CN201162044Y

CN201162044Y - 进气装置及低压化学气相沉积设备

Info

Publication number: CN201162044Y
Application number: CNU2007200767362U
Authority: CN
Inventors: 赵星; 李春龙; 孙建军; 宋大伟; 李修远
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2017-10-25

Abstract

本实用新型公开了一种进气装置，位于炉管内，包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其中，所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。另外，本实用新型还公开了一种采用该进气装置的低压化学气相沉积设备，采用本实用新型的进气装置及低压化学气相沉积设备，可以避免通入的各反应气体在高温的作用下发生分解而产生杂质颗粒，有效地减少了设备中的颗粒污染源，提高了薄膜的形成质量。

Description

进气装置及低压化学气相沉积设备

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种进气装置及低压化学气相沉积设备。

背景技术

随着器件关键尺寸的缩小，对晶片表面玷污的控制变得越来越关键。如果在生产过程中引入了颗粒等污染源，就可能引起电路的开路或断路，因而在半导体工艺制造中，如何在工艺制造中避免对晶片的污染是必须要关注的问题。随着生产中设备自动化程度的提高，人员与产品的交互变少，防止生产中带来颗粒等污染源的重点已更多地放到了生产设备所产生的颗粒上面。如设备长期工作后，其内部各组件上会积累一些附着物，该附着物达到一定厚度后很可能会脱落、转移到晶片上，从而导致对晶片的颗粒玷污，使得生产的成品率降低。

以化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)设备的颗粒污染问题为例，其通常用于形成氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅等薄膜。沉积时，向沉积室内通入气态的含有形成薄膜所需的原子或分子的化学物质，该化学物质在沉积室内混合并发生反应，最终在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物。在这一薄膜形成过程中，除了在晶片表面形成薄膜外，必然也会在沉积室的内壁表面积累附着物。因此，在多次沉积后，当内壁上的附着物较厚时，易因其发生脱落，对沉积室和晶片造成玷污，形成晶片上的缺陷，降低产品的成品率。尤其对于低压化学气相沉积(LPCVD)设备，其沉积室通常为石英炉管，属于热壁式的反应过程，会有较多的颗粒沉积在其炉管的内壁上，颗粒污染问题更为严重。

如果在上述薄膜生长过程中产生了颗粒污染，在晶片上形成了颗粒缺陷，则会影响到后续工艺的正常进行。图1为说明现有技术中薄膜上具有颗粒缺陷时的刻蚀结果的器件剖面图，如图1所示，对衬底101上的薄膜102进行刻蚀时，若晶片表面平整没有缺陷，刻蚀开孔103的边缘整齐，图形完整；但若晶片表面存在颗粒104，则会导致刻蚀开孔105的边缘变形严重，而这一刻蚀图形的变形，会造成器件性能下降，产品的成品率降低。

解决上述问题的传统方法是湿法清洁方法，就是每间隔一段时间将脏的石英炉管由设备中取出，对其进行湿法腐蚀以去除炉管壁上的累积附着物(如，对于生长氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的LPCVD炉管，通常是利用49％的HF酸腐蚀液对其进行浸泡，腐蚀去除内壁上的积累物)；去除后，再用大量去离子水对该炉管进行冲洗，并烘干待用。这一传统的湿法清洁方法存在有以下不足：

1、湿法清洁过程较长，且整个清洁过程中该CVD设备无法使用，大大增加了设备的闲置时间，对生产效率不利。

2、炉管一般是由石英制成的，易受损伤，每次炉管清洁对炉管进行的拆卸运送，都可能会导致炉管因人为因素而受损。

3、湿法清洁过程中需要将炉管浸泡在腐蚀液中，而该腐蚀液不仅可以腐蚀炉壁上的氧化硅、氧化硅或氮氧化硅附着物，也会对由石英制成的炉管本身有损害，缩短了炉管的使用寿命。

为减少对炉管进行湿法清洁的次数，申请号为200310122688.2的中国专利公开了一种减少炉管内微粒的方法，该方法通过在薄膜沉积前后分别加入一步清洁程序，即利用抽气、充气过程将炉管内杂质清除出去的过程，可以减少对炉管进行湿法清洁次数。但是该方法只能将炉管内悬浮的杂质附着物清除，对于在沉积过程中已附着在炉壁上的附着物没有多大效果，对炉管的清洁作用有限，故而能减少的炉管的湿法清洁次数也是相当有限的。并且，这一清洁程序的加入，也会增加薄膜沉积所需的时间，延长生产周期。

