CN113445123B - 半导体腔室的进排气结构和半导体腔室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体腔室的进排气结构和半导体腔室，其中进排气结构设置于半导体腔室的上下盖之间，其特征在于，进排气结构包括：环形主体和朝向半导体腔室内部延伸设置的环形支撑部，其中，环形支撑部的内缘用于承载半导体腔室的预热环，且环形支撑部的上方为上腔室，环形支撑部的下方为下腔室；环形主体具有向上腔室通气的进气通道以及将上腔室气体排出的排气通道；环形支撑部靠近排气通道的一侧具有连通上腔室和下腔室的纵向贯穿孔，下腔室中的气体经纵向贯穿孔沿排气通道排出。本发明纵向贯通孔与排气通道距离更近，压力更低，下腔室的氢气会趋向于流向压力更低的纵向贯通孔，避免出现下腔室的氢气与工艺气体碰撞产生紊流的情况。

Description

半导体腔室的进排气结构和半导体腔室
技术领域
本发明涉及半导体设备领域，更具体地，涉及一种半导体腔室的进排气结构和半导体腔室。
背景技术
外延工艺是在高温下，向晶圆输送反应气体，反应气体在晶圆表面进行化学反应，沉积一层单晶外延薄膜的一种工艺。外延工艺中需要精确调控很多工艺参数，来实现较高的器件性能。其中，外延层的厚度均匀性，是外延片的关键参数之一。
减压式外延是腔室工艺压力在20torr-100torr的一种外延方法，外延过程中，如图1所示，工艺气体的进排气结构由上环件30以及下环件31对接形成，工艺气体自上环件52与下环件51对接形成的进气通道6流经预热环1、托盘2，到达托盘2上的晶圆(图中未示出)表面，由上环件30与下环件31对接形成的尾气排出口32排出，同时氢气从腔室下方流经预热环1与托盘2间的间隙4，与工艺气体汇合，一起沿尾气排出口32排出。预热环1放置在下环件31内圈台阶上，下环件31在尾气方向外圈边缘有一个与尾气排出口32同宽的台阶，工艺气流流过晶圆与预热环1表面，沿下环件31的台阶从尾气排出口32排出。在晶圆的边界，横向流通的工艺气体会相互碰撞或者同腔室下方上来的氢气产生碰撞，在托盘2边缘产生紊流，导致晶圆的边缘会有一定程度的厚度突变，影响外延工艺中晶圆沉积薄膜(外延层)的厚度均匀性。
因此，如何改善气流流通的通道，加快晶圆外侧的气体流动速度，引导工艺气体与腔室下方氢气流通方向，减少托盘附近产生紊流，改善晶圆外延层边缘厚度分布情况，是目前研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提出一种半导体腔室的进排气结构和半导体腔室，能够引导工艺气体与下腔室中氢气流通方向，避免了工艺气体相互碰撞，或者和下腔室上来的氢气产生碰撞，改善了晶圆上沉积薄膜边缘厚度的分布情况，优化厚度均匀性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种半导体腔室的进排气结构，所述进排气结构设置于所述半导体腔室的上下盖之间，所述进排气结构包括：环形主体和朝向所述半导体腔室内部延伸设置的环形支撑部，其中，
所述环形支撑部的内缘用于承载所述半导体腔室的预热环，且所述环形支撑部的上方为上腔室，所述环形支撑部的下方为下腔室；
所述环形主体具有向所述上腔室通气的进气通道以及将所述上腔室气体排出的排气通道；所述环形支撑部靠近所述排气通道的一侧具有连通所述上腔室和下腔室的纵向贯穿孔，所述下腔室中的气体经所述纵向贯穿孔沿所述排气通道排出。
可选方案中，所述环形主体包括上环体和下环体，两者对接形成所述进气通道，所述排气通道设置在所述下环体中，且所述环形支撑部与所述下环体内侧固定连接，且所述排气通道的进气口朝向所述上环体设置，所述排气通道的出气口位于所述下环体的外周壁上。
可选方案中，所述纵向贯穿孔的数量为多个，多个所述纵向贯穿孔在所述环形支撑部的分布区域呈弧形。
可选方案中，所述排气通道的进气口的数量为多个，多个所述进气口在所述下环体的分布区域呈弧形，所述排气通道的出气口为两个。
