外延硅晶片的制造方法与流程

1.本发明涉及一种外延硅晶片的制造方法。


背景技术：

2.关于外延硅晶片，以晶片搬入外延生长装置的腔室内、外延生长及晶片搬出腔室外作为1循环，通过重复该循环依次被制作。
3.在外延生长中，从原料气体产生的副产物堆积在设置于腔室内壁和腔室内的构件中。若在放置该副产物的状态下重复上述循环，则从副产物产生微粒而使外延硅晶片的品质受到恶劣影响。因此，需要在一定次数重复上述循环后，去除堆积在腔室内的构件中的副产物。为了去除副产物，具有：加热腔室内的构件，再进行利用蚀刻气体去除构件中堆积的副产物的清洗工艺的方法，及将堆积有副产物的构件取出到腔室外，通过湿蚀刻或干蚀刻等的蚀刻去除副产物的方法。去除副产物的构件可以用于再度外延生长，但若多次重复清洗工艺和蚀刻，则外延硅晶片的品质下降，因此需要更换构件。
4.在专利文献1中公开有在通过重复上述循环，堆积在基座（susceptor）等的晶片保持具的副产物的累积膜厚超过规定阈值时，更换晶片保持具的技术。
5.现有技术文献专利文献专利文献1：国际公开第2015/30047号。


技术实现要素：

6.发明所要解决的技术问题专利文献1中，根据副产物的累积膜厚，更换设置在腔室内的构件。将堆积在构件表面的副产物的厚度视为与生长在硅晶片上的外延层同等的膜厚，本发明人等进行以下实验的结果，判断出若根据累积膜厚判定是否更换腔室内的构件，则有外延硅晶片的品质下降的风险。即，重复多次将晶片搬入到腔室内、外延生长及将晶片搬出到腔室外后，重复多次使用氯化氢气体进行腔室内的清洗的工艺。之后，如专利文件1，根据累积膜厚，判定是否更换腔室内的构件。于是，判断出若根据累积膜厚判定是否更换腔室内的构件，则有外延硅晶片的品质下降的风险。
7.本发明鉴于上述问题，提供一种能够降低外延硅晶片的品质下降风险的外延硅晶片的制造方法。
8.用于解决技术问题的方案为了解决上述问题，本发明人等调查了硅外延层的品质。于是发现，即使副产物的累积膜厚相同，通过外延生长后进行的清洗次数，也有可能影响外延硅晶片的品质。在进行外延生长时，在腔室内的构件中产生堆积有副产物的区域与少堆积有副产物的区域，副产物堆积少的区域在清洗时直接暴露在氯化氢气体中。尤其，关于包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件，清洗频度越高，在副产物堆积少的区域中越是被氯化氢气体蚀刻。而
且，若通过蚀刻碳化硅膜的残留膜厚变小，则透过碳化硅膜的母材中的石墨或金属数量增加，且外延硅晶片的品质下降。即判断出，即使在副产物的累积膜厚相同的情况下，根据清洗频度，没有堆积副产物的区域中的碳化硅膜的残留膜厚也不同，由此有外延硅晶片的品质下降的风险。而且，更进一步进行研究的结果，若着眼于与碳化硅膜的残留膜厚高度相关的氯化氢气体的累积供给量及累积蚀刻量，则能够正确判定基座等构件的更换时期，结果，发现能够降低外延硅晶片品质下降的风险。
9.本发明根据上述见解而成，其主旨方案为如下。
10.（1）一种外延硅晶片的制造方法，其包括如下步骤：将硅晶片搬入外延生长装置的腔室；将原料气体供给到所述腔室内，使硅外延层生长在所述硅晶片上，将所述硅晶片作为外延硅晶片；将所述外延硅晶片搬出到所述腔室外；及之后，将氯化氢气体供给到所述腔室内清洗所述腔室内，所述外延硅晶片的制造方法的特征在于，进行所述清洗后，根据所述氯化氢气体的累积供给量，判定是否更换设置在所述腔室内且包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件。
11.（2）根据（1）所述的外延硅晶片的制造方法，其中，所述外延生长装置具备：基座（susceptor），载置所述硅晶片；及预热环，隔着规定间隙设置在所述基座外周；所述构件为从所述基座及所述预热环中选择的1个以上的构件。
