CN117581346A - 具有活性蒸汽产生的快速热处理(rtp)腔室的选择性氧化 - Google Patents
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Abstract
在本文中提供了用于与快速热处理(RTP)***一起使用的气体分配模块及其使用方法的实施方式。在一些实施方式中，用于与RTP腔室一起使用的气体分配模块包含：流体耦接至混合器的第一载气管线和第一液体管线，所述混合器具有一个或多个控制阀，且被配置为将来自第一载气管线的载气和来自第一液体管线的液体以期望的比例混合以形成第一混合物；汽化器，所述汽化器耦接至混合器且被配置为在中空内部容积中接收第一混合物，所述汽化器具有被配置为使第一混合物汽化的加热器；以及第一气体输送管线，所述第一气体输送管线设置在汽化器与RTP腔室之间以将汽化的第一混合物输送至RTP腔室。
Description
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及基板处理设备。
背景技术
硅的氧化是集成电路(IC)制造中的一项基本技术。先进的集成电路的制造需要许多的处理步骤，其中氧化硅的薄膜在硅或多晶硅结构上生长。对于某些应用而言，氧化过程必须是选择性的，使得包含金属的其他的材料不被氧化。最常见的硅的氧化方法依赖于在O2、H2O/H2、H2O/O2、O2/H2或其组合的环境中的热处理。用于在IC制造中提供硅氧化过程的硬件通常包含热处理腔室。蒸汽氧化过程通常比湿式氧化过程和干式氧化过程更快地促进氧化物生长。然而，传统的蒸汽氧化过程无法提供对于氧化物的生长速率、均匀性、选择性以及保形性的良好控制。
因此，发明人已经提供了用于在基板上存在有金属的情况下进行非金属选择性氧化的改进装置和方法。
发明内容
在本文中提供了用于与快速热处理(RTP)***一起使用的气体分配模块及其使用方法的实施方式。在一些实施方式中，用于与快速热处理(RTP)腔室一起使用的气体分配模块包含：流体耦接至混合器的第一载气管线和第一液体管线，所述混合器具有一个或多个控制阀，且被配置为将来自第一载气管线的载气和来自第一液体管线的液体以期望的比例混合以形成第一混合物；汽化器，所述汽化器耦接至混合器且被配置为在中空内部容积中接收第一混合物，所述汽化器具有被配置为使第一混合物汽化的加热器；以及第一气体输送管线，所述第一气体输送管线设置在汽化器与RTP腔室之间以将汽化的第一混合物输送至RTP腔室。
在一些实施方式中，快速热处理(RTP)***包含：RTP腔室，所述RTP腔室具有用于支撑基板的基板支撑件和用于加热基板的辐射热源；气体分配模块，所述气体分配模块包含：混合器，所述混合器具有一个或多个控制阀，且被配置为将水和载气以期望的比例混合以形成第一混合物；汽化器，所述汽化器耦接至混合器且被配置为在中空内部容积中接收第一混合物，所述汽化器具有被配置为使第一混合物汽化成蒸汽的加热器；以及第一气体输送管线，所述第一气体输送管线设置在汽化器与RTP腔室之间以将汽化的第一混合物输送至RTP腔室；供水源，所述供水源耦接至混合器以向混合器提供水；以及载气供应源，所述载气供应源耦接至混合器以向混合器提供载气。
在一些实施方式中，在非金属表面上进行选择性氧化过程的方法包含：在混合器中将载气与液体以期望的比例混合以形成第一混合物；使第一混合物流动至汽化器以使第一混合物汽化；以及经由气体输送管线将汽化的第一混合物输送至RTP腔室，以将设置在RTP腔室中的基板暴露于汽化的第一混合物中，从而在约500℃至约1100℃的温度下于基板上进行选择性氧化过程。
在下文中描述了本公开内容的其他和另外的实施方式。
附图说明
可以通过参照附图中描绘的本公开内容的说明性实施方式来理解上文中简要概括且下文中详细讨论的本公开内容的实施方式。然而，附图仅说明本公开内容的典型实施方式，因而并不认为是限制其范围，对于本公开内容而言，可允许其他的等效实施方式。
图1示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理***的示意图。
图2示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理***的示意图。
