CN103236407A

CN103236407A - 半导体制造装置及硅片处理方法

Info

Publication number: CN103236407A
Application number: CN2013101454914A
Authority: CN
Inventors: 王硕; 许忠义
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103236407B

Abstract

一种半导体制造装置及硅片处理方法，该装置包括：反应腔；第一容器，用于盛放易挥发溶液，第一容器设有液面感应器；第一通气管道，两端分别与第一容器、反应腔连通；第一流量调节阀，设置在第一通气管道上；第二容器，用于盛放输运气体；第二通气管道，两端分别与第一容器、第二容器连通。利用该装置可对大批量硅片进行处理，在处理硅片时，可以根据半导体制造装置中第一容器内液面感应器所获取的液面高度，来控制控制进入反应腔内的反应气体的流量，从而确保单位时间内进入反应腔内的反应气体的摩尔数相等，从而使得对大批量硅片进行处理的效果是较为一致的，进而保证大批量生产的半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

Description

半导体制造装置及硅片处理方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种半导体制造装置及硅片处理方法。

背景技术

由于氧化硅膜（SiO₂）制备容易并且与硅衬底之间有着良好的界面，使其对于硅基半导体工艺非常重要，同时也成为最普遍应用的膜材料之一。氧化硅膜在半导体集成电路中的应用包括以下几个方面：保护器件免划伤和隔离玷污、限制带电载流子场区隔离（表面钝化）、栅氧或储存器单元结构中的介质材料、掺杂中的注入掩蔽、金属导电层间的介质层。

硅片上的氧化硅膜可以通过热生长或者淀积的方法产生。其中，热生长形成氧化硅膜的方法为将硅片曝露在高温的氧气氛围里，通常，热生长氧化硅膜的温度为750℃-1100℃。但是，由于多种因素的影响，在硅片与氧化硅膜界面（即Si-SiO₂界面）处常常会积累有电荷，所述电荷包括界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷（mobile oxide charge）。对于器件的正常运行，界面处的电荷堆积是不受欢迎的，鉴于此，需减少这种不可接受的电荷。

现有一种方法是在热氧化工艺中加入含氯气体，含氯气体被分解后所形成的氯离子能扩散进入Si-SiO₂界面处的正电荷层，从而中和界面处堆积的电荷。在热氧化工艺中加入含氯气体的另两个重要优点是能使氧化速率提升10%-15%，以及改善氧化硅膜的质量（主要是通过去除氧化硅膜中的碱金属及碱土金属来改善氧化硅膜的质量）。

现有技术中经常使用的含氯气体为二氯乙烯（dichloroethylene，简称DCE，化学式为C₂H₂Cl₂），通常是利用二氯乙烯溶液来制备二氯乙烯气体。二氯乙烯溶液具有较强的挥发性，因此在常温条件下，盛放二氯乙烯溶液的容器（cylinder）中既含有二氯乙烯溶液，又含有二氯乙烯气体，向容器中通入输运气体（carry gas）之后，输运气体可将容器中的二氯乙烯气体携带入硅片的反应腔中，这样，硅片在氧气及二氯乙烯气体的混合气体氛围中发生反应并在硅片表面形成氧化硅膜。

根据半导体器件的产品规格要求，硅片上所生长的氧化硅膜有着规范化的厚度，且半导体器件常常是大批量生产的，为了保证大批量生产的若干半导体器件具有较为一致的性能，若干硅片上氧化硅膜的厚度也应该是较为一致的。但是，在实际大批量制造相同产品规格的半导体器件过程中发现，若干硅片上生长的氧化硅膜厚度并不能保持一致，大大降低了产品的合格率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是大批量制造相同产品规格的半导体器件过程中，若干硅片上生长的氧化硅膜厚度并不能保持一致，降低了产品的合格率。

