注入气体的装置及利用该装置生成原位掺杂多晶硅方法

摘要

本发明公开了一种注入气体的装置，包括：立式炉管的腔体(11)；第一注入器(12)，通过位于立式炉管的腔体(11)中部区域的第一开口(A)向所述立式炉管的腔体(11)注入第一混合气体；有第三开口(C)和第四开口(D)的第二注入器(13)，通过第三开口(C)和第四开口(D)向立式炉管的腔体(11)注入第二混合气体，第三开口(C)位于立式炉管的腔体(11)的中部区域，第四开口(D)位于立式炉管的腔体(11)的顶部区域；第一混合气体中磷烷所占比例高于第二混合气体中磷烷所占比例。通过本发明，使磷烷在腔体内分布均匀，进而提高生成的原位掺杂多晶硅的质量。本发明还公开了一种利用所述装置生成原位掺杂多晶硅的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术，尤其涉及一种注入气体装置及利用该装置生成原位掺杂多晶硅的方法。

背景技术

原位掺杂多晶硅(后续简称多晶硅)是一种用于制造集成电路中IC元件的导电材料，如制造互补金属氧化物半导体(CMOS)中栅氧的导电层，由于多晶硅的电阻率可以方便地通过多晶硅体中磷的含量改变而变化，因此，多晶硅大量应用在集成电路制造工业中，是一种重要的制造材料。

目前，业界普遍利用炉管以低压化学气相沉积(LPCVD)的方法合成多晶硅，以立式炉管合成多晶硅为例，如图1所示，在炉管的真空腔体内插入注入器1和注入器2，其中，注入器1用于向腔体内注入硅烷SiH₄，注入器1只有一个开口且开口位置在腔体的底部区域；注入器2用于向腔体内注入由硅烷和磷烷PH₃按照一定比例组成的混合气体，注入器2有A、B两个开口，A开口的开口位置在腔体的中部区域，B开口的开口位置在腔体的顶部区域。腔体内硅烷和磷烷通过方程式(1)的反应后得到硅和磷，进一步可以利用得到的硅和磷合成多晶硅。

2PH₃→2P+3H₂

               (1)

SiH₄→Si+2H₂

在传统的通过向腔体内注入磷烷和硅烷的混合气体合成多晶硅的方法中，通过A开口进入腔体的混合气体会在腔体的中部区域分解一部分，由于磷烷分解速度比硅烷分解速度快，分解一部分后的混合气体中磷烷所占的比例将会减少，然后分解后的混合气体上升到腔体的顶部区域，因此，使得腔体顶部区域的混合气体中，磷烷的含量低于腔体中部区域混合气体中磷烷的含量；另外，通过注入器2进入腔体的混合气体到达B开口时在注入器管道中的流动时间比到达A开口的流动时间长，混合气体中的磷烷会在注入器2的管道中分解一部分，因此，通过B开口进入腔体的混合气体中磷烷的含量要低于通过A开口进入腔体的混合气体，进一步加剧磷烷在腔体中部区域和顶部区域分布的不均匀性，使生成的多晶硅的均匀性较差，影响产品的质量。

发明内容

本发明实施例提供一种注入气体的装置及利用该装置生成原位掺杂多晶硅的方法，使磷烷能够立式炉管的腔体内均匀分布，进而能够生成厚度均匀的原位掺杂多晶硅，提高多晶硅的质量。

一种注入气体的装置，所述装置包括：

立式炉管的腔体(11)，该腔体(11)按照垂直高度划分了底部区域、中部区域和顶部区域；

有第一开口(A)的第一注入器(12)，通过第一开口(A)向所述立式炉管的腔体(11)注入由硅烷和磷烷组成的第一混合气体，所述第一开口(A)位于立式炉管的腔体(11)的中部区域；

有第三开口(C)和第四开口(D)的第二注入器(13)，通过第三开口(C)和第四开口(D)向所述立式炉管的腔体(11)注入由硅烷和磷烷组成的第二混合气体，所述第三开口(C)位于立式炉管的腔体(11)的中部区域，第四开口(D)位于立式炉管的腔体(11)的顶部区域；

