CN112201568A - 一种用于硅片的外延生长的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于硅片的外延生长的方法及设备，所述方法包括：将所述硅片放置在反应腔室内部的圆盘状的基座上的第一步骤；经由进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀的第二步骤，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层的第三步骤。

Description

一种用于硅片的外延生长的方法和设备
技术领域
本发明涉及半导体领域中的硅片外延生长技术，尤其涉及一种用于硅片的外延生长的方法和设备。
背景技术
硅片的外延生长工艺是半导体芯片制造过程中的一个重要工艺，该工艺是指在一定条件下，在经抛光的硅片上再生长一层具有相同晶体取向的单晶硅薄膜，即外延层，从而获得外延硅片。外延硅片因为其良好的晶体结构、更低的缺陷密度和优秀的导电性能，广泛应用于高性能半导体器件的生产制造。硅片的外延生长主要包括真空外延沉积、气相外延沉积以及液相外延沉积等生长方法，其中以气相外延沉积的应用最为广泛。如果没有另外说明，本发明提及的外延生长都是指通过化学气相沉积方式完成的外延生长。
在常规的外延生长过程中，能够使硅片进行外延生长的硅源气体通常首先或者说最早接触硅片的径向边缘区域，导致在该区域上生长的外延层的厚度较大，从而影响了外延层的厚度均匀性进而影响了最终获得的外延硅片的表面平坦度。
随着半导体制程工艺的不断发展，对外延硅片的外延层的厚度均匀性以及外延硅片的表面平坦度的要求也越来越高，通过常规的外延生长方法获得的外延硅片常常无法满足更高的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于硅片的外延生长的方法和设备，能够改善硅片在经过外延生长后所获得的具有外延层的外延硅片的平坦度。
本发明的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的方法，所述方法包括：
将所述硅片放置在反应腔室内部的圆盘状的基座上的第一步骤；
经由进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀的第二步骤，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；
经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层的第三步骤。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的设备，所述设备包括：
外延反应装置，所述外延反应装置包括：围闭出反应腔室的钟罩；所述反应腔室内部的圆盘状的基座，所述基座构造成承载所述硅片；进气口，所述进气口构造成向所述反应腔室中输送反应气体，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；
刻蚀气体供应装置，所述刻蚀气体供应装置构造成经由所述进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀；
硅源气体供应装置，所述硅源气体供应装置构造成在所述刻蚀气体供应装置将刻蚀气体输送到所述反应腔室之后，经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层。
本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的方法及设备，在将硅源气体输送到反应腔室以在硅片的表面上生长外延层之前，先将刻蚀气体通入到反应腔室中以对硅片进行刻蚀，以将硅片的在外延生长过程中会生长较厚的外延层的区域的厚度减薄，使得随后在该区域生长较厚的外延层后，最终获得的外延硅片的平坦度能够得到改善。
附图说明
图1为现有的外延反应装置的示意图；
图2为常规方法中硅片直径方向上的不同位置与外延层厚度之间的关系的示意图；
图3为常规方法中外延硅片的表面平坦度的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的方法的示意图；
图5为本发明实施例提供的方法中刻蚀气体流经硅片表面的示意图；
图6为以图5所示方式输送刻蚀气体的情况下硅片直径方向上的不同位置与去除厚度之间的关系的示意图；
图7为本发明实施例提供的方法中基座下降后硅源气体流经硅片表面的示意图；
图8为基座下降前后外延层厚度的比较图；
图9为本发明实施例提供的方法的重复生产有效性的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的设备的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，其示出了现有的外延反应装置110A的示意图。该装置110A可以包括：
围闭出反应腔室RC的钟罩111A，其中图1中示出了上钟罩111A-1和下钟罩111A-2；
