CN101484980A - 外延室中基板的预清洁 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种处理基板的方法，该方法包括预清洁蚀刻与低压处理。预清洁处理包含：将基板引入处理室中；使蚀刻气体流入该处理室中；用该蚀刻气体处理该基板的至少一部份，以从基板表面上移除一污染或受损层；使该蚀刻气体的流动停止；排空该处理室以在该室中实现低压；以及在该低压下处理该基板表面。接着使用外延沉积在该基板表面上形成外延层。
Description
技术领域
本发明涉及外延室中基板的预清洁方法、系统与设备。更明确而言，本发明揭露一种在外延处理之前，先进行清洁处理以移除表面缺陷与污染物的外延沉积方法、系统与设备。
背景技术
外延层是生长于结晶基板上的结晶膜。下层基板通常用作正生长的膜的样版，所以外延层的结晶特性由下层结晶基板所决定。亦即，结晶基板为外延生长提供结晶用的种晶。例如，基板可以是单晶硅、硅锗、或绝缘层上覆硅(SOI)晶片。
一般利用化学气相沉积(CVD)以完成外延层的生长。基板晶片被载入CVD反应器中，并接着用诸如氦气、氩气、氮气或氢气的非反应性气体清洁反应器。随后，升高反应器的温度，并将载气与反应气体的混合物导入反应器中。反应气体可包含但不限于，硅烷(SiH4)、二硅乙烷(Si2H6)、三硅烷(Si3H8)、二氯硅烷(dichlorosilane(SiH2Cl2))、三氯硅烷(trichlorosilane(SiHCl3))、以及四氯化硅(silicon tetrachloride(SiCl4))。亦可导入诸如砷化氢(arsine(AsH3))、磷化氢(phosphine(PH3))以及二硼烷(diborane(B2H6))等掺杂气体。载气通常为氢气。当达成所需的外延层厚度时，可再度利用非反应性气体清洁反应器，并降低反应器温度。
不过，为了使外延处理顺利进行，将结晶表面上的缺陷与污染物降至最低是很重要的。在结晶表面上的结晶性缺陷与污染物会在诸如注入、间隔物蚀刻、湿式蚀刻、与任何其它晶片制作步骤的处理过程中增加。所以在外延沉积处理前，应移除受损以及/或受污染层以避免缺陷。在一个清洁方法中，例如，基板可在温度超过大约850℃至1000℃的氢气环境中退火，上述步骤是本领域中所述的氢气预烘烤。不过，上述高温处理从热预算这一方面来说是很昂贵的。在预烘烤步骤之后，则进行外延沉积处理。
因此，需要能提供一种在外延过程中减少热负担的处理。亦需要一种可在外延生长条件下进行的预清洁处理。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种处理基板的方法包含：将基板引入处理室中；将蚀刻气体导入该处理室中；用该蚀刻气体处理该基板的至少一部份，以从基板表面上移除污染或受损层；停止导入该蚀刻气体；排空该处理室以在该室中实现低压；以及在该低压下处理该基板表面以形成干净的基板表面。
附图说明
图1显示根据本发明的一个方面的多处理室的处理系统；
图2A至图2C显示根据本发明实施例的正在处理中的基板；
图3显示本发明实施例的蚀刻速率(埃/分钟)与氯化氢流速(标准升每分钟)的关系图；
图4显示本发明实施例的氧浓度(厘米-2)与蚀刻厚度(埃)的关系图；
图5显示本发明实施例的碳浓度(厘米-2)与蚀刻厚度(埃)的关系图；
图6显示本发明实施例的氯浓度(厘米-2)与蚀刻厚度(埃)的关系图。
具体实施方式
在阐述本发明的数个实施例以前，必须了解的是本发明并不受限于后述的详细构成与处理步骤。可以其它各种方式进行或实施本发明。
本发明的各种方面涉及在外延室中对基板进行预清洁的系统、设备与方法。因为熟悉此领域的人皆知有关外延沉积的半导体处理设备与技术，所以本发明中并不详加阐述公知技术的部分，以免不必要地阻碍本发明的特征。熟悉此领域者当知处理参数值会随着特定环境、基板种类等因素而改变。所以，不需要详细列出可能的数值与条件，因为这些数值可在了解本发明的原理之后即可决定。
