[實用新型]具有內外壓力平衡功能的垂直式加熱爐

有效

• 申請號: 200920211546.6
• 申請日: 2009-10-30
• 公開（公告）號: CN201522194U
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 董彬;宋大偉
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號: F27B17/00
• 分類號: F27B17/00;H01L21/00
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;顧珊

技術領域

本實用新型涉及一種半導體制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

利用半導體制造工藝在制造半導體器件時，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。成膜工藝普遍采用熱氧化法、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后，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。該工藝用于生長SiO₂、Si₃N₄、SiON或多晶硅等多種材料的薄膜，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，于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，用于承載要進行加熱處理的晶片的晶舟105置于內爐管102內側的氣體反應腔103內。由于外爐管101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，并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置于外爐管101與內爐管102之間，用以感測爐管內的溫度。密封罩107位于爐管的正下方，在將晶舟105載入到爐管內部后，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還包括由多個閥門構成的通氣/排氣系統，用來通入/排出并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，用于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，用于容納待反應的多個晶片的晶舟105推入內爐管102中，并用密封罩107將整個爐管密封。打開抽真空輔閥111，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1torr≈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范圍。沉積SiN所用源氣體為N₂與NH₃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NH₃，在晶片上反應生成SiN。反應結束后，通過氣體通入/排出管108A通入N₂，待N₂充滿整個爐管后，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N₂，如此反復五次，用以對整個爐管和管路進行吹掃，以清除反應后剩余的反應氣體，防止不需要的殘留物附著在晶片上。