CN111996591B - 一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法，涉及硅片外延生长技术领域，所述基座包括：用于承载所述硅片的圆盘形承载部；从所述圆盘形承载部径向向外延伸的环形周缘，其中，所述环形周缘中形成有多个通孔，使得所述环形周缘的开孔率从与所述硅片的<100>晶向对应的径向方向至与所述硅片的相邻于所述<100>晶向的<110>晶向对应的径向方向逐渐增大。通过本发明能够获得平坦度更好的外延硅片。

Description

一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法

技术领域

本发明涉及硅片外延生长领域，尤其涉及一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法。

背景技术

硅片的外延生长工艺是半导体芯片制造过程中的一个重要工艺，该工艺是指在一定条件下，在经抛光的硅片上再生长一层电阻率和厚度可控、无晶体原生粒子（CrystalOriginated Particles，COP）缺陷且无氧沉淀的硅单晶层。硅片的外延生长主要包括真空外延沉积、气相外延沉积以及液相外延沉积等生长方法，其中以气相外延沉积的应用最为广泛。如果没有另外说明，本发明提及的外延生长都是指通过气相外延沉积完成的外延生长。

对于硅片的外延生长而言，平坦度是衡量外延硅片的质量的重要指标，而外延硅片的平坦度与外延层的厚度直接相关。在外延生长过程中，由卤素灯产生的反应腔室中的温度、硅源气体的浓度、硅源气体的流动速度等都会对外延层的厚度产生非常明显的影响。除此以外，硅片的晶向是影向外延层的厚度进而影响外延硅片的平坦度的另一个重要因素，以下对硅片的晶向以及晶向对外延层厚度的影响进行详细介绍。

参见图1，图1以（100）晶面的硅片W100为例示出了硅片的晶向。如图1所示，如果硅片W100的三点钟方向是0°/360°的径向方向并且是<110>晶向的话，则相对于0°/360°的径向方向顺时针旋转的90°、180°和270°的径向方向也为硅片W100的<110>晶向，而相对于0°/360°的径向方向顺时针旋转的45°、135°、225°和315°的径向方向为硅片W100的<100>晶向。也就是说，对于该硅片W100而言，4个<110>晶向与沿硅片的周向间隔90°分布的4个径向方向相对应，4个<100>晶向同样与沿硅片的周向间隔90°分布的4个径向方向相对应，而相邻的<110>晶向和<100>晶向沿硅片的周向间隔45°。

接着参见图2，图2示出了在使用常规的用于硅片的外延生长的基座的情况下，如图1中示出且直径为300mm的硅片W100在距离径向边缘1mm的位置处的边缘部位正面基准最小二乘/范围（Edge Site Frontsurface-referenced least sQuares/Range，ESFQR）结果。在图2中，横坐标表示图1中示出的硅片W100的径向方向的角度，纵坐标表示硅片W100在对应角度位置处的ESFQR值（单位为nm），该值可以反应出生长的外延层的厚度。如图2所示，在0°/360°、90°、180°和270°的径向方向上，硅片W100上生长的外延层的厚度为峰值，也就是说，硅片W100在<110>晶向的生长速率最大；从0°、90°、180°和270°的径向方向至45°、135°、225°和315°的径向方向以及从90°、180°、270°和360°的径向方向至45°、135°、225°和315°的径向方向，硅片W100上生长的外延层的厚度逐渐减小，也就是说，硅片W100的生长速率从<110>晶向至<100>晶向逐渐减小，这也在图1中通过带箭头的弧线示出，其中箭头方向表示生长速率减小方向；在45°、135°、225°和315°的径向方向上，硅片W100上生长的外延层的厚度为谷值，也就是说，硅片W100在<100>晶向的生长速率最小。而且如在现有技术中已知的，上述厚度差异在越靠近硅片的径向边缘的区域表现的越明显。

现有的一种改善外延硅片的平坦度的措施为，经由进气口将用于阻止外延层的沉积的刻蚀气体输送到反应腔室中，并且在硅片随着基座旋转的过程中，当硅片的生长较快区域经过进气口时，进气速率增大，而当硅片的生长较慢区域经过进气口时，进气速率减小。然而，在硅片的外延生长过程中，不可避免地需要改变工艺参数比如基座的转速，在这种情况下，需要随着转速的改变来相应地改变进气速率的变化，增大了工艺复杂程度。

