一种气体注入插件及衬底处理设备的制作方法

1.本发明涉及半导体外延工艺领域，具体涉及一种气体注入插件及具有该气体注入插件的衬底处理设备。


背景技术：

2.在半导体外延工艺中，需要使用一种衬底处理设备，或称半导体工艺设备，对衬底(或称晶圆)进行热处理。处理工艺包括向衬底处理设备的反应腔内注入工艺气体，然后对工艺气体进行加热，从而在衬底表面形成外延层。然而为了保证所沉积的外延层薄膜的均匀性，需要保证加热温度分布的均匀性，现有技术通过旋转承载衬底的基座的方法，很好的弥补了温度不均匀分布带来的问题。
3.但是现有技术中解决上述问题仍存在以下缺点：
4.1、基座的旋转会带来工艺气体分布的不均匀性，这样同样会导致沉积的外延层厚度分布不均匀的问题，而且随着特征尺寸(critical dimension)的不断减小，该问题越来越严重；
5.2、基座的旋转会导致衬底上的工艺气体集中于中心区域，衬底两侧的工艺气体减少，如图2所示，为了解决该问题，通常会在反应腔侧边缘加入一路工艺气体f2，该工艺气体f2与原来的工艺气体f1大致形成一90
°
夹角，从而补充衬底侧边缘位置的气流分布，以期改善气流分布的均匀性，但是该方法由于引入了一路新的工艺气体f2，会在反应腔内产生扰流，导致工艺气体f1和f2的流量很难调整，且改善气流分布均匀性的效果也有限。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种气体注入插件及具有该气体注入插件的衬底处理设备，解决工艺气体集中于衬底中心区域，在衬底边缘区域密度较小的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供一种气体注入插件，用于衬底处理设备，所述衬底处理设备包括反应腔、基座及设置在反应腔一侧的气体入口和设置在相对侧的气体出口，所述基座设置在反应腔内，用于承载衬底；所述气体注入插件设置在气体入口处，所述气体注入插件包括：顶板及底板，所述底板与顶板相对设置，所述底板与顶板均包括设置于两端的进气端和出气端，所述出气端与反应腔一侧的气体入口连接；第一侧壁及第二侧壁，所述第一侧壁及第二侧壁分别设置于顶板和底板的两侧，所述第一侧壁靠近反应腔侧边缘的一侧；至少两个气体通道，所述气体通道包括设置在靠近反应腔侧边缘的边缘气体通道，所述边缘气体通道具有设置于进气端的进气口和设置于出气端的出气口，所述进气口的截面积和出气口的截面积不相同。
8.进一步，所述气体注入插件还包括：至少一个隔板，所述隔板与顶板及底板连接，用于形成所述气体通道。
9.进一步，所述隔板包括一边缘隔板，所述边缘隔板与第一侧壁共同形成所述边缘气体通道。
10.进一步，所述边缘隔板的厚度均匀。
11.进一步，所述边缘隔板的延申方向与由气体入口指向气体出口的延申线形成夹角。
12.进一步，所述夹角为(0
°
，-30
°
]或(0
°
，30
°
]。
13.进一步，所述边缘隔板的厚度非均匀，其包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述第一表面为靠近反应腔侧边缘的一面。
14.进一步，所述第一表面与延申线形成夹角。
15.进一步，所述夹角为(0
°
，-30
°
]或(0
°
，30
°
]。
16.进一步，所述第二表面与延伸线平行。
17.进一步，所述第二表面与延伸线不平行。
18.进一步，所述底板与顶板的出气端的俯视的轮廓为圆弧，所述圆弧与反应腔的气体入口的形状适配；所述底板与顶板的进气端的俯视的轮廓为直线；第一侧壁与第二侧壁平行。
19.进一步，所述气体注入插件还包括：斜坡，所述斜坡设置在边缘气体通道内，用于改变进气口的截面积和出气口的截面积。
20.进一步，所述气体注入插件为石英、陶瓷、铝或不锈钢的一种或几种的组合。
21.进一步，所述第一侧壁与延伸线平行或不平行。
22.进一步，气体注入插件为一体成型的或组装形成的。
23.本发明还提供一种一种衬底处理设备，包括：如上文所述的气体注入插件，反应腔，基座，及设置在反应腔一侧的气体入口和设置在相对侧的气体出口，所述基座设置在反应腔内，用于承载衬底；所述气体注入插件置在气体入口处。
24.上述的气体注入插件，用于实现改善衬底侧边缘区域的气流分布。
25.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的一种气体注入插件及具有该气体注入插件的衬底处理设备，具有如下有益效果：
26.1、本发明的气体注入插件具有设置在靠近反应腔侧边缘的边缘气体通道，所述边缘气体通道具有设置于进气端的进气口和设置于出气端的出气口，所述进气口的截面积和出气口的截面积不相同，可以很好地改变了工艺气体在衬底的侧边缘区域的流速，从而改善衬底侧边缘区域的气流分布。
