CN100565786C - 在冷壁cvd***中抑制晶片温度偏移的***和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了在基座内使用一个或多个光纤的设备和相应方法，该光纤监测基座背面发射的辐射。光纤被过滤并转换为电信号。使用控制***，通过在沉积周期内保持该电信号不变而维持恒定的晶片温度。这克服了在低温和减压下在图形化晶片上非选择性外延和生长多晶硅时晶片温度变化引发的问题。

Description

在冷壁CVD***中抑制晶片温度偏移的***和方法
技术领域
本发明涉及半导体晶片制造领域。本发明尤其涉及非选择性外延生长中用于控制和/或补偿晶片温度变化的方法和***。
背景技术
在半导体行业中，外延用于在单晶半导体衬底上生长一层半导体材料，且其生长的方式使得晶体晶格得到保持。普通的例子为在硅衬底上生长外延硅层或者在硅衬底上生长锗硅合金层。这可以由化学气相沉积(CVD)在恰当的环境中完成。晶片加热到合适的温度，且含有所需成分的气体通过衬底上方，衬底通常为硅晶片。为了避免在反应室容器的壁上生长，优选仅仅加热晶片并保持反应室壁处于相对低的温度。
用于半导体行业的常见外延反应室包含透明的石英反应室腔体，气体通过该腔体。在石英腔体内，衬底位于基座上面。晶片和基座用高强度灯照射并加热到需要的温度。由于反应室腔体的石英壁吸收相对少的辐射，故可容易冷却。测量并控制基座的温度，并假设晶片的温度近似等于基座的温度。
图1a和1b阐述了一种简单的情况。基座10通常为具有碳化硅涂层的石墨圆盘，在其顶面加工一凹槽11以固定晶片(未示出)。由瞄准基座10背面的高温计12测量基座10的温度。高温计也可以瞄准晶片的顶面，直接测量晶片温度。然而，由于晶片表面的发射率不是恒定的，特别是当需要沉积图形化的晶片时，这不是测量晶片温度的好的方法。为了改善沉积层的均匀性，沉积过程中可以旋转基座10。
图2a、2b和2c示出了更为复杂的情形。基座20包含两个部分：如图2a所示的旋转的内部部分21和静止的外部部分22。旋转的内部部分21在凹槽23内固定晶片(未示出)并旋转。基座20的静止的外部部分22(例如，环)由和旋转的内部部分21相同的材料制成，但不旋转。这样做使得可以用热电偶28(在图2c的截面中示出)进行温度测量。
位于基座20背面中部的小凹槽25(在图2b的截面中示出)旨在接收如图2c所示的热电偶24的顶端。热电偶24与旋转的内部部分21一起旋转。静止的外部部分22经由热电偶孔26固定一个或多个热电偶28以测量晶片边缘的温度。所有热电偶24和28都连接到温度控制***27，以允许对基座20的中心和边缘温度的极为精确的控制。
尽管已经证实这些配置是有用的，但是这些配置存在显著缺点。
发明内容
本发明的申请人已经意识到前述常规***的诸多显著缺点。如下文所述，以低温和减压在图形化晶片上非选择性外延和多晶硅生长时，由于晶片温度变化会产生一个问题。
本发明的一方面涉及一种在基座内使用用于监测晶片背面发射的辐射的一个或多个光纤的方法和装置。该配置有着诸多益处，例如：
(1)由于在晶片的层内掺杂剂和锗的能级(level)更稳定，改善了外延层的质量；以及
(2)可以大幅减少调节在晶片内生长特定层或层序列的努力。
本发明的一个实施例涉及一种晶片制造装置，该装置包含基座(含有晶片支撑)、与基座连接以监测晶片底面的辐射的至少一个光纤、以及耦合到该至少一个光纤的光信号测量器。
本发明的另一个实施例涉及使用外延工艺制造晶片的方法。该方法包括如下步骤：接收晶片底面的光辐射、过滤出无法穿透晶片的辐射信号谱、并把过滤的辐射信号转换为电信号。该方法也包含，通过保持沉积周期内电信号不变而控制晶片温度的步骤。
