CN112359422B - 半导体工艺腔室及半导体加工设备 - Google Patents

半导体工艺腔室及半导体加工设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种半导体工艺腔室及半导体加工设备，该半导体工艺腔室包括腔体、设置在该腔体中的晶圆承载装置和设置在晶圆承载装置底部的保温结构，该保温结构包括保温主体，设置在腔体内，用以对腔体内部进行保温，且在保温主体中设置有气体通道，该气体通道包括多个出气口，多个出气口沿保温主体的周向间隔分布在保温主体的外周壁上；旋转驱动机构，用于驱动保温主体围绕其轴线旋转；以及，进气管路，其出气端与气体通道的进气口相连通，进气管路的进气端延伸至腔体的外部，用于与指定气源连接。本发明实施例提供的半导体工艺腔室及半导体加工设备的技术方案，可以提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。

Description

半导体工艺腔室及半导体加工设备
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种半导体工艺腔室及半导体加工设备。
背景技术
在诸如立式扩散炉等的半导体加工设备中，均匀性一直是工艺考量的重要项目，其不仅影响晶圆的质量，也直接影响设备的产能。尤其是设备的底部与顶部，因其与外界及设备其它部分之间存在热交换，且气流在腔室两端变化较大，通常设备底部与顶部中的气体分布不均匀，尤其是腔室周向上的均匀性较难保证。
因此，目前亟需一种能够改善工艺均匀性的半导体加工设备。
发明内容
本发明实施例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腔室及半导体加工设备，其可以提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种半导体工艺腔室，包括腔体、设置在所述腔体中的晶圆承载装置和设置在所述晶圆承载装置底部的保温结构，其中，所述保温结构包括：
保温主体，设置在所述腔体内，用以对所述腔体内部进行保温，且所述保温主体中设置有气体通道，所述气体通道包括多个出气口，多个所述出气口沿所述保温主体的周向间隔分布在所述保温主体的外周壁上；
旋转驱动机构，用于驱动所述保温主体围绕其轴线旋转；以及，
进气管路，所述进气管路的出气端与所述气体通道的进气口相连通，所述进气管路的进气端延伸至所述腔体的外部，用于与指定气源连接。
可选的，所述保温主体包括：
多个隔热件，沿竖直方向间隔设置，且每个所述隔热件中均设置有第一空腔以及与所述第一空腔相连通的多个第一通孔，其中，所述第一通孔的出气端用作所述出气口，且多个所述出气端沿所述隔热件的周向分布在所述隔热件的外周壁上；以及，
连接结构，与各个所述隔热件连接，用以支撑各个所述隔热件，且在所述连接结构中设置有第二空腔，所述第二空腔与各个所述第一空腔相连通以构成所述气体通道，且所述第二空腔与所述进气管路的出气端相连通。
可选的，所述连接结构包括多个支撑件，在最下层的所述隔热件下方以及各个相邻的两个所述隔热件之间均设置有所述支撑件；并且，每个所述支撑件中均设置有连接通道；其中，位于最下层的所述隔热件下方的所述支撑件中的所述连接通道分别与该隔热件中的所述第一空腔和所述进气管路的出气端相连通；
位于各个相邻的两个所述隔热件之间的各个所述支撑件中的所述连接通道分别与相邻的两个所述隔热件中的所述第一空腔相连通。
可选的，每个所述支撑件均包括间隔设置的多个支撑柱，每个所述支撑柱竖直设置，且每个所述支撑柱中设置有沿其轴向贯通的第二通孔，用作所述连接通道。
可选的，每个所述隔热件包括中空的平板状壳体，且水平设置，并且所述平板状壳体的外侧壁为向外凸出的半圆形，各个所述第一通孔设置在所述外侧壁的中间位置处。
可选的，所述旋转驱动机构包括：
转盘结构，设置在所述腔体内，且位于所述保温主体的下方，用于支撑所述保温主体；
