CN114540948A - 半导体工艺设备中的基座及半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种半导体工艺设备中的基座与半导体工艺设备，能够提高外延片的合格率。半导体工艺设备中的基座用于承载晶圆，基座包含设置在基座中用于承载晶圆的承载槽，其中：承载槽中设置有支撑环，支撑环的外环边缘与承载槽的侧壁连接，支撑环的内环边缘与承载槽的底壁连接，支撑环通过环形支撑面支撑晶圆，且环形支撑面与承载槽的底壁具有第一预设夹角，支撑环将承载槽分隔为加热槽和调温腔；支撑环通过环形支撑面支撑晶圆时，晶圆与承载槽的底壁具有第一预设距离。

Description

半导体工艺设备中的基座及半导体工艺设备
技术领域
本申请涉及半导体生产领域，具体涉及半导体工艺设备中的基座及半导体工艺设备。
背景技术
利用重掺晶圆制备硅外延片代替单晶抛光片是解决单晶抛光片表面原生缺陷及电阻率均匀性差等问题的首选，是发展金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)以及超大规模集成电路等的最佳途径。
现有技术通常采用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)硅外延方法来制备硅外延片。CVD硅外延方法是将反应气体输送至反应腔室，通过加热等方式，使反应气体在晶圆表面发生化学反应生成硅单质，进而在晶圆表面形成一层硅单质薄膜的沉积方式。
请参阅图1，为现有技术中的CVD设备的结构示意图。在图1所示的CVD设备中，采用了红外卤素灯以及镀金反射屏组成外延加热场，上区红外卤素灯发射的红外线经上区镀金屏反射后透过透明石英101直接照射到需要外延的晶圆103上表面，对晶圆103进行加热。下区红外卤素灯直接加热基座102，再由基座102辐射或者热传导的方式将热量传递给需要外延的晶圆103。基座102作为硅外延高温下硅片的承载容器，晶圆103的下表面通过基座102热辐射或者直接接触热传导的方式加热。
使用图1中所示的CVD设备进行硅外延片的生产时，上区通过红外线直射的方式加热，使得晶圆103对内、外区温场分布、交叠会更加敏感，并且，由于晶圆103中温度梯度主要包括面内及径向温场梯度，为了获得均匀的温场，需要同时调节调节上、下、内、外四区灯功率比例，从而调节内、外及上、下红外辐射的强度，调控外延晶圆103径向温度梯度及片内温度梯度，调节精度要求高。
随着外延片由小尺寸向大尺寸发展，对硅外延片的均匀性、生产稳定性提出了更高的要求。在CVD工艺中，须使晶圆置于均匀分布的气流场、温场和浓度场才能获得优异的外延工艺结果。然而，现有技术中的晶圆难以在CVD设备中获取均匀的温场，晶圆表面的外延层发生形变的几率增大，硅外延片的合格率降低，外延层的表面几何形貌、膜厚及电阻率分布难以符合需求。
具体的，在现有技术中，通常在图1所示的基座102的平面上放置晶圆103，当晶圆103放在基座上时，整个晶圆103的背面与基座的平面接触，晶圆103背面依靠基座的平面的热传导来获取热量，由于接触面积较大，因此晶圆103的正、背面存在温差，晶圆103会向冷的一面弯曲，这种弯曲会造成晶圆103部分区域不再和基座102接触，造成接触区域和非接触区域的温差，从而影响晶圆103表面外延侧的几何形貌和膜厚。
因此，如何为晶圆提供更加均匀的温场，是优化大尺寸外延硅的制备良率的关键。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种半导体工艺设备中的基座与半导体工艺设备，能够提高外延片的合格率。
本申请提供了一种半导体工艺设备中的基座，用于承载晶圆，所述基座包含设置在基座中用于承载晶圆的承载槽，其中：所述承载槽中设置有支撑环，所述支撑环的外环边缘与承载槽的侧壁连接，所述支撑环的内环边缘与承载槽的底壁连接，所述支撑环通过环形支撑面支撑所述晶圆，且所述环形支撑面与所述承载槽的底壁具有第一预设夹角，所述支撑环将所述承载槽分隔为加热槽和调温腔；所述支撑环通过所述环形支撑面支撑晶圆时，所述晶圆与所述加热槽的所述底壁具有第一预设距离。
