CN107851553B - 准备重启用于制造外延晶片的反应器的方法 - Google Patents

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Abstract

实施方式涉及一种用于准备重启外延反应器的方法，以执行晶片的外延生长。该方法包括以下步骤：将氮气引入设置在所述外延反应器内的处理室中并吹扫该气体一定时间；根据时间非线性地升高所述处理室内部的温度；以及在生长外延晶片之后测量外延晶片的MCLT。根据实施方式的准备重启外延反应器的方法与现有方法相比以更快的速率去除滞留在处理室内的湿气和污染物，缩短了达到重启外延反应器的最小MCLT值所需的时间，由此也缩短了准备重启外延反应器的时间。

Description

准备重启用于制造外延晶片的反应器的方法
技术领域
本发明涉及一种准备重启腔室内部的方法，更具体地，涉及一种准备重启外延反应器的方法，以在外延晶片生长完成后去除残留在腔室内的湿气和杂质并制造之后的外延晶片。
背景技术
常规硅晶片通过单晶生长工序、切片工序、磨削工序、研磨工序、抛光工序和在抛光工序之后去除附着在晶片上的磨蚀物或杂质的清洁工序来制造。
由这种方法制造的晶片称为抛光晶片，在抛光晶片的表面上生长另外的单晶膜(外延层)的晶片称为外延晶片。
外延晶片具有比抛光晶片更少的缺陷，并具有控制杂质浓度和种类的特性。此外，外延层具有高纯度和优异的结晶性，这对于提高高集成度半导体器件的产量和器件性能是有利的。化学气相沉积是在诸如半导体晶片之类的靶上生长薄层材料的方法，由此可以在晶片上沉积具有不同导电性的层以产生期望的电特性。
用于在晶片表面上沉积外延层的化学气相沉积装置被配置为包括：在其中沉积外延层的处理室、安装在该处理室内的基座、设置在该处理室上部和下部的加热灯，以及用于将原料气体注入晶片上的气体注入单元。从气体注入单元注入的原料气体在放置于基座上的晶片上形成外延层。
用于在晶片上生长外延层的外延反应器的腔室包括大量湿气，该湿气包括在高温下进行外延工序时产生的金属杂质。如果腔室内存在这些杂质，不可能制造高质量的外延晶片，因此，在完成外延晶片制造过程之后，需要去除腔室内残留的杂质并形成可以执行下一批次外延工艺的气氛。
也就是说，在腔室内进行各工序后，执行预防性维护(PM)。因此，在PM之后，腔室内会产生残留的湿气和金属杂质。因此，执行准备重启生长装置的方法，以便可以制造外延晶片。
当执行外延生长系统的重启程序时，提供工艺配方，用于去除外延反应器内保持在热稳定状态下的湿气和各种污染源，以及重复加热和稳定腔室内部足够长的时间以确保晶片质量的步骤以执行重启程序。
然而，由于外延晶片的生产率因执行重启程序的时间很长而降低，需要寻求一种方法，该方法能够通过缩短外延反应器重启程序所需的时间来提高外延晶片的生产率。
发明内容
技术问题
已经提出本发明来解决上述问题，本发明提供一种在准备重启用于制造外延晶片的外延反应器的过程中更有效地将湿气和污染源排出到处理室外部并缩短反应器重启时间的方法。
技术方案
作为一种准备重启在其中执行晶片的外延生长的外延反应器的方法，一种实施方式可以包括以下步骤：将氮气气体注入设置在所述外延反应器内的处理室中并吹扫该气体预定时间；根据时间非线性地加热所述处理室内部；和在生长所述外延晶片之后测量所述外延晶片的MCLT。
在一种实施方式中，将氮气气体注入设置在所述外延反应器内的处理室中并吹扫该气体预定时间的步骤与将原料气体和载气吹扫到气体管线中的步骤同时进行，该气体管线同时将气体注入到所述处理室内。
所述原料气体可以是三氯硅烷(TCS)气体，并且所述载气可以是H2气体。
此外，将氮气气体注入设置在所述外延反应器内的处理室中并且吹扫该气体预定时间的步骤和将TCS气体吹扫到气体管线中的步骤执行至少两小时或更长时间，该气体管线将气体注入到所述处理室中。
一种实施方式可进一步包括以下步骤：在用氮气气体吹扫所述处理室内部之后，将所述处理室加热至预定的第一温度，然后稳定所述处理室。优选地，所述第一温度可以设定在800℃至840℃范围内。
此外，根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤可以包括以下步骤：在使所述处理室内部稳定在所述第一温度之后，将与所述第一温度对应的热源功率设定为根据时间逐步增加。
根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤可以包括以下步骤：将所述处理室的内部加热至预定的第一温度并稳定在该预定的第一温度，并且将所述处理室的内部烘烤至预定范围的第二温度。
优选地，所述第二温度可以设定在800℃至1200℃范围内，该温度1200℃是在外延反应器包括的反射器中不发生熔融的极限温度。
在一种实施方式中，在执行根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤的同时可以执行将氢气引入基座的上部和下部的步骤。优选地，所述热源的功率可以设定在40kW至95kW范围内。
此外，将热源的功率设定为根据时间逐步增加的步骤执行至少一次或多次，并且在所述处理室的烘烤工序完成后执行使基座的上部和下部温度相等的步骤。
在一种实施方式中，使所述基座的上部和下部温度相等的步骤可以通过改变所述处理室的上部圆顶或下部圆顶的辐射率来执行。
一种实施方式可以包括重复执行在基座表面上沉积硅膜然后蚀刻并去除该硅膜的工序。
在一种实施方式中，在根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤之后，执行确认所述处理室内是否存在残留掺杂剂的步骤。
确认所述处理室内是否存在残留掺杂剂的步骤可以进一步执行在所述处理室内没有掺杂剂的情况下制造本征晶片和测量所述本征晶片的电阻率，以及当所述本征晶片的电阻率小于预设值时，在随后的步骤中测量所述本征晶片的电阻率。
此外，重复执行在制造外延晶片之后从所述处理室内移出外延晶片并清洁所述处理室的工序。
在一种实施方式中，在多次运行进行时，执行测量所述外延晶片的MCLT的步骤，其中，制造一个外延晶片的过程称为一次运行。
将外延晶片制造为假晶片，并且可以将对应于执行实际MCLT测量的运行的晶片制造为实际晶片。
在一种实施方式中，当MCLT达到预定值时，准备重启外延反应器的步骤完成。
有益效果
根据一种实施方式，制造外延晶片的反应器的准备方法在执行PM过程之后在室温下使用氮气吹扫和干燥处理室内部一段时间，因此，与现有技术相比可以缩短准备重启反应器所需的时间。
根据一种实施方式，制造外延晶片的反应器的准备方法在完成PM过程之后在烘烤处理室内部的步骤中逐步增加热源的功率以将热量传递到处理室内部。因此，在处理室内滞留的湿气和污染物可以引起不稳定的流，从而随着氢气的流动被有效地排出。
根据一种实施方式，由于以比现有技术的准备重启外延反应器的方法更快的速率去除滞留在处理室内的湿气和污染物，可以缩短达到执行重启外延反应器的MCLT的最小值的时间。因此，准备重启反应器的时间也缩短，因此外延晶片的生产率也可以提高。
附图说明
图1是示出一种实施方式的准备重启外延反应器的方法中所使用的外延反应器的视图。
图2是示出根据一种实施方式的准备重启外延反应器的方法的流程图。
图3示出根据一种实施方式的吹扫TCS气体的情况。
图4是示出根据现有技术和实施方式的准备外延反应器的方法中处理室内MCLT水平变化的图。
图5是示出处理室内MCLT水平根据准备重启外延反应器的方式变化的图。
具体实施方式
以下将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式。然而，本公开不限于这些示例性实施方式。在本公开的描述中，省略了对公知功能或配置的详细描述以阐明本公开的主旨。
在一种实施方式中，对外延反应器执行预防性维护(PM)，然后提出用于重启程序的工艺配方以去除滞留在外延反应器内的湿气和污染物，由此，与常规方法相比，缩短了重启程序所需的时间。
图1是示出一种实施方式的准备重启外延反应器的方法中所使用的外延生长系统的视图。
参考图1，外延生长系统100可以配置为包括上部衬里105和下部衬里102、上部封盖106、下部封盖101、基座107、预热环108、基座支撑件109、气体入口103、气体出口104和主轴110。
与气体供给管线连接的气体入口103形成在外延生长系统100的一侧，与气体排出管线连接的气体出口104可以形成在外延生长系统100的另一侧，并且外延生长系统100可包括下部封盖101和上部封盖106。
下部衬里102可以设置成围绕基座107，而上部衬里105可以设置为面向下部衬里102的上部。预热环108沿着与基座107相邻的下部衬里102的内表面以环形形状形成，并且安置在下部衬里102上，并且预热环108设置成围绕基座107，从而传送到晶片的气体的温度是均匀的。
基座107是在执行外延过程时在其上安装晶片的部分，并且基座107可以由诸如碳石墨或碳化硅等的材料制成的板构成。基座107由位于基座107下部的主轴110和基座支撑件109支撑，该基座支撑件109沿基座107边缘方向在主轴110的各位置处形成。如图1所示，在基座107固定在与预热环108的高度相同时可以进行外延过程。
如上所述，外延膜是在外延反应器内的处理室中在高温下在晶片上气相生长的，这产生外延晶片。此时，如果处理室内存在金属杂质或残留湿气，制造的外延晶片被金属杂质污染，因此不能保证外延晶片的质量。
因此，在执行各工序之后，处理室执行预防性维护(PM)，从而在PM之后在处理室内产生残留湿气。为了解决该问题，可以通过诸如烘烤腔室内部的工序来去除残留湿气。
图2是示出根据一种实施方式的准备重启外延反应器的方法的流程图。参考图2，在完成外延晶片的制造之后执行根据一种实施方式的准备重启外延反应器的方法，然后在反应器内执行PM。准备重启外延反应器的方法可以包括在步骤S10中用氮气吹扫处理室内部，在步骤S20中升高腔室内温度，在步骤S30中烘烤腔室内部，在步骤S40中使基座的上部温度和下部温度相等，在步骤S50中稳定基座，在步骤S60中确认处理室内是否存在掺杂剂，和在步骤S70中去除处理室内的金属污染源。
详细描述每个步骤，用氮气吹扫处理室内部的步骤S10是在将处理室内部保持在室温下的同时通过气体入口注入氮气，然后在处理室内循环并通过气体出口排出该气体的步骤。优选地，步骤S10可以在处理室内执行约3小时，这可以根据腔室内的状态而改变。
此外，在吹扫处理室内时，可以对将气体注入和排出处理室的气体管线进行吹扫，并且使原料气体和载气流动并供给到气体管线一段时间，从而形成能够去除残留在气体管线内的异物和湿气的气氛。此时，三氯硅烷(TCS)可以用作原料气体，H2可以用作载气。
在一种实施方式中，与在执行常规PM之后准备重启反应器时升高处理室温度的工序不同，执行循环氮气的步骤S10，由此在处理室内形成快速去除处理室内的残留湿气和污染物的气氛。
在升高处理室内温度的步骤S20中，将处理室内的温度根据时间升高至预定的第一温度并稳定，同时使处理室内部保持在第一温度下约10分钟。此时，第一温度可以在800℃至840℃范围内选择。
烘烤腔室内部的步骤S30是根据时间非线性地加热处理室内部的步骤，并且可以通过将施加到处理室的功率值设定为逐步增加来执行该步骤。
当处理室内部保持在预定的第一温度800℃时，热源的功率可以设定为从40kW到95kW循序增加，并且每一步的增量可以设定为10kW。例如，以40kW的功率对处理室施加热量一段时间，然后以50kW的功率对处理室施加热量一段时间，然后可以将功率值循序增加至95kW。
随着热源的功率逐渐增加，处理室内的温度可升高至预定的第二温度，该第二温度可设定在800℃至1200℃范围内。在一种实施方式所使用的处理室中，由于当施加95kW的功率值时，配置在外延反应器中的反射器可能被熔化，所以将对应于功率95kW的温度1200℃设定为所升高的阈值温度。当热源的功率恒定时，处理室内的温度线性地变化。然而，当如在一种实施方式中那样，热源功率逐步增加时，处理室内的温度非线性地变化。
如上所述，热源的功率根据时间逐渐增加，并且对每一步设定为不同的值。因此，处理室内部的热状态变成不稳定状态，因此处理室内所含有的包括湿气和污染物的颗粒的动态能量增加。在一种实施方式中，在准备重启外延反应器时，在烘烤处理室内部的步骤中逐步增加热源功率以升高处理室内温度的工序可以重复若干次。优选地，取决于烘烤工序的效率，该工序可以执行二至五次。此时，可以执行将氢气引入基座的上部和下部的工序。
处理室的内部因处理室内升温工序的执行而变得热不稳定，并且当通过主阀和狭缝阀将氢气引入处理室内时，通过氢气的转运，可以更有效地排出处理室内的湿气和物质。
也就是说，执行将处理室内部升温至比现有技术更高的温度以使处理室内部的热状态不均匀的步骤，因此，可以进一步增加处理室内湿气和残留物的排出速度。
使基座上部和下部的温度相等的步骤S40是在使处理室内温度变得热不稳定以去除各种杂质后，使对应于基座上部和下部的处理室的上部封盖和下部封盖的温度相等。该步骤可以是更换的基座的稳定化过程的准备工序。在测量上部封盖和下部封盖的温度之后，如果温度值不同，可以调节上部封盖和下部封盖的辐射率，并且可以改变由加热器传递的热量的强度，因此处理室内的温度可以保持相同。
稳定基座的步骤S50可以包括在用于制造外延晶片的基座或更换的基座的表面上沉积硅膜，然后蚀刻并去除该硅膜。
在先前工序中使用的基座在高温过程之后在与晶片接触的表面上含有湿气或污染物，并且更换的基座也可能具有吸附在其表面上的金属物质和各种残留物。因此，需要使基座表面稳定，以去除湿气、污染物、金属物质和各种残留物。在一种实施方式中，使硅气体流动到基座的表面上120秒并形成4μm至5μm的硅膜，然后使蚀刻气体流动到该硅膜上90秒以去除硅膜。执行该工序约4次，由此使基座稳定。
确认处理室内是否存在掺杂剂的步骤S60是测量外延晶片的电阻率并确定掺杂剂是否残留在处理室内的工序。该步骤可以包括将晶片放入处理室内并制造厚度为10um的外延晶片，在预定时间后取出该外延晶片并测量晶片电阻率的步骤。在处理室内生长本征外延晶片而不掺杂掺杂剂。本征外延晶片将具有恒定的电阻率，但是当该值改变时，可以确定掺杂剂残留在处理室内，并且晶片的电阻率值改变。
因此，在一种实施方式中，如果晶片的电阻率不满足300Ω-cm的水平，可以执行作为下一步骤的CP MCLT恢复(CP MCLT Recovery)，与此同时，另外检查晶片的电阻率并确定是否残留有掺杂剂。
去除处理室内金属污染源的步骤S70是在晶片上生长外延膜并执行化学钝化(CP)恢复工序的步骤。步骤S70是测量处理室内MCLT水平的步骤，并且重复将晶片放入处理室内并制造外延晶片的步骤。如果制造一个外延晶片之后在处理室内进行清洁和蚀刻的工序是一次运行，在进行多次运行时可以执行测量外延晶片的MCLT的步骤。在一种实施方式中，对应于50、100、150、200和250次运行的外延晶片取为抽样晶片并且测量MCLT值。
在每次运行中使用的晶片可以是伪晶片，而外延晶片可以用对应于50、100、150、200和250次运行的运行中的实际晶片来制造并用作抽样晶片。
在从处理室中移出其上形成有外延膜的抽样晶片之后，执行通过氢氟酸处理去除自然氧化物膜的工序。此外，将碘薄薄地沉积在外延晶片上，然后扫描晶片表面以测量MCLT水平。
少数载流子寿命(MCLT)可以是确定重启外延生长系统的准备度的一种度量。MCLT是指超量少数电子重新组合所需的平均时间，并且处理室内杂质越多，则MCLT越低。
因此，测量对应于50、100、150、200和250次运行的样品晶片的MCLT，并且当MCLT满足预定值时，可以确定完成了重启外延生长系统的准备工作。当MCLT值不满足预定值时，重复对应于步骤S10至S60的步骤以确保准备重启所需的MCLT水平。在一种实施方式中，当MCLT达到预定值时，外延生长系统的重启程序完成，并且预定值设定为2500us，这意味着处理室内存在的诸如金属颗粒等的污染物几乎都被去除，不影响后续制造的外延晶片质量。
图3示出根据一种实施方式的吹扫TCS气体的情况。
参考图3，示出了在实施方式的步骤S10中将氮气吹扫到处理室内，并且同时将TCS气体吹扫到气体管线中的情况下的MCLT水平。在测量两个外延反应器(CENO6A，CENO6B)的MCLT水平的结果中，当在气体管线中没有吹扫TCS气体(常规)时，MCLT水平分别为2324μs和3990μs。然而，当在气体管线中吹扫TCS气体一段时间时，可以看出，当TCS气体吹扫至少2小时或更长时间时，MCLT水平迅速增加。
图4是示出根据现有技术和实施方式的准备外延反应器的方法的处理室内MCLT水平变化的图。在一种实施方式的情况下，与现有技术相比，进一步执行用氮气吹扫处理室内部并用TCS气体吹扫气体管线，烘烤腔室内部并去除处理室内的金属污染源。当不执行上述工序时，准备重启外延反应器的时间需要8天以满足重启所需的MCLT水平2500μs。但是，如果执行与实施方式类似的准备工序，可以证实用于准备重启外延反应器的时间需要4天，以满足重启所需的MCLT水平2500μs，并且可以确定重启外延反应器所需的时间缩短至大约一半。
图5是示出在准备重启外延反应器的过程中因更换部件而引起的处理室内MCLT水平变化的图。在外延晶片的制造重复数次或更多次之后，可能需要更换制造外延晶片中的消耗性部件。主要是更换上部圆顶和其上安装晶片的基座，图5示出了当更换上部圆顶或基座时准备重启外延反应器所需的时间和MCLT水平。
在PM时，也就是说，在不更换外延反应器内部件的情况下，在大约200次运行的外延晶片时，MCLT达到约2500μs，此时可以重启外延反应器。当更换上部圆顶时，在300次运行时，MCLT达到能够重启外延反应器的约2500μs，当同时更换上部圆顶和基座时，在约350次运行时，MCLT达到能够重启外延反应器的约2500μs。
这表明相对大量的诸如金属颗粒等的污染物附着到未执行外延工艺的更换的部件表面上。当更换外延反应器部件时，可以重复执行实施方式中描述的步骤S10至S70，以便可以达到重启所需的MCLT水平。
如上所述，根据一种实施方式，制造外延晶片的反应器的准备方法通过在完成PM过程之后在室温下用氮气吹扫并干燥处理室内部一段时间来执行。在烘烤处理室内部的步骤中，用于将热量传递到处理室的热源的功率逐步增加，从而有效地排出滞留在处理室内的湿气和污染物。此外，还执行运行以重复制造外延晶片，并且通过在特定运行中检测外延晶片的MCLT水平来检查残留在外延反应器内的金属污染物水平。
利用上述用于准备反应器的方法，与常规方法相比，一种实施方式可以缩短准备重启反应器的时间，并且还可以提高外延晶片的生产率。
尽管已经相对于本公开描述了示例性实施方式，但是上述示例性实施方式仅仅是示例，本发明不限于此。对于本领域技术人员来讲，显而易见的是，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对本公开的上述示例性实施方式进行各种修改和应用。例如，本文描述的示例性实施方式的要素可以被修改和实现。而且，应当认为，与这样的修改和应用相关的差异包括在所附权利要求书限定的本发明范围内。
工业应用性
本发明在工业上是可应用的，因为可以增加处理室内滞留的湿气和污染物的排出速率，并且可以缩短准备重启反应器的时间，从而可以提高外延晶片的生产率。

Claims (19)

1.一种准备重启外延反应器的方法，作为一种准备重启在其中执行晶片的外延生长的外延反应器的工艺，所述方法包括以下步骤：
通过气体入口将氮气气体注入设置在所述外延反应器内的处理室中并同时将原料气体和载气供给到气体管线中预定时间；
通过调节热源的功率以逐步增加该功率来根据时间非线性地加热所述处理室内部；和
在生长外延晶片之后测量所述外延晶片的MCLT。
2.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述原料气体是三氯硅烷TCS气体，并且所述载气是H2气体。
3.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，将氮气气体注入设置在所述外延反应器内的处理室中并吹扫该气体预定时间的步骤和将TCS气体吹扫到所述气体管线中的步骤执行至少两小时或更长时间，该气体管线将气体注入到所述处理室中。
