CN111463154B - 一种高温臭氧氧化退火装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温臭氧氧化退火装置，该装置包括装置上壳体、装置下壳体、装置氧化退火腔室、支撑和隔热装置、加热圈五部分。本发明提出的高温臭氧氧化退火装置，可应用于半导体集成电路芯片制作工艺，填补了该类型设备的空白，极大地推动臭氧氧化退火技术在高校、科研院所及产业界集成电路芯片研制及制造工艺中的推广应用，加速集成电路芯片的研发进展。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路及其制造技术领域，具体涉及一种高温臭氧氧化退火装置。
背景技术
随着集成电路及其制造技术的飞速发展，晶体管的尺寸越来越小，芯片的集成度越来越高，其性能越来好。随着晶体管特征尺寸的不断缩小，传统栅极SiO2氧化层厚度越来越薄，漏电越来越严重，由此带来了栅对沟道控制的减弱和晶体管功耗的增加。业界解决这一问题的有效办法是采用高介电常数(high-k)的新型介质材料来替代传统的传统SiO2介质材料。另外，由于锗(Ge)具有比硅(Si)高得多的电子和空穴迁移率，以及比Si更低的热预算而引起广泛研究，有望成为最具潜力取代Si的候选材料。遗憾的是，high-k/Ge叠层结构的界面特性很不理想，从而使得Ge材料的大规模应用受到很大限制。解决这一问题的有效办法是在high-k/Ge叠层间引入一层超薄GeO2过渡层，形成high-k/GeO2/Ge叠层结构，以获得高质量界面，进而获得高沟道载流子迁移率，使得晶体管的驱动电流得到极大的提升。
在目前已有的发明或公开的研究中，high-k/GeO2/Ge叠层结构的制备方法通常有两种。一种方法是借助传统管式炉设备采用热氧化工艺直接对Ge表面进行氧化形成一层GeO2，然后再在GeO2表面淀积一定厚度的high-k介质层。该方法的缺点是，直接对Ge表面进行氧化，其氧化速率无法控制，难以获得超薄的GeO2过渡层。而且，后续采用原子层沉积工艺在GeO2表面沉积high-k介质层的过程中还会损伤已经形成的GeO2，退化GeO2的性能。另一种方法是先在Ge表面沉积一层超薄的high-k介质层作为阻挡层，然后使电子回旋共振(ECR)产生的等离子体穿过超薄high-k层对Ge表面进行氧化形成超薄GeO2，最后再用原子层沉积high-k介质层使其达到所需厚度。该方法的明显缺点是需用到价格高昂的电子回旋共振设备来产生等离子体，该设备体积庞大，需配套较大的实验室空间安置该设备及其真空泵组、冷却***等***设施。另外，该设备对水、电、气等厂务设施要求极高，以上诸多制约因素使得该设备难以在实验室普及业界推广应用。
发明内容
本发明针对现在有技术的不足，提出一种高温臭氧氧化退火装置，该装置的技术方案如下：
一种高温臭氧氧化退火装置，该装置具体包括装置上壳体、装置下壳体、装置氧化退火腔室、支撑和隔热装置、加热圈五部分；
所述的装置上壳体的两侧开设有炉管上半孔，装置下壳体的两侧开设有炉管下半孔，所述的装置上壳体和装置下壳体扣合在一起，所述的炉管上半孔和炉管下半孔组成放置装置氧化退火腔室的炉管孔；
所述的装置氧化退火腔室包括进气端法兰、石英炉管、紫外灯管、紫外灯管支架、探针热电偶和出气端法兰，进气端法兰和出气端法兰固定在石英炉管的两端，紫外灯管支架设置在石英炉管内部上方，紫外灯管支撑在紫外灯管支架上，探针热电偶穿过进气端法兰上的探针热电偶***孔放入石英炉管内部；
所述的加热圈环抱在石英炉管的外壁，其由外向内至少包括包覆层、保温层和陶瓷层，陶瓷层内部穿有电阻丝，加热圈通电后，电阻丝发出的热量向陶瓷层扩散，陶瓷层将热量均匀传递给石英炉管，然后石英炉管再将热量传递给进入管内的氧气；
所述的支撑和隔热装置包括固定连接的支撑单元和隔热单元，所述的加热圈固定在所述的支撑单元上，支撑单元固定在装置下壳体，所述的隔热单元设置在所述的加热圈与所述的支撑单元之间；
进一步地，所述的支撑和隔热装置包括加热圈隔热板、上支撑板、上隔热板、中隔热板、中支撑板、下隔热板、石英管隔热环；
上支撑板的截面为倒T形，加热圈通过加热圈隔热板固定在上支撑板的竖直的横梁上，上支撑板两端与装置下壳体的两侧面留有一定的距离，从而防止加热圈热量通过上支撑板传递到装置下壳体上；
