CN111834257B - 炉管的进气装置及其炉管结构 - Google Patents

炉管的进气装置及其炉管结构 Download PDF

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Abstract

公开了一种炉管的进气装置，包括进气口；进气管，一端连接进气口，所述进气管为具有弧度的非直管；喷嘴，位于所述进气管的另一端，沿所述进气管长度方向并面向晶舟均匀设置，所述喷嘴设置为倾斜状态；其中，所述反应气体由所述进气口进入进气管，并由所述喷嘴向所述晶舟中的硅片喷射，使晶舟中的硅片均匀接触到反应气体，所述硅片接触到的反应气体的温度与所述硅片的温度之间的温度差小。本申请的炉管的进气装置，通过将进气管的直管道改成具有弧度的非直管，加长了反应气体到达晶舟的时间，从而使得反应气体与硅片之间的温度差减小，进而减小了因温度差而导致的硅片翘曲值急剧增加的问题。

Description

炉管的进气装置及其炉管结构
技术领域
本发明涉及半导体加工设备技术领域，特别涉及一种特殊设计的炉管的进气装置及其炉管结构。
背景技术
随着集成电路持续往高密度方向的发展，在一块越来越小的芯片上，整合了越来越多的组件，使得芯片对缺陷的容忍度越来越低，更多更小尺寸的缺陷也逐渐成为了良率杀手。同时，对整片硅片的均匀性要求也变得越来越高。
对于3D NAND结构的存储器件来说，键合工艺对晶圆的翘曲值(bow)的要求很高，随着存储器件中存储单元的堆叠层数的增加，晶圆翘曲值就越发重要。在炉管工艺中，压力，温度和气体流量都会影响晶片的翘曲值。
目前，无论是炉管沉积薄膜工艺还是退火还原工艺，都无法灵活控制晶圆翘曲值的变化，而在高温低压的退火工艺和沉积薄膜工艺过程中，300mm的晶片的翘曲值会急剧增加。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种炉管的进气装置，通过将进气管的直管道改成弧形管，加长了反应气体到达晶舟的时间，从而使得反应气体与硅片之间的温度差减小，进而减小了因温度差而导致的硅片翘曲值急剧增加的问题。
根据本发明的一方面，提供一种炉管的进气装置，包括：进气口，设置于炉管工艺腔的一侧壁下端，与外部反应气体管路连通；进气管，设置于所述炉管工艺腔内的一侧，所述进气管的一端连接进气口，所述进气管为具有弧度的非直管；多个喷嘴，位于所述进气管的另一端，沿所述进气管长度方向并面向晶舟均匀设置，所述多个喷嘴沿垂直方向排列；其中，所述反应气体由所述进气口进入进气管，并由所述喷嘴向所述晶舟中的硅片喷射，使晶舟中的硅片均匀接触到反应气体，所述硅片接触到的反应气体的温度与所述硅片的温度之间的温度差小。
优选地，所述反应气体的温度与所述硅片的温度之间的温度差为±5℃。
优选地，所述进气管的形状包括：U形管，环形管或S形管中的任意一种。
优选地，所述进气口为一个或多个，所述进气管为一个，所述进气管与所述一个或多个进气口连接。
优选地，所述进气口为一个或多个，所述进气管为多个，所述进气管分别与所述一个或多个进气口连接。
优选地，所述喷嘴包括多个，分别与多个所述进气管连接，所述多个喷嘴沿垂直方向排列。
根据本发明的另一方面，提供一种一种炉管结构，工艺腔，包括底座和位于所述底座上的晶舟，所述晶舟用于承载硅片；如前述所述的进气装置，位于所述工艺腔的一侧壁；抽气装置，位于所述工艺腔的另一侧，用于排出反应后的气体，控制单元，与所述进气装置连接，用于控制所述进气装置中反应气体的流量。
本发明提供的炉管的进气装置，通过改变进气管与喷嘴的位置、数量，加长了反应气体从进气口到达晶舟的时间，从而使得反应气体有足够的时间升温，降低了与硅片的温度差减小，进而减小了因温度差而导致的硅片翘曲值急剧增加的问题。
本发明提供的炉管的进气装置，通过将进气管的直管道改成具有弧度的非直管，使得进气管的长度增加，加长了反应气体从进气口到达晶舟的时间，从而使得反应气体有足够的时间升温，降低了与硅片的温度差减小，进而减小了因温度差而导致的硅片翘曲值急剧增加的问题。
本发明提供的炉管的进气装置，通过改变喷嘴的倾斜状态和进气管的形状，加长了反应气体从进气口到达晶舟的时间，从而使得反应气体有足够的时间升温，降低了与硅片的温度差减小，进而减小了因温度差而导致的硅片翘曲值急剧增加的问题。
本发明提供的炉管结构，还可以通过与进气装置连接的控制单元控制进气装置中反应气体的流量和炉管工艺腔内的压力，从而达到进一步降低硅片翘曲值的目的。
本申请的炉管的进气装置及其炉管结构，降低了炉管工艺的难度，扩宽了炉管工艺的范围。采用本申请的炉管工艺形成的硅片的翘曲值较低，因此为后续的工艺制程提供了更宽的工艺窗口，可以提高器件的良率和可靠性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了现有技术的一种炉管结构示意图；
