專利名稱：用于在半導體襯底上外延淀積膜的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及半導體襯底的工藝方法，更具體地說，涉及用于外延淀積膜到半導體襯底上的改進的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
利用外延淀積的工藝通常涉及在半導體襯底上生長一層或多層膜?？梢酝ㄟ^下面的工藝和裝置精細地控制這些層的生長以產生具有所期望的物理、電氣和機械特性的層。這些特性典型地包括，例如，外延層的生長速率和厚度、電阻率、摻雜劑濃度、摻雜轉移寬度、缺陷密度、金屬和顆粒污染物的水平和滑移。因為這些特性非常高地依賴于生長外延層時的操作條件(例如，溫度、氣流速和工藝氣體的濃度)，下面的工藝和裝置必須保持精確地控制這些操作條件以便在半導體襯底的整個表面上方產生具有均勻特性的外延層。然而，由于制造工藝從200mm朝300mm的轉移趨勢，許多半導體制造商提出了更嚴格的工藝規(guī)范，并且為了制造工業(yè)的成本效益提出了更高的生產能力需求(每單位時間處理的襯底數(shù)目)，已經(jīng)證明保持所需控制水平更加難以實現(xiàn)。根據(jù)這些增長的工藝需要，使用常規(guī)外延淀積方法，在保持控制的必需水平的同時滿足生產能力的需求，已經(jīng)證明越來越難以達到。
參考圖1，根據(jù)現(xiàn)有方法的一種用于執(zhí)行外延淀積的示例性反應器通常以100所示例。示例性反應器包括石英鐘形罩101，其封閉半導體襯底102并使襯底102與外界污染隔離。鐘形罩101還封閉基座103，其用于在工藝期間支持和使半導體襯底102轉動。用于淀積外延層的工藝氣體通過氣體入口104被引入反應器并且通過設置在反應器相對端的排氣口110從反應器中排出。為了同時加熱半導體襯底102和工藝氣體至操作溫度，多個石英鹵素燈112被設置環(huán)繞在鐘形罩101的上部分，以放射能量通過鐘形罩101的透明壁進入反應器。設置在反應器壁中的小窗口114上方的光學高溫計113探測反應器的溫度。光學高溫計113傳遞溫度的測量結果給適當?shù)臒艨刂齐娐?未示出)，該燈控制電路然后根據(jù)探測的反應器溫度增加或減少鹵素燈112的輸出。
在操作中，圖1的示范性反應器通過由氣體入口104注入工藝氣體進入鐘形罩101中，在半導體襯底102上淀積外延層。這些工藝氣體典型地包括硅源氣體，例如，四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(SiHCl3)和二氯硅烷(SiH2Cl2)，以及運載氣體，例如氫氣。工藝氣體還可以包括n型摻雜劑或p型摻雜劑，其可以通過前驅氣體提供，例如胂(AsH3)和三氫化磷(PH3)或乙硼烷(B2H6)。氣體入口104把工藝氣體的氣流105水平導向半導體襯底102。當氣流105到達和穿過半導體襯底102時，鐘形罩101的相對大的體積使氣流105分裂成流過襯底102表面的層狀流106和充滿鐘形罩101上部的自然循環(huán)流107。氣流可能是層狀的或紊亂的，依賴于溫度梯度和特征長度(從基座表面到室外殼的頂部表面)。由于在層狀流106和相對固定(盡管轉動著)的半導體襯底102之間的速度梯度，還在半導體襯底102的表面上方產生分界層108。
當層狀流通過半導體襯底102時，一些反應物通過分界層108擴散以吸附在半導體襯底102的表面上。一旦被吸附后，反應物115經(jīng)過表面擴散以在生長的單晶膜上找到適當?shù)母顸c位置116。該表面擴散步驟需要能量，并且是確定生成的外延層品質的重要因素。如果表面能量不足以使反應物在附加原子累積在它上方之前在格點位置處被容納，那么將在晶格中產生不期望的缺陷。反應物115還與半導體襯底102的表面產生化學反應以形成副產品117，其從表面上解吸并且通過分界層108擴散回層狀流106，并且然后通過排氣口110從反應器中除去。
常規(guī)外延反應器，例如圖1中所示例的反應器，具有幾種不足之處，這可以阻礙這些反應器提供有效和成本有效的針對各種應用的解決方法。一個問題是鐘形罩101具有相對大的體積，制約了反應器精確地控制半導體襯底102和工藝氣體的工藝溫度的能力。如前面所提到的，半導體襯底102和工藝氣體的操作溫度是取得所期望的物理的、電氣的和機械特性所必須的因素。如果溫度太低，反應物將不具有被容納在適當格子位置處的足夠能量，這可能導致晶格內缺陷密度上升。如果溫度太高，在SiH4或Si2H6的情況下，硅分子將結合在一起以形成氣相的硅聚合體。然后這些硅聚合體能落到襯底102的表面并且干擾單晶生長。盡管期望減小鐘形罩101的體積，但是反應器的結構完整性約束可以限制這樣做的能力。
另一個問題涉及現(xiàn)有反應器控制在半導體襯底102表面上方的工藝氣體的流動和濃度的能力。當圖1的層狀流106通過半導體襯底102上方時，工藝氣體中的反應物將被穩(wěn)定地耗盡使得層狀流106在靠近排氣口110處具有比在靠近氣體入口104處更低的反應物濃度。盡管通過在工藝期間轉動半導體襯底102，可以減小耗盡的反應物濃度對于半導體襯底102的邊界的影響，但是圖1的氣流系統(tǒng)不能充分地表示在半導體襯底的內部上方的耗盡反應物濃度。因此，半導體襯底102將在半導體襯底102的周圍部分具有比在半導體襯底102的內部更大的厚度和更低的電阻。
然而，另一個問題涉及低品質硅膜在鐘形罩101的壁上聚集的可能性。所謂的“冷壁”反應器的設計者典型地花費巨大的努力以維持足夠高的反應氣體的溫度用于發(fā)生反應，并且，同時維持足夠低的鐘形罩101溫度以避免非晶、低品質硅膜在其壁上的淀積。然而，如果壁變得太熱，硅分子不僅將黏附到半導體襯底102上，而且還在反應器的石英壁上形成薄膜。這種不期望的、低品質膜可以染色鐘形罩101并且引起各種問題。因為非晶硅不易黏附到石英鐘形罩101上，并且因為存在硅和石英的熱膨脹系數(shù)不匹配，所以當冷卻反應器時硅具有從石英壁上剝落的趨勢。非晶硅也能在工藝期間從石英壁上剝落并且落到半導體襯底102上，從而產生微粒污染。被染色的鐘形罩101還減少來自鹵素燈112能夠穿過它的能量的數(shù)量。另外，非晶硅可以涂覆窗口114，這引起光學高溫計113接收比其可能獲得的光能更少的能量。然后光學高溫計113將錯誤地探測到晶片溫度比它的實際溫度低，并且將指示鹵素燈112釋放更多的能量，甚至導致在鐘形罩101上更多的不期望的淀積。結果，在每次處理半導體襯底之后，常常有必要用HCl從鐘形罩上刻蝕掉這些淀積物，從而減少了反應器的生產能力。
因此，根據(jù)現(xiàn)有技術的不足點以及在各種集成電路技術中外延淀積的重要性日益增加，例如，雙極結型晶體管(BJT)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術，存在對于在半導體襯底上淀積外延層的改進系統(tǒng)和方法的需要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供改進的系統(tǒng)和方法，用于增加半導體襯底的品質和產量。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，構造一外延反應器，其包括由加熱系統(tǒng)、熱絕緣系統(tǒng)和室壁包圍的熱壁處理腔。包圍處理腔的一個壁包括一切口，半導體襯底可以通過該切口插入和取出，并且處理腔不需要冷卻處理室。處理腔的壁還可以包括具有與半導體襯底的熱特性基本上相同的熱特性的材料，例如石英或碳化硅。在下文中，當加熱半導體襯底時，處理室的壁可以加熱到半導體襯底的200℃內的溫度，更具體地，可加熱到半導體襯底的100℃內的溫度。在一個實施例中，例如，處理室的壁可以加熱到大約半導體襯底的處理溫度。
