工艺腔室组件、半导体工艺设备及其方法与流程

1.本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备的工艺腔室组件及半导体工艺设备及其方法。


背景技术：

2.随着半导体技术的发展，集成电路硅外延片向更大的尺寸发展，集成电路特征尺寸向更小的尺寸发展，并伴随有许多复杂的新工艺需求的产生。为了满足新工艺需求减压外延技术应运而生，减压外延在控制自掺杂和图形畸变与漂移方面有着很大的优势。
3.现有的减压外延工艺腔室由上、下腔体构成密闭空间，并以基座的承载面为分界线把该密闭空间分为上、下腔室，设置在上腔室中，且与上腔室连通的进气口与排气口在水平方向上相对设置，工艺气体由进气口进入上腔室，由排气口排出到排气管路。并且，上、下腔体由透明石英组成，上、下腔体外部的红外加热灯透过上、下腔体朝向基座辐射能量，以使基座快速升温提供外延反应所需的能量。
4.但是，在减压的工况下，进入工艺腔室的工艺气体的扩散自由程更大，工艺气体很容易在下腔体上产生沉积形成沉积物，该沉积物的存在会吸收加热灯的热辐射使下腔体温度升高，从而使下腔体上更易发生沉积，形成恶性循环，当沉积物达到一定厚度时会影响腔室温场均匀性。而且，沉积物的存在还会影响高温计测温的准确性，使工艺结果产生漂移。目前，在下腔体出现一定厚度的沉积物时，必须通过腔室维护更换或清洗下腔体，缩短了工艺腔室的维护周期，从而导致设备在线时间缩短，生产成本增加。


技术实现要素：

5.本发明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设备的工艺腔室组件及半导体工艺设备和方法，其可以在不进行腔室开腔维护的情况下有效去除沉积物，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
6.为实现本发明的目的而提供一种半导体工艺设备的工艺腔室组件，包括上腔体、下腔体和设置在所述上腔体和下腔体之间的用于承载晶圆的基座，所述上腔体和所述基座的承载面之间形成上腔室，所述下腔体与所述承载面之间形成下腔室，所述上腔室与所述下腔室连通，在上腔体和下腔体之间设置有与所述上腔室连通的第一进气口和第一排气口，所述第一排气口用于与抽气装置连通；在所述下腔体的底部设置有多个第二排气口；
7.所述工艺腔室组件还包括匀气结构和切换结构，其中，所述匀气结构位于所述下腔体的外部，所述匀气结构具有匀气室，所述匀气室通过所述第二排气口与所述下腔室连通，在所述匀气结构上开设有与所述匀气室连通的第三排气口，所述第三排气口用于与所述抽气装置连通；
8.所述切换结构用于选择性地将所述第一排气口和所述第三排气口中的一者与所述抽气装置连通。
9.可选的，所述切换结构包括第一排气管路和第二排气管路，其中，所述第一排气管
路的进气端与所述第一排气口连通，所述第一排气管路的出气端用于与所述抽气装置连通，且在所述第一排气管路上设置有第一通断阀；所述第二排气管路的进气端与所述第三排气口连通，所述第二排气管路的出气端用于与所述抽气装置连通，且在所述第二排气管路上设置有第二通断阀。
10.可选的，所述匀气结构包括匀气外壁，所述匀气外壁位于所述下腔体的外部，且与所述下腔体固定连接；所述匀气外壁的内表面与所述下腔体外表面的与所述匀气外壁相对的区域围成所述匀气室，所述第三排气口设置于所述匀气外壁上。
11.可选的，所述下腔体包括锥形筒部和直筒部，其中，所述锥形筒部的内径沿背离所述上腔室的方向递减；所述直筒部的上端与所述锥形筒部的下端连接；多个所述第二排气口均设置于所述锥形筒部上，且沿所述锥形筒部的周向均匀分布；
12.所述匀气外壁呈环状，且环绕设置于所述锥形筒部与所述直筒部的连接处，所述匀气外壁的内表面、所述锥形筒部和所述直筒部各自外表面的与所述匀气外壁相对的区域共同围成所述匀气室。
13.可选的，所述匀气外壁呈锥形筒状，且所述匀气外壁的内径沿背离所述上腔室的方向递减。
14.可选的，所述工艺腔室组件还包括旋转轴和用于驱动所述旋转轴旋转的驱动装置，其中，所述旋转轴的一端与所述基座连接，另一端沿背离所述上腔室的方向贯穿所述直筒部的底部，延伸至所述直筒部的外部与所述驱动装置连接；
15.在所述直筒部还设置有第二进气口，用于沿靠近所述上腔室的方向向所述下腔室输送吹扫气体。
