CN216213296U - 半导体材料掺杂用扩散装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半导体材料掺杂用扩散装置，包括气体输送管路以及扩散反应腔。所述气体输送管路上配置有控制组件，所述控制组件被设置成用于控制所述气体输送管路输送气体的流量；所述扩散反应腔连通所述气体输送管路，所述扩散反应腔内设置有载样台以及扩散部件，所述扩散部件被设置为用于将所述气体输送管路输送的气体引入到所述扩散反应腔内的载样台上，以使气体在被加热的样品表面发生扩散反应。本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，其相比MOCVD扩散设备，具有结构简单、易于小型化以及可低温扩散的优点，相比石英闭管扩散设备，具有多片、大尺寸晶圆扩散能力的优点。

Description

半导体材料掺杂用扩散装置

技术领域

本实用新型是关于一种扩散装置，特别是关于一种用于化合物半导体材料掺杂用的热扩散装置。

背景技术

基于GaAs和InP的化合物半导体材料广泛用于微电与光电领域，为了获得关键的光学与电学特性，半导体材料与器件需要进行掺杂来制作PN结。

在非台面刻蚀的砷磷基平面器件工艺中，PN结制作中常用P型掺杂剂扩散的方法对外延片表面进行掺杂，通过控制扩散的剂量与时间，可以精确控制掺杂浓度与掺杂深度，结合选区扩散，可以设计制作复杂的横向器件结构。目前砷磷基材料或器件P型扩散常用的两类方法为基于固态扩散源的石英闭管扩散和基于气/液态源的MOCVD扩散。石英闭管扩散设备简单、工艺成本低，但扩散样品受限于石英管尺寸，无法进行晶圆级扩散；MOCVD扩散可以实现多片晶圆级扩散，但设备昂贵并且存在扩散工艺对其他外延生长工艺影响的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种半导体材料掺杂用扩散装置，其相比MOCVD扩散设备，具有结构简单、易于小型化以及可低温扩散的优点，相比石英闭管扩散设备，具有多片、大尺寸晶圆扩散能力的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种半导体材料掺杂用扩散装置，包括气体输送管路以及扩散反应腔。

所述气体输送管路上配置有控制组件，所述控制组件被设置成用于控制所述气体输送管路输送气体的流量。

所述扩散反应腔连通所述气体输送管路，所述扩散反应腔内设置有载样台以及扩散部件，所述扩散部件被设置为用于将所述气体输送管路输送的气体引入到所述扩散反应腔内的载样台上，以使气体在被加热的样品表面发生扩散反应。

在一个或多个实施方式中，所述气体输送管路包括用于输送载气的第一气路、用于输送扩散气体的第二气路以及用于输送表面保护气体的第三气路，所述第一气路、第二气路以及第三气路均连通所述扩散部件。

在一个或多个实施方式中，所述控制组件包括控制气体流量的流量计以及控制气体通断的气动阀门，所述气动阀门通过压缩空气或高压氮气驱动。

在一个或多个实施方式中，所述气体输送管路为由电解抛光的不锈钢材质制成的管路。

在一个或多个实施方式中，所述扩散部件包括呈阵列排设的喷淋头，所述喷淋头被构造成喷气孔结构，单个所述喷气孔的直径小于1mm，相邻所述喷气孔的间距小于1mm。

在一个或多个实施方式中，所述扩散反应腔内配置有加热结构，所述加热结构作用于所述载样台。

在一个或多个实施方式中，所述扩散反应腔内配置有压力计，所述压力计用于测量所述扩散反应腔内的气体压力。

在一个或多个实施方式中，所述扩散反应腔外连通配置有带尾气处理的真空装置，所述真空装置用于控制所述扩散反应腔内的气体压力。

在一个或多个实施方式中，所述扩散反应腔外设置有循环冷却结构，所述循环冷却结构被设置成用于冷却所述扩散反应腔。

在一个或多个实施方式中，所述扩散反应腔内还设置有射频结构，所述射频结构用于将表面保护气体与扩散气体等离子体化，以降低表面保护气体与扩散气体的热解温度，从而降低扩散工艺的温度。

在一个或多个实施方式中，所述载样台为由高纯石英、高纯陶瓷或带有涂层的高纯石墨材质制成的载样台。

在一个或多个实施方式中，所述半导体材料掺杂用扩散装置还包括传递机构及样品仓，所述传递机构包括可移动机械手，所述可移动机械手于所述样品仓与所述载样台之间自动传递样品，相比使用手套箱进行手动传片可以节省装置空间并提升传片效率。

