CN108950680A - 外延基座及外延设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种外延基座，包括基座主体、环形基座外沿及多个凸块；基座主体包括用于放置待处理的晶圆的基座载台及环绕基座载台外围的环形侧壁，基座载台与环形侧壁相连接；环形基座外沿位于环形侧壁上，环形基座外沿自基座主体向远离基座主体的方向延伸；多个凸块位于环形基座外沿的上表面，且沿环形基座外沿的周向均匀间隔排布。本发明的外延基座，能够实现（110）晶面上的外延沉积速率相应降低，从而使晶圆边缘整体的外延生长速度趋于相同，因而在本发明的外延基座中进行外延沉积的晶圆的ESFQR相对于在传统外延基座中沉积的晶圆有极大改善。本发明结构简单，使用方便。采用本发明的外延设备，能有效提高外延层厚度均匀性，提高生产良率。

Description

外延基座及外延设备
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造领域，特别是涉及一种外延基座及外延设备。
背景技术
硅外延生长是半导体芯片制造中的一个重要工艺，它是在一定条件下，在单晶硅衬底上生长一层合乎要求的单晶层的方法，具体包括真空外延、气相外延、液相外延等，其中应用最广泛的是气相硅外延，其反应机理是在高温下使挥发性强的硅源，比如TCS(Trichlorosilane三氯硅烷)，与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层。外延生长速率不仅与外延温度，气体扩散速度，扩散系数等外界因素有关，而且衬底表面的晶向对外延生长速率也有一定的影响。这是因为不同晶面的原子键密度不同，键合能力也不同，因而外延层的生长速率会产生差异。通常而言，晶面上的原子键密度越大，键合能力越强，外延层生长速率就相对地越快，比如硅的(311)晶面的双层原子面之间的共价键密度最小，键合能力差，故外延层生长速率就慢，而(110)晶面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率就相对较快。
随着半导体芯片制造技术的不断发展，晶圆的边缘排除区域逐渐缩小到0.5mm及以下，因而对晶圆的品质管控愈发重要，与之相对地是外延过程中晶圆特定位置的DERO(Epitaxial delta edge roll-off外延三角形边缘滚降)有增大的趋势。外延工艺中，在晶圆的边缘轮廓上，在(311)晶面附近通常有暴露的表面，(311)晶面上的表面的原子键阻碍了该平面上的外延生长，使得当TCS气流从晶圆的近(311)表面流经近边缘前表面的过程中消耗比较少，其结果是导致近(110)表面区域的外延生长速率增加。图1显示了在现有技术的外延基座上处理的晶圆的ZDD(Z-Height Double DerivativeZ高度双重微分)的方位角变化图，可以看到，因为在<110>晶向上的外延速率生长较快，因而在近<110>方向的ZDD比其他区域差得多，使得晶圆表面整体的外延层平坦度下降，对后续工艺造成诸多不良影响。为改善此类问题，美国专利US8,940,094B2中提出了一种降低ESFQR(Edge Site flatnessFront surface referenced least Squares/Range,边缘部位正面基准最小ニ乘/范围)的外延基座，该外延基座通过在基座的边缘周向布置一组细孔，以改变气体分布，改善外延层的均匀性。但这种方法容易导致气体流动的不稳定性，比如反应气体容易将细孔堵塞，引发新的外延层厚度均匀性问题。
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外延基座及外延设备，用于解决现有技术中，因使用传统的外延基座，导致外延生长过程中，晶圆边缘的<110>晶向上，也即在晶圆边缘的(110)晶面上的外延速率生长过快，外延层表面的平坦度下降等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种外延基座，所述外延基座包括基座主体、环形基座外沿及多个凸块；所述基座主体包括用于放置待处理的晶圆的基座载台及环绕所述基座载台外围的环形侧壁，所述基座载台与所述环形侧壁相连接；所述环形基座外沿位于所述环形侧壁上，所述环形基座外沿自所述基座主体向远离所述基座主体的方向延伸；多个所述凸块位于所述环形基座外沿的上表面，且沿所述环形基座外沿的周向均匀间隔排布，用于改变晶圆外延过程中的气流情况，以提高所述晶圆的外延均匀性。
