專利名稱：加熱大氣反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加熱大氣反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在集成電路，例如內(nèi)存產(chǎn)品基板，的制造過(guò)程中，尤其是半導(dǎo)體晶圓，在高溫爐，稱為反應(yīng)器，內(nèi)被處理，以便沉積隔離，半導(dǎo)體或?qū)щ姴牧系膶印＿@些反應(yīng)器可同時(shí)適用于復(fù)數(shù)晶圓的處理。這些晶圓被放置于反應(yīng)器內(nèi)部之晶圓支撐上。此沉積反應(yīng)器，且因此該等晶圓被加熱至想要的溫度。通常，反應(yīng)物氣體經(jīng)過(guò)被加熱的晶圓，造成晶圓上之反應(yīng)材料之薄層的化學(xué)汽相沉積。或者是，穿過(guò)被加熱晶圓之反應(yīng)氣體將立即與基板材料反應(yīng)，在熱氧化的情況時(shí)。
圖1表示用于低壓化學(xué)汽相沉積處理之沉積反應(yīng)器之例。大量的晶圓(通常至少為100)被由晶圓載體承載，例如有槽的石英船，因此，由線連接氣體入口氣體出口所定義并與反應(yīng)器縱軸平行之氣體流動(dòng)方向與晶圓表面垂直。提供加熱裝置以便加熱反應(yīng)器至預(yù)定的溫度。當(dāng)達(dá)到預(yù)定溫度時(shí)，反應(yīng)氣體被導(dǎo)入沉積反應(yīng)器內(nèi)以便產(chǎn)生沉積效應(yīng)。依據(jù)習(xí)知技術(shù)方法，沉積反應(yīng)器在沉積期間維持固定的溫度。
為沉積硅氧化物，例如TEOS(Si(OC2H5)4)在700℃溫度以及40Pa的壓力下反應(yīng)。硅氮化物層可以藉由在700℃溫度以及40Pa的壓力下反應(yīng)SiH2Cl2與NH3而產(chǎn)生。
如已知，沉積的的速率依據(jù)沉積反應(yīng)器內(nèi)之沉積溫度及壓力而定。尤其是，較高的沉積溫度產(chǎn)生較高的沉積速率。因此，通常于平行氣體流動(dòng)的方向施加一溫度梯度以便補(bǔ)償反應(yīng)氣體于該方向之排除。因此，在反應(yīng)器氣體出口的溫度高于反應(yīng)器氣體入口的溫度。藉由測(cè)量，可以沉積同質(zhì)的層厚度于所有同時(shí)被處理的晶圓上。
然而，達(dá)成層厚度在平面上的均勻性是不可能的。尤其是，接近氣體出口之晶圓上的層傾向于呈現(xiàn)碗狀的形狀，于該形狀中晶圓邊緣的層厚度大于晶圓中間的層厚度。通常，邊緣的層厚度與中央層厚度之間的差異在平均200nm層厚度的情況下大約是10nm。另一方面，接近氣體入口之晶圓上的層厚度傾向于呈現(xiàn)枕頭形狀，其中在晶圓邊緣之層厚度比晶圓中央之層厚度小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的在于提供一種加熱大氣反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)及方法，藉由本發(fā)明改善沉積或氧化層厚度之平面均勻性。
依據(jù)本發(fā)明，以上目的藉由加熱大氣反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)而達(dá)成，其中復(fù)數(shù)晶圓與平行反應(yīng)器縱軸之反應(yīng)氣體流動(dòng)方向垂直，以便致能沉積或氧化處理，其中該加熱系統(tǒng)可用以改變處理過(guò)程中的反應(yīng)器溫度。
此外，以上目的藉由依據(jù)本發(fā)明藉由加熱大氣反應(yīng)器之方法而達(dá)成，其中復(fù)數(shù)晶圓與平行反應(yīng)器縱軸之反應(yīng)氣體流動(dòng)方向垂直，以便致能沉積或氧化處理，其中該加熱系統(tǒng)可用以改變處理過(guò)程中的反應(yīng)器溫度。
