專利名稱：超高真空化學(xué)氣相淀積外延系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生長(zhǎng)超大規(guī)模集成電路薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和超晶格薄膜材料的生長(zhǎng)方法和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造。
外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和超晶格薄膜材料可用多種方法，但目前主要是分子束外延(MBE)和化學(xué)氣相外延(CVD)兩種。
分子束外延(MBE)實(shí)際上是一種超高真空蒸發(fā)方法，系統(tǒng)真空度高達(dá)10-11Torr，生長(zhǎng)時(shí)一般為10-9Torr，從而保證原子級(jí)清潔的生長(zhǎng)表面，生長(zhǎng)溫度一般為400-750℃，生長(zhǎng)速度可控制在1-10/sec.，但MBE設(shè)備不僅價(jià)格昂貴，而且維護(hù)費(fèi)用高、操作復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，不利于工業(yè)化應(yīng)用。特別是在生長(zhǎng)Si1-xGex應(yīng)變層時(shí)，Si、Ge的蒸氣壓很低，必須專門配備電子束蒸發(fā)器來(lái)獲得Ge、Si源束流。
化學(xué)氣相淀積(CVD)是利用分解反應(yīng)在半導(dǎo)體片表面淀積薄膜的技術(shù)。但傳統(tǒng)的常壓CVD(AP-CVD)淀積溫度高，淀積速率快，不能用于量子尺寸的應(yīng)變層異質(zhì)外延。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的低壓CVD(LP-CVD)反應(yīng)氣壓在10- 3Torr，利用Si或Ge烷類的熱分解在生長(zhǎng)表面上淀積Si1-xGex/Si薄膜等。由于該技術(shù)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，維護(hù)使用方便，設(shè)備與生產(chǎn)成本低、原位氣相摻雜簡(jiǎn)便、生長(zhǎng)效率高，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的紅外加熱超高真空化學(xué)氣相外延系統(tǒng)主要采用條形燈光作為輻射熱源，已有的這種外延系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如

圖1所示圖1中生長(zhǎng)室11為直徑7cm石英玻璃管，外環(huán)放置15支1kw碘鎢燈12，燈管后有反光板13，生長(zhǎng)室內(nèi)有樣品架14，樣品架上放置硅片112，熱電偶15用來(lái)測(cè)量硅片溫度，Ar+射頻濺射清洗電極16，具有閥門和質(zhì)量流量控制器的氣源系統(tǒng)17，接口18聯(lián)至抽真空系統(tǒng)，19為真空計(jì)，閥門111聯(lián)接在生長(zhǎng)室11出氣口與尾氣處理系統(tǒng)之間。
這種CVD系統(tǒng)仍存在許多問(wèn)題，其中最主要的是采用條形燈光加熱半導(dǎo)體襯底片，溫度不夠均勻，從而影響了外延生長(zhǎng)的薄膜厚度的均勻性，因而仍不能滿足UHV/CVD外延生長(zhǎng)的要求。
本發(fā)明的目的在于為克服上述系統(tǒng)的不足之處，研制出一種超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)外延系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有加熱溫度均勻，可外延大面積厚度均勻的半導(dǎo)體片，且低成本、高效率，易于工業(yè)實(shí)用化批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
本發(fā)明所研制的UHV/CVD系統(tǒng)，包括外延生長(zhǎng)室及其加熱裝置，予處理裝片室，氣路系統(tǒng)，熱電偶與光測(cè)高溫計(jì)，加熱電源，高真空機(jī)組抽氣系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)；其特征在于所說(shuō)的加熱裝置由固定在該外延生長(zhǎng)室外側(cè)的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板構(gòu)成。
本發(fā)明所說(shuō)的外延生長(zhǎng)室可由水冷雙層不銹鋼圓外腔及設(shè)置在其中的圓形或扁平矩形石英反應(yīng)內(nèi)腔構(gòu)成；該石英反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有石英樣品架。該石英腔兩端靠密封圈與外腔兩端的水冷法蘭內(nèi)側(cè)連接，為保證扁平石英腔不為大氣壓力壓爆，內(nèi)腔與外腔的壓力必須始終保持平衡。該外腔一端水冷法蘭外側(cè)與予處理裝片室連接，另一端水冷法蘭外側(cè)與高真空機(jī)組系統(tǒng)接口相連。