可选方案中，所述下环体包括可拆卸连接的第一组件和第二组件，其中，所述第一组件呈环形，所述环形支撑部设置在所述第一组件的内缘上，所述第一组件的外缘具有第一缺口部，所述第二组件呈圆弧形，所述第二组件的内缘具有第二缺口部，所述第一缺口部和所述第二缺口部相对，构成所述排气通道，且所述排气通道的出气口位于所述第二组件的外周面上。
可选方案中，所述环形支撑部与所述第一组件一体成型设置，且二者在所述排气通道所在侧的朝向所述上环体的一侧包括三个台阶面，其中第一台阶面用于承载所述预热环，第二台阶面设有所述纵向贯穿孔，第三台阶面设有多个第一半圆缺口，所述第一组件朝向所述第二组件的一面还设有第一凹部，多个所述第一半圆缺口和所述第一凹部构成所述第一缺口部；所述第二组件的朝向所述上环体的一侧的设有多个第二半圆缺口，所述第二组件的朝向朝向所述第一组件的一面还设有第二凹部，多个所述第二半圆缺口和所述第二凹部构成所述第二缺口部，所述出气口与所述第二凹部连通。
可选方案中，所述第一组件和所述第二组件还包括相互配合卡接结构，所述第一组件和所述第二组件通过所述卡接结构可拆卸连接。
可选方案中，所述卡接结构包括：设置于所述第一组件上的第一卡钩，设置于所述第二组件上的第二卡钩，所述第一卡钩和所述第二卡钩相互卡接。
本发明还提供了一种半导体腔室，包括上盖、下盖、设置在所述上盖与所述下盖之间的进排气结构，旋转基座以及预热环，其中，所述上盖、所述进排气结构以及所述下盖三者形成所述半导体腔室的腔体，所述旋转基座以及所述预热环设置在所述腔体中，所述进排气结构采用如权利要求1至8任一项的所述的进排气结构。
可选方案中，所述旋转基座上还设置有托盘，所述预热环与所述托盘之间具有预设间隙。
本发明的有益效果在于：
本发明通过在进排气结构中的环形支撑部开进排气通道的一侧上设置连通上下腔室的纵向贯穿孔，纵向贯通孔与排气通道距离更近，压力更低，下腔室的氢气会趋向于流向压力更低的纵向贯通孔，避免了下方气体由预热环和托盘间的间隙排出，避免出现下腔室的氢气与工艺气体碰撞产生紊流的情况；同时，纵向贯通孔与排气通道距离更近，压力更低，预热环外边缘的气压更低，工艺气体由进气通道流向排气通道，晶圆边缘的工艺气流有向外扩散的趋势，可以加快边缘气体流速，避免晶圆边缘工艺气体相互碰撞，实现晶圆上方的气流为层流，有利于晶圆沉积的外延层的均匀性。本发明能够引导上腔室的工艺气体和下腔室上来的氢气的流通方向，避免了工艺气体之间的相互碰撞，或者与下腔室经原来预热环与托盘之间间隙流入的氢气产生碰撞，改善了晶圆边缘厚度分布，优化了厚度均匀性。
同时，外延工艺时，尾气会沉积大量固态或液态副产物，容易堵塞排气通道的进气口，本申请中下环体进一步包括可拆卸连接的第一组件和第二组件，该设计方便进排气结构的拆装，防止堵塞排气通道的进气口，利于清洗。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了现有技术中半导体腔室的结构示意图。
图2示出了根据本发明一实施例的半导体腔室的剖视图。
图3示出了根据本发明一实施例的半导体腔室的环形支撑部与下环体组合的俯视图。
图4示出了根据本发明一实施例的半导体腔室的下环体为分体结构，且环形支撑部与下环体为一体成型结构的拆分俯视图。
图5A为图4中沿B-B方向的截面图。
图5B示出了根据本发明一实施例的第二组件的截面图。
图6示出了根据本发明一实施例的卡接结构结构相互卡接的示意图。
图7示出了根据本发明一实施例第二组件的右视图。
标号说明
1-预热环；2-托盘；3-出气口；4-间隙；51-下环体；52-上环体；71-上盖；91-下盖；6-进气通道；7-上腔室；8-旋转基座；9-下腔室；10-第一组件；11-纵向贯穿孔；100-环形支撑部；110-排气通道；20-第二组件；21-进气口；22-空腔；101-第一台阶面；102-第二台阶面；103-第三台阶面；201-第一半圆缺口；202-第二半圆缺口；203-第一凹部；204-第二凹部；205-第二卡钩；206-第一卡钩；30-上环件；31-下环件；32-尾气排出口。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，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例所限制。相反，提供这些实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明一实施例提供了一种半导体腔室的进排气结构，图2示出了本实施例中半导体腔室的进排气结构的俯视图，图3示出了本实施例的半导体腔室的下环体为分体结构的拆分俯视图。图4示出了根据本发明一实施例的半导体腔室的剖视图。
