外延气体注入单元及外延反应器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别是指一种外延气体注入单元及外延反应器。
背景技术
外延是在抛光片的单晶衬底上,按照衬底的晶向沉积一层排列有序的单晶硅薄层的技术,新生长的单晶层就是外延层,带有外延层的衬底称为外延片。外延层的生长目前大多采用化学气相沉积法(CVD),CVD制程是借着气体间的化学反应,来形成所需的固态薄膜的技术,因此气体流动对CVD反应影响很大。即外延层沉积过程中,气体的流动速率对外延层的生长有至关重要的作用。
外延反应器是生产外延片的关键设备,Inject Cap(注射帽)和Inject baffle(气体注入挡板)是外延反应器中的重要部分,注射帽和气体注入挡板组成外延气体注入单元,外延气体注入单元的主要功能是将从气体净化器流出的反应气体引导通过该外延气体注入单元,进入反应腔室,流过硅片。但是相关技术中,注射帽和气体注入挡板通入的气体普遍扩散性不好且流速大,气体会较快通过外延气体注入单元且流速较大,外延气体注入单元出口处的气体并未均匀扩散,这样会导致气体通过外延气体注入单元后的流动速度仍然较大,流入chamber的气流可能会由层流变为紊流,影响CVD反应的稳定性,沉积的外延层薄膜可能会产生厚度不均的现象,这会极大的影响外延片的良率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种外延气体注入单元及外延反应器,能够改善外延层薄膜厚度均一性。
为解决上述技术问题,本发明的实施例提供技术方案如下:
一方面,本发明实施例提供一种外延气体注入单元,包括:
注射帽,所述注射帽包括多个气体入口和多个气体出口,所述气体入口与所述气体出口一一对应连通,每一所述气体入口通过气体管道与气体净化器连通;
气体注入挡板,所述气体注入挡板包括多个与所述气体出口对应的通孔,以使得从所述气体出口排出的气体流过所述通孔,所述通孔靠近所述注射帽的入口的直径小于所述通孔远离所述注射帽的出口的直径。
可选地,至少部分所述气体管道内设置有调节气体管道内气体流量的阀门。
可选地,所述注射帽包括有7个气体入口和7个气体出口。
可选地,所述注射帽包括第一区域和位于所述第一区域周边的两个第二区域,所述第一区域设置有3个所述气体入口和3个所述气体出口,所述第一区域设置有2个所述气体入口和2个所述气体出口
可选地,所述气体注入挡板包括对应所述第一区域的第一部分和对应所述第二区域的第二部分,所述第一部分的通孔数量与所述第二部分的通孔数量相同。
可选地,所述第一部分和所述第二部分均包括8个通孔。
可选地,所述通孔靠近所述注射帽的入口的直径为2.5-3.5mm,所述通孔远离所述注射帽的出口的直径为9.5-10.5mm。
可选地,所述气体入口和所述气体出口沿所述注射帽的纵向方向间隔地设置。
可选地,所述通孔沿所述气体注入挡板的纵向方向间隔地设置。
本发明的实施例还提供了一种外延反应器,包括如上所述的外延气体注入单元和反应腔室,所述外延气体注入单元用于控制引入到所述反应腔室中的气体流动。
本发明的实施例具有以下有益效果:
上述方案中,气体注入挡板包括多个与气体出口对应的通孔,以使得从气体出口排出的气体流过通孔,通孔靠近注射帽的入口的直径小于通孔远离注射帽的出口的直径,这样可以使得注射帽气体出口排出的气体通过气体注入挡板后流速减小,改善了外延反应气体流场,增强气体层流运动的稳定性,使得气体能够充分扩散均匀,尽可能以层流形式流入反应腔室,不仅会确保化学气相沉积反应稳定进行,而且可以改善外延层薄膜厚度均一性,对外延片的产品良率有非常重要的提升作用。
附图说明
图1为注射帽和气体注入挡板组成外延气体注入单元的结构示意图;
图2为相关技术中气体注入挡板的结构示意图;
图3为相关技术中注射帽的结构示意图;
图4为本发明实施例注射帽的结构示意图;
图5为本发明实施例气体注入挡板的结构示意图;
图6为本发明实施例气体注入挡板的截面示意图;
图7为相关技术中形成的外延层薄膜的示意图;
图8为本发明实施例形成的外延层薄膜的示意图。
附图标记说明如下:
1注射帽
2气体注入挡板
3硅片
21相关技术的气体注入挡板
41相关技术的通孔
11相关技术的注射帽
51相关技术的气体入口
61相关技术的气体通道
12本发明实施例的注射帽
52本发明实施例的气体入口
62本发明实施例的气体通道
22本发明实施例的气体注入挡板
42本发明实施例的通孔
71相关技术形成的外延层薄膜
72本发明实施例形成的外延层薄膜
