CN102386067A - 有效抑制自掺杂效应的外延生长方法 - Google Patents

有效抑制自掺杂效应的外延生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其首先清除含有重掺杂埋层区域的半导体衬底和待使用的反应腔室内壁的杂质，然后将半导体衬底载入被清洗过的反应腔室，在真空条件下对其进行预烘烤，以去除所述半导体衬底表面的湿气及氧化物，随后抽出半导体衬底表面被解吸附的掺杂原子，接着在高温和低气体流量条件下，在已抽出掺杂原子的所述半导体衬底表面生长第一本征外延层；然后在低温和高气体流量条件下，在已生长有本征外延层的结构表面继续生长所需厚度的第二外延层，最后冷却载出硅片。该方法能够抑制半导体衬底外延生长过程中的自掺杂效应，从而确保周边电路区器件的性能，以增加器件的可靠性。

Description

有效抑制自掺杂效应的外延生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种在具有重掺杂区的衬底上进行外延生长过程中抑制自掺杂效应的方法。
背景技术
以重掺杂砷(As)的半导体作为衬底的外延技术在电子器件的制造中得到了越来越多的应用，特别是在二极管、三极管、VDMOS、变容二极管和IGBT等方面。而随着器件的小型化和集成度的提高，重掺As衬底硅外延片的一致性和外延层的过渡区宽度对器件的性能和可靠性起着至关重要的作用。
在化学气相外延过程中，外延层和衬底的高掺杂区域之间以及外延层与衬底的非掺杂区域之间不可避免地有杂质As的出现。以在有高掺杂区域的硅片上生长本征外延层为例，垂直于高掺杂区域的杂质分布称为纵向自扩散(如图1中AA’所示的方向)，非垂直于高掺杂区域的杂质分布成为横向自扩散(如图1中BB’所示的方向)；其中杂质的纵向扩散主要包括二个部分：1.外延层和高掺杂衬底界面的固相热扩散，2.由于衬底表面吸附的杂质离子或背景气氛中的杂质气体在外延过程中自掺杂到外延层中；而横向自扩散效应主要由第二种现象造成的。
在传统的重掺杂As衬底的硅片外延工艺中，主要采用所谓的“两步外延法”工艺，其主要步骤如下：1.将衬底装入反应腔室，升温至1000-1200℃，然后通入氯化氢清洗衬底表面和反应腔室的内壁；2.通入大量的氢气对反应腔室内壁和衬底进行清洗，使吸附在衬底表面、反应腔室的杂质被带走；3.生长一层本征外延层阻止衬底中的杂质进一步向外挥发；4.再次向反应腔室中通入大量氢气对反应腔室内壁和衬底进行清洗，使吸附在衬底表面、反应腔室的杂质被带走；5.进行第二阶段的生长，直到需要的外延层厚度。传统的“两步外延法”工艺的优点是对于较厚的外延层的生长，可以减小纵向扩散效应，缺点是：1.对于较薄的外延层的生长，抑制纵向自扩散效应的效果较差；2.对抑制横向自扩散效应的效果不是很明显。传统的气相化学沉积的外延薄膜的的As自掺杂效应如图2所示。
如何在有高掺杂区域的衬底上制备外延层时有效地抑制高掺杂原子的纵向和横向扩散，减少非掺杂区域外延层掺杂浓度，是本领域急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种抑制自掺杂原子纵向和横向扩散的外延生长方法，从而确保周边电路区器件的性能，增加器件的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
技术方案一：
本技术方案的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，包含如下步骤：
1).制备含有重掺杂埋层区域的半导体衬底，并去除所述半导体衬底表面的氧化物；
2).清洗待使用的反应腔室，以清除附着在反应腔室内壁的掺杂原子和其他杂质；
3).将所述半导体衬底载入被清洗过的反应腔室，并在真空条件下对所述半导体衬底进行预烘烤，以去除所述半导体衬底表面的湿气和氧化物，随后抽出所述半导体衬底表面被解吸附的掺杂原子；
4).在高温和低气体流量条件下，在已抽出掺杂原子的所述半导体衬底表面生长第一本征外延层；
5).在低温和高气体流量条件下，在已生长有第一本征外延层的结构表面继续生长所需厚度的第二外延层。
优选地，所述半导体衬底的重掺杂埋层区域采用的掺杂材料可为含有砷、磷、碲、硼原子中的一种；可采用离子注入或者固相热扩散的方式制备所述重掺杂埋层区域；所述半导体衬底可为硅材料或其它半导体材料，如锗等。
优选地，所述步骤2)中，可采用氯化氢清洗反应腔室，清洗时的温度可为1190℃，HCL流量约为20sccm；载流气体可为N2或者H2，时间可为30秒。