请参照图2至图4，本申请提供的半导体腔室包括上盖71和下盖91，以及设置在半导体腔室的上盖71和下盖91之间的进排气结构，具体地，进排气结构设置于半导体腔室的上盖71和下盖91之间，进排气结构与上盖71以及下盖91围成该半导体腔室的腔体。
该进排气结构用于向腔体内输送工艺气体并将腔体内的气体排出，包括：环形主体和朝向半导体腔室内部延伸设置的环形支撑部100，其中，环形支撑部100的内缘用于承载半导体腔室的预热环1，且环形支撑部100的上方为上腔室7，环形支撑部100的下方为下腔室9。一般而言，上腔室7提供工艺气体流通空间，该区域内为工艺区，实现在晶圆表面沉积薄膜。下腔室9内会自下方向上通入吹扫气体(如氢气)。
环形主体可以为一体成型设置，也可以为上下分体设置，环形支撑部与环形主体可以为一体成型设置，环形支撑部也可以装配在环形主体上，环形主体具有向上腔室7通气的进气通道6以及将上腔室7气体排出的排气通道110(图2椭圆虚线框中所示)；环形支撑部100靠近排气通道110的一侧具有连通上腔室7和下腔室9的纵向贯穿孔11，下腔室9中的气体经纵向贯穿孔11沿排气通道110排出。
半导体腔室内部设有旋转基座8，旋转基座8的上方设有托盘2，托盘2和预热环1在同一水平面上，托盘2上承载晶圆(图中未示出)，托盘2的外边缘与预热环1的内边缘具有间隙4。具体地，半导体腔室腔体内空间中位于环形支撑部100上方为上腔室7，位于环形支撑部100下方为下腔室9。
环形主体的进气通道6和排气通道110相对设置(图2中左侧设有进气通道6，右侧设有排气通道110)，且环形支撑部100靠近排气通道110的一侧具有连通上腔室7和下腔室9的纵向贯穿孔11。排气通道110的末端与抽真空设备(图中未示出)连接，半导体腔室内的气体均由该抽真空设备经排气通道110抽出。腔室内的气体流向如下：工艺气体从腔室的进气通道6进入，气流流过待加工件与预热环1的表面，从排气通道110排出；由下腔室9进入的吹扫气体(如氢气)自下腔室9进入上腔室7后，经纵向贯穿孔11进入排气通道110。
本实施例通过在进排气结构的环形支撑部100上设置连通上腔室7以及下腔室9的纵向贯穿孔11，且该纵向贯通孔11与排气通道110距离更近(相较于排气通道110与间隙4之间的距离)，压力更低，下腔室9的氢气会趋向于流向压力更低的纵向贯穿孔11，避免了下腔室9中的吹扫气体由预热环1与托盘2之间的间隙4排出而与工艺气体碰撞产生紊流的情况；同时，纵向贯通孔11与排气通道110距离更近，压力更低，预热环1外边缘的气压更低，工艺气体由进气通道6流向排气通道110，晶圆边缘的工艺气流有向外扩散的趋势，可以加快边缘气体流速，避免晶圆边缘工艺气体相互碰撞，实现晶圆上方的气流为层流，有利于晶圆沉积的外延层的均匀性。本实施例能够引导上腔室7的工艺气体和下腔室9中吹扫气体的流通方向，避免了工艺气体相互碰撞，或者和下腔室9进入上腔室7的吹扫气体产生碰撞，改善了晶圆边缘厚度分布，实现晶圆上方的气流为层流。优化了薄膜沉积厚度的均匀性。
继续参考图2至图3，本实施例中，环形主体可为分体结构，具体包括上环体52和下环体51，两者对接形成进气通道6，排气通道110设置在下环体51中，且环形支撑部100与下环体51内侧固定连接。具体地，半导体腔室的环形支撑部100与下环体51组合的俯视图如图3所示。排气通道110的进气口21朝向上环体52设置，排气通道110的出气口3位于下环体51的外周壁上。本实施例中，环形支撑部100与下环体51为一体成型，其他实施例中，环形支撑部100与下环体51可以为分体设置固定连接。
