一种热处理设备及其处理晶圆的方法与流程

本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种热处理设备及其处理晶圆的方法。

背景技术：

随着半导体技术的不断发展，作为基础工艺的晶圆制造受到越来越多的关注。半导体晶圆制造过程中，为了在金属和硅之间形成欧姆接触，晶圆须在惰性气体或还原性气体环境中进行一次热处理过程，即合金工艺。

合金工艺是半导体晶圆制造过程中的重要工序，其工艺过程在扩散炉管中实现，其中工艺温度400～500℃。目前生产线上普遍使用纯氮气作为工艺气体，工作时先将待处理晶圆片慢速推入炉管中，然后从工艺开始至结束炉管内气体均为氮气使晶圆片在氮气环境中进行热处理过程，最后在工艺结束后慢速将晶圆拉出。

氮气属于惰性气体，在热处理的高温下不易与晶圆表面发生反应，因此对晶圆性能影响相对较小。然而氮气不能做到百分之百的纯净且存在环境和空气的影响，因此在氮气环境中热处理后的晶圆表面会由于接触污染物或氧化等情况发生改变，使晶圆的漏电流增加，影响器件的电学性能。同时不同产品的电学特性要求也有相应区别，对电参数特性要求较高的产品在纯氮合金工艺或氮氢混合合金工艺情况下也存在表面漏电偏大的问题，影响了产品可靠性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热处理设备及其处理晶圆的方法，以解决现有技术中晶圆表面态差、晶圆表面漏电流偏大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种热处理设备，包括：

炉体；

横置在所述炉体内部的炉管，所述炉管的管口具有可拆卸密封盖且用于作为装入晶圆的入口，所述炉管的管尾作为输气口用于接收外部充气设备输入的氢气，所述炉管的管侧设置有排气管；

与所述炉管的排气管连接的气体处理部件，用于对传输至所述排气管的炉管内过量气体进行处理并排出至所述炉体外。

进一步地，所述可拆卸密封盖为橡胶帽塞。

进一步地，所述炉管的管尾作为输气口接收的气体还包括氮气。

进一步地，所述气体处理部件包括：

气体处理室，用于接收所述排气管传输的炉管内过量气体，并在处理后排出至所述炉体外；

设置在所述气体处理室中的发热体，用于对输入至所述气体处理室中的过量气体中的氢气进行燃烧处理。

进一步地，所述气体处理室的形状为圆柱体、长方体或正方体。

第二方面，本发明实施例还提供了一种采用如第一方面所述的热处理设备处理晶圆的方法，该方法包括：

装有待处理晶圆的炉管接收外部充气设备输入的氮气，开启的气体处理部件将所述炉管内的过量气体排出；

所述炉管接收所述外部充气设备输入的氢气，所述气体处理部件处理并排出所述炉管内的过量气体；

控制所述炉管所在炉体处于预设晶圆处理温度，以使所述待处理晶圆与所述炉管内的氢气发生反应；

当所述待处理晶圆的反应时间达到预设晶圆处理时间时，所述炉管接收所述外部充气设备输入的氮气，所述气体处理部件处理并排出所述炉管内的过量气体以使所述炉管内处于纯氮环境，并结束晶圆处理程序。

进一步地，装有待处理晶圆的炉管接收外部充气设备输入的氮气之前，还包括：

设置所述炉体的处理参数并控制所述炉体达到所述处理参数，其中，所述处理参数包括预设晶圆处理温度和预设晶圆处理时间。

进一步地，所述气体处理部件的开启过程为：控制所述气体处理部件的发热体发热并超出氢气燃点。

进一步地，所述气体处理部件处理并排出所述炉管内的过量气体的过程为：所述发热体燃烧处理所述过量气体中的氢气，所述气体处理部件将处理后的气体排出。

进一步地，结束晶圆处理程序的过程包括：

关闭所述气体处理部件的发热体并停止接收所述外部充气设备输入的氮气，取出已处理晶圆。

本实施例提供的技术方案，将炉管的管口作为装入晶圆的入口其用可拆卸密封盖，将炉管的管尾作为输气口接收外部充气设备输入的氢气，在炉管的管侧设置排气管以及与炉管的排气管连接的气体处理部件，该气体处理部件用于 将炉管内的过量气体进行处理并排出至炉体外。该热处理设备的炉管结构及气体处理部件的配套使用，确保了氢气处理过程的安全性，该热处理设备采用纯氢工艺替代现有的氮气工艺，改善了晶圆表面态、降低了晶圆表面漏电流、提高了晶圆的电学特性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一中的热处理设备的示意图；

