CN103820849A - 一种减压生产12寸单晶硅外延片的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减压生产12寸单晶硅外延片的工艺,它包括:(1)于1150~1190℃下用高纯HCl气体清洁反应腔体;(2)通入高纯H2吹扫反应腔体内残留的HCl气体及反应产物;(3)将反应腔体内的温度降温至700~900℃,将12寸单晶硅片装载到载片基座上;(4)将反应腔体内的压强降低至20~200Torr,然后升温至1000~1050℃,载气高纯H2的流量为40~160SLM;(5)反应气体预流,调节通入DCS以及掺杂剂的反应腔体的过程和时间生长外延层;(6)降温至900℃,取出外延片。通过本发明的上述工艺可以制备出外延层电阻率均匀,外延层和衬底电阻率过渡区窄的外延片。

Description

一种减压生产12寸单晶硅外延片的工艺
技术领域
本发明涉及一种减压生产12寸单晶硅外延片的工艺。
背景技术
随着硅半导体技术的发展,单晶硅片的尺寸要求越来越大的,国际上逐渐由6或8寸单晶硅片过渡到12寸单晶硅片。传统直拉工艺生产的单晶硅片存在不可或缺的原生缺陷,这种缺陷会降低后续器件的成品率和可靠性。单晶硅片的尺寸变大,控制单晶的原生缺陷就变得愈来愈困难。
利用减压气相沉积的方法进行生长外延层,具有良好的晶体完整性,能够消除硅抛光片表面或近表面缺陷,提高集成电路最终芯片成品率,使得硅外延片开始广泛应用于CMOS等先进集成电路的制造。外延技术很好的解决了这种硅片尺寸大,原生缺陷多的难题。
外延沉积单晶硅技术,外延层的掺杂易于控制,可以灵活的调节外延层电阻率,进而解决器件击穿电压与串联电阻之间的矛盾。此外外延层的氧含量非常低,基本消除了直拉单晶硅抛光片中COP缺陷。然而,通常外延工艺中,由于硅片的自扩散效应或者外延炉体内部杂质热扩散效应,使得外延层和硅片表面电阻率过渡区较宽,这就影响了硅外延片在高频器件等领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减压生长12寸单晶硅外延片的工艺,利用该工艺可以获得电阻率均匀,单晶硅衬底与外延层过渡区宽度窄的12寸单晶外延片。
本发明基于12寸单晶抛光片,利用反应气体二氯二氢硅(DCS),掺杂气体B2H6/PH3和高纯H2载气,通过减压系统生长单晶硅P型外延层,从而得到12寸单晶硅外延片。
具体地,本发明采用以下技术方案:
一种减压生长12寸单晶硅外延片的工艺,包括以下步骤:
(1)将化学气相沉积设备的反应腔体升温至1150~1190℃,向反应腔体内通入高纯氯化氢气体,清洁腔体以及载片基座上残余的沉积层,除去反应腔体内部的杂质;
(2)向反应腔体内通入高纯H2吹扫反应腔体内残留的HCl气体及反应产物,高纯H2的流量为50SLM;
(3)将反应腔体内的温度降温至700~900℃,将12寸单晶硅片装载到载片基座上;
(4)将反应腔体内的压强降低至20~200Torr,然后升温至1000~1050℃,载气高纯H2的流量为40~160SLM;
(5)预流DCS气体、掺杂剂B2H6/PH3至少1min,然后只通入DCS气体生长一层非掺杂外延薄层,通入时间为10~120s,停止DCS通入后,立刻通入掺杂剂B2H6/PH3,通入时间为10~60s,再通入DCS气体,此时DCS与掺杂剂B2H6/PH3同时进入反应腔体,在12寸单晶硅表面生长外延层;
(6)外延层生长完成后,停止对反应腔体抽真空,使反应腔体内的压强回到大气压,然后降温至900℃,取出外延片。
在上述工艺中,流量的单位“SLM”表示标准状态下1L/min的流量。
在上述工艺过程中,所述步骤(4)中的升温速度为1~5℃/min。
本发明在减压条件下生长外延层,在减压条件下反应气体分子在反应腔体内的自由程增大,反应气流与单晶硅衬底之间的边界层变薄,从单晶硅衬底高温自扩散出的杂质会快速的扩散到气体中,被气流带出反应区,减小了单晶硅衬底本身杂质的自扩散效应,改善了硅片与外延层界面的电阻率分布。
由于气体的扩散系数与压力成反比,减压显著增大了掺杂气体扩散通过边界层的速率,掺杂气体的热传导也因减压变得显著降低,使得边界层的温度梯度变小,这些因素都有利于掺杂气体快速通过边界层。
本发明外延层沉积工艺过程的控制非常关键。本发明选择二氯二氢硅(DCS)作为硅源,掺杂气体为乙硼烷(B2H6)或磷烷(PH3),载气为高纯H2。在外延生长之前,先在单晶硅衬底上生长DCS沉积薄层,然后通入掺杂剂,再生长外延层。开始通入DCS气体时,DCS热分解后沉积在12寸单晶硅片表面,可以使得单晶硅衬底自扩散出的少量掺杂剂元素高温扩散到DCS沉积层,从而使得DCS沉积层和12寸单晶硅衬底表面之间的电阻率过渡区宽度变窄,DCS沉积后,立刻通入掺杂剂,在高温条件下,掺杂剂热分解,掺杂剂元素高温扩散到DCS沉积薄层表面,降低DCS沉积薄层表面电阻率,使得电阻率与目标外延层电阻率一致,最后同时通入DCS和掺杂剂进行外延层生长,获得目标厚度的外延层。
通过严格控制DCS沉积薄层的厚度以及掺杂剂B2H6/PH3热分解扩散过程,进一步加强了界面电阻率的突变,使得电阻率过渡区宽度窄。
本发明的优点在于:
本发明在减压条件下生产12寸单晶硅外延片,通过严格控制外延层沉积工艺过程,可以获得外延层电阻率均匀,外延层与12寸单晶硅片衬底之间电阻率过渡区宽度窄的12寸单晶硅外延片。
附图说明
图1为12寸单晶硅外延片各层界面示意图。
图2为12寸单晶硅外延片电阻率VS外延层厚度变化曲线。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
准备生产外延片时,确保外延所需要的气体,水冷等外围厂务正常,将反应腔体加热升温到900℃,热机5~10min,升温到1190℃,并通入高纯HCl气体,清洁腔体内部以及基座上的沉积层,然后通入大流量50SLM的高纯H2吹扫腔体内部的残留的HCl气体以及反应产物,确保腔体内部杂质包括掺杂剂尽量少,以免影响外延层的电阻率。
反应腔体经高纯HCl气体腐蚀完成以后,将其温度降至850℃,将12寸单晶硅片通过机械手装载到反应基座上,然后利用真空泵将反应腔体内的压力降到80Torr,使得12寸单晶硅片处于一种减压的环境中。加热升温到1030℃,升温速率为1~5℃/min,同时将高纯H2的流量提高到40~160SLM,升温到设定温度后,开始预流DCS,以及掺杂剂B2H6,预流时间至少3min,然后将DCS以及B2H6通过阀门转化进入排气管道。
沉积时,首先通过阀门转化只通入DCS,通入时间为40s,然后DCS通过阀门切换通入尾气管道,与此同时B2H6直接通入反应腔体,通入时间为20s,然后同时通入DCS和B2H6,通入时间为295s,外延层厚度约为2.5μm。完成沉积后,停止DCS和B2H6的通入,用大量的高纯H2吹扫反应腔体,将未完成反应的气体以及副产物快速排出。然后停止减压,当反应腔体压力达到大气压时,降温到900℃,取出外延片。
外延片各层界面示意图如图1所示,开始通入DCS,在12寸单晶硅片衬底1上生长一层DCS沉积薄层2,高温促使单晶硅片衬底1表面的B元素扩散到DCS沉积薄层2中(如箭头所示),消除界面层电阻过低现象,在通入掺杂剂后,掺杂剂元素高温扩散到DCS沉积薄层,避免电阻率过大,便于获得目标电阻率。生长的外延片3的电阻测试结果率如图2所示,其中纵坐标为电阻率,横坐标为外延层表面到衬底之间的深度。由图2看出,外延层厚度大约2.8μm,外延层稳定区域大约为0~2.6μm,其电阻率值大约11ohm-cm,衬底电阻率大约为8ohm-cm,衬底与外延层之间的过渡区电阻率由8ohm-cm突变至11ohm-cm,过度区宽度大约为0.2μm,可以看出所获得的12寸单晶硅外延片的外延层电阻率均匀,电阻率过渡区窄。

