专利名称：防止积留水液的热氧化系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件制造方法，特别是涉及ー种防止在半导体エ艺加热用反应系统内积留水液的热氧化系统和方法。
背景技术：
半导体器件以及相应エ艺中通常需要使用绝缘性质良好且具备化学稳定性的绝缘材料，特别是能与例如硅的衬底紧密结合且界面缺陷少的电绝缘材料。ニ氧化硅由于具有上述良好性质，被广泛应用在MOSFETs的栅氧化层、器件保护层、电隔离层、蚀刻停止层、防扩散层、衬垫层、层间绝缘层和电容介质膜等等。
制备SiO2的方法有很多，包括热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化、CVD、热氧化法等等，其中热氧化法制备的SiO2具有很高的重复性和化学稳定性、能降低硅表面悬挂键从而使得表面态密度减小并且还能很好控制界面陷阱和固定电荷，因此成为制备SiO2的主要技术手段或エ艺。热氧化法制备SiO2是利用硅与含氧元素的氧化剂在高温下化学反应生成氧化硅。使用纯氧气O2的热氧化法被称为干氧氧化,产品结构致密、干燥、均匀性和重复性好,通常高质量的氧化硅薄膜基本使用这种エ艺。但是干氧氧化生长速率慢，对于薄层的栅氧化层还能适用，但是对于较厚的层间氧化层或隔离膜就显得不经济实用了。目前制备厚膜SiO2的方法是采用湿法氧化，如图IA所示为现有的湿法氧化制备SiO2的氧化系统。反应炉I具有反应气体的进气ロ 2(其他例如炉门、炉体加热装置等均未显示)，进气ロ 2与水汽产生室5通过管道3相连，管道3还通过其上的三通阀4与载气或稀释气的进气管道6相连，进气管道6连接外部储气罐或外部管线(未示出)以用于输送通常为N2或Ar的惰性气体，水汽产生室5连接原料气体的进气管道7，其中进气管道7具有集管8以从外部储气罐或外部管线(未示出)分别输入纯O2和纯H2，进气管道7上还耦合(连接、包围或设置在附近)有加热器9，加热器9采用电阻式、电磁线圈式等非燃烧式加热器。在进气管道7外部进行加热到约700°C，使得高温的纯O2和纯H2在水汽产生室5内化学反应产生水汽，所产生的水汽在载气进气管道6中惰性气体的推动和带入下通过管道3进入反应炉I中，在反应炉I中水汽H2O与晶片中的Si反应生成SiO2和H2(Si+H20——> Si02+H2)。这种氧化系统中，作为氧化剂的水汽H2O的压カ可以由输入的纯氧和纯氢的压力、流速等等来调节，此外，作为载气的惰性气体例如N2的存在也能减缓氧化硅反应速度从而控制薄膜质量。但是，载气通常是使用商业购买的气罐或输送管线来载入的，载气的温度通常与室温相同或相近，约23°C。在整个氧化系统工作过程中，低温的载气与高温的水汽在阀门4相遇并共用一段管道3直至进去反应炉I中，此时一部分高温的水汽在低温载气的冷却下会凝结成液体水，聚集在阀门4至进气ロ 2之间，如图IB所示为图IA的局部放大图，其中阴影部分代表液态水。水蒸汽在进入炉管腔体之前凝结，造成主氧化步骤的水汽量減少。相当于减少了菜单(Recipe)中H2和O2的气体流量。这势必改变了薄膜质量和厚度，这对热氧化SiO2要求非常高的半导体行业而言，是不愿意发生的。此外，液态水长期聚集在阀门4到进气ロ 2的管道3部分，会造成管道3的腐蚀，腐蚀穿孔之后外部空气或杂质进入管道并带入反应炉内，污染炉内环境，造成晶片质量严重下降，甚至是全部产品报废。总而言之，现有的热氧化系统存在上述缺陷，需要改进热氧化系统以避免反应系统内积聚液态水。
发明内容
由上所述，本发明的目的在于提供一种改进热氧化系统及其方法，以避免反应炉内积聚液态水。 本发明提供了一种热氧化系统，包括反应炉，用于湿法氧化制备氧化硅；水汽产生室，原料气体在所述水汽产生室内反应生成水汽，通过管道输送进入所述反应炉；原料气体进气管道，用于向所述水汽产生室提供所述原料气体；载气进气管道，用于向所述反应炉提供所述载气；加热器，耦合至所述原料气体进气管道，用于加热所述原料气体以促使其反应生成水汽；其特征在于，还包括加热装置，耦合至所述载气进气管道。本发明还提供了一种热氧化方法，用于湿法氧化制备氧化硅，包括向反应炉内输送载气；向水汽产生室输送经过加热的原料气体，反应生成高温水汽；加热所述载气；向所述反应炉内同时输送所述原料气体和所述载气。其中，所述原料气体为氧气和氢气。其中，所述加热器将所述原料气体加热至700で。其中，所述加热装置为所述加热器。其中，所述加热装置为所述原料气体进气管道与所述载气进气管道构成的热交换机制。其中，所述加热器为非燃烧式加热器。其中，所述载气为氮气。其中，所述加热装置将所述载气加热至100°C以上。依照本发明的热氧化系统以及方法，由于对载气进行了加热，避免了液态水存留在进气管道中，进而防止了液态水被带入反应炉内，控制了薄膜生长质量，提高了半导体器件的可靠性。本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。
