CN116752229A - 一种外延生长方法及外延生长设备 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种外延生长方法及外延生长设备，该方法包括：确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及硅片放置阶段的第二温度；在硅片运送阶段，将硅片从反应腔室外被运送至反应腔室内，且反应腔室的温度被设定为第一温度；在硅片放置阶段，硅片被放置于反应腔室内的基座上，且反应腔室的温度被设定为第二温度。本公开的外延生长方法及外延生长设备，可提高外延片平坦度。
Description
技术领域
本发明涉及硅片加工技术领域，尤其涉及一种外延生长方法及外延生长设备。
背景技术
在单晶抛光晶圆上生长一层单晶薄膜称为外延晶圆。相比抛光晶圆，外延晶圆具有表面缺陷少、结晶性优异和电阻率可控的特性。
在相关技术中，通过化学气相沉积法对硅片进行外延生长。首先，将单晶硅片传送至反应腔室承载晶圆的基座上；然后，反应腔室升温，达到预设的温度后送入清洁气体，去除晶圆表面的自然氧化物，送入硅源气体在晶圆正面连续均匀的生长硅外延层。
然而，在通过化学气相沉积法对硅片进行外延生长时，硅片由外延炉传送单元的承载件传送至反应腔室时，由于硅片正面温度高于硅片背面温度，在热应力的作用下，硅片发生弯曲形变。而外延生长设备的基座上一般设置有三根升降销，由于硅片弯曲变形，导致三根升降销不能同时接触硅片下表面，从而硅片由传送单元放置在基座过程中会发生滑动，硅片放置在基座中的位置偏离期望的理想位置。硅片边缘和基座之间的间隙不均匀，影响外延生长后外延晶圆的平坦度。
随着半导体制程工艺的不断发展，线宽度越来越小，其对于硅片的平坦度要求越来越严格。平坦度不佳的硅片可能导致失焦，甚至可能影响到化学机械抛光(CMP)的制程，影响产品良率。
发明内容
本公开实施例提供了一种外延生长方法及外延生长设备，能够改善外延片平坦度，提高产品良率。
本公开实施例所提供的技术方案如下：
一种外延生长方法，所述方法包括：
确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及确定硅片放置阶段的反应腔室的第二温度；
在硅片运送阶段，将所述硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室内，且所述反应腔室的温度被设定为第一温度；在硅片放置阶段，所述硅片被放置于所述反应腔室内的基座上，且所述反应腔室的温度被设定为第二温度；
其中，所述确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度具体包括：
选取多个测试用硅片；
调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室的第一阶段中，监测各所述测试用硅片的变形量，得到在所述第一阶段中温度与变形量之间的第一对应关系；
根据所述第一对应关系，确定所述变形量最小值所对应的温度，作为所述第一温度。
示例性的，所述确定硅片放置阶段的反应腔室的第二温度，具体包括：
选取多个测试用硅片；
调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的第二阶段中，监测各所述测试用硅片相对目标位置的偏移量，得到在所述第二阶段中温度与偏移量之间的第二对应关系；
根据所述第二对应关系，确定所述偏移量最小值所对应的温度，作为所述第二温度。
示例性的，所述第一对应关系如下：y＝8E-5x2–0.0833x+23.598，其中y表示测试用硅片的变形量，x表示温度；
所述第二对应关系如下：y＝1E-5x2–0.0182x+7.0246，其中y表示测试用硅片相对目标位置的偏移量，x表示温度。
示例性的，调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室的第一阶段中，监测各所述测试用硅片的变形量，得到在所述第一阶段中温度与变形量之间的第一对应关系，具体包括：
设定所述第二阶段中的反应腔室温度为第一恒定值，将所述第一阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，监测所述第一阶段中不同温度梯度下测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘之间的间隙，以所述间隙表征所述变形量，得到所述第一对应关系；
所述调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的第二阶段中，监测各所述测试用硅片相对目标位置的偏移量，得到在所述第二阶段中温度与偏移量之间的第二对应关系，具体包括：