图3示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理腔室的示意性的侧视图。
图4示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理腔室的示意性的俯视截面图。
图5示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的在非金属表面上进行选择性氧化过程的方法。
为了便于理解，在可能的情况中，已经使用相同的附图标记来指定附图中共用的相同元件。这些附图并不是按照比例来绘制的，并且为了清楚起见可以进行简化。一个实施方式的元件和特征可有利地并入其他的实施方式中，而无需进一步的详述。
具体实施方式
在本文中提供的装置和方法涉及一种快速热处理(RTP)***，该快速热处理(RTP)***使用一种或多种汽化混合物来促进RTP腔室中的非金属表面的选择性氧化。RTP***包含经配置以形成一种或多种汽化混合物的气体分配模块。气体分配模块一般包含相应的混合器和汽化器以形成一种或多种汽化混合物。在一些实施方式中，汽化混合物中的一种或多种可包含与蒸汽混合的载气(例如，氢气)。因此，在本文中提供的RTP***有利地允许将蒸汽直接注入RTP腔室中。汽化混合物中的一种或多种包含活性气体，该活性气体可用于硅的选择性氧化或用于金属氧化物致密化。在RTP腔室中进行处理期间，可以将一种或多种汽化混合物加热到高温(>500℃)。在处理期间，RTP腔室可以加压至高压(>100托)。气体分配模块控制输送至RTP腔室的一种或多种汽化混合物的组成(例如，载气蒸汽比)和流率，以提供用于氧化物生长速率、均匀性、选择性以及保形性的调节旋钮。
图1示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理(RTP)***100的示意图。RTP***100一般包含耦接至气体分配模块102的RTP腔室104，该气体分配模块用于向RTP腔室104提供一种或多种汽化混合物。液体源112和载气源122耦接至气体分配模块102。在一些实施方式中，液体源112包含水(例如去离子水)，或任何其他合适的液体。在一些实施方式中，载气源122主要包含氢气、氩气、氮气或氘气。
液体源112经由第一液体管线114流体耦接至气体分配模块102。载气源122经由第一载气管线124流体耦接至气体分配模块102。第一质量流量控制器142(MFC)可以沿着第一液体管线114设置，以控制液体到气体分配模块102的流量。第二MFC 144可以沿着第一载气管线124设置，以控制载气到气体分配模组102的流量。在一些实施方式中，可以每分钟约1加仑至约5加仑的速度来提供液体。在一些实施方式中，可以每分钟约10公升至约30公升的速度来提供载气。
气体分配模块102一般包含混合器110和汽化器120，混合器110耦接至第一液体管线114和第一载气管线124，汽化器120耦接至混合器110。混合器110被配置为将来自液体源112的液体和来自载气源122的载气以期望的比例混合以形成第一混合物。耦接至混合器110的汽化器120经配置以在中空内部容积108中接收第一混合物。汽化器120经配置以使第一混合物汽化成例如气态混合物，该气态混合物包含蒸汽和来自载气源122的载气。
在一些实施方式中，混合器110包含一个或多个控制阀116，且被配置为将来自第一载气管线124的载气和来自第一液体管线114的液体以期望的比例混合以形成第一混合物。在一些实施方式中，混合器110包含混合块126，该混合块具有流体耦接至第一液体管线114的第一入口128和耦接至第一载气管线124的第二入口130。在一些实施方式中，第一入口128和第二入口130延伸至混合器110的混合管线132。混合器110包含出口134。在一些实施方式中，混合块126包含出口134，并且出口134从混合管线132延伸至混合块126的外侧壁。在一些实施方式中，出口134所延伸至的混合块126的外侧壁设置为面向汽化器120。在一些实施方式中，一个或多个控制阀116耦接至混合管线132，并且经配置以控制第一混合物通过出口134的流动。
