外延腔室上的雙輔助摻雜劑入口的製作方法

2023-05-29 16:51:56 1

技術領域

本公開內容涉及用於處理半導體基板的裝置與方法。尤其是，本發明涉及用於在半導體基板上形成外延層的裝置與方法。

背景技術：

於矽基板及其它半導體基板上製造半導體器件，這些基板通過從矽浴中拉出錠塊並將該錠塊切鋸成多個基板而製造。隨後，外延矽層形成於基板上。該外延矽層通常使用硼摻雜，並且具有約每立方釐米1x1016個原子或更大的摻雜劑濃度。對於該外延矽層中或上形成半導體器件的用途，該外延矽層的材料具有比矽基板更好的受控性質。製造半導體器件期間也可使用外延工藝。

氣相方法，諸如化學氣相沉積(CVD)已用於矽基板上製造矽外延層。為了使用CVD工藝生長矽外延層，將基板定位於CVD外延反應器中，該CVD外延反應器設定於升高的溫度，例如約600℃至1100℃，以及降低的壓力狀態或大氣壓力。當維持升高的溫度與降低的壓力狀態時，含矽氣體，諸如甲矽烷氣體或二氯矽烷氣體連同期望的摻雜劑氣體，若有摻雜劑氣體的話，將上述氣體供應至CVD外延反應器且以氣相生長法生長矽外延層或摻雜矽外延層。

沉積工藝期間，跨基板表面上的不均勻的氣流、熱流動/傳輸、或摻雜劑氣體的濃度可能非期望地造成所得的矽外延層在不同位置處有不同的膜性質。例如，在矽外延層的邊緣處所測量的薄層電阻可能與在中央處所測量的薄層電阻不同，因為熱或工藝前驅物氣體可能不會跨基板表面均勻地分布。一些情況中，基板表面的不同位置處的薄層電阻的波動可能是顯著的，這可能非期望地產生設備性能可靠度的問題，甚至損害產品的良率。

因此，需要一種裝置與方法，以用於在半導體基板上形成外延層的同時，生長具有良好固定膜性質的外延層。

技術實現要素：

本發明提供具有輔助雙重或多重摻雜劑入口以用於處理半導體基板的方法與裝置，這些入口形成於外延腔室的不同位置處，並且被構造成沉積期間朝向基板的不同位置供應摻雜劑氣體。一個實施方式中，氣體遞送系統被構造成耦接外延沉積腔室，該氣體遞送系統包括：氣體導管，具有第一端與第二端，該氣體導管被構造成設置於外延沉積腔室中，該第一端耦接氣體面板，第二端分支而出(branch out)以包括輔助內摻雜劑入口與輔助外摻雜劑入口，其中該輔助內摻雜劑入口與該外氣體線路在該外延沉積腔室中實施時獨立地受到控制。

另一實施方式中，一種經構造以在基板上形成外延層的裝置包括：氣體遞送系統，該氣體遞送系統耦接外延沉積腔室，該氣體遞送系統包括氣體導管，該氣體導管具有第一端與第二端，該第一端耦接氣體面板，第二端分支而出以包括輔助內摻雜劑入口與輔助外摻雜劑入口，其中該輔助內摻雜劑入口與該外氣體線路在該外延沉積腔室中實施時獨立地受到控制。

又在另一實施方式中，一種用於形成摻雜矽外延層的方法包括下述步驟：供應摻雜劑氣體進入外延沉積腔室，同時形成摻雜矽外延層於設置在該外延沉積腔室中的基板上，其中該摻雜劑氣體經過與該外延沉積腔室耦接的輔助內摻雜劑入口或輔助外摻雜劑入口供應至該外延沉積腔室，其中該輔助內摻雜劑入口耦接該外延沉積腔室的第一位置，且該輔助外摻雜劑入口耦接該外延沉積腔室的第二位置。

附圖說明

以上簡要概述的本發明的上述詳述特徵可以被詳細理解的方式、以及本公開內容的更特定描述，可以通過參照實施方式獲得，實施方式中的一些實施方式繪示於附圖中。然而，應當注意，附圖僅繪示本公開內容的典型實施方式，因此不應視為對本公開內容的範圍的限制，因為本發明可允許其它等同有效實施方式。

