CN116005131A - 一种晶圆片外延层加工的补液方法 - Google Patents

Abstract

一种晶圆片外延层加工的补液方法，包括：生长端，其构置有生长炉；辅助端，其构置有主腔室、次腔室、以及辅腔室；步骤包括：相邻两个晶圆片之间的加工过程中，当上一个晶圆片外延层加工结束时，由生长端持续向主腔室发出补液信号，辅助端判断主腔室是否需要补液；若不需要补液，等待下一个晶圆片外延层加工；若需要补液，向主腔室添加溶液；其中，在不需要补液时，保持生长炉与主腔室贯通、以及主腔室与次腔室贯通。本方法可保证外延晶圆片炉间压力波动由现有的±1.5psi控制在±0.2psi，且使外延晶圆片炉间均匀性由原来的＞1.0％优化至＜0.5％，收敛了外延晶圆片炉间波动性，提高了外延层的成膜质量，炉间成膜效果显著，炉间重复性良好，提高生产效率。

Description

一种晶圆片外延层加工的补液方法

技术领域

本发明属于半导体器件生产技术领域，尤其是涉及一种晶圆片外延层加工的补液方法。

背景技术

外延工艺是指在单晶衬底上、按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程，从广义上讲，外延也是一种CVD(化学气相沉积)工艺。新生的单晶层称为外延层，长了外延层的衬底称为外延片。工艺过程就是生长气体进入生长室，通过高温热分解和还原反应，在衬底表面沉积生长一层硅单晶薄膜层，因为原子间的引力，使得生成的硅单晶薄膜附着在衬底上。其中，生长气体为氢气(H₂)携带TCS(三氯化硅SiHCl₃溶液)所形成的气体。

硅外延材料作为半导体器件的主要材料，支撑着当代微电子产业的发展。随着IC制造向更小特征线宽尺寸和更薄外延层的发展，集成电路器件对于外延片的质量要求不断增加，也对外延***的功能和外延性能提出了更高的要求，诸如外延层厚度的均匀性控制的要求，越来越多的外延工艺需要采用单片式的硅外延加工设备。

在现有外延加工设备中，常由于补液方法不合理，导致氢气携带TCS的流量和压力不稳定，导致晶圆片在外延层生长之前存储生长气体的容腔中的压力起伏较大，不具有重复性；最终导致氢气携带TCS进入生长炉中进行沉积长膜时压力发生变化，外延层生长的速率也发生变化，从而导致生长炉沉积长膜后获得的炉间晶圆片外延层膜厚差异较大、良品率低。

发明内容

本发明提供一种晶圆片外延层加工的补液方法，解决了现有技术中外延片整体良率低，且炉间膜厚偏差过大的技术问题。

为解决至少一个上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种晶圆片外延层加工的补液方法，包括：生长端，用于晶圆片外延层生长，其构置有生长炉；辅助端，用于向生长端提供生长气体，其构置有存储生长气体的主腔室、向主腔室提供氢气的次腔室、以及向主腔室提供TCS的辅腔室；步骤包括：

相邻两个晶圆片之间的加工过程中，当上一个晶圆片外延层加工结束时，由生长端持续向主腔室发出补液信号，辅助端判断主腔室是否需要补液；

若不需要补液，等待下一个晶圆片外延层加工；

若需要补液，向主腔室添加溶液；

其中，在不需要补液时，保持生长炉与主腔室贯通、以及主腔室与次腔室贯通。

进一步的，当主腔室中TCS的液面处于高液位时，则不需要补液；

当主腔室中TCS的液面处于低液位时，则需要补液。

进一步的，当需要补液时，包括：

主腔室收到补液信号ON之后，延时0.1-0.3s，连通辅腔室与主腔室开始补液，并停止在主腔室内鼓泡；

补液时，按照预设的补液信号和泄压信号，交替地进行操作，直至主腔室中的TCS液面达到高液位。

进一步的，补液时，交替的补液时间与泄压时间相同。

进一步的，交替的补液时间与泄压时间均为5s。

进一步的，向主腔室提供补液信号的控制器通过电信号与次腔室和辅腔室连接。

进一步的，向主腔室提供补液信号的控制器通过电信号与辅助端中所有管道上的气阀连接。

进一步的，向生长炉提供生长信号的控制器通过电信号与向主腔室提供补液信号的控制器连接。

进一步的，当主腔室收到关闭补液信号或者主腔室内的TCS的液位达到高液位时，停止补液，并控制生长炉与主腔室贯通、以及主腔室与次腔室贯通。

进一步的，当主腔室收到补液信号OFF之后，延时0.1-0.3s，控制主腔室开始鼓泡，并停止补液；

直至下一个晶圆片的外延层加工工艺开始。

采用本发明设计的一种晶圆片外延层加工的补液方法，可保证外延晶圆片炉间压力波动由现有的±1.5psi控制在±0.2psi，且使外延晶圆片炉间均匀性由原来的＞1.0％优化至＜0.5％，收敛了外延晶圆片炉间波动性，提高了外延层的成膜质量，炉间成膜效果显著，炉间重复性良好，提高生产效率，节约生产成本。