本发明的实施例涉及在外延沉积之前，例如在使用蚀刻气体进行选择性外延沉积之前，先清洁例如硅晶片的基板。选择性硅外延沉积(Si-epitaxialdeposition)与硅锗外延沉积(SiGe-epitaxial deposition)，可使外延层生长于硅沟槽(Si moats)上而非生长于介电区域中。选择性外延可用于半导体装置中，诸如在上层的源极/漏极、源极/漏极延伸、接点插塞(contactplugs)、以及双极装置的底层沉积。通常，选择性外延处理涉及两个步骤：沉积与蚀刻。在硅与介电表面上的沉积与蚀刻是以相当不同的反应速度同时发生的。通过改变蚀刻剂气体(例如，氯化氢)的选择性处理条件，使沉积仅在硅表面上发生。
本发明的各种方面可在丛集工具(cluster tool)的一个或多个反应室中进行。通常，丛集工作是包含多个反应室的组合系统，其可进行各种包含基板中央寻找与定位、除气、退火、沉积以及/或蚀刻的功能。根据本发明的一实施例，丛集工具包含用以进行预清洁与选择性外延沉积处理的反应室。丛集工具的多个反应室被固定在中央传送室中，该中央传送室包覆用以在反应室之间传送基板的机械手臂。传送室通常维持真空状态并可提供一中间阶段，其中基板由一反应室传送至另一个反应室以及/或位于丛集工具的前端的负载闭锁室。两个可用于本发明的公知的丛集工具为
与
，二者皆可在位于加州圣塔克拉拉的Applied Materials公司购得。上述阶段化真空基板处理系统的详细说明揭露于1993年2月16日授证予Tepman等人且专利名称为「Staged-Vacuum Wafer Processing Systemand Method」的美国专利5186718中，在此以参考方式纳入该案的内容。然而，可视包含本清洁处理的特定制作步骤以改变反应室的实际设置与组合。
在本发明的一个方面中，一种处理基板的方法包含：将基板引入处理室中；导入一蚀刻气体至该处理室中；用该蚀刻气体处理该基板的至少一部份，以从该基板表面上移除污染或受损层；停止导入该蚀刻气体；排空该处理室以在该室内实现低压；以及在该低压下处理该基板表面而形成干净的基板表面。在一个实施例中，处理方法更包含在干净的基板表面上沉积外延层。举例来说，在基板表面上形成外延层的步骤是由选择性外延处理所完成的。在一个实施例中，选择性外延是在干净且由绝缘体包围的部份表面上进行的。在一些实施例中，处理步骤与沉积步骤是在相同的反应室中完成的。在其它的实施例中，这些步骤可在不同反应室中进行，例如，在真空闭锁的丛集工具中进行。
在另一实施例中，基板的温度介于大约600℃至约850℃之间。在另一实施例中，基板的温度小于或等于大约750℃。
在一实施例中，本发明的方法更包含在沉积外延层于基板表面上之前，先增加反应室的压力。在一范例中，用蚀刻气体处理基板时的压力是在大约10托至大约760托之间。在另一范例中，以低压处理基板表面的步骤发生在压力大约小于或等于1托时。
在另一实施例中，蚀刻气体包含卤素。例如，蚀刻气体可包含HCl、Cl2、Br2、CCl4、CH3Cl3、(CH2)2Cl2或其混合物等。
在另一实施例中，本发明的方法更包含将硅源气体、锗源气体、或上述的混合导入处理室中。含硅气体可包含例如，硅烷(silane(SiH4))。含锗气体可包含例如，锗烷(germane(GeH4))。
在另一实施例中，本发明的方法更包含，在沉积外延层于干净基板表面上之前，先导入具有非反应性气体的第三气体。在一范例中，非反应性气体包含氢气、氮气、氩气、氦气或上述的组合物等。在一范例中，导入第三气体与导入蚀刻气体的步骤大致同时发生。「大致同时」(substantiallycontemporaneously)一词是指当导入氢气与蚀刻气体的过程当中，至少有一段时间重迭。虽然导入气体的起始与结束时间不需要相同，不过在一些例子中是可以相同的。
在一实施例中，蚀刻气体的流速介于大约10毫升每分钟(sccm)至大约15,000毫升每分钟(sccm)。在另一实施例中，第二气体的流速介于大约1sccm至大约500sccm。在另一实施例中，第三气体的流速介于大约1标准升每分钟(slm)至大约100标准升每分钟(slm)。
在另一实施例中，在用蚀刻气体处理基板以将基板表面露出的步骤中，蚀刻速率介于大约1埃/分钟(
)至大约30埃/分钟()。
在本发明的一方面中，提供一种供给半导体基板的方法，其中该方法包含：将基板引入处理室中；导入一蚀刻气体至该处理室中；用该蚀刻气体处理该基板的至少一部份；停止导入该蚀刻气体；排空该处理室以在该室内实现低压；以及在该低压下处理该基板表面；以及在该基板表面上沉积一外延层。