圖1示意性圖示根據本發明的CVD外延模塊100的透視圖；

圖2示意性圖示圖1的模塊化CVD外延腔室的處理腔室的一個實施方式的剖面圖；

圖3示意性圖示依據附加有摻雜劑入口的氣體面板模塊的前側，且該摻雜劑入口併入該氣體面板模塊；以及

圖4描繪摻雜劑入口構造的一個實施方式的簡化示意圖；以及

圖5描繪耦接圖2的處理腔室的摻雜劑入口構造的一個實施方式的簡化示意圖。

為了便於理解，儘可能地使用了相同的附圖標號標示附圖中共通的相同元件。考慮到，一個實施方式中的元件與特徵在沒有進一步地說明下可有益地併入其它實施方式。

然而，應當注意，所附的圖僅繪示本發明的示例性實施方式，因而不應視為對本發明的範圍的限制，因為本發明可允許其它等同有效實施方式。

具體實施方式

本公開內容提供一種氣體遞送系統，該氣體遞送系統具有輔助的雙重或多重摻雜劑入口，這些入口耦接處理腔室的不同區域。沉積期間，每個摻雜劑入口可供應相同或不同類型的摻雜劑氣體至設置於處理腔室中的基板的不同位置。這些輔助的雙重或多重摻雜劑入口可個別地受控制，以適應膜層的形成，且在基板上形成的所得矽層中有不同摻雜劑濃度和/或分布的控制。

圖1示意性圖示CVD外延模塊100的透視圖，該CVD外延模塊100包括外延處理腔室200，該外延處理腔室200併入該CVD外延模塊100中。CVD外延模塊100包括外延處理腔室200與子模塊150，該子模塊150附接至外延處理腔室200。一個實施方式中，外延處理腔室200附接至支撐框架104，該支撐框架104被構造成支撐CVD外延模塊100。外延處理腔室200可包括腔室主體與腔室蓋，該腔室蓋鉸接(hinge)腔室主體，這將會於下文中參照圖2進一步描述。

上反射體模塊102可放置於外延處理腔室200的頂部上。為了配合不同的處理需求，可在外延處理腔室200的頂部上以可互換的方式放置各種模塊，諸如有整合高溫計的水冷卻式反射板模塊、有空氣冷卻上圓頂的水冷卻式反射板模塊、用於低溫沉積的紫外線(UV)輔助模塊、以及用於清潔外延處理腔室200的遠程等離子體源。

經構造以於處理期間加熱外延處理腔室200的下燈模塊103附接至外延處理腔室200的底側。一個實施方式中，下燈模塊103包括多個垂直定向的燈，這些垂直走向的燈可容易從下燈模塊103的底側置換。此外，下燈模塊103的垂直構造可由使用水替代空氣而冷卻，因此降低系統的空氣冷卻的負擔。或者，下燈模塊103也可以是具有多個水平走向的燈的燈模塊。

依需求而構造空氣冷卻模塊105在外延處理腔室200下方。通過將空氣冷卻模塊105定位在外延處理腔室200下方，空氣冷卻管道(duct)110與111縮短，由此降低總空氣阻力，且允許使用更小和/或更少的空氣冷卻風扇。於是，相較於位於其它位置的空氣冷卻系統，該空氣冷卻模塊105較不昂貴、更安靜、且更容易保養。

氣體面板模塊107、AC分配模塊106、電子模塊108、與水分配模塊109中的一或多個定位成鄰近外延處理腔室200。

氣體面板模塊107被構造成提供處理和/或摻雜劑氣體至外延處理腔室200。氣體面板模塊107定位成貼近外延處理腔室200。一個實施方式中，依需求，構造氣體面板模塊107以容納各種工藝氣體遞送部件，舉例而言，諸如流量比例控制器、摻雜劑注射器、輔助與氯氣注射閥及質量流量核實部件。一個實施方式中，依需求，雙重或多重輔助摻雜劑注射器可從氣體面板模塊107分支而出，以提供相同或不同摻雜劑氣體的個別供應至外延處理腔室200的不同區域。應當注意，從氣體面板模塊107分支而出的摻雜劑注射器的數目可如所需求的一樣多，以適於不同的工藝要求。

氣體面板模塊107可進一步包括不同的氣體面板的構造以用於各種應用，舉例而言，諸如覆蓋(blanket)外延、異質結雙極電晶體(HBT)外延、選擇性矽外延、摻雜的選擇性SiGe外延、與摻雜的選擇性SiC外延應用。不同的氣體面板的構造可以任何方式排列，以符合特定的處理要求。

氣體面板模塊107可包括氣體面板以使用不同的氣體路徑選路(path routing)遞送載氣、反應氣體與摻雜氣體進入外延處理腔室200，從而使流動效率最大化，且最優化所得的矽層或摻雜矽層中的膜性質，載氣諸如氮氣、氫氣、或惰性氣體，摻雜氣體諸如p型摻雜劑氣體及n型摻雜劑氣體。

