TW541576B - Heating system and method for heating an atmospheric reactor - Google Patents
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Description
541576 • A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明關於對大氣反應器加熱之加熱系統及方法。 在例如記憶產品基版之製造過程中，特別是半導體晶圓 之積體電路之製造，其在所謂的反應器之高溫烤箱中加工 ，以便沉澱絕緣材料、半導體材料或導體層材料層。這些 反應器可同一時間對複數個晶圓加工，該晶圓置於反應器 内之晶圓支撐架上，故沉澱反應器及晶圓加熱至所需之溫 度。作用氣體經過加熱後之晶圓，其在晶圓上形成作用材 料薄層之化學蒸氣沉澱，且通過加熱後晶圓之作用氣體在 熱氧化之情況下迅速與基版材料作用。 圖1顯示一沉澱反應器範例，其適合低壓化學蒸氣製程 。例如細孔石英容器之晶圓承載器承載著大量之晶圓（通常 10 0個以上），故氣體入口至氣體出口直線連接並平行於反 應器縱向軸線之氣體流動方向垂直於晶圓表面。加熱裝置 對反應器加熱至一預設之溫度，只要到達該溫度時，作用 氣體將導入沉澱反應器中產生沉澱作用。根據先前技藝之 :方法，沉澱反應器之溫度在沉澱過程中保持固定。 為了沉澱二氧化矽，例如TEOS，（Si(OC2H5)4)在溫度700 °C及壓力40 Pa時反應，當溫度75G°C及壓力30 Pa時SiH2Cl2 及NH3反應形成氮化碎層。 如吾人所知，沉澱速率取決於沉澱反應器中沉澱溫度及 壓力，特別是較高之沉澱溫度時沉澱速率較快。因此，一 溫度梯度應用於與氣體流動方向平行之方向中，以便補償 該方向中作用氣體之不足，其結果使作用氣體出口之溫度 高於作用氣體入口之溫度。藉由這些方法，其可在同時加 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂
541576 A7 B7 五、發明説明（2 ) 工之晶圓上沉殿均勻之厚度層。 然而，其無法形成平整度相當均勻之厚度層，特別是靠 近氣體出口之晶圓上沉澱層類似碗狀，其中晶圓邊緣之厚 度大於晶圓中央之厚度，若沉澱層之平均厚度為200 nm， 其間之厚度差異平均值為10 nm。另一方面，靠近氣體入口 之晶圓上沉澱層類似枕頭狀，其中晶圓邊緣之厚度小於晶 圓中央之厚度。 本發明一目的係提供對大氣反應器加熱之加熱系統及 方法，其沉澱或氧化層之平整度較佳。 根據本發明對大氣反應器加熱之加熱系統可達成上述 之目的，其中複數個晶圓之支撐方向垂直於作用氣體流動 方向，該作用氣體流動方向平行於反應器縱向軸線，故產 生沉澱或氧化製程，且其中該加熱系統在製程中可改變反 應器溫度。 此外，對大氣反應器加熱之方法可達成上述之目的，其 中複數個晶圓之支撐方向垂直於作用氣體流動方向，該作 用氣體流動方向平行於反應器縱向軸線，故產生沉澱或氧 化製程，且在製程中改變反應器溫度。 如本發明創作者所揭示，在沉澱過程中改變反應器之溫 度使沉澱層之平整度顯著的提升。因此，反應器之溫度不 再是固定的，該溫度係可變的，例如溫度上升、下降或任 意改變。圖2及3顯示反應器所有區域中之溫度曲線，圖2 顯示溫度下降40 K，圖3顯示自A點開始至B點結束之沉澱過 程中溫度先上升60 K，之後再下降60 K。圖中所示之時間 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 訂
k 541576 A7 B7 五、發明説明（3 ) 為任意單位（a. u.)，且本發明中沉澱及氧化係可互換的， 故本發明所述沉澱反應之特徵同樣適用於氧化反應。 根據一較佳具體實施例，沉澱或氧化反應器沿著作用氣 體流動之方向區分為複數個區域（通常為5)，加熱系統區分 為多個加熱元件，且每個加熱元件獨立控制，故提供不同 之溫度曲線，圖4顯示特定溫度與時間之曲線。加熱元件之 數量與反應器區域之數量相同，如圖4所示，靠近氣體出口 之區域1中溫度由790°C降至710°C，區域2中溫度由770t降 至73 0°C，區域3中溫度保持固定於750°C，靠近氣體入口之 區域4中溫度由720°C上升至780°C。 一般而言，溫度在靠近氣體出口之反應器2/3位置處下 降，且靠近氣體出口區域中沉澱開始與結束之間的溫差大 於靠近氣體入口區域之溫差。此外，溫度在靠近氣體入口 之反應器1 /3位置處上升。