CN101443475A - 模块化化学气相沉积（cvd）反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于处理半导体基板的装置。具体地，本发明提供一种模块化处理单元。本发明的模块化半导体处理单元包括具有注入盖(213)的腔室(201)，以及被配置成通过注入盖将一种或多种处理气体提供至腔室的气体面板模块(207)，其中气体面板模块(207)邻近注入盖放置。处理单元进一步包括置于腔室下方的灯模块(203)。灯模块包括多个垂直定位的灯。

Description

模块化化学气相沉积(CVD)反应器

发明背景

发明领域

本发明涉及一种用于处理半导体基板的设备及方法，尤其涉及一种用于在半导体基板上形成外延层的设备及方法。

相关技术的描述

半导体组件被制造于硅及其它半导体基板上，而基板由硅浴挤压出硅晶棒(ingot)，再将硅晶棒切割成多个基板来制成。在硅的实例中，基板的材料为单晶体，外延硅层接着形成于基板的单晶材料上。外延硅层通常掺杂有硼，且其掺质浓度为每立方厘米约1×10¹⁶个原子。一般外延硅层的厚度为约5微米。相对于单晶硅，外延硅层的材料针对在其内及其上形成半导体组件较具有可控特性。外延工艺亦可在半导体组件的制造过程中使用。

例如化学气相沉积法(CVD)的气相方法已用于在硅基板上制造硅外延层。为了利用CVD工艺来形成硅外延层，基板被置于设定于一升高温度(例如600～1100℃)以及一减压状态或大气压力下的CVD外延反应器中。当维持在升高温度及减压状态下时，将含硅气体(例如硅甲烷气体或二氯硅烷气体)供应至CVD外延反应器，而硅外延层则藉由气相生长法而生长。

CVD外延反应器通常包括反应器腔室、气体源、排气系统、加热源以及冷却系统。反应器腔室用作所需反应的受控环境。气体源提供反应物以及净化气体；排气系统则在反应器腔室内维持大气压或真空压力下；加热源可以是红外线灯或感应源的阵列，且其通常将能量传送至反应器腔室以加热待处理的基板；冷却系统被导向腔室壁，以使其热膨胀或变形最小化。现有技术CVD外延反应器通常尺寸较大，且较不易维修或保养。

因此，需要一种用于在半导体基板上生长外延层的方法及装置，其具有较小的尺寸且较易维修

发明内容

本发明提供用于处理半导体基板的方法及装置。更特别地，本发明提供用于群集式工具的模块化CVD外延处理单元。

本发明之一实施例被提供模块化处理单元。模块化半导体处理单元包括：具有注入盖的腔室；被配置成透过注入盖而将一种或多种处理气体供应至腔室的气体面板模块，其中气体面板模块被设置成邻近注入盖；以及灯模块，其被置于腔室下方，该灯模块具有多个垂直定位的灯。

本发明的另一实施例提供用于处理半导体基板的群集式工具。该群集式工具包括具有中央机械手的中央传输室；至少一加载锁，其使中央传输室与工厂接口耦合连接；以及一个或多个附连至中央传输室的模块化处理单元。其中一个或多个模块化处理单元包括：处理室，其具有注入盖及排气装置，并配置成在其中处理半导体基板；气体面板模块，被设置成邻近处理室的注入盖；灯模块，具有设置于处理室下方的多个垂直定位灯；以及设置于处理室上方的上方处理模块。

本发明的又一实施例提供用于处理半导体基板的腔室。该腔室包括：腔室主体，其定义一处理容积并具有注入盖及排出口；腔室盖，被绞接至腔室主体；气体面板模块，被配置成向腔室提供处理气体，并置于距离注入盖约一英尺处；垂直灯模块，被配置成成加热处理容积，并设置于腔室主体下方；气冷模块，其与腔室主体连接；以及上方反射器模块，其设置于腔室盖上方。

附图简述

藉由可详细了解本发明的上述特征的方式，以上简单概述的本发明的更具体说明可参照实施例进行，且其一部分亦于所附附图中例示。然而，需注意的是，所附附图仅例示了本发明的典型实施例，因此不可视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效实施例。

