CN100378904C - 用于热处理室中的圆筒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括核心和覆盖大部分核心的涂层的圆筒。核心由耐热或绝热材料制成。这个核心具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端。外侧壁比内壁更远离圆筒的中心纵向轴。第一端被成形为接触支撑半导体衬底的边缘环。涂层基本不能透过红外辐射，并覆盖核心的所有外表面，但不包括第一端。核心优选由石英或陶瓷制成，而涂层优选由多晶硅制成。

Description

用于热处理室中的圆筒及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体处理，更具体地涉及用在诸如快速热处理(RTP)室之类的热处理室中的支撑圆筒。
背景技术
集成电路(IC)市场一直需要更大的存储器容量、更快的切换速度以及更小的特征尺寸。工业上已采取的满足这些要求的主要步骤之一是将在大炉子中批量处理多个衬底(例如硅晶片)的方法转变为在小的反应室中处理单个衬底。
当前，工程师们在增加半导体产率的同时，一直在努力增加半导体衬底的处理量。这里提及的半导体衬底通常包括用于超大规模集成(ULSI)电路的半导体晶片。
一般地，在这种反应室中进行四个基本的工艺过程，也就是分层、图案化、掺杂和热处理。热处理指几种不同的工艺过程，包括快速热处理(RTP)、快速热退火(RTA)、快速热清洗(RTC)、快速热化学气相沉积(RTCVD)、快速热氧化(RTO)和快速热氮化(RTN)。
在一种RTP工艺过程中，在氮气(N2)氛围中、在几百摄氏度的温度下将晶片装载进处理室内。晶片温度上升至反应状态，通常温度在约850℃-1200℃范围内。使用大量热源来升高温度，例如卤钨灯，其用辐射的方式加热晶片。反应气体可以在温度上升之前、在温度上升过程中或温度上升之后导入。例如，可导入氧气来生长二氧化硅(SiO2)。
热处理过程中在半导体衬底表面上的热处理的均匀性对于生产均匀的半导体器件是至关重要的。例如，在通过RTO或RTN形成互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)栅电介质的具体应用中，栅电介质的厚度、生长温度和均匀性都是影响整个器件性能和半导体产量的关键参数。目前，CMOS器件的介电层可制成仅60-80(10-10m)厚，对于这样的厚度，均匀性必须保持在几个百分比以内。这种水平的均匀性要求高温处理过程中衬底上温度的变化不能超过几个摄氏度(℃)。因此，使温度的非均匀性达到最小化的技术是非常重要的。
温度均匀性为包括膜沉积、氧化物生长和蚀刻的各种工艺步骤提供了衬底上均匀的工艺变量(例如，层厚度、电阻率和蚀刻深度)。此外，衬底中的温度均匀性对于防止诸如翘曲、缺陷生成和滑移之类的热应力诱导的晶片损伤也是必要的。这种类型的损伤是由温度梯度造成的，而温度均匀性可使温度梯度达到最小。在高温处理过程中晶片经常无法忍受即使是很小的温差。例如，如果1200℃下允许温差上升到1-2℃以上，则最终的应力可能造成硅晶体中的滑移。所得的滑移平面将破坏它们穿过的任意器件。为达到这种水平的温度均匀性，可靠的实时多点温度测量对于闭环温度控制是必须的。
达到温度均匀性的一种方式是在处理过程中旋转衬底。这样消除了温度对于方位自由度的依赖。由于垂直于晶片表面的衬底中心轴与旋转轴128共线，所以沿着晶片的任意环(在任意半径上)的所有点都暴露在同样量的照度下。通过提供许多高温计和反馈系统，甚至残留的径向温度依赖性都能基本消除，并且在整个衬底上都能获得并保持可接受的温度均匀性。