图2是本发明实施例二中的热处理设备的示意图；

图3是本发明实施例三中的采用热处理设备处理晶圆的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，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。

图1为本发明实施例一提供的热处理设备的示意图，本实施例可适用于对 半导体晶圆进行热处理的情况，该热处理设备可以执行热处理晶圆的方法。

本实施例提供的一种热处理设备，具体包括如下结构：炉体(未示出)；横置在炉体内部的炉管110，炉管110的管口111具有可拆卸密封盖112且用于作为装入晶圆的入口，炉管110的管尾113作为输气口用于接收外部充气设备(未示出)输入的氢气，炉管110的管侧设置有排气管114；与炉管110的排气管114连接的气体处理部件120，用于对传输至排气管114的炉管110内过量气体进行处理并排出至炉体外。

如图所述，热处理设备通过炉管110的管尾113与外部充气设备之间连接，在此外部充气设备与炉管110的管尾113之间的连接可以为固定连接也可以为可拆卸连接且连接过程中连接处密闭。外部充气设备内储存有可用于热处理的氢气或可产生用于热处理的氢气，炉管110的管尾113从外部充气设备接收氢气并传输至炉管110内部。炉管110的管口111尺寸较大，且通过可拆卸密封盖112密封，以用于作为装入晶圆的入口。

需要说明的是，为了保持炉管110内气体的充足，炉管110的排气管114的尺寸相对较小，因此也可称为排气孔。需要说明的是，气体处理部件120的与炉管110的排气管114连接处为敞口，用于接收过量气体，气体处理部件120的侧部或背离炉管的侧部也设置为敞口，用于排气。

随着外部充气设备持续不断的向炉管110内输入氢气，炉管110内的过量气体会通过排气管114传输至气体处理部件120。需要说明的是，在输气初期，该过量气体中可能包含炉管110中的原有气体，气体处理部件120会将炉管110内过量气体进行处理并排出炉体外；随着外部充气设备的氢气输入，该过量气体中逐渐包含越来越多的氢气，该气体处理部件120会将炉管110内过量气体 进行处理并排出炉体外；直至过量气体中完全为氢气，则气体处理部件120会将炉管110内过量氢气进行处理并排出炉体外，此时炉管110内为纯氢环境。随着外部充气设备输入氢气的过程、气体处理部件120排出过量氢气的过程，炉管110内持续保持纯氢环境。在此气体处理部件120排出炉管110内过量气体的功能保证了晶圆处理过程的安全性。

热处理设备的炉管110放置在炉体内，炉管110内用于放置待处理晶圆，炉体通过加热可达到晶圆所需处理温度，则炉体内的炉管110以及炉管110内腔的温度也在炉体的温度控制下达到晶圆所需处理温度，则放置在炉管110内的待处理晶圆在晶圆所需处理温度下可进行热处理。

氢气为还原性气体，当炉体以及炉管110内的温度达到晶圆所需处理温度以及炉管110内氢气浓度较高或者炉管110内保持纯氢环境时，待处理晶圆在晶圆所需处理温度的控制下会与炉管110内的氢气发生氢化还原反应。晶圆与氢气的氢化还原反应具体为，晶圆表面在氧化或其他环境中生成的杂质离子或氧化离子与氢气发生氢化还原反应，则晶圆表面的杂质离子或自然氧化离子被去除，气体处理部件120再将炉管110内的过量废气排出。需要说明的是，晶圆表面在氧化或其他环境中生成的杂质离子或氧化离子会导致晶圆表面漏电流增大，因此氢气还原反应可去除晶圆表面的杂质离子，从而降低了晶圆表面的漏电流，使晶圆的电性能得到改善、可靠性提高。

需要说明的是，还可选通过其他的还原性气体或惰性气体替代本实施例中的氢气，使还原性气体或惰性气体与晶圆表面进行还原反应以去除晶圆表面的杂质离子，改善晶圆表面态，降低晶圆表面的漏电流。

