[实用新型]具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种半导体制造工艺中使用的垂直式加热炉，尤其涉及一种具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉。

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与NH₃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。