[发明专利]干式蚀刻以及外延沉积工艺及装置

说明书

技术领域

本发明涉及外延沉积方法、系统以及设备，尤其涉及利用清洁工艺以在外延工艺前移除表面氧化物的外延沉积方法、系统与设备。 

背景技术

外延层是生长于结晶基材上的结晶膜。下层基材当作生长膜的垫层(template)，以使外延层的结晶图案特性可由下层结晶基材所定义。也就是，结晶基材为外延生长提供结晶图案籽晶。基材诸如为单晶硅、硅锗或绝缘层上覆硅晶片(SOI wafer)。 

外延层的生长通常使用化学气相沉积(CVD)来实现。将基材晶片载入CVD反应器中，并接着以非活性气体-例如，氦气(He)、氩气(Ar)、氮气(N₂)或氢气(H₂)-清洗。接着升高反应器的温度，并将载气与活性气体混合导入反应器中。活性气体可包含，但不限于，硅甲烷(SiH₄)、硅乙烷(Si₂H₆)、硅丙烷(Si₃H₈)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、三氯硅烷(SiHCl₃)以及四氯硅烷(SiCl₄)。亦可导入掺杂气体，诸如砷化氢(AsH₃)、磷化氢(PH₃)与二硼烷(B₂H₆)。载气通常为氢气。当达到外延层的所需厚度时，可再次使用非活性气体以清洁反应器，同时降低反应器温度。 

然而，为了使外延工艺成功进行，必须将结晶基材上的氧化物减少至最低。若基材的表面氧含量太高，将会不利地影响外延生长工艺，因为氧原子会妨碍沉积材料在籽晶基材上的结晶位置。例如，在硅外延沉积中，结晶基材上的过多氧会因为氧原子的原子大小丛集而使硅原子偏离外延位置。随着外延层生长厚度增加，此局部原子错置会造成后续原子排序的错误。这样的现象也称做堆垛层错(stacking fault)或称做凸块缺陷(hillockdefect)。基材表面可能发生氧化，例如，当基材在不同工作平台间传送而暴露在大气中时。 

为了避免因表面氧化而造成的缺陷，在外延沉积工艺之前应该先将残余的表面氧由结晶基材上移除。例如，基材可在氢气气氛中以超过1000℃的温度退火，此步骤可称为氢气预烘烤(hydrogen pre-bake)。然而，这样的高温工艺较为昂贵。因此，替代地，在将基材载入外延反应器前通常进行外部(ex-situ)湿式稀释氢氟酸蚀刻。此工艺在本领域中有时是指氢氟酸最后清洁(HF-last)工艺。在浸润之后可干燥基材，并用氢气(用于硅基材时)钝化，而氢气对基材而言，可将减缓原生氧化物生长的硅-氢键(Si-H bond)填充基材表面，此步骤可发生于晶片由湿式氢氟酸蚀刻平台转移至外延反应器时暴露在大气的过程中。由于仍有微量的氧化作用发生(假设暴露至大气的机会降至最小)，可原位(in-situ)进行相对光氢气预烘烤，例如在小于900℃的温度下进行30至120秒。在预烘烤步骤之后，可进行外延沉积工艺。 

虽然HF-last的预清洁步骤可有效移除基材表面上的原生氧化物，但是此步骤将某些复杂因素导入制造工艺中。第一，由于为湿式处理，HF-last步骤会增加湿式清洁平台与外延沉积反应器之间原有排队时间。第二，在HF-last的预清洁步骤中使用稀释氢氟酸溶液的等向蚀刻会下切氧化物。最后，在硅基材中使用的氢氟酸溶液的选择性问题会随着氧氮化硅蚀刻速率而升高。减少上述发生在工艺中的任何问题即可改进生产量。因此需要将湿式氢氟酸预清洁步骤取代成干式预清洁步骤，而干式清洁步骤可轻易地整合至“零环境暴露”(zero-ambient exposure)的工艺系统中。 

发明内容

在本发明的一个方面中，多腔体工艺设备包含干式蚀刻处理器，所述干式蚀刻处理器包含适于形成等离子体的腔体，而腔体可与外延沉积反应器真空密闭连接。利用等离子体的干式蚀刻工艺是在干式蚀刻处理器中的基材上进行，以将氧化物从基材表面上移除，并使外延表面暴露。基材接着从干式蚀刻处理器转移至外延沉积反应器而不暴露于环境空气中。外延沉积反应器接着可在外延表面上形成外延层。