CN113078081B - 一种炉管机台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种炉管机台，包括：位于反应腔室内的多个第一输气管以及第二输气管；每个第一输气管的管壁上均设置有多个第一出气孔，第二输气管的管壁上设置有多个第二出气孔，每个第二出气孔分别对应相邻第一输气管之中最邻近的第一出气孔；第一输气管用于输送第一气体，以诱导反应气体生成等离子体；第二输气管用于输送第二气体，以调节最邻近第一出气孔之间第一气体的浓度。这样，通过第二气体能够降低相邻第一输气管之中最邻近第一出气孔处第一气体的浓度，从而降低相邻第一输气管之中最邻近第二出气孔处对应的晶圆的表面薄膜厚度，使得反应腔室内不同位置晶圆的表面薄膜厚度更加均一，提高晶圆的片间均匀性并降低调节晶圆间均匀度的工艺难度。

Description

一种炉管机台
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种炉管机台。
背景技术
炉管BIO(Batch Isotropic Oxidation)机台是目前半导体处理工艺中经常使用的一种机台，可以用于进行氧化工艺、化学气相沉积等多种半导体处理工艺。
通常，在炉管机台内进行薄膜的生长时，炉管机台内不同位置生长的薄膜厚度存在差异，导致晶圆之间的均匀度(uniformity)较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种炉管机台，以提高晶圆之间的均匀度。
为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
一种炉管机台，包括：
反应腔室，位于所述反应腔室内的多个第一输气管以及第二输气管；
每个所述第一输气管的管壁上均设置有多个第一出气孔，所述第二输气管的管壁上设置有多个第二出气孔，每个所述第二出气孔分别对应相邻第一输气管之中最邻近的第一出气孔；
所述第一输气管用于输送第一气体，以诱导反应气体生成等离子体；所述第二输气管用于输送第二气体，以调节所述最邻近的第一出气孔之间第一气体的浓度。
可选的，所述第二出气孔包括第一子出气孔和第二子出气孔，所述第一子出气孔和所述第二子出气孔分别对应相邻第一输气管上最邻近的第一出气孔。
可选的，所述第一气体为氢气，所述第二气体为氮气，所述反应气体包括氧气。
可选的，还包括：第三输气管，所述第三输气管用于输送所述氧气。
可选的，所述第一输气管的数量为四个；
所述第二输气管与每个所述第一输气管的距离相等。
可选的，在所述第一输气管的延伸方向上，所述多个第一输气管的长度呈渐进变化。
可选的，所述第二输气管与供气装置之间设置有控制开关，所述控制开关用于控制所述第二气体的流量。
可选的，所述反应腔室内设置有监控器，所述监控器用于监控所述第二气体的含量。
可选的，所述多个第一输气管位于所述反应腔室的侧壁上，所述第二输气管位于所述反应腔室的中心。
可选的，所述第一气体的流量是根据所述反应腔室的参数确定的，所述参数包括：温度、压强和/或所述反应气体含量。
本发明实施例提供的一种炉管机台，包括：反应腔室，位于反应腔室内的多个第一输气管以及第二输气管；每个第一输气管的管壁上均设置有多个第一出气孔，第二输气管的管壁上设置有多个第二出气孔，每个第二出气孔分别对应相邻第一输气管之中最邻近的第一出气孔；第一输气管用于输送第一气体，以诱导反应气体生成等离子体；第二输气管用于输送第二气体，以调节最邻近第一出气孔之间第一气体的浓度。这样，通过第二输气管输送的第二气体能够降低相邻第一输气管之中最邻近第一出气孔处第一气体的浓度，从而降低相邻第一输气管之中最邻近第二出气孔处对应的晶圆的表面薄膜厚度，使得反应腔室内不同位置晶圆的表面薄膜厚度更加均一，提高晶圆的片间均匀性并降低调节晶圆间均匀度的工艺难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出了根据本发明实施例一种炉管机台的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例一种炉管机台的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术的描述，炉管机台是目前半导体处理工艺中经常使用的一种机台，具体的，炉管机台的反应腔室内设置有垂直放置的晶舟，多片晶圆沿晶舟高度方向放置于晶舟的晶圆放置位内，进行半导体处理。在炉管机台内进行薄膜的生长时，由于反应气体是从炉口端通入，无法保证炉管内的每个位置气体的均匀性，使得处于晶舟不同位置的晶圆表面薄膜厚度存在差异，导致晶圆之间的均匀度(uniformity)较差。