可选的，所述调温腔内填充有调温材料，调温材料用于调节基座向晶圆传导的热量。
可选的，所述调温腔开设有流体入口和流体出口，所述流体入口与调温流体源连通，所述流体入口用于向调温腔通入调温流体，以调节所述基座向晶圆传导的热量。
可选的，所述环形支撑面与所述承载槽的所述底壁的第一预设夹角大于或等于0.1°，且小于或等于10°，通过调整所述第一预设夹角的大小，以调整所述晶圆的上表面的外延层厚度。
可选的，所述第一预设夹角为大于或等于0.1°，且小于或等于4°，所述支撑环支撑所述晶圆时，所述晶圆的上表面低于所述基座本体的上表面。
可选的，所述第一预设夹角为大于4°，且小于或等于10°，所述支撑环支撑所述晶圆时，所述晶圆的上表面高于所述基座本体的上表面。
可选的，所述基座包含位于所述承载槽的所述底壁的承载部，以及环绕所述承载部设置的环形边缘部，所述环形边缘部的厚度与所述承载部的厚度至少部分相等。
可选的，所述环形边缘部内部和/或所述环形边缘部的底部开设有环绕所述承载部设置的环形槽，以使所述环形边缘部的厚度与所述承载部的厚度至少部分相等。
可选的，所述环形边缘部的宽度的取值范围为50mm～75mm，承载槽的深度小于1mm。
本申请还提供了一种半导体工艺设备，包括所述的基座，所述基座用于承载所述晶圆。
本申请中的基座以及半导体工艺设备提供一支撑环承载待工艺的晶圆，晶圆与承载槽本身无面接触，只有支撑环的环形支撑面与晶圆的边缘接触，支撑环将承载槽分隔为隔热腔和加热槽，加热槽不与晶圆表面接触，而是通过热辐射的方式对晶圆进行加热，晶圆与支撑环的环形支撑面接触的部分通过隔热腔调节温度，因此避免了面接触对晶圆下表面温度造成的影响，进而基座对晶圆提供更加均匀温场。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的半导体工艺设备中的基座的结构示意图。
图2为本申请一实施例中半导体工艺设备中的基座的结构示意图。
图3为本申请一实施例中半导体工艺设备中的基座的结构示意图。
图4为本申请一实施例中半导体工艺设备中的基座的结构示意图。
图5为本申请一实施例中支撑环的结构示意图。
具体实施方式
为了解决上述问题，以下提出了一种半导体工艺设备中的基座，以及具有该基座的半导体工艺设备。基座以及半导体工艺设备能够使晶圆受热更加均匀，减少了硅外延片发生翘曲的几率。以下结合附图及实施例，作进一步的说明。
请参阅图2以及图5，其中图2为一实施例中半导体工艺设备中的基座的结构示意图，图5为本申请一实施例中支撑环的结构示意图。
在该实施例中，半导体工艺设备中的基座201用于承载晶圆202，包含设置在基座201中用于承载晶圆202的承载槽100，承载槽100具有加热功能，其中：承载槽100中设置有支撑环200，支撑环200的外环边缘与承载槽100的侧壁320连接，支撑环200的内环边缘与承载槽100的底壁310连接，支撑环200通过环形支撑面209支撑晶圆202，且环形支撑面209与承载槽100的底壁310具有第一预设夹角，支撑环200将承载槽100分隔为调温腔203和加热槽208；支撑环200通过环形支撑面209支撑晶圆202时，晶圆202与加热槽208的底壁具有第一预设距离，以防止晶圆202与加热槽208的底壁310直接接触，其中加热槽208的底壁属于承载槽100的一部分。
在该实施例中，支撑环200通过环形支撑面209承载晶圆202。由于支撑环200承载待反应的晶圆202，承载槽100的底壁310与晶圆202无直接的面接触，只有支撑环200与晶圆202的边缘接触，并且放入基座201的晶圆202与承载槽100的底壁310具有第一预设距离，因此避免了承载槽100的底壁310受热不均匀，以对晶圆202的受热情况的影响，也避免了面接触对晶圆202下表面温度造成的影响，可以有效提高晶圆202受热均匀性，避免了晶圆202上下两侧表面的温差过高引起的翘曲问题，提高晶圆202生产的良率。
