CN112030140A - 一种立式化学气相沉积炉及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种立式化学气相沉积炉及其应用。一种立式化学气相沉积炉，包括：炉管，所述炉管内设有晶舟和喷嘴部件，所述喷嘴部件在所述晶舟的一侧沿所述晶舟的轴向分布；所述炉管内还设有一个内管，所述内管将所述晶舟和所述喷嘴部件嵌套在其内部；所述内管与所述喷嘴部件相对的一侧的侧壁上设有多个通孔或缝隙，并且所述内管上设有所述通孔的侧壁与所述炉管的内壁之间留有侧缝。本发明将气相镀膜原料以层流的方式沉积到晶圆上，解决了现有设备沉积膜厚不均匀、沉积效率低等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备工艺领域，特别涉及一种立式化学气相沉积炉及其应用。
背景技术
在半导体制备工艺中，立式化学沉积炉Furnace tube是被广泛应用的一种集群式沉积设备，其具有沉积效率高、高精度控制等优点。现有技术中的一种立式化学沉积炉的结构如图1所示，包括炉管101，炉管101作为沉积反应腔室，内部设有晶舟103、前体喷嘴部件102，前体喷嘴部件102中喷嘴的数量因沉积膜的要求或工艺要求不同而不同，可设置一个或多个喷嘴，喷嘴部件102沿晶舟103的轴向分布且设置于晶舟的一侧，炉管还设有进气口104，出气口105。进行沉积工艺时，由于重力作用喷嘴喷出的气流沿斜下方运动，导致炉管内顶部区域气流不足，底部气流过量，从而导致各区域的晶圆的沉积厚度分布不一致，每片晶圆上的沉积膜厚度也不均匀，并且由于最顶部的气流严重不足，为保证沉积质量，常常只能减少晶圆装载量，换言之，晶舟的内部空间不能充分利用，导致沉积效率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立式化学气相沉积炉，该沉积炉将气相镀膜原料以层流的方式沉积到晶圆上，解决了现有设备沉积膜厚不均匀、沉积效率低等技术问题。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案。
一种立式化学气相沉积炉，包括：
炉管，
所述炉管内设有晶舟和喷嘴部件，所述喷嘴部件在所述晶舟的一侧沿所述晶舟的轴向分布；
所述炉管内还设有一个内管，所述内管将所述晶舟和所述喷嘴部件嵌套在其内部；
所述内管与所述喷嘴部件相对的一侧的侧壁上设有多个通孔或缝隙，并且所述内管上设有所述通孔的侧壁与所述炉管的内壁之间留有侧缝，所述侧缝用于排气。
利用上述立式化学气相沉积炉在晶圆上沉积膜(例如氧化物膜或硅膜等)时，气相的前体物质从喷嘴部件进入炉管后，由于喷嘴部件、内管侧壁上的通孔以及内管与炉管之间的缝隙可以形成供气流流入的通道，因此，气相原料被导流至沿几乎平行于晶圆表面的方向运动。可见，在内管通孔以及缝隙的引导下，炉管内的气流以“层流”的方式运动，该层流方式相比现有技术的“不对称”流动方式具有显著的镀膜优势：炉管内各区域内的多片晶圆的镀膜厚度均匀性更好，单片晶圆各区域的镀膜厚度更均匀，晶舟内的空间可充分利用，即使位于晶舟顶部的晶圆镀膜质量也能达到应用要求，制备的半导体器件具有良好的电学特性(例如静电容量均匀分布、泄漏电流减少等)。
本发明中所述的化学气相沉积是指广义的化学气相沉积，即气相原料经过化学反应吸附在晶圆或半导体衬底表面，包括但不限于传统的低压化学气相沉积，以及原子层沉积。
本发明所述的立式化学气相沉积炉用于制备半导体器件，包括但不限于MOSFET、DRAM、2D NAND、3D NAND或者LCD。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)通过增加内管通孔和缝隙结构将气流的流动变化“层流”方式，从而使晶舟内部上下各区域的气流分布更均匀，流速接近相同，因此，得到晶圆膜厚分布更均匀，进而改善了器件的电学特性；
