硅外延材料制造過程中先進配套條件的研究

唐發俊，趙 揚，李明達，馬麗穎，王 楠*

(1. 中國電子科技集團公司第四十六研究所半導體材料硅外延部 天津300220；2. 天津大學材料科學與工程學院 天津市材料復合與功能化重點實驗室 天津300350)

0 引 言

應用于半導體元器件制造的硅外延材料發展到今天已將近 50年。為了適應硅外延材料從小尺寸向大尺寸發展以及均勻性不斷改善的趨勢，其制造設備從早期的多片式外延爐向單片式外延爐發展[1]。與此同時，隨著對硅外延材料的材料純度以及生產穩定性要求的不斷提高，涉及硅外延材料工藝制造的配套設施條件也經歷了一定的發展。例如，氣體純化器、起泡器以及氣體流量補償器的應用，有效提高了硅外延材料的質量。

本文通過對氣體純化器、起泡器、氣體流量補償器等配套設施進行介紹，討論它們與硅外延材料質量的關系。

1 配套設施

硅外延材料生長主要采用三氯氫硅(SiHCl3，Trichlorosilane，TCS)、氫氣、磷烷為原料，一般在1000～1200℃之間進行高溫分解[2]，其主要工藝流程如圖 1所示。TCS在常溫下為液體，向 TCS的儲存罐中通入氫氣后，TCS將溶解在氫氣中，由氫氣輸運入反應腔體；另一路氫氣為主氫，主要用來運載工藝氣體和維持腔體壓力；由于硅外延生長以 N型為主，主要摻雜劑為磷烷，將磷烷和氫氣(含 TCS)混合后，輸入腔體(Chamber)中進行高溫分解，沉積在硅拋光片上形成硅外延生長；化學反應的副產物將排入尾氣端(Exhaust)。

圖1 硅外延材料生長的主要工藝流程Fig.1 Flow chart of silicon epitaxy processing

1.1 氣體純化器

硅外延生長所采用的工藝氣體純度對材料的性能影響較大。例如，刻蝕氣體氯化氫(HCl)中如果含有金屬雜質，將影響硅外延材料的純度，降低材料的性能。因此，通常對如氫氣和HCl等工藝氣體進行氣體純化。

圖2 氫氣氣體純化過程Fig.2 Purified process of hydrogen gas

以工業級氫氣為例，其純度為99.99%，其中含有少量的氧和水蒸氣，需要將其提純至 99.9999%才能滿足硅外延材料生長的需求。工業級氫氣通過氣體純化器變成高純氫氣的流程如圖 2所示。工業級氫氣經過氣水分離器濾除液態水后進入脫氧器，游離水經排水閥排出系統；在脫氧器中，氧和氫經催化劑作用生成水，氧氣被去除，生成的水被氫氣帶出脫氧器，進入冷卻器，經冷卻器冷凝后隨氫氣進入氣水分離器，液態水在氣水分離器內被濾除并經排水閥排出系統，含有飽和水蒸氣的氫氣則進入干燥器，氣態水在干燥器被分子篩吸附。高純度的氫氣流出干燥器，再經氫氣過濾器，濾塵后最終獲得純度為 99.9999%的高純氫氣。

1.2 起泡器

硅外延材料生長過程中(圖 1)，由于 TCS的鼓泡過程(即 TCS溶解在通入的氫氣中)是吸熱反應，會導致 TCS儲存罐(Tank)中的溫度降低。這會降低Tank中TCS的飽和蒸氣壓，從而使得TCS在氫氣中的溶解度降低，影響 TCS濃度。在接下來的硅外延生長過程中，會出現沉積速率不穩定的現象，難以在生產中精確控制硅外延材料的穩定性。

起泡器(Bubbler)的發明[3]，解決了以上問題，其系統如圖 3所示。首先，氫氣將儲存罐中的 TCS壓入起泡器中，達到設定的液位后會停止補液；接著，氫氣通入起泡器中，開始TCS鼓泡過程，為防止該過程導致起泡器內溫度降低，起泡器的管壁設計為一個恒溫系統，外接恒溫循環水系統(Chiller)，盡可能保證起泡器內的溫度為恒定值；最后，TCS將在恒溫條件下進行鼓泡，從而保證每次硅外延材料生長過程的穩定性。

圖3 起泡器系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of bubbler system

1.3 氣體流量補償器

盡管起泡器系統能夠保證 TCS鼓泡過程在恒溫狀態下進行，但隨著硅外延生長過程的進行，起泡器中的 TCS不斷消耗造成整體液位降低，該現象會改變起泡器中TCS的飽和蒸氣壓，導致TCS在氫氣中的濃度降低，從而影響生產過程中硅外延材料的質量穩定性。

為了解決該問題，氣體流量補償器得以發展。以Veeco公司的 Piezocon系統(PZC)為例[4]，其工作原理如圖4所示。TCS在起泡器中鼓泡后，通過氣路進入濃度監測器(PZC)，PZC監測氫氣中TCS的濃度；隨著硅外延生長過程的進行，當氫氣中 TCS的濃度出現波動時，PZC控制器將會改變質量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)的設定值(即氣體流量)，使得進入工藝腔體中的 TCS質量輸運率(Mass Transfer Rate)為恒定值，從而保障硅外延生長的沉積速率為恒定值。

圖4 Piezocon氣體流量補償系統的工作原理Fig.4 Principle of Piezocon compensator system of gas flow

2 結 論

本文介紹了 3種可有效改善硅外延材料的配套設施：氣體純化器、起泡器和氣體流量補償器，并討論了它們與硅外延材料生長質量的關系。氣體純化器和起泡器目前已廣泛應用于硅外延工業制造中，以提高硅外延材料的質量和生產穩定性；氣體流量補償器由于成本較高，目前僅應用于高端硅外延材料的制造中。■