CN112144112B - 一种半导体工艺设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室和设置在工艺腔室中的承载盘，工艺腔室的内壁上具有排气口和多个进气口，多个进气口包括至少一个主进气口和至少一个副进气口，半导体工艺设备还包括工艺隔板，工艺隔板与承载盘平行设置，工艺隔板与承载盘之间形成主气流区，工艺隔板背离与承载盘的一侧形成有副气流区，主进气口与主气流区位置匹配，副进气口与副气流区位置匹配，工艺隔板上形成有至少一个沿厚度方向贯穿工艺隔板的导气孔。本发明提供的半导体工艺设备能够在避免第一工艺气体和第二工艺气体相互冲击的同时，通过导气孔精确地改变基片部分位置的外延层沉积速度，提高了外延层在基片上沉积的均匀性和基片各位置外延层沉积速率的可控性。

Description

一种半导体工艺设备

技术领域

本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备。

背景技术

气相外延工艺(Vapour phase epitaxy)是一种常见的外延生长技术，其能够实现在单晶衬底基片上生长出与衬底基片的导电类型、电阻率和结构都不同，且厚度和电阻率可控，能够满足多种不同要求的单晶层，能够极大地提高器件设计的灵活性和性能，在各种半导体功能器件(如IGBT，CMOS，数字存储DRAM，微处理器等)领域具有广泛的应用前景。

在气相外延生长工艺中，外延层厚度的稳定性和均匀性与工艺腔室中的气流场息息相关。为提高外延层厚度的均匀性，在现有的气相外延生长工艺设备中，通常控制两种不同成分的工艺气体由不同方向进入工艺腔室中汇合，并相互作用，以提高工艺气体之间发生反应产生的产物在基片上沉积外延层的均匀性。然而，该方案同样会导致基片边缘外延层的沉积速度大于中心区域的外延层沉积厚度。

因此，如何提供一种能够提高基片气相外延工艺均匀性的半导体工艺设备结构，成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备能够提高基片气相外延工艺均匀性。

为实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室和设置在所述工艺腔室中的承载盘，所述半导体工艺设备还包括工艺隔板，所述工艺隔板与所述承载盘平行设置，所述工艺隔板与所述承载盘之间形成有主气流区，所述工艺隔板背离与所述承载盘的一侧形成有副气流区；所述工艺腔室的内壁上设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分别位于所述承载盘的两侧，所述进气口包括至少一个与所述主气流区位置对应的主进气口和至少一个与所述副气流区位置对应的副进气口，且所述工艺隔板上形成有至少一个沿厚度方向贯穿所述工艺隔板的导气孔。

可选地，所述半导体工艺设备还包括旋转机构，所述旋转机构与所述承载盘的底部固定连接，用于驱动所述承载盘旋转。

可选地，所述导气孔的位置与所述承载盘的边缘相对应。

可选地，所述导气孔的数量为两个，两个所述导气孔沿垂直于所述主气流区中气体流动方向间隔设置。

可选地，所述工艺隔板的边缘与所述工艺腔室的设有所述排气口的内壁之间具有排气间隙。

可选地，所述工艺隔板上形成有排气通孔，所述排气通孔位于所述工艺隔板靠近所述排气口一侧的边缘。

可选地，所述副进气口的横截面形状为圆形。

可选地，所述工艺腔室包括基座环、进气座块、尾气收集座块、上盖和下盖，所述主进气口和所述副进气口均形成在所述进气座块上，所述排气口形成在所述尾气收集座块上，所述基座环具有顶开口和底开口，所述上盖和所述下盖分别用于密封所述顶开口和所述底开口；

所述基座环的侧壁上形成有位置相对的进气开口和出气开口，所述进气座块设置在所述进气开口中，所述尾气收集座块设置在所述出气开口中。

可选地，所述半导体设备还包括下内衬，所述下内衬环绕所述承载盘设置在所述工艺腔室中，且所述下内衬设置在所述下盖上，所述工艺隔板设置在所述下内衬上。

可选地，所述工艺隔板与所述上盖焊接连接。

在本发明提供的半导体工艺设备中，第一工艺气体仅由工艺隔板下方的主气流区流向排气口，第二工艺气体流经工艺隔板上方的副气流区，并且，主气流区中的第一工艺气体与副气流区中的第二工艺气体能够通过工艺隔板上的导气孔接触，从而能够在避免第一工艺气体和第二工艺气体相互冲击产生湍流的同时，通过导气孔精确地改变基片部分位置的外延层沉积速度，从而提高了外延层在基片上沉积的均匀性和基片各位置外延层沉积速率的可控性。

