CN104332429A - 一种提高外延机台产能的装置与方法 - Google Patents

一种提高外延机台产能的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路技术领域，尤其是涉及到一种提高外延机台产能的装置与方法，通过在外延腔体中设置第一基座、第二基座、第三基座和第四基座，硅片在基座中同时进行传入与传出，极大减少了硅片的停留时间，本发明可以有效的提高外延工艺的生产效率，提高产能，另一方面也保正了外延膜淀积的高标准要求。

Description

一种提高外延机台产能的装置与方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其是涉及到一种提高外延机台产能的装置与方法。
背景技术
随着半导体集成度的越来越高，根据摩尔定律，集成电路的特征尺寸每18个月份将会降低30％，且集成度将会增加一倍，与此同时应用在半导体集成电路制造上的外延工艺(Epitaxy，简称Epi)的要求也越来越高。
外延工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延膜可以是同质外延膜(Si/Si)，也可以是异质外延膜(SiGe/Si或SiC/Si等)；同样实现淀积外延膜也有很多方法，包括分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，简称MBE)，超高真空化学气相沉积(Ultra-high Vacuum Chemical Vapor Deposition，简称UHVCVD)，常压(Atmospheric Pressure，简称ATMP)及减压(Relief Pressure，简称RP)外延等等。其中，根据淀积外延膜的方法可以将外延工艺分为两大类(如下表1所示)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(SelectiveEpi,简称SEG)，同时工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2，简称DCS)和三氯硅烷(SiHCl3，简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)。选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，且反应中的载气一般选用氢气(H2)。
表1：外延工艺的分类及反应气体源
传统的外延工艺，首先根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重掺杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(Backseal)以减少后续外延生长过程中的自掺杂；然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(Mass Flowmeter Count，简称MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延膜淀积之前一般都需要H2烘烤(Bake)这一步，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；最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数,片内厚度及电特性均匀度(Uniformity)、片与片间的重复性(Repeatability)、杂质颗粒(Particle)数目以及污染(Contamination)。
在8英寸的集成电路工艺上，一方面随着硅片尺寸的增加，另一方面为了提高外延工艺的可控性以及对外延质量和不同工艺方式的要求，外延设备单片炉已经开始取代多片炉；同时外延工艺菜单越来越复杂，外延膜的淀积也越来越多，耗费的时间越来越长，如：将硅片装入一单片反应腔体中需要2～4分钟；吹入惰性气体并充入氢气需要3～5分钟；加热到氢气烘烤温度以去除硅片表面的自然氧化层需要10～12分钟；加热到HCl的刻蚀温度，引入无水HCl刻蚀硅片的硅层同时吹气去除系统中的掺杂剂和HCl需要5～7分钟；冷却到淀积温度，引入硅原料和掺杂剂以淀积所需薄膜同时吹入氢气去除硅原料和剩余掺杂剂需要10～12分钟以及后续的冷却到室温，以及吹走氢气并重新冲入氮气，移除硅片完成完整的外延工艺的总时间在45分钟左右。例如，如图1所示的现有的单片反应腔示意图，其中硅片在该腔体中的传输过程为：硅片放置在装载装置1—传输装置4—外延工艺的基座2—传输装置4—冷却腔体3—传输装置4—硅片传回装载装置1，并依次按照上述步骤完成外延工艺，其过程耗费了大量的时间，同时外延工艺的效率较低。
