超高真空化學氣相澱積外延系統的製作方法

2023-09-23 17:14:30

專利名稱：超高真空化學氣相澱積外延系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於生長超大規模集成電路薄膜材料技術領域，特別涉及半導體異質結和超晶格薄膜材料的生長方法和系統的設計與製造。
外延生長半導體異質結和超晶格薄膜材料可用多種方法，但目前主要是分子束外延(MBE)和化學氣相外延(CVD)兩種。
分子束外延(MBE)實際上是一種超高真空蒸發方法，系統真空度高達10-11Torr，生長時一般為10-9Torr，從而保證原子級清潔的生長表面，生長溫度一般為400-750℃，生長速度可控制在1-10/sec.，但MBE設備不僅價格昂貴，而且維護費用高、操作複雜，生產效率低，不利於工業化應用。特別是在生長Si1-xGex應變層時，Si、Ge的蒸氣壓很低，必須專門配備電子束蒸發器來獲得Ge、Si源束流。
化學氣相澱積(CVD)是利用分解反應在半導體片表面澱積薄膜的技術。但傳統的常壓CVD(AP-CVD)澱積溫度高，澱積速率快，不能用於量子尺寸的應變層異質外延。近年來發展起來的低壓CVD(LP-CVD)反應氣壓在10- 3Torr，利用Si或Ge烷類的熱分解在生長表面上澱積Si1-xGex/Si薄膜等。由於該技術具有設備結構不太複雜，維護使用方便，設備與生產成本低、原位氣相摻雜簡便、生長效率高，因此具有廣闊的應用前景。
現有的紅外加熱超高真空化學氣相外延系統主要採用條形燈光作為輻射熱源，已有的這種外延系統典型結構如

圖1所示圖1中生長室11為直徑7cm石英玻璃管，外環放置15支1kw碘鎢燈12，燈管後有反光板13，生長室內有樣品架14，樣品架上放置矽片112，熱電偶15用來測量矽片溫度，Ar+射頻濺射清洗電極16，具有閥門和質量流量控制器的氣源系統17，接口18聯至抽真空系統，19為真空計，閥門111聯接在生長室11出氣口與尾氣處理系統之間。
這種CVD系統仍存在許多問題，其中最主要的是採用條形燈光加熱半導體襯底片，溫度不夠均勻，從而影響了外延生長的薄膜厚度的均勻性，因而仍不能滿足UHV/CVD外延生長的要求。
本發明的目的在於為克服上述系統的不足之處，研製出一種超高真空化學氣相澱積(UHV/CVD)外延系統。該系統具有加熱溫度均勻，可外延大面積厚度均勻的半導體片，且低成本、高效率，易於工業實用化批量生產等特點。
本發明所研製的UHV/CVD系統，包括外延生長室及其加熱裝置，予處理裝片室，氣路系統，熱電偶與光測高溫計，加熱電源，高真空機組抽氣系統，以及計算機自動控制系統；其特徵在於所說的加熱裝置由固定在該外延生長室外側的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板構成。
本發明所說的外延生長室可由水冷雙層不鏽鋼圓外腔及設置在其中的圓形或扁平矩形石英反應內腔構成；該石英反應腔內設置有石英樣品架。該石英腔兩端靠密封圈與外腔兩端的水冷法蘭內側連接，為保證扁平石英腔不為大氣壓力壓爆，內腔與外腔的壓力必須始終保持平衡。該外腔一端水冷法蘭外側與予處理裝片室連接，另一端水冷法蘭外側與高真空機組系統接口相連。
所說的水冷雙層圓形不鏽鋼外腔內可由石英隔板將加熱腔、外延生長腔隔開，加熱腔中與所說的石英隔板相對位置安裝有石墨加熱器，加熱腔中的石墨加熱器發出的紅外光透過石英隔板均勻加熱外延生長腔中的樣片，石英板靠密封圈達到真空密封。
所說的予處理裝片室可由不鏽鋼真空腔，等離子體清洗裝置，不鏽鋼片託，磁傳動式送片機構組成，該裝片室一端與水冷法蘭連接處安裝有一個不鏽鋼隔離門，在石英腔外延生長時，該隔離門要關閉，以保證生長室的超高真空和形成平行半導體片表面的均勻反應氣流；另一端與磁傳動送片機構相連；而前面與機械手相連。
所說的磁傳動取送片機構可由不鏽鋼圓筒及其內外側互相吸引的磁缸組成，筒外側磁缸在絲槓帶動下運動時，由磁力吸引內磁缸推動放置半導體片的不鏽鋼片託。由機械手或人工將半導體片放在不鏽鋼片託上後，第一次進入石英反應腔時，可自動將矽片放到石英腔生長室內的石英樣品架上；而第二次進入石英腔生長室時，又可自動將外延生長完的矽片取出。
