CN115948797A - 外延生长方法及外延晶圆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种外延生长方法及外延晶圆，属于半导体制造技术领域。外延生长方法，应用于外延生长设备，所述外延生长设备包括反应腔室、位于所述反应腔室内的基座、用于对所述反应腔室进行加热的加热模组，所述加热模组包括位于所述基座沿竖直方向的上方的第一加热组件和位于所述基座沿竖直方向的下方的第二加热组件，所述外延生长方法包括：在将抛光后的晶圆放置在所述基座上之前，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热，且所述第一加热组件的热发射率大于所述第二加热组件的热发射率。本发明的技术方案能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种外延生长方法及外延晶圆。
背景技术
外延生长是指在单晶硅衬底上，通过外延(epitaxy)技术生长一层单晶薄膜(晶向与衬底晶向一致)的工艺过程。外延片的整个生产流程包括长晶(多晶硅料拉制硅晶棒)→成型(切片研磨)→抛光(双面抛光)→清洗(去除表面微粒、金属离子和有机物)→外延(气相沉积)五大工序，其中外延作为最后一道重要工序，可以改善抛光片的晶体性质、原生缺陷、电阻率以及平坦度等。
在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，按所在位置分两类：①表面缺陷；②体内缺陷。表面缺陷指显露在外延层表面的缺陷，可用肉眼或金相显微镜观察到，主要表现为：云雾状表面、角锥体、划痕、星状体、麻坑等。体内缺陷指位于外延层内部的晶体结构缺陷，主要有：位错和层错。从广义上讲，缺陷也包括氧、碳、重金属等杂质以及原子空位和填隙原子等点缺陷。这些缺陷的存在会直接影响半导体的性能。
外延层中各种缺陷不但与衬底质量、衬底表面情况有关，也与外延生长过程本身有着密切的关系。云雾状表面是一种存在于外延层表面的缺陷，其中B-halo指出现在晶圆背面位置的雾度，利用AVIS目视检测仪检测出晶圆背面边缘存在类似于基座的印记，其形成来源包括：①TCS从晶圆边缘与基座缝隙中进入基座表面孔洞，在高温下沉积到晶圆背面；②基座表面的多晶硅在高温下沉积到晶圆背面，形成基座印记的Halo(光晕)。其形成原因是由于在现有工艺条件下，晶圆在加载进入反应腔室前处于环境温度状态，而反应腔室在空闲状态下温度始终保持在850℃，这就导致在长膜时基座表面温度实质高于晶圆背面温度，造成基座表面残留的多晶硅以质量传输方式从基座表面扩散到晶圆背面。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种外延生长方法及外延晶圆，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
为了达到上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：
一种外延生长方法，应用于外延生长设备，所述外延生长设备包括反应腔室、位于所述反应腔室内的基座、用于对所述反应腔室进行加热的加热模组，所述加热模组包括位于所述基座沿竖直方向的上方的第一加热组件和位于所述基座沿竖直方向的下方的第二加热组件，所述外延生长方法包括：
在将抛光后的晶圆放置在所述基座上之前，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热，且所述第一加热组件的热发射率大于所述第二加热组件的热发射率。
一些实施例中，所述第一加热组件的热发射率比所述第二加热组件的热发射率大0.001-0.02。
一些实施例中，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热之后，所述方法还包括：
将抛光后的晶圆放置在所述基座上，在第一温度下向所述反应腔室内通入氢气，对所述反应腔室进行吹扫；
升高所述第一加热组件和所述第二加热组件的功率，在第二温度下对所述晶圆表面进行氢气烘烤；
在第三温度下向所述反应腔室内通入刻蚀气体，对所述晶圆表面进行刻蚀；
在所述第三温度下向所述反应腔室内通入硅源气体，在刻蚀后的所述晶圆的表面上生长外延层。
一些实施例中，在所述晶圆的表面上生长外延层之后，所述方法还包括：
在所述第一温度下，继续向所述反应腔室内通入氢气，对所述反应腔室进行吹扫。
一些实施例中，所述第一温度为800-900℃。
一些实施例中，所述第二温度为1120-1140℃。
一些实施例中，所述第三温度为1110-1130℃。
一些实施例中，在所述第三温度下向所述反应腔室内通入硅源气体之前，所述方法还包括：