所說(shuō)的水冷雙層圓形不銹鋼外腔內(nèi)可由石英隔板將加熱腔、外延生長(zhǎng)腔隔開，加熱腔中與所說(shuō)的石英隔板相對(duì)位置安裝有石墨加熱器，加熱腔中的石墨加熱器發(fā)出的紅外光透過(guò)石英隔板均勻加熱外延生長(zhǎng)腔中的樣片，石英板靠密封圈達(dá)到真空密封。
所說(shuō)的予處理裝片室可由不銹鋼真空腔，等離子體清洗裝置，不銹鋼片托，磁傳動(dòng)式送片機(jī)構(gòu)組成，該裝片室一端與水冷法蘭連接處安裝有一個(gè)不銹鋼隔離門，在石英腔外延生長(zhǎng)時(shí)，該隔離門要關(guān)閉，以保證生長(zhǎng)室的超高真空和形成平行半導(dǎo)體片表面的均勻反應(yīng)氣流；另一端與磁傳動(dòng)送片機(jī)構(gòu)相連；而前面與機(jī)械手相連。
所說(shuō)的磁傳動(dòng)取送片機(jī)構(gòu)可由不銹鋼圓筒及其內(nèi)外側(cè)互相吸引的磁缸組成，筒外側(cè)磁缸在絲杠帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由磁力吸引內(nèi)磁缸推動(dòng)放置半導(dǎo)體片的不銹鋼片托。由機(jī)械手或人工將半導(dǎo)體片放在不銹鋼片托上后，第一次進(jìn)入石英反應(yīng)腔時(shí)，可自動(dòng)將硅片放到石英腔生長(zhǎng)室內(nèi)的石英樣品架上；而第二次進(jìn)入石英腔生長(zhǎng)室時(shí)，又可自動(dòng)將外延生長(zhǎng)完的硅片取出。
所說(shuō)的熱電偶和光測(cè)高溫計(jì)可同時(shí)測(cè)量襯底半導(dǎo)體片或石墨板加熱器的溫度，由計(jì)算機(jī)控制加熱電源的輸出功率達(dá)到調(diào)節(jié)所需的襯底片溫度。整個(gè)系統(tǒng)的磁傳動(dòng)取送片機(jī)構(gòu)、反應(yīng)腔與裝片室間的隔離門、石墨板電阻加熱器，氣路系統(tǒng)的質(zhì)量流量控制器、真空機(jī)組的機(jī)械泵、分子泵等的工作狀態(tài)均可按照要求選擇不同參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟硬件自動(dòng)控制完成。
本發(fā)明的工作過(guò)程是為了使外延生長(zhǎng)室--石英反應(yīng)腔內(nèi)獲得超高本底真空，外延生長(zhǎng)前關(guān)閉石英反應(yīng)腔與裝片室間的隔離門。系統(tǒng)采用三組高真空機(jī)組(分子泵與機(jī)械泵)分別對(duì)石英反應(yīng)腔、外腔、予處理裝片室抽真空。由于石英反應(yīng)內(nèi)腔與外腔之間由密封圈隔離，內(nèi)腔的真空度會(huì)提高至10-8-10-9Torr。然后打開隔離門，磁傳動(dòng)送片機(jī)構(gòu)將予處理過(guò)的半導(dǎo)體片送入石英腔內(nèi)并放在石英樣品架上，送片機(jī)構(gòu)退回裝片室，關(guān)上隔離門。當(dāng)石英反應(yīng)腔抽到極限真空、石墨板電阻加熱器達(dá)到設(shè)定溫度后，計(jì)算機(jī)工作程序打開反應(yīng)氣體、摻雜氣體、載氣相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量控制器兩邊的電磁閥，由質(zhì)量流量計(jì)控制通入反應(yīng)腔的各種氣體流量，從而在襯底半導(dǎo)體片表面淀積外延出各種薄膜。
本發(fā)明由于采用石墨作為輻射熱源；可選用尺寸大于硅片的單塊或上下兩塊相距很近的平行石墨板加熱硅片；石墨板周圍放置紅外反射板，可將大部分能量反射回來(lái)。為減少石墨出氣，石墨板也可外包碳化硅薄膜。因此本發(fā)明不僅可以延長(zhǎng)加熱器使用壽命，而且加熱溫度更加均勻，從而保證了外延生長(zhǎng)的薄膜厚度均勻。
此外，本發(fā)明可采用小體積扁平矩形石英反應(yīng)腔作為外延生長(zhǎng)室，半導(dǎo)體片對(duì)著氣流斜放在石英腔內(nèi)石英樣品架上，因而流過(guò)半導(dǎo)體片表面的氣流十分均勻，生長(zhǎng)的薄膜厚度一致。可采用光測(cè)高溫計(jì)與熱電偶同時(shí)測(cè)量半導(dǎo)體片和石墨板的溫度，以確保測(cè)溫準(zhǔn)確和控溫響應(yīng)及時(shí)。本系統(tǒng)還可安裝機(jī)械手，從而可以避免在換片過(guò)程裝片室暴露大氣，大大提高生產(chǎn)效率和改善裝片室真空、潔凈。