TW202331027A - 用於矽片的外延生長的基座及裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提供了一種用於矽片的外延生長的基座及裝置，屬矽片外延生長技術領域。用於矽片的外延生長的基座，包括：用於承載所述矽片的圓盤形承載部；所述圓盤形承載部包括至少一個扇形區域和除所述扇形區域之外的間隔區域，所述扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的背面减薄，使得所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度。
Description
本發明主張在2022年12月15日在中國提交的中國專利申請No. 202211612969.5的優先權，其全部內容藉由引用包含於此。
本發明關於矽片外延生長技術領域，尤其關於一種用於矽片的外延生長的基座及裝置。
矽片的外延生長製程是半導體芯片製造過程中的一個重要製程，該製程是指在一定條件下，在經拋光的矽片上再生長一層電阻率和厚度可控、無晶體原生粒子（Crystal Originated Particles，COP）缺陷且無氧沉澱的矽單晶層。矽片的外延生長主要包括真空外延沉積、氣相外延沉積以及液相外延沉積等生長方法，其中以氣相外延沉積的應用最為廣泛。
對於矽片的外延生長而言，平坦度是衡量外延矽片的質量的重要指標，而外延矽片的平坦度與外延層的厚度直接相關。在外延生長過程中，由鹵素燈産生的反應腔室中的溫度、矽源氣體的濃度、矽源氣體的流動速度等都會對外延層的厚度産生非常明顯的影響。除此以外，矽片的晶向是影響外延層的厚度進而影響外延矽片的平坦度的另一個重要因素。
本發明提供一種用於矽片的外延生長的基座及裝置，能夠獲得平坦度更好的外延矽片。
為了達到上述目的，本發明實施例採用的技術方案是：
一種用於矽片的外延生長的基座，包括：
用於承載所述矽片的圓盤形承載部；
所述圓盤形承載部包括至少一個扇形區域和除所述扇形區域之外的間隔區域，所述扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的背面减薄，使得所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度。
一些實施例中，所述扇形區域的厚度從與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向至與所述矽片的相鄰於所述＜100＞晶向的＜110＞晶向對應的徑向方向逐漸增大。
一些實施例中，從所述圓盤形承載部的中心到邊緣的方向，所述基座的厚度先减小後增大。
一些實施例中，所述圓盤形承載部包括四個扇形區域，所述間隔區域和所述扇形區域交替排布。
一些實施例中，所述四個扇形區域的大小均相等。
一些實施例中，所述間隔區域與所述扇形區域的角度比例為0.5:1至1.25:1。
一些實施例中，所述扇形區域的厚度與所述間隔區域的厚度的差值在1 µm至2 µm。
一些實施例中，所述扇形區域的半徑小於所述基座的半徑。
本發明實施例還提供了一種用於矽片的外延生長的裝置，包括：
上述的基座；
用於容納所述基座的反應腔室，其中，所述基座將所述反應腔室分隔成上反應腔室和下反應腔室，所述矽片放置在所述上反應腔室中；
用於將矽源氣體輸送到所述上反應腔室中以在所述矽片上生長外延層的進氣口；
用於將外延生長産生的反應尾氣排出所述反應腔室的排氣口。
本發明的有益效果是：
本實施例中，當矽片置入基座內時，藉由傾斜面承載該矽片。基座厚度大的位置，熱量傳遞損耗較多，從而使對應位置的矽片的反應溫度降低，反應速度减慢，單位時間內生成的外延層厚度减小；基座厚度小的位置，熱量傳遞損耗較少，從而使對應位置的矽片的反應溫度升高，反應速度加快，單位時間內生成的外延層厚度增大。由於矽片＜110＞晶向處外延層的生長速率大於＜100＞晶向處外延層的生長速率，且＜100＞晶向處外延層的生長速率最低，因此，本實施例中，在圓盤形承載部中設計扇形區域，扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度，這樣可以保證基座與＜100＞晶向對應的位置處厚度較薄，提高該位置處的外延層生長速率，從而獲得平坦度更好的外延矽片。
