CN116288692A - 外延处理期间承载硅片的基座及硅片的外延的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于外延处理期间承载硅片的基座及用于硅片的外延的设备和方法，所述基座包括：本体；涂覆于所述本体的多晶硅层，以使得所述硅片承载于所述基座时与所述多晶硅层接触。根据本发明的基座避免了接受外延处理的硅片的温度不均匀问题，能够使受温度影响的外延层的厚度在整个硅片上更加均匀。

Description

外延处理期间承载硅片的基座及硅片的外延的设备和方法

技术领域

本发明涉及半导体硅片生产领域，尤其涉及一种用于外延处理期间承载硅片的基座及用于硅片的外延的设备和方法。

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COP(晶体原生粒子缺陷)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。

影响外延硅片的平坦度的另一个重要因素在于，在硅片的外延生长过程中，需要在反应腔室内提供高温以对硅片进行加热，而硅片是承载于基座上的并且与基座一起位于反应腔室中，这样，硅片会与基座一起被加热，但是，由于硅片与通常由碳化硅制成的基座的材料不同，因此会被加热至不同的温度，导致硅片的与基座接触的部位由于固体至固体的热传导而趋向于与基座被加热至的温度相同，从而与硅片的不与基座接触的部位的温度不同，也就是说硅片无法被均匀加热而是对于与基座接触的局部而言会出现温度偏差，另一方面，外延层的生长速率与硅片温度是相关的，硅片温度越高外延层生长速率越快，因此硅片温度的局部差异会导致生长的整个外延层的厚度不均匀，并由此降低外延硅片的平坦度。

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外延处理期间承载硅片的基座及用于硅片的外延的设备和方法，能够至少在一定程度上减小上述的外延层厚度不均匀以及硅片平坦度降低的问题。

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外延处理期间承载硅片的基座，所述基座可以包括：

本体；

涂覆于所述本体的多晶硅层，以使得所述硅片承载于所述基座时与所述多晶硅层接触。

第二方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延的设备，所述设备可以包括根据第一方面所述的基座。

第三方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延的方法，所述方法可以包括将所述硅片承载于根据第一方面所述的基座。

本发明实施例提供了一种用于外延处理期间承载硅片的基座及用于硅片的外延的设备和方法，当基座和硅片一起在比如热辐射的作用下被加热时，由于多晶硅层与接受外延处理的硅片关于加热升温的特性基本上是一致的，也就是说，在比如热辐射的作用下多晶硅层会被加热至与硅片基本相同的温度，因此即使硅片与基座接触，也不会产生硅片与基座之间显著的热传导，或者说实际上多晶硅层起到了对本体和硅片被加热至的不同温度之间的差异进行过渡的作用，由此对于硅片的与基座接触的部位而言，会与硅片的不与基座接触的部位被加热至的温度更为一致，避免了硅片的与基座接触的部位的温度与其他部位相比产生差异的温度不均匀问题，能够使受温度影响的外延层的厚度在整个硅片上更加均匀。

优选地，所述设备还包括第一加热组件和第二加热组件，所述第一加热组件用于将所述硅片的中心区域加热至第一温度，所述第二加热组件用于将所述硅片的边缘区域加热至低于所述第一温度的第二温度。

优选地，所述第一加热组件包括竖向上分别位于所述基座两侧的第一内侧加热灯组和第二内侧加热灯组，所述第二加热组件包括竖向上分别位于所述基座两侧的第一外侧加热灯组和第二外侧加热灯组。

优选地，所述设备还包括第一供气装置，所述第一供气装置用于在使所述硅片外延生长前将刻蚀性气体供应至所述硅片以对所述硅片进行刻蚀。

优选地，所述设备还包括第二供气装置，所述第二供气装置用于在将所述刻蚀性气体供应至所述硅片前将还原性气体供应至所述硅片以去除所述硅片的表面上的氧化物和有机物。

优选地，所述方法还包括将所述硅片的中心区域加热至第一温度，并且将所述硅片的边缘区域加热至低于所述第一温度的第二温度。

优选地，所述方法还包括在使所述硅片外延生长前将刻蚀性气体供应至所述硅片以对所述硅片进行刻蚀。

优选地，所述方法还包括在将所述刻蚀性气体供应至所述硅片前将还原性气体供应至所述硅片以去除所述硅片的表面上的氧化物和有机物。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的用于外延处理期间承载硅片的基座的剖视图；