上隔热板设置在上支撑板的上表面，中隔热板设置在上隔热板与中支撑板之间，中支撑板的下表面设置下隔热板，且螺杆从上到下依次穿过上隔热板、上支撑板、中隔热板、中支撑板、下隔热板，从而将它们固定；且上支撑板、中支撑板上的圆孔的直径大于螺丝的外径；中支撑板的两端留有弯边，弯边上开有长椭圆形可上下调节高度的圆孔，用螺丝穿过中支撑板两端的圆孔和装置下壳体两侧面的圆孔，固定在装置下壳体内部；
石英管隔热环安装在炉管孔内圈与石英炉管外圈之间，且石英管隔热环与炉管孔之间留有间隙。
进一步地，所述的装置下壳体正面安装有可开合的装置门、门锁、数显温控仪、紫外灯按钮可自锁开关，所述的装置下壳体的内部安装下支撑板，所述的下支撑板上安装接触器；
接触器的输入端接外接电源，输出端分别接到数显温控仪上和加热圈上，数显温控仪一个输出端与探针热电偶对应的电极相连接，另一个输出端将设定的和探针热电偶测到的温度信号反馈给接触器，使接触器接通和关闭电源。紫外灯管通过真空信号接头与镇流器对应电极相连接，镇流器电源输入端再接到紫外灯按钮可自锁开关输出端电极上，紫外灯按钮可自锁开关输入端与外接电源连接。
进一步地，装置上壳体的顶部和背部、装置下壳体的背部均开设有散热孔阵列。
进一步地，所述的装置上壳体的正面安装有隔热把手。
进一步地，所述的进气端法兰上开设有探针热电偶***孔、进气管口和真空信号接头。
进一步地，所述的加热器的包覆层为铁皮，保温层为石棉，陶瓷层由陶瓷片串联在电阻丝上形成环状。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提出的高温臭氧氧化退火装置，可应用于半导体集成电路芯片制作工艺的高温臭氧氧化退火设备，填补了该类型设备的空白，极大地推动臭氧氧化退火技术在高校、科研院所及产业界集成电路芯片研制及制造工艺中的推广应用，加速集成电路芯片的研发进展。
(2)采用具有特定波长特定尺寸形状的紫外灯作为高温臭氧氧化退火的臭氧发生装置，与现有的高压放电式、电解式臭氧发生器相比，结构简单、外形小巧、能耗低。
(3)本发明的装置选用外形细长呈棒状的耐高温紫外灯管，将灯管内置于高温、高氧浓度的石英炉管中，灯管发出的紫外线可被周边氧分子充分吸收，且产生的高浓度臭氧可实时作用于炉管内的样品对样品表面薄膜进行氧化或退火处理，提高了臭氧利用率，克服了臭氧分解速度快、利用效率低等缺点。
(4)本发明的装置采用圆筒形双陶瓷加热圈包裹石英管对石英管内部高纯氧气进行加热，加热均匀，温度可精确控制。两个陶瓷加热圈分隔一定的距离，中间留出观察窗口，便于观察石英管内的样品放置情况。
(5)本发明的装置选用棒状热电偶，将热电偶置于石英管内部与高纯氧气直接接触测温，反馈的温度更精确，实验结果更可靠。
(6)本发明的装置选用真空信号接头，将圆柱形真空信号接头焊接在进气端法兰盘上圆孔内，真空信号接头一端与石英管内灯管电极相连接，另一端与石英管外电源相连接，给灯管供电的同时保证了石英管内氧化退火环境的密封性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为本发明装置整体外观图；
图2为本发明装置上盖壳体图；
图3为本发明装置下壳体及氧化退火腔室图；
图4为本发明装置下壳体及内部结构图；
图5为本发明装置氧化退火腔室及内部结构图；
图6为本发明装置进气端法兰结构图；
图7为本发明装置氧化退火腔室及隔热装置横断面图。
图中，装置上壳体1、装置下壳体2、装置氧化退火腔室3、支撑和隔热装置4、加热圈5、上壳体散热孔阵列101、炉管上半孔102、隔热把手103、炉管下半孔201、装置门202、装置门锁203、数显温控仪204、紫外灯按钮可自锁开关205、背部散热孔阵列206、下支撑板207、接触器208、进气端法兰301、石英炉管302、紫外灯管303、紫外灯管支架304、探针热电偶305、出气端法兰306、样品307、加热圈隔热板401、上支撑板402、上隔热板403、中隔热板404、中支撑板405、下隔热板406、石英管隔热环407、环状陶瓷层501、保温石棉层502、铁皮包覆层503、探针热电偶***孔3011、进气管口3012、真空信号接头3013、出气管口3051。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和7所示，本发明的高温臭氧氧化退火装置包括装置上壳体1、装置下壳体2、装置氧化退火腔室3、支撑和隔热装置4、加热圈5五部分。
