CN104947183B - 一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法,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抛光；（2）向外延炉内装掺磷硅衬底片，依次用纯度均≥99.999%的氮气和氢气吹扫外延炉腔体；（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行抛光；（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫；（5）进行本征外延层的生长；（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫；（7）进行掺杂外延层的生长。有益效果是外延层为厚度不均匀性<1%，电阻率不均匀性<1%，表面无层错、位错、滑移线、雾等缺陷，最佳条件下过渡区宽度可小于1 um，完全满足肖特基器件对硅外延层的要求，提高了肖特基器件的性能和良率。

Description

一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种肖特基器件用硅外延层的制备工艺技术，特别涉及一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法。

背景技术

肖特基器件属于一种低功耗、大电流、超高速的半导体器件，关键器件如击穿电压和正向压降等指标基本取决于外延层基底的参数，尤其高性能的硅肖特基二极管对外延层的质量有更高的要求，如均匀性要好、过渡区要窄，缺陷密度要低等。目前肖特基器件首选重掺磷衬底上外延层，可以大幅降低正向压降，减小器件功耗,磷掺杂衬底（电阻率0.0007~0.0018 Ώ▪cm）相比砷掺杂衬底（电阻率0.002~0.004 Ώ▪cm），由于掺杂浓度更高，衬底杂质在高温下更易挥发，造成固相反扩作用更加严重，电阻率均匀性和过渡区形貌受杂质非主动掺杂的影响更大，因此制备满足肖特基器件用硅外延层的指标也更加困难。

选用厚度为290μm的薄磷衬底，相比常规厚度为525μm的衬底，不仅每单晶棒可以产出更多数量的硅衬底，同时省去了后续器件加工过程中背面减薄的工序，进一步降低了器件制造成本，同时还可避免硅片因减薄而破裂的风险。但与此同时，因衬底厚度的不同，必将带来外延腔体内流场分布的不同，加大了厚度均匀性控制的难度。而且采用不同厚度的衬底，在外延生长过程中需要经历的热应力不同，外延缺陷的控制难度因此大大增加。以上难点都需要通过后续外延工艺的优化，实现对外延厚度均匀性和缺陷的良好控制。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明通过工艺优化可获得一种有效抑制重掺磷衬底非主动掺杂效应的方法，具体技术方案是，一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法，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抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度1170~1100℃、氯化氢气体流量3~5 L/min、刻蚀时间5~10 min，随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量4~6 g/min、生长时间4~6 min，基座上包覆的多晶硅在外延过程中可以通过质量转移效应，包封住磷衬底的背面和侧面，抑制衬底杂质的挥发；（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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100~150 L/min；（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行抛光，去除表面微损伤层，改善晶格质量，采用氢气输送氯化氢进入反应腔室，氢气流量100~150 L/min、氯化氢流量1~3 L/min、温度1070~1100℃、时间1~2 min；（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，以将氯化氢抛光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220~250 L/min、时间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1070~1090℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封，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0.5~1min；（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应，该过程将氢气流量升高80 ~100L/min，流量上升时间为1~3min、吹扫时间为4~6 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量时间为1~3 min、吹扫时间为1~3 min，变流量吹扫总过程需进行1~3次；（7）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1060~1070℃，相比于高于1100℃的常规外延工艺，采用较低的生长温度可以降低掺磷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100~150 L/min、三氯氢硅流量4~7g/min、磷烷流量115~125sccm、外延层生长速率1~1.5 μm/min；（8）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宽度。

所用的外延炉为PE-3061D型常压平板式外延炉。

本发明的有益效果是，实现了对重掺薄磷衬底非主动掺杂效应的有效抑制，成功制备均匀性好、过渡区窄的外延层，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，最佳条件下过渡区宽度可小于1 um，在参数上完全满足肖特基器件对硅外延层的要求，并且可以大大提高肖特基器件的性能和良率。

附图说明

附图1为本发明实施例一的厚度分布图。

附图2为本发明实施例一的电阻率分布图。

附图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。

附图4为本发明实施例二的厚度分布图。

附图5为本发明实施例二的电阻率分布图。

附图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。

附图7为本发明实施例三的厚度分布图。

附图8为本发明实施例三的电阻率分布图。

附图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。

附图10为本发明实施例四的厚度分布图。

附图11为本发明实施例四的电阻率分布图。

附图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%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1180℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为5min。随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量设定为5 g/min，生长时间设定为5min。

（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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抛光，去除微损伤层，改善表面晶格质量，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1070~1100℃，时间设定为1 min。

（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位抛光时产生的副产物，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 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1080℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封。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1um/min，生长时间控制在0.5 min。

（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应。该过程将氢气流量升高80 L/min，流量上升所需的时间为1 min，吹扫时间为4 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量所需的时间为1 min，继续吹扫时间为1 min，变流量吹扫总过程需进行1次。

（7）进行掺杂外延层的生长。生长温度设定为1060℃。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5g/min，磷烷流量设定为121.5sccm，外延层生长速率控制在1.2 μm/min。

（8）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8.033μm，厚度不均匀性为0.264%，电阻率平均值为1.697Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.923%，过渡区宽度为1.5µm，界面分布较为陡峭，满足肖特基器件的指标要求。

实施例二

（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1180℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为5min。随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量设定为4 g/min，生长时间设定为4min。

（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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150L/min。

（3）利用氯化氢气体对硅衬底片表面进行原位抛光，去除微损伤层，改善表面晶格质量，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1L/min，温度设定为1080℃，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，将氯化氢原位抛光时产生的副产物，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2min；

（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1070℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封。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1.1μm/min，生长时间控制在0.6min。

（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应。该过程将氢气流量升高80 L/min，流量上升所需的时间为1 min，吹扫时间为4 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量所需的时间为1 min，继续吹扫时间为1 min，变流量吹扫总过程需进行2次。

（7）进行掺杂外延层的生长。生长温度设定为1060℃。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4g/min，磷烷流量设定为120.5sccm，外延层生长速率控制在1.1 μm/min。

（8）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，测试结果如附图4~6所示，厚度平均值为8.191μm，厚度不均匀性为0.325%，电阻率平均值为1.789 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.929%，过渡区宽度为1.1µm，界面分布较为陡峭，满足肖特基器件的指标要求。

实施例三

（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1180℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为5min。随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量设定为6 g/min，生长时间设定为6min。在后续的质量转移效应中，基座上的多晶硅的可以包封住磷衬底的背面和侧面，抑制衬底杂质的挥发。

（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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抛光，去除微损伤层，改善表面晶格质量，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2L/min，温度设定为1070℃，时间设定为1 min。

（4）采用大流量氢气对硅衬底片表面进行吹扫，将氯化氢原位抛光时产生的副产物，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220L/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1080℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封。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1.2μm/min，生长时间控制在0.5 min。

（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应。该过程将氢气流量升高80 L/min，流量上升所需的时间为1 min，吹扫时间为4 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量所需的时间为1 min，继续吹扫时间为1 min，变流量吹扫总过程需进行2次。

（7）进行掺杂外延层的生长，生长温度设定为1060℃。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6g/min，磷烷流量设定为124.5sccm，外延层生长速率控制在1.45 μm/min。

（8）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7.685 μm，厚度不均匀性为0.531%，电阻率平均值为1.607 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.997%，过渡区宽度为1.1µm，界面分布陡峭，满足肖特基器件的指标要求。

实施例四

（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1190℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为5min。随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量设定为4 g/min，生长时间设定为4min。在后续的质量转移效应中，基座上的多晶硅可以包封住磷衬底的背面和侧面，抑制衬底杂质的挥发。

（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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抛光，去除微损伤层，改善表面晶格质量，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2L/min，温度设定为1090℃，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，将氯化氢原位抛光时产生的副产物，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，本征层生长温度设定为1090℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封。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1μm/min，生长时间控制在0.8 min。

（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应。该过程将氢气流量升高90 L/min，流量上升所需的时间为2 min，吹扫时间为4 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量所需的时间为2 min，吹扫时间为1 min，变流量吹扫总过程需进行3次。

（7）进行掺杂外延层的生长。生长温度设定为1060℃。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5g/min，磷烷流量设定为125sccm，外延层生长速率控制在1.15 μm/min。

（8）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100L/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9~12所示，厚度平均值为7.967 μm，厚度不均匀性为0.243%，电阻率平均值为1.669 Ώ▪cm，电阻率不均匀性为0.779%，过渡区宽度为0.8µm，界面分布陡峭，满足肖特基器件的指标要求。

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层均匀性最优，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)

1.一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法，其特征在于：制备方法包括以下步骤,

（1）利用纯度≥99.99%的氯化氢在高温下对外延炉基座进行抛光，完全去除基座上的残余沉积物质，温度设定为1190℃，氯化氢气体流量设定为5 L/min，刻蚀时间设定为5min。随后给石墨基座包上一层未掺杂多晶硅，生长原料为纯度≥99.95%的三氯氢硅气体，流量设定为4 g/min，生长时间设定为4min。在后续的质量转移效应中，基座上的多晶硅可以包封住磷衬底的背面和侧面，抑制衬底杂质的挥发。

（2）向外延炉基座片坑内装载厚度为290±10μm的掺磷硅衬底片，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抛光，去除微损伤层，改善表面晶格质量，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2L/min，温度设定为1090℃，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，将氯化氢原位抛光时产生的副产物，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3min；

（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，本征层生长温度设定为1090℃，利用高温快速本征生长方法，迅速完成包封。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1μm/min，生长时间控制在0.8 min。

（6）对外延炉反应腔室进行变流量吹扫，使衬底挥发的杂质被大流量的氢气带出反应腔，有效抑制非主动掺杂效应。该过程将氢气流量升高90 L/min，流量上升所需的时间为2min，吹扫时间为4 min，随后将氢气流量降回原值，下降流量所需的时间为2 min，吹扫时间为1 min，变流量吹扫总过程需进行3次。

（7）进行掺杂外延层的生长。生长温度设定为1060℃。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5g/min，磷烷流量设定为125sccm，外延层生长速率控制在1.15 μm/min。

（8）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100L/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。

2.如权利要求1所述的一种肖特基器件用重掺薄磷衬底上硅外延层的制备方法，其特征在于：所用的外延炉为常压平板式外延炉。