用于在半导体衬底上外延淀积膜的系统和方法技术方案

用于外延淀积的系统和方法。反应器包括由加热系统、热绝缘系统和室壁包围的热壁处理腔。处理腔的壁可以由具有与半导体衬底的热膨胀系数基本上相同的材料组成，例如石英和碳化硅，并且可以包括可被加热到１２００℃高温的等温或接近等温的腔。可以通过多个气口引入工艺气体，并且可能实现气体成分的分配控制的精确水平，包括膜源气体、掺杂剂源气体和载流气体。气体供给系统包括传送气体到处理腔的附加方法，例如通过温度测量器件和通过淋浴头。在本发明专利技术的一个实施例中，系统可以利用硅烷作为硅源气体。在本发明专利技术的另一个实施例中，把衬底提起离开基座的升降销机械装置可以在工艺期间与基座一起转动。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及半导体衬底的工艺方法，更具体地说，涉及用于外延淀积膜到半导体衬底上的改进的系统和方法。
技术介绍
利用外延淀积的工艺通常涉及在半导体衬底上生长一层或多层膜。可以通过下面的工艺和装置精细地控制这些层的生长以产生具有所期望的物理、电气和机械特性的层。这些特性典型地包括，例如，外延层的生长速率和厚度、电阻率、掺杂剂浓度、掺杂转移宽度、缺陷密度、金属和颗粒污染物的水平和滑移。因为这些特性非常高地依赖于生长外延层时的操作条件(例如，温度、气流速和工艺气体的浓度)，下面的工艺和装置必须保持精确地控制这些操作条件以便在半导体衬底的整个表面上方产生具有均匀特性的外延层。然而，由于制造工艺从200mm朝300mm的转移趋势，许多半导体制造商提出了更严格的工艺规范，并且为了制造工业的成本效益提出了更高的生产能力需求(每单位时间处理的衬底数目)，已经证明保持所需控制水平更加难以实现。根据这些增长的工艺需要，使用常规外延淀积方法，在保持控制的必需水平的同时满足生产能力的需求，已经证明越来越难以达到。参考图1，根据现有方法的一种用于执行外延淀积的示例性反应器通常以100所示例。示例性反应器包括石英钟形罩101，其封闭半导体衬底102并使衬底102与外界污染隔离。钟形罩101还封闭基座103，其用于在工艺期间支持和使半导体衬底102转动。用于淀积外延层的工艺气体通过气体入口104被引入反应器并且通过设置在反应器相对端的排气口110从反应器中排出。为了同时加热半导体衬底102和工艺气体至操作温度，多个石英卤素灯112被设置环绕在钟形罩101的上部分，以放射能量通过钟形罩101的透明壁进入反应器。设置在反应器壁中的小窗口114上方的光学高温计113探测反应器的温度。光学高温计113传递温度的测量结果给适当的灯控制电路(未示出)，该灯控制电路然后根据探测的反应器温度增加或减少卤素灯112的输出。在操作中，图1的示范性反应器通过由气体入口104注入工艺气体进入钟形罩101中，在半导体衬底102上淀积外延层。这些工艺气体典型地包括硅源气体，例如，四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(SiHCl3)和二氯硅烷(SiH2Cl2)，以及运载气体，例如氢气。工艺气体还可以包括n型掺杂剂或p型掺杂剂，其可以通过前驱气体提供，例如胂(AsH3)和三氢化磷(PH3)或乙硼烷(B2H6)。气体入口104把工艺气体的气流105水平导向半导体衬底102。当气流105到达和穿过半导体衬底102时，钟形罩101的相对大的体积使气流105分裂成流过衬底102表面的层状流106和充满钟形罩101上部的自然循环流107。气流可能是层状的或紊乱的，依赖于温度梯度和特征长度(从基座表面到室外壳的顶部表面)。由于在层状流106和相对固定(尽管转动着)的半导体衬底102之间的速度梯度，还在半导体衬底102的表面上方产生分界层108。当层状流通过半导体衬底102时，一些反应物通过分界层108扩散以吸附在半导体衬底102的表面上。一旦被吸附后，反应物115经过表面扩散以在生长的单晶膜上找到适当的格点位置116。该表面扩散步骤需要能量，并且是确定生成的外延层品质的重要因素。如果表面能量不足以使反应物在附加原子累积在它上方之前在格点位置处被容纳，那么将在晶格中产生不期望的缺陷。反应物115还与半导体衬底102的表面产生化学反应以形成副产品117，其从表面上解吸并且通过分界层108扩散回层状流106，并且然后通过排气口110从反应器中除去。常规外延反应器，例如图1中所示例的反应器，具有几种不足之处，这可以阻碍这些反应器提供有效和成本有效的针对各种应用的解决方法。一个问题是钟形罩101具有相对大的体积，制约了反应器精确地控制半导体衬底102和工艺气体的工艺温度的能力。