CN104674184A - 用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置及沉积方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置及沉积方法。该气体传输装置包括主输气管、中心传导管和副输气管，其中，该主输气管为上部直径大下部直径小的异径管，其上端封闭，下端具有进气口；该副输气管由加固棒支撑，其上端封闭，下端通过中心传导管与主输气管的变径处的上方连通；该主输气管和副输气管的侧面上分别设有数个出气孔。沉积方法包括：(1)将气体传输装置装载在垂直炉上，进气口连接质量流量计和硅烷气体源；(2)设定沉积腔体内的温度、沉积压力和硅烷流量；(3)通硅烷气体，在硅基衬底上沉积多晶硅膜。采用本发明的气体传输装置和沉积方法沉积的8英寸硅基多晶硅膜，膜质吸杂性能非常好，真正达到了工艺简化、质量提升和成本降低的目的。

Description

用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置及沉积方法
技术领域
本发明涉及一种用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置及沉积方法，特别适用于LPCVD垂直炉内8英寸硅基多晶硅膜的沉积过程。
背景技术
在当代信息社会里，微电子技术是现代高新技术产业发展的基础。而以半导体硅材料、化合物半导体和锗材料互为补充的半导体材料又是支撑电子技术的基础功能材料，其中，硅又是最重要、应用最为广泛的半导体材料。90％以上的大规模集成电路(LST)、超大规模集成电路(VLSI)都是制作在高纯优质的硅基衬底上的。
随着国内集成电路产业的迅速发展，硅基衬底材料的需求量也越来越大，质量要求也越来越高。为了做出更优质的硅基衬底材料，引入了吸杂工艺，在集成电路(IC)表面形成一个洁净区。传统的吸杂工艺分为内吸杂和外吸杂两种，但是这两种方法都不好控制，随着人们对吸杂的不断研究，最后发明了增强型吸杂，即在硅衬底材料的背面沉积一层多晶硅。由于热胀冷缩系数的不同，两种材料的表面都会受到一定应力的作用，按照晶体内部的缺陷的形成机理，晶体内部的缺陷将向应力富集的区域集中，同时硅基衬底材料体内的氧原子和金属也会向晶体外的气相扩散，从而在硅基衬底的表面层将出现洁净区。
随着半导体技术的不断发展，硅基衬底材料尺寸越来越大和质量也越来越大，逐步过渡到8英寸硅基衬底。传统意义上的4、5、6英寸水平炉多晶沉积方法已经无法完成8英寸多晶硅的加工要求。由于多晶硅吸杂效果较好，8英寸多晶硅的沉积方法也成为一个不断研究的课题。现在比较常用的是LPCVD垂直炉沉积方式。虽然垂直炉已经能满足8英寸沉积要求，但是现有的垂直炉多采用炉口一端进气的方式，设定温度梯度，这样沉积出来的多晶膜虽然厚度可以一致，但是膜的均匀性和吸杂能力有所不同，造成产品质量不一致。为了改善品质的一致性，后来又采取了三段进气的方式，虽然可以解决温度梯度和膜质问题，但是设备改造成本、安装维护以及工艺调整也非常复杂，加工成本极高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，该装置结构简单，适用于LPCVD垂直炉内8英寸硅基多晶硅膜的沉积过程。
本发明的另一目的在于提供一种采用所述气体传输装置的多晶硅膜的沉积方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，包括主输气管、中心传导管和副输气管，其中，该主输气管为上部直径大下部直径小的异径管，其上端封闭，下端具有进气口；该副输气管由加固棒支撑，其上端封闭，下端通过中心传导管与主输气管的变径处的上方连通；该主输气管和副输气管的侧面上分别设有数个出气孔。
优选地，所述中心传导管的外形为弧形，其弧度为120度。
优选地，所述气体传输装置的整体高度为1010.0～1030.0mm。
优选地，所述主输气管的长度为815.0～825.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，其上部直径为8.0～10.0mm。
优选地，所述主输气管上的出气孔数量为6个，间距为24.0～26.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。
优选地，所述进气口的直径为3.0～3.5mm，该进气口距离所述主输气管上最下端的出气孔的距离为538.0～540.0mm。