因?yàn)楸景l(fā)明之發(fā)明人發(fā)現(xiàn)沉積層的平面均勻度可以藉由改變沉積過(guò)程中的反應(yīng)器溫度而大幅改善。因此，反應(yīng)器溫度不再維持于固定的值而是被改變。例如，溫度可于任何想要的方式被降低，升高或改變。施加于反應(yīng)器所有區(qū)域的例示的溫度輪廓被表示于圖二及圖三。如圖二所示，溫度往下傾斜40K，而在圖三，于沉積期間，溫度在點(diǎn)A開(kāi)始而在點(diǎn)B結(jié)束，此溫度先向上傾斜60K，之后再向下傾斜60K。時(shí)間以任何單位(a.u.)表示。要說(shuō)明的是在本發(fā)明中沉積及氧化北交換。為沉積反應(yīng)而描述之本發(fā)明之特征可等效使用于氧化反應(yīng)。
依據(jù)較佳實(shí)施例，沉積(或氧化)反應(yīng)器沿著反應(yīng)氣體流動(dòng)方向被分為復(fù)數(shù)區(qū)域(通常是5個(gè))。加熱系統(tǒng)被分為數(shù)個(gè)加熱組件且每一加熱組件分別被控制，因此提供圖四所示之指示特定溫度組件之溫度對(duì)時(shí)間的不同溫度輪廓。加熱組件的數(shù)目可和該等區(qū)域的數(shù)目相同。如從圖四可見(jiàn)，在接近氣體出口之區(qū)域1中，溫度從790℃向下傾斜至710℃，在區(qū)域2的溫度從770℃向下傾斜至730℃，在區(qū)域3的溫度維持固定為750℃，在接近氣體輸入的區(qū)域4中的溫度從720℃向上傾斜至780℃。
通常，溫度在較接近氣體出口的三分之二的反應(yīng)器向下傾斜。較佳者，在較接近氣體出口之區(qū)域中沉積開(kāi)始的溫度與沉積結(jié)束的溫度差異比接近氣體入口之區(qū)域中的差異大。此外，溫度在最接近氣體入口之反應(yīng)器的第三區(qū)域中向上傾斜。在形成這些區(qū)域之間的邊界區(qū)域中，溫度在沉積期間維持固定。在沉積期間每一區(qū)域內(nèi)之溫度輪廓互相不同。至少一區(qū)域中的溫度輪廓依據(jù)預(yù)定的輪廓或速度隨著沉積時(shí)間變化。此溫度輪廓可以在任合一區(qū)域中為持固定，且必須在這些區(qū)域中的至少一個(gè)區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間變化。較佳者，二區(qū)域的溫度輪廓并無(wú)互相平行之行為。
藉由這些方法，可以依據(jù)依特定反應(yīng)器區(qū)域的位置變化的沉積狀態(tài)調(diào)整最佳溫度。尤其是，反應(yīng)氣體在沿著反應(yīng)氣體流動(dòng)方向而被排除。此外，在較接近反應(yīng)氣體出口之區(qū)域，反應(yīng)氣體也在平行晶圓表面方向中排除，因此反應(yīng)氣體幾乎在晶圓的中央排除。在接近氣體出口的區(qū)域中，尤其是位于反應(yīng)器較低的第三區(qū)域中，此效應(yīng)是較不重要的，因?yàn)樵谶@些區(qū)域中沿著反應(yīng)氣體流動(dòng)方向之反應(yīng)氣體的排除效應(yīng)并不強(qiáng)烈。
另一相關(guān)參數(shù)是在晶圓表面方向中的熱流。通常，熱藉由位于反應(yīng)器墻上的加熱螺線或加熱燈而被提供。因此，沉積反應(yīng)器之區(qū)域的特定區(qū)度與晶圓邊緣溫度有關(guān)。此外，在大多數(shù)的一般使用的沉積反應(yīng)器中，在最接近氣體入口的位置上，在不再有晶圓的位置上提供多余的加熱組件。因此，在最接近氣體入口的區(qū)域中，熱不僅從晶圓編緣產(chǎn)生效果，也從晶圓中央產(chǎn)生效果。因此，依據(jù)特定的區(qū)域位置，不同加熱情況將流行。
尤其是，在非最接近氣體入口的區(qū)域中，晶圓邊緣的溫度與晶圓中央的溫度不同。因此，藉由降低反應(yīng)器的溫度，一均勻的加熱量可沿晶圓表面而被達(dá)成。
