CN104250725B - 预沉积工艺、扩散工艺及扩散设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种预沉积工艺、扩散工艺及扩散设备,其中,预沉积工艺用于在衬底表面沉积扩散所需的扩散源薄膜,包括步骤S1:按预定顺序先后向扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向扩散腔室通入吹扫气体,吹扫气体为不与前驱体发生反应的气体,并且,进行上述步骤至少一次。本发明提供的预沉积工艺,其不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域,具体涉及一种预沉积工艺、扩散工艺及扩散设备。
背景技术
在半导体器件的制备工艺中,通常需要在硅衬底中掺杂P型或者N型杂质来形成PN结,扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。在太阳能电池工业中,由于N型晶体硅相对P型晶体硅具有少子寿命长的优势,因此常采用扩散的方法向N型晶体硅内掺杂P型杂质(例如,硼)以形成发射极(PN结)。
图1为现有的扩散设备。请参阅图1,扩散设备包括扩散腔室10和进气单元,其中,在扩散腔室10内放置有多个衬底S;进气单元包括载气源、前驱体源、载气管路11和前驱体支路12,载气源用于提供不与前驱体发生反应的载气体,以使载气体携带前驱体通入至扩散腔室10内,每个前驱体源用于向扩散腔室10内提供工艺所需的一种前驱体;载气管路11的两端分别与载气源和扩散腔室10连通,前驱体支路12的数量与前驱体源的数量一一对应,前驱体支路12的两端分别与载气管路11和与该前驱体支路12相对应的前驱体源连通,并且,在载气管路11和前驱体支路12上均设置有控制阀13,用于控制载气管路11和前驱体支路12的连通与断开。
下面对采用上述扩散设备对衬底S进行扩散工艺的具体过程进行详细描述。具体地,该扩散工艺具体包括预沉积工艺和高温扩散工艺,其中,预沉积工艺的工作过程为:将扩散腔室10内的衬底S加热至500℃左右;打开控制阀13,以使由载气源提供的载气携带每个前驱体源提供的前驱体同时通入扩散腔室10内,以在衬底S的表面上沉积扩散源薄膜,例如,载气体为N2,前驱体源为硼酸三甲酯(B(CH3O)3),该前驱体硼酸三甲酯(B(CH3O)3)在衬底S的表面上发生受热分解反应生成三氧化二硼(B2O3),再将衬底S加热至900℃左右,以使衬底S表面上的三氧化二硼(B2O3)与衬底S发生反应生成硼原子,即,扩散源薄膜;高温扩散工艺的工作过程为:将扩散腔室10内的衬底S加热至更高的温度(大于900℃),以实现将沉积在衬底S表面上的扩散源薄膜(硼原子)高温推进至衬底S中。
上述扩散工艺在实际应用中不可避免地存在以下问题,即:由于将扩散工艺所需的一种或者多种前驱体同时通入扩散腔室10内进行反应,以生成扩散所需的扩散源薄膜,这使得前驱体之间的反应没有自限制性,导致无法对沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度进行控制,从而造成无法控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度;而且,由于前驱体在工艺过程中的无规则流动,还导致了衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性较差,从而造成图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量较差。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题,提供了一种预沉积工艺、扩散工艺及扩散设备,其不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
本发明提供一种预沉积工艺,用于在衬底表面沉积扩散所需的扩散源薄膜,包括步骤S1:按预定顺序先后向扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向所述扩散腔室通入吹扫气体,所述吹扫气体为不与所述前驱体发生反应的气体;并且,进行上述步骤至少一次。
其中,在所述步骤S1之前,还包括下述步骤S0:向所述扩散腔室通入吹扫气体。
其中,在所述步骤S1中,借助载气携带每种前驱体通入所述扩散腔室;所述载气为不与所述前驱体发生反应的气体。
其中,所述载气包括氮气或者惰性气体。
其中,在所述步骤S1中,所述吹扫气体包括氮气或者惰性气体。
其中,在所述步骤S1之前,对所述衬底加热至100~200℃。
其中,在所述步骤S1之后,对所述衬底加热至700~900℃。
本发明还提供一种扩散工艺,所述扩散工艺包括预沉积工艺,用于在衬底的表面上沉积扩散所需的扩散源薄膜,所述预沉积工艺采用上述本发明提供的所述预沉积工艺。
