CN113745131B - 多层外延工艺及其线性平台设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了多层外延工艺线性平台设备，包括，机器人真空锁可以水平或垂直移动；若干个反应腔排列在机器人真空锁两侧；反应腔具有加热器，机器人真空锁可对反应腔放入或取出晶圆。本发明提高产能通量，适宜在多个层面上进行掺杂、沉积等工艺步骤，可以较佳地控制其工艺质量。

Description

多层外延工艺及其线性平台设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺及设备领域，尤其是多层外延工艺及其线性平台设备。
背景技术
就概念而言，硅和碳化硅的反应腔是相同的，其区别在于生长温度和作为碳来源的添加气体。
从硅的外延工艺历史来看，其设备主要有三类：早期的利用射频加热的反应装置，利用红外线灯加热的反应装置，以及近年来出现的利用电阻加热的枚叶式高速旋转反应装置。无论哪种反应装置，其基本结构都包括：具有气体进出口的石英腔体、晶圆托盘，以及加热装置。
一个具体的现有硅外延反应装置如日本专利公开号昭63-222427所揭示的那样，采用单晶片处理的思路，设有碳化硅包覆的石墨加热器，碳化硅包覆的石墨气体扩散器，以及垂直的气体扩散通路。参照图1，图1为昭63-222427的原理图。图中钟形罩6形成一个反应腔体，支撑托盘1a放置被加热物体7，即晶圆，同时支撑托盘1a具有导电部2用于对晶圆进行加热，该导电部2依次连接电极3、控制电路4、以及加热电源5，形成加热电路。由于采用了单片处理的概念，图1中的反应装置只能进行非常慢的自动掺杂。
与之类似，目前市场上的碳化硅外延反应装置种类不多，性能参数不够理想。问题主要体现在产能通量低，目前市面上的碳化硅外延反应装置的处理效率一般在1500-2500晶圆每月W/M在10微米外延生长厚度上。
自动掺杂控制不佳，在较薄的外延层上进行多重掺杂控制尤其困难。碳化硅基底中每立方厘米大概有7000多个缺陷。这些缺陷主要是基平面位错Basal PlaneDislocation(BPD)，一般由采用升华长晶法形成碳化硅晶锭时产生。
在长晶之后，晶体锭块被切割成碳化硅基底，然后碳化硅基底表面被采用研磨工艺进行抛光。在切片工艺和研磨工艺过程中，表面会产生小的划痕。化学机械抛光(CMP)工艺作为最后一道抛光工艺也会产生小的划痕。
在外延工艺之后，由于碳化硅基底中每立方厘米已经有7000多个缺陷，外延层表面也有每立方厘米6000个左右缺陷。
因此提供一种高产能低缺陷的多层外延工艺及其线性平台设备是一个急需解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于基于上述问题而提供一种用于高产能通量，能够降低外延工艺缺陷的多层外延线性平台设备。
为了实现这一目的本发明提供了多层外延工艺线性平台设备，机器人真空锁可以水平或垂直移动；若干个反应腔排列在机器人真空锁移动方向的两侧；反应腔具有加热器，机器人真空锁可对反应腔放入或取出晶圆。
其中，反应腔具有水冷装置的不锈钢腔体外壳，所述的外壳顶部设有源气体的进气口，通过气体扩散器将源气体引入正对下方的晶圆，腔体内壁由包覆碳化硅的石墨构成；在所述的气体扩散器下方有一个碳化硅包覆的石墨构成的电阻加热器，经加热器周边形成的垂直气流通道从反应腔底部的出气孔排出。
加热器上有一个凹陷部用于放置晶圆，所述的凹陷部设有若干个孔，顶针可以通过这些孔上下移动，以托起或降下晶圆。加热器的形状是圆柱状，内部具有空腔，加热器的顶部较薄，电阻较大，发热效率高，下部外壁较厚，电阻较小，可以抑制发热，通过这样的结构，使得发热集中在与晶圆相接触的顶部。
反应腔数量可以水平或者垂直地添加。