附图说明

图1是本发明一实施例的补液方法的流程图；

图2是本发明一实施例的补液***的线框图；

图3是本发明一实施例的补液信号控制的流程图；

图4是本发明一实施例的补液逻辑示意图；

图5是采用本申请补液方法获得的外延层膜厚数据变化的示意图；

图6是采用本申请补液方法补液时TCS氢气压力变化的示意图；

图7是采用现有补液方法获得的外延层膜厚数据变化的示意图；

图8是采用现有补液方法补液时TCS氢气压力变化的示意图。

图中：

10、生长端                  11、生长炉              12、控制器一

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例提出一种晶圆片外延层加工的补液方法，流程如图1所示，步骤包括：

S1、上一个晶圆片外延层的生长控制。

本申请的补液方法是用于如图2所示的补液***，包括：

生长端10，用于晶圆片外延层生长，其构置有生长炉11、以及用于控制生长炉11并朝生长炉11发送生长指令信号的控制器一12。

辅助端20，用于向生长端10提供生长气体，其构置有存储生长气体的主腔室21、向主腔室21提供氢气的次腔室22、向主腔室21提供TCS的辅腔室23、以及用于控制辅助端20并朝主腔室21、次腔室22和辅腔室23发送补液指令信号的控制器二24。

其中，补液信号控制如图3所示，控制器一12通过电信号与生长炉11连接，通过气动阀(该气动阀省略附图)来控制生长炉11的开启或关闭；同时，在不进行外延层加工时，控制器一12通过电信号持续向辅助端20发射补液信号。控制器二24通过电信号分别与主腔室21、次腔室22和辅腔室23连接，并通过电信号控制各阀门来控制主腔室21与生长炉11的连通、主腔室21与次腔室22的连通、主腔室21与辅腔室23的连通、以及主腔室21的泄压。

详细地，在主腔室21与生长炉11连通的管道上设有进气阀PV3和泄压阀PV6、在主腔室21与次腔室22连通的管道上设有进气阀PV4和泄压阀PV7、在主腔室21与辅腔室23连通的管道上设有进气阀PV2和泄压阀PV5；所有泄压阀都与主腔室21的泄压管道连接，并在该泄压管道的输出端还设有总泄压阀PV8。

同时，为了监控进入生长炉11内的生长气体的压力，在主腔室21与生长炉11连通的管道上设有压力表PT0；为了监控主腔室21在补液过程中其腔室内的压力，在与主腔室21连通的管道上设有压力表PT1；为了监控主腔室21泄压过程的压力控制，在泄压管道的输出端设有压力表PT2。

当任一个晶圆片在生长炉11中进行外延层长膜时，控制器一12通过电信号直接向生长炉11发射生长信号，控制生长炉11启动的气动阀直接开启；同时控制器二24收到控制器一12发出的生长信号后，控制器二24直接控制PV3和PV4开启，保证生长炉11和主腔室21连通，使氢气携带TCS一同进入生长炉11腔内，且次腔室22与主腔室21连通并持续地向主腔室21中通入氢气，使主腔室21中的混合的生产气体持续且稳定地输入至生长炉11中。

由于生长气体为氢气携带TCS一同进入生长炉11中通过高温热分解和还原反应，在晶圆片的衬底表面沉积生长一层硅单晶薄膜层，即外延层。故，在辅助端20中的主腔室21中，必须制得符合标准饱和蒸气压要求的氢气和TCS混合的生长气体。需要在主腔室21中保证气液界面压力变化始终是稳定的，这样才能保证进入生长炉11中的生长气体的压力和流量是一致的。

在主腔室21中，当其内的压力变化趋于稳定且达到饱和蒸气压时，氢气会载着TCS从主腔室21中通过管道进入生长炉11中。为了保持进入生长炉11中的生长气体流量的稳定性、以及保证外延层厚度生长的一致性，PV3和PV4是同步开启或关闭的。

