CN115341274A - 半导体制造设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体生产技术领域，具体公开了一种半导体制造设备及方法，该半导体制造设备包括真空反应腔体和控制器；真空反应腔体内设置有反应气体的喷淋组件、反应台和膜厚监测组件；控制器能获取膜厚监测组件测得反应台上外延衬底的生长膜厚分布信息，并控制喷淋组件调控反应气体在真空反应腔体内的分布；喷淋组件中，若干调气孔分散设于喷淋壳体面向反应台的一侧；调节组件包括安装板、阵列驱动电路和若干气体微控器件；安装板设有若干安装孔，气体微控器件设于安装孔处，气体微控器件能够被阵列驱动电路分别控制，调控安装孔的出气面积；安装孔连通喷淋腔与调气孔。上述设置有利于提高外延晶片厚度的均匀性。

Description

半导体制造设备及方法

技术领域

本发明涉及半导体生产技术领域，尤其涉及一种半导体制造设备及方法。

背景技术

半导体制造设备用于制造半导体薄片单晶，通过将承载于载气中的气态金属有机化合物通入反应器中，在被加热的基片衬底上进行分解、氧化、还原等反应，最后生成物沉积到衬底上进而形成薄膜。

有机金属化学气相沉积加热系统通过加热衬底载物台，来为晶体外延的生长提供均匀、稳定的温度边界，并为外延晶片的生长所需的物理化学反应提供相应的能量。其中，温度的均匀性直接影响外延晶片的厚度，但是，在大尺寸的外延晶片生长时，衬底的温差对外沿晶片的厚度产生较大的影响，存在膜厚不均匀的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体制造设备及方法，以解决温差对大尺寸的外延晶片产生较大影响，导致外延晶片膜厚不均匀的情况。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种半导体制造设备，该半导体制造设备包括：

真空反应腔体和控制器，所述真空反应腔体内设置有反应气体的喷淋组件、反应台和膜厚监测组件；所述控制器能获取所述膜厚监测组件测得所述反应台上外延衬底的生长膜厚分布信息，并控制所述喷淋组件调控所述反应气体在所述真空反应腔体内的分布；

所述喷淋组件包括：

喷淋壳体，内部设有喷淋腔；

进气管，所述进气管设于所述喷淋壳体，所述进气管的出口与所述喷淋腔连通；

调气孔，所述调气孔设有若干个，分散设于所述喷淋壳体面向所述反应台的一侧；

调节组件，所述调节组件包括安装板、阵列驱动电路和若干气体微控器件；所述安装板设有若干安装孔，所述气体微控器件设于所述安装孔处，所述气体微控器件能够被所述阵列驱动电路分别控制，调控所述安装孔的出气面积；所述安装孔的一端与所述喷淋腔连通，另一端与所述调气孔的入口连通。

优选地，所述安装板设有限位台阶，所述限位台阶设于所述安装孔外周，所述气体微控器件嵌入设置在所述限位台阶内。

优选地，所述气体微控器件包括压电陶瓷，且设于所述限位台阶，所述压电陶瓷能够根据驱动电压伸缩，在初始状态下能遮挡所述安装孔第一面积，所述压电陶瓷膨胀到最大状态时能遮挡所述安装孔第二面积，所述第二面积小于等于所述安装孔的面积且大于所述第一面积。

优选地，所述限位台阶为环状，所述压电陶瓷呈扇形，所述压电陶瓷能沿所述限位台阶的周向或径向伸缩。

优选地，所述安装板设有安装槽，所述安装槽呈长条状，所述压电陶瓷呈长条状，所述压电陶瓷能沿所述安装槽的延伸方向伸缩。

优选地，所述压电陶瓷在初始状态时能覆盖所述安装孔的长度为L1，且0≤L1≤D/2；所述压电陶瓷膨胀到最大状态时能覆盖所述安装孔的长度为L2，且D/2＜L2≤D，其中，D为所述安装孔的内径尺寸。

优选地，所述气体微控器件包括压电陶瓷，所述压电陶瓷呈筒状，设于所述安装板，且两端分别与所述安装孔和所述调气孔连通，所述压电陶瓷的内径尺寸沿靠近所述反应台的方向先减小后增加，所述压电陶瓷的内径最小处的尺寸能变化。

