CN115198352B - 一种外延生长方法及外延晶圆 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种外延生长方法及外延晶圆；所述外延生长方法包括：反应腔室的清洁阶段：通过向所述反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述反应腔室进行清洁；外延生长阶段：将抛光晶圆放入已清洁的所述反应腔室中进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆；其中，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制通入反应腔室中所述化学气相刻蚀气体和载气的流量比例；以及，控制风机的转速以调控所述石英钟罩的温度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种外延生长方法及外延晶圆。
背景技术
气相外延工艺(Vapour Phase Epitaxy)是一种常见的外延生长技术，其能够实现在抛光晶圆衬底上生长出与抛光晶圆衬底的导电类型、电阻率和结构都不同，且厚度和电阻率可控，能够满足多种不同要求的外延层，能够极大地提高器件设计的灵活性和性能，在各种半导体功能器件领域具有广泛的应用前景。具体来说，外延生产工艺一般是利用化学气相沉积的方法，将高温密闭外延反应腔室内的硅源气体注入抛光晶圆表面，在抛光晶圆上表面沉积生长一层外延层，从而制造出来的晶圆被称为外延晶圆。相比抛光晶圆，外延晶圆具有表面缺陷少，并且能够控制外延层厚度与电阻率等优势。
随着半导体行业的高速发展，对外延晶圆表面的颗粒品质要求也越来越高，特别是对于逻辑器件，其要求外延晶圆表面的颗粒需要满足：19nm颗粒均值小于5颗，200nm颗粒均值小于0.2颗。因此，保持外延反应腔室的洁净度成为影响外延晶圆品质和良率的一个关键因素。
此外，对于外延反应腔室而言，均匀的温度场与准确控温是保持外延晶圆平坦度以及控制滑移位错的主要影响因素，其中干净，透光的石英钟罩是影响温度场均一性和透光率的重要因素。同时，干净、透光的石英钟罩也是确保温度计准确读温的有效因素。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种外延生长方法及外延晶圆；能够有效清除石英钟罩表面沉积的外延生长副产物，从而保证石英钟罩保持一个长期干净，透光的状态，提高外延晶圆表面的颗粒水平，改善外延晶圆的厚度均一性和平坦度，抑制滑移位错的产生，最终提高外延晶圆的良率与产能。
本发明实施例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外延生长方法，所述外延生长方法包括：
反应腔室的清洁阶段：通过向所述反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述反应腔室进行清洁；
外延生长阶段：将抛光晶圆放入已清洁的所述反应腔室中进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆；
其中，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制通入反应腔室中所述化学气相刻蚀气体和载气的流量比例以增加石英钟罩表面外延生长副产物的刻蚀去除量；
以及，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制风机的转速以调控所述石英钟罩的温度使得在所述反应腔室的清洁阶段增加所述石英钟罩表面外延生长副产物的刻蚀去除量，以及在所述外延生长阶段降低所述石英钟罩表面外延生长副产物的沉积量。
第二方面，本发明实施例提供了一种外延晶圆，所述外延晶圆由第一方面所述的外延生长方法制备而得。
本发明实施例提供了一种外延生长方法及外延晶圆；所述外延生长方法包括反应腔室的清洁阶段和外延生长阶段；在反应腔室的清洁阶段和外延生长阶段分别控制化学气相刻蚀气体和载气的流量比例，并同时通过控制风机的转速来调控石英钟罩的温度，使得在反应腔室清洁阶段，增加石英钟罩表面外延生长副产物的刻蚀去除量；以及，在外延生长阶段，减少石英钟罩表面外延生长副产物的沉积量，从而保证石英钟罩保持一个长期干净，透光的状态。