27.2、本发明的气体注入插件具有边缘隔板，所述边缘隔板可以调节夹角的角度，从而控制衬底侧边缘区域的气流分布。
28.3、本发明的边缘隔板具有第二表面，所述第二表面与延伸线平行，从而保证了衬底中间区域气流的稳定。
29.4、本发明的气体注入插件还包括斜坡，所述斜坡可拆卸，所述斜坡可以更加精确地、快速地调节侧边缘的气流。
附图说明
30.图1为本发明的衬底处理设备的结构示意图；
31.图2为现有技术的气体注入插件与反应腔的结构示意图；
32.图3为本发明的气体注入插件的立体图；
33.图4为本发明的气体注入插件与反应腔的结构示意图；
34.图5为本发明一实施例的气体注入插件横向截面图；
35.图6为本发明一实施例的气体注入插件横向截面图；
36.图7本发明一实施例在图5中分别沿x1和x2位置处竖向的截面图；
37.图8为本发明又一实施例的气体注入插件横向截面图；
38.图9为本发明又一实施例的气体注入插件横向截面图；
39.图10为本发明再一实施例的在图5中相同位置处竖向的截面图；
40.图11为本发明再一实施例的在图5中相同位置处竖向的截面图；
41.图12为本发明的外延工艺锗含量分布实验图。
具体实施方式
42.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种气体注入插件及具有该气体注入插件的衬底处理设备作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
43.需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
44.结合附图1所示，本实施例提供一种衬底处理设备，主要应用于半导体外延工艺。所述衬底处理设备包括反应腔、气体管路113、排气管路106、加热组件、测温仪、气体注入插件500和旋转支撑组件，所述反应腔包括侧壁119、上内衬100、下内衬112、上穹顶116、下穹顶108、上法兰103和下法兰107，所述上内衬100、下内衬112均为石英形成的环体，并设置在环形侧壁119的内侧，上穹顶116、下穹顶108为石英形成的大致的圆形，所述上内衬100设置在下内衬112之上，并在内衬的侧方开设有气体入口和与之相对的气体出口，以供工艺气体114的进入和排出，所述上穹顶116设置在上内衬100的上方，通过上法兰103将上穹顶116固定在侧壁119上方，下穹顶108设置在下内衬112的下方，通过下法兰107将下穹顶108固定在侧壁119下方，所述上穹顶116、下穹顶108均为透明的石英。所述加热组件101设置在反应腔的上方和下方，发射的红外光可以穿透上穹顶116、下穹顶108进入反应腔内提供加热能量。所述旋转支撑组件包括基座105、旋转支撑轴109、升降支撑架110和销111，所述基座设置在反应腔内部，用于承载待加工的衬底104(或称晶圆)，所述旋转支撑轴109用于支撑基座105旋转和升降，所述升降支撑架110用于在旋转支撑轴109下降时支撑所述销111，从而在传输衬底时将衬底与基座105分离。所述测温仪102设置在反应腔的上方和下方，用于监控衬底附近的温度。所述衬底处理设备还包括预热环115，所述预热环115设置在基座105四周，用于对进入反应腔内的工艺气体114预热。所述气体管路113通过气体注入插件500与气体入
口连接，用于将工艺气体114引入反应腔，所述气体注入插件500插入到侧壁119的缝隙内，排气管路106与气体出口连接，将废气排出反应腔，所述加热组件101将工艺气体加热分解，沉积在衬底104表面，从而在衬底上形成外延层。
45.现有技术中气体注入插件通常如图2所述，所述气体注入插件的进气口的截面积和出气口的截面积是相同的，由于衬底104的旋转会对工艺气体产生扰动，将工艺气体集中在衬底中间区域c，而衬底侧边缘区域e的工艺气体密度较少，为了改善这个问题，现有技术通常在内衬靠近衬底侧边缘e处设置另一气体注入口，并通入另一工艺气体f2，但是这样的方式改善的效果有限，且由于多加了一路气体会导致腔内气体的扰动，从而难以调节f1和f2的流量。
46.针对于此，本发明提供一种气体注入插件500，如图3所述，气体注入插件包括：
47.顶板501及底板505，所述底板与顶板相对设置，所述底板与顶板均包括设置于两端的进气端和出气端，所述出气端与反应腔一侧的气体入口连接；
48.第一侧壁507及第二侧壁509，所述第一侧壁及第二侧壁分别设置于顶板和底板的两侧，所述第一侧壁靠近反应腔侧边缘的一侧；
49.至少两个气体通道504，所述气体通道504包括设置在靠近反应腔侧边缘的边缘气体通道506，所述边缘气体通道506具有设置于进气端的进气口511和设置于出气端的出气口513，所述进气口的截面积和出气口的截面积不相同。
50.至少一个隔板503，所述隔板与顶板及底板连接，用于形成所述气体通道504。隔板503包括一边缘隔板502，所述边缘隔板502与第一侧壁507共同形成所述边缘气体通道506。
