CN110364450A - 半导体工艺设备及半导体器件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备及半导体器件的制造方法，所述半导体工艺设备将其中的固定灯座改为可调灯座，使得加热灯组的射出光的入射角度可调，继而使得加热罩组反射的反射光和加热灯组直射的直射光均聚焦于晶圆表面上的同一位置，避免反射光和直射光交叉造成的冷区，从而改善形成的膜层的厚度均一性，以满足器件的制造要求。所述的半导体器件的制造方法，采用所述半导体工艺设备来制作所需的膜层，可以改善形成的膜层的厚度均一性，提高器件良率。

Description

半导体工艺设备及半导体器件的制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，尤其涉及一种半导体工艺设备及半导体器件的制造方法。

背景技术

外延(Epitaxy，简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层与所述单晶衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(例如硅Si/Si)，也可以是异质外延层(例如锗硅SiGe/Si或碳硅SiC/Si等)。外延层生长的质量(包括厚度、厚度均一性、掺杂浓度等)对器件的性能至关重要，但目前的外延生长设备生长的外延层的厚度均一性较差，无法满足器件的设计规格，并影响到良率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体工艺设备及半导体器件的制造方法，能够改善形成的膜层的厚度均一性。

为了实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备，包括：

反应腔；

晶圆承载基座，设置在所述反应腔中，用于承载晶圆；

加热灯组，设置在所述反应腔中，并位于所述晶圆承载基座的上方；

可调灯座，设置在所述反应腔外或者所述反应腔中，用于将所述加热灯组装配到所述反应腔中，并调节所述加热灯组射出的光相对所述晶圆表面的入射角度；

加热罩组，设置在所述加热灯组与所述晶圆承载基座之间的反应腔空间中，用于将所述加热灯组射出的灯光聚焦于晶圆表面上。

可选的，所述可调灯座包括控制器、电动机、传动丝杆以及俯仰调节组件；所述控制器用于控制电动机工作；所述俯仰调节组件与所述加热灯组装配在一起；所述传动丝杆的一侧连接到所述电动机的转轴上，另一侧活动连接所述俯仰调节组件，用于在所述电动机的驱动下带动所述俯仰调节组件运动；所述俯仰调节组件用于在所述传动丝杆的带动下带动所述加热灯组运动，改变加热灯组的出光面和所述晶圆表面之间的夹角，以调节所述加热灯组射出的光相对所述晶圆表面的入射角度。

可选的，所述俯仰调节机构包括连接组件以及支撑组件，所述连接组件一侧与所述加热灯组固定连接，另一侧与所述传动丝杆螺纹连接，所述支撑组件的一侧与所述反应腔固定连接，另一侧与所述连接组件转动连接。

可选的，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端为球顶，所述连接组件中设有与所述球顶曲面接触的弧形凹坑；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端为弧形凹坑，所述连接组件中设有与所述弧形凹坑曲面接触的球顶；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端设有轴栓孔，所述连接组件中设有插在所述轴栓孔中的轴栓；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端设有轴栓，所述连接组件中设有插入所述轴栓的轴栓孔；或者，所述连接组件中设有转轴，所述支撑组件中设有夹持所述转轴并使得所述转轴能够转动的夹持块。

可选的，所述半导体工艺设备还包括一用于设置所述反应腔的工艺参数的控制主机，所述控制器连接到所述反应腔的控制主机上或者直接集成到所述控制主机中，所述控制器用于根据所述控制主机的设置参数产生驱动所述电动机工作的信号。

可选的，所述电动机为步进电机或者伺服电机。

可选的，所述加热罩包括相对设置的内加热罩和外加热罩，所述内加热罩设置在靠近所述反应腔中心的一侧所述外加热罩设置在靠近所述反应腔的侧壁的一侧。

可选的，所述加热灯组包括内灯以及设置在所述内灯的外围的外灯。

可选的，所述外延设备还包括设置于所述反应腔中且位于所述反应腔顶部的反射盘。

可选的，所述反射盘呈环形，所述加热灯组的数量为若干个，各个加热灯组通过相应的可调灯座沿所述反射盘依次安装到所述反应腔上或者直接安装在所述反射盘上，若干个所述加热灯组沿所述反射盘的环形均匀分布并面向所述晶圆表面。

本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括：采用上述之一的半导体工艺设备，在一衬底晶圆的表面上形成一膜层。