附图说明
图1为本发明实施例提供的常规的外延生长装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的反应腔室中的反应气体的流向示意图；
图3为本发明实施例提供的常规的外延生长工艺流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种外延生长方法流程示意图；
图5为本发明实施例提供的外延生长工艺流程示意图；
图6为本发明实施例提供的反应腔室清洁过程中石英钟罩的温度变化示意图；
图7为本发明实施例提供的外延沉积阶段石英钟罩的温度变化示意图；
图8为本发明的一种实施例提供的外延晶圆表面颗粒分布的示意图；
图9为本发明的一种实施例提供的外延晶圆表面形貌的示意图；
图10为本发明的另一种实施例提供的外延晶圆表面颗粒分布的示意图；
图11为本发明的另一种实施例提供的外延晶圆表面形貌的示意图；
图12为本发明的又一种实施例提供的外延晶圆表面颗粒分布的示意图；
图13为本发明的又一种实施例提供的外延晶圆表面形貌的示意图。
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，其示出了常规的外延生长装置1，该外延生长装置1具体包括：
基座10，用于承载抛光晶圆W；
基座支撑架20，用于支撑基座10并在外延生长期间驱动基座10以设定角速度绕中心轴线X旋转；其中，在基座10的旋转过程中，抛光晶圆W随基座10一起绕中心轴线X旋转。也就是说，抛光晶圆W相对于基座10是保持静止的，由此，需要基座10的径向边缘与相邻部件10A之间具有较小的间隙G，通常相邻部件10A为预热环，用于将热控制区域扩展到抛光晶圆W边缘之外同时对即将达到抛光晶圆W边缘的反应气体进行预热；需要说明的是，上述的反应气体包括硅源气体、载气如H2、掺杂剂气体等；
石英钟罩30，包括上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B；其中，上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B一起围闭出将基座10以及基座支撑架20容纳于其中的反应腔室RC；其中，基座10将反应腔室RC分隔成上反应腔室RC1和下反应腔室RC2，抛光晶圆W放置在上反应腔室RC1中。通常，上反应腔室RC1中的气压略大于下反应腔室RC2中的气压使得上反应腔室RC1中的反应气体会经由间隙G进入到下反应腔室RC2中；
进气口40，用于向上反应腔室RC1中输送反应气体，以便通过硅源气体与H2反应生成硅原子并沉积在抛光晶圆W上以在抛光晶圆W上生长一层外延层，同时通过掺杂剂气体对外延层进行掺杂以获得所需的电阻率；其中，进气口40包括至少一个主进气口(图中未示出)和至少一个副进气口(图中未示出)；
进气盖50，该进气盖50设置在进气口40处，在外延生长过程中反应气体从反应腔室RC一侧的进气盖50进入反应腔室RC；
排气口60，用于将反应腔室RC内部的反应尾气排出反应腔室RC；
多个加热灯泡70，该多个加热灯泡70设置在上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B的***并用于透过上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B在反应腔室RC中提供用于化学气相外延沉积反应的高温环境；
风机80，该风机80设置于反应腔室RC的上方，通过调节风机80的转速以调控加热灯泡70中的循环水温度及石英钟罩30的温度，避免反应腔室RC持续高温以发生***事故；可以理解的是，风机80转速的大小不同会导致吹向加热灯泡70及石英钟罩30的冷却风的流速不同，进而调控加热灯泡70中的循环水温度及石英钟罩30的温度；
用于组装外延生长装置1的各个元件的安装部件90；
当然，在外延生长装置1中还设置有温度传感器100，用于实时监控反应腔室RC的温度场，以为抛光晶圆W的化学沉积反应提供均一、稳定的温度场。
