专利名称：清洗桶式反应器用的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于利用化学汽相沉积法将材料沉积在半导体晶片上的桶式反应器，更具体地涉及一种从桶式反应器的喷口空腔清洗去反应气体的方法和装置。
桶式反应器用于在半导体晶片上沉积外延层。外延是一种在半导体晶片上生长材料薄层使晶格结构与晶片的晶格结构相同的方法。利用该方法，在半导体晶片上施加一个导电率不同的薄层，以获得必要的电学性能。例如，在重掺杂的衬底(基底)上生长的轻掺杂的外延层使一个CMOS器件得到优化，以便闭锁由于衬底电阻低而引起的不敏感性。同时获得其它优点，如精确控制掺杂浓度分布和除去氧。
通常，化学汽相沉积法是通过将包括沉积材料(如硅)的反应气体引入包含晶片的桶式反应器的反应室中来完成的。晶片沿基本上重直的方向保持在反应器中的一个基座(接收器)上，使晶片的一个表面向反应气体暴露。反应室容器通常是一个石英制成的倒置的钟状罐。一个不锈钢气体环安置在该钟状罐的上开口的顶上。反应气体通过气体喷射器喷入反应室，喷射器安置在围绕气体环内部间隔设置的喷口空腔的凹部中。一个在气体环顶上的不锈钢密封板密封反应室内的晶片。该板可以移动而打开反应室，以插入半导体晶片或从容器中移出晶片。
让沉积在晶片上的硅层不受金属(如铁、镍、钼)的污染是重要的，因为污染物对于外延层的少数载流子寿命可能是有害的。硅层也应当避免受外来非金属微粒的污染。虽然石英反应室容器不是金属污染源，但不锈钢的气体环可能是金属污染源。在残余水汽的存在下接触反应气体的某些副产物(如HCl)可能使不锈钢受到腐蚀。另外，通过化学侵蚀从基座除去硅的沉积物可能将腐蚀剂如HCl引入反应室并导致不锈钢受腐蚀。从不锈钢产生的腐蚀产物可能被夹带在沉积材料中，由此污染晶片。此外，必须清除由于反应气体与桶式反应器中残留的氧和/或水汽的反应而在反应室中形成的SiO2沉积物，否则沉积物可能飞散而污染晶片。
为了避免从气体环来的污染，桶式反应器被制成用挡板使反应气体从气体环偏离，并通过引导清洗气体穿过气体环暴露区来替换反应气体。常规的清洗系统包括一个清洗气体管线，该管线在到达反应室容器之前分叉成多个管线，以便将清洗气体输送到围绕反应室的几个不同位置。这些管线连接到通过密封板和气体环延伸的出口，用于将清洗气体输送到密封板和气体环的那些向反应气体暴露的区域。
在典型的桶式反应器的操作中，清洗气体系统首先用氮清洗反应室以除去室中的氧。在氮清洗之后，在将反应气体喷入反应室之前将氢送入通过清洗管线数分钟。在整个沉积周期中继续使氢流过某些出口，然后从反应室中清洗去反应气体。在从反应室移去密封板之前，用另一次氮清洗从反应室除去氢。
现有的防止污染的挡板和清洗气体系统只是部分有效。特别是，清洗系统不足以从喷口空腔中基本上清洗去所有氧和水汽。由于存在氧(以游离氧或水汽的形式)，在每个沉积周期期间在气体环的喷口空腔内形成SiO2的显著沉积。在仅仅几个周期的桶式反应器操作后就必须除去这些沉积，但是从喷口空腔上清除SiO2沉积物的动作可能会使气体环腐蚀，因为擦洗期间引入空腔的任何水分如果不除去就会促进HCl和不锈钢之间的反应。此外，喷口空腔的形状常常使得难以除去所有水分。
必须定期地对准气体喷射器，以优化从反应气体沉积在桶式反应器内的晶片上的外延层。手工擦洗喷口空腔的动作可能造成气体喷射器偶然移动，因此需要更频繁的重新对准。对准喷射器的动作可以使喷射器上的或喷口空腔中的沉积物散落，由此形成又一个潜在的污染源。
在本发明的几个目的和特点中，可以注意到，本发明提供一种从外延法桶式反应器的喷口空腔中清洗去反应气体的方法和装置；提供的此种方法和装置减少了从气体喷射器和喷口空腔上除去沉积物所需要的关机时间；提供的此种方法和装置减少了对气体喷射器和喷口空腔的化学侵蚀量；提供的此种方法和装置减少了对准气体喷射器的频繁性；提供的此种方法和装置减少了对半导体晶片的外延层的污染量。
