TWI812229B - 在沉積設備中之半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的方法 - Google Patents
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Abstract
在沉積設備中半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的方法，包括：
將基板晶圓放置在沉積設備的基座上，基座由預熱環圍繞、以間隙隔開，並以支撐軸承載；
確定垂直通過預熱環中心軸線與垂直通過基座中心軸線間的偏心距；
沉積氣體沿著從氣體入口朝氣體出口的流動方向在基板晶圓上方通過；
吹掃氣體沿著預熱環下側及基座下側通過；
支撐軸圍繞一旋轉軸線以一頻率旋轉；
其包括
支撐軸以支撐軸的旋轉頻率從起始位置移動到結束位置並返回起始位置，在起始位置，其旋轉軸線沿著垂直通過預熱環中心軸線佈置，從起始位置到結束位置的移動路徑取決於偏心距。
Description
本發明係關於一種在沉積設備中之半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的方法。
在半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層通常是藉由CVD（化學氣相沉積）在能夠容納基板晶圓的沉積設備中完成。在磊晶層的沉積過程中，基板晶圓係位於藉由支撐軸承載及旋轉的基座上，沉積氣體通過基板晶圓的自由上表面（即，其正面），以及吹掃氣體同時沿著預熱環的下側及基座的下側通過。預熱環圍繞著基座佈置，並藉由間隙隔開。上圓頂及下圓頂界定出一反應室，在該反應室中磊晶層沉積在基板晶圓上。來自燈陣列的輻射熱通過一或兩個圓頂照射，以提供所需的沉積溫度。
舉例言之，US 2016 0 010 239 A1描述具有這些特徵的沉積設備。
電子工業中特別高要求的應用需要具有磊晶層的半導體晶圓（磊晶晶圓）。因此，例如與所沉積的磊晶層的厚度均勻性相關的要求尤其具有挑戰性。
DE 11 2018 001 223 T5揭露如何藉由預熱環來減少磊晶層中的厚度差異，如果該厚度差異是因為在磊晶層的沉積過程中，幾乎無法避免的基座偏心位置（noncentric position）所引起的，則其內周邊的形狀偏離圓形。該偏心位置展現為垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基板晶圓的中心的軸線之間的偏心距。
JP 2016 213 242 A2係藉由調整磊晶層生長的條件來解決相同的問題。根據透過照相機系統確定的偏心距進行調整。
這些技術方案的一缺點是預熱環的形狀代表一個靜態系統，其無法對變化的偏心做出即時反應。生長條件的調整是一問題，因為其需要對複雜系統的流動力學進行干預，而該複雜系統尤其對摻雜劑的分佈具有敏感的反應。
因此，希望提供一種易於實施且沒有這些缺點的技術方案。
本發明之目的係透過一種在沉積設備中之半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的方法來實現，包括：
將基板晶圓放置在沉積設備的基座上，該基座由預熱環圍繞、藉由間隙與該預熱環隔開，並以支撐軸承載；
確定垂直通過該預熱環的中心的軸線與垂直通過該基座的中心的軸線之間的偏心距；
沉積氣體沿著從氣體入口指向氣體出口的流動方向在該基板晶圓上方通過；
吹掃氣體沿著該預熱環的下側及該基座的下側通過；
該支撐軸係圍繞一旋轉軸線以一頻率旋轉；
其包括