实际生产中发现，炉管内存在多种产生颗粒污染源的部位，且各部位产生颗粒污染源的严重程度是不同的，如果能分别针对产生颗粒污染源各区域进行颗粒污染的预防，则可以有效降低炉管内的颗粒污染程度，在确保薄膜的形成质量的前提下，减少所需的湿法清洗次数，提高设备的利用率及生产的效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种进气装置及低压化学气相沉积设备，以改善现有低压化学气相沉积设备内颗粒污染较为严重的现象。

本实用新型提供的一种进气装置，位于炉管内，包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其中，所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。

其中，所述连接部分所在的位置满足：当炉管进行加热时，所述连接部分的温度至少要低于300℃。

其中，各所述分管之间的夹角至少小于60°。

其中，各所述分管之间圆滑相连。

其中，各所述分管的各部位均比所述连接部分更接近于炉管开口处。

本实用新型具有相同或相应技术特征的一种低压化学气相沉积设备，包括炉管和炉管的加热装置，所述炉管内还具有进气装置，该进气装置包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其中，所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。

其中，各所述分管之间的夹角至少小于60°。

其中，各所述分管之间圆滑相连。

其中，所述设备用于沉积氮化硅薄膜，且其中一个所述分管用于通入二氯硅烷。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型的进气装置及低压化学气相沉积设备，将进气装置中与主管相连的各分管的连接部分移至远离炉管的加热装置、更接近炉管开口处的位置。这一对进气装置的改进，可以避免通入的各反应气体在与其它反应物相混和之前，就在高温的作用下发生分解，产生杂质颗粒，有效地减少了设备中的颗粒污染源，提高了产品的成品率。

本实用新型的进气装置及低压化学气相沉积设备，还摒弃了传统进气装置的分管向上弯曲与连接部分相连接的方式(即分和的弯曲部位距炉管开口的距离要大于连接部分至炉管开口的距离)，采用了分管直接由连接部分向炉管开口处延伸的方式，减少了反应气体在分管的弯曲部位的滞留，降低了反应气体在该处发生分解反应的几率，进一步减少了设备中的颗粒污染源。

本实用新型的进气装置及低压化学气相沉积设备，可以有效降低炉管内的颗粒污染程度，在确保薄膜形成质量的前提下，减少炉管所需的湿法清洗次数，提高设备的利用率及生产的效率。

附图说明

图1为说明现有技术中薄膜上具有颗粒缺陷时的刻蚀结果的器件剖面图；

图2为采用本实用新型的进气装置之前的表面存在颗粒缺陷的晶片示意图；

图3为采用本实用新型的进气装置前的炉管示意图；

图4为本实用新型具体实施例中的进气装置及炉管示意图；

图5为采用本实用新型的进气装置进行薄膜生长后的晶片表面示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

本实用新型的装置和设备可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本实用新型并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本实用新型的保护范围内。

其次，本实用新型利用示意图进行了详细描述，在详述本实用新型实施例时，为了便于说明，表示结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

用于说明本实用新型的进气装置的具体实施例是利用低压化学气相沉积设备沉积氮化硅薄膜，其所用的反应气体为氨气与二氯硅烷(DCS，SiH₂Cl₂)。

为有效减少炉管的清洗次数，同时减少对其炉管的清洗次数，需要分析炉管内可能导致颗粒污染产生的各种原因，并对其进行改造。为此，首先针对晶片上附着的颗粒缺陷的分布进行了分析。

图2为采用本实用新型的进气装置之前的表面存在颗粒缺陷的晶片示意图，如图2所示，此时晶片201的颗粒缺陷202基本分布于晶片的两侧。通过对沉积室内的气流进行分析发现，该位置是晶片上最先接触反应气体流的位置，因而可以认为，该部分颗粒应该是由用于通入反应气体的气路直接吹至晶片上。

另外，通过对形成氮化硅薄膜后的晶片上的该部分颗粒的进一步的观察分析，该部分颗粒为黑色颗粒，确认其的主要成份为多晶硅，而其可以由通入的反应气体之一--DCS在一定温度条件下分解得到。

接着，结合该氮化硅薄膜的生产设备--低压化学气相沉积设备的结构及工作原理对其产生的原因进行分析。图3为采用本实用新型的进气装置前的炉管示意图，通常低压化学气相沉积设备的炉管由石英制成。其可以为立式炉管，也可以为卧式炉管，如图3所示，本图中所示的为立式炉管。该炉管包括炉管壁301，进气装置310、排气口303、置于炉管内的晶舟(Boat)304，炉管的底座306以及加热装置320，其中，进气装置310又包括主管311(其上开有进气口319)，至少两个与外部气路相连的分管，本图中为两个：第一分管312和第二分管313，以及连接主管311与各分管的连接部分314。