目前可以通过调整晶舟不同区域的温度，降低晶舟不同位置的晶圆表面薄膜的厚度差异，但是由于炉管对于温度的敏感度较低以及不同薄膜对于热量有不同的要求，无法通过调节区域温度对薄膜厚度进行调整。还可以通过调整氢气流量，降低晶舟不同位置的晶圆表面薄膜的厚度差异，但是不同输气管上的出气孔之间的交汇区互相影响，使得交汇区的晶圆上的薄膜厚度难以调整。
为此，本申请实施例提供一种炉管机台，参考图1和图2所示，包括：
反应腔室100，位于所述反应腔室100内的多个第一输气管102以及第二输气管104；
每个所述第一输气管102的管壁上均设置有多个第一出气孔108，所述第二输气管104的管壁上设置有多个第二出气孔110，每个所述第二出气孔110分别对应相邻第一输气管102之中最邻近的第一出气孔108；
所述第一输气管102用于输送第一气体，以诱导反应气体生成等离子体；所述第二输气管104用于输送所述第二气体，以调节所述最邻近的第一出气孔108之间第一气体的浓度。
本申请实施例中，反应腔室100用于提供在晶圆上沉积薄膜所需的反应空间，反应腔室100内设置有垂直放置的晶舟，多片晶圆沿晶舟延伸方向排列放置于晶舟的晶圆放置位内，进行半导体处理。晶舟的高度以及晶舟放置位之间的间距，决定了炉管机台能够同时处理的晶圆数量。
反应腔室100内设置有多个第一输气管102，第一输气管102用于输送第一气体，第一气体用于诱导反应气体生成等离子体。第一气体的流量可以根据反应腔室100的参数确定，参数包括反应腔室100内的温度、压强和/或反应气体含量等。通常反应气体难以被上电极产生的电场击穿产生辉光放电，而第一气体为容易被击穿产生辉光放电的气体，可以将第一气体理解为等离子体诱导气体，第一气体产生辉光放电形成等离子体，第一气体产生的等离子体与反应气体混合后，使得反应气体中带有自由带电粒子，使反应气体变得容易产生辉光放电，生成等离子体。而后，由反应气体生成的等离子体与晶圆相互作用，从而在晶圆表面产生各种物理或化学反应。具体的，可以将由电源提供的射频能量传输到反应腔室中，电离第一气体，从而产生大量的电子、离子、激发态的原子、分子或自由基等活性离子的等离子体。而后，由第一气体生成的等离子体促使反应气体生成等离子体，并与晶圆相互作用。
每一个第一输气管102的管壁上均设置有多个第一出气孔108，第一输气管102输送的第一气体通过多个第一出气孔108进入反应腔室100内。第一出气孔108可以在第一输气管102的延伸方向上依次排布，从而使得第一气体均匀分布于反应腔室100内。具体的，每个第一输气管102上的第一出气孔108可以在第一输气管102的延伸方向上以相同的间距依次排布。
通常，多个第一输气管102分别对应晶舟的不同区域，例如，将晶舟从底部至顶部分为四个区域，分别为第一区域、第二区域、第三区域以及第四区域，反应腔室100内第一输气管102的数量为四个，四个第一输气管102分别对应晶舟的四个区域。具体的，将四个第一输气管102记为输气管一1021、输气管二1022、输气管三1023以及输气管四1024，参考图2所示，则输气管一1021对应第一区域，输气管二1022对应第二区域，输气管三1023对应第三区域，输气管四1024对应第四区域。而后通过输气管一1021的管壁上的第一出气孔108流出的第一气体，诱导第一区域的反应气体产生等离子体，输气管二1022的管壁上的第一出气孔108流出的第一气体，诱导第二区域的反应气体产生等离子体，输气管三1023的管壁上的第一出气孔108流出的第一气体，诱导第三区域的反应气体产生等离子体，输气管四1024的管壁上的第一出气孔108流出的第一气体，诱导第四区域的反应气体产生等离子体。在具体的应用中，在第一输气管102的延伸方向上，多个第一输气管102的长度可以呈渐进变化，以使得通过第一输气管102输送的第一气体分布于反应腔室100的各个区域。例如，多个第一输气管102的长度可以依次递增或递减。
