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。

本发明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。根据本发明的一个方面，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，从而使结合本发明原理的反应器能够连续地处理多 个半导体衬底，而不需要在每个工艺周期之间清洁反应器壁。结果，可以 使用本发明的实施例来提供在稳定的热环境中的高产量外延淀积以及可以 避免使用复杂和昂贵的灯系统。处理腔还可以具有相对小的体积，其限制 分界层的厚度并且使反应物和反应物副产品更有效地通过分界层到衬底互 相交换。
反应器还可以包括通过多个气体入口把工艺气体引入处理室的气体供 给系统。可以独立地或成组地控制多个气体入口的每一个的流速和/或浓度， 以选择性控制在例如半导体衬底的边缘、中间和中心区的工艺气流速。气 体供给系统还可以控制多个排气口的每一个的流速，以选择性控制在半导 体衬底上方的工艺气体的流速，或者单独进行或与选择控制气体入口相结 合。
可选择地，气流系统可以结合在处理室的上部部分中的淋浴头，以把 工艺气体向下导向衬底的表面，从而减少分界层。减少分界层的另一个选 择包括设置处理腔的上壁的形状，以在处理腔中形成凹进的或球形的部分。 气体供给系统可进一步包括传送气体到处理腔的附加方法，例如通过用于 温度测量器件的孔。同样，因为示范性反应器包括热壁处理腔，以及因为 示范性反应器的热源对于处理室是内部的并且不会穿透清洁的石英罩，可 以构造该处理室以有效地使用并且充分有效地使用硅烷作为硅源气体。
在本发明的一个实施例中，用来将气体输入处理室的气体入口包括纵 向部分和横向部分。纵向部分能从处理室的底部或从处理室的顶部延伸进 入处理室。另一方面，横向部分能被构造为将气流导向晶片的表面上方。 在这种设置中，通常气流沿垂直方向流入处理室中并且然后水平地流过晶 片的上方。此外，横向部分能被构造为在晶片的表面上方对气流增压。
在一个具体实施例中，可以将气体入口的纵向部分设置为靠近加热器 件，例如用于加热处理室的电阻加热器。以这样的方式，通过气体入口的 气流在暴露到晶片之前被预加热。
每个气体入口的横向部分可以与定义共同的增压的支持环相连通。高 压可以用于使气体在晶片的整个表面上方扩散。同样地，该系统能包括设 置在气体入口的晶片相对侧的排气系统。排气系统可以包括用于从处理室 中排出气体的排气环。排气环可以与多个排气口相连通。在一个实施例中， 系统可以包括至少五个气体入口和至少五个气体出口。
处理室可以包括用于加热处理室的加热器件和容纳在处理室中的任何 半导体衬底。在一个实施例中，加热器件可以包括笼式加热系统。笼式加 热系统可以包括顶部电阻加热器、底部电阻加热器以及至少一个侧面电阻 加热器。在一个实施例中，气体入口的纵向部分可以设置为靠近至少一个 电阻加热器。以这种方式，气体在接触半导体晶片之前预先被加热。
在本发明的另一个实施例中，从基座升起衬底的升降销机械装置在工 艺期间可以与基座一起转动。使升降销与基座一起转动的这种能力消除了 伴随着基座的转动停止时升降销破损的困难和风险，使得升降销与基座中 相应的孔对准。由于避免了消耗在将转动自动导引至正常固定销的时间， 通过减少从处理腔中取出衬底所需的大量时间，该实施例还增加了生产量。
附图说明
从结合附图的下面的详细描述中，对于本领域的技术人员来说，本发 明的这些和其他特征和有益效果将变得更加清楚明白，在附图中：
图1示例了根据现有的方法用于淀积外延层的示例性反应器；
图2示例了可方便实践的本发明的原理的示例性反应器系统；
图3示例了示例性反应器的侧视图，暴露出左侧部分的内部；
图4示例了示例性反应器的左侧部分的内部的放大侧视图；
图5示例了结合本发明原理的示例性加热系统；
图6示例了示例性处理室的顶视平面图，示出了边缘加热器、侧面石 英衬垫、气体注入管和气体排出管的细节；
图7示例了根据本发明原理的示例性单片平板加热器；
图8示例了具有暴露的两个处理台的反应器的三维视图，并且示出了 气体注入和排放系统的对称性；
图9示例了气体注入管和气体排出管的顶视平面图；
图10A示例了来自气体注入管的气体如何分散开以取得更加均匀的分 布；
图10B示例了如何可以耗尽来自输入气流的掺杂浓度的示意图；
图11示例了如何构造气体注入系统以取得所期望的厚度和均匀电阻；
图12A示例了在常规外延反应器内，厚气流分界层的示意图；
图12B示例了根据本发明实施例的薄气流分界层的示意图，其中气体 被限制在两个平行板之间的窄空间内。
图13示例了温度测量器件的示范性分布，温度测量器件用来从衬底的 顶部读取数据，以及在某些实施例中，也注入气体以调整厚度和电阻的均 匀性。
