CN116497441A - 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装载端口、负载锁定单元、用以传送晶圆的传输腔室和与所述传输腔室连通的工艺反应腔室，所述外延生长方法包括：在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致；在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力。本发明的技术方案能够减少外延晶圆表面的颗粒。

Description

外延生长方法及外延晶圆
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，可以改善晶圆的晶体性质、原生缺陷、电阻率以及平坦度等。
随着半导体行业的高速发展，对外延晶圆表面的颗粒品质要求也越来越高，相关技术中，外延晶圆表面颗粒比较多，会导致外延缺陷，影响产品良率。
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，能够减少外延晶圆表面的颗粒。
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装载端口、负载锁定单元、用以传送晶圆的传输腔室和与所述传输腔室连通的工艺反应腔室，所述外延生长方法包括：
在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致；
在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力。
一些实施例中，所述传输腔室的压力比所述工艺反应腔室的压力大2-3Torr。
一些实施例中，在所述晶圆进入所述传输腔室之前，所述方法还包括：
对所述晶圆进行清洗；
对所述晶圆进行清洗后，在5小时内将所述晶圆传送至所述传输腔室。
一些实施例中，所述方法还包括：
在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之前，向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述工艺反应腔室进行清洁。
一些实施例中，所述方法还包括：
在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之后，向所述工艺反应腔室吹扫载气。
一些实施例中，向所述工艺反应腔室吹扫载气之后，所述方法还包括：
对所述工艺反应腔室进行升温，升温速率不小于3℃/s。
一些实施例中，对所述工艺反应腔室进行升温之后，所述方法还包括：
对所述晶圆进行烘烤，温度不低于1125摄氏度。
一些实施例中，对所述晶圆进行烘烤之后，所述方法还包括：
向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以去除所述晶圆表面附着的颗粒物；
在所述晶圆表面进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆。
一些实施例中，向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体的时间为10s-30s，气体流量为2-3slm。
一些实施例中，所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力为30psi。
本发明实施例还提供了一种外延晶圆，所述外延晶圆由上述的外延生长方法制备而得。
本发明的有益效果是：
本实施例中，在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致，这样可以在快速排气口限流阀打开时，减少压力波动，进而减少晶圆振动，减少晶圆表面的颗粒；在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力，这样可以减少尾气端杂质的反灌，从而能够减少外延晶圆表面的颗粒。
附图说明
图1表示本发明实施例外延生长方法的流程示意图；
图2表示本发明实施例外延生长设备的结构示意图；
图3表示本发明实施例负载锁定单元的工艺步骤示意图；
图4表示本实施例氮气通风管路的示意图；
图5表示本发明实施例工艺反应腔室的结构示意图；
图6表示相关技术制备的外延晶圆表面颗粒的示意图；
图7表示本发明实施例制备的外延晶圆表面颗粒的示意图。
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工艺反应腔室
11传输腔室
12负载锁定单元
13前端模块
14装载端口
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。
