CN116057202A - 用于在衬底晶圆上沉积外延层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于由气相在衬底晶圆上沉积外延层的方法，包括：测量衬底晶圆的边缘几何形状，其中所述边缘几何形状基于边缘位置将厚度特征值指派给衬底晶圆的边缘；将衬底晶圆放置在用于沉积外延层的装置的基座的袋状部中，其中袋状部被具有圆形的圆周的边界包围；加热衬底晶圆；以及使工艺气体在衬底晶圆上方通过；其特征在于，衬底晶圆被放置在袋状部中，使得在具有较厚边缘的厚度特征值的边缘位置处从衬底晶圆到袋状部的边界的距离比在具有较薄边缘的厚度特征值的边缘位置处从衬底晶圆到袋状部的边界的距离小。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在衬底晶圆上沉积外延层的方法。
背景技术
对于电子工业中的高需求应用，需要外延涂覆后的半导体晶圆，特别是外延涂覆有硅层的由单晶硅制成的衬底晶圆。
用于沉积该层的常用方法是化学气相沉积。用于该层的材料由工艺气体提供，该工艺气体在包含于工艺气体中并包含所述材料的前体化合物被化学裂解的温度下在待涂覆的衬底晶圆的侧面上方通过。在该层的沉积期间，衬底晶圆位于基座的袋状部(凹口)中，同时被基座的环形边界包围。该工艺通常在被设计为单晶圆反应器的装置中进行。例如，EP0 870 852 A1中描述了这种单晶圆反应器。
为了使外延层在衬底晶圆上尽可能均匀地生长，特别重要的是，衬底晶圆相对于所述边界居中地位于袋状部中。
在US 2010 0216261A1中，提出借助于摄像机系统监测衬底晶圆在接受器(容座)上的正确位置。
WO17 135 604A1提出在外延层沉积之后测量边缘区域中的厚度特征值并依据测量结果为后续沉积工艺修改某些工艺参数。
WO 14 103 657 A1和JP2015 201 599A公开了一些方法，在这些方法中，基于具有外延沉积层的半导体晶圆的边缘区域中的厚度特征值的分布来计算偏心度，以便作为该偏心度的函数(根据该偏心度)来修正后续衬底晶圆在基座上的位置。
US2009 252 942A1和JP2002 043 230A提出在沉积外延层之前测量衬底晶圆的平整度，并在沉积工艺期间修改某些工艺参数，以使得衬底晶圆的涂层减少边缘滚降(edgeroll-off)。
然而，如果衬底晶圆本身在边缘区域中已经具有厚度差异，则这种程序并不能防止在外延涂覆后的衬底晶圆的边缘区域中出现厚度差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对所述问题的解决方案，其使得外延层的厚度可以在衬底晶圆的圆周上的不同位置处进行不同的调整。
本发明的目的通过一种用于由气相在衬底晶圆上沉积外延层的方法实现，所述方法包括：
测量所述衬底晶圆的边缘几何形状，其中所述边缘几何形状将厚度特征值作为边缘位置的函数指派给所述衬底晶圆的边缘；
将所述衬底晶圆放置在用于沉积所述外延层的装置的基座的袋状部中，所述袋状部被具有圆形的圆周的边界包围；
加热所述衬底晶圆；以及
使工艺气体在所述衬底晶圆上方通过；
其特征在于，
将所述衬底晶圆放置在所述袋状部中，使得在具有较厚边缘的厚度特征值的边缘位置处从所述衬底晶圆到所述袋状部的边界的距离比在具有较薄边缘的厚度特征值的边缘位置处从所述衬底晶圆到所述袋状部的边界的距离小。
本发明基于以下发现：衬底晶圆在袋状部中的居中放置基于衬底晶圆具有均匀的边缘几何形状的假设。然而，在实践中，这种情况很少发生，因为诸如研磨和抛光的机加工步骤无法产生具有完全均匀的边缘厚度的衬底晶圆。与未涂覆的衬底晶圆相比，根据本发明的方法能够给予外延涂覆后的半导体晶圆的均匀的边缘几何形状，特别是如果衬底晶圆在一个边缘区段(部段)中具有相对低的边缘厚度而在相对的边缘区段中具有相对高的边缘厚度的话更是如此。然而，如果例如仅存在一个具有相对低的边缘厚度的边缘区段的话，也可以实现边缘厚度的均匀化。