在一个或多个实施方式中，所述半导体材料掺杂用扩散装置还包括传递仓，所述传递机构配置于所述传递仓内。

与现有技术相比，本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，结构简单，可通过对工艺气体与温度的精确控制，来控制半导体材料的掺杂浓度与掺杂深度。

本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，通过射频结构使得表面保护气体与扩散气体的等离子体化，实现材料的低温扩散工艺。

本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，其样品仓内暂存多片晶圆样品，其载样台上可放置多片晶圆，通过传递机构的设置，可于样品仓与载样台之间自动传递样品(包括待扩散样品与已完成样品)，实现多片晶圆级扩散。

附图说明

图1是本实用新型一实施方式的半导体材料掺杂用扩散装置结构示意图。

图2是采用本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置进行InGaAs/InP外延层中的Zn扩散分布测试的测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，本实用新型一实施方式提供了一种半导体材料掺杂用扩散装置，包括气体输送管路，扩散反应腔20，循环冷却结构30，传递机构，样品仓50，传递仓60以及控制机构。气体输送管路连通扩散反应腔20。循环冷却结构30设置于扩散反应腔20的外周，用于对扩散反应腔20进行冷却。传递机构配置于传递仓60内，其可将待扩散样品从样品仓50输送至扩散反应腔20内，以便样品进行扩散反应；又可将已完成样品从扩散反应腔20输送至样品仓50。控制机构连通气体输送管路，扩散反应腔20，循环冷却结构30以及传递机构，控制上述部件联动。

气体输送管路包括用于输送载气的第一气路11、用于输送扩散气体的第二气路12以及用于输送表面保护气体的第三气路13。其中，第一气路11、第二气路12以及第三气路13上均设置有用于控制输送气体的流量的控制组件，控制组件包括控制气体流量的流量计141以及控制气体通断的气动阀门142，气动阀门142通过压缩空气或高压氮气驱动。气体输送管路能构输送高纯(>7N)气体并且可以通过控制组件进行精确的流量控制。

在一具体实施例中，气体输送管路的材质为电解抛光SUS316L不锈钢，管路直径为1/4-1/2英寸。气体阀门142为气动隔膜阀，流量计141为质量流量计，流量计141的流量范围为5sccm-5000sccm，控制精度为满量程的1％。

第一气路11为载气气路，第一气路11中输送的气体为高纯(>7N)氮气或氢气。第二气路12为扩散气路，第二气路12中输送的气体为高纯(>7N)载气携带的金属有机源DEZn或DMZn的蒸汽。第三气路13为表面保护气路，第三气路13中输送的气体包括气态源气和液态源气，气态源气为高纯(>7N)氢化物气体AsH3或PH3，液态源气为高纯载气携带的金属有机源TBAs、TMAs或TBP的蒸汽。

扩散反应腔20连通气体输送管路中的各个管路。扩散反应腔20内设置有载样台21，扩散部件22，加热结构23，射频结构24以及压力计PT。扩散反应腔20上开设有排气口25。扩散部件22被设置为用于将气体输送管路输送的气体引入到扩散反应腔20内的载样台21上，以使气体在被加热的样品表面发生扩散反应。扩散反应腔20内的废气通过排气口25排出至带尾气处理的真空装置A中。带尾气处理的真空装置A还可用来配合压力计PT控制扩散时反应腔内压力，使其在扩散时的压力范围保持在0.2-200mbar。

载样台21可支持2-6英寸晶圆，可实现单片4/6英寸或多片2/3英寸。载样台21的材质采用高纯石英、高纯陶瓷或带有涂层的高纯石墨。

扩散部件22包括呈阵列排设的喷淋头，喷淋头被构造成喷气孔(微孔)结构。喷气孔(微孔)的直径小于1mm，相邻喷气孔(微孔)的间距小于1mm。气体输送管路中的类气体通过喷淋头垂直均匀喷射于载样台21以及扩散反应腔20内。