另外，一硅片从装片到卸片过程中的烘烤、外延膜淀积和冷却处理等工艺均在同一个基座上进行，如图2所示，工艺步骤逐步展开，例如：假设SiGe外延层淀积理想的厚度为时，硅片在单片反应腔的工艺时间至少11分钟，加上传片以及在冷却腔体中进行硅片冷却，一片硅片完整的工艺时间可能需要15分钟。每片硅片外延工艺结束还需要对单片反应腔进行淀积—刻蚀—淀积特定清洗处理，使单片反应腔环境达到特定条件并进行下一硅片的外延工艺，若将硅片以25片为一批(一个lot)，对于单片反应腔该批产品的外延工艺时间将会超出10小时，制约生产，消耗了大量外延工艺的时间。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种提高外延机台产能的装置与方法，通过该方法可以解决外延工艺的生产效率低下的缺陷。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种提高外延机台产能的装置，其中，所述装置包括：
位于同一外延腔体内的若干第一基座、若干第二基座、若干第三基座和若干第四基座；
所述第一基座用于对硅片进行烘烤，所述第二基座与所述第三基座用于对硅片进行外延膜淀积，所述第四基座用于对硅片进行冷却处理；
在进行外延工艺时，硅片按第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的路径依次进行对应的工艺处理。
较佳的，上述的提高外延机台产能的装置，其中，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的材质均为石墨。
较佳的，上述的提高外延机台产能的装置，其中，所述装置还包括一传送设备，当所述硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过所述传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理。
较佳的，上述的提高外延机台产能的装置，其中，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的温度控制相互独立。
一种提高外延机台产能的方法，其中，所述方法包括：
步骤S1、提供一外延机台装置，所述装置包括位于同一外延腔体内的若干第一基座、若干第二基座、若干第三基座和若干第四基座；
步骤S2、将一表面具有氧化层的硅片移至第一基座并进行烘烤处理，去除所述硅片表面的氧化层；
步骤S3、继续将所述硅片依次移至第二基座和第三基座对硅片进行外延膜淀积；
步骤S4、继续将所述硅片移至第四基座对硅片进行冷却处理；
当所述硅片完成冷却处理后，将该硅片移出外延机台，将第三基座的硅片移至第四基座进行冷却处理，同时将第二基座的硅片移至第三基座进行外延膜淀积，将第一基座的硅片移至第二基座进行外延膜淀积，并且将后续未进行外延工艺的硅片移至第一基座进行烘烤处理。
较佳的，上述的提高外延机台产能的方法，其中，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的材质均为石墨。
较佳的，上述的提高外延机台产能的方法，其中，所述装置还包括一传送设备，当所述硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过所述传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理。
较佳的，上述的提高外延机台产能的方法，其中，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的温度控制相互独立。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
1、当若干硅片的外延工艺同步进行时，烘烤、外延膜淀积和冷却处理分别在同一腔体内的不同基座上进行，减少了硅片在基座上的停留时间，提高了外延工艺的生产效率。
2、因每个基座进行外延工艺时均相互独立，可以根据工艺需求将不同的外延膜淀积在不同的基座上单独完成，避免了单一基座淀积时因外延膜淀积的工艺条件不同而产生相互影响，同时减少了传统方法中腔体的清洗工艺时间。
3、因硅片通过相同的基座路径，硅片可以同时传入和传出并进行不同的工艺处理，一定程度上减少了停留时间并且相同的基座路径能够保持外延工艺的重复性，减少硅片间的波动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是现有技术中单片反应腔的结构示意图；
图2是现有技术中外延工艺的方法示意图；
图3是本发明实施例中可提高外延机台产能的装置示意图；
图4是本发明实施例中实现外延工艺的方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
为了提高外延工艺的生产效率，提高产能，本发明提供一种提高外延机台产能的装置与方法，具体的如图3和图4所示。
实施例一：