现有的另一种改善外延硅片的平坦度的措施为，在基座底面增加导热块来改变相应区域的温度，以达到改善硅片平坦度的目的。然而，由于基座中安装导热块的区域的厚度较小，通常小于3mm，因此安装的导热块会给基座带来承重问题，影响基座的使用寿命。另一方面，导热块会改变除其安装区域以外的相应区域的温度，使得最终获得的外延硅片的局部形貌受到影响，严重情况下会使硅片因应力不均匀而产生位错。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例期望提供一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法，以简单有效的方式解决因硅片晶向不同导致的外延生长过程中的外延层的厚度不均匀进而使得外延硅片的平坦度不佳的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的基座，所述基座包括：

用于承载所述硅片的圆盘形承载部；

从所述圆盘形承载部径向向外延伸的环形周缘，其中，所述环形周缘中形成有多个通孔，使得所述环形周缘的开孔率从与所述硅片的<100> 晶向对应的径向方向至与所述硅片的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向逐渐增大。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的装置，所述装置包括：

根据第一方面所述的基座；

用于容纳所述基座的反应腔室，其中，所述基座将所述反应腔室分隔成上反应腔室和下反应腔室，所述硅片放置在所述上反应腔室中；

用于将硅源气体输送到所述上反应腔室中以在所述硅片上生长外延层的进气口；

用于将外延生长产生的反应尾气排出所述反应腔室的排气口。

第三方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的方法，所述方法应用于根据第二方面所述的装置，所述方法包括：

将所述硅片在所述基座上放置成使得所述硅片的<100> 晶向与所述环形周缘的开孔率最小的径向方向对准并且使得所述硅片的<110> 晶向与所述环形周缘的开孔率最大的径向方向对准；

经由所述进气口将硅源气体输送到所述上反应腔室中以在所述硅片上生长外延层；

所述硅源气体从所述上反应腔室穿过所述基座的环形周缘中形成的所述多个通孔排出到所述下反应腔室中，以使在所述硅片上生长的外延层的厚度均匀；

经由所述排气口将包括排出到所述下反应腔室的硅源气体的反应尾气排出所述反应腔室。

本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的基座、装置及方法，在基座的环形周缘中形成有多个通孔，使得环形周缘的开孔率从与硅片的<100> 晶向对应的径向方向至与硅片的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向逐渐增大，在这种情况下，硅源气体能够穿过所述多个通孔进入下反应腔室中，不再能够沉积在硅片上，并且穿过通孔的硅源气体的量也相应地逐渐增大，由此使得硅片从<100>晶向至<110>晶向生长速率的减小程度逐渐增大，从而使硅片的整个周向上的生长速率更为均衡，在硅片上生长的外延层的厚度更加均匀，由此能够获得平坦度更好的外延硅片。

附图说明

图1为（100）晶面的硅片的<110>晶向和<100>晶向的示意图；

图2为在使用常规的用于硅片的外延生长的基座的情况下，图1中示出的硅片的ESFQR结果；

图3为现有的用于硅片的外延生长的装置的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的基座的俯视图，其中通孔以第一方式分布在环形周缘中；

图5为图4中示出的本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的基座沿着图4中示出的线A-A剖切的局部剖视图；

图6为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的基座的俯视图，其中通孔以第二方式分布在环形周缘中；

图7为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的基座的俯视图，其中通孔以第三方式分布在环形周缘中；

