TWI587369B - 用於磊晶成長的裝置與半導體加工工具 - Google Patents

Description

用於磊晶成長的裝置與半導體加工工具

本發明係關於一種用於半導體製程的加工腔體，更明確而言係關於在先進半導體製程的磊晶沈積中持續壓力控制的裝置。

對於一電子電路，特別係對於半導體製程當中製作在積體電路上的電子電路，現今一個共通的必要條件為材料的磊晶沈積。在習知技術中，利用不同的半導體材料可以在金屬氧化半導體電晶體(MOS transistor)的通道區域產生有利的應力與應變，此功效使得承載能力增加，於是加強電晶體的性能。在一應用中，矽基板在相鄰通道區域的源極區以及汲極區接收一具有較大晶格常數的材料(例如：鍺化矽)的一沈積。晶格常數的改變，可以發揮在通道區域上有利的應力與應變，藉此增加承載能力。其他製程步驟也可使用鍺化矽磊晶材料，此磊晶材料可在一化學氣相沈積加工腔體中完成沈積，此加工腔體內係一減壓或幾近真空。磊晶可堆積為層，或選擇性堆積成長在一特定區域，像是金屬氧化半導體電晶體的源極區或汲極區當中。

現今半導體加工工具提供一加工腔體以施行化學氣相沈積磊晶，但需要的是一個持續壓力控制的裝置以及方法，用於在製程期間對大幅度變化的壓力提供壓力控制。

根據本發明之一實施例提供一裝置，裝置包括：一加工腔體，配置用於接收一晶圓；至少一幫浦耦接於加工腔體，以維持在加工腔體當中的壓力；一流道入口用以接收反應加工氣體進入加工腔體；以及一壓力控制閥位於至少一幫浦之間，且壓力控值閥係配置用於密封加工腔體以控制加工腔體內的壓力。

在另一實施例中，上述裝置的幫浦使加工腔體維持低於大氣壓力的壓力。在另一實施例中，在裝置中壓力控制閥係耦接於一控制單元，此控制單元根據壓力量規而改變壓力控制閥的開啟。在另一實施例中，上述裝置的壓力控制閥包括一圓形擋板閥，此擋板閥可旋轉的裝設在一內部開口的閥體內，此圓形擋板閥在一外緣上具有一密封墊，其中當圓形擋板閥移動至關閉狀態時，擋板閥的密封墊交接於閥體的內部開口的內緣。在另一實施例中，圓形擋板閥更包括一凸緣，此凸緣係衝壓(machine)至用於接收密封墊的外緣當中。

在另一實施例中，在上述裝置中，圓形擋板閥更包括一圓形板，此板具有一最大直徑，其中此最大直徑至少較內部開口的最小直徑小0.04公釐。

在另一實施例中，密封墊係一O形環。在另一實施例中，此O形環具有一最大直徑，此最大直徑係大約相同於一內部開口的最小直徑。在另一實施例中，密封墊為一彈性體密封墊(elastomeric seal)。在另一實施例中，此彈性體密封墊包括氟化橡膠(fluorinated rubber)。

在另一實施例中，上述裝置中，加工腔體所接收的反應加工氣體係選自包括鍺烷、矽烷、二氯矽烷、四氯化矽以及氯化氫所組成的群組當中的至少一者。在另一實施例中，加工腔體當中的壓力小於1托。在另一實施例中，加工腔體當中的壓力為數個托。

根據本發明之一實施例提供一半導體加工工具，其中一用於磊晶成長的半導體加工工具，包括：一加工腔體，用於接受至少一半導體晶圓於一晶圓乘載架，加工腔體係密封的，以維持於一次大氣壓力(sub-atmospheric pressure)；一幫浦，耦接至加工腔體以維持加工腔體中的壓力；一壓力控制閥，設置於幫浦與加工腔體之間，且具有一密封墊用於密封加工腔體；一控制器，耦接至壓力控制閥以及一壓力量規，控制器用於根據壓力量規選擇性地關閉壓力控制閥；以及一流體入口，用於接收反應加工氣體進入腔體。