在一些实施例中，承载槽100可以为晶圆202提供CVD工艺所需的温场。在图2所示的实施例中，基座201为基座，承载槽100设置在基座上表面，可以在上下红外卤素灯204的红外辐射照射下感应发热，为晶圆202提供CVD工艺所需的温场。红外卤素灯204设置在半导体工艺设备的工艺腔室外，用于为基座提供红外辐射。
在该实施例中，红外卤素灯204设置对基座发射红外辐射，基座由石墨材料制成，用红外卤素灯204对基座进行加热。承载槽100的底壁310作为基座的主热辐射面，向晶圆辐射热量。
基座被红外卤素灯204辐射加热后，产生热量，这些热量可以传递给晶圆202以加热晶圆202。由于晶圆202与承载槽100的底壁310的距离为第一预设距离，因此晶圆202与承载槽100的底壁310没有直接接触，基座被红外卤素灯204照射发热后，绝大部分热能通过热辐射的方式传递到晶圆202，使晶圆202受热更加均匀。
在一些其他的实施例中，还可通过电阻丝来加热基座。电阻丝设置在承载槽100的底壁310下方。
在一些实施例中，基座201包含位于承载槽100的底部的承载部340，以及环绕承载部340设置的环形边缘部330，且承载部340的厚度与环形边缘部330的厚度至少部分相等。当采用基座感应发热加热晶圆202时，基座的环形边缘部330和承载部340各处产生的热量近似相等，整个基座各处的温度或者热量能够保持近似一致。
在一些实施例中，基座201可升降及旋转，且基座201整体厚度相同，以使基座201的各处受热均匀。
在图2所示的实施例中，基座各处厚度相同，为3mm-5mm。
在一些实施例中，承载槽100直径为300mm-310mm，用于放置晶圆202，承载槽100的深度小于1mm。因此，承载部340的直径为300mm-310mm。环形边缘部的宽度的取值范围为50mm～75mm，承载槽100的深度小于1mm。从而与大部分的半导体工艺设备的腔室尺寸相适应，使得基座201可以适配到很多半导体工艺设备中。
在一些实施例中，环形边缘部330内部和/或环形边缘部330底部开设有环绕承载部340设置的环形槽，以使环形边缘部330的厚度与承载部的厚度至少部分相等。当采用基座感应发热加热晶圆202时，基座的环形边缘部330和承载部340各处因感应产生的热量近似相等，整个基座各处的温度或者热量能够保持近似一致。
环形边缘部330内部开设的环绕承载部设置的环形槽可以参阅图4。在图4所示的实施例中，支撑环200与基座201一体化设置，环形支撑面209由环形边缘部的一侧表面构成，该侧表面与承载槽100的底壁310之间有第一预设夹角。环形边缘部内部挖设有环形槽，且环形槽与调温腔形成于同一个腔内，该环形槽既可以用于调节环形边缘部330与承载部340的尺寸，使基座本体各处厚度相同，也可以用于形成调温腔203，调节环形支撑面209向晶圆202传递的热量。
环形边缘部330底部开设有环绕承载部设置的环形槽可以参阅图2或图3，在图2或图3所示的实施例中，环形槽位于环形边缘部330底部。
请参阅图2和图5，其中图5为一实施例中环形支撑面209的结构示意图。环形支撑面209与承载槽100的底壁围设成加热槽208。加热槽208顶部尺寸较大，大于或等于晶圆202的尺寸，以便放入晶圆202，加热槽208底部的尺寸小于晶圆202的尺寸，从而防止晶圆202掉落到加热槽208底部。
并且，晶圆202放置到环形支撑面209后，晶圆202与环形支撑面209之间的接触为线性接触。晶圆202与环形支撑面209的接触区域在承载槽100底壁310的投影呈圆形，且该圆形投影的径向尺寸与晶圆202的径向尺寸相等，或略小于晶圆202的径向尺寸。