電子模塊108大體上定位成貼近氣體面板模塊107。電子模塊108被構造成控制外延處理腔室200的運作。電子模塊108可包括用於外延處理腔室200的控制器、腔室壓力控制器、與用於氣體面板模塊107的連鎖板。

AC分配模塊106設置在氣體面板模塊107與電子模塊108下方。電子模塊108可包括風扇控制器、用於功率分配的板、與燈失效板(lamp fail board)。

水分配模塊109設置成貼近AC分配模塊106。水分配模塊109被構造成提供至外延處理腔室200的水冷卻單元的水供應。水分配模塊109可包括供應與返回歧管、流量限制器與開關，以及CDN調節器。

如上所述，支撐系統104由數個水平調節腳(leveling feet)112所支撐，這些水平調節腳112具有整合式可調高度輪腳。當水平調節腳112位於升高位置時，外延處理腔室200可以轉動至所期望的位置。一旦外延處理腔室200就位後，則水平調節腳112下降，且整合式輪腳抬起。

圖2示意性圖示外延處理腔室200的剖面圖，該外延處理腔室200包括上反射體模塊102與下燈模塊103。一個實施方式中，可適於受益於本發明的CVD外延處理腔室200是EPI接近大氣壓CVD系統，可購自美國加州Santa Clara的應用材料公司。系統是全自動化的半導體製造系統，運用單一晶片、多腔室、模塊化設計，而適應各式各樣的晶片尺寸。除了CVD腔室之外，多個腔室可包括預清潔腔室、晶片定向器腔室、冷卻腔室、與獨立操作的裝載閘腔室。本文呈現的CVD腔室於圖2示意性示出，該CVD腔室僅為一個實施方式，該CVD腔室並不旨在限制所有可能的實施方式。預見到，可根據本文所述的實施方式使用其它大氣壓或接近大氣壓的CVD腔室，所述腔室包括來自其它製造商的腔室。

CVD外延腔室200包括腔室主體202、支撐系統204、與腔室控制器206。該腔室主體202包括上反射體模塊102與下燈模塊103。上反射體模塊102包括腔室主體202內介於上圓頂216與基板225之間的區域。下燈模塊103包括腔室主體202內介於下圓頂230與基板225的底部之間的區域。沉積工藝大體上發生於上反射體模塊102內基板225的上表面上。基板225由支撐銷221支撐，該支撐銷221構造於基板225下方。

上襯墊218設置於上反射體模塊102內且經調適以防止腔室部件上有非期望的沉積。上襯墊218定位成於上反射體模塊102內鄰近環223。CVD外延腔室200包括多個熱源，例如燈235，這些熱源經調適以提供熱能給定位在CVD外延腔室200內的部件。例如，燈235可以經調適以提供熱能給基板225與環223。下圓頂230可由諸如石英之類的透光材料形成，以助於熱輻射從該下圓頂230通過。

腔室主體202包括外進入通口298與中央進入通口254，該外進入通口298形成於CVD外延腔室200的側邊，該中央進入通口254形成於CVD外延腔室200的中央區域上，該處是中央氣體線路252耦接之處。外部氣體線路213與內氣體線路211可分別耦接外進入通口298與內進入通口254，以遞送自氣體面板模塊107供應的氣體。下文中將進一步討論關於外氣體線路213與內氣體線路211如何形成且進一步耦接中央氣體線路252的細節，該中央氣體線路252可進一步分支而出以包括耦接CVD外延腔室200的輔助內摻雜劑入口250a與輔助外摻雜劑入口250b(示出於圖5)。依需要，排出口227可耦接腔室主體202以將CVD外延腔室200維持在期望的調控壓力範圍。外進入通口298可經調適以提供氣體穿過該外進入通口298進入腔室主體202的上反射體模塊102，所述氣體包括摻雜氣體、反應氣體、非反應氣體、惰性氣體、或任何合適的氣體。燈235有助於熱分解至基板225上的氣體，設計此熱分解以形成外延層於該基板225上。

基板支撐組件232定位在腔室主體202的下燈模塊103中。圖示基板支撐組件232將基板225支撐在處理位置。基板支撐組件232包括多個支撐銷221與多個升降銷233。可垂直致動升降銷233，且這些升降銷233經調適以接觸基板225的下側，從而將基板225從處理位置(如圖所示)提升到基板移除位置。基板支撐組件232的部件可由石英、碳化矽、塗布有碳化矽的石墨、或其它合適的材料製造。