为解决上述问题，本发明提供了一种半导体制造装置，包括：

反应腔；

第一容器，用于盛放易挥发溶液，所述第一容器设有液面感应器；

第一通气管道，两端分别与所述第一容器、反应腔连通；

第一流量调节阀，设置在所述第一通气管道上；

第二容器，用于盛放输运气体；

第二通气管道，两端分别与所述第一容器、第二容器连通。

可选的，还包括：微控制器，所述微控制器与所述液面感应器连接，以使所述微控制器实时获知所述第一容器内溶液的液面高度。

可选的，还包括：气流控制器，所述气流控制器与所述微控制器连接；

所述气流控制器还与所述第一流量调节阀连接；所述微控制器根据所获知的液面高度通过所述气流控制器控制所述第一流量调节阀的开口大小。

可选的，还包括：设置在所述第二通气管道上的第二流量调节阀，所述第二流量调节阀与气流控制器连接，以控制所述第二流量调节阀的开口大小。

可选的，所述半导体制造装置为炉体装置、化学气相沉积装置或等离子体刻蚀装置。

可选的，所述半导体制造装置为炉体装置，所述炉体装置还包括：

第三容器，用于盛放氧气；

第三通气管道，两端分别与所述第三容器、反应腔连通。

另外，本发明还提供了一种硅片处理方法，包括：

提供承载有硅片的反应腔；

提供盛放有易挥发溶液的第一容器，所述第一容器内易挥发溶液上方为易挥发溶液挥发产生的反应气体；

向所述第一容器内通入输运气体，所述输运气体迫使所述反应气体进入所述反应腔；

控制进入所述反应腔内的反应气体的流量，确保单位时间内通入反应腔内的反应气体的摩尔数相等。

可选的，所述第一容器上设置有液面感应器；根据所述液面感应器所获取的液面高度，控制进入所述反应腔内的反应气体的流量。

可选的，所述输运气体为N₂或He。

可选的，所述硅片处理为硅片的氧化处理、在硅片上进行薄膜沉积的处理或对硅片或硅片上的膜层进行等离子体刻蚀的处理。

可选的，所述硅片处理为硅片的氧化处理时：所述易挥发溶液为盐酸溶液、二氯乙烯溶液、三氯乙烯溶液或三氯乙烷溶液；所述方法还包括：向所述反应腔内通入氧气。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

利用本发明所提供的半导体制造装置可对大批量硅片进行处理，在处理硅片时，可以根据半导体制造装置中第一容器内液面感应器所获取的液面高度，来控制进入反应腔内的反应气体的流量，从而确保单位时间内进入反应腔内的反应气体的摩尔数相等，从而使得对大批量硅片进行处理的效果是较为一致的，进而保证大批量生产的半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。利用半导体制造装置可对硅片进行多种处理，如硅片的氧化处理、在硅片上进行薄膜沉积的处理或对硅片或硅片上的膜层进行等离子体刻蚀的处理。当利用该装置对大批量硅片进行氧化处理时，利用液面感应器来控制进入反应腔内的反应气体的流量，从而确保单位时间内进入反应腔内的反应气体的摩尔数相等，从而使得每个硅片上所生长的氧化硅膜具有规范化的厚度，进而保证大批量生产的若干半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

附图说明

图1是在t₁时刻容器内二氯乙烯气体的分布示意图；

图2是在t₂时刻容器内二氯乙烯气体的分布示意图；

图3是本发明的一个实施例中半导体制造装置的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，本发明要解决的技术问题是大批量制造相同产品规格的半导体器件过程中，若干硅片上生长的氧化硅膜厚度并不能保持一致，降低了产品的合格率。

发明人经过分析发现，造成上述问题的原因是：在硅片上制备氧化硅膜的过程中，输运气体按照固定的流量通入盛放有二氯乙烯溶液的容器中，并携带容器中的二氯乙烯气体按照固定的流量通到硅片的反应腔中，在固定的反应时间内硅片在氧气及二氯乙烯气体的混合气体氛围中形成氧化硅膜，但是，在不同时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的摩尔数是不相同的，因此，当输运气体携带容器中的二氯乙烯气体按照固定的流量通入硅片的反应腔中时，在不同时刻单位时间内进入反应腔的二氯乙烯气体的摩尔数是不相同的，故在不同时刻氧化速率被提高的程度并不相同，导致在固定的反应时间内硅片上生长的氧化硅膜的厚度不相同。

