CN104851784A - 一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚层硅外延的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚层硅外延的方法，采用常压平板式外延炉，步骤包括，（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行腐蚀；（2）外延炉内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8~10分钟；（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面原位腐蚀；（4）大流量氢气对硅衬底片表面吹扫；（5）不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层；（6）掺杂外延层的生长；（7）外延层生长达到预定厚度后降温。有益效果是成功制备出厚度不均匀性＜1%，电阻率不均匀性＜1%，表面无层错、位错、滑移线、雾等缺陷，最佳过渡区宽度＜4μm的均匀性好、过渡区窄的高阻厚层外延结构，在参数上完全满足功率MOS器件对硅外延材料的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体材料的制备工艺技术，特别涉及一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚层硅外延的方法。
背景技术
高阻厚层硅外延片一般指厚度介于30~150μm,电阻率大于15W×cm的外延片，该类型外延片主要用于MOSFET及功率放大器件。随着硅片直径的不断增大，对片内均匀性及缺陷的控制难度也随之加大。高阻厚层硅外延片通常选择掺砷和掺锑的衬底，其中掺砷（r：0.002~0.004W×cm）的硅衬底相比于掺锑（r：0.01~0.02W×cm）的硅衬底具有更低的电阻率，当应用于功率MOS器件时可以降低正向导通压降，同时还可省去衬底背面金属化注入的工序，可以节省器件制备的成本。
外延层的关键参数指标包括外延层/界面的过渡区宽度，以及外延层的电阻率均匀性，它们与器件性能密切相关。过渡区宽度决定了外延层的有效厚度，与功率MOS器件的正向导通电阻密切相关；外延层的电阻率均匀性直接决定了功率MOS器件的击穿电压，而这两项关键外延指标都受衬底杂质的非主动掺杂效应影响，非主动掺杂量越少，电阻率均匀性就会越好，同时外延层与衬底界面处的过渡区就会变陡，器件成品率也会越高。对于6英寸的重掺杂硅衬底上生长厚层高阻外延结构，由于所需工艺时间较长，加之外延片表面尺寸的增大，衬底边缘位置受杂质非主动掺杂效应的影响更大，因此制备高电阻率均匀性、窄过渡区的外延层也更加困难。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种通过工艺优化获得有效抑制大尺寸重掺砷衬底非主动掺杂效应的方法，显著提高外延片的电阻率参数的均匀性，满足功率MOS器件的使用要求，具体技术方案是， 一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚层硅外延的方法，其特征在于：步骤包括，
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1170~1100℃，氯化氢气体流量设定为3~5 L/min，刻蚀时间设定为10~15 min。
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8~10分钟，气体流量设定为100~150 L/min。
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢气体进入反应腔室，氢气流量设定为100~150 L/min，氯化氢流量设定为1~3 L/min，温度设定为1060~1070℃，时间设定为1~2 min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为220~250 L/min，时间设定为2~5 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面及边缘处进行包封，阻止重掺衬底杂质的溢出。本征层生长温度设定为1060~1070℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封，更利于抑制非主动掺杂效应。用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在100~150 L/min，三氯氢硅流量设定为4~7g/min，本征层生长速率控制在1~1.5μm/min，生长时间控制在0.5~1 min。
（6）进行掺杂外延层的生长，外延炉基座转速控制在3.0~5.0 r/min。生长温度设定为1040~1050℃，相比高于1100℃的常规外延工艺，采用较低的生长温度可以降低衬底杂质的反扩速率，有利于获得更好的电阻率均匀性和较窄的过渡区。用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在100~150 L/min，三氯氢硅流量设定为12~14g/min，磷烷流量设定为55~57sccm，外延层生长速率控制在2.0~2.5 μm/min。
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为100~150 L/min，依次吹扫外延炉反应腔室8~10分钟，然后将外延片从基座上取出。利用傅里叶红外测试法对外延层的厚度及其均匀性进行测量，利用汞探针CV测试法对硅外延片的电阻率及其均匀性进行测量，利用扩展电阻测试法测量衬底与外延层之间的过渡区结构。
所用的外延炉为常压平板式外延炉。
本发明的有益效果是，实现了对重掺衬底非主动掺杂效应的有效抑制，成功制备出均匀性好、过渡区窄的高阻厚层外延结构，其厚度不均匀性<1%，电阻率不均匀性<1%，表面无层错、位错、滑移线、雾等缺陷，最佳过渡区宽度<4 um，在参数上完全满足功率MOS器件对硅外延材料的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一的厚度分布图。
图2为本发明实施例一的电阻率分布图。
图3为本发明实施例一的衬底和外延层之间的过渡区形貌图。
图4为本发明实施例二的厚度分布图。
图5为本发明实施例二的电阻率分布图。
图6为本发明实施例二的衬底和外延层之间的过渡区形貌图。
图7为本发明实施例的三厚度分布图。
图8为本发明实施例三的电阻率分布图。
图9为本发明实施例三的衬底和外延层之间的过渡区形貌图。
图10为本发明实施例四的厚度分布图。
图11为本发明实施例四的电阻率分布图。
图12为本发明实施例四的衬底和外延层之间的过渡区形貌图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明：
本发明所用的设备为PE-3061D型常压平板式外延炉，外延炉基座转速控制在4.0 r/min。
实施例一
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢气体在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1090℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为10 min；
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8分钟，气体流量设定为100 L/min；