图14A示例了温度测量器件的两个、交叉陈列的顶视平面图；
图14B示例了温度测量器件如何沿着阵列分布的侧视图，作为从衬底 的中心到边缘的距离的函数；
图15示例了示例性反应器的横截面图，其中温度测量器件可以用于把 净化气体引入处理室中；以及
图16示例了光纤和鞘的示例性结构，其中净化气体可以流入鞘的内部 但是在光纤的外部。

本发明的方面提供了改进的用于处理半导体衬底的系统和方法。本发 明的示例性实施例提供了用于在半导体晶片上外延或可能的任何其它热 CVD淀积的稳定的热壁加热环境。由不透明的石英壁和旋转的基座形成绝 缘处理腔，并且可以用耐热系统密封或包围处理腔。壁使处理腔与较冷的 外部环境热绝缘并提供相对均匀和稳定的热处理环境。处理环境还可以维 持在真空压力以增强热环境的绝缘性和稳定性。通过窄缝将晶片放入到处 理环境中并放到销上，销把晶片下降到加热基座上。晶片在基座上旋转并 且硅淀积气流过晶片的表面。处理腔相对紧凑，其提高了工艺效率并方便 控制。当在处理腔的热壁上可以形成淀积物时，淀积物趋向于是相对稳定 的金属硅。在工艺之后，在销上升起晶片并从腔移走晶片。处理腔可以密 封在具有对准的缝或口的处理室内，由此晶片可以通过沿同一水平面的单 一运动横向放入到处理腔和室中并从处理腔和室移走。在放入和移走期间 处理腔均可以维持在高温。由此，对于每个被处理的晶片，仅通过稳定的 热环境而不需要复杂的照明系统或加热和冷却冷壁处理环境，就可以获得 非常高的产量。
该实施例的另一优点是它能够处理多种不同尺寸和形状的半导体衬 底。在冷壁照明系统中，对于不同尺寸的衬底，基本上需要改装灯和温度 控制系统，但是上述实施例的稳定热环境可以相对容易地容纳不同的尺寸。 虽然可以特别地设计反应器以处理300mm直径的硅晶片，它还可以处理 200mm、150mm和125mm硅晶片。能够处理多种不同尺寸的晶片可以减少 生产商的成本。反应器可以用作“桥工具”，桥接从一个尺寸的衬底向另一 尺寸衬底的制造转变。例如还没有准备转变为300mm衬底的芯片制造设备 仍可以使用该工具来处理200mm衬底。一旦最终实施了尺寸的变换，制造 商可以避免必须购买完全新的系统。
参照图2，说明了示例性系统，其中可以有利地运用本发明的原理。示 例性系统的结构部分包括用于密封的处理室和一处理腔，其中处理腔具有 分别形成腔的底和顶的基座(其还可以称为衬底支撑板)和盖。取决于有 多少衬底将被处理和所需的传热特性，加热器在顶部和底部并沿着侧面在 某一位置处密封处理腔。在加热器外部是室衬里，室衬里提供了与室壁的 热绝缘并防止污染，并最终，保护室壁自身防止受到污染。在加热器笼的 结构中并邻近且在基座之下，设置了用于把衬底从基座升起的升降销支撑 板总成。中心柱(和相关的硬件)也密封在该区中，用于把基座升起和降 落到处理腔中的位置并邻近转移口。工艺气体通过气体供给系统注入到处 理腔中并从处理腔排出。根据示例性系统的这个观点，现在将提供示例性 系统的部件、旋转升降销支撑结构、加热系统和气体注入系统的更为详细 的说明。
如图2所示，示例性系统包括外延淀积反应器，一般地由200表示， 其具有可以与衬底传送系统207的自动晶片转移室相匹配的前板201。示例 性衬底传送系统可以是Mattson技术公司提供的AspenIII系统。在前板201 的中间的水平缝202是上货口，晶片通过上货口从晶片处理系统207的转 移室转移进入反应器200和从反应器200转移出。反应器200还包括在反 应器200顶部的馈电装置203和在室底部的基座操作装置204。在室的底部 提供气体供给入口205。处理室还包括由至少一层绝缘屏包围的处理腔，其 依次由处理室壁包围。
外延反应器200还连接到用于接收工艺气体到反应器200中的气体供 给系统210、用于从反应器200排出气体的抽气系统或大气排出线208、用 于放入和移走晶片的晶片传送系统207、用于操纵基座的机械系统209、用 于控制和监视反应器200的工作的控制系统212和上述辅助系统，以及外 围设备例如光学高温计和温度控制系统210的其它温度测量器件。
参照图3，以剖面图说明了图2的示例性反应器，其中从反应器200的 左侧部分301移走了前板201，以暴露左侧部分301的内部。暴露的左侧部 分301基本上与仍由前板201覆盖的右侧302相同。
现在参照图4，说明在图3一般地表示为303的处理腔的放大图。处理 腔303包括衬底支撑器401，其具有浅凹槽402以在工艺期间确保维持衬底 (未示出)在衬底支撑器401上的位置。可以构造凹槽402的尺寸和形状， 例如，使得300mm(12英寸)硅晶片的边缘搁在凹槽402。衬底支撑器401 可以包括固态碳化硅、被覆碳化硅的石墨或其它减小来自衬底支撑器401 的污染流并具有与半导体晶片兼容的热特性的材料。衬底支撑器401可以 称为基座。
