CN209412356U - 一种外延沉积腔室 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于半导体制造设备技术领域，具体涉及一种外延沉积腔室。该腔室包括工艺腔、外室、加热装置、气体注入装置和基座支撑装置；外室由外腔体和外腔盖组成，工艺腔固设于外腔体内；加热装置包括下电阻加热板和上电阻加热板，下电阻加热板设于工艺腔下方的外腔体内；上电阻加热板设于工艺腔上方的外腔盖内；工艺腔底部前侧设有凸台，基座支撑装置设于工艺腔底部中央；气体注入装置包括若干气体喷射器，安装在凸台内。本实用新型简单易于加工制造，且不需要定期拆卸清洗，降低了制造成本和维护成本。保证了反应区气体的均匀性，提高了外延生长均匀性。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体制造设备技术领域，具体涉及一种外延沉积腔室。
背景技术
外延生长工艺是指在单晶衬底表面生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，还可以对外延层进行掺杂，形成P型或N型有源层。生长外延层有多种方法，但采用最多的是化学气相沉积。沉积速率和沉积厚度基本上是温度和流量决定的。外延生长的均匀性主要受衬底晶片温度均匀性、气体流速、气体均匀性和稳定性等因数影响。
单片式外延生长装置由于其大直径外延加工能力和高质量的外延生长效果已经成为国际上外延片生产的发展主流。单片式外延反应腔一般为石英腔体，石英腔尺寸结构受材质限制，加工大尺寸腔体难度较大且加工成本高。衬底晶片外延生长过程中会有部分反应物堆积在腔体内表面，如不及时清洗石英腔，其不但会改变石英腔体内部的几何形状而影响反应气流，而且其堆积物中的颗粒也会成为污染来源，进而使衬底晶片上所形成的薄膜产生缺陷。因石英腔加热一般为红外灯加热，反应物的堆积也导致石英腔透光性下降，影响加热效果，需定期维护清洗，其维护停机时间较长，影响产能。而石英腔使用寿命有限，需定期更换，又增加了维护成本。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种外延沉积腔室。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的解决方案是：
提供一种外延沉积腔室，包括工艺腔；还包括外室、加热装置、气体注入装置和基座支撑装置；
外室由外腔体和外腔盖组成，工艺腔固设于外腔体内；
加热装置包括下电阻加热板和上电阻加热板，下电阻加热板设于工艺腔下方的外腔体内；上电阻加热板设于工艺腔上方的外腔盖内；
工艺腔底部前侧设有凸台，气体注入装置安装在凸台内；基座支撑装置设于工艺腔底部中央，包括基座与设于基座下部的旋转轴；基座上端面放置衬底晶片，旋转轴伸出至外室外，并与外部的旋转机构连接；
气体注入装置包括若干气体喷射器；由下至上包括进气口、气体通道、出气口通道与出气口，进气口外接气体流量控制系统，通过该系统调控各气体喷射器出气流速。
作为一种改进，下电阻加热板和上电阻加热板呈圆环形或圆形，是由多个共面的电阻加热器组成；电阻加热器的外形呈圆环形或1/4圆环形，内部绕圆心呈波浪形；电阻加热器的厚度随电阻加热器的径向位置尺寸变化，以满足电阻加热器在每个径向位置提供基本恒定的热通量；电阻加热器两端有接线端口，接线端口通过引出线与外部电路连通。
作为一种改进，下电阻加热板和上电阻加热板均划分为5～10个温度控制区域，各温度控制区域对称分布，能独立控制。
作为一种改进，气体喷射器为4～7个，沿垂直于工艺腔前后端面方向且沿直线均匀排列。
作为一种改进，气体喷射器内的气体通道呈U形；出气口呈矩形；出气口通道呈弧形，曲率半径大于20mm，高度与曲率半径比值小于0.5，使流过所述出气口通道的气体产生康达效应(Coanda Effect)，在吸附作用下，气体贴着所述出气口通道的下表面流向所述凸台上表面，在所述凸台表面水平移动，水平匀速流到衬底晶片表面进行反应，提高了外延生长的均匀性。
作为一种改进，下电阻加热板和上电阻加热板直径大于基座支撑装置中基座直径。
作为一种改进，基座支撑装置内部及四周放置有若干热电偶。
作为一种改进，基座支撑装置的基座、凸台和气体注入装置的上端面在同一水平高度。
上述工艺腔为金属腔体，材质为耐高温金属，如不锈钢310S，内表面镀耐腐蚀层保护，如添加陶瓷涂层，防止腐蚀性气体腐蚀腔壁。加热装置为电阻加热，电阻选择发热好、耐高温、不易变形的材料，包括镍铬合金、钼、钽、钨或涂有碳化硅涂层的石墨。
与现有技术相比，本实用新型的技术效果是：