图2示出了根据本发明的另一实施例的用于外延处理期间承载硅片的基座的剖视图；

图3示出了根据本发明的另一实施例的用于外延处理期间承载硅片的基座的剖视图；

图4示出了根据本发明的用于硅片的外延的设备的结构示意图；

图5示出了根据本发明的实施例的方法获得的外延硅片的SFQR图；

图6示出了常规方法获得的外延硅片的SFQR图；

图7示出了根据本发明的方法以及常规方法获得的外延硅片的外延层厚度的对比曲线图。

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1，本发明实施例提供了一种用于外延处理期间承载硅片W的基座10，所述基座10可以包括：

本体11；

涂覆于所述本体11的多晶硅层12，以使得所述硅片W承载于所述基座10时与所述多晶硅层12接触。

这样，当基座10和硅片W一起在比如热辐射的作用下被加热时，由于多晶硅层12与接受外延处理的硅片W关于加热升温的特性基本上是一致的，也就是说，在比如热辐射的作用下多晶硅层12会被加热至与硅片W基本相同的温度，因此即使硅片W与基座10接触，也不会产生硅片W与基座10之间显著的热传导，或者说实际上多晶硅层12起到了对本体11和硅片W被加热至的不同温度之间的差异进行过渡的作用，由此对于硅片W的与基座10接触的部位而言，会与硅片W的不与基座10接触的部位被加热至的温度更为一致，避免了硅片W的与基座10接触的部位的温度与其他部位相比产生差异的温度不均匀问题，能够使受温度影响的外延层EL的厚度在整个硅片W上更加均匀。

图1具体地示出了这样的基座10的实施例：对于该基座10的本体11而言，假如该本体11没有涂覆多晶硅层12的话，硅片W是会与本体11的上表面中完整的圆形区域接触的，或者说本体11中存在有完整的圆形平面来与硅片W接触，因此在这种情况下如在图1中示出的需要至少将本体11的整个圆形平面都涂覆多晶硅层。但是对于基座10的另外的一些实施例而言，如在图2中示出的，该基座10的本体11形成有台阶部，假如本体11没有涂覆多晶硅层12的话，硅片W仅会与该本体11的台阶部接触，因此仅需要在台阶部上涂覆多晶硅层12即可，也就是说多晶硅层12总体上呈环状而并非如图1中那样为完整的圆形，另外如在图3中示出的，该基座10的本体11形成为圆拱状，假如本体11没有涂覆多晶硅层12的话，硅片W仅会与该本体11的圆环形区域接触，因此仅需要在该圆环形区域上涂覆多晶硅层12即可，也就是说多晶硅层12总体上也呈环状而并非如图1中那样为完整的圆形。

优选地，所述多晶硅层12通过气相沉积而涂覆在所述本体11上。举例而言，可以利用外延处理设备本身具有的用于承载基座的部件以及反应室、进气口、排气口以及加热源等部件来实现上述的涂覆。在这种情况下，可以将本体11承载于用于承载基座的部件，并且将SiCl₃气体通入到反应腔室中以使得多晶硅层12涂覆在本体11上，这里的涂覆时间可以介于20s至60s之间。也就是说相当于在对硅片W进行外延处理之前，首先对常规的基座进行涂覆多晶硅层的处理。

优选地，所述多晶硅层12的厚度可以介于1.5μm至2μm之间。这样的厚度能够使上述的温度过渡作用得到充分实现的同时使得比如在多晶硅层12通过气相沉积获得的情况下减少气相沉积工艺处理时间，节约成本。

参见图4，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延的设备1，所述设备1可以包括根据本发明上述各实施例的基座10。

对于外延硅片的平坦度或者说对于生长在硅片W上的外延层EL的厚度的均匀性而言，另一重要影响因素在于，比如由于硅源气体总是会首先供应至硅片W的径向边缘处，通常总是会出现硅片W的径向边缘处生长的外延层EL的厚度较大的情况，对此，在本发明的优选实施例中，仍然参见图4，所述设备1还可以包括第一加热组件20和第二加热组件30，所述第一加热组件20用于将所述硅片W的中心区域CA加热至第一温度，所述第二加热组件30用于将所述硅片W的边缘区域EA加热至低于所述第一温度的第二温度。这样，由于将硅片W的边缘区域EA加热至了相对较低的温度，因此会减慢外延层EL的生长速率，从而避免了常规生长方式下硅片W的径向边缘处生长的外延层EL的厚度较大的问题，改善了整个外延层EL的厚度均匀性以及外延硅片的平坦度。

在本发明的优选实施例中，仍然参见图4，所述第一加热组件20可以包括竖向上分别位于所述基座10两侧的第一内侧加热灯组21和第二内侧加热灯组22，所述第二加热组件30可以包括竖向上分别位于所述基座10两侧的第一外侧加热灯组31和第二外侧加热灯组32。由此，实现了在硅片W的厚度方向上的两侧同时加热，进一步改善了整个硅片W的温度均匀性。