图2a，图2b和图2c示出了工艺参数对晶圆翘曲值的影响图；
图3示出了本发明实施例的一种炉管结构示意图；
图4示出了本发明实施例一的进气装置的结构示意图；
图5示出了本发明实施例二的进气装置的结构示意图；
图6a和图6b示出了本发明实施例三的进气装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参阅图1，图1是现有的一种炉管结构示意图。如图1所示，炉管100设有工艺腔10，工艺腔10的底部设有底座14，晶舟15承载于底座14之上，晶舟15中自下而上水平装有多层硅片。工艺腔10的一侧壁设有进气装置，所述进气装置包括进气口11，进气管12以及多个喷嘴13(Injector)，所述进气装置用于向工艺腔10内通入反应气体。工艺腔10的另一侧壁还设有抽气装置，用于排出反应后的气体。工艺时，晶舟15中的硅片处于反应气体的氛围中接受工艺。
上述的炉管采用的是批量作业方式，即一次性在晶舟15中装有多个(层)硅片同时进行工艺。由于其用于通入反应气体的喷嘴13采用直管喷嘴，反应气体经过的路径较短，因此加热的温度较低，而在炉管工艺中，反应气体与硅片较大的温度差会导致硅片的翘曲值增大，进而影响器件的良率。
图2a，图2b和图2c示出了工艺参数对晶圆翘曲值的影响图，参考图2a至图2c可知，工艺腔10内的压力，反应气体的流量和温度差都会对硅片的翘曲值产生影响。具体的，工艺腔10内的压力越大，硅片的翘曲值越小，反应气体的流量过大或过小，都会导致硅片翘曲值增加，且硅片与反应气体的温度差越大，硅片的翘曲值也越大。
根据图2a至图2c可知，要想降低炉管工艺中硅片的翘曲值，就需要从压力，反应气体的流量和温度差等方面进行改进。
图3示出了本发明实施例的一种炉管结构示意图，图4示出了本发明实施例一的进气装置的结构示意图。本发明的炉管的进气装置30设置在炉管200内，所述炉管包括工艺腔10，工艺腔10的底部设有底座14，晶舟15承载于底座14之上，晶舟15中自下而上水平装有多个(层)硅片。工艺腔10的一侧壁设有抽气装置，包括抽气管17和抽气泵16，抽气管17与抽气泵16连接，用于排出工艺后的残余气体。该炉管200的进气装置30设置在工艺腔10的另一侧壁，包括进气口11、多个进气管22以及设置在进气管22上的多个喷嘴23。还包括与进气口11连接的控制单元25，控制单元25用于控制进气装置30进入工艺腔10内的反应气体的流量，速度等。
继续参考图4，进气口11设置在炉管工艺腔10的另一侧壁下端。进气口11连通外部反应气体管路，用于向工艺腔10内通入反应气体。
多个进气管22安装在工艺腔10内。多个进气管22的一端连接进气口11，另一端连接喷嘴23。
在图4所示的实施例一中，在每个进气管22的另一端沿进气管22的长度方向均匀设置有多个喷嘴23，各个喷嘴23的喷口面向晶舟15方向设置。多个进气管22的多个喷嘴23都采用面向晶舟15的方向垂直排列，且多个进气管22的喷嘴23高度依次上升或下降，使得反应气体可以水平的吹向晶舟15中的每个(层)硅片。
在进行工艺时，通过进气口11向进气管22中通入反应气体，并由各喷嘴23向晶舟15喷射，可以使晶舟15中的每个(层)硅片都能够均匀的接触到反应气体，从而可以保证工艺后每片硅片产品的厚度均匀性。
在实施例一中，进气管22和喷嘴23都具有多个，由于多个喷嘴23在工艺腔10内的高度不一致，因此可以根据与每个喷嘴23连接的进气管22的长度选择与晶舟15的距离。例如，进气管22的长度较小时，与该进气管22连接的喷嘴23距离晶舟15的距离远，这是因为反应气体经过的进气管22的路径长度加从喷嘴23到晶舟15的路径长度的和较大时，到达晶舟15表面的硅片时与硅片的温度差可以尽可能的缩小，例如达到±5℃，从而降低硅片的翘曲值。此时，多个喷嘴23的高度为依次下降，且每个进气管22和与之相连的喷嘴23与晶舟15的连线不再同一个平面上，因此喷嘴23较高的进气管22不会阻挡较低的喷嘴23中喷出的反应气体。
图5示出了本发明实施例二的进气装置的结构示意图。实施例二的进气装置与实施例一的进气装置相比，仅进气管32的形状不一致，此处不再详述与实施例一的相同之处。
在实施例二中，进气管32具有弧度，使得进气管32在工艺腔10内延伸一段距离。所述进气管32的形状例如为U形管，环形管或S形管等可以增加进气管32长度的形状。
由于进气管32在工艺腔10内延伸一段距离，因此增加了反应气体在进气管32中经过的路径长度，当反应气体从喷嘴到达晶舟15时，反应气体与晶舟15中硅片的温度差降低为±5℃。进一步的，还可以将进气管32中长度较小的进气管和与之相连的喷嘴33放在离晶舟15较远的地方，从而增加反应气体从喷嘴33到达晶舟15的距离。
