CN112981370B - 沉积炉管内管、沉积炉管以及沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种沉积炉管内管，内管管壁内具有至少一个气体流通区，气体流通区对应的管壁包括内壁和外壁；内壁不同相对高度上设置有若干层排气孔，使得气体流通区中的气体能通过排气孔进入沉积区中；一个高度层中的排气孔的总流通面积随其相对高度的升高而增大，使得单位时间内，不同高度层的排气孔的排气均匀；外壁或管壁的底部设置有与气体流通区连通的进气口。本发明还提供了一种包括上述内管的沉积炉管和使用这种炉管进行沉积的沉积方法。本发明提供的沉积炉管内管、沉积炉管和沉积方法能够改善晶圆上沉积膜厚度的均匀性。

Description

沉积炉管内管、沉积炉管以及沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别是涉及一种沉积炉管内管、沉积炉管以及改善沉积层厚度均匀度的沉积方法。

背景技术

化学气相沉积工艺(CVD，Chemical Vapor Deposition)，特别是低压化学气相沉积工艺(LPCVD)广泛应用于半导体制造技术领域中晶圆上薄膜的制备。低压化学气相沉积工艺是指将反应气体输送到沉积炉管中，使其与炉管内的晶圆在一定条件下发生化学反应，以此在晶圆表面沉积一层薄膜的方法。低压化学气相沉积工艺一般属于批处理工艺，一次可将上百片晶圆放置于晶舟上，送入沉积炉管中同时沉积薄膜。

LPCVD过程常用的沉积炉管为立体式沉积炉管，图1为现有技术中常见的沉积炉管的结构示意图。沉积炉管1包括内管2、套在内管2外部的外管3以及围绕在外管3外的加热器6，晶圆7和晶舟被放置在内管2中的沉积区中，沉积气体通过气体注入管4被注入沉积区中，从下至上流动至内管2顶部，而后从内管2和外管3的空隙中从上向下流通，最终从真空管5端口流出。但是由于气体注入端口一般在炉管下端，会导致炉管中上端的气体浓度低于下端，而气体浓度的不均匀会导致晶圆7上生长的薄膜厚度不均匀，位于炉管下端的晶圆7的膜厚大于炉管上端的晶圆7的膜厚，严重时大大影响出产晶圆7的质量。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种沉积炉管内管、沉积炉管以及沉积方法，可有效解决现有技术中晶圆上沉积膜厚度不均匀的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供了一种沉积炉管内管，内管中为沉积区，其特征在于：所述内管管壁内具有至少一个气体流通区，所述气体流通区对应的管壁包括内壁和外壁；在所述内壁不同相对高度上设置有若干层排气孔，使得所述气体流通区中的气体能通过所述排气孔进入沉积区中；一个高度层中的所述排气孔的总流通面积随其相对高度的升高而增大，使得单位时间内，不同高度层的所述排气孔的排气均匀；所述外壁或所述管壁的底部设置有与所述气体流通区连通的进气口。

可选地，每个高度层的所述排气孔的数量相同，每个高度层的所述排气孔的总流通面积随其所在相对高度的升高而增大。

可选地，每个所述排气孔的流通面积相同，每个高度层的所述排气孔的数量随其所在的相对高度的升高而增多。

可选地，所述内管管壁中沿圆周分布有多个气体流通区。

可选地，还包括至少一个出气口延伸入气体流通区的进气管，所述进气管连通所述进气口。

本发明还提供了一种沉积炉管，包括上述内管；还包括套在所述内管外的外管，以及围绕所述外管的加热器。

本发明还提供了一种使用上述沉积炉管的沉积方法，其特征在于：载有晶圆的晶舟被放置在所述沉积区中；反应气体通过所述进气口进入所述气体流通区中；所述气体流通区中的所述反应气体通过所述排气孔进入所述沉积区中，所述反应气体在所述晶圆表面进行反应生成沉积层。

