半导体热处理设备的制作方法

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种半导体热处理设备。


背景技术：

2.随着半导体制造业的快速发展，器件的特征尺寸不断缩小，芯片的集成度越来越高，对工艺指标的要求越来越严格。在半导体制造工艺中，扩散炉用来进行薄膜制备、合金化和退火等工艺。工艺过程中，温度和工艺气体混合的均匀性均会影响半导体制备工艺中膜厚的均匀性。
3.相关技术中，工艺气体在进入扩散炉反应腔室前不能够得到充分混合，导致工艺气体混合的均匀性差。并且，扩散炉反应腔室的局部温度较低，进而导致半导体表面薄膜的均匀性差。


技术实现要素：

4.本发明公开一种半导体热处理设备，以解决相关技术中半导体热处理设备制造的半导体的表面薄膜均匀性差的问题。
5.为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
6.本技术所述的半导体热处理设备，包括炉体、供气管汇、进气管和混合腔，混合腔围绕炉体设置；
7.供气管汇与混合腔连通，且供气管汇用于向混合腔内注入工艺气体；
8.进气管用于连接炉体和混合腔，且混合腔内的工艺气体可通过进气管由混合腔进入炉体内。
9.本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
10.本发明实施例公开的半导体热处理设备中，工艺气体进入炉体内需要经过混合腔，进而使得工艺气体可以先在混合腔内混合后才能进入炉体。因此，本技术所述的半导体热处理设备可以提高工艺气体混合的均性。并且，混合腔围绕炉体设置，进而使得炉体四周均能与混合腔发生热交换，进而可以缩小炉体内工艺气体与混合腔内工艺气体之间的温度差，进而有益于提高炉体内各处温度的均匀性。因此，本发明实施例所述的半导体热处理设备可以提高晶圆表面薄膜的均匀性。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
12.图1为本技术一种实施例公开的半导体热处理设备在第一视角的示意图；
13.图2为本技术一种实施例公开的半导体热处理设备的剖面示意图；
14.图3位本技术一种实施例公开的半导体热处理设备在第二视角的示意图；
15.图4为相关技术中半导体热处理设备的示意图。
16.图中：101-加热部；102-反应腔室；103-保温筒；104-排气管；105-供气管；100-炉体；110-第一炉体段；111-工艺腔；120-第二炉体段；121-保温腔；200-供气管汇；210-第一支路管汇；220-第二支路管汇；300-进气管；400-混合腔；410-第一进气口；420-第一排气口；500-第一壳体；600-排气管；700-进气装置；800-安装座；900-密封组件；1000-晶舟。
具体实施方式
17.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅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。
18.以下结合附图1至图4，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。
19.参照图1和图2，本技术所述的半导体热处理设备，包括炉体(炉管)100、供气管汇200、进气管300和混合腔400。其中，炉体100为基础结构件，可以为供气管汇200、进气管300和混合腔400提供安装基础。
20.参照图1和图2，混合腔400围绕炉体100设置，以使混合腔400可以与炉体100之间进行热交换，进而使得混合腔400内的气体的温度与炉体100内的温度的差值更小，减小炉体100内靠近进气侧的温度与炉体100内远离进气侧的温度的差值，提高炉体100内温度的均匀性。
21.需要说明的是，炉体100内温度的均匀性越好，则炉体100内各处温差越小，进而可以提高半导体表面薄膜的均匀性。
22.参照图2，供气管汇200与混合腔400连通，且供气管汇200用于向混合腔400内注入工艺气体。进气管300用于连接炉体100和混合腔400，且混合腔400内的工艺气体可通过进气管300由混合腔400进入炉体100内。该实施例中，混合腔400为工艺气体混合提供了足够的流动混合空间，使得工艺气体可以在进入炉体100内前混合更为均匀，进而提高半导体表面薄膜的均匀性。
23.参照图1，供气管汇200可以包括多个支路管汇。进一步地，各支路管汇可以用于向混合腔400内提供不同的工艺气体。示例性地，供气管汇200包括第一支路管汇210和第二支路管汇220，第一支路管汇210和第二支路管汇220均与混合腔400连通，进而可以同时向混合腔400内提供不同的工艺气体。进一步地，供气管汇200包括过渡管汇，过渡管汇与混合腔400相连。多个支路管汇均与过渡管汇连通，以使各支路管汇均可通过过渡管汇与混合腔400连通。进一步地，过渡管汇与混合腔400可拆卸相连，以便于半导体热处理设备供气管汇200检修。进一步地，过渡管汇与混合腔400可以通过密封组件900密封配合。示例性地，密封组件900可以包括第一法兰、第二法兰和密封圈。进一步地，第一法兰设置于第一进气口410，第二法兰设置于过渡管汇。密封圈设置于第一法兰和第二法兰之间。进一步地，第一法兰和第二法兰可以通过螺栓紧固。