图1示出根据本发明的实施例的用于半导体处理的群集式工具的平面视图。

图2示意性地示出根据本发明的模块化CVD外延室的透视图。

图3示意性地示出处理室的实施例的剖面视图，其在图2的模块化CVD室中具有上方模块及下方模块。

图4示意性地示出根据本发明一实施例的冷却板。

图5A示意性地示出根据本发明一实施例的下方反射器。

图5B示意性地示出根据本发明一实施例的内部反射器。

图6示意性地示出根据本发明一实施例的处理室。

图7示意性地示出根据本发明一实施例的上方反射器。

图8示意性地示出根据本发明一实施例的气冷模块。

图9示意性地示出图8的气冷模块的俯视图。

图10示意性地示出根据本发明一实施例的气体面板模块的前侧。

图11示意性地示出图10的气体面板模块的后侧。

详细描述

本发明提供单一、独立且模块化的外延室。本发明的外延室通常包括包含处理室的单个模块以及除主AC箱之外的所有子模块。相较于现有的外延系统，独立的模块化外延室允许较短的安装时间。

图1示出根据本发明一实施例的用于处理半导体的群集式工具100。群集式工具100是一模块化系统，其包括多个在半导体制造过程中执行多种功能的腔室。群集式工具100包括中央传输室101，其经由一对加载锁105连接至前端环境104。工厂接口机械手108A、108B被设置于前端环境104中，并被配置成在加载锁105和装在前端环境104中的多个盒103之间运送基板。

多个模块化腔室102被装至中央传输室101以进行所需处理。置于中央传输室101中的中央机械手106被配置成在加载锁105与模块化腔室102之间，或是在各模块化腔室102之间运送基板。在一实施例中，多个模块化腔室102的至少其中之一是模块化外延室。

图2示意性地示出根据本发明一实施例的模块化CVD外延室200的透视图。模块化CVD外延室200包括处理室201以及附连至处理室201的子模块。在一实施例中，处理室201被附连至支承框架204，该支承框架204被设置成支承模块化CVD外延室200。处理室201还包括一腔室主体以及绞接至腔室主体的腔室盖(在以下进一步描述)。

上方反射器模块202可设置于处理室201上方。为了满足不同的工艺需求，各种模块可互换地设置于处理室201的上方，诸如：具有集成高温计的水冷式反射板、具有气冷式上圆盖的水冷式反射板模块、用于低温沉积的紫外光辅助(UV assisted)模块，以及用于清洗处理室201的远程等离子体源。

配置成在处理过程中加热处理室201的下方灯模块203被附连至处理室201的底侧。在一实施例中，下方灯模块203包括多个垂直定位的灯，这些灯可容易地从下方灯模块203的底侧替换。此外，垂直配置的下方灯模块203可用水替代空气来进行冷却，因而减轻系统气冷的负担。可选择地，下方灯模块203亦可以是具有多个水平定位灯的灯模块。

气冷模块205被设置于处理室201的下方。藉由将气冷模块205设置于处理室201下方，气冷导管210、211可缩短，由此可降低总空气阻力并允许使用较小和/或较少的气冷风扇。故相较于设置于其它位置的气冷系统，气冷模块205较为便宜、安静且较易维修。

气体面板模块207、AC分配模块206、电子模块208以及水分配模块209被一起堆叠在位于处理室201旁边的延伸支承框架中。

气体面板模块207被配置成将处理气体提供至处理室201。气体面板模块207被放置成与处理室201的注入盖213直接相邻。在一实施例中，气体面板模块207被置于距离注入盖213一英尺处。藉由将气体面板模块207设置成与注入盖213直接相邻，可改进对处理气体掺杂物的浓度控制，并增进进行循环气体递送控制的能力，且减小排气与沉积步骤之间气体递送管线的压力变化。此外，气体面板模块207被配置成容纳各种处理气体递送组件，例如流比控制器、辅助及氯注入阀以及质流验证组件。

气体面板模块207进一步包括被设计用于各种应用的模块化气体板，例如：毯覆式外延、异质接合双极性晶体管(HBT)外延、选择性硅外延、掺杂式选择性硅锗外延以及掺杂式选择性硅碳外延的应用。不同的模块化气体板可被设计并组合以符合特定处理要求。此模块化设计相对于现有系统可提供大得多的灵活性。

气体面板模块207被设计成除了将氢气用作载气之外还将氮气用作选择性载气。此氮气/氢气载气配置藉由消除由限流器所控制的主载气流(现有外延系统所普遍使用的)而改进工艺的控制。

电子模块208通常紧邻气体面板模块207放置。电子模块208被配置成控制CVD外延室200的操作。电子模块208可包括处理室201的控制器、腔室压力控制器以及用于气体面板模块207的互锁板。