16.可选的，所有的所述第二排气口的横截面面积之和与所述腔体外表面的与所述匀气外壁相对的区域面积的比值大于等于三分之一，且小于等于二分之一。
17.可选的，所述第二排气管路上还设置有流量控制阀，所述第一排气管路与所述第二排气管路连通，且所述第二排气管路的出气端连接在所述第一通断阀的下游和所述流量控制阀的上游之间的位置处。
18.作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体工艺设备，包括本发明提供的上述工艺腔室组件。
19.作为另一个技术方案，本发明还提供一种半导体工艺设备的工艺方法，应用于本发明提供的上述工艺腔室组件，所述方法包括：
20.在进行沉积工艺时，通过所述第一进气口向所述上腔室内通入工艺气体，并将所述第一排气口与所述抽气装置连通；
21.在进行沉积物的原位刻蚀工艺时，通过所述第一进气口向所述上腔室通入刻蚀气体，并将所述第三排气口与所述抽气装置连通。
22.本发明具有以下有益效果：
23.本发明提供的半导体工艺设备的工艺腔室组件，其通过切换结构选择性地将第一排气口和第三排气口中的一者与抽气装置连通，在进行沉积工艺时，可以通过将第一排气口与抽气装置连通，使工艺气体可以通过第一进气口流入上腔室中，并在流经基座上的晶圆表面之后，可以通过第一排气口排入抽气装置；在需要刻蚀去除下腔体的内表面上的沉积物时，可以通过将第三排气口与抽气装置连通，使刻蚀气体可以通过第一进气口流入上
腔室中，并通过下腔体底部的第二排气口排出，刻蚀气体在流经下腔体的内表面过程中会与附着在其上的沉积物发生化学反应，从而可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
24.本发明提供的半导体加工设备，其通过采用本发明提供的上述工艺腔室组件，可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的工艺腔室组件的结构示意图；
26.图2为本发明实施例采用的下腔体的俯视图；
27.图3为本发明实施例采用的下腔体的侧视图；
28.图4为本发明实施例提供的工艺腔室组件的气体流动路径图。
具体实施方式
29.为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的半导体工艺设备的工艺腔室组件及半导体工艺设备及其方法进行详细描述。
30.请参阅图1，本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺腔室组件，其包括上腔体11、下腔体12和设置在上腔体11和下腔体12之间的用于承载晶圆的基座5，上腔体11和基座5的承载面之间形成上腔室111，下腔体12与上述承载面之间形成下腔室112，上腔室111与下腔室112连通。
31.而且，在上腔体11和下腔体12之间设置有与上腔室111连通的第一进气口3和第一排气口4，第一进气口3和第一排气口4例如沿水平方向相对设置。其中，第一进气口3用于向上腔室111中通入工艺气体，该工艺气体的种类可以根据所进行的沉积工艺而设定；第一排气口4用于与抽气装置10连通，以能够排出上腔室111中的气体。
32.在一些可选的实施例中，在上腔体11和下腔体12之间可以设置有均呈环状的上内衬22和下内衬21，上腔体11、下腔体12、上内衬22和下内衬21共同构成密闭空间，该密闭空间位于基座5的承载面以上的区域为上述上腔室111，位于该承载面以下的区域为上述下腔室112。并且，在上内衬22和下内衬21之间形成有彼此相对的第一进气口3和第一排气口4。
33.在一些可选的实施例中，上述第一进气口3和第一排气口4例如均为一个，而且可选地，为了增加气体流量，提高气体扩散效率，从而提高工艺气体在上腔室111中的分布均匀性，上述第一进气口3和第一排气口4均呈圆弧状，且沿上腔室111的周向延伸设置。当然，上述第一进气口3和第一排气口4的数量还可以为多个，且可以采用其他结构，本发明实施例对此没有特别的限制。
34.而且，如图2所示，在下腔体12的底部还设置有与下腔室112连通的多个第二排气口123，用以排出下腔室112中的气体。例如，图2中示出了8个第二排气口123，可选的，多个第二排气口123沿下腔体12的周向均匀分布。这样，可以使下腔室112中的气体能够均匀地排出，从而可以使进入下腔室112中的刻蚀气体能够均匀地流过在下腔体12的内表面，从而可以保证下腔体12内表面的各个位置均有较好的刻蚀效果。
