CN208829761U

CN208829761U - 一种沉积炉管

Info

Publication number: CN208829761U
Application number: CN201821502262.8U
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Changxin Memory Technologies Inc
Current assignee: Changxin Memory Technologies Inc
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2028-09-12

Abstract

本实用新型提供一种沉积炉管，包括反应腔、加热器、晶舟、底座及辅助加热部。反应腔的一端封闭，另一端具有开口。加热器围绕反应腔的外周设置。晶舟位于反应腔内，用于承载多个批次的晶圆。底座支撑晶舟，底座能够带动晶舟移入反应腔并将开口封闭，或带动晶舟移出反应腔。辅助加热部设置于反应腔的一端，位于晶舟的上方，辅助加热部配置为在加热器加热的同时对位于晶舟顶部的晶圆的中部加热。

Description

一种沉积炉管

技术领域

本实用新型涉及半导体制造领域，特别涉及一种用于在晶圆上沉积薄膜的炉管。

背景技术

在半导体制造工艺中，需要在晶圆上沉积各种薄膜。在各种沉积薄膜的方法中，化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)是一种常用的方法，已经被广泛地应用于各种薄膜的沉积工艺中。化学气相沉积是将反应气体输送到沉积炉管，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。

例如，在动态随机存取存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)的结构中，必须在侧壁上形成一侧壁绝缘层，侧壁绝缘层在DRAM应用上,可以隔离栓导电层(参杂多晶硅)与位线(金属)，藉以避免短路造成器件(Device)失效。侧壁绝缘层的材料可包括氮化硅，其可通过低压化学气相沉积(LPCVD，Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，使用沉积炉管在晶圆上沉积氮化硅形成氮化硅薄膜，接着通过例如蚀刻等工艺，获得侧壁绝缘层。

因此，随着DRAM的工艺持续微缩至10纳米等级，在元件大幅微缩的条件下，控制侧壁绝缘层厚度的精准度是一大挑战。如何对现有的沉积炉管的结构进行改进，以改善现有的沉积炉管的沉积膜厚的均匀度问题、准确控制侧壁绝缘层厚度，利于达到芯片产品的侧壁绝缘层的厚度的平坦化，成为薄膜沉积工艺亟待解决的技术难点。

实用新型内容

基于上述问题，本实用新型提供了一种沉积炉管，以改善现有的沉积炉管的沉积膜厚的均匀度问题，利于达到芯片产品的侧壁绝缘层的厚度的平坦化。

为达成上述目的，本实用新型提供一种沉积炉管，包括反应腔、加热器、晶舟、底座及辅助加热部。反应腔的一端封闭，另一端具有开口。加热器围绕反应腔的外周设置。晶舟位于反应腔内，用于承载多个批次的晶圆。底座支撑晶舟，底座能够带动晶舟移入反应腔并将开口封闭，或带动晶舟移出反应腔。辅助加热部设置于反应腔的一端，位于晶舟的上方，辅助加热部配置为在加热器加热的同时对晶舟顶部的晶圆的中部加热。

根据一实施例，辅助加热部至少部分的覆盖反应腔的一端的内表面。

根据一实施例，辅助加热部、晶舟及反应腔同轴设置。

根据一实施例，辅助加热部包括电阻丝。

根据一实施例，电阻丝为圆盘形，且辅助加热部中部的电阻丝的密度大于辅助加热部外周的电阻丝的密度。

根据一实施例，辅助加热部包括多条环形电阻丝，多条电阻丝与反应腔同轴设置，且靠近轴线的电阻丝的数量大于远离轴线的电阻丝的数量。

根据一实施例，辅助加热部包括多条电阻丝，多条电阻丝自圆盘形的圆心呈放射状分布。

根据一实施例，沉积炉管配置为在沉积工艺过程中，利用反应腔内通入的反应气体，在晶圆表面沉积薄膜。

根据一实施例，沉积工艺为低压化学气相沉积工艺，反应气体为是甲硅烷、二氯化硅烷、四氯化硅及氨气中的一种或多种，低压化学气相沉积工艺过程中，反应腔内压力为0.1～100torr，反应腔内温度为350～800℃。

根据一实施例，薄膜厚度为2～150nm，晶圆中心的薄膜厚度和晶圆边缘的薄膜厚度比例为1:1.025。

本实用新型相较于现有技术的有益效果在于：本实用新型的沉积炉管在晶舟的上方额外设置了辅助加热部，其用于在加热器加热的同时对位于晶舟顶部的晶圆的中部加热，从而对中部给予较多的热能，提高了中部薄膜的沉积速率，使得中部与边缘的厚度基本一致，从而达到膜厚的平坦化，提升芯片产品的良率，进而达到整片晶圆产出的DRAM的性能一致性。