其中，在不同时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的摩尔数不相同的原因如下：如图1所示，当二氯乙烯溶液1几乎装满容器时，定义为t₁时刻，容器中二氯乙烯气体11的总压强为P₁，总压强P₁几乎等于二氯乙烯气体的饱和蒸汽压（Saturated Vapor Pressure）；盛放有二氯乙烯溶液1的容器使用一段时间之后，定义为t₂时刻，如图2所示，容器中二氯乙烯溶液1减少了，此时容器中二氯乙烯气体11的总压强为P₂，由于二氯乙烯气体11不断被输运气体从容器上方被带走，二氯乙烯溶液1液面处又不断挥发出新的二氯乙烯气体11，导致沿着AA方向容器中二氯乙烯气体的压强越来越小，进而导致总压强P₂小于总压强P₁；根据理想气体状态方程PV=nRT，其中，P表示气体压强，V表示气体体积，n表示气体物质的量，R表示普朗克常数，T表示热力学温度，即t₁时刻容器中的二氯乙烯气体满足理想气体状态方程P₁V₁=n₁R₁T₁，t₂时刻容器中的二氯乙烯气体满足理想气体状态方程P₂V₂=n₂R₂T₂，由于R₁等于R₂，T₁等于T₂，故P₁/P₂=n₁/V₁：n₂/V₂，而P₁＞P₂，故n₁/V₁＞n₂/V₂，故t₁时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的物质的量大于t₂时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的物质的量，换言之，t₁时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的摩尔数大于t₂时刻容器中单位体积内的二氯乙烯气体的摩尔数。

由上述分析可知，当盛放有二氯乙烯溶液的容器使用越久，容器中的二氯乙烯溶液越少，造成单位时间内进入反应腔的二氯乙烯气体的摩尔数越来越少，使得硅片上氧化硅膜的厚度越薄。

鉴于此，本发明提供了一种半导体制造装置和硅片处理方法，该装置利用液面感应器来控制进入反应腔内的反应气体的流量，从而保证对每个硅片进行处理时，单位时间内通入反应腔的含氯的反应气体的摩尔数是相同的，从而使得每个硅片上所生长的氧化硅膜具有规范化的厚度，进而保证大批量生产的若干半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

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

如图3所示，半导体制造装置100包括反应腔10、第一容器20、第一通气管道30、第一流量调节阀40、第二容器50及第二通气管道60。其中：

反应腔10用于承载硅片（未图示），并为硅片处理提供反应场所；

第一容器20用于盛放易挥发溶液，并设有液面感应器（level sensor）21，利用液面感应器21可以获取第一容器20内溶液的液面高度；

第一通气管道30的两端分别与第一容器20、反应腔10连通，以使第一容器20内易挥发溶液所产生的反应气体可以通入反应腔10内；

第一流量调节阀40设置在第一通气管道30上，以调节通入第一通气管道30内的气体的流量，以及控制第一通气管道30的开启和关闭；

第二容器50用于盛放输运气体；

第二通气管道60的两端分别与第一容器20、第二容器50连通，以使第一容器20内的输运气体可以通入第二容器50内，进而迫使第一容器20内易挥发溶液挥发产生的反应气体进入第一通气管道30。

具体地，上述半导体制造装置100的使用方法如下：

在第一容器20内盛放易挥发溶液，在第二容器50内盛放输运气体，在反应腔10内放置待处理硅片；

打开第一流量调节阀40、开始输送所述输运气体，所述输运气体经由第二通气管道60进入第一容器20内，以携带易挥发溶液所产生的反应气体经由第一通气管道30进入反应腔10内，第一流量调节阀40的开口大小是根据液面感应器21所获取的液面高度来调节的，确保单位时间内进入反应腔10的反应气体的摩尔数恒定；在反应腔10内利用包含有所述反应气体的气体对硅片进行处理。