可以理解地，在外延生长过程中，参见图2，其示出了反应腔室RC中的反应气体的流向示意图。由图2可以看出，反应气体通过载气由进气盖50进入，经过进气口爬坡至预热环10A，并经预热环10A预热后流经承载在基座10上的抛光晶圆W表面进行化学气相沉积反应，化学气相沉积反应生成的反应尾气通过排气口60排出反应腔室RC。
对于图1所示的外延生长装置1，现有的外延生长工艺如图3所示，首先将反应腔室RC的温度升温至1150℃，并同时向反应腔室RC内通入化学气相刻蚀气体以对反应腔室RC内部进行清洁，具体地，化学气相刻蚀气体可以为HCl气体，当然，化学气相刻蚀处理过程中还可以采用H2作为载气。在上述反应腔室RC的清洁过程中，主进气口载气的流量为5slm，副进气口载气的流量为5slm。需要说明的是，反应腔室RC清洁完成后即可降温至750℃以装载抛光晶圆W进行外延生长过程。
当反应腔室RC的温度为750℃时，抛光晶圆W被装载于基座10上后，将反应腔室RC内的温度升温至1130℃并向反应腔室RC内部通入载气H2，以开始对抛光晶圆W的表面进行烘烤；再者，当反应腔室RC的温度为1110℃时向反应腔室RC内部同时通入硅源气体和载气H2，其中，硅源气体可以为B2H6或SiHCl3或PH3，以在抛光晶圆W的表面上生长一层外延层。当外延生长过程结束后，降低反应腔室RC的内部温度至750℃，并将外延晶圆卸载取出。在上述外延生长过程中，主进气口载气的流量为50slm，副进气口载气的流量为20slm。
但是在实际外延生长过程中，若采用图3所示的现有工艺方法会导致部分外延生长副产物化学沉积在石英钟罩30表面。同时在反应腔室RC的清洁过程中，因化学气相刻蚀气体配比以及温度场控制不足进而造成石英钟罩30表面沉积的外延生长副产物无法完全去除，进而随着时间的增加，石英钟罩30表面沉积的外延生长副产物越来越多，从而导致反应腔室RC内部环境的清洁度降低，温度场的均一性变差，更甚至导致温度传感器100无法准确监控反应腔室RC内部的环境温度，最终严重影响外延晶圆的品质与良率。
基于上述阐述，本发明实施例期望提供一种外延生长工艺流程，能够通过分别控制外延生长阶段和反应腔室RC清洁阶段通入反应腔室RC内部的反应气体的比例，流量以及反应腔室RC的温度，使得石英钟罩30保持一个长期干净，透光的状态，从而提高外延晶圆表面的颗粒水平，改善外延晶圆的厚度均一性和平坦度，抑制滑移位错的产生，最终提高外延晶圆的品质与良率。本发明实施例提供的一种外延生长方法，具体如图4所示，所述外延生长方法包括：
S401、反应腔室的清洁阶段：通过向所述反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述反应腔室进行清洁；
S402、外延生长阶段：将抛光晶圆放入已清洁的所述反应腔室中进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆；
其中，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制通入反应腔室中的所述化学气相刻蚀气体和载气的流量比例以增加石英钟罩表面外延生长副产物的刻蚀去除量；
以及，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制风机的转速以调控所述石英钟罩的温度使得在所述反应腔室的清洁阶段增加所述石英钟罩表面外延生长副产物的刻蚀去除量，以及在所述外延生长阶段降低所述石英钟罩表面外延生长副产物的沉积量。
对于图4所示的外延生长方法，通过在反应腔室的清洁阶段中控制较高的化学气相刻蚀气体和载气的流量比例，及通过控制风机的转速使得石英钟罩表面的温度达到最高温度，从而增加石英钟罩表面沉积的外延生长副产物的刻蚀去除量；在外延生长阶段，通过控制较低的化学气相刻蚀气体和载气的流量比例，及通过控制较高的风机转速以使石英钟罩表面的温度达到较低的温度，使得在外延生长过程中减少石英钟罩表面外延生长副产物的沉积量，从而保证石英钟罩保持一个长期干净，透光的状态。
具体来说，如图5所示，在所述反应腔室的清洁阶段，所述化学气相刻蚀气体的第一流量与所述载气的第二流量之间的比例范围为2：1～5：1。具体来说，所述化学气相刻蚀气体的第一流量为10～50slm，所述载气的第二流量为5～10slm。需要说明的是，上述化学刻蚀气体的第一流量和载气的第二流量均为主进气口和副进气口的总流量。当然，可以理解地，在反应腔室的清洁过程增大化学气相刻蚀气体与载气的流量能够提高石英钟罩表面沉积的副产物的刻蚀去除量。