如图1所示，装置上壳体1与装置下壳体2通过背面合页相连接，在壳体正面采用两个活动搭扣固定装置上壳体1与装置下壳体2。装置上壳体1与装置下壳体2材质均为不锈钢材质，表面均做喷塑处理，美观且保护壳体不易生锈。
如图2所示，在装置上壳体1的正面安装有隔热把手103，能够耐高温绝热，用以开合装置上壳体1。在装置上壳体1的侧面开设有炉管上半孔102，顶部开设有上壳体散热孔阵列101，用于散发壳体内部加热圈5在工作过程中产生的热量。
如图3所示，在装置下壳体2的正面安装有可开合的装置门202，打开装置门202可对装置内部零部件进行观察、安装和维护。装置门202的面板右边框上下角分别安装有弹簧插销，用于连接装置门202与装置下壳体2，通过拔、插插销可对装置门202进行取装。装置门202左边安装有门锁203，用于关闭装置门202，保护内部零部件。装置门202正面安装有数显温控仪204，用于设定氧化退火温度以及实时观察石英炉管302内实际温度。装置门202正面安装有圆形的紫外灯按钮可自锁开关205，其正面带有指示灯，用于开关石英炉管302内的紫外灯管303，可切换臭氧氧化退火和氧气氧化退火两种模式。
如图4所示，在装置下壳体2的两侧开设有炉管下半孔201，其与炉管上半孔102组成炉管孔，用于安装装置氧化退火腔室3。装置下壳体2背面分布有背部散热孔阵列206，用于及时散发加热圈5工作过程中产生的热量。装置下壳体2的底部设置下支撑板207，接触器208固定在下支撑板207上，下支撑板207两端留有弯边，弯边上开有长椭圆形可上下调节高度的圆孔，用螺丝穿过下支撑板207两端的圆孔和装置下壳体2两侧面的圆孔，将下支撑板207连同接触器208固定在装置下壳体2内部。
如图3～7所示，装置氧化退火腔室3包括进气端法兰301、石英炉管302、紫外灯管303、紫外灯管支架304、探针热电偶305和出气端法兰306。进气端法兰301和出气端法兰306分别固连在石英炉管302的两端，进气端法兰301上开设有探针热电偶***孔3011、进气管口3012和真空信号接头3013，出气端法兰306上开始有出气管口3051，紫外灯管支架304设置在石英炉管302的内部上方，紫外灯管303通过探针热电偶***孔3011***石英炉管302内部上方，且支撑在紫外灯管支架304上；探针热电偶305通过探针热电偶***孔3011***石英炉管302内部。
采用真空信号接头3013的密封作用可以保证石英炉管302内的紫外灯管303与石英炉管302外部电源接通时，炉管内的高纯气体不会与外界气体直接接触。法兰盘上进气管口3012与氧气管道之间通过一流量计相连，流量计可以精确控制进入炉管内氧气流量的大小。探针热电偶***孔3011位置焊接有一外螺纹进气管，探针热电偶305根部带有一内螺纹套管，套管内有一个O型密封圈。首先将探针热电偶305***套管及套管内的O型密封圈，再***外螺纹进气管，最后将内螺纹套管拧紧在外螺纹进气管上，通过压紧密封圈将探针热电偶305固定在外螺纹进气管上并起到密封作用。
紫外灯管303可以产生高浓度臭氧，紫外线波长185nm，功率40W，灯管为耐高温石英材质，灯管紫外线透过率95％以上。灯管为单端四针灯管，两端各有一耐高温陶瓷保护套管，其中一端留有四个电极针，四个电极针通过四孔陶瓷接头及陶瓷接头上的四根耐高温导线与进气端法兰301上的真空信号接头3013在石英炉管302内部一侧的四个接线柱相连接，真空信号接头3013在石英炉管302外侧的四个电极与镇流器相连接。真空信号接头3013在接通电信号的同时起到密封气体的作用。石英炉管302内部的探针式热电偶与工艺气体直接接触且探头正好置于样品307正上方，测得的气体温度更实时，更准确。进行氧化工艺的样品307可直接送入石英炉管302内，也可先将样品307放置于合适尺寸的石英舟内，然后再将石英舟连同样品一起送入石英炉管302内。