環223可以可移除地設置於下襯墊240上，該下襯墊240耦接至腔室主體202。環223可圍繞腔室主體202的內部容積而設置，且當基板225處於處理位置時界定基板225。環223可由熱穩定材料形成，所述熱穩定材料諸如碳化矽、石英、或塗布有碳化矽的石墨。環223連同基板225的位置可一起分隔上反射體模塊102的容積。當基板225定位成與環223齊平時，環223可提供通過上反射體模塊102的適當氣流。上反射體模塊102的分隔的容積通過工藝氣體被提供至CVD外延腔室200時控制處理氣體流量而增進沉積均勻度。

支援系統204包括用於執行與監視預先確定工藝的部件，所述工藝諸如CVD外延腔室200中的外延膜生長。支援系統204包括氣體模塊107、氣體分配導管、電源、與工藝控制儀器中的一或多個。腔室控制器206耦接支援系統204且經調適以控制CVD外延腔室200與支援系統204。腔室控制器206包括中央處理單元(CPU)、記憶體、與支援電路。可執行腔室控制器206中常駐的指令以控制CVD外延腔室200的運作。CVD外延腔室200經調適以在該CVD外延腔室200中執行一或多個膜形成或沉積工藝。例如，可在CVD外延腔室200內執行矽外延生長工藝。考慮到，可在CVD外延腔室200內執行其它工藝。

圖3示意性圖示根據本發明的一個實施方式的氣體面板模塊107的前側。該氣體面板模塊107包括多個模塊化部件，因而提供氣體至CVD外延腔室200的期望流動路徑。氣體面板模塊107封閉於包殼391中。氣體面板模塊107包括多個氣體混合器板381，這些氣體混合器板381可供應氣體的混合物至CVD外延腔室200。氣體面板模塊107被構造成提供用於沉積、腔室衝洗、與狹縫閥衝洗的可供選擇的氣體和/或混合氣體。

氣體面板模塊107進一步包括一或多個模塊化處理板383，該模塊化處理板383被構造成提供處理反應或摻雜氣體至CVD外延腔室200。不同的模塊化處理板383可安裝於氣體面板模塊107中以用於不同工藝。氣體面板模塊107進一步包括質量流量核實控制器382，該質量流量核實控制器382被構造成控制由不同模塊化板供應的流速，模塊化板諸如板383與381。流量比例控制器384也可設置在氣體面板模塊107中，且被構造成按比例控制氣體流量。

一個實施方式中，模塊化處理板383可設計成用於各種沉積工藝，例如覆蓋外延、HBT、選擇性矽沉積、具n型或p型摻雜劑的摻雜矽、摻雜的選擇性SiGe、與摻雜的選擇性SiC應用。p型摻雜劑氣體的合適的實施例包括BH3、SbH3、與類似物，而n型摻雜劑氣體的合適的實施例包括PH3、AsH3、與類似物。

一個實施方式中，進一步構造氣體面板107，用以容納至少一個氣體導管309，氣體導管309進一步分支而出以包括一或多個氣體線路211、213，尤其是內氣體線路211進一步分支而出以包括輔助內摻雜劑入口250a與輔助外摻雜劑入口250b。氣體線路211、213的流動由不同的氣體閥310、312控制，該氣體閥310、312設置於模塊化處理板383中，以供應額外的摻雜劑氣體至CVD外延腔室200的不同位置。一種構造中，氣體線路211、213排列成內氣體線路211與外氣體線路213，以提供氣體至CVD外延腔室200的不同位置，這會在下文中參照圖4至圖5更詳細地描述。

圖4描繪可經排列以耦接CVD外延腔室200的摻雜劑入口構造的一個實施方式的簡化示意圖。使用第一對閥310、312以助於單個地且獨立地控制通過內氣體線路211與外氣體線路213供應的氣體。一個實施方式中，該對閥310、312是沿線(in-line)氣動閥。用於控制內氣體線路211與外氣體線路213中的氣流的每個沿線氣動閥310、312耦接停工(lockout)閥408、410，這些停工閥408、410由各自的閘閥402、406控制。一個實施方式中，沿線氣動閥310、312可以是正常關閉閥，該正常關閉閥只在腔室閘閥404與個別的閘閥402、406由控制器206(描繪於圖2中)致動開啟時才開啟。應當注意，本文所述的閥可以是雙向閥或三向閥，或其它適合將氣流調為開啟與關閉的閥。當CVD外延腔室200處於工藝中時，賦予腔室閘閥404能量。當處理期間賦予腔室閘閥404能量時，用於控制氣流分別至內氣體線路211與外氣體線路213的閘閥402、406可獲能量而開啟。例如，沉積工藝期間，賦予腔室閘閥404能量，然後，依需要開啟停工閥408、410與閘閥402、406的任一個，以允許氣體流過內氣體線路211或外氣體線路213而進一步至形成於CVD外延腔室200中的內進入通口254或外進入通口298。

