CN117364239A - 一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，步骤包括：沉积时，控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，混合后的气体再通入至反应炉内，直至生长结束。本申请一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，在进入反应炉之前预先将两种特定的气体混合好，然后再进入反应炉中，可保证生成的掺杂多晶硅薄膜片内厚度的均匀性小于1.5％，且退火后的RS值在15±5Ω·cm范围内。
Description
技术领域
本申请属于多晶硅薄膜生长技术领域，尤其是涉及一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺。
背景技术
随着制造技术的不断发展，多晶硅薄膜在微机电系统、半导体桥、大规模集成电路等产品上都有较为广泛的应用；在半导体集成电路中多晶硅薄膜通常被应用于CMOS栅极，该步骤是整个器件中非常重要的一环，随着设备工艺的不断更新，器件的线宽越来越小，多晶硅栅极电阻会因其变小而变大，影响器件的性能，其中多晶硅栅极电阻的均匀性更是人们关注的话题，目前制备多晶硅薄膜的方法有很多种，如低压化学气相淀积、固相晶化、准分子激光晶化、真空蒸镀等，因化学气相沉积工艺(LPCVD)生产的多晶硅薄膜具有良好台阶覆盖能力、高度均匀性和较低的成本制备等优点，故被广泛应用半导体行业中。
采用LPCVD制备掺P多晶硅，需要在一定温度条件下在其基体表面沉积生长一层多晶硅薄膜，而反应炉内的生长沉积所用的气体有两种，一种为SiH4气体，一种是PH3和N2的混合气体。LPCVD制备掺杂P多晶硅的方程式如下：SiH4→Si+2H2，PH3→P+3/2H2，该技术制备掺P多晶硅时，由于PH3容易吸附，其对硅表面的吸附性要远远高于SiH4，会阻碍了多晶硅膜的表面反应，故沉积速率比未掺杂的要低很多，又因为PH3和SiH4的吸附速率、分解速率不相同，故很难控制其均匀性。如何控制各气体进入反应炉内的配合比例，是保证多晶硅模板均匀生长一致的重要条件之一。
发明内容
本申请提供一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，解决了现有技术中如何控制各气体进入反应炉内的配合比例以保证多晶硅模板均匀生长一致的技术问题。
为解决至少一个上述技术问题，本申请采用的技术方案是：
一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，步骤包括：沉积时，控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，混合后的气体再通入至反应炉内，直至生长结束。
进一步的，所述控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，包括：
控制第一组气体的管道或第二组气体的管道在反应炉外交汇连接；
再经同一管道汇流至反应炉内。
进一步的，所述第一组气体为混合型组分，包括磷化氢与氮气；所述第二组气体为单性气体，为硅烷。
进一步的，所述第一组气体中磷化氢的纯度为5％；所述第二组气体中硅烷的纯度为99.99％。
进一步的，第一组气体通入至反应炉中的流量为0.02-0.03L/min；第二组气体通入至反应炉中的流量为0.8-1.5L/min。
进一步的，在沉积之前还包括：
吹扫各个管路及反应炉；
控制反应炉的真空度，并检查反应炉的漏气率；
对硅片进行预沉积。
进一步的，采用氮气对与反应炉进气口连通的各个管路、以及反应炉进行吹扫；并将与反应炉进气口连通的各个管道上的流量计归零。
进一步的，当反应炉内的漏气率小于目标漏气值时，则可进行预沉积工序；
当反应炉内的漏气率不小于目标漏气值时，则重新监控并检查反应炉的气密性，直至其漏气率小于目标漏气值合格为止。
进一步的，在预沉积过程中，当反应炉内的真空度小于预设压力且反应炉的温度达到预设目标温度时，向反应炉内通入第二组气体，同时开启与反应炉出气口连通的真空泵，直至沉积结束。
进一步的，在预沉积和沉积过程中，基于反应炉内的气压值，自动调整与真空泵连通的氮气管路，以保证反应炉内的压力值控制在预设值之间。
采用本申请设计的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，在进入反应炉之前预先将两种特定的气体混合好，然后再进入反应炉中，可保证生成的掺杂多晶硅薄膜片内厚度的均匀性小于1.5％，且退火后的RS值在15±5Ω·cm范围内。
