用于指导外延工艺的方法及其系统技术方案

本发明专利技术通过获取与外延生长设备相关的一或多种硬件设计参数和外延工艺参数，将之构成参数值集合，并基于物理和/或化学理论原理，对参数间数学关系进行分析和判定提炼，辅以处理和存储的系统，用图谱的形式预测外延工艺的一种方法；其中，图谱通过多个参数组合取值区域分别描述反应腔的一或多个物理场、化学场、或者耦合场的多个变化形态。而且，图谱中包含用于示出生长有利的合理参数组合取值区域的界线。通过多条件集合的“面”技术而非单个条件的“点”技术，定出合理参数组合的外延工艺窗口。指导研发或生产工艺运行，避开不利于生长的区域，从而有效提高生长效率、降低有害沉积(保持腔体干净、延长维护周期)，加快新型设备的成型和量产。

【技术实现步骤摘要】
用于指导外延工艺的方法及其系统
本专利技术涉及半导体制造工艺设计
，尤其涉及一种用于指导外延工艺的方法及其相关系统。
技术介绍
外延生长设备(例如MOCVD)在工艺运行时，反应腔内受到不同温度、压力、托盘转速、流量、气氛等等诸多设定条件的影响，腔内存在着复杂的气流运动。这些气流运动是摸不着、看不见的。但是，它为生长提供了各工艺气体的输运场，直接影响着生长薄膜的厚度和组分的均匀性。同时，气流运动如果不稳定，呈现湍流模式，则会在上游腔壁上形成有害沉积，时间一久就会掉颗粒和影响反应腔内的物理场分布，导致提前进行维护，缩短了设备的维护周期。为了避免上述情况的发生，需要将工艺运行在气流的层流模式(稳定流)，流动中要求没有返流、没有涡旋，是一种顺畅的流动模式。设备厂商为了得到好的均匀性和长的设备维护周期，在设备设计研制完成后，通常将各反应腔内工艺运行的参数通过两种方式——实验和模拟，来得到一个基准条件。往后的工艺参数以这个为基础展开，不断外探，慢慢形成该反应腔设计的工艺窗口。比如，在一定的材料生长温度、流量和气体组分、转速、压强下，生长的材料均匀性较好、并在长期运行时未有有害沉积的产生。为了提高生长效率等，会尝试单独降低流量，降到一定程度后，会出现如边缘均匀性变差等的现象，这时流量需要回升，且观察一段时间有害沉积是否可以接受，如此才能确定找到一个初步提高生长效率后的条件，定量提高生长速度，则需要对反应前体的量进行精确试验，以找到反应效率最高的条件。这个过程会耗费大量的成本(后者模拟的方式稍好些)，而且效率较低，一旦需要变化多个参数时，就更为复杂和耗费更多成本。究其原因，这些常规的方法——实验和模拟只能做单个条件，得到的结果都是“点”。当存在很多可变因素时，其实是一个“面”的判断。而现在方法大都局限在前者。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种用于指导外延工艺的方法及其系统，使其快速运行在合理的工艺窗口内，解决现有技术的问题。为实现上述目标，这里主要以物理场中流场指导为例，第一方面，本专利技术提供一种用于指导外延工艺的方法，包括：获取根据与外延生长设备的反应腔相关的由一或多种硬件设计和/或工艺参数构成的参数组合的多组参数值集合；将所述多组参数值集合基于物理和/或化学理论原理所定义参数间数学关系进行分析，并利用分析结果形成图谱；其中，所述图谱通过多个参数组合取值区域分别描述反应腔的一或多个物理场、化学场、或者物理场和/或化学场间的耦合场的多个变化形态，且所述图谱中包含用于示出对外延生长设备的生长效率有利的合理参数组合取值区域的界线。于第一方面的一实施例中，所述物理场包括流场、温场、及密度场；所述化学场包括浓度场、及反应场；图谱中界线的获取方式，包括：定义关联于外延生长设备的反应腔中多种流场/反应场形态的特征描述信息；其中，各种所述流场/反应场形态的形成与反应腔的硬件设计和/或工艺参数相关联；所述流场形态包括：稳定流态及不稳定流态，所述反应场形态包括平衡反应态及非平衡反应态；根据所选取的一或多种硬件设计参数和/或工艺参数形成参数组合，并将在设定成所述参数组合的每组参数值集合情况下所得到的关联于各种所述流场/反应场形态的特征描述信息进行对比，以在基于所述参数组合的多组参数值集所形成的图谱中，获得用于分隔出对应稳定流态/平衡反应态的合理参数组合取值区域和对应不稳定流态/非平衡反应态的不合理参数组合取值区域的界线。