旋转轴，所述旋转轴的上端与所述转盘结构连接，所述旋转轴的下端竖直向下延伸至所述腔体的外部；
旋转驱动源，与所述旋转轴连接，用以驱动所述旋转轴旋转；以及，
密封结构，用以密封所述旋转轴与所述腔体之间的间隙。
可选的，所述转盘结构包括：
基座，用于支撑所述保温主体；以及，
转盘，位于所述基座的下方，且分别与所述基座和所述旋转轴连接；并且，在所述转盘与所述基座之间形成有进气空间，所述进气空间与所述气体通道相连通；所述进气管路的出气端由下而上贯通所述旋转轴，且与所述进气空间相连通。
可选的，所述密封结构包括：
磁流体轴承，套设在所述旋转轴上，且与所述旋转轴相配合，并且所述磁力体轴承与所述腔体固定连接；以及，
密封件，设置在所述磁流体轴承与所述腔体之间，用以对二者之间的间隙进行密封。
可选的，所述进气管路通过旋转接头与所述指定气源可旋转的密封连接。
可选的，所述半导体工艺腔室还包括至少一个第一工艺气体管路，所述第一工艺气体管路的出气端延伸至所述腔体内，且位于所述保温主体外侧的靠近其底部的位置处。
可选的，所述第一工艺气体管路为多个，且沿所述腔体的周向间隔设置。
可选的，所述半导体工艺腔室还包括多个第二工艺气体管路，多个所述第二工艺气体管路用于分别与提供不同种类的工艺气体的多个气源连接，其中，各个所述第二工艺气体管路的进气端用于一一对应地与各个所述气源连接，各个所述第二工艺气体管路的出气端均与所述进气管路的进气端连接。
可选的，所述腔体包括：
外管体，所述外管体的上端封闭，下端敞开；
歧管管体，与所述外管体的下端对接，且所述歧管管体的上端和下端均敞开；并且，在所述歧管管体上设置有排气管路；
内管体，套设在所述外管体和所述歧管管体中，且所述内管体的上端和下端均敞开，并且所述内管体与所述外管体和所述歧管管体之间形成环形空间，所述环形空间的上端通过所述内管体的上端与所述内管体的内部相连通，所述环形空间的下端封闭；所述保温结构设置在所述内管体内；
工艺门，与所述歧管管体的下端可分离的密封连接，所述旋转驱动机构设置在所述工艺门上。
作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体加工设备，包括本发明实施例提供的上述半导体工艺腔室，以及套设在所述半导体工艺腔室外部，用于加热所述半导体工艺腔室的加热器。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例提供的半导体工艺腔室，其保温结构不仅具有保温作用，还具有提高工艺均匀性的作用，具体来说，通过在保温主体中设置气体通道，该气体通道具有多个出气口，且沿保温主体的周向间隔分布在其外周壁上，在工艺时，在旋转驱动机构的驱动下，保温主体能够围绕其轴线旋转，同时由指定气源提供的工艺气体(例如反应气体和/或惰性气体)可以经由进气管路输送至上述气体通道中，该气体通道中的工艺气体从保温主体的外周壁上的各个出气口流出时，会在保温主体的旋转运动的作用下形成螺旋上升的气流，这种气流在平行于晶圆表面的方向上具有较大的分速度，有助于提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述半导体工艺腔室，可以提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的半导体加工设备的结构图；
图2为本发明实施例提供的半导体工艺腔室的局部结构图；
图3为图2中A区域的放大图；
图4为本发明实施例采用的指定气源的气路图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的半导体工艺腔室及半导体加工设备进行详细描述。
为了便于理解，下文中提到的能够输送气体的管路、通道或者通孔等的相关气体输送结构中，气体流入该气体输送结构的一端为“进气端”，气体从气体输送结构流出的一端为“出气端”。
