一种外延设备、设备制作方法及外延方法与流程

本发明属于半导体制造领域，涉及一种外延设备、设备制作方法及外延方法。

背景技术：

功率集成电路制造商逐渐转向采用基于12英寸衬底的制造工艺。表面具有厚外延层的衬底被用来制造功率器件。但是，厚硅外延层(>30μm)的生长存在很大的挑战，特别是当衬底的直径为12英寸时。在8英寸衬底上生长厚硅外延层通常采用分批处理反应器(batchtypereactor)。

请参阅图1，显示为分批处理反应器的示意图，其可以同时处理多片晶圆。但这种反应器不适合12英寸的晶圆。因为装载有很多12英寸晶圆的反应器具有很大的尺寸，将会显著降低外延层厚度的均匀性。

因此，只有单晶片反应器(singlewaferreactor)适合12英寸外延层的生长。但是，采用单晶片反应器生长12英寸外延层时，石英腔室会遭受严重的多晶硅覆盖，从而导致额外的颗粒问题。为了实现12英寸厚外延层的生长，并避免石英腔室的多晶硅覆盖，外延工艺需要使用多层薄层来构成厚外延层。在每个薄层生长后，需要将晶圆取出反应器，并采用hcl清洗反应器，以去除石英腔室壁覆盖的多晶硅。

请参阅图2，显示为现有技术中采用的单晶片反应器的结构图。反应气体与载气氢气均通过一个进气口101通入石英腔室102，废气通过出气口103排出。衬底104通过支撑平台105放置于石英腔室102内。石英腔室102外还包围有保护罩106，所述保护罩106与所述石英腔室102之间设有卤素灯107，所述保护罩106内表面设有au反射层108。现有技术中，为了降低石英腔室壁的多晶硅覆盖，还会采用冷却空气流109来冷却石英腔室102，以降低石英腔室102的温度。但是，这种方法所起的作用仍然有限。

因此，如何提供一种外延设备、设备制作方法及外延方法，以有效降低12英寸厚外延层生长中石英腔室壁的多晶硅覆盖，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种外延设备、设备制作方法及外延方法，用于解决现有技术中大面积厚外延层生长中石英腔室壁的多晶硅覆盖问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种外延设备，包括石英腔室、设于所述石英腔室内的用于支撑晶圆的支撑平台及分别设于所述石英腔室一对相对侧面的反应气体进气口及废气排气口；其中：

所述反应气体进气口所在石英腔室侧面上还设有两个氢气进气口，这两个氢气进气口分别位于所述反应气体进气口上方及下方；

所述石英腔室的内上表面及内下表面均设有若干用于降低氢气流速的凸台。

可选地，当所述石英腔室水平放置时，所述反应气体进气口与所述废气排气口位于同一水平面上。

可选地，两个氢气进气口与所述反应气体进气口之间的距离相等。

可选地，所述凸台的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm。

可选地，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。

可选地，所述凸台的横截面为圆形、椭圆形或多边形。

可选地，所述石英腔室的顶面向下凹，并呈弧线弯曲状。

可选地，所述外延设备还包括包围所述石英腔室的保护罩，所述保护罩内表面设有反射层。

可选地，所述石英腔室与所述保护罩之间设有卤素灯。

可选地，所述保护罩侧壁还设有用于冷却所述石英腔室的冷却空气进气口与冷却空气排气口。

本发明还提供一种外延设备的制作方法，包括如下步骤：

s1：提供第一组件与第二组件，所述第一组件与第二组件相互配合，用于组成外延设备的石英腔室；所述第一组件包括用于构成所述石英腔室内上表面的第一表面，所述第二组件包括用于构成所述石英腔室内下表面的第二表面；所述第一组件与第二组件侧壁分别设有一个氢气进气口；

s2：在所述第一表面或第二表面上形成聚合物覆盖层；

s3：提供一纳米压印模板，采用纳米压印工艺在所述聚合物覆盖层中形成若干凹槽；

s4：固化所述聚合物覆盖层；

s5：以所述聚合物覆盖层为掩模对所述第一表面或第二表面进行刻蚀，得到若干用于降低氢气流速的凸台；

s6：去除所述聚合物覆盖层。

可选地，于所述步骤s1中，采用喷涂法形成所述聚合物覆盖层，所述聚合物覆盖层的厚度范围是200-1000nm。

可选地，所述聚合物覆盖层采用su-8光刻胶、zep520正性电子抗蚀剂或聚甲基丙烯酸甲酯材质。

可选地，所述纳米压印模板采用聚二甲基硅氧烷材质。

可选地，于所述步骤s4中，采用紫外光照射法固化所述聚合物覆盖层。

可选地，于所述步骤s5中，采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀得到所述凸台。

可选地，于所述步骤s6中，采用o2等离子刻蚀去除所述聚合物覆盖层。

可选地，所述凸台的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。

本发明还提供一种外延方法，包括如下步骤：

s1：将晶圆放置于外延设备的石英腔室内的支撑平台上；

s2：通过设于所述石英腔室侧面的反应气体进气口往所述石英腔室内通入反应气体；通过设于所述反应气体进气口所在石英腔室侧面上且分别位于所述反应气体进气口上方及下方的两个氢气进气口往所述石英腔室内通入氢气；通过设于所述石英腔室的内上表面及内下表面的若干凸台降低氢气的流速，使接近所述石英腔室内上表面与内下表面的反应气体在伯努利效应的作用下被推回到主气流中，在所述晶圆表面形成硅外延层；

s3：通过设于所述石英腔室另一侧面并与所述反应气体进气口相对的废气排气口排出反应后的气体。

可选地，所述反应气体包括三氯氢硅。

可选地，所述反应气体还包括杂质气体，用于得到p型硅外延层或n型硅外延层。

可选地，在外延过程中，还包括利用冷却空气流来冷却所述石英腔室的步骤。

可选地，所述凸台的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。

如上所述，本发明的外延设备、设备制作方法及外延方法，具有以下有益效果：本发明采用纳米压印技术在石英腔室内上表面与内下表面上形成若干纳米级凸台，当气体流过石英腔室内上表面与内下表面时，气体可以在这些纳米级凸台之间的空隙中形成纳米级别的涡流，从而显著降低石英腔室表面的气体流速。本发明通过设置两条氢气进气口，可以形成两股氢气气流，且这两股氢气气流分别靠近石英腔室的内上表面与内下表面。由于所述纳米级凸台的存在，这两股氢气气流的流速将比反应气体气流的流速小得多。根据伯努利效应，当反应气体输送至石英腔室表面时，它们将会被推回到反应气体主气流中，从而减少反应气体与石英腔室的接触，有效抑制石英腔室腔壁的多晶硅覆盖。本发明的外延方法可以得到大面积、高质量的厚硅外延层。

附图说明

图1显示为现有技术中分批处理反应器的结构示意图。

图2显示为现有技术中单晶片反应器的结构示意图。

图3显示为本发明的外延设备的结构示意图。

图4显示为图3中虚线框所示区域的俯视图。

图5显示为图3中虚线框所示区域的放大图。

图6显示为石英腔室内表面未设置凸台时的反应气体流向原理图。

图7显示为石英腔室内表面设置有凸台时的反应气体流向原理图。

图8显示为第一组件的结构示意图。

图9显示为第二组件的结构示意图。

图10显示为在第一表面上形成聚合物覆盖层的示意图。

图11-图13显示为采用纳米压印工艺在所述聚合物覆盖层中形成若干凹槽的示意图。

图14显示为以所述聚合物覆盖层为掩模对所述第一表面或第二表面进行刻蚀，得到若干用于降低氢气流速的凸台的示意图。

图15显示为第一组件与第二组件配合形成外延设备的石英腔室的示意图。

元件标号说明

101进气口

102石英腔室

103出气口

104衬底

105支撑平台

106保护罩

107卤素灯

108au反射层

109冷却空气流

201石英腔室

202晶圆

203支撑平台

204反应气体进气口

205废气排气口

206氢气进气口

207凸台

208保护罩

209反射层

210卤素灯

211冷却空气排气口

212反应气体主气流

213冷却空气流

214反应气体

215多晶硅

216纳米级涡流

217第一组件

218第二组件

219第一表面

220第二表面

221聚合物覆盖层

222纳米压印模板

223凹槽

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种外延设备，请参阅图3，显示为所述外延设备的结构示意图，包括石英腔室201、设于所述石英腔室201内的用于支撑晶圆202的支撑平台203及分别设于所述石英腔室201一对相对侧面的反应气体进气口204及废气排气口205；其中：

所述反应气体进气口204所在石英腔室侧面上还设有两个氢气进气口206，这两个氢气进气口206分别位于所述反应气体进气口204上方及下方；

所述石英腔室201的内上表面及内下表面均设有若干用于降低氢气流速的凸台207。

作为示例，所述石英腔室1的顶面向下凹，并呈弧线弯曲状。这种下凹顶面有助于防止石英腔室过压导致石英破裂。所述外延设备还包括包围所述石英腔室的保护罩208，所述保护罩208内表面设有反射层209。该反射层有助于热量集中于石英腔室内部。本实施例中，所述反射层209采用au反射层。

作为示例，所述石英腔室1与所述保护罩208之间设有卤素灯210。卤素灯管用于将晶圆加热至工艺所需的温度，上下两组呈90度交错的灯管可保证晶圆的温度均匀性。

作为示例，所述保护罩208侧壁还设有用于冷却所述石英腔室201的冷却空气进气口(未示出)与冷却空气排气口(211)。用于形成冷却空气流，降低外延过程中石英腔室壁的温度。

作为示例，当所述石英腔室1水平放置时，所述反应气体进气口204与所述废气排气口205位于同一水平面上。图3中通过黑色箭头示出了反应气体主气流212与冷却空气流213。

具体的，所述凸台207的横截面包括但不限于圆形、椭圆形或多边形，其尺寸为纳米级别。作为示例，所述凸台207的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。

请参阅图4，显示为图3中虚线框所示区域的俯视图。本实施例中，所述凸台207的横截面优选为圆形，且所述凸台呈周期性排列。图4中还示出了所述凸台207的宽度a、相邻两个凸台之间的距离b。

请参阅图5，显示为图3中虚线框所示区域的放大图，其中示出了所述凸台207的宽度a、相邻两个凸台之间的距离b及所述凸台的高度c。

具体的，本发明通过设置两条氢气进气口206，可以形成两股氢气气流，且这两股氢气气流分别靠近所述石英腔室201的内上表面与内下表面。由于纳米级凸台207的存在，这两股氢气气流的流速将比反应气体气流的流速小得多。

本实施例中，两个氢气进气口206与所述反应气体进气口204之间的距离优选为相等。

请参阅图6及图7，分别显示为所述石英腔室内表面未设置凸台时的反应气体流向原理图与所述石英腔室内表面设置有凸台时的反应气体流向原理图。可见，未设置所述凸台207时，当反应气体214接近所述石英腔室内壁，会在所述石英腔室内壁生成多晶硅215(如图6所示)。而设置了所述凸台207之后，氢气流经石英腔室内壁时会在凸台之间的间隙中形成纳米级涡流216，从而显著降低石英腔室表面的氢气气体流速，根据伯努利效应，当反应气体214输送至石英腔室201表面时，它们将会被推回到反应气体主气流212中，从而减少了反应气体214与石英腔室201的接触，有效抑制石英腔室201腔壁的多晶硅覆盖。

本发明的外延设备可以有效抑制外延过程中石英腔室腔壁上的多晶硅覆盖，减少颗粒污染，可以一次性得到较厚的硅外延层(>30μm)，无需中途取出晶圆并对石英腔室进行清洗，从而有利于快速制备大面积、高质量的硅外延层。

实施例二

本发明还提供一种外延设备的制作方法，包括如下步骤：

请参阅图8及图9，执行步骤s1：提供第一组件217与第二组件218，所述第一组件217与第二组件218相互配合，用于组成外延设备的石英腔室；所述第一组件218包括用于构成所述石英腔室内上表面的第一表面219，所述第二组件218包括用于构成所述石英腔室内下表面的第二表面220；所述第一组件217与第二组件218侧壁分别设有一个氢气进气口。

请参阅图10，执行步骤s2：在所述第一表面或第二表面上形成聚合物覆盖层221。图10以所述第一组件217为例进行说明。

作为示例，采用喷涂法形成所述聚合物覆盖层221，所述聚合物覆盖层221的厚度范围是200-1000nm。在其它实施例中，也可采用其它涂覆方法，只要活得的聚合物覆盖层221较为均匀即可。

作为示例，所述聚合物覆盖层221采用su-8光刻胶、zep520正性电子抗蚀剂或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)材质。

请参阅图11至图13，执行步骤s3：提供一纳米压印模板222，采用纳米压印工艺在所述聚合物覆盖层221中形成若干凹槽223。

纳米压印工艺是指将一具有纳米图案的模板以机械力在涂有高分子材料的硅基板上等比例压印复制纳米图案，其加工分辨力只与模板图案的尺寸有关，而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制，目前nil技术已经可以制作线宽在5nm以下的图案。由于省去了光学光刻掩模板和使用光学成像设备的成本。因此nil技术具有低成本、高产出的经济优势。目前纳米压印大概可以归纳出四种代表技术：热压印光刻技术、紫外硬化压印光刻技术、软压印、激光辅助直接光刻技术。

本实施例中，优选采用紫外硬化压印光刻技术。紫外硬化压印光刻技术是一种在室温、低压环境下利用紫外光硬化高分子的压印光刻技术，其前处理与热压印类似，首先都必须准备一个具有纳米图案的模板，而紫外硬化压印光刻技术的模板材料必须使用可以让紫外线穿透的材料，并且在硅基板涂布一层低黏度、对uv感光的液态高分子光刻胶，在模板和基板对准完成后，将模板压入光刻胶层并且照射紫外光使光刻胶发生聚合反应硬化成形，然后脱模、进行刻蚀基板上残留的光刻胶便完成整个紫外硬化压印。紫外压印相对于热压印来说，不需要高温、高压的条件，它可以廉价的在纳米尺度得到高分辨率的图形，可用于发展纳米器件。

作为示例，所述纳米压印模板222采用聚二甲基硅氧烷材质。

然后执行步骤s4：固化所述聚合物覆盖层221。

具体的，采用紫外光照射法固化所述聚合物覆盖层221。

请参阅图14，执行步骤s5：以所述聚合物覆盖层221为掩模对所述第一表面或第二表面进行刻蚀，得到若干用于降低氢气流速的凸台207。

作为示例，采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀得到所述凸台207。

作为示例，所述凸台的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。可通过设置所述纳米压印模板的图形来控制得到的凸台的长度及宽度、通过调整刻蚀时间等工艺参数来控制得到的凸台的高度。

最后执行步骤s6：去除所述聚合物覆盖层。

作为示例，采用o2等离子刻蚀去除所述聚合物覆盖层。

请参阅图15，显示为所述第一组件217与第二组件218配合形成外延设备的石英腔室的示意图。

本发明的设备制作方法得到的外延设备中，石英腔室内上表面与内下表面上均形成有若干纳米级凸台，且反应气体进气口上方及下方分别设有一条氢气进气口，当气体流过石英腔室内上表面与内下表面时，氢气气流可以在这些纳米级凸台之间的空隙中形成纳米级别的涡流，从而显著降低石英腔室内上表面与内下表面附近的氢气气体流速。根据伯努利效应，当反应气体输送至石英腔室表面时，它们将会被推回到反应气体主气流中，从而减少反应气体与石英腔室的接触，有效抑制石英腔室腔壁的多晶硅覆盖。

实施例三

本发明还提供一种外延方法，包括如下步骤：

首先执行步骤s1：将晶圆放置于外延设备的石英腔室内的支撑平台上。

然后执行步骤s2：通过设于所述石英腔室侧面的反应气体进气口往所述石英腔室内通入反应气体；通过设于所述反应气体进气口所在石英腔室侧面上且分别位于所述反应气体进气口上方及下方的两个氢气进气口往所述石英腔室内通入氢气；通过设于所述石英腔室的内上表面及内下表面的若干凸台降低氢气的流速，使接近所述石英腔室内上表面与内下表面的反应气体在伯努利效应的作用下被推回到主气流中，在所述晶圆表面形成硅外延层。

作为示例，所述凸台的高度范围是50-200nm，长度或宽度范围是50-800nm，相邻两个凸台之间的距离为50-800nm。

作为示例，所述反应气体包括三氯氢硅(sihcl3，简称tcs)。在其它实施例中，所述反应气体也可以采用其它含硅气体，例如硅烷(sih4)、二氯硅烷(sih2cl2，简称dcs)等。

作为示例，当要制备掺杂硅外延层时，所述反应气体还包括杂质气体，用于得到p型硅外延层或n型硅外延层。其中，n型杂质气体可采用磷烷(ph3)或砷烷(ash3)，p型杂质气体可采用硼烷(b2h6)。

进一步的，在外延过程中，还可利用冷却空气流来冷却所述石英腔室，进一步降低石英腔室壁生成多晶硅的概率。。

最后执行步骤s3：通过设于所述石英腔室另一侧面并与所述反应气体进气口相对的废气排气口排出反应后的气体。

本发明的外延方法可以有效抑制外延过程中石英腔室腔壁上的多晶硅覆盖，减少颗粒污染，可以一次性得到较厚的硅外延层(>30μm)，无需中途取出晶圆并对石英腔室进行清洗，从而有利于快速制备大面积、高质量的硅外延层。

综上所述，本发明的外延设备、设备制作方法及外延方法，具有以下有益效果：本发明采用纳米压印技术在石英腔室内上表面与内下表面上形成若干纳米级凸台，当气体流过石英腔室内上表面与内下表面时，气体可以在这些纳米级凸台之间的空隙中形成纳米级别的涡流，从而显著降低石英腔室表面的气体流速。本发明通过设置两条氢气进气口，可以形成两股氢气气流，且这两股氢气气流分别靠近石英腔室的内上表面与内下表面。由于所述纳米级凸台的存在，这两股氢气气流的流速将比反应气体气流的流速小得多。根据伯努利效应，当反应气体输送至石英腔室表面时，它们将会被推回到反应气体主气流中，从而减少反应气体与石英腔室的接触，有效抑制石英腔室腔壁的多晶硅覆盖。本发明的外延方法可以得到大面积、高质量的厚硅外延层。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。