CN101311302B - 化学气相沉积设备及炉管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积设备，包括沉积室，所述沉积室开有至少一个排气口和至少一个进气口，其中，所述排气口的表面与沉积室的内壁表面圆滑相连。本发明还公开了一种炉管，该炉管的排气口的表面与炉管的内壁表面圆滑相连。本发明的化学气相沉积设备及炉管，可以降低排气口处沉积物脱落的可能性，改善化学气相沉积室内的颗粒污染问题，提高了产品质量，减少了对沉积室进行湿法清洁的次数，提高了设备的利用率。

Description

化学气相沉积设备及炉管

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学气相沉积设备及炉管。

背景技术

随着器件关键尺寸的缩小，对晶片表面玷污的控制变得越来越关键。如果在生产过程中引入了颗粒等污染源，就可能引起电路的开路或断路，因而在半导体工艺制造中，如何避免在工艺制造中的污染是必须要关注的问题。随着生产中设备自动化程度的提高，人员与产品的交互变少，防止生产中带来颗粒的重点已更多地放到了生产设备所产生的颗粒上面。如设备腔室内壁上积累的沉积物的脱落就是一个很常见的污染源，为此，在生产过程中，常需要对设备的腔室内壁及其他部件进行清洁，去除积累的沉积物，以防止因其脱落而导致的晶片玷污。

在各种生产设备中，化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)设备的颗粒污染问题是关注的重点之一，这是由其的工作原理决定的。化学气相沉积设备通常会用于形成常用的氧化硅、氮化硅、碳化硅和氮氧化硅等薄膜。图1为化学气相沉积设备的结构示意图，如图1所示，进行化学气相沉积工艺时，将晶片装入沉积室101内，利用能量系统102对沉积室引入反应所需的能量，如利用加热系统对沉积室进行加热，再由供气系统103通入气态的含有形成薄膜所需的原子或分子的化学物质，该化学物质在反应室内混合并发生反应，最终在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物，并通过系统的排气系统104将该气态产物排出，最后取出晶片，完成薄膜的制作。

在这一薄膜形成过程中，除了在晶片表面形成薄膜外，必然也会在沉积室的内壁表面积累沉积物。因此，在多次沉积后，当内壁上的沉积物较厚时，易因其发生脱落，对沉积室和晶片造成玷污，形成晶片上的缺陷，降低产品的成品率。目前，如何减少化学气相沉积设备中的颗粒污染已经成为半导体制造领域中关注的重点问题之一。

在化学气相沉积设备的沉积室内，在排气口附近的附着的沉积物为产生颗粒污染的主要来源之一，原因有两个：一是排气口处的抽力较大，具有较浓的反应气体，化学反应速度更快，更易产生并附着沉积物；二是排气口表面与沉积室内壁表面通常为棱角型相连，沉积的产物附着在其上具有较大的应力，易发生脱落。由于这两个原因的存在，排气口处的沉积物成为了沉积室内颗粒污染的主要来源之一。图2为现有的化学气相沉积设备的沉积室排气口示意图，如图2所示，在沉积室壁上开有排气口202，其与沉积室的内壁表面201a与外壁表面201b间均为棱角型相连，附着在该棱角处的沉积物会具有较大的应力，易发生脱落，形成颗粒污染源。

为减少化学气相沉积设备中的颗粒污染问题，现在通常采用的方法是对化学沉积设备的沉积室进行定期的清洁，然而该方法存在着效率较低、影响设备使用寿命等其他缺点，希望能尽量少地使用。

于2005年6月29日公开的公开号为CN1632164A的中国专利申请中，公开了一种减少炉管内颗粒污染的方法，该方法对沉积工艺进行改进，在进行薄膜沉积的前后加入了颗粒清除步骤，以减少对炉管进行湿法清洁的次数。但是，采用该方法后沉积工艺所需的时间更多，导致生产周期有所延长，另外，该方法不能预先防止炉管内产生颗粒，也不能对炉管内产生颗粒的主要区域(如排气口处)进行重点防护，清除颗粒的效率较低。