AC分配模块206被设置于气体面板模块207与电子模块208的下方。AC分配模块206可包括风扇控制器、用于分配电力的板以及灯失效板(Iamp fail board)。

水分配模块209被设置成紧邻AC分配模块206。水分配模块209被配置成将水提供至CVD外延室200的水冷单元。水分配模块209可包括供应与返回歧管、流速限制器与开关、以及CDN调节器。设置供应与返回歧管可允许减小水分配模块209内组件的大小，由此降低设施成本。

如上所述，CVD外延室200的各个模块被单个支承框架所支承。支承框架204由数个水平调节脚212所支承，这些水平调节脚212具有集成高度可调脚轮。当水平调节脚212位于抬起位置时，整个CVD外延室200可转动至期望位置。一旦CVD外延室200处于其所欲位置时，水平调节脚212降低，集成脚轮就升高。此设计消除了耗时/昂贵的装配操作，并大幅减小启动阶段的时间。

CVD外延室200可具有附加的远程AC供电箱，其被配置成将电力供应至CVD外延室200。远程AC供电箱被置于远程位置，以降低系统在无尘室区域的占地面积。在一实施例中，远程AC供电箱被配置成将480V及120V的AC功率提供至CVD外延室200。

图3示意性地示出图2所示的CVD外延室200的处理室201、上方反射器模块202以及下方灯模块203的截面图。

处理室201包括具有圆形开孔的基板220，其中下方圆盖221藉由下方压紧环222设置并固定于开孔上。下方圆盖221呈盘状，并具有形成于其中心的孔290。置于基板220上的下方圆盖221及腔室盖249限定一腔室容积223，其中可旋转基板支承组件可设置成用于在处理过程中支承基板。在一实施例中，基板220与下方压紧环222可由金属制成，例如铝、镍镀铝以及不锈钢。下方圆盖221可由石英制成，其可耐受大多数的处理气体并具有良好的热特性。基板220可具有形成在一侧的注入口224。腔室盖249可具有一遮盖板236，该遮盖板236设置于基板进行处理之处的区域上方。遮盖板236可由石英制成。在一实施例中，由石英制成的遮盖板236结合上方加热组件可使腔室容积223进行均匀加热。在另一实施例中，由石英制成的遮盖板236可使高温计能测量腔室容积223内的温度。注入口224被配置成使入口盖适于处理气体。排出口226在注入口224的相对侧形成。排出口226可适用于真空源以维持处理室201内的压力。基板220进一步具有被配置成将基板传送进出腔室容积223的狭缝阀开孔225。

图6示意性地示出根据本发明的处理室201的一个实施例。在此配置中，基板220藉由一个或多个绞链250连接至腔室盖249。一对液压杆251被耦联于基板220与腔室盖249之间。该对液压杆251被配置成当处理室201开启时使腔室盖249维持在开启位置。绞链式的连接使处理室201的开启变得容易，以进行清洗及维修。接口253被配置成将处理室201耦联至中央传输室(例如图1中的中央传输室101)，或者加载锁与一个或多个绞链250位于基板220的同一侧。注入盖252置于注入口224的外侧。一个或多个入口通道255被连接至注入盖252，并被配置成连接至气体面板组件，用以将处理气体供应至处理室201。出口盖256被连接至排出口226。冷却流体可藉由冷却入口254供应至基板220。上方反射器模块202可耦联至腔室盖249，而下方灯模块203可耦联至基板220。

下方灯模块203被附连至处理室201，并被配置成透过下方圆盖221加热处理室201。下方灯模块203包括置于多个开孔292内的垂直定位灯232的阵列，其中这些开孔292由冷却板230与下方反射器组件231界定。

图4示出用于下方灯模块203的冷却板230的一个实施例。该冷却板230可由金属制成，例如铜、具有无电镀镍的铜以及具有无电镀镍的铝，且亦可镀金。多个孔241在冷却板230上形成。各个孔241被配置成使灯和/或灯支架夹持于其中。入口242及出口243在冷却板230上形成。入口242及出口243通过形成于冷却板230内的冷却通道连接。冷却水可由入口242流入，通过冷却通道并由出口243流出，藉以冷却安装在冷却板230中的灯232。