在另一實施例中，上述半導體加工工具中，壓力控制閥包括一圓形擋板閥，圓形擋板閥可旋轉地裝設在一具有內部開口的閥體當中，且圓形擋板閥具有一密封墊，其中當圓形擋板閥移動至關閉狀態時，圓形擋板閥的密封墊交接於閥體的內部開口的內緣。

在另一實施例中，圓形擋板閥的外緣上更包括一凸緣，用於接收密封墊。在另一實施例中，密封墊為一彈性體密封墊。在另一實施例中，彈性體密封墊包括氟化橡膠(fluorinated rubber)。

根據本發明之一實施例提供磊晶成長的方法，此 方法包括：放置至少一半導體晶圓進入一加工腔體，此加工腔體係耦接至一幫浦，以維持加工腔體於一次大氣壓力；在加工腔體中建立一第一減壓；引入反應加工氣體至加工腔體當中；使用一壓力控制閥，此壓力控制閥係耦接於幫浦與加工腔體之間，且至少部分地密封加工腔體；以及當半導體晶圓暴露於反應加工氣體以形成磊晶時，增加在加工腔體當中的壓力。在另一實施例中，上述引入反應加工氣體至加工腔體當中的步驟中，更包括引入一自實質上由鍺烷、矽烷、二氯矽烷以及氯化氫所組成的群組當中所選擇的反應加工氣體。

11‧‧‧加工工具

13‧‧‧加工腔體

15‧‧‧量規

17‧‧‧閥件

18‧‧‧排氣孔

19‧‧‧量規

20‧‧‧閥件

21‧‧‧幫浦

23‧‧‧壓力控制閥

24‧‧‧控制器

25‧‧‧晶圓

31‧‧‧閥部分

33‧‧‧殼體

35‧‧‧伺服馬達

37‧‧‧閥殼體

39‧‧‧擋板閥

41‧‧‧閥體

43‧‧‧密封墊

45‧‧‧凸緣

51、53、55、57、59、61‧‧‧步驟

第1圖顯示多個實施例中所使用的化學氣相沈積製程系統。

第2圖顯示一實施例的一閥件的俯視圖。

第3圖顯示第2圖的實施例的閥件結合一氣體控制閥件。

第4圖顯示一實施例的閥件包括一密封件的另一俯視圖。

第5圖顯示第4圖的實施例的閥件的側視圖。

第6圖顯示一實施例的閥件的部份結構的俯視圖。

第7圖顯示另一實施例的一閥件的剖面圖。

第8圖顯示一應用本發明之裝置的系統的壓力與時間的關係圖。

第9圖顯示一實施例的方法的流程圖。

以下詳細描述本發明較佳實施例的製造以及使 用。然而，應該理解的是本發明提供了許多可以在具體內文的廣泛變化下實現的可應用的發明概念。所討論的具體實施例僅僅顯示製造和使用本發明的具體方式，並不限制本發明的範圍。

第1圖顯示一非限定的實施例，此實施例可包含一化學氣相沈積系統。在第1圖中，舉例而言，一加工工具11可為一單一晶圓磊晶反應裝置，像是ASM所供應的E系列磊晶產物反應裝置(Eplison series epitaxial production reaction)，美國ASM位於85034-7200美國亞利桑那州鳳凰城大學道3440E號。這些實施例可應用於任何加工腔體工具，以及應用於多晶圓工具、多腔體工具或是單一腔體工具、單一晶圓工具。這些實施例不限制於任何特定製程工具或是設備。