进行化学气相沉积工艺时，先利用将底座306(其与炉管壁301一起形成沉积室的密闭空间)升入炉管内的方式，将带有晶片的晶舟304升入炉管内，并利用加热装置320将炉管加热至反应气体发生化学反应生成薄膜所需的温度；然后，将用于生成薄膜材料的反应气体通过进气装置310导入炉管壁301内；此时，炉管内的温度已达到反应气体发生反应所需的温度，该反应气体在炉管内混合后会发生化学反应，在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物(其中的气态产物可以通过排气口303排出)；最后取出晶片，完成晶片上薄膜的生长。

如图3中所示，传统的进气装置中，主管311与第一分管312、第二分管313之间的连接部分314的位置距炉管开口有一定的距离，与加热装置320较近，因此，在炉管的加热装置320对炉管进行加热时，与炉管开口位置相比，连接部分314的温度要远高于炉管开口处(距离加热装置320越远，距离炉管开口处越近，炉管内的温度应越低)。实际上，当炉管加热温度达到700℃左右时，该连接部分314处的温度可达600℃左右。这一温度远远高于了DCS分解形成多晶硅所需要的温度(其通常在300℃以上时就会发生分解)。

结合上述分析结果可知图2中所示的由气路中直接吹至晶片表面的多晶硅颗粒，是因通入的反应气体DCS在进气装置310的连接部分314处发生分解而产生的(该连接部分314的温度足以令DCS发生分解，形成多晶硅颗粒)。尤其当DCS气体是通过带弯曲部位的第二分管313通入时，在连接部分314及第二分管313的弯曲部位会产生更大量的DCS分解物，使得在晶片表面形成多晶硅颗粒缺陷的问题更为严重。

如果将DCS气体通过不带弯曲部位的第一分管312通入，虽然情况会有所好转，但由于温度够高，仍会有部分DCS气体在连接部分314及第二分管313的弯曲处发生分解，产生的分解物同样会在晶片表面形成颗粒缺陷。即，单纯地将DCS气体由不带弯曲部位的第一分管312通入并不能解决DCS发生分解，产生颗粒污染源的问题。

为解决图2中所示的颗粒污染的问题，本实用新型对低压化学气相沉积设备的进气装置进行了改进，有效地减少了在进气装置的连接部分产生的DCS分解产物，提高了薄膜的形成质量及生产的成品率。

图4为本实用新型具体实施例中的进气装置及炉管示意图，如图4所示，本实施例中的炉管包括炉管壁401，进气装置410、排气口403、置于炉管内的晶舟(Boat)404，炉管的底座406及加热装置420。其中，进气装置410又包括主管411(其上开有进气口419)，至少两个与外部气路相连的分管，本实施例中为两个：第一分管412和第二分管413，以及连接主管与各分管的连接部分414。

注意到，与传统的进气装置相比，本实施例中，将进气装置410的连接部分414安置于远离加热装置420、更接近于炉管开口的位置。这可以有效降低进气装置的连接部分414及第二分管413的弯曲部位的温度，防止通入的反应气体在该处发生分解，也就避免了分解物进入炉管在晶片上形成颗粒缺陷的问题。

通常可以将该改进后的连接部分414的位置设置于满足：当炉管进行加热时，如加热至800℃左右时，所述连接部分的温度至少要低于300℃的情况。该温度低于大部分的反应气体(如本实施例中的DCS气体)所需的分解温度，可以有效地避免反应气体在高温下的分解。

另外，将该连接部分414的位置设置得更远离加热装置420，令其温度更低，还可以避免多种反应气体在连接部分414发生混和，进而发生反应(其生成物颗粒进入炉管内，同样会在晶片上形成颗粒缺陷，如本实施例中为氮化硅颗粒缺陷)，进一步提高了薄膜的形成质量。

本实施例中，除了将进气装置的连接部分414的位置进行了改动，还对带弯曲部位的第二分管413的形状进行了改进，如图3所示，原来第二分管313的弯曲部位是先向上弯曲(对于卧式炉管则是向远离炉管开口的位置弯曲)，再向炉管开口处延伸的。这样，在该第二分管313的弯曲部位更易于滞留反应气体，并产生积累更多分解物，为此，本实施例中，还将该第二分管413的弯曲部位更改为直接向下弯曲，向炉管开口处延伸，即：令各分管的各个部位(包括弯曲部位)均比所述连接部分更接近于炉管开口处(如图4所示)。进一步改善了因反应气体分解而引起的晶片上颗粒缺陷的问题。