在所述第三温度下经由所述反应腔室的进气口将硅源气体输入到气体输送管道。
一些实施例中，从所述第一温度到所述第二温度的升温速率为2.5℃/s-3.5℃/s。
本发明实施例还提供了一种外延晶圆，采用如上所述的外延生长方法得到。
本发明的有益效果是：
本实施例中，在外延工艺进行前，将第一加热组件的热发射率升高，而热发射率与温度存在反比的关系，热发射率越小，测量示数温度越高；热发射率越大，测量示数温度越低；在工艺温度设定一定值的情况下，第一加热组件会对晶圆表面进行温度补偿，从而使得晶圆表面温度略微高于基座温度，可以抑制基座表面的多晶硅扩散到外延晶圆背面，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
附图说明
图1表示外延片背面Halo的示意图；
图2表示硅源气体流经晶圆表面的路径示意图；
图3表示本发明实施例外延生长设备的结构示意图；
图4表示本发明实施例外延生长方法的流程示意图。
附图标记
1 外延生长设备
21 第一加热组件
22第二加热组件
3反应腔室
31 进气口
32 出气口
4 基座
5 晶圆
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1表示外延片背面Halo的示意图；其形成来源如图2所示，在进行外延工艺时，硅源气体(TCS)流经晶圆表面的路径包括：①TCS从晶圆边缘与基座缝隙中进入基座表面孔洞，在高温下沉积到晶圆背面；②基座表面的多晶硅在高温下沉积到晶圆背面，形成基座印记的Halo。在现有工艺条件下，晶圆在加载进入反应腔室前处于环境温度状态，而反应腔室在空闲状态下温度始终保持在850℃，这就导致在成膜时基座表面温度实质高于晶圆背面温度，造成基座表面残留的多晶硅以质量传输方式从基座表面扩散到晶圆背面。因此，可以控制晶圆背面温度高于基座表面温度，抑制基座表面多晶硅扩散到晶圆背面，最终提高外延晶圆的产品良率。
本发明提供一种外延生长方法及外延晶圆，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
本发明实施例提供一种外延生长方法，应用于外延生长设备，如图3所示，所述外延生长设备1包括反应腔室3、位于所述反应腔室3内的基座4、用于对所述反应腔室3进行加热的加热模组，所述加热模组包括位于所述基座4沿竖直方向的上方的第一加热组件21和位于所述基座4沿竖直方向的下方的第二加热组件22，如图4所示，所述外延生长方法包括：
步骤101：在将抛光后的晶圆5放置在所述基座4上之前，控制所述第一加热组件21和所述第二加热组件22对所述反应腔室3进行加热，且所述第一加热组件21的热发射率大于所述第二加热组件22的热发射率。
本实施例中，在外延工艺进行前，将第一加热组件的热发射率升高，而热发射率与温度存在反比的关系，热发射率越小，测量示数温度越高；热发射率越大，测量示数温度越低；在工艺温度设定一定值的情况下，第一加热组件会对晶圆表面进行温度补偿，从而使得晶圆表面温度略微高于基座温度，可以抑制基座表面的多晶硅扩散到外延晶圆背面，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
本实施例中，第一加热组件21和第二加热组件22可以采用加热灯模组，每一加热组件可以包括多个加热灯模组。如图3所示，第一加热组件21主要用以对晶圆5进行加热，第二加热组件22主要用以对基座4进行加热，在升高第一加热组件21的热发射率后，可以在工艺温度设定一定值的情况下，使得晶圆5表面温度略微高于基座4温度。
一些实施例中，所述第一加热组件21的热发射率比所述第二加热组件22的热发射率大0.001-0.02，具体地，所述第一加热组件21的热发射率可以比所述第二加热组件22的热发射率大0.001、0.003、0.005、0.007、0.009、0.011、0.013、0.015、0.017、0.019或0.02。在所述第一加热组件21的热发射率比所述第二加热组件22的热发射率大0.001-0.02时，可以有效抑制基座4表面的多晶硅扩散到外延晶圆背面，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
一些实施例中，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热之后，如图4所示，所述方法还包括：
步骤102：将抛光后的晶圆5放置在所述基座4上，在第一温度下向所述反应腔室3内通入氢气，对所述反应腔室3进行吹扫，以清除加载晶圆时可能进入反应腔室的氮气，所述第一温度为800-900℃，包括第一温度可以为800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃；