优选地，所述副输气管的长度为610.0～630.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，直径为6.0～8.0mm。
优选地，所述副输气管上的出气孔数量为4个，间距为49.0～50.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。
优选地，所述中心传导管的壁厚为1.3～1.7mm，直径为8.0～10.0mm，其距离所述副输气管上最下端的出气孔的距离为430.0～450.0mm。
一种采用所述气体传输装置的多晶硅膜的沉积方法：包括以下步骤：
(1)将气体传输装置装载在垂直炉上，进气口连接质量流量计和硅烷气体源；
(2)设定沉积腔体内的温度为600～680℃，沉积压力为150～500MT，硅烷流量为0.1～0.75SLM；
(3)通硅烷气体，在硅基衬底上沉积多晶硅膜。
本发明的优点在于：
本发明的气体传输装置结构简单，只需将该装置直接安装在原有的垂直炉上，无需对设备进行改造，可以满足8英寸多晶沉积，达到恒温沉积，工艺调整简单。同时，采用垂直炉体，硅基水平放置，彻底解决了传统工艺过程中崩边和沉积印记的难题。
采用本发明的气体传输装置和沉积方法沉积的8英寸硅基多晶硅膜，膜质吸杂性能非常好，在沉积8000埃时正面可以形成80μm的洁净区，可实现每炉沉积150片(原来沉积100片)，片内和片间均匀性均小于2％(客户要求为10％)，产能提升50％，单片成本降低了60％以上，真正达到了工艺简化、质量提升和成本降低的目的。
附图说明
图1为本发明的气体传输装置的结构示意图。
图2为本发明的气体传输装置的俯视图。
图3为安装有本发明的气体传输装置的垂直炉的结构简图。
图4为多晶硅膜沉积的工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的气体传输装置包括主输气管1、中心传导管2和副输气管3，其中，主输气管1为上部直径大下部直径小的异径管，其上端封闭，下端具有进气口4，该进气口4通过管道5连接气体源；副输气管3由加固棒支撑6，其上端封闭，下端通过中心传导管2与主输气管1的变径处7的上方连通；主输气管1和副输气管3的侧面上分别设有数个出气孔8、9。
如图2所示，中心传导管2的外形设计成弧形，其弧度为120度。通过这种结构设计，本发明的气体传输装置安装在垂直炉上时，如图3所示，主输气管1和副输气管3位于反应腔体10内硅片承载区11的两侧，使得从该气体传输装置排出的气体分布更均匀。
本发明的气体传输装置，各个部件的参数可以根据实际需要进行调整，通过调整主输气管和副输气管上出气孔的分布，以及出气孔的尺寸来控制被输送到反应腔体内的气体的流量和流速，从而在反应腔体内形成一个稳定的气体模型。
对于用于生产8英寸硅基多晶硅膜的垂直炉来说，该气体传输装置的整体高度在1010.0～1030.0mm的范围内。主输气管的长度为815.0～825.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，其上部直径为8.0～10.0mm。主输气管上的出气孔数量为6个，间距为24.0～26.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。进气口的直径为3.0～3.5mm，该进气口距离主输气管上最下端的出气孔的距离为538.0～540.0mm。
副输气管的长度为610.0～630.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，直径为6.0～8.0mm。副输气管上的出气孔数量为4个，间距为49.0～50.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。
中心传导管的壁厚为1.3～1.7mm，直径为8.0～１0.0mm，其距离副输气管上最下端的出气孔的距离为430.0～450.0mm。
如图4所示，在采用本发明的气体传输装置进行多晶硅膜的沉积时，首先将气体传输装置装载在垂直炉上，主输气管和副输气管位于硅片承载区的两侧，进气口连接质量流量计和硅烷气体源；用倒片机将硅片参考面朝上理齐，装入反应腔体内；设定沉积腔体内温度、沉积压力、硅烷流量和舟转速，腔体内的温度为600～680℃，沉积压力为150～500MT，硅烷流量为0.1～0.75SLM；通硅烷气体，在硅基衬底上沉积多晶硅膜。沉积完毕后关闭硅烷气体，进行腔体净化；取出硅片，进行表面检测、膜厚测试，根据SEMI标准计算片内和片间均匀性；取出1片进行腐蚀测试表面洁净区厚度。