這些區域邊界之間的溫度在沉澱 過程中保持固定，惟各區域中溫度曲線在沉澱過程中並不 相同，且至少一區域中之溫度曲線係根據設定之速率而改 變沉澱時間。至少一區域中之溫度曲線保持固定，至少另 一區域中之溫度曲線隨著沉澱時間變化，且該兩區域之溫 度曲線不宜相互平行。 藉由這些方法，其可根據沉澱條件調整最佳之沉澱溫度 ，該沉澱條件隨著特定反應器區域之位置而變化，特別是 作用氣體沿著其流動方向耗盡。此外，在靠近氣體出口之 區域中，作用氣體亦在平行於晶圓表面之方向中耗盡，故 位於晶圓中央處之作用氣體消耗量最大。在靠近氣體入口 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 裝 訂
541576 A7 B7 五、發明説明（4 ) 之區域中，特別是在反應器1/3位置之區域中，此效應較不 明顯，其原因為在這些區域中作用氣體並未沿著其流動方 向耗盡。 另一相關參數為在晶圓表面方向中之熱量流動，位於反 應器壁部之加熱燈產生熱量，因此，沉澱反應器區域之溫 度係對應至晶圓邊緣之溫度。此外，在最常使用之沉澱反 應器中，最靠近氣體入口之多餘加熱元件係配置於無晶圓 之位置，故最靠近氣體入口之區域中熱量來自於晶圓邊緣 及中央。因此，不同之區域位置具有不同之加熱條件。 特別是在未靠近氣體入口之區域中，晶圓邊緣之溫度與 晶圓中央之溫度不同，故藉由降低反應器之溫度可沿著晶 圓表面形成均勻之加熱。 另一方面，在最靠近氣體入口之區域中，熱量不僅來自 於上述之邊緣，故藉由在沉澱過程中使反應器之溫度上升 可沿著晶圓表面形成均勻之加熱。 若區域中溫度曲線適當的設定，其可進一步加強本發明 之效應，故附近區域之溫度曲線在沉澱過程中並未相互交 會。更準確的換言之，若鄰近區域之溫度在同一時間下降 使區域之間熱量流動之負面影響最小，其可避免一區域之 溫度上升。 若所有區域中沉澱同時結束，熱量流動之負面影響受到 最大之抑制。 由於不同之沉澱反應器需要不同之加熱條件，若欲對一 批新的晶圓加工，其需執行校正。關於此，在沉澱結束後 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) ψ 裝 訂
541576 A7 B7 五、發明説明（5 ) 各區域之晶圓須加以檢視，例如利用橢圓量測器。之後根 據所得到之量測結果，反應器各區域之加熱條件經設定以 配合下一各沉澱製程。若沉澱層輪廓為碗狀，特定區域中 沉澱開始與結束溫度之差異將變大。相反的，若沉澱層為 枕頭狀，特定區域中沉澱開始與結束溫度之差異將縮小。 為了在所有區域之晶圓上沉澱相同之厚度層，各區域中 溫度之均值宜自最靠近氣體出口區域下降至最靠近入口之 :區域，例如區域1之平均溫度為800°C，區域2之平均溫度為 79 0°C，區域3之平均溫度為780°C，區域4之平均溫度為770 °C以及區域5之平均溫度為760°C。所有區域之溫度變可相 同，例如降低、上升或任意改變一定量，惟各區域之溫度 曲線變化亦可不同。 簡言之，本發明具有下列優點： -沉澱層之平整度明顯的提升，特別是若沉澱層之平均 厚度為200 nm，晶圓中央與邊緣沉澱層厚度差異最大值為4 nm ° -本發明易應用於現存之沉澱反應器。 -如吾人所知，藉由升高沉澱反應器内壓力，其可加速 沉澱速率，惟高壓將造成厚度不均勻之沉澱層。利用本發 明之更多溫度調整，其可改良沉澱層之平整度。故當本發 明應用於壓力較高之沉澱製程時，沉澱速率變快，同時可 維持沉澱層厚度之均勾性。 -本發明適用於所有的低壓化學蒸氣沉澱製程，特別是 氮化碎、二氧化碎（TEOS製程及熱氧化）、氧化神（arsene -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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k 541576 A7 - B7 五、發明説明（6 ) oxide) (TEAS製程）及聚矽層之沉澱。本發明優點最適合至 少3 0 nm之厚度層，若厚度較小，該優點之效應較不明顯。 雖然本發明亦包括氧化過程，本發明沉澱之敘述係參見 附圖加以詳述。 圖1顯示CVD反應器，其用以實施本發明； 圖2，3及4顯示沉澱反應器之溫度曲線；與 圖5為量測結果，該結果顯示根據範例及比較性範例之 沉澱層平整度。 圖1中以參數1表示沉澱反應器，其中低壓化學蒸氣反應 器做為批次烤爐。