机器人真空锁内具有一个机械臂，所述的机械臂具有一个轴，所述的轴受垂直控制器和水平控制器控制，可以将晶圆放入任何一个反应腔内，也可以从任何一个反应腔内取出晶圆。垂直控制器控制轴上下运动，以对准任何一个反应腔的晶圆进出通道；水平控制器可以控制轴旋转，使得机械臂对准晶圆进出通道；水平控制器还可以带动轴水平位移，使得机械臂可以进出反应腔，放入或者取出晶圆。
较佳地，排列在每侧最前面的一个腔室是预处理腔室，碳化硅晶圆在三氟化氯减压的条件下进行预处理，以去除缺陷，处理温度是1000到1700摄氏度。排列在每侧第二位的是表面修整腔室，在1700至2200摄氏度下减压至小于且接近80托，氢气或者氦气或者氩气或者氮气被从腔室顶端和腔室侧壁引入。
本发明的另一目的在于提供一种用于高产能通量，具有良好自动掺杂控制的多层外延工艺。为了实现这一目的，本发明提供多层外延工艺，在多个反应腔内进行多步碳化硅外延生长，多个反应腔依次排列，第一个反应腔进行预处理，其余反应腔各进行一次外延生长。
其中，预处理的氛围气体为氢气或者氯化氢。预处理是碳化硅晶圆在三氟化氯减压的条件下进行预处理，以去除缺陷，处理温度是1000到1700摄氏度。
进一步的，反应腔两排排列在晶圆匣真空锁两侧。在多个反应腔内进行多步外延生长过程中，闲置的反应腔采用氯化氢和氢气，或者三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，或者氯化氢和三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，以上其中一种配方对反应腔进行干法清洗。外延工艺是碳化硅或者氮化镓或者硅或者锗硅中的一种。预处理的氛围气体为氢气或者氯化氢。预处理之后晶圆在随后的反应腔中处理18分钟，其中外延生长15分钟。进行外延的每个反应腔中，源气体是由硅烷、丙烷、氢气、氮气组成；反应温度为1350-1650摄氏度，压力为20-120托；硅烷气体流速为300-700sccm(标准状况下毫升每分钟)，丙烷气体流速为100-500sccm(标准状况下毫升每分钟)，氢气气体流速为50-250slm(标准状况下升每分钟)，氮气气体流速为10-50sccm(标准状况下毫升每分钟)。
碳化硅可以是4H晶型碳化硅，4H晶型碳化硅可以由硅烷或丙烷长成，载体气体是氢气，硅源气体可以是乙硅烷或丙硅烷，碳源气体可以是乙烷或者丙烷。或者碳化硅可以是3C晶型碳化硅，硅源气体是硅烷，碳源气体是丙烷。3C晶型碳化硅是长在硅基底上。
进一步的，还可以包括化学气相沉积工艺或者退火工艺或者氧化或者氮化工艺步骤中的一种或数种，采用的源气体包括硅烷、二氯二氢硅、六氯乙硅烷、氧化二氮、一氧化氮、氨气、氧气、氩气、氦气中的一种或数种。化学气相沉积工艺是原子层沉积技术。还可以包括多步掺杂工艺。
本发明的有益效果是，解决了现有的目前市场上的碳化硅外延反应装置性能参数不够理想。产能通量高，本发明采用双列多个外延层线性反应腔，其生长率是1.5微米每分钟，产能可达到3600片每月。此外，本发明采用了预处理和表面修整工艺，有效地减小了晶圆内部缺陷，提高了良率。由于本发明采用多层外延生长，适宜在多个层面上进行掺杂、沉积等工艺步骤，可以较佳地控制其工艺质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术的原理图；
图2为本发明线性外延装置的结构示意图；
图3为本发明的加热器纵剖面结构示意图；
图4为本发明线性外延设备的内部结构示意图；
图5为本发明线性外延设备的另一实施例的示意图；
图6为本发明一个实施例的工艺步骤示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
