CN219326832U - 辅助进气结构及半导体工艺设备的工艺腔室 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种辅助进气结构及半导体工艺腔室，涉及半导体装备领域。一种辅助进气结构包括：多个进气管路、分流座块和进气座块；所述分流座块具有多个第一通道，多个所述第一通道的进气口与多个所述进气管路一一对应连通；所述进气座块具有多个第二通道，多个所述第二通道的进气口与多个所述第一通道的出气口一一对应连通，多个所述第二通道的出气口分别用于与所述半导体工艺腔室的腔室本体连通。一种半导体工艺设备的工艺腔室，包括上述辅助进气结构。本申请能够解决单一进气方向导致气流分布不均而影响薄膜沉积均匀性等问题。

Description

辅助进气结构及半导体工艺设备的工艺腔室

技术领域

本申请属于半导体装备技术领域，具体涉及一种辅助进气结构及半导体工艺设备的工艺腔室。

背景技术

在化学气相沉积方法外延生长薄膜的过程中，晶圆放置在反应腔室的石墨托盘上，外延所需的特气和载气在反应腔室中受热分解，从晶圆上方经过，与晶圆发生气相化学反应，沉积生长成固体薄膜。因此，外延薄膜设备中，气流场对外延薄膜的质量和均匀性有着至关重要的影响。

在化学气相沉积方法外延生长中，受温度场分布和气流混合程度的影响，仅依靠单一的进气方向的气流很难在晶圆表面实现均匀分布的气流，尤其在实际生产中，图形设计和分布会进一步影响气流的分布，在晶圆的边缘位置往往会出现沉积效果较弱的效果，导致薄膜沉积的均匀性受到很大影响。

实用新型内容

本申请实施例的目的是提供一种辅助进气结构及半导体工艺设备的工艺腔室，能够解决单一进气方向导致气流分布不均而影响薄膜沉积均匀性等问题。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

本申请实施例提供了一种辅助进气结构，应用于半导体工艺腔室，所述辅助进气结构包括：多个进气管路、分流座块和进气座块；

所述分流座块具有多个第一通道，多个所述第一通道的进气口与多个所述进气管路一一对应连通；

所述进气座块具有多个第二通道，多个所述第二通道的进气口与多个所述第一通道的出气口一一对应连通，多个所述第二通道的出气口分别用于与所述半导体工艺腔室的腔室本体连通。

本申请实施例中，通过分流座块的多个第一通道可以对气流进行分流，并使分流后的气流进入到进气座块的多个第二通道，最终经由多个第二通道进入半导体工艺腔室的腔室本体，以便于在腔室本体内的晶圆表面发生反应。基于上述设置，本申请实施例中的辅助进气结构可以将分流后的气流分别通入至腔室本体，使气流分散并可以在晶圆表面的不同区域进行反应，在一定程度上可以提高气流场在晶圆表面的均匀性，以便于提高外延薄膜的均匀性。相比于相关技术中单一方向进气的方式，本申请实施例中的辅助进气结构可以通过多个第一通道和对应的多个第二通道实现多通道进气，可以改变单一气流方向，从而可以扩大气流覆盖晶圆表面的区域面积，优化薄膜沉积的均匀性。