其中,还包括高温扩散工艺,用于将沉积在所述衬底表面上的扩散源薄膜扩散至所述衬底内。
本发明还提供一种扩散设备,用于对衬底进行扩散工艺,包括扩散腔室和进气单元,所述进气单元用于按预定顺序先后向所述扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向所述扩散腔室通入吹扫气体,所述吹扫气体为不与所述前驱体发生反应的气体。
其中,所述进气单元包括前驱体源、吹扫气源、载气管路和前驱体支路,其中,所述吹扫气源用于向所述扩散腔室提供吹扫气体;所述前驱体源的数量为两个以上,每个所述前驱体源用于向所述扩散腔室提供一种前驱体;所述载气管路的数量与所述前驱体源的数量一一对应,每个所述载气管路的两端分别与所述吹扫气源和所述扩散腔室相连通;所述前驱体支路的数量与所述载气管路的数量一一对应,所述前驱体支路的两端分别与所述载气管路和与该载气管路相对应的前驱体源相连通;在每个所述前驱体支路上设置有第一控制阀,用以接通或断开所述前驱体支路。
其中,所述进气单元还包括吹扫管路,所述吹扫管路的两端分别与所述吹扫气源和所述扩散腔室连通,并且在所述吹扫管路上设置有第二控制阀,用以接通或断开所述吹扫管路。
其中,还包括控制单元,所述控制单元用于控制两种以上的前驱体以预设频率,且按预定顺序先后向所述扩散腔室通入。
本发明具有下述有益效果:
本发明提供的预沉积工艺,其按预定顺序先后向扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向扩散腔室通入不与前驱体发生反应的吹扫气体。由于每进行一次预沉积工艺就会在衬底表面上生成一个原子层厚度的扩散源薄膜,因而通过控制上述步骤的循环次数,可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,且控制精度可达原子层量级,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度;而且,由于本发明提供的预沉积工艺是一种基于有序、表面自限制性反应的原子层沉积方法,这可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
本发明提供的扩散工艺,其采用本发明提供的预沉积工艺,其不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
本发明提供的扩散设备,其采用本发明提供的扩散工艺,其不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
附图说明
图1为现有的扩散设备;
图2为本发明第一实施例提供的预沉积工艺的流程图;
图3为本发明第一实施例提供的扩散工艺的流程图;
图4为本发明第一实施例提供的扩散设备的结构简图;
图5为图4中第一控制阀的等效结构示意图;
图6为前驱体和吹扫气体通入扩散腔室的顺序时序图;以及
图7为进气单元的另一种结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明提供的预沉积工艺、扩散工艺及扩散设备进行详细描述。
图2为本发明第一实施例提供的预沉积工艺的流程图。请参阅图2,该预沉积工艺用于在衬底表面沉积扩散所需的扩散源薄膜,其包括步骤S1:按预定顺序先后向扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向扩散腔室通入吹扫气体,其中,吹扫气体为不与前驱体发生反应的气体;并且,进行上述步骤至少一次。
下面举例说明上述预沉积工艺的具体过程。具体地,前驱体包括前驱体1A和前驱体1B,其包括以下工序:
工序1,向扩散腔室内通入前驱体1A,以在衬底表面沉积一个原子层厚度的前驱体1A薄膜;
工序2,向扩散腔室内通入吹扫气体,以吹扫衬底表面,用以清除残留在扩散腔室内的前驱体1A;
工序3,向扩散腔室内通入前驱体1B,前驱体1B与前驱体1A薄膜发生反应,以在衬底表面上形成一个原子层厚度的扩散所需的扩散源薄膜;
工序4,向扩散腔室内通入吹扫气体,以吹扫衬底表面,用以清除残留在扩散腔室内的前驱体1B。
在完成上述四个工序之后,根据扩散所需的扩散源薄膜的厚度,重复上述工序1至工序4,以实现重复沉积一个原子层厚度的扩散源薄膜,直至衬底表面上沉积的扩散源薄膜的厚度达到工艺所需,则完成预沉积工艺。
在实际应用中,吹扫气体包括氮气或者惰性气体。
在本实施例中,在上述步骤S1之前,还包括下述步骤S0:向扩散腔室通入吹扫气体,用以对扩散腔室内的吹扫,清除扩散腔室内的其他气体,防止其他气体与前驱体反应,从而对预沉积工艺产生影响。
优选地,在上述步骤S1中,借助载气携带每种前驱体通入扩散腔室;载气为不与前驱体发生反应的气体,其中,载气包括氮气或者惰性气体。在实际应用中,具体可以根据前驱体的性质、工艺环境等因数,考虑是否需要借助载气携带前驱体通入扩散腔室。