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有的一種LP-CVD外延系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的UHV/CVD外延系統(tǒng)實(shí)施例一總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為實(shí)施例一的外延生長(zhǎng)室結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的UHV/CVD外延系統(tǒng)實(shí)施例二總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明的UHV/CVD外延系統(tǒng)實(shí)施例三總體結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出UHV/CVD外延系統(tǒng)的三種實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)如圖2-圖5所示，分別詳細(xì)說(shuō)明如下實(shí)施例一總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包括如下組成部分由扁平矩形石英反應(yīng)腔(內(nèi)腔)21，石墨板電阻加熱器22和外腔23組成的外延生長(zhǎng)室；由不銹鋼真空腔24，等離子體清洗裝置25，不銹鋼片托26，磁傳動(dòng)式送片機(jī)構(gòu)27組成的裝片室；由氣源瓶、不銹鋼減壓閥、不銹鋼氣體管路、質(zhì)量流量控制器、H2純化器等組成的氣路系統(tǒng)28；由分子泵與機(jī)械泵機(jī)組分別對(duì)生長(zhǎng)室、裝片室、外腔抽真空的真空機(jī)組29；尾氣處理裝置30，以及由計(jì)算機(jī)軟硬件、測(cè)溫計(jì)、電源等組成的控制系統(tǒng)210等部分組成。
外延生長(zhǎng)室是本發(fā)明的核心部分，由雙腔體組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。內(nèi)腔體包括矩形石英反應(yīng)內(nèi)腔21、硅片211、石英樣品架212、固定在石英反應(yīng)腔外表面的開槽石墨板電阻加熱器22、進(jìn)氣口221以及反射板219。內(nèi)腔體石英腔21兩端通過(guò)密封墊圈固定在外腔體兩端的水冷法蘭213、214上。石英腔21右邊與裝片室連接，石英腔與裝片室間安有隔離門；左邊與高真空機(jī)組分子泵連通。
外腔體包括雙層圓形不銹鋼水冷外爐殼23，反射屏220和兩端水冷法蘭213、214。右法蘭與裝片室固定，左法蘭與高真空分子泵機(jī)組固定。左法蘭上還引出加熱石墨板的水冷電極215、216，測(cè)量石墨板溫度的熱電偶218引出端。外爐體上端安裝光測(cè)高溫計(jì)217可同時(shí)測(cè)量石墨板和半導(dǎo)體片溫度，確保溫度測(cè)量準(zhǔn)確。
利用該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了Si基上的Si的低溫外延，SiGe/Si外延等，外延層均勻性好，過(guò)渡區(qū)窄，晶體完整，本底雜質(zhì)濃度小于5×1014cm-3。在500℃～850℃范圍生長(zhǎng)出質(zhì)量完好的GeSi/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，Ge組分在0～0.6之間連續(xù)可調(diào)。
該系統(tǒng)的指標(biāo)為1．生長(zhǎng)溫度范圍500～1000℃連續(xù)可調(diào)2．溫控精度＜±3℃3．溫度均勻性＜±1％4．外延生長(zhǎng)室本底真空＜1×10-6pa5．工作氣壓10-1Pa-100Pa范圍連續(xù)可調(diào)6．外延生長(zhǎng)速率可調(diào)，典型值為1/sec.。
7．反應(yīng)氣路7路，具有質(zhì)量流量控制器，內(nèi)拋光不銹鋼管道8．硅片尺寸φ100mm9．計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制，并具各種安全保護(hù)功能該系統(tǒng)可適用于1．外延生長(zhǎng)鍺硅異質(zhì)結(jié)材料2．低溫外延硅材料3．生長(zhǎng)各種量子阱，超晶格結(jié)構(gòu)本發(fā)明的兩種改進(jìn)實(shí)施方案如圖4、圖5所示。
實(shí)施例二總體結(jié)構(gòu)如圖4，它可以是兩腔、三腔和四腔UHV/CVD外延系統(tǒng)，圖4示出四腔系統(tǒng)。每個(gè)腔與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)基本相同，其不同之處為，在外腔23內(nèi)上下平行設(shè)置兩個(gè)石英內(nèi)腔31和32，石墨板電阻加熱器34、35、36分別作為上、下腔的加熱熱源，223為內(nèi)旋轉(zhuǎn)門，224為裝片室抽氣口，225為真空管道，226為插板閥，227為壓力調(diào)節(jié)器。裝片室內(nèi)安裝有三維真空伸縮式機(jī)械手37，可隨時(shí)從四個(gè)腔中取放半導(dǎo)體片。該方案的特征在于兩腔可分別摻雜N型、P型雜質(zhì)，避免N、P型雜質(zhì)互相補(bǔ)償帶來(lái)的問(wèn)題。該發(fā)明可大大提高生長(zhǎng)效率，更適合工業(yè)化大批量生產(chǎn)。