該支撐軸以該支撐軸的旋轉頻率從起始位置移動到結束位置，並返回該起始位置，其中在該起始位置，其旋轉軸線沿著垂直通過該預熱環的中心的軸線佈置，從該起始位置到該結束位置的移動路徑取決於該偏心距。
因為不需要打開沉積室，該方法亦可在沉積室的熱狀態下（例如在沉積溫度下）進行。
較佳地，該偏心距係透過照相機系統來確定，該照相機系統至少在一個位置確定預熱環的內緣與基座的外緣之間的間隙寬度變化，並在此基礎上計算偏心距。舉例言之，對於基座的給定旋轉速度，可以測量自觀察一個旋轉開始以來間隙的最大寬度的旋轉角，其中一個旋轉的開始界定沉積設備的初始信號。
基座以接收面位於支撐軸的臂的承載面上。偏心距尤其是製造公差的結果，其首先是來自在支撐軸的臂上的承載面，其次是來自在基座上的接收面。
根據偏心距的大小，預熱環內緣與基座外緣之間的間隙在基座周邊的一位置處寬於其他位置處。由於該較寬的間隙，更多的吹掃氣體進入基板晶圓上方的反應室，從而更強烈地稀釋沉積氣體。這種效應導致沉積在基板晶圓上的磊晶層的層厚度分佈更加不均勻。
根據本發明，基座的支撐軸以該支撐軸的旋轉頻率從起始位置移動到結束位置，並返回該起始位置，其中在該起始位置，該支撐軸的旋轉軸線沿著垂直通過預熱環的中心的軸線佈置，從該起始位置到該結束位置的移動路徑取決於垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基座的中心的軸線之間的偏心距。
可以使用例如US 2016 0 010 239 A1描述的驅動器來移動支撐軸。較佳地，該支撐軸係藉由至少一個致動器以壓電方式移動。
較佳地，基座係以每分鐘30轉至60轉（rmin
-1）的速度旋轉，支撐軸相應地以1秒至2秒的週期時間進行位移。
基板晶圓係由半導體材料組成，較佳係由單晶矽組成，沉積在基板晶圓正面的磊晶層亦同。基板晶圓的直徑較佳為至少200毫米（mm），更佳為至少300mm。
沉積氣體包括含有半導體材料的化合物，例如矽烷、或氯矽烷（例如三氯矽烷）；吹掃氣體較佳地含有氫氣。
根據本發明的第一配置，從起始位置到結束位置的移動路徑由向量描述，該向量的大小為偏心距的大小，且該向量方向與偏心距的方向相反。因此，支撐軸的位移的大小及方向係由垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基座的中心的軸線之間的偏心距決定。支撐軸以一頻率進行旋轉，該支撐軸從起始位置移動到結束位置，並返回該起始位置。在該起始位置，基座的支撐軸的旋轉軸線沿著垂直通過預熱環的中心的軸線佈置。該軸線通常也是垂直通過沉積設備的中心的軸線。
支撐軸及其所承載之基座的位移減緩了因偏心距而引起的基座旋轉運動中的不平衡。在平均時間的基礎上，位於基座上的基板晶圓更以預熱環為中心，因此，預熱環與基座之間的間隙寬度在平均時間的基礎上更為一致。這影響了沉積在基板晶圓上的磊晶層的厚度，其分佈變得更加均勻。
根據本發明的第二配置，確定基板晶圓的楔形特徵且將其包括在考量基座的支撐軸的位移之因素中。
當沿基板晶圓的直徑觀察基板晶圓的橫截面時，若其厚度係呈線性增加或線性減少，則該基板晶圓為楔形的。楔形特徵可例如藉由最大與最小橫截面厚度之間的比例來量化。
本案發明人已發現，如果在沉積過程中，基座的支撐軸以該基座的支撐軸的旋轉頻率，沿著沉積氣體的流動方向，從起始位置到結束位置來回地移動，則楔形特徵將隨著磊晶層的沉積而減少。在該起始位置，該基座的支撐軸的旋轉軸線沿著垂直通過預熱環的中心的軸線佈置。從該起始位置到該結束位置的移動路徑的大小係由基板晶圓的楔形特徵的程度決定。在基板晶圓存在某種楔形特徵的情況下，為了很大程度上消除由磊晶層的沉積導致的楔形特性，移動路徑的大小的關聯性必須事先透過實驗確定。因此，該移動路徑的大小及方向可由另一個向量來描述，該向量取決於基板晶圓的楔形特徵。