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢进入反应腔室，氢气流量设定为150 L/min，氯化氢流量设定为2 L/min，温度设定为1065℃，时间设定为2 min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为230 L/min，吹扫时间设定为5 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面进行包封，阻止重掺衬底杂质的溢出，本征层生长温度设定为1060℃，用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在150 L/min，三氯氢硅流量设定为4g/min，本征层生长速率控制在1.25μm/min，生长时间控制在1 min。
（6）进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1045℃。用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在150
L/min，三氯氢硅流量设定为13g/min，磷烷流量设定为55.0sccm，外延层生长速率控制在2.1μm/min。
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为100 L/min，依次吹扫外延炉反应腔室8分钟，然后将外延片从基座上取出。利用Nicolet 6700红外厚度测试仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置，共计九个测试点的厚度，获得硅外延片的平均厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的电阻率，获得硅外延片的平均电阻率及其均匀性，利用SRP
2000扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底形成的过渡区的宽度。
实施例一制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无层错、位错、滑移线、雾等表面缺陷，测试结果如附图1~3所示，厚度平均值为54.063 μm，厚度不均匀性为0.618%，电阻率平均值为18.052 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.937%，过渡区宽度为6.6µm，界面分布较为陡峭，满足功率MOS器件的指标要求。
实施例二
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢气体在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1080℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为10 min。
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8分钟，气体流量设定为150 L/min。
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢进入反应腔室，氢气流量设定为150 L/min，氯化氢流量设定为2 L/min，温度设定为1070℃，时间设定为2 min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为250L/min，时间设定为5 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面进行封闭，阻止重掺衬底杂质的溢出，本征层生长温度设定为1070℃，用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在150 L/min，三氯氢硅流量设定为7g/min，本征层生长速率控制在1.5μm/min，生长时间控制在0.5 min；
（6）进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1045℃。用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在150
L/min，三氯氢硅流量设定为14g/min，磷烷流量设定为55sccm，外延层生长速率控制在2.3 μm/min；
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为150 L/min，依次吹扫外延炉反应腔室10分钟，然后将外延片从基座上取出。利用Nicolet 6700红外厚度测试仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的厚度，获得硅外延片的平均厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的电阻率，获得硅外延片的平均电阻率及其均匀性，利用SRP
2000扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底形成的过渡区的宽度。
实施例二制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无层错、位错、滑移线、雾等表面缺陷，测试结果如图4~6所示，厚度平均值为54.051 μm，厚度不均匀性为0.504%，电阻率平均值为19.0187 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.924%，过渡区宽度为5.3µm，界面分布较为陡峭，满足功率MOS器件的指标要求。
实施例三
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢气体在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1080℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为10 min。
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体10分钟，气体流量设定为150 L/min。
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢气体进入反应腔室，氢气流量设定为150 L/min，氯化氢流量设定为1 L/min，温度设定为1070℃，时间设定为2 min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为250 L/min，时间设定为2 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面进行封闭，阻止重掺衬底杂质的溢出，本征层生长温度设定为1065℃，用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在150 L/min，三氯氢硅流量设定为7g/min，本征层生长速率控制在1.5μm/min，生长时间控制在0.6min；
（6）进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1050℃。用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在150
L/min，三氯氢硅流量设定为13g/min，磷烷流量设定为56.5sccm，外延层生长速率控制在2.2 μm/min；