本发明的又一实施例涉及减小外延反应室中具有不同图形或者不同厚度的场氧化物或氮化物的晶片之间的温度差异的方法。该方法包括如下步骤：在第一压力下将晶片加热到沉积温度，记录来自晶片背面的第一辐射信号电平，以及在小于第一气压的第二压力下的后续沉积周期中，控制温度使得来自衬底背面的第二辐射信号电平基本上等于所记录的第一辐射信号电平。
提供该简要概述，使得可以很快地理解本发明的性质。通过结合附图对本发明优选实施例的下述详细描述，可以更加全面地了解本发明。
附图说明
图1描述了外延反应室中现有技术的基座。
图2描述了外延反应室中另一个现有技术的基座。
图3描述了根据本发明优选实施例的基座。
具体实施方式
晶片温度近似等于基座温度这一假设，在高温下十分接近实际情况。在这点上，高温定义为生长速率为“输运限制”的温度区域。新反应物到晶片表面的扩散成为限制因素，且在该区域中生长速率仅适度地依赖于高温下的温度。在硅外延的温度高于850至950℃的情况下，前述***可以提供满意的结果。然而，在低温下，事实并非如此。在低温范围下基座温度是对晶片温度的不充分测量，其原因有两点。在这点上，低温定义为生长速率不是“输运限制”的温度区域。
首先，注意，在低温下晶片的生长速率是温度的强函数。在低温下，对于低于850℃的硅外延，生长速率由反应速率确定。该生长称为位于“动力学控制”区域，其特征在于强的温度关联。这种情况下，低温下的晶片和基座之间的温度差异比高温时更为明显。
接着，注意，在低温下，晶片和基座之间的热传递由辐射占主要地位转变为传导占主要地位。基座和晶片之间形成的薄的气体薄膜起着重要作用，压力降低时热传递减小。这意味着在低温和减压下，晶片和基座之间温度可能存在巨大差异。
正如W.B.de Boer等在Electrochemical Society Proceedings第99-10卷的“Emissivity Effects in Low-Temperature EpitaxialGrowth of Si and SiGe”中所述的，(晶片和基座之间的)温度差异并非主要问题，该文献在此被引用作为参考。问题在于，在图形化晶片上生长时，晶片的发射率改变。这改变了晶片和基座之间的热流，这反过来引起生长时晶片温度变化。这样的相当不可预见的温度偏移可能导致一个或多个有害效应：
i)沉积期间生长速率变化，晶片的层厚度不随沉积时间线性增加；
ii)在沉积期间诸如硼和磷的结合不恒定并且变化；
iii)当生长SiGe合金层时，锗的含量在沉积期间变化；以及
iv)当转换到不同图形或者不同厚度的场氧化物或氮化物时，晶片温度不同，需要经历精细复杂的返回步骤。
晶片的变化的发射率和晶片周围基座边缘的更为恒定的发射率也会引起晶片上的中心至边缘效应。在生长周期期间，中心温度的变化与晶片边缘的温度变化不同，即，层厚的中心至边缘变化和掺杂剂浓度随层厚的增加及图形而改变。
这里描述的问题是所谓的冷壁反应室的特征，且与加热方法无关。在这点上，由于生长速率及诸如硼和锗并入生长层的参数的高温依赖性，该问题例如当在低温和减压下在图形化晶片上生长覆盖层时就显得更加明显。在硅的覆盖沉积期间，在暴露下面的硅的窗口内沉积外延层，而在氧化物或氮化物顶部上沉积多晶硅(或多晶SiGe)。正是在通常覆盖90％以上晶片表面的氧化物和/或氮化物层上的生长，改变了晶片的发射率，引起温度变化。