24.参照图4，相关技术中，立式扩散炉采用单侧进气，进而使得立式扩散炉靠近进气的一侧的温度低于立式扩散炉远离进气的一侧的温度，进而降低半导体表面薄膜的均匀度。具体的，相关技术中立式扩散炉包括加热部101、反应腔室(炉体)102、保温筒103、排气管104和供气管105。具体的，加热部101套设于反应腔室102，且加热部101与反应腔室102之
间形成安装供气管105的安装腔。供气管105沿反应腔室102的侧壁设置，且供气管105与反应腔室102连通，以使供气管105可以向反应腔室102提供工艺气体。排气管104与反应腔室102相连，以使反应腔室102内的气体可以通过排气管104排出。参照图4，相关技术中，供气管105的管径较小，进而不利于工艺气体混合，使得工艺气体混合不充分，导致各工艺气体进入反应腔室102后分布不均匀，导致半导体表面薄膜的均匀度降低。
25.可选地，本技术所述的半导体热处理设备可以用于晶圆表面薄膜制备。在晶圆表面薄膜工艺制备的过程中，通过进气管300向混合腔400内注入工艺气体，以使工艺气体在混合腔400内混合。混合腔400围绕炉体100设置，以使炉体100可以与混合腔400发生热传递，进而减小混合腔400内的工艺气体的温度与炉体100内的温度的差值。混合腔400围绕炉体100，使得炉体100侧壁均可以与混合腔400发生热传递，一方面可以提高炉体100与混合腔400之间的接触面，提升炉体100与混合腔400热交换的效率，另一方面，还可以保证炉体100各侧的温度均衡，提高炉体100周向温度的均匀性。在混合腔400内混合后的工艺气体沿进气管300进入炉体100内，以用于晶圆表面薄膜制备。示例性地，本技术所述的半导体热处理设备可以为立式扩散炉。
26.需要说明地是，工艺腔111内温度分布越均匀，位于工艺腔111内的晶圆表面的温度分布越均匀，进而能提高晶圆表面薄膜的均匀性。当然，通过混合腔400的工艺气体混合更充分，还可以提高工艺气体的均匀性，进而可以进一步改善晶圆表面薄膜的均匀性。
27.参照图1和图2，炉体100包括第一炉体段110和第二炉体段120，第一炉体段110具有工艺腔111。工艺腔111用于容纳半导体热处理设备的晶舟1000。半导体热处理过程中，晶圆放置于工艺腔111内的晶舟1000上。工艺腔111与进气管300连通，工艺气体从混合腔400经过进气管300进入工艺腔111。第二炉体段120具有保温腔121，保温腔121与工艺腔111连通，保温腔121用于容纳半导体热处理设备的保温桶，晶舟1000与保温桶连接。示例性地，炉体100可以设置为圆筒状，以使炉体100的周向散热更加均匀，进而有益于提高炉体100的周向温度分布的一致性。进一步地，第一炉体段110和第二炉体段120可以为一体结构。
28.上述实施例中，第二炉体段120内设置保温腔121，通过在保温腔121内设置保温筒，进而可以避免炉体100开口端散热过快，进而可以提高炉体100，特别是工艺腔111内温度的均匀性。
29.参照图1至图3，一种可选的实施例中，半导体热处理设备还包括进气装置700。进一步地，进气装置700设置于第一炉体段110，且进气装置700与工艺腔111连通。示例性地，进气管300远离混合腔400的一端与进气装置700相连，以通过进气装置700向工艺腔111内进气。示例性地，进气装置700设置于第一炉体段110远离第二炉体段120的一端。可选地，进气装置700包括多个出气孔，且出气孔均匀分布设置。本实施例中，进气装置700通过设置多个出气孔，使得工艺气体可以更为均匀地进入工艺腔111内。示例性地，进气装置700可以为进气花洒。
30.一种可选的实施例中，半导体热处理设备还包括加热装置，加热装置用于对第一炉体段110和第二炉体段120进行加热。示例性地，加热装置可以内嵌与第一炉体段110和/或第二炉体段120内。或者，加热装置还可以罩设在第一炉体段110和/或第二炉体段120外部。加热装置的种类有很多。示例性地，加热装置可以为电阻加热、可以为热换液加热。为此，本实施例不限定加热装置的具体类型。
31.一种可选的实施例中，加热装置围绕所述工艺腔111和/或所述保温腔121设置，以使加热装置可以从第一炉体段110和第二炉体段120的四周同步加热，以确保第一炉体段110和第二炉体段120在周向的温度分布更均匀。
32.参照图1和图2，混合腔400围绕第二炉体段120设置，进而使位于第二炉体段120的加热装置还可以对围绕第二炉体段120的混合腔400进行加热，以减小混合腔400内的温度与工艺腔111和保温腔121内温度的差值，可以避免第一炉体段110靠近进气管300的一侧与进气管300发生热交换，保证第一炉体段110靠近进气管300的一侧温度与第一炉体段110远离进气管300的一侧的温度均衡。另外，混合腔400围绕第二炉体段120设置，可以避免未被加热的工艺气体影响工艺腔111内的温度，消除没有进入工艺腔111的气体对工艺腔111内温度分布的干扰。