通過使用熱壁處理室，在形成含硅層期間，分子黏附到壁的表面上形成金屬化硅，取代非晶硅。這種金屬化硅比典型地形成于冷壁反應器的壁上的非晶硅膜更穩(wěn)定，從而使結合本發(fā)明原理的反應器能夠連續(xù)地處理多個半導體襯底，而不需要在每個工藝周期之間清潔反應器壁。結果，可以使用本發(fā)明的實施例來提供在穩(wěn)定的熱環(huán)境中的高產量外延淀積以及可以避免使用復雜和昂貴的燈系統(tǒng)。處理腔還可以具有相對小的體積，其限制分界層的厚度并且使反應物和反應物副產品更有效地通過分界層到襯底互相交換。
反應器還可以包括通過多個氣體入口把工藝氣體引入處理室的氣體供給系統(tǒng)?？梢元毩⒌鼗虺山M地控制多個氣體入口的每一個的流速和/或濃度，以選擇性控制在例如半導體襯底的邊緣、中間和中心區(qū)的工藝氣流速。氣體供給系統(tǒng)還可以控制多個排氣口的每一個的流速，以選擇性控制在半導體襯底上方的工藝氣體的流速，或者單獨進行或與選擇控制氣體入口相結合。
可選擇地，氣流系統(tǒng)可以結合在處理室的上部部分中的淋浴頭，以把工藝氣體向下導向襯底的表面，從而減少分界層。減少分界層的另一個選擇包括設置處理腔的上壁的形狀，以在處理腔中形成凹進的或球形的部分。氣體供給系統(tǒng)可進一步包括傳送氣體到處理腔的附加方法，例如通過用于溫度測量器件的孔。同樣，因為示范性反應器包括熱壁處理腔，以及因為示范性反應器的熱源對于處理室是內部的并且不會穿透清潔的石英罩，可以構造該處理室以有效地使用并且充分有效地使用硅烷作為硅源氣體。
在本發(fā)明的一個實施例中，用來將氣體輸入處理室的氣體入口包括縱向部分和橫向部分。縱向部分能從處理室的底部或從處理室的頂部延伸進入處理室。另一方面，橫向部分能被構造為將氣流導向晶片的表面上方。在這種設置中，通常氣流沿垂直方向流入處理室中并且然后水平地流過晶片的上方。此外，橫向部分能被構造為在晶片的表面上方對氣流增壓。
在一個具體實施例中，可以將氣體入口的縱向部分設置為靠近加熱器件，例如用于加熱處理室的電阻加熱器。以這樣的方式，通過氣體入口的氣流在暴露到晶片之前被預加熱。
每個氣體入口的橫向部分可以與定義普通高壓的支持環(huán)相連通。高壓可以用于使氣體在晶片的整個表面上方擴散。同樣地，該系統(tǒng)能包括設置在氣體入口的晶片相對側的排氣系統(tǒng)。排氣系統(tǒng)可以包括用于從處理室中排出氣體的排氣環(huán)。排氣環(huán)可以與多個排氣口相連通。在一個實施例中，系統(tǒng)可以包括至少五個氣體入口和至少五個氣體出口。
處理室可以包括用于加熱處理室的加熱器件和容納在處理室中的任何半導體襯底。在一個實施例中，加熱器件可以包括籠式加熱系統(tǒng)?；\式加熱系統(tǒng)可以包括頂部電阻加熱器、底部電阻加熱器以及至少一個側面電阻加熱器。在一個實施例中，氣體入口的縱向部分可以設置為靠近至少一個電阻加熱器。以這種方式，氣體在接觸半導體晶片之前預先被加熱。
在本發(fā)明的另一個實施例中，從基座升起襯底的升降銷機械裝置在工藝期間可以與基座一起轉動。使升降銷與基座一起轉動的這種能力消除了伴隨著基座的轉動停止時升降銷破損的困難和風險，使得升降銷與基座中相應的孔對準。由于避免了消耗在將轉動自動導引至正常固定銷的時間，通過減少從處理腔中取出襯底所需的大量時間，該實施例還增加了生產量。


從結合附圖的下面的詳細描述中，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明的這些和其他特征和有益效果將變得更加清楚明白，在附圖中圖1示例了根據(jù)現(xiàn)有的方法用于淀積外延層的示例性反應器；圖2示例了可方便實踐的本發(fā)明的原理的示例性反應器系統(tǒng)；圖3示例了示例性反應器的側視圖，暴露出左側部分的內部；圖4示例了示例性反應器的左側部分的內部的放大側視圖；圖5示例了結合本發(fā)明原理的示例性加熱系統(tǒng)；圖6示例了示例性處理室的頂視平面圖，示出了邊緣加熱器、側面石英襯墊、氣體注入管和氣體排出管的細節(jié)；圖7示例了根據(jù)本發(fā)明原理的示例性單片平板加熱器；圖8示例了具有暴露的兩個處理臺的反應器的三維視圖，并且示出了氣體注入和排放系統(tǒng)的對稱性；圖9示例了氣體注入管和氣體排出管的頂視平面圖；圖10A示例了來自氣體注入管的氣體如何分散開以取得更加均勻的分布；圖10B示例了如何可以耗盡來自輸入氣流的摻雜濃度的示意圖；圖11示例了如何構造氣體注入系統(tǒng)以取得所期望的厚度和均勻電阻；圖12A示例了在常規(guī)外延反應器內，厚氣流分界層的示意圖；圖12B示例了根據(jù)本發(fā)明實施例的薄氣流分界層的示意圖，其中氣體被限制在兩個平行板之間的窄空間內。
圖13示例了溫度測量器件的示范性分布，溫度測量器件用來從襯底的頂部讀取數(shù)據(jù)，以及在某些實施例中，也注入氣體以調整厚度和電阻的均勻性。
圖14A示例了溫度測量器件的兩個、交叉陳列的頂視平面圖；圖14B示例了溫度測量器件如何沿著陣列分布的側視圖，作為從襯底的中心到邊緣的距離的函數(shù)；圖15示例了示例性反應器的橫截面圖，其中溫度測量器件可以用于把凈化氣體引入處理室中；以及圖16示例了光纖和鞘的示例性結構，其中凈化氣體可以流入鞘的內部但是在光纖的外部。
具體實施例方式
本發(fā)明的方面提供了改進的用于處理半導體襯底的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的示例性實施例提供了用于在半導體晶片上外延或可能的任何其它熱CVD淀積的穩(wěn)定的熱壁加熱環(huán)境。由不透明的石英壁和旋轉的基座形成絕緣處理腔，并且可以用耐熱系統(tǒng)密封或包圍處理腔。壁使處理腔與較冷的外部環(huán)境熱絕緣并提供相對均勻和穩(wěn)定的熱處理環(huán)境。處理環(huán)境還可以維持在真空壓力以增強熱環(huán)境的絕緣性和穩(wěn)定性。通過窄縫將晶片放入到處理環(huán)境中并放到銷上，銷把晶片下降到加熱基座上。晶片在基座上旋轉并且硅淀積氣流過晶片的表面。處理腔相對緊湊，其提高了工藝效率并方便控制。當在處理腔的熱壁上可以形成淀積物時，淀積物趨向于是相對穩(wěn)定的金屬硅。在工藝之后，在銷上升起晶片并從腔移走晶片。處理腔可以密封在具有對準的縫或口的處理室內，由此晶片可以通過沿同一水平面的單一運動橫向放入到處理腔和室中并從處理腔和室移走。在放入和移走期間處理腔均可以維持在高溫。由此，對于每個被處理的晶片，僅通過穩(wěn)定的熱環(huán)境而不需要復雜的照明系統(tǒng)或加熱和冷卻冷壁處理環(huán)境，就可以獲得非常高的產量。
該實施例的另一優(yōu)點是它能夠處理多種不同尺寸和形狀的半導體襯底。在冷壁照明系統(tǒng)中，對于不同尺寸的襯底，基本上需要改裝燈和溫度控制系統(tǒng)，但是上述實施例的穩(wěn)定熱環(huán)境可以相對容易地容納不同的尺寸。雖然可以特別地設計反應器以處理300mm直徑的硅晶片，它還可以處理200mm、150mm和125mm硅晶片。能夠處理多種不同尺寸的晶片可以減少生產商的成本。反應器可以用作“橋工具”，橋接從一個尺寸的襯底向另一尺寸襯底的制造轉變。例如還沒有準備轉變?yōu)?00mm襯底的芯片制造設備仍可以使用該工具來處理200mm襯底。一旦最終實施了尺寸的變換，制造商可以避免必須購買完全新的系統(tǒng)。