1、工艺腔为金属腔体，结构尺寸不受限制，在保留了单片式外延生长装置生长外延层良好厚度和电阻率均匀性优点的同时提高了产能。工艺腔结构简单易于加工制造，且不需要定期拆卸清洗，降低了制造成本和维护成本。
2、工艺腔的凸台设计，保证了具有康达效应的气体流过衬底晶片表面。同时，减小了腔体内部空间，每次外延生长所需反应和吹扫气体使用量减少，节约了生产成本。
3、加热装置尺寸不受限制，可组装成大尺寸加热板；电阻加热板分为多个温度控制区域，可以调控各区域温度；基座支撑装置内部及四周放置有若干热电偶，测量基座各处的温度，根据反馈的温度实时调整加热器功率，保证工艺腔内基座及衬底晶片的受热均匀。
4、气体注入装置外接气体流量控制系统，保证了反应区气体的均匀性，提高了外延生长均匀性。
5、基座支撑装置下方连接有旋转机构，在工艺过程中，进一步增强晶片和反应气体接触的均匀性和和充分性，保证衬底晶片各沉积区保持相同反应条件，使衬底晶片外延生长均匀。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2本实用新型中的上电阻加热板结构示意图；
图3本实用新型中的下电阻加热板结构示意图；
图4本实用新型中的气体注入装置布局图；
图5本实用新型中的气体喷射器结构示意图。
图中标记：1-外室、2-气体注入装置、3-工艺腔、4-加热装置、5-基座支撑装置、6-衬底晶片、7-上电阻加热板、8-下电阻加热板、9-外腔体、10-外腔盖、11-凸台、13-电阻加热器、14-接线端口、15-第一内部电阻加热器、16-第二内部电阻加热器、17-第一外部电阻加热器、18-第二外部电阻加热器、19-气体喷射器、20-进气口、21-气体通道、22-出气口、23-出气口通道。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本实用新型的内容做进一步的详细说明，附图中的箭头表示气体流向。
如图1所示，本实用新型的一种外延沉积腔室，包括：外室1、气体注入装置2、工艺腔3、加热装置4和基座支撑装置5。加热装置4为电阻加热，由上电阻加热板7和下电阻加热板8组成。外室1由外腔体9和外腔盖10两部分组成，外腔体9内从下往上依次固定安装下电阻加热板8和工艺腔3，外腔盖10内固定安装上电阻加热板7，使加热装置4在工艺腔3上下侧，对工艺腔3进行均匀加热。工艺腔3为金属腔体，材质为耐高温金属，如不锈钢310S，内表面镀耐腐蚀层保护，如添加陶瓷涂层，防止腐蚀性气体腐蚀腔壁。工艺腔3的底部前侧设有凸台11，气体注入装置2安装在凸台11内，基座支撑装置5用于放置衬底晶片6，安装于工艺腔3底部中央。包括基座与设于基座下部的旋转轴。基座上端面放置衬底晶片6，旋转轴伸出至外室1外，并与外部的旋转机构连接。基座支撑装置5、凸台18和气体注入装置2上表面在同一平面。
在本实施例中，加热装置4为电阻加热，电阻选择发热好、耐高温、不易变形的材料，包括镍铬合金、钼、钽、钨或涂有碳化硅涂层的石墨。
在本实施例中，上电阻加热板7、下电阻加热板8呈圆环形或圆形，是由多个共面的电阻加热器13组成。电阻加热器13的外形呈圆环形或1/4圆环形，内部绕圆心呈波浪形。电阻加热器13的厚度随电阻加热器13的径向位置尺寸变化，以满足电阻加热器13在每个径向位置提供基本恒定的热通量。上电阻加热板7与下电阻加热板8不受限制，可组装成大尺寸加热板，例如：上电阻加热板7由第一内部电阻加热器15、第二内部电阻加热器16、第一外部电阻加热器17和第二外部电阻加热器18组成，如图2所示。下电阻加热板8由第二内部电阻加热器16、第一外部电阻加热器17和第二外部电阻加热器18组成，如图3所示。第一外部电阻加热器17和第二外部电阻加热器18都是由4个1/4圆环形电阻加热器组成的圆环形电阻加热器。第一外部电阻加热器17外直径大于300mm，组装成的外直径大于300mm的加热装置4，可应用于加工300mm及以上尺寸衬底晶片6的沉积腔室或基座组件装置5上放置多片小尺寸衬底晶片6的沉积腔室。第二外部电阻加热器18外直径大于200mm，由第一内部电阻加热器15、第二内部电阻加热器16和第二外部电阻加热器18组合而成的外直径大于200mm的加热装置4可应用于加工200mm或150mm衬底晶片的沉积腔室。上电阻加热板7与下电阻加热板8均分为多个温度控制区域，可以单独调控各区域温度。基座支撑装置5内部及四周放置有若干热电偶，测量基座各处的温度，根据反馈的温度实时调整加热器功率，保证工艺腔3内基座及衬底晶片的受热均匀。