33.参照图2，半导体热处理设备还包括第一壳体500，第一壳体500和炉体100均为筒状，第一壳体500套设于第二炉体段120，第一壳体500的两端分别与第二炉体段120密封连接，且第一壳体500与炉体100之间形成混合腔400。示例性地，第一壳体500可以与第二炉体段120焊接密封。进一步地，第一壳体500和第二炉体段120同轴设置，即第一壳体500与第二炉体段120之间形成的间隙在周向方向上更均匀，以确保混合腔400和第二炉体段120在周向的温度分布更均匀。
34.上述实施例中，利用第一壳体500和炉体100围合形成混合腔400，不仅有益于第二炉体段120与混合腔400内的工艺气体热交换，还可以提高设备结构的紧凑性。进一步可选地，位于第一炉体段110的加热装置和位于第二炉体段120的加热装置相互独立，进而可以分别控制位于第一炉体段110和第二炉体段120的加热装置调节工艺腔111内的温度和保温腔121内的温度。
35.参照图1和图2，一种可选的实施例中，半导体热处理设备还包括排气管600，排气管600与保温腔121连通，且排气管600设置于第二炉体段120远离第一炉体段110的一端。示例性地，排气管600可以沿第二炉体段120的径向设置，且排气管600与第一壳体500远离第一炉体段110的一端之间设置有间隙。
36.上述实施例中，排气管600设置于第二炉体段120远离第一炉体段110的一端有益于降低排气管600对工艺腔111内温度的影响。需要说明的是，保温腔121内气体排出的过程中，保温腔121内靠近排气侧的温度小于保温腔121内远离排气侧的温度。即保温腔121内的温度由远离排气侧的一端向靠近排气侧的一端逐渐减小。排气管600设置于第二炉体段120远离第一炉体段110的一端可以使保温腔121靠近第一炉体段110一侧的温度与工艺腔111内的温度更接近，进而可以保证工艺腔111内温度分布更加均匀。
37.一种可选地实施例中，工艺腔111内设置有晶舟1000。示例性地，晶舟1000用于放置待加工的晶圆。进一步地，晶舟1000在沿炉体100的轴线方向设置有多层晶圆放置位，以使半导体热处理设备可以同时对多个片晶圆加工，提高半导体热处理设备的加工效率。
38.参照图1至图3，混合腔400具有第一进气口410，第一进气口410与供气管汇200相连，且第一进气口410的朝向沿炉体100的径向设置，进而使得从第一进气口410进入的工艺气体可以沿混合腔400向第一进气口410的两侧流动。进一步地，混合腔400围绕第二炉体段120设置，进而使得工艺气体可以在混合腔400内旋转运动。需要说明的是，第一进气口410的朝向是指：气体从第一进气口410进入混合腔400时气体的流动方向。参照图3，第一进气
口410的朝向沿炉体100的径向设置，使得混合腔400可以形成两股旋转方向不同的气流，且两个旋转方向不同的气流可以在混合腔400内对流，进而使得工艺气体能够在混合腔400混合得更均匀。
39.一种可选地实施例中，混合腔400内还可以设置有折流板，以通过折流板改变气流在混合腔400的运动轨迹，以使混合腔400内气流的流动更加紊乱，以使工艺气体可以在混合腔400混合得更均匀。进一步地，折流板可以设置有圆弧形，以使气流冲击至圆弧形折流板的情况下，可以形成涡流，进一步有益于混合气体充分混合。
40.一种可选的实施例中，混合腔400还包括第一排气口420，第一排气口420通过进气管300与第一炉体段110相连，第一排气口420与第一进气口410分别位于炉体100相背的两侧。图3为工艺气体在混合腔400内流动的示意图。混合气体从第一进气口410进入混合腔400内，并在混合腔400内形成两股分别向第一进气口410的两侧流动。第一排气口420与第一进气口410分别位于炉体100相背的两侧，即两股气流从第一进气口410向第一排气口420流动的距离相等，进而可以确保工艺气体均匀混合后从第一排气口420排出，并进入工艺腔111内。另外，第一排气口420与第一进气口410分别位于炉体100相背的两侧，可以提高混合腔400内周向工艺气体分布的均匀性。
41.一种可选地实施例中，第一进气口410设置于混合腔400远离第一炉体段110的一端。第一排气口420设置于混合腔400靠近第一炉体段110的一端。该实施例中，可以延长工艺气体在混合腔400内滞留时间，以确保工艺气体能够被设置于第二炉体段120的加热装置加热，同时也可以更好的混合。
42.参照图1和图2，进气管300位于炉体100外部，且进气管300与炉体100外侧壁之间具有间隙。该实施例中，可以避免进气管300与炉体100之间接触并进行热交换，进而有益于降低进气管300布设对工艺腔111内温度分布的影响，达到改善半导体表面薄膜均匀性目的。
43.进一步可选地实施例中，炉体100为石英材质。
