CN107731756B - 一种减少自掺杂的底座及外延设备 - Google Patents

一种减少自掺杂的底座及外延设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种减少自掺杂的底座及外延设备，所述底座包括底座主体及连接于所述底座主体背面的支撑杆，其中：所述底座主体内部设有空腔；所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的通孔；所述支撑杆中设有上下贯穿所述支撑杆并与所述空腔连通的用于排出晶圆背面释放的掺杂原子的排气孔。本发明的底座正面设有通孔、内部设有空腔、背面设有排气孔，可以使得晶圆背面释放的掺杂原子通过所述排气孔排出，防止掺杂原子被外延层吸收。采用该底座的外延设备中，所述排气孔排出的掺杂原子可以集中被固定尾气管收集，并通过尾气处理器处理。所述固定尾气管与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。

Description

一种减少自掺杂的底座及外延设备
技术领域
本发明属于半导体制造领域，涉及一种减少自掺杂的底座及外延设备。
背景技术
自掺杂是指在外延生长过程中，作为衬底的晶圆中的掺杂原子自动转移至外延层。来自于衬底背面的掺杂原子会在晶圆边缘与底座之间释放，并流向晶圆正面。这些掺杂原子会被纳入生长沉积层中，降低晶圆边缘的电阻均匀性。
美国专利US6596095公开了一种减少自掺杂的方法。如图1所示，显示为该专利中所采用的外延设备，其在底座中钻了一系列孔，并在底座下方设置一路水平的气流。由于扩散的掺杂原子是从晶圆背面出现，这些掺杂原子会进入底座中的通孔，并被底座下方的水平气流带走，使得自掺杂减少。但是由于文丘里效应的存在，工艺气体(或称反应气体)在吸力作用下也会进入底座和晶圆之间的间隙中，从而使晶圆背面也可能沉积外延层。其中，文丘里效应也称文氏效应，这种现象以其发现者，意大利物理学家文丘里(GiovanniBattista Venturi)命名。该效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。而由伯努利定律可知流速的增大伴随流体压力的降低，即常见的文丘里现象。通俗地讲，这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。
因此，如何提供一种减少自掺杂的底座及外延设备，以有效降低晶圆上外延层的自掺杂，并避免晶圆背面外延层的生长，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种减少自掺杂的底座及外延设备，用于解决现有技术中外延层生长过程中容易引入自掺杂的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种减少自掺杂的底座，包括底座主体及连接于所述底座主体背面的支撑杆，其中：
所述底座主体内部设有空腔；
所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的通孔；
所述支撑杆中设有上下贯穿所述支撑杆并与所述空腔连通的用于排出晶圆背面释放的掺杂原子的排气孔。
可选地，所述底座主体正面设有用于承载晶圆边缘区域的第一环形台阶。
可选地，至少有三个所述通孔分布于所述第一环形台阶中。
可选地，所述通孔在所述第一环形台阶中均匀分布。
可选地，所述空腔包括至少两条管路。
可选地，所述空腔包括一条环形管路及至少一条条形管路；所述环形管路与分布于所述第一环形台阶中的所述通孔连通；所述条形管路的一端连通所述环形管路，另一端连通所述排气孔。
可选地，至少有一个所述通孔分布于所述底座主体正面的中心区域。
可选地，所述底座主体正面设有用于限制晶圆水平移动的第二环形台阶。
本发明还提供一种外延设备，所述外延设备包括上述任意一项所述的减少自掺杂的底座。
可选地，所述外延设备包括石英腔室及分别设于所述石英腔室一对相对侧面的反应气体进气口与反应气体尾气口；
所述减少自掺杂的底座设于所述石英腔室内，并通过所述支撑杆与一旋转轴连接，在所述旋转轴的带动下旋转；
所述旋转轴与一固定尾气管连接；所述固定尾气管连通所述排气孔，用于收集晶圆背面释放的掺杂原子。
可选地，所述旋转轴中设有一上下贯通所述旋转轴的管道，所述固定尾气管一端伸入所述管道内与所述排气孔连通。
