具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐的製作方法

2023-10-19 01:16:12 2

專利名稱：具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種半導體製造工藝中使用的垂直式加熱爐，尤其涉及一種具有
內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐。
背景技術：
利用半導體製造工藝在製造半導體器件時，在各個不同的階段會涉及多種不同的 工藝，這些工藝主要包括光刻工藝、刻蝕工藝和成膜工藝等，利用這些工藝步驟在半導體晶 片上生長出具有各種特殊結構的半導體元件。其中，成膜工藝是常用的一種用來在晶片表 面形成某種成分的層狀結構的工藝。成膜工藝普遍採用熱氧化法、化學氣相沉積(CVD)法 來形成各種薄膜。其中熱氧化法主要是爐管熱氧化法，即將反應氣體通入高溫爐管內後，使 反應氣體和爐內的半導體晶片發生化學反應，在晶片表面沉積一層薄膜。該工藝用於生長
Si02、 Si3N4、 SiON或多晶矽等多種材料的薄膜，近年來也出現了利用該工藝生長金屬層、鐵 電材料、阻擋層、高介電常數材料和低介電常數材料等新型的材料。 爐管熱氧化工藝所使用的爐管設備，根據晶片放置在爐管中的方式，一般分為水 平式、垂直式和桶式等形式。以垂直式的沉積爐管為例，通常在爐管中垂直放置多個晶片， 通入反應氣體例如氧氣、氮氣等，於高溫環境下在晶片表面生長各種薄膜結構。 傳統的垂直式加熱爐的結構示意圖如圖1所示。垂直式加熱爐100包括外爐管 101、內爐管102、氣體反應腔103以及氣體注入室104。氣體反應腔103設置在內爐管102 的內側，用於承載要進行加熱處理的晶片的晶舟105置於內爐管102內側的氣體反應腔103 內。由於外爐管IOI通常是石英材質的，因此無法在其上面開設用來通入反應氣體的孔， 故在外爐管101的下方設置有氣體注入室104，用來將沉積反應的各種氣體如氧氣、氮氣或 混合氣體等輸送至氣體反應腔103內以進行化學反應，並在晶片上沉積形成所需要的薄膜 層。氣體注入室104內部包括有氣體通入/排出管108A、108B以及108C。溫度傳感器106 置於外爐管101與內爐管102之間，用以感測爐管內的溫度。密封罩107位於爐管的正下 方，在將晶舟105載入到爐管內部後，密封罩107用於密封外爐管的下部。 另外，如圖1的右方所示，垂直式加熱爐100還包括由多個閥門構成的通氣/排氣 系統，用來通入/排出並控制爐內的氣體壓力。所述通氣/排氣系統包括抽真空輔閥111、 抽真空主閥112以及抽真空小輔閥113，用於將整個爐管抽成真空狀態，以便通入反應氣體 進行沉積反應。冷凝管114用來將反應沉積所產生的副產物冷卻收集，防止副產物回流進 入管路，對管路產生不良影響。氣壓計115用以測量爐管內的氣壓，以便觀測爐管內的氣壓 是否達到所需要的能夠發生沉積反應的氣壓值。 下面以在半導體晶片上沉積SiN為例，描述垂直式加熱爐100的工作原理。首 先，用於容納待反應的多個晶片的晶舟105推入內爐管102中，並用密封罩107將整個爐 管密封。打開抽真空輔閥lll，對爐管進行緩慢地抽氣，將整個爐腔內的真空度降至大約 10torr，其中ltorr" 133. 32帕斯卡，同時用氣壓計115進行觀測。接著開啟抽真空主閥 112，將整個爐腔內的真空度降至0. 002torr。穩定爐內的壓力與溫度大約30分鐘，以達到沉積反應所需的壓力以及溫度要求範圍。沉積SiN所用源氣體為N2與朋3的混合氣體。通 過氣體通入/排出管108A通入N2，通過氣體通入/排出管108B通入朋3，在晶片上反應生 成SiN。反應結束後，通過氣體通入/排出管108A通入N2，待N2充滿整個爐管後，停止N2的 通入，然而將爐管抽成真空狀態。接著再通過氣體通入/排出管108A通入^，如此反覆五 次，用以對整個爐管和管路進行吹掃，以清除反應後剩餘的反應氣體，防止不需要的殘留物 附著在晶片上。 已發現，傳統的垂直式加熱爐在反應完成時開啟密封的爐管的過程中會發生爐管 內外壓力不均衡的現象。圖2和3分別示意性地示出了爐管內外壓力不均衡的兩種情況，其 中圖2示出了爐管內部氣體壓力高於外界氣壓的情況，圖3示出了爐管內部氣體壓力低於 外界氣壓的情況。當爐管中的氣壓高於外界氣壓時，爐管內部的氣體就會沿著如圖2中所 示的箭頭方向211A以及211B，從爐管內部向外流出，此時，由於該氣流中可能會攜帶一些 反應沉積的副產物，這樣就會對放置在晶舟205頂部的晶片表面造成一定的汙染。如果爐 管中的氣壓低於外界的氣壓，外界的氣體就會沿著如圖3中所示的箭頭方向311A以及311B 進入到爐管內部。這樣，外界氣體中所攜帶的雜質成分會進入到爐管中，對晶舟305底部的 晶片造成一定的汙染。 如上所述的這種爐管內外的壓力差在爐管內部造成了氣流，因而氣流中攜帶的雜 質對進行了反應的晶片表面造成了汙染。為了避免由於爐管內部與外部氣壓不均衡形成的 氣流對晶舟上的頂部晶片或底部晶片造成一定汙染的問題，需要一種新的垂直式加熱爐， 能夠有效避免晶舟上晶片的汙染。