參照圖2，說明了示例性系統(tǒng)，其中可以有利地運用本發(fā)明的原理。示例性系統(tǒng)的結構部分包括用于密封的處理室和一處理腔，其中處理腔具有分別形成腔的底和頂?shù)幕?其還可以稱為襯底支撐板)和蓋。取決于有多少襯底將被處理和所需的傳熱特性，加熱器在頂部和底部并沿著側面在某一位置處密封處理腔。在加熱器外部是室襯里，室襯里提供了與室壁的熱絕緣并防止污染，并最終，保護室壁自身防止受到污染。在加熱器籠的結構中并鄰近且在基座之下，設置了用于把襯底從基座升起的升降銷支撐板總成。中心柱(和相關的硬件)也密封在該區(qū)中，用于把基座升起和降落到處理腔中的位置并鄰近轉移口。工藝氣體通過氣體供給系統(tǒng)注入到處理腔中并從處理腔排出。根據(jù)示例性系統(tǒng)的這個觀點，現(xiàn)在將提供示例性系統(tǒng)的部件、旋轉升降銷支撐結構、加熱系統(tǒng)和氣體注入系統(tǒng)的更為詳細的說明。
如圖2所示，示例性系統(tǒng)包括外延淀積反應器，一般地由200表示，其具有可以與襯底傳送系統(tǒng)207的自動晶片轉移室相匹配的前板201。示例性襯底傳送系統(tǒng)可以是Mattson技術公司提供的AspenIII系統(tǒng)。在前板201的中間的水平縫202是上貨口，晶片通過上貨口從晶片處理系統(tǒng)207的轉移室轉移進入反應器200和從反應器200轉移出。反應器200還包括在反應器200頂部的饋電裝置203和在室底部的基座操作裝置204。在室的底部提供氣體供給入口205。處理室還包括由至少一層絕緣屏包圍的處理腔，其依次由處理室壁包圍。
外延反應器200還連接到用于接收工藝氣體到反應器200中的氣體供給系統(tǒng)210、用于從反應器200排出氣體的抽氣系統(tǒng)或大氣排出線208、用于放入和移走晶片的晶片傳送系統(tǒng)207、用于操縱基座的機械系統(tǒng)209、用于控制和監(jiān)視反應器200的工作的控制系統(tǒng)212和上述輔助系統(tǒng)，以及外圍設備例如光學高溫計和溫度控制系統(tǒng)210的其它溫度測量器件。
參照圖3，以剖面圖說明了圖2的示例性反應器，其中從反應器200的左側部分301移走了前板201，以暴露左側部分301的內部。暴露的左側部分301基本上與仍由前板201覆蓋的右側302相同。
現(xiàn)在參照圖4，說明在圖3一般地表示為303的處理腔的放大圖。處理腔303包括襯底支撐器401，其具有淺凹槽402以在工藝期間確保維持襯底(未示出)在襯底支撐器401上的位置。可以構造凹槽402的尺寸和形狀，例如，使得300mm(12英寸)硅晶片的邊緣擱在凹槽402。襯底支撐器401可以包括固態(tài)碳化硅、被覆碳化硅的石墨或其它減小來自襯底支撐器401的污染流并具有與半導體晶片兼容的熱特性的材料。襯底支撐器401可以稱為基座。
襯底支撐器401依次由支撐板403支撐，支撐板403由例如石英的材料構成。因為石英可以制造成具有低雜質含量、非常低CTE的部件，并且因為石英一般比碳化硅便宜，在這種特定應用中有利地使用石英。支撐板403可以容易地連接到中心柱404。升降銷支撐板405也可以由石英制成，并具有用于升降銷407的插座406。升降銷407向上完全穿透支撐板403以終止在襯底支撐器401內部，而沒有超出襯底支撐器401的頂表面。升降銷407可以稱為“筑巢”在襯底支撐器401內部。升降銷支撐板405連接到外中心柱管408，其共軸地環(huán)繞中心柱404。中心柱404還支撐并對齊在中心位置(相對于襯底的中心)的小塊409上的支撐板。
使升降銷407嵌套在襯底支撐器401中的各個孔中存在優(yōu)勢，和使中心柱404和外中心柱管408在相對于升降銷支撐板405的中心位置處共軸裝配也存在優(yōu)勢。在工藝期間使升降銷407隨著襯底的旋轉而旋轉，通過消除對于減速襯底支撐器和緩慢地旋轉襯底支撐器的需要，使得在開動銷以便把晶片從基座401升起之前，使升降銷很好地與襯底支撐器的底部上的相應孔對齊，從而提供有關產量的優(yōu)勢。
圖4的示例性實施例提供了具有插座406的升降銷支撐板405，升降銷407安裝到插座406，升降銷支撐板405鎖在旋轉架(rotation housing)中的中心柱404。具有這種設計，即使在工藝期間襯底旋轉期間，銷不變地與襯底支撐器中的孔對齊。同時因為升降銷連續(xù)地與在襯底支撐板403中的相應孔對齊并部分地包含在它們內，因此熱損耗最小化。因為工藝期間升降銷407隨著襯底支撐板403旋轉，大多數(shù)時間升降銷407位于襯底支撐板403的孔內。外中心柱管408鎖在在處理室之下的旋轉架中的中心柱404(在圖2中大致由參考標記204代表的位置)，并且相連的、和負責把晶片從襯底支撐板403升降的硬件一起旋轉，結果升降銷407始終與在襯底支撐器401和支撐板403中的相應孔對齊。通過塞住這些“熱縫隙”(在板中的孔)，減少了晶片的熱損耗，并且自襯底支撐板403提供給晶片的熱分布更為均勻。這樣減少了晶片的熱損耗。當要卸載晶片時，晶片首先通過升降銷407從襯底支撐器401被提起。因為升降銷407已經(jīng)與孔對齊，它們僅需要提升到足夠高，以提供用于自動轉移臂的縫隙，例如在401頂部表面上方大約1/2至1″。
圖4的支撐銷結構避免了當襯底支撐器和支撐板旋轉時使升降銷支撐板不動的機械風險。這避免了升高升降銷支撐板和使升降銷錯位的風險。如果升降銷損壞，反應器必須打開并至少部分拆除以更換銷，結果損失了大量工藝時間。示例性支撐銷結構避免了由位于支撐板中的開(不堵塞的)孔支撐晶片所引起的溫度不均勻的風險，和如果接觸晶片的升降銷處于與晶片不同的溫度時對晶片造成熱沖擊的熱風險。
應該強調的是使升降銷旋轉的這種觀點不限于外延處理系統(tǒng)。而且，該方法還可以用在多種類型的半導體工藝設備，例如快速熱處理(RTP)和化學氣相淀積(CVD)反應器和使用銷或旋轉支撐的其它系統(tǒng)。
參照圖4，蓋409提供了處理腔的頂部。由在底部的基座401和在頂部的蓋409形成的處理腔用于把反應氣體限制在處理腔，以便處理半導體襯底。
自處理腔(和與升降銷相連的基座升高機構)向外的工作區(qū)是加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)可以包括基本密封處理腔(和基座升降機構)的籠狀結構。參照圖4，頂部加熱器410可以設置在蓋409之上。因為該加熱器以剖面形式觀察，加熱元件可以進入圖4的平面和從圖4的平面出來，并由此加熱元件表現(xiàn)為圖4中的多個分離部件。應該注意到頂部加熱器410可以由多個加熱器構造以形成多個加熱區(qū)。在圖4的實施例中，雖然通過本發(fā)明可以想到并包含其它構造，頂部加熱器410由內部區(qū)和外部區(qū)構造。在頂部加熱器410的最右和最左側的最外四個矩形包括外加熱區(qū)410a。在中間的大約19個矩形的每個(僅標注了一個)包括內部區(qū)410b。
加熱系統(tǒng)還可以包括側面加熱部件。例如，反應器可以包括具有頂部元件411a和底部元件411b的側面加熱器?？蛇x擇地，頂部和底部側面加熱元件411a和411b可以結合以包括單一加熱器，但是具有分離的頂部和底部元件具有更為準確地控制晶片的溫度均勻性的能力，尤其在它的邊緣。邊緣加熱器提供了增強的襯底溫度均勻性，因為它們補償了自晶片和基座的邊緣向處理室的側面輻照的能量。在某些實施例中，如果決定無需兩個邊緣加熱器，邊緣加熱器可以包括單個區(qū)加熱器。例如，如果將被處理的晶片位于圖4中參考標記412的大約垂直的位置，其指向通過其從處理室裝載和卸載襯底的上貨口，可以使用單個區(qū)邊緣加熱器。在圖4的示例性反應器中，底部加熱器包括標記413的單個區(qū)加熱器。當然，底部加熱器還可以具有多個區(qū)。
為了簡明起見，在圖5中示出了頂部、底部和側面加熱元件，仿佛它們從處理室中作為單個單元被抽取出來。圖5還顯示襯底支撐器401和在它下面的支撐板403、形成處理腔頂部的蓋409、和中心柱404。圖5強調一種觀點，在某些實施例中，加熱系統(tǒng)可以包括包圍處理腔303的籠狀結構，而且通過這樣做，獲得了等溫環(huán)境，給出沒有熱流動的所需效果，和襯底優(yōu)良的加熱均勻性。
