CN103377902B - 热氧化晶圆生成氧化层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热氧化晶圆生成氧化层的方法，包括下列步骤：在炉管内放置需要氧化的晶圆并通过加热器对所述炉管进行加热；向反应器内通入氧气和氢气并混合燃烧；将燃烧后生成的水蒸气和剩余的氧气从所述炉管的进气口通入炉管内；从所述进气口通入氮气以将炉管内的气体从炉管的排气口排出；通入的所述氢气流量的一半加上通入的所述氧气流量等于通入的所述氮气流量。本发明通过重新设计通入的氢气和氧气的流量，使得通入氮气前后炉管内气体的流量保持一致，使得炉管内不同位置的晶圆与水蒸气和氧气反应的时间相等，从而能够获得良好的厚度一致性。

Description

热氧化晶圆生成氧化层的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种热氧化晶圆生成氧化层的方法。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，对栅氧厚度的均匀性要求不断提高。因此，改善炉管内晶圆与晶圆间(wafertowafer,WTW)厚度的均匀性，对于提高产品的成品率有非常重要的作用。

参见图1，以一种传统的8英寸立式炉管对晶圆进行湿氧氧化为例，氧化的流程是先在炉管外部的一个反应器内通入适量的氢气和氧气，然后混合燃烧生成水蒸气，水蒸气和剩余未反应的氧气一道从炉管顶部的进气口通入炉管内，与炉管内的晶圆反应生成二氧化硅，最后剩余的气体从炉管底部的排气口排出。反应方程式如下：

2H₂+O₂＝2H₂O

2H₂O+Si＝SiO₂+2H₂

Si+O₂＝SiO₂

根据湿氧氧化的反应原理，生成的二氧化硅的厚度与氢气、氧气的流量，反应温度，反应时间相关。

为保证炉管安全及使产品能得到所需厚度的氧化层，在通入了指定时间和流量的氢气和氧气之后，需要沿着相同的通道通入大流量的氮气，将炉管内反应剩余的水蒸气和氧气排出。一种传统的方案是将氢气和氧气的流量均设定为2slm(标况升每分钟)，氮气的流量设定为10slm。这就相当于先以3slm(水蒸气2slm，剩余的氧气1slm)的流量对晶圆进行氧化，然后以10slm的氮气推动剩余的水蒸气和氧气排出。这样使得通入氮气后水蒸气和氧气的流动速度大大加快，导致炉管内靠近炉管顶部和靠近炉管底部的晶圆与水蒸气和氧气反应时间不一致，最终导致产品的氧化层厚度也不一致。

发明内容

基于此，有必要针对传统的湿氧氧化方法中生成的氧化层厚度均匀性不好的问题，提供一种能够使得炉管内不同位置的晶圆与水蒸气和氧气反应的时间相等，改善炉管生产的晶圆的氧化层厚度均匀性的热氧化晶圆生成氧化层的方法。

一种热氧化晶圆生成氧化层的方法，包括下列步骤：在炉管内放置需要氧化的晶圆并通过加热器对所述炉管进行加热；向反应器内通入氧气和氢气并混合燃烧；将燃烧后生成的水蒸气和剩余的氧气从所述炉管的进气口通入炉管内；从所述进气口通入氮气以将炉管内的气体从炉管的排气口排出；通入的所述氢气流量的一半加上通入的所述氧气流量等于通入的所述氮气流量。

在其中一个实施例中，所述氢气流量和所述氧气流量相等。

在其中一个实施例中，所述氢气流量为8标况升每分钟，所述氧气流量为8标况升每分钟，所述氮气流量为12标况升每分钟。

在其中一个实施例中，所述进气口设于所述炉管的顶部，所述排气口设于所述炉管的底部。

在其中一个实施例中，所述加热器的数量为4个，从所述炉管的顶部向底部排列，且4个加热器加热的目标温度从顶部到底部分别是T-1、T、T、T-0.5摄氏度。

在其中一个实施例中，所述氧化层为栅氧化层。

上述热氧化晶圆生成氧化层的方法，通过重新设计通入的氢气和氧气的流量，使得通入氮气前后炉管内气体的流量保持一致，使得炉管内不同位置的晶圆与水蒸气和氧气反应的时间相等，从而能够获得良好的厚度一致性。

附图说明

图1是热氧化晶圆生成氧化层的示意图；

图2是一实施例中热氧化晶圆生成氧化层的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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方式做详细的说明。

图1是热氧化晶圆生成氧化层的示意图。图2是一实施例中热氧化晶圆生成氧化层的流程图，包括下列步骤：

S210，在炉管内放置需要氧化的晶圆并通过加热器对炉管进行加热。

对于8英寸立式炉管，每次最多可以同时作业150片左右的晶圆。为实现对这些晶圆的加热，炉管内从顶部到底部共设置有4个加热器，我们根据4个加热器的位置分别将其命名为：Top/Top-center/Bottom-center/Bottom。