實用新型內容在實用新型內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式
部分
中進一步詳細說明。本實用新型內容部分並不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案
的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。 為了避免由於爐管內部與外部氣壓不均衡形成的氣流對晶舟上的頂部晶片或底
部晶片造成一定汙染的問題，本實用新型提供了一種具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱
爐，所述垂直式加熱爐包括外爐管、內爐管、氣體反應腔以及氣體注入室，所述氣體反應腔
設置在所述內爐管的內側，用於容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設置在所述
外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應氣體輸送至所述氣體反應腔，其特徵在
於，所述垂直式加熱爐包括一連通到所述氣體注入室上的氣閥和與所述氣閥相連的一針閥。 優選地，所述氣閥包括閥座、閥片、彈簧、升程限制器和螺栓。 優選地，所述氣閥承受的流體壓力範圍在1. OMPa至2. 5MPa之間。 優選地，所述針閥承受的流體壓力範圍在20MPa至40MPa之間。 根據本實用新型的具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，解決了由於爐內外氣
壓不平衡而產生氣流，致使氣流中攜帶的雜質對進行了反應的晶片表面造成汙染的問題，
能夠有效避免晶舟上晶片的汙染，提高良率。

本實用新型的下列附圖在此作為本實用新型的一部分用於理解本實用新型。附圖中示出了本實用新型的實施例及其描述，用來解釋本實用新型的原理。在附圖中，[0016] 圖1傳統的垂直式加熱爐的結構示意圖； 圖2是垂直式加熱爐內部氣壓高於外部氣壓的氣流方向示意圖；[0018] 圖3是垂直式加熱爐內部氣壓低於外部氣壓的氣流方向示意圖；[0019] 圖4是根據本實用新型的垂直式加熱爐的結構示意圖。
具體實施方式在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本實用新型更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員來說顯而易見的是，本實用新型可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本實用新型發生混淆，對於本領域公知的一些技術特徵未進行描述。 為了徹底了解本實用新型，將在下列的描述中提出詳細的步驟，以便說明本實用新型是如何利用針型閥以及氣閥來解決由於爐管內部與外部氣壓不均衡的問題。顯然，本實用新型的施行並不限定於半導體領域的技術人員所熟習的特殊細節。本實用新型的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本實用新型還可以具有其他實施方式。[0022] 根據本實用新型的垂直式加熱爐的結構如圖4所示，垂直式加熱爐400包括外爐管401、內爐管402、氣體反應腔403以及氣體注入室404。氣體反應腔403設置在內爐管402的內側，用於承載要進行加熱處理的晶片的晶舟405置於內爐管402內側的氣體反應腔403內。外爐管401通常是石英材質的，在外爐管401的下方設置有氣體注入室404，用來將沉積反應的各種氣體如氧氣、氮氣或混合氣體等輸送至氣體反應腔403內以進行化學反應，並在晶片上沉積形成所需要的薄膜層。氣體注入室404內部包括有氣體通入/排出管408A、408B以及408C。溫度傳感器406置於外爐管401與內爐管402之間，用以感測爐管內的溫度。密封罩407位於爐管的正下方，在將晶舟405載入到爐管內部後，密封罩407用於密封爐管的下部。 垂直式加熱爐400還包括由多個閥門構成的通氣/排氣系統，用來控制和感測爐內的氣體。所述通氣/排氣系統包括抽真空輔閥411、抽真空主閥412以及抽真空小輔閥413，用於將整個爐管抽成真空狀態，以便通入反應氣體進行沉積反應。冷凝管414用來將反應沉積所產生的副產物冷卻收集，防止副產物回流進入管路，對管路產生不良影響。氣壓計415用以測量爐管內的氣壓，以便觀測爐管內的氣壓是否達到所需要的能夠發生沉積反應的氣壓值。 根據本實用新型，在氣體注入室404上安裝一爐內外壓力平衡系統，所述平衡系統包括一連通到氣體注入室404上的氣閥421和與氣閥421相連的一針閥422。氣閥421的材質可以是不鏽鋼的，由進氣閥和排氣閥構成，用來負責爐內氣體的吸入和排出，並疏通管路。氣閥例如包括閥座、閥片、彈簧、升程限制器、螺栓等部件。氣閥421能夠及時關閉或開啟以便將爐管與外界環境相切斷或連通，其承受的流體壓力範圍例如在1. OMPa至2. 5MPa之間。針閥422的材料主要為不鏽鋼，它的排氣/進氣口較小，能夠較高的精度調整所需要的氣壓。針閥422可以是一種活門呈針狀的節流閥，其活門沿氣流方向動作，通過改變過流截面積用以截斷或調節氣體的流量。