单晶外延沉积的方法和系统的制作方法

专利名称：单晶外延沉积的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及单晶外延沉积的方法和系统，更具体点说，涉及这样一种方法和系统，可以防止在半导体晶片上产生大面积的缺陷，而处延层就是在这晶片上沉积的。
本发明特别适用在标准的CMOS(互补型金属氧化物半导体)外延沉积上，这是将单晶材料的初始外延层沉积在从半导体源材料(最常用的是硅)生长出来的单晶衬底上。外延层是由化学汽相沉积形成的，利用这种方法可用热、等离子体、紫外线或其他能源分解化学蒸汽制出稳定的固体。在半导体材料工业中，外延是一种重要的方法，用来使半导体材料具有必需的电性能。例如使一个轻掺杂的外延层在一重掺杂的衬底上生长，由于衬底的低电阻可使CMOS器件在抗闩锁性方面优化。其他优点如精确地控制掺杂物浓度的分布和除氧也可达到。
外延生长几乎普遍用化学汽相沉积来实现，因为它是一个在半导体材料上生长外延层的适应性最强和低费用高效的方法。一般地说，化学汽相沉积要将挥发的反应剂(如Sicl4、SiHCl3、SiHCl2或SiH4)和运载气体(常为氢)引入到反应室内。要在半导体材料上得到所需的外延生长还与温度有关。反应室内的温度可根据精确的反应条件而变，但在本发明所特别适用的那种单晶层沉积中，温度一般在1080℃和1150℃之间。发生沉积的环境必须清洁，氧含量须小于1ppma。
化学汽相沉积在反应器内进行，在反应器内流动的反应剂和运载气体(合起来称“反应气体”)一般与半导体晶片的表面平行。离开反应器的气体被送到一个装置内，以便在排放到大气中以前去除其杂质(即有害成分)。还有一点重要的是，在外延沉积过程中须防止晶片受到污染，这是由微粒沉积在晶片表面而造成的。来自反应气体的沉积材料会更快地积聚在微粒上而不是积聚在环绕微粒的平表面上，这样就造成缺陷。特别值得关心的是大面积缺陷，其直径可大于或等于10微米，这是用激光束表面扫描设备测量出来的，更具体点说，可用美国加利福尼亚州Mountain View的Tencor公司所制造的Tencor6200激光扫描器测量出来。
微粒污染的常见来源是氯化硅烷聚合物和SiO2，它们倾向于从反应气体中跑出而沉积在反应室的表面上。特别是，氯化硅烷聚合物和SiO2会沉积在反应室的排气口内及其周围。在晚些时候小的微粒会从这些沉积中裂开并被气体带到晶片上。沉积之所以会发生是因为反应室表面的温度在排气口多少要比其他地方低些。在气流中的扰动和涡流会将微粒从排气口带回到晶片上。当沉积是在大气压或接近大气压的条件下进行时，问题会变得格外尖锐，因为这个条件是通常具有的。惯常在反应气体刚要进入反应室之前常使它带有小量的正压。洗涤塔惯常不在反应室内造成真空压力(或负压，即小于大气压的压力)，或微小到可忽略不计的负压，在这些条件下在排气口流出的反应气体流虽然会比较混乱，但这样做也有好处，因为在大气压力下进行沉积，反应室就不必做得很结实，真空泵可不需要。额外的安全预防设施也可不要，而这对于低压沉积方法是必需的，因为存在着发生爆炸或火灾的潜在危险。低压反应器(例如在约75乇的压力下操作的标准低压外延沉积所用的反应器)也比较容易泄漏因为低压会将外界空气吸引到反应器内。这样只要有可能，人们还是希望在大气压或接近大气压的条件下进行外延沉积。
本发明的若干目的和特点包括提供一种方法和系统用来将外延层沉积在半导体晶片上而可减少在晶片上的面积缺陷；提供这样一种方法和系统，它可减少大面积缺陷的发生；提供这样一种方法和系统，它可在接近大气压力的条件下操作；提供这样一种方法和系统，它可使反应气体产生一个比较接近层流的流动，通过并流出反应室；另外提供这样一个方法和系统，它可阻止将微粒物质送到晶片上。