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
外延是在抛光片的单晶衬底上,按照衬底的晶向沉积一层排列有序的单晶硅薄层的技术,新生长的单晶层就是外延层,带有外延层的衬底称为外延片。外延层的生长目前大多采用化学气相沉积法(CVD),CVD制程是借着气体间的化学反应,来形成所需的固态薄膜的技术,因此气体流动对CVD反应影响很大。即外延层沉积过程中,气体的流动速率对外延层的生长有至关重要的作用。
气体的流动可分为层流或者紊流。层流是有秩序的流动行为,每个流动层与临近流动层之间的相互运动为平顺的滑移,层与层之间仅以分子等级发生混合作用。而紊流则是一种不规则的流动行为,层与层之间是靠着一圈流体发生混合作用。当流体的运动速度增大时,它将容易由层流变为紊流。这是因为在流体力学里,常用雷诺系数Re来评估流体的流动方式:
Re=Dρv/μ
由上式可见,Re与气体的流速v成正比,原料气体的流速越大,外延层的生长速率越快,然而在很大的生长速率下,吸附在晶片上的原子没有足够的时间移动形成单晶层,可能出现原子堆积等等,因而导致厚度不均或者多晶的生长。
CVD制程并不希望反应气体是以紊流的方式在反应器内流动,因为紊流在反应器内无秩序杂乱流动,CVD反应形成的沉积层厚度不均,从而影响沉积薄膜的品质。所以影响厚度均匀性的主要因素就是气体流量的稳定性。因此大多数的CVD反应设计,都倾向于使反应气体在层流的形式之下流过硅片表面,以增加CVD反应的稳定性。
因此,气体的流速及流量稳定性是保证外延层薄膜的品质、增加CVD反应稳定性的重要因素。
外延反应器是生产外延片的关键设备,外延反应器主要用于制造300mm直径的外延晶片。Inject Cap(注射帽)和Inject baffle(气体注入挡板)是外延反应器中的重要部分,Inject Cap是将气体管道中的气体接收通入chamber(反应腔室)的第一个入口,注射帽具有多个气体出口用以分开气体的流动。Inject baffle是第一个用于引导和控制气体流场的石英组件,提供一个气体入口。如图1所示,其中,1为Inject Cap,2为Inject baffle,3为硅片。1和2组成外延气体注入单元,外延气体注入单元的主要功能是将从气体净化器流出的反应气体引导通过该外延气体注入单元,进入chamber,流过硅片。Inject Cap将气体管道中的气体分Outer和Inner两部分区域进入,气体注入挡板安装在注射帽之后。Injectbaffle是一个长度约360mm,宽度约20mm的石英件,相关技术中,如图2所示,气体注入挡板21上有一系列直径约5mm的圆柱形的通孔41,通孔的数量可以为22个,中间的6个通孔用以将气体引导进入Outer区域,两边各8个通孔用以将气体引导进入Inner区域。设置气体注入挡板的主要目的是它会提供一个背压(气体流动的阻力压力),使气体均匀扩散流过硅片表面。
如图3所示,相关技术中,在注射帽11上设置有三个气体入口51,气体入口51通过气体管道61与气体净化器连接,用以将从气体净化器流出的反应气体引导至反应腔室。
但是相关技术中,注射帽11和气体注入挡板21通入的气体普遍扩散性不好且流速大,气体会较快通过外延气体注入单元且流速较大,外延气体注入单元出口处的气体并未均匀扩散,这样会导致气体通过外延气体注入单元后的流动速度仍然较大,流入chamber的气流可能会由层流变为紊流,影响CVD反应的稳定性,沉积的外延层薄膜可能会产生厚度不均的现象,这会极大的影响外延片的良率。
本发明实施例提供一种外延气体注入单元及外延反应器,能够使得气体通过该外延气体注入单元后流速减小,气体充分扩散均匀,尽可能以层流形式流入chamber,保证CVD反应稳定进行,增加外延层薄膜厚度的均一性,有利于提升产品良率。
本发明实施例提供一种外延气体注入单元,包括:
注射帽,所述注射帽包括多个气体入口和多个气体出口,所述气体入口与所述气体出口一一对应连通,每一所述气体入口通过气体管道与气体净化器连通;
气体注入挡板,所述气体注入挡板包括多个与所述气体出口对应的通孔,以使得从所述气体出口排出的气体流过所述通孔,所述通孔靠近所述注射帽的入口的直径小于所述通孔远离所述注射帽的出口的直径。
本实施例中,气体注入挡板包括多个与气体出口对应的通孔,以使得从气体出口排出的气体流过通孔,通孔靠近注射帽的入口的直径小于通孔远离注射帽的出口的直径,这样可以使得注射帽气体出口排出的气体通过气体注入挡板后流速减小,改善了外延反应气体流场,增强气体层流运动的稳定性,使得气体能够充分扩散均匀,尽可能以层流形式流入反应腔室,不仅会确保化学气相沉积反应稳定进行,而且可以改善外延层薄膜厚度均一性,对外延片的产品良率有非常重要的提升作用。