本发明实施例提供一种半导体加工设备，其包括半导体工艺腔室和套设在该半导体工艺腔室外部的加热器。该加热器用于对半导体工艺腔室进行加热，以使其内部的晶圆达到期望温度。例如，如图1所示，半导体加工设备为立式扩散炉100，其工艺腔室由腔体1的内部空间构成，该腔体1呈管状，加热器2呈筒状，且套设在腔体1的外部。
本发明实施例还提供一种半导体工艺腔室，其例如应用于图1示出的上述半导体加工设备中。如图1所示，该半导体工艺腔室包括腔体1、设置在该腔体1中的晶圆承载装置3和设置在该晶圆承载装置3底部的保温结构5，其中，晶圆承载装置3例如为片舟，用于承载多个晶圆，且使晶圆在竖直方向上间隔设置。腔体1包括外管体11、歧管管体13、内管体12和工艺门4，其中，外管体11的上端封闭，下端敞开；歧管管体13与外管体11的下端对接，且该歧管管体13的上端和下端均敞开；并且，在歧管管体13上设置有排气管路15；内管体12套设在外管体11和歧管管体13中，且内管体12的上端和下端均敞开，内管体12所围成的空间即为工艺空间，晶圆承载装置3位于该工艺空间中。并且，内管体12与外管体11和歧管管体13之间形成环形空间14，该环形空间14的上端通过内管体12的上端与内管体12的内部相连通，环形空间14的下端封闭，内管体12中的气体可以依次经由环形空间14和排气管路15排出。
工艺门4与歧管管体13的下端可分离的密封连接，用以封闭内管体12的下端，以使内管体12的内部形成封闭空间。并且，保温结构5位于内管体12内，且设置在工艺门4上，当工艺门4相对于歧管管体13下降时，可以带动保温结构5和其上方的晶圆承载装置3同步下降，以使晶圆承载装置3移出内管体12；当工艺门4相对于歧管管体13上升时，可以带动保温结构5和其上方的晶圆承载装置3同步上升，以使晶圆承载装置3移入内管体12中。
另外，上述加热器2套设在外管体11的外部，用以对腔体1进行加热，该加热器2可以与外管体11固定连接，或者加热器2和外管体11也可以固定在同一机架上，还可以分别固定在不同的机架上。
保温结构5包括保温主体、旋转驱动机构和进气管路6，其中，保温主体设置在内管体12内，用以对内管体12内部进行保温，且在保温主体中设置有气体通道，该气体通道包括多个出气口，多个出气口沿保温主体的周向间隔分布在保温主体的外周壁上。保温主体的结构可以有多种，例如，如图2所示，保温主体包括多个隔热件51和连接结构52，其中，多个隔热件51沿竖直方向间隔设置，以起到隔热保温的作用。并且，每个隔热件51中均设置有第一空腔511以及与该第一空腔511相连通的多个第一通孔512，多个第一通孔512的出气端用作上述气体通道的出气口，且多个第一通孔512的出气端沿隔热件51的周向分布在隔热件51的外周壁上。
隔热件51的结构可以有很多种，例如，如图3所示，在本实施例中，每个隔热件51包括中空的平板状壳体，且水平设置，并且该平板状壳体的外侧壁为向外凸出的半圆形，各个第一通孔512设置在平板状壳体的外侧壁的中间位置处。这样，各个第一通孔512位于隔热件51的最大外径处，从而自各个第一通孔512流出的气体不会受到平板状壳体的外侧壁的阻挡，进而更有利于形成螺旋向上的气流。
连接结构52与各个隔热件51连接，用以支撑各个隔热件51，且在连接结构52中设置有第二空腔，该第二空腔与各个第一空腔相连通，以构成上述气体通道，且第二空腔与进气管路6的出气端相连通。具体地，上述连接结构52例如可以包括多个支撑件，在最下层的隔热件51下方以及各个相邻的两个隔热件51之间均设置有上述支撑件，用以起到支撑作用；并且，每个支撑件中均设置有连接通道；其中，位于最下层的隔热件51下方的支撑件中的连接通道分别与该隔热件中的第一空腔和进气管路6的出气端相连通。并且，位于各个相邻的两个隔热件51之间的各个支撑件中的连接通道分别与相邻的两个隔热件51中的第一空腔511相连通。
