恢复外延反应炉的方法

技术领域

本公开涉及半导体制造技术领域，具体地，涉及恢复外延反应炉的方法。

背景技术

通常，外延晶圆是利用化学气相沉积等方法在晶圆上沉积一层单晶硅外延层来制备的。在该过程中，需要将晶圆放置在外延反应炉的反应腔室内的基座上，并利用硅源气体于高温下在晶圆表面上生长出外延层。

随着生产次数的增加，反应腔室内的湿度和污染物水平逐渐升高，可能会对外延晶圆的品质造成影响。对此，通常需要对外延反应炉进行停机维护和清洁，以将反应腔室的环境恢复至满足外延工艺要求的干燥且清洁的稳定状态，从而确保后续生长的外延晶圆的品质。

然而，现有的恢复反应腔室的方法的恢复步骤特别复杂，需要执行若干工艺配方，耗时较长，而且恢复过程中还要使用空白晶圆(dummy wafer)进行外延生长工序，造成晶圆的大量消耗，导致了较高的时间和材料成本。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概要，而不是对本公开的全部范围或所有特征的全面公开。

本公开的目的在于提供一种能够节省时间和材料成本的恢复外延反应炉的方法。

为了实现上述目的，提供了一种恢复外延反应炉的方法，该方法包括：

步骤S1：对外延反应炉的反应腔室进行吹扫；

步骤S2：使反应腔室升温至第一温度；

步骤S3：在第一温度下向反应腔室通入H

步骤S4：在第二温度下向反应腔室通入H

步骤S5：对反应腔室进行吹扫；

步骤S6：在第三温度下向反应腔室通入H

步骤S7：对反应腔室进行吹扫；

步骤S8：在第二温度下向反应腔室通入H

步骤S9：对反应腔室进行吹扫；

步骤S10：在第三温度下向反应腔室通入H

步骤S11：对反应腔室进行吹扫，其中，步骤S4至步骤S11被循环执行多次；以及

步骤S12：对反应腔室进行降温。

在上述恢复外延反应炉的方法中，在步骤S12之后，还可以包括步骤S13：在反应腔室中制备外延晶圆，并对外延晶圆进行少数载流子寿命检测，以判断外延反应炉是否恢复，并在判定外延反应炉未恢复时，执行步骤S1至步骤S12。

在上述恢复外延反应炉的方法中，第一温度可以在750℃～1000℃的范围内，并且预定时间可以在1min～1h的范围内。

在上述恢复外延反应炉的方法中，第一温度可以在780℃～880℃的范围内。

在上述恢复外延反应炉的方法中，预定时间可以在20min～1h的范围内。

在上述恢复外延反应炉的方法中，第二温度可以在1100℃～1200℃的范围内。

在上述恢复外延反应炉的方法中，第三温度可以在850℃～1000℃的范围内。

在上述恢复外延反应炉的方法中，步骤S4至步骤S11可以被循环执行30次～100次。

在上述恢复外延反应炉的方法中，硅膜可以为多晶硅膜。

在上述恢复外延反应炉的方法中，在步骤S1、步骤S5、步骤S7、步骤S9和步骤S11中的任一步骤中均可以使用H

在本公开的恢复外延反应炉的方法中，通过在该方法提供的单个配方流程中选择性地对会对降低污染物水平起核心作用的一部分步骤进行多次循环，不仅实现了反应腔室内污染物水平的有效降低，而且相比于使用多个配方进行恢复的恢复方法，还缩短了恢复外延反应炉的总耗时，从而节省了时间成本。此外，该方法的恢复过程中没有使用空白晶圆进行外延生长，而是通过在反应腔室内部沉积硅膜并随后将硅膜去除的方式进行污染物的清除，因此，能够避免外延反应炉恢复过程中晶圆的耗费，从而节省了材料成本。

附图说明

通过以下参照附图的描述，本公开的实施方式的特征和优点将变得更加容易理解。附图并非按比例绘制，可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。在附图中：