首先，测量衬底晶圆的边缘几何形状，使得其能够以厚度特征值的形式获得。优选地，作为边缘排除，径向长度为1mm或2mm的最外侧边缘部分被排除在测量之外。原则上，任何允许对衬底晶圆的边缘区域中的两个不同区段处的相对厚度给出表述(说明)的测量值均可以被视为厚度参数。例如，用于厚度特征值的适宜参数为正面的ZDD(Z双导数)，其描述了边缘滚降的曲率，并在SEMI标准M68-0720中被定义，或者为ESFQR，其量化了边缘区域中的扇区(部位)的平整度，并在SEMI标准M67-0720中被定义。说明书的剩余部分使用ESFQR来代表厚度特征。
根据本发明的方法提出在衬底晶圆被涂覆外延层之前测量其边缘几何形状。例如，提供分布图(地图)，该分布图将ESFQR值指派给每个扇区，从而指示出衬底晶圆沿其圆周的厚度轮廓(曲线)。具有类似楔形的横截面形状的衬底晶圆或那些在一个边缘处比其他边缘处薄的衬底晶圆是特别适宜的。边缘区段是指沿圆周方向在圆周的最高达到50％、优选为圆周的7％至42％的距离上延伸的边缘区域。具有类似楔形的形状的衬底晶圆具有彼此相对、即彼此之间具有最大可能距离的较厚边缘区段和较薄边缘区段。
为用于涂覆衬底晶圆的沉积室、即单晶圆反应器创建相关函数。该函数将厚度特征值指派给位移矢量。该位移矢量指示出，为了被放置在基座的袋状部中以便使得在沉积外延层时与在较厚边缘区段上相比更多的材料被沉积在相对的、较薄边缘区段上，衬底晶圆的较厚边缘区段必须从居中位置偏移的方向和幅度。因此，在衬底晶圆的较薄边缘区段中沉积之后，厚度特征值通过指派的厚度特征值而比其中衬底晶圆居中地位于基座的袋状部中的外延层沉积之后将产生的厚度特征值更大。位移矢量由此代表了放置在基座上的衬底晶圆的中心点的位置与衬底晶圆居中地位于基座的袋状部中的情况下中心点将具有的位置相比的偏心度。所述相关函数通过确定何种偏心度导致厚度特征值的何种变化在涂覆衬底晶圆之前通过实验确定。
将衬底晶圆放置在基座的袋状部中有利地由机器人实施，该机器人按照相关函数的指定执行该任务。替代地或附加地，机器人可以被配置为自主学习系统，该自主学习系统使用测得的衬底晶圆的几何形状数据和所产生的外延涂覆后的半导体晶圆来确定和实施用于后续衬底晶圆的涂覆的必要偏心度。此外，优选的是，借助于摄像机系统来监测衬底晶圆在基座上的放置以及其在基座的袋状部中的位置。
衬底晶圆和沉积在其上的外延层优选地基本上由半导体材料、例如单晶硅构成。衬底晶圆优选地具有至少200mm、特别优选地至少300mm的直径。外延层优选地具有1μm至20μm的厚度。
下面将参照附图进一步详细描述本发明。
附图说明
图1定性地示出了本发明的效果。
图2示出了根据本发明放置在基座的袋状部中的衬底晶圆。
图3示出了将厚度特征值的预期变化指派给偏心度E的相关函数。
图4示出了沿其直径衬底晶圆的厚度与目标厚度的偏差。
图5示出了沿外延涂覆后的衬底晶圆的直径根据图4的外延涂覆后的衬底晶圆的厚度与目标厚度的偏差。
图6示出了沿外延层的直径根据图5的涂覆后的衬底晶圆的外延层的厚度与目标厚度的偏差。
图7示出了在沉积外延层之前和之后沿衬底晶圆的圆周的厚度特征值与目标值的偏差的曲线。
所使用的参考标记的列表
1衬底晶圆
2外延层
3基座
4袋状部
5衬底晶圆的厚边缘区段
6衬底晶圆的薄边缘区段
7袋状部的外边界
8分布图
E偏心度
ESFQR ESFQR值
ΔESFQR ESFQR值与目标值之间的差值
Δt厚度t与目标厚度的差值
d直径
WP边缘位置
具体实施方式
图1示出了衬底晶圆1的剖面图(竖直剖面)，该衬底晶圆1在基座3的袋状部4中进行沉积，并且具有相对厚的边缘区段5和与其相对的相对薄的边缘区段6。衬底晶圆1不是居中地定位于袋状部4中，而是偏心地定位，使得与较薄边缘区段6相比，较厚边缘区段5与袋状部的边界7相距的距离更短。这种配置的结果是，在所述距离较小之处，外延层沉积期间材料的生长速率比在所述距离较大之处低。
图1的下部示出了外延层2沉积之后的情形。衬底晶圆1已变为具有沉积的外延层的衬底晶圆，其中外延层2在与边界4相距的距离较短的边缘区段的区域中比在与边界4相距的距离较大的边缘区段的区域中薄。考虑具有沉积的外延层2的衬底晶圆的厚度并将其与衬底晶圆1的厚度相比较，发现与衬底晶圆1的厚度相比，外延涂覆后的衬底晶圆在其边缘区域中的厚度更均匀。边缘区域中的厚度差异在衬底晶圆1的情况下比在外延涂覆后的衬底晶圆的情况下更明显。