上述支撑件的结构可以有多种，例如，每个支撑件均包括间隔设置的多个支撑柱，如图2所示，每个支撑件均包括间隔设置的两个支撑柱，其中，在最下层的隔热件51下方设置有两个支撑柱(521a，521b)；各个相邻的两个隔热件51之间均设置有两个支撑柱(521c，521d)。并且，每个支撑柱竖直设置，且每个支撑柱中设置有沿其轴向贯通的第二通孔522，用作上述支撑件的连接通道；其中，两个支撑柱(521a，521b)中的第二通孔522分别与最下层的隔热件51中的第一空腔511和进气管路6的出气端相连通；两个支撑柱(521c，521d)中的第二通孔522分别与各个相邻的两个隔热件51中的第一空腔511相连通。
进气管路6中的工艺气体由下而上依次经由各个支撑柱中的第二通孔522流入各个第一空腔511，然后经由各个第一通孔512流入内管体12中。
在本实施例中，如图2所示，旋转驱动机构用于驱动保温主体围绕其轴线旋转，以使由各个第一通孔512流出的气体能够在保温主体旋转过程中形成螺旋向上的气流。旋转驱动机构的结构可以有多种，如图2所示，旋转驱动机构包括转盘结构53、旋转轴54、旋转驱动源(图中未示出)和密封结构，其中，转盘结构53设置在内炉体12内，且位于保温主体的下方，用于支撑上述保温主体。该转盘结构可以有多种结构，例如，转盘结构53包括基座531和转盘532，其中，基座531用于支撑保温主体；转盘532位于基座531的下方，且分别与基座531和旋转轴54连接；并且，在转盘532与基座531之间形成有进气空间533，该进气空间533与上述气体通道(具体与最下层的两个支撑柱(521a，521b))相连通；进气管路6的出气端由下而上贯通旋转轴54，且与上述进气空间533相连通。借助上述转盘结构53，既可以支撑保温主体，又可以将进气管路7与上述气体通道相连通。
旋转轴54的上端与转盘结构53连接，旋转轴54的下端竖直向下延伸至腔体1的外部，并与旋转驱动源连接；旋转驱动源用于驱动旋转轴54旋转，该旋转驱动源例如为旋转电机。
密封结构用于密封旋转轴54与腔体1之间的间隙，在本实施例中，旋转轴54贯通工艺门4，密封结构用于密封旋转轴54与工艺门4之间的间隙，同时又保证旋转轴54能够旋转。密封结构可以有多种结构，例如密封结构包括磁流体轴承55和密封件56，其中，磁流体轴承55套设在旋转轴54上，且与旋转轴54相配合，并且磁力体轴承55与工艺门4固定连接；密封件56设置在磁流体轴承55与工艺门4之间，用以对二者之间的间隙进行密封。密封件56例如为密封圈。
在本实施例中，进气管路6的出气端与上述保温主体的气体通道的进气口相连通，进气管路6的进气端竖直向下贯通工艺门4，并延伸至腔体1的外部，用于与指定气源(图中未示出)连接。为了实现进气管路6能够随旋转轴54旋转，进气管路6的进气端设置有旋转接头7，其能够与指定气源可旋转的密封连接。旋转接头7例如为万向接头。
在本实施例中，半导体工艺腔室还包括至少一个第一工艺气体管路，该第一工艺气体管路的出气端延伸至腔体1内，且位于保温主体外侧的靠近其底部的位置处。如图1所示，第一工艺气体管路包括三个，分别为第一工艺气体管路16、17和18，其中，对于低压化学沉积SiN工艺，第一工艺气体管路16和17分别用于向内管体12内通入NH3和SiH2Cl2，二者上升过程中不断反应生成工艺所需生成物Si3N4。另外，第一工艺气体管路18用于向环形空间14中通入诸如氮气或氦气等的惰性气体，用以吹扫腔体1的内部。
在一些实施例中，为了提高工艺气体在腔体1中的分布均匀性，上述第一工艺气体管路16、17和18沿腔体1的周向间隔设置。
在一些实施例中，半导体工艺腔室还包括多个第二工艺气体管路，多个第二工艺气体管路用于分别与提供不同种类的工艺气体的多个气源连接。例如，对于低压化学沉积SiN工艺，如图4所示，上述指定气源包括三种不同的工艺气体的气源，分别为NH3、SiH2Cl2和诸如氮气或氦气等的惰性气体的气源8a、8b和8c；第二工艺气体管路为三个，分别为81a、81b和81c，各个第二工艺气体管路的进气端用于一一对应地与各个气源连接，各个第二工艺气体管路的出气端均与进气管路6的进气端连接。这样，不同的第二工艺气体管路能够将NH3、SiH2Cl2和诸如氮气或氦气等的惰性气体工艺气体输送至进气管路6中，该进气管路6再将混合后的气体输送至上述保温主体的气体通道中。在实际应用中，可以根据不同的工艺需要，在进行工艺时选择通入工艺腔室的气体种类，例如可以仅通入反应气体，或者仅通入惰性气体，也可以同时通入反应气体和惰性气体。