第1圖中顯示一加工腔體13，加工腔體13接收一待加工的晶圓25。為了簡化說明內容，第1圖中雖然未顯示一包括用於接收多個晶圓的承載架、一用於移除加工完成的晶圓的承載架、一用於運送晶圓的真空負載鎖室(load lock)以及一用於夾持晶圓的機械手臂的晶圓承載系統，但此晶圓承載系統可被提供並使用於傳遞一新的晶圓至加工腔體13中加工。第1圖中顯示一閥件20，閥件20用於接收反應加工氣體。反應加工氣體藉由閥件20可調控地進入加工腔體13。鍺化矽的磊晶成長在一化學氣相沈積製程中完成，且沈積在一高溫中完成。典型所謂的「低溫」方法是使用於預先控制沈積材料的外形，並避免植入滲雜物的向外擴散。所使用的壓力是一減至低於大氣壓力的減壓。一量規19偵測低於100托的壓力。一幫浦21提供一方 法以控制腔體中的壓力。一量規15偵測高於1000托的壓力(大氣的壓力或是一大氣壓為760托)。一閥件17使氣體得以進入腔體，且排氣孔18允許腔體排氣至大氣中。

在加工過程中，反應加工氣體係引入加工腔體13當中作為鍺化矽的磊晶成長的材料。這些氣體可包括，例如：鍺烷、矽烷、二氯矽烷、四氯化矽以及氯化氫。其他氣體可用於清潔或淨化腔體以及晶圓。鍺化矽的磊晶成長較佳是在低含氧或無含氧的環境中進行。氣體以一層流(laminar flow)流過在腔體中的晶圓的表面，此晶圓放置於一在加工腔體13內的支撐件或是接受器(susceptor)。

在加工過程中，改變加工腔體13中的壓力是被期望的。舉例而言，加工腔體13內的期望壓力是在一1大氣壓以下，100托以下或甚至低於1托的次大氣壓力中開始，接著當反應製程氣體流入數個微托、數個托或是數百個托時，壓力開始增加。如圖所示般，壓力控制閥23在與幫浦21連結的情形下配置用於控制壓力。次大氣壓力可受量規19所偵測，舉例而言。一控制器24可偵測壓力並利用一閥件控制輸出訊號控制閥件20。控制器24可為一電腦、微處理機、個人電腦等，且包括自動規劃或人工偵測。

在習知技術中，壓力控制閥的組成包括一間隙。部分形成間隙的用意在於避免金屬火花在操作期間發生。一金屬(例如：不鏽鋼)用於形成一擋板閥，此擋板閥為圓形的板或盤。閥件可連同一殼體旋轉，以形成一封閉的閥件，或是完全展開以形成一開放軸(open shaft)。在加工腔體中所用的氣 體為可燃的。一個間隙形成於閥件與殼之間以避免閥件旋轉時產生火花，在此沒有金屬與金屬之間的接觸。當閥件關閉時，壓力維持低壓直至在系統中氣體循環的反應副產物充足地沈積於閥件上，以形成一密封墊。此製程是緩慢且不精確的，使得腔體壓力不易控制。在閥件關閉後需要一長的延遲時間，以達到理想壓力。此延遲減少生產量。並且，此延遲不易預測，因為「密封墊」是藉由磊晶製程的副產物的沈積所形成。

在一些實施例中，提供持續壓力控制以及允許腔體在壓力控制閥的控制下具有多種壓力是被期望的。再者，利用此實施例，腔體在需要時能夠完全密封且無延遲。

第2圖顯示一實施例的壓力控制閥23的閥部分31。在此實施例中，為清楚顯示，一密封部分加以省略。一0.05公釐的間隙，舉例而言，是顯示於擋板閥39的外緣與殼體內部分之間，其中擋板閥39是可旋轉地裝設在殼體33內。擋板閥39是一圓形且直徑相似殼體的內轉軸。間隙密封的方法將於下方說明。

第3圖顯示在一實施例中的一壓力控制閥23。一伺服馬達35耦接於具有一閥殼體37以及一擋板閥39的壓力控制閥23，其中擋板閥39是可旋轉地裝設在閥殼體37當中。伺服馬達35接受一控制訊號且壓力控制閥23依照控制訊號旋轉。

第4圖顯示上述實施例的擋板閥39的平面圖。一密封墊43是顯示設置圍繞於閥體41的外緣。閥體41可為一碟或圓形的板，閥體41係以不鏽鋼材質製成或是其他相容於系統中所使用的製程氣體或材料。提供一密封墊43。在一些實施例中， 密封墊43是一O形環。密封墊43可為一彈性體材料，當閥件關閉時，密封墊43具有足夠的直徑與閥殼體37的內表面形成一壓力密封。閥殼體37的內表面包括不鏽鋼襯墊。或者，整個閥殼體37可為不鏽鋼，或是使用其他材料。