在本实施例中,在上述步骤S1之前,对衬底加热至100~200℃,例如,前驱体1A为水(H20),前驱体1B为三溴化硼(BBr3),在预沉积工艺过程中,可完成2BBr3+3H2O→B2O3+6HBr反应,在衬底的表面上沉积三氧化二硼(B2O3)薄膜,这与现有技术中在工艺之前需要对衬底加热至500℃以上相比,可以减少加热功率的损耗,从而可以降低工艺成本。
在本实施例中,在上述步骤S1之后,对衬底加热至700~900℃,在该温度下,在衬底的表面上生成三氧化二硼(B2O3)与衬底发生2B2O3+3Si=4B+3SiO2反应生成硼原子,即,扩散源薄膜。
本实施例提供的预沉积工艺,其按预定顺序先后向扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向扩散腔室通入不与前驱体发生反应的吹扫气体。由于每进行一次预沉积工艺就会在衬底表面上生成一个原子层厚度的扩散源薄膜,因而通过控制上述步骤的循环次数,可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,且控制精度可达原子层量级,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度;而且,由于本发明提供的预沉积工艺是一种基于有序、表面自限制性反应的原子层沉积方法,这可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
图3为本发明第一实施例提供的扩散工艺的流程图。请参阅图3,本实施例提供的扩散工艺包括预沉积工艺,其中,预沉积工艺采用上述实施例提供的预沉积工艺。
在本实施例中,扩散工艺还包括高温扩散工艺,用于将在预沉积工艺过程中沉积在衬底表面上的扩散源薄膜扩散至衬底内。
本实施例提供的扩散工艺,其采用上述实施例提供的预沉积工艺,不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
图4为本发明第一实施例提供的扩散设备的结构简图。图6为前驱体和吹扫气体通入扩散腔室的顺序时序图。请一并参阅图4和图6,本实施例提供的扩散设备用于对衬底进行扩散工艺,其包括扩散腔室100和进气单元。其中,扩散腔室100内设置有承载一个或者多个衬底S的承载舟20,承载舟20上的多个衬底S沿通入扩散腔室100内的前驱体的流动方向间隔排列,在扩散腔室100的外周壁上环绕设置有加热丝30,用以对衬底S加热至工艺所需的温度;并且,在扩散腔室100的腔室壁上还设置有装卸口40和排气口50,装卸口40用于供衬底S传入和传出扩散腔室100;排气口50与真空泵60相连通,真空泵60经由排气口50将扩散腔室100内的气体排出,以使扩散腔室100内存在一定的压力。
进气单元用于按预定顺序先后向扩散腔室100通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向扩散腔室100通入吹扫气体,其中,吹扫气体为不与前驱体发生反应的气体,吹扫气体包括氮气或者惰性气体。
具体地,在本实施例中,进气单元包括前驱体源101、吹扫气源102、载气管路103和前驱体支路104,其中,吹扫气源102用于向扩散腔室100提供吹扫气体;前驱体源101的数量为两个以上,每个前驱体源101用于向扩散腔室100提供一种前驱体,前驱体源101包括前驱体源1A和前驱体源1B,其中,前驱体源1A为水(H20),用于向扩散腔室100内提供前驱体1A(即,H20),前驱体源1B为三溴化硼(BBr3),用于向扩散腔室100内提供前驱体1B(即,BBr3);载气管路103的数量与前驱体源101的数量一一对应,每个载气管路103的两端分别与吹扫气源102和扩散腔室100连通;前驱体支路104的数量与载气管路103的数量一一对应,前驱体支路104的两端分别与载气管路103和与该载气管路103相对应的前驱体源101连通;在每个前驱体支路104上设置有第一控制阀105,用以接通或断开前驱体支路104,其中,第一控制阀105为三通的,如图5所示,为图4中第一控制阀的等效结构示意图,该第一控制阀105设置在前驱体支路104和载气管路103的连接处,该第一控制阀105的A和C两端相连通,使得在工艺过程中吹扫气体经由载气管路103与扩散腔室100一直保持连通,第一控制阀105的B端用以在向扩散腔室100内通入前驱体时连通,以及在不向扩散腔室100内通入前驱体时断开。
在本实施例中,扩散设备还包括控制单元,控制单元包括计算机等,控制单元用于控制两种以上的前驱体以预设频率,且按预定顺序先后向扩散腔室100通入,这使得可以通过设定预设频率来提高预沉积工艺的工艺速度,从而可以提高预沉积工艺的工艺效率。具体地,控制单元通过控制设置在每个前驱体支路104上的第一控制阀105的连通或断开,以使前驱体源101按预定顺序先后与扩散腔室100相连通。
