TWI699461B

TWI699461B - 一種校準磊晶腔溫度的方法

Info

Publication number: TWI699461B
Application number: TW108117794A
Authority: TW
Inventors: 董晨華; 林志鑫; 季文明; 劉源
Original assignee: 上海新昇半導體科技有限公司
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2020-07-21
Also published as: TW202016368A; CN109238510A; CN109238510B

Abstract

本發明提供一種校準磊晶腔溫度的方法，所述方法包括: 提供若干晶圓；提供第一磊晶腔，在所述第一磊晶腔中處理所述晶圓以形成第一霧狀表面，分別測量所述第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值；提供第二磊晶腔，在所述第二磊晶腔中處理所述晶圓以形成第二霧狀表面，分別測量所述第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值；將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準。根據本發明提供的校準磊晶腔溫度的方法，可以簡單、準確、直接地校準磊晶腔溫度，從而提高磊晶產品的品質。

Description

一種校準磊晶腔溫度的方法

本發明係關於半導體技術領域，具體而言係關於一種校準磊晶腔溫度的方法。

磊晶是指在單晶基板上生長一層跟基板具有相同晶格排列的單晶薄膜的技術。矽磊晶片是製作半導體離散裝置（discrete device）的主要材料，因為它既能保證PN接面的高擊穿電壓，又能降低裝置的正向壓降。矽磊晶片能讓雙極性電路(IC)的裝置設於具有重摻埋層的輕摻磊晶層上，形成生長的PN接面，解決IC的隔離問題，因此它也是IC裝置的主要原材料。

對於半導體裝置來說，需要磊晶層具有完美的晶體結構，然而在實際的磊晶生長過程中，由於磊晶腔內溫度發生變化，產品的滑移、厚度等參數均會發生變化，進而影響磊晶產品的品質。例如，若磊晶腔體內發生變化，則長磊晶時的溫度與設定溫度會產生偏差，實際生長溫度會高於設定溫度，故影響磊晶產品的品質。因此，校準沈積過程中各個磊晶腔體內的溫度對於磊晶片的生產具有非常重要作用。

在現有技術中，通過監控磊晶層的厚度來間接監控磊晶腔的溫度變化，但由於磊晶層的厚度對磊晶腔的溫度變化不敏感，無法及時發現溫度的變化，因此，有必要提出一種新的校準磊晶腔溫度的方法，以解決上述問題。

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分並不意圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特徵和必要技術特徵，更不意圖確定所要求保護的技術方案的保護範圍。

本發明提供一種校準磊晶腔溫度的方法，包括以下步驟：提供若干晶圓；提供第一磊晶腔，在所述第一磊晶腔中處理所述晶圓以形成第一霧狀表面，分別測量所述第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值；提供第二磊晶腔，在所述第二磊晶腔中處理所述晶圓以形成第二霧狀表面，分別測量所述第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值；將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準。

進一步，所述方法還包括：基於所述第一磊晶腔的所述不同溫度和相應的第一霧狀表面的值進行線性分析，以形成第一曲線；基於所述第二磊晶腔的所述不同溫度和相應的第二霧狀表面的值進行線性分析，以形成第二曲線；對比所述第一曲線與所述第二曲線，以計算所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度的差值。

進一步，所述方法還包括：選取所述第一磊晶腔溫度作為標準溫度；通過所述標準溫度和所述第二磊晶腔的溫度的差值校準所述第二磊晶腔溫度。

進一步，所述晶圓上形成氧化層。

進一步，所述處理包括對所述晶圓進行氫氣處理。

進一步，所述氫氣處理的時間為100秒（s）-150s。

進一步，所述不同溫度包括至少兩個不同溫度，所述不同溫度的範圍為1000℃~1300℃。

進一步，所述晶圓為尺寸、厚度、加工及預處理過程均相同的晶圓。

進一步，所述第一磊晶腔和所述第二磊晶腔分別為不同的磊晶爐或者多腔體磊晶爐的不同腔體。

進一步，採光散射測量裝置測量暗場窄法線通道中所述霧狀表面的值。

根據本發明提供的校準磊晶腔溫度的方法，通過分別在第一磊晶腔和第二磊晶腔中在不同溫度下處理晶圓以形成霧狀表面，並測量霧狀表面的值，基於不同磊晶溫度下暗場窄法線通道(DNN channel)的霧度（Haze）值具有線形關係，以將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準，通過上述方法可以簡單、準確、直接地校準磊晶腔溫度，從而提高磊晶產品的品質。