另一方面，本发明提供一种半导体制备方法，应用于上述任一项技术方案所述的半导体制造设备，包括以下步骤：

S1、获得外延衬底的生长膜厚分布信息；

S2、通过计算得到每个调气孔所需要的出气面积；

S3、通过调节组件调节安装孔的出气面积。

优选地，在步骤S3中，通过阵列驱动电路控制每个气体微控器件的开度，且气体微控器件的开度越大，相同时间内通过安装孔的气体越多。

优选地，在步骤S1中，通过膜厚监测组件对外延衬底的生长膜厚分布信息实时监测。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种半导体制造设备及方法，该半导体制造设备包括调节组件，能够利用调节组件对安装孔的出气面积进行调整，进而使得每个调气孔的出气量不同，上述设置结合已经完成的外延晶片各处的厚度重新调整各调气孔的出气面积，有利于提高制造的外延晶片厚度的均匀性，降低设备出厂后的膜厚和真空腔体匹配性的调校周期。

通过阵列驱动电路与气体微控器件的结合，使得调节组件能够处理大规模的气孔的实时控制，膜厚监测组件能够根据对外延生长的情况进行动态监控，通过控制器的拟合计算，实现万级以上数量的气体微控器件超小间距的扫描式控制，实现MOCVD的反应腔体内多组外延片的精准化供气，进一步实现衬底的均匀化外延生长。

附图说明

图1为本发明实施例中半导体制造设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中半导体制造设备的仰视结构示意图；

图3为本发明实施例中半导体制造设备的内部结构示意图；

图4为本发明实施例中压电陶瓷处于初始状态的结构示意图；

图5为本发明实施例中压电陶瓷处于初始状态的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例中压电陶瓷处于膨胀到最大状态的结构示意图；

图7为本发明实施例中筒状结构的压电陶瓷的结构示意图；

图8为不同配比的压电陶瓷的电场-应变曲线图。

图中：

100、反应台；

1、喷淋壳体；11、喷淋腔；

2、进气管；

3、调气孔；

4、调节组件；41、安装板；411、安装孔；412、限位台阶；42、压电陶瓷；43、膜厚监测组件；44、阵列驱动电路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-图6所示，本实施例提供一种半导体制造设备，该半导体制造设备包括真空反应腔体和控制器，真空反应腔体内设置有反应气体的喷淋组件、反应台100和膜厚监测组件43；控制器能获取膜厚监测组件43测得反应台100上外延衬底的生长膜厚分布信息，并控制喷淋组件调控反应气体在真空反应腔体内的分布；喷淋组件包括喷淋壳体1、进气管2、调气孔3和调节组件4，其中，喷淋壳体1内部设有喷淋腔11；进气管2设于喷淋壳体1，进气管2的出口与喷淋腔11连通；调气孔3设有若干个，分散设于喷淋壳体1面向反应台100的一侧；调节组件4包括安装板41、阵列驱动电路44和若干气体微控器件；安装板41设有若干安装孔411，气体微控器件设于安装孔411处，气体微控器件能够被阵列驱动电路44分别控制，调控安装孔411的出气面积；安装孔411的一端与喷淋腔11连通，另一端与调气孔3的入口连通。其中，可以在所有的安装孔411处均安装气体微控器件，或者选择部分安装孔411安装气体微控器件。

可选地，在上的喷淋腔11用于连通较长的调气孔3和在上的进气管2，在下的喷淋腔11用于连通较短的调气孔3和在左侧的进气管2，以分别通入不同的气体，气体最终落在反应台100上。

该半导体制造设备包括调节组件4，能够利用调节组件4对调气孔3的出气面积进行调整，进而使得每个调气孔3的出气量不同，上述设置结合已经完成的外延晶片各处的厚度重新调整各调气孔3的出气面积，进而有利于提高再次制造的外延晶片厚度的均匀性。

通过阵列驱动电路44与气体微控器件的结合，使得调节组件4能够处理大规模的气孔的实时控制，膜厚监测组件43能够根据对外延生长的情况进行动态监控，通过控制器的拟合计算，再结合有源器件阵列与延迟电容，实现万级以上数量的气体微控器件超小间距的扫描式控制，实现MOCVD（在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术）的反应腔体内多组外延片的精准化供气，进一步实现衬底的均匀化外延生长。

本实施例中，若干压电陶瓷42通过控制器进行控制，以完成对每个调气孔3的出气面积的控制，且类似对阵列的薄膜晶体管的控制方式实现单独的控制。

阵列驱动电路44包括时序控制器、扫描驱动器和数据驱动器，阵列设置的有源器件及若干走线；有源器件根据扫描驱动器和数据驱动器的信号，控制气体微控器件的状态，以调控调气孔3的进气流量。