附图说明

图1为本申请实施例公开的半导体工艺腔室的结构示意图；

图2为本申请实施例公开的辅助进气结构向晶圆通入辅助气体的结构示意图；

图3为本申请实施例公开的第一通道的第一视角图；

图4为本申请实施例公开的第一通道的第二视角图；

图5为本申请实施例公开的第二通道的第一视角图；

图6为本申请实施例公开的第二通道的第二视角图。

附图标记说明：

100-辅助进气结构；

110-进气管路；

120-分流座块；121-第一通道；1211-第一通道段；1212-第二通道段；

130-进气座块；131-第二通道；

140-流量控制器；

200-腔室本体；210-上石英环；220-下石英环；

300-基座；

400-晶圆；

500-预热环；

600-主进气结构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例进行详细地说明。

参考图1至图6，本申请实施例公开了一种辅助进气结构100，应用于半导体工艺腔室，以便于作为辅助进气结构向具有主进气结构的半导体工艺腔室供应辅助气体，并使辅助气体与主进气体相配合，以提高晶圆400表面的气流分布的均匀性。所公开的辅助进气结构100包括进气管路110、分流座块120和进气座块130，其中，进气管路110用于接收气体，分流座块120用于对气流进行分割，以形成多股气流，进气座块130用于对多股气流进行疏导，以使多股气流分别进入半导体工艺腔室的腔室本体200，以便于在腔室本体200中的晶圆400表面发生反应而生成外延薄膜。在实际工况下，进气管路110、分流座块120和进气座块130三者可以沿着气体的流动方向依次设置。

其中，分流座块120具有多个第一通道121，多个第一通道121的进气口与多个进气管路110一一对应连通，使得每个进气管路110可以单独对相应的第一通道121供应气体。示例性地，辅助进气结构100可以包括三条进气管路110，相应地，分流座块120可以具有三个第一通道121。当然，辅助进气结构100还可以包括其他数量的进气管路110，而分流座块120同样可以具有其他数量的第一通道121，既可以实现单独供气，又可以扩大进气区域面积，有利于覆盖整个晶圆400的表面。

在一些实施例中，多个进气管路110可以沿着基座300的承载面的轴线方向(即，半导体工艺腔室的轴线方向)间隔排布，同样地，多个第一通道121可以沿着晶圆400的法线方向间隔设置。在实际工况下，晶圆400水平放置，而晶圆400的法线沿竖直方向延伸，此时，多个进气管路110和多个第一通道121可以分别沿竖直方向间隔设置。

进气座块130具有多个第二通道131，多个第二通道131各自的进气口与多个第一通道121各自的出气口一一对应连通，以使多个第一通道121内的气体分别进入到相应的第二通道131中，并经由第二通道131进行传输；并且，多个第二通道131各自的出气口分别用于与半导体工艺腔室的腔室本体200连通，如此，可以使气体分别通过多个第二通道131通入至腔室本体200内，以便于使气体在腔室本体200内的晶圆400表面发生反应而生成外延薄膜。

本申请实施例中，通过分流座块120的多个第一通道121可以对气流进行分流，并使分流后的气流进入到进气座块130的多个第二通道131，最终经由多个第二通道131进入腔室本体200，以便于在腔室本体200内的晶圆400表面发生反应。基于上述设置，本申请实施例中的辅助进气结构100可以将分流后的气流分别通入至腔室本体200，使气流分散并可以在晶圆400表面的不同区域进行反应，在一定程度上可以提高气流场在晶圆400表面的均匀性，以便于提高外延薄膜的均匀性。相比于相关技术中单一方向进气的方式，本申请实施例中的辅助进气结构100可以通过多个第一通道121和对应的多个第二通道131实现多通道进气，改变单一气流方向，从而可以扩大气流覆盖晶圆400表面的区域面积，优化薄膜沉积的均匀性。

此处需要说明的是，本申请实施例中，辅助气体(即，充分混合后的反应气体)依次经过进气管路110、分流座块120和进气座块130后进入腔室本体200，以弥补主进气体的进气方向单一所导致的晶圆400的边缘处气流量小的问题，也即，辅助气体可以起到补充反应气体的作用，以提高晶圆400边缘处的气流量，促进晶圆400表面各处反应气体的均匀性，从而可以提高晶圆400表面生成的外延薄膜的均匀性。

参考图3和图4，在一些实施例中，第一通道121的进气口的横截面积大于第一通道121的出气口的横截面积。基于该种设置，通过将第一通道121的进气口设计为较大的横截面积，从而可以尽可能地收集相应的进气管路110吹出的气体，以缓解每个进气管路110吹出的气体进入到其他第一通道121(即，非对应的第一通道121)而导致气流紊乱的问题。与此同时，上述形式的第一通道121还可以对气体起到一定的汇聚作用，以便于使气体能够更加顺畅地进入到下游的第二通道131中。