12.（3）根据（1）或（2）所述的外延硅晶片的制造方法，其中，在所述清洗中，测量所述氯化氢气体的供给量，进行所述清洗后，在所述氯化氢气体的累积供给量超过规定阈值之前，判定更换所述构件。
13.发明效果根据本发明，能够降低外延硅晶片的品质下降的风险。
附图说明
14.图1是本发明的一实施方式中能够使用的外延生长装置100的示意图。
15.图2是说明外延生长时外延生长装置100具备的基座20及预热圈70与硅晶片w的位置关系，以及外延生长时堆积的副产物b的示意图。
16.图3a是说明单晶片沉积工艺中腔室10内的温度履历的图表。
17.图3b是说明多晶片沉积工艺中腔室10内的温度履历的图表。
18.图4a是相对于氯化氢气体的累积供给量绘制碳化硅膜的残留膜厚的发明例的图表。
19.图4b是相对于硅外延层的累积膜厚绘制碳化硅膜的残留膜厚的比较例的图表。
20.图5是说明基于本发明的一实施方式的外延硅晶片的制造方法的流程图。
具体实施方式
21.以下，参照图面的同时，对本发明的实施方式进行详细说明。
22.（外延生长装置）
参照图1，对本发明的一实施方式中能够使用的外延生长装置100进行说明。外延生长装置100具备：腔室10、基座20、基座支承轴30、3支起模针40（1支未图示）、升降轴50、加热灯60、预热圈70、气体流量计（未图示）及控制部（未图示）。
23.[腔室]腔室10包含上部拱顶11、下部拱顶12及拱顶安装体13，腔室10划分硅外延层的生长室。在腔室10中，其侧面对向的位置上设置进行原料气体或氯化氢气体的供给及排出的气体供给口14及气体排出口15。
[0024]
[基座]基座20为在腔室10内载置硅晶片w的圆盘状构件。在此，基座20的表面中，将上部拱顶11侧的面作为基座20的正面，将其相反侧的面作为基座20的背面。参照图2，在基座20的正面形成有载置硅晶片w的圆形凹部（以下称为“座槽部”）22。并且，基座20的正面包含正面最外周部23、第1纵壁面24、晶片支承面25、第2纵壁面26及正面中心部27。座槽部22由第1纵壁面24、晶片支承面25、第2纵壁面26及正面中心部27构成。正面最外周部23位于座槽部22的周围。第1纵壁面24为从正面最外周部23的内周端连续而构成座槽部22的一部分的壁面。晶片支承面25为从第1纵壁面24连续而构成座槽部22的一部分的平坦面，接触支承硅晶片w的背面周边缘部。第2纵壁面26为从晶片支承面25的内周端连续而构成座槽部22的一部分的壁面。正面中心部27为从第2纵壁面26连续而构成座槽部22的底面。并且，基座20具有周方向上以120
°
的等间隔从其正面向背面贯穿基座20的3个贯穿孔21（1个未图示）。如图1所示，在各贯穿孔21中，分别插通有后述的起模针40。基座20可以是包含石墨的母材被碳化硅膜（例如sic膜：vickers硬度2,346kgf/mm2）覆盖而成的构件。另外，在本说明书中，“硅晶片的背面周边缘部”是指从硅晶片w的外周端向其中心2mm左右的环状背面区域。
[0025]
[基座支承轴]基座支承轴30在腔室10内从下方支承基座20，且具有主柱31、3支臂32（1支未图示）及3支支承针33（1支未图示）。主柱31配置在与基座20的中心同轴上。3支臂32从主柱31放射状延伸至基座20的周边缘部下方。关于各臂32，垂直于其延伸方向的截面的形状为矩形，臂32的4个面中，将基座20侧的面作为臂32的上面，将其相反的一侧的面作为臂32的下面。各臂32具有从其上面向下面贯穿臂32的贯穿孔34。在各贯穿孔34中，分别插通有后述的起模针40。各支承针33在各臂32末端直接支承基座20。基座支承轴30通过沿铅垂方向上下移动，使基座20往上下方向升降。基座支承轴30，优选由石英（维氏硬度1,103kgf/mm2）构成，更优选由合成石英构成。另外，在本说明书中，“基座的周边缘部”是指从基座20中心起基座半径80%以上外侧的区域。并且，外延生长装置100中的臂32的数量为3支，但不限定于此。
