CN201689872U

CN201689872U - 一种具有气体检测装置的加热炉

Info

Publication number: CN201689872U
Application number: CN2009202115470U
Authority: CN
Inventors: 董彬; 宋大伟
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2019-10-30

Abstract

本实用新型公开了一种具有气体检测装置的加热炉，所述加热炉包括外炉管、内炉管、气体反应腔以及气体注入室，所述气体反应腔设置在所述内炉管的内侧，用于容纳承载待处理晶片的晶舟，所述气体注入室设置在所述外炉管的下方，用来通过气体通入/排出管将反应气体输送至所述气体反应腔，与炉体内部连通的主管道上设置有主阀门，用于控制气体进入/排出炉体内部，所述加热炉还包括一气体检测装置，所述气体检测装置包括依次连通的一单向气阀、第一气阀、气体检测器以及第二气阀，由所述单向气阀、所述第一气阀、所述气体检测器以及所述第二气阀构成的气体通路连接于所述主阀门的两端。所述加热炉能够及时地监测炉管中氧气的含量，提高器件的良品率。

Description

一种具有气体检测装置的加热炉

技术领域

本实用新型涉及半导体制造工艺中使用的加热炉，尤其涉及一种具有气体检测装置的加热炉。

背景技术

利用半导体制造工艺在制造半导体器件时，在各个不同的阶段会涉及多种不同的工艺，这些工艺主要包括光刻工艺、刻蚀工艺和成膜工艺等，利用这些工艺步骤在半导体晶片上生长出具有各种特殊结构的半导体元件。其中，成膜工艺是常用的一种用来在晶片表面形成某种成分的层状结构的工艺。成膜工艺普遍采用热氧化法、化学气相沉积(CVD)法来形成各种薄膜。其中热氧化法主要是炉管热氧化法，即将反应气体通入高温炉管内后，使反应气体和炉内的半导体晶片发生化学反应，在晶片表面沉积一层薄膜。该工艺用于生长SiO₂、Si₃N₄、SiON或多晶硅等多种材料的薄膜，近年来也出现了利用该工艺生长金属层、铁电材料、阻挡层、高介电常数材料和低介电常数材料等新型的材料。

炉管热氧化工艺所使用的炉管设备，根据晶片放置在炉管中的方式，一般分为水平式、垂直式和桶式等形式。以垂直式的沉积炉管为例，通常在炉管中垂直放置多个晶片，通入反应气体例如氧气、氮气等，于高温环境下在晶片表面生长各种薄膜结构。

传统的垂直式加热炉的结构示意图如图1所示。垂直式加热炉100包括外炉管101、内炉管102、气体反应腔103以及气体注入室104。气体反应腔103设置在内炉管102的内侧，用于承载要进行加热处理的晶片的晶舟105置于内炉管102内侧的气体反应腔103内。由于外炉管101通常是石英材质的，因此无法在其上面开设用来通入反应气体的孔，故在外炉管101的下方设置有气体注入室104，用来将沉积反应的各种气体如氧气、氮气或混合气体等输送至气体反应腔103内以进行化学反应，并在晶片上沉积形成所需要的薄膜层。气体注入室104内部包括有气体通入/排出管108A、108B以及108C。温度传感器106置于外炉管101与内炉管102之间，用以感测炉管内的温度。密封罩107位于炉管的正下方，在将晶舟105载入到炉管内部后，密封罩107用于密封外炉管的下部。

另外，如图1的右方所示，垂直式加热炉100还包括由多个阀门构成的通气/排气系统，用来通入/排出并控制炉内的气体压力。所述通气/排气系统包括抽真空辅阀111、抽真空主阀112以及抽真空小辅阀113，用于将整个炉管抽成真空状态，以便通入反应气体进行沉积反应。冷凝管114用来将反应沉积所产生的副产物冷却收集，防止副产物回流进入管路，对管路产生不良影响。气压计115用以测量炉管内的气压，以便观测炉管内的气压是否达到所需要的能够发生沉积反应的气压值。