设定所述第一阶段中的反应腔室温度为所述第一温度，将所述第二阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，所述测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘之间的间隙，以得到所述第二对应关系。
示例性的，所述第一温度为570～620℃，所述第二温度为750～800℃。
示例性的，所述方法还包括：
在所述硅片运送阶段及所述硅片放置阶段，实时监测当前硅片的边缘与基座的口袋边缘的间隙，当所述间隙超过阈值时，判断当前硅片未处于目标位置上，并重新开始所述确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及硅片放置阶段的第二温度的步骤，直至所述间隙处于所述阈值内。
一种外延生长设备，包括：
硅片运送装置，包括托盘，所述硅片承载至所述托盘上；及
外延生长装置，所述外延生长装置包括：
用于承载所述硅片的基座；
用于容纳所述基座的反应腔室；
用于支撑所述基座的基座支撑架，所述基座支撑架位于所述基座下方；及
加热单元，所述加热单元设置在所述反应腔室外，为所述反应腔室提供用于气相外延沉积的高温环境；其中
所述加热单元被配置为在所述硅片从所述反应腔室的外部抵达所述反应腔室内的过程中，向所述硅片辐射热量使得所述反应腔室的温度为第一温度；在所述硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的过程中，向所述硅片辐射热量使得所述反应腔室的温度为第二温度。
示例性的，所述反应腔室包括上部钟罩和下部钟罩，所述上部钟罩和所述下部钟罩一起围合形成所述反应腔室，所述基座将所述反应腔室分隔出上反应腔室和下反应腔室，所述硅片放置在所述上反应腔室内。
示例性的，所述基座支撑架包括：
支撑柱；及
从所述支撑柱的纵向轴线开始径向向外且沿轴向向上延伸的多根支撑臂，所述支撑臂包括在其轴向向上延伸方向上相对的第一端和第二端，所述第一端连接至所述支撑柱，所述第二端与所述支撑柱一起支撑所述基座；
多个升降销，所述升降销设置在所述支撑臂的所述第二端，且所述基座上设有通孔，所述升降销可升降地设置在所述通孔内，用于升降所述硅片。
示例性的，所述基座上设有一个口袋，所述口袋可容纳所述硅片；
所述外延生长设备还包括：
图像采集器，所述图像采集器用于实时监控硅片的边缘与所述口袋的边缘之间的间隙信息；
报警器，用于当所述间隙大于阈值时进行报警。
本公开实施例所带来的有益效果如下：
本公开实施例所提供的外延生长方法及外延生长设备，在不同温度条件，通过在从反应腔室运送至反应腔室内的第一阶段、和放置于反应腔室内基座上的第二阶段中，对多个测试用硅片进行测试，在第一阶段根据监测的测试用硅片的变形量与温度的第一对应关系，确定在第一阶段中硅片变形量最小值对应的第一温度下，测试用硅片的温度差异和物理特性差异导致的变形量最小，因此，可在外延生长过程中，在硅片运送阶段，将反应腔室设定为第一温度T1，以控制硅片温度差异和物理特性差异导致的变形；同理，在不同温度条件，通过在、放置于反应腔室内基座上的第二阶段中，对多个测试用硅片进行测试，根据监测的测试用硅片相对目标位置的偏移量与温度的第二对应关系，确定在第二阶段下偏移量最小值对应的第二温度下，原子扩散速度加快，硅片变形后快速恢复。因此，可在外延生长过程中，在硅片放置阶段，将反应腔室设定为第二温度，以控制硅片变形后快速恢复，可减少硅片放置过程中的滑动，提高外延片的边缘平坦度。
附图说明
图1所示为硅片不同晶体取向的杨氏模量和泊松比，其中图1中(a)所示为硅片不同晶体取向的杨氏模量，图1中(b)所示为硅片不同晶体取向的泊松比；
图2所示为在硅片传送阶段硅片发生变形及在硅片放置阶段硅片变形恢复发生滑动的示意图，其中图2中(a)所示在硅片传送阶段硅片发生变形的示意图，图2中(b)所示在硅片放置阶段硅片变形恢复发生滑动的示意图；
图3所示为本公开实施例提供的外延生长方法的流程图；
图4所示为硅片与基座之间的间隙示意图；
图5所示为本公开实施例提供的外延生长装置的结构示意图；
图6所示为本公开一种实施例中外延生长方法中步骤S01中在第一阶段的不同测试条件表；
图7所示为采用图6所示的各测试条件下所获取的硅片边缘相对基座上的口袋边缘之间的间隙对比图；
图8所示为本公开一种实施例中外延生长方法中步骤S01中在第二阶段的不同测试条件表；
图9所示为采用图8所示的各测试条件下所获取的硅片边缘相对基座上的口袋边缘之间的间隙对比图。
图10所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法获取的硅片与基座之间的间隙对比图；
图11所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到外延片的DeltaESFQR值对比图；