所述第一混合气体中磷烷所占比例高于第二混合气体中磷烷所占比例。

一种利用所述的注入气体的装置生成原位掺杂多晶硅的方法，所述方法包括：

将由硅烷和磷烷组成的第一混合气体通过第一注入器的第一开口注入立式炉管；

将由硅烷和磷烷组成的第二混合气体通过第二注入器的第三开口和第四开口注入立式炉管，所述第一混合气体中磷烷所占比例高于第二混合气体中磷烷所占比例；

炉管内的磷烷和硅烷分解后，生成原位掺杂多晶硅。

本发明实施例通过在立式炉管的腔体内增加一个第一注入器，利用该注入器上位于腔体中部的第一开口向腔体内注入磷烷含量较高混合气体，调节了腔体内各区域的磷烷含量，使磷烷在腔体内分布均匀，进而提高生成的原位掺杂多晶硅的质量。

附图说明

图1为背景技术中生成原位掺杂多晶硅的装置结构示意图；

图2为本发明实施例一中的注入气体的装置结构示意图；

图3为本发明实施例一中的第一注入器的结构示意图；

图4为本发明实施例一中增加了第四注入器的装置结构示意图。

具体实施方式

为了实现本发明目的，本发明在传统的合成多晶硅的方案中增加了一个注入器，增加的该注入器具有位于立式炉管的腔体中部区域的开口，通过该开口向腔体的中部区域注入硅烷和磷烷组成的混合气体，该混合气体中的磷烷含量高于传统方案向腔体中部区域和顶部区域注入的混合气体中的磷烷含量。通过本发明的方案，新增的注入器向腔体中部区域注入磷烷含量较高的混合气体，调节上腔体顶部区域的混合气体中磷烷的含量，使腔体中部区域和顶部区域中磷烷含量接近，提高生成的原位掺杂多晶硅的质量。

下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细描述。

如图2所示，为本发明实施例一中涉及的注入气体的装置结构示意图，从图中可以看出该装置可以包括：立式炉管的腔体11(后续简称腔体11)、第一注入器12、第二注入器13和第三注入器14，下面分别对实施例一中装置的各个部分的结构进行说明。

腔体11按照垂直高度划分为三个部分区域，分别是底部区域、中部区域和顶部区域，具体的划分方法可以是将腔体11按照垂直高度等分为3部分，也可以按照用户的需求划分为设定高度的3部分，图2是以等分的方式将腔体11划分为3部分。

在初始时，腔体11内处于真空状态，当有气体注入腔体11后，可以在注入气体的装置中设置一个用于将立式炉管的腔体11中的气体抽出的气体抽出设备16，用于保持腔体内的气压稳定，该气体抽出设备16可以从立式炉管的腔体11的顶部区域抽出气体。例如，根据公式(1)所示，硅烷和磷烷分解后会生成大量的氢气H₂，气体抽出设备16可以将氢气和还未分解的一部分混合气体抽出。

第一注入器12是由纯度不低于99％的石英制成，在第一注入器12上有两个开口，分别是第一开口A和第二开口B，这两个开口的作用都是向腔体11注入由硅烷和磷烷组成的第一混合气体，其中，第一开口A位于立式炉管的腔体(11)的中部区域，第二开口B位于立式炉管的腔体(11)的底部区域。具体地，第一注入器12的结构可以如图3所示，第一开口A的开口孔径设计为2.5mm，第二开口B的开口孔径设计为0.5mm，在实际的生产中，第一注入器12的两个开口的开口孔径并不限于图3所示的情况，可以在保证第二开口B的开口孔径小于第一开口A的开口孔径的条件下对开口孔径的大小作相应的调整。对两个开口孔径这样设计的目的是：第一混合气体通过第一注入器12的管道进入腔体11时，气体会先流动到达第二开口B，后流动到达第一开口A，如果第二开口B的开口孔径不小于第一开口A的开口孔径，由于腔体11内的气压低于第一注入器12管道内的气压，通过第二开口B进入腔体11的第一混合气体会远远多于通过第一开口A进入腔体11的第一混合气体，出现腔体11内磷烷与硅烷不均匀的问题，而通过本发明实施例中装置的设计，尽可能地保证了单位时间内分别通过第一开口A和第二开口B进入腔体11的气体量相同。