本实施例提供的热处理设备，炉管110的管口111具有可拆卸密封盖112 且用于作为装入晶圆的入口，将炉管110的管尾113作为输气口接收外部充气设备输入的氢气，在炉管110的管侧设置排气管114以及与炉管110的排气管114连接的气体处理部件120，该气体处理部件120用于将炉管110内的过量气体进行处理并排出至炉体外。该热处理设备的炉管110结构及气体处理部件120的配套使用，确保了氢气处理过程的安全性，该热处理设备采用纯氢工艺替代现有的氮气工艺，改善了晶圆表面态、降低了晶圆表面漏电流、提高了晶圆的电学特性和稳定性。

图2为本发明实施例二提供的热处理设备的示意图，本实施例可适用于对半导体晶圆进行热处理的情况，该热处理设备可以执行热处理晶圆的方法。

本实施例提供的一种热处理设备，具体包括如下结构：炉体(未示出)；横置在炉体内部的炉管210，炉管210的管口211具有可拆卸密封盖212且用于作为装入晶圆的入口，炉管210的管尾213作为输气口用于接收外部充气设备(未示出)输入的氢气，炉管210的管侧设置有排气管214；与炉管210的排气管214连接的气体处理部件220，用于对传输至排气管214的炉管210内过量气体进行处理并排出至炉体外。

在上述技术方案的基础上，可选可拆卸密封盖212为橡胶帽塞。具体地，待处理晶圆可以通过炉管210的管口211装入炉管210中，在晶圆装入后再通过橡胶帽塞将炉管210的管口211密封。本领域技术人员可以理解，在热处理其他器件或产品时，可根据不同器件或产品的需求，通过橡胶帽塞密封炉管210的管口211或拔掉橡胶帽塞使炉管210处于常压状态。

在上述技术方案的基础上，可选炉管210的管尾213作为输气口接收的气 体还包括氮气。在热处理设备开启后，外部充气设备可持续向炉管210内充入氮气，则在气体处理部件220的作用下，炉管210内的空气及其他气体被排出设备外，则炉管210内处于相对纯净的氮气环境。当炉管210内处于氮气环境中时，外部充气设备切换为向热处理设备输入氢气，则通过外部充气设备的氢气输入、气体处理部件220的过量气体排出，可使炉管210内处于氢气环境。当炉管210内处于氢气环境时，在热处理设备的温度控制下，置于炉管210内的晶圆与炉管210内的氢气发生氢化还原反应，此时热处理设备实现对晶圆的热处理工艺。晶圆热处理完成后，外部充气设备切换为向热处理设备输入氮气，以使气体处理部件220将炉管210内的氢气排出以及炉管210内处于氮气环境，随后取出晶圆，热处理过程结束。

在上述技术方案的基础上，气体处理部件220用于处理炉管210内的过量气体，该过量气体的成分随着热处理过程的阶段不同而不同，但至少包括炉管210内空气、氮气、氢气等。空气、氮气可直接通过气体处理部件220排出炉体外，但氢气极易燃烧，因此为了保证工艺安全性，气体处理部件220可对氢气进行燃烧处理，实现了氢气排放的安全性。可选地，气体处理部件220包括：气体处理室221，用于接收排气管214传输的炉管210内过量气体，并在处理后排出至炉体外；设置在气体处理室221中的发热体222，用于对输入至气体处理室221中的过量气体中的氢气进行燃烧处理。需要说明的是，气体处理室221的与炉管110的排气管114连接处为敞口，用于接收过量气体，气体处理室221的侧面或背离炉管的侧面也设置为敞口，用于排气。

在此发热体222可以是点火电阻丝，在气体处理部件220中设置有发热体222的加热开关，发热体222用于燃烧氢气，因此发热体222开启后的温度应 达到氢气燃点。当外部充气设备向炉管210内开始充气时，开启发热体222加热开关以使气体处理部件220对过量气体进行处理排放，当过量气体中包含氢气时，发热体222燃烧氢气并发出火焰，当发热体222不再发出火焰时，说明当前气体中无氢气。

在上述技术方案的基础上，为了及时处理过量气体，可选气体处理室221的形状为圆柱体、长方体或正方体，则过量气体通过排气管214传输至气体处理室221时，发热体222有足够的时间对该气体处理室221内的氢气进行处理。