图8为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的装置的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种用于硅片的外延生长的方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图3，其示出了现有的用于硅片W的外延生长的装置1的示意图。如图3所示，该装置1可以包括：基座10，该基座10用于承载硅片W；基座支撑架20，该基座支撑架20用于支撑基座10并在外延生长期间驱动基座10以一定速度绕中心轴线X旋转，其中在基座10的旋转过程中，硅片W随基座10一起绕中心轴线X旋转，也就是说硅片W相对于基座10是保持静止的，由此，需要基座10的径向边缘与相邻部件10A（通常为预热环）之间具有较小的间隙G；上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B，该上部石英钟罩30A和该下部石英钟罩30B一起围闭出将基座10以及基座支撑架20容纳在其中的反应腔室RC，其中，基座10将反应腔室RC分隔成上反应腔室RC1和下反应腔室RC2，硅片W放置在上反应腔室RC1中；通常，上反应腔室RC1中的气压略大于下反应腔室RC2中的气压使得上反应腔室RC1中的气体会经由间隙G进入到下反应腔室RC2中；进气口40，该进气口40用于向上反应腔室RC1中输送反应气体，例如以SiHCl₃为例的硅源气体、氢气、以B₂H₆或PH₃为例的掺杂剂气体，以便通过硅源气体与氢气反应生成硅原子并沉积在硅片W上以在硅片W上生长外延层，同时通过掺杂剂气体对外延层进行掺杂以获得所需的电阻率；排气口50，该排气口50用于将反应尾气排出反应腔室RC；多个加热灯泡60，所述多个加热灯泡60设置在上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B的外围并用于透过上部钟罩30A和下部钟罩30B在反应腔室RC中提供用于气相外延沉积的高温环境；以及用于组装装置1的各个元件的安装部件70。

在使用如上所述的常规的用于硅片W的外延生长的装置1的情况下，更具体地，在使用如上所述的用于硅片W的外延生长的基座10的情况下，硅片W的<110>晶向和<100>晶向的生长速率会有不同，因此硅片W上生长的外延层的厚度会不同，因此最终获得的外延硅片的平坦度会较差。基于此，参见图4至图5，本发明实施例提供了一种基座100来代替图1中示出的用于硅片W的处延生长的装置1中的基座10，其中图4示出了本发明实施例提供的基座100的俯视图，图5示出了本发明实施例提供的基座100沿图4中的延伸经过基座100的中心O的线A-A剖切的局部剖视图。如图4和图5所示，本发明实施例提供的基座100包括：用于承载硅片W的圆盘形承载部110；从圆盘形承载部110径向向外延伸的环形周缘120，其中，环形周缘120中形成有多个通孔TH。更具体地如图4所示，所述多个通孔TH在环形周缘120中形成为使得所述环形周缘120的开孔率从与所述硅片W的<100> 晶向对应的径向方向RD1至与所述硅片W的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向RD2逐渐增大。这里的开孔率旨在表示在环形周缘120的预定区域内，通孔TH的总面积与该预定区域的面积之比，由此，环形周缘120的特定径向方向的开孔率可以理解为在该特定径向方向上，通孔TH占据的总长度与环形周缘120的径向长度之比。

在用根据本发明的基座100代替图1中示出的用于硅片W的外延生长的装置1中的基座10的情况下，由于上反应腔室RC1中的气压大于下反应腔室RC2中的气压，因此经由进气口40输送到上反应腔室RC1中的硅源气体中的一部分会穿过基座100的环形周缘120中形成的所述多个通孔TH排出到下反应腔室RC2中，不再能够沉积在置于上反应腔室RC1中的硅片W上，由此可以减小外延层在硅片W上的生长速率。更具体地，在利用如图3中示出的包括常规的基座10的外延装置1进行外延生长的情况下，硅片W从<100>晶向至<110>晶向的生长速率是逐渐增大的，而由于根据本发明的基座100的环形周缘120的开孔率从与硅片W的<100> 晶向对应的径向方向RD1至与硅片W的相邻于该<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向RD2逐渐增大（如图4所示），因此穿过通孔TH的硅源气体的量也相应地逐渐增大，另一方面在外延生长过程中硅片W相对于基座100是保持静止的，由此使得硅片W从<100>晶向至<110>晶向生长速率的减小程度逐渐增大，从而使硅片W的整个周向上的生长速率更为均衡，在硅片W上生长的外延层的厚度更加均匀，由此能够获得平坦度更好的外延硅片。

