CN103165497B - 一种氧化反应炉及利用该反应炉进行氧化反应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立式反应炉，尤其涉及一种氧化反应炉及利用该反应炉进行氧化反应的方法，在现有技术的反应炉增设了一根N2O管，该N2O管位于反应炉内的高度高于其余特气管的高度，且该N2O管的顶部开口端位于反应炉内晶舟高度的1/3到2/3处。在实际生产过程中，通过特气管道往反应炉内通入相应的反应气体，并将增设的N2O管的气体流量控制在一定范围内，可减小由于反应炉上下不同位置处反应气体浓度的差异性，进而保证了各个位置处的硅片生成氧化膜厚度均匀度，提高了生产工艺和硅片的良品率。

Description

一种氧化反应炉及利用该反应炉进行氧化反应的方法
技术领域
本发明涉及一种立式反应炉，尤其涉及一种氧化反应炉及利用该反应炉进行氧化反应的方法。
背景技术
炉管低压HTO(High Temp Oxidation，高温氧化)工艺被广泛应用于薄膜夹层电解质（thin film interlayer dielectric），栅极晶体管之间间隔（spacer between gate transistors），围绕多晶硅导线（surroundingpoly-si inter connect line）等结构的生产制造。一些氧化设备例如东京电子（TEL）的INDY PLUS机台是目前应用最广泛的低压高温氧化设备，也是目前现有技术中所采用的主要生产设备。
中国专利（申请号200910053376.8）公开了一种提高晶圆的高温氧化物层均匀性的方法，在放置晶圆的晶舟内持续通入高温氧化物层的气体，直到在晶圆内表面形成高温氧化物层。但是该发明只公开了往在晶舟内持续通入高温氧化物层的气体来形成氧化膜的方法，同时现有技术的反应炉一般只设置有两根特气管用来将反应气体输送至反应炉，且特气管位于反应炉的高度较低，反应气体最先与反应炉内晶圆底端的硅片表面进行氧化反应并在其表面形成一层氧化膜，此过程需要消耗一定量的反应气体，从而造成反应炉上下不同位置处的反应气体浓度存在一定的差异，导致不同位置处的硅片上生成氧化膜的厚度也存在一定差异性，降低了硅片生产的良品率。
图1所示为现有技术的氧化反应炉的结构图，包括两根特气管路、晶舟、内石英管壁、外石英管壁和排气管路，晶舟用来放置硅片，特气管路包括N2O管路1以及DCS管路，N2O管路1用于输送N2O气体至反应炉，DCS管路用于输送DCS气体至反应炉，由于N2O管路1和DCS管路的高度低于晶舟的底部表面高度，N2O管路1和DCS管路输送的反应气体最先在底端产生反应并在底端的硅片上生成氧化膜附着其上，然后在继续向上流通并在较上层的硅片生成氧化膜。同时由于反应气体在流通的过程中逐渐产生消耗，故反应炉上下不同位置处的反应气体浓度可能存在一定差异性，从而影响了硅片上氧化膜的厚度均匀度，对生产造成了一些影响。
如图2和图3所示，图2所示为氧化反应炉硅片在晶舟上的分布图：1为硅片，2为挡控片，3为监控片，4为晶舟，硅片1、挡控片2和监控片3位于晶舟4内，其中，晶舟的上中下位置处分别设置有3片监控片，晶舟的最顶端和最底端还设有挡控片；图3为现有技术中的立式反应炉生产过程中监控片厚度均匀度趋势图（UCL Upper Control Limit，控制上线，USL upperspecification limit，规格上线，within unif，内部均匀度），包括三个区域：3%～4%区域，2%～3%区域，1%～2%区域，其中，3%～4%区域对应最顶端监控片均匀度变化的数据，2%～3%区域对应中间监控片均匀度变化的数据，1%～2%区域对应最底端监控片均匀度变化的数据，由此可明显看出，晶舟上中下监控片不同位置处的均匀度存在明显差异，从而可以得出不同位置处的硅片的厚度均匀度也存在较大的差异性，这是由于反应气体在通入反应炉时最先在底端的硅片生成的氧化膜，这个过程需要消耗一定量的反应气体，从而导致顶端位置处的反应气体浓度小于底端反应气体浓度，造成不同位置处的硅片表面生成的氧化膜厚度存在一定差异性进而影响了各位置硅片厚度均匀度，对硅片的生产的良品率造成一些不利影响。