走线包括扫描线、数据线、扫描线与有源器件的栅极电性连接，数据线与有源器件的源极电性连接，有源器件的漏极与气体微控器件电性连接。

进一步地，有源器件与气体微控器件之间的节点上还设置有一电容单元，该电容单元与气体微控器件并联，可以在信号未刷新期间，提供延迟电压。优选地，有源器件为三极管、TFT、MOSFET。

安装板41设有限位台阶412，限位台阶412环设于安装孔411外周且限位台阶412形成的通道与安装孔411连通，压电陶瓷42呈扇形且嵌入设于限位台阶412内，压电陶瓷42在初始状态下能遮挡安装孔411第一面积，压电陶瓷42膨胀到最大状态时能遮挡安装孔411第二面积，第二面积小于等于安装孔411的面积且大于第一面积。扇形结构的压电陶瓷42在膨胀过程中，受到限位台阶412的限制，圆心角弧度逐渐增加，进而使得遮挡安装孔411的面积逐渐增加，使得通过安装孔411的气体逐渐减少。

为了保证压电陶瓷42的伸缩量，本实施例中，压电陶瓷42在初始状态的圆心角弧度30°≤α≤180°；压电陶瓷42呈扇形膨胀到最大状态时的圆心角弧度200°≤α＜360°。本实施例中，压电陶瓷42的厚度为10微米-100微米。

在其他实施方式中，压电陶瓷42可以为环形，环形的压电陶瓷42可以在膨胀后内孔的直径尺寸减小，使得通过安装孔411的气体量减小，进而使得进入调气孔3的气体量减小，环形结构的压电陶瓷42有利于气体从安装孔411的中间部位流出，进而有利于降低进入调气孔3的气体的扰动程度并使得从调气孔3流出的气体更加均匀。

参考图8，关于扇形的压电陶瓷42的形变量，本实施例中，具体地，当压电陶瓷42的材质为PZN-8%PT陶瓷时，在3kV/cm的电场强度下的应变百分比约为0.1%，压电陶瓷42的长度在0.5-5mm，安装孔411孔径的形变量为0.5-5um，安装孔411的面积变化范围在0.1%(变化量±0.1%)。空间的气体分布差值可达0.2%，可以对气体的空间分布进行微调控。

当压电陶瓷42的材质为PZN-4.5%PT陶瓷，在6kV/cm的电场强度下的应变百分比约为0.12%，压电陶瓷42的长度在1-10mm，安装孔411孔径的形变量为1.2-12um，安装孔411孔径的面积变化范围在0.12%(变化量±0.12%)。空间的气体分布差值可达0.24%，可以对气体的空间分布进行微调控。

实施例二

本实施例提供一种半导体制造设备，其结构与实施例一大致相同，不同之处在于，安装板41设有安装槽，安装槽呈长条状且与安装孔411连通，压电陶瓷42呈长条状，且设于安装槽中，压电陶瓷42在初始状态下能遮挡安装孔411第一面积，压电陶瓷42膨胀到最大状态时能遮挡安装孔411第二面积，第二面积小于等于安装孔411的面积且大于第一面积。长条状的压电陶瓷42更容易控制，有利于提高控制精度。

具体地，压电陶瓷42在初始状态时能覆盖安装孔411的长度为0≤L≤D/2；压电陶瓷42膨胀到最大状态时能覆盖安装孔411的长度为D/2＜L≤D，其中，D为安装孔411的内径尺寸。本实施例中，安装孔411的直径可以为0.1毫米-0.2毫米，且与调气孔3内径尺寸相等。在本实施方式中，压电陶瓷42的宽度尺寸大于或等于D。该设置有助于实现对安装孔411的全部封闭，有助于提高调气孔3控制力度。

上述实施例中，为避免压电陶瓷42和安装板41之间出现缝隙，导致气体通过压电陶瓷42和安装板41之间的缝隙进入安装孔411，本实施例中，调节组件4包括压载件，压载件设于安装板41，压电陶瓷42夹设于安装板41和压载件之间。具体地，压载件焊接于安装板41。其中，压电陶瓷42具体的形变量可参照实施例一中的数据。