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是本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图；

图2是图1中半导体工艺设备的俯视图；

图3是本发明实施例提供的半导体工艺设备中多个进气口的形状与相对位置的示意图；

图4是气体在本发明实施例提供的半导体工艺设备中流动的路径示意图。

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。

为解决上述问题，如图1所示，本发明提供一种半导体工艺设备，包括工艺腔室以及设置在工艺腔室中的承载盘9和工艺隔板10，工艺隔板10与承载盘9平行设置，工艺隔板10与承载盘9之间形成有主气流区7，工艺隔板10背离与承载盘9的一侧(工艺隔板10与上盖16之间)形成有副气流区8。

该工艺腔室的内壁上具有排气口和多个进气口，该排气口和多个进气口分别位于承载盘9的两侧，该进气口包括至少一个与主气流区位置对应的主进气口5和至少一个与副气流区位置对应的副进气口6，工艺隔板10上形成有至少一个沿厚度方向贯穿工艺隔板10的导气孔11。

在本发明中，承载盘9用于承载基片12，主进气口5和副进气口6分别用于向工艺腔室中导入两种不同的工艺气体，例如，主进气口5用于向工艺腔室中导入第一工艺气体，副进气口6用于向工艺腔室中导入第二工艺气体，其中，第一工艺气体仅由工艺隔板10下方的主气流区7流向排气口，第二工艺气体流经工艺隔板10上方的副气流区8，并且，主气流区7中的第一工艺气体与副气流区8中的第二工艺气体能够通过工艺隔板10上的导气孔11接触，从而能够在避免第一工艺气体和第二工艺气体相互冲击产生湍流的同时，通过导气孔11精确地改变基片12部分位置的膜层生长速度(如外延层的沉积速度)，从而提高了膜层在基片12上生长的均匀性和基片12各位置膜层生长速率的可控性。

如图4所示，进入主气流区7的第一工艺气体32与进入副气流区8的第二工艺气体31流动方向平行。本发明实施例对第一工艺气体和第二工艺气体如何通过导气孔11相互作用并影响半导体工艺不作具体限定，例如，作为本发明的一种实施方式，本发明提供的半导体工艺设备可用于进行需多种工艺气体混合进行反应的半导体工艺，第一工艺气体和第二工艺气体分别包含不同气体成分，且二者混合后才能够在特定条件下发生反应。在工艺过程中，一部分第二工艺气体在主气流区7与副气流区8之间的压差作用下，通过工艺隔板10上的导气孔11流向主气流区7，并与导气孔11对应区域的第一工艺气体32混合并发生反应，从而在基片12的对应位置上形成所需的膜层。

或者，作为本发明的另一种实施方式，第一工艺气体32本身即可完成半导体反应并在基片12上形成所需的膜层，第二工艺气体31中含有与第一工艺气体32相同的成分，但第二工艺气体31中用于完成反应的有效成分的浓度与第一工艺气体32不相同，从而通过气体的扩散效应改变导气孔11对应位置的第一工艺气体32中有效成分的浓度，进而对导气孔11对应位置的反应速率进行调整。

例如，主进气口5通入的第一工艺气体32和第二工艺气体31均包括沉积气体和载气，该沉积气体能够在基片12上形成沉积膜层，第二工艺气体31中沉积气体的浓度低于第一工艺气体32中沉积气体的浓度，从而使主气流区7的第一工艺气体32中的有效成分(沉积气体)向副气流区8的第二工艺气体31中扩散，进而稀释工艺隔板上导气孔11对应的承载盘区域的第一工艺气体，降低基片12上该区域的沉积速率。

本发明实施例对承载盘9的材质不作具体限定，例如，承载盘9可以包括单晶硅Si<100>和Si<111>、掺杂硅、氧化硅、应变硅、锗硅、掺杂或者无掺杂多晶硅、掺杂或者无掺杂硅晶片、图案化或者非图案化晶片、绝缘体上覆硅、碳掺杂氧化硅、氮化硅、碳化硅、锗、砷化锗、玻璃、蓝宝石中的一种或多种材料，并且，承载盘9可以为多层结构，承载盘9上还可以设置有电子元件(如晶体管、DRAM等)。