應該注意到，在圖4中每個加熱元件例如底部加熱器413可以包括密封在下屏414和上屏415中的被覆碳化硅的石墨加熱元件。每個屏還可以包括被覆碳化硅的石墨，但是當它處于加熱元件的情況下時，屏的石墨核不耐熱。這些屏(同義稱為“罩”)用作幾個目的。它們使鄰近加熱軌跡的區(qū)和其間的空間的溫度不均勻性變均勻，當熱輻照進腔時產生鄰近加熱器的較好溫度均勻性。它們還密封加熱元件以防止它們可能暴露到氧氣。第三個目的是在被覆碳化硅層的石墨核中存在裂縫的情況下保護加熱元件。這防止了在石墨中的雜質到達處理腔。
出于相似的原因，可以通過被覆碳化硅的石墨屏來密封頂部加熱器410a和410b。例如，可以通過頂屏416和底屏417來密封頂部加熱器410。還可以通過屏密封側面加熱器，但是屏不是必須為被覆碳化硅的石墨。例如，在一個實施例中側面加熱器411可以密封在石英中。
參照圖6，反應器200的頂視圖示出了處理臺301和302，顯示了內石英管601和外石英“花生”602。存在包圍每個處理臺的內石英管601，一個在左邊且一個在右邊。在該實施例中僅存在一個花生形外石英屏602，以使屏602包圍兩處理臺。側面加熱器411也是花生形，并位于外石英花生屏602內側。
再參照圖4，頂側加熱支撐部件418位于兩個側面加熱器411a和411b之間。支撐部件418使得上加熱器放置在下加熱器上而沒有電接觸。它維持在兩個加熱器之間分離的恒定距離和支撐上加熱器。下加熱器被它自身的支撐部件419支撐。這些側面加熱支撐部件可以具有多種形狀，取決于反應器的幾何形狀，并且可能支撐部件具有基本上花生形結構，正像側面加熱器自身。
在某些實施例中，電阻加熱器的加熱元件可以包括嵌入具有相似熱膨脹系數(shù)的非導電材料矩陣中的導電材料帶，由此形成單片結構。在2000年11月16日申請的、受讓給本發(fā)明的受讓人的、未授權的、名稱為“Apparatusand methods for resistively heating a thermal processing system”中，詳細說明了這種加熱器，將其引證在此作為參考。有源加熱元件可以是嵌入具有相似熱膨脹性質的較高阻值陶瓷材料中的低阻值痕量。在某些實施例中，低阻材料可以是摻雜氮的碳化硅，其具有低于未摻雜碳化硅矩陣大約4個量級的阻值。
圖7中示出了示例性單片板加熱器。與常規(guī)被覆碳化硅的石墨加熱器類似，單片板加熱器可以具有多個區(qū)如圖7中所示的內部區(qū)加熱器701和外部區(qū)加熱器702。每個區(qū)分別具有它自身的連接端如703和704所示。
包圍處理腔的加熱器和包圍加熱系統(tǒng)的結構可以包括直到最終到達室壁自身的室襯里。在屏416上方是室襯里420，其保護位于處理室內部的硬件不受從室壁421擴散出的污染物的損害，同時保護室壁不受處理室內使用的腐蝕氣體的損害。屏416還提供處理腔的熱絕緣，增強腔的溫度均勻性，并使室壁與高溫絕緣。室壁可以包括鋁、陽極氧化鋁和不銹鋼。在該實施例中，室襯里420包括不透明石英，以使紅外能量限制在處理室。
通過流過壁中間的冷卻液體例如水，可以使室的側壁422被水冷卻。頂部和底部室壁也具有水冷卻孔(未標示)。側壁422由側石英室襯里424保護。不銹鋼底部室壁426由石英襯里425保護。
圖8示出在示例性反應器200的兩個襯底處理區(qū)之間的對稱性。圖8強調一種觀念，可以使用本發(fā)明的原理同時處理兩個襯底。在圖8中用于右側處理臺302的外上加熱區(qū)標注為810a。在圖8中加熱區(qū)810a是類似于圖4中左側加熱區(qū)410a的右側加熱區(qū)。在圖8中的中間加熱區(qū)810b類似于反應器200的左側加熱區(qū)410b。將可以理解在圖8的中間大約在位置801處不存在側面加熱元件，因為該加熱器是花生形的，不延伸到兩個處理臺之間的區(qū)(也見圖6)。相似地，在圖8中示出了右側處理臺302的底部加熱器813、底屏814和頂屏815。
接著，將描述氣體注入系統(tǒng)。本發(fā)明的氣體注入系統(tǒng)的實施例是部分負責獲得所需的厚度均勻性，阻抗均勻性和按照本反應器的實施例可獲得的對摻雜轉換寬度的控制。
再參照圖4，示出了氣體注入管427構造為使氣體垂直地通過室426的底部向上傳送到處理腔303中。在本發(fā)明的一個實施例中，存在五個這樣的氣體注入管(對于301和302的每側設置一套管)。雖然圖4是處理室的剖面圖，在反應器的“準三維”圖的圖4中示出三個其它的氣體注入管。圖4的剖面圖通過在最左側的氣體注入管并可以用來說明氣體注入管如何“增壓”氣體。術語“增壓”指通過使氣流過高壓間從而以所需方式使氣流擴散。高壓間是一種裝置(其可以是集氣管)，用于限制氣流，以使氣流在高壓間的上游側較高，并且通過這樣做，氣流變形為所需的流動圖形。
工藝氣體向上流過管427，并且通過氣體注入支持環(huán)428。氣體注入支持環(huán)428放置在石英內部支撐管601上。內支撐管601提供氣體注入支持環(huán)428的機械支撐，但它還“嵌套”(或容納)石英管的圓形以使它出現(xiàn)在特定位置。氣體注入支持環(huán)428依次支撐氣體注入高壓間429，氣體從氣體注入管427輸入到高壓間429中。接著，在氣體從垂直重新定向為水平穿過襯底之前，氣流過高壓間縫430。高壓間縫430還用于維持通過五個注入管的每一個的濃度和氣流的區(qū)域控制。氣體通過高壓間429“增壓”，并且在襯底上方展開成直線扇。在圖9和10中可以更好地看出該原理。
參照圖9，高壓間429在平面圖中是弧形的，并且通過在高壓間中的它們各自的縫430正好可以看見五個注入管427的頂部。而且，在高壓間429和縫430之下的原理是使得更加展開的氣流可以由五個獨立的管另外獲得。這在圖10A中概略地表示出，其中氣流1001在通過縫430之前展開成扇形流1002。這導致在襯底上更寬的覆蓋范圍，具有示例性寬度1003，而不是如果氣流1001限制為在位置1005處具有與管427相同直徑的流時會出現(xiàn)的較小寬度1004。扇強迫流從圓形變?yōu)榭p、線性流。在另一個實施例中，扇形展開噴嘴可以是石英氣體注入管的部分。
在該實施例中存在五個氣體注入管427，而數(shù)量的范圍從大約1至9?？梢允褂梦鍌€注入管，特別是對于300mm的襯底，因為在襯底上氣體展開的方式，和因為控制在襯底的不同區(qū)上的摻雜劑、硅和主氣流濃度的能力，因此分別獲得了有效的阻抗、厚度和整體均勻性。
參照圖11，現(xiàn)在將描述氣體注入系統(tǒng)的設計以說明該實施例的幾個有利的特征。兩個外氣體注入管從同一個源輸入并標注為“E”表示“邊緣”。自邊緣向中心推進、接著的兩個氣體管標注為“M”表示“中間”。最終，中心管標注為“C”表示“中心”。在該實施例中，探測氣體使得存在對于三個區(qū)域邊緣、中間和中心的每個的硅濃度、摻雜劑濃度和載流氣流(載流氣可以是氫氣還可以稱為“氫氣主流”)的獨立控制。
邊緣輸入增壓(或分裂)成兩個邊緣噴射流，并且那部分源流過在圖11中一般表示為交叉陰影線區(qū)1101(如果可以及時觀察到“快照”)的晶片邊緣。但是因為襯底旋轉，由兩個邊緣注入管覆蓋的晶片區(qū)域填充圖11中1102表示的圓的外部環(huán)面。在瞬間及時的快照中，由兩個中間注入管供給的區(qū)域通過襯底的無陰影區(qū)1103示出。來自中間區(qū)的氣體展開以適合覆蓋既不是邊緣也不是中心的區(qū)域。中心噴射流覆蓋雙交叉陰影線區(qū)1104，且忽略了襯底旋轉的事實。當然，即使在圖11中氣流表現(xiàn)為離散的和非重疊的，將存在區(qū)域的混合。
