CN112442677A - 炉管和向炉管内通入反应气体的方法 - Google Patents

Abstract

该发明涉及一种炉管和向炉管内通入反应气体的方法，其中炉管包括：反应腔，用于放置待反应的晶圆；至少两根进气管路，伸入至反应腔，并与反应腔相连通，以向反应腔内通入反应气体，进气管路包括：至少一根第一进气管路，一端伸入至反应腔内的第一高度，以向反应腔的第一高度通入反应气体；至少一根第二进气管路，一端伸入至反应腔内的第二高度，以向反应腔的第二高度通入反应气体。本发明可以通过不同种类的进气管路在炉管内的不同高度内通入反应气体，便于用户对炉管内不同高度的反应气体的浓度进行控制，有助于在晶圆表面形成膜层时，减少气体扰流对反应气体浓度的影响，提高膜层的均匀性，提高晶圆生产的良率。

Description

炉管和向炉管内通入反应气体的方法

技术领域

本发明涉及晶圆加工处理设备领域，具体涉及一种炉管和向炉管内通入反应气体的方法。

背景技术

现有技术中，在使用直立式的炉管处理晶圆，如在晶圆表面生成膜层时，经常会出现晶圆表面形成的膜层均匀性不佳的问题，放置在炉管上部的晶圆的均匀性较放置在炉管下部的晶圆的均匀性要差，这严重影响了晶圆的后续生产，影响了晶圆生产的良率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种炉管和向炉管内通入反应气体的方法，能够提高晶圆生产的良率。

为了解决上述技术问题，以下提供了一种炉管，包括：反应腔，用于放置待反应的晶圆；至少两根进气管路，伸入至所述反应腔，并与所述反应腔相连通，以向所述反应腔内通入反应气体，所述进气管路包括：至少一根第一进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第一高度，以向所述反应腔的第一高度通入反应气体；至少一根第二进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第二高度，以向所述反应腔的第二高度通入反应气体；可选的，每一进气管路表面都设置有一通孔组，包括至少两个通孔，供反应气体流出。

可选的，相邻两通孔距离相等，并朝向同一方向设置，以将反应气体水平吹出。

可选的，还包括第三进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第三高度，以向所述反应腔内的第三高度通入反应气体。

可选的，同一种进气管路均匀分布于所述反应腔内。

可选的，所述通孔组内的所有通孔都位于同一直线上，且该直线与所述进气管路的长度方向平行。

可选的，所述通孔为圆形通孔，且所述通孔组内的各个通孔尺寸沿第一方向逐渐增大。

可选的，所述第一方向为从所述进气管路底部指向所述进气管路顶部，且位置最低的通孔的高度为第四高度。

可选的，各进气管路表面设置通孔组均相同。

可选的，还包括一主通气管路，一端伸入所述反应腔内，并设置于所述反应腔底部，以向所述反应腔底部通入反应气体，且所述主通气管路所在的高度低于所述第一高度和第二高度。

为了解决上述技术问题，以下还提供了一种向炉管内通入反应气体的方法，包括以下步骤：将晶圆放入晶舟，并将晶舟放入所述炉管的反应腔内；向所述反应腔内至少两个不同的高度通入反应气体。

可选的，向所述反应腔内至少两个不同的高度通入反应气体时，包括以下步骤：向所述反应腔内底部通入反应气体；向所述反应腔内第一高度和第二高度通入反应气体，所述第一高度和第二高度高于所述反应腔的底部。

可选的，还向所述反应腔内第三高度和第四高度通入反应气体，且通入反应气体时，通气方向水平。

可选的，所述第一高度低于所述第二高度，自所述第一高度通入的反应气体的量少于自所述第二高度通入的反应气体的量。

本发明的炉管和向炉管内通入反应气体的方法可以通过不同种类的进气管路在炉管内的不同高度内通入反应气体，便于用户对炉管内不同高度的反应气体的浓度进行控制，有助于在晶圆表面形成膜层时，减少气体扰流对反应气体浓度的影响，提高膜层的均匀性，提高晶圆生产的良率。