由上述可知，在利用半导体制造装置100对大批量硅片进行处理的过程中，可以根据第一容器20内液面感应器21所获取的液面高度，来确保单位时间内进入反应腔10内的反应气体的摩尔数相等，从而使得对大批量硅片进行处理的效果是较为一致的，进而保证大批量生产的半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

利用上述半导体制造装置100可对硅片进行多种处理，例如，在一个实施例中，半导体制造装置100用作炉体装置，以对硅片进行氧化从而形成氧化硅膜，在这种情况下，第一容器20内盛放的易挥发溶液应能产生含氯的反应气体；在一个实施例中，半导体制造装置100用作化学气相沉积（CVD）装置，以在硅片上淀积所需薄膜，在这种情况下，第一容器20内盛放的溶液应能提供淀积所需的气体，例如，当淀积氧化硅时，所述易挥发溶液可为TEOS溶液，当淀积氮化硅时，所述易挥发溶液可为BTBAS（全称为Bis(tertiary-butylamino)silane）溶液，以与氨气发生化学反应；在一个实施例中，半导体制造装置100用作等离子体刻蚀装置，以在硅片或硅片上的膜上形成所需图形。

所述根据液面感应器21所获取的液面高度来调节第一流量调节阀40的开口大小的步骤所要达到的目的是：通过实时控制第一流量调节阀40的开口大小，以实时控制通入反应腔10内的所述反应气体的量，确保单位时间内通入反应腔10的反应气体的摩尔数是恒定的，从而使得对大批量硅片进行所述处理的效果是较为一致的，进而保证大批量生产的若干半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

具体地，建立液面高度与第一流量调节阀40开口大小之间的关系的方法为：当利用液面感应器21获取第一容器20内溶液的液面高度为h₁时，在固定的工艺条件（包括输运气体的流量、第一流量调节阀的流量、反应温度、反应压强等）下对硅片进行处理，测量硅片的处理效果，例如，当对硅片进行氧化处理时测量硅片上氧化硅膜的厚度，当对硅片进行化学气相沉积处理时测量硅片上淀积薄膜的厚度，当对硅片进行等离子体刻蚀处理时测量硅片上被刻蚀层的刻蚀厚度，比较硅片的处理效果是否符合规范化要求，若符合要求，则记下液面高度及对应的第一流量调节阀的开口大小，若不符合要求，则重新进行试验，即在保持第一容器20内液面高度仍为h₁的条件下，仅调整工艺条件中第一流量调节阀的开口大小（其它工艺条件保持不变），以改变气体流量，然后测量硅片处理效果，当某次试验所获得的硅片处理效果符合规范化要求时才停止液面高度为h₁的试验。依照此方法可以依次获取当第一容器20内溶液的液面高度分别为h₂、h₃......时所对应的第一流量调节阀的开口大小。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括微控制器70，微控制器70可以控制半导体制造装置100的所有操作，如工艺时间控制、温度控制、压强控制、工艺步骤顺序的控制、气体种类控制、气流速率控制、升降温的速率控制、装卸硅片等等。其它功能如诊断技术和数据收集也由微控制器70执行。同时，微控制器70也是一台主计算机的接口，主计算机能下载专用的硅工艺菜单，包含微控制器70的所有必备数据。

微控制器70与第一容器20的液面感应器21连接，这样微控制器70可以实时直接获取第一容器20内液体的液面高度，并根据所获取的液面高度来控制第一流量调节阀40的开口大小，确保单位时间内通入反应腔10的反应气体的摩尔数是恒定的。