氣體入口 2供給一或多種作用氣體至沉澱 反應器，氣體出口 3將作用氣體排出，且作用氣體流動之方 向平行於反應器縱向軸線。晶圓承載器4承載著複數個 (通常介於100至150之間）晶圓，加熱系統5對沉澱反應器加 熱。 反應器區分為五個區域，區域1至5，其中區域1為最靠 近氣體出口之區域，區域5為最靠近氣體入口之區域。圖1 中參數6表示區域1，參數7表示區域5。 在此範例中，一氮層沉澱在矽晶圓上，之後晶圓上蝕刻 出界定DRAM儲存電容之凹線。 在晶圓導入沉澱反應器之後，反應器騰空且其溫度上升 。反應器通常設定在約650°C之備便溫度，故溫度可視所選 定之反應條件上升100至250°C。當達到所需之真空程度時 ，其供給第一作用氣體至反應器，此時流速為480 seem (標準立方公分每秒）之NH3進入反應器。當達到所需之沉澱 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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溫度時，流速為12〇 s咖之SiH2Cl2第二作用氣體進入反肩 器，故開始沉澱反應。沉澱反應器中壓力一般為Η _ Pa (110 mTorr) 〇 、、， · < 沉澱開始之溫度及沉爽過程之溫度曲線根據下列範例 及比較性範例而變化，由於溫度曲線已設定，故區域丨之平 均溫度為800°C，區域2之平均溫度為79(rc，區域3之平均 溫度為780°C，區域4之平均溫度為77(rc，區域5之平均溫 度為760°C，沉澱速率為2 nm/min。 在100分鐘期間内沉澱層之平均厚度為2〇〇 nm。 範例1 反應器區域1之溫度為82(TC，區域2之溫度為81〇。(：，區 域3之溫度為800°C ,區域4之溫度為790°C ,區域5之溫度為 7 8 0 C ’且沉;殿過程中所有區域之反應器溫度下降4 〇 κ。 範例2 反應器區域1之溫度為840°C，區域2之溫度為830°C，區 域3之溫度為820°C，區域4之溫度為810°C，區域5之溫度為 8 0 0 °C ’且沉殿過程中所有區域之反應器溫度下降8 〇 κ。 範例3 反應器區域1之溫度為840°C，區域2之溫度為830°C，區 域3之溫度為820°C，區域4之溫度為790°C，區域5之溫度為 760°C，且沉澱過程中區域1至3之反應器溫度下降80 K，區 域4之反應器溫度下降40 K，區域5之反應器溫度保持固定。 範例4 反應器區域1之溫度為840°C，區域2之溫度為830°C，區 -11 -
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本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) ' 541576 A7 B7 五、發明説明（8 ) 域3之溫度為810°C，區域4之溫度為790°C，區域5之溫度為 750°C，且沉澱過程中區域1及2之反應器溫度下降80 1(，區 域3之反應器溫度下降60 K，區域4之反應器溫度上升40 K ，區域5之反應器溫度上升20 K。 範例5 反應器區域1之溫度為840°C，區域2之溫度為830°C，區 域3之溫度為820°C，區域4之溫度為785°C，區域5之溫度為 740°C，且沉澱過程中區域1至3之反應器溫度下降80 K，區 域4之反應器溫度下降30 K，區域5之反應器溫度上升40 K。 範例6 反應器區域1之溫度為841°C，區域2之溫度為832°C，區 域3之溫度為820°C，區域4之溫度為79(TC，區域5之溫度為 734°C，且沉澱過程中區域1之反應器溫度下降82 K，區域2 之反應器溫度下降84K，區域3之反應器溫度下降80K，區 域4之反應器溫度下降40 K，區域5之反應器溫度上升52 K。 比較性範例 反應器區域1之溫度為800°C，區域2之溫度為790°C，區 域3之溫度為780°C，區域4之溫度為770°C，區域5之溫度為 760°C，且沉澱過程中所有區域之反應器溫度保持固定。 當沉澱作用結束時，作用氣體停止流動，並以例如氮氣 之惰性氣體清洗反應器。 之後將沉澱層之品質評估如下，晶圓表面上13個量測點 沉澱層平均厚度之標準變異由上述範例及比較性範例加以 決定，下表顯示平整度σ (sigma)%之結果： -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) φ 裝 訂
