TW202323602A - 磊晶生長方法及磊晶晶圓 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種磊晶生長方法及磊晶晶圓，屬半導體製造技術領域。磊晶生長方法，應用於磊晶生長設備，該磊晶生長設備包括反應腔室、位於該反應腔室內的基座、用於對該反應腔室進行加熱的加熱模組，該加熱模組包括位於該基座沿垂直方向的上方的第一加熱組件和位於該基座沿垂直方向的下方的第二加熱組件，該磊晶生長方法包括：在將拋光後的晶圓放置在該基座上之前，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱，且該第一加熱組件的熱發射率大於該第二加熱組件的熱發射率。
Description
本發明是有關於一種半導體製造技術領域，特別屬於一種磊晶生長方法及磊晶晶圓。
磊晶生長是指在單晶矽基板上，通過磊晶（epitaxy）技術生長一層單晶薄膜（晶向與基板晶向一致）的製程過程。磊晶片的整個生產流程包括長晶（多晶矽料拉製矽晶棒）→成型（切片研磨）→拋光（雙面拋光）→清洗（去除表面微粒、金屬離子和有機物）→磊晶（氣相沉積）五大步驟，其中磊晶作為最後一道重要步驟，可以改善拋光片的晶體性質、原生缺陷、電阻率以及平坦度等。
在磊晶生長過程中，磊晶層上會出現許多缺陷，按所在位置分兩類：①表面缺陷；②體內缺陷。表面缺陷指顯露在磊晶層表面的缺陷，可用肉眼或金相顯微鏡觀察到，主要表現為：雲霧狀表面、角錐體、劃痕、星狀體、麻坑等。體內缺陷指位於磊晶層內部的晶體結構缺陷，主要有：位錯和層錯。從廣義上講，缺陷也包括氧、碳、重金屬等雜質以及原子空位和填隙原子等點缺陷。這些缺陷的存在會直接影響半導體的性能。
磊晶層中各種缺陷不但與基板品質、基板表面情况有關，也與磊晶生長過程本身有著密切的關係。雲霧狀表面是一種存在於磊晶層表面的缺陷，其中B-halo指出現在晶圓背面位置的霧度，利用AVIS目視檢測儀檢測出晶圓背面邊緣存在類似於基座的印記，其形成來源包括：①TCS從晶圓邊緣與基座縫隙中進入基座表面孔洞，在高溫下沉積到晶圓背面；②基座表面的多晶矽在高溫下沉積到晶圓背面，形成基座印記的Halo（光暈）。其形成原因是由於在相關技術中的製程條件下，晶圓在加載進入反應腔室前處於環境溫度狀態，而反應腔室在空閒狀態下溫度始終保持在850℃，這就導致在長膜時基座表面溫度實質高於晶圓背面溫度，造成基座表面殘留的多晶矽以質量傳輸方式從基座表面擴散到晶圓背面。
為了解决上述技術問題，本發明提供一種磊晶生長方法及磊晶晶圓，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：
一種磊晶生長方法，應用於磊晶生長設備，該磊晶生長設備包括反應腔室、位於該反應腔室內的基座、用於對該反應腔室進行加熱的加熱模組，該加熱模組包括位於該基座沿垂直方向的上方的第一加熱組件和位於該基座沿垂直方向的下方的第二加熱組件，該磊晶生長方法包括：
在將拋光後的晶圓放置在該基座上之前，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱，且該第一加熱組件的熱發射率大於該第二加熱組件的熱發射率。
一些實施例中，該第一加熱組件的熱發射率比該第二加熱組件的熱發射率大0.001-0.02。
一些實施例中，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱之後，該方法還包括：
將拋光後的晶圓放置在該基座上，在第一溫度下向該反應腔室內通入氫氣，對該反應腔室進行吹掃；
升高該第一加熱組件和該第二加熱組件的功率，在第二溫度下對該晶圓表面進行氫氣烘烤；
在第三溫度下向該反應腔室內通入刻蝕氣體，對該晶圓表面進行刻蝕；
在該第三溫度下向該反應腔室內通入矽源氣體，在刻蝕後的該晶圓的表面上生長磊晶層。
一些實施例中，在該晶圓的表面上生長磊晶層之後，該方法還包括：