反应腔室RC内部的圆盘状的基座112A，该基座112A构造成承载抛光后的硅片W；
基座支撑架114A，该基座支撑架114A用于支撑基座112A并在外延生长期间驱动基座112A以一定速度绕装置110A的中心轴线XA旋转，由于晶片W承载于基座112A，因此晶片W随基座112A一起绕中心轴线XA旋转；
进气口113A，该进气口113A构造成向反应腔室RC中输送比如硅源气体和载气的反应气体，如在图1中通过进气口113A处的箭头示出的，其中，进气口113A位于基座112A的径向外侧并且基座112A处于与进气口113A齐平的高度处；
排气口115A，该排气口115A用于将反应尾气排出反应室RC，如在图1中通过排气口115A处的箭头示出的；
多个加热灯泡116A，所述多个加热灯泡116A设置在上钟罩111A-1和下钟罩111A-2的***并用于透过上钟罩111A-1和下钟罩111A-2在反应室RC中提供高温环境。
在常规的外延生长过程中，由于进气口113A与基座112A的上述位置关系，经由进气口113A输送到反应腔室RC中的硅源气体最早接触抛光后的硅片W的径向边缘区域，导致在该区域上生长的外延层的厚度较大。具体地，参见图2，图2以在直径为300mm的硅片上生长3μm的外延层为例示出了常规外延生长方法中硅片直径方向上的35个点处的外延层厚度，其中横坐标表示硅片的直径，纵坐标表示外延层厚度。从图2可见，硅片中心区域的外延层厚度保持在3μm左右，而边缘区域比如距离硅片中心148mm的位置处的外延层的厚度达到了3.096μm，边缘区域生长的较厚的外延层影响了外延硅片的平坦度。另外参见图3，图3以直径为300mm的硅片为例通过硅片不同区域的局部平坦度（Site front quotient range，SFQR）值示出了常规外延生长方法中外延硅片表面的平坦度，其中，通过26mm×8mm的局部site将硅片划分为324个site区域并获得每个site区域的SFQR值，该值越大表示该site区域的平坦度越差。从图3可见，数值较大的site区域主要集中在硅片的边缘区域，或者说对于该外延硅片而言，平坦度较差的区域主要集中在该硅片的径向边缘区域。
为了改善硅片在经过外延生长后所获得的具有外延层的外延硅片的平坦度，参见图4，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的方法，所述方法可以包括：
将所述硅片放置在反应腔室内部的圆盘状的基座上的第一步骤S101；
经由进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀的第二步骤S102，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；
经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层的第三步骤S103。
本发明实施例提供的上述方法可以利用如图1中示出的外延生长装置100A实现，或者说所述方法中涉及到的反应腔室、基座、进气口可以是图1中示出的外延生长装置100A中的反应腔室RC、基座112A、进气口113A。例如，可以利用Applied Materials公司的300mmEpi Centura型号的外延反应装置实现。
对于上述步骤S102中对硅片表面进行刻蚀，参见图5，其示出了刻蚀气体被输送到反应腔室之后流经硅片表面的情况，如图5所示，由于气流方向和腔体结构的原因，刻蚀气体对硅片边缘部分有更强烈的刻蚀作用。另外参见图6，图6同样以直径为300mm的硅片为例示出了以图5所示方式输送刻蚀气体的情况下硅片直径方向上的35个点处的去除厚度，其中横坐标表示硅片的直径，纵坐标表示去除厚度。从图6可见，在硅片的径向边缘区域，即距离硅片的径向中心145mm至148mm的区域以及距离硅片的径向中心-145mm至-148mm的区域内，硅片被刻蚀的厚度最大，换言之，硅片在径向边缘区域被刻蚀的量最大。另一方面，如在前文中介绍的，在外延生长的过程中，在硅片的径向边缘上生长的外延层的厚度较大。由此，在硅片的较薄区域上生长了较厚的外延层，或者说通过减薄硅片在径向边缘处的厚度补偿了硅片径向边缘外较厚的处延层，从而能够使最终形成的包括硅片和外延层的外延片的表面的平坦度得到改善。
优选地，所述刻蚀气体可以为氯化氢（HCL）气体。
优选地，所述氯化氢气体的流量可以为0.5slm至2slm，其中slm为流量单位，其含义为1个大气压以及25摄氏度的条件下每分钟流通的以立方厘米为单位的体积值，并且输送时间可以为10s至30s。
优选地，所述硅源气体可以为三氯氢硅（TCS）气体，也可以为硅、二氯硅烷和四氯硅烷等气体，优选地，三氯氢硅的流量可以为10slm至20slm。
