CN115584553A - 预热环及晶圆外延生长设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预热环及晶圆外延生长设备，属于硅产品制作技术领域。其中，预热环，包括环形主体，所述环形主体包括对进入晶圆外延生长设备的反应腔内的反应气体进行预热的第一表面，所述环形主体沿其周向包括与晶圆外延生长设备上的进气口对应的第一区域，晶圆外延生长设备上的进气口在所述环形主体上的正投影位于对应的所述第一区域，所述第一表面包括位于所述第一区域两侧的第二区域，所述第二区域设置有多个凹坑。本发明的技术方案能够解决外延层厚度不均的问题。
Description
技术领域
本发明涉及硅产品制作技术领域，尤其涉及一种预热环及晶圆外延生长设备。
背景技术
外延片生长过程中，由于灯源加热的热场分布和工艺气体流入反应腔体的特点，外延层的厚度分布呈现距离中心点50mm左右处较低的情况，而上述的凹陷不利于晶圆片品质的提高，会影响产品的良率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种预热环及晶圆外延生长设备，能够解决外延层厚度不均的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：
一种预热环，包括环形主体，所述环形主体包括对进入晶圆外延生长设备的反应腔内的反应气体进行预热的第一表面，所述环形主体沿其周向包括与晶圆外延生长设备上的进气口对应的第一区域，晶圆外延生长设备上的进气口在所述环形主体上的正投影位于对应的所述第一区域，所述第一表面包括位于所述第一区域两侧的第二区域，所述第二区域设置有多个凹坑。
一些实施例中，在所述第二区域，所述多个凹坑阵列排布。
一些实施例中，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑的分布密度逐渐减小。
一些实施例中，相邻两个所述凹坑之间的间距为1-1.5mm。
一些实施例中，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑的深度逐渐减小。
一些实施例中，所述凹坑的深度为0.2-0.3mm。
一些实施例中，所述凹坑在垂直于所述第一表面的方向上的截面为等腰三角形、矩形、倒梯形、半椭圆形或半圆形。
一些实施例中，所述多个凹坑以气体流向为列向排布，位于同一列中的多个所述凹坑的间距相同。
一些实施例中，沿远离所述第二区域的中心的方向，相邻两列凹坑之间的间距逐渐增大。
本发明还提供一种晶圆外延生长设备，包括壳体，壳体内形成反应腔体，所述腔体内设置有用于承载晶圆的基座，所述壳体的内侧壁上设置有上述的预热环，所述预热环围设于所述基座的外围。
本发明的有益效果是：
在进气口对应的第一区域两侧的第二区域设置多个凹坑，由于凹坑结构的存在，会使得进入反应腔内的反应气体与预热环有更大的接触面积，因此温度会有明显的提升，进而在硅片相应位置生长时具有比其他位置更高的生长速率，从而改善外延层的厚度均匀性。
附图说明
图1表示晶圆外延生长设备的结构示意图；
图2表示外延层厚度形貌示意图；
图3表示相关技术预热环的俯视示意图；
图4表示相关技术预热环的侧视示意图；
图5表示本发明实施例预热环的俯视示意图；
图6表示本发明实施例第二区域的放大示意图；
图7表示本发明实施例凹坑的放大示意图；
图8表示本发明实施例凹坑的截面示意图。
附图标记
1 上部石英钟罩
2 下部石英钟罩
3 卤素灯
4 基座支撑杆
5 销钉
6 销钉支撑杆
7 安装部件
8 基座
9 预热环
10 环形主体
11 凹坑
S1 第一区域
S2 第二区域
111 第一列凹坑
112 第二列凹坑
113 第三列凹坑
114 第四列凹坑
115 第五列凹坑
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
硅的外延生长工艺是半导体芯片制造的一个重要工艺，是指在一定条件下，以抛光片为衬底在其上面再生长一层电阻率、厚度可控、无氧沉淀的硅单晶层的方法，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方法。其中以气相外延沉积的应用最为广泛。在高温环境下，通过硅源气体与氢气反应生成单晶硅并沉积在硅片表面来获得外延层，同时通入掺杂剂(B2H6或PH3)来对外延层进行掺杂以获得所需要的电阻率。
