CN101550590B - 多层外延层的生长设备以及生长方法 - Google Patents

Abstract

一种多层外延层的生长设备，包括反应室、掺杂元素进口，还包括多个进气通路以及切换阀。本发明还提供了一种采用上述的设备进行多层外延层的生长方法。本发明的优点在于，采用多个气体通路，克服了稀释气体流量不可调节的问题，只需要操作切换阀既可以获得具有不同的掺杂元素浓度的气体，而不需要更换掺杂源，因此简化了工艺过程，降低对衬底和外延层的污染，并且实现了生长过程中的在位切换，易于控制每一次外延生长的厚度以及掺杂浓度的分布状态。

Description

多层外延层的生长设备以及生长方法

【技术领域】

本发明涉及半导体材料制备领域，尤其涉及一种多层外延层的生长设备以及生长方法。

【背景技术】

近几年来，随着微电子技术的快速发展及其应用领域的不断扩大，特别是在汽车行业、通信行业、计算机系统高速发展和应用领域，电子和通信业界对于现代电子元器件(例如大规模集成电路，既VLSI)、电路小型化、高速度、低电源电压、低功耗和提高性价比等方面的要求越来越高。传统的GTR(电力晶体管)饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管)驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小，因此融合了两种器件技术优势的IGBT器件就应运而生了，随着电子及汽车行业的飞速发展，市场对IGBT器件的需求越来越大。

由于IGBT器件的特殊性，需要一个特殊的外延过渡区，所述外延过渡区包括至少一层低阻层和一个高阻层，由于稀释气体的流量无法调节，因此通常在制作此外延材料时候需由两个掺杂源气瓶(一个高浓度的掺杂源，通常是2000ppm以上，和一个低浓度的掺杂源50ppm或者100ppm)同时接在一个设备上完成IGBT器件外延片的生产，在生产过程中为了更换掺杂源，需要在第一个外延层生长完毕后停止生长，进行更换操作。如果需要多个低阻层和高阻层交替分布，则需要更多的掺杂源以及多次的更换操作才可以完成。在掺杂源通入反应室的过程中，为了精确控制掺杂源的浓度，通常会通入稀释气体(例如氢气)对掺杂源进行稀释，并且稀释气体的流量是精确校准并固定的，以达到精确控制掺杂源浓度的目的。

现有技术中的制备特殊过渡区的缺点在于：需多个掺杂源气瓶完成特殊过渡区的形成，工艺过程复杂，污染严重；并且为了更换掺杂源，需要在第一个外延层生长完毕后停止生长，因此过渡区每一个外延层的厚度和掺杂浓度分布状态不易控制。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是，提供一种外延生长设备以及生长方法，简化工艺步骤，降低工艺污染，并且使外延层的厚度容易控制。

为了解决上述问题，本发明提供了一种多层外延层的生长设备，包括反应室、掺杂元素进口，还包括多个进气通路以及切换阀；所述多个进气通路各自都具有用于进气的第一端口、用于排气的第二端口以及用于通入稀释气体的第三端口；所述多个第一端口均与反应室的进气口相通，所述多个第二端口均与切换阀的排气口相通；所述多个第三端口与稀释气体源连通，每个进气通路中通入的稀释气体流量各不相同；所述切换阀具有一进气口以及多个排气口，所述排气口的数目不小于进气通路的数目；所述切换阀的进气口与掺杂源相通。

作为可选的技术方案，所述进气通路的数目为2。

作为可选的技术方案，所述稀释气体为氢气。

作为可选的技术方案，所述掺杂元素选自于磷元素和硼元素中的一种。

本发明还提供了一种采用上述的设备进行多层外延层的生长方法，包括如下步骤：提供半导体衬底；将半导体衬底置于反应室中；将掺杂元素通过切换阀通入一进气通路，进而通入反应室中进行第一次外延生长；操作切换阀，使掺杂元素通入另一进气通路，进而通入反应室中进行第二次外延生长。