参照图3，下方反射器组件231被置于冷却板230上方，并被配置成将来自灯232的热能导向下方圆盖221。在一实施例中，内部反射器247被置于接近下方反射器组件231的中央，以围绕下方圆盖221的下方孔290。图5A示意性地示出下方反射器组件231的一个实施例。下方反射器组件231包括基板248。对应于冷却板230中的多个孔洞241的多个孔244在基板248上形成。这些孔244被配置成将多个灯232纳入其内。多个垂直反射壁246自基板248向上延伸。这些反射壁246彼此同心，并且被配置成将来自灯232的热能导向下方圆盖221。在一实施例中，下方反射器组件231由镀金金属制成。图5B示意性地示出内部反射器247的一个实施例。内部反射器247可藉由自形成于基板248的洞245延伸的销固定至下方反射器组件231的基板248。

具有垂直定位的灯232的下方灯模块203允许灯的简单替换及其它维修。再参看图3，下方灯模块203进一步包括底盖228，该底盖228可自侧壁227移除。可从底部进行灯232的维修及保养。水冷式冷却板230亦降低系统所需的气冷，因此可降低整体系统大小。

可选择地，下方灯模块203可使用灯的水平定位阵列或其它适当设计。

如图3所示，上方反射器模块202被附连至处理室201而位于腔室盖249上。上方反射器模块202包括反射器板235，其被配置成将热能反射至处理室201。反射器板235被包围在盖238内。图7示意性地示出反射器板235的一个实施例。反射器板235可具有在其中形成的多个通孔240，这些通孔240使得冷却空气可在上方反射器模块202内循环，和/或提供高温计或其它传感器的通道。反射器板235被配置成藉由水来冷却。冷却水可通过入口234及出口237流进及流出反射器板235，且入口234及出口237由在反射器板235内形成的冷却通道连接。在一实施例中，反射器板235可由镀金金属制成。参照图3，上方反射器模块202可进一步包括设置于盖238上的空气入口239，且该空气入口239被配置成将冷却空气提供至上方反射器模块202内。

应当注意，取决于工艺要求，除上方反射器模块202以外的模块皆可用来取代上方反射器模块202。由于CVD外延室200为模块化设计，因此容易以适合不同工艺的其它模块来取代上方反射器模块202。可置于腔室盖249上方的示例性模块例如可包括：用于清洗应用的远程等离子体发生器模块、用于在较低温度下进行沉积工艺的紫外光(UV)辅助模块；以及具有集成高温计的水冷式反射板模块。

图8示意性地示出气冷模块205，其通过气冷导管210、211与处理室201连接。由于气冷模块205被置于处理室201的下方，因此气冷导管210、211可缩短，由此可降低总空气阻力并允许使用较小和/或较少的气冷风扇。

气冷模块205具有进气通道260，该进气通道260被配置成接收来自气冷导管210的温暖空气，且气冷导管210抽吸来自处理室201的温暖空气。进气通道260通过热交换器261连接至出气通道264。来自进气通道260的温暖空气在通过热交换器261的同时会被冷却，并接着进入连接至气冷导管211的出气通道264，气冷导管211则将冷却气体提供至处理室201。进气通道260、热交换器261及出气通道264可被组装于外壳265中。

图9示出不具有外壳265的顶盖的气冷模块205的示意性俯视图。进气通道260具有被配置成连接气冷导管210的入口266。在一实施例中，过滤器被设置成横跨入口266，以过滤掉不想要的颗粒。来自气冷导管210的气体可通过多个通道268而由入口266进入热交换器261，这些通道268藉由多个隔板293在进气通道260中形成。藉由这些通道268，进入的气体可相对均匀地导引至热交换器261。

热交换器261提供具有多个冷却管270的空气通道，以使来自进气通道260的进入空气与流动于其中的冷却流体进行热交换。冷却流体(例如水)可从入口263流入多个冷却管270，并经过出口262流出多个冷却管270。类似于进气通道260，出气通道264亦包括多个隔板271以在热交换器261与入口267之间形成多个通道269，该入口267被配置成连接气冷导管。

气体面板模块207包括多个模块化组件，由此提供CVD外延室200的灵活性。图10示意性地示出根据本发明一实施例的气体面板模块207的前侧。图11示意性地示出根据本发明一实施例的气体面板模块207的后侧。

参照图10，气体面板模块207被包围在外壳291中。气体面板模块207包括两个或多个模块化载气混合板281，例如：氢气混合板以及氮气混合板。气体面板模块207被配置成提供用于沉积、腔室清洗及狭缝阀清洗的选择性和/或混合载气。在一实施例中，气体面板模块207使氢气及氮气皆可作为载气。