一般地说，本发明的方法包括下列步骤将晶片放置在反应器的外延反应室内，并将反应气体输送到室内使反应气体流动越过晶片，而在气体内的反应剂成分则被沉积在晶片上成为单晶层。通过反应室的排气口抽引流出的反应气体，这里排气口的压力小于大气压但大于或等于大气压之下约20乇的压力，从而可防止会将微粒物质带回晶片上的扰动和涡流，这样就可防止在晶片上形成大面积的缺陷。从反应器抽引的气体被送到洗涤塔内洗涤，以便去除气体中的杂质。
本发明另一方面所提供的单晶外延层沉积系统一般具有一个包括反应室的反应器，该反应室构造成用于接纳至少一个半导体材料的晶片，以便用来将单晶外延层沉积在晶片上；一个进气口，用来将反应气体接纳到反应室内，以便在半导体晶片上沉积出单晶层；和一个排气口，用来从反应室排放流出的反应气体；还有一个文丘里管，与反应室的排气口流体连通，它被设置用来将从反应室流出的反应气体吸引到一个沿轴向流动通过文丘里管的流体内。文丘里管的配置是为了在排气口造成负压，使在该处测得的压力小于大气压，但大于或等于大气压之下约20乇的压力。另外还有一个洗涤塔，用来清洗流出的反应气体。
本发明的其他一些目的和特点，部分将变得清晰，部分将在下面指出。


图1为一化学汽相沉积反应器和一个用来清洗从反应器流出的反应气体的洗涤塔的概略的右侧立视图；图2为洗涤塔的左侧立视图。
在这些视图中相应的标号用来指相应的零件。
现在参阅附图，其中示出的本发明的单晶外延层沉积系统包括一个反应器10，它包括形成反应室14的反应室容器12；和一个洗涤塔16，用来从离开反应器的流出的反应气体废气中去除潜在有害的成分(所有标号只是一般地指出)。反应室容器12由高纯石英构成，而反应室14的大小是用来接纳半导体材料的单一晶片，以便将单晶外延层沉积在晶片上。晶片W被支承在一个接受器18上，而接受器又被这样安装，使在外延沉积过程中可使晶片环绕一条垂直轴线旋转。反应器10可以有比本说明更为精密的构造，但仍没有离开本发明的范围。例如，反应器可以构造成一次能加工多个晶片。
反应室容器12有一进气口20，通过该口反应气体被接纳到反应室14内，以便在晶片W上流过并将材料(例如硅)沉积在晶片上。反应气体通过反应室14的流动在图1中一般地用在室左侧的箭头指出。反应气体通过一个排气口22从反应室14被排放到一条通向洗涤塔16的排放管路24内。反应器10还设有加热灯26，以便用来将反应室14加热到最好在1080℃和1150℃之间。但应知道，在这范围外的温度也可使用，而并未离开本发明的范围。在这个较优的实施例中，所用反应器10为美国亚利桑那州Phoenix的先进半导体材料公司(Advanced Semiconductor Material，Inc.)制造的EpsilonOne System外延反应器。
在该较优实施例中用的反应气体为三氯硅烷(SiHCl3)，运载气体为氢(H2)。三氯硅烷在与晶片W接触时便分解而将硅留下，在晶片的所有暴露表面上形成单晶层。这个反应可在大气压力下顺利进行，因此可不需真空泵并且反应室容器12可不必做得很结实以防崩裂。另外，可较少出现对安全的危害，并且空气漏泄到反应器10内的机会也被减少。
