專利名稱：具有內(nèi)外壓力平衡功能的垂直式加熱爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體制造工藝中使用的垂直式加熱爐，尤其涉及一種具有
內(nèi)外壓力平衡功能的垂直式加熱爐。
背景技術(shù)：
利用半導(dǎo)體制造工藝在制造半導(dǎo)體器件時(shí)，在各個(gè)不同的階段會(huì)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(dǎo)體晶 片上生長出具有各種特殊結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的工藝。成膜工藝普遍采用熱氧化法、化學(xué)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(yīng)氣體通入高溫爐管內(nèi)后，使 反應(yīng)氣體和爐內(nèi)的半導(dǎo)體晶片發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在晶片表面沉積一層薄膜。該工藝用于生長
Si02、 Si3N4、 SiON或多晶硅等多種材料的薄膜，近年來也出現(xiàn)了利用該工藝生長金屬層、鐵 電材料、阻擋層、高介電常數(shù)材料和低介電常數(shù)材料等新型的材料。 爐管熱氧化工藝所使用的爐管設(shè)備，根據(jù)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(gè)晶片， 通入反應(yīng)氣體例如氧氣、氮?dú)獾?，于高溫環(huán)境下在晶片表面生長各種薄膜結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)的垂直式加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。垂直式加熱爐100包括外爐管 101、內(nèi)爐管102、氣體反應(yīng)腔103以及氣體注入室104。氣體反應(yīng)腔103設(shè)置在內(nèi)爐管102 的內(nèi)側(cè)，用于承載要進(jìn)行加熱處理的晶片的晶舟105置于內(nèi)爐管102內(nèi)側(cè)的氣體反應(yīng)腔103 內(nèi)。由于外爐管IOI通常是石英材質(zhì)的，因此無法在其上面開設(shè)用來通入反應(yīng)氣體的孔， 故在外爐管101的下方設(shè)置有氣體注入室104，用來將沉積反應(yīng)的各種氣體如氧氣、氮?dú)饣?混合氣體等輸送至氣體反應(yīng)腔103內(nèi)以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并在晶片上沉積形成所需要的薄膜 層。氣體注入室104內(nèi)部包括有氣體通入/排出管108A、108B以及108C。溫度傳感器106 置于外爐管101與內(nèi)爐管102之間，用以感測爐管內(nèi)的溫度。密封罩107位于爐管的正下 方，在將晶舟105載入到爐管內(nèi)部后，密封罩107用于密封外爐管的下部。 另外，如圖1的右方所示，垂直式加熱爐100還包括由多個(gè)閥門構(gòu)成的通氣/排氣 系統(tǒng)，用來通入/排出并控制爐內(nèi)的氣體壓力。所述通氣/排氣系統(tǒng)包括抽真空輔閥111、 抽真空主閥112以及抽真空小輔閥113，用于將整個(gè)爐管抽成真空狀態(tài)，以便通入反應(yīng)氣體 進(jìn)行沉積反應(yīng)。冷凝管114用來將反應(yīng)沉積所產(chǎn)生的副產(chǎn)物冷卻收集，防止副產(chǎn)物回流進(jìn) 入管路，對(duì)管路產(chǎn)生不良影響。氣壓計(jì)115用以測量爐管內(nèi)的氣壓，以便觀測爐管內(nèi)的氣壓 是否達(dá)到所需要的能夠發(fā)生沉積反應(yīng)的氣壓值。 下面以在半導(dǎo)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，用于容納待反應(yīng)的多個(gè)晶片的晶舟105推入內(nèi)爐管102中，并用密封罩107將整個(gè)爐 管密封。打開抽真空輔閥lll，對(duì)爐管進(jìn)行緩慢地抽氣，將整個(gè)爐腔內(nèi)的真空度降至大約 10torr，其中l(wèi)torr" 133. 32帕斯卡，同時(shí)用氣壓計(jì)115進(jìn)行觀測。接著開啟抽真空主閥 112，將整個(gè)爐腔內(nèi)的真空度降至0. 002torr。穩(wěn)定爐內(nèi)的壓力與溫度大約30分鐘，以達(dá)到沉積反應(yīng)所需的壓力以及溫度要求范圍。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(yīng)生 成SiN。