(2)对晶舟的空间利用率可以提高33％以上；
(3)应本发明提供的沉积设备应用范围广。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为现有技术中化学沉积炉的示意图；
图2为本发明的一个实施方式提供的化学沉积炉的示意图；
图3为图1所示设备与图2所示设备在晶圆上沉积的氧化锆膜的衍射图，“conventional”指采用图1的设备，“across flow”指采用图2的设备；
图4为图1所示设备与图2所示设备沉积时气流流速由晶圆边缘至中心的变化趋势；
图5为根据不同测试条件晶圆中心区域的击穿电压(BV)的改善；
图6为根据不同测试条件晶圆中心(D0处)气流的改善；
附图标记：
101，201-炉管；
102，202-喷嘴部件；
103，203-晶舟；
104，204-进气口；
105，205-排气口；
206-内管；
207-通孔；
208-缝隙。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
实施例
如图2所示的立式化学气相沉积设备，包括炉管201，所述炉管201内设有晶舟203和喷嘴部件202，所述喷嘴部件202在所述晶舟203的一侧沿所述晶舟203的轴向分布；
所述炉管201内还设有一个内管206，所述内管206将所述晶舟203和所述喷嘴部件202嵌套在其内部；
所述内管206与所述喷嘴部件202相对的一侧的侧壁上设有多个通孔207，并且所述内管206上设有所述通孔207的侧壁与所述炉管201的内壁之间留有缝隙208。
其中，内管206上的通孔207等间距分布，晶舟203中负载晶圆的位置也等间距分布，为使原料气流沿箭头所示方向进行层流运动，相邻通孔207的间距与晶舟中相邻晶圆的间距相同。
利用上述设备在晶圆上沉积ZrO2膜，具体方法如下：
步骤一、晶舟中装载晶圆，再将晶舟装入炉管；
步骤二、从进气口204通气，经过喷嘴部件向炉管中喷入气体，同时控制炉管温度及压力为适当，控制气流流速和供料时间得到所需的膜厚，图中箭头指气流的运动方向，每次沉积结束后废气从出气口205排出；
步骤三、冷却，取出晶圆。
同时利用图1的传统设备沉积ZrO2膜，采用的工艺条件与上述过程相同。
比较两种不同设备沉积的膜厚分布(即沉积后晶圆的表面形貌)，结果如图3所示。两种不同设备沉积时气流流速由晶圆边缘至中心的变化趋势如图4，图4测试的晶圆边界层的厚度δ如图中公式，其中，U∞为流速m/s，ν为等效系数m2/s，X为长度m。
图3结果显示：
1、采用本发明的设备沉积的芯片，炉管内不同区域(管顶部、管中心顶部、管中心底部、管底部)的晶圆上膜厚的分布一致，都呈“中心凸出”的形状；而图1设备沉积的芯片，炉管内不同区域的膜厚分布差异大，在炉管顶部的晶圆膜厚呈“中心凹陷边缘凸出”的分布，越靠近炉管底部的晶圆中心厚度越来越大，直至管最底部的晶圆膜厚分布形状已变为“中心凸出”状。
2、图2设备沉积的有效芯片的产量增加，由图1设备的50片有效产量提高至100片。
出现以上结果主要是由于图2设备沉积时有以下特点：气流流动方向变为层流后，炉管顶部的流速增加，因此炉管顶部晶圆的膜厚增加，且晶圆边缘的气体流速减少使得气流更容易流向晶圆中心，使得晶圆上膜厚呈“中心凸出”状。
本发明还测试了不同测试条件下晶圆中心区域的击穿电压(BV)的改善，以及晶圆中心(D0处)气流的改善，结果分别如图5和6所示。
在另外的实施方式中，图2的设备也可用于其他氧化物膜的沉积，并且可得到与上文相同的技术效果。
在其他实施方式中，内管上通孔的分布方式和形状可调整，通常因晶舟或喷嘴的构造而异。