S2、在上一个晶圆片的外延层长膜结束后至下一个晶圆片的外延层长膜之前的过程控制。

S21、相邻两个晶圆片之间的加工过程中，当上一个晶圆片外延层加工结束时，生长端10中的控制器一12即刻开始并持续地向辅助端20的控制器二24发射补液信号，控制器二24通过液位传感器监控到主腔室21中的液位高度，即可判断主腔室21是否需要补液，其中，补液逻辑如图4所示。

具体地，每一个晶圆片的外延层的膜厚加工完毕后，控制器一12通过电信号直接向辅助端20中的控制器二24发出补液信号ON，控制器二24通过置于主腔室21中的液位传感器来监控主腔室21中的液位高度，并将监控到的位置高度信号传输给控制器二24，控制器二24自行判断主腔室21是否需要补液。若不需要补液，持续保持PV3和PV4开启，保证生长炉11和主腔室21、以及次腔室22与主腔室21连通，持续地向主腔室21中通入氢气，并使主腔室21中的气压保持不变。若需要补液，则控制器二24直接通过电信号对主腔室21进行补液，当补液结束后，即可保持PV3和PV4开启，从而可保证进入生长炉11中的混合生长气体的压力不变，从而保证下一个晶圆片外延层长膜时的压力与上一个晶圆片外延层长膜时的压力一致，具有可重复地连续地对晶圆片进行外延层长膜。

而现有技术中，在上一个晶圆片完成外延层长膜加工后，若液位传感器监控到主腔室21中的液位低于低液位，则直接会给生长端10的控制器一12反馈为液位低的信号；则控制器一12直接通过气动信号将补液信号传输给辅助端20进行TCS补液；当补液后的液位高于低液位后，辅助端20即向生长端10反馈满液位信号，生长端10再经控制器一12通过气动阀关闭TCS补液。现有的补液逻辑采用气动信号传递，不仅反馈时间长，而且极易导致上一个晶圆片外延层长膜时的主腔室21的压力与下一个晶圆片外延层长膜前的主腔室21的压力不一致，使得氢气携带TCS进入生长炉11进行下一个晶圆片外延层长膜时压力发生变化，进而会导致生长速率发生变化，从而导致外延层膜厚的炉间压力差异过大，不具有重复性。

而经本申请提出更改补液逻辑后，电信号代替现有的气动信号，不仅可缩短反馈时间，提高启动速度，而且还降低因信号延迟带来的压力变化，进而可最大限度地降低炉间压力变化量，进而可保证炉间外延层生长速率的稳定性，提高可重复性。

S22、当主腔室21中TCS的液面处于高液位时，不需要向主腔室21补液。

在这一过程中，当主腔室21中TCS的液面处于高液位时，监控液位的传感器会直接将液位传递给控制器二24中，则控制器二24基于预设的判断条件，直接判断无需向主腔室21中进行补液。

此时，继续保持生长炉11与主腔室21贯通、以及主腔室21与次腔室22贯通。也即是，当不需要补液时，继续打开PV3和PV4，持续地以相同的氢气流量进入主腔室21中与TCS混合，并持续地以相同的生长气体的流量和气压从主腔室21中进入生长炉11中，等待下一个晶圆片外延层的加工程序的开始。

S22、当主腔室21中TCS的液面处于低液位时，需要向主腔室21补液。

具体地，生长端10向辅助端20发出补液信号，当主腔室21中TCS的液面处于低液位时，监控液位的传感器会直接传递给控制器二24中，则控制器二24基于预设的判断条件，直接判断主腔室21中需要补液。

当需要补液时，按照预设的脉冲信号，边补液边泄压控制，交替进行操作，直至主腔室21中的TCS液面达到高液位。

如图4所示，控制器二24通过电信号向辅助端20发出补液信号，延时0.1-0.3s打开PV2，连通辅腔室23与主腔室21，以朝主腔室21中通入TCS，开始补液。

补液一段时间后再暂停补液，并打开泄压阀PV6和PV8，对主腔室21进行泄压一段时间；

然后再打开PV2并关闭PV6、PV8，补液一段时间，再关闭PV2、并打开PV6和PV8泄压一段时间。

重复上述步骤，交替地对主腔室21进行补液、泄压；且脉冲补液时间与泄压时间相同，优选地，均为5s。如此交替操作，直至主腔室21中的TCS液面达到高液位。其中，PV2与PV6、PV8的启停按照预设的脉冲信号进行控制，且补液开始时，PV8的开启状态由当前时钟的状态决定。