本实施例中，参考图3，纵向贯穿孔11的数量为多个，多个纵向贯穿孔11在环形支撑部100的分布区域呈弧形；进气口21的数量为多个，多个进气口21在下环体51的分布区域呈弧形。本实施例中，多个进气口21形成的弧形包围多个纵向贯穿孔11形成的弧形。
本实施例中，如图3所示，纵向贯穿孔11的数量和进气口21的数量相同，且两者一一相对设置，两者皆为圆形孔。在其他实施例中，纵向贯穿孔11和进气口21也可以是其他的形状，如椭圆形或者方形。纵向贯穿孔11和进气口21的数量也可以不一致。可以理解，当贯穿孔11和进气口21成对设置，且相互靠近的情况下，更有利于下腔室9的气体通过纵向贯穿孔11进入进气口21中。本实施例中，纵向贯穿孔11和进气口21均为一排，呈弧形排列。在另一个实施例中，纵向贯穿孔11和进气口21也可以均为一个较大的整体结构，如为长弧形口。
参考图4至图6，下环体51包括可拆卸连接的第一组件10和第二组件20，其中，第一组件10呈环形，环形支撑部100设置在第一组件10的内缘上，第一组件10的外缘具有第一缺口部，第二组件20呈圆弧形，第二组件20的内缘具有第二缺口部，第一缺口部和第二缺口部相对，构成排气通道110，且排气通道110的出气口3位于第二组件20的外周面上。
参考图2、图5A、图5B和图6，图6为图5A与图5B的组合构成的结构。在一个具体的实施例中，环形支撑部100与第一组件10一体成型设置，且二者在排气通道110所在侧的朝向上环体52的一侧包括三个台阶面，其中第一台阶面101用于承载预热环1，第二台阶面102设有纵向贯穿孔11，第三台阶面103设有多个第一半圆缺口201，第一组件10朝向第二组件20的一面还设有第一凹部203，多个第一半圆缺口201和第一凹部203构成第一缺口部；第二组件20的朝向上环体的一侧的设有多个第二半圆缺口202，第二组件20的朝向第一组件10的一面还设有第二凹部204，多个第二半圆缺口202和第二凹部204构成第二缺口部，出气口3与第二凹部连通。第一半圆缺口201和第二半圆缺口202相对设置围成圆形口，该圆形口构成了进气口21；相对设置的第一凹部203和第二凹部204共同构成一空腔22；多个进气口21和空腔22以及出气口3三者共同构成了排气通道110。气体从多个进气口21进入空腔22，之后通过出气口3排出。本实施例中，将进气口21设置在第二台阶面102处，是利用第二台阶面102的纵向端面限制预热环1的移动。在其他实施例中，也可以没有第二台阶，如，在进排气结构上设置防止预热环1移动的阻挡部件，将进气口21设置为贯穿第一台阶面101，即进气口21和纵向贯穿孔11位于同一平面上。参考图7，本实施例中，排气通道110的出气口3为两个。
本实施例中，第一组件10和第二组件20可拆卸连接，具体为通过卡接结构卡接，卡接结构包括：设置于第一组件10上的第一卡钩206，设置于第二组件20上的第二卡钩205，第一卡钩206和第二卡钩205相互卡接。在其他实施例中，第一组件10和第二组件20还可以通过螺钉连接。外延时，尾气会沉积大量固态或液态副产物，容易堵塞排气通道的进气口21，本实施例的下环体51设置成可拆卸的分体结构，方便下环体51的拆装，防止堵塞进气口21，利于对下环体51的清洗。
本实施例中，纵向贯穿孔11和多个进气口21构成的弧形，其弧长大于下环体周长的三分之一。和现有技术相比尾气端占据了较大的弧长(现有技术中，尾气端所占据的弧长和进气口的弧长差不多，约各占圆环的四分之一)。通过增加尾气端的弧长，使气体从进入工艺腔室至排出工艺腔室的路径缩短，进一步减少托盘附近产生紊流，改善晶圆外延层边缘厚度分布情况。
参考图4，本发明另一实施例还提供了一种半导体腔室，包括上盖71、下盖91、设置在上盖71与下盖91之间的进排气结构，旋转基座8以及预热环1，其中，上盖71、进排气结构以及下盖91三者形成半导体腔室的腔体，旋转基座8以及预热环1设置在腔体中，进排气结构采用上述的进排气结构。工艺腔室的结构可参照前文的描述。在一个实例中，旋转基座8上还设置有托盘2，预热环1与托盘2之间具有预设间隙4。