在本发明的实施例中，涉及到一种提高外延机台产能的装置，该装置具体为位于外延腔体中的若干基座，该腔体中的基座用于对硅片进行外延工艺；其中，该若干数量的基座具体的可以分为若干第一基座5、若干第二基座6、若干第三基座7和若干第四基座8。在本发明的实施例中，优选的，该第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8的材质均为石墨。
因为外延工艺的基本原理为对硅片烘烤—外延膜淀积—冷却，因此在本发明的实施例中第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8间的温度控制相互独立，互不影响；同时在进行外延膜淀积时会在硅片的衬底上淀积多种薄膜，并且不同薄膜的淀积工艺所需求的基座环境(如淀积速率、淀积尺寸和离子掺杂种类等)不同，因此硅片在每个基座进行工艺时均相互独立，且可以根据工艺需求将不同的外延膜淀积在不同基座上(不同基座中环境不同)单独完成，避免了单一基座淀积时因外延膜淀积的工艺条件不同而产生相互影响，同时一定程度上减少了传统方法中腔体的清洗工艺时间。
优选的，在本发明的实施例中，根据外延工艺的需求(在本发明的实施例中，假设外延膜淀积过程分为两次淀积)在进行外延工艺时，将该硅片按第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8的路径进行(该外延腔体中设有一传送设备(图中未示出)，当硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过该传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理)，其中该第二基座6和第三基座7均用于外延膜的淀积；第一基座5用于对硅片的烘烤；第四基座8用于对硅片冷却处理且第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8的数量优选为一个，如图3所示。
其中，本领域技术人员应当理解为，根据外延工艺的要求如外延膜淀积过程需要若干次淀积，则对应的在该腔体中用于多次薄膜淀积的基座数量也为若干数量；若于硅片进行若干次烘烤，则对应的第一基座5的数量也为若干数量。
实施例二：
本发明还涉及到一种用于提高外延机台产能的方法，具体的如图4所示。
步骤S1、提供一外延机台装置，该装置包括位于同一外延腔体内的若干第一基座5、若干第二基座6、若干第三基座7和若干第四基座8；
其中，因为外延工艺的基本原理为对硅片烘烤—外延膜淀积—冷却，因此在本发明的实施例中第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8间的温度控制相互独立，互不影响；同时在进行外延膜淀积时会在硅片的衬底上淀积多种薄膜，并且不同薄膜的淀积工艺所需求的基座环境(如淀积速率、淀积尺寸和离子掺杂种类等)不同，因此硅片在每个基座进行工艺时均相互独立，且可以根据工艺需求将不同的外延膜淀积在不同基座上(不同基座中环境不同)单独完成。
在本发明的实施例中，该外延机台装置还包括一传送设备(图中未示出)，其目的在于当硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过该传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理。
优选的，上述第一基座5、第二基座6、第三基座7和第四基座8的材质均为石墨。
步骤S2、将用于外延工艺处理的硅片放置于一外延腔体的传送设备上，该传送设备通过载入通道将该硅片移至第一基座5中进行烘烤以去除硅片表面的氧化层以及硅片表面的杂质，并为后续的外延膜的淀积准备洁净硅面。
在一种可选但非限制性的实施例中，首先于第一基座5中通入惰性气体(如氮气)、氯化氢和氢气，并对第一基座5进行加热使氢气的烘烤温度达到1200℃左右(其中，本领域技术人员应当理解为氢气的烘烤温度可以根据具体的工艺要求而设定，本发明中该温度可以去除硅衬底表面的氧化层)以去除硅衬底表面的氧化层以及其它杂质。
进一步的，对第一基座5进行加热到氯化氢的刻蚀温度刻蚀该硅片表面一定厚度的硅层并吹入氮气去除第一基座5中的其他掺杂剂和剩余的氯化氢气体，以保证后续的外延膜淀积工艺良好的工作环境。
步骤S3、当第一基座5完成对硅片处理之后，该传送设备会将该硅片移至第二基座6中进行外延膜淀积工艺(相应的，该传送设备同时会将后续的硅片移至第一基座5中继续上述步骤S2)。
在本发明的实施例中，第二基座6的温度环境满足相应的外延膜淀积温度，并根据不同的外延膜淀积本领域技术人员可以相应的改变第二基座6中的温度条件；同时在第二基座6引入硅原料以及其他的掺杂剂，并进行后续的淀积工艺，淀积本领域技术人员需要的薄膜。
进一步的，于第二基座6通入氢气以去除剩余的硅原料和掺杂剂。
