專利名稱：防止積留水液的熱氧化系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件制造方法，特別是涉及ー種防止在半導(dǎo)體エ藝加熱用反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)積留水液的熱氧化系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件以及相應(yīng)エ藝中通常需要使用絕緣性質(zhì)良好且具備化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料，特別是能與例如硅的襯底緊密結(jié)合且界面缺陷少的電絕緣材料。ニ氧化硅由于具有上述良好性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在MOSFETs的柵氧化層、器件保護(hù)層、電隔離層、蝕刻停止層、防擴(kuò)散層、襯墊層、層間絕緣層和電容介質(zhì)膜等等。
制備SiO2的方法有很多，包括熱分解淀積、濺射、真空蒸發(fā)、陽極氧化、CVD、熱氧化法等等，其中熱氧化法制備的SiO2具有很高的重復(fù)性和化學(xué)穩(wěn)定性、能降低硅表面懸掛鍵從而使得表面態(tài)密度減小并且還能很好控制界面陷阱和固定電荷，因此成為制備SiO2的主要技術(shù)手段或エ藝。熱氧化法制備SiO2是利用硅與含氧元素的氧化劑在高溫下化學(xué)反應(yīng)生成氧化硅。使用純氧氣O2的熱氧化法被稱為干氧氧化,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好,通常高質(zhì)量的氧化硅薄膜基本使用這種エ藝。但是干氧氧化生長速率慢，對(duì)于薄層的柵氧化層還能適用，但是對(duì)于較厚的層間氧化層或隔離膜就顯得不經(jīng)濟(jì)實(shí)用了。目前制備厚膜SiO2的方法是采用濕法氧化，如圖IA所示為現(xiàn)有的濕法氧化制備SiO2的氧化系統(tǒng)。反應(yīng)爐I具有反應(yīng)氣體的進(jìn)氣ロ 2(其他例如爐門、爐體加熱裝置等均未顯示)，進(jìn)氣ロ 2與水汽產(chǎn)生室5通過管道3相連，管道3還通過其上的三通閥4與載氣或稀釋氣的進(jìn)氣管道6相連，進(jìn)氣管道6連接外部儲(chǔ)氣罐或外部管線(未示出)以用于輸送通常為N2或Ar的惰性氣體，水汽產(chǎn)生室5連接原料氣體的進(jìn)氣管道7，其中進(jìn)氣管道7具有集管8以從外部儲(chǔ)氣罐或外部管線(未示出)分別輸入純O2和純H2，進(jìn)氣管道7上還耦合(連接、包圍或設(shè)置在附近)有加熱器9，加熱器9采用電阻式、電磁線圈式等非燃燒式加熱器。在進(jìn)氣管道7外部進(jìn)行加熱到約700°C，使得高溫的純O2和純H2在水汽產(chǎn)生室5內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水汽，所產(chǎn)生的水汽在載氣進(jìn)氣管道6中惰性氣體的推動(dòng)和帶入下通過管道3進(jìn)入反應(yīng)爐I中，在反應(yīng)爐I中水汽H2O與晶片中的Si反應(yīng)生成SiO2和H2(Si+H20——> Si02+H2)。這種氧化系統(tǒng)中，作為氧化劑的水汽H2O的壓カ可以由輸入的純氧和純氫的壓力、流速等等來調(diào)節(jié)，此外，作為載氣的惰性氣體例如N2的存在也能減緩氧化硅反應(yīng)速度從而控制薄膜質(zhì)量。但是，載氣通常是使用商業(yè)購買的氣罐或輸送管線來載入的，載氣的溫度通常與室溫相同或相近，約23°C。在整個(gè)氧化系統(tǒng)工作過程中，低溫的載氣與高溫的水汽在閥門4相遇并共用一段管道3直至進(jìn)去反應(yīng)爐I中，此時(shí)一部分高溫的水汽在低溫載氣的冷卻下會(huì)凝結(jié)成液體水，聚集在閥門4至進(jìn)氣ロ 2之間，如圖IB所示為圖IA的局部放大圖，其中陰影部分代表液態(tài)水。水蒸汽在進(jìn)入爐管腔體之前凝結(jié)，造成主氧化步驟的水汽量減少。相當(dāng)于減少了菜單(Recipe)中H2和O2的氣體流量。這勢(shì)必改變了薄膜質(zhì)量和厚度，這對(duì)熱氧化SiO2要求非常高的半導(dǎo)體行業(yè)而言，是不愿意發(fā)生的。此外，液態(tài)水長期聚集在閥門4到進(jìn)氣ロ 2的管道3部分，會(huì)造成管道3的腐蝕，腐蝕穿孔之后外部空氣或雜質(zhì)進(jìn)入管道并帶入反應(yīng)爐內(nèi)，污染爐內(nèi)環(huán)境，造成晶片質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至是全部產(chǎn)品報(bào)廢?？偠灾?，現(xiàn)有的熱氧化系統(tǒng)存在上述缺陷，需要改進(jìn)熱氧化系統(tǒng)以避免反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)積聚液態(tài)水。

