一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法
阅读说明：本技术 一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法 (Base support frame, device and method for epitaxial growth of silicon wafer ) 是由 俎世琦 金柱炫 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法；所述基座支撑架包括：从所述基座支撑架的纵向轴线开始径向向外并且轴向向上延伸的四根基座支撑手臂,所述四根基座支撑手臂在绕所述纵向轴线的周向方向上均匀分布,所述四根基座支撑手臂的远端部一起支撑用于对所述硅片进行承载的基座；分别连接至所述四根基座支撑手臂上的四个凹透镜,每个凹透镜沿着所连接的所述基座支撑手臂延伸,所述四个凹透镜设置成使得相应于承载在所述基座中的所述硅片的四个<110>晶向分别在竖向上与所述四根基座支撑手臂对准,在所述竖向上经由所述四个凹透镜分别辐射到所述硅片的四个<110>晶向的位置处的辐射热能够被所述四个凹透镜折射并发散。(The embodiment of the invention discloses a base support frame, a device and a method for epitaxial growth of a silicon wafer; the base support frame includes: four base support arms extending radially outward and axially upward from a longitudinal axis of the base support frame, the four base support arms being evenly distributed in a circumferential direction about the longitudinal axis, distal end portions of the four base support arms together supporting a base for carrying the silicon wafer; four concave lenses respectively connected to the four susceptor support arms, each concave lens extending along the connected susceptor support arm, the four concave lenses being arranged such that four <110> crystal orientations corresponding to the silicon wafer carried in the susceptor are respectively aligned with the four susceptor support arms in a vertical direction in which radiant heat respectively radiated to positions of the four <110> crystal orientations of the silicon wafer via the four concave lenses can be refracted and diffused by the four concave lenses.)
技术领域
本发明实施例涉及硅片外延生长技术领域，尤其涉及一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法。
背景技术
硅片的外延生长工艺是半导体芯片制造过程中的一个重要工艺，该工艺是指在一定条件下，在经抛光的硅片上再生长一层电阻率和厚度可控、无晶体原生粒子(CrystalOriginated Particles，COP)缺陷且无氧沉淀的硅单晶层。硅片的外延生长主要包括真空外延沉积、气相外延沉积以及液相外延沉积等生长方法，其中以气相外延沉积的应用最为广泛。如果没有另外说明，本发明提及的外延生长都是指通过气相外延沉积完成的外延生长。