附图说明

图1为本发明的一种具体实施方式中炉管的结构示意图。

图2a为现有技术中炉管反应腔内顶部的晶圆表面成膜的膜层情况示意图。

图2b为现有技术中炉管反应腔内底部的晶圆表面成膜的膜层情况示意图。

图3为现有技术中炉管反应腔内晶圆处于不同位置时，晶圆表面成膜的膜层情况示意图。

图4至图10为一种实施例中晶圆反应、沉积氧化硅薄膜的过程中各步骤的剖面示意图。

图11为本发明的一种具体实施方式中向炉管内通入反应气体的方法的流程示意图。

具体实施方式

研究发现，在将晶圆放置到炉管内进行膜层沉积时，出现晶舟高层的晶圆的均匀性差于晶舟底层的晶圆的均匀性的原因在于，现有技术中只通过一根进气管路向所述炉管的反应腔内通入反应气体，反应气体由下向上流经晶圆，并在晶圆表面进行分解沉积。而由于反应气体在重力的作用下浓度也由下而上减小，反应气体的浓度逐渐降低，气体扰流对反应气体的浓度的影响也增大，这就会造成炉管的顶部位置与底部位置放置的晶圆的晶圆内均匀性差异较大，影响后续的晶圆处理。

并且，由于晶舟本身对反应气体也有阻挡作用，因此在反应气体与晶舟里放置的晶圆反应时，反应气体先与晶圆的边缘接触、反应，这样，在反应气体浓度较低的高处，就很有可能造成晶圆表面生成的膜层中间低、边缘高的情形，严重影响晶圆的后续生产加工，降低晶圆生产的良率。

以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种炉管和向炉管内通入反应气体的方法作进一步详细说明。

请参阅图1至图3，其中图1为本发明的一种炉管的结构示意图，图2a为现有技术中炉管反应腔内顶部的晶圆表面成膜的膜层情况示意图，图2b为现有技术中炉管反应腔内底部的晶圆表面成膜的膜层情况示意图，图3为现有技术中炉管反应腔内晶圆处于不同位置时，晶圆表面成膜的膜层情况示意图。

在该具体实施方式中，提供了一种炉管，包括：反应腔101，用于放置待反应的晶圆104；至少两根进气管路，伸入至所述反应腔101，并与所述反应腔101相连通，以向所述反应腔101内通入反应气体，所述进气管路包括：至少一根第一进气管路1021，一端伸入至所述反应腔101内的第一高度，以向所述反应腔101的第一高度通入反应气体；至少一根第二进气管路1022，一端伸入至所述反应腔101内的第二高度，以向所述反应腔101的第二高度通入反应气体；每一进气管路表面都设置有一通孔组，包括至少两个通孔106，供反应气体流出。

在该具体实施方式中，反应气体既可以自伸入至反应腔101内的端口流入至所述反应腔101内，也可以自所述通孔106流入至所述反应腔101内，保证了反应气体的流量，从而保证了反应腔101内总是能处于反应气体较均匀的状态。并且，可通过设置至所述进气管路表面的通孔控制反应气体流进所述反应腔101时的方向，如设置成均朝所述反应腔101内放置晶圆104的区域设置，使反应气体水平的流出，与晶圆104反应。

该具体实施方式中的炉管通过设置在反应腔101外部的加热装置105实现温度控制，使反应腔101内温度达到预设要求，并通过具有不同高度的进气管路，在反应腔101内的不同高度通入反应气体，便于对反应腔101内不同高度的反应气体的浓度进行控制，保持反应腔101内各区域的反应气体浓度均匀，这样，当晶圆104在所述反应腔101内反应、形成膜层时，就减少了某处反应气体浓度较低、气体扰流导致膜层均匀性受影响的现象发生的概率。