本实施例提供的热处理设备，将炉管210的管口211用橡胶帽塞密封，可便于装入晶圆或取出晶圆；在炉管210的管尾213接收外部充气设备在不同阶段输入的氢气或氮气，可使炉管210内处于相对纯净的气氛环境，便于进行晶圆热处理；气体处理部件220中包括气体处理室221和发热体222，发热体222燃烧氢气确保了氢气排出处理的安全性。本实施例提供的热处理设备，与现有技术的氮气合金工艺相比，可通过氢气合金工艺有效改善晶圆表面态、降低晶圆的反向漏电流、改善晶圆的电学特性和可靠性。

图3为本发明实施例三提供的采用热处理设备处理晶圆的方法的流程图，本实施例可适用于对半导体晶圆进行热处理的情况，该热处理设备为上述任意实施例所述的热处理设备，该热处理设备可对任意晶圆或半导体晶圆进行热处理，在此采用纯氢合金工艺对晶圆进行热处理。

本实施例提供的一种采用如上任意实施例所述的热处理设备处理晶圆的方法，具体包括如下步骤：

s310、装有待处理晶圆的炉管接收外部充气设备输入的氮气，开启的气体 处理部件将炉管内的过量气体排出。

如上所述，在热处理开始之前，需要将待处理晶圆装入炉管中，以及将外部充气设备与热处理设备的炉管的管尾密闭连接，准备工作完成后，开启热处理设备并设置热处理设备的各项参数以用于处理晶圆。外部充气设备向炉管中充入氮气，当氮气体积增加时，由于炉管的管口密封、管尾进气，因此炉管内的过量气体通过炉管排气管进入气体处理部件。开启的气体处理部件对过量气体直接排出，保证了炉管内压力的平稳。

当外部充气设备向热处理设备持续输入氮气时，炉管内产生过量气体并通过排气管被气体处理部件排出，此时过量气体中包含大量空气和少量的氮气；随着外部充气设备持续输入氮气、气体处理部件持续输出过量气体，炉管内的空气被完全排出、炉管内处于纯氮环境，此时过量气体中包含越来越少的空气和越来越多的氮气；随着外部充气设备的氮气的持续输入，炉管内过量气体被气体处理部件持续排出，那么炉管持续处于纯净的氮气环境，当空气完全排出后，此时过量气体中仅包含炉管内过量的氮气。

s320、炉管接收外部充气设备输入的氢气，气体处理部件处理并排出炉管内的过量气体。

如上所述，外部充气设备关闭氮气输出通道，切换为向热处理设备的炉管输入氢气，那么随着外部充气设备的氢气的持续输入，炉管内的过量气体逐步被气体处理部件排出、氢气逐步被输入，在此过量气体中包含大量的氮气和少量的氢气。由于氢气易燃，所述气体处理部件对过量气体进行处理，在此具体是对过量气体中的氢气进行处理，那么经过处理后的过量气体不含氢气，此时气体处理部件可将不含氢气的过量气体安全排出炉管。经过外部充气设备的氢 气持续输入，炉管内的气体逐渐由大量氮气转换为氮氢混合气体直至转换为纯氢气体。当炉管内处于纯氢环境后，外部充气设备的氢气持续输入、气体处理部件处理过量氢气，炉管内则保持纯氢环境。

优选的，气体处理部件燃烧处理并排出炉管内的过量气体，当气体处理部件燃烧处理过量气体时，过量气体中的氢气被完全燃烧，此时气体处理部件排出炉管的过量气体中不再包含氢气。

s330、控制炉管所在炉体处于预设晶圆处理温度，以使待处理晶圆与炉管内的氢气发生反应。

如上所述，工作人员可预设晶圆处理温度，那么当炉管所在炉体处于预设晶圆处理温度后，炉管、炉管内环境也达到预设晶圆处理温度。处于纯氢气氛、以及晶圆处理温度环境中的炉管内晶圆与氢气发生氢化还原反应，氢气将晶圆表面的杂质离子还原，气体处理部件将过量气体处理并安全排出，则炉管内的晶圆在纯氢环境下表面去除杂质离子，改善了晶圆表面态，相应的解决了杂质离子造成晶圆表面漏电流过大的问题。