简单说来，本发明的装置是一种利用反应气体通过化学汽相沉积法将材料沉积在半导体晶片上用的反应器。该反应器包括一个壳体、一个反应气体输送系统和一个清洗气体输送系统。该反应器壳体形成一个其尺寸能容纳至少一个半导体晶片的反应室。该壳体有一个开口进入反应室并从该反应室延伸离开的喷口空腔。该反应气体输送系统包括一个安置在喷口空腔内用于将反应气体引入反应室的气体喷射器、一个反应气体源和一个延伸在反应气体源和喷射器之间的反应气体管线。该清洗气体输送系统包括一个开口进入喷口空腔用于将清洗气体引入喷口空腔以便从空腔中清洗去反应气体、空气和水分的清洗气体出口、一个清洗气体源和用于从清洗气体源将清洗气体输入清洗气体出口的装置。
本发明的方法用于在一个类似于上述反应器的反应器中利用反应气体通过化学汽相沉积法将材料沉积在半导体晶片上。该方法包括将半导体晶片插入反应室并密封反应室的步骤。反应气体被引入密封的反应室内，以便将材料沉积在半导体晶片上。停止流动反应气体，将清洗气体引入反应室，以便从反应室中清洗去反应气体。引入清洗气体的步骤包括将清洗气体引入喷口空腔以便从喷口空腔清洗去反应气体的步骤。清洗过的反应室被打开，从反应室中取出晶片。
本发明的其它目的和特点部分不言而明部分在下面指出。
图1是一种桶式反应器的简化示意图，表示其清洗气体和反应气体输送系统；图2是该桶式反应器的局部截面图，为了清楚起见除去了一些部件；图3是该反应器的气体环和气体喷射器的示意顶视平面图；图4是气体环的放大局部截面图，表示一个喷口空腔和喷嘴；图5是气体环的放大局部截面图，表示另一个喷口空腔和喷嘴；图6是气体环的放大局部截面图，表示清洗气体出口的另一个实施例。
所有附图中相应的标号表示相应的部件。
现在参照附图特别是图1，总的用10表示的桶式反应器属于那种类型，它被用于利用化学汽相沉积法在桶式反应器10内在基座S上保持的半导体晶片W上沉积一种材料(如硅)。桶式反应器10包括壳体12、反应气体输送系统14和清洗气体输送系统16。
如图2所示，壳体12包括一个形成反应室22的石英反应室容器20、一个气体环24和一个密封板26。反应室容器20有一个敞开的顶部30和一个在其底部的通气孔或排气32(图1)，用于从反应室22排出气体。配合件34安置在排气32上，用于将排气管线36连接到容器20上。气体环24用不锈钢制成，安置在反应室容器20的附近上方。气体环24有一个形成开42的内表面40，用基座S承载的晶片W在出入反应室22时通过该开42。两个喷口腔44a、44b(图3)通过气体环24以一定角度伸入反应室22。气体环24和反应室容器20之间的界面由安置在气体环24中的O形环46(图2)密封，该环并密封地接合反应室容器20。反应室容器20的敞开的顶部被密封板26封闭，该密封板可以从打开位置(未示出)和封闭位置(图2)移动，在打开位置中该密封板从容器上移去，以插入和取出承载晶片W的基座S，在封闭位置中该密封板密封地接合气体环24，以封闭容器20的敞开顶部30并使反应室22与周围环境隔开。密封板26包括一个安置在其中心的转动罩48(图1)，后者罩住一个转动机构(未示出)。支承晶片W的基座S从转动机构下垂，以便在桶式反应器10的沉积周期期间转动该基座。
如图1和3中所示，反应气体输送系统包括安置在喷口空腔44a、44b中的气体喷射器50a、50b、反应气体管线52a、52b和反应气体源54。反应气体(如SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2或SiH4)贮存在气源54(如贮存罐)中，直到准备使用。当需要反应气体时，一个阀门(未示出)打开，气体通过反应气体管线52a、52b输到相应的气体喷射器50a、50b并进入反应室22，在该处，气体中的硅通过化学汽相沉积法沉在晶片W上。