在一种具体实施方式中，所述炉管还包括一主通气管路107，一端伸入所述反应腔101内，并设置于所述反应腔101底部，以向所述反应腔101底部通入反应气体，且所述主通气管路107所在的高度低于所述第一高度和第二高度。

在一种具体实施方式中，使用所述主通气管路107给所述炉管提供反应所需的大部分反应气体，使用所述进气管路给所述反应腔101内的不同高度提供补偿浓度用的反应气体。在该具体实施方式中，自所述主通气管路107流出的反应气体的量远大于自所述进气管路通入至所述反应腔101内的反应气体的量。

在一种具体实施方式中，所述进气管路是竖直方向的，长度方向垂直于水平面，同一通孔组内的各个通孔106并不设置在同一水平位置，而设置在所述进气管路表面的不同高度，对应至所述反应腔101内的不同高度，因此在对反应腔101内的气体浓度进行控制时，可以将反应腔101按高度分为更多段，实现更精确的控制。并且，在该具体实施方式中，所述反应腔101也是竖直放置的，反应腔101内的气体浓度从低到高依次减小，因此根据不同的高度对反应腔101内的反应气体的浓度进行不同的补偿，也是适应于反应腔101内反应气体的实际分布情况的。

在该具体实施方式中，通过设置不同尺寸的通孔106，来使通入至反应腔101内不同高度的反应气体补偿量不相同，适应于所述反应腔101内反应气体的具体分布情况。

在该具体实施方式中，所述通孔组内的各个通孔106尺寸沿第一方向逐渐增大，且所述第一方向为从所述进气管路底部指向所述进气管路顶部，这使得所述进气管路对反应腔101内不同高度的反应气体的补偿程度是从下往上依次增大的，符合反应气体浓度从反应腔101底部向所述反应腔101顶部逐渐下降的特征。

在一种具体实施方式中，各种进气管路的通孔组分别对所述反应腔101内的一段进行反应气体的补偿，并且不同种类的进气管路的通孔组在平行于所述进气管路的第一直线上的投影不重合，因此各个通孔106对反应气体的补偿是针对各自对应着的那一段的。

实际上，也可根据需要设置各段进气管路的通孔组所对应的反应腔101内的不同高度，后期可以通过控制各种进气管路的流量、流速等参数，来控制实际补偿到所述反应腔101内不同高度的反应气体的量。

在一种具体实施方式中，相邻两通孔106距离相等。具体的，一通孔组内的任一两相邻通孔106距离相等，这使得在对反应腔101内不同高度的气体进行控制时，可以对反应腔101按高度进行均等分割，使得更加便于用户对炉管内不同高度的反应气体的浓度进行控制。

在一种具体实施方式中，一个通孔组包括2至6个通孔106，一个通孔组的高度跨度为所述反应腔101高度的十六分之一至四分之一。在一种较佳的具体实施方式中，所述通孔组包括4个通孔106，一个通孔组的高度跨度为所述反应腔101高度的八分之一，既能保证一条进气管路补偿反应气体浓度的高度跨度，又能降低所述进气管路的生产难度：通孔106越多，越难以加工，并且各个通孔106的尺寸差距更难以控制。

在一种具体实施方式中，当所述通孔106为圆形通孔时，一个通孔组内通孔106的直径范围为2mm到5mm，实际上，可以根据需要设置一个通孔组内通孔106的尺寸范围。

在一种具体实施方式中，所述通孔组内的所有通孔106都位于同一直线上，且该直线与所述进气管路的长度方向平行。在一种具体实施方式中，所述通孔106均朝向同一方向设置，以将反应气体水平吹出。具体的，所述通孔106均朝向放置有晶圆104的位置，例如均朝向晶舟103设置。由于晶舟103上的晶圆104是水平放置的，朝向晶舟103设置的通孔106使得反应气体被通入到所述反应腔101时，通入方向是水平的，可以从晶圆104边缘直接被吹向晶圆104中心，使得晶圆104表面的反应气体浓度更均匀，晶圆104表面生成的膜层也更加均匀。