发明内容

本发明提供一种化学气相沉积设备及炉管，以改善现有的化学气相沉积中颗粒污染较为严重的现象。

本发明提供一种化学气相沉积设备，包括沉积室，所述沉积室开有至少一个排气口和至少一个进气口，其中，所述排气口的表面与所述沉积室的内壁表面圆滑相连。

优选地，所述进气口的表面也与沉积室的内壁表面圆滑相连。

优选地，所述排气口的表面与沉积室的外壁表面也圆滑相连。

其中，所述圆滑相连是指形成20°至70°之间的弧度。

其中，所述排气口表面可以为对称或非对称的椭圆弧状。

其中的所述沉积室包含炉管。

本发明具有相同或相应技术特征的另一种炉管，所述炉管的侧壁上开有至少一个排气口和至少一个进气口，其中，所述排气口的表面与所述炉管的内壁表面圆滑相连。

优选地，所述进气口的表面也与所述炉管的内壁表面圆滑相连。

优选地，所述排气口的表面与所述炉管的外壁表面也圆滑相连。

其中，所述圆滑相连是指形成20°至70°之间的弧度。

其中，所述排气口表面可以为对称或非对称的椭圆弧状。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的化学气相沉积设备及炉管，将排气口表面与沉积室(炉管)的内壁表面设计为圆滑相交，减少了沉积物在排气口处的应力，降低了排气口处沉积物脱落的可能性，从而改善了化学气相沉积室(炉管)内的颗粒污染问题。本发明可以在保持沉积工艺不变的情况下有效减少炉管内产生的颗粒数，减少了对沉积室(炉管)进行湿法清洁的次数，提高了设备的利用率。

附图说明

图1为化学气相沉积设备的结构示意图；

图2为现有的化学气相沉积设备的沉积室排气口示意图；

图3为本发明第一实施例中的炉管结构示意图；

图4为本发明第一实施例中的炉管排气口示意图；

图5为本发明第二实施例中的炉管排气口示意图；

图6为本发明第三实施例中的炉管排气口示意图；

图7为本发明第四实施例中的炉管示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明中，将沉积室壁上开有的排气口与沉积室壁间的交界面定义为排气口的表面；将沉积室壁上开有的进气口与沉积室壁间的交界面定义为进气口的表面。

现有的减少颗粒污染的方法是对化学沉积设备的沉积室进行定期的清洁。通常所用的清洁方法是湿法清洁方法，每间隔一段时间就要将内壁上已累积了厚的沉积物的沉积室内壳(或炉管)由设备中拆下，对其进行湿法腐蚀清洁，以防止其内壁上的沉积物脱落形成颗粒污染。对于生长氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的沉积室内壳(或炉管)，通常是利用49％的HF酸腐蚀液对其进行浸泡，腐蚀去除内壁上的积累物；去除后，再用大量去离子水对沉积室内壳(或炉管)进行冲洗，并烘干待用。但实际生产中，希望能够尽量减少对沉积室进行湿法清洗的次数，这是因为湿法清洁所需时间较长，且整个清洁过程中该沉积设备无法使用，大大增加了设备的闲置时间，降低了生产的效率。另外，对于采用炉管为沉积室的化学气相沉积设备(如低压化学气相沉积设备LPCVD)，对炉管进行过多的湿法清洁具有以下不利之处：

1、炉管一般是由石英制成的，易受损伤，每次炉管清洁对炉管进行的拆卸运送，都可能会导致炉管因人为因素而受损。

2、湿法清洁过程中需将炉管浸泡在HF腐蚀液中，而该HF酸腐蚀液不仅可以腐蚀炉壁上的氧化硅、氧化硅或氮氧化硅沉积物，也会对由石英制成的炉管本身有损害，缩短了炉管的使用寿命。

为此希望还能运用其它方法同时减少化学气相沉积设备内的颗粒污染，在减轻化学气相沉积室内的颗粒污染的前提下，尽量减少对炉管进行湿法清洁的次数。

化学气相沉积室内之所以存在颗粒污染是因为在利用化学气相沉积设备在晶片上形成薄膜的同中，必然也会在沉积室的内壁表面积累沉积物。而这些沉积物在经历多次沉积后，因积累厚度达到一定程度而易由沉积室内壁脱落，结果在沉积室和晶片上形成了颗粒玷污。

传统的排气口的表面与沉积室的内壁表面201a为棱角型相连的(如图2所示)，附着在该处的沉积物的应力较大，最易脱落。在沉积室内其他部位附着的沉积物仍较薄，还不需要对其进行清洁时，排气口处的沉积物已经开始脱落，形成沉积室内的颗粒污染源，并因此不得不对沉积室进行湿法清洁。可以说，排气口的沉积物是否达到要脱落的程度决定了是否需要对沉积室进行清洁，因此如果能够改善排气口处的沉积物脱落问题就可以有效减少沉积室的湿法清洁次数。正是从这个角度考虑，本发明对沉积室的排气口进行了改进，降低了沉积室内的颗粒污染危害。

