CN105393335B - 外延反应器 - Google Patents

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Abstract

一实施例包括：反应腔室；基座，该基座定位在反应腔室中以使得晶片坐落在基座上；以及气体流控制器，该气体流动控制器用于控制流入到反应腔室中的气体流动，其中，该气体流动控制器包括：注射帽，该注射帽具有多个出口用以分开气体流动；注射缓冲器，该注射缓冲器包括分别与多个出口相对应的第一通孔，且这些第一通孔允许从多个出口排出的气体通过，以及挡板，该挡板包括分别与第一通孔相对应的第二通孔，且该第二通孔允许已流过第一通孔的气体通过，并且每个第一通孔所具有的面积大于每个第二通孔的面积并且小于每个出口的面积。

Description

外延反应器
技术领域
各实施例涉及外延反应器。
背景技术
外延反应器分类成批量型外延反应器和单晶片处理型外延反应器，且这些单晶片处理型外延反应器主要用于制造具有200mm或更大直径的外延晶片。
此种单晶片处理型外延反应器构造成使得一个晶片坐落在反应容器中的基座上，在这之后使得源气体沿水平方向从反应容器的一侧流至该反应容器的另一侧，由此将源气体供给至晶片的表面并且在其上生长外延层。
在单晶片处理型外延反应器中，源气体在反应容器中的流量或流分布是用于使得在晶片的表面上生长的层厚度均匀的关键因素。
典型的外延反应器可包括用于将源气体供给到反应容器中的气体供给部分，且源气体在反应容器中的流量或流分布可取决于从气体供给部分供给的源气体的流量或流分布。
通常，气体供给部分可包括挡板，该挡板在其中具有多个孔以将源气体供给至反应容器，以使得源气体可在晶体的表面上均匀地流动。
发明内容
技术问题
各实施例提供一种外延反应器，该外延反应器能够使得引入到反应腔室中的源气体的损失以及其中的涡旋形成最小化，并且提高生长外延层的厚度的均匀性。
技术方案
根据一实施例，外延反应器包括：反应腔室；基座，该基座位于反应腔室中以使得晶片坐落在基座上；以及气体流动控制器，该气体流动控制器用于控制引入到反应腔室中的气体流动，其中，该气体流动控制器包括：注射帽，该注射帽具有多个出口用以分开气体流动；注射缓冲器，该注射缓冲器具有与相应的出口相对应的第一通孔，以使得从出口排出的气体流过第一通孔；以及挡板，该挡板具有与相应的第一通孔相对应的第二通孔，以使得流过第一通孔的气体流过第二通孔，且每个第一通孔所具有的面积大于每个第二通孔的面积并且小于每个出口的面积。
该外延反应器可进一步包括插入件，该插入件包括多个彼此隔离的部段，以使得流过第二通孔的气体流过这些部段，且每个第一通孔可与对应的一个部段对准。
该外延反应器可进一步包括衬套，该衬套具有阶梯状部分以将流过这些部段的气体引导至反应腔室。
每个部段所具有的开口面积均可大于每个第一通孔的开口面积和每个第二通孔的开口面积并且小于每个出口的开口面积。
注射帽可包括至少两个彼此隔离的部分，且其中一个出口可设置在至少两个部分的对应一个中。
注射帽可包括形成在其一个表面中的空腔，且该空腔由侧壁和底部构成，注射帽的外表面和空腔的底部之间的空腔可分隔成第一至第三部分，这些出口可设置在空腔的底部中，且注射缓冲器和挡板可按序地插入到空腔中以使得第一和第二通孔面向空腔的底部。
挡板的一个表面可与注射缓冲器相接触，且挡板的另一表面可与注射帽的一个表面齐平。
每个第二通孔的面积与相关联第一通孔的面积的比值可以是1：5至1：20。
与相应部段相对应的第二通孔的数量可大于与相应部段相对应的第一通孔的数量。
注射帽可分隔成两个或更多个彼此隔离的部分，且其中一个出口可设置在两个或更多个部分的对应一个中。
这些部段可各自与对应于相关联的第一通孔的第二通孔对准。
与相应部段相对应的第二通孔的数量可大于与相应部段相对应的第一通孔的数量。
第一通孔可沿注射缓冲器的纵向方向间隔地设置。
第二通孔可沿挡板的纵向方向间隔地设置。
每个第一通孔均可具有100mm2至200mm2的开口面积。
每个第二通孔均可具有10mm2至20mm2的开口面积。
所插入的注射缓冲器和挡板的外周缘面可压抵于空腔的内表面。
该空腔可具有类似于注射缓冲器的厚度和挡板的厚度之和的深度。
有利效果