在本发明的优选实施例中，仍然参见图4，所述设备1还可以包括第一供气装置40，所述第一供气装置40用于在使所述硅片W外延生长前将通过实线短箭头示意性地示出的比如氯化氢之类的刻蚀性气体EG供应至所述硅片W以对所述硅片W进行刻蚀。这样，可以将硅片W表面的污染颗粒以及损伤层去除，改善硅片W的平坦度，由此使最终获得的外延硅片的平坦度得到改善。

在本发明的优选实施例中，仍然参见图4，所述设备1还可以包括第二供气装置50，所述第二供气装置50用于在将所述刻蚀性气体EG供应至所述硅片W前将通过虚线短箭头示意性地示出的比如氢气之类的还原性气体RG供应至所述硅片W以去除所述硅片W的表面上的氧化物和有机物。

优选地，仍然参见图4，所述该设备1还可以包括：上部石英钟罩61、下部石英钟罩62以及安装配件63，这三个部件一起围闭出反应腔室RC并且限定出反应腔室RC的进气口60I和排气口60E，上述的第一内侧加热灯组21、第二内侧加热灯组22、第一外侧加热灯组31和第二外侧加热灯组32都可以设置在反应腔室RC的外部，而上部石英钟罩61和下部石英钟罩62都可以是透明的，由此热量能够穿过上部石英钟罩61和下部石英钟罩62辐射至反应腔室RC中并辐射至硅片W，如在图4中通过细虚线示意性地示出的，另外上述的刻蚀性气体EG和还原性气体RG都可以经由进气口60I供应至反应腔室RC中并供应至硅片W；至少部分地设置在反应腔室RC内部的基座支撑架70，该基座支撑架70能够绕自身的纵向轴线旋转，基座10支撑在基座支撑架70上并由此位于反应腔室RC内部并且随基座支撑架70一起旋转；销钉支撑杆81和设置在基座支撑架70上的销钉82，其中销钉82可以在销钉支撑杆81的驱动作用下比如向上移动以使硅片W远离基座10，由此便于比如机械手对硅片W进行夹持等操作，以便比如将硅片W运送离开反应腔室RC；高温计90，比如图4中示出的竖向上分别设置在硅片W的两侧并且位于反应腔室RC外部的两个高温计90，；图4中未详细示出的比如用于将硅源气体供应至反应腔RC中并供应至硅片W的硅源气体供应装置等本领域技术人员熟知的其他部件。这样，当比如SiHCl₃的硅源气体经由进气口60I输送至反应腔室RC中时，在第一加热组件20和第二加热组件30提供的高温作用下便可以在硅片W的表面生长出外延层，另外通过使硅片W随基座10一起旋转，能够使得生长出的外延层在硅片W的整个表面上更均匀。

结合图4，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延的方法，所述方法可以包括将所述硅片W承载于根据本发明上述各实施例所述的基座10。

优选地，结合图4，所述方法还可以包括将所述硅片W的中心区域CA加热至第一温度，并且将所述硅片W的边缘区域EA加热至低于所述第一温度的第二温度。这样，如前所述的能够改善整个外延层EL的厚度均匀性以及外延硅片的平坦度。

优选地，结合图4，所述方法还可以包括在使所述硅片W外延生长前将刻蚀性气体EG供应至所述硅片W以对所述硅片W进行刻蚀。这样，如前所述的能够改善硅片W以及最终获得的外延硅片的平坦度。

优选地，所述方法还可以包括在将所述刻蚀性气体EG供应至所述硅片W前将还原性气体RG供应至所述硅片W以去除所述硅片W的表面上的氧化物和有机物。

以下将结合图4描述根据本发明的实施例的获得直径为300mm的外延硅片的过程。

首先，在外延生长前，可以对上述的高温计90的发射系数和线性系数进行调准以使高温计90测得的温度能够更为准确，使外延反应的温度能够得到更准确的控制。

接着，可以向反应腔室RC中通入比如氯化氢之类的刻蚀性气体，以有效清除前次外延处理期间在上部石英钟罩61表面沉积的外延生长副产物，减少温场差异。这里的刻蚀性气体可以利用上述的第一供气装置40来供应，也可以通过另外独立的供气装置来供应。

之后，可以将硅片W承载于根据本发明各实施例所述的基座10，比如碳化硅材质的基座10，并且经由进气口60I将氢气通入到反应腔室RC以便于进行吹扫，从而将装载硅片W时可以引入到反应腔室RC中的氮气清除，此时可以将反应腔室RC中的温度控制在850℃。

