外延生长设备的气流调节结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延生长设备的气流调节结构。


背景技术：

2.外延工艺是通过化学气相沉积方法，在抛光半导体衬底表面生长一层单晶硅薄膜，实现对半导体衬底表层质量与导电性能改善调控。半导体衬底外延层表面平坦度是半导体器件性能重要影响参数，表面平坦度越好，器件良率与性能也越高。由于单晶硅存在各向异性，薄膜生长过程中不同区域沉积厚度存在差异，进而对平坦度产生影响。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种外延生长设备的气流调节结构，以解决半导体衬底在外延工艺中外延层沉积厚度存在差异的问题。
4.为解决上述技术问题，本实用新型提供一种外延生长设备的气流调节结构，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。
5.可选的，所述气流调节结构具有向内凸出于环壁的安装环。
6.可选的，所述安装环上设置有安装孔，用于连接所述气流调节结构和所述外延生长设备的基座，其中，所述气流调节结构位于所述外延生长设备的基座的外周。
7.可选的，所述气流调节结构的材质包括石英。
8.可选的，所述环壁不同位置的轴向延伸高度差的范围为200微米至500微米。
9.可选的，所述环壁轴向延伸高度最低的位置对应所述半导体衬底的《100》晶向，所述环壁轴向延伸高度最高的位置对应所述半导体衬底的《110》晶向。
10.可选的，所述环壁轴向延伸高度最低的位置和所述环壁轴向延伸高度最高的位置间隔设置。
11.可选的，相邻所述环壁轴向延伸高度最低的位置之间的夹角为90
°
，相邻所述环壁轴向延伸高度最高的位置之间的夹角为90
°
。
12.可选的，所述环壁轴向延伸高度最低的位置高于或者等于外延生长设备的基座的顶部。
13.可选的，所述环壁的最高点和最低点之间的部分的形状为圆弧、椭圆弧或者正弦函数曲线中的一种。
14.在本实用新型提供的一种外延生长设备的气流调节结构中，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。通过气流调节结构调节外延生长工艺中半导体衬底上方局部气流，进而使外延层薄膜厚度均匀性与平坦度得到优化。基座具有较高加工制造难度，加工周期较长，本实用新型中，气流调节结构与基座是相互独立的两个装置，无需调整基座，气流调节结构制造工艺简单，加工周期通常仅需基座制造一半时间，降
低了设备成本。
附图说明
15.本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本实用新型，而不对本实用新型的范围构成任何限定。其中：
16.图1是本实用新型实施例的半导体衬底的晶向示意图。
17.图2是本实用新型实施例的外延生长设备的结构示意图。
18.图3是本实用新型实施例的气流调节结构的俯视图。
19.图4是本实用新型实施例的气流调节结构的立体图。
20.图5是本实用新型实施例的气流调节结构的侧视图。
21.图6是本实用新型实施例的气流调节结构的不同位置具有不同的轴向延伸高度示意图。
22.附图中：
23.10-外延生长设备；11-气流调节结构；11a-环壁；11b-安装环；11c-安装孔；11d-环壁轴向延伸高度最高的位置；11e-环壁轴向延伸高度最低的位置；12-基座；13-基座支撑臂；14-基座支撑销；15-升降支杆；16-升降轴；
24.d-环壁不同位置的轴向延伸高度差；
25.20-半导体衬底。
具体实施方式
26.为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
27.如在本实用新型中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本实用新型中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.图1是本实用新型实施例的半导体衬底的晶向示意图。实用新型人研究发现，半导
体衬底20包括《110》晶向和《100》晶向，即第ⅰ区域为《110》晶向，第ⅱ区域为《100》晶向。假设《110》晶向的一个区域为0
°
，则《110》晶向区域还位于90
°
、180
°
、和270
°
。而《100》晶向区域则位于45
°
、135
°
、225
°
和315
°
。在外延生长工艺中，由于单晶硅各向异性，第ⅰ区域《110》晶向的外延层薄膜沉积较厚；第ⅱ区域《100》晶向的外延层薄膜沉积较薄，不同区域外延层薄膜沉积厚度存在差异，影响半导体衬底后续工艺的进行。
29.实用新型人研究还发现，对基座进行改造，以改善半导体衬底20上的外延层的厚度均匀性和平坦度。由于基座的材质为石墨，石墨材质的基座具有较高加工制造难度，为防止杂质污染，石墨材质的基座表层还需覆盖均匀厚度涂层材料，制造流程复杂；以及石墨材质的基座与基座表层的涂层制作通常需要两家工厂先后进行，加工周期较长。因此，对基座进行改造，成本高且周期长。
30.因此，本实用新型的核心思想在于，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。通过气流调节结构调节外延生长工艺中半导体衬底上方局部气流，进而使外延层薄膜厚度均匀性与平坦度得到优化。基座具有较高加工制造难度，加工周期较长，本实用新型中，气流调节结构与基座是相互独立的两个装置，无需调整基座，气流调节结构制造工艺简单，加工周期通常仅需基座制造一半时间，降低了设备成本。
31.图2是本实用新型实施例的外延生长设备的结构示意图。图3是本实用新型实施例的气流调节结构的俯视图。图4是本实用新型实施例的气流调节结构的立体图。如图2至图4所示，本实施例提供一种外延生长设备的气流调节结构，所述气流调节结构11呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁11a，所述环壁11a不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底20上方的气流大小。
32.请继续参考图2，所述外延生长设备10包括基座12，所述基座12用于承载半导体衬底20，气流调节结构11设置于所述基座12的外周，所述基座12下方还设置有基座支撑臂13和基座支撑销14，基座支撑臂13和基座支撑销14活动连接，用于支撑所述基座12。所述基座12下方还设置有升降支杆15和升降轴16，所述升降支杆15与所述升降轴16固定连接，且所述升降支杆15贯穿所述基座12。所述升降轴16带动升降支杆15相对基座12自由升降，以用于支撑和升降半导体衬底20。在外延生长工艺中，升降支杆15位于基座的通孔内，以使基座的通孔内部基本上被封盖，避免半导体衬底背面生长外延层。当外延生长工艺结束后，升降支杆15相对基座12上升，将半导体衬底20顶起，以便半导体衬底被移动到下一个工序中。
33.所述基座12包括圆形底部壁和环绕所述圆形底部壁的柱形侧壁，圆形底部壁和柱形侧壁的材质例如是石墨，为了防止污染，所述基座12的表面还需均匀厚度的涂层材料。在外延生长工艺中，将半导体衬底20放置在所述基座的圆形底部壁上。在外延生长工艺中，工艺气体例如氢气稀释源气体形成的混合有微量掺杂剂的反应气体，平行于半导体衬底20的表面而流动，提供的反应气体在通过半导体衬底20的表面上方以引起外延层生长之后，被排出到外延生长设备外。
34.请继续参考图2和图3，所述气流调节结构11具有向内凸出于环壁11a的安装环11b。所述安装环11b上设置有安装孔11c，用于连接所述气流调节结构11和所述基座12。所述安装孔11c的数量例如是有三个，相邻所述安装孔11c之间的夹角例如是120
°
，以保证所述气流调节结构11的稳定性。所述气流调节结构11的安装孔11c的位置和基座支撑销14的
位置一一对应，所述基座支撑销14贯穿所述气流调节结构11的安装孔11c，以将所述气流调节结构11固定于所述基底12的外侧。所述气流调节结构11的安装孔11c与所述基座支撑销14为可拆卸连接，以便对所述气流调节结构11进行更换。
35.图5是本实用新型实施例的气流调节结构的侧视图。图6是本实用新型实施例的气流调节结构的不同位置具有不同的轴向延伸高度示意图。如图4所示，所述环壁11a不同位置的轴向延伸高度不同，且所述环壁包括多个轴向延伸高度最高的位置11d和多个轴向延伸高度最低的位置11e。所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e和所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d间隔设置。如图5所示，所述环壁不同位置的轴向延伸高度差d的范围例如是200微米至500微米。如图4和图6所示，相邻所述环壁的轴向延伸高度最低的位置11e之间的夹角为90
°
，相邻所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d之间的夹角为90
°
。所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e和所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d之间的夹角例如是45
°
。如图6所示，横轴为气流调节结构的环壁环绕角度，单位为度，纵轴为环壁轴向延伸的高度，单位为微米。假设其中一个所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d为0度，则，其他所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d位于90
°
、180
°
、和270
°
。所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e则位于45
°
、135
°
、225
°
和315
°
。
36.本实施例中，所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e对应所述半导体衬底20的《100》晶向，所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d对应所述半导体衬底的《110》晶向。所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e高于或者等于所述基座12的顶部，以避免所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e阻挡外延生长工艺中的气流。所述环壁的最高的位置11d和最低的位置11e之间的部分的形状例如是圆弧、椭圆弧或者正弦函数曲线中的一种。在进行外延生长工艺中，气流调节结构11通过不同的环壁轴向延伸高度调节局部气流，进而使外延层薄膜厚度均匀性与平坦度得到优化。具体的，所述环壁轴向延伸高度最高的位置11d阻挡气流通过，以使半导体衬底的《110》晶向上的气流减少，进而使得半导体衬底的《110》晶向的外延层薄膜沉积变薄。所述环壁轴向延伸高度最低的位置11e进入更多的气流，以使半导体衬底的《100》晶向上的气流增加，进而使得半导体衬底的《100》晶向的外延层薄膜沉积变厚。
37.在本实施例中，所述气流调节结构11的材质例如是石英。石英材质的气流调节结构11制造工艺简单，加工周期通常仅需石墨材质的基座12制造一半时间。并且石墨材质的基座12具有较高加工制造难度，流程复杂；以及石墨材质的基座12与基座表面的涂层制作通常需要两家工厂先后进行，加工周期较长。因此，采用在基座12外侧设置具有不同轴向延伸高度的气流调节结构11，通过不同轴向延伸高度的气流调节结构11调整外延生长工艺的气流通过，进而改善半导体衬底20上的外延层的薄膜厚度均匀性与平坦度，降低了成本，节省了时间，提高了器件的良率。
38.本实施例还提供一种外延层生长方法，采用上述外延生长设备的气流调节结构，包括：
39.提供一半导体衬底20，所述半导体衬底位于基座上。所述半导体衬底20可是以单晶硅或者多晶硅，也可以是硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，还可以是复合结构如绝缘体上硅。本领域的技术人员可以根据半导体衬底20上形成的半导体器件选择所述半导体衬底20的类型，因此所述半导体衬底20的类型不应限制本实用新型的保护范围。
40.执行清洗工艺，以对半导体衬底20表面进行清洁。所述清洁工艺的反应气体例如
是氯化氢，所述清洁工艺的温度例如是800℃～950℃；所述清洁工艺将所述半导体衬底20表面的杂质清理干净。
41.执行外延生长工艺，以在所述半导体衬底上形成外延层，其中，在执行所述外延生长工艺的过程中，通入工艺气体，部分所述工艺气体流过具有不同的轴向延伸高度的气流调节结构时被阻挡，以减薄所述半导体衬底上部分外延层的厚度。所述外延生长工艺的工艺气体例如是硅源气体，较佳的，硅源气体例如是硅烷。载气例如是氢气。在本实施例中，通入工艺气体，工艺气体被所述气流调节结构11的不同轴向延伸高度阻挡，也即，衬底的《110》晶向上的工艺气体被阻挡，经过被阻挡的工艺气体平行于半导体衬底20的表面流动，利用反应气体在半导体衬底20的表面上形成外延层之后，被排出到外延生长设备外。通过所述气流调节结构11的不同轴向延伸高度调整半导体衬底20的表面工艺气体流量，改善了衬底上的外延层的厚度均匀性和平坦度。
42.综上可见，在本实用新型实施例提供的一种外延生长设备的气流调节结构中，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。通过气流调节结构调节外延生长工艺中半导体衬底上方局部气流，进而使外延层薄膜厚度均匀性与平坦度得到优化。基座具有较高加工制造难度，加工周期较长，本实用新型中，气流调节结构与基座是相互独立的两个装置，无需调整基座，气流调节结构制造工艺简单，加工周期通常仅需基座制造一半时间，降低了设备成本。
43.此外还应该认识到，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围。