[0026]
[起模针]各起模针40分别插通于基座20的各贯穿孔21以及臂32的各贯穿孔34，且通过后述的升降轴50在上下方向上升降。各起模针40的材质可以是石英、sic或玻璃碳。另外，外延生长装置100中的起模针40的数量为3支，但不限定于此。
[0027]
[升降轴]升降轴50具有与基座支承轴的主柱31共旋转轴的升降轴的主柱51及在升降轴的主柱51的末端分岔的3支支柱52。在此，升降轴的主柱51划分容纳基座支承轴的主柱31的中
空。并且，在各支柱52的末端，分别支承各起模针40的下端。升降轴50在硅晶片w的搬入及搬出时，通过沿铅垂方向上下移动，使各销40往上下方向升降。升降轴50优选由石英构成。
[0028]
[加热灯]加热灯60配置于腔室10的上侧区域及下侧区域。加热灯60中，优选使用升降温度速度快且温度控制优异的卤素灯或红外线灯。
[0029]
[预热圈]预热圈70在基座20外周隔着1～3mm的间隙而设置。预热圈70可以是包含石墨的母材被碳化硅膜（例如，sic膜：vickers硬度2,346kgf/mm2）覆盖而成的构件。预热圈70通过加热灯60加热，在与硅晶片w接触前预热供给到腔室10内的原料气体，而且进行基座20的预热。由此，外延生长前及外延生长中的硅晶片的热均匀性提高。尤其，能够将基座20的周边部温度保持与中心部同等的温度。因此，预热圈70的内周部分温度成为与升温时基座20的温度同等的温度。
[0030]
[气体流量计]作为气体流量计可举出质量流量控制器。针对导入到腔室10内的包含氯化氢气体的全部气体，分别设置质量流量控制器。质量流量控制器配置在更靠气体供给口14上游侧的常温部分，以气体流量成为设定值的方式进行高精度控制的同时，测量气体的实测流量（即供给量）。
[0031]
[控制部]控制部具有：演算部，计算出氯化氢气体的累积供给量；及判定部，根据氯化氢气体的累积供给量，判定是否更换腔室10内的构件。控制部能够通过电脑内部的中央处理器装置（cpu）等来实现。由此，通过基于氯化氢气体的实测流量的判定，能够高精度预测构件的更换判定。
[0032]
（外延硅晶片的制造方法）以下，参照图1，对可以使用上述的外延生长装置100进行的外延硅晶片的制造方法的一例进行说明。另外，氯化氢气体的累积供给量被初始化。
[0033]
[晶片的搬入]在步骤s110中，通过灯60预先加热至600℃以上且900℃以下的腔室10内，使用搬送叶片将硅晶片w搬入到基座20上。之后，由各起模针40暂时支承硅晶片w。之后，使基座20往上方向移动，将硅晶片w载置到基座20。
[0034]
[外延生长]接着，在步骤s120中，通过加热灯60将腔室10内的温度升温至1000℃以上且1200℃以下。之后，将三氯硅烷或二氯硅烷等原料气体从气体供给口14供给至腔室10内。由此，原料气体沿硅晶片w的正面以层流状流动，使硅外延层生长在硅晶片w上而获得外延硅晶片w。
[0035]
另外，在进行外延生长前，优选通过进行氢烘烤（hydrogen bake）处理，去除形成在硅晶片w表面上的自然氧化膜。氢烘烤处理的条件为将腔室10内设为氢气氛，在通过加热灯60升温至1100℃以上且1200℃以下的温度范围的腔室10内，保持在30秒以上且1分钟以下之间。另外，进行外延生长前也可以进行基于氯化氢的晶片蚀刻处理。在蚀刻处理中，以1分钟以内1slm以下，将氯化氢供给到腔室10内，且薄薄地去除晶片的表面。若氯化氢的供给
量为这种程度，则基座20及预热圈70几乎不被蚀刻。
[0036]
[晶片的搬出]接着，在步骤s130中，使腔室10内的温度从1000℃以上且1200℃以下降温至600℃以上且900℃以下。之后，使基座20往下方向移动，由各起模针40暂时支承外延硅晶片w。之后，将外延硅晶片w从各起模针40交接至搬送叶片，随着搬送叶片搬出腔室10外。