随后，可以利用第一加热组件20和第二加热组件30使反应腔室RC升温，以利用氢气高效去除掉硅片W表面残留的氧化物和有机物，这里的升温速率优选地可以为3℃/s，温度优选地可以升高至1130℃。

然后，可以向反应腔室RC中通入比如氯化氢之类的刻蚀性气体，此时可以将流量控制为3slm，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，输送时间可以为10s至30s，反应腔室RC温度可以为1125℃，以将硅片W表面的污染颗粒以及损伤层去除，改善硅片W的平坦度。

接着，可以通过第一加热组件20和第二加热组件30将硅片W的中心区域CA和边缘区域EA分别加热至上述的第一温度和第二温度，以准备好在通入硅源气体的情况下完成外延生长。

然后，可以将硅源气体通入到反应腔室RC中，具体地，可以首先以5slm至20slm的流量输送反应气体，但不进入反应腔室RC中，而是仅仅用于吹扫掉管道内残留的气体，同时可以保证硅源气体在进入反应腔室RC前气压稳定，接着可以以相同的流量将硅源气体输送至反应腔室RC中，由此生长外延层EL，如在图1至图3中示出的。

在根据本发明的实施例中，获得直径为300mm的外延硅片的过程如在下面的表1中示出的。

表1

表1中，上灯模组即对应于图4中示出的第一内侧加热灯组21和第一外侧加热灯组31，而下灯模组即对应于图4中示出的第二内侧加热灯组22和第二外侧加热灯组32。另外，比如数值52/12.5表示，第一内侧加热灯组21占上灯模组的总功率的52％，由此第一外侧加热灯组31占上灯模组的总功率的1-52％＝48％，而第二内侧加热灯组22占下灯模组的总功率的12.5％，由此第二外侧加热灯组32占下灯模组的总功率的1-12.5％＝87.5％。

为了将根据表1示出的过程所获得的外延硅片的平坦度与常规过程所获得的外延硅片的平坦度进行对比，在图5中示出了根据表1示出的过程所获得的外延硅片的SFQR图，而在图6中示出了常规过程所获得的外延硅片的SFQR图，SFQR图能够通过硅片不同区域的局部平坦度(Site front quotient range，SFQR)值表示出外延硅片表面的平坦度。通过对比图5和图6发现，根据表1示出的过程所获得的外延硅片的平坦度得到了改善。

另外，图7示出了根据表1示出的过程所获得的外延硅片的外延层厚度与常规过程所获得的外延硅片的外延层厚度进行比较的对比示图，其中，取外延硅片的直径上均匀分布的35个点处的外延层厚度，外延层的额定厚度为2μm，图7中纵坐标表示外延层厚度，单位为μm，横坐标表示直径，单位为mm，深色曲线表示常规方法获得的外延硅片的情形，浅色曲线表示本发明获得的外延硅片的情形。由图7可见，与常规方法获得的外延硅片相比，本发明外延硅片半径148mm处的外延层厚度从2.025μm下降到了2.009μm，硅片边缘的外延层厚度陡峭有了明显改善，厚度均匀性也有了明显改善。

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)

1.一种用于外延处理期间承载硅片的基座，其特征在于，所述基座包括：

本体；

涂覆于所述本体的多晶硅层，以使得所述硅片承载于所述基座时与所述多晶硅层接触。

2.一种用于硅片的外延的设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1所述的基座。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第一加热组件和第二加热组件，所述第一加热组件用于将所述硅片的中心区域加热至第一温度，所述第二加热组件用于将所述硅片的边缘区域加热至低于所述第一温度的第二温度。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第一加热组件包括竖向上分别位于所述基座两侧的第一内侧加热灯组和第二内侧加热灯组，所述第二加热组件包括竖向上分别位于所述基座两侧的第一外侧加热灯组和第二外侧加热灯组。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第一供气装置，所述第一供气装置用于在使所述硅片外延生长前将刻蚀性气体供应至所述硅片以对所述硅片进行刻蚀。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第二供气装置，所述第二供气装置用于在将所述刻蚀性气体供应至所述硅片前将还原性气体供应至所述硅片以去除所述硅片的表面上的氧化物和有机物。

7.一种用于硅片的外延的方法，其特征在于，所述方法包括将所述硅片承载于根据权利要求1所述的基座。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述硅片的中心区域加热至第一温度，并且将所述硅片的边缘区域加热至低于所述第一温度的第二温度。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在使所述硅片外延生长前将刻蚀性气体供应至所述硅片以对所述硅片进行刻蚀。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在将所述刻蚀性气体供应至所述硅片前将还原性气体供应至所述硅片以去除所述硅片的表面上的氧化物和有机物。

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