CN1288713C - 加热大气反应器的加热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种加热沉积/氧化反应器的加热系统，其中多个晶片被维持与平行反应器纵轴的反应气体流动方向垂直，以便致能沉积或氧化反应。此加热系统适用于改变处理期间的反应器温度。此外，本发明提供一种加热反应器的方法，其中多个晶片被维持与反应气体流动方向垂直，以便致能一反应，其中该反应器温度在处理期间被改变。较佳者，反应器在平行反应气体流动方向被分割为多个反应器区域的每一区域在不同的温度轮廓被加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种加热沉积及氧化之一者用的大气反应器的加热系统及方法。
背景技术
在集成电路，例如内存产品基板，的制造过程中，尤其是半导体晶片，在高温炉，称为反应器，内被处理，以便沉积隔离，半导体或导电材料的层。这些反应器可同时适用于多个晶片的处理。这些晶片被放置于反应器内部的晶片支撑上。此沉积反应器，且因此该等晶片被加热至想要的温度。通常，反应物气体经过被加热的晶片，造成晶片上的反应材料的薄层的化学汽相沉积。或者是，穿过被加热晶片的反应气体将立即与基板材料反应，在热氧化的情况时。
图1表示用于低压化学汽相沉积处理的沉积反应器之例。大量的晶片(通常至少为100)被由晶片载体承载，例如有槽的石英船，因此，由线连接气体入口气体出口所定义并与反应器纵轴平行的气体流动方向与晶片表面垂直。提供加热装置以便加热反应器至预定的温度。当达到预定温度时，反应气体被导入沉积反应器内以便产生沉积效应。依据习知技术方法，沉积反应器在沉积期间维持固定的温度。
为沉积硅氧化物，例如TEOS(Si(OC2H5)4)在700℃温度以及40Pa的压力下反应。硅氮化物层可以藉由在700℃温度以及40Pa的压力下反应SiH2Cl2与NH3而产生。
如已知，沉积的的速率依据沉积反应器内的沉积温度及压力而定。尤其是，较高的沉积温度产生较高的沉积速率。因此，通常于平行气体流动的方向施加一温度梯度以便补偿反应气体于该方向的排除。因此，在反应器气体出口的温度高于反应器气体入口的温度。藉由测量，可以沉积同质的层厚度于所有同时被处理的晶片上。
然而，达成层厚度在平面上的均匀性是不可能的。尤其是，接近气体出口的晶片上的层倾向于呈现碗状的形状，于该形状中晶片边缘的层厚度大于晶片中间的层厚度。通常，边缘的层厚度与中央层厚度之间的差异在平均200nm层厚度的情况下大约是10nm。另一方面，接近气体入口的晶片上的层厚度倾向于呈现枕头形状，其中在晶片边缘的层厚度比晶片中央的层厚度小。
美国专利US-A-5 775 889揭露一种半导体晶片高温处理用的反应器。这些晶片垂直于平行反应器纵轴的反应气体流动方向。此加热系统在晶片处理期间执行一上升及下降温度轮廓，以避免称为为滑动(slip)的晶体缺陷。当反应管达到约1100℃时，氧化气体被输入该反应管内。
国际专利申请案WO00/39840揭露一种半导体晶片的硼掺杂用的垂直炉系统。这些晶片被垂直设置。该炉包括数个可被分别加热的温度区域。
提供一种加热沉积及氧化之一者用的反应器的加热系统及方法，藉由该系统及方法改善沉积或氧化层厚度的平面均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加热大气反应器的加热系统及方法，藉由本发明改善沉积或氧化层厚度的平面均匀性。
依据本发明，以上目的藉由加热大气反应器的加热系统而达成，其中多个晶片与平行反应器纵轴的反应气体流动方向垂直，以便致能沉积或氧化处理，其中该加热系统可用以改变处理过程中的反应器温度。