在該第一溫度下，繼續向該反應腔室內通入氫氣，對該反應腔室進行吹掃。
一些實施例中，該第一溫度為800-900℃。
一些實施例中，該第二溫度為1120-1140℃。
一些實施例中，該第三溫度為1110-1130℃。
一些實施例中，在該第三溫度下向該反應腔室內通入矽源氣體之前，該方法還包括：
在該第三溫度下經由該反應腔室的進氣口將矽源氣體輸入到氣體輸送管道。
一些實施例中，從該第一溫度到該第二溫度的升溫速率為2.5℃/s-3.5℃/s。
本發明實施例還提供了一種磊晶晶圓，採用如上所述的磊晶生長方法得到。
本發明的有益效果是：
本實施例中，在磊晶製程進行前，將第一加熱組件的熱發射率升高，而熱發射率與溫度存在反比的關係，熱發射率越小，測量示數溫度越高；熱發射率越大，測量示數溫度越低；在製程溫度設定一定值的情况下，第一加熱組件會對晶圓表面進行溫度補償，從而使得晶圓表面溫度略微高於基座溫度，可以抑制基座表面的多晶矽擴散到磊晶晶圓背面，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例的圖式，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於所描述的本發明的實施例，本領域通常知識者所獲得的所有其他實施例，都屬本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、 「上」、 「下」、 「左」、 「右」、 「垂直」、 「水平」、 「內」、 「外」等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了 便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、 以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、 「第二」、 「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
圖1表示磊晶片背面Halo的示意圖；其形成來源如圖2所示，在進行磊晶製程時，矽源氣體（TCS）流經晶圓表面的路徑包括：①TCS從晶圓邊緣與基座縫隙中進入基座表面孔洞，在高溫下沉積到晶圓背面；②基座表面的多晶矽在高溫下沉積到晶圓背面，形成基座印記的Halo。在相關技術中的製程條件下，晶圓在加載進入反應腔室前處於環境溫度狀態，而反應腔室在空閒狀態下溫度始終保持在850℃，這就導致在成膜時基座表面溫度實質高於晶圓背面溫度，造成基座表面殘留的多晶矽以質量傳輸方式從基座表面擴散到晶圓背面。因此，可以控制晶圓背面溫度高於基座表面溫度，抑制基座表面多晶矽擴散到晶圓背面，最終提高磊晶晶圓的產品良率。
本發明提供一種磊晶生長方法及磊晶晶圓，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
本發明實施例提供一種磊晶生長方法，應用於磊晶生長設備，如圖3所示，該磊晶生長設備1包括反應腔室3、位於該反應腔室3內的基座4、用於對該反應腔室3進行加熱的加熱模組，該加熱模組包括位於該基座4沿垂直方向的上方的第一加熱組件21和位於該基座4沿垂直方向的下方的第二加熱組件22，如圖4所示，該磊晶生長方法包括：
步驟101：在將拋光後的晶圓5放置在該基座4上之前，控制該第一加熱組件21和該第二加熱組件22對該反應腔室3進行加熱，且該第一加熱組件21的熱發射率大於該第二加熱組件22的熱發射率。
本實施例中，在磊晶製程進行前，將第一加熱組件的熱發射率升高，而熱發射率與溫度存在反比的關係，熱發射率越小，測量示數溫度越高；熱發射率越大，測量示數溫度越低；在製程溫度設定一定值的情况下，第一加熱組件會對晶圓表面進行溫度補償，從而使得晶圓表面溫度略微高於基座溫度，可以抑制基座表面的多晶矽擴散到磊晶晶圓背面，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