在补液过程中，始终关闭PV3和PV4，即关闭生长炉11和主腔室21的连接管道、主腔室21和次腔室22的连接管道，暂时不向生长炉11中通入生长气体、也不向主腔室21中通入氢气，避免影响主腔室21中TCS液位的监控，同时暂停主腔室21的鼓泡。连通生长炉11和主腔室21时，必须在主腔室21中进行鼓泡，有利于氢气携带TCS进入生长炉11中。

还有，当打开PV2朝主腔室21补液时，泄压阀PV6是关闭的。当泄压时，PV6打开的同时PV8必须打开，相应地，同步关闭PV2。由于主腔室21为密闭的容腔，向其内注入TCS后会导致主腔室21中的气压升高，为了保证通过压力表PT1测得主腔室21内的气压值的稳定性，需要对主腔室21进行泄压，且不是持续地泄压，以防过渡泄压导致其内部的压力值变化过大，对PV6和PV8采用相同的买菜信号进行控制，使主腔室21内的气体排入尾气处理设备中。相应地，对PV2和PV6是采用相反的脉冲信号进行补液控制。

当主腔室21中的TCS的液面达到高液位时，若此时，PV2仍处于开启状态，则控制器二24通过电信号通知PV2关闭，停止补液；由于主腔室21中的气压较大，相应地，还要控制PV6和PV8泄压同样的时间，以使主腔室21中的气压稳定，保持与外延层长膜时的气压一致；待泄压完毕后，补液结束。

当主腔室21中的TCS的液面达到高液位时，若此时，PV2关闭，而PV6和PV8正在泄压，待主腔室21中的压力与外延层长膜时的气压一致时，停止泄压，关闭PV6和PV8，补液结束。

在整个补液过程中，无论主腔室21是否需要补液，生长端10中的控制器一11始终是向辅助端20通过电信号发送补液信号。由控制器二24来判断是否需要向主腔室21提供补液。不仅优化了对主腔室21液位判断以及补液控制的信号流程，而且还直接通过采用电信号将各控制器与各个腔室、气阀连接，替代现有的气动信号控制，使信号控制的反馈时间缩短到0.1-0.3s，进一步缩短了补液信号的缓冲时间，而且还能精准且迅速地对主腔室21中的溶液量进行补液，同时还可保证主腔室21中的气压的稳定性，使主腔室21中在同一批次的不同晶圆片的外延层生长过程中，压力变化较小，保证外延层生长速率的稳定性，外延膜厚的炉间差异较小，即同一批次的不同晶圆片在生长炉11中生长后获得的外延膜的厚度差较小。

S23、开启下一个晶圆片的外延层生长的工艺。

当主腔室21收到控制器一12发出的补液信号OFF时或者收到控制器二24监控到主腔室21内的TCS的液位达到高液位的信号时，只要任一条满足就停止补液，关闭PV2、PV6和PV8，并同步打开PV3和PV4，控制生长炉11与主腔室21贯通、以及主腔室21与次腔室22贯通。也即是，当正在补液时，若此时生长端20开始准备对下一个晶圆片的外延层进行长膜时，则必须停止补液，则控制器一12直接会向辅助端10发出补液信号OFF，则停止补液。当控制器二24监控到主腔室21内的TCS的液位达到高液位的信号时，则停止补液。

进一步的，在主腔室21收到关闭补液信号之后，延时0.1-0.3s，控制主腔室21开始鼓泡，并停止补液，直至下一个晶圆片的外延层加工工艺开始。

采用本申请中的补液方法与现有的补液方法，在E320型的外延炉进行外延片厚度重复性的实验，选择15个规格相同的晶圆片分别进行测试；所有晶圆片均采用相同的生长工艺不同的补液方法进行测试。

生长结束后，在每一个晶圆片的外延层上选择9个点，以测得其膜厚数据，并对该晶圆片的膜厚数据进行处理，获得膜厚最大值max、膜厚最小值min、膜厚偏差值uni(计算公式：max/min-1)、以及膜厚平均值avg，以获得15个晶圆片的外延层膜厚数据。采用本申请中的补液方法获得的膜厚数据，如表1所示；相应的，再对对个晶圆片的平均膜厚进行排布，获得的变化线性趋势图，如图5所示，在图5中，X轴为晶圆片标号(slot1表示第1个晶圆片、slot2表示第2个晶圆片...，以此类推)，Y轴为外延层的平均膜厚，单位为μm。同时，获取每一个晶圆片在外延层的长膜过程中，生长气体即氢气携带TCS进入生长炉11中的压力变化值，形成这15个晶圆片总的压力变化趋势图，如图6所示，其中，X轴为各晶圆片外延层长膜过程所用的时间，因15个晶圆片逐片进行生长测试，炉间未间断，获得的时间是各晶圆片生长的实际记录的时间，即为每个晶片在上一个晶片加工时间的基础上进行累加后的时间；Y轴为长膜时生长气体进入生长炉11中的压力值。