图12所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到的硅片运送阶段腔室温度和硅片变形量对比图；
图13所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到的运送阶段腔室温度和硅片变形量之间的第一对应关系示意图；
图14所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到的放置阶段腔室温度和硅片相对目标位置偏移量对比图；
图15所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到的放置阶段腔室温度和硅片相对目标位置偏移量之间的第二对应关系示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
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。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“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。
在对本公开实施例所提供的外延生长方法及外延生长设备进行详细说明之前，有必要对于相关技术进行以下说明：
在相关技术中，外延生长炉主要包括反应腔室、基座、基座支撑架和加热灯组件等。基座设置在反应腔室内，用于支撑硅片；基座支撑架用于支撑基座，且基座上设有通孔，基座支撑架上设有升降销(liftpin)，升降销可升降地设置在通孔内，硅片在放置至基座的过程中，通过升降销上升和下降，实现硅晶圆在基座内的抬起和下降；加热灯组件用于以热辐射的方式为反应腔室提供能量。
在相关技术中，在硅片传送阶段，硅片由硅片传送单元传送至反应腔室时，由于硅片正面温度(UpperTemp)高于硅片背面温度(LowerTemp)，在热应力的作用下，硅片发生弯曲形变。多根升降销不能同时接触硅片的下表面，导致硅片由传送单元放置在基座过程中发生滑动，硅片放置在基座中的位置偏离期望的目标位置，硅片边缘和基座上的基座口袋(Susceptorpocket)边缘之间的间距不均匀，影响外延生长后外延片的平坦度。
ESFQR值是指硅片局部polarsite的平坦度水平，当硅片局部平坦度不佳时，就会产生过度抛光或抛光不足的现象。过度抛光可能导致元件的提早崩溃(Earlybreakdown)，抛光不足可能导致元件接触上的错误(contacterror)。
在相关技术中，为了解决硅片在放置阶段的滑动问题，利用特定的升降销最先接触硅片的下表面，预先掌握硅片装载位置可能的偏离量，提前设定传送机构的硅片停止位置，从而将硅片装载至基座的目标位置。但是，这种方案存在以下问题：
该方案通过特定的升降销最先接触硅片，提前设定传送机构的硅片的停止位置，预先补偿硅片可能滑动的偏离量，且涉及备件的设计、制造和设备改造，成本相对较高；并且，没有从根本上解决硅片在装载过程中热应力导致的变形，硅片的滑动方向预判困难，特定升降销的安装位置预判困难。
本公开发明人经过研究发现，在硅片放置阶段硅片发生滑动的原因如下：
图1所示为硅片不同晶体取向的杨氏模量和泊松比，其中图1中(a)所示为硅片不同晶体取向的杨氏模量，图1中(b)所示为硅片不同晶体取向的泊松比。
杨氏模量取决于材料本身的物理特性，弹性限度内材料的杨氏模量越大，材料越不容易发生形变；泊松比为材料比例极限内，均匀分布的纵向应力引起的横向应变与相应纵向应变的比值，反应材料横向变形的弹性常数。单晶硅片不同晶体取向物理特性不同，硅片<100>和<110>结晶方向的杨氏模量和泊松比不同。
如图2中(a)所示，在硅片传送阶段，硅片10由室温的硅片传送单元20装载至高温的反应腔室，快速的温度变化使得硅片10表面和内部的温度存在差异，由于硅片10内的温度差异和不同晶向物理特性差异，硅片10不同晶体方向产生的变形程度存在差异，从而产生热应力发生翘曲，导致多根升降销40不能同时接触硅片10的下表面。
如图2中(b)所示，在硅片放置阶段，硅片10内的温度差异逐渐减小，热应力逐渐消除，翘曲逐渐消失，硅片10缓慢恢复至原来的状态，但是在硅片10变形恢复阶段发生滑动，硅片放置在基座30中的位置偏离期望的目标位置。
因此，为了解决相关技术中硅片放置在基座上时滑动导致外延片平坦度不佳的问题，本公开实施例提供了一种外延生长方法及外延生长设备，通过控制硅片传送阶段、硅片放置阶段外延生长设备的反应腔室的温度，来控制硅片热变形导致的滑动，从而有效控制硅片放置在基座上的位置。
如图3所示，本公开实施例所提供的外延生长方法包括：
步骤S01、确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及确定硅片放置阶段的第二温度；