在一些实施例中，在每个第二工艺气路上均设置有通断阀(包括但不限于手动阀82、两个气动阀86)、过滤器83、压力调节阀84、压力检测单元85和气体流量调节单元87。其中，压力检测单元85例如为压力计；气体流量调节单元87例如为气体质量流量控制器(MFC)。
本发明实施例提供的半导体工艺腔室，其保温结构不仅具有保温作用，还具有提高工艺均匀性的作用，具体来说，通过在保温主体中设置气体通道，该气体通道具有多个出气口，且沿保温主体的周向间隔分布在其外周壁上，在工艺时，在旋转驱动机构的驱动下，保温主体能够围绕其轴线旋转，同时由指定气源提供的工艺气体(例如反应气体和/或惰性气体)可以经由进气管路输送至上述气体通道中，该气体通道中的工艺气体从保温主体的外周壁上的各个出气口流出时，会在保温主体的旋转运动的作用下形成螺旋上升的气流，这种气流在平行于晶圆表面的方向上具有较大的分速度，有助于提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
作为另一个技术方案，本发明实施例提供的半导体加工设备，其通过采用本发明实施例提供的上述工艺腔室，可以提高在腔体周向上的气体分布均匀性，从而可以提高工艺均匀性。
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 (14)

1.一种半导体工艺腔室，其特征在于，包括腔体、设置在所述腔体中的晶圆承载装置和设置在所述晶圆承载装置底部的保温结构，其中，所述保温结构包括：
保温主体，设置在所述腔体内，用以对所述腔体内部进行保温，且所述保温主体中设置有气体通道，所述气体通道包括多个出气口，多个所述出气口沿所述保温主体的周向间隔分布在所述保温主体的外周壁上，且所述出气口朝向所述腔体的径向设置，所述保温主体具有向外凸出且为半圆形的外侧壁，所述外侧壁的中间位置处开设有第一通孔，所述第一通孔的出气端为所述出气口；
旋转驱动机构，用于驱动所述保温主体围绕其轴线旋转；以及，
进气管路，所述进气管路的出气端与所述气体通道的进气口相连通，所述进气管路的进气端延伸至所述腔体的外部，用于与指定气源连接；
其中，所述指定气源提供的工艺气体能够经由所述进气管路输送至所述气体通道中，所述气体通道中的工艺气体从所述保温主体的外周壁上的各个出气口流出时，能够在所述保温主体的旋转作用下形成螺旋上升的气流。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述保温主体包括：
多个隔热件，沿竖直方向间隔设置，且每个所述隔热件中均设置有第一空腔以及与所述第一空腔相连通的多个所述第一通孔，其中，多个所述出气端沿所述隔热件的周向分布在所述隔热件的外周壁上；以及，
连接结构，与各个所述隔热件连接，用以支撑各个所述隔热件，且在所述连接结构中设置有第二空腔，所述第二空腔与各个所述第一空腔相连通以构成所述气体通道，且所述第二空腔与所述进气管路的出气端相连通。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述连接结构包括多个支撑件，在最下层的所述隔热件下方以及各个相邻的两个所述隔热件之间均设置有所述支撑件；并且，每个所述支撑件中均设置有连接通道；其中，位于最下层的所述隔热件下方的所述支撑件中的所述连接通道分别与该隔热件中的所述第一空腔和所述进气管路的出气端相连通；