实施例三

结合图7所示，本实施例提供一种半导体制造设备，其结构与实施例一大致相同，不同之处在于，气体微控器件包括压电陶瓷42，压电陶瓷42呈筒状，压电陶瓷42设于安装板41，且两端分别与安装孔411和调气孔3连通，压电陶瓷42的内径尺寸沿靠近反应台100的方向先减小后增加，在驱动电压的作用下，压电陶瓷42的内径最小处的尺寸能变化。具体地，通电时，压电陶瓷42发生膨胀或者收缩。优选地，通电时，压电陶瓷42发生膨胀，图7的虚线部分为压电陶瓷42膨胀的状态，使得压电陶瓷42内部最小的孔径处缩小，进而能减小气流量的通过。压电陶瓷42内径具有曲率，当通电时，压电陶瓷42的曲率发生变化，从而调整气体分子速率沿压电陶瓷42的轴向分量和径向分量，进而实现非线性地调整气体微控器件的气流阻力。

在其他实施例中，压电陶瓷42可以位于安装孔411中。

具体地，调气孔3的数量大于等于10000个，优选在30000个-1000000个，优选地，相邻两个气孔的间距为0.5mm-5mm，为实现对每个调气孔3的出气面积进行控制，关于阵列驱动电路44的布置在本实施例中，连接于压电陶瓷42和控制器之间的走线由贴设于安装板41上的铜片形成。即安装板41为电路板，连接压电陶瓷42和控制器之间的走线及其他电子元件连接用的走线通过刻蚀而成。

调节组件4包括膜厚监测组件43，膜厚监测组件43用于检测外延晶片各处的膜厚。上述设置可以提高设备的自动化程度，直接通过膜厚监测组件43检测到外延晶片各处的膜厚，控制器根据各处的厚度算出每个调气孔3需要的出气面积，直接通过调节组件4调节即可。本实施例中，通过膜厚监测组件43检测外延晶片的膜厚的技术为本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。其中，膜厚监测组件43可以为射线测厚、超声波测厚、光学测厚涉及到的各种设备。示例性地，检测将为镭射测量仪，且镭射测量仪的测量头可以转动，以测量外延晶片各处的厚度。

通过气体微控器件的结构设计，实现对气流的精准控制，实现对气流的线性以及非线性控制，满足不同反应气体或载气等气体流量供给的不同使用场景需求，提高气体微控器件的气流控制精度。

参考图8，关于筒状结构的压电陶瓷42的形变量，本实施例中，具体地，当压电陶瓷42的材质为PZN-8%PT陶瓷，在3kV/cm的电场强度下的应变百分比约为0.1%，压电陶瓷42的管壁厚在0.5-5mm，压电陶瓷42的管径的形变量为1-10um(直径上有两层壁)，压电陶瓷42的内孔的面积变化范围在99.6%-100.4%(变化量±0.4%)，空间的气体分布差值可达0.8%，可以对气体的空间分布进行微调控。

当压电陶瓷42的材质为PZN-8%PT陶瓷，在30kV/cm的电场强度下的应变百分比约为1%，压电陶瓷42的管壁厚在0.5-5mm，压电陶瓷42的管径的形变量为10-100um(直径上有两层壁)，压电陶瓷42的内孔的面积变化范围在96%-104%(变化量±4%)，空间的气体分布差值可达8%，可以对气体的空间分布进行微调控。

当压电陶瓷42的材质为PZN-4.5%PT陶瓷，在60kV/cm的电场强度下的应变百分比约为1.2%，压电陶瓷42的管壁厚在1-10mm，压电陶瓷42的管径的形变量为24-240um(直径上有两层壁)，压电陶瓷42的内孔的面积变化范围在95%-105%(变化量±5%)，空间的气体分布差值可达10%，可以对气体的空间分布进行微调控。

实施例四

本实施例还提供一种半导体制备方法，应用于上述实施例中的半导体制造设备，包括以下步骤：

步骤一、获得外延衬底的生长膜厚分布信息。

步骤二、通过计算得到每个调气孔3所需要的出气面积。

步骤三、通过调节组件4调节安装孔411的出气面积。

在步骤三中，通过阵列驱动电路44控制每个气体微控器件的开度，且气体微控器件的开度越大，相同时间内通过安装孔411的气体越多。

本实施例中，通过膜厚监测组件43对外延晶片各处的膜厚实时监测，以实时获得外延晶片各处的膜厚，然后可以根据各处的膜厚调整每个调气孔3所需要的出气面积，并保持预设时间，具体的时间可以参考或者直接等同膜厚监测组件43的检测周期。实时监测得到的膜厚反馈给控制器，控制器能够实时调节各个调气孔3的出气面积，进而有利于进一步提高外延晶片的厚度均匀性。其中，根据膜厚的实施情况进行查表后者模拟计算，得到调气孔3需要的出气面积。其中，控制时间可以根据具体情况设置。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.半导体制造设备，其特征在于，包括：