进一步地，如图4所示，每个第一通道121包括第一通道段1211和第二通道段1212，且第一通道段1211和第二通道段1212沿第一通道121内的进气方向依次设置，使得气体可以通过进气管路110流入第一通道段1211中，并由第一通道段1211流入第二通道段1212中，而后由第二通道段1212流入第二通道131中，最终由第二通道131通入腔室本体200而在晶圆400表面发生反应。

在进气方向上，第一通道段1211的横截面积相等，第二通道段1212的横截面积逐渐变小。通过该种设置，使得第一通道段1211的横截面积相对较大，可以保证尽可能收集到对应的进气管路110吹出的气体，避免对应该第一通道段1211的进气管路110吹出的气体进入到其他第一通道段1211中。此处需要说明的是，如果将第一通道段1211的横截面积设计的较小，可能会存在气流分散进入到其他第一通道121的风险；此外，还可以使各个进气管路110的气体完整地进入到对应的第一通道121中，以确保调控气流配比手段的有效性。

第二通道段1212的横截面积逐渐变小的目的在于使第二通道段1212的出口能够与第二通道131的进气口相对应，从而使第一通道121中的气体能够顺畅地进入第二通道131中，并且，第二通道段1212对气体还具有汇聚作用，以便于提高气体流速，在一定程度上可以有效缓解气体在未到达晶圆400表面的预设位置而反应殆尽的问题。

一些实施例中，第一通道121的出气口的横截面积小于第二通道131的进气口的横截面积。示例性地，第二通道段1212的缩口端的横截面积小于第二通道131的进气口的横截面积。基于此种设置，可以保证每个第一通道121内的气体全部进入对应的第二通道131内，以防止气流紊乱，进一步提高了气体传输的稳定性。

可选地，分流座块120可以为长方体结构，其包含三个第一通道121，三个第一通道121从上到下依次设置。每个第一通道121的靠近进气管路110的一端可以设计为圆角方形进气口，其面积较大，且圆角方形进气口与进气管路110的出气口的位置相对应；而靠近进气座块130的一端可以设计为圆形小孔，其面积较小，且圆形小孔与第二通道131的进气口的位置相对应。

参考图2、图5和图6，在一些实施例中，沿进气方向，每个第二通道131分别用于朝向设置于腔室本体200中的基座300倾斜延伸，如此，可以使第二通道131吹出的气流倾斜地流向基座300所承载的晶圆400表面，从而使气体能够更加顺畅、均匀地到达晶圆400表面的对应区域，进而可以有效缓解气体在流动过程中出现反应殆尽的问题。

进一步地，多个第二通道131沿半导体工艺腔室的轴向自上而下依次设置，且多个第二通道131的出气口均位于基座300的上方。通过该种设置，使得每个第二通道131吹出的气体分别倾斜向下的流向基座300所承载的晶圆400表面，而并非平行于晶圆400表面流动，从而可以使多个第二通道131吹出的气体分别对应地流向晶圆400表面的各个区域，以缓解多个第二通道131均从晶圆400的同一区域到达晶圆400表面而导致部分气体在流动至预设区域之前就已经反应殆尽的问题，从而可以提高气体在晶圆400表面分布的均匀性，并且还可以增强辅助气流的可调性，有助于提高设备工艺调试能力，进而可以实现薄膜均匀性的优化。

另外，第二通道131的出气口处的轴线的延伸方向用于与基座300的用于承载晶圆400的承载面成预设夹角，也即，第二通道131的延伸方向并非与晶圆400的表面平行，其中，该预设夹角的范围可以是20°至60°，包括20°、30°、40°、50°、60°等，当然，还可以是其他度数，只要能够使第二通道131吹出的气体能够到达晶圆400表面相对应的区域即可。

基于上述设置，可以改变气流与晶圆400表面之间的夹角，从而可以缩小辅助气流的影响区域，以便于实现辅助气流对调整区域的针对性。

一种较为具体的实施例中，如图2所示，进气座块130可以包括三个沿半导体工艺腔室的轴向自上而下依次设置的第二通道131，三个第二通道131分别对应基座300的承载面上的不同区域；基座300可绕基座300的轴线进行旋转，且基座300的用于承载晶圆400的承载面包括位于承载面中心位置的中心圆形区域、环设于中心圆形区域外侧的第一环形区域以及环设于第一环形区域外侧的第二环形区域。