当半导体制造装置100中包含微控制器70时，获取液面高度与第一流量调节阀40开口大小之间的关系之后，预先将两者的关系输入到微控制器70中，这样在使用该装置时，微控制器70获取液面感应器21的读数之后进行自行判断，以自动将第一流量调节阀40的开口大小调整至相对应的值，以确保单位时间内进入反应腔10的反应气体的摩尔数是恒定的。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括与微控制器70连接的气流控制器90，气流控制器90用于控制半导体制造装置100中所有流量调节阀的开口大小。在一个实施例中，气流控制器90与第一流量调节阀40连接，微控制器70通过气流控制器90来控制第一流量调节阀40的开口大小。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括设置在第二通气管道60上的第二流量调节阀83，以控制通入第二通气管道60内的气体的流量。第二流量调节阀83与气流控制器90连接，以控制第二流量调节阀83的开口大小。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括适于对第一容器20进行加热的加热器80，以加快第一容器20内易挥发溶液所产生反应气体的产生速率。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括适于控制反应腔10温度的温度控制器93，微控制器70与温度控制器93连接。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括适于控制反应腔10内部压强的压力控制器91，微控制器70与压力控制器91连接。

在一个实施例中，半导体制造装置100还包括与反应腔10连接的尾气系统（未标识），以对从反应腔10中排出的气体进行进一步的除污处理。所述尾气系统包括与反应腔10连接的通气管道（未标识）、与该通气管道连接的真空泵92及与该真空泵92连接的通气管道（未标识）。

根据半导体制造装置100的具体用途，半导体制造装置100可包含其它相应所需部件。例如，当半导体制造装置100用作炉体装置时，半导体制造装置100还包括适于盛放氧气的第三容器81，及两端分别与第三容器81、反应腔10连通的第三通气管道82等部件，以向反应腔10内通入氧气；当半导体制造装置100用作化学气相沉积装置时，半导体制造装置100还包括用于盛放化学气相反应所需反应气体的容器（未图示）等部件；当半导体制造装置100用作等离子体刻蚀装置时，半导体制造装置100还包括用于盛放等离子体刻蚀反应所需反应气体的容器（未图示）等部件。

根据半导体制造装置100的具体要求可选择性的挑选上述实施例中所列举的一个或多个部件，以及其它一些虽然上述实施例中未列举出来但在现有对硅片进行半导体处理的装置中常用到的部件，在此不一一列举。

下面就其中利用半导体制造装置100对硅片进行氧化处理的方法进行介绍：

在第一容器20内盛放易挥发溶液，所述易挥发溶液能产生含氯的反应气体，在一个实施例中，所述易挥发溶液为盐酸（HCl）溶液、二氯乙烯溶液、三氯乙烯（trichloroethylene，简称TCE，化学式为C₂HCl₃）溶液或三氯乙烷（trichloroethane，简称TCA，化学式为C₂H₃CI₃）溶液；

在第二容器50内盛放输运气体，如N₂或He，在反应腔10内放置待处理硅片；

打开第一流量调节阀40、开始输送所述输运气体，所述输运气体经由第二通气管道60进入第一容器20内，以携带易挥发溶液所产生的反应气体经由第一通气管道30进入反应腔10内，第一流量调节阀40的开口大小是根据液面感应器21所获取的液面高度来调节的，确保单位时间内进入反应腔10的反应气体的摩尔数恒定；

打开第一流量调节阀40、开始输送所述输运气体的同时，从第三容器81经由第三通气管道82向反应腔10内输送氧气，在反应腔10内利用包含有所述反应气体、输运气体和氧气的气体对硅片进行处理，其中，氧气用于在硅片表面形成氧化硅膜，所述含氯的反应气体的作用是提高氧化速率以及改善氧化硅膜的质量。

除此之外，本发明还提供了一种硅片处理方法，包括：

提供承载有硅片的反应腔；

提供盛放有易挥发溶液的第一容器，所述第一容器内的易挥发溶液上方为易挥发溶液所挥发的反应气体；

向所述一容器内通入输运气体，所述输运气体迫使所述反应气体进入所述反应腔；

在上述硅片处理方法中，由于单位时间内进入反应腔内的反应气体的摩尔数相等，可以使得对大批量硅片进行处理的效果是较为一致的，进而保证大批量生产的半导体器件具有较为一致的性能，提高半导体器件的合格率。