35.需要说明的是，在实际应用中，多个第二排气口123可以围绕下腔体12的周向排布一圈或多圈。
36.在一些可选的实施例中，各个第二排气口123的横截面形状包括椭圆形、圆形、三角形或者其他任意形状，优选的，各个第二排气口123的横截面形状为椭圆形或者其他长宽比大于1的形状，并且该形状的长轴沿下腔体12的径向设置，这样有助于提高气体分布均匀性。
37.如图1至图3所示，上述工艺腔室组件还包括匀气结构9和切换结构，其中，匀气结构9位于下腔体12的外部，该匀气结构9具有匀气室113，该匀气室113通过第二排气口123与下腔体12连通，在匀气结构9上开设有与匀气室113连通的第三排气口(图中未示出)，该第三排气口用于与抽气装置10连通。匀气室113与各个第二排气口123连通，且上述第三排气口分别与匀气室113和抽气装置10连通。这样，从各个第二排气口123排出的气体会先后经由匀气室113和第三排气口排入抽气装置10。借助匀气结构9，可以提高下腔室112中的气体分布均匀性。
38.切换结构用于选择性地将第一排气口4和上述第三排气口中的一者与抽气装置10连通，即，在第一排气口4与抽气装置10连通时，上述第三排气口与抽气装置10断开，无法排气；在上述第三排气口与抽气装置10连通时，第一排气口4与抽气装置10断开，无法排气。
39.当进行沉积工艺时，例如进行外延生长工艺，可以利用上述切换结构将第一排气口4与抽气装置10连通，此时外延生长气体通过第一进气口3流入上腔室111中，并在流经基座5上的晶圆表面之后，可以通过第一排气口4排入抽气装置10，从而实现外延生长工艺。
40.当下腔体12上产生一定厚度的沉积物(例如硅)时，需要进行原位刻蚀工艺，以去除该沉积物，在这种情况下，可以利用上述切换结构将上述第三排气口与抽气装置10连通，此时刻蚀气体(例如氯化氢)通过第一进气口3流入上腔室111中，其流动路径如图4中的箭头a所示，气流分为两个部分，其中一部分流经基座5表面之后，由于第一排气口4未与抽气装置10连通，无法排气，刻蚀气体会从基座5右侧经由基座5与预热环18之间的环形间隙流入下腔室112中，另一部分会从基座5左侧直接经由基座5与预热环18之间的环形间隙流入下腔室112中，然后，进入下腔室112的刻蚀气体会沿下腔体12的内表面朝第二排气口123流动，在此过程中，刻蚀气体会与附着在下腔体12的内表面上的沉积物发生化学反应，从而可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
41.在一些可选的实施例中，如图1所示，上述切换结构包括第一排气管路7和第二排气管路8，其中，第一排气管路7的进气端与上述第一排气口4连通，第一排气管路7的出气端用于与抽气装置10连通，且在第一排气管路7上设置有第一通断阀71，用于接通或断开第一排气管路7。第二排气管路8的进气端与上述第三排气口连通，第二排气管路8的出气端用于与抽气装置10连通，且在第二排气管路8上设置有第二通断阀81。
42.当进行沉积工艺时，可以打开第一通断阀71，并关闭第二通断阀81，以将第一排气口4与抽气装置10连通，并将上述第三排气口与抽气装置10断开；当原位刻蚀工艺时，可以打开第二通断阀81，并关闭第一通断阀71，以将上述第三排气口与抽气装置10连通，并将第一排气口4与抽气装置10断开。
43.在一些可选的实施例中，在第一排气管路7上还设置有流量控制阀72，用于调节第
一排气管路7中的气体流量，从而可以控制腔体1的压力。
44.在一些可选的实施例中，为了简化设备结构，降低设备成本，抽气装置10包括一个抽气泵，第一排气管路7和第二排气管路8共用该抽气泵，在这种情况下，第一排气管路7和第二排气管路8连通，且第二排气管路8的出气端连接在第一通断阀71的下游和流量控制阀72的上游之间的位置处。这样，无论是第一排气管路7被接通，还是第二排气管路8被接通，流量控制阀72均可以对腔体1的压力以及腔体1中的气体流速等的参数进行精确控制。当然，在实际应用中，抽气装置10也可以包括两个抽气泵，第一排气管路7和第二排气管路8分别与这两个抽气泵连通，而且在第一排气管路7和第二排气管路8上均设置有流量控制阀。