各实施例能够使得引入到反应腔室中的源气体的损失以及其中的涡旋形成最小化，并且能提高生长外延层的厚度的均匀性。
附图说明
图1是示出根据一实施例的外延反应器的剖视图。
图2是图1中示出的气体供给单元的俯视图。
图3是图1中示出的气体供给单元的立体图。
图4是用于解释图1中示出的第一和第二通孔的布置的视图。
图5是示出在图1中示出的一个第一通孔的尺寸的视图。
图6a是图1中示出的注射帽、注塑缓冲器以及挡板的分解立体图。
图6b是图1中示出的注射帽、注塑缓冲器以及挡板的组装立体图。
图7是当从方向“A-B”观察时示出图6a的组装状态的截面图。
图8是当典型地外延反应器包括注射帽和挡板时示出源气体流的视图。
图9是当一实施例的外延反应器包括注射帽、注射缓冲器以及挡板时示出源气体流的视图。
具体实施方式
现在将参照本发明的具体实施例，在附图中示出它们的实例。应理解的是，当层(膜)、区域、图案或元件被称为位于另一层(膜)、区域、图案或元件“上”或“下”时，它能直接地位于层、区域、图案或元件上/下或者也可存在一个或多个中间元件。当元件称为处于“上方”或“下方”时，“在元件下方”以及“在元件上方”能基于该元件被包括。
在附图中，每个层的尺寸被放大、省略或示意地说明以便于说明和简要起见。此外，每个构成元件的尺寸并非完全地反应其实际尺寸。此外，在所有附图中都用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。下文将参照附图描述根据各个实施例的外延反应器。
图1是示出根据一实施例的外延反应器100的剖视图。
参见图1，该外延反应器100可以是一个接一个地处理半导体晶片的单晶片处理型外延反应器，并且可包括由下球顶103和上球顶104构成的反应腔室105、基座120、基座支承单元125、下环130、上环135、衬套140、预加热环150、气体供给单元160以及气体排放单元170。
下球顶103和上球顶104可定位成沿垂直方向彼此面对，并且各个球顶可由诸如石英玻璃之类的透明材料制成。其中发生外延反应的反应腔室105可形成在下球顶103和上球顶104之间的空间内。该反应腔室105可具有气体引入端口106和气体排放端口107，该气体引入端口形成在该反应腔室的一侧处以使得源气体通过该进气端口106引入，而该气体排放端口形成在该反应腔室的另一侧以使得所引入的气体通过该气体排放端口107排出。
基座120可以是具有扁平圆形形状的支承板。该基座120可设置在反应腔室105内，且晶片W可坐落在基座120的上表面上。该基座120可由碳石墨或者其中碳石墨涂覆有碳化硅的材料制成。
基座支承单元125可设置在基座120下方以支承该基座120，并且可使得基座120在反应腔室105内垂直地运动。该基座支承单元125可包括三脚轴，该三脚轴支承该基座120的下表面。
衬套140可设置成围绕该基座120。该衬套140可具有第一阶梯状部分142和第二阶梯状部分144，该第一阶梯状部分形成在该衬套的外周缘面的上端的一侧处用以将气体引入到反应腔室105中，而该第二阶梯状部分144形成在该衬套的外周缘面的上端的另一侧处用以从反应腔室105中排出气体。衬套140的外周缘面的上部可与基座120的上表面或者晶片W的上表面齐平。
下环130可设置成围绕衬套140并且可具有环形形状。下圆顶103的外周缘部分的一个端部11可压抵于并且固定于下环130。
上环135可位于下环130上方并且可具有环形形状。上圆顶104的外周缘部分的一个端部12可压抵于并且固定于上环135。下环130和上环135中的每个可由石英(SiO2)或者碳化硅(SiC)制成。
预加热环150可邻近于基座120沿着衬套140的内周缘面设置，以与基座120的上表面或者晶片W的上表面齐平。
气体供给单元160从外部将源气体供给到反应腔室105中。
图2是图1中示出的气体供给单元160的俯视图。图3是图1中示出的气体供给单元160的分解立体图。
参照图2和3，气体供给单元160可包括气体产生部分310、多个气体管(例如，320a、320b和320c)、气体调节部分330a和330b以及气体流控制器205。
气体流控制器205(参见图2)包括注射帽210、注射缓冲器220、挡板230以及插入件240。