可选地，所述固定尾气管与所述管道侧壁之间通过磁流体密封件密封。
可选地，所述石英腔室底部连接有一收容管；所述旋转轴上部设于所述收容管内，且所述旋转轴与所述收容管内壁之间通过磁流体密封件密封。
可选地，所述旋转轴通过旋转电机及齿轮驱动旋转。
可选地，所述旋转轴中设有一上下贯通所述旋转轴并与所述排气孔连通的管道，所述固定尾气管顶部通过轴承与所述旋转轴底部连接并与所述管道连通。
可选地，所述石英腔室底部连接有一收容管；所述旋转轴整体及所述固定尾气管上部设于所述收容管内，且所述固定尾气管与所述收容管内壁之间通过磁流体密封件密封。
可选地，所述旋转轴通过设于所述收容腔外部的主动旋转磁铁与设于所述旋转轴外壁的从动旋转磁铁驱动旋转。
可选地，所述固定尾气管与一尾气处理器连接。
可选地，所述固定尾气管与一真空管连接。
可选地，所述外延设备还包括包围所述石英腔室的保护罩。
可选地，所述石英腔室与所述保护罩之间设有加热灯管。
可选地，所述保护罩内设有高温计，且至少有一个高温计位于所述石英腔室外部上方，至少有一个高温计位于所述石英腔室外部下方。
如上所述，本发明的减少自掺杂的底座及外延设备，具有以下有益效果：本发明的减少自掺杂的底座正面设有通孔、内部设有空腔、背面设有排气孔，可以使得晶圆背面释放的掺杂原子通过所述排气孔排出，防止掺杂原子被外延层吸收。采用所述减少自掺杂的底座的外延设备中，所述排气孔排出的掺杂原子可以集中被固定尾气管收集，并通过尾气处理器处理。所述固定尾气管与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。
附图说明
图1显示为现有技术中外延设备的结构示意图。
图2显示为本发明的减少自掺杂的底座的立体结构剖面图。
图3显示为本发明的减少自掺杂的底座的俯视图。
图4显示为图3所示结构的A-A向剖面图。
图5显示为本发明的减少自掺杂的底座内部空腔的俯视图。
图6显示为本发明的外延设备在实施例二中的结构示意图。
图7显示为图6所示结构中气体流向示意图。
图8显示为本发明的外延设备在实施例三中的结构示意图。
图9显示为图8所示结构中气体流向示意图。
元件标号说明
101 底座主体
102 支撑杆
103 空腔
104 通孔
105 排气孔
106 第一环形台阶
107 第二环形台阶
108 环形管路
109 条形管路
110 石英腔室
111 反应气体进气口
112 反应气体尾气口
113 旋转轴
114 固定尾气管
115 管道
116、118、122 磁流体密封件
117 收容管
119 旋转电机
120 齿轮
121 轴承
123 主动旋转磁铁
124 从动旋转磁铁
125 保护罩
126 加热灯管
127 高温计
128 晶圆
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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。
请参阅图2至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本发明提供一种减少自掺杂的底座，请参阅图2至图4，其中，图2显示为所述减少自掺杂的底座的立体结构剖面图，图3显示为所述减少自掺杂的底座的俯视图，图4显示为图3所示结构的A-A向剖视图，所述减少自掺杂的底座包括底座主体101及连接于所述底座主体101背面的支撑杆102，其中：
所述底座主体101内部设有空腔103；
所述底座主体101正面设有若干与所述空腔103连通的通孔104；
所述支撑杆102中设有上下贯穿所述支撑杆102并与所述空腔103连通的用于排出晶圆背面释放的掺杂原子的排气孔105。排气孔105进入所述固定
具体的，所述底座主体101正面设有第一环形台阶106及第二环形台阶107。所述第一环形台阶106用于承载晶圆边缘区域，所述第二环形台阶107用于限制晶圆水平移动。
此外，所述第一环形台阶106在所述底座主体101正面中间区域形成一凹槽，这个凹槽的存在可以使得高温外延过程中，所述底座主体101能够与晶圆背面更好的贴合。因为晶圆在高温下会发生形变，边缘上翘，所述第一环形台阶106可以与上翘的晶圆边缘更好地贴合，而晶圆中间部分正好进入所述凹槽中。