以下參照附图来详细说明本发明的技术方案，其中图IA为现有的热氧化系统的示意图；图IB为现有的热氧化系统的局部放大图；图2A为依照本发明的热氧化系统的示意图；以及图2B为依照本发明的热氧化系统的局部放大图。
具体实施例方式以下參照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了改进热氧化系统及其方法，以避免反应炉内积聚液态水。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种系统构件和制造エ序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰系统构件和制造エ序的空间、次序或层级关系。如图2A所示为依照本发明的湿法氧化制备SiO2的热氧化系统。反应炉I具有反应气体的进气ロ 2 (其他例如炉门、炉体加热装置等均未显示)，进气ロ 2与水汽产生室5通过管道3相连，管道3还通过其上的例如为三通阀的阀门4与载气或稀释气的进气管道6相连，进气管道6连接外部储气罐或外部管线(未示出)以用于输送通常为N2或Ar的惰性气体，水汽产生室5连接原料气体的进气管道7，其中进气管道7具有集管8以从外部储气罐或外部管线(未示出)分别输入纯O2和纯H2，进气管道7上还耦合(连接、包围或设置在附近)有加热器9，加热器9 (采用电阻式、电磁线圈式等非燃烧式加热器)在进气管道7外部进行加热到约700°C，使得高温的纯O2和纯H2在水汽产生室5内化学反应产生水汽，所产生的水汽在载气进气管道6中惰性气体的推动和带入下通过管道3进入反应炉I中，在反应炉I中水汽H2O与晶片中的S i反应生成SiO2和H2(Si+H20——> Si02+H2)。这种氧化系统中，作为氧化剂的水汽H2O的压カ可以由输入的纯氧和纯氢的压力、流速等等来调节，此外，作为载气的惰性气体例如N2的存在也能减缓氧化硅反应速度从而控制薄膜质量。 与图IA所示系统不同的是，图2A所示的依照本发明的热氧化系统中，加热器9不仅仅热耦合至原料气体的进气管道7，还同时热耦合到载气或稀释气体的进气管道6，也即加热器9在进气管道6外部对管道内作为原料气的纯氧、纯氢以及作为载气的惰性气体同时加热，确保载气不会在管道3处冷却原料气以形成液态水。优选地，加热器9对于进气管道6加热至约100°C以上，也即加热至水沸点以上，确保不会存留液态水。除此之外，加热载气也可以是例如60、70、80、95°C等，只要使得载气对于原料气的冷却效果不足以使得液态水残留在管道3中。加热器9在进气管道6和7之间的分布依照进气管道布局以及加热需要而确定，例如加热器9距离进气管道7较近以提供较多热量确保水汽生成反应，而距离进气管道6较远，特别地，进气管道6可以环绕在加热器9周围，利用余热、热辐射来加热作为载气的惰性气体，以充分利用热能。此外，也可以采用其他加热装置或加热方法对进气管道6进行加热。例如，采用分离的第二加热器(未示出)对进气管道6单独加热至超过100°C。也可以仅用一个加热器9，通过形成进气管道7环绕进气管道6、或者进气管道6穿过或环绕水汽产生室5这样构成的热交换机制，以利用约700°C的水汽来加热载气至超过100°C，如此可充分利用热能。以上所述的“热耦合”所指代的意义并非完全限于加热器或加热装置与待加热的部件之间的直接接触，也包括相距一定距离而以热交换或热辐射方式来输送热能的方式，或者还可包括对待加热部件施加高频电磁波使其发生涡流发热以间接加热。图2B显示的是从阀门4至反应炉I的进气ロ 2之间的管道3的局部放大示意图，其中，与图IB所示的现有技术不同的是，由于对于进气管道6的额外加热，管道3内不再积存液态水，液态水被载气带入反应炉中导致污染的问题不再出现。此外，还可以重复利用反应炉I内发生化学反应过后产生的氢气，例如将反应炉I内的氢气抽出，经过提纯和干燥，重新补充至集管8，以实现纯氢的重复利用，节省成本。以上描述了依照本发明的热氧化系统的结构。使用上述热氧化系统的方法具体如下。首先，依次通过载气进气管道6、阀门4、管道3、进气ロ 2向反应炉I内输送惰性气体，例如氮气、氩气、氦气等等，用于控制和保持反应炉I内气压。