附图说明

图1为现有的立式沉积炉管的示意图。

图2为利用现有的立式沉积炉管形成的芯片产品的剖视示意图。

图3a和图3b分别为位于中部和边缘的晶圆的侧壁绝缘层的剖视示意图。

图4为利用现有的立式沉积炉管在晶圆表面形成的薄膜的膜厚度范围和晶舟位置关系图。

图5为根据本公开一实施例的沉积炉管的示意图。

图6为利用沉积炉管在晶圆表面形成的薄膜的膜厚度范围和晶舟位置关系图，其中，虚线对应于现有的沉积炉管，实线对应于本公开的沉积炉管。

图7a为利用本公开一实施例的沉积炉管形成的芯片产品的剖视示意图。

图7b为利用本公开一实施例的沉积炉管沉积有薄膜的晶圆的微观结构示意图。

图8a和图8b分别为位于中部和边缘的晶圆的侧壁绝缘层的剖视示意图。

图9a和图9b分别为位于中部和边缘的晶圆的侧壁绝缘层及栓导电层的剖视示意图。

图10a为本公开一实施例的沉积炉管的辅助加热部的示意图。

图10b为本公开另一实施例的沉积炉管的辅助加热部的示意图。

图10c为本公开又一实施例的沉积炉管的辅助加热部的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的主要技术创意。

化学气相沉积中常用的设备为立式沉积炉管，如图1所示，立式沉积炉管包括加热器1、反应腔2、晶舟3及底座4。放置有晶圆的晶舟3由底座4带动向上移动，进入反应腔2内。反应腔2设有用于输入反应气体的进气口5和排出废气的出气口6，位于反应腔外的加热器对反应腔进行加热，反应气体在炉管内混合并发生化学反应，最终在置于炉管内的晶圆表面上沉积一层SiN薄膜。

实际工艺中，晶舟的不同区域放置的晶圆的受热温度不同，由此导致晶圆受热不均。例如，温度越高，沉积速率越大，薄膜厚度越大；而温度越低，沉积速率越小，薄膜厚度越小。因此，晶圆上所沉积的薄膜的厚度不均，导致芯片产品的侧壁绝缘层的厚度偏薄或偏厚。具体的，在对晶圆的后续处理中，需要切除水平方向的薄膜，以暴露出硅衬底表面，保留的薄膜包围晶圆侧壁，作为侧壁绝缘层7，随后在侧壁绝缘层外周形成栓导电层，形成芯片产品8。如图2、3a和图3b所示，位于中部的晶圆9的侧壁绝缘层厚度小于位于边缘的晶圆9’的侧壁绝缘层厚度，且二者差别较大。侧壁绝缘层的厚度偏薄会导致漏电流，而侧壁绝缘层的厚度偏厚会造成后续沉积的栓导电层的电阻阻值偏高的问题。

本实用新型人对通过现有的立式沉积炉管进行研究发现，晶舟30顶部的厚度范围相对于晶舟30底部比较差，使得沉积过程中，位于晶舟30顶部的晶圆的薄膜的均匀度相对于位于晶舟30底部的晶圆的薄膜的均匀度较差，表现为晶圆的中间厚度远小于边缘厚度，如图4所示，横坐标表示晶舟30的高度，纵坐标表示晶圆的中部与边缘的厚度比例，其中，位于晶舟30顶部的晶圆的中部与边缘的厚度比例为1:1.045，即，二者厚度差异为4.5％。而位于晶舟30底部的晶圆的中部与边缘的厚度比例为1:1.025，即，二者厚度差异为2.5％。因此，位于晶舟30顶部的晶圆所加工而成的芯片产品的侧壁绝缘层的厚度均匀性差，严重影响产品良率。

为解决上述问题，本实用新型人对现有的立式沉积炉管进行改进，具体如下：

如图5所示，本实用新型提供一种沉积炉管，包括反应腔10、加热器20、晶舟30、底座40及辅助加热部50。反应腔10的一端封闭，图中为反应腔的顶端，另一端具有开口，图中为反应腔的底端。加热器20围绕反应腔10的外周设置。晶舟30位于反应腔10内，用于承载多个批次的晶圆。底座40支撑晶舟30，底座40能够带动晶舟30移入反应腔10并将开口封闭，或带动晶舟30移出反应腔10。辅助加热部50设置于反应腔10的一端，位于晶舟30的上方，辅助加热部50配置为在加热器20加热的同时对位于晶舟30顶部的晶圆的中部加热。