基于同一思路，为了减少在连接部分414或各分管内的分解物的产生及积累，本实施例中，还令各分管之间的夹角至少小于60°。另外，还可以令各分管之间圆滑相连。

图5为采用本实用新型的进气装置进行薄膜生长后的晶片表面示意图，如图5所示，晶片501表面的颗粒缺陷502明显减少了(理想情况下应该不再有因反应气体分解而带来的颗粒缺陷)。实验数据证实，当在630℃下生长氮化硅薄膜500

时，如果将连接部分414至炉管开口的距离由9.5”调整至了5.5”，则晶片表面的颗粒缺陷量可由1.42％降低至1.06％，颗粒缺陷问题有了明显的改善。

本实用新型还提出了一种低压化学气相沉积设备，包括炉管和炉管的加热装置，所述炉管内还具有进气装置，该进气装置包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其中，所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。

本实用新型的低压化学气相沉积设备可以用于生长各种薄膜，如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅等，为了减少薄膜生长过程中在设备内产生的颗粒污染源，本实用新型将设备中的进气装置进行了改进，降低了进气装置的连接部分的温度，减少了反应气体在进气装置的连接部分发生分解反应，产生颗粒污染的几率。如在用于沉积氮化硅薄膜的设备中，将连接部分设置得远离设备中炉管的加热装置，令其在设备加热过程中的温度低于300℃，即可以避免由分管中通入的反应气体DCS分解为多晶硅，形成颗粒污染源。

同样地，为了减少在连接部分或各分管的各部分内的分解物，本实用新型的低压化学气相沉积设备中的进气装置还可以采取令各分管之间的夹角至少小于60°，令各分管之间圆滑相连，令各分管的各部位均比所述连接部分更接近于炉管开口处等多种措施中的一种或多种。

采用本实用新型的低压化学气相沉积设备，不仅可以提高薄膜的形成质量，还可以在无需增加额外的工艺步骤的情形下，减轻设备的颗粒污染问题，减少设备所需的湿法清洗次数，提高了设备的利用率和生产效率。

本实用新型的上述实施例仅例举了具有两个分管的情况，在本实用新型的其它实施例中，本实用新型的方法还可以适用于具有两个以上分管的情况，其具体实施步骤与思路均和本实施例相似，在本实用新型具体实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本实用新型的上述实施例仅例举了形成氮化硅薄膜的情形，在本实用新型的其它实施例中，还可以将本实用新型的设备用于形成其它多种薄膜的生长，如氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等，只要是在薄膜的形成过程中，其中一种反应气体会在较高温度下(如在300℃以上)发生分解反应，形成颗粒污染源，都可以适用于采用本实用新型的改进后设备，其可以达到减少薄膜上颗粒污染，提高薄膜形成质量的目的。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims

1、一种进气装置，位于炉管内，包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其特征在于：所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。

2、如权利要求1所述的进气装置，其特征在于，所述连接部分所在的位置满足：当炉管进行加热时，所述连接部分的温度至少要低于300℃。

3、如权利要求1所述的进气装置，其特征在于：各所述分管之间的夹角至少小于60°。

4、如权利要求1、2或3所述的进气装置，其特征在于：各所述分管之间圆滑相连。

5、如权利要求4所述的进气装置，其特征在于：各所述分管的各部位均比所述连接部分更接近于炉管开口处。

6、一种低压化学气相沉积设备，包括炉管和炉管的加热装置，所述炉管内还具有进气装置，该进气装置包括主管，至少两个与外部气路相连的分管，以及连接主管与各所述分管的连接部分，其特征在于：所述连接部分位于远离所述炉管的加热装置、接近炉管开口的位置。

7、如权利要求6所述的低压化学气相沉积设备，其特征在于：各所述分管之间的夹角至少小于60°。

8、如权利要求6或7所述的低压化学气相沉积设备，其特征在于：各所述分管之间圆滑相连。

9、如权利要求8所述的低压化学气相沉积设备，其特征在于：各所述分管的各部位均比所述连接部分更接近于炉管开口处。

10、如权利要求9所述的低压化学气相沉积设备，其特征在于，所述连接部分所在的位置满足：当炉管进行加热时，所述连接部分的温度至少要低于300℃。