参照图1，其显示丛集工具或多反应室处理系统10可与本发明的一方面一起使用。处理系统10可包含一个或多个负载闭锁室12、14以传送基板使其进出系统10。通常，因为系统10处于真空环境，负载闭锁室12、14可使置于系统10中的基板抽真空(pump down)。第一机械手臂20可在负载闭锁室12、14与第一组的一个或多个基板处理室32、34、36、38之间传送基板。每个处理室32、34、36、38可用以进行一些基板处理操作。尤其，处理室32是用以进行后述干式蚀刻处理的干式蚀刻室，以及处理室34是外延沉积室。处理室36、38可用以提供例如，圆形层沉积(cyclical layerdeposition，CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、除气、定位、以及其它基板处理。
第一机械手臂20亦可传送基板使其进出一个或多个传送室42、44。传送室42、44可用以维持超高真空条件，同时将基板传送到系统10中。第二机械手臂50可在传送室42、44与第二组的一个或多个处理室62、64、66、68之间传送基板。类似处理室32、34、36、38，处理室62、64、66、68可用以进行各种基板处理操作，包含后述的干式蚀刻处理，还有圆形层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、除气与定位。任一个基板处理室32、34、36、38、62、64、66、68可视需要而从系统10中移除。
参照图2A-2C，外延沉积处理的范例包括预清洁步骤以从基板70移除表面损伤与污染物72，接着进行外延沉积处理。为此，在进行外延沉积处理之前，待处理的基板70被载入处理室中以进行蚀刻处理，此步骤可移除损伤与污染物72而显露出基板表面76。在蚀刻过程中，蚀刻气体的成分很可能落在基板表面的钝化层上，因此需要加以移除。为了移除此钝化层，真空烘烤是在处理室中完成的，此时停止导入蚀刻气体且降低处理室的压力至例如小于1托。如图2B所示，基板表面76可维持外延层的后续生长。在一些范例中，较佳地可在由绝缘物74包围的一部份基板表面76上进行外延。
外延沉积处理可在诸如EPI CENTURA反应器中进行化学气相沉积以在基板表面76上形成外延层78，其中预清洁是在此室中进行的，且该处理室可在位于加州圣塔克拉拉的Applied Material公司购得。基板70的表面76可暴露于以沉积气体混合物为形式的硅，其包含硅(例如，四氯化硅(SiCl4)、三氯化硅(SiHCl3)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、氯硅甲烷(SiH3Cl)、二硅烷(Si2H6)、或硅烷(SiH4))与载气(诸如氮气、氩气以及/或氢气)。若基板70需要外延层78包含掺杂物时，含硅气体亦可包含合适的含掺杂物气体，诸如砷化氢(arsine(AsH3))、磷化氢(phosphine(PH3))以及或二硼烷(diborane(B2H6))。
范例
在一范例中，处理基板的条件为：800℃的温度、15托的压力、25/5slm的氢气流速以及不同流速的氯化氢。图3显示增加氯化氢的流速，而得到较高的蚀刻速率(埃/分钟)。
在其它范例中，根据0小时、4小时、与8小时的等待时间处理基板。表格1显示实验数据的结果，其包含预清洁处理的不同参数的识别码。处理参数的关键数据提供于表格2中。
表格1：预清洁处理条件的一览表
表格2：处理参数
| 参数 | 温度(℃) | 压力(托尔) | 锗烷/硅烷流量(sccm) | 氯化氢流量(sccm) | 氯气(slm) | 时间(秒) | 裸晶上的蚀刻速率(埃/分)钟) |
| G1 | 715 | 10 | 锗烷＝160 | 氯化氢＝360 | 5/5 | 180 | 9 |
| G2 | 715 | 10 | 锗烷＝160 | 氯化氢＝360 | 5/5 | 300 | 9 |
| G3 | 715 | 10 | 锗烷＝160 | 氯化氢＝360 | 5/5 | 60 | 9 |