45.在一些可选的实施例中，如图3所示，匀气结构9包括匀气外壁，该匀气外壁位于下腔体12的外部，且与下腔体12固定连接。并且，该匀气外壁的内表面与下腔体12外表面的与该匀气外壁相对的区域围成匀气室113，上述第三排气口设置于该匀气外壁上。匀气外壁例如可以采用焊接的方式与下腔体12固定连接。
46.在一些可选的实施例中，如图2所示，所有的第二排气口123的横截面面积之和与下腔体12外表面的与上述匀气外壁相对的区域面积(例如图2中的区域c的面积)的比值大于等于三分之一，且小于等于二分之一。通过将上述比值设定在该数值范围内，既可以避免第二排气口123的横截面面积之和过大，保证下腔体12具有较好的机械性能，又可以避免第二排气口123的横截面面积之和过小，保证对下腔体12上的沉积物进行原位刻蚀工艺具有良好的刻蚀效果。
47.本发明实施例提供的工艺腔室组件例如可以为外延生长工艺腔室组件，在这种情况下，如图1所示，上腔体11和下腔体12均为透明材料制成，例如透明石英。在上腔体11的上方和下腔体12的下方还设置有红外加热灯6，用于透过上腔体11和下腔体12朝基座5辐射热量，以使基座5快速升温提供外延反应所需的能量。可选的，该基座5的材质例如为石墨基座，且在石墨基座的外表面覆盖有碳化硅层。此外，在上腔体11的上方和下腔体12的下方分别设置有上高温计16和下高温计17，用以分别透过上腔体11和下腔体12对晶圆表面的温度和基座5下表面的温度进行检测，以能够准确控制红外加热灯6的加热温度。上述腔体1通过采用透明石英，可以给红外加热灯6的红外辐射加热基座5、上高温计16测量晶圆表面温度和下高温计17测量基座温度提供有利的条件。
48.在一些可选的实施例中，下腔体12的上端设置有环形支撑部13，用于支撑上述上内衬22和下内衬21，可选的，该环形支撑部13采用发泡石英制成，该发泡石英可以提供更高的机械强度和具有良好的热隔离性能。
49.在一些可选的实施例中，在基座5的周围环绕设置有预热环18，其可以采用与基座5相同的材料制作，用于对经由第一进气口3进入上腔室111的工艺气体起到预热作用，从而可以提高工艺气体的反应效率。并且，预热环18与基座5之间具有环形间隙，上腔室111中的气体能够经由该环形间隙流入下腔室112中。
50.在一些可选的实施例中，如图3所示，下腔体12包括锥形筒部121和直筒部122，其中，锥形筒部121的内径沿背离上腔室111的方向(例如由上而下)递减，其例如呈漏斗状，这样可以使下腔体12的整体具有更好的耐压能力。直筒部122的上端与锥形筒部121的下端连接，例如连为一体；多个第二排气口123均设置于锥形筒部121上，且沿锥形筒部121的周向均匀分布，这样在对下腔体12上的沉积物进行原位刻蚀工艺时，有助于使刻蚀气体能够流
经下腔体12内表面的各个位置处，从而可以保证下腔体12内表面的各个位置均有较好的刻蚀效果。可选的，多个第二排气口123均位于靠近锥形筒部121的下端的位置处，以使刻蚀气体能够流经下腔体12内表面的各个位置处。
51.在一些可选的实施例中，如图3所示，匀气结构9中，匀气外壁呈环状，且环绕设置于锥形筒部121与直筒部122的连接处，该匀气外壁的内表面、锥形筒部121和直筒部122各自外表面的与匀气外壁相对的区域共同围成上述匀气室113。可选的，上述匀气外壁呈锥形筒状，且匀气外壁的内径沿背离上腔室111的方向(例如由上而下)递减，这样可以减小匀气结构9的占用空间，简化匀气结构9，从而可以避免匀气结构9干扰红外加热灯6的辐射。当然，上述匀气外壁的结构并不局限于此，在实际应用中，上述匀气外壁还可以呈直筒状(底部封闭)、弧形圆筒状、不规则筒状或者其他任意形状，本发明实施例对此没有特别的限制。
52.在一些可选的实施例中，如图1所示，工艺腔室组件还包括旋转轴14和用于驱动该旋转轴14旋转的驱动装置15，其中，旋转轴14的一端与基座5连接，另一端沿背离上腔室111的方向(例如竖直向下)贯穿直筒部122的底部，延伸至直筒部122的外部与驱动装置15连接。在进行沉积工艺时，在驱动装置15的驱动下，旋转轴14可以带动基座5旋转，从而可以使上腔室111的温场和气流场更加均匀。