第5圖顯示擋板閥39的側視圖。密封墊43顯示為設置在擋板閥體41的外邊緣上。

第6圖顯示閥體41不具有密封墊的側視圖，一形成在閥體41邊緣的凸緣45也顯示於其中，此凸緣45是用於接收密封墊43。如上所述，密封墊43是一O形環。密封墊43具有足夠的寬度以填補任何位於閥體41邊緣與閥殼體37內表面之間的間隙，且密封墊43安裝在凸緣45內。

第7圖顯示閥體41的凸緣於另一實施例中的其他形狀。在此實施例中，凸緣45在一表面(第一表面)具有一斜邊，且在另一表面(第二表面)具有一筆直的邊，以適當的接收密封墊43(未顯示於此圖式中)。此形狀易於夾持密封墊於定位。同樣的，舉例而言，閥體41可為不鏽鋼。並且，凸緣45更具有一鄰接第一表面之第一側表面、及一鄰接第二表面之第二側表面。如第7圖所示，第一側表面之高度係大於第二側表面之高度，且第一側表面與第二側表面位於相同平面。

第8圖顯示利用上述實施例的壓力控制閥在一系統中增加壓力時，壓力與時間的關係圖，且第8圖顯示當閥件關閉時，壓力隨著時間增長。在壓力控制閥關閉後，壓力僅於1.5秒內增加至40托。相較之下，先前技術所利用的壓力控制閥，壓力增加至40托所需的時間是超過10秒並接近11秒。於 是，傳統技術當中的系統生產量，因每次壓力增加的長時間等待而大幅下降。再者，上述實施例的壓力控制閥連同一控制器的使用則提供腔體內連續的壓力控制，因為壓力控控閥可部分或完全關閉並持續改變壓力。這是與習知技術的重要差異，習知技術中反應副產物必須沈積在閥件邊緣以增加壓力。

第9圖顯示一實施例中壓力控制方法的一流程圖。在第9圖中，製程自步驟51開始。在一實施例中，在一最初次大氣壓力下提供一半導體晶圓。在步驟53當中，一控制器24，像是第1圖實施例中所顯示的，接收一壓力偵測輸入訊號。在步驟55中進行一比較，假使壓力低於一期望門檻值，則關閉壓力控制閥以密封腔體(步驟59)。氣體將持續經由接收反應製程氣體的流體入口流入腔體，且在加工腔體中的壓力將增加。因為本實施例的壓力控制閥立即封閉腔體，壓力將快速增加，如第8圖所示。此方法持續再次進行步驟55，以偵測壓力。當壓力達到相同或高於門檻值，此方法轉變至步驟57。同樣的，進行壓力的比較，假使壓力大於壓力門檻值，此方法轉換至步驟61，在步驟61中壓力控制閥將部分開啟。此方法持續轉換至步驟53，如此一連續壓力控制迴路因此建立。

此實施例可藉由調整在一加工腔體工具中的現存設備而執行，在其中加入上述實施例的密封墊至壓力控制閥。或者，裝設一個新的壓力控制閥，以取代現存的設備，且包括一新的且具有上述實施例的密封墊的閥殼體。上述實施例可相容於現行的製程流程以及控制設備，且使用上述實施例不需調整所需的材料或是半導體晶片，並獲得上述實施例的優點。

雖然本發明已以較佳實施例揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧加工工具

13‧‧‧加工腔體

15‧‧‧量規

17‧‧‧閥件

18‧‧‧排氣孔

19‧‧‧量規

20‧‧‧閥件

21‧‧‧幫浦

23‧‧‧壓力控制閥

24‧‧‧控制器

25‧‧‧晶圓

Claims (9)