可选的，所述膜层包括多晶硅、锗硅和碳硅中的至少一种。

可选的，在形成所述膜层的过程中，实时调整所述可调灯座，以调节所述加热灯组射出的光相对所述衬底晶圆表面的入射角度，使得所述加热罩组能够将所述加热灯组射出的光聚焦于所述衬底晶圆表面上的相应位置。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的半导体工艺设备，包括一可调灯座，使得加热灯组的射出光的入射角度可调，继而使得加热罩组反射的反射光和加热灯组直射的直射光均聚焦于晶圆表面上的同一位置，避免反射光和直射光交叉造成的冷区，从而改善形成的膜层的厚度均一性，以满足器件的制造要求。

2、本发明的半导体器件的制造方法，采用本发明的半导体工艺设备来制作所需的膜层，可以改善形成的膜层的厚度均一性，提高器件良率。

附图说明

图1A是一种外延生长SiGe的外延生长设备的结构示意图；

图1B是采用图1A所示的外延生长设备在晶圆表面上外延生长的SiGe层的基线厚度和实际厚度分布示意图；

图2是本发明具体实施例的外延生长设备的结构示意图；

图3A至3D是本发明具体实施例的可调灯座的结构示意图；

图3E是本发明具体实施例的加热灯组及可调灯座在反射盘上的安装结构示意图；

图4是采用图2所示的沉积设备在晶圆表面上外延生长的SiGe层的基线厚度和实际厚度分布示意图。

具体实施方式

锗硅(SiGe)是继硅和砷化镓之后的一种重要的半导体材料，它具有优于纯硅的良好特性，且工艺上可与硅兼容，同时，锗硅的成本低于砷化镓，但采用锗硅制作出来的器件和电路的性能却几乎可以达到砷化镓等化合物半导体器件和电路的水平，因此，锗硅技术已经成为目前微电子技术发展的一个重要方向，而且在很多器件的制造过程中，锗硅膜层均需要通过外延生长工艺来实现。目前常用的一种外延生长SiGe膜层的外延生长设备，如图1A所示，包括反应腔100、晶圆承载基座101、固定灯座(lamp sockets)102、加热灯组(outer lamp&inner lamp)103、反射盘(reflect plate)104、内加热罩(inner heatershield)105以及外加热罩(outer heater shield)106，其中，晶圆承载基座101设置在反应腔100的底部，并用于承载晶圆(wafer)20；加热灯组103包括内灯以及设置在所述内灯外围的外灯，用于对反应腔100的内部空间进行加热，通常情况下，内灯(inner lamp)射出的大部分灯光111(即直射光)会直射到下方的晶圆20的表面上，外灯(outer lamp)射出的大部分灯光112(即反射光)会通过内加热罩105和外加热罩106的连续反射来集中到下方的晶圆20的表面上；反射盘104设置在反应腔100的顶部，并用于将加热灯组103向上发出的灯光向下反射；固定灯座102用于通过固定螺栓1021将加热灯组103固定在反射盘104的反射面下方，并与晶圆承载基座101的上表面相对应。

SiGe膜层的生长质量(包括锗硅膜的厚度、厚度均一性、掺杂浓度等)对器件的性能至关重要。而在通过外延生长工艺形成的SiGe膜层的厚度主要受温度因素影响，其SiGe膜层厚度均一性通常可以通过调整加热灯组103的内、外圈加热灯的功率配比来改善，但这种方法仍然不能解决在晶圆边缘上生长的SiGe膜层的实际厚度(Thickness，TK)相对基线(baseline)厚度骤降(drop)的问题，如图1B中的虚线圈中所示，因此仍旧难以改善锗硅膜层厚度的均一性，继而无法满足器件的设计规格，并影响到良率。

申请人发现，加热灯组103通过固定灯座102安装在反应腔上，由于固定灯座102固定不动，所以加热灯组103的内灯和外灯的安装角度均是固定的，射出的灯光的方向全部是固定不变的，由此造成内灯产生的直射光111和外灯产生的反射光112有交叉点，在两种光的交叉点以下存在阴影区域113(即冷区)，该区域的光强相对其他区域较弱，导致晶圆表面上此区域的温度要低于其他区域，继而导致晶圆边缘上生长的SiGe膜层的实际厚度(Thickness，TK)相对基线(baseline)厚度骤降(drop)的问题。

基于此，本发明提供一种半导体工艺设备，其核心思想是将固定灯座替换为电控可调的可调灯座，能够根据需要电控调整加热灯组的俯仰，改变加热灯组射出的光入射到晶圆表面上的入射角度，使得直射到晶圆表面上的光和反射到晶圆表面上的光聚焦在晶圆表面上，即使得直射光和反射光的交叉点正好在晶圆表面上，避免了冷区的产生，解决了晶圆边缘上生长的膜层的实际厚度相对基线厚度骤降的问题，从而可以大大改善形成的膜层的厚度均一性。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。