如在现有技术中已知的，基座100的材质通常为石墨，在硅片W的外延生长的高温环境下，石墨中的杂质会溢出到外延生长的反应气体中，进而会在硅片W表面产生颗粒污染，同时也会影响少子寿命等性能。因此，在本发明的优选实施方式中，所述通孔TH的孔壁内表面涂覆有SiC膜，以避免石墨中的杂质溢出。

优选地，SiC膜的厚度大于10μm；更优选地，SiC膜的厚度为100 μm。

在本发明的优选实施方式中，如在图5中示出的，通孔TH在两端处分别具有倒角部分CH，该倒角部分CH能够避免基座100中形成有通孔TH的部位产生应力集中。

由于硅片W在<100>晶向的生长速率最小，因此不再需要通过使上反应腔室RC1中的硅源气体穿过基座100的环形周缘120中形成的通孔TH排出到下反应腔室RC2中来减小生长速率。因此，在本发明的优选实施方式中，如在图4中示出的，所述环形周缘120的与所述硅片W的<100> 晶向对应的径向方向RD1上的开孔率可以为零，换言之，环形周缘120在该径向方向RD1上不存在通孔TH。所述多个通孔TH在环形周缘120中的这种布置方式能够最大程度地减少硅源气体的使用量，节省成本。

所述环形周缘120的开孔率从与所述硅片W的<100> 晶向对应的径向方向RD1至与所述硅片W的相邻于该<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向RD2逐渐增大可以有多种实现方式，比如可以使环形周缘120的与所述硅片W的<100> 晶向对应的径向方向RD1上的通孔TH的孔径较小，而使环形周缘120的与所述硅片W的<110> 晶向对应的径向方向RD2上的通孔TH的孔径较大（附图中未示出），然而在本发明的优选实施方式中，所述多个通孔TH具有相同的孔径，而不同径向方向上开孔率的变化通过通孔TH的数量的变化实现。一方面，相同的孔径能够使得基座100的制造过程得到极大程度的简化，例如在基座100的环形周缘120中形成的所述多个通孔TH通过钻具钻制的情况下，只需要对基座100进行平移以使通孔被钻制在在环形周缘120的期望位置处即可，无需频繁更换钻具的钻头以使钻头尺寸与不同孔径相对应。另一方面，相同的孔径能够使得环形周缘120的开孔率容易地被控制，因为开孔率可以通过通孔TH的数量得到反应。具体地，如图4所示，只要环形周缘120中形成的通孔TH的数量从与所述硅片的<100> 晶向对应的径向方向RD1至与所述硅片的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向RD2逐渐增多，即可确保环形周缘120的开孔率从与所述硅片的<100> 晶向对应的径向方向RD1至与所述硅片的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向RD2逐渐增大。

在所述多个通孔TH具有相同的孔径的情况下，假设如图4所示环形周缘120的与硅片W的<110> 晶向对应的径向方向RD2上布满了通孔TH，则环形周缘120的其他径向方向上的通孔TH可以沿着各个其他径向方向有多种分布方式，例如，通孔TH可以均匀地分布在各个其他径向方向上（图中未示出）；例如，如在图6中示出的，通孔TH可以远离基座100的中心O分布在各个其他径向方向上；又例如，如在图7中示出的，通孔TH可以在与硅片W的<110>晶向对应的径向方向RD2的一侧（在图7中示出的径向方向RD2的右侧）远离基座100的中心O分布在各个其他径向方向上，而在与硅片W的<110> 晶向对应的径向方向RD2的另一侧（在图7中示出的径向方向RD2的左侧）靠近基座100的中心O分布在各个其他径向方向上。然而，在本发明的优选实施方式中，如在图4中示出的，所述多个通孔TH沿径向靠近所述基座100的中心O分布在所述环形周缘120上，在这种情况下，上反应腔室RC1中的硅源气体能够在更靠近硅片W的径向边缘的位置处穿过所述多个通孔TH排出到下反应腔室RC2中，因此能够更有效地减小外延层在硅片W的径向边缘处的生长速率，从而更有效地抵消越靠近硅片W的径向边缘的区域表现的越明显的外延层厚度差异。