下面以在半导体晶片上沉积SiN为例，描述垂直式加热炉100的工作原理。首先，用于容纳待反应的多个晶片的晶舟105推入内炉管102中，并用密封罩107将整个炉管密封。打开抽真空辅阀111，对炉管进行缓慢地抽气，将整个炉腔内的真空度降至大约10torr，其中1torr≈133.32帕斯卡，同时用气压计115进行观测。接着开启抽真空主阀112，将整个炉腔内的真空度降至0.002torr。稳定炉内的压力与温度大约30分钟，以达到沉积反应所需的压力以及温度要求范围。沉积SiN所用源气体为N₂、NH₃和SiH₂Cl₂的混合气体。通过气体通入/排出管108A通入N₂，通过气体通入/排出管108B通入NH₃，在晶片上反应生成SiN。反应结束后，通过气体通入/排出管108A通入N₂，待N₂充满整个炉管后，停止N₂的通入，然而将炉管抽成真空状态。接着再通过气体通入/排出管108A通入N₂，如此反复五次，用以对整个炉管和管路进行吹扫，以清除反应后剩余的反应气体，防止不需要的残留物附着在晶片上。

在现有技术中，在对半导体晶片进行金属化工艺时，需要将已沉积了金属钨(W)层的晶片表面上再形成一层SiN层。如图2所示，晶舟205在未推入炉管之前处于密闭的载入区217中。由于晶片表面的钨层极易和外界环境中的氧气发生反应以生成氧化钨，表面的钨氧化层会影响器件的电性，因此在具有金属钨层的半导体晶片载入到炉管中生长SiN层的过程中，对于生长环境中的氧气含量要求十分严格。在现有的垂直炉系统中，载入区217的氧气含量浓度通常控制为不大于5ppm，以保证氧气含量足够低，不会与钨层发生反应生成氧化钨。然而，如果炉管出现裂缝发生了泄漏，则外界空气将会向炉管内渗入。由于空气中含有氧气，这样炉管内的氧气含量就会增加，导致晶舟在载入到内炉管中的过程中接触到过量的氧气，导致晶片表面的钨层被氧化。这样会造成半导体器件的电性变化，降低良品率。传统的垂直式加热炉仅仅是在晶舟载入到炉管中之前检查氧气浓度，如果炉管本身发生泄漏造成炉管内氧气过多，则无法检测出来。

因此，需要一种新的加热炉，能够及时地监测炉管中氧气的含量，当炉管内的氧气含量过高时，可以提前中止后续工艺步骤，尽早防止缺陷的产生，以提高器件的良品率。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了能够及时地监测炉管中氧气的含量，尽早防止缺陷的产生，以提高器件的良品率，本实用新型提供了一种具有气体检测装置的加热炉，所述加热炉包括外炉管、内炉管、气体反应腔以及气体注入室，所述气体反应腔设置在所述内炉管的内侧，用于容纳承载待处理晶片的晶舟，所述气体注入室设置在所述外炉管的下方，用来通过气体通入/排出管将反应气体输送至所述气体反应腔，与炉体内部连通的主管道上设置有主阀门，用于控制气体进入/排出炉体内部，所述加热炉还包括一气体检测装置，所述气体检测装置包括依次连通的一单向气阀、第一气阀、气体检测器以及第二气阀，由所述单向气阀、所述第一气阀、所述气体检测器以及所述第二气阀构成的气体通路连接于所述主阀门的两端。

优选地，所述单向气阀只允许主管道中的气体流入到所述气体检测装置中，而不允许气体反向流出所述气体检测装置。

优选地，所述气体检测器是检测ppm量级的气体浓度含量的检测器。

优选地，所述气体检测器是检测气体中氧气的含量的检测器。

优选地，所述加热炉是垂直式加热炉。

优选地，所述加热炉还设置有温度传感器，用于感测炉体内的温度。

优选地，所述加热炉还设置有密封罩，在将所述晶舟载入到炉管内后，所述密封罩用于密封所述外炉管。

根据本实用新型的加热炉能够及时地监测炉管中氧气的含量，当炉管内的氧气含量过高时，可以提前中止后续工艺步骤，尽早防止缺陷的产生，提高器件的良品率。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中，

图1传统的垂直式加热炉的结构示意图；

图2是当晶舟载入到垂直式加热炉时的部分结构示意图；

图3是根据本实用新型的具有气体检测装置的垂直式加热炉的部分结构示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本实用新型是如何利用气体检测装置来解决某种气体过多致使降低器件良品率的问题。显然，本实用新型的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