此外，以上目的藉由依据本发明藉由加热大气反应器的方法而达成，其中多个晶片与平行反应器纵轴的反应气体流动方向垂直，以便致能沉积或氧化处理，其中该加热系统可用以改变处理过程中的反应器温度。
依据本发明，以上目的藉由申请专利范围第1项的加热系统的特征而达成。
此外，以上目的藉由依据申请专利范围第6项的加热反应器的方法的特征而达成。
因为本发明的发明人发现沉积层的平面均匀度可以藉由改变沉积过程中的反应器温度而大幅改善。因此，反应器温度不再维持于固定的值而是被改变。例如，温度可于任何想要的方式被降低，升高或改变。施加于反应器所有区域的例示的温度轮廓被表示于图二及图三。如图二所示，温度往下倾斜40K，而在图三，于沉积期间，温度在点A开始而在点B结束，此温度先向上倾斜60K，之后再向下倾斜60K。时间以任何单位(a.u.)表示。要说明的是在本发明中沉积及氧化北交换。为沉积反应而描述的本发明的特征可等效使用于氧化反应。
依据较佳实施例，沉积(或氧化)反应器沿着反应气体流动方向被分为多个区域(通常是5个)。加热系统被分为数个加热组件且每一加热组件分别被控制，因此提供图四所示的指示特定温度组件的温度对时间的不同温度轮廓。加热组件的数目可和该等区域的数目相同。如从图四可见，在接近气体出口的区域1中，温度从790℃向下倾斜至710℃，在区域2的温度从770℃向下倾斜至730℃，在区域3的温度维持固定为750℃，在接近气体输入的区域4中的温度从720℃向上倾斜至780℃。
通常，温度在较接近气体出口的三分之二的反应器向下倾斜。较佳者，在较接近气体出口的区域中沉积开始的温度与沉积结束的温度差异比接近气体入口的区域中的差异大。此外，温度在最接近气体入口的反应器的第三区域中向上倾斜。在形成这些区域之间的边界区域中，温度在沉积期间维持固定。在沉积期间每一区域内的温度轮廓互相不同。至少一区域中的温度轮廓依据预定的轮廓或速度随着沉积时间变化。此温度轮廓可以在任合一区域中为持固定，且必须在这些区域中的至少一个区域内随时间变化。较佳者，二区域的温度轮廓并无互相平行的行为。
藉由这些方法，可以依据依特定反应器区域的位置变化的沉积状态调整最佳温度。尤其是，反应气体在沿着反应气体流动方向而被排除。此外，在较接近反应气体出口的区域，反应气体也在平行晶片表面方向中排除，因此反应气体几乎在晶片的中央排除。在接近气体出口的区域中，尤其是位于反应器较低的第三区域中，此效应是较不重要的，因为在这些区域中沿着反应气体流动方向的反应气体的排除效应并不强烈。
另一相关参数是在晶片表面方向中的热流。通常，热藉由位于反应器墙上的加热螺线或加热灯而被提供。因此，沉积反应器的区域的特定区度与晶片边缘温度有关。此外，在大多数的一般使用的沉积反应器中，在最接近气体入口的位置上，在不再有晶片的位置上提供多余的加热组件。因此，在最接近气体入口的区域中，热不仅从晶片编缘产生效果，也从晶片中央产生效果。因此，依据特定的区域位置，不同加热情况将流行。
尤其是，在非最接近气体入口的区域中，晶片边缘的温度与晶片中央的温度不同。因此，藉由降低反应器的温度，一均匀的加热量可沿晶片表面而被达成。
另一方面，在最接近气体入口的区域中，热不仅如以上所述地从边缘产生效果。因此，藉由提高反应器在沉积期间的温度，均匀的热量可沿晶片表面达成。
本发明的效果可进一步被改善，如果区域的温度轮廓适当地设定使邻近区域的温度轮廓在沉积处理期间不互相交叉。详细地说，应该避免一区域的温度提高，如果相邻区域的温度在同时间是较低的，以便使区域之间有害的热流降至最小。
有害的热流可被压抑，如果沉积处理在所有区域中在相同温度终止。