在一些实施方式中，混合器110包含一个或多个加热元件136。在一些实施方式中，一个或多个加热元件136设置在混合块126中。在一些实施方式中，一个或多个加热元件136设置在混合管线132下方的混合块126中。在一些实施方式中，一个或多个加热元件136被配置为将第一混合物加热至约100℃至约150℃的温度。
汽化器120包含汽化加热器106，该汽化加热器经配置以使第一混合物汽化成例如蒸汽。在一些实施方式中，汽化器120包含入口138，该入口流体耦接至混合器110的出口134。在一些实施方式中，入口138可直接耦接至出口134，以减少或防止当第一混合物从混合器110流向汽化器120时第一混合物的热损失。在一些实施方式中，导管可以设置在混合器110的出口134与汽化器120的入口138之间。在一些实施方式中，在出口134和入口138之间的导管可以被加热至约100℃至约150℃。
在一些实施方式中，入口138延伸至汽化器120的中空内部容积108。在一些实施方式中，汽化器120包含出口140，该出口从与入口138相对的中空内部容积108的一侧延伸。在一些实施方式中，汽化器120包含围绕中空内部容积108设置的汽化器块115。在一些实施方式中，中空内部容积108、入口138以及出口140形成在汽化器块115中。在一些实施方式中，汽化加热器106设置在汽化器块115中。汽化加热器106可经配置以将第一混合物加热至约120℃至约200℃的温度。在一些实施方式中，中空内部容积108的横截面面积从入口138向出口140增加，以适应第一混合物汽化时发生的膨胀。
汽化器120的出口140流体耦接至设置在汽化器120与RTP腔室104之间的第一气体输送管线150，以将汽化的第一混合物输送至RTP腔室104。在一些实施方式中，第一气体输送管线150包含加热器套，以将汽化的第一混合物保持在约60℃至约120℃的温度。
RTP腔室104(如下文中更详细描述的)一般包含用于支撑基板的基板支撑件118和用于加热基板的辐射热源160。RTP腔室104经配置以经由热处理来进行选择性氧化过程，而不包括等离子体源(例如，远程等离子体源)。RTP腔室104可被配置为在处理期间在约500℃至约1100℃的温度范围内加热基板。RTP腔室104可在处理期间加压至约100托至约600托的高压。
图2示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的快速热处理***100的示意图。在一些实施方式中，气体分配模块102包含多个混合器和多个相关联的汽化器。多个混合器可有利地允许提供给RTP腔室104的气体混合物的不同组成、气体混合物的不同载气蒸汽比等。例如，如图2所示，气体分配模块102还包含第二混合器210和第二汽化器220，第二混合器210被配置为将来自液体源112的液体和来自载气源122的载气以期望的比例混合以形成第二混合物，第二汽化器220被配置为使第二混合物汽化。第二汽化器220经由第二气体输送管线250流体耦接至RTP腔室104，以用于将汽化的第二混合物输送至RTP腔室104。在一些实施方式中，第二混合器210和第二汽化器220可与上文中相关于图1描述的混合器110和汽化器120类似。
如图2所示，液体源112和载气源122在混合器110和第二混合器210之间是共用的，从而允许混合器110和第二混合器210有利地为第一混合物和第二混合物提供不同的载气液体比，以控制氧化物生长速率、均匀性、选择性以及保形性。在这些实施方式中，第二载气管线224可从第一载气管线124延伸至第二混合器210。第二液体管线214可从第一液体管线114延伸到第二混合器210。在其他的实施方式中，混合器110和第二混合器210可流体耦接至不同的液体源和载气源，或相同的液体源但不同的载气源，以向RTP腔室104提供不同的气体混合物。例如，多个载气源可提供两种不同的反应气体、一种反应气体和一种净化气体等。第三MFC 242可沿着第二液体管线214设置，以控制液体向第二混合器210的流量。第四MFC 244可沿着第二载气管线224设置，以控制载气向第二混合器210的流量。