首先请参照图2，图2为本发明线性外延设备的结构示意图。如图2所示，线性外延装置设备具有机器人真空锁12，该机器人真空锁12可以沿图中X向(输入晶圆匣流水线13至输出晶圆匣流水线14)和Z向(即垂直)运动。机器人真空锁12两侧有若干个反应腔R，反应腔R可以X向和Z向叠加。
机器人真空锁12从晶圆匣15中取出晶圆放入反应腔R。该反应腔R沿X向机器人真空锁12两侧排列，机器人真空锁12从反应腔R中取出晶圆放入X向另一个反应腔R，直至末端的空晶圆匣中。反应腔R设有碳化硅包覆的石墨加热器。
几个反应腔R线性地排列在机器人真空锁12的两侧。机器人真空锁12可以水平地或者可选地垂直地扩展。比如，反应腔R1和R3装设在机器人真空锁12的一侧，而反应腔R2和R4装设在机器人真空锁12的另一侧。在机器人真空锁12的末端，另一个设有2个反应腔(即反应腔Rn、Rn+1)的机器人真空锁12可以被加上，由此，机器人真空锁12及相应的反应腔R数量可以根据产能的优化需要被增加。
请参照图3，图3为本发明的加热器纵剖面结构示意图。如图3所示，一个反应腔R具有一个电阻加热器31。电阻加热器31的形状是圆柱状的，由碳化硅包覆的石墨构成，内部具有空腔32，用于连接电源。电阻加热器31的顶部34较薄，电阻较大，发热效率高，下部外壁35较厚，电阻较小，可以抑制发热。因此，电阻加热器31底部的横截面面积最大，由底向上横截面面积逐渐变小。通过这样的结构，使得发热集中在与晶圆相接触的顶部34。顶部34设有一凹陷部33。该凹陷部33用于放置晶圆。这个凹陷部33设有三个孔36。设置于空腔32内的顶针37可以通过这三个孔36上下移动，以托起或降下晶圆。
请参照图4，图4为本发明线性外延设备的内部结构示意图。如图4所示，在具有水冷装置的不锈钢腔体外壳41顶部设有源气体的进气口42，一个倒扣的漏斗状的气体扩散器43，将源气体引入正对下方的晶圆44。腔体内壁45由包覆碳化硅的石墨构成。在气体扩散器43下方有一个碳化硅包覆的石墨构成的电阻加热器31。该电阻加热器31顶部放置晶圆44。气体氢气、氦气、氩气经电阻加热器31周边形成的垂直气流通道从反应腔R底部的出气孔46排出。
请参照图5，图5为本发明线性外延设备的另一实施例的示意图。如图5所示，反应腔R成对排列在机器人真空锁12的两侧，机器人真空锁12可以将晶圆44送入或搬出反应腔R。机器人真空锁12可以水平或垂直移动。反应腔R数量可以水平或者垂直地添加。机器人真空锁12内具有一个机械臂51，机械臂51具有一个轴52，轴52受机器人真空锁12外部的垂直控制器53和水平控制器54控制，可以将晶圆44放入任何一个反应腔R内，也可以从任何一个反应腔R内取出晶圆44。垂直控制器53控制轴52上下运动，以对准任何一个反应腔R的晶圆进出通道55。水平控制器54可以控制轴52旋转，使得机械臂51对准晶圆进出通道55。水平控制器54还可以带动轴52水平位移，使得机械臂51可以进出反应腔R，放入或者取出晶圆44。
多个反应腔R内进行多步外延生长，每次外延生长厚度小于30微米。在整个过程中，闲置的反应腔采用氯化氢和氢气，或者三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，或者氯化氢和三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，以上其中一种配方对反应腔进行干法清洗。这样的外延工艺设备可以处理碳化硅之外，也可以进行氮化镓、硅或者锗硅的外延工艺。
请参照图6，图6为本发明一个实施例的工艺流程示意图。图6中的实施例是一个具有双预处理反应腔的135微米外延层线性外延工艺设备，其生长率是1.5微米每分钟。其产能可达到3600片每月。预处理腔具有碳化硅包覆的石墨加热器。三氟化氯在具有或没有氢气、氮气或者氩气的条件下被引入。碳化硅晶圆在三氟化氯减压的条件下进行预处理，以去除缺陷，例如基平面位错BPD(Basal Plane Dislocation)，处理温度是1000到1700摄氏度。氟离子通过一个远端等离子腔室被引入。并且补氧，源气体是全氟碳化合物和氧气。碳化硅晶圆在减压的条件下进行预处理，气压小于并接近3托，处理温度是500到1000摄氏度。
