TW202301674A - 用於常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種用於常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片：該清潔方法包括：在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，載氣以第一氣體流速通入至反應腔室中；在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣以第二氣體流速與刻蝕氣體通入至該反應腔室中；其中，該第一氣體流速小於該第二氣體流速。

Description

用於常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片
本發明為半導體製造技術領域，尤指一種常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片。
作為當今半導體材料領域重要的組成部分，外延矽片可以採用真空外延沉積，減壓外延沉積和常壓外延沉積等方法在拋光矽片基板上沉積一層單晶矽外延層來製備。常壓外延沉積是目前使用最廣泛的一種外延層生長方式。
在常壓外延沉積反應過程中，矽源反應氣體進入反應腔室後，不僅會在拋光矽片基板上生長一層單晶矽外延層，還會在反應腔室內壁上生長一層多晶矽。因此反應腔室在完成外延矽片生長後通常需要進行刻蝕反應，以使得反應腔室內壁上的多晶矽被充分地刻蝕掉從而確保外延矽片的品質穩定。
有鑒於此，本發明提供一種常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片；能夠充分刻蝕反應腔室內壁沉積的多晶矽，從而確保外延矽片的平坦度和降低外延矽片表面的粒汙染水準。
本發明的技術方案是這樣實現的：第一方面，本發明提供了一種常壓外延反應腔室的清潔方法，該清潔方法包括：在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，載氣以第一氣體流速通入至反應腔室中；在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣以第二氣體流速與刻蝕氣體通入至該反應腔室中；其中，該第一氣體流速小於該第二氣體流速。
第二方面，本發明提供了一種外延矽片，該外延矽片在根據第一方面該的清潔方法清潔後的常壓外延反應腔室中製備而得。
本發明提供了一種常壓外延反應腔室的清潔方法及外延矽片；在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，只在反應腔室中通入載氣，且減小載氣的注入速度，以使得載氣在高溫反應腔室中的溫度上升至更高的溫度並將熱量通過熱傳導的方式傳遞給上石英穹頂，在刻蝕階段，刻蝕氣體隨載氣一起進入反應腔室，且為保證反應腔室內有充足的刻蝕氣體，需要增大該刻蝕階段氣體注入速度。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
參見圖1，其示出了能夠實施本發明實施例的常壓外延反應裝置1，該常壓外延反應裝置1可以包括：基座10，該基座10用於承載拋光矽片W；基座支撐架20，該基座支撐架20用於支撐基座10並在外延生長期間驅動基座10以一定速度繞中心軸線X旋轉，其中在基座10的旋轉過程中，拋光矽片W隨基座10一起繞中心軸線X旋轉，也就是說拋光矽片W相對於基座10是保持靜止的，由此，需要基座10的徑向邊緣與相鄰部件10A（通常為預熱環）之間具有較小的間隙G；上石英穹頂30A和下石英穹頂30B，該上石英穹頂30A和該下石英穹頂30B一起圍閉出將基座10以及基座支撐架20容納在其中的反應腔室RC，其中，基座10將反應腔室RC分隔成上反應腔室RC1和下反應腔室RC2，拋光矽片W放置在上反應腔室RC1中；通常，上反應腔室RC1中的氣壓略大於下反應腔室RC2中的氣壓使得上反應腔室RC1中的氣體會經由間隙G進入到下反應腔室RC2中；需要說明的是，反應腔室RC的內壁由側壁a、上石英穹頂30A和下石英穹頂30B組成；進氣口40，該進氣口40用於向上反應腔室RC1中輸送反應氣體，包括矽源氣體、氫氣、摻雜劑氣體，以便通過矽源氣體與氫氣反應生成矽原子並沉積在拋光矽片W上以在拋光矽片W上生長一層外延層，同時通過摻雜劑氣體對外延層進行摻雜以獲得所需的電阻率；排氣口50，該排氣口50用於將反應尾氣排出反應腔室RC；多個加熱燈泡60，該多個加熱燈泡60設置在上石英穹頂30A和下石英穹頂30B的週邊並用於透過上石英穹頂30A和下石英穹頂30B在反應腔室RC中提供用於氣相外延沉積反應的高溫環境，這也是上石英穹頂30A和下石英穹頂30B的材質為透明石英材質的原因；以及用於組裝常壓外延反應裝置1的各個元件的安裝部件70。
基於該常壓外延反應裝置1中的反應腔室RC連續生產外延矽片的過程中，反應腔室RC每進行一次或多次的外延矽片生長，反應腔室RC需要進行刻蝕（也稱之為“自清潔”），在這個過程中，外延矽片的沉積反應和反應腔室RC的刻蝕反應在反應腔室RC中交替發生。
此外，在大批量生產過程中，發現更換新的石英穹頂後，石英穹頂使用的時間越久，反應腔室RC製備出的外延矽片的平坦度越差，外延矽片表面顆粒汙染水準越大，同時這也說明反應腔室RC內壁的刻蝕反應不夠充分，導致上石英穹頂30A上殘餘的多晶矽對外延矽片的平坦度產生惡化作用；並且上石英穹頂30A位於外延矽片的正上方，在進行外延生長反應過程中上石英穹頂30A上殘餘的多晶矽會脫落並掉落至外延矽片的表面以使得外延矽片表面的顆粒汙染水準增大。經研究發現，上石英穹頂30A上的多晶矽刻蝕不充分主要是由於在刻蝕反應過程中，當反應腔室RC內部的溫度上升至最高點時，上石英穹頂30A的溫度沒有上升至刻蝕反應的最佳溫度。參見圖2，其示出了相關刻蝕反應各階段上石英穹頂的溫度隨時間變化趨勢示意圖，其中橫座標表示刻蝕反應所用時間，縱座標表示刻蝕反應中上石英穹頂30A的溫度。由圖2可以看出，刻蝕反應包括升溫階段，烘烤階段，刻蝕階段和降溫階段，為了便於識別各階段所用時間，在圖2中採用黑色豎直虛線進行各階段之間的區分。由圖2可以看出，相關刻蝕反應中，升溫階段和烘烤階段的總用時約為145秒(s)；烘烤結束後，在刻蝕初始階段，上石英穹頂30A的溫度為577°C，由於該溫度並不是刻蝕反應的最佳溫度，因此在該溫度下不能夠對上石英穹頂30A進行充分刻蝕。需要說明的是，刻蝕反應的最佳溫度為590°C以上。因此，為了盡可能地刻蝕去除上石英穹頂30A沉積的多晶矽，只能延長刻蝕反應時間，如圖2所示，在整個刻蝕反應階段，以設定的氣體流速通入載氣和刻蝕氣體，刻蝕階段所用時間約為105秒(s)。
需要說明的是，上石英穹頂30A溫度上升的熱量來源有兩種，一種是加熱燈泡60以熱輻射的形式傳遞熱量至上石英穹頂30A，一種是反應腔室RC內的氣體通過熱傳導的形式傳遞熱量至上石英穹頂30A。
如上所述，本發明實施例期望在刻蝕反應的不同階段，通過控制通入反應腔室RC載氣的氣體流速來增強氣體熱傳導的溫度，從而提高刻蝕階段初期上石英穹頂30A的溫度，且在該刻蝕反應的不同階段，該反應腔室RC中的壓力保持常壓不變。參見圖3，其示出了本發明實施例提供的一種常壓外延反應腔室的清潔方法，其能夠應用於圖1所示的常壓外延反應裝置1中，該方法包括：S301、在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，載氣以第一氣體流速通入至反應腔室中；S302、在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣以第二氣體流速與刻蝕氣體通入至該反應腔室中；其中，該第一氣體流速小於該第二氣體流速。
對於圖3所示的技術方案，在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，只在反應腔室RC中通入載氣，且減小載氣的注入速度，以使得載氣在高溫反應腔室RC中的溫度上升至更高的溫度並將熱量通過熱傳導的方式傳遞給上石英穹頂30A，在刻蝕階段，刻蝕氣體隨載氣一起進入反應腔室RC，且為保證反應腔室RC內有充足的刻蝕氣體，需要增大該階段氣體注入速度。
對於圖3所示的技術方案，在一些可能的實現方式中，該載氣為氫氣H 2，該刻蝕氣體為氯化氫HCl氣體。可以理解地，刻蝕氣體採用氯化氫氣體HCl，在刻蝕階段，刻蝕氣體HCl與上石英穹頂30A上沉積的多晶矽在高溫下發生化學反應，生成三氯氫矽SiHCl 3、氯化矽SiCl 4和氫氣H 2的混合物，具體化學反應方程式為：
Figure 02_image001
。這些化學反應生成的混合物會隨著載氣H 2排出反應腔室RC，且不會和載氣H 2發生化學反應。
對於圖3所示的技術方案，在一些可能的實現方式中，在該刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，該載氣的第一氣體流速不大於40公升/每分鐘(L/min)；在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣的第二氣體流速處於40~60公升/每分鐘(L/min)之間。可以理解地，在本發明實施例中，儘管在升溫階段和烘烤階段，減小了載氣的注入速度；在刻蝕階段，為了保證反應腔室RC內刻蝕氣體的濃度，因此需要加大載氣的注入速度。
可以理解地，整個刻蝕反應包括升溫階段，烘烤階段，刻蝕階段和降溫階段，在本發明實施例中反應腔室RC為常壓反應腔室，也就是說無論如何設定載氣的氣體流速大小，反應腔室RC都要維持在常壓下。因此，若降低載氣的注入速度，為維持反應腔室RC的內部壓力不變，需要減小載氣的排氣速度。如此，載氣進入高溫的反應腔室RC後會停留更久，以使得反應腔室RC內部載氣的溫度會上升至更高。
此外，在刻蝕階段採用第二流速向反應腔室RC中注入載氣和刻蝕氣體，能夠保證刻蝕階段中刻蝕氣體的濃度，進而保證刻蝕效果。
需要說明的是，在本發明實施例中，可選地，該第二氣體流速為相關刻蝕反應中設定的氣體流速。
對於圖3所示的技術方案，在一些可能的實現方式中，在該刻蝕反應中，該升溫階段和該烘烤階段的總用時為142秒(s)；且在該刻蝕階段初期，上石英穹頂30A的溫度為596°C。
參見圖4，其示出本發明實施例刻蝕反應不同階段反應腔室RC溫度隨時間的變化趨勢示意圖，其中橫座標表示刻蝕反應所用時間，縱座標表示刻蝕反應中上石英穹頂30A的溫度，且在圖4中採用黑色豎直虛線進行各階段之間的區分。由圖4可以看出，在本發明實施例中，升溫階段和烘烤階段的總用時為142秒(s)，相比於圖2中相關刻蝕反應中升溫階段和烘烤階段的總用時145秒(s)可知，通過本發明實施例提供的清潔方法能夠降低升溫階段和烘烤階段的所用時間。其次，在本發明實施例中，烘烤結束後，在刻蝕階段初期上石英穹頂30A的溫度為596°C，達到了刻蝕反應的最佳溫度，且整個刻蝕階段的時間約為48秒(s)，與圖2中相關刻蝕反應中刻蝕階段所用時間為105秒(s)相比，極大地縮短了刻蝕反應時間，在充分去除上石英穹頂30A上沉積的多晶矽同時，節約了刻蝕時間，提高了刻蝕效率。
最後，本發明實施例還提供了一種外延矽片，該外延矽片在由前述技術方案所述的清潔方法清潔後的常壓外延反應腔室中製備得到。
需要說明的是：本發明實施例所記載的技術方案之間，在不衝突的情況下，可以任意組合。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域具通常知識者在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。
1:常壓外延反應裝置 10:基座 10A:相鄰部件 20:基座支撐架 30A:上石英穹頂 30B:下石英穹頂 40:進氣口 50:排氣口 60:加熱燈泡 70:安裝部件 W:拋光矽片 X:中心軸線 G:間隙 RC:反應腔室 RC1:上反應腔室 RC2:下反應腔室 a:側壁 S301~S302:方法步驟
圖1為本發明提供的一種常壓外延反應裝置結構示意圖； 圖2為本發明提供的相關刻蝕反應各階段上石英穹頂的溫度隨時間變化趨勢示意圖； 圖3為本發明提供的一種常壓外延反應腔室的清潔方法流程示意圖； 圖4為本發明提供的刻蝕反應各階段上石英穹頂的溫度隨時間變化趨勢示意圖。
S301~S302:方法步驟

Claims (7)

  1. 一種用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其步驟包括： 在刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，載氣以第一氣體流速通入至反應腔室中； 在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣以第二氣體流速與刻蝕氣體通入至該反應腔室中； 其中，該第一氣體流速小於該第二氣體流速。
  2. 如請求項1所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其中該載氣為氫氣H 2，該刻蝕氣體為氯化氫HCl氣體。
  3. 如請求項1所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其中在該刻蝕反應的升溫階段和烘烤階段，該載氣的第一氣體流速不大於40公升/每分鐘(L/min)。
  4. 如請求項1所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其中在該刻蝕反應的刻蝕階段，該載氣的第二氣體流速處於40~60公升/每分鐘(L/min)之間。
  5. 如請求項1所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其中在該刻蝕反應中，該升溫階段和該烘烤階段的總用時為142秒(s)。
  6. 如請求項1所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法，其中在該刻蝕階段初期，上石英穹頂的溫度為596°C。
  7. 一種外延矽片，該外延矽片在如請求項1至6任一項所述之用於常壓外延反應腔室的清潔方法清潔後的常壓外延反應腔室中製備而得。
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