实施例1
采用理片机将8英寸硅片理好，硅片参考面向上；将150片产品片装入垂直炉内，调整硅烷流量为0.1SLM，沉积恒温区温度为680℃，沉积压力为150MT；进行沉积，沉积时间为60min；沉积后取出硅片，测试膜厚为5540埃；按SEMI标准进行均匀性测试，片内均匀性为0.86％(要求为10％)，100片片间均匀性为1.64％(要求为10％)；取出一片腐蚀后用显微镜观察洁净区为75μm(要求为30μm)，完全满足IC加工要求。
实施例2
采用理片机将8英寸硅片理好，硅片参考面向上；将150片产品片装入垂直炉内，调整硅烷流量1为0.75SLM，沉积温度为600℃，沉积压力为500MT；进行沉积，沉积时间为60min；沉积后取出硅片，测试膜厚为6040埃；按SEMI标准进行均匀性测试，片内均匀性为0.94％要求为10％)，100片片间均匀性为1.35％(要求为10％)；取出一片腐蚀后用显微镜观察洁净区为65μm(要求为30μm)，完全满足IC加工要求。
实施例3
采用理片机将8英寸硅片理好，硅片参考面向上；将150片产品片装入垂直炉内，调整硅烷流量1为0.45SLM，沉积温度为650℃，沉积压力为200MT；进行沉积，沉积时间为60min；沉积后取出硅片，测试膜厚为5840埃；按SEMI标准进行均匀性测试，片内均匀性为0.76％(要求为10％)，100片片间均匀性为1.44％(要求为10％)，取出一片腐蚀后用显微镜观察洁净区为78μm(要求为30μm)，完全满足IC加工要求。

Claims (10)

1.一种用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，包括主输气管、中心传导管和副输气管，其中，该主输气管为上部直径大下部直径小的异径管，其上端封闭，下端具有进气口；该副输气管由加固棒支撑，其上端封闭，下端通过中心传导管与主输气管的变径处的上方连通；该主输气管和副输气管的侧面上分别设有数个出气孔。
2.根据权利要求1所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述中心传导管的外形为弧形，其弧度为120度。
3.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述气体传输装置的整体高度为1010.0～1030.0mm。
4.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述主输气管的长度为815.0～825.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，其上部直径为8.0～10.0mm。
5.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述主输气管上的出气孔数量为6个，间距为24.0～26.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。
6.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述进气口的直径为3.0～3.5mm，该进气口距离所述主输气管上最下端的出气孔的距离为538.0～540.0mm。
7.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述副输气管的长度为610.0～630.0mm，壁厚为1.3～1.7mm，直径为6.0～8.0mm。
8.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述副输气管上的出气孔数量为4个，间距为49.0～50.0mm，出气孔的直径为2.8～3.2mm。
9.根据权利要求1或2所述的用于硅基多晶硅膜沉积的气体传输装置，其特征在于，所述中心传导管的壁厚为1.3～1.7mm，直径为8.0～10.0mm，其距离所述副输气管上最下端的出气孔的距离为430.0～450.0mm。
10.一种采用权利要求1所述的气体传输装置的多晶硅膜的沉积方法：其特征在于，包括以下步骤：
(1)将气体传输装置装载在垂直炉上，进气口连接质量流量计和硅烷气体源；
(2)设定沉积腔体内的温度为600～680℃，沉积压力为150～500MT，硅烷流量为0.1～0.75SLM；
(3)通硅烷气体，在硅基衬底上沉积多晶硅膜。
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