对于硅片的外延生长而言，平坦度是衡量外延硅片的质量的重要指标，而外延硅片的平坦度与外延层的厚度直接相关。在外延生长过程中，由加热灯泡产生的反应腔室中的温度、硅源气体的浓度、硅源气体的流动速度等都会对外延层的厚度产生非常明显的影响。除此以外，硅片的晶向是影向外延层的厚度进而影响外延硅片的平坦度的另一个重要因素，以下对硅片的晶向以及晶向对外延层厚度的影响进行详细介绍。
参见图1，图1以(100)晶面的硅片W100为例示出了硅片的晶向。如图1所示，如果硅片W100的三点钟方向是0°/360°的径向方向并且是<110>晶向的话，则相对于0°/360°的径向方向顺时针旋转的90°、180°和270°的径向方向也为硅片W100的<110>晶向，而相对于0°/360°的径向方向顺时针旋转的45°、135°、225°和315°的径向方向为硅片W100的<100>晶向。也就是说，对于该硅片W100而言，4个<110>晶向与沿硅片的周向间隔90°分布的4个径向方向相对应，4个<100>晶向同样与沿硅片的周向间隔90°分布的4个径向方向相对应，而相邻的<110>晶向和<100>晶向沿硅片的周向间隔45°。
参见图2，其示出了在使用常规的用于硅片的外延生长的基座的情况下，如图1中示出且直径为300mm的硅片W100在距离径向边缘1mm的位置处的边缘部位正面基准最小二乘/范围(Edge Site Frontsurface-referenced least sQuares/Range，ESFQR)结果。在图2中，横坐标表示图1中示出的硅片W100的径向方向的角度，纵坐标表示硅片W100在对应角度位置处的ESFQR值(单位为nm)，该值可以反映出生长的外延层的厚度。如图2所示，在0°/360°、90°、180°和270°的径向方向上，硅片W100上生长的外延层的厚度为峰值，也就是说，硅片W100在<110>晶向的生长速率最大；从0°、90°、180°和270°的径向方向至45°、135°、225°和315°的径向方向以及从90°、180°、270°和360°的径向方向至45°、135°、225°和315°的径向方向，硅片W100上生长的外延层的厚度逐渐减小，也就是说，硅片W100的生长速率从<110>晶向至<100>晶向逐渐减小，这也在图1中通过带箭头的弧线示出，其中箭头方向表示生长速率减小方向；在45°、135°、225°和315°的径向方向上，硅片W100上生长的外延层的厚度为谷值，也就是说，硅片W100在<100>晶向的生长速率最小，而且如在现有技术中已知的，上述厚度差异在越靠近硅片的径向边缘的区域表现的越明显。
现有的一种改善外延硅片的平坦度的措施为，经由进气口将用于阻止外延层的沉积的刻蚀气体输送到反应腔室中，并且在硅片随着基座旋转的过程中，当硅片的生长较快区域经过进气口时，进气速率增大，而当硅片的生长较慢区域经过进气口时，进气速率减小。然而，在硅片的外延生长过程中，不可避免地需要改变工艺参数比如基座的转速，在这种情况下，需要随着转速的改变来相应地改变进气速率的变化，增大了工艺复杂程度。
现有的另一种改善外延硅片的平坦度的措施为，在基座底面增加导热块来改变相应区域的温度，以达到改善硅片平坦度的目的。然而，由于基座中安装导热块的区域的厚度较小，通常小于3mm，因此安装的导热块会给基座带来承重问题，影响基座的使用寿命。另一方面，导热块会改变除其安装区域以外的相应区域的温度，使得最终获得的外延硅片的局部形貌受到影响，严重情况下会使硅片因应力不均匀而产生位错。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法；能够通过改变基座支撑架相应部分的结构进而改变硅片对应部分的温度分布以解决因硅片晶向不同导致的外延生长过程中的外延层的厚度不均匀进而使得外延硅片的平坦度不佳的问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长基座支撑架，其特征在于，所述基座支撑架包括：
从所述基座支撑架的纵向轴线开始径向向外并且轴向向上延伸的四根基座支撑手臂，所述四根基座支撑手臂在绕所述纵向轴线的周向方向上均匀分布，所述四根基座支撑手臂的远端部一起支撑用于对所述硅片进行承载的基座；
分别连接至所述四根基座支撑手臂上的四个凹透镜，每个凹透镜沿着所连接的所述基座支撑手臂延伸，所述四个凹透镜设置成使得相应于承载在所述基座中的所述硅片的四个<110>晶向分别在竖向上与所述四根基座支撑手臂对准，在所述竖向上经由所述四个凹透镜分别辐射到所述硅片的四个<110>晶向的位置处的辐射热能够被所述四个凹透镜折射并发散。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的装置，其特征在于，所述装置包括：
圆盘形基座，所述基座用于承载所述硅片；
根据第一方面所述的基座支撑架；
上部钟罩和下部钟罩，所述上部钟罩和所述下部钟罩一起围闭出容纳所述基座的反应腔室，其中，所述基座将所述反应腔室分隔成上反应腔室和下反应腔室，所述硅片放置在所述上反应腔室中；
多个加热灯泡，所述多个加热灯泡设置在上部石英钟罩和下部石英钟罩的外围并用于透过上部钟罩和下部钟罩在反应腔室中提供用于气相外延沉积的高温环境；
进气口，所述进气口用于向所述反应室中顺序地输送清洁气体和硅源气体；
排气口，所述排气口用于将所述清洁气体和所述硅源气体各自的反应尾气排出所述反应室。
第三方面，本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的方法，所述方法应用于根据第二方面所述的装置，所述方法包括：
将所述硅片在所述基座中承载成使得所述硅片的四个<110>晶向分别在竖向上与所述四根基座支撑手臂对准；
开启所述多个加热灯泡使所述反应腔室的温度升高到1100℃～1150℃，经由所述进气口将硅源气体输送到所述上反应腔室中以在所述硅片上生长外延层；
所述硅源气体从所述上反应腔室穿过所述硅片的正面，并且扩散至所述硅片的背面且从反应腔室的间隙排出到所述下反应腔室中，以使得在所述硅片上生长的外延层的厚度均匀；
经由所述排气口将包括排出到所述下反应腔室的硅源气体的反应尾气排出所述反应腔室。
本发明实施例提供了一种用于硅片的外延生长的基座支撑架、装置及方法；将外延硅片的基座支撑架中的基座支撑手臂由三根变为四根，并在每根基座支撑手臂上均设置有凹透镜，且使得硅片的四个<110>晶向分别在竖向上与四根基座支撑手臂对准，这样经由四个凹透镜分别辐射到硅片的四个<110>晶向的位置处的辐射热能够被四个凹透镜折射并发散，从而降低了硅片<110>晶向的温度分布，在这种情况下，使得硅片的整个周向上的生长速率更为均衡，在硅片上生长的外延层的厚度更加均匀，由此能够获得平坦度更好的外延硅片。
附图说明
图1为本发明实施例提供的(100)晶面的硅片的<110>晶向和<100>晶向的示意图。
图2为本发明实施例提供的在使用常规的用于硅片的外延生长的基座的情况下，图1中示出的硅片的ESFQR结果。
图3为本发明实施例提供的现有的用于硅片的外延生长的装置的示意图。
图4为本发明实施例提供的现有的用于硅片的外延生长的装置中基座支撑架的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的用于硅片的外延生长的装置中基座支撑架的结构示意图。
图6为本发明实施例提供的用于硅片的外延生长的装置中基座支撑架的F俯视图示意图。
图7为本发明实施例提供的基座支撑架和凹透镜组装连接示意图。
图8为本发明实施例提供的凹透镜对辐射热的折射发散效果示意图。
图9为本发明实施例提供的凹透镜尺寸参数示意图。
图10为本发明实施例提供的用于硅片的外延生长的装置的示意图。
图11为本发明实施例提供的用于硅片的外延生长的方法流程的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图3，其示出了现有的用于硅片W的外延生长的装置1的示意图。如图3所示，该装置1可以包括：基座10，该基座10用于承载硅片W；基座支撑架20，该基座支撑架20用于支撑基座10并在外延生长期间驱动基座10以一定速度绕中心轴线X旋转，其中在基座10的旋转过程中，硅片W随基座10一起绕中心轴线X旋转，也就是说硅片W相对于基座10是保持静止的，由此，需要基座10的径向边缘与相邻部件10A(通常为预热环)之间具有较小的间隙G；上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B，该上部石英钟罩30A和该下部石英钟罩30B一起围闭出将基座10以及基座支撑架20容纳在其中的反应腔室RC，其中，基座10将反应腔室RC分隔成上反应腔室RC1和下反应腔室RC2，硅片W放置在上反应腔室RC1中；通常，上反应腔室RC1中的气压略大于下反应腔室RC2中的气压使得上反应腔室RC1中的气体会经由间隙G进入到下反应腔室RC2中；进气口40，该进气口40用于向上反应腔室RC1中输送反应气体，例如以SiHCl3为例的硅源气体、氢气、以B2H6或PH3为例的掺杂剂气体，以便通过硅源气体与氢气反应生成硅原子并沉积在硅片W上以在硅片W上生长外延层，同时通过掺杂剂气体对外延层进行掺杂以获得所需的电阻率；排气口50，该排气口50用于将反应尾气排出反应腔室RC；多个加热灯泡60，该多个加热灯泡60设置在上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B的外围并用于透过上部钟罩30A和下部钟罩30B在反应腔室RC中提供用于气相外延沉积的高温环境；以及用于组装装置1的各个元件的安装部件70。
需要说明的是，上述常用于硅片W的外延生长的装置1中，基座支撑架20包含三个沿圆周等间距分布的支撑手臂21，具体俯视图如图4所示，在使用如上所述的用于硅片W的外延生长的基座支撑架20的情况下，硅片W的<110>晶向和<100>晶向的生长速率会有不同，因此硅片W上生长的外延层的厚度会不同，因此最终获得的外延硅片的平坦度会较差。
基于此，参见图5，本发明实施例提供了一种基座支撑架200来代替图1中示出的用于硅片W的外延生长的装置1中的基座支撑架20，如图6示出了本发明实施例提供的基座支撑架200的俯视图，具体来说，本发明实施例提供的基座支撑架200包括：
从所述基座支撑架200的纵向轴线开始径向向外并且轴向向上延伸的四根基座支撑手臂201，所述四根基座支撑手臂201在绕所述纵向轴线的周向方向上均匀分布，所述四根基座支撑手臂201的远端部一起支撑用于对所述硅片W进行承载的基座10；
分别连接至所述四根基座支撑手臂201上的四个凹透镜202，每个凹透镜202沿着所连接的所述基座10支撑手臂延伸，所述四个凹透镜202设置成使得相应于承载在所述基座10中的所述硅片W的四个<110>晶向分别在竖向上与所述四根基座支撑手臂201对准，在所述竖向上经由所述四个凹透镜202分别辐射到所述硅片W的四个<110>晶向的位置处的辐射热能够被所述四个凹透镜202折射并发散。
在用根据本发明的基座支撑架200代替图1中示出的用于硅片W的外延生长的装置1中的基座支撑架20的情况下，硅片W<110>晶向0°/360°、90°、180°以及270°位置的竖向下方均设置了相对应的凹透镜202，由于凹透镜202的作用，使得辐射到硅片W<110>晶向的热会先辐射到凹透镜202上，凹透镜202会对辐射热产生一定的折射发散作用，因此能够使得硅片W<110>晶向的温度分布较采用基座支撑架20时降低，而采用基座支撑架200代替基座支撑架20后，硅片W<110>晶向至硅片W<100>晶向的温度分布差值减小，这种情况下，能够使得硅片W<110>晶向至<100>晶向上硅片W的外延层生长速率更加均匀，进而使得硅片W的外延层的厚度更加均匀，由此能够获得平坦度更好的外延硅片。
在对原有的基座支撑架20进行了结构的改变后得到了基座支撑架200，为了在改变结构的同时不会在硅片W的外延生长过程中引入新的杂质，优选地，所述基座支撑手臂201的材料为石英。相应地，所述凹透镜202的材料也为石英。
在进行硅片W的外延生长过程中，基座支撑架200会带动基座10一起绕X轴转动，因此，为了能够在转动的过程中，凹透镜202不会相对于基座支撑手臂201发生晃动，在本发明的具体实施方式中，参见图7，每个凹透镜202上设置有通孔2021，以使得所述基座支撑手臂201能够穿过所述通孔2021来实现所述凹透镜202与所述基座支撑手臂201的连接。可以理解地，为了在转动的过程中凹透镜202与基座支撑手臂201之间不产生晃动，通孔2021的尺寸大小与基座支撑手臂201的尺寸大小恰好匹配。