根据本实用新型的垂直式加热炉的结构如图3所示，垂直式加热炉300包括外炉管301、内炉管302、气体反应腔303以及气体注入室304。气体反应腔303设置在内炉管302的内侧，用于承载要进行加热处理的晶片的晶舟305置于内炉管302内侧的气体反应腔303内。在外炉管301的下方设置有气体注入室304，用来将沉积反应的各种气体如氧气、氮气或混合气体等输送至气体反应腔303内以进行化学反应，并在晶片上沉积形成所需要的薄膜层。气体注入室304内部设置有多个气体通入/排出管(图中未示出)。垂直式加热炉300还设置有温度传感器(图中未示出)用以感测炉管内的温度。晶舟载入区317位于炉管的下方。在与炉体内部连通的主管道308上设置有主阀门315，用于控制气体进入/排出炉内。

根据本实用新型的实施例，为了及时检测炉内的氧气浓度，在靠近主阀门315的位置处设置有一气体检测装置。所述气体检测装置包括依次连通的一单向气阀312、第一气阀313、气体检测器314以及第二气阀316。由单向气阀312、第一气阀313、气体检测器314以及第二气阀316构成的气体通路连接于主阀门315的两端。所述单向气阀312只允许主管道308中的气体流入到所述气体检测装置中，而不允许气体反向流出所述气体检测装置。

根据本实用新型的示例性垂直式加热炉的工作过程如下。当需要检测炉管内的氧气含量时，打开单向气阀312，单向气阀312的作用是使流经该阀门的气体为单向流通，防止气体回流入炉管中造成污染。然后打开第一气阀313，炉管内的样品气体由主管道308经过单向气阀312、第一气阀313流入气体检测器314。通过气体检测器314可以知道此时炉管内气体中氧气的含量，以判断炉管内的氧气是否超出工艺所需要的浓度标准。检测之后，样品气体再经过第二气阀316流入主管道308，沿如图所示箭头方向排出主管道308。如果炉管内的氧气超过工艺所要求的标准时，将整个炉管抽真空至本底真空，通入纯度较高的N₂以保护晶舟305上面的晶片，接着进行整个炉管以及全部管路的检查。

本领域技术人员可以理解的是，这里的气体检测器314可以是根据不同的工艺要求用来检测任意气体的检测器，不仅仅局限于氧气。气体检测器314的灵敏度也可以根据工艺所要求检测的气体浓度进行调整，例如可以是检测ppm量级的气体浓度含量的检测器。用来检测的气体也不局限于一种，可以根据需要设置多个气体检测器，对样品气体中的不同气体含量进行检测。

本实用新型所采用的第一气阀、第二气阀和单向气阀可以是本领域常见的类型。本领域技术人员可以理解的是，只要是能应用于管路系统中，能够实现管路的排气和进气以便疏通管路的气阀，只要满足其尺寸规格和流量规格与本实用新型的炉管管路相匹配的，都可以应用于本实用新型的炉管中。根据本实用新型的气体检测装置不仅可以应用于这里所示的垂直式加热炉，还可以应用于其他需要检测气体浓度的加热炉中。

根据本实用新型的具有气体检测装置的加热炉可以及时地检测出炉体内部某种特定气体的是否超过标准，能够预防晶片的污染或损伤，提高器件的良品率。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种具有气体检测装置的加热炉，所述加热炉包括外炉管、内炉管、气体反应腔以及气体注入室，所述气体反应腔设置在所述内炉管的内侧，用于容纳承载待处理晶片的晶舟，所述气体注入室设置在所述外炉管的下方，用来通过气体通入/排出管将反应气体输送至所述气体反应腔，与炉体内部连通的主管道上设置有主阀门，用于控制气体进入/排出炉体内部，其特征在于，

所述加热炉还包括一气体检测装置，所述气体检测装置包括依次连通的一单向气阀、第一气阀、气体检测器以及第二气阀，由所述单向气阀、所述第一气阀、所述气体检测器以及所述第二气阀构成的气体通路连接于所述主阀门的两端。

2.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于，所述单向气阀只允许主管道中的气体流入到所述气体检测装置中，而不允许气体反向流出所述气体检测装置。

3.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于，所述气体检测器是检测ppm量级的气体浓度含量的检测器。

4.如权利要求3所述的加热炉，其特征在于，所述气体检测器是检测气体中氧气的含量的检测器。

5.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于，所述加热炉是垂直式加热炉。

6.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于，所述加热炉还设置有温度传感器，用于感测炉体内的温度。

7.如权利要求1所述的加热炉，其特征在于，所述加热炉还设置有密封罩，在将所述晶舟载入到炉管内后，所述密封罩用于密封所述外炉管。