附图说明
图1是本申请一实施例的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺的流程图；
图2是本申请一实施例的掺杂多晶硅薄膜生长时的通气管路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明。
本实施例提出一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，如图1所示，步骤包括：
S1、吹扫各个管路及反应炉。
硅片沉积生长掺杂多晶硅薄膜时所用的通气管路，如图2所示。在沉积生长时，需要用到由磷化氢(PH3)与氮气(N2)组成的第一组气体、和由硅烷(SiH4)组成的第二组气体。其中，第一组气体为混合型组分，第二组气体为单性气体，采用两个独立的管路进行输送。同时，为了保证所有管路的通畅性，设有一个独立的管路通氮气，以吹扫反应炉14及与反应炉14互通的各个气路。同时，在反应炉14的出气口一侧，还设有与真空泵19连通的管路，用于粗调节抽取反应炉14内真空的气动阀16、用于精调节抽取反应炉14内真空的气动阀17，以及用于监控反应炉14的压力表15，真空泵19外接于排气端EXHAUST-1，且真空泵19一直为开启状态。其中，第一组气体中磷化氢的纯度为5％；第二组气体中硅烷的纯度为99.99％。
在与反应炉14进气口连通的管道上设有一个三通管头20，使与反应炉14连通的用于输送氮气的管路、用于输送硅烷(SiH4)的管路、以及用于输送磷化氢(PH3)与氮气(N2)混合气体的管路互通连接，也就是在管路上设置一个三通管头20，使用于输送氮气的管路、用于输送硅烷(SiH4)的管路、以及用于输送磷化氢(PH3)与氮气(N2)混合气体的管路都共用一个三通管头20与反应炉14连通。
在反应炉14的进气口还设有弥散管13，用于引导气体分散到反应炉14内，保证气流分布的均匀性。其中，弥散管13的长度为3-8cm。
这一气路设置，不仅可减少管路布置，而且还可保证在沉积过程时，将第一组气体和第二组气体提前混合配置好，再一同通入反应炉14的炉腔内，确保沉积生长的均匀性。
在吹扫各个管路及反应炉14之前，需要先往反应炉14中装载硅片，并使炉体升温到预热温度。
用氮气(N2)吹扫气路和反应炉14，具体为，再打开气动阀1、气动阀8、气动阀10、气动阀3、气动阀11，并将MFC流量计5、MFC流量计6、MFC流量计7设置为氮气吹扫管路所用的流量值。使氮气依次沿MFC流量计5、气动阀8和三通管头20所在的气路流入至反应炉14内，以吹扫反应炉14中的空气；同时还可吹扫MFC流量计5、气动阀8和三通管头20所在的管路上的空气。还使氮气依次沿气动阀1、MFC流量计6、气动阀10所在的气路流入至排气端VENT-1所在处，以扫清该气路上的空气。还使氮气依次沿气动阀3、MFC流量计7、气动阀11所在的气路流入至排气端VENT-2所在处，以扫清该气路上的空气。
再关闭所有气动阀，并将与反应炉进气口连通的各个管道上的流量计归零，也就是将MFC流量计5、MFC流量计6、MFC流量计7的流量设置为0，并暂停通入氮气。
S2、控制反应炉的真空度，并检查反应炉的漏气率。
关闭所有气动阀，通过压力表15监控反应炉14的漏气率。当反应炉14内的漏气率小于目标漏气值0.75PA/min时，则可进行下一步的预沉积工序。
当反应炉14内的漏气率大于或等于目标漏气值0.75PA/min时，则重新监控并检查反应炉14的气密性，直至其漏气率小于目标漏气值0.75PA/min合格为止。
S3、对硅片进行预沉积。
打开气动阀17，当压力表15监控到反应炉14内的真空度达到0.5Pa以下时，且此时反应炉15内的温度已到达预设的目标温度600℃，则打开气动阀2、MFC流量计6、和气动阀9，向反应炉14内通入第二组气体，直至预沉积结束。具体为，将第二组气体硅烷依次经气动阀2、MFC流量计6、气动阀9、三通管头20和弥散管13，进入反应炉14内，开始对硅片进行预沉积生长掺杂多晶硅薄膜。
由于在反应炉14进行掺杂多晶硅薄膜生长时，炉内气压需要保持稳定，进而需要真空泵19常开工作。对于反应炉14的气压，工作时需要微调控制，而不能大开大进的粗调控制，避免影响反应炉14内的气压波动太大；进而需要打开精调气动阀17与真空泵19连通，并通过压力表15实时监控反应炉14内的气压。
在预沉积的过程中，通过精调反应炉14内的气压的同时，为了避免真空泵19抽取的气流过多，导致反应炉14中的气压小于其目标气压值40±5Pa，影响生长掺杂多晶硅薄膜厚度。进而需要打开与真空泵19连通的氮气的管路，也就是需要打开气动阀18和用于调整气压值的PV流量计21，此时根据压力表15的压力与PV进行信号关联，通过调整气动阀18所在管道的氮气流量，经真空泵19抽走后，以减少对反应炉14的抽力，从而使反应炉14内的压力控制在目标压力。
