CN108417484A - 一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法。向反应腔体内通入氢气和氯化氢气体；在外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅；将硅衬底片装入多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体；给外延反应基座加热；通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光；利用流量周期性快速交替变化对反应腔体进行吹扫；进行第一层本征外延层的生长；通入氢气对反应腔体进行吹扫；进行第二层本征外延层的生长；利用流量周期性快速交替变化对反应腔体进行吹扫；进行掺杂外延层的生长；外延层生长完成后停止加热，最后取片。有益效果是，片内不均匀性从5.09%的控制能力提高至1.48%的水平，制程能力可满足用户要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体外延材料的制备技术领域，尤其涉及一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法。
背景技术
当前以CCD器件为代表的光电传感器向高灵敏度、高分辨率、宽动态范围的高速发展趋势，迫切要求作为关键支撑材料的P型硅外延层的掺杂浓度具备很高的一致性，以满足器件的工作电压、灵敏度等指标要求。但是由于硅外延层的生长基于重掺硼杂质衬底片，硼原子具有质量轻，自由程长，极易挥发的特点，在高于1000℃的外延反应温度下，衬底杂质的挥发效应不断加剧，挥发的杂质会在外延层生长过程中重新掺入，尤其在晶片边缘位置聚集，极为影响载流子浓度分布一致性，造成片内外延层平坦区掺杂浓度表现出中央区域高，四周区域极低的特点，不均匀性通常高于5%。而且受强烈的自掺杂效应影响，连续生产过程中参数稳定性较差，批次间产出参数存在较大的波动性，不能满足光电传感器用硅外延层的指标要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有光电传感器所用P型硅外延层掺杂浓度在片内和片间分布受自掺杂影响，一致性较差的问题，通过在掺杂外延层生长前实施主工艺气体流量的快速变化，以及两次本征层生长工艺，将高温下挥发的杂质大部分吹扫出腔体之外，降低了衬底杂质在外延层生长过程中的自掺杂影响，获得一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的制备方法。
本发明为实现上述目的，采用的具体技术方案是：一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步、向反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min；
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，在外延反应腔体内的外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅；
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，反应腔体吹扫时间设定为10 min；
第四步、给外延反应基座加热，升温至1060~1080℃；
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1040~1060℃；
第六步、利用流量周期性快速交替变化，范围为20L/min~150L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，先将氢气流量由150L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；将氢气流量由20L/min快速增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min快速增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；
第七步、进行第一层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec；
第八步、通入流量为250L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫时间设定为5min；
第九步、进行第二层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间30 sec；
第十步、利用流量周期性快速交替变化，范围为20L/min~150L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，先将氢气流量由150L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；将氢气流量由20L/min快速增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min快速增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；
第十一步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1040~1060℃，生长时间设定为7 min；
第十二步、外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
进一步的技术方案在于，所述硅衬底片为直径150mm的重掺硼衬底片，掺杂浓度高于5E18cm-3。
进一步的技术方案在于，所述掺杂外延层的厚度5点均值为8µm～12µm，掺杂浓度5点均值为1.0E15cm-3～1.2E15cm-3，5点测试位置为中心点和四周区域距边缘6mm的位置。
本发明的有益效果是，通过采用两步外延生长工艺结合周期性氢气流量快速改变吹扫的工艺，实现了对高温下重掺硼衬底杂质自挥发和扩散效应的有效抑制，显著提高了光电传感器用硅外延层掺杂浓度的分布一致性，片内不均匀性从5.09%的控制能力提高至1.48%的水平，制程能力可满足用户要求。
附图说明
图1本发明实施例1的片内掺杂浓度分布示意图；
图2本发明实施例2的片内掺杂浓度分布示意图；
图3本发明实施例3的片内掺杂浓度分布示意图；
图4本发明实施例4的片内掺杂浓度分布示意图；
图5本发明实施例5的片内掺杂浓度分布示意图。
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：本发明所用的硅衬底片为直径150mm的重掺硼衬底片，掺杂浓度高于5E18cm-3，所制掺杂外延层的厚度5点均值为8µm～12µm，掺杂浓度5点均值为1.0E15cm-3～1.2E15cm-3。
5点测试位置为中心点和四周距边缘6mm的点。
实施例1
第一步、反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min；第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，将外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅。
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅层上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min。
第四步、给外延反应基座加热，升温至1070℃。
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1050℃。
第六步、进行本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec。
第七步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1050℃，生长时间设定为7 min。
第八步、掺杂外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
实施例1制得的硅外延层的掺杂浓度不均匀性为5.09%，掺杂浓度5点测试结果如图1所示，中心区域掺杂浓度为1.10E15，四周区域掺杂浓度依次为0.99E15、0.97E15、1.00E15、0.99E15，单位为cm-3。
实施例2
第一步、反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min；
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，将基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅；
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min。
第四步、给外延反应基座加热，升温至1070℃。
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1050℃。
第六步、进行本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec。
第七步、通入流量为250L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫时间设定为5min。
第八步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1050℃，生长时间设定为7 min。
第九步、掺杂外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
实施例2制得的硅外延层的掺杂浓度不均匀性为3.08%，掺杂浓度5点测试结果如图2所示，中心区域掺杂浓度为1.06E15，四周区域掺杂浓度依次为1.02E15、0.98E15、1.02E15、0.99E15，单位为cm-3。
实施例3
第一步、反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min。
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，将外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅。