在该图5所示的实施例中，环形支撑面209为一连续不断的面。在将晶圆202放置到支撑环200后，环形支撑面209能够与晶圆202的边缘的各个位置接触，为晶圆202提供足够的支持，并能够使对晶圆202的边缘各处进行均匀的接触导热。
在图5所示的实施例中，环形支撑面209与承载槽100的底壁310的第一预设夹角大于或等于0.1°，且小于或等于10°，通过调整第一预设夹角的大小，以调整晶圆202的上表面的外延层厚度。在第一预设夹角的范围内，晶圆202与环形支撑面209的接触面积较小。
具体的，当第一预设夹角较小，使得晶圆202完全位于加热槽208内时，反应气流在晶圆202的边缘处向下流动，以减小晶圆202的边缘外延层厚度。当第一预设夹角较大，使得晶圆202的上表面高于基座的上表面时，反应气流在晶圆202的边缘处被抬升，以增大晶圆202的边缘的外延层厚度。
在一些实施例中，所第一预设夹角为大于或等于0.1°，且小于或等于4°，支撑环200在支撑晶圆202时，晶圆202的上表面低于基座201本体的上表面，晶圆202完全位于加热槽208内。当反应气流流经晶圆202边缘时向下流动，晶圆202边缘形成的外延层厚度减小。
请参阅图2，在图2中所示的实施例中，第一预设夹角的角度为A°，晶圆202与承载槽100的底壁310的距离为第一高度H1，等于第一预设距离，且晶圆202的上表面位于基座的下方，当反应气流流经晶圆202边缘时向下流动，晶圆202边缘形成的外延层厚度减小。
在一些实施例中，第一预设夹角大于4°，且小于或等于10°，支撑环200在支撑晶圆202时，晶圆202的上表面高于基座201本体的上表面，部分位于加热槽208外。当反应气流流经晶圆202边缘被抬升，晶圆202边缘的外延层厚度增大。
请参阅图3，在图3所示的实施例中，第一预设夹角的角度为B°，晶圆202与承载槽100的底壁310的距离为第二距离H2，等于第一预设距离，且晶圆202的上表面位于基座的上方，部分位于加热槽208外，当反应气流流经晶圆202边缘时被抬升，晶圆202边缘的外延层厚度增大。
实际上，晶圆202与基座201上表面的位置关系不仅与第一预设夹角的大小有关，还与晶圆202本身的厚度，以及承载槽100的深度有关系，因此设置第一预设夹角时，还需要考虑晶圆202的厚度以及承载槽100的深度。
在一些实施例中，在单独设置环形支撑面209时，该环形支撑面209可以采用低导热材料制备，低导热材料的导热率小于或等于石墨的导热率，包括气凝胶、硅酸铝以及岩棉等中的至少一种。
在一实施例中，调温腔203能够防止承载槽100直接导热给支撑环200上放置的晶圆202，可以有效减少晶圆202与承载槽100之间的直接热传导，从而减小因晶圆202的边缘与支撑环200相接触的区域的温度突变造成的晶圆202的外延层的形态问题，提高晶圆202表面形成的外延层的电阻率均匀性，优化外延层的几何形貌。
在一些实施例中，调温腔203可以是设置在环形支撑面209下方的空腔。在环形支撑面209为连续不断的环形支撑面209(详见图5)的实施例中，调温腔203可以为一环形的封闭区域，且与加热槽208相对独立不连通，此处可以参阅图2至图4，加热槽208与调温腔之间独立控温，改善晶圆202边缘温度的突变问题。
在一些实施例中，调温腔203内填充有调温材料，调温材料用于调节基座201向晶圆202传导的热量。
在一些实施例中，调温腔203开设有流体入口和流体出口，流体入口与调温流体源连通，流体入口用于向调温腔203通入调温流体，以调节基座201向晶圆202传导的热量。
调温流体204填充在调温腔203内，调温流体204包括低导热材料，用于减弱晶圆202与承载槽100之间的热传导。此处可以参阅图4，在该图4所示的实施例中，调温腔203中填充有调温流体204。