由于外延层的自掺杂主要是由晶圆边缘释放的掺杂原子引起的(由于晶圆翘曲，晶圆边缘更不容易与底座贴合，导致空隙的存在)，因此本发明中，所述通孔104主要分布或全部分布于所述第一环形台阶106中。作为示例，至少有三个(优选为8-16个)所述通孔104分布于所述第一环形台阶106中，至少有一个所述通孔104分布于所述底座主体101正面的中心区域。其中，图3显示为八个通孔104均匀分布于所述第一环形台阶106中，一个通孔104分布于所述底座主体101正面的中心区域的情形。
具体的，所述空腔103可以为盘型或包括至少两条管路。作为示例，所述空腔103包括一条环形管路108及至少一条条形管路109；所述环形管路108与分布于所述第一环形台阶106中的所述通孔104连通；所述条形管路109的一端连通所述环形管路108，另一端连通所述排气孔105。其中，图5显示为所述空腔103包括一条环形管路108及八条条形管路109的情形。本实施例中，所述条形管路109为直线型，在其它实施例中，所述条形管路109也可以为曲线型或折线形等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
本发明的减少自掺杂的底座正面设有通孔、内部设有空腔、背面设有排气孔，可以使得晶圆背面释放的掺杂原子通过所述排气孔排出，防止掺杂原子被外延层吸收。
实施例二
本发明提供一种外延设备，所述外延设备包括实施例一中所述的减少自掺杂的底座。
具体的，请参阅图6，显示为所述外延设备的结构示意图，包括石英腔室110及分别设于所述石英腔室110一对相对侧面的反应气体进气口111与反应气体尾气口112；
所述减少自掺杂的底座设于所述石英腔室110内，并通过所述支撑杆102与一旋转轴113连接，在所述旋转轴113的带动下旋转；
所述旋转轴113与一固定尾气管114连接；所述固定尾气管114连通所述排气孔105，用于收集晶圆128背面释放的掺杂原子。
本实施例中，所述旋转轴113中设有一上下贯通所述旋转轴113的管道115，所述固定尾气管114一端伸入所述管道115内与所述排气孔105连通。
具体的，所述固定尾气管114与所述管道115侧壁之间通过密封件密封。本实施例，所述密封件优选采用磁流体密封件116。其中，磁流体密封技术是在磁性流体的基础上发展而来的，当磁流体注入磁场的间隙时，它可以充满整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”。本发明中采用磁流体密封，可以保证在所述旋转轴113旋转时，所述固定尾气管114仍保持固定。
作为示例，所述旋转轴113通过旋转电机119及齿轮120驱动旋转。所述旋转轴113与所述支撑杆102接触连接，通过摩擦力带动所述底座旋转。所述旋转轴113与所述支撑杆102之间还可以设有一支撑盘(未图示)，以更好承托所述底座。
具体的，所述石英腔室110底部连接有一收容管117；所述旋转轴113上部设于所述收容管117内，且所述旋转轴113与所述收容管117内壁之间通过0密封件密封。本实施例中，所述旋转轴113与所述收容管117内壁之间优选采用磁流体密封件118密封，从而不影响所述旋转轴113的旋转。
具体的，所述固定尾气管114还与一尾气处理器连接，所述固定尾气管114与所述尾气处理器之间可连接有一真空管。所述尾气处理器可采用湿式洗涤器，可溶解尾气，便于处理。所述固定尾气管114与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。
进一步的，所述外延设备还包括包围所述石英腔室110的保护罩125。所述石英腔室110与所述保护罩125之间设有加热灯管126，用于将晶圆128加热至工艺所需的温度。所述加热灯管126可采用卤素灯管。上下两组加热灯管可呈90度交错，以保证晶圆的温度均匀性。所述保护罩125内设有高温计127，且至少有一个高温计位于所述石英腔室外部上方，用于感应晶圆128正面的温度，至少有一个高温计位于所述石英腔室外部下方，用于感应晶圆128背面的温度。
请参阅图7，其中通过空心箭头示出了外延设备在生长外延层时的气体流向，其中，反应气体通过所述反应气体进气口111进入所述石英腔室110，为外延层的生长提供源气体，反应后多余的反应气体通过所述反应气体尾气口112排出。而外延生长过程中，晶圆背面在高温下释放的掺杂原子则由分布于所述减少自掺杂的底座正面的通孔104进入所述空腔103。并进一步通过所述排气孔105进入所述固定尾气管114被排出。