本发明的化学气相沉积设备，包括沉积室，所述沉积室具有至少一个排气口和至少一个进气口，且所述排气口的表面与沉积室的内壁表面为圆滑相连。这一圆滑化处理，可以减小沉积物在排气口处所受的应力，减少了其脱落的可能，进而减少了所需的湿法清洁的次数。

本发明的第一实施例是将炉管作为沉积室的低压化学气相沉积(LPCVD，Low pressure Chemical Vapor Deposition)设备，为了减少炉管清洁次数，本发明的第一实施例对其炉管的排气口进行了改进。图3为本发明第一实施例中的炉管结构示意图，如图3所示，炉管包含了上端密封的炉管壁301、位于炉管壁上的排气口302和进气口303。在炉管内还有用于控制气体流动的封闭管305，工作时，通过将基座(其与炉管一起形成沉积室的密闭空间)升入炉管内的方式，将带有晶片的晶舟(Boat)304升入炉管内，再将反应气体由进气口303通入炉管内的封闭管305内，按图中309所示在炉管内流动，在晶舟304上的晶片上形成薄膜，并由排气口302排出炉管。

由于反应气体在炉管内流动时，会在炉管内壁及基座上形成沉积物，当炉管内壁上形成的沉积物较厚时，会因其脱落而在炉管内形成颗粒污染源。因此，需要在沉积物仍未积累至易脱落之前对炉管进行湿法清洁，去除该沉积物。传统的排气口表面与炉管内壁表面的交界面为棱角型的(如图2所示)，附着在该处的沉积物的应力较大，易脱落形成颗粒污染源。以生长氮化硅薄膜的LPCVD设备为例，如果采用传统的与炉管内壁表面棱角型相连的排气口，通常在炉管沉积氮化硅薄膜的厚度达到1.2μm时，就需要对炉管进行湿法清洁，按每次薄膜沉积厚度为500

计算，大约每生长24次薄膜后要对炉管进行清洁，这样的清洁频率显然对生产效率的提高很不利。

为改善颗粒污染情况，本实施例对炉管的排气口进行了改进，图4为本发明第一实施例中的炉管排气口示意图，如图4所示，将炉管的排气口表面402与炉管内壁表面401a设计为圆滑相连，使得在该处附着的沉积物具有的应力较小，该圆滑相连部位404的弧度可以在20°至70°之间，如为30°、45°或60°。采用该圆滑相连的方法后，可以避免在沉积物厚度较小时就出现脱落的现象，减少对炉管进行湿法清洁的次数。在采用本实施例中的与炉管内壁表面圆滑相交的排气口后，明显减少了炉管的湿法清洁次数。以生长氮化硅薄膜的LPCVD设备为例，排气口改进后，可以在沉积氮化硅薄膜的厚度达到2.5μm以上时，再对炉管进行湿法清洁，仍按每次薄膜沉积厚度为500计算，至少可以生长50次薄膜后才需要对炉管进行清洁，可以有效提高设备的利用率，进而实现对生产效率的提高。

本发明第一实施例中所例举的排气口位于炉管的侧壁上，在本发明的其他实施例中，所述排气口还可以开于炉管的基座上(该基座为沉积室壁的一部分，本发明中沉积室内的侧壁、顶壁及底面均视为沉积室壁的一部分)，通过将排气口表面与炉管基座的上表面(其属于沉积室内壁表面)之间设计为圆滑相连的，同样可以减少其排气口附近的沉积物的脱落。这一应用的延伸对于本领域的普通技术人员是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本发明的第一实施例中，排气口的表面与炉管的外壁表面间仍保持了棱角型相连，在本发明的第二实施例中，还可以将排气口的表面与炉管的外壁表面也设计为圆滑相连。图5为本发明第二实施例中的炉管排气口示意图，如图5所示，炉管壁上所开的排气口表面502与炉管的内壁表面501a为圆滑相连，与炉管的外壁表面501b也为圆滑相连。其中，位于排气口表面502与炉管内、外壁表面之间的圆滑相连部位504和505的弧度均可以在20°至70°之间，如为30°、45°或60°，且圆滑相连部位504和505的弧度可以相同，也可以不相同。采用本发明第二实施例中的炉管，同样可以减少附着在排气口附近的沉积物的应力，减少沉积物脱落的几率，进而实现湿法清洁次数的减少。