图1为发明人知晓的一种外延反应炉的示意图。

图2为根据本公开的实施方式的恢复外延反应炉的方法的流程图。

图3以曲线图示出了在恢复外延反应炉的方法的一个示例中工艺参数在恢复流程中的变化。

图4为采用图3中所示的恢复外延反应炉的方法前后获得的外延晶圆的MCLT水平的对比图。

具体实施方式

下面将结合本公开的实施方式中的附图，对本公开的实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如之前提到的，现有的恢复反应腔室的方法耗时且耗材，导致了较高的时间和材料成本。下面对此进行具体说明。

图1示出了发明人知晓的一种外延反应炉1。需要说明的是，该外延反应炉并不必然属于现有技术的范围，这里对外延反应炉1的相关说明仅是为了便于描述和使读者理解现有的恢复反应腔室的方法中存在的问题以及之后将涉及的根据本公开的实施方式的恢复反应腔室的方法。

外延反应炉1包括加热装置10、上钟罩11、下钟罩12、基座13等部件。上钟罩11和基座13等一起形成用于在其中对晶圆生长外延的反应腔室20。基座13用于在外延生长过程中承载晶圆W。加热装置10包括上灯模组和下灯模组，以用于通过热辐射的方式为外延生长提供合适的温度。反应腔室20包括进气口21和出气口22。在外延生长过程中，反应气体从进气口21进入反应腔室20，通过气相沉积在承载在基座13上的晶圆的表面上生长外延层，从而制备出外延晶圆。

在经过多次外延过程之后，反应腔室20内可能因高温气相反应而具有较高湿度并存在污染物，例如金属杂质。在这种情况下，为了确保后续生长的外延晶圆的品质，例如，使外延晶圆的颗粒水平和金属水平得到更好地控制，需要将反应腔室20恢复至满足外延工艺要求的干燥且清洁的稳定状态。

目前，恢复外延反应炉的方法的恢复步骤特别复杂。通常，该方法的恢复流程需要执行若干工艺配方，例如，基座分步烘烤工艺配方、基座清洁沉积工艺配方等。这些配方耗时较长，例如，基座分步烘烤工艺配方需要耗时2～3小时，而基座清洁沉积工艺配方更需要重复执行150～300次，耗时1～2天。

此外，在该恢复过程中，还需使用空白晶圆进行外延生长工序。这里，空白晶圆是相对于产品晶圆而言的，实际上，一般是仍具有价值的降级的晶圆。通常，恢复过程需要使用约100～500张晶圆来进行外延生长，耗时1～2天。而且，由于该恢复过程中获得的外延晶圆中有一部分外延晶圆的品质达不到要求，还会造成晶圆的浪费，通常约有100～200张。

有鉴于此，根据本公开的实施方式，提出了一种恢复外延反应炉的方法，如图2所示，其包括以下步骤：

步骤S1：对外延反应炉的反应腔室进行吹扫；

步骤S2：使反应腔室升温至第一温度；

步骤S3：在第一温度下向反应腔室通入H

步骤S4：在第二温度下向反应腔室通入H

步骤S5：对反应腔室进行吹扫；

步骤S6：在第三温度下向反应腔室通入H

步骤S7：对反应腔室进行吹扫；

步骤S8：在第二温度下向反应腔室通入H

步骤S9：对反应腔室进行吹扫；

步骤S10：在第三温度下向反应腔室通入H

步骤S11：对反应腔室进行吹扫，其中，步骤S4至步骤S11被循环执行多次；以及

步骤S12：对反应腔室进行降温。

下面结合图1中的示例性的外延反应炉1对该恢复外延反应炉的方法的上述步骤进行详细描述。

在步骤S1中，向外延反应炉1的反应腔室20内通入吹扫气体，以形成穿过进气口21、反应腔室20内部以及出气口22的气流。借助于不断流动的气流，将存在于反应腔室20内的杂质、空气及其他气体带离反应腔室20，以使反应腔室20内形成单一气体环境。