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附圖，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，本發明所屬技術領域中的普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬本發明保護的範圍。
矽片的晶向對外延層的厚度存在影響。參見圖1，圖1以（100）晶面的矽片W100為例示出了矽片的晶向。如圖1所示，如果矽片W100的三點鐘方向是0°/360°的徑向方向並且是＜110＞晶向的話，則相對於0°/360°的徑向方向順時針旋轉的90°、180°和270°的徑向方向也為矽片W100的＜110＞晶向，而相對於0°/360°的徑向方向順時針旋轉的45°、135°、225°和315°的徑向方向為矽片W100的＜100＞晶向。也就是說，對於該矽片W100而言，4個＜110＞晶向與沿矽片的周向間隔90°分布的4個徑向方向相對應，4個＜100＞晶向同樣與沿矽片的周向間隔90°分布的4個徑向方向相對應，而相鄰的＜110＞晶向和＜100＞晶向沿矽片的周向間隔45°。
參見圖2，圖2表示了在使用常規的用於矽片的外延生長的基座的情况下，如圖1中示出且直徑為300 mm的矽片W100在距離徑向邊緣3mm的位置處的外延層厚度（Epitaxial Layer Thickness）結果。
在圖2中，橫坐標表示圖1中示出的矽片W100的徑向方向的角度，縱坐標表示矽片W100在對應角度位置處的外延層厚度值（單位為微米，µm）。如圖2所示，在45°、135°、225°和360/0°的徑向方向上，矽片W100上生長的外延層的厚度為峰值，也就是說，矽片W100在＜110＞晶向的生長速率最大；從45°、135°、225°和315°的徑向方向至0/360°、90°、180°和270°的徑向方向，矽片W100上生長的外延層的厚度逐漸减小，也就是說，矽片W100的生長速率從＜110＞晶向至＜100＞晶向逐漸减小，這也在圖1中藉由帶箭頭的弧線表示，其中箭頭方向表示生長速率减小方向；在0/360°、90°、180°和270°的徑向方向上，矽片W100上生長的外延層的厚度為穀值（亦為谷值，即在規定、限定的時間範圍內，時變數的最小值），也就是說，矽片W100在＜100＞晶向的生長速率最小。而且如在相關技術中已知的，上述厚度差異在越靠近矽片的徑向邊緣的區域表現的越明顯。
相關技術中一種改善外延矽片的平坦度的措施為，經由進氣口將用於阻止外延層的沉積的刻蝕氣體輸送到反應腔室中，並且在矽片隨著基座旋轉的過程中，當矽片的生長較快區域經過進氣口時，進氣速率增大，而當矽片的生長較慢區域經過進氣口時，進氣速率减小。然而，在矽片的外延生長過程中，不可避免地需要改變製程參數比如基座的轉速，在這種情况下，需要隨著轉速的改變來相應地改變進氣速率的變化，增大了製程複雜程度。
相關技術中另一種改善外延矽片的平坦度的措施為，在基座底面增加導熱塊來改變相應區域的溫度，以達到改善矽片平坦度的目的。然而，由於基座中安裝導熱塊的區域的厚度較小，通常小於3 mm，因此安裝的導熱塊會給基座帶來承重問題，影響基座的使用壽命。另一方面，導熱塊會改變除其安裝區域以外的相應區域的溫度，使得最終獲得的外延矽片的局部形貌受到影響，嚴重情况下會使矽片因應力不均勻而産生位錯。
為了解决上述技術問題，本發明實施例提供一種用於矽片的外延生長的基座及裝置，能夠獲得平坦度更好的外延矽片。
本發明實施例提供一種用於矽片的外延生長的基座，如圖3所示，包括：
用於承載所述矽片的圓盤形承載部10；
所述圓盤形承載部10包括至少一個扇形區域（S1~S4）和除所述扇形區域之外的間隔區域，所述扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的背面减薄，使得所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度。