實(shí)施例三總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該外延系統(tǒng)水冷雙層圓形不銹鋼外腔內(nèi)設(shè)置石英隔板44，靠密封圈隔開上下兩部分分別做為加熱腔41和外延生長(zhǎng)腔45。加熱腔41中有石墨板電阻加熱器42，反射板415，由分子泵系統(tǒng)47單獨(dú)抽真空。外延生長(zhǎng)腔45中有樣片43，樣品架416，測(cè)溫計(jì)417，上端有氣源系統(tǒng)410的氣路入口，下端由分子泵系統(tǒng)48單獨(dú)排氣，右端通過(guò)插板閥411與預(yù)處理裝片室414相連，裝片室414內(nèi)有片盒和等離子體清洗裝置412，其右端與機(jī)械手413聯(lián)接。該實(shí)施例的特征在于樣片由石墨板電阻加熱器產(chǎn)生的紅外光透過(guò)石英隔板均勻加熱，結(jié)構(gòu)更加緊湊，也可方便改變成多外延生長(zhǎng)腔結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1．一種超高真空化學(xué)氣相淀積外延系統(tǒng)，包括外延生長(zhǎng)室及其加熱裝置，予處理裝片室，磁傳動(dòng)傳送片機(jī)構(gòu)，氣路系統(tǒng)，熱電偶與光測(cè)高溫計(jì)，加熱電源，高真空機(jī)組抽氣系統(tǒng)，尾氣處理裝置以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)；其特征在于所說(shuō)的加熱裝置由固定在該外延生長(zhǎng)室外側(cè)的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板組成。
2．如權(quán)利要求1所說(shuō)的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的外延生長(zhǎng)室由水冷雙層不銹鋼圓外腔及設(shè)置在其中的扁平矩形石英反應(yīng)內(nèi)腔構(gòu)成，該石英反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有石英樣品架，該石英腔兩端靠密封圈與外腔兩端的水冷法蘭內(nèi)側(cè)連接，該外腔的一端水冷法蘭外側(cè)與所說(shuō)的予處理裝片室連接，另一端水冷法蘭外側(cè)與所說(shuō)的高真空機(jī)組抽氣系統(tǒng)接口相連。
3．如權(quán)利要求1所述的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的水冷雙層圓形不銹鋼外腔內(nèi)由石英隔板將加熱腔、外延生長(zhǎng)腔隔開，加熱腔中與所說(shuō)的石英隔板相對(duì)位置安裝有石墨加熱器，石英板靠密封圈達(dá)到真空密封。
4．如權(quán)利要求1所說(shuō)的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的予處理裝片室由不銹鋼真空腔，等離子體清洗裝置，不銹鋼片托，磁傳動(dòng)式送片機(jī)構(gòu)組成，該裝片室一端與水冷法蘭連接處安裝有一個(gè)不銹鋼隔離門。
5．如權(quán)利要求4所說(shuō)的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的磁傳動(dòng)取送片機(jī)構(gòu)是由不銹鋼圓筒及其內(nèi)外側(cè)互相吸引的磁缸組成。
6．如權(quán)利要求1所說(shuō)的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的外延生長(zhǎng)室由在外腔內(nèi)上下平行設(shè)置兩個(gè)石英內(nèi)腔構(gòu)成。
7．如權(quán)利要求1所說(shuō)的外延系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的予處理裝片室兩端分別對(duì)稱連接兩個(gè)外延生長(zhǎng)室，所說(shuō)的外延生長(zhǎng)室由在外腔內(nèi)上下平行設(shè)置兩個(gè)石英內(nèi)腔構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明屬于生長(zhǎng)超大規(guī)模集成電路薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域,包括外延生長(zhǎng)室及其加熱裝置,預(yù)處理裝片室,磁傳動(dòng)傳送片機(jī)構(gòu),氣路系統(tǒng),熱電偶與光測(cè)高溫計(jì),加熱電源,高真空機(jī)組抽氣系統(tǒng),尾氣處理裝置以及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng);加熱裝置由固定在該外延生長(zhǎng)室外側(cè)的石墨板電阻加熱器、安裝在石墨板加熱器外的紅外反射板組成。本發(fā)明具有加熱溫度均勻,可外延大面積厚度均勻半導(dǎo)體片,且低成本、高效率,易于工業(yè)實(shí)用化批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C16/54GK1224085SQ9811171
公開日1999年7月28日 申請(qǐng)日期1998年12月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月25日
發(fā)明者錢佩信, 林惠旺, 梁聚寶, 劉榮華, 韓勇, 金曉軍, 羅廣禮, 陳培毅, 陳必賢, 白玉琦 申請(qǐng)人:清華大學(xué)