CN117396641A - 用于在沉积设备中在由半导体材料制成的衬底晶圆上沉积外延层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在沉积设备中在由半导体材料制成的衬底晶圆上沉积外延层的方法，所述方法包括：在沉积设备的基座上放置衬底晶圆，所述基座被预热环包围且以一定的间隙与其分隔开，并且由支撑轴保持；确定垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度；使沉积气体沿着从气体入口指向气体出口的流动方向在衬底晶圆的上方通过；使吹扫气体沿着预热环的下面和基座的下面通过；使支撑轴以一定的频率围绕旋转轴线旋转；其特征在于，使支撑轴以其旋转频率从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置，其中在起始位置，支撑轴的旋转轴线沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置，从起始位置到终止位置的移动路径取决于偏心度。

Description

用于在沉积设备中在由半导体材料制成的衬底晶圆上沉积外 延层的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在沉积设备中在半导体材料的衬底晶圆(或晶片)上沉积外延层的方法。

背景技术

现有技术/问题

在半导体材料的衬底晶圆上沉积外延层通常通过CVD(化学气相沉积)在能够容纳衬底晶圆的沉积设备中完成。在外延层的沉积期间，衬底晶圆位于由支撑轴保持并旋转的基座上，并且沉积气体在衬底晶圆的自由上表面的上方通过，换句话说，在其前侧(正面)的上方通过，并且同时吹扫气体沿着预热环的下侧和基座的下侧通过。预热环被布置在基座周围，两者以一定的间隙分隔开。上穹顶和下穹顶限定反应室，外延层在该反应室内被沉积在衬底晶圆上。来自灯阵列的辐射热通过一个或所有两个穹顶进行照射，以便提供所需的沉积温度。

例如，在US2016 0 010 239A1中描述了具有这些特征的沉积设备。

具有外延层的半导体晶圆(外延晶圆)是电子工业中要求特别高的应用所必需的。相应地，例如，与沉积的外延层的厚度均匀性相关的要求是特别具有挑战性的。

DE 11 2018 001 223 T5公开了如果厚度差异的原因是在外延层的沉积期间基座的几乎不可避免的非中心位置，那么如何借助于预热环(其内周边的形状偏离圆形形状)来减小外延层中的厚度差异。非中心位置表现为垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过衬底晶圆的中心的轴线之间的偏心度(或偏心距)。

JP 2016 213 242A2通过外延层生长的条件的适配来解决相同的问题。这种适配作为偏心度的函数进行，偏心度借助于相机系统确定。

这些解决方案的一个缺陷在于，预热环的形状代表静态系统，该静态系统不允许对变化的偏心度给出随时响应。生长条件的适配是一个问题，因为它需要对复杂系统的流动力学进行干预，该复杂系统尤其对掺杂剂的分布敏感地作出反应。

发明内容

因此，期望提供一种易于实施并且没有此类缺陷的解决方案。

本发明的目的通过一种用于在沉积设备中在半导体材料的衬底晶圆上沉积外延层的方法来实现，所述方法包括：

在沉积设备的基座上放置衬底晶圆，所述基座被预热环包围且以一定的间隙与所述预热环分隔开，并且由支撑轴保持；

确定垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度；

使沉积气体沿着从气体入口指向气体出口的流动方向在衬底晶圆上方通过；

使吹扫气体沿着预热环的下侧和基座的下侧通过；

使支撑轴以一定的频率围绕旋转轴线旋转；

其包括：

使支撑轴以其旋转频率从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置，其中在所述起始位置，支撑轴的旋转轴线沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置，从起始位置到终止位置的位移路径取决(或依赖)于偏心度。

所述方法还可以在沉积室的热状态下(例如，在沉积温度下)进行，因为不需要打开沉积室。

偏心度优选地借助于相机(或摄像机)系统来确定，该相机系统至少在一个位置处判定预热环的内边缘与基座的外边缘之间的间隙宽度的变化，并在此基础上计算偏心度。例如，对于给定的基座旋转速度，可以测量观察到自一次旋转开始以来的最大间隙宽度时的旋转角度，其中一次旋转的开始限定出沉积设备的原位信号(home signal)。

基座以接收面位于支撑轴的臂的保持面上的方式定位。偏心度特别地是制造公差的结果，所述制造公差首先由支撑轴的臂上的保持面施予(或导致)，并且其次由基座上的接收面施予。

根据偏心度的量值(或大小)，预热环的内边缘与基座的外边缘之间的间隙在基座周边的一个位置处比在其它位置处更宽。由于较宽的间隙，更多的吹扫气体进入衬底晶圆上方的反应室，在那里，吹扫气体更强烈地稀释沉积气体。这种效果导致沉积在衬底晶圆上的外延层的层厚度分布更加不均匀。

根据本发明，基座的支撑轴以支撑轴的旋转频率从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置，其中在所述起始位置，支撑轴沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置，从起始位置到终止位置的位移路径取决于垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度。