如上所述，本发明的一种沉积炉管内管、沉积炉管以及沉积方法，具有以下有益效果：

(1)本发明通过在沉积炉管内管上设置大小和/或数量不一的排气孔，使内管中的晶圆处于相同气体环境下，从而有利于改善晶圆上沉积膜厚度的均匀性。

(2)本发明提供的沉积炉管内管的管壁内可被隔为多个气体流通区，既可以同时通入不同反应气体，又可以防止反应气体提前发生反应。

附图说明

图1为现有技术中的沉积炉管示意图；

图2为本发明实施例一中公开的内管的结构示意图；

图3为本发明实施例一中公开的内管的俯视图；

图4为本发明实施例一中公开的内管的A-A剖面图；

图5为本发明实施例二中公开的内管的结构示意图；

图6为本发明实施例二中公开的内管的俯视图；

图7为本发明实施例二中公开的内管的B-B剖面图。

标号说明

1 沉积炉管

2 内管

21 内壁

22 外壁

23 排气孔

24 隔板

25 进气管

26 气体流通区

27 进气孔

3 外管

4 气体注入管

5 真空管

6 加热器

7 晶圆

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

须知，本说明书附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明对沉积炉管的内管进行改进，将内管改进为在管壁中沿圆周分布有一个或多个空间，所述空间作为气体流通区，气体流通区对应的管壁包括内壁和外壁，气体通过进气孔或进气管被注入气体流通区中，内壁上设置有大小不一或数量各异的排气孔，使得不同高度的排气孔之间排气均匀(包括相对均匀)，从而实现改善晶圆上沉积膜厚度均匀度的目的。

实施例一：

如图2所示，本实施例中提供的沉积炉管1的内管2包括内壁21和外壁22，内壁21中的空间为沉积区，内壁21和外壁22之间形成有一个气体流通区26，外壁22上开有一个进气孔27。如图3和图4所示，进气孔27连接一个进气管25，进气管25伸入气体流通区26中并沿内壁21和外壁22竖直向上延伸，因此从进气管25输入的气体会进入气体流通区26。在其他实施例中，也可以不设置进气管25，气体直接通过进气孔27进入气体流通区26中，或者进气孔27也可设置在内管2管壁的底部，或者直接在气体流通区26底部开有进气口。

内管2的内壁21上设置有若干排气孔23，气体流通区26中的气体经过排气孔23进入内壁21中的沉积区中。为了保证沉积区各个高度上气体环境一致，如图4所示，随着排气孔23相对高度的升高，其流通面积由小变大。本实施例中公开的内壁21上设置有五个排气孔23，这五个排气孔23位于一条竖直直线上(一列)，不同相对高度上排气孔23的流通面积可以根据进气管25的进气量、气体流通区26中不同高度的气体密度、压力等因素计算得出，也可根据实际需要设计。原则上对排气孔23和进气管25的位置关系不做限定，较佳地，排气孔23设置在与进气管25距离最近的内壁21上。

本实施例中的内壁21上设置有如图4所示五个排气孔23，需要说明的是，在其他实施例中，可根据实际情况需要设计排气孔23的数量和排布，例如可以在内壁21上设置有多层排气孔23，每层排气孔23位于相同的相对高度上，且每层排气孔23中的排气孔23数量相同，排气孔23的流通面积随其所在相对高度的升高而增大。每层排气孔23可相对应设置，也可在内壁21上错位设置，只要位于不同高度层的排气孔23之间的排气均匀，均属于本实施例的技术思路和保护范围。

安装有本实施例提供的内管2的沉积炉管1进行沉积时，首先将晶圆7和晶舟置于内管2中的沉积区中，沉积气体从进气管25进入气体流通区26中，随后通过内壁21上的排气孔23进入沉积区中。即使气体流通区26下端的气体浓度高于上端，但由于位于不同相对高度的排气孔23尺寸不一，也能使得单位时间中通过不同高度排气孔23进入沉积区的气体均匀分布，从而大大改善了晶圆7上沉积膜厚度的一致性。

在气相沉积过程中，常常需要多种气体之间进行反应，例如利用SiH₂Cl₂气体和NH₃气体发生反应在晶圆上沉积SiN薄膜。气体可以通过提前混合从本实施例中的进气管25输入，也可以在本实施例的基础上，设置多个进气管25，每个进气管25分别输入不同的气体，气体在气体流通区26混合然后进入沉积区中。

实施例二：

在需要输入多种反应气体的情况下，为了避免气体在气体流通区26即发生反应，本实施例提供了另一种内管2。图5为本实施例的内管2的结构示意图，与实施例一的不同之处在于，本实施例中内管2的外壁22上开有四个进气孔27，这四个进气孔27围绕外壁22设置，原则上对进气孔27的相对位置高度不作限制，本实施例中进气孔27在同一相对高度上。