衬底支撑器401依次由支撑板403支撑，支撑板403由例如石英的材料 构成。因为石英可以制造成具有低杂质含量、非常低CTE的部件，并且因 为石英一般比碳化硅便宜，在这种特定应用中有利地使用石英。支撑板403 可以容易地连接到中心柱404。升降销支撑板405也可以由石英制成，并具 有用于升降销407的插座406。升降销407向上完全穿透支撑板403以终止 在衬底支撑器401内部，而没有超出衬底支撑器401的顶表面。升降销407 可以称为“筑巢”在衬底支撑器401内部。升降销支撑板405连接到外中 心柱管408，其共轴地环绕中心柱404。中心柱404还支撑并对齐在中心位 置(相对于衬底的中心)的小块409上的支撑板。
使升降销407嵌套在衬底支撑器401中的各个孔中存在优势，和使中 心柱404和外中心柱管408在相对于升降销支撑板405的中心位置处共轴 装配也存在优势。在工艺期间使升降销407随着衬底的旋转而旋转，通过 消除对于减速衬底支撑器和缓慢地旋转衬底支撑器的需要，使得在开动销 以便把晶片从基座401升起之前，使升降销很好地与衬底支撑器的底部上 的相应孔对齐，从而提供有关产量的优势。
图4的示例性实施例提供了具有插座406的升降销支撑板405，升降销 407安装到插座406，升降销支撑板405锁在旋转架(rotation housing)中 的中心柱404。具有这种设计，即使在工艺期间衬底旋转期间，销不变地与 衬底支撑器中的孔对齐。同时因为升降销连续地与在衬底支撑板403中的 相应孔对齐并部分地包含在它们内，因此热损耗最小化。因为工艺期间升 降销407随着衬底支撑板403旋转，大多数时间升降销407位于衬底支撑 板403的孔内。外中心柱管408锁在在处理室之下的旋转架中的中心柱404 (在图2中大致由参考标记204代表的位置)，并且相连的、和负责把晶片 从衬底支撑板403升降的硬件一起旋转，结果升降销407始终与在衬底支 撑器401和支撑板403中的相应孔对齐。通过塞住这些“热缝隙”(在板中 的孔)，减少了晶片的热损耗，并且自衬底支撑板403提供给晶片的热分布 更为均匀。这样减少了晶片的热损耗。当要卸载晶片时，晶片首先通过升 降销407从衬底支撑器401被提起。因为升降销407已经与孔对齐，它们 仅需要提升到足够高，以提供用于自动转移臂的缝隙，例如在401顶部表 面上方大约1/2至1″。
图4的支撑销结构避免了当衬底支撑器和支撑板旋转时使升降销支撑 板不动的机械风险。这避免了升高升降销支撑板和使升降销错位的风险。 如果升降销损坏，反应器必须打开并至少部分拆除以更换销，结果损失了 大量工艺时间。示例性支撑销结构避免了由位于支撑板中的开(不堵塞的) 孔支撑晶片所引起的温度不均匀的风险，和如果接触晶片的升降销处于与 晶片不同的温度时对晶片造成热冲击的热风险。
应该强调的是使升降销旋转的这种观点不限于外延处理系统。而且， 该方法还可以用在多种类型的半导体工艺设备，例如快速热处理(RTP)和 化学气相淀积(CVD)反应器和使用销或旋转支撑的其它系统。
参照图4，盖409提供了处理腔的顶部。由在底部的基座401和在顶部 的盖409形成的处理腔用于把反应气体限制在处理腔，以便处理半导体衬 底。
自处理腔(和与升降销相连的基座升高机构)向外的工作区是加热系 统。加热系统可以包括基本密封处理腔(和基座升降机构)的笼状结构。 参照图4，顶部加热器410可以设置在盖409之上。因为该加热器以剖面形 式观察，加热元件可以进入图4的平面和从图4的平面出来，并由此加热 元件表现为图4中的多个分离部件。应该注意到顶部加热器410可以由多 个加热器构造以形成多个加热区。在图4的实施例中，虽然通过本发明可 以想到并包含其它构造，顶部加热器410由内部区和外部区构造。在顶部 加热器410的最右和最左侧的最外四个矩形包括外加热区410a。在中间的 大约19个矩形的每个(仅标注了一个)包括内部区410b。
加热系统还可以包括侧面加热部件。例如，反应器可以包括具有顶部 元件411a和底部元件411b的侧面加热器。可选择地，顶部和底部侧面加热 元件411a和411b可以结合以包括单一加热器，但是具有分离的顶部和底部 元件具有更为准确地控制晶片的温度均匀性的能力，尤其在它的边缘。边 缘加热器提供了增强的衬底温度均匀性，因为它们补偿了自晶片和基座的 边缘向处理室的侧面辐照的能量。在某些实施例中，如果决定无需两个边 缘加热器，边缘加热器可以包括单个区加热器。例如，如果将被处理的晶 片位于图4中参考标记412的大约垂直的位置，其指向通过其从处理室装 载和卸载衬底的上货口，可以使用单个区边缘加热器。在图4的示例性反 应器中，底部加热器包括标记413的单个区加热器。当然，底部加热器还 可以具有多个区。