在本公开的实施方式中，吹扫气体为H

在步骤S2中，使反应腔室20升温至第一温度，随后，在步骤S3中，在该第一温度下向反应腔室20通入H

通过在一定温度在H

在步骤S4中，利用HCL气体，能够对反应腔室20的内部进行清洁。例如，通过HCL气体对反应腔室20的内部部件包括基座13、上钟罩11的表面进行轻微腐蚀，以去除表面上的污染物。此外，在反应腔室20的内部先前已形成有硅膜的情况下，也可以通过HCL对该硅膜进行腐蚀去除。H

在步骤S5中，进一步通入H

在步骤S6中，在第三温度下向反应腔室20通入H

在上述气相沉积过程中，所形成的硅膜会包裹住反应腔室20内部的一些杂质，例如金属杂质，起到对反应腔室20内部的吸杂作用。

在步骤S7中，通入H

在步骤S8中，在第二温度下向反应腔室20通入H

在步骤S9中，通入H

在步骤S10中，再次在第三温度下向反应腔室通入H

通过多次循环执行步骤S4至步骤S11，使得能够形成“生长硅膜-清洁硅膜-生长硅膜-清洁硅膜”的污染物循环清除模式。需要说明的是，该循环是在从步骤S1至步骤S12的单个配方内进行的。通过这种模式，反应腔室20内的污染物水平能够逐渐降低，并且，通过设定合适的循环次数，能够使反应腔室20恢复至满足外延工艺要求的干燥且清洁的稳定状态。之后，在步骤S12中，可以对反应腔室20进行降温以结束恢复过程。

需要注意的是，在进行最后一次循环时，步骤S10中在反应腔室20的内部形成硅膜主要是为了稳定反应腔室，包括基座，而无需再对该硅膜进行去除。这主要是基于以下考虑：基座通常采用高纯石墨材料，在实际外延生长过程中，高纯石墨制的基座会因腐蚀性气体和金属杂质等的残留而出现腐蚀掉粉的现象，进而影响石墨基座的使用寿命，也会影响外延生长过程的稳定性。

因此，通过在最后一次循环时在步骤S10中使反应腔室内部沉积硅膜并在步骤S10后不再进行硅膜的清洁，能够为反应腔室内部形成一层致密性的保护层，以便在外延反应炉恢复后，反应腔室能够在高温、腐蚀性的工作环境中以稳定的状态开始工作。

结合上文的详细描述，根据本公开的实施方式的恢复外延反应炉的方法提出了一套新的工艺配方，其通过在该单个配方流程中选择性地对会对降低污染物水平起核心作用的一部分步骤进行多次循环，不仅实现了反应腔室内污染物水平的有效降低，而且相比于使用多个配方进行恢复的恢复方法，还缩短了恢复外延反应炉的总耗时，从而节省了时间成本，提高了外延反应炉的稼动率，有利于提高外延生长工艺的总效能。

此外，根据本公开的实施方式的恢复外延反应炉的方法在其恢复过程中没有使用空白晶圆进行外延生长，而是通过在反应腔室内部沉积硅膜并随后将硅膜去除的方式进行污染物的清除。因此，能够避免外延反应炉恢复过程中晶圆的耗费，从而节省了材料成本。

在一些实施方式中，可以在步骤S1至步骤S12被执行完成之后，对当前的恢复效果进行评估，以更准确地判断反应腔室是否恢复至稳定状态。在此方面，可以利用测量在该恢复后的外延反应炉中生长外延的外延晶圆的少数载流子寿命(Minority Carrier LifeTime，MCLT)来确定外延反应炉的恢复程度，反应腔室内污染物杂质越多，则MCLT越低。

基于此，在步骤S12之后，恢复外延反应炉的方法还包括步骤S13：在反应腔室20中制备外延晶圆，并对外延晶圆进行MCLT检测，以判断外延反应炉1是否恢复，并在判定外延反应炉1未恢复时，执行步骤S1至步骤S12。