在该具体实施方式中，所述通孔106为圆形通孔106，实际上，所述通孔106的形状也可能为长方形、正方形、三角形等，并不以上述声明的圆形通孔106为限。

在一种具体实施方式中，位置最低的通孔106的高度为第四高度。在该具体实施方式中，由于当晶圆104放置到晶舟103上时，位置最低的晶圆104也与晶舟103的底部有一定的高度差，因此第四高度应当大于或等于该晶舟103上放置的晶圆104的最低高度，使得补偿的反应气体不会浪费。

在一种具体实施方式中，各进气管路表面设置通孔组均相同。这使得用户能够较方便的控制各根进气管路对反应腔101内的反应气体的补偿量：每一通孔组的各通孔106形状、尺寸已知，计算自该通孔106流出的反应气体的量时，只需要考虑各根进气管路内反应气体的流速和流量。

在一种具体实施方式中，所述进气管路的种类并不限于第一、二进气管路，还包括第三进气管路，一端伸入至所述反应腔101内的第三高度，以向所述反应腔101内的第三高度通入反应气体。设置多种进气管路，可以将所述反应腔101按高度划分成更多段，能够对某一段的反应气体的浓度进行更精确的控制。

实际上，所述进气管路还可能包括第四进气管路、第五进气管路、第六进气管路……，可根据需要设置所述进气管路的种类，且不同种类的进气管路伸入至所述反应腔101内的端口的高度不一。

在一种具体实施方式中，通入反应气体至各个高度的各种进气管路均只有一根，此时，各根进气管路贴近反应腔101壁设置，在所述反应腔101内放置有晶舟103时，所有进气管路与晶舟103中心的距离相同，环绕所述晶舟103设置。

实际上，各种进气管路的数目也可能大于一根。例如，每一种进气管路均有三根，将所述反应腔101内部等分为三份，以向所述反应腔101内的某一高度均匀的通入反应气体。

在一种具体实施方式中，各种进气管路的数目可能相同，也可能不同，但存在多根相同的进气管路时，同一种进气管路均匀分布于所述反应腔101内。

在一种具体实施方式中，位置最低的通孔106的高度为第四高度，这保证了对反应腔101内的气体浓度进行补充时，是从第四高度起开始补充的。这是由于，晶舟103本身是从一定高度往上才开始放置有晶圆104的，若进气管路伸入至所述反应腔101内的高度较低，是对晶舟103没有放置晶圆104的部分进行反应气体浓度的补偿时，会造成反应气体的浪费。

在一种具体实施方式中，在反应腔体中设置同一反应气体的三根进气管路。其中，第一进气管路伸入至反应腔体的第一高度，喷出反应气体的流量为a。第二进气管路伸入至反应腔体的第二高度，喷出反应气体的流量为b。第三进气管路伸入至反应腔体的第三高度，喷出反应气体的流量为c。且第一高度低于第二高度，第二高度低于第三高度。

当反应腔体的工艺制程温度从低温到高温转变时，由于温度升高，反应气体在晶圆上的反应速率更快，反应腔体从底部到顶部的膜层不均匀性增大。此时需要减小流量a，或者在流量a不变的情况下，相对增加流量b和流量c至流量b1和流量c1。当反应腔体温度从高温向低温转变时情况正好相反。

当反应腔体的工艺制程压力从高压到低压转变时，由于反应压力降低，反应气体在腔体中的扩散速率降低，反应腔体从底部到顶部的膜层不均匀性增大。此时需要调高减小流量a，或者在流量a不变的情况下，相对增加流量b和流量c至流量b2和流量c2。当反应腔体压力从低压向高压转变时情况正好相反。

请参阅以下实施例：

所述反应腔101内设置有多根长短不一的进气管路，以向所述反应腔101内的不同高度内通入反应气体，对不同高度的反应气体的浓度进行补偿，保证所述炉管内不同高度的反应气体的浓度一致。