例如，支撑轴可以使用如在US2016 0 010 239A1中描述的驱动器来移动。支撑轴优选地借助于至少一个致动器压电式地移动。

基座优选地以30转/分钟(rmin^-1)至60转/分钟进行旋转，并且支撑轴对应地以1秒(s)至2秒的周期时间移动。

衬底晶圆由半导体材料(优选地为单晶硅)构成，沉积在所述衬底晶圆的前侧上的外延层也是如此。衬底晶圆的直径优选地为至少200mm(毫米)，更优选地为至少300mm。

沉积气体包括含有半导体材料的化合物，例如，硅烷或氯硅烷(例如，三氯硅烷)；吹扫气体优选地包含氢气。

根据本发明的第一配置，从起始位置到终止位置的位移路径由矢量表述，该矢量的量值为偏心度的量值，并且该矢量的方向与偏心度的方向相反。因此，支撑轴的移动(移位)的量值和方向由垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度来导引。以支撑轴的旋转运动的频率，支撑轴从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置。在起始位置，基座的支撑轴沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置。该轴线通常也是垂直穿过沉积设备的中心的轴线。

支撑轴以及其保持的基座的移动减轻了由偏心度引起的基座的旋转运动的不平衡。在平均时间的基础上，位于(或平置于)基座上的衬底晶圆更加以预热环为中心，并且因此在平均时间的基础上，预热环与基座之间的间隙的宽度更均匀。这影响了沉积在衬底晶圆上的外延层的厚度，其分布变得更均匀。

根据本发明的第二配置，衬底晶圆的楔形特性被确定，并且被包括在对于基座的支撑轴的移动而言所考虑的因素中。

如果当沿着衬底晶圆的直径观察衬底晶圆的横截面时衬底晶圆的厚度经历线性增加或线性减小，则衬底晶圆是楔形形状的。楔形特性可以例如通过最大和最小横截面厚度之间的比率来量化。

发明人已经发现，如果在沉积期间基座的支撑轴沿着沉积气体的流动方向以基座的支撑轴的旋转频率从起始位置到终止位置来回移动(移位)，则楔形特性随着外延层的沉积而降低。在起始位置，基座的支撑轴沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置。从起始位置到终止位置的位移路径的量值由衬底晶圆的楔形特性的程度来导引。位移路径量值的相关性(其在存在衬底晶圆的一定的楔形特性的情况下是必要的，以便在很大程度上消除由外延层的沉积产生的楔形性质)必须预先通过实验确定。因此，该位移路径的量值和方向可以由取决于衬底晶圆的楔形特性的另一矢量来表述。

在本发明的第二配置中，考虑了衬底晶圆的楔形特性以及垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度。

相应地，在外延层的沉积期间，基座的支撑轴根据合成矢量的规定(或规范)以支撑轴旋转的频率从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置。在起始位置，基座的支撑轴沿着垂直穿过预热环的中心的轴线布置。合成矢量对应于表述取决于衬底晶圆的楔形特性的位移路径的另一矢量与表述取决于垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的偏心度的位移路径的矢量的矢量和。

下面参考附图进一步介绍本发明。在下文中，假定衬底晶圆居中地位于基座上，并且偏心度是由于基座在基座的支撑轴的承载臂上的非中心位置造成的。

附图说明

图1以剖面图示(或表示)的方式示出了适于实施本发明的方法的设备。

图2示出了该设备的进一步的细节。

图3和图4以平面视图的方式示出了在垂直穿过预热环的中心的轴线与垂直穿过基座的中心的轴线之间的存在偏心度的情况下基座和预热环的相对位置，以及根据本发明的第一和第二配置的支撑轴的移动。

所使用的附图标记列表

1 衬底晶圆

2 基座

3 预热环

4 沉积面

5 间隙

6 图像细节

7 相机系统

8 图像处理(器件)

9 支撑轴

10 承载臂

11 升降轴

12 底座

13 气体入口

14 气体出口

15 另一气体入口

16 另一气体出口

17 上穹顶

18 下穹顶

19 灯阵列

20 沉积设备

21 控制装置

22 垂直穿过预热环的中心的轴线

23 后侧

24 底部

25 波纹管

26 垂直穿过基座的中心的轴线

27 致动器

28 致动器

29 致动器

30 致动器

具体实施方式

本发明的工作示例的详细描述

图1以剖面图示的方式示出了用于在半导体材料的衬底晶圆上沉积外延层的设备，该设备适于实施本发明的方法。该沉积设备20的反应室的上方由上穹顶17界定，并且其下方由下穹顶18界定。支撑轴9布置在反应室的中心处，承载臂10在支撑轴9的上端处从其分支。承载臂10支撑基座2，在外延层的沉积期间，衬底晶圆1位于基座2上。在所示实施例中，在装载沉积设备20的过程中，衬底晶圆1将被放置在升降轴11上并且通过降低升降轴11而被放置在基座2上。在沉积设备的侧壁与基座2之间布置有预热环3。沉积气体从气体入口13到气体出口14在衬底晶圆1的前侧(其指向上穹顶17)的上方通过，该入口和出口布置在沉积设备的一侧壁上。此外，还设置(提供)有用于吹扫气体的对应的另一气体入口15和另一气体出口16，吹扫气体在预热环3的下方和基座2的下方穿过反应室。箭头指示气流的流动方向。取决于预热环3与基座2之间的间隙5的宽度，吹扫气体的一部分进入沉积气体流中并稀释沉积气体。反应室由灯阵列19从外部加热，灯阵列19经过上穹顶17和下穹顶18照射辐射能。沉积设备20的下穹顶18通过波纹管25连接(接合)到底座12，以便使得支撑轴9能够运动，并且以便相对于流入的环境大气密封由波纹管创建的内部。