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为150 L/min，依次吹扫外延炉反应腔室8分钟，然后将外延片从基座上取出。利用Nicolet 6700红外厚度测试仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的厚度，获得硅外延片的平均厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的电阻率，获得硅外延片的平均电阻率及其均匀性，利用SRP
2000扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底形成的过渡区的宽度。
实施例三制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无层错、位错、滑移线、雾等表面缺陷，测试结果如附图7~9所示，厚度平均值为54.012 μm，厚度不均匀性为0.531%，电阻率平均值为17.979 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.808 %，过渡区宽度为4.1µm，界面分布陡峭，满足功率MOS器件的指标要求。
实施例四
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢气体在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1080℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为10 min；
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8分钟，气体流量设定为100 L/min；
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢进入反应腔室，氢气流量设定为150 L/min，氯化氢流量设定为2 L/min，温度设定为1070℃，时间设定为2min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为230 L/min，时间设定为3 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面进行封闭，阻止重掺衬底杂质的溢出。本征层生长温度设定为1065℃，用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在150 L/min，三氯氢硅流量设定为5g/min，本征层生长速率控制在1.35 μm/min，生长时间控制在0.8 min。
（6）进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1045℃。用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在150
L/min，三氯氢硅流量设定为13 g/min，磷烷流量设定为55.2
sccm，外延层生长速率控制在2.1 μm/min。
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为100~150 L/min，依次吹扫外延炉反应腔室8分钟，然后将外延片从基座上取出。利用Nicolet 6700红外厚度测试仪，记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的厚度，获得硅外延片的平均厚度及其均匀性，利用SSM495汞探针C-V测试仪记录中心点、四个距边缘10 mm的位置以及四个1/2半径位置共计九个测试点的电阻率，获得硅外延片的平均电阻率及其均匀性，利用SRP
2000扩展电阻测试仪获得硅外延层与衬底形成的过渡区的宽度。
实施例四制得的硅外延层的导电类型为N型，外延片表面光亮，无层错、位错、滑移线、雾等表面缺陷，测试结果如附图10~12所示，厚度平均值为53.995 μm，厚度不均匀性为0.40%，电阻率平均值为18.050Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.750%，过渡区宽度为3.5µm，界面分布陡峭，满足功率MOS器件的指标要求。
并且与实施例一、实施例二和实施例三相比，在其相应的工艺条件下，实施例四所制得的外延均匀性最优，过渡区宽度最窄。因此，实施例四为本发明的最佳实施例。
Claims (2)
1.一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚层硅外延的方法，其特征在于：步骤包括，
（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行腐蚀，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1170~1100℃，氯化氢气体流量设定为3~5 L/min，刻蚀时间设定为10~15 min;
（2）向外延炉基座片坑内装入硅衬底片，依次利用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体8~10分钟，气体流量设定为100~150 L/min;
（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位腐蚀，对衬底起到表面抛光作用，有助于改善晶格结构，采用氢气输送氯化氢气体进入反应腔室，氢气流量设定为100~150 L/min，氯化氢流量设定为1~3 L/min，温度设定为1060~1070℃，时间设定为1~2 min；
（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位腐蚀时产生的副产物，以及吸附在衬底表面、基座表面的杂质完全去除，氢气流量设定为220~250 L/min，时间设定为2~5 min；
（5）进行本征外延层的生长，采用不掺杂的三氯氢硅在衬底上生长本征外延层，对衬底表面及边缘处进行包封，阻止重掺衬底杂质的溢出；
本征层生长温度设定为1060~1070℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封，更利于抑制非主动掺杂效应；
用氢气输送气态三氯氢硅进入反应腔室，氢气流量控制在100~150 L/min，三氯氢硅流量设定为4~7g/min，本征层生长速率控制在1~1.5μm/min，生长时间控制在0.5~1 min；
（6）进行掺杂外延层的生长，外延炉基座转速控制在3.0~5.0 r/min；
生长温度设定为1040~1050℃，相比高于1100℃的常规外延工艺，采用较低的生长温度可以降低衬底杂质的反扩速率，有利于获得更好的电阻率均匀性和较窄的过渡区；
用氢气输送气态三氯氢硅和磷烷掺杂剂进入反应腔室，氢气流量控制在100~150 L/min，三氯氢硅流量设定为12~14g/min，磷烷流量设定为55~57sccm，外延层生长速率控制在2.0~2.5 μm/min；
（7）外延层生长达到预定厚度后开始降温，将氢气和氮气流量设定为100~150
L/min，依次吹扫外延炉反应腔室8~10分钟，然后将外延片从基座上取出；
利用傅里叶红外测试法对外延层的厚度及均匀性进行测量，利用汞探针CV测试法对硅外延片的电阻率及其均匀性进行测量，利用扩展电阻测试法测量衬底与外延层之间的过渡区结构。
2.如权利要求1所述的的一种6英寸重掺砷衬底上生长高阻厚硅外延的方法，其特征在于：所用的外延炉为常压平板式外延炉。
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