为了简明起见，在图5中示出了顶部、底部和侧面加热元件，仿佛它 们从处理室中作为单个单元被抽取出来。图5还显示衬底支撑器401和在 它下面的支撑板403、形成处理腔顶部的盖409、和中心柱404。图5强调 一种观点，在某些实施例中，加热系统可以包括包围处理腔303的笼状结 构，而且通过这样做，获得了等温环境，给出没有热流动的所需效果，和 衬底优良的加热均匀性。
应该注意到，在图4中每个加热元件例如底部加热器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热元件。每个屏还可以 包括被覆碳化硅的石墨，但是当它处于加热元件的情况下时，屏的石墨核 不耐热。这些屏(同义称为“罩”)用作几个目的。它们使邻近加热轨迹的 区和其间的空间的温度不均匀性变均匀，当热辐照进腔时产生邻近加热器 的较好温度均匀性。它们还密封加热元件以防止它们可能暴露到氧气。第 三个目的是在被覆碳化硅层的石墨核中存在裂缝的情况下保护加热元件。 这防止了在石墨中的杂质到达处理腔。
出于相似的原因，可以通过被覆碳化硅的石墨屏来密封顶部加热器 410a和410b。例如，可以通过顶屏416和底屏417来密封顶部加热器410。 还可以通过屏密封侧面加热器，但是屏不是必须为被覆碳化硅的石墨。例 如，在一个实施例中侧面加热器411可以密封在石英中。
参照图6，反应器200的顶视图示出了处理台301和302，显示了内石 英管601和外石英“花生”602。存在包围每个处理台的内石英管601，一 个在左边且一个在右边。在该实施例中仅存在一个花生形外石英屏602，以 使屏602包围两处理台。侧面加热器411也是花生形，并位于外石英花生 屏602内侧。
再参照图4，顶侧加热支撑部件418位于两个侧面加热器411a和411b 之间。支撑部件418使得上加热器放置在下加热器上而没有电接触。它维 持在两个加热器之间分离的恒定距离和支撑上加热器。下加热器被它自身 的支撑部件419支撑。这些侧面加热支撑部件可以具有多种形状，取决于 反应器的几何形状，并且可能支撑部件具有基本上花生形结构，正像侧面 加热器自身。
在某些实施例中，电阻加热器的加热元件可以包括嵌入具有相似热膨 胀系数的非导电材料矩阵中的导电材料带，由此形成单片结构。在2000年 11月16日申请的、受让给本发明的受让人的、未授权的、名称为“Apparatus and methods for resistively heating a thermal processing system”中，详细说 明了这种加热器，将其引证在此作为参考。有源加热元件可以是嵌入具有 相似热膨胀性质的较高阻值陶瓷材料中的低阻值痕量。在某些实施例中， 低阻材料可以是掺杂氮的碳化硅，其具有低于未掺杂碳化硅矩阵大约4个 量级的阻值。
图7中示出了示例性单片板加热器。与常规被覆碳化硅的石墨加热器 类似，单片板加热器可以具有多个区如图7中所示的内部区加热器701和 外部区加热器702。每个区分别具有它自身的连接端如703和704所示。
包围处理腔的加热器和包围加热系统的结构可以包括直到最终到达室 壁自身的室衬里。在屏416上方是室衬里420，其保护位于处理室内部的硬 件不受从室壁421扩散出的污染物的损害，同时保护室壁不受处理室内使 用的腐蚀气体的损害。屏416还提供处理腔的热绝缘，增强腔的温度均匀 性，并使室壁与高温绝缘。室壁可以包括铝、阳极氧化铝和不锈钢。在该 实施例中，室衬里420包括不透明石英，以使红外能量限制在处理室。
通过流过壁中间的冷却液体例如水，可以使室的侧壁422被水冷却。 顶部和底部室壁也具有水冷却孔(未标示)。侧壁422由侧石英室衬里424 保护。不锈钢底部室壁426由石英衬里425保护。
图8示出在示例性反应器200的两个衬底处理区之间的对称性。图8 强调一种观念，可以使用本发明的原理同时处理两个衬底。在图8中用于 右侧处理台302的外上加热区标注为810a。在图8中加热区810a是类似于 图4中左侧加热区410a的右侧加热区。在图8中的中间加热区810b类似于 反应器200的左侧加热区410b。将可以理解在图8的中间大约在位置801 处不存在侧面加热元件，因为该加热器是花生形的，不延伸到两个处理台 之间的区(也见图6)。相似地，在图8中示出了右侧处理台302的底部加 热器813、底屏814和顶屏815。
接着，将描述气体注入系统。本发明的气体注入系统的实施例是部分 负责获得所需的厚度均匀性，阻抗均匀性和按照本反应器的实施例可获得 的对掺杂转换宽度的控制。
再参照图4，示出了气体注入管427构造为使气体垂直地通过室426的 底部向上传送到处理腔303中。在本发明的一个实施例中，存在五个这样 的气体注入管(对于301和302的每侧设置一套管)。虽然图4是处理室的 剖面图，在反应器的“准三维”图的图4中示出三个其它的气体注入管。 图4的剖面图通过在最左侧的气体注入管并可以用来说明气体注入管如何 “增压”气体。术语“增压”指通过使气流过高压间从而以所需方式使气 流扩散。高压间是一种装置(其可以是集气管)，用于限制气流，以使气流 在高压间的上游侧较高，并且通过这样做，气流变形为所需的流动图形。