表面修整腔室中碳化硅退火在约1700到2100摄氏度下进行。在减压至接近但小于50托，氢气或者氦气或者氩气或者氮气被从腔室顶端和腔室侧壁引入。表面修整腔室和预处理腔室被连接如机台***和外延生长腔室。
在这个实施例中一共有14个反应腔，分成两列，每列7个反应腔排列。晶圆载入第一对反应腔，即反应腔1，2进行预处理，其氛围气体为氢气或者氯化氢。接下来晶圆分别载入反应腔3、4处理18分钟，其中外延生长15分钟。然后晶圆分别依次载入5、7、9、11、13和6、8、10、12、14反应腔进行外延处理。最后将晶圆载出完成外延处理。
在反应腔3-14中，其源气体是由硅烷、丙烷、氢气、氮气组成。其中反应温度为1350-1650摄氏度，压力为20-120托。硅烷气体流速为300-700sccm(标准状况下毫升每分钟)，丙烷气体流速为100-500sccm(标准状况下毫升每分钟)，氢气气体流速为50-250slm(标准状况下升每分钟)，氮气气体流速为10-50sccm(标准状况下毫升每分钟)。
本发明各实施例中，化学气相沉积工艺或者退火工艺或者氧化或者氮化工艺。采用普通的源气体如硅烷、二氯二氢硅(SiH2Cl2)、六氯乙硅烷、氧化二氮、一氧化氮、氨气、氧气、氩气、氦气。化学气相沉积可以使用原子层沉积(ALD)技术。还可以包括多步掺杂工艺。碳化硅可以是4H晶型碳化硅，4H晶型碳化硅可以由硅烷或丙烷长成，载体气体是氢气，硅源气体可以是乙硅烷或丙硅烷，碳源气体可以是乙烷或者丙烷。或者碳化硅可以是3C晶型碳化硅，硅源气体是硅烷，碳源气体是丙烷。3C晶型碳化硅是长在硅基底上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可以容易实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里展示和描述的图例。

Claims (16)

1.多层外延工艺线性平台设备，其特征在于包括，机器人真空锁水平或垂直移动；若干个反应腔排列在机器人真空锁移动方向的两侧；反应腔具有加热器，机器人真空锁可对反应腔放入或取出晶圆；每侧排列在最前面的一个腔室是预处理腔室，碳化硅晶圆在三氟化氯减压的条件下进行预处理，以去除缺陷，处理温度是1000到1700摄氏度；每侧排列在第二位的是表面修整腔室，在1700至2200摄氏度下减压至小于且接近80托，氢气或者氦气或者氩气或者氮气被从腔室顶端和腔室侧壁引入；每侧反应腔数量水平或者垂直地添加；加热器上有一个凹陷部用于放置晶圆，所述的凹陷部设有若干个孔，顶针通过这些孔上下移动，以托起或降下晶圆；机器人真空锁可对反应腔放入或取出晶圆；在多个反应腔内进行多步碳化硅外延生长，多个反应腔依次排列，反应腔两排排列在晶圆匣真空锁两侧，每排第一个反应腔进行预处理，第二个反应腔进行表面修整处理，其余反应腔各进行一次外延生长；进行多步外延生长过程中，闲置的反应腔采用氯化氢和氢气，或者三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，或者氯化氢和三氟化氯和氢气、 氩气、氦气中的一种或数种，以上其中一种配方对反应腔进行干法清洗；所述多步碳化硅外延生长还包括多步掺杂工艺。
2.如权利要求1所述的多层外延工艺线性平台设备，其特征在于所述的反应腔具有水冷装置的不锈钢腔体外壳，所述的外壳顶部设有源气体的进气口，通过气体扩散器将源气体引入正对下方的晶圆，腔体内壁由包覆碳化硅的石墨构成；在所述的气体扩散器下方有一个碳化硅包覆的石墨构成的电阻加热器，经加热器周边形成的垂直气流通道从反应腔底部的出气孔排出。