该实施例中，所述进气管路表面还设置有通孔106，所述通孔106沿着所述进气管路的长度方向，从下到上尺寸依次增大，以对炉管内不同高度的反应气体做浓度补偿，使在使用所述炉管做膜层沉积时，不同高度放置的晶圆104所在的反应气体的浓度差异减小，以改善炉管不同位置晶圆104内的膜厚均匀性差异。

该实施例中，将晶圆104放入至晶舟103中，并将晶舟103放置到所述反应腔101内，在所述炉管内实现晶圆104表面氧化硅薄膜的沉积。

请参阅图4至图10，为晶圆104反应、沉积氧化硅薄膜的过程中各步骤的剖面示意图。

晶圆104反应、沉积氧化硅薄膜的过程中，包括以下步骤：

(1)在硅衬底上依次沉积栅极的氧化层(Gate OX)，栅极的抛光层(Gate poly)，钨层(W)，SiN层，并通过光刻，刻蚀等步骤形成如图4所述的凸型结构；

(2)依次在图4所示的凸型结构表面沉积氮化硅侧壁和氧化层侧壁，形成如图5一般的凸型结构；

(3)经过光刻，刻蚀等步骤形成如图6所示的结构，然后进行离子注入，形成轻掺杂漏区域(LDD，Lightly Doped Drain)，如图7所示；

(4)清洗晶圆104，并将晶圆104送入所述反应腔101内，所述反应腔101进行了抽压升温侧漏处理，使反应腔101内的气压为0.3torr～0.6torr，且所述反应腔101内设置有5根不同种类的进气管路，以向所述反应腔101内通入反应气体，即TEOS(正硅酸乙酯)，进行高温气体分解，在所述晶圆104表面生产氧化硅薄膜，如图8所示；

(5)经过离子刻蚀清洗形成图9所示结构，然后进行离子注入，形成源区和漏区，如图10所示，且所述氧化硅薄膜的厚度影响到了源漏区的距离。

在该实施例中，由于有所述进气管路对反应腔101内较高处的反应气体进行浓度的补偿，因此即使是放置在所述反应腔101内较高位置的晶圆104，表面的氧化硅薄膜的均匀性也比较好，这样，不管是反应腔101底部的晶圆104，还是反应腔101顶部的晶圆104，表面形成的氧化硅薄膜都具有较好的均匀性，改善炉管不同位置晶圆104内的膜厚均匀性差异，提高产品一致性和良率。

在该实施例中，所述反应腔101内的环境为：压强：150～700mtorr；温度630℃～700℃，在所述反应腔101内利用TEOS气体在晶圆104表面生成氧化硅薄膜的反应不限于TEOS高温分解和TEOS在O₂环境下高温分解。在营造所述反应腔101内的压强环境时，可以通过一连通至所述反应腔的抽真空泵108来实现对压强环境的调整。

请看图11，为本发明的一种具体实施方式中向炉管内通入反应气体的方法的流程示意图。

在该具体实施方式中，还提供了一种向炉管内通入反应气体的方法，包括以下步骤：S111将晶圆104放入晶舟103，并将晶舟103放入所述炉管的反应腔101内；S112向所述反应腔101内至少两个不同的高度通入反应气体。

该具体实施方式中的向炉管内通入反应气体的方法向反应腔101内的至少两个不同高度通入反应气体，便于对反应腔101内不同高度的反应气体的浓度进行控制，保持反应腔101内各区域的反应气体浓度均匀，这样，当晶圆104在所述反应腔101内反应、形成膜层时，就减少了某处反应气体浓度较低、气体扰流导致膜层均匀性受影响的现象发生的概率。

在该具体实施方式中，向所述反应腔101内至少两个不同的高度通入反应气体时，包括以下步骤：向所述反应腔101内底部通入反应气体；向所述反应腔101内第一高度和第二高度通入反应气体，所述第一高度和第二高度高于所述反应腔101的底部。