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min。
第四步、给外延反应基座加热，升温至1070℃。
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1050℃。
第六步、通入氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫过程中氢气流量快速改变，氢气流量由150L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min。
第七步、进行本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec。
第八步、通入流量为250L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫时间设定为5min。
第九步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1050℃，生长时间设定为7 min。
第十步、外延层所需厚度生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10min，最后取片。
实施例3制得的硅外延层的掺杂浓度不均匀性为2.30%，掺杂浓度5点测试结果如图3所示，中心区域掺杂浓度为1.05E15，四周区域掺杂浓度依次为1.04E15、1.00E15、1.00E15、1.01E15，单位为cm-3。
实施例4
第一步、反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min。
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，将外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅。
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min。
第四步、给外延反应基座加热，升温至1070℃。
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1050℃。
第六步、通入氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫过程中氢气流量快速改变，将氢气流量由150L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min。
第七步、进行本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec。
第八步、通入氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫过程中氢气流量快速改变，将氢气流量由150L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；将氢气流量由20L/min增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min。
第九步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1050℃，生长时间设定为7 min；
第十步、外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
实施例4制得的硅外延层的掺杂浓度不均匀性为1.86%，掺杂浓度5点测试结果如图4所示，中心区域掺杂浓度为1.06E15，四周区域掺杂浓度依次为1.04E15、1.02E15、1.01E15、1.03E15，单位为cm-3。
实施例5
第一步、反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min。
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，将外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅。
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min。
第四步、给外延反应基座加热，升温至1070℃。
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1050℃。
第六步、通入氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫过程中氢气流量快速改变，将氢气流量由150L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min。
第七步、进行第一层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec。
第八步、通入流量为250L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫时间设定为5min。
第九步、进行第二层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间30 sec。
第十步、通入氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫过程中氢气流量快速改变，将氢气流量由150L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min。
第十一步、进行外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1050℃，生长时间设定为7 min。
第十二步、外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
实施例5制得的硅外延层的掺杂浓度不均匀性为1.48%，掺杂浓度5点测试结果如图5所示，中心区域掺杂浓度为1.05E15，四周区域掺杂浓度依次为1.03E15、1.02E15、1.02E15、1.01E15，单位为cm-3。
与实施例1、实施例2、实施例3和实施例4相比，在其相应的工艺条件下，实施例5所制得的外延层边缘位置受自掺杂影响最低，掺杂浓度的均匀性指标最优，因此，实施例5为本发明的最佳实施例。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步、向反应腔体内通入氢气，氢气流量设定为20L/min，然后通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为30 L/min，在高温下对外延反应基座残余沉积物质进行刻蚀，反应温度设定为1080℃，反应时间设定为5 min；
第二步、将氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为6 L/min，沉积时间设定为2 min，在外延反应腔体内的外延反应基座表面覆盖一层无掺杂的多晶硅；
第三步、将硅衬底片装入外延反应基座上的多晶硅上，依次利用氮气和氢气吹扫外延反应腔体，氮气的流量设定为100 L/min，氢气的流量设定为150 L/min，反应腔体吹扫时间设定为10 min；
第四步、给外延反应基座加热，升温至1060~1080℃；
第五步、通入氯化氢气体，对硅衬底片表面进行抛光，氯化氢流量设定为3 L/min，抛光时间设定为3min，随后降温至1040~1060℃；
第六步、利用流量周期性快速交替变化，范围为20L/min~150L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，先将氢气流量由150L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；将氢气流量由20L/min快速增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min快速增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；
第七步、进行第一层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间40 sec；
第八步、通入流量为250L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，吹扫时间设定为5min；
第九步、进行第二层本征外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，生长速率设定为1.5μｍ/min，生长时间30 sec；
第十步、利用流量周期性快速交替变化，范围为20L/min~150L/min的氢气对反应腔体进行吹扫，先将氢气流量由150L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；将氢气流量由20L/min快速增加至250L/min，流量增加所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由250L/min快速减小至20L/min，流量降低所需的时间设定为1min，随后在该气流下吹扫3min，将氢气流量由20L/min快速增加至150L/min，流量增加所需的时间设定为30sec，随后在该气流下吹扫3min；
第十一步、进行掺杂外延层的生长，氢气流量设定为150L/min，通入气态三氯氢硅，流量设定为7 L/min，通入硼烷作为外延层掺杂气体，流量设定为75sccm，外延层的生长温度控制在1040~1060℃，生长时间设定为7 min；
第十二步、外延层生长完成后停止加热，依次用氢气和氮气吹扫外延反应腔体，氢气的流量设定为150 L/min，氮气的流量设定为100 L/min，腔体吹扫时间设定为10 min，最后取片。
2.如权利要求1所述的提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法，其特征在于：所述硅衬底片为直径150mm的重掺硼衬底片，掺杂浓度高于5E18cm-3。
3.如权利要求1所述的提升光电传感器用硅外延层掺杂浓度均匀性的方法，其特征在于：所述掺杂外延层的厚度5点均值为8µm～12µm，掺杂浓度5点均值为1.0E15cm-3～1.2E15cm-3，5点测试位置为中心点和四周区域距边缘6mm的位置。
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