a中，从而 通过保护壳25a将加热棒25b与加热腔室22中的工艺气体阻隔开， 防止工艺气体腐蚀加热棒25b。
图5为本发明实施例提供的预加热装置的结构示意图之二，如 图5所示，由于加热结构25设置在加热腔室22中，加热结构25的 加热功率受限于加热腔室22的体积，因此，在本发明实施例中，预 加热装置21还包括套设在加热腔室22外部的外加热器26，外加热 器26用于与加热结构25一起对加热腔室22进行加热，以增强加热 效果，从而使工艺气体在经过加热腔室22后，可以被加热到较高温 度。外加热器26上可以设置有电阻丝，从而通过电阻丝加热的方式 对加热腔室22进行加热。外加热器26具有第一开口26a和第二开口 26b，加热腔室22位于外加热器26内，进气结构24的一端从第一开 口26a中伸出后与第一输气管路5连通，第三加热子腔室3c的出气 口从第二开口26b中伸出后与第二输气管路6连通。
在一些具体实施例中，外加热器26上设置有温度检测件(图中 未示出)，温度检测件用于检测外加热器26的温度，从而可以根据 实际情况，实时调整外加热器26的加热功率等参数，升高或降低加 热温度。可以理解的是，在本发明实施例中，加热棒25b上也可以设置有温度检测件，从而实现同时对加热棒25b以及外加热器26的温 度检测。
在一些具体实施例中，如图5所示，进气结构24包括：进气通 道24a和喷洒结构24b，喷洒结构24b位于第二加热子腔2b内，进 气通道24a穿过第一加热子腔2a并延伸进入第二加热子腔2b，进气 通道24a的进气口与第一输气管路5连通，进气通道24a的出气口与喷洒结构24b的进气口连通，喷洒结构24b具有多个喷气口，多个喷 气口用于朝向多个方向喷气，从而使工艺气体可以被均匀的输送至第 二加热子腔2b中的各个区域进行加热，提高工艺气体加热的均匀性。 同时，可以使喷洒结构24b的主要喷气方向朝向加热结构25，从而有利于加热结构25对工艺气体进行加热，提高加热效率。在一些具 体实施例中，喷洒结构24b为多孔陶瓷件或多孔石英件。
下面结合图6和图7对本发明实施例的预加热装置对晶圆氧化 物的沉积速率和膜厚均匀性的改善效果进行说明，本发明实施例从若 干个晶圆样本中抽取8个样本进行检测，分别得到每个晶圆样本的晶 圆氧化物的平均沉积速率和膜厚均匀性。
图6为本发明实施例提供的晶圆氧化物沉积速率的示意图，如 图6所示，纵坐标表示沉积速率，横坐标表示样本编号，虚线表示未 采用本发明实施例提供的预加热装置的晶圆样本的沉积速率的曲线， 实线表示采用本发明实施例提供的预加热装置的晶圆样本的沉积速 率的曲线，从图中可以明显看出，采用本发明实施例提供的预加热装 置可以使晶圆氧化物的沉积速率得到明显的提升。
图7为本发明实施例提供的晶圆氧化物膜厚均匀性的示意图， 如图7所示，纵坐标表示膜厚均匀性，横坐标表示样本编号，虚线表 示未采用本发明实施例提供的预加热装置的晶圆样本的膜厚均匀性 的曲线，实线表示采用本发明实施例提供的预加热装置的晶圆样本的 的膜厚均匀性的曲线，从图中可以明显看出，采用本发明实施例提供 的预加热装置可以使晶圆氧化物的膜厚均匀性得到明显的提升。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。

Claims (10)

1.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：反应腔室、第一输气管路、第二输气管路和预加热装置；
所述第一输气管路将气源与所述预加热装置的进气端连通，所述反应腔室通过所述第二输气管路与所述预加热装置的出气端连通；
所述预加热装置用于将所述气源输出的工艺气体加热至预设温度后，输出至所述反应腔室。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述预加热装置包括：
加热腔室，所述加热腔室内设置有多个分隔壁，多个所述分隔壁将所述加热腔室分隔为第一加热子腔、第二加热子腔、第三加热子腔和第四加热子腔，所述第一加热子腔、所述第二加热子腔和所述第三加热子腔从所述预加热装置的进气端到出气端依次排列，所述第四加热子腔的腔体为环绕所述第一加热子腔、所述第二加热子腔和所述第三加热子腔的环形腔；所述第一加热子腔与所述第二加热子腔和所述第四加热子腔均连通，所述第三加热子腔与所述第四加热子腔和所述第二输气管路均连通；
进气结构，所述进气结构的一端与所述第一输气管路连通，所述进气结构的另一端伸入所述第二加热子腔中，以将所述第一输气管路输出的工艺气体导入所述第二加热子腔中；
加热结构，所述加热结构的一端固定在所述第一加热子腔远离所述第二加热子腔的侧壁上，所述加热结构的另一端穿过所述第一加热子腔并延伸至所述第二加热子腔中，所述加热结构用于至少对所述第二加热子腔内的工艺气体加热。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述预加热装置包括多个所述加热结构，多个所述加热结构沿所述第四加热子腔的周向均匀分布。
4.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述加热结构包括：保护壳和设置在所述保护壳中的加热棒。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述预加热装置还包括加热控制模块，所述加热控制模块与所述加热结构相连，用于控制所述加热结构的加热温度。
6.根据权利要求2至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述预加热装置还包括套设在所述加热腔室外部的外加热器，所述外加热器用于对所述加热腔室进行加热。
7.根据权利要求6所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述外加热器上设置有温度检测件，所述温度检测件用于检测所述外加热器的温度。
8.根据权利要求2至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述第四加热子腔与所述第一加热子腔和所述第三加热子腔之间的分隔壁上设置有多个第一通气孔，多个所述第一通气孔用于将所述第四加热子腔与所述第一加热子腔和所述第三加热子腔连通；
所述第一加热子腔和所述第二加热子腔之间的分隔壁上设置有多个第二通气孔，多个所述第二通气孔用于将所述第一加热子腔与所述第二加热子腔连通。
9.根据权利要求2至4中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述进气结构包括：进气通道和喷洒结构，所述喷洒结构位于所述第二加热子腔内，所述进气通道穿过所述第一加热子腔并延伸进入所述第二加热子腔，所述进气通道的进气口与所述第一输气管路连通，所述进气通道的出气口与所述喷洒结构的进气口连通，所述喷洒结构具有多个喷气口，多个所述喷气口用于朝向多个方向喷气。
10.根据权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述喷洒结构为多孔陶瓷件或多孔石英件。
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