本发明的外延设备采用所述减少自掺杂的底座，所述排气孔排出的掺杂原子可以集中被固定尾气管收集，并通过尾气处理器处理。所述固定尾气管与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。
实施例三
本发明提供一种外延设备，所述外延设备包括实施例一中所述的减少自掺杂的底座。
具体的，请参阅图8，显示为所述外延设备的结构示意图，包括石英腔室110及分别设于所述石英腔室110一对相对侧面的反应气体进气口111与反应气体尾气口112；
所述减少自掺杂的底座设于所述石英腔室110内，并通过所述支撑杆102与一旋转轴113连接，在所述旋转轴113的带动下旋转；
所述旋转轴113与一固定尾气管114连接；所述固定尾气管114连通所述排气孔105，用于收集晶圆128背面释放的掺杂原子。
本实施例中，所述旋转轴113中设有一上下贯通所述旋转轴113的管道115，所述固定尾气管114顶部通过轴承121与所述旋转轴113底部连接并与所述管道115连通。所述旋转轴113旋转时，所述固定尾气管114仍保持固定。
作为示例，所述旋转轴113通过设于所述收容腔117外部的主动旋转磁铁123与设于所述旋转轴113外壁的从动旋转磁铁124驱动旋转。所述旋转轴113与所述支撑杆102接触连接，通过摩擦力带动所述底座旋转。所述旋转轴113与所述支撑杆102之间还可以设有一支撑盘(未图示)，以更好承托所述底座。
具体的，所述石英腔室110底部连接有一收容管117；所述旋转轴113整体及所述固定尾气管114上部设于所述收容管117内，且所述固定尾气管114与所述收容管117内壁之间通过磁流体密封件122密封。
相对于实施例一中需要同时在所述固定尾气管114与所述管道115侧壁之间、所述旋转轴113与所述收容管117内壁之间设置磁流体密封件，本实施例中只需要在所述旋转轴113与所述收容管117内壁之间设置磁流体密封件，方案更为简单。
具体的，所述固定尾气管114还与一尾气处理器连接，所述固定尾气管114与所述尾气处理器之间可连接有一真空管。所述尾气处理器可采用湿式洗涤器，可溶解尾气，便于处理。所述固定尾气管114与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。
进一步的，所述外延设备还包括包围所述石英腔室110的保护罩125。所述石英腔室110与所述保护罩125之间设有加热灯管126，用于将晶圆128加热至工艺所需的温度。所述加热灯管126可采用卤素灯管。上下两组加热灯管可呈90度交错，以保证晶圆的温度均匀性。所述保护罩125内设有高温计127，且至少有一个高温计位于所述石英腔室外部上方，用于感应晶圆128正面的温度，至少有一个高温计位于所述石英腔室外部下方，用于感应晶圆128背面的温度。
请参阅图9，其中通过空心箭头示出了外延设备在生长外延层时的气体流向，其中，反应气体通过所述反应气体进气口111进入所述石英腔室110，为外延层的生长提供源气体，反应后多余的反应气体通过所述反应气体尾气口112排出。而外延生长过程中，晶圆背面在高温下释放的掺杂原子则由分布于所述减少自掺杂的底座正面的通孔104进入所述空腔103。并进一步通过所述排气孔105进入所述固定尾气管114被排出。
本发明的外延设备采用所述减少自掺杂的底座，所述排气孔排出的掺杂原子可以集中被固定尾气管收集，并通过尾气处理器处理。所述固定尾气管与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。
综上所述，本发明的减少自掺杂的底座正面设有通孔、内部设有空腔、背面设有排气孔，可以使得晶圆背面释放的掺杂原子通过所述排气孔排出，防止掺杂原子被外延层吸收。采用所述减少自掺杂的底座的外延设备中，所述排气孔排出的掺杂原子可以集中被固定尾气管收集，并通过尾气处理器处理。所述固定尾气管与真空管连接，抽力可控，可以减少反应气体进入晶圆与底座之间的间隙，避免晶圆背面的外延层沉积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (22)

1.一种减少自掺杂的底座，包括底座主体及连接于所述底座主体背面的支撑杆，其特征在于：
所述底座主体内部设有空腔；
所述底座主体正面设有若干与所述空腔连通的通孔；