请参考图2，本发明提供一种半导体工艺设备，包括：反应腔100、晶圆承载基座101、加热灯组103、反射盘104、可调灯座30以及加热罩组。其中，反应腔100用于提供外延工艺所需的工艺环境(包括反应室、气体氛围等)；晶圆承载基座101设置在所述反应腔101中，并用于承载待外延生长膜层的晶圆20；加热灯组103设置在所述反应腔101中，并位于所述晶圆承载基座101的上方，用于发射能够对晶圆20表面加热或者对反应腔101的空间加热的灯光，可以包括内灯和外灯，外灯围绕在内灯的周围，即外灯设置在内灯的外围(或者外圈)。可调灯座30可以直接设置在所述反应腔101的腔壁上，也可以安装在反射盘104上，用于将所述加热灯组103装配到所述反应腔101中，并用于调节所述加热灯组103射出的光相对所述晶圆20表面的入射角度。加热罩组用于将所述加热灯组103射出的灯光聚焦于晶圆20表面上，可以包括相对设置的内加热罩105和外加热罩106，所述内加热罩105设置在靠近所述反应腔100中心的一侧，且从所述加热灯组103灯头下方向下延伸，下端可以位于晶圆20上空中，所述外加热罩106设置在靠近所述反应腔100的侧壁(即腔壁)的一侧，外加热罩106可以从加热灯组103和可调灯座30的连接处下方向下延伸，直至几乎与晶圆20的上表面齐平，即外加热罩106的长度可以大于等于内加热罩105的长度。

请参考图3A至3D，在本发明的一实施例中，所述可调灯座30可以包括控制器300、电动机301、传动丝杆302以及俯仰调节组件303。其中，所述电动机301可以是步进电机，也可以是伺服电机，其转轴与传动丝杆302的一端连接，所述传动丝杆的另一端与所述俯仰调节组件303螺纹连接，所述控制器300用于控制电动机301的工作，控制300可以集成到配置反应腔100中的工艺参数的主机31中，也可以通过外接线缆或者无线方式连接到主机31上，从而根据主机31中的相应设置来驱动电动机301工作。所述传动丝杆302用于在所述电动机301的驱动下带动所述俯仰调节组件303运动，进而使得所述俯仰调节组件303能够改变加热灯组的出光面和所述晶圆表面之间的夹角，即使得图2中加热灯组103的左端上下移动(如图2中的上下粗短黑箭头所示)，改变所述加热灯组103的出光面与所述晶圆20表面之间的角度，以调节所述加热灯组103射出的光相对所述晶圆20表面的入射角度。所述俯仰调节机构303可以包括连接组件以及支撑组件，所述连接组件一端与所述加热灯组103固定连接，另一端与所述传动丝杆302螺纹连接，所述支撑组件的一端与所述反应腔100的腔壁或者所述反射盘104固定连接，另一端与所述连接组件转动连接。

请参考图3A和3B，图3A是本发明一实施例的安装上加热灯组的一个可调灯座的结构示意图，图3B是图3A所示的安装上加热灯组的可调灯座的俯视结构示意图，其中，所述连接组件可以包括连接块3033以及转轴3034，所述连接块3033一端固定连接加热灯组103，另一端螺纹连接所述传动丝杆302。所述支撑组件可以包括位于转轴3034两端(即左右两侧)的两个夹持块3032以及用于支撑和固定所述夹持块3032的支撑支架3031，所述支撑支架3031将夹持块3032和电动机等固定到反应腔100的腔壁上或者固定到反射盘104上，两个夹持块3032的顶部具有凸起3032a，能够夹持所述转轴3034并使得所述转轴3034能够相对夹持块3032转动。所述传动丝杆302在电动机301的驱动下上下移动，带动连接块3033运动，使得所述转轴3034能够相对夹持块3032转动，进而使得加热灯组103相对晶圆20表面发生俯仰变化，所述加热灯组103射出的光相对所述晶圆20表面的入射角度也随之变化。