3.如权利要求1所述的多层外延工艺线性平台设备，其特征在于所述的加热器的形状是圆柱状，内部具有空腔，加热器的顶部较薄，电阻较大，发热效率高，下部外壁较厚，电阻较小，抑制发热，通过这样的结构， 使得发热集中在与晶圆相接触的顶部。
4.如权利要求1所述的多层外延工艺线性平台设备，其特征在于所述的机器人真空锁内具有一个机械臂，所述的机械臂具有一个轴，所述的轴受垂直控制器和水平控制器控制，将晶圆放入任何一个反应腔内，或从任何一个反应腔内取出晶圆。
5.如权利要求4所述的多层外延工艺线性平台设备，其特征在于所述的垂直控制器控制轴上下运动，以对准任何一个反应腔的晶圆进出通道；水平控制器控制轴旋转，使得机械臂对准晶圆进出通道；水平控制器还带动轴水平位移，使得机械臂进出反应腔，放入或者取出晶圆。
6.多层外延工艺，其特征在于，在多个反应腔内进行多步碳化硅外延生长，多个反应腔依次排列，第一个反应腔进行预处理，第二个反应腔进行表面修整处理，其余反应腔各进行一次外延生长；预处理是碳化硅晶圆在三氟化氯减压的条件下进行预处理，以去除缺陷，处理温度是1000到1700摄氏度；所述的预处理的氛围气体为氢气或者氯化氢；在多个反应腔内进行多步外延生长过程中，闲置的反应腔采用氯化氢和氢气，或者三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，或者氯化氢和三氟化氯和氢气、氩气、氦气中的一种或数种，以上其中一种配方对反应腔进行干法清洗；还包括多步掺杂工艺。
7.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的反应腔两排排列在晶圆匣真空锁两侧。
8.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的外延工艺是碳化硅或者氮化镓或者硅或者锗硅中的一种。
9.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的预处理之后晶圆在随后的反应腔中处理18分钟，其中外延生长15分钟。
10.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的进行外延的每个反应腔中，源气体是由硅烷、丙烷、氢气、氮气组成；反应温度为1350-1650摄氏度，压力为20-120托；硅烷气体流速为300-700sccm，丙烷气体流速为100-500sccm，氢气气体流速为50-250slm，氮气气体流速为10-50sccm。
11.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的碳化硅是
4H 晶型碳化硅，4H 晶型碳化硅由硅烷或丙烷长成，载体气体是氢气。
12.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的碳化硅是
4H 晶型碳化硅，硅源气体是乙硅烷或丙硅烷，碳源气体是乙烷或者丙烷。
13.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于所述的碳化硅是3C晶型碳化硅，硅源气体是硅烷，碳源气体是丙烷。
14.如权利要求13所述的多层外延工艺，其特征在于所述的3C晶型碳化硅是长在硅基底上。
15.如权利要求6所述的多层外延工艺，其特征在于还包括化学气相沉积工艺或者退火工艺或者氧化或者氮化工艺步骤中的一种或数种，采用的源气体包括硅烷、二氯二氢硅、六氯乙硅烷、氧化二氮、一氧化氮、氨气、氧气、氩气、氦气中的一种或数种。
16.如权利要求15所述的多层外延工艺，其特征在于所述的化学气相沉积工艺是原子层沉积技术。
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