所述支撑杆中设有上下贯穿所述支撑杆并与所述空腔连通的用于排出晶圆背面释放的掺杂原子的排气孔，所述排气孔与一抽力可控的固定尾气管连通，用以避免文丘里效应导致的晶圆背面外延层的生长。
2.根据权利要求1所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：所述底座主体正面设有用于承载晶圆边缘区域的第一环形台阶。
3.根据权利要求2所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：至少有三个所述通孔分布于所述第一环形台阶中。
4.根据权利要求3所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：所述通孔在所述第一环形台阶中均匀分布。
5.根据权利要求3所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：所述空腔包括至少两条管路。
6.根据权利要求5所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：所述空腔包括一条环形管路及至少一条条形管路；所述环形管路与分布于所述第一环形台阶中的所述通孔连通；所述条形管路的一端连通所述环形管路，另一端连通所述排气孔。
7.根据权利要求1所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：至少有一个所述通孔分布于所述底座主体正面的中心区域。
8.根据权利要求1所述的减少自掺杂的底座，其特征在于：所述底座主体正面设有用于限制晶圆水平移动的第二环形台阶。
9.一种外延设备，其特征在于：所述外延设备包括如权利要求1-8任意一项所述的减少自掺杂的底座。
10.根据权利要求9所述的外延设备，其特征在于：
所述外延设备包括石英腔室及分别设于所述石英腔室一对相对侧面的反应气体进气口与反应气体尾气口；
所述减少自掺杂的底座设于所述石英腔室内，并通过所述支撑杆与一旋转轴连接，在所述旋转轴的带动下旋转；
所述旋转轴与一固定尾气管连接；所述固定尾气管连通所述排气孔，用于收集晶圆背面释放的掺杂原子。
11.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述旋转轴中设有一上下贯通所述旋转轴的管道，所述固定尾气管一端伸入所述管道内与所述排气孔连通。
12.根据权利要求11所述的外延设备，其特征在于：所述固定尾气管与所述管道侧壁之间通过磁流体密封件密封。
13.根据权利要求11所述的外延设备，其特征在于：所述石英腔室底部连接有一收容管；所述旋转轴上部设于所述收容管内，且所述旋转轴与所述收容管内壁之间通过磁流体密封件密封。
14.根据权利要求11所述的外延设备，其特征在于：所述旋转轴通过旋转电机及齿轮驱动旋转。
15.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述旋转轴中设有一上下贯通所述旋转轴并与所述排气孔连通的管道，所述固定尾气管顶部通过轴承与所述旋转轴底部连接并与所述管道连通。
16.根据权利要求15所述的外延设备，其特征在于：所述石英腔室底部连接有一收容管；所述旋转轴整体及所述固定尾气管上部设于所述收容管内，且所述固定尾气管与所述收容管内壁之间通过磁流体密封件密封。
17.根据权利要求15所述的外延设备，其特征在于：所述旋转轴通过设于收容腔外部的主动旋转磁铁与设于所述旋转轴外壁的从动旋转磁铁驱动旋转。
18.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述固定尾气管与一尾气处理器连接。
19.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述固定尾气管与一真空管连接。
20.根据权利要求10所述的外延设备，其特征在于：所述外延设备还包括包围所述石英腔室的保护罩。
21.根据权利要求20所述的外延设备，其特征在于：所述石英腔室与所述保护罩之间设有加热灯管。
22.根据权利要求20所述的外延设备，其特征在于：所述保护罩内设有高温计，且至少有一个高温计位于所述石英腔室外部上方，至少有一个高温计位于所述石英腔室外部下方。
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