优选地，所述生长第一本征外延层和第二外延层是在低压下进行的，气压小于100托。
优选地，所述生长第一本征外延层和第二外延层采用的源气体为二氯硅烷，可通过控制二氯硅烷气体和载流气体氢气的流量来实现低的生长速率。
优选的，所述生长第一本征外延层和第二外延层采用生长方式为化学气相外延法或分子束外延法。
优选的，所述生长第一本征外延层的厚度在10nm到200nm米之间，生长条件为：温度在1100℃到1250℃之间、二氯硅烷流量在50sccm到400sccm之间，氢气流量在5slm到80slm之间。
优选地，所述第二外延层生长条件为：温度在900℃到1250℃之间、二氯硅烷的流量在100sccm到800sccm之间。
优选地，所述第二外延层为非掺杂层、P型掺杂层或N型掺杂层；其中，所述P型掺杂层的掺杂原子可为硼原子；所述N型掺杂层的掺杂原子可为磷或砷原子等。
优选地，所述步骤3预烘烤的条件是温度在1000℃到1250℃之间，预烘烤的时间在20秒到10分钟之间，气氛为惰性气体。
优选地，所述惰性气体为氢气或者氮气。
上述技术方案一的外延生长方案较为适合于高掺杂埋层区域面积小于半导体衬底表面积50％的情形。
技术方案二：
本技术方案的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法可在技术方案一的基础上再增加一对部分第一本征外延层进行刻蚀以减低所述第一本征外延层的厚度及去除其表面的掺杂原子的步骤。
优选地，对所述第一本征外延层的刻蚀可采用往所述反应腔室通入氯化氢气体来进行。
优选地，刻蚀第一本征外延层的条件为：温度为1100℃到1200℃，气压小于40托。
优选地，当所述半导体衬底的高掺杂埋层区域表面积超过所述半导体衬底表面积的一半时，可采用本技术方案的外延生长方法。
技术方案三：
本技术方案的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法是将技术方案一中的预烘烤步骤由刻蚀述半导体衬底表面的步骤所代替，即在真空高温条件下，通入气体对所述半导体衬底表面进行清洗，以使吸附的所述半导体衬底表面的掺杂原子被刻蚀掉并被抽出反应腔室。
优选地，所述真空高温条件可为：温度为1200℃、压力约20托、时间为30秒。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明所述的外延生长方法中的“预先烘烤”过程可以有效抑制横向自掺杂效应；
(2)本征外延层的生长采用低压、高温、低气体(DCS)流量、低沉积速率的外延方式，这一步的工艺条件也是抑制横向自掺杂效应的关键；
(3)采用HCL反刻蚀第一层薄的本征外延层，此方法减小了横向自扩散效应；
(4)在半导体衬底载入反应腔室之前，在高温条件下用HCL气体清洗腔室内壁吸附的掺杂原子，很好的减少了背景气氛中的杂质气体在外延过程中自掺杂到外延层中的可能；
(5)给出了超薄外延层(0.2～0.6微米)生长的工艺条件。
附图说明
图1是现有含有重掺杂区域的硅片结构示意图。
图2是采用传统的气相化学沉积法形成的外延薄膜的砷自掺杂效应示意图。
图3是本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法的流程图。
图4是本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法中各步骤所采用的温度曲线图。
图5是本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法中预烘烤时间和砷横向自掺杂效应的关系示意图。
图6是本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法中第一本征外延层沉积温度和氢气流量与砷横向自掺杂效应的关系示意图。
图7是本发明的本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法所沉积的外延薄膜的砷自掺杂效应示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法做详细描述。需要说明的是，下述各实施例都是以半导体衬底中的重掺杂埋层区域材料为砷来进行描述，但本领域的技术人员应该明白，重掺杂埋层区域材料并非以砷为限，还可以是其它材料，如磷、碲、硼等等；此外，半导体衬底材料也并非以硅为限。
实施例一
请参见图3，本实施例的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法包括如下步骤：