541576 A7 B7 範例 區域1 [%] 區域2 [°/〇] 區域3 [%] 區域4 區域5 [%] 1 1. 14 0. 92 0. 77 〇. 37 1. 07 0. 45 0. 61 0. 54 〇. 41 1. 78 3 ------ 0. 49 0. 59 0. 22 〇. 17 0. 95 4 0. 64 0. 74 0. 67 〇. 31 0. 85 5 —------ 0. 58 0. 73 0. 47 〇. 32 0. 69 0. 71 0. 73 0. 57 〇. 29 Π R R 座爸丝範例 1. 78 1. 38 1. 19 ~~——-— 1. 03 u · 〇 〇 ------ _0. 69 •—-- 五、發明説明（9 ) 圖5顯示範例1，2，5及比較性範例之量測結果。 如表所述，所有範例在區域1至4之厚度具有較佳之平敕 度，惟僅範例5及6在區域5具有較佳之平整度。 & 然而，在一般之沉殿反應器中多於之晶圓佔據最去# 體入口之區域5晶圓承載器位置以及最靠近氣體出口之2 域1晶圓承載器位置，且該多於之晶圓未用於晶片之製^區 故區域5中平整度降低對晶片製造較不具影響性。 ^ 簡言之，本發明在範例1至4提供較佳之結果， 在乾例5 至6提供最佳之結果。 參數清單 1 沉澱反應器 2 氣體入口 3 氣體出口 4 晶圓承載器 13- 541576 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) 5 加熱系統 6 第一區域 7 第五區域 -14-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
Claims (1)
- 541576 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種對大氣反應器（1)加熱之加熱系統（5)，其中複數 個晶圓之支撐方向垂直於作用氣體之流動方向，該流 動方向平行於反應器（1)之縱向軸線，故可產生沉澱或 乳化反應’且其特徵在該加熱系統（5)在沉澱製程中能 夠改變反應器溫度。 2·根據申請專利範圍第1項之加熱系統（5)，其特徵在包括 複數個加熱元件，該加熱元件對應至反應器（1)在平行 於作用氣體流動方向中所區分之複數個反應器區域，且 其中每個區域之加熱元件提供不同之溫度曲線，以顯示 特定區域與時間之對應溫度。 3·根據申凊專利範圍第2項之加熱系統（5)，其特徵在該最 非近氣體入口（2)且供給一或多種作用氣體至反應器 (1)之區域（7)中加熱元件產生一溫度曲線，其中該溫度 在製程中上升，惟在最靠近氣體出口（3)且自反應器（1) 排出作用氣體之區域中加熱元件產生一溫度曲線，其中 該溫度在製程中下降。 4·根據申請專利範圍第3項之加熱系統（5)，其特徵在該靠 近氣體出口（3)之區域中加熱元件產生溫度曲線，其中 較靠近氣體出口區域中製程開始及結束溫度差異值大 於較靠近氣體入口區域中溫度差異值。 5. =據申請專利範圍第2至4項任一項之加熱系統（5)，其 争徵在該加熱元件產生溫度曲線，使製程中相鄰區域之 溫度曲線並未相互交會。 6. 根據申請專利範圍第5項之加熱系、统⑸，其特徵在該加 -15-541576熱元件產生相同之製程結束溫度。 7·-種對大氣反應器⑴加熱之方法，其中複數個晶圓之 支撐方向垂直於作用氣體之流動方向，該流動方向平行 於，應器之縱向軸線，故可產生沉澱或氧化反應，且其 特徵在該製程中能夠改變反應器溫度。 8·根據申請專利範圍第7項對反應器⑴加熱之方法，其特 j在孩反應器在平行於作用氣體流動方向中所區分之 複數個反應器區域各以不同之溫度曲線加熱，以顯示特 疋區域與時間之對應溫度。 9. 根據巾請專利範圍第"對反應器⑴加熱之方法，並特 徵在，最靠近氣體切⑵且供給—或多種作用氣體至 反應器⑴之區域⑺中溫度曲線，該溫度在製程中上升 ’惟在最靠近氣體出口⑶且自反應器⑴排出作用氣體 足區域中溫度曲線，該溫度在製程中下降。 10. 根據巾請㈣範圍第9項對反應器⑴加熱之方法，其特 徵在該靠近氣體出口⑶之區域中溫度曲綠，且較靠近 氣體出口區域之製程開始及結束溫度差異值大於較靠 近氣體入口區域中溫度差異值。 11·根據申清專利範圍第8至10項任一項對反應器⑴加熱 之方法，其特徵在該溫度曲線使製程中相鄰區域之溫产 曲線並未相互交會。 12.根據申請專利範圍第u項對反應器⑴加熱之方法，其 特徵在該溫度曲線使各區域具有相同之製程結束溫度。 -16-
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