请参考图3C，在本发明的另一实施例中，所述连接组件可以包括底部具有弧形凹坑3033a的连接块3033’，所述连接块3033’一端固定连接加热灯组103，另一端螺纹连接所述传动丝杆302。所述支撑组件可以包括具有球顶3032b的支撑块3032’以及用于支撑和固定所述支撑块3032’的支撑支架3031，所述支撑支架3031将支撑块3032’和电动机等固定到反应腔100的腔壁上或者固定到反射盘104上，支撑块3032’的顶部的球顶3032b与所述连接块3033’底部的弧形凹坑3033a曲面接触，使得持所述连接块3033’能够相对支撑块3032’转动。所述传动丝杆302在电动机301的驱动下上下移动，带动连接块3033’转动，进而使得加热灯组103相对晶圆20表面发生俯仰变化，所述加热灯组103射出的光相对所述晶圆20表面的入射角度也随之变化。在本发明的其他实施例中，弧形凹坑可以设置到支撑块3032’的顶部，而球顶设置到连接块3033’的底部，即所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端为弧形凹坑，所述连接组件中设有与所述弧形凹坑曲面接触的球顶，也能实现相同的技术效果。

请参考图3D，在本发明的又一实施例中，所述连接组件可以包括连接块3033”以及贯穿所述连接块3033”的轴栓3034’，所述连接块3033”一端固定连接加热灯组103，另一端螺纹连接所述传动丝杆302。所述支撑组件可以包括位于轴栓3034’两端(即左右两侧)的两个夹持块3032”以及用于支撑和固定所述夹持块3032”的支撑支架(未图示，可参考图3A中的3031)，所述支撑支架将夹持块3032”和电动机等固定到反应腔100的腔壁上或者固定到反射盘104上，两个夹持块3032”的顶部具有轴栓孔3032c，可以供轴栓3034”相应的尾端插入，能够夹持所述轴栓3034”并使得所述轴栓3034”能够相对夹持块3032”转动。所述传动丝杆302在电动机301的驱动下上下移动，带动连接块3033”运动，使得所述轴栓3034”能够相对夹持块3032”转动，进而使得加热灯组103相对晶圆20表面发生俯仰变化，所述加热灯组103射出的光相对所述晶圆20表面的入射角度也随之变化。在本发明的其他实施例中，所述轴栓3032c可以是设置在所述连接块3032”两侧且在同一直线上的凸柱。在本发明的其他实施例中，所述轴栓和轴栓孔的位置还可以互换，即所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端设有轴栓，所述连接组件中设有插入所述轴栓的轴栓孔。

在实际应用中，加热灯组103的数量通常是多个，所述反射盘104的形状根据反应腔100的形状来设置，可以用来反射所有加热灯组103射向反应腔100顶部的灯光，例如当反应腔100的形状为圆筒状时，反射盘104的形状可以呈环形，其外环直径略小于反应腔100的直径，各个加热灯组通过相应的可调灯座沿所述反射盘104的环形依次安装到所述反应腔100的腔壁上或者直接安装在所述反射盘104上，请参考图3E，所有加热灯组103沿所述反射盘104的环形均匀分布并面向所述晶圆20表面。这种情况下，加热罩组中内加热罩105位于反射盘104的环心到晶圆20的表面的垂线上，外加热罩106位于远离所述垂线而靠近反应腔100的腔壁的空间区域中。

需要说明的是，当晶圆承载基座101设置在反应腔100的中部时，可以在从晶圆承载基座101的底部到反应腔100的底部的空间中也布置上加热灯组103、反射盘104、可调灯座30以及加热罩组，即反应腔100中设置有上下两套用于加热的装置，这两套用于加热的装置可以关于晶圆承载基座101呈镜像对齐的关系，也可以是相互错位。这种半导体工艺设备也属于本发明的保护范围。

请参考图2，本发明的半导体工艺设备，在用于制作相应膜层的过程中，可以根据需要来调整可调灯座30，改变了加热灯组103的发出的光的入射角度，使得加热灯组103能够直接射到晶圆20表面上的直射光111(不再是垂直入到晶圆表面上)和经加热罩组反射才能到达晶圆20表面上的反射光能够聚焦于晶圆20表面上的同一位置，即直射光111和反射光112的交点114就在晶圆20的表面上，从而可以避免因直射光111和反射光112相交于晶圆20的表面上方而造成的冷区(即阴影区域)，使得晶圆20表面的温度一致性提高，解决了晶圆边缘上生长的膜层的实际厚度相对基线厚度骤降的问题，可以大大改善形成的膜层的厚度均一性。如图4所示，一晶圆表面上形成的膜层的实际厚度可以与基线厚度相一致(或者说，两者的厚度误差范围被控制在合理范围内)，因此形成的膜层的厚度均一性得到提高。本发明的半导体工艺设备可以用于外延生长工艺、化学气相沉积工艺、物理气相沉积工艺等任意需要在一衬底上制造膜层的工艺。