第一开口A的开口位置与第一注入器12末端的距离不宜过长，设计尺寸可以在5mm至15mm，图3中示意为10mm，这样做的目的是：由于第一开口A的开口位置与末端的距离较短，在使用完毕对第一注入器12进行清洗时，用于清洗的酸和水能够顺畅地到达第一注入器12的末端，方便第一注入器12的清洗，使注入器的回收利用更加方便。

本实施例中的第二注入器13与传统的立式炉管合成多晶硅的方法中使用的注入器2类似，第二注入器13具有第三开口C和第四开口D，通过第三开口C和第四开口D向腔体11注入由硅烷和磷烷组成的第二混合气体，其中，第三开口C位于立式炉管的腔体11的中部区域，第四开口D位于立式炉管的腔体11的顶部区域。

第一注入器12和第二注入器13分别向腔体11注入的混合气体是不同的，第一注入器12向腔体11注入的第一混合气体中磷烷含量的百分比高于第二注入器13向腔体11注入的第二混合气体中磷烷含量的百分比。

第三注入器14有位于立式炉管的腔体11的底部区域的第五开口E，第三注入器14通过第五开口E向立式炉管的腔体11注入硅烷。

下面通过具体实例说明本实施例一中注入气体的装置的工作原理，假设通过第一注入器12注入的第一混合气体中硅烷与磷烷之比为500∶10，通过第二注入器注入的第二混合气体中硅烷与磷烷之比为500∶8，单位时间内第一开口A、第二开口B、第三开口C和第四开口D注入的气体总量相同，第五开口E注入的气体总量为第一开口A的一半，在向腔体11注入气体的当前时刻，腔体11各部分的气体状态如下：

在腔体的底部区域，有第一注入器12的第一开口A和第三注入器14的第五开口E注入的气体，第一开口A注入1单位体积的第一混合气体时，第五开口E就会注入0.5单位体积的硅烷气体，这两种混合后，腔体的底部区域硅烷与磷烷之比大致为(500+250)∶10＝75≈500∶6.667。

第一开口A和第五开口E注入的气体混合后，降低了原第一混合气体中磷烷所占的比例，并且，实现了在腔体11的底部区域生成多晶硅，与传统的方案相比，提高了多晶硅的产量。

在腔体11的中部区域，有第一注入器12的第二开口B和第二注入器13的第三开口C注入的气体，在第二开口B和第三开口C各注入1单位体积的气体后，第二开口B和第三开口C向腔体11的中部区域注入的气体中，硅烷与磷烷之比为1000∶10＝500∶9。但是，气体抽出设备16在不断地从腔体11的顶部区域抽出气体，在上一时刻处于底部区域的气体会向上流动，由于在上一时刻至当前时刻的过程中，处于底部区域的气体中磷烷的分解速度快于硅烷的分解速度，因此，从底部区域上流至中部区域的气体中，磷烷所占比例低于在上一时刻处于底部区域时的750∶10，假设分解后从底部区域上流至中部区域的气体中硅烷与磷烷之比为1200∶10≈500∶4.17。第二开口B和第三开口C注入的气体与底部区域上流的气体混合后，在中部区域硅烷与磷烷之比为1000∶13.17≈500∶6.585≈75.93。

利用第一注入器12的第二开口B注入的第一混合气体对腔体内磷烷的含量调节，使腔体11底部区域的硅烷与磷烷之比与中部区域的硅烷与磷烷之比接近，确保了在底部区域生成的多晶硅与在中部区域生成的多晶硅厚度以及磷含量接近，提高腔体底部的多晶硅的质量。

