在减低压力的情况下掺杂、扩散及氧化硅片的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及在半导体生产过程中对硅晶片或硅片的N及P型掺杂、扩散及氧化。
背景技术
在生产电子器件中的集成电路的过程中,生产半导体的技术主要基于硅材料的原子的本征性能的改变。通过在硅晶格中加入具有多余电子的元素使在其中产生所谓n型过程以及通过加入元素使晶格中缺少电子产生空穴的所谓p型过程称为N型及P型掺杂。
为了使硅成为半导体,必须在硅中加入所谓的掺杂元素。
已知地掺杂元素例如是磷、砷、锑、硼、镓或铝。在用磷或硼掺杂的过程中,人们将硅晶片放入炉子之中并使炉温达到800℃到1200℃。此温度用以在硅晶片表面上形成磷或硼的一个表面浓度。
固体、液体或气体掺杂剂源在炉室中从与掺杂剂源相接触的载体气体中汽化。载体气体的作用是加速掺杂气体在硅晶片表面上的掺杂。这种类型的沉积发生在具有大气压力的炉子中。为了完成在晶片之间的分布,载体气体必须以高的气体矢量流速提供,从而造成大量的气体消耗。
人们通常使用的水平或垂直炉子具有一管状的室,硅片在此室中置在一石英或碳化硅支承件或支架上。管状炉室的一端具有一门以允许晶片的进入。另一端由一不能取下的端壁所封闭。掺杂气体,反应气体以及矢量气体通常都通过管状炉室的端壁上的一个开口注入。
为了获得掺杂处理的良好的均匀性,须限制炉子中的硅片的数目,通常不多于50片,并在每一硅片之间留有一较大的空间。
使用矢量气体还产生一个问题,即在炉子中及周围环境中形成显著的酸的凝聚。这种由掺杂剂产生的酸的沉积不但将对硅片的掺杂处理的可重复性产生影响而且也会对炉子的不同外部组成部分产生影响,因此要经常拆开来对炉子进行清洗,特别是要对其中设置硅片及石英或碳化硅支承架的石英进气管进行清洗。
另一方面,为了提高效率必须使用石英扩散器,为此增加了使用成本及对石英部分控制的成本。清洗以后,放回去重新工作之前必须经过试验,这就造成了生产能力的损失。其他现象,例如硅片缺少一致性、负荷缺少一致性、以及负荷之间缺少一致性、掺杂的记忆效应、由于过量氧产生的硅片的晶格中掺杂剂的寄生夹杂、少数载流子或载体寿命的变化、对硅片直径的限制,也都是对设备作出选择的更困难的因素。
发明的概述
本发明的目的是通过提供一种新的掺杂、扩散和氧化的方法来克服上述已有技术的种种缺点。
按照本发明的方法,其特征基本上在于,在将气体通入炉室的同时,使气体受到减压。这一措施可以提高室中的气体的流速而不再需要使用大量的矢量气体。在硅片掺杂室中只有反应气体存在。
根据本发明的另一个特征,所述减低的压力(减压或低压)值是在100毫巴和800毫巴之间。此值的范围适于用较简易的装置来产生所述的低压。
本发明还涉及一种注入氧的技术,此技术可以精确地掺杂氧的数量以限制掺杂剂裂解或裂化的速度,即限制分子分解的速度。
本发明还涉及到对硅片进行掺杂、扩散或氧化的装置。该装置包括一具有一炉室的炉子,炉室由一门密封地关闭。在炉室中放入硅片。所述炉子至少包括一注入管用以至少把一种气体注入室中以进行上述操作中的一种操作。
本发明的所述装置的特征在于,它还包括至少一气体排气管,一与排气管相连的抽气装置以在室中形成一恒定的受控制的低的压力。
这样,由于产生了低压,就不再需要使用大量氮气型的矢量气体。此外,周围酸的凝聚也大大减少,大部分酸都被吸入抽气装置。残余的凝聚将被添加的装置如瓦管、瓦筒等吸收掉。
本发明还有一为其目的所用的对硅片进行掺杂、扩散或氧化的装置。此装置包括一由门密封地关闭的炉子。硅片置入于炉室中。所述炉子至少包括一进气管以在室中引入至少一种气体而进行上述的掺杂等加工处理。