气体产生部分310可产生源气体。例如，源气体可以是诸如SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、SiH4和Si2H6之类的硅复合气体、诸如B2H6和PH3之类的掺杂气体、诸如H2、N2和Ar之类的载气等等。
由气体产生部分310产生的源气体可通过气体管(例如，320a、320b和320c)供给至注射帽210。
气体调节部分330a和330b可调节供给至至少一个气体管(例如，320a、320b和320c)或者在其中流动的气体量，并且可独立地控制供给至晶片W的中心区域S1以及边缘区域S2和S3的每个区域的源气体流量。气体调节部分330a和330b可例如由质量流量控制器来实施。
由气体产生部分310产生的源气体可通过气体管(例如，320a、320b和320c)独立地供给至注射帽210的多个部分。在该情形中，气体管的数量和部件的数量并不局限于在图2中示出的数量，但可以是两个或更多个。
气体管(例如，320a、320b和320c)的至少一个(例如，320a或320b)可分成两个或更多个气体管。源气体可通过分开的气体管和未分开的气体管供给至注射帽210。
例如，第一气体管320a可分成第二气体管320b和第三气体管320c，以将源气体(或反应气体)独立地供给至晶片的中心区域S1以及边缘区域S2和S3的每个区域。此外，第二气体管320b可分成两个气体管，以将源气体独立地供给至晶片的两个边缘区域S2和S3的每个区域，并然后将源气体供给至注射帽。
注射帽210、注射缓冲器220、挡板230以及插入件240可按序地设置在多个气体管(例如，320-1、320-2以及320c)和衬套140之间。从气体管(例如，320-1、320-2以及320c)供给的源气体可依次流过注射帽210、注射缓冲器220、挡板230以及插入件240。
注射帽210可包括多个气体进口(例如，340a、340b和340c)和多个气体出口(例如，350a、350b和350c)，通过这些气体进口从气体管(例如，320-1、320-2以及320c)引入源气体，而所引入的源气体通过这些气体出口排出。
注射帽210可分隔成至少两个部分(例如，210-1、210-2和210-3)，这些部分彼此隔离。气体出口(例如，350a、350b和350c)的任何一个可设置在至少两个部分(例如，210-1、210-2和210-3)的对应一个中。虽然，注射帽210在图1和2中示作分隔成三个部分210-1、210-2和210-3，但本发明并不局限于此。
例如，第一部分210-1可位于注射帽的中心处，从而与晶片W的中心区域S1相对应或对准，且气体进口340b和气体出口350a可形成在第一部分210-1中。
例如，第二部分210-2可位于第一部分210-1的一侧处，从而与定位在晶片W的中心区域S1的一侧处的第一边缘区域S2相对应或对准，且气体进口340a和气体出口350b可形成在第二部分210-2中。
例如，第三部分210-3可位于第一部分210-1的另一侧处，从而与定位在晶片W的中心区域S1的另一侧处的第二边缘区域S3相对应或对准，且气体进口340c和气体出口350c可形成在第三部分210-3中。
注射帽210可包括相邻部分之间的分隔件用于对他们进行分隔。例如，注射帽210可包括第一分隔件211和第二分隔件212，该第一分隔件用于分隔第一和第二部分210-1和210-2，而该第二分隔件用于分隔第一和第三部分210-1和210-3。源气体由于分隔件(例如，211和212)可在这些部分(例如，210-1、210-2、210-3)的每个中独立地流动。
注射缓冲器220设置成邻近于注射帽210的一个端部，并且可在其中具有多个第一通孔222，这些第一通孔分别与第一至第三气体出口350a、350b和350c相对应或对准。
第一通孔222可面向第一至第三气体出口350a、350b和350c，且从第一至第三气体出口350a、350b和350c流出的源气体可流过第一通孔222。
挡板230设置成邻近于注射缓冲器220的一个端部，并且可在其中具有多个第二通孔232，这些第二通孔与相应的第一通孔222相对应或对准。
第二通孔232可面向第一通孔222，且从第一通孔222流出的源气体可流过第二通孔232。
插入件240可设置成插入到下环130和上环135之间，并且可包括多个部段k1至kn(n是大于1的自然数)，气体可流过这些部段。
