[发明专利]使用承载器扩展的晶圆加工

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年12月30日提交的申请号为61/428,250的美国临时专利申请的申请日的利益，上述申请的内容通过引用被加入本文中。

背景技术

本发明涉及晶圆加工装置、用在这种加工装置中的晶圆承载器以及晶圆加工方法。

通过在衬底上实施的加工工序形成多个半导体装置。衬底典型地是结晶材料板，通常被称为“晶圆”。典型地，晶圆是由结晶材料形成的并且是圆盘形式的。一种普通的加工工序是外延生长。例如，由化合物半导体(例如III-V族半导体)形成的装置典型地通过使用金属有机化学气相沉积或“MOCVD”生长化合物半导体连续层来形成。在该过程中，晶圆被暴露至气体混合物，气体混合物典型地包括金属有机化合物(例如III族金属源)并且也包括V族金属源，气体混合物流经晶圆的表面，同时晶圆被保持在高温下。典型地，金属有机化合物和V族源与基本不参与反应的载气(例如氮气)混合。III-V族半导体的一个例子是氮化镓，通过有机金属镓化合物和氨在具有合适的晶格间距的衬底(例如蓝宝石晶圆)上的反应，能够形成氮化镓。典型地，在氮化镓和相关的化合物的沉积过程中，将晶圆保持在约500-1100°C的温度下。

在稍微不同的反应条件下，例如加入能够改变半导体的晶格结构和带隙的其他III族或V族元件，通过在晶圆的表面上连续地沉积多个层来制成合成装置。例如，在基于氮化镓的半导体中，铟、铝或者两者能够以不同的比例用于改变半导体的带隙。同样，P型或N型掺杂物能够被添加从而控制每个层的传导率。在所有的半导体层已被形成之后，并且典型地，在已经施加了合适的电接触之后，晶圆被切成单独的装置。以这种方式能够制造例如发光二极管(“LED”)、激光器以及其他的电子和光电装置。

在典型的化学气相沉积过程中，多个晶圆被保持在通常称为晶圆承载器的部件上从而每个晶圆的上表面暴露在晶圆承载器的上表面上。晶圆承载器然后被放置在反应腔体内并且被保持在期望的温度下，同时，气体混合物流经晶圆承载器的表面。在加工过程中在承载器上各种晶圆的上表面上的所有位置处，保持一致的状况是重要的。加工状况的变化会导致最终的半导体装置特性的不期望的变化。例如，沉积速度的变化能够导致沉积层的厚度的变化，这进而能够最终装置的不一致的特性。因此，迄今为止，在本领域内相当大的努力都致力于保持状况一致。

在工业中广泛采用的一种CVD装置使用大圆盘形式的晶圆承载器，这种盘体上具有多个晶圆把持区域，每个晶圆把持区域用于把持一个晶圆。晶圆承载器被支撑在反应腔体内的心轴上从而使得具有晶圆的被暴露表面的晶圆承载器的上表面向上地朝向气体分配元件。当心轴被旋转时，气体被向下地引导到晶圆承载器的上表面上并且朝晶圆承载器的边缘流经上表面。向外流动的气体形成了覆盖晶圆承载器的上表面的边界层。所使用的气体向下地绕晶圆的边缘流动并且从反应腔体经设置在晶圆承载器下方的出口被排出 。晶圆承载器通过加热元件被保持在期望的高温下，加热元件典型地是设置在晶圆承载器的下表面下方的电阻加热元件。

特定的处理工序的速率（例如传质控制生长状况下MOCVD工序中生长速率）与边界层厚度负相关。对于无限大的承载器，理论上预测速率与边界层厚度成反比。这意味着，边界层越薄，生长速率越大。这反映出这样一个事实，即，当边界层更薄时，活性基团会花费更少的时间经边界层扩展到晶圆承载器的表面和晶圆的表面。因此，薄的和一致的扩散边界层是期望的以在MOCVD的外延生长过程中获得一致和快速的沉积速率。边界层厚度能够通过改变旋转速率和反应器内的压力而被控制，并且与这两个参数的平方根成反比。其也能够通过改变气体混合物的动态粘滞度而被控制。动态粘滞度是混合物中不同气体部分的函数以及承载器和进入温度的函数。

典型地，在反应器内流动状况稳定和基本上均匀地加热晶圆承载器的情况下，在大多数晶圆承载器表面上能够获得均匀的边界层厚度。然而，靠近晶圆承载器的边缘处，气体流的方向开始在晶圆承载器上从径向改变成向下流动，向下的气体流将腔体从晶圆承载器携带至排气口。在晶圆承载器的靠近边缘的边缘区域，边界层变得更薄并且因此加工速率明显增加。例如，如果晶圆被设置在承载器上，并且晶圆的一部分被设置在边缘区域，化学气相沉积工序会形成厚度不一的层。较厚部分会形成在晶圆的设置在边缘区域的部分上。