首先，用As离子注入的方式形成含有重掺杂埋层区域的衬底硅片，所述埋层的深度为0.41μm，所述埋层的重掺杂浓度为8E19个原子/cm3。
接着，用HF酸溶液去除所述衬底硅片表面的氧化物。
接着，在所述衬底硅片进入反应腔室之前，向反应腔室内通入氯化氢气体，在常压高温(如图4所示的温度曲线)下清洗反应腔室，以清除附着在反应腔室内壁的掺杂原子和其他杂质，优选条件为：温度为1190℃、HCL流量约为20sccm；载流气体为N2或者H2，时间为30秒。
接着，冷却反应腔室至低温(例如约为850℃)，然后载入所述含有重掺杂埋层区域的衬底硅片。
随后，在真空高温条件下，对所述衬底硅片进行预烘烤，以去除所述衬底硅片表面的湿气和由于其暴露在空气中而产生的氧化物。高温条件下吸附在衬底硅片表面的掺杂原子As更容易解吸附，然后在低真空条件下，从反应腔室抽出所述被解吸附的As原子，从而可以更好地抑制As的横向自扩散。预烘烤的条件优选为：温度为1150℃，压力约20托(1托＝1/760大气压＝1毫米汞柱＝133.322帕)，氢气的流量为60slm，时间为20秒。
接着，采用高温(例如1150℃)、低压(例如约20托)、低DCS气体流量(例如约为122sccm)生长第一层薄的本征外延层，优选的厚度约为100nm，生长时间为20秒，一方面，高温工艺条件下使高掺杂埋层区域表面吸附的掺杂原子解吸附并抽出反应腔室，另一方面，高温低沉积速率的工艺条件有益于即将生长的外延层的晶格结构的改善，可减少掺杂原子在新生成外延层表面的吸附。
最后，在低温(1000℃)、低压(70托)、高DCS气体流量(400sccm)条件下生长所需要厚度的主要的硅外延层，形成所需要的外延层结构，典型的外延层厚度为0.3微米，0.4微米，0.6微米，0.8微米等。
本实施例采用的外延层制备方法，制备的外延层薄膜和现有制备方法制备出的外延层薄膜结构相同，即如图1所示的结构，但本实施例中，各步骤所采用的温度如图4所示，如果延长预烘烤的时间，外延层和非掺杂衬底界面的As浓度随着预烘烤时间的增加而降低，即As横向自掺杂效应随着预烘烤时间的增加进一步得到抑制，具体如图5所示；而图6所示为As横向自掺杂效应与第一本征外延层沉积温度和氢气流量关系示意图，由图可见，无论是增大第一本征外延层生长的温度还是通过增大载流气体的流量来减小沉积速率，外延层和非重掺杂衬底界面的As原子的浓度都有明显的减小；再请参见图7，可以看出，As原子的纵向和横向自扩散效应都得到了有效的抑制，高掺杂衬底硅片及非掺杂衬底硅片上外延层中As的杂质含量都在1E15个原子/cm3左右，远低于传统外延生长工艺外延层中的杂质的含量(如图2所示)；外延层和高掺杂界面间的过渡区间也较为陡峭。
由上可见，本实施例采用的衬底硅片外延层的生长方法有效地抑制了由于高掺杂埋层区域而引起的砷原子的纵向和横向自掺杂效应，对于利用低阻埋层的二极管阵列，高速BiCMOS以及IGBT等器件的应用具有重要的意义。工艺中采用高温低压预烘烤使吸附在衬底硅片表面的掺杂原子解吸附并被抽出反应腔室，采用低沉积速率(高温、低气压、低气体流量)来生长第一本征外延层以改善外延层的晶格品质并覆盖高掺杂埋层从而抑制掺杂原子的横向自扩散，主要外延层(即第二外延层)的生长采用低温、低压、高气体流量工艺，特点是沉积速率较快，温度低，可以减少埋层中掺杂原子的扩散。
实施例二
本实施例的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法包括如下步骤：
第一步：用高掺杂As硅玻璃通过固相热扩散的方式形成含有重掺杂埋层区域的衬底硅片，所述埋层的深度为0.5微米，所述埋层的重掺杂浓度为3E19个原子/cm3。
第二步：用HF酸溶液去除衬底硅片表面的氧化物。
第三步：在所述衬底硅片进入反应腔室之前，向反应腔室内通入氯化氢气体，在常压高温下清洗反应的腔室，以清除附着在反应腔室内壁的掺杂原子和其他杂质，典型温度为1190℃，HCL流量约为20sccm；载流气体为N2或者H2，时间为30秒。
第四步：冷却反应腔室至低温(例如约为850℃)，然后载入所述衬底硅片。
第五步：在真空高温条件下，对所述衬底硅片进行预烘烤，温度为1150℃，压力约20托，时间为20秒。
第六步：采用高温(例如1150℃)、低压(例如约20托)、低DCS气体流量(例如约为122sccm)生长第一层薄的本征外延层，其优选的厚度为100nm，生长时间为20秒。
