CN103938269A - 一种外延工艺腔体温度校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外延工艺腔体温度校准的方法，属于半导体集成电路中衬底的外延工艺领域，首先建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，在生产工艺监控过程中，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值，进而通过温度调节装置校准机台腔体温度。本发明提供的方法简单高效，适用于工业生产中硅片温度的日常监控，可提高温度控制精度，此外还可有效探测机台内是否出现腔体污染或石英组件破裂等问题；另外，本发明提供的外延膜层结构，通过设置固定的锗浓度，在进行光学测量膜层厚度时，可以更清晰的分清各外延层之间的界面，使测量外延层厚度更加容易同时精准。

Description

一种外延工艺腔体温度校准的方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路中衬底的外延工艺领域，特别涉及一种外延工艺腔体温度校准的方法。

背景技术

外延生长是在在单晶衬底(基片)上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。外延层可以是同质外延层(即本征外延层)或异质外延层；同质外延层为生长外延层和衬底为同一材料，例如在硅(Si)衬底上生长硅(Si)外延层，异质外延层为外延生长的薄膜材料和衬底不同，例如在硅(Si)衬底上生长硅锗(SiGe)外延层。生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类：全外延和选择性外延。

反应中，通常将氢气(H2)作为载体，携带四氯化硅(SiCl4)或三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)或二氯氢硅(SiH2Cl2)等进入置有硅衬底的反应室，在反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解，所产生的硅原子在衬底硅表面上外延生长。硅片外延生长时，常需要控制掺杂，以保证控制电阻率。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。

在工业生产中硅片生产通常出现四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slipline),堆跺层错(stacking fault)和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能存在很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷。其中，消除这些缺陷的办法其中一个重要途径是检查片内工艺温度分布是否均匀。

在现有外延工艺腔体温度控制方法中，机台通过红外线温度计测量温度，但是红外线温度计测量的机台温度值与热偶测量的机台腔体实际温度值往往存在偏差,而机台腔体实际温度的不准确往往导致外延层的生长存在厚度热点。原因有以下几点：首先，红外线温度计测量虽采取多点定点测量，但在实际工艺中测量的位置有限，不能完全反应整个腔体的温度分布梯度情况，同时多点测量费时费力。其次，检测不到腔体中存在的热点；在外延生长过程中，外延同时会淀积在腔体石英钟罩及气体管路上，设备异常时会使腔体某些局部区域可能覆盖较厚的外延，造成局部温度偏差，造成红外温度计定点测量不到。此外，腔体局部的温度偏差会阻碍热传导，一方面会造成环境温度不均匀，工艺异常，热点区域石英外壁外延层脱落，造成工艺腔体污染，同时腔体温度不均匀会造成石英组件破裂。

因此，红外线温度计测量的机台温度值与机台腔体实际温度值往往存在偏差，即红外线温度计测量的温度值在正常工作温度范围内，但机台腔体的温度已超过正常的温度范围，导致外延层的生长出现厚度热点。本领域技术人员急需提供一种外延工艺腔体温度校准的方法，可及时调控机台腔体温度，使机台腔体温度保持在正常工作温度内。

发明内容

本发明所要解决的技术是提供了一种外延工艺腔体温度校准的方法，在生产工艺监控过程中，可及时调控机台腔体温度，使机台腔体温度保持在正常工作温度内。

本发明提供的一种外延工艺腔体温度校准的方法，包括：

步骤S01、建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；其中，所述步骤S01具体包括：

步骤S011、提供若干硅衬底，且在各硅衬底上依次形成硅锗外延层和硅本征外延层；其中，所述各硅本征外延层预设为不同的厚度；

步骤S012、针对不同厚度的硅本征外延层，分别记录热偶测量机台腔体的实际温度，进而将各硅本征外延层厚度值和机台腔体温度值一一对应,形成硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；

步骤S02、生产工艺监控过程中，根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体的温度；其中，所述步骤S02具体包括：

步骤S021、通过光学测量硅本征外延层的厚度分布，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值；

步骤S022、若硅本征外延层存在局部厚度超过预设阈值，则根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体的温度。