图1示出了当前使用的一种类型的机械旋转装置的一个实例。这种类型的装置类似于美国加利福尼亚州Santa Clara应用材料公司使用并销售的装置。1992年10月13日授权、并转让给本发明的受让人的题为“RapidThermal Heating Apparatus and Method”的美国专利No.5,155,336中提供了这种装置的某些细节，这里引用该专利作为参考。在这种类型的机械旋转装置中，衬底支架可旋转地装在轴承组件上，而轴承组件耦合到真空密封的驱动组件上。例如，图1描绘了这种装置的局部截面视图。晶片102置于边缘环104上，而边缘环104通过摩擦装配在圆筒106上。圆筒106坐在磁性的上轴承座圈108的凸缘上。上轴承座圈108设置在阱110内，并相对于下轴承座圈118由许多轴承滚珠121(图中仅示出了一个)支撑着。下轴承座圈118装在室基底120上。水冷却反射体124置于室基底120上作为温度测量装置的一部分。温度测量装置依赖于在反射体124、晶片102、边缘环104和圆筒106之间形成的反射体空腔122或黑体来精确地测量晶片102的温度。这种黑体或反射体空腔的其他细节可在申请人的美国专利6,174,080；6,007,241；6,406,179；6,374,150；6,226,453；或6,183,130中找到，所有这些专利都在这里加以引用。温度测量装置通常包括嵌在室基底120中的许多高温计。
磁铁114的位置邻近室基底120的对着上磁性轴承座圈108的部分。磁铁114装在电机驱动的磁环116上。磁铁114通过室基底120与磁性轴承座圈108磁耦合。由于上轴承座圈108与磁铁114磁耦合，所以通过机械地使磁铁114绕着中心轴128旋转，上轴承座圈108也可进行旋转。具体地，转动力矩从电机驱动的磁环116传递到上轴承座圈108。上轴承座圈108的这种旋转导致通过圆筒106和边缘环104而耦合到上轴承座圈的晶片102进行所期望的旋转。
最近的进展是已引入了磁悬浮装置来避免由于轴承滚珠121和座圈之间的接触以及为轴承装置使用润滑油而生成颗粒。Tietz等的美国专利No.6,157,106中描述了这种磁悬浮装置，这里也引用了其内容作为参考。
如上提到的，温度测量装置的精确的温度测量值是关键的工艺参数。因此，将温度测量装置和上轴承座圈108与热源(未示出)产生的辐射进行热隔离是重要的。因此，支撑圆筒106通常由陶瓷或石英材料制成，这是因为它们具有优异的绝热性能。已发现合适的导热率值的一个范围是约1.5到2.5(J-kg-m)/(m2-sec-℃)。此外，陶瓷和石英具有热稳定性，并且对于在热处理中通常使用的化学物呈惰性。
但是，热源产生的红外辐射可透过这些材料(陶瓷和石英)。由此，在没有不透光遮盖物的情况下，红外辐射将穿过支撑圆筒，并干扰温度测量装置正在进行的高灵敏性的温度测量。因此，支撑圆筒通常涂有红外辐射无法透过的材料，例如多晶硅。
诸如化学气相沉积(CVD)之类的化学沉积工艺通常用来为圆筒涂布多晶硅。这种CVD工艺通常在包括热源的CVD反应室，或称之为钟罩室(bell jar chamber)中进行。将多个支撑销(通常为3个)放置在热源顶部上。再将圆筒面朝下地放置在这些销上，也就是支撑圆筒的顶部接触支撑销。然后密封CVD室，将形成多晶硅的气体泵入反应室内。本领域中公知，加热该室，则随后多晶硅层在支撑圆筒上形成。1100℃下，多晶硅沉积在支撑圆筒上的速度约为2.3μm/min。
这种工艺对于200mm半导体晶片所用的支撑圆筒效果相对较好。但是，由于工业界已转向生产300mm半导体晶片，所以现有的圆筒和生产方法已具有许多缺陷。