插入件240可包括位于两个相邻部段之间的每个分隔壁242，且部段k1至kn(n是大于1的自然数)均可以是独立的并且可由分隔壁242彼此隔离。
相应的部段k1至kn(n是大于1的自然数)可与对应于相关联第一通孔的第二通孔232相对应或对准，且从第二通孔232流出的源气体可流过部段k1至kn。
与相应的部段k1至kn(n是大于1的自然数)相对应或对准的第二通孔232的数量可大于与相应的部段k1至kn(n是大于1的自然数)相对应或对准的第一通孔222的数量。
衬套140的第一阶梯状部分142可设有分隔壁149，该分隔壁与用于分隔部段k1至kn(n是大于1的自然数)的分隔壁242相对应。流过部段k1至kn(n是大于1的自然数)的源气体可沿着衬套140的第一阶梯状部分142的由分隔壁149分开或分隔的表面流动。通过第一阶梯状部分142的表面引入到反应腔室105中的源气体沿着晶体W的表面流动。流过晶体W的表面的源气体通过衬套140的第二阶梯状部分144流至气体排放单元170。
图4是用于解释图1中示出的第一通孔220-1至220-n和第二通孔h1至hm的布置的视图。
参见图4，第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)可沿注射缓冲器220的纵向方向102间隔地设置。
第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个可沿第一方向101与部段k1至k n(n是大于1的自然数)的对应一个对准。第一方向101可以是从注射缓冲器220朝向插入件140定向的方向，或者沿注射缓冲器220的宽度方向定向的方向。
例如，与部段k1至k n(n是大于1的自然数)的每个相对应或对准的第一通孔的数量可以是一个。
第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)可沿第一方向101与第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的对应一个对准。
与第一通孔对准的第二通孔(例如，h1至hm，其中m是大于1的自然数)可沿挡板230的纵向方向间隔地设置。
例如，与一个第一通孔(例如，220-1)相对应或对准的第二通孔h1至hm(例如，m＝3)的数量可以是两个或更多个。
图5是示出在图1中示出的一个第一通孔的尺寸的视图。
参见图5，第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个可具有多边形形状或圆形形状，但本发明并不局限于此。例如，第一通孔可具有不同的形状。
注射帽210的第一至第三气体出口350a、350b和350c的每个可具有开口面积，该开口面积大于第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个的开口面积。
第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个可具有大于第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)的每个的面积的面积。
插入件240的部段k1至kn(n是大于1的自然数)的每个可具有开口面积，该开口面积大于第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个的面积并且大于第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)的每个的面积，并小于第一至第三气体出口350a、350b和350c的每个的面积。
例如，部段k1至kn(n是大于1的自然数)的每个可具有400mm2至500mm2的开口面积，并且较佳地具有421mm2至484mm2的开口面积。
第二通孔(例如，h1)的面积和第一通孔(例如，220-1)的面积之间的比值可以是1:5至1:20，并且较佳的是1:10。
第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的每个可具有100mm2至200mm2的开口面积，且第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)的每个可具有10mm2至20mm2的开口面积。