步骤S02、在硅片运送阶段，将所述硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室内，且所述反应腔室的温度被设定为第一温度；
步骤S03、在硅片放置阶段，所述硅片被放置于所述反应腔室内的基座上，且所述反应腔室的温度被设定为第二温度；
其中，上述步骤S01具体包括：
步骤S011、选取多个测试用硅片；调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室的第一阶段中，监测各所述测试用硅片的变形量，得到在所述第一阶段中温度与变形量之间的第一对应关系；根据所述第一对应关系，确定所述变形量最小值所对应的温度，作为所述第一温度；
步骤S012、选取多个测试用硅片；调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的第二阶段中，监测各所述测试用硅片相对目标位置的偏移量，得到在所述第二阶段中温度与偏移量之间的第二对应关系；根据所述第二对应关系，确定所述滑动量最小值所对应的温度，作为所述第二温度。
在上述方案中，在不同温度条件，通过在从反应腔室运送至反应腔室内的第一阶段、和放置于反应腔室内基座上的第二阶段中，对多个测试用硅片进行测试，在第一阶段根据监测的测试用硅片的变形量与温度的第一对应关系，确定在第一阶段中滑动量最小值对应的第一温度T1下，测试用硅片的温度差异和物理特性差异导致的变形量最小，因此，可在外延生长过程中，在硅片运送阶段，将反应腔室设定为第一温度T1，以控制硅片100温度差异和物理特性差异导致的变形；
同理，在不同温度条件，通过在放置于反应腔室内基座上的第二阶段中，对多个测试用硅片进行测试，根据监测的测试用硅片相对目标位置的偏移量，确定在第二阶段下偏移量最小值对应的第二温度T2下，原子扩散速度加快，硅片变形后快速恢复。因此，可在外延生长过程中，在硅片放置阶段，将反应腔室设定为第二温度T2，以控制硅片变形后快速恢复，可减少硅片放置过程中的滑动，提高外延片的边缘平坦度。
需要说明的是，对于外延生长设备的反应腔室210的温度控制方式可以如下：
外延生长装置200包括加热组件230，所述加热组件230可以包括设置在反应腔室210顶部的上部加热灯泡231和设置在反应腔室210底部的下部加热灯泡232，硅片100正面由上部加热灯泡231以热辐射的方式为反应提供能量，硅片100背面由承载硅片100的基座220和升降销240以热辐射的方式为反应提供能量。
由比例积分导数(PID)控制系统可控制加热灯泡的功率，由温度计实时向PID控制系统提供反馈温度信息。
反应腔室210的温度控制页面可包含上部加热灯泡231的功率、下部加热灯泡232的功率和PID控制器的设定值，相关参数在菜单步骤中设置。
反应腔室210在启动前，温度校准标准硅片100装载至反应腔室210，反应腔室210升温至一定的温度T0(℃)，通过调整上部加热灯泡231的功率和下部加热灯泡232的功率使顶部温度计和底部温度计反馈的温度差值≤0.5℃，保证反应腔室210温度均匀。
反应腔室210的温度调节通过在菜单步骤中设定温度T(℃)，温度计实时向PID控制系统提供反馈温度信息，PID控制系统实时调整功率，使得反应腔室210的温度达到设定温度T(℃)。
所述第一对应关系如下：y＝8E-5x2–0.0833x+23.598，其中y表示测试用硅片的变形量，x表示温度；
所述第二对应关系如下：y＝1E-5x2–0.0182x+7.0246，其中y表示测试用硅片相对目标位置的偏移量，x表示温度。
作为一种示例性的实施例，上述步骤S011具体包括：
步骤S0111、设定所述第二阶段中的反应腔室温度为第一恒定值，将所述第一阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，监测所述第一阶段中不同温度梯度下测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘(Susceptor pocketEdge)之间的间隙，以所述间隙表征所述变形量，，得到所述第一对应关系；
步骤S012具体包括：设定所述第一阶段中的反应腔室温度为所述第一温度，将所述第二阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，所述测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘(SusceptorpocketEdge)之间的间隙，以得到所述第二对应关系。
采用上述方案，如图3所示，可通过监测硅片100边缘与基座上口袋200边缘之间的间隙a，来表征硅片相对目标位置的滑动量。
具体地，本公开一个实施例中，上述步骤S01具体的过程可以如下：
选取多个测试用硅片；
设定常规条件下，第一温度T1和第二温度T2均为700℃。