一种这样的缺陷在于难以在圆筒上涂布均匀的硅层。由于300mm支撑圆筒的大尺寸或体积，以及圆筒较好的绝热性能，所以难以在CVD室内均匀地加热圆筒。的确，人们对如何均匀地加热石英是缺乏了解的。使用1D热源(例如感受器)将薄(0.3″)而高(1″)的石英圆筒(外径13″)加热至均匀的温度是较难的，由于这种工艺的温度依赖性，所以均匀地涂布圆筒也比较困难。这种对支撑圆筒的非均匀加热导致在支撑圆筒的表面上形成不均匀的多晶硅层，如在图2A中以放大的圆筒截面视图所示的。这种不均匀的多晶硅层可能损害圆筒对红外的非透过性。的确，圆筒的某些区域204可能具有较厚的多晶硅层，但是其他区域202则根本没有多晶硅层。如上所提到的，如果圆筒允许红外辐射透过反射体空腔122(图1)，则可能测得错误的温度测量值，从而导致不准确的温度控制，最终造成有缺陷的半导体器件和半导体产量下降。
另一缺陷在于多晶硅层的破裂，如图2B中所示的，即第二张放大的支撑圆筒截面视图。石英和多晶硅的热膨胀系数不同，因此，以不同的速度加热和冷却。石英和多晶硅的热膨胀系数在室温到1000℃之间分别为0.5和3.8(ppm/℃)或(10-6/in/in/℃)。
当目前的多晶硅层以不同于石英的冷却速度冷却时，在多晶硅204中会形成裂缝206。裸眼会看到多晶硅中的这些裂缝206在圆筒表面上呈现蛇皮状的外观。具有这种蛇皮状外观的圆筒会被当作有缺陷的部件而直接报废。由此，生产可接受的圆筒的成本较高。
这种对支撑圆筒的不均匀加热的另一个缺陷在于多晶硅可能在支撑圆筒的某个点处过度生长，而在其他点处却不这样。这种过度生长通常呈现树突、凸出体或节瘤的形状，如在图2C中示出的支撑圆筒的第三张放大的截面视图所示的。当边缘环104(图1)置于圆筒上时，树突或节瘤208可能造成边缘环不适当地，也就是没有恰好地坐在支撑圆筒的顶部上。这可能导致边缘环不稳定地坐在圆筒上，以及/或者晶片不对称地或偏心地旋转。此外，树突的形成可能影响晶片离热源或灯的高度。这可能不利地影响到晶片上每个点所暴露的温度和/或高温计126(图1)所测得的温度测量值。此外，树突或节瘤由于允许要阻挡的红外辐射在边缘环104(图1)和支撑圆筒106(图1)之间穿过，所以可能损害反射体空腔122(图1)。换句话说，树突可能造成圆筒和边缘环之间的装配不严密，并/或破坏边缘环与圆筒之间的绝热。这些缺陷最终导致半导体器件存在缺陷以及半导体产量下降。
由此，迫切需要一种较容易制造的、具有均匀的多晶硅层、没有树突和/或节瘤、并且不含破裂的多晶硅层的红外辐射无法透过的圆筒。
发明内容
根据本发明，提供了用在诸如RTP室之类的半导体热处理装置中的圆筒。圆筒包括核心(core)和覆盖大部分核心的涂层。核心由耐热或绝热材料制成。这个核心具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端。外侧壁比内壁更远离圆筒的中心纵向轴。第一端被成形为接触支撑半导体衬底的边缘环。涂层基本不能透过红外辐射，并覆盖核心的所有外表面，但不包括第一端。核心优选由石英或陶瓷制成，而涂层优选由多晶硅制成。
在优选的实施例中，在内侧壁和外侧壁的涂层累积厚度在约60μm-100μm之间，更优选在约70μm-90μm之间，最优选在约75μm-85μm之间。所述累积厚度是涂层在内侧壁和外侧壁的总厚度，也就是A+B(图3)。涂层优选具有基本均匀的厚度。而且在优选的实施例中，内侧壁在第一端附近至少部分地向外侧壁倾斜。
根据本发明，还提供了一种制造用在诸如RTP室之类的热处理装置中的圆筒的方法。首先，提供反应室和耐热的圆筒状核心。核心具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端。第一端被成形为支撑边缘环。核心放置在反应室内的环上，并且第一端接触该环。密封反应室并将其加热至约1100℃。然后将生成涂层的气体注入反应室内。这样在核心的几乎所有外表面上都沉积出涂层，但不包括第一端。涂层是对红外辐射是基本不透明的。控制这种加热和注入，从而使得涂层的沉积以约1.6μm/min-1.8μm/min的速度进行。核心是石英或陶瓷，涂层是多晶硅。