申请人发现，相邻的第一输气管102之间最邻近的第一出气孔处的第一气体的浓度较高，例如，输气管一1021最顶部的第一出气孔108与输气管二1022最底部的第一出气孔108的之间的区域，输气管二1022最顶部的第一出气孔108与输气管三1023最底部的第一出气孔108之间的区域，输气管三1023最顶部的第一出气孔108与输气管四1024最顶部的第一出气孔108之间的区域，参考图2所示。由于相邻第一输气管102最邻近的第一出气孔108之间的区域浓度较高，导致相邻第一输气管102之间最邻近的第一出气孔108之间的区域对应的晶圆的表面薄膜厚度较高，使得晶舟不同位置的晶圆的表面薄膜厚度存在差异。
因此，申请人在反应腔室100内设置第二输气管104，例如，第二输气管104位于反应腔室100中心，多个第一输气管102位于反应腔室100的侧壁上。第二输气管104的管壁上设置有多个第二出气孔110，每个第二出气孔110分别对应相邻第一输气管102之间最邻近的第一出气孔108，第二输气管104用于输送第二气体，以调节相邻第一输气管102之间最邻近的第一出气孔108处第一气体的浓度。
以第一输气管102的数量为四个进行举例说明，第二输气管104上的第二出气孔110的数量为三个，第二输气管104可以与每一个第一输气管102的距离相等，此处在第一输气管102的延伸方向上，四个第一输气管102的长度依次递增。
则输气管一1021最顶部的第一出气孔108与输气管二1022最底部的第一出气孔108对应第二输气管104最底部的第二出气孔110，通过第二输气管104最底部的第二出气孔108流出的第二气体能够稀释通过输气管一1021最顶部的第一出气孔108以及输气管二1022最底部的第一出气孔108流出的第一气体，从而降低输气管一1021最顶部的第一出气孔108与输气管二1022最底部的第一出气孔108之间第一气体的浓度。
输气管二1022最顶部的第一出气孔108与输气管三1023最底部的第一出气孔108对应第二输气管104中间的第二出气孔110，通过第二输气管104中间的第二出气孔108流出的第二气体能够稀释通过输气管二1022最顶部的第一出气孔108以及输气管三1023最底部的第一出气孔108流出的第一气体，从而降低输气管二1022最顶部的第一出气孔108与输气管三1023最底部的第一出气孔108之间第一气体的浓度。
输气管三1023最顶部的第一出气孔108与输气管四1024最底部的第一出气孔108对应第二输气管104最顶部的第二出气孔110，通过第二输气管104最顶部的第二出气孔108流出的第二气体能够稀释通过输气管三1023最顶部的第一出气孔108以及输气管四1024最底部的第一出气孔108流出的第一气体，从而降低输气管三1023最顶部的第一出气孔108与输气管四1024最底部的第一出气孔108之间第一气体的浓度。
在具体的实施例中，第二出气孔110可以包括第一子出气孔1101和第二子出气孔1102，第一子出气孔1101和第二子出气孔1102分别对应相邻第一输气管102上最邻近的第一出气孔110。例如，第二输气管104最底部的第二出气孔110称为底部第一子出气孔和底部第二子出气孔，则底部第一子出气孔对应输气管一1021最顶部的第一出气孔108，底部第二子出气孔对应输气管二1022最底部的第一出气孔108。第二输气管104中间的第二出气孔110称为中间第一子出气孔和中间第二子出气孔，则中间第一子出气孔对应输气管二1022最顶部的第一出气孔108，中间第二子出气孔对应输气管三1023最底部的第一出气孔108。第二输气管104最顶部的第二出气孔110称为顶部第一子出气孔和顶部第二子出气孔，则顶部第一子出气孔对应输气管三1023最顶部的第一出气孔108，顶部第二子出气孔对应输气管四1024最底部的第一出气孔108。
本实施例中，第一气体可以为氢气，第二气体为氮气，反应气体包括氧气。炉管机台的反应机理与ISSG(in site steam generation，原位蒸汽生成)相同，将氧气和氢气以一定比例混合，未经事先的燃烧过程便直接导入反应腔室内，晶圆加热后使氢气和氧气间反应发生在晶圆表面附近。在ISSG氧化工艺中，氢气的存在可加速氧分子游离形成易反应的氧原子。在反应腔室100内通入氮气以调节反应腔室100内氢气的浓度，具体的，通过氮气降低相邻第一输气管102之间相邻第一出气孔108处氢气的浓度，能够降低相邻第一输气管102之间相邻第一出气孔108区域对应的晶圆的表面薄膜厚度，提高反应腔室内不同晶圆表面薄膜厚度的均一性。而且通过在反应腔室设置氮气输气管，能够进行批量(batch size)的扩展，降低成产成本。