实际上，还向所述反应腔101内第三高度和第四高度通入反应气体，且通入反应气体时，通气方向水平。这是由于，晶舟103上的晶圆104是水平放置的，当反应气体的通入方向是水平时，可以从晶圆104边缘直接被吹向晶圆104中心，使得晶圆104表面的反应气体浓度更均匀，晶圆104表面生成的膜层也更加均匀。

在该具体实施方式中，所述反应腔101是竖直放置的，反应腔101内的气体浓度从低到高依次减小，因此根据不同的高度对反应腔101内的反应气体的浓度进行不同的补偿，也是适应于反应腔101内反应气体的实际分布情况的。因此，在该具体实施方式中，当所述第一高度低于所述第二高度时，自所述第一高度通入的反应气体的量少于自所述第二高度通入的反应气体的量。

在该具体实施方式中，当在多个不同高度上向所述反应腔101内通入反应气体时，随着高度的逐渐升高，被通入至所述反应腔101内的反应气体的量也会逐渐增多，以平衡更高处更低的反应气体浓度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种炉管，其特征在于，包括：

反应腔，用于放置待反应的晶圆；

至少两根进气管路，伸入至所述反应腔，并与所述反应腔相连通，以向所述反应腔内通入反应气体，所述进气管路包括：

至少一根第一进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第一高度，以向所述反应腔的第一高度通入反应气体；

至少一根第二进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第二高度，以向所述反应腔的第二高度通入反应气体；

每一进气管路表面都设置有一通孔组，包括至少两个通孔，供反应气体流出。

2.根据权利要求1所述的炉管，其特征在于，相邻两通孔距离相等，并朝向同一方向设置，以将反应气体水平吹出。

3.根据权利要求1所述的炉管，其特征在于，还包括第三进气管路，一端伸入至所述反应腔内的第三高度，以向所述反应腔内的第三高度通入反应气体。

4.根据权利要求1或3所述的炉管，其特征在于，同一种进气管路均匀分布于所述反应腔内。

5.根据权利要求1所述的炉管，其特征在于，所述通孔组内的所有通孔都位于同一直线上，且该直线与所述进气管路的长度方向平行。

6.根据权利要求5所述的炉管，其特征在于，所述通孔为圆形通孔，且所述通孔组内的各个通孔尺寸沿第一方向逐渐增大。

7.根据权利要求6所述的炉管，其特征在于，所述第一方向为从所述进气管路底部指向所述进气管路顶部，且位置最低的通孔的高度为第四高度。

8.根据权利要求1所述的炉管，其特征在于，各进气管路表面设置通孔组均相同。

9.根据权利要求1所述的炉管，其特征在于，还包括一主通气管路，一端伸入所述反应腔内，并设置于所述反应腔底部，以向所述反应腔底部通入反应气体，且所述主通气管路所在的高度低于所述第一高度和第二高度。

10.一种向炉管内通入反应气体的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将晶圆放入晶舟，并将晶舟放入所述炉管的反应腔内；

向所述反应腔内至少两个不同的高度通入反应气体。

11.根据权利要求10所述的向炉管内通入反应气体的方法，其特征在于，向所述反应腔内至少两个不同的高度通入反应气体时，包括以下步骤：

向所述反应腔内底部通入反应气体；

向所述反应腔内第一高度和第二高度通入反应气体，所述第一高度和第二高度高于所述反应腔的底部。

12.根据权利要求11所述的向炉管内通入反应气体的方法，其特征在于，还向所述反应腔内第三高度和第四高度通入反应气体，且通入反应气体时，通气方向水平。

13.根据权利要求12所述的向炉管内通入反应气体的方法，其特征在于，所述第一高度低于所述第二高度，自所述第一高度通入的反应气体的量少于自所述第二高度通入的反应气体的量。

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