位于各个相邻的两个所述隔热件之间的各个所述支撑件中的所述连接通道分别与相邻的两个所述隔热件中的所述第一空腔相连通。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺腔室，其特征在于，每个所述支撑件均包括间隔设置的多个支撑柱，每个所述支撑柱竖直设置，且每个所述支撑柱中设置有沿其轴向贯通的第二通孔，用作所述连接通道。
5.根据权利要求2所述的半导体工艺腔室，其特征在于，每个所述隔热件包括中空的平板状壳体，且水平设置，并且所述平板状壳体的外侧壁为向外凸出的半圆形。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述旋转驱动机构包括：
转盘结构，设置在所述腔体内，且位于所述保温主体的下方，用于支撑所述保温主体；
旋转轴，所述旋转轴的上端与所述转盘结构连接，所述旋转轴的下端竖直向下延伸至所述腔体的外部；
旋转驱动源，与所述旋转轴连接，用以驱动所述旋转轴旋转；以及，
密封结构，用以密封所述旋转轴与所述腔体之间的间隙。
7.根据权利要求6所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述转盘结构包括：
基座，用于支撑所述保温主体；以及，
转盘，位于所述基座的下方，且分别与所述基座和所述旋转轴连接；并且，在所述转盘与所述基座之间形成有进气空间，所述进气空间与所述气体通道相连通；所述进气管路的出气端由下而上贯通所述旋转轴，且与所述进气空间相连通。
8.根据权利要求6所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述密封结构包括：
磁流体轴承，套设在所述旋转轴上，且与所述旋转轴相配合，并且所述磁流体轴承与所述腔体固定连接；以及，
密封件，设置在所述磁流体轴承与所述腔体之间，用以对二者之间的间隙进行密封。
9.根据权利要求1所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述进气管路通过旋转接头与所述指定气源可旋转的密封连接。
10.根据权利要求1所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述半导体工艺腔室还包括至少一个第一工艺气体管路，所述第一工艺气体管路的出气端延伸至所述腔体内，且位于所述保温主体外侧的靠近其底部的位置处。
11.根据权利要求10所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述第一工艺气体管路为多个，且沿所述腔体的周向间隔设置。
12.根据权利要求1、10-11中的任意一项所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述半导体工艺腔室还包括多个第二工艺气体管路，多个所述第二工艺气体管路用于分别与提供不同种类的工艺气体的多个气源连接，其中，各个所述第二工艺气体管路的进气端用于一一对应地与各个所述气源连接，各个所述第二工艺气体管路的出气端均与所述进气管路的进气端连接。
13.根据权利要求1所述的半导体工艺腔室，其特征在于，所述腔体包括：
外管体，所述外管体的上端封闭，下端敞开；
歧管管体，与所述外管体的下端对接，且所述歧管管体的上端和下端均敞开；并且，在所述歧管管体上设置有排气管路；
内管体，套设在所述外管体和所述歧管管体中，且所述内管体的上端和下端均敞开，并且所述内管体与所述外管体和所述歧管管体之间形成环形空间，所述环形空间的上端通过所述内管体的上端与所述内管体的内部相连通，所述环形空间的下端封闭；所述保温结构设置在所述内管体内；
工艺门，与所述歧管管体的下端可分离的密封连接，所述旋转驱动机构设置在所述工艺门上。
14.一种半导体加工设备，其特征在于，包括权利要求1-13任意一项所述的半导体工艺腔室，以及套设在所述半导体工艺腔室外部，用于加热所述半导体工艺腔室的加热器。
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