图2示出了根据本发明放置在基座的袋状部中的衬底晶圆的平面图。衬底晶圆1不是居中地定位于基座的袋状部中。衬底晶圆的中心根据偏心度E从袋状部的中心偏移，使得与较薄边缘区段6相比，较厚边缘区段6与袋状部的外边界7相距的距离更短。偏心度E的方向和幅度取决于对衬底晶圆的边缘几何形状的测量，例如，通过测量5°宽的边缘部段(区段)中的ESFQR值形式的平整度。测量的结果由所描绘的分布图8定性地指示，并明确(识别)利用“+”符号凸显的较厚边缘区段5和利用“-”符号凸显的较薄边缘区段6。
选定的偏心度E基于相关函数，该相关函数通过待使用的沉积装置的初步测试确定。这些测试检查当衬底晶圆以一定的偏心度E放置在基座的袋状部中时厚度特征值预期发生什么变化。在选定的示例中，根据图3的相关函数指示当衬底晶圆不是在中心位置处放置在基座的袋状部中、而是具有对应的偏心度E时，在沉积之后在较薄边缘区段中获得的ESFQR值的差值ΔESFQR。因此，根据图3的相关函数教导，如果在沉积之前衬底晶圆未居中地放置在基座的袋状部中、而是具有100μm的偏心度，则在沉积外延层之后，较薄边缘区段的扇区中的ESFQR值将增加约2nm。
图4、图5和图6分别示出了沉积外延层之前(图4)和之后(图5)单晶硅衬底晶圆的厚度与目标厚度的偏差以及外延层的厚度与目标厚度的偏差(图6)的曲线。根据图4，衬底晶圆具有明显不同的边缘厚度，其中具有在0mm的区域(处)中的较薄边缘区段以及在300mm的区域中的较厚边缘区段。在根据本发明沉积外延层之后，这些边缘区段中的边缘厚度差异几乎得到补偿(图5)。根据图6的外延层的厚度偏差的曲线表明：由于本发明的应用，外延层在对应于衬底晶圆的较薄边缘区段的边缘位置处较厚，而在对应于衬底晶圆的较厚边缘区段的边缘位置处较薄。衬底晶圆的偏心位置导致在所考虑的边缘区段处沉积不同量的材料。
根据本发明的方案改善了边缘几何形状，即使在整个圆周上考虑也是如此。图7以平滑曲线的形式示出了在沉积外延层之前(曲线A)和之后(曲线B)的衬底晶圆的边缘几何形状，在这种情况下，呈作为边缘位置WP的函数的ESFQR值的形式。这些曲线基于72个测量点，每个测量点描述了宽度为5°、径向长度为35mm(从而允许1mm的边缘排除)的扇区的ESFQR值。
对示例实施例的以上描述应被理解为是示例性的。所产生的公开内容一方面使得本领域技术人员能够理解本发明及其相关联的优点，另一方面也涵盖在本领域技术人员的理解范围内对所描述的结构和方法的明显变化和修改。因此，所有这些变化和修改以及它们的等效内容均理应被权利要求的保护范围覆盖。
Claims (5)
1.一种用于由气相在衬底晶圆上沉积外延层的方法，包括：
测量所述衬底晶圆的边缘几何形状，其中所述边缘几何形状将厚度特征值作为边缘位置的函数指派给所述衬底晶圆的边缘；
将所述衬底晶圆放置在用于沉积所述外延层的装置的基座的袋状部中，所述袋状部被具有圆形的圆周的边界包围；
加热所述衬底晶圆；以及
使工艺气体在所述衬底晶圆上方通过；
其特征在于，
将所述衬底晶圆放置在所述袋状部中，使得在具有较厚边缘的厚度特征值的边缘位置处从所述衬底晶圆到所述袋状部的边界的距离比在具有较薄边缘的厚度特征值的边缘位置处从所述衬底晶圆到所述袋状部的边界的距离小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量ESFQR或ZDD以作为所述厚度特征值。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，
借助于机器人放置所述衬底晶圆。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，
借助于摄像机系统监测所述衬底晶圆在所述袋状部中的位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，
在单晶硅晶圆上沉积硅外延层。
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