另一方面，在最接近氣體入口的區(qū)域中，熱不僅如以上所述地從邊緣產(chǎn)生效果。因此，藉由提高反應(yīng)器在沉積期間的溫度，均勻的熱量可沿晶圓表面達(dá)成。
本發(fā)明的效果可進(jìn)一步被改善，如果區(qū)域的溫度輪廓適當(dāng)?shù)卦O(shè)定使鄰近區(qū)域的溫度輪廓在沉積處理期間不互相交叉。詳細(xì)地說(shuō)，應(yīng)該避免一區(qū)域的溫度提高，如果相鄰區(qū)域的溫度在同時(shí)間是較低的，以便使區(qū)域之間有害的熱流降至最小。
有害的熱流可被壓抑，如果沉積處理在所有區(qū)域中在相同溫度終止。
因?yàn)椴煌某练e反應(yīng)器需要不同的加熱情況，可以執(zhí)行一校正，當(dāng)一批新的晶圓已經(jīng)被處理時(shí)。因此，在沉積結(jié)束之后，晶圓的每一區(qū)域被評(píng)估，例如使用橢面儀(ellipsometer)。之后，基于所獲得的測(cè)量結(jié)果，反應(yīng)器區(qū)域的加熱情況可為下一次沉積處理而被設(shè)定。如果沉積的層呈現(xiàn)碗狀，沉積啟始溫度與沉積結(jié)束溫度之間的差異于該特定的區(qū)域內(nèi)必須增加，相反地，如果沉積層呈現(xiàn)枕頭狀，沉積啟始溫度與沉積結(jié)束溫度之間的差異于該特定的區(qū)域內(nèi)必須降低。
為了沉積相同的厚度在所有區(qū)域中的晶圓上，較佳情況是每一區(qū)域中之隨時(shí)間變化的溫度的平均值從最接近氣體出口之區(qū)域至最接近氣體入口的區(qū)域下降。例如，區(qū)域1呈現(xiàn)平均溫度800℃，區(qū)域2呈現(xiàn)平均溫度790℃，區(qū)域3呈現(xiàn)平均溫度780℃，區(qū)域4呈現(xiàn)平均溫度770℃，而區(qū)域5呈現(xiàn)平均溫度760℃。這是比較好的，當(dāng)溫度在所有區(qū)域中均等改變時(shí)，例如下降一特定量，上升一特定量或以任何方式改變，或當(dāng)每一區(qū)域的溫度輪廓以不同的方式改變時(shí)。
綜合言之，本發(fā)明提供以下優(yōu)點(diǎn)沉積層的平面均勻度大幅被改善。尤其是，在晶圓邊緣的厚度及中央的厚的差最多達(dá)到4nm，如果層厚度的平均值達(dá)到200nm。
如一般已知，藉由提高沉積反應(yīng)器中的壓力，沉積速率可以被提高。然而，高的壓力將造成極不同質(zhì)的層。藉由依據(jù)本發(fā)明額外調(diào)整溫度，層的同構(gòu)型將被改善。因此，當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于在上升壓力的沉積處理時(shí)，沉積速率上升，且同時(shí)，可維持層品質(zhì)在同構(gòu)型方面的品質(zhì)。
本發(fā)明可應(yīng)用于所有低壓化學(xué)汽相沉積處理。其尤其可適用于硅氮化物，硅氧化物之沉積(TEOS處理及熱氧化)，堆積氧化物(TEAS處理)以及多晶硅層。北發(fā)明有益的效果在30nm的層厚度變得尤其明顯。如果層厚度較小，此優(yōu)點(diǎn)變得較明顯。
本發(fā)明將參照所附圖式結(jié)合沉積而被詳細(xì)說(shuō)明，雖然本發(fā)明包括氧化處理。


圖1表示可被用以執(zhí)行本發(fā)明之CVD反應(yīng)器；圖2、3及4表示施加至沉積反應(yīng)器之溫度輪廓之例；圖5表示代表依據(jù)實(shí)施例及比較例之被沉積之層的均勻度的測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