S220，向反应器内通入氧气和氢气并混合燃烧。

向位于炉管外部的一个反应器(torch)内同时通入氧气和氢气，使它们混合燃烧生成水蒸气。其中氧气应过量，使得氢气完全燃烧后仍有氧气剩余。

S230，将燃烧后生成的水蒸气和剩余的氧气从炉管的进气口通入炉管内。

该进气口设于炉管的顶部，水蒸气和氧气从进气口进入炉管后一路向下，先与堆放至炉管顶部的晶圆反应，再逐渐与堆放在炉管底部的晶圆反应。

S240，从进气口通入氮气以将炉管内的气体从炉管的排气口排出。

为保证炉管安全及使产品能得到所需厚度的氧化层，在通入了指定时间和流量的氢气和氧气之后，需要从进气口通入大流量的氮气，并打开排气口，将炉管内反应剩余的水蒸气和氧气从位于炉管底部的排气口排出。

一种传统方案是氢气和氧气的流量均设定为2slm，氮气的流量设定为10slm。这样使得通入氮气后水蒸气和氧气的流动速度大大加快，导致炉管内靠近炉管顶部和靠近炉管底部的晶圆反应时间不一致，最终导致产品的氧化层厚度也不一致。

为了补偿反应时间不一致导致的厚度差异，可以通过调整4个加热器温度，使靠近炉管底部的加热器获得更高的加热温度。但由于相邻两加热器之间存在一定的物理距离等原因，这样做仍然不可能完全补偿反应时间不一致带来的厚度差异，且会带来新的问题——较大的温度差异会对部分器件的特性(例如特征线宽为0.16微米的器件)造成不良影响。

为此，发明人尝试将湿氧氧化的反应气体流量调整至与S240中通入的氮气流量相等。具体地，是S220中通入的氢气流量的一半加上通入的氧气流量等于S240中通入的氮气流量。

在一个实施例中，S220中通入的氢气流量和氧气流量相等，这样能获得较好的氧化效果。在一个实施例中，氢气流量为8slm，氧气流量为8slm，氮气流量为12slm。这样，就使得在通入氮气前后炉管内气体的流动速度不变，位于炉管内不同位置的晶圆与水蒸气(及氧气)的反应时间也就基本相等。那么，4个加热器的加热温度也就基本可以设置成相等。在一个实施例中，4个加热器加热的目标温度从顶部到底部分别是T-1、T、T、T-0.5摄氏度，如下表所示。具体T的取值需要根据目标氧化层厚度等因素来具体调整，氧化层厚度越薄则温度应越低。

H2/O2

top

Top-center

Bottom-center

Bottom

上下温差

传统技术

2slm/2slm

T-4

T

T+11.5

T+17

21℃

本发明

8slm/8slm

T-1

T

T

T-0.5

1℃

可以看出，通过改变气体流量，炉管上下温差从21摄氏度降低到了1摄氏度，大大改善了炉管内温度的均匀性，从而能够获得较佳的器件性能。另外，晶圆的氧化层厚度亦得到了大幅改善，如下表所示。表中每隔25片抽取一晶圆测量厚度，共测得7片晶圆厚度，以反映炉管内不同位置的产品的厚度差异。

上述热氧化晶圆生成氧化层的方法尤其适用于生长栅氧层。可以理解地，对于其它层次的氧化层(例如场氧化层等)，若对厚度的均匀性有较高要求，则同样可以用本发明的方法进行生长。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种热氧化晶圆生成氧化层的方法，包括下列步骤：

在炉管内放置需要氧化的晶圆并通过加热器对所述炉管进行加热；

向反应器内通入氧气和氢气并混合燃烧；

将燃烧后生成的水蒸气和剩余的氧气从所述炉管的进气口通入炉管内；

从所述进气口通入氮气以将炉管内的气体从炉管的排气口排出；通入的所述氢气流量的一半加上通入的所述氧气流量等于通入的所述氮气流量。

2.根据权利要求1所述的热氧化晶圆生成氧化层的方法，其特征在于，所述氢气流量和所述氧气流量相等。

3.根据权利要求2所述的热氧化晶圆生成氧化层的方法，其特征在于，所述氢气流量为8标况升每分钟，所述氧气流量为8标况升每分钟，所述氮气流量为12标况升每分钟。

4.根据权利要求1所述的热氧化晶圆生成氧化层的方法，其特征在于，所述进气口设于所述炉管的顶部，所述排气口设于所述炉管的底部。

5.根据权利要求4所述的热氧化晶圆生成氧化层的方法，其特征在于，所述加热器的数量为4个，从所述炉管的顶部向底部排列，且4个加热器加热的目标温度从顶部到底部分别是T-1、T、T、T-0.5摄氏度。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的热氧化晶圆生成氧化层的方法，其特征在于，所述氧化层为栅氧化层。