由于通孔TH的孔径太小可能会导致堵塞，因此优选地，所述多个通孔TH具有的相同的孔径大于0.3mm；更优选地，所述多个通孔TH具有的相同的孔径为1mm。

参见图8，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延生长的装置2，该装置2通过将本发明实施例提供的基座100代替图1中示出的基座10之后获得。具体地，该装置2可以包括：本发明实施例提供的基座100；用于容纳基座100的反应腔室RC，其中，基座100将反应腔室RC分隔成上反应腔室RC1和下反应腔室RC2，硅片W放置在上反应腔室RC1中；用于将硅源气体输送到上反应腔室RC1中以在硅片W上生长外延层的进气口40；用于将外延生长产生的反应尾气排出反应腔室RC的排气口50。除此以外，与现有的用于硅片W的外延生长的装置1一样，该装置2还可以包括：基座支撑架20、一起围闭出反应腔室RC的上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B、多个加热灯泡60、安装部件70等，并且基座100的径向边缘与相邻部件之间也具有较小的间隙G，以使基座100能够通过基座支撑架20的驱动以一定速度绕中心轴线X旋转，在此不再赘述。

参见图9，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延生长的方法，该方法应用于本发明实施例提供的装置2，该方法可以包括：

S901：将硅片W在基座100上放置成使得硅片W的<100> 晶向与环形周缘120的开孔率最小的径向方向对准并且使得硅片W的<110> 晶向与环形周缘120的开孔率最大的径向方向对准；

S902：经由进气口40将硅源气体输送到上反应腔室RC1中在硅片W上生长外延层；

S903：硅源气体从上反应腔室RC1穿过基座100的环形周缘110中形成的所述多个通孔TH排出到下反应腔室RC2中，以使在硅片W上生长的外延层的厚度均匀；

S904：经由排气口50将包括排出到下反应腔室RC2的硅源气体的反应尾气排出反应腔室RC。

需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于硅片的外延生长的基座，其特征在于，包括：

用于承载所述硅片的圆盘形承载部；

从所述圆盘形承载部径向向外延伸的环形周缘，其中，所述环形周缘中形成有多个通孔，使得所述环形周缘的开孔率从与所述硅片的<100> 晶向对应的径向方向至与所述硅片的相邻于所述<100> 晶向的<110> 晶向对应的径向方向逐渐增大，其中，所述开孔率为所述环形周缘的预定区域内的通孔的总面积与所述预定区域的面积之比。

2.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述通孔的孔壁内表面涂覆有SiC膜。

3.根据权利要求2所述的基座，其特征在于，所述SiC膜的厚度大于10μm。

4.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述通孔在两端处分别具有倒角部分。

5.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述环形周缘的与所述硅片的<100> 晶向对应的径向方向上的开孔率为零。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基座，其特征在于，所述多个通孔具有相同的孔径。

7.根据权利要求6所述的基座，其特征在于，所述多个通孔沿径向靠近所述基座的中心分布在所述环形周缘上。

8.根据权利要求6所述的基座，其特征在于，所述孔径大于0.3mm。

9.一种用于硅片的外延生长的装置，其特征在于，包括：

根据权利要求1至8中任一项所述的基座；

用于容纳所述基座的反应腔室，其中，所述基座将所述反应腔室分隔成上反应腔室和下反应腔室，所述硅片放置在所述上反应腔室中；

用于将硅源气体输送到所述上反应腔室中以在所述硅片上生长外延层的进气口；

用于将外延生长产生的反应尾气排出所述反应腔室的排气口。

10.一种用于硅片的外延生长的方法，其特征在于，所述方法应用于根据权利要求9所述的装置，所述方法包括：

将所述硅片在所述基座上放置成使得所述硅片的<100> 晶向与所述环形周缘的开孔率最小的径向方向对准并且使得所述硅片的<110> 晶向与所述环形周缘的开孔率最大的径向方向对准；

经由所述进气口将硅源气体输送到所述上反应腔室中以在所述硅片上生长外延层；

所述硅源气体从所述上反应腔室穿过所述基座的环形周缘中形成的所述多个通孔排出到所述下反应腔室中，以使在所述硅片上生长的外延层的厚度均匀；

经由所述排气口将包括排出到所述下反应腔室的硅源气体的反应尾气排出所述反应腔室。

Images