[0037]
[腔室内的清洗]在本实施方式中，进行上述晶片的搬入、外延生长及晶片的搬出后，进行的后述的清洗。在此，对于本发明的清洗频度并无特别限定。例如，本发明如图3a所示，能够应用于每进行一次晶片的搬入、外延生长及晶片的搬出进行一次清洗的单晶片沉积工艺。并且，本发明如图3b所示，也能够应用于重复2～8次晶片的搬入、外延生长及晶片的搬出后进行一次清洗的多晶片沉积工艺。另外，在图3a、b中，供给以箭头表示的“原料气体”的部分，对应于外延生长时间，供给以箭头表示的“氯化氢气体”的部分，对应于清洗时间。并且，将表示清洗频度的指标作为“前清洗结束后到现清洗开始为止的外延生长次数的倒数”，定义为该指标越大清洗频度越高。在图3a中该指标为1/1，在图3b中该指标为1/3，因此图3a的情况下的清洗频度高于图3b的情况下的清洗频度。
[0038]
若进行外延生长，则如图2所示从原料气体产生的硅副产物b堆积在设置于腔室10内的构件的表面上。关于副产物b，膜厚随着重复外延生长而增加，且成为微粒附着于硅外延层表面等而降低外延硅晶片的品质。因此，需要定期清洗腔室10内，去除副产物b。
[0039]
于是，在步骤s140中，将氯化氢气体从气体供给口14供给到腔室10内，并进行腔室10内的清洗。由此，氯化氢气体与副产物反应而蚀刻去除副产物。
[0040]
氯化氢气体的供给时间，通常以去除副产物为目的，例如能够使用下述（1）式算出，以使与副产物的累积厚度相比更过度蚀刻。
[0041]
[氯化氢气体的供给时间]=[成膜率
×
前清洗时间结束后到现清洗开始为止的总外延生长时间]/[蚀刻率] [过度蚀刻时间]
…
（1）所谓“成膜率
×
前清洗时间结束后到现清洗开始为止的总外延生长时间”，也可以是在晶片表面上生长的外延层的累积膜厚。优选将外延层的累积膜厚视为与构件上堆积的副产物的累积厚度同等以下而蚀刻副产物。并且，外延层的成膜率优选为0.5μm（微米）/min（分）以上且4.0μm/min以下。这是因为若为0.5μm/min以上，则不会为了生长至规定的膜厚而花费巨大的时间，若为4.0μm/min以下，则不会使外延层的生长过快而晶片的表面和构件上的副产物的表面粗糙，也不会产生lpd。“前清洗时间结束后到现清洗开始为止的总外延生长时间”是指将原料气体导入到腔室10内的时间的累积时间。因此，在单晶片沉积工艺的情况下，为了在1张硅晶片上外延生长，将原料气体导入到腔室10内的时间为“前清洗时间结束后到现清洗开始为止的总外延生长时间”。并且，在多晶片沉积工艺的情况下，为了在多张硅晶片上外延生长，将原料气体导入到腔室10内的时间累积为“前清洗时间结束后到现清洗开始为止的总外延生长时间”。“过度蚀刻时间”优选设定为能够去除副产物的累积厚度的5%到20%的厚度。
[0042]
氯化氢气体的供给优选在由加热灯60将腔室10内的温度保持在1150℃以上且1200℃以下后进行。这是因为若为1150℃以上，则氯化氢气体与副产物充分反应，因此副产物的蚀刻有效率进行，若为1200℃以下，则对外延生长装置的负担小。
[0043]
[是否更换构件的判定]如上所述，在设置于腔室10内的构件中，关于包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件，若重复清洗，则通过氯化氢气体其碳化硅膜被蚀刻而变薄。而且，若母材中的石墨透过变薄后的碳化硅膜而附着于硅外延层的表面，则造成外延硅晶片的品质下降。因此，若重复多次清洗，则需要更换碳化硅被蚀刻变薄了的构件。另外，在蚀刻晶片的情况下，几乎不发生碳化硅的蚀刻，因此无需考虑碳化硅的蚀刻量。
[0044]