具体为，当压力表15上的值小于目标值，打开气动阀18，并使氮气依次沿PV流量计21、气动阀18进入真空泵19所在的主管路上，该氮气的流向如图1中的虚线箭头所示。由于该气路的连接口设置在靠近真空泵19的一端侧，则会首选被真空泵19抽走，进而氮气可沿靠近真空泵19一侧的管路方向流通，进而可降低真空泵19从反应炉14中抽取气流的流量。从而可保证反应炉14中的压力一致，以制备出均匀合格的多晶硅膜厚。
持续通入第二组气体硅烷到反应炉14内，直至预沉积结束。
S4、沉积时，控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，混合后的气体再通入至反应炉内，直至生长结束。
当预沉积完成后，在不关闭第二组气体硅烷的基础上，打开第一组气体磷化氢和氮气的混合气，即使第一组气体依次经气动阀4、MFC流量计7、气动阀12、三通管头20后再经弥散管13进入反应炉14内。此时硅烷将与磷化氢和氮气的混合气体一同经过三通管头20进行混合，混合好后的多组气体通过弥散管13通入到反应炉14中，从而可保证反应时所需气体的均匀性和精确性。
对于反应炉14的气压，工作时需要微调控制，而不能大开大进的粗调控制，避免影响反应炉14内的气压波动太大；进而需要打开精调气动阀17与真空泵19连通，并通过压力表15实时监控反应炉14内的气压。
在沉积过程中，通过精调反应炉14内的气压的同时，为了避免真空泵19抽取的气流过多，导致反应炉14中的气压小于其目标气压值40±5Pa，影响生长掺杂多晶硅薄膜厚度。进而需要打开与真空泵19连通的氮气的管路，也就是需要打开气动阀18和用于调整气压值的PV流量计21，此时根据压力表15的压力与PV进行信号关联，通过调整气动阀18所在管道的氮气流量，经真空泵19抽走后，以减少对反应炉14的抽力，从而使反应炉14内的压力控制在目标压力。
也就是，当压力表15上的值小于目标值，打开气动阀18，并使氮气依次沿PV流量计21、气动阀18进入真空泵19所在的主管路上，该氮气的流向如图1中的虚线箭头所示。由于该气路的连接口设置在靠近真空泵19的一端侧，则会首选被真空泵19抽走，进而氮气可沿靠近真空泵19一侧的管路方向流通，进而可降低真空泵19从反应炉14中抽取气流的流量。从而使反应炉内的压力控制在40±5Pa，保证反应炉14中反应压力稳定，以制备出均匀合格的掺杂多晶硅膜厚。
本实施例中，在沉积过程中，控制第一组气体和第二组气体在反应炉14之外先进行混合，也就是控制第一组气体的管道或第二组气体的管道在反应炉14外的三通管头20位置处进行交汇连接，汇集混合均匀后再经同一管道弥散管13汇流至反应炉14内。不仅可保证反应炉14内多晶硅生产所用混合气体的纯度，而且还可保证任一管路流通的通畅性、连续性和稳定性，使所有气体在进入反应炉14之前就已充分地混合完毕，提高混合效率，保证多晶硅膜厚生长的均匀性。采用该加工工艺，可保证生成的掺杂多晶硅薄膜片内厚度的均匀性小于1.5％，且退火后的RS值在15±5Ω·cm范围内。
在沉积过程中，优选地，第一组气体通入至反应炉14中的流量为0.02-0.03L/min；第二组气体通入至反应炉中的流量为0.8-1.5L/min。
持续通入第一组气体和第二组气体到反应炉14中，直至沉积结束。
S5、流量计归零并将反应炉及各供气管路中的剩余气体抽排干净。
沉积结束后，关闭气动阀2和气动阀4，但仍开启气动阀9和气动阀12，同时将MFC流量计6和MFC流量计7进行归零。再通过控制真空泵19和粗调气动阀16，将反应炉14和用于提供第一组气体的管道、以及用于提供第二组气体的管道中的剩余的气体都被抽排出去。
排气完毕后，再关闭气动阀9和气动阀12，而后再打开气动阀1、气动阀3、气动阀8、气动阀10、和气动阀11，并将MFC流量计5、MFC流量计6和MFC流量计7设置为一定的流量，用与第一组气体同侧的氮气清洗各个气道管路和反应炉14，将反应炉14中腔体内残留的气体吹扫干净。也就是使氮气依次经MFC流量计5、气动阀8、三通管20、弥散管13进入反应炉14中；使氮气依次经气动阀1、MFC流量计6、气动阀10进入外置连接的排气端VENT-1中；使氮气依次经气动阀3、MFC流量计7、气动阀11进入外置连接的排气端VENT-2中；待吹扫30min后将气动阀17关闭，进入后续破真空阶段。