控制在被送到三個區(qū)的每個區(qū)的氣流中的摻雜劑濃度的能力影響外延膜的性質例如阻抗均勻性。如前所述，摻雜劑的濃度可以高于在襯底邊緣所需要的，這是因為從重摻雜晶片的背面除氣的摻雜劑引起的自動摻雜效果(autodoping effect)。如果是這樣，可以減少被送到邊緣區(qū)1101的氣流中的摻雜濃度以補償因背面自動摻雜使在邊緣上摻雜很高的事實。
另一個邊緣效果來源于當氣體供給流過襯底時，摻雜劑濃度能從供給氣體耗盡的因素。這是在圖10B中示范性示例地，這是外延膜的電阻率作為自襯底1006的邊緣的距離的函數(shù)的圖示展現(xiàn)。當氣體流過襯底時從氣體蒸氣中消耗摻雜劑。由于電阻率與摻雜劑濃度成反比(較高的摻雜劑濃度，較高的導電率，講述較低的電阻率是一樣的)，電阻率從第一邊緣1007，到中心1008，到相對邊緣1009增加。因為流過邊緣區(qū)域的氣體是富含摻雜劑的，所以在邊緣1007處電阻率開始很低。因為來自輸入氣流的摻雜劑被耗盡了，所以電阻率從1007到1008開始升高。如果不轉動襯底，電阻率分布圖將連續(xù)傾斜地上升，如圖中的虛線1010所示。然而，由于襯底是轉動的，因為標記1009的區(qū)域最終轉動繞到1007，所以電阻率沿著線1011彎曲向下返回，并且現(xiàn)在可以看到具有最高的摻雜濃度的輸入氣流。
現(xiàn)在考慮通過中心注入管C注入更多摻雜劑的能力。通過氣體注入管C注入輸入氣體，該輸入氣體的摻雜劑濃度稍微比通過輸入氣體管E注入的輸入氣體高，這能補償當輸入氣流過襯底上方時從輸入氣體耗盡摻雜劑。盡管襯底的邊緣的確穿過標記1105和1106的區(qū)域，即受到來自中心的氣流支配的區(qū)域，然而邊緣在這些區(qū)域中花費的時間比它在1101處花費的時間少。
這樣的氣體注入方案賦予了可以補償如邊緣耗盡和自動摻雜這樣的自然現(xiàn)象的能力。注意到系統(tǒng)允許控制在三個區(qū)域中的每一個中的輸入氣體的所有三組分的濃度，該三組分是硅源氣體濃度，摻雜劑源氣體濃度，和載流氣體類型和流動。能夠單獨地控制這些組分中的每一個，并且在三區(qū)域中的每一個中分別進行控制，這提供了在控制電阻均勻性中的靈活性。例如，如果期望在確定區(qū)域中提高電阻，可以減少摻雜劑的濃度?？蛇x地，如果期望在確定區(qū)域中增加厚度，可以提高硅的濃度。在另一種情況中，可以維持硅與摻雜劑的比率，并可以單獨地提高或降低載流氣體的流動，以傳遞硅與摻雜劑的相同比率但允許改變該混合物的均勻性。
工藝氣體在流過晶體表面后被排出。一旦輸入氣體通過氣體注入管427進入高壓氣體環(huán)429，從高壓間縫430出來，并進入處理腔303，其橫越過襯底并通過相同氣體注入環(huán)429排出。它通過輸出到排氣槽432(因為不會產生回壓力，其不是真正的高壓間)來實現(xiàn)排放，如圖4右側所示。排放管431可是多個排放管中的一個，在該實施例中有5個排放管，但數(shù)量可比5個更多或更少。在可選實施例中，排放管數(shù)量可在大約1～9的范圍，其中每個排放管具有約1/4英寸到1/2英寸的直徑。根據(jù)圖4所顯示的方式，氣體從左邊進入并從右邊輸出。參考圖6和8，但是，可以意識到，在同時兩個襯底的處理反應器的實施例中，氣體從圖的最左和右側進入，并排放到中心。在圖8中，來自右側處理臺301中的注入管427的氣體通過排放管831排出處理腔。在對稱方式中，來自右側處理臺302中的注入管827的氣體通過排放管832(三個中的兩個已標示)排出處理腔。
對于排放級以及注入級，能夠控制氣體的流動，并因此影響厚度和電阻均勻性?？梢元毩⒖刂圃谖鍌€排放管的每一個中(每個處理臺)的排氣泵壓力，以使排放氣體可進入五個管中任意一個，取決于其作為最強的真空(相對處理腔的負壓)。
已經(jīng)討論了氣體供給和排放系統(tǒng)的一般概觀。包括在該討論中的方式是這些系統(tǒng)可被配置以便控制如薄膜厚度和電阻均勻性的薄膜性能。已評述了將工藝氣體傳遞給處理腔或從處理腔移除工藝氣體的硬件，下面更詳細討論有關外延淀積的氣相化學性能。
氣體通過管427注入，經(jīng)高壓間縫430導入處理腔303，然后穿越過襯底，通過端口431排出。當它們從狹縫430噴出時，它們“彈離”罩409的較低處的內表面，并從垂直方向改變?yōu)樗椒较蛞粤鬟^處理腔并流向排放管。因為幾個原因而執(zhí)行這種流動的重新定向，其中之一是預加熱輸入氣體便于其分解和后續(xù)的反應。當硅烷被用作硅源氣體時，這種策略的具體優(yōu)點是很明顯的，但在目前，通常用氯化硅烷執(zhí)行外延硅淀積，其中，三氯硅烷可以是工業(yè)標準。
從三氯硅烷外延硅淀積假定包括系列可逆反應
因為這些反應是可逆的，淀積(正向反應)和蝕刻(逆向反應)相對抗。相反，從硅烷的淀積是不可逆的。
這里沒有HCl副產品。從硅烷淀積的優(yōu)點是可在比氯硅烷低的溫度下獲得外延薄膜，硅烷更易獲得且環(huán)境更“友好”，并且缺少氯意味著對于傳遞線和系統(tǒng)的較少化學侵襲，和由此對薄膜金屬化污染的可能性小。
硅源氣體的氯含量根據(jù)下面方式影響薄膜的生長率對于給定的溫度，氯含量越高，生長率越低。氯含量也影響多晶和單晶硅生長的轉變溫度。當硅烷作為源時，外延硅薄膜可在900℃的低溫生長。在極端的另一端，用于從SiCl4淀積單晶硅的反應溫度必須保持在1100℃上。
從硅烷淀積的缺點是通常觀察到氣相(同類的)成核，而這種情況是不期望的，因為硅聚集可導致微粒污染。由于潛在的優(yōu)點超過了任何缺點，所需的是具體設計反應器以減輕這些問題，使得它能被構造用于從硅烷淀積外延硅薄膜。從硅烷外延淀積硅的現(xiàn)有反應器的能力的討論將在后續(xù)進行。
繼續(xù)代表當前工業(yè)標準的氯化硅烷，三氯硅烷在從400到700℃的溫度范圍下開始進行熱分解。強調了需要給反應提供活化能，這在一個實施例中通過在反應氣體到達襯底之前預加熱該反應氣體來補充，因為在常規(guī)系統(tǒng)中存在沒有預加熱反應物可能會引起額外的維持困難及較差的反應產量。
燈加熱的、常規(guī)鐘罩反應器常常是水平流動系統(tǒng)。再參考圖1中所示的反應器，強調一點，反應氣體在遇到襯底任何部分之前首先經(jīng)過基座103的斷面115。這用于預加熱氣體。該預加熱步驟開始輸入氣體的含硅組分的分解；否則，在任何分解開始前，氣流將在襯底上前進。在后一種情況，沒有對氣體預加熱，并在步驟的較晚階段開始含硅氣體的分解，在襯底下游部分的生長會較厚，結果造成較差的厚度均勻性。
本發(fā)明的實施例提供比如圖1中所示的那些反應器更高的生長率。實現(xiàn)這種可能的一個理由是處理腔的“高能含量”。襯底夾在兩板(罩409和基座401)之間，其在一些實施例中被維持在大約1150℃的溫度，以使氣體迅速加熱，獲得分解和后續(xù)反應所需的熱激發(fā)態(tài)。可在常規(guī)燈系統(tǒng)中充分預加熱反應氣體以便開始分解過程，但是當氣流過具有置于處理腔上方的冷石英鐘罩101的熱襯底102時，氣體加熱，膨脹，然后自然地向上離開晶片朝靠近上部冷石英窗口的較冷區(qū)域對流。這一對流可有害地影響生長率。
常規(guī)反應器經(jīng)歷的第二個問題是沒有反應的氣體和反應副產品進入排放線，在那里它們再凝結成三氯硅烷基液態(tài)廢物。實際上，因為生成的涂覆物可能是自燃的，所以出現(xiàn)了危險情況。在與圖1相同的反應器中，即使預加熱，估計反應效率約為5％～10％，這意味由于反應氣體凝聚在排放線的墻上，大部分反應氣體被浪費掉。
根據(jù)本發(fā)明實施例，由于氣體注入管427穿過下墻426進入處理室的事實，可以預加熱反應氣體。在經(jīng)過下墻426后，它們經(jīng)過下加熱器413，并由此在進入處理室的瞬間位于“加熱籠”里。在經(jīng)過下加熱器413后，它們向處理室頂部流動并以一定距離相鄰側面加熱器411b和411a，這給了流動到處理腔的輸入氣體被預加熱的機會。