本发明的第一和第二实施例中，仅在排气口表面与炉管的内壁表面(和外壁表面)间形成了圆滑连接，在本发明的第三实施例中，除在将排气口表面与炉管的内、外壁间形成圆滑连接，还可以令排气口的表面也形成一定弧度。图6为本发明第三实施例中的炉管排气口示意图，如图6所示，将排气口表面602设计为椭圆弧状，其不仅会与炉管的内壁表面601a圆滑相连，还会与炉管的外壁表面601b圆滑相连。本实施例中，排气口表面形成的是对称的椭圆弧状，在本发明的其他实施例中，还可以将其制作成不对称的椭圆弧状，此时，可以在排气口表面与炉管内壁表面间形成弧度较大的圆滑连接，在排气口表面与炉管外壁表面间形成弧度较小的圆滑连接。

本发明上述实施例中例举的炉管只具有一个排气口，在本发明的其他实施例中，还可以对具有多个排气口或进气口的炉管进行改进。图7为本发明第四实施例中的炉管示意图，如图7所示，在炉管701的侧壁上依次排列了多个排气口702，该排气口702的截面为矩形的(在本发明的其他实施例中，排气口的截面形状还可以是圆形或椭圆形的)，现有的炉管中，该多个排气口的表面与炉管内壁表面间均为棱角型相交，而在本发明的第四实施例中，将各排气口702均设计为如图4所示的圆滑相连(也可以是如图5或图6所示的内、外表面均圆滑相连)，有效降低了炉管内的颗粒污染程度，减少了对其进行的湿法清洁次数。

除了对排气口进行改进，使其表面与炉管的内壁表面为圆滑相连外，还可以同时对进气口(对于图3中的炉管结构而言，是对其内的封闭管的进气口)进行改进，因为如果进气口与炉管内壁是以棱角式相连的，附着于该处的沉积物也会存在较大的应力，为减少该应力，同样可以将进气口的表面与炉管内壁表面设计为圆滑相连的(结构可以如图4、图5或图6中所示)。

本发明的上述实施例中均是以LPCVD设备中的炉管为例进行说明，在本发明的其他实施例中，还可以对常压化学气相沉积法(APCVD，Atmospheric pressure Chemical Vapor Deposition)中的炉管，或者对其他化学气相沉积设备的沉积室的排气口(和进气口)进行改进。如可以将等离子体增强型化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)设备、有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition)设备或高密度等离子化学气相沉积(HDP-CVD，High density plasma Chemical Vapor Deposition)设备的沉积室排气口表面与沉积室内壁表面间设计为圆滑相连的。同样可以减少其排气口附近的沉积物的脱落，减少对其沉积室的湿法清洁次数。在本发明上述实施例的启示下，本发明这一应用的延伸对于本领域的普通技术人员是易于理解和实现的，在此不再赘述。

采用本发明的化学气相沉积设备，可以减少沉积物脱落的可能性，进而降低了沉积室(或炉管)的颗粒污染，减少了所需进行了湿法清洁次数，提高了设备的利用率，提高了产品质量和生产效率，并减少了人为损坏沉积室的可能性，有利于提高沉积室的使用寿命。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种化学气相沉积设备，包括沉积室，所述沉积室开有至少一个排气口和至少一个进气口，其特征在于：所述排气口的表面与所述沉积室的内壁表面圆滑相连，以减小沉积物在排气口处所受的应力。

2.如权利要求1所述的沉积设备，其特征在于：所述进气口的表面与沉积室的内壁表面圆滑相连。

3.如权利要求1所述的沉积设备，其特征在于：所述排气口的表面与沉积室的外壁表面圆滑相连。

4.如权利要求1或2或3所述的沉积设备，其特征在于：所述圆滑相连是指形成20°至70°之间的弧度。

5.如权利要求1或2或3所述的沉积设备，其特征在于：所述排气口表面为对称或非对称的椭圆弧状。

6.如权利要求1或2或3所述的沉积设备，其特征在于：所述沉积室包含炉管。

7.一种炉管，所述炉管的侧壁上开有至少一个排气口和至少一个进气口，其特征在于：所述排气口的表面与所述炉管的内壁表面圆滑相连，以减小沉积物在排气口处所受的应力。

8.如权利要求7所述的炉管，其特征在于：所述进气口的表面与所述炉管的内壁表面圆滑相连。

9.如权利要求7所述的炉管，其特征在于：所述排气口的表面与所述炉管的外壁表面圆滑相连。

10.如权利要求7或8或9所述的炉管，其特征在于：所述圆滑相连是指形成20°至70°之间的弧度。

11.如权利要求7或8或9所述的炉管，其特征在于：所述排气口表面为对称或非对称的椭圆弧状。

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