本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括：采用上述之一的半导体工艺设备，在一衬底晶圆的表面上形成一膜层。其中，所述膜层的材料可以包括多晶硅、锗硅和碳硅中的至少一种。在形成所述膜层的过程中，只要实时或者适时调整所述可调灯座，就可以调节所述加热灯组射出的光相对所述衬底晶圆表面的入射角度，使得所述加热罩组能够将所述加热灯组射出的光聚焦于所述衬底晶圆表面上的相应位置，使得晶圆表面上各个区域的温度差异减小，保证晶圆表面各个区域中的膜层生长速度一致，解决了晶圆边缘上生长的膜层的实际厚度相对基线厚度骤降的问题，从而可以大大改善形成的膜层的厚度均一性，提高器件良率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括：

反应腔；

晶圆承载基座，设置在所述反应腔中，用于承载晶圆；

加热灯组，设置在所述反应腔中，并位于所述晶圆承载基座的上方；

可调灯座，设置在所述反应腔外或者所述反应腔中，用于将所述加热灯组装配到所述反应腔中，并调节所述加热灯组射出的光相对所述晶圆表面的入射角度；

加热罩组，设置在所述加热灯组与所述晶圆承载基座之间的反应腔空间中，用于将所述加热灯组射出的灯光聚焦于晶圆表面上。

2.如权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述可调灯座包括控制器、电动机、传动丝杆以及俯仰调节组件；所述控制器用于控制电动机工作；所述俯仰调节组件与所述加热灯组装配在一起；所述传动丝杆的一侧连接到所述电动机的转轴上，另一侧活动连接所述俯仰调节组件，用于在所述电动机的驱动下带动所述俯仰调节组件运动；所述俯仰调节组件用于在所述传动丝杆的带动下带动所述加热灯组运动，改变加热灯组的出光面和所述晶圆表面之间的夹角，以调节所述加热灯组射出的光相对所述晶圆表面的入射角度。

3.如权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述俯仰调节机构包括连接组件以及支撑组件，所述连接组件一侧与所述加热灯组固定连接，另一侧与所述传动丝杆螺纹连接，所述支撑组件的一侧与所述反应腔固定连接，另一侧与所述连接组件转动连接。

4.如权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端为球顶，所述连接组件中设有与所述球顶曲面接触的弧形凹坑；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端为弧形凹坑，所述连接组件中设有与所述弧形凹坑曲面接触的球顶；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端设有轴栓孔，所述连接组件中设有插在所述轴栓孔中的轴栓；或者，所述支撑组件与所述连接组件转动连接的一端设有轴栓，所述连接组件中设有插入所述轴栓的轴栓孔；或者，所述连接组件中设有转轴，所述支撑组件中设有夹持所述转轴并使得所述转轴能够转动的夹持块。

5.如权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述半导体工艺设备还包括一用于设置所述反应腔的工艺参数的控制主机，所述控制器连接到所述反应腔的控制主机上或者直接集成到所述控制主机中，所述控制器用于根据所述控制主机的设置参数产生驱动所述电动机工作的信号。

6.如权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电动机为步进电机或者伺服电机。

7.如权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述加热罩包括相对设置的内加热罩和外加热罩，所述内加热罩设置在靠近所述反应腔中心的一侧，所述外加热罩设置在靠近所述反应腔的侧壁的一侧。

8.如权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述加热灯组包括内灯以及设置在所述内灯的外围的外灯。

9.如权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述外延设备还包括设置于所述反应腔中且位于所述反应腔顶部的反射盘。

10.如权利要求9所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述反射盘呈环形，所述加热灯组的数量为若干个，各个加热灯组通过相应的可调灯座沿所述反射盘依次安装到所述反应腔上或者直接安装在所述反射盘上，若干个所述加热灯组沿所述反射盘的环形均匀分布并面向所述晶圆表面。

11.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：采用权利要求1至10中任一项所述的半导体工艺设备，在一衬底晶圆的表面上形成一膜层。

12.如权利要求11所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，所述膜层包括多晶硅、锗硅和碳硅中的至少一种。

13.如权利要求11所述的半导体器件的制造方法，其特征在于，在形成所述膜层的过程中，实时调整所述可调灯座，以调节所述加热灯组射出的光相对所述衬底晶圆表面的入射角度，使得所述加热罩组能够将所述加热灯组射出的光聚焦于所述衬底晶圆表面上的相应位置。