在下文的描述中，給出了大量具體的細節以便提供對本發明更為徹底的理解。然而，對於本領域技術人員而言顯而易見的是，本發明可以無需一個或多個這些細節而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發明發生混淆，對於本領域習知的一些技術特徵未進行描述。

應當理解的是，本發明能夠以不同形式實施，而不應當解釋為侷限於這裡提出的實施例。相反地，提供這些實施例將使公開徹底和完全，並且將本發明的範圍完全地傳遞給本領域技術人員。在附圖中，為了清楚，層和區的尺寸以及相對尺寸可能被誇大。自始至終相同附圖標記表示相同的元件。

應當明白，當組件或層被稱為“在...上”、“與...相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當組件被稱為“直接在...上”、“與...直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的組件或層。應當明白，儘管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不脫離本發明教導之下，下面討論的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。

空間關係術語例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在這裡可為了方便描述而被使用從而描述圖中所示的一個元件或特徵與其它元件或特徵的關係。應當明白，除了圖中所示的取向以外，空間關係術語還意圖包括使用和操作中的裝置的不同取向。例如，如果附圖中的裝置翻轉，然後，描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特徵將取向為在其它元件或特徵“上”。因此，示例性術語“在...下面”和“在...下”可包括上和下兩個取向。裝置可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)並且在此使用的空間描述語相應地被解釋。

在此使用的術語的目的僅在於描述具體實施例並且不作為本發明的限制。在此使用時，單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”也意圖包括複數形式，除非上下文清楚指出另外的方式。還應明白術語“組成”和/或“包括”，當在該說明書中使用時，確定所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一個或更多其它的特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。在此使用時，術語“和/或”包括相關所列專案的任何及所有組合。

為了徹底理解本發明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結構，以便闡釋本發明提出的技術方案。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

在實際的磊晶生長過程中，由於磊晶腔內溫度發生變化，產品的滑移、厚度等參數均會發生變化，進而影響磊晶產品的品質。例如，若磊晶腔體內發生變化，則長磊晶時的溫度與設定溫度會產生偏差，實際生長溫度會高於設定溫度，故影響磊晶產品的品質。而在現有技術中，可以通過監控磊晶層的厚度來間接監控磊晶腔的溫度變化，但由於磊晶層的厚度對磊晶腔的溫度變化不敏感，無法及時發現溫度的變化，因此，有必要提出一種新的校準磊晶腔溫度的方法，以解決上述問題。

本發明提出了一種校準磊晶腔溫度的方法，所述方法包括以下步驟： S101：提供若干晶圓； S102：提供第一磊晶腔，在所述第一磊晶腔中處理所述晶圓以形成第一霧狀表面，分別測量所述第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值； S103：提供第二磊晶腔，在所述第二磊晶腔中處理所述晶圓以形成第二霧狀表面，分別測量所述第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值； S104：將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準。

下面，對本發明提供的校準磊晶腔溫度的方法的具體實施方式做詳細的說明。

參見第1圖，首先，執行步驟S101，提供若干晶圓。

示例性地，在本發明中，所述晶圓可以是以下所提到的材料中的至少一種：單晶矽、矽晶絕緣體（SOI）、應變矽晶絕緣體（SSOI）、應變矽鍺絕緣體（S-SiGeOI）、矽鍺絕緣體（SiGeOI）以及覆鍺絕緣體（GeOI）等。作為一個實例，晶圓的構成材料選用單晶矽。

進一步，所述晶圓上形成有氧化層，作為一個實例，所述氧化層為二氧化矽層。

進一步，提供的若干晶圓為參數相同的晶圓，具體的，晶圓為尺寸、厚度、加工及預處理過程均相同：例如，首先通過坩堝拉伸法制得的單晶切割成多個晶圓，晶圓的尺寸包括但不限於6寸、8寸或12寸，接著，實施機械加工步驟，如順序單面磨削法、同時雙面磨削法(DDG)或研磨，此外，還提供包括清洗及蝕刻步驟的化學處理步驟以使晶圓的表面平滑化，最後，還包括在晶圓上形成至少一層氧化層的步驟。作為一個實例，晶圓的數量不少於4片，較佳為6片~10片，在本實施例中，選取8片參數完全相同的晶圓，分別標記為一號晶圓至八號晶圓。

接下來，執行步驟S102，提供第一磊晶腔，在所述第一磊晶腔中處理所述晶圓以形成第一霧狀表面（Haze），分別測量所述第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值（霧度(Haze)值）。