晶圆外延生长设备的结构如图1所示，外部结构包括上部石英钟罩1，下部石英钟罩2，进气口，排气口以及安装部件7。内部结构包括卤素灯3、销钉5、销钉支撑杆6、放置硅晶圆的基座8，基座支撑杆4以及晶圆支撑杆，其中，基座8起放置硅片的作用，基座支撑杆4起到固定基座8以及带动基座8转动的作用，以使得外延生长能够在基底上均匀进行，预热环9主要用来加热反应气体，使其到达硅片时可以达到化学反应所需要的温度。石英钟罩外，设置有负责提供反应能量的加热灯泡，通过热辐射的方式为反应提供热量。
硅片的平坦度是衡量硅片质量的重要指标，它与外延层的厚度直接相关。而化学气相沉积过程中的温度，硅源气体的浓度，气体流动速度等都会对该性能产生非常明显的影响。
外延片生长过程中，由于热场分布和工艺气体流入反应腔体的特点，外延层的厚度分布呈现据中心点50mm处较低的情况，如图2所示，其中纵坐标为外延片的厚度，横坐标为距离外延片中心点的距离，而上述的凹陷不利于晶圆片品质的提高，会影响产品的良率。
本发明提供一种预热环及晶圆外延生长设备，能够解决外延层厚度不均的问题。
如图3和图4所示，相关技术的预热环的环形主体10的表面为平整的，这会导致外延层的厚度分布如图2所示。
本申请实施例提供一种预热环，如图5所示，包括环形主体10，所述环形主体10包括对进入晶圆外延生长设备的反应腔内的反应气体进行预热的第一表面，所述环形主体10沿其周向包括与晶圆外延生长设备上的进气口对应的第一区域S1，晶圆外延生长设备上的进气口在所述环形主体上的正投影位于对应的所述第一区域S1，所述第一表面包括位于所述第一区域S1两侧的第二区域S2，所述第二区域S2设置有多个凹坑11。
本实施例中，在进气口对应的第一区域两侧的第二区域设置多个凹坑，由于凹坑结构的存在，会使得进入反应腔内的反应气体与预热环有更大的接触面积，因此温度会有明显的提升，进而在硅片相应位置生长时具有比其他位置更高的生长速率，从而改善外延层的厚度均匀性。
硅片进入腔室之后在进行外延沉积的时候，表面的温度不会完全相同，温度高的地方化学反应会相较剧烈一些，沉积速度也相对快一些；温场分布规律大致是中间区域和近边缘区域较高，从而使得晶圆外延层厚度不均匀，本实施例中，第二区域S2对称分布于第一区域S1的两侧，在第二区域S2设置多个凹坑，这样在第二区域S2，能够增加进入反应腔内的反应气体与预热环的接触面积，使得第二区域S2的反应气体的温度会有明显的提升，进而在硅片相应位置生长时具有比其他位置更高的生长速率，从而改善外延层的厚度均匀性。
一些实施例中，如图6所示，在所述第二区域，所述多个凹坑11阵列排布。这样可以使得凹坑11的排布比较规律，避免气流紊乱。
一些实施例中，如图6所示，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑11的分布密度逐渐减小，由于外延层厚度在第二区域的中心最低，越向两边越高，因此该种结构设计能够达到更好的厚度均匀性提升效果。
一些实施例中，相邻两个所述凹坑11之间的间距可以为1-1.5mm，比如可以为1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm，本发明对此不做限定。当然，相邻两个所述凹坑11之间的间距还可以大于1.5mm，或者，小于1mm，本发明对此不做限定。
一些实施例中，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑11的深度逐渐减小，由于外延层厚度在第二区域的中心最低，越向两边越高，因此该种结构设计能够达到更好的厚度均匀性提升效果。
一些实施例中，所述凹坑11的深度为0.2-0.3mm，比如可以为0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm、0.3mm，本发明对此不做限定。当然，凹坑11的深度还可以大于0.3mm，或者，小于0.2mm，本发明对此不做限定。
一些实施例中，所述凹坑11在垂直于所述第一表面的方向上的截面可以为等腰三角形、矩形、倒梯形、半椭圆形或半圆形，当然，凹坑11在垂直于所述第一表面的方向上的截面还可以为其他形状。图7表示本发明实施例凹坑的放大示意图，图8表示本发明实施例凹坑的截面示意图，如图8所示，凹坑11在垂直于所述第一表面的方向上的截面可以为倒梯形。