盡管期望預加熱輸入氣體，但不過度加熱是很重要的。在硅烷的情況中，如果在輸入氣流中的反應氣體變得太熱，可能會發(fā)生氣相聚集，在氣相中產生小串的固態(tài)硅原子。這是不希望的，因為小串硅原子不可能到達在合適的方向上生長的外延薄膜表面以繼續(xù)單晶生長。即使串只包括幾個原子這也是不好的情況。除了串不能適當?shù)竭_用于單晶生長的表面，其最多產生多晶薄膜，它們可能僅僅作為微粒污染落到表面上。
通過在其它事物中控制輸入氣流過氣體注入管427的速度和載流氣體組分的體積，在本實施例中預加熱但不過度加熱氣體。在輸入氣流中載流氣體(如氫)的體積越大，當氣體經(jīng)狹縫430退出管進入處理腔303時氣體越冷。輸入氣流流過氣體注入管越快，獲得熱越少。
用于在反應氣體進入處理腔前控制反應氣體溫度的另一技術，在較少動態(tài)方式中，是通過選擇制備氣體注入管427的材料。換句話說，通過選擇用于管427的合適材料，可以實現(xiàn)輸入氣體溫度的粗略控制。(注意對于甚至比潔凈石英更少氣體加熱的情況，可使用具有在外環(huán)中的H2和在內管中的工藝氣體的同軸管)第一選擇是潔凈的石英，由于多數(shù)輸入輻射能量的穿透(發(fā)射率～0.15)它提供相對低的加熱水平。第二選擇是不透明的石英，其部分吸收輻射并，因此，提供較高的加熱水平。第三選擇是碳化硅，由于其吸收輻射的主要部分而提供更高的加熱水平。中間選擇，不透明石英(發(fā)射率～0.30)，加熱氣體超過潔凈石英，但少于碳化硅(發(fā)射率～0.75)。支持發(fā)展本發(fā)明各種實施例的已做計算機建模工作顯示僅通過改變氣體注入管的材料，可在300℃和900℃之間改變退出狹縫430氣體的溫度。僅在一個模型中變化材料。模型看起來是固定流動的，只是管的材料被變化。
反應的產量不僅受到反應氣體溫度的影響，而且也受到邊界層形狀的影響。使氣體垂直指向襯底的淋浴頭設計提供更有效地使用輸入氣體，部分因為缺少任何實質邊界層。在圖12A中，常規(guī)鐘罩和直接流動反應器的邊界層可如邊界層1201所示。在1202位置形成邊界層后，當氣流向位置1203時，邊界層持續(xù)從襯底離開。在邊界層中在朝襯底表面擴散的含硅氣體分子之間產生對抗，及HCl反應產物從襯底的表面擴散回到氣流1204中。圖12A的鐘罩反應器具有從位置1202到1203厚度增加的邊界層1201，從而使交換的發(fā)生越來越困難。
本發(fā)明的實施例提供在兩靠近的間隔平行板間的流動，下板401成為基座，及上板409成為罩，如圖12B所描述。在相鄰上板(罩409)處形成第二邊界層1203。通過在這種方法中限定處理腔高度，邊界層1201的厚度更薄，在圖12B中的邊界層，如1202和1203所示，將漸進地一起匯聚。圖12B顯示常規(guī)反應器邊界層1201與“新”邊界層1202的關系。上板(罩409)具有將邊界層1201壓縮成新形狀1202的效果。具有較薄邊界層1202的優(yōu)點是使反應物到襯底的傳送距離更小，同樣地，反應副產品必須運動以加入氣流的距離也同樣更小。
本發(fā)明實施例提供改變分隔兩板(基座401和罩409)距離的能力。典型的分隔距離范圍從約0.25到約3英寸。分隔基座和罩的距離將影響許多性能，包括，生長率，厚度和電阻均勻性，自動摻雜，和其它摻雜特性，因為對于給定的氣體體積，對于較小的處理空間流動會更快。在本發(fā)明實施例中，改變分隔距離1205(處理腔高度)的能力可用于提供對于工藝性能的附加控制。據(jù)估計，本發(fā)明實施例的反應器提供比圖1中顯示類型的反應器高至少兩倍的反應效率。
已討論了將氣體注入處理腔的主要方法，以及預加熱氣體的理由，及可完成這些方法的技術。在可選實施例中，存在一些其它用于將氣體注入系統(tǒng)的方法。這些技術包括通過附屬硬件如溫度測量裝置的氣體傳遞，也可通過在處理腔內部安置淋浴頭(showerhead)。根據(jù)這些技術可以傳遞任何或所有的輸入成分。例如，可通過溫度測量器件如光學高溫計注入摻雜劑供給氣體，以調整生長的外延薄膜的電阻均勻性。可選地，可通過淋浴頭注入載流氣體如氫以控制輸入氣體的溫度，并且稀釋源氣體組分的濃度。設計一個實施例的淋浴頭，例如，可包括用于在晶片上控制氣體溫度的增壓流，充滿H2的硅，充滿H2的摻雜劑，及充滿H2的硅和摻雜劑。淋浴頭也能提供局部的硅、摻雜劑、硅和摻雜劑注入，其中淋浴頭被用于將直接注入點“散開”成在晶片上方的更大直徑的面積，其范圍決定于淋浴頭孔的尺寸和淋浴頭上方來自直接注入源的全部氣流。
用于測量在處理室內表面溫度的普通裝置是光學高溫計，以術語“光管”所知。光學高溫計的常用功能是通過真空連通監(jiān)視襯底，并收集關于襯底溫度的信息。根據(jù)本發(fā)明的實施例，但是，如果需要的話，清潔的光學高溫計也可用于注入補償摻雜劑供給氣體至襯底的下面供給區(qū)域。通過引入凈化氣體穿過光學高溫計完成注入。
圖13顯示了具有在三維中的反應器部分的處理室的側景，來說明對注入氣體到處理腔的可選擇方法。該方法可被用于提供摻雜劑至襯底上的特定位置，以便減輕耗盡效應，或處理不平衡的生長情況。圖13顯示了多溫度測量饋通系統(tǒng)1301。該系統(tǒng)包括從待測區(qū)域向光學高溫計傳輸光能的石英光管，并且光學高溫計是產生實際溫度讀數(shù)的裝置。在圖13中標示的光管1301沿一個徑向方向對準，存在幾個另外的徑向方向，光管可以沿這些方向對準，如標識1302的第二方向，在中心的1303，參與提及的兩個方向中的一個。這在圖14A中大概描述。
光管不需要沿任何一個半徑均勻分布，如圖14B中所述。在圖14B中，一個示例性光學高溫計被置于距離安置光管1303的襯底中心約1.5英寸。從那個位置，朝邊緣以外工作，第一光學高溫計被放置在離中心1英寸的位置處，以使第二光學高溫計被安置在離中心3英寸處，第三光學高溫計被安置在離中心4英寸處。繼續(xù)朝邊緣延續(xù)，在高溫計開關之間的間隔為0.5英寸的增量，及第四、第五、第六高溫計被安置在離晶片中心4.5、5.0、和5.5英寸處。從這里，增量變得更小，以致下一個到最后一個高溫計離中心5.8英寸。
在襯底的中心區(qū)域高溫計沒有彼此間隔很近，因為邊緣加熱器在中心區(qū)域沒有它們在邊緣的效果大。距離晶片中心最遠距離的高溫計，其可以是5.8英寸或更多，也是在基座上方的實際位置。監(jiān)視基座邊緣的最后光學高溫計的標識為601。
因為具有提供輔助氣體注入系統(tǒng)的能力時，用在前描述的凈化的光管陣列被動完成溫度監(jiān)控；也就是說，沒有參與封閉的環(huán)系統(tǒng)。在封閉的環(huán)系統(tǒng)中，來自溫度測量器件的信息被傳遞給控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)依次調節(jié)傳遞給加熱系統(tǒng)的能量。被動監(jiān)控進行測試，但不使用在反饋環(huán)給加熱器中的信息?？蛇x地，氣體注入系統(tǒng)可參與有源系統(tǒng)。
在任一情況，溫度測試器件可用于注入氣體，如圖15中所示。參考圖15，光管外殼1501用于接收來自上邊緣加熱器411a的信息。同樣，光管外殼1502監(jiān)視下邊緣加熱器411b。
凈化氣體可通過光管外殼以下面方式注入。鞘1504是共軸安裝在實際光管傳導管周圍并轉化到光管外殼中。通過穿過室墻、石英絕緣、和加熱器外罩的導管，這種鞘/光管總成進入處理室內區(qū)域。來自加熱器的光能通過在光纖中的總內部反射傳遞出來并進入光管外殼，在該處它轉化為嘴1503處的柔性玻璃纖維束并經(jīng)由總內部反射持續(xù)其路程到達實際的高溫計，該高溫計將光能信息轉變成檢測溫度。