为提高外延层在基片12上沉积的均匀性，优选地，如图1所示，半导体工艺设备还包括旋转机构27，旋转机构27与承载盘9的底部固定连接，用于驱动承载盘9旋转，以使得驱动承载盘9带动其上放置的基片12一同旋转，进而提高基片12各处表面与工艺气体接触并生长产生外延层的速率的均匀性。

在现有技术中，基片12上常出现边缘沉积层厚度高于中间区域沉积层厚度的缺陷，发明人经研究后发现，承载盘在工艺腔室中旋转时，承载盘会不可避免地带动其上方的工艺气体运动，使工艺气体流向基片12的边缘，致使基片12边缘处工艺气体浓度过高。

为解决上述问题，作为本发明的一种优选实施方式，在半导体工艺设备包括旋转机构27的情况下，如图2所示，导气孔11的位置与承载盘9的边缘相对应(即与承载盘9上的基片12的边缘相对应)，第二工艺气体能够通过工艺隔板10上的导气孔11进入主气流区7，从而对基片12边缘的外延层沉积速率进行调节。

在本发明实施例中，第一工艺气体和第二工艺气体优选为成分相同的工艺气体，且第二工艺气体中有效成分的浓度低于第一工艺气体有效成分的浓度。导气孔11形成在工艺隔板10的边缘，通入副气流区8的第二工艺气体能够有效降低承载盘9边缘处第一工艺气体中有效成分的浓度，从而解决由承载盘9旋转带来的承载盘9边缘处工艺气体浓度过高的问题，进而在保证不影响承载盘中心等其他位置工艺效果的前提下，消除承载盘9边缘处沉积厚度突变的缺陷。

本发明实施例对导气孔11的数量不作具体限定，例如，在导气孔11的位置与承载盘9的边缘匹配的情况下，如图2所示，导气孔11的数量可以为两个，两个导气孔11沿垂直于主气流区7中气体流动方向间隔设置。

为进一步提高两个导气孔11对基片12边缘膜层生长速率产生影响的均匀性，如图2所示，两个导气孔11分别对应设置于承载盘中心的两侧，从而使两个导气孔11对基片12的边缘各处进行影响的时间相同。

作为本发明的另一种实施方式，导气孔11的位置也可以与承载盘9的中心位置对应，以调节基片12中心位置的外延层沉积速率。此外，导气孔11还可以位于与预热环14等其余部件对应的位置。

在本发明实施例中，第二工艺气体31的作用范围仅限于承载盘上对应工艺隔板10上导气孔11的位置，例如，对基片12的中心区域进行处理时，第二工艺气体仅通过工艺隔板10上对应承载盘中心位置的导气孔11对基片中心作用。

本发明实施例对主进气口5和副进气口6的高度、数量及大小不作具体限定，例如，如图3所示，工艺腔室的内壁上可以具有多个主进气口5，多个主进气口5的形状可以为圆形，或者也可以为椭圆、矩形、圆角矩形、不规则多边形等形状。多个主进气口5之间的间隔可以为等距离对称分布，或者也可以为不等距分布或非对称分布；副进气口6的横截面形状可以为圆形。

在本方面的一些实施方式中，主进气口5和副进气口6沿长度方向可分为多段，且每段的距离、形状以及横截面面积均可以与其他段不同。

本发明实施例对第一工艺气体的成分不作具体限定，例如，第一工艺气体的成分可以为单一气体(如，用于与第二工艺气体发生反应的反应气体)或者多种气体的混合物(如，载气和混合在载气中的沉积气体)。

在本方面的一些实施方式中，第一工艺气体32包含可包含一种及以上组分气体，以实现不局限于沉积、选择性外延、掺杂或者刻蚀等目的。第一工艺气体32可以包含沉积气体(如硅源气体、硅烷、二硅烷、二氯化硅)、锗源气体(如锗烷中的一种或者多种)、掺杂气体(如锗烷、磷化氢、二硼烷、砷化氢或甲基硅烷中的一种或者多种)、刻蚀气体(如甲烷、氯化氢、氯、氟化氢中的一种或者多种)、载气(如氮气、氩气、氦气、氢气中的一种或者多种)中的一种或者多种。

在工艺腔室包括多个主进气口5的情况下，每个主进气口5的气体流速和气体种类可以实现独立的控制，每一个主进气口5可以闲置或以变化的气体流速输入所需的气体，其气种类可以为与其他进入口相同的气体，也可以是不同种类或比例的气体。

