硅外延材料制造過程中先進配套條件的研究

唐發(fā)俊，趙 揚，李明達，馬麗穎，王 楠*

(1. 中國電子科技集團公司第四十六研究所半導(dǎo)體材料硅外延部 天津300220；2. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津市材料復(fù)合與功能化重點實驗室 天津300350)

0 引 言

應(yīng)用于半導(dǎo)體元器件制造的硅外延材料發(fā)展到今天已將近 50年。為了適應(yīng)硅外延材料從小尺寸向大尺寸發(fā)展以及均勻性不斷改善的趨勢，其制造設(shè)備從早期的多片式外延爐向單片式外延爐發(fā)展[1]。與此同時，隨著對硅外延材料的材料純度以及生產(chǎn)穩(wěn)定性要求的不斷提高，涉及硅外延材料工藝制造的配套設(shè)施條件也經(jīng)歷了一定的發(fā)展。例如，氣體純化器、起泡器以及氣體流量補償器的應(yīng)用，有效提高了硅外延材料的質(zhì)量。

本文通過對氣體純化器、起泡器、氣體流量補償器等配套設(shè)施進行介紹，討論它們與硅外延材料質(zhì)量的關(guān)系。

1 配套設(shè)施

硅外延材料生長主要采用三氯氫硅(SiHCl3，Trichlorosilane，TCS)、氫氣、磷烷為原料，一般在1000～1200℃之間進行高溫分解[2]，其主要工藝流程如圖 1所示。TCS在常溫下為液體，向 TCS的儲存罐中通入氫氣后，TCS將溶解在氫氣中，由氫氣輸運入反應(yīng)腔體；另一路氫氣為主氫，主要用來運載工藝氣體和維持腔體壓力；由于硅外延生長以 N型為主，主要摻雜劑為磷烷，將磷烷和氫氣(含 TCS)混合后，輸入腔體(Chamber)中進行高溫分解，沉積在硅拋光片上形成硅外延生長；化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物將排入尾氣端(Exhaust)。

圖1 硅外延材料生長的主要工藝流程Fig.1 Flow chart of silicon epitaxy processing

1.1 氣體純化器

硅外延生長所采用的工藝氣體純度對材料的性能影響較大。例如，刻蝕氣體氯化氫(HCl)中如果含有金屬雜質(zhì)，將影響硅外延材料的純度，降低材料的性能。因此，通常對如氫氣和HCl等工藝氣體進行氣體純化。

圖2 氫氣氣體純化過程Fig.2 Purified process of hydrogen gas

以工業(yè)級氫氣為例，其純度為99.99%，其中含有少量的氧和水蒸氣，需要將其提純至 99.9999%才能滿足硅外延材料生長的需求。工業(yè)級氫氣通過氣體純化器變成高純氫氣的流程如圖 2所示。工業(yè)級氫氣經(jīng)過氣水分離器濾除液態(tài)水后進入脫氧器，游離水經(jīng)排水閥排出系統(tǒng)；在脫氧器中，氧和氫經(jīng)催化劑作用生成水，氧氣被去除，生成的水被氫氣帶出脫氧器，進入冷卻器，經(jīng)冷卻器冷凝后隨氫氣進入氣水分離器，液態(tài)水在氣水分離器內(nèi)被濾除并經(jīng)排水閥排出系統(tǒng)，含有飽和水蒸氣的氫氣則進入干燥器，氣態(tài)水在干燥器被分子篩吸附。高純度的氫氣流出干燥器，再經(jīng)氫氣過濾器，濾塵后最終獲得純度為 99.9999%的高純氫氣。

1.2 起泡器

硅外延材料生長過程中(圖 1)，由于 TCS的鼓泡過程(即 TCS溶解在通入的氫氣中)是吸熱反應(yīng)，會導(dǎo)致 TCS儲存罐(Tank)中的溫度降低。這會降低Tank中TCS的飽和蒸氣壓，從而使得TCS在氫氣中的溶解度降低，影響 TCS濃度。在接下來的硅外延生長過程中，會出現(xiàn)沉積速率不穩(wěn)定的現(xiàn)象，難以在生產(chǎn)中精確控制硅外延材料的穩(wěn)定性。

起泡器(Bubbler)的發(fā)明[3]，解決了以上問題，其系統(tǒng)如圖 3所示。首先，氫氣將儲存罐中的 TCS壓入起泡器中，達到設(shè)定的液位后會停止補液；接著，氫氣通入起泡器中，開始TCS鼓泡過程，為防止該過程導(dǎo)致起泡器內(nèi)溫度降低，起泡器的管壁設(shè)計為一個恒溫系統(tǒng)，外接恒溫循環(huán)水系統(tǒng)(Chiller)，盡可能保證起泡器內(nèi)的溫度為恒定值；最后，TCS將在恒溫條件下進行鼓泡，從而保證每次硅外延材料生長過程的穩(wěn)定性。

圖3 起泡器系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of bubbler system

1.3 氣體流量補償器

盡管起泡器系統(tǒng)能夠保證 TCS鼓泡過程在恒溫狀態(tài)下進行，但隨著硅外延生長過程的進行，起泡器中的 TCS不斷消耗造成整體液位降低，該現(xiàn)象會改變起泡器中TCS的飽和蒸氣壓，導(dǎo)致TCS在氫氣中的濃度降低，從而影響生產(chǎn)過程中硅外延材料的質(zhì)量穩(wěn)定性。

為了解決該問題，氣體流量補償器得以發(fā)展。以Veeco公司的 Piezocon系統(tǒng)(PZC)為例[4]，其工作原理如圖4所示。TCS在起泡器中鼓泡后，通過氣路進入濃度監(jiān)測器(PZC)，PZC監(jiān)測氫氣中TCS的濃度；隨著硅外延生長過程的進行，當氫氣中 TCS的濃度出現(xiàn)波動時，PZC控制器將會改變質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)的設(shè)定值(即氣體流量)，使得進入工藝腔體中的 TCS質(zhì)量輸運率(Mass Transfer Rate)為恒定值，從而保障硅外延生長的沉積速率為恒定值。

圖4 Piezocon氣體流量補償系統(tǒng)的工作原理Fig.4 Principle of Piezocon compensator system of gas flow

2 結(jié) 論

本文介紹了 3種可有效改善硅外延材料的配套設(shè)施：氣體純化器、起泡器和氣體流量補償器，并討論了它們與硅外延材料生長質(zhì)量的關(guān)系。氣體純化器和起泡器目前已廣泛應(yīng)用于硅外延工業(yè)制造中，以提高硅外延材料的質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性；氣體流量補償器由于成本較高，目前僅應(yīng)用于高端硅外延材料的制造中?！?/p>