由此，以上所述的圆筒具有足以阻挡红外辐射的均匀的多晶硅涂层。这种均匀的多晶硅涂层没有树突和/或节瘤，从而允许边缘环稳定地坐在圆筒的第一端上。这样还解决了由于边缘环不恰当地坐在圆筒上而可能造成的任意偏心旋转问题。而且，这种圆筒防止了辐射通过圆筒和边缘环之间的界面而进入反射体空腔内。最后，这种均匀的多晶硅涂层不会破裂，从而避免了部件报废。
由此，均匀的涂层提供了更好的晶片温度均匀性，允许更好的温度测量和温度控制，以及更好的可重现性。
附图说明
结合附图，从下面详细的描述和所附权利要求中可更清楚地理解本发明的其他方面和特征，其中：
图1是热处理室的局部截面视图；
图2A是具有不均匀多晶硅层的现有技术的圆筒的放大截面视图；
图2B是多晶硅层中有裂缝的现有技术的圆筒的放大截面视图；
图2C是具有由多晶硅层形成的树突或节瘤的现有技术的圆筒的放大截面视图；
图3是根据本发明实施例的圆筒的截面视图；
图4是根据本发明实施例的沉积装置的截面视图；
图5是利用图4的沉积装置制造图3的圆筒的方法的流程图；
图6A示出了使用非均匀圆筒的温度对时间的实验曲线；以及
图6B是根据本发明实施例，使用具有均匀的、更薄的涂层的圆筒的温度对时间的实验曲线。
所有视图中类似的标号表示相应的部件。为方便表述，任何标号的第一个数字一般表示标号首次在其中示出的图的序号。例如，102可在图1中找到，而308可在图3中找到。
具体实施方式
图3是圆筒300的截面视图。完整的圆筒是筒形或环状。支撑晶片的边缘环104在圆筒300的上方示出。使用时，边缘环104置于圆筒300上。圆筒300包括由涂层302覆盖的核心304。核心304优选由具有较好的绝热性能的陶瓷或石英材料制成。圆筒300还优选由对在热处理环境中通常使用的化学物呈化学惰性的材料制成。
涂层302不能透过红外辐射。在优选的实施例中，涂层是多晶硅。涂层302还优选具有基本均匀的厚度，也就是说，厚度A等于厚度B。
圆筒300具有为了与边缘环104接触而设计的第一端306，和远离所述第一端306而在末端的第二端308。第一端和第二端优选都与圆筒的旋转轴128(图1)垂直。圆筒300还包括内侧壁310和相对的外侧壁312。内侧壁310比外侧壁312更靠近旋转轴128(图1)。内侧壁310和外侧壁312都从第一端306延伸至第二端308。
沿着第一端和第二端之间的圆筒的长度方向，圆筒优选包括第一区314和第二区316。第一区314更靠近第一端306，而第二区316更靠近第二端308。在第二区316，内侧壁和外侧壁优选为彼此平行。但是，在第一区，内侧壁310优选为从与第二区的接点处逐渐向外侧壁312倾斜至第一端306。这样允许外侧壁保持笔直/平直以与边缘环匹配。
在另一个实施例中，外侧壁312从与第二区的接点处逐渐向内侧壁310倾斜至第一端306。在另一个实施例中，内侧壁310和外侧壁312从与第二区的接点处互相向对方倾斜至第一端306。在任意结构中，垂直于旋转轴128(图1)的第一端306处的区域优选为小于垂直于旋转轴128(图1)的第二端308处的区域。这样允许边缘环104与圆筒300之间更好地绝热。
在优选的实施例中，涂层302覆盖核心304的外表面，但不包括圆筒300的垂直于旋转轴128(图1)的第一端306。第一端306没有涂层从而为边缘环104置于其上准备了一个平面。由于涂层302没有施加在第一端306上，所以第一端306和边缘环104之间的配合可更好地控制。而且，核心304的第一端306优选为机械加工的，这样允许形成更精确的与旋转轴基本垂直的边缘。边缘环104优选由不透过红外辐射的碳化硅(SiC)制成。由此，第一端306不必涂布不透明的涂层302，因为第一端306和边缘环104之间形成的边界不允许辐射穿过而进入反射体空腔122内。