51.在上述实施例中，形成上述进气口的截面积和出气口的截面积不相同的方式很多。
52.实施方式一，参见图4-7，所述边缘隔板502的厚度均匀，所述边缘隔板的延申方向与由气体入口指向气体出口的延申线oo’形成夹角θ。图5-6为气体注入插件500的横向截面图，由图5可见，夹角θ的存在最终使进气口511的宽度w1和出气口513的宽度w2的不同，从而使所述进气口的截面积和出气口的截面积不相同。图5示出了所述边缘隔板的延申方向向延申线oo’负方向旋转形成所述夹角θ的方式，可选的，所述夹角大于0
°
，优选的，所述夹角为(0
°
，-30
°
](即大于0
°
，小于等于-30
°
)；当然，根据气流调节需要，所述边缘隔板的延申方向也可以向延申线oo’正方向旋转形成所述夹角θ，如图6所述，可选的，所述夹角大于0
°
，优选的，所述夹角为(0
°
，30
°
](即大于0
°
，小于等于30
°
)；图7为在图5中分别沿x1和x2位置处竖向的截面图，可以看出，进气口511的宽度w1比出气口513的宽度w2要大，因此进气口511的截面积s1比出气口513的截面积s2要大，气体流速变大，从而改善了衬底侧边缘处的气流分布。
53.实施方式二，参见图8-9，所述边缘隔板502的厚度非均匀，其包括第一表面5023和与第一表面5023相对的第二表面5021，所述第一表面为靠近反应腔侧边缘的一面，所述第一表面与延申线形成夹角。图8示出了所述第一表面向延申线oo’负方向旋转形成所述夹角θ的方式，可选的，所述夹角大于0
°
，优选的，所述夹角为(0
°
，-30
°
](即大于0
°
，小于等于-30
°
)；当然，根据气流调节需要，所述第一表面也可以向延申线oo’正方向旋转形成所述夹角θ，如图9所述，可选的，所述夹角大于0
°
，优选的，所述夹角为(0
°
，30
°
](即大于0
°
，小于等于30
°
)。可选的，所述第二表面5021与延伸线oo’平行，这样的好处在于，与边缘气体通506
道相邻的气体通道504的流速不会受到影响，即：靠近衬底中间区域c的流速不受边缘气体通道的影响，图8-9均示出这样的设计。同样可选的，所述第二表面5021与延伸线oo’不平行，这样的好处是，可以通过第二表面5021与延伸线oo’形成的角度调节与边缘气体通506道相邻的气体通道504的流速。
54.实施方式三，参见图10-11，所述气体注入插件还包括：斜坡520，所述斜坡520设置在边缘气体通道506内，用于改变进气口的截面积和出气口的截面积。具体的，参见附图10，所述斜坡520设置在底板505上，所述斜坡的高度由进气口511向出气口513逐渐增大，可选的，所述斜坡的高度由进气口511向出气口513逐渐减小。可选的，所述斜坡设置在顶板501、边缘隔板502或第一侧壁507任一者上；可选的，所述斜坡还可以设置在顶板501、底板505、边缘隔板502或第一侧壁507任两者形成的角上，如图11所示，斜坡520设置在底板505与边缘隔板502形成的角上。可选的，所述斜坡520与气体注入插件一体成型，或斜坡是可拆卸的，可拆卸的好处是可以根据需要更换不同坡度型号的斜坡。斜坡502的不同位置的设置可以根据调节某区域流速的需要而选择，可以更加精确地调节某一区域地流速，从而控制工艺气体的分布。本实施方式可以单独实施，或者与实施方式一或二任一者结合实施。
55.其中，以上实施方式中，可选的，所述顶板501与底板505平行，且顶板501、底板505与基座105平行，第一侧壁507与第二侧壁509平行，即：第一侧壁507、第二侧壁509均与延伸线oo’平行，隔板503垂直于顶板501或底板505。所述底板与顶板的出气端的俯视的轮廓为圆弧，所述圆弧与反应腔的气体入口的形状适配；所述底板与顶板的进气端的俯视的轮廓为直线。可选的，所述第一侧壁507与延伸线oo’不平行，这样第一侧壁也可以起到调节气流的作用。可选的，隔板503不垂直于顶板501或底板505。
56.对于材料的选择，所述气体注入插件为石英、陶瓷、铝或不锈钢的一种或几种的组合。
57.对于气体注入插件的制造，可以一体成型，或由若干个组件组装形成。
58.对于效果，图12为本发明外延工艺锗含量分布实验图，众所周知外延工艺主要是形成半导体器件的参杂的漏极和源极，参杂的主要对象是锗(ge)，其中图12中横坐标为衬底(即晶圆)直径，纵坐标为ge含量，l1为现有技术的实验结果，l2为采用本发明图4所述的实施例取得的实验结果，由图可以看出：采用现有技术时，ge的含量在衬底侧边缘区域明显略低，这主要是由于工艺气体在衬底侧边缘区域分布浓度较低导致的，而采用本发明的气体注入插件则明显的改善了这一情况。
59.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。