CN103337506B

CN103337506B - 一种ccd器件用硅外延片制备工艺

Info

Publication number: CN103337506B
Application number: CN201310240650.9A
Authority: CN
Inventors: 王文林
Original assignee: CETC 46 Research Institute
Current assignee: CLP Jinghua (Tianjin) semiconductor materials Co.,Ltd.; CETC 46 Research Institute
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103337506A

Abstract

本发明涉及一种CCD器件用硅外延片制备工艺。其步骤：1腔体压力0.1MPa，B₂H₆掺杂剂与H₂混合稀释，其体积比1：（3~5）；2设定反应腔压力、H₂流量、HCl流量和气相抛光时间；3设定H₂流量、烘焙温度和烘焙时间；4设定工艺温度、H₂流量，H₂流量降至50~100L/min，设定降流量时间和维持时间，H₂流量升至300~400L/min，设定升流量时间和维持时间；5设定外延生长温度、生长时间和掺杂剂流量。采用该工艺制备的硅外延片，其电阻率不均匀性2%，厚度不均匀性1.5%，平整度2μm，翘曲度10μm。所制材料满足CCD器件的指标要求，拓展了硅外延片的应用和工艺技术。

Description

一种CCD器件用硅外延片制备工艺

技术领域

本发明涉及半导体材料制备工艺技术，特别涉及一种CCD器件用硅外延片制备工艺。

背景技术

目前，制备硅外延材料的主要方法是化学气相外延方法（CVD），即利用三氯氢硅、氢气等气态物质的还原反应，在硅单晶衬底上形成具有一定电阻率和厚度的薄层硅单晶材料。硅外延材料可有效地克服硅单晶抛光片的COP原生缺陷、径向掺杂分布不均匀等问题。硅外延材料凭借诸多优异性能，被广泛应用于集成电路、分立器件及光电器件的制造，可有效减小CMOS电路的闩锁效应、形成的PN结平坦度高、通过不同掺杂工艺可形成具有不同电阻率和厚度的外延层为半导体工艺提供了更为丰富的材料结构。因此，硅外延材料是制作高分辨率CCD器件的首选材料，可有效减少CCD器件疵点、降低暗电流、提高响应度和阵列尺寸。

目前，硅外延片的金属杂质含量和几何参数是影响CCD器件性能的主要因素，为了降低器件暗电流，提高器件响应度，必须减少外延片中金属杂质含量；而良好的平整度、翘曲度是保证焦平面成像质量的关键要素。为去除硅外延生长过程中金属杂质的影响，通常采用长时间高温烘焙的方法，而高温时间过长会对硅外延片几何参数造成不良影响。因此，如果解决影响CCD器件性能的问题，势必要在传统工艺的基础上进行摸索和改进，这是技术人员面临急需攻关的科研课题。

发明内容

鉴于上述现有技术状况和存在的问题，本发明研发一种CCD器件用硅外延片制备工艺。硅外延片应用于大面阵高分辨率CCD器件制造，该类型器件具有器件尺寸面积大、暗电流数值低、焦平面平整度高等特点和要求，因此，对衬底材料的平整度、翘曲度、电阻率不均匀性、厚度不均匀性这四项重要参数提出了极高的要求。为了满足CCD器件对硅外延片重要参数的要求，本发明针对以上四项主要指标，通过参数设计、工艺验证、分析测试，归纳总结出适用于CCD器件的硅外延制备工艺。本工艺采用掺杂剂稀释技术，并将高温烘焙工艺与变流量吹扫工艺相结合，减少了高温烘焙时间，提高了金属杂质去除效率，并保持了外延片良好的几何参数。

本发明采取的技术方案是：一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：掺杂剂稀释

设定外延炉反应腔压强：0.1MPa，将B₂H₆掺杂剂与H₂气体混合稀释，以备掺杂使用，B₂H₆掺杂剂：H₂气体的体积比为1：（3~5）；

步骤二：衬底气相抛光

设定外延炉反应腔压强：0.1MPa；工作气体：H₂、HCl，H₂气体流量：220~280L/min；HCl气体流量：1~3L/min；气相抛光时间：5~20min；

步骤三：高温烘焙

在H₂气体环境下，对衬底材料进行高温烘焙，去除表面残留杂质，设定H₂气体流量：280~320L/min；烘焙温度：1000~1100℃；烘焙时间：3~5min；

步骤四：变速解吸

采用高温下，改变 H₂的气体流量，逐渐稀释衬底表层杂质含量，设定工艺温度：1000~1100℃；H₂气体流量：300~400L/min；而后，H₂气体流量由300~400L/min降至50~100L/min；降流量时间：1~4min；低流量维持时间：1~3min；继而H₂气体流量由50~100L/min升至300~400L/min；升流量时间：1~4min；高流量维持时间：1~3min，即完成变流量吹扫过程；