于第一方面的一实施例中，所述图谱以直角平面坐标系形式呈现，所述图谱中通过界线划分出分别对应稳定流态/平衡反应态及不稳定流态/非平衡反应态的参数组合取值区域。于第一方面的一实施例中，在所述反应腔为托盘式的情况下，所述硬件设计参数包括：反应腔及托盘的几何参数中的一或多种；以及/或者，所述工艺参数包括：温度参数、托盘旋转参数、气流参数、气氛参数及压力参数中的一或多种。于第一方面的一实施例中，所述反应腔的硬件设计参数包括：高度H、托盘直径d及挡环与托盘距离中的一或多种，工艺参数包括：托盘温度T、喷淋头温度t、反应腔的压强P、托盘转速W、及通入反应腔的气体的总流量Q中的一或多种；所述多种流场形态包括：属于不稳定流态的热浮力对流形态及感生涡旋形态；属于稳定流态的层流形态；所述特征描述信息为无量纲数，其包括：对应热浮力对流形态的格拉晓夫数Gr、对应感生涡旋形态的雷诺数Rew、及对应层流形态的雷诺数Re；其中，Gr与所述高度H、压强P、托盘温度T、及喷淋头温度t相关；Rew与托盘直径d及托盘转速W相关；Re与反应腔的直径D和总流量Q相关；在根据硬件设计参数H、D、和d以及工艺参数T、t、P、W、和Q中的一或多种参数所组成参数组合的多组参数值形成的图谱中，根据Gr、与Re的二次幂的对比以判定对应热浮力对流形态的第一参数组合取值区域与对应层流形态的第二参数组合取值区域间的界线，以及/或者，根据Gr与Re和Rew乘积的对比以判定第二参数组合取值区域与对应感生涡旋形态的第三参数组合取值区域间的界线。于第一方面的一实施例中，所述工艺参数还包括：所述气体为H2、N2、NH3、或PH3，源气体为TMGa、TMIn、或TMAl，各气体组分Xi，所述Gr、Re及Rew还与Xi相关。于第一方面的一实施例中，在对应反应场的图谱中，通过与所述Re及Rew相关的边界层δ及托盘温度T，得到反应前体的输运限制与化学反应限制的界限；所述用于指导外延工艺的方法，包括：由距离输运线的远近，判断生长速率的快慢及其合理参数的区域范围。于第一方面的一实施例中，所述由距离输运线的远近，判断生长速率的快慢及其合理参数的区域范围，包括：在靠近输运限制的化学反应区域范围内，找到可逆的主反应方程式，分别确定正向和反向反应的反应速率常数k、活化能Ea、及指前因子A，由正向反应和反向反应的反应速率为界线区分平衡态与非平衡态区域。为实现上述目标及其他相关目标，第二方面，本专利技术提供一种外延生长设备的工艺指导系统，包括：存储模块，用于存储根据与外延生长设备的反应腔相关的由一或多种硬件设计和/或工艺参数构成的参数组合的多组参数值集合；处理模块，用于从所述存储模块读取数据，并将所述多组参数值集合基于物理和/或化学理论原理所定义参数间数学关系进行分析，并利用分析结果形成图谱；其中，所述图谱通过多个参数组合取值区域分别描述反应腔的一或多个物理场、化学场、或者物理场和/或化学场间的耦合场的多个变化形态，且所述图谱中包含用于示出对外延生长设备的生长效率有利的合理参数组合取值区域的界线。