具体地，可以将步骤S13中检测的外延晶圆的MCLT结果与预先设定的指示外延反应炉已恢复至稳定状态的MCLT预定值进行比较，当MCLT检测值达到该MCLT预定值时，判定外延反应炉完成恢复，而当MCLT检测值未达到该MCLT预定值时，可以再次进行根据本公开的实施方式的恢复外延反应炉的方法，即执行步骤S1至步骤S12。

MCLT预定值可以根据具体的工艺标准进行确定，例如MCLT预定值可以设定为2000us，但对此不做限制。

在一些实施方式中，对反应腔室20进行烘烤的第一温度在750℃～1000℃的范围内，并且烘烤的预定时间在1min～1h的范围内。

发明人通过实验发现，当第一温度大于750℃时，反应腔室20内的水分的析出效果更好，能够有效地起到去除水分以降低湿度的作用；而在第一温度超过1000℃时，水分的析出效果反而开始变差。此外，在1min～1h的烘烤时间内，可以对水分进行更有效地去除。

在一些实施方式中，为了获得更好的水分析出效果，第一温度可以进一步处于780℃～880℃的范围内。

在一些实施方式中，预定时间可以进一步处于20min～1h的范围内。当烘烤时间大于20min时，对反应腔室20内的水分的去除效果更好。

在一些实施方式中，用于步骤S4和步骤S8的第二温度在1100℃～1200℃的范围内，以实现较好的清洁效果。

在一些实施方式中，在反应腔室20内形成硅膜时所处于的第三温度在850℃～1000℃的范围内。

生长硅膜的温度需要高于850℃，以确保反应腔室内能够正常进行硅膜生长反应，而当生长温度超过1000℃时，硅膜的生长速率会趋于平缓，硅膜形成效率降低。

在一些实施方式中，步骤S4至步骤S11被循环执行30次～100次。

通过设置合适的循环执行次数，可以使反应腔室20内部的杂质被充分地清除，以使反应腔室能够恢复至满足外延工艺要求的干燥且清洁的稳定状态。可以理解的是，循环执行的次数可以根据反应腔室的污染程度设定或调整。

在一些实施方式中，硅膜为多晶硅膜。

发明人通过实验发现，相比于单晶硅膜，多晶硅膜能够更好地包裹反应腔室20内的杂质，具有更好的吸杂效果。

在硅膜为多晶硅膜的情况下，硅源气体可以为SiHCL

在一些实施方式中，在步骤S1、步骤S5、步骤S7、步骤S9和步骤S11中的任一步骤中均使用H

为了便于理解该方法，结合图3给出了恢复外延反应炉的方法的一个示例：

步骤S1：使用H

步骤S2：使反应腔室升温至780℃～880℃；

步骤S3：在780℃～880℃下向反应腔室通入H

步骤S4：在1100℃～1200℃下向反应腔室通入H

步骤S5：使用H

步骤S6：在850℃～1000℃下向反应腔室通入H

步骤S7：使用H

步骤S8：在1100℃～1200℃下向反应腔室通入H

步骤S9：使用H

步骤S10：在850℃～1000℃下向反应腔室通入H

步骤S11：使用H

步骤S12：将反应腔室降温至750℃。

图4为采用上述示例的恢复外延反应炉的方法前后获得的外延晶圆的MCLT水平的对比图。

图4中的A表示采用本方法进行恢复前获得的外延晶圆的MCLT结果，B表示采用本方法进行恢复后获得的外延晶圆的MCLT结果，其中，步骤S4至步骤S11被循环执行50次。由图4可知，对于B，在整个配方实际耗时20h的情况下，MCLT就从1000us提高至2000us，达到了外延晶圆量产所需的MCLT水平。

这表明，采用本公开的方法，能够在较短的时间就使反应腔室恢复到稳定状态，而且恢复过程中无需使用空白晶圆来进行外延生长，节省了时间和材料成本。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。