其次，开启加热器9，对通过集管8、原料气进气管道7的包括纯氧和纯氢的原料气体进行加热至高温，例如约700°C。与此同时，通过加热器9或上述其他加热机制对于载气进气管道6内的惰性气体一同加热，使得惰性气体温度超过水沸点，也即超过100°C。然后，将原料气体送入水汽产生室5内，反应生成高温水汽。接着，开启阀门4，同时将原料气体和载气送至反应炉内，原料气与反应炉内晶片上的硅反应，热氧化生成ニ氧化硅薄膜。依照本发明的热氧化系统以及方法，由于对载气进行了加热，避免了液态水存留在进气管道中，进而防止了液态水被带入反应炉内，控制了薄膜生长质量，提高了半导体器件的可靠性。尽管已參照ー个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对加热系统或方法做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目 的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的加热系统或方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种热氧化系统，包括 反应炉，用于湿法氧化制备氧化硅； 水汽产生室，原料气体在所述水汽产生室内反应生成水汽，通过管道输送进入所述反应炉； 原料气体进气管道，用于向所述水汽产生室提供所述原料气体； 载气进气管道，用于向所述反应炉提供所述载气； 加热器，耦合至所述原料气体进气管道，用于加热所述原料气体以促使其反应生成水汽； 其特征在于，还包括加热装置，耦合至所述载气进气管道。
2.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述原料气体为氧气和氢气。
3.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述加热器将所述原料气体加热至700°C。
4.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述加热装置为所述加热器。
5.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述加热装置为所述原料气体进气管道与所述载气进气管道构成的热交换机制。
6.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述加热器为非燃烧式加热器。
7.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述载气为氮气。
8.如权利要求I所述的热氧化系统，其中，所述加热装置将所述载气加热至100°C以上。
9.一种热氧化方法，用于湿法氧化制备氧化硅，包括 向反应炉内输送载气； 向水汽产生室输送经过加热的原料气体，反应生成高温水汽； 加热所述载气； 向所述反应炉内同时输送所述原料气体和所述载气。
10.如权利要求9所述的方法，其中，加热所述载气至100°C以上。
全文摘要
本发明提供了一种热氧化系统，包括反应炉，用于湿法氧化制备氧化硅；水汽产生室，原料气体在所述水汽产生室内反应生成水汽，通过管道输送进入所述反应炉；原料气体进气管道，用于向所述水汽产生室提供所述原料气体；载气进气管道，用于向所述反应炉提供所述载气；加热器，耦合至所述原料气体进气管道，用于加热所述原料气体以促使其反应生成水汽；其特征在于，还包括加热装置，耦合至所述载气进气管道。依照本发明的热氧化系统以及方法，由于对载气进行了加热，避免了液态水存留在进气管道中，控制了薄膜生长质量，提高了半导体器件的可靠性。
文档编号H01L21/316GK102760640SQ201110109430
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者李春龙 申请人:中国科学院微电子研究所