示例性地，第一磊晶腔包括但不限於一個磊晶爐或多腔體磊晶爐中的任意一個腔體。所述磊晶爐較佳為單晶片反應器，特別佳為購自ASM或Applied Materials (AMAT Centura Epi)的單晶片反應器。進一步，通常選取性能較好的磊晶腔（golden chamber）作為第一磊晶腔，進而將第一磊晶腔溫度作為標準溫度。

示例性地，在所述第一磊晶腔中處理所述晶圓以形成第一霧狀表面（Haze）。具體地，對晶圓進行氫氣處理，通入的氫氣在高溫下與晶圓表面的二氧化矽層進行還原反應，以在所述晶圓上形成凹凸不平的霧狀表面。進一步，在第一磊晶腔的不同溫度下處理所述晶圓，所述不同溫度包括至少兩個不同溫度，較佳為三至五個不同溫度；所述多個不同溫度的範圍為1000℃~1300℃，較佳為1100℃~1150℃；所述氫氣處理的時間範圍為100秒（s）~150s，較佳為120s。

作為一個實例，將一號晶圓、二號晶圓、三號晶圓和四號晶圓分別置於第一磊晶反應腔內進行氫氣處理（bake），處理溫度分別為1100℃、1120℃、1130℃、1150℃，處理時間均為120s。

示例性地，分別測量所述第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值（霧度(Haze)值），並且基於所述第一磊晶腔的所述不同溫度和相應的第一霧狀表面的值進行線性分析，以形成第一曲線。

其中，所述第一磊晶腔的不同溫度為第一磊晶腔的測溫裝置的讀數，所述霧度值為採用KLA-Tencor公司的SP3型光散射測量裝置測量暗場窄法線（DNN，DarkField Narrow Normal）通道（channel）的霧度值。

參照第2圖，在本實施例中，基於不同磊晶溫度下DNN通道的霧度值具有線形關係，選取了1100℃、1120℃和1150℃及相應霧度值三個點進行了線性分析，得到在第一反應腔內進行氫氣處理的晶圓的反應溫度與測量的霧度值的線性關係為y=0.0201x-20.304。

接下來，執行步驟S103，在所述第二磊晶腔中處理所述晶圓以形成第二霧狀表面（Haze），分別測量所述第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值（霧度值）。

示例性地，第二磊晶腔包括但不限於除第一磊晶腔以外的磊晶爐或多腔體磊晶爐中的除第一磊晶腔以外的任意一個腔體。所述磊晶爐較佳為為單晶片反應器，特別較佳為購自ASM或Applied Materials (AMAT Centura Epi )的單晶片反應器。進一步，第二磊晶腔溫度通常為需要校準溫度。

示例性地，在上述多個不同溫度下分別對晶圓進行氫氣處理，通入的氫氣在高溫下與晶圓表面的二氧化矽層進行還原反應，以在所述晶圓上形成凹凸不平的霧狀表面（Haze）。進一步，在第二磊晶腔的不同溫度下處理所述晶圓，所述不同溫度包括至少兩個不同溫度，較佳為三至五個不同溫度；所述多個不同溫度的範圍為1000℃~1300℃，較佳為1100℃~1150℃；所述氫氣處理的時間範圍為100s~150s，較佳為120s。

較佳地，在第二磊晶腔中對晶圓進行氫氣處理的多個不同溫度與先前第一磊晶腔中氫氣處理的多個不同溫度一致。作為一個實例，將五號晶圓、六號晶圓、七號晶圓和八號晶圓分別置於第二磊晶反應腔內進行氫氣處理，處理溫度分別為1100℃、1120℃、1130℃、1150℃，處理時間均為120s。

示例性地，分別測量所述第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值（霧度值），並且基於所述第二磊晶腔的所述不同溫度和相應的第二霧狀表面的值進行線性分析，以形成第二曲線。

其中，所述第二磊晶腔的不同溫度為第二磊晶腔的測溫裝置的讀數，所述霧度值為採用KLA-Tencor公司的SP3型光散射測量裝置測量暗場窄法線通道的霧度值。

參照第2圖，在本實施例中，基於不同磊晶溫度下DNN通道的霧度值具有線形關係，選取了1100℃、1120℃和1150℃及相應霧度值三個點進行了線性分析，得到在第二反應腔內進行氫氣處理的晶圓的反應溫度與測量的霧度值的線性關係為y=0.0202x-20.402。

根據上述示例性實施例可以看出，霧度值與反應腔的溫度成正比，即反應腔的溫度越高時，氫氣與二氧化矽的還原反應越快，霧度值越大。其中，霧度值表示霧狀表面的凹凸程度，並與之成正比。