因此，在步骤s150中，根据清洗中供给的氯化氢气体的累积供给量，判定是否更换设置在腔室10内且包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件。在判定更换构件的情况下（步骤s150：是），进入步骤s160。另一方面，在判定不更换构件的情况下（步骤s150：否），返回到步骤s110。
[0045]
在本实施方式中，作为判定是否更换构件的指标，使用氯化氢气体的累积供给量。具体而言，能够如下进行该判定。即，在清洗中，气体流量计测量由下述（2）式定义的氯化氢气体的供给量。
[0046]
[1次清洗中的氯化氢气体的供给量]=[相同清洗中的氯化氢气体的流量]
×
[相同清洗中的氯化氢气体的供给时间]
…
（2）另外，通过[1次清洗中的氯化氢气体的供给量]=σ[每单位时间的氯化氢气体的实测流量]，求出1次清洗中的氯化氢气体的供给量即可。由此，即使在有时间变动的情况下，也能够计算出正确的氯化氢气体的供给量。另外，“σ”是指以同一清洗中的清洗时间取得总和。
[0047]
而且，每结束清洗，控制部（未图示）所具有的演算部计算出由下述（3）式定义的氯化氢气体的累积供给量。
[0048]
[氯化氢气体的累积供给量]=[现清洗中的氯化氢气体的供给量] [现清洗开始为止的氯化氢气体的供给量]
…
（3）但是，[氯化氢气体的累积供给量]在构件更换后初始化为0（l）。
[0049]
之后，控制部所具有的判定部判定所计算出的氯化氢气体的累积供给量与规定阈值的差是否小于规定值。
[0050]
氯化氢气体的累积供给量的阈值，能够通过调查氯化氢气体的累积供给量与外延晶片的代表性品质的复合寿命的关系来预先求出。具体而言，碳化硅膜的膜厚随着氯化氢气体的供给量增加渐渐变小，在变得小于规定值时，由于透过碳化硅的石墨而复合寿命急剧下降。于是，将复合寿命将要急剧下降之前的氯化氢气体的累积供给量设定为“氯化氢气体的累积供给量的阈值”。另外，关于复合寿命，例如能够通过利用μ-pcd法测量外延晶片的载流子（空穴与电子）的复合时间（复合寿命）来求出。
[0051]
在此，对作为用于判定是否更换包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件的指标而使用氯化氢气体的累积供给量的技术性意义进行说明。如图2所示，在进行外延生长时，在基座20和预热圈70等构件中产生堆积有副产物b的区域与未堆积有副产物b的区域。尤其，未堆积有副产物b的区域在清洗时直接暴露于氯化氢气体中。于是，若在残留有所堆积的副产物的状态下进行下一次的外延生长，则存在因硅异常生长而产生lpd的状况，因此在清洗中使用的氯化氢气体的供给量，设定为过度蚀刻副产物b。因此，即使副产物b的累积膜厚相同，在进行清洗频度高的操作的情况下，与清洗频度低的操作的情况相比，氯化氢气
体的供给量也变多。而且，氯化氢气体的供给量变得越多，碳化硅膜中未堆积有副产物b的区域蚀刻得更多，从而碳化硅膜的残留膜厚变得越小。随之，透过碳化硅膜的母材中的石墨量增加，附着于硅外延层表面的石墨量增加，因此由石墨及石墨内所含有的重金属组成引起外延硅晶片的品质下降。即，即使在副产物的累积膜厚相同的情况下，由于清洗频度，未堆积有副产物的区域中的碳化硅膜的残留膜厚也不同，由此有外延硅晶片品质下降的风险。相比之下，在本实施方式中，根据与未堆积有副产物的区域中的碳化硅膜的残留膜厚高度相关的氯化氢气体的累积供给量，判定基座等构件的更换时期，因此能够降低外延硅晶片品质下降的风险。因此，根据本发明，能够提供可正确判定基座等构件的更换时期（更换与否）的更换时期（更换与否）的判定方法。
[0052]
参照图1，作为更换对象的构件优选为从基座20及预热圈70中选择的1个以上的构件。因为如上所述，这些构件为包含石墨的母材被碳化硅膜覆盖而成的构件。并且，作为更换对象的构件，更优选选择基座20。这是因为基座20中未堆积有副产物的部分多。
[0053]
[构件的更换]在从步骤s150进入到步骤s160时，在步骤s160中，卸下加热灯60、拱顶安装体13以及上部拱顶11等，将碳化硅膜磨损的构件更换为新构件。
[0054]
以上，以本实施方式为例，对本发明的外延硅晶片的制造方法进行说明，但本发明并不限定于此，权利要求的范围中能够进行适当的变更。
实施例
[0055]
为了确认本发明的效果，使用图1、2所示的外延生长装置，进行依次制作硅外延晶片的实验1～4。另外，作为基座，使用以石墨为母材而由碳化硅膜（sic：vickers硬度2,346kgf/mm2）覆盖该母材表面的构件。
[0056]
（实验1）在实验1中，利用以下的条件制作外延硅晶片。
[0057]
[外延生长条件]硅基板：cz（czochralski）基板原料气体：三氯硅烷（sihcl3）腔室内的温度：1100℃掺杂剂的种类及硅外延层的电阻率：乙硼烷（b2h6）、2ω
·
cm硅外延层的膜厚：3μm。
[0058]
[腔室内的清洗条件]清洗频度：实施7次外延生长后实施腔室内的温度：1190℃氯化氢气体的流量：30l/min氯化氢气体的供给时间：65sec另外，总计进行25900次外延生长、3700次清洗。
[0059]
之后，对于复合寿命评估用晶片，在相同腔室内进行外延生长，根据上述μ-pcd法评价复合寿命。在图4a中，对于根据上述（2）式及（3）式计算出的氯化氢气体的累积供给量（120250l），绘制复合寿命作为发明例1。在图4b中，对于硅外延层的累积膜厚（77700μm），绘
制碳化硅膜的残留膜厚作为比较例1。另外，在比较例1中，难以直接测量副产物的累积膜厚，因此将与副产物的累积膜厚成比例关系的硅外延层的累积膜厚作为指标。以下，实验2～4也相同。
[0060]
（实验2）在实验2中，以以下的条件制作外延硅晶片。
[0061]
[外延生长条件]硅基板：cz基板原料气体：三氯硅烷（sihcl3）腔室内的温度：1130℃掺杂剂的种类及硅外延层的电阻率：乙硼烷（b2h6）、8ω
·
cm硅外延层的膜厚：6μm。
[0062]
[腔室内的清洗条件]清洗频度：实施5次外延生长后实施腔室内的温度：1190℃氯化氢气体的流量：30l/min氯化氢气体的供给时间：100sec另外，总计进行13150次外延生长、2650次清洗。
[0063]
之后，与实验1相同，测量复合寿命。在图4a中，对于根据上述（2）式及（3）式计算出的氯化氢气体的累积供给量（132500l），绘制复合寿命作为发明例2。在图4b中，对于硅外延层的累积膜厚（78900μm），绘制碳化硅膜的残留膜厚作为比较例2。
[0064]
（实验3）在实验3中，以以下的条件制作外延硅晶片。
[0065]
[外延生长条件]硅基板：cz基板原料气体：三氯硅烷（sihcl3）腔室内的温度：1120℃掺杂剂的种类及硅外延层的电阻率：乙硼烷（b2h6）、6ω
·
cm硅外延层的膜厚：5μm。
[0066]
[腔室内的清洗条件]清洗频度：实施5次外延生长后实施腔室内的温度：1190℃氯化氢气体的流量：30l/min氯化氢气体的供给时间：61sec另外，总计进行17000次外延生长、3400次清洗。
[0067]
之后，与实验1相同，测量复合寿命。在图4a中，对于根据上述（2）式及（3）式计算出的氯化氢气体的累积供给量（103700l），绘制复合寿命作为发明例3。在图4b中，对于硅外延层的累积膜厚（85000μm），绘制碳化硅膜的残留膜厚作为比较例3。
[0068]
（实验4）在实验4中，以以下的条件制作外延硅晶片。
臂，33-支承针，34-臂的贯穿孔，40-起模针，50-升降轴，51-升降轴的主柱，52-支柱，60-加热灯，70-预热圈，w-硅晶片（外延硅晶片），b-副产物。