通过排气口22离开反应室14的反应气体会遇到反应室容器12和排气口周围排放管路24的较冷的表面。结果，某些在反应气体内没有反应过的材料就会以氯化硅烷聚合物和SiO2的形式沉积在反应室容器和排放管路的在排气口22周围的内表面上。其余的反应气体被排放管路24传送到在洗涤塔16后面的进气竖管28(烟道)内，气体流动通过在进气竖管28内的喉管30，进气竖管被加热，以便防止气体中的材料沉积在竖管内的喉管上。就在喉管的下面有一喷水口32将水喷射到气流内，使气流打旋。有一自动清洁装置装在竖管28内，包括一根可伸缩的杆34其上有一清洁头。该杆34可有选择地伸长，以便强制清洁头通过喉管30来清洁喉管。流出的反应气体在竖管28内向下移动并进入到洗涤塔16内。
洗涤塔16设有多个喷雾和过滤的隔间，以便从流出的反应气体中去除有害的成分。在该较优的实施例中所用的洗涤塔16为美国加利福尼亚州San Jose的化学设备技术公司制造的Jupiter II系列的烟气洗涤塔16。其构造为在其最下面的隔间内固定着一个储水槽36。在洗涤塔16隔间的底下有一泵38，如需要可开动使水循环流过洗涤塔。从竖管28来的气体流动进入到正好在储槽顶上的第一隔间内。第一喷雾头40从储槽36的水内垂直地向上伸出并由水泵38供水，使第一隔间内完全充满细的水雾。反应气体中某些较易分解的元素就被带出到气体外而掉落在储水槽36内。
在第一隔间顶部开出的孔允许气体向上流动进入到第二隔间内并流向靠近第二隔间顶部的出口42。在第二隔间内有四个第二喷雾头44，一个接一个地沿垂直方向排列，由水泵38供以储槽36中的水。这四个第二喷雾头各可喷出一个细水雾花样将第二隔间的各该水平区段完全布满。这四个水雾花样就将气体通过第二隔间流往出口42的路完全堵住，使气体非通过这四个水雾花样不可。在气体接续向上流动通过由各该喷雾头44造成的这四个水雾花样而流向出口42时，另外一些杂质就从气体中被清除出来。
现在参阅图2，流出的反应气体然后流动通过第二隔间的出口42，该出口并作为第三隔间的进口。更具体点说，气体流动进入到一个区域内，该区域环绕着一个总体由标号46指示的文丘里水管。来自储槽36的水被水泵38强制使它沿轴向向下流动通过文丘里管46，并在该管喉部的下游侧产生一个压力降。位在文丘里管46喉部下游侧的多个孔使第三隔间暴露在文丘里管喉部下游侧造成的负压(即小于大气压的压力)下。这样，气体就被吸引到水流中一起流动通过文丘里管46并向下来进入到第四隔间内。
这个负压通过洗涤塔16和排放管路24被连回到反应室14，因此在排气口22的压力约为753-754乇(即在大气压之下6-7乇)。实际上，在离开一英寸排放管路24和反应器排气口22的接头约3.5到4英尺的地方已量到这个压力。但应知道，任何小于一个大气压的压力(例如在大气压之下20乇)，只要能足够产生一个通过排气口22的层流而不需要一个较坚固的反应器都可使用，这样做仍在本发明的范围之内。人们确信可以使用低到大气压之下约20乇的压力来减少大面积缺陷。文丘里管46可被调节来改变负压。重要的是要能调节文丘里管46来使化学反应优化。
在第四隔间内，流出的反应气体向下流动连续通过两个垂直排列的第三喷雾头48所造成的水雾花样。如同第二喷雾头44那样，两个第三喷雾头48分别产生一个能完全布满第四隔间各该水平区段的细水雾花样，使气体通过第四隔间的通道被堵住，非通过这两个水雾花样流动不可，第四隔间在其底部向储槽36敞开，使它能接纳从反应气体清除出来的另外一些成分。有一排水管50用来从储槽36放掉某些水和杂质。
现已基本上清除杂质的流出的反应气体流动通过在第四隔间底部内的、正好在储槽水位上的四个孔52(图中只示出一个)进入到第五隔间内。第五隔间的底部也向水槽36开通。气体于是转为向上流动，进入到含有过滤柱54的第六隔间内，在所示出的实施例中，过滤柱54由成捆的小塑料圆柱组成。过滤柱54被布置在第六隔间内，使气体向上通过第六隔间的通道被堵住非通过过滤柱不行。