如图3所示，工艺腔室的内壁上可以具有多个副进气口6，多个副进气口6的形状可以为三角形，四边形等多种形状。

本发明对该工艺腔室的结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种优选实施方式，如图1所示，该工艺腔室可以包括基座环19、进气座块4、尾气收集座块20、上盖16和下盖22。主进气口5和副进气口6均形成在进气座块4上，排气口形成在尾气收集座块20上。基座环19具有顶开口和底开口，上盖16和下盖22分别用于密封顶开口和底开口。基座环19的侧壁上形成有位置相对的进气开口和出气开口，进气座块4设置在该进气开口中，和尾气收集座块20设置在该出气开口中。

在本发明实施例中，主进气口5和副进气口6均集成在进气座块4上，由进气座块4与基座环19的侧壁共同组成工艺腔室的内壁，降低了在工艺腔室内壁上制作进气口的难度，同时，在多个进气口存在堵塞、破损等故障时，可以单独拆下进气座块4进行修理或更换进气座块4，降低了工艺腔室的维修难度和维护成本。并且，在本发明实施例中，上盖16和下盖22分别将基座环19的上下两端密封，从而提高了工艺腔室的气密性。

需要说明的是，在本发明中，仅第一工艺气体32的流向(即主进气口5的开口朝向)需平行于基片12，副进气口6不必与承载盘9平行设置，如，副进气口6可以与主进气口5呈一定角度，使第二工艺气体与承载盘9呈一定角度进入副气流区8。

如图4所示，一部分第二工艺气体31的分支气流36通过工艺隔板10上的导气孔11垂直于承载盘9方向流向主气流区7，与第一工艺气体32发生相互作用后，沉积在基片12上，剩余气体37流向尾气收集座块20；另一部分第二工艺气体31的分支气流38直接以与第一工艺气体32相同的方向流向尾气收集座块20。

本发明实施例对第一工艺气体的成分不作具体限定，例如，第一工艺气体的成分可以为单一气体或者多种气体的混合物。

在本方面的一些实施方式中，主进气口5和副进气口6沿长度方向可分为多段，且每段的距离、形状以及横截面面积均可以与其他段不同。

第二工艺气体31可以与第一工艺气体32相同也可以不同，其成分也可以包括上述沉积气体、掺杂气体、刻蚀气体和载气中的一种或者多种。在本方面的一些实施方式中，工艺腔室包括多个副进气口6的情况下，每个副进气口6的气体流速和气体种类可以实现独立的控制，每一个副进气口6可以闲置或以变化的气体流速输入所需的气体，其气种类可以为与其他进入口相同的气体，也可以是不同种类或比例的气体。

需要说明的是，主进气口5与副进气口6的相对距离33和相对高度34也不限于图3中所示，可根据工艺需求自由调整。

为提高装卸基片的便捷性，优选地，如图1所示，该半导体工艺设备还包括基片调节组件26，基片调节组件26包括多个承载盘支撑杆24，承载盘9上形成有多个沿厚度方向贯穿承载盘9的调节孔，多个承载盘支撑杆24一一对应地穿过多个调节孔，基片调节组件26能够驱动承载盘支撑杆24进行升降运动。同时，基片调节组件26还可以调节基片12的上表面与进气口之间的距离35。

为提高半导体设备结构的紧凑型，第二工艺气体与第一工艺气体在汇合后由同一排气口排出，例如，如图1所示，排气口仅与主气流区7匹配。

本发明实施例对第二工艺气体如何与第一工艺气体汇合不作具体限定，例如，作为本发明的一种实施方式，如图1所示，工艺隔板10远离进气口一侧的边缘与工艺腔室的设有排气口的内壁之间具有排气间隙15，以便于通入的第二工艺气体与第一工艺气体汇合并由排气口一同排出。

为本发明的另一种实施方式，还可以是在工艺隔板10上形成有至少一个沿厚度方向贯穿工艺隔板10的排气通孔，该排气通孔位于工艺隔板10靠近排气口一侧的边缘。

本发明对该半导体工艺设备的用途不作具体限定，例如，该半导体工艺设备可以用于外延沉积工艺，工艺腔室的材质可以为石英，以满足外延沉积工艺对于腔室的要求。

本发明实施例对工艺隔板10的材质不作具体限定，例如，工艺隔板10的材质可以与工艺腔室中部件(如，上盖13)的材质相同，例如，工艺隔板10的材质可以为石英。

本发明实施例对上盖16和下盖22如何与基座环19固定连接不作具体限定，例如，如图1所示，该工艺腔室还可以包括上法兰18和下法兰23，上盖16通过上法兰18与基座环19固定连接，下盖22通过下法兰23与基座环19固定连接。