在本发明的优选实施例中，所述方法还包括所述第二步骤与所述第三步骤之间的将所述基座降低以使所述基座处于低于所述第一高度的第二高度处的第四步骤。对于该第四步骤，其目的在于改善在硅片上生长的外延层的厚度均匀性。具体地，参见图7，图7示出了在将基座从图5所示位置下降一定距离后硅源气体被输送到反应腔室之后流经硅片表面的情况。如图7所示，当基座下降一定距离之后，一定程度上妨碍了输送至反应腔室中的硅源气体与硅片的边缘区域接触，硅片的径向边缘区域生长的外延层的厚度与常规生长方法相比实现了下降。具体地，参见图8，图8示出了基座下降前后外延层厚度的比较图，其中，横坐标和纵坐标含义与图2中相同，并且曲线C8-1为图2中示出的曲线以便进行比较，曲线C8-2表示出了本发明实施例提供的方法中，基座处于低于所述第一高度的第二高度处的情况下的生长的外延层的厚度。从图8可见，通过首先将基座从与进气口保持齐平下降一定距离，然后再向反应腔室中输送硅源气体，硅片边缘的外延层厚度陡峭得到明显改善，具体地，例如在距离硅片中心148mm的位置处，所生长的外延层的厚度从3.096μm下降到3.027μm，或者说边缘区域生长的外延层的厚度与中心区域生长的外延层的厚度之间的差异减小，由图8中示出的数据可以计算得出外延层厚度的均匀性从1.72%优化到0.74%，由此改善了外延层的厚度均匀性。
对硅片进行刻蚀以及在硅片表面生长外延层都需要在高温环境中进行并且硅片自身需要达到一定温度，因此，在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括所述第一步骤与所述第二步骤之间的对所述硅片进行预热处理的第五步骤。优选地，硅片可以在氢气氛围中进行预热处理，优选地，硅片的升温速率可以保持在6.5-8.5℃/s，此升温速率是为了满足一定生产效率的同时，确保硅片不出现因为快速升温导致的硅片变形，以及防止晶体缺陷比如滑移线的产生，并且优选地，硅片可以升温至1050℃-1150℃。
经过抛光的硅片表面存在自然氧化物以及有机物，这些物质影响后续外延层的生长，或者使生长的外延层的质量下降，因此，在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括所述第五步骤与所述第二步骤之间的在氢气氛围下烘烤所述硅片的第六步骤。在一个示例中，氢气可以经由所述进气口输入到反应腔室中，以便在高温环境下与硅片表面的自然氧化物以及有机物发生反应，从而将硅片表面的这些杂质去除，避免对后续外延生长过程造成影响。优选地，对硅片进行烘烤的温度可以为950℃-1250℃，对硅片进行烘烤的时间可以为10s-30s。
在本发明的优选实施例中，所述方法还可以包括所述第二步骤与所述第三步骤之间的利用氢气经由所述进气口对所述反应腔室进行吹扫以清除所述反应腔室中的刻蚀气体的第七步骤。
对于基座的第一高度与第二高试之间的间距，或者说基座需要下降的距离，如果基座下降距离太大，则输送到反应腔室中的硅源气体不容易与硅片表面接触，降低了硅片外延生长的速率并且会造成硅源气体的浪费，另一方面，如果基座下降距离太小，则不能够充分减小在硅片的边缘区域生长的外延层的厚度，无法使外延层的厚度均匀性得到充分改善。因此，在本发明的优选实施例中，所述第一高度与所述第二高度之间的间距为0.5mm至2mm，或者说与进行硅片的刻蚀相比，基座下降0.5mm至2mm以进行硅片的外延生长，这样的下降距离即能够保证硅片的外延生长速率又能够保证生长的外延层的厚度均匀性。
在一个示例中，本发明实施例提供的用于硅片的外延生长的方法可以按照下面示出的表1中示出的各项参数进行。
步骤① 步骤② 步骤③ 步骤④ 步骤⑤ 步骤⑥
名称 硅片载入 升温 H2烘烤 HCL表面刻蚀 吹扫 薄膜沉积
H2 流量 (slm) 50 50 50 50 50 50
HCL 流量 (slm) 0 0 0 1 0 0
TCS 流量 (slm) 0 0 0 0 0 15
反应腔温度(℃） 750 7.5℃/s 1130 1130 1130 1130
基座高度（mm) 0 0 0 0 -1 -1
表1
为验证本发明实施例提供的方法的重复生产有效性或可重复实现性，参见图9中示出的曲线图，其中横坐标表示连续生产的硅片数，纵坐标表示局部平坦度最大值SFQRmax的差值，即Delta SFQR，曲线C9-1表示常规方法对应的曲线，曲线C9-2表示本发明实施例提供的方法对应的曲线。由图9可见，随着硅片的连续生产，使用常规方法的情况下，Delta SFQR在持续增加，局部平坦度变差，使用本发明实施例提供的方法的情况下，Delta SFQR数值一直稳定在0左右，说明本发明实施例提供的方法有效且可重复性较好。
参见图10，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延生长的设备100，所述设备100可以包括：
如在图10中用虚线方框框出的外延反应装置110，所述外延反应装置110包括：围闭出反应腔室RC的钟罩111，其中图10中示出了上钟罩111-1和下钟罩111-2；所述反应腔室RC内部的圆盘状的基座112，所述基座112构造成承载所述硅片W；进气口113，所述进气口113构造成向所述反应腔室RC中输送反应气体，如在图10中通过进气口113处的箭头示出的，其中，所述进气口113位于所述基座112的径向外侧并且所述基座112处于与所述进气口113齐平的第一高度处；