具体地，经由最上方位置的第二通道131的出气口吹出的气流与中心圆形区域相对应，经由中间位置的第二通道131的出气口吹出的气流与第一环形区域相对应，经由最下方位置的第二通道131的出气口吹出的气流与第二环形区域相对应。基于此种设置，可以通过三个第二通道131将气体分布至承载面的不同区域，以便于提高气流分布均匀性。

示例性地，当晶圆400放置于承载面上时，晶圆400上直径范围为0-100mm的圆形区域与中心圆形区域相对应，晶圆400上直径范围为100mm-200mm的环形区域与第一环形区域相对应，晶圆400上直径范围为200mm-300mm的环形区域域第二环形区域相对应。基于此种设置，可以通过三个第二通道131将气体吹向晶圆400表面上相对应的区域，以防止气体从晶圆400的同一区域吹入而导致部分气体在未到达预设区域时就已经反应殆尽，从而提高了气流分布的均匀性，进而可以提高晶圆400表面薄膜的均匀性。

参考图2，为了控制吹向晶圆400上不同区域的气体流量，辅助进气结构100还可以包括多个流量控制器140，多个流量控制器140一一对应地设置于多个进气管路110，用于调控各个进气管路110的气体流量，从而可以单独调节吹向晶圆400表面不同区域的气体流量，进而可以实现对晶圆400不同区域沉积厚度的单独调控，实现对晶圆400上目标区域精准独立的调控，实现薄膜均匀性的优化。

此处需要说明的是，在工艺调试中，相关技术中的辅助气流从晶圆400的边缘进入，提升或降低边缘位置的沉积厚度，从而平衡边缘区域与晶圆400其他区域的沉积厚度，提升均匀性的优化效果，实现满足需求的工艺结果。然而，由于结构片图形以及图形分布对气流的影响，为了实现结构片上沉积均匀性的优化，晶圆400不同区域所需的沉积厚度可能存在差异，例如，当需要提升100mm-200mm环形区域的沉积厚度而不改变其他区域的沉积厚度时，利用相关技术中的辅助进气结构则无法避免气流对200mm-300mm环形区域的影响。

基于上述情况，本申请实施例中通过在每个进气管路110分别设置流量控制器140，可以调节用于向100mm-200mm环形区域相对应的进气管路110上的流量控制器140，使该进气管路110的气体流量增大，而相应地减小其他进气管路110中的气体流量，从而可以提升辅助气流对100mm-200mm环形区域的作用效果，进而实现对100mm-200mm环形区域沉积厚度的单独调整。此处需要说明的是，多个进气管路110的总的进气量一定，其中一个进气管路110中的气体流量增大，其他进气管路110中的气体流量减小，以保证进气总量不变。

基于上述辅助进气结构100，本申请实施例还公开了一种半导体工艺设备的工艺腔室，所公开的工艺腔室包括腔室本体200和上述辅助进气结构100，其中，辅助进气结构100的多个第二通道131的出气口分别与腔室本体200的内腔连通，以便于向腔室本体200的内腔中通入辅助气体。

除此以外，工艺腔室还可以包括预热环500、基座300、主进气结构600等构件，如图1所示，其中，预热环500设置在腔室本体200的内侧，以形成工艺所需的空间，基座300设置在预热环500的内侧，用于承载晶圆400，主进气结构600设置于腔室本体200的侧部，以便于向腔室本体200的内腔中通入反应气体。

其中，如图2所示，腔室本体200可以包括相配合的上石英环210和下石英环220，辅助进气结构100设置在上石英环210与下石英环220之间，从而通过上石英环210和下石英环220实现对辅助进气结构100的固定安装，另外，上石英环210和下石英环220还分别设有避位孔，以便于使辅助气体进入辅助进气结构100，并经由辅助进气结构100吹向腔室本体200的内腔在晶圆400表面发生反应而沉积成薄膜。