可选地，所述凸块包括上表面、下表面、内弧面、外弧面及相对的两侧面，所述凸块的下表面与所述环形基座外沿的上表面相接触，所述凸块的内弧面邻近所述基座主体，所述凸块的外弧面远离所述基座主体，其中，所述凸块的上表面呈扇形。
可选地，所述凸块的两侧面与所述基座主体中心连线的夹角介于30°～45°之间。
可选地，所述凸块的侧面呈垂直状。
在另一可选方案中，所述凸块的侧面呈圆弧状。
可选地，所述凸块的宽度与所述环形基座外沿的宽度相同。
可选地，所述晶圆具有切口，当所述晶圆被放置于所述基座载台上时，所述切口与其中一个所述凸块相对应。
可选地，所述切口对应所述晶圆的<110>晶向。
可选地，所述环形侧壁的上表面高于所述基座主体的上表面。
可选地，所述基座主体、所述环形基座外沿和所述凸块一体成型。
所述凸块的高度介于1～1000um之间。
可选地，所述凸块的数量为4个。
本发明还提供一种外延设备，所述外延设备包括如上述任一方案中所述的外延基座。
如上所述，本发明的外延基座及外延设备，具有以下有益效果：本发明的外延基座，通过设置的多个凸块，阻碍对应位置上的气流的流通，使对应方向，尤其是晶圆边缘的(110)晶面上的气流减少，以实现(110)晶面上的外延沉积速率相应降低，从而使晶圆边缘整体的外延生长速度趋于相同，因而在本发明的外延基座中进行外延沉积的晶圆的ESFQR相对于在传统外延基座中沉积的晶圆有极大改善。本发明结构简单，使用方便。采用本发明的外延设备，能有效提高外延层厚度均匀性，提高生产良率。
附图说明
图1显示为在现有技术的外延基座上处理的晶圆的ZDD的方位角变化图。
图2显示为本发明的外延基座的主视图。
图3显示为本发明的外延基座的截面结构示意图。
图4显示为晶圆放置于本发明的外延基座上的示意图。
元件标号说明
11 基座主体
111 基座载台
112 环形侧壁
12 晶圆
121 切口
13 环形基座外沿
14 凸块
141 上表面
142 内弧面
143 外弧面
144 侧面
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士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及功效。
请参阅图2至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。且本发明在描述数值时使用的“介于……之间”的描述，均包括端点值。
如图2至图4所示，本发明提供一种外延基座，所述外延基座包括基座主体11、环形基座外沿13及多个凸块14；所述基座主体11包括用于放置待处理的晶圆12的基座载台111及环绕所述基座载台111外围的环形侧壁112，所述基座载台111与所述环形侧壁112相连接；所述环形基座外沿13位于所述环形侧壁112上，所述环形基座外沿13自所述基座主体11向远离所述基座主体11的方向延伸；多个所述凸块14位于所述环形基座外沿13的上表面，且沿所述环形基座外沿13的周向均匀间隔排布。所述基座主体11、所述环形基座外沿13及多个所述凸块14通过一体加工成型，因而各结构之间并没有特别明显的分界线，结合本实施例的说明书和示意图一起更易于理解。作为示例，所述基座载台111为圆形，表面光滑，适合放置圆形基板，当然，在其他情况下，所述基座载台111也可以是其他形状。所述基座载台111的大小设置需保证能容纳待处理的晶圆12，即所述基座载台111的外围尺寸大于待处理的晶圆12的外围尺寸，比如能容纳8寸，12寸晶圆，通常所述基座载台111略大于待处理的晶圆12，以便于所述晶圆12的取放，比如可将所述基座载台111的面积设置为待处理的晶圆12面积的1～1.1倍之间。所述环形侧壁112的上表面高于所述基座主体11的上表面，即所述环形侧壁112具有一定的高度以在所述基座主体11内形成一容纳腔。所述环形侧壁112的高度设置需与相应的外延设备的结构相匹配，通常小于10cm，比如介于1～2cm之间，所述环形侧壁112具有一定厚度，比如介于0.3～1cm之间，这样便于整个所述外延基座的安装，且整体结构更加牢固，在机械加工时也更加方便，能使所述环形基座外沿13能稳定地位于所述环形侧壁112上。作为示例，所述环形基座外沿13自所述基座主体11向外延伸的距离也根据需要设置，一般介于1～3cm之间。所述外延基座的材质需与外延工艺相匹配，一般优选耐高温的石墨材质外加表面做涂层处理，比如SIC(碳化硅)涂层，或是纯SIC材质。