为研究硅片传送阶段(也就是，测试时的第一阶段)反应腔室温度对硅片滑动的影响，硅片放置阶段(也就是，测试时的第二阶段)反应腔室的温度与常规条件放置阶段反应腔室的温度保持一致，硅片运送阶段反应腔室温度设定不同的温度梯度。
如图6中表1所示，具体实施如下：
测试条件1：所述第一温度T1设定为650℃，第二温度T2设定为700℃；
测试条件2：所述第一温度T1设定为620℃，第二温度T2设定为700℃；
测试条件3：所述第一温度T1设定为570℃，第二温度T2设定为700℃；
图7所示为在上述常规调节与不同测试条件下获取的硅片与基座之间的间隙对比图。
由图7可以看出，通过控制硅片运送阶段反应腔室的温度，在常规条件下硅片100与基座220之间的间隙，大于测试条件1～3条件下硅片100与基座220之间的间隙。从图7可以看出，降低硅片运送阶段反应腔室的温度(570～620℃)，有利于控制硅片由室温的反应腔室外运送至高温的反应腔室时温度差异和硅片物理特性差异产生的硅片变形导致的硅片滑动。
此外，图12所示，为了研究硅片运送阶段反应腔室的温度和硅片变形量之间的第一对应关系，在第一阶段反应腔室的温度恒定为700℃，第一阶段反应腔室的温度设定不同的温度梯度。具体地，第一阶段反应腔室的温度分别设定为700℃、650℃、620℃、570℃，硅片从室温的反应腔室外被运送至所述的反应腔室的过程中通过图像采集器捕捉和处理器计算获得硅片在运送阶段的变形量。可以看出，570℃和620℃硅片的变形量小于1.3mm，650℃和700℃硅片的变形量较大，特别是，700℃硅片的变形量为2～3.5mm；因此可以判断，降低硅片运送阶段反应强腔的温度有利于减小硅片运送阶段的变形量。
图13所示为根据第一阶段反应腔室的温度(x)和硅片的变形量(y)拟合得到的第一对应关系，如下：y＝8E-5x2–0.0833x+23.598；其中，y代表硅片的变形量，单位为mm；x代表运送阶段反应腔室的温度，单位为℃；
可以看出，当硅片运送阶段反应腔室的温度小于620℃时硅片的变形量约1.1mm；当硅片运送阶段反应腔室的温度大于650℃时硅片的变形量大于1.9mm；为了控制运送阶段硅片的变形量，硅片运送阶段反应腔室的温度设定不超过620℃。结合图7、图12和图13可知，第一温度T1为570～620℃时，硅片在第一阶段变形量最小。
并且，上述实施例中测试条件2和测试条件3表现相当，为了减小硅片运送阶段和放置阶段反应腔室的温度差异，选择测试条件2作为对比条件，研究硅片放置阶段反应腔室温度对硅片滑动的影响。硅片运送阶段反应腔室的温度设定为620℃，放置阶段反应腔室温度设定不同温度梯度。
如图8中表2所示，具体实施如下：
测试条件4：所述第一温度T1设定为620℃，第二温度T2设定为750℃；
测试条件5：所述第一温度T1设定为620℃，第二温度T2设定为800℃；
测试条件6：所述第一温度T1设定为620℃，第二温度T2设定为850℃。
图9所示为上述测试条件、及测试条件4～6下获取的硅片100与基座220之间的间隙对比图。
由图9可以看出，通过控制硅片放置阶段反应腔室的温度，测试条件2、测试条件6下硅片100与基座220之间的间隙大于测试条件4和测试条件5下硅片100与基座220之间的间隙。
图14所示为硅片放置阶段反应腔室的温度和硅片相对目标位置变形量对比图，可以看出，750℃和800℃硅片相对目标位置的偏移量较小且离散程度小，表明反应腔室温度在750～800℃时硅片在放置阶段的滑动小。
图15所示为根据硅片放置阶段反应腔室的温度(x)和硅片相对目标位置偏移量(y)拟合得到的对应关系：
y＝1E-5x2–0.0182x+7.0246其中，
y代表硅片相对目标位置的偏移量，单位为mm；
x代表放置阶段反应腔室的温度，单位为℃；
可以看出，反应腔室的温度在750℃和800℃时硅片相对目标位置的偏移量小于0.1mm；调整硅片放置阶段反应腔室的温度能够有效控制硅片相对目标位置的偏移量。
由此可以判断，适当升高硅片放置阶段反应腔室的温度(750～800℃)，原子扩散速度加快，使的硅晶片变形后快速恢复，减少硅晶片放置过程中的滑动。并且，基于上述测试结果可见，在硅片传送阶段，反应腔室210的第一温度T1可设定为570～620℃，该温度下可控制硅片100温度差异和物理特性差异导致的变形；在硅片放置阶段，反应腔室210的第二温度T2可设定为750～800℃，可以控制硅片100变形后的恢复速率，使硅片100变形后快速恢复，从而减少硅片100放置过程中的滑动。
为了对上述测试结论进行验证，在一个具体实施例中，所述第一温度T1设定为600℃，所述第二温度T2设定为770℃。
图10所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法获取的硅片100与基座220之间的间隙对比图，其中横坐标中Off-setX为正值表示硅片100向图4中所示的A侧方向偏离，Off-setX为负值表示硅片100向图4中所示的B侧方向偏离，Off-setY为正值表示硅片100向图4中所示的C侧方向偏离，Off-setY为负值表示硅片100向图4中所示的D侧方向偏离。