在本实施例中，如图4所示，气体注入装置2由6个气体喷射器19组成，安装在凸台11内，面向衬底晶片6均匀排成一条线，其出气口22呈矩形，从而形成一个狭缝。如图5所示，气体喷射器19由进气口20、气体通道21、出气口22组成，气体从进气口20进入，通过气体通道21，从出气口22流出。气体通道21呈U形，可提高所进的单一气体均匀性或混合气体的混合均匀性。气体喷射器19的出气口通道23是气体通道21在出气口22处的一段通道。出气口通道23内壁为一个曲率很小的凸曲面，曲率半径为30mm，出气口通道23的高度为8mm。根据康达效应(Coanda Effect)：流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，只要曲率不大，流体将离开本来的流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向，即附壁作用。气体注入装置2的进气口20外接气体流量控制系统，调控各气体喷射器进气流速，使均速气体从出气口通道23的凸曲面流过，气体产生附壁效应，沿水平方向均速流过凸台11上表面后，继续水平匀速流到衬底晶片6表面反应，从排气口24流出，形成单向流道，气体在凸台11表面预热，保证了反应区温度的均匀性，提高了外延生长均匀性。
在本实施例中，工艺腔3的凸台11设计，使基座支撑装置5、凸台18和气体注入装置2上表面在同一平面，保证了康达效应气体流过衬底晶片6表面。同时，减小了腔体内部空间，每次外延生长所需反应和吹扫气体使用量减少，节约了生产成本。
在本实施例中，基座支撑装置5的旋转轴与外接的旋转机构连接，在工艺过程中，利用旋转机构带动基座支撑装置5匀速旋转，使基座支撑装置5上的衬底晶片6旋转，进一步增强晶片和反应气体接触的均匀性和和充分性，保证衬底晶片6各沉积区保持相同反应条件，使衬底晶片6外延生长均匀。如果不旋转，气体在先接触的衬底区域发生反应，在气体到达后续区域时硅源气体浓度下降，使先与气体发生反应的区域相较后接触区域沉积更厚的外延层，导致衬底表面外延层总体均匀性下降，不符合加工目标。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。上面描述的仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种外延沉积腔室，包括工艺腔；其特征在于，还包括外室、加热装置、气体注入装置和基座支撑装置；
所述外室由外腔体和外腔盖组成，所述工艺腔固设于所述外腔体内；
所述加热装置包括下电阻加热板和上电阻加热板，下电阻加热板设于工艺腔下方的外腔体内；所述上电阻加热板设于工艺腔上方的外腔盖内；
所述工艺腔底部前侧设有凸台，气体注入装置安装在所述凸台内；所述基座支撑装置设于工艺腔底部中央，包括基座与设于基座下部的旋转轴；基座上端面放置衬底晶片，旋转轴伸出至外室外，并与外部的旋转机构连接；
所述气体注入装置包括若干气体喷射器；由下至上包括进气口、气体通道、出气口通道与出气口，进气口外接气体流量控制系统，通过该系统调控各气体喷射器出气流速。
2.根据权利要求1所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述下电阻加热板和上电阻加热板呈圆环形或圆形，是由多个共面的电阻加热器组成；所述电阻加热器的外形呈圆环形或1/4圆环形，内部绕圆心呈波浪形；所述电阻加热器的厚度随所述电阻加热器的径向位置尺寸变化，以满足所述电阻加热器在每个径向位置提供基本恒定的热通量；所述电阻加热器两端有接线端口，接线端口通过引出线与外部电路连通。
3.根据权利要求1或2所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述下电阻加热板和上电阻加热板均划分为5～10个温度控制区域，各温度控制区域对称分布，能独立控制。
4.根据权利要求1所述的腔室，其特征在于，所述气体喷射器为4～7个，沿垂直于工艺腔前后端面方向且沿直线均匀排列。
5.根据权利要求1所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述气体喷射器内的气体通道呈U形；出气口呈矩形；所述出气口通道呈弧形，曲率半径大于20mm，高度与曲率半径比值小于0.5。
6.根据权利要求1所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述下电阻加热板和上电阻加热板直径大于所述基座支撑装置中基座直径。
7.根据权利要求1所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述基座支撑装置内部及四周放置有若干热电偶。
8.根据权利要求1所述的外延沉积腔室，其特征在于，所述基座支撑装置的基座、凸台和气体注入装置的上端面在同一水平高度。
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