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CN116949568A - 获得外延层工艺条件的方法、外延层的形成方法 - Google Patents

获得外延层工艺条件的方法、外延层的形成方法 Download PDF

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CN116949568A
CN116949568A CN202310835203.1A CN202310835203A CN116949568A CN 116949568 A CN116949568 A CN 116949568A CN 202310835203 A CN202310835203 A CN 202310835203A CN 116949568 A CN116949568 A CN 116949568A
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heating
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Jiangsu Tianxin Micro Semiconductor Equipment Co ltd
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Abstract

本发明涉及一种获得外延层工艺条件的方法，包含以下步骤：S1、提供一外延设备，包括腔体、设置在腔体上方的上加热组件、设置在腔体下方的下加热组件；S2、提供一晶圆；S3、设定第一工艺温度；S4、设定上加热组件和下加热组件的功率参数；S5、将第一工艺温度调整到第二工艺温度，同时向腔体内通入工艺气体，生长外延层；S6、选取晶圆表面若干点位，测量点位的外延层的厚度，判断各点位的厚度是否满足预设条件，若否，则调整上加热组件和下加热组件的功率参数，重新执行步骤S4至S6；若是，则执行步骤S7；S7、记录最后的功率参数与其对应的第一、第二工艺温度形成外延层的工艺条件。本发明的方法获得的工艺条件可以避免晶圆发生弛豫现象。

Description

获得外延层工艺条件的方法、外延层的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体外延层制造领域，具体涉及一种获得外延层工艺条件的方法、外延层的形成方法。
背景技术
通常外延设备的基座由石墨制成，晶圆通常为单晶硅，而两者的比热容不同，在加热过程中温度会产生差异。此外晶圆的正面和背面加热方式存在差异，晶圆的正面通常是通过上灯组发热获得的热辐射加热，而晶圆的背面通常是通过下灯组照射在基座上，随后通过基座吸收热量，通过热传导的方式将热量传递到晶圆背面进行加热，而基座热传导的热量在晶圆背面各处存在差异，因此在晶圆各处在升降温过程中的升降速率会存在差异，这会导致进行外延层的生长过程进行温度升降时，晶圆各处的温度存在差异，从而导致外延层内部发生弛豫和产生应力问题。
因此急需提供一种应对方式解决晶圆各处温度差异问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得外延层工艺条件的方法，该方法获得的工艺条件可以保证晶圆各处温度一致，本发明提出通过在升降温过程通入硅源气体进行硅外延，通过量测晶圆各点位的硅外延层厚度，来判断其晶圆各点位处是否升降温一致，并通过改变底部功率占比及灯组功率分配使得晶圆各点位处升降温速率一致。
本发明提出的一种获得外延层工艺条件的方法，包含以下步骤：
S1、提供一外延设备，所述外延设备包括腔体和加热组件，所述加热组件包括设置在腔体上方的上加热组件和设置在腔体下方的下加热组件；
S2、提供一晶圆；
S3、设定第一工艺温度；
S4、设定上加热组件和下加热组件的功率参数；
S5、形成外延层：将第一工艺温度调整到第二工艺温度，同时向腔体内通入工艺气体，在所述晶圆表面生长外延层；
S6、测厚：选取晶圆表面若干点位，测量所述点位的外延层的厚度，判断各点位的厚度是否满足预设条件，若否，则调整上加热组件和下加热组件的功率参数，重新执行步骤S4至S6；若是，则执行步骤S7；
S7、记录最后的功率参数与其对应的第一、第二工艺温度获得外延层的工艺条件。
优选地，所述功率参数包括上下功率占比。
优选地，所述上加热组件包括上内圈加热组件和上外圈加热组件；所述上内圈加热组件用于加热晶圆的内圈，上外圈加热组件用于加热晶圆的外圈；下加热组件包括下内圈加热组件和下外圈加热组件，下内圈加热组件用于加热腔体的基座的内圈，下外圈加热组件用于加热腔体的基座的外圈；上内圈加热组件、上外圈加热组件、下内圈加热组件和下外圈加热组件分别包括多个独立控温的扇形加热区。
优选地，所述功率参数包括上下功率占比及各加热区的功率分配。
优选地，所述步骤S5中将第一工艺温度调整到第二工艺温度包括：
从第一工艺温度升温至第二工艺温度；或者，
从第一工艺温度降温至第二工艺温度。
优选地，当第一工艺温度升温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为650-900℃；或
当第一工艺温度降温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为625-800℃。
优选地，所述步骤S6中，选取晶圆表面若干点位包括沿第一方向在晶圆表面直径上选取若干点位。
优选地，所述步骤S6中，选取晶圆表面若干点位还包括沿第二方向在晶圆表面直径上选取若干点位；所述第一方向和第二方向呈一夹角，所述夹角大于40°，且小于等于90°。
优选地，所述步骤S6中，判断各点位的厚度是否满足预设条件是：判断沿第一方向的各点位的厚度均匀性是否满足预设条件和/或判断沿第二方向的各点位的厚度均匀性是否满足预设条件。
优选地，所述预设条件为厚度均匀性小于等于2.2％。
优选地，所述点位的数量是20至200个。
优选地，所述工艺气体包括硅源气体，所述硅源气体包括SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiCl4其中的一种或多种。
优选地，在步骤S2中，所述晶圆表面设置硅锗外延层；在步骤S5中，生长的外延层为硅外延层。
另外本发明还提出一种外延层形成方法，通过上述获得外延层工艺条件的方法获得的工艺条件制备外延层。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明获得的工艺条件可以保证在后续的外延层生长工艺时，在时间上和空间上，保证外延层在各时刻的各点位处生长的一致性，避免了弛豫和应力的问题。
2、本发明在升降温过程中就通入硅源气体进行硅外延层的生长，可以反应出工艺气体分解时的厚度呈现。
3、本发明的扇形加热区和第一方向、第二方向点位的厚度对应，更能调节出适合的功率参数。通过改变加热组件的上下功率占比使得晶圆上下表面各处升降温速率一致。通过控制各个扇形加热区的功率分配，实现了在空间上保证晶圆生长速率的一致。
附图说明
图1为本发明外延设备结构图；
图2为加热组件的分区示意图；
图3为晶圆取测量点位的示意图；
图4是晶圆某点的加热温度曲线图；
图5为本发明形成外延层的工艺条件的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的获得外延层工艺条件的方法、外延层的形成方法作进一步详细说明。
本发明主要是提供一种获得外延层工艺条件的方法，工艺条件包含了工艺温度、工艺气体、功率参数等相关参数。基于外延设备在不同的工艺温度条件下，外延层的生长速率不同；且在晶圆表面不同点位处，由于温度不同，其生长速率也不同；另外，在不同的时刻，温度的变化会出现温度过充现象，从而在空间上和时间上导致外延层内部发生弛豫或应力的问题。
为了保证晶圆表面(正面和背面)各点位处温度差异最小，防止外延层内部产生弛豫问题，本发明提出了一种获得外延层工艺条件的方法，以减小温度波动对外延层质量的影响。
请参阅图1，本发明所指的外延设备包括腔体和加热组件，所述腔体100包括侧壁、上法兰、下法兰、石英制的上穹顶101和下穹顶102，上穹顶101和下穹顶102通过上、下法兰固定在侧壁上从而密封形成一腔体100；腔体100还包括石墨基盘103，其设置在腔体的内部，石墨基盘103通过支撑杆结构104支撑，晶圆107放置在石墨基盘103上面。腔体100外侧的上方和下方均设置有加热组件105，所述加热组件105包括设置在腔体上方的上加热组件和设置在腔体下方的下加热组件；可选的，所述加热组件为卤素加热灯，其可向腔体100内部辐射热量进行加热。其中，设置在腔体上方的上加热组件105和设置在腔体下方的下加热组件105可单独控制，分别用于对腔体内石墨基盘103的上方和下方加热。腔体的上下两侧还设置有测温仪106，用于监测石墨基盘103和晶圆107的表面温度。
外延层生长过程是工艺气体热解重组过程，而工艺温度直接影响该过程的进行速率。在不同的温度下，外延层生长速率不同，且晶圆表面各处的温度存在差异，会导致外延层内部发生弛豫和产生应力问题。对此，本发明提出了一种获得外延层工艺条件的方法，请参阅图5，该方法包含以下步骤：
S1、提供外延设备，例如选用上述图1所述的外延设备，所述外延设备包括腔体100和加热组件105，所述加热组件包括设置在腔体上方的上加热组件和设置在腔体下方的下加热组件；
S2、提供一晶圆；将该晶圆至于石墨基盘103上，用于外延层生长衬底；
S3、设定第一工艺温度；
S4、设定上加热组件和下加热组件的功率参数；
S5、形成外延层：将第一工艺温度调整到第二工艺温度，同时向腔体内通入工艺气体，在所述晶圆表面生长外延层；该生长过程同步伴随温度的从第一工艺温度变化到第二工艺温度；
S6、测厚：选取晶圆表面若干点位测量所述点位的外延层的厚度，判断各点位的厚度是否满足预设条件，若否，则调整上加热组件和下加热组件的功率参数，重新执行步骤S4至S6；若是，则执行步骤S7；