發(fā)明內(nèi)容
由上所述，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)熱氧化系統(tǒng)及其方法，以避免反應(yīng)爐內(nèi)積聚液態(tài)水。 本發(fā)明提供了一種熱氧化系統(tǒng)，包括反應(yīng)爐，用于濕法氧化制備氧化硅；水汽產(chǎn)生室，原料氣體在所述水汽產(chǎn)生室內(nèi)反應(yīng)生成水汽，通過管道輸送進(jìn)入所述反應(yīng)爐；原料氣體進(jìn)氣管道，用于向所述水汽產(chǎn)生室提供所述原料氣體；載氣進(jìn)氣管道，用于向所述反應(yīng)爐提供所述載氣；加熱器，耦合至所述原料氣體進(jìn)氣管道，用于加熱所述原料氣體以促使其反應(yīng)生成水汽；其特征在于，還包括加熱裝置，耦合至所述載氣進(jìn)氣管道。本發(fā)明還提供了一種熱氧化方法，用于濕法氧化制備氧化硅，包括向反應(yīng)爐內(nèi)輸送載氣；向水汽產(chǎn)生室輸送經(jīng)過加熱的原料氣體，反應(yīng)生成高溫水汽；加熱所述載氣；向所述反應(yīng)爐內(nèi)同時(shí)輸送所述原料氣體和所述載氣。其中，所述原料氣體為氧氣和氫氣。其中，所述加熱器將所述原料氣體加熱至700で。其中，所述加熱裝置為所述加熱器。其中，所述加熱裝置為所述原料氣體進(jìn)氣管道與所述載氣進(jìn)氣管道構(gòu)成的熱交換機(jī)制。其中，所述加熱器為非燃燒式加熱器。其中，所述載氣為氮?dú)?。其中，所述加熱裝置將所述載氣加熱至100°C以上。依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)以及方法，由于對(duì)載氣進(jìn)行了加熱，避免了液態(tài)水存留在進(jìn)氣管道中，進(jìn)而防止了液態(tài)水被帶入反應(yīng)爐內(nèi)，控制了薄膜生長質(zhì)量，提高了半導(dǎo)體器件的可靠性。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請(qǐng)獨(dú)立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實(shí)施例限定在獨(dú)立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中圖IA為現(xiàn)有的熱氧化系統(tǒng)的示意圖；圖IB為現(xiàn)有的熱氧化系統(tǒng)的局部放大圖；圖2A為依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)的示意圖；以及圖2B為依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)的局部放大圖。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了改進(jìn)熱氧化系統(tǒng)及其方法，以避免反應(yīng)爐內(nèi)積聚液態(tài)水。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種系統(tǒng)構(gòu)件和制造エ序。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾系統(tǒng)構(gòu)件和制造エ序的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。如圖2A所示為依照本發(fā)明的濕法氧化制備SiO2的熱氧化系統(tǒng)。