在圖1，參考標(biāo)號(hào)1代表沉積反應(yīng)器，其中發(fā)生低壓化學(xué)汽相沉積且其被實(shí)施為一批次(batch)爐。參考標(biāo)號(hào)2代表輸入一或更多反應(yīng)氣體至沉積反應(yīng)器用之氣體入口，參考標(biāo)號(hào)3表示排除反應(yīng)氣體用之氣體出口。如所見(jiàn)，反應(yīng)氣體流動(dòng)方向平行于反應(yīng)器的縱軸。參考標(biāo)號(hào)4指示用以盛載復(fù)數(shù)晶圓(通常在100與150之間)之晶圓載體，而參考標(biāo)號(hào)5表示加熱沉積反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)。
此反應(yīng)器可被分為5區(qū)域，區(qū)域1至區(qū)域5，其中區(qū)域1是最接近氣體出口的區(qū)域，而區(qū)域5是最接近氣體入口的區(qū)域。在圖一，參考標(biāo)號(hào)6指示區(qū)域1，而參考標(biāo)號(hào)7指示區(qū)域5。
在本實(shí)施例中，一焊點(diǎn)氮化物層將被沉積于硅晶圓上。之后，定義DRAM胞元之儲(chǔ)存電容用的溝槽被蝕刻至這些區(qū)域中。
在導(dǎo)入晶圓至沉積反應(yīng)器中之后，反應(yīng)器被抽空，且其溫度被提升。通常，反應(yīng)器被維持在大約650℃的等待溫度，因此該溫度將依據(jù)所選擇的反應(yīng)情況而被提升大約100℃至250℃。一達(dá)當(dāng)想要的真空程度之后，第一反應(yīng)氣體被輸入反應(yīng)器中。在本情況中，480sccm(standard cubic centimeters pre second，每秒標(biāo)準(zhǔn)立方公分)流體速率的NH3被輸入反應(yīng)器中。一當(dāng)達(dá)成想要的沉積溫度之后，第二反應(yīng)氣體，其為120sccm流動(dòng)速率之SiH2Cl2，被輸入反應(yīng)器內(nèi)，因此沉積反應(yīng)將開(kāi)始。典型的沉積反應(yīng)器內(nèi)部壓力為14.63Pa(110mTorr)。
沉積開(kāi)始的溫度以及沉積期間的溫度輪廓依據(jù)以下范例及比較范例變化。因?yàn)闇囟容喞贿x擇，所以區(qū)域1之平均溫度為800℃，區(qū)域2為790℃，，區(qū)域3為780℃，，區(qū)域4為770℃，，區(qū)域5為760℃，沉積速率為2nm/min。
此層在厚度平均值200nm于100分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)沉積。
范例1反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之820℃，區(qū)域2之790℃，區(qū)域3之780℃，區(qū)域4之770℃，，區(qū)域5之760℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在所有區(qū)域被向下傾斜40K。
范例2反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之840℃，區(qū)域2之830℃，區(qū)域3之820℃，區(qū)域4之810℃，，區(qū)域5之800℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在所有區(qū)域被向下傾斜80K。
范例3反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之840℃，區(qū)域2之830℃，區(qū)域3之820℃，區(qū)域4之790℃，，區(qū)域5之760℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在區(qū)域1至3被向下傾斜80K，在區(qū)域4被向下傾斜40K，在區(qū)域5維持固定。