在本發明的第二配置中，考慮了基板晶圓的楔形特徵，以及垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基座的中心的軸線之間的偏心距。
相應地，在磊晶層的沉積期間中，基座的支撐軸按照一合成向量，以支撐軸的旋轉頻率從起始位置移動到結束位置，並返回該起始位置。在該起始位置，基座的支撐軸的旋轉軸線沿著垂直通過預熱環的中心的軸線佈置。合成向量對應於以下的加總：描述取決於基板晶圓的楔形特徵的移動路徑的一向量；以及，描述取決於垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基座的中心的軸線之間的偏心距的向量。
以下將參考附圖來進一步呈現本發明。在下文中，係假定基板晶圓位於基座中心，以及偏心距是因為在基座的支撐軸的承載臂上的基座的偏心位置。
圖1係以截面圖顯示一種適用於實施本發明之方法的用於在半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的設備。該沉積設備20的反應室的上方由上圓頂17界定，下方由下圓頂18界定。在反應室的中心佈置有支撐軸9，其中承載臂10係從該支撐軸9的上端分支出來。該承載臂10支撐基座2，在磊晶層的沉積期間基板晶圓1位於該基座2上。在所示的實施態樣中，在裝載該沉積設備20的過程中，該基板晶圓1將被放置在升降軸11上，並藉由該升降軸11的下降而被放置在基座2上。在沉積設備的側壁與該基座2之間佈置有預熱環3。沉積氣體從氣體入口13至氣體出口14通過該基板晶圓1的前側（該前側係指向上圓頂17），該入口及出口佈置在沉積設備的一側壁上。此外，還提供用於吹掃氣體之相應的其他氣體入口15及其他氣體出口16，該吹掃氣體係在該預熱環3的下方與該基座2的下方通過反應室。箭頭表示氣流的流動方向。取決於該預熱環3與該基座2之間的間隙5的寬度，一部分的吹掃氣體進入沉積氣體的流動中並稀釋了沉積氣體。反應室由燈陣列19從外部加熱，該燈陣列19係透過上圓頂17及下圓頂18照射輻射能。該沉積設備20的下圓頂18係透過波紋管25連接到底座12，以使支撐軸9能夠移動且使波紋管產生的內部空間相對於流入的周圍大氣是密封的。
該設備包括控制裝置21，其被配置成用於支撐軸9的週期性位移。為了支撐軸9在水平方向的位移，還有致動器27（用於x方向的位移）及致動器28（用於y方向的位移）。視需要地，還可以設置另外的致動器29及致動器30，用於將支撐軸9傾斜到圖1的觀察平面之外。
該設備還包含具有影像處理8（圖2）的照相機系統7，以用於確定垂直通過預熱環3的中心的軸線22與垂直通過基座2的中心的軸線26之間的偏心距。該照相機系統7包含一用於在藉由支撐軸9旋轉基座2的期間觀察影像細節6的照相機。該影像細節6係捕獲徑向延伸的區域，較佳地，該區域包括基板晶圓1的外周的一部分、基座2的外周的一部分及預熱環3的內周的一部分，並且從而還包括該基座2與該預熱環3之間的間隙5的一部分。該基板晶圓1係位於放置區4上的基座2的凹槽中，並且因此該基板晶圓1的背面23與該基座2的底部24相隔一段距離。影像細節6中包含的資訊係藉由影像處理8進行評估。
圖2中所示的基板晶圓1具有楔形的截面。其厚度從較薄的邊緣到較厚的邊緣線性增加。