凈化氣體可通過裝置1505注入。通過在鞘中流動，凈化氣體從裝置1505傳輸?shù)教幚硎?，并圍繞光纖的外側。在圖16中顯示的簡圖可更清楚地描述。光纖1602被同軸地置于鞘1601中，凈化氣體1604在鞘中流動。顯示了在光纖中傳輸?shù)慕?jīng)過全部內反射1603的光。
典型的凈化氣體可是惰性氣體，貴重氣體，和如氫一樣的載流氣體，氣體類型不重要，只要存在任何流動氣體以防止在光纖頂部上不希望的淀積。需要維持系統(tǒng)清潔的氣體數(shù)量是最小，在約100-500立方厘米/分的范圍內，典型是具有100-200立方厘米/分。凈化氣體可使用排放管431從室中排出。在一些實施例中，如圖13的實施例，光學高溫計1301和1302的每一個排放它們的氣體在襯底上。
上面描述類型的凈化氣體具有至少兩個優(yōu)點。第一，凈化氣體幫助防止材料在光纖端上或周圍的淀積。因為它們減少進入光纖的光量，并影響探測的溫度即使實際溫度并未改變，所以該淀積是不希望的。凈化氣體保持光纖端的潔凈，并得到更可靠的溫度讀數(shù)。
第二，凈化氣體可通過給生長外延層的不良摻雜區(qū)域傳遞摻雜劑補償氣體來精確調整電阻均勻性。如前所述，由于，例如，耗盡或除氣裝置，可在確定的區(qū)域降低摻雜濃度。為減輕這些影響，可通過光學高溫計的鞘注入摻雜劑補償氣體。使用該技術的實施例的特別效果是通過中心光學高溫計1303注入摻雜載流氣體，以補償可能發(fā)生在位置1008(見圖10B)的層的中心處的摻雜劑缺少。因此，光學高溫計的凈化氣體，根據(jù)本發(fā)明實施例，可用于保持光纖頂端的清潔，并在其它事物中局部影響外延層電阻。
參照示例性實施例說明了本發(fā)明的同時，本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，對本領域普通技術人員，顯而易見的欲覆蓋多個其它變型、改進和替換以及廣泛的等同設置，其包含于所附權利要求的精神和范圍內。
權利要求
1.一種晶片處理系統(tǒng)，包括處理室，包括用于容納至少一個半導體襯底的襯底支撐器；與該處理室連通的加熱裝置；多個氣體入口，用于使氣體流入該半導體襯底表面上方的該處理室內，其中，布置至少一確定的氣體入口以使在半導體襯底上的邊緣區(qū)域上方流入氣體，布置至少一確定的氣體入口以使在半導體襯底上的中間區(qū)域上方流入氣體，以及布置至少一確定的氣體入口以使在半導體襯底上的中心區(qū)域上方流入氣體；被布置成控制供給到氣體入口的氣體的流速以選擇性控制半導體襯底的邊緣區(qū)域、中間區(qū)域和中心區(qū)域上方的氣體流動的氣體供給系統(tǒng)；以及被布置成從該處理室中排出氣體的氣體排放系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中布置該氣體供給系統(tǒng)以分別地控制供給到多個氣體入口中的每一個的氣體的流速和濃度。
3.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中布置該氣體排放系統(tǒng)用于控制通過多個排氣口被排出的氣體的流速，以選擇地控制半導體襯底的邊緣區(qū)域、中間區(qū)域和中心區(qū)域上方的氣體的流動。
4.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，進一步包括設置在該襯底支撐器上方的第二套氣體入口。
5.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該處理室包括上壁，該上壁限定出在該處理室內部的凹進部分，用于減少流過該處理室的氣體的分界層。
6.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，進一步包括用于監(jiān)控容納在該處理室中的半導體襯底的溫度的多個溫度測量器件，該溫度測量器件包括還用于傳送氣體到該處理室中的同軸管路。
7.根據(jù)權利要求6所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該溫度測量器件包括高溫計。
8.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該加熱器件包括多個電阻加熱器。
9.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該多個氣體入口包括縱向部分和橫向部分，以便氣體在通過該橫向部分引導穿過半導體襯底之前，氣體通過該縱向部分向上或向下流動。
10.根據(jù)權利要求9所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中將氣體入口的該縱向部分設置與該加熱器件連通，以便在流過該氣體入口的氣體接觸半導體襯底之前預加熱該氣體。
11.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，進一步包括用于轉動該襯底支撐器的晶片轉動裝置。
12.根據(jù)權利要求1所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中布置該處理室以接收并排放置的兩個半導體襯底。
13.一種晶片處理系統(tǒng)，包括處理室，包括用于容納半導體襯底的襯底支撐器，該襯底支撐器是可轉動的；與該處理室連通的加熱器件；多個氣體入口，用于使氣體流入半導體襯底表面上方的該處理室內，每個氣體入口包括縱向部分和橫向部分，其中氣體通過該縱向部分向上或向下流動以及然后當氣體導向半導體襯底上方時通過該橫向部分被增壓；以及被布置成從該處理室中排出氣體的氣體排放系統(tǒng)。
14.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體入口的橫向部分與設定普通高壓的氣體注入支持環(huán)連通。
15.根據(jù)權利要求14所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體注入支持環(huán)是弧形。
16.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體入口的縱向部分設置為與加熱器件連通，以便在流過氣體入口的氣體接觸半導體襯底之前預加熱該氣體。
17.根據(jù)權利要求16所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體入口的縱向部分是由石英形成的。
18.根據(jù)權利要求16所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體入口的縱向部分是由碳化硅形成的。
19.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括至少五個氣體入口。
20.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該氣體排放系統(tǒng)包括用于從該處理室中抽出廢氣的泵。
21.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，進一步包括布置氣體供給系統(tǒng)以分別地控制供給到多個氣體入口的每個的氣體的流速和濃度，以選擇地控制容納在處理室中的半導體襯底的邊緣區(qū)域、中間區(qū)域和中心區(qū)域上方的氣體的流動。
22.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中多個氣體入口的每一個的橫向部分從該處理室的底部延伸。