范例4反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之840℃，區(qū)域2之830℃，區(qū)域3之810℃，區(qū)域4之790℃，區(qū)域5之750℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在區(qū)域1，2被向下傾斜80K，在區(qū)域3被向下傾斜60K，在區(qū)域4被向下傾斜40K，在區(qū)域5被向上傾斜20K。
范例5反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之840℃，區(qū)域2之830℃，區(qū)域3之820℃，區(qū)域4之740℃，區(qū)域5之740℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在區(qū)域1至3至被向下傾斜80K，在區(qū)域4被向下傾斜30K，在區(qū)域5被向上傾斜40K。
范例6反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之840℃，區(qū)域2之832℃，區(qū)域3之820℃，區(qū)域4之790℃，區(qū)域5之734℃。在沉積期間，反應(yīng)器溫度在區(qū)域1至被向下傾斜82K，在區(qū)域2被向下傾斜84K，在區(qū)域3被向下傾斜80K，在區(qū)域4被向下傾斜40K，在區(qū)域5被向上傾斜52K。
比較范例反應(yīng)器被設(shè)定為區(qū)域1之800℃，區(qū)域2之790℃，區(qū)域3之780℃，區(qū)域4之770℃，區(qū)域5之760℃。在沉積期間，溫度在所有區(qū)域維持固定。
當(dāng)沉積反應(yīng)完成后，反應(yīng)氣體的流動(dòng)被中斷且反應(yīng)器以例如氮，被沖洗。
之后，沉積層品質(zhì)被測(cè)量如下。決定每一范例及比較范例之從基于晶圓表面上之13測(cè)量點(diǎn)之層厚度平均值之標(biāo)準(zhǔn)偏移，且由均勻度sigma％表示的結(jié)果如下表所示

范例1，2，5及比較范例所產(chǎn)生的結(jié)果說(shuō)明于圖五。
如從表中可見(jiàn)，所有的范例提供區(qū)域1至4中具有改善的平面均勻度的層厚度，而僅有范例5，6提供區(qū)域5中之均勻度改善。
然而，因?yàn)樵谡Ｊ褂玫某练e反應(yīng)器中，最接近氣體入口之區(qū)域5的晶圓乘載器的位置以及最接近氣體出口之區(qū)域1的晶圓乘載器的位置由未被用于晶圓制造的啞晶圓所占據(jù)，區(qū)域5之平面均勻度的惡化對(duì)芯片制造而言關(guān)系很小。
綜合言之，本發(fā)明提供范例1至4之改善的結(jié)果以及范例5及6之優(yōu)良的結(jié)果。
參考標(biāo)號(hào)表1 沉積反應(yīng)器2 氣體入口3 氣體出口4 晶圓盛載器5 加熱系統(tǒng)6 第一區(qū)域7 第二區(qū)域
權(quán)利要求
1.一種加熱大氣反應(yīng)器(1)之加熱系統(tǒng)(5)，其中復(fù)數(shù)晶圓被保持在垂直與該反應(yīng)器(1)之縱軸平行之反應(yīng)氣體流動(dòng)方向，因此致能一沉積處理或一氧化處理，特征在于該加熱系統(tǒng)(5)系適用于改變沉積處理期間的之該反應(yīng)器溫度。
2.如權(quán)利要求1之加熱系統(tǒng)(5)，特征在于其包括復(fù)數(shù)對(duì)應(yīng)該反應(yīng)器于平行該反應(yīng)氣體流動(dòng)方向被分割之復(fù)數(shù)反應(yīng)器區(qū)域之加熱組件，其中每一區(qū)域之該加熱組件適用于提供指示此特定區(qū)域相對(duì)于時(shí)間之溫度的不同溫度輪廓。
3.如權(quán)利要求2之加熱系統(tǒng)(5)，特征在于最接近用以輸入一或更多反應(yīng)氣體至反應(yīng)器(1)中之氣體入口(2)之區(qū)域(7)之加熱組件適用于提供溫度于處理期間上升之溫度輪廓，其中接近用以排除來(lái)自反應(yīng)器(1)之反應(yīng)氣體之氣體出口(3)之區(qū)域之加熱組件適用于提供溫度于處理期間下降之溫度輪廓。