刻蚀气体供应装置120，所述刻蚀气体供应装置120构造成经由所述进气口113将刻蚀气体输送到所述反应腔室RC中以对所述硅片W进行刻蚀；
硅源气体供应装置130，所述硅源气体供应装置130构造成在所述刻蚀气体供应装置120将刻蚀气体输送到所述反应腔室RC之后，经由所述进气口113将硅源气体输送到所述反应腔室RC中以在所述硅片W的表面上生长外延层。
如在图10中示出的，与图1中示出的现有的外延反应装置110A一样，上述外延反应装置110还可以包括：
基座支撑架114，该基座支撑架114用于支撑基座112并在外延生长期间驱动基座112以一定速度绕装置110的中心轴线X旋转，由于硅片W承载于基座112，因此硅片W随基座10一起绕中心轴线X旋转；
排气口115，该排气口115用于将反应尾气排出反应室RC，如在图10中通过排气口115处的箭头示出的；
多个加热灯泡116，所述多个加热灯泡116设置在上钟罩111-1和下钟罩111-2的***并用于透过上钟罩111-1和下钟罩111-2在反应室RC中提供高温环境。
在本发明的优选实施例中，参见图10，所述外延反应装置110还可以包括驱动机构117，所述驱动机构117构造成将所述基座112降低（如在图10中通过基座112处的向下的箭头示出的）以使所述基座112处于低于所述第一高度的第二高度处，以使在硅片W上生长的外延层的厚度更加均匀，如在上文中详细描述的。
如在图10中示出的，驱动机构117可以设置在基座支撑架114上，通过使基座支撑架114降低从而使基座支撑架114承载的基座112降低。在这种情况下具体地，尽管在附图中未示出，但可以理解的是，驱动机构117例如可以包括马达、丝杠以及与丝杠配合的丝杠螺母，其中，丝杠固定连接至基座支撑架114，丝杠螺母构造成沿竖向方向保持固定，通过马达使丝杠与丝杠螺母之间产生相对旋转运动，该相对旋转运动可以转换为丝杠沿向下方向的运动，进而实现基座112的下降。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于硅片的外延生长的方法，其特征在于，包括：
将所述硅片放置在反应腔室内部的圆盘状的基座上的第一步骤；
经由进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀的第二步骤，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；
经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层的第三步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述第二步骤与所述第三步骤之间的将所述基座降低以使所述基座处于低于所述第一高度的第二高度处的第四步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述第一步骤与所述第二步骤之间的对所述硅片进行预热处理的第五步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述第五步骤与所述第二步骤之间的在氢气氛围下烘烤所述硅片的第六步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括所述第二步骤与所述第三步骤之间的利用氢气经由所述进气口对所述反应腔室进行吹扫以清除所述反应腔室中的刻蚀气体的第七步骤。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一高度与所述第二高度之间的间距为0.5mm至2mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀气体为氯化氢气体。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述氯化氢气体的流量为0.5slm至2slm，并且输送时间为10s至30s。
9.一种用于硅片的外延生长的设备，其特征在于，包括：
外延反应装置，所述外延反应装置包括：围闭出反应腔室的钟罩；所述反应腔室内部的圆盘状的基座，所述基座构造成承载所述硅片；进气口，所述进气口构造成向所述反应腔室中输送反应气体，其中，所述进气口位于所述基座的径向外侧并且所述基座处于与所述进气口齐平的第一高度处；
刻蚀气体供应装置，所述刻蚀气体供应装置构造成经由所述进气口将刻蚀气体输送到所述反应腔室中以对所述硅片进行刻蚀；
硅源气体供应装置，所述硅源气体供应装置构造成在所述刻蚀气体供应装置将刻蚀气体输送到所述反应腔室之后，经由所述进气口将硅源气体输送到所述反应腔室中以在所述硅片的表面上生长外延层。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述外延反应装置还包括驱动机构，所述驱动机构构造成将所述基座降低以使所述基座处于低于所述第一高度的第二高度处。
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