尽管现有技术中存在一些类型的批次式沉积炉管，其加热区自上而下被分成多个温区，分别用于加热反应腔的不同区域，然而，上述现有的沉积炉管仍无法解决晶舟顶部晶圆厚度不均的问题。本实用新型人付出大量创造性劳动，研究得出导致晶舟顶部晶圆厚度不均的原因在于，晶舟顶部的晶圆的中部获得的热能较少，由此大大影响薄膜的沉积效率。为此，本实用新型的沉积炉管在晶舟的上方额外设置了辅助加热部，其用于在加热器加热的同时对晶舟顶部的晶圆的中部加热，从而对中部给予较多的热能，提高了中部薄膜的沉积速率，使得中部与边缘的厚度基本一致，从而达到膜厚的平坦化，如图7a所示。由此不会对后续形成的栓导电层产生不利影响，从而提升芯片产品的良率，进而达到整片晶圆产出的DRAM的性能一致性。

如图6所示，使用本实用新型的沉积炉管对晶圆进行薄膜沉积工艺，所得的晶圆的薄膜厚度范围与晶舟30位置关系曲线如实线所示，可见，位于晶舟30顶部的晶圆的中部与边缘的厚度比例为1:1.025，即，二者厚度差异为2.5％。相比于现有技术中的厚度差异2.5％，本实用新型对于薄膜厚度的均匀度的改善程度提高了44％({(4.5-2.5)/4.5}*100％＝44％)，可以证明，通过本实用新型的沉积炉管对晶圆进行薄膜沉积工艺，能够显著提升薄膜厚度的均匀度。

本实施例中，加热器20的主体部分呈现圆柱形状，并采用石棉等材料制成的顶盖封住顶部。加热器20的主体部分的最外层由不锈钢材料制成，中间是一层绝热层，主要是为了防止反应腔10内的温度向外扩散，绝热层里面为加热电路，由环绕在绝热层内壁上的电阻丝51等构成。在一实施例中，加热器20可自上而下被分成多个温区，分别用于加热反应腔10的不同区域。

沉积炉管还可设置有控制气流的真空泵、用于输入反应所需气体和排出废气的进气口60和出气口70等，如图7a、7b所示，在硅衬底100和硅衬底100上的金属位线表面沉积氮化硅外包覆薄膜200。经过对晶圆的后续工艺制程，去除水平方向的薄膜，形成侧壁绝缘层300，随后在侧壁绝缘层300外周形成栓导电层400，形成芯片产品700。图8a和图8b分别为位于中部和边缘的晶圆的侧壁绝缘层的剖视示意图，图9a和图9b分别为位于中部和边缘的晶圆的侧壁绝缘层及栓导电层的剖视示意图，与图2、图3a和图3b所示的现有的立式沉积炉管形成的芯片产品及侧壁绝缘层的剖视示意图相对照，可见本实施例中，位于中部的晶圆500的侧壁绝缘层300和边缘的晶圆600的侧壁绝缘层300的厚度大致相同，相比于现有技术，本实施例的侧壁绝缘层的厚度的平坦化程度显著提高。因此，本实用新型改善了批次炉管顶部沉积膜厚的均匀度问题，准确控制薄膜厚度，能够解决侧壁绝缘层因厚度偏薄造成的漏电流和厚度偏厚造成后续的栓导电层的电阻阻值偏高的问题，保证电子设备在元件大幅微缩下正常运作。

在一实施例中，辅助加热部50至少部分的覆盖反应腔10的一端的内表面，例如，辅助加热部50与所述内表面贴合，或者，与内表面间隔的设置。其中，辅助加热部50、晶舟30及反应腔10可同轴设置，由此可保证辅助加热部50位于晶舟30的顶部的中心位置。

辅助加热部50的位置、布局不限于此，例如，辅助加热部50也可设置于反应腔10的一端的外表面，辅助加热部50可在该端分散的分布多个。任意能够实现对晶圆的中部加热的形式均可适用，并涵盖于本实用新型的保护范围内。

辅助加热部50包括电阻丝51。本实施例中，如图10a所示，电阻丝51可为圆盘形，且辅助加热部50中部的电阻丝51的密度大于辅助加热部50外周的电阻丝51的密度。

在另一实施例中，如图10b所示，辅助加热部50可包括多条环形电阻丝51，多条电阻丝51与反应腔10同轴设置，且靠近轴线的电阻丝51的数量大于远离轴线的电阻丝51的数量。