容易理解,在与每个前驱体支路104和载气管路103上还设置有控制阀108,用于进一步控制前驱体支路104和载气管路103的导通和断开,从而可以提高工艺的稳定性。并且,控制阀108包括诸如气动阀、手阀、蝶阀等的阀门。
在本实施例中,对前驱体源1A和前驱体源1B均采用保温装置来保持预设温度,使得前驱体源1A和前驱体源1B具有一定压力,用以使前驱体源101提供的前驱体可以在该压力的作用下,经由前驱体支路104和载气管路103通入扩散腔室100内。具体地,前驱体源1A的预设温度为低于室温,前驱体源1B的预设温度为-70℃左右。
图6为前驱体和吹扫气体在扩散腔室内的顺序时序图。下面结合图6针对本实施例提供扩散设备进行扩散工艺过程中进气单元的工作过程进行详细地描述。具体地,在扩散工艺过程之前,打开载气管路103上设置的控制阀108,吹扫气源102提供的吹扫气体经由多条载气管路103通入扩散腔室100内,对扩散腔室100进行吹扫,用以清除扩散腔室100内的气体;在扩散工艺过程中,保持载气管路103上设置的控制阀108打开,并打开每个前驱体支路104上设置的控制阀108,且控制单元按预定顺序先后打开前驱体源101对应的前驱体支路104上的第一控制阀105,吹扫气体作为载气体携带相应的前驱体经由前驱体支路104和与该前驱体源101对应的载气管路103通入扩散腔室100内;并且,在每种前驱体通入之后,且在下一种前驱体通入之前,吹扫气体经由多条载气管路103通入扩散腔室100内,用以对扩散腔室100进行吹扫来清除残留在扩散腔室100内的前驱体。
需要说明的是,在实际应用中,根据前驱体源101的性质、工艺环境等因数的不同,前驱体源101有的需要借助载气携带前驱体通入扩散腔室100内,有的不需要借助载气携带前驱体通入扩散腔室100内,在这种情况下,可以在与该前驱体源101对应的载气管路103上设置控制阀,仅在需要吹扫气体对扩散腔室100进行吹扫时控制该载气管路103导通,具体地,在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前控制该载气管路103导通。
还需要说明的是,在本实施例中,载气管路103既作为吹扫气体流经的管路,又作为载气流经的管路,但是,本发明并不局限于此,在实际应用中,吹扫气体流经的管路和载气流经的管路可以单独设置,如图7所示,为进气单元的另一种结构示意图,进气单元还包括吹扫管路106,吹扫管路106的两端分别与吹扫气源102和扩散腔室100连通,并且在吹扫管路106上设置有第二控制阀107,用以接通或断开吹扫管路106,在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,借助第二控制阀107控制吹扫管路106导通,以向扩散腔室100通入吹扫气体。在实际应用中,当某个前驱体源101不需要借助载气携带前驱体通入扩散腔室100时,可以在与该前驱体源101对应的载气管路103上设置控制阀,借助控制阀实现在工艺过程中断开载气管路103。
本实施例提供的扩散设备,其采用上述本实施例提供的扩散工艺,不仅可以精确控制沉积在衬底表面上的扩散源薄膜的厚度,从而可以精确控制扩散工艺的掺杂浓度和结面深度,而且可以提高衬底表面的扩散源薄膜生长的均匀性,从而可以提高图形衬底的台阶覆盖性、工艺重复性和成膜质量。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的原理和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种扩散设备,用于对衬底进行扩散工艺,包括扩散腔室和进气单元,其特征在于,所述进气单元用于按预定顺序先后向所述扩散腔室通入两种以上的前驱体,并且在通入每种前驱体之后,且在通入下一种前驱体之前,向所述扩散腔室通入吹扫气体,所述吹扫气体为不与所述前驱体发生反应的气体;
所述进气单元包括前驱体源、吹扫气源、载气管路和前驱体支路,其中
所述吹扫气源用于向所述扩散腔室提供吹扫气体;
所述前驱体源的数量为两个以上,每个所述前驱体源用于向所述扩散腔室提供一种前驱体;
所述载气管路的数量与所述前驱体源的数量一一对应,每个所述载气管路的两端分别与所述吹扫气源和所述扩散腔室相连通;
所述前驱体支路的数量与所述载气管路的数量一一对应,所述前驱体支路的两端分别与所述载气管路和与该载气管路相对应的前驱体源相连通;
在每个所述前驱体支路上设置有第一控制阀,用以接通或断开所述前驱体支路。
2.根据权利要求1所述的扩散设备,其特征在于,所述进气单元还包括吹扫管路,所述吹扫管路的两端分别与所述吹扫气源和所述扩散腔室连通,并且在所述吹扫管路上设置有第二控制阀,用以接通或断开所述吹扫管路。
3.根据权利要求1所述的扩散设备,其特征在于,还包括控制单元,所述控制单元用于控制两种以上的前驱体以预设频率,且按预定顺序先后向所述扩散腔室通入。
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