需要说明的是，在炉管内温度处于预设晶圆处理温度时，若炉管内存在未被完全排出的氮气和输入的氢气，则晶圆仍会与炉管内的氢气发生氢化还原反应，实现改善晶圆表面态、降低晶圆反向漏电流。但是混合气体中的氢气虽然会与晶圆发生氢化还原反应并实现对晶圆的表面态改善，但改善效果要差于纯氢环境，以及晶圆的漏电流也要稍大于纯氢环境。若提高炉管内氢气比例，则晶圆的表面态的改善效果也会提高。

s340、当待处理晶圆的反应时间达到预设晶圆处理时间时，炉管接收外部充气设备输入的氮气，气体处理部件处理并排出炉管内的过量气体以使炉管内 处于纯氮环境，并结束晶圆处理程序。

如上所述，工作人员预设晶圆处理时间，当待处理晶圆的反应时间达到预设晶圆处理时间时，外部充气设备停止输入氢气并切换为向炉管输入氮气，则在气体处理部件的气体处理和排放作用下，气体处理部件处理炉管内过量气体中的氢气并排出不含氢气的过量气体，直至炉管内处于纯氮环境。此时工作人员可直接结束晶圆处理程序或热处理设备自动结束晶圆处理程序并取出热处理后的晶圆。该热处理设备实现了对晶圆表面态的改善，去除了晶圆表面的杂质离子，从而降低了晶圆的漏电流，提高了晶圆的电参数特性和可靠性。

本实施例提供的热处理设备处理晶圆的方法，首先炉管接收外部充气设备输入的氮气，并通过开启的气体处理部件排出炉管内的过量气体以使炉管处于纯氮环境；然后炉管接收外部充气设备输入的氢气，通过气体处理部件处理过量气体中的氢气并排出不含氢气的过量气体；当炉管处于预设晶圆处理温度，待处理晶圆与炉管内的氢气发生氢化还原反应；反应时间到达预设时间后，炉管接收外部充气设备输入的氮气以使炉管内处于纯氮环境并结束晶圆处理程序。本实施例中热处理设备的炉管结构及气体处理部件的配套使用，确保了氢气处理过程的安全性，以及该热处理设备采用纯氢工艺替代现有的氮气工艺，改善了晶圆表面态、降低了晶圆表面漏电流、提高了晶圆的电学特性和稳定性。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选在装有待处理晶圆的炉管接收外部充气设备输入的氮气之前，还包括：设置炉体的处理参数并控制炉体达到处理参数，其中，处理参数包括预设晶圆处理温度和预设晶圆处理时间。如上所述，工作人员可根据不同晶圆处理所需的处理环境自行设置炉体的处理参数， 以使炉体环境为晶圆热处理所需的处理环境。例如，处理一种半导体晶圆时，可选预设晶圆处理温度范围为400℃至500℃，预设晶圆处理时间为30min。需要说明的是，工作人员还可根据晶圆所需处理环境自行设置外部充气设备的气体流量，如设置为6l/min等。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选气体处理部件的开启过程为：控制气体处理部件的发热体发热并超出氢气燃点。可选气体处理部件处理并排出炉管内的过量气体的过程为：发热体燃烧处理过量气体中的氢气，气体处理部件将处理后的气体排出。气体处理部件通过燃烧处理过量气体中的氢气，以使过量气体安全排出炉管外，因此气体处理部件内设置发热体，开启发热体后该发热体的发热温度应达到或超出氢气燃点以能够燃烧过量气体中的氢气。

需要说明的是，若过量气体中不含氢气则发热体不会发出火焰，若过量气体中含有氢气则发热体燃烧氢气时会发出火焰，若过量气体为氢气即炉管内处于纯氢环境时，发热体发出的火焰明亮且稳定。若过量气体中的氢气含量由无到逐渐增多时，发热体由无火焰到发出逐渐明亮的火焰，此时判定过量气体中氢气含量增多；若过量气体中的氢气含量由多到少直至无时，发热体由发出明亮稳定的火焰到发出逐渐暗淡的火焰直至无火焰发出，此时判定过量气体中无氢气。

示例性的，在上述技术方案的基础上，可选结束晶圆处理程序的过程包括：当炉管处于纯氮环境后，传输至气体处理部件的过量气体不包含氢气，因此可直接关闭气体处理部件的发热体并停止接收外部充气设备输入的氮气，然后取出已处理晶圆。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。