圖3係以平面圖顯示在垂直通過預熱環3的中心的軸線22與垂直通過基座2的中心的軸線26之間存在偏心距的情況下，該基座2與該預熱環3的內緣的相對位置。在起始位置，該支撐軸9的旋轉軸線係沿垂直通過預熱環3的中心的軸線22來佈置。偏心距的大小及方向係由向量E來描述。在基板晶圓1位於基座2中心上的情況下，垂直通過基座的中心的軸線26與垂直通過基板晶圓的中心的軸線具有相同的位置。根據本發明的第一配置，在基板晶圓1上沉積磊晶層期間，支撐軸9以一頻率旋轉，並且在每次旋轉期間從起始位置移動到結束位置，並返回起始位置。位移的大小及方向係由向量Vr1來描述，其大小為向量E的大小，其方向與向量E的方向相反。在起始位置，支撐軸9的旋轉軸線沿垂直通過預熱環3的中心的軸線22定位，而在結束位置，其移動到向量Vr1的箭頭端。
本發明的第二配置還考慮當基座的支撐軸位移時的基板晶圓的楔形特徵。圖4係以類似於圖3的方式呈現，且說明第二配置。根據本發明的第二配置，在基板晶圓1上沉積磊晶層期間，基座2的支撐軸9以一頻率旋轉，並在每次旋轉期間從起始位置移動到結束位置，並返回起始位置。從該起始位置到該結束位置的移動路徑的大小及方向係由合成向量Vr2來描述。該向量對應於向量Vr1及K的總和，其中向量K具有從沉積氣體入口13到氣體出口14的方向（換言之，具有沉積氣體的流動方向），且其大小係取決於基板晶圓1的楔形性質。在該起始位置，支撐軸9的旋轉軸線沿垂直通過預熱環3的中心的軸線22定位，並且在該結束位置，其移動到合成向量Vr2的箭頭端。
為了便於說明，圖3及圖4中所示向量的長度係以誇大的形式繪製。實際上，相應的移動路徑通常為100至1000微米（µm）。
1:基板晶圓
2:基座
3:預熱環
4:放置區
5:間隙
6:影像細節
7:照相機系統
8:影像處理
9:支撐軸
10:承載臂
11:升降軸
12:底座
13:氣體入口
14:氣體出口
15:其他氣體入口
16:其他氣體出口
17:上圓頂
18:下圓頂
19:燈陣列
20:沉積設備
21:控制裝置
22:垂直通過預熱環的中心的軸線
23:背面
24:底部
25:波紋管
26:垂直通過基座的中心的軸線
27:致動器
28:致動器
29:致動器
30:致動器
E:向量
K:向量
Vr1:向量
Vr2:合成向量
圖 1係顯示適用於實施本發明之方法的設備的截面。
圖 2係顯示該設備的進一步細節。
圖 3及
圖 4係以平面圖顯示在垂直通過預熱環的中心的軸線與垂直通過基座的中心的軸線之間存在偏心距的情況下，基座及預熱環的相對位置，以及根據本發明的第一及第二配置的支撐軸的位移。
2:基座
3:預熱環
22:垂直通過預熱環的中心的軸線
26:垂直通過基座的中心的軸線
E:向量
Vr1:向量
Claims (4)
- 一種在沉積設備中之半導體材料的基板晶圓上沉積磊晶層的方法，包括： 將該基板晶圓放置在該沉積設備的基座上，該基座係由預熱環圍繞、藉由間隙與該預熱環隔開，並以支撐軸承載； 確定垂直通過該預熱環的中心的軸線與垂直通過該基座的中心的軸線之間的偏心距； 沉積氣體沿著從氣體入口指向氣體出口的流動方向在該基板晶圓上方通過； 吹掃氣體沿著該預熱環的下側及該基座的下側通過； 該支撐軸係圍繞一旋轉軸線以一頻率旋轉； 其包括 該支撐軸以該支撐軸的旋轉頻率從起始位置移動到結束位置，並返回該起始位置，其中在該起始位置，其旋轉軸線沿著垂直通過該預熱環的中心的軸線佈置，從該起始位置到該結束位置的移動路徑取決於該偏心距。
- 如請求項1所述之方法，其中從該起始位置到該結束位置的移動路徑由向量描述，該向量大小為該偏心距的大小，且該向量方向與該偏心距的方向相反。
- 如請求項2所述之方法，其中從該起始位置到該結束位置的移動路徑係由該向量與作為被加數的另一向量之向量加總的合成向量來描述，該另一向量的大小取決於該基板晶圓的楔形特徵，並且該另一向量的方向具有該沉積氣體的流動方向。
- 如請求項1至3中任一項所述之方法，其中該支撐軸係藉由至少一個致動器而移動。
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