为进一步提高工艺腔室的气密性，优选地，如图1所示，在上盖16与上法兰18以及基座环19的接触面之间还设置有垫圈17等密封部件，同样在下盖22与下法兰23以及基座环19的接触面之间也设置有垫圈17等密封部件。

本发明实施例对上盖16的形状不作具体限定，例如，上盖16的形状可以为图1所示的反曲型，也可以为平面或圆拱形等形状。

本发明实施例对如何调节工艺腔室中的温度不作具体限定，例如，如图1所示，上盖16的上方还配置有上加热灯2和相应的上温度感应器3，同样地下盖22的下方还可以配置有下加热灯30和相应的下温度感应器29。

其中，加热灯的数量不限于一个，排布方式可以为环形排布或阶梯状排布。

为提高工艺腔室中温度场的均匀性，优选地，如图1、图2所示，该半导体工艺设备还可以包括预热环14，预热环14环绕承载盘9设置在工艺腔室中。预热环14的形状可以为圆环形，或者也可以为其他形状，例如，矩形、多边形、卵形等形状。

本发明实施例对如何固定预热环14不作具体限定，例如，预热环14可以固定设置在下内衬28上。

本发明实施例对工艺隔板10如何设置在该工艺腔室中不作具体限定，例如，在本方面的一些实施方式中，工艺隔板10可以与上盖16焊接为一体。

为降低半导体工艺设备的维护成本，如图1所示，半导体设备还包括下内衬28，下内衬28环绕承载盘9设置在工艺腔室中，且下内衬28设置在下盖22上，工艺隔板10设置在下内衬28上。

在本发明提供的半导体工艺设备中，第一工艺气体仅由工艺隔板10下方的主气流区7流向排气口，第二工艺气体流经工艺隔板10上方的副气流区8，并且，主气流区7中的第一工艺气体与副气流区8中的第二工艺气体能够通过工艺隔板10上的导气孔11接触，从而能够在避免第一工艺气体和第二工艺气体相互冲击产生湍流的同时，通过导气孔11精确地改变基片12部分位置的外延层沉积速度，从而提高了外延层在基片12上沉积的均匀性和基片12各位置外延层沉积速率的可控性。

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，包括工艺腔室和设置在所述工艺腔室中的承载盘，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括工艺隔板，所述工艺隔板与所述承载盘平行设置，所述工艺隔板与所述承载盘之间形成有主气流区，所述工艺隔板背离与所述承载盘的一侧形成有副气流区；所述工艺腔室的内壁上设有进气口和排气口，所述进气口和所述排气口分别位于所述承载盘的两侧，所述进气口包括至少一个与所述主气流区位置对应的主进气口和至少一个与所述副气流区位置对应的副进气口，且所述工艺隔板上形成有至少一个沿厚度方向贯穿所述工艺隔板的导气孔；其中，所述主气流区用于通入成膜所需的第一工艺气体，所述副气流区用于通入稀释所述第一工艺气体的第二工艺气体，所述导气孔用于调整所述主气流区中与所述导气孔对应的位置的反应速率。

2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括旋转机构，所述旋转机构与所述承载盘的底部固定连接，用于驱动所述承载盘旋转。

3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述导气孔的位置与所述承载盘的边缘相对应。

4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述导气孔的数量为两个，两个所述导气孔沿垂直于所述主气流区中气体流动方向间隔设置。

5.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺隔板的边缘与所述工艺腔室的设有所述排气口的内壁之间具有排气间隙。

6.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺隔板上形成有排气通孔，所述排气通孔位于所述工艺隔板靠近所述排气口一侧的边缘。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述副进气口的横截面形状为圆形。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺腔室包括基座环、进气座块、尾气收集座块、上盖和下盖，所述主进气口和所述副进气口均形成在所述进气座块上，所述排气口形成在所述尾气收集座块上，所述基座环具有顶开口和底开口，所述上盖和所述下盖分别用于密封所述顶开口和所述底开口；

所述基座环的侧壁上形成有位置相对的进气开口和出气开口，所述进气座块设置在所述进气开口中，所述尾气收集座块设置在所述出气开口中。

9.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体设备还包括下内衬，所述下内衬环绕所述承载盘设置在所述工艺腔室中，且所述下内衬设置在所述下盖上，所述工艺隔板设置在所述下内衬上。

10.根据权利要求8所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述工艺隔板与所述上盖焊接连接。

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