53.在一些可选的实施例中，如图1所示，在直筒部122的底部还设置有第二进气口(图中未示出)，用于沿靠近上腔室111的方向(例如由下而上)向下腔室112输送吹扫气体。当进行沉积工艺时，例如进行外延生长工艺，通过经由第二进气口由下而上向下腔室112输送吹扫气体，可以保护旋转轴14的位于直筒部122的部分(一般为金属材质)不被工艺气体腐蚀，从而可以提高旋转轴14的使用寿命。
54.当进行沉积工艺时，吹扫气体在进入下腔室112之后，通过预热环18和基座5之间的环形间隙进入上腔室111，然后从第一排气口4排出。当对下腔体12上的沉积物进行原位刻蚀工艺时，吹扫气体仍然需要通入直筒部122，以保护旋转轴14的位于直筒部122的部分，但是由于各个第二排气口123均位于靠近锥形筒部121的下端的位置处，这使得从直筒部122流出的吹扫气体可以直接经由各个第二排气口123排出，而不会对刻蚀气体的流动产生任何干扰，吹扫气体的流动路径如图4中的箭头b所示。需要说明的是，上述直筒部122环绕在旋转轴14的周围，有助于吹扫气体对旋转轴14进行保护。
55.综上所述，本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺腔室组件，其通过切换结构选择性地将第一排气口和第三排气口中的一者与抽气装置连通，在进行沉积工艺时，可以通过将第一排气口与抽气装置连通，使沉积工艺气体可以通过第一进气口流入上腔室中，并在流经基座上的晶圆表面之后，可以通过第一排气口排入抽气装置；在需要刻蚀去除下腔体的内表面上的沉积物时，可以通过将第三排气口与抽气装置连通，使刻蚀气体可以通过第一进气口流入上腔室中，并通过下腔体底部的第二排气口排出，刻蚀气体在流经下腔体的内表面过程中会与附着在其上的沉积物发生化学反应，从而可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
56.作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体工艺设备，其包括本发明实施例提供的上述工艺腔室组件，该工艺腔室组件例如采用图1所示的工艺腔室组件，由于该工艺腔室组件的结构和功能在上文中已有了详细描述，在此不再赘述。
57.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组件，可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
58.作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种半导体工艺设备的工艺方法，其应用于本发明实施例提供的上述工艺腔室组件，以图1示出的工艺腔室组件为例，该半导体工艺方法包括：
59.在进行沉积工艺时，例如进行外延生长工艺，通过第一进气口3向上腔室111内通入工艺气体，并将第一排气口4与抽气装置10连通；此时工艺气体通过第一进气口3流入上腔室111中，并在流经基座5上的晶圆表面之后，可以通过第一排气口4排入抽气装置10，从而实现外延生长工艺。
60.在进行沉积物的原位刻蚀工艺时，通过第一进气口3向上腔室111通入刻蚀气体(例如氯化氢)，并将第三排气口与抽气装置10连通。此时刻蚀气体通过第一进气口3流入上腔室111中，其流动路径如图4中的箭头a所示，气流分为两个部分，其中一部分流经基座5表面之后，由于第一排气口4未与抽气装置10连通，无法排气，刻蚀气体会从基座5右侧经由基座5与预热环18之间的环形间隙流入下腔室112中，另一部分会从基座5左侧直接经由基座5与预热环18之间的环形间隙流入下腔室112中，然后，进入下腔室112的刻蚀气体会沿下腔体12的内表面朝第二排气口123流动，在此过程中，刻蚀气体会与附着在下腔体12的内表面上的沉积物发生化学反应，从而可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
61.本发明实施例提供的半导体工艺设备的工艺方法，其通过采用本发明提供的上述工艺腔室组件，可以在不进行腔室开腔维护的情况下，实现对沉积物的原位刻蚀，从而可以大大节约腔室的维护时间，延长设备在线时间，降低生产成本。
62.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。