此外，在本发明实施例中，如图5所示，所述反应腔室的清洁阶段包括第一烘烤阶段，第一子清洁阶段及第二子清洁阶段；其中，
在所述第一烘烤阶段和所述第一子清洁阶段，所述风机转速为设定的风机最大转速的75～80％。
在一些示例中，在所述反应腔室的清洁阶段，所述第一烘烤阶段和所述第一子清洁阶段的时间为95～115s。也就是说，在第一烘烤阶段和第一子清洁阶段，一方面通过降低风机转速以提高石英钟罩的温度至565℃～590℃，使得石英钟罩表面温度达到最高温度以充分刻蚀石英钟罩，整个反应腔室清洁过程中石英钟罩的温度变化具体如图6所示；另一方面，保证第一烘烤阶段和第一子清洁阶段的维持时间，以在足够的烘烤及清洁时间范围内保证石英钟罩表面的温度尽可能地维持在较高的温度。
此外，如图5所示，所述外延生长阶段包括第二烘烤阶段、第三子清洁阶段及外延沉积阶段；其中，
在所述第三子清洁阶段中，所述化学气相刻蚀气体的第三流量与所述载气的第四流量之间的比例范围为1：10～1：20。具体地，所述化学气相刻蚀气体的第三流量为1～10slm，所述载气的第四流量为50～90slm。可以理解地，在外延沉积反应之前进一步地向反应腔室RC通入化学气相刻蚀气体以对石英钟罩30的表面再次进行清洁刻蚀，进而提高外延沉积阶段时石英钟罩30的表面状态，进而提高外延晶圆厚度的均一性和平坦度。
在一些示例中，在所述外延生长阶段，所述风机转速为设定的风机最大转速的92.5％。外延沉积阶段石英钟罩的温度变化如图7所示。由图7可知，在外延沉积阶段石英钟罩的表面温度为450℃～500℃，由于石英钟罩的表面温度较低进而减少了外延生长副产物在石英钟罩表面的沉积，保证了石英钟罩30保持一个干净、透光的状态。
最后，本发明实施例还提供了一种外延晶圆，所述外延晶圆由前述技术方案所述的外延生长方法制备而得。
下面将通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
当反应腔室升温至1150℃向反应腔室通入HCl气体和H2以清洁反应腔室以及石英钟罩；其中，HCl气体的第一流量为10slm，H2的第二流量设置为5slm；并且反应腔室的第一烘烤阶段和第一子清洁阶段的时间为95s，同时在第一烘烤阶段和第一子清洁阶段，风机转速为设定的风机最大转速的75％；当反应腔室清洁完成且降温至750℃后，将清洗完成的抛光晶圆放入反应腔室的基座上，并将反应腔室升温至1130℃左右以开始进入第二烘烤阶段，即通入H2进行烘烤；之后向反应腔室中接着通入HCl气体和H2以再次清洁反应腔室以及石英钟罩，此时HCl气体的第三流量为5slm，H2的第四流量为50slm。清洁完成后，在反应腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以进行化学气相沉积反应。外延生长反应结束后，取出外延晶圆。参见图8和图9，其分别示出了外延晶圆表面颗粒分布及外延晶圆表面形貌示意图，由图8和图9可以看出，本发明实施例提供的外延生长方法生长得到的外延晶圆表面颗粒杂质少，“雾”缺陷得到极大改善。
实施例2
当反应腔室升温至1150℃向反应腔室通入HCl气体和H2以清洁反应腔室以及石英钟罩；其中，HCl气体的第一流量为50slm，H2的第二流量设置为10slm；并且反应腔室的第一烘烤阶段和第一子清洁阶段的时间为115s，同时在第一烘烤阶段和第一子清洁阶段，风机转速为设定的风机最大转速的80％；当反应腔室清洁完成且降温至750℃后，将清洗完成的抛光晶圆放入反应腔室的基座上，并将反应腔室升温至1130℃左右以开始进入第二烘烤阶段，即通入H2进行烘烤；之后向反应腔室中接着通入HCl气体和H2以再次清洁反应腔室以及石英钟罩，此时HCl气体的第三流量为4.5slm，H2的第四流量为90slm。清洁完成后，在反应腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以进行化学气相沉积反应。外延生长反应结束后，取出外延晶圆。参见图10和图11，其分别示出了外延晶圆表面颗粒分布及外延晶圆表面形貌示意图，由图10和图11可以看出，本发明实施例提供的外延生长方法生长得到的外延晶圆表面颗粒杂质少，“雾”缺陷得到极大改善。