步骤五：外延生长

设定外延生长温度：1100~1200℃；生长时间：15~25min；B₂H₆掺杂剂流量：45~55sccm；

步骤六：经外延生长后，外延炉炉腔降温、取片，即制得CCD器件用硅外延片。

本发明所产生的有益效果是：提供了一种高精度控制生长CCD器件用硅外延片的制备工艺，采用该工艺制备的硅外延片，其电阻率不均匀性<2%，厚度不均匀性<1.5%，平整度（TIR）<2μm，翘曲度（warp）<10μm。所制材料满足大面阵CCD器件的指标要求，拓展了硅外延片的应用和工艺技术。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明：在传统外延工艺中，通常将购置的掺杂剂直接通入反应腔，对外延层进行掺杂作用。而一般条件下购置的B₂H₆掺杂剂浓度较高（50ppm），由于掺杂剂量的任何微小波动极易引起杂质浓度的大幅变化，导致外延材料一致性变差。因此，本发明中将掺杂剂进行稀释，获得浓度较低的B₂H₆掺杂剂，有利于精确控制掺杂剂量，获得电阻率均匀性极高的外延材料。

本发明采用外延炉的型号为LPE2061s。采用的H₂气体为高纯气体，纯度为99.9995％。

实施例1：

（1）利用高精度质量流量计（MFC），将掺杂剂B₂H₆掺杂剂与高纯H₂气体混合稀释。掺杂剂稀释工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；B₂H₆掺杂剂：H₂气体的体积比为1：3。

（2）衬底气相抛光工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；工作气体：H₂、HCl，H₂作为主工艺气体对HCl起到稀释作用。H₂气体流量：220L/min；HCl气体流量：1L/min；气相抛光时间：5min。

（3）将步骤（2）制得的硅衬底进行高温烘焙，去除硅衬底表面杂质。以H₂作为保护气体，H₂气体流量：280L/min；烘焙温度：1000℃，烘焙时间：3min。

（4）将步骤（3）制得的硅衬底进行变流量吹扫，设定工艺温度：1000℃；H₂气体流量：300L/min；而后，改变H₂气体流量，逐渐稀释衬底表层杂质含量。H₂气体流量由300L/min降至50L/min，降流量时间：1min，50L/min低流量维持时间：1min，继而H₂气体流量由低流量50L/min升至高流量300L/min，升流量时间：1min，300L/min高流量维持时间：1min。经过一轮的流量变化，即完成变流量吹扫过程。

（5）将步骤（4）制得的硅片在常压条件下进行外延生长，外延生长温度：1100℃；生长时间：25min；B₂H₆掺杂剂流量：55sccm。（6）经外延生长后，外延炉炉腔降温、取片，制得CCD器件用硅外延片。

以上实施例1制得的硅外延片经检测：表面光亮、无缺陷，其电阻率不均匀性1.26%，厚度不均匀性<0.99%，平整度（TIR）1.353μm，翘曲度（warp）3.352μm。所制材料满足大面阵CCD器件的指标要求。

实施例2：

（2）衬底气相抛光工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；工作气体：H₂、HCl，H₂作为主工艺气体对HCl起到稀释作用。H₂气体流量：240L/min；HCl气体流量：2L/min；气相抛光时间：5min。

（3）将步骤（2）制得的硅衬底进行高温烘焙，去除硅衬底表面杂质。以H₂作为保护气体，设定H₂气体流量：290L/min；烘焙温度：1050℃，烘焙时间：5min。

（4）将步骤（3）制得的衬底进行变流量吹扫，设定工艺温度：1050℃，H₂气体流量：350L/min；而后，改变H₂气体流量，逐渐稀释衬底表层杂质含量。H₂气体流量由350L/min降至50L/min，降流量时间：3min，50L/min低流量维持时间：2min，继而H₂流量由低流量50L/min升至高流量350L/min，升流量时间：3min，350L/min高流量维持时间：2min。经过一轮的流量变化，即完成变流量吹扫过程。

（5）将步骤（4）制得的硅片，在常压条件下进行外延生长，外延生长温度：1130℃，生长时间：23min，B₂H₆掺杂剂流量：47sccm。

（6）经外延生长后，外延炉炉腔降温、取片，制得CCD器件用硅外延片。

以上实施例2制得的硅外延片经检测：表面光亮、无缺陷，其电阻率不均匀性1.1%，厚度不均匀性<0.67%，平整度（TIR）1.213μm，翘曲度（warp）2.718μm。

实施例3：

（1）利用高精度质量流量计（MFC），将掺杂剂B₂H₆掺杂剂与高纯H₂气体混合稀释。掺杂剂稀释工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；B₂H₆掺杂剂：H₂气体的体积比为1：5。