所說的熱電偶和光測高溫計可同時測量襯底半導體片或石墨板加熱器的溫度，由計算機控制加熱電源的輸出功率達到調節所需的襯底片溫度。整個系統的磁傳動取送片機構、反應腔與裝片室間的隔離門、石墨板電阻加熱器，氣路系統的質量流量控制器、真空機組的機械泵、分子泵等的工作狀態均可按照要求選擇不同參數，通過計算機軟硬體自動控制完成。
本發明的工作過程是為了使外延生長室--石英反應腔內獲得超高本底真空，外延生長前關閉石英反應腔與裝片室間的隔離門。系統採用三組高真空機組(分子泵與機械泵)分別對石英反應腔、外腔、予處理裝片室抽真空。由於石英反應內腔與外腔之間由密封圈隔離，內腔的真空度會提高至10-8-10-9Torr。然後打開隔離門，磁傳動送片機構將予處理過的半導體片送入石英腔內並放在石英樣品架上，送片機構退回裝片室，關上隔離門。當石英反應腔抽到極限真空、石墨板電阻加熱器達到設定溫度後，計算機工作程序打開反應氣體、摻雜氣體、載氣相對應的質量流量控制器兩邊的電磁閥，由質量流量計控制通入反應腔的各種氣體流量，從而在襯底半導體片表面澱積外延出各種薄膜。
本發明由於採用石墨作為輻射熱源；可選用尺寸大於矽片的單塊或上下兩塊相距很近的平行石墨板加熱矽片；石墨板周圍放置紅外反射板，可將大部分能量反射回來。為減少石墨出氣，石墨板也可外包碳化矽薄膜。因此本發明不僅可以延長加熱器使用壽命，而且加熱溫度更加均勻，從而保證了外延生長的薄膜厚度均勻。
此外，本發明可採用小體積扁平矩形石英反應腔作為外延生長室，半導體片對著氣流斜放在石英腔內石英樣品架上，因而流過半導體片表面的氣流十分均勻，生長的薄膜厚度一致。可採用光測高溫計與熱電偶同時測量半導體片和石墨板的溫度，以確保測溫準確和控溫響應及時。本系統還可安裝機械手，從而可以避免在換片過程裝片室暴露大氣，大大提高生產效率和改善裝片室真空、潔淨。
附圖簡要說明圖1為已有的一種LP-CVD外延系統典型結構示意圖。
圖2為本發明的UHV/CVD外延系統實施例一總體結構示意圖。
圖3為實施例一的外延生長室結構示意圖。
圖4為本發明的UHV/CVD外延系統實施例二總體結構示意圖。
圖5為本發明的UHV/CVD外延系統實施例三總體結構示意圖。
本發明設計出UHV/CVD外延系統的三種實施例，其結構如圖2-圖5所示，分別詳細說明如下實施例一總體結構如圖2所示，它包括如下組成部分由扁平矩形石英反應腔(內腔)21，石墨板電阻加熱器22和外腔23組成的外延生長室；由不鏽鋼真空腔24，等離子體清洗裝置25，不鏽鋼片託26，磁傳動式送片機構27組成的裝片室；由氣源瓶、不鏽鋼減壓閥、不鏽鋼氣體管路、質量流量控制器、H2純化器等組成的氣路系統28；由分子泵與機械泵機組分別對生長室、裝片室、外腔抽真空的真空機組29；尾氣處理裝置30，以及由計算機軟硬體、測溫計、電源等組成的控制系統210等部分組成。
外延生長室是本發明的核心部分，由雙腔體組成，其結構如圖3所示。內腔體包括矩形石英反應內腔21、矽片211、石英樣品架212、固定在石英反應腔外表面的開槽石墨板電阻加熱器22、進氣口221以及反射板219。內腔體石英腔21兩端通過密封墊圈固定在外腔體兩端的水冷法蘭213、214上。石英腔21右邊與裝片室連接，石英腔與裝片室間安有隔離門；左邊與高真空機組分子泵連通。
外腔體包括雙層圓形不鏽鋼水冷外爐殼23，反射屏220和兩端水冷法蘭213、214。右法蘭與裝片室固定，左法蘭與高真空分子泵機組固定。左法蘭上還引出加熱石墨板的水冷電極215、216，測量石墨板溫度的熱電偶218引出端。外爐體上端安裝光測高溫計217可同時測量石墨板和半導體片溫度，確保溫度測量準確。
利用該系統已經實現了Si基上的Si的低溫外延，SiGe/Si外延等，外延層均勻性好，過渡區窄，晶體完整，本底雜質濃度小於5×1014cm-3。在500℃～850℃範圍生長出質量完好的GeSi/Si異質結構材料，Ge組分在0～0.6之間連續可調。
該系統的指標為1．生長溫度範圍500～1000℃連續可調2．溫控精度＜±3℃3．溫度均勻性＜±1％4．外延生長室本底真空＜1×10-6pa5．工作氣壓10-1Pa-100Pa範圍連續可調6．外延生長速率可調，典型值為1/sec.。