工艺气体向上流过管427，并且通过气体注入支持环428。气体注入支 持环428放置在石英内部支撑管601上。内支撑管601提供气体注入支持 环428的机械支撑，但它还“嵌套”(或容纳)石英管的圆形以使它出现在 特定位置。气体注入支持环428依次支撑气体注入高压间429，气体从气体 注入管427输入到高压间429中。接着，在气体从垂直重新定向为水平穿 过衬底之前，气流过高压间缝430。高压间缝430还用于维持通过五个注入 管的每一个的浓度和气流的区域控制。气体通过高压间429“增压”，并且 在衬底上方展开成直线扇。在图9和10中可以更好地看出该原理。
参照图9，高压间429在平面图中是弧形的，并且通过在高压间中的它 们各自的缝430正好可以看见五个注入管427的顶部。而且，在高压间429 和缝430之下的原理是使得更加展开的气流可以由五个独立的管另外获得。 这在图10A中概略地表示出，其中气流1001在通过缝430之前展开成扇形 流1002。这导致在衬底上更宽的覆盖范围，具有示例性宽度1003，而不是 如果气流1001限制为在位置1005处具有与管427相同直径的流时会出现 的较小宽度1004。扇强迫流从圆形变为缝、线性流。在另一个实施例中， 扇形展开喷嘴可以是石英气体注入管的部分。
在该实施例中存在五个气体注入管427，而数量的范围从大约1至9。 可以使用五个注入管，特别是对于300mm的衬底，因为在衬底上气体展开 的方式，和因为控制在衬底的不同区上的掺杂剂、硅和主气流浓度的能力， 因此分别获得了有效的阻抗、厚度和整体均匀性。
参照图11，现在将描述气体注入系统的设计以说明该实施例的几个有 利的特征。两个外气体注入管从同一个源输入并标注为“E”表示“边缘”。 自边缘向中心推进、接着的两个气体管标注为“M”表示“中间”。最终， 中心管标注为“C”表示“中心”。在该实施例中，探测气体使得存在对于 三个区域边缘、中间和中心的每个的硅浓度、掺杂剂浓度和载流气流(载 流气可以是氢气还可以称为“氢气主流”)的独立控制。
边缘输入增压(或分裂)成两个边缘喷射流，并且那部分源流过在图 11中一般表示为交叉阴影线区1101(如果可以及时观察到“快照”)的晶片 边缘。但是因为衬底旋转，由两个边缘注入管覆盖的晶片区域填充图11中 1102表示的圆的外部环面。在瞬间及时的快照中，由两个中间注入管供给 的区域通过衬底的无阴影区1103示出。来自中间区的气体展开以适合覆盖 既不是边缘也不是中心的区域。中心喷射流覆盖双交叉阴影线区1104，且 忽略了衬底旋转的事实。当然，即使在图11中气流表现为离散的和非重叠 的，将存在区域的混合。
控制在被送到三个区的每个区的气流中的掺杂剂浓度的能力影响外延 膜的性质例如阻抗均匀性。如前所述，掺杂剂的浓度可以高于在衬底边缘 所需要的，这是因为从重掺杂晶片的背面除气的掺杂剂引起的自动掺杂效 果(autodoping effect)。如果是这样，可以减少被送到边缘区1101的气流中 的掺杂浓度以补偿因背面自动掺杂使在边缘上掺杂很高的事实。
另一个边缘效果来源于当气体供给流过衬底时，掺杂剂浓度能从供给 气体耗尽的因素。这是在图10B中示范性示例地，这是外延膜的电阻率作 为自衬底1006的边缘的距离的函数的图示展现。当气体流过衬底时从气体 蒸气中消耗掺杂剂。由于电阻率与掺杂剂浓度成反比(较高的掺杂剂浓度， 较高的导电率，讲述较低的电阻率是一样的)，电阻率从第一边缘1007，到 中心1008，到相对边缘1009增加。因为流过边缘区域的气体是富含掺杂剂 的，所以在边缘1007处电阻率开始很低。因为来自输入气流的掺杂剂被耗 尽了，所以电阻率从1007到1008开始升高。如果不转动衬底，电阻率分 布图将连续倾斜地上升，如图中的虚线1010所示。然而，由于衬底是转动 的，因为标记1009的区域最终转动绕到1007，所以电阻率沿着线1011弯 曲向下返回，并且现在可以看到具有最高的掺杂浓度的输入气流。
现在考虑通过中心注入管C注入更多掺杂剂的能力。通过气体注入管C 注入输入气体，该输入气体的掺杂剂浓度稍微比通过输入气体管E注入的 输入气体高，这能补偿当输入气流过衬底上方时从输入气体耗尽掺杂剂。 尽管衬底的边缘的确穿过标记1105和1106的区域，即受到来自中心的气流 支配的区域，然而边缘在这些区域中花费的时间比它在1101处花费的时间 少。
这样的气体注入方案赋予了可以补偿如边缘耗尽和自动掺杂这样的自 然现象的能力。注意到系统允许控制在三个区域中的每一个中的输入气体 的所有三组分的浓度，该三组分是硅源气体浓度，掺杂剂源气体浓度，和 载流气体类型和流动。能够单独地控制这些组分中的每一个，并且在三区 域中的每一个中分别进行控制，这提供了在控制电阻均匀性中的灵活性。 例如，如果期望在确定区域中提高电阻，可以减少掺杂剂的浓度。可选地， 如果期望在确定区域中增加厚度，可以提高硅的浓度。在另一种情况中， 可以维持硅与掺杂剂的比率，并可以单独地提高或降低载流气体的流动， 以传递硅与掺杂剂的相同比率但允许改变该混合物的均匀性。
