硅外延材料制造过程中先进配套条件的研究

2020-05-09唐发俊李明达马丽颖

天津科技 2020年4期

唐发俊，赵扬，李明达，马丽颖，王楠*

(1. 中国电子科技集团公司第四十六研究所半导体材料硅外延部天津300220；2. 天津大学材料科学与工程学院天津市材料复合与功能化重点实验室天津300350)

0 引言

应用于半导体元器件制造的硅外延材料发展到今天已将近 50年。为了适应硅外延材料从小尺寸向大尺寸发展以及均匀性不断改善的趋势，其制造设备从早期的多片式外延炉向单片式外延炉发展[1]。与此同时，随着对硅外延材料的材料纯度以及生产稳定性要求的不断提高，涉及硅外延材料工艺制造的配套设施条件也经历了一定的发展。例如，气体纯化器、起泡器以及气体流量补偿器的应用，有效提高了硅外延材料的质量。

本文通过对气体纯化器、起泡器、气体流量补偿器等配套设施进行介绍，讨论它们与硅外延材料质量的关系。

1 配套设施

硅外延材料生长主要采用三氯氢硅(SiHCl3，Trichlorosilane，TCS)、氢气、磷烷为原料，一般在1000～1200℃之间进行高温分解[2]，其主要工艺流程如图 1所示。TCS在常温下为液体，向 TCS的储存罐中通入氢气后，TCS将溶解在氢气中，由氢气输运入反应腔体；另一路氢气为主氢，主要用来运载工艺气体和维持腔体压力；由于硅外延生长以 N型为主，主要掺杂剂为磷烷，将磷烷和氢气(含 TCS)混合后，输入腔体(Chamber)中进行高温分解，沉积在硅抛光片上形成硅外延生长；化学反应的副产物将排入尾气端(Exhaust)。

图1 硅外延材料生长的主要工艺流程Fig.1 Flow chart of silicon epitaxy processing

1.1 气体纯化器

硅外延生长所采用的工艺气体纯度对材料的性能影响较大。例如，刻蚀气体氯化氢(HCl)中如果含有金属杂质，将影响硅外延材料的纯度，降低材料的性能。因此，通常对如氢气和HCl等工艺气体进行气体纯化。

图2 氢气气体纯化过程Fig.2 Purified process of hydrogen gas

以工业级氢气为例，其纯度为99.99%，其中含有少量的氧和水蒸气，需要将其提纯至 99.9999%才能满足硅外延材料生长的需求。工业级氢气通过气体纯化器变成高纯氢气的流程如图 2所示。工业级氢气经过气水分离器滤除液态水后进入脱氧器，游离水经排水阀排出系统；在脱氧器中，氧和氢经催化剂作用生成水，氧气被去除，生成的水被氢气带出脱氧器，进入冷却器，经冷却器冷凝后随氢气进入气水分离器，液态水在气水分离器内被滤除并经排水阀排出系统，含有饱和水蒸气的氢气则进入干燥器，气态水在干燥器被分子筛吸附。高纯度的氢气流出干燥器，再经氢气过滤器，滤尘后最终获得纯度为 99.9999%的高纯氢气。

1.2 起泡器

硅外延材料生长过程中(图 1)，由于 TCS的鼓泡过程(即 TCS溶解在通入的氢气中)是吸热反应，会导致 TCS储存罐(Tank)中的温度降低。这会降低Tank中TCS的饱和蒸气压，从而使得TCS在氢气中的溶解度降低，影响 TCS浓度。在接下来的硅外延生长过程中，会出现沉积速率不稳定的现象，难以在生产中精确控制硅外延材料的稳定性。

起泡器(Bubbler)的发明[3]，解决了以上问题，其系统如图 3所示。首先，氢气将储存罐中的 TCS压入起泡器中，达到设定的液位后会停止补液；接着，氢气通入起泡器中，开始TCS鼓泡过程，为防止该过程导致起泡器内温度降低，起泡器的管壁设计为一个恒温系统，外接恒温循环水系统(Chiller)，尽可能保证起泡器内的温度为恒定值；最后，TCS将在恒温条件下进行鼓泡，从而保证每次硅外延材料生长过程的稳定性。

图3 起泡器系统示意图Fig.3 Schematic diagram of bubbler system

1.3 气体流量补偿器

尽管起泡器系统能够保证 TCS鼓泡过程在恒温状态下进行，但随着硅外延生长过程的进行，起泡器中的 TCS不断消耗造成整体液位降低，该现象会改变起泡器中TCS的饱和蒸气压，导致TCS在氢气中的浓度降低，从而影响生产过程中硅外延材料的质量稳定性。

为了解决该问题，气体流量补偿器得以发展。以Veeco公司的 Piezocon系统(PZC)为例[4]，其工作原理如图4所示。TCS在起泡器中鼓泡后，通过气路进入浓度监测器(PZC)，PZC监测氢气中TCS的浓度；随着硅外延生长过程的进行，当氢气中 TCS的浓度出现波动时，PZC控制器将会改变质量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)的设定值(即气体流量)，使得进入工艺腔体中的 TCS质量输运率(Mass Transfer Rate)为恒定值，从而保障硅外延生长的沉积速率为恒定值。