第七步：在低温(例如1000℃)、低压(例如70托)、高DCS气体流量(例如400sccm)条件下生长所需厚度的硅外延层，形成所需要的外延层结构，典型的外延层厚度为0.3微米，0.4微米，0.6微米等。
本实施例的外延生长方法的好处在于，采用高掺杂As的硅玻璃固相热扩散的方法来形成埋层，工艺更加的简单。
实施例三
本实施例的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法包括如下步骤：
首先，用As粒子注入或者高掺杂As硅玻璃通过固相热扩散的方式形成含有重掺杂埋层区域的衬底硅片。
接着，用HF酸溶液去除衬底硅片表面的氧化物。
接着，在所述衬底硅片进入反应腔室之前，向反应腔室内通入氯化氢气体，在高温常压下清除附着在反应腔室内壁的掺杂原子和其他杂质；典型温度为1190℃，HCL流量约为20sccm；载流气体为N2或者H2，时间为30秒。
接着，冷却反应腔室至低温(约为850℃)，然后载入所述衬底硅片。
接着，在真空中，对所述衬底硅片进行高温预烘烤，温度为1150℃，压力约20托，时间为20秒。
接着，采用高温(1150℃)、低压(约20托)、低DCS气体流量(约为122sccm)生长第一层薄的本征外延层，典型的厚度为20nm，生长时间为40秒。
接着，在高温(1150℃)、低压(约20托)条件下，通入氯化氢气体对所述第一层薄的本征外延层的表面进行刻蚀，以去除其部分厚度和吸附在外延层表面的掺杂原子，所述刻蚀厚度小于或等于第一外延层的厚度。
最后，在低温(1000℃)、低压(70托)、高DCS气体流量(400sccm)条件下，生长所需的第二外延层厚度(例如为P型掺杂层或N型掺杂层)，形成所需要的外延层结构，典型的外延层厚度为0.3微米，0.4微米，0.6微米，0.8微米等。
该实施例的好处在于：第一层本征外延层生长之后，用氯化氢气体对其表面在高温低压下进行刻蚀，去除其部分厚度和吸附在外延层表面的掺杂原子，从而抑制了掺杂原子的自掺杂效应，本实施例较适于高掺杂区域面积较大(通常是高掺杂区域面积超过衬底硅片表面积的50％的情形)的衬底硅片的外延层生长。
实施例四
本实施例的有效抑制砷自掺杂效应的外延生长方法包括如下步骤：
首先，用As粒子注入或者高掺杂As硅玻璃通过固相热扩散的方式形成含有重掺杂埋层区域的衬底硅片，所述埋层深度为0.3微米，所述埋层的掺杂浓度为3E19个原子/cm3。
接着，用HF酸溶液去除所述衬底硅片表面的氧化物。
接着，在在所述衬底硅片进入反应腔室之前，向反应腔室内通入氯化氢气体在高温常压下清除附着在反应腔室内壁的掺杂原子和其他杂质，典型温度为1190℃，HCL流量约为20sccm；载流气体为N2或者H2，时间为30秒。
接着，冷却反应腔室至低温(约为850℃)，然后载入所述衬底硅片。
接着，在真空高温条件下，通入氯化氢气体对所述衬底硅片表面进行清洗，使吸附于衬底硅片表面的掺杂原子被刻蚀掉并被抽出反应腔室。刻蚀时温度为1200℃，压力约20托，时间为30秒。
接着，采用高温(1150℃)、低压(约20托)、低DCS气体流量(约为122sccm)生长第一层薄的本征外延层，典型的厚度为20nm，生长时间为40秒。
最后，在低温(1000℃)、低压(70托)、高DCS气体流量(400sccm)条件下生长所需的硅外延层厚度，形成所需要的外延层结构，典型的外延层厚度为0.3微米，0.4微米，0.6微米，0.8微米等。
本实施例与前述各实施例不同在于：不采用预烘烤，而是往反应腔室通入氯化氢气体，由此对半导体衬底表面进行刻蚀，去除其表面的掺杂原子，进而可抑制掺杂原子的自掺杂效应。
综上所述，本发明的有效抑制纵向和横向自掺杂效应的外延生长方法采用对半导体衬底进行预烘烤或者刻蚀后，再在高温低气体流量条件下形成本征层，接着在低温高气体流量条件下生成主要外延层，由此，可有效地抑制砷原子的自掺杂效应，并能获得较薄的外延层。本法不仅适用于制备相变存储器的驱动二极管，同样适用于制备其它电子器件，特别是三极管和高速BiCMOS等，具有很大的应用价值。

Claims (18)

1.一种有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于，包含如下步骤：
1).制备含有重掺杂埋层区域的半导体衬底，并去除所述半导体衬底表面的氧化物；
2).清洗待使用的反应腔室，以清除附着在反应腔室内壁的杂质；
3).将所述半导体衬底载入被清洗过的反应腔室，并在真空条件下对所述半导体衬底进行预烘烤，以去除所述半导体衬底表面的湿气及氧化物，随后抽出所述半导体衬底表面被解吸附的掺杂原子；
4).在高温和低气体流量条件下，在已抽出掺杂原子的所述半导体衬底表面生长第一本征外延层；