本實施例中，當矽片置入基座內時，藉由傾斜面承載該矽片。基座厚度大的位置，熱量傳遞損耗較多，從而使對應位置的矽片的反應溫度降低，反應速度减慢，單位時間內生成的外延層厚度减小；基座厚度小的位置，熱量傳遞損耗較少，從而使對應位置的矽片的反應溫度升高，反應速度加快，單位時間內生成的外延層厚度增大。由於矽片＜110＞晶向處外延層的生長速率大於＜100＞晶向處外延層的生長速率，且＜100＞晶向處外延層的生長速率最低，因此，本實施例中，在圓盤形承載部中設計扇形區域，扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度，這樣可以保證基座與＜100＞晶向對應的位置處厚度較薄，提高該位置處的外延層生長速率，從而獲得平坦度更好的外延矽片。
由於從矽片＜110＞晶向到矽片＜100＞晶向的方向上，外延層的生長速率逐漸减低，因此，本實施例中，所述扇形區域的厚度從與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向至與所述矽片的相鄰於所述＜100＞晶向的＜110＞晶向對應的徑向方向逐漸增大，這樣可以使得矽片的反應溫度能夠與外延層的生長速率進行對應，從而達到外延層控制平坦度的目的。
一些實施例中，為保證基座的支撐强度及厚度穩定從所述圓盤形承載部的中心到邊緣的方向，所述基座的厚度先减小後增大。
一具體示例中，如圖4所示，A-A方向上，在靠近基座邊緣的位置處，厚度d1可以為3.83 µm，在靠近基座中心的位置處，厚度d3可以為2.38 µm，在基座中心與基座邊緣之間的位置處，厚度d2可以為2.71µm。
如圖5所示，在扇形區域S1中，B-B方向上，在靠近基座邊緣的位置處，厚度d4可以為3.83 µm，在從基座邊緣到基座中心的方向上，厚度d5可以為2.12 µm，厚度d6可以為1.93 µm，為保證基座底部强度，中心厚度d7可為2.38 µm，厚度d8可以為1.97 µm。
如圖6和圖7所示，在扇形區域S1中，C-C方向上的周長為57.46µm，C-C方向上基座的厚度d9為2.47 µm；D-D方向上的周長為87.16 µm，D-D方向上基座的厚度d10為2.58 µm，即越靠近基座的邊緣，扇形區域的厚度越大。
一些實施例中，如圖3所示，由於矽片包括四個＜100＞晶向，因此，所述圓盤形承載部10包括四個扇形區域：S1、S2、S3和S4，所述間隔區域和所述扇形區域交替排布、排列。這樣可以保證基座與所有矽片＜100＞晶向對應的位置處厚度較薄，提高該位置處的外延層生長速率，從而獲得平坦度更好的外延矽片。
一些實施例中，如圖3所示，所述四個扇形區域S1、S2、S3和S4的大小均相等。
一些實施例中，所述間隔區域與所述扇形區域的角度比例為0.5:1至1.25:1。
本實施例中，扇形區域的角度可以為30°至50°，比如，扇形區域的角度可以為30°，相應地，間隔區域的角度為60°；扇形區域的角度可以為40°，相應地，間隔區域的角度為50°；扇形區域的角度可以為50°，相應地，間隔區域的角度為40°。
在間隔區域與所述扇形區域的角度比例為0.5:1至1.25:1時，可以使得矽片＜110＞晶向處外延層的生長速率與＜100＞晶向處外延層的生長速率接近，有利於提高外延層的平坦度。
一些實施例中，所述扇形區域的厚度與所述間隔區域的厚度的差值在1 µm至2 µm。這樣可以保證在進行外延生長時，扇形區域處矽片的反應溫度與間隔區域處矽片的反應溫度基本一致，有利於提高外延層的厚度均一性。
一具體示例中，如圖3所示，所述扇形區域的半徑小於所述基座的半徑，這是因為在進行外延生長時，矽片一般僅放置在基座的中心區域，矽片在基座上的正投影不覆蓋基座的邊緣，基座邊緣的厚度不影響外延層的生長速率，因此，無需對基座邊緣的厚度進行减薄，這樣可以保證基座的支撐强度及厚度穩定。
本發明實施例還提供了一種用於矽片的外延生長的裝置，包括：
上述的基座；
用於容納所述基座的反應腔室，其中，所述基座將所述反應腔室分隔成上反應腔室和下反應腔室，所述矽片放置在所述上反應腔室中；
用於將矽源氣體輸送到所述上反應腔室中以在所述矽片上生長外延層的進氣口；
用於將外延生長産生的反應尾氣排出所述反應腔室的排氣口。
除此以外，與相關技術中用於矽片的外延生長的裝置一樣，該裝置還可以包括：基座支撐架、一起圍閉出反應腔室的上部石英鐘罩和下部石英鐘罩、多個加熱燈泡、安裝部件等，並且基座的徑向邊緣與相鄰部件之間也具有較小的間隙，以使基座能夠藉由基座支撐架的驅動以一定速度繞中心軸線旋轉，在此不再贅述。