所述凸块14包括上表面141、下表面、内弧面142、外弧面143及相对的两侧面144，所述凸块14的下表面与所述环形基座外沿13的上表面相接触，所述凸块14的内弧面142邻近所述基座主体11，所述凸块14的外弧面143远离所述基座主体11，其中，作为示例，所述凸块14的上表面141呈扇形。需要说明的是，所述凸块14的下表面和所述环形基座外沿13的上表面是全接触的，两者一体连接，因而从外观上并不能看到所述凸块14的下表面，故图示中并未做标记；所述内弧面142和所述外弧面143不便于从同一个角度观察，因而本实施例的图示中在不同的所述凸块14上予以标记，具体可参考图2。所述凸块14的宽度与所述环形基座外沿13的宽度相同，所述凸块14的高度可依需要设置，作为示例，可设置介于1～1000um之间，具体可参考图3的截面结构示意图以利于理解所述基座主体11、所述环形基座外沿13和所述凸块14三者之间的位置关系，其中，图3中所示箭头的方向即本申请中所记载的“远离所述基座主体11的方向”。所述凸块14的所述内弧面142和所述环形基座外沿13的内表面及所述环形侧壁112的内表面在一个面上，由于是一体加工成型，因此三者之间并无实质上的分界线；所述凸块14的所述外弧面143和所述环形基座外沿13的外表面在一个面上，同样两者之间并没有实质分界线。所述凸块14的数量设置需考虑待处理的所述晶圆12的晶向，作为示例，本实施例中设置为4个，4个所述凸块14沿所述环形基座外沿13的周向均匀分布，且四个所述凸块14的结构优选完全一致。
作为示例，所述凸块14的所述内弧面142和所述外弧面143是等曲率的，所述凸块14的两个所述侧面144与所述基座主体11中心连线的夹角θ介于30°～45°之间，优选30°，这个角度的设置综合考虑了加工难易度以及改善气流方向等因素，因为夹角的大小与所述凸块14的大小是对应的，具体的，比如如果所述角度太小，则代表所述凸块14面积小，不仅在机械加工时难度比较大，而且所述凸块14太小无法起到阻挡相应位置的气流的作用，自然不能对外延生长速度过快的地方的气流进行调节；但如果该角度太大，则气流都被限制在所述基座主体11内而无法向外逸出，容易引发沉积不良。作为示例，所述凸块14的所述侧面144呈垂直状，这样便于机械加工；当然，在其他示例中，所述凸块14的所述侧面144也可以呈圆弧状，圆滑的所述侧面144可以使边缘气流缓慢变化，不会形成突变导致气流变化不均匀，避免反应气流滞留在所述基座主体11内。
为使所述凸块14真正发挥作用，当待处理的晶圆12被放置在所述外延基座的所述基座载台111上，所述晶圆12的晶向(晶面)需与所述凸块14的位置相对应，所述晶圆12一般具有一切口(flat)121，而所述切口121一般与所述晶圆12的晶向一致，比如<110>晶向，因而当带有所述切口121的所述晶圆12被放置于所述基座载台111上时，所述切口121与其中一个所述凸块14相对应，因而当反应气流进入所述基座主体11内后，在所述切口121的方向上因有所述凸块14的阻挡，气流会向没有所述凸块14的位置流动，使设置有所述凸块14的方向上，即所述切口121所在的位置处的气流减小，因而使得所述晶圆12在所述切口121方向，即所述晶圆12的晶向(晶面)上的外延生长速率相对放缓，由于在气流相同的情况下，(110)晶面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率相对较快，而本发明通过设置所述凸块14，使得当所述晶圆12被放置在所述外延基座上进行外延沉积时，外延气体的流动情况被改变，尤其是使所述晶圆12边缘的(110)晶面上的反应气流减小，通过这样的平衡，使(110)晶面上的外延生长速率最终与其他位置的外延生长速率趋于一致，使得最终所述晶圆12上形成的外延层整体的均匀性得到极大改善，有助于提高最终产品的生产良率。本发明无需调整复杂的工艺参数，且本发明的外延基座本身结构简单，加工和使用方便。