反應(yīng)結(jié)束后，通過氣體通入/排出管108A通入N2，待N2充滿整個(gè)爐管后，停止N2的 通入，然而將爐管抽成真空狀態(tài)。接著再通過氣體通入/排出管108A通入^，如此反復(fù)五 次，用以對(duì)整個(gè)爐管和管路進(jìn)行吹掃，以清除反應(yīng)后剩余的反應(yīng)氣體，防止不需要的殘留物 附著在晶片上。 已發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的垂直式加熱爐在反應(yīng)完成時(shí)開啟密封的爐管的過程中會(huì)發(fā)生爐管 內(nèi)外壓力不均衡的現(xiàn)象。圖2和3分別示意性地示出了爐管內(nèi)外壓力不均衡的兩種情況，其 中圖2示出了爐管內(nèi)部氣體壓力高于外界氣壓的情況，圖3示出了爐管內(nèi)部氣體壓力低于 外界氣壓的情況。當(dāng)爐管中的氣壓高于外界氣壓時(shí)，爐管內(nèi)部的氣體就會(huì)沿著如圖2中所 示的箭頭方向211A以及211B，從爐管內(nèi)部向外流出，此時(shí)，由于該氣流中可能會(huì)攜帶一些 反應(yīng)沉積的副產(chǎn)物，這樣就會(huì)對(duì)放置在晶舟205頂部的晶片表面造成一定的污染。如果爐 管中的氣壓低于外界的氣壓，外界的氣體就會(huì)沿著如圖3中所示的箭頭方向311A以及311B 進(jìn)入到爐管內(nèi)部。這樣，外界氣體中所攜帶的雜質(zhì)成分會(huì)進(jìn)入到爐管中，對(duì)晶舟305底部的 晶片造成一定的污染。 如上所述的這種爐管內(nèi)外的壓力差在爐管內(nèi)部造成了氣流，因而氣流中攜帶的雜 質(zhì)對(duì)進(jìn)行了反應(yīng)的晶片表面造成了污染。為了避免由于爐管內(nèi)部與外部氣壓不均衡形成的 氣流對(duì)晶舟上的頂部晶片或底部晶片造成一定污染的問題，需要一種新的垂直式加熱爐， 能夠有效避免晶舟上晶片的污染。
實(shí)用新型內(nèi)容在實(shí)用新型內(nèi)容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實(shí)施方式
部分
中進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)用新型內(nèi)容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護(hù)的技術(shù)方案
的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。 為了避免由于爐管內(nèi)部與外部氣壓不均衡形成的氣流對(duì)晶舟上的頂部晶片或底
部晶片造成一定污染的問題，本實(shí)用新型提供了一種具有內(nèi)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(nèi)爐管、氣體反應(yīng)腔以及氣體注入室，所述氣體反應(yīng)腔
設(shè)置在所述內(nèi)爐管的內(nèi)側(cè)，用于容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設(shè)置在所述
外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應(yīng)氣體輸送至所述氣體反應(yīng)腔，其特征在
于，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(yōu)選地，所述氣閥包括閥座、閥片、彈簧、升程限制器和螺栓。 優(yōu)選地，所述氣閥承受的流體壓力范圍在1. OMPa至2. 5MPa之間。 優(yōu)選地，所述針閥承受的流體壓力范圍在20MPa至40MPa之間。 根據(jù)本實(shí)用新型的具有內(nèi)外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，解決了由于爐內(nèi)外氣
壓不平衡而產(chǎn)生氣流，致使氣流中攜帶的雜質(zhì)對(duì)進(jìn)行了反應(yīng)的晶片表面造成污染的問題，
能夠有效避免晶舟上晶片的污染，提高良率。
本實(shí)用新型的下列附圖在此作為本實(shí)用新型的一部分用于理解本實(shí)用新型。附圖中示出了本實(shí)用新型的實(shí)施例及其描述，用來解釋本實(shí)用新型的原理。在附圖中，[0016] 圖1傳統(tǒng)的垂直式加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是垂直式加熱爐內(nèi)部氣壓高于外部氣壓的氣流方向示意圖；[0018] 圖3是垂直式加熱爐內(nèi)部氣壓低于外部氣壓的氣流方向示意圖；[0019] 圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的垂直式加熱爐的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本實(shí)用新型更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，本實(shí)用新型可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本實(shí)用新型發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。 