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。外延晶圆表面颗粒物(particle)来源包括：①晶圆从清洗工艺进入外延工艺期间，由于等待时间过长导致晶圆表面附着particle和发生氧化。②在晶圆传输过程中，尾气端杂质反灌，在晶圆表面产生particle。③外延炉工艺反应腔室上部石英钟罩表面沉积的外延生长副产物，在外延生长中会产生particle。外延晶圆表面的particle会导致外延缺陷，影响产品良率，因此，需要改善外延晶圆表面的particle问题。④在将晶圆从装载端口传输至负载锁定单元时，负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，抽真空结束之后，负载锁定单元的慢速排气口限流阀先打开，当压力≥300T，负载锁定单元的快速排气口限流阀会打开，压力波动剧烈，导致晶圆振动，晶圆与负载锁定单元的引脚摩擦产生颗粒，这些颗粒会附着在晶圆表面，严重影响晶圆的产品品质。
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，能够减少外延晶圆表面的颗粒。
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，所述外延生长设备包括装载端口、负载锁定单元、用以传送晶圆的传输腔室和与所述传输腔室连通的工艺反应腔室，如图1所示，所述外延生长方法包括：
步骤101：在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致；
步骤102：在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力。
本实施例中，在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致，这样可以在快速排气口限流阀打开时，减少压力波动，进而减少晶圆振动，减少晶圆表面的颗粒；在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力，这样可以减少尾气端杂质的反灌，从而能够减少外延晶圆表面的颗粒。
图2表示本发明实施例外延生长设备的结构示意图，如图2所示，外延生长设备包括工艺反应腔室10、传输腔室11、负载锁定单元12、前端模块13和装载端口14，其中工艺反应腔室10与传输腔室11连通。
在进行外延生长时，前端模块13内的传输叶片将晶圆从装载端口14传输至负载锁定单元12，负载锁定单元12进行抽真空并氮气回填。位于传输腔室11内的传送机械手将负载锁定单元12内的晶圆经传输腔室11传入工艺反应腔室10内进行外延生长，生长完成后晶圆再沿原路返回。
图3为负载锁定单元12的工艺步骤示意图，包括以下步骤：启动慢速泵(SlowPump)→启动快速泵(Fast Pump)→抽真空(Vacuum)→打开慢速排气口(Slow Vent)→打开快速排气口(Fast Vent)。
图4为负载锁定单元12的氮气通风管路示意图，当Pump结束之后，Slow Vent会先打开，限流阀压力为15psi；当压力≥300T，Fast Vent会打开，限流阀压力为30psi，压力波动剧烈，导致晶圆振动，晶圆与负载锁定单元12的引脚(pin)摩擦产生颗粒，这些颗粒会附着在晶圆表面，严重影响产品品质。
本实施例中，当晶圆在负载锁定单元12内进行抽真空并氮气回填时，保持FastVent与Slow Vent限流阀压力一致为30psi，Fast Vent的氮气流量为30SLM，Slow Vent的氮气流量为15SLM.。当Fast Vent打开时，压力波动减小，减缓了晶圆振动，进而减少在晶圆表面产生的颗粒。
在进行外延生长时，当硅源气体和所需的掺杂气体流向腔室时，在流经工艺反应腔室时发生反应，硅源气体分解成硅，沉积在晶圆和基座上，并生成反应杂质副产物，从工艺反应腔室中排出。晶圆在传送时，当工艺反应腔室10的压力大于传输腔室11的压力时，由于压差存在，反应生成的杂质副产物会从工艺反应腔室的排气管路→工艺反应腔室10→传输腔室11，即反应生成的杂质副产物会反灌入工艺反应腔室10，这些杂质副产物进入工艺反应腔室10就会污染工艺反应腔室环境，当晶圆进入工艺反应腔室10进行外延生长时，就会造成外延晶圆表面附着过多的particle。
本实施例中，在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力，具体地，所述传输腔室的压力可以比所述工艺反应腔室的压力大2-3Torr，比如所述传输腔室的压力比所述工艺反应腔室的压力大2.1Torr、2.2Torr、2.3Torr、2.4Torr、2.5Torr、2.6Torr、2.7Torr、2.8Torr，2.9Torr，或3.0Torr。这样可以减少排气管路端杂质副产物的反灌，避免反应生成的杂质副产物进入工艺反应腔室10污染工艺反应腔室环境，从而减少外延晶圆表面的颗粒。