作为可选的技术方案，在所述第一次外延生长的步骤中所采用的进气通路中，稀释气体的流量为零。

作为可选的技术方案，所述半导体衬底为单晶硅衬底。

作为可选的技术方案，所述掺杂元素选自于磷和硼中的一种。

本发明的优点在于，采用多个气体通路，克服了稀释气体流量不可调节的问题，只需要操作切换阀既可以获得具有不同的掺杂元素浓度的气体，而不需要更换掺杂源，因此简化了工艺过程，降低对衬底和外延层的污染，并且实现了生长过程中的在位切换，易于控制每一次外延生长的厚度以及掺杂浓度的分布状态。

【附图说明】

附图1所示是本发明具体实施方式所述多层外延层生长设备的结构示意图；

附图2所示是本发明具体实施方式所述多层外延层生长方法的实施步骤示意图；

附图3与附图4是采用本发明实施例所获得的外延材料扩展电阻的测试结果。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明提供的多层外延层的生长设备以及生长方法的具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本具体实施方式所述多层外延层生长设备100的结构示意图，包括第一进气通路110、第二进气通路120、切换阀130、反应室140、掺杂源160以及稀释气体源150。

所述第一进气通路110包括用于进气的第一端口111、用于排气的第二端口112以及用于通入稀释气体的第三端口113；所述第二进气通路120亦包括用于进气的第一端口121、用于排气的第二端口122以及用于通入稀释气体的第三端口123。

所述切换阀130具有一进气口131以及两个排气口132与133。

稀释气体源150中的气体为氢气，掺杂源160中含有磷元素或者硼元素中的一种。

附图2所示是利用上述设备进行多层外延层生长的生长方法具体实施方式的实施步骤示意图，包括如下步骤：步骤S20，提供半导体衬底，并将半导体衬底置于反应室中；步骤S21，将掺杂元素通过切换阀通入第一进气通路，进而通入反应室中进行第一次外延生长；步骤S22，操作切换阀，使掺杂元素通入第二进气通路，进而通入反应室中进行第二次外延生长。

以下对上述步骤的实施进行详细说明。

步骤S20，提供半导体衬底并将半导体衬底置于反应室140中。

所述半导体衬底为单晶硅衬底或者化合物半导体衬底，例如砷化镓等，也可以是蓝宝石衬底等其他半导体领域内常见的衬底材料。

步骤S21，将掺杂元素通过切换阀130通入第一进气通路110，进而通入反应室140中进行第一次外延生长。

在进行外延生长中，除了通入掺杂元素之外，还应当通入外延的本体物质，本体物质在一定的条件下，在衬底表面结晶形成外延层。例如进行单晶硅外延生长时，要通入硅烷，在1000℃～1200℃的温度下在衬底表面形成单晶硅外延层。如果是生长砷化镓或者氮化镓等衬底，则需要通入镓与砷烷或者氨气，以形成砷化镓或者氮化镓外延层。通入掺杂元素的作用在于形成具有N型或者P型导电性质的外延层。以单晶硅外延层而言，掺杂元素可以是磷(N型)或者硼(P型)。

以上步骤可以在衬底表面形成具有第一掺杂浓度的第一外延层。

步骤S22，操作切换阀，使掺杂元素通入第二进气通路120，进而通入反应室140中进行第二次外延生长。

第一进气通路110与第二进气通路120具有不同的稀释气体流量，对固定流量的掺杂元素进行稀释后形成了具有不同掺杂元素浓度的气体并通入反应室140，则导致通入反应室140中的掺杂元素浓度发生了变化。即步骤S22由于切换了进气通路，导致通入反应室140中的掺杂元素浓度发生了变化，因此在第一外延层表面继续形成了具有第二掺杂浓度的第二外延层。

如欲形成具有两个以上掺杂浓度的多层外延层，可以选用具有多路气体通路的设备，每个气体通路中的稀释气体流量不同。仿照上述方法切换不同的气体通路进行外延生长，进而获得具有多个掺杂浓度的多层外延层结构。以上进行多层外延层生长的过程中的优点在于，采用多个气体通路，克服了稀释气体流量不可调节的问题，只需要操作切换阀130既可以获得具有不同的掺杂元素浓度的气体，而不需要更换掺杂源160，因此简化了工艺过程，降低对衬底和外延层的污染，并且实现了生长过程中的在位切换，易于控制每一次外延生长的厚度以及掺杂浓度的分布状态。