在另一实施例中，如图10c所示，辅助加热部50可包括多条电阻丝51，多条电阻丝51自圆盘形的圆心呈放射状分布。

上述多个实施例中，均通过提高辅助加热部50中部的电阻丝51的密度，使得辅助加热部50中部的加热效率高于外周，从而进一步提高中部薄膜的沉积速率。

辅助加热部50的形式不限于此，任意能够产生热量的加热设备均可适用。并且，任意能够提升辅助加热部50中部加热效率的形式均可适用，并涵盖于本实用新型的保护范围内。

本实施例中，沉积炉管配置为在沉积工艺过程中，利用反应腔10内通入的反应气体，在晶圆表面沉积薄膜。其中，沉积工艺可包括低压化学气相沉积、等离子增强化学气相沉积等。

本实施例中，反应气体可为甲硅烷(SiH₄)、二氯化硅烷(SiH₂Cl₂)、四氯化硅(SiCl₄)及氨气(NH₃)中的一种或多种，以低压化学气相沉积工艺为例，在沉积过程中，反应腔10内压力为0.1～100torr，反应腔10内温度为350～800℃。薄膜厚度例如为2～15nm。晶圆中心的薄膜厚度和晶圆边缘的薄膜厚度比例为1:1.025。

应当理解，本实用新型的沉积炉管可与其他现有装置、结构配合实现相应功能，本领域技术人员能够想到的任意变形、组合、替换均包含于本实用新型的保护范围内。在实际应用中，根据实际需要的不同，沉积炉管中可能还会包括其它组成部分，由于与本实用新型所述方案无直接关系，故不再一一介绍。

本实用新型的沉积炉管的应用范围不局限于LPCVD制程，可改变反应条件、反应气体等，以应用于其他制程。

综上所述，本实用新型的沉积炉管在晶舟的上方额外设置了辅助加热部，其用于在加热器加热的同时对晶舟顶部的晶圆的中部加热，从而对中部给予较多的热能，提高了中部薄膜的沉积速率，使得中部与边缘的厚度基本一致，从而达到膜厚的平坦化，提升芯片产品的良率，进而达到整片晶圆产出的DRAM的性能一致性。

虽然已参照几个典型实施例描述了本实用新型，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本实用新型能够以多种形式具体实施而不脱离实用新型的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims

1.一种沉积炉管，其特征在于，包括：

反应腔，其一端封闭，另一端具有开口；

加热器，围绕反应腔的外周设置；

晶舟，位于反应腔内，用于承载多个批次的晶圆；

底座，支撑晶舟，底座能够带动晶舟移入反应腔并将开口封闭，或带动晶舟移出反应腔；及

辅助加热部，设置于反应腔的一端，位于晶舟的上方，配置辅助加热部为在加热器加热的同时对位于晶舟顶部的晶圆的中部加热。

2.如权利要求1所述的沉积炉管，其特征在于，辅助加热部至少部分的覆盖反应腔的一端的内表面。

3.如权利要求1所述的沉积炉管，其特征在于，辅助加热部、晶舟及反应腔同轴设置。

4.如权利要求1所述的沉积炉管，其特征在于，辅助加热部包括电阻丝。

5.如权利要求4所述的沉积炉管，其特征在于，电阻丝为圆盘形，且辅助加热部中部的电阻丝的密度大于辅助加热部外周的电阻丝的密度。

6.如权利要求5所述的沉积炉管，其特征在于，辅助加热部包括多条环形电阻丝，多条电阻丝与反应腔同轴设置，且靠近轴线的电阻丝的数量大于远离轴线的电阻丝的数量。

7.如权利要求5所述的沉积炉管，其特征在于，辅助加热部包括多条电阻丝，多条电阻丝自圆盘形的圆心呈放射状分布。

8.如权利要求1所述的沉积炉管，其特征在于，沉积炉管配置为在沉积工艺过程中，利用反应腔内通入的反应气体，在晶圆表面沉积薄膜。

9.如权利要求8所述的沉积炉管，其特征在于，沉积工艺为低压化学气相沉积工艺，反应气体为是甲硅烷、二氯化硅烷、四氯化硅及氨气中的一种或多种，低压化学气相沉积工艺过程中，反应腔内压力为0.1～100torr，反应腔内温度为350～800℃。

10.如权利要求8所述的沉积炉管，其特征在于，薄膜厚度为2～150nm，晶圆中心的薄膜厚度和晶圆边缘的薄膜厚度比例为1:1.025。