优选的，所述步骤S011中，所述硅锗外延层中锗浓度为固定值且锗浓度无梯度分布。

优选的，所述硅锗外延层中锗浓度为10％。

优选的，所述步骤S011中，首先采用烘烤工艺去除所述硅衬底表面的自然氧化层及表面的杂质。

优选的，所述步骤S022中，校准机台温度后检查所述机台腔体内是否被污染或/和石英组件是否破裂。

优选的，所述硅锗外延层的掺杂浓度高于硅本征外延层的掺杂浓度。

优选的，沉积所述硅锗外延层的工艺温度为750℃。

优选的，沉积所述硅锗外延层的工艺温度为800℃。

优选的，沉积所述硅本征外延层的时间为200S。

优选的，沉积所述硅锗外延层和硅本征外延层的工艺为化学气相沉积工艺。

与现有技术相比，本发明提供的外延工艺腔体温度校准的方法，首先建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，在生产工艺监控过程中，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值，进而通过温度调节装置校准机台腔体温度。本发明提供的方法简单高效，适用于工业生产中硅片温度的日常监控，使机台腔体温度的保持在工作温度内。此外，还可有效探测机台内是否出现腔体污染或石英组件破裂等问题；另外，本发明提供的外延膜层结构，通过设置固定的锗浓度，在进行光学测量膜层厚度时，可以更清晰的分清各外延层之间的界面，使测量外延层厚度更加容易同时精准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明提供的外延工艺腔体温度校准的方法的步骤流程图；

图2为本发明提供的外延膜层的一较佳具体实施例结构示意图。

其中，1、硅衬底；2、硅锗外延层；3、硅本征外延层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为本发明提供的外延工艺腔体温度校准的方法的步骤流程图。

如图1所示，本发明具体实施例提供的一种外延工艺腔体温度校准的方法，包括：

步骤S01、建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；

其中，所述步骤S01具体包括：步骤S011、提供若干硅衬底，且在各硅衬底上依次形成硅锗外延层和硅本征外延层；其中，所述各硅本征外延层预设为不同的厚度；步骤S012、针对不同厚度的硅本征外延层，分别记录热偶测量机台腔体的实际温度，进而将各硅本征外延层厚度值和机台腔体温度值一一对应,形成硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；

步骤S02、生产工艺监控过程中，根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体的温度；

其中，所述步骤S02具体包括：步骤S021、通过光学测量硅本征外延层的厚度分布，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值；步骤S022、若硅本征外延层存在局部厚度超过预设阈值，则根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体的温度。

本发明提供的外延工艺腔体温度校准的方法，首先建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，在生产工艺监控过程中，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值，进而通过温度调节装置校准机台腔体温度。本发明提供的方法简单高效，适用于工业生产中硅片温度的日常监控，可提高温度控制精度。

本实施例中，步骤S011中，可首先对所述硅衬底进行预处理，可设有烘烤工序去除硅衬底表面的自然氧化层及表面的杂质。对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)工序以减少后续外延生长过程中的自搀杂。在进行外延沉积之前，可选择H2烘烤(bake)步骤，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。

步骤S011中，所述硅锗外延层中锗浓度为固定值且锗浓度无梯度分布；硅锗外延层的掺杂浓度高于硅本征外延层的掺杂浓度，沉积所述硅锗外延层和硅本征外延层的工艺可选为化学气相沉积工艺。

在硅锗工艺产品中，膜层的叠加相对较复杂，其中硅锗外延层中锗的浓度是梯度变化的，由于锗浓度的梯度变化给厚度的量测带来难度。同时，光学量测膜厚要求衬底表面对入射光有足够的反射能力，而半导体材料反射能力与掺杂浓度有关。一般来说，掺杂越轻，反射能力越差。为了增加光的反射，外延量测对外延层下层衬底有特定要求，下层衬底的电阻率要低于外延层的电阻率，即下层的掺杂浓度要高于上层的浓度，这样光学量测时容易将界面分清。