第一液体管线114可包含在第一MFC 142上游处的第一控制阀202，以控制向第一MFC 142的流动。第一载气管线124可包含在第二MFC 144上游处的第二控制阀204，以控制向第二MFC 144的流动。第二液体管线214可包含在第三MFC 242上游处的第三控制阀206，以控制向第三MFC 242的流动。第二载气管线224可包含在第四MFC 244上游处的第四控制阀208，以控制向第四MFC 244的流动。
图3示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的RTP腔室104的示意性的侧视图。RTP腔室104一般包含腔室主体320和窗口322，腔室主体320具有第一部分321和第二部分323，窗口322设置在腔室主体320的第一部分321上。腔室主体320和窗口322限定其中的处理容积301。灯组件316设置在窗口322上。灯组件316可以是图1的辐射热源160。灯组件316包含外壳354和形成在外壳354中的多个开口352。多个灯346设置在外壳354中，并且每个灯346设置在相应的开口352内。灯346经由多个电插座348连接至电源控制器376。在操作期间，多个灯346通过窗口322朝设置在RTP腔室104中的基板332发射辐射，以将基板332加热至预定温度。预定温度的范围可为约20℃至约1500℃,例如，约500℃至约1000℃。
窗口322一般由对处理环境具有耐受性并且对所需辐射具有透射性的任何材料制成。例如，由于石英对红外光是透明的，因此石英通常用于窗口322。其他合适的材料可包含但不限于蓝宝石。在另外的示例中，窗口322可选择地在窗口322的一侧或两侧上涂覆有抗反射涂层或任何其他合适的滤色器。
气体输送口380形成在腔室主体320的第一部分321中。气体输送口380流体耦接至第一气体输送管线150，以用于将第一混合物引入处理容积301中。在操作期间，真空泵384通过形成在腔室主体320的第一部分221中的排气口386以抽气的方式来抽空RTP腔室104。在一些实施方式中，设置在排气口286和真空泵284之间的阀388可用于控制RTP腔室104内的压力。在一些实施方式中，第二真空泵390连接至灯组件216以控制在灯组件216内的压力。在灯组件316内的压力由阀394控制。
在一些实施方式中，通道324形成在腔室主体320中，并且转子326设置在通道324中。通道324可以是环形的。在一些实施方式中，通道324定位成与腔室主体320的第二部分323相邻。RTP腔室104还包含可旋转的基板支撑件118。在一些实施方式中，基板支撑件118设置在通道324中。在一些实施方式中，边缘环330设置在用于支撑基板332的基板支撑件118上。在一些实施方式中，屏蔽件327设置在腔体320的第二部分323上并围绕边缘环330以提供转子盖。基板支撑件118由具有高耐热性的材料(例如，黑色石英)制成。在一些实施方式中，基板支撑件118是圆柱体。
在一些实施方式中，基板332(例如硅基板)在操作期间设置在边缘环330上。在一些实施方式中，定子391位于腔室主体320外部与转子326轴向对齐的位置。在一些实施方式中，定子391是磁性定子，转子326是磁性转子。在操作期间，转子326旋转，进而旋转基板支撑件118、边缘环330以及基板332。
为了冷却边缘环330，冷却构件343可设置在腔室底部325上，并且靠近边缘环330。在一些实施方式中，冷却构件343与腔室底部325直接接触。边缘环330的厚度可以被过度指定以提供额外的热质量。这样的边缘支撑件可以作为散热器，其有助于避免在基板332的边缘处的过热。腔室底部325包含通道337，该通道形成在腔室底部325中以供冷却剂流过其中。在一些实施方式中，冷却剂是水。冷却构件343可由具有高导热率的材料(诸如金属(例如，铝))制成。在一些实施方式中，冷却构件343包含凹部333，该凹部形成在与腔室底部325接触的表面中。净化气体可以从净化气体源329流动通过腔室底部325，并通过冷却构件343的凹部333，从而为边缘环330提供对流冷却。净化气体可以是氦气、氮气或其他的合适的气体。
在一些实施方式中，反射板345设置在腔室底部325上，并且被冷却构件343包围。反射板345包含第一多个开口331和第二多个开口334。多个举升销336延伸穿过第二多个开口334。腔室底部325包含第一多个开口335和第二多个开口338。第一多个开口335中的每个开口与第一多个开口331中的相对应的开口对齐，并且第二多个开口338中的每个开口与第二多个开口334中的相对应的开口对齐。