4.如申請(qǐng)專利范圍第3項(xiàng)之加熱系統(tǒng)(5)，特征在于接近氣體輸出(3)之區(qū)域之該加熱組件適用于提供溫度輪廓，其中在較接近氣體出口之區(qū)域內(nèi)之處理啟始溫度與處理結(jié)束溫度之間的差異大于較接近氣體入口之區(qū)域內(nèi)的差異。
5.如權(quán)利要求2至4任一項(xiàng)之加熱系統(tǒng)(5)，特征在于該加熱系統(tǒng)適用于提供溫度輪廓，因此鄰近區(qū)域之溫度輪廓在處理期間不互相交叉。
6.如權(quán)利要求5之加熱系統(tǒng)(5)，特征在于該等加熱組件適用于提供制程的相同結(jié)束溫度。
7.一種加熱大氣反應(yīng)器(1)之方法，其中復(fù)數(shù)晶圓被保持在垂直與該反應(yīng)器之縱軸平行之反應(yīng)氣體流動(dòng)方向，因此致能一沉積處理或一氧化處理，特征在于該反應(yīng)器溫度于沉積處理期間被改變。
8.如權(quán)利要求7之加熱反應(yīng)器(1)之方法，特征在于該反應(yīng)器于平行該反應(yīng)氣體流動(dòng)方向被分割為復(fù)數(shù)反應(yīng)器區(qū)域，其中每一區(qū)域在指示此特定區(qū)域相對(duì)于時(shí)間之溫度的不同溫度輪廓上被加熱。
9.如權(quán)利要求8之加熱反應(yīng)器(1)之方法，特征在于在最接近用以輸入一或更多反應(yīng)氣體至反應(yīng)器(1)中之氣體入口(2)之區(qū)域(7)內(nèi)的溫度輪廓中，該溫度于處理期間上升，因此于接近用以排除來(lái)自反應(yīng)器(1)之反應(yīng)氣體之氣體出口(3)之區(qū)域之溫度輪廓中，該溫度于處理期間下降。
10.如權(quán)利要求9之加熱反應(yīng)器(1)之方法，特征在于其中該等區(qū)域之溫度輪廓中，較接近氣體輸出(3)之區(qū)域內(nèi)之處理啟始溫度與處理結(jié)束溫度之間的差異大于較接近氣體入口之區(qū)域內(nèi)的差異。
11.如權(quán)利要求8至10任一項(xiàng)之加熱反應(yīng)器(1)之方法，特征在于該溫度輪廓使鄰近區(qū)域之溫度輪廓在處理期間不互相交叉。
12.如權(quán)利要求11之加熱反應(yīng)器(1)之方法，特征在于該溫度輪廓使制程在每一區(qū)域中之結(jié)束溫度相同。
全文摘要
本發(fā)明提供一種加熱沉積/氧化反應(yīng)器之加熱系統(tǒng)，其中復(fù)數(shù)晶圓被維持與平行反應(yīng)器縱軸之反應(yīng)氣體流動(dòng)方向垂直，以便致能沉積或氧化反應(yīng)。此加熱系統(tǒng)適用于改變處理期間的反應(yīng)器溫度。此外，本發(fā)明提供一種加熱反應(yīng)器之方法，其中復(fù)數(shù)晶圓被維持與反應(yīng)氣體流動(dòng)方向垂直，以便能一致反應(yīng)，其中該反應(yīng)器溫度在處理期間被改變。較佳者，反應(yīng)器在平行反應(yīng)氣體流動(dòng)方向被分割為復(fù)數(shù)反應(yīng)器區(qū)域之每一區(qū)域在不同的溫度輪廓被加熱。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1559079SQ02808170
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者H·伯恩哈德特, T·塞德曼恩, M·斯塔德特米勒, H 伯恩哈德特, 侶, 綠孛桌 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)Sc300兩合公司, Asml美國(guó)股份有限公司