表1采用本申请提出的补液方法获得的膜厚数据列表(μm)

采用现有技术所提出的补液方法，并采用与上述处理方式相同的操作，获得15个晶圆片的膜厚数据，如表2所示；相应的，再对对个晶圆片的平均膜厚进行排布，获得的变化线性趋势图，如图7所示；长膜过程中，生长气体即氢气携带TCS进入生长炉11中的压力变化趋势图，如图8所示。

表2采用现有技术的补液方法获得的膜厚数据列表(μm)

由上述测试结果可知，采用本方法可获得具有可重复性和稳定性的炉间气压，在满足对晶圆片加工工艺流量的要求之外，氢气携带TCS的生长气体的动态压力变化幅度较小。实现了外延片炉间生长气体的压力波动范围降至＜0.5psi；晶圆片外延层的膜厚重复性好，炉间偏差＜0.5％，不仅提升产品质量，而且可保证产品加工性能，实现稳定量产；同时还减少了在工艺过程中生长气体即动态氢气携带TCS的压力波动，能够满足2-5μm外延层的长膜质量需求，拓宽了外延设备的工艺加工能力。

本申请提出的补液方法，还缩减了同一批次中各个晶圆片的外延层膜厚的差异，保证各晶圆片的外延膜生长速率的一致性。由现有技术中的炉间膜厚偏差1.0-2.0％降低至小于0.5％(计算公式：max/min-1)，提升了外延片整体的良率，成功解决了当前外延炉存在的炉间膜厚偏差过大的技术问题，如型号为E320。

气阀的启停采用电信号控制，替代现有的气动信号，转换时效性快捷且稳定，保证了设备的运行时间，缩减了设备故障宕机时间，实现设备最大量产化。

采用本发明设计的一种晶圆片外延层加工的补液方法，可保证外延晶圆片炉间压力波动由现有的±1.5psi控制在±0.2psi，且使外延晶圆片炉间均匀性由原来的＞1.0％优化至＜0.5％(计算公式：max/min-1)，收敛了外延晶圆片炉间波动性，提高了外延层的成膜质量，炉间成膜效果显著，炉间重复性良好，提高生产效率，节约生产成本。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆片外延层加工的补液方法，包括：生长端，用于晶圆片外延层生长，其构置有生长炉；辅助端，用于向生长端提供生长气体，其构置有存储生长气体的主腔室、向主腔室提供氢气的次腔室、以及向主腔室提供TCS的辅腔室；其特征在于，步骤包括：

相邻两个晶圆片之间的加工过程中，当上一个晶圆片外延层加工结束时，由生长端持续向主腔室发出补液信号，辅助端判断主腔室是否需要补液；

若不需要补液，等待下一个晶圆片外延层加工；

若需要补液，向主腔室添加溶液；

其中，在不需要补液时，保持生长炉与主腔室贯通、以及主腔室与次腔室贯通。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，当主腔室中TCS的液面处于高液位时，则不需要补液；

当主腔室中TCS的液面处于低液位时，则需要补液。

3.根据权利要求1或2所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，当需要补液时，包括：

主腔室收到补液信号ON之后，延时0.1-0.3s，连通辅腔室与主腔室开始补液，并停止在主腔室内鼓泡；

补液时，按照预设的补液信号和泄压信号，交替地进行操作，直至主腔室中的TCS液面达到高液位。

4.根据权利要求3所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，补液时，交替的补液时间与泄压时间相同。

5.根据权利要求4所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，交替的补液时间与泄压时间均为5s。

6.根据权利要求1-2、4-5任一项所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，向主腔室提供补液信号的控制器通过电信号与次腔室和辅腔室连接。

7.根据权利要求6所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，向主腔室提供补液信号的控制器通过电信号与辅助端中所有管道上的气阀连接。

8.根据权利要求7所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，向生长炉提供生长信号的控制器通过电信号与向主腔室提供补液信号的控制器连接。

9.根据权利要求1-2、4-5、7-8任一项所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，当主腔室收到关闭补液信号或者主腔室内的TCS的液位达到高液位时，停止补液，并控制生长炉与主腔室贯通、以及主腔室与次腔室贯通。

10.根据权利要求9所述的一种晶圆片外延层加工的补液方法，其特征在于，当主腔室收到补液信号OFF之后，延时0.1-0.3s，控制主腔室开始鼓泡，并停止补液；

直至下一个晶圆片的外延层加工工艺开始。

Images