发明内容
本发明提供了一种氧化反应炉及利用该反应炉进行氧化反应的方法，通过在现有技术中的反应炉增添了一根特气管路，该特气管道的顶部开口段位于反应炉晶舟高度的1/3到2/3位置处，并在生产过程中将该特气管路的气体流量控制在一定范围内，可减少反应炉上下不同位置处气体的浓度差异，从而保证了反应腔室内硅片的厚度均匀度，提高硅片生产的良品率。
为了实现以上技术方案，本发明采用的技术方案如下：
一种氧化反应炉，所述反应炉内设置有内石英管壁、外石英管壁、晶舟和排气管路，其中，所述反应炉内还设置有多根特气管路，所述特气管路包括至少一根DCS管路和至少两根N2O管路；
所述多跟特气管路将反应气体通入由所述内石英管壁和外石英管壁构成的腔室内，所述排气管将所述腔室内的气体排出所述反应炉。
上述的氧化反应炉，其中，至少一根所述N2O管路的顶部开口端位于所述晶舟高度的1/3至2/3位置处。
上述的氧化反应炉，其中，至少一根所述DCS管路和至少一根所述N2O管路的高度均低于所述晶舟的底部表面高度。
上述的氧化反应炉，其中，所述特气管路设置在所述内石英管壁与晶舟之间。
上述的氧化反应炉，其中，所述特气管路包括一根DCS管路、一根低N2O管路和一根高N2O管路；所述DCS管路和所述低N2O管路高度均低于所述晶舟的底部表面高度，所述高N2O管路的顶部开口端位于所述晶舟高度的1/3至2/3位置处。
上述的氧化反应炉，其中，所述DCS管路通入气体时的流量为90-110slm；所述低N2O管路通入气体时的流量为190-220slm；所述高N2O管路通入气体时的流量为40-60slm。
上述的氧化反应炉，其中，所述反应炉在进行氧化工艺时，该反应炉的沉积温度为750℃-800℃，沉积气压为0.3-0.4托。
上述任意一项所述的反应炉进行低压高温氧化的方法，其中，包括以下步骤：
S1、将多个硅片置入所述晶舟后，通过所述特气管路输将所述反应气体输送至所述反应炉中；
S2、所述反应气体在所述反应炉内与所述硅片的表面进行氧化反应，以在所述硅片的表面上生成一层氧化膜；
S3、进行氧化反应后反应气体通过所述排气管路排出所述反应炉。
由于采用了以上技术方案，在实际生产过程中，可最大程度减小反应炉上下不同位置处反应气体浓度的差异性，从而减小反应气体在硅片上生成氧化膜厚度均匀度的差异，提高了硅片的良品率和生产工艺。
附图说明
图1所示为现有技术的氧化反应炉的结构图。
图2所示为氧化反应炉的局部结构示意图。
图3所为现有技术中氧化反应炉监控片厚度均匀度的趋势图。
图4所示为本发明改进后的氧化反应炉的示意图。
图5所示本发明改进后的氧化反应炉进行低压高温氧化方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
图4所示为本发明改进后的氧化反应炉的示意图，包括三根特气管路、晶舟、内石英管壁、外石英管壁和排气管路，特气管路在反应炉的位置位于内石英管壁与晶舟之间，三根特气管路分别为N2O管路1、N2O管路2以及DCS管路，N2O管路1和DCS管路的高度低于晶舟的底部表面高度，N2O-2管路位于反应炉内的高度大于N2O管路1位于反应炉内的高度，且N2O管路2位于反应炉内的高度介于反应炉高度的1/3到2/3之间。
图5所示本发明改进后的氧化反应炉进行低压高温氧化方法的步骤示意图，包括以下步骤：