步骤S022中，校准机台温度后检查所述机台腔体内是否被污染或/和石英组件是否破裂。由于腔体温度不均匀容易造成石英组件破裂或者由于机台腔体内遭受污染所致，因此，在校准机台温度后可进一步检查机台腔体内是否污染或/和石英组件是否破裂，提高机台设备的使用性能。

请参考图2，图2为本发明提供的外延膜层的一较佳具体实施例结构示意图。

在硅衬底1上生长硅锗外延层2，在硅锗外延层2的基础上生长硅本征外延层3，所述硅衬底1、硅锗外延层2以及硅本征外延层3依次覆盖。

本实施例中，硅锗外延层2的锗浓度保持固定值且无梯度分布，所述硅锗外延层2的掺杂浓度高于硅本征外延层3的浓度，硅本征外延层3为非掺杂。通过本实施例中的膜层结构改进，光学量测容易将膜层界面分清，可以更清晰的分辨膜层之间的界面，使测量膜层厚度更加容易同时精准。

本实施例中，采用的硅衬底1为P型衬底；硅锗外延层2生长温度为750？C，其中，锗的固定浓度为10％且锗浓度无梯度分布；硅本征外延层3温度为800？C，淀积时间为200S,目标厚度为1000A+/-30A且无掺杂，硅本征外延层3厚度的预设阈值采用100A。

首先，在硅衬底1上生长硅锗外延层2，其中硅锗外延层2中锗浓度固定，在硅锗外延层2的基础上生长一层目标厚度为1000A且无掺杂的硅本征外延层3；其次，使用热偶测量机台腔体实际温度并建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系。然后，生产工艺监控过程中，测量硅本征外延层3的厚度分布情况，判断硅本征外延层3的局部区域厚度是否超过100A的预设阈值。

如硅本征外延层3的局部区域厚度已超过预设阈值100A，则根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体的温度，使机台腔体温度与使用热偶测量机台腔体实际温度保持一致。如硅本征外延层3的局部区域厚度在预设阈值100A范围内，则不进行调整温度的动作，默认为红外线检测的机台温度在正常范围内。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，包括：

步骤S01、建立硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；其中，所述步骤S01具体包括：

步骤S011、提供若干硅衬底，且在各硅衬底上依次形成硅锗外延层和硅本征外延层；其中，所述各硅本征外延层预设为不同的厚度；

步骤S012、针对不同厚度的硅本征外延层，分别记录热偶测量机台腔体的实际温度，进而将各硅本征外延层厚度值和机台腔体温度值一一对应,形成硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系；

步骤S02、生产工艺监控过程中，根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体温度；其中，所述步骤S02具体包括：

步骤S021、通过光学测量硅本征外延层的厚度分布，检查硅本征外延层是否存在局部厚度超过预设阈值；

步骤S022、若硅本征外延层存在局部厚度超过预设阈值，则根据硅本征外延层厚度-机台腔体温度的映射关系，通过温度调节装置校准机台腔体温度。

2.根据权利要求1所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，所述步骤S011中，所述硅锗外延层中锗浓度为固定值且锗浓度无梯度分布。

3.根据权利要求2所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，所述硅锗外延层中锗浓度为10％。

4.根据权利要求1所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，所述步骤S011中，首先采用烘烤工艺去除所述硅衬底表面的自然氧化层及表面的杂质。

5.根据权利要求1所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，所述步骤S022中，校准机台温度后检查所述机台腔体内是否被污染或/和石英组件是否破裂。

6.根据权利要求1～5任一所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，所述硅锗外延层的掺杂浓度高于硅本征外延层的掺杂浓度。

7.根据权利要求1～5任一所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，沉积所述硅锗外延层的工艺温度为750℃。

8.根据权利要求1～5任一所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，沉积所述硅锗外延层的工艺温度为800℃。

9.根据权利要求8所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，沉积所述硅本征外延层的时间为200S。

10.根据权利要求1所述的外延工艺腔体温度校准的方法，其特征在于，沉积所述硅锗外延层和硅本征外延层的工艺为化学气相沉积工艺。