7．反應氣路7路，具有質量流量控制器，內拋光不鏽鋼管道8．矽片尺寸φ100mm9．計算機全自動控制，並具各種安全保護功能該系統可適用於1．外延生長鍺矽異質結材料2．低溫外延矽材料3．生長各種量子阱，超晶格結構本發明的兩種改進實施方案如圖4、圖5所示。
實施例二總體結構如圖4，它可以是兩腔、三腔和四腔UHV/CVD外延系統，圖4示出四腔系統。每個腔與實施例一的結構基本相同，其不同之處為，在外腔23內上下平行設置兩個石英內腔31和32，石墨板電阻加熱器34、35、36分別作為上、下腔的加熱熱源，223為內旋轉門，224為裝片室抽氣口，225為真空管道，226為插板閥，227為壓力調節器。裝片室內安裝有三維真空伸縮式機械手37，可隨時從四個腔中取放半導體片。該方案的特徵在於兩腔可分別摻雜N型、P型雜質，避免N、P型雜質互相補償帶來的問題。該發明可大大提高生長效率，更適合工業化大批量生產。
實施例三總體結構如圖5所示。該外延系統水冷雙層圓形不鏽鋼外腔內設置石英隔板44，靠密封圈隔開上下兩部分分別做為加熱腔41和外延生長腔45。加熱腔41中有石墨板電阻加熱器42，反射板415，由分子泵系統47單獨抽真空。外延生長腔45中有樣片43，樣品架416，測溫計417，上端有氣源系統410的氣路入口，下端由分子泵系統48單獨排氣，右端通過插板閥411與預處理裝片室414相連，裝片室414內有片盒和等離子體清洗裝置412，其右端與機械手413聯接。該實施例的特徵在於樣片由石墨板電阻加熱器產生的紅外光透過石英隔板均勻加熱，結構更加緊湊，也可方便改變成多外延生長腔結構。
權利要求
1．一種超高真空化學氣相澱積外延系統，包括外延生長室及其加熱裝置，予處理裝片室，磁傳動傳送片機構，氣路系統，熱電偶與光測高溫計，加熱電源，高真空機組抽氣系統，尾氣處理裝置以及計算機自動控制系統；其特徵在於所說的加熱裝置由固定在該外延生長室外側的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板組成。
2．如權利要求1所說的外延系統，其特徵在於，所說的外延生長室由水冷雙層不鏽鋼圓外腔及設置在其中的扁平矩形石英反應內腔構成，該石英反應腔內設置有石英樣品架，該石英腔兩端靠密封圈與外腔兩端的水冷法蘭內側連接，該外腔的一端水冷法蘭外側與所說的予處理裝片室連接，另一端水冷法蘭外側與所說的高真空機組抽氣系統接口相連。
3．如權利要求1所述的外延系統，其特徵在於，所說的水冷雙層圓形不鏽鋼外腔內由石英隔板將加熱腔、外延生長腔隔開，加熱腔中與所說的石英隔板相對位置安裝有石墨加熱器，石英板靠密封圈達到真空密封。
4．如權利要求1所說的外延系統，其特徵在於，所說的予處理裝片室由不鏽鋼真空腔，等離子體清洗裝置，不鏽鋼片託，磁傳動式送片機構組成，該裝片室一端與水冷法蘭連接處安裝有一個不鏽鋼隔離門。
5．如權利要求4所說的外延系統，其特徵在於，所說的磁傳動取送片機構是由不鏽鋼圓筒及其內外側互相吸引的磁缸組成。
6．如權利要求1所說的外延系統，其特徵在於，所說的外延生長室由在外腔內上下平行設置兩個石英內腔構成。
7．如權利要求1所說的外延系統，其特徵在於，所說的予處理裝片室兩端分別對稱連接兩個外延生長室，所說的外延生長室由在外腔內上下平行設置兩個石英內腔構成。
全文摘要
本發明屬於生長超大規模集成電路薄膜材料技術領域,包括外延生長室及其加熱裝置,預處理裝片室,磁傳動傳送片機構,氣路系統,熱電偶與光測高溫計,加熱電源,高真空機組抽氣系統,尾氣處理裝置以及計算機自動控制系統;加熱裝置由固定在該外延生長室外側的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板組成。本發明具有加熱溫度均勻,可外延大面積厚度均勻半導體片,且低成本、高效率,易於工業實用化批量生產等特點。
文檔編號C23C16/54GK1224085SQ9811171
公開日1999年7月28日 申請日期1998年12月25日 優先權日1998年12月25日
發明者錢佩信, 林惠旺, 梁聚寶, 劉榮華, 韓勇, 金曉軍, 羅廣禮, 陳培毅, 陳必賢, 白玉琦 申請人:清華大學