因为不同的沉积反应器需要不同的加热情况，可以执行一校正，当一批新的晶片已经被处理时。因此，在沉积结束之后，晶片的每一区域被评估，例如使用椭面仪(ellipsometer)。之后，基于所获得的测量结果，反应器区域的加热情况可为下一次沉积处理而被设定。如果沉积的层呈现碗状，沉积启始温度与沉积结束温度之间的差异于该特定的区域内必须增加，相反地，如果沉积层呈现枕头状，沉积启始温度与沉积结束温度之间的差异于该特定的区域内必须降低。
为了沉积相同的厚度在所有区域中的晶片上，较佳情况是每一区域中的随时间变化的温度的平均值从最接近气体出口的区域至最接近气体入口的区域下降。例如，区域1呈现平均温度800℃，区域2呈现平均温度790℃，区域3呈现平均温度780℃，区域4呈现平均温度770℃，而区域5呈现平均温度760℃。这是比较好的，当温度在所有区域中均等改变时，例如下降一特定量，上升一特定量或以任何方式改变，或当每一区域的温度轮廓以不同的方式改变时。
综合言之，本发明提供以下优点：
沉积层的平面均匀度大幅被改善。尤其是，在晶片边缘的厚度及中央的厚的差最多达到4nm，如果层厚度的平均值达到200nm。
如一般已知，藉由提高沉积反应器中的压力，沉积速率可以被提高。然而，高的压力将造成极不同质的层。藉由依据本发明额外调整温度，层的同构型将被改善。因此，当本发明应用于在上升压力的沉积处理时，沉积速率上升，且同时，可维持层品质在同构型方面的品质。
本发明可应用于所有低压化学汽相沉积处理。其尤其可适用于硅氮化物，硅氧化物的沉积(TEOS处理及热氧化)，堆积氧化物(TEAS处理)以及多晶硅层。北发明有益的效果在30nm的层厚度变得尤其明显。如果层厚度较小，此优点变得较明显。
本发明将参照所附图式结合沉积而被详细说明，虽然本发明包括氧化处理。
附图说明
图1表示可被用以执行本发明的CVD反应器；
图2、3及4表示施加至沉积反应器的温度轮廓之例；
图5表示代表依据实施例及比较例的被沉积的层的均匀度的测量结果。
具体实施方式
在图1，参考标号1代表沉积反应器，其中发生低压化学汽相沉积且其被实施为一批次(batch)炉。参考标号2代表输入一或更多反应气体至沉积反应器用的气体入口，参考标号3表示排除反应气体用的气体出口。如所见，反应气体流动方向平行于反应器的纵轴。参考标号4指示用以盛载多个晶片(通常在100与150之间)的晶片载体，而参考标号5表示加热沉积反应器的加热系统。
此反应器可被分为5区域，区域1至区域5，其中区域1是最接近气体出口的区域，而区域5是最接近气体入口的区域。在图一，参考标号6指示区域1，而参考标号7指示区域5。
在本实施例中，一焊点氮化物层将被沉积于硅晶片上。之后，定义DRAM胞元的储存电容用的沟槽被蚀刻至这些区域中。
在导入晶片至沉积反应器中之后，反应器被抽空，且其温度被提升。通常，反应器被维持在大约650℃的等待温度，因此该温度将依据所选择的反应情况而被提升大约100℃至250℃。一达当想要的真空程度之后，第一反应气体被输入反应器中。在本情况中，480sccm(standard cubic centimeters pre second，每秒标准立方公分)流体速率的NH3被输入反应器中。一当达成想要的沉积温度之后，第二反应气体，其为120sccm流动速率的SiH2Cl2，被输入反应器内，因此沉积反应将开始。典型的沉积反应器内部压力为14.63Pa(110mTorr)。
沉积开始的温度以及沉积期间的温度轮廓依据以下范例及比较范例变化。因为温度轮廓被选择，所以区域1的平均温度为800℃，区域2为790℃，，区域3为780℃，，区域4为770℃，，区域5为760℃，沉积速率为2nm/min。
此层在厚度平均值200nm于100分钟的时间间隔内沉积。
范例1