步骤103：升高所述第一加热组件21和所述第二加热组件22的功率，在第二温度下对所述晶圆5表面进行氢气烘烤，在外延生长过程中，在氢气氛围下高温能更加高效去除掉晶圆表面残留的氧化物和有机物，其中，所述第二温度可以为1120-1140℃，包括第二温度可以为1120℃、1122℃、1126℃、1128℃、1130℃、1132℃、1134℃、1136℃、1138℃或1140℃；
相比现有的腔室温度为1050℃，适当升高腔室温度，可以改善外延晶圆的缺陷表现，提高外延晶圆的产品良率。
步骤104：在第三温度下向所述反应腔室3内通入刻蚀气体，对所述晶圆5表面进行刻蚀，一方面可以去除晶圆表面附着的颗粒物以及损伤层，另一方面可以调节晶圆的平坦度，其中，所述第三温度可以为1110-1130℃，包括第三温度可以为1110℃、1112℃、1116℃、1118℃、1120℃、1122℃、1124℃、1126℃、1128℃或1130℃；刻蚀气体可以为HCl；
相比现有的腔室温度为1050℃，适当升高腔室温度，可以改善外延晶圆的缺陷表现，提高外延晶圆的产品良率。
步骤106：在所述第三温度下向所述反应腔室3内通入硅源气体，在所述晶圆5的表面上生长外延层，硅源气体可以为TCS。
一些实施例中，在所述晶圆的表面上生长外延层之后，如图4所示，所述方法还包括：
步骤107：在所述第一温度下，继续向所述反应腔室内通入氢气，对所述反应腔室进行吹扫，以将残留在反应腔室3内的工艺气体排出。
一些实施例中，在所述第三温度下向所述反应腔室内通入硅源气体之前，如图4所示，所述方法还包括：
步骤105：在所述第三温度下经由所述反应腔室的进气口将硅源气体输入到气体输送管道，这样可以吹扫掉气体输送管道内残留的气体，同时可以保证硅源气体在进入反应腔室3前气压稳定。
本实施例的技术方案适用于300mm的外延反应炉，可以有效减少外延晶圆背面的缺陷数量，一具体示例中，本实施例具体包括以下步骤：
步骤1、在将抛光后的晶圆加载进反应腔室3前，在现有工艺条件下将第一加热组件21的热发射率升高0.001-0.02，在后续步骤2-9中，第一加热组件21的热发射率可以为0.626，第二加热组件22的热发射率可以为0.624；
步骤2、通过机械手臂将抛光后的晶圆5放置在反应腔室3内部圆盘状的基座4上，晶圆一般有<100>晶向和<110>两类晶向，此时反应腔室3温度为850℃，从反应腔室3的进气口31通入H2对反应腔室3进行吹扫，以清除加载晶圆5时可能进入反应腔室3的N2，H2的流量可以为75SLM，其中SLM为流量单位，其含义为1个大气压以及25摄氏度的条件下每分钟流通的以立方厘米为单位的体积值；
步骤3、通过升高第一加热组件21和第二加热组件22的功率，对反应腔室3进行升温，升温速率可以为2.5℃/s-3.5℃/s，包括可以为2.5℃/s、2.7℃/s、3.0℃/s、3.2℃/s、3.5℃/s，对反应腔室3进行快速升温可以去除反应腔室3内的氧化物，避免氧化物影响外延层的质量。在升温后，反应腔室3的温度以及抛光后的晶圆的温度可以升温至1130℃，以达到外延生长所需温度；该步骤中，继续向反应腔室内通入H2，H2的流量可以为75SLM；
步骤4、在1130℃的高温下对晶圆表面进行H2烘烤，在H2氛围下高温能更加高效去除掉晶圆表面残留的氧化物和有机物；该步骤中，继续向反应腔室内通入H2，H2的流量可以为75SLM；
步骤5、向反应腔室3内通入HCl刻蚀气体，HCl的流量可以控制在2SLM，输送时间可以为10s-30s，具体地，输送时间可以为10s、12s、15s、17s、20s、22s、25s、27s或30s，反应腔室3的温度可以为1120℃，通过通入刻蚀气体一方面可以去除晶圆表面附着的颗粒物以及损伤层，另一方面可以调节晶圆5的平坦度；该步骤中，继续向反应腔室3内通入H2，H2的流量可以为75SLM；
步骤6、经由反应腔室3的进气口31通入硅源气体TCS，流量可以为5-20SLM，具体地，流量可以为5SLM、7SLM、9SLM、11SLM、13SLM、15SLM、17SLM或20SLM。其中，32为反应腔室3的出气口。该步骤中TCS不进入反应腔室3，仅进入气体输送管道，以吹扫掉气体输送管道内残留的气体，避免残留的气体影响外延生长，同时可以保证硅源气体在进入反应腔室3前气压稳定；该步骤中，继续向反应腔室3内通入H2，H2的流量可以为75SLM；
步骤7、将硅源气体TCS通入反应腔室3，流量可以为5-20SLM，具体地，流量可以为5SLM、7SLM、9SLM、11SLM、13SLM、15SLM、17SLM或20SLM。在晶圆5表面沉积成膜，生长外延层；该步骤中，继续向反应腔室3内通入H2，H2的流量可以为75SLM；