在本发明的实施例二中，进气管32采用了弧形管，设置在工艺腔10的一侧，加长了反应气体从进气口11到达喷嘴33的路径长度。由于工艺腔10内处于高温状态，且进气管32处于工艺腔10内，因此反应气体在进气管32中温度被提高，最终从喷嘴33到达晶舟15上的硅片时与硅片之间的温度差被减小，使得反应气体的温度与硅片的温度之间的温度差为±5℃，因此降低了炉管工艺中硅片翘曲值较大的问题，进而提升后续器件的良率和可靠性。
进一步的，在其他实施例中，进气管22也可以是其他可以加长反应气体从进气口到达喷嘴13路径长度的形状，例如为环形、方形等非直管的进气管。
图6a和图6b示出了本发明实施例三的进气装置的结构示意图，实施例三的进气装置与实施例一或实施例二的进气装置相比，仅有一个进气管和喷嘴，此处不再详述与实施例一的相同之处。
参考图6a，喷嘴43的长度不小于晶舟15的高度，确保晶舟15中的每个硅片都能接触到喷嘴43喷出的反应气体，同时，喷嘴43设置为倾斜状态，倾斜状态例如为与进气管42连接的一端距离晶舟15远，远离进气管42的一端距离晶舟15近，进气管42例如采用直管。
在该实施例中，由于从喷嘴43与进气管42连接一端喷出的反应气体在喷出之前经过的路径短，即加热的时间不够长，因此延长该部分反应气体到达晶舟15的距离可以使反应气体加热足够长的时间，从而降低反应气体与晶舟15中硅片的温度差，从而降低翘曲值。同理，由于从喷嘴43远离与进气管42连接的一端喷出的反应气体在从进气管42进入喷嘴43，并从喷嘴43与进气管42连接的一端到达另一端的过程中，也会被加热，因此，这部分反应气体从喷嘴43到达晶舟15的距离可以减小，同时也可以降低反应气体与硅片之间的温度差。
在图6b示出的实施例中，进气管52采用具有弧度的非直管，可以增加反应气体在进气管52中的加热时间。
进一步的，在其他实施例中，进气口的数量可以为一个或多个。例如，一个进气管与一个进气口连接(如图6a和图6b所示)，多个进气管与一个进气口连接(如图4和图5所示)，一个进气管与多个进气口连接或多个进气管分别与多个进气口连接等多种情况，可以根据实际情况选择进气口和进气管的数量，配合抽气装置用于控制工艺腔内的压力以及反应气体的流量，最终使喷嘴喷向晶舟的反应气体更均匀，硅片的翘曲值更小。
本发明的炉管的进气装置，通过改变进气管的位置和/或形状，加长了反应气体从进气口到达晶舟的路径长度和时间，进而提高了反应气体的加热时间，使得最终反应气体到达晶舟上的硅片时与硅片之间的温度差减小，例如温度差为±5℃，减小了硅片翘曲值。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种炉管的进气装置，包括：
进气口，设置于炉管工艺腔的一侧壁下端，与外部反应气体管路连通；
进气管，设置于所述炉管工艺腔内的一侧，所述进气管的一端连接进气口，所述进气管为具有弧度的非直管；
喷嘴，位于所述进气管的另一端，沿所述进气管长度方向并面向晶舟均匀设置，且所述喷嘴至所述晶舟的距离随所述喷嘴至所述进气口之间的进气管的长度的增加而减小；
其中，所述反应气体由所述进气口进入进气管，并由所述喷嘴向所述晶舟中的硅片喷射，使晶舟中的硅片均匀接触到反应气体，所述硅片接触到的反应气体的温度与所述硅片的温度之间的温度差小。
2.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述反应气体的温度与所述硅片的温度之间的温度差为±5℃。
3.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述进气管的形状包括：U形管，环形管或S形管中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述进气口为一个或多个，所述进气管为一个，所述进气管与所述一个或多个进气口连接。
5.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述进气口为一个或多个，所述进气管为多个，多个所述进气管与所述一个进气口均连接，或与所述多个进气口一一对应连接。
6.根据权利要求1所述的进气装置，其中，所述喷嘴包括多个，分别与多个所述进气管连接，多个所述进气管的每一个上包括至少一个所述喷嘴，多个所述进气管的连接所述喷嘴的部分为垂直或倾斜状态，所述多个喷嘴的垂直高度沿垂直方向分布。
7.一种炉管结构，包括：
工艺腔，包括底座和位于所述底座上的晶舟，所述晶舟用于承载硅片；
如权利要求1-6中任一项所述的进气装置，位于所述工艺腔的一侧壁；
抽气装置，位于所述工艺腔的另一侧，用于排出反应后的气体，
控制单元，与所述进气装置连接，用于控制所述进气装置中反应气体的流量。
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