如图3所示，加热圈5为两个，间隔一定距离设置在石英炉管302的中部，两个加热圈5相隔之间露出的一段石英炉管302作为观察窗口，便于察看石英炉管302内样品307的位置、紫外灯管303的亮灭等情况。
如图7所示，加热圈5由外向内包括铁皮包覆层503、保温石棉层502和环状陶瓷层501，环状陶瓷层501直接包裹在石英炉管302外壁，环状陶瓷层501内部穿有电阻丝，加热圈5通电后，电阻丝发出的热量向环状陶瓷层501扩散，环状陶瓷层501将热量均匀传递给石英炉管302，然后石英炉管302再将热量传递给进入管内的氧气，从而起到高温氧化退火作用。环状陶瓷层501由陶瓷片串联在电阻丝上形成环状。铁皮包覆层503留有一定宽度的耳朵，耳朵上加工有圆孔，通过螺丝将加热圈5固定在上支撑板402竖直的横梁上。
如图3和7所示，支撑和隔热装置4包括加热圈隔热板401、上支撑板402、上隔热板403、中隔热板404、中支撑板405、下隔热板406、石英管隔热环407，其中，上支撑板402的截面为倒T形，加热圈5通过加热圈隔热板401固定在上支撑板402的竖直的横梁上，上支撑板402两端与装置下壳体2的两侧面留有一定的距离，从而防止加热圈热量通过上支撑板402传递到装置下壳体2上。
上隔热板403设置在上支撑板402的上表面，中隔热板404设置在上隔热板403与中支撑板405之间，中支撑板405的下表面设置下隔热板406，且螺杆从上到下依次穿过上隔热板403、上支撑板402、中隔热板404、中支撑板405、下隔热板406，从而将它们固定。其中，上隔热板403将螺杆头与上支撑板402隔开，防止热量通过上支撑板402传递给螺杆头，进而通过螺杆头传递给螺杆；下隔热板406将螺母与中支撑板405隔开，防止螺母的热量传递给中支撑板405；中隔热板404用于支撑整个支撑和隔热装置4，同时防止热量从上支撑板402传递到中支撑板405，进而传递到装置下壳体2上。且上支撑板402、中支撑板405上的圆孔的直径大于螺丝的外径，从而保证螺杆与上支撑板402、中支撑板405不直接接触，防止热量传递。中支撑板405的两端留有弯边，弯边上开有长椭圆形可上下调节高度的圆孔，用螺丝穿过中支撑板405两端的圆孔和装置下壳体2两侧面的圆孔，固定在装置下壳体2内部。
石英管隔热环407安装在炉管孔内圈与石英炉管302外圈之间，且石英管隔热环407与炉管孔之间留有间隙，防止装置工作过程中石英炉管302的热量直接传导到壳体上，造成操作人员烫伤或壳体外表面喷塑受热损坏。
装置的电控***接电方式为：220V家用电源先接入接触器208的输入端，接触器208输出端分别接到数显温控仪204上和加热圈5上。数显温控仪204一个输出端与探针热电偶305对应的电极相连接，另一个输出端将设定的和探针热电偶305测到的温度信号反馈给接触器208，使接触器208接通和关闭电源。紫外灯管303通过真空信号接头3013与镇流器对应电极相连接，镇流器电源输入端再接到紫外灯按钮可自锁开关205输出端电极上，紫外灯按钮可自锁开关205输入端与220V家用电源连接。
本发明的装置的工作原理如下：
利用高温臭氧的强氧化性对半导体表面进行氧化，获得需要的氧化层。
利用高温臭氧的强氧化性对high-k氧化层进行退火处理，减少high-k氧化层中的氧空位缺陷，增加氧化层的绝缘特性。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，该装置具体包括装置上壳体（1）、装置下壳体（2）、装置氧化退火腔室（3）、支撑和隔热装置（4）、加热圈（5）五部分；
所述的装置上壳体（1）的两侧开设有炉管上半孔（102），装置下壳体（2）的两侧开设有炉管下半孔（201），所述的装置上壳体（1）和装置下壳体（2）扣合在一起，所述的炉管上半孔（102）和炉管下半孔（201）组成放置装置氧化退火腔室（3）的炉管孔；
所述的装置氧化退火腔室（3）包括进气端法兰（301）、石英炉管（302）、紫外灯管（303）、紫外灯管支架（304）、探针热电偶（305）和出气端法兰（306），进气端法兰（301）和出气端法兰（306）固定在石英炉管（302）的两端，紫外灯管支架（304）设置在石英炉管（302）内部上方，紫外灯管（303）支撑在紫外灯管支架（304）上，探针热电偶（305）穿过进气端法兰（301）上的探针热电偶***孔（3011）放入石英炉管（302）内部；