由图10可以看出，本公开实施例提供的外延生长方法，通过改善硅片传送阶段和硅片放置阶段的温度条件，改善了硅片100卷曲现象和滑动，使硅片100与基座220之间的间隙变得更加均匀。
图11所示为采用本实施例的外延生长方法与相关技术中的外延生长方法得到外延片的DeltaESFQR(EPIESFQR–SubESFQR)值对比图。由图11可以看出，相关技术中的外延生长方法得到的外延片DeltaESFQR均值为16.8nm，本实施例的外延生长方法得到的硅片100的DeltaESFQR均值为9.0nm,相比相关技术中，本实施例的外延生长方法改善条件硅片100与基座220之间的间隙变得均匀，外延硅片100的边缘平坦度改善7.8nm。
此外，在一些示例性的实施例中，所述方法还包括：
在所述硅片运送阶段及所述硅片放置阶段，实时监测的边缘与基座的口袋边缘的间隙，，当所述间隙超过阈值时，判断当前硅片未处于目标位置上，并重新开始所述确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及硅片放置阶段的第二温度的步骤，直至所述实际滑动量处于所述阈值内。
在上述方案中，监控硅片100在基座220上的位置，可通过图像采集器来获取硅片100的边缘(waferEdge)与所述基座220上的口袋边缘之间图像，并转化为间隙信息；硅片100和基座220之间的间隙信息可关联FDC系统的处理器。硅片100和基座220之间的间隙阈值可以被配置为在X方向(offsetX)上的间隙阈值小于或等于0.3mm，Y方向(offsetY)上的间隙阈值小于或等于0.3mm。图像采集器实时监控硅片100放置于基座220上的位置。当硅片100偏离目标位置时，硅片100和基座220之间的间隙不均匀，间隙超过设置的阈值时，则可报警提示操作人员确认硅片100是否变形严重。当确认硅片100变形严重时，可通过重新调整硅片传送阶段和硅片放置阶段反应腔室210的温度，直至间隙不超过设置的所述阈值，以保证硅片100和基座220之间的间隙均匀，避免连续产出批量平坦度异常产品。
所述图像采集器可以选用摄像头。
此外，如图5所示，本公开实施例还提供了一种外延生长设备，包括：硅片运送装置300及外延生长装置200。
硅片运送装置300可包括托盘310，所述硅片100承载至所述托盘310上。
所述外延生长装置200可以包括：
用于承载所述硅片100的基座220；
用于容纳所述基座220的反应腔室210；
用于支撑所述基座220的基座支撑架250，所述基座支撑架250位于所述基座220下方；及
加热单元230，所述加热单元230设置在所述反应腔室210外，为所述反应腔室210提供用于气相外延沉积的高温环境；其中
所述加热单元230被配置为在所述硅片100从所述反应腔室210的外部抵达所述反应腔室210内的过程中，向所述硅片100辐射热量使得所述反应腔室210的温度为第一温度T1，以减少温度变化时所述硅片100不同晶体取向物理特性差异导致的变形；在所述硅片100被放置于所述反应腔室210内的基座220上的过程中，向所述硅片100辐射热量使得所述反应腔室210的温度为第二温度T2，且所述第二温度T2大于所述第一温度T1，以控制硅片100变形后的恢复速率，使所述硅片100变形后快速恢复，减少硅片100放置过程中相对所述基座220的滑动。
在上述方案中，在硅片传送阶段，外延生长设备的反应腔室210的温度设定为第一温度T1，该第一温度T1可控制硅片100温度差异和物理特性差异导致的变形；在硅片放置阶段，外延生长设备的反应腔室210温度设定为第二温度T2，第二温度T2可控制硅片100变形后的恢复速率，第二温度T2大于第一温度T1，这就使得硅片放置阶段相比硅片传送阶段温度升高，原子扩散速度加快，使得硅片100变形后快速恢复，可减少硅片100放置过程中的滑动，从而使硅片100与基座220之间的间隙变得均匀，提高外延片的边缘平坦度。
在一些示例性的实施例中，如图5所示，所述反应腔室210包括上部钟罩211和下部钟罩212，所述上部钟罩211和所述下部钟罩212一起围合形成所述反应腔室210，所述基座220将所述反应腔室210分隔出上反应腔室210和下反应腔室210，所述硅片100放置在所述上反应腔室210内。
在一些示例性的实施例中，如图5所示，所述基座支撑架250包括：
支撑柱251；及
从所述支撑柱251的纵向轴线开始径向向外且沿轴向向上延伸的多根支撑臂252，所述支撑臂252包括在其轴向向上延伸方向上相对的第一端和第二端，所述第一端连接至所述支撑柱251，所述第二端与所述支撑柱251一起支撑所述基座220；