本发明的其他优点和特点将在阅读结合附图对一较佳实施例所作的叙述而变得更加清楚。该较佳实施例只是作为本发明而举的一个例子,本发明的范围并不限于此较佳实施例。
附图的简要说明
图1是根据本发明的用于对硅片进行掺杂、扩散或氧化的装置的示意图;
图2是根据本发明的用于进行掺杂、扩散或氧化的装置的纵向剖视图。
较佳实施例的描述
如图所示,根据本发明的对硅片进行掺杂、扩散或氧化装置包括一炉子1,炉子1有一个密封室或炉室2及加热装置3,室中将放入要进行上述掺杂等加工操作的硅片。炉子1至少包括至少一根进气或引入管5a,5b,5c,至少有一种气体进入炉室2之中以实现上述诸操作。炉子1还包括一根气体排气管6,以及与所述气体排气管6相连的抽气装置7以在炉室中建立一恒定和有控制的低于大气压力的或低压压力。此抽气装置处于离开炉子1的温度区一段距离。
炉室2例如是管状的,它的两端由一固定的端壁2a及一门2b所密封地关闭。在关闭位置时的门以及端壁垂直于对称的管状炉室的纵向轴线。
加热装置3例如由电阻丝组成,电阻丝分布或围绕在管状炉室周围,并且与管状炉室隔离开或与管状炉室相接触均可。
最好,管状炉室2具有一圆冠状的截面。当室的内部容积承受低压时,这种结构为炉室的壁提供对大氧压的良好的机械阻力或承受力。
门2b固定在可滑动地啮合在一适当的支承件的安装支架上。门沿着管状炉室的纵向轴线作打开或关闭移动。门有一个伸出室外的盖子,其中安装着加载或运载硅片的一刃状部的轴。此刃状部接收硅片支座。最好,此盖具有可以调节刃状部的倾斜度的装置,而且此盖安装得可以绕垂直于刃状部纵向轴线的水平轴线作枢转运动。通过调节装置的作用,刃状部在真空或减压下是多少向上倾斜的。这样,当刃状部被加上荷载时,它可以进入沿着水平平面的位置。这种调节可以用放在刃状部上的一重物体来进行。重物的重量相当于要处理的负荷或荷载的重量。
最好,炉室的门2b是用不透明的石英或者是遮光的石英制成的。并且有一以合适的氟化高弹性物为基础的材料制成的密封接头。这种材料的商品名称是“VITON”。这一材料是由DUPONT De NEMOURS公司生产的。
不透明石英对红外线是一种有效的屏障,因此可以避免密封接头被烧坏。为了进一步增强对密封接头的保护,管状炉室2的终端部分(即接受门2b的部分)是用不透明的石英制成的。在实际中,此不透明部分可以用业内人士众所周知的任何方法与室的透明的门组装在一起。在较佳实施例中,这种组装是用焊接方法焊接在一起的。为了增强对接头部分的热保护,在炉室的面向门的一侧设置了一个热屏障。
通过其密封接头,该门装在管状炉室的不透明的末端部的环形边上,此环形边也是不透明的。此边的面向门的接头的环状表面,形成一接合(接头)平面,并承受在低压力下的接合。此接头最好安装在门2b的挖空的环状喉管之中。为了吸收门和接合平面之间的平行度的缺陷,此门可浮动地安装在安装支架上。也就是说,围绕平行于接头的平面的两个正割及正交轴线以及沿垂直于此接合平面的轴线纬度或范围的移动受到一定的限制。最好在门和安装支架之间设置一个或几个弹性件,而盖则包括一个轴向可变形的部分。
为了耐热,炉子的壁,即炉室2的管状壁以及端壁2a由石英制成。该管状炉室可以设有一管状的碳化硅的内覆盖层。此覆盖层可以抵制管状炉室2向内的径向变形,特别是当室2受到高温的时候。
炉子1的室2中的气体从上游区域8向下游区域9形成一通道,下游区域9与上游区域8隔开一段距离,硅片4置于沿气体通道的这两个区域(上游和下游区域)之间。这些硅片是与气体在炉子的炉室2内的流动方向成横向地设置在炉室2之中。因而产生一比较大的压力降,由于这种压力降,气体可以在被处理的硅片的表面上扫过。