RTP腔室104可进一步包含具有多个热检测器的检测组件368。多个热检测器被配置为经由第一多个开口331来测量基板332上的温度分布。温度分布可传送至电源控制器376，并且响应于测量的温度分布，电源控制器376控制提供给灯346的功率。
图4示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的RTP腔室104的示意性的俯视截面图。RTP腔室104还包含狭缝阀310，该狭缝阀用于将基板传入和传出RTP腔室104的内部容积。在一些实施方式中，排气口386设置在RTP腔室104的与狭缝阀310相对的一侧上。在一些实施方式中，RTP腔室104包含在RTP腔室104的侧壁上的与第一气体输送管线150相对应的气体输送口380。在一些实施方式中，RTP腔室104包含在RTP腔室104的侧壁上的与第二气体输送管线250相对应的第二气体输送口404。在一些实施方式中，如图4所示，气体输送口380和第二气体输送口404设置在RTP腔室104的同一侧壁上。在一些实施方式中，气体输送口380设置为与排气口386正交。
图5示出了根据本公开内容的至少一些实施方式的在非金属表面上进行选择性氧化过程的方法500。例如，在硅或氧化物基板上进行选择性氧化过程。在502处，该方法包含在混合器(例如，混合器110)中将载气与液体以期望的比例混合以形成第一混合物。在一些实施方式中，载气是氢气、氮气、氩气或氘气中的一种或多种。在一些实施方式中，第一混合物在混合器中通过一个或多个加热元件(例如，一个或多个加热元件136)来加热。例如，液体可以是水。
在504处，该方法包含使第一混合物流动至汽化器(例如，汽化器120)以使第一混合物汽化。汽化器包含汽化加热器106以使第一混合物汽化。在506处，该方法包含经由气体输送管线(例如，第一气体输送管线150)将汽化的第一混合物输送至RTP腔室(例如，RTP腔室104)，以将设置在RTP腔室中的基板(例如，基板332)暴露于汽化的第一混合物中，从而在约500℃至约1100℃的温度下于基板上进行选择性氧化过程。在一些实施方式中，选择性氧化过程选择性地使硅氧化，或使氧化铝致密化。在一些实施方式中，该方法包含将气体输送管线加热至约60℃至约120℃。在一些实施方式中，在RTP腔室中于约100托至约600托的压力下进行选择性氧化过程。在一些实施方式中，从混合器至RTP腔室连续地加热第一混合物。
在一些实施方式中，方法500包含在第二混合器(例如，第二混合器210)中将第二载气与第二液体以期望的比例混合以形成第二混合物，并使第一混合物流动至第二汽化器(例如，第二汽化器)以使第二混合物汽化。汽化的第二混合物可经由第二气体输送管线(例如，第二气体输送管线250)输送至RTP腔室，以在基板上进行选择性氧化过程。
在一些实施方式中，除非另有说明，否则本文使用的术语“约”可在所述值的15％以内。虽然以上所述涉及本公开内容的实施方式，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设想本公开内容的其他和另外的实施方式。
Claims (20)
1.一种用于与快速热处理(RTP)腔室一起使用的气体分配模块，包含：
流体耦接至混合器的第一载气管线和第一液体管线，所述混合器具有一个或多个控制阀，且被配置为将来自所述第一载气管线的载气和来自所述第一液体管线的液体以期望的比例混合以形成第一混合物；
汽化器，所述汽化器耦接至所述混合器且被配置为在中空内部容积中接收所述第一混合物，所述汽化器具有被配置为使所述第一混合物汽化的加热器；以及
第一气体输送管线，所述第一气体输送管线设置在所述汽化器与所述RTP腔室之间以将汽化的所述第一混合物输送至所述RTP腔室。
2.根据权利要求1所述的气体分配模块，进一步包含：
流体耦接至第二混合器的第二载气管线和第二液体管线，所述第二混合器被配置为将来自所述第二载气管线的第二载气和来自所述第二液体管线的液体以期望的比例混合以形成第二混合物；