技术特征：
1.一种外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。2.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述气流调节结构具有向内凸出于环壁的安装环。3.根据权利要求2所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述安装环上设置有安装孔，用于连接所述气流调节结构和外延生长设备的基座，其中，所述气流调节结构位于所述外延生长设备的基座的外周。4.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述气流调节结构的材质包括石英。5.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述环壁不同位置的轴向延伸高度差的范围为200微米至500微米。6.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述环壁轴向延伸高度最低的位置对应所述半导体衬底的<100>晶向，所述环壁轴向延伸高度最高的位置对应所述半导体衬底的<110>晶向。7.根据权利要求6所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述环壁轴向延伸高度最低的位置和所述环壁轴向延伸高度最高的位置间隔设置。8.根据权利要求6所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，相邻所述环壁轴向延伸高度最低的位置之间的夹角为90
°
，相邻所述环壁轴向延伸高度最高的位置之间的夹角为90
°
。9.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述环壁轴向延伸高度最低的位置高于或者等于外延生长设备的基座的顶部。10.根据权利要求1所述的外延生长设备的气流调节结构，其特征在于，所述环壁轴向延伸高度最高的位置和所述轴向延伸高度最低的位置之间的部分的形状为圆弧、椭圆弧或者正弦函数曲线中的一种。

技术总结
本实用新型提供一种外延生长设备的气流调节结构，所述气流调节结构呈环形管状，且具有沿轴向延伸的环壁，所述环壁不同位置具有不同的轴向延伸高度，以调控外延生长工艺中进入半导体衬底上方的气流大小。通过气流调节结构调节外延生长工艺中半导体衬底上方局部气流，进而使外延层薄膜厚度均匀性与平坦度得到优化。本实用新型中，气流调节结构与基座是相互独立的两个装置，无需调整基座，气流调节结构制造工艺简单，加工周期通常仅需基座制造一半时间，降低了设备成本。降低了设备成本。降低了设备成本。


技术研发人员：王华杰 李炜 林明献 曹共柏 潘帅
受保护的技术使用者：上海新昇半导体科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/16