每个气体喷射器50a、50b包括一个喷口壳体56a、56b(图4和5)，壳体上有一个外螺纹部分，用于将喷射器连接到喷口空腔44a、44b中的啮合螺纹上。一个O形环58a、58b安置在喷口壳体56a、56b和喷口空腔44a、44b之间，以密封此界面。气体出口盖帽60a、60b拧在每个喷口壳体56a、56b的外端上，而另一个O形环62a、62b安置在盖帽和喷口壳体之间，以密封该界面。每个盖帽60a、60b包括一个外螺纹部分，用于连接相应的反应气体供应管线52a、52b上的配合件63a、63b。孔64a、64b通过每个喷口壳体56a、56b延伸，在每个孔内安装一个阀柱66a、66b。阀柱的每个端部有一个削角68a、68b、68a’、68b’。喷嘴72a、72b的球形端部70a、70b安置在每个向内削角68a、 68b的内侧，使得该喷嘴可以在喷口壳体56a、56b内旋转，以调整反应气体进入反应室的方向。环形法兰74a、74b从孔64a、64b向内凸出，将喷嘴72a、72b的球形端部70a、70b固定在喷口壳体壳体孔64a、64b内。通道76a、76b从气体出口盖帽60a、60b通过每个气体喷射器50a、50b延伸到喷嘴72a、72b的顶部，用于将反应气体输送到反应室。
桶式反应器10的清洗气体系统16(图1)包括供应管线80，从总的用82表示的清洗气体源延伸到桶式反应器。如图1中示意表示的，供应管线80分叉为几条清洗管线，包括两个挡板清洗管线84a、84b，一个转动外壳清洗管线86，一个密封板清洗管线88，两个气体喷射器清洗管线90a、90b，以及两个喷口空腔清洗管线92a、92b(图4和5)。这些清洗管线84a-92b的每一个连接到密封板26或气体环24上，以便将清洗气体输送到密封板和气体环的不同区域。气体喷射器清洗管线90a、90b联结反应气体供应管线52a、52b并共同延伸一段距离，以通过气体喷射器通道76a、76b输送清洗气体。可以操作阀门(未示出)，以便选择性地将气体喷射器清洗管线90a、90b或反应气体管线52a、52b连接到气体喷射器50a、50b上。
图2中示出密封板26、气体环24和反应室容器20的一部分，密封板26位于封闭位置。为清楚起见，图中省去了转动外壳48、转动机构和基座S。然而，可以看出，密封板26有一个中心孔100，基座S通过该孔固定在转动机构上。密封板26有一个环形内通道102，水通过该通道102循环，以冷却密封板。在气体环24中形成一个类似的通道104，以围绕气体环循环冷却水。
石英挡板110有一个凸缘112，该凸缘安置在密封板26上的薄片114上(仅示出两个)，以使密封板与反应室22隔开。挡板110基本上盖住全部密封板26，后者否则会对反应室22中的气体暴露。外环形挡板116在挡板周边内的位置处从挡板110下垂，而内环形挡板118围绕中心孔120从挡板下垂，中心孔120基本上与密封板的中心孔100对齐。内挡板118帮助保护将基座S连接到转动机构上的吊钩(未示出)。同样，气体环24的内表面40被石英衬里122覆盖。挡板110和石英衬里122具有基本上与喷口空腔44a、44b对齐的开口(未示出)，从反应气体管线52a、52b来的反应气体通过该开口射入反应室22。
挡板冲洗管线84a、84b将清洗气体输送到外挡板116和石英衬里118之间的空间内，以清洗该空间。转动外壳清洗管线86将清洗气体输送到转动外壳48，并通过内挡板118向下。密封板清洗管线88将清洗气体输送到气体环24和密封板26之间的位置中，以清洗它们之间的空间。
参照图2和3，密封板26有一个环形表面130，当密封板位于其封闭位置时(图2)，该环形表面130叠合气体环24的相应表面132。密封板26中的一对同心环形通道134a、134b包括O形环136a、136b，当密封板处于封闭位置时，O形环136a、136b接合气体环22的环形表面132，以密封气体环并使反应室22与周围环境隔离。在O形环136a、136b之间的气体环24中的通道138可以被抽低到真空压力，以用于对O形密封进行检漏。密封板26有一个环形槽140，它与内O形环通道134b同心并置于其径向内部。密封板清洗管线88开口进入环形槽140，以向该槽供应清洗气体。输送到环形槽140的清洗气体渗入反应室22，最终通过反应室容器20底部的排气口32排出。