（2）衬底气相抛光工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；工作气体：H₂、HCl，H₂作为主工艺气体对HCl起到稀释作用。H₂气体流量：260L/min；HCl气体流量：1L/min；气相抛光时间：10min。

（3）将步骤（2）制得的硅衬底进行高温烘焙，去除硅衬底表面杂质。以H₂作为保护气体，H₂气体流量：300L/min；烘焙温度：1100℃，烘焙时间：5min。

（4）将步骤（3）制得的硅衬底进行变流量吹扫，设定工艺温度：1100℃；H₂气体流量：350L/min；而后，改变H₂气体流量，逐渐稀释衬底表层杂质含量。H₂气体流量由350L/min降至100L/min，降流量时间：3min，100L/min低流量维持时间：2min，继而H₂气体流量由低流量100L/min升至高流量350L/min，升流量时间：3min，350L/min高流量维持时间：2min。经过一轮的流量变化，即完成变流量吹扫过程。

（5）将步骤（4）制得的硅片在常压条件下进行外延生长，外延生长温度：1160℃；生长时间：20min；B₂H₆掺杂剂流量：49sccm。

以上实施例3制得的硅外延片经检测：表面光亮、无缺陷，其电阻率不均匀性1.1%，厚度不均匀性0.77%，平整度（TIR）1.3μm，翘曲度（warp）7.2μm。

实施例4：

（1）利用高精度质量流量计（MFC），将掺杂剂B₂H₆掺杂剂与高纯H₂气体混合稀释。掺杂剂稀释工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；B₂H₆掺杂剂：H₂气体的体积比为1：4。

（2）衬底气相抛光工艺条件：外延炉反应腔压强：0.1MPa；工作气体：H₂、HCl，H₂作为主工艺气体对HCl起到稀释作用。H₂气体流量：280L/min；HCl气体流量：3L/min；气相抛光时间：20min。

（3）将步骤（2）制得的硅衬底进行高温烘焙，去除硅衬底表面杂质。以H₂作为保护气体，H₂气体流量：320L/min；烘焙温度：1100℃，烘焙时间：5min。

（4）将步骤（3）制得的硅衬底进行变流量吹扫，设定工艺温度：1100℃；H₂气体流量：400L/min；而后，改变H₂气体流量，逐渐稀释衬底表层杂质含量。H₂气体流量由400L/min降至100L/min，降流量时间：4min，100L/min低流量维持时间：3min，继而H₂气体流量由低流量100L/min升至高流量400L/min，升流量时间：4min，400L/min高流量维持时间：3min。经过一轮的流量变化，即完成变流量吹扫过程。

（5）将步骤（4）制得的硅片在常压条件下进行外延生长，外延生长温度：1200℃；生长时间：15min；B₂H₆掺杂剂流量：45sccm。

以上实施例4制得的硅外延片经检测：表面光亮、无缺陷，其电阻率不均匀性1.7%，厚度不均匀性1.1%，平整度（TIR）1.4μm，翘曲度（warp）5.2μm。

经对上述四个实施例经检测后的参数进行比对后认为，采用本发明实施例2中各项工艺条件所制外延片表面光亮、无缺陷，其电阻率不均匀性1.1%，厚度不均匀性<0.67%，平整度（TIR）1.213μm，翘曲度（warp）2.718μm。该条件下，所制外延片电学参数、几何参数最优，为最佳工艺条件。

Claims

1. 一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：掺杂剂稀释

步骤二：衬底气相抛光

步骤三：高温烘焙

步骤四：变速解吸

步骤五：外延生长

设定外延生长温度：1100~1200℃；生长时间：15~25min； B₂H₆掺杂剂流量：45~55sccm；

2.根据权利要求1所述的一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，步骤一中所述B₂H₆掺杂剂：H₂气体的体积比为1：3。

3.根据权利要求1所述的一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，步骤二中所述H₂气体流量：240L/min；HCl气体流量：2L/min；气相抛光时间：5min。

4.根据权利要求1所述的一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，步骤三中所述设定H₂气体流量：290L/min；烘焙温度：1050℃；烘焙时间：5min。

5.根据权利要求1所述的一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，步骤四中所述设定工艺温度：1050℃；H₂气体流量：350L/min；而后，H₂气体流量由350L/min降至50L/min；降流量时间：3min；低流量维持时间：2min；继而H₂气体流量由50L/min升至350L/min；升流量时间：3min；高流量维持时间：2min。

6.根据权利要求1所述的一种CCD器件用硅外延片制备工艺，其特征在于，步骤五中所述设定外延生长温度：1130℃；生长时间：23min； B₂H₆掺杂剂掺杂流量：47sccm。