本實施例中，第一加熱組件21和第二加熱組件22可以採用加熱燈模組，每一加熱組件可以包括多個加熱燈模組。如圖3所示，第一加熱組件21主要用以對晶圓5進行加熱，第二加熱組件22主要用以對基座4進行加熱，在升高第一加熱組件21的熱發射率後，可以在製程溫度設定一定值的情况下，使得晶圓5表面溫度略微高於基座4溫度。
一些實施例中，該第一加熱組件21的熱發射率比該第二加熱組件22的熱發射率大0.001-0.02，具體地，該第一加熱組件21的熱發射率可以比該第二加熱組件22的熱發射率大0.001、0.003、0.005、0.007、0.009、0.011、0.013、0.015、0.017、0.019或0.02。在該第一加熱組件21的熱發射率比該第二加熱組件22的熱發射率大0.001-0.02時，可以有效抑制基座4表面的多晶矽擴散到磊晶晶圓背面，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
一些實施例中，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱之後，如圖4所示，該方法還包括：
步驟102：將拋光後的晶圓5放置在該基座4上，在第一溫度下向該反應腔室3內通入氫氣，對該反應腔室3進行吹掃，以清除加載晶圓時可能進入反應腔室的氮氣，該第一溫度為800-900℃，包括第一溫度可以為800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃；
步驟103：升高該第一加熱組件21和該第二加熱組件22的功率，在第二溫度下對該晶圓5表面進行氫氣烘烤，在磊晶生長過程中，在氫氣氛圍下高溫能更加高效去除掉晶圓表面殘留的氧化物和有機物，其中，該第二溫度可以為1120-1140℃，包括第二溫度可以為1120℃、1122℃、1126℃、1128℃、1130℃、1132℃、1134℃、1136℃、1138℃或1140℃；
相比相關技術中的腔室溫度為1050℃，適當升高腔室溫度，可以改善磊晶晶圓的缺陷表現，提高磊晶晶圓的產品良率。
步驟104：在第三溫度下向該反應腔室3內通入刻蝕氣體，對該晶圓5表面進行刻蝕，一方面可以去除晶圓表面附著的顆粒物以及損傷層，另一方面可以調節晶圓的平坦度，其中，該第三溫度可以為1110-1130℃，包括第三溫度可以為1110℃、1112℃、1116℃、1118℃、1120℃、1122℃、1124℃、1126℃、1128℃或1130℃；刻蝕氣體可以為氯化氫HCl；
相比相關技術中的腔室溫度為1050℃，適當升高腔室溫度，可以改善磊晶晶圓的缺陷表現，提高磊晶晶圓的產品良率。
步驟106：在該第三溫度下向該反應腔室3內通入矽源氣體，在該晶圓5的表面上生長磊晶層，矽源氣體可以為TCS。
一些實施例中，在該晶圓的表面上生長磊晶層之後，如圖4所示，該方法還包括：
步驟107：在該第一溫度下，繼續向該反應腔室內通入氫氣，對該反應腔室進行吹掃，以將殘留在反應腔室3內的製程氣體排出。
一些實施例中，在該第三溫度下向該反應腔室內通入矽源氣體之前，如圖4所示，該方法還包括：
步驟105：在該第三溫度下經由該反應腔室的進氣口將矽源氣體輸入到氣體輸送管道，這樣可以吹掃掉氣體輸送管道內殘留的氣體，同時可以保證矽源氣體在進入反應腔室3前氣壓穩定。
本實施例的技術方案適用於300mm的磊晶反應爐，可以有效減少磊晶晶圓背面的缺陷數量，一具體示例中，本實施例具體包括以下步驟：
步驟1、在將拋光後的晶圓加載進反應腔室3前，在相關技術中的製程條件下將第一加熱組件21的熱發射率升高0.001-0.02，在後續步驟2-9中，第一加熱組件21的熱發射率可以為0.626，第二加熱組件22的熱發射率可以為0.624；