工艺气体在流过晶体表面后被排出。一旦输入气体通过气体注入管427 进入高压气体环429，从高压间缝430出来，并进入处理腔303，其横越过 衬底并通过相同气体注入环429排出。它通过输出到排气槽432(因为不会 产生回压力，其不是真正的高压间)来实现排放，如图4右侧所示。排放 管431可是多个排放管中的一个，在该实施例中有5个排放管，但数量可 比5个更多或更少。在可选实施例中，排放管数量可在大约1～9的范围， 其中每个排放管具有约1/4英寸到1/2英寸的直径。根据图4所显示的方式， 气体从左边进入并从右边输出。参考图6和8，但是，可以意识到，在同时 两个衬底的处理反应器的实施例中，气体从图的最左和右侧进入，并排放 到中心。在图8中，来自右侧处理台301中的注入管427的气体通过排放 管831排出处理腔。在对称方式中，来自右侧处理台302中的注入管827 的气体通过排放管832(三个中的两个已标示)排出处理腔。
对于排放级以及注入级，能够控制气体的流动，并因此影响厚度和电 阻均匀性。可以独立控制在五个排放管的每一个中(每个处理台)的排气 泵压力，以使排放气体可进入五个管中任意一个，取决于其作为最强的真 空(相对处理腔的负压)。
已经讨论了气体供给和排放系统的一般概观。包括在该讨论中的方式 是：这些系统可被配置以便控制如薄膜厚度和电阻均匀性的薄膜性能。已 评述了将工艺气体传递给处理腔或从处理腔移除工艺气体的硬件，下面更 详细讨论有关外延淀积的气相化学性能。
气体通过管427注入，经高压间缝430导入处理腔303，然后穿越过衬 底，通过端口431排出。当它们从狭缝430喷出时，它们“弹离”罩409 的较低处的内表面，并从垂直方向改变为水平方向以流过处理腔并流向排 放管。因为几个原因而执行这种流动的重新定向，其中之一是预加热输入 气体便于其分解和后续的反应。当硅烷被用作硅源气体时，这种策略的具 体优点是很明显的，但在目前，通常用氯化硅烷执行外延硅淀积，其中， 三氯硅烷可以是工业标准。
从三氯硅烷外延硅淀积假定包括系列可逆反应：




因为这些反应是可逆的，淀积(正向反应)和蚀刻(逆向反应)相对 抗。相反，从硅烷的淀积是不可逆的。

这里没有HCl副产品。从硅烷淀积的优点是可在比氯硅烷低的温度下 获得外延薄膜，硅烷更易获得且环境更“友好”，并且缺少氯意味着对于传 递线和系统的较少化学侵袭，和由此对薄膜金属化污染的可能性小。
硅源气体的氯含量根据下面方式影响薄膜的生长率：对于给定的温度， 氯含量越高，生长率越低。氯含量也影响多晶和单晶硅生长的转变温度。 当硅烷作为源时，外延硅薄膜可在900℃的低温生长。在极端的另一端，用 于从SiCl4淀积单晶硅的反应温度必须保持在1100℃上。
从硅烷淀积的缺点是通常观察到气相(同类的)成核，而这种情况是不期 望的，因为硅聚集可导致微粒污染。由于潜在的优点超过了任何缺点，所需 的是具体设计反应器以减轻这些问题，使得它能被构造用于从硅烷淀积外 延硅薄膜。从硅烷外延淀积硅的现有反应器的能力的讨论将在后续进行。
继续代表当前工业标准的氯化硅烷，三氯硅烷在从400到700℃的温度 范围下开始进行热分解。强调了需要给反应提供活化能，这在一个实施例 中通过在反应气体到达衬底之前预加热该反应气体来补充，因为在常规系 统中存在没有预加热反应物可能会引起额外的维持困难及较差的反应产 量。
灯加热的、常规钟罩反应器常常是水平流动系统。再参考图1中所示 的反应器，强调一点，反应气体在遇到衬底任何部分之前首先经过基座103 的断面115。这用于预加热气体。该预加热步骤开始输入气体的含硅组分的 分解；否则，在任何分解开始前，气流将在衬底上前进。在后一种情况， 没有对气体预加热，并在步骤的较晚阶段开始含硅气体的分解，在衬底下 游部分的生长会较厚，结果造成较差的厚度均匀性。
本发明的实施例提供比如图1中所示的那些反应器更高的生长率。实 现这种可能的一个理由是处理腔的“高能含量”。衬底夹在两板(罩409和 基座401)之间，其在一些实施例中被维持在大约1150℃的温度，以使气 体迅速加热，获得分解和后续反应所需的热激发态。可在常规灯系统中充 分预加热反应气体以便开始分解过程，但是当气流过具有置于处理腔上方 的冷石英钟罩101的热衬底102时，气体加热，膨胀，然后自然地向上离 开晶片朝靠近上部冷石英窗口的较冷区域对流。这一对流可有害地影响生 长率。
常规反应器经历的第二个问题是没有反应的气体和反应副产品进入排 放线，在那里它们再凝结成三氯硅烷基液态废物。实际上，因为生成的涂 覆物可能是自燃的，所以出现了危险情况。在与图1相同的反应器中，即 使预加热，估计反应效率约为5％～10％，这意味由于反应气体凝聚在排放 线的墙上，大部分反应气体被浪费掉。