位在第六隔间之上的第七隔间内的第四喷雾头56将水向下喷洒到过滤柱54上。该水流动通过过滤柱54并使它保持清洁。最后，该水进入到储槽16内。通过第四喷雾头56喷洒的水是由补给水的在外面的水源供应的，而不是从储槽36供应的。这样，储槽36的水就可得到补充并被保持在一个可接受的纯度水平上。已经发现，补给水的流率约为每分钟3加仑时能产生令人满意的结果。向上流动到第七隔间内的气体必须流动通过第四喷雾头56的水雾花样，才能走出洗涤塔16向上排放到大气中。
本发明的方法包括下列步骤将半导体晶片W放置在反应室14内的接受器18上，以便将外延层沉积在晶片W上。典型的做法是(但并不是非如此不可)，沉积过程为一标准的CMOS外延沉积过程，其中单晶材料的第一外延层以基本上均匀的层厚被沉积在晶片的所有露出的表面上。反应室14用加热灯26加热到约1150℃。反应气体通过进气口20被送入反应室14内，并在移向排气口22时流动越过在该室内的晶片W，而同时该晶片被接受器18带动旋转。反应气体中的某些硅便分解出来沉积在晶片W上形成单晶层。反应气体之所以能流动通过反应室14部分是由于被文丘里管46在洗涤塔16内所造成的负压驱动。
反应气体通过排气口22从反应室14流出。在排气口22测出的负压被调节，办法是调节在洗涤塔16内的文丘里管46，使压力最好约为大气压之下约6到7乇。在排气口22的负压可使进入到其内的反应气体产生一个比较接近层流的流动。在气流中减少扰动和涡流可使气体中的微粒物质不容易沉积在排气口22周围的反应室表面上，也就不容易在反应室14内再向上游(相对于反应气体流动的方向而言)移动而沉积到晶片W上。因此较少能看到由于这些微粒而造成的大面积缺陷。
流出的反应气体离开反应室14流动到洗涤塔16的进气竖管28内，通过喉管30并进入到来自喷水头32的旋流中。喷水头32由水泵38供应来自储槽36的水。气体然后进入到充满来自第一喷雾头40的细水雾的第一隔间内。气体被上引到第二隔间内并通过第二喷雾头44所造成的四层水雾花样。气体通过出口42流出第二隔间而进入到环绕着文丘里管46的第三隔间内，在那里气体通过孔眼被吸引到流动通过文丘里管46的水流内。应该知道，可以用沿轴向流动通过文丘里管46的气流代替水流来吸引流出的反应气体，并在排气口22产生负压。另外，一个文丘里管(未示出)可被设置在不是所说明的位置上，例如正好在排气口22的下游但却在进入洗涤塔16之前。
在来自文丘里管46的液流中的反应气体流动进入第四隔间并通过第四隔间内由第三喷雾头48所造成的两个垂直排列的水雾花样。在第四隔间内，某些在隔间底部的储槽36内的水可通过排水管50放掉，以便去除从反应气体中捕获的杂质成分。正好在储槽36水位上面的孔52允许气体沿侧向通过洗涤塔16来到在储槽36上面的第五隔间内。气体然后被转为向上进入到第六隔间内，在那里它流动通过过滤柱54，并进入到第七隔间内。第四喷雾头56提供最后一次水雾花样，气体在被排放到大气中之前需要通过这个花样。从第四喷雾头56喷洒的水向下流动通过过滤柱54并进入到储槽36内，以便补充从储槽排放出去的水。
经过足够时间后，晶片W便可从反应室14取出，以便进行另外的加工。已经发现，由负压造成的提高的流率可使晶片W上的外延硅产生一个更快的生长率。按照本发明加工的晶片曾发现其上出现的大面积缺陷可显著地减少。已经观察到每一晶片出现大面积缺陷(即大于10微米的缺陷，由Tencor 6200的激光扫描设备测出)的平均数在压力为大气压之下约7乇(即753乇)时可减少到三分之一以上。人们确信，进一步减少操作压力，至少可降到大气压之下约20乇(即740乇)，还可进一步减少大面积缺陷。