步驟2、通過機械手臂將拋光後的晶圓5放置在反應腔室3內部圓盤狀的基座4上，晶圓一般有＜100＞晶向和＜110＞兩類晶向，此時反應腔室3溫度為850℃，從反應腔室3的進氣口31通入H
2對反應腔室3進行吹掃，以清除加載晶圓5時可能進入反應腔室3的N
2，H
2的流量可以為75 SLM，其中SLM為流量單位，其含義為1個大氣壓以及25攝氏度的條件下每分鐘流通的以立方厘米為單位的體積值；
步驟3、通過升高第一加熱組件21和第二加熱組件22的功率，對反應腔室3進行升溫，升溫速率可以為2.5℃/s-3.5℃/s，包括可以為2.5℃/s、2.7℃/s、3.0℃/s、3.2℃/s、3.5℃/s，對反應腔室3進行快速升溫可以去除反應腔室3內的氧化物，避免氧化物影響磊晶層的品質。在升溫後，反應腔室3的溫度以及拋光後的晶圓的溫度可以升溫至1130℃，以達到磊晶生長所需溫度；該步驟中，繼續向反應腔室內通入H
2，H
2的流量可以為75 SLM；
步驟4、在1130℃的高溫下對晶圓表面進行H
2烘烤，在H
2氛圍下高溫能更加高效去除掉晶圓表面殘留的氧化物和有機物；該步驟中，繼續向反應腔室內通入H
2，H
2的流量可以為75 SLM；
步驟5、向反應腔室3內通入HCl刻蝕氣體，HCl的流量可以控制在2 SLM，輸送時間可以為10s-30s，具體地，輸送時間可以為10s、12s、15s、17s、20s、22s、25s、27s或30s，反應腔室3的溫度可以為1120℃，通過通入刻蝕氣體一方面可以去除晶圓表面附著的顆粒物以及損傷層，另一方面可以調節晶圓5的平坦度；該步驟中，繼續向反應腔室3內通入H
2，H
2的流量可以為75 SLM；
步驟6、經由反應腔室3的進氣口31通入矽源氣體TCS，流量可以為5-20SLM，具體地，流量可以為5SLM、7SLM、9SLM、11SLM、13SLM、15SLM、17 SLM或20SLM。其中，32為反應腔室3的出氣口。該步驟中TCS不進入反應腔室3，僅進入氣體輸送管道，以吹掃掉氣體輸送管道內殘留的氣體，避免殘留的氣體影響磊晶生長，同時可以保證矽源氣體在進入反應腔室3前氣壓穩定；該步驟中，繼續向反應腔室3內通入H
2，H
2的流量可以為75 SLM；
步驟7、將矽源氣體TCS通入反應腔室3，流量可以為5-20SLM，具體地，流量可以為5SLM、7SLM、9SLM、11SLM、13SLM、15SLM、17 SLM或20SLM。在晶圓5表面沉積成膜，生長磊晶層；該步驟中，繼續向反應腔室3內通入H
2，H
2的流量可以為75 SLM；
步驟8、沉積成膜後繼續對反應腔室3進行H
2吹掃，以將殘留在反應腔室3內的製程氣體排出，H
2的流量可以為75 SLM；同時該步驟對反應腔室和成膜後的磊晶晶圓進行降溫冷却，降溫速率可以為9℃/s，該步驟不再向反應腔室內通入矽源氣體；
步驟9、反應腔室3的溫度降低至850℃，將磊晶晶圓卸載退出反應腔室3。
磊晶反應需要在高溫環境下進行，磊晶生長設備依靠第一加熱組件和第二加熱組件對反應腔室進行加熱，其中第一加熱組件主要對晶圓表面加熱，第二加熱組件主要對基座加熱，在整個磊晶製程進行前，相關技術中的製程條件下將第一加熱組件的熱發射率升高0.001-0.02，而熱發射率E與溫度T存在E=r/T的關係，其中r為常數（熱發射率越小，測量示數溫度越高；熱發射率越大，測量示數溫度越低），因此當熱發射率升高時，測量示數溫度偏低，在製程溫度設定一定值的情况下，第一加熱組件會對晶圓表面進行溫度補償，從而使得晶圓表面溫度略微高於基座溫度，可以抑制基座表面的多晶矽擴散到磊晶晶圓背面。另外，在對晶圓表面進行H
2烘烤時，將反應腔室溫度從相關技術中的1050℃升高至1130℃，進一步在沉積成膜步驟將反應腔室溫度從相關技術中的1050℃升高至1120℃，通過進行溫度上的適當升高，能夠改善磊晶晶圓產品的缺陷表現，並且提高磊晶晶圓產品的良率。
本發明實施例還提供了一種磊晶晶圓，採用如上所述的磊晶生長方法得到，能夠消除磊晶晶圓背面的Halo，提高磊晶晶圓的產品良率。