根据本发明实施例，由于气体注入管427穿过下墙426进入处理室的 事实，可以预加热反应气体。在经过下墙426后，它们经过下加热器413， 并由此在进入处理室的瞬间位于“加热笼”里。在经过下加热器413后， 它们向处理室顶部流动并以一定距离相邻侧面加热器411b和411a，这给了 流动到处理腔的输入气体被预加热的机会。
尽管期望预加热输入气体，但不过度加热是很重要的。在硅烷的情况 中，如果在输入气流中的反应气体变得太热，可能会发生气相聚集，在气 相中产生小串的固态硅原子。这是不希望的，因为小串硅原子不可能到达 在合适的方向上生长的外延薄膜表面以继续单晶生长。即使串只包括几个 原子这也是不好的情况。除了串不能适当到达用于单晶生长的表面，其最 多产生多晶薄膜，它们可能仅仅作为微粒污染落到表面上。
通过在其它事物中控制输入气流过气体注入管427的速度和载流气体 组分的体积，在本实施例中预加热但不过度加热气体。在输入气流中载流 气体(如氢)的体积越大，当气体经狭缝430退出管进入处理腔303时气 体越冷。输入气流流过气体注入管越快，获得热越少。
用于在反应气体进入处理腔前控制反应气体温度的另一技术，在较少 动态方式中，是通过选择制备气体注入管427的材料。换句话说，通过选 择用于管427的合适材料，可以实现输入气体温度的粗略控制。(注意：对 于甚至比洁净石英更少气体加热的情况，可使用具有在外环中的H2和在内 管中的工艺气体的同轴管)第一选择是洁净的石英，由于多数输入辐射能 量的穿透(发射率～0.15)它提供相对低的加热水平。第二选择是不透明的 石英，其部分吸收辐射并，因此，提供较高的加热水平。第三选择是碳化 硅，由于其吸收辐射的主要部分而提供更高的加热水平。中间选择，不透 明石英(发射率～0.30)，加热气体超过洁净石英，但少于碳化硅(发射率～ 0.75)。支持发展本发明各种实施例的已做计算机建模工作显示仅通过改变 气体注入管的材料，可在300℃和900℃之间改变退出狭缝430气体的温度。 仅在一个模型中变化材料。模型看起来是固定流动的，只是管的材料被变 化。
反应的产量不仅受到反应气体温度的影响，而且也受到边界层形状的 影响。使气体垂直指向衬底的淋浴头设计提供更有效地使用输入气体，部 分因为缺少任何实质边界层。在图12A中，常规钟罩和直接流动反应器的 边界层可如边界层1201所示。在1202位置形成边界层后，当气流向位置 1203时，边界层持续从衬底离开。在边界层中在朝衬底表面扩散的含硅气 体分子之间产生对抗，及HCl反应产物从衬底的表面扩散回到气流1204中。 图12A的钟罩反应器具有从位置1202到1203厚度增加的边界层1201，从 而使交换的发生越来越困难。
本发明的实施例提供在两靠近的间隔平行板间的流动，下板401成为 基座，及上板409成为罩，如图12B所描述。在相邻上板(罩409)处形成 第二边界层1203。通过在这种方法中限定处理腔高度，边界层1201的厚度 更薄，在图12B中的边界层，如1202和1203所示，将渐进地一起汇聚。 图12B显示常规反应器边界层1201与“新”边界层1202的关系。上板(罩 409)具有将边界层1201压缩成新形状1202的效果。具有较薄边界层1202 的优点是使反应物到衬底的传送距离更小，同样地，反应副产品必须运动 以加入气流的距离也同样更小。
本发明实施例提供改变分隔两板(基座401和罩409)距离的能力。典 型的分隔距离范围从约0.25到约3英寸。分隔基座和罩的距离将影响许多 性能，包括，生长率，厚度和电阻均匀性，自动掺杂，和其它掺杂特性， 因为对于给定的气体体积，对于较小的处理空间流动会更快。在本发明实 施例中，改变分隔距离1205(处理腔高度)的能力可用于提供对于工艺性 能的附加控制。据估计，本发明实施例的反应器提供比图1中显示类型的 反应器高至少两倍的反应效率。
已讨论了将气体注入处理腔的主要方法，以及预加热气体的理由，及 可完成这些方法的技术。在可选实施例中，存在一些其它用于将气体注入 系统的方法。这些技术包括通过附属硬件如温度测量装置的气体传递，也 可通过在处理腔内部安置淋浴头(showerhead)。根据这些技术可以传递任 何或所有的输入成分。例如，可通过温度测量器件如光学高温计注入掺杂 剂供给气体，以调整生长的外延薄膜的电阻均匀性。可选地，可通过淋浴 头注入载流气体如氢以控制输入气体的温度，并且稀释源气体组分的浓度。 设计一个实施例的淋浴头，例如，可包括用于在晶片上控制气体温度的增 压流，充满H2的硅，充满H2的掺杂剂，及充满H2的硅和掺杂剂。淋浴 头也能提供局部的硅、掺杂剂、硅和掺杂剂注入，其中淋浴头被用于将直 接注入点“散开”成在晶片上方的更大直径的面积，其范围决定于淋浴头 孔的尺寸和淋浴头上方来自直接注入源的全部气流。