多个升降销240，所述升降销240设置在所述支撑臂252的所述第二端，且所述基座220上设有通孔，所述升降销240可升降地设置在所述通孔内，用于升降所述硅片100。
图5所示为外延晶圆生长的反应腔室210示意图。
如图5所示，所述反应腔室210还可包括进气口260、排气口270以及安装部件280。上部钟罩211外设置有负责提供反应能量的上部加热灯泡231，且上部加热灯泡231在反应腔室210内可沿圆周等距分布。下部钟罩212外设置有负责提供反应能量的下部加热灯泡232，且下部加热灯泡232在反应腔室210内可沿圆周等距分布。承载硅片100的基座220材质可以为覆盖碳化硅涂层的石墨基座(susceptor)，升降销240材质可以为玻璃碳，支撑柱251和支撑手臂252的为材质可以为透明石英。
需要说明的是，对于外延生长装置200的反应腔室210的温度控制方式可以如下：
加热组件230可以包括设置在反应腔室210顶部的上部加热灯泡231和设置在反应腔室210底部的下部加热灯泡232，硅片100正面由上部加热灯泡231以热辐射的方式为反应提供能量，硅片100背面由承载硅片100的基座220和硅片100支撑杆以热辐射的方式为反应提供能量。
由比例积分导数(PID)控制系统可控制加热灯泡的功率，由温度计实时向PID控制系统提供反馈温度信息。
反应腔室210的温度控制页面可包含上部加热灯泡231的功率、下部加热灯泡232的功率和PID控制器的设定值，相关参数在菜单步骤中设置。
反应腔室210在启动前，温度校准标准硅片100装载至反应腔室210，反应腔室210升温至一定的温度T(℃)，通过调整上部加热灯泡231的功率和下部加热灯泡232的功率使顶部温度计和底部温度计反馈的温度差值≤0.5℃，保证反应腔室210温度均匀。
反应腔室210的温度调节通过在菜单步骤中设定温度T1(℃)，温度计实时向PID控制系统提供反馈温度信息，PID控制系统实时调整功率，使得反应腔室210的温度达到设定温度T1(℃)。
在一些示例性的实施例中，所述基座220上设有一个口袋，所述口袋可容纳所述硅片100；所述外延生长设备还包括：
图像采集器，所述图像采集器用于实时监控硅片的边缘与所述口袋的边缘之间的间隙信息；
报警器，与所述处理器连接，用于当所述间隙大于阈值时进行报警。
在上述方案中，监控硅片100在基座220上的位置，可通过图像采集器来获取硅片100的边缘(waferEdge)与所述基座220上的口袋边缘(Susceptor pocketEdge)之间图像，并转化为间隙信息；硅片100和基座220之间的间隙信息可关联FDC系统的处理器，硅片100和基座220之间的间隙阈值可以被配置为在X方向(offsetX)上的间隙阈值小于或等于0.3mm，Y方向(offset Y)上的间隙阈值小于或等于0.3mm。图像采集器实时监控硅片100放置于基座220上的位置。当硅片100偏离目标位置时，硅片100和基座220之间的间隙不均匀，间隙超过设置的阈值时，则可报警提示操作人员确认硅片100是否变形严重。当确认硅片100变形严重时，可通过重新调整硅片传送阶段和硅片放置阶段反应腔室210的温度，直至间隙不超过设置的阈值，以保证硅片100和基座220之间的间隙均匀，避免连续产出批量平坦度异常产品。
有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。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。
(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，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，本公开的保护范围应以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，所述方法包括：
确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及确定硅片放置阶段的反应腔室的第二温度；
在硅片运送阶段，将所述硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室内，且所述反应腔室的温度被设定为第一温度；在硅片放置阶段，所述硅片被放置于所述反应腔室内的基座上，且所述反应腔室的温度被设定为第二温度；
其中，所述确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度具体包括：
选取多个测试用硅片；
调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室的第一阶段中，监测各所述测试用硅片的变形量，得到在所述第一阶段中温度与变形量之间的第一对应关系；