如前面所提到的，半导体衬底102和工艺气体的操作温度是取得所期望的物理的、电气的和机械特性所必须的因素。如果温度太低，反应物将不具有被容纳在适当格子位置处的足够能量，这可能导致晶格内缺陷密度上升。如果温度太高，在SiH4或Si2H6的情况下，硅分子将结合在一起以形成气相的硅聚合体。然后这些硅聚合体能落到衬底102的表面并且干扰单晶生长。尽管期望减小钟形罩101的体积，但是反应器的结构完整性约束可以限制这样做的能力。另一个问题涉及现有反应器控制在半导体衬底102表面上方的工艺气体的流动和浓度的能力。当图1的层状流106通过半导体衬底102上方时，工艺气体中的反应物将被稳定地耗尽使得层状流106在靠近排气口110处具有比在靠近气体入口104处更低的反应物浓度。尽管通过在工艺期间转动半导体衬底102，可以减小耗尽的反应物浓度对于半导体衬底102的边界的影响，但是图1的气流系统不能充分地表示在半导体衬底的内部上方的耗尽反应物浓度。因此，半导体衬底102将在半导体衬底102的周围部分具有比在半导体衬底102的内部更大的厚度和更低的电阻。然而，另一个问题涉及低品质硅膜在钟形罩101的壁上聚集的可能性。所谓的“冷壁”反应器的设计者典型地花费巨大的努力以维持足够高的反应气体的温度用于发生反应，并且，同时维持足够低的钟形罩101温度以避免非晶、低品质硅膜在其壁上的淀积。然而，如果壁变得太热，硅分子不仅将黏附到半导体衬底102上，而且还在反应器的石英壁上形成薄膜。这种不期望的、低品质膜可以染色钟形罩101并且引起各种问题。因为非晶硅不易黏附到石英钟形罩101上，并且因为存在硅和石英的热膨胀系数不匹配，所以当冷却反应器时硅具有从石英壁上剥落的趋势。非晶硅也能在工艺期间从石英壁上剥落并且落到半导体衬底102上，从而产生微粒污染。被染色的钟形罩101还减少来自卤素灯112能够穿过它的能量的数量。另外，非晶硅可以涂覆窗口114，这引起光学高温计113接收比其可能获得的光能更少的能量。然后光学高温计113将错误地探测到晶片温度比它的实际温度低，并且将指示卤素灯112释放更多的能量，甚至导致在钟形罩101上更多的不期望的淀积。结果，在每次处理半导体衬底之后，常常有必要用HCl从钟形罩上刻蚀掉这些淀积物，从而减少了反应器的生产能力。因此，根据现有技术的不足点以及在各种集成电路技术中外延淀积的重要性日益增加，例如，双极结型晶体管(BJT)和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，存在对于在半导体衬底上淀积外延层的改进系统和方法的需要。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供改进的系统和方法，用于增加半导体衬底的品质和产量。根据本专利技术的一个方面，构造一外延反应器，其包括由加热系统、热绝缘系统和室壁包围的热壁处理腔。包围处理腔的一个壁包括一切口，半导体衬底可以通过该切口插入和取出，并且处理腔不需要冷却处理室。处理腔的壁还可以包括具有与半导体衬底的热特性基本上相同的热特性的材料，例如石英或碳化硅。在下文中，当加热半导体衬底时，处理室的壁可以加热到半导体衬底的200℃内的温度，更具体地，可加热到半导体衬底的100℃内的温度。在一个实施例中，例如，处理室的壁可以加热到大约半导体衬底的处理温度。通过使用热壁处理室，在形成含硅层期间，分子黏附到壁的表面上形成金属化硅，取代非晶硅。这种金属化硅比典型地形成于冷壁反应器的壁上的非晶硅膜更稳定，从而使结合本专利技术原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种晶片处理系统，包括：处理室，包括用于容纳至少一个半导体衬底的衬底支撑器；与该处理室连通的加热装置；多个气体入口，用于使气体流入该半导体衬底表面上方的该处理室内，其中，布置至少一确定的气体入口以使在半导体衬底上的边 缘区域上方流入气体，布置至少一确定的气体入口以使在半导体衬底上的中间区域上方流入气体，以及布置至少一确定的气体入口以使在半导体衬底上的中心区域上方流入气体；被布置成控制供给到气体入口的气体的流速以选择性控制半导体衬底的边缘区域、中间 区域和中心区域上方的气体流动的气体供给系统；以及被布置成从该处理室中排出气体的气体排放系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯坦E约翰斯加德，戴维E萨洛斯，丹尼尔L梅西尼奥，罗伯特D梅尔霍，马克W约翰斯加德，
申请(专利权)人：马特森技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]