加热结构23设置于载样台21的下方，用于加热载样台21上的样品。加热结构23可以为电阻丝加热，电阻丝均匀分布于载样台21的下方，其加热温度范围100-600℃。

射频结构24含射频源，频率范围为500kHz到13.56MHz，功率大于100W。射频结构24作用于位于扩散反应腔20内的气体，使表面保护气体与扩散气体等离子体化，以降低表面保护气体与扩散气体的热解温度，从而降低扩散工艺的温度。

扩散反应腔20的壳体通过循环冷却结构30进行循环水冷却。

在一具体实施例中，循环冷却结构30包括贴合壳体设置的循环冷却腔或冷却管。设备工作时，循环冷却腔或冷却管内流通有循环冷却液，对扩散反应腔20的壳体进行冷却。

传递仓60位于样品仓50以及扩散反应腔20之间。传递机构设置于传递仓60内。传递机构包括可移动机械手。鉴于可移动机械手属于现有技术，在此不做过多阐述。样品仓50内可暂存多片晶圆样品，载样台21上可放置多片晶圆，传递仓60内的可移机械手在样品仓50与载样台21之间自动传递样品，包括待扩散样品与已完成样品，实现样品的自动运输。

控制机构可以为PLC控制，装置中的流量计141、气动阀门142、加热结构23的加热温度、扩散反应腔20内的压力与射频功率均通过PLC控制，PLC与电脑或触摸屏连接，通过控制软件界面实现自动控制。

图2为采用本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置进行InGaAs/InP外延层中的Zn扩散分布测试的测试结果图。其中，横坐标表示扩散深度，纵坐标表示外延层扩散后的Zn原子浓度，从图2中可以看出，Zn元素可以有效的扩散进InGaAs与InP外延层且具有不同的浓度，表层InGaAs中的Zn浓度为2E19cm^-3，下层InP中的Zn浓度为3E18cm^-3。

与现有技术相比，本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，结构简单，可通过对工艺气体与温度的精确控制，来控制半导体材料的掺杂浓度与掺杂深度，实现晶圆扩散。

本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，通过射频结构使得表面保护气体与扩散气体的等离子体化，实现材料的低温扩散工艺。

本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，其样品仓内暂存多片晶圆样品，其载样台上可放置多片晶圆，通过传递机构的设置，可于样品仓与载样台之间自动传递样品(包括待扩散样品与已完成样品)，实现多片晶圆级扩散。

本实用新型的半导体材料掺杂用扩散装置，其相比MOCVD扩散设备，具有结构简单、易于小型化以及可低温扩散的优点，相比石英闭管扩散设备，具有多片、大尺寸晶圆扩散能力的优点。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，包括：

气体输送管路，所述气体输送管路上配置有控制组件，所述控制组件被设置成用于控制所述气体输送管路输送气体的流量；

扩散反应腔，所述扩散反应腔连通所述气体输送管路，所述扩散反应腔内设置有载样台以及扩散部件，所述扩散部件被设置为用于将所述气体输送管路输送的气体引入到所述扩散反应腔内的载样台上，以使气体在被加热的样品表面发生扩散反应。

2.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述气体输送管路包括用于输送载气的第一气路、用于输送扩散气体的第二气路以及用于输送表面保护气体的第三气路，所述第一气路、第二气路以及第三气路均连通所述扩散部件。

3.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述控制组件包括控制气体流量的流量计以及控制气体通断的气动阀门，所述气动阀门通过压缩空气或高压氮气驱动。

4.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散部件包括呈阵列排设的喷淋头，所述喷淋头被构造成喷气孔结构，单个所述喷气孔的直径小于1mm，相邻所述喷气孔的间距小于1mm。

5.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散反应腔内配置有加热结构，所述加热结构作用于所述载样台。

6.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散反应腔内配置有压力计，所述压力计用于测量所述扩散反应腔内的气体压力。

7.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散反应腔外连通配置有带尾气处理的真空装置，所述真空装置用于控制所述扩散反应腔内的气体压力。

8.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散反应腔外设置有循环冷却结构，所述循环冷却结构被设置成用于冷却所述扩散反应腔。

9.如权利要求2所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，所述扩散反应腔内还设置有射频结构，所述射频结构用于将表面保护气体与扩散气体等离子体化，以降低表面保护气体与扩散气体的热解温度。

10.如权利要求1所述的半导体材料掺杂用扩散装置，其特征在于，还包括传递机构及样品仓，所述传递机构包括可移动机械手，所述可移动机械手于所述样品仓与所述载样台之间自动传递样品。

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