解决上述问题的一个可能方法为测量真实的晶片温度，例如，采用利用适当的光学元件穿过石英反应室壁而瞄准晶片的高温计。然而，由于各种实际原因，这在现代的外延反应室中是不可能的。基本的问题为，晶片顶面的发射率在生长期间是变化的，当然尤其是在沉积图形化晶片时。只有已知辐射物体的发射率时，才能将高温计获得的辐射能量转变为温度。因此，除非已知发射率，否则发射率变化的晶片顶面的高温计读数无法转变为温度，在该配置中实际情况并非如此。
其它困难在于(虽然不是重要的但仍然是存在的问题)，高温计(1)趋于拾取加热灯的散射辐射，(2)石英工艺管在沉积时趋于形成薄的涂层。这两个效应都会趋于干扰精确的温度读数。应该理解的是，与测量晶片温度相对比，使用高温计测量基座温度是可能的，但并不理想且对偏移敏感。
本发明的一个实施例旨在绕过这些困难，同时解决晶片温度变化的问题。这一目标是通过在晶片下的基座中***光纤，使其接收(监测)来自晶片背面的辐射来实现。
注意，插在基座中的光纤可以用于例如溅射和反应离子刻蚀(RIE)设备。这种情况下，光纤的目的是测量晶片温度，为此必须已知背面发射率。此外，使用高温计和/或光纤的光学温度测量在快速热处理(RTP)设备中是常见的。但在这种情况下，该结构再次只考虑真实晶片温度测量，为此必须已知晶片发射率。
光纤将耦合到测量装置。该测量装置在本领域中是公知的，在此不对其详细描述。对于晶片是不透明的一部分光谱被过滤(带通滤波器)。随后用传感器将光信号转换为电信号。
为了保持固定的晶片温度，必须在沉积周期内保持该电信号不变。通过专用控制***可以容易实现这一点。晶片的背面可以被涂层或不被涂层。唯一的要求是，沉积一开始就保持光信号不变。
注意，并未修改前述的常规基座温度测量***(即图1中的元件12和图2中的元件24、28和27)。还应注意，晶片背面的发射率在该结构中不起作用。
在另一实施例中，可以在基座内***一个或多个光纤。在该结构中，一个光纤监测晶片中心，第二个光纤监测晶片边缘。通过沉积一开始就保持这两个光信号不变，还可以抑制中心到边缘的变化。注意，在晶片中心和晶片边缘处的晶片背面的发射率无需相同。***附加的光纤也是可能的，但应该在性能改善和测量/控制***复杂度增加之间权衡。
本领域技术人员也会意识到，这里描述的沉积周期内晶片温度变化的解决方案，也可以用于减小常规(外延)反应室中具有不同图形或不同厚度的场氧化物或氮化物的晶片之间存在的温度差异。
由于常规温度测量***(如前所述)并未被修改，因此常规温度测量***可以和本发明的各种实施例一起使用，以校准晶片温度。该步骤如下：在第一压力(例如一个大气压)下将晶片加热到沉积温度。在该配置中，晶片和基座之间的热耦合良好，晶片和基座之间的温度差异小。记录来自光传感器的信号电平，并且在减压的后续沉积周期内需要以这种方式控制温度，使得光传感器的信号基本上恢复为记录值。该步骤校准晶片温度，而不管其图形如何，并且在为具有不同掩模或不同电介质厚度的晶片安装反应室时可大幅节约成本。
图3a、3b和3c为根据本发明优选实施例的基座30的结构图。基座30包含两个部分：旋转的内部部分31和静止的外部部分32，如图3a所示。旋转的内部部分31在凹槽34内固定晶片33。注意，该结构图示出了一种复杂的情形，即，使用热电偶24和28进行温度测量的配置。基座30可以使用更简单的配置，例如，不带有热电偶24和/或28或者只有一个光纤。
如图3b所示，钻穿基座30形成两个孔35和36。一个孔36位于基座30中心附近，另一个孔35位于晶片33的边缘附近。光纤37和38分别插在孔35和36内，以拾取晶片33背面发射的辐射(图3c)。例如，当工艺进行过程中温度非常高时，先纤37和38可由蓝宝石(Al2O3)制成，或者当温度范围适中时，光纤37和38可由石英(SiO2)制成。光纤37和38也可以集成到支撑基座30(未示出)的(石英)结构中。