气体面板模块207进一步包括一个或多个模块化处理板283，其被配置成将处理气体提供至处理室。针对不同的处理而可将不同的模块化处理板283安装于气体面板模块207中。模块化处理板283可被设计成用于多种处理，例如毯覆式沉积、HBT、选择性硅沉积、掺杂式选择性硅锗以及掺杂式选择性硅碳应用。

气体面板模块207进一步包括质流验证控制器282，其被配置成控制由不同模块化板(例如板283、281)所供应的流速。流比控制器284亦可设置于气体面板模块207中，并配置成根据流比控制气流。

参照图11，气体面板模块207包括一个或多个配置以控制处理室201的组件网络块289，以及一个或多个具有用于整个处理室201的装置互锁的互锁板288。气体面板模块207进一步包括一个或多个气动块287，用于控制气体面板模块207中的不同阀。气体面板模块207被进一步配置成容纳一个或多个辅助板285，这些辅助板285被配置成供应其它气体，例如氯气。气体面板模块207亦可包括一个或多个互锁阀286，其被配置成控制在气体面板模块207与处理室201中的阀。

尽管前面内容针对的是本发明的较佳实施例，然可设计本发明的其它和另外的实施例而不脱离本发明的基本范围，且其范围由所附权利要求确定。

Claims (20)

1.一种模块化半导体处理单元，包括：

腔室，具有注入盖；

气体面板模块，被配置成通过所述注入盖将一种或多种处理气体供应至所述腔室，其中所述气体面板模块邻近所述注入盖放置；以及

灯模块，其置于所述腔室下方，所述灯模块具有多个垂直定位灯。

2.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述气体面板模块被置于距离所述腔室的所述注入盖约一英尺处。

3.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述腔室包括腔室主体以及绞接至所述腔室主体的腔室盖。

4.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括置于所述腔室上方的紫外光辅助模块和远程等离子体发生器之一。

5.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括置于所述腔室上方的上方反射器模块。

6.如权利要求5所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述上方反射器模块为水冷式。

7.如权利要求5所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述上方反射器模块为气冷式。

8.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述腔室包括至少为2英寸的排气管路。

9.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，其特征在于，所述气体面板模块包括一个或多个模块化气体板。

10.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括耦联至所述腔室及所述灯模块的气冷模块。

11.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括邻近所述腔室设置的水分配模块。

12.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括邻近所述腔室设置的AC(交流电)分配模块。

13.如权利要求1所述的模块化半导体处理单元，进一步包括邻近所述腔室设置的电子模块。

14.一种用于处理半导体基板的群集式工具，包括：

中央传输室，具有中央机械手；

至少一个加载锁，用工厂接口连接至所述中央传输室；以及

一个或多个模块化处理单元，被附连至所述中央传输室，其中所述一个或多个模块化处理单元包括：

处理室，具有注入盖及排气装置，所述处理室被配置成处理设置在其中的所述这些半导体基板；

气体面板模块，其邻近所述处理室的所述注入盖放置；

灯模块，具有多个置于所述处理室下方的垂直定位灯；以及

上方处理模块，置于所述处理室的上方。

15.如权利要求14所述的群集式工具，其特征在于，所述气体面板模块被置于距离所述处理室的所述注入盖约一英尺处。

16.如权利要求14所述的群集式工具，其特征在于，所述上方处理模块包括上方反射器模块、紫外光辅助模块以及远程等离子体发生器之一。

17.如权利要求14所述的群集式工具，其特征在于，所述模块化处理单元进一步包括耦联至所述处理室的气冷模块。

18.一种用于处理半导体基板的腔室，包括：

腔室主体，限定一处理容积并具有注入盖以及排出孔；

腔室盖，被绞接至所述腔室主体；

气体面板模块，被配置成将处理气体提供至所述腔室，并置于距离所述注入盖约一英尺处；

垂直灯模块，被配置成加热所述处理容积，并置于所述腔室主体的下方；

气冷模块，其与所述腔室主体连接；以及

上方反射器模块，置于所述腔室盖的上方。

19.如权利要求18所述的腔室，其特征在于，所述气体面板模块被配置成将两种载气提供至所述腔室。

20.如权利要求18所述的腔室，进一步包括：

电子模块；

AC分配模块；以及

水分配模块。

Images