在本发明的具体实施方式中，优选地，每个凹透镜202还设置成使得辐射热能够经由所述凹透镜202辐射到所述硅片W的周缘处。可以理解地，硅片W的外延层在晶向<110>至晶向<100>之间的厚度差异在越靠近硅片W的径向边缘的区域表现的越明显，因此为了获得更加均匀的外延层的厚度，在本发明实施例中，更加期望通过采用凹透镜202结构能够将硅片W周缘的温度降低，以减小上述的外延层的厚度差异。
可以理解地，参见图8，所述凹透镜202包括凹面2023和凸面2022，所述凹面2023背离所述硅片W设置，所述凸面2022朝向所述硅片W设置，以实现对辐射热的折射发散效果。如图8所示，当加热灯泡60产生的热辐射进入到反应腔室RC中时，辐射热首先会照射至设置在硅片W<110>晶向0°/360°、90°、180°以及270°正下方的凹透镜202的凹面2023上，根据透镜的折射原理，照射到所述凹透镜202的所述辐射热先经所述凹面2023折射后照射到所述凸面2022上并再经所述凸面2022折射发散后入射到所述硅片W上，也就是说，凹透镜202在辐射热的传递过程中起到了折射发散作用，在这种情况下，与采用原始的基座支撑架20相比，替换后的基座支撑架200减少了照射到硅片W<110>晶向的辐射热，也就相当于硅片W<110>晶向位置的硅片部分温度上升会变慢，因而该晶向位置上的硅片部分的外延层生长速率也会降低；而另一方面，硅片W<100>晶向位置的硅片部分由于除了接收之前的辐射热以外，还会有经凹透镜202折射发散的部分辐射热照射到<100>晶向位置的硅片部分，从而该晶向位置上的硅片部分的外延层生长速率会加快，因而硅片W<110>晶向至<100>晶向硅片W的外延层的生长速率会逐渐均匀，由此也能够保证得到均匀平坦的硅片W的外延硅片。
基于图3所示的装置1中基座10，反应腔室RC等结构的尺寸大小以及硅片W的直径，参见图9，在本发明的具体实施方式中，优选地，每个凹透镜202的径向外边缘OE与所述纵向轴线之间的距离可以等于所述硅片W的半径，相应于所述硅片W的直径为300mm，每个凹透镜202在径向方向上的延伸长度D2可以为3mm，每个凹透镜202的径向外边缘OE在周向方向上的延伸角度可以为15°＜α＜30°。
参见图10，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延生长的装置2，该装置2通过将本发明实施例提供的基座支撑架200代替图3中示出的基座支撑架20之后获得。具体地，该装置2可以包括：圆盘形基座10，所述基座10用于承载所述硅片W；本发明实施例提供的基座支撑架200；上部钟罩30A和下部钟罩30B，所述上部钟罩30A和所述下部钟罩30B一起围闭出容纳所述基座10的反应室RC，其中，所述基座10将所述反应腔室RC分隔成上反应腔室RC1和下反应腔室RC2，所述硅片W放置在所述上反应腔室RC1中；多个加热灯泡60，所述多个加热灯泡60设置在上部石英钟罩30A和下部石英钟罩30B的外围并用于透过上部钟罩30A和下部钟罩30B在反应腔室中提供用于气相外延沉积的高温环境；进气口40，所述进气口40用于向所述反应室RC中顺序地输送清洁气体和硅源气体；排气口50，所述排气口50用于将所述清洁气体和所述硅源气体各自的反应尾气排出所述反应室RC。除此以外，与现有的用于硅片W的外延生长的装置1一样，该装置2还可以包括安装部件70等，在此不再赘述。
参见图11，本发明实施例还提供了一种用于硅片W的外延生长的方法，该方法应用于本发明实施例提供的装置2，该方法可以包括：
S1101、将所述硅片W在所述基座10中承载成使得所述硅片W的四个<110>晶向分别在竖向上与所述四根基座支撑手臂202对准；
S1102、开启所述多个加热灯泡60使所述反应腔室RC的温度升高到1100℃～1150℃，经由所述进气口40将硅源气体输送到所述上反应腔室RC1中以在所述硅片W上生长外延层；
S1103、所述硅源气体从所述上反应腔室RC1穿过所述硅片W的正面，并且扩散至所述硅片W的背面且从反应腔室RC的间隙G排出到所述下反应腔室RC2中，以使得在所述硅片W上生长的外延层的厚度均匀；
S1104、经由所述排气口50将包括排出到所述下反应腔室RC2的硅源气体的反应尾气排出所述反应腔室RC。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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