图1示意地例示，气体喷射器清洗管线90a、90b将清洗气体输送到气体喷射器50a、50b，以便从气体喷射器的内通道76a、76b中清洗反应气体。输送到气体喷射器的清洗气体进行反应室22，并通过反应室底部的排气口32排出。
在图4和5中所示的最佳实施例中，清洗气体出口150a、150b从环的外表面152通过气体环24倾斜延伸到喷口空腔44a、44b。虽然出口150a、150b倾斜地进入喷口空腔44a、44b，但出口也可以垂直地进入空腔而并不偏离本发明的范围。喷口空腔清洗管线92a、92b将清洗气体从清洗气体源82输送到喷口空腔44a、44b，以清洗从空腔内和从气体喷射器50a、50b周围来的反应气体。在缺少将清洗气体引入喷口空腔的构件的先有反应器(未示出)中，人们发现，有大量的SiO2累积在喷口空腔中和气体喷射器50a、50b的外表面上。但是，通过利用本发明的清洗气体输送系统16将清洗气体引向喷口空腔44a、44b，在将反应气体引入反应室22之前，可从空腔和气体喷射器50a、50b外部除去更多的氧和水汽。其次，在沉积周期之后将清洗气体引入喷口空腔44a、44b，导致在打开反应室22之前从空腔和气体喷射器50a、50b外部除去更多的反应气体。
在图6中所示的另一实施例中，四个清洗气体出口(仅示出三个，用160a、160a’和160a”表示)围绕喷嘴72a的外表面162a以相等间隔成角度地安置。出口160a、160a’、和160a”从喷嘴通道76a沿径向向外延伸到喷嘴的外表面162a。在这个实施例中，通过气体喷射器清洗管线90a输送到喷嘴72a的清洗气体也由于行进通过通道76a、向外通过清洗气体出口160a、160a’、160a”并进入喷口空腔44a向着空腔的侧面164a清洗喷口空腔44a。喷口空腔清洗管线92a、92b和清洗气体出口150a、150b从该第二实施例中略去。虽然图6中所示的实施例的清洗气体出口160a、160a’、160a”垂直于通过喷嘴通道176a的气流进入喷口空腔44a，但出口可以相对于喷嘴通道倾斜地取向而不偏离本发明的范围。可以预见，喷口空腔管线92a、92b和清洗气体出口150a、150b可以与清洗气体出口160a、160a’、160a”组合使用。
桶式反应器10的一般操作对于该技术的普通专业人员是熟知的。当密封板处于打开位置时，支承晶片W的基座S垂挂在密封板26上的转动机构上。密封板26被降低到与气体环24密封啮合，以便将晶片W安置在反应室22中，并通过将密封板O形环136a、136b与气体环24接合而从周围环境中密封反应室。从清洗气体源82通过供应线80将清洗气体输送到单个的清洗管线84a-92b，以便从反应室22清洗氧和水汽。优选实施例的两种清洗气体(氮和氢)的优选顺序如上所述，对于该技术的普通技术人员是熟知的。在反应室22被充分清洗后，将反应气体通过喷射管线52a、52b输送到气体喷射器50a、50b，从喷嘴72a、72b出来并进入反应室22，将气体载带的硅沉积成晶片W上的一层。在沉积周期期间，清洗气体可继续通过管线84a-88、92a、92b中的一些管线流动，以使反应气体从反应室22的某些区域(例如外挡板116和石英衬里118之间的空间)偏离。在完成沉积周期后，关闭反应气体气流，但通过每个清洗管线84a-92b输送清洗气体，以清洗反应室22中的反应气体。
因此，通过上述清洗桶式反应器10的喷口空腔44a、44b的装置和方法可以获得本发明的几个目的。半导体晶片W上沉积层中存在的金属和颗粒污染物显著减少。喷口空腔44a、44b和气体喷射器50a、50b被清洗得更彻底，因而不需要像过去那样经常擦洗。而且，人们发现，可以用干布进行擦洗，因而在擦洗过程中不必将水引入空腔或喷射器。因此，桶式反应器10可以长时间运行而不必关机以擦洗SiO2沉积物，从而增加晶片的产量。此外，通过本发明的方法和装置可以减少对气体喷射器和喷口空腔的化学侵蚀量。另外，因为减少了除去SiO2沉积物的必要性，所以通过本发明减少了在手工擦洗期间偶然移动气体喷射器的可能性并减少了调整气体喷射器的频繁性。