在其他实施方式中，内管和炉管内壁之间的缝隙宽度可以适应性调整。
上述实施例方式中，炉管还可包括用于化学沉积的必需其他零件，例如加热装置、保温装置、测温装置、控制装置等。
上述的喷嘴部件因工艺需求或者膜材质而异，可以采用连续供料的方式，或者脉冲供料的方式，可以采用一个或多个喷嘴。
本领域技术人员公知，喷嘴部件的安装位置应当利于气流在晶圆上的均匀沉积。
在一些实施方式中，所述通孔中至少有通孔与所述晶舟中负载每片晶圆的位置一一对应。
在一些实施方式中，所述一一对应为：一个所述通孔的中心与所述晶舟中负载一片晶圆的位置位于同一水平线。
在这些实施方式中，通孔的设定位置利于气流沿平行于晶圆表面的方向流过，即更接近理想的层流状态。
在一些实施方式中，多个所述通孔等间距分布。
通孔分布的方式可以与晶舟中晶圆的分布方式相同。
在一些实施方式中，所述通孔沿所述晶舟径向的截面呈圆形或长方形。
在一些实施方式中，所述缝隙的宽度为5～12mm。
本发明所述的立式化学气相沉积炉用于低压化学气相沉积薄膜或原子层沉积薄膜。
在一些实施方式中，所述立式化学气相沉积炉用于沉积薄膜时，当工艺温度为100～630℃，压力为10～399Pa时，对镀膜质量更有利。
气相或者沉积的所需物质不同时，工艺温度和压力有区别。
在一些实施方式中，所述立式化学气相沉积炉用于沉积氧化物膜、硅膜或金属层，氧化物膜包括但不限于氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化铪等，硅膜包括单晶硅或非晶硅。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (11)
1.一种立式化学气相沉积炉，其特征在于，包括：
炉管，
所述炉管内设有晶舟和喷嘴部件，所述喷嘴部件在所述晶舟的一侧沿所述晶舟的轴向分布；
所述炉管内还设有一个内管，所述内管将所述晶舟和所述喷嘴部件嵌套在其内部；
所述内管与所述喷嘴部件相对的一侧的侧壁上设有多个通孔或缝隙，并且所述内管上设有所述通孔的侧壁与所述炉管的内壁之间留有侧缝，所述侧缝用于排气。
2.根据权利要求1所述的立式化学气相沉积炉，其特征在于，所述通孔中至少有通孔与所述晶舟中负载每片晶圆的位置一一对应。
3.根据权利要求2所述的立式化学气相沉积炉，其特征在于，所述一一对应为：一个所述通孔的中心与所述晶舟中负载一片晶圆的位置位于同一水平线。
4.根据权利要求1所述的立式化学气相沉积炉，其特征在于，多个所述通孔等间距分布。
5.根据权利要求1-4任一项所述的立式化学气相沉积炉，其特征在于，所述通孔沿所述晶舟轴向的截面呈圆形或长方形。
6.根据权利要求1-4任一项所述的立式化学气相沉积炉，其特征在于，所述侧缝的宽度为5～12mm。
7.权利要求1-6任一项所述的立式化学气相沉积炉在低压化学气相沉积薄膜或原子层沉积薄膜中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述沉积薄膜时的工艺温度为100～630℃，压力为10～399Pa。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述立式化学气相沉积炉用于沉积氧化物膜、硅膜或金属层。
10.权利要求1-6任一项所述的立式化学气相沉积炉在制备半导体器件中的应用。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述半导体器件为MOSFET、DRAM、2DNAND、3D NAND或者LCD。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201204 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |