TWI839916B - 一種磊晶生長方法及磊晶晶圓 - Google Patents
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Abstract
本發明實施例公開了一種磊晶生長方法及磊晶晶圓;該磊晶生長方法包括:反應腔室的清潔階段:通過向該反應腔室通入化學氣相蝕刻氣體以對該反應腔室進行清潔;磊晶生長階段:將拋光晶圓放入已清潔的該反應腔室中進行化學氣相沉積反應,生成磊晶晶圓;其中,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制通入反應腔室中該化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例;以及,控制風機的轉速以調控該石英鐘罩的溫度。
Description
本發明實施例屬於半導體製造技術領域,尤其關於一種磊晶生長方法及磊晶晶圓。
氣相磊晶製程(Vapour Phase Epitaxy,VPE)是一種常見的磊晶生長技術,其能夠實現在拋光晶圓基板上生長出與拋光晶圓基板的導電類型、電阻率和結構都不同,且厚度和電阻率可控,能夠滿足多種不同要求的磊晶層,能夠極大地提高器件設計的靈活性和性能,在各種半導體功能器件領域具有廣泛的應用前景。具體來說,磊晶生產製程一般是利用化學氣相沉積的方法,將高溫密閉磊晶反應腔室內的矽源氣體注入拋光晶圓表面,在拋光晶圓上表面沉積生長一層磊晶層,從而製造出來的晶圓被稱為磊晶晶圓。相比拋光晶圓,磊晶晶圓具有表面缺陷少,並且能夠控制磊晶層厚度與電阻率等優勢。
隨著半導體行業的高速發展,對磊晶晶圓表面的顆粒品質要求也越來越高,特別是對於邏輯器件,其要求磊晶晶圓表面的顆粒需要滿足:19nm顆粒均值小於5顆,200nm顆粒均值小於0.2顆。因此,保持磊晶反應腔室的潔淨度成為影響磊晶晶圓品質和良率的一個關鍵因素。
此外,對於磊晶反應腔室而言,均勻的溫度場與準確控溫是保持磊晶晶圓平坦度以及控制滑移位錯的主要影響因素,其中乾淨,透光的石英鐘罩
是影響溫度場均一性和透光率的重要因素。同時,乾淨、透光的石英鐘罩也是確保溫度計準確讀溫的有效因素。
有鑑於此,本發明實施例期望提供一種磊晶生長方法及磊晶晶圓;能夠有效清除石英鐘罩表面沉積的磊晶生長副產物,從而保證石英鐘罩保持一個長期乾淨,透光的狀態,提高磊晶晶圓表面的顆粒水準,改善磊晶晶圓的厚度均一性和平坦度,抑制滑移位錯的產生,最終提高磊晶晶圓的良率與產能。
本發明實施例的技術方案是這樣實現的:第一方面,本發明實施例提供了一種磊晶生長方法,該磊晶生長方法包括:反應腔室的清潔階段:通過向該反應腔室通入化學氣相蝕刻氣體以對該反應腔室進行清潔;磊晶生長階段:將拋光晶圓放入已清潔的該反應腔室中進行化學氣相沉積反應,生成磊晶晶圓;其中,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制通入反應腔室中該化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例以增加石英鐘罩表面磊晶生長副產物的蝕刻去除量;以及,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制風機的轉速以調控該石英鐘罩的溫度使得在該反應腔室的清潔階段增加該石英鐘罩表面磊晶生長副產物的蝕刻去除量,以及在該磊晶生長階段降低該石英鐘罩表面磊晶生長副產物的沉積量。
第二方面,本發明實施例提供了一種磊晶晶圓,該磊晶晶圓由第一方面所述之磊晶生長方法製備而得。
本發明實施例提供了一種磊晶生長方法及磊晶晶圓;該磊晶生長方法包括反應腔室的清潔階段和磊晶生長階段;在反應腔室的清潔階段和磊晶生長階段分別控制化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例,並同時通過控制風機的轉速來調控石英鐘罩的溫度,使得在反應腔室清潔階段,增加石英鐘罩表面磊晶生長副產物的蝕刻去除量;以及,在磊晶生長階段,減少石英鐘罩表面磊晶生長副產物的沉積量,從而保證石英鐘罩保持一個長期乾淨,透光的狀態。
1:磊晶生長裝置
10:基座
10A:相鄰部件
20:基座支撐架
30:石英鐘罩
30A:上部石英鐘罩
30B:下部石英鐘罩
40:進氣口
50:進氣蓋
60:排氣口
70:加熱燈泡
80:風機
90:安裝部件
100:溫度感測器
G:間隙
W:拋光晶圓
X:中心軸線
RC:反應腔室
RC1:上反應腔室
RC2:下反應腔室
S401-S402:步驟
圖1為本發明實施例提供的常規的磊晶生長裝置結構示意圖;圖2為本發明實施例提供的反應腔室中的反應氣體的流向示意圖;圖3為本發明實施例提供的常規的磊晶生長製程流程示意圖;圖4為本發明實施例提供的一種磊晶生長方法流程示意圖;圖5為本發明實施例提供的磊晶生長製程流程示意圖;圖6為本發明實施例提供的反應腔室清潔過程中石英鐘罩的溫度變化示意圖;圖7為本發明實施例提供的磊晶沉積階段石英鐘罩的溫度變化示意圖;圖8為本發明的一種實施例提供的磊晶晶圓表面顆粒分佈的示意圖;圖9為本發明的一種實施例提供的磊晶晶圓表面形貌的示意圖;圖10為本發明的另一種實施例提供的磊晶晶圓表面顆粒分佈的示意圖;圖11為本發明的另一種實施例提供的磊晶晶圓表面形貌的示意圖;
圖12為本發明的又一種實施例提供的磊晶晶圓表面顆粒分佈的示意圖;圖13為本發明的又一種實施例提供的磊晶晶圓表面形貌的示意圖。
為利 貴審查委員了解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達到之功效,茲將本發明配合附圖及附件,並以實施例之表達形式詳細說明如下,而其中所使用之圖式,其主旨僅為示意及輔助說明書之用,未必為本發明實施後之真實比例與精準配置,故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請範圍,合先敘明。
在本發明實施例的描述中,需要理解的是,術語“長度”、“寬度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係,僅是為了便於描述本發明實施例和簡化描述,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”僅用於描述目的,而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此,限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個所述特徵。
在本發明實施例的描述中,“多個”的含義是兩個或兩個以上,除非另有明確具體的限定。
下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1,其示出了常規的磊晶生長裝置1,該磊晶生長裝置1具體包括:基座10,用於承載拋光晶圓W;基座支撐架20,用於支撐基座10並在磊晶生長期間驅動基座10以設定角速度繞中心軸線X旋轉;其中,在基座10的旋轉過程中,拋光晶圓W隨基座10一起繞中心軸線X旋轉。也就是說,拋光晶圓W相對於基座10是保持靜止的,由此,需要基座10的徑向邊緣與相鄰部件10A之間具有較小的間隙G,通常相鄰部件10A為預熱環,用於將熱控制區域擴展到拋光晶圓W邊緣之外同時對即將達到拋光晶圓W邊緣的反應氣體進行預熱;需要說明的是,上述的反應氣體包括矽源氣體、載氣如H2、摻雜劑氣體等;石英鐘罩30,包括上部石英鐘罩30A和下部石英鐘罩30B;其中,上部石英鐘罩30A和下部石英鐘罩30B一起圍閉出將基座10以及基座支撐架20容納於其中的反應腔室RC;其中,基座10將反應腔室RC分隔成上反應腔室RC1和下反應腔室RC2,拋光晶圓W放置在上反應腔室RC1中。通常,上反應腔室RC1中的氣壓略大於下反應腔室RC2中的氣壓使得上反應腔室RC1中的反應氣體會經由間隙G進入到下反應腔室RC2中;進氣口40,用於向上反應腔室RC1中輸送反應氣體,以便通過矽源氣體與H2反應生成矽原子並沉積在拋光晶圓W上以在拋光晶圓W上生長一層磊晶層,同時通過摻雜劑氣體對磊晶層進行摻雜以獲得所需的電阻率;其中,進氣口40包括至少一個主進氣口(圖中未示出)和至少一個副進氣口(圖中未示出);進氣蓋50,該進氣蓋50設置在進氣口40處,在磊晶生長過程中反應氣體從反應腔室RC一側的進氣蓋50進入反應腔室RC;
排氣口60,用於將反應腔室RC內部的反應尾氣排出反應腔室RC;多個加熱燈泡70,該多個加熱燈泡70設置在上部石英鐘罩30A和下部石英鐘罩30B的週邊並用於透過上部石英鐘罩30A和下部石英鐘罩30B在反應腔室RC中提供用於化學氣相磊晶沉積反應的高溫環境;風機80,該風機80設置於反應腔室RC的上方,通過調節風機80的轉速以調控加熱燈泡70中的循環水溫度及石英鐘罩30的溫度,避免反應腔室RC持續高溫以發生爆炸事故;可以理解的是,風機80轉速的大小不同會導致吹向加熱燈泡70及石英鐘罩30的冷卻風的流速不同,進而調控加熱燈泡70中的循環水溫度及石英鐘罩30的溫度;用於組裝磊晶生長裝置1的各個元件的安裝部件90;當然,在磊晶生長裝置1中還設置有溫度感測器100,用於即時監控反應腔室RC的溫度場,以為拋光晶圓W的化學沉積反應提供均一、穩定的溫度場。
可以理解地,在磊晶生長過程中,參見圖2,其示出了反應腔室RC中的反應氣體的流向示意圖。由圖2可以看出,反應氣體通超載氣由進氣蓋50進入,經過進氣口爬坡至預熱環10A,並經預熱環10A預熱後流經承載在基座10上的拋光晶圓W表面進行化學氣相沉積反應,化學氣相沉積反應生成的反應尾氣通過排氣口60排出反應腔室RC。
對於圖1所示的磊晶生長裝置1,相關技術中的磊晶生長製程如圖3所示,首先將反應腔室RC的溫度升溫至1150℃,並同時向反應腔室RC內通入化學氣相蝕刻氣體以對反應腔室RC內部進行清潔,具體地,化學氣相蝕刻氣體可以為HCl氣體,當然,化學氣相蝕刻處理過程中還可以採用H2作為載氣。在上述反應腔室RC的清潔過程中,主進氣口載氣的流量為5slm,副進氣口載氣的流
量為5slm。需要說明的是,反應腔室RC清潔完成後即可降溫至750℃以裝載拋光晶圓W進行磊晶生長過程。
當反應腔室RC的溫度為750℃時,拋光晶圓W被裝載於基座10上後,將反應腔室RC內的溫度升溫至1130℃並向反應腔室RC內部通入載氣H2,以開始對拋光晶圓W的表面進行烘烤;再者,當反應腔室RC的溫度為1110℃時向反應腔室RC內部同時通入矽源氣體和載氣H2,其中,矽源氣體可以為B2H6或SiHCl3或PH3,以在拋光晶圓W的表面上生長一層磊晶層。當磊晶生長過程結束後,降低反應腔室RC的內部溫度至750℃,並將磊晶晶圓卸載取出。在上述磊晶生長過程中,主進氣口載氣的流量為50slm,副進氣口載氣的流量為20slm。
但是在實際磊晶生長過程中,若採用圖3所示的相關製程方法會導致部分磊晶生長副產物化學沉積在石英鐘罩30表面。同時在反應腔室RC的清潔過程中,因化學氣相蝕刻氣體配比以及溫度場控制不足進而造成石英鐘罩30表面沉積的磊晶生長副產物無法完全去除,進而隨著時間的增加,石英鐘罩30表面沉積的磊晶生長副產物越來越多,從而導致反應腔室RC內部環境的清潔度降低,溫度場的均一性變差,更甚至導致溫度感測器100無法準確監控反應腔室RC內部的環境溫度,最終嚴重影響磊晶晶圓的品質與良率。
基於上述闡述,本發明實施例期望提供一種磊晶生長製程流程,能夠通過分別控制磊晶生長階段和反應腔室RC清潔階段通入反應腔室RC內部的反應氣體的比例,流量以及反應腔室RC的溫度,使得石英鐘罩30保持一個長期乾淨,透光的狀態,從而提高磊晶晶圓表面的顆粒水準,改善磊晶晶圓的厚度均一性和平坦度,抑制滑移位錯的產生,最終提高磊晶晶圓的品質與良率。本發明實施例提供的一種磊晶生長方法,具體如圖4所示,該磊晶生長方法包括:
S401、反應腔室的清潔階段:通過向該反應腔室通入化學氣相蝕刻氣體以對該反應腔室進行清潔;S402、磊晶生長階段:將拋光晶圓放入已清潔的該反應腔室中進行化學氣相沉積反應,生成磊晶晶圓;其中,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制通入反應腔室中的該化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例以增加石英鐘罩表面磊晶生長副產物的蝕刻去除量;以及,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制風機的轉速以調控該石英鐘罩的溫度使得在該反應腔室的清潔階段增加該石英鐘罩表面磊晶生長副產物的蝕刻去除量,以及在該磊晶生長階段降低該石英鐘罩表面磊晶生長副產物的沉積量。
對於圖4所示的磊晶生長方法,通過在反應腔室的清潔階段中控制較高的化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例,及通過控制風機的轉速使得石英鐘罩表面的溫度達到最高溫度,從而增加石英鐘罩表面沉積的磊晶生長副產物的蝕刻去除量;在磊晶生長階段,通過控制較低的化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例,及通過控制較高的風機轉速以使石英鐘罩表面的溫度達到較低的溫度,使得在磊晶生長過程中減少石英鐘罩表面磊晶生長副產物的沉積量,從而保證石英鐘罩保持一個長期乾淨,透光的狀態。
具體來說,如圖5所示,在該反應腔室的清潔階段,該化學氣相蝕刻氣體的第一流量與該載氣的第二流量之間的比例範圍為2:1~5:1。具體來說,該化學氣相蝕刻氣體的第一流量為10~50slm,該載氣的第二流量為5~10slm。需要說明的是,上述化學蝕刻氣體的第一流量和載氣的第二流量均為主進氣口和
副進氣口的總流量。當然,可以理解地,在反應腔室的清潔過程增大化學氣相蝕刻氣體與載氣的流量能夠提高石英鐘罩表面沉積的副產物的蝕刻去除量。
此外,在本發明實施例中,如圖5所示,該反應腔室的清潔階段包括第一烘烤階段,第一子清潔階段及第二子清潔階段;其中,在該第一烘烤階段和該第一子清潔階段,該風機轉速為設定的風機最大轉速的75~80%。
在一些示例中,在該反應腔室的清潔階段,該第一烘烤階段和該第一子清潔階段的時間為95~115s。也就是說,在第一烘烤階段和第一子清潔階段,一方面通過降低風機轉速以提高石英鐘罩的溫度至565℃~590℃,使得石英鐘罩表面溫度達到最高溫度以充分蝕刻石英鐘罩,整個反應腔室清潔過程中石英鐘罩的溫度變化具體如圖6所示;另一方面,保證第一烘烤階段和第一子清潔階段的維持時間,以在足夠的烘烤及清潔時間範圍內保證石英鐘罩表面的溫度盡可能地維持在較高的溫度。
此外,如圖5所示,該磊晶生長階段包括第二烘烤階段、第三子清潔階段及磊晶沉積階段;其中,在該第三子清潔階段中,該化學氣相蝕刻氣體的第三流量與該載氣的第四流量之間的比例範圍為1:10~1:20。具體地,該化學氣相蝕刻氣體的第三流量為1~10slm,該載氣的第四流量為50~90slm。可以理解地,在磊晶沉積反應之前進一步地向反應腔室RC通入化學氣相蝕刻氣體以對石英鐘罩30的表面再次進行清潔蝕刻,進而提高磊晶沉積階段時石英鐘罩30的表面狀態,進而提高磊晶晶圓厚度的均一性和平坦度。
在一些示例中,在該磊晶生長階段,該風機轉速為設定的風機最大轉速的92.5%。磊晶沉積階段石英鐘罩的溫度變化如圖7所示。由圖7可知,在磊晶沉積階段石英鐘罩的表面溫度為450℃~500℃,由於石英鐘罩的表面溫度較低進而減少了磊晶生長副產物在石英鐘罩表面的沉積,保證了石英鐘罩30保持一個乾淨、透光的狀態。
最後,本發明實施例還提供了一種磊晶晶圓,該磊晶晶圓由前述技術方案所述之磊晶生長方法製備而得。
下面將通過具體實施例對本發明的技術方案進行詳細描述。
實施例1
當反應腔室升溫至1150℃向反應腔室通入HCl氣體和H2以清潔反應腔室以及石英鐘罩;其中,HCl氣體的第一流量為10slm,H2的第二流量設置為5slm;並且反應腔室的第一烘烤階段和第一子清潔階段的時間為95s,同時在第一烘烤階段和第一子清潔階段,風機轉速為設定的風機最大轉速的75%;當反應腔室清潔完成且降溫至750℃後,將清洗完成的拋光晶圓放入反應腔室的基座上,並將反應腔室升溫至1130℃左右以開始進入第二烘烤階段,即通入H2進行烘烤;之後向反應腔室中接著通入HCl氣體和H2以再次清潔反應腔室以及石英鐘罩,此時HCl氣體的第三流量為5slm,H2的第四流量為50slm。清潔完成後,在反應腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以進行化學氣相沉積反應。磊晶生長反應結束後,取出磊晶晶圓。參見圖8和圖9,其分別示出了磊晶晶圓表面顆粒分佈及磊晶晶圓表面形貌示意圖,由圖8和圖9可以看出,本發明實施例提供的磊晶生長方法生長得到的磊晶晶圓表面顆粒雜質少,“霧”缺陷得到極大改善。
實施例2
當反應腔室升溫至1150℃向反應腔室通入HCl氣體和H2以清潔反應腔室以及石英鐘罩;其中,HCl氣體的第一流量為50slm,H2的第二流量設置為10slm;並且反應腔室的第一烘烤階段和第一子清潔階段的時間為115s,同時在第一烘烤階段和第一子清潔階段,風機轉速為設定的風機最大轉速的80%;當反應腔室清潔完成且降溫至750℃後,將清洗完成的拋光晶圓放入反應腔室的基座上,並將反應腔室升溫至1130℃左右以開始進入第二烘烤階段,即通入H2進行烘烤;之後向反應腔室中接著通入HCl氣體和H2以再次清潔反應腔室以及石英鐘罩,此時HCl氣體的第三流量為4.5slm,H2的第四流量為90slm。清潔完成後,在反應腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以進行化學氣相沉積反應。磊晶生長反應結束後,取出磊晶晶圓。參見圖10和圖11,其分別示出了磊晶晶圓表面顆粒分佈及磊晶晶圓表面形貌示意圖,由圖10和圖11可以看出,本發明實施例提供的磊晶生長方法生長得到的磊晶晶圓表面顆粒雜質少,“霧”缺陷得到極大改善。
實施例3