44.一种可选的实施例中，半导体热处理设备还包括安装座800。示例性地，安装座800设置于炉体100的底部，以通过安装座800支撑并固定炉体100。进一步地，安装座800可以与炉体100为一体结构。示例性地，安装座800可以与炉体100形成一体结构，还可以通过焊接为一体结构。
45.本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
46.以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种半导体热处理设备，其特征在于，包括炉体(100)、供气管汇(200)、进气管(300)和混合腔(400)，所述混合腔(400)围绕所述炉体(100)设置；所述供气管汇(200)与所述混合腔(400)连通，且所述供气管汇(200)用于向所述混合腔(400)内注入工艺气体；所述进气管(300)用于连接所述炉体(100)和所述混合腔(400)，且所述混合腔(400)内的工艺气体可通过所述进气管(300)由所述混合腔(400)进入所述炉体(100)内。2.根据权利要求1所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述炉体(100)包括第一炉体段(110)和第二炉体段(120)，所述第一炉体段(110)具有工艺腔(111)，所述工艺腔(111)用于容纳所述半导体热处理设备的晶舟(1000)，所述工艺腔(111)与所述进气管(300)连通，所述工艺气体从所述混合腔(400)经过所述进气管(300)进入所述工艺腔(111)；所述第二炉体段(120)具有保温腔(121)，所述保温腔(121)与所述工艺腔(111)连通，所述保温腔(121)用于与容纳所述半导体热处理设备的保温桶，所述晶舟(1000)与所述保温桶连接。3.根据权利要求2所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括加热装置，所述加热装置用于对所述第一炉体段(110)和所述第二炉体段(120)进行加热。4.根据权利要求3所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述混合腔(400)围绕所述第二炉体段(120)设置。5.根据权利要求4所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括第一壳体(500)，所述第一壳体(500)和所述炉体(100)均为筒状，所述第一壳体(500)套设于所述第二炉体段(120)，所述第一壳体(500)的两端分别与所述第二炉体段(120)密封连接，且所述第一壳体(500)与所述炉体(100)之间形成所述混合腔(400)。6.根据权利要求5所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述半导体热处理设备还包括排气管(600)，所述排气管(600)与所述保温腔(121)连通，且所述排气管(600)设置于所述第二炉体段(120)远离所述第一炉体段(110)的一端。7.根据权利要求2至6中任意一项所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述混合腔(400)具有第一进气口(410)，所述第一进气口(410)与供气管汇(200)相连，且所述第一进气口(410)的朝向沿所述炉体(100)的径向设置。8.根据权利要求7所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述混合腔(400)还包括第一排气口(420)，所述第一排气口(420)通过所述进气管(300)与所述第一炉体段(110)相连，所述第一排气口(420)与所述第一进气口(410)分别位于所述炉体(100)相背的两侧。9.根据权利要求8所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述第一进气口(410)设置于所述混合腔(400)远离所述第一炉体段(110)的一端；所述第一排气口(420)设置于所述混合腔(400)靠近所述第一炉体段(110)的一端。10.根据权利要求7所述的半导体热处理设备，其特征在于，所述进气管(300)位于所述炉体(100)外部，且所述进气管(300)与所述炉体(100)外侧壁之间具有间隙。

技术总结
本发明公开一种半导体热处理设备，涉及半导体制造技术领域。该半导体热处理设备，包括炉体、供气管汇、进气管和混合腔，混合腔围绕炉体。供气管汇与混合腔连通，且供气管汇用于向混合腔内注入工艺气体。进气管用于连接炉体和混合腔，且混合腔内的工艺气体可通过进气管由混合腔进入炉体内。该方案能解决晶圆表面薄膜均匀性差的问题。均匀性差的问题。均匀性差的问题。


技术研发人员：孙妍 刘科学 吴艳华 位思梦 李元志 郭信鸽
受保护的技术使用者：北京北方华创微电子装备有限公司
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8