為了徹底了解本實(shí)用新型，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便說明本實(shí)用新型是如何利用針型閥以及氣閥來解決由于爐管內(nèi)部與外部氣壓不均衡的問題。顯然，本實(shí)用新型的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本實(shí)用新型還可以具有其他實(shí)施方式。[0022] 根據(jù)本實(shí)用新型的垂直式加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖4所示，垂直式加熱爐400包括外爐管401、內(nèi)爐管402、氣體反應(yīng)腔403以及氣體注入室404。氣體反應(yīng)腔403設(shè)置在內(nèi)爐管402的內(nèi)側(cè)，用于承載要進(jìn)行加熱處理的晶片的晶舟405置于內(nèi)爐管402內(nèi)側(cè)的氣體反應(yīng)腔403內(nèi)。外爐管401通常是石英材質(zhì)的，在外爐管401的下方設(shè)置有氣體注入室404，用來將沉積反應(yīng)的各種氣體如氧氣、氮?dú)饣蚧旌蠚怏w等輸送至氣體反應(yīng)腔403內(nèi)以進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并在晶片上沉積形成所需要的薄膜層。氣體注入室404內(nèi)部包括有氣體通入/排出管408A、408B以及408C。溫度傳感器406置于外爐管401與內(nèi)爐管402之間，用以感測爐管內(nèi)的溫度。密封罩407位于爐管的正下方，在將晶舟405載入到爐管內(nèi)部后，密封罩407用于密封爐管的下部。 垂直式加熱爐400還包括由多個(gè)閥門構(gòu)成的通氣/排氣系統(tǒng)，用來控制和感測爐內(nèi)的氣體。所述通氣/排氣系統(tǒng)包括抽真空輔閥411、抽真空主閥412以及抽真空小輔閥413，用于將整個(gè)爐管抽成真空狀態(tài)，以便通入反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積反應(yīng)。冷凝管414用來將反應(yīng)沉積所產(chǎn)生的副產(chǎn)物冷卻收集，防止副產(chǎn)物回流進(jìn)入管路，對(duì)管路產(chǎn)生不良影響。氣壓計(jì)415用以測量爐管內(nèi)的氣壓，以便觀測爐管內(nèi)的氣壓是否達(dá)到所需要的能夠發(fā)生沉積反應(yīng)的氣壓值。 根據(jù)本實(shí)用新型，在氣體注入室404上安裝一爐內(nèi)外壓力平衡系統(tǒng)，所述平衡系統(tǒng)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(zhì)可以是不銹鋼的，由進(jìn)氣閥和排氣閥構(gòu)成，用來負(fù)責(zé)爐內(nèi)氣體的吸入和排出，并疏通管路。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(shí)關(guān)閉或開啟以便將爐管與外界環(huán)境相切斷或連通，其承受的流體壓力范圍例如在1. OMPa至2. 5MPa之間。針閥422的材料主要為不銹鋼，它的排氣/進(jìn)氣口較小，能夠較高的精度調(diào)整所需要的氣壓。針閥422可以是一種活門呈針狀的節(jié)流閥，其活門沿氣流方向動(dòng)作，通過改變過流截面積用以截?cái)嗷蛘{(diào)節(jié)氣體的流量。其承受的流體壓力范圍大約在20MPa至40MPa之間。[0025] 在沉積過程結(jié)束后，如果發(fā)生爐管內(nèi)的壓強(qiáng)高于或低于外界氣壓的情況，即爐管內(nèi)外的氣壓發(fā)生不平衡的現(xiàn)象，則可以將氣閥421打開，通過調(diào)節(jié)針型閥422的氣體流量，使得爐管內(nèi)的壓強(qiáng)與外界氣壓持平，避免了由于爐管內(nèi)部與外部氣壓不均衡形成的氣流對(duì)晶舟上的頂部晶片或底部晶片造成一定的污染。 本實(shí)用新型所采用的氣閥和針閥可以是本領(lǐng)域常見的類型。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，只要是能應(yīng)用于管路系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)管路的排氣和進(jìn)氣以便疏通管路的氣閥和針閥，只要滿足其尺寸規(guī)格和流量規(guī)格與本實(shí)用新型的爐管管路相匹配的，都可以應(yīng)用于本實(shí)用新型的爐管中。 