真空反应腔体和控制器，所述真空反应腔体内设置有反应气体的喷淋组件、反应台（100）和膜厚监测组件（43）；所述控制器能获取所述膜厚监测组件（43）测得所述反应台（100）上外延衬底的生长膜厚分布信息，并控制所述喷淋组件调控所述反应气体在所述真空反应腔体内的分布；

所述喷淋组件包括：

喷淋壳体（1），内部设有喷淋腔（11）；

进气管（2），所述进气管（2）设于所述喷淋壳体（1），所述进气管（2）的出口与所述喷淋腔（11）连通；

调气孔（3），所述调气孔（3）设有若干个，分散设于所述喷淋壳体（1）面向所述反应台（100）的一侧；

调节组件（4），所述调节组件（4）包括安装板（41）、阵列驱动电路（44）和若干气体微控器件；所述安装板（41）设有若干安装孔（411），所述气体微控器件设于所述安装孔（411）处，所述气体微控器件能够被所述阵列驱动电路（44）分别控制，调控所述安装孔（411）的出气面积；所述安装孔（411）的一端与所述喷淋腔（11）连通，另一端与所述调气孔（3）的入口连通。

2.根据权利要求1所述的半导体制造设备，其特征在于，所述安装板（41）设有限位台阶（412），所述限位台阶（412）设于所述安装孔（411）外周，所述气体微控器件嵌入设置在所述限位台阶（412）内。

3.根据权利要求2所述的半导体制造设备，其特征在于，所述气体微控器件包括压电陶瓷（42），且设于所述限位台阶（412），所述压电陶瓷（42）能够根据驱动电压伸缩，在初始状态下能遮挡所述安装孔（411）第一面积，所述压电陶瓷（42）膨胀到最大状态时能遮挡所述安装孔（411）第二面积，所述第二面积小于等于所述安装孔（411）的面积且大于所述第一面积。

4.根据权利要求3所述的半导体制造设备，其特征在于，所述限位台阶（412）为环状，所述压电陶瓷（42）呈扇形，所述压电陶瓷（42）能沿所述限位台阶（412）的周向或径向伸缩。

5.根据权利要求3所述的半导体制造设备，其特征在于，所述安装板（41）设有安装槽，所述安装槽呈长条状，所述压电陶瓷（42）呈长条状，所述压电陶瓷（42）能沿所述安装槽的延伸方向伸缩。

6.根据权利要求4所述的半导体制造设备，其特征在于，所述压电陶瓷（42）在初始状态时能覆盖所述安装孔（411）的长度为L1，且0≤L1≤D/2；所述压电陶瓷（42）膨胀到最大状态时能覆盖所述安装孔（411）的长度为L2，且D/2＜L2≤D，其中，D为所述安装孔（411）的内径尺寸。

7.根据权利要求1所述的半导体制造设备，其特征在于，所述气体微控器件包括压电陶瓷（42），所述压电陶瓷（42）呈筒状，设于所述安装板（41），且两端分别与所述安装孔（411）和所述调气孔（3）连通，所述压电陶瓷（42）的内径尺寸沿靠近所述反应台（100）的方向先减小后增加，所述压电陶瓷（42）的内径最小处的尺寸能变化。

8.半导体制备方法，应用于权利要求1-7任一项所述的半导体制造设备，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得外延衬底的生长膜厚分布信息；

S2、通过计算得到每个调气孔（3）所需要的出气面积；

S3、通过调节组件（4）调节安装孔（411）的出气面积。

9.根据权利要求8所述的半导体制备方法，其特征在于，在步骤S3中，通过阵列驱动电路（44）控制每个气体微控器件的开度，且气体微控器件的开度越大，相同时间内通过安装孔（411）的气体越多。

10.根据权利要求8所述的半导体制备方法，其特征在于，在步骤S1中，通过膜厚监测组件（43）对外延衬底的生长膜厚分布信息实时监测。

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