两个相邻第一通孔之间的距离d可在从10至15mm的范围内。
两个相邻第一通孔之间的部分221(参见图5)可与插入件240的相关联分隔壁242相对应或对准。
图6a是图1中示出的注射帽210、注射缓冲器220以及挡板230的分解立体图。图6b是图1中示出的注射帽210、注射缓冲器220以及挡板230的组装立体图。
参照图6a和6b，注射帽210可在其一个表面中具有空腔401。空腔401可从注射帽210的一个表面410凹入，并且可包括侧壁402和底部403。
用于容纳从气体管320-1、320-2和320-3供给的源气体的空间可设置在注射帽210的另一表面420和空腔401的底部403之间。该空间可分隔成由分隔件211和212分开的部分210-1、210-2和210-3。
气体出口350a、350b和350c可设置在空腔401的底部403。例如，气体出口350a、350b和350可在如下状态下形成在底部403中，其中，这些气体出口沿注射帽210的纵向方向彼此隔开。
注射缓冲器220和挡板230可按序地插入到空腔401中，以使得第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)和第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)面向空腔401的底部403。
注射缓冲器220和挡板230的每个可具有一形状，以使得其可插入到空腔401中，而所插入的注射缓冲器220和挡板230的外周缘面可压抵于空腔401的内表面。
由于注射缓冲器220和挡板230在该实施例中插入到注射帽210中，因而该注射缓冲器220和挡板230可稳定地固定于注射帽210。此外，由于所插入的注射缓冲器220和挡板230的外周缘面压抵于空腔401的内表面，因而能够防止在源气体依次流过注射帽210、注射缓冲器220和挡板230时形成涡旋。
注射缓冲器220可插入到空腔401中，以使得第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)面向空腔401的底部403。所插入的注射缓冲器220可与空腔401的底部403接触。
挡板230可插入到空腔401中，以使得第二通孔h1至hm(m是大于1的自然数)面向空腔401的底部403。所插入的挡板230可与注射缓冲器220接触。
空腔401可具有类似于注射缓冲器220的厚度和挡板230的厚度之和的深度，但本发明并不局限于此。
图7是当从方向“A-B”观察时示出图6b的组装状态的截面图。
参见图7，挡板230的插入到空腔401中的一个表面可与注射缓冲器220相接触，而挡板230从空腔401露出的另一表面230可与注射帽210的一个表面410齐平。然而，本发明不局限于此。
通常，从气体管供给的源气体可依次经由注射帽、挡板、插入件以及衬套引入到反应腔室中。
然而，如果外延反应器仅仅包括挡板而不具有注射缓冲器220，则挡板中的第二通孔具有比注射帽中的气体出口的面积小得多的面积。为此，当源气体流过注射帽和挡板时，会导致显著的涡旋形成和源气体损失。
供给至晶体的中心区域和边缘区域的源气体的流量由于该显著的涡旋形成和源气体损失会是不均匀的。于是，会难以控制在晶片上生长的外延层的厚度分布。
在该实施例中，由于包括第一通孔220-1至220-n(n是大于1的自然数)的注射缓冲器220设置在注射帽210和挡板230之间，因而可使得涡旋的形成最小化并减少源气体的损失，其中，每个第一通孔所具有的面积小于气体出口350a、350b和350c的每个面积并且大于第二通孔的每个面积。
图8是当典型地外延反应器包括注射帽和挡板时示出源气体流动的视图。图9是当一实施例的外延反应器包括注射帽、注射缓冲器以及挡板时示出源气体流动的视图。图8和9示出流过气体供给单元和反应腔室的源气体的流动。
在图8中，可观察到的是，频繁地形成涡旋并且源气体的流动聚集。相反，在图9中，可观察到的是，难以形成涡旋并且源气体的流动均匀地分布。
因此，由于源气体在该实施例中均匀地分布并且在反应腔室105中供给至晶片W的中心区域S1和边缘区域S2和S3，因而可提高生长外延层的厚度的均匀性。