S7、记录最后的功率参数与其对应的第一、第二工艺温度获得外延层的工艺条件。
可选的，点位数量为10至200个；所述步骤S6中，判断各点位的厚度是否满足预设条件是：判断各点位的厚度均匀性是否满足预设条件，优选的，所述预设条件为厚度均匀性小于等于2.2％，该预设条件可以保证各点位的温度差很小，从而防止外延层内部发生弛豫和产生应力问题。
其中，厚度均匀性＝(最大厚度-最小厚度)/最大厚度×100％。
需要说明的是，所述功率参数包括上下功率占比，即上加热组件的功率占总功率的比值和下加热组件的功率占总功率的比值。
所述步骤S5温度变化可以是升温过程或降温过程，即将第一工艺温度调整到第二工艺温度包括：从第一工艺温度升温至第二工艺温度；或者，从第一工艺温度降温至第二工艺温度。理想情况下，在调整工艺温度过程中晶圆的温度的变化曲线是平滑上升或下降的曲线，并达到预设的第二工艺温度时，晶圆的温度在小范围内波动。请参阅图4，为晶圆的温度变化曲线，图中的虚线为理想状态下的晶圆的温度变化曲线，但是由于晶圆正面与背面的加热方式不同，温度的变化过程会出现温度过充现象，即温度在达到预设的第二工艺温度值时，还会越过第二工艺温度然后返回至第二工艺温度，图中的实线为温度过充曲线，且温度的过充，会影响晶圆外延层的沉积质量，导致弛豫的发生。为了缓解温度过充现象，需要调整腔体上下两侧加热组件的功率参数，主要时是调整二者的上下功率占比，可选的，所述功率占比可以是在时间上变化的或不变的，例如，t1到t2时刻过程中，上下功率占比一直保持不变；或，t1时刻的上下功率占比为P1，t2时刻的上下功率占比为P2，t3时刻的上下功率占比为P3等，即在第一工艺温度到第二工艺温度过程中，上下功率占在时间上是变化的。并在每次功率参数调整后，进行上述的步骤S4-S6，在测得理想(即厚度均匀性满足预设条件)的厚度均匀性后，记录对应的工艺条件。这样的优势在于：可以在空间上(即晶圆上下表面)和时间上调节晶圆的温度的差异，防止弛豫的产生。
本例中，较为合适的工艺温度是：当第一工艺温度升温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为650-900℃；或当第一工艺温度降温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为625-800℃。
优选地，参见图1，所述上加热组件105包括上内圈加热组件和上外圈加热组件；所述上内圈加热组件用于加热晶圆的内圈，上外圈加热组件用于加热晶圆的外圈；下加热组件105包括下内圈加热组件和下外圈加热组件，下内圈加热组件用于加热腔体的基座的内圈，下外圈加热组件用于加热腔体的基座的外圈；请参阅图2，上内圈加热组件、上外圈加热组件、下内圈加热组件和下外圈加热组件均是由若干个加热灯环形排列形成，所述上内圈加热组件、上外圈加热组件、下内圈加热组件和下外圈加热组件分别包括多个独立控温的扇形加热区，如图2中的虚线内的三个加热灯形成一个扇形加热区，因此12个加热灯共可以形成4个扇形加热区，4个扇形加热区分别可以独立控温，相互之间不影响，在这里不对加热灯的总数量和扇形加热区的加热灯数量进行限定，数量仅做举例说明。进一步地，所述功率参数包括上下功率占比及各加热区的功率分配，各加热区的功率分配主要依靠各点位的外延层厚度数据进行调节。当然可选的，所述功率占比及各加热区的功率分配可以是在时间上变化的或不变的，上文已经具体解释，此处不再具体阐述。
其中，选取晶圆表面若干点位包括沿第一方向在晶圆表面直径上选取若干点位。在其他示例中，请参阅图3，选取晶圆表面若干点位还包括沿第二方向在晶圆表面直径上选取若干点位；所述第一方向和第二方向呈一夹角，所述夹角大于40°，且小于等于90°。那么第一方向和第二方向分别代表不同扇形加热区，可以依据两个方向的点位数据单独控制各个扇形加热区的加热组件的功率分配。因此，判断各点位的厚度是否满足预设条件包括判断沿第一方向的各点位的厚度均匀性是否满足预设条件，以及判断沿第二方向的各点位的厚度均匀性是否满足预设条件，或，判断沿第一方向和第二方向的所有点位的厚度均匀性是否满足预设条件。将第一方向与第二方向上的各点位进行对比，可以了解对应扇形加热区对外延层质量的影响，从而调节不同加热区的功率分配。
本例中，所述工艺气体包括硅源气体，所述硅源气体包括SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiCl4其中的一种或多种。
进一步地，在步骤S2中，所述晶圆表面设置硅锗外延层；在步骤S5中，生长的外延层为硅外延层，在晶圆表面首先形成硅锗外延层是为了便于测量硅外延层的厚度。并且，在生长外延层之前还需要对晶圆进行烘烤。本例中，形成硅锗外延层是采用SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiCl4至少一种的含硅气体与包含GeH4、Ge2H6至少一种的含锗气体的混合气体在晶圆表面气相沉积形成。所述硅锗外延层的厚度是10纳米至100纳米。
另外，本发明还提供了一种外延层的形成方法，采用上述步骤S7中获得的工艺条件进行外延层的生长，因此生长的外延层不会发生弛豫。
本发明在升降温过程中通入硅源气体进行硅外延层的生长，通过改变加热组件的功率参数使得晶圆各处在空间上和时间上升降温速率一致，防止了弛豫的发生。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (14)

1.一种获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、提供一外延设备，所述外延设备包括腔体和加热组件，所述加热组件包括设置在腔体上方的上加热组件和设置在腔体下方的下加热组件；
S2、提供一晶圆；
S3、设定第一工艺温度；
S4、设定上加热组件和下加热组件的功率参数；
S5、形成外延层：将第一工艺温度调整到第二工艺温度，同时向腔体内通入工艺气体，在所述晶圆表面生长外延层；
S6、测厚：选取晶圆表面若干点位，测量所述点位的外延层的厚度，判断各点位的厚度是否满足预设条件，若否，则调整上加热组件和下加热组件的功率参数，重新执行步骤S4至S6；若是，则执行步骤S7；
S7、记录最后的功率参数与其对应的第一、第二工艺温度获得外延层的工艺条件。
2.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述功率参数包括上下功率占比。
3.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述上加热组件包括上内圈加热组件和上外圈加热组件；所述上内圈加热组件用于加热晶圆的内圈，上外圈加热组件用于加热晶圆的外圈；下加热组件包括下内圈加热组件和下外圈加热组件，下内圈加热组件用于加热腔体的基座的内圈，下外圈加热组件用于加热腔体的基座的外圈；上内圈加热组件、上外圈加热组件、下内圈加热组件和下外圈加热组件分别包括多个独立控温的扇形加热区。
4.如权利要求3所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述功率参数包括上下功率占比及各加热区的功率分配。
5.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述步骤S5中将第一工艺温度调整到第二工艺温度包括：
从第一工艺温度升温至第二工艺温度；或者，
从第一工艺温度降温至第二工艺温度。
6.如权利要求5所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，当第一工艺温度升温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为650-900℃；或
当第一工艺温度降温至第二工艺温度时，所述第二工艺温度为625-800℃。
7.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述步骤S6中，选取晶圆表面若干点位包括沿第一方向在晶圆表面直径上选取若干点位。
8.如权利要求7所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述步骤S6中，选取晶圆表面若干点位还包括沿第二方向在晶圆表面直径上选取若干点位；所述第一方向和第二方向呈一夹角，所述夹角大于40°，且小于等于90°。
9.如权利要求7或8所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述步骤S6中，判断各点位的厚度是否满足预设条件是：判断各点位的厚度均匀性是否满足预设条件。
10.如权利要求9所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述预设条件为厚度均匀性小于等于2.2％。
11.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述点位的数量是20至200个。
12.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，所述工艺气体包括硅源气体，所述硅源气体包括SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2和SiCl4其中的一种或多种。
13.如权利要求1所述的获得外延层工艺条件的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述晶圆表面设置硅锗外延层；在步骤S5中，生长的外延层为硅外延层。
14.一种外延层的形成方法，其特征在于，通过如权利要求1-13任一项获得外延层工艺条件的方法获得的工艺条件生长所述外延层。
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