第二汽化器，所述第二汽化器具有中空内部容积和被配置为使所述第二混合物汽化的汽化加热器；以及
第二气体输送管线，所述第二气体输送管线流体耦接至所述汽化器和所述RTP腔室，用于将汽化的所述第二混合物输送至所述RTP腔室。
3.根据权利要求1所述的气体分配模块，其中混合器包含混合块，所述混合块具有用于所述第一液体管线且延伸进入混合管线的第一入口、用于所述第一载气管线且延伸进入所述混合管线的第二入口、以及用于所述第一混合物且从所述混合管线延伸的出口。
4.根据权利要求3所述的气体分配模块，其中所述混合器包含设置在所述混合块中的加热器。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的气体分配模块，进一步包含第一载气源，所述第一载气源耦接至所述第一载气管线，其中所述第一载气源主要由氢气、氮气、氩气或氘气组成。
6.根据权利要求1-4中任何一项所述的气体分配模块，其中所述汽化器包含延伸至所述中空内部容积的入口和从所述中空内部容积延伸的出口，并且其中所述中空内部容积的横截面面积从所述入口朝向所述出口增加。
7.根据权利要求1-4中任何一项所述的气体分配模块，其中所述第一气体输送管线包含加热器套，所述加热器套被配置为将所述第一气体输送管线保持在约60℃至约120℃的温度。
8.一种快速热处理(RTP)***，包含：
RTP腔室，所述RTP腔室具有用于支撑基板的基板支撑件和用于加热所述基板的辐射热源；以及
根据权利要求1-4中任意一项所述的气体分配模块，其中所述气体分配模块的所述第一气体输送管线设置在所述汽化器与所述RTP腔室之间以将汽化的所述第一混合物输送至所述RTP腔室。
9.根据权利要求8所述的RTP***，进一步包含：
供水源，所述供水源耦接至所述混合器以向所述混合器提供水；以及
载气供应源，所述载气供应源耦接至所述混合器以向所述混合器提供所述载气。
10.根据权利要求8所述的RTP***，其中所述RTP腔室包含在所述RTP腔室的侧壁上的与所述第一气体输送管线相对应的气体输送口。
11.根据权利要求8所述的RTP***，其中所述RTP***不包含远程等离子体源。
12.根据权利要求8所述的RTP***，其中所述第一气体输送管线包含加热器套。
13.根据权利要求8所述的RTP***，其中所述汽化器包含围绕所述中空内部容积设置的汽化器块，并且其中所述汽化器的所述加热器设置在所述汽化器块中。
14.根据权利要求8所述的RTP***，其中所述RTP腔室进一步包含：狭缝阀，所述狭缝阀用于将所述基板传入和传出所述RTP腔室的内部容积；以及排气口，所述排气口设置在所述RTP腔室的与所述狭缝阀相对的一侧上。
15.一种在非金属表面上进行选择性氧化过程的方法，包含：
在混合器中将载气与液体以期望的比例混合以形成第一混合物；
使所述第一混合物流动至汽化器以使所述第一混合物汽化；以及
经由气体输送管线将汽化的所述第一混合物输送至RTP腔室，以将设置在所述RTP腔室中的基板暴露于汽化的所述第一混合物中，从而在约500℃至约1100℃的温度下于所述基板上进行选择性氧化过程。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述载气是氢气、氮气、氩气或氘气中的一种或多种。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包含：将所述气体管线加热至约60℃至约120℃。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在所述RTP腔室中于约100托至约550托的压力下进行所述选择性氧化过程。
19.根据权利要求15-18中任何一项所述的方法，进一步包含：
在第二混合器中将第二载气与第二液体以期望的比例混合以形成第二混合物；
使所述第一混合物流动至第二汽化器以使所述第二混合物汽化；以及
经由第二气体输送管线将汽化的所述第二混合物输送至所述RTP腔室，以在所述基板上进行所述选择性氧化过程。
20.根据权利要求15-18中任何一项所述的方法，其中所述选择性氧化过程选择性地使硅氧化，或使氧化铝致密化。
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