5).在低温和高气体流量条件下，在已生长有第一本征外延层的结构表面继续生长所需厚度的第二外延层。
2.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述半导体衬底的重掺杂埋层区域采用的掺杂材料为砷、磷、碲、及硼原子中的一种；采用离子注入或者固相热扩散的方式制备所述重掺杂埋层区域。
3.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用氯化氢气体清洗反应腔室，清洗时的温度为1190℃，HCL流量为20sccm，载流气体为N2或者H2，时间为30秒。
4.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：生长所述第一本征外延层和第二外延层都是在低压下进行的，气压小于100托。
5.根据权利要求1或4所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：生长第一本征外延层和第二外延层采用的源气体为二氯硅烷。
6.根据权利要求1或4所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：生长第一本征外延层和第二外延层采用生长方式为化学气相外延法或分子束外延法。
7.根据权利要求1或4所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：形成的第一本征外延层的厚度在10nm到200nm米之间，采用的生长条件为：温度在1100℃到1250℃之间、二氯硅烷流量在50sccm到400sccm之间，氢气流量在5slm到80slm之间。
8.根据权利要求1或4所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：生长第二外延层的条件为：温度在900℃到1250℃之间、二氯硅烷的流量在100sccm到800sccm之间。
9.根据权利要求1或4所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述第二外延层为非掺杂层、P型掺杂层或N型掺杂层。
10.根据权利要求9所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述P型掺杂层的掺杂原子为硼原子；所述N型掺杂层的掺杂原子为磷或砷原子。
11.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述预烘烤的条件是：温度在1000℃到1250℃之间、时间在20秒到10分钟之间、气氛为惰性气体。
12.根据权利要求11所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述惰性气体为氢气或氮气。
13.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于还包括刻蚀部分第一本征外延层以减低所述第一本征外延层的厚度及去除其表面的掺杂原子的步骤。
14.根据权利要求13所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：采用往所述反应腔室通入氯化氢气体来刻蚀所述第一本征外延层。
15.根据权利要求13所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：刻蚀时的条件为：温度为1100℃到1200℃、气压小于40托。
16.根据权利要求13所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：当所述半导体衬底的高掺杂埋层区域表面积超过所述半导体衬底表面积的一半时，包括所述刻蚀部分第一本征外延层的步骤。
17.根据权利要求1所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述步骤3)的预烘烤步骤由刻蚀所述半导体衬底表面的步骤所代替，即在真空高温条件下，通入气体对所述半导体衬底表面进行清洗，以使吸附的所述半导体衬底表面的掺杂原子被刻蚀掉并被抽出反应腔室。
18.根据权利要求17所述的有效抑制自掺杂效应的外延生长方法，其特征在于：所述真空高温条件为：温度为1200℃、压力为20托、时间为30秒。
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