在优选的实施例中，涂层厚度A加上涂层厚度B，或称之为累积厚度，在约60μm-100μm之间，也就是60μm≤A+B≤100μm。在更优选的实施例中，厚度A加上厚度B在约70μm-90μm之间，也就是70μm≤A+B≤90μm。在更优选的实施例中，厚度A加上厚度B在约75μm-85μm之间，也就是75μm≤A+B≤85μm。已发现这些厚度足以阻止辐射进入反射体空腔122内。
以前认为如以上描述的较薄的涂层不能对要阻挡的辐射提供足够的隔离。但是，已发现更薄的均匀涂层可以对要阻挡的辐射提供满意的隔离。例如，图6A示出了使用涂层累积厚度大于约100微米(μm)的非均匀圆筒的温度-时间的实验曲线600。图6B是使用具有70μm的均匀涂层的圆筒的温度-时间的实验曲线602。获得这些曲线的实验测量了RTP室中300mm裸晶片的温度。裸晶片是其上没有形成任何半导体的晶片。T1-T7代表从晶片中心径向排开的7个高温计所测得的温度测量值。由标号604和606所标记的区域表明温度读数最初的猛增，意味着辐射泄漏通过圆筒。根据每个高温计的位置及室的不同，各高温计的超出(overshoot)程度并不相同。从曲线中可以看到，区域604和606中高温计所测得的温度读数几乎没有差异(如果有的话，差异也极小)。由此，具有70μm的均匀涂层的圆筒防止辐射泄漏的能力等同于具有100μm的非均匀涂层的圆筒。
图4是用于在圆筒300的核心304上沉积不透明涂层302的沉积装置400的截面视图，而图5是向核心304上沉积涂层302的方法的流程图500。合适的装置是最初由GEMINI制造并由CIBE SYSTEMS维护的GeminiIII反应器。装置400包括基座402、嵌在基座402内的热源(未示出)和盖子404。热源优选为石墨感受器(graphite receptor)和/或电阻式加热器。盖子404固定在基座402上以在其内形成反应室414。
应用时，在步骤502，将固定环406放进反应室414内。固定环优选由碳化硅制成(边缘环也优选由同样的材料制成)。在步骤504，将核心304的第一端306(图3)与边缘环接触，也就是圆筒300的第一端朝下放置。在步骤506，密封反应室414。然后在步骤508，热源将反应室414加热至所希望的处理温度。在优选的实施例中，反应室被加热至约1100℃-1250℃。在更优选的实施例中，该室被加热至1220℃+/-5℃。接着在步骤510，形成涂层302的沉积气体412被注入反应室414内。在优选的实施例中，这种气体是氦(He)载气中的三氯硅烷(TCS)。在步骤512，注入气体与热的反应使得多晶硅层沉积在核心304的所有暴露表面上，但不包括被固定环406所掩盖的核心的第一端306(图3)。
在优选的实施例中，涂层302在约1220℃+/-5℃下以约1.6μm/min-1.8μm/min的沉积速度沉积在核心304上。这种沉积速度远远低于现有技术，从而允许更好地控制沉积。这种可控性的增加允许在核心上形成厚度基本均匀的涂层。而且，这种增加的可控性减少或基本消除了树突和节瘤的形成。这种更薄的涂层还减少或消除了多晶硅的破裂。
前面对本发明的具体实施例的描述是为说明和描述的目的而提供的。它们并非意在穷举或将本发明恰好限制在所公开的形式。显然，根据以上的教导，许多改进和变化都是可能的。例如，可使用不同的涂布技术。所选择并描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实施应用，由此使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明和各种实施例，而且可以根据具体应用对这些实施例进行各种改进。而且，方法中的步骤顺序并不必按设计的次序发生。本发明的范围由所附的权利要求及其等同物限定。此外，本专利包含了以上所引用的所有文献。