反應(yīng)爐I具有反應(yīng)氣體的進(jìn)氣ロ 2 (其他例如爐門、爐體加熱裝置等均未顯示)，進(jìn)氣ロ 2與水汽產(chǎn)生室5通過管道3相連，管道3還通過其上的例如為三通閥的閥門4與載氣或稀釋氣的進(jìn)氣管道6相連，進(jìn)氣管道6連接外部儲(chǔ)氣罐或外部管線(未示出)以用于輸送通常為N2或Ar的惰性氣體，水汽產(chǎn)生室5連接原料氣體的進(jìn)氣管道7，其中進(jìn)氣管道7具有集管8以從外部儲(chǔ)氣罐或外部管線(未示出)分別輸入純O2和純H2，進(jìn)氣管道7上還耦合(連接、包圍或設(shè)置在附近)有加熱器9，加熱器9 (采用電阻式、電磁線圈式等非燃燒式加熱器)在進(jìn)氣管道7外部進(jìn)行加熱到約700°C，使得高溫的純O2和純H2在水汽產(chǎn)生室5內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水汽，所產(chǎn)生的水汽在載氣進(jìn)氣管道6中惰性氣體的推動(dòng)和帶入下通過管道3進(jìn)入反應(yīng)爐I中，在反應(yīng)爐I中水汽H2O與晶片中的S i反應(yīng)生成SiO2和H2(Si+H20——> Si02+H2)。這種氧化系統(tǒng)中，作為氧化劑的水汽H2O的壓カ可以由輸入的純氧和純氫的壓力、流速等等來調(diào)節(jié)，此外，作為載氣的惰性氣體例如N2的存在也能減緩氧化硅反應(yīng)速度從而控制薄膜質(zhì)量。 與圖IA所示系統(tǒng)不同的是，圖2A所示的依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)中，加熱器9不僅僅熱耦合至原料氣體的進(jìn)氣管道7，還同時(shí)熱耦合到載氣或稀釋氣體的進(jìn)氣管道6，也即加熱器9在進(jìn)氣管道6外部對(duì)管道內(nèi)作為原料氣的純氧、純氫以及作為載氣的惰性氣體同時(shí)加熱，確保載氣不會(huì)在管道3處冷卻原料氣以形成液態(tài)水。優(yōu)選地，加熱器9對(duì)于進(jìn)氣管道6加熱至約100°C以上，也即加熱至水沸點(diǎn)以上，確保不會(huì)存留液態(tài)水。除此之外，加熱載氣也可以是例如60、70、80、95°C等，只要使得載氣對(duì)于原料氣的冷卻效果不足以使得液態(tài)水殘留在管道3中。加熱器9在進(jìn)氣管道6和7之間的分布依照進(jìn)氣管道布局以及加熱需要而確定，例如加熱器9距離進(jìn)氣管道7較近以提供較多熱量確保水汽生成反應(yīng)，而距離進(jìn)氣管道6較遠(yuǎn)，特別地，進(jìn)氣管道6可以環(huán)繞在加熱器9周圍，利用余熱、熱輻射來加熱作為載氣的惰性氣體，以充分利用熱能。此外，也可以采用其他加熱裝置或加熱方法對(duì)進(jìn)氣管道6進(jìn)行加熱。例如，采用分離的第二加熱器(未示出)對(duì)進(jìn)氣管道6單獨(dú)加熱至超過100°C。也可以僅用一個(gè)加熱器9，通過形成進(jìn)氣管道7環(huán)繞進(jìn)氣管道6、或者進(jìn)氣管道6穿過或環(huán)繞水汽產(chǎn)生室5這樣構(gòu)成的熱交換機(jī)制，以利用約700°C的水汽來加熱載氣至超過100°C，如此可充分利用熱能。以上所述的“熱耦合”所指代的意義并非完全限于加熱器或加熱裝置與待加熱的部件之間的直接接觸，也包括相距一定距離而以熱交換或熱輻射方式來輸送熱能的方式，或者還可包括對(duì)待加熱部件施加高頻電磁波使其發(fā)生渦流發(fā)熱以間接加熱。圖2B顯示的是從閥門4至反應(yīng)爐I的進(jìn)氣ロ 2之間的管道3的局部放大示意圖，其中，與圖IB所示的現(xiàn)有技術(shù)不同的是，由于對(duì)于進(jìn)氣管道6的額外加熱，管道3內(nèi)不再積存液態(tài)水，液態(tài)水被載氣帶入反應(yīng)爐中導(dǎo)致污染的問題不再出現(xiàn)。此外，還可以重復(fù)利用反應(yīng)爐I內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過后產(chǎn)生的氫氣，例如將反應(yīng)爐I內(nèi)的氫氣抽出，經(jīng)過提純和干燥，重新補(bǔ)充至集管8，以實(shí)現(xiàn)純氫的重復(fù)利用，節(jié)省成本。以上描述了依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。使用上述熱氧化系統(tǒng)的方法具體如下。首先，依次通過載氣進(jìn)氣管道6、閥門4、管道3、進(jìn)氣ロ 2向反應(yīng)爐I內(nèi)輸送惰性氣體，例如氮?dú)?、氬氣、氦氣等等，用于控制和保持反?yīng)爐I內(nèi)氣壓。