4.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，还包括以下步骤：在用氮气气体吹扫所述处理室内部之后，将所述处理室加热至第一温度，然后稳定所述处理室。
5.根据权利要求4所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述第一温度设定在800℃至840℃范围内。
6.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤包括以下步骤：将所述处理室的内部加热至预定的第一温度并稳定在该预定的第一温度，并且将所述处理室的内部烘烤至预定范围的第二温度。
7.根据权利要求6所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述第二温度设定在800℃至1200℃范围内，该温度1200℃是在外延反应器包括的反射器中不发生熔融的极限温度。
8.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，在执行根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤的同时执行将氢气引入基座的上部和下部的步骤。
9.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述热源的功率设定在40kW至95kW范围内。
10.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，将所述热源的功率设定为根据时间逐步增加的工序执行至少一次。
11.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，在完成所述处理室的烘烤工序之后，执行使基座的上部和下部温度相等的步骤。
12.根据权利要求11所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述使基座的上部和下部温度相等的步骤通过改变所述处理室的上部圆顶或下部圆顶的辐射率来执行。
13.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，包括重复执行在基座表面上沉积硅膜然后蚀刻并去除该硅膜的工序。
14.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，在根据时间非线性地加热所述处理室内部的步骤之后，执行确认所述处理室内是否存在残留掺杂剂的步骤。
15.根据权利要求14所述的准备重启外延反应器的方法，其中，所述确认所述处理室内是否存在残留掺杂剂的步骤进一步执行在所述处理室内没有掺杂剂的情况下制造本征晶片，测量所述本征晶片的电阻率，以及当所述本征晶片的电阻率小于预设值时，在随后的步骤中测量所述本征晶片的电阻率。
16.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，重复执行在制造所述外延晶片之后从所述处理室内部移出所述外延晶片并清洁所述处理室的工序。
17.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，在多次运行进行时，执行测量所述外延晶片的MCLT的步骤，其中，制造一个外延晶片的过程称为一次运行。
18.根据权利要求17所述的准备重启外延反应器的方法，其中，将所述外延晶片制造为假晶片，并且将与执行实际MCLT测量的运行相对应的晶片制造为实际晶片。
19.根据权利要求1所述的准备重启外延反应器的方法，其中，当MCLT达到预定值时，准备重启外延反应器的步骤完成。
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