本实施例中,对气体注入挡板的通孔的形状进行了改进,将通孔的形状设计为圆台状,圆台状的孔道结构,气体入口处的直径缩小,增强了气体注入挡板的背压作用,气体出口处的直径增大,能够使得气体更加充分且均匀扩散,可以使得气体流过气体注入挡板后流速进一步减小,增强气体层流运动的稳定性,改善气体流场,使得气体更加充分均匀扩散。
本发明的示例性实施例中,至少部分所述气体管道内设置有调节气体管道内气体流量的阀门,这样通过阀门可以根据需要调节通过注射帽排出的气体流量,使得气体更加充分且均匀扩散,增强气体层流运动的稳定性,改善气体流场。
具体地,如图4所示,本实施例的注射帽12可以包括有7个气体入口52和7个气体出口,每一气体入口52与一气体通道62连接。相关技术中,注射帽包括3个气体入口和气体出口,本实施例的注射帽包括有7个气体入口52和7个气体出口,增加了气体入口和气体出口的数量,并且与气体入口连接的气体通道62内设置有阀门,这样可以根据需要比如气体扩散情况通过阀门来调节通入气体的气体入口的位置和数量,使得注射帽上气体入口的位置和数量动态可调,使得气体更加充分且均匀扩散,增强气体层流运动的稳定性,改善气体流场。
当然,本发明的技术方案中,注射帽并不局限包括有7个气体入口52和7个气体出口,还可以包括更多数量个气体入口52和气体出口。可以根据气体扩散情况确定所需要的气体入口的位置和数量,控制对应气体入口对应的气体通道上的阀门打开,控制其他气体入口对应的的气体通道上的阀门关闭,达到调节通入气体的气体入口的位置和数量的目的。
一具体示例中,如图4所示,所述注射帽12包括第一区域B和位于所述第一区域B周边的两个第二区域A,所述第一区域B设置有3个所述气体入口和3个所述气体出口,所述第一区域A设置有2个所述气体入口和2个所述气体出口,这样可以使得气体入口在注射帽上均匀分布,有利于增强气体层流运动的稳定性,改善气体流场。
具体地,所述气体入口和所述气体出口沿所述注射帽的纵向方向间隔地设置。
如图5和图6所示,在气体注入挡板22上设置有圆台状的通孔42,相关技术中,如图2所示,是在气体注入挡板21上设置圆柱状的通孔41,通孔41的直径一般为5mm左右;本实施例中,通孔42的气体入口的直径D1减小至2.5-3.5mm,通孔42的气体出口的直径D2增大至9.5-10.5mm,通孔42入口小,出口大,给予气体从进入到流出一个充分的缓冲时间,增大气体之间的接触面积及扩散空间,既达到了气体扩散均匀的目的,又使得气体的流速因为缓冲作用而减小,改善了之前圆柱孔道的气体流场,使气体流量更稳定,更益于外延气体以层流形式进入chamber。
具体地,所述通孔靠近所述注射帽的入口的直径可以为3mm,所述通孔远离所述注射帽的出口的直径可以为10mm。
本发明的示例性实施例中,所述气体注入挡板包括对应所述第一区域的第一部分和对应所述第二区域的第二部分,所述第一部分的通孔数量与所述第二部分的通孔数量相同。这样可以使得通孔在气体注入挡板上均匀分布,有利于增强气体层流运动的稳定性,改善气体流场。
相关技术中,气体注入挡板的第一部分的通孔的数量大于第二部分的通孔的数量,具体地,第一部分设置有6个通孔,第二部分设置有8个通孔,本实施例增加了通孔的数量,所述第一部分和所述第二部分均包括8个通孔,对通孔的数量进行了优化,令第一部分和第二部分的通孔数量相同,均匀各区域的气体流量,对外延层厚度均一性有较大提升。当然,本发明的技术方案中,第一部分和第二部分包括的通孔数量并不局限为8个,还可以为其他数量。
具体地,所述通孔沿所述气体注入挡板的纵向方向间隔地设置。气体注入挡板的长度和宽度可以与相关技术一致,比如长为360mm,宽为20mm。
本发明的实施例还提供了一种外延反应器,包括如上所述的外延气体注入单元和反应腔室,所述外延气体注入单元用于控制引入到所述反应腔室中的气体流动。
图7为相关技术的外延反应器形成的外延片薄膜71的厚度示意图,图8为本发明实施例的外延反应器形成的外延片薄膜72的厚度示意图,可以看出,利用本实施例的外延反应器,可以显著改善外延薄膜厚度的均一性,外延片薄膜的厚度对于产品良率是非常重要的参数,因此本实施例的技术方案对外延片良率有重要提升。
除非另外定义,本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接,而是可以包括电性的连接,不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。