如图6和图7所示，四个进气孔27分别连接有一进气管25，进气管25伸入气体流通区26中，本实施例与实施例一的另一不同在于，本实施例中的上方空间被四个沿轴向竖直设置的隔板24分隔为四个气体流通区26，每个气体流通区26中均包括一个进气管25的出气口，且每一个气体流通区26对应的内壁21上均包括五个排气孔23。同实施例一，排气孔23的尺寸随相对高度的升高而增大。因此进入不同气体流通区26的不同气体之间被分隔开来，这些气体分别通过对应的排气孔23进入沉积区，并在沉积区中混合反应。气体流通区26对应的管壁的底部可直接开有进气口。

需要说明的是，进气管25的数量以及气体流通区26的数量可以根据实际情况需要设置。并且每个气体流通区26所对应的排气孔23的数量和分布也可以根据情况设计，只要同一气体流通区26中，在单位时间内通过不同高度排气孔23进入沉积区的气体均匀分布，均属于本实施例的技术思路和保护范围。本实施例对不同气体流通区26的排气量不作限制，可根据反应所需设置。

实施例三：

同实施例一和实施例二，本实施例提供的内管2包括内壁21和外壁22，以及进气管25和排气孔23。同上述两个实施例不同的是，本实施例中内管2上的排气孔23的尺寸一致，但是同一高度上排气孔的数量不同，在排气孔23的尺寸一致的情况下，随着相对高度的升高，排气孔23的数量是由少变多的。

本实施例提供的内管2也可设置有如实施例二中的隔板24，以提供多个气体流通区26，满足同时输入多种气体的要求。

此外，虽然上述实施例中的内管均采用了整个圆周上的双层结构，但本领域技术人员能够理解，气体流通区也可仅存在于部分圆周内，也即在内管壁厚范围内、在部分连续圆周内或部分间隔的圆周内设置气体流通区。而且，在满足不同相对高度的气体分布均匀的情况下，层与层之间及每层内的排气孔的尺寸及数量均可不同。

综上所述，本发明提供了一种沉积炉管的内管，内管壁厚范围内形成至少一个气体流通区，气体流通区对应的内管内壁上设置有大小不一或数量各异的排气孔，排气孔的尺寸随着相对高度的升高而增大，或者内管的内壁上设置有尺寸一致的排气孔，排气孔的数量随着相对高度的升高而增多。

本发明还提供了一种包括上述内管的沉积炉管，这种沉积炉管还包括套在上述内管外的外管，以及围绕外管设置的加热器。沉积炉管的其他构造可以采用现有技术中的常见结构，这里不作详述。本发明还提供了一种使用上述沉积炉管在晶圆上沉积薄膜的沉积方法。载有晶圆的晶舟被放置在内壁中的沉积区中，反应气体通过进气管被注入内管中的气体流通区中，位于不同相对高度的晶圆处于相同的反应氛围下，从而实现改善晶圆上沉积膜厚度均匀度的目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种沉积炉管内管，内管中为沉积区，其特征在于：

所述内管沿竖直方向延伸，其包括内壁和外壁，所述内壁和外壁之间的空间被多个沿所述内管轴向延伸设置的隔板分隔为与所述隔板数量相一致的多个气体流通区，多个所述气体流通区绕所述内管的轴心圆周分布；

在每个所述气体流通区对应的所述内壁不同相对高度上设置有若干层排气孔，使得所述气体流通区中的气体能通过所述排气孔进入沉积区中；

一个高度层中的所述排气孔的总流通面积随其相对高度的升高而增大，使得单位时间内，不同高度层的所述排气孔的排气均匀；

每个所述排气孔的流通面积相同，每个高度层的所述排气孔的数量随其所在的相对高度的升高而增多；

在每个所述气体流通区对应的所述外壁的底部设置有与所述气体流通区连通的进气口；还包括具有至少一个出气口的延伸入气体流通区的进气管，所述进气管连通所述进气口。

2.一种沉积炉管，其特征在于：

包括根据权利要求1所述的内管；

还包括套在所述内管外的外管，以及围绕所述外管的加热器。

3.一种使用根据权利要求2所述沉积炉管的沉积方法，其特征在于：

载有晶圆的晶舟被放置在所述沉积区中；

反应气体通过多个所述进气口进入对应的竖直的所述气体流通区中；

每个所述气体流通区中的所述反应气体通过对应的所述内管的内壁上的所述排气孔进入所述沉积区中；

多个所述气体流通区中的反应气体在所述沉积区混合反应，且混合的所述反应气体在所述晶圆表面进行反应生成沉积层。