所述的加热圈（5）环抱在石英炉管（302）的外壁，其由外向内至少包括包覆层（503）、保温层（502）和陶瓷层（501），陶瓷层（501）内部穿有电阻丝，加热圈（5）通电后，电阻丝发出的热量向陶瓷层（501）扩散，陶瓷层（501）将热量均匀传递给石英炉管（302），然后石英炉管（302）再将热量传递给进入管内的氧气；
所述的支撑和隔热装置（4）包括固定连接的支撑单元和隔热单元，所述的加热圈（5）固定在所述的支撑单元上，支撑单元固定在装置下壳体（2），所述的隔热单元设置在所述的加热圈（5）与所述的支撑单元之间。
2.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，所述的支撑和隔热装置（4）包括加热圈隔热板（401）、上支撑板（402）、上隔热板（403）、中隔热板（404）、中支撑板（405）、下隔热板（406）、石英管隔热环（407）；
上支撑板（402）的截面为倒T形，加热圈（5）通过加热圈隔热板（401）固定在上支撑板（402）的竖直的横梁上，上支撑板（402）两端与装置下壳体（2）的两侧面留有一定的距离，从而防止加热圈热量通过上支撑板（402）传递到装置下壳体（2）上；
上隔热板（403）设置在上支撑板（402）的上表面，中隔热板（404）设置在上隔热板（403）与中支撑板（405）之间，中支撑板（405）的下表面设置下隔热板（406），且螺杆从上到下依次穿过上隔热板（403）、上支撑板（402）、中隔热板（404）、中支撑板（405）、下隔热板（406），从而将它们固定；且上支撑板（402）、中支撑板（405）上的圆孔的直径大于螺丝的外径；中支撑板（405）的两端留有弯边，弯边上开有长椭圆形可上下调节高度的圆孔，用螺丝穿过中支撑板（405）两端的圆孔和装置下壳体（2）两侧面的圆孔，固定在装置下壳体（2）内部；
石英管隔热环（407）安装在炉管孔内圈与石英炉管（302）外圈之间，且石英管隔热环（407）与炉管孔之间留有间隙。
3.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，所述的装置下壳体2正面安装有可开合的装置门（202）、门锁（203）、数显温控仪（204）、紫外灯按钮可自锁开关（205），所述的装置下壳体（2）的内部安装下支撑板（207），所述的下支撑板（207）上安装接触器（208）；
接触器（208）的输入端接外接电源，输出端分别接到数显温控仪（204）上和加热圈（5）上，数显温控仪（204）一个输出端与探针热电偶（305）对应的电极相连接，另一个输出端将设定的和探针热电偶（305）测到的温度信号返回给接触器（208），使接触器（208）接通和关闭电源；紫外灯管（303）通过真空信号接头（3013）与镇流器对应电极相连接，镇流器电源输入端再接到紫外灯按钮可自锁开关（205）输出端电极上，紫外灯按钮可自锁开关（205）输入端与外接电源连接。
4.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，装置上壳体（1）的顶部和背部、装置下壳体（2）的背部均开设有散热孔阵列。
5.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，所述的装置上壳体（1）的正面安装有隔热把手（103）。
6.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，所述的进气端法兰（301）上开设有探针热电偶***孔（3011）、进气管口（3012）和真空信号接头（3013）。
7.根据权利要求1所述的高温臭氧氧化退火装置，其特征在于，所述的加热圈（5）的包覆层（503）为铁皮，保温层（502）为石棉，陶瓷层（501）由陶瓷片串联在电阻丝上形成环状。
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