其承受的流體壓力範圍大約在20MPa至40MPa之間。[0025] 在沉積過程結束後，如果發生爐管內的壓強高於或低於外界氣壓的情況，即爐管內外的氣壓發生不平衡的現象，則可以將氣閥421打開，通過調節針型閥422的氣體流量，使得爐管內的壓強與外界氣壓持平，避免了由於爐管內部與外部氣壓不均衡形成的氣流對晶舟上的頂部晶片或底部晶片造成一定的汙染。 本實用新型所採用的氣閥和針閥可以是本領域常見的類型。本領域技術人員可以理解的是，只要是能應用於管路系統中，能夠實現管路的排氣和進氣以便疏通管路的氣閥和針閥，只要滿足其尺寸規格和流量規格與本實用新型的爐管管路相匹配的，都可以應用於本實用新型的爐管中。 本實用新型已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本實用新型限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本實用新型並不局限於上述實施例，根據本實用新型的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本實用新型所要求保護的範圍以內。本實用新型的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。
權利要求一種具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，所述垂直式加熱爐包括外爐管、內爐管、氣體反應腔以及氣體注入室，所述氣體反應腔設置在所述內爐管的內側，用於容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設置在所述外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應氣體輸送至所述氣體反應腔，其特徵在於，所述垂直式加熱爐包括一連通到所述氣體注入室上的氣閥和與所述氣閥相連的一針閥。
2. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述氣閥包括閥座、閥片、彈簧、升 程限制器和螺栓。
3. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述氣閥承受的流體壓力範圍在 1.0MPa至2. 5MPa之間。
4. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述針閥承受的流體壓力範圍在 20MPa至40MPa之間。
5. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述垂直式加熱爐還設置有溫度 傳感器，用於感測爐管內的溫度。
6. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述垂直式加熱爐還設置有密封 罩，在將所述晶舟載入到爐管內後，所述密封罩用於密封所述外爐管。
7. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述垂直式加熱爐還包括由多個 閥門構成的通氣/排氣系統，用來通入/排出及控制爐內的氣體。
8. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述通氣/排氣系統包括抽真空輔 閥、抽真空主閥以及抽真空小輔閥，用於將所述垂直式加熱爐抽成真空狀態。
9. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述垂直式加熱爐還包括冷凝管 用來將反應沉積所產生的副產物冷卻收集。
10. 如權利要求1所述的垂直式加熱爐，其特徵在於，所述垂直式加熱爐還包括氣壓計 用以測量爐管內的氣壓。
專利摘要本實用新型公開了一種具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，所述垂直式加熱爐包括外爐管、內爐管、氣體反應腔以及氣體注入室，所述氣體反應腔設置在所述內爐管的內側，用於容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設置在所述外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應氣體輸送至所述氣體反應腔，其特徵在於，所述垂直式加熱爐包括一連通到所述氣體注入室上的氣閥和與所述氣閥相連的一針閥。根據本實用新型的具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，解決了由於爐內外氣壓不平衡而產生氣流，致使氣流中攜帶的雜質對進行了反應的晶片表面造成汙染的問題，能夠有效避免晶舟上晶片的汙染，提高良率。
文檔編號H01L21/00GK201522194SQ20092021154
公開日2010年7月7日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者宋大偉, 董彬 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司