步骤S4、当第二基座6对硅片处理之后，该传送设备会将该硅片移至第三基座7中(根据工艺要求该第三基座7中与第二基座6中的外延膜淀积的环境不同)进行另外一次的外延膜淀积，其工作过程与步骤S3中一致，在此不予赘述。
其中，传送设备相应的会将后续另一需要外延膜淀积的硅片移至第一基座5中进行步骤S2，相应的上述完成步骤S2的硅片同时也会被移至第二基座6中，继续步骤S3。
步骤S5、当第三基座7对硅片处理之后，该传送设备会将该硅片移至第四基座8中进行对硅片的冷却处理，直至处理后的硅片冷却至室温被传送设备通过载出通道移出机台的腔外。
因此，当所述硅片完成冷却处理后，传送设备将该硅片移出外延机台的腔外，将第三基座7的硅片移至第四基座8进行冷却处理，同时将第二基座6的硅片移至第三基座7进行外延膜淀积，将第一基座5的硅片移至第二基座6进行外延膜淀积，并且将后续未进行外延工艺的硅片移至第一基座5进行烘烤处理。
因硅片同时进行传入与传出，极大的减少了硅片的停留时间，并且保持外延工艺按照上述路径进行，能够保持外延工艺的重复性，减少硅片间的波动，因此本发明的技术方案可以有效的提高外延工艺的生产效率，提高产能，另一方面也保正了外延膜淀积的高标准要求。
综上所述，本发明公开的一种提高外延机台产能的装置与方法，通过于外延腔体中设置的第一基座、第二基座、第三基座和第四基座，硅片于基座中同时进行传入与传出，同时本发明具有以下突出有益效果：
1、当若干硅片的外延工艺同步进行时，烘烤、外延膜淀积和冷却处理分别在同一腔室内的不同基座上进行，减少了硅片在基座上的停留时间，提高了外延工艺的生产效率。
2、因每个基座进行外延工艺时均相互独立，可以根据工艺需求将不同的薄膜淀积在不同的基座上单独完成，避免了单一基座淀积时因外延膜淀积的工艺条件不同而产生相互影响，同时减少了传统方法中腔体的清洗工艺时间。
3、因硅片通过相同的基座传输路径，硅片可以同时传入和传出并进行不同的工艺处理，一定程度上减少了停留时间并且相同的基座路径能够保持外延工艺的重复性，减少硅片间的波动。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种提高外延机台产能的装置，其特征在于，所述装置包括：
位于同一外延腔体内的若干第一基座、若干第二基座、若干第三基座和若干第四基座；
所述第一基座用于对硅片进行烘烤，所述第二基座与所述第三基座用于对硅片进行外延膜淀积，所述第四基座用于对硅片进行冷却处理；
在进行外延工艺时，硅片按第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的路径依次进行对应的工艺处理。
2.如权利要求1所述的提高外延机台产能的装置，其特征在于，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的材质均为石墨。
3.如权利要求1所述的提高外延机台产能的装置，其特征在于，所述装置还包括一传送设备，当所述硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过所述传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理。
4.如权利要求1所述的提高外延机台产能的装置，其特征在于，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的温度控制相互独立。
5.一种提高外延机台产能的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1、提供一外延机台装置，所述装置包括位于同一外延腔体内的若干第一基座、若干第二基座、若干第三基座和若干第四基座；
步骤S2、将一表面具有氧化层的硅片移至第一基座并进行烘烤处理，去除所述硅片表面的氧化层；
步骤S3、继续将所述硅片依次移至第二基座和第三基座对硅片进行外延膜淀积；
步骤S4、继续将所述硅片移至第四基座对硅片进行低温冷却处理；
当所述硅片完成冷却处理后，将该硅片移出外延机台，将第三基座的硅片移至第四基座进行冷却处理，同时将第二基座的硅片移至第三基座进行外延膜淀积，将第一基座的硅片移至第二基座进行外延膜淀积，并且将后续未进行外延工艺的硅片移至第一基座进行烘烤处理。
6.如权利要求5所述的提高外延机台产能的方法，其特征在于，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的材质均为石墨。
7.如权利要求5所述的提高外延机台产能的方法，其特征在于，所述装置还包括一传送设备，当所述硅片在其中一基座完成工艺处理后，通过所述传送设备将该硅片移至位于该基座的下一基座继续进行后续工艺处理。
8.如权利要求5所述的提高外延机台产能的方法，其特征在于，所述第一基座、第二基座、第三基座和第四基座的温度控制相互独立。
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