根据所述第一对应关系，确定所述变形量最小值所对应的温度，作为所述第一温度。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，
所述确定硅片放置阶段的反应腔室的第二温度，具体包括：
选取多个测试用硅片；
调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的第二阶段中，监测各所述测试用硅片相对目标位置的偏移量，得到在所述第二阶段中温度与偏移量之间的第二对应关系；
根据所述第二对应关系，确定所述偏移量最小值所对应的温度，作为所述第二温度。
3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于，
所述第一对应关系如下：y＝8E-5x2–0.0833x+23.598，其中y表示测试用硅片的变形量，x表示温度；
所述第二对应关系如下：y＝1E-5x2–0.0182x+7.0246，其中y表示测试用硅片相对目标位置的偏移量，x表示温度。
4.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于，
调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片从反应腔室外被运送至所述反应腔室的第一阶段中，监测各所述测试用硅片的变形量，得到在所述第一阶段中温度与变形量之间的第一对应关系，具体包括：
设定所述第二阶段中的反应腔室温度为第一恒定值，将所述第一阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，监测所述第一阶段中不同温度梯度下测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘之间的间隙，以所述间隙表征所述变形量，得到所述第一对应关系；
所述调节反应腔室的温度，在所述测试用硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的第二阶段中，监测各所述测试用硅片相对目标位置的偏移量，得到在所述第二阶段中温度与偏移量之间的第二对应关系，具体包括：
设定所述第一阶段中的反应腔室温度为所述第一温度，将所述第二阶段中反应腔室的温度设定不同的温度梯度，所述测试用硅片的边缘与所述反应腔室内基座的口袋边缘之间的间隙，以得到所述第二对应关系。
5.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于，
所述第一温度为570～620℃，所述第二温度为750～800℃。
6.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：
在所述硅片运送阶段及所述硅片放置阶段，实时监测当前硅片的边缘与基座的口袋边缘的间隙，当所述间隙超过阈值时，判断当前硅片未处于目标位置上，并重新开始所述确定硅片运送阶段的反应腔室的第一温度、及硅片放置阶段的第二温度的步骤，直至所述间隙处于所述阈值内。
7.一种外延生长设备，其特征在于，包括：
硅片运送装置，包括托盘，所述硅片承载至所述托盘上；及
外延生长装置，所述外延生长装置包括：
用于承载所述硅片的基座；
用于容纳所述基座的反应腔室；
用于支撑所述基座的基座支撑架，所述基座支撑架位于所述基座下方；及
加热单元，所述加热单元设置在所述反应腔室外，为所述反应腔室提供用于气相外延沉积的高温环境；其中
所述加热单元被配置为在所述硅片从所述反应腔室的外部抵达所述反应腔室内的过程中，向所述硅片辐射热量使得所述反应腔室的温度为第一温度；在所述硅片被放置于所述反应腔室内的基座上的过程中，向所述硅片辐射热量使得所述反应腔室的温度为第二温度。
8.根据权利要求7所述的外延生长设备，其特征在于，所述反应腔室包括上部钟罩和下部钟罩，所述上部钟罩和所述下部钟罩一起围合形成所述反应腔室，所述基座将所述反应腔室分隔出上反应腔室和下反应腔室，所述硅片放置在所述上反应腔室内。
9.根据权利要求7所述的外延生长设备，其特征在于，所述基座支撑架包括：
支撑柱；及
从所述支撑柱的纵向轴线开始径向向外且沿轴向向上延伸的多根支撑臂，所述支撑臂包括在其轴向向上延伸方向上相对的第一端和第二端，所述第一端连接至所述支撑柱，所述第二端与所述支撑柱一起支撑所述基座；
多个升降销，所述升降销设置在所述支撑臂的所述第二端，且所述基座上设有通孔，所述升降销可升降地设置在所述通孔内，用于升降所述硅片。
10.根据权利要求7所述的外延生长设备，其特征在于，所述基座上设有一个口袋，所述口袋可容纳所述硅片；
所述外延生长设备还包括：
图像采集器，所述图像采集器用于实时监控硅片的边缘与所述口袋的边缘之间的间隙信息；
报警器，用于当所述间隙大于阈值时进行报警。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |