CN114045470A - 一种用于常压外延反应腔室的清洁方法及外延硅片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于常压外延反应腔室的清洁方法及外延硅片；所述清洁方法包括：在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，载气以第一气体流速通入至反应腔室中；在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气以第二气体流速与刻蚀气体通入至所述反应腔室中；其中，所述第一气体流速小于所述第二气体流速。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种常压外延反应腔室的清洁方法及外延硅片。
背景技术
作为当今半导体材料领域重要的组成部分，外延硅片可以采用真空外延沉积，减压外延沉积和常压外延沉积等方法在抛光硅片衬底上沉积一层单晶硅外延层来制备。常压外延沉积是目前使用最广泛的一种外延层生长方式。
在常压外延沉积反应过程中，硅源反应气体进入反应腔室后，不仅会在抛光硅片衬底上生长一层单晶硅外延层，还会在反应腔室内壁上生长一层多晶硅。因此反应腔室在完成外延硅片生长后通常需要进行刻蚀反应，以使得反应腔室内壁上的多晶硅被充分地刻蚀掉从而确保外延硅片的品质稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种常压外延反应腔室的清洁方法及外延硅片；能够充分刻蚀反应腔室内壁沉积的多晶硅，从而确保外延硅片的平坦度和降低外延硅片表面的粒污染水平。
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常压外延反应腔室的清洁方法，所述清洁方法包括：
在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，载气以第一气体流速通入至反应腔室中；
在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气以第二气体流速与刻蚀气体通入至所述反应腔室中；
其中，所述第一气体流速小于所述第二气体流速。
第二方面，本发明实施例提供了一种外延硅片，所述外延硅片在根据第一方面所述的清洁方法清洁后的常压外延反应腔室中制备而得。
本发明实施例提供了一种常压外延反应腔室的清洁方法及外延硅片；在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，只在反应腔室中通入载气，且减小载气的注入速度，以使得载气在高温反应腔室中的温度上升至更高的温度并将热量通过热传导的方式传递给上石英穹顶，在刻蚀阶段，刻蚀气体随载气一起进入反应腔室，且为保证反应腔室内有充足的刻蚀气体，需要增大该刻蚀阶段气体注入速度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种常压外延反应装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的现有刻蚀反应各阶段上石英穹顶的温度随时间变化趋势示意图；
图3为本发明实施例提供的一种常压外延反应腔室的清洁方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的刻蚀反应各阶段上石英穹顶的温度随时间变化趋势示意图。
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1，其示出了能够实施本发明实施例的常压外延反应装置1，该常压外延反应装置1可以包括：基座10，该基座10用于承载抛光硅片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，抛光硅片W随基座10一起绕中心轴线X旋转，也就是说抛光硅片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；上石英穹顶30A和下石英穹顶30B，该上石英穹顶30A和该下石英穹顶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，抛光硅片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；需要说明的是，反应腔室RC的内壁由侧壁a、上石英穹顶30A和下石英穹顶30B组成；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，包括硅源气体、氢气、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抛光硅片W上以在抛光硅片W上生长一层外延层，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设置在上石英穹顶30A和下石英穹顶30B的***并用于透过上石英穹顶30A和下石英穹顶30B在反应腔室RC中提供用于气相外延沉积反应的高温环境，这也是上石英穹顶30A和下石英穹顶30B的材质为透明石英材质的原因；以及用于组装装置1的各个元件的安装部件70。
基于上述常压外延反应装置1中的反应腔室RC连续生产外延硅片的过程中，反应腔室RC每进行一次或多次的外延硅片生长，反应腔室RC需要进行刻蚀（也称之为“自清洁”），在这个过程中，外延硅片的沉积反应和反应腔室RC的刻蚀反应在反应腔室RC中交替发生。
此外，在大批量生产过程中，发现更换新的石英穹顶后，石英穹顶使用的时间越久，反应腔室RC制备出的外延硅片的平坦度越差，外延硅片表面颗粒污染水平越大，同时这也说明反应腔室RC内壁的刻蚀反应不够充分，导致上石英穹顶30A上残余的多晶硅对外延硅片的平坦度产生恶化作用；并且上石英穹顶30A位于外延硅片的正上方，在进行外延生长反应过程中上石英穹顶30A上残余的多晶硅会脱落并掉落至外延硅片的表面以使得外延硅片表面的颗粒污染水平增大。经研究发现，上石英穹顶30A上的多晶硅刻蚀不充分主要是由于在刻蚀反应过程中，当反应腔室RC内部的温度上升至最高点时，上石英穹顶30A的温度没有上升至刻蚀反应的最佳温度。参见图2，其示出了现有刻蚀反应各阶段上石英穹顶的温度随时间变化趋势示意图，其中横坐标表示刻蚀反应所用时间，纵坐标表示刻蚀反应中上石英穹顶30A的温度。由图2可以看出，刻蚀反应包括升温阶段，烘烤阶段，刻蚀阶段和降温阶段，为了便于识别各阶段所用时间，在图2中采用黑色竖直虚线进行各阶段之间的区分。由图2可以看出，现有刻蚀反应中，升温阶段和烘烤阶段的总用时约为145s；烘烤结束后，在刻蚀初始阶段，上石英穹顶30A的温度为577℃，由于该温度并不是刻蚀反应的最佳温度，因此在该温度下不能够对上石英穹顶30A进行充分刻蚀。需要说明的是，刻蚀反应的最佳温度为590℃以上。因此，为了尽可能地刻蚀去除上石英穹顶30A沉积的多晶硅，只能延长刻蚀反应时间，如图2所示，在整个刻蚀反应阶段，以设定的气体流速通入载气和刻蚀气体，刻蚀阶段所用时间约为105s。
需要说明的是，上石英穹顶30A温度上升的热量来源有两种，一种是加热灯泡60以热辐射的形式传递热量至上石英穹顶30A，一种是反应腔室RC内的气体通过热传导的形式传递热量至上石英穹顶30A。
基于上述阐述，本发明实施例期望在刻蚀反应的不同阶段，通过控制通入反应腔室RC载气的气体流速来增强气体热传导的温度，从而提高刻蚀阶段初期上石英穹顶30A的温度，且在所述刻蚀反应的不同阶段，所述反应腔室RC中的压力保持常压不变。参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种常压外延反应腔室的清洁方法，其能够应用于图1所示的常压外延反应装置1中，所述方法包括：
S301、在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，载气以第一气体流速通入至反应腔室中；
S302、在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气以第二气体流速与刻蚀气体通入至所述反应腔室中；
其中，所述第一气体流速小于所述第二气体流速。
对于图3所示的技术方案，在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，只在反应腔室RC中通入载气，且减小载气的注入速度，以使得载气在高温反应腔室RC中的温度上升至更高的温度并将热量通过热传导的方式传递给上石英穹顶30A，在刻蚀阶段，刻蚀气体随载气一起进入反应腔室RC，且为保证反应腔室RC内有充足的刻蚀气体，需要增大该阶段气体注入速度。
对于图3所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述载气为氢气H2，所述刻
蚀气体为氯化氢气体HCl。可以理解地，刻蚀气体采用氯化氢气体HCl，在刻蚀阶段，刻蚀气
体HCl与上石英穹顶30A上沉积的多晶硅在高温下发生化学反应，生成SiHCl3、SiCl4和H2的
混合物，具体化学反应方程式为：
。这些化学反应生成
的混合物会随着载气H2排出反应腔室RC，且不会和载气H2发生化学反应。
对于图3所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，在所述刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，所述载气的第一气体流速不大于40 L/min；在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气的第二气体流速处于40～ 60 L/min之间。可以理解地，在本发明实施例中，尽管在升温阶段和烘烤阶段，减小了载气的注入速度；在刻蚀阶段，为了保证反应腔室RC内刻蚀气体的浓度，因此需要加大载气的注入速度。
可以理解地，整个刻蚀反应包括升温阶段，烘烤阶段，刻蚀阶段和降温阶段，在本发明实施例中反应腔室RC为常压反应腔室，也就是说无论如何设定载气的气体流速大小，反应腔室RC都要维持在常压下。因此，若降低载气的注入速度，为维持反应腔室RC的内部压力不变，需要减小载气的排气速度。如此，载气进入高温的反应腔室RC后会停留更久，以使得反应腔室RC内部载气的温度会上升至更高。
此外，在刻蚀阶段采用第二流速向反应腔室RC中注入载气和刻蚀气体，能够保证刻蚀阶段中刻蚀气体的浓度，进而保证刻蚀效果。
需要说明的是，在本发明实施例中，优选地，所述第二气体流速为现有刻蚀反应中设定的气体流速。
对于图3所示的技术方案，在一些可能的实现方式中，在所述刻蚀反应中，所述升温阶段和所述烘烤阶段的总用时为142秒s；且在所述刻蚀阶段初期，上石英穹顶30A的温度为596℃。
参见图4，其示出本发明实施例刻蚀反应不同阶段反应腔室RC温度随时间的变化趋势示意图，其中横坐标表示刻蚀反应所用时间，纵坐标表示刻蚀反应中上石英穹顶30A的温度，且在图4中采用黑色竖直虚线进行各阶段之间的区分。由图4可以看出，在本发明实施例中，升温阶段和烘烤阶段的总用时为142s，相比于图2中现有刻蚀反应中升温阶段和烘烤阶段的总用时145s可知，通过本发明实施例提供的清洁方法能够降低升温阶段和烘烤阶段的所用时间。其次，在本发明实施例中，烘烤结束后，在刻蚀阶段初期上石英穹顶30A的温度为596℃，达到了刻蚀反应的最佳温度，且整个刻蚀阶段的时间约为48s，与图2中现有刻蚀反应中刻蚀阶段所用时间为105s相比，极大地缩短了刻蚀反应时间，在充分去除上石英穹顶30A上沉积的多晶硅同时，节约了刻蚀时间，提高了刻蚀效率。
最后，本发明实施例还提供了一种外延硅片，所述外延硅片在由前述技术方案所述的清洁方法清洁后的常压外延反应腔室中制备得到。
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。
Claims (7)
1.一种用于常压外延反应腔室的清洁方法，其特征在于，所述清洁方法包括：
在刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，载气以第一气体流速通入至反应腔室中；
在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气以第二气体流速与刻蚀气体通入至所述反应腔室中；
其中，所述第一气体流速小于所述第二气体流速。
2.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，所述载气为氢气H2，所述刻蚀气体为氯化氢气体HCl。
3.根据权利要求1所述清洁方法，其特征在于，在所述刻蚀反应的升温阶段和烘烤阶段，所述载气的第一气体流速不大于40 L/min。
4.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，在所述刻蚀反应的刻蚀阶段，所述载气的第二气体流速处于40～ 60 L/min之间。
5.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，在所述刻蚀反应中，所述升温阶段和所述烘烤阶段的总用时为142秒。
6.根据权利要求1所述的清洁方法，其特征在于，在所述刻蚀阶段初期，上石英穹顶的温度为596℃。
7.一种外延硅片，其特征在于，所述外延硅片在根据权利要求1至6任一项所述的清洁方法清洁后的常压外延反应腔室中制备而得。
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