本實(shí)用新型已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本實(shí)用新型限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本實(shí)用新型的教導(dǎo)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(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
權(quán)利要求一種具有內(nèi)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(nèi)爐管、氣體反應(yīng)腔以及氣體注入室，所述氣體反應(yīng)腔設(shè)置在所述內(nèi)爐管的內(nèi)側(cè)，用于容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設(shè)置在所述外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應(yīng)氣體輸送至所述氣體反應(yīng)腔，其特征在于，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(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述氣閥包括閥座、閥片、彈簧、升 程限制器和螺栓。
3. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述氣閥承受的流體壓力范圍在 1.0MPa至2. 5MPa之間。
4. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述針閥承受的流體壓力范圍在 20MPa至40MPa之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述垂直式加熱爐還設(shè)置有溫度 傳感器，用于感測爐管內(nèi)的溫度。
6. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述垂直式加熱爐還設(shè)置有密封 罩，在將所述晶舟載入到爐管內(nèi)后，所述密封罩用于密封所述外爐管。
7. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述垂直式加熱爐還包括由多個(gè) 閥門構(gòu)成的通氣/排氣系統(tǒng)，用來通入/排出及控制爐內(nèi)的氣體。
8. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述通氣/排氣系統(tǒng)包括抽真空輔 閥、抽真空主閥以及抽真空小輔閥，用于將所述垂直式加熱爐抽成真空狀態(tài)。
9. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述垂直式加熱爐還包括冷凝管 用來將反應(yīng)沉積所產(chǎn)生的副產(chǎn)物冷卻收集。
10. 如權(quán)利要求1所述的垂直式加熱爐，其特征在于，所述垂直式加熱爐還包括氣壓計(jì) 用以測量爐管內(nèi)的氣壓。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有內(nèi)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(nèi)爐管、氣體反應(yīng)腔以及氣體注入室，所述氣體反應(yīng)腔設(shè)置在所述內(nèi)爐管的內(nèi)側(cè)，用于容納承載待處理晶片的晶舟，所述氣體注入室設(shè)置在所述外爐管的下方，用來通過氣體通入/排出管將反應(yīng)氣體輸送至所述氣體反應(yīng)腔，其特征在于，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(jù)本實(shí)用新型的具有內(nèi)外壓力平衡功能的垂直式加熱爐，解決了由于爐內(nèi)外氣壓不平衡而產(chǎn)生氣流，致使氣流中攜帶的雜質(zhì)對(duì)進(jìn)行了反應(yīng)的晶片表面造成污染的問題，能夠有效避免晶舟上晶片的污染，提高良率。
文檔編號(hào)H01L21/00GK201522194SQ20092021154
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者宋大偉, 董彬 申請(qǐng)人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司