其次，開啟加熱器9，對(duì)通過集管8、原料氣進(jìn)氣管道7的包括純氧和純氫的原料氣體進(jìn)行加熱至高溫，例如約700°C。與此同時(shí)，通過加熱器9或上述其他加熱機(jī)制對(duì)于載氣進(jìn)氣管道6內(nèi)的惰性氣體一同加熱，使得惰性氣體溫度超過水沸點(diǎn)，也即超過100°C。然后，將原料氣體送入水汽產(chǎn)生室5內(nèi)，反應(yīng)生成高溫水汽。接著，開啟閥門4，同時(shí)將原料氣體和載氣送至反應(yīng)爐內(nèi)，原料氣與反應(yīng)爐內(nèi)晶片上的硅反應(yīng)，熱氧化生成ニ氧化硅薄膜。依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)以及方法，由于對(duì)載氣進(jìn)行了加熱，避免了液態(tài)水存留在進(jìn)氣管道中，進(jìn)而防止了液態(tài)水被帶入反應(yīng)爐內(nèi)，控制了薄膜生長質(zhì)量，提高了半導(dǎo)體器件的可靠性。盡管已參照ー個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)加熱系統(tǒng)或方法做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目 的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開的加熱系統(tǒng)或方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種熱氧化系統(tǒng)，包括 反應(yīng)爐，用于濕法氧化制備氧化硅； 水汽產(chǎn)生室，原料氣體在所述水汽產(chǎn)生室內(nèi)反應(yīng)生成水汽，通過管道輸送進(jìn)入所述反應(yīng)爐； 原料氣體進(jìn)氣管道，用于向所述水汽產(chǎn)生室提供所述原料氣體； 載氣進(jìn)氣管道，用于向所述反應(yīng)爐提供所述載氣； 加熱器，耦合至所述原料氣體進(jìn)氣管道，用于加熱所述原料氣體以促使其反應(yīng)生成水汽； 其特征在于，還包括加熱裝置，耦合至所述載氣進(jìn)氣管道。
2.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述原料氣體為氧氣和氫氣。
3.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述加熱器將所述原料氣體加熱至700°C。
4.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述加熱裝置為所述加熱器。
5.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述加熱裝置為所述原料氣體進(jìn)氣管道與所述載氣進(jìn)氣管道構(gòu)成的熱交換機(jī)制。
6.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述加熱器為非燃燒式加熱器。
7.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述載氣為氮?dú)狻?br> 8.如權(quán)利要求I所述的熱氧化系統(tǒng)，其中，所述加熱裝置將所述載氣加熱至100°C以上。
9.一種熱氧化方法，用于濕法氧化制備氧化硅，包括 向反應(yīng)爐內(nèi)輸送載氣； 向水汽產(chǎn)生室輸送經(jīng)過加熱的原料氣體，反應(yīng)生成高溫水汽； 加熱所述載氣； 向所述反應(yīng)爐內(nèi)同時(shí)輸送所述原料氣體和所述載氣。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，加熱所述載氣至100°C以上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱氧化系統(tǒng)，包括反應(yīng)爐，用于濕法氧化制備氧化硅；水汽產(chǎn)生室，原料氣體在所述水汽產(chǎn)生室內(nèi)反應(yīng)生成水汽，通過管道輸送進(jìn)入所述反應(yīng)爐；原料氣體進(jìn)氣管道，用于向所述水汽產(chǎn)生室提供所述原料氣體；載氣進(jìn)氣管道，用于向所述反應(yīng)爐提供所述載氣；加熱器，耦合至所述原料氣體進(jìn)氣管道，用于加熱所述原料氣體以促使其反應(yīng)生成水汽；其特征在于，還包括加熱裝置，耦合至所述載氣進(jìn)氣管道。依照本發(fā)明的熱氧化系統(tǒng)以及方法，由于對(duì)載氣進(jìn)行了加熱，避免了液態(tài)水存留在進(jìn)氣管道中，控制了薄膜生長質(zhì)量，提高了半導(dǎo)體器件的可靠性。
文檔編號(hào)H01L21/316GK102760640SQ201110109430
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者李春龍 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所