在腔体11的顶部区域，有第二注入器13的第四开口C注入的第二混合气体，考虑到第二混合气体在第二注入器13的管道内有一定的分解，到达第四开口C时磷烷所占比例低于第二混合气体中磷烷所占比例，假设第四开口C注入的气体中硅烷与磷烷的比例为550∶8≈500∶7.27，同时，上一时刻处于中部区域的气体在分解后(假设上一时刻处于中部区域的气体分解后上流至顶部区域时硅烷与磷烷之比为500∶3.5)也会上流至顶部区域，因此，顶部区域硅烷与磷烷之比为1000∶11.27＝500∶5.385≈92.85，此时，顶部区域的磷烷所占比例较小，为了进一步使磷烷在腔体11各区域均匀分布，本发明实施例一提出了两个方案，来避免腔体11的顶部区域由于磷烷含量较少导致生成的多晶硅厚度不均匀的问题。

第一种方案：对腔体11的顶部区域进行加热，使顶部区域的温度较高，如将该区域温度相对中间区域的提高5摄氏度以内，加快处于顶部区域的磷烷分解速度，即使顶部区域的磷烷含量少于中部区域的磷烷含量，也能够保证在顶部区域得到的分解后的磷和在中部区域得到的分解后的磷含量相近，进而确保在顶部区域生成的多晶硅和在中部区域生成的多晶硅厚度均匀。

第二种方案：本方案的示意图如图4所示，在图2所示的装置基础上增加一个有第六开口F的第四注入器15，该注入器也是由纯度不低于99％的石英制成。通过第六开口F向所述立式炉管的腔体11入硅烷和磷烷的第三混合气体，所述第六开口F位于立式炉管的腔体11的顶部区域，并且所述第三混合气体中磷烷所占比例不低于第二混合气体中磷烷所占比例。假设第三混合气体中硅烷与磷烷之比为500∶8，利用本方案增加的第四注入器15后，顶部区域的混合气体中硅烷与磷烷之比为(500+500)∶(8+5.385)≈500∶6.6925≈74.71。通过计算结果可知，利用本方案的第四注入器15调节后，顶部区域与中部区域和底部区域的硅烷与磷烷之比接近，保证了磷烷在腔体11的各个部分所占的比例接近，即磷烷在腔体11内分布均匀，使得在腔体11内各区域生成的多晶硅厚度和磷含量接近，质量较好。

第六开口F与第四注入器15末端的距离可以较近，如距离为5mm至15mm，这样设计的目的与第一开口A的开口位置与第一注入器12末端的距离较近的目的相同。

与本发明实施例一属于同一构思下的，本发明实施例二还提供一种利用实施例一所述的注入气体的装置生成原位掺杂多晶硅的方法，包括以下内容：

将由硅烷和磷烷组成的第一混合气体通过第一注入器的第一开口注入立式炉管，并将由硅烷和磷烷组成的第二混合气体通过第二注入器的第三开口和第四开口注入立式炉管，所述第一混合气体中磷烷所占比例高于第二混合气体中磷烷所占比例，在炉管内的磷烷和硅烷分解后，生成原位掺杂多晶硅。

进一步地，还要将硅烷通过第三注入器的第五开口注入立式炉管，将所述第一混合气体通过第一注入器的第二开口注入所述立式炉管的腔体。

另外，还可以将由硅烷和磷烷组成的第三混合气体通过第四注入器的第六开口注入所述立式炉管的腔体，所述第三混合气体中磷烷所占比例不低于第二混合气体中磷烷所占比例。

在本实施例二中，各注入器向腔体注入气体的先后顺序不限定，可以是各注入器同时注入气体，也可以是按照一定的先后顺序注入气体。

通过本发明实施例提供的注入气体的装置和利用该装置生成原位掺杂多晶硅的方法，通过第一注入器和第四注入器对立式炉管的腔体内混合气体成分的调节，保证腔体内磷烷分布均匀，提高了生成的原位掺杂多晶硅的均匀性，提高了产品质量；利用第一注入器在腔体的底部注入磷烷和硅烷的混合气体，在腔体的底部生成多晶硅，提高了炉管的产量；由于第一注入器的第一开口A和该注入器的末端距离较近，第四注入器的开口F与该注入器末端的距离较近，可以方便地对注入器进行清洗，便于注入器回收重复利用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。