光纤37和38耦合到测量装置39。对于晶片是不透明的一部分光谱(带通滤波器)被过滤。随后使用传感器40把光信号转化成电信号，该传感器产生反馈控制信号。控制***43接收该反馈控制信号，例如，根据该反馈控制信号将沉积周期内的晶片温度维持不变。
基座30旋转使光信号耦合到测量装置39变得复杂。并不将来自光纤37和38的光信号转变为电信号(例如，在传播到滑动接触上之前)，正如处理热电偶24的信号一样，优选地将旋转的光纤37和38光学耦合到静止的监测装置41。在一个基座30旋转期间，每个光纤37和38当经过光多路复用器42时，在短时间的旋转周期内通过光多路复用器42将光信号传输到监测装置41。这使得可以最小化整体***的元件/部分的数目，还允许来自光纤37和38的两个信号经过相同的光学和电学路径，这减小了信号处理路径内偏移的影响。
已经结合特定的说明性实施例描述了本发明。应当理解的是，本发明不限于上述实施例及其修改，本领域普通技术人员在不离开所附权利要求书的精神和范围的情况下可以进行各种变化和修改。

Claims (11)

1.一种晶片制造设备，包括：
包括晶片支撑(11)的基座(30)，该晶片包括顶面和底面，所述基座(30)包括旋转部分(31)和静止部分(32)；
至少两个光纤(37、38)，其连接到基座(30)的旋转部分(31)，使得可以监测来自晶片底面的辐射，其中所述至少两个光纤(37、38)设置成与旋转部分(31)一起旋转；以及
光信号测量器(39)，所述光信号测量器(39)通过静止的监测装置(41)在光学上耦合到所述至少两个光纤(37、38)。
2.根据权利要求1所述的晶片制造设备，其特征在于：
所述监测装置(41)设置有光多路复用器(42)，并且所述至少两个光纤(37、38)在旋转周期期间通过光多路复用器(42)将光信号传输到监测装置(41)。
3.根据权利要求1的晶片制造设备，
两个光纤(37、38)中，第一光纤(37)位于基座中心附近，第二光纤(38)位于晶片边缘附近。
4.根据权利要求1的晶片制造设备，其中光信号测量器(39)过滤来自所述至少两个光纤(37、38)的光信号，将过滤的光信号转换为电信号，并提供反馈控制信号。
5.根据权利要求1的晶片制造设备，其中所述至少两个光纤(37、38)插在基座(30)的旋转部分(31)的孔(35)内以接近晶片底面。
6.根据权利要求1的晶片制造设备，其中所述至少两个光纤(37、38)包括蓝宝石(Al2O3)或石英(SiO2)。
7.根据权利要求1的晶片制造设备，其中还包括被布置用于测量基座(30)温度的热电耦(24)或者高温计。
8.根据权利要求4的晶片制造设备，其中还包括接收反馈控制信号并在沉积周期内维持晶片温度不变的控制***(43)。
9.一种使用外延工艺通过根据权利要求1的晶片制造设备制造晶片的方法，该方法包含如下步骤：
接收来自晶片背面的光学辐射信号；
过滤出对于辐射信号的光谱来讲晶片不透明的所述辐射信号的光谱；
将过滤的辐射信号转换为电信号；以及
通过在沉积周期内保持电信号不变而控制晶片温度。
10.根据权利要求9的方法，其中接收步骤包含接收来自晶片中心的第一光学辐射信号和来自晶片边缘的第二光学辐射信号。
11.根据权利要求10的方法，其中控制步骤包括，从沉积开始就保持第一和第二光学辐射信号不变。
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