需要說明，本發明說明書中的各個實施例均採用漸進的方式描述，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，由於其基本相似於産品實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見産品實施例的部分說明即可。
除非另外定義，本發明使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬技術領域內具有一般技術的人士所理解的通常意義。本發明中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語並不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。“包括”或者“包含”等類似的詞語意指出現該詞前面的元件或者物件涵蓋出現在該詞後面列舉的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語並非限定於物理的或者機械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。“上”、“下”、“左”、“右”等僅用於表示相對位置關係，當被描述對象的絕對位置改變後，則該相對位置關係也可能相應地改變。
可以理解，當諸如層、膜、區域或基板之類的元件被稱作位於另一元件“上”或“下”時，該元件可以“直接”位於另一元件“上”或“下”，或者可以存在中間元件。
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侷限於此，任何熟悉本發明所屬技術領域的技術人員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申請專利範圍的保護範圍為準。
W100:矽片
10:圓盤形承載部
S1、S2、S3、S4:扇形區域
d1、d3、d2、d4、d5、d6、d7、d8、d9、d10:厚度
圖1表示矽片的＜110＞晶向和＜100＞晶向的示意圖；
圖2表示矽片的外延層厚度示意圖；
圖3表示本發明實施例用於矽片的外延生長的基座的俯視示意圖；
圖4表示本發明實施例基座在A-A方向上的截面示意圖；
圖5表示本發明實施例基座在B-B方向上的截面示意圖；
圖6表示本發明實施例基座在C-C方向上的截面示意圖；以及
圖7表示本發明實施例基座在D-D方向上的截面示意圖。
10:圓盤形承載部
S1、S2、S3、S4:扇形區域
Claims (9)
- 一種用於矽片的外延生長的基座，包括： 用於承載所述矽片的圓盤形承載部； 所述圓盤形承載部包括至少一個扇形區域和除所述扇形區域之外的間隔區域，所述扇形區域以與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向為中心軸，所述扇形區域的背面减薄，使得所述扇形區域的厚度小於所述間隔區域的厚度。
- 如請求項1所述的基座，其中，所述扇形區域的厚度從與所述矽片的＜100＞晶向對應的徑向方向至與所述矽片的相鄰於所述＜100＞晶向的＜110＞晶向對應的徑向方向逐漸增大。
- 如請求項1所述的基座，其中，從所述圓盤形承載部的中心到邊緣的方向，所述基座的厚度先减小後增大。
- 如請求項1所述的基座，其中，所述圓盤形承載部包括四個扇形區域，所述間隔區域和所述扇形區域交替排布。
- 如請求項4所述的基座，其中，所述四個扇形區域的大小均相等。
- 如請求項4所述的基座，其中，所述間隔區域與所述扇形區域的角度比例為0.5:1至1.25:1。
- 如請求項1所述的基座，其中，所述扇形區域的厚度與所述間隔區域的厚度的差值在1µm至2µm。
- 如請求項1所述的基座，其中，所述扇形區域的半徑小於所述基座的半徑。
- 一種用於矽片的外延生長的裝置，包括： 如請求項1至8中任一項所述的基座； 用於容納所述基座的反應腔室，其中，所述基座將所述反應腔室分隔成上反應腔室和下反應腔室，所述矽片放置在所述上反應腔室中； 用於將矽源氣體輸送到所述上反應腔室中以在所述矽片上生長外延層的進氣口；以及 用於將外延生長産生的反應尾氣排出所述反應腔室的排氣口。
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