23.根據(jù)權利要求13所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中多個氣體入口的每一個的橫向部分從該處理室的頂部延伸。
24.一種晶片處理系統(tǒng)，包括處理室，包括用于容納半導體襯底的襯底支撐器，該處理室包括頂壁、底壁和至少一個側壁；以及籠式加熱總成，包括(a)設置在頂壁上方的頂部電阻加熱器；(b)設置在底壁下方的底部電阻加熱器；(c)設置在至少一個側壁后方的側面電阻加熱器。
25.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該頂部電阻加熱器包括至少兩個獨立可控的加熱區(qū)域。
26.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該籠式加熱總成包括至少兩個側面電阻加熱器。
27.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該頂部電阻加熱器和該底部電阻加熱器被封閉在一對屏部件之間。
28.根據(jù)權利要求27所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該屏部件由含有碳化硅的材料形成。
29.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該處理室包括熱壁處理腔，其中至少處理室的頂壁和底壁由通常具有與被加熱的半導體襯底相同熱特性的材料形成。
30.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中布置該處理室以容納并排布置的兩個半導體襯底，該側面電阻加熱器被構造成封閉兩個半導體襯底。
31.根據(jù)權利要求30所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該側面電阻加熱器具有花生形。
32.根據(jù)權利要求29所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該頂壁和該底壁是由從石英、碳化硅以及它們的混合物組成的組中選擇的材料形成的。
33.根據(jù)權利要求24所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該頂壁與該底壁間隔的距離從大約1/4英寸到大約3英寸。
34.一種晶片處理系統(tǒng)，包括用于接收至少一個半導體襯底的處理室；與該處理室連通的加熱器件；連接到中心柱的襯底支撐器，該中心柱用于轉動該襯底支撐器，該襯底支撐器設定多個孔；多個升降銷，每個升降銷套在由該襯底支撐器設定的各個孔中；以及與該多個升降銷嚙合的升降銷支撐板，該支撐板連接到支撐管，該支撐管與該中心柱同軸，該支撐管沿著該中心柱是可動的用于選擇地向上和向下移動該支撐板，其中，當該支撐板向上移動時，該支撐板使該升降銷升起并把半導體襯底抬離該襯底支撐器。
35.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中當該襯底支撐器圍繞該中心柱轉動時，該升降銷支撐板、該支撐管和該升降銷與該襯底支撐器一起轉動。
36.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該襯底支撐器由含有碳化硅的材料形成。
37.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該升降銷和該升降銷支撐板由含有石英的材料形成。
38.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該加熱裝置包括至少一個電阻加熱器。
39.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，進一步包括用于把氣體供給到該處理室以便與容納在該處理室內的半導體襯底反應的氣體供給系統(tǒng)。
40.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該支撐管位于該中心柱的外部。
41.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中該升降銷由含有不透明石英的材料形成。
42.根據(jù)權利要求34所限定的晶片處理系統(tǒng)，其中布置該處理室以接收并排放置的兩個半導體襯底，該處理室包括兩個獨立的襯底支撐器。
43.一種用于在半導體襯底上淀積層的方法，包括如下步驟把半導體襯底放置在處理室內；加熱該處理室內的半導體襯底；以及使氣體流入該處理室，氣體通常以垂直方向流動并且然后被加壓，以便當襯底轉動時，在該半導體襯底的表面上方的氣體從襯底的一側流向第二和相對側，當氣體以通常的垂直方向流動時被部分地預加熱，該氣體與該半導體襯底的表面反應以形成層。
44.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該氣體包括硅烷。
45.根據(jù)權利要求44所限定的方法，其中在該層的形成期間該半導體襯底的溫度小于1,000℃。
46.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該氣體包括氯化硅烷。
47.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該處理室包括熱壁室，以便當加熱該半導體襯底時，加熱該室壁到半導體襯底的200℃內的溫度。
48.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該處理室包括熱壁室，以便當加熱該半導體襯底時，加熱該室壁到半導體襯底的100℃內的溫度。
49.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該處理室具有從大約1/4英寸到大約3英寸的高度。
50.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中選擇地控制在半導體襯底的邊緣區(qū)域、中間區(qū)域和中心區(qū)域上方的進入該處理室內的氣體的流動。
51.根據(jù)權利要求43所限定的方法，其中該處理室包括熱壁處理室，并且其中在該處理室中放置該半導體襯底之前預先加熱該處理室。
52.根據(jù)權利要求51所限定的方法，其中預先加熱處理室使該處理室達到在該層的形成期間的最大處理溫度的至少大約100℃內的溫度。
全文摘要
用于外延淀積的系統(tǒng)和方法。反應器包括由加熱系統(tǒng)、熱絕緣系統(tǒng)和室壁包圍的熱壁處理腔。處理腔的壁可以由具有與半導體襯底的熱膨脹系數(shù)基本上相同的材料組成，例如石英和碳化硅，并且可以包括可被加熱到1200℃高溫的等溫或接近等溫的腔?？梢酝ㄟ^多個氣口引入工藝氣體，并且可能實現(xiàn)氣體成分的分配控制的精確水平，包括膜源氣體、摻雜劑源氣體和載流氣體。氣體供給系統(tǒng)包括傳送氣體到處理腔的附加方法，例如通過溫度測量器件和通過淋浴頭。在本發(fā)明的一個實施例中，系統(tǒng)可以利用硅烷作為硅源氣體。在本發(fā)明的另一個實施例中，把襯底提起離開基座的升降銷機械裝置可以在工藝期間與基座一起轉動。
文檔編號C23C16/46GK1585832SQ02808195
公開日2005年2月23日 申請日期2002年4月12日 優(yōu)先權日2001年4月12日
發(fā)明者克里斯坦·E·約翰斯加德, 戴維·E·薩洛斯, 丹尼爾·L·梅西尼奧, 羅伯特·D·梅爾霍, 馬克·W·約翰斯加德 申請人:馬特森技術公司