鉴于以上所述，可以看出，达到了本发明的几个目的和其它有利结果。
因为可以在上述结构中进行变化而不偏离本发明的范围，所以上述说明中包含的和附图中所示的一切应解释为例示性的而不具有限制的意思。
权利要求
1.一种利用反应气体通过化学汽相沉积法将材料沉积在半导体晶片上用的反应器，该反应器包括一个限定反应室的壳体，反应室的尺寸能容纳至少一个半导体晶片，该壳体有一个开口进入上述反应室并从该反应室延伸离开的喷口空腔；一个将反应气体输送到反应室用的反应气体输送系统，该反应气体输送系统包括a)一个安置在喷口空腔内的喷嘴，用于将反应气体引入反应室；b)一个反应气体源，用于在将反应气体通过喷嘴引入反应室之前贮存该反应气体；和c)一个延伸在反应气体源和喷嘴之间的反应气体管线，用于将反应气体输送到喷嘴；以及一个清洗气体输送系统，它包括a)一个开口进入上述喷口空腔的清洗气体出口，用于将清洗气体引入该喷口空腔，以便从该空腔清洗去反应气体；b)一个清洗气体源，用于在引导清洗气体通过清洗气体出口进入喷口空腔之前贮存清洗气体；和c)用于将清洗气体从清洗气体源输送到清洗气出口以清洗喷口空腔的装置。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该清洗气体出口安置在上述喷嘴内，并指向喷口空腔的一个侧面。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，上述喷嘴有一个通道，反应气体可通过该通道进入反应室，其中上述清洗气体输送装置包括一个连接到一个所述喷嘴和反应气体管线的清洗气体管线和一个用于选择性地允许清洗气体进入喷嘴通道的阀门，该清洗出口连通喷嘴通道，用于将清洗气体引入喷口空腔。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，上述清洗气体出口沿基本上垂直于喷嘴通道纵向的侧向将清洗气体引入喷口空腔。
5.根据权利要求4所述的反应器，其特征是还包括多个清洗出口，它们位于围绕喷嘴通道的成角度间隔的位置处。
6..根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，该清洗气体出口位于空腔的一侧。
7..根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，该清洗气体出口基本上指向所述喷嘴。
8..根据权利要求7所述的反应器，其特征在于，该清洗气体出口的纵轴线相对于所述喷嘴的纵轴线是倾斜的。
9..根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，上述清洗气体输送装置包括一个延伸在清洗气体源和清洗气体出口之间的清洗气体管线。
10..根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，上述壳体包括一个反应室容器；一个位于上述反应室容器附近的气体环，气体环中设置所述喷口空腔，该清洗气体出口包括一个通过气体环延伸进入所述喷口空腔的孔。
全文摘要
利用反应气体通过化学汽相沉积法将材料沉积在半导体晶片上用的反应器，包括限定反应室的壳体，壳体有一个开口进入反应室并从中延伸离开的喷口空腔。也包括将反应气体输入反应室的反应气体输送系统，该系统包括设在喷口空腔内的喷嘴、反应气体源和连接气源和喷嘴的管线。还包括将清洗气体输入反应室的清洗气体输送系统，该系统包括进入喷口空腔用于引入清洗气体的出口、清洗气体源和从气源向出口输气的装置。
文档编号C30B25/14GK1158493SQ9611977
公开日1997年9月3日 申请日期1996年12月10日 优先权日1996年1月4日
发明者托马斯·M·汉利 申请人:Memc电子材料有限公司