本发明还提供一种外延设备，所述外延设备包括如上述方案中所述的外延基座，由于外延设备的具体结构为本领域技术人员所熟知，而本发明的外延基座与现有技术的外延基座在使用上并无任何差异，故对外延设备的具体结构不展开。因采用本发明的外延基座，本发明的外延设备能有效提高外延沉积工艺中晶圆上的外延层整体均匀性，提高生产良率。
综上所述，本发明提供一种外延基座，所述外延基座包括基座主体、环形基座外沿及多个凸块；所述基座主体包括用于放置待处理的晶圆的基座载台及环绕所述基座载台外围的环形侧壁，所述基座载台与所述环形侧壁相连接；所述环形基座外沿位于所述环形侧壁上，所述环形基座外沿自所述基座主体向远离所述基座主体的方向延伸；多个所述凸块位于所述环形基座外沿的上表面，且沿所述环形基座外沿的周向均匀间隔排布。本发明的外延基座，通过设置的多个凸块，阻碍对应位置上的气流的流通，使对应方向，尤其是晶圆边缘的(110)晶面上的气流减少，以实现(110)晶面上的外延沉积速率相应降低，从而使晶圆边缘整体的外延生长速度趋于相同，因而在本发明的外延基座中进行外延沉积的晶圆的ESFQR相对于在传统外延基座中沉积的晶圆有极大改善。本发明结构简单，使用方便。采用本发明的外延设备，能有效提高外延层厚度均匀性，提高生产良率。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 (13)

1.一种外延基座，其特征在于，包括：
基座主体，包括用于放置待处理的晶圆的基座载台及环绕所述基座载台外围的环形侧壁，所述基座载台与所述环形侧壁相连接；
环形基座外沿，位于所述环形侧壁上，所述环形基座外沿自所述基座主体向远离所述基座主体的方向延伸；
多个凸块，位于所述环形基座外沿的上表面，且沿所述环形基座外沿的周向均匀间隔排布，用于改变晶圆外延过程中的气流情况，以提高所述晶圆的外延均匀性。
2.根据权利要求1所述的外延基座，其特征在于：所述凸块包括上表面、下表面、内弧面、外弧面及相对的两侧面，所述凸块的下表面与所述环形基座外沿的上表面相接触，所述凸块的内弧面邻近所述基座主体，所述凸块的外弧面远离所述基座主体，其中，所述凸块的上表面呈扇形。
3.根据权利要求2所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的两侧面与所述基座主体中心连线的夹角介于30°～45°之间。
4.根据权利要求2所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的侧面呈垂直状。
5.根据权利要求2所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的侧面呈圆弧状。
6.根据权利要求2所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的宽度与所述环形基座外沿的宽度相同。
7.根据权利要求1所述的外延基座，其特征在于：所述晶圆具有切口，当所述晶圆被放置于所述基座载台上时，所述切口与其中一个所述凸块相对应。
8.根据权利要求7所述的外延基座，其特征在于：所述切口对应所述晶圆的<110>晶向。
9.根据权利要求1所述的外延基座，其特征在于：所述环形侧壁的上表面高于所述基座主体的上表面。
10.根据权利要求1所述的外延基座，其特征在于：所述基座主体、所述环形基座外沿和所述凸块一体成型。
11.根据权利要求1至10任一项所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的数量为4个。
12.根据权利要求1至10任一项所述的外延基座，其特征在于：所述凸块的高度介于1～1000um之间。
13.一种外延设备，其特征在于：所述外延设备包括如权利要求1至12任一项所述的外延基座。
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