从上可见本发明的几个目的都可达到，并可得到其他一些有利结果。
由于在不离开本发明的范围的条件下，对上述这些结构可作出各种改变，因此包含在上述说明和附图中的所有内容应被解释为说明性的而不是限定性的。
权利要求
1.一种用来将单晶外延层沉积在半导体材料的晶片(W)上的方法，可防止产生大面积的缺陷，该方法包括下列步骤将晶片放置在反应器(10)的外延反应室(14)内；将反应气体输送到反应室内使反应器体流动越过晶片，而在气体内的反应剂成分则被沉积在晶片上成为单晶层；通过反应室的排气口(22)抽引流出的反应气体，使排气口的压力小于大气压但大于或等于大气压之下约20乇的压力，以便防止发生会将微粒物质带回晶片上的扰动和涡流，从而可防止在晶片上形成大面积的缺陷；在洗涤塔(16)内洗涤从反应器抽引来的流出气体，以便清洗流出气体。
2.按照权利要求1的方法，其特征为，维持排气口(22)压力的步骤为将压力维持在一个小于大气压但大于或等于大气压之下约7乇的范围内。
3.按照权利要求2的方法，其特征为，反应室内的温度一般在1080℃到1150℃的范围内。
4.按照权利要求1的方法，其特征为，从反应室(14)抽引流出的反应气体的步骤包括将流出的反应气体吸引到洗涤塔(16)的流体流内，从而使反应室排气口(22)的压力小于大气压的步骤。
5.按照权利要求4的方法，其特征为，吸引步骤包括将流出气体吸引到一种液流内。
6.按照权利要求1的方法，其特征为，将半导体晶片(W)放置到反应室(14)内的步骤包括放置以前没有外延层沉积在其上的半导体晶片的步骤。
7.按照权利要求1的方法，其特征为，放置半导体晶片(W)的步骤包括将多个半导体晶片放置到反应室(14)的步骤。
8.一种单晶外延层沉积系统，它包括一个包括反应室(14)的反应器(10)，该反应室造成用于接纳至少一个半导体材料的晶片(W)，以便用来将单晶外延层沉积在晶片上；一个进气口(20)，用来将反应气体接纳到反应室内，以便在半导体晶片上沉积出单晶层；和一个排气口(22)，用来从反应室排放流出的反应气体；一个文丘里管(46)，它与反应室的排气口流体连通，它被设置用来将离开反应室的流出的反应气体吸引到一个沿轴向通过文丘里管的流体流中，文丘里管构形为在排气口造成负压，使在该处测得的压力小于大气压但大于或等于比大气压小约20乇；以及，一个洗涤塔(16)，用来从流出的反应气体中清除杂质。
9.按照权利要求8的外延沉积系统，其特征为，文丘里管(46)的构造成用于维持反应室(14)排气口(22)的压力，使它大于或等于大气压之下约7乇。
10.按照权利要求9的外延沉积系统，其特征为，文丘里管(46)被设置在洗涤塔(16)内，而沿径向流动通过文丘里管的流体为液体，从而流出的气体被吸引到一条液流内。
全文摘要
一种单晶外延沉积方法,对在接近大气压时进行的化学汽相沉积可减少大面积缺陷的发生。反应气体以传统方式流动越过在反应室14内的半导体晶片W而走向排气口22。一文丘里管46与反应室流体连通而可被调节以在排气口造成负压,由此使离开反应室的反应气体产生近似的层流,从而减少气流内的扰动和涡流,减少微粒在排气口附近的沉积,减少该沉积迁移到晶片上造成大面积缺陷的机会。本发明还公开了实行此方法的系统。
文档编号C30B25/14GK1192490SQ97123469
公开日1998年9月9日 申请日期1997年12月29日 优先权日1996年12月30日
发明者兰斯·G·赫尔维格 申请人:Memc电子材料有限公司