在一些实施例中，调温流体204包括气态调温流体和液态调温流体中的至少一种，且调温流体204的导热率最高为0.03W/(m·K)。调温流体204可以填满调温腔203，也可以只填充调温腔203的部分区域。
在一些实施例中，气态调温流体包括氢气、氦气和空气中的至少一种，液态调温流体包括蒸馏水、液态氢、液态锂中的至少一种。
在一种具体实施例中，可以通过流体入口向调温腔203内填充氢气，从而达到隔热效果。
在一些实施例中，调温材料还包括固态调温材料，固态调温材料包括气凝胶、硅酸铝和岩盐中的至少一种。当调温材料为固态调温材料时，在制备调温腔203的过程中将调温材料装入调温腔203即可。
本申请的实施例中还提供了一种半导体工艺设备，包括基座201，基座201用于承载晶圆202。
该实施例中的半导体工艺设备提供一支撑环200承载待反应的晶圆202，晶圆202与承载槽100本身无面接触，只有支撑环200与晶圆202的边缘接触，因此晶圆202与加热槽208面接触时对晶圆202下表面温度造成的影响，进一步支撑环将承载槽分隔为隔热腔和加热槽，加热槽不与晶圆表面接触，而是通过热辐射的方式对晶圆进行加热，且晶圆与支撑环的环形支撑面接触的部分通过隔热腔调节温度，避免了由于温度不均造成晶圆202上下两侧表面的温差过高引起的翘曲问题。
以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体工艺设备中的基座，用于承载晶圆，其特征在于，所述基座包含设置在所述基座中用于承载所述晶圆的承载槽，其中：
所述承载槽中设置有支撑环，所述支撑环的外环边缘与承载槽的侧壁连接，所述支撑环的内环边缘与承载槽的底壁连接，所述支撑环通过环形支撑面支撑所述晶圆，且所述环形支撑面与所述承载槽的底壁具有第一预设夹角，所述支撑环将所述承载槽分隔为加热槽和调温腔；所述支撑环通过所述环形支撑面支撑晶圆时，所述晶圆与所述加热槽的底壁具有第一预设距离。
2.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述调温腔内填充有调温材料，调温材料用于调节基座向晶圆传导的热量。
3.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述调温腔开设有流体入口和流体出口，所述流体入口与调温流体源连通，所述流体入口用于向调温腔通入调温流体，以调节所述基座向晶圆传导的热量。
4.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述环形支撑面与所述承载槽的底壁的第一预设夹角大于或等于0.1°，且小于或等于10°，通过调整所述第一预设夹角的大小，以调整所述晶圆的上表面的外延层厚度。
5.根据权利要求4所述的基座，其特征在于，所述第一预设夹角为大于或等于0.1°，且小于或等于4°，所述支撑环支撑所述晶圆时，所述晶圆的上表面低于所述基座本体的上表面。
6.根据权利要求4所述的基座，其特征在于，所述第一预设夹角为大于4°，且小于或等于10°，所述支撑环支撑所述晶圆时，所述晶圆的上表面高于所述基座本体的上表面。
7.根据权利要求1所述的基座，其特征在于，所述基座包含位于所述承载槽的底壁的承载部，以及环绕所述承载部设置的环形边缘部，所述环形边缘部的厚度与所述承载部的厚度至少部分相等。
8.根据权利要求7所述的基座，其特征在于，所述环形边缘部的内部和/或所述环形边缘部的底部开设有环绕所述承载部设置的环形槽，以使所述环形边缘部的厚度与所述承载部的厚度至少部分相等。
9.根据权利要求7所述的基座，其特征在于，所述环形边缘部的宽度的取值范围为50mm～75mm，承载槽的深度小于1mm。
10.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的基座，所述基座用于承载所述晶圆。
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