结合各实施例描述的具体特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中并且无需包括在所有实施例中。此外，本发明的任何特定实施例的具体特征、结构或特性可以任何合适的方式与一个或多个其他实施例组合，或者可由这些实施例所属的技术领域的技术人员所改变。因此，应理解的是，与这些组合或变化相关联的内容落在本发明的精神和范围内。
工业适用性
各实施例可应用于晶片制造工艺。

Claims (14)

1.一种外延反应器，包括：
反应腔室；
基座，所述基座位于所述反应腔室中以使得晶片坐落在所述基座上；以及
气体流动控制器，所述气体流动控制器用于控制引入到所述反应腔室中的气体流动，
其中，所述气体流动控制器包括：
注射帽，所述注射帽具有多个出口用以分开所述气体流动；
注射缓冲器，所述注射缓冲器具有与相应的出口相对应的第一通孔，以使得从所述出口排出的气体流过所述第一通孔；以及
挡板，所述挡板具有与相应的第一通孔相对应的第二通孔，以使得流过所述第一通孔的气体流过所述第二通孔，以及
其中所述注射帽包括形成在所述注射帽的一个表面中的空腔，且所述空腔由侧壁和底部构成；以及
所述注射帽的另一表面和所述空腔的底部之间的空间分隔成所述注射帽的第一至第三部分，且所述注射帽的所述第一至第三部分彼此隔离，以及
其中所述出口设置在所述空腔的底部中，且所述注射缓冲器和所述挡板按序地插入到所述空腔中以使得所述第一和第二通孔面向所述空腔的底部。
2.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，还包括：
插入件，所述插入件包括多个彼此隔离的部段，以使得流过所述第二通孔的气体流过所述部段，
其中，每个第一通孔与对应一个部段对准。
3.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，还包括：衬套，所述衬套具有阶梯状部分以将流过各所述部段的气体引导至所述反应腔室。
4.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，每个部段所具有的开口面积均大于每个第一通孔的开口面积和每个第二通孔的开口面积并且小于每个出口的开口面积。
5.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，
每个第一通孔的所具有的面积大于每个第二通孔的面积并且小于每个出口的面积。
6.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，所述挡板的一个表面与所述注射缓冲器相接触，且所述挡板的另一表面与所述注射帽的一个表面齐平。
7.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，每个第二通孔的面积与相关联第一通孔的面积的比值是1：5至1:20。
8.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，与相应部段相对应的第二通孔的数量大于与相应部段相对应的第一通孔的数量。
9.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，所述部段各自与对应于相关联的第一通孔的第二通孔对准。
10.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，所述第一通孔沿所述注射缓冲器的纵向方向间隔地设置。
11.如权利要求2所述的外延反应器，其特征在于，所述第二通孔沿所述挡板的纵向方向间隔地设置。
12.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，每个第一通孔均具有100mm2至200mm2的开口面积。
13.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，每个第二通孔均具有10mm2至20mm2的开口面积。
14.如权利要求1所述的外延反应器，其特征在于，所插入的注射缓冲器和挡板的外周缘面压抵于所述空腔的内表面。
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