接下來，執行步驟S104，將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準。

示例性地，基於不同磊晶溫度下DNN通道的霧度值具有線形關係，而且具有可重複性，因此可以通過對磊晶腔溫度和相應的霧度值進行線性分析來校準反應腔溫度。具體地，對比所述第一曲線與所述第二曲線，以確定所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度的差值。

為了更清楚地對比所述第一曲線和所述第二曲線，第3圖顯示根據本發明的另一個示例性實施例分別對第一磊晶腔和第二磊晶腔的溫度和相應霧度值進行線性分析的曲線圖。如第3圖所示，通過對1100℃、1120℃和1150℃及相應霧度值三個點進行線性分析，得到在第二反應腔內進行氫氣處理的晶圓的反應溫度與測量的霧度值的線性關係為y=0.0017x-16.724，而第一磊晶腔中溫度為1120℃時測得的霧度值為2.5271，因此通過計算可以得出，當霧度值為2.5271時，第二磊晶腔的反應溫度為： T=（2.5271+16.724）/0.017=1132℃

因此，第一磊晶腔的溫度比第二磊晶腔的溫度高12℃，進而根據該溫度差值校準第二磊晶腔的溫度。在本實施例中，以第一反應腔溫度為標準溫度，第二反應腔溫度為待校準溫度，因此需要通過控溫元件將第二反應腔的溫度升高12℃。

根據本發明提供的校準磊晶腔溫度的方法，通過分別在第一磊晶腔和第二磊晶腔中在不同溫度下處理晶圓以形成霧狀表面，並測量霧狀表面的值，基於不同磊晶溫度下DNN通道的霧度值具有線形關係，以將所述第一磊晶腔與所述第二磊晶腔的溫度校準在同一水準，通過上述方法可以簡單、準確、直接地校準磊晶腔溫度，從而提高磊晶產品的品質。

本發明已經通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用於舉例和說明的目的，而非意在將本發明限制於所描述的實施例範圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發明並不局限於上述實施例，根據本發明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發明所要求保護的範圍以內。本發明的保護範圍由附屬的權利要求書及其等效範圍所界定。

S101、S102、S103、S104:步驟

通過結合附圖對本發明實施例進行更詳細的描述，本發明的上述以及其它目的、特徵和優勢將變得更加明顯。附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中，相同的參考標號通常代表相同部件或步驟。

第1圖係根據本發明示例性實施例的一種校準磊晶腔溫度的方法的示意性流程圖。

第2圖係本發明的一個示例性實施例的曲線圖。

第3圖係本發明的一個示例性實施例的曲線圖。

無。

S101、S102、S103、S104:步驟

Claims

一種校準磊晶腔溫度的方法，包括以下步驟：提供若干晶圓；提供第一磊晶腔，在該第一磊晶腔中處理該晶圓以形成第一霧狀表面，分別測量該第一磊晶腔的不同溫度下相應的第一霧狀表面的值；提供第二磊晶腔，在該第二磊晶腔中處理該晶圓以形成第二霧狀表面，分別測量該第二磊晶腔的不同溫度下相應的第二霧狀表面的值；將該第一磊晶腔與該第二磊晶腔的溫度校準在同一水準。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，還包括：基於該第一磊晶腔的該不同溫度和相應的第一霧狀表面的值進行線性分析，以形成第一曲線；基於該第二磊晶腔的該不同溫度和相應的第二霧狀表面的值進行線性分析，以形成第二曲線；對比該第一曲線與該第二曲線，以計算該第一磊晶腔與該第二磊晶腔的溫度的差值。
如申請專利範圍第2項所述的方法，其中，還包括：選取該第一磊晶腔溫度作為標準溫度；通過該標準溫度和該第二磊晶腔的溫度的差值校準該第二磊晶腔溫度。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該晶圓上形成氧化層。
如申請專利範圍第4項所述的方法，其中，在該晶圓上形成氧化層的方法包括對該晶圓進行氫氣處理。
如申請專利範圍第5項所述的方法，其中，該氫氣處理的時間為100秒（s）至150秒。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該不同溫度包括至少兩個不同溫度，該不同溫度的範圍為1000℃~1300℃。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該晶圓為尺寸、厚度、加工及預處理過程均相同的晶圓。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該第一磊晶腔和該第二磊晶腔分別為不同的磊晶爐或者多腔體磊晶爐的不同腔體。
如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，採光散射測量裝置測量暗場窄法線通道中該霧狀表面的值。