专利名称：具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉的制作方法
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
Si02、 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IOI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lll，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ltorr" 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与朋3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通入朋3，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^，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。 已发现，传统的垂直式加热炉在反应完成时开启密封的炉管的过程中会发生炉管 内外压力不均衡的现象。图2和3分别示意性地示出了炉管内外压力不均衡的两种情况，其 中图2示出了炉管内部气体压力高于外界气压的情况，图3示出了炉管内部气体压力低于 外界气压的情况。当炉管中的气压高于外界气压时，炉管内部的气体就会沿着如图2中所 示的箭头方向211A以及211B，从炉管内部向外流出，此时，由于该气流中可能会携带一些 反应沉积的副产物，这样就会对放置在晶舟205顶部的晶片表面造成一定的污染。如果炉 管中的气压低于外界的气压，外界的气体就会沿着如图3中所示的箭头方向311A以及311B 进入到炉管内部。这样，外界气体中所携带的杂质成分会进入到炉管中，对晶舟305底部的 晶片造成一定的污染。 如上所述的这种炉管内外的压力差在炉管内部造成了气流，因而气流中携带的杂 质对进行了反应的晶片表面造成了污染。为了避免由于炉管内部与外部气压不均衡形成的 气流对晶舟上的顶部晶片或底部晶片造成一定污染的问题，需要一种新的垂直式加热炉， 能够有效避免晶舟上晶片的污染。
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。 为了避免由于炉管内部与外部气压不均衡形成的气流对晶舟上的顶部晶片或底
部晶片造成一定污染的问题，本实用新型提供了一种具有内外压力平衡功能的垂直式加热
炉，所述垂直式加热炉包括外炉管、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，其特征在
于，所述垂直式加热炉包括一连通到所述气体注入室上的气阀和与所述气阀相连的一针阀。 优选地，所述气阀包括阀座、阀片、弹簧、升程限制器和螺栓。 优选地，所述气阀承受的流体压力范围在1. OMPa至2. 5MPa之间。 优选地，所述针阀承受的流体压力范围在20MPa至40MPa之间。 根据本实用新型的具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉，解决了由于炉内外气
压不平衡而产生气流，致使气流中携带的杂质对进行了反应的晶片表面造成污染的问题，
能够有效避免晶舟上晶片的污染，提高良率。
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，[0016] 图1传统的垂直式加热炉的结构示意图； 图2是垂直式加热炉内部气压高于外部气压的气流方向示意图；[0018] 图3是垂直式加热炉内部气压低于外部气压的气流方向示意图；[0019] 图4是根据本实用新型的垂直式加热炉的结构示意图。
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针型阀以及气阀来解决由于炉管内部与外部气压不均衡的问题。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。[0022] 根据本实用新型的垂直式加热炉的结构如图4所示，垂直式加热炉400包括外炉管401、内炉管402、气体反应腔403以及气体注入室404。气体反应腔403设置在内炉管402的内侧，用于承载要进行加热处理的晶片的晶舟405置于内炉管402内侧的气体反应腔403内。外炉管401通常是石英材质的，在外炉管401的下方设置有气体注入室404，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403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404内部包括有气体通入/排出管408A、408B以及408C。温度传感器406置于外炉管401与内炉管402之间，用以感测炉管内的温度。密封罩407位于炉管的正下方，在将晶舟405载入到炉管内部后，密封罩407用于密封炉管的下部。 垂直式加热炉400还包括由多个阀门构成的通气/排气系统，用来控制和感测炉内的气体。所述通气/排气系统包括抽真空辅阀411、抽真空主阀412以及抽真空小辅阀413，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414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415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。 根据本实用新型，在气体注入室404上安装一炉内外压力平衡系统，所述平衡系统包括一连通到气体注入室404上的气阀421和与气阀421相连的一针阀422。气阀421的材质可以是不锈钢的，由进气阀和排气阀构成，用来负责炉内气体的吸入和排出，并疏通管路。气阀例如包括阀座、阀片、弹簧、升程限制器、螺栓等部件。气阀421能够及时关闭或开启以便将炉管与外界环境相切断或连通，其承受的流体压力范围例如在1. OMPa至2. 5MPa之间。针阀422的材料主要为不锈钢，它的排气/进气口较小，能够较高的精度调整所需要的气压。针阀422可以是一种活门呈针状的节流阀，其活门沿气流方向动作，通过改变过流截面积用以截断或调节气体的流量。其承受的流体压力范围大约在20MPa至40MPa之间。[0025] 在沉积过程结束后，如果发生炉管内的压强高于或低于外界气压的情况，即炉管内外的气压发生不平衡的现象，则可以将气阀421打开，通过调节针型阀422的气体流量，使得炉管内的压强与外界气压持平，避免了由于炉管内部与外部气压不均衡形成的气流对晶舟上的顶部晶片或底部晶片造成一定的污染。 本实用新型所采用的气阀和针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和针阀，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。 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。
权利要求一种具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉，所述垂直式加热炉包括外炉管、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，其特征在于，所述垂直式加热炉包括一连通到所述气体注入室上的气阀和与所述气阀相连的一针阀。
2. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述气阀包括阀座、阀片、弹簧、升 程限制器和螺栓。
3. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述气阀承受的流体压力范围在 1.0MPa至2. 5MPa之间。
4. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述针阀承受的流体压力范围在 20MPa至40MPa之间。
5. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述垂直式加热炉还设置有温度 传感器，用于感测炉管内的温度。
6. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述垂直式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。
7. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述垂直式加热炉还包括由多个 阀门构成的通气/排气系统，用来通入/排出及控制炉内的气体。
8. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述通气/排气系统包括抽真空辅 阀、抽真空主阀以及抽真空小辅阀，用于将所述垂直式加热炉抽成真空状态。
9. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述垂直式加热炉还包括冷凝管 用来将反应沉积所产生的副产物冷却收集。
10. 如权利要求1所述的垂直式加热炉，其特征在于，所述垂直式加热炉还包括气压计 用以测量炉管内的气压。
专利摘要本实用新型公开了一种具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉，所述垂直式加热炉包括外炉管、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，其特征在于，所述垂直式加热炉包括一连通到所述气体注入室上的气阀和与所述气阀相连的一针阀。根据本实用新型的具有内外压力平衡功能的垂直式加热炉，解决了由于炉内外气压不平衡而产生气流，致使气流中携带的杂质对进行了反应的晶片表面造成污染的问题，能够有效避免晶舟上晶片的污染，提高良率。
文档编号H01L21/00GK201522194SQ20092021154
公开日2010年7月7日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者宋大伟, 董彬 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司