本实施例的半导体腔室，通过设置上述的进排气结构，使纵向贯通孔11与排气通道110距离更近，压力更低，预热环1外边缘的气压更低，工艺气体由进气通道6流向排气通道110，晶圆边缘的工艺气流有向外扩散的趋势，可以加快边缘气体流速，避免晶圆边缘工艺气体相互碰撞，实现晶圆上方的气流为层流，有利于晶圆沉积的外延层的均匀性。能够引导上腔室7的工艺气体和下腔室9上来的氢气的流通方向，避免了工艺气体之间的相互碰撞，或者与下腔室9经原来预热环1与托盘2之间间隙流入的氢气产生碰撞，改善了晶圆边缘厚度分布，优化了厚度均匀性。
以上已经描述了本发明的各实施例，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各实施例。在不偏离所说明的各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 (10)

1.一种半导体腔室的进排气结构，所述进排气结构设置于所述半导体腔室的上下盖之间，其特征在于，所述进排气结构包括：环形主体和朝向所述半导体腔室内部延伸设置的环形支撑部，其中，
所述环形支撑部的内缘用于承载所述半导体腔室的预热环，且所述环形支撑部的上方为上腔室，所述环形支撑部的下方为下腔室；
所述环形主体具有向所述上腔室通气的进气通道以及将所述上腔室气体排出的排气通道；所述环形支撑部靠近所述排气通道的一侧具有连通所述上腔室和下腔室的纵向贯穿孔，所述下腔室中的气体经所述纵向贯穿孔沿所述排气通道排出。
2.根据权利要求1所述的进排气结构，其特征在于，所述环形主体包括上环体和下环体，两者对接形成所述进气通道，所述排气通道设置在所述下环体中，且所述环形支撑部与所述下环体内侧固定连接，且所述排气通道的进气口朝向所述上环体设置，所述排气通道的出气口位于所述下环体的外周壁上。
3.根据权利要求1所述的进排气结构，其特征在于，所述纵向贯穿孔的数量为多个，多个所述纵向贯穿孔在所述环形支撑部的分布区域呈弧形。
4.根据权利要求2所述的进排气结构，其特征在于，所述排气通道的进气口的数量为多个，多个所述进气口在所述下环体的分布区域呈弧形，所述排气通道的出气口为两个。
5.根据权利要求4所述的进排气结构，其特征在于，所述下环体包括可拆卸连接的第一组件和第二组件，其中，所述第一组件呈环形，所述环形支撑部设置在所述第一组件的内缘上，所述第一组件的外缘具有第一缺口部，所述第二组件呈圆弧形，所述第二组件的内缘具有第二缺口部，所述第一缺口部和所述第二缺口部相对，构成所述排气通道，且所述排气通道的出气口位于所述第二组件的外周面上。
6.根据权利要求5所述的进排气结构，其特征在于，所述环形支撑部与所述第一组件一体成型设置，且二者在所述排气通道所在侧的朝向所述上环体的一侧包括三个台阶面，其中第一台阶面用于承载所述预热环，第二台阶面设有所述纵向贯穿孔，第三台阶面设有多个第一半圆缺口，所述第一组件朝向所述第二组件的一面还设有第一凹部，多个所述第一半圆缺口和所述第一凹部构成所述第一缺口部；所述第二组件的朝向所述上环体的一侧的设有多个第二半圆缺口，所述第二组件的朝向朝向所述第一组件的一面还设有第二凹部，多个所述第二半圆缺口和所述第二凹部构成所述第二缺口部，所述出气口与所述第二凹部连通。
7.根据权利要求5所述的进排气结构，其特征在于，所述第一组件和所述第二组件还包括相互配合的卡接结构，所述第一组件和所述第二组件通过所述卡接结构可拆卸连接。
8.根据权利要求7所述的进排气结构，其特征在于，所述卡接结构包括：设置于所述第一组件上的第一卡钩，设置于所述第二组件上的第二卡钩，所述第一卡钩和所述第二卡钩相互卡接。
9.一种半导体腔室，其特征在于，包括上盖、下盖、设置在所述上盖与所述下盖之间的进排气结构，旋转基座以及预热环，其中，所述上盖、所述进排气结构以及所述下盖三者形成所述半导体腔室的腔体，所述旋转基座以及所述预热环设置在所述腔体中，所述进排气结构采用如权利要求1至8任一项的所述的进排气结构。
10.根据权利要求9所述的半导体腔室，其特征在于，所述旋转基座上还设置有托盘，所述预热环与所述托盘之间具有预设间隙。
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