于第二方面的一实施例中，所述物理场包括流场、温场、及密度场；所述化学场包括浓度场、及反应场；图谱中界线的获取方式，包括：定义关联于外延生长设备的反应腔中多种流场/反应场形态的特征描述信息；其中，各种所述流场/反应场形态的形成与反应腔的硬件设计和/或工艺参数相关联；所述流场形态包括：稳定流态及不稳定流态，所述反应场形态包括平衡反应态及非平衡反应态；根据所选取的一或多种硬件设计参数和/或工艺参数形成参数组合，并将在设定成所述参数组合的每组参数值集合情况下所得到的关联于各种所述流场/反应场形态的特征描述信息进行对比，以在基于所述参数组合的多组参数值集所形成的图谱中，获得用于分隔出对应稳定流态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于指导外延工艺的方法，其特征在于，包括：获取根据与外延生长设备的反应腔相关的由一或多种硬件设计和/或工艺参数构成的参数组合的多组参数值集合；将所述多组参数值集合基于物理和/或化学理论原理所定义参数间数学关系进行分析，并利用分析结果形成图谱；其中，所述图谱通过多个参数组合取值区域分别描述反应腔的一或多个物理场、化学场、或者物理场和/或化学场间的耦合场的多个变化形态，且所述图谱中包含用于示出对外延生长设备的生长效率有利的合理参数组合取值区域的界线。

【技术特征摘要】
1.一种用于指导外延工艺的方法，其特征在于，包括：获取根据与外延生长设备的反应腔相关的由一或多种硬件设计和/或工艺参数构成的参数组合的多组参数值集合；将所述多组参数值集合基于物理和/或化学理论原理所定义参数间数学关系进行分析，并利用分析结果形成图谱；其中，所述图谱通过多个参数组合取值区域分别描述反应腔的一或多个物理场、化学场、或者物理场和/或化学场间的耦合场的多个变化形态，且所述图谱中包含用于示出对外延生长设备的生长效率有利的合理参数组合取值区域的界线。2.根据权利要求1所述的用于指导外延工艺的方法，其特征在于，所述物理场包括流场、温场、及密度场；所述化学场包括浓度场、及反应场；图谱中界线的获取方式，包括：定义关联于外延生长设备的反应腔中多种流场/反应场形态的特征描述信息；其中，各种所述流场/反应场形态的形成与反应腔的硬件设计和/或工艺参数相关联；所述流场形态包括：稳定流态及不稳定流态，所述反应场形态包括平衡反应态及非平衡反应态；根据所选取的一或多种硬件设计参数和/或工艺参数形成参数组合，并将在设定成所述参数组合的每组参数值集合情况下所得到的关联于各种所述流场/反应场形态的特征描述信息进行对比，以在基于所述参数组合的多组参数值集所形成的图谱中，获得用于分隔出对应稳定流态/平衡反应态的合理参数组合取值区域和对应不稳定流态/非平衡反应态的不合理参数组合取值区域的界线。3.根据权利要求2所述的用于指导外延工艺的方法，其特征在于，所述图谱以直角平面坐标系形式呈现，所述图谱中通过界线划分出分别对应稳定流态/平衡反应态及不稳定流态/非平衡反应态的参数组合取值区域。4.根据权利要求2所述的用于指导外延工艺的方法，其特征在于，在所述反应腔为托盘式的情况下，所述硬件设计参数包括：反应腔及托盘的几何参数中的一或多种；以及/或者，所述工艺参数包括：温度参数、托盘旋转参数、气流参数、气氛参数及压力参数中的一或多种。5.根据权利要求4所述的用于指导外延工艺的方法，其特征在于，所述反应腔的硬件设计参数包括：高度H、托盘直径d及挡环与托盘距离中的一或多种，工艺参数包括：托盘温度T、喷淋头温度t、反应腔的压强P、托盘转速W、及通入反应腔的气体的总流量Q中的一或多种；所述多种流场形态包括：属于不稳定流态的热浮力对流形态及感生涡旋形态；属于稳定流态的层流形态；所述特征描述信息为无量纲数，其包括：对应热浮力对流形态的格拉晓夫数Gr、对应感生涡旋形态的雷诺数Rew、及对应层流形态的雷诺数Re；其中，Gr与所述高度H、压强P、托盘温度T、及喷淋头温度t...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国斌，陈爱华，张伟，邢志刚，金小亮，
申请(专利权)人：中晟光电设备上海股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31