控制气动阀1、气动阀3、气动阀8、气动阀10、气动阀11保持打开状态，将MFC流量计5、MFC流量计6和MFC流量计7设置一定的流量，目的是用与第一组气体同侧的氮气破反应炉14的真空，通过通入氮气以保证进气的各个管路的干净。
再卸载硅片。
采用本申请设计的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，在进入反应炉之前预先将两种特定的气体混合好，然后再进入反应炉中，可保证生成的掺杂多晶硅薄膜片内厚度的均匀性小于1.5％，且退火后的RS值在15±5Ω·cm范围内。
以上对本申请的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本申请的较佳实施例，不能被认为用于限定本申请的实施范围。凡依本申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本申请的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，步骤包括：沉积时，控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，混合后的气体再通入至反应炉内，直至生长结束。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，所述控制第一组气体和第二组气体在反应炉之外先进行混合，包括：
控制第一组气体的管道或第二组气体的管道在反应炉外交汇连接；
再经同一管道汇流至反应炉内。
3.根据权利要求1或2所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，所述第一组气体为混合型组分，包括磷化氢与氮气；所述第二组气体为单性气体，为硅烷。
4.根据权利要求3所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，所述第一组气体中磷化氢的纯度为5％；所述第二组气体中硅烷的纯度为99.99％。
5.根据权利要求4所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，第一组气体通入至反应炉中的流量为0.02-0.03L/min；第二组气体通入至反应炉中的流量为0.8-1.5L/min。
6.根据权利要求1-2、4-5任一项所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，在沉积之前还包括：
吹扫各个管路及反应炉；
控制反应炉的真空度，并检查反应炉的漏气率；
对硅片进行预沉积。
7.根据权利要求6所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，采用氮气对与反应炉进气口连通的各个管路、以及反应炉进行吹扫；并将与反应炉进气口连通的各个管道上的流量计归零。
8.根据权利要求7所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，当反应炉内的漏气率小于目标漏气值时，则可进行预沉积工序；
当反应炉内的漏气率不小于目标漏气值时，则重新监控并检查反应炉的气密性，直至其漏气率小于目标漏气值合格为止。
9.根据权利要求7或8所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，在预沉积过程中，当反应炉内的真空度小于预设压力且反应炉的温度达到预设目标温度时，向反应炉内通入第二组气体，同时开启与反应炉出气口连通的真空泵，直至沉积结束。
10.根据权利要求9所述的一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺，其特征在于，在预沉积和沉积过程中，基于反应炉内的气压值，自动调整与真空泵连通的氮气管路，以保证反应炉内的压力值控制在预设值之间。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311353765.9A Pending CN117364239A (zh) | 2023-10-17 | 2023-10-17 | 一种掺杂多晶硅薄膜生长加工工艺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117364239A (zh) |
-
2023
- 2023-10-17 CN CN202311353765.9A patent/CN117364239A/zh active Pending
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