| G4 | 715 | 20 | 锗烷＝240 | 氯化氢＝540 | 5/5 | 300 | 30 |
| G5 | 715 | 20 | 锗烷＝50 | 氯化氢＝540 | 5/5 | 120 | 7 |
| S1 | 715 | 80 | 硅烷＝15 | 氯化氢＝1000 | 5/5 | 600 | 1 |
| S2 | 715 | 200 | 硅烷＝15 | 氯化氢＝1000 | 5/5 | 600 | 1.7 |
| S3 | 715 | 80 | 硅烷＝0 | 氯化氢＝15000 | 5/5 | 600 | 4.2 |
| V | 715 | <1 | 0/0 | 120 | N/A | ||
| H | 715 | <5 | 35/5 | 60 | N/A | ||
| S | 715 | 20 | DCS＝400 | 氯化氢＝30 | 25/5 | 278 | GR＝6.5 |
| 硅锗硼 | 650 | 15 | 硅烷＝100锗烷＝260二硼烷＝50 | 氯化氢＝160 | 25/5 | 1000 | GR＝32.2 |
图4、图5与图6分别显示在干净基板界面上以具有S1、S2、S3的条件与非蚀刻控制下的氧、碳与氯的浓度(厘米-2)。这些图式显示被蚀刻的基板的厚度增加，在基板上的界面污染物的量减少。
本发明以上述的较佳实施例揭露，可了解的是本领域技术人员可轻易以其它等效实施例或组件取代而仍不会悖离本发明的精神。此外，许多修饰与变更仍不会脱离本发明所教示的范围。因此，本发明并不限定上述揭露的最佳实施例，而应以后附的权利要求书所界定。
Claims (20)
1.一种处理基板的方法，包含：
将基板引入处理室中；
将蚀刻气体导入该处理室中；
用该蚀刻气体处理该基板的至少一部份，以从基板表面上移除一污染或受损层；
停止导入该蚀刻气体；
排空该处理室以在该室中实现低压；以及
在该低压下处理基板表面以形成干净的基板表面。
2.如权利要求1所述的方法，更包含在该干净的基板表面上沉积一外延层。
3.如权利要求1所述的方法，其中在导入该蚀刻气体的步骤中，该基板的温度介于大约600℃至大约850℃。
4.如权利要求3所述的方法，其中在导入该蚀刻气体的步骤中，该基板的温度小于或等于大约750℃。
5.如权利要求2所述的方法，更包含在该干净的基板表面上沉积该外延层之前，先增加该处理室的压力。
6.如权利要求1所述的方法，其中该蚀刻气体包含一卤素。
7.如权利要求6所述的方法，其中该蚀刻气体包含HCl、Cl2、Br2、CCl4、CH3Cl3、(CH2)2Cl2或其混合物。
8.如权利要求1所述的方法，更包含将第二气体导入该处理室，该第二气体包含硅源气体、锗源气体或其组合。
9.如权利要求8所述的方法，其中该硅源气体包含硅烷(SiH4)。
10.如权利要求8所述的方法，其中该锗源气体包含锗烷(GeH4)。
11.如权利要求2所述的方法，更包含在该干净的基板表面上沉积一外延层之前，先将包含非反应性气体的第三气体导入该处理室中。
12.如权利要求11所述的方法，其中该非反应性气体包含氢气、氮气、氩气、氦气或其组合。
13.如权利要求1所述的方法，其中该蚀刻气体的流速介于大约10sccm至大约15000sccm。
14.如权利要求8所述的方法，其中该第二气体的流速介于大约1sccm至大约500sccm。
15.如权利要求11所述的方法，其中该第三气体的流速介于大约1slm至大约100slm。
16.如权利要求1所述的方法，其中在用该蚀刻气体处理该基板以露出基板表面的步骤中，蚀刻速率介于大约1埃/分钟至大约30埃/分钟。
17.如权利要求1所述的方法，其中用该蚀刻气体处理该基板以露出基板表面的步骤发生在压力介于约10托至约760托的情况下。
18.如权利要求1所述的方法，其中在该低压下处理该基板表面的步骤发生在约小于或等于1托的压力下。
19.如权利要求2所述的方法，其中在该干净的基板表面上形成一外延层的步骤是由选择性外延所完成的。
20.如权利要求19所述的方法，其中该选择性外延是在由绝缘体包围的干净基板的一部份上进行的。
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