S1、将多个硅片置入所述晶舟后，通过特气管路输将反应气体输送至反应炉中，N2O管路1输送N2O气体至反应炉，N2O管路2输送N2O气体至反应炉，DCS管路输入DCS反应气体至反应炉，在本发明的一个具体实施例中，将反应炉生产的沉积温度控制在780℃，将沉积气压控制在在0.35torr(气压单位，托），将N2O管路1气体流量保持在200标准升每分钟，将N2O管路2气体流量保持在50标准升每分钟，将DCS管路气体流量保持在100标准升每分钟。
S2、反应气体在反应炉内与硅片的表面进行氧化反应，以在硅片的表面上生成一层氧化膜，通入的反应气体最先在底端产生反应并在底端的硅片上生成一层氧化膜，由于反应需要消耗一定量的气体，从而导致反应炉上下不同位置处的气体浓度存在一定差异性，通过在反应炉内增设一根N2O管路2且将该管路的顶部开口端设置在晶舟高度1/3到2/3处，可将反应气体直接通入到较上方的位置，避免在反应炉底端产生消耗从而影响反应炉上下不同位置处的气体浓度，同时，本发明技术人员发现，在增添了一根N2O管路2后，同时将N2O管路2的气体流量控制在40到60标准升每分钟，可最大程度减小反应炉上下不同位置处的气体浓度差，减小了特气的消耗而造成不同位置处硅片形成氧化膜的厚度差异性较大的问题，提高了硅片的良品率。
S3、进行氧化反应后反应气体通过排气管路排出反应炉。
综上所述，本发明一种提高热氧化工艺硅片内厚度均匀度的装置通过在现有技术的反应炉增添了一根N2O管路，同时将N2O管路位于反应炉的高度设置在晶舟高度的1/3到2/3之间，并在反应过程中，将该N2O管路的气体流量控制在一定范围内，可减少反应炉底端由于气体的消耗从而导致反应炉上下不同位置处反应气体浓度的差异性，进而减少了反应气体在硅片上生成氧化膜厚度均匀度的差异，提高了硅片的良品率和生产工艺。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氧化反应炉，所述反应炉内设置有内石英管壁、外石英管壁、晶舟和排气管路，其特征在于，所述反应炉内还设置有多根特气管路，所述特气管路包括至少一根DCS管路和至少两根N2O管路；所述至少两根N2O管路包括至少一根低N2O管路和至少一根高N2O管路；所述DCS管路和所述低N2O管路高度均低于所述晶舟的底部表面高度，所述高N2O管路的顶部开口端位于所述晶舟高度的1/3至2/3位置处；
所述多根特气管路将反应气体通入由所述内石英管壁和外石英管壁构成的腔室内，所述排气管将所述腔室内的气体排出所述反应炉。
2.根据权利要求1所述的氧化反应炉，其特征在于，至少一根所述N2O管路的顶部开口端位于所述晶舟高度的1/3至2/3位置处。
3.根据权利要求1所述的氧化反应炉，其特征在于，至少一根所述DCS管路和至少一根所述N2O管路的高度均低于所述晶舟的底部表面高度。
4.根据权利要求1所述的氧化反应炉，其特征在于，所述特气管路设置在所述内石英管壁与晶舟之间。
5.根据权利要求1所述的氧化反应炉，其特征在于，所述DCS管路通入气体时的流量为90-110slm；所述低N2O管路通入气体时的流量为190-220slm；所述高N2O管路通入气体时的流量为40-60slm。
6.根据权利要求1所述的氧化反应炉，其特征在于，所述反应炉在进行氧化工艺时，该反应炉的沉积温度为750℃-800℃，沉积气压为0.3-0.4托。
7.一种利用如权利要求1-6中任意一项所述的反应炉进行低压高温氧化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将多个硅片置入所述晶舟后，通过所述特气管路输将所述反应气体输送至所述反应炉中；
S2、所述反应气体在所述反应炉内与所述硅片的表面进行氧化反应，以在所述硅片的表面上生成一层氧化膜；
S3、进行氧化反应后反应气体通过所述排气管路排出所述反应炉。
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