用于测量在处理室内表面温度的普通装置是光学高温计，以术语“光 管”所知。光学高温计的常用功能是通过真空连通监视衬底，并收集关于 衬底温度的信息。根据本发明的实施例，但是，如果需要的话，清洁的光 学高温计也可用于注入补偿掺杂剂供给气体至衬底的下面供给区域。通过 引入净化气体穿过光学高温计完成注入。
图13显示了具有在三维中的反应器部分的处理室的侧景，来说明对注 入气体到处理腔的可选择方法。该方法可被用于提供掺杂剂至衬底上的特 定位置，以便减轻耗尽效应，或处理不平衡的生长情况。图13显示了多温 度测量馈通系统1301。该系统包括从待测区域向光学高温计传输光能的石 英光管，并且光学高温计是产生实际温度读数的装置。在图13中标示的光 管1301沿一个径向方向对准，存在几个另外的径向方向，光管可以沿这些 方向对准，如标识1302的第二方向，在中心的1303，参与提及的两个方向 中的一个。这在图14A中大概描述。
光管不需要沿任何一个半径均匀分布，如图14B中所述。在图14B中， 一个示例性光学高温计被置于距离安置光管1303的衬底中心约1.5英寸。 从那个位置，朝边缘以外工作，第一光学高温计被放置在离中心1英寸的 位置处，以使第二光学高温计被安置在离中心3英寸处，第三光学高温计 被安置在离中心4英寸处。继续朝边缘延续，在高温计开关之间的间隔为 0.5英寸的增量，及第四、第五、第六高温计被安置在离晶片中心4.5、5.0、 和5.5英寸处。从这里，增量变得更小，以致下一个到最后一个高温计离中 心5.8英寸。
在衬底的中心区域高温计没有彼此间隔很近，因为边缘加热器在中心 区域没有它们在边缘的效果大。距离晶片中心最远距离的高温计，其可以 是5.8英寸或更多，也是在基座上方的实际位置。监视基座边缘的最后光学 高温计的标识为601。
因为具有提供辅助气体注入系统的能力时，用在前描述的净化的光管 阵列被动完成温度监控；也就是说，没有参与封闭的环系统。在封闭的环 系统中，来自温度测量器件的信息被传递给控制系统，该控制系统依次调 节传递给加热系统的能量。被动监控进行测试，但不使用在反馈环给加热 器中的信息。可选地，气体注入系统可参与有源系统。
在任一情况，温度测试器件可用于注入气体，如图15中所示。参考图 15，光管外壳1501用于接收来自上边缘加热器411a的信息。同样，光管外 壳1502监视下边缘加热器411b。
净化气体可通过光管外壳以下面方式注入。鞘1504是共轴安装在实际 光管传导管周围并转化到光管外壳中。通过穿过室墙、石英绝缘、和加热 器外罩的导管，这种鞘/光管总成进入处理室内区域。来自加热器的光能通 过在光纤中的总内部反射传递出来并进入光管外壳，在该处它转化为嘴 1503处的柔性玻璃纤维束并经由总内部反射持续其路程到达实际的高温 计，该高温计将光能信息转变成检测温度。
净化气体可通过装置1505注入。通过在鞘中流动，净化气体从装置1505 传输到处理室，并围绕光纤的外侧。在图16中显示的简图可更清楚地描述。 光纤1602被同轴地置于鞘1601中，净化气体1604在鞘中流动。显示了在 光纤中传输的经过全部内反射1603的光。
典型的净化气体可是惰性气体，贵重气体，和如氢一样的载流气体， 气体类型不重要，只要存在任何流动气体以防止在光纤顶部上不希望的淀 积。需要维持系统清洁的气体数量是最小，在约100-500立方厘米/分的范 围内，典型是具有100-200立方厘米/分。净化气体可使用排放管431从室 中排出。在一些实施例中，如图13的实施例，光学高温计1301和1302的 每一个排放它们的气体在衬底上。
上面描述类型的净化气体具有至少两个优点。第一，净化气体帮助防 止材料在光纤端上或周围的淀积。因为它们减少进入光纤的光量，并影响 探测的温度即使实际温度并未改变，所以该淀积是不希望的。净化气体保 持光纤端的洁净，并得到更可靠的温度读数。
第二，净化气体可通过给生长外延层的不良掺杂区域传递掺杂剂补偿 气体来精确调整电阻均匀性。如前所述，由于，例如，耗尽或除气装置， 可在确定的区域降低掺杂浓度。为减轻这些影响，可通过光学高温计的鞘 注入掺杂剂补偿气体。使用该技术的实施例的特别效果是通过中心光学高 温计1303注入掺杂载流气体，以补偿可能发生在位置1008(见图10B)的 层的中心处的掺杂剂缺少。因此，光学高温计的净化气体，根据本发明实 施例，可用于保持光纤顶端的清洁，并在其它事物中局部影响外延层电阻。
参照示例性实施例说明了本发明的同时，本发明不限于所公开的实施 例，而是相反，对本领域普通技术人员，显而易见的欲覆盖多个其它变型、 改进和替换以及广泛的等同设置，其包含于所附权利要求的精神和范围内。
相关应用
本发明基于2001年4月12日申请的No.60/283,541美国专利文件并 要求其优先权。