该设备包括控制装置21，该控制装置21被配置用于支撑轴9的周期性移动。为了支撑轴9在水平方向上的移动，存在致动器27(用于x方向上的移动)和28(用于y方向上的移动)。可选地，还可以存在另外的致动器29和30，其设置用于使支撑轴9倾斜到图1的观察平面之外。

该设备进一步包括带有图像处理8的相机系统7(图2)，以便确定垂直穿过预热环3的中心的轴线22与垂直穿过基座2的中心的轴线26之间的偏心度。相机系统7包括用于在基座2借助于支撑轴9旋转期间观察图像细节6的相机。图像细节6捕获径向延伸的区域，该径向延伸的区域优选地包括衬底晶圆1的外周边的一部分、基座2的外周边的一部分以及预热环3的内周边的一部分，并且因此还包括基座2与预热环3之间的间隙5的一部分。衬底晶圆1位于基座2的放置区域4上的凹穴(袋状部)中，并且因此衬底晶圆1的后侧(背面)23与基座2的基部24相距一定距离。借助于图像处理8来评估包含在图像细节6中的信息。

图2所示的衬底晶圆1具有楔形横截面。其厚度从较薄边缘到较厚边缘线性地增大。

图3以平面视图的方式示出了在垂直穿过预热环3的中心的轴线22与垂直穿过基座2的中心的轴线26之间具有(一定的)偏心度的情况下基座2和预热环3的内边缘的相对位置。在该起始位置，支撑轴9的旋转轴线沿着垂直穿过预热环3的中心的轴线22布置。偏心度的量值和方向由矢量E表述。在衬底晶圆1居中地位于基座2上的情况下，垂直穿过基座的中心的轴线26与垂直穿过衬底晶圆的中心的轴线具有相同的位置。根据本发明的第一配置，在衬底晶圆1上沉积外延层期间，支撑轴9以一定的频率旋转，并且在每次旋转期间从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置。位移的量值和方向由矢量Vr1表述，矢量Vr1的量值为矢量E的量值，而矢量Vr1的方向与矢量E的方向相反。在起始位置，支撑轴9的旋转轴线沿着垂直穿过预热环3的中心的轴线22定向，而在终止位置，其被移动到矢量Vr1的顶端。

本发明的第二配置还考虑了当基座的支撑轴被移动(移位)时衬底晶圆的楔形特性。图4是类似于图3的视图呈现，并且示出了第二配置。根据本发明的第二配置，在衬底晶圆1上沉积外延层期间，基座2的支撑轴9以一定的频率旋转，并且在每次旋转期间从起始位置移动到终止位置并返回到起始位置。从起始位置到终止位置的位移路径的量值和方向由合成矢量Vr2表述。该矢量对应于矢量Vr1和K之和，其中矢量K具有从沉积气体入口13到气体出口14的方向，换句话说，具有沉积气体的流动方向，并且具有取决于衬底晶圆1的楔形性质的量值。在起始位置，支撑轴9的旋转轴线沿着垂直穿过预热环3的中心的轴线22定向，而在终止位置，其被移动到合成矢量Vr2的顶端。

为了图解说明，图3和图4中示出(或呈现)的矢量的长度以夸大的方式绘制。实际上，相应的位移路径通常为100-1000μm。

Claims (4)

1.一种用于在沉积设备中在半导体材料的衬底晶圆上沉积外延层的方法，包括：

在所述沉积设备的基座上放置所述衬底晶圆，所述基座被预热环包围且以一定的间隙与所述预热环分隔开，并且由支撑轴保持；

确定垂直穿过所述预热环的中心的轴线与垂直穿过所述基座的中心的轴线之间的偏心度；

使沉积气体沿着从气体入口指向气体出口的流动方向在所述衬底晶圆的上方通过；

使吹扫气体沿着所述预热环的下侧和所述基座的下侧通过；

使所述支撑轴以一定的频率围绕旋转轴线旋转；

其包括：

使所述支撑轴以其旋转频率从起始位置移动到终止位置并返回到所述起始位置，其中在所述起始位置，所述支撑轴的旋转轴线沿着垂直穿过所述预热环的中心的轴线布置，从所述起始位置到所述终止位置的位移路径取决于所述偏心度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述起始位置到所述终止位置的位移路径由矢量表述，所述矢量的量值为所述偏心度的量值，并且所述矢量的方向与所述偏心度的方向相反。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，从所述起始位置到所述终止位置的位移路径由所述矢量与作为被加数的另一矢量的矢量和的合成矢量表述，所述另一矢量的量值取决于所述衬底晶圆的楔形特性，并且所述另一矢量的方向具有所述沉积气体的流动方向。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述支撑轴借助于至少一个致动器移动。