具体地，可以平衡工艺反应腔室压力，保持传输腔室的压力不动，通过增加尾气处理设备(scrubber)的抽力，使得工艺反应腔室排气流速加快，流速大的地方压强小，从而在晶圆传输过程中，控制传输腔室的压力稍大于工艺反应腔室2-3torr，减少尾气端杂质的反灌。
一些实施例中，在所述晶圆进入所述传输腔室之前，所述方法还包括：
对所述晶圆进行清洗；
对所述晶圆进行清洗后，在5小时内将所述晶圆传送至所述传输腔室。
在对晶圆进行清洗后，如果等待过长时间再将晶圆传送至所述传输腔室，等待期间会导致晶圆表面附着particle和发生氧化，本实施例减少晶圆的等待时间，在5小时内将所述晶圆传送至所述传输腔室，能够减少晶圆表面附着的particle和避免晶圆表面氧化。具体地，可以在对晶圆进行清洗后1小时内、2小时内、3小时内、4小时内或5小时内将晶圆传送至所述传输腔室，等待时间越短，越能够减少晶圆表面附着的particle和避免晶圆表面氧化。
图5表示本发明实施例工艺反应腔室的结构示意图，如图5所示，工艺反应腔室包括：上部石英钟罩1，下部石英钟罩2，进气口，排气口，安装部件7。在上部石英钟罩1和下部石英钟罩2组成的内部结构内，设置有用于放置晶圆的基座8，基座支撑杆4、销钉5、以及销钉支撑杆6。在将晶圆传送至工艺反应腔室并放置在基座8上之后，利用上灯模组和下灯模组对晶圆进行加热，并且将硅源气体供给到该晶圆的主表面上，由此进行外延成长，在外延成长后将通过外延成长得到的外延晶圆输出到工艺反应腔室外。在外延成长过程中，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座8以及晶圆上均匀进行。其中，上灯模组和下灯模组可以采用卤素灯3，另外还可以采用预热环9对工艺反应腔室进行预热。
上部石英钟罩1表面容易沉积外延生长副产物，在外延生长中会产生particle，导致晶圆表面附着particle。因此，本实施例中，在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之前，向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述工艺反应腔室进行清洁，能够有效清除上部石英钟罩1表面沉积的外延生长副产物，其中，化学气相刻蚀气体可以采用HCl刻蚀气体以及XX等。
一些实施例中，所述方法还包括：
在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之后，向所述工艺反应腔室吹扫载气。
在晶圆进入工艺反应腔室之后，将晶圆放置在基座8上，工艺反应腔室内的温度可以为800-900℃，比如可以为800℃，810℃，820℃，830℃，840℃，850℃，860℃，870℃，880℃，890℃，或900℃。经由进气口通入载气比如H2对工艺反应腔室进行吹扫，以清除加载晶圆时可能进入工艺反应腔室的N2。
一些实施例中，向所述工艺反应腔室吹扫载气之后，所述方法还包括：
对所述工艺反应腔室进行升温，升温速率不小于3℃/s。
在向工艺反应腔室吹扫载气后，对工艺反应腔室进行快速升温，升温速率可以为3℃/s，3.5℃/s，4.0℃/s，或4.5℃/s，快速升温可以有效去除晶圆表面的氧化物。其中，晶圆可以升温至1120-1130℃，比如为1120℃，1125℃，或1130℃，升温时长由晶圆升温的目标温度和升温速率决定。
一些实施例中，对所述工艺反应腔室进行升温之后，所述方法还包括：
对所述晶圆进行烘烤，温度不低于1125摄氏度。
比如可以在1125℃、1130℃或1135℃的高温下对晶圆表面进行烘烤，去除掉晶圆表面残留的氧化物和有机物；同时可以向工艺反应腔室内通入载气比如H2，烘烤时间可以为20-40s，比如可以为20s，25s，30s，35s，或40s。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。
一些实施例中，对所述晶圆进行烘烤之后，所述方法还包括：
向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以去除所述晶圆表面附着的颗粒物；
在所述晶圆表面进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆。
在对晶圆进行烘烤后，可以继续向工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以去除晶圆表面附着的颗粒物，通入化学气相刻蚀气体的时间可以为10s-30s，气体流量可以为2-3slm，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。通入化学气相刻蚀气体的时间可以为10s，15s，20s，25s，或30s，通入化学气相刻蚀气体的气体流量可以为2slm，2.1slm，2.2slm，2.3slm，2.4slm，2.5slm，2.6slm，2.7slm，2.8slm，2.9slm，3.0slm。工艺反应腔室温度可以控制在1120-1130℃，比如可以为1120℃，1125℃，或1130℃。本步骤中，向工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体，一方面可以去除晶圆表面附着的particle以及损伤层，另一方面可以调节晶圆的平坦度。
在结束通入化学气相刻蚀气体后，经由进气口向工艺反应腔室通入硅源气体TCS，流量可以为5-20slm，比如可以为5slm，10slm，15slm，或20slm，该步骤中TCS不进入工艺反应腔室，用以吹扫掉管道内残留的气体，同时保证硅源气体在进入工艺反应腔室前气压稳定；之后将硅源气体TCS通入工艺反应腔室，流量可以为5-20slm，比如可以为5slm，10slm，15slm，或20slm，在晶圆表面沉积成膜，生成外延晶圆。
在生成外延晶圆后，可以继续利用载气对工艺反应腔室进行吹扫，以将残留在工艺反应腔室内的工艺气体排出，同时可以对工艺反应腔室和外延晶圆进行降温冷却，在外延晶圆降温冷却后，将外延晶圆卸载退出工艺反应腔室。
本实施例的外延生长方法可以适用于300mm外延反应炉，可以有效减少外延晶圆表面的颗粒物数量，进而减少外延晶圆表面的缺陷数量，同时也改善了外延晶圆表面的平坦度，提高产品良率。
本发明实施例还提供了一种外延晶圆，所述外延晶圆由上述的外延生长方法制备而得。
图6表示相关技术制备的外延晶圆表面颗粒的示意图，图7表示本发明实施例制备的外延晶圆表面颗粒的示意图，可以看出外延晶圆表面的颗粒物问题有明显改善。本实施例可以有效减少外延晶圆表面的颗粒物数量，进而减少外延晶圆表面的缺陷数量，同时也改善了外延晶圆表面的平坦度，提高产品良率。
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 (11)

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装载端口、负载锁定单元、用以传送晶圆的传输腔室和与所述传输腔室连通的工艺反应腔室，所述外延生长方法包括：
在将所述晶圆从所述装载端口传输至所述负载锁定单元时，控制所述负载锁定单元进行抽真空并回填氮气，且所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力保持一致；
在将所述晶圆从所述传输腔室传送至所述工艺反应腔室的过程中，控制所述传输腔室的压力大于所述工艺反应腔室的压力。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述传输腔室的压力比所述工艺反应腔室的压力大2-3Torr。
3.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，在所述晶圆进入所述传输腔室之前，所述方法还包括：
对所述晶圆进行清洗；
对所述晶圆进行清洗后，在5小时内将所述晶圆传送至所述传输腔室。
4.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之前，向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以对所述工艺反应腔室进行清洁。
5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述晶圆进入所述工艺反应腔室之后，向所述工艺反应腔室吹扫载气。
6.根据权利要求5所述的外延生长方法，其特征在于，向所述工艺反应腔室吹扫载气之后，所述方法还包括：
对所述工艺反应腔室进行升温，升温速率不小于3℃/s。
7.根据权利要求6所述的外延生长方法，其特征在于，对所述工艺反应腔室进行升温之后，所述方法还包括：
对所述晶圆进行烘烤，温度不低于1125摄氏度。
8.根据权利要求7所述的外延生长方法，其特征在于，对所述晶圆进行烘烤之后，所述方法还包括：
向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体以去除所述晶圆表面附着的颗粒物；
在所述晶圆表面进行化学气相沉积反应，生成外延晶圆。
9.根据权利要求8所述的外延生长方法，其特征在于，向所述工艺反应腔室通入化学气相刻蚀气体的时间为10s-30s，气体流量为2-3slm。
10.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，所述负载锁定单元的快速排气口限流阀与慢速排气口限流阀的压力为30psi。
11.一种外延晶圆，其特征在于，所述外延晶圆由权利要求1至10任一项所述的外延生长方法制备而得。
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