在具体的应用中，可以通过反应腔室100内的第三输气管106输送氧气。此外，申请人发现反应气体相对不够充足会导致处理不同数量的晶圆时，生长厚度也会不同，即片数效应(loading effect)。片数效应的本质是由于反应气体量不足以及晶圆结构对气体的消耗导致的，例如深孔沉积薄膜。申请人发现，在氧气流量不变的基础上，加大氢气流量能够促进氢气和氧气的碰撞反应，从而产生更多自由基来氧化硅，而且氢气流量的少量变化对产品的电性没有太多影响。因而，本申请实施例中通过氮气对氢气浓度进行调节，能够有效调节晶圆表面薄膜的厚度，进而使得反应腔室内不同位置晶圆的表面薄膜厚度更加均一，提高晶圆的片间均匀性。
本实施例中，第二输气管104和供气装置(图未示出)之间可以设置控制开关，控制开关用于控制第二气体的流量。具体的，反应腔室100内设置有监控器，监控器用于监控第二气体的含量。当反应腔室100内第二气体的含量超过预设值时，可以通过控制开关减小或管壁向反应腔室100内输送的第二气体的流量。当反应腔室100内第二气体的含量低于预设值时，可以通过控制开关增大向反应腔室100内输送的第二气体的流量。
以上对本申请实施例提供的炉管机台进行了详细的描述，通过第二输气管输送的第二气体能够降低相邻第一输气管之中最邻近第一出气孔处第一气体的浓度，从而降低相邻第一输气管之中最邻近第二出气孔处对应的晶圆的表面薄膜厚度，使得反应腔室内不同位置晶圆的表面薄膜厚度更加均一，提高晶圆的片间均匀性并降低调节晶圆间均匀度的工艺难度。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种炉管机台，其特征在于，包括：
反应腔室，位于所述反应腔室内的多个第一输气管以及第二输气管，所述反应腔室内的垂直放置的晶舟；多个所述第一输气管分别对应所述晶舟的不同区域；
每个所述第一输气管的管壁上均设置有多个第一出气孔，所述第一输气管用于输送第一气体，以诱导反应气体生成等离子体；每个所述第一输气管上的第一出气孔在所述第一输气管的延伸方向上以相同的间距依次排布，使相邻的所述第一输气管之间最邻近的第一出气孔处的第一气体的浓度高于其他位置；
所述第二输气管的管壁上设置有多个第二出气孔，每个所述第二出气孔分别对应相邻所述第一输气管之中最邻近的第一出气孔；所述第二输气管用于输送第二气体，以调节所述最邻近的第一出气孔之间第一气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的炉管机台，其特征在于，所述第二出气孔包括第一子出气孔和第二子出气孔，所述第一子出气孔和所述第二子出气孔分别对应相邻第一输气管上最邻近的第一出气孔。
3.根据权利要求1所述的炉管机台，其特征在于，所述第一气体为氢气，所述第二气体为氮气，所述反应气体包括氧气。
4.根据权利要求3所述的炉管机台，其特征在于，还包括：第三输气管，所述第三输气管用于输送氧气。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，所述第一输气管的数量为四个；
所述第二输气管与每个所述第一输气管的距离相等。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，在所述第一输气管的延伸方向上，所述多个第一输气管的长度呈渐进变化。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，所述第二输气管与供气装置之间设置有控制开关，所述控制开关用于控制所述第二气体的流量。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，所述反应腔室内设置有监控器，所述监控器用于监控所述第二气体的含量。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，所述多个第一输气管位于所述反应腔室的侧壁上，所述第二输气管位于所述反应腔室的中心。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的炉管机台，其特征在于，所述第一气体的流量是根据所述反应腔室的参数确定的，所述参数包括：温度、压强和/或所述反应气体含量。
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