硅片4放在炉室内的一可移动的(可取出的)支座10上。此支座10是用既能耐热又能抗气体腐蚀力的材料制成的,例如用碳化硅或石英制成。支座及硅片在放入室内以后要处于离开端壁2a及门2b一段距离,从而具有上游区域8,此上游区域8在端壁2a及硅片支座的位置之间,以及下游区域9,它则位于门2b及支座位置之间。炉室2中气体在两区域之间流动,而对应于硅片支座的位置的室的区域是炉室2中最热的区域。
经进气管5a,5b,5c通入炉室2内的气体经过炉室2的端壁2a或门2b并流入排气管6的上游区8或下游区9。气体流经炉室的端壁2a或门2b并流入炉室2的上游区域或下游区域9。根据较佳实施例,将气体引入室内的进气管5a,5b,5c以及抽出气体的排气管6穿过室的端壁2a并且气体进气管5a,5b,5c通向室的上游区8而抽出气体的排气管6通向室的下游区域9。
把气体引入炉室2的进气管5c之一接受反应气体类型的氧。最好此进气管5c通向室的最热的区域,最接近于硅片支座所占据的位置,以避免掺杂气体的提早裂解。
如上所述,本发明的装置配备一抽气装置7以从炉室2中吸出气体,以连续地形成恒定而受良好控制的低的压力值。形成此低压力的目的是提高炉室内气体的速度而避免使用矢量气体。
根据较佳实施例,气体抽气装置7包括一膜式抽气泵11。此泵11的至少与气体接触的部件是由耐或抗气体腐蚀的材料制成的。例如用四氟乙烯制成,此材料的商品名称是“TEFLON”。
也是根据本发明的实施例,此抽气装置7包括调节及控制炉室内持续低压的控制及调节件。这些控制及调节件一方面通过管道与泵的吸气管相连,另一方面与炉子中排出气体的排气管相连通。
控制和调节件包括一过压或压载物容积。此过压或压载物容积由一通过管道与泵的吸气管及与从炉子排出气体的排气管6相连的圆筒形室组成。所述加注过满容积12还与一过压气体的低压气源相连,并由一控制阀13进行控制,而它则由一测量炉子1中的炉室2的动态低压的电路控制其开闭。
此低压的测量及控制电路由一置于室外的压力检测器14组成。该压力检测器14位于在过压容积及炉子的抽气管之间延伸的或与过压容积相连的连接导管内。此压力检测器14可以产生一强度与低压值成正比的信号,此信号加到比较器(压缩机)15的入口, 比较器将此信号值与基准值相比较。此比较器通过一电源电路连接到控制阀13,从而就象低压值和基准值之间间隔的函数或之差那样,调节控制阀13的阀件的打开程度,从而调节过压气体的流速或控制控制阀的闭合阀件的关闭程度,这有可能控制来自泵的过压大小或者没有过压发生,从而调节炉子的炉室2中每一时刻的低压的值。用另一种方式叙述,泵的抽气能力是恒定的,过压气体的气流速率的增加伴随着从炉室中抽取的气体流动速率的降低,与此相反,过压气体的气流速率的降低伴随着从炉室抽取的气体流动速率的增高。
过压容积12接收在环境温度下的过压气体,热的气体从炉室中被抽出。在此过压容积中的诸气体的混合物产生凝聚,此凝聚由此过压容积所复原。因此,凝聚不会干扰泵11的工作。过压容积是可以更换的,特别是为了抽取种种凝聚。
从以上或从图中可以看出,炉室中的低压程度以及对炉室中的低压程度的控制是在炉外发生的,通常是在炉外温度较低的区域发生的。
从泵中排出的气体然后通过任一合适的方法加以中和。
本发明的优点如下:
—它与大气技术是相容的;
—每一批负荷中的每一硅片都受到一致(同样)的掺杂、扩散或氧化处理(它们都装载支持架上),而且每批负荷之间也是一致的;
—产品的可重复性;
—停止后可以重新生产;
—抑制了记忆效应;
—抑制了掺杂剂的过量的使用;
—对硅片的直径没有限制;
—维护工作大大减少;
—降低了生产成本;
—生产的周围环境比较清洁;
—清洗的次数大大降低。
此外,本发明的技术既可以用于水平型的炉子,也可用于垂直型的炉子。很清楚,在技术等效的领域内,在不离开本发明申请的精神实质的范围内,完全可以对本发明的装置作出种种改变和修改。