步骤8、沉积成膜后继续对反应腔室3进行H2吹扫，以将残留在反应腔室3内的工艺气体排出，H2的流量可以为75SLM；同时该步骤对反应腔室和成膜后的外延晶圆进行降温冷却，降温速率可以为9℃/s，该步骤不再向反应腔室内通入硅源气体；
步骤9、反应腔室3的温度降低至850℃，将外延晶圆卸载退出反应腔室3。
外延反应需要在高温环境下进行，外延生长设备依靠第一加热组件和第二加热组件对反应腔室进行加热，其中第一加热组件主要对晶圆表面加热，第二加热组件主要对基座加热，在整个外延工艺进行前，现有工艺条件下将第一加热组件的热发射率升高0.001-0.02，而热发射率E与温度T存在E＝r/T的关系，其中r为常数(热发射率越小，测量示数温度越高；热发射率越大，测量示数温度越低)，因此当热发射率升高时，测量示数温度偏低，在工艺温度设定一定值的情况下，第一加热组件会对晶圆表面进行温度补偿，从而使得晶圆表面温度略微高于基座温度，可以抑制基座表面的多晶硅扩散到外延晶圆背面。另外，在对晶圆表面进行H2烘烤时，将反应腔室温度从现有的1050℃升高至1130℃，进一步在沉积成膜步骤将反应腔室温度从现有的1050℃升高至1120℃，通过进行温度上的适当升高，能够改善外延晶圆产品的缺陷表现，并且提高外延晶圆产品的良率。
本发明实施例还提供了一种外延晶圆，采用如上所述的外延生长方法得到，能够消除外延晶圆背面的Halo，提高外延晶圆的产品良率。
本发明实施例还提供一种电子器件。根据本发明的实施例，上述电子器件具有以上实施例的方法处理得到的外延晶圆或以上实施例的外延晶圆。由此，上述电子器件具有上述外延晶圆的所有优点，在此不再赘述。
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。
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)
1.一种外延生长方法，其特征在于，应用于外延生长设备，所述外延生长设备包括反应腔室、位于所述反应腔室内的基座、用于对所述反应腔室进行加热的加热模组，所述加热模组包括位于所述基座沿竖直方向的上方的第一加热组件和位于所述基座沿竖直方向的下方的第二加热组件，所述外延生长方法包括：
在将抛光后的晶圆放置在所述基座上之前，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热，且所述第一加热组件的热发射率大于所述第二加热组件的热发射率。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述第一加热组件的热发射率比所述第二加热组件的热发射率大0.001-0.02。
3.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，控制所述第一加热组件和所述第二加热组件对所述反应腔室进行加热之后，所述方法还包括：
将抛光后的晶圆放置在所述基座上，在第一温度下向所述反应腔室内通入氢气，对所述反应腔室进行吹扫；
升高所述第一加热组件和所述第二加热组件的功率，在第二温度下对所述晶圆表面进行氢气烘烤；
在第三温度下向所述反应腔室内通入刻蚀气体，对所述晶圆表面进行刻蚀；
在所述第三温度下向所述反应腔室内通入硅源气体，在刻蚀后的所述晶圆的表面上生长外延层。
4.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，在所述晶圆的表面上生长外延层之后，所述方法还包括：
在所述第一温度下，继续向所述反应腔室内通入氢气，对所述反应腔室进行吹扫。
5.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，所述第一温度为800-900℃。
6.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，所述第二温度为1120-1140℃。
7.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，所述第三温度为1110-1130℃。
8.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，在所述第三温度下向所述反应腔室内通入硅源气体之前，所述方法还包括：
在所述第三温度下经由所述反应腔室的进气口将硅源气体输入到气体输送管道。
9.根据权利要求3所述的外延生长方法，其特征在于，从所述第一温度到所述第二温度的升温速率为2.5℃/s-3.5℃/s。
10.一种外延晶圆，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的外延生长方法得到。
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