Claims (2)

1.一种减压生产12寸单晶硅外延片的工艺,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将化学气相沉积设备的反应腔体升温至1150~1190℃,向反应腔体内通入高纯氯化氢气体,清洁腔体以及载片基座上残余的沉积层,除去反应腔体内部的杂质;
(2)向反应腔体内通入高纯H2吹扫反应腔体内残留的HCl气体及反应产物,高纯H2的流量为50SLM;
(3)将反应腔体内的温度降温至700~900℃,将12寸单晶硅片装载到载片基座上;
(4)将反应腔体内的压强降低至20~200Torr,然后升温至1000~1050℃,载气高纯H2的流量为40~160SLM;
(5)预流二氯二氢硅气体、掺杂剂B2H6/PH3至少1min,然后只通入DCS气体生长一层非掺杂外延薄层,通入时间为10~120s,停止二氯二氢硅气体的通入,立刻通入掺杂剂B2H6/PH3,通入时间为10~60s,再通入二氯二氢硅气体,此时二氯二氢硅气体与掺杂剂B2H6/PH3同时进入反应腔体,在12寸单晶硅表面生长外延层;
(6)外延层生长完成后,停止对反应腔体抽真空,使反应腔体内的压强回到大气压,然后降温至900℃,取出外延片。
2.根据权利要求1所述的减压生产12寸单晶硅外延片的工艺,其特征在于,在上述工艺过程中,所述步骤(4)中的升温速度为1~5℃/min。
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