一些实施例中，如图6所示，所述多个凹坑11以气体流向为列向排布，位于同一列中的多个所述凹坑11的间距相同。一列中凹坑11的数量可以根据实际需要设定，每一列中凹坑11的数量也可以是一致的。由于相关技术中外延层的厚度分布呈现据中心点50mm处较低的情况，因此，凹坑11可以设置在距离预热环中轴线50mm附近处并向两侧延伸，沿远离所述第二区域的中心的方向，相邻两列凹坑11之间的间距逐渐增大，该种结构设计能够达到更好的厚度均匀性提升效果。如图6所示，在第二区域S2的中心位置处设置有第一列凹坑111，在第一列凹坑111的一侧设置有第二列凹坑112、第三列凹坑113，在第一列凹坑111的另一侧设置有第四列凹坑114、第五列凹坑115。第二列凹坑112与第一列凹坑111之间的间距可以为1mm，第三列凹坑113与第二列凹坑112之间的间距可以为1.2mm，位于第三列凹坑113远离第二列凹坑112一侧的一列凹坑与第三列凹坑113之间的间距可以为1.4mm，以此类推。第四列凹坑114与第一列凹坑111之间的间距可以为1mm，第五列凹坑115与第四列凹坑114之间的间距可以为1.2mm，位于第五列凹坑115远离第四列凹坑114一侧的一列凹坑与第五列凹坑115之间的间距可以为1.4mm，以此类推。
在安装预热环时，将中轴线对准进气口中间位置，通过预热环的气流由于凹坑结构的存在，会与预热环有更大的接触面积，因此温度会有明显的提升，进而在硅片相应位置生长时具有比其他位置更高的生长速率，由此获得更好的外延层厚度均匀性。
本发明还提供一种晶圆外延生长设备，包括壳体，壳体内形成反应腔体，所述腔体内设置有用于承载晶圆的基座，所述壳体的内侧壁上设置有上述的预热环，所述预热环围设于所述基座的外围。
本实施例的晶圆外延生长设备中，预热环在进气口对应的第一区域两侧的第二区域设置多个凹坑，由于凹坑结构的存在，会使得进入反应腔内的反应气体与预热环有更大的接触面积，因此温度会有明显的提升，进而在硅片相应位置生长时具有比其他位置更高的生长速率，从而改善外延层的厚度均匀性。
需要说明，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种预热环，包括环形主体，所述环形主体包括对进入晶圆外延生长设备的反应腔内的反应气体进行预热的第一表面，其特征在于，所述环形主体沿其周向包括与晶圆外延生长设备上的进气口对应的第一区域，晶圆外延生长设备上的进气口在所述环形主体上的正投影位于对应的所述第一区域，所述第一表面包括位于所述第一区域两侧的第二区域，所述第二区域设置有多个凹坑。
2.根据权利要求1所述的预热环，其特征在于，在所述第二区域，所述多个凹坑阵列排布。
3.根据权利要求2所述的预热环，其特征在于，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑的分布密度逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的预热环，其特征在于，相邻两个所述凹坑之间的间距为1-1.5mm。
5.根据权利要求2或3所述的预热环，其特征在于，沿远离所述第二区域的中心的方向，所述凹坑的深度逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的预热环，其特征在于，所述凹坑的深度为0.2-0.3mm。
7.根据权利要求1所述的预热环，其特征在于，所述凹坑在垂直于所述第一表面的方向上的截面为等腰三角形、矩形、倒梯形、半椭圆形或半圆形。
8.根据权利要求2所述的预热环，其特征在于，所述多个凹坑以气体流向为列向排布，位于同一列中的多个所述凹坑的间距相同。
9.根据权利要求8所述的预热环，其特征在于，沿远离所述第二区域的中心的方向，相邻两列凹坑之间的间距逐渐增大。
10.一种晶圆外延生长设备，其特征在于，包括壳体，所述壳体内形成反应腔体，所述反应腔体内设置有用于承载晶圆的基座，所述壳体的内侧壁上设置有权利要求1-9任一项所述的预热环，所述预热环围设于所述基座的外围。
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