1. 一種用於磊晶成長的裝置，包括：一加工腔體，配置用於接收一晶圓；至少一幫浦，耦接至該加工腔體以維持該加工腔體中的壓力；一流體入口，用於接收多種反應加工氣體進入該腔體；以及一壓力控制閥，設置於該加工腔體與該至少一幫浦之間，並配置用於密封該加工腔體以控制該加工腔體當中的壓力；其中該壓力控制閥包括一圓形擋板閥，該圓形擋板閥可旋轉地裝設在一具有一內部開口的閥殼體當中，且該圓形擋板閥之一外緣具有：一密封墊，其中當該圓形擋板閥移動至關閉狀態時，該圓形擋板閥的該密封墊交接於該閥殼體的該內部開口的內緣；以及一凸緣，用於接收該密封墊，其中該凸緣具有用以接觸該密封墊之一第一表面及一第二表面，該第一表面為一斜邊，該第二表面為一直邊，並且該凸緣具有一鄰接該第一表面之第一側表面、及一鄰接該第二表面之第二側表面，該第一側表面之高度係大於該第二側表面之高度，且該第一側表面與該第二側表面位於相同平面；其中當該圓形擋板閥移動至關閉狀態時，一第一間隙形成於該第一側表面與該閥殼體的該內部開口的內緣，且一第 二間隙形成於該第二側表面與該閥殼體的該內部開口的內緣，該第一間隙的寬度相等於該第二間隙的寬度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於磊晶成長的裝置，其中該圓形擋板閥更包括一圓形板，該圓形板具有一最大直徑，其中該最大直徑較該內部開口的一最小直徑短。
3. 如申請專利範圍第2項所述之用於磊晶成長的裝置，其中該凸緣係周向環繞該圓形板之外緣。
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於磊晶成長的裝置，其中該密封墊係一O形環，且該O形環具有一最大直徑，該最大直徑係實質上相同於該內部開口的最小直徑。
5. 一種用於磊晶成長的半導體加工工具，包括：一加工腔體，用於接受至少一半導體晶圓於一晶圓乘載架，該加工腔體係密封的，以維持於一次大氣壓力；一幫浦，耦接至該加工腔體以維持該加工腔體中的壓力；一壓力控制閥，設置於該幫浦與該加工腔體之間，且具有一密封墊用於密封該加工腔體，其中該壓力控制閥包括一圓形擋板閥，該圓形擋板閥之一外緣具有一凸緣，用於接收該密封墊，其中該凸緣具有用以接觸該密封墊之一第一表面及一第二表面，該第一表面為一斜邊，該第二表面為一直邊，並且該凸緣具有一鄰接該第一表面之第一側表面、及一鄰接該第二表面之第二側表面，該第一側表面之高度係大於該第二側表面之高度，且該第一側表面與該第二側表面位於相同平面； 一控制器，耦接至該壓力控制閥以及一壓力量規，該控制器用於根據該壓力量規選擇性地關閉該壓力控制閥；以及一流體入口，用於接收多種反應加工氣體，以形成磊晶成長的材料於該半導體晶圓上；其中當該壓力控制閥位於關閉狀態時，一第一間隙形成於該第一側表面與該閥殼體的該內部開口的內緣，且一第二間隙形成於該第二側表面與該閥殼體的該內部開口的內緣，該第一間隙相等於該第二間隙。
6. 如申請專利範圍第5項所述之用於磊晶成長的半導體加工工具，其中該圓形擋板閥可旋轉地裝設在一具有一內部開口的閥體當中，當該圓形擋板閥移動至關閉狀態時，該圓形擋板閥的該密封墊交接於該閥體的該內部開口的內緣。
7. 如申請專利範圍第5項所述之用於磊晶成長的半導體加工工具，其中該圓形擋板閥更包括一圓形板，該圓形板具有一最大直徑，其中該最大直徑較該內部開口的一最小直徑短。
8. 如申請專利範圍第6項所述之用於磊晶成長的半導體加工工具，其中該凸緣係周向環繞該圓形板之外緣。
9. 如申請專利範圍第5項所述之用於磊晶成長的半導體加工工具，其中該密封墊係一O形環，且該O形環具有一最大直徑，該最大直徑係實質上相同於該內部開口的最小直徑。