本發明實施例還提供一種電子器件。根據本發明的實施例，上述電子器件具有以上實施例的方法處理得到的磊晶晶圓或以上實施例的磊晶晶圓。由此，上述電子器件具有上述磊晶晶圓的所有優點，在此不再贅述。
需要說明，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於實施例而言，由於其基本相似於產品實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見產品實施例的部分說明即可。
在上述實施方式的描述中，具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的通常知識者在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以該申請專利範圍的保護範圍為準。
1:外延生長設備
3:反應腔室
4:基座
5:晶圓
21:第一加熱組件
22:第二加熱組件
31:進氣口
32:出氣口
101-107:步驟
圖1表示磊晶片背面Halo的示意圖；
圖2表示矽源氣體流經晶圓表面的路徑示意圖；
圖3表示本發明實施例磊晶生長設備的結構示意圖；
圖4表示本發明實施例磊晶生長方法的流程示意圖。
101-107:步驟
Claims (10)
- 一種磊晶生長方法，應用於磊晶生長設備，該磊晶生長設備包括反應腔室、位於該反應腔室內的基座、用於對該反應腔室進行加熱的加熱模組，該加熱模組包括位於該基座沿垂直方向的上方的第一加熱組件和位於該基座沿垂直方向的下方的第二加熱組件，該磊晶生長方法包括： 在將拋光後的晶圓放置在該基座上之前，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱，且該第一加熱組件的熱發射率大於該第二加熱組件的熱發射率。
- 如請求項1所述的磊晶生長方法，其中，該第一加熱組件的熱發射率比該第二加熱組件的熱發射率大0.001-0.02。
- 如請求項1所述的磊晶生長方法，其中，控制該第一加熱組件和該第二加熱組件對該反應腔室進行加熱之後，該方法還包括： 將拋光後的晶圓放置在該基座上，在第一溫度下向該反應腔室內通入氫氣，對該反應腔室進行吹掃； 升高該第一加熱組件和該第二加熱組件的功率，在第二溫度下對該晶圓表面進行氫氣烘烤； 在第三溫度下向該反應腔室內通入刻蝕氣體，對該晶圓表面進行刻蝕； 在該第三溫度下向該反應腔室內通入矽源氣體，在刻蝕後的該晶圓的表面上生長磊晶層。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，在該晶圓的表面上生長磊晶層之後，該方法還包括： 在該第一溫度下，繼續向該反應腔室內通入氫氣，對該反應腔室進行吹掃。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，該第一溫度為800-900℃。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，該第二溫度為1120-1140℃。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，該第三溫度為1110-1130℃。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，在該第三溫度下向該反應腔室內通入矽源氣體之前，該方法還包括： 在該第三溫度下經由該反應腔室的進氣口將矽源氣體輸入到氣體輸送管道。
- 如請求項3所述的磊晶生長方法，其中，從該第一溫度到該第二溫度的升溫速率為2.5℃/s-3.5℃/s。
- 一種磊晶晶圓，採用如請求項1-9中任一項所述的磊晶生長方法得到。
Applications Claiming Priority (2)
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