另外，辅助进气结构100的设置位置与主进气结构600的设置位置之间相差90°，以使通过辅助进气结构100通入至腔室本体200内的辅助气体可以与主进气结构600通入至腔室本体200内的主流气体相互配合，实现对晶圆400整体的覆盖，并提高气体分布的均匀性，以提高沉积薄膜的均匀性。

综上所述，本申请实施例中的辅助进气结构100，可以通过分流座块120的第一通道121对气体进行分割和汇聚，并使气体进入进气座块130对应的第二通道131，最后进入腔室本体300并在晶圆400表面进行反应，另外，通过流量控制器140可以单独的控制多个进气管路110中的气体流量，从而可以针对性地调控到达晶圆400表面不同区域的气体流量大小；通过设计多条具有一定出气角的第二通道131，可以加强气流的有效性并实现了气体对晶圆400表面不同区域的对应调控，提高了气流场调控的精准性，增加了均匀性调试手段，进一步提高了外延薄膜的均匀性。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种辅助进气结构，应用于半导体工艺腔室，其特征在于，所述辅助进气结构(100)包括：多个进气管路(110)、分流座块(120)和进气座块(130)；

所述分流座块(120)具有多个第一通道(121)，多个所述第一通道(121)的进气口与多个所述进气管路(110)一一对应连通；

所述进气座块(130)具有多个第二通道(131)，多个所述第二通道(131)的进气口与多个所述第一通道(121)的出气口一一对应连通，多个所述第二通道(131)的出气口分别用于与所述半导体工艺腔室的腔室本体(200)连通。

2.根据权利要求1所述的辅助进气结构，其特征在于，所述第一通道(121)的进气口的横截面积大于所述第一通道(121)的出气口的横截面积。

3.根据权利要求2所述的辅助进气结构，其特征在于，每个所述第一通道(121)包括沿所述第一通道(121)内的进气方向依次设置的第一通道段(1211)和第二通道段(1212)；

在所述进气方向上，所述第一通道段(1211)的横截面积相等，所述第二通道段(1212)的横截面积逐渐变小。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的辅助进气结构，其特征在于，所述第一通道(121)的出气口的横截面积小于所述第二通道(131)的进气口的横截面积。

5.根据权利要求1所述的辅助进气结构，其特征在于，沿进气方向，每个所述第二通道(131)分别用于朝向设置于所述腔室本体(200)中的基座(300)倾斜延伸。

6.根据权利要求5所述的辅助进气结构，其特征在于，多个所述第二通道(131)沿所述半导体工艺腔室的轴向自上而下依次设置，且多个所述第二通道(131)的出气口均位于所述基座(300)的上方。

7.根据权利要求6所述的辅助进气结构，其特征在于，所述第二通道(131)的出气口处的轴线的延伸方向用于与所述基座(300)的用于承载晶圆(400)的承载面成预设夹角。

8.根据权利要求6所述的辅助进气结构，其特征在于，所述进气座块(130)包括三个沿所述半导体工艺腔室的轴向自上而下依次设置的所述第二通道(131)，所述基座(300)的用于承载晶圆(400)的承载面包括位于所述承载面中心位置的中心圆形区域、环设于所述中心圆形区域外侧的第一环形区域以及环设于所述第一环形区域外侧的第二环形区域；其中，

经由最上方位置的所述第二通道(131)的出气口吹出的气流与所述中心圆形区域相对应；

经由中间位置的所述第二通道(131)的出气口吹出的气流与所述第一环形区域相对应；

经由最下方位置的所述第二通道(131)的出气口吹出的气流与所述第二环形区域相对应。

9.根据权利要求1所述的辅助进气结构，其特征在于，所述辅助进气结构(100)还包括多个流量控制器(140)；

多个所述流量控制器(140)一一对应地设置于多个所述进气管路(110)。

10.一种半导体工艺设备的工艺腔室，其特征在于，包括：腔室本体(200)、主进气结构(600)以及权利要求1至9中任意一项所述的辅助进气结构(100)；

所述辅助进气结构(100)的多个所述第二通道(131)的出气口分别与所述腔室本体(200)的内腔连通。

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