Claims (20)

1.一种用在半导体热处理装置中的圆筒，包括：
具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端的耐热圆筒状核心，其中所述第一端被成形为与支撑半导体衬底的边缘环接触；和
基本不能透过红外辐射的涂层，其中所述涂层覆盖所述核心的所有外表面，但不包括所述第一端。
2.如权利要求1所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在60μm至100μm之间。
3.如权利要求1所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在70μm至90μm之间。
4.如权利要求1所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在75μm至85μm之间。
5.如权利要求1所述的圆筒，其中所述涂层的厚度是基本均匀一致的。
6.如权利要求1所述的圆筒，其中所述内侧壁在所述第一端附近至少部分地逐渐向所述外侧壁倾斜。
7.如权利要求1所述的圆筒，其中所述内侧壁和外侧壁具有在所述第一端附近的第一区和在所述第二端附近的第二区，其中所述外侧壁具有共线的第一区和第二区，且所述内侧壁的所述第一区在所述第一端附近逐渐向所述外侧壁倾斜。
8.如权利要求1所述的圆筒，其中所述核心由石英或陶瓷制成。
9.如权利要求1所述的圆筒，其中所述涂层是多晶硅。
10.一种用在热处理装置中的圆筒，包括：
由于其绝热性能而被选择的圆筒状核心，其具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端，其中所述第一端被成形为支撑着边缘环；和
基本覆盖除了所述第一端之外的所述核心的所有外表面的多晶硅涂层，其中所述涂层对红外辐射是基本不透明的。
11.如权利要求10所述的圆筒，其中所述核心是石英。
12.如权利要求10所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在60μm至100μm之间。
13.如权利要求10所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在70μm至90μm之间。
14.如权利要求10所述的圆筒，其中所述涂层的累积厚度在75μm至85μm之间。
15.如权利要求10所述的圆筒，其中所述涂层的厚度是基本均匀一致的。
16.如权利要求10所述的圆筒，其中所述内侧壁在所述第一端附近至少部分地逐渐向所述外侧壁倾斜。
17.一种制造用在热处理装置中的圆筒的方法，包括：
提供耐热的、具有内侧壁和外侧壁以及相对的第一端和第二端的圆筒状核心，其中所述第一端被成形为支撑着边缘环；
将所述核心放置在反应室内的环上，其中所述第一端与所述环接触；
密封所述反应室；
加热所述反应室；
将气体注入所述反应室内；以及
在除了所述第一端之外的所述核心的几乎所有外表面上沉积出涂层，其中所述涂层对红外辐射是基本不透明的。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述核心是石英或陶瓷，并且所述涂层是多晶硅。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述加热步骤包括将所述反应室加热至1100℃至1250℃之间。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述加热和所述注入步骤被控制，从而使得所述涂层的沉积以1.6μm/min至1.8μm/min之间的速度进行。
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