當反應腔室升溫至1150℃向反應腔室通入HCl氣體和H2以清潔反應腔室以及石英鐘罩;其中,HCl氣體的第一流量為40slm,H2的第二流量設置為10slm;並且反應腔室的第一烘烤階段和第一子清潔階段的時間為100s,同時在第一烘烤階段和第一子清潔階段,風機轉速為設定的風機最大轉速的80%;當反應腔室清潔完成且降溫至750℃後,將清洗完成的拋光晶圓放入反應腔室的基座上,並將反應腔室升溫至1130℃左右以開始進入第二烘烤階段,即通入H2進行烘烤;之後向反應腔室中接著通入HCl氣體和H2以再次清潔反應腔室以及石英鐘罩,此時HCl氣體的第三流量為6slm,H2的第四流量為80slm。清潔完成後,在反應腔室1110℃左右通入SiHCl3和H2以進行化學氣相沉積反應。磊晶生長反應結束
後,取出磊晶晶圓。參見圖12和圖13,其分別示出了磊晶晶圓表面顆粒分佈及磊晶晶圓表面形貌示意圖,由圖12和圖13可以看出,本發明實施例提供的磊晶生長方法生長得到的磊晶晶圓表面顆粒雜質少,“霧”缺陷得到極大改善。
基於上述闡述,本發明實施例提供的磊晶生長方法生長得到的磊晶晶圓表面顆粒雜質少,“霧”缺陷得到極大改善,也就是說,通過在反應腔室清潔階段控制較高的HCl氣體和H2的流量比例,及降低風機轉速以升高石英鐘罩的表面溫度,同時在磊晶生長階段控制較低的HCl氣體和H2的流量比例,及控制較高的風機轉速以使石英鐘罩表面的溫度達到較低的溫度,能夠增加石英鐘罩表面沉積的磊晶生長副產物的蝕刻去除量及減少磊晶生長副產物在石英鐘罩表面的沉積,從而提高了磊晶晶圓的品質。
需要說明的是:本發明實施例所記載的技術方案之間,在不衝突的情況下,可以任意組合。
以上僅為本發明之較佳實施例,並非用來限定本發明之實施範圍,如果不脫離本發明之精神和範圍,對本發明進行修改或者等同替換,均應涵蓋在本發明申請專利範圍的保護範圍當中。
S401-S402:步驟
Claims (9)
- 一種磊晶生長方法,該磊晶生長方法包括:反應腔室的清潔階段:通過向該反應腔室通入化學氣相蝕刻氣體以對該反應腔室進行清潔;磊晶生長階段:將拋光晶圓放入已清潔的該反應腔室中進行化學氣相沉積反應,生成磊晶晶圓;其中,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制通入反應腔室中該化學氣相蝕刻氣體和載氣的流量比例;以及,在該反應腔室的清潔階段和該磊晶生長階段,控制風機的轉速以調控石英鐘罩的溫度。
- 如請求項1所述之磊晶生長方法,其中,在該反應腔室的清潔階段,該化學氣相蝕刻氣體的第一流量與該載氣的第二流量之間的比例範圍為2:1~5:1。
- 如請求項2所述之磊晶生長方法,其中,該化學氣相蝕刻氣體的第一流量為10~50slm,該載氣的第二流量為5~10slm。
- 如請求項1所述之磊晶生長方法,其中,該反應腔室的清潔階段包括第一烘烤階段,第一子清潔階段及第二子清潔階段;其中,在該第一烘烤階段和該第一子清潔階段,該風機轉速為設定的風機最大轉速的75~80%;且將該石英鐘罩的溫度提高至565℃~590℃。
- 如請求項4所述之磊晶生長方法,其中,在該反應腔室的清潔過程中,該第一烘烤階段和該第一子清潔階段的時間為95~115秒。
- 如請求項1所述之磊晶生長方法,其中,該磊晶生長階段包括第二烘烤階段、第三子清潔階段及磊晶沉積階段;其中,在該第三子清潔階段中,該化學氣相蝕刻氣體的第三流量與該載氣的第四流量之間的比例範圍為1:10~1:20。
- 如請求項6所述之磊晶生長方法,其中,該化學氣相蝕刻氣體的第三流量為1~10slm,該載氣的第四流量為50~90slm。
- 如請求項1所述之磊晶生長方法,其中,在該磊晶生長過程中,該風機轉速為設定的風機最大轉速的92.5%。
- 一種磊晶晶圓,該磊晶晶圓由如請求項1至8中任一項所述之磊晶生長方法製備而得。
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