一個實施例中，當在CVD外延腔室200中執行p型工藝(例如，經構造以在基板上形成p型矽外延層的沉積工藝)時，可賦予閘閥402能量，而選擇內氣體線路211以遞送p型摻雜劑氣體穿過內氣體線路211至位在CVD外延腔室200的中央部分的內入口通口254而至CVD外延腔室200，從而特定地供應p型摻雜劑氣體至設置於CVD外延腔室200中的基板的中央區域。與之相比，當在CVD外延腔室200中執行n型工藝(例如，經構造以在基板上形成n型矽外延層的沉積工藝)時，可賦予閘閥406能量，而選擇外氣體線路213以將n型摻雜劑氣體遞送通過至CVD外延腔室200的外氣體線路213而至CVD外延腔室200，從而特定地供應n型摻雜劑氣體至設置於CVD外延腔室200中的基板的邊緣。應當注意，內氣體線路211與外氣體線路213可被構造成將任何類型的摻雜劑氣體以任何視需求而定的方式穿過內進入通口254或外進入通口298供應至CVD外延腔室200，摻雜劑氣體包括n型、p型、或任何合適的摻雜劑氣體。通過內氣體線路211與外氣體線路213的氣流的控制是獨立地受到控制。

圖5描繪可用於耦接至圖2的CVD外延腔室200的摻雜劑入口構造的另一示意圖。類似地，來自氣體面板107的氣體導管分支而出以包括內氣體線路211與外氣體線路213。在圖5中所描繪的實施方式中，內氣體線路211可以水平方向展開(當從氣體面板107分支而出時)且之後構造成轉為垂直方向，作為中央氣體線路252以將氣體供應至CVD外延腔室200中。如以上所討論，隨後中央氣體線路252分支而出以包括輔助內摻雜劑入口250a與輔助外摻雜劑入口250b，用以供應相同或不同的摻雜氣體至CVD外延腔室200。輔助內摻雜劑入口250a可被構造成供應第一型的摻雜劑氣體至設置在CVD外延腔室200中的基板的接近中央處，且輔助外摻雜劑入口250b可被構造成供應第二型的摻雜劑氣體至設置在CVD外延腔室200中的基板的接近側邊處(或者也至中央)。應當注意，輔助內摻雜劑入口250a與輔助外摻雜劑入口250b可各自連接形成於CVD外延腔室200中的各自的氣體通口，以供應摻雜劑氣體至CVD外延腔室200。或者，輔助內摻雜劑入口250a與輔助外摻雜劑入口250b可共用共通的氣體通口，例如圖2中描繪的中央氣體進入通口254)，以單個地或共同地供應氣體至CVD外延腔室200，這樣可由形成在內氣體線路211與外氣體線路213中的閥單獨或同時控制。一個實施方式中，一次一個地穿過輔助內摻雜劑入口250a或是輔助外摻雜劑入口250b將摻雜劑氣體供應至CVD外延腔室200。

另一方面，外氣體線路213可於垂直方向展開(當從氣體面板107分支而出時)，以穿過輔助外摻雜劑入口250b將第二型的摻雜劑氣體供應至CVD外延腔室200。通過這樣操作，可於工藝期間單個地供應摻雜劑氣體至接近基板表面的特定選擇位置，中央處或邊緣處，以微調或調整基板上形成的所得膜層中的局部的摻雜劑濃度。例如，當設計p型矽外延層形成於基板上時，可額外地從內氣體線路211通過輔助內摻雜劑入口250a供應p型摻雜劑氣體，而經由中央氣體進入通口254供應到CVD外延腔室。與之相比，當設計n型矽外延層形成於基板上時，可額外地從外氣體線路213通過輔助外摻雜劑入口250b供應n型摻雜劑氣體，而經由中央氣體進入通口254供應到CVD外延腔室200，或依需要於CVD外延腔室200中形成不同通口。通過這樣的構造，供應到基板表面的摻雜劑氣體可局部地調整及微調，使得膜層的中央區域處(或邊緣處，或這兩者的組合)的膜摻雜劑濃度可於基板上依需要而改變。由此，可微調或調整具有包含不同的局部薄層電阻、導電率、或摻雜劑分布的不同摻雜劑濃度的所得的膜層，以提供有彈性的製造工藝的管理或轉換，用以適應不同的工藝需求，而不必重新構造諸如氣體面板之類的腔室硬體。

雖然前述針對本發明的實施方式，但在不脫離本發明的基本範圍的條件下，可設計本發明的其它的與進一步的實施方式，且本發明的範圍由隨附的權利要求確定。