实施例3
当反应腔室升温至1150℃向反应腔室通入HCl气体和H2以清洁反应腔室以及石英钟罩；其中，HCl气体的第一流量为40slm，H2的第二流量设置为10slm；并且反应腔室的第一烘烤阶段和第一子清洁阶段的时间为100s，同时在第一烘烤阶段和第一子清洁阶段，风机转速为设定的风机最大转速的80％；当反应腔室清洁完成且降温至750℃后，将清洗完成的抛光晶圆放入反应腔室的基座上，并将反应腔室升温至1130℃左右以开始进入第二烘烤阶段，即通入H2进行烘烤；之后向反应腔室中接着通入HCl气体和H2以再次清洁反应腔室以及石英钟罩，此时HCl气体的第三流量为6slm，H2的第四流量为80slm。清洁完成后，在反应腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以进行化学气相沉积反应。外延生长反应结束后，取出外延晶圆。参见图12和图13，其分别示出了外延晶圆表面颗粒分布及外延晶圆表面形貌示意图，由图12和图13可以看出，本发明实施例提供的外延生长方法生长得到的外延晶圆表面颗粒杂质少，“雾”缺陷得到极大改善。
基于上述阐述，本发明实施例提供的外延生长方法生长得到的外延晶圆表面颗粒杂质少，“雾”缺陷得到极大改善，也就是说，通过在反应腔室清洁阶段控制较高的HCl气体和H2的流量比例，及降低风机转速以升高石英钟罩的表面温度，同时在外延生长阶段控制较低的HCl气体和H2的流量比例，及控制较高的风机转速以使石英钟罩表面的温度达到较低的温度，能够增加石英钟罩表面沉积的外延生长副产物的刻蚀去除量及减少外延生长副产物在石英钟罩表面的沉积，从而提高了外延晶圆的品质。
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 (5)
1.一种外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法包括：
反应腔室的清洁阶段：通过向所述反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述反应腔室进行清洁；
外延生长阶段：将抛光晶圆放入已清洁的所述反应腔室中进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆；
其中，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制通入反应腔室中所述化学气相刻蚀气体和载气的流量比例；其中，
在所述反应腔室的清洁阶段，所述化学气相刻蚀气体的第一流量与所述载气的第二流量之间的比例范围为2：1~5：1；
所述外延生长阶段包括第二烘烤阶段、第三子清洁阶段及外延沉积阶段；其中在所述第三子清洁阶段中，所述化学气相刻蚀气体的第三流量与所述载气的第四流量之间的比例范围为1：10~1：20；
以及，在所述反应腔室的清洁阶段和所述外延生长阶段，控制风机的转速以调控石英钟罩的温度；其中，
所述反应腔室的清洁阶段包括第一烘烤阶段，第一子清洁阶段及第二子清洁阶段；其中在所述第一烘烤阶段和所述第一子清洁阶段，所述风机转速为设定的风机最大转速的75~80%；
在所述外延生长过程中，所述风机转速为设定的风机最大转速的92.5%。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，在所述反应腔室的清洁阶段，所述化学气相刻蚀气体的第一流量为40~50slm，所述载气的第二流量为10slm。
3.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，在所述反应腔室的清洁过程中，所述第一烘烤阶段和所述第一子清洁阶段的时间为95~115s。
4.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，在所述第三子清洁阶段中，所述化学气相刻蚀气体的第三流量为5slm，所述载气的第四流量为50~90slm。
5.一种外延晶圆，其特征在于，所述外延晶圆由权利要求1至4任一项所述的外延生长方法制备而得。
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