反应器被设定为区域1的820℃，区域2的790℃，区域3的780℃，区域4的770℃，，区域5的760℃。在沉积期间，反应器温度在所有区域被向下倾斜40K。
范例2
反应器被设定为区域1的840℃，区域2的830℃，区域3的820℃，区域4的810℃，，区域5的800℃。在沉积期间，反应器温度在所有区域被向下倾斜80K。
范例3
反应器被设定为区域1的840℃，区域2的830℃，区域3的820℃，区域4的790℃，，区域5的760℃。在沉积期间，反应器温度在区域1至3被向下倾斜80K，在区域4被向下倾斜40K，在区域5维持固定。
范例4
反应器被设定为区域1的840℃，区域2的830℃，区域3的810℃，区域4的790℃，区域5的750℃。在沉积期间，反应器温度在区域1，2被向下倾斜80K，在区域3被向下倾斜60K，在区域4被向下倾斜40K，在区域5被向上倾斜20K。
范例5
反应器被设定为区域1的840℃，区域2的830℃，区域3的820℃，区域4的740℃，区域5的740℃。在沉积期间，反应器温度在区域1至3至被向下倾斜80K，在区域4被向下倾斜30K，在区域5被向上倾斜40K。
范例6
反应器被设定为区域1的840℃，区域2的832℃，区域3的820℃，区域4的790℃，区域5的734℃。在沉积期间，反应器温度在区域1至被向下倾斜82K，在区域2被向下倾斜84K，在区域3被向下倾斜80K，在区域4被向下倾斜40K，在区域5被向上倾斜52K。
比较范例
反应器被设定为区域1的800℃，区域2的790℃，区域3的780℃，区域4的770℃，区域5的760℃。在沉积期间，温度在所有区域维持固定。
当沉积反应完成后，反应气体的流动被中断且反应器以例如氮，被冲洗。
之后，沉积层品质被测量如下。决定每一范例及比较范例的从基于晶片表面上的13测量点的层厚度平均值的标准偏移，且由均匀度sigma％表示的结果如下表所示：
| 范例 | 区域1[％] | 区域2[％] | 区域3[％] | 区域4[％] | 区域5[％] |
| 1 | 1.14 | 0.92 | 0.77 | 0.37 | 1.07 |
| 2 | 0.45 | 0.61 | 0.54 | 0.41 | 1.78 |
| 3 | 0.49 | 0.59 | 0.22 | 0.17 | 0.95 |
| 4 | 0.64 | 0.74 | 0.67 | 0.31 | 0.85 |
| 5 | 0.58 | 0.73 | 0.47 | 0.32 | 0.69 |
| 6 | 0.71 | 0.73 | 0.57 | 0.29 | 0.66 |
| 比较 | 1.78 | 1.38 | 1.19 | 1.03 | 0.69 |
范例1，2，5及比较范例所产生的结果说明于图五。
如从表中可见，所有的范例提供区域1至4中具有改善的平面均匀度的层厚度，而仅有范例5，6提供区域5中的均匀度改善。
然而，因为在正常使用的沉积反应器中，最接近气体入口的区域5的晶片乘载器的位置以及最接近气体出口的区域1的晶片乘载器的位置由未被用于晶片制造的哑晶片所占据，区域5的平面均匀度的恶化对芯片制造而言关系很小。
综合言之，本发明提供范例1至4的改善的结果以及范例5及6的优良的结果。
参考标号表
1 沉积反应器
2 气体入口
3 气体出口
4 晶片盛载器
5 加热系统
6 第一区域
7 第二区域
Claims (10)
1.一种加热多个半导体晶片的沉积及氧化之一者的反应器(1)的加热系统(5)，其中多个晶片被保持在垂直与该反应器(1)的纵轴平行的反应气体流动方向，因此致能一沉积处理或一氧化处理，该加热系统(5)适用于改变该沉积或氧化期间的该反应器内的温度，特征在于：