在外延中，为了获得高掺杂的低阻外延层，甚者可以采用稀释气体的浓度为零的气体通路进行外延生长。

以下给采用上述方法的实施例。

实施例1：利用平板式外延炉，在衬底上生长特殊过渡区的外延层，得到特殊FRD的外延原材料。附图3所示是本实施例所获得的外延材料的扩展电阻测试结果。

第一步：以一定速率(30～70℃/分钟)逐步将平板式外延炉升温至外延生长温度(1000℃～1200℃)；

第二步：在1000℃～1200℃高温下，通入SiHCl₃(流量3～20L/min)和掺杂剂(磷，流量1～10L/min)以0.2～2.0um/min的生长速率完成第一阶段的过渡区(附图3中的T1层)的生长；

第三步：在1000℃～1200℃高温下，通入SiHCl₃(流量3～20L/min)和掺杂剂(磷，流量10～300ml/min)以0.2～2.0um/min的生长速率完成第二阶段的过渡区(附图3中的T2层)的生长。

第四步：在1000℃～1200℃高温下，完成过渡区生长之后，通入SiHCl₃流量(3～20L/min)和掺杂剂(磷，流量10～300ml/min)以0.2～2.0um/min的生长速率完成SRP平稳层的外延生长。

第五步：完成外延生长之后通过控制降温完成整个特殊过渡区的外延过程。

在生长期间通过对外延设备的主氢流量(100～300L/min)、喷嘴位置、基座高度、感应线圈的设置的调整，使得外延厚度和电阻率分布均匀。

实施例2：利用平板式外延炉，生长IGBT多层外延材料。附图4所示是本实施例所获得的外延材料的扩展电阻测试结果。

第一步：以一定速率(30～70℃/分钟)逐步将平板式外延炉升温至外延生长温度(1000℃～1200℃)。

第二步：在1000℃～1200℃高温下，通入SiHCl₃(流量3～20L/min)和掺杂剂(磷，流量1～10L/min)以0.2～2.0um/min的生长速率完成第一层外延层的生长。

第三步：在1000℃～1200℃高温下，完成第一层外延生长之后，通入SiHCl₃(流量3～20L/min)和掺杂剂(磷，流量10～300ml/min)以0.2～2.0um/min的生长速率完成第二层外延的外延生长。

第四步：完成外延生长之后通过控制降温完成整个IGBT的多层外延原材的制作。

在生长期间是由通过对外延设备的主氢流量(100～300L/min)、喷嘴位置、基座高度、感应线圈的设置的调整，使得外延厚度和电阻率分布均匀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多层外延层的生长设备，包括反应室、掺杂元素进口，其特征在于：

还包括多个进气通路以及切换阀；

所述多个进气通路各自都具有用于进气的第一端口、用于排气的第二端口以及用于通入稀释气体的第三端口；

所述多个第一端口均与反应室的进气口相通，所述多个第二端口均与切换阀的排气口相通；

所述多个第三端口与稀释气体源连通，每个进气通路中通入的稀释气体流量各不相同；

所述切换阀具有一进气口以及多个排气口，所述排气口的数目不小于进气通路的数目；

所述切换阀的进气口与掺杂源相通。

2.根据权利要求1所述的多层外延层的生长设备，其特征在于，所述进气通路的数目为2。

3.根据权利要求1或2所述的多层外延层的生长设备，其特征在于，所述稀释气体为氢气。

4.根据权利要求1或2所述的多层外延层的生长设备，其特征在于，所述掺杂元素选自于磷元素和硼元素中的一种。

5.一种采用权利要求1中所述的设备进行多层外延层的生长方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供半导体衬底；

将半导体衬底置于反应室中；

将掺杂元素通过切换阀通入一进气通路，进而通入反应室中进行第一次外延生长；

操作切换阀，使掺杂元素通入另一进气通路，进而通入反应室中进行第二次外延生长。

6.根据权利要求5所述的多层外延层的生长方法，其特征在于，在所述第一次外延生长的步骤中所采用的进气通路中，稀释气体的流量为零。

7.根据权利要求5所述的多层外延层的生长方法，其特征在于，所述半导体衬底为单晶硅衬底。

8.根据权利要求5所述的多层外延层的生长方法，其特征在于，所述掺杂元素选自于磷和硼中的一种。

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