在一个实施例中，所述第一容器上设置有液面感应器，根据所述液面感应器所获取的液面高度，控制进入所述反应腔内的反应气体的流量，从而确保单位时间内通入反应腔内的反应气体的摩尔数相等。

在一个实施例中，所述输运气体为N₂或He。

在一个实施例中，所述硅片处理为硅片的氧化处理，以在硅片上生长氧化硅薄膜。

在一个实施例中，所述硅片处理为在硅片上进行薄膜沉积的处理。

在一个实施例中，所述硅片处理为对硅片或硅片上的膜层进行等离子体刻蚀的处理。

下面就其中硅片的氧化处理方法作介绍：

提供承载有硅片的反应腔；

提供盛放有易挥发溶液的第一容器，所述第一容器内的易挥发溶液上方为易挥发溶液所挥发的反应气体，在一个实施例中，所述易挥发溶液为盐酸（HCl）溶液、二氯乙烯溶液、三氯乙烯（trichloroethylene，简称TCE，化学式为C₂HCl₃）溶液或三氯乙烷（trichloroethane，简称TCA，化学式为C₂H₃CI₃）溶液；

控制进入所述反应腔内的反应气体的流量，确保单位时间内通入反应腔内的反应气体的摩尔数相等；

在向所述反应腔中通入所述反应气体的同时，还向所述反应腔中通入氧气。

当对硅片进行其它类型的处理，如淀积处理、刻蚀处理等，在向反应腔中通入所述反应气体的同时，根据工艺需要还可同时向反应腔中通入其它所需气体。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种半导体制造装置，其特征在于，包括：

反应腔；

第一通气管道，两端分别与所述第一容器、反应腔连通；

第一流量调节阀，设置在所述第一通气管道上；

第二容器，用于盛放输运气体；

第二通气管道，两端分别与所述第一容器、第二容器连通。

2.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于，还包括：微控制器，所述微控制器与所述液面感应器连接，以使所述微控制器实时获知所述第一容器内溶液的液面高度。

3.根据权利要求2所述的半导体制造装置，其特征在于，还包括：气流控制器，所述气流控制器与所述微控制器连接；

所述气流控制器还与所述第一流量调节阀连接；

所述微控制器根据所获知的液面高度通过所述气流控制器控制所述第一流量调节阀的开口大小。

4.根据权利要求3所述的半导体制造装置，其特征在于，还包括：设置在所述第二通气管道上的第二流量调节阀，所述第二流量调节阀与气流控制器连接，以控制所述第二流量调节阀的开口大小。

5.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于，所述半导体制造装置为炉体装置、化学气相沉积装置或等离子体刻蚀装置。

6.根据权利要求5所述的半导体制造装置，其特征在于，所述半导体制造装置为炉体装置，所述炉体装置还包括：

第三容器，用于盛放氧气；

第三通气管道，两端分别与所述第三容器、反应腔连通。

7.一种硅片处理方法，其特征在于，包括：

提供承载有硅片的反应腔；

8.根据权利要求7所述的硅片处理方法，其特征在于：

所述第一容器上设置有液面感应器；

根据所述液面感应器所获取的液面高度，控制进入所述反应腔内的反应气体的流量。

9.根据权利要求7所述的硅片处理方法，其特征在于，所述输运气体为N₂或He。

10.根据权利要求7所述的硅片处理方法，其特征在于，所述硅片处理为硅片的氧化处理、在硅片上进行薄膜沉积的处理或对硅片或硅片上的膜层进行等离子体刻蚀的处理。

11.根据权利要求10所述的硅片处理方法，其特征在于，所述硅片处理为硅片的氧化处理时：

所述易挥发溶液为盐酸溶液、二氯乙烯溶液、三氯乙烯溶液或三氯乙烷溶液；

所述方法还包括：向所述反应腔内通入氧气。