该加热系统(5)包括多个加热组件，每一加热组件对应一个别反应器区域，该每一区域的加热组件适用于依据相对于时间之一温度轮廓执行一温度行为，对应接近用以输入一或更多气体至该反应器(1)之一气体入口(2)之一区域(7)适用于依据在处理期间上升的温度轮廓执行一温度行为，对应接近用以排除来自该反应器(1)的反应气体之一气体出口(3)之一区域适用于依据在处理期间下降的温度轮廓执行一温度行为。
2.如权利要求1的加热系统(5)，特征在于：
对应接近该气体出口(3)的区域的至少二加热组件适用于依据一个别的温度轮廓而执行温度行为，其中较接近该气体出口之一区域之一个别处理启始温度与一个别处理结束温度之间的差异大于较接近该气体入口之一区域中的差异。
3.如权利要求1的加热系统(5)，特征在于：
该加热组件适用于依据邻近区域的温度轮廓于处理期间不互相交叉的温度轮廓执行温度行为。
4.如权利要求3的加热系统(5)，特征在于：
该等加热组件适用于提供制程的相同结束温度。
5.如权利要求2至4任一项的加热系统(5)，特征在于：
该加热系统包括至少四加热组件，每一加热组件对应一个别的反应器区域，该第一加热组件被设置在接近用以输入一或更多反应气体至该反应器(1)之一气体入口，一第二加热组件被设置于该第一加热组件与用以排除来自该反应器(1)的反应气体之一气体出口(3)之间，一第三加热组件被设置于该第一加热组件与该气体出口(3)之间，以及一第四加热组件被设置于该第三加热组件与该气体出口(3)之间，该第一加热组件依据在该沉积或氧化期间上升之一温度轮廓执行一温度行为，该第二加热组件依据在该沉积或氧化期间维持固定之一温度轮廓执行一温度行为，而该第三及第四加热组件依据在该沉积或氧化期间下降之一温度轮廓执行一温度行为。
6.一种加热多个半导体晶片的沉积或氧化之一者用之一反应器(1)的方法，其中该多个晶片被保持在垂直与该反应器的纵轴平行的反应气体流动方向，因此致能一沉积处理或一氧化处理，该反应器包括多个反应器区域，其中每一该等反应器区域依据该沉积或氧化处理期间相对时间的不同温度轮廓而被加热，特征在于：
最接近输入一或更多反应气体至该反应器(1)之一气体入口(2)的区域(7)的温度在处理期间增加，而接近排除来自该反应器(1)的反应气体用的该气体出口(3)的区域在处理期间的温度下降。
7.如权利要求6的加热反应器(1)的方法，特征在于：
接近该气体出口(3)的至少二区域的温度降低，因此较接近该气体出口中的处理启始温度与处理结束温度之间的差异大于较接近该气体入口之一区域中的差异。
8.如权利要求6的加热反应器(1)的方法，特征在于
该温度轮廓使邻近区域的温度轮廓在处理期间不互相交叉。
9.如权利要求8的加热反应器(1)的方法，特征在于：
该温度轮廓使制程在每一区域中的结束温度相同。
10.如权利要求6至9任一项的加热反应器(1)的方法，特征在于：
该加热系统包括至少四加热组件，每一加热组件对应一个别的反应器区域，该第一加热组件被设置在接近用以输入一或更多反应气体至该反应器(1)之一气体入口，一第二加热组件被设置于该第一加热组件与用以排除来自该反应器(1)的反应气体之一气体出口(3)之间，一第三加热组件被设置于该第一加热组件与该气体出口(3)之间，以及一第四加热组件被设置于该第三加热组件与该气体出口(3)之间，该第一加热组件依据在该沉积或氧化期间上升之一温度轮廓执行一温度行为，该第二加热组件依据在该沉积或氧化期间维持固定之一温度轮廓执行一温度行为，而该第三及第四加热组件依据在该沉积或氧化期间下降之一温度轮廓执行一温度行为。
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